DE2164725A1 - Verfahren und Anordnung zum optischen Auslesen von Speichern - Google Patents

Description

Böblingen, den 23. Dezember 1971 pr-bue

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, W.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket EN 970 028

Verfahren und Anordnung zum optischen Auslesen von Speichern

In der Technik der Datenverarbeitung werden neuerdings optische Speicher verwendet, bei denen die Informationen entweder durch einzelne Bits darstellende geschwärzte und ungeschwärzte Bereiche oder durch größere Anzahlen von Bits enthaltende Hologramme dargestellt werden. Auch magnetische Dünnschichtspeicher sind bekannt geworden, bei denen das Auslesen der Information durch einen polarisierten Lichtstrahl erfolgt, dessen Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand des jeweils abgetasteten Bereiches um bestimmte Winkelbeträge gedreht oder nicht gedreht wird. Die in der außerordentlich großen Informationsdichte derartiger Speicher bestehenden Vorteile wurden weitgehend durch die Schwierigkeit einer schnellen Adressierung der einzelnen Speicherbereiche zunichte gemacht. Bei den bisher bekanntgewordenen optischen oder optisch auslesbaren Speichern wurde ein Lichtfleck steuerbar auf die jeweils auszulesende Speicherstelle gerichtet, der entweder durch einen aus einer Kathodenstrahlröhre bestehenden Leuchtfleckgenerator oder durch sog. elektro-optische Lichtablenker erzeugt wurde. Mit diesen bekannten Vorrichtungen konnte die Verschiebung des Lichtfleckes im

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besten Falle innerhalb von IO Sekunden erfolgen. Diese Geschwindigkeit war für die im Zusammenhang mit modernen Rechenautomaten auftretenden Aufgaben viel zu klein.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslesen von optischen Speichern anzugeben, die bei relativ einfacher Bauweise eine Herabsetzung der Zugriffszeiten bis auf 10 Sekunden ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum optischen Auslesen von Speichern gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Lichtimpuls eine Vielzahl hintereinander in seinem Wege angeordnete Speicherbereiche in aufeinanderfolgenden, durch seine Laufzeit definierten Zeitpunkten beaufschlagt und dabei ihre Informationsinhalte nacheinander auf einer, mehreren oder allen Speicherbereichen gemeinsamen Detektormatrix oder Detektormatrizen abbildet und daß die Auswahl des jeweils auszulesenden Speicherbereiches durch einen Impuls erfolgt, der die Detektormatrix bzw. die an ihren Ausgängen liegenden Schaltungen in den Zeitpunkten aktiviert, in denen der auszulesende Speicherbereich abgebildet wird.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Detektormatrix;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Detektormatrizen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem in einer Hologrammebene 1 angeordneten Träger, der eine Vielzahl von die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologrammen 2a bis 2d und Aperturen 3a bis 3c enthält. Beiderseits der Hologramraebene 1 sind Spiegel 5a bis 5c und 8a bis 8d vorgesehen, von denen die

