CN101154394B - 将相消干涉用于像素检测的全息存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全息存储系统(1)，更具体地涉及一种同轴全息存储系统中的像素检测的方法。在根据本发明的、具有同轴排列的物光束(3)和参考光束(2)的全息存储系统(1)中，物光束(3)内的亮像素具有相对于参考光束(2)基本上为π的相移。为了读出在重建的物光束(10)中包含的数据页，检测器(11)检测由参考光束(2)和重建的物光束(10)之间的干涉生成的干涉图案。

Description

将相消干涉用于像素检测的全息存储系统

技术领域

本发明涉及一种全息存储系统，更具体地涉及一种用于在同轴全息存储系统中进行像素检测的方法。

背景技术

在全息数据存储中，通过记录由两个相干激光光束的叠加产生的干涉图案来存储数字数据，其中一个光束(所谓的“物光束(obiect beam)”)由空间光调制器调制，并携带要记录的信息。第二光束充当参考光束。所述干涉图案导致存储材料的特定性质的更改，该更改依赖于干涉图案的局部亮度(local intensity)。通过利用参考光束照亮全息图(hologram)，使用与记录期间相同的条件，来执行已记录的全息图的读取。这造成已记录的物光束的重建。

全息数据存储的一个优点是增加的数据容量。与传统的光存储介质不同，使用全息存储介质的体积(volume)、而不仅仅是一些层来存储信息。全息数据存储的另一优点是可以在同一体积中存储多个数据，例如，通过改变两个光束之间的夹角，或通过使用相移复用(shift multiplexing)等。此外，将数据存储为数据页，而不是存储单个比特。典型地，一个数据页包括明暗图案的矩阵，即，二维二进制阵列或灰度值的阵列，其对多个比特进行编码。除了增加的存储密度外，这还允许实现增加的数据速率。通过空间光调制器(SLM)将数据页印在物光束上，并利用检测器阵列检测数据页。SLM的直接示例是幅度SLM，其中具有值“0”的像素阻拦光，具有值“1”的像素透射或反射光。

在同轴或共线全息存储系统中，以同轴的方式排列参考光束和物光束。这具有以下优点：两个光束可使用单个物镜，其简化了光学设置。然而，当在写入期间参考光束和物光束两者同轴地通过物镜时，在读取期间重建的物光束也与参考光束同轴。这使得难以从重建的物光束中提取信息，这是因为物光束与亮度高出许多倍的参考光束重叠。因此，需要将重建物光束与参考光束分离，这或多或少是困难的。这通常通过在成像平面中光束的空间分离、或者通过稍微倾斜的光束结合在中间聚焦平面处的遮光滤光片(blockingfilter)而实现。

例如，在WO2004/102542中描述了同轴全息存储系统，其中在成像平面中将物光束与参考光束空间分离。出于此目的，物光束由环状参考光束围绕。然而这意味着只能使用部分光束用于数据存储。

发明内容

本发明的一个目标是提出一种在具有同轴物光束和参考光束的全息存储系统中检测数据页的替换解决方案。

根据本发明，此目标通过具有同轴排列的物光束和参考光束的全息存储系统实现，其中在物光束内的亮像素具有相对于参考光束基本上为π的相移，并且其中为了读出在重建的物光束中包含的数据页，提供了用于检测由参考光束和重建的物光束之间的干涉生成的干涉图案的检测器。

类似地，一种用于从具有同轴排列的参考光束和重建的物光束的全息存储介质读取的装置，具有用于检测由参考光束和重建的物光束之间的干涉生成的干涉图案的检测器，以便读出在重建的物光束中包含的数据页。

此外，在用于写入具有同轴排列的参考光束和物光束的全息存储介质的装置中，在物光束内的亮像素具有相对于参考光束基本上为π的相移。

根据本发明的另一方面，通过用于具有同轴排列的物光束和参考光束的全息数据存储器的方法实现上面的目标，该方法有以下步骤：

-通过参考光束和重建的物光束之间的干涉生成干涉图案，以及

-检测干涉图案，用于读出在重建的物光束中包含的数据页。

本发明提出以参考光束和物光束在检测器上相消干涉的方式来安排参考光束和物光束。这造成在像素位置处至少部分地抵消参考光束。不需要分离光束，这是因为可以从参考光束的明亮图像中以反相图案的形式提取数据。该方法因此克服了在同轴设置中数据检测的困难。为了实现相消干涉，在重建的物光束内的亮像素优选地具有相对于参考光束基本上为π的相移。通过设置物光束和参考光束的相对路径长度，或者通过相位移动或转换元件，来在数据页的记录期间有利地生成该相移。

