CN100511438C - 尤其用于全息数据存储的全息系统 - Google Patents

Abstract

尤其用于全息数据存储的全息系统(1)，包括：发射辐射(3)的辐射源(2)；物镜(9)；信号评估装置(13)；检测器(15)和光学数据存储介质(8)，光学数据存储介质(8)有至少一个数据载层(7)和至少一个光束反射层(11)。提供了一种形成小巧、紧凑且耐用单元的方案，在信号光束与参考光束只交叉一次的情况下，避免使用光束分束器，并仅需要最低的校准成本。物镜(9)有多个部分，至少两光束(5，6)平行穿过物镜(9)的相应部分(10a，10b，10c和10d)，并且至少两光束(5，6)分别聚焦在光学数据存储介质中一平面上分开的位置处，在光学数据存储介质(8)中反射的至少一光束又从相应的另外部分(10c，10d)穿过物镜(9)。

Description

尤其用于全息数据存储的全息系统

技术领域

本发明涉及一种尤其用于全息数据存储的全息系统，其包括用于发射辐射的辐射源，物镜，信号评估装置，检测器和光学数据存储介质，光学数据存储介质至少有一个数据载层和至少一个光束反射层。

背景技术

此类系统通常用于存储和读取储存在数字介质中的信息。数字存储介质例如可以是市场上广泛可得的CD或DVD。对获得大容量信息的持续上升的需求要求更快更可靠的存储和读取方法。可以储存在存储介质中的信息通常可能是数字的或模拟的。在此情况下，数字数据例如可以作为二维或三维位图案。在这种情形中，被储存的数据借助于辐射源装置产生的光束被写入到数据载层并根据数据信息被调制，在这种情况下被称作位的各个信息又可以连续读出。

为了进一步增大数据存储容量，可以利用全息数据存储，包括在光学数据存储介质中施加三维信息项。

全息数据以每页包括一个完整的位图案的数据页形式储存和读取。此位图案可以通常按照需要地被全息存储和连续地读取。这种所谓的额外的多路复用技术使得能够在一个位置叠加许多数据页。信息项的获得包括记录和读出包含在信号光束中的光学信息项。信息的获得项可以在数字摄像机或CCD摄像机的协助下或进行进一步的光学处理转变成电信号。

产生的数据位图案在全息数据存储期间通过调制器施加到信号光束上。作为信号光束和参考光束之间的干涉结果，数据被以预定的角度全息写入光学存储介质中。在此情况下采用的全息材料可以是晶体，或是包括许多合并形成单元的部分晶体，或是有机或无机光折射材料，如光聚物，因曝光而改变其折射率或吸收系数。

对于信号光束和参考光束的产生，现有技术展示了用于全息储存和读出储存在位序列中的数字信息项，而位序列包括两个单独的辐射源，辐射源的辐射被检偏器分解并又被相应地准直以叠加。

如文献“Realization of 1 terabyte optical disc，OPTWARE Co.Pamphletobtained at Interopt’02 in Markuhari”中所述，在大多数应用中的辐射源或者是在光束于存储介质中干涉之前光路彼此完全分离的激光束源，或者是光束借助于偏振滤光片而分开然后交叉(cross)以在存储介质中干涉的激光束源，因此文献中关于特征辐射的相干性的描述不被理解成是对光学辐射的限制。

为了控制读写头相对于光学存储介质的位置，利用位置调节系统，通过在存储介质中反射的光束，用检测器进行聚焦和跟踪。

在用于从光学数据存储介质中全息储存和读出数据信息项的已知读写设备中，出现的问题是读取单元的光学构造包括非常复杂的系统。分束器如偏振滤光片等依然需要，光束通常在不同的光路上传播，只要共同准直或干涉。这些复杂的光学结构要求很高的组装和校准成本，因为多个的光学组件不得不彼此相关地取向。在此类系统中读写信息项的必要的预处理是对两个相关光束非常精确的取向和定位。

同样，偏光光学组件的利用也显示出这样的不利，即，通过相应的偏振器对各个光束偏振面的分解-也称作消光-有不清晰的情况，由此进一步衰减了信号的清晰度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全息系统，特别是用于全息数据存储的全息系统，其形成小的紧凑的耐用单元，信号光束与参考光束在全息存储层仅相交一次，其避免使用分束器，只需要最低的校准成本。

