DE2245398A1 - Holographische einrichtung - Google Patents

Description

Holographische Einrichtung Priorität: 16. September 1971, Japan, Nr. 7 1193

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur; Beseitigung oder Verringerung der Störungen bzvf* des Rauschens gegenüber dem Nutzsignal bei einem holographischen Speicher. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Blockierung der von den gewünschten Informationen verschiedenen Störungen bei der Aufzeichnung von Informationen in einem Hologramm mittels eines Multiplex-Belichtungssystems _t um dadurch die auf die wiedergegebenen Bilder treffenden Störungen zu vermindern.

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BAD ORIGINAL

Ein holographischer Speicher ist eine Einrichtung zur Speicherung zwei- oder dreidimensionaler Lichtinformationen in höchst stabiler Form unter gleichzeitiger vollkommener Bewahrung vor Beschädigungen durch Kratzer, Staub, oder sonstige Fremdstoffe; es sind viele Versuche unternommen worden, derartige Einrichtungen in Systemen zur Verarbeitung von Lichtinformationen in größerem Maße einzusetzen. Bemerkenswert ist dabei vor allem ein jüngerer Vorschlag bezüglich eines Elementes zur Zusammensetzung von Lichtinformationen, das es gestattet, zweidimensional« Lichtinformationen unter Verwendung elektrischer Signale zusammenzusetzen. Dieser Vorschlag hat die Möglichkeiten und Aussichten für die Anwendung der Holographie zur Speicherung elektrischer Informationen in Form eines Lichtspeichers erheblich verbessert. Der Ausdruck "Element zur Zusammensetzung von Lichtinformationen" v/ird hier generell zur Bezeichnung von Elementen verwendet, die dem solche Elemente durchsetzenden Licht zweidimensionale Informationen mitteilen. Dazu gehören photographische Filme, etwa Mikrokopie-Filme, Lochkarten, Bänder, Matrizen'von durch elektrische Signale betätigten Lichtverschlüssen oder Lichtblenden usw. Zu dem Typ der Lichtblenden gehören Einrichtungen, bei denen Flüssigkristalle zwischen zwei mit mehreren transparenten Elektroden versehen Glasplatten gehalten sind und die von dem Flüssigkristall bewirkte Lichttransmission oder -Reflexion (Transmission oder Reflexion werden im folgenden als "Lichtdurchlaßvermögen" bezeichnet) durch ein elektrisches Signal verändert wird; ferner gehören dazu Einrichtungen, bei denen die Modulation der Lichtphase, -Amplitude, -Polarisationsrichtung usw. mittels eines ferroelektrischen Materials erfolgt, dessen Polarisation durch ein elektrisches Signal umgekehrt werden kann*

Nach Durchsetzen des Elementes zur Zusammensetzung der Lichtinformation bildet der Lichtstrahl mit dem Bezugslichtstrahl auf der Oberfläche eines Lichtspeichermediums Interferenz» um

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-γ

ein Hologramm zu erzeugen. Je nach den Eigenschaften des verwendeten Elementes ist es nicht unbedingt erforderlich, sämtliche Teile der von dem Licht durchsetzten Ebene gleichzeitig zu aktivieren; in einigen Fällen kann eine solche Ebene in M Abschnitte unterteilt sein (wobei M eine positive ganze Zahl ist), und solche Abschnitte können in geeigneten Zeitintervallen, etwa zu den Zeitpunkten t^ (in Sekunden) beziehungsweise tp beziehungsweise... t™ aktiviert werden. Generell gestattet die Verwendung einer derartigen Methode zur Vielfach-Zusammensetzung von Lichtinformationen eine bedeutende Vereinfachung des Aufbaus und der Herstellung der Elemente, so daß weitere Versuche für eine breitere Anwendung derartiger Verfahren in Zukunft angeregt werden.

Im folgenden soll die praktische Verwendung eines derartigen Elements zur Zusammensetzung von Lichtinformationen in Verbindung mit einer bekannten holographischen Einrichtung kurz erläutert"werden, um die damit verbundenen Probleme zu erklären. Der Einfachheit halber wird ein Fall aufgegriffen, bei dem die Information "1" der Lichttransmission ( heller Teil) und die Information ^!ϊ0" der Lichtunterbrechung (dunkler Teil) entspricht, um die Mangel bei den Informations-Auf Zeichnungsmethoden nach herkömmlichen Vielfach-Belichtungssystemen aufzuzeigen.

Eine holographische Einrichtung zur Aufzeichnung von Informationen mit einem Vielfach-Belichtungssystem umfaßt eine Kombination aus einer Polarisatorplatte und einer λ/4 -Platte zur Bildung von schlitzförmigen hellen und dunklen Lichtflecken in Spaltenrichtung sowie eine weitere Kombination aus einer Polarisatorplatte und einer λ/4-Platte zur Bildung von schlitzförmigen hellen und dunklen Lichtflecken in Zeilenrichtung. Eine zweidimensional verteilte Bitinformation läßt sich aus Licht und Schatten des durchgelassenen Lichtes aufbauen, indem geeignete Muster von hellen und dunklen Flächen in Spaltenrichtung mit denen.

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in Zei.lenrichtung kombiniert werden. Zur Aufzeichnung einer zweldimensionalen Information auf einem Hologramm wird eine Zeile am äußersten Ende in Zellenrichtung, d.h. öle erste Zeile, zu einem hellen Teil gemacht, während die Üiafigen Zeilen zu dunklen Teilen gemacht werden; helle und dunkle Teile werden dann in Spaltenrichtung gemäß dem Typ der Information der ersten Zeile erzeugt, wodurch dieInformation der ersten Zeile aufgezeichnet wird. Die Aufzeichnung der Informationen der zweiten und folgenden Zeilen erfolgt in gleicher Weise. Dabei werden M Belichtungen durchgeführt, bis die letzte M-te Zeile erreicht und die Aufzeichnung. der Informationen sämtlicher Zeilen vollständig iet.

