CN1322498C - 三维盘式全息存储方法及系统 - Google Patents

Abstract

三维盘式全息存储方法及系统属于光存储技术领域，本发明的存储方法为分轨道存储，即同一轨道上、相邻轨道上的全息图之间都有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法。根据本方法所设计的三维盘式全息存储系统，由写入系统、读出系统及全息光盘驱动系统共同组成，设计了装载全息光盘的定位器，可实现全息光盘离开全息存储器后精确复位；本发明提高了单位体积的存储密度，存储装置小型、稳定、灵活，还提高了存储图像的质量，能够降低存储数据的误码率。

Description

三维盘式全息存储方法及系统

技术领域

三维盘式全息存储方法及系统属于光存储技术领域。

背景技术

信息科学技术的高速发展对信息存储技术提出了更高的要求。体全息存储技术以页面全息图的方式并行地在存储介质的整个体积进行信息存储和检索，这一特点使它同时具有存储密度高、存储容量大、数据传输率高、数据搜索时间短等优势，成为一种高密度数据存储的光学存储技术。

以块状光折变晶体作为存储介质的体全息存储，通常采用邻面入射光路和纯角度复用方式。但由于光折变晶体的有限动态范围，特别是后续记录对已存储全息图的擦除效应，使得在局部微小体积中可以实现的超高存储密度，难以向材料的整个体积中推广，从而总的存储容量受到限制。采用盘状的存储材料，可以充分利用材料的全部体积，有利于实现高密度盘式全息存储。

专利号为ZL96102463.1的发明中的三维盘式存储方法和系统，虽然是采用盘式按轨道形式记录图像的方法存储，每个同心圆轨道内的存储图像彼此可以部分重叠，在一定程度上增大了存储密度，但由于轨道间的图像不能重叠，使整个全息光盘上的全息图分布呈轨道内密集而轨道间稀疏形式分布，整个存储材料上的存储结构不均匀，由于轨道间距比较大，限制了全息图的存储密度。另外由于装置上采用物光和参考光不等光程的光路，使其对激光的相干长度要求很长，限制了实际的应用。对于存储材料为光折变晶体的材料，由于全息图多次记录的擦除效应，也使全息图存储的密度和图像质量变差。此外由于三维全息存储器使用的是单模的激光，光束的光斑能量存在高斯分布，会使存储的干涉全息图的能量不均匀，中心亮，周围暗，不但影响存储的图像质量，还影响存储信息的再现。

目前的体全息存储的装置存在体积大、结构复杂、不能脱离光学平台，物光和参考光光程不相等的情况。另外存储介质取下后不能复位，影响其存储信息的正确读出。这些都不利于三维全息存储器的实用化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种存储容量大、存储信息保存时间长的三维盘式全息存储方法。可以解决上述的缺点和不足，本项发明的方法不但可以使每个同心圆轨道内的存储图像部分重叠，而且实现了轨道之间存储的图像也有部分重叠，在存储过程中为了防止轨道间图像的擦除，采用了分轨道定影热固定技术。

本发明的三维盘式全息存储方法，是一种在全息光盘上记录多个全息图的方法，其中，每个全息图是一个信息页面的傅里叶变换全息图，所述信息页面是数字数据的二维排列或图像，相邻的所述傅里叶变换全息图在空间部分地重叠，全息图分布在全息盘的同心圆轨道上，同一轨道上相邻全息图可以有部分的重叠，其特征在于：相邻轨道上的全息图之间也有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址(切向寻址)由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址(径向寻址)由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法；其存储和读取过程如下：

1)首先选择和确定全息光盘上所存储的全息图寻址方式；

①计算全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，其中，参考光、物光和盘面法线在同一平面内，此平面称为“水平面”，与此平面垂直的平面称为“垂直面”，其计算方法是：

$\mathrm{\ΔX}\≈\frac{2\mathrm{\λ}}{d({\sin \mathrm{\θ}}_R+{\sin \mathrm{\θ}}_s)}\×\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2}{\mathrm{\θ}}_R}{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_R}{r}_R,$ $\mathrm{\ΔY}\≈\frac{2\sqrt{r_R\mathrm{\Δ\&KHgr;}{\sin \mathrm{\θ}}_R}}{{\cos \mathrm{\θ}}_R}$

其中n和d分别为存储介质的折射率和厚度，r_R是球面波中心到全息图中心的距离，θ_R和θ_S分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角。

关于角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY具体可参见图1，图中5和12表示ΔX；4，8，11表示ΔY；6表示某位置处的变轨道的平台移动距离ΔL。按照上面本发明所述的全息图复用方法，根据存储的密度目标，计算全息光盘上面每个全息图相互之间的中心间距。

