DE2315776A1

DE2315776A1 - Holografiespeicher

Info

Publication number: DE2315776A1
Application number: DE2315776A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Kiemle
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-03-29
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1974-10-10
Also published as: JPS49130755A; JPS5712993B2; US4005394A; GB1470881A; FR2223789B1; FR2223789A1; USB453067I5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Holografiespeicher bestehend aus einer kohärenten Beleuchtungsquelle, einem oder mehreren Lichtablenkern, einer Modulatormatrix, einem Speichermedium und einer Detektormatrix.

Die optische Speicherung ermöglicht Speicherdichten, die veit über den mit bisher.angewandten Speicherverfahren erreichten Dichten liegen, wofür besonders in der Datenverarbeitung, die einen ständig steigenden Bedarf an Großspeichern hat, Interesse besteht.

Wird kohärentes Licht räumlich moduliert, so kann man die durch diese Lichtwelle transportierten Informationen holografisch speichern. In diesem Fall läßt sich jeder Raumfrequenz, d.h, jedem Interferenzstreifensystem, eine Einheit binärer Information, ein bit, zuordnen. Sein Vorhandensein entspricht der binären 1, sein Fehlen der binären O.

Mit Hologrammen können ohne Zuhilfenahme optischer Elemente an beliebigen Orten im Raum Bilder projiziert werden. Darauf gründet sich die Möglichkeit, holografische Speichel' mit nichtmechanischem, wahlfreiem Zugriff zu sehr großen Kapazitätsmengen zu bauen. Holografische Speicherung löst gleichzeitig die bei anderen optischen Speichern hoher Kapazität auftretenden, mechanisch-optischen Toleranzproblenie, da die Datenausgabe durch Abfragen eines außerhalb des Hologramms liegenden, relativ grob strukturierten Bildes erfolgt.

Jedem holografisch gespeicherten bit entspricht ein Punkt auf einer Gegenstandsoberfläche, dessen zugehöriges Inter-

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ferenzfeld auf der ganzen Hologrammfläche gleichmäßig gespeichert wird. Die holografische Speicherung ist gegen Störungen weitgehend immun, da lokale Störungen auf dem Hologramm lediglich eine geringfügige Abnahme des Störabstandes verursachen. Die Punkte werden dabei als Raster im Raum angeordnet. Wird so ein Punkteraster von der der Hologrammoberfläche abgewandten Seite kohärent beleuchtet, so werden die binären Zahlen parallel in das Hologramm eingeschrieben.

Sollen die derart gespeicherten Informationen parallel ausgelesen werden, so ist für .jedes bit ein eigener Fotodetektor nötig. Bei begrenztem technischem Aufwand ist es ausgeschlossen, den gesamten Inhalt eines Großspeichers parallel auszugeben. Man kann jedoch die Speicherfläche in kleine Unterh'ologramne einteilen, deren Kapazität einem parallel auslesbaren Bruchteil der Gesamtkapazität entspricht und üblicherweise in der

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Größenordnung 10 - 10 bit liegt. Beim Lesen wird jeweils nur ein Unterhologramm rekonstruiert, indem es durch einen Wiedergabestrahl vom Querschnitt der Fläche eines UnterhoIogramms beleuchtet wird. Der Strahl wird dabei mit einer Ablenkeinheit über die Speicherfläche geführt.

Die Speicherkapazität ist das Produkt aus der Zahl der Unterhologramme - sie bestimmt die Zahl der durch die Ablenkeinheit unterscheidbaren Strahlrichtungen - und der Kapazität eines Unterhologramms.

Da die Speicherdichte eines derartigen nichtmechanischen Holografiespeichers auf einige 10 bit/mm beschränkt ist, erfordert ein Großspeicher von etwa 10 bit eine Speicher-

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fläche von ca. 1 m .

