CN100440378C - 全息只读存储器系统 - Google Patents

Abstract

一个全息ROM系统，包括：光源，用于发射激光束；扩展单元，用于扩展激光束；和掩膜，用于调制扩展激光束的某一部分、以便产生被直接提供到全息照相介质的信号光束，并用于筛选扩展激光束的剩余部分、以便产生提供到圆锥反射镜的参考光束，圆锥反射镜将参考光束反射到全息照相介质。全息照相介质具有：记录区，参考光束和信号光束被投射到该记录区；透明区，经掩膜筛选的参考光束穿过透明区而向圆锥反射镜提供参考光束。

Description

全息只读存储器系统

发明领域、

本发明涉及全息ROM(只读存储器)系统；尤其涉及能利用简单结构提高记录和阅读效率的全息ROM系统。

发明背景

传统的全息存储系统一般采用面向页的存储方法。诸如SLM(空间光调制器)的输入装置以二维阵列的形式表示记录数据，同时利用诸如CCD照相机的检测器根据读出值检索该记录数据。还提出了其它方案，其中，用逐位记录取代面向页的方法。但是，所有这些系统的共同缺点是它们必须记录大量的分离全息图以便填充存储器的容量。典型的使用兆位级阵列的面向页系统要求记录几十万个全息页以达到100GB或更大的容量。既使是毫秒级的全息曝光时间，填充100GB级存储器所需的记录时间尽管不是几小时也至少能轻易地达到几十分钟。于是，开发了如图1所示的普通全息ROM系统，其产生100GB容量光盘所需的时间可减少到不足一分钟，甚至达到秒的数量级。

图1的普通全息ROM系统包括：光源100；HWP(半波板)102，112；扩展单元104；PBS(偏振分束器)106；偏振器108、116；反射镜110、116；掩膜122；全息照相介质120；和锥形反射镜118。

光源100发射具有恒定波长、如532nm波长的激光束。该激光束只是一种线偏振光、如P偏振或S偏振光、并被提供到HWP  102。HWP102以θ度(优选45°)旋转激光束的偏振。而后，偏振旋转的激光束被输送到扩展单元104以便将激光束的尺寸扩展到预定尺寸。之后，扩展的激光束被提供到PBS106。

PBS106通过沉积至少两种具有不同折射率的材料而制成，并用于透射一种偏振激光束例如P偏振光束、而反射另一种偏振激光束例如S偏振光束。于是，PBS106将扩展的激光束分成分别具有不同偏振的透射激光束(下文称为“信号光束”)和反射激光束(下文称为“参考光束”)。

例如P偏振的信号光束被输送到偏振器108，偏振器108除去信号光束的不完善的偏振成分、只允许其中的纯P偏振成分被透射。而后，具有理想或纯偏振的信号光束被反射镜110反射。之后，被反射的信号光束经掩膜122投射到全息照相介质120。带有用于记录的数据图案的掩膜122用作输入装置、例如空间光调制器(SLM)。

另一方面，参考光束被输送到HWP112。HWP112转换参考光束的偏振而使参考光束的偏振变得与信号光束的偏振相同。而后，具有转换偏振的参考光束被提供到偏振器114，参考光束的偏振在偏振器114被进一步纯化。具有理想偏振的参考光束被反射镜116反射。而后，被反射的参考光束投射到锥形反射镜118(锥形反射镜118是具有圆形基底的圆锥，在圆形基底与锥面之间具有预设底角)，锥形反射镜118由支架(未示出)固定。圆锥反射镜118将被反射的参考光束向全息照相介质120反射。被反射的参考光束在全息照相介质120上的入射角由圆锥反射镜118的底角确定。

用于固定圆锥反射镜118的支架应安装在圆锥反射镜118的下侧、以避免支架阻挡参考光束。由于支架位于圆锥反射镜118的下侧，所以常常通过全息照相介质120的中心开口124安装圆锥反射镜118。

全息照相介质120是用于记录数据图案的盘形材料。圆盘尺寸的掩膜122提供被储存在其中的数据图案。通过用标准平面波即信号光束照射掩膜122、并用参考光束从相对侧入射而以反射几何结构记录全息图，衍射图案被记录在全息照相介质120上。选择圆锥光束形状以便平面波参考光束在光盘在所有位置均近似以恒定的辐射角入射，以便在播放期间光盘被转动时能通过固定角窄平面波本地地阅读全息图。另外，可利用具有不同底角的圆锥反射镜118实现角度多路复用(见“用于高速复制的全息ROM系统”(holographic ROM system for high-speedreplication)，2002 IEEE，Ernest Chuang等)。

使用上述方案，用于产生完整记录100GB级容量光盘所需的时间可减少到不足一分钟、甚至达到秒的数量级。

但是，在该已有技术的系统中仍存在致命的问题：

首先，图1所示的传统全息ROM系统的结构复杂。即，传统全息ROM系统需要许多部件，它们包括PBS106；HWPs102、112；反射镜110、116；和偏振器108、114；这增加了制作成本。

