專利名稱：讀取在全息存儲介質(zhì)上記錄的傅立葉全息圖的方法和全息存儲系統(tǒng)的制作方法
讀取在全息存儲介質(zhì)上記錄的傅立葉全息圖的方法和全息存儲系
統(tǒng)
本發(fā)明涉及用于讀取傅立葉全息圖的系統(tǒng)，具體地說，涉及讀取在全息存儲介質(zhì)上記錄的傅立葉全息圖的方法以及涉及全息存儲系統(tǒng)。
全息數(shù)據(jù)存儲是基于記錄攜帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編碼信號光束(也稱為物體光束)干涉模式和在全息存儲介質(zhì)處的參考光束的干涉模式的概
念。空間光調(diào)制器(SLM)通常用于創(chuàng)建物體光束，并且全息存儲介質(zhì)例如能是光致聚合物或光折變晶體或適合記錄物體光束和參考光束的相對振幅及它們之間的相位差的任何其它材料。在存儲介質(zhì)中創(chuàng)建全息圖后，將參考光束投影到存儲介質(zhì)中將交互和重構原數(shù)據(jù)編碼的物體光束，該光束能由諸如CCD陣列相機或諸如此類等檢測器檢觀ll。重構的數(shù)據(jù)編碼的物體光束通常在本領域中稱為重構的全息圖本身。根據(jù)此術語，全息圖的重構意味著原數(shù)據(jù)編碼的物體光束的重構；并且全息圖的讀取意味著檢測重構的全息圖，具體而言重構的全息圖的圖4象。此術語在本說明書中適用。
物體光束和參考光束的空間重疊對全息圖的寫入影響極大，而用于重構的參考光束和在存儲介質(zhì)中存儲的全息圖的相對位置對全息圖讀取的影響很大。參考光束和物體光束均覆蓋存儲介質(zhì)的表面上較大的部分時，全息存儲介質(zhì)的讀取能較輕松地實現(xiàn)。全息圖的中心與參考光束的中心之間的移位容差大約為光束直徑大小的10%，這通常在常規(guī)系統(tǒng)的機械限制內(nèi)。然而，降低全息圖大小導致在讀取介質(zhì)時對參考光束和全息圖的對準產(chǎn)生更高的要求。高精度的對準也能在例如對存儲的全息數(shù)據(jù)復用和/或安全加密的情況下是必需的。復用和/或加密全息圖存在許多已知方法。此類方法可涉及將在實平面和/或傅
6碼的復用和加密的方法和裝置。在應用相位編碼的復用或加密時，在全息圖的重構期間在參考光束的中心與全息圖的中心之間的移位容差能降到光束直徑的1%。光束和全息圖的錯位通常與系統(tǒng)的光學組件的錯位相關聯(lián)，而光學組件的錯位能由于機械振動、溫度變化等原因造成。它也是設計為接收諸如全息標識卡等可移除存儲介質(zhì)的系統(tǒng)的一個常見問題。
US 7116626 Bl講述了一種克服上述識別的錯位問題的樣t定位方法。所述方法的目的是通過確保系統(tǒng)的各種組件的正確對準，如SLM與諸如光源、透鏡、檢測器和存儲介質(zhì)等各種裝置的正確對準，提高全息存儲系統(tǒng)的性能，即，調(diào)制的圖像的質(zhì)量。對準技術集中在對準SLM、存儲的全息圖像和檢測器的像素的"像素匹配"方面，使得SLM的每個像素投射到檢測器的單個像素上，從而產(chǎn)生更佳的數(shù)據(jù)恢復效率。方法涉及物理地移動所有所述組件或一些所述組件，并且一種伺服機構被建議為基于與偏離檢測到的圖像的錯位相關聯(lián)的反饋，控制組件的定位。
各種示范方法被描述以便確定檢測到的圖像的錯位。在一個示例中，錯位是基于與檢測到的圖像相關聯(lián)的信道度量的測量的。信道度量通常是指示像素錯位的標量，例如，平均像素強度或SNR。信道度量指示錯位的幅度或程度，但不是錯位的方向。因此，為將像素配準(registration)錯誤降到最低，需要移動系統(tǒng)的至少一個組件，并且要在新的組件位置重新計算信道度量。找到組件相對于彼此的最佳位置可能要進行大量的步驟，這會十分耗時。在另一示例中，錯位是基于與檢測到的圖像相關聯(lián)的頁度量(page metric)的測量的。頁度量通常包括參考像素，即已知像素模式或配準標記，如位于用戶編碼數(shù)據(jù)內(nèi)或在用戶編碼數(shù)據(jù)周圍的邊界區(qū)中的像素塊。可檢測已知像素模式并用于確定全息存儲系統(tǒng)的各種組件的錯位。此解決方案的缺陷在于全息圖要提供有參考像素塊，像素塊太大時占用寶貴的數(shù)據(jù)空間，太小時難以在圖像中定位。參考像素塊用于計算系統(tǒng)的點擴散函數(shù)(PSF)，這是負責對準系統(tǒng)的組件的已知伺服方法使用的關鍵信息。然而，最
好是具有不需要系統(tǒng)的PSF的伺服方法。
本發(fā)明的目的是提供檢測全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的組件錯位的筒單方式，而無需應用參考像素塊或不必重復地重新定位組件。
此目的通過如權利要求1所述的方法和如權利要求25所述的全息存儲系統(tǒng)而得以實現(xiàn)。
從附圖和示范實施例中將明白本發(fā)明的其它細節(jié)。
