专利名称：：具有变迹滤光器的全息存储系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于读取和/或写入全息存储介质的装置，并且更具体地涉及具有变迹滤光器(apodizationfilter)的、用于读取和/或写入全息存储介质的装置。
背景技术：
：在全息数据存储中，通过记录由两个相干激光束的叠加而产生的干涉图案来存储数字数据，其中，所谓"物体光束"的一个光束由空间光调制器来调制，并且承载要记录的信息。第二光束充当参考光束。干涉图案带来存储材料的具体性质的变化，其取决于千涉图案的局部强度。通过利用与记录期间相同的条件的参考光束来照射全息图，来执行所记录的全息图的读取。这导致所记录的物体光束的重构。全息数据存储的一个优点是增加了数据容量。与传统的光学存储介质相比，使用全息存储介质的整体(vol腿e)来存储信息，而不仅仅是几层。全息数据存储的另一优点是在相同整体中存储多种数据的可能性，例如通过改变两个光束之间的角度或者通过使用平移多路复用等。另外，取代了存储单纯的位，而是将数据存储为数据页。典型地，数据页由亮暗图案的矩阵组成，即，二维二进制阵列或灰度值的阵列，其编码了多个位。除了增加存储密度之外，这允许增加数据比。数据页被空间光调制器(SLM)标印(imprint)到物体光束上，并且利用检测器阵列来检测。在具有共轴布局的全息存储系统中，参考光束和物体光束使用单个分离孔径。此外，由相同的SLM调制这两个光束。以多路复用傅立叶全息图的形式来存储信息。对于反射型共轴全息存储系统，难以在记录期间耦合物体光束和参考光束，而且难以在读取期间从重构的物体光束中解耦出(coupleout)参考光束。如EP1624451所公开的，为了增加所谓共线布局的选择性，还将参考光束像素化。利用相同的SLM调制物体光束和参考光束。此布局也被称为所谓分离孔径布局，因为全息光学系统的物体平面和图像平面这两者都被分离为物体区域和参考区域。在作为检测器的平面的图像平面上，参考像素形成尖锐图像，并且被阻挡。在US6108110中公开了类似的透射型共轴分离孔径系统。在读取期间，将参考光束部分地衍射到图像区(zone)。在图1中绘出了这一点，图1示出了没有任何物体光束的衍射参考光束的模型。数据像素全部为关(off)。图1的部分a)使用线性缩放，而部分b)使用对数缩放。此衍射噪声的原因是光学系统的低通滤波行为。光学系统的出口光瞳(pupi1)带来高频成分的锐截止(sharpcutting)。因为此锐截止，参考光束展开到才企测器表面上。这意味着需要高衍射效率来达到图像图案相对于参考光束衍射噪声的足够的信噪比(SNR)。在传统设置中，参考光束几乎0.1%的能量被衍射到图像区域。在实践中可接受的衍射效率10—6到10—5上，这意味着衍射噪声的总能量是重构数据图案的总能量的数倍大(一般是50-500倍大)。如可从图l看到的，SNR在图像圓的中心处较好，而在接近外边缘处较差。为达到低错误率，需要高衍射效率，这需要在全息存储材料中记录高折射指数的光栅。结果，即使共线布局具有非常好的选择性，其SNR也是有限的。对于进一步的细节，参见Horimai等的"Col1inearHolography",A卯l.Opt.Vol.44,2575-2579以及Horimai等的"High-densityrecordingstoragesystembyCollinearholography",Proc.SPIE6187,618701。作为有限SNR的结果，数据密度也受到材料的动态范围的限制，因为不能以足够大的衍射效率来多路复用大量的全息图。噪声产生的主要因素是高频成分的锐截止。因而，如果高频成分仍然被尖锐截止，则增加物体空间数值孔径，或者换句话说，增加傅立叶平面滤光器的半径，将不会产生足够的作用。表1示出了对于不同半径的傅立叶平面滤光器的、图像区域中的噪声总功率除以参考光束的总功率。在该表中，给出与尼查斯特(Nyquist)孔径Dw有关的半径，"被定义为D=^w像素大小其中f是傅立叶物镜的焦距。在存储材料中测量波长。如可看到的，通过因子1.6将滤光器半径从0.67x"增加到1.07xDN,这意味着噪声减少到其原始值的大约1/30。对于具有入=267腿(材料折射指数是n=l.5)、f=7mm和12jum的像素大小的系统，这意味着直径从249jam增加到3Miam。然而，噪声仍然与重构的物体光束处于同数量级，这是不够的。另外，此解决方案具有如下缺点，它需要具有物体空间中的更大NA的更好的镜头系统。