CN1675597A - 空间光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种空间光调制器，其中多个光调制器单元排列在一个平面中。所述多个光调制器单元被排列成，使得在排列有所述多个光调制器的所述平面上的任意方向上，存在与该多个光调制器单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。

Description

空间光调制器
技术领域
本发明涉及一种用于全息图记录和再现装置等的空间光调制器等。
背景技术
体全息记录系统被公知为一种利用全息图原理的数字信息记录系统。该系统的特征是将信息信号在记录介质中记录为折射率的变化。在该系统中，诸如铌酸锂单晶体等的光折射材料用作记录介质。
作为一种全息图记录和再现方法，存在一种利用傅里叶变换的记录和再现方法。
图1示出了一种常规全息图记录和再现装置的示例。在该图中，从激光源11发出的激光12由分束器13分为信号光12A和记录参考光12B。信号光12A的束径由扩束器14放大，并且信号光12A被作为准直光束施加到空间光调制器(SLM)15，如半透明的TFT液晶显示器(LCD)的板等。空间光调制器(SLM)15接收由编码器25转换的记录数据作为电信号，以在一平面上形成亮暗点图案。在经过空间光调制器(SLM)15的过程中，信号光12A被调制得包括数据信号分量。当包括点图案的信号分量的信号光12A经过傅里叶变换透镜16(其布置在一倍焦距“f”处)时，所述点图案的信号分量经受傅里叶变换，并被聚光到记录介质5中。
另一方面，分束器13分出的记录参考光12B由镜18和镜19引至记录介质(体全息图存储器)5中。记录参考光12B与信号光12A的光路在记录介质5内相交，从而形成光干涉图案，以将全部光干涉图案记录为折射率的变化。
如上所述，傅里叶变换透镜根据受到相干准直光照射的图像数据的衍射光形成图像。该图像被转换为焦平面(即，傅里叶面)上的分布，并且作为傅里叶变换结果的所述分布可以与相干参考光发生干涉，以将干涉条纹记录在焦点附近的记录介质上。在完成了对一个数据页(以下也简称为“页”)的记录之后，镜19旋转一预定角度，并且其位置平行地移动一预定量，以使记录参考光12B的入射角相对于记录介质5改变。然后，按相同的过程记录第二页。通过接连地执行这样的记录过程来执行角度多路复用记录(angular multiplexing recording)。
另一方面，在再现操作中，执行傅里叶逆变换以再现点图案图像。在再现数据的过程中，如图1中所示，信号光12A的光路被例如空间光调制器(SLM)15所阻断，并且只有参考光12B施加到记录介质5。在再现过程中，利用镜19的旋转和直线运动的组合来改变和控制镜19的位置和角度，使得记录参考光的入射角变得与记录待再现页的过程中的入射角相同。用于再现所记录的光干涉图案的再现光出现在参考光12B照射的记录介质5的对侧。通过将所述再现光引入傅里叶逆变换透镜16A中以执行傅里叶逆变换，可以再现点图案信号。然后，点图案信号由一倍焦距位置处的光电探测器20(如电荷耦合器件CCD等)来接收，以将点图案信号恢复为电数字数据信号。然后，将该数字数据信号发送到解码器26，以再现原数据。
在利用傅里叶变换的全息图记录过程中，由于空间光调制器15的像素重复，一级衍射光成为由空间光调制器15(如LCD等)来进行傅里叶变换的信号光的最高频分量。
图2是示出常规空间光调制器15的图案的平面图。边长为“a”(μm)的多个方像素排列成矩阵。换句话说，空间光调制器15的像素间距为“a”(μm)。标号6表示入射到空间光调制器15上的入射束。
参照图3，信号光的光轴表示Z方向，而在垂直于信号光的平面上的像素列和行的方向分别表示X和Y方向。当信号光与参考光发生干涉以在记录介质5中进行记录时，XY平面(其平行于傅里叶平面)中以相对于信号光的光轴对称的方式出现空间频谱的光强分布。
利用傅里叶变换全息图的全息图记录具有以下优点：全息图可载入空间受限的空间内；通过利用傅里叶变换按分布方式记录信息；以及可增加记录的冗余度。利用记录平面中的空间频率(fsp)、光的波长(λ)以及傅里叶变换透镜的焦距(F1)，来如下表示傅里叶平面中的零级傅里叶谱与一级傅里叶谱之间的距离(d1)：