圖la是根據(jù)本發(fā)明的反射型全息存儲系統(tǒng)的示范實施例的示意圖。
圖lb是根據(jù)本發(fā)明的透射型全息存儲系統(tǒng)的另一示范實施例的示意圖。
圖2示出由空間光調(diào)制器生成的示范參考光束代碼才莫式。
圖3示出參考光束代碼模式一個SLM像素的移位。
圖4示出由空間光調(diào)制器生成的另一示范參考光束代碼纟莫式。
圖5示出使用稀疏調(diào)制編碼的示范lt據(jù)代碼塊。
圖6示出在圖5中示出的數(shù)據(jù)代碼塊的重構的數(shù)據(jù)代碼塊。
圖7是對照SLM像素移位繪出的示范SNR函數(shù)的圖形。
圖8是示范伺服函數(shù)的圖形。
圖9是示出如何獲得圖8中的伺服函數(shù)的圖7中SNR函數(shù)的注解圖。


圖1 a是示出根據(jù)本發(fā)明的全息存儲系統(tǒng)1的第 一示范實施例的示意圖。系統(tǒng)1包括^是供參考光束3的光源2。光源2通常由激光器和光束擴展器組成。在一個優(yōu)選實施例中，光源2之后是將參考光束3編碼的空間光調(diào)制器(SLM)4。系統(tǒng)1還包括檢測器5和用于接收攜帶全息圖7的全息存儲介質(zhì)6的部件(未示出)。檢測器5能是CCD相機、CMOS、光電二極管矩陣或包括像素陣列中布置的傳感器元件的任何
8其它已知檢測器類型。
全息圖7是傅立葉全息圖，這是因為它對存儲介質(zhì)的表面缺陷敏 感度比圖像平面全息圖更小。如果是傅立葉全息圖，則用于對參考光
束3相位編碼的SLM 4所顯示的相位代碼;漠式將在創(chuàng)建全息圖7時成 像到物體光束的傅立葉變換上。由于其良好的衍射效率和低波長選擇 性，例如，薄的偏振全息圖能用作全息圖7。適合的全息存儲介質(zhì)例 如是偶氮苯型光致各向異性聚合物。
此實施例設計用于在反射模式中讀取全息存儲介質(zhì)6:參考光束3 從介質(zhì)6后的反射鏡8反射，并且重構的物體光束9逆傅立葉變換到 檢測器5的成像平面上以捕獲重構的全息圖7的圖像。反射的光束9 和參考光束3通過分束器10彼此分開，分束器10在偏振全息圖的情 況下可以是中性分束器(neutral beam splitter)或偏振分束器，或者是 任何其它光束分隔元件，如EP 1 492 095 A2中公開的帶有中心層間斷 的分束器立方體。
編碼的參考光束3通過SLM 4生成，并通過成像系統(tǒng)成像到全息 圖7的平面中。此成像系統(tǒng)優(yōu)選包括如技術領域熟知的布置在分束器 IO之前和之后的第一傅立葉透鏡和第二傅立葉透鏡11和12。此外， 孔徑13能內(nèi)插在第一傅立葉透鏡11與分束器IO之間，從而如后面 將解釋的一樣通過限制光束的直徑改進成像質(zhì)量，并提供限制SLM4
的清晰度的又一優(yōu)點。
參考光束編碼能夠是相位編碼、振幅編碼、偏振編碼或技術領域 中熟知的任何其它光調(diào)制編碼。在一個優(yōu)選實施例中，參考光束編碼 是相位編碼以避免在振幅編碼中存在的信息丟失。相位代碼例如能夠 是用于讀取加密的全息圖7的安全密鑰或者是用于讀取復用的全息圖 7的密鑰。然而，本發(fā)明也涉及除力口密或復用外的其它應用。在不能 排除機械間隙，從而導致插入的存儲介質(zhì)6的位置有一定的不確定性， 因此，參考光束3和存儲介質(zhì)6需要相對于彼此重復地重新定位，特 別是如果存儲介質(zhì)6經(jīng)常被移除或者多個存儲介質(zhì)6要通過系統(tǒng)1讀
9取的所有情況下，它也適用。
除參考光束相位編碼外，SLM4也能用作孔徑，形成易于定位的 圓形參考光束3。這有助于降低在多個全息圖7彼此靠近寫入存儲介 質(zhì)6時在全息圖的重構處的全息圖間串擾。
如果未應用參考光束編碼，則SLM4能完全被忽略，或者它能用 作孔徑，形成易于定位的圓形參考光束3。
圖lb示出根據(jù)本發(fā)明的全息存儲系統(tǒng)1的另一優(yōu)選實施例，它適 用于讀耳又和寫入全息存儲介質(zhì)6。在此實施例中，在透射模式中讀取 存儲介質(zhì)6。相應地，^r測器5布置在存儲介質(zhì)6的相對側上以使j企 測通過第三傅立葉透鏡111逆傅立葉變換到檢測器5的成像平面上的 重構的物體光束9。這種情況下，在系統(tǒng)1用于在存儲介質(zhì)6上記錄 全息圖7時，分束器10用于聯(lián)合參考光束3和來自物體光束SLM 4' 的物體光束3'。物體光束3'能由單獨的光源(未示出)提供，或者如本 技術領域熟知的，提供參考光束3的相同光源2能用于提供兩個光束 3和3'。
檢測器5連接到伺服控制單元14，該單元負責相對于彼此定位的 參考光束3和存儲介質(zhì)6。如后面將解釋的一樣，伺服控制單元14分 析檢測器5檢測到的圖像，并且計算伺服信號。在第一實施例中，參 考光束3和存儲介質(zhì)6的相對位置能通過在SLM 4上不同位置處顯示 的參考光束代碼模式而更改。伺服信號用于控制SLM4所顯示的代碼 模式的位置。伺服控制單元14例如能夠是操作SLM 4的計算機或包 括數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場編程門陣列(FPGA)的嵌入式系統(tǒng)。
