CN100593199C - 用于全息记录的数据页像素成形 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于全息记录的数据页像素的成形、包括有着被成形的像素的数据页的全息记录介质、以及用于对这样的全息记录介质进行写入或读取的装置。根据本发明一种用于调制光束(2)以产生具有多个像素的数据页的装置在整个数据页上实现空间上变化的像素尺寸。一种用于对全息记录介质写入的装置(1)包括这样的用于调制光束(2)的装置；而一种用于对全息记录介质读取的装置(1)包括用于检测具有有着空间上变化的像素尺寸的多个像素的数据页的相适应的检测器装置(9)。

Description

用于全息记录的数据页像素成形
技术领域
本发明涉及用于全息记录的数据页像素成形、包括有着被成形的像素的数据页的全息记录介质、以及用于对这样的全息记录介质进行写入或读取的装置。
背景技术
自从数字全息数据存储技术的发明以来，一个较高的目标就是要提高记录介质中的存储容量，或者相应地最小化用于一定量的信息的记录介质的尺寸。信息以体积相干图案的形式记录在记录介质的体积内。在数字全息存储技术中，信息布置成二进制数据页形式，这通常通过利用空间光调制器(SLM)，即光调制像素阵列，对激光束进行调制来实现。该激光束被系统地扫描在记录介质(例如，具有记录层的旋转全息盘(holographic disk)，或全息存储卡)的整个表面上。存储密度被提高到高达100bits/μm2，这是由于利用了第三个维度，即，不仅平面表面而且记录层中的体积都被用来携带信息。如上所述，数据布置成包括多个比特，例如100或更多比特的数据页的形式。再现的数据页通常是利用与SLM具有相同数量的像素的CCD阵列来解析。由于数据读取的高并行性，可以实现高达10Gbits/s以及更大的高数据传送速率。
在全息记录系统中遇到的一个问题是来自相邻记录的全息图的串扰。对不同全息图之间的串扰的抑制取决于场角(field angle)。大的串扰导致信噪比(SNR)低。例如，移位复用(shift-multiplexed)全息存储系统的移位距离必须根据最小的信号-参照光束夹角(signal to reference beamangle)来选择，以避免来自数据页的对应部分的过分的串扰。但是，正如在Steckmann等人2001年发表于《应用光学》第40期3387-3394页的文章(Steckmann et al.，Appl.Opt.40，3387-3394(2001))中所阐述的，这会导致数据页其它部分中的数据密度的损失。
Orlov等人2004年发表于《应用光学》第43期4902-4914页的文章(Orlov et al.，Appl.Opt.，43，4902-4914(2004))描述了一种高数据速率、高容量的数字全息存储盘系统的设计和实现方式。每全息图的数据密度被描述成所记录的数据像素的数量除以存储位置面积的比率。数据存储密度受到系统设置和存储方法的不同参数的影响。最具影响的参数是存储介质本身的材料、存储介质的材料厚度、以及光束的波长，其中波长越短，可以获得越小的焦点几何尺寸。一般，为了在数字全息存储系统中实现高数据密度，由于成像变形(distortion)和象差造成的SLM至CCD像素误测的量必须在非常窄的限制内，例如，小于0.2像素或更优。这样的检测精度连同高数值孔径(NA)给成像光学装置的质量带来苛刻的要求。
利用例如高NA的物镜系统以大场角成像不如以小场角成像好。因此，图像受到随着场角增大而增大的光学象差的影响。这使得SNR依赖于场角。对于诸如使用在当前的DVD播放器或记录器中的光学元件的低廉的光学元件而言，尤其如此。从经济的角度来看，将类似的塑料元件同样使用在全息存储系统中是合乎需要的。从而，对CCD上不同相邻像素之间的串扰的抑制取决于场角。像素尺寸必须根据所容许的最大串扰来选择，而容许的最大串扰通常由有着大场角的像素来决定。但是，这导致数据页其它部分中数据密度的损失。因此，全息存储系统的存储容量受到图像平面中最低SNR的限制。
