用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据的设备和方法.pdf

用于将数据存储到全息存储介质中以及从全息存储介质中读出数据的设备包括：光源(12)，其用于发射具有波长λ的光(14)；调制器(16)，其用于调制由所述光源发射的光；投射机构(18)，其用于根据所述调制的光形成信号光束(20)并且用于将该信号光束聚焦到全息存储介质(26)上；以及光源(12)，其用于将参考光束(22，32)发射到所述全息存储介质中，该参考光束具有波长λ。所述设备包括光栅(28)和λ/4层(30)，其被设置成使得入射参考光束(22，32)被所述光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束(34)再次穿过所述λ/4层。

1.  一种用于将数据存储到全息存储介质(26)中以及从全息存储介质(26)中读出数据的设备，所述设备包括
光源(12)，其用于发射具有波长λ的光(14)，
调制器(16)，其用于调制由所述光源发射的光以便形成信号光束，
投射机构(18)，其用于将该信号光束聚焦到全息存储介质(26)中，
光源(12)，其用于将参考光束(22，32)发射到所述全息存储介质中，该参考光束具有波长λ，
其中所述设备包括光栅(28)和λ/4层(30)，其被设置成使得入射参考光束(22，32)被所述光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束(34)再次穿过所述λ/4层。

2.  依照权利要求1的设备，其中所述光栅具有光栅常数λ/2sinθ，θ为所述入射参考光束的标称入射角。

3.  依照权利要求2的设备，其中所述参考光束的入射角θ′相对于该参考光束的标称入射角θ是可变的。

4.  依照权利要求3的设备，其中对于存储期间的参考光束(22)的不同入射角θ′，光栅常数为λ/2sinθ，并且所述设备被设置成使得读出期间的入射参考光束与记录期间的衍射的参考光束对准。

5.  依照权利要求3的设备，其中对于存储期间的参考光束(22)的不同入射角θ′，光栅常数为λ/2sinθ，并且所述设备被设置成使得读出期间的衍射的参考光束与记录期间的入射参考光束对准。

6.  依照权利要求1的设备，其中所述光栅(28)适于在读出期间是衍射的并且在记录期间是基本上透明的。

7.  依照权利要求6的设备，其中所述光栅(28)具有光致变色特性。

8.  依照权利要求1的设备，其中还将选择性透明的元件设置在所述投射机构和所述光栅之间，所述设备包括使得该选择性透明的元件在读出期间基本上透明并且在记录期间基本上不透明的机构。

9.  一种用于根据具有波长λ的光来存储数据的全息存储装置(10)，该全息存储装置包括全息存储介质(26)、光栅(28)以及所述全息存储介质与所述光栅之间的λ/4层(30)。

10.  依照权利要求9的全息存储装置(10)，其中所述全息存储装置形成包括所述全息存储介质(26)、光栅(28)和λ/4层(30)的整体装置。

11.  依照权利要求9的全息存储装置(10)，其中所述全息存储装置(10)能够与由某种设备产生的参考光束一起使用，该设备用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据，所述参考光束具有标称入射角θ，所述光栅具有光栅常数λ/2sinθ。

12.  一种将数据存储到全息存储装置中的方法，所述方法包括步骤：
发射具有波长λ的光(14)，
调制该光以便形成信号光束，
提供全息存储装置(10)，该全息存储装置包括全息存储介质(26)、光栅(28)以及所述全息存储介质与所述光栅之间的λ/4层(30)，
将所述信号光束聚焦到所述全息存储装置中，
将参考光束(22)发射到所述全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中所述入射参考光束在穿过所述全息存储介质并且穿过所述λ/4层之后被所述光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的参考光束(34)再次穿过所述λ/4层并且穿过所述全息存储介质，并且
其中通过所述衍射的参考光束(34)与所述信号光束(20)的干涉将数据存储到所述全息存储介质中。

13.  一种从全息存储装置中读出数据的方法，所述数据通过依照权利要求12的方法而被记录，所述方法包括步骤：
将参考光束发射到所述全息存储装置中，该参考光束具有波长λ并且与存储期间使用的衍射的参考光束(34)对准，
将该参考光束(32)散射离开所述全息存储介质，以及
检测该散射的参考光束。

