CN1983404A - 全息图记录方法和全息图记录装置 - Google Patents

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安田晋
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Abstract

本发明提供了全息图记录方法和全息图记录装置。本发明提出了一种全息图记录方法，该全息图记录方法包括以下步骤：通过将周期性强度分布或相位分布叠加在将二进制数字数据表示为亮/暗图像的光的强度分布上，来产生信号光；对所述信号光进行傅立叶变换；将经傅立叶变换的信号光和参考光同时照射在光记录介质上；以及将所述信号光记录为全息图。

Description

全息图记录方法和全息图记录装置
技术领域
本发明涉及全息图记录方法和全息图记录装置，更具体地，涉及一种对将二进制数字数据表示为亮/暗图像的信号光进行傅立叶变换并将傅立叶变换图像记录为全息图的全息图记录方法和全息图记录装置。
背景技术
在全息数据存储中，将二进制数字数据“0，1”作为“亮图像、暗图像”形成数字图像(信号光)，并且通过透镜对该信号光进行傅立叶变换并将其照射到光记录介质上。将傅立叶变换图像作为全息图记录在光记录介质上。然而，数字数据的傅立叶变换图像在0级具有极强的峰强度。因此，在全息数据存储中，存在这样的问题，即，0级光分量(直流分量)浪费了光记录介质的动态范围，并且S/N(信噪比)降低。
为了克服这些问题，提出了一种方法，该方法使用随机相位掩模使傅立叶变换图像的功率谱均匀(Appl.Opt.，卷36，4853(1997))。在该方法中，通过使用一随机相位掩模将随机相位分布叠加在信号光的强度分布上，在所述随机相位掩模处通过利用对透明基板进行光刻等而形成有微细的凸部和凹部。这样，可使信号光的0级光分量朝向高频侧偏移，并可使要记录的傅立叶变换图像的强度分布均匀。
然而，在将随机相位分布叠加到信号光上时，存在这样的问题，即，在重现图像中出现复杂的散斑(speckle)噪声，并且重现数据的S/N降低。此外，在将随机相位分布叠加到信号光上时，存在这样的问题，即，焦深减小，并且在重现时要求光接收元件的严格位置精度。还存在以下问题：难以廉价地大量生产随机相位掩模，当使用随机相位掩模时记录/重现装置的制造成本增加。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种全息图记录方法，该全息图记录方法包括以下步骤：通过将周期性强度分布或相位分布叠加在将二进制数字数据表示为亮/暗图像的光的强度分布上，从而产生信号光；对所述信号光进行傅立叶变换；将经傅立叶变换的信号光和参考光同时照射到光记录介质上；以及将所述信号光记录为全息图。
附图说明
将基于以下附图详细描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1A是解释使S/N高的原理的图；
图1B是解释使S/N高的原理的图；
图1C是解释使S/N高的原理的图；
图2A是示出了数字图案的示例的图；
图2B是示出了图2A的傅立叶变换图像的图；
图3A是示出了周期性图案的示例的图；
图3B是示出了图3A的傅立叶变换图像的图；
图4A是示出了其上叠加了周期性图案的数字图案的示例的图；
图4B是示出了图4A的傅立叶变换图像的图；
图5是示出了与第一示例性实施例相关的全息图记录/重现装置的示意性结构的图；
图6A是示出了示例1的结果的图；
图6B是示出了示例1的结果的图；
图7A是示出了示例1的结果的图；
图7B是示出了示例1的结果的图；
图8A是示出了从重现图像解码出的信号的直方图的图；
图8B是示出了从重现图像解码出的信号的直方图的图；
图9A是示出了示例2的结果的图；
图9B是示出了示例2的结果的图；
图10A是示出了示例2的结果的图；
图10B是示出了示例2的结果的图；
图11是示出了与第二示例性实施例相关的全息图记录/重现装置的示意性结构的图；
图12A是示出了从周期性掩模产生的周期性图案的图；
图12B是示出了示例3的结果的图；
图12C是示出了示例3的结果的图；
图13是示出了周期性掩模的放置位置的图；
图14A是在将周期性掩模放置在成像平面的情况下的重现图像；
图14B是在将周期性掩模放置在非成像平面的情况下的重现图像；
图15是示出了用于评估的全息图记录/重现装置的示意性结构的图；
图16是示出了周期性掩模的放置位置的另一示例的图；
图17是示出了其中暗部和亮部彼此隔开的周期性图案的示例的图；
