用於讀取存儲在全息存儲介質上的全息圖的全息存儲系統及其實行方法
2023-10-26 15:37:12
專利名稱：用於讀取存儲在全息存儲介質上的全息圖的全息存儲系統及其實行方法
技術領域：
本發明涉及全息圖的重構，更具體地，涉及用於讀取存儲在全息存 儲介質上的全息圖的全息存儲系統及其實行方法。
背景技術：
全息數據存儲是基於如下概念的即將載有數據的已數據編碼的 (data-encoded)信號光束(也一皮稱作物光束)的幹涉圖和參考光束的幹 涉圖記錄在全息存儲介質上。通常，空間光調製器(SLM)被用於產生物 光束，並且全息存儲介質例如可以是光每l聚合物(photopolymer )或光 折變晶體(photorefractive crystal), 或適宜於記錄(registering) 物光束和參考光束的相對振幅以及相位差的任何其他材料。在存儲介質 內產生全息圖後，將參考光束投射到存儲介質上從而相互作用並重構原 始的已經過數據編碼的物光束，所述物光束可一皮諸如CCD陣列相機或類 似物的檢測器檢測到。被重構的已經過數據編碼的物光束在本領域通常 被稱作其自身的已重構全息圖。根據此類術語(terminology),全息圖 重構的含義是原始的已經過數據編碼的物光束的重構；並且全息圖讀 取的含義是檢測已重構的全息圖，特別是檢測已重構的全息圖的圖像。 此類術語適用於本申請文件。
物光束和參考光束的空間重疊通常會大大影響全息圖的寫入，而重 構參考光束和存儲在存儲介質內的全息圖的相對位置會嚴重影響全息圖 的讀取。如果參考光束和物光束均覆蓋存儲介質表面上的相對大的部位， 則全息存儲介質的讀取可以相對容易地完成。全息圖中心和參考光束中 心之間的偏移的公差(tolerance)大約是光束直徑尺寸的10%,該公差 通常在常規系統的機械極限(mechanical limits)內。然而，降低全息 圖的尺寸可以導致在讀取介質時對參考光束和全息圖的對準要求更高。
5高精度的對準例如在如下情況下也是必須的即復用和/或安全加密已存 儲的全息數據。
存在許多已知的復用和/或加密全息圖的方法。此類方法可能包括在 實平面內和/或傅立葉變換面內對物光束和/或參考光束進行相位編碼。 W0 02/05270 Al中公開了通過對參考光束進行相位編碼的相位編碼復用 和加密的方法及裝置。當應用相位編碼復用或加密時，參考光束中心和 全息圖中心之間的偏移的公差在全息圖重構期間可以降低到光束直徑的 1%。光束和全息圖的未對準通常與系統的光學元件的未對準有關係，所 迷光學元件的未對準可以歸因於機械振動、溫度變化等。設計成為接收 可移除存儲介質，例如全息識別卡(holographic identification cards),這仍然是系統的特別的問題。
文獻US7， 116, 626B1 :教導了 一種^f敖定位方法以克^Ji面明確的未對 準問題。所述方法的目的是通過確保系統的各個元件(諸如具有各種裝置 的SLM，諸如光源、透鏡、檢測器、和存儲介質)的正確對準而提高全息存 儲系統的性能，即已調製圖像的質量。對準技術集中在"像素匹配"上， 所述"像素匹配，，是指對準用於數據編碼物光束的唯一的SLM、已存儲 的全息圖像和檢測器的像素，以便SLM的每個像素均被投射到檢測器的 單一像素上，從而產生更好的數據復原效率。此方法會包括系統中的所 述元件中的一些或全部相對於4皮此的物理移動。這意味著用於移動所述 元件的裝置可以包括微致動器。此類物理移動裝置應用於小的設備中是 過大(expansive)的和複雜的。
發明內容
本發明的目的是通過提供用於可使參考光束相對於全息存儲介質非 機械精確對準(precise non-mechanical alignment)的系統和方法, 從而克服上述問題。
上述目的是通過提供根據技術方案1的全息存儲系統和根據技術方 案15的讀取全息圖的方法而達到的。
結合附圖和示例性實施例，本發明的進一步的細節將會變的更明顯。
圖1 a為根據本發明的反射型全息存儲系統的示例性實施例的示意圖。
