CN1653396A - 全息记录装置和全息重放装置 - Google Patents

Abstract

一种全息记录装置(100)包括空间光调制器(15)和控制设备(18)。空间光调制器(15)设置在信号光(L1)的光程上并被分为以矩阵排列的多个元件块(151)。每个元件块(151)进一步被分为多个以矩阵排列的元件(152)。空间光调制器(15)可基于元件执行调制。控制设备(18)控制空间光调制器，以便根据要记录在全息记录介质(200)上的多个记录信息集合来调制信号光。存在于同一元件块中的多个调制单元(153)具有不同的模式。由于具有比像素间距更大间距的多个元件块同时地或接连地被开启/关闭，因此就可以减少零次光和较高次光之间的距离。

Description

全息记录装置和全息重放装置

技术领域

本发明涉及一种全息记录装置，用于以经过一个空间光调制器的信号光照射全息记录介质来记录信息，以及一种全息重放装置，用于从全息记录介质上重放信息。

背景技术

迄今为止，具有液晶设备等等的全息记录装置，以作为信号光的激光照射空间光调制器，以便根据要记录的记录信息调制光。特别地，在该空间光调制器中，元件被平面地安排在一个矩阵中，以便按照要记录的记录信息通过改变元件的透射比来调制该信号光。由于具有细微间距的元件中的衍射现象，经调制的光以不同输出角来输出，以便作为例如零次光或一次光等等的多种衍射光。在这种情况下，输出角是由元件间距来定义的，其中这些元件表示调制单元。然后，由如上构造的空间光调制器调制的信号光以及不经过该空间光调制器的参考光在全息记录介质上互相干涉。从而，记录信息作为波面而记录在该全息记录介质上。

根据如上构造的全息记录装置，例如，在记录介质上的直径大约1mm的记录区域上，用来自空间光调制器的作为信号光的零次光和1次光(例如多个1次光中的一个)进行照射。在这种情况下，通过改变参数，例如相对于记录介质的信号光照射角，就能完成单独的记录。为此，就能以高密度来记录信息。

发明内容

然而，如果空间光调制器的元件大小或象素间距大小变小，那么在零次衍射光和1次衍射光之间的输出角的差，以及全息记录介质上的聚焦位置间距就会变大。因此，以这些衍射光照射的全息记录介质的记录表面面积就要扩大。或者是，输出侧的空间光调制器和光学系统就要扩大。特别地，为了在记录区域的较宽表面面积上进行记录，就需要一个例如是高功率半导体激光设备的强光源，这从考虑到成本的实际角度出发是相当不利的。因此，如果空间光调制器的元件大小或象素间距大小变小，事实上难于缩小全息记录介质的尺寸或提高记录密度。

另一方面，如果元件的大小或象素间距大小变大，零次光和1次光之间的输出角的差，或者该零次光和1次光之间的间距将变小，但由于元件或象素间距的增加，要记录到全息记录介质上的记录容量或信息量事实上减小了。

如上所述，在全息记录装置和全息重放装置中，理论上或技术上难于同时满足各种需求，例如减小装置的尺寸、提高记录密度、增加存储容量、节约光源的功率以及简单化装置结构或装置控制的需求。

本发明就是考虑到上面的问题而提出的。因此，本发明的一个目的是提供一种全息记录装置和全息重放装置，能够提高记录密度和记录容量并适于减小尺寸。

为解决上述问题的本发明的全息记录装置，是一种具有下述部件的全息记录装置：记录光源，用于以包括信号光和参考光的源光进行照射；空间光调制器，设置在信号光的光程上，它被分为多个以矩阵排列的元件块，每个元件块被分为多个以M×N(M，N为不小于2的自然数)的矩阵排列的元件；光学系统，用于将经由空间光调制器的信号光和参考光引入到全息记录介质；以及控制设备，用于控制空间光调制器，按照要记录到全息记录介质上的多个记录信息中的每一个，将一个或多个占据着每个元件块的一部分的元件用作调制单元来调制信号光，其中控制设备控制该空间光调制器，通过使用经调制单元调制的信号光，在全息记录介质上相应于多个元件块的每一个记录区域中，接连地重叠记录多个记录信息，并且调制单元存在于每个元件块中并各自具有不同的元件模式。

根据本发明的全息记录装置，在操作过程中，例如是半导体激光设备的记录光源以例如激光的源光进行照射。源光包括信号光和参考光。这里，例如由液晶设备等等构成的空间光调制器设置在信号光的光程上，并在控制设备的控制下按照要记录的多个记录信息中的每个，基于占据每个元件块的一部分的一个或更多的元件所构成的调制单元，调制该信号光。然后，光学系统将调制信号光和参考光引入到全息记录介质上。结果，由于信号光和参考光之间的干涉，记录信息就作为波面而被记录。

顺便指出，包括在源光中的信号光和参考光通过例如光束分离器的光学系统而互相分离，然后信号光被引入到空间光调制器的，而参考光没有引入到空间光调制器。可选择地，包括在源光中的信号光和参考光不需互相分离即可引入到空间光调制器。在后一种情况下，例如通过采用所谓的“自耦合方法”，从空间光调制器输出的信号光的傅立叶零次分量可用作该参考光。在这种情况下，参考光不需要具有相位信息。

这里，空间光调制器被分为多个以矩阵排列的元件块。而且，元件块被分为多个以M×N的矩阵排列的元件。存在于同一元件块中的多个调制单元的每个都由一个或多个元件构成，每个元件都定义为具有互相不同的元件模式。例如，每个元件块由“5”ד5”元件阵列(M＝N＝5)构成，其中调制单元是由每个元件块中的“4”ד4”或“3”ד3”的元件阵列所构成，每个调制单元都具有互相不同的元件模式。可选择地，例如，每个元件块由“5”ד5”的元件阵列(M＝N＝5)构成，其中调制单元由一个元件构成，每个调制单元具有互相不同的元件模式。

如此构成的可在操作过程中一个元件接着一个元件地调制的空间光调制器，可在控制设备的控制下，在相对于同一元件块的全息记录介质上的同一记录区域中，接连地叠加记录多个记录信息。

然后，用于叠加并连续地在相应于同一元件块的同一记录区域中记录多个记录信息的操作，为空间光调制器的多个元件块中的每一个同时或接连地执行。例如，这些基于调制单元的连续操作为65×65矩阵的所有元件块同时或接连地执行。

