holografische speicher

Optische Systeme (13. Vorlesung)
Martina Gerken
29.01.2007
Universität Karlsruhe (TH)
13.2
Nachtrag: Triangulation
•
Lichtschnittsensor
– Laserlinie bzw. LED-Linie in definiertem Winkel über Tastobjekt gelegt
– Laserlinie wird auf Empfänger-Kamera als Kontur abgebildet, die dem
Höhenprofil entspricht
Quelle: http:// www.machinevisiononline.org; http://www.sick.de
13.3
Farbcodierte Triangulation
•
Pressemeldung 01/2007: Mit Hilfe eines farbcodierten TriangulationsVerfahrens lassen sich dreidimensionale Abbilder von teilweise sogar
bewegten Objekten aller Art erfassen.
– 3D-Machine Vision erweitert von Siemens
– Projektor beleuchtet Objekt mit parallelen Lichtstreifen
– Kamera zeichnet Muster auf, das eine Art Höhenprofil ergibt
– Computerprogramm berechnet im Bruchteil einer Sekunde das 3D-Abbild
– Lichtstreifen sind farblich oder zeitlich redundant codiert
– Je nach Kodierung wird 3D-Datensatz aus einem Videobild bestimmt und
somit auch bewegtes Objekt dreidimensional erfasst.
Quelle: http:// www.pro-physik.de; http://www.siemens.de
13.4
Inhalte der Vorlesung
1. Grundlagen der Wellenoptik
2. Abbildende optische Systeme
3. Optische Messtechnik
4. Biomedizinische optische Systeme
5. Optische Materialbearbeitung
6. Optische Datenspeicherung -> Optik in der Datenspeicherung
6.1 Kopierer und Laserdrucker
6.2 CD-/DVD-Spieler
6.3 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD)
6.4 Holographische Datenspeicher
7. Optische Informationstechnik
8. Mikro- und Nanooptische Systeme
13.5
Magneto-Optical Discs (MOD), MiniDisc (MD)
•
•
Daten in kleinen ferro-magnetischen Domänen abgelegt, die erzeugt und
gelöscht werden können
– Ferro-magnetischen Domänen sind Volumenbereiche mit homogener
Ausrichtung der Magnetisierung.
Erzeugung der Domänen erfolgt in der Kombination von Licht mit einem
Magnetfeld. Licht erwärmt Material lokal.
– Prinzipien der MOD in
den 70ern erforscht
– Mit CD 1982
angekündigt
– Erste kommerzielle
MOD 1988 erschienen
Quelle: Imlau
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.6
MOD: Lesen
•
Magneto-optischer Kerreffekt (MOKE) bewirkt, dass Polarisationszustand des
reflektierten Laserlichtes verglichen zum einfallenden linear polarisierten
Laserlichtes um einen geringen Winkelbetrag gedreht ist (ca. 0.5°).
– Vorzeichen der Verkippung hängt von Orientierung der ferromagnetischen Domänen ab.
•
Polarisator wandelt
Polarisationsmodulation in
Intensitätsmodulation um.
Polarisationszustand:
•
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.7
MOD: Schreiben
•
Angelegtes Magnetfeld größer als Koerzitivmagnetfeld Hc bewirkt Änderung in
der Ausrichtung der Domänenmagnetisierung.
•
In MODs benutzt man Materialien,
deren Hc stark von der Temperatur
abhängt.
– Bei Raumtemperatur und bei
Erwärmung durch schwachen
Lese-Laserstrahl sollte Hc
möglichst groß sein, damit
geschriebene MODs ihren
Zustand beibehalten.
– Bei Erhitzung durch intensiven
Laserstrahl soll Hc klein werden,
damit MOD mit angelegten
Magnetfeld geschrieben werden
kann.
Magnetisierung Ms
Neukurve
Hc
Hc
Hysteresisschleife
Magnetisierung -Ms
www.twysted-pair.com/hyster1.htm
13.8
Formanisotropie und Orthogonalanisotropie
•
Nur eine Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene kann in der typischen
senkrechten Lese-Konfiguration ausgelesen werden.
– Die meisten Materialien haben jedoch eine Ausrichtung der Domänen in
Richtung der Schichtebene (Formanisotropie FA)
•
Nur Materialien, bei denen
Orthogonalanisotropie Ku größer als
Formanisotropie FA ist: Ku>FA
kommen für MODs in Frage.
