DE2457692A1 - Holographische speichervorrichtung - Google Patents

Holographische speichervorrichtung

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DE2457692A1 DE19742457692 DE2457692A DE2457692A1 DE 2457692 A1 DE2457692 A1 DE 2457692A1 DE 19742457692 DE19742457692 DE 19742457692 DE 2457692 A DE2457692 A DE 2457692A DE 2457692 A1 DE2457692 A1 DE 2457692A1
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Tzuo-Chang Lee
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Description

1C- '?yi Ge G- Dezember 1974
PONEYiiJELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA
Holographische Speichervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine holographische Speichervorrichtung mit einem Speichermedium sowie einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Signalstrahls und eines Bezugsstrahls. Ein holographischer Speicher benutzt ein Speichermedium, auf welchem . eine Vielzahl einzelner Hologramme gespeichert ist. Jedes Hologramm stellt ein unterschiedliches Bit-Muster dar,, genannt . eine "Seite". Die Einspeicherung der Information erfolgt dadurch, daß ein Signalstrahl und ein BezugsstrahSueine bestimmte Stelle des Speichermediums gerichtet werden und zur Interferenz gebracht werden. Der Signalstrahl enthält das mit Hilfe eines Seiten-Komposers erzeugte Bit-Muster. Zum Auslesen der Information wird ein Lesestrahl auf eines der Hologramme gerichtet, welcher hierdurch ein rekonstruiertes Bild des in dem Hologramm gespeicherten Bit-Musters erzeugt. Dieses Bild fällt auf eine Fotodetektor-Anordnung, welche die einzelnen Bits des wiedergewonnenen Bit-Musters abtastet. Holographische Speicher stellen eine besonders vorteilhafte Form von Großspeiphern dar. Bei einer bitweisen Speicherung in einem optischen Speicher stellt ein einzelner Aufzeichnungspunkt auf dem Speichermedium jeweils nur ein Inforrnationsbit dar. Bei einem holographischen Speicher hingegen kann
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ein einziges Hologramm auf dem gleichen Speicher eine ganze Seite mit bis zu 10" Bits darstellen. Es sind holographische Speicher mit 10 oder 10 Seiten vorgeschlagen worden, wobei jede Seite
5 ■
etwa 10 Bits enthält. Ein weiterer Vorteil holographischer Speicher besteht darin, daß die im Hologramm gespeicherte Information gleichförmig über das· gesamte Hologramm verteilt und nicht nur an bestimmten Stellen gespeichert ist. Deshalb ist ein Hologramm relativ unempfindlich gegen Flecken oder Staub auf dem Speichermedium. Ein kleiner Fleck oder ein Staubteilchen auf dem Speichermedium kann nicht wie bei bitweiser Speicherung ein Bit einer digitalen Information verdecken.'
Die Entwicklung holographischer ,Speicher mit einer Kapazität von
10 11
10 bis 10 Bits ist bislang an den begrenzten Eigenschaften einiger Baugrauppen holographischer Speicher gescheitert. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich für die Lichtablenkvorrichtungen und die Seitenkomposer für holographische Speicher hoher Kapazität. Der gegenwärtige Stand der Lichtablenktechnik ist nicht in der Lage, eine große Anzahl auflösbarer Strahlstellungen zu erzeugen, die mit der für einen holographischen Großraumspeicher, erforderlichen hohen Zugriffsgeschwindigkeit einstellbar sind. Außerdem ist es noch nicht gelungen, einen Seitekomposer zu schaffen, der eine zweidimensionale Anordnung von
4 5
10 oder 10 Bits erzeugt. Ein solcher Seitenkomposer bereitet beträchtliche Schwierigkeiten für die Adressierung der verschiedenen Bits. Erfolgt die Adressierung reihenweise,um die Zusammensetzzeit für das Bitfeld zu verkürzen, so muß das Material des optisch aktiven Seitenkomposers Speichereigenschaften haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Schwierigkeiten durch eine neue holographische Speichervorrichtung zu beseitigen und somit die Verwirklichung und praktische Anwendung holographischer Großraumspeicher zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Ihre wesentlichen Vorteile liegen insbesondere darin, daß eine Lichtablenkvorrichtung, welche eine Vielzahl auflösbarer Abtaststellungen erzeugt, nicht benötigt wird, und außerdem die Anforderungen an den
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Seitenkomposer beträchtlich gemildert werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den -Unteransprüchen.
