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Allgemein:
In der heutigen Zeit wird nahezu alles mit Computern bearbeitet, gelenkt, etc.... . Folglich stellt die Informatik eine der wichtigsten Entwicklungen überhaupt dar. Sprache, Bilder, Zahlen, Daten und viele andere Informationspartikel werden heute in großem Umfang elektronisch gespeichert, bearbeitet und zur Steuerung von Prozessen verwendet.
Auch optische Technologien dringen zunehmend in die Bereiche der Informationsverarbeitung und -speicherung ein und eröffnen neue Möglichkeiten (Science-Fiction-Begriff \"Optronik\").
Als Vorbild für jegliche "künstlich" hergestellte optische Datenverarbeitung dient selbstverständlich das Auge, sei es vom Menschen oder vom besser sehenden Tier. Das Auge funktioniert perfekt, aber gleichzeitig doch verständlich einfach: Durch die Augenlinse strömt das Licht, das von dreidimensionalen Objekten abgestrahlt wird, ins Auge und bildet sich auf dem Augenhintergrund ab. Auf der Netzhaut entsteht ein zweidimensionales Bild, das von Nervenzellen in elektrische Signale umgewandelt und im Gehirn gespeichert und verarbeitet wird (Die Wissenschaftler streiten darüber in welcher \"Übertragungsform\" die Signale weitergeleitet werden, ob sie in der, auch in den Computern gebräuchlichen, binominalen oder in einer anderen Form übertragen werden). Das Linsensystem im Auge erfüllt zahlreiche Funktionen: Durch Variation der Brennweite werden verschiedene Objektabstände scharf auf die Netzhaut abgebildet, der Lichtstrom auf der Netzhaut wird durch die Pupille geregelt, durch Beobachtung mit beiden Augen aus unterschiedlichen Richtungen entsteht ein räumlicher Eindruck, durch Bewegung der Augen werden bewegte Objekte erfaßt.
Die Möglichkeiten der Bilderfassung und -verarbeitung durch das Auge werden durch Brillen, Lupen, Mikroskope und Fernrohre erheblich erweitert. Die Entwicklung dieser Geräte begann im Mittelalter und wurde im 19. Jahrhundert zu einer hohen Blüte getrieben.
Die Theorie des Mikroskops und dessen Auflösungsvermögen bildet die Grundlage verschiedener optischer Datenverarbeitungssysteme. Das Mikroskop wurde 1673 von A. von Leenwenhock entwickelt, von Christian Huyghens 1684 weiterentwickelt, so daß das zweilinsige Okular entstand. Ernst Abbe (1840-1905) erweiterte die theoretischen Grundlagen dieser Geräte, die Carl Zeiss in Jena mit immer höherer Qualität und höherem Auflösungsvermögen herstellte. Besonders Mediziner und Biologen waren begeistert von dem neuen Gerät, das neben dem Fotoapparat ein Verkaufsschlager unter den optischen Geräten wurde. Das Mikroskop stellt ein zweistufiges System dar, in dem durch zweimalige Fourier-Transformation ein Bild des Objekts erzeugt wird. Nach der ersten Fourier-Transformation kann in der Brennebene des Objektivs die Lichtverteilung durch Blenden und Masken verändert werden, wodurch sich das Bild in charakteristischer Weise ändert. Diese Versuche von Abbe stellten erste Beispiele für eine rein optische Bildverarbeitung dar. Fritz Zernicke (1888-1966, 1953 Nobelpreis Physik) hat diese Ideen weitergeführt und durch Einfügen einer sogenannten Phasenplatte in die Objektivbrennebene eines Mikroskops ursprünglich unsichtbare Phasenstrukturen von Objekten dem Auge sichtbar gemacht. Damit war das erste rein optische Phasenkontrastverfahren entwickelt.