②确定全息图的初始记录点在盘面上的方位，盘面上全息图的间距(选择性)取决于体积全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，选择同一轨道内相邻全息图的间隔ΔS的水平分量不小于ΔX，同一垂直线上相邻轨道的两个全息图的间距不小于ΔY，方位角α在30°～60°之间的记录点作为初始记录点，此位置可以实现水平的轨道间寻址，降低寻址难度；同时使全息图在盘面上的分布相对均匀。当记录材料的动态范围有限时，实际上全息图的间隔可以取得大于以上的理论计算值，以保证较低的串扰噪声。

图1中1，2，3，分别表示三个不同的初始记录位置。在这种寻址方案下，图1中的位置2即为本发明所确定的每个圆形轨道在盘面上初始记录点。图中7为轨道内相邻全息图的中心距离ΔS，9为全息图对应的方位角α。当轨道寻址方向沿盘面的垂直直径时(即位置1)，切向选择性(轨道内的选择性)即为ΔX，径向选择性(轨道间的选择性)即为ΔY。当轨道寻址方向沿盘面的水平直径时(即位置3)，切向选择性(轨道内的选择性)即为ΔY，径向选择性(轨道间的选择性)即为ΔX。

2)开始存储：计算每个全息图的曝光时间t_i，j和这些时间的序列。

第一个轨道从全息光盘的最大半径的圆形轨道开始，该轨道距离全息光盘的边缘为2～3mm，从选择的方位角开始记录第一个全息图，每次全息光盘转动一个微小的角度，根据全息光盘轨道直径和前面计算的寻址方式的ΔX和ΔY计算，该角度介于0.006°～0.06°之间。记录同一轨道的下一幅全息图，直到该轨道转动到初始方位角。改变记录完这一轨道后，通过全息光盘的径向移动ΔL，向全息光盘半径变小的方向平动，改变轨道的半径，开始记录下一个轨道的全息图。根据晶体材料的动态范围性能，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为单轨道固定时，第一个轨道存储完后，进行步骤3)，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为多轨道固定时，存完多个轨道，进行步骤3)；

3)进行分轨道热固定，由于光折变晶体中存储密度的主要因素是材料的有限动态范围这个原因使目前的全息光盘的轨道间和轨道内的图像重叠所产生的擦除效应使图像重叠程度非常小，因此为了提高存储密度，将分批存储热固定技术与盘式存储相结合，发展为分轨道热固定的盘式全息存储技术。不仅可以提高存储密度，而且实现非易失性存储，使介质中存储的信息长久保存。

其要点是：

①将步骤2)中记录一个轨道(或多个轨道)内的M个全息图的全息盘取下，放置入温度受控的加热炉中，加热到140℃，并持温20分钟，冷却至室温；

②将晶体放回原存储的位置，重复步骤2)和本步骤中的步骤①，直至全部该全息光盘上的所有需要记录的全息图记录完成；

③用均匀的非相干光照射全息盘，一次性使记录并固定的全息图显现出来，即显影。

4)读取数据时，将已经固定和显影后的全息光盘安装在精密定位器上，将全息光盘转至记录时的初始方位角，用前述的参考光照射，转动全息光盘，就可以实现每一轨道上的全息图的读取。

所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：根据分轨道热固定存储计算写入信息时的存储时间(曝光时序)，对于光折变晶体记录材料，计算M个全息图曝光时序的要点如下：

每一轨道全息图，都是按照曝光时序来确定每个全息图的存入时间的，因为轨道的半径不同，所以每个轨道所存储的全息图的数量和曝光时序是不同的。为对应于上述的全息图寻址方式，为了避免轨道之间因为全息图重叠所引起的擦除效应，需要新的存储方法和曝光时间计算方法，本发明提出了分轨道热固定存储的存储方法(方法详见下述说明)，并且分轨道热固定存储的方法，提出了新的写入信息时的存储时间(曝光时序)计算方法。

1)首先在室温和纯角度复用条件下，测量材料的写入时间常数τ_W、擦除时间常数τ_E和饱和衍射效率η_饱和；

2)采用分批热固定少量光栅的方法模拟测量材料的轨道间擦除时间常数τ_F；

3)根据全息图在水平面内的角度选择性ΔX和垂直面内的角度选择性ΔY，计算擦除矩阵W(i，j)

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\sqrt{\frac{d_H^2}{{\left({\mathrm{j\Δ}}_x\right)}^2+{\left({\mathrm{i\Δ}}_y\right)}^2}-1}$ (其中j＝l-k；i＝m-n)

即 $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\sqrt{\frac{d_H^2}{{(l-k)}^2{{\mathrm{\Δ}}_x}^2+{(m-n)}^2{{\mathrm{\Δ}}_y}^2}-1}$

d_H为全息图直径，同一轨道内的两相邻全息图的中心距Δx和两轨道间的间隔Δy。存储M组(批次)全息图，每组(每个轨道上)可存储N_M.

