KR20080020939A - 픽셀 검출을 위해 상쇄 간섭을 이용하는 홀로그래픽 저장시스템 - Google Patents

픽셀 검출을 위해 상쇄 간섭을 이용하는 홀로그래픽 저장시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 홀로그래픽 저장 시스템(1)에 관한 것이며, 보다 특정하게는 동축 홀로그래픽 저장 시스템에서 픽셀 검출을 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 홀로그래픽 저장 시스템(1)에서, 대상 빔(3)과 기준 빔(2)의 동축 배열로써, 대상 빔(3) 내 밝은 픽셀들은 기준 빔(2)에 대해 필수적으로 π만큼의 위상 시프트를 가진다. 재구성된 대상 빔(10) 내 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해, 검출기(11)는 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10) 사이의 간섭에 의해 생성된 간섭 패턴을 검출한다.

Description

픽셀 검출을 위해 상쇄 간섭을 이용하는 홀로그래픽 저장 시스템{HOLOGRAPHIC STORAGE SYSTEM USING DESTRUCTIVE INTERFERENCE FOR PIXEL DETECTION}
본 발명은 홀로그래픽 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 특정하게는, 동축 홀로그래픽 저장 시스템에서 픽셀 검출을 위한 방법에 관한 것이다.
홀로그래픽 데이터 저장에 있어서, 디지털 데이터는 두 개의 가간섭성 레이저 빔(coherent laser beam)의 중첩으로 생성된 간섭 패턴을 기록함으로써 저장되며, 두 빔 중 소위 '대상 빔'인 하나의 빔은 공간 광 변조기(spatial light modulator)에 의해 변조되어 기록될 정보를 운반한다. 제 2 빔은 기준 빔으로서의 역할을 한다. 간섭 패턴은 저장 물질의 특정 특징의 변경을 야기하는데, 이 변경은 간섭 패턴의 국부적 강도에 의존한다. 기록된 홀로그램의 판독은 기록 동안과 동일한 조건을 사용하여 기준 빔으로 홀로그램을 조명함으로써 수행된다. 이것은 기록될 대상 빔의 재구성을 초래한다.
홀로그래픽 데이터 저장의 한 이점은 증가된 데이터 용량이다. 종래의 광학 저장 매체에 비해, 홀로 그래픽 저장 매체의 용적(volume)은 꽤 많은 층의 정보를 저장하는데 사용된다. 홀로그래픽 데이터 저장의 추가적인 이점은 예컨대, 두 빔 간의 각도를 바꾸거나, 시프트 다중화 등을 사용함으로써, 동일한 용적 내에 다중 데이터를 저장할 수 있는 가능성이다. 더욱이, 단일 비트를 저장하는 대신, 데이터는 데이터 페이지로서 저장된다. 통상적으로, 데이터 페이지는 명-암-패턴(light-dark pattern)의 매트릭스, 즉, 다중 비트를 코딩하는 2차원 이진 어레이 또는 그레이 값의 어레이로 이루어진다. 이것은 증가된 저장 밀도에 추가하여 증가된 데이터 속도를 달성하는 것을 허용한다. 상기 데이터 페이지는 공간 광 변조기(SLM)에 의해 대상 빔 상에 각인되며 검출기 어레이로 검출된다. SLM의 단적인 예는 진폭 SLM이며, 여기서 '0'값을 가지는 픽셀은 광을 차단하고, '1'값을 가지는 픽셀은 광을 투과시키거나 반사시킨다.
동축(coaxial) 또는 동일 선상(collinear)의 홀로그래픽 저장 시스템에서, 기준 빔과 대상 빔은 동축 방식으로 배열된다. 이것은 양 빔이 단일 대물 렌즈를 사용할 수 있다는 이점을 갖는데, 이것은 광학 구성을 간략화한다. 그러나, 기준 빔과 대상 빔 둘 다 기록 기간 동안 축 사에 있는 대물 렌즈를 통과할 때, 판독 기간 동안 재구성된 대상 빔 역시 기준 빔과 동축 상에 있다. 이는 재구성된 대상 빔으로부터 정보를 추출하는 것을 어렵게 하는데, 왜냐하면 대상 빔이 더 밝은 기준 빔과 여러 번 겹쳐져서 놓이기 때문이다. 그러므로, 기준 빔으로부터 재구성된 대상 빔의 다소 어려운 분리가 필요하다. 이것은 보통, 이미지 평면에서 빔의 공간적 분리에 의해, 혹은 중간 집속 평면에서 블로킹 필터와의 조합으로 약간 기울어진 빔(tilted beam)으로써 실현된다.
