CN101295162A - 全息记录设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于记录全息图的全息记录设备，其将光源出射的光通过空间光调制器分为记录光和参考光，并将记录光和参考光通过同一物镜射向全息记录介质；其中空间光调制器具有包括多个像素的光调制区域；光调制区域分为：中心像素区域，来自光源的一部分光通过该区域射向物镜作为记录光，以及外周像素区域，来自光源的其余部分光通过该区域射向物镜作为参考光；外周像素区域中包括的多个像素包括比中心像素区域中包括的多个像素更大的像素。

Description

全息记录设备
技术领域
本发明涉及一种全息记录设备，用于在所谓共轴系统中记录全息图。
背景技术
日本专利公开No.2006-113296揭露了一种已知的全息记录设备。所公开的这种全息记录设备设置为在所谓共轴系统中记录全息图。在所述共轴系统的全息记录设备中，从光源发出的光通过准直透镜转换为平行光，然后通过空间光调制器分为记录光(信号光)和参考光，进一步，记录光和参考光通过同一物镜会聚在全息记录介质上。
作为空间光调制器，中心像素区域为用于产生记录光的区域，外周像素区域为用于产生参考光的区域。在中心像素区域和外周像素区域，形成具有均匀节距(pitch)的点阵型的多个像素。如图7所示，用于这种共轴系统的物镜400被设置成具有较大的数值孔径(NA)以使全息记录介质B上的被照射区域尽可能小，以提高记录密度。对于物镜400，例如，当记录光S和参考光R在沿其各自的光轴观察横截面时具有大约相等的光通量宽度W时，具有大入射角的参考光R由于光强度而难以与记录光S产生最佳的干涉。为了改善上述情况，在空间光调制器上用于产生参考光R的外周像素区域要保证尽可能的大以使参考光R的光通量宽度W更大。
发明内容
然而，根据上述已知的全息记录设备，当空间光调制器上的外周像素区域扩大时，中心像素区域尺寸相对变小，从而导致记录信息量随之减少。同样，由于除了参考光R的入射角变大之外，参考光R的光通量宽度W也变大，所以记录光S和参考光R不重叠的区域(即无用的曝光区域)也变大。因此，难以同时满足记录光S和参考光S产生最佳相互干涉的条件以及提高记录密度的条件。
因此，本发明是鉴于上述情况提出的。本发明的目的在于提供一种全息记录设备，能够在提高记录密度的同时使记录光和参考光产生最佳的相互干涉。
根据本发明的一个方面，用于记录全息图的全息记录设备包括：发射光的光源、物镜以及空间光调制器。空间光调制器包括光调制区域，光调制区域包括形成在空间调制器上并包括多个第一像素的中心像素区域，以及形成为围绕中心区域并包括多个第二像素的外周区域，其中多个第二像素包括比第一像素中每个像素更大的像素。通过中心像素区域的光的第一部分和通过外周像素区域的光的第二部分入射到物镜，用光的第一和第二部分记录全息图。
根据本发明的另一方面，用于记录全息图的全息记录设备将来自光源的光通过空间光调制器分为记录光和参考光，并将记录光和参考光通过同一物镜射到全息记录介质上；其中，所述空间光调制器具有包括多个像素的光调制区域；光调制区域分为中心像素区域和外周像素区域，来自光源的部分光通过中心像素区域被导向物镜作为记录光，光的其余部分通过外周像素区域被导向物镜作为参考光；外周像素区域中包括的多个像素包括比中心像素区域中包括的多个像素更大的像素。
优选的，外周像素区域进一步分为多个区域，在这些区域中，外侧区域中包括更大的像素。
优选的，包括在外周像素区域中的多个像素的平均面积大于包括在中心像素区域中的多个像素的平均面积。
优选的，中心像素区域和外周像素区域之间设置有光阻隔区域。
优选的，外周像素区域被形成为凹凸形状，使得相邻像素之间产生预定的相位差。
优选的，平均像素面积Ss和Sr满足Ss＜Sr＜6.25Ss的关系，其中Ss是中心像素区域的平均像素面积，Sr是外周像素区域的平均像素面积。
