專利名稱：：具有變跡濾光器的全息存儲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)的裝置，并且更具體地涉及具有變跡濾光器(apodizationfilter)的、用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)的裝置。
背景技術(shù)：
：在全息數(shù)據(jù)存儲中，通過記錄由兩個相干激光束的疊加而產(chǎn)生的干涉圖案來存儲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其中，所謂"物體光束"的一個光束由空間光調(diào)制器來調(diào)制，并且承載要記錄的信息。第二光束充當(dāng)參考光束。干涉圖案帶來存儲材料的具體性質(zhì)的變化，其取決于千涉圖案的局部強(qiáng)度。通過利用與記錄期間相同的條件的參考光束來照射全息圖，來執(zhí)行所記錄的全息圖的讀取。這導(dǎo)致所記錄的物體光束的重構(gòu)。全息數(shù)據(jù)存儲的一個優(yōu)點是增加了數(shù)據(jù)容量。與傳統(tǒng)的光學(xué)存儲介質(zhì)相比，使用全息存儲介質(zhì)的整體(vol腿e)來存儲信息，而不僅僅是幾層。全息數(shù)據(jù)存儲的另一優(yōu)點是在相同整體中存儲多種數(shù)據(jù)的可能性，例如通過改變兩個光束之間的角度或者通過使用平移多路復(fù)用等。另外，取代了存儲單純的位，而是將數(shù)據(jù)存儲為數(shù)據(jù)頁。典型地，數(shù)據(jù)頁由亮暗圖案的矩陣組成，即，二維二進(jìn)制陣列或灰度值的陣列，其編碼了多個位。除了增加存儲密度之外，這允許增加數(shù)據(jù)比。數(shù)據(jù)頁被空間光調(diào)制器(SLM)標(biāo)印(imprint)到物體光束上，并且利用檢測器陣列來檢測。在具有共軸布局的全息存儲系統(tǒng)中，參考光束和物體光束使用單個分離孔徑。此外，由相同的SLM調(diào)制這兩個光束。以多路復(fù)用傅立葉全息圖的形式來存儲信息。對于反射型共軸全息存儲系統(tǒng)，難以在記錄期間耦合物體光束和參考光束，而且難以在讀取期間從重構(gòu)的物體光束中解耦出(coupleout)參考光束。如EP1624451所公開的，為了增加所謂共線布局的選擇性，還將參考光束像素化。利用相同的SLM調(diào)制物體光束和參考光束。此布局也被稱為所謂分離孔徑布局，因為全息光學(xué)系統(tǒng)的物體平面和圖像平面這兩者都被分離為物體區(qū)域和參考區(qū)域。在作為檢測器的平面的圖像平面上，參考像素形成尖銳圖像，并且被阻擋。在US6108110中公開了類似的透射型共軸分離孔徑系統(tǒng)。在讀取期間，將參考光束部分地衍射到圖像區(qū)(zone)。在圖1中繪出了這一點，圖1示出了沒有任何物體光束的衍射參考光束的模型。數(shù)據(jù)像素全部為關(guān)(off)。圖1的部分a)使用線性縮放，而部分b)使用對數(shù)縮放。此衍射噪聲的原因是光學(xué)系統(tǒng)的低通濾波行為。光學(xué)系統(tǒng)的出口光瞳(pupi1)帶來高頻成分的銳截止(sharpcutting)。因為此銳截止，參考光束展開到才企測器表面上。這意味著需要高衍射效率來達(dá)到圖像圖案相對于參考光束衍射噪聲的足夠的信噪比(SNR)。在傳統(tǒng)設(shè)置中，參考光束幾乎0.1%的能量被衍射到圖像區(qū)域。在實踐中可接受的衍射效率10—6到10—5上，這意味著衍射噪聲的總能量是重構(gòu)數(shù)據(jù)圖案的總能量的數(shù)倍大(一般是50-500倍大)。如可從圖l看到的，SNR在圖像圓的中心處較好，而在接近外邊緣處較差。為達(dá)到低錯誤率，需要高衍射效率，這需要在全息存儲材料中記錄高折射指數(shù)的光柵。結(jié)果，即使共線布局具有非常好的選擇性，其SNR也是有限的。對于進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，參見Horimai等的"Col1inearHolography",A卯l.Opt.Vol.44,2575-2579以及Horimai等的"High-densityrecordingstoragesystembyCollinearholography",Proc.SPIE6187,618701。作為有限SNR的結(jié)果，數(shù)據(jù)密度也受到材料的動態(tài)范圍的限制，因為不能以足夠大的衍射效率來多路復(fù)用大量的全息圖。噪聲產(chǎn)生的主要因素是高頻成分的銳截止。