全息存储设备的制作方法

专利名称：全息存储设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在全息介质中记录和/或从中读出数据页的光学全息设备，涉及一种全息介质，涉及一种用于读出这种数据页的方法并且涉及一种用于实现这种方法的计算机程序。
背景技术：
从H.J.Coufal、D.Psaltis、G.T.Sincerbox(Eds.)在光学科学中的Springer系列(2000)中提出的‘Holographic data storage’里可以了解到能够在全息介质上记录并且从中读取的光学设备。图1示出了这种光学设备。这种光学设备包括辐射源100、准直器101、第一分束器102、空间光调制器103、第二分束器104、透镜105、第一偏转器107、第一望远镜108、第一反射镜109、半波片110、第二反射镜111、第二偏转器112、第二望远镜113和检测器114。所述光学设备意在向全息介质106中记录数据并且从中读取数据。
在于全息介质中记录数据页的期间，把由辐射源100生成的一半辐射束借助于第一分束器102向空间光调制器103发送。此部分辐射束被称为信号束。把由辐射源100生成的一半辐射束借助于第一偏转器107向望远镜108偏转。此部分辐射束被称为基准束。所述信号束借助于空间光调制器103来空间地调制。所述空间光调制器包括透射区域和吸收区域，其对应于待记录的的数据页的零和一数据位。在信号束已经通过空间光调制器103之后，它运送待记录于全息介质106中的信号、即，待记录的数据页。然后，所述信号束借助于透镜105会聚于全息介质106。
所述基准束还借助于第一望远镜108会聚于全息介质106。由于信号束和基准束之间的干涉，因此数据页以干涉图案的形式被记录在全息介质106中。一旦已经把数据页记录在全息介质106中，就在全息介质106的同一位置处记录另一数据页。为此目的，把对应于此数据页的数据发送给空间光调制器103。第一偏转器107被旋转，因此使基准信号相对于全息介质106的角度被修改。第一望远镜108用于在旋转的同时把基准束保持在同一位置。由此在全息介质106的同一位置处利用不同图案来记录干涉图案。将此称为角度多路复用。记录了多个数据页的全息介质106的同一位置被称为书。
作为选择，辐射束的波长可以调整，以便在同一书中记录不同的数据页。将此称为波长多路复用。诸如位移多路复用或者相位编码多路复用的其它多路复用种类也可以用于在全息介质106中记录数据页。在相位编码多路复用中，基准束的相位被改变，以便记录不同的数据页。
在从全息介质106中读出数据页期间，空间光调制器103被设置成是完全吸收的，因此没有任何光束部分可以通过空间光调制器103。第一偏转器107被移除，如此使得由辐射源100生成的通过分束器102的部分光束经由第一反射镜109、半波片110和第二反射镜111到达第二偏转器112。如果已经把角度多路复用用于在全息介质106中记录数据页，并且给定的数据页将会被读出，那么以这样一种方式来设置第二偏转器112，所述方式为其相对于全息介质106的角度与用于记录此给定全息图的角度相同。因此，由第二偏转器112偏转并且借助于第二望远镜113会聚在全息介质106的信号与用于记录此给定全息图的基准信号的相位共轭。如果例如已经把波长多路复用用于在全息介质106中记录数据页，并且将会读出给定数据页，那么把相同波长用于读取此给定数据页。
然后由信息图案衍射基准信号的相位共轭，此操作创建重构的信号束，然后其经由透镜105和第二分束器104到达检测器114。图像数据页面由此得以在检测器114上创建，并且由所述检测器114检测到。检测器114包括像素或者检测器元件，每一检测器元件均对应于图像数据页面的一位。
在已知的现有技术中，由于信号束的幅度被调制，故而由此来编码数据页。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于在全息介质中记录数据页的全息设备，所述设备是已知方案的替代。
为此目的，本发明提供了一种用于在全息介质中记录数据页的光学全息设备，所述设备包括用于生成信号束的装置，用于调制所述信号束的相位以便编码所述数据页的装置以及用于利用所述全息介质内部的基准束来干涉所述已调制信号束的装置。