4)根据要求的目标衍射效率η_目标和前述的参数，计算最后一个全息图的曝光时间t_M：

5)引入参量ν表示为下式：

6)利用倒推法，由下面公式递推出曝光时序：

$\[1-\exp (-\frac{t_{i,j}}{{\mathrm{\τ}}_w})\]\×\exp (-\frac{T_{R,C}^{\mathrm{SAM}}}{{\mathrm{\τ}}_E})=v$

$T_{R.C}^{\mathrm{SAM}}=\underset{i=0,j=1}{\overset{{\mathrm{\μ}}_X-1}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)t_{\mathrm{ij}}+\frac{{\mathrm{\τ}}_E}{{\mathrm{\τ}}_F}\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{\μ}}_y-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-({\mathrm{\μ}}_x-1)}{\overset{{\mathrm{\μ}}_x-1}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)t_{\mathrm{ij}}$

t_i，j表示第i个轨道上的第j幅全息图的曝光时间，通过编程来实现了上述曝光时序的算法，可快捷地计算出大规模存储时所需的合适的曝光时序。一批全息图可以是一个轨道，也可以是多个轨道，上述计算公式对这两种情况都适用。

所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：当存储介质为光折变晶体时，采用反射型光路，晶体的光轴与盘面垂直，采用可得到较高的衍射效率和选择性的垂直偏振光写入；当存储介质为光致聚合物时，采用透射光路。

所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：读取时采用会聚的球面参考波，这是因为球面参考波比发散的球面参考波更有利于抑制读出时的杂散光。

采用本发明的三维盘式全息存储方法，减小了全息光盘的轨道间距，增加了整个全息光盘内的轨道数目，能大幅度提高单位体积的存储容量。本方案的寻址方式，可以使全息图均匀的排列在整个全息光盘的盘面上，克服了全息图在轨道内紧密，轨道间距离远的不均匀性，提高存储密度几倍以上，降低误码率。本发明克服了光折变晶体作为盘式存储介质的关键问题，提高了光折变晶体的有效动态范围，克服了光折变材料存储的易失性，增加了存储信息的保存时间，实现了存储信息的长时间保存。

为了实现前述所说的三维盘式多轨道重叠的全息存储方法，本发明设计了三维全息盘式存储系统。对于球面波参考光，读出与写入时的布拉格匹配条件极为严格。为了实现多轨道存储和分轨道全息光盘的热固定，达到存储介质反复离台复位后仍能实现布拉格匹配的效果，本发明在存储系统中设计了高精度全息盘定位器。

本发明的三维盘式全息存储系统光路图参见图2，系统图参见图3，高精度全息盘定位器参见图4～图6，存储系统由写入系统、读出系统及被物光和参考光从两侧面入射的全息光盘48共同组成，其特征在于：全息光盘48由定位器固定，定位器通过联接杆41与精密转台40连接，精密转台40的底座联接在精密直线位移台39上，这两个器件39，40均通过数据控制线由外接计算机控制。所述的定位器由定位杆50，与定位杆50相配合的定位槽43，与定位槽连接的定位器联接螺母42，可在定位槽上滑动的锁紧环45，以及定位槽内的定位楔47，锁紧环45上的锁紧螺母44、限位螺钉46组成，其中定位杆的一端通过定位螺母49与定位杆本身的台阶靠面来装载全息光盘48，另一端有三个面a，b，c分别作为定位杆的限位面，面a与定位槽43的槽内的一个侧面a′配合，保证定位杆回转方向的定位，即防转；面b与定位槽43上b′面配合，保证轴向上沿轴线方向的定位，即防止轴向串动；定位面c与定位楔47的斜面配合，保证受锁紧螺母44压力的情况下，锁紧螺母44顶在斜面e上，定位杆能够受力轴向和径向的分力，使其紧密的与定位槽43相密切配合；锁紧螺母44的中轴线通过定位槽43的直径方向，还可以保证竖直径向上定位杆的定位。

所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：写入系统由将入射光分为物光和参考光的偏振分束棱镜13，以及依次位于物光光路上的物光快门14，空间滤波器15，物光准直镜筒16，物光准直透镜17，物光高斯光束均匀化器18，空间光调制器(SLM)20，SLM座21，傅里叶变换镜头22，锥型滤波器23，及依次位于参考光光路上的参考光快门38，空间滤波器37，参考光准直透镜35，参考光高斯光束均匀化器34，反射镜31，参考光镜头29共同组成，其中与两个准直镜筒前端都相连接的基于非球面透镜的高斯光束均匀化器18、34由两个透镜组成，入射面的透镜为平凹透镜，出射面的透镜为平凸透镜，且两个透镜的曲面均为非球面，并且入射面和出射面的透镜面形均为平面，通光口径跟与其配合的准直透镜的通光口径相同，平凸透镜口径比平凹透镜大一倍以上，两个非球面的曲率关系满足下列关系式：