被认为构成最接近现有技术的美国专利申请US 2002/0075776公开了一种用于对全息存储介质进行读取和写入的装置，所述装置具有有着不同检测器像素尺寸的检测器阵列。像素变形(deformation)通过过采样(oversampling)或者通过控制激光波长得以克服。
发明内容
本发明的一个目的使提供一种用于提高全息存储介质的存储容量的装置。
该目的通过以下装置来实现，其用于调制光束以产生用于记录在全息记录介质上的具有多个像素的数据页，其中所述数据页的像素在整个数据页上具有空间上变化的像素尺寸。
全息存储系统中的存储密度尤其受到数据页边界区域中的像素尺寸的限制。物镜内光学元件中的象差造成光学场的变形，并且SNR在外侧区域的光束的图像中下降。因此，本发明提出通过引入空间上变化的数据像素尺寸来提高全息数据存储系统的存储容量，其中所述空间上变化的像素尺寸使得像素尺寸与较高场角下的变形相适应。这样，较大的数据页像素被使用在SNR低的区域。增大的数据页像素提高了SNR，从而降低了检测器噪声，并且降低了由于光学象差造成的相邻像素之间的串扰，这同时又提高了SNR。因此，本发明使得能够利用简单的光学元件，因为它不再需要建立复杂的光学设置来最小化由于象差引起的变形。像素尺寸的变化可以以从内侧区域向外侧区域递增的形式实现，或者可以构建出两个或更多台阶，而像素尺寸按照这些台阶从内侧区域向外侧区域增大。优选，空间上变化的像素尺寸通过具有空间上变化的像素尺寸的空间光调制器以及/或者光束成形光学装置来实现。
根据一有利的实施例，所述光束成形光学装置包括至少两个非球面的光学元件。所述至少两个非球面光学元件可以包括一对物镜形成的类似望远镜的布置，由此这些透镜可以使凸形、凹形、平-凸、双凸或者双凹的。两个光学元件的布置可以构建成小到能够相应地实现在空间光调制器和写入物镜单元之间的光路中，或者实现在读取物镜单元和检测器装置之间的光路中。
作为一有利的实施例，所述光束成形光学装置根据场角放大所述光束。所述光学元件的非球面曲面根据与光束成形光学装置的中心的距离对应所需的放大率，使得放大效果随着与光轴的距离增大而增大。
优选，光束成形光学装置的依赖场角的放大率在所述空间光调制器及/或检测器装置中造成在整个数据页上基本恒定的信噪比。由于数据页中央区域的SNR最大，所以如果整个数据页中的SNR对应于接近数据页中央区域的SNR，则存储容量可以最大化。这种效果可以通过适当地放大外侧区域中的像素尺寸来实现，其中所述外侧区域由于物镜单元中的象差影响而表现出较大的变形。如果SNR在整个数据页上恒定，则对数据信号的电子处理更容易，因为对信号的采样不必被调整以适应最低的SNR从而降低存储密度。
优选，所述变化的像素尺寸在数据页中导致恒定的信噪比。恒定的信噪比可以通过使依赖于场角的像素尺寸与光束中的变形匹配来实现。具体而言，如果SNR在整个数据页上恒定而不依赖于数据页外侧区域中的最低SNR，则通过检测器装置实现的对所记录的数据页的读取可以具有更高的可靠性。
所述空间光调制器例如可以由液晶显示器(LCD)和微镜阵列等来构成。对SLM的照明可以是透射式的(即光束在其穿过SLM时被调制)或反射式的(即光束在其被SLM反射时被调制)。用于发射光束的光源优选是象二极管激光器等的激光源。检测器装置优选是电荷耦合器件(CCD)阵列。
本发明的另一个目的是提出一种存储容量提高了的全息记录介质。
根据本发明，该目的通过一种全息记录介质来实现，其包括以至少一个具有多个像素的数据页的形式布置的数据。其中所述数据页的像素在整个数据页上具有空间上变化的像素尺寸。
本发明的另一个目的是提出一种用于对全息记录介质写入的装置，其实现了整个数据页上的改善的SNR，并因此实现全息记录介质的高存储密度。
以上目的是通过用于对全息记录介质写入的装置实现的，该装置包括用于产生光束的至少一个光源、用于将该光束聚焦到至少一个全息记录介质中以存储全息图像的写入物镜、和根据本发明的用于调制光束以产生具有多个像素的数据页的装置，其中所述数据页的像素在整个数据页上具有空间上变化的像素尺寸。
本发明的另一个目的是提出一种根据本发明用于对全息记录介质读取的装置。
