CN100388366C - 全息记录设备和相位掩模版 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及全息记录设备和相位掩模版。具体地，提供了一种在全息记录材料中记录参考光和信号光之间的干涉条纹的全息记录设备，所述信号光是由显示在空间调制器中的数据调制的信号光，该全息记录设备包括用于散射光的相位掩模版，该相位掩模版被设置在信号光通过的光学系统中，其中，相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元是空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数。

Description

全息记录设备和相位掩模版
对相关申请的引用
本发明包含与2005年3月29日递交给日本专利局的日本专利申请JP 2005-094158相关的主题，该申请的全部内容通过引用被结合到本申请中。
技术领域
本发明涉及用于在全息记录介质上记录信号光和参考光之间的干涉条纹的全息记录设备，尤其涉及用于抑制信号光的DC分量的相位掩模版(相位罩)。
背景技术
近来已经提出了全息数据存储系统，其利用在全息记录材料上大容量记录用信息进行了空间调制的信号光和参考光之间的干涉条纹的全息技术记录和再现大容量的数据。
在传统的全息数据存储系统中，从光源(未图示)发出的相干激光50被分裂成信号光100和参考光200，如图9所示。当这样获得的信号光100通过空间调制器(SLM)1时，信号光100被SLM 1中显示的信息(数据图案)进行空间调制。被SLM 1进行空间调制的信号光100被透镜2会聚在全息记录材料3的附近，并使之与单独作用于全息记录材料3的参考光200发生干涉，从而记录全息图。
此时，进入SLM 1的激光50根据SLM 1的像素图案和在SLM 1中显示的数据图案被衍射。结果，信号光100在全息记录材料3上具有特定分布。根据波动光学理论，该分布与SLM 1中显示的图像的傅立叶变换图案有关，该分布的大小与SLM 1中显示的像素的大小以及透镜的焦距成正比。图10图示了模拟信号光100在全息记录材料3上的分布的一个例子。
图10表明全息记录材料3上的光在原点附近具有高强度，在其他部分的光强度低。附带说明，在原点附近的高强度分量被称为DC分量。我们知道，当使用只进行强度调制的SLM 1时，这样的非均匀分布问题是DC分量问题。已经知道，在记录全息图时，这样的非均匀性导致各种问题，并且已经提出了针对这些问题的一些措施(例如见非专利文献1，Holographic Data Storage；H.J.Coufal，D.Psaltis，and G.T.Sincerbox ED；Springer；p.259-269 Beam Conditioning Techniquesfor Holographic Recording Systems)。
一种这样的措施是一种使用被称为随机相位掩模版或者散射器的光学部件的方法。这种光学部件例如具有与SLM 1的像素间距一样的节距，并具有零和π相位差的随机图案。该光学部件被设置为使得该光学部件的随机图案与SLM 1的像素一致。这样，该光学部件散射光。具有零和π相位差的随机图案的光学部件被称为相位掩模版。这样，光的散射导致光在全息记录材料3上的均匀分布，这样就极大地改善了记录性能。
发明内容
如果将用于从信号光中消除DC分量的相位掩模版如上所述引入信号光光学系统中以防止在全息记录材料上过于集中的信号光降低全息记录材料的使用效率并降低S/N(信噪比)，就解决了信号光的DC分量导致的问题，但是已经知道，因为相位掩模版的引入而导致的噪声叠加到信号光上，噪声反而增加了。造成这种情况的原因是强度分量在散射器的图像上的叠加，由于全息记录和再现光学系统的像差效应以及全息记录本身的不完备性，散射器固有地只有一个相位分量。例如，即使使用理想的相位掩模版，信号光光学系统的像差也容易造成强度的变化，尤其是在相位掩模版图像中的图案边界部分(当相位掩模版被理想地成像时，不发生强度变化)。当强度变化叠加到信号光的数据图案上时，就产生了读取数据的问题，使位误码率(BER)恶化。
本发明就是鉴于上述情况做出的。希望提供一种相位掩模版和使用该相位掩模版的全息记录设备，其能够抑制信号光的DC分量而不会降低再现图像的S/N，并改善BER。
