專利名稱：高數(shù)據(jù)密度體全息數(shù)據(jù)存儲方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了一種適用于數(shù)據(jù)存儲的新型全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，其能夠利用厚度為1～3mm且直徑為120mm的圓盤來獲得200～800G字節(jié)的容量。在此提出的系統(tǒng)利用三維多層全息數(shù)據(jù)存儲來實現(xiàn)高容量。高速讀取是由并行讀取和盤格式來保證的。系統(tǒng)中不同層的尋址是通過共焦光學(xué)裝置來實現(xiàn)的，該共焦光學(xué)裝置同時也濾掉了已被讀取但未被尋址的全息圖。已被尋址的全息圖和空間濾光器布置在共焦光學(xué)系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
當(dāng)比較現(xiàn)有的可行的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)時，可以說，在利用CD和DVD的數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域中，可行的辦法之一是減小波長，其包括傾向于紫外線光譜的趨勢。然而這在照明、映射和檢測的可能性方面產(chǎn)生了許多問題。而三維空間數(shù)據(jù)存儲提供了另一可行的解決方案。
即使在空間數(shù)據(jù)存儲中，專利和論文也涉及其它兩種可行方式。其中一種可行的空間數(shù)據(jù)存儲方式為，將上述按位存取的系統(tǒng)推廣到三維。該系統(tǒng)的主要問題，即由分散引起的噪聲，是通過所謂的共焦濾光器進行排除的。然而噪聲的排除取決于層的數(shù)量。實際應(yīng)用中，廣泛采用雙層系統(tǒng)。在實驗室中，試驗了高達約十層的系統(tǒng)。除了可能發(fā)生的噪聲外，還應(yīng)考慮到其它問題；最重要的一個問題是在按位存取的多層盤情況下，應(yīng)開發(fā)三維伺服系統(tǒng)。
針對空間光學(xué)存儲的經(jīng)過長期研究的另一解決方案是在厚存儲材料中建立復(fù)合全息圖(multiplexed holograms)。利用此復(fù)合技術(shù)的主要問題是它需要具有不變尺寸的較大M#數(shù)的全息材料、高精度驅(qū)動和昂貴的光學(xué)元件。在此描述的系統(tǒng)結(jié)合了以上提及的兩種系統(tǒng)，即數(shù)字多層系統(tǒng)和復(fù)合厚全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，從而揚其所長、避其所短。本解決方案的本質(zhì)在于數(shù)據(jù)以單獨的或傅立葉全息圖形式存儲在分層的結(jié)構(gòu)中，并利用共焦結(jié)構(gòu)來尋址。此外，共焦結(jié)構(gòu)允許那些未被尋址但已利用同一參考光讀取的全息圖被過濾掉。基本上，這不要求嚴(yán)格不變尺寸的材料，并且此外，需要更為簡單的伺服系統(tǒng)。
專利US 5289407描述了適用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲的、共焦的、基于顯微鏡的三維多層系統(tǒng)，其向光敏聚合物寫入或從光敏聚合物讀取數(shù)據(jù)位?；旧希撓到y(tǒng)利用共焦過濾原理讀取被尋址的位。我們開發(fā)的系統(tǒng)的本質(zhì)的不同點在于對包括有數(shù)十個或數(shù)百個位的微全息圖進行尋址，而不是對單個位進行尋址。與這種系統(tǒng)相比，顯然可以認(rèn)為假定相同的數(shù)據(jù)密度，寫入多層薄全息圖需要低一級的伺服系統(tǒng)；事實上，全息圖的尺寸比存儲的位的尺寸高一級。該參考文獻中描述的系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)設(shè)定±0.1μm的精度要求，而我們描述的系統(tǒng)需要±1μm的精度，這歸因于傅立葉型全息圖。在我們提出的系統(tǒng)中，由于并行存取，寫入和讀取的速度均更高。
根據(jù)專利US 6212148，數(shù)據(jù)位的存儲在預(yù)成型的反射全息圖中完成。預(yù)寫入的全息圖被嵌入非線性光敏材料中。在寫入數(shù)據(jù)位的過程中，由于非線性材料的吸收，在寫入的激光束的焦點處的小區(qū)域內(nèi)，預(yù)寫入的全息圖的反射分別被減少和中斷，從而記憶了寫入的位。在讀取過程中，被尋址區(qū)域的反射的變化攜帶了信息。精確讀取的前提是預(yù)寫入的厚全息圖的網(wǎng)格系統(tǒng)(grid system)很好地適于讀取信號的波前；即在讀取過程中高精度地滿足布拉格條件。也可認(rèn)為在相同容量的情況下，該多層微全息圖型存儲對伺服系統(tǒng)設(shè)定的要求更低。在專利US 6212148中，寫入和讀取也均為串行系統(tǒng)。
專利US 2002/0015376A1提供了一種改進當(dāng)前CD技術(shù)的解決方案，從而適用于寫入和讀取微全息圖。涂覆在盤上的、適于全息存儲的材料用于存儲以全息方式寫入的位。每個全息圖存儲單個位，這保證了兼容于現(xiàn)有CD/DVD技術(shù)。為了減少在讀取被尋址位時顯現(xiàn)的干擾，該專利描述了具有全息圖尺寸的空間濾光器的應(yīng)用。各層之間的尋址通過移動一對適當(dāng)?shù)耐哥R來實現(xiàn)。因此，在其本質(zhì)上，該專利用全息基元網(wǎng)格取代現(xiàn)有的按位存取的數(shù)據(jù)存儲；所有這些均基于現(xiàn)有的CD/DVD技術(shù)。在比較本發(fā)明和專利US2002/0015376 A1時，主要存在兩個本質(zhì)的差別一方面，本發(fā)明提出將多于一個位寫入一個全息圖中，這允許并行數(shù)據(jù)流，并且需要更為簡單的伺服系統(tǒng)。另一方面，專利US 2002/0015376 A1中使用的共焦濾光器只是減少了各個全息圖之間的干擾，而不是消除了它；這限制了用同一參考光束照亮的微全息圖的最大數(shù)量。利用根據(jù)本發(fā)明的解決方案，在幾何光學(xué)意義上，單獨的微全息圖之間沒有干擾。
專利WO 02/21535提出了一種全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，其將空間全息圖置于兩個維度上。全息圖之間的干擾可通過選擇具有恰當(dāng)參數(shù)的高斯光束來消除。全息圖的尺寸可通過設(shè)置高斯光束頸部的尺寸來調(diào)節(jié)。全息圖建立在由參考光束確定的空間之內(nèi)，而由于目標(biāo)光束相對于參考光束的亮度較低，沒有相當(dāng)大程度地消去鄰近的全息圖。共焦布置意味著目標(biāo)光束和參考光束兩者的焦平面相一致。在本專利中，重點放在參考光束的波前和空間全息圖上，與使用多層薄存儲層的全息系統(tǒng)形成對比，其共焦布置目的在于將已讀取但未被尋址的全息圖從那些已尋址的全息圖中分離出來。在專利WO 02/21535中，未使用共焦濾光原理；即，該系統(tǒng)沒有包括一個輪廓分明(well-defined)的不傳輸來自已讀取但未被尋址的全息圖的光的孔徑。
題為“多層體全息光學(xué)存儲器”的論文(Optics Letters，1999年2月15日/第24卷第4期)描述了一種適用于建立虛擬多層結(jié)構(gòu)的體全息系統(tǒng)。該全息系統(tǒng)依賴于一種特殊的參考光束，其通過置入?yún)⒖脊馐鴥?nèi)的散射體(diffuser)而可存取。用于數(shù)據(jù)存儲的微全息圖在空間上分離而形成層。散射參考光束同時到達多個全息圖；然而，它僅讀取其中一個；即在寫入和讀取參考光束之間具有高相關(guān)性的那個。所提出的計算表明橫向和縱向選擇性均證明足以將全息圖置于三維中。概括來說，可以認(rèn)為所使用的特殊參考光束使微全息圖以虛擬層排列，從而保證了以簡易方式尋址的可能性、高數(shù)據(jù)密度和易讀性。即使在此情況下，保證良好相關(guān)性需要非常精確的伺服系統(tǒng)。
題為“基于矢量有機記錄介質(zhì)的多層三維存儲器”的論文(SPIE第1853卷，1993)描述了基于偏振全息術(shù)的多層全息系統(tǒng)。所提出的全息層結(jié)構(gòu)由以三疊層周期性重復(fù)的偏振器、存儲介質(zhì)、泡克耳斯盒構(gòu)成。各個層的尋址基于設(shè)置恰當(dāng)?shù)钠駪B(tài)，這可通過泡克耳斯盒和偏振器來實現(xiàn)。構(gòu)成上述系統(tǒng)基礎(chǔ)的偏振全息圖保證了最大可能的衍射效率，并因而保證了高信噪比。存儲器層之間的干擾可忽略是一個優(yōu)點；實際上，偏振態(tài)使單個層且僅有單個層被選擇。所描述的系統(tǒng)具有傅立葉全息圖提供的優(yōu)點；實際上，全息圖的偏移量不變性不需要使用精確的聚焦和循軌伺服。然而，所提出的方案未能解決由數(shù)據(jù)層失調(diào)引起的誤差的處理以及在相對加強的層倍增過程中尺寸增加以及制造相對復(fù)雜層結(jié)構(gòu)的可能性引起的困難。
專利US 6020985(帶狀介質(zhì)中的多層反射微全息圖存儲)描述了一種多層光學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)位以反射微全息圖形式存儲。當(dāng)參考光束遇到物體時，生成由伺服系統(tǒng)控制的反射全息圖。在不同厚度的層中顯現(xiàn)的球面像差由一個特殊的光學(xué)元件對(optical pair)來補償。高數(shù)據(jù)傳輸速率可通過同時讀取若干軌跡的互不相干的激光來獲得。該方案也對伺服系統(tǒng)設(shè)定了嚴(yán)格的要求。

發(fā)明內(nèi)容
數(shù)據(jù)載體由1-3mm厚的分層的或均質(zhì)的光敏存儲材料以及0.05-1mm厚的支撐和/或覆蓋層組成，以保證恰當(dāng)?shù)臋C械強度。數(shù)據(jù)載體可為透明型或反射型的。在反射型數(shù)據(jù)載體情況下，反射層被布置在存儲層和支撐層之間的邊界面上。
在分層存儲材料的情況下，10-500μm厚的間隔層布置在1-100μm厚的存儲層之間，依所使用層的數(shù)量而定。在均質(zhì)存儲材料的情況下，疊置(層)寫入的全息圖之間的距離為10-500μm。在另一實施例中，分層或均質(zhì)的光敏存儲層布置在數(shù)據(jù)載體的每一面上。在此情況下，支撐層的兩面均為反射型設(shè)計。0.5-1mm厚的兩個光敏層為獨立的；光不能穿過反射層。雙面盤的容量是單面盤的兩倍高。數(shù)據(jù)載體的形式可為盤、卡或帶。
