DE2515373A1

DE2515373A1 - Holographische speichervorrichtung

Info

Publication number: DE2515373A1
Application number: DE19752515373
Authority: DE
Inventors: Tzuo-Chang Lee
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1975-04-09
Publication date: 1975-11-06
Also published as: JPS50145151A; US3883216A; FR2267607B1; FR2267607A1; CA1027787A

Description

10-04772 Ge 7. April 1975

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., USA

Holographische Speichervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine holographische Speichervorrichtung mit einem Speichermedium, auf dem an mehreren Stellen mit Hilfe eines Signalstrahls und eines Bezugsstrahls Hologramme erzeugbar sind. Wenn nachfolgend von elektro-magnetischer Strahlung oder Licht die Rede ist, so sollen hierunter Frequenzen einschließlich Infrarot, sichbarem und Ultraviolettlicht verstanden werden. Jedes Hologramm stellt ein unterschiedliches Eit-Muster dar, genannt eine "Seite". Die Einspeicherung der Information erfolgt dadurch, daß ein Signalstrahl und ein Bezugsstrahl auf eine bestimmte Stelle des Speichermediums gerichtet v/erden und zur Interferenz gebracht werden. Der Signalstrahl enthält das mit Hilfe eines Seiten-Komposers erzeugte Eit-Muster. Zum Auslesen der Information wird ein Lesestrahl auf eines der Hologramme gerichtet, welcher hierdurch ein rekonstruiertes EiId 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 Großspeichern dar. Bei einer bitweisen Speicherung in einem optischen Speicher stellt ein.einzelner Aufzeichnungspunkt auf dem Speichermedium jeweils nur ein Informationsbit 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 etwa 10 Bits enthält. Ein v/eiterer 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.

Eine der Schwierigkeiten bei der Entwicklung holographischer Speicher liegt in der Bereitstellung eines geeigneten Speichermediums. Das Speichermedium muß löschbar sein, muß seine Eigenschaften über eine Vielzahl von Schreib-Lese-Zyklen erhalten und muß einen relativ hohen Brechungsindex aufweisen. Wegen dieser Anforderungen haben Speichermedien aus thermoplastischen und fotoleitenden Werkstoffen besondere Aufmerksamkeit gefunden. Das Prinzip der holographischen Speicherung auf einem thermoplastisch/fotoleitenden Speichermedium ist beispielsweise von L.H. Linn und H.L. Beauschamp in einem Aufsatz "Read-Write-Erase in Situ-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. Thermoplastische Hologramme sind löschbar und haben einen relativ hohen Brechungsindex. Außerdem sind thermoplastische und fotoleitende Werkstoffe entwickelt worden, die einer Vielzahl von Schreib-Lese-Zyklen standhalten. Ein Problem bei der thermoplastischen holographischen Speicherung liegt in den Bandpaßeigenschaften des räumlichen Frequenzgangs. Die maximale Empfindlichkeit

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liegt bei einer räumlichen Frequenz, welche durch die Beziehung 1/2 h gegeben ist, wobei h die thermoplastische Dicke darstellt. Die Empfindlichkeit fällt nach hohen und niedrigen räumlichen Frequenzen ziemlich schnell ab, wie dies von W.C. Stewart, in einem Aufsatz "An Experimental Read-Write Holographie Memory", veröffentlicht in RCA Review, Band 34 (1973), Seiten 35 bis 39, beschreibt. Die räumliche Frequenz ist gegeben durch den Winkel zwischen dem Eezugsstrahl und dem für die holographische Speicherung benutzten Signalstrahl. Da es wichtig ist, daß jedes der zahlreichen auf dem Medium gespeicherten Hologramme etwa dieselbe holographische Lesewirksamkeit hat, ist es wichtig, daß während der Aufzeichnung der Hologramme ein möglichst gleichbleibender Winkel zwischen dem Bezugsstrahl und dem Signalstrahl beibehalten wird.

