记录/再现全息数据的设备和方法以及全息数据存储介质 【技术领域】
本发明的一个方面涉及一种记录和/或再现全息数据的方法和设备以及全息信息存储介质，更具体地说，涉及一种像差量减小的、记录和/或再现全息数据的显微全息术类型的方法和设备以及一种全息信息存储介质。
背景技术
使用全息图的信息存储技术最近已经受到关注。在使用全息图的信息存储方法中，将信息以光学干涉图案的形式存储在对光敏感的无机晶体或聚合物材料中。所述光学干涉图案通过使用两束相干的激光束来形成。即，具有不同路径的参考光和信号光彼此发生干涉时形成的干涉图案引起光敏存储介质中的化学或物理变化，从而将干涉图案记录在所述介质中。
为了从这样记录的干涉图案再现信息，将与记录信息时使用的光相似的参考光发射到记录在存储介质中的干涉图案。这样通过干涉图案引起衍射，从而复原了信号光并再现了信息。
全息信息存储技术包括体全息方法和显微全息方法，所述体全息方法通过使用体全息术以页为单位来记录和/或再现信息，所述显微全息方法通过使用显微全息术以单个位(bit)为单位来记录和/或再现信息。尽管体全息方法具有能同时处理大量信息的优点，但是对于普通用户来说，该方法难以作为信息存储装置而商业化，因为需要非常精确地调节该光学系统。
在显微全息方法中，使两个会聚光束在焦点处互相干涉，通过使干涉图案在存储介质平面上移动来记录多个图案以形成记录层。通过在存储介质的深度方向添加记录层来记录图案，从而以三维(3D)方式记录信息。
传统的用于记录和/或再现全息信息的显微全息术类型的设备，使用对于信号光和参考光具有相同数值孔径的光学系统，因而信号光和参考光具有相同的光斑尺寸(spot size)。然而，当为了增加记录容量而增加光学系统的数值孔径时，光学系统对移动(例如，倾斜)变得非常敏感，而且需要补偿的像差也变得过大，从而使光学系统变得复杂并增加了制造成本。
【发明内容】
本发明的一个方面提供了一种用于记录和/或再现全息信息的设备、一种利用所述全息信息记录和/或再现设备来记录和/或再现全息信息的方法以及一种在所述全息信息记录和/或再现设备中使用的全息信息存储介质，在所述设备中，用于聚焦信号光的光学系统的数值孔径和用于聚焦参考光的光学系统的数值孔径彼此不同，从而即使在记录容量增加时，也可增加对像差的发生的控制。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括光学拾取器的全息信息记录和/或再现设备，所述光学拾取器将光发射到全息信息存储介质并接收发射出的光，其中所述光学拾取器包括在记录模式下发射信号光和参考光的光源单元；聚焦光学系统，其将信号光和参考光聚焦到全息信息存储介质中的一个焦点上，从而能够通过使用沿全息信息存储介质的深度方向形成在焦点附近的干涉图案记录信息，在所述聚焦光学系统中，对信号光的数值孔径不同于对参考光的数值孔径。
根据本发明的另一个方面，提供了一种将信息记录到全息信息存储介质并再现被记录的信息的全息信息记录和/或再现方法，所述方法包括：在记录模式下，产生信号光和参考光，将产生的信号光和参考光聚焦到全息信息存储介质中的一个焦点上；通过使用沿全息信息存储介质的深度方向以及在焦点附近形成的干涉图案记录信息，其中，对信号光的数值孔径不同于对参考光的数值孔径。
根据本发明的另一个方面，提供了一种全息信息存储介质，其包括：第一透明基底；第二透明基底；设置在第一和第二透明基底之间的记录层，其利用在其上记录全息信息的光敏抗蚀剂材料形成，其中，所述第二透明基底的厚度比第一透明基底的厚度薄。
将说明本发明的附加的方面和/或优点，其中的一部分在随后的说明书中、另一部分将从说明书中明显得出或可通过实行本发明而认识到。
根据本发明的另一个方面，全息信息记录和/或再现设备和方法以及全息信息存储介质即使当记录容量增加时也可控制像差，从而减小了光学系统的复杂性，降低了制造成本，因此普通的消费者能够使用所述装置、方法和介质。