根据本发明的改进，在写入期间通过检查检测器上的图像监视正确的相位关系。如果相对相移是π，则物光束至少部分地抵消参考光束。这在检测器上造成反相的数据页图像。换言之，如果在写入期间抵消是可见的，其也将在读取期间可见，这是因为重建的物光束具有理论上与原始物光束相同的性质。在实践中，光束质量降低效应导致不完全的抵消。然而，对于可靠的数据检测，此不完全的抵消仍然是足够的。为了调整相对相移，例如通过压电元件或者任何其它相移调整元件，有利地使得物光束和参考光束之一的路径长度可调整。

附图说明

为了更好的理解，现在将在参照附图的下面描述中更详细地解释本发明。应理解：本发明不限于此示例实施例，并且在不背离本发明的范围的情况下，也可将特定特征适当地组合和/或修改。在附图中：

图1示意性地描述同轴全息存储系统的写入路径，

图2示意性地描述同轴全息存储系统的读取路径，

图3示出具有单个像素的、与重建的物光束干涉的参考光束的检测器图像，

图4示出放大的图3的一部分，

图5示出重建的物光束的仿真的亮度分布中的毛刺(cut)，

图6示出与重建的物光束干涉的参考光束的检测器图像的仿真的亮度分布中的毛刺，

图7图示根据本发明写入和读取的完整的SLM数据页的检测器图像的数值仿真。

具体实施方式

图1示出在写入期间根据本发明的同轴全息存储系统1的简化结构。参考光束2通过分光器4与物光束3同轴叠加。参考光束2和物光束3优选地由单个光源20(例如利用准直镜(collimator lens)21、分光器22和两个转向反射镜(steering mirror)23、24的帮助)来生成。光束2和光束3两者都通过公共物镜5，并聚焦到或临近全息存储介质6。在图中将用于写入数据页的、来自空间光调制器9的单个像素8的光7照亮。来自像素8的波阵面(wavefront)具有相对于参考光束2为π的相移。在实践中，难以实现精确地为π的相移。然而，如果相移接近π，则是足够的。在物光束和参考光束的波阵面完全平行的同轴设置中，对于所有像素，相移自动相等。通过调整物光束3和参考光束2的相对路径长度，或者通过在光束路径之一中提供相位移动或者转换元件13，来获得正确的相移。相位移动元件13或相位转换元件13的示例分别为液晶元件或可转换镜。当然，同样可使用其它用于生成相移的方法。有利地，提供相移调整元件14，用于主动调节相移。照常将从物光束3和参考光束2的叠加产生的干涉图案存储在全息存储介质6中。

在读取期间，以与在写入期间相同的方式将参考光束2聚焦到或临近全息存储介质6。在图中，全息存储介质6为透射型存储介质(transmission typestorage medium)。当然，本发明同样适用于反射型存储介质(reflection typestorage medium)。在全息存储介质6中存储的全息图以这样的方式使光衍射：重建的物光束10具有物光束3的包括相位的所有性质。由于将物光束3的相位调整为相对于参考光束2移动π，所以重建的物光束10相对于参考光束2的相移也为π。通过相消干涉，重建的物光束10至少部分抵消了参考光束2的光。通过另一个物镜12获得的检测器11上的参考光束2的图像在对应于写入期间被开启的SLM像素8的位置处示出了暗区域。

干涉的物理性质简化参考光束2的图像中的暗像素的检测。通过相消干涉获得的光的抵消C计算为：

$C=\frac{2\·\sqrt{I_{\mathrm{ref}}\·I_{\mathrm{obj}}}}{I_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{obj}}},$

其中I_obj和I_ref分别为重建的物光束10和参考光束2的亮度。因此，由全息图的衍射效率确定的重建的物光束10的弱光能够抵消相当大量的参考光束2。例如，具有参考光束2的6％亮度的重建的物光束10抵消参考光束2的47％的光。1％亮度的重建的物光束抵消大约20％的光。

