全息只读存储器系统

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全息只读存储器系统\n发明领塽、\n本发明涉及全息ROM (只读存储器）系统；尤其涉及能利用简单结 构提高记录和阅读效率的全息ROM系统。 发明背景\n传统的全息存储系统一般采用面向页的存储方法。诸如SLM (空间 光调制器）的输入装置以二维阵列的形式表示记录数据，同时利用诸如 CCD照相机的检测器根据读出值检索该记录数据。还提出了其它方案， 其中，用逐位记录取代面向页的方法。但是，所有这些系统的共同缺点 是它们必须记录大量的分离全息图以便填充存储器的容量。典型的使用 兆位级阵列的面向页系统要求记录几十万个全息页以达到100GB或更大 的容量。既使是毫秒级的全息曝光时间，填充100GB级存储器所需的记 录时间尽管不是几小时也至少能轻易地达到几十分钟。于是，开发了如 图1所示的普通全息ROM系统，其产生100GB容量光盘所需的时间可减 少到不足一分钟，甚至达到秒的数量级。\n图1的普通全息ROM系统包括：光源100; HWP (半波板）102， 112; 扩展单元104; PBS (偏振分束器）106;偏振器108、 116;反射镜110、\n116;掩膜122;全息照相介质120;和锥形反射镜118。\n光源IOO发射具有恒定波长、如532nm波长的激光束。该激光束只 是一种线偏振光、如P偏振或S偏振光、并被提供到HWP 102。 HWP102 以6度（优选45° )旋转激光束的偏振。而后，偏振旋转的激光束被输送到扩展单元104以便将激光束的尺寸扩展到预定尺寸。之后，扩展的 激光束被提供到PBS106。\nPBS106通过沉积至少两种具有不同折射率的材料而制成，并用于透 射一种偏振激光束例如P偏振光束、而反射另一种偏振激光束例如S偏 振光束。于是，PBS106将扩展的激光束分成分别具有不同偏振的透射激 光束（下文称为"信号光束"）和反射激光束（下文称为"参考光束")。\n例如P偏振的信号光束被输送到偏振器108,偏振器108除去信号 光束的不完善的偏振成分、只允许其中的纯P偏振成分被透射。而后， 具有理想或纯偏振的信号光束被反射镜110反射。之后，被反射的信号 光束经掩膜122投射到全息照相介质120。带有用于记录的数据图案的 掩膜122用作输入装置、例如空间光调制器（SLM)。\n另一方面，参考光束被输送到HWP112。 HWP112转换参考光束的偏 振而使参考光束的偏振变得与信号光束的偏振相同。而后，具有转换偏 振的参考光束被提供到偏振器U4，参考光束的偏振在偏振器114被进 一步纯化。具有理想偏振的参考光束被反射镜116反射。而后，被反射 的参考光束投射到锥形反射镜118 (锥形反射镜118是具有圆形基底的 圆锥，在圆形基底与锥面之间具有预设底角），锥形反射镜118由支架 (未示出）固定。圆锥反射镜118将被反射的参考光束向全息照相介质 120反射。被反射的参考光束在全息照相介质120上的入射角由圆锥反 射镜118的底角确定。\n用于固定圆锥反射镜118的支架应安装在圆锥反射镜118的下侧、 以避免支架阻挡参考光束。由于支架位于圆锥反射镜118的下侧，所以 常常通过全息照相介质120的中心开口 124安装圆锥反射镜118。全息照相介质120是用于记录数据图案的盘形材料。圆盘尺寸的掩 膜122提供被储存在其中的数据图案。通过用标准平面波即信号光束照 射掩膜122、并用参考光束从相对侧入射而以反射几何结构记录全息图， 衍射图案被记录在全息照相介质120上。选择圆锥光束形状以便平面波 参考光束在光盘在所有位置均近似以恒定的辐射角入射，以便在播放期 间光盘被转动时能通过固定角窄平面波本地地阅读全息图。