CN101373371A - 全息数据存储的相位掩模 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及全息数据存储的相位掩模(3)，并且涉及用于使用此类相位掩模(3)从全息存储介质(16)读取和/或向全息存储介质(16)写入的方法和装置(7)。根据本发明，相位掩模(3)具有多个相位单元(4)，相位单元(4)的尺寸等于装置(7)的空间光调制器(1)的像素(2)的尺寸的整数倍。相位单元(4)在子单元规模上具有相位变化，对于基本上一半数目的相位单元(4)，该相位变化是反向的。

Description

全息数据存储的相位掩模
技术领域
本发明涉及全息数据存储的相位掩模(phase mask)，并且涉及用于使用此类相位掩模从全息存储介质读取和/或向全息存储介质写入的方法和装置。
背景技术
在全息数据存储中，通过记录由两个相干激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”)被空间光调制器(SLM)调制，并且携带要被记录的信息。第二光束充当参考光束。干涉图案导致存储材料的特定属性的修改，该修改依赖于干涉图案的局部亮度(localintensity)。通过利用参考光束照射全息图来执行所记录的全息图的读取，该参考光束使用与记录期间相同的条件。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的数据容量。与传统的光学存储介质不同，全息存储介质的体积(volumn)被用来存储信息，而不仅仅是一些层。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通过使用移位复用(shift multiplexing)等来在同一体积中存储多个数据的可能性。此外，代替存储单个比特，将数据存储为数据页。典型地，数据页由明暗图案(light-dark-pattern)的矩阵组成，即两维二值阵列或灰度值阵列，其编码多个比特。除了增加的存储密度之外，这还允许获得增加的数据率。数据页被空间光调制器印制到物光束上，并且利用阵列检测器检测。
如上所述，在面向页(page-oriented)的全息数据存储中，使用像素化的(pixelated)空间光调制器来利用信息调制物光束亮度。该亮度分布通常被物镜进行傅立叶变换。傅立叶变换，即像素化的数据图案的波谱，具有较高的中心亮度峰(intensity peak)，下文中被称为DC-峰。实际信息在低得多的、典型地是-60dB的电平上围绕该峰分布。物光束的DC-峰可能引起不期望的光敏介质的饱和。可以通过2维sinc函数(sin(x)/x)来描述周围亮度分布(surrounding intensity distribution)的包络，该亮度分布由通常的类正方形的形状的多个像素产生。关于SLM像素图案的完整信息位于所谓的奈奎斯特限制之下，其位于该sinc函数的第一零点的距离的一半处。
为了抑制DC-峰，除了亮度调制以外，已经提出了应用相位调制。例如，在SPIE学报第5362卷(2004)第150-159页M.J.O’Callaghan的“Sortingthrough the lore of phase mask options-performance measures and practicalcommercial designs”中，讨论了不同类型的像素化的和非像素化的相位掩模。然而，典型地将二值的相位掩模用于此目的，其引入相对于激光波长0或π的相移。相位单元，即具有恒定相位的区域，具有SLM的一个或多个像素的尺寸。0和π单元的空间分布是随机的或伪随机的，0和π单元的总数目基本相同。
具有一个SLM像素的单元尺寸的相位掩模非常好地抑制了DC-峰。然而，大部分的亮度仍然位于奈奎斯特限制之上。该部分是多余的且不包含必要的数据信息。此外，由于类sinc的包络，分别在傅立叶平面的中心区域内或者在全息介质中，亮度分布不平坦。
发明内容
通过具有比SLM低的空间分辨率的相位调制的相位掩模来克服该缺陷。此类相位掩模在傅立叶平面中导致较窄的亮度分布。因此，其降低高于奈奎斯特限制的不必要的亮度，而增加低于奈奎斯特限制的重要亮度。
