專利名稱：多處發(fā)生的復用全息的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求2003年3月10日申請的、題為“A Method for OverlappingHolograms Using Location Based Filtering to Separate Out the Signal”的美國臨時申請60/453,529的優(yōu)先權，該臨時申請在此全文引入作為參考。
背景技術：
復用全息圖是指在同一體積(volume)或幾乎同一體積內(nèi)存儲多個全息圖。通常，這通過在記錄和讀取裝置中改變角度、波長、相位碼或一些其它系統(tǒng)參數(shù)來實現(xiàn)。為了分離即使物理上位于介質同一體積上的全息圖，采用的許多方法依賴于被稱為布拉格效應的全息現(xiàn)象。諸如位移和在某種程度上相關性等其它復用方法，運用布拉格效應和介質與輸入激光束之間的相對移動，在介質的同一體積內(nèi)重疊多個全息圖。
有些復用技術利用動量(空間頻率)從期望得到的再現(xiàn)中濾出不需要的再現(xiàn)。這些方法的例子包括分形(fractal)復用、孔徑復用(例如Curtis等人題為“Multiplex Holography”的美國專利5,892,601中所披露的，該專利的全部內(nèi)容在此引入作為參考)和旋轉(peristrophic)復用。每一種方法在本領域中都是熟知的。關于孔徑復用內(nèi)容參見美國專利5,892,601，其全文在此作為參考；關于旋轉復用的內(nèi)容參見K.Curtis等人的“Method of Holographic Storage UsingPeristrophic Multiplexing”，Optics Letters，第19卷，第13期，第993-994頁，1994年，以及Pu等人的美國專利5,483,365“Method for holographic Storageusing Persitrophic Multiplexing”，它們在此全文引入作為參考。通過在各記錄之間變換參考光束角度和移動介質，再現(xiàn)仍為布拉格匹配的，但在不同角度出射并由此被濾除。
最近30年，利用全息來存儲數(shù)據(jù)已成為公知技術。通過結合空間復用(在介質的多個位置中而實質上不在介質的同一體積中記錄全息圖)和其它一些在同一位置中重疊全息圖的復用技術來提高系統(tǒng)容量的思想為人公知也已經(jīng)超過15年了。這些標準技術用于在諸如盤、卡、立方體或帶等全息介質上分布全息圖。若干專利和論文披露了多種復用技術美國專利5,550,779“Holographic Memorywith Angle，Spatial and Out of Plane Multiplexing”，以及S.Li的“Photorefractive 3-D Disks for Optical Storage and Artificial NeuralNetworks”(California Institute of Technology，第78-111頁，1994)，每一篇文章在此都引入作為參考。所有這些技術都使束腰處于介質中，束腰是指光束被聚焦且束斑尺寸最小的點(或是像平面或是傅立葉變換平面)。這種方法可充分利用介質材料的動態(tài)范圍而產(chǎn)生相對較小的全息圖。
圖1示出了在相對較厚的介質中空間和角度復用全息圖方法的在先技術。圖1表示全息介質8，在其中由參考光束20a和信號光束10a產(chǎn)生角度復用全息圖。在圖1中，信號光束10a包括入射會聚光錐12、出射發(fā)散光錐14和腰部16，在腰部16處信號光束被聚焦在介質8中并且在此處光斑尺寸最小。圖1也示出了參考光束20b，它可用于在介質8中產(chǎn)生與參考光束20a和信號光束10a生成的全息圖角度復用的第二全息圖?？稍诮橘|的一部分24中可角度復用多個全息圖或稱一疊層。可移動介質或信號源以記錄第二全息圖疊層。圖1表示信號光束10b、10c及10d，其與虛線所示的參考光束一起在介質8的部分24b、24c和24d分別生成另外的全息圖疊層。在圖1中，介質8的部分24a-24d畫出每個疊層占用的區(qū)域輪廓。
部分24a-24d明顯大于單獨的束腰，如束腰16。這是因為信號光束和參考光束二者決定給定全息圖疊層占用的區(qū)域。為了空間復用這些全息圖，各全息圖疊層必需至少被介質8的一部分24a-24d的長度分離開。這對利用全息存儲可達到的密度和容量帶來影響。通過在一個位置復用更多的全息圖并盡可能緊密的放置這些疊層，可獲得高密度。然而，如上所述，疊層間的緊密間距受到限制。
另外，光束的發(fā)散會限制疊層之間的最小距離。發(fā)散量可表示為發(fā)散光錐的邊緣與光束傳播方向形成的角度，它取決于信號光束投影經(jīng)過的透鏡的數(shù)值孔徑。對于一般被應用于存儲系統(tǒng)的高NA系統(tǒng)而言，在全息介質如介質8中，信號光束的發(fā)散量對相對較厚的介質來說相當大。另外，可在一個位置上復用的全息圖(一個疊層)的數(shù)量由介質厚度決定。由于布拉格選擇性和動態(tài)范圍增大，在較厚的介質中可存儲更多全息圖。令人遺憾的是，如果介質更厚，則光束發(fā)散增大引起空間疊層尺寸的增大。這樣在某一厚度處可實現(xiàn)的密度/容量達到飽和。因此，一旦達到飽和厚度，密度就不能通過增加介質厚度得到顯著增大。
也可通過重疊全息圖來增大密度。在“Spatioangular Multiplexed Storageof 750 Holograms in an FeliNbO3 Crystal”，Optics Letters，第18卷，第11期，第912-914頁，1993年中，披露了這種方法和角度復用的例子，其全文在此引入作為參考。利用這種原理，記錄部分重疊的各全息圖疊層，而在每個疊層中進行角度復用。然而每個疊層具有一組唯一的角度，因此盡管疊層部分重疊，但各全息圖易于分離。這增大了疊層的密度，但在一疊層中可記錄少得多的全息圖，這十分顯著的減少了重疊疊層的密度增加。實際上，這種方法如果帶來了可實現(xiàn)密度的任何增加的話，這種增加也非常小。然而，當復用全息圖時，全息介質的動態(tài)范圍可成為一個限制因素。(介質的動態(tài)范圍或M#是一個度量，表示多少全息圖可被復用在材料中一給定位置，并與材料折射率變化和材料厚度有關。)這樣，減少的可能的角度復用全息圖的數(shù)量是可接受的，因為它降低了對給定總密度下可接受的動態(tài)范圍的要求。這是因為當在同一體積中復用(即，角度復用)更多全息圖時，由材料的動態(tài)范圍(M#)除以復用全息圖數(shù)量的平方?jīng)Q定的全息圖衍射效率下降。由于已經(jīng)發(fā)明出較好的材料，就需要有實際上增加可實現(xiàn)密度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了一種新的全息記錄技術，在此稱為多處發(fā)生的復用(Polytopic multiplexing)。這種復用技術允許空間復用全息圖，并且使相鄰全息圖疊層之間部分空間重疊。每個單獨的疊層又可充分利用其它復用方法，例如角度、波長、相位碼、旋轉、相關性或分形復用。等于寫入全息圖的數(shù)據(jù)光束束腰的量分離全息圖的各疊層。再現(xiàn)時，該數(shù)據(jù)和其鄰近數(shù)據(jù)將被同時讀出，然而，將孔(濾光器)放置在再現(xiàn)數(shù)據(jù)的束腰處，以使讀出的相鄰數(shù)據(jù)不會到達攝影平面并由此被濾除。另外，這些不需要的再現(xiàn)可用具有有限角度通帶的角度濾光器濾除。
特別是，在根據(jù)本發(fā)明形成和再現(xiàn)全息圖的方法中，利用第一參考光束和第一信號光束在全息介質中產(chǎn)生第一全息圖，第一信號光束具有腰部。利用與第一參考光束相同的第二參考光束和第二信號光束產(chǎn)生第二全息圖，第二信號光束也具有腰部。第二全息圖的至少一部分與第一全息圖空間重疊。然而，第一全息圖與第二全息圖空間分離，以使第一信號光束腰部部分不與第二信號光束腰部任何部分出現(xiàn)在同一位置。第一全息圖在輸出光束的第一部分再生，并且至少第二全息圖在輸出光束的第二部分再生。過濾輸出光束，使其基本上只含有第一全息圖的讀出信息。