根据本发明，该目的通过一种对全息记录介质读取的装置来实现，该装置包括用于产生光束的至少一个光源、读取物镜和用于检测具有多个像素的数据页的检测器装置，其中所述检测器装置包括像素阵列，其中的像素尺寸向着阵列边缘增大。
所述检测器像素矩阵与数据页外侧区域中图像的像素尺寸的匹配导致在整个数据页上的高SNR。为此，具有均匀像素矩阵的已知的标准检测器被具有空间上变化的像素矩阵(即，变化的像素尺寸)的检测器替代。当数据页以变化的像素尺寸存储时，这样的检测器在整个数据页上实现了较高的且基本恒定的SNR。
或者，在读取物镜和检测器装置之间的光轴上设置至少一个光束成形光学装置，以便使所再现的数据页的空间上变化的像素尺寸与检测器装置的像素尺寸匹配。通过采用额外的光束成形光学装置，该装置同样地可以在整个数据页上以高信噪比工作。即使分别使用传统的空间光调制器和传统的检测器装置，对依赖于场角的放大率的调整可以得到高SNR。所述光束成形光学装置可以基于望远镜原理，例如利用具有非球面衍射表面特性的特殊物镜透镜来获得依赖场角的放大率。从而，写入及/或读取物镜中的光学象差不会对相邻像素之间的串扰产生不利影响。所述光束成形光学装置适于调整来自读取物镜的光束分布，其调整方式使得它能够由CD或DVD播放器应用中已知的标准光学元件构成，而这些光学元件是批量生产的，并且具有构造简单、精度限制低的特点。当然，全息系统可以在读取路径中包括具有变化的像素尺寸的检测器和光束成形光学装置两者。
根据本发明的另一实施例，所述检测器装置在整个数据页上具有高分辨率的恒定像素尺寸，以便数据页被过采样。这种情况下，数据页比特图案优选通过软件方法来解析。这使得可以使用具有恒定像素尺寸的象CCD阵列之类的标准检测器阵列，只要检测器的分辨率比数据页中的分辨率高。因为数据页的单个像素由检测器装置的多个像素检测，所以可以利用适合的软件方法解析被再现的具有变化的像素尺寸的数据页。软件可以计算出真实的像素形状。利用这种方法，同样地提高了SNR，因为最大SNR标准被用作了优化函数。
附图说明
结合附图考虑以下对本发明的详细描述，以上及其它方面将变得清晰。
图1示出用于对全息记录介质进行读取和写入的装置的布置，其中在整个光路中设置了一像素成形光学装置；
图2示出根据图1的装置的写入部分，并详细示出了放大率依赖于场角的像素成形光学装置中的光路；
图3示出所述装置的具有有着变化像素尺寸的检测器装置的读取部分；
图4示出了有着空间上变化的像素尺寸的空间光调制器。
具体实施方式
图1以透视图示出了用于对全息记录介质进行读取和写入的装置1。装置1包括光源(图中未示出)。光源产生光束2，在该示例中光束2从空间光调制器3的背侧以透射方式照射到装置中。同样地，可以使用反射方式来实现这一目的。照射空间光调制器3的光束2的轮廓由于经过空间光调制器3而受到调制。该图中，调制是作为亮或暗像素实现的。当然，其它类型的调制也可以使用。各个单个的像素表示一个比特，整个域构成一个数据页。装置1的所有元件布置在光轴上。
光束成形光学装置5设置在写入物镜4和空间光调制器3之间。为了放大光束轮廓的外侧区域以使施加在光束轮廓上的数据页的像素尺寸适应于写入物镜4，光束成形光学装置5包括两个非球面光学元件6，它们被构造成望远镜形，具有以下特性，即对外侧光束区域具有较高放大率，而不放大内侧光束区域，从而不放大数据页的内侧区域。经调整的光束2随后照射写入物镜4，该物镜将光束2聚焦到记录介质7中。记录介质7可以是在光束2下旋转的全息盘。当然，本发明同样适用于其它类型的记录介质，例如全息晶体。以像素形式携带数据信息的光束2与记录介质7内的一参考光束(这里未示出)相交。信号光束2与参考光束在记录介质7的材料中的相交导致记录介质7中的干涉图案以及该干涉图案与记录介质7的材料之间的相互作用，从而数据页以这种干涉图案的形式被写入记录介质7中。
为了读出被写入记录介质7中的信息，用经过了记录介质7的光束2照射读取物镜8。携带再现的数据页的光束2照射读取物镜8，该物镜具有在外侧区域对于相同的光束轮廓具有相同的放大率的特性。读取物镜8对光束2进行准直，该光束2在经过光束成形单元5之后照射检测器装置9。光束成形单元5被反向应用，以便重新调节光束2的外侧区域的放大率。经重新调节的光束照射检测器装置9的CCD阵列，从而通过对CCD阵列的适当采样可以读出数据。当然，对全息记录介质7的写入和读取并不必须用同一装置1来进行。同样地，提供独立的装置用于读取和写入也是可行的。
