DE2044007A1 - Einrichtung zum Bespeichern eines Hologrammspeichers - Google Patents

Description

7037-70/Kö/s' RCA 61,121 Convention Date: September 5, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St-.A, Einrichtung zum Bespeichern eines Hologrammspeichers

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bespeichern eines Hologrammspeichers.

Als Möglichkeit zur Speicherung riesiger Mengen von Binärdaten bietet sich der Hologrammspeicher an. Als Speichermedium oder Aufzeichnungsträger kommen dabei photographischer Film für einen Festwertspeicher oder photοchromisches Material oder bestimmte Arten von magnetischen oder anderweitigen Materialien für einen löschbaren Speicher in Frage· Bei einem solchen Speicher, •ei es ein Festwert- oder ein löschbarer Speicher, ist an jeder Speicherstelle ein Hologramm gespeichert und braucht jede Speicher stelle eine nur sehr kleine Fläche, etwa l/lOO bis l/lOOO Zoll (l Zoll ™ 2,54 cm) oder weniger einzunehmen. Jedes Hologramm kann

3 5 eine große Datenmenge, etwa 10 bis 10 Bits oder mehr speichern»

Probleme der Hologrammspeichertechnik sind in dem Artikel "The Promise of Dense Data Storage" in der Zeitschrift "Electronic Design", 11, May 24, 1969, Seiten 59 - 63, erörtert, wobei in Figur 11 dieses Artikels ein spezielles Beispiel eines Hologramm-•peieher* gezeigt ist· Danach ist eine Einrichtung bekannt, bei welcher ei» Strahlungsbündel von einer Quelle kohärenten Lichtes durch eines Ablenker geschickt und auf ein bestimmtes Hologramm

109811/1861

in einer Matrize von identischen Hologrammen gerichtet wird, wodurch das gewählte Hologramm veranlaßt wird, eine Vielzahl von Reflektoren und einfachen LichtStreuungslinsen zu simulieren. Ferner ist es danach bekannt, die resultierenden, divergierenden Lichtstrahlenbündel auf entsprechende bestimmte Flächenbereiche einer sogenannten "Subjektmaskeⁿ und der dazugehörigen sogenannten "Blen denmatrize" zu richten, wobei die Masken- und die Blendenmatrize da zu verwendet werden, die auf dem Aufzeichnungsträger des Speichers aufzuzeichnenden Daten auszudrücken. Ferner ist es bekannt, die von der Masken- und der Blendenmatrize austretenden Lichtstrahlenbündel auf einen bestimmten Flächenbereich eines Aufzeichnungsträ-™ gers zu richten, um eine Interferenzfigur zu erzeugen (mit Hilfe eines Referenzbündels, das auch vom oben erwähnten Ablenker abgeleitet und auf den speziellen Flächenbereich des Aufzeichnungsträgers gerichtet werden kann). Eine derartige Interferenzfigur stellt holographisch die an der Masken- und der Blendenmatrize ausgedrückte Information dar und kann später während eines Lesevorgangs mit kohärentem Licht bestrahlt werden, wobei die in dem bestimmten Flächenbereich des Aufzeichnungsträgers gespeicherte Information selektiv in bezug auf Information, die in Form von Interferenzfiguren in anderen Flächenbereichen des Aufzeichnungsträgers gespeichert ist, wiedergewonnen wird.

* Die von der holographischen Anordnung austretenden Lichtbündel sind divergent, und die in ihrer Größe notwendigerweise beschränkten Masken- und Blendenöffnungen lassen nur einen Bruchteil der einfallenden, divergierenden Lichtbündelenergie, die darauf gerichtet ist, durch. Die durch die Masken- und die Blendenmatrize zum Aufzeichnungsträger gelangende Lichtenergie macht daher nur einen kleinen Bruchteil der im sogenannten "Objektbündel" enthaltenen Energie aus. Es ist daher der Wirkungsgrad bei der Aufzeichnung oder dem Einspeichern in einem solchen Speicher verhältnismäßig gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die während der Zeit, da Daten auf dem Aufzeichnungsträger geschrieben werden, einen verhältnismäßig hohen Wir-