有益的是，所述全息设备还包括用于调制信号束幅度的装置。因为这样做增加了可以记录在全息介质中的数据密度，所以是特别有益的。实际上，对于给定的多路复用参数来说，诸如给定的角度或者给定的波长，可以把两个数据页记录在记录介质的同一位置。其中一个数据页是调相的而另一个数据页是调幅的。相对于现有技术，数据密度由此得以增加，其中对于给定的多路复用参数来说，只有一个数据页可以被记录在全息介质的给定位置内。
本发明还涉及一种包括至少一个调相的数据页的全息介质。有益的是，所述全息介质还包括至少一个调幅的数据页。
本发明进一步涉及一种用于读出这种全息介质的全息设备，所述全息设备包括用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。
有益的是，所述设备包括用于生成基准信号的装置，用于朝向所述全息介质来引导所述基准信号以便生成调相的重构信号束的装置，用于检测所述调相的信号束的装置，用于生成试探(probe)信号的装置以及用于在调相的重构信号束到达检测装置之前、使试探信号与所述调相的重构信号束相干涉的装置。调相的重构信号束与试探信号的干涉允许经由干涉图案来检测调相的数据页的各个数据位的相位，其中所述干涉图案被作为二维信号或者图像记录在诸如CCD的常规检测器上。
在第一实施例中，所述全息设备包括用于计算在检测装置上检测到的信号的傅里叶变换的装置，所述傅里叶变换包括中央频带和两侧频带，并且包括用于计算至少一个侧频带的反向傅里叶变换以便检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。
在第二实施例中，所述全息设备包括用于改变所述试探信号的相位以便借助于相位步进过程来检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。在此实施例中，所需要的信号处理量很低，由此功耗很低，而数据检索速度较高。
本发明进一步涉及一种用于读出这种全息介质的方法，所述方法包括用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。
本发明进一步涉及一种包括一组指令的计算机程序，当将计算机指令集载入处理器或计算机时，令处理器或计算机执行此方法。
参照下文所描述的实施例来阐明本发明的这些以及其他方面，并且使本发明的这些以及其它方面通过参照下文所描述的实施例更加显而易见。


现在参照附图、通过举例来详细描述本发明，其中图1示出了依照现有技术的全息设备；图2a并且2b示出了依照本发明的全息记录设备；图3示出了依照本发明有益实施例的全息记录设备；图4示出了依照本发明的全息读出设备；图5举例说明了依照本发明第一实施例的用于读出数据页的方法；图6举例说明了依照本发明第一实施例的用于读出数据页的另一方法。
具体实施例方式
图2示出了依照本发明的全息记录设备。所述全息设备包括辐射源100、准直器101、第一分束器102、相位调制空间光调制器201、第二分束器104、透镜105、第一偏转器107和第一望远镜108。所述全息设备意在用于在全息介质106中记录数据。
在全息介质106中记录数据页与图1中描述的记录过程相似。然而，所述信号束是对相位进行调制、而不是对幅度进行调制。为此目的，图1的幅度调制空间光调制器103由相位调制空间光调制器201替代。相位调制空间光调制器201包括调制元件阵列。至少某些调制元件适用于修改通过这些调制元件的部分信号束的相位。
在图2b中，示出了相位调制空间光调制器201的两个调制元件。第一调制元件具有第一折射率n1，而第二调制元件具有第二折射率n2，其中n1不同于n2。在图2b的示例中，第一折射率n1是如此以至通过第一调制元件的部分辐射束的传播不会被所述第一调制元件修改。第二折射率n2是如此以至通过第二调制元件的部分辐射束的传播被所述第二调制元件修改。换言之，第一和第二折射率n1和n2分别是这样的，以至于离开空间光调制器的两部分辐射束之间的相位差被创建。在图2b的示例中，在相位调制空间光调制器201后面的这两部分辐射束之间创建为π的相位差。稍候将描述如何可以在全息读出设备中检测到此相位差。