因而，如果高頻成分仍然被尖銳截止，則增加物體空間數(shù)值孔徑，或者換句話說，增加傅立葉平面濾光器的半徑，將不會產(chǎn)生足夠的作用。表1示出了對于不同半徑的傅立葉平面濾光器的、圖像區(qū)域中的噪聲總功率除以參考光束的總功率。在該表中，給出與尼查斯特(Nyquist)孔徑Dw有關(guān)的半徑，"被定義為D=^w像素大小其中f是傅立葉物鏡的焦距。在存儲材料中測量波長。如可看到的，通過因子1.6將濾光器半徑從0.67x"增加到1.07xDN,這意味著噪聲減少到其原始值的大約1/30。對于具有入=267腿(材料折射指數(shù)是n=l.5)、f=7mm和12jum的像素大小的系統(tǒng)，這意味著直徑從249jam增加到3Miam。然而，噪聲仍然與重構(gòu)的物體光束處于同數(shù)量級，這是不夠的。另外，此解決方案具有如下缺點，它需要具有物體空間中的更大NA的更好的鏡頭系統(tǒng)。表l:不同半徑的傅立葉平面濾光器的、圖像區(qū)域中的噪聲總功率除以參考光束的總功率<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>在Kimura的"Improvementoftheopticalsignal—to—noiseratioincommon-pathholographicstoragebyuseofapolarization-controllingmediastructure",Opt.Let.，Vol.30，2005中，公開了一種用于抑制從參考光束產(chǎn)生的噪聲的偏振方法。根據(jù)此解決方案，對重構(gòu)的物體光束和參考光束進(jìn)行正交偏振。通過偏振濾光器來抑制由參考光束產(chǎn)生的噪聲。此解決方案需要在全息存儲材料的頂部和底部上配備四分之一波片的復(fù)雜的全息存儲介質(zhì)結(jié)構(gòu)?；谄竦囊种频男嗜Q于數(shù)值孔徑。抑制僅僅對于小NA才能正確工作。然而，為了高數(shù)據(jù)密度存儲，需要傅立葉平面中的高NA。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供在具有共軸布局的、用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)的裝置中減少參考光束衍射噪聲的另一解決方案。根據(jù)本發(fā)明，通過以下來實現(xiàn)此目的一種用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)的裝置，具有參考光束與物體光束或重構(gòu)的物體光束的共線分離孔徑布局，該裝置包括用于參考光束的變跡濾光器。變跡意味著對光學(xué)系統(tǒng)的孔徑的幅值透射率的改變，例如，通過使用向著邊緣增加的衰減來柔化孔徑的邊緣。在讀取期間，在共軸分離孔徑全息布局的圖像區(qū)域上產(chǎn)生參考光束衍射噪聲。此噪聲的起源是光學(xué)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)的有限帶寬，這導(dǎo)致了參考光束的像素擴(kuò)散到物體區(qū)域中。當(dāng)使用變跡濾光器時，將此參考光束衍射噪聲減少大約2個數(shù)量級。當(dāng)通過變跡減少參考光束衍射噪聲時，所記錄全息圖的數(shù)百倍低的衍射效率足以達(dá)到與無變跡地記錄的全息圖相同的信噪比。這允許將在記錄全息圖的過程中必須獲得的折射指數(shù)的改變減少到它在無變跡的情況下的值的1/20到1/30。換言之，可將數(shù)據(jù)密度增加20到30倍，同時保持全息存儲材料的相同飽和水平。此外，在開發(fā)具有更高M(jìn)f(即，更高的動態(tài)范圍)的改進(jìn)型全息存儲材料的情況下，變跡帶來的必要能量的減少將會允許避免全息存儲材料的非線性域。這帶來了更短的寫時間。優(yōu)選地，變跡濾光器的透射率在截止半徑周圍的、從內(nèi)徑到外徑的范圍中逐漸減小。有利地，該逐漸減少遵循線性函數(shù)、二次函數(shù)、或者高斯函數(shù)之一。當(dāng)然，也可以使用其他函數(shù)。透射率的逐漸減少使得參考光束的像素加寬，但將參考光束衍射噪聲限制到距離檢測器上的重構(gòu)的物體光束的遠(yuǎn)距離上。仿真得到了尼奎斯特孔徑的5.4%和27%之間的逐漸減少的范圍、同時截止半徑在尼奎斯特孔徑的0.67倍到1.27倍之間的最優(yōu)結(jié)果。有利地，變跡濾光器位于4f系統(tǒng)的傅立葉平面上。這具有以下優(yōu)點可非常容易地相對于光學(xué)路徑來調(diào)整變跡濾光器。此外，當(dāng)變跡濾光器位于傅立葉平面上時，變跡效果對于所有像素是相似且對稱的。