專利名稱：全息記錄設備和相位掩模版的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于在全息記錄介質上記錄信號光和參考光之間的干涉條紋的全息記錄設備，尤其涉及用于抑制信號光的DC分量的相位掩模版(相位罩)。
背景技術：
近來已經提出了全息數據存儲系統，其利用在全息記錄材料上大容量記錄用信息進行了空間調制的信號光和參考光之間的干涉條紋的全息技術記錄和再現大容量的數據。
在傳統的全息數據存儲系統中，從光源(未圖示)發出的相干激光50被分裂成信號光100和參考光200，如圖9所示。當這樣獲得的信號光100通過空間調制器(SLM)1時，信號光100被SLM 1中顯示的信息(數據圖案)進行空間調制。被SLM 1進行空間調制的信號光100被透鏡2會聚在全息記錄材料3的附近，并使之與單獨作用于全息記錄材料3的參考光200發生干涉，從而記錄全息圖。
此時，進入SLM 1的激光50根據SLM 1的像素圖案和在SLM 1中顯示的數據圖案被衍射。結果，信號光100在全息記錄材料3上具有特定分布。根據波動光學理論，該分布與SLM 1中顯示的圖像的傅立葉變換圖案有關，該分布的大小與SLM 1中顯示的像素的大小以及透鏡的焦距成正比。圖10圖示了模擬信號光100在全息記錄材料3上的分布的一個例子。
圖10表明全息記錄材料3上的光在原點附近具有高強度，在其他部分的光強度低。附帶說明，在原點附近的高強度分量被稱為DC分量。我們知道，當使用只進行強度調制的SLM 1時，這樣的非均勻分布問題是DC分量問題。已經知道，在記錄全息圖時，這樣的非均勻性導致各種問題，并且已經提出了針對這些問題的一些措施(例如見非專利文獻1，Holographic Data Storage；H.J.Coufal，D.Psaltis，and G.T.Sincerbox ED；Springer；p.259-269 Beam Conditioning Techniquesfor Holographic Recording Systems)。
一種這樣的措施是一種使用被稱為隨機相位掩模版或者散射器的光學部件的方法。這種光學部件例如具有與SLM 1的像素間距一樣的節距，并具有零和π相位差的隨機圖案。該光學部件被設置為使得該光學部件的隨機圖案與SLM 1的像素一致。這樣，該光學部件散射光。具有零和π相位差的隨機圖案的光學部件被稱為相位掩模版。這樣，光的散射導致光在全息記錄材料3上的均勻分布，這樣就極大地改善了記錄性能。
發明內容
如果將用于從信號光中消除DC分量的相位掩模版如上所述引入信號光光學系統中以防止在全息記錄材料上過于集中的信號光降低全息記錄材料的使用效率并降低S/N(信噪比)，就解決了信號光的DC分量導致的問題，但是已經知道，因為相位掩模版的引入而導致的噪聲疊加到信號光上，噪聲反而增加了。造成這種情況的原因是強度分量在散射器的圖像上的疊加，由于全息記錄和再現光學系統的像差效應以及全息記錄本身的不完備性，散射器固有地只有一個相位分量。例如，即使使用理想的相位掩模版，信號光光學系統的像差也容易造成強度的變化，尤其是在相位掩模版圖像中的圖案邊界部分(當相位掩模版被理想地成像時，不發生強度變化)。當強度變化疊加到信號光的數據圖案上時，就產生了讀取數據的問題，使位誤碼率(BER)惡化。
本發明就是鑒于上述情況做出的。希望提供一種相位掩模版和使用該相位掩模版的全息記錄設備，其能夠抑制信號光的DC分量而不會降低再現圖像的S/N，并改善BER。
根據本發明的一種實施方案，提供了一種在全息記錄材料中記錄參考光和信號光之間的干涉條紋的全息記錄設備，所述信號光是由顯示在空間調制器中的數據調制的信號光，該全息記錄設備包括用于散射光的相位掩模版，該相位掩模版被設置在信號光通過的光學系統中，其中，相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元是空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數。
這樣，在本發明中，通過將相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元設定為空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數，防止相位掩模版的光散射圖案的邊界落在空間調制器的顯示數據的最小單元的內部，從而相位掩模版的圖案的邊界部分不出現在數據塊的內部。從而可以防止記錄圖像的S/N劣化，沒有疊加在信號光上的相位掩模版造成的噪聲。這已經通過試驗得到了證實。從而，可以抑制信號光的DC分量而不會使再現圖像的S/N劣化，改善BER。