Es sei nun angenommen, daß die Lichtamplituden an den besagten hellen und dunklen Teilen A_ bzw. A„ betragen.

s n

Handelt es sich um ein optisch perfektes System, so ist es theoretisch möglich, A_n zu null zu machen? in Wirklichkeit hat' Jedoch A einen möglichen Mindestwert ¥on etwa 1/100 von A_. Daher könnte beim Aufzeichnen der Information einer einzigen Linie Licht von anderen Linien (von den (M-1) Linien, die als im dunklen angenommen werden) "durchscheinen", und ein solches durchscheinendes Licht wird ebenfalls auf dem holographischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. Der Einfluß derartigen "Durchscheinens" wird mit zunehmender Vielfältigkeit sichtbarer, was zu einem außerordentlich reduzierten Rauschabstand in dem wiedergegebenen Bild führt, so daß es praktisch unmöglich ist, die Vielfachheit der Belichtungen weiter zu erhöhen.

Anders ausgedrückt hat die erwähnte herkömmliche Einrichtung die beiden folgenden Fehler:

(1) In der Einrichtung wird die Verarbeitung von Informationen in M Zeilen durchgeführt, indem das Verfahren in M Schrittzeiten zerlegt wird, so daß das wiedergegebene Bild unvermeidlich mit stärkerem Rauschen behaftet ist, als es bei

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einer gewöhnlichen Holographie-Einrichtung der Fall ist, bei der das Verfahren in einem Schritt durchgeführt wird. D.h. versucht man, das Rauschen in dem wiedergegebenen Bild auf den Pegel gewöhnlicher holographischer Einrichtungen zu reduzieren, so wird das wiedergegebene Bild zu dunkel, um eine Ablesung zu gestatten.

(2) Die Lichtsperr-Vorgänge sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung sind in Wirklichkeit mit einem gewissen "Durchscheinen" verbunden. Der Wert, der sich ergibt, wenn man die durchscheinende Lichtmenge durch die der Information "1" entsprechende Lichtmenge dividiert, liegt gewöhnlich in der .Größenordnung von 10 ; in Wirklichkeit findet jedoch eine Akkumulation des Durchscheinens statt, das proportional zum Quadrat der Anzahl (H) an Belichtungen ist. Wie oben gesagt, hat A einen Mindestschwellwert von 1/100 von A_, so daß das Durchscheinen quantitativ im wesentlichen gleich der Information wird, wenn M an die 100 geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Hologramms zu schaffen, die selbst bei Anwendung eines Mehrfach-Belichtungsverfahrens in dem wiedergegeberien Bild nur geringes Rauschen erzeugt. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es auch, eine Einrichtung zu schaffen, mit der sich ein Hologramm mit hoher Geschwindigkeit herstellen läßt. Außerdem soll eine solche Einrichtung in ihrem Aufbau einfach und in ihrer Herstellung billig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung unter anderem eine Lichtphasen-Modulationseinrichtung vor, die im Strahlengang entweder des Objektstrahls oder des Bezugsstrahls angeordnet ist, um zum Zeitpunkt jeder einzelnen Belichtung in einem Vielfach-Belichtungsverfahren eine jeweilige relative Phasendifferenz zu erzeugen.

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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine "schematische Darstellung der Anordnung einer holographischen Einrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung für eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer holographischen Einrichtung; . .

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines in der erfindungsgemäßen holographischen Einrichtung verwendeten Raummodulators;

Fig. A eine Darstellung zur Erläuterung der Art und V/eise, auf die der Raummodulator dem passierenden Licht in zeitlicher Folge die Phase mitteilt;

Fig. 5, 6 und 7 schematische Darstellungen weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsformen einer holographischen Einrichtung; und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines in der holographischen Einrichtung nach Fig. 7 verwendeten Raummodulators.

In Fig. 1 bedeuten die Bezugsziffern 1 eine Lasereinrichtung, 2 einen Strahlenteiler, 3 den von dem Strahlenteiler durchgelassenen Laserlichtstrahl, 3¹ den von dem Strahlenteiler reflektierten Laserlichtstrahl, 4 eine Einrichtung, die den Strahl auseinanderzieht, und 5 einen Spiegel. Wie ersichtlich, wird der Laserlichtstrahl 3 durch die Einrichtung 4 in ein paralleles Lichtbündel 6 verwandelt, das in der Lage ist, die gewünschte Fläche auszuleuchten, und im folgenden eine Einheit 7 zum Zusammensetzen zweidimensionaler Lichtinformationen passiert. Die Einheit 7 umfaßt einen Polarisator 8, eine λ/4-Platte 9, eine ferroelektrische Platte 10, die mit einer Vielzahl von in ZeÜenrichtung (Richtung A-A¹) angeordneten fadenförmigen trans-

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parenten Elektroden versehen· ist und deren Dicke gleich der λ/4-Platte ist, ferner einen Lichtdetektor 11, eine . zweite λ/4-Platte 12, eine zweite- ferroelektrlsche Platte 13, die mit einer Vielzahl von in Spaltenrichtung (Richtung B-B') angeordneten fadenförmigen transparenten Elektroden versehen ist und deren Dicke gleich der Dicke der zweiten λ/4-Platte ist, sowie einen zweiten Lichtdetektor