【附图说明】
通过参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是表示根据本发明的一个实施例的用于记录和/或再现全息信息的设备的示意图；
图2是表示根据本发明的一个实施例的光学结构的示意图，其中，信号光和参考光如图1所示的那样发射到全息信息存储介质上；
图3是表示根据本发明的一个实施例的光学结构的示意图，其中，信号光和参考光通过对信号光和参考光具有相同数值孔径的光学系统来发射；
图4是表示根据本发明的一个实施例的在数值孔径相同时和在数值孔径不同时的衍射效率的曲线图；
图5是表示根据本发明的一个实施例的用于记录和/或再现全息信息的设备的光学结构的示意图；
图6是表示根据本发明的一个实施例的光学结构示意图，其中，信号光和参考光如图5所示的那样发射到全息信息存储介质上。
【具体实施方式】
现在将详细介绍本发明中出现的实施例，在附图中示出了它们的实例，其中，同样的附图标记始终指的是同样的元件。为了解释本发明，下面通过参照附图详细地描述实施例。
现在将参照附图更全面地描述本发明，所述附图显示了本发明的示例性的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为仅限于这里提出的实施例；更确切地说，提供这些实施例以使该公开将彻底和完整，将全面地把发明的构思传达给本领域技术人员。在附图中，为清楚起见，层和区域的厚度被夸大。图中相同的附图标记代表相同的元件，因而它们的描述将被省略。
图1是表示根据本发明的一个实施例的用于记录和/或再现全息信息的设备的示意图，图2是表示根据本发明的一个实施例的光学结构的示意图，其中，信号光和参考光如图1所示的那样发射到全息信息存储介质上。
参见图1，全息信息记录和/或再现设备将信息记录到全息信息存储介质190上并再现记录的信息。所述设备包括光学拾取器100以及电路单元(未示出)，所述光学拾取器100将光发射到全息信息存储介质190上并接收发射的光。
光学拾取器100进一步包括光源110、光路改变装置130、第一物镜160、第二物镜170以及光学探测器180。所述光路改变装置130将从光源110发射出的光束分开成信号光(L1)和参考光(L2)，所述第一物镜160将信号光(L1)聚焦到全息信息存储介质190上，所述第二物镜170将参考光(L2)聚焦到全息信息存储介质190上，所述光学探测器180探测从全息信息存储介质190反射的再现光(L4)。此外，光学拾取器100可进一步包括改变焦点位置的第一中继透镜单元150和第二中继透镜单元155。此外，光学拾取器100可进一步包括将从光源110发出的光束修正为准直光束的准直透镜120，以及适当地折叠光路的第一至第三反射镜132、134和136。此外，可进一步将用于执行伺服功能的伺服光学系统(未示出)设置在光学拾取器100中。
光源110和光路改变装置130构成为记录和/或再现而发射光的光源单元。
作为光源110，例如，可使用蓝光激光二极管。
光源110在记录模式下发射根据信息来调制的光，在再现模式下发射未被调制的光。
准直透镜120将光源110发出的记录和/或再现光(L)修正成准直光束。在当前的实施例中，准直透镜120被设置在光源110和偏振变换装置125之间，但是准直透镜120的安装位置不限于此。
通常，用作光源110的半导体激光二极管主要发射具有单一偏振分量的激光，在这种情况下，偏振变换装置125可设置在光源110和光路改变装置130之间。可以使用有源波片(例如有源半波片或有源四分之一波片)作为偏振变换装置125。
