CN101496103A - 用于在全息存储介质中存储数据的装置以及相位板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在全息存储介质中存储数据的装置，该装置包括空间光调制器(SLM)(18)和相位板(50)，空间光调制器具有第一像素结构，相位板具有第二像素结构，第一和第二像素结构互相对准，其中第二像素结构的间距是第一像素结构的间距的整数倍，该整数倍严格地大于1。

Description

用于在全息存储介质中存储数据的装置以及相位板
技术领域
本发明涉及用于在全息存储介质中存储数据的装置和相位板。本发明特别地涉及使用空间光调制器(SLM)的数据存储器。
背景技术
在全息数据存储器中，把包含数字信息(“0”和“1”)的二维空间光调制器(SLM)的图案投影到全息存储介质上。最常见的结构是所谓的4f傅立叶结构，在该结构中，SLM和第一透镜之间的距离是该透镜的一个焦距f1，这个透镜到介质的距离是f1，从所述介质到第二透镜的距离是这个第二透镜的一个焦距f2，最后从这个第二透镜到探测器阵列的距离又是f2。通常f1＝f2。
上述装置如图4所示。来自激光器的光通过偏振分束器26导向反射式空间光调制器18(R-SLM，例如LCoS设备)。由R-SLM产生的二维数据页被反射回成像透镜22，该透镜22把光聚焦到全息介质110中。该光和参考光束(未示出)在介质上形成干涉，导致表示数据的折射率调制。在读出期间，介质110用参考光束照射，通过衍射，导致原始数据页波前的重构。利用透镜24将衍射光成像到探测器阵列20(例如COMS或CCD阵列)上。应当指出，从SLM到第一透镜22的距离对应于这个透镜22的焦距，并且等于透镜22到介质110的距离、从介质110到第二透镜24的距离以及从第二透镜24到探测器阵列20的距离；因此叫做4f结构。
如从图4中可以看到的，介质位于焦点上，其光斑大小S大致等于S＝(Kλ/NA)2，这里，K2是SLM中的像素数，λ是光的波长，以及NA＝sinΘ是所使用的透镜的数值孔径。然而，穿过焦点的强度分布并不是均匀的，而是具有显著峰值的，其峰宽为λ/NA，强度比例为K4。事实上，强度分布是SLM上的图像的傅立叶变换，其峰值来自非零直流傅立叶分量。这个峰值不携带哪个像素是“1”以及哪个像素是“0”的任何信息，因此不是期望得到的。另外，这个峰值的强度(～K4)比周围强度(～K2)大几个数量级，因此，将烧焦介质和/或在折射率调制中引入不期望的非线性。
这个问题最常见的解决办法如图5所示，其不把全息记录层精确定位在焦点上，而是将之定位在焦点外。由于材料偏心放置，因而光学系统是不对称的。这是不期望的，因为附加的波前像差通过这种方式被引入。在完全对称的设计中，慧差和失真完全没有，因此，优选的是对称设计。
如图6所示，另外一个已知的解决上述问题的方法是使用靠近SLM18的随机相位板(RPP)150(参见例如H.J.Coufal等人所著的《全息数据存储(Holographic Data Storage)》，Spinger Verlag(Berlin，2000)，pp 259-269)。通过相位板为SLM的每一个像素引入介于0～2π的随机相位。特别地，光强的尖峰来自所有“点亮”的像素的相干叠加。如果这些像素当中的每一个都有随机相位，其相干叠加变为零，尖峰就消失了。
然而，如图6中所示使用随机相位板带来的问题是，存储密度明显要比不使用相位板时低。在焦点上的存储面积S由来自SLM-RPP组合的衍射光角分布θdiff和第一透镜的焦距f一起决定，即S＝～(θdiff*f)2。在只有SLM的情况下，θdiff＝～(λ/dSLM)，其中dSLM是SLM的像素大小。在SLM和随机相位板联合使用的情况下，θdiff＝～(λ/dSLM)+(λ/dRPP)，其中dRPP是随机相位板的“像素”大小。一种不赞成该解决方案的理由是光从SLM和相位板二者衍射。显然，当dRPP＝dSLM时，涉及的存储面积比没有相位板时明显要大得多，这导致较低的存储密度。