图18A是示出了在其中叠加了各种周期性图案的多种情况之一下的傅立叶变换图像的图；
图18B是示出了在其中叠加了各种周期性图案的多种情况之一下的傅立叶变换图像的图；
图18C是示出了在其中叠加了各种周期性图案的多种情况之一下的傅立叶变换图像的图；以及
图18D是示出了在其中叠加了各种周期性图案的多种情况之一下的傅立叶变换图像的图。
具体实施方式
在下文中将参照附图详细描述本发明的实施例的示例。
(使S/N高的原理)
图1A至1C是解释使S/N高的原理的图。
数字图案(信号光)的傅立叶变换图像在0级具有极强的峰强度。因此，如图1A所示，傅立叶变换谱在全息图的记录区域实质上具有单个峰，并且其强度分布非常陡。另一方面，如图1B所示，周期性图案具有与该图案的周期结构相对应的离散强度分布。其包络线是该周期性图案的孔径比的函数。
在本发明中，将周期性强度分布或相位分布叠加在信号光的强度分布上。如图1C所示，其上叠加了周期性图案的数字图案的傅立叶变换谱通过该数字图案的傅立叶变换谱与该周期性图案的傅立叶变换谱的卷积积分来表示，并且峰值强度被分散。通过按此方式将周期性图案叠加到数字图案上，可以使要记录的傅立叶变换图像的强度分布均匀，并且提高了重现数据的S/N。
将频率分量低于数字图案的最大频率的周期性图案用作前述周期性图案。将记录区域的一条边(在记录区域大致为正方形的情况下的一条边)的长度(其是为了重现数字数据所需的最小值)表示为λf/d，其中，构成数字图案的像素的一条边的长度为d，记录波长为λ，傅立叶变换透镜的焦距为f。另一方面，将周期性图案的离散强度峰之间的间隔表示为λf/T，其中，图案周期为T。
因此，为了在最小所需记录区域形成多个强度峰，周期性图案的频率1/T必须低于数字图案的最大频率1/2d，即，图案周期T必须满足条件T＞2d。由于图案周期T满足条件T＞2d，所以可形成在最小所需记录区域内具有多个强度峰的傅立叶变换图像，并且即使记录区域很小，也可实现高S/N。
接下来，将示出使用快速傅立叶变换(FFT)的仿真的结果。
图2A是示出了数字图案的示例的图。在该示例中，将二进制数字数据“0，1”作为“亮、暗”形成数字图像。如图2B所示，数字图案的傅立叶变换图像根据该数字图案的频率分布而展开，并在0级具有极强的峰值强度(直流分量)。图3A是示出了周期性图案的示例的图。该周期性图案是其中圆形的亮部相对于作为暗部的背景周期性地排列的图案。如图3B所示，该周期性图案的傅立叶变换图像具有与该图案的周期结构相对应的离散强度分布。图4A是示出了其上叠加了周期性图案的数字图案的示例的图。图3A所示的周期性图案叠加在图2A所示的数字图案上。如图4B所示，在该数字图案的傅立叶变换图像中，强度峰被有效地分散。
(第一示例性实施例)
图5是示出了与第一示例性实施例相关的全息图记录/重现装置的示意性结构的图。
在该全息图记录/重现装置中设置有光源10，该光源10振荡出作为相干光的激光。在光源10的激光照射侧布置有分束器12，该分束器12将激光分为信号光用光和参考光用光。在分束器12的光透射侧按照能够插入光路并能够从光路撤出的方式布置有光闸14，该光闸14用于遮挡透过分束器12的信号光用光。在光闸14的光透射侧依次布置有准直透镜16a、16b以及由傅立叶变换透镜18构成的透镜系统。
在准直透镜16b与傅立叶变换透镜18之间布置有透射型空间光调制器22，该透射型空间光调制器22由液晶显示元件等构成，根据从个人计算机20提供的数字数据对信号光用激光进行调制，并每页地产生数字图案(信号光1)。在分束器12的光反射侧布置有反射镜26、28，反射镜26、28对在分束器12反射的参考光用激光(参考光2)进行反射并且用于将光路改变到光记录介质24的方向。
在光记录介质24的重现光透射侧布置有傅立叶变换透镜30和光检测器32，该光检测器32由摄像元件(例如，CCD或CMOS传感器阵列等)构成并且将接收到的重现光(衍射光3)转换为电信号并输出该电信号。光检测器32连接到个人计算机20。
个人计算机20经由图案产生器34连接到空间光调制器22，所述图案产生器34产生要显示在空间光调制器22上的图案。图案产生器34具有：图案存储部36，其存储周期性图案；和图案组合部38，其将周期性图案叠加到与数字数据相对应的图案上。此外，驱动装置40连接到个人计算机20，该驱动装置40驱动光闸14以将其插入光路并从光路撤出。
接下来将描述使用上述记录/重现装置的全息图记录。
首先，驱动装置40将光闸14从光路撤出，从而激光可以透过。分束器12将从光源10振荡出的激光分离为信号光用光和参考光用光。透过分束器12的激光被准直透镜16a、16b准直成大直径光束，并作为信号光用光而照射到空间光调制器22上。