光學(xué)系統(tǒng)的中心元件為寫入/讀取傅立葉物鏡。由于在疊置的層的寫入和讀取過程中，分別從寫入物鏡到數(shù)據(jù)載體以及從數(shù)據(jù)載體到讀取物鏡，目標(biāo)光束和參考光束經(jīng)過的距離極大地不同，因此寫入/讀取傅立葉物鏡應(yīng)具有不對稱補償板，該補償板的尺寸和/或厚度依據(jù)被尋址層的深度和/或各種光學(xué)性質(zhì)而定，以補償不同的光路長度。該補償板被放置在或者寫入/讀取傅立葉物鏡之前，并且/或者在數(shù)據(jù)載體和物鏡之間，或者甚至在物鏡內(nèi)部。性質(zhì)(形狀、厚度等)依據(jù)層深度而定的補償板的利用，使待尋址的層互相獨立。


圖1示出了優(yōu)選的復(fù)合8f光學(xué)系統(tǒng)。第一傅立葉物鏡13生成SLM 2的傅立葉變換，并且第二元件將該物像進行再變換。在第二傅立葉物鏡68的后焦平面上生成物體的像。第三傅立葉物鏡69的第一焦平面與第二傅立葉物鏡68的后焦平面相重合。SLM的像位于該平面4上。該像被第三傅立葉物鏡69變換到后焦平面上。第四傅立葉物鏡99將SLM的像進行再變換。這正是檢測器陣列10的位置。數(shù)據(jù)載體8位于第一傅立葉物鏡13和第二傅立葉物鏡68的公共焦平面上或在其附近。
圖2示出了全息圖共焦濾光的工作條件。
圖3示出了具有三個共焦布置的傅立葉平面的12f光學(xué)系統(tǒng)?？臻g濾光器304放置在第一傅立葉平面上。第二和第三傅立葉平面生成一個關(guān)于它的清晰圖像。數(shù)據(jù)載體8在第二傅立葉平面附近，并且另一空間濾光器95位于第三傅立葉平面上。
圖4示出了一個彎折的12f系統(tǒng)。在該情況下，圖3中所示的第一和末端物鏡對321和323由傅立葉物鏡403和413組成，在其后焦平面上設(shè)置有具有輪廓清晰的孔徑的反射鏡404和414。
圖5示出了光學(xué)系統(tǒng)的另一實施例。這里參考光束501相對于傅立葉平面上的物鏡的公共光軸形成一γ角。目標(biāo)光束500在傅立葉平面上一個半圓錐角為β的錐體內(nèi)傳播。
圖6示出，除了未尋址全息圖606的空間濾光之外，被尋址層600中待讀取的全息圖與未尋址層601中的全息圖進行共焦分離的方式。
圖7示出一實施例，其中，可應(yīng)用雙波長偏振全息術(shù)。在此情況下，除參考光束700之外，還使用另一波長偏離目標(biāo)光束22和參考光束700的波長的敏化(sensitizing)光束701。
圖8示出了利用不同厚度補償板對層進行尋址的過程。板807和809可被轉(zhuǎn)動，以使它們可定位于第一和第二傅立葉物鏡13和68之間。
圖9示出了在彎折的12f系統(tǒng)情況下對層進行尋址的過程。
圖10示出一實施例，其中，數(shù)據(jù)載體板8以傾斜方式位于物鏡1005之間。在數(shù)據(jù)載體板8和兩側(cè)的物鏡1005之間，有透明光學(xué)特性光楔——第一補償光楔1001和后補償光楔1002。
圖11示出一改型的12f系統(tǒng)，其中，SLM 2由一球面波照亮。
圖12示出了具有共線光學(xué)布置的反射型光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)由三個主要部分組成彎折的寫入換向物鏡(relay objective)1、彎折的讀取換向物鏡9以及由一個或更多透鏡構(gòu)成的寫入/讀取傅立葉物鏡6。
圖13示出了所使用的12f光學(xué)系統(tǒng)的部分放大圖。
圖14示出了將全息圖寫入不同深度的層的過程。
圖15示出了SLM 2和被尋址層82的實像4的示意圖。
圖16示出了數(shù)據(jù)載體8的橫截面。210為最鄰近目標(biāo)光束傳播的參考光束。221為目標(biāo)光束最外面的基元光束(elementary beam)，該基元光束最鄰近參考光束而傳播。
圖17示出了讀取過程。讀出數(shù)據(jù)光束102來源于被尋址層82中的傅立葉平面或其附近。
圖18示出了可變形狀或可變光學(xué)特性補償板51和52的示意圖。
圖19描繪了可變厚度補償板72的示意圖。
圖20示出了可移動的線性元件59和79。
圖21示出了目標(biāo)光束和參考光束可能的布置方式的示意圖。
具體實施例方式
圖1中所示的光學(xué)系統(tǒng)為復(fù)合的8f系統(tǒng)，其包括四個不同的物鏡。各個物鏡的元件可相同。第一傅立葉物鏡13生成物體(SLM)的傅立葉變換，并且第二元件對該物像進行再變換。在第二傅立葉物鏡68的后焦平面上生成物體的像。位于第一物鏡的第一焦平面上的SLM 2用于寫入數(shù)據(jù)。第三傅立葉物鏡69的第一焦平面與第二傅立葉物鏡68的后焦平面相重合。SLM的像位于該平面4上。該像被第三傅立葉物鏡69變換到后焦平面上。第四傅立葉物鏡99將SLM的像進行再變換。因而，SLM的像再次顯現(xiàn)在第四傅立葉物鏡的后焦平面上。這正是檢測器陣列10的位置。數(shù)據(jù)載體8位于第一傅立葉物鏡13和第二傅立葉物鏡68的公共焦平面上或在其附近。第一和第二傅立葉物鏡的公共焦平面的像位于第三和第四物鏡的公共焦平面上。這意味著焦平面(傅立葉平面)是彼此的像。換句話說，傅立葉平面呈共焦布置。在分層存儲材料的疊置層中，在垂直于盤表面的柱體(column)中，每個存儲層里有一個全息圖。在第三和第四物鏡的公共焦平面上，布置了共焦濾光器(空間濾光器)95，其過濾了來自未被尋址的全息圖的光束。讀取和寫入過程中，各層的尋址可通過數(shù)據(jù)載體8與光學(xué)系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)的位移來實現(xiàn)。在尋址過程中，該光學(xué)系統(tǒng)作為剛體垂直于數(shù)據(jù)載體8的平面移動。共焦濾光器95可制成常規(guī)的孔徑或具有高斯切跡(Gauss apodisation)。在后者情況下，層間串?dāng)_可進一步減小。在本實施例中，參考光束21沿著物鏡的公共光軸，在與目標(biāo)光束相同方向上傳播。參考光束在SLM 2的平面上SLM的中心處為一個點(像素)，而在共焦布置的傅立葉平面上它是平行于物鏡的公共光軸傳播的限幅(由孔徑限制的)平面波。在目標(biāo)光束22的中心，為參考光束21留有恰當(dāng)尺寸的空位。在傅立葉平面上，這意味著目標(biāo)光束以錐體形式前進，該錐體具有沿其軸線的“孔”。這意味著存在一個角度區(qū)域——一個位于由目標(biāo)光束形成的錐體之內(nèi)的內(nèi)錐體——沒有目標(biāo)光束可在其中傳播。在傅立葉平面(在被尋址的全息圖87和共焦濾光器95處)上，目標(biāo)光束22和參考光束21彼此相交。在第一傅立葉物鏡的焦平面上，在寫入過程中，有一個被尋址的光敏層。這正是目標(biāo)光束和參考光束相交之處，即在此層中生成一個透射型全息圖，即被尋址的全息圖87。
圖2示出了全息圖共焦濾光的工作條件。讀取條件是在彼此疊置的層中的全息圖(200和201)之間未建立任何耦合，即來自一個全息圖的物體波的信號僅到達檢測器。位于第三傅立葉物鏡焦平面上的共焦濾光器95協(xié)助實現(xiàn)該條件。為了實現(xiàn)被尋址層中待讀取的全息圖與未尋址層中的全息圖的共焦分離，并且為了實現(xiàn)未尋址的全息圖的空間濾光，必須滿足以下等式dl=tgα]]>其中202d為全息圖的直徑，205l為層之間的距離，206α為未被目標(biāo)光束填充的內(nèi)錐體的半錐角。
在此情況下，位于被尋址全息圖87之下和之上的其全息圖也被參考光束21讀取的層中的目標(biāo)光束不能穿過第三傅立葉物鏡的焦平面處的空間濾光器95。從而，依照圖1，只有位于被尋址層中并且被參考光束讀取的全息圖的目標(biāo)光束到達檢測器10。
在另一實施例中，沿著物鏡的公共光軸傳播的參考光束與目標(biāo)光束沿彼此相反的方向傳播。在此情況下，在被尋址層中生成反射型全息圖。與以上所述相似地進行未尋址層中的全息圖的尋址、讀取和空間濾光。
圖3中所示的光學(xué)構(gòu)造是基本相同的，但提供了新的益處。12f系統(tǒng)的優(yōu)點在于空間濾光器304置于第一傅立葉平面上。第二和第三傅立葉平面生成一個關(guān)于它的清晰圖像。存儲材料位于第二傅立葉平面8上，并且另一空間濾光器位于第三傅立葉平面95上。由于空間濾光器只允許某些特定的傅立葉分量通過(低通濾波器)，全息圖的尺寸可由第一空間濾光器304調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)全息圖的尺寸，調(diào)節(jié)了相關(guān)全息圖中的數(shù)據(jù)密度。當(dāng)然，減小全息圖尺寸是有限度的，這是因為隨著尺寸減小，分辨率降低，從而檢測器上可分辨的像素數(shù)減少。這可通過特殊編碼來補償和優(yōu)化。
以下將描述圖3中12f光學(xué)系統(tǒng)的具體操作。該12f系統(tǒng)為一復(fù)合裝置，一般情況下由3對不同的物鏡組成。從而，一般情況下該系統(tǒng)包括六個物鏡。每個物鏡對的元件可相同。因此，系統(tǒng)中共有2×3個傅立葉物鏡。總是物鏡對的第一元件進行物體(SLM)的傅立葉變換，并且第二元件對物像進行再變換。在第二元件的后焦平面上，總是生成光調(diào)制器2(SLM)的像。SLM2用于寫入數(shù)據(jù)，并且位于第一物鏡對321的第一焦平面上，在該物鏡對321的內(nèi)公共焦平面上有一空間濾光孔徑304，其截止SLM的高階傅立葉變換，僅使零級衍射級的一部分通過。從而，在第二傅立葉物鏡305的后焦平面上，顯現(xiàn)已經(jīng)過空間過濾(低通濾波器)的SLM像。該傅立葉濾光器用于增加數(shù)據(jù)密度。第二物鏡對322的第一元件(第三傅立葉物鏡307)的第一焦平面與第一物鏡對321的第二元件(第二傅立葉物鏡305)的后焦平面重合。這正是已經(jīng)過低通濾波器過濾的SLM像顯現(xiàn)的平面。該圖像被第二物鏡對322的第一元件(第三傅立葉物鏡307)傅立葉變換到第三傅立葉物鏡307和第四傅立葉物鏡309的公共焦平面上。第二物鏡對322的第二元件(第四傅立葉物鏡309)將該SLM像再變換。從而，在第二物鏡對322的后焦平面上，再次顯現(xiàn)已經(jīng)通過低通濾波器的SLM像。數(shù)據(jù)載體8位于第二物鏡對322的公共內(nèi)部焦平面上或其附近。在第二物鏡對322的兩物鏡(第三傅立葉物鏡307和第四傅立葉物鏡309)之間，在數(shù)據(jù)載體8的前后，有兩個可變厚度平面平行板317和318。數(shù)據(jù)載體8在這兩個板之間，在其自身平面內(nèi)移動(轉(zhuǎn)動)。第三物鏡對323的第一焦平面與第二物鏡對322的后焦平面重合。SLM 300的經(jīng)空間過濾的像位于該平面上。該圖像被第三物鏡對323傅立葉變換到物鏡對元件的公共焦平面上。物鏡對的第二元件(第六傅立葉物鏡314)在物鏡對323的后焦平面上再生成SLM的已過濾像。這正是檢測器陣列10的位置。
第一物鏡對321的內(nèi)公共焦平面上的空間濾光器304的孔徑像位于第二物鏡對322的內(nèi)公共焦平面上。數(shù)據(jù)載體8(微全息圖)主要記錄了空間濾光孔徑304的清晰圖像。第二物鏡對322的內(nèi)公共焦平面的像位于第三物鏡對323的內(nèi)公共焦平面上，這正是第二空間濾光器95的位置。換句話說，三個內(nèi)焦平面(傅立葉平面)以及空間濾光孔徑304和95成為彼此的清晰圖像。換句話說，傅立葉平面呈共焦布置。第二空間濾光器95位于第三物鏡對323的公共焦平面上。根據(jù)前述，它與第一空間濾光器304的像相一致。
