CN101562020B - 具有降低的噪音的全息存储*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有降低的噪音的全息存储***，涉及读和/或写透射型全息存储介质(19)的装置(1)，更具体地说，涉及使用两束或更多基准光束(7′、7″)来读和/或写透射型全息存储介质(19)的具有改善的信号噪音比的同轴型装置(1)。装置(1)具有两束或更多基准光束(7′、7″)和一束物体光束(8)或重建的物体光束(21)的同轴配置。基准光束(7′、7″)布置在一个圆上，该圆围绕全息存储介质(19)后装置(1)的傅里叶平面中的物体光束(8)或重建的物体光束(21)。镜子(27)位于该傅里叶平面中或接近该傅里叶平面，设计成反射物体光束(8)或重建的物体光束(21)，但不反射基准光束(7′、7″)。

Description

具有降低的噪音的全息存储***
技术领域
本发明涉及读和/或写全息存储(holographic storage)介质的装置，更具体地说，涉及使用两束或更多基准光束来读和/或写全息存储介质的具有改善的信号噪音比的同轴型装置。
背景技术
在全息数据存储中，通过记录由两束相干激光光束的叠加而生成的干涉图样来存储数字数据，其中一束光束即所谓的“物体光束”被空间光调制器调制，并持有待记录的信息。第二光束用作基准光束。干涉图样导致存储材料的具体性质的改变，这取决于干涉图样的局部强度。通过使用与记录期间相同的条件以基准光束来照射全息图，而进行对所记录的全息图的读取。这导致所记录的物体光束得以重新建立。
全息数据存储的一个优势是数据容量得以增加。与传统的光存储介质相反，全息存储介质的体积(volume)被用于存储信息，而不仅仅是几个层。全息数据存储的另一个优势是，能例如通过改变两束光束之间的角度或通过使用偏移多路复用技术等，在相同体积中存储多个数据。此外，数据存储为数据页，而不是存储为单个比特。通常，数据页由将多个比特编码的明暗图样(light-dark-pattern)的矩阵即二维二进制数组或灰度值数组构成。这除了能使存储密度增加以外，还能使数据率增加。数据页被空间光调制器(SLM)印记到物体光束上，并被检测器阵列检测。
WO 2006/003077中公开了一种具有三个共焦地布置的傅里叶平面的12f反射型同轴全息存储配置。在该配置中，物体光束和基准光束分别在第一和第三傅里叶平面耦合(couple in)和分离(couple out)。基准光束在这些平面中是小斑点。更确切地说，它们形成类似于艾里图样(Airy pattern)的衍射图样。该配置是所谓的共用光圈配置，因为在物面和像面，物体光束和基准光束充填光圈的相同区域。光束充填物镜的整个光圈。所公开的配置允许应用偏移多路复用技术(shift multiplexing)、基准扫描多路复用技术(reference scanning multiplexing)、相位编码多路复用技术(phase codedmultiplexing)或这些多路复用技术方案的组合。基准光束是一对(或多对)半锥形光束。所述一对或多对半锥形基准光束的尖端在物体光束的傅里叶平面沿直径形成两条线。
理论上，对于无限全息图，偏移选择性曲线(shift selectivity curve)是sinc(x)式函数。见，例如，G.Barbastathis等人的《使用球形基准波的偏移多路复用技术》，Appl.Opt.35，2403-2417页。在所谓的布拉格距离(Braggdistance)，偏移全息图的衍射效率为零。在WO 2006/003077中，沿两条线的基准光束的尖端之间的距离对应于布拉格距离。理论上，多路复用全息图之间的交互全息图串扰(interhologram crosstalk)在布拉格距离可忽略不计。假定无限直径全息图，对于偏移多路复用技术，有选择性和非选择性方向。再次见G.Barbastathis等人的文章。选择性方向是由基准光束的尖端形成的线的方向。在正交于全息图的平面中选择性方向的所谓非选择性方向上，偏移距离是无限的。然而，在真实存储***中，全息图的体积是有限的。实际上，全息图体积的数量级约为(0.4-0.6)×(0.4-0.6)×(0.2-0.6)mm3。