根据本发明的一种实施方案，提供了一种在全息记录材料中记录参考光和信号光之间的干涉条纹的全息记录设备，所述信号光是由显示在空间调制器中的数据调制的信号光，该全息记录设备包括用于散射光的相位掩模版，该相位掩模版被设置在信号光通过的光学系统中，其中，相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元是空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数。
这样，在本发明中，通过将相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元设定为空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数，防止相位掩模版的光散射图案的边界落在空间调制器的显示数据的最小单元的内部，从而相位掩模版的图案的边界部分不出现在数据块的内部。从而可以防止记录图像的S/N劣化，没有叠加在信号光上的相位掩模版造成的噪声。这已经通过试验得到了证实。从而，可以抑制信号光的DC分量而不会使再现图像的S/N劣化，改善BER。
根据本发明，通过将相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元设定为空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数，防止相位掩模版的光散射图案的边界落在空间调制器的显示数据的最小单元的内部。从而，可以抑制信号光的DC分量而不会使再现图像的S/N劣化，改善BER，并通过有效地利用全息记录介质的动态范围提高记录密度。
附图说明
图1的框图图示了根据本发明的第一种实施方案，全息记录设备的主要部件的结构；
图2A、2B和2C的示意图表示图1中所示的SLM的显示系统；
图3A和3B是辅助示意图，用于说明图1所示的SLM的显示数据和相位掩模版的图案之间的关系；
图4A、4B和4C的示意图图示了根据本发明的第二种实施方案，用在全息记录设备中的相位掩模版的结构；
图5A、5B、5C和5D是辅助示意图，用于说明2-4调制系统的数据图案；
图6的辅助示意图用于说明根据本发明的第三种实施方案，用在全息记录设备中的SLM和相位掩模版之间的关系；
图7的示意图图示了一个例子，其中，相位掩模版的图案边界出现在对准标记和调制数据之外的部分处；
图8的示意图图示了一个例子，其中，根据对准标记的位置，使得相位掩模版的图案部分的相位相差π；
图9的示意图图示了传统的全息数据存储系统的主要部件的结构；
图10的特性曲线图表示信号光在全息记录材料上的分布的一个模拟例子。
具体实施方式
通过将相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元设定为空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数，防止相位掩模版的光散射图案的边界落到空间调制器的显示数据的最小单元的内部，从而实现这样的需求：抑制信号光的DC分量，而不会使再现图像的S/N劣化，并改善BER。
图1的框图图示了根据本发明第一种实施方案的全息记录设备的主要部件的结构。该全息记录设备包括用于记录的信号光光学系统301和用于再现的信号光光学系统302。该记录信号光光学系统301具有空间调制器(SLM)11、设置在SLM 11附近的位置处的相位掩模版12、形成信号光光学系统的透镜13、14和15以及插在透镜13和14之间以去除不必要的光的高频截止光圈16。下面描述图中用虚线表示的部件(相位掩模版)。再现信号光光学系统302具有形成再现信号光光学系统的透镜18、19和20、插在透镜19和20之间以去除不必要的光的高频截止光圈21以及用于接收再现信号光从而获得再现图像数据的图像传感器22。另外，在如上所述的全息记录设备中设置全息记录材料80以记录和再现全息图。
下面描述第一实施方案的工作过程。从图中未图示的激光源发出的激光分出的信号光100被显示在SLM 11中的数据页进行空间调制，并被相位掩模版12进一步散射，之后透过透镜13、14和15会聚到全息记录材料80中。此时，当信号光100穿过SLM 11时产生的不必要的光比如高阶光等被光圈16截止。此时，用图中未图示的参考光照射全息记录材料80，所述参考光是从所述激光中分出的。参考光和信号光100产生的干涉条纹被记录在全息记录材料80中。
当用SLM 11显示数据页时，可以一起使用SLM 11的若干像素，而不是SLM 11的一个像素被赋予一个数据。例如，当希望显示图2A所示的数据时，可以进行如图2B的显示，或者可以如图2C所示一起显示多个像素。但是，由于SLM 11的像素总数是一样的，当应用图2C的方法时，每页的记录容量当然减少了。类似地，在相位方面，相位掩模版12不需要按照与SLM 11的节距相同的单元变化，而可以以几个液晶像素作为一个单元来改变相位。
