CN1542496A - 空间光调制器和全息照相记录/再现装置 - Google Patents

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Abstract

空间光调制器(SLM)101具有多个以格子形式排列的象素101a，该空间光调制器用于选择每个象素上光线的透射状态(开启)和阻塞状态(关闭)，从而空间调制光强度。空间光调制器101全部象素的光透射率分布设置为光透射率在中心及其周围比较低，并随着离中心距离的增加而增加。

Description

空间光调制器和全息照相记录/再现装置
发明背景
本发明涉及空间光调制器和全息照相记录/再现装置，尤其涉及能够抑制全息照相记录介质材料的敏感性的无用消耗并防止串扰的空间光调制器和全息照相记录/再现装置。
背景技术
全息照相记录/再现方法被认为是一种实现高密度信息记录的方法。在通常的全息照相记录/再现方法中，以二维方式附加有数据的信号光束在记录介质内与参考光束重叠。所形成的干涉条纹被写入，从而记录该信息。这样记录在全息照相记录介质上的数据可以通过用参考光束照射来再现。照射在记录介质上的参考光束被干涉条纹的光栅折射，从而使再现图象被检测到并再现数据。在这种记录介质上，附加到信号光束的数据可以通过参考光束的入射在某一时间再现，从而实现高速再现。
通常利用具有高斯分布的激光束的信号光束和参考光束涉及不均匀消耗材料敏感性的问题。因此，激光束优选地是在整个束斑内均匀的。
JP-A-08-314364示出了一种在将细光束扫描到SLM(空间光调制器)上时进行照射的方法。因为相同的光束强度照射在SLM的每个象素上，因此就整个SLM而言，这等同于在束点内具有均匀强度分布的激光束的照射。同时，“全息照相数据存储”(J.Ashley与另外十人，IBMJournal of Research and Development，2000年5月，Vol.44，No.3，p.348)也示出了一种具有高斯分布的输入光束利用一对非球形光学元件进行强度重组从而在预定区域内输出均匀强度光束的方法。
但是，在上述在将细激光束扫描到SLM上时进行照射的方法中，利用光束照射整个SLM需要花费很长时间，从而很难实现高速记录/再现。同时，在利用一对非线性光学元件的方法中，必须提供这种光学元件，从而增加了整个光学系统的尺寸。此外，它只适用于特定的强度分布，导致担心不充分的波形整形程度。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种能够利用简单结构使光束强度分布均匀的空间光调制器及利用该空间光调制器的全息照相记录/再现装置。
本发明的上述目的是由具有多个以格子形式排列的象素的空间光调制器实现的，该空间光调制器用于一个象素一个象素地选择光线的透射或反射状态及阻塞状态，从而空间调制光强度，该空间光调制器的特征在于：全部象素上的光透射率分布或光反射率分布设置为光透射率或光反射率在象素排列中心及其周围比较低，并随着离中心距离的增加而增加。
根据本发明，具有高斯分布的光束强度可以利用一种简单结构使之接近均匀。此外，这种光束强度可以空间调制。在利用该空间光调制器的全息照相记录/再现装置的情况下，不可能不均匀地消耗全息照相记录介质的材料敏感性。同时，在由高强度光束中心及其周围照射的象素之间不会发生串扰。因此，有可能提供一种高性能的全息照相记录/再现装置。
优选地，光透射率分布或光反射率分布设置为基本上同高斯分布成反比。
优选地，有可能获得具有更均匀强度分布的光束。
优选地，通过象素的光透射率或象素上的光反射率是一个象素一个象素地设置的。
此外，光束强度分布可以利用一种简单结构变得基本均匀。
本发明的上述目的还是由一种全息照相记录/再现装置实现的，该装置至少包括：具有多个以格子形式排列的象素的空间光调制器，该空间光调制器用于选择每个象素上光线的透射或反射状态及阻塞状态，从而空间调制光强度，全部象素上的光透射率分布或光反射率分布是关于每个象素设置的；用于检测通过该空间光调制器的光束强度分布的光接收装置；用于根据由该光接收装置检测到的光束强度分布来设置通过象素的光透射率或象素上的光反射率的控制装置。
根据本发明，可以根据光束强度分布适当地设置全部象素上的光透射率分布或光反射率分布。因此，全部象素上的光透射率分布或光反射率分布可以设置为在光束通过空间光调制器以后，其强度分布成为均匀的。此外，这种光束还可以空间调制。而且，在调制光束用作信号光束的情况下，不可能不均匀地消耗全息照相记录介质的材料敏感性。同时，在由高强度光束中心及其周围照射的象素之间也不会发生串扰。