详细调查表明无限全息图和有限全息图的偏移选择性曲线之间存在较大差异。在有限体积全息图的情况下，不存在布拉格距离。见Z.Karpati等人的《使用半锥形基准光束的有限体积全息图的偏移选择性计算》，Jap.J.Appl.Phys.，卷45(2006)，1288-1289页。使用有限体积全息图，选择性的数量级在两个方向上相似。见，例如，Z.Karpati等人的《体积全息存储中使用半锥形基准光束的选择性和公差计算》，J.Mod.Opt.，卷53(2006)，2067-2088页。在两个方向上存在选择性能实现二维多路复用技术。一个问题是，在非选择性方向上交互全息图串扰过高。这限制该方向上的多路复用全息图的可达成数量，从而限制全息存储介质的总容量。
为获得改善的选择性，尚未公开的欧洲专利申请EP 06122233.7中描述了一种使用同轴配置的三束或更多基准光束和一束物体光束或重建的(reconstructed)物体光束来读和/或写反射型全息存储介质的装置。在该装置中，基准光束在该装置的傅里叶平面中绕物体光束布置在圆或椭圆上。为了将重建的物体光束与反射的基准光束分开而使用了分离(outcoupling)滤波器，它遮断反射的基准光束并经由中间光圈使重建的物体光束通过。
因为物体光束和基准光束沿相同光路传播，所以各种同轴全息存储***的主要优势是它们对环境扰动不敏感。与透射型全息存储介质的***尺寸相比，使用反射型全息存储介质能实现降低***的尺寸，这是因为所有光学元件都布置在全息存储介质的相同侧。此外，对偏移多路复用技术来说无需附加硬件。全息存储介质的精确移动就已足够，这能通过旋转全息存储介质而轻松地实现。
然而，对于反射型同轴***的一大挑战是，通过使在与重建的物体光束的相同轴线上传播的不同噪音衰减来增加信号噪音比(SNR)。因为多路复用全息图的衍射效率小，所以所需衰减的数量级约为10-4或10-5。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种使用同轴配置的两束或更多基准光束和一束物体光束或重建的物体光束来读和/或写全息存储介质的具有改善的信号噪音比的装置。
根据本发明，通过使用同轴配置的两束或更多基准光束和一束物体光束或重建的物体光束来读和/或写透射型全息存储介质的装置来实现该目的，所述基准光束布置在一个圆上，该圆围绕所述全息存储介质后所述装置的傅里叶平面中的所述物体光束或所述重建的物体光束，其中镜子位于所述傅里叶平面中或靠近所述傅里叶平面，所述镜子设计成反射所述物体光束或所述重建的物体光束，但不反射所述基准光束。
已经发现的是，对于共用光圈***，物体光束的反射对增加信号噪音比，或者对降低比特差错率(BER)或符号差错率(SER)很重要。因此，希望维持反射型***。然而，反射的基准光束在***的光学部件的表面被散射和衍射，导致噪音，从而有必要过滤掉反射的基准光束。
本发明通过使用透射型全息存储介质连同全息存储介质后傅里叶平面中的特殊设计的镜子来克服该问题。只有物体光束或重建的物体光束朝检测器反射回到***中。一形成全息图后或重建物体光束后，基准光束就在傅里叶平面被分离(coupled out)。由于基准光束并不朝检测器传播，在检测器表面上由基准光束引起的衍射噪音得以降低。同时，只有相对简单的镜子安置在透射型全息存储介质后。因此，该***的尺寸与全部光学元件位于全息存储介质相同侧的反射型***相比并未显著改变。
有利地，镜子是直径小于布置基准光束的圆的直径的圆形镜子。由于基准光束绕物体光束或重建的物体光束布置，足以将镜子的直径降低到基准光束不再被反射的程度。这优选通过提供在适当的圆形区域具有反射涂层的透明或吸收性基底而获得。
优选地，镜子用作物体光束或重建的物体光束的傅里叶滤波器。这能通过将镜子的直径进一步降低到使它不再反射物体光束或重建的物体光束的较高的傅里叶分量(Fourier component)的程度而实现。在该情况下，镜子是针孔傅里叶滤波器的反射等同物。
或者，镜子的尺寸大于布置基准光束的圆的直径。在该情况下，非反射区域至少位于镜子上基准光束的位置。非反射区域优选为能被轻松地制造的无反射涂层的区域，或者衍射或折射结构。在后两种情况下，所述结构能实现将基准光束导引到所需方向，以例如控制基准光束的强度。
