CN101520636B - 光学记录装置、以及光学记录和再现装置 - Google Patents

光学记录装置、以及光学记录和再现装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供光学记录装置、以及光学记录和再现装置。光学记录装置包括光源、空间光调制器、校正光学系统和光引导部。空间光调制器包括多个像素、显示信号光图案的信号光区域、和显示参考光图案的参考光区域。空间光调制器根据显示图案针对各个像素对入射光进行调制和输出。校正光学系统包括一对轴锥透镜，这一对轴锥透镜对从光源发射的光进行校正从而使其在空间光调制器的被照射面上的光强度分布平坦。光引导部将经校正的光引导到空间光调制器。将信号光和参考光同时照射到光学记录介质上，在该光学记录介质中记录全息图。

Description

光学记录装置、以及光学记录和再现装置
技术领域
本发明涉及光学记录装置、以及光学记录和再现装置。
背景技术
近来，作为全息存储器记录和再现方法，已经提出了同轴记录方法(共线方法)，其优势在于，和常规的二光束干涉方法相比，其光学系统可以明显简化，它能够抵抗诸如振动的外部干扰，并且容易引入伺服机构。在该共线方法中，同一透镜按相同光轴对由空间光调制器调制并产生的信号光和参考光进行集光，并且将由信号光和参考光之间的干涉形成的干涉条纹(衍射光栅)作为全息图记录在光学记录介质上。将其中对数字数据进行了二维编码的信号光图案显示在空间光调制器上，由此将数字数据叠加在信号光上。
用作为读取光的参考光照射记录有全息图的光学记录介质，由此从记录的全息图再现信号光。从这个再现的信号光，可以解码出叠加的数字数据。然而，在常规共线方法中，因为信号光和参考光在相同的光轴上，所以当在再现过程中用作为读取光的参考光照射光学记录介质时，光泄漏到空间光调制器的对应于信号光的区域。例如，当被设置为透射型空间光调制器的液晶元件的精度较低时，透过处于信号光图案的显示位置的OFF像素的光成为泄漏光。因此，当以这种方式用光照射空间光调制器的所有像素时，光电检测器检测到该泄漏光，产生对于再现信号光的噪声，再现特性恶化。
在日本特开(JP-A)2006-301465号公报中描述的金息图记录和再现装置中，在空间光调制器的光出射侧设置有如下的光控制元件：该光控制元件在记录过程中透射入射光，而在再现过程中遮蔽入射光的对应于信号光的区域的光。在再现过程中，用光照射空间光调制器的所有像素，但是因为该光控制元件，消除了对应于信号光的区域中存在的泄漏光，从而改善了再现特性。作为光控制装置，使用部分偏光滤光器等。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种光学记录装置包括光源、空间光调制器、校正光学系统以及光引导部。所述光源发射相干光。所述空间光调制器由二维排列的多个像素形成，包括如下的信号光区域和参考光区域：所述信号光区域在产生信号光时显示信号光图案，所述参考光区域被布置为环绕所述信号光区域并且在产生与信号光同轴的参考光时显示参考光图案，并且所述空间光调制器根据显示图案针对各个像素调制并输出入射光。所述校正光学系统被布置在所述光源和所述空间光调制器之间，并且包括一对轴锥透镜(axicon lens)，这一对轴锥透镜对从所述光源发射的光进行校正以使其在所述空间光调制器的被照射面上的光强度分布平坦。所述光引导部将由所述校正光学系统进行了校正的光引导到所述空间光调制器。所述空间光调制器产生的信号光和参考光同时照射到光学记录介质，将全息图记录到该光学记录介质中。
根据本发明的第二方面，所述光学记录装置还包括掩模，所述掩模布置在所述光源和所述校正光学系统之间，并且包括遮蔽光轴附近的光的遮蔽部。
根据本发明的第三方面，形成所述校正光学系统的所述一对轴锥透镜被布置为使其圆锥面彼此面对，并且被布置为彼此隔开在以下表达式中定义的距离L：
Figure GSB00000340007200021
其中，距离L是轴锥透镜之间的光程长度的光轴分量距离，
Figure GSB00000340007200022
代表轴锥透镜的顶角的角度，D代表入射光的光束直径，θ代表由轴锥透镜产生的折射角，n代表轴锥透镜的折射率，空气中的折射率是1。
根据本发明的第四方面，一种光学记录和再现装置包括光源、空间光调制器、光阑(diaphragm)机构、校正光学系统和光引导部。所述光源发射相干光。所述空间光调制器由二维排列的多个像素形成，包括如下的信号光区域和参考光区域：所述信号光区域在产生信号光时显示信号光图案，所述参考光区域被布置为环绕所述信号光区域并且在产生与信号光同轴的参考光时显示参考光图案，并且所述空间光调制器根据显示图案针对各个像素调制并输出入射光。所述光阑机构布置在所述光源和所述空间光调制器之间，并且包括一开口部，所述开口部的直径在再现过程中收缩以限制穿过该开口部的光的光束直径。所述校正光学系统被布置在所述光阑机构和所述空间光调制器之间，包括被布置为使其圆锥面彼此面对的一对轴锥透镜，并且，所述校正光学系统在记录过程中对穿过所述光阑机构中的所述开口部的光进行校正以使其在所述空间光调制器的被照射面上的光强度分布平坦，并在再现过程中对穿过所述光阑机构中的所述开口部的光进行校正以使其照射所述空间光调制器的除所述信号光区域之外的区域。所述光引导部将由所述校正光学系统进行了校正的光引导到所述空间光调制器。在记录过程中，所述空间光调制器产生的信号光和参考光照射到光学记录介质，将全息图记录到该光学记录介质中，并且，在再现过程中，将所述空间光调制器产生的参考光照射到其上记录了全息图的所述光学记录介质上，再现信号光。
