全息图记录方法和装置、全息图重现方法及光学记录介质

摘要

本发明提供了全息图记录方法和装置、全息图重现方法及光学记录介质。将信号光记录到光学记录介质上作为全息图的全息图记录方法包括以下步骤：通过在对入射相干光进行空间调制的空间光调制器上显示将调制区域分为多个区域的图案，而关于所述相干光的光轴对称地设置产生信号光的信号光区域和产生参考光的参考光区域；通过利用所述空间光调制器对所述入射相干光进行调制，来产生信号光和参考光；将从彼此对称布置的所述信号光区域和所述参考光区域产生的所述信号光和所述参考光同时且同轴地照射到反射型光学记录介质上；以及将所述信号光记录在所述光学记录介质上作为全息图。

说明书

技术领域

本发明涉及全息图记录方法、全息图记录装置、全息图重现方法和光学记录介质。具体地，本发明涉及一种将信号光和参考光同轴地照射到反射型光学记录介质上并记录全息图的全息图记录方法和装置、重现利用此方法记录的全息图的全息图重现方法、以及利用此方法记录全息图所使用的光学记录介质。

背景技术

提出了一种通过从记录介质的同一表面侧同轴地照射信号光和参考光来制造透射型全息图的方法。在此方法中，由透镜对从空间光调制器的空间不同位置产生的信号光和参考光进行傅立叶变换。因为经傅立叶变换的信号光与参考光在傅立叶变换平面附近交叠，所以可以通过将记录介质放置在该位置处来记录全息图。另外，在此方法中，因为同轴照射信号光和参考光，所以光学系统很简单，并且可以使记录装置紧凑。

然而，对透射型全息图的同轴记录具有信号光与参考光的空间交叠很小的问题。具体地，如果记录材料的膜厚度很大，则存在如下问题，即沿光轴方向上离傅立叶变换平面越远，信号光与参考光交叠的区域就越小，不能沿记录材料的整个光轴方向(厚度方向)记录全息图。

另外，在具有记录层和反射层的反射型光学记录介质中，信号光和参考光穿过记录层，到达反射层，并在反射层被反射。反射的信号光和参考光沿相反方向再次穿过记录层。因此，存在由于参考光彼此干涉和信号光彼此干涉而导致的不必要的露光。另外，沿相同方向记录参考光和信号光的两类干涉条纹，并且沿相反方向类似地记录两类干涉条纹。同样来自这四类干涉条纹的衍射光不限于沿相同方向产生。当以此方式记录多个干涉条纹时，存在如下问题：重现时信号光的重现图像传播的方向上混合了其他衍射光，并且S/N劣化。

发明内容

为了解决上述问题做出本发明，本发明的目的是提供一种可以通过同轴地照射信号光和参考光来记录全息图、并使得能够在体全息图中进行高密度记录的全息图记录方法、全息图记录装置、全息图重现方法、以及光学记录介质。本发明的另一个目的是提供一种其中不必要的露光极少并可以以良好的S/N获得重现图像的全息图记录方法、全息图记录装置、全息图重现方法、以及光学记录介质。

本发明的一方面是一种全息图记录方法，该全息图记录方法包括以下步骤：通过在对入射相干光进行空间调制的空间光调制器上显示将调制区域分为多个区域的图案，而关于所述相干光的光轴对称地设置产生信号光的信号光区域和产生参考光的参考光区域；通过利用所述空间光调制器对所述入射相干光进行调制，来产生信号光和参考光；将从彼此对称布置的所述信号光区域和所述参考光区域产生的所述信号光和所述参考光同时且同轴地照射到反射型光学记录介质上；以及将所述信号光记录在所述光学记录介质上作为全息图。

所述空间光调制器可以是透射型调制器或反射型调制器。另外，所述空间光调制器可以对所述入射相干光进行强度调制，或可以对所述入射相干光进行相位调制。

在本发明上述方面的全息图记录方法中，将信号光和参考光同时且同轴地照射到光学记录介质上。将所述空间光调制器的调制区域分为多个区域。将产生信号光的信号光区域和产生参考光的参考光区域关于相干光的光轴对称布置。因此，从彼此对称布置的所述信号光区域和所述参考光区域产生的信号光和参考光在空间上被分隔开。沿相同的行进方向，它们在除束腰之外的区域处不交叠，并且不必要的露光极少。相反，入射信号光和反射参考光(或，入射参考光和反射信号光)沿相反方向完全交叠。因此，可以沿光学记录介质的整个光轴方向(厚度方向)记录全息图。可以有效利用光学记录介质的厚度，并可实现体全息图中的高密度记录。