优选地，镜子机械地或电子地接合到物镜(objective lens)。该装置具有将物体光束和基准光束聚焦到全息存储介质中的物镜。该物镜一般可移动以聚焦和跟踪(tracking)，这意味着物体光束或重建的物体光束以及基准光束的位置改变。镜子与物镜的接合确保物体光束或重建的物体光束以及基准光束在镜子上的正确定位。
有利地，该装置具有四束基准光束。数值模拟表明这是基准光束的最佳数量。
附图说明
为便于理解，将在以下描述中参考附图详细地说明本发明。应理解的是，本发明并不局限于该示例性实施方式，在不背离本发明范围的情况下，还可适当地组合和/或修改所指定的特征。图中：
图1示出已知的同轴反射型全息存储***的简化配置；
图2示出具有环形半波板的耦合滤波器的截面图；
图3示出四束基准光束情况下的耦合滤波器的俯视图；
图4示出本发明的同轴反射型全息存储***的简化配置；
图5示出位于全息存储介质处的物体光束和基准光束的放大侧视图；
图6示出位于全息存储介质后傅里叶平面中的圆形镜子的俯视图；
图7示出位于全息存储介质后傅里叶平面中的镜子的替代解决方案；
图8示出位于全息存储介质后傅里叶平面中的镜子的另一解决方案；
图9示出位于全息存储介质后傅里叶平面中的镜子的再一解决方案。
具体实施方式
图1示出了已知的同轴反射型全息存储***1的简化配置。为简单起见，图中省略了集成的伺服***。在该示例中，全息存储***是12f***。由激光器2发出的激光光束3被可选的光束扩大器4扩大，并被PBS立方体(偏振光束分离器立方体，polarizing beam splitter cube)6分成基准光束7和物体光束8。半波板(half wave plate)5位于光束扩大器4和PBS立方体6之间。激光器2发出线性偏振激光光束3。通过旋转半波板5，能将激光光束3的偏振方向旋转成任意方向。PBS立方体6将激光光束3分成两束正交的偏振(P和S偏振)激光光束7、8。半波板5的旋转能实现控制P和S偏振光束的光束强度比即物体臂和基准臂中的强度比。为使读出衍射效率(readout diffraction efficiency)最佳化，希望的是使记录期间的强度比最佳化。物体光束8被PBS立方体6导引到反射型SLM 9上。反射型SLM9不但将数据页印记于物体光束8上，而且还改变物体光束8的偏振方向。在这点上，反射型SLM 9起半波板的作用。从SLM 9反射后，物体光束8经过PBS立方体6，并与基准光束7结合。在基准光束7的光路中有四分之一波板(quarter wave plate)10和反射型衍射光束发生器11。光束发生器11反射两个或更多明确的衍射级(well-defined diffraction order)，所述衍射级是沿明确的方向传播的圆形倾斜平面波。数值模拟表明基准光束的最佳数量是4。因此，光束发生器11优选生成四束基准光束7′、7″，图中示出两束。还由于光束发生器11的实际实现(practical realization)，出现零级(zero-orde)衍射光束，虽然具有低衍射效率。该光束在光学***的其余部分得以抑制。
如前所示，物体光束8和基准光束7′、7″被PBS立方体6耦合成主同轴配置。继该PBS立方体6后有第一长焦距物镜12。该情况下的长焦距是指焦距长到可在透镜和焦点之间安置附加光学部件而不会有过多像差。长焦距物镜具有的优势是，它们的制造简单以及只需较少光学元件。此外，长焦距物镜的傅里叶平面(Fourier plane)的直径大，这由于降低了制造公差而简化放入傅里叶平面中的滤波器的制造。该第一物镜12在它的后聚焦面(back focal plane)生成SLM 8的傅里叶变换(Fourier transform)，该后聚焦面是12f***的第一傅里叶平面以及SLM 8的傅里叶平面。第一物镜12还将多束基准光束7′、7″聚焦到第一傅里叶平面中。位于该第一傅里叶平面中的是耦合滤波器(in-coupling filter)13，它设计成将物体光束8低通滤波，并在不旋转基准光束的零级分量(zero order component)的偏振的情况下旋转基准光束7′、7″的偏振。耦合滤波器13将在下面参考图2和3详细地说明。