Wenn' in der folgenden Beschreibung von einem eindimensionalen Fourier-Transformationshologramm die Rede ist, so bedeutet dies, daß die Ausdehnung des Hologramms in einer ersten Richtung wesentlich größer ist als in einer zweiten Richtung. Diese Richtung kann als "Hauptausdehnungsrichtung11 bezeichnet werden. Ein eindimensionales-Fourier-Transformationshologramm kann entweder aus einer eindimensionalen Anordnung von Bits bestehen oder aus einer Bitanordnung in einer m χ η-Matrix, wenn m wesentlich, größer ist als n.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 das Blockschaltbild einer holographischen Speichervorrichtung;
Figur 2 die Schnittstelle des Bezugstrahls und des Signalstrahls auf dem Speichermedium;
Die Figuren 3a bis 3d die Interferenzlinien, eines eindimensionalen Fourier-Transformationshologramms; Figur 4 die optische Anordnung für den Seitenkomposer zur Erzeugung eines eindimensionalen Fourier-Transformationshologramms;
Figur 5 einen Querschnitt durch ein Speichermedium mit thermoplastischer und fotoleitender Beschichtung wie es in einer Speichervorrichtung gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann; und Figur 6 einen eindiemsionalen Seitenkomposer.
Bei der holographischen Speichervorrichtung gemäß Figur 1 werden eindimensionale Fourier-Transformationshologramme auf einem beweglichen Speichermedium in Form eines Bandes 10 gespeichert. Hierzu sind eine Lichtquelle 11 in Form eines Lasers, ein Seitenkomposer 12, eine Fourier-Transformationslinse .13, eine Anordnung von Fotodetektoren 14, Strahlenteiler 15 und 16, eine Fokussieroptik 17 sowie Spiegel 18, 19, 20 und 21 vorgesehen. Darüber-
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hinaus können Modulatoren 24 und 25 für den Schreibstrahl 31 und den Lesestrahl 32 vorhanden sein. Handelt es sich um ein Speichermedium mit einem thermoplastischen/fotoleitenden Aufbau, so werden für die Erzeugung des Hologramms ferner eine elektrische Ladevorrichtung in Form eines Korona-Entladungsdrahtes 22 sowie ein Heizer 23 benötigt. Darüberhinaus muß der Fotoleiter gut leitend mit Masse verbunden werden, damit die mittels des Entladungsdrahtes 22 aufgebrachten Ionen von der thermoplastischen Schicht angezogen werden.
Die Lichtquelle 11 erzeugt einen Strahl 30 kohärenten Lichts, welcher mit Hilfe eines Strahlenteiler 15 in Form eines Glan-Prismas in einen Schreibstrahl 31 und Lesestrahl 32 aufgeteilt wird. Aus dem Schreibstrahl 31 werden durch einen weiteren Strahlenteiler 16 ein Signalstrahl 31s und ein Bezugsstrahl 31r abgeleitet. Der Signalstrahl 31s durchläuft einen Seitenkomposer 12, der ein langgestrecktes Bit-Muster im Signalstrahl 31s erzeugt. Die Fourier-Transformationslinse 13 erzeugt eine eindimensionale Fourier-Transformierte des langgestreckten Bit-Musters auf dem Speichermedium 10. Der Bezugsstrahl 31r und der Signalstrahl 31s interferieren auf dem Speichermedium 10 und erzeugen auf diese Weise das eindimensionale Fourier-Transformationshologramm.
In Figur 2 ist die Ausrichtung des Bezugsstrahls 31r und des Signalstrahls 31s dargestellt. Diese Ausrichtung erfolgt so, daß zwei Bedingungen erfüllt sind. Die erste Bedingung besteht darin, daß das auf dem Speichermedium 10 gespeicherte eindimensionale Fourier-Transformationshologramm mit seiner Hauptausdehnungsrichtung rechtwinklig zur Bewegungsrichtung 33 des Spei- , chermediums liegt. Diese Ausrichtung des Hologramms ist wichtig, weil sie zur höchstmöglichen Packungsdichte des Hologramms führt. Die zweite Bedingung ist, daß die Interferenzlinien des Hologramms parallel zur Bewegungsrichtung des Speichermediums verlaufen. Die Wichtigkeit dieser Bedingung wird nachfolgend anhand der Figuren 3a bis 3d erläutert.