当用与记录时相同的参考光(未图示)照射如上所述记录有全息图的全息记录材料80时，记录在全息记录材料80中的干涉条纹产生衍射光。再现的作为所述衍射光的信号光通过透镜18、19和20，被图像传感器22接收到。从而，记录的数据页被图像传感器22读取。对数据页进行图像处理，然后解码，从而再现记录的数据。
顺便说明，图1中的记录信号光光学系统301中的高频截止光圈16截除在SLM 11等中产生的高阶衍射光，以防止对全息记录材料80上的部分进行不必要的曝光。图1中的再现信号光光学系统302内的高频截止光圈21截除从不必要的全息图再现的光以及从全息图再现的光的散射光分量。相位掩模版12例如是这样的光学部件：其随机图案具有与SLM 11的像素间距相同的节距，其诸如π这样的相位差使得波相互抵消。相位掩模版12使穿过SLM 11的信号光100产生散射。当信号光这样被散射时，光就被均匀地分布在全息记录材料80上，DC分量被截除，这样，就极大地改善了记录特性，比如复用程度等。相位掩模版12可以位于这样的位置(图1中的虚线所指的位置)，使得SLM 11和相位掩模版12相互成成像关系。
但是，事实上，尽管信号光的DC分量被抑制，由于使用相位掩模版12，噪声仍然增加了。因此，将第一实施方案中的相位掩模版12中的相位调制单元设置为SLM 11的数据单元的自然数倍数。图3A图示了这样的一个例子，其中，方块30表示相位掩模版12的一个数据单元，线31表示相位掩模版图案的边界线，方块40表示SLM 11的一个数据单元，线41表示SLM 11的像素边界。可以形成这样一种关系，使得相位掩模版12的图案的边界部分不进入SLM 11的数据块的内部。图3B图示了一种不希望有的例子，其中，相位掩模版12的图案的边界部分进入了SLM 11的数据块的内部，如附图标记60所示。这样，相位掩模版12的图案的边界部分不出现在数据块的内部，从而防止了由于插入相位掩模版12而产生噪声在信号光100上的叠加。这已经通过试验得到了证实。
根据第一种实施方案，通过将相位掩模版12中的相位调制的单元设定为SLM 11的数据单元的自然数倍数，可以防止使用相位掩模版12产生的噪声叠加到信号光100上，抑制信号光的DC分量而不增加噪声，并多路复用更多的高质量图像。应注意到，尽管在上述实施方案中数据为方块形状，但是数据的形状当然也可以是矩形或者其他形状，并获得类似的效果。
图4A、4B和4C的示意图图示了用在本发明第二种实施方案的全息记录设备中的相位掩模版的结构。但是，由于本例子的构造类似于上述第一实施方案，具有相同构造的每一个部件的构造和操作的描述就省略了，下面对操作中的有特点的部分加以说明。
当调制SLM的数据的图案时，根据第二实施方案的相位掩模版具有与被调制的块单元相同的相位调制单元。
当如图5A、5B、5C和5D所示由SLM对数据进行2-4调制时，例如使用具有图4A中线31所示的单元的相位掩模版，从而，可以自动地获得与第一实施方案类似的效果。顺带说明，所谓的2-4调制能够将两位数据与如图5A到5D所示的四个图案关联起来。当然，被调制的图案不限于方形，如图4B所示的矩形或者图4C所示的另一种形状能够获得类似的效果。
图6的辅助示意图用于说明用在本发明第三实施方案的全息记录设备中的SLM和相位掩模版之间的关系。但是，由于本例子的构造类似于上述第一实施方案，具有相同构造的每一个部件的构造和操作的描述就省略了，下面对操作中的有特点的部分加以说明。
由图像传感器获得的再现图像一般包括用于辅助信号再现的信息，比如对准标记90等。对准标记90等的图像质量也是很重要的，必须防止由于相位掩模版的插入而产生的图案边界部分的效应导致对准标记90等的图像质量的劣化。对准标记90的形状和面积一般不同于被调制数据块的形状和面积。在所形成的相位掩模版在整个表面具有相同节距的情况下，被调制块部分不受图案边界部分的影响，但是相位掩模版的图案边界出现在对准标记90以及被调制数据之外的部分处，如图7所示，这样就降低了对准标记的识别精度。
因此，在第三实施方案中，在相位掩模版的对应于SLM的数据区之外的部分的部分中不形成光散射图案。这防止了在对准标记中由于插入相位掩模版而降低图像质量，从而防止了对准标记的识别精度的降低。例如，只在相位掩模版的对应于图6所示的部分91(对应于SLM的数据显示区)的区域中形成光散射图案，在其他的部分不形成所述图案。
根据第三实施方案，通过只在对应于SLM的数据页显示区91的区域中形成相位掩模版的光散射图案，而在其他区域(对准标记90)中不形成光散射图案，防止了对准标记的识别精度的降低。从而可以在高水平再现时保持图像处理中所用的定位精度，从而有效地再现高质量的图像。
