CN1841525A - 全息记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息记录仪，用于通过记录光束与参考光束的干涉而在全息记录介质上记录全息图。该记录仪包括：光源，用于输出相干光以分为记录光束和参考光束；空间光调制器，用于将记录光束调制为表示待记录信息的形式；物镜，用于输出记录光束；和相移掩模，其设置在空间光调制器的光入射表面上。该掩模构造成允许记录光束通过，同时还部分地改变通过该掩模的记录光束的相位。

Description

全息记录仪

技术领域

本发明涉及用于在全息记录介质中记录全息图的全息记录仪。

背景技术

例如JP-A-2002-216359中公开了传统的全息记录仪。这种全息记录仪具有如图4所示的基本结构。具体来说，由激光源(未示出)发射的激光束被分为记录光束S和参考光束R。接着，记录光束S由空间光调制器500A调制成为代表待记录信息的形式，然后在其到达全息记录介质B的记录层91之前，经过中继透镜700A、700B并接着通过物镜700。另一方面，参考光束R被记录电流计反射镜(galvanometer mirror)900和聚光透镜100A、100B导向到全息记录介质B，并与记录光束S在全息记录介质B的记录层91上相交。结果，全息图以由记录光束S和参考光束R引起的干涉条纹的形式记录在记录层91中。

在这样的全息图中记录的数据量(记录量)取决于空间光调制器中有效像素的数量。如果像素间距恒定，则有效像素的数量与总体像素区域的尺寸成比例，而如果总体像素区域的尺寸恒定，则有效像素的数量与像素间距的倒数成比例。因此，为了增加待记录的数据量，简单而言，应该在不改变空间光调制器的像素间距的情况下增大总体像素区域的尺寸，或者在不改变总体像素区域的尺寸的情况下减小像素间距，从而增大空间光调制器中有效像素的数量。

但是，如将在以下段落具体描述的，在传统全息记录仪中存在的问题在于随着空间光调制器500的有效像素数量增大，用于包括例如物镜在内的光学系统的设计条件变得越发苛刻。

在图4的上述光学系统中，在中继透镜700A与700B之间形成傅立叶图像处的平面F(傅立叶平面)上，0级衍射D0出现在光轴上，且±1级衍射D1出现在距光轴距离t的位置处。随着距离t变小，物镜700的张角(即孔径角)也变小，且在光学设计中减小物镜700的有效孔径变得可能。

在另一方面，例如如图5所示，可能存在这样的情况，其中在不改变空间光调制器500B的像素间距的状态下增大整个像素区域的尺寸，从而与图4中的情况相比，增大了相对于记录光束S的有效像素数量。在此情况下，更靠近空间光调制器500B的中继透镜700A′必须具有更大的孔径和更长的焦距。以这样的布置，±1级衍射D1在距光轴距离T处出现在傅立叶平面F上。距离T大于图4中的距离t，这意味着必须通过光学设计给予物镜700′更大的有效孔径。

虽然未具体图示，但是可能存在另一种情况，其中在不改变空间光调制器的整个像素区域的状态下减小像素间距，从而与图4中的情况相比，增大了相对于记录光束的有效像素数量。同样在此情况下，结果是由于在空间光调制器的出射表面上衍射角随着像素间距而增大，而导致光轴与±1级衍射之间的距离增大。这意味着即使减小像素间距，也必须更多地增大物镜有效孔径。在任一情况下，为了进一步增加全息图中的记录量，必须增大空间光调制器中有效像素的数量，且物镜必须具有优质的光学特性。