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ersten auf einem in einer Spiegelebene 4 befindlichen Träger und die zweiten auf der Ebene einer Detektormatrix 6 angeordnet sind. Die Detektormatrix besteht aus einer Vielzahl von Lichtdetektoren '7. Die Mittelpunkte der Spiegel 5a bis 5c liegen ebenso wie die Mittelpunkte der Aperturen 3a bis 3c und der die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme 2a bis 2d in einer Ebene 9. Ferner ist eine als Laser ausgebildete, in der Figur als Lichtsegmente 10 dargestellte Lichtimpulse erzeugende Lichtquelle 11 vorgesehen. Die von dieser Lichtquelle ausgehenden Impulse durchsetzen zunächst das Hologramm 2a und werden anschließend zwischen den Spiegeln 5a bis 8d durch die Aperturen 3a bis 3c und die weiteren Hologramme 2b bis 2d hin und her reflektiert, um die Anordnung nach der Reflexion am Spiegel 8d zu verlassen. Beim Durchtritt durch das erste Hologramm 2a durchsetzt ein Teil des Lichtimpulses den Speicherbereich als nullte Beugungsordnung, während ein anderer Teil des als Lichtsegment 10 dargestellten Lichtimpulses eine Abbildung der im Hologramm 2a enthaltenen verschlüsselten Information auf die Detektormatrix 6 bewirkt. Die nullte Beugungsordnung 10' des Lichtimpulses wird am Spiegel 8a reflektiert, tritt ungestört durch die Apertur 3a, wird am Spiegel 5a reflektiert und durchsetzt das zweite Hologramm 2b, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektormatrix 6 abgebildet wird. Die aus dem Hologramm 2b auftretende nullte BeugungsOrdnung 10" wird am Spiegel 8b reflektiert, durchsetzt ungestört die Apertur 3b, wird am Spiegel 5b reflektiert und durchsetzt das dritte Hologramm 2c, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektormatrix 6 abgebildet wird. Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei den Hologrammen 2c und 2d, deren verschlüsselte Informationen in gleicher Weise in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten auf der Detek*· tormatrix 6 abgebildet werden. Die entsprechenden Strahlungsanteile nullter Ordnung werden mit 10', 10", 10'", 10"" und die an der Abbildung beteiligten Anteile mit RO bezeichnet.

Es ist bekannt, daß verschiedene Arten von Hologrammen verschiedene Wirkungsgrade aufweisen. Für die vorliegende Erfindung werden Hologramme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden verwendet, die

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zwischen 0,01 % und 4 % liegen. Die Intensität der aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahlen wird in den einzelnen Hologrammen nur um geringfügige Beträge verkleinert, die so bemessen sind, daß die Intensität des aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahls 10'" ausreicht, das letzte Hologramm 2d so auszuleuchten, daß die Detektoren 7 der Detektormatrix 6 ansprechen und daß die Energie des das letzte Hologramm verlassenden Strahls der nullten BeugungsOrdnung unterhalb der Ansprechgrenze der Detektoren 7 liegt. Die Lichtquelle 11 zur Erzeugung von Lichtimpulsen wird so betrieben, daß die Impulse eine Inten- W- sität von etwa 10 bis 100 Watt auf v/eisen, wodurch die Verluste beim Durchtritt durch sämtliche Hologramme berücksichtigt werden. Da die am Ausgang der einzelnen Detektoren auftretenden Signale auch unter diesen Umständen starken Schwankungen unterworfen sein können, wird eine Anordnung zur automatischen Verstärkungssteuerung vorgesehen, durch die die Ausgangssignale auf das jeweils erforderliche Niveau gebracht werden. Die an den Ausgängen der Detektormatrix 6 angeordneten Verstärker sind ihrerseits mit Ädressenselektoren verbunden, durch die der Zugang zu jeder beliebigen Gruppe von Signalmustern bewirkt werden kann.

Zur Veränderung der Laufzeit des Lichtsegments 10 bzw. zur Bestimfc mung der Zeitpunkte seines Durchtritts durch die einzelnen Hologramme kann die Relativlage der Spiegelebene 4 in bezug zur HoIogrammebene 1 eingestellt werden. Dies wird durch eine Anordnung bewirkt, die aus einem die Spiegelebene 4 aufnehmenden Träger 4a, zwei Führungbolzen 4c und einer Schraubenspindel 4b besteht, durch die die Laufzeit des Lichtsegmentes vergrößert oder verkleinert werden kann.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung enthält eine Hologrammebene Γ, in der Hologramme 11a bis 11g angeordnet sind. Beiderseits dieser Hologramme sind Detektormatrizen 6R und 6L vorgesehen, die der in Fig. 1 dargestellten Lichtdetektormatrix 6 entsprechen. Die Detektormatrizen 6R und 6L weisen Spiegel 18a bis 18d und 15a bis 15d auf, die derartig in bezug aufeinander und auf die Hologramme