至于对上述实施方案的修改，SLM的对准标记显示区域中没有图案的情况，与没有相位掩模版的情况在只观察该区域时是等同的。因此，由对准标记显示区域产生的信号光的DC分量仍然存在，从而导致图像质量的下降。对对准标记90等的数据部分(这些部分通常是多个)提供相位差，将这些部分作为一个单元，从而整体地实施消除操作。例如，如图8所示，使得相位掩模版的对应于P所指示的部分的图案部分具有与数据页标记相同的形状，该图案的相位整体地被提前π。使得相位掩模版的对应于Q所指示的部分的图案部分的相位差为零，也就是，在该图案部分中不形成图案。另外，在R所指的区域(对应于SLM的数据显示区)中形成与第一实施方案相同的普通图案。从而，可以获得与上述第二种实施方案类似的效果。
应注意到，本发明不限于前述实施方案，就具体构造、功能、操作和效果而言，本发明可以有各种其他形式的实施方式而不会脱离本发明的精神实质。例如，可以通过在前述所有实施方案中使得相位掩模版具有下述的相位分布而提高削减DC分量的效果，这样的相位分布使得透射光的复值幅度的和为零，或者基本上可以视为是零。另外，由于本发明涉及的是信号光光学系统，本发明对于所谓的同轴式(或者共线式)记录和再现系统(其中，信号光和参考光同轴地通过同一光路)当然具有类似的效果。
本领域的普通技术人员应当理解，随设计要求和其他因素而定，可以有各种各样的修改、组合、亚组合和变更，前提是它们在所附权利要求或者其等效方案的范围之内。

Claims (12)

1.一种在全息记录材料中记录参考光和信号光之间的干涉条纹的全息记录设备，所述信号光是由显示在空间调制器中的数据调制的信号光，该全息记录设备包括：
用于散射光的相位掩模版，该相位掩模版被设置在所述信号光通过的光学系统中，
其中，相位掩模版中形成的光散射图案的最小单元是所述空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数。
2.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，
通过所述空间调制器用块码对所述信号光的数据部分进行调制，并且
所述相位掩模版的所述图案的边界不落入所述块码的块的内部。
3.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，所述相位掩模版的所述图案的边界不落在所述空间调制器中用于图像处理的对准标记的显示区域上。
4.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，在所述相位掩模版的区域中，只在对应于所述空间调制器的数据显示区域的区域中形成所述光散射图案。
5.如权利要求4所述的全息记录设备，其中，在所述相位掩模版的区域中，在对应于所述空间调制器中用于图像处理的对准标记的显示区域的区域中不形成所述光散射图案。
6.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，所述相位掩模版的所述图案的相位分布使得透射光的复值幅度的和为零或者可以视为基本上为零。
7.一种用于散射被空间调制器调制的光的相位掩模版，其中，形成在所述相位掩模版中的光散射图案的最小单元是所述空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数。
8.一种全息记录方法，包括下列步骤：
用空间调制器调制信号光；
用相位掩模版散射所述被调制的信号光，其中，光散射图案的最小单元是所述空间调制器的显示数据的最小单元的自然数倍数；
用透镜会聚所述被散射的信号光；以及
在全息记录材料中记录所述被会聚的信号光和参考光之间的干涉条纹。
9.如权利要求8所述的全息记录方法，其中，所述相位掩模版的所述图案的边界不落在所述空间调制器中用于图像处理的对准标记的显示区域上。
10.如权利要求8所述的全息记录方法，其中，在所述相位掩模版的区域中，只在对应于所述空间调制器的数据显示区域的区域中形成所述光散射图案。
11.如权利要求10所述的全息记录方法，其中，在所述相位掩模版的区域中，在对应于所述空间调制器中用于图像处理的对准标记的显示区域的区域中，不形成所述光散射图案。
12.如权利要求8所述的全息记录方法，其中，所述相位掩模版的所述图案的相位分布使得透射光的复值幅度的和为零或者可以视为基本上为零。
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