CN101443711B - 全息记录装置以及全息记录方法 - Google Patents

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Abstract

全息记录装置(A)对于全息记录介质(B)，经由空间光调制器(2)以向预定方向倾斜的状态构成预定入射角地照射记录光(S)，同时以向与记录光(S)相反的方向倾斜的状态与记录光构成预定的交叉角地照射参考光(R)，并利用记录光(S)与参考光(R)之间的干涉在全息记录介质(B)上记录全息图，其中包括光束调制装置(1)，光束调制装置(1)将强度分布呈高斯分布形状的高斯光束转换成强度分布趋于均匀的平行光，并使所述平行光作为记录光(S)向空间光调制器(2)前进，并且高斯光束的中心轴(Gs)偏离光束调制装置(1)的光轴(1A)，该偏离方向包含与记录光(S)相对于全息记录介质(B)所倾斜的方向相同的方向或者其反方向上的分量。

Description

全息记录装置以及全息记录方法
技术领域
本发明涉及通过记录光与参考光之间的干涉来记录全息图的全息记录装置以及全息记录方法。 
背景技术
专利文献1公开了一种以往的全息记录方法。在该文献所公开的方法中，对于全息记录介质，以向预定的方向倾斜的状态使入射角达到35deg地照射参考光(基准光束)，同时以向与所述参考光相反的方向倾斜的状态与参考光构成大致90deg的交叉角地照射记录光(物光)。参考光的强度例如已经过ND(Neutral Density，中性密度)滤光器调制过。即，在以往的全息记录方法中，由于对于全息记录介质以倾斜的状态照射记录光，因此通过切趾法(apodization)对作为参考光的高斯光束的傅立叶面中的强度分布进行了均化，由此提高了信噪(SN)比。 
专利文献1：日本专利文献特开2003-43904号公报。 
然而，在通过切趾法均化强度分布的方法中，由于降低一部分光的透过率，光量损失大，因此与不使用切趾法的场合相比，存在光的利用效率差的问题。 
发明内容
本发明就是基于上述问题完成的。本发明的目的在于，提供一种能够在不降低光的利用效率的情况下记录全息图的全息记录装置以及全息记录方法。 
为了解决上述问题，本发明想出了以下技术方案。 
本发明第一个方面提供一种全息记录装置，所述装置对于全息记录介质，经由空间光调制器以向预定的方向倾斜的状态构成预定的入射角地照 射记录光，同时以向与所述记录光相反的方向倾斜的状态与所述记录光构成预定的交叉角地照射参考光，并利用这些记录光与参考光之间的干涉在所述全息记录介质上记录全息图，所述全息记录装置的特征在于，包括光束调制装置，所述光束调制装置将强度分布呈高斯分布形状的高斯光束转换成强度分布趋于均匀的平行光，并使所述平行光作为所述记录光向所述空间光调制器前进，并且，所述高斯光束的中心轴偏离所述光束调制装置的光轴，该偏离方向包含与所述记录光相对于所述全息记录介质所倾斜的方向相同的方向或者其反方向上的分量。 
优选根据所述记录光对于所述全息记录介质的照度余弦法则来设定所述高斯光束的偏心量。 
优选将所述记录光相对于所述全息记录介质的偏振方向作为附加因素来设定所述高斯光束的偏心量。 
优选将所述记录光和参考光在所述全息记录介质中的衍射效率作为附加因素来设定所述高斯光束的偏心量。 