根據(jù)圖1，在分層存儲材料的疊置層中，在垂直于盤表面的柱體中，每個存儲層中有全息圖被尋址全息圖87和未尋址全息圖86。讀取和寫入過程中每個層的尋址可通過數(shù)據(jù)載體87與讀取和寫入光學(xué)系統(tǒng)1和9之間的相互關(guān)聯(lián)的位移來實現(xiàn)。在尋址過程中，讀取和寫入光學(xué)系統(tǒng)1和9作為剛體垂直于數(shù)據(jù)載體8的平面移動?？臻g濾光器304和95可制成常規(guī)的孔徑或具有高斯切跡。在后者情況下，層間串?dāng)_可進一步減小。
對于12f系統(tǒng)，如果通過應(yīng)用偏振光束分離棱鏡，系統(tǒng)以圖4所示的方式被彎折，則有必要將物鏡數(shù)量從六個減小到四個，并且系統(tǒng)的線性尺寸也可減小至約一半。在此情況下，圖3中所示的12f系統(tǒng)的第一和末端物鏡對321和323由傅立葉物鏡403和413組成，在傅立葉物鏡403和413的后焦平面上設(shè)置有具有輪廓清晰的孔徑的反射鏡404和414。從而，光從反射鏡404和414反射回來，并兩次穿過物鏡403和413。這意味著在此情況下同一物鏡執(zhí)行傅立葉變換和再變換。從而，SLM像的傅立葉變換顯現(xiàn)在反射鏡404和414上。在彎折系統(tǒng)中，具有輪廓清晰的孔徑的反射鏡對到達它們的光束進行限幅。每個λ/4板402和412分別位于物鏡403、413與光束分離棱鏡401、411之間。在兩次穿過該板后，光的偏振方向偏轉(zhuǎn)90°。從而，光在一種情況下橫穿偏振光束分離層，而在另一情況下被反射。參考光束416在目標(biāo)光束417內(nèi)傳播。與圖1中所示的系統(tǒng)相似，目標(biāo)光束417表示一個沿其軸線中心有孔的光錐。目標(biāo)光束和參考光束通過光束分離棱鏡401耦合，并通過另一光束分離棱鏡411解耦。
根據(jù)圖5所示的實施例，參考光束501相對于傅立葉平面上的物鏡的公共光軸形成一γ角。目標(biāo)光束500在傅立葉平面上一個半圓錐角為β的錐體內(nèi)傳播，并且物體像素位于圖像和物體空間(SLM 2和檢測器陣列10的平面)中半徑為R的國內(nèi)。參考光束501在SLM平面上位于半徑為R的圓之外。在此情況下，在讀取過程中，參考光束501也同時讀取若干個全息圖。從而，同時被讀取的全息圖502位于疊置層中，偏移角度γ。
圖5示出了在傾斜參考光束情況下，被讀取但未尋址的全息圖的過濾。這里，除了被尋址的全息圖505之外，參考光束501還讀取了未尋址全息圖502。與被尋址的全息圖505呈共焦布置并且位于第三傅立葉物鏡69的后焦平面上的空間濾光器95只允許來自被尋址的全息圖505的目標(biāo)光束通過。未尋址全息圖503被空間濾光器95過濾。從而，只有被參考光束讀取且位于被尋址層600中的全息圖的目標(biāo)光束到達檢測器10。
以圖6中所示的方式，除了為了實現(xiàn)對未尋址的全息圖606進行空間濾光之外，為了實現(xiàn)被尋址層600中待讀取的全息圖與未尋址層601中的全息圖的共焦分離，還必須滿足以下等式dl=tgγ]]>其中602d為全息圖的直徑605l為各個層之間的距離608γ為參考光束的角度。
在另一實施例中，參考光束與沿著物鏡的公共光軸傳播的目標(biāo)光束沿彼此相反的方向傳播。在此情況下，在被尋址層中生成反射型全息圖。與以上所述相似地進行未尋址層中的全息圖的尋址、讀取和空間濾光。
在圖1描繪的實施例中，還可能實施一種在全息數(shù)據(jù)存儲中廣為所知的步驟，即根據(jù)波長的復(fù)用技術(shù)。例如，若每個存儲層的厚度達到20-25μm，可使用以Δλ≈8μm波長偏離的三個光源或者可調(diào)諧激光二極管(圖1中未示出這三個光源)。從而，能夠存儲在微全息圖中的數(shù)據(jù)容量增加數(shù)個量級。這種光源可為例如可調(diào)諧藍(lán)光激光二極管。
在圖7所示的實施例中，可使用雙波長偏振全息術(shù)。在此情況下，除參考光束700之外，還使用另一波長偏離目標(biāo)光束22和參考光束700的波長的敏化光束701。作為相干物體/參考光源，建議使用廉價、高輸出的λ＝635-670nm的紅光激光二極管。作為敏化光源，可使用廉價的藍(lán)光激光二極管或LED。藍(lán)光激光二極管或LED的波長在λ＝390nm至λ＝450nm的區(qū)域內(nèi)。激光二極管如圖7所示。
在上述每個實施例中，可通過移動讀/寫頭來到達各個層。源自不同層尋址的由變化厚度造成的問題可利用可變厚度平面平行板來補償。該板必須安裝在傅立葉物鏡和數(shù)據(jù)載體板之間。平面平行板的厚度必須依據(jù)存儲層與數(shù)據(jù)載體表面之間的距離，以步進方式變化。以此方式，由于數(shù)據(jù)載體厚度變化引起的球面像差可得以補償。這示于圖4中。在尋址過程中，在焦平面之前和之后，位于第二(中間的)物鏡對322的兩個元件之間的平面平行板的聯(lián)合厚度(joint thickness)必須為常數(shù)。這意味著數(shù)據(jù)載體板8在焦平面420之前的區(qū)域，加上在數(shù)據(jù)載體板8之前的第一補償板407的厚度，加上數(shù)據(jù)載體板在焦平面421之后的區(qū)域，加上在數(shù)據(jù)載體板8之后的第二補償板409的厚度之總厚度必須為常數(shù)。因此，在光學(xué)系統(tǒng)位移的同時，在存儲板之前的補償板407和在存儲板之后的補償板409的厚度也必須改變。通過垂直于數(shù)據(jù)載體板平面移動光學(xué)系統(tǒng)，以及通過安裝恰當(dāng)厚度的補償板407和409，元件404、408和414(傅立葉平面)的物/像關(guān)系以及相互關(guān)聯(lián)的位置不變。
通過移動光學(xué)系統(tǒng)和插入補償板，總是正好存儲板的一個層將被尋址。從而，被讀取的全息圖(圖3中位于第二物鏡對322的內(nèi)公共焦平面上的全息圖)與位于第三物鏡323的內(nèi)公共焦平面上的第二空間濾光器95呈共焦關(guān)系。被讀取的全息圖無任何變化地穿過空間濾光器95而傳播。來自同樣被參考光束讀取并位于未尋址層中的全息圖的光束不能穿過第二空間濾光器95。
根據(jù)補償板的一個可能的實施例，依照圖8，光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置厚度逐漸變化的平行玻璃片。板807和809可轉(zhuǎn)動，以使它們位于第一傅立葉物鏡13和第二傅立葉物鏡68之間。在讀取和寫入過程中，每個層的尋址是通過移動光學(xué)系統(tǒng)并通過轉(zhuǎn)動恰當(dāng)厚度的補償板來進行的。在圖8/a中，補償板807和809厚度相同。相應(yīng)地，中間的全息層803與共焦濾光器95呈共焦位置關(guān)系。圖8/b示出了當(dāng)補償板807比板809薄時的位置。在此情況下，外部全息層808與共焦濾光器95呈共焦位置關(guān)系。圖8/c和8/d示出了讀取的過程。參考光束21穿過全部存儲層，并因而也經(jīng)過中間全息層803和外部全息層808。參考光束也讀取了被尋址的全息圖810和未尋址的全息圖811以及所有其它在圖中未示出的順序位于該層中的全息圖。在此情況下，補償板807和809厚度相同。寫入光學(xué)元件1和讀取光學(xué)元件9以如下方式位移被尋址的全息圖803和濾光器95呈共焦位置關(guān)系，并且因而來自被尋址的全息圖810的讀出的目標(biāo)光束812穿過共焦濾光器95，然后到達檢測器陣列10。從未尋址的全息圖811讀出的目標(biāo)光束813可不穿過共焦濾光器95。
圖9示出了在彎折12f系統(tǒng)情況下的尋址過程。在此情況下，第一補償板807比第二補償板809厚。在此情況下，存儲板第一部分中的第一全息層901被尋址?，F(xiàn)在，共焦濾光器的作用被具有嚴(yán)格規(guī)定尺寸的孔徑的共焦反射鏡902取代。換句話說，被尋址的全息圖810與反射鏡902處于共焦位置。
在圖10/a和10/b所示的實施例中，數(shù)據(jù)載體板8以傾斜方式位于物鏡1005之間。在數(shù)據(jù)載體板8和兩側(cè)的物鏡1005之間，有透明光學(xué)特性光楔——第一補償光楔1001和后補償光楔1002。光楔1001和1002的角度與數(shù)據(jù)載體板8和物鏡1005的光軸的夾角相同。光楔1001和1002被安裝在容納著板的盒體中。該盒體未在圖中示出。與物鏡1005相比，盒體與光楔靜止，并且數(shù)據(jù)載體板8在盒體中轉(zhuǎn)動。在數(shù)據(jù)載體板8和光楔1001、1002之間，有一個薄的(1-2μm厚)折射率匹配(refractivity matching)液膜。盒體被制造商密封，以確保匹配液體不泄漏。補償光楔1001和1002的厚度在數(shù)據(jù)載體板轉(zhuǎn)動的方向上有變化。一個光楔的厚度增加，另一個光楔的厚度減小。光楔1001和1002上的與數(shù)據(jù)載體板8相對的側(cè)面互相平行并且垂直于光軸。從光學(xué)角度看，兩個光楔和它們之間的數(shù)據(jù)載體板合起來表現(xiàn)為一個平面平行板。在圖10/a中，光學(xué)頭以某種方式定位，使得在板兩側(cè)上兩個光楔厚度相同。從而，位于數(shù)據(jù)載體板中間的全息圖1003被尋址。在此情況下，層的尋址可通過在數(shù)據(jù)載體板8轉(zhuǎn)動的方向上轉(zhuǎn)動整個光學(xué)頭1006來實現(xiàn)。當(dāng)在數(shù)據(jù)載體板轉(zhuǎn)動的方向上轉(zhuǎn)動整個光學(xué)頭1006時，一個光楔的厚度減小，而另一個光楔的厚度增加。在圖10/b中，光學(xué)頭以如下方式位移使數(shù)據(jù)載體板8之前的第一補償光楔1001變厚，而數(shù)據(jù)載體板之后的后補償光楔1002變薄。在此情況下，更靠近SLM的那一半數(shù)據(jù)載體板中的最外面的全息圖1004被尋址。
依據(jù)圖11所示的實施例，尋址可通過照射SLM的平面波的略微變形來實現(xiàn)。SLM不是由平面波，而是由可變曲率半徑(±10-±1000m)的球面波照射。通過改變波前的曲率半徑，傅立葉平面上的光束直徑增加。依據(jù)照射SLM的波前曲線的符號，在理論傅立葉平面之前或之后生成最小光束橫截面。通過展示一個實例來描述由球面波前執(zhí)行的尋址。圖11示出一改型的12f系統(tǒng)，其中，SLM由一個圖中未示出的球面波照射。在原來的12f系統(tǒng)中，SLM由平面波照射。在原來的12f系統(tǒng)中，理論傅立葉平面1113和1115與上一個玻璃表面的距離為8.04mm。在原來的系統(tǒng)中，空間濾光器位于這些平面上。在圖11所示的改型的系統(tǒng)中，濾光器1111與上一個玻璃表面的距離改成7.4mm，并且共焦反射鏡902(第二空間濾光器)與上一個玻璃表面的距離改成8.6mm。全息圖的位置(最小直徑點)在存儲材料中相對于理論傅立葉平面，已偏移了0.15mm。所示數(shù)例表明，如果空間光調(diào)制器不是由平面波照射，最小光束橫截面偏離傅立葉物鏡的理論傅立葉平面。結(jié)果是，在此情況下，尋址可通過恰當(dāng)位移空間濾光器1111和共焦反射鏡902來實現(xiàn)。在此情況下，不必移動板和讀/寫光學(xué)系統(tǒng)。