圖1說明在全息介質中復用全息圖的復用疊層的在先技術；圖2說明根據(jù)本發(fā)明，在全息介質中重疊多個復用全息圖；圖3說明根據(jù)本發(fā)明，利用在全息介質外具有束腰的信號光束，重疊多個復用全息圖并讀取各全息圖的系統(tǒng)和方法；圖3a說明根據(jù)本發(fā)明，利用在全息介質中具有束腰的信號光束重疊多個復用全息圖并且將該束腰中繼至全息介質外一位置的系統(tǒng)和方法；圖4是用于根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中的濾光塊，該濾光塊用于濾除不需要的全息讀出信息；圖4a是用于根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中的全息介質，該全息介質包括用于濾除不需要的全息讀出信息的濾光器；圖5示出根據(jù)本發(fā)明利用其束腰在全息介質上面的一個信號光束重疊多個復用全息圖的系統(tǒng)和方法；圖6表示圖5所示系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的全息圖的相位共軛讀出；圖7表示根據(jù)本發(fā)明，在全息介質中重疊多個全息圖并且在空間光調制器和全息介質之間沒有透鏡的系統(tǒng)和方法；
圖8表示圖7所示方法和系統(tǒng)產(chǎn)生的全息圖的無透鏡、相位共軛讀出；圖9表示根據(jù)本發(fā)明，用于在全息介質中重疊多個全息圖并包括中繼透鏡系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，該中繼透鏡系統(tǒng)用于中繼信號光束的腰部至全息介質外的一個位置；圖10表示圖9所示系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的全息圖的相位共軛讀出；圖11表示根據(jù)本發(fā)明，利用兩個角度濾光器在全息介質中重疊多個全息圖的系統(tǒng)和方法；圖12表示用于產(chǎn)生全息圖再現(xiàn)的系統(tǒng)和方法，該全息圖由根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法生成；圖13表示根據(jù)本發(fā)明，在圓形全息介質中重疊多個全息圖的系統(tǒng)和方法。
具體實施例方式
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明增大全息介質中存儲的全息圖密度的方法。圖2示出了全息介質108，在其上由多個信號光束110產(chǎn)生多個全息圖。多個信號光束110的每一束包括入射會聚光錐、出射發(fā)散光錐和束腰。特別地，第一信號光束110a包括第一入射會聚光錐112a、第一出射發(fā)散光錐114a和第一束腰116a。如此處所使用的，光束的“腰”可表示光束傅立葉變換平面或像平面。在圖2中，束腰116a可為光束傅立葉變換平面或像平面。圖2還示出了第一參考光束120a和第二參考光束120b。如本領域中熟悉的，信號光束110a和第一參考光束120a可產(chǎn)生第一全息圖。第一附加信號光束(未示出)可與第一信號光束110a空間重合并含有與第一信號光束110a不同的信息，也如本領域所熟悉的，它可在介質108中與會聚光錐112a空間重合的第一疊層位置，產(chǎn)生與第一全息圖角度或其它方式復用的第一附加全息圖。如本領域所熟悉的，進一步的附加全息圖在第一疊層位置可被一起角度復用。在單一疊層中一起復用的全息圖可通過除了角度復用以外的任一方法來復用，這些方法包括例如波長、旋轉、相關性或相位碼復用。
第二信號光束110b與第一信號光束110a空間不重合，可在介質108中與第二信號光束的第二會聚光錐112b空間重合的第二疊層位置產(chǎn)生第二全息圖。使用與第二信號光束110b空間重合、但攜帶與第二信號光束110b不同的信息的附加的第二信號光束，附加的第二全息圖可與第二全息圖在第二疊層位置角度或其它方式復用。
第二信號光束110b包括第二入射會聚光錐112b、第二出射發(fā)散光錐114b和第二束腰116b。如圖2中所示，第二信號光束110b被引導為使得第二會聚光錐112b在介質108中與第一信號光束110a的第一會聚光錐112a部分空間重疊。這樣，當在輸出光束中再現(xiàn)第一全息圖時，在讀出光束穿過介質108之后，來自第二全息圖的信息(和可能地由其它信號光束110產(chǎn)生的其它全息圖)也將被包括在輸出光束中。由此，并如下文詳細所述，使用鄰近介質108并在輸出光束的路徑中的濾光塊130，以濾出也將包括在輸出光束中的第二、和可能地其它全息圖信息。
有可能實現(xiàn)輸出光束的這種過濾，因為當?shù)诙盘柟馐?10b最好被引導以使第二會聚光錐112b與第一會聚光錐112a部分空間重疊時，第二信號光束110b也最好被指引為使第二束腰116d與第一束腰116a不產(chǎn)生空間重疊。這樣，濾光塊130最好置于產(chǎn)生想要再現(xiàn)的全息圖的信號光束的腰部的位置。將濾光塊130設計成使輸出光束的僅包含來自第一全息圖的信息并且也在該位置具有一腰部的一部分基本上無衰減地通過，并阻擋與產(chǎn)生所需全息圖的信號光束重疊的信號光束所產(chǎn)生的全息圖讀出信息。
圖3表示用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的全息系統(tǒng)200。全息系統(tǒng)200用于在全息介質208中產(chǎn)生并讀出全息圖。全息系統(tǒng)200包括反射型空間光調制器(SLM)235，其用于提供將被記錄在介質208中的全息圖數(shù)據(jù)。對本領域的技術人員來說，SLM是熟知的。鄰近SLM 235的是分束器240，其引導入射光束250離開部分反射鏡240a至SLM 235上，并經(jīng)過第一傅立葉變換(FT)透鏡242，該透鏡在圖3的實施例中包括2個元件。全息系統(tǒng)200還包括用于聚焦再現(xiàn)的全息圖至探測器246上的第二FT透鏡244。也可認為FT透鏡244為準FT透鏡。介質208可為任何可存儲全息圖的介質，但優(yōu)選的介質包括由Longmont的InphaseTechnologies公司提供的商標名為TapestryTM的介質。這樣的介質包括Dahr等人在題為“Optical Article and Process for Forming Article”的美國專利6,482,551中披露的光致聚合物，該專利在此全文引入作為參考。另外，介質208可為矩形或其它形狀的卡片形式或是帶狀形式。
FT透鏡242引導入射信號光束經(jīng)過介質208，以與參考光束220一起，產(chǎn)生多個全息圖。如上所述，多個全息圖可在介質208的單一位置以公知的方式被復用。在介質208第一位置產(chǎn)生在圖3中通過會聚光錐212a表示的至少第一全息圖后，介質208與SLM 235、分束器240和ST透鏡242的組合可以以公知的方法相對彼此移動，以產(chǎn)生附加的全息圖，其在圖3中通過不位于介質208中第一位置的會聚光錐212b和212c表示。如圖3所示，會聚光錐212a、212b和212c處的全息圖最好彼此重疊。這樣，復用全息圖組或疊層排成一行記錄在介質208中。不過，也如上所述，在會聚光錐212a、212b和212c處產(chǎn)生全息圖的入射光束腰部不空間重疊。
應當理解，在會聚光錐212b和212c處產(chǎn)生的全息圖可由用于在會聚光錐212a處產(chǎn)生全息圖的相同的參考光束生成。如此處所使用的“相同”參考光束表示具有與比較參考光束基本上相同的特征，例如入射角、相位和波長，但在空間或時間上已移動的參考光束。因此，相同參考光束可與兩個不同信號光束在不同時間和不同位置產(chǎn)生全息圖。這樣，如果在會聚光錐212a處有多個角度復用的全息圖，在會聚光錐212b和212c處產(chǎn)生的全息圖可利用與在會聚光錐212a處產(chǎn)生全息圖的參考光束具有基本上相同的復用角度、相位、波長、波前等的參考光束生成，即便在光錐212b和212c處的全息圖，與光錐212a處相同復用角度、相位、波長、波前等的全息圖重合也是如此。
圖3示出了介質208中會聚光錐212a處產(chǎn)生的全息圖的讀出。與參考光束220相同并與參考光束220空間重合的讀出光束被用于在會聚光錐212a中再生全息圖。然而，如上所述，因為已利用與在會聚光錐212a處產(chǎn)生全息圖的相同參考光束在會聚光錐212b和212c處也產(chǎn)生全息圖，并且該些全息圖與會聚光錐212a處的全息圖重疊，利用與參考光束220相同且空間重疊的讀出光束，也將再現(xiàn)會聚光錐212b和會聚光錐212c處的全息圖。