10981 1/1861

kungsgra d aufweist.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Bespeichern eines Hologrammspeiehers «it Informationen , die auf einer Mehrzahl von Datenseiten enthalten sind. Jede Datenseite hat eine Anzahl von Stellen, die optisch den Wert der in diesen Stellen gespeicherten Information darstellen. Die Einrichtung enthält außerdem eine Quelle kohärenten Lichtes und einen Ablenker, der von der Lichtquelle ein Referenzbündel ableitet, das auf eine bestimmte Stelle auf dem Aufzeichnungsträger des Hologrammspeichers gerichtet ist. Außerdem gewinnt der Ablenker aus der Lichtquelle ein Objektbündel, das auf ein bestimmtes gewähltes Hologramm in einer Anordnung von im wesentlichen identischen Hologrammen gerichtet wird. Die Anzahl der Hologramme in der Anordnung ist gleich der Anzahl der Stellen auf dem Aufzeichnungsträger. Jedes Hologramm der Anordnung liefert bei Anwesenheit des Objektbündels Lichtbündel, die (beispielsweise durchdie entsprechenden Stellen in einer gewählten Datenseite) auf die entsprechende Stelle des Aufzeichnungsträgers projiziert werden.

Erfindungsgemäfi speichert jedes Hologramm der Anordnung das Bild einer Vielzahl von Punktlichtquellen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Stellen in einer Datenseite ist. Jedes Hologramm der Anordnung bewirkt bei Anwesenheit des kohärenten Lichtes des einfallenden Objektbündels die Rekonstruktion der Vielzahl der Punktlichtquellenbündel vom Hologrammbild. Diese resultierenden Lichtbündel von den entsprechenden rekonstruierten Quellen werden auf entsprechende Stellen in der gewählten Datenseite gerichtet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung}

Figur 2 eine Anzahl von Informationsseiten;

Figur 3 ein rekonstruiertes Bild einer Anzahl von Lichtquellen, die als eines der Hologramme in der in Figur 1 gezeigten Anordnung gespeichert sind; und

10981 1/186 1

Figur 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Bilden der Anordnung von Hologrammen, deren jedes eine Vielzahl von Lichtquellen nach Figur 1 darstellt.

Die Einrichtung nach Figur 1 enthält eine Quelle kohärenten Lichtes, beispielsweise in Form eines Lasers 10 und einen Lichtbündel-Ablenker 12, der ein elektromechanischer oder ein elektronischer Ablenker sein kann und den Zweck hat, den Laserstrahl auf

2 2

jeweils eine von N Positionen abzulenken, wobei N der Anzahl von

Hologrammen Inder Anordnung 14 sowie der Anzahl von Speicherstellen ψ auf dem Aufzeichnungsträger 16 entspricht.

Das vom Ablenker 12 erzeugte abgelenkte Lichtbündel trifft auf einen Strahlspalter oder -zerleger 18. Ein Teil 17 des Lichtes wird vom Strahlspalter und einem Spiegel 20 auf eine bestimmte Stelle auf dem Aufzeichnungsträger 16 reflektiert. Die Linsen 19 und 21 sorgen dafür, daß die Teilbündel 17 die gleiche Anzahl von Brechungen und Reflexionen erfahren wie der andere Teil 38 des Lichtbündele. Der andere Teil 38 des Lichtbündels tritt durch den Strahlspalter 18 hindurch und trifft auf die Anordnung von Hologrammen 14*

Jedes Hologramm in der Anordnung 14 stellt eine Anzahl von h Lichtquellen dar, die gleich ist der Anzahl von in der Seite 24 gespeicherten Bits. Zu Erläuterungszwecken stellt im vorliegenden Fall jedes Hologramm der Anordnung 14» wie in Figur 3 gezeigt, Lichtquellen dar und enthält jede Seite 24 16 Bits. In der Praxis ist nat als 1.6.