Die Einheit 7 arbeitet folgendermaßen. Das parallele Lichtbündel 6 wird von dem Polarisator 8 in linear polarisiertes Licht verwandelt und durchsetzt die λ/4-Platte 9, wobei es in einer Ebene polarisiert wird, die im (bzw. gegen den) Uhrzeigersinn verdreht ist. Die ferroelektrisch^ Platte ist mit M Fadenelektroden versehen, die horizontal(bzw. in Zeilenrichtung) angeordnet sind, wobei" diesen Elektroden nacheinander und in zeitlicher Beziehung zueinander ein elektrisches Signal zugeführt wird; Die Polarisation der ferroelektrischen Platte 10 wird von dem angelegten elektrischen Signal umgekehrt, so daß die in der im (bzw. gegen den) Uhrzeigersinn gedrehten Ebene polarisierten Lichtstrahlen in Horizontalrichtung (A-A·), d.h. in der Richtung, in der das Licht den Lichtdetektor 11 der Fig. 1 passiert, gleichmäßig angeordnet sind. Andererseits bewirken diejenigen Teile der ferroelektrischen Platte, die mit den Elektroden bedeckt sind, an denen kein elektrisches Signal anliegt, daß die in der im (bzw. gegen den) Uhrzeigersinn gedrehten Ebene polarisierten Lichtstrahlen in der vertikalen Richtung (B-B¹), dh. in der Richtung, in der das Licht von dem Lichtdetektor 11 der Fig. 1 abgefangen wird, angeordnet sind.

Auf diese Art und Weise wird jeder der M fadenförmigen transparenten Elektroden eine elektrische Spannung in zeitlicher Beziehung zueinander zugeführt; indem das Licht der einzelnen Zeilen den Lichtdetektor 11 passiert, wird das an die zweite λ/4-Platte 12 gelangende Laserlichtbündel durch das

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elektrische Signal von Zeile zu Zeile geschaltet. Der Vorgang zum Einschreiben von Informationen in das Lichtbündel für die einzelnen Zeilen wird unten erläutert,

¹I, ' ■

Passiert das fadenförmige Lichtbündel der ersten Zeile die zweite λ/4-Platte 12, so wird es nochmals in Licht verwandelt, das in einer im (bzw. gegen den) Uhrzeigersinn gedrehten Ebene polarisiert ist. Die ferroelektrisch« Platte 13 ist mit N fadenförmigen transparenten Elektroden versehen, die in Spaltenrichtung angeordnet sind; diese Elektroden sind jedoch so gebaut, daß ein elektrisches Signal zur Umkehrung der Polarisation gleichzeitig nur denjenigen Stellen zugeführt wird, an denen die Information "1" eingeschrieben werden soll. Die Lichtstrahlen, die diejenigen Teile der ferroelektrischen Platte passiert haben» an denen ein elektrisches Signal liegt, sind gleichmäßig aus der Polarisationsrichtung der im (bzw. gegen den) Uhrzeigersinn gedrehten Ebene in die Vertikalrichtung bzw. die Richtung in der sie den Lichtdetektor 14 der Fig. 1 passieren, geändert worden, wodurch die Lichtinforroatibn für eine Zeile eingegeben worden ist. Nach Passieren des Lichtdetektors wird das Lichtbündel von einer Informations-Schreiblitise gebündelt und zu einem Informations-Lichtstrahl 16 geformt, der auf das Lichtspeichermaterial 18 trifft. Andererseits wird der Laserlichtstrahl 3' von dem Spiegel 5 reflektiert und wird zu dem Bezugs strahl 17, der mit dem Infornsttions-Lichtstrahl 16 auf dem Lichtspeichermaterial 18 überlappt wird, um dort das Hologramm aufzuzeichnen.

Der gleiche Vorgang wird für die zweite bis zur M-ten Zeile wiederholt, um schließlich ein einteiliges Hologramm zu erzeugen. Ist der Abstand zwischen der Linse 15 und dem Lichtspelchermaterial 18 im wesentlichen gleich der Brennlänge f, so entspricht die Verteilung des Informations-Lichtstrahls auf dem Lichtspeichermedium 18 im v/esentlichen der Fourier-Transformierten der Verteilung der Lichtinformation, die

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den Lichtdetektor 14 passiert hat. Eine derartige Einrichtung zur Erzeugung von Hologrammen bezeichnet man als holographische Einrichtung desRairier-Transformationstyps* Bei den folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird, falls nichts anderes angegeben ist, dieser Fourier-Transformations typ verwendet.

Im folgenden soll die Erfindung in weiteren Einzelheiten anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben werden.

Ausführungsbeispiel 1

Diese Ausführungsform ist für eine Einrichtung zur Erzeugung eines Holograms bestimmt, wobei das Licht nach Passieren des Elementes zur Zusammensetzung zweidimensionaler Informationen mit dem Interferenz-bereiten Bezugsstrahl auf der Oberfläche eines Licht-Aufzeichnungsmediums interferiert und gleichzeitig jedem Abschnitt des in M Abschnitte unterteilten Informations-Lichtstrahls eine Zufalls-Phase erteilt wird, um die oben genannten Mangel herkömmlicher Einrichtungen abzumildern oder gar aufzuheben. Die in dieser Ausführungsform verwendete oben beschriebene Einrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß eine Einrichtung zur zweidimensionalen Unterteilung des Elementes zur Zusammensetzung der Lichtinformation in eine Vielzahl von Bereichen vorgesehen ist und daß die in den einzelnen Abschnitten zusammengesetzte Information zeitlich nacheinander und innerhalb gleicher Zeitspannen geliefert wird, wobei ein Raummodulator jedem Informations-Lichtstrahl, der den betreffenden Abschnitt in zeitlicher Beziehung zu den ändern passiert hat, eine Zufallsphase erteilt.

