用于读取存储在全息存储介质上的全息图的全息存储系统及其实行方法

摘要

本发明涉及用于读取存储在全息存储介质(6)上的全息图(7)的全息存储系统(1)，所述系统(1)包括：存储介质支撑装置，沿参考光束(3)的光路布置；空间光调制器(SLM)(4)，沿所述光路布置，用于通过编码图(15)编码参考光束(3)；检测器(5)用于检测已重构全息图(7)的图像；和伺服控制单元(14)，用于从检测到的图像中确定所述参考光束(3)和所诉存储介质(6)的未对准，并用于控制所述SLM(4)移动所述编码图(15)。本发明还涉及读取存储在全息存储介质上的全息图的方法，所述方法包括如下步骤：(a)用由空间光调制器(SLM(4))产生的编码图(15)编码参考光束(3)；(b)检测已重构的全息图的图像；(c)从检测到的图像中确定所述参考光束(3)和所述存储介质(6)的未对准；和(d)至少部分基于所述未对准而在所述SLM(4)上移动所述编码图(15)。

说明书

技术领域

本发明涉及全息图的重构，更具体地，涉及用于读取存储在全息存储介质上的全息图的全息存储系统及其实行方法。

背景技术

全息数据存储是基于如下概念的：即将载有数据的已数据编码的(data-encoded)信号光束(也被称作物光束)的干涉图和参考光束的干涉图记录在全息存储介质上。通常，空间光调制器(SLM)被用于产生物光束，并且全息存储介质例如可以是光敏聚合物(photopolymer)或光折变晶体(photorefractive crystal)，或适宜于记录(registering)物光束和参考光束的相对振幅以及相位差的任何其他材料。在存储介质内产生全息图后，将参考光束投射到存储介质上从而相互作用并重构原始的已经过数据编码的物光束，所述物光束可被诸如CCD阵列相机或类似物的检测器检测到。被重构的已经过数据编码的物光束在本领域通常被称作其自身的已重构全息图。根据此类术语(terminology)，全息图重构的含义是：原始的已经过数据编码的物光束的重构；并且全息图读取的含义是：检测已重构的全息图，特别是检测已重构的全息图的图像。此类术语适用于本申请文件。

物光束和参考光束的空间重叠通常会大大影响全息图的写入，而重构参考光束和存储在存储介质内的全息图的相对位置会严重影响全息图的读取。如果参考光束和物光束均覆盖存储介质表面上的相对大的部位，则全息存储介质的读取可以相对容易地完成。全息图中心和参考光束中心之间的偏移的公差(tolerance)大约是光束直径尺寸的10％，该公差通常在常规系统的机械极限(mechanical limits)内。然而，降低全息图的尺寸可以导致在读取介质时对参考光束和全息图的对准要求更高。高精度的对准例如在如下情况下也是必须的：即复用和/或安全加密已存储的全息数据。

存在许多已知的复用和/或加密全息图的方法。此类方法可能包括在实平面内和/或傅立叶变换面内对物光束和/或参考光束进行相位编码。WO 02/05270A1中公开了通过对参考光束进行相位编码的相位编码复用和加密的方法及装置。当应用相位编码复用或加密时，参考光束中心和全息图中心之间的偏移的公差在全息图重构期间可以降低到光束直径的1％。光束和全息图的未对准通常与系统的光学元件的未对准有关系，所述光学元件的未对准可以归因于机械振动、温度变化等。设计成为接收可移除存储介质，例如全息识别卡(holographic identificationcards)，这仍然是系统的特别的问题。

文献US 7,116,626B1教导了一种微定位方法以克服上面明确的未对准问题。所述方法的目的是通过确保系统的各个元件(诸如具有各种装置的SLM，诸如光源、透镜、检测器、和存储介质)的正确对准而提高全息存储系统的性能，即已调制图像的质量。对准技术集中在“像素匹配”上，所述“像素匹配”是指：对准用于数据编码物光束的唯一的SLM、已存储的全息图像和检测器的像素，以便SLM的每个像素均被投射到检测器的单一像素上，从而产生更好的数据复原效率。此方法会包括系统中的所述元件中的一些或全部相对于彼此的物理移动。这意味着用于移动所述元件的装置可以包括微致动器。此类物理移动装置应用于小的设备中是过大(expansive)的和复杂的。

发明内容

本发明的目的是通过提供用于可使参考光束相对于全息存储介质非机械精确对准(precise non-mechanical alignment)的系统和方法，从而克服上述问题。

