CN101064128A - 用于全息信息的存储和重现的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于全息信息的存储和重现的装置和方法。本发明公开的全息信息记录装置包括激光光源、分束器和反射式空间光调制器。所述分束器提供参考光束和载波光束，其中所述参考光束不经过反射射向全息数据存储介质。所述载波光束经反射式空间光调制器反射后形成包含信息图像的数据光束。所述参考光束和所述数据光束交互作用以形成包含所述图像的全息图。然后所述全息图被编码在全息数据存储介质中。

Description

用于全息信息的存储和重现的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置和使用该装置来存储和重现被编码在全息数据存储介质中的信息的方法。
背景技术
在全息信息存储中，整页信息作为光学干涉图样被立刻存储在厚的感光光学材料中。这是通过将两个相干激光光束在存储材料中交叉来实现的。第一个光束称作数据光束，其包含要被存储的信息；第二个光束称作参考光束，其被设计为易于再现，例如简单的具有平面波前的准直光束。
所得到的所述两个相干激光光束的光学干涉图样在所述感光介质中引起化学和/或物理改变：干涉图样的拷贝被存储为感光介质的吸收、折射率或厚度的变化。当用在记录期间使用的两个波之一来照射存储的干涉光栅时，部分这样的入射光被存储的光栅衍射，使得另一个波被重建。用所述参考波照射存储的光栅将重建所述数据光束，反之亦然。
大量的这样的干涉光栅或图样可以重叠在同一厚片介质中并可以被独立访问，只要通过光栅的间隔或方向能够辨别它们即可。可以通过改变对象和参考波之间的角度或是改变波长来实现这样的分隔。通过用存储所述页时使用的参考波照射所述存储的光栅可以独立地读出任何特定数据页。由于全息图的厚度，这种参考波被干涉图样以这样的方式被衍射：只有所希望的对象光束被显著地重建并在电子照相机上成像。这种技术的存储密度的理论限制大约为每立方厘米数十个太拉比特。
需要一种装置和使用这种装置的方法来提高全息信息存储的速度和可靠性。
发明内容
申请人的发明包括一种全息信息记录装置。所述全息信息记录装置包括激光光源、分束器和反射式空间光调制器。所述分束器提供参考光束和载波光束(carrier beam)，其中所述参考光束不经过反射射向全息数据存储介质。所述载波光束经反射式空间光调制器反射后形成包含信息图像的数据光束。所述参考光束和所述数据光束交互作用以形成包含所述图像的全息图。然后该全息图被编码在全息数据存储介质中。
申请人的发明还包括一种全息信息读装置。所述全息信息读装置包括激光光源、分束器和光学传感器。所述激光光源向所述分束器提供激光光束，其中所述分束器提供参考光束，其不经反射射向包含含有信息的编码全息图的全息数据存储介质。所述光学传感器探测所述参考光束和所述编码全息图交互作用所得的图像。
申请人的发明还包括一种数据存储系统，其包括申请人的全息信息记录装置和申请人的全息信息读装置。申请人的发明还包括一种向全息数据存储介质写入信息和从全息数据存储介质读出信息的方法。
附图说明
结合附图阅读下面的详细说明将更好地理解本发明，附图中，相同的附图标记表示相同元件，其中：
图1是现有技术的全息信息记录装置的视图；
图2是图示申请人的全息信息记录装置的框图；
图3是图示申请人的全息信息记录装置的透视图；
图4是现有技术的全息信息读装置的透视图；以及
图5是申请人的全息信息读装置的透视图；
图6是申请人的数据存储系统的框图，其包括图2和图3中的申请人的全息信息记录装置和图5中的申请人的全息信息读装置；
图7的流程图概括了申请人的使用图2和图3中的全息信息记录装置在全息数据存储介质中记录信息的方法的步骤；以及
图8的流程图概括了申请人的使用图5中的全息信息读装置从全息数据存储介质读出信息的方法的步骤。
具体实施方式
将在下面结合附图说明本发明的优选实施方式。附图中，相似的附图标记表示相同或相似的元件。说明书所有的关于“一种实施方式”、“某个实施方式”或类似的语言是指和结合所述实施方式描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个实施方式中。因此，本说明书中出现的所有“在一个实施方式中”、“在某个实施方式中”这样的短语和类似语言，可以，但不是必须，都指的是同一个实施方式。
本发明描述的特症、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施方式中。在下面的描述中，叙述了多个特定细节以提供对本发明的实施方式的全面理解。然而相关领域技术人员将理解：在缺一个或多个特定细节的情况下也可以实现本发明，或者也可以和其它方法、元件、材料等一起实现本发明。在其它例子中，没有详细地图示或说明公知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的观点。