由此能够借助于相位调制空间光调制器201来编码数据页。相位调制空间光调制器201可以只生成两个不同的相位，诸如0和π，但是也可以生成两个以上不同的相位。为此，相位调制空间光调制器201的调制元件的折射率可以采用两个以上不同的值。相位调制空间光调制器201的例子是包括液晶像素阵列的液晶设备，诸如1000×1000像素的。每一像素的折射率可以由每一像素电极之间施加的电压来控制。数据页被发送给相位调制空间光调制器201，并且把适当的电压施加到液晶像素以便依照信号束来编码数据页。
在“Adaptive Optics Engineering Handbook”(编者为R.K.Tyson)(Marcel Dekker，New York，2000)中在G.D.Love的“LiquidCrystal Adaptive Optics”中描述了这种相位调制空间光调制器的例子。在WO0248800号专利申请中也描述了这种相位调制空间光调制器，该篇申请涉及使用相位调制空间光调制器的全息设备。然而，相位调制空间光调制器被放置在基准分支中，并且基准信号的相位被编码。此相位调制空间光调制器的目的由此在于允许相位编码的多路复用。
在图2a的示例中，使用角度多路复来把不同数据页记录在全息介质106的同一位置处。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，也可以使用其它种类的多路复用。
图3举例说明了依照本发明的另一全息记录设备。此全息设备包括与图2全息设备相同的元件，除了它还包括幅度调制空间光调制器103之外。所述信号束由此可以进行相位和幅度调制。这样做允许依照同一多路复用参数在全息介质106的同一位置记录两个数据页。实际上，利用用于记录数据的全息介质106中的基准束进行干涉的信号束包括幅度信息和相位信息。正如稍候将解释的那样，本发明能够独立地检索相位信息和幅度信息。因此，本发明能够在记录介质106的同一位置处记录两倍于现有技术的信息量的信息。可以把此操作看作是允许记录两个数据页，其中在现有技术中只可以记录一个数据页，或者看作记录单个数据页，但是所述单个数据页可以具有两倍于现有技术数据页的信息量。
应该注意的是，相位调制空间光调制器201和幅度调制空间光调制器103可以形成为一个并且相同的调制组件的一部分。这种调制组件例如包括两个重叠的调制元件阵列，一个用于相位调制而另一个用于幅度调制。这样做具有如下好处，即由于相位调制空间光调制器201和幅度调制空间光调制器103早已在所述调制组件中被对准，所以不必再对准它们。
图4举例说明了依照本发明的全息读出设备。此光学设备包括辐射源100、准直器101、第一分束器102、相位调制空间光调制器201、第二分束器104、透镜105、第一反射镜109、半波片110、第二反射镜111、第二偏转器112、第二望远镜113、检测器114、第三分束器401、诸如光栅402的偏转装置和处理电路403。此光学设备意在用于从全息介质106读数据。
数据页的读出与图1中描述的读出过程相似，除了试探信号是借助于第三分束器401生成并且借助于光栅402导向检测器114以便在重构信号束到达检测器114以前干涉该重构信号束之外。
在读出期间，借助于第一分束器102生成的信号束被相位调制空间光调制器201阻断，因为一个适当的电压被施加到所述相位调制空间光调制器201的像素上。作为选择，可以把另一光学组件加入全息设备、而不是相位调制空间光调制器201，所述光学组件是不透明的。如果全息设备是只读设备，那么就是这种情况。依照本发明，如果全息设备意在记录并且读取数据，那么可以把附加组件放置在全息设备中，所述组件在记录期间可以是透明的而在读出期间是不透明的。这可以是两个电极之间包括电致变色材料的平板的情况。所述相位调制空间光调制器201还可以包括附加电致变色层，通过在两个透明电极之间施加适当的电势差，所述附加电致变色层在读出期间可以是不透明的。
在利用给定多路复用参数读出期间，生成重构信号束，其对应于利用所述多路复用参数记录的数据页。重构信号束的波前等于用于记录所述数据页的相位调制空间光调制器201的波前。重构信号束的波前由此被表示为ψjSLM，其中j对应于多路复用参数。多路复用参数j例如可以是用于记录给定数据页的基准束的角度，不过本发明还可以应用其它种类的多路复用。
