DE1774471A1 - Verfahren zur optischen Speicherung - Google Patents

Description

177447t

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellsdiaft mbH

' ■ ' Böblingen den, 22. Mai 1970

pr-sp

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 105O

Amtliches Aktenzeichen: P 17 74 471.7

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket: PO 9-66-028

Verfahren zur optischen Speicherung ,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Speicherung und Wiedergewinnung digitaler Daten, bei dem die Spei ehe rung von Binärwerten durch selektive.' Belichtung einer photographischen Schicht mit kohärentem Licht bestimmter Frequenzen zur Erzeugung von Interferenzmustern erfolgt, und bei dem die Entnahme der Daten mittels dem von den Interferenzmustern bei Beleuchtung wiedergegebenen Licht erfolgt.

Solche Speicherverfahren sind im Prinzip bereits bekannt geworden, z.B. durch das Schweizer Patent 4Dl 246 oder durch den Aufsatz "An opticallyaccessed memory using the Lippmann process for information storage " von H. Fleisher et al, erschienen im Buch "Optical and Electro-Optical Processing", M. L T. Press, Cambridge 1965.

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Neue Unterlagen (Art. 7 11 Ab·. 2 Nr. I e«U 3 fet Anderungage·, v. 4. 9.1967)

Bei den bisher angewandten Verfahren wurde der Unterschied zwischen den beiden Binärwerten O und 1 an einer bestimmten Binärstelle dadurch gemacht, dass bei Vorliegen des einen Binärwertes, z.B. "1", eine Belichtung des betreffenden Filmbereichs · mit einer bestimmten Frequenz erfolgte, während beim Vorliegen des andern Binärwertes, also z.B. "0", die Belichtung unterblieb. Beim Abfragen mit weissem Licht bedeutet dann das Auftreten von reflektiertem Licht der betreffenden Frequenz den einen und das · Ausbleiben von reflektiertem Licht der betreffenden Frequenz den

andern Binärwert, · ,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optischen Speicherung der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem für jeden der beiden Binärwerte eine aktive Einspeicherung vorgenommen wird, so dass für jeden gespeicherten Binärwert in der Speicherschicht ein Signal (d.h. ein Interferenzmuster) vorliegt.

Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede zu speichernde Binärstelle eine Belichtung entweder . mit einem breitbandigen Lichtstrahl mit bestimmter Grundfrequenz zur Darstellung des einen Binärwertes oder mit einem schmalbandigen Lichtstrahl gleicher·Grundfrequenz zur Darstellung des anderen Binärwertes erfolgt, so dass für jede Binärstelle ein Interferonz-

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muster entsteht, das den im Einspeicherungslicht enthaltenen Frequenzen und damit dem betreffenden Binärwert entspricht, und dass die Ermittlung des gespeicherten Binärwertes bei der Ablesung des Speichers mit breitbandigem Licht durch Fest-Stellung der Intensität des wiedergegebenen Lichtes in der Umgebung der jeweiligen Grundfrequenz erfolgt.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Aueführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung

• ' zur Speicherung binärer Daten auf einem Lippmannfilm ?· gemäss der Erfindung ;

Fig. 2a, 2b Kurven, in denen die Intensität des belichtenden Lichtes

über der Wellenlänge aufgezeichnet ist ;

Fig. 2c . eine Kurve, in der die Intensität des vom Film

reflektierten Lichtes als Funktion der Wellenlänge aufgezeichnet 'ist ; _;

Fig. 2d eine Kurve der Uebertragungs-Charakteristik für ein

Fabry-Perot-Mehrbereichs-Bandpassfilter ; ·.

Fig. 2e eine Kurve der Intensität des aus der Einrichtung aus-

• · . tretenden Lichtes als Funktion der Wellenlänge ;

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Fig. 3 eine vergrösserte perspektivische Darstellung des

in Fig. 1 verwendeten Lippmannfilmes ;

Fig. 4 · eine schematische Darstellung einer Vorrichtung

zur Entnahme der in einem Lippmannfilm gespeicherten Daten ;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung

der Lesevorrichtung ;

Fig. 6a eine Kurve, in der die Intensität des vom Filmreflektierten Lichtes als Funktion der Wellenlänge . ' ' aufgezeichnet 1st (identisch mit Fig. 2c) ;

Fig. 6b · eine Kurve, die die Intensität des aus der in Fig. 5

gezeigten Vorrichtung austretenden Lichtes als eine Funktion der Weilenlänge darstellt.

