JP2008527453A

JP2008527453A - 光学デバイス、特にホログラフィー・デバイス

Info

Publication number: JP2008527453A
Application number: JP2007550890A
Authority: JP
Inventors: スフールマンス，フランク; ホーフト，ヘルトト; バリストレリ，マルセロ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2008-07-24
Also published as: TW200632888A; WO2006075272A1; US20080130462A1; KR20070102551A; CN101107651A; EP1842188A1

Abstract

光学デバイスは、放射ビームを生成する光源（３０１）と、前記放射ビームを光路（PP）に沿って反射および回折する反射性回折性構造（３０４）と、前記放射ビームが前記反射性回折性構造によって反射および回折されたのちに該放射ビームを結像する結像手段（３０５）と、前記光路に沿って前記反射性回折性構造と前記結像手段の間にあるホログラフィー式ビームスプリッター（３０３）とを有する。そのような光学デバイスは、ホログラフィー媒体にデータを記録するために使用できる。

Description

本発明は、光学デバイスに関する。本発明は特に、ホログラフィー媒体にデータページを記録するためおよび／またはホログラフィー媒体からデータページを読み出すための光学式ホログラフィー・デバイスに関する。

本発明はまた、そのような光学デバイスを製造する方法およびホログラフィー式ビームスプリッターにも関する。

多くの光学デバイスは反射性回折性構造を利用する。そのような光学デバイスの一例はデジタル・ミラー・デバイス（DMD: Digital Mirror Device）を使うデバイスである。もう一つの例は、反射性の空間光変調器（SLM: Spatial Light Modulator）を使うデバイスである。そのような光学デバイスは、“Proceedings of the IEEE”, Vol. 92, No.8, August 2004, p.1262のLambertus Hesselink, Sergei S. Orlov and Matthew C. Bashaw, “Holographic data storage systems”に記載されている。そのようなホログラフィー・デバイスが図１に描かれている。これは放射ビームを生成するための放射源１０１、コリメータ１０２、偏光ビームスプリッター（PBS: polarizing beam splitter）１０３、反射性の空間光変調器（SLM）１０４、第一の結像レンズ１０５、第二の結像レンズ１０７および検出器１０８を有している。このホログラフィー・デバイスは、ホログラフィー媒体１０６にデータを記録し、ホログラフィー媒体１０６からデータを読むために意図されている。放射源１０１によって生成された放射ビームは、PBS１０３によって反射性のSLM１０４のほうに向けられる。放射ビームは反射性のSLM１０４によって回折および反射され、こうして信号ビームが生成される。信号ビームは反射性のSLM１０４においてエンコードされたデータページを有している。信号ビームは反射性のSLM１０４によって空間的に変調される。反射性のSLM１０４は反射性領域と吸収性領域とを有し、これらが記録されるべきデータページの0および1のデータビットに対応する。信号ビームは、ホログラフィー媒体１０６に記録されるべき信号、すなわち記録されるべきデータページを担持する。

信号ビームは第一の結像レンズ１０５によってホログラフィー媒体１０６上に結像される。信号ビームはホログラフィー媒体１０６内で参照ビーム（図示せず）と干渉し、それによりデータ・パターンが創り出される。ホログラフィー媒体１０６の同じ場所に別のデータページが記録されてもよい。それはたとえば放射源の波長を調整することによる。これは波長多重化と呼ばれる。他の種類の多重化、たとえば角度多重化、シフト多重化または位相エンコードされた多重化も、ホログラフィー媒体１０６にデータページを記録するために使うことができる。

ホログラフィー媒体１０６に記録されたデータページの読み出しの際には、参照ビーム（図示せず）がホログラフィー媒体１０６のほうに送られ、該ホログラフィー媒体１０６に記録されているデータ・パターンによって回折される。次いで回折されたビームは第二の結像レンズ１０７によって検出器１０８上に結像される。検出器１０８はピクセルまたは検出器素子を有する。各検出器素子が結像されたデータページのあるビットに対応する。

このホログラフィー・デバイスはいわゆる4f配位を有している。これは、第一および第二の結像レンズ１０５および１０７が焦点距離fを有し、SLM１０４と第一の結像レンズ１０５との間の距離がfで、第一の結像レンズ１０５とホログラフィー媒体１０６との間の距離がfで、ホログラフィー媒体１０６と第二の結像レンズとの間の距離がfで、第二の結像レンズ１０７と検出器１０８との間の距離がfであることを意味する。ホログラフィー媒体１０６に記録されるデータの密度は第一の結像レンズ１０５の開口数NAに依存する。開口数NAが大きいほど、データ密度も大きくなる。さて、このホログラフィー・デバイスでは開口数NAは制限される。というのも、開口数NAは第一の結像レンズ１０５の焦点距離fに反比例するが、該焦点距離はPBS１０３の大きさより大きくなければならないからである。この光学デバイスにおけるPBS１０３は比較的大きい。というのも、PBS１０３の部分反射性の表面は放射源１０１によって生成される放射ビームの方向から45度の配向でなければならないからである。結果として、データ密度は制限される。