本发明的目的是提出一种全息数据存储的相位掩模，其进一步改善全息存储系统的傅立叶平面中的光束的亮度分布。
根据本发明，通过全息数据存储的具有多个相位单元的相位掩模来实现该目的，其中相位单元在子单元规模上具有相位变化。
本发明提出在每个相位单元内应用特殊的相位分布。如果该单元尺寸与SLM像素尺寸相同，则这意味着在子像素规模上的相位变化。子单元规模上的特殊相位分布以如下方式影响傅立叶平面中的亮度分布，即亮度分布的包络变得更平坦。结果，全息存储介质的照明更均衡，并且避免了可能的饱和。这允许实现具有更佳的信噪比(SNR)或更大数目的复用全息图(即增加的容量)的更强的全息图。
优选地，像素单元的尺寸等于SLM的像素的尺寸的整数倍。如上所述，当相位单元尺寸等于SLM像素尺寸时，傅立叶平面中的亮度分布的包络变得更平坦。如果相位单元的尺寸增加到SLM像素尺寸的整数倍，例如如果一个相位单元与四个SLM像素相关联，则高于奈奎斯特限制的亮度被降低，而低于奈奎斯特限制的亮度被增加。这进一步改善全息存储介质的照明。在相位掩模的平面内，相位单元的尺寸优选地在垂直方向上是相等的，例如每个相位单元与2×2、3×3等SLM像素相关联。当然，在两个方向上同样可能使用不同尺寸，例如1×2、2×3等SLM像素。
有利地，特殊的相位变化图案是圆形、矩形、类环形、类多边形、或像素化的图案、或者这些图案的组合中的至少一种。此类图案提供它们可以被相对容易制造的优点。当然，不同的相位单元可以具有不同的相位变化，即不同的图案。
优选地，对于一半数目的相位单元，相位变化反向。该方案自动保证均衡出现π和0相移。同样可行的是反向图案与规则图案不同。
有利地，相位掩模引入二值或多级相移。可替换地，其引入随机分布的相移，例如高斯分布的。0或π单元的空间分布是随机的或伪随机的。同样，具有不同图案的相位单元的空间分布也是随机的或伪随机的。
优选地，相位掩模是具有变化的表面厚度(surface height)或变化的折射率(refractive index)的透射型光学元件。这允许非常容易地产生必要的相移。可替换地，相位掩模是具有变化的表面厚度的反射型光学元件。当在光学路径中不论以任何方式需要反射型元件时，这尤其有用。
根据本发明的另一改进，相位掩模具有可切换的相位分布或可切换的相移。以此方式，相位掩模可以被适配为不同类型的全息存储介质，或者被适配为不同的工作条件。
有利地，用于从全息存储介质读取和/或向全息存储介质写入的装置在物光束的光学路径中包括根据本发明的相位掩模。此类装置在向全息存储介质写入时修改物光束的相位分布。这导致全息存储介质的改善的、更均匀的照明。这允许实现具有更佳信噪比(SNR)或更大数目的复用全息图(即，增加的容量)的更强的全息图。
优选地，在参考光束的光学路径中包括另一相位掩模。这具有以下优点:保证全息存储介质内部的物光束和参考光束的良好重叠。该另一相位掩模可以具有与在物光束的光学路径中包括的相位掩模相同的相位变化、或者可以具有与在物光束的光学路径中包括的相位掩模不同的相位变化。
有利地，相位掩模是SLM的整体部分。以此方式，SLM产生数据页和修改后的相位分布，从而不需要额外的组件。
附图说明
为了更好地理解，将参考附图在下面的描述中更详细地解释本发明。应理解:本发明不限于该示例实施例，并且所指出的特征还可以方便地组合和/或修改，而不偏离本发明的范围。在附图中:
图1示出具有数据图案的SLM；
图2示出所产生的傅立叶平面中的亮度分布；
图3图示具有等于SLM像素尺寸的单元尺寸的相位掩模，其对于每个像素引入0或π的相移；
图4图示所产生的傅立叶平面中的亮度分布；
图5图示具有比SLM像素尺寸大两倍的单元尺寸的相位掩模，其对于每个像素引入0或π的相移；
图6示出所产生的傅立叶平面中的亮度分布；
图7图示根据本发明的二值相位掩模的第一实施例；
图8示出所产生的傅立叶平面中的亮度分布；
图9图示根据本发明的二值相位掩模的第二实施例；
图10示出傅立叶平面中的对应亮度分布；
图11图示根据本发明的二值相位掩模的第三实施例；