$R\left(r\right)=\frac{R_0\[1-\exp \left(\frac{-r^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right){\]}^{1/2}}{\[1-\exp \left(\frac{-{r_0}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right){\]}^{1/2}}$

其中，R是凸面的曲率半径，r是凹面的曲率半径，R₀为输出的均化后的准直光束的半径，r₀是均匀化前的准直光束半径，ω是高斯光束的腰板直径，并且r，R都是变量。18与34区别在于均匀化器的镜筒出光光阑直径不同，物光比参考光大约10％～30％。

所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：在物光光路上的高斯光束均匀化器18之后设置可以使物光束光轴方向产生90°角偏转的、折射率使物光和参考光光束的光程匹配的五角棱镜、直角棱镜或其它能改变光轴角度的棱镜19。

所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：全息光盘48是光折变晶体、光致聚合物或其它全息存储材料制成的。

本发明的三维盘式全息存储系统的工作原理为：

(1)由激光器发出的光入射到偏振分束棱镜13，分成偏振方向互相垂直的两束光：直透的物光和偏转90°参考光。这两束光分别经过由计算机控制的快门14和38，由计算机程序通过接口卡控制快门打开和关闭的时间，当快门打开时，光束经过快门进入到空间滤波器15和37进行扩束和滤波，再经过准直透镜17和35形成较大直径的准直高斯光束。

(2)当准直高斯光束在腰斑的位置入射进高斯光束均匀化器18，34后，以高斯分布的光斑截面能量将无损失地转化为均匀分布的圆形光斑，并且光斑直径可以增大一倍左右，并以准直状态输出。这样就可以得到光斑能量均匀分布并且直径大小满足物光和参考光使用要求。

(3)其中均匀的物光束入射进入光轴前端放置棱镜19的一个窗口，在棱镜内部发生二次反射，该棱镜可以使物光束光轴方向产生90°角的偏转，然后以不改变原偏振态的情况下从另外一个窗口射出，照射到和其同一光轴上的位于傅里叶变换镜头22前焦面位置的空间光调制器20上。棱镜具有两个重要的作用：一是可以把光路精确地折转需要的角度，以减小整个光路的尺寸；二是通过选择棱镜合理的光学参数，包括棱镜的型号、通光口径和玻璃折射率，使物光束光经过棱镜的内部反射，恰好弥补与参考光束的光程差，得到一个物光和参考光光程均衡的系统。

(4)空间光调制器(SLM)20上具有通过计算机控制系统加载的存储图像信息。均匀的物光照射其上，SLM的每个像素以透光和不透光的形式图像构成了全息图的信息页面。

(5)空间光调制器上的偏振片可以把输入页面产生物光的偏振态旋转到与参考光相同的方向。此物光然后经过傅里叶变换镜头22在其后焦平面上形成谱面，在傅里叶变换镜头22的后端有一个带有矩形光阑的锥型滤波器，把其余级次的谱滤掉，只保留衍射强度最大的零级谱。

(6)另外一个方向上，参考光也经过扩束、滤波、准直、均匀化后，照射在位于前端导轨33上的反射镜31上，沿轴线方向反射进入参考光镜头29，通过调整反射镜的调整座32和参考光镜头调整架的位置和角度，可以得到一个消像差的会聚球面参考光。

(7)该会聚的球面参考光和经过傅里叶变换镜头22的物光在傅里叶变换镜头后的某一位置重合形成干涉图样，全息光盘就置于这一位置，通常这一位置是在傅里叶变换镜头22的后焦面的前面2～3mm的处，离焦位置依记录材料的厚度而定。

(8)通过调整合适的激光功率以及物光、参考光的强度比，在物光和参考光的快门都打开的情况下便可以使具有输入页面的信息物光和会聚的参考光在全息光盘材料内部形成干涉图样，在前面所述的曝光时间内，把干涉图写入到全息光盘的介质中。

(9)读出数据的时候，只打开参考光快门，使用参考光照射到全息光盘的存储位置上，就可以再现已经存储过的干涉图，经过成像镜头24进行傅里叶逆变换，使输入页面的原图像还原到CCD探测器上，将存储的图像信息完整的读出来。