根据本发明的第五方面，所述光学记录和再现装置还包括掩模，所述掩模被布置在所述光源和所述校正光学系统之间，并且包括遮蔽光轴附近的光的遮蔽部。
根据本发明的第六方面，形成所述校正光学系统的所述一对轴锥透镜被布置为使其圆锥面彼此面对，并且被布置为彼此隔开在以下表达式中定义的距离L：
Figure GSB00000340007200031
其中，距离L是轴锥透镜之间的光程长度的光轴分量距离，
Figure GSB00000340007200032
代表轴锥透镜的顶角的角度，D代表入射光的光束直径，θ代表由轴锥透镜产生的折射角，n代表轴锥透镜的折射率，空气中的折射率是1。
根据本发明的第七方面，在再现过程中，所述校正光学系统将穿过所述光阑机构中的所述开口部的光校正为与所述空间光调制器的所述参考光区域的形状相对应的环形光，并且所述光引导部在调整由所述校正光学系统产生的所述环形光的光路的同时将该光引导到所述空间光调制器的所述参考光区域。
根据本发明的第一方面，当通过共线方法记录全息图时，所述光学记录装置可以使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦，均匀地照射所述空间光调制器上显示的图案，改善所产生的信号光的SNR并且以高的SNR记录全息图。
根据本发明的第二方面，所述光学记录装置可以进一步使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦。
根据本发明的第三方面，与对光量分布进行校正的常规校正光学系统相比，所述光学记录装置可以使用较少数量的光学部件来使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦。
根据本发明的第四方面，当通过共线方法记录全息图时，所述光学记录和再现装置可以使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦，均匀地照射所述空间光调制器上显示的图案，改善所产生的信号光的SNR并且以高的SNR记录全息图。而且，存在这样的效果：在再现过程中，与用光照射所述空间光调制器的所有像素的情况相比，所述光学记录和再现装置可以显著减小从用来照射全息图的读取光向对应于信号光的区域泄漏的泄漏光，并且显著改善再现特性。
根据本发明的第五方面，所述光学记录和再现装置可以进一步使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦。
根据本发明的第六方面，与对光量分布进行校正的常规校正光学系统相比，所述光学记录和再现装置可以使用较少数量的光学部件来使得用来照射所述空间光调制器的所有像素的光的光强度分布平坦。
根据本发明的第七方面，在再现过程中，与用光照射所述空间光调制器的所有像素的情况相比，再现过程中的光利用率得到改善。
附图说明
基于附图详细地描述本发明的示例性实施方式，在附图中：
图1是示出根据本发明示例性实施方式的光学记录和再现装置的结构的示意图；
图2A是示出在记录过程中在空间光调制器上显示的记录图案的示例的图；
图2B是示出空间光调制器的显示面上设置的显示区域的示例的平面图；
图3A是示出轴锥光学系统的结构的示例的示意图；
图3B和图3C是示出光阑机构的示例的示意图；
图4A是示出记录过程中的轴锥光学系统的光束校正操作的图；
图4B是示出再现过程中的轴锥光学系统的光束校正操作的图；
图5A是用于描述如下的光学条件的图：其中直径为D的圆形入射平行光被发射为直径为D的圆形平行光；
图5B是示出模拟由一对轴锥透镜使光强度分布平坦的结果的图；
图6A至6D是示出当模拟了由轴锥透镜对使光强度分布平坦的效果时的结果的图；
图7是示出构成轴锥透镜对的各个透镜的设置的图；
图8A是示出在记录过程中被激光照射的空间光调制器的显示面的透视图；
图8B是示出在再现过程中被激光照射的空间光调制器的显示面的透视图；
图9A和9B是示出引入轴锥光学系统的效果的图；
图10A是图9A中示出的数据页的ON像素(白像素)的直方图；
图10B是图9B中示出的数据页的ON像素的直方图；以及
图11是示出引入了轴锥光学系统的同轴反射型光学记录和再现装置的结构的示意图。
具体实施方式
下面，参考附图详细地描述本发明的示例性实施方式的示例。
光学记录和再现装置的总体结构
图1是示出根据本发明示例性实施方式的光学记录和再现装置的结构的示意图。该光学记录和再现装置是“同轴记录方法(共线方法)”的光学记录和再现装置，其用共享光轴的信号光和参考光作为来自相同方向的一个光束的记录光照射光学记录介质。在本示例性实施方式中，将描述使用反射型空间光调制器(SLM)和透射型光学记录介质的“同轴透射型”光学记录和再现装置。
在光学记录和再现装置中，布置有发射作为相干光的激光的光源10。作为光源10，例如，使用发射绿色激光(其发射波长为532nm)的激光光源。在光源10的光出射侧，沿着从光源10侧开始的光路，依次布置有能够插入光路和从光路退回(开启和关闭光路)的光阀(shutter)12、在正交的线性偏光分量之间施加1/2波长的相差的1/2波长板14、允许预定偏光方向的光穿过的偏光板16、作为扩展/准直光学系统的扩束器18、用作校正光学系统的轴锥光学系统20以及反射镜22。通过与诸如计算机的控制装置(未示出)相连接的驱动装置(未示出)来驱动(未示出)以使其开启和关闭。