– Dies ist z.B. bei Co der Fall. Co
hat allerdings eine kleine
Magnetisierung.
– Besser ist ein Kombination
mehrerer Materialien.
13.9
MOD: Materialien
•
•
Bessere Eigenschaften erhält man durch Kombination von Materialien, bei
denen Magnetisierungen der beiden Elemente entgegengesetzt orientiert ist
(antiferromagnetische Kopplung).
Kombination Seltene-ErdElemente (rare-earth, RE,
z.B. Tb, Gd, Dy) und
Übergangsmetalle (transition
metal, TM, z.B. Fe, Co, Ni).
– Gesamtmagnetisierung ist
sehr klein Ms≈0.
– Bei Tcomp ist Hc sehr groß.
– Näher bei Tc ist Hc
wesentlich kleiner.
– Das TM sorgt für eine
große Kerr-Rotation.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.10
TbFeCo-Kombinationen
•
Kombination mit ca. 25% Tb liefert ein günstiges Tcomp≈25°C und Tc ≈200°C.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.11
Schichtenfolge einer MOD
•
•
Al-Schicht reflektiert Licht. Es passiert die TbFeCo-Schicht zweimal.
Si3N4-Schichten verhindern, dass Wasser an TbFeCo-Schicht gelangt, und
dienen als Antireflexschichten.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.12
Vergleich MO-Disk und DVD-RAM
•
3,5" MO-Disk
– hat maximal 2,3 GB,
– 20 EUR
– Betriebssystem erkennt MOD
als Festplatte
– höhere physikalische
Datensicherheit
• MOD lichtunempfindlich
• MOD bis ca. 100 °C
temperaturunempfindlich
•
DVD-RAM
– 4,7 GB
– 6 EUR
– Bessere Transferleistung
– DVD-RAM-Brenner billiger
– DVD-RAM teilweise als DVDBrenner eingebunden
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.13
Inhalte der Vorlesung
1. Grundlagen der Wellenoptik
2. Abbildende optische Systeme
3. Optische Messtechnik
4. Biomedizinische optische Systeme
5. Optische Materialbearbeitung
6. Optische Datenspeicherung -> Optik in der Datenspeicherung
6.1 Kopierer und Laserdrucker
6.2 CD-/DVD-Spieler
6.3 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD)
6.4 Holographische Datenspeicher
7. Optische Informationstechnik
8. Mikro- und Nanooptische Systeme
13.14
Holographische Aufnahme
•
•
Interferenzmuster belichtet Glasplatte oder Film mit lichtempfindlicher Schicht
– Schicht reagiert nur auf Intensität des Lichtes
Durch die Interferenz der Wellenfronten wird relative Phase (zwischen Objektund Referenzwelle) ebenfalls aufgezeichnet.
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.15
Aufgabe: Beispielhologramme
•
Skizzieren Sie das Hologramm einer spiegelnden Fläche!
– Berechnen Sie die charakteristischen Abstände!
•
Skizzieren Sie das Hologramm einer kleinen streuenden Kugel!
13.16
Hologramm einer ebenen Welle
– Amplitude der Objektwelle im
Kontrast des Interferenzmusters
gespeichert
– Winkel zwischen Objekt- und
Referenzstrahl in der
Gitterkonstanten gespeichert
M =
I max − I min
2 Eˆ Eˆ
= 2 O R2
I max + I min Eˆ O + Eˆ R
M : Modulation
I : Intensität
Eˆ , Eˆ : Amplituden
O
R
Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc
Obje
ktstr
ahl
Holographische Aufnahme eines Interferenzmusters von zwei ebenen
Wellenfronten (Referenzwelle und Objektwelle)
l
t r ah
enzs
r
e
f
Re
•
13.17
Bragg-Bedingung
•
Beispiel für Zusammenhang zwischen Gitterperiode und Winkel
sin
ε
2
=
λ
⇒g=
2g
λ
ε
ε
2 sin 2
2
ε
ε
2
.