圖2示出在SLM 4上顯示的參考光束代碼模式15。參考光束代 碼模式15優(yōu)選是相位代碼模式。正如在此實施例中能看到的一樣， 每個參考光束代碼像素16由5 x 5個SLM像素17組成。用于顯示單 個代碼像素16的SLM像素17的數(shù)量能因應用而不同。使用由不止 一個SLM像素17組成的代碼像素16允許將代碼模式15移位的簡單 方式。例如，要將代碼模式15向右移位一個SLM像素17,如圖3所示，將每個代碼像素16a移位一列SLM像素17。新代碼像素16b通 過5 x 5個SL1VN象素17的新塊顯示，該塊由與原代碼^象素16a重疊 的5 x 4個SLM像素17和原代碼像素16a右邊的1 x 4個SLM像素 17組成。代碼模式15能根據(jù)上述概念在任何方向移位，包括與SLM 像素17的行或列不平行的方向。
通過特定參考光束代碼模式15記錄的全息圖7只能通過與用于記 錄全息圖7的參考光束代碼模式相同或極類似的參考光束代碼模式重 構，因而將參考光束3編碼允許安全加密或復用。參考光束代碼模式 15例如能具有10xl0個代碼像素16的大小，產(chǎn)生2腦個可能的代碼 組合。然而，為實現(xiàn)安全加密和復用，全息圖7通過除用于記錄全息 圖7的參考光束代碼模式外的其它參考光束代碼模式15應是不可讀 的。因此，應只使用所有可能代碼模式15中充分不同的代碼模式15 的集合，這實際上仍是個極高的數(shù)字，例如，可能使用大約225個代 碼組合。在WO 02/05270中公開了生成不同代碼模式15的方法。
使用孔徑13的另一益處是限制SLM4的清晰度，以便各個SLM 像素17在檢測器5檢測到的圖像上是不可區(qū)分的，同時代碼像素16 的編碼效應仍可感覺到。為避免在SLM 4邊緣附近的漸暈效應，孔徑 13布置在SLM 4的傅立葉平面中(或其緊鄰的附近)以便過濾在傅立葉 空間中的高頻分量，由此使結果圖^^莫糊。
在SLM4用作用于形成易于定位圓形光束的孔徑的應用中，參考 光束代碼模式15能是如圖4所示帶有非透明外部邊界區(qū)域19的簡單 光透射內(nèi)圓18。這例如能通過將SLM 4用作調(diào)幅器，并在保持透射 圓18內(nèi)光的振幅的同時，降低邊界區(qū)域19的振幅，由此形成易于定 位的圓形參考光束3而實現(xiàn)。通過更改各個SLM像素17的調(diào)幅以便 在SLM 4的另一位置處形成光透射內(nèi)圓18，能輕松定位圓形參考光 束3。
實現(xiàn)調(diào)幅模式的已知方法是在SLM 4之后分析器之前提供起偏 振器。落入內(nèi)圓18內(nèi)的參考光束3的偏振能通過SLM 4保持不變，而它能在外部邊界區(qū)域19內(nèi)旋轉90度。只有未改變的偏振將通過分 析器，因而形成易于定位的圓形參考光束3。
通過使用沿參考光束3的光學路徑放置的相同參考光束編碼SLM 4或又一參考光束編碼SLM 4,易于定位的圓形參考光束3也能與相 位編碼一起提供。相同的SLM能用于例如在特殊SLM的三元調(diào)制中 同時進行相位調(diào)制和振幅調(diào)制。對于不同的相位調(diào)制和振幅調(diào)制使用
在第二實施例中，伺服控制單元14充當用于將系統(tǒng)1的一個或多 個組件(分別為存儲介質(zhì)6、 SLM4和光源2)相對于彼此機械移位的一 個或多個移位部件20、 21、 22(圖la)。移位部件20、 21、 22能包括 用于將系統(tǒng)1的組件物理移位的微致動器(micro-actuator)或其它裝 置。類似于上面所述實施例，伺服控制單元14分析檢測器5檢測到 的圖像，并計算用于控制設置為分別將存儲介質(zhì)6、 SLM 4和光源2 移位的移位部件20、 21、 22的伺服信號。所有三個移位部件20、 21、 22可存在或只存在它們中的一些。也可能提供其它光學元件或機械元 件，這些元件影響入射參考光束3相對于存儲介質(zhì)6的位置。這些元 件也能由伺服控制單元14控制。又一可能性是組合第一和第二實施 例。
在復用的全息圖的情況下，全息圖7能包含一個數(shù)據(jù)頁(data page)或多個數(shù)據(jù)頁。這些數(shù)據(jù)頁優(yōu)選由多個數(shù)據(jù)代碼塊24組成。圖 5中示出示范數(shù)據(jù)代碼塊24。數(shù)據(jù)代碼塊24由4 x 4個數(shù)據(jù)代碼像素 25組成，每個像素表示一個二進制變量("on〃或"off〃 )。雖然有216 個可能模式，但這些模式只有一小部分用于對全息圖7上存儲的信息 的單元(例如，字母、數(shù)字、符號等)進行編碼。通常，使用幾百個不 同的數(shù)據(jù)代碼塊24便足以對信息編碼。例如，256個數(shù)據(jù)代碼塊24 的集合能用于對ASCII碼表的符號編碼。