為了避免會聚光錐212b和212c處的全息圖被探測器246探測到，使用濾光塊230濾除會聚光錐212b和212c處的全息圖產(chǎn)生的讀取信息。如上所述，在會聚光錐212a、212b和212c處產(chǎn)生全息圖的信號光束不在束腰部重疊。并且，如圖3所示，束腰位于介質208之外。由此，濾光塊230可被定位為允許輸出光束211中載有會聚光錐212a處全息圖的讀出信息的一部分215，經(jīng)過第二FT透鏡244并進入探測器246，而阻擋輸出光束中載有會聚光錐212b和212c處全息圖的讀出信息的部分。
圖4說明可用于實現(xiàn)這種濾光的濾光塊230。濾光塊230優(yōu)選包括具有截四棱錐形狀的挖空區(qū)域234的不透明塊232。區(qū)域234包括處于不透明塊232頂面上的第一正方形孔徑236，和處于不透明塊232底面上的第二正方形孔徑238。優(yōu)選地，使用中，濾光塊230放置成使頂部孔徑234最靠近介質208并基本上垂直于輸出光束部分215的傳播方向。為了再現(xiàn)會聚光錐212a處存儲的全息圖，濾光塊230也優(yōu)選放置為使得載有會聚光錐212a處全息圖的讀取信息的輸出光束部分211的腰部可基本上穿過孔徑234，并且再現(xiàn)會聚光錐212b和212c處全息圖的輸出光束部分的腰部被濾光塊230阻擋?？墒褂萌魏螢V光器來限定束腰的尺寸。如果濾光器如下文所述處于一中繼系統(tǒng)中，則不嚴格要求濾光塊的結構，因為該濾光塊可被放置于遠離介質的位置，由此減少對參考光束和介質的物理干擾。
在圖3中所示的例子中，2個FT透鏡處于一般被稱為4F成像系統(tǒng)的安排中。系統(tǒng)200還可通過探測器246和FT透鏡244之間的另一4F系統(tǒng)被中繼。濾光器230可被放置在該4F系統(tǒng)的傅立葉平面上。這允許將束腰放置在介質的內(nèi)部，并且仍實現(xiàn)對不需要全息圖讀出信息的濾除，并實現(xiàn)疊層重疊。圖3a中示出了這樣的系統(tǒng)200’。系統(tǒng)200’包括SLM 235’、分束器240’、第一FT透鏡242’、介質208’、第二FT透鏡244’和探測器246’，每一部件如上面參照系統(tǒng)200所述。系統(tǒng)200’還包括一附加4F透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在第二FT透鏡244’和探測器246’之間的第三FT透鏡260’和第四FT透鏡262’。另外，濾光塊不位于第二FT透鏡244’和介質208’之間。實際上，濾光塊230’位于第三FT透鏡260’和第四FT透鏡262’之間。FT透鏡242’、244’、260’和262’也可為準FT透鏡。
如上關于系統(tǒng)200的描述，系統(tǒng)200’在介質208’中記錄復用和重疊全息圖。圖3a表示從介質208’讀出全息圖。讀出光束220’，其與用于產(chǎn)生所期望讀出的全息圖的參考光束相同，用于產(chǎn)生包括部分215’的輸出光束211’，該部分含有所期望的全息圖的讀出信息。穿過介質208’之后，輸出光束經(jīng)過第二FT透鏡244’和第三FT透鏡260’，第三FT透鏡260’在輸出光束部分215’到達第四FT透鏡262’之前，將其聚焦到第二束腰216b。在系統(tǒng)200’中，全息介質208’優(yōu)選位于系統(tǒng)200’的物光束的傅立葉變換平面。
如上所述，與讀出光束220’相同的參考光束被曾用于產(chǎn)生與在輸出光束部分215’中讀出的全息圖重疊的全息圖。因此，這些附加全息圖的讀取信息(未示出)也將包括在由讀出光束220’產(chǎn)生的輸出光束211中。因為，如上所述，介質208’曾移動至少等于信號光束210的束腰216b的直徑的距離，含有附加全息圖讀取信息的輸出光束211部分的束腰，不會與輸出光束211的部分215’的第二束腰216b重疊。因此，濾光塊230’優(yōu)選定們在輸出光束211的第二束腰部216b，阻擋輸出光束211除部分215’以外的部分的傳輸。以這種方法，只有輸出光束211的部分215’被傳輸?shù)降谒腇T透鏡262’和探測器246’。如果系統(tǒng)200’中存在由透鏡244’和260’實現(xiàn)的放大，則介質移動距離是束腰216b的放大距離。
通過利用包括有FT透鏡260’和262’的第二4F透鏡系統(tǒng)在介質208’外部產(chǎn)生輸出光束部分215’的第二束腰216b’，如圖3a所示，第一束腰216a’可位于介質208’內(nèi)部。使束腰處于介質內(nèi)部具有充分利用材料動態(tài)范圍的優(yōu)點。另外，如下文關于圖9和10所描述的，可在分束器240’和第一FT透鏡242’之間放置一4F中繼系統(tǒng)。然后，像濾光塊230’一樣的濾光塊可置于在第一FT透鏡242’前產(chǎn)生的束腰處，由此限制信號帶寬和減少生成的全息圖的尺寸。這減少了在全息介質中疊層的尺寸并降低了SLM 235’的高階反射。也可使用本領域公知的透射型SLM。也可以使用其它透鏡安排來中繼或成像孔徑或SLM圖像。
另外，孔徑234的尺寸必須允許再現(xiàn)會聚光錐212a處全息圖的足夠信息通過。為了實現(xiàn)這一目的，孔徑234的邊長可由下式給出L＝(γ)(焦距)/像素直徑其中，“L”為孔徑234的邊長，“γ”為輸出光束部分215的波長，“焦距”為用于產(chǎn)生全息圖的FT透鏡242的焦距，以及“像素直徑”為SLM 235的單個像素的直徑。如上計算出的L，稱作尼奎斯特(Nyquist)尺寸或尼厓斯特孔徑，它足以使像素的信息通過而限制錯誤率?？讖?34的優(yōu)選尺寸為尼奎斯特尺寸L，盡管也可使用其它大于或小于尼奎斯特尺寸的尺寸。例如，并且非限制性地，也可使用1/2L或2L的孔徑尺寸。盡管濾光塊230包括正方形孔徑234和238，但根據(jù)本發(fā)明使用的濾光塊中的孔徑可為任何形狀的孔徑。還認為可使用不由上述等式給出的孔徑尺寸，這些尺寸的孔徑可產(chǎn)生被再現(xiàn)的全息圖或多或少的信息。濾光器的孔徑或通帶越小，則利用合理的誤差校正和信號濾除，可實現(xiàn)更大密度增加直到信噪比下降到可恢復的限度以下。優(yōu)選地，如束腰216a的束腰的平均直徑，以及由此得到的孔徑234的平均邊長，在0.55mm至2mm的級別中，但也可以更大或更小。
如上所述，濾光器可位于光學系統(tǒng)中但也可以成為介質的一部分。圖4b表示全息介質270的一個實例，該介質包括用于本發(fā)明方法和裝置中的濾光器。全息介質270為本領域熟知的全息介質矩形帶。然而，介質270包括具有多個正方形孔徑272的不透明頂面274。介質270在孔徑272中是連續(xù)的，但是不透明頂面274在孔徑272中被中斷，使投射到介質270不透明頂面274上的光束可透過孔徑272進入介質270。這樣，介質270可被用于，例如，取代系統(tǒng)200中的介質208和濾光塊230。為了在使用介質270的系統(tǒng)200中最大化全息圖的密度，孔徑272將被設置在介質最靠近FT透鏡244的一側，束腰將被定位在介質270包含孔徑272的表面上。介質270中的多個孔徑允許全息圖的疊層被復用在介質270中的多個位置。
還認為下文中詳細描述的角度濾光器用于本發(fā)明的方法和裝置中，取代濾光塊，如濾光塊230，或介質270。
優(yōu)選地，當移動介質208或208’以在其中記錄其他全息圖時，優(yōu)選地移動基本上等于束腰210直徑的距離。通過這種方法，記錄在介質208或208’中的全息圖的密度可相對較高。并且因為只需移動介質208或208’束腰直徑的距離，而不是信號光束210在介質208或208’內(nèi)部的最大直徑，所述介質208或208’可有利地記錄相對較多數(shù)量的全息圖。
另外，因為根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置可提供由同一參考光束產(chǎn)生的全息圖，并且全息圖可在除了與信號束腰部重合的點以外的任何點重疊，所以信號光束中發(fā)散量的關系不大。這樣至少有兩個優(yōu)點。第一，可使用相對較大數(shù)值孔徑透鏡產(chǎn)生信號光束，而不降低由系統(tǒng)200記錄在介質208中的全息圖密度。這是因為較大數(shù)值孔徑透鏡增加的光束發(fā)散對于可被記錄在介質208中的全息圖密度的幾何限制沒有作用。第二個優(yōu)點是可使用相對較厚的介質，而不減小記錄在介質中的全息圖密度，因為如上所述，利用同一參考光束產(chǎn)生一全息圖，其信號光束任何部分的重疊不影響全息圖的讀出。這樣，可接受靠近相對厚介質邊緣的信號光束的會聚光錐或發(fā)散光錐的重疊。