因此，本发明的目的是提供一种解决方案，以便在避免不需要的直流傅立叶分量时，不引入附加的波前像差，并且不明显降低全息存储介质的存储密度。
发明内容
上面的目的由独立权利要求中的特征所解决。本发明的进一步发展和优选的实施例在从属权要求中概括。
根据本发明，提供了用于在全息存储介质中存储数据的装置，所述装置包括空间光调制器(SLM)和相位板，所述空间光调制器具有第一像素结构，所述相位板具有第二像素结构，第一和第二像素结构彼此对准，其中，第二像素结构的间距是第一像素结构间距的整数倍，该整数倍严格地大于1。术语“间距”指明了这些像素结构的相邻像素区域内具有所述像素区域内同样相对位置的两点的距离。因此，相位板的像素尺寸可明显地比空间光调制器的像素尺寸要大。然而，对于空间光调制器的每一个像素而言，相位应该是均匀的，即在与空间光调制器中的相邻像素之间的交点不同的位置处相变是不允许的。否则，探测器阵列所探测到的这种像素的强度将成为低值，而强度本应该是高值，因为来自于这些像素具有不同相位的两部分的光在探测器上干涉并且彼此相消。因此，像素结构对准的要求意味着相变只能发生在SLM像素结构的边缘。
优选地，整数倍小于32。
更优选地，整数倍介于2至16之间。
有利地，整数倍取8。
整数倍的选择依赖于特定的要求。选择大的整数倍值导致探测器阵列的强度谱峰值能有利地分离，小的整数倍值导致较好地减小直流傅立叶分量。因此，考虑到空间滤波特性，整数倍的最优值是评估强度谱的峰值分离的不利影响和直流傅立叶分量期望的消除的结果。
优选地，相位板的像素结构包括表示第一数字值的第一像素集合和表示第二数字值的第二像素集合，第一集合中的像素数量和第二集合中的像素数量基本相同。因此，建议二元相位板只有两个相位，0和2π。这与拥有介于0和2π之间的任意值的“连续”相位板形成对比。这种二元相位板较容易制造。可用来复制这种相位板的母版可以容易地用一些处理步骤制造，所述处理步骤即在基片上旋涂光刻胶、用适当的图案照射该结构并且蚀刻二元结构。通过调整相位板平衡，即使它在0相位和π相位面积大致相等，相位的相干叠加为零。
根据本发明的优选实施例，相位板的像素结构是伪随机结构。因此，相位板是现有技术中建议的随机相位板。
根据不同的优选实施例，相位板的像素结构是排列式结构。和随机相位板相比，排列式相位板有某种规律性。例如，相位板在形状上类似于相位在0和π之间交替的相位光栅。在排列式结构的情况下，直流傅立叶分量被衍射成光栅的不同衍射级。相比而言，随机相位板的光并不是衍射成几个离散的衍射级，而是在相当的角度范围内扩散。
根据特定实施例，相位板被设置成与空间光调制器分离的相位板。
根据一个不同的实施例，相位板与空间光调制器相结合。当相位掩膜与空间光调制器相结合时，像素结构非常精密的对准是可能的，并且根据该整体结构来提供。因此，使用这种整体解决方案的装置将不会出现不对准。
根据本发明的另外的方面，提供了能够使用在用于在全息存储介质中存储数据的装置中的相位板，所述装置包括空间光调制器(SLM)和相位板，所述空间光调制器具有第一像素结构，所述相位板具有第二像素结构，第一和第二像素结构互相对准，其中，第二像素结构的间距是第一像素结构的间距的整数倍，这个整数倍数严格地大于1。
根据下文中描述的实施例，本发明的这些和其他的方面将变得清楚明白，并参考这些实施例进行阐述。
附图说明
图1示出了采用根据本发明的相位板的空间光调制器的示意图。
图2示出了不带相位板的装置的强度分布和带有根据本发明的随机相位板的装置的强度分布。
图3示出了对应不同相位板的强度谱。
图4示出了根据现有技术的全息数据存储设备的装置。
图5示出了根据现有技术的全息数据存储设备的装置。
图6示出了采用根据现有技术相位板的空间光调制器的示意图。
具体实施方式