在實際中，目標(biāo)光束和參考光束沿相同路徑傳播是一個很重要的要求；即使用所謂的共線光學(xué)布置。沿相同路徑傳播并穿過相同光學(xué)元件的目標(biāo)光束和參考光束對于諸如振動和氣流的環(huán)境沖擊不太敏感。在共線機構(gòu)情況下，目標(biāo)光束和參考光束以相似的方式被映射；從而，它們自動地互相重疊，不需要單獨的伺服系統(tǒng)來控制重疊。目標(biāo)光束和參考光束的重疊由制造過程中嚴(yán)格的公差來保證。
在實際中，在全息數(shù)據(jù)存儲裝置情況下，數(shù)據(jù)載體以反射方式工作是必需的。透射型全息數(shù)據(jù)載體具有寫入和讀取光學(xué)系統(tǒng)位于數(shù)據(jù)載體不同側(cè)的缺點。這增加了系統(tǒng)垂直數(shù)據(jù)載體方向的尺寸，還使難以將布置在數(shù)據(jù)載體兩側(cè)的光學(xué)元件設(shè)置成同軸位置并且利用伺服機構(gòu)分別保持它們的同軸位置。本發(fā)明的一個實施例描述了數(shù)據(jù)載體和反射型布置的光學(xué)系統(tǒng)。
圖12示出了滿足上述要求的、適用于寫入和讀取多層全息數(shù)據(jù)存儲元件的、具有共線光學(xué)布置的反射型光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)包括三個主要部分彎折的寫入換向物鏡1、彎折的讀取換向物鏡9和由一個或多個透鏡組成的寫入/讀取傅立葉物鏡6。這些換向物鏡為具有相對較大焦距的4f物鏡。光束耦合和解耦所必需的偏振分離棱鏡以及λ/4板要能夠容易地安裝到4f系統(tǒng)中，這一要求確定了使用相對較大的焦距是適當(dāng)?shù)?。由于實際原因，換向物鏡設(shè)計簡易、價格低廉是很重要的；實際上，這只能通過使用相對較大的焦距和小數(shù)值孔徑來實現(xiàn)。使用彎折系統(tǒng)對于所需的系統(tǒng)尺寸以及透鏡數(shù)量可得以減小是適當(dāng)?shù)摹?br> 寫入換向物鏡被設(shè)計用于在內(nèi)像面4上生成空間光調(diào)制器2(以下稱SLM)的真實的和經(jīng)空間濾光的像。SLM 2位于透鏡13的第一焦平面上，并且在后焦平面14上生成SLM 2的傅立葉變換。平面14上的空間濾光器截去較高階的傅立葉分量。被寫入的傅立葉全息圖為穿過空間濾光器14的傅立葉分量的像。通過優(yōu)化空間濾光器的尺寸，可提高能夠?qū)懭胍粋€全息圖的數(shù)據(jù)密度，并可限制同一層中彼此靠近地寫入的全息圖之間的不期望的干擾。圖13表示了空間濾光器14未能反射，即，截去較高階的傅立葉分量141。
讀/寫傅立葉物鏡6包括位于傅立葉空間中的短焦距和大數(shù)值孔徑的物鏡?；旧?，正是位于傅立葉空間中的物鏡的數(shù)值孔徑確定了可寫入一個全息圖中的數(shù)據(jù)量。該物鏡有以下作用在全息圖的寫入過程中在被尋址層中生成對在內(nèi)像面4上生成的像的傅立葉變換，并在讀取過程中將來自被尋址層的數(shù)據(jù)信號再變換到內(nèi)像面4上。層的尋址是通過補償板5和7進行的。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，全息讀/寫頭與數(shù)據(jù)載體之間的距離恒定。讀/寫頭與數(shù)據(jù)載體之間的空間分別被具有可變厚度的空氣層和平面平行補償板填充，該可變厚度依據(jù)被尋址層的深度而定?？勺兒穸鹊难a償板7有幾何偏移傅立葉物鏡6的后焦平面的作用。眾所周知，位于給定厚度的平面平行板之下的物鏡看起來比幾何距離更近。從而，在位于較大深度的層的情況下，傅立葉物鏡6的后焦平面幾何地遠(yuǎn)離傅立葉物鏡6而移動；然而，由于可變厚度補償板7的介入，從光學(xué)角度看，視在距離保持不變。當(dāng)寫入最上面的層時，補償板7的厚度為零。隨著被尋址層深度的增加，補償板7的厚度增加，而空氣層的厚度減小。
在圖12上，彎折的寫入換向物鏡1通過偏振光束分離棱鏡3在內(nèi)像面4上生成空間光調(diào)制器2的基本無變形的實像。光束穿過λ/4板31。這將原來線偏振的光轉(zhuǎn)變成圓偏振的光。可變形狀或可變光學(xué)特性的讀/寫補償板5略微地改變光線的方向?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的補償器5在光軸上不具有光焦度(optical power)?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的讀/寫補償板5的一面或兩面的形狀取決于哪個層已被尋址?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的讀/寫補償板5可為非球面透鏡、液體透鏡、液晶透鏡或不同的可變光學(xué)特性的元件。由一個或更多截面球形或非球形的透鏡組成的傅立葉物鏡6在反射型數(shù)據(jù)載體8的被尋址層中生成對在SLM 2的內(nèi)像面4上生成的實像的傅立葉變換。層的尋址——其主要需要讀/寫傅立葉物鏡的后焦距的略微變化以及由此引起的像差的補償——是通過可變形狀或可變光學(xué)特性的讀/寫補償板5和可變厚度平面讀/寫平面平行補償板7來聯(lián)合實施的。
在讀取過程中，讀取的數(shù)據(jù)信號被反射型數(shù)據(jù)載體8的反射表面81反射，并繼續(xù)穿過可變厚度讀/寫平面平行補償板7、讀/寫傅立葉物鏡6以及可變形狀或可變光學(xué)特性的讀/寫補償板5。SLM 2的實像，即讀取的數(shù)據(jù)信號生成在內(nèi)像面4上或其附近。λ/4板31將讀取的光束轉(zhuǎn)變成垂直于寫入光束的線偏振光束，并且該偏振光束經(jīng)由偏振光束分離棱鏡3到達彎折的讀取換向物鏡9。通過彎折的換向物鏡9在檢測器陣列10的表面上生成讀取的圖像。
彎折的寫入換向物鏡1由偏振光束分離棱鏡11、λ/4板12、透鏡13和反射型空間濾光器14組成。在空間濾光器14的平面上，透鏡13生成SLM2的傅立葉變換。反射型空間濾光器14為具有特定孔徑的給定尺寸和形狀的反射鏡。彎折的讀取換向物鏡9由偏振光束分離棱鏡91、λ/4板92、透鏡93和反射型空間濾光器94組成。透鏡93在反射型空間濾光器94的平面上生成像的傅立葉變換，該像生成在內(nèi)像面4上。反射型空間濾光器94為具有特定孔徑的給定尺寸和形狀的反射鏡，該反射鏡與從被尋址層中讀取的全息圖共焦地布置。在SLM 2的平面上，參考光束21和目標(biāo)光束22在空間上分離。這使得能夠獨立地調(diào)制參考光束21和目標(biāo)光束22。在參考光束21和目標(biāo)光束22之間有一個禁區(qū)(未利用區(qū))23。目標(biāo)光束和參考光束都不穿過該禁區(qū)。在檢測器陣列10的平面上，被反射的參考光束22和讀出的目標(biāo)光束102在空間上分離。這使得能夠獨立地檢測參考光束22和目標(biāo)光束102，并能夠排除參考光束。
圖13示出了所應(yīng)用的12f光學(xué)系統(tǒng)的放大圖，包括三個呈共焦布置的傅立葉平面和它們周圍反射型空間濾光器14的平面、寫入被尋址層82的全息圖和第二反射型濾光器94?？臻g濾光器14截去較高階的傅立葉分量141。
圖14a、14b和14c示出了將全息圖寫入不同深度的層的過程。這些圖示出了一個三層的數(shù)據(jù)載體。在圖14a中一個全息圖被寫入中間層，在圖14b中寫入頂層，而在圖14c中寫入底層。SLM的像位于內(nèi)像點4上。在圖14a中，在被尋址平面82/a上生成SLM像的傅立葉變換。該全息圖生成在被尋址平面82/a的參考光束21/a和目標(biāo)光束22/a相交處的周圍。在圖14b中，在被尋址平面82/b上生成SLM像的傅立葉變換。該全息圖生成在被尋址平面82/b的參考光束21/b和目標(biāo)光束22/b相交處的周圍。在圖14c中，SLM像的傅立葉變換生成在被尋址平面82/c上。該全息圖生成在被尋址平面82/c的參考光束21/c和目標(biāo)光束22/c相交處的周圍。71/a、71/b和71/c為可變厚度補償板?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的寫入補償板51/a、51/b和51/c的一個表面相同，而另一個表面對于所有三層均不同?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的補償板51/a、51/b和51/c的目的是略微改變經(jīng)過的光束的方向，從而補償每個層的尋址中產(chǎn)生的各種像差。
圖15示出了SLM 2的實像4以及被尋址層82(傅立葉平面)的實像4的示意圖。每個參考光束21在實像4的平面上生成一個點。在傅立葉平面82上，每個參考光束對應(yīng)于一個受孔徑限制的“平面波”。目標(biāo)光束22源自SLM 2的實像4的數(shù)據(jù)區(qū)域220。禁區(qū)23位于參考光束21和目標(biāo)光束22之間，在那里目標(biāo)光束和參考光束都不穿過。帶區(qū)24是數(shù)據(jù)區(qū)域220的一部分，它是由參考光束覆蓋的帶區(qū)25的關(guān)于中心的鏡像。在讀取過程中，從反射層回射的讀取數(shù)據(jù)光束在讀取參考光束的方向上回射，從而帶區(qū)24可不用于寫入數(shù)據(jù)。
圖16示出了數(shù)據(jù)載體8的橫截面。210為最鄰近目標(biāo)光束傳播的參考光束。221為目標(biāo)光束最外面的基元光束，該基元光束最鄰近參考光束傳播。參考光束210和基元目標(biāo)光束221以恰好以Θsep的角度分開。光束210和221的相交區(qū)域為基元全息圖820，基元全息圖820的中心線為被尋址層82的傅立葉平面。
圖17示出了讀取的過程。讀取數(shù)據(jù)光束102來源于被尋址層82中的傅立葉平面或其附近。光束102從反射層81反射回來，穿過數(shù)據(jù)載體8的整個橫截面并穿過可變厚度補償板72而傳播。傅立葉物鏡6將被尋址平面82中的傅立葉變換再變換到內(nèi)像面4?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的補償板52的目的是補償由于補償板72產(chǎn)生的可變后焦距而引起的像差。
圖18示出了可變形狀或可變光學(xué)特性補償板51和52的示意圖。在寫入全息圖的過程中，參考光束穿過區(qū)域511朝向被尋址層傳播。從反射層81反射回的參考光束經(jīng)由區(qū)域513到達檢測器。讀取參考光束穿過帶區(qū)521而傳播，并被區(qū)域523反射。在寫入過程中，目標(biāo)光束穿過區(qū)域512前進。讀出和反射的目標(biāo)光束穿過區(qū)域522被變換到內(nèi)像面上。
圖19描繪了可變厚度補償板72的示意圖。在全息圖寫入過程中，參考光束穿過區(qū)域711朝向被尋址層傳播。從反射層81回射的參考光束經(jīng)由區(qū)域713到達檢測器。讀取參考光束穿過帶區(qū)721而傳播，并被區(qū)域723反射。在寫入過程中，目標(biāo)光束穿過區(qū)域712前進。讀取和反射的目標(biāo)光束穿過區(qū)域722被變換到內(nèi)像面上。