Diese Anforderung führt insbesondere dann zu Schwierigkeiten, wenn man holographische Speicher großer Ausdehnung betrachtet. Bei typischen änderbaren holographischen Speichersystemen wird der von der Lichtquelle ausgehende Strahl abgelenkt und dann mit Hilfe eines Strahlenteilers in einen Eezugsstrahl und einen Signalstrahl unterteilt. Der Signalstrahl durchläuft einen Seiten-

komposer, der in einem bestimmten Hologramm zu speichernde Bitmuster
erzeugt. Der Signalstrahl und der Eezugsstrahl v/erden dann auf dem Speichermedium zur Interferenz gebracht und erzeugen das Hologramm auf dem Speichermedium. Systeme dieser iort sind beispielsweise in der US-PS 3 706 080 und dem oben erwähnten Aufsatz von VJ.C. Stewart, insbesondere dort auf den Seiten 5 bis 43 beschrieben. Bei diesen holographischen Speichern ändert sich der Winkel zwischen Bezugsstrahl und Signalstrahl für die verschiedenen Stellen auf dem Speichermedium. Enthält das Speichermedium eine Vielzahl unterschiedlicher Speicherplätze, so kann sich der Winkel zwischen Bezugsstrahl und Signalstrahl ganz beträchtlich ändern. Weist das Speichermedium eine begrenzte räumliche Bandbreite auf, so stellt dies ein ernsthaftes Problem dar.

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Aus der US-PS 3 675 983 ist ein holographisches System bekannt, bei dem der Winkel zwischen Bezugsstrahl und Signalstrahl konstant gehalten wird. Hierzu wird das optische Aufzeichnungssystem für jedes Hologramm räumlich verschoben. Infolgedessen arbeitet dieses System langsam und ist unpraktisch. Es ist nur vertretbar für eine dauerhafte Speicherung von Informationen, wenn also der Schreibvorgang nur einmal auftritt. Bei dem bekannten holographischen System erfolgt nur das Lesen mehrmals und mit hoher Geschwindigkeit. Soll jedoch der Inhalt des holographischen Speichers änderbar sein, also ein Schreiben, Lesen und Löschen des Hologramms mit möglichst hoher Geschwindigkeit ermöglicht sein, so ist das bekannte System hierfür unbrauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine holographische Speichervorrichtung vorzuschlagen, bei v/elcher der Winkel zwischen Signalstrahl und Bezugsstrahl praktisch konstant bleibt, ohne daß hierzu eine mechanische Verschiebung von Teilen des Aufzeichnungssystems erforderlich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus' den Unteransprüchen. Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf in den Zeichnungen schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele Bezug genommen. Hierbei zeigt:

Figur 1 eine erste Ausführungsform einer holographischen Speichervorrichtung;

die Figuren 2a und 2b die Ablenkung des Signal- und des Bezugsstrahls in einem holographischen Speichersystem mit einem Speichermedium von bevorzugter Krümmung;

die Figuren 3a bis 3d die sich an den extremen Speicherplätzen eines Speichermediums mit unterschiedlicher Krümmung ergebenden Winkel zwischen den Signal- und den Bezugsstrahlen; Figur 4 die Abhängigkeit des Winkels zwischen Bezugs- und Signalstrahl als Funktion des Speicherplatzes für drei unterschiedliche Speichermedien und

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die Figuren 5a bis 5d optische Systeme für die Ablenkung des Eezugsstrahls.

Bei der Anordnung gemäß Figur 1 hat das Speichermedium 10 eine gekrümmte Oberfläche und dient der Speicherung von Hologrammen an einer Vielzahl von Speicherplätzen. Das Speichermediuni 10 ist annähernd kugelförmig gekrümrat, wobei ein Durchmesser der Kugel längs der optischen Achse des Signalstrahls 12 s verläuft. Der durch das Speichermedium 10 gebildete Kugelabschnitt 10 ist in Figur 1 durch eine gestrichelte Linie zu einer Kugel ergänzt und stellt sich als Kreis dar. Der Mittelpunkt des Kreises liegt in der Nähe der optischen Achse des Bezugskanals. Die Lage des Kugelmittelpunkts, d. h. mit anderen Worten der Radius der Kugel bestimmt im einzelnen, in welchem Maße der Winkel zwischen dem Signalstrahl und dem Bezugsstrahl konstant gehalten wird. Das Speichermedium 10 kann beispielsweise ein thermoplastisches Aufzeichnungsmedium, ein Magnetfilm, ein fotografischer Film oder ein fotochromatischer, d.h. bei Bestrahlung seine Farbe ändernder Film sein.