d1＝fsp·λ·F1
由于空间光调制器15的像素间距为42μm，所述波长为532nm，所述焦距为165mm，所以根据以上公式，对应的最高频分量的傅里叶谱距(d1)为2.1mm。由此，待记录的信息位于光轴上约±2.1mm的范围内。换句话说，如图3中所示，空间光调制器15中出现的二维数据按两行两列的矩阵分布在xy空间(x，y≤±2d1)上，该二维数据由一级衍射光和零级光组成。
因此，根据由于像素间距而产生的最高频分量，空间光调制器15的傅里叶变换图像中出现峰值。这些峰值本身并不带有任何有意义的数据。若这些峰值出现在这种傅里叶变换图像中，则记录介质的光折射效应在上述峰值位置处变得饱和，从而存在这样的问题：在记录图像中易于出现非线性失真(distortion)。
还存在一种用于使记录介质偏离傅里叶平面以在记录过程中确保动态范围的方法，但是该方法存在记录所需时间变长、信噪比降低以及需要高灵敏记录介质等问题。
鉴于以上问题，本发明所实现的目的包括以上问题的一个示例。换句话说，本发明的一个目的是提供一种高性能的空间光调制器，其能够以高灵敏度和较少的信号失真来进行记录。
发明内容
在根据本发明的空间光调制器中，多个光调制单元排列在一个平面中。所述多个光调制单元被排列成，使得在所述平面中的任意方向上，存在与所述光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。
在根据本发明的空间光调制器中，多个光调制单元排列在一个圆形光调制区中。所述多个光调制单元被排列成，使得在所述光调制区中的任意方向上，存在与所述光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。所述光调制单元的大小沿着所述光调制区的外周方向增大。
根据本发明的空间光调制器具有圆形光调制区。在通过径向且同心地划分所述光调制区而获得的每个区域中布置有一个光调制单元。
附图说明
图1是示出一种常规全息图记录和再现装置的示例的图；
图2是示出常规空间光调制器的图案的平面图，在该图案中，边长为“a”的多个方像素排列成矩阵；
图3是示出频谱的光强的图，该频谱是由于信号光与参考光之间的干涉而出现在与傅里叶平面平行的xy平面中的；
图4是示出利用根据本发明第一实施例的空间光调制器的全息图记录和再现装置的结构的框图；
图5是示出根据本发明第一实施例的空间光调制器中的光调制单元的形状的示意平面图；
图6是图5中所示的空间光调制器的部分放大图；
图7是示出根据本发明第二实施例的空间光调制器的结构的示意平面图；
图8是示出根据本发明另一实施例的具有圆形光调制单元的空间光调制器的结构的示意平面图；以及
图9是示出根据本发明又一实施例的具有矩形光调制单元的空间光调制器的结构的示意平面图。
具体实施方式
以下将参照附图对本发明的实施例进行详细描述。在下述附图中，基本上相同的部分由相同的标号表示。
[第一实施例]
图4是示出利用根据本发明第一实施例的空间光调制器40的全息图记录和再现装置10的结构的框图。
在全息图记录和再现装置10的光学系统10A中，例如，使用用于发射波长为532nm的绿光的固体激光器作为信号光12A和记录参考光12B的光源。激光源11由激光驱动器31来驱动。激光驱动器31由主控制器(CPU)30来控制，主控制器30连接到全息图记录和再现装置10的每个电路模块，以执行对整个装置的控制。更具体来说，包括写入定时信号等的各种控制信号被从主控制器30提供给激光驱动器31，而激光驱动器31基于这些控制信号来驱动激光源11。
从激光源11发出的激光12由分束器13分为信号光12A和记录参考光12B。扩束器14放大信号光12A的束径，并且信号光12A作为准直光入射到空间光调制器(SLM)40上，该空间光调制器(SLM)40包括半透明的TFT液晶显示器(LCD)的板。