圖20示出了可移動的線性元件59和79?？勺冃螤顚懭胙a償板51/a、51/b和51/c以及可變形狀讀取補償板52/a、52/b和52/c位于可移動線性元件59上?？勺兒穸葘懭胙a償板71/a、71/b和71/c和可變形狀讀取補償板72/a、72/b和72/c位于可移動線性元件79上。
圖21示出了目標(biāo)光束和參考光束可能的布置方式的示意圖。在圖21/a中，在全息圖寫入過程中，參考光束21和數(shù)據(jù)光束22為直射光束。讀取數(shù)據(jù)光束102通過從反射層81反射回來而傳播。
在圖21/b中，在全息圖寫入過程中，參考光束21為直射光束，目標(biāo)光束22通過從反射層81反射回來而到達被尋址層。讀取數(shù)據(jù)光束102為直射光束，并且其在讀取頭的方向上傳播而無反射。在圖21/c中，在全息圖寫入過程中，參考光束21和目標(biāo)光束22通過從反射層81回射而到達被尋址層。讀取數(shù)據(jù)光束102為直射光束，并且其無反射地朝向讀取頭傳播。在圖21/d中，在全息圖寫入過程中，參考光束21通過從反射層81回射而到達被尋址層，并且數(shù)據(jù)光束22為直射光束。讀取數(shù)據(jù)光束通過從反射層81回射而朝向讀取頭傳播。
圖14a、14b和14c示出了將全息圖寫入不同深度的層的過程。這些圖示出了一個示例性的三層數(shù)據(jù)載體；然而，依據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)載體可包括更多或更少層，并且依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備分別能夠?qū)懭牒妥x取更多或更少層。全息圖的寫入發(fā)生在圖14a中的中間層、圖14b中的最高層和圖14c中的最低層。相應(yīng)地，寫入補償板71/c是最厚的一個，而71/b是最薄的一個。寫入補償板71/b厚度甚至可為零。SLM的像顯現(xiàn)在內(nèi)像面4上。原理上，該像在光學(xué)幾何意義上為無變形的。在圖14a中，SLM像的傅立葉變換生成在被尋址層82/a上。在被尋址層82/a的參考光束21/a和目標(biāo)光束22/a互相重疊的區(qū)域中生成全息圖。在圖14b中，在被尋址平面82/b上生成SLM像的傅立葉變換。在被尋址層82/b的參考光束21/b和目標(biāo)光束22/b互相重疊的區(qū)域中生成全息圖。在圖14c中，在被尋址平面82/c上生成SLM像的傅立葉變換。在被尋址層82/c的參考光束21/c和目標(biāo)光束22/c互相重疊的區(qū)域中生成全息圖。
作為可變后焦距以及可變空氣隙與補償板厚度之比值的結(jié)果，每個層中傅立葉物鏡6的焦平面中的光束行為稍微不同；在每個層中它們以不同方式互相相交，在每個層中波前略有不同，即在對不同的層尋址時，發(fā)生不同的像差。這增加了焦斑(傅立葉平面)的尺寸，從而增加了在同一層中彼此靠近地寫入的全息圖之間的干擾，這又使利用共焦濾光器94分離同時從多個層中讀取的全息圖變得困難。最后，各種效應(yīng)導(dǎo)致存儲容量的減小?？赡馨l(fā)生的像差可通過插入一個附加的補償板來消除。補償板5位于物鏡之前。作為一般規(guī)則，補償板5是布置在內(nèi)像面4上的光學(xué)元件，其能夠改變?nèi)肷涞轿镧R6的并在讀取情況下從物鏡6處出射的光的波前至消除在層的尋址時可能發(fā)生的像差所需的程度。
在圖14a、14b和14c中，可變形狀或可變光學(xué)特性的寫入補償板51/a、51/b和51/c的第一表面形狀相同，而它們的第二表面對于三層中的每一層均不同。它們的作用是通過略微改變源于在內(nèi)像面4上生成的像的光束的方向，從而補償像差。換句話說，可變形狀或可變光學(xué)特性的寫入補償板51/a、51/b和51/c被設(shè)計用于在內(nèi)像面4上或其附近改變波前；從而在對各個層尋址時，進入傅立葉物鏡6的光束呈現(xiàn)略微不同的形狀。該差異正好等于為了在層的尋址時糾正可能發(fā)生的像差所必需的程度?？勺冃螤罨蚩勺児鈱W(xué)特性的補償板51/a、51/b和51/c的厚度沿光軸保持相同，并與被尋址層的深度無關(guān)。他們在光軸處的折射率為零。
根據(jù)一示例性實施例，可變形狀或可變光學(xué)特性的補償板5包括一個非球面板，其中非球面板的一側(cè)或兩側(cè)的形狀依賴于被尋址層的深度。在此情況下，在對層尋址時，補償板5應(yīng)被更換。
在另一示例性實施例中，補償板5的一側(cè)保持著一個非球面板，而另一側(cè)保持著一個可變液晶透鏡。在該實施例中，非球面對于每個層均為不變的；在對層尋址時，只有液晶透鏡折射率的分布受到施加到液晶透鏡上的恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柕淖饔枚凶兓?br> 在一個新近的示例性實施例中，補償板5的一側(cè)保持著一個非球面板，而另一側(cè)保持著一個可變形狀液體透鏡。在該實施例中，非球面對于每個層均為不變的；在對層尋址時，只有液晶透鏡的形狀受到施加到液晶透鏡上的恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柕淖饔枚凶兓?br> 補償板5還可為置于兩個偏振器板之間的由單軸晶體制成的透鏡。雙折射透鏡的一個廣為所知的特征是可通過位于透鏡之前和之后的偏振器板來補償可能顯現(xiàn)的球面像差。
圖2示出了彎折光學(xué)系統(tǒng)12f的一部分的展開的示意圖。展開系統(tǒng)意味著這里原有的反射元件為透射型的；即，光束在全息圖之前和之后被分離。在展開的透射型系統(tǒng)中，沒有反射和重疊光束；從而，可以更好地理解作為本發(fā)明實質(zhì)元素的空間濾光功能。在實際上，彎折系統(tǒng)更有利；它包括更少的元件，它對環(huán)境沖擊更不敏感。
在12f系統(tǒng)中，兩個內(nèi)像面被展開；即一個在傅立葉物鏡之前，另一個在傅立葉物鏡之后。在彎折系統(tǒng)中，這兩個內(nèi)像面重合。在空間光調(diào)制器2的平面上、在換向物鏡和傅立葉物鏡之間的內(nèi)像面4上以及在檢測器平面上，目標(biāo)光束和參考光束被分離。在這三個平面上，目標(biāo)光束和參考光束可彼此獨立地調(diào)制或檢測，并可不互相干擾地在這些平面上被耦合或解耦。目標(biāo)光束和參考光束在內(nèi)平面4上的位置示于圖15中。在圖12和13所示的光學(xué)系統(tǒng)中，目標(biāo)光束和參考光束的耦合發(fā)生在SLM 2的平面上。根據(jù)另一實施例，目標(biāo)光束和參考光束還可在內(nèi)像面上分別被耦合和解耦。
在共線光學(xué)布置情況下，多層全息數(shù)據(jù)存儲和廣為所知的角度或相位編碼的基準(zhǔn)復(fù)用技術(shù)可以一種簡易的方式相結(jié)合。在角度和相位編碼的復(fù)用技術(shù)中，以幾何光學(xué)方法利用孔徑限制的平面波參考光束照射全息圖。在內(nèi)像面4上寫/讀傅立葉物鏡6之前，以幾何光學(xué)方法為每個參考光束分配一個點源。(在衍射方法中，應(yīng)該考慮由孔徑尺寸和形狀而不是由孔徑限定的平面波確定的衍射點，同時應(yīng)該考慮擴展源而不是點源。)圖15示出了SLM 2的實像4以及被尋址層82(傅立葉平面)的示意圖。SLM為圓形，與極性對稱傅立葉物鏡的圓形物體區(qū)域相符。根據(jù)上述，在幾何光學(xué)意義上參考光束21在每個實像面4上生成一個點。如果不存在復(fù)用技術(shù)，僅需一個參考光束。在傅立葉平面82上，為傅立葉平面上的每個參考光束分配一個孔徑限定的“平面波”?！捌矫娌ā敝g設(shè)置有依賴于層厚度的、由布拉格條件確定的角度差dΘ。目標(biāo)光束22源自SLM 2的實像4的數(shù)據(jù)區(qū)域220。在參考光束21和目標(biāo)光束22之間有一個禁區(qū)23。目標(biāo)光束和參考光束都不穿過該禁區(qū)。該禁區(qū)的最佳尺寸和形狀依賴于層間距離和寫入(復(fù)合)到單個位置的全息圖數(shù)量。從被尋址層82(傅立葉平面)看，禁區(qū)23的視角為Θsep。所需的和最佳的視角Θsep分別依賴于存儲層之間的距離和全息圖的尺寸(直徑)以及復(fù)合到單個位置的全息圖數(shù)量。更大的全息圖尺寸需要層之間更大的距離或更大的分離角。理論計算表明若圓形SLM 220的數(shù)據(jù)區(qū)域近似為半圓，則可存儲在單個全息圖中的數(shù)據(jù)量(數(shù)據(jù)密度)達到最佳值。
從實際角度看，本發(fā)明的最佳實施例為圖12和圖13所示的彎折12f光學(xué)系統(tǒng)。在12f光學(xué)系統(tǒng)中，有三個呈共焦布置的傅立葉平面。本發(fā)明的實質(zhì)是12f光學(xué)系統(tǒng)的這三個傅立葉平面呈準(zhǔn)確的物/像關(guān)系。圖13示出了傅立葉平面及其周圍的放大圖即反射型空間濾光器(傅立葉濾光器)14的平面、寫入到被尋址層82的全息圖和第二反射型空間濾光器(共焦濾光器)94?？臻g濾光器14截去較高階的傅立葉分量114。截去較高階的傅立葉分量114使全息圖的尺寸得以減小，從而提高了存儲在單個全息圖中的數(shù)據(jù)密度。全息圖的尺寸、層之間的距離以及可在一個層中復(fù)合的全息圖的數(shù)量密切地相互關(guān)聯(lián)。截去較高階的傅立葉分量114減小了在同一層中彼此靠近的全息圖之間的干擾。這意味著，通過正確設(shè)置反射型空間濾光器14的尺寸，可優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量。反射型空間濾光器94設(shè)計用于過濾掉從未尋址層讀取的全息圖。
圖17示出了讀取過程。在讀取時，源自被尋址層82的目標(biāo)光束在數(shù)據(jù)載體的反射表面上被反射，并到達由透鏡組成的寫/讀傅立葉物鏡6。后焦距仍大于在寫入同一層時所使用的后焦距；這可通過使用更厚的補償板72來實現(xiàn)。換句話說，讀取補償板72總是比相應(yīng)于同一層的寫入補償板71更厚。相應(yīng)地，在讀取時，用于補償由層厚度引起的像差的可變形狀非球面板52的形狀也不同于同一層寫入所用的非球面補償板51的形狀。