优选地，光接收装置包括多个分布在二维排列中的光接收元件，光接收元件的径向分布函数具有随着离光接收装置中心距离的增加而增加的值。
根据本发明，有可能肯定地检测具有高斯分布的光束的强度分布。
附图说明
图1是显示根据本发明一种优选实施方案的空间光调制器布置的典型视图；
图2是显示在该空间光调制器上光透射率分布的一种实例的图；
图3A和3B示出了该空间光调制器光透射率分布的另一种实例；
图4是显示包括该空间光调制器的全息照相记录/再现装置布置的示意性透视图；
图5是显示根据本发明另一种优选实施方案的空间光调制器布置的示意性透视图；及
图6是显示根据本发明一种优选实施方案的空间光调制器布置的典型视图。
具体实施方式
参考附图，下面详细说明本发明的一种优选实施方案。
图1是显示根据本发明一种优选实施方案的空间光调制器结构的典型视图。
如图1所示，空间光调制器(SLM)101属于具有多个以格子形式排列的象素101a的透射类型。通过选择每个象素上光线的透射状态(开启)或阻塞状态(关闭)，对光束的强度进行空间调制。例如，透射类型空间光调制器可以利用液晶设备。
空间光调制器101在全部象素上具有光透射率在中心及其周围比较低，并以同高斯分布102x近似成反比的方式随着离中心距离的增加而增加的光透射率分布101x，其中高斯分布102x是由入射光束102的强度分布给定的。因此，在具有高斯分布的光束进入其象素全部开启的空间光调制器101的情况下，光束103在通过空间光调制器101以后，具有接近均匀的强度分布103x。
图2是显示在空间光调制器101上光透射率分布的一种实例的图。
如图2所示，空间光调制器101设置为在X和Y方向都具有与高斯分布近似成反比的光透射率分布。为此，在每个象素101a中光透射率分布都有变化。这种光透射率分布的设置可以通过提供在空间光调制器全部象素上都具有这种光透射率分布的光透射薄片和薄膜来实现。否则，光透射率分布可以通过在单个象素101a上提供光透射薄膜并根据薄膜厚度或薄膜的折射系数在其上设置光透射率来实现。如上所述，因为空间光调制器101全部象素上的光透射率分布设置为与高斯分布对应，因此光束在通过该空间光调制器以后，可以变成具有均匀的强度分布。
图3A和3B示出了空间光调制器101上光透射率分布的另一种实例。
如图3A所示，空间光调制器101上的光透射率根据象素分多级设置，对应于高斯分布。例如，在该实施方案中，每个象素101a设置为具有5级(A-E)光透射率。如图3B所示，对于在所有象素中由7×7矩阵构成的空间光调制器101，中心的象素设置为具有最低光透射率A。该象素周围的象素依次设置为具有光透射率B、C和D。此外，剩余的外围象素每个都设置为具有最高光透射率E。顺便提一句，一个象素内的光透射率分布是均匀的。
这种光透射率分布可以通过提供在各象素上所提供薄膜的厚度或折射系数来设置，或者通过贴上在空间光调制器全部象素上都具有这种光透射分布的薄片或薄膜来实现。即使具有上述光透射率分布，光束在通过空间光调制器以后也可以变成具有接近均匀的强度分布。
图4是显示包括上述空间光调制器101的全息照相记录/再现装置的一种实例的示意性透视图。
如图4所示，作为用于记录/再现的光学系统，全息照相记录/再现装置400具有：用于产生预定波长的光束的记录/再现激光束源401，其中光束包括S-偏振和P-偏振光成分；光束扩展器402；偏振分光镜403；空间光调制器(SLM)101；1/2波长板405；全反射镜406；傅立叶变换透镜407、408；准直器409；及CCD图象传感器410。
记录/再现激光束源401产生具有高斯分布的光束。光束411在光束径向被光束扩展器402放大成准直光，然后进入偏振分光镜403。对于入射光，偏振分光镜403允许光线的S-偏振成分透射，而光线的P-偏振成分在其上反射，从而将一个光束分离成两个光束411a、411b。作为S-偏振成分，光束411a进入空间光调制器101。
空间光调制器101空间调制光束411a的强度，以便产生携带信息的信号光束。在记录过程中，根据记录数据，空间光调制器101上的象素开启或关闭，由此产生预定模式的信号光束。因为空间光调制器101在每个象素上的光透射率设置为全部象素都具有与高斯分布成反比的光透射率分布，因此在所有象素都开启的状态下光束具有接近均匀的强度分布。当预定象素关闭后，强度分布均匀的光束被空间调制。从空间光调制器出来的信号光束被傅立叶变换透镜407聚焦并照射在全息照相记录介质412上。