顺便指出，可以将全息记录介质的记录表面面积设置得比信号光相对大些，以便为全息记录介质的一部分执行相应于多个元件块的多个记录区域的记录，然后为全息记录介质的其他部分执行相似的记录。可选择地，在为相应于多个元件块的多个记录区域执行这些记录之后，通过改变信号光的角度或参考光的相位或振幅，可为多个相同的记录区域执行记录。

结果，根据本发明，空间光调制器中的信号光的衍射范围，即零次光与例如1次光、2次光等等的较高次光之间的输出角的差，由元件块的相对较大的间距来定义。为此，相比于由单个元件的相对较小的间距来定义衍射的全息记录装置，衍射范围，即零次光与例如1次光、2次光等等的较高次光之间的输出角的差可明显减小。另一方面，基于包括相同的元件块的多个调制单元所调制的多个记录信息，在相应于同一元件块的同一记录区域中被接连地叠加记录。为此，提高的记录密度几乎与基于单个元件进行记录的情况相同。

这样，根据本发明，可以提高记录密度，并从而提高记录容量，而例如空间光调制器的光学系统或全息记录介质的表面区域可在尺寸上最小化，从而减小整个装置的尺寸和重量。而且，记录光源需要足够相对较弱的强度，从成本等等的角度出发这是非常有利的。另外，与前述的以各种类型的记录进行复用记录的情况相比，可以简单化装置的结构或控制，因为在同一记录区域中接连地叠加执行记录而不需要改变信号光或参考光的光程、相位等等。

根据本发明的全息记录装置的一个方面，空间光调制器并行地为每个元件块执行多个记录信息的记录。

根据这一方面，并行地为每个元件块执行记录使全息记录介质作为分布式的存储器具有优点。

然而，例如，按照光学系统或例如是液晶设备的空间光调制器的尺寸等等，基于每个元件块中的调制单元进行的一系列顺序的记录，可以基于多个不是一个整体的元件块或基于单独的元件块来执行。

在根据本发明的全息记录装置的另一方面，每个调制单元都是由安排在每个元件块中的预定模式中的元件所构成。

根据这一方面，通过基于安排在每个元件块中的预定模式中的元件所构成的每个调制单元调制信号光，来执行记录。为此，如果明模式或光强度分布与每个调制单元或基于每个调制单元所记录的记录信息内容(例如：二进制数中的“0”或“1”，或通过向二进制数中增加一个中间级而获得的多值级)之间的关系，是根据实验、经验、理论或者通过模拟得出的，其中明模式或光强度分布所期望地在相应于每个预定的模式进行的重放过程中获得，那么就在实际重放全息记录介质时为每个调制单元识别记录在每个记录区域中的记录信息，并进一步识别记录信息内容。也就是，能够从全息记录介质中重放记录信息。

在这一方面中，每个调制单元可以由n×m(n为不大于N的自然数，m为不大于M的自然数，且n+m＜N+M)的矩阵排列的元件构成。

在这种设置中，由n×m的矩阵构成的预定模式的每个调制单元是矩形或正方形的，其小于元件块的另一矩形或正方形。为此，明模式与基于调制单元所记录的记录信息内容之间的关系可根据实验、经验、理论或者通过模拟识别出，其中明模式所期望地在相应于该预定模式的重放过程中获得。然后，通过互相叠加矩形或正方形的模式，就能增加可记录在相应于同一元件块的记录区域中的记录信息数量。因此，能够高密度地将记录信息记录在全息记录介质上，并且保证了记录信息的重放。

可选择地，在全息记录装置的另一方面中，每个调制单元都由每个元件块中的单个元件构成。

根据这一方面，通过基于调制单元调制信号光来执行记录，其中每个调制单元都由每个元件块中的单个元件构成。为此，如果明模式或光强度分布与每个调制单元或基于每个调制单元所记录的记录信息内容(例如：二进制数中的“0”或“1”，或通过向二进制数中增加一个中间度值而获得的多值级值)之间的关系，是根据实验、经验、理论或者通过模拟预定的，其中明模式或光强度分布所期望地在相应于每个预定的模式进行的重放过程中获得，那么就在实际重放全息记录介质时为每个调制单元识别记录在每个记录区域中的记录信息，并识别记录信息内容。也就是，能够从全息记录介质中重放记录信息。

在根据本发明的全息记录装置的另一方面，控制设备控制空间光调制器，按照由记录信息所表示的二进制数据，用调制单元进行二进制调制。

根据这一方面，能够高密度地将指示该二进制数据的记录信息记录在全息记录介质上。

可选择地，在根据本发明的全息记录装置的另一方面中，控制设备控制空间光调制器，按照由记录信息所表示的灰度级数据，用调制单元进行多值级调制。

根据这一方面，能够高密度地将指示该灰度级数据的记录信息记录在全息记录介质上。

顺便指出，在根据本发明的全息记录装置的另一方面中，该装置还可具有：光学系统，设置在空间光调制器之前的信号光的光程上，用于放大信号光的直径；以及光学系统，设置在空间光调制器之后的信号光的光程上，用于改变信号光的直径。在这种设置中，独立于相对较小的源光直径，例如半导体激光直径，经过设置在两个光学系统之间的空间光调制器的信号光的直径可按照空间光调制器的大小来控制。因此，可提高由液晶设备构成的空间光调制器的规范灵活性，并且容易地提供具有全息记录装置所需数量的元件的空间光调制器。另外，这些光学系统可以控制信号光的角度等等，或可为角度记录作出改变。

在根据本发明的全息记录装置的另一方面中，下述系统中的至少一个可对同一记录区域执行多重记录，即：通过改变输入到全息记录介质上的信号光的入射角来执行多重记录的角度复用系统，通过改变参考光的相位来执行多重记录的参考光相位复用系统，通过改变参考光的振幅来执行多重记录的参考光振幅复用系统，通过改变参考光的偏振来执行多重记录的参考光多偏振系统，以及通过改变输入到全息记录介质的信号光的焦深来执行多重记录的焦深复用系统。

