CN1159046A - 盘式三维全息存储的方法及其光学系统 - Google Patents

Abstract

盘式三维全息存储的方法及其光学系统属光存储技术领域，其特征是：它是一种使相邻的傅氏变换全息图在空间部分重叠，再用球面参考波和球面照明波使全息图的角度鉴别和空间位置寻址同时实现的空间一角度复用技术，其条件是使参考光与物光主光线与盘上某点之法线共处于一个垂直于过此点的盘面半径的平面内，即可记录或读出一个全息图，再每旋转全息盘一周后，使参考光和物光同时沿径向移动全息图直径的距离，即可实现所有全息图的记录和读出。

Description

盘式三维全息存储的方法及其光学系统

盘式三维全息存储的方法及其光学系统属于光存储技术领域。

目前的光盘存储技术采用了“串行”方式，把数据逐点记录在二维平面介质中，通过盘的旋转和读写头的径向移动实现寻址，其缺点是：1.不能充分利用材料的体积，使其存储容量受到平面介质的限制；2.大量信息位的寻址完全受机械调节精度的限制，其存储密度有限；3.逐点的写入和读出，使数据传输速率受到慢速机械运动的限制。现在已提出的三维全息存储盘方案采用体全息技术，数据和图象以页面的傅立叶变换全息图的方式存储在介质的体积中，因而，其存储容量大且可并行存取，解决了上述光盘存储技术的难题，但是，由于它在技术上采用“分块式全息存储”方式，即把大块存储介质在空间上划分为互相独立的小块，再采用“角度复用”的方法在每个小块共同体积中存储多幅全息图，因而，其读写光学系统很复杂，除了盘面的旋转和读写头的径向移动外，还要在每个寻址位置多次调整读写光束的角度以实现互相完全重叠的全息图之间的角度鉴别，因而，不仅设备复杂而且精度要求很高。本发明提出了一种以光盘寻址方法为基础、以空间一角度用技术为特征的体积全息存储方案，在确保数据并行存取的条件下，既提高了存储容量，又降低了对读写头径向机械运动的误差要求，而且又革除了结构复杂的角度调整设备，提高了寻址的精确度。

因而，本发明的目的在于：提出一种数据并行存取、存储容量大、对设备精度要求低的盘式三维全息存储方法，

本发明的特征在于：它是一种空间一角度复用的全息存储方法，即是一种使相邻的傅立叶变全息图在空间上部分地重叠，再采用球面参考波和球面照明波使全息图的角度鉴别和空间位置的寻址同时实现的方法，其记录和读出过程如下：

1.以光折变晶体一类的各向异性的体全息存储材料作盘式存储介质，使参考光和物光分别从盘的两面射入而其主光线可对称也可不对称于记录材料任意一点的法线方向即晶体的光轴方向并同处于一个平行于空间任何一个二维平面如Y-Z平面的平面内，此时记录材料的法线方向即为Z方向；

2.把一系列傅立叶变换全息图依次、逐个且部分重叠地记录在与盘式存储介质同心的其某一个环形区域内，即每记录一个全息图后，使盘旋转一个微小角度φ_l，再记录另一个全息图，按下式求出其相邻两个全息图在Y方向的微小距离为ΔY，每个全息图的曝光时间为t_l，j其中： ${\mathrm{\φ}}_l=\frac{\mathrm{\ΔY}}{r_l-a}=\frac{\mathrm{\ΔY}}{(2l-1)a};$ $\mathrm{\ΔY}=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{nd}}{Z}_R\frac{{\left(\sqrt{1+t_{\mathrm{an}}^2\mathrm{\α}}\right)}^3}{t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_s+t_{\mathrm{an}}\mathrm{\α}};$ $t_{\mathrm{an}}\mathrm{\α}=t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_R-\frac{a}{Z_R};$ ${\mathrm{\θ}}_s={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{so}}\right);$ ${\mathrm{\θ}}_R={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}\right);$ $Z_R=\frac{2a}{A-B};$ $A=\frac{1}{\sqrt{\frac{n^2}{{(t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}+\frac{a}{Z_{\mathrm{Ro}}})}^2}+n^2-1}};$ $B=\frac{1}{\sqrt{\frac{n^2}{{(t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}-\frac{a}{Z_{\mathrm{Ro}}})}^2}+n^2-1}};$ 其中，l：环形区域的序号；j：环形区域上全息图的序号；r_l：第l个环的半径，设定：r_l＝l2a且从内向外记录； $l=(\mathrm{1,2},\…\frac{R}{2a}-1);$ R：盘的半径；     a：全息图的半径；λ：激光波长；    d：盘的厚度；n：记录介质的折射率；θ_Ro：参考光主光线对盘面的入射角；θ_Ro：物光主光线对盘面的入射角；Z_Ro：参考光球面波中心距离盘面的在Z轴上的距离的测量值；θ_R：参考光在介质内部看的入射角；θ_S：物光的在介质内部看的入射角；Z_R：参考光球面波距介质中心面的沿Z轴的距离折合到介质内部的值。α：参考光在某一个全息图的Y＝Y_max处与Y轴的夹角；