Die Lichtquelle 11 erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl 12, der mit Hilfe eines Strahlenteilers 13 in einen Bezugsstrahl 12r und einen Signalstrahl oder Objektstrahl 12s aufgeteilt wird. Diese beiden Strahlen sind für die holographische Aufzeichnung erforderlich. Strahlenleitvorrichtungen leiten gleichzeitig den Bezugsstrahl längs eines Bezugsstrahlenkanals und den Signalstrahl längs eines Signalstrahlenkanals zum Speichermedium 10, wo beide Strahlen während des Schreibvorganges an ausgewählten Stellen zusammentreffen. In Figur 1 ist der Signalstrahl 12s als Einzelstrahl dargestellt, der sich längs der optischen Achse des Signalstrahlenkanals ausbreitet. In gleicher Weise läuft der Bezugsstrahl 12r,ebenfalls dargestellt als Einzelstrahl, längs der optischen Achse des Bezugsstrahlenkanals. Die Strahlenleitvorrichtungen können eine Anzahl optischer Elemente enthalten, wie sie auf

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dem Gebiet der Holographie bekannt sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gehören hierzu ein Strahlenablenksystem 14, ein Spiegel 15, eine Anordnung von Einzellinsen 20, eine Signalstrahlablenklinse 21, eine Bezugsstrahlablenklinse 22 und eine Einzellinsenänordnung 23.

Ein Strahlenablenksystem 14 ist zwischen der Lichtquelle und dem Strahlenteiler 13 vorgesehen und lenkt den Bezugsstrahl 12r sowie den Signalstrahl 12s auf eine Vielzahl auflösbarer Stellen ab. Das Strahlenablenksystem kann akusto-optische, elektro-optische oder mechanische Lichtablenkvorrichtungen aufweisen und zwar entweder vom Winkelablenktyp oder vom translatorischen Typ. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ablenksystem 14 in der Lage, die Strahlen 12r und 12s' in zwei Dimensionen, nachfolgend x- und y-Richtung genannt abzulenken. Ein Spiegel 15 kann im Strahlengang des einen oder anderen Strahls 12r oder 12s angeordnet sein. Er ändert die Ausbreitungsrichtung eines der Strahlen derart, daß sie auf einem gemeinsamen Punkt des Speichermediums 10 zusammentreffen. Eine Anordnung von Einzellinsen 20 befindet sich im Strahlenweg des Signalstrahls 12s. Sie kann aus einer vollflächigen Linse oder wie in Figur 1 gezeigt aus einer Anzahl einzelner Fazettenlinsen bestehen, wobei jede der Einzellinsen an einer der vielen auflösbaren Strahlpositionen angeordnet ist. Die Abmessungen jeder Einzellinse ensprechen vorzugsweise denjenigen der auflösbaren Strahlstellungen. Mit Hilfe dieser Einzellinsen wird der Strahlendurchmesser der einzeln aufgelösten Strahlungspunkte derart verringert, daß das Verhältnis des ursprünglichen Strahlenquerschnitts zum verringerten Strahlenquerschnitt gleich oder größer als die Anzahl der für die Erzeugung eines Hologramms erforderlichen Auflösungspunkte ist. Ein Fourier-Transformationshologramm sollte eine minimale lineare Ausdehnung von 3AL/d haben, wobei d der Abstand zwischen zwei Bits, λ die Wellenlänge des Lichts und L der Abstand zwischen Objekt und Hologramm ist. Die Auflösung

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im Hologramm ist gleich λ WD, so daß das Hologramm mindestens 9K- aullösbare Strahlungspunkte benötigt, wobei D die lineare Z.usuehnung des Objekts und K die Gesamtzahl der Bits in einer Auüdehnungsrichtung ist. Bezeichnet man den Durchmesser einer Linzellinse in der Fazettenlinsenanordnung mit Λ und die Brennweite mit f so muß die Eedingung /(A )) > 9N erfüllt sein.

* Xf /

Die Signalstrahlablenklinse 21 schwenkt den abgelenkten Signalstrahl 12s um den Signalstrahl-Ablenkpunkt P . Unabhängig davon zu welcher Stelle hin der Signalstrahl 12s abgelenkt wird, schwenkt die Linse 21 den Signalstrahl 12s jeweils derart, daß der Zentralstrahl des Signalstrahlenbündels 12s durch den Ablenkpunkt P geht. Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Figur 1 befindet sich die Ablenklinse 21 in unmittelbarem Kontakt mit der Anordnung von Einzellinsen 20. Jedoch kann die Ablenklinse 21 auch hiervon getrennt angeordnet sein. Die Ablenklinse 22 für den Bezugsstrahl 12r schwenkt den abgelenkten Bezugsstrahl um den Ablenkpunkt P . Der Zentralstrahl des Bezugsstrahlenbündels 12r läuft also durch den Ablenkpunkt P unabhängig davon, auf welche Stelle der Bezugsstrahl 12r abgelenkt ist. Die Lage der Ablenkpunkte P und P in Bezug auf das Speichermedium 10 ist wichtig. In Figur 1 liegen diese beiden Punkte und die Oberfläche des Speichermediums 10 etwa auf einer gemeinsamen Kugelfläche. Hierdurch wird ein praktisch konstanter Winkel zwischen dem Signalstrahl 12s und dem Bezugsstrahl 12r während der Aufzeichnung in verschiedenen Speicherstellen des Mediums 10 aufrechterhalten.

