CN101097731B - 基于公共路径干涉测量法的全息存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全息存储系统(20)，特别是采用相位空间光调制器(6)的全息存储系统(20)。根据本发明，具有相位SLM(6)的全息存储系统(20)用于将2维相位数据图样印记在物光束(7)上，其包括公共路径干扰仪(31、32、40)，用于将物光束(7)的相位数据图样转换为强度数据图样。

Description

基于公共路径干涉测量法的全息存储系统

技术领域

本发明涉及全息存储系统，特别是，采用相位空间光调制器(phase spatiallight modulator)的全息存储系统。

背景技术

在全息数据存储中，数字数据通过记录由两个相干激光束叠加所产生的干涉图样来存储，其中被称作“物光束(object beam)”的一个光束通过空间光调制器来调制，并且承载要被记录的信息。第二光束用作基准光束(reference beam)。干涉图样导致存储材料的特定性能的改变，其取决于干涉图样的局部强度。通过采用与记录期间相同条件的基准光束照亮该全息图来进行所记录全息图的读取。这导致所记录的物光束的重建。

全息数据存储的一个优点是增加了信息容量。与传统的光学存储介质相反，利用全息存储介质的体积被用于存储信息，而不仅是几层。全息数据存储还有一个优点是在相同的体积中存储多种数据的可能性，例如，通过改变两个光束之间的角度或通过采用移位多路技术(shift multiplexing)等。此外，代替存储单个位，数据存储成数据页。通常数据页由明-暗图样的矩阵组成，即二维二元阵列或灰值(grey value)阵列，其编码多位。这允许实现增加的数据速率，以及增加的存储密度。数据页通过空间光调制器(SLM)印记在物光束上，并且用探测器阵列探测。一个SLM的简单实例是振幅SLM，其中“0”值像素阻挡光，而“1”值像素透射或者反射光。简而言之，这意味着该振幅SLM具有黑和白像素。假设黑像素和白像素的相同概率，则约50％的物光束功率被阻挡。被阻挡的光被浪费，并且减小了写数据速率。另外，如果采用低白比率(white rate)编码，这是全息存储器领域中常见的情况，则物光束的光损耗甚至高于50％。例如，采用20％白比率编码，光损耗约为80％。

通过采用相位SLM在物光束中印记信息来克服上面的问题。在这种情况下，像素的“0”和“π”的相移分别对应于输入数据阵列的信息位“0”和“1”(或者反之亦然)。“π”的相移对应于λ/2的路径差，其中λ是物光束和基准光束的波长。当然，也可能采用其他的中间相移。因为没有阻挡光，所以当相位SLM用来在物光束上印记信息时，没有光损耗。然而，由于探测器阵列只能探测光强度，因此在光照射到探测器阵列上之前，重建物光束的相分布必须被转换成强度分布。

WO 2004/112045揭示了一种全息存储系统，其中相衬滤波器设置在读出光束路径中，以将相位调整转换成由阵列探测器探测的振幅调制。

在WO 02/49018和WO 02/03145中，提供有一种在物光束上印记信息的相位SLM。为了将重建相分布转换成强度分布，采用反射基准光束和读出光束的干涉。在探测器表面上，从全息存储表面反射的基准光束是具有固定相位的平面波，而读出光束是二元相位调整光束。该两个光束的干涉是二元强度分布。该解决方案要求该干涉光束具有类似的振幅。如果振幅截然不同，则干涉图样的强度分布的可见性很低。然而，在多路技术的情况下，读出光束的衍射效率仅为10^-4到10^-6，即干涉光束之间的强度差为4-6个量级。这意味着该解决方案不能应用于采用高度多路技术全息图的全息存储系统，因为可见性和信噪比(signal-to-noise ratio)很低。

发明内容

本发明的目标是提供一种采用相位SLM的全息存储系统，其克服了上述缺点。

根据本发明，通过带有相位SLM的全息存储系统以将2维相位数据图样印记在物光束上来实现该目标，其包括用于将物光束的相位数据图样转换成强度数据图样的公共路径干涉仪(common path interferometer)。