還認為，上述關于系統(tǒng)200的方法可用于使用全息光學元件(HOE)作為透鏡的系統(tǒng)中。HOE是本領域技術人員公知的元件，并在例如題為“Incoherent/Coherent Double Angularly Multiplexed Volume HolographicOptical Elements”的美國專利5,661,577中披露，在此其全文引作參考。
圖5是根據(jù)本發(fā)明用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的全息系統(tǒng)300的另一實施例。建立的全息系統(tǒng)300，使用所謂的相位共軛讀出或再現(xiàn)。相位共軛讀出被披露在，如，Robert Fisher所編的“Optical Phase Conjugation”，Academic出版社，1993，ISBN 0-12-257740-X。相位共軛讀出也在G.W.Burr和I.Leyva所著“Multiplexed Phase-Conjugate Holographic Data Storage with a BufferHologram”，Optics Letters，25(7)，499-501(2000)，在此全文引入作為參考。系統(tǒng)300包括反射SLM，用于利用將要存儲到全息圖中的數(shù)據(jù)對入射信號光束進行編碼，和分束器340，其用于引導入射光束350進入SLM 335并通過FT透鏡342，從而產(chǎn)生信號光束310。用與上述全息系統(tǒng)200相類似的方法，信號光束310在全息介質308中產(chǎn)生全息圖。系統(tǒng)300還包括探測器346，如下文所述，其用于全息圖再現(xiàn)過程中。
與系統(tǒng)200不同，F(xiàn)T透鏡342聚焦產(chǎn)生束腰316，該束腰與FT透鏡342在介質308同一側，而不是在相對側。以這種方法，如本領域技術人員熟知的，信號光束310的發(fā)散光錐314與參考光束320a一起，在介質308上形成全息圖。系統(tǒng)300還包括濾光塊330，如下文所述，其用于全息圖讀出過程并被置于與FT透鏡342相同的介質308一側。與濾光塊230相同，濾光塊330包括足夠大的孔徑334，以允許信號光束310的腰部316經(jīng)過其中。如上對系統(tǒng)200描述的，多個全息圖可被復用(如角度、相位、波長)在介質108中的同一位置。另外，還如上所述，借助發(fā)散光錐重疊而腰部不重疊的信號光束(未在圖5中示出)，可在全息介質308中形成利用同一參考光束產(chǎn)生的多個全息圖。
圖6表示系統(tǒng)300中全息圖的相位共軛讀出。為了讀出全息圖，相位共軛讀出光束312a被引導進入介質308。如此處所用的，相位共軛讀出光束表示在與用于產(chǎn)生全息圖的參考光束基本上完全相反方向上傳播、但在其他方面與用于產(chǎn)生全息圖的參考光束基本相同的讀出光束。因此，讀出光束321a在與參考光束320a基本完全相反的方向上傳播，該光束的其它方面與參考光束320a基本相同。這產(chǎn)生具有部分315a的輸出光束311，其沿著與信號光束310基本相反的光路行進。如上所述，用與參考光束320a一樣的參考光束產(chǎn)生的其他全息圖與信號光束310產(chǎn)生的全息圖重疊。這樣，這些其他全息圖也將由再現(xiàn)光束320b再現(xiàn)。圖6中示出了一種這樣的再現(xiàn)，其包含于輸出光束311的第二部分315b中。
為了對輸出光束311濾光，以便僅使輸出光束311的含有全息圖的由信號光束310生成的再現(xiàn)信息的一部分315a到達探測器346，濾光塊330置于輸出光束311中。特別是，濾光塊330的孔徑334置于輸出光束311的第一部分315a的腰部317a，以允許腰部317a經(jīng)過孔徑334。如上所述，用于產(chǎn)生與信號光束310和參考光束320a產(chǎn)生的全息圖重疊的全息圖的信號光束腰部，不與信號光束310的腰部316重疊。這樣，當輸出光束311的第二部分315b也由參考光束320b產(chǎn)生時，放置的濾光塊330可在輸出光束第二部分315b的腰部317b處濾除輸出光束第二部分315b。以這種方式，基本上只由信號光束310產(chǎn)生的全息圖的信息，通過FT透鏡342，進入分束器340并到達探測器346。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置便于使用相對高數(shù)值孔徑的透鏡。然而，制造相對高質量(如，具有相對低的像差和缺陷)的相對高數(shù)值孔徑透鏡相對昂貴。然而，使用相位共軛再現(xiàn)降低了使用相對高質量透鏡的重要性。這是因為產(chǎn)生全息圖時由透鏡在信號光束中引入的像差和畸變，當再現(xiàn)的物光束在相反方向上返回經(jīng)過透鏡而被檢測時，被透鏡從再現(xiàn)物光束中去除。這樣，相位共軛讀出系統(tǒng)，例如系統(tǒng)300，利于以相對廉價的方式產(chǎn)生相對高品質圖像。另外，除了濾除不必要的再現(xiàn)以外，濾光塊330過濾最初的信號光束310以在進行記錄之前帶限信號從而縮小全息圖尺寸，這是人們所希望的。
根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，也可利用在讀出時不使用透鏡的成像系統(tǒng)來實現(xiàn)。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)被披露在，例如，由Hans Coufal、Springer-Verlag編輯的“Holographic Data Storage”，2000年，第29-30頁上。圖7是本發(fā)明實現(xiàn)無透鏡讀出全息圖的裝置和方法另一實施例的示意圖。圖7示出了全息系統(tǒng)400，其包括用于將入射光束450聚焦并通過透射型SLM 435的聚焦透鏡432，該SLM 435還包括用系統(tǒng)400再現(xiàn)全息圖的探測器。還包括探測器的透射型SLM是本領域公知的。
透射型SLM 435用數(shù)據(jù)對入射光束450編碼，該數(shù)據(jù)將記錄在全息介質408的全息圖中。聚焦透鏡432聚焦信號光束，從而在介質408外部且在介質408的與SLM 435相同的一側上形成束腰416。參考光束420a與信號光束410的發(fā)散光錐414出現(xiàn)在介質408中，以在介質408中產(chǎn)生全息圖。系統(tǒng)400還包括濾光塊430，它在束腰416的位置處具有孔徑434，在記錄全息圖時，該孔徑允許信號光束410穿過濾光塊430。如上述關于系統(tǒng)200和300描述的，當信號光束410產(chǎn)生全息圖時，多個全息圖可被復用在介質408中的同一位置上。另外，又如上面關于系統(tǒng)200和300描述的，介質408可被移動至少等于信號光束410束腰416直徑的距離，從而在介質408中產(chǎn)生其它的全息圖，這些全息圖使用與參考光束420a相同的參考光束，并且與信號光束410產(chǎn)生的全息圖重疊。
圖8表示全息系統(tǒng)400中全息圖的讀出。同上述的系統(tǒng)300一樣，系統(tǒng)400使用相位共軛讀出光束421a從介質408中再現(xiàn)全息圖。讀出光束421a將產(chǎn)生包括第一部分415的輸出光束411，該部分基本上只載有信號光束410記錄的全息圖的再現(xiàn)信息。輸出光束411的第一部分415包括在介質408外部、位于濾光塊430的孔徑434處的腰部417。以這種方法，輸出光束411的第一部分415可通過塊濾光器430。如上述系統(tǒng)200和300，輸出光束411的其他部分(圖8中未示出)帶有利用參考光束 420a在介質408中記錄、并與信號光束410產(chǎn)生的全息圖重疊的附加全息圖的信息，也將由相位共軛讀出光束421a產(chǎn)生。然而，因為介質408至少被移動等于信號光束410的束腰416直徑的距離，濾光塊430阻擋輸出光束411的這些附加部分到達SLM 435的探測器。
因為在介質408中產(chǎn)生全息圖時，介質408和SLM 435之間沒有透鏡，所以在從介質408中再現(xiàn)全息圖時無需透鏡。這可有利地降低如系統(tǒng)400的全息系統(tǒng)的成本并減小其尺寸。