Je nach Radius der Kugel kann es sein, daß der Ablenkpunkt P nicht in unmittelbarer Nähe der Kugelfläche liegt. Es ist jedoch wichtig, daß der Ablenkpunkt P des Bezugsstrahls und die Fläche des Speichermediums 10 in unmittelbarer Nähe einer gemeinsamen Kugelfläche liegen. Figur 1 zeigt den Idealfall, in dem auch der Ablenkpunkt P in der Nähe dieser gemeinsamen Kugelfläche angeordnet ist. In diesem Idealfall bleibt der Winkel zwischen den beiden

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Strahlen konstant. Liegt der Ablenkpunkt P nicht auf der ge-.meinsamen Kugelfläche, so ändert sich der Winkel zwischen den beiden Strahlen als Funktion der Speicherstelle. Beide Fälle werden später noch im einzelnen erläutert.

Ein Seitenkomposer 30 und eine Fourier-Transformationslinse 31 befinden sich im Strahlenweg des Signalstrahls 12s in unmittelbarer Nähe des Ablenkpunkts P . Der Seitenkomposer 30 erzeugt während des Schreibvorganges ein Bit-Muster im Signalstrahl 12s. Die Fourier-Transformationslinse sorgt für die Fourier-Transformation dieses Bit-Musters. Der Seitenkomposer 30 kann im Strahlenweg des Signalstrahls 12s vor oder hinter der Fourier-Transformationslinse 31 angeordnet sein. Steuervorrichtungen 40 und 41 für die Strahlstärke erlauben die Einstellung der Strahlintensität des Signalstrahls 12s und des Bezugsstrahls 12r derart, daß Bit-Muster als Hologramm aufgezeichnet wird. Während des Lesevorganges muß die Intensität der auf das Hologramm fallenden Strahlung so klein sein, daß sie das Hologramm nicht verändert. Obwohl in Figur 1 zwei der Strahlstärkesteuerung dienende getrennte Modulatoren 40 und 41 dargestellt sind, kann auch ein einziger Strahlungsmodulator vorgesehen und zwischen der Lichtquelle 11 und den Strahlenteiler 13 angeordnet sein.

Das Lesesystem gemäß Figur 1 umfasst eine Leseablenklinse 50 sowie eine Detektoranordnung 51. Die Linse 50 grenzt unmittelbar an das Aufzeichnungsmedium 10 an und lenkt den abgebeugten Teil des Lesestrahls von jedem der zahlreichen Hologramme in eine gemeinsame Bildebene.ab. Die Detektoranordnung 51 liegt in dieser gemeinsamen Abbildungsebene, wobei jeder Detektor derart angeordnet ist, daß er die Strahlung jeweils eines Bits des Bit-Musters empfängt. Jeder Detektor· liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Intensität der empfangenen Strahlung. Dieses Lesesystera entspricht dem in der US-PS 3 706 080 beschriebenen. Stattdessen kann auch ein anderes Lesesystem Anwendung finden.

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Zur besseren Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgeiüäßeii holographischen Speichervorrichtung sind in den Figuren 2a und 2b zwei verschiedene Betriebsfälle dargestellt. In beiden Beispielen ist jeweils nur derjenige Teil des Speichersystems wiedergegeben, der für diese Erläuterung von besonderem Interesse ist. Er besteht hier aus dem Speichermedium 10 der Einzellinsenanordnung 20,der Sxgnalstrahlablenklinse 21, dem Seitenkomposer 30, der Fourier-Transformationslinse 31 und gegebenenfalls einer Fokussierlinse 32. In Figur 2a sind der Bezugsstrahl 12r und der Signalstrahl 12s auf einen extrem gelegenen Speicherpunkt A des Speichermediums IO gerichtet. Die äußersten Strahlen und der Zentralstrahl des Signalstrahlenbündels 12s und des Bezugsstrahlenbündels 12r sind dargestellt. Die Ablenklinse 21 lenkt den Signalstrahl 12s derart ab, daß sein Zentralstrahl durch den Ablenkpunkt P hindurch zum Speicherpunkt A läuft. In ähnlicher Weise wird der Bezugsstrahl um den Ablenkpunkt P abgelenkt derart, daß sein Zentralstrahl auf seinen Weg zum Speicherpunkt A den Punkt P durchläuft. Der Winkel zwischen den Zentralstrahlen der beiden Strahlenbündel trägt Θ_Λ. Figur 2b zeigt die Lage von Signalstrahl 12s und Bezugsstrahl 12r bei der Bestrahlung eines zweiten ebenfalls extrem angeordneten Punktes B auf dem Speichermedium 10. Auch hier laufen die Zentralstrahlen durch die Punkte P und P , wobei'der Winkel zwischen den Zentralstrahlen gleich

S IC

θ_β ist.