Die Erfindung der Holographie (1948 Dennis Gabor, USA; 1971 Nobelpreis Physik) und des Lasers durch Maiman im Jahre 1960 haben der optischen Bildverarbeitung starke Impulse gegeben. Durch die Reinheit der neuen Lichtquelle Laser konnten zahlreiche Verfahren zur Bildtransformation und Filterung entwickelt und optische Methoden der Bilderkennung durch Korellationstechniken entwickelt werden. Die Bilder sind dabei aber nicht immer gegenständliche Objekte, sondern können auch zweidimensionale Datenfelder darstellen.
Die Bild- und Datenverarbeitung geschieht bei den bisher erwähnten Verfahren analog, d.h. die Daten sind stetige Funktionen des Ortes und der Zeit. Diese analogen Techniken werden hauptsächlich zur Bearbeitung zweidimensionaler Bilder eingesetzt. Die analoge optische Bildverarbeitung beruht auf zwei grundlegenden mathematischen Operationen, nämlich der Multiplikation und der Fourier-Transformation.
Multiplikation: Wird ein Objekt mit einer Lichtwelle bestrahlt, so gibt die Lichtintensität unmittelbar hinter dem Objekt dessen Konturen originalgetreu wieder. Es entsteht auf einer Beobachtungsfläche (= Schirm) in der Nähe ein objektähnlicher Schatten. Diese Operation wird auch beim Diaprojektor verwendet. Die Lichtintensität hinter dem Objekt entspricht dem Produkt aus Intensität der Lichtquelle und Durchlässigkeit des Objekts. Der Durchgang von Licht durch ein teildurchlässiges Objekt stellt damit die optische Realisierung der mathematischen Operation \"Multiplikation\" dar.
Damit können riesige zweidimensionale Datenfelder multipliziert werden, die aus bis zu 1 Million Zahlen bestehen können (1000*1000): Dabei verwendet man beispielsweise zwei Flüssigkristallschichten, die übereinander liegen, auf welche Zahlen grauförmig als Matrizen gespeichert werden. Dann werden beide Schichten mit Licht durchstrahlt, und das Produkt der Multiplikation wird mittels eines Detektorfelds registriert.
Der Vorteil dieser doch recht kompliziert anmutenden Operation ist, daß im Gegensatz zu elektronischen Systemen riesige Datenmengen parallel verarbeitet werden können. Außerdem wird die Rechenoperation in äußerst kurzer Zeit durchgeführt, nämlich in der Zeit, in der das Licht durch das Objekt strahlt. Bei einer Dicke von 0,1 mm der Flüssigkristallschichten beträgt diese 300 Femtosekunden (= 3*10-13 s). Diese hohe Leistung ist mit elektronischen Systemen kaum realisierbar.
Fourier-Transformation: Mit einer Linse oder einem Objektiv kann man einen Gegenstand betrachten, wie zum Beispiel beim Auge oder Diaprojektor. Das Abbild des Dias befindet sich mehrere Meter entfernt auf einem Schirm. Wird jetzt der Schirm näher herangeführt, so wird das Bild sehr schnell unscharf, und nach kurzer Zeit kann man nichts mehr erkennen. Bringt man den Schirm mit dem Abbild bis in die Brennebene vor dem Objektiv so tritt die sogenannte Fourier-Transformation auf: So heißt die mathematische Verknüpfung die zwischen der Lichtverteilung am Dia und dem verschwommenen Abbild herrscht.
Wenn man sich die Information des Dias als feine Rasterlinien vorstellt, gibt die Fourier-Transformation Auskunft über die Verteilung der Abstände der Linien.
Die Fourier-Transformation nützt man zum Beispiel in der Radartechnologie aus (in Verbindung mit dem Dopplereffekt)
Aus der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) ist bekannt, daß analoge Verfahren eine begrenzte Genauigkeit besitzen. Daher werden vor allem digitale Verfahren verwendet. In der EDV werden daher zu verarbeitende Größen als rationale Zahlen dargestellt (z.B. 1,2,3,4,...). Diese erlauben eine beliebige Genauigkeit.