试探信号束具有平面波波前，其带有表示为Kprobe的向量。此波前被表示为ψprobe。向量Kprobe取决于光栅402。稍后将论述取决于光栅402的偏转角的向量Kprobe的选择。由于重构信号束和试探信号束在到达检测器114以前发生干涉，所以产生了检测的信号束，其波前是重构信号束和试探信号束波前的总和，即，ψjCCD＝ψjSLM+ψprobe，其中ψjCCD表示检测到的信号束的波前。所述检测器114只对光学波面的幂即|ψjCCD|2敏感。
因此，检测到的信号束的波前可以被写为ψjCCD(R)＝ψjSLM(R)+exp(2πiKprobe.R)exp(iφ)，其中R表示相位调制空间光调制器201的平面中的二维位置坐标，而φ表示重构信号束和试探信号束之间的相位差，这是由于这些光束的光程距离不相等而产生的。
所述检测器114只记录检测到的信号束的强度，即，IjCCD(R)＝|ψjCCD(R)|2＝1+|ψjSLM(R)|2+ψjSLM(R)exp(-2πiKprobe.R)exp(-iφ)+ψjSLM(R)*exp(2πiKprobe.R)exp(iφ)以下描述的方法给出了可以由处理电路403实现的不同例子，所述处理电路403用于从记录在检测器114上的强度中检索ψjSLM(R)的相位。记录在全息介质106中的各个数据位的相位等于ψjSLM(R)的相位，高达无法检测到但是不相关的恒定相移。
图5示出了用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的第一实施例。检测器114上的强度被显示为IjCCD(R)。如果重构信号束的相位是恒定的，那么检测器114上的强度将包括条纹(fringes)，其方位将垂直于向量Kprobe。由于重构信号束的相位不是恒定时，因此检测器114上的强度包括由数据页的各个数据位的相位调制的条纹。因此，检测器的Nx*Ny个像素的数目被选择高于相位调制空间光调制器201的调制元件的数目NSLMx*NSLMy，以便能够检测到这些调相条纹。更确切的说，在平行于试探向量Kprobe的方向上，检测器114的像素数目高于相位调制空间光调制器201的调制元件的数目。在此例子中，Ny大于NSLMy。这可以在检测器114中实现，所述检测器114包括矩形像素，在Kprobe方向的大小小于沿垂直于Kprobe的方向的大小。
所述方法的第一步在于对检测器114上检测到的信号进行傅里叶变换，即，IjCCD(R)的傅里叶变换。IjCCD(R)的傅里叶变换 可以被写为I~jCCD(Ω)=FTR→Ω{IjCCD(R)}=CB(Ω)+SB+(Ω)+SB-(Ω),]]>其中在IjCCD(R)的傅里叶变换中，CB表示中央频带而SB表示两侧频带的每一个。中央频带CB(Ω)对应于1+|ψjSLM(R)|2的傅里叶变换，并且由此包括与重构信号束的波前的幅度有关的信息。侧频带SB+(Ω)和SB-(Ω)分别对应于ψjSLM(R)exp(-2πiKprobe.R)exp(-iφ)和ψjSLM(R)*exp(27πiKprobe.R)exp(iφ)的傅里叶变换。
应该注意的是，中央频带CB(Ω)的频带宽度的最大量是侧频带SB+(Ω)和SB-(Ω)的频带宽度的两倍。中央频带CB(Ω)和侧频带SB+(Ω)以及SB-(Ω)之间的傅里叶频谱距离等于试探向量Kprobe的幅度。因此，试探向量Kprobe的幅度以这样一种方式选择以便中央频带CB(Ω)以及侧频带SB+(Ω)和SB-(Ω)在傅里叶频谱中不交叠。
侧频带SB+(Ω)和SB-(Ω)彼此复共轭，这是因为它们由实值图像的二维傅里叶变换产生。因此，它们正好携带相同的信息。所述方法的第二步骤包括选择其中一个侧频带，诸如SB+(Ω)。然后，把所选择的侧频带最好相对于其中点中心定位，即，值SB+(Ω-Kprobe)被计算。
所述方法的第三步骤在于计算SB+(Ω-Kprobe)的反向傅里叶变换。这允许检索重构信号束的波前ψjSLM(R)＝FTΩ→R{SB+(Ω-Kprobe)}此数量包含重构信号束的波前的幅度和相位信息。在图5的示例中，只有信号束的相位被调制。此方法允许检索利用多路复用参数j记录的数据页的各个数据位的相位。如果信号束的幅度也被调制，那么此方法还允许检索利用多路复用参数j记录的数据页的各个数据位的幅度。