14.  一种将数据存储到全息存储装置中的方法，所述方法包括步骤：
发射具有波长λ的光，
调制该光以便形成信号光束，
提供全息存储装置，该全息存储装置包括全息存储介质、光栅以及所述全息存储介质与光栅之间的λ/4层，
将所述信号光束聚焦到所述全息存储装置中，
将参考光束发射到所述全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中通过该入射参考光束与所述信号光束的干涉将数据存储到所述全息存储介质中。

15.  一种从全息存储装置中读出数据的方法，所述数据通过依照权利要求14的方法而被记录，所述方法包括步骤：
将参考光束发射到所述全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中所述入射参考光束在穿过所述全息存储介质并且穿过所述λ/4层之后被所述光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束再次穿过所述λ/4层并且穿过所述全息存储介质，该衍射的参考光束与记录期间使用的入射参考光束对准，
将该衍射的参考光束散射离开所述全息存储介质，以及
检测该散射的参考光束。

16.  依照权利要求14和15的方法，其中所述光栅在读出期间是衍射的并且在记录期间是基本上透明的。

17.  依照权利要求14和15的方法，其中将选择性透明的元件设置在所述全息记录介质与所述光栅之间，该选择性透明的元件在读出期间基本上透明并且在记录期间基本上不透明。

用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于将数据存储到全息存储介质中以及从全息存储介质中读出数据的设备(setup)和方法。
背景技术
在全息数据存储中，将包含数字信息(“0”和“1”)的二维空间光调制器(SLM)图案投射到全息存储介质上。最常见的配置是所谓的4f傅立叶配置，其中SLM和第一透镜之间的距离是该透镜的一个焦距f₁，从该透镜到介质的距离为f₁，从介质到第二透镜的距离是该第二透镜的一个焦距f₂，并且最后从该第二透镜到检测器阵列的距离再次为f₂。典型地，f₁＝f₂。
图4中给出了这种设备的一个图示。由激光光源(未示出，由附图标记112表示)发射的光被分裂成两个光束。第一光束114借助于偏振分束器136被导向反射式空间光调制器116，例如LCoS器件。第二光束用作参考光束122。由反射式空间光调制器116(R-SLM)产生的二维数据页朝向成像透镜118被反射回来，所述成像透镜118将光聚焦到全息存储介质126中。从透镜118聚焦到全息存储介质126中的光称为信号光束120。全息存储介质126为全息存储装置(arrangement)110的一部分，该全息存储装置在所示的简单情况下包括两个保护层138、140，全息存储介质126夹在这两个保护层之间。为了进行记录，信号光束120与参考光束122发生干涉，这导致全息存储介质126中的折射率的调制。该调制代表存储的数据。在读出期间，仅用参考光束122照射所述介质，这借助于全息存储介质126中的散射导致起初由信号光束120携带的数据页波前的重建。利用透镜144将散射的光束142成像到检测器阵列124上，所述检测器阵列例如CMOS或CCD阵列。从R-SLM 116到第一透镜118的距离相应于该透镜118的焦距并且等于从透镜118到全息存储介质126的距离。此外，从全息存储介质126到第二透镜144的距离以及从第二透镜114到检测器阵列124的距离等于最初提到的距离；因此得名4f配置。
图4中所示配置的一个公知的问题是紧凑性的缺乏，因为在全息存储介质126的两侧上存在松散(bulky)而大的光学器件。现有技术中的已知改进是执行相位共轭读出(参见例如Ken Anderson et al.，High speedholographic data storage at 100Gbit/in²，Tech.Digest ISOM/ODS 2005)。通过使用相位共轭，利用记录期间使用的参考光束的相位共轭完成所述读出，即读出期间的参考光束反向传播数据存储期间的参考光束。