图1示出了采用根据本发明的相位板50的空间光调制器18的示意图。和根据图6中所示现有技术的相位板150相比，根据本发明的相位板50并不随空间光调制器的每个像素变化其相位，而是增大像素分块。在该实例的情况下，相位掩膜的间距比空间光调制器的间距大的整数倍为4倍。请注意，像素结构的变化只在一维空间展示。垂直维度上的变化可能相同或不同。在任何情况下，相位板凹坑结构的边缘是和调制器凹坑结构的边缘对准的，即在空间光调制器的像素内没有调制变化。进一步注意到相位板上像素结构的间距在任意维度上可能是常数或变量。
图2示出了不带相位板的装置的强度分布和带有根据本发明的随机相位板的装置的强度分布。穿过焦点的位置在x轴上绘出，强度在y轴上绘出。用(a)标注的强度分布是没有相位板的分布，而用(b)表示的分布是具有根据本发明的随机相位板的强度分布。曲线(a)有尖锐的峰值，而曲线(b)没有强烈的峰值。因此，在本发明的基础上直流傅立叶分量被抑制。
图3示出了对应不同相位板的强度谱。在图3中示出的不同的强度谱都有双峰值结构，一个代表数字‘0’，一个代表数字‘1’。曲线(a)对应于没有相位板的装置，曲线(b)对应于在相位板像素结构和调制器像素结构之间的整数倍数为1的相位板，即根据现有技术的装置。曲线(c)、(d)和(e)各自对应于间距比为2、4和8时的情况。可以看出，没有相位板时峰值是显著的。和其相比，对于采用根据现有技术的相位板的空间光调制器而言，即间距比为1时，峰值展现出很大的重叠行为(曲线(b))。对于给定的空间滤波器，例如，代表在探测器阵列中刚好能区分开‘0’和‘1’所需的焦平面面积的1.125倍奈奎斯特频限，在曲线(b)表示的情况下，‘0’和‘1’并不能很好地区分开，并且引入了大量位检测错误。这可通过增加空间滤波器的尺寸来解决，然而，这将以损失存储容量为代价。相反，也可以例如从1(曲线(b))到8(曲线(e))增加相位板的间距比。因此，对于例如为8的间距比，其误码率很难受到影响，同时其存储密度也几乎不受影响。应该指出的是，这并不意味着间距比应该增加为越来越大的值，因为直流傅立叶分量的消除效果在较小间距比时更起作用。不赞成这点的理由是，增加间距比到无穷大导致相位板没有任何结构，因此相应于没有相位板的具有强烈直流傅立叶分量的空间光调制器。因此，必须针对给定的特定装置确定间距比的最优值。
也可以采用在上面未描述的等效物和修改，而不偏离本发明的范围，所述范围在随附权利要求中限定。

Claims (10)

1.一种用于在全息存储介质中存储数据的装置，该装置包括空间光调制器(SLM)(18)和相位板(50)，空间光调制器具有第一像素结构，相位板具有第二像素结构，第一和第二像素结构互相对准，其中第二像素结构的间距是第一像素结构的间距的整数倍，该整数倍严格地大于1。
2.根据权利要求1所述装置，其中整数倍要比32小。
3.根据权利要求1所述装置，其中整数倍在2到16之间。
4.根据权利要求3所述装置，其中整数倍是8。
5.根据权利要求1所述装置，其中相位板(50)的像素结构包括表示第一数字值的第一像素集合和表示第二数字值的第二像素集合，第一像素集合中的像素数量和第二像素集合中的像素数量基本上相同。
6.根据权利要求1所述装置，其中相位板(50)的像素结构是伪随机结构。
7.根据权利要求1所述装置，其中相位板(50)的像素结构是排列式结构。
8.根据权利要求1所述装置，其中相位板(50)被设置成和空间光调制器分离的相位板。
9.根据权利要求1所述装置，其中相位板与空间光调制器相结合。
10.一种能够使用在用于在全息存储介质中存储数据的装置中的相位板，所述装置包括空间光调制器(SLM)(18)和相位板(50)，空间光调制器具有第一像素结构，相位板具有第二像素结构，第一和第二像素结构互相对准，其中第二像素结构的间距是第一像素结构的间距的整数倍，该整数倍严格地大于1。
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