本发明提供了一种用于在全息存储介质上读取和写入的装置，具有物光束和参考光束的共线分布，具有用于将所述物光束和参考光聚焦到全息存储介质的物镜，其特征在于：所述物镜具有空间上分开的部分，其中，第一部分被设置用于聚焦所述物光束，第二部分被设置用于聚焦所述参考光束，并且第三部分被设置用于准直重构的物光束。

在根据权利要求1前序部分的用于全息数据存储系统的基础上，此目的是结合权利要求1的特征结构实现的。本发明的有益的改进具体见从属权利要求。

本发明包括的技术指导在于物镜或物镜系统具有多个部分，至少两束平行传播的光在各个部分穿过物镜，并且该至少两光束聚焦在光学数据存储介质中平面上的各个单独的位置，至少一束在光学数据存储介质上反射的光在各个其它的部分上又穿过物镜。

此方案具备的优点在于根据本发明信号光束可以与参考光束一起平行穿过物镜，由此可以在光束的行程中免除分束光学元件，尤其是基于偏振的光学元件。因此，降低信号清晰度的缺点不再出现，因为描述偏振面的非100％分解的对比度的量-消光比-总是引起数字信号的不清晰。

两光束的平行的行程使得能够实现一种紧凑的系统，该系统结构小巧，并且，除了只有一个光源外，还可以用很少量的光学组件构成。

改进本发明的另一个措施是将物镜或物镜系统设置成精确地包括四个部分，该四个部分以这样的方式形成，即精确穿过物镜的两光束在一个交扰点(crossover point)精确地交叉。这样的优点在于两光束在数据层中只交叉一次并在那儿产生清晰限定的全息层。在此情况下，物镜的各个部分彼此以这样的关系分布，即，使得借助于光束的特别交插过程来引起信号光束和参考光束之间的交叉。

根据本发明的一种可能的改进，提出了物镜或物镜系统的部分在每种情况下形状做成半透镜，物镜具有水平两侧对称或旋转对称的形式，半透镜的弯曲指向外侧。通过这种物镜的各个部分的半透镜形状的轮廓，信号光束和参考光束以一角度穿过光学数据存储介质。这样影响两光束的信号交叉。作为半透镜形状的轮廓中弯曲的结果，光束被聚焦，这意味着可以免除专门用于聚焦光束的物镜。根据本发明的物镜的实施例由此实现光束偏转和聚焦的双重功能。

对于分束和调制从辐射源发射的准直光束，把调制装置布置在辐射源和物镜之间是特别有利的，调制装置使辐射源发出的准直光束精确地成为两平行光束，一束作为信号光束，另一束作为参考光束。在最简单的形式中，调制装置允许激光束的一半不受阻碍地通过，成为参考光束，而激光束的另一半根据储存的数据受调制。调制装置改变入射激光束的大小和/或相位。不用说，调制装置也可以有分束光学元件。通过调制参考光束，调制装置还可以用于相位编码多路复用。除分束功能之外，调制装置额外地执行光束调制的功能，以便对于全息数据存储能够相位编码多路复用。优选地，调制装置是空间光调制器(SLM)，例如是液晶布置或微反射镜阵列。

对于结构上的原因，如果参考光束可以用于调节聚焦和跟踪的位置以及光学数据存储介质的斜率(盘倾斜)，则尤其有利。优选地，参考光束通过物镜的像散聚焦透镜的下游并再被检测器检测，以便产生用于调节的校正信号。在此情况下，物镜由致动装置机械地接收，以便根据校正信号进行聚焦、盘倾斜和跟踪控制。检测器例如是四象限二极管，以便从聚焦位置和跟踪来检测参考光束的偏差。在此情况下，像散聚焦透镜用于光束成形，并包括非旋转对称透镜。替代像散法，同样可以采用其它的方法，如所谓的“光斑大小检测法”，用于产生校正信号。此方案的优点在于能够利用参考信号，所述参考信号再一次通过物镜之后被准直，并可作为自由光束而前行进入检测器。可以相对于光学数据存储介质移动物镜的致动装置能够对物镜进行位置校正，并由此再调节聚焦位置、盘倾斜和跟踪。在此情况下，用于致动装置的校正信号由检测器检测，并且被调整，由此上述的组件形成一个闭合的控制链。