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„OWW
Figuren 3a und 3b zeigen eindimensionale Fourier-Transformationshologramme, deren Hauptausdehnungsrichtung im wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des als Speichermedium dienenden Bandes liegt. In beiden Figuren 3a und 3b ist die Information in einer Richtung rechtwinklig zur Bandvorschubrichtung gespeichert. In Figur 3a liegen die InterferenzlinienYparallel zur Bewegungsrichtung. In Figur 3b hingegen sind die InterferenzlinienVrechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Bandes angeordnet. Man sieht, daß die Anforderungen bei der Aufzeichnung des Hologramms gemäß Figur 3a wesentlich weniger kritisch sind als diejenigen für das Hologramm gemäß Figur 3b. In Figur 3b erstrecken sich die Interferenzlinienyrechtwinklig zur Bewegungsrichtung, so daß die maximale Belichtungszeit zur Aufzeichnung des Hologramms kleiner sein mus als die Zeit, in der das Band sich um den Bruchteil einer Interferenzlinie weiterbewegt. In Figur 3a hingegen, wo
AOq
die InterferenzlinienVparallel zur Bewegungsrichtung des Bandes verlaufen, kann die Belichtungszeit wesentlich länger sein, ohne die Aufzeichnung des Hologramms nachteilig zu beeinflussen.
Die in den Figuren 3c und 3d dargestellten Hologramme haben ihre Hauptausdehnungsrichtung parallel zur Bandvorschubrichtung. In
A0<{
Figur 3c sind die InterferenzlinienVrechtwinklig zur Bandbewegung und in Figur 3d parallel zur Bandbewegung ausgerichtet. In beiden Fällen wird die Information in Richtung der Bandbewegung gespeichert. Folglich unterliegen die Hologramme gemäß den Figuren 3c und 3d dem gleichen strengen Aufzeichnungsbedingungen wie das Hologramm gemäß Figur 3b.
Die in Figur 4 schematisch dargestellte Anordnung zur Erzeugung' des Signalstreifens 31s enthält eine zylindrische Fourier-Transformations linse 13, die den Signalstrahl in Richtung der x-Achse bündelt, während eine Zylinderlinse 26 für die Bündelung des Signalstrahls 31s in Richtung der^y-Achse sorgt. . -
der Zum Lesen bzw. Ausspeichern des Hologramms dient der Lesestrahl 32,
mit Hilfe der Spiegel 20 und 21 auf das Speichermedium 10 und da-
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mit auf das dort gespeicherte eindimensionale Hologramm fällt. Der an dem Hologramm gebeugte Teil des Lestrahls 32 erzeugt das wiedergewonnene Bild des im Hologramm gespeicherten Bit-Muaters. Eine Detektoranordnung 14 mit m χ η Detektoren fängt das wiedergewonnene Bild des Bit-Musters auf. Als Lesestrahl 32 dient vorzugsweise der konjugiert komplexe Strahl zum Bezugsstrahl 31 r, so daß ein reelles Bild entsteht. Hierdurch entfällt die andernfalls erforderliche Leselinse.
Obwohl als Speichermedium an sich jedes beliebige zur Speicherung von Hologrammen geeignete Material verwendet werden kann, findet als bevorzugtes Speichermedium ein Band mit einer thermoplastischen und einer fotoleitfähigen Beschichtung Verwendung. Wie Figur 5 zeigt, besteht das Speichermedium 10 aus einer transparenten Film-Grundschicht 50, einer transparenten Leiterschicht 51, einer fotoleitenden Schicht 52 und einer thermoplastischen Schicht 53. Das Prinzip der holographischen Speicherung auf einem thermoplastisch/fotoleitenden Speichermedium ist beispielsweise von L. H. Linn und H. L. Beauchampin einem Aufsatz "Read-Write-Erase in Sit-Optical Memory Using Thermoplastic Hologramms", veröffentlicht in der Zeitschrift "Applied Optics", Band 9,(1970, S.288), in einem Aufsatz von J.C. Urbach und R.W. Meier "Thermoplastic Xerographie Holography", veröffentlicht in "Applied Optics", Band 5 (1966, S.666) und ferner von P.L. Credell und F.W. Spong in einem Aufsatz "Thermoplastic Media for Holographie Recording", veröffentlicht in "RCA Review", Band 33, (1972, S. 206) beschrieben. Die Hauptstufen einer holographischen Aufzeichnung auf einem thermoplastisch/fotoleitenden Material bestehen aus der elektrischen.Aufladung, der Belichtung, der Wiederaufladung und der Wärmeentwicklung. In Figur 1 werden das Aufladen und Wiederaufladen mit Hilfe des Entladungsdrahtes 22, die Belichtung mit Hilfe des Bezugsstrahls 31r und des Signalstrahls 31s und die Wärmeentwicklung mit Hilfe des Heizers 23 durchgeführt.Die Verwendung thermoplastisch/fotoleitender Materialien für die holographische Aufzeichnung hat mehrere Vorteile.Zum einen ist das Hologramm ein Phasenhologramm mit einer hohen Auslesewirksamkeit
in der
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Größenordnung von 10 bis 20%. Zum anderen kann das Hologramm mit Hilfe eines Wärmeimpulses gelöscht werden, dessen Dauer größer als die Zeitspanne für die Entwicklung des Hologramms ist. Schließlich' eröffnet die Möglichkeit 'der Löschung aufgezeichneter Hologramme den Weg für eine Mehrfachaufzeichnung und Wiederverwendung des Speichermediums.
