体全息存储介质的位置反馈系统 本发明涉及本息存储介质和全息存储方法。更具体地是，本发明涉及在光折变介质中以全息图形式记录数据和从其中再现数据的方法，该全息图包括含有位置反馈信息的全息图。
多年以来一直认为，光折变介质中体全息存储的潜力是数字存储容量大，数据传递速率快，和存取时间短。在材料及全息存储元件领域的最新进展已使这一前景接近实现，数据存储容量为兆兆字节，数据传送速率超过1千兆字节/秒，随机存取时间小于100μs。
光折变材料具有光致折射率变化的性质。全息存储可以通过载图像光束和参考光束在光折变介质中的传播和记录而实现。形成的光干涉图形使全息介质整个体积内的空间折射率被调制。在光折变介质中，如在LiNbO3(铌酸锂)中，由于光激电子的迁移和俘获产生内电场生成电光效应，产生了空间折射率光栅。当用与产生折射率光栅的参考光束相同的光束照射该介质时，此光束就会按这样的方式衍射，再现载原先图像的波前。
在典型的全息存储系统中，如图1所示，从光源11射出的相干单色光束可以通过分束器12分成的光束24和参考光束22。利用空间光调制器(SLM)14将物光束24转换成光信号。物光束24和参考光束22通过会聚光学元件16和17，会聚并照射到光折变昌体18上，在晶体18中产生体分布的干涉图形，此干涉图形记录成折射率光栅的形式，或称之为全息图。用相同的参考光束22照射晶体18并将衍射地光信号成像在探测器阵列19上可以再现记录好的全息图，探测器阵列将光信号转换成电信号。
利用各种形式的多路复用技术，如角度多路复用，波长多路复用等等，多重全息图可以写入和存储在晶体18中，每一个全息图对应一个数据页。采用角度多路复用技术，每个全息图是用不同的参考光速入射角写入的。该角度的大小随晶体的实际形状和材料而改变。通常，两个角度之间差别为50微弧度。角度的改变，或用机械方法平移晶体18而保持物光束与参考光束夹角恒定，或用会聚光学元件16和17控制参考光束，改变入射到晶体上的参考光束角度。采用波长多路复用技术，参考光束固定在某一角度上，对每一数据页，改变光源波长记录下每一个全息图。
约束全息记录潜在优点的一个限制是，记录好的全息图是亚稳的(非永久性)。当多个全息图是按顺序但不是分区记录在晶体相同的体积内时，一般称之为“重叠”记录，后续记录的全息图对以前写入全息图衍射效率的减小是非均匀的。因此，“写入”过程对从前记录的邻近全息图造成的破坏是，多次写入之后减小了以前记录全息图的强度。类似地，一个区域在参考光束照射之下的“读出”过程也会使构成记录全息图的电荷重新分布。这就导致定影和显影更多永久性全息图技术的发展。例如，用电子电荷图形制成的全息图可以通过加热该晶体做成永久性的，加热晶体造成离子重新分布，抵消了晶体中空间电荷变化。在此之后晶体冷却，离子进入陷井，形成永久性的折射率变化离子光栅。
约束全息记录潜在应用的另一个限制是，全息图再现过程中出现的串扰，串扰限制了晶体的信息密度和存储容量。由于读出光的布拉格选择特性，存储图像或数据页可以从重叠记录的其他页中独立地再现。如前面讨论过的，用与记录图像相同波长的参考光束照射该记录介质可以完成再现。然而，虽然布拉格选择性保证了与特定参考波长相关的图像再现有最大的衍射效率，但是其他存储图储也可以再现，由于布拉格失配而产生畸变和低衍射效率。为了避免这种形式的串扰，不同全息图之间的角度间隔或波长间隔必须精确地对应于布拉格匹配条件相关的sinc函数零点。与理想角度的一些偏差就会降低信噪比(SMR)。其结果是，或降低图像的分率，或小系统的存储容量。
提出过很多建议试图克服这个容量限制。然而，这些建议在数据页检索中没有利用闭环位置反馈系统，此反馈系统是通过降低串扰以及精确的角度定位使记录信号有最大的SNR。另外，晕些建议没有利用闭环位置反馈系统，将永久性全息图与亚稳全息图结合在相同的记录区内。因此，迄今未解决的困难仍然需要一种在光折变介质中的全息记录方法，它提供位置反馈系统，通过降低串扰使记录信号有最大的SNR，而且也适用于角度多路复用和波长多路复用两种技术。