当经过耦合滤波器13后，物体光束8和基准光束7′、7″经过第二PBS立方体14。由于基准光束的零级分量正交于其它光束7′、7″、8，第二PBS立方体14使低通滤波后的物体光束8和衍射后的基准光束7′、7″透过，但将基准光束的零级分量反射出光学***。PBS立方体14后的第二长焦距物镜15将SLM图像重新变换(retransform)到中间物面16上，并从聚焦的基准光束7′、7″再次生成圆形倾斜平面波。高NA傅里叶物镜17将SLM图像变换到位于第二傅里叶平面30中的全息存储介质19的镜子层20上。用由伺服电路32控制的致动器31来调节高NA傅里叶物镜17的位置。在写入期间，物体光束8在全息存储介质19的全息图层29内与直射的(direct)基准光束7′、7″以及被镜子层20反射的基准光束干涉。在读取期间，重建的物体光束21被高NA傅里叶物镜17重新变换到中间像面16上。为便于阐明，如图中，重建的物体光束21与物体光束8重合，重建的物体光束21的引用标号画在PBS立方体14后。四分之一波板18位于高NA傅里叶物镜17和全息存储介质19之间。由于光束经过该四分之一波板18两次，重建的物体光束21的偏振方向正交于原始的物体光束8的偏振方向。重建的物体光束21再次被第二长焦距物镜15傅里叶变换。由于偏振的旋转，PBS立方体14将重建的物体光束21反射到位于12f***的第三傅里叶平面中的分离(out-coupling)滤波器22上。分离滤波器22遮断反射的基准光束，因此只有重建的物体光束21被第三长焦距物镜23成像到检测器阵列24上。
图2示出位于12f光学***的第一傅里叶平面中的耦合滤波器13的截面图。它包括：具有用于物体光束8和零级基准光束的直径为D3的中间光圈132的光束挡块130，如薄黑色金属板或具有反射或吸收层的透明基底；和用于基准光束7′、7″的直径为d的孔131。环形半波板133布置在光束挡块130上。环形半波板133具有直径为D2的中间光圈134。物体光束8和基准光束的零级分量经过该中间光圈134而没有任何改变，并且还经过光束挡块130的中间光圈132。中间光圈132用作物体光束8的低通滤波器，因为它切断物体光束8的较高的傅里叶分量。剩余的基准光束7′、7″经过半波板133，该半波板133使这些光束7′、7″的偏振方向旋转。在第一傅里叶平面前，基准光束7′、7″和物体光束8的偏振方向正交。环形半波板133使衍射的基准光束7′、7″的偏振方向旋转，而基准光束的低能量零级分量保存其偏振方向。绕光束挡块130的中间光圈132布置在直径为D1的环上的是用于衍射的基准光束7′、7″的孔。因此，位于第一傅里叶平面中的滤波器13使衍射的基准光束7′、7″以及基准光束的零级分量透过，并且还使低通滤波后的物体光束8透过。因为环形半波板133，基准光束的零级分量的偏振方向正交于其它光束7′、7″、8的偏振方向。因此，滤波器13后的PBS立方体14使低通滤波后的物体光束8和衍射后的基准光束7′、7″透过，而将基准光束的零级分量反射出光学***。在图中，中间光圈132是圆形的，这最适合光学配置的透镜的圆形光圈。然而，例如，当基准光束7′、7″的尖端布置在椭圆上时，光圈132还可以是椭圆形的。此外，光圈还可以具有正方形或矩形形状，这以其正方形或矩形像素而较适合SLM 9的衍射图象。用于基准光束7′、7″的光圈131可为可切换的光圈。这有利于特殊的多路复用技术方案。
图3示出用于四束基准光束7′、7″的情况的耦合滤波器13的光束挡块130的俯视图。用于基准光束7′、7″的孔131布置在直径为D1的圆上。中间光圈132的直径是D3。直径差(D1-D3)约为40-100μm。用于基准光束7′、7″的孔131的直径d约为10-100μm。当然，基准光束7′、7″的数量并不局限于四束基准光束7′、7″。