在反射镜22的光反射侧，布置有偏光分束器24，偏光分束器24反射预定偏光方向的光并且透射与之正交的偏光方向的光。当从反射镜22侧看时，在偏光分束器24的光反射侧，布置有每个像素地对入射光进行偏光和调制的反射型空间光调制器26。作为反射型空间光调制器26，可以使用硅基液晶(LCOS)等。空间光调制器26经由图案发生器(未示出)连接到控制装置(未示出)。空间光调制器26的每一个像素部由该控制装置驱动和控制。
图案发生器对从控制装置供应的数字数据应用二维编码，以产生在空间光调制器26上显示的信号光图案。信号光图案例如是其中二进制数字数据“0，1”被表示为“暗(黑色像素)、亮(白色像素)”的数字图案。在空间光调制器26上，除了信号光图案之外，还显示参考光图案。参考光图案例如是随机图案。空间光调制器26根据显示的信号光图案和参考光图案对入射的激光进行调制以产生信号光和参考光。空间光调制器26将所产生的信号光和参考光朝向偏光分束器24反射。
图2A是示出在记录过程中在空间光调制器26上显示的记录图案的示例的图。如图2A所示，记录图案64包括产生信号光的信号光图案66和产生参考光的环形参考光图案68。信号光图案66显示在空间光调制器26的中央部分。参考光图案68显示在空间光调制器26的外周部分从而环绕该信号光图案66。显示信号光图案的区域是信号光区域，显示参考光图案的区域是参考光区域。可以根据记录图案而适当地改变信号光区域的形状和参考光区域的形状。
图2B是示出空间光调制器26的显示面26A上设置的显示区域的示例的平面图。根据显示面26A的尺寸等预先设置记录图案的尺寸和图案设置。例如，在本示例性实施方式中，如图2B所示，在空间光调制器26的显示面26A上，分别布置有圆形信号光区域26S和环绕信号光区域26S的环形参考光区域26R。
轴锥光学系统20是校正光学系统，其至少在记录过程中对来自扩束器18的入射平行光进行校正以使其在空间光调制器26的显示面26A上的光强度分布平坦，并且产生用来照射空间光调制器26的平行光。而且，在再现过程中，轴锥光学系统20对来自扩束器18的入射平行光进行校正以使得空间光调制器26的信号光区域26S不被激光照射，并且产生用来照射空间光调制器26的平行光。
在本示例性实施方式中，在记录过程中，轴锥光学系统20产生其正交于光路的横截面形状为圆形的平行光(下面，称为“圆形平行光”)，以用激光照射包括信号光区域26S和参考光区域26R的圆形记录区域。而且，在再现过程中，轴锥光学系统20产生其正交于光路的横截面形状是环形的平行光(下面，称为“环形平行光”)，以用激光照射环形的参考光区域26R。应当注意，将在稍后详细描述轴锥光学系统20。
在偏光分束器24上，入射了由空间光调制器26产生的信号光和参考光。当从该空间光调制器26看时，在偏光分束器24的光透射侧上，沿着光路依次布置有一对透镜28和32、以及傅立叶变换透镜34。傅立叶变换透镜34对记录光进行傅立叶变换，并用经傅立叶变换的记录光照射光学记录介质36。傅立叶变换透镜34的焦点位置成为对记录光进行集光的集光位置。在透镜28和透镜32之间，在束腰附近，布置有包括开口部(孔径)30A的光遮蔽板30。应当注意，光遮蔽板30并不是必要的，可以适当地省略。
在傅立叶变换透镜34的光出射侧，布置有保持光学记录介质36的保持台(未示出)。保持台由与控制装置(未示出)相连接的驱动装置(未示出)驱动，并沿光轴方向或垂直于光轴的平面方向移动。保持台例如将光学记录介质36保持在其中光学记录介质36的膜厚度方向中心位置为傅立叶变换透镜34的焦点位置的标准位置。
光学记录介质36是能够通过由于被光照射而引起的折射率变化来在其上记录全息图的光学记录介质。光学记录介质36的示例可以包括使用诸如光敏聚合物材料、光折射材料(photorefractive material)或卤化银感光材料的记录材料的光学记录介质。
在光学记录介质36的光透射侧，布置有傅立叶变换透镜38、一对透镜42和44、以及传感器阵列46。传感器阵列46由诸如CCD或CMOS阵列的成像元件构成，将接收的再现光(衍射光)转换成电信号且输出电学信号。在透镜38和42之间，布置有光遮蔽板40，光遮蔽板40包括具有大开口直径的开口部(孔径)40A。应当注意，光遮蔽板40并不是必要的，可以适当地省略。而且，传感器阵列46与控制装置(未示出)相连接。在再现过程中，传感器阵列46读取叠加在再现的信号光上的数据，并将数据输出到控制装置(未示出)。
轴锥光学系统的结构
接着，将描述轴锥光学系统20的结构。图3A是示出轴锥光学系统20的结构的示例的示意图。轴锥光学系统20被构成为包括：掩模50，其包括光透射板并包括遮蔽光轴L附近的光的遮蔽部50A；光阑机构(光圈)56，其包括直径变化以调整穿过其的光的光束直径的开口部56A；以及一对轴锥透镜58。激光从扩束器18入射在轴锥光学系统20上。从激光入射侧开始沿着光路依次布置着掩模50、光阑机构56和一对轴锥透镜58。
如图3B和图3C所示，例如，可以通过叠加多个板(孔径片)56B来构成光阑机构56。多个孔径片56B中的每一个通过一端固定并且同时旋转来改变开口部56A的直径。如图3B所示，在记录过程中，在开口部56A的直径已经扩大的状态下，允许具有大开口直径的光从其穿过。另一方面，如图3C所示，在再现过程中，开口部56A的直径沿着箭头A的方向从外侧向光轴收缩，使得穿过开口部56A的光的光束直径变小。应当注意，当将使用超声波电机的自动光阑机构等用作光阑机构56时，可以进行高速驱动。