按以下方式将多个光调制单元排列在空间光调制器(SLM)40中，即，在一平面中的任意方向上，存在与光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。换句话说，所述多个光调制单元被排列成，使得在与光调制单元的排列相对应的傅里叶面中存在傅里叶频率的至少两个峰值分量。
在该实施例中，如图5的平面图中所示，空间光调制器(SLM)40具有近似与信号光的束径6相内接的圆形光调制区或区域6A。光调制区6A由经过圆心的径向划分线按预定角度(θ)进行划分。光调制区6A还被半径分别为R1、R2、……、Rn的划分线同心地进行划分。每个划分区域对应于一个光调制单元(以下，也称作像素)40A，因此空间光调制器40包括像素Ak，1、Ak，2、……、Ak，n(k＝1，2，……，m)。因而，空间光调制器40包括n×m个像素。
例如，考虑k＝1的情况，如图6的部分放大图所示，每个像素A1，1、A1，2、……、A1，n都被配置为在径向上具有的不同间距。优选的是，没有像素具有相同间距。如果这些像素被配置为使得所述间距的倒数是近似相同的值，那么多个傅里叶谱之间的距离就可均匀地分布。通过按此方式配置空间光调制器40，其中的每个都与每个像素相对应的多个傅里叶谱之间的距离在傅里叶平面中不同，从而可以防止峰值出现在傅里叶变换图像中的特定位置处。
此外，在该实施例中，将高空间频率的像素(即，小像素)排列在中央部分中，而将低空间频率的像素(即，大像素)排列在外缘部分中，以有效地获得透镜上的入射光量。换句话说，每个像素A1，1、A1，2、……、A1，n在径向上的长度L1，j(j＝1、2、……、n)随着该像素趋近外缘部分(随着j增大)而变长。
此外，每个像素A1，1、A1，2、……、A1，n的大小都是根据信号光束的功率密度来确定的。换句话说，当信号光束具有高斯分布的形状时，功率密度在该束的中央部分中高，并且随着趋近于所述束的外缘部分而降低。由此，每个像素的大小被确定为，使得每个像素上入射的光的功率变得基本上相等。每个像素的大小可被确定为，使得每个像素上入射的光的功率比在一预定范围内。
空间光调制器(SLM)40基于要记录的数据信号来形成亮暗图案。更具体来说，编码器25接收包括一维数字信号序列的记录数据信号，以根据以上空间光调制器(SLM)40的像素阵列将所述信号转换为二维数据阵列。此外，编码器25将一纠错码(error correction code)加入二维数据阵列，并产生二维数据信号(单位页序列数据信号)。编码器25配备有SLM驱动器(未示出)。该SLM驱动器基于所述二维数据信号生成驱动信号，以驱动空间光调制器(SLM)40。因此，根据所述二维数据信号，在空间光调制器(SLM)40中形成了二维图案。
当信号光12A透过空间光调制器(SLM)40时，其经受了利用所述图案的光调制。换句话说，空间光调制器40具有与单位页相对应的调制处理单元。空间光调制器40根据来自编码器25的单位页序列数据，逐像素地透过或阻挡所施加的波长为532nm的相干信号束的光，以产生调制信号光束。更具体来说，当单位页序列数据(为电信号)的逻辑值为“1”时，空间光调制器40允许信号束透过，而当该逻辑值为“0”时，截断信号束。由此，根据单位页数据中的每个比特的内容完成了电光转换，因而调制信号光束(信号束)被生成为单位页序列的信号光。
包括记录数据信号的信号光12A，透过布置在一倍焦距“f”处的傅里叶变换透镜16，并且所述图案信号分量经受傅里叶变换，以被聚光到记录介质5中。
另一方面，经由分束器13分出的记录参考光12B由镜18和镜19引至记录介质(体全息图存储器)5中。记录参考光12B与信号光12A的光路在记录介质5内相交，从而形成光干涉图案，以将全部光干涉图案记录为折射率的变化。
如上所述，傅里叶变换透镜根据受到相干光照射并被利用图像数据进行调制的来自空间光调制器的衍射光形成一图像。该图像与相干参考光发生干涉，并且干涉图案被记录在焦点附近的记录介质中。当完成了对一个数据页(以下也简称为“页”)的记录时，记录介质驱动器33将记录介质5的位置平行地移动一预定量，并且按相同的过程来记录第二页。通过接连地如此记录来执行记录过程。