上述系統(tǒng)300和400中的每一系統(tǒng)都利用腰部在全息介質外部的信號光束產(chǎn)生全息圖。然而如上關于圖3a所述，也有可能實現(xiàn)這樣的多處發(fā)生的復用，其利用在全息介質中具有腰部的信號光束產(chǎn)生全息圖。圖9表示根據(jù)本發(fā)明的全息系統(tǒng)500，其由在全息介質內(nèi)部具有腰部的信號光束產(chǎn)生全息圖。系統(tǒng)500包括分束器540，其引導入射光束550進入反射型SLM 535以產(chǎn)生信號光束510。信號光束510于是被引導經(jīng)過第一FT透鏡542。具有孔徑534的濾光塊530放置在第一FT透鏡542之后的信號光束510的光路中。在記錄過程中濾光塊530可帶通限制信號光束510的頻率，從而降低由信號光束510產(chǎn)生的全息圖的尺寸。FT透鏡542將信號光束510聚焦為在濾光塊530的孔徑534處的第一腰部516a。最好，將孔徑534的大小設計成允許信號光束510通過。經(jīng)過濾光塊530之后，信號光束510再次發(fā)散，經(jīng)過使信號光束再次成直線的第二FT透鏡543，然后經(jīng)過第三透鏡544，第三透鏡544將信號光束544聚焦到第二腰部516b，該透鏡可以是也可以不是FT透鏡。
如圖9所示，信號光束的第二腰部出現(xiàn)在全息介質508內(nèi)部，在介質內(nèi)部信號光束和參考光束520a相干產(chǎn)生全息圖。如上關于系統(tǒng)200、300和400所述的，當信號光束510產(chǎn)生全息圖時，多個全息圖可被復用在介質508中的同一位置上。另外，也如上關于系統(tǒng)200、300和400描述的，介質508可被移動至少等于信號光束510第二束腰516b直徑的距離，以在介質508中利用與參考光束520a相同的參考光束產(chǎn)生附加全息圖，并與信號光束510產(chǎn)生的全息圖重疊。
當用介質中的束腰進行記錄時，期望使用相位模板或相位元件，改變經(jīng)過其中的光束的相位，以使材料中的光強更均勻。這在本領域中是公知的，并已被披露在，例如，“Holographic Data Storage”，Hans Coufal、Spinger-Verlag編，第259-269頁(2000)中，其全文在此引入作為參考。系統(tǒng)500包括透鏡543和544之間的相位元件547，不過相位元件547可位于分束器540和介質508之間信號光束510中的任何位置，直接在SLM上，或可能在緊靠分束器540之前的照明光束550中。為了使介質中的光束更均勻，相位元件547還使束腰516b更大。這樣使包括多處發(fā)生的復用的任何方法所能獲得的密度減小。然而，如果相位元件547位于濾光塊530之后的系統(tǒng)500中，則不必增大孔徑534的尺寸。這是有利的，因為這增大了可實現(xiàn)密度。
圖10表示在全息系統(tǒng)500中全息圖的讀出。與上述系統(tǒng)300和400一樣，系統(tǒng)500使用相位共軛讀出光束521a從介質508再現(xiàn)全息圖。讀出光束521a將產(chǎn)生輸出光束511，其包括基本上只帶有信號光束510記錄的全息圖讀取信息的第一部分515a。如圖10所示，輸出光束511的第一部分515a沿著與信號光束510基本相同的光路、只是在相反的方向上返回，經(jīng)過第三FT透鏡544和第二FT透鏡543。第二FT透鏡543引起輸出光束511的第一部分515a會聚成第二束腰517b。因為輸出光束511的第一部分515a沿著與信號光束510基本相同的光路返回，第二束腰515b將出現(xiàn)在并經(jīng)過濾光塊530的孔徑534，然后輸送光束511的第一部分515a穿過第一FT透鏡542，進入分束器511并入射到探測器546上。
在系統(tǒng)500中，還認為可利用探測器元件在SLM底板中的集成裝置，使SLM和探測器共處在一起。這種與探測器集成的SLM在本領域中是公知的。這會導致成本和尺寸顯著降低。還認為可在SLM 535或SLM/探測器中集成如相位元件547的相位元件。
如果系統(tǒng)500不使用集成的SLM/探測器，分束器550可為偏振分束器。在這種情況中，可在分束器550和第一FT透鏡542之間放置可變波片553，不過可變波片553可被放置在分束器550和介質508之間的光路中的任何位置?？勺儾ㄆ?53其它優(yōu)選位置為在塊530后或靠近透鏡543和542之間的像平面。在讀出時改變可變波片553，以便利用分束器550以最小強度損失將再現(xiàn)的信號光束引導至探測器546。
如上所述，利用參考光束520a在介質508中產(chǎn)生其他全息圖，該參考光束生成由信號光束510產(chǎn)生的全息圖。這些其他全息圖也與信號光束510產(chǎn)生的全息圖重疊在一起。這樣，讀出光束521a還將在輸出光束511中再現(xiàn)至少部分這些其他全息圖。如上關于系統(tǒng)200、300和400描述的，從輸出光束中濾除這些其他全息圖的讀取信息。特別地，圖10示出了輸出光束511的第二部分515b，其代表由生成信號光束510所產(chǎn)生的全息圖的同一參考光束520a生成的其他全息圖之一的讀取信息，該其他全息圖并與信號光束510產(chǎn)生的全息圖重疊。輸出光束511的第二部分515b穿過介質508并經(jīng)過第三FT透鏡544和第二FT透鏡543。第二FT透鏡543引起輸出光束511的第二部分515b會聚成第二束腰519b。因為，如上所述，介質508移動至少等于信號光束510束腰516b直徑的距離，輸出光束511的第二部分515b的第二束腰519b將不會與輸出光束511的第一部分515a的束腰517b重疊。這樣，濾光塊530優(yōu)選定位在第二束腰519b處，以阻擋輸出光束511的第二部分515b的傳輸。因此，只有輸出光束511的第一部分515a被傳輸至探測器546。
如上所述，F(xiàn)T透鏡544和543的結合用于將處于介質508內(nèi)部的第一束腰517a，重新在介質508外部第二束腰517b的位置處產(chǎn)生。這樣，可以在介質508外部對輸出光束511進行濾光已去除其中具有不需要的全息圖讀取信息的部分，即使信號光束510的第二束腰516b出現(xiàn)在介質508的內(nèi)部也是如此。濾光器534還可帶通濾光物光束510。在圖11中，物光束和輸出光束的濾光以其它方式實現(xiàn)。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)600。系統(tǒng)600包括反射SLM 635，分束器640，第一角濾光器630a和第一透鏡642。當在介質608中記錄全息圖時，入射光束被投射到分束器640中，以接收來自SLM635的數(shù)據(jù)，該入射光束經(jīng)過角度濾光器630a和透鏡642進入全息介質608，以與參考光束620一起在那里記錄全息圖。在系統(tǒng)600中，全息介質608優(yōu)選放置在信號光束的束腰處。以這種方法，多個全息圖可被角度、波長、相關性、旋轉、分形或其它方法復用在介質608中。如上關于系統(tǒng)200、300、400和500描述的，然后介質608可移動至少記錄全息圖的信號光束腰部寬度的距離。然后，該同一參考光束可被用于在介質608中記錄其他全息圖疊層。角度濾光器630a和630b顯示為在透鏡的SLM和探測器一側，但是它們也可能位于透鏡的介質一側。
圖11表示從介質608讀出全息圖。讀出光束620用于產(chǎn)生包括含有多個全息圖讀取信息的部分的輸出光束611，這些全息圖是利用與讀出光束620相同的參考光束產(chǎn)生的，并且在介質608中重疊。輸出光束611的第一部分615包括這樣一個全息圖的讀出信息。輸出光束611經(jīng)過第二透鏡644、第二角度濾光器630b，入射到探測器646上。
角度濾光器630a和630b在傅立葉變換域實現(xiàn)與如前所述的濾光塊230的孔徑濾光塊一樣的濾光作用。角度濾光器630a和630b限制菲涅爾平面中單個像素的角度帶寬。也就是說，角度濾光器630a和630b濾除以相對于系統(tǒng)光軸的某一截止角度傳播的信號光線。角度濾光器630a和630b可具有與傅立葉平面中不同尺寸的孔等效的不同通帶。角度濾光器630a和630b使信號光束的濾光發(fā)生在系統(tǒng)的中間平面處，而不是靠近或位于傅立葉平面或像平面處。角度濾光器630a和630b可通過類似于本領域公知的用于陷波濾波器的涂層和反射涂層的多層薄膜涂層、體全息光柵或全息光學元件(“HOE”)、或者它們的組合制成。