通过随后结合附图的详尽描述，本发明的其他特征和优势将更加明显。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的全息记录设备总体结构的示意图；
图2是示出了图1所示的全息记录设备的主要部分的结构的示意图；
图3是示出了图1所示的全息记录设备的操作功能示意图；
图4是用等效光路系统示出了图1所示全息记录设备的说明图；
图5是示出了使用图4所示光学系统进行实验的结果的说明图；
图6是示出了根据本发明另一实施例的全息记录设备主要部分的结构的示意图；
图7是示出了已知全息记录设备的操作功能示意图。
具体实施方式
下文将参考附图描述本发明的具体实施例。
图1-3图示了根据本发明的全息记录设备的一个实施例。如图1所示，全息记录设备A配置为在所谓的共轴系统中的全息记录介质B上记录全息图。全息记录设备A包括：光源1，准直透镜2，空间光调制器3，记录物镜4，再现物镜5和图像拾取装置6。全息记录介质B包括：形成在正-反表面的保护层90，和形成在保护层间的记录层91。在记录层91上，通过使记录光S和参考光R相互干涉而记录全息图。在再现的时候，参考光R和记录在记录层91上的全息图干涉而产生再现光P，并且上述再现光P被设置在全息记录介质B背面侧的图像拾取装置6所接收。另外，设置在光源1与记录物镜4之间的光学元件和设置在再现物镜5与图像拾取装置6之间的光学元件(例如变焦透镜和光阑)为了方便而未示出。
光源1包括例如半导体激光装置。在记录和再现的时候，光源1输出具有较窄频带的相干激光。
准直透镜2将从光源1输出的激光转换为平行光。成为平行光的激光进入空间光调制器3。
空间光调制器3包括例如透射液晶面板。如图2所示，空间光调制器3具有包括多个像素的光调制区域30。光调制区域30被分为中心像素区域31和外周像素区域32，作为平行光而通过上述中心像素区域31进入的部分激光根据记录信息被调制为像素图案的记录光S，而通过上述外周像素区域32的剩余部分激光被作为参考光R输出。在中心像素区域31和外周像素区域32之间，光阻隔区域33被设置来阻挡激光并形成边界。外周像素区域32的像素节距T在尺寸上大于中心像素区域31的像素节距T。也就是说，外周像素区域32的像素被形成为大于中心像素区域31的像素。外周像素区域32的像素，如图中的圆圈里所示被形成为凹凸形，以满足在相邻的像素之间形成相当于半个波长的相位差。例如，假设λ是激光的波长，则相邻像素间的高低差h近似等于λ/2。在记录的时候，从上述空间光调制器3输出的记录光S和参考光R通过相同的物镜4射到全息记录介质B上。在再现时，在中心像素区域31的每个像素都进入关闭状态，以致没有光可以透过，因此，只有通过外周像素区域32的参考光S射出。另外，对于中心像素区域31的像素，虽然在图中没有具体显示，但是它们也可以被形成为凹凸形。
如图3所示，记录物镜4汇聚记录光S和参考光R到全息记录介质B的记录层91上。物镜4被设计为使照射区域尽可能的小，例如，使数值孔径较大，近似为0.7。记录光S通过物镜4的中间区域附近射到全息记录介质B上。因此，记录光S的入射角较小。另一方面，参考光R通过物镜4的外周区域附近发射。因此入射角较大。例如，参考光R的入射角最大可以达到大约45度。
再现物镜5基本上具有和记录物镜4相同的光学特性，并且在再现的时候，引导产生的再现光P到图像拾取装置6上。
图像拾取装置6包括例如CCD面传感器或CMOS面传感器。图像拾取装置6将接收到的再现光P转换为数字信号，并读取全息记录介质B中以全息图形式记录的二维图像信息。
接下来，将描述全息记录设备A的功能。
在记录的时候，从光源1发出的激光通过准直透镜2进入空间光调制器3。在空间光调制器3的中心像素区域31，每个像素根据记录信息进入开-关状态，由此，产生包含预定像素图案的记录光S。