另一方面，在再现过程中，通过执行傅里叶逆变换来再现图像。在再现数据的过程中，例如，如图4中所示，在记录介质驱动器33将记录介质5移动到预定位置处之后，遮光器17或空间光调制器(SLM)40阻断信号光12A的光路，使得只有参考光12B入射到记录介质5中。由此，根据所记录的光干涉图案对再现光进行再现。通过将再现光引至傅里叶逆变换透镜16A中并执行傅里叶逆变换来再现图案信号。然后，在将由诸如电荷耦合器件(CCD)等的光电探测器20接收到的图案信号恢复为电数字数据信号之后，将该数字数据信号发送到解码器26，以再现记录数据。
根据本发明，可以减小由空间光调制器的周期性结构所引起的在傅里叶变换图像中出现的光峰值的强度。由此，可以防止记录介质的光折射效应饱和。因此，可以提供一种高性能的空间光调制器，利用该空间光调制器，很难出现非线性失真，并且高灵敏度地执行全息图记录。
[第二实施例]
图7是示出根据本发明第二实施例的空间光调制器41的结构的示意平面图。空间光调制器41包括透射型TFT液晶显示器(LCD)的板。
如图7的平面图中所示，空间光调制器(SLM)41包括多个光调制单元(像素)41A，每个光调制单元41A具有一圆形形状。该多个像素41A按满足任一以下条件的方式排列在空间光调制器41的平面中：
(1)该多个像素41A排列成，使得像素41A在空间光调制器41平面中的任意线上的空间频率为多个，或者
(2)该多个像素41A具有随机的大小，或者
(3)高空间频率的像素(即，小像素)排列在中央部分中，而低空间频率的像素(即，大像素)排列在外缘部分中。
所述像素可被排列成满足多个以上条件。在该实施例中，所述像素被排列成满足以上条件(1)到(3)中的所有条件。
优选地，每个像素的大小都根据信号光束的功率密度来确定。即，当信号光束密度具有高斯分布的形状时，功率密度在束的中央部分中高，而随着趋近束的外缘部分而降低。由此，每个像素的大小可被确定成，使得各像素上入射的光的功率比在一预定范围内。
图8是示出根据本发明的空间光调制器41的另一实施例的示意平面图。每个光调制单元(像素)41A具有圆形形状，并且每个像素的大小向着光调制区6A的外缘方向增大。
每个像素并不需要是圆形形状。如图9中所示，空间光调制器42可以包括多个矩形像素42A。在该实施例中，该多个像素42A被排列成满足以上条件(1)到(3)中的所有条件。
此外，每个像素并不需要是相同的形状。换句话说，不必使所有像素都具有圆形或矩形的形状，并且可以排列呈随机形状的像素。
根据这种结构，由于减小了傅里叶变换图像中出现的光峰值强度，所以可以防止记录介质的光折射效应变得饱和。因此，可以提供一种高性能的空间光调制器，利用该空间光调制器，很难出现非线性失真，并且可高灵敏度地执行全息图记录。

Claims (6)

1、一种空间光调制器，其中多个光调制单元排列在一个平面中，其特征在于：
所述多个光调制单元被排列成，使得在所述平面中的任意方向上，存在与所述多个光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。
2、一种空间光调制器，其中多个光调制单元排列在一圆形形状的光调制区中，其特征在于：
所述多个光调制单元被排列成，使得在所述光调制区中的任意方向上，存在与所述多个光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期，并且所述光调制单元的大小沿着所述光调制区的外周方向增大。
3、如权利要求2所述的空间光调制器，其特征在于，所述多个光调制单元具有依照高斯分布的形状的面积比，所述高斯分布的峰值点在所述光调制区的中心。
4、一种具有圆形形状的光调制区的空间光调制器，包括：
多个光调制单元，排列在通过沿径向且同心地划分所述光调制区而获得的多个区域中。
5、如权利要求4所述的空间光调制器，其特征在于，所述多个光调制单元被排列成，使得在所述光调制区的径向方向上，存在与所述多个光调制单元的排列相对应的周期性结构的至少两个周期。
6、如权利要求4所述的空间光调制器，其特征在于，所述多个光调制单元具有依照高斯分布的形状的面积比，所述高斯分布的峰值点在所述光调制区的中心。
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