在上述情况下做出了本发明，因此本发明的目的是提供一种能够不依靠光学系统的优质光学性能而容易地增加全息图中记录量的全息记录仪。

发明内容

为了解决这些问题，本发明利用了以下技术手段。

由本发明提供的一种全息记录仪通过记录光束与参考光束在全息记录介质中的干涉而在全息记录介质中记录全息图。所述记录仪包括：光源，其输出相干光以分为所述记录光束和所述参考光束；空间光调制器，其将所述记录光束调制为表示待记录信息的形式；和物镜，其输出所述记录光束。空间光调制器具有设置有相移掩模(phase shift mask)的光入射表面，所述相移掩模允许所述记录光束通过并同时还部分地改变通过所述掩模的所述记录光束的相位。

根据优选实施例，所述相移掩模包括用于简单地允许所述记录光束通过的第一透明像素和用于给予所述记录光束相位差π的第二透明像素。此外，所述第一透明像素和所述第二透明像素互相交替排列成阵列。

根据另一个优选实施例，所述全息记录仪还包括设置在所述空间光调制器与所述物镜之间的中继透镜。

根据另一个优选实施例，所述全息记录仪还包括设置在光路中的孔径以用于传播作为所述空间光调制器的尼奎斯特频率一半的频率，且此孔径限制了所述全息记录介质上被所述记录光束照射的区域。

利用以上布置，来自空间光调制器的衍射如下：具体地，应在光轴上出现的0级衍射由于相移掩模而消失。此外，±1级衍射出现比不设置相移掩模的情况更靠近光轴的位置处。换言之，光轴和±1级衍射比传统情况更靠近彼此。因此，根据本发明，即使空间光调制器的有效像素数量增加，也不必将例如物镜有效孔径增大太多。这样，可以在不依靠诸如物镜之类的光学系统的光学特性改善的情况下容易地增加全息图中的记录量。

从参考附图进行的以下详细说明中，本发明的其他特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明的全息记录仪的实施例的总体示意图。

图2是图1中的相移掩模和空间光调制器的概念图示。

图3是用于描述图1中全息记录仪功能的视图。

图4是用于描述传统全息记录仪的视图。

图5是用于描述传统全息记录仪的视图。

具体实施方式

下面，将参考附图具体描述本发明的优选实施例。图1至3示出了作为本发明实施例的全息记录仪。

如图1所示，根据本实施例的全息记录仪A包括光源1、准直透镜2、第一分束器3、扩束器4A、4B、相移掩模5A、空间光调制器5、第二分束器6、中继透镜7A、7B、物镜7、固定反射镜8A、8B、8C、记录电流计反射镜9、记录会聚透镜10A、10B、再现电流计反射镜11、再现会聚透镜12A、12B、以及光电检测器13。未示出的其他元件包括使全息记录介质B作为旋转盘旋转的旋转机构，以及使诸如物镜7之类的光学系统沿全息记录介质B的径向运动的承载机构。用在全息记录仪A中的全息记录介质B包括两个保护层90A、90B和夹在其间的记录层91。光束可以从两侧施加到记录层91。当记录光束S与参考光束R互相干涉时，全息图被记录在记录层91中。当再现时，如虚线所示从与记录期间相反侧将参考光束R施加到全息记录介质B，并且来自全息图的与参考光束R干涉的光束作为返回光束传播到物镜7。

由例如半导体激光器件构成的光源1在记录以及再现时输出激光束。该光束具有相对较窄的光谱带并用作高度干涉的相干光。准直透镜2将来自光源1的激光束转换为平行光。来自准直透镜2的激光束传播到第一分束器3。第一分光器3将入射的激光束分为传播到空间光调制器5的记录光束S以及经过不同光路传播到记录和再现电流计反射镜9、11的参考光束R。由组合透镜构成的扩束器4A、4B在将记录光束S引向相移掩模5A和空间光调制器5的同时扩大记录光束S的直径。

相移掩模5A设置在空间光调制器5的光入射表面上。如图2所示，相移掩模5A具有点矩阵结构，其由具有彼此不同光学特性的两种元件，即第一透明像素51和第二透明像素52构成。第一透明像素51提供了简单地允许记录光束S通过的孔径，而第二透明像素52由相位膜制成，其在允许记录光束S通过的同时给予记录光束S相位差π。这些第一透明像素51和第二透明像素52以约10至20μm的像素间距p在竖直和水平方向上交替。