本发明总的目的是提出一种在光折变介质中的全息记录方法，这一方法克服现有技术的限制和缺点。
具体地说，本发明的一个目的是，提出一种在光折变介质中的全息记录方法，它有一个通过降低串扰使记录信号有最大SNR的位置反馈系统。
本发明的另一个目的是，提出一种在光折变介质中的全息记录方法，其中位置反馈系统适用于角度多路复用和波长多路复用两种技术。
本发明的第三个目的是，提出一种在光折变介质中的全息记录方法，它有一个将永久性全息图与亚稳全息图结合的位置反馈系统。
按照本发明的原理，全息记录方法首先在光折变介质中，如在LiNbO3晶体中记录多个伺服块(servo block)。每一伺服块由五个光斑图形所确定。利用物光束与参考光束同时照射晶体的同一区域制成伺服块。参考光速到晶体表面的入射角规定为参考角。伺服块在再现存储在晶体中的数据页期间提供位置反馈，能使再现的数据页有最大的SNR。几个伺服块还在这样的参考角增量上记录下来，此参考增量为晶体最小角间距的一半，晶体的最小角间距由晶体的实际尺寸所确定，利用专业人员熟知的方法，如加热晶体，使伺服块做成不可擦除的(固定的)。五个光班中的每一个记录在与数据页相同的图像空间，使得在全息图再现期间位置反馈信息与数据页同时被检索。
然后，采用同样的方法把数据页记录在晶体的相同图像空间，即，用载图像的物光束与参考光束同时照射晶体。几个数据在这样的参考角增量上记录下来，此参考角增量为晶体最小角间距。在数据页检索期间，来自伺服块的位置反馈信息传送到反射器定位器，例如音圈电机。定位器以旋转方式调节反射镜的角位置以微调参考光束的参考角，从而通过降低串扰使记录信号有最大的SNR。
图1是采用光折变晶体典型的现有技术全息记录系统的示意图。
图2是实现本发明全息记录方法各个步骤的流程图。
图3是按照本发明原理的全息记录方法，说明一个提供位置反馈的伺服块实施例。
图4a至图4e是按照本发明原理，说明图3伺服块的五个图形。
图5是数据页幅度作为参考光束入射角函数的曲线图。
图6是伺服块幅度作为参考光束入射角函数的曲线图。
图7是图6位置函数之差作为入射角函数的曲线图。
图8是线性定位函数作为参考光束入射角函数的曲线图。
图9画出伺服块sinc图像强度作为参考光束入射角的函数。
图10是按照本发明用于记录和再现全息图的全息记录系统示意图。
图2画出实现本发明全息记录方法各个步骤的流程图。这些步骤包括：确定晶体的最小角间距100，在晶体中记录伺服块200，加热晶体使伺服块固定300，晶体淬火温度下降到室温400，在晶体中记录数据页500，再现记录的数据页600。
在记录任何全息图之前，第一步100确定光折变晶体中晃同全息记录所需的最小角间距，使串扰最小。对于专业人员来说，导出确定最小角间距公式的细节是知道的。具体地说，这些细节在JohnH.Hong等人的文章中讨论和描述过，题目为“体全息存储系统：方法和结构”，Oplical Engineering(光学工程)，Vol.34，No.8，1995年8月，一并附上该文章供参考。Hong等人确定的最小角间距为下列公式，
θ＝λcosθo/nLsin(θr+θo) (1)
其中λ＝信号波长，n＝晶体折射率，L＝晶体厚度，θr＝参考光束相对于Z轴的入射角，θo＝物光束相对于Z轴的入射角。θr可以根据会聚光学元件和晶体的布置而确定。将公式(1)应用到图4所示实施例，其中θo＝0，θr约为33，则公式(1)简化为
θ＝1.88λ/nL (2)
一旦最小角间距确定下来，则可以按照专业人员熟知的常规方法记录伺服块。伺服块的记录采用图10所示优选的全息记录系统30。系统30包括：产生信号的光源31，分束器32，它把信号43分成物光束44和参考光束42，可旋转反射镜33，它具有改变参考角θr的两(2)个自由度，反射镜35，空间光调制器(SLM)34，它通过调制物光束44将电信号转变成光信号，会聚透镜36和37，用于记录全息图的光折变晶体38，探测器阵列39，音圈电机(VCM)41，它对探测器阵列39检测到位置反馈信息的响应是旋转反射镜31。SLM34约有1.0″×0.8″观察区，约提供640×480像素区域来调制物光束。探测器阵列39可以是任何已知的器件，如电荷耦合器件(CCD)，它约有0.5″×0.4″观察区，约提供1134×486像素区域。晶体38是Fe-LiNbO3，圆盘状，约2mm厚，直径约为70mm。