此外，只存在两类写入的干涉条纹：由入射信号光和反射参考光造成的干涉条纹，以及由入射参考光和反射信号光造成的干涉条纹。从这两类干涉条纹完全沿相同方向重现衍射光。因此，可以以良好的S/N比获得重现图像。

如上所述，本发明具有如下效果：通过同轴地照射信号光和参考光，可以记录全息图，并且可以实现体全息图中的高密度记录。

此外，本发明还具有如下效果：不必要的露光极少，并且可以以良好的S/N比获得重现图像。

附图说明

根据以下附图来详细说明本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是说明本发明的全息图记录的原理的图；

图2是说明本发明的全息图重现的原理的图；

图3是说明根据相位共轭的全息图重现方法的图；

图4A到4D是示出记录光图案的变型例的图；

图5是示出记录光图案的变型例的图；

图6是示出彼此靠近布置的信号光区域和参考光区域的图；

图7是示出彼此分开布置的信号光区域和参考光区域的图；

图8是根据本发明第一示例性实施例的全息图记录/重现装置的示意性结构图；以及

图9是示出记录/重现处理的处理例程的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。

(全息图记录/重现原理)

图1是说明本发明的全息图记录的原理的图。

如图1所示，在记录全息图时，将作为用于对穿过空间光调制器(未示出)的相干光进行空间调制的调制区域的大致正六边形的记录光图案10显示在空间光调制器上。记录光图案10分为总共六个区域，它们是产生信号光的三个信号光区域12₁、12₂、12₃和产生参考光的三个参考光区域14_A、14_B、14_C。所有这六个区域都具有相同形状(图1中为大致等边的三角形)。记录光图案10由三组区域构成，这三组区域是关于相干光的光轴24穿过的中心点26对称布置的信号光区域12₁和参考光区域14_A、信号光区域12₂和参考光区域14_B、以及信号光区域12₃和参考光区域14_C。

注意，当不需要在各信号光区域之间区分时，将三个信号光区域12₁、12₂、12₃统称为信号光区域12。当不需要在各参考光区域之间区分时，将三个参考光区域14_A、14_B、14_C统称为参考光区域14。

这里将说明如下情况，即从信号光区域12₁产生的信号光和从参考光区域14_A产生的参考光在同一透镜16处会聚并照射到光学记录介质22上。光学记录介质22是反射型光学记录介质，其具有：记录层18，可以利用与光强度分布相对应的折射率变化来将全息图记录在该记录层18处；和反射层20，其反射穿过记录层18的信号光和参考光。将透镜16布置成使得信号光和参考光的束腰位于反射层20的表面。

从信号光区域12₁产生的信号光在透镜16处会聚并入射在光学记录介质22上。穿过记录层18的入射光1在反射层20处被反射，并成为反射信号光3。另一方面，从参考光区域14_A产生的参考光在透镜16处会聚并入射在光学记录介质22上。穿过记录层18的入射参考光2在反射层20处被反射，并成为反射参考光4。入射信号光1和反射参考光4沿相对方向发生干涉，其干涉条纹被记录为第一全息图。反射信号光3和入射参考光2沿相对方向发生干涉，其干涉条纹被记录为第二全息图。

因为空间上分隔了入射信号光1和入射参考光2，所以沿相同的行进方向，它们除了在束腰处以外不交叠，并且因为干涉不会出现在记录层18内，所以不必要的露光极少。相反地，入射信号光1和反射参考光4、以及反射信号光3和入射参考光2沿相反方向完全交叠。因此，可以沿记录层18的整个光轴方向(厚度方向)记录全息图，可以有效利用介质的厚度，并且可以实现体全息图中的高密度记录。