數(shù)據(jù)代碼塊24能例如通過使用等重調(diào)制編碼("on〃和"off〃數(shù) 據(jù)代碼像素25的比率大約為l:l)或稀疏調(diào)制編碼(如圖5所示，'、on〃數(shù)據(jù)代碼像素25的比率低得多；3個"on〃數(shù)據(jù)代碼像素25和13 個"off〃數(shù)據(jù)代碼像素25)生成。數(shù)據(jù)代碼塊24的集合優(yōu)選通過稀疏 調(diào)制編碼生成，并且該集合的數(shù)據(jù)代碼塊24被選擇為彼此盡可能不 相同。 一種用于生成此類數(shù)據(jù)碼塊24的集合的方法在本領域已知。 例如，A. Siit3等人描述了使用查找表，使用通過調(diào)制編碼生成的數(shù)據(jù)
代碼塊進行數(shù)據(jù)編碼和解碼("使用空間光過濾和稀疏調(diào)制編碼的傅立 葉全息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)密度的優(yōu)化"("Optimisation of data density in Fourier holgoraphic system using spatial light filtering and sparse modulation coding" ， Optik, International Journal for Light and Electron Optics, Vol.115, 12, pp. 541-546,2004))。
在讀取全息圖7時，伺服控制單元14將檢測器檢測到的一些或所 有重構的數(shù)據(jù)代碼塊26(在圖6中示出)與用于寫入全息圖7攜帶的數(shù) 據(jù)頁的數(shù)據(jù)代碼塊24的集合的元素進行比較，以便決定在讀取哪個 特定數(shù)據(jù)代碼塊24。如果參考光束3和存儲介質(zhì)6的相對位置及參考 光束編碼(如果有)與在記錄全息圖7時相同，則每個重構的碼塊26只 匹配數(shù)據(jù)代碼塊24的集合的一個元素。然而，如果參考光束3和存 儲介質(zhì)6錯位，或者讀取參考光束3的編碼不同于記錄參考光束3的 編碼，則數(shù)據(jù)頁的重構的數(shù)據(jù)代碼塊26不完全匹配數(shù)據(jù)代碼塊26的 集合的任一元素，而是能與它們中的不止一個元素類似。
伺服控制單元14計算檢測器5在參考光束3和存儲介質(zhì)6的給定 相對位置檢測到的圖像的特征值。該特征值能是指示參考光束3和存 儲介質(zhì)6錯位的圖像的任何適當?shù)牧炕瘜傩浴?br> 在一個優(yōu)選實施例中，該特征值是多個重構的數(shù)據(jù)代碼塊26的信 噪比(SNR):
=——r
￡(雄緑2)-￡(篇録)2
其中，E是預期值函數(shù)，并且SNRbM代表重構的數(shù)據(jù)代碼塊26 的^l言p喿比。能為所有重構的數(shù)據(jù)代碼塊26或一定數(shù)量重構的數(shù)據(jù)代碼塊26 計算SNRbl。ck。例如，在一個數(shù)據(jù)頁由大約2000個數(shù)據(jù)代碼塊24組 成的情況下，能為計算上述SNR值選擇至少100,優(yōu)選至少300，甚 至更優(yōu)選至少600個重構的數(shù)據(jù)代碼塊26。正如技術人員將明白的一 樣，檢查的重構的數(shù)據(jù)代碼塊26能取自檢測到的圖像中的同 一 區(qū)域， 或者它們能經(jīng)選擇以便表示數(shù)據(jù)頁的重要區(qū)。
重構的數(shù)據(jù)代碼塊26的信噪比能以各種方式計算，獲得SNRbl。ck
的一種優(yōu)選方式是計算重構的數(shù)據(jù)代碼塊26與數(shù)據(jù)代碼塊24的集合
的所有可能元素之間的最大相關值和平均相關值的比率
m。x(6y * v》
(2) 薦歸=-
average (~ * vy)
其中
max(.)表示覆蓋所有標號(index)所取的參數(shù)的最大值， average(.)表示覆蓋所有標號所取的參數(shù)的平均值， *符號表示標量積，
bj表示重構的數(shù)據(jù)代碼塊26的第j個分量，這在一4史情況下是n x m維向量，在數(shù)據(jù)代碼塊24為4 x 4像素陣列的上述特定情況下是16 維向量，以及
yij表示數(shù)據(jù)代碼塊24的集合的第i個數(shù)據(jù)代碼塊24的第j個分 量，這類似于bj,在此特定情況下是16維向量。
例如，表示圖5中所示數(shù)據(jù)代碼塊24的第i個—向量是
，其第5個分量是v—1。
在另 一示例中，SNRw。ck被計算為在重構的數(shù)據(jù)代碼塊26與數(shù)據(jù) 代碼塊24的集合的所有可能數(shù)據(jù)代碼塊24之間最大相關值和第二高 相關值之間的差
(3) 纖歸-麵(~ ";.)-匿2(~ * v;.)