根據本發明，通過將相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元設定為空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數，防止相位掩模版的光散射圖案的邊界落在空間調制器的顯示數據的最小單元的內部。從而，可以抑制信號光的DC分量而不會使再現圖像的S/N劣化，改善BER，并通過有效地利用全息記錄介質的動態范圍提高記錄密度。
圖1的框示了根據本發明的第一種實施方案，全息記錄設備的主要部件的結構；圖2A、2B和2C的示意圖表示圖1中所示的SLM的顯示系統；圖3A和3B是輔助示意圖，用于說明圖1所示的SLM的顯示數據和相位掩模版的圖案之間的關系；圖4A、4B和4C的示意示了根據本發明的第二種實施方案，用在全息記錄設備中的相位掩模版的結構；圖5A、5B、5C和5D是輔助示意圖，用于說明2-4調制系統的數據圖案；圖6的輔助示意圖用于說明根據本發明的第三種實施方案，用在全息記錄設備中的SLM和相位掩模版之間的關系；圖7的示意示了一個例子，其中，相位掩模版的圖案邊界出現在對準標記和調制數據之外的部分處；圖8的示意示了一個例子，其中，根據對準標記的位置，使得相位掩模版的圖案部分的相位相差π；圖9的示意示了傳統的全息數據存儲系統的主要部件的結構；圖10的特性曲線圖表示信號光在全息記錄材料上的分布的一個模擬例子。
具體實施例方式
通過將相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元設定為空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數，防止相位掩模版的光散射圖案的邊界落到空間調制器的顯示數據的最小單元的內部，從而實現這樣的需求抑制信號光的DC分量，而不會使再現圖像的S/N劣化，并改善BER。
圖1的框示了根據本發明第一種實施方案的全息記錄設備的主要部件的結構。該全息記錄設備包括用于記錄的信號光光學系統301和用于再現的信號光光學系統302。該記錄信號光光學系統301具有空間調制器(SLM)11、設置在SLM 11附近的位置處的相位掩模版12、形成信號光光學系統的透鏡13、14和15以及插在透鏡13和14之間以去除不必要的光的高頻截止光圈16。下面描述圖中用虛線表示的部件(相位掩模版)。再現信號光光學系統302具有形成再現信號光光學系統的透鏡18、19和20、插在透鏡19和20之間以去除不必要的光的高頻截止光圈21以及用于接收再現信號光從而獲得再現圖像數據的圖像傳感器22。另外，在如上所述的全息記錄設備中設置全息記錄材料80以記錄和再現全息圖。
下面描述第一實施方案的工作過程。從圖中未圖示的激光源發出的激光分出的信號光100被顯示在SLM 11中的數據頁進行空間調制，并被相位掩模版12進一步散射，之后透過透鏡13、14和15會聚到全息記錄材料80中。此時，當信號光100穿過SLM 11時產生的不必要的光比如高階光等被光圈16截止。此時，用圖中未圖示的參考光照射全息記錄材料80，所述參考光是從所述激光中分出的。參考光和信號光100產生的干涉條紋被記錄在全息記錄材料80中。
當用SLM 11顯示數據頁時，可以一起使用SLM 11的若干像素，而不是SLM 11的一個像素被賦予一個數據。例如，當希望顯示圖2A所示的數據時，可以進行如圖2B的顯示，或者可以如圖2C所示一起顯示多個像素。但是，由于SLM 11的像素總數是一樣的，當應用圖2C的方法時，每頁的記錄容量當然減少了。類似地，在相位方面，相位掩模版12不需要按照與SLM 11的節距相同的單元變化，而可以以幾個液晶像素作為一個單元來改變相位。
當用與記錄時相同的參考光(未圖示)照射如上所述記錄有全息圖的全息記錄材料80時，記錄在全息記錄材料80中的干涉條紋產生衍射光。再現的作為所述衍射光的信號光通過透鏡18、19和20，被圖像傳感器22接收到。從而，記錄的數據頁被圖像傳感器22讀取。對數據頁進行圖像處理，然后解碼，從而再現記錄的數據。