另外，同样，对于从信号光区域12₂产生的信号光与从参考光区域14_B产生的参考光的结合，以及从信号光区域12₃产生的信号光与从参考光区域14_C产生的参考光的结合，信号光和参考光沿相对方向发生干涉，并将两类干涉条纹记录为全息图。

图2是说明本发明的全息图重现的原理的图。

在以上描述中，给出了关于如下示例的说明，即其中由于从彼此对称布置的信号光区域12₁和参考光区域14_A产生的信号光和参考光同时且同轴地照射到反射型光学记录介质22上而导致记录全息图。接下来将说明对用上述方法记录的全息图的重现方法。

如图2所示，在重现全息图时，将作为用于对穿过的相干光进行空间调制的调制区域的大致正六边形的读出光图案30显示在空间光调制器(未示出)上。读出光图案30分为总共六个区域，它们为三个遮光区域32₁、32₂、32₃和产生参考光的三个参考光区域34_A、34_B、34_C。所有这六个区域都具有相同形状(图2中为大致等边的三角形)。读出光图案30由三组区域构成，这三组区域是关于相干光的光轴24穿过的中心点26对称布置的遮光区域32₁和参考光区域34_A、遮光区域32₂和参考光区域34_B、以及遮光区域32₃和参考光区域34_C。

设置在读出光图案30上的三个遮光区域32₁、32₂、32₃分别具有与记录光图案10中的信号光区域12₁、12₂、12₃相同的结构，并被布置在与记录光图案10中的对应信号光区域12₁、12₂、12₃相同的位置处。设置在读出光图案30上的三个参考光区域34_A、34_B、34_C分别具有与记录光图案10中的参考光区域14_A、14_B、14_C相同的结构，并被布置在与记录光图案10中的对应参考信号光区域14_A、14_B、14_C相同的位置处。

将给出关于如下情况的说明，即其中从参考光区域34_A产生的参考光在透镜16处会聚并照射到光学记录介质22作为读出光。从参考光区域34_A产生的参考光在透镜16处会聚，入射在光学记录介质22上，并被所记录的全息图衍射。衍射光5沿与入射参考光2相反的方向传播，并从光学记录介质22出射。以此方式，重现从信号光区域12₁产生的信号光。

类似地，通过将从参考光区域34_B产生的参考光照射到光学记录介质22上，重现从信号光区域12₂产生的信号光。此外，通过将从参考光区域34_C产生的参考光照射到光学记录介质22上，重现从信号光区域12₃产生的信号光。另一方面，穿过记录层18的入射参考光2在反射层20处被反射，并成为反射参考光4。衍射光5和反射参考光4在光检测器(未示出)上成像，并作为重现图像40而被观察。

在重现图像40中，在读出光图案30的参考光区域34_A的位置处重现信号光区域12₁的图案42₁。另外，在重现图像40中，反射参考光4的参考光区域34_A的图案44_A成像在读出光图案30的遮光区域32₁的位置处。类似地，在参考光区域34_B的位置处重现信号光区域12₂的图案42₂，在参考光区域34_C的位置处重现信号光区域12₃的图案42₃。另外，参考光区域34_B的图案44_B成像在遮光区域32₂的位置处，参考光区域34_C的图案44_C成像在遮光区域32₃的位置处。

图3是说明根据相位共轭的全息图重现方法的图。

如图3所示，在重现全息图时，将作为用于对穿过的相干光进行空间调制的调制区域的大致正六边形的读出光图案50显示在空间光调制器(未示出)上。读出光图案50分为总共六个区域，这六个区域是三个遮光区域52₁、52₂、52₃和产生参考光的三个参考光区域54_A、54_B、54_C。所有这六个区域都具有相同形状(图3中为大致等边的三角形)。读出光图案50由三组区域构成，这三组区域是关于相干光的光轴24穿过的中心点26对称布置的遮光区域52₁和参考光区域54_A、遮光区域52₂和参考光区域54_B、以及遮光区域52₃和参考光区域54_C。

