專利名稱：全息數(shù)據(jù)存儲的相位掩模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全息數(shù)據(jù)存儲的相位掩模(phase mask )，并且涉及用于使用
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產(chǎn)生的干涉圖案 來存儲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其中， 一個光束(所謂的"物光束")被空間光調(diào)制器(SLM) 調(diào)制，并且攜帶要被記錄的信息。第二光束充當(dāng)參考光束。干涉圖案導(dǎo)致存 儲材料的特定屬性的修改，該修改依賴于干涉圖案的局部亮度(local intensity )。通過利用參考光束照射全息圖來執(zhí)行所記錄的全息圖的讀取，該 參考光束使用與記錄期間相同的條件。這導(dǎo)致所記錄的物光束的重建。
全息數(shù)據(jù)存儲的 一個優(yōu)點是增加的數(shù)據(jù)容量。與傳統(tǒng)的光學(xué)存儲介質(zhì)不 同，全息存儲介質(zhì)的體積(volumn)被用來存儲信息，而不僅僅是一些層。 全息數(shù)據(jù)存儲的另 一優(yōu)點是例如通過改變兩個光束之間的角度或通過使用移 位復(fù)用(shiftmultiplexing)等來在同一體積中存儲多個數(shù)據(jù)的可能性。此外， 代替存儲單個比特，將數(shù)據(jù)存儲為數(shù)據(jù)頁。典型地，數(shù)據(jù)頁由明暗圖案
(light-dark-pattern)的矩陣組成，即兩維二值陣列或灰度值陣列，其編碼多 個比特。除了增加的存儲密度之外，這還允許獲得增加的數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)頁被 空間光調(diào)制器印制到物光束上，并且利用陣列檢測器檢測。
如上所述，在面向頁(page-oriented)的全息數(shù)據(jù)存儲中，使用像素化的
(pixelated)空間光調(diào)制器來利用信息調(diào)制物光束亮度。該亮度分布通常被物 鏡進(jìn)行傅立葉變換。傅立葉變換，即像素化的數(shù)據(jù)圖案的波譜，具有較高的 中心亮度峰(intensity peak),下文中被稱為DC-峰。實際信息在低得多的、 典型地是-60dB的電平上圍繞該峰分布。物光束的DC-峰可能引起不期望的 光敏介質(zhì)的飽和?？梢酝ㄟ^2維sine函數(shù)(sin(x)/x)來描述周圍亮度分布
(surrounding intensity distribution )的包纟各，該亮度分布由通常的類正方形的 形狀的多個像素產(chǎn)生。關(guān)于SLM像素圖案的完整信息位于所謂的奈奎斯特限
制之下，其位于該sine函數(shù)的第一零點的距離的一半處。
為了抑制DC-峰，除了亮度調(diào)制以外，已經(jīng)提出了應(yīng)用相位調(diào)制。例如， 在SPIE學(xué)報第5362巻(2004 )第150 - 159頁M. J. O，Callaghan的"Sorting through the lore of phase mask options - performance measures and practical commercial designs"中，討論了不同類型的像素化的和非像素化的相位掩模。 然而，典型地將二值的相位掩模用于此目的，其引入相對于激光波長0或兀 的相移。相位單元，即具有恒定相位的區(qū)域，具有SLM的一個或多個像素的
尺寸。0和7T單元的空間分布是隨機的或偽隨機的，O和TT單元的總數(shù)目基本相同。
具有一個SLM像素的單元尺寸的相位掩模非常好地抑制了 DC-峰。然而， 大部分的亮度仍然位于奈奎斯特限制之上。該部分是多余的且不包含必要的 數(shù)據(jù)信息。此外，由于類sinc的包絡(luò)，分別在傅立葉平面的中心區(qū)域內(nèi)或者 在全息介質(zhì)中，亮度分布不平坦。

發(fā)明內(nèi)容