将数字数据从个人计算机20输入到图案产生器34。在图案产生器34处，根据所提供的数字数据产生要显示在空间光调制器22上的图案。在本示例性实施例中，从图案存储部36读出周期性图案，并且在图案组合部38处，将周期性图案叠加在所产生的图案上，从而产生组合图案。在空间光调制器22处，显示在图案产生器34处产生的组合图案，根据所显示的组合图案对信号光用激光进行强度调制，从而产生信号光1。
所产生的信号光1被傅立叶变换透镜18进行傅立叶变换，并照射到光记录介质24上。同时，分束器12处反射的激光在反射镜26、28处被反射，并作为参考光2照射到光记录介质24上。参考光2照射到傅立叶变换后的信号光1所照射的区域上。这样，傅立叶变换后的信号光1和参考光2在光记录介质24内干涉，从而在光记录介质24内信号光1被记录为全息图。
在重现全息图时，光闸14被驱动装置40插入光路，并且遮挡信号光用光。这样，仅有参考光2照射到光记录介质24的记录有全息图的区域上。照射的参考光2被该全息图衍射。因为在光记录介质24上记录有傅立叶变换图像，所以由于傅立叶变换透镜30对衍射光3进行了逆傅立叶变换，因此可在傅立叶变换透镜30的焦平面处观察到重现图像。光检测器32检测该重现图像，从而可以读取信号光所保持的数字数据。
在传统的全息图记录中，因为数字图案(信号光)的傅立叶变换图像在0级具有极强的峰值强度，所以在全息图的记录区域的傅立叶变换谱实质上具有单个峰，并且其强度分布较陡。为了有效地记录全息图，必须使参考光的强度与该高峰值强度相匹配，通常，参考光的光强度必须增大为信号光的平均光强度的约10倍或者以上。
在本发明中，从图案存储部36读出周期性图案，在图案组合部38处将该周期性图案叠加到所产生的图案上，从而产生组合图案。因此，如图1C和图4所示，可以使信号光强度均匀。这样，可将参考光的光强度减小到传统值的大约1/10。
因为按此方式可以大大减少记录所需的曝光(exposure)能量，所以可有效利用光记录介质的动态范围，并且可以进行高S/T(信噪比)的记录和重现。这里，通过使光记录介质的位置偏离傅立叶变换透镜的焦点位置(离焦)，可以使信号光强度甚至更均匀。
通过使用其中叠加了各种周期性图案的组合图案来产生其上叠加了周期性强度分布或相位分布的信号光。在光记录介质上将这些信号光记录为全息图，并评估重现数据的误比特率(BER)和S/N。
图15是示出了用于评估的全息图记录/重现装置的示意性结构的图。在该评估中使用同轴光学系统型全息图重现/记录装置，在该装置中在同一透镜处聚集信号光和重现光。在该全息记录/重现装置中设置有光源50，该光源50连续振荡出作为相干光的激光。在光源50的激光照射侧按照能够插入光路并能够从光路撤出的方式布置有用于遮挡激光的光闸52。驱动装置(未示出)基于来自计算机(未示出)的控制信号来驱动光闸52。
在光闸52的光透射侧依次布置有半波片54、偏振分束器56以及半波片58。因为偏振分束器56仅透射预定方向的偏振光，所以可通过旋转半波片54来调节激光强度。在半波片58的光透射侧布置有用于改变激光的光路的镜60。在镜60的光反射侧布置有扩束器62，该扩束器62用于将入射光束准直成大直径光束。
在扩束器62的光透射侧布置有仅透射预定方向的偏振光的偏振分束器64。在偏振分束器64的光反射侧布置有反射型空间光调制器76，该反射型空间光调制器76根据从个人计算机(未示出)提供的数字数据对激光进行调制并每页地产生参考光和数字图案(信号光)。
在偏振分束器64的信号光等的透射侧布置有傅立叶变换透镜66，该傅立叶变换透镜66将信号光和参考光照射到台70所保持的光记录介质68上。此外，在光记录介质68的重现光出射侧布置有傅立叶变换透镜72和光检测器74，该光检测器74由摄像元件(例如，CCD或CMOS传感器阵列等)构成并且将接收到的重现光转换为电信号并输出该电信号。光检测器74连接到个人计算机(未示出)。
要注意，可以在偏振分束器64与傅立叶变换透镜66之间布置一对中继透镜。此外，可以在傅立叶变换透镜72与光检测器74之间布置一对中继透镜。
在上述全息图记录/重现装置中，在扩束器62处被准直的激光入射到偏振分束器64，并沿着空间光调制器76的方向被反射。在空间光调制器76处，根据参考光和信号光的图案来调制激光的偏振方向(相位)。例如，空间光调制器76的中央部分可用于数据显示(即，用于信号光)，而周边部分可用于参考光。