如果使用有源半波片作为偏振变换装置125，并且如果入射的预定线偏振光的偏振方向与有源半波片的光轴(具体地说是快轴)之间的角度为非45度的角度，则当光通过有源半波片时，入射光(例如，P偏振入射光)的偏振方向旋转。从而旋转的入射光变成具有两个互相垂直的线偏振分量(即，S偏振分量和P偏振分量)的光。在记录模式下，偏振方向如此旋转的光的S偏振分量和P偏振分量分别对应于信号光(L1)和参考光(L2)。在这种方式中，信号光(L1)和参考光(L2)是两个互相垂直的偏振分量，而且它们在光路改变装置130中被分开，并沿着各自分离的光路被发射到全息信息存储介质190上。
如果使用有源四分之一波片作为偏振变换装置125，则对入射的预定线偏振光进行偏振变换使其变成圆偏振光。因为圆偏振光具有两个互相垂直的线偏振分量，所以可将所述偏振分量分别用作信号光(L1)或参考光(L2)。该偏振变换装置125可以是在记录模式下执行偏振变换功能而在再现模式下不执行偏振变换功能的有源类型。在再现模式下，所有从光源110发出的光可被用作再现光。根据当前实施例所述的全息信息记录和/或再现设备是显微全息术类型，在所述显微全息术类型的设备中，通过信号光(L1)和参考光(L2)之间的干涉形成的干涉图案在各个焦点处包含单个位信息，并且从光源110发出的光被一次一位地调制并发射。因此，由于在记录过程中，信号光(L1)和参考光(L2)二者均包括记录信息并且彼此没有显著的不同，所以两者可以互换并使用。为了解释方便，使用再现光(L3)的路径入射到全息信息存储介质190上的光束将称作参考光(L2)。
将偏振分束器用作光路改变装置130，其中，可采用根据偏振方向而变化光的透射和反射的方式。例如，光路改变装置130可不加任何改变地透射入射的P偏振光并且反射入射的S偏振光。光路改变装置130还在再现模式下执行分离入射到全息信息存储介质190的再现光(L3)和从全息信息存储介质190反射的再现光(L4)的功能。由于入射到全息信息存储介质190的再现光(L3)的偏振方向变成从全息信息存储介质190反射回的再现光(L4)的偏振方向，并且所述偏振方向彼此不同(将在下面解释这点)，所以再现光(L3)和再现光(L4)可在光路改变装置130中分离。
将光学探测器180设置在光路改变装置130的一侧并且探测在光路改变装置130中分离的再现光(L4)。
在光路改变装置130中分开的信号光(L1)和参考光(L2)通过聚焦光学系统入射到全息信息存储介质190上。由于根据当前实施例所述的全息信息存储介质190是透射型的介质，在所述介质中，信号光(L1)和参考光(L2)入射到两个表面，聚焦光学系统被分成聚焦信号光(L1)的第一聚焦光学系统和聚焦参考光(L2)的第二聚焦光学系统。聚焦信号光(L1)的第一聚焦光学系统包括光闸(shutter)140、第一中继透镜单元150、第一反射镜132和第二反射镜134、第一有源四分之一波片165和第一物镜160。聚焦参考光(L2)的第二聚焦光学系统包括第二中继透镜单元155、第三反射镜136、第二有源四分之一波片175和第二物镜170。
信号光(L1)在光路改变装置130中分出，传播通过光闸140、第一中继透镜单元150以及第一反射镜132和第二反射镜134，并被第一物镜160聚焦，从而入射到全息信息存储介质190的一个表面上。另外，参考光(L2)从光路改变装置130中分出，传播通过第二中继透镜单元155、第三反射镜136，并被第二物镜170聚焦，从而入射到全息信息存储介质190的另一个表面上。在这种情况下，使第一聚焦光学系统的数值孔径小于第二聚焦光学系统的数值孔径。例如，使第一物镜160的数值孔径小于第二物镜170的数值孔径。通过使对于信号光(L1)的数值孔径小于对于参考光(L2)的数值孔径，可以实现光学系统更大的容差(tolerance)，这点在下面将进行解释。在当前实施例中，使第一聚焦光学系统的数值孔径小于第二聚焦光学系统的数值孔径，但是本发明的所述方面不限于该特定实施例，可使第一聚焦光学系统的数值孔径大于第二聚焦光学系统的数值孔径。