图2以更详细的示图示出了根据图1的装置的写入部分，具体展示了光束成形光学装置5。图中示出了两个示例性的光束部分，外侧光束部分10和内侧光束部分11。光束2沿光轴12传播并进入光束成形光学装置5。内侧光束部分11不受光束成形光学装置5的影响，而外侧光束部分10被放大。写入物镜4与光束2的扩大的直径相适应。外侧光束部分10的聚焦在较大的场角13下完成。
图3示出了包括有着变化的像素尺寸的检测器装置9的实施例。记录介质7被聚焦光束以透射方式照射。然后该光束由读取物镜8准直以照射检测器装置9。检测器装置9有着像素具有变化的像素尺寸的特性，所述像素尺寸向着检测器装置9的外侧区域逐渐增大。较小的像素布置在检测器装置9的内侧区域中，它们与内侧光束部分11的数据页的较小像素相适应；而根据外侧光束部分10的数据页的较大的像素，在检测器装置9的外侧区域中，像素尺寸较大。利用这种布置，读取系统不需要与检测器装置9的外侧区域中的最低SNR相适应，因为在阵列的每个区域都实现了较大的SNR，从而提高了总体存储容量。
如图4所示，同样地可以使用具有有着空间上变化的像素尺寸的像素14的SLM来替代具有恒定像素尺寸的SLM与光束成形光学装置5的组合。类似地，可以使用具有空间上变化的像素尺寸的SLM 3与光束成形光学装置5的组合。被示出用于SLM的空间上变化的像素尺寸也可以用于图1所示的检测器装置9。这种情况下，可以省略对于具有恒定像素尺寸的检测器装置9来说必需的光束成形光学装置5。
本发明不限于以上所述的实施例，这些实施例仅仅作为示例给出，而且在不背离所附权利要求限定的保护范围的情况下可以被以各种方式改变。因此，本发明同样适用于不同的全息系统。
附图标号：
1装置
2光束
3空间光调制器
4写入物镜
5光束成形光学装置
6光学元件
7记录介质
8读取物镜
9检测器装置
10外侧光束
11内侧光束
12光轴
13场角
14像素

Claims (7)

1.用于调制光束(2)以产生用于记录在全息记录介质上的具有多个像素的数据页的装置，其特征在于，所述数据页的像素在整个数据页上具有空间上变化的像素尺寸以提高全息记录介质的存储容量，并且所述空间上变化的像素尺寸是由光束成形光学装置产生的，所述光束成形光学装置位于写入物镜和光束调制器之间的光轴上，以便放大光束轮廓的外侧区域。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光束成形光学装置(5)包括至少两个非球面光学元件(6)，所述非球面光学元件被构造成望远镜形，具有以下特性，即对外侧光束区域具有较高放大率，而不放大内侧光束区域。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述光学成形光学装置(5)对于所述光束(2)具有依赖于场角的放大率。
4.如权利要求1-2之一所述的装置，其中，所述空间上变化的像素尺寸向着所述数据页的边界区域增大。
5.如权利要求1-2之一所述的装置，其中，所述空间上变化的像素尺寸变化，使得信噪比在整个数据页上基本上恒定。
6.用于对全息记录介质写入的装置(1)，其包括至少一个用于产生光束(2)的光源和用于将所述光束(2)聚焦在至少一个记录介质(7)中以存储全息图像的写入物镜(4)，其特征在于，该装置进一步包括根据权利要求1-2之一所述的用于调制光束(2)以产生具有有着变化的像素尺寸的多个像素的数据页的装置，以提高全息记录介质的存储容量。
7.用于对提高了存储容量的全息记录介质读取的装置(1)，其包括至少一个用于产生光束(2)的光源、读取物镜(8)和用于检测具有多个像素的数据页的检测器装置(9)，其中，一光束成形光学装置(5)设置在所述读取物镜(8)和所述检测器装置(9)之间的光轴(12)上，以便使再现的数据页的空间上变化的像素尺寸与所述检测器装置(9)的像素尺寸匹配。
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