图12示出傅立叶平面中的对应亮度分布；
图13示出用于比较的不带子单元相位变化的傅立叶平面中的亮度分布；
图14图示根据本发明的二值相位掩模的第四实施例；
图15示出傅立叶平面中的对应亮度分布；以及
图16描述根据本发明的用于使用相位掩模从全息存储介质读取和/或向全息存储介质写入的装置。
具体实施方式
图1示出了具有由多个像素2组成的数据图案的SLM 1。在该图中，用黑像素来代表“关-像素”，而用白像素来代表“开-像素”。对于面向页的数据存储，通常应用2维调制机制。一般途径是将每个数据页1划分成由例如4×4或5×5像素2组成的一组子页或块。在调制期间，将用户数据变换成一组块。一种已知的调制在每个4×4 SLM块中使用三个“开-像素”(4×4-3调制)。4×4 SLM像素块中的三个“开-像素”的组合的数目等于从16个对象中选择3个对象的可能性的数目，即组合的数目等于560。这对应于每像素块大约9.1比特用户数据的容量。
图2示出了从图1的数据页1的像素2的分布得出的傅立叶平面中的亮度分布。所图示的是对数标尺中的2维分布的切片(cut)。如可以看到的，傅立叶变换具有较高的中心亮度峰。该物光束的DC-峰可能引起不期望的光敏介质的饱和。
图3中所图示的是具有多个相位单元4的相位掩模3，其对于每个像素2引入0或π的相移。0或π的相移的空间分布是随机的。相位掩模3的相位单元4的尺寸与SLM 1的像素2的尺寸相同。当然，如果例如由于成像造成相位掩模3位置处的像素2的尺寸与SLM 1位置处的像素2的尺寸不同，则相应地适配相位单元4的尺寸。换句话说，单个相位单元4被指派给每个像素2。
图4图示了由利用图3的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布而产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺中2维分布的切片。具有一个SLM像素的单元尺寸的相位掩模非常好地抑制DC-峰。然而，大部分亮度仍然位于奈奎斯特限制之上。另外，傅立叶平面的中心区域内的亮度分布不平坦。
图5示出具有比SLM像素尺寸大两倍的单元尺寸的相位掩模3。这意味着单个相位单元4被指派给SLM 1的四个像素2。再次，相位单元4对于每个像素引入0或π的相移。0或π的相移的空间分布是随机的。
图6描述由利用图5的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布而产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺中2维分布的切片。相位掩模3降低高于奈奎斯特限制的、即间隔[-1，1]外部的亮度，而增加低于奈奎斯特限制的亮度。
在图7中图示了根据本发明的相位掩模3的第一实施例。每个相位单元造成0或π的相移，即相位掩模3是二值的。然而，在每个相位单元4内，相移变化。在每个相位单元4的圆形区域内部，相移与在周围区域中的相移不同。如果圆形区域内的相移为π，则周围区域中的相移为0，反之亦然。相位掩模3仍为二值的。当然，同样可以利用多级相位掩模来实现本发明。
图8描述由利用图7的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布而产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺中2维分布的切片。如可以看到的，所产生的亮度分布具有更平坦的包络。
在图9中图示了根据本发明的相位掩模3的第二实施例。这里，替代图7的圆形图案，使用正方形图案。
在图10中描述了由利用图9的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布而产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺的2维分布的切片。所产生的亮度分布具有更为平坦的包络。
在图11中图示了根据本发明的相位掩模3的第三实施例。这里，将使用圆形图案的图7的子单元相位变化与图5中描述的低分辨率相位掩模3组合。