背景技術において記載した種類の光学デバイスであって、第一の結像レンズの開口数が上げられるもの、特にデータ密度が上げられるホログラフィー・デバイスを提供することが本発明の目的である。

この目標に向け、本発明は、放射ビームを生成する光源と、前記放射ビームを光路に沿って反射および回折する反射性回折性構造と、前記放射ビームが前記反射性回折性構造によって反射および回折されたのちに該放射ビームを結像する結像手段と、前記光路に沿って前記反射性回折性構造と前記結像手段の間にあるホログラフィー式ビームスプリッターとを有する光学デバイスを提案する。本発明によれば、PBS１０３がホログラフィー式ビームスプリッターによって置き換えられる。以下の記述で詳細に説明するように、ホログラフィー式ビームスプリッターの大きさは、従来式のPBSの大きさに比べて小さくできる。結果として、反射性回折性構造と結像手段との間の距離を縮めることができ、それが結像手段の開口数を上げることを許容する。ホログラフィー・デバイスの場合、これはホログラフィー媒体に記録されるデータ密度を上げることを許容する。

有利には、ホログラフィー式ビームスプリッターは厚さLのホログラフィー材料を有し、反射性回折性構造は平均回折きざみdを有し、ここでd＜Lである。有利にはL/d＞50である。これは回折されて放射源のほうに戻る放射の量を減らし、よってホログラフィー媒体に達する放射の量を増やし、よってS/N比を上げる。

好ましくは、ホログラフィー式ビームスプリッターは、前記反射性回折性構造によって反射および回折された放射ビームのうち第一の部分が回折されて放射源のほうに戻るように構成され、光学デバイスは該第一の部分に基づいて前記放射源の波長を監視するための手段を有している。放射源によって受け取られる第一の部分の強度に依存して、放射源の波長が微調整できる。これについては以下の記述で詳細に説明する。

有利には、ホログラフィー式ビームスプリッターは、放射源によって生成された放射ビームのうち第一の部分が当該ホログラフィー式ビームスプリッターを透過するよう構成され、光学デバイスは該第一の部分に基づいて前記放射源の波長を監視するための手段を有している。放射源によって受け取られる第一の部分の強度に依存して、放射源の波長が微調整できる。これについては以下の記述で詳細に説明する。

好ましくは、ホログラフィー式ビームスプリッターは、複数の異なる波長で記録されたホログラフィー・パターンを有する。

本発明はまた、複数の異なる波長で記録されたホログラフィー・パターンを有するホログラフィー式ビームスプリッターにも関する。

本発明は、光学デバイスを製造する方法であって、放射ビームを生成する光源を設ける段階と、前記放射ビームを光路に沿って反射および回折する反射性回折性構造を設ける段階と、前記放射ビームが前記反射性回折性構造によって反射および回折されたのちに該放射ビームを結像する結像手段を設ける段階と、前記光路に沿って前記反射性回折性構造と前記結像手段の間にホログラフィー式ビームスプリッターを設ける段階とを有する方法にも関する。

これらのことを含む本発明のさまざまな側面は、以下に記載される実施形態から明らかとなり、またこれを参照することで明快にされるであろう。

本発明について、これから、例として付属の図面を参照しつつより詳細に述べる。

図２ｃは、本発明に基づく光学デバイスで使用されるホログラフィー式ビームスプリッター２００を示している。ホログラフィー式ビームスプリッター２００は二つのガラスのくさび２０２ａおよび２０２ｂをもち、それらの間にホログラフィー材料２０１が加えられる。ホログラフィー材料２０１の厚さはLである。ホログラフィー材料２０１は好ましくはガラスのくさび２０２ａおよび２０２ｂと同じ屈折率をもつ。ホログラフィー式ビームスプリッター２００には、図２ａおよび２ｂに描かれるようにしてホログラフィー・パターン２０３が記録される。