τ_W：记录材料的写入时间常数，实验测定；

τ_E：记录材料的擦除时间常数，实验测定；

T_l，j：第l个环上第j个全息图所承受的擦除时间；

η_目标：设定的目标衍射效率，对每个全息图都相同；

Δn_max：记录材料折射率调制的动态范围；

3.在记录了一个环形区域后，使参考光和物光同时移动到该全息盘半径方向上另一个相互不相重叠的新环形区域上，再重复上述步骤；

4.在读出时，只要给定全息图的空间位置，便可通过光束偏转器的径向偏折和全息盘的旋转，用原来的写入参考光读出任意一个全息图，即只要使写入参考光之主光线与某一个全息图中心点的法线位于同一个与Y-Z平面平行的平面即可。

其各全息图曝光时间的计算方法见权利要求书所述的盘式三维全息存储的方法，其特征在于：所述的各个全息图的曝光即记录时间t_l，j的计算方法如下：(1)确定第l个环形区域中存储的全息图的最大数目M_l： $M_l=\frac{2\mathrm{\π}(2l-1)a-2a}{\mathrm{\ΔY}}=\mathrm{\μ}(2\mathrm{\πl}-\mathrm{\π}-1);$ 其中，全息盘的空间重叠因子μ为： $\mathrm{\μ}=\frac{2a}{\mathrm{\ΔY}};$ (2)根据目标衍射效率η_目标确定每一个环形区域即园环中最后一个全息图的曝光时间t_l，ml：(3)根据

可以按从后向前递推的方式逐个计算出第l个园环中第i个全息图的曝光时间t_l，j，而 $T_{l,j}=\underset{i}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}W(l,i)l_{l,j+i}$

其中，W(l，i)：第l个园环中已记录的某一个全息图受到它后面第i个全息图记录时的擦除效应，它是这两个全息图互相重叠的面积与单个全息图面积之比，称擦除矩阵： $W(l,i)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[{\mathrm{\ψ}}_{l,i}-\frac{1}{2}\sin \left(2{\mathrm{\ψ}}_{l,i}\right)]$

i_max是 $\mathrm{\μ}(2l-1){\sin }^{-1}\left(\frac{1}{2l}\right)$ 的整数部分，是相互重叠全息图的数目的最大值。

所述的存储介质也可使用各向同性的体全息存储材料，因而，记录光路也可以是透射式全息光路，其存储和读出方法也可由外向内逐环进行，在存储和读出的其参考光和照明光两者的主线也可以是对称的。

根据本发明所提出的方法而设计的光学系统，其特征在于：它由依次位于同一主光路上的激光源8、电子快门9、一维光束偏转器10、准直透镜11、和光束分束器12组成的两个写入光束的产生和折射环节、由依次位于光束分束器12的反射光路上的扩束器阵列2、另一个准直透镜11、漫射器3、组页器4、反射镜13和傅立叶变换透镜5组成的写入光路的物光束产生环节以及由依次位于光束分束器12的透射光路上的透镜14、另一个反射镜13、另一个透镜14和另一个扩束器阵列2组成的写入光路的参考光产生环节及被物光和参考光从两侧入射的光折变型全息存储盘1共同构成。