In Fig. 2 iet in eeheaatischer Form die Anordnung einer holographischen Einrichtung dargestellt, wie sie in dem vorliegenden Ausführungsbeispitl verwendet wird. Diese An-

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Ordnung umfaßt insbesondere einen Raummodulator 19_t der geeignet ist, den Lichtstrahlen eine Zufallsphase zu erteilen, ferner eine ferroelektrieche Platte 19', eine elektrische Eneriequelle 20 zur Aussteuerung des Modulators sowie eine Vielzahl von auf der Oberfläche der ferroelektrischen Platte vorgesehenen transparenten Elektroden 21 (¹ \ 21^²\ ... 21M. Im übrigen ist die Anordnung mit der nach Fig. 1 gleich. Der in der Ausführungsform nach Fig. 2 verwendete Raummodulator wird dadurch hergestellt, daß ein Gadoliniummolybdat-Kristall senkrecht zur O-Achse des Kristalls geschnitten wird, wobei seine Dicke t_Q nach der folgenden Gleichung (1) gewählt wird, .und daß auf beiden Seiten des Kristalls transparente Nesa-Elektroden befestigt werden.

In Gleichung (1) bedeuten λ die Wellenlänge des Lichtes und ⁿa* ⁿb ^die kichtbrechungsindices ^dea Kristalls in Richtung der a-Achse bzw. der b-Achse. Es sei nun angenommen, dafl die Polarisationsrichtung am Ausgang des Elementes zur Zusammensetzung von Lichtinformationen mit der a-Achse übereinstimmt. Aus der Quelle 20 wird dabei ein. elektrisches Signal auf M^ Elektroden (M^ ungefähr gleich 1/2 M), die aus der Gesamtzahl von M Elektroden zufallsmäßig ausgewählt worden sind; ferner wird angenommen, daß die in diesem Zeitpunkt anliegende Spannung höher ist als der Schwellenwert der Polarisation. Bei Verwendung von Gadoliniummolybdat oder eines derartigen Materials findet nicht nur eine Umkehr der Polarisation sondern auch eine Änderung der Kristallstruktur statt, die eine Umkehr der a- und b-Achsen bewirkt. Infolgedessen ist die Phase des Lichtes nach Passieren dieses Kristalls um einen Betrag von π gemäß der welter unten angegebenen Gleichung (2) relativ verschoben.

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-M-

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Dieses durch Anwendung des elektrischen Signals erzeugte Phasenmuster wird während der gesamten Periode beibehalten, in der das Element die Lichtinformation einer.bestimmten " Zeile zusammensetzt. Für die Zusammensetzung der Lichtinformation der nächsten Zeile wird eine nächste Folge von elektrischen Signalen aus der Quelle 20 einer Anzahl von M₁■ Elektroden (mit M^¹ ungefähr gleich -1./2 M) zugeführt, die zufallsmäßig aber unabhängig von der vorherigen Wahl ausgewählt werden. Der gleiche Vorgang wird nacheinander wiederholt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Kombination von "0" und "π" als Beispiel für eine Zufallsphase dargestellt; dies deshalb, weil es warscheinlich im Hinblick auf die Herstellung von Phasenplatten zur Erzeugung von Zufallsphasen in räumlicher und zeitlicher Zuordnung zueinander in Wirklichkeit sehr schwierig wäre, zu viele Arten von Phasen zu erzeugen. Da jedoch eine derartige Definition die Wirksamkeit, die sich aus dem Hinzufügen von Zufallsphasen und der Änderung der hinzugefügten Phasen pro Zeile ergibt, nicht im geringsten beeinträchtigt, wird auch in der folgenden Diskussion die obige Definition verwendet. Im folgenden soll erörtert werden, wie die Gleichungen (1) und (2) mit der Anordnung nach Flg. 2 gelöst werden.

Es sei angenommen, daß die Amplitude (eine komplexe Größe,* ausgedrückt nach dem Effektivwert) des Lichtes dann, wenn der Abschnitt der Zeile m und der Spalte η des Elementes zur Zusammensetzung von Lichtinformationen eine "1" enthält, A beträgt, daß das "Durchscheinen" von diesem Abschnitt die Amplitude a aufweist, wenn eine "0" enthalten ist, und daß die Zufallsphase der Spalte η beim Zusammensetzen der Lichtinformation der Zeile m den Viert 8,

mn de;

von dem Element zur Zusammensetzung der Lichtinformation

aufweist; in diesem Fall ergibt sich die Amplitude S_m des

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_ 12 _

auf das Lichtaufzeichnungsmaterial fallenden Lichtes zum Zeitpunkt der m-ten Belichtung aus der folgenden Gleichung (2):

drückt, so ergibt sich die Energie I zum Zeitpunkt der

S_m = Σ F[
worin F die Fourier-Transformierte bedeutet.

Wird das Bezugslicht in der Hologrammebene durch R ausgedrückt, so ergibt si
m-ten Belichtung aus

^{|R + S}m
worin τ das jeweilige BelichtungszeitIntervall angibt.

Die gesamte Belichtungsenergie I, die dadurch erzeugt wird, daß der gleiche Vorgang von m = 1 bis m = M ausgeführt wird, ergibt sich aus der nachstehenden Gleichung (4);

T-VT * *"^{M N M}

¹ - ^{Σ τ} [MRR +R Γ EF [(A + Σ a-. ) exp(i6_mri)]

m=1 ^m = ^{T [MRR + R Σ Σ F [}(^Amn ⁺ Λ³1η> ^exP<ⁱ⁶mn

m=1 n=1 1=1

^{+ R} J₁ Ji ^ Jl·^

+ S a ) exp(ie ) . S F (A^_n + ·" a*_n) _βΧρ(-1β )]] . (/,)' n=i n=i m=i

In der obigen Gleichung (4) sind insbesondere der zweite und der vierte Ausdruck zu beachten. Wie generell bekannt ist, stehen die Eigenschaften des reproduzierten Bildes des Hologramms in enger Beziehung zu der Belichtungsenergie Die Amplitude des wiedergegebenen Bildes ist proportional zu der umgekehrten Fourier-Transformierten des zweiten Ausdrucks in Gleichung (4), während eine enge Korrelation zwischen dem Rauschen und dem Wert des vierten Ausdrucks

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besteht.