根据这一方面，向本发明的全息记录装置的记录操作中结合不同的多重记录，可使高密度地执行全息记录成为可能。

为解决上述问题的本发明的全息重放装置是一种用于从以前述的全息记录装置(包括它的各个方面)记录的全息记录介质中多处信息的全息重放装置。该全息重放装置具有：重放光源，用于以参考照明光照射该全息记录介质；感光器，用于接收基于重放照明光的来自该全息记录介质的与同一元件块相应的同一记录区域的重放光；以及读设备，用于基于接收的重放光，读取叠加地记录在同一记录区域上的多个记录信息。

根据本发明的全息重放装置，在操作过程中，例如是半导体激光的重放光源使用例如是激光的重放照明光进行照射。然后，包括光电二极管阵列、CCD(电荷耦合设备)等等的感光器接收重放光，其中该重放光是基于该重放照明光的，并且从与全息记录介质的同一元件块相应的同一记录区域中获得。然后，优选地，感光器所接收的重放光为一些或所有的元件块同时执行操作。这里的“重放光”指的是零次光或例如1次光的较高次光，它们是在用与用于记录的参考光相应的重放照明光照射全息记录介质时产生的。然后基于感光器所接收的重放光，读设备读取叠加记录在同一记录区域中的多个记录信息。更特别地，基于重放光，在同一记录区域中叠加地记录的调制单元被识别出来，并且为每个调制单元所记录的记录信息的内容也被识别出来。然后，优选地为与一些或所有元件块相应的全息记录介质的一些或所有记录区域，由读设备同时地执行对调制单元和记录信息内容的识别。从而，高密度记录在全息记录介质上的每个记录信息都能重放出来。

在根据本发明的全息重放装置的一个方面中，感光器同时接收与叠加记录在同一记录区域中的多个记录信息相应的重放光，而读设备基于同时接收的重放光，同时读取叠加记录在同一记录区域中的多个记录信息。

根据这一方面，记录时在同一记录区域接连地叠加记录的多个记录信息在重放时可同时读取，其中该同一记录区域与同一元件块相应，这使快速读取操作得以执行。

在根据本发明的全息记录装置的另一方面中，读设备并行地从相应于多个元件块的多个记录区域中读取多个记录信息。

根据这一方面，同时或并行地对全息记录介质上的多个记录区域执行重放，可有效地利用作为分布式存储器的全息记录介质的优点。然而，按照例如光电二极管的感光器的尺寸或光线系统的尺寸，可为一组记录区域或单个的记录区域执行连续地重放。

在根据本发明的全息重放装置的另一方面中，读设备检测来自同一记录区域的接收重放光的暗部分或明部分的重心，并基于所检测的重心，读取以同一元件块的调制单元来调制的多个记录信息。

根据这一方面，通过预先识别用于与每个元件块相应的每个记录区域的重放光的重心和每个元件块中的每个调制单元以及所记录的记录信息的内容之间的关系，并通过在重放时单独使用该重心或使用接收的重放光的明模式与光强度分布等等的组合，高密度地读取记录信息。

在根据本发明的全息重放装置的另一方面中，读设备检测包括在接收的重放光中并且与同一记录区域中的一个预定区域相应的明部分，并基于所检测的明部分读出记录信息。

根据这一方面，在重放过程中，基于明部分(例如，明部分的明模式、光强度分布、暗或明部分的重心)，通过识别来自与元件块相应的记录区域中的预定区域(例如四个角)的明部分，和元件块中的每个调制单元以及记录的记录信息的内容之间的关系，以高密度读取记录信息。

在根据本发明的全息重放装置的另一方面中，读设备检测从同一记录区域接收的重放光的明暗模式，并基于所检测的明暗模式，读取以同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

根据这一方面，在重放过程中，通过预先识别用于与元件块相应的记录区域的重放光的重心，和每个元件块中的每个调制单元以及所记录的记录信息的内容之间的关系，高密度地读取记录信息。

在根据本发明的全息重放装置的另一方面中，读设备检测从同一记录区域接收的重放光的强度分布，并基于所检测的强度分布，读取以同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

根据这一方面，在重放过程中，通过预先识别与元件块相应的记录区域的强度分布，和每个元件块中的每个调制单元以及所记录的记录信息的内容，基于该强度分布高密度地读取记录信息。

在这一方面中，记录信息指示受到多值级调制的灰度级数据，并且读设备基于所检测的强度分布读取该灰度级数据。

在这种设置中，使用重放光的强度分布使得对指示灰度级数据的记录信息的重放得以执行。结果，能够进一步提高记录密度。

在根据本发明的全息重放装置的另一方面中，读设备检测从同一记录区域接收的重放光的总量，并基于所检测的总量，读取以同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

根据这一方面，在重放过程中，可单独基于光的总量或基于接收的重放光的明模式、光强度分布等等的组合，通过预先识别与元件块相应的记录区域的重放光的总量，和每个元件块中的每个调制单元以及所记录的记录信息的内容之间的关系，以高密度读取记录信息。

本发明的上述效果和其它优点将通过下面的解释变得更加显见。

附图说明

图1是示出本发明的全息记录装置的第一实施例的整体配置的框图。

图2是示意性地示出在第一实施例中使用的空间光调制器的透视图。

图3包括：一个比较例中的空间光调制器的示意性平面图(图3(a))，它的局部剖视图(图3(b))，以及示出该比较例中的全息记录介质上的衍射光与全息记录介质所需的大小之间的关系的示意性剖面图(图3(c))。

图4包括：在第一实施例中的空间光调制器的示意性平面图(图4(a))，它的局部剖视图(图4(b))，以及示出该第一实施例中的全息记录介质上的衍射光与全息记录介质所需的大小之间的关系的示意性剖面图(图4(c))。