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11a bis 11g angeordnet sind, daß das Lichtsegment 20 die Hologramme 11a bis 11g in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchsetzt, um eine serielle Auslesung der Inhalte dieser Hologramme zu ermöglichen. Beim Durchtritt durch die Hologrammebene I¹ bewirkt das Lichtsegment 20 eine Abbildung der Hologramme 11a, lic, He und 11g auf die Detektormatrix 6L, während die Hologramme Hb, Hd und Hf auf die Detektormatrix 6R abgebildet werden. Die Richtung der die Abbildung bewirkenden Strahlen sind durch die Pfeile 21a, 21b angedeutet, die von den Hologrammen Ha und Hb ausgehen. Auch in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung weisen die Detektormatrizen 6R und 6L eine Vielzahl von Photodetektoren auf, die auf das durch das Auslesen der Hologramme erzeugte Lichtmuster ansprechen. Jede der Detektormatrizen erzeugt Ausgangssignale, die diesen verschlüsselten Informationsmustern entsprechen. Diese Ausgangssignale werden durch Leseverstärker verstärkt, deren Ausgänge mit an sich aus der Computertechnik bekannten Adressenselektoren verbunden sind, mit deren Hilfe ein Zugriff zu jedem beliebigen Muster oder zu jeder beliebigen Gruppe von verstärkten elektrischen Signalen möglich ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die in Fig. 1 dargestellte Anordung zur Veränderung der Laufzeit des Lesestrahls auf die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung sinngemäß zu übertragen. Diese Anordnung kann entweder die Detektormatrizen 6L, 6R oder die Hologrammebene I¹ bzw. bestimmte Kombinationen dieser Elemente verschieben, so daß die Zeitpunkte des Durchtrittes des Lichtsegmentes 20 durch die Hologrammebene eingestellt werden können. Weiterhin können die Spiegel 15a bis 15d und 18a bis 18d auf besonders verschiebbaren Trägern angeordnet werden, um weitere Einstellmöglichkeiten zu ermöglichen.

Die an den Ausgängen der Detektormatrizen auftretenden Signale stellen eine Folge von parallelen Informationsblocks dar, die die in den in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgelesenen Hologramme wiedergeben. Jeder dieser Informationsblocks tritt in zeitlich versetzten Zeitpunkten auf und kann durch eine an sich

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bekannte Adressenkoinzidenzschaltung selektiert und unter der Steuerung eines Auslesetors 29 zum Ausgaberegister 30 übertragen werden. Das Auslesetor 29 wird durch eine Adreßzähler- und Registerschaltung 33 in folgender Weise gesteuert: Die Feststellung des Auftretens von Information im Bereich einer Detektormatrix bewirkt eine Fortschaltung des Zeitgebers 31, der über eine Leitung 32 ein Zeitgebersignal überträgt, das zur Fortschaltung des Adreßzählers und Registers 33 dient und gleichzeitig ein Positionsabfühlsignal über eine Leitung 34 zur Steuerung der automatisehen VerstärkungsSteuerungseinheit 35 dient, die die Leseverstärker in Abhängigkeit von dem jeweils ausgelesenen Hologramm steuert. Die kleinste Verstärkung ist für das erste Hologramm vorgesehen, während beim Auslesen der folgenden Hologramme die Verstärkung in zeitlicher Aufeinanderfolge erhöht wird. Diese automatische Verstärkungsstejuereinheit kompensiert die Energieverluste, die das Lichtsegment beim Durchtritt durch die Anordnung erfährt. Die gesamte Zykluszeit der Anordnung ist gleich der Laufzeit des Lichtsegmentes 10 durch die vorhandenen Hologramme. Das nächste Lichtsegment wird unmittelbar nach dem Auslesen des letzten Hologramms durch das vorherige Lichtsegment erzeugt.

Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der in den Fign. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen eine Reihe von gegeneinander versetzten Hologrammebenen durch geeignet angeordnete Spiegel vom Lichtsegment durchsetzen zu lassen. Zur Unterdrückung des beim Durchgang durch die einzelnen Hologramme in der nullten Beugungsordnung entstehenden Rauschens kann es zweckmäßig sein, in der Nähe der einzelnen Hologramme Raumfilter anzuordnen.