图7是示出构成一对轴锥透镜58的各个透镜的布置的图。这对轴锥透镜58由具有相同形状的两个透镜构成：轴锥透镜58A和轴锥透镜58B。轴锥是具有将来自点光源的光转换成光轴上的直线像的轴对称面的光学装置。存在很多在布置有圆锥面的圆锥透镜的结构中使用轴锥的示例，一个表面是平面且另一表面是圆锥形表面的截去尖端的锥形透镜通常称为轴锥透镜。在本示例性实施方式中，同样，图7中示出的截去尖端的锥形透镜称为轴锥透镜。轴锥透镜58A和轴锥透镜58B被布置为彼此隔开预定距离，使得它们的圆锥轴与光轴L重合(即，使得各个圆锥顶点位于同一光轴上)且使得它们的圆锥面彼此面对。将在稍后详细描述轴锥透镜58A和轴锥透镜58B彼此隔开的距离。
轴锥光学系统的光束校正操作
接下来，描述图3A示出的轴锥光学系统20的操作。图4A是示出在记录过程中轴锥光学系统20的光束校正操作的图，图4B是示出在再现过程中轴锥光学系统20的光束校正操作的图。
首先，将描述记录过程中的光束校正操作。如图4A所示，在轴锥光学系统20上，直径为D的圆形平行光从扩束器18入射。用直径为D的该圆形平行光照射包括遮蔽部50A的掩模50。对于用来照射掩模50的平行光，透过轴锥透镜58A和58B的顶点且直接传播的光强度分量被遮蔽部50A去除，其余部分穿过掩模50。用穿过了掩模50的平行光照射光阑机构56。在记录过程中，光阑机构56中的开口部56A的直径处于扩大状态。直径为D的圆形平行光按原样穿过开口部56A。
轴锥透镜58使已经穿过光阑机构56的开口部56A的直径为D的圆形平行光的光强度分布平坦，并且直径为D的圆形平行光被发射为相同直径D的圆形平行光100。即，当使直径为D的圆形平行光从轴锥透镜58A的平面侧入射时，当入射光从圆锥面的斜面和顶点发射时，它如图4A中那样发生折射，并且形成圆形光束。使该圆形光束从轴锥透镜58B的圆锥面入射，形成直径为D的圆形平行光100，并且从轴锥透镜58B的平面侧发射。即，它实现了将入射光的光轴附近的光折返到外部并且将圆周附近的光折返到光轴附近的任务。激光具有高斯强度分布：峰值在其光轴上，因此，通过将光强度高的光轴附近的光扩散到外部并且使得光强度低的圆周附近的光集中在光轴附近，可以使得光强度分布均匀。
在本示例性实施方式中，圆形平行光100的直径D被设计为等于参考光区域26R的外径。因而，用圆形平行光100精确地照射如2B中示出的信号光区域26S和参考光区域26R。
接下来，描述再现过程中的光束校正操作。如图4B所示，用入射在轴锥光学系统20上的直径为D的圆形平行光照射包括遮蔽部50A的掩模50。对于用来照射掩模50的平行光，透过轴锥透镜58A和58B的顶点且直接传播的光强度分量被遮蔽部50A去除，其余部分穿过掩模50。用穿过了掩模50的平行光照射光阑机构56。在再现过程中，光阑机构56中的开口部56A的直径收缩。此时开口部56A的直径为d(＜D)。照射光阑机构56的直径为D的圆形平行光的外部被光阑机构56切掉，从而只有直径为d的圆形平行光穿过开口部56A。
一对轴锥透镜58将穿过了光阑机构56中的开口部56A的直径为D的圆形平行光从圆形光束转换成环形光束，从而发射环形平行光102。也如图7所示，当直径为d的圆形平行光从轴锥透镜58A的平面侧入射时，当入射光从圆锥面的斜面和顶点发射时，它如图4B中那样发生折射，并且形成环形光束。该环形光束从轴锥透镜58B的圆锥面入射，形成环形平行光102，并且从轴锥透镜58的平面侧发射。
发射的环形平行光102的外径(外周的直径)是D，发射的环形平行光102的内径(内周的直径)是Din(见图7)。外径D和内径Din是根据入射平行光的直径d、轴锥透镜的直径A、圆锥部分的顶角的角度
Figure GSB00000340007200111
以及这对轴锥透镜彼此隔开的距离L来确定的。稍后将描述这对轴锥透镜彼此隔开的距离L。
在本示例性实施方式中，将环形平行光102的外径D和内径Din设计为使得外径D等于参考光区域26R的外径并且使得内径Din等于参考光区域26R的内径。因而，用环形平行光102精确地照射如2B中示出的参考光区域26R。
应当注意，在本示例性实施方式中，将参考光区域26R的内径和信号光区域26S的直径描述为相等，但是，从减少在再现过程中泄漏到对应于信号光的区域的泄漏光的角度来看，优选的是，使得参考光区域26R的内径大于信号光区域26S的直径。即，优选的是，在参考光区域26R和信号光区域26S之间布置一间隙。而且，从该角度来看，更优选的是，使得环形平行光102的内径Din稍大于参考光区域26R的内径。
图5A是用于描述如图4A所示的将直径为D的圆形入射平行光发射为相同直径D的圆形平行光的光学条件的图。如图5A所示，将轴锥透镜58A和轴锥透镜58B彼此隔开的距离L定义为轴锥透镜58A和轴锥透镜58B之间的光程长度的光轴分量距离。
假设
Figure GSB00000340007200112
代表轴锥透镜的顶角的角度，D代表入射光的光束直径，D代表出射光的光束直径，θ代表由轴锥透镜导致的折射角，则轴锥透镜彼此隔开的距离L由以下表达式来表示：
Figure GSB00000340007200113
假设n代表轴锥透镜的折射率并且1代表空气中的折射率，则根据Snell法则得出以下表达式的关系：