(10)存储时，将全息光盘的对准到图1中的2位置处，该位置不在全息光盘的直径方向上，而属于介于水平和垂直中间的某个位置。使用精密转台39实现全息光盘的沿与精密转台39回转轴的同心圆轨道旋转，精密转台39每次旋转一个微小的角度，就可以在全息光盘的轨道上记录或读出一个图像。在同一圆形轨道内实现多个图像存储和读出。

(11)对于不同轨道的变换和轨道间的寻址是用精密直线位移台39来实现的。计算机程序控制精密直线位移台39带动整个转台沿与全息光盘严格平行的方向上做直线微量位移，这样可以改变每个全息光盘上每个同心圆存储轨道的半径，以实现轨道的改变。

(12)盘式晶体精密定位的定位器的工作原理如下：

1)全息光盘精密定位器具有两方面的定位功能，一是全息盘式复位后在盘的中心轴线上不发生绕该中心轴的旋转角度变化；二是盘的表面与记录时的原始位置无相对的平面偏移量，即保证晶体盘不会因为多次装卸产生盘面的安装跳动误差。这样可以保证存储的数据页面不产生页面的偏移误差，实现数据页面的精确存储与读出。

2)由于定位器的精密要求很高，在定位结构上在定位杆50的一端设计以三个面a，b，c为定位面，如图3所示，通过锁紧螺母44的锁紧可以在定位杆50的一个斜面上e施加作用力，此作用力可以产生两个方向上的分力，这两个分力可以分别作用在与定位杆的配合的两个面a和c上，使定位杆50紧密地压在定位槽43中；定位楔48有一个斜面，当定位杆50受两个方向的分力压在定位楔48上时，定位杆的三个的定位面紧密压合在定位槽43和定位楔48的三个基准面上。这样就可以通过锁紧螺母44的松开和锁紧来保证来全息光盘离线和复位后：①.在联接杆轴线上的相对转动误差；②.沿轴线方向上的前后移动误差；③.垂直联接杆轴的径向截面上的俯仰和摆动误差这三种误差都能限制到允许的范围以内。

3)装有全息光盘的定位杆50在向定位槽43装卸时，采取上下装卸，即在全息光盘初始记录的角度位置处，以垂直联接杆的方向，进行定位和复位操作。见图4所示。这样可以充分压缩前后两个傅里叶变换镜头之间的空间，使系统更为小型化。

根据本发明的三维盘式存储方法所设计的三维全息存储器满足了全息盘离台后可复位的要求，并且本发明设计的三维全息存储器将所有器件全集成在一个底座上，具有小型、稳定、灵活的特点，还提高了存储图像的质量，能够降低误码率。

附图说明

图1记录光斑处于不同方位角时全息图几何关系示意图；

1.垂直位置的光斑分布，2.本发明光斑的初始位置分布，3.水平位置的光斑分布，4.相邻轨道在位置1处的垂直位置的角度选择性ΔY，5.同一轨道的水平面内的角度选择性ΔX，6.表示某位置处的变轨道的平台移动距离ΔL，7.为轨道内相邻全息图的中心距离ΔS，8.相邻轨道在位置2处的垂直位置的角度选择性ΔY，9.为相邻全息图对应的中心角α，10.全息光盘圆心，11.相邻轨道在位置3处的垂直位置的角度选择性ΔY，12.位置3不同轨道的水平面内的角度选择性ΔX

图2系统光路图；

图3系统整体装配图；

图2-3中，13.偏振分束棱镜，14.物光快门，15.空间滤波器，16.物光准直镜筒，17.物光准直透镜，18.物光高斯光束均匀化器，19.五角棱镜，20.空间光调制器(SLM)，21.SLM座，22.傅里叶变换镜头FTL₁，23.锥型滤波器，24.傅里叶变换镜头FTL₂，25.镜头调整台，26.CCD面阵探测器，27.二位微位移台，28.六轴微动调整台，29.参考光镜头，30.镜头调整架，31.反射镜，32.反射镜调整座，33.导轨，34.参考光高斯光束均匀化器，35.参考光准直透镜，36.参考光准直镜筒，37.空间滤波器，38.参考光快门，39.精密直线位移台，40.精密转台，41.联接杆，42.定位器联接螺母，43.定位杆，44.锁紧螺母45.锁紧环，46.限位螺钉47.定位楔，48.全息光盘，49.螺母，50.底座，51.反射镜，52.反射镜，53.激光器。

图4盘式晶体精密定位器剖面图；

图5图4中A-A剖面图；

图6盘式晶体精密定位器立体图；

图7存储10000幅全息图的部分再现图像；

(a)第1幅(轨道1)；(b)第3637幅(轨道2)；(c)第8499幅(轨道3)；

(d)第10000幅(轨道4)