Es ist bisher möglich gewesen, mit Hilfe von Lasern Impulse zu erzeugen, deren Dauer unter einer Nanosekunde liegt. In der Literaturstelle "Applied Physics Letters", Vol. 10, Nr. 1, 1. Januar 1967, Seiten 16 ff, von J. A. Armstrong wird die Selektion eines einzigen Impulses von der Dauer einer Picosekunde aus einer Reihe derartiger Impulse beschrieben. Mit den in dieser Literaturstelle angegebenen Lehren zum technischen Handeln ist es möglich, Im-

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pulsbreiten mit einer Länge von 4 χ 10 Sekunden zu messen. Obwohl die heute zur Verfügung stehenden Detektoren innerhalb dieser kurzen Zeitintervalle nicht ansprechen können, sondern sich nur zur Verarbeitung von Lichtsegmenten im Nanosekundenbereich eignen, ist es durchaus möglich, bei Entwicklung besserer Detektoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Zugriffszeiten im Bereich von Picosekunden zu erreichen.

Zur Beschleunigung des Zugriffes ist es zweckmäßig, die Lichtdetektoren und die Leseverstärker als integrierte Schaltungen auszubilden. Auch die Auswahlmatrix zum Auslesen der Bitverstärker wird zweckmäßigerweise in integrierter Planarbauweise als Teil der Detektormatrix hergestellt. Die integrierten Verstärker können entweder als lineare Verstärker oder als bistabile Multivibratoren ausgebildet werden. Im letzten Fall muß der Detektor lediglich die zur Änderung des Zustandes des Multivibrators erforderliche Energie aufbringen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Fotodiode vom PIN-Typ mit einer Empfindlichkeit von 0,35 yA/ W bei 6328 A erwiesen, die bei einer einfallenden Strahlung von 9,5 yW und einem Lastwiderstand von 200 Ohm ein Ausgangssignal von 640 yV erzeugt. Dieses Signal reicht aus, einen bistabilen Multivibrator umzuschalten oder durch einen linearen Verstärker zu einem auswertbaren Signal verstärkt zu werden. Geht man davon aus, daß je Bit 10 uW erforderlich sind und daß der Beugungswirkungsgrad bei 4 % liegt, so wird zum Auslesen je Bit eine Energie von 250 μ¥ϊ benötigt. Nimmt man fernerhin 50 % Verluste der gesamten Anordnung an, so reicht die Energie eines 10 W-Impulses eines impulsbetriebenen Lasers aus, eine Matrix von 20 000 Bits auszulesen.

Zur Veranschaulichung der Randbedingungen sei angenommen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren Lichtimpulse von einer Nanosekunde Dauer und zehn Hologrammpositionen verwendet werden,Nimmt man ferner eine Länge des Lichtweges vom ersten Hologramm zu den Spiegeln von 30 cm und zum nächsten Hologramm von 150 cm an, so ergibt sich eine Seitspanne von 6 Nanosekunden. Di« eine Nanosekunde dauern-

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den Lichtimpulse ergeben bekanntlich Lichtsegmente von der Länge von 30 cm, die sich durch die in den Fign. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung fortpflanzen. In diesem Fall ergibt sich eine Entfernung von der Hologrammebene 1 zur Detektormatrix 6 von 30 cm
und eine Entfernung von der Hologrammebene 1 zur Spiegelebene 4
von 60 cm. Unter diesen Bedingungen müssen die Ausleseselektoren zur übertragung der ausgewählten Information im Ausgaberegister
eine Wiederholungsfrequenz von 6 Nanosekunden zum übergang von
einem Hologramm zum anderen haben. Bei zehn Hologrammen kann der nächste zu erzeugende Lichtimpuls 60 Nanosekunden nach Auftreten des vorherigen Lichtimpulses erzeugt werden, damit sichergestellt wird, daß der vorhergehende Impuls das letzte Hologramm (10)
verlassen hat.