Nun wird versucht auch in der ODV (optischen Datenverarbeitung) digitale Verfahren zu
finden. Man versuchte eine Möglichkeit zu finden, die elektronischen Rechner durch digitale optische zu ersetzen. Da die Entwicklung aber nur sehr langsam vorangeht, sieht man die optische Datenverarbeitung nicht mehr als Ersatz sondern vielmehr als Ergänzung der elektronischen.
Optische Digitalrechner:
Erst in den Achtzigerjahren wurden optische Digitalrechner zu einem Forschungsziel. Das Ziel die elektronischen Rechner zu verdrängen, ist zwar in weiter Ferne, doch die erhofften Kapazitäten der optischen Systeme sind beeindruckend: Während elektronische Rechner 10-100 Millionen Rechenoperationen in der Sekunde schaffen (Parallelrechner sogar 1-10 Milliarden), sollen die optisch-digitalen Rechner mindestens tausendfach höhere Rechnungs-leistungen bieten.
Ein optischer Digitalrechner könnte zum Beispiel so aufgebaut sein: Die Daten werden über eine Art Tastatur, die mit einer Lichtquelle (Laser?) verbunden ist, eingegeben. Das Licht gibt die Daten durch steuerbare Masken oder durch Modulation über Glasfasern dem Zentralrechner weiter. Dort werden sie miteinander verknüpft und/oder verarbeitet. Die benötigten Verknüpfungen erfolgen in elektronischen Prozessoren durch Transistoren, die verschiedene logische Operationen durchführen.
Es werden auch schon optische Transistoren entwickelt. Dabei steuert ein schwächerer Lichtstrahl einen stärkeren, durch Schalter, Resonatoren, etc.
Doch momentan werden in der optischen Datenverarbeitung kaum Laser eingesetzt, daher ist obiges als kleiner Exkurs zu sehen, doch in heutigen Peripheriegeräten ist der Laser oftmalig eingesetzt. Vor allem in Dateneingabe (Scanner), -weiterleitung (Glasfaser) und -ausgabe (Drucker, Faxe) ist der Laser heute nicht mehr wegzudenken:
Dateneingabe:
Optoelektronische Auswertesysteme werden zum Lesen von Strichcodes, Texten und Zeichnungen verwendet.
Weit verbreitet sind Strichcodelesegeräte und Scanner zur Identifizierung von Waren und Preisen in Geschäften und zur Kennzeichnung von Büchern in Universitäten und Bibliotheken. Die \"Ware\" wird dazu mit einem Symbol, einem sogenannten Barcode, gekennzeichnet, das aus parallelen Strichen unterschiedlicher Dicke besteht. Mit dem Scanner wird ein Laserstrahl über den Strichcode geführt, dann wird die zurückgestrahlte Strahlung gemessen. Diese besteht aus verschieden starken Impulsen unterschiedlichen Abstandes, die mittels eines Photodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgewertet werden.
Früher verwendete man hauptsächlich He-Ne-Laser, während heute kompakte Laserdioden verwendet werden.
Ein Strichcode besteht aus hellen und dunklen Balken, die die Digitalzahlen 0 und 1 darstellen. Diese Balken kann man wie das Binominalzahlensystem interpretieren und damit beliebige Zahlen bilden. Die europäische Norm von Strichcodes ist das EAN (Europäisches Artikelnummerierungssystem), das den Vorteil besitzt, vom Laser sowohl vorwärts, als auch rückwärts gelesen werden zu können.
Mit optischen Scannern für Computer können Papierseiten bis zu einem Format von DIN A3 eingegeben werden. Im Grunde funktionieren sie wie Strichcodelesegeräte, nur daß kein Code gelesen wird, sondern die ganze Seite als Bitmuster gespeichert wird und von Computeralgorithmen auf Zeichen untersucht wird. Dadurch wird der Seiteninhalt so konvertiert, daß man ihn am Computer bearbeiten kann.