类似地，一种全息数据存储的方法具有以下步骤：

采用相位SLM将2维相位数据图样印记在物光束上；并且

采用公共路径干涉仪将相位数据图样转换成强度数据图样。

根据本发明，为相衬显微镜法而开发的相衬法应用于全息存储系统。简单光学布置放置在记录物光束的路径中，用于将印记在物光束上的相位分布通过相位SLM转换成强度分布。该光学布置构成了公共路径干涉仪。与采用振幅SLM的全息存储系统相比，根据本发明的解决方案使得显著增加数据传输速率。写入时间可以比振幅SLM写入时间短4至5倍。采用与相衬法相结合的相位SLM来将相位数据图样转换成振幅数据图样，发光效率的改善与采用的白色速率成反比。公共路径干扰测量法的使用要求相位SLM和其他光学元件的防护玻璃均匀性和机械性能的些许更严格的容限。然而，在实施上通过优化相衬法的转换功能可以减小所要求的容限。

优选地，公共路径干扰仪包括具有非线性转换的相衬滤波器。在具有三共焦设置的傅里叶平面的12f全息存储系统的情况下，相衬滤波器有利地插设在12f光学系统的第一傅里叶平面中。采用合适的形状和相位分布，该相衬滤波器将相位SLM的相位数据图样转换成强度数据图样。当相位数据图样是二元时，非线性转换允许实现耐用的、对误差不敏感(error insensitive)的存储系统。

有利的是，相衬滤波器具有内圆区域，用于将物光束的傅里叶变换的中心部的相位移位了第一值；以及围绕该内圆区域的环区域，用于将物光束的傅里叶变换的外部的相位移位了第二值。这样实现了台阶式(二元)转换。优选地，第一值和第二值之间的差达到“π”的相对相移。“π”的相对相移导致强度数据图样的最佳的对比。然而，也可以实现其他相对相移，结果对于精确的相对相移值不太敏感。

优选地，相衬滤波器还具有外阻挡区域，用于低通滤波物光束的傅里叶变换。傅里叶物镜的数值孔径受到限制。在傅里叶空间中，这意味着物镜的空间频率带宽受到限制。仅对于该受限的空间频率区域优化物镜。该滤波器的外阻挡区域实现了该限制。另外，为了好的可见性，在公共路径干扰仪中的波前(wavefront)干涉的能含量必须大致相同。通过调节外阻挡区域的直径，可以控制物光束的傅里叶变换的外部的能量。还有一个优点是，较小的环型区域外径导致全息图尺寸的减小。结果，数据密度增加。

附图说明

为了更好地理解，下面将参照附图详细描述本发明。应该理解的是，本发明不限于这些示范性实施例，而且具体的特征也可以方便地组合和/或修改，而不脱离本发明的范围。在附图中：

图1示意性地图示了全息存储系统；

图2图示了3×4f(12f)全息存储系统的简图；

图3显示了根据本发明的相衬滤波器；

图4显示了相衬滤波器的侧视图；

图5示意性地示出了利用相衬滤波器的全息记录的方法；

图6显示了具有象征性黑白像素的相位SLM的放大部分；

图7示出了在通过相衬滤波器后相位SLM的傅里叶变换图像；

图8显示了在中间物/像平面上相位SLM的低通滤波的、相移的及逆变换的图像；

图9图示了用于比较的振幅SLM的低通滤波的和逆变换的图像；

图10显示了模拟的逆变换图像的总能量作为低通过滤波孔径的直径的函数；

图11示出了逆变换白像素的平均峰值亮度作为低通滤波孔径直径的函数；

图12显示了取决于环型区域的直径DAperture比特误差率；和

图13显示了取决于中心滤波器的直径DCentFlt的比特误差率。

具体实施方式

在全息数据存储中，通过记录由两个相干激光束叠加所产生的干涉图样来存储数字数据。图1显示了3×4f(12f)全息存储系统的通常示范性配置。相干光源例如激光二极管2发射光束3，其由校准透镜4校准。然后光束3分成两个分离的光束7、8。在该实例中，利用第一光束分离器5实现光束3的分开。然而，为了该目的也可以采用其他光学部件。相位空间光调制器(SLM)6调制两个光束之一，即所谓的“物光束”7，来印记2维相位数据图样。为了简化，在图中省略了第二光束即所谓的“基准光束”8的路径。物光束7由傅里叶物镜31进行傅里叶变换。移相器40设置在傅里叶物镜31的傅里叶平面中，将参照图3和4详细解释该移相器40。来自移相器40的傅里叶变换的物光束7通过对物光束7不起作用的偏振光束分离器9，并且再通过傅里叶透镜32。最后，四分之一波片12旋转物光束7的偏振方向。为了记录，物光束7和基准光束8两者都由傅里叶物镜33聚焦在全息存储介质10例如全息盘或卡中。在物光束7和基准光束8的交叉点呈现干扰图样，其被记录在全息存储介质10的图像感应层(photo-sensitive layer)。

