本发明涉及一种共轴型(inline type)散斑复用(speckle multiplex)全息记录装置及其方法，更具体地说，本发明涉及一种能够在全息记录介质上会聚信号光和参考光而无需增加透镜的孔径的共轴型散斑复用全息记录装置及其方法。

最近已经提出利用全息技术记录和再现大量数据的全息记录和再现系统。该全息记录和再现系统包括记录系统，用于将包括空间光调制部分例如液晶器件所产生的记录数据在内的信号光以及相应于所述信号光设置的参考光以预订的角度照射到全息记录介质(记录部件)上，从而将信号光和参考光生成的干涉条纹记录到全息记录介质上。该全息记录和再现系统还包括再现系统，用于将再现照射光照射到全息记录介质上，以便生成相应于记录在全息记录介质上的干涉条纹的衍射光，并且通过光接收器件例如CCD图像传感器接收和分析所述衍射光，从而再现所记录的数据。应该指出的是，用于记录通过照射一次光所记录的数据的全息图称作页面。
此外，在该全息记录和再现系统中，采用一种称作复用(multiplex)记录的方法，以便实现高记录密度。与用于传统光盘的记录方法不同，复用记录方法在同一位置上彼此独立地记录大量页面。作为这种复用记录方法的代表，角度复用记录方法、相移复用记录方法、相位码复用记录方法等是公知的，并且存在许多其它的复用记录方法。与本发明相关的该复用记录方法中的一种称作散斑复用(或相关复用)，将在下文中详细描述。
顺便指出的是，在全息图记录到记录部件的地方，存在在全息图的厚度方向上出现不可用区域的问题。例如，如果忽略厚度，则用于记录一页所必需的区域为如图9所示的范围。但是，由于记录部件实际上存在一定的厚度，在考虑图10所示的在记录部件上信号光和参考光重叠的情况下，与不考虑厚度的情况相比用于记录一页所必需的区域明显增大。此外，出现不可用区域40，这降低了能够在记录部件上记录的信号的动态范围和记录密度。
解决该不可用区域问题的一种可行的对策是使信号光和参考光所限定的角度最小化。但是，如果信号光和参考光所限定的角度很小，则会出现布拉格选择性降低的现象，从而逆转降低记录密度。
作为有效增加记录密度的复用方法的上述散斑复用方法，如果信号光和参考光所限定的角度减小，则记录密度降低。如图11所示，根据该散斑复用方法，在参考光的光路中布置散射部件，从而使得散射部件所散射的参考光与信号光在记录部件上彼此干涉。
通常，随机散射的参考光导致随机干涉，兵由此获得称作散斑图案的随机强度分布。更具体的，根据该散斑复用方法，散斑图案和信号光彼此进行干涉。以上述方式记录的全息图具有如下特性，即，如果移位与散斑尺寸相等的距离，则不能再现图像。这是由于，在使用法线(normal)球面波参考光的相移复用中，需要取决于布拉格选择性的距离作为相移量，而在散斑复用中，相应于散斑尺寸的该距离等于所述相移量。在考虑上述特性的情况下，可以认为，即使将信号光和参考光所限定的角度减小以便减小不可用的区域，散斑复用方法也不存在布拉格选择性降低而降低记录密度的问题。
换句话说，根据散斑复用，当记录和再现时所使用的参考光的相关函数为0时，不会再现信号光。这表明，如果所使用的参考光彼此差别很大，使得相关函数为0，则能够实现复用记录。如果能够利用这一点，则与上述记录部件的移动无关的散斑复用方法看起来也是可行的。例如，移动图11所示的散射部件以便充分变化记录部件上的散斑图案从而实现复用记录也是可能的。
从前面的描述中可以看出，在考虑记录部件的厚度的情况下，为了减少不可用区域，减小信号光和参考光所限定的角度非常有用，并且在这种情况下，作为防止由于布拉格选择性的降低而导致记录密度降低的方法，散斑复用方法非常有效。同样，采用上述这一点的系统也是可行的。例如，作为刚才提到的类型的系统，在H.J.Coufal、D.Psaltis和G.T.Sincerbox的“Holographic Data Storage”，ED；Springer；p.396，Digital Holographic Demonstration System中公开了一种共轴型全息记录装置。该共轴型全息记录装置的结构示于图12中。
参考图12，该共轴型全息记录装置包括用于对激光50进行强度调制的空间光调制器(SLM)21以及用于对激光50进行随机散射的散射器22。该共轴型全息记录装置还包括用于在全息记录介质24上会聚信号光100和参考光200的透镜23，以便将全息图记录在全息记录介质24上。该共轴型全息记录装置还包括用于会聚从全息记录介质24上生成的衍射光的另一个透镜25，以便在图像传感器26上形成图像。图像传感器26对在其上形成的图像执行光电转换处理，从而生成再现信号。