光闸140在记录模式下使光通过，在再现模式下阻挡光。
第一中继透镜单元150和第二中继透镜单元155改变焦点的位置以使全息干涉图案能被沿全息信息存储介质190的图2所示的记录层192的深度方向叠加和记录。例如，第一中继透镜单元150包括第一中继透镜151和第二中继透镜152，第一中继透镜单元150被构造为使得第一中继透镜151被机械地驱动以沿着光轴移动，从而改变信号光(L1)的焦点的位置。此外，第二中继透镜单元155包括第三中继透镜156和第四中继透镜157，第二中继透镜单元155被构造为使得第三中继透镜156被机械地驱动以沿着光轴移动，从而改变参考光(L2)的焦点的位置。
参见图2，示出了根据本发明一个实施例所述的全息信息存储介质和光学结构，其中，信号光和参考光被发射到所述全息信息存储介质。全息信息存储介质190是具有透射型结构的透射型介质，在所述介质中设置有第一透明基底191、第二透明基底193以及在第一透明基底191和第二透明基底193之间的记录层192。
记录层192通过层压具有预定厚度的诸如光聚合物的光敏抗蚀剂(photoresist)材料而形成。光敏抗蚀剂材料是一种如果吸收了光折射率就改变的材料，通常，折射率与光强成比例地改变。光敏抗蚀剂材料可具有这样的非线性特性，即光敏抗蚀剂材料在光强方面具有预定阈值并且仅仅响应强于所述阈值的光。这是因为信号光(L1)和参考光(L2)的光斑尺寸变化并且记录密度可减少，这点将在下面解释。因此，如果仅通过强于阈值的光在信号光(L1)的光斑和参考光(L2)的光斑交迭的位置来执行记录，就能控制记录密度的减小。另外，信号光(L1)和参考光(L2)分别通过第一物镜160和第二物镜170聚焦的焦点可改变。沿记录层192的深度方向在彼此不同的焦点位置处可叠加和形成多个彼此不同的干涉图案。如果记录层192的材料具有非线性特性，则干涉图案的强度随着到焦点位置的距离的增加而迅速地减弱，可以执行密集的多层记录。在第一透明基底191和记录层192之间，或在第二透明基底193和记录层192之间，可进一步设置包含伺服信息的伺服层(未示出)。
由于在信号光(L1)侧的第一物镜160的数值孔径不同于第二物镜170的数值孔径，所以第一透明基底191的厚度可不同于第二透明基底193的厚度。特别是，通过设置使聚焦信号光(L1)的第一物镜160的数值孔径小于聚焦参考光(L2)的第二物镜170的数值孔径，可使第一透明基底191的厚度(d1)大于第二透明基底193的厚度(d2)，可以确保所述光学系统中存在更大的数值孔径容差。
图3是表示光学结构的示意图，其中，信号光和参考光由对信号光和参考光具有相同数值孔径的光学系统发出，将其作为一个实例与图2所示的实施例的全息信息存储介质190比较。
参见图3，除了图3中的光学系统的所述数值孔径彼此相同以外，所述实例实际上与上述图2所示的实施例相同。另外，图3示出的实例的全息信息存储介质195具有这样的结构，该结构具有第一透明基底196和第二透明基底198以及位于两个基底196和198之间的记录层197的结构。在这种情况下，如果用于聚焦信号光(L1)的第一物镜161的数值孔径变成与聚焦参考光(L2)的第二物镜171的数值孔径相同，则第一透明基底196的厚度(d3)与第二透明基底198的厚度(d4)相同。考虑到机械特性，存储介质的厚度通常大约是1.2mm，与存储介质的整个厚度相比非常小的记录层192的厚度可被忽略。因此，第一透明基底196和第二透明基底197的厚度(d3和d4)均为大约0.6mm。
通常发生的像差包括由于存储介质的倾斜而引起的慧形像差以及由于层或厚度的改变而引起的球面像差。假定对应于覆盖层的透明基底的厚度是d，透明基底的厚度的改变是Δd，数值孔径是NA，波长是λ，则慧形像差与下面的表达式(1)成比例，球面像差与下面的表达式(2)成比例：