Figure GSB00000340007200114
从上述表达式可以看出，为了将入射在轴锥透镜58A上的直径为D的圆形平行光从轴锥透镜58B发射为具有相同直径D的圆形平行光，必须将轴锥透镜58A和轴锥透镜58B布置为彼此隔开由以下表达式(1)表示的距离L。
此外，图5B是示出用波动光学技术对由一对轴锥透镜58折射的入射光进行模拟的结果的图。箭头B代表光的波导方向。如图5B所示，应当理解，在具有高斯强度分布的入射平行光中，光轴附近的光折返到外部圆周方向，而圆周附近的光折返回光轴附近。因而，当平行光穿过这对轴锥透镜58时光强度分布发生转换，并且产生在其正交于光轴的横截面中的光强度分布均匀的平行光。
图6A至6D是示出当用波动光学技术对由一对轴锥透镜来使光强度分布平坦的效果进行模拟时的结果的图。这里，轴锥透镜58和轴锥透镜58B被布置为彼此间隔满足上述表达式的距离L。而且，不使用上述掩模50。
图6A和图6C是示出平行光在入射到一对轴锥透镜58之前的光束特征图的图。图6B和图6D是示出从一对轴锥透镜58发射的平行光的光束特征图的图。在图6C和图6D中，水平轴代表与标准位置的距离(单位：mm)，光轴位于距标准位置7mm的位置。垂直轴代表当最大光强度为1时的相对光强度A。
如图6A和6C所示，在具有高斯强度分布的光束中，中央部分(光轴附近)的光强度很大，并且光强度向外周减弱。与此对照，如图6B和6D所示，在通过了一对轴锥透镜58的光束中，中央部分中的光强度分散到外周部分，外周部分的光强度增加，并且光强度在中央部分和外周部分之间基本相同。图6D中示出的光束特征图是大致梯形形状。即，由于通过了一对轴锥透镜58，将具有高斯强度分布的光束转换成光强度平坦并且在其正交于光轴的横截面中的光强度分布均匀的光束。
然而，从图6B和6D可以理解，当简单地使用一对轴锥透镜58来使光强度分布平坦时，即使在光强度分布平坦之后，在中央部分仍然出现光强度分布的混乱。其原因在于轴锥透镜的顶点处的衍射。因此，如上所述，在一对轴锥透镜58的光入射侧布置包括遮蔽部50A的掩模50，由此遮蔽将透过轴锥透镜58的顶点并直接传播的光强度分量。因而，在中央部分消除了光强度分布的混乱，使得光强度分布更加均匀。然而，通过诸如不使用在光强度分布变得混乱的中央的附近的信号光区域的设计，也可以适当地省略掩模50。应当注意，本发明中的条件表达式是按照省略掩模50的情况描述的。当引入掩模50时，可以根据遮蔽部50A的尺寸适当地修正该条件表达式。
如上所述，在记录过程中，轴锥光学系统20产生光强度分布已平坦的直径为D的圆形平行光100，以用激光照射图2B所示的包括信号光区域26S和参考光区域26R的圆形记录区域。而且，在再现过程中，轴锥光学系统20产生环形平行光，以用激光仅仅照射空间光调制器26的环形参考光区域26R。即，在再现过程中，轴锥光学系统20产生环形平行光，使得空间光调制器26的信号光区域26S不被激光照射。
应当注意，如稍后提及的，轴锥光学系统20产生的平行光被反射镜22反射并被偏光分束器24反射，由此照射空间光调制器26。此时，如上所述，在记录过程中，用圆形平行光100照射信号光区域26S和参考光区域26R，并且，在再现过程中，用环形平行光102照射参考光区域26R。
光学记录和再现装置的记录/再现操作
接下来，描述图1中示出的光学记录和再现装置的记录/再现的操作。
当要记录全息图时，光阀12打开，从光源10发射激光。同时，在空间光调制器26上显示记录图案。从光源10发射的激光穿过光阀12，1/2波长板14和偏光板16调整其光强度和偏光方向。例如，偏光板16具有仅透射S偏光的布置，并且1/2波长板14控制激光的偏光方向，由此调整S偏光的光强度。扩束器18将穿过偏光板16的光转换成具有大直径的平行光，直径为D的圆形平行光入射在轴锥光学系统20上。
在轴锥光学系统20中，对直径为D的圆形入射平行光进行校正，产生光强度分布平坦的直径为D的圆形平行光100。从轴锥光学系统20发射的平行光照射反射镜22。由反射镜22反射的平行光入射在偏光分束器24上。这里，偏光分束器24反射S偏光并透射P偏光。偏光分束器24将直径为D的圆形平行光100(S偏光)沿着空间光调制器26的方向反射。在空间光调制器26上，显示有记录图案。在空间光调制器26中，根据显示的图案对激光进行偏光和调制(从S偏光到P偏光)，产生信号光和参考光。
在本示例性实施方式中，如图8A所示，用轴锥光学系统20产生的圆形平行光100照射空间光调制器26的信号光区域26S和参考光区域26R。根据显示的信号光图案对入射到信号光区域26S上的激光进行偏光和调制，产生信号光。而且，根据显示的参考光图案对入射到参考光区域26R上的激光进行偏光和调制，产生参考光。因为圆形平行光100的光强度分布经过平坦化，所以可以均匀照射空间光调制器26上显示的记录图案。因而，所产生的信号光的SNR得到改善，以高的SNR记录全息图。
由空间光调制器26进行了偏光和调制的记录光发射到偏光分束器24，穿过偏光分束器24，并且转换成直线偏光(P偏光)的振幅分布。此后，透镜28对记录光进行集光，由此照射包括孔径30A的光遮蔽板30。光遮蔽板30切掉由透镜28进行了集光的记录光的不必要的频率分量，其余部分穿过孔径30A。透镜32将穿过孔径30A的记录光转换成平行光。