改进本发明的另一项措施是将光学数据存储介质的数据载层中交扰点处相互交叉的光束间的角度提供为90度。此措施的优点在于：由于信号光束和参考光束之间90度的角度，相位编码多路复用具有最佳的功能，也即可以获得极高的存储密度。然而，不用说，该角度也可以假设为其它的值，优选为80度～100度。在实际的系统中，该角度至少部分地由透镜设计来决定。

对于信号光束的评估，信号光束进入信号评估装置，所述信号评估装置布置在物镜下游，以便获取包含在信号光束中的信号。在获取数据之后，通过将所获取的信号转换为电信号而使所获取的信号得到调整并适于提供。在此情况下，信号评估装置可以包括CCD摄像机或光敏元件阵列(photoarray)，多个数据的并行评估是可行的。同样也可以进行该数据的进一步光学处理，以便能够为进一步的光学应用所用。

附图说明

改进本发明的其它措施在从属权利要求中给予规定，并参考附图结合本发明优选实施例的描述进行例举，其中，

图1是带有检测器的全息系统的结构示图；

图2是带有修改的物镜但没有检测器的全息系统的示图，和

图3是物镜的平面示图。

附图是概略的图解并阐明本发明。相同或类似的组件用统一的标号表示。方向的指示涉及绘图平面，除非特指。图中光束之间的角度显然不同于90度。这是由于与其它元件相比数据载体被放大图示。

附图标记

1.全息系统

2.辐射源

3.辐射

4.调制装置

5.信号光束

6.参考光束

7.数据载层

8.光学数据存储介质

9.物镜

10.部分

11.光束反射层

12.交扰点

13.信号评估装置

14.像散透镜

15.检测器

16.反射镜

具体实施方式

图1所述的全息系统1的结构包括发射辐射3的辐射源2。在此情形中，辐射源2可以是激光源，发射照射到调制装置4上的准直激光束。准直激光束随后在调制装置4中被分裂为信号光束5和参考光束6，彼此平行传播。信号光束5根据被写入到光学数据存储介质8的数据载层7的位图案由调制装置4调制。在此情况下，参考光束6可以额外地受调制装置4调制以用于相位编码多路复用。调制器4垂直位于透镜的焦平面中。调制器的每个像素在数据载体中产生平面波(透镜的傅立叶变换特性)。在相位调制器件，每个平面波的相位发生变化，通常平移0或Pi。通过对每个单独相位的熟练选择，可以在同一位置储存多个全息图。

平行传播的两光束5、6随后被物镜9指引到光学数据存储介质8上并在过程中聚焦到光学数据存储介质8中。物镜9有四个部分10a、10b、10c、10d，每一部分在位于辐射源2方向上的上侧有半透镜形状的轮廓。物镜可以构造成两侧对称或旋转对称，物镜9的一侧具有半透镜形状的轮廓，另一侧为平面。随后，该部分为彼此相对放置的平凸透镜，每种情况下四部分10s、10b、10c和10d的半透镜形状的弯曲指向朝外。在此情况下，物镜9可以以一体体现，或是由单个产生的部分10a、10b、10c、10d组成。当然，在这里仅示意性图示的平凸透镜可以用双凸非球面透镜或甚至是透镜系统代替，以便改善物镜的成像特性。作为信号光束5和参考光束6在物镜9处折射的结果，两光束以不同于90度的角度进入光学数据存储介质8。光学数据存储介质有一个位于数据载层7之下的光束反射层11，信号光束5和参考光束6在所述的光束反射层被反射，使得它们又在相反的方向以相应于入射角的出射角返回光学数据存储介质8中。

光学数据存储介质8至少有一个平行于光学存储介质8中光束反射层11的数据载层7。作为各个部分10a、10b的表面弯曲的结果，两准直光束5、6聚焦到光束反射层11上，再在数据载层7中的交扰点12处交叉。作为信号光束5于参考光束6相交的结果，在数据层中产生全息图。信息可以储存在体光栅中。此信息只可借助于也用于全息图的产生的参考光束读取。通过改变参考光束的相位，可以在同一位置储存多个全息图(即所谓的相位多路复用)。