图1图解了现有技术的全息信息记录装置100。装置100包括激光光源105、激光分束器110、数据载波光束120和参考光束130。在图1图解的实施方式中，装置100还包括空间光调制器(“SLM”)140、数据光束160、反射镜180和全息数据存储介质195。
一般地，SLM140是LCD型器件。信息由SLM140显示上的亮像素或是暗像素来表示。一般地，SLM140为半透明。源自激光光源105的激光被分束器110分成两个光束：载波光束120和参考光束130。
当光通过SLM140时，载波光束120拾取由SLM140显示的图像150。当载波光束120通过SLM140时，它的强度必然地衰减了。得到包含图像150的数据光束160和现有技术的透射数据光束强度。
参考光束130通过反射镜180反射以生成具有反射参考光束强度的反射参考光束190。反射参考光束190和数据光束160干涉形成包括现有技术的全息图强度的全息图170。所得到的全息图170存储在全息存储介质195上。反射镜180一般是外表面镀膜反射镜(first-surfacemirror，表面镀膜镜)。
现在参见图2和图3，申请人的全息信息记录装置200包括激光光源105、分束器110、反射式空间光调制器210和全息存储介质195。由光源105产生的光通过分束器110分成参考光束200和数据载波光束230。使用申请人的装置200，参考光束220没有被反射，因而，其包括未被反射的参考光束强度，其中所述未被反射的参考光束强度比由前述现有技术的装置100产生的反射的参考光束强度大。
反射式空间光调制器210包括数据图像205。在特定的实施方式中，反射式空间光调制器210包括包含多个微反射镜的组件。在其它实施方式中，反射式空间光调制器210包括硅上液晶(反射式液晶，硅基液晶，liquid crystal on silicon)(“LCOS”)显示器件。和在LCD中使用的扭曲向列液晶(其中晶体和电极夹在偏振玻璃基板之间)相比，，LCOS器件具有覆在硅芯片的表面上的液晶。所述驱动图像形成的电子电路被蚀刻到芯片中，所述芯片上覆有反射(镀铝)表面。偏振器位于光在芯片上反射之前和之后的光路中。LCOS器件比传统LCD显示器更容易制造。LCOS器件具有更高的分辨率，因为一个芯片上可以蚀刻数百万像素。LCOS器件能够比传统LCD显示器小很多。
当光从反射式空间光调制器210反射时，载波光束230拾取图像205以形成包含图像205和反射的数据光束强度的反射的数据光束240，其中所述反射数据光束强度比现有技术的透射数据光束强度更大，因为从反射式SLM210反射出的光一般比通过LCD型透射式SLM透射的光强度更大。
未经反射的参考光束220和反射的数据光束240干涉形成具有第一强度的全息图250，其中所述第一强度比现有技术全息图强度大。基本上，申请人的全息信息记录装置200产生包括比使用现有技术装置100产生的数据信号更高信号强度的数据信号。全息图250形成在存储介质195中，因此使光敏存储介质产生包含被编码的全息图250的干涉图样260。
申请人的全息信息记录装置200取消了现有技术用来反射参考光束130(见图1)的反射镜180。反射镜180的取消降低了全息信息记录装置的复杂性，且消除了全息记录过程中的损失机制。此外，申请人的全息信息记录装置200取消了现有技术的透射式空间光调制器140(见图1)，而使用了反射式空间光调制器210(见图2、3)，因此消除了全息记录过程中的又一个损失机制(即通过空间光调制器140透射载波光束)。
在特定实施方式中，存储介质195包括光致聚合物系统。例如在特定实施方式中，全息图的记录是通过感光物质的聚合的空间图样来产生的，其中感光物质的聚合的空间图样拷贝了由参考光束220和数据光束240产生的光干涉图样。这样，入射的全息图像在记录介质中引发了一个或多个化学或物理变化，比如光诱致聚合(photo-inducedpolymerization)、光致交联(photo-induced crosslinking)等。
光化学第一定律也就是称为高提斯-德雷珀尔(Grotthuss-Draper)定律假定光必须被化学物质吸收才能发生光化学反应。光化学第二定律也就是斯达克-埃森斯坦(Stark-Esinstein)定律假设在光化学反应中，被化学系统吸收的每一个光子只活化一个分子。
增加光束的强度不改变组成光的光子的能量，而只改变被活化的分子的数量。通过增强使用申请人的全息信息记录装置200产生的全息图250的强度，和通过现有技术的装置100产生的现有技术的全息图170相比，每单位时间活化更大数量的存储介质感光分子被活化，因此增加了信息存储过程的速率，也就是增加了全息信息记录的速度。激光光源105包含“红色”激光器(比如ZnSe激光器、GaN激光器或二次谐波产生(second harmonic generation)(SHG)激光器，其发射波长在大约630到650nm之间的激光)或“蓝色”或“紫色”激光器(比如ZnSe激光器或In掺杂GaN激光器(GaN In-doped laser)，其发射波长低到400nm的激光)的情况都是这样。