2 ist natürlich B , die Anzahl der Bits pro Seite, sehr viel größer

Der Abstand zwischen der Hologrammanordnung 14 und der Seite 24 (die doppelte Brennweite der Linse 26) ist so bemessen, daß das rekonstruierte Bild des beleuchteten Hologramme auf die Seite 24 fällt. Wie in Figur 3 gezeigt, können die rekonstruierten Lichtquellen als 16 Quellen kohärenten Lichtes in matrixförmiger Anordnung erscheinen. Die Seite 24 kann ein Bildfeld oder Einseibild eines photographischen Filmes sein, wie z.B. in Figur 2 gezeigt. Die Seite kann beispielsweise die Seite M sein. Stattdessen kann

109811/1861

— 5 —

die Seite 24 auch eine elektronisch oder elektrisch gesteuerte Lichtblendenanordnung sein, deren Speicherstellen je nach dem Wert der in den Speicher einzuschreibenden Binärdaten entweder transparent oder opak gemacht werden können. Jede Lichtquelle über; lagert einen opaken oder einen transparenten Flächenbereich der Seite.

Die Linse 26 bewirkt, daft das durch die Seite 24 hindurchtretende Licht auf einen sehr kleinen Flächenbereich des Aufzeichnungsträgers an einer Stelle fokussiert wird, die vom Betrag und von der Richtung der Ablenkung des Lichtbündels durch den Strahlablenker 12 abhängt. Anders ausgedrückt ist die Stelle auf dem Aufzeichnungsträger, auf welche das Licht durch die Linse 26 fokussiert wird, eine Funktion des jeweils aus der Anordnung 14 gewählten speziellen Hologramms. Die Optik des Systems ist so beschaffen, daft das Strahlungsbündel vom Spiegel 20 ebenfalls auf die gleiche Stelle des Aufzeichnungsträgers gerichtet wird. Als Folge davon wird auf dem Aufzeichnungsträger eine Interferenzfigur erzeugt, die als Hologramm auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet wird.

Der Aufzeichnungsträger 16 kann ein photographischer Film für einen Permanent-, d.h. Festwertspeicher oder aber ein photochromieches, magnetisches oder anderweitiges löschbares Material sein.

Im Betrieb der Einrichtung nach Figur 1 kann eine Seite, beispielsweise die Seite M nach Figur 2 anfänglich in der Lage der Seite 24 angeordnet werden. Zu diesem Zeitpunkt kann der Ablenker 12 das LaeerstrahlungsbUndel in die durch die ausgezogene Linie 30 angedeutete Lage oder Position ablenken. Das sich ergebende Referenzbündel 32 fällt auf eine Stelle 36 des Aufzeichnungsträgers 16. Da« Objektbündel 38 durchsetzt den Strahlspalter 18 sowie ein HoIo gramm in der Hologrammanordnung 14· Dadurch wird an der Seiteneteile da· Bild einer Anordnung von kohärenten Lichtquellen, beispielsweise wie in Figur 3 gezeigt, rekonstruiert, wobei jede Lichtquelle «in Informationsbit (ein opake· oder transparente· Quadrat) auf der Seite ausleuchtet. Die Linse 26 konvergiert die- ··· Licht auf die gleiche Stelle 36, auf die auch da· Referenz-

109811/186 1

bündel 32 trifft. Dadurch wird auf dem Aufzeichnungsträger ein Hologramm in einem sehr kleinen Flächenbereich, etwa in der Größe von 0,00645 Quadratzentimeter (1O~° Quadratzoll), gebildet.

Wenn eine zweite Informationsseite, beispielsweise die Seite M+l, aufgezeichnet werden soll,/an die Stelle der Seite 24 gebracht. Bei der hier gezeigten Einrichtung wird zu diesem Zweck lediglich der Film auf das nächste Einzelbild geschaltet. Der Ablenker wird jetzt so eingestellt, daß er das Laserstrahlungsbilndel auf eine andere Stelle der Hologrammanordnung 14 und eine andere

h Stelle des Aufzeichnungsträgers l6 ablenkt. Beispielsweise kann das Laserstrahlungsbündel in die durch die gestrichelte Linie 40 angedeutete Lage abgelenkt werden. Das Referenzbündel 42 trifft jetzt den Aufzeichnungsträger an der Stelle 46. Das Objektbündel 48 tritt nunmehr durch ein anderes Hologramm in der Anordnung 14* Dieses andere Hologramm enthält die gleiche Information wie die übrigen Hologramme in der Anordnung 14» das heifit die einzelnen Hologramme sind jeweils identisch und stellen die gleiche Gruppierung oder Anordnung von l6 Lichtquellen dar. Das optische System ist so beschaffen, daß unabhängig von der Stelle des gewählten Hologramms der Anordnung I4 sein Bild am gleichen Platz, in der Position der Seite 24 erscheint. Jedoch richtet die Linse 26 dieses Licht auf eine neue Stelle, nämli<fa die Stelle 46 auf dem Auf-