图5中给出了这种设备的图示。尽管记录阶段与参照图4所述的类似，使用了参考光束122，但是读出阶段是不同的。在读出时，利用反向传播的参考光束132照射全息介质。得到的散射的光束行进到并且通过透镜118。偏振分束器136将该散射的光束投射到检测器阵列124，与图4的设置形成对照的是，该检测器阵列124与空间光调制器116、偏振分束器136、聚焦透镜118以及光源112置于全息存储装置110的相同侧。然而，尽管依照图5的整个系统的确比依照图4的系统更加紧凑，但是一些光学器件仍然需要处于全息存储装置的“另一侧”，因为需要从全息存储装置的另一侧投射读出时使用的参考光束，并且例如对于平面(in-plain)角度复用而言需要对其进行操纵。
因此，希望提供一种更加紧凑的系统。
发明内容
依照本发明的一个方面，提供了用于将数据存储到全息存储介质中以及从全息存储介质中读出数据的设备，所述设备包括
光源，其用于发射具有波长λ的光，
调制器，其用于调制由所述光源发射的光以便形成信号光束，
投射机构(means)，其用于将信号光束聚焦到全息存储介质中，
光源，其用于将参考光束发射到全息存储介质中，该参考光束具有波长λ，
其中所述设备包括光栅和λ/4层，其被设置成使得入射参考光束被光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束再次穿过所述λ/4层。
通过采用适当的光栅，可以使用由该光栅衍射的参考光束以便与信号光束发生干涉并且产生全息存储介质内的折射率调制，或者读出先前由于入射参考光束与信号光束的干涉而存储的数据。由于光栅的原因，整个光学器件置于全息存储介质的相同侧，这在所述设备的紧凑性方面是特别有用的。
依照一个实施例，光栅常数为λ/2sinθ，θ为入射参考光束的标称入射角。在参考光束以角度θ入射的情况下，利用这种光栅，一阶衍射光反向传播该参考光束。
依照另一个实施例，参考光束的入射角θ′相对于参考光束的标称入射角θ是可变的。在此基础上，使得角度复用成为可能，这允许将更多的信息存储到全息存储介质的相同体积中。
实现复用的一种可能性在于，对于存储期间的参考光束的不同入射角θ′，光栅常数为λ/2sinθ，并且读出期间的入射参考光束与记录期间的衍射的参考光束对准。因此，甚至利用被设计成产生给定参考光束而不是存储期间使用的所有参考光束的相位共轭的光栅，本发明可以通过使需要在本发明意义上反向传播的光束对准来实现。
依照另一个实施例，对于存储期间的参考光束的不同入射角θ′，光栅常数为λ/2sinθ，并且读出期间的衍射的参考光束与记录期间的入射参考光束对准。
依照另一个实施例，所述光栅适于在读出期间是衍射的并且在记录期间是基本上透明的。在存储期间，由于光栅的不存在，不产生衍射的参考光束，而在读出期间，衍射的参考光束可以用于从全息介质存储器中读取数据。如在详细的描述中所解释的，这允许提高所述全息介质中的数据密度。
在这点上，所述光栅可以具有光致变色特性。
此外，可能的是，将选择性透明的元件设置在投射机构和光栅之间，所述设备包括使得该选择性透明的元件在读出期间基本上透明并且在记录期间基本上不透明的机构。
本发明的一个方面还涉及用于根据具有波长λ的光来存储数据的全息存储装置，该全息存储装置包括全息存储介质、光栅以及全息存储介质与光栅之间的λ/4层。
特别地，所述全息存储装置可以形成包括所述全息存储介质、光栅和λ/4层的整体装置。
依照一个实施例，所述全息存储装置能够与由某种设备产生的参考光束一起使用，该设备用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据，所述参考光束具有标称入射角θ，并且所述光栅具有光栅常数λ/2sinθ。
本发明的一个方面还涉及将数据存储到全息存储装置中的方法，所述方法包括步骤：
发射具有波长λ的光，
调制该光以便形成信号光束，
提供全息存储装置，该全息存储装置包括全息存储介质、光栅以及全息存储介质与光栅之间的λ/4层，
将信号光束聚焦到全息存储装置中，
将参考光束发射到全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中入射参考光束在穿过全息存储介质并且穿过λ/4层之后被光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束再次穿过λ/4层并且穿过全息存储介质，并且
其中通过所述衍射的光束与所述信号光束的干涉将数据存储到全息存储介质中。
在此基础上，可以提供从全息存储装置中读出数据的方法，其中该方法包括步骤：
将参考光束发射到全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
