專利名稱：光學設備，特別是全息設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學設備。尤其涉及一種用于在全息介質(zhì)中記錄數(shù) 據(jù)頁和/或從全息介質(zhì)讀出數(shù)據(jù)頁的光學全息設備。
本發(fā)明還涉及一種用于制造這種光學設備的方法，以及一種全息分 束器。
背景技術：
許多光學設備利用反射衍射結(jié)構。 一個這種光學設備的例子是利用
數(shù)字鏡型器件(digital mirror device (DMD))的設備。另一個例子是 利用反射的空間光調(diào)制器(SLM)的全息設備。Lambertus Hesselink， Sergei S. Orlov和Matthew C. Bashaw在《Proceeding of the IEEE》 (2004年8月)第92巻，n°8,第1262頁中的"Holographic data s torage systems (全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng))"描述了這種光學設備。圖l示出了這種全 息設備。其包括用于產(chǎn)生輻射光束的輻射源101、準直器102、偏振分束 器(PBS) 103、反射的空間光調(diào)制器(SLM) 104、第一成像透鏡105、第 二成像透鏡107和檢測器108。該全息i殳備用來在全息介質(zhì)106中記錄數(shù)據(jù) 以及從全息介質(zhì)106讀取數(shù)據(jù)。借助于PBS103將輻射源101產(chǎn)生的輻射光 束朝反射的SLM104引導。該輻射光束由反射的SLM104衍射和反射，并由 此形成信號光束，該信號光束包括在該反射的SLM104中被編碼的數(shù)據(jù) 頁。該信號光束借助于反射的SLM104來進行空間調(diào)制。該反射的SLM104 包括反射區(qū)和吸收區(qū)，其對應于要被記錄的數(shù)據(jù)頁的0和1數(shù)據(jù)位。信號 光束攜栽將要在全息介質(zhì)106中記錄的信號，即將要記錄的數(shù)據(jù)頁。
該信號光束借助于第一成像透鏡105成像在全息介質(zhì)106上。該信號 光束與全息介質(zhì)106內(nèi)部的參考光束(未示出)相干涉，由此形成數(shù)據(jù)圖 案(data pattern)。可以將另 一個數(shù)據(jù)頁記錄在全息介質(zhì)106中的同一 個位置處，例如通過對輻射源的波長進行調(diào)諧。這稱為波長多路復用。 其他種類的多路復用(如角度多路復用、移位多路復用(shift multiplexing )或者相位編碼多路復用)也可以用于在全息介質(zhì)l 06中記 錄數(shù)據(jù)頁。
在讀出全息介質(zhì)106中記錄的數(shù)據(jù)頁的過程中，朝全息介質(zhì)106發(fā)送
參考光束(未示出)，并且由全息介質(zhì)106中記錄的數(shù)據(jù)圖案將該參考光 束衍射。然后借助于第二成像透鏡107將衍射的光束成像在檢測器108 上。檢測器108包括多個像素或檢測器元件，每個檢測器元件都對應于成 像的數(shù)據(jù)頁的一個位。
這種全息i殳備具有所謂的4f構型(configuration)，這意"未著第 一和第二成像透鏡105和107具有焦距f,在SLM104和第一成像透鏡105之 間的距離是f，第一成像透鏡105和全息介質(zhì)106之間的距離是f，全息介 質(zhì)106和第二成像透鏡107之間的距離是f，并且第二成像透鏡107和檢測 器108之間的距離是f。在全息介質(zhì)106中記錄的數(shù)據(jù)的密度取決于第一成 像透鏡105的數(shù)值孔徑NA。數(shù)值孔徑M越大，則數(shù)據(jù)密度越大。如今，數(shù) 值孔徑NA在這種全息設備中是受限制的，因為數(shù)值孔徑NA與第 一成像透 鏡105的焦距成反比，其必須大于PBS103的尺寸。在該光學設備中的 PBS103相對較大，因為必須將PBS103的部分反射的表面取向為與輻射源 101產(chǎn)生的輻射光束的方向成45度。因此，限制了數(shù)據(jù)密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在現(xiàn)有技術中描述的那種類型的光學設 備，其中增大了第一成像透鏡的數(shù)值孔徑，本發(fā)明特別是提供一種增大數(shù) 據(jù)密度的全息設備。