通过仅用基准光束8照亮所记录的的全息图，从全息存储介质10上检索所存储的数据。基准光束8由全息图结构衍射，并且产生原始物光束7的副本，即重建的物光束11。该重建的物光束11由物镜34校准，并且通过四分之一波板12。然后重建的物光束11通过偏振光束分离器9经由两个傅里叶物镜35、36和针孔滤波器37指向2维阵列探测器13，例如CCD阵列。阵列13允许重建所记录的数据。

图2显示了3×4f(12f)全息存储系统20的更为简化的示出。为了更清晰，折叠的系统20显示为展开的，而忽略了偏振光束分离器9。12f光学系统20基本上有三个4f系统21、22、23组成，每一个都具有两个傅里叶物镜31、32、33、34、35、36。相位SLM 6，例如为液晶元件，设置在第一4f系统21的物平面24中。两个中间物/像平面26、28分别为第一和第二4f系统21、22以及第二和第三4f系统22、23的公共平面。阵列探测器13设置在第三4f系统23的物平面30中。12f光学系统20具有三个共焦地设置的傅里叶平面25、27、29。专用的小尺寸移相器40设置在第一4f系统21的傅里叶平面25中或其附近，其将相位SLM 6的傅里叶变换的小中心区域的相位移位了“π”，这由第一4f系统21的第一透镜31产生。全息存储介质10设置在第二4f系统22的傅里叶平面27中，而针孔滤波器37设置在第三4f系统23的傅里叶平面29中，用于滤波重建的物光束。

图3更详细地显示了移相器40。移相器或者相衬滤波器40设置在第一4f系统21的傅里叶平面25中。其具有两个明确界定的直径。具有直径DCentFlt的内圆区域41将相位SLM 6的傅里叶变换的高强度中心部的相位移位了“π”，这由第一4f系统21的第一傅里叶物镜31产生。在内直径DCentFlt和外直径DAperture之间的移相器40的环型区域42对于傅里叶变换的傅里叶成分没有影响。然而，应该注意的是，可能在内圆区域41中没有相移而在环型区域42中有相移“π”，或者加起来达到“π”的相对相移的上任何其他组合。最后，开始于直径DAperture的外区域43是不透明的，并且阻挡相位SLM 6的高阶傅里叶成分。这样，实现了相位SLM 6的傅里叶变换的低通滤波。当然，外区域43也可以反射或吸收，或者通过其他方法阻挡高阶傅里叶成分。此外，代替阻挡外区域43，也可以采用分离的滤波器孔径。

图4显示了通过第一4f系统21的第二傅里叶物镜32逆变换的移相器40和波前50、51的侧视图。在第二傅里叶物镜32之后，源自相位SLM 6的傅里叶变换的高强度小中心区域41的相移光束可以看成是在中间像平面26的均匀平面波。其由平面波前50表示。源自环型区域42的逆变换物光束是在中间像平面26中的二元相位分布，如“二元”波前51所示。二元波前51只示出了实际情形的第一近似值。来自环型区域42的波前51实际上更加复杂。一方面，形状不完全为矩形，因为在不同的区域之间存在连续的转换。另一方面，不同的区域不是平面，而是锯齿状。两个光束的干涉导致了在中间像平面26的近乎二元强度分布。因此，移相器40将相位分布转换成强度分布。

本质上，12f光学系统20的第一4f系统21形成例如知自相衬显微镜的公共路径干扰仪。然而，在相衬显微镜中，采用线性转换。在J.Glückstad，P.C.Mogensen的文章：“Optimal phase Contrast in common path interferometry”，Appl.Opt.Vol.40，pp 268-282，和P.C.Mogensen，J.Glückstad：“Reversephase contrast：an experimental demonstration”，Appl.Opt.Vol.41，pp2103-2110中，展示了采用公共路径干涉测量法将相位图像转换成强度分布。对于线性转换的可见性和发光效率给出了基本方程。在线性转换的情况下，强度变化与相位在“0”至“2π”的范围的变化成比例。