예를 들어 WO 2004/102542에서 동축 홀로그래픽 저장 시스템이 기술되는데, 여기서 대상 빔은 이미지 평면 내 기준 빔으로부터 공간적으로 분리된다. 이러한 목적을 위해, 대상 빔은 링-형상의 기준 빔으로 둘러싸여 있다. 그러나, 이는 빔의 단지 일부만이 데이터 저장을 위해 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 동축인 대상 빔과 기준 빔으로써 홀로그래픽 저장 시스템에서 데이터 페이지의 검출을 위한 대안적인 해결책을 제안하는 것이다.
본 발명에 따라, 이 목적은 대상 빔과 기준 빔의 동축 배열을 구비한 홀로그래픽 저장 시스템으로써 달성되는데, 여기서 대상 빔 내 밝은 픽셀들은 기준 빔에 대해 필수적으로 π만큼의 위상 시프트를 가지며, 재구성된 대상 빔에 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해, 검출기는 기준 빔과 재구성된 대상 빔 사이의 간섭에 의해 생성된 간섭 패턴을 검출하기 위해 제공된다.
유사하게, 기준 빔과 재구성된 대상 빔의 동축 배열을 가지는, 홀로그래픽 저장 매체로부터의 판독을 위한 장치는, 기준 빔과 재구성된 대상 빔 내 포함된 데이터 페이지의 판독을 위한 재구성된 대상 빔 사이의 간섭에 의해 생성된 간섭패턴을 검출하기 위한 검출기를 가진다.
더욱이, 기준 빔과 대상 빔의 동축 배열을 가지는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 장치에 있어서, 대상 빔 내 밝은 픽셀들은 기준 빔에 대해 필수적으 로 π만큼의 위상 시프트를 갖는다.
본 발명의 추가적인 양상에 따라, 상기 목적은 대상 빔과 기준 빔의 동축 배열을 가지는 홀로그래픽 데이터 저장을 위한 방법에 의해 달성되며,
- 기준 빔과 재구성된 대상 빔 사이의 간섭에 의해 간섭 패턴을 생성하는 단계와,
- 재구성된 대상 빔에 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해 간섭 패턴을 검출하는 단계
를 포함한다.
본 발명은 기준 빔과 대상빔이 검출기 상에서 상쇄적으로 간섭하는 방식으로 기준 빔과 대상 빔을 배열하는 것을 제안한다. 이것은 픽셀 위치에서 기준빔의 적어도 부분적인 상쇄를 초래한다. 빔의 분리는 전혀 필요하지 않은데, 왜냐하면 데이터가 기준 빔의 밝은 이미지로부터 반전된 패턴의 형태로 추출될 수 있기 때문이다. 따라서, 이 방법은 동축 구성에 있어서, 데이터 검출의 어려움을 극복한다. 상쇄 간섭을 이루기 위해, 재구성된 대상 빔 내 밝은 픽셀들은 바람직하게는 기준 빔에 대해 필수적으로 π만큼의 위상 시프트를 가진다. 이 위상 시프트는 유리하게는 대상 빔과 기준 빔의 상대적 경로 길이를 설정함으로써 혹은 위상 시프트에 의해 혹은 스위칭 요소에 의해 데이터 페이지의 기록 기간 동안 생성된다.
