DE2056025C3

DE2056025C3 - Verfahren zur holografischen Speicherung von Informationen

Info

Publication number: DE2056025C3
Application number: DE2056025A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. 8000 Muenchen Kiemle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-11-13
Filing date: 1970-11-13
Publication date: 1975-10-16
Also published as: BE775273A; US3770886A; GB1362578A; JPS5243369B1; IT940507B; DE2056025A1; DE2056025B2; NL7115591A; LU64246A1; FR2114518A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur holografischen Speicherung von Informationen, bei dem ein modulierter kohärenter Objektstrahl und ein kohärenter Referenzstrahl zur Belichtung eines lichtempfindlichen Speichermediums verwendet wird und das Auslesen der gespeicherten Information mit Hilfe eines auf das lichtempfindliche Speichermedium gerichteten Lichtstrahls und einem das durchfallende oder reflektierte Licht aufnehmenden fotoelektrischen Wandlers erfolgt.

Die Speicherung von in Form elektrischer Signale vorliegender Informationen auf einem lichtempfindlichen Speichermedium, z. B. einem lichtempfindlichen Band ist an sich bekannt. Ein Beispiel hierfür bietet der Tonfilm, wobei Sprach- und Musiksignale zur Intensitätsmodulation einer Lichtquelle benutzt werden, an der der Film vorbeigeführt wird, so daß auf dem

Film eine Aufzeichnung der Signale in Form einer unterschiedlichen Schwärzung erfolgt. Es ist darüber hinaus auch bekannt, fotografisches Filmmaterial zum Aufzeichnen von Videosignalen zu verwenden, um auf diese Weise Fernsehsendungen aufzuzeichnen. Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht jedoch in der hohen Störanfälligkeit und in dem relativ geringen Rauschabstand.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Speicherverfahren anzugeben, das eine hohe Störsicherheit und einen hohen Signal-Rausch-Abstand besitzt und bei dem darüber hinaus eine höhere Speicherdichte als bei den bisher bekannten Verfahren erzielt werden kann.

Zur .Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei zur Aufzeichnung zeitvariabler Signale ein in bezug auf Objekt- und Referenzstrahl bewegtes Speichermedium verwendet wird, auf dem Objektstrahl und Referenzstrahl gemeinsam ein eindimensionales Hologramm in Bewegungsrichtung des Speichermediums aufzeichnen, und die Zentren von Objektstrahl und Referenzstrahl auf einer gemeinsamen zum Hologramm senkrechten Geraden liegen, und wobei der Objektstrahl und der Referenzstrahl synchron impulsgetastet werden mit einer Tastfrequenz,die doppelt so groß ist wie die obere Grenzfrequenz des aufzuzeichnenden Signals.

Da durch das erfindungsgemäße Verfahren zeitvariable Signale aufgenommen werden sollen, muß das Speichermedium bei der Aufzeichnung in bezug auf die Aufzeichnungsvorrichtung und bei dem Lesen in bezug auf die Wiedergabevorrichtung bewegt werden. Aus der allgemeinen Holografie ist bekannt, daß dabei ein mindestens teilweises Verschmieren der Interferenzen und damit ein entsprechendes Auslöschen der Information entsteht. Das aufzunehmende Signal muß daher zeitlich in kurze Impulse zerlegt werden, deren Dauer so kurz sein muß, daß sich Speichermedium und Interferenzfeld während dieser Dauer höchstens um geringe Bruchteile des kleinsten vorkommenden Interferenzstreifenabstandes aneinander vorbeibewegen. Die hierbei für das Tasten des Objekt- und Referenzstrahles verwendete Tastfrequenz ist nach dem Abtasttheorem doppelt so groß zu machen, wie die obere Grenzfrequenz des aufzuzeichnenden Signals.

Der Objektstrahl kann zweckmäßigerweise amplitudenmoduliert werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch auch, die Polarisationsrichtung des Objektstrahls durch das elektrische Signal zu modulieren. Volles Durchmodulieren erfordert dabei 90° Drehung der Polarisationsebene.

Als Speichermedium kann zweckmaßigerweise ein Band verwendet werden oder auch eine kreisrunde Platte bzw. ein Zylindermantel, die eine spiralförmige Aufzeichnungsspur aufweist.