傅立叶变换透镜34对由透镜32转换成平行光的记录光(即，信号光和参考光)进行傅立叶变换和集光，由此同时且同轴地照射光学记录介质36。在信号光和参考光发生集光的位置，将由于信号光和参考光彼此干涉而形成的干涉条纹作为全息图记录在光学记录介质36上。
当要读取记录在光学记录介质36上的数据时(在再现过程中)，光阀12打开，从光源发射激光。同时，在空间光调制器26上显示再现图案。按与在记录的情况下相同的方式，从光源10发射的激光穿过光阀12，1/2波长板14和偏光板16调整其光强度和偏光方向，扩束器18将其转换成具有大直径的平行光，并且其入射到轴锥光学系统20上。
在轴锥光学系统20中，对直径为D的圆形入射平行光进行校正，产生外径为D且内径为d的环形平行光102。环形平行光102的光强度分布也经过平坦化。从轴锥光学系统20发射的环形平行光102照射反射镜22。由反射镜22反射的环形平行光102入射到偏光分束器24上。偏光分束器24将环形入射平行光102(S偏光)沿空间光调制器26的方向反射。在空间光调制器26上，显示有再现图案。在空间光调制器26中，根据显示的图案对激光进行偏光和调制(从S偏光到P偏光)，产生参考光。
在本示例性实施方式中，如图8B所示，由轴锥光学系统20产生的环形平行光102照射空间光调制器26的参考光区域26R。根据显示的参考光图案对入射到参考光区域26R上的激光进行偏光和调制，产生参考光。以与在记录情况下相同的方式，用产生的参考光照射光学记录介质36的记录了全息图的区域。即，仅仅用参考光作为读取光来照射光学记录介质36。
根据参考光区域26R的形状产生环形平行光102，用激光仅仅照射参考光区域26R，不用激光照射信号光区域26S。因此，光学记录介质36不会被信号光区域26S反射的光(对应于信号光的区域中存在的泄漏光)与用于读取的参考光一起照射。因此，在用来照射全息图的读取光中，泄漏到对应于信号光的区域的泄漏光(不必要的成分)显著减小，再现特性明显改善。
当用来照射光学记录介质36的参考光穿过了光学记录介质36时，它被全息图衍射，并且透射的衍射光(再现光)朝向傅立叶变换透镜38发射。参考光的一部分透过光学记录介质36发射而没有发生衍射。傅立叶变换透镜38对发射的再现光(包括透射的衍射光)进行逆傅立叶变换，由此照射包括孔径40A的光遮蔽板40。对于由透镜38进行了逆傅立叶变换的再现光，光遮蔽板40切掉透射的参考光，其他部分穿过孔径40A。一对透镜42和44对穿过了孔径40A的光进行中继，该光入射到传感器阵列46上。
传感器阵列46将接收的再现光转换成电信号并输出这些电信号。即，传感器阵列46读取叠加在再现信号光上的数据，并将该数据输出到控制装置(未示出)。应当注意，在传感器阵列46中，优选的是，执行过取样，其中由多个光接收元件来接收信号光数据的一个像素。例如，由4(2×2)个光接收元件来接收1位的数据。
实验结果
图9A和图9B是示出引入轴锥光学系统的效果的图。图9A是示出在如下情况下对在空间光调制器26的显示面26A上观察到的信号光(数据页)的光强度分布进行模拟时的结果的图：使用从图1所示结构中去除了轴锥光学系统的与常规情况具有相同结构的光学记录和再现装置(下面称为“常规装置”)。图9B是示出在使用具有与图1所示结构相同的结构的光学记录和再现装置(下面称为“引入了轴锥光学系统的装置”)的情况下对在空间光调制器26的显示面26A上观察到的数据页的光强度分布进行模拟时的结果的图。即，图9A和图9B中示出的数据页的光强度分布是通过将由模拟获得的图6A和图6B中示出的光强度分布乘以理想数据图案的强度分布而获得的。
从图9A可以理解，在没有引入轴锥光学系统的常规装置中，用图6A中示出的高斯强度分布的激光来照射空间光调制器，因此观察到的数据页的中央部分亮，但是外周部分暗。与此对照，从图9B可以理解，在引入了轴锥光学系统的装置中，用图6B中示出的光强度分布经过平坦化的激光来照射空间光调制器，因此观察到具有均匀亮度的数据页。因而，在引入了轴锥光学系统的装置中，用空间光调制器26上显示的信号光图案均匀地照射空间光调制器，产生具有高SNR的信号光(数据页)。
图10A是图9A中示出的数据页的ON像素(白色像素)的直方图，图10B是图9B中示出的数据页的ON像素的直方图。水平轴代表亮度(以任意单位)，垂直轴代表在数据页中的ON像素的出现数量(单位：次数)。从上述模拟结果获得这些直方图。
如图10A所示，在常规装置中获得的数据页中，ON像素的亮度分布在8～40的范围内，数据页的SNR是4.75。与此对照，如图10B所示，在引入了轴锥光学系统的装置中获得的数据页中，ON像素的亮度集中在24附近，数据页的SNR改善到15.73，即常规装置中获得的数据页的SNR的3倍以上。ON像素的亮度分布范围很窄的事实意味着在数据页中ON像素的亮度基本恒定并且光强度分布平坦。因而，很明显，在引入了轴锥光学系统的装置中，产生高SNR的信号光(数据页)。应当注意，这里，将SNR定义为等于：(亮度平均值)/(亮度标准偏差)。
此外，如上所述，在常规装置中，在再现过程中，同样，用激光照射空间光调制器26的信号光区域26S和参考光区域26R。与此对照，在引入了轴锥光学系统的装置中，用激光仅仅照射空间光调制器26的参考光区域26R。
此外，使用误码率(BER)等于5×10-3时的衍射效率作为能够再现的最小衍射效率，来评价最小衍射效率。最小衍射效率的值越小，越能按优异的SNR再现具有低衍射效率的全息图，并且改善再现特性。即，因为可以减小要记录的全息图的记录能量，所以可以多重记录多个全息图，这有利于改善记录密度。