" zeichnungsträger. Es wird daher an der Stelle 46 ein zweites Hologramm, das der Seite M+l aufgezeichnet.

Während des oben beschriebenen Schreibvorgangs ist der Aufzeichnungsträger , im Falle eines photographischen Films, aafiaglich unbelichtet. Der Schreib vor gang für jede Stelle kann bei photo graphischem Film eine Belichtungszeit in der Größenordnung von Sekunden oder weniger erfordern, im Falle von bestimmten magnetischen Materialien wie Manganwismuth in der Größenordnung von Mikrο-Sekunden oder weniger. Im Falle von photographischem Film wird nach dem Beschreiben oder Bespeichern sämtlicher Speicherstellen der Film entwickelt und fixiert.

Die oben beschriebene Bespeicherungsmethode ist mit einer Reihe von sehr wichtigen Vorteilen verbunden. Ein solcher Vorteil

109811/1861

besteht darin, daß keine Maske vor dem Aufzeichnungsträger und folgich keine beweglichen Teile zum Verschieben der Maske in unter schiedliche Lagen benötigt werden. Bei vielen bekannten Einrichtungen ist eine solche Maske (in Form eines lichtundurchlässigen Bauteils mit einem kleinen Loch) erforderlich, um zu verhindern, daß außer der zu bespeichernden Stelle andere Teile des Aufzeichnungsträger s belichtet werden.

Ein zweiter wesentlicher Vorteil ist der hohe Wirkungsgrad der Einrichtung. Sämtliche Energie des Objektbündels leuchtet ein bestimmtes Hologramm in der Anordnung 14 aus, und fast die gesamte Energie wird im Aufzeichnungsprozess verwendet.

Dieser Vorteil wird noch deutlicher, wenn man den in Figur des eingangs genannten Artikels "The Promise of Dense Data Storage" gezeigten Speicher betrachtet. Dort tritt das Objektbündel durch ein sogenanntes "Ausleuchtungshologramm". Das Ausleuchtungshologramm ist eine Anordnung von identischen Hologrammen/ wobei jedoch ein identisches Hologramm einen Reflektor und eine einfache Lichtstreulinse simuliert, indem das Objektbündel von der kohärenten Lichtquelle (über den Ablenker) gebrochen wird. Das eines dieser Hologramme durchsetzende divergente Lichtbündel trifft auf (beleuchtet) eine "Subjektmaske" und die dazugehörige "Blendenmatrize" Die Blendenmatrize entspricht einer Informationsseite bei der erfindungsgemäßen Einrichtung. (Dagegen wird bei der erfindungsgemißen Einrichtung die Subjektmaske nicht verwendet und nicht gebraucht.) Die Subjektmaske besteht aus einer Anordnung von kleinen Löchern in einem lichtundurchlässigen Medium. Wegen der Divergenzeigenschaft oder Streuung der einfallenden Lichtbündel kann nur ein Bruchteil jedes Lichtbündeis durch die offenen Blenden der Matrize hindurchtreten und folglich den Aufzeichnungsträger erreichen. Wenn man bedenkt, daß die Maskenlöcher nur einen sehr kleinen Prozentsatz der Fläche der Subjektmaske einnehmen, so ergibt sich, daß diese bekannte Einrichtung einen äußerst geringen Wirkungsgradhat, weil nur ein kleiner Prozentsatz des Objektbündels den Aufzeichnungsträger des Speichers erreichen kann, selbst wenn alle Blenden der Matrize offen sind. Ein solches Hologrammspeicher-

109811/1861

2QU007

werk gemäß de« Stand der Technik hat daher gegenüber der erfindungs gemäßen Einrichtung den Nachteil, daß längere Zeit für die Erzeugung einer Interferenzfigur auf dem Aufzeichnungsträger und/oder eine kohärente Lichtquelle höherer Leistungssteuerung benötigt wird. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber diesem Stand der Technik werden nachstehend noch weiter erläutert.