应该注意的是，中央频带CB(Ω)的信息还可以被处理，以便检索利用多路复用参数j记录的数据页的各个数据位的幅度。当信噪比较低时，此操作是十分有用的，因此将其与通过处理侧频带SB+(Ω)的信息所获得的幅度信息相结合是十分有益的。为此，中央频带CB(Ω)被选择，并且CB(Ω)的反向傅里叶变换被计算。
图6示出了依照本发明的用于读出数据页的另一实施例。在此实施例中，在检测器114上检测多个数据页，其中每个都具有不同试探向量。在图6的示例中，把三个不同的试探向量用于检测全息介质106的三个连续数据页。用于重构利用多路复用参数j记录的数据页的基准信号被第一试探向量Kprobej干涉，并且在检测器114上检测得到的信号。用于重构利用多路复用参数j+1记录的数据页的基准信号被第二试探向量Kprobej+1干涉，并且也在检测器114上检测得到的信号。这意味着这两个信号被添加到检测器114上。对于多路复用参数j+2执行同样的操作，其中使用了第三试探向量Kprobej+2。三个试探向量的方向彼此不同。
然后，执行在检测器114上检测的信号的傅里叶变换。得到的傅里叶变换包括中央频带CB(Ω)和六个侧频带SB+j(Ω)、SB-j(Ω)、SB+j+1(Ω)、SB-j+1(Ω)、SB+j+2(Ω)和SB-j+2(Ω)。然后，侧频带SB+j(Ω)、SB+j+1(Ω)和SB+j+2(Ω)被选择，并且最好在如图5所描述的定中心操作之后来执行这些侧频带的反向傅里叶变换。这样做允许检索有关已经分别利用多路复用参数j、j+1和j+2记录的三个数据页的幅度和相位信息。
这实施例十分有益，这是因为它减少了检索幅度和相位信息所需的必要处理过程。实际上，在所述方法的第一步中仅仅需要一个正向傅里叶变换。所述正向傅里叶变换是最复杂的一个，这是由于它在检测器114的完整视野之上进行。
其它方法也可以用于检索调相的数据页的各个数据位的相位。以下基于图4的全息读出设备来描述另一例子。此方法使用相位步进过程。在以下描述的示例中，各个数据位的相位只得是0或者π。
在这些方法中，所述试探信号束具有统一的波前，即，试探向量Kprobe是零向量。因此，检测器114上的强度是Ij，φCCD(R)＝1+|ψjSLM(R)|2+2|ψjSLM(R)|cos(SLM(R)-φ)，其中SLM(R)是将检索的波前ψjSLM(R)的相位。相位步进过程在于改变相位φ并且对于不同值的φ来测量强度Ij，φCCD(R)。在此例子中，仅仅需要两个φ值。相位φ可以通过改变试探信号束的光程、例如通过移动放置在第三分束器402和检测器114之间的反射镜来改变。在此例子中，第一相位φ1被选择以便φ1≠(2n+1)π/2。第二相位φ2被选择以便φ2-φ1＝π。在检测到Ij，φ1CCD(R)以及Ij，φ2CCD(R)之后，对于每个R测量值Ij，φ1CCD(R)-Ij，φ2CCD(R)Ij，φ1CCD(R)-Ij，φ2CCD(R)＝4|ψjSLM(R)|cos(SLM(R)-φ1)Hence，Ij，φ1CCD(R)-Ij，φ2CCD(R)＝4|ψjSLM(R)|cos(φ1)ifSLM(R)＝0 andIj，φ1CCD(R)-Ij，φ2CCD(R)＝-4|ψjSLM(R)|cos(φ1)ifSLM(R)＝π因此，差Ij，φ1CCD(R)-Ij，φ2CCD(R)的符号表明SLM(R)＝0还是π。虽然已经针对重构信号束的二进制波前来描述了使用相位步进过程的这种方法，即，其中SLM(R)只得采用两个不同的值，但是此方法还可以应用非二进制的波前。在该情况下，更多相位φ必须被选择，以便检索调相的数据页的各个数据位的相位。在D.Malacara，ed.，JohnWiley & Sons于1992年在纽约提出的“Optical Shop Testing”中比较详细地描述了此操作。