Aus Figur 1 wird ersichtlich, daß die Speichervorrichtung gemäß der Erfindung die eingangs erwähnten Schwierigkeiten herkömmlicher holographischer Speichervorrichtungen überwindet. Zum einen werden die Schwierigkeiten hinsichtlich der Liehtablenkung gänzlich umgangen, weil überhaupt keine steuerbare Strahlablenkvorrichtung erforderlich·ist. Die Adressierung der' einzelnen HoIo-gramme erfolgt durch die Bewegung des Speichermediums. Andererseits sind die Anforderungen an den Seitenkomposer wesentlich verringert, weil bei der Speichervorrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise ein eindimensionaler Seitenkomposer Verwendung findet, während die bekannten holographischen Speicher einenzweidimensionalen Seitenkomposer erforderten. Die Verwendung eines eindimensionalen Se.itenkomposers vereinfacht die Elektrodenanordnung wesentlich, weil einzelne Zuleitungen leicht an einer eindimensionalen Anordnung angebracht werden können. Außerdem kann eine Paralleladressierung erfolgen, um die Zusammensetzzeit des Seitenkomposers zu verkürzen, ohne daß hierfür ein Komposermaterial mit Speichereigen.schaften erforderlich wäre. Aus diesem-Grund können für eindimensionale Seitenkomposer beispielsweise Lanthan modifizierte Blei-Zirkonat-Keramiken mit schmaler Hysteresekurve verwendet werden, welche auch unter der Bezeichnung PLZT bekannt sind. Bei einem.zweidimensionalen Seitenkomposer wäre für die Paralleladressierung ein Material mit Speichereigenschaft erforderlich.
Figur 6 zeigt schematisch einen Seitenkomposer, wie er in der hollographischen Speichervorrichtung gemäß Figur 1 eigesetzt werden kann. Er besteht aus einem Grundkörper 60 aus elektroptischem Material, beispielsweise Lanthan-modfiziertem Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik. Eine transparente Basiselektrode 61· bedeckt die
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Rückseihe des elektrooptischen Körpers 60. Auf der Vorderseite sind einzelne transparente Leiterflächen 62 gebildet. Der Teil des elektrooptischen Körpers 60 zwischen jeder der einzelnen transparenten Leiterflächen 62 und der Grundelektrode 61 bildet jeweils ein Lichtventil. Diese einzelnen Lichtventile werden durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die transparenten Leiterflächen 62 einerseits und die Basiselektrode 61 andererseits gesteuert.