Wie oben erwähnt, ist die Geschwindigkeit, mit der Hologramme in einem praktikablen Speicherwerk hergestellt werden können, durch die Intensität (d.h. die Energie) des Lichtes im Objektbündel begrenzt. Bei der vorliegenden Einrichtung kann die Hologrammanordnung soviel wie 80-90 % der Energie des Objektbündels 38 auf die Seite 24 ablenken. Da die Hologrammbilder nur diejenigen Flächenbereiche der Seite beleuchten, die eine mögliche Bitstelle umfassen, ist all dieses abgelenkte Licht als Objektbündel für das Speichermedium 16 verfügbar. Es wird also die verfügbare Objektbündelenergie wirksam ausgenützt und bei einer gegebenen Leistung des Lasers 10 die Zeit für dieHerstellung eines Speicherhologramms minimalisiert. Es wird angenommen, daß die erfindungsgemäße Einrichtung einen Wirkungsgrad der Lichtausnutzung aufweist, der ungefähr hundertmal so groß ist wie bei der erwähnten bekannten Einrichtung.

Figur 4 veranschaulicht eine mögliche Methode der Herstellung der Hologrammanordnung 14. Als Laser kann der gleiche Laser 10 verwendet werden wie in Figur 1. Er richtet ein Bündel kohärenten Lichtes durch den Strahlspalter 18 auf den Spiegel 56. Dieses gleiche Bündel wird-vom Strahlspalter 18 auf den Spiegel 20 reflektiert. Es können der gleiche Strahlspalter und Spiegel verwendet werden wie in Figur 1, und das Objektbündel 38 sowie das Referenzbündel 17 verlaufen im gleichen Winkel zum Strahlspalter wie die entsprechenden Bündel in Figur 1. Die anderen optischen Elemente sind ebenfalls ähnlich angeordnet wie in Figur 1.

Das vom Spiegel 20 reflektierte Bündel wird durch Linsen 59 verbreitert oder aufgeweitet und trifft durch die Maske 60 (ein lichtundurchlässiges Element mit einer einzigen kleinen öffnung) auf den Aufzeichnungsträger 14, der ein unbelichteter Film sein kann.

10981 1/1861

Das vom Spiegel 56 reflektierte Bündel wird durch Linsen 62 verbreitert oder aufgeweitet, und das aufgeweitete Bündel durchsetzt einen lichtundurchlässigen Schirm 66 mit einer Anordnung von kleinen Löchern und wird durch die Linse 64 auf den Aufzeichnungsträger fokussiert. Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform hatten die Löcher einen Durchmesser von 0,0254 mm (2 Mil) und einen Mittenabstand von 0,4064 nun (l6 Mil), obwohl auch noch höhere Packungsdichten möglich sind. Das mit Löchern versehene Gebiet des Schirmelementes 66 hatte eine Fläche von 0,635 χ 0,635 mm (t/4 * 1/4 Zoll) und enthielt 256 Löcher. Die Linse 64 bündelt das Licht auf einen kleinen Flächenbereich des Aufzeichnungsträgers I4.

Im Betrieb der Einrichtung nach Figur 4 stellt die Stellvorrichtung 70 die Linse 64 so ein, daß das Licht des Objektbündels von der Anordnung von Löchern 66 auf eine Stelle des Aufzeichnungsträgers 14 fokussiert wird. Die Stellvorrichtung 70 stellt ferner die Maske 60 so ein, daß das kleine Maskenloch auf das durch die Linse 64 fokussierte Bündel ausgerichtet ist. Die Maske 60 ist sehr dicht beim Aufzeichnungsträger 14 angeordnet und läßt nur den jenigen Teil des aufgeweiteten Referenzbündels 72, der durch das Maskenloch tritt, den Aufzeichnungsträger 14 erreichen. Auf diese Weise wird auf dem Aufzeichnungsträger an einer bestimmten Stelle eine Interferenzfigur gebildet, die als Hologramm aufgezeichnet wird. Die Belichtungszeit kann ausreichend lang (z.B. in der Größen Ordnung von 10 Sekunden) gemacht werden, so daß ein Hologramm hoher Güte, das genügend starke Lichtquellen darstellt, gespeichert wird.