一旦两光束穿过光学数据存储介质8，即被物镜9的部分10c、10d再一次准直，并在远离物镜9的相反方向上以平行的方式辐射。在此情况下，信号光束穿过进入信号评估装置13，该装置获取数字数据，并随后将该数字数据转变成电信号。在此情况下，信号评估装置13可以包括CCD摄像机或光敏元件阵列，但也可以有进一步的光学处理，使得该信号例如可以在光纤中前行。比较而言，参考光束6经像散透镜或特殊的分束器14进入检测器15。在此情况下，像散透镜14为非旋转对称，由此可以对参考光束6进行评估以用于位置检测。检测器15可以包括四象限二极管，二极管可以检测参考光束16与其理想位置的偏差，由此检测器15可以输出校正信号。如果物镜9的位置相对于光学数据存储介质8偏离，使得两光束无论是聚焦位置还是跟踪位置都偏离理想位置，则参考光束6同样离开其理想位置，这随后被检测器15检测到。因为信号光束5和参考光束6彼此平行传播，则两光束的误差位置可以通过参考光束6的检测而同等地被检测并被单独地校正。为了把信号光束5和参考光束6共同引入信号评估装置13中并引入检测器15中，使用可使光束另外相对于信号评估装置13和检测器15定位的反射镜16。

检测器15提供的校正信号通过到达有源控制链内的机械致动装置，以随后校正物镜9的位置。

图2同样示出了全息系统的结构，但其中带有修改的物镜9，没有检测器15。此系统类似于图1所述的系统，但免除了通过检测器15用参考光束6对光束位置校正的检测。在此情况下，通过例如包括附加的激光束源的外部系统进行聚焦和跟踪位置的检测。因为在此改型中不必通过物镜9的第四部分10d重新校准参考光束6，所以免除了该部分，由此仅由三个部分10a、10b和10c构成物镜9。

图3a)和b)分别是物镜9的两种可能实施例的平面图。在这种情况下，图3a)表示物镜9的两侧对称实施例，图3b)表示旋转对称实施例。在此情况下，阴影区表示用于信号光束的透镜片段，非阴影区表示用于参考光束的透镜片段。

本发明的实施例不限于上述的优选实施例。在不脱离本发明实质和范围的前提下可以对本发明做各种改型。本发明的范围由所附的权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种用于在全息存储介质(8)上读取和写入的装置，具有物光束(5)和参考光束(6)的共线分布，具有用于将所述物光束(5)和参考光(6)聚焦到全息存储介质(8)的物镜(9)，其特征在于：所述物镜(9)具有空间上分开的部分(10a，10b，10c)，其中，第一部分(10a)被设置用于聚焦所述物光束(5)，第二部分(10b)被设置用于聚焦所述参考光束(6)，并且第三部分(10c)被设置用于准直重构的物光束。

2.根据权利要求1所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述物镜(9)具有用于准直反射的参考光束的第四部分(10d)。

3.根据权利要求1所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述物光束(5)在所述全息存储介质(8)中与所述参考光束(6)相交叉。

4.根据权利要求2所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述物镜(9)的各个部分(10a，10b，10c，10d)在每种情况下都成形为半透镜，所述物镜(9)具有水平两侧对称或旋转对称的形式，所述半透镜的弯曲指向朝外。

5.根据前面任一权利要求所述的读取和写入的装置，其特征在于：其包括发射准直激光束(3)的辐射源(2)。

6.根据权利要求5所述的读取和写入的装置，其特征在于：一调制装置(4)布置在所述辐射源(2)和所述物镜(9)之间，所述调制装置(4)将所述辐射源(2)发出的准直激光束精确地形成为两平行光束(5，6)，其中一光束用作物光束(5)，另一光束用作参考光束(6)。

7.根据权利要求6所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述调制装置(4)调制所述参考光束(6)，以用于相位编码多路复用。

8.根据权利要求5所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述参考光束(6)被用于调节聚焦和/或跟踪位置和/或盘倾斜。

9.根据权利要求8所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述物镜(9)由致动装置机械收容，而所述致动装置通过校正信号是可控制的，以便执行聚焦、盘倾斜和/或跟踪控制。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述物光束(5)和所述参考光束(6)在所述全息存储介质(8)的数据载层(7)中交扰点处的夹角为80°～100°。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的读取和写入的装置，其特征在于：所述信号评估装置(13)布置在所述物镜(9)的下游，重构的物光束入射在所述信号评估装置(13)上，以获得包含在重构的物光束中的信号。

Images