表l:不同半径的傅立叶平面滤光器的、图像区域中的噪声总功率除以参考光束的总功率<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>在Kimura的"Improvementoftheopticalsignal—to—noiseratioincommon-pathholographicstoragebyuseofapolarization-controllingmediastructure",Opt.Let.，Vol.30，2005中，公开了一种用于抑制从参考光束产生的噪声的偏振方法。根据此解决方案，对重构的物体光束和参考光束进行正交偏振。通过偏振滤光器来抑制由参考光束产生的噪声。此解决方案需要在全息存储材料的顶部和底部上配备四分之一波片的复杂的全息存储介质结构。基于偏振的抑制的效率取决于数值孔径。抑制仅仅对于小NA才能正确工作。然而，为了高数据密度存储，需要傅立叶平面中的高NA。
发明内容本发明的一个目的是提供在具有共轴布局的、用于读取和/或写入全息存储介质的装置中减少参考光束衍射噪声的另一解决方案。根据本发明，通过以下来实现此目的一种用于读取和/或写入全息存储介质的装置，具有参考光束与物体光束或重构的物体光束的共线分离孔径布局，该装置包括用于参考光束的变迹滤光器。变迹意味着对光学系统的孔径的幅值透射率的改变，例如，通过使用向着边缘增加的衰减来柔化孔径的边缘。在读取期间，在共轴分离孔径全息布局的图像区域上产生参考光束衍射噪声。此噪声的起源是光学系统的转移函数的有限带宽，这导致了参考光束的像素扩散到物体区域中。当使用变迹滤光器时，将此参考光束衍射噪声减少大约2个数量级。当通过变迹减少参考光束衍射噪声时，所记录全息图的数百倍低的衍射效率足以达到与无变迹地记录的全息图相同的信噪比。这允许将在记录全息图的过程中必须获得的折射指数的改变减少到它在无变迹的情况下的值的1/20到1/30。换言之，可将数据密度增加20到30倍，同时保持全息存储材料的相同饱和水平。此外，在开发具有更高Mf(即，更高的动态范围)的改进型全息存储材料的情况下，变迹带来的必要能量的减少将会允许避免全息存储材料的非线性域。这带来了更短的写时间。优选地，变迹滤光器的透射率在截止半径周围的、从内径到外径的范围中逐渐减小。有利地，该逐渐减少遵循线性函数、二次函数、或者高斯函数之一。当然，也可以使用其他函数。透射率的逐渐减少使得参考光束的像素加宽，但将参考光束衍射噪声限制到距离检测器上的重构的物体光束的远距离上。仿真得到了尼奎斯特孔径的5.4%和27%之间的逐渐减少的范围、同时截止半径在尼奎斯特孔径的0.67倍到1.27倍之间的最优结果。有利地，变迹滤光器位于4f系统的傅立叶平面上。这具有以下优点可非常容易地相对于光学路径来调整变迹滤光器。此外，当变迹滤光器位于傅立叶平面上时，变迹效果对于所有像素是相似且对称的。结果，再变换的图像是均匀的。当将滤光器平移出傅立叶平面时，对于中心像素和接近物体平面边界的像素，变迹效果将会不同。这会带来再变换的图像中不均匀滤光的像素。优选地，物体光束和参考光束具有至少部分分离的光学路径，并且变迹滤光器被布置在参考光束的该分离的光学路径中。以此方式，变迹滤光器仅仅作用于参考光束，并且避免了对物体光束的任何变迹(否则这可能带来稍微增加的错误率)。为了分离物体光束和参考光束，该装置优选地具有改变参考光束的偏振的环形半波片以及偏振光束分离器。环形半波片不影响物体光束的偏振，使得物体光束和参考光束具有不同的偏振。因而，可容易地使用偏振光束分离器来分离它们。有利地，该装置在中间物体平面上具有另一环形半波片，其再次改变参考光束的偏振。以此方式，参考光束和物体光束具有相同的偏振，这允许对光学系统的剩余部分使用传统的共线分离孔径布局。为了更好地理解，现在将在以下说明中参照附图更详细地解释本发明。应理解，本发明不限于示例实施例，并且也可以适当地组合和/或修改具体的特征，而不会脱离本发明的范围。附图中图1图解了进入图像区域的参考光束衍射的模型，图2绘出了反射型共线分离孔径全息存储系统的传统布局，图3图解了在SLM或检测器表面上的参考区域和物体区域的布局，图4示出了根据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第一光学布局，图5图解了变迹滤光器的透射率曲线，图6图解了不同的变迹滤光器对傅立叶平面和中间物体平面中的参考光束衍射噪声的作用，图7示出了才艮据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第二光学布局，以及图8示出了根据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第三光学布局。具体实施例方式图2示出了反射型共轴分离孔径全息存储系统1的简化的传统布局。在写入期间，被分为物体区域3和参考区域4的空间光调制器2(SLM)根据入射光束(未示出)生成写光束(物体光束20和参考光束21)。