図２ａは、ホログラフィー・パターン２０３が記録される前のホログラフィー式ビームスプリッター２００を示している。ホログラフィー式ビームスプリッター２００は二つのガラスのくさび２０２ａおよび２０２ｂを有しており、それらの間にホログラフィー材料２０１が加えられる。ホログラフィー・パターン２０３を記録するために、第一の平面波２０４および第二の平面波２０５がホログラフィー式ビームスプリッター２００に向けられる。第一の平面波２０４および第二の平面波２０５は互いに垂直である。ホログラフィー・パターン２０３は、第一および第二の平面波２０４および２０５の干渉によって、屈折率変調の形で、ホログラフィー材料２０１内に生成される。

図２ｄは、ホログラフィー式ビームスプリッター２００が使われる様子を示している。第一の波面２０４と同一の第三の波面２０６がホログラフィー式ビームスプリッター２００に向けられると、第三の波面２０６はホログラフィー・パターン２０３によって回折され、第二の波面２０５と同様の第四の波面２０７を生じる。この例では、第三の波面２０６の100パーセントが回折されるが、ホログラフィー式ビームスプリッター２００は第三の波面２０６のある第一の割合が回折されることなくホログラフィー式ビームスプリッター２００を透過するよう設計されることもできる。図２ａから２ｄに示された例は、そのようなホログラフィー式ビームスプリッター２００を製造する数多くの可能な方法の一例に過ぎない。ホログラフィー式ビームスプリッターについての詳細な情報は“Principles and Spectroscopic Applications of Volume Holographic Optics”, Analytical Chemistry, Vol. 65, No.9, May 1, 1993, pp.441A-449Aに見出すことができる。ホログラフィー式ビームスプリッター２００は対称的に振る舞うことを注意しておくべきである。すなわち、第四の波面２０７に平行な第五の波面がホログラフィー式ビームスプリッター２００に送られると、該第五の波面は第三の波面２０６に平行な方向に回折される。

ホログラフィー式ビームスプリッター２００が設計されている仕方のため、ホログラフィー材料２０１は45度よりも小さい角度αで配向されることができる。実は、第三の平面波２０６の偏向は回折に基づいており、図１のPBS１０３のような従来式のPBSの場合のような反射に基づいているのではない。角度αは数度くらいの小ささでもよく、たとえば角度αは10度より小さくてもよい。結果として、ホログラフィー式ビームスプリッター２００の幅は、キューブ状のビームスプリッターである図１のPBS１０３のような従来式のPBSの幅に比べ、比較的小さい。

本発明に基づく光学デバイスが図３に描かれている。これは放射ビームを生成するための放射源３０１、コリメータ３０２、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３、反射性の空間光変調器（SLM）３０４、第一の結像レンズ３０５、第二の結像レンズ３０７および検出器３０８を有している。この光学デバイスはホログラフィー媒体３０６にデータを記録し、ホログラフィー媒体３０６からデータを読むために意図されている。図２ａから２ｄにおいて説明したように、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３の幅は、図１のPBS１０３の幅より小さい。結果として、第一の結像レンズ３０５の焦点距離を図１の第一の結像レンズ１０５の焦点距離に比べて短くできる。よって、第一の結像レンズ３０５の開口数が上がり、ホログラフィー媒体３０６に記録できるデータ密度が上がる。

放射源３０１によって生成された放射ビームはコリメータ３０２によってコリメートされ、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３に達する。以下の例では、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３は、該ホログラフィー式ビームスプリッター３０３に達する放射ビームの100パーセントが光路PPに沿って反射性SLM３０４に向けて回折されるよう設計されている。反射性のSLM３０４に達する放射ビームは該反射性のSLM３０４によって、光路PPに沿ってホログラフィー式ビームスプリッター３０３のほうに反射される。さらに、反射性のSLM３０４は反射性領域と吸収性領域とを有し、これらが記録されるべきデータページの0および1のデータビットに対応する。この反射性のSLM３０４は回折構造として作用する。反射性のSLM３０４の各領域について、回折された部分放射ビームが生成され、光路PPに沿ってホログラフィー式ビームスプリッター３０３のほうに反射される。回折および反射された部分回折ビームは、回折および反射された放射ビームを形成する。