其次，用于角度多路复用的圆锥反射镜118的更换非常麻烦。由于要将支架挤入位于全息照相介质120、圆锥反射镜118和掩膜122之间的狭小空间，所以无论何时更换用于角度多路复用的圆锥反射镜118、都会影响全息照相介质120与掩膜122之间的对准，因而使圆锥反射镜118的更换复杂化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有简单结构的全息ROM系统，该系统可方便地更换用于角度多路复用的圆锥反射镜。

本发明提供的全息ROM系统包括：光源，用于发射激光束；扩展单元，用于扩展激光束；和掩膜，用于调制扩展激光束的某一部分、以便产生被直接提供到全息照相介质的信号光束，并用于筛选扩展激光束的剩余部分、以便产生提供到圆锥反射镜的参考光束，圆锥反射镜将参考光束反射到全息照相介质，其中，全息照相介质包括：记录区，参考光束和信号光束均投射在其上；透明区，经掩膜筛选的参考光束穿过透明区而向圆锥反射镜提供参考光束。

附图说明

下面结合附图对优选实施例所作的说明将使本发明的上述及其它目的的特征变得更加清楚，在附图中：

图1表示传统的全息ROM系统；

图2表示本发明优选实施例的全息ROM系统；

图3A是图2所示全息ROM系统中的全息照相介质的平面图；

图3B是图2所示全息ROM系统中的掩膜的平面图；

图3C表示本发明优选实施例的记录结构；和

图3D说明本发明优选实施例的圆锥反射镜与全息照相介质之间参考光束的光路。

优选实施例

图2表示本发明优选实施例的全息ROM系统。该全息ROM系统沿直线主光轴即OP轴依次包括：光源200；扩展单元204；掩膜206；全息照相介质208；和圆锥反射镜210。全息照相介质208优选具有类CD光盘的形状、并在其中心设有使参考光束通过而射向圆锥反射镜210的透明区208a、围绕透明区208a设有环形记录区208b，如图3A所示。与图1的传统掩膜一样，掩膜206用于产生记录用数据图案，但不同的是掩膜206设有光束通过区206a和数据图案区206b，如图3B所示。如下面将具体说明的，光束通过区206a位于掩膜206的中心区、以使通过它参考光束经全息照相介质208的透明区208a投射到圆锥反射镜210。环形的数据图案区206b围绕光束通过区206a。光束通过区206a可以是单个开孔、或由透明材料构成、或是开孔和透明材料的组合结构。掩膜206可以是只用于特定全息照相介质208的具有固定尺寸的区206a和206b的掩膜、也可是用于各种全息照相介质208的具有各种尺寸结构的掩膜。在任何情况下，透明区208a和记录区208b的尺寸最好应与光束通过区206a和数据图案区206b的尺寸相同，即、记录区208b的内外直径等于数据图案区206b的内外直径。

如图2所示，光源200发射具有特定光束尺寸和恒定波长例如532nm的激光束。激光束被输送到扩展单元204，扩展单元204扩展激光束的宽度以提供平面波的校准光束。扩展的激光束最好覆盖光束通过区206a和数据图案区206b的整个面积，但其直径接近记录区208b的外径、并且密度均匀，以使光学和记录效率最大化。

如图3C所示，整个扩展激光束直接到达掩膜206，之后经两个光路到达全息照相介质208。第一光路是扩展激光束的外部被输送到掩膜206的数据图案区206b、而后经面对掩膜206的第一表面投射到全息照相介质208。第二光路是扩展激光束的内部经掩膜206的光束通过区206a穿过全息照相介质208的透明区208a，而后被圆锥反射镜210反射，之后经与掩膜206相对的第二表面投射到全息照相介质208。穿过光束通过区206a的激光用作参考光，穿过掩膜206的数据图案区206b的激光用作信号光。

掩膜206的数据图案区206b提供用于在全息照相介质208上写入数据的数据图案。通过用标准入射平面波、即信号光束照射掩膜206和使用参考光束在反射几何结构中记录全息图，信号和参考光束的衍射图案被记录在全息照相介质208中。

选择圆锥光束形状、以便在全息照相介质208的记录区208b的所有位置、平面波参考光束近似具有恒定的径向角。该数据可不转动全息照相介质208而由单次照射立刻在整个记录区208b上写入。这样记录的全息图能只用与在记录处理时所使用的参考光束相同的、但却是固定角窄平面波的参考光束进行本地地阅读，同时，在播放期间全息照相介质208被转动。即，图2所示的几何结构只在记录操作时使用。