In Fig. 1 fällt der von einer Lichtquelle 12 kommende weisse Lichtstrahl 10 auf das Polarisationsfilter 14 und die Sammellinse 16 und trifft auf den Verschluss 17. Die Linse 16 leitet den gesammelten Lichtstrahl über einen elektrooptischen Digitaldeflektor 18 auf eine gewünschte Wortzelle oder einen Bereich 20 auf dem Lippmannfilm 22. Zwischen dem Verschluss 17 und dem Deflektor 18 befindet sich die drehbare Scheibe 24, an deren Rand fünf Paar Interferenzfilter 26-0, 26-1, 28-0, 28-1, 30-0, 30-1, 32-0, 32-1 und 34-0, 34-1 angeordnet sind. Die

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Bandbreite des durch die Filter 26-0, 28-0, 30-0, 32-0, und 34-0 (Breitbandfilter) übertragenen Lichtes beträgt ungefähr 150 A , die Bandbreite des von den Filtern 26-1, 28-1, 30-1, 32-1, und 34-1 (Schmalbandfilter) übertragenen Lichtes ungefähr 50 A . Es sind fünf Filterpaare gezeigt, da für das zu beschreibende Beispiel 5-Bit-Wörter im Lippmannfilm 22 zu speichern sind. Die Bandbreite der Breitbandfilter wird mitAXo bezeichnet und die Bandbreite der Schmalbandfilter mit Δ λ- f . Die von allen Filtern überstrichene Bandbreite liegt in einem vorgegebenen Bereich des Spektrums des ;

vonder Lichtquelle 12 erzeugten weissen Lichtes von 4000 bis 7 000A gemäss der Darstellung in Fig. 2a. Das Filterpaar 26-0, 26-1. lässt Bänder mit breiter bzw. schmaler Bandbreite am unteren Ende des vorbestimmten Bereiches des Spektrums durch und das Filter paar 34-0 und 34-1 entsprechend am oberen Ende des Spektrums. Die Fig. 2b zeigt die Intensität des belichtenden Lichtstrahl 10 aufgezeichnet als Funktionder Wellenlänge des Lichtes zur Aufzeichnung des binären Wortes 10110 . Der Deflektor 18 lässt den Lichtstrahl 10 alle Wortzellen im. Film 22 abtasten. Durch einen äusseren Antrieb kann die Scheibe 24 bei jeder Zellenposition eine volle Umdrehung machen. Der elektrooptische oder mechanische Verschluss 17 kann so betätigt werden, . dass der Lichtstrahl 10 entsprechend eixiem zu speichernden binären Wort durch jeweils eines der beiden Filter jedes Filterpaares fällt.

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Bei einer anderen Betriebsart sind der Deflektor 18 und die Scheibe 24 so koordiniert, dass zuerst die ersten Bits und dann die zweiten Bits in allen Wortzellen aufgezeichnet werden, usw. Bei dieser Betriebsart macht die Scheibe 24 nur eine Umdrehung, um alle Wörter im Film 22 zu speichern, und nicht eine Umdrehung pro Wort.

Der Lippmannfilm 22 hat die Eigenschaft, dass er nur Licht mit der Wellenlänge reflektiert, mit der er vorher belichtet wurde. Fig. 3 ist eine vergrösserte schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Lippmannfilmes 22. Der Film besteht aus einer photographischen Emulsionsschicht 36 und einer Reflexions schicht 38. Wenn der belichtende Lichtstrahl 10 senkrecht auf die Schicht 36 bei der Wortzelle 20· fällt, durchdringt er die Emulsion 36 und wird vom Reflektor 38 so zurückgeworfen, daß er durch Interferenz die stehenden Wellen 42 mit der grössten Lichtintensität an den Wellenbäuchen 44,46, 48, usw. ,bildet. Die photo chemische Reaktion ist an diesen Wellenbäuchen am stärk-

) sten, so dass nach Entwicklung und Fixierung des Filmes das Silber im

entwickelten ■'· Film für jede im belichtenden Strahl 10 enthaltene Wellenlänge ein System von äquidistanten Schichten parallel zur .Oberfläche 50 der Emulsionsschicht 36 bildet. Der digitale Lichtdeflektor 18 wird so

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gesteuert, dass er den linear polarisierten,Lichtstrahl 10 auf verschiedene Zellenpositionen in der Schicht 36 leitet. Der Strahl kann auch durch andere Vorrichtungen auf diese Positionen eingestellt oder zum Abtasten des Filmes voranlasst worden, z,B, auch durch Bewegen der Lichtquelle 12 selbst.