λ
ε
2
2g
Abb. 2b
λ : Wellenlänge des verwendet en Lichts
ε : Trennungsw inkel zw. Objekt - und Referenzw elle
g : Gitterkonstante
Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc
13.18
Hologramm eines einzelnen Punktes
•
Interferenz ebener Referenzwelle mit Kugelwelle aus Punkt G
– Fresnel‘sche Zonenplatte
Objektstrahl
Referenzstrahl
Fresnel'sche Zonenplatte
Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc
13.19
Hologramm eines beliebigen Objektes
•
Da Objekt aus vielen räumlichen Punkten zusammengesetzt, besteht
Hologramm aus Überlagerungen vieler Fresnel'scher Zonenplatten
– Hologramm speichert im Kontrast die Amplitude und im Abstand der
Interferenzmaxima die Phase (Richtung und Form) der Objektwelle
– Farbinformation fehlt (im einfachen Fall)
– Hologramm stellt Codierung von Lichtwellen dar, nicht direkt ein Objektbild
Resultierendes
Interferenzmuster
13.20
Bedingungen für holographische Aufnahmen
•
Feste Phasenbeziehung zwischen Objekt- und Referenzstrahl notwendig, um
Interferenzmuster aufzunehmen
– Zeitliche und räumliche Kohärenz der Lichtquelle während
Belichtungsdauer notwendig
– Stabilität aller Komponenten des optischen Aufbaus einschließlich des
aufzunehmenden Gegenstandes während Belichtungsdauer notwendig
(Bewegungen im 100 nm Bereich zerstören Interferenzmuster)
– Typischerweise werden gepulste, linear polarisierte Laser verwendet
•
Hochauflösender Film notwendig, um Interferenzmuster aufnehmen zu
können (Auflösung 1000-10000 mm-1)
13.21
Amplitudenhologramm und Phasenhologramm
•
Bei Amplitudenhologrammen ist Interferenzmuster in Form von
unterschiedlichen Schwärzungen gespeichert,
– Transparenter Film wird in belichteten Bereichen geschwärzt und bleibt an
den dunklen transparent.
– Schwarze Bereiche absorbieren Licht bei der Wiedergabe.
•
Bei Phasenhologrammen ist Interferenzmuster als Oberflächenrelief
ausgebildet
– In belichteten Bereichen ist Schichtdicke dünner
– Oberflächenrelief erzeugt Phasendifferenz bei Wiedergabe
– Helles Bild, da keine Absorption
13.22
Filmmaterialien
Quelle: Lecture Holography and optical phase conjugation held at ETH Zürich by Prof. G. Montemezzani in 2002
13.23
Rekonstruktion eines Hologramms
•
Rekonstruktion des Objektbündels durch Lichtbeugung (Diffraktion)
– Holografische Fotoplatte mit Welle
beleuchtet, die mit Referenzwelle
identisch ist
– Licht wird am Interferenzmuster
gebeugt und es entsteht die
exakte Wellenfront der
Objektwelle
– Bei Transmissions- (Durchlicht-)
hologramm abgebildeter
Gegenstand hinter Hologramm
sichtbar
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.24
Warum wirkt Hologramm dreidimensional?
•
•
•
•
Warum sehen wir überhaupt dreidimensional?
– Durch Augenabstand sehen unsere Augen Objekt aus leicht
verschiedenen Richtungen. Gehirn kann dadurch räumlichen Eindruck
herstellen.
Ganzes Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt wird
rekonstruiert
Abbild kann ebenfalls durch Augenabstand aus leicht verschiedenen
Richtungen betrachtet werden.
Räumlicher Eindruck dadurch verstärkt, dass man sich im Wellenfeld hin- und
herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in
begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann.
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.25
Was passiert bei Beleuchtung mit anderer Wellenlänge?
•
Einfluss der Wellenlänge auf Rekonstruktion kann an Bragg Bedingung
gesehen werden
– Gitterkonstante g ist durch Hologramm gegeben
– Wellenlänge λ wird variiert
– Somit ergibt sich anderer relativer Winkel zwischen Objekt- und
Referenz- bzw. Rekonstruktionsstrahl
– Daher Lage des rekonstruierten Bildes verändert
•
Problem bei Beleuchtung mit weißem Licht: Jede Wellenlänge erzeugt
anderes Bild und Bilder überlagern sich zu verschwommenem Gesamtbild
•
Daher lassen sich die bisher besprochenen Flächentransmissionshologramme
nur in monochromatischem Licht betrachten.