通過具有比SLM低的空間分辨率的相位調(diào)制的相位掩模來克服該缺陷。 此類相位掩模在傅立葉平面中導(dǎo)致較窄的亮度分布。因此，其降低高于奈奎 斯特限制的不必要的亮度，而增加低于奈奎斯特限制的重要亮度。
本發(fā)明的目的是提出一種全息數(shù)據(jù)存儲的相位掩模，其進(jìn)一步改善全息 存儲系統(tǒng)的傅立葉平面中的光束的亮度分布。
根據(jù)本發(fā)明，通過全息數(shù)據(jù)存儲的具有多個相位單元的相位掩模來實現(xiàn) 該目的，其中相位單元在子單元規(guī)模上具有相位變化。
本發(fā)明提出在每個相位單元內(nèi)應(yīng)用特殊的相位分布。如果該單元尺寸與 SLM像素尺寸相同，則這意味著在子像素規(guī)模上的相位變化。子單元規(guī)模上 的特殊相位分布以如下方式影響傅立葉平面中的亮度分布，即亮度分布的包 絡(luò)變得更平坦。結(jié)果，全息存儲介質(zhì)的照明更均衡，并且避免了可能的飽和。 這允許實現(xiàn)具有更佳的信噪比(SNR)或更大數(shù)目的復(fù)用全息圖(即增加的 容量)的更強的全息圖。
優(yōu)選地，像素單元的尺寸等于SLM的像素的尺寸的整數(shù)倍。如上所述， 當(dāng)相位單元尺寸等于SLM像素尺寸時，傅立葉平面中的亮度分布的包絡(luò)變得 更平坦。如果相位單元的尺寸增加到SLM像素尺寸的整數(shù)倍，例如如果一個
相位單元與四個SLM像素相關(guān)聯(lián)，則高于奈奎斯特限制的亮度被降低，而低 于奈奎斯特限制的亮度被增加。這進(jìn)一步改善全息存儲介質(zhì)的照明。在相位 掩模的平面內(nèi)，相位單元的尺寸優(yōu)選地在垂直方向上是相等的，例如每個相 位單元與2x2、 3 x3等SLM像素相關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，在兩個方向上同樣可能使 用不同尺寸，例如lx2、 2x3等SLM像素。
有利地，特殊的相位變化圖案是圓形、矩形、類環(huán)形、類多邊形、或像 素化的圖案、或者這些圖案的組合中的至少一種。此類圖案提供它們可以被 相對容易制造的優(yōu)點。當(dāng)然，不同的相位單元可以具有不同的相位變化，即 不同的圖案。
優(yōu)選地，對于一半數(shù)目的相位單元，相位變化反向。該方案自動保證均 衡出現(xiàn)7T和0相移。同樣可行的是反向圖案與規(guī)則圖案不同。
有利地，相位掩模引入二值或多級相移?？商鎿Q地，其引入隨機分布的
相移，例如高斯分布的。0或7T單元的空間分布是隨才幾的或偽隨才幾的。同樣，
具有不同圖案的相位單元的空間分布也是隨機的或偽隨機的。
優(yōu)選地，相位掩模是具有變化的表面厚度(surface height)或變化的折射
率(refractive index )的透射型光學(xué)元件。這允許非常容易地產(chǎn)生必要的相移。
可替換地，相位掩模是具有變化的表面厚度的反射型光學(xué)元件。當(dāng)在光學(xué)路
徑中不論以任何方式需要反射型元件時，這尤其有用。
根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，相位掩模具有可切換的相位分布或可切換的相
移。以此方式，相位掩?？梢员贿m配為不同類型的全息存儲介質(zhì)，或者被適
配為不同的工作條件。
光束的光學(xué)路徑中包括根據(jù)本發(fā)明的相位掩模。此類裝置在向全息存儲介質(zhì) 寫入時修改物光束的相位分布。這導(dǎo)致全息存儲介質(zhì)的改善的、更均勻的照 明。這允許實現(xiàn)具有更佳信噪比(SNR)或更大數(shù)目的復(fù)用全息圖(即，增 加的容量)的更強的全息圖。
優(yōu)選地，在參考光束的光學(xué)i 各徑中包括另一相位掩模。這具有以下優(yōu)點 保證全息存儲介質(zhì)內(nèi)部的物光束和參考光束的良好重疊。該另 一相位掩?？?以具有與在物光束的光學(xué)路徑中包括的相位掩才莫相同的相位變化、或者可以 具有與在物光束的光學(xué)路徑中包括的相位掩模不同的相位變化。
有利地，相位掩模是SLM的整體部分。以此方式，SLM產(chǎn)生數(shù)據(jù)頁和