本发明第二方面提供一种全息记录方法，所述方法对于全息记录介质，经由光束调制装置以及空间光调制器以向预定的方向倾斜的状态构成预定的入射角地照射记录光，同时以向与所述记录光相反的方向倾斜的状态与所述记录光构成预定的交叉角地照射参考光，并利用这些记录光与参考光之间的干涉在所述全息记录介质上记录全息图，所述全息记录方法的特征在于，将强度分布呈高斯分布形状的高斯光束转换成强度分布趋于均匀的平行光，并使所述平行光作为所述记录光向所述空间光调制器前进，与此同时，使所述高斯光束的中心轴相对于所述光束调制装置的光轴而朝着下述偏离方向偏离，所述偏离方向包含与所述记录光相对于所述全息记录介质所倾斜的方向相同的方向或者其反方向上的分量。 
附图说明
图1是应用了本发明的全息记录装置的一个实施方式的立体图； 
图2是用于示意地说明图1所示全息记录装置的几何光学特性的说明图；
图3是用于说明图1所示的全息记录装置的光学作用的说明图； 
图4是用于说明图1所示的全息记录装置的光学作用的说明图； 
图5是用于说明图1所示的全息记录装置的光学作用的说明图； 
图6是作为光学系统的仿真结果的光量分布图案的示意图； 
图7是作为光学系统的仿真结果的偏心量与光量间关系的示意图； 
图8是作为光学系统的仿真结果的光量分布图案的示意图。 
具体实施方式
下面，参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。 
如图1所示，本实施方式的全息记录装置A对于圆盘形的全息记录介质B，以向预定的方向倾斜的状态照射记录光S，并且以与该记录光S相反的方向倾斜的状态照射参考光R，并通过这些记录光S与参考光R的干涉来在全息记录介质B上记录全息图。所述全息记录装置A对参考光R的入射角进行可变控制，从而通过角度复用方式来对全息图进行复用记录。 
全息记录装置A包括记录光用的光学系统和参考光用的光学系统，记录光用的光学系统用于以一定的入射角θ(参见图2)向全息记录介质B的记录部位照射记录光S，参考光用的光学系统用于在对入射角进行可变控制的情况下向上述记录部位倾斜照射参考光R。除图示之外，还设有用于发射激光束的光源、用于将激光束分离为记录光S和参考光R的分束器、以及用于将激光束转换为平行光的准直透镜等。记录光用的光学系统由均束器(光束调制装置)1、空间光调制器2、变焦透镜3、分束器4、以及记录光用的物镜5构成。参考光用的光学系统由记录用的反射镜10和重放用的反射镜11、U字型的臂部件20、以及驱动马达30构成。记录用的反射镜10和重放用的反射镜11被固定在臂部件20的顶端，该臂部件20通过驱动马达30绕沿着全息记录介质B的径向的旋转轴摇摆。这些记录光用的光学系统以及参考光用的光学系统被安装在可在全息记录介质B的径向往复移动的移动头(省略图示)上。 
如图2所示，全息记录介质B例如具有如下结构，即：具有作为中间 层的光敏聚合物记录层90，并在该记录层90的两侧层叠了透光性的覆盖层91、92。在本实施方式中，例如记录层90的厚度为1mm左右，覆盖层91、92为0.5mm左右。当进行记录时，从全息记录介质B的上方照射记录光S和参考光R。当进行重放时，从全息记录介质B的下方只照射参考光R。 
从图外的光源射出的激光束是强度分布呈高斯分布形状的高斯光束，该高斯光束通过没有图示的准直透镜被转换成平行光，然后经分束器被分离为记录光S和参考光R。记录光S作为高斯光束射入均束器1，另外参考光R被引向记录用的反射镜10或重放用的反射镜11。也可以使得从光源射出的激光束(高斯光束)在经过准直透镜、均束器1等之后，通过分束器被分离为记录光和参考光。 
均束器1由非球面透镜构成，将入射的高斯光束转换为强度分布趋于均匀的平行光，并将该平行光作为记录光S引向空间光调制器2。入射的高斯光束的中心轴Gs相对于均束器1的光轴1A向与记录光S相对全息记录介质B倾斜的方向相反的方向偏离了预定的偏心量m。通过该均束器1能将高斯光束转换成具有均匀的强度分布的光，而几乎不会导致光量损失。虽然本实施方式中的均束器1是将入射的光不围绕光轴进行翻转而是直接射出的非翻转型均束器，但也可以采用将入射的光围绕光轴进行翻转的翻转型均束器。 