図４ａは、回折された部分放射ビームの強度を角度の関数として示している。角度0が光路PPに沿った方向に対応する。図４ａから見て取れるように、強度は光路PPに沿うところで最大になるが、回折された部分放射ビームの大きな割合が光路PPの方向とは違う方向に回折される。角広がりはざっとλ／dに等しい。ここで、λは放射源の波長であり、dは回折性および反射性構造３０４の平均回折きざみである。図３の例では、反射性のSLM３０４の平均回折きざみdは、反射性のSLM３０４の一つの個別の領域（ピクセル）の大きさに等しく、典型的には数マイクロメートルである。すべての回折および反射された部分放射ビームが光路PPに沿って向けられた場合、回折および反射された放射ビームはホログラフィー式ビームスプリッター３０３によって放射源３０１のほうに回折される。というのも、この場合、回折および反射された放射ビームの波長および方向はいずれもいわゆるブラッグ条件に一致するからである。該ブラッグ条件は、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３が設計されている波長および方向の条件である。この場合、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３は、図２ｄの第五の波面の波長および方向をもつ放射ビームが図２ｄの第三の波面２０６に平行な方向に回折されるよう、設計されている。

ブラッグ一致条件のまわりの角度の範囲の幅、すなわち反射および回折された部分放射ビームがホログラフィー式ビームスプリッター３０３によって放射源３０１のほうに回折される角度の範囲の幅は、約λ／Lである。この範囲外では、反射および回折された部分放射は、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３を通じて第一の結像レンズ３０５のほうに透過される。図４ｂは、回折および反射された部分反射ビームがホログラフィー式ビームスプリッター３０３を通過したあとの該回折および反射された部分放射ビームの強度を、角度の関数として示している。図４ｂの例では、Lはdよりも大きく、これは容易に実行できる。典型的にはLは1ミリメートル程度なので、dよりも大きい。図４ｂから見て取れるように、角度λ／Lの範囲内のごく小さな割合のみが放射源３０１のほうに回折され、反射および回折された部分放射ビームの残りの部分はホログラフィー式ビームスプリッター３０３を透過する。反射および回折された部分放射ビームのうち放射源３０１のほうに回折される割合は、比L／dに依存する。図３の例では、回折および反射された反射ビームの大きな割合がホログラフィー式ビームスプリッター３０３を透過することが望ましい。これは、L／dを50より大きく選ぶことによって達成できるが、これはdの典型的な値が数マイクロメートルなので容易に達成できる。

先に説明したように、回折および反射された放射ビームのある第一の割合は放射源３０１のほうに回折され、一方、第二のより大きな割合はホログラフィー式ビームスプリッター３０３を透過して第一の結像レンズ３０５に向かう。これは、本発明に基づく光学デバイスの光路効率が比較的高いことを意味している。実際、比L／dは、第一の割合が1パーセントより少なくなるよう選べる。これは、放射源３０１によって生成された放射ビームの主要な割合がホログラフィー媒体３０６にデータページを記録するために使われるということを意味する。

この第一の割合はできるだけ小さいことが望まれるが、この第一の割合は放射源３０１のための光学フィードバックとして使用できる。実は、放射源３０１の波長がブラッグ条件に一致しない場合、前記第一の割合は、放射源３０１の波長がブラッグ条件に一致する場合よりも小さくなる。第一の部分の強度のこの変動は、放射源３０１の波長をブラッグ条件に一致するよう微調整するために使用できる。これは、放射源３０１の波長が、この第一の割合の強度が最大になるまで調整されることによって達成できる。さらに、光学フィードバックをもつ放射源は、モード飛び移りがないため、従来式の放射源よりもノイズが少ない。

別の実施例では、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３は、放射源３０１によって生成されホログラフィー式ビームスプリッターに到達する放射ビームの100パーセントより少ない割合が光路PPに沿って反射性SLM３０４に向けて回折されるよう設計される。これは、放射源３０１によって生成された放射ビームのある第一の割合はホログラフィー式ビームスプリッター３０３を透過することを意味している。この第一の割合が検出モジュール３０９によって検出される。放射源３０１の波長がブラッグ条件に一致しない場合、前記第一の割合は、放射源３０１の波長がブラッグ条件に一致する場合よりも大きくなる。前記第一の部分の強度のこの変動は、この第一の部分の強度が最小になるまで放射源３０１の波長を微調整するために使用できる。よって、放射源３０１の波長は検出モジュール３０９によって監視される。

これまでに述べた例では、光学デバイスは、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３が設計上意図されている単一の周波数で動作する。しかしながら、ホログラフィー媒体３０６におけるデータ密度を上げるためには、いわゆる波長多重化を実行するために放射源３０１の波長が変更できることが望ましい。たとえば、まず第一のデータページが第一の波長λ1をもつ放射ビームによって記録され、第二のデータページが第二の波長λ2をもつ放射ビームによってホログラフィー媒体３０６の同じ場所に記録される。しかしながら、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３がたとえば第一の波長λ1のために設計されているとしたら、第二の波長λ2をもつ放射源３０１によって生成される放射ビームは、ブラッグ条件に一致しないので、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３を完全に透過してしまう。