设置在读出光图案50上的三个遮光区域52₁、52₂、52₃分别具有与记录光图案10的参考光区域14_A、14_B、14_C相同的结构，并被布置在与记录光图案10的对应参考光区域14_A、14_B、14_C相同的位置处。设置在读出光图案50上的三个参考光区域54_A、54_B、54_C分别具有与记录光图案10的信号光区域12₁、12₂、12₃相同的结构，并被布置在与记录光图案10的对应信号光区域12₁、12₂、12₃相同的位置处。

将给出关于如下情况的说明，即从参考光区域54_A产生的参考光在透镜16处会聚并照射到光学记录介质22上作为读出光。从参考光区域54_A产生的参考光6在透镜16处会聚，入射在光学记录介质22上，并被记录的全息图衍射。衍射光8沿与入射参考光6相反的方向传播，并从光学记录介质22出射。以此方式，重现从信号光区域12₁产生的信号光。

类似地，由于将从参考光区域54_B产生的参考光照射到光学记录介质22上，而使得重现从信号光区域12₂产生的信号光。另外，由于将从参考光区域54_C产生的参考光照射到光学记录介质22上，而使得重现从信号光区域12₃产生的信号光。另一方面，穿过记录层18的入射参考光6在反射层20处被反射，并成为反射参考光7。衍射光8和反射参考光7在光检测器(未示出)上成像，观察到重现图像60。

在重现图像60中，在读出光图案50的参考光区域54_A的位置处重现信号光区域12₁的图案62₁。另外，在重现图像60中，反射参考光7的参考光区域54_A的图案64_A成像在读出光图案50的遮光区域52₁的位置处。类似地，在参考光区域54_B的位置处重现信号光区域12₂的图案62₂，在参考光区域54_C的位置处重现信号光区域12₃的图案62₃。另外，参考光区域54_B的图案64_B成像在遮光区域52₂的位置处，参考光区域54_C的图案64_C成像在遮光区域52₃的位置处。

如上所述，可以采用两种方法来重现通过将从彼此对称布置的信号光区域12和参考光区域产生的信号光和参考光同时并同轴地照射到反射型光学记录介质22上而记录的全息图。

(记录光图案的变型例)

以上给出了关于如下示例的说明，即其中将大致正六边形的记录光图案分为六个区域，并将各区域指定给信号光区域和参考光区域。然而，使得信号光区域和参考光区域能够关于相干光的光轴对称布置就足够了，作为调制区域的记录光图案的结构和划分数、以及信号光区域和参考光区域的排列并不限于上述示例中的情况。图4A到4D是示出记录光图案的变型例的图。例如，如图4A所示，可以关于中心点26将大致正方形的记录光图案分为两个区域，使一个区域是信号光区域12，并使另一个区域是参考光区域14。另外，如图4B所示，可以关于中心点26将大致正方形的记录光图案分为四个区域，使两个区域是信号光区域12，并使其余两个区域是参考光区域14。

或者，如图4C所示，可以关于中心点26将大致正方形的记录光图案分为八个区域，使四个区域是信号光区域12，并使其余四个区域是参考光区域14。另外，记录光图案不限于诸如正方形等的矩形形状。除诸如六边形、八边形等的多边形之外，还可使用扇形或圆形。如图4D所示，可以关于中心点26将为大致完全圆形的记录光图案分为10个区域，使五个区域是信号光区域12，并使其余五个区域是参考光区域14。

如上所述，划分数必然是偶数。然而，当将记录光图案分为可由四整除(例如可由四或八等整除)的数量个区域时，参考光区域彼此相邻。结果，记录光图案与被分为更少数量的划分的情况相同，例如四划分与两划分相同，八划分与六划分相同。从而，优选地将记录光图案分为不可由四整除的偶数(例如，2、6、10、14、...、102等)个区域，即，将记录光图案分为4n+2个区域(其中n是0或自然数)。

另外，如图5所示，可以将信号光区域12和参考光区域14布置成与中心点26(光轴24)分隔开。当关于中心点26彼此对称布置的信号光区域12和参考光区域14相邻时，信号光和参考光沿相同的行进方向发生干涉，发生不必要的露光。通过将彼此对称布置的信号光区域12和参考光区域14布置为远离光轴24，可以防止这种不必要的露光。