在记录时，将激光50作为平行光引入空间光调制器21和散射器22。将在空间光调制器21上引入的激光50转换成其强度使用显示数据进行调制的信号光100。另一方面，在散射器22上引入的激光50由散射器22随机进行散射，以便形成具有散斑图案的参考光200。信号光100和参考光200由透镜23会聚在全息记录介质24上。在这种情况下，信号光100和参考光200的干涉条纹记录在全息记录介质24上。另一方面，在再现时，如果将与记录时使用的参考光200相同的照射参考光照射在全息记录介质24上，则生成与所记录的干涉条纹相对应的衍射光。然后，由透镜25将该衍射光会聚在图像传感器26上，以便形成图像并由图像传感器26进行光电转换。之后，对所生成的光电转换信号进行处理以便再现数据。
在使用如上所述的传统共轴型全息记录装置时，即使信号光100和参考光200之间所限定的角度很小，也能够避免出现布拉格选择性降低从而降低记录密度的问题。但是，为此透镜23的视角必须设置的很宽。通常只需要使透镜23具有能够穿过信号光100的孔径即可。但是，由于采用了图11所示的安排，必须形成也能够通过来自散射器22的参考光200的孔径，结果透镜23的视角必须设置的很宽。由于透镜23和25具有在空间光调制器21和图像传感器26上形成图像的滚轴，因此根据相当严格的要求对它们进行设计以便对付失真等问题。
因此，如果增加透镜23的视角，则从设计透镜的角度来看将相当困难。

由此，本发明的目的是提供一种共轴型散斑复用全息记录装置及其方法，能够以充分重叠的关系在全息记录介质上会聚信号光和参考光而无需使用具有大孔径和宽视角的透镜。
为了实现上述目的，根据本发明采用下面所述的技术手段。具体地说，为了在全息记录介质上会聚信号光和参考光以便使它们彼此充分重叠而无需使用具有宽视角和大孔径的透镜，将信号光区域和参考光区域显示在空间光调制器上。然后，使用记录数据对显示在信号光区域中的相干光(激光)进行强度调制以便产生信号光，而将通过参考光区域的光用作参考光。然后，由散射部件对信号光和参考光进行散射。之后，由透镜将散射的信号光和参考光在全息记录介质上会聚，以便使它们彼此重叠而生成干涉条纹。将如此生成的干涉条纹记录在全息记录介质上。
更具体地，根据本发明的一个实施例，提供一种共轴型散斑复用全息记录装置，用于从相干光中生成信号光和参考光，并将所述信号光和参考光从同一方向照射到全息记录介质上，以便在全息记录介质上记录所述信号光和参考光的干涉条纹，所述共轴型散斑复用全息记录装置包括：空间光调制器，用于对相干光进行空间调制；以及显示控制部分，用于在空间光调制器上同时显示参考光区域和信号光区域，所述参考光区域用于从引入到空间光调制器的相干光中生成参考光，所述信号光区域用于生成使用数据进行强度调制的信号光。
在该共轴型散斑复用全息记录装置中，信号光区域和参考光区域显示在空间光调制器上，并使用记录数据对显示在信号光区域中的相干光(激光)进行强度调制以便产生信号光，而将通过参考光区域的光用作参考光。然后，信号光和参考光由散射部件散射，并由透镜会聚在全息记录介质上。由此，仅需要使透镜具有近似等于空间光调制器的尺寸的孔径，并且可以将信号光和参考光会聚在全息记录介质上而无需使用具有宽视角和大孔径的透镜。此外，如果参考光区域设置在信号光区域内侧，则信号光和参考光能够在全息记录介质上彼此充分重叠。由此能够保持良好的记录数据的图像质量。因此，使用该共轴型散斑复用全息记录装置，由于将从用于对相干光进行空间调制以生成信号光的空间光调制器的一部分发射的光用作参考光，因此信号光和参考光能够在全息记录介质上以充分重叠的关系会聚，而无需使用具有大孔径和宽视角的透镜。此外，由于信号光和参考光从同一空间光调制器生成，因此不同光部件的位置的精度能够保持稳定，并且能够提高记录和再现的重复性以及与不同装置的兼容性。
优选地，该共轴型散斑复用全息记录装置还包括散射部件，用于散射所生成的信号光和参考光二者或者仅散射参考光。在由散射部件散射参考光以形成散斑形状的参考光、并且散射信号光从而使得在傅立叶平面上的强度分布均一的情况下，能够执行散斑复用记录而不会使得全息记录介质的特性恶化。因此，能够补偿由于根据共轴系统信号光和参考光之间的角度减小而导致的多重损失，以便提高记录密度。
优选地，显示控制部分在空间光调制器的参考光区域中显示一个图案并改变该图案来改变参考光的散斑图案，从而以复用状态记录数据。在将图案显示在参考光区域并变化的情况下，能够改变参考光的散斑图案，从而在全息记录介质的同一记录区域中以复用状态记录数据。