順便說明，圖1中的記錄信號光光學系統301中的高頻截止光圈16截除在SLM 11等中產生的高階衍射光，以防止對全息記錄材料80上的部分進行不必要的曝光。圖1中的再現信號光光學系統302內的高頻截止光圈21截除從不必要的全息圖再現的光以及從全息圖再現的光的散射光分量。相位掩模版12例如是這樣的光學部件其隨機圖案具有與SLM 11的像素間距相同的節距，其諸如π這樣的相位差使得波相互抵消。相位掩模版12使穿過SLM 11的信號光100產生散射。當信號光這樣被散射時，光就被均勻地分布在全息記錄材料80上，DC分量被截除，這樣，就極大地改善了記錄特性，比如復用程度等。相位掩模版12可以位于這樣的位置(圖1中的虛線所指的位置)，使得SLM 11和相位掩模版12相互成成像關系。
但是，事實上，盡管信號光的DC分量被抑制，由于使用相位掩模版12，噪聲仍然增加了。因此，將第一實施方案中的相位掩模版12中的相位調制單元設置為SLM 11的數據單元的自然數倍數。圖3A圖示了這樣的一個例子，其中，方塊30表示相位掩模版12的一個數據單元，線31表示相位掩模版圖案的邊界線，方塊40表示SLM 11的一個數據單元，線41表示SLM 11的像素邊界。可以形成這樣一種關系，使得相位掩模版12的圖案的邊界部分不進入SLM 11的數據塊的內部。圖3B圖示了一種不希望有的例子，其中，相位掩模版12的圖案的邊界部分進入了SLM 11的數據塊的內部，如附圖標記60所示。這樣，相位掩模版12的圖案的邊界部分不出現在數據塊的內部，從而防止了由于插入相位掩模版12而產生噪聲在信號光100上的疊加。這已經通過試驗得到了證實。
根據第一種實施方案，通過將相位掩模版12中的相位調制的單元設定為SLM 11的數據單元的自然數倍數，可以防止使用相位掩模版12產生的噪聲疊加到信號光100上，抑制信號光的DC分量而不增加噪聲，并多路復用更多的高質量圖像。應注意到，盡管在上述實施方案中數據為方塊形狀，但是數據的形狀當然也可以是矩形或者其他形狀，并獲得類似的效果。
圖4A、4B和4C的示意示了用在本發明第二種實施方案的全息記錄設備中的相位掩模版的結構。但是，由于本例子的構造類似于上述第一實施方案，具有相同構造的每一個部件的構造和操作的描述就省略了，下面對操作中的有特點的部分加以說明。
當調制SLM的數據的圖案時，根據第二實施方案的相位掩模版具有與被調制的塊單元相同的相位調制單元。
當如圖5A、5B、5C和5D所示由SLM對數據進行2-4調制時，例如使用具有圖4A中線31所示的單元的相位掩模版，從而，可以自動地獲得與第一實施方案類似的效果。順帶說明，所謂的2-4調制能夠將兩位數據與如圖5A到5D所示的四個圖案關聯起來。當然，被調制的圖案不限于方形，如圖4B所示的矩形或者圖4C所示的另一種形狀能夠獲得類似的效果。
圖6的輔助示意圖用于說明用在本發明第三實施方案的全息記錄設備中的SLM和相位掩模版之間的關系。但是，由于本例子的構造類似于上述第一實施方案，具有相同構造的每一個部件的構造和操作的描述就省略了，下面對操作中的有特點的部分加以說明。
由圖像傳感器獲得的再現圖像一般包括用于輔助信號再現的信息，比如對準標記90等。對準標記90等的圖像質量也是很重要的，必須防止由于相位掩模版的插入而產生的圖案邊界部分的效應導致對準標記90等的圖像質量的劣化。對準標記90的形狀和面積一般不同于被調制數據塊的形狀和面積。在所形成的相位掩模版在整個表面具有相同節距的情況下，被調制塊部分不受圖案邊界部分的影響，但是相位掩模版的圖案邊界出現在對準標記90以及被調制數據之外的部分處，如圖7所示，這樣就降低了對準標記的識別精度。
因此，在第三實施方案中，在相位掩模版的對應于SLM的數據區之外的部分的部分中不形成光散射圖案。這防止了在對準標記中由于插入相位掩模版而降低圖像質量，從而防止了對準標記的識別精度的降低。例如，只在相位掩模版的對應于圖6所示的部分91(對應于SLM的數據顯示區)的區域中形成光散射圖案，在其他的部分不形成所述圖案。
根據第三實施方案，通過只在對應于SLM的數據頁顯示區91的區域中形成相位掩模版的光散射圖案，而在其他區域(對準標記90)中不形成光散射圖案，防止了對準標記的識別精度的降低。從而可以在高水平再現時保持圖像處理中所用的定位精度，從而有效地再現高質量的圖像。
至于對上述實施方案的修改，SLM的對準標記顯示區域中沒有圖案的情況，與沒有相位掩模版的情況在只觀察該區域時是等同的。因此，由對準標記顯示區域產生的信號光的DC分量仍然存在，從而導致圖像質量的下降。對對準標記90等的數據部分(這些部分通常是多個)提供相位差，將這些部分作為一個單元，從而整體地實施消除操作。例如，如圖8所示，使得相位掩模版的對應于P所指示的部分的圖案部分具有與數據頁標記相同的形狀，該圖案的相位整體地被提前π。使得相位掩模版的對應于Q所指示的部分的圖案部分的相位差為零，也就是，在該圖案部分中不形成圖案。另外，在R所指的區域(對應于SLM的數據顯示區)中形成與第一實施方案相同的普通圖案。從而，可以獲得與上述第二種實施方案類似的效果。