试验证明：本发明提出的方法达到了予计的要求。

为了在下面结合实施例对本发明进行更详尽的描绘，现把本申请文件所使用的附图编号及名称简介如下：

图1：盘式三维全息存储方法的记录原理图；

图2：盘式三维全息存储方法的读出原理图；

图3：盘式三维全息存储方法的光学系统原理图；

图4：一个全息斑情况下的几何关系图；

图5：盘面上各全息斑之间的几何关系图。

实施例：

请见图1～5。1是光折变型的全息存储盘，2是扩束器阵列，它是一维微透镜阵列(也可用二元光学的衍射光学元件代替)，3是用于改善存储的保真度的漫射器，它可以是毛玻璃(或计算机制作的带抽样网格的随机相移器，它是一种用计算机随机产生二元位相分布，再经照相、光刻步骤制成的掩膜；也可以是散斑随机相移器，它是用漂白银盐干板或光刻胶层记录的激光散斑图)；4是组页器，它代表要记录的信息平面(即输入平面)，它是一种通过计算机加载即电寻址的空间光调制器或液晶显示屏(也可以是光学寻址的空间光调制器，还可以是各种材料制成的掩膜透明片)，5是傅立叶变换透镜，6是全息斑，7是探测器，它是读出系统的输出平面，它可以是与计算机相连的CCD面阵，(也可以是感光胶片、复印机、投影仪等图象输出设备)。8是连续运转的激光源，其波长λ＝0.488μm，(也可以是可见光区的其它波长，由记录材料决定)，9是电子快门，通过计算机来精确控制曝光时间，10是一维光束偏转器，它是声光偏折器(也可以是旋转反射镜)，11是准直透镜，12是光束分束器，13是反射镜，14是透镜，在图3中，激光源8、电子快门9、一维光束偏转器10、准直透镜11和光束分束器12组成两个写入光束的产生和偏折部分；扩束器阵列2、另一个准直透镜11、漫射器3、组页器4、反射镜13和傅立叶变换管透镜5组成写入光路的物光束部分、透镜14 、另一个反射镜、另一个透镜14和扩束器阵列2组成写入光的参考光部分。

本实施例以反射全息的光路构型为例。采用半径R＝20mm、厚度d＝5mm、折射率n＝2.2的盘状光折变记录材料，激光波长λ＝0.488μm。参考光和物光准对称地从盘的两侧入射，物光的入射角θ_So和参考光主光线的入射角θ_Ro近似相等，即θ_So≈θ_Ro＝35°参考光球面波中心距离盘面沿Z轴的2_Ro＝11mm。全息图的半径a＝2mm。以上参数中，下标“o”均表示在空气中(介质外部)测得的值。其记录和读出步骤如下：

1.计算出ΔY＝16μm，此时便可同时实现全息图位置选择和角度鉴别：

2.从 $l=\frac{R}{2a}-1=4$ 即r_l＝R-2a＝2al＝16mm处(即最外一个园环内)任选一点作起始点进入记录程序，使参考光与物光二者的主光线与该点之法线准对称入射，且又处于同一个平行于Y-Z平行的平面内时即可录入；

3.把一系列傅立叶变换全息图依次、逐个并部分重叠地记录在与全息存储盘1同心的其第4个环内。即先在该点记录某一个全息图，再使全息存储盘1旋转一个微小角度φ_l，再记录另一个全息图，其相邻两个全息图在Y方向的微小距离为ΔY，每个全息图的曝光时间为t_l，j。在本例中，取l＝4时最后五个全息图为例，其它类推，其中，Δn_max＝10^-5，τ_E＝780秒，τ_W＝67秒，η_目标＝10^-4，为使各全息图衍射均衡起见，η_目标设定对每个全息图相等。此时，相互重叠的全息图的最大值为i_max， $i_{\max }=\mathrm{\μ}(2l-1){\sin }^{-1}\left(\frac{1}{2l}\right)=219,$ 故W(4，i)是1×219的矩阵，每个元素均可算出，下面列出它的前四个值：i＝1时，ψ_4，i＝1.566，W(4，i)＝0.994；