具体实施方式

下面结合附图具体介绍本发明的优选实施例：

本发明的存储方法实施例：

(1)使用本发明设计的三维盘式全息存储系统进行数据存储实例。首先选择存储介质材料为光折变晶体：单掺铁0.03wt％，生长态的铌酸锂晶体，并在该晶体表面镀532nm增透膜。根据存储介质的折射率和厚度，球面波中心到全息图中心的距离，参考光和物光与盘面法线之间的夹角等计算出来ΔX和ΔY。这样其轨道间隔为0.8mm，相邻全息图中心距15μm，全息图直径为3.0mm，等效单点复用度为750。体积0.875cm³的圆形光折变晶体盘中，总共存储10000幅全息页面。

(2)然后进行曝光时序的计算：以目标衍射效率为6.0×10^-5，先进行小规模复用实验，利用试错法确定了存储介质材料晶体的复用记录过程中写入和擦除时间常数，据此计算合理的曝光时序。4个轨道存储10000幅高分辨率全息图，计算出最长曝光时间3.277秒，最短曝光时间1.461秒，10000幅全息图总共曝光25467.8秒。

(3)然后按照前面所述的步骤进行数据存储，常温下将全息光盘装载盘式晶体精密定位器上，从距盘边缘3mm处开始第一个轨道，其中方位角9为45°开始记录，记录完毕一个轨道的全息图，把全息光盘转到方位角9的位置，将全息盘从盘式晶体精密定位器取下放置入温度受控的加热炉中，加热到140℃，并持温20分钟，冷却至室温；然后将全息光盘再装到盘式晶体精密定位器上，将全息光盘向圆盘中心水平移动，使轨道间隔为0.8mm。

(4)复上述(3)的开始记录之后的过程，直至4个轨道全部全息图记录完成；

(5)然后用均匀的非相干光照射全息盘20分钟，使记录并固定的全息图显现出来。

(6)最后通过对存储数据的读出。本实例采用了分轨道热固定的盘式全息存储技术，提高存储密度和信息保存时间。利用此方案在同一晶体中分4批4个轨道存储和离线固定了10000幅高分辨率全息图，实现了非易失性存储，存储面密度达到50bits/μm²，体密度达到10Gb/cm³。存储的图像得到高保真度再现，再现图像的衍射效率均匀，细节清晰，平均信噪比(SNR)为3.6，相当于原始误码率为1.6×10^-4。

图7给出了部分全息图的再现像。

根据本发明的方法所设计的小型盘式全息存储系统

1.三维盘式全息存储系统的主要参数是：

三维盘式全息存储系统光学及机械结构如图2和图3所示，写入系统由偏振分束棱镜13，物光快门14，空间滤波器15，物光准直透镜17，高斯光束均匀化器18，.五角棱镜19，.SLM20，傅里叶变换镜头FTL₁22，23.锥型滤波器组成。读出系统由参考光快门38，空间滤波器37，参考光准直透镜35，高斯光束均匀化器18，反射镜31，参考光镜头29，傅里叶变换镜头FTL₂24，CCD面阵探测器26，二位微位移台27，六轴微动调整台28及相关调整架组成。其中几个核心部件参数是：

(1)SLM：1024×768像元，CCD：1024×1024像元，单幅全息图数据容量0.786 Mbit。

(2)傅里叶变换镜头对FTL₁和FTL₂：畸变小于0.01％，波像差小于 1/4～1/10λ，变换透镜与成像透镜的焦距比为13∶6，能实现物像平面间1∶1像元匹配。

(3)棱镜19是五角棱镜，五角棱镜型号W II-90，口径38.1，采用K9玻璃，有效地减小光路的整体尺寸，补偿物光和参考光的光程差值使之小于5mm。

(4)参考光的反射镜31位于导轨上的滑块上，可以做一定范围(0～150mm)的参考光(0～120°)角度调整。

(5)高斯光束均匀化器有两个非球面透镜组成，入射面的透镜为平凹透镜，出射面的透镜为平凸透镜，入射口径30mm，出射口径50mm，均匀化后的光斑使存储和读出的图像中，图像整幅照度均匀。

(6)全息光盘的驱动部分由转台-平台寻址机构，全息光盘精密定位器组成，其中：全息光盘精密定位器：盘面复位跳动误差小于0.002mm，角度复位误差小于0.001°。转台-平台寻址机构：转动分辨率和单向重复性：0.001°，平动分辨率和单向重复性：0.2μm。对于直径80mm、厚度5mm的光折变晶体，在软件控制下可以寻址全息图20万幅以上。

2.采用空角复用与会聚的球面参考波结合。为了避免参考光的反射光将噪声带入成像系统，采用非对称光路(物光入射角50°，参考光入射角22°)。光学系统成像质量良好，系统小型化(600×400×180mm)。

Claims (9)