在图3中示出了SLM9上物体区域2和参考区域4的布局。该布局在检测器的表面上是相同的。写光束20、21在它们被物镜7聚焦到全息存储介质8中之前，经过偏振光束分离器(PBS)立方体5和四分之一波片6。在读取期间，仅仅由参考光束21照射全息存储介质。以此方式，获得重构的物体光束30，其由全息存储介质8的反射层81反射并由物镜7校直。参考光束21也由反射层81反射并由物镜7校直。由于四分之一波片6，写光束20、21和读出光束(重构的物体光束30和反射的参考光束31)具有正交的偏振。因而，PBS立方体5使得读出光束30、31向着检测器9偏转。围绕着检测器9的物体区域10的光束挡板11阻止反射的参考光束31,使得其不能到达检测器表面。因为带有空间-频率转移函数的锐截止的光学系统的有限带宽，反射的参考光束31的像素扩散到检测器9的物体区域10上。由于全息存储材料的有限动态范围，如果将多个全息图多路复用到全息存储材料的同一整体中，则参考衍射噪声的强度比重构的物体光束30的强度高大约1到2个数量级。这带来了该布局的非常低的SNR。图4示出了根据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第一光学布局。此布局包括附加4f中转系统40。第一傅立叶透镜41将物体光束20和参考光束21变换到傅立叶平面上。第二傅立叶透镜43将物体光束20和参考光束21再变换到中间物体平面12上。位于4f系统40的傅立叶透镜41、43之间的公共聚焦平面中的是特殊的所谓变迹滤光器42(也称为变迹滤光器)。与传统布局的锐截止相反，变迹滤光器42逐步抑制物体光束20和参考光束21的傅立叶变换的更高频成分。此逐步抑制使得像素加宽，但将衍射噪声限制到距离检测器9上的物体区域10的远距离上。还参见JosephW.Goodman，FourierOptics,McGraw-HillInternationalEditions,ppl52-154。图5示出了作为变迹滤光器42的半径坐标r的函数的、变迹滤光器42的透射率曲线。为比较，点划线示出了具有半径r。ut的筒单孔径的透射率曲线。在从内径r。ut-r—开始到外径Ur，d为止的变迹滤光器42的边缘处，透射率从100°/。到0%线性减少。当然，此线性变迹函数仅仅是一个示例。可类似地使用其他类型的透射率曲线，例如，抛物线、高斯曲线等。简单的线性变迹滤光器42的使用使得衍射噪声减少到小于其原始值的1/200到1/800。同时,仅仅稍微增加了滤光器半径。在下表2中给出了仿真结果。表2:物体区域内部的噪声总功率除以参考光束的总功率(在FP滤波之后)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>图6图解了不同的变迹滤光器42对傅立叶平面和中间物体平面12中的参考光束衍射噪声的作用。最上面一行示意性地示出了变迹滤光器的透射率。中间一行示出了经滤波的、参考光束21的傅立叶平面图像。最下面一行示出了中间物体平面12上的、经滤波的参考光束21。部分a)、b)和c)指示围绕半径rct=0.67xD、的Dn的±0%、Dn的±5.4%和Dn的±10.8°/。的变迹。当使用变迹时，参考光束21的图像明显变得更清楚。为消除在傅立叶平面的中心处的高强度峰值，在模型计算期间，使用所谓"三元相幅"调制。这意味着白像素具有两个不同的相位，具有随机的空间分布。第一半的白像素的相位是0,而另一半的白像素具有相位TT。由此，在经傅立叶变换的图像的中心处不存在平均强度。对于进一步的细节，参见L.Domjan等的"Ternaryphase-amplitudemodulationwithtwistednematicliquidcrystaldisplaysforFourier-planelighthomogenizationinholographicdatastorage"OptikVol.113(2002),卯382-390。下面在表3中给出具有r。ut=124.5jam的设置的单全息图仿真的结果。该表的第一行充当参照，具有"单位量"的能量和所得的SNR、码元错误率(SER)、以及比特错误率(BER)。如可从表的第二和第三行中看到的，增加能量会减少SER,而减少能量会使得结果更差，因为参考噪声变得可与重构的物体光束的能量相比。表的最后两行示出了参考光束21的变迹使得减少了码元错误率，并因此，减少了比特错误率。同时，变迹允许使用更少的能量，这使得能够更好地利用全息存储材料的动态范围。应注意，在这些仿真中，未将变迹用于对物体光束20滤光。表3:变迹对SNR和错误率的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在图4的光学布局中，将变迹应用于物体光束20和参考光束21这两者。