另一方面，作为P-偏振光成分，另一光束411b由1/2波长板405变换成类似于光束411a的S-偏振光成分。然后，光束在全反射镜406上反射并通过傅立叶变换透镜408，从而作为参考光束照射在全息照相记录介质412上。信号光束和参考光束在全息照相记录介质412的记录层内重叠在一起，从而形成干涉图样并记录全息照相。
在再现过程中，空间光调制器101的所有象素都关闭，从而阻挡光束411a的透射。因此，由记录/再现激光源401产生的光束411通过光束扩展器402、偏振分光镜403、1/2波长极板405、全反射镜406和傅立叶变换透镜408，作为参考光束照射在全息照相记录介质412上。由在记录层内形成的干涉图样调制的参考光束通过全息照相记录介质，作为再现图象通过准直器409照射到CCD图象传感器410上。
如上所述，当记录全息照相时，本实施方案可以使信号光束的强度分布均匀。因此，全息照相记录介质的材料敏感性不会不均匀地消耗。此外，也不会在由高强度光束中心区域照射的象素之间发生串扰。因此，有可能提供一种高性能的全息照相记录/再现装置。
顺便提一句，尽管上述实施方案对利用具有高斯分布的光束的实例进行了说明，但参考光束的强度分布也可以是均匀的。不过，在利用具有高斯分布的光束提供与通常全息照相记录/再现装置的兼容性的情况下，利用具有不变的高斯分布的光束是优选的。
图5是显示根据本发明另一种优选实施方案的空间光调制器布置的示意性透视图。
如图5所示，空间光调制器(SLM)501配置成任意设置象素501a的光透射率。即，空间光调制器501的象素不仅其开启-关闭，而且色调等级也受控制器的控制。铁电液晶装置可以这样用作空间光调制器。
通过空间光调制器501的象素的光透射率自动地调节，使得全部象素都具有与高斯分布成反比的光透射率分布。自动调节是通过由PD检查器503接收通过空间光调制器501的光束并由控制器502根据PD检查器503的输出将象素的色调等级设置为最佳值来实现的。PD检查器503是具有多个以二维形式分布的光电二极管503a的光接收装置。由单个光电二极管503a接收的光束强度被转换成电压值。
分布在PD检查器503上的光电二极管503a的径向分布函数优选地具有随着离PD检查器503中心距离的增加而增加的值。即，假定在从PD检查器503中心起具有半径r的圆形区域内分布的光电二极管503a的分布密度为D1(r)，在具有半径(r+Δr)的圆形区域内分布的光电二极管503a的分布密度为D1(r+Δr)，且它们之间的分布密度差值为D(r)＝D1(r+Δr)-D1(r)，则D(r)设置为随半径r的增加而增大。利用这种结构，有可能肯定地检测具有高斯分布的光束的强度分布。
在调节过程中，具有高斯分布的光束504以光强度分布未调节的状态被允许进入空间光调制器501。通过空间光调制器501后的光束照射在PD检查器503上，由此光束的强度分布被PD检查器503找到。PD检查器503的输出提供给控制器502。该控制器确定每个象素上的最佳色调等级，使入射光束的强度分布均匀，并为每个象素设置该色调等级所需的控制电压。同时，该控制器还控制通过每个象素的光透射率，从而对于由空间光调制器501调制的多个象素，从具有相同信号值的象素发射的光束其强度是接近相同的。为象素设置的控制电压作为数据表保留在控制器502中。顺便提一句，控制器502可以一直保留基于理论光束剖面图的元件的控制电压值作为标准数据表。根据该数据表，每个象素的光透射率可以适当地被设置。
在实际应用中，当开启空间光调制器501的预定象素时，控制器502根据该数据表提供与相关象素对应的预定控制电压。因此，空间光调制器501可以具有与高斯分布成反比的光透射率分布。所以，在具有高斯分布的光束这样入射到空间光调制器上的情况下，有可能在光束通过空间光调制器以后获得具有近似均匀的强度分布的光束。
特别地，在光束剖面图固定的情况下，如果实际的入射光束光轴偏离，则不能获得均匀的光束强度。均匀性的精确调节很难实现。但是，如本实施方案中在光透射率分布可以适当设置的情况下，不可能引起这种问题。在全息照相记录/再现装置利用这种空间光调制器实现的情况下，不可能不均匀地消耗全息照相记录介质的材料敏感性。同时，在高强度中心周围的象素之间不会发生串扰。
顺便提一句，尽管该实施方案对具有能够控制色调等级的液晶装置结构的空间光调制器实例进行了说明，但这不是限制性的。利用具有其开口面积随象素改变的开口的空间光调制器结构，通过根据控制电压值改变开口面积，可以在每个象素上实现最佳透射率。