この問題は、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３が異なる波長で記録された複数のホログラフィー・パターンを有することにおいて解決できる。この例では、第一のホログラフィー・パターンが第一の波長λ1をもつ平面波を用いて記録され、第二のホログラフィー・パターンが第二の波長λ2をもつ平面波を用いて記録される。第一の波長λ1をもつ放射ビームは、第一のホログラフィー・パターンによって回折され、第二のホログラフィー・パターンによっては回折されない。第二の波長λ2をもつ放射ビームは、第二のホログラフィー・パターンによって回折され、第一のホログラフィー・パターンによっては回折されない。異なる波長で記録された複数のホログラフィー・パターンをもつそのようなホログラフィー式ビームスプリッターは、図２ａから２ｃに記載された方法に基づいて容易に製造できる。波長λ1をもつ第一および第二の平面波２０４および２０５を用いて図２ａから２ｃの記載に述べられているように第一のホログラフィー・パターンが記録されれば、図２ｂの第一および第二の平面波２０４および２０５の波長はλ2に変更され、第二のホログラフィー・パターンが記録される。

これまでに述べた例では、ホログラフィー式ビームスプリッター３０３の表面は平らである。しかしながら、これらの表面は、本発明の範囲から外れることなく、曲がっていてもよい。この場合、本発明に基づく光学デバイスの、結像レンズ３０３のような他の光学素子がホログラフィー式ビームスプリッター３０３に組み込まれることができる。

請求項に参照符号があったとしてもその請求項を限定するものと解釈すべきではない。動詞「有する」およびその活用形が、いずれの請求項にせよ、定義されている以外の要素の存在を何ら排除するものではないことは明らかであろう。要素の単数形の表現はそのような要素の複数の存在を排除しない。

従来技術に基づく光学デバイスを示す図である。どのようにしてホログラフィー式ビームスプリッターが製造されるかを示す図の一つである。どのようにしてホログラフィー式ビームスプリッターが製造されるかを示す図の一つである。どのようにしてホログラフィー式ビームスプリッターが製造されるかを示す図の一つである。どのようにしてホログラフィー式ビームスプリッターが製造されるかを示す図の一つである。本発明に基づく光学デバイスを示す図である。図３の屈折性回折性構造によって反射および回折された放射ビームの強度を示す図である。図３のホログラフィー媒体上に結像される放射ビームの強度を示す図である。

Claims

放射ビームを生成する光源と、前記放射ビームを光路に沿って反射および回折する反射性回折性構造と、前記放射ビームが前記反射性回折性構造によって反射および回折されたのちに該放射ビームを結像する結像手段と、前記光路に沿って前記反射性回折性構造と前記結像手段の間にあるホログラフィー式ビームスプリッターとを有する光学デバイス。
前記反射性回折性構造が反射性の空間光変調器である、請求項１記載の光学デバイス。
前記ホログラフィー式ビームスプリッターが厚さLのホログラフィー材料を有しており、前記反射性回折性構造が平均回折きざみdを有しており、d＜Lである、請求項１記載の光学デバイス。
L／d＞50である、請求項３記載の光学デバイス。
前記ホログラフィー式ビームスプリッターが、前記反射性回折性構造によって反射および回折された放射ビームのうちある第一の割合が回折されて前記放射源に返されるよう構成されている請求項１記載の光学デバイスであって、当該光学デバイスが、前記第一の割合に基づいて前記放射源の波長を監視する手段を有している光学デバイス。
前記ホログラフィー式ビームスプリッターが、前記放射源によって生成された放射ビームのうちある第一の割合が該ホログラフィー式ビームスプリッターを透過するよう構成されている請求項１記載の光学デバイスであって、当該光学デバイスが、前記第一の割合に基づいて前記放射源の波長を監視する手段を有している光学デバイス。
前記ホログラフィー式ビームスプリッターが、複数の異なる波長で記録されたホログラフィー・パターンを有している、請求項１記載の光学デバイス。
複数の異なる波長で記録されたホログラフィー・パターンを有するホログラフィー式ビームスプリッター。
光学デバイスを製造する方法であって、放射ビームを生成する光源を設ける段階と、前記放射ビームを光路に沿って反射および回折する反射性回折性構造を設ける段階と、前記放射ビームが前記反射性回折性構造によって反射および回折されたのちに該放射ビームを結像する結像手段を設ける段階と、前記光路に沿って前記反射性回折性構造と前記結像手段の間にホログラフィー式ビームスプリッターを設ける段階とを有する方法。