由例如液晶显示器件构成的空间光调制器5在记录时工作，并将入射的光束调制为代表二维像素图案的光束(记录光束S)。由空间光调制器5得到的像素图案根据待记录的信息而改变(见图2)。来自空间光调制器5的记录光束S经过第二分束器6，传播到中继透镜7A、7B和物镜7，并最后到达全息记录介质B，在此时，记录光束S的最大空间频率如图3所示通过±1级衍射D1来传递。光束经过中继透镜7A、7B和物镜7。遮光板7C设置在中继透镜7A、7B之间形成傅立叶图像的傅立叶平面F上。遮光板7C限制了2级和更高级的衍射，从而限制了全息记录介质B上被记录光束S照射的区域。传统地，这样的遮光板允许传递高至空间光调制器的尼奎斯特(Nyquist)空间频率；但是，根据本实施例的档光板7C允许传递尼奎斯特空间频率一半的空间频率。由于此布置，全息记录介质B的被记录光束S照射的区域约为传统尺寸的四分之一。当再现时，空间光调制器5不工作，所以记录光束S不被发射到全息记录介质B上。注意，在本实施例中，中继透镜7A、7B和物镜7布置为使记录光束S基本上垂直地进入全息记录介质B(0度入射角)。

另一方面，在记录时，来自第一分束器3的参考光束R在固定的反射镜8A、8B上反射并接着传播到记录电流计反射镜9。记录电流计反射镜9能够在记录时改变参考光束R的入射角和反射角，并允许参考光束R传播到全息记录介质B。在记录电流计反射镜9之后，参考光束R经过会聚透镜10A、10B，并照射全息记录介质B。当记录时，施加参考光束R以与记录光束S在全息记录介质B的记录层91上相交。在本实施例中，记录电流计反射镜9改变参考光束R对全息记录介质B的入射角，从而为取决于入射角而具有不同干涉图案的全息图进行多重记录。

在再现时，参考光束R在固定的反射镜8C上反射并接着传播到再现电流计反射镜11。再现电流计反射镜11能够在再现时改变参考光束R的入射角和反射角，并允许参考光束R从与记录时相反侧传播到全息记录介质B。在再现电流计反射镜11之后，参考光束R经过会聚透镜12A、12B，并接着照射全息记录介质B。当再现时，施加参考光束R以与全息记录介质B的记录层91上所记录的全息图案干涉。在本实施例中，再现电流计反射镜11工作使得再现参考光束R作为与记录时具有相反方向但与记录时具有相同入射角的共轭光束施加。这样，来自全息图的返回光束具有与记录光束S相同的像素图案。

CCD面传感器或CMOS面传感器构成的光电检测器13在再现时工作，以接收从全息记录介质B通过物镜7和中继透镜7A、7B并接着到第二分束器6而返回的返回光束。所述的光电检测器13提供与由返回光束表示的像素图案对应的光束接收信号，并基于此光束接收信号，再现与记录时得到的像素图案对应的信息。

接下来，将描述全息记录/再现装置A的功能。

如前所述，当在全息记录介质B中记录全息图时，记录光束S作为±1级衍射D1经过中继透镜7A、7B和物镜7，而0级衍射消失了(见图3)。这是由于相移掩模5A的光学特性，其将在此后描述。

作为比较例，采用不设置相移掩模的情况。如图3中的虚线所指示的，0级衍射D0′出现在傅立叶平面F上，且±1级衍射D1′出现在傅立叶平面F上距光轴距离T′的位置处。距离T′可以在理论上表示为T′＝λ×f/p，其中f表示中继透镜7A的焦距，λ表示记录光束S的波长，且空间光调制器5的像素间距由与相移掩模5A相同的p表示。注意，像素间距p的倒数，即1/p表示相移掩模5A的空间频率。