以下将描述一种用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的其它方法。此方法不像上文描述的方法那样需要试探信号束。对于相同的调相的数据页来说，可以在检测器114上检测到不同的重构信号束。由于光学参数在全息读出设备中被改变，所以可以实现。例如，可以改变重构信号束的焦点。对于不同重构信号束而言，可以通过对检测器114上检测到的不同信号进行特定分析来检索调相的数据页的各个数据位的相位。这种方法在其它技术领域诸如高分辨电子显微术中是已知的。例如在1996年出版的Ultramicroscopy的64卷中的“SpecialIssue of Ultramicroscopy on Brite-Euram Project No.3322”，“Towards One-Angstrom Resolution”中描述了这些内容。
依照本发明的用于读出调相的数据页的方法可以在集成电路中实现，所述集成电路意在被集成到全息设备中。载入程序存储器的一组指令使所述集成电路实现用于读出数据页的方法之一。该组指令可以存储在诸如盘之类的数据载体上。该组指令可以从所述数据载体中读取，以便将其载入集成电路的程序存储器中，稍候将履行其作用。
在随后权利要求中的任意参考标记都不应看作是对权利要求的限制。很显然，使用动词“包括”及其动词变化不排除存在除任何权利要求中定义的那些元件之外的其他元件。元件前面的词语“一”或者“一个”不排除存在多个这种元件的可能。
权利要求
1.一种用于在全息介质(106)中记录数据页的光学全息设备，所述设备包括用于生成信号束的装置(100)，用于调制所述信号束的相位以便编码所述数据页的装置(201)以及用于使所述调制的信号束与所述全息介质内的基准束相干涉的装置(102，107，108)。
2.如权利要求1所述的光学全息设备，还包括用于调制所述信号束的幅度的装置(103)。
3.一种包括至少一个调相的数据页的全息介质。
4.如权利要求3所述的全息介质，还包括至少一个调幅的数据页。
5.一种用于读出如权利要求3所述的全息介质的全息设备，所述全息设备包括用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置(401，402，114，403)。
6.如权利要求5所述的全息设备，所述设备包括用于生成基准信号的装置(100，102)，用于把所述基准信号朝向所述全息介质引导以便生成调相的重构信号束的装置(109，111，112，113)，用于检测所述调相的重构信号束的装置(114)，用于生成试探信号的装置(401)以及用于在调相的重构信号束到达检测装置之前使所述试探信号与所述调相的重构信号束相干涉的装置(402)。
7.如权利要求6所述的全息设备，还包括用于计算在检测装置上检测到的信号的傅里叶变换的装置，所述傅里叶变换包括中央频带和两个侧频带，并且包括用于计算至少一个侧频带的反向傅里叶变换以便检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。
8.如权利要求6所述的全息设备，还包括用于改变所述试探信号的相位以便借助于相位步进过程来检索调相的数据页的各个数据位的相位的装置。
9.一种用于读出如权利要求3所述的全息介质的方法，所述方法包括用于检索调相的数据页的各个数据位的相位的步骤。
10.一种包括一组指令的计算机程序，当把所述指令载入处理器或计算机时，令处理器或计算机执行如权利要求9所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于在全息介质(106)中记录数据页的光学全息设备。所述设备包括用于生成信号束的装置(100)，用于调制信号束的相位以便编码数据页的装置(201)以及用于使调制的信号束与全息介质内的基准束相干涉的装置(102，107，108)。本发明还涉及一种相应的全息读出设备，涉及一种用于读出调相的数据页的方法，并且涉及一种包括至少一个调相的数据页的全息介质。
文档编号G03H1/10GK1890722SQ200480036385
公开日2007年1月3日 申请日期2004年11月26日 优先权日2003年12月8日
发明者W·克内, S·斯塔林加 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司