Der zweite Ausdruck der Gleichung (4) läßt sich folgendermaßen vereinfachen:

[Zweiter Ausdruck von Gleichung' (4)] = R F

MN MNM

Der erste Ausdruck des rechten Gliedes der Gleichung (5) enthält A und drückt die gewünschte Energie des wieder- · gegebenen Bildes aus, die aus der umgekehrten Fourier-Transformation erhalten wird, während der zweite Ausdruck a enthält und die Energie des "durchscheinenden" Lichtes in der Wiedergabe angibt. Ist θ = 0, d.h. weist kein Element die erfindungsgemäße Zufallsphase auf, so ergibt der erste Ausdruck des rechten Gliedes von Gleichung (5)

MN

^{c Σ Σ}· Λ™
m=1 n=1 ^¹

(worin C eine Konstante ist) als das gewünschte wiedergegebene Informationslicht, sowie

' M N
C^f Σ Σ Μ. a,
1=1 n=1 - ^±n

(worin C¹ eine Konstante ist) als das wiedergegebene "durchscheinende" Licht. Mit anderen Worten ist das Verhältnis zwischen der Intensität des "durchscheinenden" Lichtes zu der Intensität des wiedergegebenen Informationslichtes (der Rauschabstand N/S) in dem wiedergegebenen Bild durch die folgende Gleichung (6) gegeben:

a²

N/S = M².

(6)

^A m η

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Nimmt man in der obigen Gleichung M= 100 an, so beträgt

der Rauschabstand ungefähr 1, selbst wenn angenommen wird, 2 2 A-

daß a _lm/A mn = 10 ist, wie dies oben erwähnt wurde. Wird andererseits zusätzlich ein Element 19 verwendet, das eine Zufallsphase gemäß der vorliegenden Erfindung einführt, so ergibt der erste Ausdruck des linken Gliedes von Gleichung (5) .

als das gewünschte wiedergegebene Informationslicht. Der Ausdruck ^exP(i⁹ _mn) bedeutet, daß das wiedergegebene Bild, einer Phasenmodulation unterzogen worden ist; dies kann jedoch von einem Detektor, der das wiedergegebene Bild zu der "Intensität" des Lichtes ins Verhältnis setzt, nicht gemessen werden. Tatsächlich handelt es sich bei den meisten gegenwärtig verwendeten Lichtdetektoren um den Typ, der die "Intensität" des Lichtes mißt, so daß es mit. derartigen Geräten unmöglich ist, die Phasenmodulation zu messen.

Betrachtet man den zv/eiten Ausdruck des rechten Gliedes von Gleichung" (5), so kann der Wert von

m=i

zu null oder annähernd null gemacht v/erden, indem die An-. Ordnung so getroffen v/ird, daß die Werte 0 und it im wesentlichen jeweils zur Hälfte als θ auftreten. Dies hat die bedeutende Wirkung, daß das Problem bezüglich der Akkumulierung von "durchscheinendem" Licht auf einen Schlag gelöst wird. Das Verhältnis zwischen der Intensität des durchscheinenden Lichts und der Intensität des Lichtes der wiedergegebenen Information (Rauschabstand N/S) in dem wieder-

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gegebenen Bild läßt sich, durch die folgende Gleichung (7) ausdrücken:

N/S & θ . " (7)

Im Vergleich mit dem Fall der Gleichung (6) ist also eine merklich höhere Wirkung bezüglich'der Verringerung des Rauschens, festzustellen.

Betrachtet man nun den vierten.Ausdruck des rechten Gliedes von Gleichung (4) so läßt sich dieser folgendermaßen in leichter verständlicher Fom wiedergeben:

M [Vierter Ausdruck von Gleichung (4)] = Σ

m=1 '

^{C F Σ [}

^F V^[ V ^exP(-ⁱ⁹mn> 3 3.· (8)

n=i

m In dem obigen Ausdruck wurde die Näherung A_ra « Σ a-.

Inn -j λ XJX

wendet.

Ist θ =0, d.h. arbeitet kein Element mit der erfindungs mn

gemäßen Zufallsphase, so gibt die Gleichung (8) die Summe der Quadrate der Fouriertransformation von y A_mvs be-

• n=1 ^mn

zUglich m wieder.

Darin bedeutet A^₁ das Informationslicht von dem Element zur Zusammensetzung der Lichtinformation; da dieser Ausdruck gewöhnlich jedoch eine gewisse räumliche Periode auf weist, erzeugt seine Fourier-Transformierte eine scharfe Spektralstruktur, wobei der Maximalwert seines Quadrates sich durch j Al N ausdrucken läßt. Existiert andererseits ein Element, das mit einer erfindungsgemäßen Zufalls phase arbeitet, so wird die räumliche Periodizität von A

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durch die Zufallsphasen-Modulation des Ausdrucks ^βχΡ(*·θ ) zerstört, und die Spektralstruktur der Fourienfransformierten wird stark vermindert. Weiterhin läßt sich der Maximalwert des Quadrates ausdrücken durch JA I N, woraus sich in Verbindung mit Gleichung (8) ergibt, daß für N ■ 100 der numerische Viert des auf das Rauschen bezogenen Ausdrucks sich auf 1/100 vermindern läßt. Die Wirkungen der Erfindung sind im wesentlichen oben beschrieben worden·