Zusammenfasssend kann gesagt werden, daß die Erfindung ein grundlegend neues Verfahren zur Auswahl jeweils eines aus einer Vielzahl von auszulesenden Hologramme^betrifft, bei dem anstelle der räumlichen Verschiebung eines Lichtstrahls in einer XY-Ebene ein dem Zeitmultiplexverfahren ähnlicher Vorgang angewendet wird.

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Claims (8)

1. _ ο —

   PATENTANSPRÜCHE

   /Ty Verfahren zum optischen Auslesen von Speichern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtimpuls eine Vielzahl hintereinander in seinem Wege angeordnete Speicherbereiche (2a ... 2d, 11a ... 11g) in aufeinanderfolgenden, durch seine Laufzeit definierten Zeitpunkten beaufschlagt und dabei ihre Informationsinhaite nacheinander auf einer, mehreren oder allen Speicherbereichen gemeinsamen Detektormatrix (6) oder Detektormatrizen (6R, 6L) abbildet und daß die Auswahl der jeweils auszulesenen 'Speicherbereiche durch einen Impuls erfolgt, der die Detektormatrix (6) bzw. die an ihren Ausgängen liegenden Schaltungen (29, 30, 31, 35) in den Zeitpunkten aktiviert, in denen der jeweils auszulesende Speicherbereich abgebildet wird.
2. 2. Verfahren zum optischen Auslesen eines Speichers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeit bzw. die Reflektivität der Speicherbereiche für nicht an der Abbildung beteiligte Strahlung als Funktion der Entfernung vom Anfang des Lichtweges des Auslesestrahls kleiner wird.
3. 3. Verfahren zum optischen Auslesen von Speichern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Information in Form von Transmissionshologrammen gespeichert ist.
4. 4. Verfahren zum optischen Auslesen von Speichern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Information in Form von Reflexionshologrammen gespeichert ist.

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   Docket EU 970 028
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4,, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle (11) zur Erzeugung des aus Lichtimpulsen (Lichtsegmente 10)bestehenden Auslesestrahls, durch beiderseits eines Trägers (Hologrammebene 1) für die die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme angeordnete Spiegelpaare (5a ... 5c, 8a ... 8d) zur wiederholten Reflexion des von der Lichtquelle erzeugten Lichtimpulses (Lichtsegmente lOj, durch eine Detektormatrix (6) zur Aufnahme der beim Durchtritt der Lichtimpulse durch die Hologramme (2a, 2b ... 2d) erzeugten Lichtmuster und durch Ausnehmungen (3a ... 3c) zum ungehinderten Durchtritt der an den detektormatrixseitigen Spiegeln reflektierten nullten Beugungsordnungen.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle (11) zur Erzeugung eines aus Lichtimpulsen (Lichtsegmente 20) bestehenden Lesestrahls, durch beiderseits eines Trägers (Hologrammebene 1) für die die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme angeordnete Spiegelpaare (15a ... 15d, 18a ... 18d) zur wiederholten Reflexion der von der Lichtquelle (11) erzeugten Lichtimpulse, und durch beiderseits des in der Hologrammebene (1) angeordnete Träger für die die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme (lla ... Hg) angeordnete Detektormatrizen (6L, 6R) zur Aufnahme der beim Durchtritt der Lichtimpulse durch die einzelnen Hologramme erzeugten Lichtmuster.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch am Ausgang der einzelnen Lichtdetektoren (7) der Detektormatrix (6) angeordnete Schaltungen (29, 30, 31, 33, 35) zur Zuordnung der an den Ausgängen der Detektormatrix (6) auftretenden Informationen zu den einzelnen, durch Hologramme dargestellten Speicherbereichen.

   Docket en 970 028 209831/0937
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch Träger- und Verstellanordnungen (4a, 4b, 4c) zur Verstellung der den Lesestrahl darstellenden Lichtimpulse (Lichtsegmente 10 oder 20) reflektierenden Spiegel (5a ... 5c, 15a ... 15d, 18a ... 18d).

   Docket EN 970 028 2 0 9 8 31 /0937