1、一种三维盘式全息存储方法，是一种在全息光盘上记录多个全息图的方法，其中，每个全息图是一个信息页面的傅里叶变换全息图，所述信息页面是数字数据的二维排列或图像，相邻的所述傅里叶变换全息图在空间部分地重叠，全息图分布在全息盘的同心圆轨道上，同一轨道上相邻全息图有部分的重叠，其特征在于：相邻轨道上的全息图之间也有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址，即切向寻址，由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址，即径向寻址，由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法，其存储和读取过程如下：

1)首先选择和确定全息光盘上所存储的全息图寻址方式；

①计算全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，其中，参考光、物光和盘面法线在同一平面内，此平面称为“水平面”，与此平面垂直的平面称为“垂直面”，其计算方法是：

$\mathrm{\ΔX}\≈\frac{2\mathrm{\λ}}{d(\sin {\mathrm{\θ}}_R+\sin {\mathrm{\θ}}_S)}\×\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_R}}{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_R}{r}_R,$ $\mathrm{\ΔY}\≈\frac{2\sqrt{r_R\mathrm{\Δ}X\sin {\mathrm{\θ}}_R}}{\cos {\mathrm{\θ}}_R}$

其中n和d分别为存储介质的折射率和厚度，r_R是球面波中心到全息图中心的距离，θ_R和θ_S分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角；

②确定全息图的初始记录点在盘面上的方位，盘面上全息图的间距即选择性取决于体积全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，选择同一轨道内相邻全息图的间隔ΔS的水平分量不小于ΔX，同一垂直线上相邻轨道的两个全息图的间距不小于ΔY，方位角(9)在30°～60°之间的记录点作为初始记录点，此位置可以实现水平的轨道间寻址，降低寻址难度；同时使全息图在盘面上的分布相对均匀；当记录材料的动态范围有限时，全息图的间隔可以取得大于以上的理论计算值，以保证较低的串扰噪声；

2)开始存储：

①计算每个全息图的曝光时间t_i，j和这些时间的序列；

②第一个轨道从全息光盘的最大半径的圆形轨道开始，该轨道距离全息光盘的边缘为2～3mm，从选择的方位角开始记录第一个全息图，每次全息光盘转动一个微小的角度，根据全息光盘轨道直径和前面计算的寻址方式的ΔX和ΔY计算，该角度介于0.006°～0.06°之间；记录同一轨道的下一幅全息图，直到该轨道转动到初始方位角；改变记录完这一轨道后，通过全息光盘的径向移动ΔL(6)，向全息光盘半径变小的方向平动，改变轨道的半径，开始记录下一个轨道的全息图；根据晶体材料的动态范围性能，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为单轨道固定时，第一个轨道存储完后，进行步骤3)，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为多轨道固定时，存完多个轨道，进行步骤3)；

3)进行分轨道热固定，其要点是：

①将步骤2)中记录一个轨道或多个轨道内的M个全息图的全息盘取下，放置入温度受控的加热炉中，加热到120℃～150℃之间，并持温10～30分钟，冷却至室温；

②将晶体放回原存储的位置，重复步骤2)中的全息图记录和本步骤中的步骤①，直至全部该全息光盘上的所有需要记录的全息图记录完成；

③用均匀的非相干光照射全息盘，一次性使记录并固定的全息图显现出来，即显影；

4)读取数据时，将已经固定和显影后的全息光盘安装在精密定位器上，将全息光盘转至记录时的初始方位角，用前述的参考光照射，转动全息光盘，就可以实现每一轨道上的全息图的读取。

2.根据权利要求1所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：根据分轨道热固定存储，计算全息图的写入时间t_i，j，，即第i个轨道上的第j幅全息图的曝光时间和这些时间的序列，对于光折变晶体记录材料，计算M个全息图曝光时序的要点如下：

1)首先在室温和纯角度复用条件下，测量材料的写入时间常数τ_W、擦除时间常数τ_E和饱和衍射效率η_饱和；

2)采用分批热固定少量光栅的方法模拟测量材料的轨道间擦除时间常数τ_F；

3)根据全息图在水平面内的角度选择性ΔX和垂直面内的角度选择性ΔY，计算擦除矩阵W(i，j)：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\sqrt{\frac{d_H^2}{{\left(\mathrm{j\ΔX}\right)}^2+{\left(\mathrm{i\ΔY}\right)}^2}-1}$

d_H为全息图直径，存储M组/批次全息图，每组即每个轨道上可存储N_M；

4)根据要求的目标衍射效率η_目标和前述的参数，计算最后一个全息图的曝光时间t_M：

5)引入参量ν表示为下式：

6)利用倒推法，由下面公式递推出曝光时序：

$[1-\exp (-\frac{t_{i,j}}{{\mathrm{\τ}}_w})]\×\exp (-\frac{T_{R,C}^{\mathrm{SAM}}}{{\mathrm{\τ}}_E})=v$

