讀取全息圖的設備和方法以及讀取和寫入全息圖的設備的製作方法

2023-08-07 03:23:26

專利名稱：讀取全息圖的設備和方法以及讀取和寫入全息圖的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於從全息存儲介質讀取數據全息圖的設備及方法，且涉及用於從全 息存儲介質讀取數據全息圖以及將數據全息圖寫入到全息存儲介質的方法。
背景技術：
在全息數據存儲中，通過記錄由兩個相干雷射束疊加產生的幹涉圖案來存儲數字 數據。在一個光束，所謂的「物光束」，被空間光調製器(SLM)調製且攜帶將被記錄的信息/ 數據的情形，第二光束作為參考光束。幹涉圖案導致存儲材料的具體屬性的更改，其取決於 幹涉圖案的局部強度。通過利用與記錄時相同的條件，用參考光束照明全息圖來執行記錄 的全息圖的讀取。這導致已記錄的物光束重構(reconstruction)，所謂的重構物光束被探 測器陣列探測。全息數據存儲的一個優點是增加的單位體積數據容量以及更高的數據傳輸率。取 代存儲單個位，如從諸如CD或DVD的傳統介質所知的，數據被存儲為數據頁。典型地，數據 頁由編譯多個位的亮暗圖案(light-dark-patterns)的矩陣構成，即，二維二進位陣列或 灰度值陣列。除了增加數據存儲密度之外，這允許實現數據速率的增加。傳統的光學存儲介質僅採用單個或少數幾個數據存儲的2維層。相反，在全息數 據存儲介質中，介質的體積而不是層被用於存儲數據。此外，當向其寫入數據時，數據存儲 的材料的體積沒有完全用盡。全息數據存儲的優勢是可能在同一體積內存儲多個數據。這 例如通過被稱為角分復用(anglemultiplexing)的、改變物光束與參考光束之間的角度而 實現。被稱為移位復用(shifting multiplexing)的另一選擇，在確實大部分地相互重疊 的後續全息圖之間施加微小的移位。例如通過存儲材料的移動執行移位復用。文件CH 681 117 A5公開了用於一種將條形碼記錄成全息圖的方法和設備。在此 文件中，規定為了讀取全息圖，不需要時間相干性。然而，這是不正確的。從此文件的圖8 中可看到，在產生特定像點的光線之間存在顯著光程差。時間相干長度必須大於該距離乘 以光速。然而，由於時間相干性，重構的物光束遭受與全息數據存儲的設備的光學設置內 部的雜散光的幹擾效應。這樣的幹擾效應的結果是擾亂重構的物光束，其又導致數據讀取錯誤。

發明內容
因此，本發明的目的是提供從全息存儲介質讀取全息圖的設備和方法，以及從全 息存儲介質讀取全息圖和將全息圖寫入存儲介質的設備，其改善了數據讀取錯誤率。通過獨立權利要求的主題解決了這個問題。本發明優選的實施例是從屬權利要求 的主題。考慮到這個目的，提供了從全息存儲介質讀取全息圖和將全息圖寫入存儲介質的 設備，其採用都具有第一相干長度的物光束和參考光束，且其沿將被成像到全息存儲介質的光學設置的分離的光學分支引導。所述設備包括減小參考光束的相干長度到第二相干長 度的裝置，以從全息存儲介質讀取全息圖，其中第二相干長度小於第一相干長度。前述設備的構思是基於下面的考慮通過物光束和參考光束的相長和相消幹擾產生全息圖。幹涉效應可僅對於相干的 雷射束被觀察到，即，幹擾光束的相干長度應該大於或等於兩個相干光束的光程差。寫入過 程中採用的相干長度稱為第一相干長度。在讀取過程中，採用具有第二相干長度的雷射光 束o已發現重構的物光束中的幹擾部分歸因於幹擾重構的物光束的光學設置內的相 幹雜散光。通過減小讀取全息圖的參考光束的相干長度應對這個問題。相干長度被設置到比 寫入全息圖的第一相干長度短的第二相干長度。因此，由光學設置內的參考光束的反射引 起的雜散光與重構的物光束之間的幹涉效應被顯著降低。讀取和寫入全息圖的設備是有優勢的，因為數據讀取錯誤被顯著降低。一般地，在 完全相長幹涉的情況下，兩個相同強度的相干光束之間的幹涉導致顯示峰強度是初始光束 的四倍高的光束。在兩個雷射光束的相干長度太短而不能引起幹涉效應的情況下，兩個激 光光束的疊加導致僅強度的相加。在讀取全息圖的設備中，疊加的雜散光和重構物光束導 致僅各個強度相加，對比地，在相干幹涉的情況下可能以二次方強度極大提升。