圖lb為根據本發明的透射型全息存儲系統的另 一個示例性實施例的 示意圖。
圖lc為根據本發明的透射型全息存儲介質讀取和寫入系統的示例性
實施例的示意圖。
圖2展示了由空間光調製器產生的示例性參考光束編碼圖(code pattern )。
圖3展示了參考光束編碼圖的 一個SLM像素偏移。
圖4展示了另 一個由空間光調製器產生的示例性參考光束編碼圖。
具體實施例方式
圖1 a為才艮據本發明的全息存儲系統1的第 一示例性實施例的示意圖。 所述系統1包括提供參考光束3的光源2。光源2通常由雷射器和光束擴展 器組成。光源2之後是可對參考光束3進行編碼的空間光調製器(SLM) 4。 系統1還包括檢測器5和沿參考光束的光路布置並用於支撐載有將被讀取 的全息圖7的全息存儲介質6的裝置(未示出)。存儲介質支撐裝置可以是 任何常規的介質接收元件，諸如CD或DVD託盤、全息識別卡插槽、或者 任何其他適宜於將存儲介質6保持在全息存儲系統1內的確定好的位置處 的裝置。檢測器5可以是CCD相機、CM0S、光電二極體矩陣或任何其他已 知的包括布置在像素陣列內的傳感器元件的檢測器類型。
全息圖7優選的是傅立葉全息圖，因為其對存儲介質的表面缺陷比像 面全息圖具有更小的敏感性。在傅立葉全息圖的情況下，當產生全息圖7 時，用於相位編碼參考光束3並被SLM4顯示的相位編碼圖^皮映射到物光束 的傅立葉變換上。由於其良好的衍射效率和低波長選擇性，例如，薄偏 才展全息圖(thin polarisation hologram)可以被/f吏用。合適的全息存 儲媒介例如可以是偶氮苯(azo-benzene )類型的光致各向異性聚合物(photoanizotropic polymers )。
圖la所示的實施例被設計用於以反射模式讀取全息存儲介質6:參考 光束3/人《r質6後面的4竟面8處—皮反射，並且已重構的物光束9一皮映射到檯r 測器5的成像平面上，以便捕獲已重構全息圖7的圖像。被反射的光束9和 參考光束3被分束器10彼此分離，所述分束器可以是中性分束器，或在偏 振全息圖情況下的偏振分束器，或其他任何光束分離元件，諸如具有中 間不連續層的分光體(beam splitter cube),在文獻EP1492095A2中所 公開的。
在編碼參考光束3的情況下，SLM4被成像系統映射到全息圖7的平面 上。此類成像系統優選地包括第一和第二傅立葉透4竟11和12，如本領域 所公知的，所述第一和第二傅立葉透鏡被分別布置在分光器10前後。並 且，孔徑13可以被插入在第一傅立葉透鏡11和分光器10之間，通過限制 光束的直徑以提高成像質量，並且可提供另外的優點來限制SLM4的精確 度，將在稍後闡述的，。
參考光束編碼優選地是相位編碼，以便避免目前在振幅編碼中出現 的信息損失，儘管振幅編碼也可以一皮使用，或者任何其他已知的光調製 編碼(例如，偏振編碼，波長編碼)。相位編碼例如可以是用於讀取已加 密的全息圖7的安全密鑰，或者用於讀取已復用全息圖7的密鑰。然而， 本發明也涉及加密或復用之外的應用。其也可應用於所有機械間隙不能 被排除的情況，該情況必然會導致插入的存儲介質6位置的不確定性， 因而參考光束3和存儲介質6需要^支反覆地相對於彼此重定位，尤其在 如下情況下即如果存儲介質6經常被移除或多個存儲介質6將通過系 統1而被讀取。
除參考光束相位編碼外，SLM4也可以:故用作孔徑，從而便於定位圓 形參考光束3。當多個全息圖7以彼此靠近的方式被寫入存儲介質6時， 這對於在全息圖重建時降低全息圖間的串擾是有用的。
當讀取存儲介質6的全息圖7時，參考光束3需要相對於存儲介質6 被定位。根據本發明，通過顯示參考光束編碼圖並在SLM4上的不同位置 編碼參考光束而執行參考光束3的定位。此過程通過祠服控制單元14而完成，所述伺服控制單元被連接到檢測器5上，用於分析被檢測器5檢 測到的圖像，並計算伺服信號，如稍後將被闡釋的。伺服信號被用於控 制被SLM4顯示的編碼圖的位置。伺服控制單元14例如可以是計算機、 微控制器或具有必要的軟體以操作SLM4的任何專用電子電路。