空间光调制器2例如由透过型液晶器件构成，其根据要记录的信息来将入射的记录光S调制成二维像素图案的光。从空间光调制器2射出的记录光S经变焦透镜3被引向分束器4，并最终经过记录光用的物镜5以预定的入射角θ照射在全息记录介质B上。此时，变焦透镜3使记录光S绕光轴翻转180度。因此，如上所述，高斯光束相对于均束器1的光轴1A的偏离方向与记录光S相对于全息记录介质B倾斜的方向相反。当构成了使记录光不发生翻转地被引到全息记录介质上的光学系统时，高斯光束相对于均束器光轴的偏离方向与记录光相对于全息记录介质倾斜的方向相同。作为适合这种情形的光学系统，例如可以考虑组合了翻转型均束器和变焦透镜的光学系统。
记录用的反射镜10以及重放用的反射镜11例如由电流镜构成。记录用的反射镜10被固定在可在全息记录介质B的上方摇摆的臂部件20的顶端部。所述记录用的反射镜10将记录时从上方进来的参考光R朝着全息记录介质B的记录部位向斜下方反射。重放用的反射镜11被固定在可在全息记录介质B的下方摇摆的臂部件20的顶端部。所述重放用的反射镜11将重放时从侧方进来的参考光R朝着全息记录介质B的记录部位向斜上方反射(省略图示)。通过由电流镜构成的记录用的反射镜10以及重放用的反射镜11，能够对记录部位上的参考光R的入射角进行微调。 
如图2所示，例如在进行记录时，参考光R的入射角随着臂部件20的摇摆而以轴Rc为中心发生变化。设定所述轴Rc，使其与记录光S的中心轴Sc构成的角度(交叉角)大致为90deg。物镜5汇聚记录光S，并将其与参考光R重叠地照射到记录部位上。物镜5相对于全息记录介质B倾斜配置，以使得记录光S以向预定的方向倾斜的状态照射。因此，对于参考光R来说，能够在大范围内摆动入射角，而不受物镜5的遮挡。由此，可对参考光R的入射角进行更加细致的多变量控制，容易提高全息图的复用度。虽然图中没有特别示出，但记录光S和参考光R的偏振方向均与纸面垂直。全息记录介质B的记录层90通过记录光S和参考光R的干涉而被记录全息图，并随着参考光R的入射角的变化而被复用记录不同的干涉图案的全息图。 
接着，对全息记录装置A的光学作用进行说明。 
首先，当假定高斯光束的偏心量m为0时，也就是当使高斯光束的中心轴Gs与均束器1的光轴1A一致时，记录部位上的全息图的对比度(contrast)会产生偏差。这与以下说明的三个因素有关。 
即，作为第一因素，由于向记录层90倾斜地入射记录光S，因此记录光S的A光束和B光束的照射面积有很大不同，适用所谓的照度余弦法则。如图2所示，A光束的入射角在记录光S倾斜的方向上比中心轴Sc大+α，B光束的入射角比处于记录光S倾斜的方向上的光束的中心轴Sc小—α。因此，A光束的照射面积大于B光束的照射面积。如在图2的右上方示意性地示出的那样，在与连接A光束和B光束的方向(AB方向)正 交的方向(CD方向)上，存在记录光S的C光束和D光束。根据照度余弦法则，这些C光束和D光束的照射面积也稍大于B光束的照射面积。如果照射面积变大，光强就会变小。 
例如，当将记录光S的中心轴Sc的入射角θ设为35deg、将α设为23.3deg时，关于A～D光束，可求出图3所示的几何光学特性。 
图3所示的AB方向入射角是从全息记录介质B的法线H向AB方向形成的入射角，CD方向入射角是从全息记录介质B的法线H向CD方向形成的入射角。表面入射角θs是对全息记录介质B表面的实际入射角，层内入射角θi是记录层90内部的实际入射角。当将全息记录介质B的外部介质(通常为空气)的折射率设为n0(在空气的情况下，n0＝1)、将记录层90和覆盖层91、92的折射率设为n1(在本实施方式中，n1＝1.486)时，根据斯涅尔法则(Snell′s law：n0sin θ s＝n1sin θi)求出层内入射角θi。 