在空间光调制器76处进行了偏振调制的信号光和参考光透过偏振分束器64而变成强度图案，并被透镜66进行傅立叶变换。经傅立叶变换的信号光和参考光同时且同轴地照射到光记录介质68上。由于仅参考光是在空间光调制器76处产生的，所以经傅立叶变换的参考光照射到光记录介质68上。
<示例1：格状图案>
使用图15所示的全息图记录/重现装置来进行实验。使用由Coherent公司制造的连续振荡绿光激光器“Verdi”(波长：532 nm)作为光源50。使用由Holoeye Photonics AG制造的LCD空间光调制器“LCoS”(像素：1024(水平)×768(垂直)，像素间距：19μm，摄像表面积：19.6mm×14.6mm)作为反射型空间光调制器76。使用由Lumenera公司制造的CMOS传感器阵列(像素：1280(水平)×1024(垂直)，像素间距：6.7μm，摄像表面积：8.6mm×6.9mm)作为光检测器74。使用在显微镜等中使用的高NA(数值孔径)的物镜(NA：0.6，焦距：10mm)作为傅立叶变换透镜66、72。
将空间光调制器的24×24像素的格状图案叠加到由差分编码方法所表示的图案上，在该方法中，将空间光调制器的3×3像素作为构成数字数据的1个像素并且由这些像素中的两个来表示一比特。将其中叠加了格状图案的组合图案显示在该反射型空间光调制器上，将波长为532nm的激光照射在空间光调制器上，产生其中叠加了周期性强度分布的信号光(数字图案)。构成数字图案的像素的一条边的长度是57μm(空间调制器的三个像素)。该信号光和相同波长的参考光通过同一傅立叶变换透镜照射到光记录介质上，将数字图案的傅立叶变换图像记录为全息图。
为了比较，将叠加格状图案前的图案显示在空间光调制器上并产生数字图案，并且，以与上述方式相同的方式，将数字图案的傅立叶变换图像记录为全息图。这里，示出了使用FFT的仿真的结果。如图6A所示，在叠加格状图案之前的数字图案的傅立叶变换图像中存在强的直流分量(0级光分量)。然而，在叠加了格状图案的情况下，如图7A所示，形成了由格状图案引起的强度峰，从而使信号光强度均匀。
接下来，通过波长为532nm的激光仅将参考光图案照射到所记录的全息图上，重现的衍射光被傅立叶变换透镜进行逆傅立叶变换，并且在光检测器处检测到在傅立叶变换透镜的焦平面成像的重现图像。图6B所示的图像是从记录了图6A所示的傅立叶变换图像的全息图中重现的。相反，当叠加了格状图案时，重现图7B所示的图像。
图8A和8B分别是示出了从图6B和7B的重现图像中解码出的信号的直方图的图。每个信号表示在CMOS传感器阵列处检测出的两个像素(表示一比特)的亮度级的差。黑圈对应于所记录的原始数据为“0”的情况，白圈对应于所记录的原始数据为“1”的情况。两个分布分开得越远，就越能正确地解码出原始数据。图中的实线是使用最小平方法由正态分布拟合的各个分布。可以根据各个数字数据的与“0”、“1”相对应的分布的重叠来估计误比特率(BER)。此外，可以根据两个分布的平均值和方差使用以下公式来估计S/N：
SNR＝(μone-μzero)/(σone 2+σzero 2)1/2。
这里，μone和μzero表示与数字数据的“0”和“1”相对应的分布的平均值，σone 2和σzero 2表示与数字数据的“0”和“1”相对应的分布的方差。在没有叠加格状图案的传统方法中，当从图6B所示的重现图像解码信号时，BER＝2.4×10-3，SNR＝3.6。相反，在叠加了格状图案的本发明中，当从图7B所示的重现图像解码信号时，BER＝6.8×10-4，SNR＝4.4。重现数据的BER改善了一个数量级，并且S/N也提高了。
<示例2：圆形阵列图案>
使用与示例1相同的全息图记录/重现装置来进行实验。然而，不执行对光记录介质的记录，将光检测器布置在光记录介质的位置处，并且观察数字图案的傅立叶变换图像。在示例2中，将其中圆形的亮部相对于作为暗部的背景周期性地排列的圆形阵列图案叠加到其中用一个像素(通过在图15中未示出的中继透镜而减小到12.6μm×12.6μm)表示一比特数字数据的图案上。在该圆形阵列图案中，排列圆形的亮部以使其成为周期为403μm的最密集填塞的结构，并且亮部的比例(白色比例)为较高的90％。
其中叠加了上述圆形阵列图案的组合图案显示在反射型空间光调制器上，将波长为532nm的激光照射在空间光调制器上，从而产生其中叠加了周期性强度分布的信号光(数字图案)(参见图10A)。因为圆形阵列图案的白色比例高，所以可提高所记录的数字数据的容量。为了比较，将叠加圆形阵列图案之前的图案显示在空间光调制器上，并且产生数字图案(参见图9A)，以与上述方式相同的方式，观察数字图案的傅立叶变换图像。