按照普通的全息记录方法，用载伺服图形的物光束44和有特定参考角的参考光束42照射，形成晶体38中的干涉光栅，从而在晶体38中记录下每个伺服图形。
在一个优选实施例中，每个伺服块是由图3所示五个光班图形A，B，C，D，E所规定。五个光班中每一光斑强度及其组合代表参考光束不同的角位置，并提供位置反馈信息。如图3所示的实施例，五个光班位于数据区的外部边缘，而且图3中表示的数据区是个对称的四边形区域。在此实施例中，五个光斑安排成这样，确定五个伺服块中每一个伺服块的一对光班之间距离最长，从而优化被检索的数据区。图3中伺服块是用有一个自由度(X轴)的参考光束表示，以带阴影的Ax，Bx，Cx，Dx，Ex表示。用Y轴作下标的参考光束以带阴影的Ay，By，Cy，Dy，Ey表示。熟悉本专业的人们知道，可以采用五个图形的其他形式，包括其他的排列，光班的不同位置和光斑的数目。
沿一个自由度(X轴)的各个伺服块用五个图形A-B，B-C，C-D，D-E，E-A来确定，如图4a至4e所示。每个图形确定五个光斑的一种形式。例如，图形A-B是由带阴影的光班A和B所确定，图形B-C是由带阴影的光班B和C所确定，图形C-D是由带阴影的光班C和D所确定，图形D-E是由带阴影的光班D和E所确定，图形E-A是由带阴影的光班E和A所确定。带阴影的光班代表强化的图像，而不带阴影的光班代表非强化的图像。每个伺服块的记录是以0.5θ为增量，从图形1开始记录在-0.75θ，图形2记录在-0.25θ，等等。如下面要解释的，图4a至图4e中每一伺服块代表反馈信息，能使每一数据页的检索有最大SNR。
图6画出伺服块五个光斑(A，B，C，D，E，)sinc函数的曲线。因此，当参考光束在某一角度范围内变化时，每一伺服人内五个光斑中每一光斑强度随之而变化，如图9所示。如此图中所示，每一纵向区域B1，B2等等对应于每个光斑强度作为入射角的函数。此外，每个入射角提供伺服块一个“瞬像”，即五个光斑中每一光斑的相对强度。例如，在入射角为0.25θ情况下，光斑C强度最大，而光斑B和D显示较弱的图像。
一旦伺服块记录在晶体中，像任何其他记录在光折变介质中的亚稳全息图一样，伺服块会随其后多次照射而被擦除。为了“固定”伺服块，不致被随后的照射所擦除，按照常规方法给晶体38加热，这一步骤用300表示。通常，Fe-LiNbO3加热到约150-200℃，其中离子变成可移动的，维持这一温度的时间取决于晶体的大小。
然后，晶体38从热源中取出后迅速冷却，用空气冷却返回到环境温度(以步骤400表示)。冷却的速率通常取决于晶体的热冲击容限，亚稳全息图的“固定”过程对本专业人员是熟知的。然而，本发明者相信，将永久性全息图与亚稳全息图结合在相同记录区内的全息记录方法是其他专业人员不知道的，这是本发明一个突出的特征。
应当注意到，在伺服块写入到记录介质中期间，探测器阵列不能用作角度反馈机构，因为记录介质缺少任何参考编码。与磁盘驱动伺服写入过程类似，必须利用高精度测量系统确定θ角，或利用光束控制器上的编码器，或用某种其他方法观察物光束和参考光束。
本专业人员明白，除了伺服块以外，在每个图像空间内也可以记录图像空间认别符以提供附加的位置反馈信息。每个认别符应该是唯一的，能使每个图像空间与其他图像空间区别开，采用上述有关记录伺服块的方法，识别符可以与伺服块或数据页同时记录下来。此外，识别符也可以采用上述的方法加以固定。
