CN101290780B - 从全息存储介质读取并且/或写入到全息存储介质的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于以简化的共孔径设置从全息存储介质读取并且/或者写入到全息存储介质(15)的装置。根据本发明，一种用于以一个或多个基准光束(6a，6b)和一目标光束(5)或重构的目标光束(19)的同轴布置从全息存储介质读取数据页面并且/或者将数据页面写入到全息存储介质的装置，所述装置具有一个或多个空间光调制器(10)，其用于通过以具有比数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案(32)来调制光束(2)而生成一个或多个基准光束(6a，6b)。

Description

从全息存储介质读取并且/或写入到全息存储介质的装置
技术领域
本发明涉及一种用于从全息存储介质读取并且/或者写入到全息存储介质的装置，更具体地说，涉及一种使用简化共孔径设置从全息存储介质读取并且/或者写入到全息存储介质的装置。
背景技术
在全息数据存储装置中，通过记录由两个相干激光光束的叠加所产生的干涉图案来存储数字数据，其中，一个光束(所谓的“目标光束”)受空间光调制器所调制，并且携带所要记录的信息。第二光束充当基准光束。干涉图案导致对存储材料的具体特性的修改，这取决于干涉图案的局部强度。通过使用与在记录期间相同的条件以基准光束来照射全息图而执行对所记录的全息图的读取。这导致了重构所记录的目标光束。
全息数据存储的一个优点是增加的数据容量。与传统光存储介质相反，全息存储介质的卷用于存储信息，而不仅仅是几个层。全息数据存储的另一优点是例如通过改变两个光束之间的角度，或者使用移位复用(shiftmultiplexing)等在相同的卷中存储多个数据的可能性。更进一步地，并非存储单个比特，而是将数据存储为数据页面。典型地，数据页面包括暗光图案的矩阵，即二维二进制数组或灰度值的数组，其对多个比特进行编码。除了增加的存储强度之外，这还允许实现增加的数据率。由空间光调制器(SLM)将数据页面印记到目标光束上，并且以检测器阵列来检测数据页面。
讨论当前用于全息存储系统的三种主要解决方法。在例如在EP 1 624 451中所公开的共线系统中，分别对于目标光束和基准光束使用物镜孔径的分离部分。这种布置是所谓的同轴系统，即目标光束和基准光束沿着相同的轴行进。这种系统使用一种移位复用作为复用方法。
在例如US 6,721,076中所公开的离轴记录系统中，目标光束和基准光束不共享相同光路径。在该系统中，使用角度和多起源(polytopic)复用。
例如在WO 2006/003077中所公开的共孔径记录系统的基本想法是，目标光束和基准光束填充物镜的全部孔径。因此，共孔径系统是特殊类型的同轴系统。为了进行读出，光束在焦平面(即重构的全息图像的傅立叶平面)上被分离。这与共线构思不同之处是，目标光束和基准光束仅填充孔径的独特部分，因此，它们在全息图的图像平面上被分离。共孔径系统允许实现更高的数据容量，但是由于必须对目标光束和基准光束进行分离、形成和结合，因此设置更复杂并且不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于以简化的共孔径设置从全息存储装置进行读取并且/或者写入到全息存储介质的装置。
根据本发明，通过一种用于以一个或多个基准光束和一目标光束或重构的目标光束的同轴布置从全息存储介质进行读取并且/或者写入到全息存储介质的装置来实现该目的，所述装置具有一个或多个空间光调制器，其用于通过以具有比数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案来调制光束而生成一个或多个基准光束。
本发明的想法在于，以一个或多个空间光调制器生成用于共孔径记录系统的目标光束和基准光束。通过使用特定像素图案来实现该想法，其中，以比所述数据图案的最大空间频率更高的空间频率的基准光束图案来调制对二进制数据进行编码的数据图案。因此，可以在傅立叶域分离目标光束和基准光束，这是共孔径系统的基本原理。本发明允许实现所述共孔径系统，而不需要通过光学手段来分离并且结合所述目标光束和所述基准光束。这两种光束使用相同光路径。因此，设置大大简化，并且系统关于摇动和振动变得更加稳定。此外，因为所述目标光束和所述基准光束的光路径长度自动地接近相同，所以可以降低激光的相干长度。