Einzelheiten, über diese Vorgänge können den eingangs genannten Veröffentlichungen entnommen werden".

Wenn die Zelle 20 hinterher senkrecht mit weissem Licht belichtet wird, wirken die Silberschichten teilweise als Reflexionsflächen, so dass das reflektierte Licht im wesentlichen auf die im ursprünglich belichtenden Strahl 10 enthaltenen Wellenlängen beschränkt bleibt. Fig. 2c zeigt die Intensität des reflektierten Lichtes (bei Auslesung mit weissem Licht) für das gespeicherte Wort 10110.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zum Auslesen (zur Wiedergewinnung) der in einem Lippmannfilm gespeicherten Daten gezeigt. Zum Auslesen wird die reflektierende Platte 38 von der Emulsionsschicht oder dem Film 36 entfernt. Eine Quelle 52, die weisses Licht aussendet, erzeugt einen Strahl 54, der durch das Polarisationsfilter 56 linear polarisiert wird und über eine Sammellinse 58 und einen Strahlteiler 64 auf einen

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• ·

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digitalen Lichtdeflcktor 60 geworfen wird, der den Strahl auf verschiedene Wortzellen des entwickelten Lipp'mannfilmes 36 wirft. Der aus dem Deflektor kommende Strahl fällt senkrecht auf die Filmschicht 36 an der Wortzelle 20. Das Licht wird von den Silberschichten im Film über den Deflektor 60 auf den Strahlteiler 64 geworfen und von diesem auf ein Fabry-Perot-Mehrbereichs-Bandpassfilter 62 geworfen/ welches sehr schmale separate Bänder des Lichtes übertrügt. Das durch das Filter 62 übertragene Licht fällt auf ein Dispersionsprisma 66, das die einzelnen Wellenlängen im'reflektierten Licht räumlich voneinander trennt. Fünf entsprechend angeordnete Photozellen 68 fühlen die Intensität des Lichtes in jedem der fünf Bänder ab.

Fig. 2d zeigt die Übertragungscharakteristik des Fabry-Perot-Filters Die Spitzen in Fig. 2d zeigen, dass die Passbänder des Filters sehr schmal sind. Das Filter besteht im wesentlichen aus zwei teilweise reflektierenden Schichten 70 und 72₍ die voneinander den Abstand d haben. Die Passbänder des Filters werden bestimmt durch den Abstand d. Das Filter ist so konstruiert, dass die Mittenfrequenzen der Passbänder des Filters gegen die Mittenfrequenzen der schmalen Bänder Δ Α.. des reflektierten Lichtes verschoben (verstimmt) sind. Dieses Ergebnis erhält man durch Auswahl des richtigen Abstandes d für die jeweils benutzten Wellenlängen oder aber durch Verwendung eines

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Filters mit einem festen Abstand d und Kippen des Filters, so dass der Lichtstrahl in einem anderen Winkel als normal auftrifft. Wegen dieser Verstimmung werden die Wellenlängen in den schmalen Bändern AX j des reflektierten Lichtes gesperrt oder wesentlich geschwächt, so dass in diesen schmalen Bändern die Intensität des übertragenen Lichtes sehr klein oder gleich Null ist. Die Passbänder des Fabry-Perot-Filters werden jedoch so gewählt, dass sie innerhalb

der Bandbreiten jedes der breiten Bänder J^X liegen. Infolgedessen •passiert das Licht der breiten Bänder'^A.« der den gespeicherten Nullen

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entsprechenden Wellenlängen das Filter 62 mit grösster Intensität, &

die Wellenlängen in den schmalen Bändern, die den gespeicherten Einsen entsprechen, passieren das Filter 62 jedoch mit minimaler Intensität oder überhaupt nicht. Dieselbe Intensität des austretenden Lichtes (Fig. 2e) erhält man durch Anordnung des Filters 62 zwischen dem ' Teiler 64 und der Linse 58, so dass jedeWortzelle nur durch die Passbänder des Filters abgefragt wird.. " .