Es wurde bereits ein Kolografiespeicher vorgeschlagen (siehe unsere ältere Anmeldung, unser Zeichen VPA 73/7032 ), bei dem

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Datenmengen von mehr als 10 bit ohne Schwierigkeiten ausgelesen werden können. Das Speichermedium ist dabei in eine Vielzahl von Speichermoduln unterteilt, wobei jeder Speichermodul aus einem transparenten Körper besteht, der sowohl eine Speicherplatte als auch eine Detektormatrix aufv^eist. Diese Speichermoduln werden in einem getrennten Schreibteil beschrieben und dann zum Ausles'en mechanisch in ihre Position im Holografiespeicher transportiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Holografiespeicher der eingangs genannten Art anzugeben, in dem das Speichermedium nicht nur ausgelesen, sondernauch beschrieben werden kann, ohne daß es seinen Platz im Holografiespeicher verlassen muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Holografiespeicher ein eine Vielzahl von Unterhologrammen enthaltendes Beleuchtungshologramm, mehrere transparente, rechteckige Körper, die mit Lichtteilerflächen versehen sein können, eine Sammeloptik, sowie einen Retroreflektor aufweist.

Der erfindungsgemäße Holografiespeicher weist den Vorteil auf, daß einmal der zeitraubende Transport des Speichermediums zwischen Schreibstation und Lesestation entfällt und daß weiterhin die Kosten für den getrennten Schreibteil eingespart werden können.

Die im Beleuchtungshologramm enthaltenen Unterhologramme sind vorzugsweise Oberflächenrelief-Reflexionshologramme.

Vorteilhafterweise sind die im Beleuchtungshologramm enthaltenen Unterhologramme so ausgestaltet, daß sie auf der Modulatormatrix ein Punkteraster erzeugen.

Die transparenten Körper sind vorzugsweise Glaskörper mit einem

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Brechungsindex größer 1 und das Teilverhältnis der in ihnen enthaltenen Lichtteilerflächen ist vorzugsweise ca. 1:1.

Besonders günstig ist es, wenn die Sammeloptik vor und/oder hinter der Modulatormatrix angeordnet ist und so ausgestaltet ist, daß sie den die Modulatormatrix durchsetzenden Lichtstrahl auf das Speichermedium fokussiert.

Das Speichermedium kann aus zwei Speicherplatten bestehen, die beide je ein Unterhologramm-Raster enthalten, die zueinander versetzt angeordnet sind.

Die Modulatormatrix kann entweder transparent oder reflektierend sein. In beiden Fällen kann sie eine Flüssigkristallanordnung enthalten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das Beleuchtungshologramm und das Speichermedium in derselben Ebene angeordnet.

Der Retroreflektor ist vorzugsweise ein Tripelspiegel.

Anhand der Zeichnungen wird der erfindungsgemäße Holografiespeicher im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Die Figuren 1 bis 4 drei verschiedene schematische Ausführungsbeispiele des Holografiespeichers und die Figuren 5 und 6 zwei Beispiele für die Ausgestaltung des Beleuchtungshologramms und des Speichermediums.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit 22 ein Laser bezeichnet und mit 21 ein Lichtablenker. Der vom Lichtablenker angelieferte Laserstrahl 1 tritt in den Glasblock 2 ein und wird an einer Teilerfläche 3 in zwei Teilstrahlen 4 und 5 zerlegt. Der Teilstrahl 4 beleuchtet ein im Beleuchtungshologramm 7 enthaltenes Unterhologramm 6, das dabei einen Be-

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leuchtungsstrahl 8 für die Modulatormatrix 9 erzeugt. Der Strahl 8 durchsetzt die Modulatormatrix 9 und wird in ihr mit der einzuspeichernden Information räumlich moduliert, wodurch die Objektwelle 10 des zu speichernden Unterhologramms 11 entsteht. Damit die Lichtintensität der Objektwelle auf den Flächenbereich des gewünschten Unterhologramms 11 beschränkt bleibt, ist eine Sammeloptik 12 erforderlich, die aus Linsen, Hologrammen, Kinoforms oder Fresnel-Zonen-Platten bestehen kann.