$T_{R,C}^{\mathrm{SAM}}=\underset{i=0,j=1}{\overset{{\mathrm{\μ}}_x-1}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)t_{i,j}+\frac{{\mathrm{\τ}}_E}{{\mathrm{\τ}}_F}\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{\μ}}_y-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-({\mathrm{\μ}}_x-1)}{\overset{{\mathrm{\μ}}_x-1}{\mathrm{\Σ}}}W(i,j)t_{i,j}$

t_i，j表示第i个轨道上的第j幅全息图的曝光时间，通过编程来实现了上述曝光时序的算法，可快捷地计算出大规模存储时所需的合适的曝光时序；一批全息图是一个轨道，或者是多个轨道，上述计算公式对这两种情况都适用。

3.根据权利要求1所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：当存储介质为光折变晶体时，采用反射型光路，晶体的光轴与盘面垂直，采用垂直偏振光写入；当存储介质为光致聚合物时，采用透射光路。

4.根据权利要求1所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于：读取时采用会聚的球面参考波，物光与参考光是完全等光程。

5.根据权利要求1所述的三维盘式全息存储方法而设计的三维盘式全息存储系统，由写入系统、读出系统及被物光和参考光从两侧面入射的全息光盘(48)共同组成，其特征在于：全息光盘(48)由定位器固定，定位器通过联接杆(41)与精密转台(40)连接，精密转台(40)的底座联接在精密直线位移台(39)上，这两个器件(39)、(40)均通过数据控制线由外接计算机控制；所述的定位器由定位杆(50)，与定位杆(50)相配合的定位槽(43)，与定位槽连接的定位器联接螺母(42)，可在定位槽上滑动的锁紧环(45)，以及定位槽内的定位楔(47)，锁紧环(45)上的锁紧螺母(44)、限位螺钉(46)组成，其中定位杆的一端通过定位螺母(49)与定位杆本身的台阶靠面来装载全息光盘(48)；另一端有三个面(a)，(b)，(c)分别作为定位杆的限位面，第一面(a)与定位槽(43)的槽内的一个侧面(a′)配合，保证定位杆回转方向的定位，即防转；第二面(b)与定位槽上的面(b′)配合，保证轴向上沿轴线方向的定位，即防止轴向串动；第三面(c)与定位楔(47)的斜面配合，保证受锁紧螺母(44)压力的情况下，锁紧螺母(44)顶在斜面(e)上，定位杆能够受力轴向和径向的分力，使其紧密的与定位槽(43)相密切配合；锁紧螺母(44)的中轴线通过定位槽(43)的直径方向，还可以保证竖直径向上定位杆的定位。

6.根据权利要求5所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：写入系统由将入射光分为物光和参考光的偏振分束棱镜(13)，以及依次位于物光光路上的物光快门(14)，空间滤波器(15)，物光准直镜筒(16)，物光准直透镜(17)，物光高斯光束均匀化器(18)，空间光调制器(20)，空间光调制器座(21)，傅里叶变换镜头(22)，锥型滤波器(23)，及依次位于参考光光路上的参考光快门(38)，空间滤波器(37)，参考光准直透镜(35)，参考光高斯光束均匀化器(34)，反射镜(31)，参考光镜头(29)共同组成。

7.根据权利要求6所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：与两个准直镜筒前端都相连接的基于非球面透镜的所述物光高斯光束均匀化器(18)、参考光高斯光束均匀化器(34)由两个透镜组成，入射面的透镜为平凹透镜，出射面的透镜为平凸透镜，且两个透镜的曲面均为非球面，并且入射面和出射面的透镜面形均为平面，通光口径跟与其配合的准直透镜的通光口径相同，平凸透镜口径比平凹透镜大一倍以上，两个非球面的曲率关系满足下列关系式：

$R\left(r\right)=\frac{R_0[1-\exp \left(\frac{-r^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right){]}^{1/2}}{[1-\exp \left(\frac{-r_0^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right){]}^{1/2}}$

其中，R是凸面的曲率半径，r是凹面的曲率半径，R₀为输出的均化后的准直光束的半径，r₀是均匀化前的准直光束半径，ω是高斯光束的腰板直径，并且r，R都是变量。

8.根据权利要求6所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：在物光光路上的高斯光束均匀化器(18)之后设置可以使物光束光轴方向产生90°角偏转的、折射率使物光和参考光光束的光程匹配的五角棱镜或直角棱镜(19)。

9.根据权利要求5所述的三维盘式全息存储系统，其特征在于：全息光盘(48)是光折变晶体或光致聚合物制成的。

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