图4示出本发明的同轴反射型全息存储***1的简化配置。该***1大致与图1的***相同。然而，代替具有反射层20的反射型全息存储介质19，使用的是具有透明基底25的透射型全息存储介质19。高NA傅里叶物镜17将SLM图像经由透射型全息存储介质19变换到第二傅里叶平面30上。位于该第二傅里叶平面30中的是布置在透明基底26上的特殊形状的镜子27。镜子27具有直径大致等于低通滤波后的物体光束8的直径的圆形形状。这意味着镜子27是傅里叶滤波器光圈的反射型等同物。镜子27反射物体光束8，而聚焦的基准光束7′、7″经由透明基底26在该镜子27附近离开该***。同样能使用吸收性基底代替透明基底26。只需确保基准光束7′、7″不被反射回到该***。由于高NA傅里叶物镜17被致动器31移动，镜子27必须跟随该移动，即高NA傅里叶物镜17和镜子27相对于彼此固定。这通过机械地接合镜子27和高NA傅里叶物镜17或者通过为镜子27设置附加致动器33而获得。该附加致动器33通过高NA傅里叶物镜17的伺服电路32控制，或者通过附加伺服电路34控制。附加伺服电路34优选使用透过的基准光束7′、7″来控制镜子27的位置。
图5示出了位于全息存储介质19处的基准光束7′、7″和物体光束8的放大侧视图。在全息图的写入期间，直射和反射的物体光束8与直接聚焦的基准光束7′、7″重叠，并在存储材料29中形成干涉图样(全息图)。
在读取期间，只有基准光束7′、7″照射全息图。重建的直射和反射物体光束21被高NA傅里叶物镜17重新变换到中间像面16上。不存在反射的基准光束，因为聚焦的基准光束7′、7″不被镜子27反射。
图6示出了圆形镜子27的俯视图。镜子27布置在透明或吸收基底26上。小圆形区域28表示基底26上的四束基准光束7′、7″的位置。可以看出，基准光束7′、7″并未照射到镜子27上。
同样能使用带孔的较大的镜子代替小圆形镜子27来使基准光束7′、7″透过。这在图7中示出。整个基底26除基准光束7′、7″的位置28外设置有反射涂层。然而，在该情况下，镜子27并不起物体光束8的傅里叶滤波器的作用。此外，还能在基准光束7′、7″的位置28处使用衍射或折射结构(如光栅或棱镜)将基准光束7′、7″分离出去，而不是通过使基准光束7′、7″穿过基底26而将它们分离到***外部。
为避免高NA傅里叶物镜17和镜子27的接合，能增加镜子27的尺寸。这在图8中示出。如果物体光束8或重建的物体光束21与基准光束7′、7″之间的距离不过小，则高NA傅里叶物镜17的微小移动不需要补偿。物体光束8或重建的物体光束21保留在镜子27上，而基准光束7′、7″仍然未照射到镜子27上。
图9示出对镜子27的进一步改善的解决方案，其允许高NA傅里叶物镜17的更大移位。在该情况下，镜子被进一步放大，但是具有用于基准光束7′、7″的特殊切口。

Claims (9)

1.一种使用同轴配置的多束基准光束(7′、7″)和一束物体光束(8)或重建的物体光束(21)来读和/或写透射型全息存储介质(19)的装置(1)，所述基准光束(7′、7″)布置在一个圆上，该圆围绕所述全息存储介质(19)后所述装置(1)的傅里叶平面中的所述物体光束(8)或所述重建的物体光束(21)，其特征在于，镜子(27)位于所述傅里叶平面中或靠近所述傅里叶平面，其中所述镜子(27)设计成反射所述物体光束(8)或所述重建的物体光束(21)，但不反射所述基准光束(7′、7″)。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其中，所述镜子(27)是直径小于布置所述基准光束(7′、7″)的所述圆的直径的圆形镜子。
3.如权利要求2所述的装置(1)，其中，所述镜子(27)是用于所述物体光束(8)或所述重建的物体光束(21)的傅里叶滤波器。
4.如权利要求2所述的装置(1)，其中，所述镜子(27)布置在透明或吸收性基底(26)上。
5.如权利要求1所述的装置(1)，其中，所述镜子(27)的尺寸大于布置所述基准光束(7′、7″)的所述圆的直径，并且非反射区域至少位于所述镜子(27)上所述基准光束(7′、7″)的位置(28)。
6.如权利要求5所述的装置(1)，其中，所述非反射区域是没有反射涂层的区域。
7.如权利要求1所述的装置(1)，其中，所述镜子(27)机械地或电子地接合到物镜(17)。
8.如权利要求1所述的装置(1)，其中，所述装置具有四束基准光束(7′、7″)。
9.如权利要求5所述的装置(1)，其中，所述非反射区域是衍射或折射结构。
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