Die Vorteile der Speichervorrichtung gemäß der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen. Erstens ist das Speichermedium transportabel, ersetzbar, speicherbar, änderbar und auswechselbar. Zweitens benötigt diese Speichervorrichtung kein Strahlablenksystem mit einer großen Anzahl auflösbarer Positionen. Drittens verringert dieses System die Anforderungen an den Seitenkomposer beträchtlich. Viertens wird mit dieser Speichervorrichtung eine kontaktfreie Aufzeichnung auf ein Band und Wiedergabe von einem Band ermöglicht, wodurch Probleme der mechanischen Abnutzung vermieden werden, wie sie bei Magnetbandaufzeichnung eine Rolle spielen. Fünftens kann der Bezugsstrahl so kodiert werden, daß die aufgezeichnete Information gemeim bleibt, solange der Kode geheim ist. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann das Speichermedium anstatt eines Bandes eine Scheibe oder eine Trommel sein. In jedem Fall erstreckt sich dabei die Hauptausdehnungsrichtung des eindimensionalen Fourier-Transformationshologramms rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Speichermediums, während die Interferenzlinien sich parallel zur Bewegungsrichtung erstrecken. Als Strahlenquelle für die Speichervorrichtung eignen sich besonders Halbleiterlaser, weil der von ihnen ausgesandte Strahl normalerweise langgestreckt ist. Hierdurch wird der Aufbau der für das Aufzeichnen und das Lesen erforderlichen Optik erleichtert. Anstelle der im Ausführungsbeispiel gezeigten Aufladung mittels eines Koronaentladungsdrahtes kann auch eine andere Aufladetechnik eingesetzt werden, beispielsweise die Aufladung durch Reibungselektrizität. Schließlich kann für das Auslesen des Hologramms vom Band eine getrennte Lesevorrichtung einge-
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» sr- ■ Λ
setzt werden. Das Einspeichern und das Auslesen des Hologramms braucht nicht mit dem gleichen System zu erfolgen.·
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Claims (3)

  1. •Patentansprüche
    Holographische Speichervorrichtung mit einem Speichermedium sowie einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Signalstrahls und eines Bezugstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlenweg des Signalstrahls (31s) ein Seitenkomposer (12) zur Erzeugung einer m χ n-Anordnung der Signalbits mit m^-n vorgesehen ist;
    daß eine Fourier-Transformationsvorrichtung (13) zur Erzeugung einer eindimensionalen- Fourier-Transformierten der Bit-Anordnung auf dem Speichermedium (10) vorhanden ist;
    daß eine Strahlenleitvorrichtung (17,19) zur Ablenkung von Signalstrahl (3.1s) und Bezugsstrahl (31r) auf die gleiche Stelle des Speichermediums (10) vorgesehen ist, wobei durch Interferenz von Signal- und Bezugsstrahl ein Hologramm der eindimensionalen Fourier-Transformierten derart eingespeichert
    wird, daß sich die größte Längenausdehnung des Hologramms in einer ersten Richtung und seine Interferenzlinien sich in
    einer zweiten, vorzugsweise zur ersten rechtwinkligen Richtung erstrecken;
    und daß eine Antriebsvorrichtung das Speichermedium (10) in Bezug auf Signal- und Bezugsstrahl in der genannten zweiten Richtung bewegt.
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  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (11,15) zur Erzeugung eines Lesestrahls (32) sowie eine Strahlenleitvorrichtung (20,21) zur Ablenkung des Lesestrahls auf das Speichermedium (10) vorhanden sind und daß eine m χ η -
    (14)
    Detektor-Anordnung vorgesehen ist, welche das durch einen gebeugten Teil des Lesestrahls'erzeugte wiedergewonnene Bild des Hologramms empfängt."
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenleitvorrichtung (20,21) den Lesestrahl (32) derart auf das Hologramm wirft, daß er den konjungiert komplexen Strahl zu dem bei der Einspeicherung verwendeten Bezugsstrahl (31r) bildet.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (10) ein Band ist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus einer auf einem Träger (50) befindlichen fotoleitenden (52) und thermoplastischen (53) Beschichtung besteht.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (50) des Speicher-, mediums (10) und der fotoleitenden Schicht (52) eine Leiterschicht (51) angebracht ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (10) aus einem transparenten Filmträger (50), einer transparenten Leiterschicht (51), einer fotoleitenden Schicht (52) und einer thermo-' plastischen Schicht (53) besteht.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d-u r c h gekennzeichnet, daß eine vor der Beaufschlagung
    50 9825/0938
    ~ 12-
    des Speichermediums (10) mit dem Signal- und dem Bezugsstrahl eine elektrische Ladung auf das Speichermedium aufbringende Ladevorrichtung (22) vorhanden und eine zum Erweichen des thermoplastischen Materials dienende Heizvorrichtung (23) vorgesehen ist und ein dem Hologramm der eindimensionalen Fourier-Transformierten entsprechendes Deformationsmuster erzeugt wird.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die Ladevorrichtung (22) eine Koronaentladungsquelle enthält.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 8,d. adurch gekennzeichnet, daß die Ladevorrichtung eine reibungselektrische Ladungsquelle enthält.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schreibstrahl (31) und Lesestrahl (32) mit Hilfe eines Strahlenteiler (15) aus der Strahlung (30) derselben Strahlungsquelle (11),vorzugsweise eines Lasers, abgeleitet sind.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Signalstrahl (31s) und Bezugsstrahl (3Ir) mit Hilfe eines zweiten Strahlenteilers (16) aus dem Schreibstrahl (31) abgeleitet sind.
    509825/0938
    3.
    Leerseite
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