根据本发明的另一个实施例，提供一种全息记录方法，其中信号光和参考光从相干光中生成并从同一方向照射到全息记录介质上，以便在全息记录介质上记录所述信号光和参考光的干涉条纹，其中，将从用于对相干光进行空间调制以生成信号光的空间光调制器的一部分发射的光用作参考光。
使用该全息记录方法，由于信号光和参考光从同一空间光调制器生成，因此不同光部件的位置的精度能够保持稳定，并且能够提高记录和再现的重复性以及与不同装置的兼容性。
根据本发明的再一个实施例，提供一种共轴型散斑复用全息记录方法，包括步骤：在空间光调制器上显示参考光区域和信号光区域；使用记录数据对显示在信号光区域中的相干光进行强度调制并借助散射部件散射所述强度调制后的光以生成信号光；借助散射部件散射通过参考光区域的光以生成参考光；以及将通过在全息记录介质上以彼此重叠的关系会聚散射的信号光和散射的参考光所生成的干涉条纹记录到所述全息记录介质上。
附图说明
从下面结合附图的详细描述和所附的权利要求中，本发明的上述和其它目的、特点、以及优点将变得更加清楚，其中相同的部件使用相同的参考标号。
图1示出根据本发明第一实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的示意结构图；图2示出记录时显示在图1所示的空间光调制器上的图像的示意示例图；图3示出再现时显示在图1所示的空间光调制器上的图像的示意实例图；图4示出另一记录时显示在图1所示的空间光调制器上的图像的示意示例图；图5示出根据本发明第二实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的部分示意结构图；
图6示出记录时显示在第二实施例的空间光调制器上的图像的示意示例图；图7示意示出信号光的调制方式和调制时参考光和信号光之间的强度比关系；图8示出根据本发明第三实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的部分示意结构图；图9示出通过信号光和参考光之间的干涉进行记录时所需的区域的示意图；图10示出通过信号光和参考光之间的干涉进行记录时所产生的不可用区域的示意图；图11示出散斑复用方法的全息记录操作的示意图；以及图12示出传统的共轴型全息记录和再现装置的结构示例示意图。

(实施例1)参考图1，示出根据本发明第一实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的示意结构图。所示的共轴型全息记录装置包括用于对激光进行强度调制的空间光调制器(SLM)1以及布置在空间光调制器1附近并具有相位差0和π的散射器(散射部件)2。该共轴型全息记录装置还包括用于在全息记录介质4上会聚信号光100和参考光200的透镜3，以便将全息图记录在全息记录介质4上。该共轴型全息记录装置还包括用于会聚从全息记录介质4上生成的衍射光的透镜5，以便在图像传感器6上形成图像。图像传感器6对在其上形成的图像执行光电转换处理，从而生成再现信号。该共轴型全息记录装置还包括用于在空间光调制器1上显示各种图像(也包括记录数据)的显示控制部分7。
图2示出在显示控制部分7的控制下显示在空间光调制器1上的图像示例。用于显示数据页的信号光区域11设置在空间光调制器1的中心位置，参考光区域12设置在信号光区域11的周围并以白色显示。不仅将数据图案，而且将再现时在切出图像时用于定位的4个对齐标记111也显示在信号光区域11中。
下面将描述该实施例的共轴型全息记录装置的操作。在该实施例的全息记录装置中，应用其中信号光100和参考光200从同一方向引入全息记录介质4的共轴方法。在这种情况下，为了消除由于布拉格选择性降低而导致的记录密度降低的特性，应用其中使用散斑复用方法执行数据记录和再现的方法。
在记录时，将从未示出的激光光源发射并转换成平行光的激光50引入空间光调制器1，并且由空间光调制器1根据显示在信号光区域11中的数据页进行强度调制以形成信号光100。另一方面，引入参考光区域12中的激光原样通过参考光区域12以形成参考光200。信号光100和参考光200由散射器200独立散射并由透镜3会聚在全息记录介质4上。结果，将通过信号光100和参考光200之间的干涉所产生的干涉条纹记录在全息记录介质4上。
当参考光200由散射器2散射时，参考光200获取散斑图案，并且具有所述散斑图案的参考光会聚在全息记录介质4上。因此，当散斑图案和信号光100彼此相互干涉时，布拉格选择性增加，并且能够以相应于散斑尺寸的距离移位量复用和记录数据。由此，能够实现较高的记录密度。