然而，分別用于寫入和讀取同一層的寫/讀補償板不僅在其厚度和形狀上不同。一個重要的不同點由以下事實造成在寫入全息圖時，目標(biāo)光束和參考光束源自內(nèi)像面4中空間上相分離的區(qū)域，并且在空間上分離地穿過傅立葉物鏡6。然而，在讀取情況下，讀出的目標(biāo)光束102在反射表面81上反射，并穿過傅立葉物鏡6上的用于讀取的參考光束朝向被尋址全息圖傳播的區(qū)域。這意味著，在讀取過程中，在相反方向上穿過補償板52和72的讀出的目標(biāo)光束102和讀取參考光束，將互相重疊。從而，區(qū)域24(見圖5)應(yīng)從目標(biāo)光束中消除。圖18和19示出了補償板52和72上的重疊區(qū)域521和721。由于參考光束應(yīng)與用于寫入全息圖的光束完全相同，區(qū)域521中的讀取補償板的形狀和光學(xué)性質(zhì)應(yīng)該對應(yīng)于區(qū)域511中的寫入補償板51的形狀。區(qū)域511和521的作用是補償在聚焦參考光束時可能發(fā)生的像差。區(qū)域512和522分別補償在寫入和讀取過程中目標(biāo)光束中顯現(xiàn)的像差。區(qū)域513和523設(shè)計用于糾正在反射的參考光束中顯現(xiàn)的像差。反射的參考光束可用于檢測補償板的正確定位。補償板71和72還包括兩個不同厚度的區(qū)域。參考光束在寫入過程中穿過區(qū)域711，而在讀取過程中穿過區(qū)域721。反射的參考光束分別穿過帶區(qū)713和723，朝向檢測器傳播。帶區(qū)711和721的厚度與區(qū)域712的厚度相同。在帶區(qū)713和723以及區(qū)域722上，根據(jù)讀取反射光束所必須的較大的后焦距，補償板厚度較大。關(guān)于它們的實施例，板51、52和71、72為能夠低成本、大批量生產(chǎn)的模塑元件。
由上述可推斷當(dāng)對各個層尋址時，寫入補償板51和讀取補償板52應(yīng)被更換，或者這些元件的光學(xué)性質(zhì)(形狀和/或折射率分布變化)應(yīng)該可由電信號控制。相似地，寫入補償板71和讀取補償板72也應(yīng)被更換。這可通過在傅立葉物鏡6之前和之后以與傅立葉物鏡6相距一恒定距離的方式移動每個補償板的一維驅(qū)動元件來實現(xiàn)。如圖20所示，與這些層相應(yīng)的寫入補償板51/a、51/b、51/c和讀取補償板52/a、52/b和52/c被安裝在線性元件59上。寫入補償板71/a、71/b、71/c和讀取補償板72/a、72/b和72/c被安裝在線性元件79上。這里再次，假定了一個三層數(shù)據(jù)載體。在寫入或讀取情況下，線性元件59和79應(yīng)被移動至相對于物鏡6的適當(dāng)位置，以對這些層尋址。補償元件51、52、71、72也可被安裝在圓盤上。在此情況下，盤應(yīng)被旋轉(zhuǎn)，以對這些層尋址。
在全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，在寫入和讀取全息圖時參考光束相同是一個重要要求。由于可更換補償板，這意味著可變形狀板51和52的定位非常重要。復(fù)原板71和72并不重要，因為可變厚度板為平面平行板。它們平行于平面而移動；從而，它們的再定位并不重要。在寫入和讀取全息圖的情況下，在反射表面81上反射的參考光束到達檢測器10。在寫入過程中，依賴于被尋址層的帶區(qū)711、713的精確厚度以及依賴于被尋址層的帶區(qū)511、513的精確形狀本質(zhì)上保證了反射的參考光束正確地到達檢測器矩陣。相似地，在讀取過程中，帶區(qū)722、723的精確厚度和帶區(qū)521、523的精確形狀保證了反射的參考光束正確到達檢測器矩陣。如果在層的尋址過程中，補償板51和52未精確地位于恰當(dāng)位置，反射的參考光束22到達檢測器10表面上的不同于理論確定的位置的一個位置。這產(chǎn)生一個對于板51和52的精確設(shè)置的錯誤信號。
在補償板51和52的另一實施例中，補償板的一個表面包括一個液晶透鏡，而另一個表面為對于每個層均相同的、與被尋址的層無關(guān)的非球形表面。由于使用了液晶透鏡，在對層尋址時，補償板51和52不應(yīng)被更換。在一個施加到液晶透鏡上的恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柕淖饔孟?，透鏡的折射率分布有變動。這略微改變了光束的方向，從而對各個層的尋址過程中顯現(xiàn)的像差進行補償。相似地，如果板以液體透鏡或雙折射透鏡形式設(shè)計，補償板51和52不應(yīng)被移動。
在圖12所示的12f光學(xué)系統(tǒng)中，參考光束和目標(biāo)光束沿它們的路徑一起傳播，而看起來好象被分離。參考光束和目標(biāo)光束還在內(nèi)像面4上被空間地分離。這使參考光束和目標(biāo)光束甚至在該平面上耦合。在此情況下，參考光束并不穿過彎折的寫入換向物鏡1。該方案對環(huán)境沖擊更敏感；然而，該方案對互相獨立地調(diào)制參考光束和目標(biāo)光束提供了更多的可能性和自由度。
在圖12所示的系統(tǒng)中，參考光束穿過SLM的右側(cè)，而目標(biāo)光束穿過SLM的左側(cè)。原理上，與圖12中所示的情況相比，如果目標(biāo)光束和參考光束也在相同層中平行地傳播，則系統(tǒng)的容量可加倍。即在每個層中，兩倍的全息圖被復(fù)合。復(fù)合的全息圖的一半將利用穿過SLM右側(cè)的參考光束和穿過SLM左側(cè)的目標(biāo)光束來寫入，而全息圖的另一半將利用穿過SLM左側(cè)的參考光束和穿過SLM右側(cè)的目標(biāo)光束來寫入。在雙重復(fù)合全息圖情況下，全息圖尺寸之間的基本關(guān)系、被寫入層之間的距離、復(fù)合的全息圖的數(shù)量以及禁區(qū)的視角不變；然而，容量加倍。
在圖12所示的系統(tǒng)中，在全息圖的寫入過程中，目標(biāo)光束和參考光束均為直射光束。這意味著，在寫入時，光束到達被尋址層而不接觸反射層81。另一方面，讀取數(shù)據(jù)光束在反射層上被反射，并向讀取頭傳播?？赡苡心承嵤├渲性谧x取過程中，或者參考光束、或者數(shù)據(jù)光束、或者兩者都首先在反射表面81上反射，然后到達被尋址層。圖21/a至圖21/d示出了目標(biāo)光束和參考光束可能的布置方式。如果在寫入過程中，目標(biāo)光束被反射，則讀取數(shù)據(jù)光束102到達讀取頭，而不接觸反射表面81。圖21/a至圖21/d示出的布置方式得到不同的全息圖，即不同的柵格結(jié)構(gòu)。所提出的布置方式使全息圖被寫入相同位置，即被復(fù)合。原理上，這將四倍地提高系統(tǒng)的容量。當(dāng)然，在根據(jù)圖21/a至圖21/d的目標(biāo)光束和參考光束布置方式的情況下，補償板5和7，以及圖18所示的寫入板51和讀取板52上的區(qū)域511、512、513、521、522、523，以及圖9所示寫入板71和讀取板72上的區(qū)域711、712、713、721、722、723也相應(yīng)地被改變。
只要在每個微全息圖中存儲一個位的信息，則光學(xué)系統(tǒng)被大大簡化。在此情況下，不需要任何空間光調(diào)制器來寫入，而利用簡單的光電探測器進行讀取。然而，全息存儲并行地寫入和讀取數(shù)據(jù)的優(yōu)點將失去。依據(jù)存儲層的性質(zhì)，微全息圖的物理記錄方法可為強度全息圖(intensity hologram)、偏振全息圖(polarisation hologram)、振幅或相位全息圖(amplitude or phasehologram)。上述存儲步驟在每種情況下均適用。
上述每個實施例可以如下方式來實現(xiàn)一個或更多數(shù)據(jù)存儲層由預(yù)先印制的、由計算機生成的全息圖組成。這將產(chǎn)生不可重寫的只讀存儲器，其具有類似CD/DVD盤的能夠以連續(xù)生產(chǎn)方式進行復(fù)制的重要優(yōu)點。存儲層的折射率和間隔層的折射率不同。預(yù)先印制的全息圖由復(fù)雜的衍射光柵組成，它是參考光束和空間光調(diào)制器的傅立葉變換的產(chǎn)物；即一個由計算機生成的可使參考光束偏斜的全息圖。預(yù)先印制的全息圖是一個薄的相位全息圖。
權(quán)利要求
1.一種高數(shù)據(jù)密度體全息數(shù)據(jù)存儲方法，其特征在于全息圖被寫入一個或多個體數(shù)據(jù)存儲層，并且在寫入過程中，數(shù)據(jù)載體結(jié)構(gòu)中的全息圖的精確位置由一個或多個目標(biāo)光束和參考光束的相交范圍所確定，并且在讀取過程中，同時被一個或多個參考光束照射的全息圖的選擇、被尋址全息圖的讀取以及未尋址全息圖的排除是通過與被尋址全息圖共焦地定位的空間濾光器，并且/或者通過滿足布拉格條件來實現(xiàn)的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于全息圖一個接一個地或復(fù)合地被寫入離散的、輪廓分明的區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于全息圖一個接一個地或復(fù)合地被寫入疊置的層中，以使它們在層內(nèi)和/或在各層之間部分地重疊。
4.如權(quán)利要求1和2-3中任一項所述的方法，其特征在于每個全息圖包括一個或更多位的信息。
5.如權(quán)利要求1和2-4中任一項所述的方法，其特征在于全息圖的物理固定方法可為強度全息圖、偏振全息圖、振幅或相位全息圖。
6.如權(quán)利要求1和2-4中任一項所述的方法，其特征在于數(shù)據(jù)存儲層為預(yù)先印制的由計算機生成的全息圖組，并且預(yù)先印制的全息圖為薄的相位全息圖。
7.如權(quán)利要求1和2-5中任一項所述的方法，其特征在于全息圖通過所謂的雙波長工藝被寫入，并且除了具有相同波長的目標(biāo)光束和參考光束之外，還使用波長不同于上述光束波長的所謂敏化光束的第三光束。
8.一種用于如權(quán)利要求1所述的方法在體存儲材料中記錄和讀取全息圖的光學(xué)布置，該光學(xué)布置具有用于寫入全息圖的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)生成目標(biāo)光束和參考光束，并將它們變換至數(shù)據(jù)載體，并且為了讀取，該系統(tǒng)生成參考光束并從數(shù)據(jù)載體中讀取信息，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)有三個呈共焦布置的專用平面，其中被尋址的全息圖位于中間的專用平面上，而尺寸由所述光學(xué)系統(tǒng)放大率精確確定的空間濾光器在兩個外側(cè)專用平面上。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)布置，其特征在于所述用于讀取和寫入全息圖的光學(xué)布置是由三對不同物鏡組成的12f光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于一物鏡對的第一元件生成物體(SLM)的傅立葉變換，并且第二元件對該物體進行再變換，并且物像總是在所述第二元件的后焦平面上生成。
10.如權(quán)利要求9所述的布置，其特征在于設(shè)置用于寫入數(shù)據(jù)的SLM，該SLM位于第一物鏡對的第一焦平面上，并且在所述第一物鏡對的共同焦平面(第一傅立葉平面)上設(shè)置一濾光孔徑，該濾光孔徑截去SLM的較高階的傅立葉變換，僅使零級衍射級的一部分通過，從而在所述第一物鏡對的后焦平面上，顯現(xiàn)出已經(jīng)經(jīng)過空間過濾(低通濾波)的SLM像，這種過濾增加了數(shù)據(jù)密度。