14其中，max2(.)表示在標號i上所取的參數(shù)的第二高的最大值，并 通過忽略被證明是提供max(.)函數(shù)的最大值的標號k而獲得。
正如技術人員將明白的一樣，許多其它可能性即將用于計算SNR 和SNRblock。
一旦獲得用于參考光束3和存儲介質(zhì)6的給定相對位置的SNR 值，伺服控制單元14便決定此SNR值是對應于參考光束3和存儲介 質(zhì)6相對于彼此的對準狀態(tài)還是錯位狀態(tài)，并且在錯位的情況下，伺 服單元14確定參考光束3和存儲介質(zhì)6的對準相對位置，從而提供 令人滿意的圖像質(zhì)量。 一旦確定對準相對位置，伺服控制單元14便 生成用于對系統(tǒng)1的所有或部分組件起作用的伺力艮信號，以1更通過如 前面所述在物理上和/或光學上將所有或部分組件移位，來將參考光束 3和存儲介質(zhì)6的相對位置設置為對準相對位置。 一旦參考光束3和 存儲介質(zhì)6在其對準相對位置處，具有令人滿意的圖像質(zhì)量的圖像便 可檢測到或捕獲到以供進一步使用。
為區(qū)分對準狀態(tài)和錯位狀態(tài)并確定錯位的程度，事先為特定應用 校準系統(tǒng)1。校準能使用參考光束3和在存儲介質(zhì)6上記錄的校準全 息圖執(zhí)行，攜帶校準全息圖的存儲介質(zhì)6由此被插入與以后要讀取的 攜帶全息圖7的存儲介質(zhì)6相同的位置。優(yōu)選是通過代表用于記錄全 息圖7的參考光束代碼模式15的集合的通用參考光束代碼模式15對 參考光束3進行編碼，并且校準全息圖優(yōu)選是使用通過數(shù)據(jù)頁編碼的 物體光束3'記錄的全息圖，而該數(shù)據(jù)頁表示用于對全息圖7上的信息 編碼的數(shù)據(jù)代碼塊24的集合的元素。在某些應用中，要讀取的存儲 介質(zhì)6的集合的一個存儲介質(zhì)能用于提供校準全息圖，或備選，每個 存儲介質(zhì)6也用于校準目的以便有利于在將來更快地讀取存儲介質(zhì)6。 在同一系統(tǒng)1用于寫入和讀取全息圖7時，這特別有利，例如，圖lb 中所示的系統(tǒng)1。
這種情況下，校準能在寫入全息圖7之后和從系統(tǒng)1首次將其移 除之前執(zhí)行。此外，在只使用少量參考光束代碼沖莫式15的情況下，能為所有可 能應用的參考光束代碼模式15執(zhí)行校準。對于只有少量數(shù)據(jù)頁存儲 在同一全息圖中的復用全息圖，情況是如此。類似地，在只有少量數(shù) 據(jù)頁可能的情況下，能對攜帶這些數(shù)據(jù)頁的所有可能的校準全息圖執(zhí) 行校準。
應理解的是， 一個或多個校準全息圖能與要通過系統(tǒng)1重構的一
個或多個全息圖7相符。
在校準的第一步驟中，通過繪出對于參考光束3和校準全息圖的 多個相對位置計算的多個特征值，獲得特征函數(shù)。校準值的計算方式 與在讀取存儲介質(zhì)6時為識別參考光束3與存儲介質(zhì)6的錯位的計算 方式相同或大致相同。
在上述優(yōu)選實施例中，特征值是^v所有或一定數(shù)量的重構的數(shù)據(jù)
代碼塊26的SNRw。ck計算得出的SNR。以通過光學位移SLM 2顯示 的參考光束代碼模式15設置參考光束3和全息圖/校準全息圖的相對 位置的實施例為例，能對照在SLM像素16中測量的代碼模式16的 移位，繪出在不同相對位置獲得的SNR值。圖7示出對照SLM像素 移位繪出的示范SNR函數(shù)的圖形。SNR函數(shù)大致是對稱高斯曲線， 一般與計算各個SNR^k值的確切方式和使用的重構的數(shù)據(jù)代碼塊26 的確切數(shù)量無關，但條件是此數(shù)量足夠高，可給出數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)代碼 塊24的代表示例。圖7中所示的SNR函數(shù)通過對所有重構的數(shù)據(jù)代 碼塊26使用等式(2)獲得。
應注意的是，坐標的原點能"^殳為對應于最大SNR值，然而，由于 相對位置和相對位置的變化也能使用偏移描述，因此，這不是強制性 的。
圖7繪出的SNR函數(shù)涉及一維定位問題。例如，存儲介質(zhì)6能包 含在信用卡或標識卡中，該卡在插入全息存儲系統(tǒng)1時牢固地保持在 兩個垂直軸的方向上，同時它能沿對應于插入線的第三垂直軸移位。 這種情況下，存儲介質(zhì)6和參考光束3的相對位置只能沿第三軸變化，