Durch einen einfachen geometrischen Beweis lässt sich zeigen, daß θ = θ = θ_ο ist, wobei θ der Winkel zwischen den optischen Achsen des Eezugsstrahlen- und des Signalstrahlenkanals ist. Tatsächlich bleibt der Winkel zwischen den Zentralstrahlen des Bezugsstrahlenbündels 12r und des Signalstrahlenbündels 12s für alle Speicherstellen in diesem Idealfall gleich. Es zeigt sich, daß die Bandbreitenanforderung für ein holographisches Speichermedium dadurch reduziert werden kann, daß man (a) eine Winkelablenkung anstelle einer Parallelablenkung des Bezugsstrahls vorsieht und (b) eine kugelförmig gekrümmte anstelle einer ebenen

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Speicherfläche verwendet. Die im Winkel abgelenkten, d. h. geschwenkten Bezugsstrahlen werden benötigt, damit der Bezugsstrahl für alle Strahlenpaare einen nahezu konstanten Kinkel mit dem Signalstrahl einschließt. Ein sphärisch, insbesondere kugelförmig gekrümmtes Aufzeichnungsmedium anstelle eines flachen Speichermediums bewirkt, daß alle Strahlenpaare immer gerade auf dem Speichermedium zusammentreffen.

Obwohl die Idealanordnung gemäß den Figuren 1 und 2 die geringsten Anforderungen an Bandbreite stellt, braucht dies von der Ausbildung der Linsen oder der Herstellung des Speichermediums her gesehen nicht die optimale Anordnung zu sein. Eine Verringerung der räumlichen Bandbreiteanforderungen lässt sich auch erreichen, wenn man ein gekrümmtes Speichermedium einsetzt, dessen Krümmungsradius größer ist als derjenige bei der Idealanordnung .

Die Figuren 3a bis 3d zeigen bei verschiedenen Speichersystemen, die sich zwischen dem Bezugsstrahl 12a und dem Signalstrahl 12s ergebenden Kinkel. In allen vier Figuren ist jeweils nur der Zentralstrahl der beiden Strahlenbündel für zwei extreme Speicherpunkte dargestellt. Figur 3a zeigt die zuvor anhand der Figuren 1 und 2 beschriebene Idealanordnung. In Figur 3d ist die bisher übliche Anordnung mit einem flachen Speichermedium und parallel abgelenkten Bezugsstrahlen dargestellt. Die Figuren 3b und 3c hingegen lassen Ausführungeformen der Erfindung erkennen, in denen der Krümmungsradius des Speichermediums 10 größer ist, als der im Idealfall gemäß Figur 3a und kleiner als im Fall der Figur 3d, wo der Krümmungsradius unendlich ist.

In Figur 3a liegen das Speichermedium 10 und die Ablenkpunkte P und P auf einer gemeinsamen Kugelflache. Der Winkel zwischen dem Bezugsstrahl 12r und dem Signalstrahl 12s ist für alle Speicherplätze gleich e_Q. Ein anderer Winkel der bei anderen nicht idealen Fällen von Interesse ist, ist der Winkel zwischen dem Zentralstrahlen des Signalstrahls für die beiden Speicherstellen A und B.

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Dieser Winkel wird im Idealfall mit θ bezeichnet.

Figur 3b zeigt ein Speichermedium 10' mit einem größeren Krümmungsradius. Wie in Figur 3a liegt der Hittelpunkt der Kugelfläche auf der optischen Achse des Signalstrahlenkanals. Der Mittelpunkt stimmt in Figur 3b mit dem Ablenkpunkt P überein/ d. h. der Krümmungsradius ist doppelt so groß wie in Figur 3a. Aus Figur 3b ist ersichtlich, daß die Winkel zwischen dem Bezugsstrahl und dem Signalstrahl nicht mehr konstant sind. Der Winkel θ zwischen Bezugsstrahl und Signalstrahl im Speicher A¹ ist der größte und der Winkel θ_ ist der kleinste Winkel.