Anhand von Fig. 3 soll im einzelnen die Arbeitsweise des Elementes 19 zur Erzeugung, der Zufallsphase Eowie der Energiequelle 20 zur Aussteuerung dieses Elementes beschrieben werden. In Fig. 3 bedeuten die Bezugsziffern 19» 20» 2r ', 21^v/, ... 21^vli' das gleiche wie in Fig. 2. Mit a und b sind die genannten a- und b-Achsen bezeichnet. 30 bedeutet eine ferroelektrische Platte, 31 , 31 , ... 31 die Verbindungsdrähte der Jeweiligen transparenten Elektroden 2i' ', 21*· '', .... 2V ' mit der Energiequelle 20 und 34 einen Verbindungsdraht, der.die transparenten Elektroden auf der Rückseite der ferroelektrischen Platte 30 mit der Energiequelle 20 verbindet. Die Ziffern 32^ ', 32^ ', ... 32 ' zeigen den Zeitverlauf der elektrischen Signale» die die Umkehr der a-Achse und b-Achse der ferroelektrischen Platte 30 bewirken. Die Lichtstrahlen, die die ferroelektrische Platte an den Stellen, an denen die transparenten Elektroden mit dem elektrischen Signal beaufschlagt werden, durchsetzen, erhalten die Phase π, während die Lichtstrahlen, die die ferroelektrische Platte an den Stellen» an denen kein elektrisches Signal an den transparenten Elektroden liegt, passieren, erhalten die Phase 0. Die Auewahl der Stellen, an denen "π" oder "0" durch die elektrischen Signalimpulse erzeugt wird, erfolgt zufällig durch einen Zufallsgenerator in der aussteuernden Energiequelle 20. 33 bedeutet eine zeitbezogene Darstellung eines elektrischen Signals zur Rückführung der a- und b-Achsen der ferroelektrischen Platte in ihrer ursprünglichen Lagen. Zeitlich

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- η ■

wird das elektrische Signal 33 so gesteuert, daß es während der Wartezeiten vor Eintreffen der elektrischen Signale 32(¹ \ 32 ^, ... 32^ auftritt. In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung gezeigt, um zu erläutern, welche Phase dem passierenden Licht durch das Element 19, das eine Zufallsphase erzeugt, erteilt wird.

In der vorliegenden Beschreibung sind als bevorzugte Beispiele für die Elemente zur Erzeugung von Zufallsphasen solche Elemente gezeigt worden, bei denen transparente Elektroden auf einem ferroelektrischen Material befestigt sind;'als besonderes Ausführungsbeispiel ist dabei die Verwendung eines Gadoliniummolybdat-Kristalls als ferromagnetisches Material erörtert worden. Zu beachten ist jedoch, daß sich ähnliche Wirkungen auch bei Verwendung anderer Kristalltypen mit den erforderlichen elektrooptischen ■ Eigenschaften erzielen lassen; zu derartigen weiteren Materialien gehören KDP, DKDP, BNN oder SB 75, oder die ferroelektrischen keramischen Materialien wie etwa PLZT, die ähnliche elektrooptische Wirkungen aufweisen.

Die zur Erzeugung der Zufallsphasen verwendeten Elemente beschränken sich nicht auf solche, die sich von elektrischen Signalen betätigen lassen. Das gleiche Ziel kann genau so gut durch Verwendung einer Anordnung erreicht werden, bei der gemäß Fig. 5 eine mit einem transparenten, zufalls-gemusterten Film 23 aus dielektrischem Material bedamfte Glasplatte 22, die dem Licht mindestens in Spaltenrichtung Zufallsphasen erteilt, mechanisch in Richtung der Pfeile bewegt wird. Wie leicht einzusehen, weist jedoch das Steuersystem mit elektrischen Signalen weit höhere Leistungsfähigkeit bezüglich der Geschwindigkeit auf als ein System mit einem mechanischen Bewegungsmechanismus.

Wie oben bereits erwähnt, werden verschiedene Arten von Elementen, beispielsweise photographische Filme, Lochkarten, Bänder, Flüssigkristalle und dergleichen als

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Elemente zur Zusammensetzung zweidimensionaler Lichtinformationen für geeignet gehalten, wobei erfindungsgemäß die obigen Wirkungen unabhängig von dem verwendeten Typ des Elementes erreicht werden. Bei der holographischen Einrichtung des Vielfach-Belichtungstyps, bei dem die Bildung von Informationen mittels eines Lichtinformations-Verarbeitungsgerätes mit einer Matrixanordnung aus M Zeilen und N Spalten in Zeilen- und Spalteneinheiten innerhalb gleicher Zeitspannen erfolgt, ist die Schaltung ipit elektrischer Signalaussteuerung in ihrer Anordnung besonders einfach und daher in ihrer praktischen Anwendung besonders günstig.

Ausführungsbeispiel 2

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausfuhrungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erteilung einer Zufallsphase im Verlauf des Bezugslichtstrahls vorgesehen. In Fig. 6 bedeutet die Bezugsziffer 25 einen Phasenmodulator zur Modulation der Phase des Bezugsstrahls 17. Als Material für den Phasenmodulator 25 kann Gadoliniummolybdat verwendet werden, das die Erzeugung einer zweistufigen Phasenmodulation gestattet, oder DKDP oder PLZT, die bei angelegter Spannung mehrstufige Phasenmodulation bewirken.

Bei jedem der genannten Phasenmodulatortypen wird die Phase des den Kristall durchsetzenden Lichtes durch elektrische Veränderung des kristallinen Zustande moduliert; das gleiche Ziel läßt sich jedoch auch durch Verwendung einer Anordnung erreichen, bei der ein transparentes Material in den Bezugsstrahl gebracht und der Weg des Lichtstrahls durch das transparente Material so verändert wird, daß die Phase des auf das Aufzeichnungsmedium bzw. Lichtspeichermaterial 18 treffenden Bezugsstrahl verändert wird, Ferner läßt sich das gleiche Ziel dadurch erreichen, daß ein transparenter Gegenstand in den Weg des Bezugsstrahls

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gebracht und der Brechungsindex dieses transparenten Gegenstands verändert wird.