上述目的是通过提供根据技术方案1的全息存储系统和根据技术方案15的读取全息图的方法而达到的。

附图说明

结合附图和示例性实施例，本发明的进一步的细节将会变的更明显。

图1a为根据本发明的反射型全息存储系统的示例性实施例的示意图。

图1b为根据本发明的透射型全息存储系统的另一个示例性实施例的示意图。

图1c为根据本发明的透射型全息存储介质读取和写入系统的示例性实施例的示意图。

图2展示了由空间光调制器产生的示例性参考光束编码图(codepattern)。

图3展示了参考光束编码图的一个SLM像素偏移。

图4展示了另一个由空间光调制器产生的示例性参考光束编码图。

具体实施方式

图1a为根据本发明的全息存储系统1的第一示例性实施例的示意图。所述系统1包括提供参考光束3的光源2。光源2通常由激光器和光束扩展器组成。光源2之后是可对参考光束3进行编码的空间光调制器(SLM)4。系统1还包括检测器5和沿参考光束的光路布置并用于支撑载有将被读取的全息图7的全息存储介质6的装置(未示出)。存储介质支撑装置可以是任何常规的介质接收元件，诸如CD或DVD托盘、全息识别卡插槽、或者任何其他适宜于将存储介质6保持在全息存储系统1内的确定好的位置处的装置。检测器5可以是CCD相机、CMOS、光电二极管矩阵或任何其他已知的包括布置在像素阵列内的传感器元件的检测器类型。

全息图7优选的是傅立叶全息图，因为其对存储介质的表面缺陷比像面全息图具有更小的敏感性。在傅立叶全息图的情况下，当产生全息图7时，用于相位编码参考光束3并被SLM4显示的相位编码图被映射到物光束的傅立叶变换上。由于其良好的衍射效率和低波长选择性，例如，薄偏振全息图(thin polarisation hologram)可以被使用。合适的全息存储媒介例如可以是偶氮苯(azo-benzene)类型的光致各向异性聚合物(photoanizotropic polymers)。

图1a所示的实施例被设计用于以反射模式读取全息存储介质6：参考光束3从介质6后面的镜面8处被反射，并且已重构的物光束9被映射到检测器5的成像平面上，以便捕获已重构全息图7的图像。被反射的光束9和参考光束3被分束器10彼此分离，所述分束器可以是中性分束器，或在偏振全息图情况下的偏振分束器，或其他任何光束分离元件，诸如具有中间不连续层的分光体(beam splitter cube)，在文献EP1492095A2中所公开的。

在编码参考光束3的情况下，SLM4被成像系统映射到全息图7的平面上。此类成像系统优选地包括第一和第二傅立叶透镜11和12，如本领域所公知的，所述第一和第二傅立叶透镜被分别布置在分光器10前后。并且，孔径13可以被插入在第一傅立叶透镜11和分光器10之间，通过限制光束的直径以提高成像质量，并且可提供另外的优点来限制SLM4的精确度，将在稍后阐述的，。

参考光束编码优选地是相位编码，以便避免目前在振幅编码中出现的信息损失，尽管振幅编码也可以被使用，或者任何其他已知的光调制编码(例如，偏振编码，波长编码)。相位编码例如可以是用于读取已加密的全息图7的安全密钥，或者用于读取已复用全息图7的密钥。然而，本发明也涉及加密或复用之外的应用。其也可应用于所有机械间隙不能被排除的情况，该情况必然会导致插入的存储介质6位置的不确定性，因而参考光束3和存储介质6需要被反复地相对于彼此重定位，尤其在如下情况下：即如果存储介质6经常被移除或多个存储介质6将通过系统1而被读取。

除参考光束相位编码外，SLM4也可以被用作孔径，从而便于定位圆形参考光束3。当多个全息图7以彼此靠近的方式被写入存储介质6时，这对于在全息图重建时降低全息图间的串扰是有用的。

当读取存储介质6的全息图7时，参考光束3需要相对于存储介质6被定位。根据本发明，通过显示参考光束编码图并在SLM4上的不同位置编码参考光束而执行参考光束3的定位。此过程通过伺服控制单元14而完成，所述伺服控制单元被连接到检测器5上，用于分析被检测器5检测到的图像，并计算伺服信号，如稍后将被阐释的。伺服信号被用于控制被SLM4显示的编码图的位置。伺服控制单元14例如可以是计算机、微控制器或具有必要的软件以操作SLM4的任何专用电子电路。

图1b展示了全息存储系统1的另一个优选实施方式，其中，全息存储介质6以透射模式被读取，即已重构的物光束9穿过存储介质6而被透射。因此，检测器5被置于存储介质6相反的一侧上，并且第三傅立叶透镜111可以被插入在检测器5和存储介质6之间，用于将已重构的物光束9映射到检测器5的成像平面上。

图1c展示了全息存储系统1的另一个优选实施方式，所述全息存储系统对于读取和写入全息存储介质6均适用。类似于图1b的实施方式，存储介质6以透射的方式被读取。在此情况下，当系统1被用于在存储介质6上记录全息图7时，分光器10被用于混合(unite)参考光束3和来自于物光束SLM4′的物光束3′。物光束3′可以由有一个单独的光源(未示出)提供，或者参考光束3的光源2可以被用于提供光束3和3′，正如本领域所公知的。