Um die Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen des reflektierten Lichtes festzustellen, müssen diese räumlich voneinander getrennt werden. Diese Trennung erfolgt mit Hilfe des Prismas 66, das in dem Strahlengang zwischen dem Teiler 64 und den fünf Photozellen 68 angeordnet wird. Die Photozellen unterscheiden zwischen ·

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hoher und niedriger Intensität des reflektierten Lichtes und erzeugen ein elektrisches Signal für Nullen entsprechend einer hohen Reflexionsintensität aus den breiten Bändern (^A,_n)und erzeugen kein Signal für die schmalen Bänder (A\. ) . Die Unterscheidung kann durch Auswahl von Photozellen entsprechender Charakteristik bewirkt werden oder durch Vorspannung der Photzellen durch eine geeignete äussere Schaltung, die einen Schwellenwert liefert, welcher in der Fig. 2e durch die Linie 71 angezeigt ist, so dass nur Signale auf eine Auswerte tungseinrichtung 73 (z.B. eine Bildschirmeinheit, eine Steuerschaltung,

ein Rechner) übertragen werden, deren Amplitude oberhalb dieses . Schwellenwertes liegt. · .

Fig. 5 zeigt eine andere Vorrichtung zur Entnahme der in der Schicht gespeicherten binären Daten. Ein weisser Lichtstrahl 74 von einer Lichtquelle 76 wird durch das Polarisationsfilter 78 linear polarisiert, ." über den digitalen Lichtdeflektor 80 geleitet und von der Wortzelle " in der Schicht 36 reflektiert. Der reflektierte Strahl 74 wird auf einen Strahlleiter 82 geleitet und in zwei Strahlen 84 und 86 aufgeteilt, die von den Spiegeln 88 bzw. 90 eines Michelson-Interferometers • reflektiert werden. Die Strahlen 84 und 86 werden auf den Strahlteiler 82 zurückgeworfen, wo sie miteinander zum Strahl 92 kombiniert

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werden, der auf dein lichtdurchlässigen Schirm 94 aus Mattglas ein Interferenz-Streifenmuster bildet. Die Sichtbarkeit oder der Kontrast des auf dem Schirm 94 gebildeten Interferenz-StreifenmuBtcrs hängt ab von der Differenz^im optischen Weg zwischen den beiden wieder-

• kombinierten Strahlen und von der Kohärenzlänge (oder der Bandbreite) des ankommenden Lichtes. Es sei angenommen, dass das binäre Wort

■ 10110 im Film 36 gespeichert ist. Jedes Einerbit besteht aus Lichtenergie mit schmaler Bandbreite oder einer grossen Kohärenzlänge

und jedes Nullbit aus Licht mit grosser*Bandbreite oder kleiner Kohärenzlänge.'. . · .' " · 'M

Das Michelson-Interferometer wird so eingestellt, dass seine optische Wegdifferenz so gross ist, dass die Sichtbarkeit der Nullbita im ■ wesentlichen Null, die Sichtbarkeit der Einerbits jedoch akzeptabel ist. Die durch Interferenz gebildeten Streifen werden durch den durchscheinenden Schirm 94 auf ein optisches Raumfilter geworfen, das aus einer Frequenzanalysenoptik 96 und einer Fourierebene oder Frequenz-" analysenebene 98 besteht. Wenn angenommen wird, -dass die Streifen '

'auf der Mattscheibe 94 voneinander den gleichen Abstand D haben und einer durchschnittlichen Wellenlänge Λ, entsprechen, dann wirft eine Optik 96 mit der Brennweite f Lichtenergie an einem Punkt auf die Fourierebene 98, dessen Abstand χ vom Schnittpunkt der Koordinatenachsen der Ebene für jedes· Band A"K durch die folgende ■

-n,o 209808/0579

M2B · . ■ . -π- OR₁GlNALiNSPECTED

Gleichung gegeben ist : st · ·

x=

Die Kohärenzlänge ist definiert als-:

λ.²* ^{= K} "