結(jié)果，再變換的圖像是均勻的。當(dāng)將濾光器平移出傅立葉平面時，對于中心像素和接近物體平面邊界的像素，變跡效果將會不同。這會帶來再變換的圖像中不均勻濾光的像素。優(yōu)選地，物體光束和參考光束具有至少部分分離的光學(xué)路徑，并且變跡濾光器被布置在參考光束的該分離的光學(xué)路徑中。以此方式，變跡濾光器僅僅作用于參考光束，并且避免了對物體光束的任何變跡(否則這可能帶來稍微增加的錯誤率)。為了分離物體光束和參考光束，該裝置優(yōu)選地具有改變參考光束的偏振的環(huán)形半波片以及偏振光束分離器。環(huán)形半波片不影響物體光束的偏振，使得物體光束和參考光束具有不同的偏振。因而，可容易地使用偏振光束分離器來分離它們。有利地，該裝置在中間物體平面上具有另一環(huán)形半波片，其再次改變參考光束的偏振。以此方式，參考光束和物體光束具有相同的偏振，這允許對光學(xué)系統(tǒng)的剩余部分使用傳統(tǒng)的共線分離孔徑布局。為了更好地理解，現(xiàn)在將在以下說明中參照附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。應(yīng)理解，本發(fā)明不限于示例實施例，并且也可以適當(dāng)?shù)亟M合和/或修改具體的特征，而不會脫離本發(fā)明的范圍。附圖中圖1圖解了進(jìn)入圖像區(qū)域的參考光束衍射的模型，圖2繪出了反射型共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的傳統(tǒng)布局，圖3圖解了在SLM或檢測器表面上的參考區(qū)域和物體區(qū)域的布局，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第一光學(xué)布局，圖5圖解了變跡濾光器的透射率曲線，圖6圖解了不同的變跡濾光器對傅立葉平面和中間物體平面中的參考光束衍射噪聲的作用，圖7示出了才艮據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第二光學(xué)布局，以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第三光學(xué)布局。具體實施例方式圖2示出了反射型共軸分離孔徑全息存儲系統(tǒng)1的簡化的傳統(tǒng)布局。在寫入期間，被分為物體區(qū)域3和參考區(qū)域4的空間光調(diào)制器2(SLM)根據(jù)入射光束(未示出)生成寫光束(物體光束20和參考光束21)。在圖3中示出了SLM9上物體區(qū)域2和參考區(qū)域4的布局。該布局在檢測器的表面上是相同的。寫光束20、21在它們被物鏡7聚焦到全息存儲介質(zhì)8中之前，經(jīng)過偏振光束分離器(PBS)立方體5和四分之一波片6。在讀取期間，僅僅由參考光束21照射全息存儲介質(zhì)。以此方式，獲得重構(gòu)的物體光束30，其由全息存儲介質(zhì)8的反射層81反射并由物鏡7校直。參考光束21也由反射層81反射并由物鏡7校直。由于四分之一波片6，寫光束20、21和讀出光束(重構(gòu)的物體光束30和反射的參考光束31)具有正交的偏振。因而，PBS立方體5使得讀出光束30、31向著檢測器9偏轉(zhuǎn)。圍繞著檢測器9的物體區(qū)域10的光束擋板11阻止反射的參考光束31,使得其不能到達(dá)檢測器表面。因為帶有空間-頻率轉(zhuǎn)移函數(shù)的銳截止的光學(xué)系統(tǒng)的有限帶寬，反射的參考光束31的像素擴(kuò)散到檢測器9的物體區(qū)域10上。由于全息存儲材料的有限動態(tài)范圍，如果將多個全息圖多路復(fù)用到全息存儲材料的同一整體中，則參考衍射噪聲的強(qiáng)度比重構(gòu)的物體光束30的強(qiáng)度高大約1到2個數(shù)量級。這帶來了該布局的非常低的SNR。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第一光學(xué)布局。此布局包括附加4f中轉(zhuǎn)系統(tǒng)40。第一傅立葉透鏡41將物體光束20和參考光束21變換到傅立葉平面上。第二傅立葉透鏡43將物體光束20和參考光束21再變換到中間物體平面12上。位于4f系統(tǒng)40的傅立葉透鏡41、43之間的公共聚焦平面中的是特殊的所謂變跡濾光器42(也稱為變跡濾光器)。與傳統(tǒng)布局的銳截止相反，變跡濾光器42逐步抑制物體光束20和參考光束21的傅立葉變換的更高頻成分。此逐步抑制使得像素加寬，但將衍射噪聲限制到距離檢測器9上的物體區(qū)域10的遠(yuǎn)距離上。