為此，本發(fā)明提出一種光學設備，其包括用于產(chǎn)生輻射光束的光源、 用于使所迷輻射光束沿著光路反射和衍射的反射衍射結(jié)構、用于將由所 述反射衍射結(jié)構反射和衍射之后的該輻射光束成像的成像裝置，以及沿 著所述光路位于所述反射衍射結(jié)構和所述成像裝置之間的全息分束器。 根據(jù)本發(fā)明，用全息分束器來代替PBS103。如在下面的描述中詳細說明 的，相對于常規(guī)PBS的尺寸可以減小全息分束器的尺寸。因此，可以減小 反射衍射結(jié)構和成像裝置之間的距離，這允許增加成像裝置的數(shù)值孔 徑。在全息設備中，這允許增大在全息介質(zhì)中記錄的數(shù)據(jù)密度。
有利的是，該全息分束器包括厚度為L的全息材料，以及平均衍射間 距(step)為d的反射衍射結(jié)構，其中d〈L。有利的是，L/d>50。這減少 了朝輻射源衍射回去的輻射的量，并因此增大了到達全息介質(zhì)的輻射的 量，因而增大了信噪比(S/N)。
優(yōu)選的是，按照使所述反射衍射結(jié)構所反射和衍射的輻射光束的第 一部分朝輻射源衍射回去的方式來設置該全息分束器，該光學設備包括
用于根據(jù)所述第一部分來監(jiān)控所述輻射源的波長的裝置。該第一部分用 作對輻射源的光學反饋。根據(jù)輻射源接收到的第一部分的強度，可以精 調(diào)輻射源的波長，如在下面的描述中詳細說明的。
有利的是，按照使輻射源所產(chǎn)生的輻射光束的第一部分透過全息分 束器的方式來設置該全息分束器，該光學設備包括用于根據(jù)所述第一部 分來監(jiān)控所述輻射源的波長的裝置。根據(jù)由輻射源接收的第一部分的強 度，可以精調(diào)輻射源的波長，如在下面的描述中詳細說明的。
優(yōu)選的是，該全息分束器包括已經(jīng)以不同波長記錄的全息圖案。這 允許波長多路復用。
本發(fā)明還涉及一種全息分束器，其包括已經(jīng)以不同波長記錄的全息 圖案。
本發(fā)明還涉及一種用于制造光學設備的方法，所述方法包括以下步
驟提供用于產(chǎn)生輻射光束的光源，提供用于使所述輻射光束沿著光路 反射和衍射的反射衍射結(jié)構，提供用于將由所述反射衍射結(jié)構反射和衍 射之后的該輻射光束成像的成像裝置，以及提供沿著所述光路位于所述 反射衍射結(jié)構和所述成像裝置之間的全息分束器。
本發(fā)明的這些和其他方面將從下文中描述的實施例中顯而易見，并 且參考這些實施例來進行說明。


現(xiàn)在參照附圖通過舉例的方式更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中 圖l示出依照現(xiàn)有技術的光學設備； 圖2a至2d示出怎樣制造全息分束器； 圖3示出依照本發(fā)明的光學設備；
圖4a示出由圖3的反射衍射結(jié)構所反射和衍射的輻射光束的強度，圖 4b示出在圖3的全息介質(zhì)上成像的輻射光束的強度。
具體實施例方式
圖2c示出在依照本發(fā)明的光學設備中使用的全息分束器200。該全息 分束器200包括兩個玻璃楔塊202a和202b，在其間施加全息材料201。該 全息材料201的厚度是L。該全息材料201優(yōu)選具有與玻璃楔塊202a和202b 相同的折射率。全息圖案203記錄在全息分束器200中，如圖2a和2b中所
示o
圖2a示出在記錄全息圖案203之前的全息分束器200。該全息分束器
