CN101188127A - 应用于光学存储系统的光束移动部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光束移动部件(9)及使用这种光束移动部件(9)对光学存储介质进行读出/写入的装置(11)。根据本发明，光束移动部件(9)至少包括：第一光学部件(92″)，以第一偏转角(+A)偏转入射光束(7、8)；第二光学部件(92″)，以与第一偏转角(+A)相反的第二偏转角(－A)偏转来自第一光学部件(91″)的光束，其中，第一光学部件(91″)和第二光学部件(92″)是具有可调偏转角(A、－A)的光学部件(91″，92″)。

Description

应用于光学存储系统的光束移动部件
本发明涉及一种光学存储介质(如全息存储介质)的读出/写入装置，更具体的，涉及这种装置中所用的光束移动部件。
在全息数据存储系统中，通过记录两个相干激光光束重叠时产生的干涉图案来存储数字数据，其中一光束(即所谓的“信号光束”)由空间光调制器调制，载有要记录的信息。第二光束用作参考光束。干涉图案引起存储材料特定属性的改变，这种改变取决于干涉图案的局部强度。通过在与记录时相同的条件下用参考光束照射全息图读取记录的全息图。这导致记录的信号光束的重构。
全息数据存储的一个优点是数据容量增加。与传统的光学存储介质不同，全息存储介质用“体(Volume)”来存储信息，而不是单层或者少数的2维层存储结构。全息数据存储的另外一个优点在于它为同一空间内存储多个数据提供了可能，比如，改变两个光束之间的夹角，或者移动复用等。而且，数据以数据页来存储，而不是单个的数据位。通常数据页由亮暗图案矩阵构成，即二维的二进制阵列或者灰度值(由多个位编码而成)阵列。这样在增加了存储密度之外，还提高了数据速率。数据页通过空间光调制解调器(SLM)被“打印”到信号光束上，并由探测器阵列探测。
在盘式全息存储介质的读取/写入装置中，物镜安装在致动器上。因而物镜可以相对于其它光学部件移动，以便例如进行寻轨或在记录时将物镜保持在相对于旋转的盘面固定的位置处。物镜的移动会导致记录过程中全息图的强烈变形，还会引起探测阵列中像素的移动，因为其它光学系统不移动。因此，物镜移动的这一负面影响必须被降到最低。其它形式的光学存储介质也有类似的问题，特别是对于高密度光学存储介质。
US 5828482公开了一种光束移动部件，它通过倾斜平行板来实现光束移动。但是，对于全息存储介质的数据读取/写入，需要一种厚的玻璃板来获取所需的横向移动，大约100μm。这使得高频时难以获得补偿，因为需要的力相对比较大。因而，平行板的倾斜是准静态(quasi-static)系统的主要解决方案。
发明内容
本发明的目的是为光束移动部件提出一种可供选择的解决方案，它可以在高频时获得光束移动补偿。
根据该发明，这一目的是通过一种光束移动部件实现的，该部件至少包括：第一光学部件，以第一偏转角偏转入射光；第二光学部件，以与第一偏转角相反的第二偏转角偏转来自第一光学部件的光束，其中，第一和第二光学部件之间的光学路径的长度是可调的。光束经第一光学部件偏转后在第二光学部件上的位置依赖于两个光学部件之间的路径长度。因而，通过调整路径长度就可以控制光束在第二光学部件上的位置。第二光学部件偏转后的光束与被第一光学部件偏转前的光束平行。