然而，物体光束21的变迹稍微降低了读出图像质量。图7示出了根据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第二光学布局，其克服了此缺陷。在此布局中，独立于物体光束20地对参考光束21进行变迹。由S偏振光束来照射SLM2。PBS立方体13朝着傅立叶透镜16反射S偏振的物体光束20。位于此镜头16的傅立叶平面上的是具有四分之一波片的反射型傅立叶滤光器17。经傅立叶变换、滤光以及反射的物体光束20再次经过傅立叶透镜16和PBS立方体13。傅立叶透镜16将经过滤的物体光束21再次变换到中间物体平面12中。位于SLM2的参考区域4上的是环型半波片14。由此，在半波片14之后参考光束21被P偏振。经P偏振的参考光束21经过PBS立方体13，并进入标准4f傅立叶变换、再变换系统40，其由两个傅立叶透镜41、43构成。变迹滤光器42位于此4f系统40的内(公共)聚焦平面上。因为物体光束20和参考光束21遵循独立的光学路径，所以变迹滤光器42仅仅作用于参考光束21。布置在4f系统40的后聚焦平面上的是具有四分之一波片的环型镜面(mirror)18。因而，反射的参考光束21被S偏振。4f系统40通过PBS立方体13将经反射的、S偏振的参考光束21成像到中间物体平面12上。在参考光束21在中间物体平面上的区域中，有另一环型半波片15。这将S偏振的参考光束21转换为P偏振的参考光束21。由此，变迹的参考光束21和经独立傅立叶滤光的物体光束20在中间物体平面12之后具有相同的偏振。该布局的剩余部分以与图2所示的光学布局相同的方式来操作。在图8中图解了根据本发明的共线分离孔径全息存储系统的第三光学布局。同样，独立于物体光束20地对参考光束进行变迹。物体光束20和参考光束21的分离类似于图7所示。在此布局中，变迹滤光器42是反射型滤光器，并且包括四分之一波片。在图7和图8的实施例中，在物体光臂(arm)中布置折叠式4f系统。在此情况下，在傅立叶透镜16的后聚焦平面上放置镜面和四分之一波片。此外，利用反射型傅立叶滤光器17来代替透射型傅立叶滤光器。在上述实施例中，使用了透射型SLM2。当然，本方案也能利用反射型SLM来工作。在此情况下，为了SLM的照射，需要多提供一个PBS立方体。权利要求1、一种用于读取和/或写入全息存储介质(8)的装置，具有参考光束(21)与物体光束(20)或重构的物体光束(30)的共线分离孔径布局，其特征在于，该装置包括用于所述参考光束(21)的变迹滤光器(42)。2、如权利要求l所述的装置，其中，所述变迹滤光器(42)的透射率在截止半径(r加)周围的、从内径(kra—)到外径(r^+r8p。d)的范围(2rap。d)中逐渐减小。3、如权利要求2所述的装置，其中所述截止半径(r。ut)在尼奎斯特孔径(D》的0.67倍和1.27倍之间。4、如权利要求2或3所述的装置，其中逐渐减少的范围(2r，d)是在尼奎斯特孔径(DN)的5.4°/和27%之间。5、如权利要求2至4之一所述的装置，其中所述逐渐减少具有以下之一线性函数、二次函数、或者高斯函数。6、如权利要求1至5之一所述的装置，其中所述变迹滤光器(42)位于4f系统(40)的傅立叶平面上。7、如权利要求1至6之一所述的装置，其中所述物体光束(20)和所述参考光束(21)具有至少部分分离的光学路径，并且所述变迹滤光器(42)被布置在参考光束(21)的该分离的光学路径中。8、如权利要求7所述的装置，具有用于改变参考光束(21)的偏振的环形半波片(14)、以及用于分离物体光束(20)和参考光束(21)的偏振光束分离器(13)。9、如权利要求8所述的装置，具有位于中间物体平面(12)上的、用于改变所述参考光束(21)的偏振的另一环形半波片(15)。10、一种用于在参考光束(21)与物体光束(20)或重构的物体光束(30)的共线分离孔径布局中对参考光束(21)进行整形的方法，具有以下步骤对所述参考光束(21)进行变迹。全文摘要本发明涉及用于读取和/或写入全息存储介质(8)的装置，并且更具体地涉及具有变迹滤光器(42)的、用于读取和/或写入全息存储介质(8)的装置。根据本发明，一种用于读取和/或写入全息存储介质(8)的装置，具有参考光束(21)与物体光束(20)或重构的物体光束(30)的共线分离孔径布局，包括用于参考光束(21)的变迹滤光器(42)。文档编号G11B7/135GK101174433SQ200710181159公开日2008年5月7日申请日期2007年10月12日优先权日2006年10月13日发明者佐尔坦·卡帕蒂,克里茨琴·班科,加博·扎瓦斯,扎博尔克斯·考特尼申请人:汤姆森特许公司