角度濾光器630a用于介質608之前，限制信號光束的帶寬以使記錄在介質608中的全息圖更小。在讀出時使用角度濾光器630b從輸出光束611濾除不需要的全息讀取信息。如圖11中的例子所示，角度濾光器630b基本上只允許輸出光束611的第一部分615傳輸至探測器646。還認為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，可在本領域技術人員熟知的反射和相位共軛幾何構造中使用角度濾光。例如，非限制性地，上述系統(tǒng)300的濾光塊330可用角度濾光器代替。使用孔徑濾光塊和角度濾光器的結合也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，如圖3所示，在系統(tǒng)200中SLM 240和FT透鏡242之間可使用角度濾光器，來限制系統(tǒng)200的物光束帶寬。還認為系統(tǒng)300、400和500中的濾光塊可用角度濾光器替代。
全息圖的許多使用需要制作全息“主”介質的副本。引入作為參考的《TheHandbook of Optical Holography》，Academic出版社，1979，第373-377頁描述了非復用全息圖的復制。一種方法，“通過再現(xiàn)復制”，首先再現(xiàn)圖像，然后利用該再現(xiàn)的圖像記錄一新的全息圖。該方法可適用于厚和薄全息圖。該方法已經(jīng)通過一次一個地再現(xiàn)和復制個別全息圖而用于復用全息圖。另外，介質的整“層”可同時被復制-也就是說，介質中以某角度復用的所有全息圖可同時通過再現(xiàn)而復制。
通過再現(xiàn)而復制可包括在本發(fā)明的裝置和方法中。復用步驟仍允許個別全息圖再生或和整“層”復制。層復制可被用于通過多處發(fā)生的復用方法而重疊的全息圖疊層。根據(jù)本發(fā)明的多處發(fā)生的復用全息圖的層復制示于圖12中。圖12表示預記錄的介質810，其包括多個多處發(fā)生的復用的全息圖疊層814。全息圖814在各疊層中的復用可通過角度、波長、相位或其它任何方法?？瞻捉橘|812被置于預記錄介質810的下面。讀出光束816照射多個復用的全息圖疊層814，以使來自每個疊層的一個全息圖將被讀出并復制到空白介質812上。然后讀出光束816可被改變(通過波長、角度、相位等等)，以使來自每個疊層的第二全息圖被讀出并復制到空白介質812中。以這種方式，預記錄到介質810中的多個全息圖814的每一個可被復制到空白介質812中。
另外，多個全息圖或全息圖疊層可利用多個、互不相干的參考光束同時被再現(xiàn)并復制。取決于全息圖是如何被復用在疊層中的，這些參考光束將具有不同的角度或波長等。這將允許所有的疊層可同時被復制。這種方法類似于OpticsLetters，第17卷，第9期，第676-678頁所披露的內(nèi)容，其全文在此引作參考。在使用多處發(fā)生的復用時，相鄰的重疊疊層或在這些疊層中的一“層”可用互不相干光束復制。這將明顯降低復制過程中的串擾噪音。因此，可使用多個互不相干光束而不是一個光束復制全息圖的整“層”。
圖3和圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的例子，其中物光束的束腰位于傅立葉變換平面。并且，圖11表示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實例，其中束腰在像平面中。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)也可用傅立葉變換在一維中而像平面在其它維度中的結合來實現(xiàn)。不實現(xiàn)多處發(fā)生的復用的這種系統(tǒng)已經(jīng)被披露在，例如，Curtis等人的美國專利US 5,339,305，題為“Disk-Based Optical Correlator andMethod”以及K.Curtis和D.Psaltis的“Three-dimensional Disk Based OpticalCorrelator”，Optical Engineering，第33卷，第12期，1994年12月，它們?nèi)脑诖艘胱鳛閰⒖肌?br> 這種系統(tǒng)的一個實例示于圖13中。圖13中示出了一種光學系統(tǒng)700。系統(tǒng)700包括SLM 735，通過該SLM，入射光束750被用信息編碼形成信號光束710。盡管SLM 735是透射SLM，但使用反射SLM也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，SLM 735可包括一維象素陣列或二維象素陣列。到達全息介質708之前，信號光束710經(jīng)過由圓柱透鏡741a和741b形成的第一4F成像系統(tǒng)。圓柱透鏡741a和741b每個都被定向為在“x”方向上，以使透鏡741a和741b的圓柱軸平行。在圓柱透鏡741a和741b之間為圓柱FT透鏡742a，該FT透鏡被定向在與x方向垂直的“y”方向上，并且在垂直于圖13的平面的方向。x方向和y方向都垂直于物光束710傳播的方向。圓柱透鏡741a和741b將物光束710成像至在x方向上的圓形介質708中，并且圓柱FT透鏡742a在y方向傅立葉變換物光束710，以與參考光束720一起在圓形介質708中產(chǎn)生全息圖。介質708優(yōu)選地為相對于中心軸轉動的圓盤形式，也可為具有沿行存儲全息圖的卡片形狀。因此，當介質708移動時，全息圖被重疊在圓形結構中。
如上所述，利用不同的參考光束產(chǎn)生全息圖疊層，可將多個全息圖復用在介質708的同一位置。另外，可轉動介質708以允許利用同一參考光束產(chǎn)生全息圖的其他疊層752，并且這些疊層可彼此重疊。為了從疊層752中讀出全息圖，使用讀出光束傳輸輸出光束711經(jīng)過濾光塊730。在系統(tǒng)700的實例中，全息圖優(yōu)選生成在介質708中，以使物光束710的像腰部和傅立葉變換腰部都位于介質708外側的濾光塊730處。為了達到此目的，圓柱FT透鏡742的焦距是透鏡741a和741b焦距的兩倍。
另外，全息圖的疊層752優(yōu)選重疊在介質708中，以使產(chǎn)生全息圖疊層752的物光束的傅立葉變換腰部和像腰部都不重疊。這樣，濾光塊730的孔徑730a的大小可設計成從輸出光束711濾除不需要的重疊全息圖的讀取信息。為了實現(xiàn)這一點，孔徑730a的尺寸在x方向中優(yōu)選為像光束腰部尺寸。并且，y方向狹縫的大小優(yōu)選為上述的尼奎斯特孔徑。
經(jīng)過濾光塊730之后，輸出光束711在到達探測器746之前，經(jīng)過三個附加的圓柱透鏡743a、743b和圓柱FT透鏡742b。圓柱透鏡743a和743b形成在x方向上延伸的第二4F透鏡系統(tǒng)，以致于透鏡743a和743b的圓柱軸在x方向上平行。圓柱FT透鏡742b設置在透鏡743a和743b之間，并且其圓柱軸平行于y方向。以這種方式，呈現(xiàn)在SLM 735上、并被存儲在介質中的全息圖隨后被重現(xiàn)為會聚在探測器746上的圖像。
還認為，實現(xiàn)多處發(fā)生的復用并在垂直像方向的方向上傅立葉變換的系統(tǒng)，例如系統(tǒng)700，使用角度濾光器，例如上述系統(tǒng)600的角度濾光器630a和630b，和/或包括多于一個濾光器。還假設物光束710和輸出光束711的傅立葉變換平面不分別與物光束710和輸出光束711的像平面空間重合。在這種情況中，用于傅立葉變換平面的濾光可發(fā)生在與用于像平面濾光不同的位置。并且用于像平面和傅立葉變換平面的濾光器可為沿各自圓柱形透鏡系統(tǒng)方向延伸的狹縫。
還認為，實現(xiàn)多處發(fā)生復用并在垂直于像方向的方向上具有傅立葉變換的系統(tǒng)，例如系統(tǒng)700，可以在相位共軛結構，例如，系統(tǒng)300中實現(xiàn)。這樣的系統(tǒng)還可將成像束腰和傅立葉變換腰之一或二者設置在全息介質內(nèi)部，并且包括將各自腰部中繼到介質外部加以濾波的透鏡系統(tǒng)，如在圖9和10中所示的系統(tǒng)500。
在不脫離本發(fā)明精神和范圍的條件下可對優(yōu)選實施例進行各種變型。例如，并且非限制地，不同的光學排列和記錄幾何結構如反射或透射幾何結構可被嘗試。這些全息圖可記錄在位于像平面、傅立葉平面或任何中間平面處的介質中。介質可為盤、卡片、帶或其它任何形式?？赏ㄟ^移動介質、移動光學系統(tǒng)、移動介質和光學系統(tǒng)二者的結合或通過以光束控制使光束至一新的位置，實現(xiàn)相對運動，來為下一復用全息圖疊層移動束腰。這種疊層之間的相對運動可為基本上線性運動、基本上轉動或某種其它軌跡。因此，重疊疊層可形成例如線形、圓形、橢圓形、螺旋形。還考慮到裝置為只讀裝置(ROM)、只記錄裝置以及記錄和讀出裝置。因此，前述描述并不意在限制所附權利要求中描述的本發(fā)明。