图4图解了现有技术的全息信息读装置400。装置400包括激光光源105、分束器110、全息存储介质195和光学传感器420。光学传感器420设置为与全息存储介质195有足够的距离以准确捕捉投射的图像410。为读全息图，参考光束130从反射镜180反射成为反射的参考光束190，然后入射到全息存储介质195。当参考光束190和存储在存储介质195上的编码全息图405干涉时，和由SLM140(见图1)显示的原始图像150(如图1所示)类似的图像410被投向光学传感器420。然后光学传感器420捕捉包含图像410的信息。
图5图示了申请人的全息信息读装置500。装置500包括激光光源105、可选分束器110和光学传感器420。激光光源105和分束器110提供参考光束220。
未经反射的参考光束220被射向全息存储介质195，这样参考光束220通过干涉图样260(见图2)衍射形成类似显示在申请人的反射式空间光调制器210上的原始图像205(见图3)的图像510。图像510被投向光学传感器420。然后光学传感器420捕获包含图像510的信息。
在图5说明的实施方式中，申请人的全息信息读装置500包括分束器110。在其它实施方式中，申请人的全息信息读装置500不包括分束器。在这些实施方式中，激光光源105提供参考光束220，其不经反射射向全息存储介质195，这样参考光束220通过干涉图样260(见图2)衍射形成类似显示在申请人的反射式空间光调制器210上的原始图像205(见图3)的图像510。图像510被投向光学传感器420。然后光学传感器420捕获包含图像510的信息。
图6图解了申请人的信息存储系统600的一个实施方式。在特定实施方式中，系统600包括存储区域网络(“SAN”)。在特定实施方式中，所述系统600包括一个或多个计算设备，比如计算设备610、620和630。在图6说明的实施方式中，所述一个或多个计算设备通过数据通信架构640和存储服务器660通信。所述架构640可以包括一个或多个数据交换机650。另外，在图6说明的实施方式中，存储服务器660和一个或多个申请人的全息数据存储系统通信。在图6说明的实施方式中，存储系统600包括全息存储系统670、680和690，其中这些全息存储系统的每一个包括申请人的全息信息记录装置200、申请人的全息信息读装置400以及一个或多个全息存储介质195。
在特定实施方式中，计算设备610、620和630选自由应用服务器、网络服务器、工作站、主计算机或可能产生信息的其它设备构成的组中。在特定实施方式中，一个或多个计算设备610、620和/或630使用在光纤通道(“FC”，Fibre Channel)物理层上运行的小型计算机系统接口(“SCSI”)协议利用架构640互连。在其它实施方式中，计算设备610、620和630之间的互连包括其它协议比如Infiniband、以太网(Ethernet)或因特网SCSI(“iSCSI”)。在特定实施方式中，交换机650配置为从计算设备610、620和630路由通过，直接到存储服务器660。
在图6说明的实施方式中，存储服务器660包括数据控制器662、存储器663、处理器664和数据高速缓存器666、667和668，其中这些组件通过数据总线665通信。在特定的实施方式中，存储器663包括磁信息存储介质、光学信息存储介质和电子信息存储介质等。申请人所说的“电子存储介质”是指例如诸如PROM、EPROM、EEPROM，闪速PROM(Flash PROM)、compactflash、smartmedia等设备。
在特定实施方式中，数据控制器662被配置为从在一个或多个计算设备610、620和/或630上的串行数据总线读出数据信号和向该串行数据总线写入数据信号。或者，在其它实施方式中，所述数据控制器662被配置为通过数据总线665和架构640从一个或多个计算设备610、620和/或630读出数据信号和向其写入数据信号。
在特定实施方式中，数据控制器662将串行数据流转换成为卷积码编码数据图像，比如数据图像205(见图3)。数据图像205被传送到和全息存储装置670、680和690相关的空间光调制器210(见图3)。在特定实施方式中，数据控制器662使用申请人的全息信息记录装置200和/或申请人的全息信息读装置400从一个或多个全息存储介质195读出数据和向其写入信息。在特定实施方式中，数据控制器662向一个或多个数据高速缓冲存储器666、667和/或668写入数据以组合光学图像。然后使用申请人的全息信息记录装置200，数据图像205被写入到全息存储介质195中。