如图9B所示，在叠加圆形阵列图案之前的数字图案的傅立叶变换图像中存在强的直流分量(0级光分量)。然而，当叠加了圆形阵列图案时，如图10B所示，形成了由圆形阵列图案引起的强度峰，从而使信号光强度均匀。此外，与格状图案不同，可以在不同于数字数据的周期性的方向(倾斜方向)上形成离散的强度峰，并且可有效地分散信号光的强度峰。
如上所述，在本示例性实施例中，对其中叠加了周期性强度分布或相位分布的信号光进行傅立叶变换。因此，可使信号光的0级分量朝向高频侧偏移，可使要记录的傅立叶变换图像的强度分布均匀。从而提高重现数据的S/N。
此外，在本示例性实施例中，通过将周期性图案叠加到根据数字数据产生的图案上而产生组合图案。通过在空间光调制器上显示该组合图案，对激光进行强度调制，并产生其中叠加了周期性强度分布或相位分布的信号光。因此，不需要昂贵的随机相位掩模，通过廉价且简单的方法就可使傅立叶变换图像的强度分布均匀。
此外，与使用随机相位掩模的情况相比，不产生复杂的散斑噪声，信号光可被周期性图案适当地衍射。因此，具有可确保足够的焦深的优点。
要注意，本示例性实施例描述了在空间光调制器上显示组合图案的示例。然而，即使在使用具有独立于数字图案的周期性图案的空间光调制器(例如预先形成有产生低于数字图案的最大频率的频率分量的块等)时也可实现类似的效果。
此外，本示例性实施例描述了将周期性图案仅叠加在信号光上的示例。然而，在其中对参考光进行傅立叶变换并将其照射到光记录介质的结构中，还可以将类似的周期性图案叠加到参考光上。此外，为了将参考光有效地照射在信号光的特定频率区域，通过在参考光上叠加与叠加到信号光上的周期性图案不同的周期性图案，可以以甚至更高的SNR进行记录。
(第二示例性实施例)
第一示例性实施例描述了以下示例：将周期性图案叠加在根据数字数据而产生的图案上以产生组合图案。该组合图案显示在空间光调制器上，对激光进行强度调制，并且产生信号光。然而，在第二示例性实施例中，将周期性掩模放置在空间光调制器与光记录介质之间，并且该周期性掩模向信号光给予周期性强度分布。
图11是示出了与第二示例性实施例相关的全息图记录/重现装置的示意性结构的图。
在该装置中，在空间光调制器22与傅立叶变换透镜18之间依次布置有透镜42、44和周期性掩模46，该周期性掩模46将周期性强度分布叠加在信号光的强度分布上。因为其他结构与图5所示的装置的结构类似，所以用相同的标号指示相同的部分，并省略对其的描述。
周期性掩模46是产生如下周期性图案的掩模，在该周期性图案中亮部相对于作为暗部的背景周期性地排列。与暗部相对应地设置有遮光部，与亮部相对应地设置有开口部。例如，如图12A所示，在产生六边形阵列图案(其中正六边形亮部相对于作为暗部的背景周期性地排列)的周期性掩模中，在遮光部件中设置有大量正六边形开口部，这些开口部周期性地排列。
可以通过如下步骤来生产上述周期性掩模46：使用诸如玻璃等的透明部件作为基板，用光刻胶等进行掩模处理，通过淀积或溅射等形成可反射或吸收所使用的波长的光的材料，之后去除光刻胶。
此外，假设透镜42、44的焦距是f1，将空间光调制器22和透镜42、44以及周期性掩模46布置成彼此隔开距离f1。假设傅立叶变换透镜18、30的焦距是f2，将周期性掩模46、傅立叶变换透镜18、光记录介质24、傅立叶变换透镜30和光检测器32布置为使这些部件中的相邻部件彼此隔开距离f2。即，将周期性掩模46布置为使信号光在光检测器32上成像。
接下来将描述使用上述记录/重现装置的全息图记录。
首先，驱动装置40将光闸14从光路撤出，从而激光可以通过。分束器12将从光源10振荡出的激光分离为信号光用光和参考光用光。透过分束器12的激光被准直透镜16a、16b准直成大直径光束，并作为信号光用光而照射到空间光调制器22上。
将数字数据从个人计算机20输入到图案产生器34。在图案产生器34处，根据所提供的数字数据产生要显示在空间光调制器22上的图案。在空间光调制器22处，根据所显示的图案对信号光用激光进行强度调制。由于经强度调制的激光经由透镜42、44透过周期性掩模46，因此在其上叠加了强度分布，从而产生信号光1。
所产生的信号光1被傅立叶变换透镜18进行傅立叶变换，并照射到光记录介质24上。同时，分束器12处反射的激光在反射镜26、28处被反射，并作为参考光2照射到光记录介质24上。参考光2照射到傅立叶变换后的信号光1所照射的区域上。这样，傅立叶变换后的信号光1和参考光2在光记录介质24内干涉，从而在光记录介质24内将信号光1记录为全息图。