13.26
Volumenhologramme (Weißlichthologramme)
•
Aufnahme mit verhältnismäßig dicker Emulsion, so dass
Überlagerungsmuster nicht nur in einer Ebene, sondern in Volumen
gespeichert.
– Nur sinnvoll, wenn Interferenzstreifen nicht senkrecht zur Holoplatte
stehen (sonst hätte man sehr dickes Flächenhologramm)
– Daher Aufnahmeanordnung mit Objekt- und Referenzstrahl aus entgegen
gesetzten Richtungen
Abb. 9
Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc
13.27
Rekonstruktion Weißlichthologramm
•
•
•
Betrachtung des Hologramms in Reflektion
– Weißlichthologramme werden auch Reflektionshologramme genannt
Jede Fotoschicht wirkt wie einzelnes Hologramm
Konstruktive Interferenz in Reflektion nur für die richtige Wellenlänge
– Volumenhologramm verhält sich wie Bragg-Spiegel
– Falsche Wellenlängen werden transmittiert und somit "herausgefiltert„
•
Bei Wiedergabe gewisse räumliche Kohärenz für scharfes Bild notwendig
– Z.B. punktförmige Lichtquelle wie Sonne
•
Auf Volumenhologramm können mehrere Bilder gespeichert werden, da
Wiedergabe unter einem bestimmten Winkel nur mit einer Wellenlänge
– Hologramme mit Bewegung: Andere Bilder bei anderen Winkeln
– Hologramme in Echtfarben: Aufnahme von drei Volumenhologrammen mit
rotem, grünem und blauem Licht bei gleichem Einfallswinkel
•
Leider teuer, da keine kostengünstige Vervielfältigung möglich
13.28
Regenbogenhologramm - Aufnahme
•
•
Kopie eines bereits vorhanden Masterhologramms mit Spalt (bzw.
streifenförmig geformtem Laserstrahl) auf zweiter Holoplatte aufgenommen
Kostengünstige Vervielfältigung durch Prägen
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.29
Regenbogenhologramm - Rekonstruktion
•
•
•
Wiedergegebene Objektfront ist vor den Augen des Betrachters nur noch eine
Linie, dadurch überlagern sich Bilder verschiedener Wellenlängen nicht
– Rekonstruktion mit weißem Licht möglich
– Kein dreidimensionales Bild, da vertikale Parallaxe fehlt
Farbigkeit des Hologramms durch Rekonstruktion verschiedener
Wellenlängen in verschiedenen Winkeln
Multiplexhologramme (Stereogramme) möglich
– Fotos, die Objekt aus
verschiedenen Perspektiven
zeigen, werden in Hologramm
gespeichert
– Jedes Auge sieht eine solche 2dimensionale Perspektive und Bild
wird räumlich wahrgenommen
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.30
Holografische Speicher
•
Holographische Speicher versprechen:
– Hohe Datendichte durch Volumenspeicherung
– Hohe Datenübertragungsrate durch parallele Informationsverarbeitung
•
Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge
der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben benutzt wurde, speichern.
– z.B. Helium-Neon-Lasers mit Wellenlänge: 632,8 nm
– 1 Quadratzoll von perfektem holografischen Speicher enthält 1,61×1013
Bits, was ungefähr 2.014 Terabyte entspricht (2,5×1012 Bit pro cm²)
– 1 Kubikzoll von solchem Speicher hätte Speicherkapazität von
8.083.729.105 Terabyte (493.299.416 TB pro cm³).
– Speicherdichte ist in der Praxis um Größenordnungen niedriger, da Bits
für Fehlerkorrektur benötigt, und Mangelhaftigkeit des optischen Systems
ausgeglichen werden muss.
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.31
Holografische Speicher
•
Ablauf:
– Digitalisierung der Daten
– Konvertierung in 2D-Bitmuster
(Datei wird in gleichgroße
Datenpakete aufgeteilt, meist
mehrere)
– Bitmuster wird mit
„PageComposer“ (z.B.
Flüssigkristall 1024 x 1024
Bildpunkten) auf den Laserstrahl
aufgeprägt.
– Im Brennpunkt der optischen
Anordnung wird das
Speichermedium platziert, das
photosensitiv sein muss, d.h. es
verändert seinen Brechwert
(photorefraktiv) oder seine
Absorption (photochrom) bei
Lichtbestrahlung.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.32
Zwischenbild
•
•
Problem: PageComposer wirkt aufgrund seiner Gitterstruktur mit einer
Periodizität von wenigen Mikrometern als Beugungsgitter auf die einfallende
Lichtwelle und die Information wird im weiteren Verlauf gestört.