在图12中描述了由利用图11的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺中2维分布的切片。亮度分布被集中低于奈奎斯特限制，且同时具有平坦的包络。
图13描述了用于比较的不带子单元相位变化的傅立叶平面中的对应亮度分布。亮度分布仍然被集中低于奈奎斯特限制，但包络不再平坦。
图14示出了根据本发明的相位掩模3的第四实施例。在此实施例中，将使用正方形图案的图9的子单元相位变化与图5中描述的低分辨率相位掩模3组合。
在图15中描述了由利用图14的相位掩模3调制的图1的数据页1的像素2的分布产生的傅立叶平面中的亮度分布。所示出的是线性标尺中2维分布的切片。再次，亮度分布被集中低于奈奎斯特限制。同时，包络更为平坦。
在图16中，示意性地示出了用于从全息存储介质16读取和/或向全息存储介质16写入的装置7。相干光源例如激光二极管8发出光束9，其被准直透镜10准直。然后，光束9被划分成两个分离的光束13、14，即物光束13和参考光束14。在该例子中，使用第一分束器11来实现光束9的划分。然而，为此目的同样可以使用其它光学组件。空间光调制器(SLM)1调制物光束13以印制2维数据图案。位于SLM 1之后的是相位掩模3，其向数据图案的数据像素添加子单元规模的相位变化。同样可以在参考光束路径中包括另一相同的或不同的相位掩模(未示出)。通过物镜15，物光束13和参考光束14两者都聚焦到全息存储介质16、例如全息盘或卡)中。在物光束13和参考光束14的交叉部分，出现相干图案，其被记录在全息存储介质16的光敏层中。
通过仅利用参考光束14照射所记录的全息图，来从全息存储介质16中取出所存储的数据。参考光束14被全息图结构衍射，并且产生原始物光束13的副本-重建的物光束17。该重建的物光束17被物镜9准直，并且被第二分束器18导向2维阵列检测器19，例如CCD-阵列。阵列检测器19允许重建所记录的数据。

Claims (10)

1.用于从全息存储介质(16)读取和/或向全息存储介质(16)写入的装置(7)的相位掩模(3)，所述相位掩模(3)具有多个具有子单元规模上的相位变化的相位单元(4)，所述相位单元(4)的尺寸等于所述装置(7)的空间光调制器(1)的像素(2)的尺寸的整数倍，所述相位掩模(3)特征在于：对于基本上一半数目的所述相位单元(4)，所述相位变化是反向的。
2.如权利要求1所述的相位掩模(3)，其中，在所述相位掩模(3)的平面内，所述相位单元(4)的尺寸在垂直方向上是不同的。
3.如权利要求1或2所述的相位掩模(3)，其中，所述相位变化是圆形、矩形、类环形、类多边形、或像素化的图案、或这些图案的组合中的至少一种。
4.如权利要求3所述的相位掩模(3)，其中，不同的相位单元(4)具有不同的相位变化。
5.如之前权利要求之一所述的相位掩模(3)，其中，所述相位掩模(3)引入二值或多级相移。
6.如之前权利要求之一所述的相位掩模(3)，其中，所述相位掩模(3)是具有变化的表面厚度或变化的折射率或可切换的相位分布或可切换的相移的透射型光学元件，或者其中所述相位掩模(3)是具有变化的表面厚度的反射型光学元件。
7.从全息存储介质(16)读取和/或向全息存储介质(16)写入的装置(7)，其特征在于：其在物光束(13)的光学路径中包括如权利要求1至6之一所述的相位掩模(3)。
8.如权利要求7所述的装置(7)，还在参考光束(14)的光学路径中具有如权利要求1至6之一所述的相位掩模(3)。
9.如权利要求7或8所述的装置(7)，其中，所述相位掩模(3)是所述空间光调制器(1)的整体部分。
10.向全息存储介质(16)写入的方法，具有以下步骤：
-利用多个相位单元修改物光束(13)的相位分布，所述相位单元的尺寸等于用于所述物光束(13)的空间光调制器(1)的像素(2)的尺寸的整数倍；以及
-利用所述相位单元(4)的子单元规模的相位变化进一步修改所述物光束(13)的相位分布，
其中，对于基本上一半数目的所述相位单元(4)，所述相位变化是反向的。
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