图3所示的照射面积比例是以B光束的照射面积为1的情况下的比例。当将A光束～D光束向全息记录介质B入射之前的横截面积都设为1时，向全息记录介质B表面照射的A～D光束的实际照射面积以表面入射角θs表示为1/cos θ s。由此，在求出A～D光束的实际照射面积之后，如果将B光束的照射面积设为1来计算其他光束的照射面积比例，则可求出图3所示的比率值。因此，优选使考虑第一因素时的记录光S的强度分布对应于A～D光束的照射面积比例，即A:B:C:D＝1.864:1:1.302：1.302，由此可得到均匀的强度分布。基于照度余弦法则的第一因素是获得均匀的强度分布的主要因素，如果基本上基于该照度余弦法则来确定强度分布的话，记录光S的强度分布就会大致达到均匀。接下来的第二和第三因素只不过是为均化记录光S的强度分布而追加的因素。 
第二因素是记录光S以及参考光R的偏振方向相对偏离。当参考图2进行说明时，A光束的偏振方向和B光束的偏振方向垂直于纸面，参考光R的偏振方向也垂直于纸面，因此它们的偏振方向不存在偏差，干涉作用不会变弱。另一方面，C光束和D光束的偏振方向由于CD方向入射角而呈现向CD方向倾斜的状态。因此，C光束和D光束的偏振方向与参考光 R的偏振方向之间存在偏差。 
具体地说，当考虑记录层90内部的偏振方向时，可用图4所示的向量表示偏振方向。在图4中，x方向、y方向、z方向分别表示AB方向、CD方向、以及垂直于全息记录介质B的方向。假定参考光R是沿着轴Rc前进的光，参考光R的偏振方向Rp与该轴Rc垂直。另一方面，例如C光束沿着从轴Rc偏离了ф角度的倾斜轴L前进。因此，C光束的偏振方向Sp相对于参考光R的偏振方向Rp偏离ф角度。 
例如，在ф＝15.29deg的情况下，在与参考光R的干涉中起作用的C光束的电场振幅为cosф＝0.9646倍。D光束的电场振幅也一样。即，当着眼于偏振方向时，对于C光束和D光束的电场振幅来说，需要放大为cosф的倒数的比例(1.0367)，对于C光束和D光束的强度分布来说，需要通过放大为电场振幅的平方的比例(1.0747)来达到均匀化。因此，当将A光束和B光束的强度分布设为1时，优选将考虑第二因素时的记录光S的强度分布设定为A:B:C:D＝1:1:1.0747:1.0747，由此可得到均匀的强度分布。 
作为第三因素，必须考虑记录光S和参考光R的衍射效率。当将参考光R的表面入射角设为θr、记录光S的表面入射角设为θs、将记录层90的厚度设为d、将记录光S和参考光R的波长设为λ、以及将1页的折射率调制设为Δn时，由下式提供衍射效率η。 
[公式1] 
η = sin 2 ( π · d · Δn λ cos θr · cos θs )
当将C光束和D光束的衍射效率大致设为1时，A光束和B光束的衍射效率的比率取如图5所示的值。即，与C光束和D光束的衍射效率相比，A光束的衍射效率为1.125倍，B光束的衍射效率为0.931倍。由于折射率调制Δn是用记录光S和参考光R的电场振幅的乘积表示的指标，因此如果只考虑记录光S，则A光束和B光束的电场振幅需要放大为对于上面所求出的衍射效率的比例的倒数取平方根而得的比例(A光束：0.94，B光束：1.0364)。因此，对于考虑第三因素时的记录光S的强度分布来 说，优选在将B光束的强度设为1的情况下取电场振幅的比例的平方，即设定为A:B:C:D＝0.828:1:0.9308:0.9308，由此可得到均匀的强度分布。 