图5是示出第一实施例中的空间光调制器的元件块结构以及在一个元件块中的元件结构的示意性平面图。

图6是示出相应于第一实施例中的相同元件块，在全息记录介质的相同记录区域进行第一次记录的调制单元的示意性平面图。

图7是示出相应于第一实施例中的相同元件块，在全息记录介质的相同记录区域进行第二次记录的调制单元的示意性平面图。

图8是示出相应于第一实施例中的相同元件块，在全息记录介质的相同记录区域进行第三次记录的调制单元的示意性平面图。

图9是示出相应于第一实施例中的相同元件块，在全息记录介质的相同记录区域进行第四次记录的调制单元的示意性平面图。

图10是一个元件块的示意性平面图，它示出了该元件块中的四个角上的明暗模式。

图11是示出在第一实施例中每个元件块可记录的16种明暗模式的视图。

图12是一个元件块的示意性平面图，它示出了第二实施例中的元件块、调制单元以及以箭头表示的与每个元件相关的调制单元序号。

图13是示出在第二实施例中可记录的42中明暗模式的视图。

图14是相应于第三实施例中的相同元件块，在全息记录介质的相同记录区域进行第一次记录的调制单元的示意性平面图。

图15是示出在第三实施例中第五次记录时的调制单元的示意性平面图。

图16是示出本发明的全息重放装置的一个实例的整体配置的框图。

具体实施方式

现在，参考附图解释本发明的实施例。

(全息记录装置的第一实施例)

将参考图1至图11讨论本发明的全息记录装置的第一实施例。

首先，参考图1和图2，讨论本发明的全息记录装置的整体配置。图1示出了本发明的全息记录装置的整体配置。图2示意性并透视地示出了在该实施例中使用的空间光调制器。

如图1所示，第一实施例的全息记录装置100具有：激光设备11，作为光源的一个实例，用于发出由激光构成的源光L0；光束分离器12，作为光学系统的一个实例，用于将源光L0分离为信号光L1和参考光L2；透镜13，作为光学系统的一个实例，用于放大信号光L1的直径；透镜14，例如是准直器透镜，用于使从透镜13输出的信号光L1平行；空间光调制器15，用于相应于要被记录的记录信号，将从透镜14输出的信号光L1进行调制(傅立叶变换)并将经调制的光作为调制信号光L3输出；以及透镜16，作为光学系统的一个实例，用于改变信号光L3的直径并将其输出到全息记录介质200上。

全息记录装置还具有：反射镜17，作为光学系统的一个实例，用于将由光束分离器12分离的参考光L2引到全息记录介质200上的一个位置，该位置与相对于参考光L2的信号光L3的聚焦位置是相同的。

如图2所示，空间光调制器15可由液晶设备构成，并被分为以矩阵排列的多个元件块151。每个元件块151被分为以一个M×N(M和N的每一个都是不小于2的自然数)的矩阵排列的多个元件152。一个元件接着一个元件地(即以元件152为单位)执行调制。顺便指出，在图2中，元件块151的一个实例以交叉的阴影线所描绘的元件152来示出。例如，如果空间光调制器15是一个有源矩阵型LCD，那么多个元件152就响应于排列在一个二维矩阵中的多个像素电极来定义。例如，空间光调制器15由多个矩形或正方形的元件152构成。每个元件块151由一部分元件152来定义，该部分也是正方形或矩形的。例如，一个元件块151由5×5矩阵的元件构成。如果将信号光L1输入到空间光调制器15，由于是按照元件块151的大小进行衍射的，那么调制器15就输出由调制的衍射光构成的信号光L3，其中该衍射光包括零次衍射光L3-0以及例如一次衍射光L3-1、二次衍射光L3-2等等的较高次衍射光。

再回到图1，该全息记录装置100还具有控制设备18，用于控制空间光调制器15，以便按照要记录在全息记录介质200上的多个记录信息中的每一个，通过占据着空间光调制器15的每个元件块151一部分的元件152的调制单元，对信号光L1进行调制。

接着，参考图3和图4讨论第一实施例的记录原理。图3(a)示出了在一个比较例中的空间光调制器中，元件间距p’和明暗模式最短间距P的示意性平面图。图3(b)示意性示出了在该比较例中的空间光调制器15’的局部剖视图，它示出了最短间距P和1次光L3-1的输出角θ之间的关系。图3(c)示出了在该比较例中的全息记录介质200’的示意性平面图，它示出了全息记录介质200’所需的大小与在该全息记录介质200’的零次光L3-0和1次光L3-1之间的关系。另一方面，图4(a)示出了第一实施例中的空间光调制器15的示意性平面图，它示出了在元件块151中叠加定义的多个调制单元153，并示出了元件间距p’和明暗模式最短间距P。图4(b)示意性地示出了第一实施例中的空间光调制器15的局部剖视图，它示出了最短间距P和1次光L3-1的输出角θ之间的关系。图4(c)示出了第一实施例中的全息记录介质200的示意性平面图，它示出了全息记录介质200所需的大小与该全息记录介质200上的零次光L3-0以及1次光L3-1之间的关系。

如图3(a)所示，在比较例的空间光调制器15’中，按照要记录的记录信息为每个元件152执行调制。也就是，元件152’实际上作为可调制的最小单元，直接用于调制单元。如图3(b)所示，在如此构造的空间光调制器15’中，由于定义了衍射范围的明暗模式最短间距P相对较小，因此经衍射的1次光L3-1的输出角(衍射角)θ就相对较大。为此，如图3(c)所示，为了将来自空间光调制器15’的零次光L3-0和1次光L3-1用于全息记录，全息记录介质200’自身的大小就需要扩大，其中该零次光L3-0和1次光L3-1构成信号光L3。

更特别地，由于输出角θ是由公式sinθ＝λ/P(其中λ＝信号光L1的波长)定义的，因此当明暗模式最小间距P变小时角θ就会变大。响应于此，零次光L3-0和1次光L3-1之间的距离d由公式d＝f·tanθ(其中f＝焦距)来定义，从而当输出角θ变大时距离d就会变长。因此，在该比较例中，由于明暗模式最短间距P小，距离d就会变长。例如，距离d变为大约1mm。

顺便指出，在该比较例中，只将从空间光调制器15’中产生的四个1次光L3-1中的一个用作1次光L3-1。

相反，如图4(a)所示，在第一实施例的空间光调制器15中，不按照要记录的记录信息为每个元件152进行调制。而是，按照要记录的信息，将元件152所组成的每个组作为一个调制单元执行另一种调制方法，其中这些组是在多个元件152所构成的元件块151中定义的并且小于元件块151。在图4(a)中，描述了两个调制单元153，一个以元件块151的左上角的实线示出，另一个以元件块151的右下角的的虚线示出。实际上，在同一元件块151的右上角和左下角都存在着另外的调制单元，随后将进行描述。也就是，不基于实际上是可调制的最小单元的元件152作为调制单元来执行调制，而是基于元件组作为调制单元来执行调制，而调制单元153在同一元件块151中逐渐移动。如图4(b)所示，在如此构造的空间光调制器15中，由于定义了衍射范围的明暗模式最短间距P相对较大，因此经衍射的1次光L3-1的输出角(衍射角)θ就相对较小。为此，如图4(c)所示，为了将来自空间光调制器15的零次光L3-0和1次光L3-1用于全息记录，全息记录介质200自身的大小就不需要扩大为在图3所示的比较例中所见的那样，其中该零次光L3-0和1次光L3-1构成信号光L3。例如，距离d变为大约20-100μm。