根据本发明进一步的方法，通过一种用于使用一个或多个基准光束和一目标光束的同轴布置将数据页面写入到全息存储介质的方法而同样地实现上述优点，所述方法具有以下步骤：通过以具有比所述数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案来调制光束而生成一个或多个基准光束。
相似地，通过一种用于使用一个或多个基准光束和一重构的目标光束的同轴布置从全息存储介质读取数据页面的方法而同样地也实现上述优点，所述方法具有以下步骤：通过以具有比所述数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案来调制光束而生成一个或多个基准光束。
优选地，对于以数据页面和调制图案的叠加来调制光束，提供一种单个空间光调制器。其具有的优点是，由于仅需要一个空间光调制器，因此减少了光学设置的花费。
或者，对于以数据页面和调制图案依次调制光束，提供两个空间光调制器。理想地，这两个空间光调制器被彼此接近地平行布置在目标平面上。调制图案或数据页面是否首先被印记在光束上并不是重要的。该解决方法具有的优点是，可以使用例如具有不同像素大小或不同切换时间的不同类型的空间光调制器。此外，用于印记所述调制图案的空间光调制器同样可以是静态的，即，其可以具有固定的调制图案。在此情况下，优选地采用简单相位掩膜或幅度掩膜。
优选地，通过所述一个或多个空间光调制器的像素的群组来形成所述数据页面的数据像素。这样容易地允许使用相同的空间光调制器或至少相同类型的空间光调制器，以用于既将调制图案又将数据页面印记在所述光束上。
有利的是，由空间滤波器将重构的目标光束与一个或多个基准光束分离。所述空间滤波器位于傅立叶平面内。由于所述目标光束和所述一个或多个基准光束具有不同的空间频率，因此在所述傅立叶平面内或接近于所述傅立叶平面将它们空间分离。因此，空间滤波器(例如孔径)允许以便宜并且高效的方式来分离所述光束。
附图说明
为了更好地理解，现将参照附图在以下描述中更详细地解释本发明。应理解，本发明不限于所述示例性实施例，并且还可以在不脱离本发明范围的情况下便利地组合并且/或者修改所指定的特征。在附图中：
图1示出在写入操作期间用于从全息存储介质进行读取和写入的已知传输类型装置，
图2示出在读取操作期间图1的装置，
图3示出根据本发明的用于从全息存储介质进行读取并且/或者写入到全息存储介质的共孔径装置，
图4示出数据图案的示例，其中，由3×3SLM像素来形成每一数据像素，
图5示出用于生成基准光束的调制图案，
图6示出从数据图案和调制图案的叠加所得到的数据页面，
图7示出在第一傅立叶透镜的焦平面内从图6的数据页面得到的强度分布，
图8示出在空间滤波之后在第三傅立叶透镜的焦平面内的重构的目标光束的强度分布，
图9示出在阵列检测器上在图像平面内的重构的目标光束的强度分布，
图10示出由阵列检测器所获得的图像，
图11示出图10的检测器值的直方图，以及
图12描述通过分片重获初始存储的二进制数据。
具体实施方式
在以下描述中，参照具有两个基准光束的传输类型的全息存储系统。当然，这种构思也可应用于反射类型的全息存储系统，其中，仅从所述全息存储系统的一侧记录并且读取数据。更进一步地，可以使用仅单个基准光束或多于两个的基准光束。
图1示出用于从全息存储介质进行读取并且写入到全息存储介质的一种已知共孔径装置的示例性设置。为了简化，仅示出光束的主射线。相干光的源(例如激光二极管1)发射光束2，由光束扩展器和滤波器布置3来对光束2进行校准、扩展和滤波。于是由光束分割器4将光束2划分为两个分离的光束5、6。第一光束5(所谓的“目标光束”)穿过光束快门7，并且由两个反射镜8、9朝向空间光调制器(SLM)10定向。SLM 10调制光束5，以印记2维数据图案。由一对傅立叶透镜11、13和空间滤波器12对目标光束5滤波，空间滤波器12滤除目标光束5的高频分量。于是由物镜14将目标光束5聚焦到全息存储介质15(例如全息盘或全息卡)。第二光束6(基准光束)在其撞击部分光束生成元件17(例如双棱镜或衍射元件)之前也穿过光束快门16。部分光束生成元件17从基准光束6生成两个或更多部分基准光束6a、6b。按以下方式来设计部分光束生成元件17：两个部分基准光束6a、6b的焦距位于目标光束5的焦点区域旁边。由光束耦合元件18(例如光束分割器)将部分基准光束6a、6b耦合到目标光束5的光路径，并且由物镜14将部分基准光束6a、6b聚焦到全息存储介质15。在目标光束5和部分基准光束6a、6b的交点处，出现干涉图案，其被记录在全息存储介质15的光敏层上。