作为结论，综合考虑上述第一至第三因素，将A～D光束的所有比率分别乘到一起，由此在理想的情况下，记录光S的强度分布在设定为A：B:C:D＝1.54:1:1.3:1.3的比例时达到最优。 
基于上述的观点，就改变高斯光束的偏心量m时记录光S的强度分布的变化情况进行了仿真。图6的(a)至(c)示出了所述的仿真结果。如图6的(b)所示，在将高斯光束的偏心量m设为0.12mm的情况下，得到了与记录光S的理想的强度分布比例最接近的值。由此，在全息记录装置A中，将高斯光束的偏心量m设定为0.12mm左右。 
作为参考，图7示出了在改变高斯光束的偏心量m的情况下求出包含A光束的左半部分的光束光量相对于全部光束光量的比例的仿真结果。图8示出了通过均束器1只将高斯光束的垂直方向上的半值宽度缩小15％左右并将高斯光束的偏心量m设为0.12mm时的仿真结果。如图7和图8所示，通过调整高斯光束的光束大小，也能够获得与记录光S的理想的强度分布比例大致接近的强度分布。 
因此，根据本实施方式的全息记录装置A，由于只要相对于均束器1将入射的高斯光束向适当的方向偏离合适的偏心量m即可，因此能够在几乎不会降低光的利用效率的情况下以均匀的强度分布向全息记录介质A照射记录光S，由此能够将全息图记录为同样的干涉图案。 
但是本发明不局限于上述的实施方式。 
上述实施方式中的记录光S的入射角θ(35deg)或高斯光束的偏心量m(0.12mm)等都只不过是作为一个例示的值，这些值可根据规格而适当改变。 
虽然最好是使高斯光束的偏离方向尽量与记录光相对于全息记录介质倾斜的方向或者与其反方向一致，但高斯光束的偏离方向也可以相对于这些所期望的方向偏离一定程度。 

Claims (5)

1.一种全息记录装置，其对于全息记录介质，经由空间光调制器以向预定的方向倾斜的状态构成预定的入射角地照射记录光，同时以向与所述记录光相反的方向倾斜的状态与所述记录光构成预定的交叉角地照射参考光，并利用这些记录光与参考光之间的干涉在所述全息记录介质上记录全息图，所述全息记录装置的特征在于，
包括光束调制装置，所述光束调制装置将强度分布呈高斯分布形状的高斯光束转换成强度分布趋于均匀的平行光，并使所述平行光作为所述记录光向所述空间光调制器前进，并且
所述高斯光束的中心轴偏离所述光束调制装置的光轴，该偏离方向为与所述记录光相对于所述全息记录介质所倾斜的方向相同的方向或者其反方向。
2.如权利要求1所述的全息记录装置，其中，
根据所述记录光对于所述全息记录介质的照度余弦法则来设定所述高斯光束的偏心量。
3.如权利要求2所述的全息记录装置，其中，
将所述记录光的偏振方向和所述参考光的偏振方向的相对偏离作为附加因素来设定所述高斯光束的偏心量。
4.如权利要求2所述的全息记录装置，其中，
将所述记录光和参考光在所述全息记录介质中的衍射效率作为附加因素来设定所述高斯光束的偏心量。
5.一种全息记录方法，对于全息记录介质，经由光束调制装置以及空间光调制器以向预定的方向倾斜的状态构成预定的入射角地照射记录光，同时以向与所述记录光相反的方向倾斜的状态与所述记录光构成预定的交叉角地照射参考光，并利用这些记录光与参考光之间的干涉在所述全息记录介质上记录全息图，所述全息记录方法的特征在于，
将强度分布呈高斯分布形状的高斯光束转换成强度分布趋于均匀的平行光，并使所述平行光作为所述记录光向所述空间光调制器前进，与此同时，使所述高斯光束的中心轴相对于所述光束调制装置的光轴而朝着下述偏离方向偏离，所述偏离方向为与所述记录光相对于所述全息记录介质所倾斜的方向相同的方向或者其反方向。
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