更特别地，与上述比较例相似，由于明暗模式最短间距P随元件块的大小与元件大小的比值成比例地变大，所以由公式sinθ＝λ/P定义的输出角θ就变小。响应于此，与上述比较例相似，由于输出角θ变小，所以由公式d＝f·tanθ定义的零次光L3-0和1次光L3-1之间的距离就变短。因此，在该实施例中，由于调制单元比比较例的调制单元大，就可使距离d变短。

顺便指出，在该第一实施例中，只将从空间光调制器中产生的四个1次光L3-1中的一个用作1次光L3-1。

如图3和图4所示，在第一实施例中，可在小于比较例的记录区域上执行全息记录。而且，如下所解释的，即使记录区域较小，可记录的信息量也几乎与比较例的相同。

参考图5至图9描述获得高密度记录的第一实施例的记录原理和记录操作。这里，图5示出了一个示意性平面图，它描述了第一实施例中的空间光调制器15的元件块151的结构以及一个元件块11中的元件152的结构。图6示出了一个示意性平面图，它描述了相应于同一元件块151，向全息记录介质200的同一记录区域中执行第一次记录的调制单元153。图7的示意性平面图示出了相应于同一元件块151，向全息记录介质200的同一记录区域执行第二次记录的调制单元153。图8的示意性平面图示出了相应于同一元件块151，向全息记录介质200的同一记录区域执行第三次记录的调制单元153。图9的示意性平面图示出了相应于同一元件块151，向全息记录介质200的同一记录区域执行第四次记录的调制单元153。

如图5所示，在该实施例中，例如空间光调制器15可包括65×65矩阵的元件块151。例如，每个元件块151都可包括5×5矩阵的元件152。

如图6所示，为了相应于每个元件块151向全息记录介质200的每个记录区域上执行第一次记录，基于由图中每个元件块151的左上角的阴影线部分示出的4×4矩阵的元件152所构成的调制单元153执行调制。也就是，为每个调制单元153，按照指示二进制数据0或1的记录信息来执行调制。然后，由于经如上调制的信号光L3与参考光L2的干涉，来执行对全息记录介质200的记录(见图1)。

接着，如图7所示，为了执行第二次记录，基于由图中每个元件块151的右上角的阴影线部分示出的4×4矩阵的元件152所构成的调制单元153执行调制。也就是，为每个调制单元153，按照指示二进制数据0或1的记录信息来执行调制。然后，由于经如上调制的信号光L3与参考光L2的干涉，对与执行第一次记录的全息记录介质200相同的记录区域执行记录。

接着，如图8所示，为了执行第三次记录，基于由图中每个元件块151的左下角的阴影线部分示出的4×4矩阵的元件152所构成的调制单元153执行调制。也就是，为每个调制单元153，按照指示二进制数据0或1的记录信息来执行调制。然后，由于经如上调制的信号光L3与参考光L2的干涉，对与执行第一次和第二次记录的全息记录介质200相同的记录区域来执行记录。

接着，如图9所示，为了执行第四次记录，基于由图中每个元件块151的右下角的阴影线部分示出的4×4矩阵的元件152所构成的调制单元153执行调制。也就是，为每个调制单元153，按照指示二进制数据0或1的记录信息来执行调制。然后，由于经如上调制的信号光L3与参考光L2的干涉，对与执行第一次至第三次记录的全息记录介质200相同的记录区域来执行记录。

参考图10和图11进一步解释第一实施例的记录原理和记录操作。图10示出了一个元件块的示意性平面图，它描述了一个元件块中四个角上的明暗模式。图11示出了用于每个元件块的16种明暗模式，它们可在第一实施例中被记录。

如图6至图9，尽管相应于同一元件块151对记录区域叠加地执行第一次至第四次的记录，但不对位于每个元件块151的四个角的元件152c叠加地执行第一次至第四次的记录。因此，集中通过四个角处的元件152c所记录的信息，第一次至第四次中任何一次所记录的记录信息都会相互识别出来，并且能同时作为记录信息重放出来。

可选择地，如图11所示，如果基于同一元件块151中的四个调制单元153叠加地执行记录，就能记录16种明暗模式。然而，如图所示，这些模式互相之间皆不相同。为此，如果识别了这16种明暗模式，就能识别叠加地记录四次的记录信息的组合。也就是，可以识别哪次记录的记录信息与哪个值(“明”或“暗”，“0”或“1”)相应。因此，即使相应于同一元件块151对记录区域叠加地执行记录，所记录的信息也能在随后提及的全息重放装置所执行的重放过程中，作为记录信息被重放出来。

例如，在图11的明暗模式PAT#1的情况下，第一次记录所记录的记录信息的值为“1”(暗)，第二次至第四次记录所记录的记录信息的值都为“0”(明)。在图11的明暗模式PAT#2的情况下，第一次记录所记录的记录信息的值为“0”(明)，第二次记录所记录的记录信息的值为“1”(暗)，第三次和第四次记录所记录的记录信息的值都为“0”(明)。而且，在图11的明暗模式PAT#16的情况下，第一次记录所记录的记录信息的值为“1”(暗)，第二次记录所记录的记录信息的值为“1”(暗)，第三次记录所记录的记录信息的值为“0”(明)，而第四次记录所记录的记录信息为“1”(暗)。

如果明暗模式和每个记录信息值的组合是根据实验、经验、理论或者通过模拟得出的，例如如果产生对应表并将其存储在存储器中，那么就可以由随后提及的全息重放装置更加快速并容易地进行重放。

顺便提及，由于实际记录在全息记录介质200上的干涉模式是基于经由傅立叶变换的信号光和参考光的，所以在重放时该模式就会导致图8所示的一个明模式，并具有一个更加复杂的模式。然而，在随后提及的全息重放装置中，检测具有与空间光调制器15相同的明暗模式的重放光，因此不需要特别考虑记录在全息记录介质200上的干涉模式自身。