下一步，以步骤500表示，数据页按照上术记录伺服块的常规方法记录在晶体38相同的图像空间。在此优选实施例中，每一数据页记录的参考角增量为θ，从0°开始记录。因而，图5画出三个记录的数据页幅度，D1，D2，D3作为入射角的函数。同时参照图5和图6，伺服块光斑B和C提供数据页D1的标称位置反馈信息，伺服块光斑D和E提供数据页D2的标称位置反馈信息，伺服块光斑A和B提供数据页D3的标称位置反馈信息。例如，在θ＝0，光斑B与C是等强度的，改为归一化强度的0.8，而光斑A与D是等强度的，约为归一化强度的0.1，这一情况用图4b中伺服图形B-C表示。相邻伺服图形的关系在图7中说明得最清楚，图7表示是位函数之差作为入射角的函数。函数A-B表示伺服块A与B的sinc函数之差，函数B-C表示伺服块B与C的sinc函数之差，等等。
如图7和图8所示，几个定位函数存在于每个“数据页中心”，即数据页显示出最高强度的参考角。然而，在每个数据页中心处最线性的定位函数会提供给那个数据页最可靠的位置信息。因此，图8画出线性定位函数作为入射角θ的函数。所以，在-0.25θ与0.25θ之间，伺服图形2和3提供给数据页1反馈信息，在0.75θ与1.25θ之间，伺服图形4和5提供给数据页2反馈信息，等等。利用每个定位函数的线性部分，本发明能够按照准确的方式跟踪不同数据页。注意到在本实施例中，不同伺服块的记录是以0.5θ为增量，导致线性定位函数的范围为0.5θ。熟悉本专业的人们明白，不同的伺服块可以在其他增量下记录下来，仍然能检索最大SNR的数据页。然而，若增量小于0.5θ，则线性定位函数的范围就减小(见图8)。此外，若增量大于0.5θ，线性定位函范围增大了，但可能包括非线性部分。
也应当指出，参考角θr有两个自由度，即，θr可以沿X方向变化，也可以沿Y方向变化，沿每个方向的每一增量对应于相同图像空间一个不同的全息图。所以，如上所述，相应于沿Y方向变化的不同参考角的各个伺服块图形可以沿图像空间周围竖直边缘记录，如图3所示。一旦最小角间距θ确定下来，就可以开始写入过程，伺服块写入的顺序不受限制。重要的特征是，相邻伺服块曝光在几乎相同的光强下，其间距准确地以0.5θ为增量。
对图1所示系统的一个改进是，本发明包含上述的位置反馈信息用以微调参考角，通过减小串扰记录的信号有最大的SNR。
在再现数据页时(以步骤600表示)，参考光束以特定的参考角照射晶体。与参考角的大小有关，数据页的部分图像和伺服图形可以在探测器阵列39上产生。例如，参考光束以0.75θ入射射传播到晶体上，它再现在参考角为O和θ下记录的数据页部分图像(如图5所示)以及伺服图形3，4，5形式的位置反馈信息(如图6所示)，再现的图像中有串扰。参照图8，或定位函数3-4或定位函数4-5可以分别用于检索数据页D1或D2。由于位置反馈信息传送到音圈电机(VCM)41，VCM转动反射镜31以调节参考角。其结果是，由于再现的数据页有最大的衍射效率和最大强度，所在SNR最大，串扰最小。或者，参考光束以1.00θ入射角照射晶体，它再现有最大SNR和最小串扰的数据页D2(如图5所示)以及伺服图形1，3，4，5。如图9所示，伺服图形1和3显示相同强度，伺服图形4和5显示相同强度。
熟悉本专业的人们明白，其他的方法也可以适用于调节参考光束的入射角。例如，可以吊音圈电机或步进电机旋转晶体以调节入射角。
按照本发明的原理，伺服块也可适用于波长多路复用。这种应用类似于上述角度多路复用。具体地说，一旦最小波长间距确定下来，各个伺服块可以按W/2间距记录，而各数据页按W间距记录。确定最小波长间距的细节对于本专业人员是熟知的。例如，Hong等人文章“体全息记录系统：方法和结构”公布的最小频率间距为：
〔2πΔν/(c/n)〕(1+cosθr)
其中ν＝光频率，θr＝参考角，n＝晶体折射率。此外，不同的伺服块可以按一种多路复用方法记录，即角度多路复用方法或波长多路复用方法。角度多路复用和波长多路复用两种方法可以分别使用或混合使用。
对于熟悉本专业的人员来说，在不偏离本发明精神的条件下，对上述一个优选实施例显然允许有多种变动和改型，本发明的范围由以下权利要求书具体地指明。此外的描述及公布的内容仅仅用于说明本发明，而不应该认为是限制本发明的范围，本发明的范围由以下权利要求书更具体地指明。