根据本发明的移相器40不进行线性转换，而执行非线性转换，优选台阶式(二元)转换。该转换功能通过采用合适的相移元件的内外直径DCentFlt和DAperture来最优化。台阶式转换允许实现耐用的、误差不敏感的存储系统。

图5示意性地示出了采用根据本发明的移相器40的全息记录方法。在将50相位数据图样印记在物光束7上之后，物光束7被低通滤波51，并且将相位数据图样转换成52强度数据图样。滤波51和转换52有利地由移相器40一步完成。然后，滤波和转换的物光束7被记录53在全息存储介质10中。

图6至9显示了根据本发明的解决方案的计算机模拟。该模拟限于第一4f系统21，而不覆盖全部12f光学装置20。为了模拟透镜31、32的傅里叶变换特性，采用了在MATLAB软件上实施的快速傅里叶变换(FFT)。相位SLM 6由300×300矩阵模拟。只有该矩阵的圆部分用二元值“+1”或“-1”填充，这是因为傅里叶物镜31的物平面的可用区域是圆的。矩阵的其他像素用“0”填充。这意味着没有光源自物平面的圆的物区之外。“+1”值代表“0”的相移，“-1”值代表“π”的相移。应该注意的是，该图显示了不同的数据图样。这是由于这样的事实，即用于数值模拟的程序不存储矩阵，以便减少存储要求和增加模拟速度。SLM矩阵和中间矩阵都没有存储，而存储了结果。因此，对于每个模拟步骤，都产生新的随机输入数据图样。

图6显示了具有象征性的黑白像素的相位SLM 6的放大部分。图像的白像素代表具有“π”的相移的相位SLM像素，黑像素代表具有“0”相移的相位SLM像素。该矩阵对于傅里叶变换过取样(over-sampled)了“4”倍。然后，该矩阵用黑(零)帧放大。要求该步骤是用于消除FFT算法的孔径效应。

图7示出了在通过相衬滤波器40后相位SLM 6的傅里叶变换图像。首先，具有直径Daperture的圆孔径被施加于傅里叶变换图像，以切下高频成分。该孔径决定了傅里叶变换在第一傅里叶平面的尺寸，并且构成了低通滤波。与该低通滤波同时，在傅里叶变换图像的中心的低频成分用具有直径DCentFlt的相移滤波器移位了“π”。

图8显示了在由傅里叶物镜32逆变换后相位SLM 6在中间物/像平面26的低通滤波和相移的图像的放大部分。在该逆变换图像中的黑和白区域是通过施加的相衬法获得的实际强度值。如可以看到的，相位SLM 6的二元相位分布由于非线性转换功能在中间物/像平面上被转换为近乎二元强度分布。中间物/像平面26对于第一4f系统21和第二4f系统22是公共的。所转换的图像可以用作第二4f系统22的物。

为了比较，图9显示了与振幅SLM的低通滤波和逆变换图像。对于低通滤波，采用了用于计算图8的DAperture的相同直径的傅里叶滤波器。因此在两种情况中，全息图直径以及因而单全息图的容量相同。如可以看到的，对于振幅SLM和采用相衬法的相位SLM，逆变换图像的强度分布类似。图9中的图像具有略高的对比度。然而，决定黑和白像素的判断方案对对比度不敏感。数据编码成k×k像素块，例如k＝3、4或5。每个块包含完全相同数量m的白像素。在读取期间，只考虑在k×k像素块中最明亮的m个像素。图9中的模拟采用固定权重(constant weight)、白比率为25％的低白比率编码。12f系统20的第二傅里叶平面27附近的滤波的图像全息图将非常类似于低通滤波的振幅SLM的全息图。对于振幅SLM和使用相衬法的相位SLM，在中间物/像平面26之后，即在第二和第三4f系统22中的光分布非常类似。这意味着可以达到在类似水平的比特误差率的相同数据容量，而与采用的振幅SLM或相位SLM无关。

图10图示了逆变换图像的模拟总能量(在任意单元)作为相位SLM 6和振幅SLM的低通滤波孔径42的直径DAperture的函数。相位SLM 6的曲线的参数是内圆区域41的直径DCentFlt。应该注意的是，DCentFlt＝10和DCentFlt＝40的曲线基本上重叠。从图上可以看出，在相同条件下，相位SLM所用的总能量是振幅SLM所用总能量约4-5倍高。这意味着相位SLM 6的发光效率是振幅SLM约4-5倍高。在理论上，发光效率的改善与白比率成反比，这是因为在振幅SLM的情况下，黑像素挡光。对于相位SLM 6来说，来自逆变换黑像素的光被移入逆变换的白像素中。这意味着对于相同的白率，采用具有相衬滤波器的相位SLM的全息图写入时间是振幅SLM的写入时间4-5倍短。