L·

Es lässt sich zeigen, daß θ , = θ_η + θ /4 und θ _f = θ_η - 0 /4.

In Figur 3c ist der Krümmungsradius des Speichermediums 10" viermal so groß wie in Figur 3a. Wie in den beiden vorangegangenen Figuren liegt der Ablenkpunkt P in unmittelbarer Nähe der Kugelfläche. Der Unterschied zwischen den Winkeln die Bezugsstrahl und Signalstrahl an den extremen Speicherpunkten A¹' und B¹' einschließen, ist noch größer geworden. Θ-,, ist größer als θ _f während ©„_f, kleiner ist als θ_η,.

Bei der bekannten Anordnung gemäß Figur 3d mit einem ebenen Speichermedium 10' " liegt der Krümmungsradius des Speichermediums im unendlichen und folglich auch der Ablenkpunkt P für den Bezugsstrahl 12r. Der Bezugsstrahl ist also ein parallel statt im Winkel abgelenkter Strahl. Dies stellt den schlechtesten Fall für die gewünschte Konstanthaltung der Winkel dar. Der Winkel Θ..,, ist noch größer als Θ, , , während der Winkel θ_τ,,., noch kleiner ist als θ_β|ι. Es lässt sich zeigen, daß θ ,,, = 9_Q + θ /2 und θ_,,, = Θ_Λ - θ /2 ist.

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Die Veränderung des Winkels zwischen Bezugsstrahl 12r und Signalstrahl 12s als Funktion der Speicherstelle ist in Figur 4 dargestellt. Wie man sieht, führt die Anordnung gemäß Figur 3d mit

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einem ebenen Speichermedium zu der größten Änderung des Winkels zwischen den beiden extrem liegenden Speicherplätzen. Andererseits zeigt die Idealanordnung gemäß Figur 3a das Minimum der Winkeländerung. Zwischen diesen beiden Extremen liegen die Anordnungen nach den Figuren 3b und 3c, welche eine wesentliche Verringerung der B'andbreiteanforderung gegenüber der bekannten Anordnung gemäß Figur 3d bringen. Welche Anordnung im einzelnen zur Ausführung gelangt, hängt in erster Linie von den Bandbreiteeigenschaften des Aufzeichnungsmediums sowie Konstruktions- und Fertigungsanforderungen für die Linsen und das Speichermedium ab.

Die Träger-Raumfrequenz hängt mit dem Winkel zwischen den beiden Strahlen über folgende Gleichung zusammen:

^c = θ/_λ .

Die Bandbreite für die Nachführung der Bezugs- und Signalstrahlpaare beträgt

= Λθ/X = 0 für die Idealfläche gemäß

Figur 3a = θ /2A für den Krümmungsmittel-

punkt bei P gemäß Fig. 3b den Stand der Technik gemäß Figur 3d.

Die Gesamtbandbreite für das Speichermedium wird gebildet durch und die Signalstrahlbandbreite:

E =

λ J

AF

η Q

für die Idealfläche gemäß Figur 3a

für den Krümmungsmittelpunkt bei P gemäß Figur 3b

für den Stand der Technik gemäß / η f ijgfiir 3d

Als Beispiel für eine f/2 Speicheroptik mit Λ ~ 5000 A, θ =

und einer kugelförmig gekrümmten Speicherfläche mit dem Erün-Kiungsir.ittelpunkt in P beträgt die erforderliche Gesamtbandbreite 1500 Zeilen/mm. Mit einer ideal gekrümmten Speicherfläche beträgt die Gesaiatbandbreite 1000 Zeilen/mm und bei Verwendung einer ebenen Speicherfläche 2000 Zeilen/mm. Zwischen dem Idealfall und dem ungünstigsten Fall liegt also eine -Verdoppelung der Bandbreite.

Die Figuren 5a bis 5d zeigen vier mögliche Einrichtungen zur Ablenkung eines parallel abgelenkten Bezugsstrahlenbündels. In jedem Fall muß der Bezugsstrahl um den Punkt P ' abgelenkt werden, wobei er mehr oder weniger konzentriert bleiben muß. Der Bezugsstrahl 12r wird um den Punkt P abgelenkt mit einem Gesamtablenkungswinkel Θ, einem Strahlendurchmesser d und unter Beibehaltung der Strahlenbündelung. Figur 5a zeigt ein Ablenksystem ähnlich demjenigen gemäß Figur 1. In der Ebene, in welcher die parallel abgelenkten Aufzeichnungspunkte mit Hilfe einer vorhergehenden Ablenkoptik aufgelöst sind, liegen die Einzellinsen einer Fazettenlinsenanordnung 23. Jede Einzellinse hat eine Brennweite f. Im Abstand 2f befindet sich eine große Feldlinse 22 mit einer Brennweite f. Der Bezugsstrahl 12r wird um den Punkt P abgelenkt, der im Abstand f hinter der Feldlinse 22 liegt. Es lässt sich zeigen, daß der durchmesser d des Ausgangsstrahls der gleiche ist, wie der des Ursprungsstrahls.