16從而產(chǎn)生一維定位問題。如果插入的存儲介質(zhì)6的位置也能沿第一和 第二軸變化，則定位分別需要在二維和三維中執(zhí)行。通過隨后沿所有
軸更改存儲介質(zhì)6和參考光束3的相對位置以便隨后找到沿每個軸的 對準相對位置，能執(zhí)行存儲介質(zhì)6相對于參考光束3沿不止一個軸的 定位。通過將SLM 4的參考光束代碼模式15位移，存儲介質(zhì)6和參 考光束3的相對位置只能沿兩個軸更改。對于三維定位，代碼模式15 的位移能夠與沿光軸將存儲介質(zhì)物理移位組合在一起，或者能夠是通 過將系統(tǒng)1的焦點位移。備選，能夠獲得二或三變量SNR函數(shù)。下面 只將進一步詳細地論述一維定位，二維和三維情況是一維定位的簡單 延伸。
在獲得SNR函數(shù)后，校準的第二步驟是從中得出伺服函數(shù)，這也 由伺服控制單元14執(zhí)行。
通過取參考光束3和在存儲介質(zhì)6上存儲的校準全息圖的兩個相 對位置xl和x2的SNR值對，獲得優(yōu)選的伺服函數(shù)。相對位置xl和 x2使得在相對位置xl和x2中參考光束3與校準全息圖的距離之間的 差為d。例如，如果通過將參考光束代碼模式15位移而執(zhí)行定位，則 相對位置xl和x2對應于在SLM 4上代碼^f莫式15的兩個位置，并且 d是兩個位置之間的距離(優(yōu)選在多個SLM像素17中測量)。更小的 SNR值隨后除以更高的SNR值，因而用于每個相對位置對的結果落 入0與l之間。結果對照相對于原點的相對位置xl和x2之間中點的 移位繪出。在上述示例中，移位s將是在第一與第二代碼模式位置(即， 相對位置xl和x2)之間中途的代碼模式位置。伺服函數(shù)在圖8中示出， 并且圖9示出如何獲得伺服函數(shù)。為筒明起見，假定參考光束7和校 準全息圖(即，原點)的零相對位置與對應于最大SNR的對準狀態(tài)相符。 然而，正如本領域技術人員將明白的一樣，伺服函數(shù)也能通過偏移計
算得出。
在圖8和9所示的示例中，SNR函數(shù)是以橫坐標為中心的高斯分 布，而伺服函數(shù)是遞減函數(shù)，其最大值l(對應于SNR(xl)=SNR(x2))在S:0移位。
要注意的是，伺服函數(shù)能以多種不同的方式構建，唯一的條件是 伺服函數(shù)是可逆的。在本發(fā)明的上下文中，可逆伺服函數(shù)是允許從任
何函數(shù)值得出移位s的幅度和方向(即，代數(shù)符號)的函數(shù)。例如，通
過在第一相對位置xl與第二相對位置x2之間對SNR函數(shù)積分 (integrate)，對于兩個相對位置xl和x2，參考光束3與校準全息圖 之間距離的差為d，并對照xl(而不是s)繪出獲得的伺服值，能獲得可 逆伺服函數(shù)。
在使用上述優(yōu)選伺服函數(shù)時，如下為讀取存儲介質(zhì)6上存儲的全 息圖7而執(zhí)行參考光束3相對于存儲介質(zhì)6的定位。
伺服控制單元14計算在參考光束3與存儲介質(zhì)6的第一相對位置 xl的SNR值。隨后，第二相對位置x2設置在參考光束3與存儲介質(zhì) 6之間，第一和第二相對位置xl和x2定義如上所述的差d。隨后， 計算在第二相對位置x2的第二 SNR值。較小的SNR值除以較高的 SNR值。結果用于確定給出最高SNR值的對準相對位置，即，參考 光束3與存儲介質(zhì)6的對準位置。在定位參考光束3和全息圖7時， 圖9中的虛線橫坐標將是預期原點，即預期對準相對位置(相信預期對 準相對位置是在兩個相對位置xl和x2的中點)。如果預期對準相對位 置對應于實際對準相對位置，則如上所述，SNR(xl)=SNR(x2)。如果 在預期對準相對位置與實際對準相對位置之間存在移位，則兩個SNR 值的商不等于1。通過如圖8所示在SNR(xl)/SNR(x2)處取伺服函數(shù) 的逆，能從以前記錄的伺服函數(shù)得到移位s。考慮兩個SNR值中哪個 被用作除數(shù)，也能輕松地確定移位的代數(shù)符號。
隨后，通過使用獲得的移位s,參考光束3和存儲介質(zhì)6的相對 位置i殳為對應于對準相對位置。
具體而言，能通過執(zhí);f亍以下步驟而執(zhí)行上述定位
l)計算在SLM 4上對應于第一相對位置xl的參考光束模式14的 第一位置的SNR值，
182) 將代碼模式14在SLM 4上位移數(shù)量d個SLM像素17以便獲 得第二相對位置x2,
3) 計算在第二相對位置x2的SNR值，
4) 將較小的SNR值(SNR(xl))除以較高的SNR值(SNR(x2)),