dxNA3/λ......(1)
ΔdxNA4/λ......(2)
因此，如果为了增加记录容量而增加光学系统的数值孔径NA，则像差的产生量增加，为了补偿这个量，光学系统被制造得复杂。
由于这个原因，本发明的一个方面使得信号光(L1)侧的光学系统的数值孔径不同于参考光(L2)侧的光学系统的数值孔径，从而使得具有较小数值孔径的一侧的透明基底更厚，具有较大数值孔径的另一侧的透明基底更薄，从而减少像差的产生量。在这种情况下，尽管从具有较小的数值孔径的一侧入射的光的光斑尺寸较大，但是通过干涉图案来执行记录，并且从具有较大数值孔径的一侧入射的光的光斑尺寸较小。因此，即使一侧的光斑尺寸增加，记录容量不会快速增加。例如，如果使聚焦参考光(L2)的光学系统的数值孔径比聚焦信号光(L1)的光学系统的数值孔径大并且使第二透明基底193的厚度(d2)比第一透明基底191的厚度薄，则像差的产生量就可减少。另外，即使信号光(L1)的光斑尺寸大，但是参考光(L2)的光斑尺寸小，信号光(L1)和参考光(L2)的干涉图案不会快速增加，因此记录容量不会快速降低。
图4是表示对于数值孔径相同时和数值孔径不同时由光焦点的移动引起的衍射效率(即，选择性)的改变的曲线图。在所述数值孔径相同的情况下，对于信号光的数值孔径和对于参考光的数值孔径每个都是0.6，在所述数值孔径彼此不同的情况下，对于信号光的数值孔径和对于参考光的数值孔径分别是0.4和0.6。记录容量通过存储全息信息的选择性来决定，这对于本领域普通技术人员来说是熟知的。参见图4，可以看出，尽管两种情况出现差别，但所述差别很小并且在记录容量上没有发生快速减少。此外，当具有阈值特性的光敏抗蚀剂材料用作图2示出的记录层192的材料时，记录容量的减少可以得到有效控制。
图5是表示根据本发明的一个实施例所述的用于记录和/或再现全息信息的设备的光学结构的示意图，图6是仅仅表示根据本发明一个实施例所述的一种光学结构的示意图，其中，将信号光和参考光发射到图5所示的全息信息存储介质。
参见图5，根据当前实施例的全息信息记录和/或再现设备将信息记录到全息信息存储介质290上，并且再现其中记录的信息。所述设备包括将光发射到全息信息存储介质290并接收发射出的光的光学拾取器200、以及电路单元(未示出)。
光学拾取器200包括光源110、准直透镜120、偏振变换装置125、第一光路改变装置230和第二光路改变装置234、第一反射镜232和第二反射镜236、光闸140、数值孔径变换装置260、第一中继透镜单元150和第二中继透镜单元155，有源四分之一波片175、物镜270、以及光学探测器180。此外，在光学拾取器200中，用于执行伺服功能的伺服光学系统(未示出)可被进一步设置。关于当前实施例的光学元件，实际上与上面参照图1描述的全息信息记录和/或再现设备的那些光学元件相同的光学元件将用相同的标号来指示，并且将省略对于那些元件的详细描述。
光源110、准直透镜120、偏振变换装置125以及第一光路改变装置230构成了发射记录和/或再现光的光源单元。
从光源110发射在一个方向偏振的光(L)，在偏振变换装置125中，对光(L)进行偏振变换使其成为具有S偏振分量和P偏振分量的光。然后，光(L)入射到第一光路改变装置230。第一光路改变装置230起分离光路的作用并且可使用偏振分束器，在所述偏振分束器中根据偏振方向来改变光的透射和反射。例如，第一光路改变装置230可不加任何改变地透射入射的P偏振光而反射入射的S偏振光。由第一光路改变装置230透射的P偏振光在记录模式下对应于参考光(L2)，在再现模式下对应于再现光(L3)。
在第一光路改变装置230中分开的信号光(L1)和参考光(L2)通过不同的光路传播并迭加在一起。在第一光路改变装置230和第二光路改变装置234之间的信号光(L1)的光路中，设置了第一反射镜232、光闸140、第一中继透镜单元150以及数值孔径变换装置260。