Figur 5b zeigt ein anderes System, wobei die Feldlinse 22 und die Fazettenlinsenanordnung 23 in der Ebene liegen, in welcher die parallel abgelenkten Strahlenpunkte aufgelöst sind. Die Sammellinse 24 mit einer Brennweite von f/2 liegt im Ablenkpunkt P . Wiederum ist der Ablenkwinkel gleich θ und der Durchmesser des Ausgangsstrahls d.

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Auch in Figur 5c wird eine Ablenkoptik mit einer Facettenlinsenanordnung 23, einer Feldlinse 22 und einer Sammellinse 24 eingesetzt. Alle Linsen haben hier die Brennweite f. Die Fazettenlinsenanordnung 23 liegt in der Auflösungsebene, während die Feldlinse in der Brennebene der Fazettenlinsen angeordnet ist. Die Sammellinse 24 befindet sich im Ablenkpunkt P , welcher im Abstand f hinter der Feldlinse 22 liegt. Es zeigt sich, daß auch hier der Durchmesser d des Ausgangsstrahenbündels gleich dem des Ursprungsstrahlenbündels ist und der Ablenkwinkel θ = w/f beträgt. Dabei ist w der Abstand zwischen den am weitesten außen liegenden Eingangsstrahlen.

Liegt der Ablenkpunkt genügend weit entfernt, so werden die Fazettenlinsen gemäß den Figuren 5a bis 5c nicht benötigt. Je weiter der Punkt P vom Speichermedium IO entfernt liegt, umso kleiner wird θ und damit wird die Brennweite f umso größer. Mit anderen Worten die Brechungskraft der Facettenlinsen wird kleiner. An einem Punkt wo die Fokussierung durch die Fazettenlinsenabmessung der fokussierten Strahlen nicht mehr merklich ändert, können die Fazettenlinsen weggelassen werden. Ist dieser Punkt erreicht, ergeben sich sehr einfach aufgebaute Ablenkmittel gemäß Figur 5d. Nur eine Ablenklinse 22 wird noch benötigt. Ist der Strahlendurchmesser in der zweiten Auflösungsebene der gleiche .wie der Strahlendurchmesser d in der ersten Auflösungsebene, so gilt f = b und a = 2b.

Die Erfindung führt zu einer Verringerung der Bandbreitenanforderungen an ein holographisches Speichermedium. Erreicht v/ird dies durch eine Verringerung der Winkelunterschiede zwischen Signalstrahl und Bezugsstrahl für die verschiedenen Speicherstellen. Hierfür werden passive optische Elemente eingesetzt, welche ortsfest angeordnet sind und nicht bewegt zu werden brauchen. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann man anstelle von Einzellinsen oder Linsenanordnungen für die Ablenkung andere optische Elemente wie Spiegel oder dergleichen einsetzen.

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Kine andere Abwandlung besteht darin, daß die konkav gekrümmte Fläche des Speichermediums 10 nicht Teil einer Kugelfläche, Teil eines Toroides ist, auf dessen Querschnittskreis

zugleich die beiden Ablenkpunkte P und P liegen und der durch Rotation dieses Querschnittskreises um eine durch die beiden Ablenkpunkte gehende Achse entsteht.