5) 從伺服函數(shù)值SNR(xl)/SNR(x2)得出移位s,
6) 將代碼模式14位移
從第一相對位置xl開始的數(shù)量(d/2+s)個SLM像素 17，條件是SNR(xl)<SNR(x2)
從第一相對位置xl開始的數(shù)量(d/2-s)個SLM像素 17，條件是SNR(xl)〉SNR(x2)
以獲得對準的相對位置，以及
7) 讀取在對準相對位置的全息圖7。
為改進定位的精確度，能為對應于彼此相距d數(shù)量個SLM像素17 處顯示的代碼;漠式14的其它第一和第二相對位置對重復進行上述步 驟，并且能從為每對獲得的對準相對位置計算得出平均值，從而消除 可能的誤差。上述實施例只做為說明性示例，不可視為限制本發(fā)明。 在不脫離隨附權利要求確定的保護范圍的情況下，本領域的技術人員 將明白各種修改。
權利要求
1.一種用于使用全息存儲系統(tǒng)讀取全息存儲介質(zhì)上記錄的傅立葉全息圖的方法，所述方法包括以下步驟a.根據(jù)參考光束和所述存儲介質(zhì)的至少兩個相對位置中重構的傅立葉全息圖的檢測到的圖像來計算特征值，每個所述特征值指示所述相應相對位置處所述參考光束和所述存儲介質(zhì)的錯位，b.從所述測量的特征值計算伺服值，c.借助使用所述計算得出的伺服值的預定伺服函數(shù)，確定所述參考光束和所述存儲介質(zhì)的對準相對位置，d.將所述參考光束和所述存儲介質(zhì)的相對位置設置為所述對準相對位置，以及e.檢測在所述對準相對位置處的圖像。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述預定伺服函數(shù)借助于包括 以下步驟的校準過程生成- 通過更改所述參考光束和校準全息圖相對于彼此的相對位 置，獲得特征函數(shù)，所述校準全息圖是傅立葉全息圖，并 且在每個相對位置處計算所述重構的校準全息圖的檢測到 的圖像的特征值，所述特征值指示所述相應相對位置處所 述參考光束和所述校準全息圖的錯位，以及- 從要用作所述預定伺服函數(shù)的所述特征函數(shù)計算可逆伺服 函數(shù)。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中所述傅立葉全息圖包括多 個數(shù)據(jù)代碼塊，每個數(shù)據(jù)代碼塊是數(shù)據(jù)代碼塊集合中的一個數(shù)據(jù)代碼 塊。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)代碼塊集合的每個數(shù) 據(jù)代碼塊為nxm,優(yōu)選為nxn,甚至更優(yōu)選為具有獨特沖莫式的4 x 4像素陣列。
5. 如權利要求3或4所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)代碼塊集合通過 使用查找表的調(diào)制編碼而獲得。
6. 如權利要求3到5任一項所述的方法，其中所述校準全息圖包 括多個數(shù)據(jù)代碼塊，每個數(shù)據(jù)代碼塊是所述數(shù)據(jù)代碼塊集合中的一個 數(shù)據(jù)代碼塊，優(yōu)選是多個數(shù)據(jù)代碼塊代表所述數(shù)據(jù)代碼塊集合。
7. 如權利要求3到6任一項所述的方法，其中所述要讀取的傅立 葉全息圖和所述校準全息圖是使用用于創(chuàng)建相位編碼物體光束的空 間光調(diào)制器(SLM)記錄的相位編碼全息圖。
8. 如權利要求3到7任一項所述的方法，其中所述特征函數(shù)是計 算如下的信噪比(SNR)函數(shù)S層=_i (S層歸)_其中，E是預期值函數(shù)，并且SNRw。ck代表數(shù)據(jù)代碼塊的信噪比。
9. 如權利要求8所述的方法，其中為所有所述數(shù)據(jù)代碼塊計算 SNRbi。ck。
10. 如權利要求9所述的方法，其中，為至少5%,優(yōu)選至少15%， 甚至更優(yōu)選至少35%的所有所述數(shù)據(jù)代碼塊計算SNRbl。ck。
11. 如權利要求8到IO任一項所述的方法，其中SNRbM被計算 為重構的數(shù)據(jù)代碼塊和所述數(shù)據(jù)代碼塊集合的所有所述數(shù)據(jù)代碼塊 的最大相關值和平均相關值的比率。
12. 如權利要求8到IO任一項所述的方法，其中SNRw。ek被計算 為重構的數(shù)據(jù)代碼塊和所述預定的數(shù)據(jù)代碼塊集合的所有可能的數(shù) 據(jù)代碼塊的最高相關值與第二高相關值之間的差。