權利要求
1.一種全息記錄和讀取方法，包括利用第一參考光束和第一信號光束在全息介質中產(chǎn)生第一全息圖，所述第一信號光束具有束腰；利用與所述第一參考光束相同的第二參考光束和第二信號光束產(chǎn)生第二全息圖，所述第二信號光束具有束腰；使至少一部分第二全息圖與第一全息圖重疊；和從所述第二全息圖中分離所述第一全息圖，以使所述第一信號光束的束腰部分不出現(xiàn)在與所述第二信號光束束腰任何部分相同的位置。
2.根據(jù)權利要求1的方法，包括在輸出光束的第一部分中再現(xiàn)所述第一全息圖；在輸出光束的第二部分中再現(xiàn)至少所述第二全息圖；以及濾光輸出光束，使其基本上只含有所述第一全息圖的再現(xiàn)。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中濾光輸出光束包括在輸出光束中設置濾光塊，該濾光塊具有孔徑，其使來自所述第一全息圖的信息通過該濾光塊。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中所述輸出光束的第一部分具有第一輸出腰部，并且輸出光束的第二部分具有第二輸出腰部；和濾光所述輸出光束包括放置所述濾光塊的孔徑于所述第一輸出腰部的位置；和在所述第二輸出腰部阻擋該輸出光束第二部分透過。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中孔徑的一個維度的尺寸為尼奎斯特尺寸。
6.根據(jù)權利要求4的方法，其中孔徑的一個維度的尺寸是尼奎斯特尺寸的兩倍。
7.根據(jù)權利要求2的方法，其中產(chǎn)生所述第一全息圖包括在入射光束的光路中設置空間光調制器(SLM)以產(chǎn)生第一信號光束；和在所述SLM和全息介質之間在所述第一信號光束的光路中設置透鏡。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生該輸出光束，所述讀出光束與所述第一參考光束相同。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生所述輸出光束，所述讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
10.根據(jù)權利要求9的方法，包括在同SLM集成在一起的探測器中探測所述輸出光束的第一部分的讀取信息。
11.根據(jù)權利要求2的方法，其中產(chǎn)生所述第一全息圖包括在入射光束的光路中設置空間光調制器(SLM)以產(chǎn)生第一信號光束；和在入射光束進入SLM之前，在入射光束的光路中設置透鏡；和傳輸來自SLM的信號光束至全息介質，所述信號光束不經(jīng)過透鏡。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生所述輸出光束，其中讀出光束是第一參考光束的相位共軛。
13.根據(jù)權利要求12的方法，包括在同SLM集成在一起的探測器中探測所述輸出光束的第一部分的讀取信息。
14.根據(jù)權利要求2的方法，其中濾光輸出光束包括在輸出光束中設置角度濾光器。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述角度濾光器是層狀薄膜。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述角度濾光器是全息光學元件，HOE。
17.根據(jù)權利要求14的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生該輸出光束，其中讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
18.根據(jù)權利要求2的方法，包括在形成全息圖之前濾光所述第一信號光束，以限制所述第一信號光束的帶寬。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中濾光所述第一信號光束包括用角度濾光器和濾光塊其中之一濾光所述信號光束；以及濾光所述輸出光束包括用角度濾光器和濾光塊其中之一濾光所述輸出光束。
20.根據(jù)權利要求2的方法，其中產(chǎn)生所述第一全息圖包括在該全息介質的內(nèi)部放置所述第一信號光束的第一腰部；以及產(chǎn)生所述第二全息圖包括在該全息介質的內(nèi)部放置所述第二信號光束的第一腰部。
21.根據(jù)權利要求20的方法，包括在全息介質的外部生成所述第一信號光束的第二腰部；在全息介質的外部生成所述輸出光束的第二腰部；以及在全息介質外部輸出光束的第二腰部處阻擋輸出光束的所述第二部分。
22.根據(jù)權利要求21的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生所述輸出光束，其中該讀出光束與第一參考光束相同。
23.根據(jù)權利要求21的方法，其中再現(xiàn)所述第一全息圖包括利用讀出光束產(chǎn)生所述輸出光束，其中所述讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
24.根據(jù)權利要求23的方法，包括在探測器中探測該輸出光束的第一部分；和在探測所述輸出光束的第一部分之前，使該輸出光束的第一部分經(jīng)過波片和偏振分束器。
25.根據(jù)權利要求20的方法，包括在第一物光束到達全息介質之前，使其經(jīng)過相位元件。
26.根據(jù)權利要求2的方法，其中濾光所述輸出光束包括形成與全息介質集成在一起的濾光器，該濾光器具有至少一個孔徑。
27.根據(jù)權利要求2的方法，包括將全息介質定位在所述第一信號光束的像平面，以使該第一信號光束的束腰被投射道全息介質中；在投射所述第一信號光束到全息介質中之前，投射所述第一信號光束經(jīng)過第一角度濾光器；以及其中濾光所述信號光束包括投射輸出光束經(jīng)過第二角度濾光器。
28.根據(jù)權利要求27的方法，包括利用與第一參考光束相同的讀出光束產(chǎn)生所述輸出光束。
29.根據(jù)權利要求1的方法，包括在全息介質中第一復用位置處對于第一全息圖復用第一多個全息圖；在全息介質中第二復用位置處對于第二全息圖復用第二多個全息圖。
30.根據(jù)權利要求29的方法，其中所述第一多個全息圖在第一復用位置角度復用，第二多個全息圖在第二復用位置角度復用。
31.根據(jù)權利要求29的方法，其中所述第一多個全息圖在第一復用位置波長復用，第二多個全息圖在第二復用位置波長復用。
32.根據(jù)權利要求1的方法，其中產(chǎn)生第一全息圖包括在全息介質的外部放置第一信號光束的束腰；產(chǎn)生第二全息圖包括在全息介質的外部放置第二信號光束的束腰。
33.根據(jù)權利要求1的方法，包括將所述全息介質定位在第一信號光束的像平面中。
34.根據(jù)權利要求1的方法，將所述全息介質定位在第一信號光束的傅立葉平面中。
35.一種用于讀取由第一信號光束和第一參考光束在全息介質中產(chǎn)生的第一全息圖的方法，所述第一全息圖在全息介質中與至少第二全息圖的一部分重疊，所述第二全息圖由第二信號光束和參考光束產(chǎn)生，該參考光束與所述第一參考光束相同，以使沒有第一信號光束的束腰部分出現(xiàn)在與第二信號光束的束腰的任何部分相同的位置，包括在輸出光束的第一部分中再現(xiàn)第一全息圖，并在輸出光束的第二部分中再現(xiàn)至少第二全息圖；和濾光輸出光束以基本上只含有第一全息圖的再現(xiàn)。
36.根據(jù)權利要求35的方法，包括將所述全息介質定位在第一信號光束的像平面中。
37.根據(jù)權利要求35的方法，包括將所述全息介質定位在第一信號光束的傅立葉平面中。
38.根據(jù)權利要求2的方法，包括使所述第一信號光束以第一方向成像在全息介質的第一斑點中；和在全息介質的第一斑點中，對第一信號光束以正交所述第一方向的方向進行傅立葉變換。
39.一種用于記錄和讀出全息圖的裝置，包括在全息介質中生成第一全息圖的第一信號光束和第一參考光束，所述第一信號光束具有第一束腰；第二信號光束和第二參考光束，所述第二參考光束與所述第一參考光束相同，所述第二信號光束和所述第二參考光束在全息介質中生成第二全息圖，所述第二信號光束具有第二束腰，所述第一全息圖的至少一部分與所述第二全息圖的至少一部分在全息介質中空間重疊，以使沒有所述第一信號光束的腰部部分出現(xiàn)在全息介質中與所述第二信號光束腰部的任何部分相同的位置。