200包括兩個玻璃楔塊202a和202b,在其間施加全息材料201。為了記錄 全息圖案203,應朝全息分束器200引導第一平面波204和第二平面波 205。第一平面波204和第二平面波205彼此垂直。以折射率調(diào)制的形式通 過第一和第二平面波204和205的干涉在全息材料201內(nèi)部產(chǎn)生全息圖案 203。
圖2d示出如何使用全息分束器200。當朝向全息分束器200引導與第 一波面204相同的第三波面206時，第三波面206被全息圖案203衍射，形 成第四波面207，該第四波面207與第二波面205相似。在該例子中，100 %的笫三波面206被衍射。但是，可以按照使第三波面206的第一部分透 過全息分束器200而不發(fā)生衍射的這種方式來設計全息分束器200。圖2a 至2d中示出的例子僅僅是制造這種全息分束器200的許多可能的方法中 的一種情況。在《Analytical Chemistry (分析化學)》第65巻，N°.9 (1993年5月1曰)，第441A-449A頁的"Principles and Spectroscopic Applications of Volume Holographic Optics (體積全息光學的原理
和光語應用)，，中可以找到有關全息分束器的詳細信息。應該注意，全息 分束器200對稱地起作用，即當朝向全息分束器200發(fā)送平行于第四波面 207的第五波面時，該第五波面會在平行于第三波面206的方向上被衍 射。
由于全息分束器200設計的方式，可以將全息材料201取向為具有角 ex,該角ct小于45度。實際上，第三平面波206的偏差是基于衍射，而不 是基于反射，如利用常規(guī)PBS(如圖1的PBS 103)的情況。角ot可以選擇小 到幾度，例如角ot可以小于10度。因此，與常規(guī)PBS(如圖1的PBS 103) 的寬度相比，全息分束器200的寬度相對較小，所述常規(guī)PBS是立方體分 束器。
圖3中示出依照本發(fā)明的光學設備。其包括用于產(chǎn)生輻射光束的輻射 源301、準直器302、全息分束器303、反射的空間光調(diào)制器(SLM) 304、 第一成像透鏡305、第二成像透鏡307和檢測器308。該光學設備是用來在 全息介質(zhì)306中記錄數(shù)據(jù)并且從全息介質(zhì)306中讀取數(shù)據(jù)。如圖2a至2d中 所說明的，全息分束器303的寬度小于圖1的PBS 103的寬度。因此，相對 于圖1的第一成像透鏡105的焦距，可以減小該第一成像透鏡305的焦距。 這樣增大了第一成像透鏡305的數(shù)值孔徑，并且增大了可以在全息介質(zhì) 306中記錄的數(shù)據(jù)密度。
準直器302將輻射源301產(chǎn)生的輻射光束準直，然后該光束到達全息 分束器303。在下面的例子中，按照使到達全息分束器303的輻射光束的 100。/。朝反射的SLM 304沿著光路PP衍射的這種方式來設計全息分束器 303。所述反射的SLM 304將到達其的輻射光束沿著光路PP朝全息分束器 303反射。此外，由于反射的SLM 304包括與將要被記錄的數(shù)據(jù)頁的0和1 數(shù)據(jù)位對應的反射區(qū)和吸收區(qū)，因此該反射的SLM 304起衍射結(jié)構的作 用。對反射的SLM 304的每個區(qū)，產(chǎn)生衍射的子輻射光束，并使其沿著光 路PP朝全息分束器303反射。該衍射和反射的子輻射光束形成衍射和反射 的輻射光束。