另外，可利 用具有不同底角的圆锥反射镜118实现角度多路复用（见"用于高速复 制的全息廳系统，，（holographic ■ system for high-speed replication), 2002 IEEE， Ernest Chuang等）o\n使用上述方案，用于产生完整记录100GB级容量光盘所需的时间可 减少到不足一分钟、甚至达到秒的数量级。\n但是，在该已有技术的系统中仍存在致命的问题：\n首先，图1所示的传统全息R0M系统的结构复杂。即，传统全息R0M 系统需要许多部件，它们包括PBS106; HWPsl02、 112;反射镜110、 116; 和偏振器108、 114;这增加了制作成本。\n其次，用于角度多路复用的圆锥反射镜118的更换非常麻烦。由于 要将支架挤入位于全息照相介质120、圆锥反射镜118和掩膜122之间 的狭小空间，所以无论何时更换用于角度多路复用的圆锥反射镜118、 都会影响全息照相介质120与掩膜122之间的对准，因而使圆锥反射镜 118的更换复杂化。\n因此，本发明的目的是提供具有简单结构的全息ROM系统，该系统 可方便地更换用于角度多路复用的圆锥反射镜。本发明提供的全息ROM系统包括：光源，用于发射激光束；扩展单 元，用于扩展激光束；和掩膜，用于调制扩展激光束的某一部分、以便 产生被直接提供到全息照相介质的信号光束，并用于筛选扩展激光束的 剩余部分、以便产生提供到圆锥反射镜的参考光束，圆锥反射镜将参考 光束反射到全息照相介质，其中，全息照相介质包括：记录区，参考光 束和信号光束均投射在其上；透明区，经掩膜筛选的参考光束穿过透明 区而向圆锥反射镜提供参考光束。\n附图御月\n下面结合附图对优选实施例所作的说明将使本发明的上述及其它 目的的特征变得更加清楚，在附图中： 图1表示传统的全息ROM系统； 图2表示本发明优选实施例的全息ROM系统；\n图3A是图2所示全息ROM系统中的全息照相介质的平面图； 图3B是图2所示全息ROM系统中的掩膜的平面图； 图3C表示本发明优选实施例的记录结构；和 图3D说明本发明优选实施例的圆锥反射镜与全息照相介质之间参 考光束的光路。 优选实施例\n图2表示本发明优选实施例的全息ROM系统。该全息ROM系统沿直\n线主光轴即0P轴依次包括：光源200;扩展单元204;掩膜206;全息 照相介质208;和圆锥反射镜210。全息照相介质208优选具有类CD光 盘的形状、并在其中心设有使参考光束通过而射向圆锥反射镜210的透 明区208a、围绕透明区208a设有环形记录区208b，如图3A所示。与图l的传统掩膜一样，掩膜206用于产生记录用数据图案，但不同的是 掩膜206设有光束通过区206a和数据图案区206b，如图3B所示。如下 面将具体说明的，光束通过区206a位于掩膜206的中心区、以使通过 它参考光束经全息照相介质208的透明区208a投射到圆锥反射镜210。 环形的数据图案区206b围绕光束通过区206a。光束通过区206a可以是 单个开孔、或由透明材料构成、或是开孔和透明材料的组合结构。掩膜 206可以是只用于特定全息照相介质208的具有固定尺寸的区206a和 206b的掩膜、也可是用于各种全息照相介质208的具有各种尺寸结构的 掩膜。在任何情况下，透明区208a和记录区208b的尺寸最好应与光束 通过区206a和数据图案区206b的尺寸相同，即、记录区208b的内外 直径等于数据图案区206b的内外直径。如图2所示，光源200发射具有特定光束尺寸和恒定波长例如532nm 的激光束。激光束被输送到扩展单元204，扩展单元204扩展激光束的宽度以提供平面波的校准光束。扩展的激光束最好覆盖光束通过区206a 和数据图案区206b的整个面积，但其直径接近记录区208b的外径、并且密度均匀，以使光学和记录效率最大化。如图3C所示，整个扩展激光束直接到达掩膜206，之后经两个光路 到达全息照相介质208。