另一方面，在空间光调制器3的外周像素区域32内，具有相当于0的相位差和相当于π的相位差的像素之间的预定像素处于开状态，因此，产生包含预定相位图案的参考光R。预定相位图案的一个例子是根据Walsh-Hadamard变换的行列式的图案。通过改变这个相位图案，可实施所谓多相位记录。
在这点上，根据外周像素区域32的像素大小(像素节距T)，参考光R被作为衍射光射向物镜4，而且根据中心像素区域31的像素大小(像素节距t)，记录光S被作为衍射光射向物镜4。至于来自每个像素的衍射光，当像素节距越大时，衍射角越小，因此光通量密度也会变大。所以，参考光R与记录光S相比，以较大的入射角射入到全息记录介质B上，上述记录光S可以与一定光强水平的参考光S相干涉。
这意味着，与记录光S的光通量宽度Ws有关的参考光R的光通量宽度Wr可以比以往更小。通过使参考光R的光通量宽度Wr如上面所述变小，记录光S和参考光R在全息记录介质B上互不重叠的无用曝光区域将变得更小。因此，上述的无用曝光区域和全面照射区域都变小，并且从而使全息图的记录密度得到提高。
图4示出了根据本实施例的全息记录设备A的等效光学系统，图5展示了使用如图4所示的光学系统的实验结果。
如图4所示的光学系统A′包括：空间光调制器3′，其每个像素具有统一的大小；小孔滤波器F，其设置在空间光调制器3′和记录物镜4之间。在空间光调制器3′和记录物镜4之间，设置透镜组L1以使小孔滤波器F位于这组透镜之间，并且在再现物镜5和图像拾取装置6之间设置透镜组L2和L3。
在该具体实施例的结构中，使空间光调制器3的外周像素区域32的像素比中心像素区域31的像素更大，与使光学系统A′中的小孔滤波器F的孔径放大率更小的情况相比，产生了光学上相同的功能效果。在这点上，根据小孔滤波器的零级衍射光和一级衍射光的距离由λf/T表示，其中假设X为小孔滤波器F的小孔半径，λ为激光的波长，f为透镜组L1的焦距(相当于空间光调制器3′和透镜组L1之间的距离)，T为空间光调制器3′中的像素节距。孔径放大率是小孔半径X与λf/T的比值，以放大率形式表示。孔径放大率是中心像素区域31的像素节距t与外周像素区域32的像素节距T的比值。
已经在这个光学系统A′中进行了改变孔径放大率的实验。假设空间光调制器3′的像素数目为40000，而再现信号可以被每个像素接收。如图5所示的实验结果显示，当孔径放大率大于或等于0.4时，从图像拾取装置6输出的再现信号的SNR处于可实际再现的范围内，并且错误的数目处于可容许的范围内。换句话说，低于0.4的孔径放大率超出了分辨率极限。基于上述方面，对于该实施例的结构，中心像素区域31的像素节距t与外周像素区域32的像素节距T的比值(t/T)必须大于或等于0.4。考虑用像素面积对其进行替换，则平均像素面积Ss和Sr必须满足关系式Ss＜Sr＜Ss/0.4/0.4(6.25Ss)，这里假设Ss是中心像素区域31的平均像素面积，而Sr是外周像素区域32的平均像素面积。因此，对于该实施例的结构，由于再现时的分辨率极限，当外周像素区域32的平均像素面积Sr比中心像素区域31的平均像素面积Ss大时，平均像素面积Sr被设置为不大于或等于平均像素面积Ss的6.25倍。
因此，根据该实施例的全息记录设备A，当适于共轴系统的物镜4使参考光R的入射角变得较大时，参考光R的光强可以保持在预定的水平，由此，记录光S和参考光R能够相互产生最佳的干涉，因此全息图能够以高分辨率记录。
另外，当参考光R的光强为预定水平时，无用的曝光区域能比以前更小，由此，用于记录全息图的照射区域能够尽可能的变小，因此全息图的记录密度能够提高。
图6展示了根据本发明另一实施例的全息记录设备。另外，与上面实施例相同或类似的元件使用同样的附图标记。在附图中没有示出的元件与上面实施例中的那些相同；因此通过采用相同附图标记而略去了对它们的说明。