40.根據(jù)權利要求39的裝置，包括輸出光束，其具有包括第一全息圖讀取信息的第一部分；和包括所述第二全息圖再現(xiàn)讀取信息的第二部分；和用于濾除輸出光束至少所述第二部分的濾光器。
41.根據(jù)權利要求40的裝置，其中所述濾光器包括具有孔徑的不透明濾光塊。
42.根據(jù)權利要求41的裝置，其中所述輸出光束的所述第一部分具有第一輸出腰部，該輸出光束的所述第二部分具有第二輸出腰部；和在再現(xiàn)所述第一全息圖過程中，濾光塊的孔徑位于所述第一輸出腰部，且該輸出光束的第二部分的傳輸在第二輸出腰部處被阻擋。
43.根據(jù)權利要求42的裝置，其中該孔徑的一個維度的尺寸是尼奎斯特尺寸。
44.根據(jù)權利要求42的裝置，其中該孔徑的一個維度的尺寸是尼奎斯特尺寸的兩倍。
45.根據(jù)權利要求40的裝置，還包括入射光束；位于入射光束的光路中的空間光調制器(SLM)，以產(chǎn)生所述第一信號光束；和透鏡，位于第一信號光束的光路中SLM和全息介質之間。
46.根據(jù)權利要求45的裝置，還包括產(chǎn)生輸出光束的讀出光束，其中該讀出光束與第一參考光束相同。
47.根據(jù)權利要求45的裝置，還包括產(chǎn)生該輸出光束的讀出光束，其中該讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
48.根據(jù)權利要求47的裝置，包括用于探測輸出光束的探測器，其中該探測器與SLM集成為一體。
49.根據(jù)權利要求40的裝置，包括入射光束；位于入射光束光路中的空間光調制器(SLM)，以產(chǎn)生所述第一信號光束；位于在入射光束到達SLM之前的入射光束的光路中的透鏡，以使該信號光束不經(jīng)過任何透鏡直接從SLM傳輸?shù)饺⒔橘|。
50.根據(jù)權利要求49的裝置，包括讀出光束以產(chǎn)生所述輸出光束，其中該讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
51.根據(jù)權利要求50的裝置，包括用于探測所述輸出光束的探測器，其中該探測器與SLM集成為一體。
52.根據(jù)權利要求40的裝置，其中所述濾光器包括角度濾光器。
53.根據(jù)權利要求52的裝置，其中所述角度濾光器由層狀薄膜形成。
54.根據(jù)權利要求52的裝置，其中角度濾光器由HOE構成。
55.根據(jù)權利要求52的裝置，包括產(chǎn)生所述輸出光束的讀出光束，其中該讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
56.根據(jù)權利要求40的裝置，包括設置在第一物光束中的第二濾光器，以限制所述第一物光束的帶寬。
57.根據(jù)權利要求56的裝置，其中所述第一濾光器包括角度濾光器和具有一孔徑的濾光塊二者之一；和所述第二濾光器包括角度濾光器和具有一孔徑的濾光塊二者之一。
58.根據(jù)權利要求40的裝置，其中在形成第一全息圖時，所述第一束腰位于全息介質的內(nèi)部，在形成第二全息圖時，所述第二束腰位于該全息介質的內(nèi)部。
59.根據(jù)權利要求58的裝置，包括所述第一信號光束的第二束腰，該第一信號光束的所述第二束腰位于該全息介質的外部；所述輸出光束的第二束腰，該輸出光束的所述第二束腰位于該全息介質的外部，其中該輸出光束的所述第二部分在該輸出光束的第二束腰處被阻擋。
60.根據(jù)權利要求59的裝置，包括用于產(chǎn)生所述輸出光束的讀出光束，其中所述讀出光束與所述第一參考光束相同。
61.根據(jù)權利要求59的裝置，包括用于產(chǎn)生該輸出光束的讀出光束，其中所述讀出光束是所述第一參考光束的相位共軛。
62.根據(jù)權利要求61的裝置，包括用于探測所述輸出光束的探測器；在探測器之前位于輸出光束光路中的偏振分束器；和在偏振分束器之前位于該輸出光束光路中的波片。
63.根據(jù)權利要求58的裝置，包括位于所述第一信號光束光路中該全息介質之前的相位元件。
64.根據(jù)權利要求40的裝置，其中所述濾光器與該全息介質集成在一起。
65.根據(jù)權利要求40的裝置，其中所述第一信號光束包括投射到全息介質中的像平面。
66.根據(jù)權利要求65的裝置，包括位于所述第一信號光束光路中全息介質之前的第一角度濾光器；該濾光器包括位于所述輸出光束光路中的第二角度濾光器。
67.根據(jù)權利要求66的裝置，包括用于產(chǎn)生輸出光束的讀出光束，其中該讀出光束與第一參考光束相同。
68.根據(jù)權利要求39的裝置，包括在全息介質中第一全息圖位置處與第一全息圖復用的第一多個全息圖的；和在全息介質中第二全息圖位置處與第二全息圖復用的第二多個全息圖。
69.根據(jù)權利要求68的裝置，其中所述第一多個全息圖在所述第一復用位置角度復用，并且所述第二多個全息圖在所述第二復用位置角度復用。
70.根據(jù)權利要求68的裝置，其中所述第一多個全息圖在所述第一復用位置波長復用，并且所述第二多個全息圖在所述第二復用位置波長復用。
71.根據(jù)權利要求39的裝置，其中在形成所述第一全息圖時，所述第一腰部位于該全息介質的外部，并在形成所述第二全息圖時，所述第二腰部位于該全息介質的外部。
72.根據(jù)權利要求39的裝置，其中所述第一信號光束的像平面投射至全息介質的內(nèi)部。
73.根據(jù)權利要求39的裝置，其中所述第一信號光束的傅立葉平面投射至該全息介質的內(nèi)部。
74.一種用于讀取由第一信號光束和參考光束在全息介質中產(chǎn)生的第一全息圖的裝置，所述第一全息圖在全息介質中與由第二信號光束和該參考光束產(chǎn)生的至少第二全息圖的一部分重疊，以使沒有第一信號光束的束腰部分出現(xiàn)在與第二信號光束束腰的任何部分相同的位置，該裝置包括輸出光束，其具有第一部分，在其中讀出第一全息圖；和至少第二部分，在其中讀出第二全息圖；以及在輸出光束中的濾光器，其濾光輸出光束，使其基本上只含有第一全息圖的再現(xiàn)。
75.根據(jù)權利要求74的裝置，包括定位全息介質在所述第一信號光束的像平面。
76.根據(jù)權利要求74的裝置，定位全息介質在所述第一信號光束的傅立葉平面。
77.根據(jù)權利要求39的裝置，其中所述第一信號光束以第一方向成像在全息介質中的斑點上，并在垂直于第一方向的第二方向上，在介質中的該斑點上被傅立葉變換。
78.一種全息介質，包括在全息介質的第一位置處與第一全息圖復用的第一多個全息圖，由第一信號光束和第一參考光束產(chǎn)生第一全息圖，所述第一信號光束具有第一束腰；和在全息介質的第二位置處與第二全息圖復用的第二多個全息圖，由第二信號光束和與第一參考光束相同的第二參考光束產(chǎn)生第二全息圖，所述第二信號光束具有第二束腰，其中第一全息圖的一部分與第二全息圖的一部分重合，以及所述第一束腰不出現(xiàn)在與第二束腰相同的位置上。
79.根據(jù)權利要求78的全息介質，其中該全息介質為圓盤形，并且所述第一多個全息圖和所述第二多個全息圖在圓形結構中重疊。
80.根據(jù)權利要求78的全息介質，其中第一多個全息圖和第二全息圖在線中重疊。
81.根據(jù)權利要求80的全息介質，其中所述全息介質為卡片形。
82.根據(jù)權利要求80的全息介質，其中所述全息介質為帶形。
83.一種在權利要求78的全息介質中復制復用全息圖的方法，包括鄰近權利要求78的全息介質放置空白全息介質，經(jīng)過權利要求78的全息介質投射讀出光束，以產(chǎn)生輸出光束，該輸出光束與所述第一參考光束相同；以及利用輸出光束在空白全息介質中記錄至少第一和第二全息圖。
全文摘要
一種利用相鄰全息圖疊層之間的部分空間重疊可空間復用全息圖的復用方法和裝置。每個單獨的疊層又可充分利用其它復用機制，例如角度、波長、相位碼、旋轉或分形復用。等于寫入全息圖的信號光束束腰的量分離全息圖的各疊層。再現(xiàn)時，全息圖和其相鄰的全息圖將被同時讀出。然而，濾光器被設置在再現(xiàn)數(shù)據(jù)的束腰處，以使讀出的鄰近數(shù)據(jù)不會傳輸?shù)綌z影平面。另外，這些不必要的再現(xiàn)可用具有有限角度通帶的角度濾光器在光學系統(tǒng)的中間平面處濾除。
文檔編號G03H1/26GK1530774SQ20041003521
公開日2004年9月22日 申請日期2004年3月10日 優(yōu)先權日2003年3月10日
發(fā)明者K·E·安德森, K E 安德森, K·R·柯蒂斯, 柯蒂斯 申請人:英法塞技術公司