應注意到，本發明不限于前述實施方案，就具體構造、功能、操作和效果而言，本發明可以有各種其他形式的實施方式而不會脫離本發明的精神實質。例如，可以通過在前述所有實施方案中使得相位掩模版具有下述的相位分布而提高削減DC分量的效果，這樣的相位分布使得透射光的復值幅度的和為零，或者基本上可以視為是零。另外，由于本發明涉及的是信號光光學系統，本發明對于所謂的同軸式(或者共線式)記錄和再現系統(其中，信號光和參考光同軸地通過同一光路)當然具有類似的效果。
本領域的普通技術人員應當理解，隨設計要求和其他因素而定，可以有各種各樣的修改、組合、亞組合和變更，前提是它們在所附權利要求或者其等效方案的范圍之內。
權利要求
1.一種在全息記錄材料中記錄參考光和信號光之間的干涉條紋的全息記錄設備，所述信號光是由顯示在空間調制器中的數據調制的信號光，該全息記錄設備包括用于散射光的相位掩模版，該相位掩模版被設置在所述信號光通過的光學系統中，其中，相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元是所述空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數。
2.如權利要求1所述的全息記錄設備，其中，通過所述空間調制器用塊碼對所述信號光的數據部分進行調制，并且所述相位掩模版的所述圖案的邊界不落入所述塊碼的塊的內部。
3.如權利要求1所述的全息記錄設備，其中，所述相位掩模版的所述圖案的邊界不落在所述空間調制器中用于圖像處理的對準標記的顯示區域上。
4.如權利要求1所述的全息記錄設備，其中，在所述相位掩模版的區域中，只在對應于所述空間調制器的數據顯示區域的區域中形成所述光散射圖案。
5.如權利要求4所述的全息記錄設備，其中，在所述相位掩模版的區域中，在對應于所述空間調制器中用于圖像處理的對準標記的顯示區域的區域中不形成所述光散射圖案。
6.如權利要求1所述的全息記錄設備，其中，所述相位掩模版的所述圖案的相位分布使得透射光的復值幅度的和為零或者可以視為基本上為零。
7.一種用于散射被空間調制器調制的光的相位掩模版，其中，形成在所述相位掩模版中的光散射圖案的最小單元是所述空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數。
8.一種全息記錄方法，包括下列步驟用空間調制器調制信號光；用相位掩模版散射所述被調制的信號光，其中，光散射圖案的最小單元是所述空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數；用透鏡會聚所述被散射的信號光；以及在全息記錄材料中記錄所述被會聚的信號光和參考光之間的干涉條紋。
9.如權利要求8所述的全息記錄方法，其中，所述相位掩模版的所述圖案的邊界不落在所述空間調制器中用于圖像處理的對準標記的顯示區域上。
10.如權利要求8所述的全息記錄方法，其中，在所述相位掩模版的區域中，只在對應于所述空間調制器的數據顯示區域的區域中形成所述光散射圖案。
11.如權利要求10所述的全息記錄方法，其中，在所述相位掩模版的區域中，在對應于所述空間調制器中用于圖像處理的對準標記的顯示區域的區域中，不形成所述光散射圖案。
12.如權利要求8所述的全息記錄方法，其中，所述相位掩模版的所述圖案的相位分布使得透射光的復值幅度的和為零或者可以視為基本上為零。
全文摘要
本申請涉及全息記錄設備和相位掩模版。具體地，提供了一種在全息記錄材料中記錄參考光和信號光之間的干涉條紋的全息記錄設備，所述信號光是由顯示在空間調制器中的數據調制的信號光，該全息記錄設備包括用于散射光的相位掩模版，該相位掩模版被設置在信號光通過的光學系統中，其中，相位掩模版中形成的光散射圖案的最小單元是空間調制器的顯示數據的最小單元的自然數倍數。
文檔編號G11B7/125GK1841526SQ20061006834
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月29日 優先權日2005年3月29日
發明者兼坂智樹, 木原信宏, 馬場茂幸, 山津久行, 江面惠 申請人:索尼株式會社