另外，优选地，划分数是6或更多，即，4n+2(其中n是自然数)。参照图6和7解释其原因。如果将记录光图案分为两个区域，如图6所示，则关于中心点26彼此对称布置的信号光区域12和参考光区域14在切线上相邻，并且因为入射角接近，所以容易出现噪声。如果为了避免这个问题而如图7所示地将信号光区域12和参考光区域14布置成彼此分开，则浪费了空间光调制器的调制区域(空间区域)。相反，如果存在六个或更多个划分，如图6所示，则关于中心点26彼此对称布置的信号光区域12和参考光区域14彼此隔开，并只在中心点26处相接触。因此，很难出现噪声，并可以有效利用空间区域。

(光学记录介质的优选层结构)

如参照图1所描述的，在本发明中，因为入射信号光1和入射参考光2在空间上隔开，所以它们在相同的行进方向上除了在束腰处之外不交叠，并且在记录层18内不发生干涉。因此，不必要的露光极少。然而，如图6所示，在束腰100处，入射信号光1、入射参考光2、反射信号光3和反射参考光4的所有光束交叠，那时写入的不必要栅格(lattice)可能成为噪声源。

为了解决此问题，如图7所示，优选地在光学记录介质22的记录层18与反射层20之间设置缓冲层102，缓冲层102由对于由信号光和参考光形成的记录光无活性的材料构成。通过设置缓冲层102，可以使记录层18和反射层20彼此隔开，从而束腰不位于记录层18内。以此方式，可以防止将不必要的栅格写入记录层18。

(第一示例性实施例)

图8是根据本发明示例性实施例的全息图记录/重现装置的示意性结构图。如图8所示，在该记录/重现装置中，可以将信号光和参考光同轴地照射到光学记录介质上。

在全息图记录/重现装置中设置有使作为相干光的激光振荡的光源70。在光源70的激光照射侧布置有由透镜72、74形成的扩束器75。在扩束器75的光透射侧布置有透射型空间光调制器76。

空间光调制器76通过图案产生器94连接到个人计算机92。根据从个人计算机92提供的数字数据，图案产生器94产生要显示在空间光调制器76上的图案。空间光调制器76根据所显示的图案调制入射激光，并按页产生数字图像(信号光)和参考光。

在空间光调制器76的光透射侧布置有透射一半光强度并反射其余一半光强度的分束器78。在空间光调制器76处产生的信号光和参考光沿分束器78的方向出射，并且一半光强度透过分束器78。

在分束器78的信号光透射侧布置有傅立叶变换透镜82。该傅立叶变换透镜82将来自记录层86侧的信号光和参考光照射到具有反射层84和记录层86的反射型光学记录介质88上。

在分束器78的衍射光反射侧布置有光检测器90，该光检测器90由诸如CCD或CMOS阵列等的摄像元件构成，并将接收到的重现光(衍射光)转换为电信号且输出电信号。光检测器90连接到个人计算机92。当在重现全息图期间将参考光照射到光学记录介质88上时，照射参考光的一部分被全息图沿相反方向衍射。另外，参考光的穿过记录层86并被光学记录介质88的反射层84反射的部分被全息图衍射，并再次被反射层84反射，沿傅立叶变换透镜82的方向重现两个衍射光。重现的衍射光入射到分束器78上，一半光强度的衍射光沿光检测器90的方向被反射。

接下来将描述由个人计算机92执行的记录/重现处理的处理例程。图9是示出记录/重现处理的处理例程的流程图。首先，用户操作输入装置(未示出)并选择记录处理或重现处理。在要将数字数据记录为全息图的情况下，将要记录的数字数据预先输入到个人计算机。

在步骤100中，判断选择了记录处理还是选择了重现处理。如果选择了记录处理，则在步骤102中，从光源70照射激光，在预定时间从个人计算机92输出数字数据，执行对全息图的记录处理，随后例程结束。

这里，将描述对全息图的记录处理。

从光源70振荡的激光由扩束器75准直为大直径光束，并入射到空间光调制器76上。当从个人计算机92输入数字数据时，在图案产生器94处，根据提供的数字数据产生信号光图案，将信号光图案与参考光图案进行合成，产生要显示在空间光调制器76上的图案。在空间光调制器76处，根据显示的图案对激光进行强度调制，并产生信号光和参考光。