图2展示了显示在SLM4上的参考光束相位编码图15。根据已描述的实施方式，每个参考光束编码像素(code pixel)16由5×5个SLM像素17组成。用于显示单一的编码像素16的SLM像素17的数量可以基于应用而变化。使用由多个SLM像素17组成的编码像素16允许使用简单的方法移动编码图15。例如，为了将编码图15向右移动一个SLM像素17，每个编码像素16a被移动一行SLM像素17，如图3所示。新的编码像素16b被新的5×5个SLM像素17块所显示，所述像素块由与原编码像素16a相重叠的5×4个SLM像素17和在原编码像素16a右侧的1×4个SLM像素17组成。编码图15可以基于上述原理在任何方向上被移动，包括不平行于SLM像素17的行或列的方向。

记录有特殊的参考光束相位编码图15的全息图7仅能通过使用相位编码图15编码的参考光束而被重构，其中，所述相位编码图15与用于记录全息图7的相位编码图相同或高度近似，因而编码参考光束3顾及到了安全加密或复用。所述参考光束编码图15例如可以具有10×10编码像素16的尺寸，从而导致2100个可能的编码组合。然而，为了安全加密和复用的目的，全息图7对于与用于记录全息图7的参考光束编码图不同的参考光束编码图15应该是不可读的。因此，在全部可能的编码图15中，仅区别足够明显的一组编码图15可以被使用，所述集合实际上仍然是很大的数字。例如，大约225个编码组合可以被使用。产生区别编码图15的方法在文献WO02/05270中被公开。

使用孔径13具有如下附加的优点：即保持SLM4的精确度，以便单独的SLM像素17在被检测器5检测到的图像上是不可辨识的，同时编码像素16的编码效果仍然是可以看出的。为了避免SLM4的边缘附近的渐晕(vignetting)效应，孔径13被布置在SLM4(或其紧邻处)的傅立叶变换面内，以过滤傅立叶空间内的高频成分，其会使结果图像模糊。

除相位调制外，编码图15可以通过调制任何其它光学特性(包括相位、振幅、波长和偏振)或其组合，正如本领域所公知的。

如图4所示，在将SLM4用作孔径以易于定位圆形光束的应用中，参考光束编码图15可以是简单的具有非透明外部边缘区域19的光透过内部圆孔(inner circle)18。这可以通过如下方式而获得：例如，以振幅调制模式使用SLM4并降低边缘区域19的振幅，同时保持透射圆孔18内的光的振幅，从而易于定位圆形参考光束3。通过改变单独的SLM像素17的振幅调制以便在SLM4的另一位置处产生光透射内部圆孔18，圆形参考光束3可以被容易的定位。

已知的实现振幅调制模式的方法是在SLM4之前提供起偏振器(polariser)并在SLM4之后提供检偏器(analyser)。落入内部圆孔18内的参考光束3的偏振可以被SLM4无变化的保留，而落入外部边缘区域19内的参考光束3的偏振可以被旋转90度。只有未改变的偏振将穿过检偏器，因而易于定位圆形参考光束3。

易于定位圆形参考光束3也可以结合相位编码而被提供，也可以使用沿参考光束3的光路布置的相同的或更多的参考光束编码SLM4。相同的SLM可以被用于同步(simultaneous)的相位和振幅调制，例如在特定SLM的三重调制模式中。使用两个SLM分别进行相位和振幅调制需要附加的光学元件，以便将两个SLM相互映射到对方。

对于相位编码参考光束3而言，将一个SLM像素17作为一个编码像素16也是容易的，然而其具有如下优势：为了计算参考光束3和存储介质6之间的未对准，能够以比编码像素16的尺寸更细的步长移动相位图。

编码图15可以以任何其他已知的方式产生，只要可以在SLM4上移动编码图5。

存在各种公知方法用于从全息图7的已检测到的恢复图像中确定参考光束3和存储介质的未对准。例如，与已检测图像相关联的质量因数可以被确定。质量(merit)因数通常是指示像素未对准的参量，例如平均像素密度或信噪比。使用质量因数(被称作信道计量(channel metric))的例子可以在文献US7116626B1中找到。

一旦未对准被确定，参考光束3可以通过在SLM上移动编码图15而被重新定位。质量因数仅适用于指示出未对准的量或程度，而不能指示出未对准的方向。因此，如果质量因数被用于描述未对准，则所述质量因数可能需要在多个不同的参考光束位置被重新计算。

计算质量因数的优选的方法在申请人的标题为“读取记录在全息存储介质上的傅立叶全息图的方法以及全息存储系统”(Method of readinga Fourier hologram recorded on a holographic storage medium anda holographic storage system)的匈牙利专利申请文件(申请日为2007年2月2号)中被公开。

上面描述的实施方式仅仅意在展示实施例，并不应被作为对本发明的限制。在不脱离由所附权利要求确定的保护范围的情况下，各种修改和变化对本领域技术人员而言是显而易见的。