說到數據頁形式的全息圖，幹涉導致像素錯誤，即數據位錯誤，由於這樣一個事 實由於與相干雜散光的相長或相消幹涉，改變單個或一對數據頁的像素的強度是可能的。 在僅有非相干雜散光與重構物光束疊加的情況下，效應會顯著減弱。根據第一實施例，第二相干長度短於或等於全息存儲介質內的全息圖與所述全息 存儲介質外的最近的光學表面之間的距離，其中該距離是在物和參考光束的傳播方向上確 定的。當考慮發射雜散光時，第一步是確定反射各雜散光的光學表面。在讀取過程中幹涉 光束的相干長度比從全息圖到最鄰近的表面的距離短的情況下，重構光束和所述雜散光不 可能顯示相長或相消幹涉效應。僅有的相互作用可能僅是光強的增加，其導致的背景水平 (backgroundlevel) ±曾力口，如前所述。然而，根據另一實施例，第二相干長度，即在讀取過程中採用的相干長度，大於或 等於全息存儲材料的厚度，其中該厚度是在物光束和參考光束的傳播方向上確定。根據前 述實施例，讀取過程的可靠性被顯著提高，因為相干幹涉對於物光束的重構極其必要。因此，以上提到的考慮和優勢適用於從全息存儲介質讀取全息圖的設備和方法。所述設備包括雷射二極體，產生具有短於或等於全息存儲介質內的全息圖與所述 全息存儲介質外的最近光學表面之間的距離的相干長度的參考光束，其中距離是在物光束 和參考光束的傳播方向上確定的。從全息存儲介質讀取全息圖的所述方法應用由雷射二極體產生的參考光束，其中 參考光束具有短於或等於全息存儲介質內的數據全息圖與全息存儲介質外的最近光學表 面之間的距離的相干長度。距離是在物光束和參考光束的傳播方向上確定的。當考慮雜散光的發射時，第一步是確定引起參考光束反射而導致相干雜散光的光 學表面。讀取過程中的參考光束的相干長度短於從全息圖到最近光學表面之間的距離的情 況下，重構的光束和所述雜散光不可能顯示幹涉效應。僅有的相互作用可能如前面討論的僅是光強的增加，其導致弱得多的效應。


為更好的理解，現將在下面的描述中參考附圖更具體地解釋本發明。應理解本發 明不限於此示範性實施例，且其具體的特性也可在不偏離如所附權利要求定義的本發明的 範圍的情況下被適當地組合和/或修改。圖1顯示從全息存儲介質讀取數據和將數據寫入到全息存儲介質的設備。圖2顯示圖1中的光學設置的細節視圖，且圖3顯示在用高和低的相干參考光束讀取的情況下，「開」和「關」像素的示意全息 圖。附圖標記說明1 光束2 設備4全息存儲材料6雷射器8控制單元10a、10b 快門12第一分支13參考光束14第二分支15物光束16分束器18空間光調製器20全息存儲介質22重構物光束24第二分束器26陣列探測器28 基板30 物鏡32、34 峰D全息存儲材料的厚度S1. . . S3 距離N像素數目I 強度10 閾值
具體實施例方式下面，將參照附圖更具體地解釋本發明。圖中類似或對應的細節被標以相同的參 考標號。應理解本發明不限於示範性實施例，具體特性可被適當地組合和/或修改，而不偏離本發明。在全息數據存儲中，通過記錄由兩個相干光束，物光束和參考光束，產生的幹涉圖 案存儲數字數據。圖1顯示將全息圖寫入全息存儲介質20和從全息存儲介質20中讀取全 息圖的設備2的示範性設置。設備2包括光源，優選具有外部空腔(未示出)的雷射二極體6，其發射雷射光束 1，雷射光束1被分束器16分成參考光束13和物光束15。兩個光束13、15沿分離的光學分 支引導。第一分支12被用以將參考光束13引導到全息存儲介質20，而第二分支14用於物 光束15。雷射二極體6的相干長度由控制單元8控制，控制單元8還控制分別位於第一分 支和第二分支12、14的兩個快門10a、10b。在寫入過程中，控制單元8設置雷射二極體6到第一幹涉長度，且兩個快門10a、 10b是打開的，而在讀取過程中，雷射二極體6被設置到較短的第二相干長度，且位於用於 物光束15的第二分支14的快門10b被設置為關閉狀態。雷射二極體6包括具有反射鏡(未示出)的外部空腔，反射鏡被安裝在壓電驅動 器上。在全息圖的讀取過程中，所述壓電驅動器被提供高頻調製的驅動電流。為這個目的， 控制單元8作為壓電驅動器的驅動器控制器，即減小雷射二極體6的相干長度的裝置。由 於空腔的反射鏡通過壓電驅動器振動，雷射二極體6的相干長度被減小。雷射二極體6的 前述操作狀態被稱為「低相干狀態」。在低相干狀態操作雷射二極體6的進一步選擇是對激 光二極體6提供高頻調製的驅動電流。