Der andere Teilstrahl 5 durchläuft einen Retroreflektor 13» der z.B. die Form eines Tripelspiegels haben kann, tritt in den Glasblock 15 ein, trifft dort auf die Teilerfläche 3 und wird von ihr zum Unterhologramm 11 reflektiert, wo er als Bezugsstrahl für die holografische Aufnahme dient. Der die Teilerfläche 3 im Glasblock 15 geradeaus durchsetzende Teil des Strahls 5 geht verloren. "

Beim Lesen des Unterhologramms 11 bleibt die Modulatormatrix 9 geschlossen, so daß nur der Strahl 5 auftritt, der jetzt als Wiedergabestrahl wirkt. Aufgrund des senkrechten Einfalls auf das im Speichermedium 20 enthaltene Unterhologramm 11 rekonstruiert das Unterhologramm außer dem virtuellen Bild der Modulatormatrix, das nicht verwendet wird, nach Durchsetzen eines weiteren Glasblockes 16 ein reelles Bild am Ort der Detektormatrix 14. Dieses Bild wird in elektrische Form umgesetzt und ausgewertet. Die Glasblöcke 2, 15 und 16 weisen nun einen möglichst hohen Brechungsindex auf, in jedem Fall einen Brechungsindex größer 1, so daß sie, wie es in unserer älteren Patentanmeldung P 22 17 408.9 (VPA 72/7046) bereits, vorgeschlagen wurde, als Immersionsmaterial zur Erhöhung der Speicherdichte dienen.

Vom Unterhologramm 6, das im Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 als Reflexionshologramm ausgebildet ist, wird ein

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Teil des Strahls 4 als ungebeugter Anteil in sich selbst reflektiert. Um zu vermeiden, daß dieser Anteil beim Auslesen ein unerwünschtes Unterhologramm im Speichermedium 20 ansteuert, werden die Reflexionshologramme 6 zweckmäßig als Oberflächenrelief-Hologramme mit yerspiegelter Außenfläche ausgeführt und so dimensioniert, daß der \mgebeugte Anteil verschwindet. Eine andere Lösung be.steht darin, das Speichermedium 20 in eine obere und eine untere Hälfte einzuteilen, in jeder Hälfte jedes zweite Unterholograrnr. 11 wegzulassen und die Unterhologrammraster beider Hälften so zueinander zu versetzen, daß der störende Reflex 6¹ des Strahls 4 immer auf leere Stellender Speicherplatten trifft, wie es in den Figuren 5 und 6 beispielsweise dargestellt ist. Als zusätzliche Schutzmaßnahme kann eine Lochmaske 17 vorgesehen sein, die nur vor den Unterhologratnmen Öffnungen hat und daher den störenden Strahl überhaupt nicht zum Speichermedium 20 gelangen läßt.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Holografiespeichers dargestellt. Es unterscheidet sich im Aufbau und Funktionsweise von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der einfallende Strahl 1 zweifach genutzt wird. Er dient bei der Aufnahme als Bezugsstrahl, wobei er durch das Speichermedium 20 hindurchtritt, durch den Retroreflektor 13 aufgefangen und auf das zugehörige, im Beleuchtungshologramm 7 enthaltene Unterhologramm 6 gerichtet wird, wo er die Beleuchtungswelle S erzeugt. Eine Strahlteilerfläche 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel überflüssig, und der mit ihr verbundene Energieverlust des Strahls 5 entfällt. Die rastermäßige versetzte Anordnung der Unterhologramme 11 im Speichermedium 20 kann auch hier zweckmäßig sein, falls die Intensität des auf dem Beleuchtungshologramm 7 ankommenden Strahls 5 besonders hohe Toleranzanforderungen erfüllen muß. ,

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Zur Vereinfachung können die Funktionen der Glaskörper 13 und 16 in einem Glaskörper 16' nach Figur 3 vereinigt werden. Der Glaskörper 16* trägt sowohl die Detektormatrix 14 als auch Flächen 13', die einen Tripelspiegel bilden und den Strahl 5 wie im Glaskörper 13 der Figur 2 zurückwerfen.