圖lb展示了全息存儲系統1的另一個優選實施方式，其中，全息存 儲介質6以透射模式被讀取，即已重構的物光束9穿過存儲介質6而被 透射。因此，檢測器5被置於存儲介質6相反的一側上，並且第三傅立 葉透鏡111可以被插入在檢測器5和存儲介質6之間，用於將已重構的 物光束9映射到^r測器5的成像平面上。
圖lc展示了全息存儲系統1的另一個優選實施方式，所述全息存儲 系統對於讀取和寫入全息存儲介質6均適用。類似於圖lb的實施方式， 存儲介質6以透射的方式被讀取。在此情況下，當系統1被用於在存儲 介質6上記錄全息圖7時，分光器10被用於混合(unite)參考光束3 和來自於物光束SLM4'的物光束3'。物光束3'可以由有一個單獨的光源(未 示出)提供，或者參考光束3的光源2可以被用於提供光束3和3'，正 如本領i或所/^知的。
圖2展示了顯示在SLM4上的參考光束相位編碼圖15。根據已描述的 實施方式，每個參考光束編碼像素(code pixel) 16由5x5個SLM像 素17組成。用於顯示單一的編碼^象素16的SLM像素17的數量可以基於 應用而變化。使用由多個SLM像素17組成的編碼像素16允許使用簡單 的方法移動編碼圖15。例如，為了將編碼圖15向右移動一個SLM像素 17，每個編碼像素16a糹皮移動一行SIiH象素17，如圖3所示。新的編碼 像素16b被新的5 x 5個SLM像素17塊所顯示，所述像素塊由與原編碼 像素16a相重疊的5 x 4個SLM像素17和在原編碼像素16a右側的1 x 4 個SLM像素17組成。編碼圖15可以基於上述原理在任何方向上被移動， 包括不平行於SLM像素17的行或列的方向。
記錄有特殊的參考光束相位編碼圖15的全息圖7僅能通過使用相位 編碼圖15編碼的參考光束而^C重構，其中，所述相位編碼圖15與用於 記錄全息圖7的相位編碼圖相同或高度近似，因而編碼參考光束3顧及
9到了安全加密或復用。所述參考光束編碼圖15例如可以具有10x 10編 碼像素16的尺寸，從而導致2100個可能的編碼組合。然而，為了安全 加密和復用的目的，全息圖7對於與用於記錄全息圖7的參考光束編碼 圖不同的參考光束編碼圖15應該是不可讀的。因此，在全部可能的編碼 圖15中，僅區別足夠明顯的一組編碼圖15可以被使用，所述集合實際 上仍然是很大的數字。例如，大約225個編碼組合可以被使用。產生區 別編碼圖15的方法在文獻W002/05270中祐/>開。
使用孔徑13具有如下附加的優點即保持SLM4的精確度，以便單 獨的SLM像素17在被檢測器5檢測到的圖像上是不可辨識的，同時編 碼像素16的編碼效果仍然是可以看出的。為了避免SLM4的邊緣附近的 漸暈(vignetting)效應，孔徑13 一皮布置在SLM4 (或其緊鄰處)的傅立 葉變換面內，以過濾傅立葉空間內的高頻成分，其會使結果圖像模糊。
除相位調製外，編碼圖15可以通過調製任何其它光學特性(包括相 位、振幅、波長和偏振)或其組合，正如本4頁域所/>知的。
如圖4所示，在將SLM4用作孔徑以易於定位圓形光束的應用中，參 考光束編碼圖15可以是簡單的具有非透明外部邊緣區域19的光透過內 部圓孔(inner circle) 18。這可以通過如下方式而獲4尋例如，以l展 幅調製模式使用SLM4並降低邊緣區域19的振幅，同時保持透射圓孔18 內的光的振幅，從而易於定位圓形參考光束3。通過改變單獨的SLM像 素17的振幅調製以便在SLM4的另一位置處產生光透射內部圓孔18,圓 形參考光束3可以被容易的定位。
已知的實現振幅調製模式的方法是在SLM4之前提供起偏振器 (polariser )並在SLM4之後提供4全偏器(analyser )。落入內部圓孔18 內的參考光束3的偏振可以被SLM4無變化的保留，而落入外部邊緣區域 19內的參考光束3的偏振可以被旋轉90度。只有未改變的偏振將穿過抬r 偏器，因而易於定位圓形參考光束3。