修改后的相位分布，從而不需要額外的組件。


為了更好地理解，將參考附圖在下面的描述中更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。應(yīng)
理解本發(fā)明不限于該示例實施例，并且所指出的特征還可以方便地組合和/ 或^ff改，而不偏離本發(fā)明的范圍。在附圖中
圖1示出具有數(shù)據(jù)圖案的SLM;
圖2示出所產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布；
圖3圖示具有等于SLM像素尺寸的單元尺寸的相位掩模，其對于每個像 素引入0或7i的相移；
圖4圖示所產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布；
圖5圖示具有比SLM像素尺寸大兩倍的單元尺寸的相位掩模，其對于每 個^f象素引入0或7t的相移；
圖6示出所產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布；
圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的二值相位掩模的第一實施例；
圖8示出所產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布；
圖9圖示根據(jù)本發(fā)明的二值相位掩模的第二實施例；
圖IO示出傅立葉平面中的對應(yīng)亮度分布；
圖11圖示根據(jù)本發(fā)明的二值相位掩模的第三實施例；
圖12示出傅立葉平面中的對應(yīng)亮度分布；
圖13示出用于比較的不帶子單元相位變化的傅立葉平面中的亮度分布； 圖14圖示根據(jù)本發(fā)明的二值相位掩模的第四實施例； 圖15示出傅立葉平面中的對應(yīng)亮度分布；以及
圖16描述根據(jù)本發(fā)明的用于使用相位掩模從全息存儲介質(zhì)讀取和/或向 全息存儲介質(zhì)寫入的裝置。
具體實施例方式
圖1示出了具有由多個像素2組成的凄t據(jù)圖案的SLM 1。在該圖中，用 黑像素來代表"關(guān)-像素"，而用白像素來代表"開-像素"。對于面向頁的 數(shù)據(jù)存儲，通常應(yīng)用2維調(diào)制機制。 一般途徑是將每個數(shù)據(jù)頁1劃分成由例 如4x4或5x5像素2組成的一組子頁或塊。在調(diào)制期間，將用戶數(shù)據(jù)變換
成一組塊。 一種已知的調(diào)制在每個4x4 SLM塊中4吏用三個"開-像素"(4 x 4-3調(diào)制)。4x4 SLM像素塊中的三個"開-像素，，的組合的數(shù)目等于從 16個對象中選擇3個對象的可能性的數(shù)目，即組合的數(shù)目等于560。這對應(yīng) 于每像素塊大約9.1比特用戶數(shù)據(jù)的容量。
圖2示出了從圖1的數(shù)據(jù)頁1的像素2的分布得出的傅立葉平面中的亮 度分布。所圖示的是對數(shù)標(biāo)尺中的2維分布的切片(cut)。如可以看到的， 傅立葉變換具有較高的中心亮度峰。該物光束的DC-峰可能引起不期望的光 敏介質(zhì)的飽和。
圖3中所圖示的是具有多個相位單元4的相位掩模3，其對于每個像素2 引入0或7T的相移。0或7T的相移的空間分布是隨才幾的。相位掩才莫3的相位 單元4的尺寸與SLM 1的像素2的尺寸相同。當(dāng)然，如果例如由于成像造成 相位掩模3位置處的像素2的尺寸與SLM 1位置處的像素2的尺寸不同，則 相應(yīng)地適配相位單元4的尺寸。換句話說，單個相位單元4被指派給每個像 素2。
圖4圖示了由利用圖3的相位掩模3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像素2的 分布而產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺中2維分布的 切片。具有一個SLM像素的單元尺寸的相位掩模非常好地抑制DC-峰。然而， 大部分亮度仍然位于奈奎斯特限制之上。另外，傅立葉平面的中心區(qū)域內(nèi)的 亮度分布不平坦。