将该参考光束散射离开全息存储介质，以及
检测该散射的参考光束，
其中读出期间使用的参考光束与存储期间使用的衍射的参考光束对准。
因此，在记录阶段期间使用了衍射的光束的反向传播性质，而在读出阶段期间，根据入射参考光束仅执行常规的读出。
依照另一个实施例，本发明涉及将数据存储到全息存储装置中的方法，所述方法包括步骤：
发射具有波长λ的光，
调制该光以便形成信号光束，
提供全息存储装置，该全息存储装置包括全息存储介质、光栅以及全息存储介质与光栅之间的λ/4层，
将信号光束聚焦到全息存储装置中，
将参考光束发射到全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中通过该入射参考光束与所述信号光束的干涉将数据存储到全息存储介质中。
在这点上，提出了从全息存储装置中读出数据的方法，其中该方法包括步骤：
将参考光束发射到全息存储装置中，该参考光束具有波长λ，
其中入射参考光束在穿过全息存储介质并且穿过λ/4层之后被光栅衍射，一旦发生衍射，该衍射的光束再次穿过λ/4层并且穿过全息存储介质，
将该衍射的参考光束散射离开全息存储介质，以及
检测该散射的参考光束，
其中读出期间使用的衍射的参考光束与记录期间使用的入射参考光束对准。
因此，尽管所述记录是在常规的基础上通过入射参考光束与信号光束的干涉来实现的，但是所述读出基于衍射的参考光束与记录期间使用的入射参考光束对准。
关于最后提到的实施例，所述光栅可以在读出期间是衍射的并且在记录期间是基本上透明的。
此外，可能的是，将选择性透明的元件设置在全息记录介质与光栅之间，该选择性透明的元件在读出期间基本上透明并且在记录期间基本上不透明。
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。
附图说明
图1示出了依照本发明一个实施例的用于将数据存储到全息存储介质中以及从全息存储介质中读出数据的设备。
图2示出了依照本发明一个实施例的全息存储装置。
图3示出了用于图解说明平面角度复用的全息存储装置。
图4示出了依照现有技术的用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据的设备。
图5示出了依照现有技术的用于将数据存储到全息存储装置中以及从全息存储装置中读出数据的另一种设备。
具体实施方式
图1示出了依照本发明的用于将数据存储到全息存储介质中以及从全息存储介质中读出数据的设备。图1的部分(a)中示出了记录的情形。偏振光14从光源(未示出，但是由附图标记12表示)投射到偏振分束器36中。有关的光的偏振方向示为小的箭头或者固定在更大箭头的起点处的圆，其指示光的方向。光通过偏振分束器36反射到空间光调制器16。空间光调制器16将光反射到相反的方向。该光可以包含两个不同的偏振，其代表“0”和“1”，即要传送到全息存储介质26的数据。该光传播通过λ/2层48以及透镜18，以便旋转偏振并且以信号光束20的形式投射到全息存储装置10中。除了空间光调制器16之外，检测器阵列24被设置成垂直于空间光调制器16，其将在读出期间被使用。
在图1的实施例中，全息存储装置10包括全息存储介质26、光栅28、以及夹在全息存储介质26与光栅28之间的λ/4层30。全息存储介质26由保护层50覆盖。应当指出的是，全息存储介质26可以与光栅28和λ/4层30分开。换言之，全息介质26可以由用户插入到包括光栅28和λ/4层30的设备中。为此目的，该设备还将包括用于容纳所述全息介质26的机构。该容纳机构可以具有适用于将所述全息介质设置在透镜18和λ/4层30之间的任何形状，例如常规的光学存储器中(例如CD播放器中)使用的托盘。
除了信号光束20之外，将参考光束22投射到全息存储装置10中。该参考光束22具有波长λ并且可以由与信号光束20相同的光源12产生，或者由不同的光源产生。因此，用于产生信号光束20的光源以及用于产生参考光束22的光源可以是同一个光源。由于光栅常数的适当选择，参考光束22被衍射到一定角度，该角度使得在图1所示的实施例中衍射的参考光束34反向传播入射参考光束22。通过入射信号光束20与衍射的参考光束34的干涉，在全息存储介质26中形成全息图案，例如空间折射率调制。实际上，由于λ/4层30的原因，衍射的参考光束34具有与信号光束20相同的偏振，并且因而可以与信号光束20发生干涉。