另外，在图11中，暗部分的重心位置400以用于每个明暗模式的圆圈独立地表示。这些重心位置400通常在模式之间不同。为此，甚至通过这些重心位置400也能识别一部分四次记录的记录信息值。如果在至少由前述的明暗模式识别记录信息的内容的情况下，关于重心位置400的位置信息是冗余的或是次要的，那么就执行更精确的重放。相似的，完全判断记录的位置、明亮度等等，就可以执行更精确的重放。

接着，参考图1至图11，解释在如此构造的该实施例中全息记录装置100的记录操作。

在操作过程中，激光设备11用源光L0进行照射，光束分离器12将源光L0分离成信号光L1和参考光L2。然后，由透镜13和14将信号光L1的直径调整为适合于空间光调制器15之后，信号光L1进入空间光调制器15。然后，空间光调制器15在控制设备18的控制下，按照要被记录的多个记录信息中的每一个，通过在每个元件块151中由4×4矩阵排列的元件152所构成的调制单元153(见图6至图9)，调制该信号光L1。然后，调制信号光L3聚集在透镜16。然后全息记录介质200的记录区域上带有经调制的信号光L3和反射镜反射的参考光。然后，这些光互相干涉，以便将记录信息作为波面而全息地记录在该全息记录介质上。这种记录操作相应于相同的元件块151，基于四个调制单元153对全息记录介质200的同一记录区域叠加地重复四次(见图6至图9)。在这种情况下，同时为65×65矩阵排列的所有元件块151执行记录。为所有的元件块151同时执行的记录并行地重复四次。

结果，对同一记录区域来说，执行与图11所示的任何一种明暗模式相应的记录。然后，由于为所有的元件块151同时地执行这种全息记录，因此就能执行四次同时记录4位的65×65的记录信息。这样，在该第一实施例中，分布式存储器的优点完全反映出来。

在这种记录操作中，如图4所示，由于1次光或更高次光的输出角θ相对较小，并且记录区域中的1次光或更高次光与零次光之间的距离d较短，所以就可以在一个相对较小的记录区域中执行这种全息记录。因此，例如，激光设备11所需的激光功率就能降低，这一点实际上从成本等等的角度讲是非常有利的。而且，即使多个记录信息叠加地记录在同一记录区域，也能由随后解释的全息重放装置执行高准确度的重放。

结果，与图3所示的比较例相比，记录密度能够提高而记录区域变得更小。因此，能够提高记录容量，并且整个装置的尺寸也会减小且重量更轻。

特别是在该第一实施例中，空间光调制器15在控制设备18的控制下，按照由记录信息所表示的二进制数据为每个调制单元153执行二进制调制。从而，指示二进制数据的记录信息能够高密度地记录在全息记录介质200上。然而，在该实施例中，空间光调制器15可以在控制设备18的控制下，按照由记录信息所指示的灰度级数据为每个调制单元153执行多值级调制。从而，指示灰度级数据的记录信息能够高密度地记录在全息记录介质200上。

顺便指出，用于全息记录介质的材料可以是公知的无机材料或有机材料(聚合体材料)。而且，全息记录介质可以是卡片型的介质或盘型的介质。

(全息记录装置的第二实施例)

参考图12和13讨论根据本发明的全息记录装置的第二实施例。图12在一个元件块的示意性平面图中示出了第二实施例中的元件块、调制单元以及以箭头表示的与每个元件相关的调制单元序号。图13示出了在第二实施例中，为每个元件块可记录的多种明暗模式中的42种明暗模式。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于，空间光调制器15的元件块151中所定义的调制单元153的配置。其它部分的结构与第一

实施例相同。

如图12所示，在该第二实施例中，为以5×5矩阵的元件152所构成的元件块151定义一个以3×3矩阵的元件152所构成的调制单元153’。在这种情况下，在同一元件块151中，存在着9种调制单元153’。

因此，如图13所示，组合这9种调制单元153’，为与同一元件块151相应的同一记录区域叠加地执行9次记录，以便全息地记录包括42种明暗模式的任意一种明暗模式。

由于这些明暗模式对于涉及9次记录的记录信息的组合来说也是唯一的，所以就能通过随后提及的全息重放装置对这些明暗模式所进行的识别，来识别所有记录信息的内容。也就是，所有被全息记录的记录信息都能被重放出来。

再回到图12，用于每个元件152的调制单元1513以箭头方向的序号来表示。调制单元151的序号#1、#2、#3等等相应于在一条从上到下的直线上从左到右排列的调制单元153，不断地给出。例如，基于第一调制单元153(#1)而记录的记录信息的值，可通过左上角的元件152是明是暗来识别，基于第三调制单元153(#3)而记录的记录信息的值，可通过右上角的元件152是明是暗来识别，基于第七调制单元(#7)而记录的记录信息的值，可通过左下角的元件152是明是暗来识别，以及基于第九调制单元153(#9)而记录的记录信息的值，可通过右下角的元件152是明是暗来识别。而且，基于第二(#2)、第四(#4)、第六(#6)和第八(#8)调制单元153而记录的记录信息，可通过在这四个角附近增加部分来识别。而且，基于第五调制单元153(#5)而记录的记录信息可通过在元件块151的中心增加一个元件152来识别。而且，在图12中，用于每个元件的调制单元153’的总数由相应于每个元件位置的阶梯式的线600来表示。

这样，通过基于一个元件块151中的9种调制单元153’来叠加地执行9次调制，可以相应于该元件块151在全息记录介质200的记录区域中记录9位数据。

另外，不使用调制单元153来执行记录，因为调制单元153使识别明暗模式变得相对困难或使高精确度地进行重放变得困难。例如，如果预定了不使用第五调制单元153(#5)(即元件块151的中央调制单元)执行记录，那么9种明暗模式，(1)基于第一(#1)、第二(#2)和第四(#4)调制单元153的记录，(2)基于第一(#1)、第二(#2)、第三(#3)、第四(#4)和第六(#6)调制单元153的记录，(3)基于第二(#2)、第三(#3)和第六(#6)调制单元153的记录，(4)基于第一(#1)、第二(#2)、第四(#4)、第七(#7)和第八(#8)调制单元153的记录，(5)基于第一(#1)、第二(#2)、第四(#4)、第六(#6)、第七(#7)、第八(#8)和第九(#9)调制单元153的记录等等，都可在元件块151的中心周围以3×3矩阵所构成的元件部分中获得，以使高精确度重放得以执行。