13. 如權利要求2到12任一項所述的方法，其中- 在生成所述預定伺服函數(shù)時，從所述特征函數(shù)計算得出多 個伺服值，每個計算得出的伺服值指示所述第一參考光束 和所述校準全息圖的距離之間具有預給定差的兩個相對位置的兩個特征值的比率，所述伺服函數(shù)的變量是在兩個對位置之間的中間點；以及 -在讀取所述傅立葉全息圖時，根據(jù)所述參考光束與要讀取 的所述全息圖的所述距離之間具有預給定差的兩個相對位 置處計算得出的兩個特征值的比率，計算所述伺服值。
14. 如權利要求2到13任一項所述的方法，其中通過參考光束代 碼所述參考光束進行編碼。
15. 如權利要求14所述的方法，其中所述參考光束代碼是參考光 束代碼集合的 一個參考光束代碼。
16. 如權利要求15所述的方法，其中用于所述校準的所述參考光 束代碼是所述參考光束代碼集合的一個元素，優(yōu)選是所述參考光束代 碼預定集合的代表性元素。
17. 如權利要求15或16所述的方法，其中用于讀取所述傅立葉 全息圖的所述參考光束代碼與用于所述校準的所述參考光束代碼相 同。
18. 如權利要求15所述的方法，其中為所述參考光束代碼集合的 所有所述參考光束代碼執(zhí)行所述校準，并在讀取所述傅立葉全息圖時 選擇對于給定參考光束代碼獲得的所述預定伺服函數(shù)。
19. 如權利要求14到18任一項所述的方法，還包括在從提供到 所述系統(tǒng)的另外信息讀取所述傅立葉全息圖時生成所述參考光束代 碼。
20. 如權利要求19所述的方法，其中所述另外的信息是用戶提供 的代碼，優(yōu)選是pin碼。
21. 如權利要求14到20任一項所述的方法，其中通過空間光調(diào) 制器(SLM)對所述參考光束進行編碼。
22. 如權利要求21所述的方法，其中通過在所述SLM上的不同 位置處顯示所述參考光束代碼，執(zhí)行對所述參考光束和所述傅立葉全 息圖的所述相對位置的更改。
23. 如權利要求21或22所述的方法，其中所述參考光束通過相 位、振幅和/或偏振調(diào)制代碼模式進行編碼。
24. 如權利要求2到23任一項所述的方法，還包括使用所述系統(tǒng) 在所述全息存儲介質(zhì)上記錄要讀取的所述傅立葉全息圖，并隨后在移 除所述存儲介質(zhì)前執(zhí)行所述校準的步驟。
25. —種用于讀取在全息存儲介質(zhì)(6)上記錄的傅立葉全息圖(7) 的全息存儲系統(tǒng)(l),所述系統(tǒng)(1)包括參考光束(3)生成部件、存儲介 質(zhì)(6)接收部件和用于檢測重構的全息圖的檢測器(5),其中所述系統(tǒng)(l) 還包括用于執(zhí)行如權利要求1到24任一項所述方法的伺服控制單元 (14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使用全息存儲系統(tǒng)(1)讀取在全息存儲介質(zhì)(6)上記錄的傅立葉全息圖(7)的方法。方法包括以下步驟根據(jù)參考光束(3)和所述存儲介質(zhì)(6)的至少兩個相對位置中檢測到的重構的傅立葉全息圖的圖像來計算特征值，每個特征值指示參考光束(3)和所述存儲介質(zhì)(6)在相應相對位置的錯位，從測量的特征值計算伺服值，借助使用計算得出的伺服值的預定伺服函數(shù)，確定所述參考光束(3)和所述存儲介質(zhì)(6)的對準相對位置，將所述參考光束(3)和所述存儲介質(zhì)(6)的相對位置設置為所述對準相對位置，以及檢測在所述對準相對位置處的圖像。本發(fā)明也涉及用于讀取在全息存儲介質(zhì)(6)上記錄的傅立葉全息圖(7)的全息存儲系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)(1)包括參考光束(3)生成部件、存儲介質(zhì)(6)接收部件及用于檢測重構的全息圖的檢測器(5)。系統(tǒng)(1)還包括用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的伺服控制單元(14)。
文檔編號G11B7/0065GK101669169SQ200880004106
公開日2010年3月10日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權日2007年2月6日
發(fā)明者A·蘇托, G·埃戴 申請人:拜爾創(chuàng)新有限責任公司