Zur Erhöhung der Intensität des aufzuzeichnenden Hologramms werden vorzugsweise Objektstrahl und Referenzstrahl eindimensional in Richtung der Hologrammdimension auf das Hologramm fokussiert, z. B. mit Hilfe einer Zylinderlinse oder eines Zylinderspiegels. In gleicher Weise erhalt man eine erhöhte Lichtintensität beim Auslesen der gespeicherten Informationen, wenn der Wiedergabestrahl eindimensional in Richtung der Hologrammdimension auf das Hologramm fokussiert wird.

Um zu vermeiden, daß die obere Grenzfreqlien/.

bei der Wiedergabe dadurch herabgesetzt wird, daß der jeweils auf den Fotodetektor projizierte Bildpunkt mit Aberrationen behaftet isi, sollen die Zentren von Objekt, Referenz-, Wiedergabe- und Bildstrahl auf

einer gemeinsamen zum Hologramm senkrechten Achse liegen. Hierdurch wird Freiheit von Coma und Astigmatismus erreicht, so daß aHein die sphärische Aberration zu berücksichtigen bleibt.

Zum Zweck gleichzeitiger Bild- und Tonwiedergäbe kann die Hologrammspur, die das komplette Videosignal, ggf. einschließlich von Steuerimpulsen enthält, mit einer konventionellen Schallplattenrille kombiniert werden. Die Hologrammspur kann vorzugsweise auf dem Rillengrund der Tonspur oder al-

•5 ternativ daneben angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer kreisrunden Platte als Speichermedium. Eine solche Platte kann mit einem kombinierten Abtastkopf zum Abtasten der akustischen und der optischen Signale abgetastet werden. Wendet man gleichzeitig eine Doppelmodulation der Rillenflanken wie beim Stereoverfahren an, dann kann der eine NF-Kanal für den Ton, der andere für das Farbsignal des Bildes ausgenutzt werden. Die Kombination von Bild- und Ton-

^a5 spur bietet außerdem den Vorteil, daß der Abtastkopf durch die Führung der Nadel der Spur von selbst folgt. Das Kopieren der in dem Speichermedium aufgezeichneten Information ist besonders einfach und zweckmäßig, wenn die Information in Form eines Oberflächenreliefhologramms aufgezeichnet ist. Solche Hologramme lassen sich bekanntlich wie Schallplatten pressen. Besonders bei plattenförmigen Speichermedien ist es zweckmäßig, mit Reflexionshologrammen mit verspiegelter Reliefoberfläche zu arbeiten. dadurch können beide Seiten der Platte wie bei herkömmlichen Schallplatten mit getrennten Programmen bespielt werden.

Zum Zweck der Wiedergabe der gespeicherten Information wird das Speichermedium mit Hilfe eines kohärenten Lichtstrahls derart beleuchtet, daß eine Rekonstruktion der in dem Hologramm gespeicherten Information erfolgt und der hierbei gebildete rekonstruierte Bildstrahl auf einen Fotodetektor geleitet wird, an dem das gespeicherte elektrische Signal auftritt. Hierbei wird vorteilhafterweise das Wiedergabesignal über einen Tiefpaß geleitet, um die Tastfrequenzen auszufiliern.

Zur Erzeugung des Wiedergabestrahls kann mit Vorteil ein Laser verwendet werden. Um den Aufwand bei der Wiedergabeeinrichtung möglichst niedrig zu halten, kann es jedoch vorteilhaft sein, an Stelle eines Lasers eine geeignete Spektrallampe oder eine Lumineszenzdiode mit schmalbandigem Interferenzfilter zu verwenden. Das bei der Wiedergabe erforderliche Licht muß nämlich nur näherungsweise monochromatisch sein und der Leistungsbedarf ist wegen der Fokussierung in einer Dimension relativ bescheiden.

Vorzugsweise kann der Wiedergabestrahl durch eine Lichtleitfaser oder ein Faserbündel in den Abtastkopf geführt werden und aus der Nähe des Lichtempfängers die Hologrammspur beleuchten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Band, auf dem ein eindimensionales Hologramm aufge/.eichnet ist,

Fig. 2 eine vereinfachte Vorrichtung zur Auf/eich-

nung von Information nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 eine entsprechende Wiedergabeanordnung,

Fig. 4 und 5 Strahlengänge bei Aufnahme und Wiedergabe wobei Coma und Astigmatismus vermieden werden.

Fig. 1 zeigt ein lichtempfindliches Band 1, auf dein Information in Form eines eindimensionalen Hologramms 2 gespeichert ist.