본 발명의 정밀화에 따라, 올바른 위상 관계는 검출기에서 이미지를 체크함으로써 기록 기간 동안 모니터링된다. 만약 상대적인 위상 시프트가 π라면, 대상 빔은 기준 빔을 적어도 부분적으로 상쇄한다. 이것은 검출기에서 반전 데이터 페이 지 이미지를 초래한다. 다시 말해, 만약 기록 기간 동안 상쇄가 가시적이라면, 이 상쇄는 또한 판독 기간 동안에도 보일 것인데, 왜냐하면, 재구성된 대상 빔은 이론적으로는 원래 대상 빔과 동일한 특성을 가지기 때문이다. 실제로는, 빔 품질 저하 영향이 불완전한 상쇄의 원인이 된다. 그러나, 이 불완전한 상쇄는 신뢰성 있는 데이터 검출을 위해서는 여전히 충분하다. 상대적인 위상 시프트를 조정하기 위해, 유리하게는 대상 빔 또는 기준 빔의 경로 길이는, 예컨대, 압전 요소(piezo element) 또는 다른 위상 시프트 조정 요소에 의해 조정가능하게 된다.
더 나은 이해를 위해, 본 발명은 이제 도면을 참조하여 다음 기술에서 더 자세히 설명될 것이다. 본 발명은 이 예시적인 실시예에 한정되지 않으며, 명시된 특징은 또한 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 적절히 조합되고/되거나 수정될 수 있다는 점이 이해된다.
도 1은 본 발명에 따라 기록 기간 동안 동축 홀로그래픽 저장 시스템(1)의 간략화된 구성을 도시한다. 기준 빔(2)은 빔 분할기(4)에 의해 대상 빔(3)과 동축상에서 겹쳐진다. 기준 빔(2)과 대상 빔(3)은 바람직하게는 예컨대 시준 렌즈(21), 빔 분할기(22) 및 두 개의 조종 미러(steering mirror)(23,24)의 도움으로, 단일 광원(20)에 의해 생성된다. 양 빔(2,3)들은 공통 대물 렌즈(5)를 통과하고, 홀로그래픽 저장 매체(6)로 혹은 근처에 집속된다. 도면에서, 데이터 페이지를 기록하기 위해 공간 광 변조기(9)의 단일 픽셀(8)로부터 들어오는 광(7)이 하이라이트된다. 픽셀(8)로부터 들어오는 파면(wavefront)은 기준 빔(2)에 대해 π의 위상 시프트를 가진다. 실제로, 정확히 π인 위상 시프트는 실현되기 어렵다. 그러나, 만약 위상 시프트가 π에 가깝다면 충분하다. 대상 빔 및 기준 빔의 파면은 정확히 평행인 동축 구성에 있어서, 위상 시프트는 모든 픽셀들에 대해 자동으로 동일하다. 올바른 위상 시프트는 대상 빔(3)과 기준 빔(2)의 상대적인 경로 길이를 조정함으로써, 혹은 빔 경로들 중 하나에서 위상 시프트 혹은 스위칭 요소를 제공함으로써 획득된다. 위상 시프트 요소(13) 또는 위상 스위칭 요소(13)의 예는 각각 액정 요소 혹은 스위칭 가능한 거울이다. 물론, 위상 시프트를 생성하기 위한 다른 방법들이 마찬가질 사용될 수 있다. 유리하게는, 위상 시프트 조정 요소(14)는 위상 시프트를 능동적으로 조정하기 위해 제공된다. 대상 빔(3)과 기준빔(2)의 중첩으로 인해 기인하는 간섭 패턴은 일반적인 경우와 같이 홀로그래픽 저장 매체(6)에 저장된다.
판독 기간 동안, 기준 빔(2)은 기록 기간 동안과 같은 방식으로 홀로그래픽 저장 매체(6)로 혹은 근처에 집속된다. 도면에서, 홀로그래픽 저장 매체(6)는 투과 타입 저장 매체이다. 물론, 본 발명은, 마찬가지로 반사 타입 저장 매체에도 응용가능하다. 홀로그래픽 저장 매체(6)에 저장된 홀로그램은 재구성된 대상 빔(10)이 위상을 포함하는 대상 빔(3)의 모든 특성을 가지는 방식으로 광을 회절시킨다. 대상 빔(3)의 위상은 기준 빔(2)에 대해 π만큼 시프트 되어 조정되었으므로, 기준빔(2)에 대한 재구성된 대상 빔(10)의 위상 시프트 역시 π이다. 상쇄 간섭에 의해 재구성된 대상 빔(10)은 기준 빔(2)의 적어도 일부 광을 상쇄시킨다. 추가적인 대물 렌즈(12)에 의해 획득된 검출기(11)상에서의 기준 빔(2)의 이미지는 기록 기간 동안 스위칭 온(on) 된 SLM 픽셀(8)에 대응하는 위치에서 어두운 영역으로 보여진다.