有利的是，可以通过调整第一偏转角和第二偏转角来调整光束的路径长度。光学部件之间的距离给定时，路径长度依赖于偏转角。因而，调整偏转角就调整了路径长度，进而也就调整了光束的移动。该方案的优点就是不需要可移动部件。另外，独立控制第一光学部件和第二光学部件的偏转角，除可以调整光束的移动之外，光束的方向也可以调整。偏转角可调的光学部件的一个实施例就是光栅周期可变的光栅。比如，在Chao等人的″CompactHolographic Data Storage System(紧凑全息数据存储系统)″，Proceedings ofthe Eighteenth IEEE Symposium on Mass Storage Systems and Technologies Vol.00(2001)，pp.237-247中就描绘了这样一个光栅。另外一个偏转角可调的光学部件实施例是电光束扫描器，它具有可调的折射率。比如，在Fang等人的″Shape-Optimized Electrooptic Beam Scanner：Experiment(形状优化的电光束扫描器)″，IEEE.Tech.Lett.Vol.11(1999)，pp.66-68.中展示了这样一台光束扫描器。
或者，调整第一光学部件和第二光学部件之间的距离也可以调整光束的路径长度。优选地，通过移动一个或者多个光学部件来进行调整所述距离。举例来讲，光学部件可以是棱镜、折射光栅或者全息部件。当两个光学部件之间的距离被改变，入射光束就会被横向移动。由于第一和第二光学部件以相反角度来偏转光束，因此移动后的光束与入射的光束平行。根据本发明，光束移动部件的优点在于只有一个相对薄的光学部件需要移动，这就降低了(所需要的)致动力，使得光束移动部件能够在高频下工作。
更为有利的是，光束移动部件增加了第三光学部件，偏转来自第二光学部件，以第二偏转角偏转后的光束；增加了第四光学部件，偏转来自第三光学部件，以第一偏转角偏转后的光束。第三光学部件和第四光学部件之间的距离也可以调整。在第二和第三光学部件的联合作用下，光束以两倍于第二偏转角的角度偏转。这通过第一和第四光学部件的偏转角补偿，因此，补偿后的移动光束与入射光平行。另外，调整四个光学部件可以把光学移动部件设置到这样的状态：光束不产生移动。这可以简化使用光束移动部件的光学系统的设计。应该注意到，第三和第四光学部件也可能以不同于第一和第二光学部件的角度偏转光束。而且，第三和第四光学部件的散射(dispersion)可能与第一和第二光学部件不同。这可以最小化光束波长对光束移动的影响，适用于出现多个波长的应用，如照相机。
优选，第一光学部件和第四光学部件固定，而第二光学部件和第三光学部件可以移动。如果两个光学部件一起移动，则沿光轴方向相对小的移动就可引起光束相对大的移动。另外一种情况，如果两个部件各自独立移动，其中一个光学部件可以对光束作粗略移动，而另一个光学部件对光束微小移动。
第二光学部件和第三光学部件通常构成一个单元。这可以简化光束移动部件的装配，因为可以省略调整一个光学部件。另外，第二光学部件和第三光学部件的移动可以自动实现同步。
优选，光学存储介质(如全息存储介质)的读取/写入装置采用根据本发明的光束移动部件，用于沿第一方向移动光束。光束移动部件用于将光束保持在进行寻轨移动的物镜的光轴上，或在记录时保持在相对于旋转的盘面固定的位置处。采用这种方法，光束的变形可以最小化。如果光束需要沿第二方向移动，还需增加根据另一根据本发明的光束移动部件。当然，根据本发明的光束移动部件同样可用于任何其它需要移动光束的光学装置中，
一般来讲，所述装置包括控制部件，用以调整光束移动部件产生的光束移动。控制部件响应位置信号来调整光束移动，位置信号标明光束相对于目标位置的偏转。或者，控制部件响应来自物镜致动器的控制信号来调整光束的移动。这种办法可以保证光束自动停留于物镜的光轴方向。致动器控制信号经低通滤波后获得控制部件所需的信号，这样可以避免过多的高频光束调整。
附图说明
为更好的理解该发明，下面参照图进行更为详细的描绘。该发明并不局限于所举实施例，只要不背离当前发明的范围，各特征可以方便地进行组合和/或修改。图中：
图1显示了全息存储介质读取/写入装置的装置示例。
图2以原理图方式描绘了根据本发明的光束移动部件的第一个实施例。