Im folgenden soll das Verfahren zur holographischen Speicherung gemäß der Erfindung erläutert v/erden. Eine bestimmte Spannung wird an die erste Zeile des Raummodulators 10 angelegt, die die Information in Zeilenrichtung ergibt, so daß nur das die erst.e Zeile passierende Licht durch die Polarisatorplatte 11 tritt. Infolgedessen ergibt nur die erste Zeile des die Polarisatorplatte 11 passierenden Lichtes einen hellen Teil. Eine der Information der ersten Zeile entsprechende Spannung liegt nicht nur an dem Raummodulator 10 sondern auch an mehreren Fadenelektroden der in Spaltenrichtung auf dem Raummodulator 13 insgesamt N angeordneten Elektroden, so daß das die Polarisatorplatte 14 passierende Licht entsprechend der Information der ersten Zeile helle und dunkle Abschnitte ergibt. Da das auf den Raummodulator 13 treffende Licht nach Passieren des Raummodulators 10 in Zeilenrichtung orientiert ist, hat das den Modulator 13 passierende Licht einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt dort, wo die projizierten Schatten der Fadenelektroden sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung einander überschneiden. Sodann wird die Spannung in gleicher Weise der zweiten, dritten bis schließlich der M-ten Zeile des Raummodulators 10 zugeführt, wobei das Licht den Raummodulator 10 nacheinander durchsetzt*

Das so erzielte Informationslicht der ersten Zeile durchsetzt die Linse 15 und wird auf dem holographischen Medium 18 fokussiert. Andererseits passiert der Bezugsstrahl 17 den Phasenmodulator 25, wo er einer Phasenmodulation um, φ^ unterworfen wird, und trifft auf das holographische Medium 18. Das zwischen diesem Bezugsstrahl und dem Informationsstrahl der ersten Zeile .gebildete Interferenzmuster wird beispielsweise durch Öffnen eines vor einem Strahlenteiler angeordneten (nicht gezeigten) Lichtverschlusses aufge-

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zeichnet. Daraufhin wird die Lichtinformation der zweiten Zeile auf die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben gebildet, wobei jedoch der Phasehmodulator so.angeordnet ist, daß der auf den Bezugsstrahl ausgeübte Modulationsgrad 0₂ beträgt; die zweite Belichtung erfolgt wiederum durch öffnen des Verschlusses, Die Belichtungen werden dann wiederholt, bis die Information der letzten Zelle aufgezeichnet ist.

Bei Verwendung eines Phasenmodulators, bei dem transparente Elektroden auf beiden Seiten einer λ/2-Platte aus Gadoliniummolybdat vorgesehen sind, wird eine Spannung, die über dem Schwellwert der Kristall-Umkehrspannung von entweder +V^ oder -V_f liegt, beiden Seiten des Kristalls zum Belichtungszeitpunkt zugeführt, so daß im wesentlichen die Hälfte aller Phasenmodulationen 0,j, 0₂» ... 0« den Wert O und die andere Hälfte den Wert π hat.

Es ist ferner möglich, DKDP. (KD₂PO^ Kaliumdihydrogenphosphat) oder PLZT (Pb^₉₁. La₀^₀₉ (²¹OjOS·^Τ1Ο,35*⁰3* ^alS ^¹*^8611100-dulator zu verwenden. In diesem Fall werden die Werte djer mehrstufigen Phasenmodulation, die im wesentlichen gleichmäßig zwischen O und 2 verteilt sind, durch Anlegen von Spannungen mehrstufiger Größen erzielt. Eine derartige mehrstufige Phasenmodulation kann auch mechanisch durchgeführt werden, indem die Änderung des Brechungsindex mittels Gasdruck oder die Änderung der Weglänge des einen transparenten Gegenstand durchsetzenden Lichtes verwendet wird, wobei eine solche Änderung der Weglänge beispielsweise durch Bewegen einer Glasplatte, deren beide Seiten leicht zueinander geneigt sind, erzielt werden kann.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems sur Hologrammerzeugung beschränkt sich nicht auf die in Fig. 6 gezeigte holographische Einrichtung, bei der zwei getrennte optische Systeme vorgesehen sind, um unabhängige Informationen so-

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wohl in Zeilenrichtung als auch in Spältenrichtung getrennt zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung läßt sich auch bei einem Raummodulator anwenden, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, bei dem eine Vielzahl von Fadenelektroden in Zeilenrichtung auf der vorderen Fläche und in Spaltenrichtung auf der hinteren Fläche einer λ/4-Platte angeordnet sind, bei der sich die Richtung der kristallographischen Achsen elektrisch umkehren läßt; dabei wird eine Spannung so angelegt, daß Informationen zeilenweise in die einzelnen Elektroden auf der vorderen und der hinteren Seite eingegeben wird und dann eine Vielfach-Aufzeichnung auf dem holographischen Medium zeilenweise erfolgt, indem beispielsweise das in Fig. 7 gezeigte optische System verwendet wird. ■- .

Der in Fig. 8 gezeigte Raummodulator kann beliebiger Art sein, sofern seine Spannung zur Umkehr der kristallographischen Achsen einen gewissen Schwellenwert hat. Beispielsweise kann Gadoliniummolybdat oder dergleichen verwendet werden. In Fig. 8 ist mit 29 eine Vielzahl von in Zeilenrichtung länglichen Kristallen bezeichnet, von denen jeder auf seinen, beiden Seiten mit transparenten Elektroden versehen ist. Zwischen jeweils benachbarten Bits ist eine Isolierzone 26 vorgesehen. Über die Oberflächen der Kristalle verlaufen in Zeilenrichtung mehrere Elektroden 27, und das Licht passiert jeweils den Mittelteil 28 der einzelnen Bits.