Bei beiden Beispielen arbeitet die Modulatormatrix 9 in Transmission. Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Modulatormatrix 9 vorgesehen, die in Reflexion arbeitet. Derartige Modulatormatrizen lassen sich z.B. mit Flüssigkristallen realisieren. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ergibt sich dadurch eine Platzersparnis. Dabei sind in einer Ebene das Speichermedium 20 und das Beleuchtungshologramm 7 zusammengefaßt. Es ist trotzdem zweckmäßig, zwei verschiedenartige Hologrammträgerschichten zu benutzen, da beide Hologrammarten verschiedene Anforderungen zu erfüllen haben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel lassen sich die Funktionen der Glaskörper 15 und 13 in einem nach Figur 3 ausgebildeten Glaskörper 16' vereinigen, wodurch eine v/eitere Vereinfachung erzielt wird.

Um die Lichtleistung der Beleuchtungswellen 8 möglichst voll auszunutzen, ist es vorteilhaft, die Fläche der Modulatormatrix 9 nicht gleichmäßig auszuleuchten, sondern das Licht auf die Öffnungen der Matrix zu bündeln. Die Beleuchtungshologramme erzeugen also auf der Matrix ein Punktemuster, wie es ein Speicherhologramm liefern würde, das auf allen Rasterplätzen die binäre 1 aufweist. Da die Sammeloptik 12 Abbildungsfehler aufweisen kann, wenn der Winkel des Beleuchtungsstrahls zur optischen Achse einen bestimmten, für die Sammeloptik 12 charakteristischen Wert überschreitet, ist es vorteilhaft, diese Aberrationen dadurch zu kompensieren, daß man sie bei der Herstellung der Unterhologramme 6 im Beleuchtungshologram: 7 in Form einer Vorverzerrung in bekannter Weise berücksichtigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Holografiespeicher großer-Kapazität VPA 9/712/2141 4O_984170512 "8-

ist es also möglich, ein Speichermedium mit elektrisch angelieferter Information zu beschreiben und die geschriebenen Hologramme wieder auszulesen, ohne daß das Speichermedium bewegt werden muß. Als Speichermaterial kommen dafür nur Materialien ohne Naßentwicklung in Frage, wie es z.B. die thermoplastischen, löschbaren Speichermaterialien sind.

11 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

(hy Holografiespeicher, bestehend aus einer kohärenten Beleuchtungsquelle, einem oder mehreren Lichtablenkern, einer Modulatormatrix, einem Speichermedium und einer Detektornatrix, gek. ennze "lehnet durch ein eine Vielzahl von Unterhologrammen (6) enthaltendes Beleuchtungshologramm (7), mehrere, transparente, rechteckige Körper (2, 15, 16) die mit Lichtteilerflächen (3) versehen sein können, einer Sammeloptik (12), sowie einem Retroreflektor (13).
2. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die im Beleuchtungshologramm (7) enthaltenen Unterhologramme (6) Oberflächenrelief-Reflexionshologramme sind.
3. Holografiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die im Beleuchtungsholograiam enthaltenen Unterhologramme (6) so ausgestaltet sind, daß sie auf der Modulatormatrix (9) ein Punkteraster erzeugen.
4. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die transparenten Körper (2, 15, 16) Glaskörper mit einem Brechungsindex größer 1 sind, und die in ihnen enthaltenen Lichtteilerflächen (3) ein Teilverhältnis von ca. 1:1 aufweisen.
5. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sammeloptik (12) vor und/oder hinter der Modulatormatrix (9) angeordnet ist und so ausgestaltet ist, daß sie den die Modulatormatrix durchsetzenden Lichtstrahl auf das Speichermedium (20) fokussiert.
6. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeich η.et , daß das Speichermedium aus zwei Speicher-

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platten besteht, die beide je ein Unterhologrammrasxer enthalten, die zueinander versetzt angeordnet sind.
7- Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulatormatrix (9) transparent ■ ist.

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8. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ' zeichnet , daß die Modulatormatrix (9) reflektierend ist.
9. Holografiespeicher nach Ansprüchen.7 und 8, dadurch ge-. kennzeichnet , daß die Modulatormatrix eine Flüssigkristallanordnung enthält.
10. Holografiespeicher nach Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Beleuchtungshologramm (7) und das Speichermedium (20) in derselben Ebene angeordnet sind.
11. Holografiespeicher nach Anspruch 1, dadurch g ek e η η zeichnet ,daß der Retroreflektor (13) ein Tripelspie gel ist.

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