11.如權(quán)利要求9-10所述的布置，其特征在于第二物鏡對的第一元件的第一焦平面與所述第一物鏡對的第二元件的最后的焦平面重合，經(jīng)由低通濾波器過濾的SLM像顯現(xiàn)在該平面上，該圖像被所述第二物鏡對的第一元件傅立葉變換到兩個物鏡的共同焦平面上，其中該傅立葉變換與一個或多個參考光束相交，并且所述數(shù)據(jù)載體位于第二物鏡對的公共內(nèi)焦平面上或其附近。
12.如權(quán)利要求9-11所述的布置，其特征在于第三物鏡對的第一焦平面與第二物鏡對的后焦平面重合，SLM的被空間過濾的像位于該平面上，該圖像被第三物鏡對傅立葉變換到所述物鏡對元件的公共焦平面上，第二空間濾光器位于一公共焦平面上，并且所述物鏡對的第二元件在所述系統(tǒng)的后焦平面上再次生成SLM的已過濾像，這正是檢測器陣列10的位置。
13.如權(quán)利要求9-12所述的布置，其特征在于所述第一物鏡對的內(nèi)公共焦平面的像位于所述第二物鏡對的內(nèi)公共焦平面上，所述第二物鏡對的內(nèi)公共焦平面的像位于所述第三物鏡對的內(nèi)公共焦平面上，即這三個內(nèi)焦平面(傅立葉平面)互為彼此的像，或者換句話說，所述傅立葉平面呈共焦布置。
14.如權(quán)利要求9所述的布置，其特征在于取代第一物鏡對設(shè)置所謂的彎折物鏡，該彎折物鏡由偏振分離棱鏡、λ/4板、傅立葉物鏡和反射鏡組成，其特征在于來自物體的光束穿過所述偏振分離棱鏡和λ/4板到達物鏡，并且該物鏡在物體的后焦平面上生成物體(SLM)的傅立葉變換，并且在焦平面上設(shè)置具有輪廓清晰的孔徑的反射鏡，并且該反射鏡過濾該傅立葉變換，將其穿過所述λ/4板反射到物鏡，該物鏡生成物體(SLM)的已過濾像，并且光束穿過所述偏振分離棱鏡且垂直于入射光束離開該彎折光學(xué)系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求9所述的布置，其特征在于取代第三物鏡對設(shè)置所謂的彎折物鏡，該彎折物鏡由偏振分離棱鏡、λ/4板、傅立葉物鏡和反射鏡組成，其特征在于物體的已過濾像經(jīng)由偏振分離棱鏡和λ/4板到達物鏡，并且該物鏡在物體的后焦平面上生成物體(SLM)的傅立葉變換，并且位于焦平面上并具有一個輪廓分明的孔徑的反射鏡將該傅立葉變換經(jīng)由λ/4板反射回物鏡，并且該物鏡生成物體(SLM)的已過濾像，該光束經(jīng)由所述偏振分離棱鏡到達檢測器陣列。
16.如權(quán)利要求14和15所述的光學(xué)布置，其特征在于位于第一彎折物鏡的焦平面上的反射鏡、第二物鏡對的焦平面和位于第三彎折物鏡的焦平面上的反射鏡呈共焦布置。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)布置，其特征在于全息圖的尺寸由具有輪廓清晰的孔徑并位于所述第一彎折物鏡的后焦平面上的傅立葉濾光反射鏡來調(diào)節(jié)，從而確定存儲在一個全息圖中的數(shù)據(jù)密度。
18.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)布置，其特征在于具有輪廓清晰的孔徑并位于所述第一彎折物鏡的后焦平面上的空間濾光反射鏡選擇并反射來自被尋址全息圖的光束，而來自未尋址全息圖并也被參考光束讀取的光束將不射到該反射鏡上。
19.如權(quán)利要求3-4和8-9所述的光學(xué)布置，其特征在于參考光束沿著物鏡的公共光軸、在與目標(biāo)光束方向相同的方向上傳播，在SLM的平面上(或在相應(yīng)的共軛像面上)，在平行于物鏡的公共光軸限幅的共焦布置的傅立葉平面上SLM的中心處，參考光束為一點(像素)。
20.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)布置，其特征在于在目標(biāo)光束的中心，必須為參考光束留有恰當(dāng)尺寸的空間，并且在傅立葉平面的周圍，這意味著目標(biāo)光束以錐體形式傳播，該錐體具有沿其軸線的“孔”，即存在一角度空間——位于由目標(biāo)光束形成的錐體之內(nèi)的一內(nèi)錐體——其中沒有任何目標(biāo)光束。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)布置，其特征在于以如下方式選擇存儲層的距離、全息圖的尺寸以及在目標(biāo)光束內(nèi)部具有孔的錐體的錐角在同時被參考光束照射的全息圖之外，第三傅立葉物鏡對的內(nèi)焦平面上的空間濾光器僅使來自被尋址層的目標(biāo)光束通過，而來自未尋址的、但被參考光束照射的全息圖的目標(biāo)光束被該空間濾光器阻擋。
22.如權(quán)利要求19-21所述的光學(xué)布置，其特征在于沿著物鏡的公共光軸傳播的參考光束與目標(biāo)光束彼此反向傳播，并且在被尋址層中生成反射型全息圖，并且與以上所述相似地進行未尋址層的全息圖的尋址、讀取和空間濾光。
23.如權(quán)利要求3-4和8-9所述的光學(xué)布置，其特征在于參考光束相對于傅立葉平面上的物鏡的公共光軸成一γ角，目標(biāo)光束在傅立葉空間中半圓錐角為β的錐體內(nèi)傳播，而物點位于圖像和物體空間(SLM和檢測器陣列平面)中半徑為R的圓內(nèi)。
24.如權(quán)利要求23所述的光學(xué)布置，其特征在于以如下方式選擇存儲層的距離、全息圖的尺寸、目標(biāo)光束的錐角以及參考光束與光軸的夾角在同時被一個或多個參考光束照射的全息圖之外，第三傅立葉物鏡對的內(nèi)焦平面上的空間濾光器僅使來自被尋址層的目標(biāo)光束通過，而來自未尋址的、但被參考光束照射的全息圖的目標(biāo)光束被該空間濾光器阻擋。
25.如權(quán)利要求8-24所述的光學(xué)布置，其特征在于在讀取和寫入過程中，各層的尋址可通過存儲材料與光學(xué)系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)的位移來實現(xiàn)，并且在尋址過程中，該光學(xué)系統(tǒng)作為剛體垂直于存儲介質(zhì)的平面移動。
26.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)布置，其特征在于由存儲材料與光學(xué)系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)的位移引起的球面像差可通過位于每個存儲材料之前和之后的可變厚度光學(xué)特性透明板來補償，并且在焦平面之前和之后，位于焦平面之前的存儲板和在該板之前的補償板，加上在焦平面之后的存儲板和在存儲板之后的補償板的空間的總厚度為常數(shù)，并且在尋址過程中，在存儲板之前和之后的補償板的厚度也必須通過光學(xué)系統(tǒng)和存儲板的位移來改變，并且傅立葉平面的物/像關(guān)系、相互關(guān)聯(lián)的位置、光學(xué)系統(tǒng)朝向該板平面的垂直位移以及恰當(dāng)厚度的兩個補償板的配合不變。
27.如權(quán)利要求26的補償板，其特征在于在第二物鏡對的兩個物鏡之間，在存儲層的前后，設(shè)置厚度階式變化的平面平行板，并且存儲層在這兩個板之間，在其自身平面內(nèi)移動(轉(zhuǎn)動)。
28.如權(quán)利要求26的補償板，其特征在于存儲板以傾斜方式位于物鏡之間，并且在存儲板和兩側(cè)的物鏡之間設(shè)置有透明光學(xué)特性光楔，該光楔的角度與存儲板和光軸的夾角相同，該光楔被安裝在容納該板的盒體中，并且與物鏡相比，該盒體與該光楔靜止，并且存儲板在盒體中轉(zhuǎn)動，并且在存儲板和該光楔之間設(shè)置一薄的折射率匹配的液膜。
29.如權(quán)利要求3-4和8-9所述的光學(xué)布置，其特征在于SLM被照射，以便通過可變曲率半徑的球面波來尋址，并且通過改變波前的曲率半徑，傅立葉平面上的光束直徑增加，并且依據(jù)照射SLM的波前曲線的符號，在理論傅立葉平面之前或之后產(chǎn)生最小光束橫截面。
30.如權(quán)利要求29所述的光學(xué)布置，其特征在于彎折物鏡的后焦平面上的反射鏡位于最小光束橫截面點，并且該反射鏡和被尋址的全息圖呈共焦布置。
31.如權(quán)利要求29和30所述的光學(xué)布置，其特征在于可通過改變照射SLM的球面波的曲率半徑，并通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)空間濾光反射鏡的位置來實現(xiàn)全息圖的尋址。
32.如權(quán)利要求1-24所述的光學(xué)布置，其特征在于讀/寫頭僅位于數(shù)據(jù)載體的一側(cè)，并且數(shù)據(jù)載體為反射型，并且數(shù)據(jù)載體與讀/寫頭之間的距離恒定，與被尋址層的深度無關(guān)，但讀/寫傅立葉物鏡的后焦距根據(jù)層的深度而變化。
33.一種如權(quán)利要求32所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于該讀/寫頭為12f系統(tǒng)，由三個彎折的4f系統(tǒng)組成，其包括以下部件長焦距寫入換向物鏡、大數(shù)值孔徑和短焦距的讀/寫傅立葉物鏡，以及最后的長焦距讀取換向物鏡。
34.如權(quán)利要求33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于彎折的長焦距讀/寫換向物鏡與被尋址層的深度無關(guān)，并且只有讀/寫傅立葉物鏡包括著用于對各個層進行尋址的可變板。
35.如權(quán)利要求34所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于該可變后焦距是由位于讀/寫傅立葉物鏡之前和之后的可變厚度、可變形狀或可變光學(xué)特性元件的作用而產(chǎn)生的，其中補償元件沿光軸具有零光焦度，并且它們具有雙重作用，即產(chǎn)生可變后焦距并且補償在讀取和寫入不同深度的層的過程中所引起的像差。
36.如權(quán)利要求32-35所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于該可變后焦距是由補償板產(chǎn)生的，該補償板由不同厚度的平面平行區(qū)域組成并位于讀/寫傅立葉物鏡和數(shù)據(jù)載體之間，通過為補償板區(qū)域選擇恰當(dāng)?shù)暮穸?，來提供寫入不同深度的層并從不同深度的層中讀取。
37.如權(quán)利要求36所述的補償板，其特征在于用于使由數(shù)據(jù)載體反射的光束通過的區(qū)域總是比用于使直射光束通過的區(qū)域更厚。
38.如權(quán)利要求36和37所述的具有可變厚度區(qū)域的補償板，其特征在于在寫入給定層時，以及在從給定層讀取時，補償板必須被更換，并且每個層與一讀取和寫入補償板相對應(yīng)。
39.如權(quán)利要求36和37所述的補償板，其特征在于這些板被安裝在一線性致動器上，該致動器在數(shù)據(jù)載體和傅立葉物鏡之間工作，并且通過將該線性致動器設(shè)置到恰當(dāng)位置來實現(xiàn)對各層的尋址。
40.如權(quán)利要求36和37所述的補償板，其特征在于這些板被安裝在一轉(zhuǎn)盤上，該轉(zhuǎn)盤在數(shù)據(jù)載體和傅立葉物鏡之間工作，并且通過將該轉(zhuǎn)盤設(shè)置到恰當(dāng)位置來提供對各層的尋址。