图11显示了逆变换白像素的峰值强度(在任意单元中)的平均值作为相位SLM 6和振幅SLM的低通滤波孔径的直径DAperture的函数。在曲线上的参数是内圆区域41的直径DCentFlt。从图上可以看出，相位SLM 6的逆变换白像素的峰值强度是振幅SLM的2-5倍高，取决于内圆区域41的直径DCentFlt。这也表示出，采用相位SLM 6的全息图写入时间比振幅SLM的写入时间短。

图12和13示出了如何获得基于示范性模拟的合适的DAperture和DCentFlt值。从数值模拟计算出作为DCentFlt和DAperture的函数的比特误差率。图12显示了这样的数值模拟的结果。纵轴是对数标度的比特误差率，横轴是微米为单位的直径DAperture。曲线上的参数是微米为单位的中心滤波器的直径DCentFlt。如所看到的，对于模拟的全息存储系统，直径DCentFlt在1μm和20μm之间获得比特误差率最好的结果。该比特误差率等同于或好于振幅SLM获得的比特误差率。

图13显示了取决于中心滤波器的直径DCentFlt的比特误差率。纵轴是对数标度的比特误差率，横轴是微米为单位的直径DCentFlt。曲线上的参数是微米为单位的直径DAperture。如可以看到的，比特误差率对于更大的滤波器直径仅缓慢增加，但是对于非常小的滤波器直径则快速增加。

Claims (10)

1.一种带有相位SLM(6)的用于对全息存储介质(10)进行写入的装置(20)，用于将2维相位数据图样印记在物光束(7)上，其特征在于，其包括：

公共路径干扰仪(31、32、40)，用于将该物光束(7)的相位数据图样转换成强度数据图样，该公共路径干扰仪(31、32、40)包括：

第一傅里叶物镜(31)，用于产生该物光束(7)的傅里叶变换；

移相器(40)，位于该第一傅里叶物镜(31)的傅里叶平面中，用于对该物光束(7)的傅里叶变换的至少部分进行相移；和

第二傅里叶物镜(32)，用于对该物光束(7)经相移的傅里叶变换进行再次变换，并且

物镜(33)，用于将具有该强度数据图样的该物光束(7)和基准光束(8)照射到该全息存储介质(10)中。

2.根据权利要求1所述的装置(20)，其中该移相器(40)是非线性转换的相衬滤波器(40)。

3.根据权利要求2所述的装置(20)，其中该相衬滤波器(40)具有将该物光束(7)的傅里叶变换中心部相位移位了第一值的内圆区域(41)和将该物光束(7)的傅里叶变换外部相位移位了第二值的围绕该内圆区域(41)的环性区域(42)。

4.根据权利要求3所述的装置(20)，其中该第一值和该第二值之间的差达到“π”的相对相移。

5.根据权利要求2至4之一所述的装置(20)，其中该相衬滤波器(40)具有低通滤波该物光束(7)的傅里叶变换的外阻挡区域(43)。

6.一种将数据图样写入到全息存储介质(10)的全息数据存储的方法，具有如下步骤：

采用相位SLM(6)将2维相位数据图样印记(50)在物光束(7)上；

使用第一傅里叶物镜(31)产生该物光束(7)的傅里叶变换；

使用位于该第一傅里叶物镜(31)的傅里叶平面中的移相器(40)，对该物光束(7)的傅里叶变换的至少部分进行相移；

使用第二傅里叶物镜(32)对该物光束(7)经相移的傅里叶变换进行再次变换，由此将该相位数据图样转换(52)为强度数据图样；和

将具有该强度数据图样的该物光束(7)和基准光束(8)照射到该全息存储介质(10)中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该移相器(40)是非线性转换的相衬滤波器(40)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中该相衬滤波器(40)具有将该物光束(7)的傅里叶变换中心部相位移位了第一值的内圆区域(41)和将该物光束(7)的傅里叶变换外部相位移位了第二值的围绕该内圆区域(41)的环性区域(42)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该第一值和该第二值之间的差达到“π”的相对相移。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法，还具有低通滤波(51)该物光束(7)的傅里叶变换的步骤。

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