Die anderen Hologramme auf dem Aufzeichnungeträger 14 können nach der gleichen Methode hergestellt werden. Nach ausreichender Belichtung dee Filmes wird die öffnung in der Maske 60 durch einen Verschluß (nicht gezeigt) geschlossen und werden die Linse 64 und die Maske 60 durch die Stellvorrichtung 70 an eine neue Stelle verschoben. Danach wird der Verschluß geöffnet, so daß wieder Licht durch die öffnung in der Maske treten kann und ein neuer Fläohenbereich des Aufzeichnungsträgers belichtet wird· Dies wird solange wiederholt, bis die erforderliche Anzahl von Hologrammen auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet 1st, woraufhin dieser belichtet

10 9811/1861

und fixiert wird.

Zu Erläuterungszwecken wurde bei der vorstehenden Beschreibung angenommen, daß jede Informationsseite 16 Bits enthält und jedes Hologramm der Anordnung 14 16 Lichtquellen darstellt. In der Praxis kann die Anzahl der Bits und Lichtquellen in der Grös-

3 5
senordnung von 10 bis 10 und kann die Anzahl der in Aufzeichnungsträger 16 gespeicherten Hologramme 10 oder mehr pro Quadratzoll (6,4516 Quadratzentimeter) betragen.

Statt daft, wie bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel, auf dem Aufzeichnungsträger ein Durchstrahlungshologramm gebildet wird, indem man eine Seite verwendet, die je nach dem Wert der gespeicherten Binärziffern den Durchtritt des Lichtes entweder sperrt oder freigibt, sind auch andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann das Objektbündel von der Seite auf den Aufzeichnungsträger reflektiert werden.

109811/1861

Claims (2)

1. Patentansprüche

   Einrichtung zum Bespeichern eines Hologrammspeichers mit Informationen von einer Anzahl von Datenseiten, wobei jede Date»- seite aus einer Anordnung von einer gegebenen Anzahl von Stellen besteht und optisch den gespeicherten Informationswert darstellt, mit einer Quelle kohärenten Lichtes, einem Ablenker, der von der Quelle ein Referenzbündel, das auf eine gewählte Stelle auf dem Aufzeichnungsträger des Speichers gerichtet wird, und ein Objektbündel, das auf ein gewähltes Hologramm innerhalb einer Anordnung von im wesentlichen identischen Hologrammen gerichtet wird, ableitet, wobei die Anzahl der Hologramme in der Anordnung gleich der Anzahl der Stellen auf dem Aufzeichnungsträger ist und jedes Hologramm bei Anwesenheit des Objektbündels Lichtbündel erzeugt, die durch die betreffenden Stellen in einer gewählten Datenseite auf die entsprechende Stelle auf dem Aufzeichnungsträger projiziert werden, d a d u rc h ge kennzeichnet, daß jedes der Hologramme in der Anordnung (14) Bilder einer Anzahl von Punktlichtquellen speichert, die gleich ist der Anzahl der Stellen in einer Datenseite (24)J daß jedes Hologramm in der Anordnung bei Anwesenheit von einfallendem kohärenten Licht die Anzahl von Punktquellenlichtbündeln rekonstruiert; und daß die resultierenden Lichtbündel von den betreffenden rekonstruierten Punktquellen auf eine entsprechende Stelle in der gewählten Datenseite gestrahlt werden.
2. 2. Hologrammträger für die Einrichtung nach Anspruch 1, g ekennzeichnet durch eine auf einem Aufzeichnung« träger angebrachte Anordnung von Hologrammen, deren jedes die gleiche Anordnung von kohärenten Punktlichtquellen darstellt.

   1098 11/1861