還參見JosephW.Goodman，F(xiàn)ourierOptics,McGraw-HillInternationalEditions,ppl52-154。圖5示出了作為變跡濾光器42的半徑坐標(biāo)r的函數(shù)的、變跡濾光器42的透射率曲線。為比較，點劃線示出了具有半徑r。ut的筒單孔徑的透射率曲線。在從內(nèi)徑r。ut-r—開始到外徑Ur，d為止的變跡濾光器42的邊緣處，透射率從100°/。到0%線性減少。當(dāng)然，此線性變跡函數(shù)僅僅是一個示例。可類似地使用其他類型的透射率曲線，例如，拋物線、高斯曲線等。簡單的線性變跡濾光器42的使用使得衍射噪聲減少到小于其原始值的1/200到1/800。同時,僅僅稍微增加了濾光器半徑。在下表2中給出了仿真結(jié)果。表2:物體區(qū)域內(nèi)部的噪聲總功率除以參考光束的總功率(在FP濾波之后)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>圖6圖解了不同的變跡濾光器42對傅立葉平面和中間物體平面12中的參考光束衍射噪聲的作用。最上面一行示意性地示出了變跡濾光器的透射率。中間一行示出了經(jīng)濾波的、參考光束21的傅立葉平面圖像。最下面一行示出了中間物體平面12上的、經(jīng)濾波的參考光束21。部分a)、b)和c)指示圍繞半徑rct=0.67xD、的Dn的±0%、Dn的±5.4%和Dn的±10.8°/。的變跡。當(dāng)使用變跡時，參考光束21的圖像明顯變得更清楚。為消除在傅立葉平面的中心處的高強(qiáng)度峰值，在模型計算期間，使用所謂"三元相幅"調(diào)制。這意味著白像素具有兩個不同的相位，具有隨機(jī)的空間分布。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，在經(jīng)傅立葉變換的圖像的中心處不存在平均強(qiáng)度。對于進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，參見L.Domjan等的"Ternaryphase-amplitudemodulationwithtwistednematicliquidcrystaldisplaysforFourier-planelighthomogenizationinholographicdatastorage"OptikVol.113(2002),卯382-390。下面在表3中給出具有r。ut=124.5jam的設(shè)置的單全息圖仿真的結(jié)果。該表的第一行充當(dāng)參照，具有"單位量"的能量和所得的SNR、碼元錯誤率(SER)、以及比特錯誤率(BER)。如可從表的第二和第三行中看到的，增加能量會減少SER,而減少能量會使得結(jié)果更差，因為參考噪聲變得可與重構(gòu)的物體光束的能量相比。表的最后兩行示出了參考光束21的變跡使得減少了碼元錯誤率，并因此，減少了比特錯誤率。同時，變跡允許使用更少的能量，這使得能夠更好地利用全息存儲材料的動態(tài)范圍。應(yīng)注意，在這些仿真中，未將變跡用于對物體光束20濾光。表3:變跡對SNR和錯誤率的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在圖4的光學(xué)布局中，將變跡應(yīng)用于物體光束20和參考光束21這兩者。然而，物體光束21的變跡稍微降低了讀出圖像質(zhì)量。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第二光學(xué)布局，其克服了此缺陷。在此布局中，獨立于物體光束20地對參考光束21進(jìn)行變跡。由S偏振光束來照射SLM2。PBS立方體13朝著傅立葉透鏡16反射S偏振的物體光束20。位于此鏡頭16的傅立葉平面上的是具有四分之一波片的反射型傅立葉濾光器17。經(jīng)傅立葉變換、濾光以及反射的物體光束20再次經(jīng)過傅立葉透鏡16和PBS立方體13。傅立葉透鏡16將經(jīng)過濾的物體光束21再次變換到中間物體平面12中。位于SLM2的參考區(qū)域4上的是環(huán)型半波片14。由此，在半波片14之后參考光束21被P偏振。經(jīng)P偏振的參考光束21經(jīng)過PBS立方體13，并進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)4f傅立葉變換、再變換系統(tǒng)40，其由兩個傅立葉透鏡41、43構(gòu)成。變跡濾光器42位于此4f系統(tǒng)40的內(nèi)(公共)聚焦平面上。因為物體光束20和參考光束21遵循獨立的光學(xué)路徑，所以變跡濾光器42僅僅作用于參考光束21。