在重现全息图时，驱动装置40将光闸14插入光路，从而遮挡了信号光用光。这样，仅有参考光2照射到光记录介质24的记录有全息图的区域上。照射的参考光2被该全息图衍射。因为在光记录介质24上记录有傅立叶变换图像，所以由于傅立叶变换透镜30对衍射光3进行了逆傅立叶变换，因此可在傅立叶透镜30的焦平面处观察到重现图像。光检测器32检测该重现图像，可以读取信号光所保持的数字数据。
<示例3：六边形阵列图案>
使用图11所示的全息图记录/重现装置来进行实验。使用由Coherent公司制造的连续振荡绿光激光器“Verdi”(波长：532nm)作为光源10。使用由索尼公司制造的LCD空间光调制器“LCX038”(像素：1024(水平)×768(垂直)，像素间距：14μm)作为空间光调制器22。使用由尼康公司制造的变焦透镜(焦距：80mm至200mm)作为透镜42，并且使用焦距为50mm的透镜作为透镜44。使用其中根据周期性图案而淀积了铬作为遮光部的光掩模作为周期性掩模46。使用在显微镜等中使用的高NA(数值孔径)的物镜(NA：0.28，焦距：20mm)作为傅立叶变换透镜18、30。使用由Lumenera公司制造的CMOS传感器阵列(像素：1280(水平)×1024(垂直)，像素间距：6.7μm，摄像表面积：8.6mm×6.9mm)作为光检测器32。
如图12A所示，通过使用产生六边形阵列图案(其中正六边形亮部相对于作为暗部的背景周期性地排列)的周期性掩模，将六边形阵列图案叠加到由差分编码方法所表示的图案上，在该方法中，由1个像素(减小到6.3μm×6.3μm)表示数字数据的1比特。在该六边形阵列图案中，排列正六边形以使其成为周期为16μm的最密集填塞的结构，并且亮部的比例(白色比例)为较高的75％。
将与数字数据相对应的图案显示在透射型空间光调制器上，将波长为532nm的激光照射在空间光调制器上，并且对该激光进行强度调制。经强度调制的激光照射到周期性掩模上，产生其中叠加了周期性强度分布的信号光(数字图案)，并且该信号光被傅立叶变换透镜进行傅立叶变换。然后，将光检测器放置在光记录介质的位置处，观察数字图案的傅立叶变换图像，而不执行对光记录介质的记录。为了比较，撤出周期性掩模，并观察叠加六边形阵列图案之前的信号光的傅立叶变换图像。
如图12B所示，在叠加六边形阵列图案之前的数字图案的傅立叶变换图像中存在强的直流分量(0级光分量)。然而，当叠加了六边形阵列图案时，如图12C所示，形成了由六边形阵列图案引起的强度峰，使信号光强度均匀。此外，与格状图案不同，可以在不同于数字数据的周期性的方向(倾斜方向)上形成离散的强度峰，并且可有效地分散信号光的强度峰。
如上所述，在本示例性实施例中，对其中叠加了周期性强度分布或相位分布的信号光进行傅立叶变换。因此，可使信号光的0级分量朝向高频侧偏移，可使要记录的傅立叶变换图像的强度分布均匀，并且提高了重现数据的S/N。
此外，在本示例性实施例中，通过使其透过周期性掩模而对激光进行强度调制，并且产生其中叠加了周期性强度分布的信号光。因此，无需昂贵的随机相位掩模，并通过廉价且简单的方法就可使傅立叶变换图像的强度分布均匀。此外，如果使用强度调制掩模，则可以以低成本大量生产高精度掩模。
此外，与使用随机相位掩模的情况相比，不产生复杂的散斑噪声，信号光可被周期性图案适当地衍射。因此，具有可确保足够的焦深的优点。
(第三示例性实施例)
第二示例性实施例描述了将周期性掩模布置为使信号光成像在光检测器上的示例。然而，在第三示例性实施例中，将周期性掩模布置为偏离透镜的焦点位置(离焦)。
图13是与第三示例性实施例相关的全息图记录/重现装置的部分结构图。如图13所示，周期性掩模46被布置为偏离傅立叶变换透镜18和透镜44的焦点位置(由虚线示出的成像平面)。通过使周期性掩模46从成像平面离焦，周期性图案不成像在光检测器上，可仅检测与数字数据相对应的图案。可使傅立叶变换图像的强度分布均匀，而不牺牲空间光调制器的数据区域。
图14A是将周期性掩模放置在成像平面的情况下的重现图像，图14B是将周期性掩模放置在非成像平面的情况下的重现图像。根据这些结果可以理解，通过使周期性掩模从成像平面离焦，可仅对与数字数据相对应的图案进行成像。此时，出现由所叠加的周期性图案引起的干涉图案(散斑噪声)，但是因为该图案是周期性的，所以通过对重现图像执行已知的滤波处理就可以简单地对其进行校正(去除)。