i＝2时，ψ_4，i＝1.562，W(4，i)＝0.988；

i＝3时，ψ_4，i＝1.557，W(4，i)＝0.983；

i＝4时，ψ_4，i＝1.553，W(4，i)＝0.977。

此园环中最多可存储的全息图的数目M₄＝5247。先算出第5247个全息图的曝光时间t_4，5247＝2.041秒，进而依次可算出该环中所有全息图的曝光时间。现以最后五个为例：

j＝5247，T_4，j＝T_4，5247＝0秒，t_4，5247＝2.041秒；

j＝5246，T_4，5246＝2.079秒，t_4，5246＝2.047秒；

j＝5245，T_4，5245＝4.052秒，t_4，5245＝2.052秒；

j＝5244，T_4，5244＝6.069秒，t_4，5244＝2.058秒；

j＝5243，T_4，5243＝8.079秒，t_4，5243＝2.063秒；

4.记录完l＝4这一个园环后，使参考光和物光通过声光偏折器10沿半径R方向朝内同时移动一个距离2a＝4mm，再重复以上过程。如此循环，一直到l＝1，r_l＝4mm那一个园环记录完毕。

5.再现时，给定空间位置后，可通过声光偏折器10的径向偏折和全息存储盘1的旋转，使写入参考光即照明光之主线与某一个全息图之法线位于同一个与Y-2平面平行的平面内时即可读出一个全息图，以下步骤如上述相同。

试验证明：它具有可并行存取、存储量大且对传动装置精度要求较低的特点。

Claims (5)

1.一种盘式三维全息存储的方法，其特征在于：它是一种空间一角度复用的全息存储的方法，即是使相邻的傅立叶变换全息图在空上部分重叠，再用球面参考波和球面照明波使全息图的角度鉴别和对其空间位置的寻址同时实现的一种方法，其记录和读出过程如下：

(1)以光折变晶体一类的各向异性的体全息存储材料作盘式存储介质，使参考光和物光分别从盘的两面射入而其主光线可对称也可不对称于记录材料任意一点的法线方向即晶体的光轴方向并同处于一个平行于空间任何一个二维平面如Y-Z平面的平面内，此时记录材料的法线方向即为Z方向；

(2)把一系列傅立叶变换全息图依次、逐个且部分重叠地记录在与盘式存储介质同心的其某一个环形区域内，即每记录一个全息图后，使盘旋转一个微小角度φ_l，再记录另一个全息图，按下式求出其相邻两个全息图在Y方向的微小距离为ΔY，每个全息图的曝光时间为t_l，j，其中： ${\mathrm{\φ}}_l=\frac{\mathrm{\ΔY}}{r_l-a}=\frac{\mathrm{\ΔY}}{(2l-1)a};$ $\mathrm{\ΔY}=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{nd}}-Z_R\frac{{\left(\sqrt{1+t_{\mathrm{an}}^z\mathrm{\α}}\right)}^3}{t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_s+t_{\mathrm{an}}\mathrm{\α}};$ $t_{\mathrm{an}}\mathrm{\α}=t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_R-\frac{a}{Z_R};$ ${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{si}{n}^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{so}}\right);$ ${\mathrm{\θ}}_R={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}\right);$ $Z_R=\frac{2a}{A-B};$ $A=\frac{1}{\sqrt{\frac{n^2}{{(t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}+\frac{a}{Z_{\mathrm{Ro}}})}^2}+n^2-1}};$ $B=\frac{1}{\sqrt{\frac{n^2}{{(t_{\mathrm{an}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ro}}-\frac{a}{Z_{\mathrm{Ro}}})}^2}+n^2-1}};$