為了這個目的，控制單元8作為雷射二極體6的驅 動電流調製器。在沒有選擇前述操作狀態的情況下，即雷射二極體6在「正常」狀態操作時 發射具有標準相干長度的雷射光束。此操作模式被稱為「高相干狀態」。在寫入過程中，快門10a、10b都打開且雷射二極體6在高相干狀態操作。由雷射 二極體6發射的雷射光束1在分束器16的幫助下被分成沿第一分支12傳播的參考光束13 和沿第二分支14傳播的物光束15。物光束15通過透射的空間光調製器18調製。優選地， 液晶陣列被用作空間光調製器18。然而，在不偏離本發明構思的情況下，可應用合適的與光 學設置結合的反射空間光調製器。物光束15和參考光束13在全息存儲介質20內幹涉。更準確地，前述光束在位於 三明治狀的全息存儲介質20中心的全息存儲材料4內幹涉。全息存儲介質20的構造將結 合圖2更具體地解釋。優選地，在寫入過程中雷射器6的相干長度被設置到至少為第一和第二分支12、 14之間的長度差值。這確保參考光束13與物光束15之間在全息存儲材料4的位置處幹 涉，導致提供滿意的光柵長度(grating strength)和對比度(contrast)的全息圖。在讀取過程中，位於第二分支14中的快門10b通過控制單元8被設置到關閉狀 態。此外，通過設置其到前述低相干操作模式的一種，控制單元8減小了雷射二極體6的相 幹長度。低相干雷射光束1沿第一分支12傳播以到達全息存儲介質20。由於參考光束13 與全息存儲材料4內的全息圖的幹涉，產生重構的物光束22，其在第二分束器14的幫助下 被聚焦到陣列探測器26。應理解，圖1中顯示的設備2也能夠作為從全息存儲介質20僅讀取數據全息圖的 設備2。在那種情況下，引導物光束15的第二分支14被完全省略。 圖2顯示從圖1 了解的設備2的詳細視圖。全息存儲介質20展示兩個約500 y m厚的基板28夾在全息存儲材料4的兩側的三明治狀結構，全息存儲材料4具有優選在100 μ m 到500 μ m之間的厚度D。為了避免重構的物光束22與被全息設置的一個光學表面反射的相干雜散光之間 的幹涉效應，用以讀取全息圖的參考光束13的相干長度被減小。優選地，參考光束13的相 幹長度短於全息圖與在參考或物光束13、15的傳 播方向上下一個光學表面之間的距離。如 果例如來自第二分束器24的表面的相干雜散光被發現引起與重構物光束22的幹涉效應， 參考光束13的相干長度應短於距離S3。對於全息圖與全息存儲介質20之間的距離Sl以 及全息圖與物鏡30之間的距離S2也同樣適用。從全息存儲介質20讀取全息圖以及將全息圖寫入全息存儲介質20中的設備的所 述優勢也適用於只從全息存儲介質20讀取數據全息圖的設備，如將參考圖3更具體地解釋 的。在圖3的縱坐標上的以任意單位表示的像素數N分配給在橫坐標上也以任意單位表示 的強度I。換句話說，圖3表示顯示某一強度I的像素數N。左邊的較高峰32表示數據頁 中暗像素的數，而右邊的較低峰34對應所述數據頁中的亮像素。為讀取數據頁的數據，閾 值被設置到某個值Itl,且所有閾值Ici以下的所有像素被設定為暗的，而所有閾值Ici以上的 所有像素被設定為亮的。根據本發明實施例，閾值被設置到強度水平Itl = 50。閾值Itl優 選設置為表示暗像素的較高峰32與表示亮像素的較低峰34之間的強度中的最小值。與前述實施例相反，圖3中的短劃線表示利用具有高相干長度的參考光束13執行 讀取過程的情況。實線表示利用具有低相干長度的參考光束13執行讀取過程的情況。數 據讀取錯誤的機率通過看臨近閾值Itl處的像素數來確定。圖3清楚地表示利用顯示高相 幹長度的參考光束的讀取過程的情況，與利用具有低相干長度的參考光束13讀取全息圖 的情況相比，在閾值Itl周圍發現大量的像素。在閾值Itl周圍的各個區域中的像素量可通過 採用讀取數據全息圖的低相干參考光束13清楚地被降低。因此，減小了具有不能被清楚地 確定為亮的或暗的強度的不確定數據像素。因此，數據讀取錯誤率被顯著改善。
權利要求
從全息存儲介質(20)讀取全息圖以及將全息圖寫入全息存儲介質(20)中的設備(2)，採用物光束(15)和參考光束(13)，物光束(15)和參考光束(13)都具有第一相干長度且沿將被成像到所述全息存儲介質(20)的光學設置的分離的光學分支(14、12)引導，所述設備(2)包括將所述參考光束(13)的相干長度減小到第二相干長度的裝置，以從所述全息存儲介質(20)讀取全息圖，其中所述第二相干長度比所述第一相干長度短。