另一方面，根据所谓相移方法理论，在本实施例中设置相移掩模5A使得±1级衍射D1与光轴之间的距离T小于不设置相移掩模时的距离T′。已知距离T取决于相移掩模5A的像素间距p，并且理论上为T＝λ×f/2p。换言之，每次都出现这样的情况，相差π变为像素间距p的两倍，即2p。因此，距离T约为距离T′的一半，且±1级衍射D1出现在傅立叶平面F上，在光轴与作为没有相移掩模时所出现衍射的±1级衍射D1′的正中间。

如上所述，由于对于±1级衍射D1的距离T小于没有相移掩模时的情况，所以现在物镜7可以具有以下光学特性：具体地，现在可以使得其张角(孔径角)和有效孔径尽可能小。这意味着可以通过增加空间光调制器5的有效像素数量来实现全息图中记录量的增大，而不太需要增加物镜7的有效孔径。与图4所示的传统方案明显不同的是，利用本发明所使用的此布置，通过增加整个像素区域的尺寸而不改变空间光调制器5的像素间距，增加了有效像素的数量，从而增大了全息图中的记录量。另一方面，物镜7的张角并未比传统情况增大许多，并因此有效孔径是合适的。这里应该注意到这样一种情况，其中通过在不改变空间光调制器的整体像素区域的尺寸的状态下减小像素间距来增大有效像素的数量，从而增大全息图中的记录量。在此情况下，根据相移理论，衍射角增大但±1级衍射之间的距离并不增大许多。由于此原因，也可以尽可能地减小物镜有效孔径。

如上所述传播的记录光束S和参考光束R在记录层91处互相干涉，从而在记录层91中记录全息图。在记录时，记录电流计反射镜9工作以将参考光束R设定为不同的入射角，从而根据参考光束R的入射角为不同的干涉条纹图案进行多重记录。

对于所述正被记录的全息图，当从全息记录介质B再现所记录的信息时，再现电流计反射镜11工作以将参考光束R设定为与记录时相同的入射角。这样，来自全息图的返回光束被光电检测器13接收，且根据不同的入射角再现多重记录时全息图中的信息。

因此，根据全息记录仪A，增加空间光调制器5的有效像素数量不会导致需要将物镜7的有效孔径增加太多，且因此可以简化光学系统的设计条件，以使物镜7的光学特性合适，并基于此而容易地增加了全息图中的记录量。

本发明不限于上述实施例。

例如，实施例使用透明全息记录介质B，并且因此，用于记录的参考光束的方向与用于再现的参考光束的方向相反。但是，当使用具有反射膜的反射性全息记录介质时，用于记录的参考光束的方向与用于再现的参考光束的方向相同，且参考光束从与记录光束相同侧施加。

Claims (4)

1.一种全息记录仪，用于通过记录光束与参考光束的干涉而在全息记录介质上记录全息图，所述全息记录仪包括：

光源，用于输出相干光以分为所述记录光束和所述参考光束；

空间光调制器，用于将所述记录光束调制为表示待记录信息的形式；

物镜，用于输出所述记录光束；和

相移掩模，其设置在所述空间光调制器的光入射表面上，所述掩模允许所述记录光束通过，同时还部分地改变通过所述掩模的所述记录光束的相位。

2.如权利要求1所述的全息记录仪，其中所述相移掩模包括用于简单地允许所述记录光束通过的第一透明像素和用于给予所述记录光束相位差π的第二透明像素，所述第一透明像素和所述第二透明像素互相交替排列成阵列。

3.如权利要求1所述的全息记录仪，还包括设置在所述空间光调制器与所述物镜之间的中继透镜。

4.如权利要求1所述的全息记录仪，还包括设置在光路中的孔径以用于传播作为所述空间光调制器的尼奎斯特频率一半的频率，所述孔径限制了所述全息记录介质上被所述记录光束照射的区域。

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