其中，l：环形区域的序号；j：环形区域上全息图的序r_l：第l个环的半径，设定：r_l＝l2a且从内向外记录； $l=(\mathrm{1,2},\…,\frac{R}{2a}-1);$ R：盘的半径；     a：全息图的半径；λ：激光波长；    d：盘的厚度；n：记录介质的折射率；θ_Ro：参考光主光线对盘面的入射角；θ_So：物光主光线对盘面的入射角；Z_Ro：参考光球面波中心距离盘面的在Z轴上的距离的测量值；θ_R：参考光在介质内部看的入射角；θ_S：物光的在介质内部看的入射角；Z_R：参考光球面波距介质中心面的沿Z轴的距离折合到介质内部

        的值。

α：参考光在某一个全息图的Y＝Y_max处与Y轴的夹角；

τ_W：记录材料的写入时间常数，实验测定；

τ_E：记录材料的擦除时间常数，实验测定；

T_l，j：第l个环上第j个全息图所承受的擦除时间；

η_目标：设定的目标衍射效率，对每个全息图都相同；

Δn_max：记录材料折射率调制的动态范围；(3)在记录了一个环形区域后，使参考光和物光同时移动到该全息盘半径方向上另一个相互不相重叠的新环形区域上，再重复心述步骤；(4)在读出时，只要给定全息图的空间位置，便可通过光束偏转器的径向偏折和全息盘的旋转，用原来的写入参考光读出任意一个全息图，即只要使写入参考光之主光线与某一个全息图中心点的法线位于同一个与Y-Z平面平行的平面即可。

2.根据权利要求1所述的盘式三维全息存储的方法，其特征在于：所述的各个全息图的曝光即记录时间l_t，j的计算方法如下：

(1)确定第l个环形区域中存储的全息图的最大数目M_l： $M_l=\frac{2\mathrm{\π}(2l-1)a-2a}{\mathrm{\ΔY}}=\mathrm{\μ}(2\mathrm{\πl}-\mathrm{\π}-1);$ 其中，全息盘的空间重叠因子μ为： $\mathrm{\μ}=\frac{2a}{\mathrm{\ΔY}};$

(2)根据目标衍射效率η_目标确定每一个环形区域即园环中最后一个全息图的曝光时间t_l，ml：

(3)根据可以按从后向前递推的方式逐个计算出第l个园环中第i个全息图的曝光时间t_l，j，而 $T_{l,j}=\underset{i}{\overset{i_{\mathrm{msx}}}{\mathrm{\Σ}}}W(l,i)t_{l,j+i}$

其中，W(l，i)：第l个园环中已记录的某一个全息图受到它后面第i个全息图记录时的擦除效应，它是这两个全息图互相重叠的面积与单个全息图面积之比，称擦除矩阵： $W(l,i)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[{\mathrm{\ψ}}_{l,i}-\frac{1}{2}\sin \left(2{\mathrm{\ψ}}_{i,l}\right)]$

i_max是 $\mathrm{\μ}(2l-1){\sin }^{-1}\left(\frac{1}{2l}\right)$ 的整数部分，是相互重叠全息图的数目的最大值。

3.根据权利要求1所述的盘式三维全息存储的方法，其特征在于：所述的存储介质也可以是各向同性的体全息存储材料，因而，记录光路也可以是透射式全息记录光路。

4.根据权利要求1所述的盘式三维全息存储的方法而设计的光学系统，其特征在于：它由依次位于同一主路上的激光源(8)、电子快门(9)、一维光束偏转器(10)、准直透镜(11)、和光束分束器(12)组成的两个写入光束的产生和折射环节、由依次位于光束分束器(12)的反射光路上的扩束器阵列(2)、另一个准直透镜(11)、漫射器(3)、组页器(4)、反射镜(13)和傅立叶变换透镜(5)组成的写入光路的物光束产生环节以及由依次位于光束分束器(12)的透射光路上的透镜(14)、另一个反射镜(13)、另一个透镜(14)和另一个扩束器阵列(2)组成的写入光路的参考光产生环节及被物光和参考光从两侧入射的光折变型全息存储盘(1)共同构成。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述的一维光束偏折器(10)可以是一个旋转反射镜，也可以是一个无运动元件的光学读写头用的声光偏折器。

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