另一方面，当强度调制状态的信号光100由散射器2散射时，在全息记录介质4的面(傅立叶平面)上信号光100的强度分布非常均一。结果，全息记录介质4的记录区域的光敏感性非常均一，从而能够显著改善记录特性。
在再现时，在显示控制部分7的控制下如图3所示的图像显示在空间光调制器1上。具体地说，参考光区域12保持显示白色，但是信号光区域11现在显示黑色。因此，信号光不能通过信号光区域11。结果，激光50仅通过参考光区域12以形成参考光(照射参考光)200。参考光200由散射器2散射并由透镜3照射在全息记录介质4的记录区域上。结果，产生相应于所记录的干涉条纹的衍射光300。衍射光300由透镜5会聚以便在图像传感器6上形成图像，并且由图像传感器6获得和处理光电转换信号，从而生成再现图像数据。
顺便提及的是，在显示控制部分7的控制下显示在空间光调制器1上的图像不仅限于图2所示的实例，而且也可以显示图4所示的图像，其中在空间光调制器1的显示平面上以分布形式分割显示多个参考光区域12。同样在这种情况下，产生根据在信号光区域11上显示的数据图案进行强度调制的信号光100，并且通过参考光区域12的激光形成参考光200。此外，通过上述的该种图像显示处理，执行与上面描述的相类似的记录操作。
但是，由于上文中参照图3所描述的图像没有包括对齐标记，因此在解码时实际上需要使用其它方法调整再现图像的位置和图像传感器6的位置以便彼此重叠，从而能够检测初始图像信息。相应的，当执行上述的实例时，使用例如另一个全息图的对齐标记的位置来执行全息图的解码。
使用该实施例的共轴型全息记录装置，空间光调制器1的显示面分割用于信号光区域11和参考光区域12。然后，利用信号光区域11生成信号光100，而利用参考光区域12生成参考光200。通过透镜3将信号光100和参考光200会聚到全息记录介质4上。结果，能够减小透镜3的孔径尺寸，并且透镜3的视角也无需很宽。此外，透镜3的设计也非常简单，并且能够容易地实现应用该采用共轴方法的散斑复用方法的全息记录装置的制造。
另外，由于空间光调制器1具有用于参考光200的参考光区域12，因此能够显著提高光学系统的重复性。为了增强重复性，需要配置散斑复用方法以便使得参考光相位散射片和空间光调制器或信号光相位散射片之间的位置精度很高。在这种情况下，在彼此独立形成参考光相位散射片、空间光调制器和信号光相位散射片的光学系统中，获得稳定的重复性非常困难。但是，如在该实施例中所示如果将部分空间光调制器1用作参考光再现部分，则能够减少实现高位置精度所需的部件数量。
此外，如果随机或具体的图案显示在空间光调制器1的参考光区域12上，然后改变显示的图案，则能够改变通过散射器2的参考光200的散斑图案。结果，能够在全息记录介质4的同一记录区域中执行通过散斑复用的复用记录。此外，如果同时使用基于移位的正常散斑复用方法，则能够进一步增加记录密度。
顺便提及的是，使用上述实施例的共轴型全息记录装置，由于参考光区域12设置在空间光调制器1上，因此用于显示数据的信号光区域11的区域减少一样多，并且记录容量不能增加一样多。该问题将通过下面描述的根据本发明第二实施例的共轴型全息记录装置来解决。
(实施例2)图5示出根据本发明第二实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的部分示意结构图。根据第二实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置是对根据第一实施例的改进。因此，下面仅描述第二实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置不同于第一实施例的部分。
根据该实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置使用与数据图案一起用在空间光调制器1上的对齐标记111作为用于参考光200的生产部分。因此，例如如图5所示的图像显示在空间光调制器1的显示部分的整个区域上。所示的图像包括位于4个角上的4个对齐标记111以及将相邻对齐标记111彼此连接的直线112。根据该实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置利用所述4个对齐标记111和4条直线112作为参考光生产部分。