Zu den optischen Eingabe- und Aufzeichnungsgeräten zählt sicher auch die Laserkamera, die vor allem in Medizin und Biologie verwendet wird. Damit kann man Bildsignale eines Computertomographen (CT) oder Magnetresonanzgeräts (MR) sichtbar machen. Das Funktionsprinzip entspricht dem des Laserdruckers (siehe weiter unten), doch wird hier anstatt der Drucktrommel ein lichtempfindlicher Film vorbeigeführt, belichtet und dann ausgegeben. Die Bilder ähneln normalen Röntgenbildern.
(Optische) Datenspeicherung:
Daten können auf verschiedenste Weise optisch gespeichert werden. Man denke nur an Fotografie und Film, die seit letztem Jahrhundert bekannt sind. Doch es existieren auch viel aktuellere Erfindungen dazu:
Die Technologie der optischen Compact Disks begann in den späten 60er Jahren durch die Firmen Bosch (Berlin) und Philips (Eindhoven). Bereits im Jahre 1973 (!) gab es den ersten optischen Videoplattenspieler zu kaufen. Zum Abtasten der noch störungsanfälligen Platten wurde ein He-Ne-Laser verwendet, der sich noch heute in solchen Geräten bewährt. Dieser frühe optische Datenspeicher hatte aber auf dem Markt keine Chance gegen die konventionelle magnetische Aufnahme/Wiedergabetechnik.
1976 begann Philips in Kooperation mit Sony die erforderliche Elektronik für optische Speichersysteme zu entwickeln. Damit wurde der erste Grundstein für die heutigen CDs gelegt, die erst in der Mitte der 80er Jahre einen durchschlagenden Erfolg hatten.
Die Datenspeicherung auf einer CD erfolgt, wie bei der Schallplatte, durch eine Abfolge von Hebungen verschiedener Länge und Abstände. Diese Erhebungen, auch \"Pits\" genannt, gehen aber nur in den Micrometerbereich (µm). Die Pits werden von einem fokussierten Strahl eines Diodenlasers (mit weniger als 1 Milliwatt Leistung) abgetastet, aber im Gegensatz zur normalen Schallplatte erfolgt dies berührungslos und nahezu verschleißfrei. Zur Verbesserung der Abtastung ist die Platte einschließlich der Pits mit einer Metallschicht verspiegelt. Ist an der angestrahlten Stelle kein Pit, so wird der Laserstrahl reflektiert und von einem Photodetektor registriert. Befindet sich jedoch ein Pit dort, so wird der Laserstrahl abgelenkt, und der Photodetektor empfängt kein Licht mehr. Dieses stetige Hin und Her wird in \"1\" und \"0\", also digitale Signale, umgewandelt und kodiert. Anschließend werden die Signale verstärkt und dann zu einem Lautsprecher geführt, der die Musik wiedergibt.
Normale käufliche CDs sind nicht aufnahmefähig und daher auch nicht wiederbeschreibbar, aber es gibt CDs die mit einer wiederbeschreibbaren Silberfolie statt der Metallschicht ausgestattet sind (Allerdings ist das private \"Brennen\" von CDs nicht billig, und auch die Qualität des Aufgenommenen leidet darunter).
Bei kommerziellen CDs werden die elektrischen Tonsignale etwa 44.000 mal pro Sekunde abgetastet und die momentanen Spannungen in etwa 65.000 Stufungen digital kodiert (Das entspricht 16 bit). Durch diese hohe Genauigkeit werden auch kleinste Veränderungen in Lautstärke und Tonhöhe registriert und wiedergegeben. Folglich ist die Qualität viel besser als bei der veralteten Magnetbandtechnik (1927 erfunden). Die Lizenz für Compact-Disks wurde zwecks Konkurrenzfähigkeit an mehrere Unternehmen erteilt, unter der Bedingung, daß ein einheitliches Format beibehalten wird. Durch das und durch ihre großartige Wiedergabefähigkeit hatte die CD Magnetbänder und Schallplatten bald verdrängt.
