專(zhuān)利名稱(chēng)：小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全息技術(shù)，具體說(shuō)就是一種小型化球面波體全息存儲(chǔ) 系統(tǒng)。
(二)
背景技術(shù)：
全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體強(qiáng)度和相位 信息的技術(shù)。其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此為 存儲(chǔ)過(guò)程 一束激光經(jīng)過(guò)物體或信息頁(yè)面調(diào)制后形成物光束；另 一束激光作為參考光束入射到存儲(chǔ)材料上和物光束疊加產(chǎn)生干 涉，把物光束上的振幅和位相信息轉(zhuǎn)換成在空間上調(diào)制的強(qiáng)度， 從而利用干涉條紋的形式將物光束的全部信息記錄下來(lái)。記錄的
干涉條紋便成為一張全息圖；其第二步是利用衍射原理再現(xiàn)物光
束的信息，這是成像過(guò)程全息圖猶如一個(gè)復(fù)雜的光柵，在原參 考光照射下，原物光方向即可再現(xiàn)物光束的振幅和位相信息。全 息圖的每一部分都記錄了物體上各點(diǎn)的光信息，故原則上它的每 一部分都能再現(xiàn)原物的整個(gè)圖像，通過(guò)多次曝光還可以在同一張 底片上記錄多個(gè)不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來(lái)。
在體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)用化過(guò)程中，如何減小整個(gè)全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的 體積，使系統(tǒng)集成化，并且具有較高的存儲(chǔ)容量，是體全息系統(tǒng)實(shí)用 化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
美國(guó)加州理工學(xué)院的Drolet等人設(shè)計(jì)了一種小型化相位共軛全 息存儲(chǔ)器，利用參考光的相位共軛光再現(xiàn)全息圖。該系統(tǒng)因?yàn)樾枰?少的成像器件而使系統(tǒng)非常緊湊。然而，由于相位共軛器在達(dá)到相當(dāng) 的反射率之前需要相對(duì)長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，這就大大降低了存取數(shù)據(jù)率， 而且響應(yīng)快的相位共軛器的反射率較低。因此，該系統(tǒng)需要響應(yīng)速度 快且反射率較高的相位共軛器，要做到這點(diǎn)比較困難，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)用 化。另外，此系統(tǒng)還有讀寫(xiě)轉(zhuǎn)換與復(fù)用不易實(shí)現(xiàn)的缺陷，而且對(duì)探測(cè) 陣列與SLM對(duì)準(zhǔn)的要求也比較嚴(yán)格。
加利福尼亞的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)設(shè)計(jì)了一種小型化體全息存 儲(chǔ)器，該系統(tǒng)的體積為241mmX165mmX63mm，系統(tǒng)所用的光束掃描器是由液晶光閥改進(jìn)而來(lái)，因而成本較高，而且目前這種光束掃描 器的技術(shù)尚未成熟，要使這種系統(tǒng)達(dá)到實(shí)用化的目的還需要對(duì)這種利 用液晶光閥來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用的掃描器作更深入的研究，并在實(shí)用化的基礎(chǔ) 上降低成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可進(jìn)行復(fù)用存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用的 小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由光束濾波模塊和相干記錄模 塊組成的，光束濾波模塊光學(xué)連接相干記錄模塊。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征
(1) 所述的光束濾波模塊包括激光器、空間濾波器和準(zhǔn)直透鏡， 激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)空間濾波器后成為發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)?平行光束，空間濾波器和準(zhǔn)直透鏡之間的距離等于準(zhǔn)直透鏡的焦距。
(2) 所述的相干記錄模塊包括分光比用半波片、偏振分光棱鏡、 物光束棱鏡、空間光調(diào)制器、半波片、物光匯聚透鏡、參考光匯聚透 鏡、參考光束棱鏡、反射鏡、存儲(chǔ)材料和平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)，平行光經(jīng)過(guò) 分光比用半波片后被偏振分光棱鏡分為兩束， 一束光入射到物光束棱 鏡，在空間光調(diào)制器處加載圖像，而后經(jīng)過(guò)半波片和物光匯聚透鏡成 為球面波匯聚光束； 另一束光經(jīng)過(guò)參考光匯聚透鏡后成為匯聚光束， 經(jīng)參考光束棱鏡和反射鏡后改變方向，兩束光在存儲(chǔ)材料內(nèi)干涉，存 儲(chǔ)材料放置在平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)上，可改變記錄點(diǎn)的位置與角度。