图3描绘了根据本发明的光束移动部件的第二个实施例。
图4显示了图3中处于第一补偿状态的光束移动部件。
图5显示了图3中处于第二补偿状态的光束移动部件。
图6描绘了根据本发明的光束移动部件的第三个实施例。
图7显示了根据本发明的光束移动部件的第四个实施例，和
图8描绘了根据本发明的光束移动部件的第五个实施例。
具体实施方式
在全息数据存储系统中，通过记录两个相干激光光束重叠时产生的干涉图案来存储数字数据。全息存储介质读取/写入装置1的一个示例性装置如图1所示。相干光源(比如激光二极管2)发射光束3，由准直透镜4校准。然后光束3被分束为独立的两个光束7、8。在实施例中，光束3由第一分束器5分束。但是，同样也可以使用其它光学元件来达到这一目的。空间光调制解调器(SLM)6调制其中一条光束(即所谓的“信号光束”)，将2维数据图案“打印”到信号光束上。信号光束7和另外一条光束(即所谓的“参考光束”)通过物镜10聚焦到全息存储介质(比如，全息存储盘)11上。信息光束7和参考光束8干涉出现干涉图案，干涉图案被记录到全息存储介质感光层上。光束移动部件9对由于物镜10移动而引起的信号光束7和参考光束8的变形进行补偿。
仅用参考光束8照射存储的全息图就可以从全息存储介质11中获取存储的数据。参考光束8透过全息图结构衍射，产生原有信号光束7的复制，即重构的信号光束12。重构的信号光束12由物镜10校准，再通过第二分束器13被定向到2维阵列探测器(比如CCD阵列)14。阵列探测器14实现记录数据的重构。
图2显示了根据本发明所述的光束移动部件9的第一个实施例。光束移动部件9有两个光学元件91、92，用来改变光束7、8的传播方向。在图中，这些光学元件即第一棱镜91和第二棱镜92。第一棱镜91固定，而第二棱镜92可以在致动器95的作用下沿光轴Z向移动。当然，同样也可以移动第一棱镜91而使第二棱镜92固定，或者同时移动两个棱镜91、92。沿Z向移动棱镜91、92中至少一个，传输光束7、8就在X向产生横向移动。可移动棱镜通常安装在致动器95上，这与光学摄像机或者扬声器中的使用方式相似。第一棱镜91以偏转角+A偏转入射光束7、8，而第二棱镜92以偏转角-A偏转光束。第一棱镜91和第二棱镜92通常由具有高折射率的玻璃制成。这样在获得高偏转角的同时使棱镜91、92的重量最小化。同样，也可以使用第一和第二偏转光栅来替代第一棱镜91和第二棱镜92，优选用闪耀衍射光栅，以便获得高效率。另外一种方法是采用全息部件。X方向的移动与两个光学元件91、92沿Z向的距离成线性比例。如果两个光学元件91、92其中之一固定，沿X向的移动与可移动光学元件的Z向位置成线性比例。比例常数依赖于偏转角A，其可通过改变棱镜的设计和材料或者光栅周期来调节。
图3显示了根据发明所述的光束移动部件9的第二个实施例。为简单起见，该图及以后的图中省略致动器95。光束移动部件9由光学元件91、92、93、94组合而成。所述光学元件与图2中的相同，也为棱镜。从图3能够看到，光束移动部件9本质上相当于两个图2中光束移动部件9的组合，一个光束移动部件被颠倒。优选地，第一棱镜91和第四棱镜94固定，而第二棱镜92和第三棱镜93可沿Z向(即光轴)移动。第二棱镜92和第三棱镜93通常为了方便而组合成单一部件。这种情况下，只有一个单一部件需要移动。图3到图5的光束移动部件的优点就在于存在位置零点，即，当组合的第二棱镜92和第三棱镜93被放置在第一棱镜91和第四棱镜94之间的中点时，X向的移动为零。这简化了光学装置的总体布局。组合后的第二棱镜92和第三棱镜93向第一棱镜91的移动会使光束7、8向右移动。相应的，组合后的第二棱镜92和第三棱镜93向第四棱镜94的移动会使光束7、8向左移动。这一点分别在图4和图5中图示。