为了证明该方法，特别是光抵消量，对具有单个亮像素的全息图的读取进行数值仿真。结果如图3至图6所示。具有参考光束2的6％亮度的相对弱的重建的物光束10的光部分地抵消参考光束2的光。图3示出了参考光束2在检测器11上的图像。图4示出了放大的图3的一部分。由干涉产生的暗像素是清晰可见的。图5中的图示出了重建的物光束10的仿真的亮度分布中的毛刺。以任意单位给出亮度和坐标。峰值高度为I＝1.9e-7。图6中的图示出了与重建的物光束10叠加的参考光束2在检测器11上的图像的仿真的亮度分布中的毛刺。再次，以任意单位给出亮度。曲线的平坦部分的高度为I＝3.1e-6。如可看到的，具有参考光束2的亮度的6％的亮度的重建物光束10在像素位置处抵消大约47％的参考光束2。

在图7中图示了如由本发明提出的写入和读取的完整的SLM数据页的检测器图像的数值仿真。使用光束传播技术来仿真全息图的整个写入和读取过程。在仿真中，实施上述完整的设置。物光束3和参考光束2的波长为λ＝405nm，物镜5的焦距和数值孔径分别为f_objective＝4.5mm以及NA＝0.6。数据页为具有128×128像素和用于同步的均匀分布的标记的典型数据页。如可看到的，对于整个数据页，该方法运行良好。在读取期间，在写入期间所有被开启的像素部分地抵消参考光束。因此，数据页在检测器11上以反相的图像的形式出现。

Claims (8)

1.一种用于从全息存储介质(6)读取和向其写入的装置(1)，包括：用于生成同轴排列的参考光束(2)和物光束(3)的光源，其中，物光束(3)包含具有暗和亮像素的数据页，以及用于读出包含在重建的物光束(10)中的具有暗和亮像素的数据页的检测器(11)，重建的物光束(10)是通过利用所述参考光束(2)照亮所述全息存储介质(6)中记录的全息图而获得的，其特征在于：所述参考光束(2)和所述物光束(3)同轴叠加，并且所述物光束(3)中包含的所述数据页内的亮像素具有相对于所述参考光束(2)基本上为π的相移，为了读出在所述重建的物光束(10)中包含的所述数据页，所述检测器(11)检测由所述参考光束(2)和所述重建的物光束(10)之间的干涉生成的干涉图案。

2.根据权利要求1的装置，其中所述相移可通过调整所述物光束(3)和所述参考光束(2)的相对路径长度、或通过提供在所述物光束(3)或所述参考光束(2)的光束路径中的相位移动或转换元件(13)获得。

3.根据权利要求1的装置，具有：相移调整元件(14)，用于调整所述相移。

4.根据权利要求3的装置，其中所述相移调整元件(14)为压电元件，用于调整所述物光束(3)的路径长度或所述参考光束(2)的路径长度。

5.一种用于利用同轴排列的参考光束(2)和重建的物光束(10)从全息存储介质(6)读取的方法，其中重建的物光束(10)是通过利用所述参考光束(2)照亮所述全息存储介质(6)中记录的全息图获得的并且包含具有暗和亮像素的数据页，其中包含在所述重建的物光束(10)中的数据页内的亮像素具有相对于所述参考光束(2)基本上为π的相移，所述方法具有以下步骤：

-使所述参考光束(2)和所述重建的物光束(10)同轴叠加，

-通过所述参考光束(2)和所述重建的物光束(10)之间的干涉生成干涉图案，以及

-检测所述干涉图案，以便读出在所述重建的物光束(10)中包含的数据页。

6.一种利用同轴排列的参考光束(2)和物光束(3)向全息存储介质(6)写入的方法，其中物光束(3)包含具有暗和亮像素的数据页，所述方法具有以下步骤：

-使所述参考光束(2)和所述物光束(3)同轴叠加；

-相对于所述参考光束(2)，将包含在所述物光束(3)中的所述数据页内的亮像素的相位基本上移动π；以及

-将由所述参考光束(2)和所述物光束(3)的叠加产生的干涉图案存储在全息存储介质(6)中。

7.根据权利要求6的方法，其中所述移动所述相位的步骤通过调整所述物光束(3)和所述参考光束(2)的相对路径长度、或通过提供在所述物光束(3)或所述参考光束(2)的光束路径中的相位移动或转换元件(13)执行。

8.根据权利要求7的方法，还含有以下步骤：

监视所述物光束(3)和所述参考光束(2)之间的相位关系并且依赖所监视的相位关系调整所述相位。

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