在特定实施方式中，全息存储介质195可以被设置在位于不同地理位置的不同信息存储设施中，使得任何一个信息存储设施的损失只导致这些存储介质之一的损失，这有助于存储的信息的灾难恢复。在特定实施方式中，数据控制器662将信息分布于二个或更多个全息存储介质195，以保护所述信息。在特定实施方式中，数据控制器662将三位数据编码成三个2×2矩阵，且这三个矩阵被分布在三个单独的全息存储介质195上，其目的是在存储介质195其中一个上的信息丢失可以从写到其余两个全息存储介质195上的编码干涉图样来恢复。
申请人的发明进一步包括一种向全息信息存储介质写入信息和/或从全息信息存储介质读出信息的方法。图7概括了申请人的向全息数据存储介质写入信息的方法的步骤。图8概括了申请人的从全息数据存储介质读出信息的方法的步骤。
现在参见图7，在步骤710，申请人的方法提供全息信息存储系统，比如申请人的全息信息记录装置200(见图2)，其包括激光光源、分束器、反射式空间光调制器和全息数据存储介质。
在步骤720，申请人的方法使用激光光源(比如激光光源105(见图1、2、3、4、5))提供激光光束到分束器(比如分束器110(见图1、2、3、4、5))。在步骤730，申请人的方法产生参考光束(比如参考光束220(见图2、4))和载波光束(比如载波光束230(见图2))。
在步骤740，申请人的方法将步骤730的参考光束不经反射引向全息数据存储介质(比如全息数据存储介质195(见图1、2、3、4))。这里的术语“未经反射”是指步骤730中的参考光束没有在第一方向被引向反射镜或类似反射设备，其中所述反射的参考光束然后在不同的第二方向被引向全息数据存储介质。简单地说，所述由分束器110产生的参考光束被直接指向全息数据存储介质。
在步骤750，申请人的方法在反射式空间光调制器(比如反射式空间光调制器210(见图2、3))上设置了包含信息的第一图像也就是写图像。在步骤760，申请人的方法通过从反射式空间光调制器反射步骤730的载波光束形成数据光束(比如数据光束240(见图2、3))，其包含所述写图像(比如数据图像205(见图3))。数据图像205可以是被卷积码编码以有助于该数据图像205的最后读出。
在步骤770，申请人的方法使步骤760中的数据光束和步骤740中的参考光束交互作用来形成全息图(比如全息图250(见图3))，其包含步骤750中的图像。在步骤780，申请人的方法在全息数据存储介质中编码步骤770中的全息图。在特定的实施方式中，步骤780包括在全息数据存储介质中形成干涉图样，比如干涉图样260(见图2)。
图8概括了申请人的从全息数据存储介质读出信息的方法的步骤。现在参见图8，在步骤810，申请人的方法提供全息信息读装置，比如申请人的全息信息读装置500(见图5)。
在步骤820，申请人的方法使用激光光源(比如激光光源105(见图1、2、3、4、5))可选地提供激光光束到分束器(比如分束器110(见图1、2、3、4、5))。在步骤830，申请人的方法产生参考光束(比如参考光束220(见图2、3、5))。在步骤840，申请人的方法将步骤830的参考光束不经反射引向在全息数据存储介质中设置的编码全息图上。这里“未经反射”，申请人是指的是步骤830中的参考光束在第一方向没有被引向反射镜或类似反射设备，其中所述反射的参考光束然后在不同的第二方向被引向所述编码全息图。或者，所述由分束器110产生的参考光束被直接指向编码全息图。
在步骤850，申请人的方法产生了包含信息的读图像。在申请人的方法从步骤780过渡到步骤820的实施方式中，步骤850的所述读图像包含和步骤750中的写图像相同的信息。在步骤860，申请人的方法将步骤850中的读图像投射到光学传感器上，比如光学传感器420(见图4、5)。在步骤870，申请人的方法捕获包含读图像的信息，其等同于数据图像205(见图3)。所述步骤可以包括读图像的格状解码(trellisdecoding，格形解码)以提取出实际的数据。
在特定实施方式中，在图7和/或图8引述的单个步骤可以被组合、取消或者重新排序。
在特定的实施方式中，申请人的发明包括位于存储器663(见图6)的指令，其中这些指令由处理器执行，比如处理器664(见图4)，以执行图7引述的步骤720、730、740、750、760、770和/或780中的一个或多个，和/或图8引述的步骤820、830、840、850、860和/或870中的一个或多个。
在其它实施方式中，申请人的发明包括位于任何其它计算程序产品中的指令，其中这些指令由系统600内部或外部的计算机执行以执行图7引述的步骤720、730、740、750、760、770和/或780中的一个或多个，和/或图8引述的步骤820、830、840、850、860和/或870中的一个或多个。在任何一种情况下，所述指令可以被编码在包括例如磁信息存储介质、光学信息存储介质、电子信息存储介质等的信息存储介质中。这里的“电子存储介质”，申请人是指比如PROM、EPROM、EEPROM，闪速PROM、compactflash、smartmediat等设备。