41.如權(quán)利要求36和37所述的補償板，其特征在于通過精密注塑由塑料制成所述板。
42.如權(quán)利要求32-35所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在讀/寫傅立葉物鏡之前設(shè)置一具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的板，該板補償了在讀取和寫入不同深度的層的過程中所引起的像差。
43.如權(quán)利要求42所述的具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的補償板，其特征在于由數(shù)據(jù)載體反射的、朝向數(shù)據(jù)載體傳播的直射光束穿過不同的區(qū)域。
44.如權(quán)利要求42和43所述的具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的補償板，其特征在于在寫入給定層或從給定層讀取時，補償板必須被更換，并且每個層與一讀取和寫入補償板相對應(yīng)。
45.如權(quán)利要求42-44所述的具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的補償板，其特征在于這些板被安裝在一線性致動器上，該致動器在數(shù)據(jù)載體和傅立葉物鏡之間工作，并且通過將該線性致動器設(shè)置到恰當(dāng)位置來實現(xiàn)對各層的尋址。
46.如權(quán)利要求42-44所述的具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的補償板，其特征在于這些板被安裝在一轉(zhuǎn)盤上，該轉(zhuǎn)盤在數(shù)據(jù)載體和傅立葉物鏡之間工作，并且通過將該轉(zhuǎn)盤設(shè)置到恰當(dāng)位置來實現(xiàn)對各層的尋址。
47.如權(quán)利要求42-44所述的具有可變形狀或可變光學(xué)特性區(qū)域的補償板，其特征在于通過精密注塑由塑料制成所述板。
48.如權(quán)利要求32-35所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在讀/寫傅立葉物鏡之前，在一側(cè)上設(shè)置一非球面，而在另一側(cè)上設(shè)置一可控液晶透鏡，并且當(dāng)恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柺┘拥皆撏哥R上時，它通過折射率分布來補償在讀取和寫入不同深度的層時引起的像差。
49.如權(quán)利要求48所述在一側(cè)上設(shè)置一非球面，而在另一側(cè)上設(shè)置一可控液晶透鏡的補償板，其特征在于設(shè)置用于使那些被數(shù)據(jù)載體反射的直射光束和那些朝向數(shù)據(jù)載體傳播的光束通過的不同的區(qū)域。
50.如權(quán)利要求32-35所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在讀/寫傅立葉物鏡之前，在一側(cè)上設(shè)置一非球面，而在另一側(cè)上設(shè)置一可控液晶透鏡，并且通過將恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柺┘拥皆撏哥R上所產(chǎn)生的形狀變化來補償在讀取和寫入不同深度的層時引起的像差。
51.如權(quán)利要求50所述在一側(cè)上設(shè)置一非球面，而在另一側(cè)上設(shè)置一可控液晶透鏡的補償板，其特征在于設(shè)置用于使那些被數(shù)據(jù)載體反射的直射光束和那些朝向數(shù)據(jù)載體傳播的光束通過的不同的區(qū)域。
52.如權(quán)利要求32-35所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在讀/寫傅立葉物鏡之前，在一側(cè)上設(shè)置一非球面，而在另一側(cè)上設(shè)置一可控雙折射透鏡，并且通過將恰當(dāng)?shù)碾娍刂菩盘柺┘拥皆撏哥R上所產(chǎn)生的形狀變化來補償在讀取和寫入不同深度的層時引起的像差。
53.如權(quán)利要求52所述在一側(cè)上可控制的非球面，而在另一側(cè)上可控制的可控雙折射透鏡的補償板，其特征在于存在用于使那些被數(shù)據(jù)載體反射的直射光束和那些朝向數(shù)據(jù)載體傳播的光束通過的分離的區(qū)域。
54.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于它的三個彎折4f子系統(tǒng)具有三個呈共焦布置的內(nèi)傅立葉平面。
55.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在空間光調(diào)制器的平面上、在換向物鏡和傅立葉物鏡之間的內(nèi)像面上以及在檢測器平面上，目標(biāo)光束和參考光束在空間上被分離。
56.在權(quán)利要求54所述的平面上，目標(biāo)光束和參考光束可彼此獨立地被調(diào)制或被檢測，并可在這些平面上被耦合或解耦。
57.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于目標(biāo)光束穿過空間光調(diào)制器的一半，參考光束穿過空間光調(diào)制器的另一半，并且在相同位置上，由彼此呈軸對稱關(guān)系的目標(biāo)光束和參考光束生成的全息圖被復(fù)合。
58.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在寫入過程中，目標(biāo)光束和參考光束為直射光束，而讀出的目標(biāo)光束在從反射層回射之后到達讀取物鏡。
59.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在寫入過程中，目標(biāo)光束為直射光束，而參考光束從反射層回射之后到達被尋址層，并且讀出的目標(biāo)光束在從反射層回射之后到達讀取物鏡。
60.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在寫入過程中，目標(biāo)光束和參考光束從反射層回射之后到達被尋址層，而讀出的目標(biāo)光束無回射地到達讀取物鏡。
61.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于在寫入過程中，參考光束為直射光束，目標(biāo)光束從反射層回射之后到達被尋址層，而讀出的目標(biāo)光束無回射地到達讀取物鏡。
62.如權(quán)利要求32和33所述用于讀取和寫入反射型多層全息數(shù)據(jù)載體并用于對其各層進行尋址的可變后焦距的讀/寫頭，其特征在于由如權(quán)利要求59-61所述的目標(biāo)光束和參考光束的不同布置方式生成的全息圖可被寫入和復(fù)合到相同位置。
63.如權(quán)利要求1-4的任一項所述的方法，其特征在于數(shù)據(jù)載體是位于兩個薄的(1-20μm)保護層之間的多層結(jié)構(gòu)，并且該多層結(jié)構(gòu)由2-50μm厚(可讀、可寫、可擦除)的數(shù)據(jù)存儲層以及介于它們之間的厚度與全息圖直徑成比例的間隔層組成，根據(jù)加工，間隔層的厚度在5μm和200μm之間變化，并且數(shù)據(jù)載體結(jié)構(gòu)的總厚度約為1-3mm。
64.如權(quán)利要求1-4的任一項所述的方法，其特征在于數(shù)據(jù)載體是位于兩個薄的(1-20μm)保護層之間的1-3mm厚的均質(zhì)的光敏介質(zhì)，并且全息圖僅被寫入厚存儲材料中的特定層，并且在已寫入層之間設(shè)置有空白的未寫入層，該未寫入層的厚度取決于寫入過程的條件和全息圖的直徑。
65.如權(quán)利要求1-4的任一項所述的方法，其特征在于數(shù)據(jù)載體為反射型，并且數(shù)據(jù)載體由存儲層、提供機械強度的載體層和介于存儲層和載體層之間的反射層組成，被復(fù)合的全息圖單獨地或在同一點上被寫入疊置的在深度上彼此分開的存儲層中，即寫入位于給定距離的層中。
66.如權(quán)利要求65所述的反射型多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該存儲層由均質(zhì)光敏材料制成，在該均質(zhì)材料中光學(xué)讀/寫系統(tǒng)滿足多層全息存儲。
67.如權(quán)利要求65所述的反射型多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該存儲層由分層結(jié)構(gòu)組成，并且具有光敏層和間隔層。
68.如權(quán)利要求65-67所述的反射型多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該數(shù)據(jù)載體為雙面的，即該存儲層位于該載體層的兩個面上，該載體層的兩面均為反射型的，并且該兩個存儲層互相獨立。
69.如權(quán)利要求63-68的任一項所述的多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該數(shù)據(jù)載體為盤形的。
70.如權(quán)利要求63-68的任一項所述的多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該數(shù)據(jù)載體為卡形的。
71.如權(quán)利要求63-68的任一項所述的多層全息數(shù)據(jù)載體，其特征在于該數(shù)據(jù)載體為帶形的。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種高數(shù)據(jù)密度全息數(shù)據(jù)存儲方法。全息圖被寫入體數(shù)據(jù)存儲層，并且在寫入過程中，數(shù)據(jù)載體結(jié)構(gòu)中全息圖的精確位置由目標(biāo)光束和參考光束的相交區(qū)域所確定，并且在讀取過程中，同時被參考光束照射的全息圖的選擇、被尋址全息圖的讀取以及未尋址全息圖的排除是通過與被尋址全息圖共焦地定位的空間濾光器和/或滿足布拉格條件來實現(xiàn)的。用于讀寫全息圖的光學(xué)布置具有三個呈共焦布置的平面，其中被尋址的全息圖在存儲材料(8)的中間平面上，而空間濾光器(95)和(304)在兩個外側(cè)平面上。該光學(xué)布置為由三對不同物鏡(321、322和323)組成的12f光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號G03H1/26GK1809877SQ200480017080
公開日2006年7月26日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者加伯·薩爾瓦斯, 帕爾·科帕, 拉斯洛·多姆簡, 加伯·厄爾戴, 阿蒂拉·薩托, 彼得·卡洛 申請人:湯姆森特許公司