当激光50通过信号光区域11时，用数据图案对其进行强度调制以形成信号光100。另一方面，当激光50通过4个对齐标记111和4条直线112时，从激光50中形成参考光200。信号光100和参考光200由散射器2散射后由透镜3会聚到全息记录介质4上，并且记录信号光100和参考光200的干涉条纹。
在这种情况下，必须考虑信号光100和参考光200之间的强度比的问题。当要记录全息图时，信号光100和参考光200之间的最佳强度比取决于记录材料、光学系统和系统参数。例如，在最佳强度比为理想的1∶1的情况下，为了对图5所示的图像图案实现1∶1的强度比，则需要使空间光调制器1的对齐标记111和直线112的区域(＝参考光部分)以及信号光区域(信号光部分)11的光透射(或反射因数)彼此不同。或者，需要使引入空间光调制器1的光具有强度分布。
作为不同的方法，可以如图6所示布置大量对齐标记111，从而使得信号光100和参考光200之间的强度比为1∶1。在如图6所示对齐标记111以分布方式设置在信号光区域11的内部的情况下，也可以优化信号光100和参考光200之间的强度比(通常，强度比的最佳值为接近1∶1的值)。
下面将描述在这种情况下对齐标记所占据的区域。为了计算该区域，需要描述信号光100的调制。在此描述称作2_4调制的方法。根据该调制方法，使用4位表示2位。例如，使得从中通过光的象素和要表示成的数值彼此对应，如图7所示。在该实例中，如图7所示，通常4个象素中的一个处于点亮状态(其中光通过的状态)。从中可以看出，如果整个区域的1/5用作对齐标记(＝参考光部分)，而剩余的4/5用作信号光部分，则通过空间光调制器1的所有光中的信号光和参考光的强度比变为1∶1。
虽然多种信号调制方法可用，但是一种用于全息存储的有利方法是称作恒重码(constant-weight code)的调制方法。恒重码是调制方法的一般术语，其中在一个码块中导通象素和关闭象素的数量是确定的。该调制能够有利地用于全息图，这是由于信号光和参考光之间的光强度比是固定的。
即使不使用2_4调制，也可以容易地配置恒重码。例如，一种其中一个码块包括9个象素并且在该9个象素中导通象素的数量为3的码显然是恒重码。如果使用该码，则可以用一个码块表示9C3＝84位的信息。
使用根据该实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置，显示在空间光调制器1上的对齐标记111和直线112能够有效利用为参考光产生部分。结果，可以保证较宽的区域用于空间光调制器1上的信号光区域11，并且可以抑制用于数据的存储容量的降低。
此外，在大量对齐标记111分布在空间光调制器1上的情况下，在全息记录介质4上信号光100和参考光200彼此能够容易地进行干涉，并且能够获得良好图像质量的全息图。另外，在利用大量分布的对齐标记的情况下，可以校正由透镜3所导致的失真。
(实施例3)图8示出根据本发明第三实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的部分示意结构图。根据第三实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置是对根据第一实施例的改进。因此，下面仅描述第三实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置不同于第一实施例的部分。
该共轴型散斑复用全息记录和再现装置通过透镜8和9将散射器2投射到空间光调制器1上。即使对于刚才所述的结构，散射器2的操作类似于将其布置在靠近空间光调制器1附近的情况。因此，由散射器2散射的参考光200和由散射器2散射的信号光100通过空间光调制器1生成并引向透镜3。除此之外，该实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置的操作类似于上文中描述的第一实施例的共轴型散斑复用全息记录和再现装置，并具有类似的效果。
应该指出的是，本发明不仅限于上面描述的这些实施例，在不脱离本发明的构思和范围的情况下可以在结构、功能、操作和效果上对其进行各种形式的改进。例如，虽然在上面的实施例中使用其中相位差为0和π、具有随机图案的散射器，但是所述散射器不仅限于此，而可以使用毛玻璃片或类似的，只要能够散射信号光和参考光即可。此外，甚至可以配置散射器只散射参考光，也能够在全息记录介质上记录全息图。或者，即使散射信号光和参考光的程度(方式)彼此不同，从而使得例如信号光散射较弱而参考光散射较强，也能够在全息记录介质上记录全息图，并且可以预期类似的技术效果。