图6是显示根据本发明一种优选实施方案的空间光调制器排列的典型视图。
如图6所示，空间光调制器(SLM)601属于具有多个以格子形式排列的象素601a的反射类型。通过一个象素一个象素地选择光线的反射状态(开启)和非反射状态(关闭)，光束的强度以空间模式被调制。这里，非反射状态是指在与入射到反射状态反射象素的光束602的反射相同的方向上没有反射发生的状态，例如入射光束透射象素的状态、被象素吸收的状态、被象素散射的状态或在与光束进入反射状态象素的反射方向不同的方向反射的状态。例如，可以利用一个数字微镜装置(DMD)作为所述反射型空间光调制器。顺便提一句，在本说明书中，存在反射型空间光调制器上光线的非反射状态被称为“光阻塞状态”的假定情况。
空间光调制器601在全部象素上的光反射分布设置为光反射率在中心及其周围比较低，并且以与作为入射光束602强度分布的高斯分布近似成反比的方式，随着离中心距离的增加而增加。因此，在具有高斯分布的光束进入所有象素都开启的状态的空间光调制器601的情况下，光束603在通过空间光调制器601以后具有接近均匀的强度分布。在空间光调制器601的预定象素为关闭状态的情况下，进入相关象素的光束不会在其上反射。因此，有可能实现空间调制，成为具有接近均匀的强度分布的光束。
顺便提一句，空间光调制器601上的反射率分布可以是如图2所示的分布或如图3所示的步进式分布。同时，反射型空间光调制器601可以不利用光束剖面图预先固定。即，如在图5所示的透射型空间光调制器501中，反射型空间光调制器可以任意设置象素的反射率并对象素的反射率分布自动进行调节。在这种情况下，PD检查器503布置在反射性空间光调制器601上反射光603的移动方向，其光接收结果由控制器502处理，由此设置预定的控制电压。对于空间光调制器601，这将像素上的反射率置于反馈控制下。
如上所述，根据本实施方案，因为信号光束强度分布可以在记录全息照相时变得均匀，因此不可能不均匀地消耗全息照相记录介质的材料敏感性。此外，在高强度中心及其周围的象素之间也不会发生串扰。因此，可以提供高性能的全息照相记录/再现装置。
本发明不限于上述实施方案，而是可以在由权利要求阐明的本发明范围之内进行各种修改。这些变化很自然地包括在本发明范围之内。
例如，上述实施方案示例为具有七行乘七列矩阵结构的空间光调制器，但这不是限制性的。象素的个数是任意的，其中行数和列数的个数不必相等。
同时，图4所示的全息照相记录/再现装置的光学系统仅仅是一种实例，全息照相记录/再现装置可以是任何使用本发明空间光调制器的结构。
同时，上述实施方案示例为单独提供空间光调制器501、控制器502和PD检查器503的情况。但这不是限制性的，即，控制器502和PD检查器503结构上可以集成。
如上所述，本发明可以提供能够利用一种简单布置使光束强度分布均匀的空间光调制器，及利用该空间光调制器的全息照相记录/再现装置。

Claims (6)

1、一种包括多个以格子形式排列的象素的空间光调制器，该空间光调制器用于选择每个象素上光线的透射或反射状态及阻塞状态，从而空间调制光强度；
其中全部象素上的光透射率分布或光反射率分布设置为使得光透射率或光反射率在象素排列的中心及其周围比较低，并且随着离中心距离的增加而增加。
2、如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述光透射率分布或光反射率分布设置为基本上同高斯分布成反比。
3、如权利要求1所述的空间光调制器，其中通过象素的光透射率或在象素上的光反射率是关于每个象素设置的。
4.如权利要求2所述的空间光调制器，其中通过象素的光透射率或在象素上的光反射率是关于每个象素设置的。
5、一种全息照相记录/再现装置，至少包括：
一种具有多个以格子形式排列的象素的空间光调制器，该空间光调制器用于选择每个象素上光线的透射或反射状态及阻塞状态，从而空间调制光强度，全部象素上的光透射率分布或光反射率分布是关于每个象素设置的；
用于检测通过空间光调制器的光束的强度分布的光接收装置；
根据由光接收装置检测到的光束强度分布设置通过象素的光透射率或象素上的光反射率的控制装置。
6、如权利要求4所述的全息照相记录/再现装置，其中所述光接收装置包括多个以二维排列分布的光接收元件，该光接收元件的径向分布函数具有随着离光接收装置中心距离的增加而增加的值。
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