圖4a示出衍射的子輻射光束的強度，該強度是角度的函數(shù)，角度O對 應于沿著光路PP的方向。如從圖4a中可以看到的，沿著光路PP強度最大， 但是衍射的子輻射光束的大部分沿著與光路PP不同的方向衍射。角展度 粗略地等于入/d,其中入是輻射源的波長，d是衍射和反射結(jié)構304的平 均衍射間距。在圖3的例子中，反射的SLM 304的平均衍射間距d等于反射 的SLM 304的一個單獨的區(qū)(像素)的尺寸，其通常是幾微米。如果沿著 光路PP引導了所有的衍射和反射的子輻射光束，那么全息分束器303將會 把衍射和反射的輻射光束朝輻射源301衍射，因為在這種情況下衍射和反 射的輻射光束的波長和方向?qū)⑴c所謂的布拉格條件匹配。布拉格條件是 以波長和方向為的條件，全息分束器303要以此條件來設計。在這種情況 下，按照使具有圖2d的第五波面的波長和方向的輻射光束在平行于圖2d 的第三波面206的方向上衍射的這種方式來設計全息分束器303。
圍繞布拉格匹配條件的角范圍，即全息分束器303將反射的和衍射的 子輻射光束朝輻射源301衍射的角范圍是X/L左右。在該范圍之外，反射 和衍射的子輻射經(jīng)過全息分束器303朝第一成像透鏡305透射。圖4b示出 在衍射和反射的子輻射光束已經(jīng)經(jīng)過全息分束器303之后的作為角度的 函數(shù)的衍射的和反射的子輻射光束的強度。在圖4b的例子中，L大于d， 這很容易實現(xiàn)。通常地，L為l毫米左右，以便其大于d。如從圖4b可以看 到的，反射和衍射的子輻射光束在角范圍入/L內(nèi)的僅僅一小部分朝輻射 源301衍射，而其他部分透過全息分束器303。反射和衍射的子輻射光束 朝輻射源301衍射的那部分取決于比率L/d。在圖3的例子中，所希望的是 大部分衍射和反射的輻射光束透過全息分束器303。這可以在比率L/d選 擇為大于50時達到，具有大約幾微米的典型值d是很容易達到的。
如上文中所解釋的，衍射和反射的輻射光束的笫一部分朝輻射源301 衍射，而較大的笫二部分經(jīng)過全息分束器303朝第一成像透鏡305透射。 這意味著依照本發(fā)明的光學設備的光路效率(light path efficiency) 相對較高。實際上，可以按照使第一部分小于l。/。的方式來選擇比率L/d, 這意味著將輻射源301所產(chǎn)生的輻射光束的主要部分用于在全息介質(zhì)306 中記錄數(shù)據(jù)頁。
盡管所希望的是使該第一部分盡可能地小，但是該第一部分可用作 對輻射源301的光學反饋。實際上，如果輻射源301的波長與布拉格條件 不匹配，那么該第一部分將小于在輻射源301的波長與布拉格條件匹配時 的第一部分。可以利用第一部分的強度方面的這個變化，以便精調(diào)輻射 源301的波長，從而使其與布拉格條件匹配。這可以在對輻射源301的波 長進行調(diào)諧直到該第一部分的強度最大的時候得以實現(xiàn)。此外，由于缺 少模式跳躍(mode hopping),具有光學反饋的輻射源比常規(guī)輻射源的噪 聲小。
在另一個實施例中，按照使由輻射源301產(chǎn)生的到達全息分束器303 的輻射光束的小于100。/。沿著光路PP朝反射的SLM 304衍射的方式來設計 全息分束器303。這意味著，輻射源301產(chǎn)生的輻射光束的第一部分透過 全息分束器303。該笫一部分由檢測模塊309來檢測。如果輻射源301的波 長與布拉格條件不匹配，那么該第一部分將大于輻射源301的波長與布拉 格條件匹配時的第一部分。利用該第一部分的強度方面的這個變化，使 得精調(diào)輻射源301的波長，直到該第一部分的強度最小。因此，借助于檢 測模塊309來監(jiān)控輻射源301的波長。
在上文描述的例子中，光學設備以單一頻率工作，該頻率是設計全 息分束器303所依據(jù)的頻率。但是，為了增大全息介質(zhì)306中的數(shù)據(jù)密度， 所希望的是可以改變輻射源301的波長，以便進行所謂的波長多路復用。 例如，首先借助于具有第一波長入l的輻射光束來記錄第一數(shù)據(jù)頁，然后 借助于具有第二波長入2的輻射光束在全息介質(zhì)306的同一個位置記錄第 二數(shù)據(jù)頁。但是，如果例如為第一波長X1設計全息分束器303，那么由 具有第二波長A 2的輻射源301所產(chǎn)生的輻射光束將完全透過該全息分束 器303,因為其與布拉格條件不匹配。