尽管已经说明了本发明的优选的实施方式，本领域技术人员应该明白在不脱离下面阐明的本发明的权利要求的实质范围的情况下，可以对这些实施方式作出各种修改和调整。

Claims (21)

1.一种全息信息记录装置，包括：
激光光源；
分束器；
反射式空间光调制器；
其中所述分束器提供参考光束和载波光束，其中所述参考光束不经过反射被引向全息数据存储介质；
其中所述载波光束自所述反射式空间光调制器向所述全息数据存储介质反射。
2.如权利要求1所述的全息信息记录装置，其中所述反射式空间光调制器包括可视显示器件。
3.如权利要求2所述的全息信息记录装置，其中所述可视显示器件包括硅基液晶可视显示器件。
4.如权利要求2所述的全息信息记录装置，其中所述可视显示器件包括多个微反射镜。
5.一种全息信息读装置，包括：
激光光源，其中所述激光光源提供参考光束，其不经反射被引向包含含有信息的编码全息图的全息数据存储介质；
光学传感器，其用来检测由所述参考光束和所述编码全息图的交互作用所产生的图像；
其中所述全息信息装置不包括分束器。
6.如权利要求5所述的全息信息读装置，还包括分束器，其中所述激光光源提供激光光束到所述分束器，并且所述分束器提供所述参考光束，所述参考光束不经反射被引向包含含有信息的编码全息图的所述全息数据存储介质。
7.一种信息存储系统，包括：
全息信息存储系统，其包括全息数据存储介质、激光光源、接收来自所述激光光源的激光的分束器以及反射式空间光调制器，其中所述分束器提供参考光束和载波光束，其中所述参考光束不经过反射被引向所述全息数据存储介质，其中所述载波光束自反射式空间光调制器向所述全息数据存储介质反射；
一个或多个计算设备；
存储服务器，其包括和所述一个或多个计算设备中的每一个以及所述全息信息存储系统互连的数据控制器。
8.如权利要求7所述的信息存储系统，其中所述反射式空间光调制器包括可视显示器件。
9.如权利要求8所述的信息存储系统，其中所述可视显示器件包括硅基液晶可视显示器件。
10.如权利要求8所述的信息存储系统，其中所述可视显示器件包括多个微反射镜。
11.如权利要求7所述的信息存储系统，其中所述全息数据存储介质包括编码全息图，该信息存储系统还包括用来检测由所述参考光束和所述编码全息图的交互作用所产生的图像的光学传感器。
12.一种向全息数据存储介质写入信息和从全息数据存储介质读出信息的方法，其包括下述步骤：
提供包含反射式空间光调制器和全息数据存储介质的全息信息存储系统；
使参考光束不经过反射被引向所述全息数据存储介质；
使载波光束经所述反射式空间光调制器反射以产生包含所述信息的第一图像的数据光束；
使所述数据光束和所述参考光束交互作用以在所述全息数据存储介质中形成包含所述第一图像的全息图。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述提供全息信息存储系统的步骤还包括提供包含反射式空间光调制器的全息信息存储系统，所述反射式空间光调制器包括硅基液晶显示器件。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述提供全息信息存储系统的步骤还包括提供包含多个微反射镜的全息信息存储系统。
15.如权利要求12所述的方法，还包括在所述反射式空间光调制器上设置包含所述信息的所述图像的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述提供全息信息存储系统的步骤还包括提供包含激光光源和分束器的全息信息存储系统，所述方法还包括以下步骤：
使用所述激光光源产生激光；
向所述分束器提供所述激光；
通过所述分束器产生所述参考光束和所述载波光束。
17.如权利要求12所述的方法，还包括将所述全息图写入所述全息数据存储介质的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述写入步骤还包括在所述全息数据存储介质中设置包含所述全息图的干涉图样的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，还包括下述步骤：
使所述参考光束不经过反射被引到所述干涉图样上；以及
形成包含所述信息的第二图像。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述提供全息信息存储系统的步骤还包括提供包含光学传感器的全息信息存储系统。
21.如权利要求20所述的方法，还包括将所述第二图像投射到所述光学传感器上的步骤。
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