第一光路是扩展激光束的外部被输送到掩膜206 的数据图案区206b、而后经面对掩膜206的第一表面投射到全息照相介 质208。第二光路是扩展激光束的内部经掩膜206的光束通过区206a 穿过全息照相介质208的透明区208a，而后被圆锥反射镜210反射，之 后经与掩膜206相对的第二表面投射到全息照相介质208。穿过光束通 过区206a的激光用作参考光，穿过掩膜206的数据图案区206b的激光用作信号光。掩膜206的数据图案区206b提供用于在全息照相介质208上写入 数据的数据图案。通过用标准入射平面波、即信号光束照射掩膜206和 使用参考光束在反射几何结构中记录全息图，信号和参考光束的衍射图 案被记录在全息照相介质208中。选择圆锥光束形状、以便在全息照相介质208的记录区208b的所 有位置、平面波参考光束近似具有恒定的径向角。该数据可不转动全息 照相介质208而由单次照射立刻在整个记录区208b上写入。这样记录 的全息图能只用与在记录处理时所使用的参考光束相同的、但却是固定 角窄平面波的参考光束进行本地地阅读，同时，在播放期间全息照相介 质208被转动。即，图2所示的几何结构只在记录操作时使用。圆锥反射镜210具有面对全息照相介质208的圆锥形反射表面 210a、并被支架212可拆卸地固定，支架212通过将介质208固定在与 全息照相介质208相对的背侧的位置上而将圆锥反射镜210保持在固定 的位置，以使其不阻挡参考光束。另外，激光束的主光轴即OP轴与穿 过圆锥反射表面210a顶点的圆锥反射表面210a的对称轴重合；圆锥反 射表面210a的基底直径最好不小于透明区208a的直径、以使光效率最 大化。由于圆锥反射镜210的更换不会影响全息照相介质208与掩膜206 之间的配置，所以可相当容易地用具有用于多路复用的不同底角的另一 个圆锥反射镜替换圆锥反射镜210。由于直至参考光束到达圆锥反射镜210之前、参考光束与信号光束 共用光轴（即，主光轴"OP轴"）且不分束，所以只使用光源200、扩 展单元204、掩膜206、全息照相介质208、和圆锥反射镜210而不使用图1中己有技术的HWPsl02和112、 PBS106、偏振器108、和反射镜IIO 与116即可实现本发明。因此，本发明的全息ROM系统的结构被极大地 简化，从而明显降低了制作成本。图3D是本发明优选实施例的圆锥反射镜210与全息照相介质208 之间参考光束的光路。如果入射参考光束方向与全息照相介质208表面 之间的入射角被设定为Z2a，角ZDBC即圆锥反射表面210 a的底角是 Zb，角ZODA和ZDAO分别等于Z2b和Z2a。则可知： Za+Zb=45° 公式l 在半径为XI的参考光束被圆锥反射镜210反射并照射到全息照相 介质208的情况下，在全息照相介质208上的反射参考光束的光束尺寸 (宽度）X2可定义为：X2=Xl/sin2a 公式2在全息照相介质208的记录区208b (即，其宽度等于其内外直径之 间差的一半）是X3的情况下，X2必需等于或大于X3，以便立刻在记录 区208b上写入数据。于是，X1与X3之间的关系可限定为： X2=Xl/sin2a》X3 公式3因此，角Z2a可用Xl和X3限定为：Z2a〈sirT'(Xl/X3) 公式4 所以，如果Z2a由公式4确定，则可得到圆锥反射表面210a的合 适底角。参考光束投射在全息照相介质208上的位置可随圆锥反射镜210与 全息照相介质208之间的距离而变化。为使全息照相介质208上的反射 光束的尺寸X2与全息照相介质208的记录区208b的尺寸重合、或为使参考光束的中心光线穿过记录区208b的内边界，圆锥反射表面210a的 顶点与全息照相介质208之间的距离"Y"可定义为： Y=Xl.tan2a 公式5虽然已结合优选实施例说明了本发明，但是可以理解，在不脱离所 附权利要求书所限定的本发明的宗旨和范围的前提下，本领域的技术人 员可以作出各种变化和改进。