Fig. 2 zeigt eine Aufzeichnungsvorrichtung bestehend aus einem Laser 3, einem teildurchlässigen Spiegel 4, Umlenkspiegeln 5 und 6, einem Modulator 7, sphärischen Linsen 8 und 9. einer Zylinderlinse 10 und dem als Aufzeichnungsmedium dienenden lichtempfindlichen Band 1. Der Laser 3 erzeugt einen gepulsten kohärenten Lichtstrahl. Hierzu kann beispielsweise ein Laser mit Modenkopplung verwendet werden, der bei richtiger Dimensionierung automatisch einen solchen Puls erzeugt. Alternativ kann jedoch auch ein rein kontinuierlich arbeitender Laser mit einem externen Amplitudenmodulator verwendet werden. Der von dem Laser 3 erzeugte Strahl wird durch den teildurchlässigen Spiegel aufgespalten in einen ersten Lichtstrahl 15, der über dem Umlenkspiegel 6 und den Modulator 7 geleitet wird und dort amplidutenmoduliert wird. Dieser modulierte Lichtstrahl wird über die sphärische Linse 9 und die Zylinderlinse

10 auf dem Speichermedium 1 fokussiert und überlagert mit dem zweiten Lichtstrahl 14, der nach Verlassen des teilweise durchlässigen Spiegels 4 über den Umlenkspiegel 5, die sphärische Linse 8 und die Zylinderlinse 10 ebenfalls auf dem Speichermedium 1 fokussiert wird.

Beim Auslesen der gespeicherten Information wird, wie Fig. 3 zeigt, das Hologramm 1 mit einer der Bezugswelle 14 entsprechenden Wiedc.gabewelle 16 über eine Zylinderlinse 17 beleuchtet, die durch einen kontinuierlich arbeitenden Laser 11 erzeugt wird. Dabei rekonstruiert es eine dichte Folge von leuchtenden Punkten, von denen jeder zu einem Abtastimpuls bei der Aufnahme gehört und ein Abbild des Erregungszentrums der Objektwelle 15 ist. Die Helligkeit der Punkte stellt die Amplitude des Signals zum Zeitpunkt des betreffenden Abtastimpulses dar. Die Punkte selbst bilden eine regelmäßige Kette. Sie werden nacheinander über eine Zylinderlinse 13 auf einem Fotodetektor 12 projiziert, indem eine Relativbewegung zwischen dem Hologramm 1 einerseits und Laser

11 und Detektor 12 andererseits eingeführt wird. Dabei entsteht durch die wechselnde Beleuchtung ein Wechselstrom im Detektor 12, der nach Verstärkung das Videosignal darstellt. Es ist hierbei bekannt, daß beim seitlichen Vorbeibewegen eines Hologramms an einer zur Wiedergabe dienenden Lichtquelle das Bild im allgemeinen mit einer anderen Geschwindigkeit wandert als das Hologramm. Für den hier vorliegenden Anwendungsfall wäre es vorteilhaft, eine Dimensionierung der holografischen Parameter zu finden, bei der das Verhältnis Geschwindigkeit der Kette von

»ο Büdpunkten zur Hologrammgeschwindigkeit möglichst groß wird, um bei vorgegebener oberer Grenzfrequenz mit möglichst geringer Transportgeschwindigkeit des Datenträgers auszukommen.

Dabei ist allerdings darauf zu achten, daß der je-

»5 weils auf den Fotodetektor projizierte Bildpunkt nicht mit Aberrationen behaftet ist, die ihn über die unvermeidliche Beugung hinaus verbreitern und die obere Grehzfrequenz der Wiedergabe verringern würden. In F i g. 4 und 5 ist eine Anordnung wiedergegeben, die frei von Coma und Astigmatismus ist. F i g. 4 zeigt die Aufnahmeanordnung und Fi g. 5 die Wiedergabeanordnung. Der Objektpunkt G, der Bildpunkt B sowie die Bezugs- und Wiedergabewellenzentren R und R' liegen auf einer gemeinsamen senkrecht zum HoIo-

^a5 gramm 1 verlaufenden Achse.

Bei einer Hologrammgeschwindigkeit V₁₁ = 500 mm/sek, wie sie etwa der Rillengeschwindigkeit einer 30-cm-Schallplatte bei 33 Umdrehungen pro Minute entspricht, einer Wiedergabewellenlänge λ =

0,633 mm (Helium-Neon-Laser) und Öffnungswinkeln der Lichtwellen nahe 1 wäre bei gewöhnlicher fotografischer Speicherung eine Grenzfrequenz von etwa 400 kHz zu erreichen, bei holografischer Speicherung ergibt sich hingegen eine Grenzfrequenz von

etwa 80OkHz. .