当由引入了轴锥光学系统的装置再现时的最小衍射效率是0.1％，且当由常规装置再现时的最小衍射效率是1.0％。应当理解，最小衍射效率从1.0％下降到0.1％，再现特性显著改善。这里的评价是通过如下的模拟图像来进行的：所述模拟图像是通过对信号光区域在被照射信号光时的泄漏光进行成像并且将获得的图像和通过模拟获得的图像(图9A和图9B)计算地相加而获得的。
其他变型例
应当注意，在上述示例性实施方式中，描述了使用反射型空间光调制器和透射型光学记录介质的“同轴透射型”光学记录和再现装置的示例，但是，即使将轴锥光学系统引入到使用反射型空间光调制器和反射型光学记录介质的“同轴反射型”光学记录和再现装置，也可以获得和上述示例性实施方式的效果相同效果。图11是示出引入了轴锥光学系统的同轴反射型光学记录和再现装置的结构的示意图。对与图1中示出的根据上述示例性实施方式的光学记录和再现装置的构成部分相同的构成部分给出相同的标号。
在该光学记录和再现装置中，布置有发射激光的光源10。在光源10的光出射侧，从光源10侧开始沿着光路依次布置有光阀12、1/2波长板14、偏光板16、扩束器18、轴锥光学系统20和反射镜22。在反射镜22的光反射侧，布置有偏光分束器24。当从反射镜22侧看时，在偏光分束器24的光反射侧上，布置有反射型空间光调制器26。空间光调制器26根据显示的信号光图案和参考光图案对入射的激光进行调制，以产生信号光和参考光。空间光调制器26将产生的信号光和参考光朝向偏光分束器24反射。
轴锥光学系统20具有与前述示例性实施方式的轴锥光学系统相同的结构。如图3A所示，轴锥光学系统20被构成为包括：掩模50，其包括遮蔽部50A；光阑机构56；和一对轴锥透镜58。激光从扩束器18入射到轴锥光学系统20上。从激光入射侧开始沿着光路依次布置着掩模50、光阑机构56和一对轴锥透镜58。
由空间光调制器26产生的信号光和参考光入射在偏光分束器24上。当从该空间光调制器26观看时，在偏光分束器24的光透射侧，沿着光路依次布置有一对透镜84和88、将直线偏光转换成圆偏光并且将圆偏光转换成直线偏光的1/4波长板90、以及傅立叶变换透镜92。傅立叶变换透镜92用记录光照射反射型光学记录介质94。傅立叶变换透镜92的焦点位置成为记录光汇集的集光位置。在透镜84和88之间，在束腰附近布置有包括开口部(孔径)86A的光遮蔽板86。应当注意，光遮蔽板86并不是必要的，可以适当地省略。
在傅立叶变换透镜92的光出射侧，布置有保持光学记录介质94的保持台(未示出)。光学记录介质94是能够通过由于被光照射而引起的折射率变化来在其上记录全息图的光学记录介质，并且，光学记录介质94布置有：记录层94A，由诸如光敏聚合物材料的其上能够记录全息图的记录材料构成；以及反射层94B，由反射透过记录层94A的光的金属膜等构成。
当从透镜84观看时，在偏光分束器24的光反射侧上布置有传感器阵列96。传感器阵列由诸如CCD或CMOS阵列的成像元件构成，将接收的再现光(衍射光)转换成电信号并输出这些电信号。
当要记录全息图时，光阀12打开，从光源10发射激光。同时，在空间光调制器26上显示记录图案。从光源10发射的激光穿过光阀12，1/2波长板14和偏光板16调整其光强度和偏光方向。扩束器18将穿过偏光板16的光转换成具有大直径的平行光，该光入射到轴锥光学系统20上。
在轴锥光学系统20中，对直径为D的圆形入射平行光进行校正，产生光强度分布经过平坦化的直径为D的圆形平行光100。从轴锥光学系统20发射的平行光照射反射镜22。被反射镜22反射的平行光入射在偏光分束器24上。偏光分束器24将直径为D的圆形平行光100沿着空间光调制器26的方向反射。在空间光调制器26中，根据显示的图案对激光进行偏光和调制，产生信号光和参考光。
由空间光调制器26进行了偏光和调制的记录光发射到偏光分束器24，穿过偏光分束器24，并且转换成直线偏光的振幅分布。此后，透镜84对记录光进行集光，由此照射包括孔径86A的光遮蔽板86。光遮蔽板86切掉由透镜84进行了集光的记录光的不必要的频率分量，其余部分穿过孔径86A。透镜88将穿过孔径86A的记录光转换成平行光。
1/4波长板90将由透镜88转换成平行光的记录光(信号光和参考光)通过转换成圆偏光，傅立叶变换透镜92对其进行傅立叶变换和集光，由此同时且同轴地照射光学记录介质94。在信号光和参考光发生集光的位置，将由于信号光和参考光彼此干涉而形成的干涉条纹作为全息图记录在光学记录介质94上。
当要读取记录在光学记录介质94上的数据时，光阀12打开，从光源发射激光。同时，在空间光调制器26上显示再现图案。按与在记录的情况下相同的方式，从光源10发射的激光穿过光阀12，1/2波长板14和偏光板16调整其光强度和偏光方向，扩束器18将其转换成具有大直径的平行光，并且其入射到轴锥光学系统20上。
在轴锥光学系统20中，对直径为D的圆形入射平行光进行校正，产生外径为D且内径为d的环形平行光102。环形平行光102的光强度分布也经过平坦化。从轴锥光学系统20发射的环形平行光102照射反射镜22。由反射镜22反射的环形平行光102入射到偏光分束器24上。偏光分束器24将环形入射平行光102沿空间光调制器26的方向反射。在空间光调制器26中，根据显示的再现图案对激光进行偏光和调制，产生参考光。按与在记录的情况下相同的方式，用产生的参考光照射光学记录介质94的其上记录了全息图的区域。即，仅仅用参考光作为读取光来照射光学记录介质94。