对于图6中所示的空间光调制器3，外周像素区域被分为内侧的第一环形区域32A和外侧的第二环形区域32B。第一环形区域32A和第二环形区域32B的像素节距T1和T2都大于中心像素区域31的像素节距t。第二环形区域32B的像素节距T2被形成为大于第一环形区域的像素节距T1。此外，在分辨率极限方面，与前述实施例结构一样，外周像素区域32B的最大平均像素面积Sr被设置为不大于或等于中心像素区域31的平均像素面积Ss的6.25倍。
根据具有这样结构的全息记录设备，具有较大入射角的外侧第二环形区域32B被形成为像素节距T2较大，由此，在来自第二环形区域32B的参考光R的光强度可以保持在预定水平的同时，其光通量宽度能够更小。从而无用的曝光区域能够更小。
此外，由于来自第一环形区域32A的参考光R和来自第二环形区域32B的参考光R的入射角略有不同，所以通过分别交替控制所述第一和第二环形区域32A和32B来执行所谓多角度记录，从而全息图的多重性(multiplicity)可以更大，记录密度可以提高。
然而，本发明不限于上面描述的实施例。
例如，第一环形区域和第二环形区域在像素节距方面可以近似相等，它们之间可以具有光阻隔区域。另外，第一环形区域与第二环形区域之间、或中心像素区域与外周像素区域之间也可以不设置光阻隔区域。

Claims (8)

1.一种用于记录全息图的全息记录设备，包括：
光源，用于发射光；
物镜；以及
包括光调制区域的空间光调制器，所述光调制区域包括：
中心像素区域，其形成在所述空间光调制器上，并包括多个第一像素；以及
外周像素区域，其形成在围绕所述中心像素区域的部分上，并包括多个第二像素，所述多个第二像素包括比每个所述第一像素更大的像素；
其中，通过所述中心像素区域的所述光的第一部分以及通过所述外周像素区域的所述光的第二部分入射在所述物镜上，
其中，所述全息图用所述光的第一部分和第二部分进行记录。
2.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，每个所述像素由电的方式控制成为光学透明状态或不透明状态。
3.一种用于记录全息图的全息记录设备，包括：
光源；
物镜；以及
包括光调制区域的空间光调制器，所述光调制区域包括多个像素，所述光调制区域包括中心像素区域和外周像素区域，所述中心像素区域能够将来自所述光源的部分光通过作为记录光导向所述物镜，所述外周像素区域能够将所述光的剩余部分作为参考光导向所述物镜，所述外周像素区域中包括的所述多个像素包括比所述中心像素区域中包括的所述多个像素中的每个像素更大的像素，
其中，来自所述光源的光通过所述空间光调制器被分为记录光和参考光，所述记录光和所述参考光通过所述物镜发射到全息记录介质上用于记录全息图。
4.如权利要求3所述的全息记录设备，其中，所述外周像素区域进一步分为多个区域，并且外侧的区域包括比内侧的区域中的像素更大的像素。
5.如权利要求4所述的全息记录设备，其中，所述外周像素区域里包括的所述多个像素的平均面积大于所述中心像素区域里包括的所述多个像素的平均面积。
6.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，所述中心像素区域和所述外周像素区域之间设置有光阻隔区域。
7.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，所述外周像素区域呈凹凸形状，使得相邻的所述像素之间产生预定相位差。
8.如权利要求1所述的全息记录设备，其中，平均像素面积Ss和Sr满足Ss＜Sr＜6.25Ss的关系，其中Ss是所述中心像素区域的平均像素面积，Sr是所述外周像素区域的平均像素面积。
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