"· wobei K eine.Konstante ist. . · -

t;'' .-■■■■■. ·' · . · Wenn die durchschnittliche Wellenlänge mit\ = 5000 A- angenommen wird, beträgt die¹ Kohärenzlänge L= K · 0,050 mm für^X. = 50 R, und die Kohärenzlänge £_Q = K .· 0,0167 mrn iür^K= 150 Ä\ Infolgedessen wird das Michelson-Interferometer durch relative Bewegung der Spiegel 88 . und 90 zueinander so eingestellt, dass die Differenz im optischen Weg grosser als Z_n und kleiner als t,. für den maximalen Kontrast zwischen

und &X ist.
0 -' ■

Fünf Lichtdetektoren, z.B. die Photozellen 100, werden an den Punkten angeordnet, die dem Abstand χ für die bekannten Wellenlängen der Bänder Δ λ ^und ^^-/ entsprechen, die zur Belichtung des Lippmannfilmes benutzt wurden. Die Intensität des vom Film 36 für das Wort 10110 reflektierten Lichtes ist in Fig. 6a dargestellt. Das Intensitätsmuster

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des an den Punkten auf der x-Achse austretenden Lichtes ist in Fig. 6b gezeigt. Die Photozellen 100 können so ausgewählt oder vorgespannt werden, dass sie auf Grund ihres Schwellenwertes zwischen den breiten Bändern -Δλ* und den schmalen Bändern Δ λ., unterscheiden. Dieser Schwellenwert wird durch die Linie 102 in Fig. 6b dargestellt. Die elektrischen Signale von den Photozellen 100 werden*auf eine Verarbeitungseinheit 104 gegeben.

Wenn sich die obige Beschreibung auch auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht/ in der die Lippmann-Filmtechnik verwendet wurde, um in einer photographischen Emulsion ein bandbreitencodiertes Interferenzmuster zu erzeugen, so kann man jedoch auch andere Techniken der Interferenzphotögraphie, z.B. Holographie oder Lippmannholographie, verwenden. . .'-""■■ · -

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Γ. Verfahren zur optischen Speicherung und Wiedergewinnung digitaler Daten, bei dem die Speicherung von Binärwerten durch selektive Belichtung einer photographischen Schicht mit kohären-. tem Licht bestimmter Frequenzen zur Erzeugung von Interferenzmustern erfolgt, und bei dem die Entnahme der Daten mit- ψ; tels dem von den Interferenzmustern bei Beleuchtung wiederge-

   gebenen Licht erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass für jede zu speichernde Binärstelle eine Belichtung entweder mit einem breitbandigen Lichtstrahl (ΔXg ) mit bestimmter Grundfrequenz zur Darstellung des einen Binärwertes oder mt einem schmalbandigen Lichtstrahl (^^ » ) gleicher Grundfrequenz zur Darstellung des anderen Binärwertes erfolgt, so dass für jede Binärstelle ein Interferenzmuster entsteht, das den im Einspeicherungs· licht enthaltenen Frequenzen und damit dem betreffenden Binärwert entspricht, und dass die Ermittlung des gespeicherten Binärwertes bei der Ablesung des Speichers mit bxeitbandigem Licht durch Feststellung der Intensität des wiedergegebenen Lichtes in der Umgebung der jeweiligen Grundfrequenz erfolgt.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Auslesen abgegebene Lichtstrahl der Wirkung eines Bandpassfilters unterworfen wird, wobei für jede Grundfrequenz ein Ubertragungsband (Fig. 2d) einen grossen Teil des Frequenzbandes (A)t₀ ) des zugeordneten breitbandigen Einschreiblichtstrahls einschliesst, jedoch höchstens geringfügig mit dem Frequenzband (^ )\. ) des zugeordneten schmalbandigen Einschreiblichtstrahls/ibereinstimmt, so dass sich für jede Grundfrequenz am Filterausgang Signale (Fig. 2e) für die beiden binären Speicherwerte ergeben, die einen sehr deutlichen Intensitätsunterschied haben.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung von η Bitstellen im gleichen Bereich eines Speichermediums bei der Einspeicherung breitbandige bzw. schmalbandige Lichtstrahlen von η verschiedenen Grundfrequenzen verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung mehrerer Gruppen von je η Bitstellen mehrere getrennte Bereiche eines Speichermediums separat mit Lichtstrahlen von je η verschiedenen Grundfrequenzen belichtet werden.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

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   dass zur Erzielung einer Bandpassfilter-Funktion ein Fabry-Perot-Filter (70, 7 2) verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Datenentnahme aus dem Speicher die Unterscheidung der beiden möglichen Kohärenzlängen oder Bandbreiten bei jeder Grundfrequenz mit Hilfe eines Nichelson-Interferometers vorgenommen wird. ■
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzmuster als parallele teilreflektierende Schichten in einem Lippmannfilm erzeugt werden.

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