Lösung: Es wird zunächst ein „Zwischenbild“ erzeugt, bei dem die höheren
Beugungsordnungen mit einer Blende im Brennpunkt heraus gefiltert werden
(„Fourierfilterung“).
– 4f Optik
Quelle: Imlau
13.33
Holografische Disc
•
Ein holographischer Speicher könnte wie bei CD/DVD/MOD auf einer Disc
aufgebracht werden. Dies erlaubt die Nutzung der bekannten PlayerTechnologie.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.34
Beugungswirkungsgrad
•
•
•
Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle beim Auslesen müssen mit den
Bedingungen beim Einschreiben übereinstimmen.
Für sehr kleine Abweichungen kann die Rekonstruktion noch erfolgen, dann
nimmt der Beugungswirkungsgrad schnell ab.
z.B. Beugungswirkungsgrad mit Winkelabweichung:
Quelle: Imlau
13.35
Multiplexing
•
•
Die Empfindlichkeit gegenüber Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle
kann benutzt werden, um mehrere Hologramme in dasselbe Speichermedium
zu schreiben (Multiplexing).
Liegt das zweite Hologramm beim Beugungsminimum des ersten
Hologramms, so können beide Hologramme ohne Übersprechen ausgelesen
werden.
– Mit diesem Verfahren
können bei ∆θ=0.01° in
einen Winkelbereich von
10° 1000 Hologramme
eingeschrieben werden!
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.36
Winkelmultiplexing
•
Verschiedene Drehachsen sind für
das Winkelmultiplexing möglich:
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.37
Winkel- und Wellenlängenmultiplexing
•
Benötigter Winkel- bzw. Wellenlängenabstand für zwei Hologramme ohne
Übersprechen (θB ist der halbe Winkel zwischen Signal- und Referenzwelle):
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
Quelle: Imlau
13.38
Ortsmultiplexing
•
Zusätzlich zum Winkel- und Wellenlängenmultiplexing wird noch
Ortsmultiplexing eingesetzt.
– Speichermedium räumlich verschoben
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
13.39
Holographic Versatile Disc (HVD)
•
Zur Zeit in Entwicklung durch die „HVD Alliance“
– Kapazität von bis zu 3,9 Terabyte (Blu-ray Disc 200 GB )
– Transferrate von 1 Gbit/s bei einfacher Rotationsgeschwindigkeit
(Vergleich: Blu-ray Disc 36 MBit/s, DVD 10.8 MBit/s, CD 1.4 MBit/s)
– Laufwerke mit höherer Rotationsgeschwindigkeit (z.B. 8x) sind denkbar
Quelle: www.hvd-alliance.org
13.40
Vergleich CD/DVD und HVD
Quelle: www.howstuffworks.com
13.41
Simulation eines HVD-Hologramms
Quelle: www.howstuffworks.com
13.42
HVD: Struktur
Quelle: www.hvd-alliance.org
13.43
HVD: Optisches System
Quelle: www.hvd-alliance.org
13.44
HVD: Speichern in überlagerten Hologrammen
Quelle: www.hvd-alliance.org
13.45
Vergleich optischer Datenträger
Quelle: http://de.wikipedia.org
13.46
Fragensammlung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Worauf basiert die Datenspeicherung in einer MOD?
Wie ist ein MOD-Spieler aufgebaut?
Nennen Sie einen Vorteil einer MOD gegenüber einer DVD-RAM!
Was ist ein Hologramm?
Wie wird ein Hologramm aufgenommen?
Welche Bedingungen müssen bei der Aufnahme erfüllt sein?
Wie wird das Hologramm rekonstruiert?
Was sehe ich, wenn ich ein Flächenhologramm in Weißlicht betrachte?
Warum kann ich ein Volumenhologramm in Weißlicht sehen?
Warum sind holographische Datenspeicher interessant?
Wie ist ein System zur holographischen Datenspeicherung aufgebaut?
Was ist Wellenlängenmultiplexing?
Was ist Winkelmultiplexing?
Wie sieht eine HVD im Querschnitt aus und warum so?