图1的部分(b)中示出了读出的情形。在读出期间，仅将参考光束32投射到全息存储装置10中。在该实施例中，参考光束32是记录期间使用的衍射的参考光束34的相位共轭。因此，参考光束32散射离开全息图(hologram)，通过透镜18、λ/2层48、分束器36并且到达检测器阵列24。
图2示出了依照本发明一个实施例的全息存储装置。在这里，详述了入射参考光束22和衍射的参考光束34的反向传播。该反向传播的情形可以通过将光栅常数选择为λ/2sinθ来实现，此时θ为全息介质内参考光束22的标称入射角。于是，一阶衍射的光束34反向传播入射参考光束22。
图3示出了用于图解说明平面角度复用的全息存储装置。在全息数据存储中，实现复用以便将更多的信息存储到相同的体积中。这最常见地是通过改变参考光束的入射角顺序地写入多页来完成的。按照例如0.1度的步长增大入射角，以便记录不同的数据页。例如，可以围绕某个标称入射角来改变入射角，所述标称入射角为可能的入射角的平均值。举例而言，可以在40度和60度之间改变入射角，标称入射角在这种情况下为50度。然而，如果光栅被设计成具有光栅常数λ/2sinθ并且θ为标称入射角，那么只有对于该标称入射角而言，光栅才会确切地将光衍射到反向传播的方向。对于其他的角度，如图3所示，衍射的光将以不同的角度出射。图3的部分(a)示出了其中入射角小于标称入射角θ的情形，而图3的部分(b)示出了大于标称入射角θ的入射角。然而，依照本发明的实施例，正确的记录和读出仍然是可能的。这可以通过在参考光束的不同角度下进行记录和读出来实现。在图1所示的记录和读取的情形中，对于特定的页而言，读出阶段中的参考光束的入射方向与记录阶段中的衍射的光的方向匹配。对于记录期间使用的参考光束的入射角而言，其中该入射角与针对其将光栅设计成获得衍射的光束的确切的反向传播的角度不同，读出阶段中的参考光束的入射方向与记录阶段中的入射参考光束的方向不同。通过这种方式，所有的页都被读出，而不失保真度。典型地，光栅将被设计成具有与标称角度θ匹配的间距(pitch)，所述角度即参考光束达到的角度范围的中间的角度。
在以上描述的情形中，光栅在记录和读出期间都存在。这可能具有以下缺点：在记录期间，入射和衍射的参考光束都传播通过光敏的全息介质，而这两个光束中只有一个用于存储数据以及随后读取数据。在图1所示的情况下，在读出期间只有通过衍射的入射光束34写入的信息通过入射参考光束32而被读取。因此，光聚合物全息材料的动态范围可能被两个光束的存在消耗，从而导致较低的存储容量。为了解决这个问题，考虑了另一个实施例。依照该另一个实施例，不是衍射的参考光束用于数据记录，而是入射参考光束与信号光束干涉以便将数据写入到全息存储介质中。于是，读出数据通过衍射的参考光束反向传播用于记录的入射参考光束来实现。根据该另一个实施例，可以避免由于记录期间全息介质26中两个参考光束的存在而引起的存储容量的降低。可以使得光栅是可开关的，即仅在读出阶段存在并且在记录阶段不存在。仅当读出时，打开光栅，并且入射参考光束首先衍射离开该光栅，随后散射离开体积全息图，以便在检测器上构造信号。这例如可以通过具有光致变色特性的光栅来实现。在一个波长下，光致变色层的光学反射和吸收可以通过在另一个波长下撞击于其上的光的量来控制。也可以使用具有电致变色特性的光栅。
在第一实施例中，在“关闭”状态下，光栅是基本上透明的并且没有衍射发生。在读出阶段期间，通过将波长与用于读取全息图上的数据以及将数据写入到全息图上的波长不同的光源耦合到光栅上来激励该光栅(“打开”状态)。这是用于在“写入”和“读取”状态之间切换全息图的非接触方法。
可替换地，在第二实施例中，非可开关光栅隐藏在可开关镜或吸收器之后。这例如可以是光致变色或电致变色镜。在这种实施例中，可以与开关特征无关地最优化光栅的效率，允许实现“打开”和“关闭”状态之间的更大的光学对比度。
在不脱离本发明的范围的情况下，也可以采用上面没有描述的等效物和修改，所述范围在所附权利要求书中限定。下面的权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对权利要求的限制。应当显然的是，动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在任何权利要求中未限定的其他任何元件。元件之前措词“一”或“一个”的使用并没有排除存在多个这样的元件。