根据参考光区域26R的形状产生环形平行光102，用激光仅仅照射参考光区域26R，不用激光照射信号光区域26S。因此，光学记录介质94不会被信号光区域26S反射的光(对应于信号光的区域中存在的泄漏光)与用于读取的参考光一起照射。因此，在用来照射全息图的读取光中，泄漏到对应于信号光的区域的泄漏光(不必要的成分)显著减小，再现特性明显改善。
当用来照射光学记录介质94的参考光穿过光学记录介质94的记录层94A时，它被全息图衍射且被反射层94B反射，透射的衍射光(再现光)朝向傅立叶透镜92发射。参考光的一部分被光学记录介质94的反射层94B反射而没有发生衍射。傅立叶透镜92对发射的再现光(包括反射的参考光)进行逆傅立叶变换，1/4波长板90再次将其转换成直线偏光。一对透镜88和84对由1/4波长板90转换成直线偏光的再现光进行中继并将其转换成平行光，该光入射到偏光分束器24上，被偏光分束器24反射，并入射到传感器阵列96上。传感器阵列96将接收的再现光转换成电信号且输出这些电信号。
对本发明示例性实施方式的前述描述是为了例示和描述的目的而提供的。其并非旨在穷举或者将本发明限于所公开的确切形式。显然，许多变型和修改对于本领域技术人员是显而易见的。选择并描述这些实施方式是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够理解本发明的适用于所构想特定用途的各种实施方式和各种变型。旨在由所附权利要求书及其等同物来限定本发明的范围。

Claims (5)

1.一种光学记录装置，该光学记录装置包括：
光源，其发射相干光；
空间光调制器，其由二维排列的多个像素形成，包括信号光区域和参考光区域，所述信号光区域在产生信号光时显示信号光图案，所述参考光区域被布置为环绕所述信号光区域并在产生与所述信号光同轴的参考光时显示参考光图案，并且，所述空间光调制器根据显示图案针对各个像素调制并输出入射光；
校正光学系统，其被布置在所述光源和所述空间光调制器之间，并且包括一对轴锥透镜，这一对轴锥透镜对从所述光源发射的光进行校正以使其在所述空间光调制器的被照射面上的光强度分布平坦；以及
光引导部，其将由所述校正光学系统进行了校正的光引导到所述空间光调制器，
其中，所述空间光调制器产生的信号光和参考光同时照射到光学记录介质上，在所述光学记录介质中记录全息图，
其中，形成所述校正光学系统的所述一对轴锥透镜被布置为使其圆锥面彼此面对，并且轴锥透镜之间的光程长度的光轴分量距离L由以下表达式定义：
其中，
Figure FSB00000460544800012
代表轴锥透镜的顶角的角度，D代表入射到所述校正光学系统的入射光的光束直径，n代表轴锥透镜的折射率，在空气中的折射率是1。
2.根据权利要求1所述的光学记录装置，该光学记录装置还包括掩模，所述掩模布置在所述光源和所述校正光学系统之间，并包括遮蔽光轴附近的光的遮蔽部。
3.一种光学记录和再现装置，该光学记录和再现装置包括：
光源，其发射相干光；
空间光调制器，其由二维排列的多个像素形成，包括信号光区域和参考光区域，所述信号光区域在产生信号光时显示信号光图案，所述参考光区域被布置为环绕所述信号光区域并在产生与所述信号光同轴的参考光时显示参考光图案，并且，所述空间光调制器根据显示图案针对各个像素调制并输出入射光；
光阑机构，其布置在所述光源和所述空间光调制器之间，并且包括一开口部，所述开口部的直径在再现过程中收缩以限制穿过该开口部的光的光束直径；
校正光学系统，其被布置在所述光阑机构和所述空间光调制器之间，包括被布置为使其圆锥面彼此面对的一对轴锥透镜，并且，所述校正光学系统在记录过程中对穿过所述光阑机构中的所述开口部的光进行校正以使其在所述空间光调制器的被照射面上的光强度分布平坦，并在再现过程中对穿过所述光阑机构中的所述开口部的光进行校正以由此来照射所述空间光调制器的除所述信号光区域之外的区域；以及
光引导部，其将由所述校正光学系统进行了校正的光引导到所述空间光调制器，
其中，在记录过程中，所述空间光调制器产生的信号光和参考光照射到光学记录介质上，在所述光学记录介质中记录全息图，并且，
在再现过程中，将所述空间光调制器产生的参考光照射到其上记录了所述全息图的所述光学记录介质上，再现信号光，
其中，形成所述校正光学系统的所述一对轴锥透镜被布置为使其圆锥面彼此面对，并且轴锥透镜之间的光程长度的光轴分量距离L由以下表达式定义：
Figure FSB00000460544800021
其中，
Figure FSB00000460544800022
代表轴锥透镜的顶角的角度，D代表入射到所述校正光学系统的入射光的光束直径，n代表轴锥透镜的折射率，在空气中的折射率是1。
4.根据权利要求3所述的光学记录和再现装置，该光学记录和再现装置还包括掩模，所述掩模布置在所述光源和所述校正光学系统之间，并包括遮蔽光轴附近的光的遮蔽部。
5.根据权利要求3或4所述的光学记录和再现装置，其中，
在再现过程中，所述校正光学系统将穿过所述光阑机构中的所述开口部的光校正为与所述空间光调制器的所述参考光区域的形状相对应的环形光，并且
所述光引导部在调整由所述校正光学系统产生的所述环形光的光路的同时将该光引导到所述空间光调制器的所述参考光区域。
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