2.根據權利要求1的設備(2)，其中所述第二相關長度短於或等於所述全息存儲 介質(20)內的所述全息圖與所述全息存儲介質(20)外的最近的光學表面之間的距離 (S1. . . S3)，其中所述距離(S1. . . S3)在所述物和所述參考光束(15、13)的傳播方向上被確 定。
3.根據權利要求1或2的設備(2)，其中所述第二相關長度大於或等於所述全息存儲 介質(20)的厚度(D)，所述厚度在所述物和所述參考光束(15、13)的傳播方向上被確定。
4.根據前述權利要求之一的設備(2)，其中所述光學設置包括雷射二極體(6)，其發射 被分為所述物光束(15)和所述參考光束(13)的雷射光束(1)，且在讀取所述全息圖期間， 對所述雷射二極體(6)提供高頻調製的驅動電流，從而減小所述雷射光束的相干長度到所 述第二相干長度的值。
5.根據前述權利要求之一的設備(2)，其中所述光學設置包括具有外部空腔的雷射二 極管(6)，所述空腔具有安裝在壓電驅動器上的反射鏡，所述雷射二極體(6)發射被分為所 述物光束(15)和所述參考光束(13)的雷射光束(1)，且在讀取所述全息圖期間，對所述壓 電驅動器提供高頻調製的驅動電流，從而減小所述雷射光束的相干長度到所述第二相干長 度的值。
6.從全息存儲介質(20)讀取全息圖的設備(2)，包括雷射二極體(6)，產生具有相干長度的參考光束(13)，其中所述相干長度短於或等於 所述全息存儲介質(20)內的所述數據全息圖與所述全息存儲介質(20)外的最近的光學表 面之間的距離(S1. S3)，其中所述距離(S1. S3)在所述參考光束(13)的傳播方向上被確定。
7.根據權利要求6的設備(2)，其中所述相干長度大於或等於所述全息存儲介質(20) 的厚度(D)，所述厚度在所述參考光束(13)的傳播方向上被確定。
8.根據權利要求6或7的設備(2)，包括驅動電流調製器(8)，在讀取所述全息圖期間， 對所述雷射二極體(6)提供高頻調製的驅動電流，從而減小所述參考光束(13)的相干長度。
9.根據權利要求6至8之一的設備(2)，其中所述雷射二極體(6)具有外部空腔，所述 空腔具有安裝在壓電驅動器上的反射鏡，且驅動器控制器(8)，在讀取所述全息圖期間，對 所述壓電驅動器提供高頻調製的驅動電流，從而減小所述參考光束(13)的相干長度。
10.利用由雷射二極體(6)產生的參考光束(13)從全息存儲介質(20)讀取全息圖 的方法，其中所述參考光束(13)具有相干長度，所述相干長度短於或等於所述全息存儲 介質(20)內的所述全息圖與所述全息存儲介質(20)外的最近的光學表面之間的距離 (S1. S3)，其中所述距離(S1. S3)在所述參考光束(13)的傳播方向上被確定。
11.根據權利要求10的方法，其中所述相干長度大於或等於所述全息存儲介質(20)的 厚度(D)，所述厚度在所述參考光束(13)的傳播方向上被確定。
12.根據權利要求10或11的方法，還包括在讀取所述全息圖期間，對所述雷射二極體 (6)提供高頻調製的驅動電流的步驟，從而減小所述參考光束(13)的相干長度。
13.根據權利要求10至12之一的方法，還包括在讀取所述全息圖期間，對壓電驅動器 提供高頻調製的驅動電流的步驟，在所述壓電驅動器上安裝有雷射二極體(6)的外部空腔 的反射鏡。
全文摘要
描述了從全息存儲介質(20)讀取全息圖以及將全息圖寫入全息存儲介質(20)中的設備(2)，其採用物光束(15)和參考光束(13)，物光束(15)和參考光束(13)都具有第一相干長度且沿將被成像到全息存儲介質(20)的光學設置的分離的光學分支(14、12)引導。設備(2)包括將所述參考光束(13)的相干長度減小到第二相干長度的裝置，以從所述全息存儲介質(20)讀取全息圖，其中所述第二相干長度比所述第一相干長度短。
文檔編號G11B7/0065GK101877229SQ20091026194
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者喬基姆·尼特爾 申請人:湯姆森特許公司