易於定位圓形參考光束3也可以結合相位編碼而一皮提供，也可以使 用沿參考光束3的光路布置的相同的或更多的參考光束編碼SLM4。相同 的SLM可以:帔用於同步(simultaneous)的相位和振幅調製，例如在特定SLM的三重調製模式中。使用兩個SLM分別進行相位和振幅調製需要 附加的光學元件，以便將兩個SLM相互映射到對方。
對於相位編碼參考光束3而言，將一個SLM像素17作為一個編碼像 素16也是容易的，然而其具有如下優勢為了計算參考光束3和存儲介 質6之間的未對準，能夠以比編碼像素16的尺寸更細的步長移動相位圖。
編碼圖15可以以任何其他已知的方式產生，只要可以在SLM4上移 動編碼圖5。
存在各種公知方法用於從全息圖7的已檢測到的恢復圖像中確定參 考光束3和存儲介質的未對準。例如，與已檢測圖像相關聯的質量因數 可以被確定。質量(merit)因數通常是指示像素未對準的參量，例如平均 像素密度或信噪比。使用質量因數(被稱作信道計量(channel metric)) 的例子可以在文獻US7116626B1中找到。
一旦未對準:帔確定，參考光束3可以通過在SLM上移動編碼圖15而 被重新定位。質量因數僅適用於指示出未對準的量或程度，而不能指示 出未對準的方向。因此，如果質量因數被用於描述未對準，則所述質量 因數可能需要在多個不同的參考光束位置^L重新計算。
計算質量因數的優選的方法在申請人的標題為"讀取記錄在全息存 儲介質上的傅立葉全息圖的方法以及全息存儲系統"(Method of reading a Fourier hologram recorded on a holographic storage medium and a holographic storage system)的匈牙利專利申"i青文^牛(申i青曰為2007 年2月2號)中被公開。
上面描述的實施方式僅僅意在展示實施例，並不應被作為對本發明 的限制。在不脫離由所附權利要求確定的保護範圍的情況下，各種修改 和變化對本領域技術人員而言是顯而易見的。
權利要求
1.一種用於讀取存儲在全息存儲介質(6)上的全息圖(7)的全息存儲系統(1)，所述系統(1)包括存儲介質支撐裝置，沿參考光束(3)的光路布置；沿所述光路布置的空間光調製器(SLM)(4)，用於通過編碼圖(15)編碼參考光束(3)；檢測器(5)，用於檢測已重構的全息圖(7)的圖像；和伺服控制單元(14)，用於從檢測到的圖像中確定所述參考光束(3)和所述存儲介質(6)的未對準，並用於控制(acting upon)所述SLM(4)移動所述編碼圖(15)。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述SLM (4)是像 素陣列型光調製器，優選的是微型顯示器、液晶顯示器或矽基液晶顯示 器。
3. 根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述編碼圖(15 ) 包括-故邊緣區域(19)包圍的圓形內部區域(18),所述兩個區域(18， 19)以不同方式調製參考光束(3)的至少一個光學特性。
4. 根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述圓形內部區域(18 ) 是光透射的，並且所述邊緣區域(19)是非透明的。
5. 根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，被圓形內部區域(18) 所影響的光的偏振和被邊緣區域(19)所影響的光的偏振彼此成角度； 並且沿所述參考光束(3)的所述光路，起偏振器被設置在SLM (4)之 前，而糹企振器4皮設置在SLM (4)之後。
6. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述編碼圖(15)由 多個編碼^象素(16 )組成，所述編碼^象素(16 )由SLM (4)的n x m個 像素(17)組成。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，通過SLM (4)的n xm個不同像素(17)顯示所述編碼像素(16)而執行所述編碼圖(15) 的移動。