In Fig. 7 sind schematisch die wesentlichen Teile eines holographischen Speichers dargestellt, der mit einem Raummodulator des Spannungs-Koinzidenzsystems gemäß Fig. 3 arbeitet (wobei dann, wenn Spannung gleichzeitig den Elektroden an der vorderen und der rückwärtigen Seite angelegt wird, das Licht durchgelassen oder abgefangen wird). Der Objektstrahl wird wiederum durch die Einrichtung 4 auseinandergezogen und mittels einer Polarisatorplatte 35 zu . vertikal linear polarisiertem Licht polarisiert., Ein Raum- . modulator 36 besteht aus einer λ/4-Platte, wie sie in Fig. 8

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gezeigt ist, deren kristallographische Achse unter 45° gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Nach Passieren der Modulatorplatte wird der Strahl zu kreisförmig polarisiertem Licht, das entsprechend der Richtung der kristenographischen Achse in Abhängigkeit von der jeweiligen Information des betreffenden Bits entweder im Uhrzeigersinn oder gegen, den Uhrzeigersinn orientiert ist. Beim Passieren der λ/4-PIatte 37 wird aus dem im Uhrzeigersinn kreisförmig polarisierten Licht vertikal linear polarisiertes Licht, während aus dem gegen den Uhrzeigersinn kreisförmig polarisierten Licht horizontal linear polarisiertes Licht wird. Das vertikal polarisierte Licht kann die Polarisotorplatte 38 .passieren, während das horizontal polarisierte Licht abgefangen wird. Das von der Polarisatorplaate 38 durchgelassene Licht wird durch eine Linse 15 fokussiert und auf einem holographischen Aufzeichnungsmedium 18 als Interferenzmuster aufgezeichnet, das durch die Zusammenwirkung mit dem Bezugsstrahl, der durch den Phasenmodulator 25 phasenmoduliert word^ven ist,- gebildet wird. Das Verfahren für das Einschreiben ist dem in den vorherigen Ausführungsbeispielen gleich, d.h. das Informationslicht wird zeilenweise oder spaltenweise gebildet, und der Betrag der Phasenmodulation des Bezugsstrahls wird nach jeder Bildung des Informationslichtes verändert, so daß der Betrag der Phasenmodulation gleichmäßig verteilt wird; nach dem oben beschriebenen Mehrfach-Belichtungsmuster wird somit schließlich ein Hologramm erzeugt. ·. ' .

Das nach dem oben erwähnten Verfahren unter Verwendung eines Raummodulators des Spannungs-Koinzidenztyps erzeugte Hologramm ist hinsichtlich des Rauschabstandes des wiedergegebenen Bildes gegenüber denjenigen Hologrammen weiter verbessert, wie sie sich mit einem System gemäß F¹Ig. 6 erzielen lassen.

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In den- vorstehenden Ausführungsbeispielen ist die Erfindung in Anwendung auf digitale Gegenstände erläutert worden; die erfindungsgemäßen Wirkungen werden Jedoch auch "bei Anwendung auf analoge Bilder (analoge Informationen) erzielt.

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Claims (6)

1. ·· ·· ~τ ν* si¹1

   Patentansprüche

   (j ,· Holographische Einrichtung des Mehrfach-Belichtungstyps zur Erzeugung eines Hologramms, wobei zwischen einem Lichtstrahl, der ein Element zum Zusammensetzen zweidimensionaler Lichtinformationen passiert hat, und einem Bezugsstrahl auf der Oberfläche eines¹ Lichtaufzeichnungs-Mediums Interferenz gebildet wird, gekennze lehnet durch eine Einrichtung (10, 13) zur zweidimensionalen Unterteilung der Einrichtung (7) zur Zusammensetzung der Lichtinformation in eine Vielzahl von Bereichen und sur Beaufschlagung des Objektstrahls mit den in den einzelnen Teilen gebildeten Informationen in zeitlicher Aufeinanderfolge und mit gleichen Zeitspannen, sowie einen Raummodulator (19), der dem Objektstrahl nach dem Passieren der einzelnen Abschnitte in zeitlicher Aufeinanderfolge jeweils eine Zufallsphase erteilt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (7) zur Zusammensetzung von Lichtinformationen eine Matrix mit M Zeilen und N Spalten (wobei M und N ganze Zahlen sind) umfaßt und der Raummodulator (19) dem Informationsstrahl nach Passieren der M Zeilen (oder der N Spalten) zeilenweise (bzw. spaltenweise) eine Zufallsphase erteilt.

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3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Erzeugung der Zufallsphase in zeitlicher Aufeinanderfolge durch Ändern · der Polarisation des ferroelektrischen Polarisatormaterials mittels eines elektrischen Signals erfolgt.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Raummodulator (19) ein ferroelektrisches Element zur Erzeugung von Zufallsphasen für die einzelnen Abschnitte mittels eines elektrischen Signals umfaßt und daß eine Energiequelle (20) zur Erzeugung des elektrischen Signals vorgesehen ist. ·
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raummodulatör •(3.6) eine Vielzahl von ferroelektrischen Elementen (29) umfaßt, deren Polarisationszustände" unabhängig voneinander durch ein elektrisches Signal änderbar sind, und daß eine Energiequelle(20) zur Erzeugung des elektrischen Signals vorgesehen ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Raummodulator (19) ein ferroelektrisches Element umfaßt,: dessen Polarisationszustand zeilenweise (bzw. spaltenweise) durch ein elektrisches Signal änderbar ist, und daß eine Energiequelle (20) zur Erzeugung des- elektrischen Signals vorgesehen ist. 309813/ 107