布置在4f系統(tǒng)40的后聚焦平面上的是具有四分之一波片的環(huán)型鏡面(mirror)18。因而，反射的參考光束21被S偏振。4f系統(tǒng)40通過PBS立方體13將經(jīng)反射的、S偏振的參考光束21成像到中間物體平面12上。在參考光束21在中間物體平面上的區(qū)域中，有另一環(huán)型半波片15。這將S偏振的參考光束21轉(zhuǎn)換為P偏振的參考光束21。由此，變跡的參考光束21和經(jīng)獨立傅立葉濾光的物體光束20在中間物體平面12之后具有相同的偏振。該布局的剩余部分以與圖2所示的光學(xué)布局相同的方式來操作。在圖8中圖解了根據(jù)本發(fā)明的共線分離孔徑全息存儲系統(tǒng)的第三光學(xué)布局。同樣，獨立于物體光束20地對參考光束進(jìn)行變跡。物體光束20和參考光束21的分離類似于圖7所示。在此布局中，變跡濾光器42是反射型濾光器，并且包括四分之一波片。在圖7和圖8的實施例中，在物體光臂(arm)中布置折疊式4f系統(tǒng)。在此情況下，在傅立葉透鏡16的后聚焦平面上放置鏡面和四分之一波片。此外，利用反射型傅立葉濾光器17來代替透射型傅立葉濾光器。在上述實施例中，使用了透射型SLM2。當(dāng)然，本方案也能利用反射型SLM來工作。在此情況下，為了SLM的照射，需要多提供一個PBS立方體。權(quán)利要求1、一種用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)(8)的裝置，具有參考光束(21)與物體光束(20)或重構(gòu)的物體光束(30)的共線分離孔徑布局，其特征在于，該裝置包括用于所述參考光束(21)的變跡濾光器(42)。2、如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述變跡濾光器(42)的透射率在截止半徑(r加)周圍的、從內(nèi)徑(kra—)到外徑(r^+r8p。d)的范圍(2rap。d)中逐漸減小。3、如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述截止半徑(r。ut)在尼奎斯特孔徑(D》的0.67倍和1.27倍之間。4、如權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中逐漸減少的范圍(2r，d)是在尼奎斯特孔徑(DN)的5.4°/和27%之間。5、如權(quán)利要求2至4之一所述的裝置，其中所述逐漸減少具有以下之一線性函數(shù)、二次函數(shù)、或者高斯函數(shù)。6、如權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其中所述變跡濾光器(42)位于4f系統(tǒng)(40)的傅立葉平面上。7、如權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，其中所述物體光束(20)和所述參考光束(21)具有至少部分分離的光學(xué)路徑，并且所述變跡濾光器(42)被布置在參考光束(21)的該分離的光學(xué)路徑中。8、如權(quán)利要求7所述的裝置，具有用于改變參考光束(21)的偏振的環(huán)形半波片(14)、以及用于分離物體光束(20)和參考光束(21)的偏振光束分離器(13)。9、如權(quán)利要求8所述的裝置，具有位于中間物體平面(12)上的、用于改變所述參考光束(21)的偏振的另一環(huán)形半波片(15)。10、一種用于在參考光束(21)與物體光束(20)或重構(gòu)的物體光束(30)的共線分離孔徑布局中對參考光束(21)進(jìn)行整形的方法，具有以下步驟對所述參考光束(21)進(jìn)行變跡。全文摘要本發(fā)明涉及用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)(8)的裝置，并且更具體地涉及具有變跡濾光器(42)的、用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)(8)的裝置。根據(jù)本發(fā)明，一種用于讀取和/或?qū)懭肴⒋鎯橘|(zhì)(8)的裝置，具有參考光束(21)與物體光束(20)或重構(gòu)的物體光束(30)的共線分離孔徑布局，包括用于參考光束(21)的變跡濾光器(42)。文檔編號G11B7/135GK101174433SQ200710181159公開日2008年5月7日申請日期2007年10月12日優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日發(fā)明者佐爾坦·卡帕蒂,克里茨琴·班科,加博·扎瓦斯,扎博爾克斯·考特尼申請人:湯姆森特許公司