要注意，第二和第三示例性实施例描述了在空间光调制器22与傅立叶变换透镜18之间布置有透镜42、44以及周期性掩模46的示例。然而，如图16所示，可以省略透镜42、44，并将周期性掩模46放置在空间光调制器22的光路上游侧。在此情况下，空间光调制器22布置在傅立叶变换透镜18、30的焦点位置处，但是因为周期性掩模46被布置为偏离光检测器32的成像位置，所以类似地可仅检测与数字数据相对应的图案，而不将周期性图案成像在光检测器32上。
此外，第二和第三示例性实施例描述了使用其中叠加了周期性强度分布的周期性掩模(强度掩模)的示例。然而，还可以使用其中叠加了周期性相位分布的周期性掩模(相位掩模)。例如，可以使用如下的相位掩模：其膜厚度依据强度周期性图案的亮部和暗部而不同(即，其上形成有凸部和凹部)，并且其在所使用的波长处的透射率高。
可以将玻璃、塑料等用作掩模基板。例如，可通过如下步骤来制造相位掩模：用光刻胶等对玻璃基板进行掩模处理，并通过蚀刻、淀积、溅射等形成凸部和凹部。此外，在塑料基板的情况下，可通过使用模具进行压模或注模等来制造掩模。此外，可将频率分量低于数据的最大频率的微透镜阵列用作周期性相位掩模。
在第一至第三示例性实施例中，周期性图案的示例是其中亮部和暗部以栅格状形式排列的格状图案、其中作为亮部的圆形相对于作为暗部的背景周期性地排列的圆形阵列图案、其中作为亮部的多边形相对于作为暗部的背景周期性地排列的六边形阵列图案等等。然而，周期性图案能够在所需的最小记录区域内形成具有多个强度峰的傅立叶变换图像就足够了，图案不限于以上例示的那些图案。
三角形、五边形等当然可用作作为亮部的多边形。例如，可以使用其中亮部和暗部交替排列的条纹图案、其中亮部和暗部被反转的反转图案等。此外，除了其中最密集地排列有圆形或多边形的周期性图案之外，还可使用如图17所示的其中亮部和暗部彼此隔开的周期性图案。
在用亮/暗图像表示周期性图案的情况下，更优选地，亮部的比例(白色比例)高。白色比例越高，记录的数字数据的容量就可提高得更多。此外，当要记录的数字数据的亮/暗图像是格状图案时，优选地使用不同于格状图案的周期性图案。图18A至18D示出了在叠加各种周期性图案的情况下的傅立叶变换图像。与叠加格状图案的情况(图18A)相比，在叠加圆形阵列图案、三角形阵列图案和六边形阵列图案的情况下(图18B至18D)，可以在与数字数据的周期性不同的方向(倾斜方向)上形成离散的强度峰，可以有效地分散信号光的强度峰。

Claims (27)

1、一种全息图记录方法，该全息图记录方法包括以下步骤：
通过将周期性强度分布或相位分布叠加在将二进制数字数据表示为亮/暗图像的光的强度分布上，来产生信号光；
对所述信号光进行傅立叶变换；
将经傅立叶变换的信号光和参考光同时照射在光记录介质上；以及
将所述信号光记录为全息图。
2、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，所述周期性强度分布或相位分布的频率分量低于所述亮/暗图像的最大频率。
3、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，假设所述亮/暗图像的像素的一条边的长度是d，并且所述周期性强度分布或相位分布的周期是T，则所述周期T满足条件T＞2d。
4、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，所述周期性强度分布是由一亮/暗图像表示的周期性图案。
5、根据权利要求4所述的全息图记录方法，其中，由所述亮/暗图像表示的所述周期性图案的亮部的比例高。
6、根据权利要求4所述的全息图记录方法，其中，所述周期性强度分布是其中暗部和亮部按栅格状形式排列的周期性图案。
7、根据权利要求4所述的全息图记录方法，其中，所述周期性强度分布是其中作为亮部的圆形或多边形相对于作为暗部的背景周期性地排列的周期性图案。
8、根据权利要求7所述的全息图记录方法，其中，所述圆形或多边形最密集地排列。
9、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，通过将表示周期性强度分布或相位分布的图案数据与所述数字数据进行组合，从而将所述周期性强度分布或相位分布叠加在将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光的强度分布上。
10、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，通过使将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光穿过将周期性强度分布或相位分布给予该光的掩模，从而将所述周期性强度分布或相位分布叠加在将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光的强度分布上。