如图2所示，通过仅以部分基准光束6a、6b照射所记录的全息图来从全息存储介质15重获所存储的数据。为此，由光束快门7阻挡目标光束5。由全息结构来衍射部分基准光束6a、6b，并且部分基准光束6a、6b产生原始目标光束5、重构的目标光束19的拷贝。由物镜20来校准这个重构的目标光束19，并且这个重构的目标光束19被定向到2维阵列检测器24(例如CCD阵列)。另一对傅立叶透镜21、23以及另一空间滤波器22阻挡部分基准光束6a、6b。空间滤波器22还有利地用于滤除重构的目标光束19的高频分量。阵列检测器24允许重构所记录的数据。
为了简化基准光束6a、6b的生成以及基准光束6a、6b与重构的目标光束19的分离，本发明的主要想法在于以SLM 10生成目标光束5和基准光束6a、6b。SLM 10可以是相位SLM或幅度SLM。同样有可能依次应用多于一个的SLM 10。图3示出对应的共孔径设置。该设置与图1的设置基本相同。然而，省略了基准光束路径，这样简化了光学设置。反之，通过以附加图案来调制数据图案而生成基准光束6a、6b，所述附加图案主要包括比数据图案更高的空间频率。该操作要么由用于将数据页面印记在光束2上的相同SLM10来完成，要么由(由虚线矩形所指示的)附加SLM 10a来完成。当然，在后者的情况下，SLM 10可以同样用于印记调制图案，而附加SLM 10a印记数据页面。高频调制图案充当用于共孔径全息成像的基准光束6a、6b。结果，空间滤波器12被修改，从而其不滤除调制图案的空间频率，即孔径的直径增加。当然，同样有可能以仅一个基准光束6a、6b穿过的方式来修改空间滤波器12。在图中，目标光束5和基准光束6a、6b的空间分离仅是为了示出的目的。
在以下特定实施例中，通过以单个SLM 10的多个像素生成一个数据像素而实现数据图案的一维调制。图4示出数据图案的示例。在此情况下，由3×3SLM像素31形成一个数据像素30。通道比特“1”与3×3亮像素对应，而通道比特“0”与3×3暗像素对应。
图5示出一维幅度调制图案32的示例。调制图案32包括多行具有一个像素的宽度的亮像素，所述亮像素由两个暗像素所分离。结果，调制图案32的空间频率高于数据图案的空间频率。当然，也同样可以使用其它类型的调制图案32，只要它们与数据图案的空间频率相比展现出足够大的高空间频率的部分。例如，调制图案32可以是2维光栅，或随机结构或伪随机结构(例如具有可变行距离的光栅)。除了幅度调制图案32之外，还可以使用相位调制图案(例如具有正弦相位调制的光栅)。后者具有的优点是，理想地，生成零阶，这样简化了傅立叶平面中的光束5、6a、6b的分离。
图6示出得自数据图案和调制图案32的叠加的最终数据页面33。由SLM10将该图案33应用于由光源1所发射的光束2。从图中可知，为了减少SLM10的像素的数量，像素优选地适配于调制图案。在特定示例中，可以使用具有与三个垂直相邻的正方形像素对应的大小的矩形像素。
以具有任意单位的对数比例在图7中示出得自图6的最终数据页面33的第一傅立叶透镜11的焦平面的强度分布。可以标识较高强度的三个区域。由信号的较低频率内容(即主要是数据图案)生成中心区域。在该中心区域的侧部的区域得自高频内容(即主要是调制图案32)。在第三傅立叶透镜21中也发现数据图案和调制图案32的这种分离，并且这种分离使得有可能在该平面内分离重构的目标光束19与基准光束6a、6b。
为了进行读取，由SLM 10仅将图5的调制图案32应用于光束2。于是由存储在全息存储介质15中的全息图来重构原始数据图案。为了滤除基准光束6a、6b，选取全息存储介质15与阵列检测器24之间的空间滤波器22的孔径，从而阻挡得自第三傅立叶透镜21的焦平面内的基准光束6a、6b的强度峰值。图8以具有任意单位的对数比例示出在空间滤波器22的孔径之后的这个焦平面内的其余强度分布的强度图线。