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Claims

Patentansprüche

fly Holographische Speichervorrichtung mit einem Speichermedium, auf dem an mehreren Stellen mit Hilfe eines Signalstrahls und eines Bezugsstrahls Hologramme erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (10) eine zumindest angenähert sphärisch gekrümmte, zu den Strahlen (12r, 12s) hin konkave Fläche aufweist und daß eine Ablenkvorrichtung (22, 23, 24) für mindestens einen der Strahlen (12r) vorgesehen ist, welche diesen Strahl um einen in der Nähe der gekrümmten Fläche oder deren Festsetzung gelegenen Ablenkpunkt (P ) ablenkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gekrümmte Fläche Teil einer Kugelfläche ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gekrümmte Fläche Teil einer Toroidfläche ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine den Bezugsstrahl (12r) um einen in der Nähe der gekrümmten Fläche liegenden Ablenkpunkt (P ) ablenkende Ablenkvorrichtung (22, 23, 24) vorgesehen ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Signalstrahl (12s) um einen Ablenkpunkt (P ) ablenkende Ablenkvorrichtung (20, 21) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein Seitenkomposer (30) im Strahlenweg des Signalstrahls (12s) in der Nähe des Ablenkpunktes (P ) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkpunkt (P ) für de Signalstrahl (12s) in der Nähe der Kugelfläche liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß im Strahlenweg des Signalstrahls (12s) eine Fourier-Transformationslinse (31) in der Nähe des Seitenkomposers (30), vorzugsweise im Ablenk-r punkt (P ), angeordnet ist.

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9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkvorrichtung für den Signalstrahl (12s) eine Ablenklinse (21) und eine Facettenlinsenanordnung (20) enthält.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkvorrichtung für den Bezugsstrahl (12r) eine Feldlinse (22) enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10* dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkvorrichtung für den Bezugsstrahl (12r) eine Einzellinsenanordnung (23) enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und H/ dadurch gekennzeichnet , daß die Feldlinse (22) und die Einzellinsenanordnung (23) räumlich unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kollimatorlinse (24) in unmittelbarer Nähe des Ablenkpunkts (P ) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet t daß in der Ablenkvorrichtung für den Bezugsstrahl (12r) die Einzellinsen der Einzellinsenanordnung (23) und die Feldlinse (22) die gleiche Brennweite f haben, der Ablenkpunkt (P ) im Abstand der Brennweite f hinter der Feldlinse (22) liegt und der Abstand zwischen der Einzellinsenanordnung {23) und der Feldlinse (22) der doppelten Brennweite (2f) entspricht (Figur 5a).

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15. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13/ dadurch gekennzeichnet , daß in der Ablenkvorrichtung für den Bezugsstrahl (12r) die Einzellinsen der Einzellinsenanordnung (23) und die Feldlinse (22) die gleiche Brennweite f haben, der Ablenkpunkt (P ) im Abstand der Brennweite f hinter der Einzellinsenanordnung (23) liegt und an dieser Stelle eine Kollimatorlinse (24) mit der Brennweite f/2 angeordnet ist (Figur 5b).
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10,11 und 13, dadurcn gekennzeichnet, daß in der Ablenkvorrichtung für den Bezugsstrahl (12r) die Einzellinsen der Einzellinsenanordnung (23) und die Feldlinse (22) die gleiche Brennweite (f) haben, der Ablenkpunkt (P ) im Abstand der Brennweite f hinter der Feldlinse (22) liegt, der Abstand zwischen der Einzellinsenanordnung (23) und der Feldlinse (22) der Brennweite f entspricht und im Ablenkpunkt (P ) eine Kollimatorlinse (24) mit der Brennweite f angeordnet ist (Figur 5c).
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Feldlinse in der Ablenkvorrichtung für den Eezugsstrahl eine große Brennweite f hat, der Abstand zwischen dem Speichermedium und dem Ablenkpunkt des Bezugsstrahls relativ groß ist und der Ablenkpunkt im Abstand der Brennweite hinter der Feldlinse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) des Speichermediums (10) vom Ablenkpunkt (P ) der Brennweite f entspricht und der Abstand (a) zwischen der ersten Auflösungsebene und der Feldlinse (22) gleich der doppelten Brennweite (2f) ist (Figur 5d).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablenkpunkt (P ) für den Bezugsstrahl (12r) und das Speichermedium (10) auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablenkpunkt (P ) für den Signalstrahl (12s) auf der optischen Achse des Signalstrahlsystems liegt (Figur 3b). , -
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkpunkt (P ) für den Signalstrahl (12s) und das Speichermedium (10) auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen (Figur 3a).
21. Vorrichtung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand des Ablenkpunktes (P ) für den Signalstrahl (12s) von dem Speichermedium (10) kleiner ist als der Durchmesser der gemeinsamen Kugelfläche.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablenkpunkt (P ) für den Signalstrahl (12s) im Mittelpunkt der gemeinsamen Kugelfläche auf der optischen Achse des Signalstrahlsystems liegt (Figur 3b),
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand des Ablenkpunkts (P ) für den Signalstrahl (12s) von dem Speichermedium (10) kleiner ist als der Radius der gemeinsamen Kugelfläche (Figur 3c).

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