11、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，通过对已穿过给予周期性强度分布或相位分布的掩模的光进行强度调制以使得给予与所述数字数据相对应的强度分布，从而将所述周期性强度分布或相位分布叠加在将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光的强度分布上。
12、根据权利要求11所述的全息图记录方法，其中，在空间光调制器处对已穿过所述掩模的所述光进行强度调制。
13、根据权利要求10所述的全息图记录方法，其中，将所述掩模布置为使所述周期性图案不在所述数字数据的亮/暗图像的成像位置处成像。
14、根据权利要求1所述的全息图记录方法，其中，通过使将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光穿过将周期性强度分布或相位分布给予该光的空间光调制器，从而将所述周期性强度分布或相位分布叠加在将所述数字数据表示为亮/暗图像的所述光的强度分布上。
15、一种全息图记录装置，该全息图记录装置包括：
光源，其照射相干光；
图案产生器，其通过将表示周期性强度分布或相位分布的图案数据与二进制数字数据进行组合而产生组合数据；
空间光调制器，其根据在所述图案产生器处产生的所述组合数据对从所述光源照射的光进行强度调制，并产生其中叠加了周期性强度分布或相位分布的信号光；
成像光学系统，其对所述信号光进行傅立叶变换；以及
参考光光学系统，其从所述光源照射的光中获得参考光，
其中，傅立叶变换之后的所述信号光和所述参考光同时照射到光记录介质上，并将所述信号光记录为全息图。
16、一种全息图记录装置，该全息图记录装置包括：
光源，其照射相干光；
空间光调制器，其根据二进制数字数据对从所述光源照射的光进行强度调制，并产生将所述数字数据表示为亮/暗图像的光；
参考光光学系统，其从所述光源照射的光中获得参考光；
掩模，其布置在所述空间光调制器的光照射侧，并且由于在所述空间光调制器处产生的光穿过所述掩模，所以所述掩模通过将周期性强度分布或相位分布叠加到在所述空间光调制器处产生的所述光的强度分布上而产生信号光；以及
成像光学系统，其对所述信号光进行傅立叶变换，
其中，傅立叶变换之后的所述信号光和所述参考光同时照射到光记录介质上，并在所述光记录介质上将所述信号光记录为全息图。
17、一种全息图记录装置，该全息图记录装置包括：
光源，其照射相干光；
参考光光学系统，其从所述光源照射的光中获得参考光；
掩模，其布置在所述光源的光照射侧，并且由于从所述光源照射的光穿过所述掩模，所以所述掩模对从所述光源照射的所述光给予周期性强度分布或相位分布；
空间光调制器，其布置在所述掩模的光透射侧，并且通过根据二进制数字数据对由于已穿过所述掩模而已被给予了周期性强度分布或相位分布的光进行强度调制来产生信号光；以及
成像光学系统，其对所述信号光进行傅立叶变换，
其中，傅立叶变换之后的所述信号光和所述参考光同时照射到光记录介质上，并在所述光记录介质上将所述信号光记录为全息图。
18、根据权利要求16所述的全息图记录装置，其中，所述掩模是其中透光部和遮光部周期性地排列的强度掩模。
19、根据权利要求17所述的全息图记录装置，其中，所述掩模是其中透光部和遮光部周期性地排列的强度掩模。
20、根据权利要求18所述的全息图记录装置，其中，所述掩模的所述透光部的比例高。
21、根据权利要求19所述的全息图记录装置，其中，所述掩模的所述透光部的比例高。
22、根据权利要求18所述的全息图记录装置，其中，在所述掩模中，所述透光部和所述遮光部按栅格状形式排列。
23、根据权利要求19所述的全息图记录装置，其中，在所述掩模中，所述透光部和所述遮光部按栅格状形式排列。
24、根据权利要求18所述的全息图记录装置，其中，在所述掩模中，呈圆形或多边形的所述透光部相对于所述遮光部周期性地排列。
25、根据权利要求19所述的全息图记录装置，其中，在所述掩模中，呈圆形或多边形的所述透光部相对于所述遮光部周期性地排列。
26、根据权利要求24所述的全息图记录装置，其中，所述圆形或多边形最密集地排列。
27、根据权利要求25所述的全息图记录装置，其中，所述圆形或多边形最密集地排列。
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