圖5示出具有比SLM像素尺寸大兩倍的單元尺寸的相位掩模3。這意味 著單個相位單元4凈皮指派給SLM 1的四個像素2。再次，相位單元4對于每 個像素引入0或7T的相移。0或7T的相移的空間分布是隨機的。
圖6描述由利用圖5的相位掩模3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像素2的分 布而產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺中2維分布的切 片。相位掩模3降低高于奈奎斯特限制的、即間隔[-l, l]外部的亮度，而增 加低于奈奎斯特限制的亮度。
在圖7中圖示了根據(jù)本發(fā)明的相位掩模3的第一實施例。每個相位單元 造成0或7T的相移，即相位掩模3是二值的。然而，在每個相位單元4內(nèi)， 相移變化。在每個相位單元4的圓形區(qū)域內(nèi)部，相移與在周圍區(qū)域中的相移 不同。如果圓形區(qū)域內(nèi)的相移為7T,則周圍區(qū)域中的相移為0,反之亦然。 相位掩模3仍為二值的。當(dāng)然，同樣可以利用多級相位掩模來實現(xiàn)本發(fā)明。
圖8描述由利用圖7的相位掩模3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像素2的分 布而產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺中2維分布的切 片。如可以看到的，所產(chǎn)生的亮度分布具有更平坦的包絡(luò)。
在圖9中圖示了根據(jù)本發(fā)明的相位掩模3的第二實施例。這里，替代圖 7的圓形圖案，使用正方形圖案。
在圖10中描述了由利用圖9的相位掩才莫3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像素 2的分布而產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺的2維分 布的切片。所產(chǎn)生的亮度分布具有更為平坦的包絡(luò)。
在圖11中圖示了根據(jù)本發(fā)明的相位掩模3的第三實施例。這里，將使用 圓形圖案的圖7的子單元相位變化與圖5中描述的低分辨率相位掩模3組合。
在圖12中描述了由利用圖11的相位掩模3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像 素2的分布產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺中2維分 布的切片。亮度分布被集中低于奈奎斯特限制，且同時具有平坦的包絡(luò)。
圖13描述了用于比較的不帶子單元相位變化的傅立葉平面中的對應(yīng)亮 度分布。亮度分布仍然被集中低于奈奎斯特限制，-f旦包絡(luò)不再平坦。
圖14示出了才艮據(jù)本發(fā)明的相位掩才莫3的第四實施例。在此實施例中，將 使用正方形圖案的圖9的子單元相位變化與圖5中描述的低分辨率相位掩模 3組合。
在圖15中描述了由利用圖14的相位掩模3調(diào)制的圖1的數(shù)據(jù)頁1的像 素2的分布產(chǎn)生的傅立葉平面中的亮度分布。所示出的是線性標(biāo)尺中2維分 布的切片。再次，亮度分布被集中低于奈奎斯特限制。同時，包絡(luò)更為平坦。
在圖16中，示意性地示出了用于從全息存儲介質(zhì)16讀取和/或向全息存 儲介質(zhì)16寫入的裝置7。相干光源例如激光二極管8發(fā)出光束9，其被準(zhǔn)直 透鏡10準(zhǔn)直。然后，光束9被劃分成兩個分離的光束13、 14，即物光束13 和參考光束14。在該例子中，使用第一分束器11來實現(xiàn)光束9的劃分。然 而，為此目的同樣可以使用其它光學(xué)組件?？臻g光調(diào)制器(SLM) 1調(diào)制物 光束13以印制2維數(shù)據(jù)圖案。位于SLM 1之后的是相位掩模3，其向數(shù)據(jù)圖 案的數(shù)據(jù)像素添加子單元規(guī)^^的相位變化。同樣可以在參考光束路徑中包括 另一相同的或不同的相位掩模(未示出)。通過物鏡15，物光束13和參考光 束14兩者都聚焦到全息存儲介質(zhì)16、例如全息盤或卡)中。在物光束13和 參考光束14的交叉部分，出現(xiàn)相干圖案，其被記錄在全息存儲介質(zhì)16的光
