Universität Karlsruhe (TH)
Optische Systeme (13. Vorlesung)
Martina Gerken29.01.2007
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 Triangulations-Verfahrens 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.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“Quelle: Imlau
– Prinzipien der MOD in den 70ern erforscht
– Mit CD 1982 angekündigt
– Erste kommerzielle MOD 1988 erschienen
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 ferro-magnetischen Domänen ab.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
• Polarisator wandelt Polarisationsmodulation in Intensitätsmodulation um.
• Polarisationszustand:
13.7
MOD: Schreiben
• Angelegtes Magnetfeld größer als Koerzitivmagnetfeld Hc bewirkt Änderung in der Ausrichtung der Domänenmagnetisierung.
www.twysted-pair.com/hyster1.htm
Hc
Hc
Neukurve
Hysteresisschleife
Magnetisierung -Ms
• In MODs benutzt man Materialien, deren Hc stark von der Temperatur abhängt.
– Bei Raumtemperatur und bei Erwärmung durch schwachen Lese-Laserstrahl sollte Hcmöglichst 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
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>FAkommen 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-Erd-Elemente (rare-earth, RE, z.B. Tb, Gd, Dy) und Übergangsmetalle (transitionmetal, TM, z.B. Fe, Co, Ni).
– Gesamtmagnetisierung ist sehr klein Ms≈0.
– Bei Tcomp ist Hc sehr groß.
– Näher bei Tc ist Hcwesentlich 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 DVD-
Brenner 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 Objekt-und 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
• Holographische Aufnahme eines Interferenzmusters von zwei ebenen Wellenfronten (Referenzwelle und Objektwelle)
Obj
ekts
trah
l
Ref
eren
zstr
ahl
– Amplitude der Objektwelle im Kontrast des Interferenzmusters gespeichert
– Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl in der Gitterkonstanten gespeichert
Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc
22 ˆˆ
ˆˆ 2
minmax
minmax
RO
RO
EE
EE
II
IIM
+=
+−
=
Amplituden :ˆ ,ˆ
Intensität :
n Modulatio:
RO EE
I
M
13.17
Bragg-Bedingung
• Beispiel für Zusammenhang zwischen Gitterperiode und Winkel
.
Abb. 2b
ε2
ε2
ε
2g
λ
ε2
2sin2
22
sin ελλε
=⇒= gg
tanteGitterkons :
elle Referenzwund -Objekt zw. inkelTrennungsw :
Lichtsen verwendetdes eWellenläng :
g
ελ
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
ReferenzstrahlFresnel'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 derInterferenzmaxima 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)
Quelle: http://de.wikipedia.org
– 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
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 wirdrekonstruiert
• 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 Holoplattestehen (sonst hätte man sehr dickes Flächenhologramm)
– Daher Aufnahmeanordnung mit Objekt- und Referenzstrahl aus entgegen gesetzten Richtungen
Abb. 9Quelle: 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
Quelle: http://de.wikipedia.org
– Fotos, die Objekt aus verschiedenen Perspektiven zeigen, werden in Hologramm gespeichert
– Jedes Auge sieht eine solche 2-dimensionale Perspektive und Bild wird räumlich wahrgenommen
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 einfallendeLichtwelle 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 Player-Technologie.
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.
Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“
– Mit diesem Verfahren können bei ∆θ=0.01° in einen Winkelbereich von 10° 1000 Hologramme eingeschrieben werden!
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?