本發(fā)明是一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，所述的透鏡包括普 通透鏡與傅里葉透鏡，其中以傅里葉透鏡為佳。由于反射式空間光調(diào) 制器產(chǎn)生90度位相延遲，為使反射光的偏振態(tài)與入射光相同，則系 統(tǒng)中還包括半波片，用以改變位相和調(diào)節(jié)分束比。此外，全息圖的記 錄方式可采用透射式、鄰面入射式或反射式。該系統(tǒng)與前面所介紹的
JPL實(shí)驗(yàn)室研究的體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，沒(méi)有用到任何特殊的裝置來(lái)
實(shí)現(xiàn)同體積復(fù)用，只需要平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，成本低。與單光束全息存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)充分利用了存儲(chǔ) 介質(zhì)的體積，可以實(shí)現(xiàn)高密度多重存儲(chǔ)。理論上，根據(jù)分光棱鏡的最 小尺寸，保證傅里葉透鏡直徑與焦距的比值足夠大，這個(gè)系統(tǒng)的體積比JPL研究的小型化體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的體積要小很多。
(四)


圖1為本發(fā)明的光束濾波模塊結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的相干記錄模塊結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的雙層結(jié)構(gòu)的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的不同角間隔下的系統(tǒng)再現(xiàn)圖像效果圖； 圖5為本發(fā)明的單點(diǎn)存儲(chǔ)100幅圖像時(shí)的部分再現(xiàn)圖像效果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1:結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明是一種小型化球面波體全息 存儲(chǔ)系統(tǒng)，它是由光束濾波模塊(1)和相干記錄模塊(2)組成的， 光束濾波模塊(1)光學(xué)連接相干記錄模塊(2)。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征
所述的光束濾波模塊(1)包括激光器(3)、空間濾波器(4)和 準(zhǔn)直透鏡(5)，激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)空間濾波器(4)后成為 發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡(5)變?yōu)槠叫泄馐臻g濾波器(4)和準(zhǔn)直 透鏡(5)之間的距離等于準(zhǔn)直透鏡(5)的焦距。
所述的相干記錄模塊(2)包括分光比用半波片(6)、偏振分光 棱鏡(7)、物光束棱鏡(8)、空間光調(diào)制器(9)、半波片(10)、物 光匯聚透鏡(11)、參考光匯聚透鏡(12)、參考光束棱鏡(13)、反 射鏡(14)、存儲(chǔ)材料(15)和平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)(16)，平行光經(jīng)過(guò)分光 比用半波片(6)后被偏振分光棱鏡(7)分為兩束， 一束光入射到物 光束棱鏡(8)，在空間光調(diào)制器(9)處加載圖像，而后經(jīng)過(guò)半波片 (10)和物光匯聚透鏡(11)成為球面波匯聚光束；另一束光經(jīng)過(guò)參 考光匯聚透鏡(12)后成為匯聚光束，經(jīng)參考光束棱鏡(13)和反射 鏡(14)后改變方向，兩束光在存儲(chǔ)材料(15)內(nèi)干涉，存儲(chǔ)材料(15) 放置在平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)(16)上，可改變記錄點(diǎn)的位置與角度。
實(shí)施例2:結(jié)合圖l、圖2、圖3，本發(fā)明是一種小型化球面波體 全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，所述的激光經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光，利用棱鏡、透鏡與 反射鏡組合實(shí)現(xiàn)雙球面波在存儲(chǔ)材料內(nèi)的干涉，偏振分光棱鏡(7)使入射光束分成物光與參考光，物光束棱鏡(8)的端面放置空間光