Die Herstellung der CD erfolgt durch einen Argon- oder Kryptonlaser mit einigen Watt Leistung. Der Strahl wird durch ein Objektiv auf einen Durchmesser, der geringer als ein Micrometer ist, gebündelt. Eine photoempfindliche Schicht, die sich auf einer rotierenden Scheibe befindet, wird im Takt der digitalen Informationen belichtet. Nach einer chemischen Behandlung entstehen an den belichteten Stellen durch Verätzen Vertiefungen. Dann wird eine Preßmatrix hergestellt und die CD-Rohlinge werden mit dem Pitmuster gepreßt. Dann wird der Rohling mit einer Aluminiumschicht verspiegelt, und mit einer nur 5-10 µm dicken Lackschicht versehen, die gegen Schmutz schützen soll.
Die Speicherkapazität einer CD reicht für etwa 75 Minuten Musik, oder als CD-ROM (ROM... Read only Memory = Festspeicher) für 700-750 Megabyte.
Durch die Lasertechnologie öffnen sich viele weitere Möglichkeiten der optischen Datenspeicherung. Zum Beispiel läßt sich die Speicherkapazität einer CD durch Verkürzen der Laserwellenlänge erhöhen, da die minimalen Abmessungen der Pits durch die Wellenlänge gegeben sind. Durch neuentwickelte frequenzverdoppelende Halbleiterlaser läßt sich die Speicherkapazität etwa vervierfachen (!). Doch diese Technologie ist noch in der Testphase.
Eine weitere Erhöhung der CD-Speicherkraft wird von holographischen Speicherverfahren erhofft. Dabei werden die Informationen nicht mehr in einer dünnen Schicht, sondern im Volumen photorefraktiver Kristalle gespeichert wird. Diese seit Jahren in der Entwicklung steckende Technologie soll die Speicherdichte um viele Größenordnungen anheben.
Datenausgabe:
Aber nicht nur in Dateneingabe und -speicherung werden Laser verwendet, auch die Datenausgabe mit Hilfe von Lasern wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. Zum Beispiel verwendet man Laser in Zeichenplottern, die nicht mehr auf Papier sondern auf spezielle Folien zeichnen. Doch auch in der \"Druckerei\" werden Laser verwendet:
Beim Laserdrucker wird zuerst eine Drucktrommel negativ aufgeladen. Durch Laserbeschuß entsteht eine punktuelle Entladung, so daß ein Licht entsteht. Dabei beschreibt der sich parallel zur Trommel bewegende Laser diese. Wenn sich nun die Trommel an der Patrone mit Tonersubstanz vorbeibewegt, nimmt sie negativ geladene Tonerteilchen mit. Dann kommt die Trommel mit dem Papier in Berührung, dem sie durch Hitze und Druck die Tonerteilchen fest aufdruckt. Während das bedruckte Papier ausgegeben wird, wird die Trommel durch Lichteinstrahlung von der negativen Aufladung und den restlichen Tonerpartikel befreit.
Damit man farbige Ausdrucke herstellen kann, benötigt man einen Laserdrucker mit drei hintereinander geschalteten Drucktrommeln, die die Tonerfarben rot, grün (selten gelb) und blau beinhalten.
Der Laserdrucker benötigt eine sehr exakte Steuerung, daher ist diese fast immer elektronisch. Die meisten Laserdrucker haben eine Auflösung von 300-1200 dpi (dots per inch bzw. Bildpunkte pro Zoll = 2,5 cm). Bei 300 dpi wird die Bildseite damit in 8 Millionen Bildpunkten dargestellt. Die Geschwindigkeit eines Laserdruckers hängt vor allem von der Elektronik ab, die die "Vorarbeit" übernimmt, denn das Druckwerk selbst ist außerordentlich schnell. Normalerweise gibt ein Laserdrucker im Privatgebrauch 10-25 Seiten pro Minute aus, in der professionellen Druckindustrie bis hin zu 240 Seiten.
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