Eine weitere Erhöhung der oberen Grenzfrequenz läßt sich mit Vorteil dadurch erreichen, daß man bei der Aufnahme mit einer kleineren Wellenlänge arbeitet, als bei der Wiedergabe, z. B. mit λ = 325 mir (Helium-Cadmium-Laser). Man erhält dann eine obere Grenzfrequenz von etwa 1,54 MHz. Dies reichi bereits für Fernsehbilder mittlerer Qualität aus. Eine weitere Ausdehnung der oberen Ficquenzgrenze is' wie bei Magnetbandgeräten durch elektrische Entzer·

♦5 rung möglich, da der Abfall des Frequenzganges be höheren Frequenzen langsam und stetig erfolgt. Mi Entzerrung und einer Erhöhung der Hologrammge schwindigkeit auf etwa den doppelten Wert, werdei die nach europäischer Fernsehnorm erforderlichei 5MHz erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur holografischen Speicherung von Informationen, bei dem ein modulierter kohärenter Objektstrahl und ein kohärenter Referenzstrahl zur Belichtung eines lichtempfindlichen Speichermediums verwendet wird, und das Auslesen der gespeicherten Information mit Hilfe eines auf das lichtempfindliche Speichermedium gerichteten Lichtstrahls und einem das durchfallende oder reflektierte Licht aufnehmenden fotoelektrischen Wandler erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung zeitvariabler Signale ein in bezug auf Objekt- und Referenzstrahl bewegtes Speichermedium verwendet wird, auf dem Objektstrahl und Referenzstrahl gemeinsam ein eindimensionales Hologramm in Bewegungsrichtung des Speichermediums aufzeichnen, daß die Zentren von Objektstrahl und Referenzstrahl auf einer gemeinsamen zum Hologramm senkrechten Geraden liegen, und daß der Objektstrahl und der Referenzstrahl synchron impulsgetastet werden mit einer Tastfrequenz, die doppelt so groß ist wie die obere Grenzfrequenz des aufzuzeichnenden Signals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektstrahl durch das elektrische Signal amplitudenmoduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektstrahl durch das elektrische Signal in der Polarisationsrichtung moduliert wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein bandförmiges Speichermedium verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium eine kreisrunde Platte oder ein Zylindermantel mit einer spiralenförmigen Aufzeichnungsspur verwendet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Objekt-, Referenz- und Wiedergabestrahl eindimensional in Richtung der Hologrammdimension auf das Hologramm fokussiert werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Zentren von Objekt- und Referenzstrahl auch die Zentren von Wiedergabe- und Bildstrahl auf einer gemeinsamen zum Hologramm senkrechten Geraden liegen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eindimensionale Hologramm am Grund einer Schallrille aufgezeichnet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eindimensionale Hologramm neben einer Schallrille aufgezeichnet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eindimensionale Hologramm in Form eines Oberflächenreliefhologramms aufgezeichnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch K), dadurch ge-

kennzeichnet, daß das eindimensionale Hologramm als Reflexionshologramm mit verspiegelter Relief oberfläche aufgezeichnet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme eine kleinere Lichtweilenlänge verwendet wird als bei der Wiedergabe.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auslesen das Speichermedium mit Hilfe eines kohärenten Lichtstrahls (Wiedergabestrahl) derart beleuchtet wird, daß eine Rekonstruktion der in dem Hologramm gepseicherten Information erfolgt und daß der hierbei gebildete rekonstruierte Bildstrahl auf einen Fotodetektor geleitet wird, an dem das gespeicherte elektrische Signal auftritt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wiedergabesignal durch einen Tiefpaß geleitet wird, um die Tastfrequenz auszufilterp.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß dar Wiedergabestrahl durch einen Laser erzeugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiedergabestrahl durch eine Spektrallampe mit schmalbandigem Interferenzfilter erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiedergabestrahl durch eine Lumineszenzdiode mit schmalbandigem Interferenzfilter erzeugt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wiedergabe eines mit einer Schallrille kombinierten Hologramms Fotodetektor und Strahlführung des Wiedergabestrahls im Abtastkopf des Wiedergabegerätes mit der Nadel des Tonabnehmers geführt werden.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiedergabestrahl durch eine Lichtleitfaser oder ein Faserbündel in den Abtastkopf geführt wird und aus der Nähe des Lichtempfängers die Hologrammspur beleuchtet.