調(diào)制器(9)，使該光束經(jīng)物光匯聚透鏡(11)聚焦到體塊材料內(nèi)，參 考光束棱鏡(13)與參考光匯聚透鏡(12)及上端的反射鏡(14)配 合提供參考光。存儲(chǔ)材料(15)通過(guò)旋轉(zhuǎn)與平移實(shí)現(xiàn)圖像的復(fù)用存儲(chǔ)。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。為了充分利用光源能量，該 光學(xué)設(shè)計(jì)采用特定分束比的非偏振分光棱鏡，己經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng) 分束比約為3 : 1時(shí)(透射光強(qiáng)與反射光強(qiáng)的比值)，全息存儲(chǔ)速度最 快。本發(fā)明的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的體積為L(zhǎng),xL2xL3。其中Li略大于棱鏡 邊長(zhǎng)的兩倍，且棱鏡的邊長(zhǎng)須小于或等于透鏡2焦距；L2是非偏振分 光棱鏡的兩倍；L3是系統(tǒng)的高度，不考慮空間光調(diào)制器和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的高 度時(shí)，L3等于分光棱鏡的邊長(zhǎng)。為了使該系統(tǒng)體積最小化，分光棱鏡 的尺寸應(yīng)與空間光調(diào)制器的尺寸匹配，當(dāng)透鏡的焦距等于分光棱鏡的 邊長(zhǎng)(也等于透鏡的直徑)時(shí)，空間光調(diào)制器和透鏡就能緊密地靠近分 光棱鏡，從而使系統(tǒng)更加緊湊。目前采用商業(yè)化器件，可以實(shí)現(xiàn)體積 為38mmX25.4mmX 12.7mm的存儲(chǔ)模塊。
考慮到激光器、準(zhǔn)直器件與轉(zhuǎn)臺(tái)、平移臺(tái)的尺寸，實(shí)際應(yīng)用中的 存儲(chǔ)系統(tǒng)可采用雙層結(jié)構(gòu)，下層可放置激光器與空間濾波器，經(jīng)反射 至上層后由透鏡準(zhǔn)直，同時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)與平移臺(tái)的控制部件放置在下層也具 有足夠的空間。系統(tǒng)的整體尺寸可根據(jù)各組成器件的尺寸確定。
本發(fā)明中的透鏡包括普通透鏡與傅里葉透鏡，其中以傅里葉透鏡 為佳。由于反射式空間光調(diào)制器產(chǎn)生90度位相延遲，為使反射光的 偏振態(tài)與入射光相同，則系統(tǒng)中還包括半波片，用以改變位相和調(diào)節(jié) 分束比。此外，全息圖的記錄方式可采用透射式、鄰面入射式或反射 式。該系統(tǒng)與前面所介紹的JPL實(shí)驗(yàn)室研究的體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)相比， 沒(méi)有用到任何特殊的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)同體積復(fù)用，只需要一個(gè)電動(dòng)平移臺(tái) 即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。與單光束全息存儲(chǔ)系統(tǒng) 相比，此系統(tǒng)充分利用了存儲(chǔ)介質(zhì)的體積，可以實(shí)現(xiàn)高密度多重存儲(chǔ)。 理論上，根據(jù)分光棱鏡的最小尺寸，保證傅里葉透鏡直徑與焦距的比 值足夠大，這個(gè)系統(tǒng)的體積比JPL研究的小型化體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的體 積要小很多。
實(shí)施例3:結(jié)合圖4、圖5，應(yīng)用本發(fā)明一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)得到的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果
應(yīng)用厚度為2.62mm的Zn(2.0mol,%):Fe(0.03wt°/。):LiNbO3晶體，
測(cè)量了該系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)復(fù)用的角度選擇性。實(shí)驗(yàn)步驟如下
第一步，選取二值化圖像"膚"的左偏旁和右偏旁分別為輸入圖 像，在空間光調(diào)制器上兩個(gè)偏旁所處的位置是左右分離的，當(dāng)記錄完 左偏旁"月"后使晶體旋轉(zhuǎn)一個(gè)比較小的角度A^再記錄右偏旁"夫"。
第二步，使晶體角度位置不改變，再現(xiàn)全息圖。如果所再現(xiàn)的全 息圖有串?dāng)_，則增大晶體旋轉(zhuǎn)的角度再重復(fù)第一步實(shí)驗(yàn)。以此類(lèi)推， 當(dāng)所再現(xiàn)的全息圖沒(méi)有串?dāng)_時(shí)，晶體所旋轉(zhuǎn)的角度則認(rèn)為是能夠分開(kāi) 串?dāng)_的最小角度間隔。