图9描述了在阵列检测器24上在图像平面内的所得到的信号强度分布。可见，完全滤除基准光束的高频内容。因此，可以恢复数据信号，而不受基准光束6a、6b的信号所干扰。在该特定实施例中，通过以下操作来完成：用以包括3×3SLM像素31的每一数据像素30落在一个检测器像素上的方式所选取并且调整的阵列检测器24来检测信号。图10示出由阵列检测器24所获得的已得图像。通过简单的分片操作来恢复由图4的初始数据图案所编码的二进制数据。为此，必须确定强度级别(即分片级别)。分片级别判断像素值是被检测为亮像素还是被检测为暗像素(即是通道码的“1”还是“0”)。例如，可以从检测器值的直方图确定所述分片级别，图11示出所述直方图。可见，亮像素与暗像素被良好地分离，并且可以容易地确定分片级别。在进行分片之后，重获初始存储的二进制数据。图12示出这种情况。

Claims (12)

1.一种用于从全息存储介质(15)读取数据页面并且/或者将数据页面写入到全息存储介质(15)的装置，具有一个或多个基准光束(6a，6b)和一目标光束(5)或重构的目标光束(19)的同轴布置并且具有用于调制光束(2)的一个或多个空间光调制器(10)，其特征在于一个或多个空间光调制器(10)适于通过以具有比数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案(32)来调制光束(2)而生成一个或多个基准光束(6a，6b)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有单个空间光调制器(10)，其用于以数据页面和调制图案(32)的叠加来调制所述光束(2)。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有两个空间光调制器(10)，其用于以数据页面和调制图案(32)来依次调制所述光束(2)。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述用于以调制图案(32)来调制所述光束(2)的空间光调制器(10)具有固定的调制图案。
5.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述用于以调制图案(32)来调制所述光束(2)的空间光调制器(10)是相位掩膜或幅度掩膜。
6.如权利要求1至4之一所述的装置，进一步具有空间滤波器(22)，其处于傅立叶平面内，用于分离所述重构的目标光束(19)与所述一个或多个基准光束(6a、6b)。
7.如权利要求1至4之一所述的装置，其中，通过所述一个或多个空间光调制器(10)的像素(31)的群组来形成数据页面的数据像素(30)。
8.一种用于使用一个或多个基准光束(6a、6b)以及一目标光束(5)的同轴布置将数据页面写入到全息存储介质(15)的方法，具有以下步骤：以具有比所述数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案(32)来调制光束(2)而用于生成所述一个或多个基准光束(6a、6b)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，以所述数据页面和所述调制图案(32)的叠加来调制所述光束(2)。
10.如权利要求8所述的方法，其中，以所述数据页面和所述调制图案(32)来依次调制所述光束(2)。
11.一种用于使用一个或多个基准光束(6a、6b)以及一重构的目标光束(19)的同轴布置从全息存储介质(15)读取数据页面的方法，具有以下步骤：以具有比所述数据页面的空间频率更高的空间频率的调制图案(32)来调制光束(2)而用于生成所述一个或多个基准光束(6a、6b)。
12.如权利要求11所述的方法，进一步具有以下步骤：通过空间滤波来分离所述重构的目标光束(19)与所述一个或多个基准光束(6a、6b)。
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