如图11和12所示，对与同一元件块151相应的同一记录区域叠加地执行第一次至第九次的记录，以便记录包括42种明暗模式的任意一种明暗模式。为此，如果在重放中可识别相应的明暗模式，那么就能识别9次记录的记录信息的相应组合，并且能识别记录信息的相应值(“明”或“暗”，“0”或“1”)。因此，即使在相应于同一元件块的同一记录区域上叠加地执行记录，也能在随后提及的全息重放装置执行的重放过程中，同时将其重放为记录信息。

可选择地，在不执行前述第五次记录的情况下，在相应于同一元件块151的同一记录区域上叠加地执行第一至第四次和第六至第九次记录，以便记录9个明暗模式中的任一个。为此，如果从9个模式中识别出相应的模式，那么就能在8次叠加记录所记录的记录信息中识别出相应的组合，也能识别出记录信息的相应值(“明”或“暗”，“0”或“1”)。

顺便指出，在第二实施例中在相应于同一元件块151的同一记录区域上优选地为所有的元件块151执行记录，与第一实施例相似，以便为所有的元件块151同时执行的记录并行地执行9次。

(全息记录装置的第三实施例)

参考图14和图15讨论根据本发明的全息记录装置的第三实施例。图14示出了调制单元153”的示意性平面图，在该第三实施例中用于在与空间光调制器15的元件块151相应的全息记录介质200的同一记录区域中，进行第一次记录。图15示出了用于在第三实施例中的第五次记录的调制元件153”的示意性平面图。

第三实施例与第一实施例的不同之处在于定义在空间光调制器15的元件块151中的调制单元153”的配置。其他部分的结构与第一实施例相同。

如图14和15所示，在第三实施例中，由一个元件152构成的调制单元153”，是为以5×5矩阵的元件152所构成的元件块151来定义的。在这种情况下，25种调制单元153”存在于同一元件块151中。

这样，即使在调制单元是由单个元件152构成的情况下，基于同一元件块151中的调制单元153”所执行的记录，在相应于同一元件块的同一记录区域中也要执行25次，以便以提高的记录密度执行适当的重放。

顺便指出，在第三实施例中，类似于第一实施例，优选地在相应于同一元件块151的同一记录区域中为所有的元件块151同时执行记录，以便为所有的元件块151同时执行的记录并行地执行25次。

(全息记录装置的变形)

顺便指出，在上述的每个实施例中，可以结合一种角度复用类型系统，用于以信号光L1的不同入射角对全息记录介质200执行多重记录。在这种情况下，例如，激光设备11或例如透镜13、14和16的其他光学组件的角可以改变，或者可以增加一个用于角度改变的附加光学组件，或者，为了改变该入射角可以增加一个用于改变全息记录介质200的角度的机械组件，以便在同一记录区域中为每个入射角叠加地执行与上述记录相似的全息记录。

代替这种角度复用类型系统或除其之外，可以采用一种参考光相位复用类型系统，用于以参考光L2的不同相位执行复用记录。在这种情况下，例如，可在参考光L2的光程上设置一个用于改变相位的光学组件，以便在同一记录区域中为每个相位叠加地执行与上述记录相似的全息记录。

而且，代替这些多类型系统或除它们之外，可以采用一种参考光振幅复用类型系统，用于以参考光L2的不同振幅执行多重记录。在这种情况下，例如，为了改变参考光L2的振幅，可在参考光L2的光程上设置一个用于改变振幅的光学组件，以便在同一记录区域中为每个振幅叠加地执行与上述记录相似的全息记录。

而且，代替这些多类型系统或除它们之外，可以采用一种参考光偏振复用类型系统，用于以参考光L2的不同偏振执行复用记录。在这种情况下，例如，为了改变参考光L2的偏振，可在参考光L2的光程上设置一个用于改变偏振的光学组件，以便在同一记录区域中为每个偏振叠加地执行与上述记录相似的全息记录。

而且，代替这些多类型系统或除它们之外，可以采用一种焦深复用类型系统，用于以信号光L3的不同焦深执行复用记录。在这种情况下，例如，可以改变激光设备11或例如透镜13、14和16的其他光学组件的位置，或增加一个用于改变焦距的光学组件或者一个用于改变全息记录介质200的位置的机械组件，以便在同一记录区域中为每个焦深叠加地执行与上述记录相似的全息记录。

根据这些变形，与上述的每个实施例相比，可执行更高密度的全息记录。

(全息重放装置的实施例)

参考图16讨论根据本发明的全息重放装置的实施例。图16示出了该实施例中的全息重放装置的整体配置。

在该实施例中的全息重放装置300用于从全息记录介质200中读出记录信息，其中该记录信息是由前述实施例的全息记录装置100进行记录的。

如图16所示，全息重放装置300具有：激光设备21，作为例如半导体激光器的重放光源的一个实例，用于将重放照明光L10照射到全息重放介质200上；反射镜22和23，用于将重放照明光L10引入到全息记录介质200上；透镜24，用于基于该重放照明光聚集重放光L11；感光器25，用于接收经过透镜24的重放光L11；以及读设备26，用于基于所接收的重放光L11，读取叠加记录在全息记录介质200上的多个记录信息。

感光器25可以包括光电二极管阵列和CCD(电荷耦合设备)等等。

读设备优选地将一个表存储在存储器中，该表示出了如图10至13所示的明暗模式、调制单元153(或153’、153”)以及基于该调制单元调制的每个记录信息的值与明暗模式之间的关系。然后，通过识别所接收的重放光L11的明暗模式，并参考该表，从而识别相应于所识别的明暗模式的记录信息，以便读取每个记录信息。因此，可以同时读出多次叠加记录的多个记录信息。