敏層中。
通過僅利用參考光束14照射所記錄的全息圖，來從全息存儲介質(zhì)16中 取出所存儲的數(shù)據(jù)。參考光束14被全息圖結(jié)構(gòu)衍射，并且產(chǎn)生原始物光束 13的副本-重建的物光束17。該重建的物光束17 ^^皮物鏡9準(zhǔn)直，并且被第 二分束器18導(dǎo)向2維陣列檢測器19，例如CCD-陣列。陣列檢測器19允許 重建所記錄的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.用于從全息存儲介質(zhì)(16)讀取和/或向全息存儲介質(zhì)(16)寫入的裝置(7)的相位掩模(3)，所述相位掩模(3)具有多個具有子單元規(guī)模上的相位變化的相位單元(4)，所述相位單元(4)的尺寸等于所述裝置(7)的空間光調(diào)制器(1)的像素(2)的尺寸的整數(shù)倍，所述相位掩模(3)特征在于:對于基本上一半數(shù)目的所述相位單元(4)，所述相位變化是反向的。
2. 如權(quán)利要求1所述的相位掩模(3),其中，在所述相位掩模(3)的 平面內(nèi)，所述相位單元(4)的尺寸在垂直方向上是不同的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的相位掩模(3 )，其中，所述相位變化是圓形、 矩形、類環(huán)形、類多邊形、或像素化的圖案、或這些圖案的組合中的至少一 種。
4. 如權(quán)利要求3所述的相位掩模(3 ),其中，不同的相位單元(4)具 有不同的相位變化。
5. 如之前權(quán)利要求之一所述的相位掩模(3 ),其中，所述相位掩模(3) 引入二值或多級相移。
6. 如之前權(quán)利要求之一所述的相位掩模(3 )，其中，所述相位掩模(3) 是具有變化的表面厚度或變化的折射率或可切換的相位分布或可切換的相移 的透射型光學(xué)元件，或者其中所述相位掩模(3)是具有變化的表面厚度的反 射型光學(xué)元件。
7. 從全息存儲介質(zhì)(16)讀取和/或向全息存儲介質(zhì)(16)寫入的裝置 (7)，其特征在于其在物光束(13)的光學(xué)路徑中包括如權(quán)利要求1至6之一所述的相位掩模(3 )。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置(7)，還在參考光束(14)的光學(xué)路徑中具 有如權(quán)利要求1至6之一所述的相位掩模(3 )。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置(7 ),其中，所述相位掩模(3 )是所 述空間光調(diào)制器(1)的整體部分。
10. 向全息存儲介質(zhì)(16)寫入的方法，具有以下步驟 -利用多個相位單元修改物光束(13)的相位分布，所述相位單元的尺寸等于用于所述物光束(13)的空間光調(diào)制器(1)的像素(2)的尺寸的整 數(shù)倍；以及 -利用所述相位單元(4)的子單元規(guī)模的相位變化進(jìn)一步修改所述物光 束(13)的相位分布，其中，對于基本上一半數(shù)目的所述相位單元(4)，所述相位變化是反向的。
全文摘要
本發(fā)明涉及全息數(shù)據(jù)存儲的相位掩模(3)，并且涉及用于使用此類相位掩模(3)從全息存儲介質(zhì)(16)讀取和/或向全息存儲介質(zhì)(16)寫入的方法和裝置(7)。根據(jù)本發(fā)明，相位掩模(3)具有多個相位單元(4)，相位單元(4)的尺寸等于裝置(7)的空間光調(diào)制器(1)的像素(2)的尺寸的整數(shù)倍。相位單元(4)在子單元規(guī)模上具有相位變化，對于基本上一半數(shù)目的相位單元(4)，該相位變化是反向的。
文檔編號G11B7/125GK101373371SQ20081021421
公開日2009年2月25日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者喬基姆·尼特爾, 弗蘭克·普齊戈達(dá) 申請人:湯姆森特許公司