圖4為得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，當(dāng)Ae:0.175。時(shí)，所 再現(xiàn)的全息圖中已沒(méi)有串?dāng)_。因此該系統(tǒng)的選擇角為0.175。。在得到 晶體的選擇角后，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究旋轉(zhuǎn)晶體時(shí)，滿(mǎn)足同體積復(fù)用的角 度范圍。由于片狀晶體的厚度較薄，當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光在晶體中 的交點(diǎn)的偏移量是可以忽略的，只需要保證這個(gè)交點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸上即 可。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，參考光與物光的夾角為90。，片狀晶體可以旋轉(zhuǎn) 的最大角度范圍為90度。當(dāng)物光與參考光從晶體的一個(gè)表面入射時(shí)， 晶體可以旋轉(zhuǎn)的角度范圍為45度，當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)180度后兩束光從晶 體的另一個(gè)表面入射，同樣可以旋轉(zhuǎn)45度角度復(fù)用。則晶體單點(diǎn)存 儲(chǔ)可以利用的旋轉(zhuǎn)范圍為90度?？紤]存儲(chǔ)全息圖時(shí)可以分開(kāi)串?dāng)_的 最小角間隔0.175度，那么晶體單點(diǎn)可以存儲(chǔ)500幅全息圖。我們?cè)?實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)存儲(chǔ)IOO幅二值化圖像，其中第l、 30、 60、 90和 第100幅再現(xiàn)全息圖如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，它是由光束濾波模塊(1)和相干記錄模塊(2)組成的，其特征在于光束濾波模塊(1)光學(xué)連接相干記錄模塊(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于所述的光束濾波模塊(1)包括激光器(3)、空間濾波器(4)和準(zhǔn)直透鏡(5)，激光器(3)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)空間濾波器(4) 后成為發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡(5)變?yōu)槠叫泄馐臻g濾波器(4) 和準(zhǔn)直透鏡(5)之間的距離等于準(zhǔn)直透鏡(5)的焦距。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)， 其特征在于所述的相干記錄模塊(2)包括分光比用半波片(6)、 偏振分光棱鏡(7)、物光束棱鏡(8)、空間光調(diào)制器(9)、半波片(10)、 物光匯聚透鏡(11)、參考光匯聚透鏡(12)、參考光束棱鏡(13)、 反射鏡(14)、存儲(chǔ)材料(15)和平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)(16)，平行光經(jīng)過(guò)分 光比用半波片(6)后被偏振分光棱鏡(7)分為兩束， 一束光入射到 物光束棱鏡(8)，在空間光調(diào)制器(9)處加載圖像，而后經(jīng)過(guò)半波 片(10)和物光匯聚透鏡(11)成為球面波匯聚光束；另一束光經(jīng)過(guò) 參考光匯聚透鏡(12)后成為匯聚光束，經(jīng)參考光束棱鏡(13)和反 射鏡(14)后改變方向，兩束光在存儲(chǔ)材料(15)內(nèi)干涉，存儲(chǔ)材料(15)放置在平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)(16)上，可改變記錄點(diǎn)的位置與角度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種小型化球面波體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)。它是由光束濾波模塊和相干記錄模塊組成的，光束濾波模塊光學(xué)連接相干記錄模塊。光束濾波模塊包括激光器、空間濾波器和準(zhǔn)直透鏡，激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)空間濾波器后成為發(fā)散光，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄馐?。相干記錄模塊包括偏振分光棱鏡、物光束棱鏡、空間光調(diào)制器、參考光匯聚透鏡、存儲(chǔ)材料和平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)，平行光經(jīng)過(guò)分光比用半波片后被偏振分光棱鏡分為兩束，一束光入射到物光束棱鏡，在空間光調(diào)制器處加載圖像，另一束光經(jīng)過(guò)參考光匯聚透鏡后成為匯聚光束，兩束光在存儲(chǔ)材料內(nèi)干涉。本發(fā)明沒(méi)有用到任何特殊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)同體積復(fù)用，只需要平移臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)G11B7/0065GK101635150SQ20091007273
公開(kāi)日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者姜永遠(yuǎn), 孫秀冬, 伊 張, 健 王, 駱?biāo)厝A 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)