간섭의 물리적 특성은 기준 빔(2)의 이미지에서 어두운 픽셀의 검출을 간략화한다. 상쇄 간섭에 의한 광의 상쇄(C)는 다음으로 계산된다:
Figure 112007057183779-PAT00001
여기서, Iobj와 Iref 는 각각 재구성된 대상 빔(10)과 기준 빔(2)의 강도이다. 그러므로, 홀로그램의 회절 효율에 의해 결정되는, 재구성된 대상 빔(10)의 약한 광은 상당량의 기준 빔(2)을 상쇄할 수 있다. 예를 들어, 기준 빔(2)의 강도의 6%를 가지는 재구성된 대상 빔(10)은 기준 빔(2)의 광의 47%를 상쇄시킨다. 1%의 재구성된 대상 빔(10)은 약 20%를 상쇄시킨다.
광 상쇄 방법 및 특히 광 상쇄량을 증명하기 위해, 단일 밝은 픽셀을 가지는 홀로그램의 판독은 수치적으로 시뮬레이션되었다. 그 결과는 도 3 내지 도 6에 도시된다. 기준 빔(2)의 강도의 6%를 가지는 상대적으로 약한 재구성된 대상 빔(10)의 광은 기준 빔(2)의 광을 상쇄시킨다. 도 3은 검출기(11)에서의 기준 빔(2)의 이미지를 도시한다. 도 4는 도 3의 확대된 부분을 도시한다. 간섭으로부터 기인한 어두운 픽셀은 명확하게 가시적이다. 도 5에서 선도(plot)는 재구성된 대상 빔(10)의 시뮬레이션된 강도 분포의 단면을 도시한다. 강도와 좌표는 임의의 단위로 주어진다. 피크 높이는 I=1.9e-7이다. 도 6에 있는 선도는 검출기(11)에서 재구성된 대상 빔(10)에 의해 겹쳐져 놓인 기준 빔(2)의 이미지의 시뮬레이션된 강도 분포를 도시한다. 다시, 이 강도는 임의의 단위로 주어진다. 고원의 높이는 I=3.1e-6이다. 보여지는 바와 같이, 기준 빔(2)의 강도의 6%의 강도를 가지는 재구성된 대상 빔(10)은 픽셀 위치에서 기준 빔(2)의 약 47%를 상쇄시킨다.
도 7에서, 본 발명에 의해 제안된 바와 같이 기록되고 판독된 전체 SLM 데이터 페이지의 검출기 이미지의 수치적 시뮬레이션이 도시된다. 빔 전파 기술은 홀로그램의 기록 및 판독의 전체 과정을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 시뮬레이션시, 앞서 기술된 전체 설정이 구현되었다. 대상 빔(3)과 기준 빔(2)의 파장은 λ=405nm이며, 대물 렌즈(5)의 초점 길이 및 개구수는 각각 fobjective=4.5mm 및 NA=0.6이다. 데이터 페이지는 128x128 픽셀을 가지는 전형적인 데이터 페이지였으며, 동기를 위해 균일하게 분포된 마크이다. 알 수 있듯이, 상기 방법은 전체 데이터 페이지에 대해 잘 동작한다. 기록되는 동안 스위칭 온 된 모든 픽셀들은 판독되는 동안 기준 빔을 부분적으로 상쇄한다. 따라서, 데이터 페이지는 검출기(11)에서 반전된 이미지 형태로 나타난다.
도 1은 동축 홀로그래픽 저장 시스템의 기록 경로를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 동축 홀로그래픽 저장 시스템의 판독 경로를 개략적으로 도시하는 도면.
도 3은 단일 픽셀로 재구성된 대상 빔을 간섭하는 기준 빔의 검출기 이미지를 도시하는 도면.
도 4는 도 3의 확대된 부분을 도시하는 도면.
도 5는 재구성된 대상 빔의 시뮬레이션된 세기 분포에 대한 단면을 도시하는 도면.