圆锥反射镜210具有面对全息照相介质208的圆锥形反射表面210a、并被支架212可拆卸地固定，支架212通过将介质208固定在与全息照相介质208相对的背侧的位置上而将圆锥反射镜210保持在固定的位置，以使其不阻挡参考光束。另外，激光束的主光轴即OP轴与穿过圆锥反射表面210a顶点的圆锥反射表面210a的对称轴重合；圆锥反射表面210a的基底直径最好不小于透明区208a的直径、以使光效率最大化。由于圆锥反射镜210的更换不会影响全息照相介质208与掩膜206之间的配置，所以可相当容易地用具有用于多路复用的不同底角的另一个圆锥反射镜替换圆锥反射镜210。

由于直至参考光束到达圆锥反射镜210之前、参考光束与信号光束共用光轴(即，主光轴“OP轴”)且不分束，所以只使用光源200、扩展单元204、掩膜206、全息照相介质208、和圆锥反射镜210而不使用图1中已有技术的HWPs102和112、PBS106、偏振器108、和反射镜110与116即可实现本发明。因此，本发明的全息ROM系统的结构被极大地简化，从而明显降低了制作成本。

图3D是本发明优选实施例的圆锥反射镜210与全息照相介质208之间参考光束的光路。如果入射参考光束方向与全息照相介质208表面之间的入射角被设定为∠2a，角∠DBC即圆锥反射表面210a的底角是∠b，角∠ODA和∠DAO分别等于∠2b和∠2a。则可知：

∠a+∠b＝45°        公式1

在半径为X1的参考光束被圆锥反射镜210反射并照射到全息照相介质208的情况下，在全息照相介质208上的反射参考光束的光束尺寸(宽度)X2可定义为：

X2＝X1/sin2a            公式2

在全息照相介质208的记录区208b(即，其宽度等于其内外直径之间差的一半)是X3的情况下，X2必需等于或大于X3，以便立刻在记录区208b上写入数据。于是，X1与X3之间的关系可限定为：

X2＝X1/sin2a≥X3        公式3

因此，角∠2a可用X1和X3限定为：

∠2a＜sin^-1(X1/X3)            公式4

所以，如果∠2a由公式4确定，则可得到圆锥反射表面210a的合适底角。

参考光束投射在全息照相介质208上的位置可随圆锥反射镜210与全息照相介质208之间的距离而变化。为使全息照相介质208上的反射光束的尺寸X2与全息照相介质208的记录区208b的尺寸重合、或为使参考光束的中心光线穿过记录区208b的内边界，圆锥反射表面210a的顶点与全息照相介质208之间的距离“Y”可定义为：

Y＝X1·tan2a            公式5

虽然已结合优选实施例说明了本发明，但是可以理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的宗旨和范围的前提下，本领域的技术人员可以作出各种变化和改进。

Claims (9)

1.一个全息ROM系统，包括：

光源，用于发射激光束；

扩展单元，用于扩展激光束；和

掩膜，用于调制扩展激光束的一部分、以便产生信号光束，并用于筛选扩展激光束的剩余部分、以便产生参考光束；

其中，参考光束穿过全息照相介质的透明区，信号光束投射到全息照相介质的记录区，而且，

其中，已经穿过透明区的参考光束由圆锥反射镜反射，从而投射到所述记录区。

2.如权利要求1的全息ROM系统，其特征在于，所述透明区位于所述全息照相介质的中心、以使参考光束通过而到达所述圆锥反射镜，所述的环形记录区环绕所述透明区。

3.如权利要求1的全息ROM系统，其特征在于，所述掩膜包括：数据图案区，用于调制所述激光束的该部分；和光束通过区，用于筛选所述激光束的剩余部分。

4.如权利要求3的全息ROM系统，其特征在于，所述光束通过区的尺寸和形状与所述全息照相介质的透明区的尺寸和形状相同。

5.如权利要求1的全息ROM系统，其特征在于，所述圆锥反射镜由支架固定，该支架安装在圆锥反射镜的背面。

6.如权利要求1的全息ROM系统，其特征在于，所述圆锥反射镜被另一个具有用于多路复用的不同底角的圆锥反射镜替换。

7.如权利要求6的全息ROM系统，其特征在于∠2a满足以下关系：

∠2a＜sin^-1(X1/X3)

其中，∠2a是所述参考光束的前进方向与所述全息照相介质的表面之间角，X1是投射到所述圆锥镜的参考光束全尺寸的一半，X3是所述全息照相介质记录区的内外直径之间差的一半。

8.如权利要求1的全息ROM系统，其特征在于，所述圆锥反射镜与全息照相介质之间的距离是变化的，以便进行多路复用。

9.如权利要求8的全息ROM系统，其特征在于，所述距离由下式确定：

Y＝X1·tan2a

其中，X1是投射到所述圆锥镜的参考光束全尺寸的一半，∠2a是所述参考光束的前进方向与所述全息照相介质的表面之间角。

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