在本示例性实施例中，如图1所示，将记录光图案10显示在空间光调制器76上，该记录光图案10的形状大致为正六边形并被分为总共六个区域，这六个区域是三个信号光区域12₁、12₂、12₃和三个参考光区域14_A、14_B、14_C。根据显示的图案对入射到空间光调制器76上的激光进行调制，并产生是P偏振光的信号光和参考光。

在空间光调制器76进行了调制的信号光和参考光照射到分束器78上，一半光强度透过分束器78。其后，由透镜82对光进行傅立叶变换，并使光同时且同轴地照射到光学记录介质88上。以此方式，入射在光学记录介质88上的信号光和在反射层84处被反射的参考光、或者在反射层84处被反射的信号光和入射参考光在记录层86的整个区域上在束腰处交叠，并彼此干涉，将干涉图案记录为反射型全息图。

如上所述，通过在空间光调制器76的显示图案中彼此对称地布置信号光区域12和参考光区域14，入射到光学记录介质88上的信号光和参考光在空间上隔开，并且在相同的行进方向上除了在束腰处之外不交叠且不导致干涉。因此，不必要的露光极少。

如果在图9的步骤100中选择重现处理，则在步骤104中，从光源70照射激光，并且开始对全息图的重现处理。

这里，将描述对全息图的重现处理。

如图2所示，将读出光图案30显示在空间光调制器76上，该读出光图案30的形状大致为正六边形并被分为总共六个区域，这六个区域是三个遮光区域32₁、32₂、32₃和三个参考光区域34_A、34_B、34_C。根据显示的图案对入射到空间光调制器76上的激光进行调制，并产生参考光。以此方式，在产生的参考透过分束器78之后，由透镜82对其进行傅立叶变换，并仅将参考光照射到光学记录介质88中的记录有全息图的区域上。

在还根据相位共轭进行重现的情况下，如图3所示，将读出光图案50显示在空间光调制器76上，该读出光图案50的形状大致为正六边形并被分为总共六个区域，这六个区域是三个遮光区域52₁、52₂、52₃和三个参考光区域54_A、54_B、54_C。根据显示的图案对入射到空间光调制器76上的激光进行调制，并产生为P偏振光的参考光。以此方式，在产生的参考光透过分束器78之后，由透镜82对其进行傅立叶变换，并仅将参考光照射到光学记录介质88中的记录有全息图的区域上。

在本示例性实施例中，照射的参考光被全息图衍射，被透镜82进行傅立叶逆变换，入射到分束器78，并沿光检测器90的方向被反射。可以在透镜82的焦平面处观察到重现图像。

由光检测器90来检测此重现图像。由光检测器90对检测到的模拟数据进行A/D转换。将重现图像的图像数据输入到个人计算机92，并保存在RAM(未示出)中。从该图像数据解码出二进制数字数据，从而例程结束。以此方式，对保存在信号光中的数字数据进行解码。

如上所述，在本示例性实施例中，在空间光调制器中的显示图案中，将调制区域分为多个区域，并按照彼此对称的方式来布置信号光区域和参考光区域。以此方式，入射到光学记录介质上的信号光和参考光在空间上分隔开，并且在相同的行进方向上除了在束腰处之外不交叠并不导致干涉。因此，可以使由于不必要的露光而导致的噪声衍射分量很小。

另外，在空间光调制器中的显示图案中，通过将调制区域分为多个区域并按照彼此对称的方式来布置信号光区域和参考光区域，使得入射信号光和反射参考光、或者反射信号光和入射参考光沿相反方向完全交叠并导致干涉。因此，可以沿记录层的整个光轴方向(厚度方向)记录全息图，可以有效地利用光学记录介质的厚度，并且可以实现体全息图中的高密度记录。

对本发明示例性实施例的前述描述是为了例示和描述的目的而提供的。其并非旨在穷举或者将本发明限于所公开的确切形式。显然，许多修改和变型对于本领域技术人员是显而易见的。选择并描述示例性实施例是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够理解本发明的适用于所构想特定用途的各种实施例和各种变型例。旨在由所附权利要求及其等同物来限定本发明的范围。