도 6은 재구성된 대상 빔을 간섭하는 기준 빔의 검출기 이미지의 시뮬레이션된 세기 분포에 대한 단면을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명에 따라 기록되고 판독된 전체 SLM 데이터 페이지의 검출기 이미지의 수치적 시뮬레이션을 도시한 도면.

Claims (10)

  1. 기준 빔(2)과 대상 빔(3)의 동축 배열을 가지는 홀로그래픽 저장 시스템(1)에 있어서,
    기준 빔(2)과 대상 빔(3)이 동축상에서 겹쳐지며, 대상 빔(3) 내 밝은 픽셀들은 기준 빔(2)에 대해 필수적으로 π만큼의 위상 시프트를 가지며, 재구성된 대상 빔(10)에 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해, 검출기(11)는 기준 빔(2)와 재구성된 대상 빔(10) 간의 간섭에 의해 생성된 간섭 패턴을 검출하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는, 홀로그래픽 저장 시스템.
  2. 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10)의 동축 배열을 가지는, 홀로그래픽 저장 매체(6)로부터 판독하기 위한 장치로서,
    재구성된 대상 빔(10)에 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해, 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10) 간의 간섭에 의해 생성된 간섭 패턴을 검출하기 위한 검출기(11)를 구비하고, 상기 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10)은 동축상에서 겹쳐지는, 홀로그래픽 저장 매체로부터 판독하기 위한 장치.
  3. 기준 빔(2)과 대상 빔(3)의 동축 배열을 가지는, 홀로그래픽 저장 매체(6)에 기록하기 위한 장치로서,
    기준 빔(2)과 대상 빔(3)은 동축상에 겹쳐지며, 대상 빔(3) 내 밝은 픽셀은 기준 빔(2)에 대해 필수적으로 π인 위상 시프트를 가지는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 위상 시프트는 대상 빔(3)과 기준 빔(2)의 상대적인 경로 길이에 의해, 혹은 위상 시프트 또는 스위칭 요소(13)에 의해 유도되는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 데이터 페이지의 기록 동안 위상 시프트를 모니터링 하기 위한 검출기(11) 및 위상 시프트를 조정하기 위한 위상 시프트 조정 요소(14)를 가지는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 위상 시프트 조정 요소(14)는 대상 빔(3) 및/또는 기준 빔(2)의 경로 길이를 조정하기 위한 압전 요소인, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 장치.
  7. 재구성된 대상 빔(10)과 기준 빔(2)의 동축 배열을 가지는 홀로그래픽 저장 매체로부터 판독하기 위한 방법으로서,
    - 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10)을 동축 상에서 겹치는 단계와,
    - 기준 빔(2)과 재구성된 대상 빔(10) 간의 간섭에 의한 간섭 패턴을 생성하는 단계와,
    - 재구성된 대상 빔(10)에 포함된 데이터 페이지의 판독을 위해 간섭 패턴을 검출하는 단계
    를 포함하는, 홀로그래픽 저장 매체로부터 판독하기 위한 방법.
  8. 기준 빔(2)와 대상 빔(3)의 동축 배열을 가지는, 홀로그래픽 저장 매체(6)에 기록하기 위한 방법으로서,
    - 기준 빔(2)과 대상 빔(3)을 동축 상에서 겹치는 단계와,
    - 대상 빔(3) 내 밝은 픽셀의 위상을 기준 빔(2)에 대해 필수적으로 π만큼 시프트하는 단계
    를 포함하는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 위상을 시프트하는 상기 단계는 대상 빔(3)과 기준 빔(2)의 상대적인 경로 길이를 설정함으로써 혹은 위상 시프트 요소 또는 스위칭 요소(13)에 의해 수행되는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    - 대상 빔(3)과 기준 빔(2) 간의 위상 관계를 모니터링하는 단계와,
    - 모니터링된 위상 관계에 따라 위상을 조정하는 단계
    를 포함하는, 홀로그래픽 저장 매체에 기록하기 위한 방법.
KR1020070078921A 2006-09-01 2007-08-07 픽셀 검출을 위해 상쇄 간섭을 이용하는 홀로그래픽 저장시스템 KR20080020939A (ko)

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