8. 根據權利要求6或7所述的系統，其特徵在於，所述編碼圖(15) 是相位編碼圖。
9. 根據權利要求1-8中任一個權利要求所述的系統，其特徵在於， 所述全息圖(7)是傅立葉變換全息圖。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，第一和第二傅立葉 變換透鏡(11, 12 )沿所述光路被設置在所述SLM (4 )和所述存儲介質 (6)之間。
11. 根據權利要求IO所述的系統，其特徵在於，孔徑(13)被設置 在所述第一和第二傅立葉變換透鏡(11， 12)之間，優選地，實質上在 所述SLM (4)的傅立葉變換面內。
12. 根據權利要求1-11中任一個權利要求所述的系統，包括物光束 調製SLM (4'),用於產生數據編碼的物光束(3');和用於混合已編碼的 參考光束(3 )和已編碼的物光束(3')從而寫入全息圖(7)的裝置(10 )。
13. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述參考光束編碼 圖(15)是由SLM (4)產生的相位、振幅、波長和/或偏振調製圖案。
14. 根據權利要求1-13中任一個權利要求所述的系統，其特徵在於， 所述糹全測器(5 )是包括設置在像素陣列中的傳感器元件的檢測器，優選 地是CCD相機、CMOS或光電二極體陣列(phot)。
15. —種讀取存儲在全息存儲介質上的全息圖的方法，包括如下步驟(a) 用由空間光調製器(SLM)產生的編碼圖來編碼參考光束；(b) 檢測已重構的全息圖的圖像；(c) 從^r測到的圖像中確定所述參考光束和所述存儲介質的未對準；和(d) 至少部分基於所述未對準而在所述SLM上移動所述編碼圖。
16. 根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述SLM是像素 陣列型光調製器，優選地是微型顯示器，液晶顯示器或矽基液晶顯示器， 並且移動所述編碼圖的步驟是通過使用不同的SLM像素產生編碼圖而被 實現的。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述編碼圖由多個 編碼像素組成，所述編碼J象素由SLM的n x m個^f象素組成
18. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，使用不同的SLM 像素產生編碼圖的步驟包括通過所述SLM的n x m個不同像素形成所 述編碼像素。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，確定所述未對準的 步驟包括計算質量因數。
全文摘要
本發明涉及用於讀取存儲在全息存儲介質(6)上的全息圖(7)的全息存儲系統(1)，所述系統(1)包括存儲介質支撐裝置，沿參考光束(3)的光路布置；空間光調製器(SLM)(4)，沿所述光路布置，用於通過編碼圖(15)編碼參考光束(3)；檢測器(5)用於檢測已重構全息圖(7)的圖像；和伺服控制單元(14)，用於從檢測到的圖像中確定所述參考光束(3)和所訴存儲介質(6)的未對準，並用於控制所述SLM(4)移動所述編碼圖(15)。本發明還涉及讀取存儲在全息存儲介質上的全息圖的方法，所述方法包括如下步驟(a)用由空間光調製器(SLM(4))產生的編碼圖(15)編碼參考光束(3)；(b)檢測已重構的全息圖的圖像；(c)從檢測到的圖像中確定所述參考光束(3)和所述存儲介質(6)的未對準；和(d)至少部分基於所述未對準而在所述SLM(4)上移動所述編碼圖(15)。
文檔編號G11B7/135GK101606199SQ200880004032
公開日2009年12月16日 申請日期2008年1月24日 優先權日2007年2月6日
發明者F·尤赫爾伊, G·厄戴 申請人:拜爾創新有限責任公司