图6说明了根据发明所述的光束移动部件9的第三个实施例。光束移动部件9对应于图3中的补偿器9，这里棱镜91、92、93、94替换为衍射光栅91′、92′、93′、94′。第二和第三衍射光栅92′、93为方便而组合成单一部件，比如可以使用具有合适光栅周期的衍射光栅。这种情况下只需移动一个薄的、比较轻的光学元件。因此，高频下的光束移动补偿成为可能。
下面的是图6中光束移动部件9的一个数字实例。全部四个衍射光栅91′、92′、93′、94′的光栅周期为10μm。这样的光栅非常易于生产。第一光栅91′和第四光栅94′采用+1阶衍射，第二光栅92′和第三光栅93′采用-1阶衍射。第一光栅91′和第四光栅94′之间的固定距离为2mm。仿真采用ZEMAX软件。第二光栅92′和第三光栅93′沿Z向移动1mm，波长405nm的光束在X向就会横向移动110μm。对于全息存储系统中常用的数值孔径NA＝0.015的信号光束7，系统引起的光学像差可以忽略不计。
图7显示了光束移动部件9的第四个实施例。光束移动部件9图示为棱镜。当然，它也可以用其它类型的光学部件实现。实施例中，第二棱镜92和第三棱镜93可以独立移动。另外，第一棱镜91和第二棱镜92的偏转角+A、-A不同于第三棱镜93和第四棱镜94的偏转角+B、-B。第二棱镜92的移动实现光束7、8的粗略移动，而第三棱镜93的移动实现光束7、8的微小移动。
图8说明了根据本发明所述的光束移动部件9的第五个实施例。在该实例中通过两个偏转角可调的光学部件91″、92″来实现光束7、8的移动。当然，也可以使用四个偏转角可调的光学部件实现这目的。两个光学部件91″、92″的偏转角由控制器96设定。图中显示了三个不同偏转角的光学路径。偏转角可调的光学部件91″、92″的实施例是折射率可调的电光束扫描器或者光栅周期可调的光栅，如液晶光栅。后一种情况下，光栅周期可以连续调整或者在多个离散值之间转换。与前面的实施例不同，该实施例中的光束移动部件9不需要任何移动元件。另外，单独控制光学部件91″、92″的偏转角，除可以实现光束7、8的移动之外，还可以控制光束7、8的方向。

Claims (8)

1.一种光束移动部件(9)，至少包括：
第一光学部件(91″)，以第一偏转角(+A)偏转入射光束(7，8)；
第二光学部件(92″)，以与第一偏转角(+A)相反的第二偏转角(-A)偏转来自第一光学部件(91″)的光束(7，8)，
其中，所述第一光学部件(91″)和第二光学部件(92″)是具有可调偏转角(A、-A)的光学部件(91″，92″)。
2.如权利要求1中的光束移动部件，其中进一步包括：
第三光学部件(93，93′)，以第三偏转角(-B)偏转来自第二光学部件(92″)的光束；和
第四光学部件(94，94′)，以与第三偏转角(-B)相反的第四偏转角(+B)偏转来自第三光学部件(93，93′)的光束(7，8)。
3.如权利要求1或2中的光束移动部件，其中，光学部件(91″，92″，93，94，93′，94′)是光栅周期可调的光栅或者折射率可调的折射部件。
4.如权利要求2或3中的光束移动部件，其中，所述第二光学部件(92，92′)和第三光学部件(93，93′)组成一个单元。
5.一种光学存储介质(11)的读取/写入装置，包括如权利要求1-4中任一项所述的光束移动部件(9)，用于沿第一方向移动光束(7，8)。
6.如权利要求5中的装置，其中还包括控制部件(95，96)，用以调整通过所述光束移动部件(9)引起的光束(7，8)的移动。
7.如权利要求5或6中的装置，其中还包括另一光束移动部件，用于沿第二方向移动光束(7，8)。
8.一种光学装置，包括如权利要求1-4中任一项所述的光学移动部件(9)，用于沿第一方向移动光束(7，8)。
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