接着，将讨论根据本发明的全息重放装置的操作。

在图16中，在操作过程中，激光设备21以通过反射镜22和23的重放照明光L10来照射全息记录介质200。然后，感光器25接收基于用于全息记录介质200的重放照明光L10而产生的重放光L11。这里重放光L11可以是零次光或例如一次光的较高次光，其中该较高次光是当用相应于记录的参考光的重放照明光L10照射全息记录介质200时而产生的。按照全息记录的特征，重放光L11具有与图1所示的调制信号光L3相同的明暗模式。

接着，读设备26可以基于感光器所接收的重放光L11参考前述的表，从而识别叠加记录在同一记录区域中的每个调制单元153(153’、153”)，并识别为每个调制单元所记录的记录信息的内容(即二进制数据值或灰度级数据值)。因此，高密度记录在全息记录介质200上的每个记录信息都能重放出来。

优选地，为全息记录介质200的所有记录区域同时执行对相同记录区域的每个记录信息的重放。因此，有效地获得了全息记录介质200作为分布式存储器的优点。

顺便指出，在该实施例的全息重放装置300中，读设备26可以检测重放光L11的暗部分或明部分的重心位置，或检测全部光量，并以此为基础读出记录信息。在这种设置中，根据参考图11等等所解释的本发明的记录原理，与只由重放模式执行的信息重放相比，有效地提高了重放精确度。可选择地，读设备26可以从预定区域，例如元件块的四个角中检测明部分，并以此为基础读出记录信息。在这种设置中，根据参考图10等等所解释的本发明的记录原理，有效地提高了重放精确度。

而且，读设备26可以检测重放光L11的亮度分布，并以此为基础读出记录信息。在这种设置中，根据参考图12等等所解释的本发明的记录原理，有效地提高了重放精确度。可选择地，可以记录并重放灰度级数据。

如上所讨论的，根据本发明的全息记录装置和全息重放装置，能够提高记录密度和记录容量，并适合于缩小尺寸。特别地，能够节约光源的功率并能简单化装置的结构和装置的控制。

本发明不限制于前述的实施例，在不背离从整个说明书和权利要求所阅知的实质和精神的范围内，可以作出适当改变。这种改变或变形的全息记录装置和重放装置，都将包含在本发明的技术范围内。

工业实用性

根据本发明的全息记录装置和全息重放装置，可适于各种以信号光照射可缩小的全息记录介质从而以高密度记录大量信息的记录装置，其中该信息包括例如视频信息和音频信息的各种内容信息、用于计算机的各种数据信息、控制信息等等，并适于各种以重放光照射可缩小的全息记录介质从而以高密度重放所记录的大量信息的重放装置。

Claims (17)

1、一种全息记录装置，包括：

记录光源，用以包括信号光和参考光的源光进行照射；

空间光调制器，设置在信号光的光程上，它被分为多个以矩阵排列的元件块，每个元件块被分为多个以M×N(M，N为不小于2的自然数)的矩阵排列的元件；

光学系统，用于将经由该空间光调制器的信号光和参考光引入到全息记录介质；以及

控制设备，用于控制空间光调制器，按照要记录到全息记录介质上的多个记录信息中的每一个，将一个或多个占据着每个元件块的一部分的元件用作调制单元来调制信号光，其中

控制设备控制该空间光调制器，通过使用经调制单元调制的信号光，在全息记录介质上相应于多个元件块的多个记录区域的每一个中，接连地重叠记录多个记录信息，并且调制单元存在于每个元件块中并各自具有不同的元件模式。

2、根据权利要求1的全息记录装置，其中空间光调制器为每个元件块并行地执行多个记录信息的记录。

3、根据权利要求1的全息记录装置，其中每个调制单元是由每个元件块中以预定模式安排的元件构成。

4、根据权利要求3的全息记录装置，其中每个调制单元由n×m(n为不大于N的自然数，m为不大于M的自然数，且n+m＜N+M)的矩阵排列的元件构成。

5、根据权利要求1的全息记录装置，其中每个调制单元由每个元件块中的单个元件构成。

6、根据权利要求1的全息记录装置，其中控制设备控制空间光调制器，按照由记录信息所表示的二进制数据，用调制单元进行二进制调制。

7、根据权利要求1的全息记录装置，其中控制设备控制空间光调制器，按照由记录信息所表示的灰度级数据，用调制单元进行多值级调制。

8、根据权利要求1的全息记录装置，其中下述系统中的至少一个可对同一记录区域执行多重记录，即：通过改变输入到全息记录介质上的信号光的入射角来执行多重记录的角度复用系统，通过改变参考光的相位来执行多重记录的参考光相位复用系统，通过改变参考光的振幅来执行多重记录的参考光振幅复用系统，通过改变参考光的偏振来执行多重记录的参考光多偏振系统，以及通过改变输入到全息记录介质的信号光的焦深来执行多重记录的焦深复用系统。

9、一种全息重放装置，用于从根据权利要求1的全息记录装置所记录的全息记录介质中读出记录信息，该全息重放装置包括：

重放光源，用于以参考照明光照射该全息记录介质；

感光器，用于接收基于重放照明光的来自该全息记录介质的与同一元件块相应的同一记录区域的重放光；以及

读设备，用于基于接收的重放光，读取叠加地记录在同一记录区域上的多个记录信息。

10、根据权利要求9的全息重放装置，其中

感光器同时接收与叠加记录在同一记录区域中的多个记录信息相应的重放光，并且

读设备基于同时接收的重放光，同时读取叠加记录在同一记录区域中的多个记录信息。

11、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备并行地从相应于多个元件块的多个记录区域中读取多个记录信息。

12、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备检测来自同一记录区域的接收重放光的暗部分或明部分的重心，并基于所检测的重心，读取基于同一元件块的调制单元来调制的多个记录信息。

13、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备检测包括在接收重放光中并且与同一记录区域中的一预定区域相应的明部分，并基于所检测的明部分读出记录信息。

14、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备检测从同一记录区域接收的重放光的明暗模式，并基于所检测的明暗模式，读取基于同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

15、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备检测从同一记录区域接收的重放光的强度分布，并基于所检测的强度分布，读取基于同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

16、根据权利要求15的全息重放装置，其中记录信息指示受到多值级调制的灰度级数据，并且

读设备基于所检测的强度分布读取该灰度级数据。

17、根据权利要求9的全息重放装置，其中读设备检测从同一记录区域接收的重放光的总量，并基于所检测的总量，读取基于同一元件块的调制单元调制的多个记录信息。

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