在第一光路改变装置230和第二光路改变装置234之间的参考光(L2)的光路中，设置了第二中继透镜单元155和第二反射镜236。在这种情况下，可将普通的折射透镜用作改变入射到物镜270上的信号光(L1)的数值孔径的数值孔径变换装置260。
在记录模式下，从第一光路改变装置230中分出的信号光(L1)传播通过第一反射镜232、光闸140、第一中继透镜单元150和数值孔径变换装置260，入射到第二光路改变装置234上。从第一光路改变装置230中分出的参考光(L2)传播通过第二中继透镜单元155和第二反射镜236，入射到第二光路改变装置234上。
同时，在再现模式下，在第一光路改变装置230中分离的再现光中的通过信号光(L1)的光路传播的光被光闸140阻挡，只有在第一光路改变装置230中分离的再现光中的通过参考光(L2)光路传播的光才入射到全息信息存储介质290上。
参照图6，示出了一种根据本发明实施例的全息信息存储介质以及光学结构，在所述光学结构中，信号光和参考光发射到全息信息存储介质。全息信息存储介质290包括具有顺序设置基底291、反射层292、记录层294和覆盖层295的结构的反射型介质。可进一步在记录层294和反射层292之间设置间隔层293。覆盖层295是信号光(L1)、和参考光(L2)或再现光(L3)入射到其上的透明介质。间隔层293是关于从反射层292反射并聚焦到焦点(F)的信号光(L1)，用于确保焦点(F)和反射层292之间的距离的层。
由于只有信号光(L1)通过数值孔径变换装置260折射而参考光(L2)不折射，所以通过物镜270的信号光(L1)的数值孔径能与参考光(L2)的数值孔径不同。就是说，当前实施例的光学系统具有一种结构，在所述结构中，受数值孔径变换装置260的影响，对信号光(L1)的数值孔径不同于对参考光(L2)的数值孔径，所述数值孔径变换装置260是光学系统的一部分。在当前实施例中，将参考光(L2)的数值孔径设计为比信号光(L1)的数值孔径大，但是本发明不限于此。
由于信号光(L1)的数值孔径比参考光(L2)的数值孔径小，所以信号光(L1)的焦距可比参考光(L2)的焦距长。因此，可以布置成信号光(L1)从反射层295反射，然后聚焦到记录层293中的焦点(F)上，而参考光(L2)直接聚焦到记录层293中的一个焦点(F)上。
如上描述，通过使光学系统对于参考光(L2)的数值孔径大，可使形成在记录层上的参考光(L2)的光斑尺寸小。因此，能以更高的密度记录信息。此外，由于再现光遵循与参考光(L2)的光路相同的光路，所以通过使光学系统对于再现光的数值孔径大，可以容易地再现高密度记录的信息。同时，通过使光学系统对于信号光(L1)的数值孔径小，可减小发生在信号光(L1)侧的像差的容差(tolerance for an aberrtion)。
通过上面描述的实施例说明了根据本发明的各个方面的全息信息记录和/或再现设备、方法以及全息信息存储介质。本发明的各方面的特征在于：光学系统聚焦信号光的数值孔径不同于光学系统聚焦参考光的数值孔径。
虽然已参照本发明的示例性的实施例具体示出和描述了本发明的各方面，但本领域普通技术人员将把这理解成：在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。应认为优选实施例仅仅是描述而非为了限定的目的。因此，本发明的范围不是由本发明的详细说明来限定，而是由所附的权利要求来限定，并且应将在本发明的范围之内的所有区别理解成包括在本发明之内。
虽然已经示出和描述了本发明的一些实施例，本领域技术人员应该意识到：在不脱离本发明的原则和精神的情况下，可以在实施例中做出变化，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。