這一問題可以在包括了已經(jīng)以不同波長記錄的全息圖案的全息分束 器303中解決。在該例子中，用具有第一波長X l的平面波來記錄第一全
息圖案，用具有第二波長入2的平面波來記錄第二全息圖案。具有第一波 長入l的輻射光束由第一全息圖案衍射，而不會由第二全息圖案衍射。具 有第二波長A2的輻射光束由第二全息圖案衍射，而不會由第一全息圖案 衍射。根據(jù)圖2a至2c中所述的方法可以很容易地制造這種具有以不同波 長記錄的全息圖案的全息分束器。 一旦用具有波長Al的第一和第二平面 波204和205如圖2a至2c的描述中所述那樣來記錄第一全息圖案，圖2b的 第一和第二平面波204和205的波長就變?yōu)锳 2，并且記錄第二全息圖案。
在上文描述的例子中，全息分束器303的表面是平坦的。但是，不背 離本發(fā)明的范圍，這些表面可以是彎曲的。在這種情況下，依照本發(fā)明 的光學設備的其他光學元件可以結(jié)合到該全息分束器303中，如第一成像 透鏡305。這樣可以降低光學設備的復雜性和龐大。
在下面的權利要求中的任何附圖標記不應當解釋為對該權利要求的 限制。很明顯，動詞"包括"及其動詞變化的使用并不排除在任何權利 要求中所限定的元件之外還存在任何其他的元件。元件前面的詞"一" 或"一個"不排除存在多個這種元件。
權利要求
1.一種光學設備，其包括用于產(chǎn)生輻射光束的光源(301)、用于沿著光路(PP)反射和衍射所述輻射光束的反射衍射結(jié)構(304)、用于將由所述反射衍射結(jié)構反射和衍射之后的該輻射光束成像的成像裝置(305)，以及沿著所述光路位于所述反射衍射結(jié)構和所述成像裝置之間的全息分束器(303)。
2. 如權利要求1所述的光學設備，其中所述反射衍射結(jié)構是反射的空 間光調(diào)制器。
3. 如權利要求1所述的光學設備，其中所述全息分束器包括厚度為L 的全息材料，以及反射衍射結(jié)構具有平均衍射間距d，其中d〈L。
4. 如權利要求3所述的光學設備，其中L/d〉50。
5. 如權利要求l所述的光學設備，其中按照使所述反射衍射結(jié)構所反 射和衍射的輻射光束的第一部分朝輻射源衍射回去的方式來設置該全息 分束器，該光學設備包括用于根據(jù)所述第一部分來監(jiān)控所述輻射源的波 長的裝置。
6. 如權利要求l所述的光學設備，其中按照使輻射源所產(chǎn)生的輻射光 束的第一部分透過全息分束器的方式來設置該全息分束器，該光學設備 包括用于根據(jù)所述第一部分來監(jiān)控所述輻射源的波長的裝置(309 )。
7. 如權利要求l所述的光學設備，其中該全息分束器包括已經(jīng)以不同 波長記錄的多個全息圖案。
8. —種全息分束器，其包括已經(jīng)以不同波長記錄的多個全息圖案。
9. 一種用于制造光學設備的方法，所述方法包括以下步驟，提供用 于產(chǎn)生輻射光束的光源，提供用于沿著光路反射和衍射所述輻射光束的 反射衍射結(jié)構，提供用于將由所述反射衍射結(jié)構反射和衍射之后的該輻 射光束成像的成像裝置，并且提供沿著所述光路位于所述反射衍射結(jié)構 和所述成像裝置之間的全息分束器。
全文摘要
一種光學設備，其包括用于產(chǎn)生輻射光束的光源(301)、用于使所述輻射光束沿著光路(PP)反射和衍射的反射衍射結(jié)構(304)、用于將由所述反射衍射結(jié)構反射和衍射之后的該輻射光束成像的成像裝置(305)，以及沿著所述光路位于所述反射衍射結(jié)構和所述成像裝置之間的全息分束器(303)。這種光學設備可用于將數(shù)據(jù)記錄到全息介質(zhì)中。
文檔編號G11B7/135GK101107651SQ200680002459
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權日2005年1月17日
發(fā)明者F·舒爾曼斯, G·特曼夫特, M·巴利斯特雷里 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司