ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С МНОГОАПЕРТУРНЫМИ ФУРЬЕ ПРЕОБРАЗУЮЩИМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ОДНОШАГОВОЙ ЗАПИСИ НЕСКОЛЬКИХ МИКРОГОЛОГРАММ
OPTICAL DEVICE WITH MULTI-APERTURE FOURIER-TRANSFORMING OPTICAL ELEMENTS FOR SINGLE-STEP RECORDING OF MULTIPLE MICROHOLOGRAMS

Изобретение относится к цифровым технологиям, а более конкретно - к устройствам для записи голограмм, а именно к системам записи микроголограмм с использованием лазерного источника когерентного излучения.
Такие устройства записи микроголограмм используют для записи информации, представленной в цифровом виде на светочувствительные материалы для дальнейшего хранения и восстановления записанной информации. Важными характеристиками таких устройств записи является общий объем оптической части устройства и скорость записи микроголограмм.
Существуют два основных типа записываемых микроголограмм: просветная и отражательная микроголограмма. В случае просветной голограммы записанное изображение восстанавливается в полусфере, содержащей прошедший через голограмму считывающий пучок. В случае отражательной голограммы записанное изображение восстанавливается в полусфере, содержащей отраженный от голограммы считывающий пучок. Отражательный тип голограмм представляется наиболее перспективным, поскольку позволяет восстанавливать полноцветное и полнопараллаксное изображение в рассеянном белом свете.
При записи отражательных голограмм исходный пучок лазерного излучения разделяется на два пучка: сигнальный и опорный пучки. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, после этого он отклоняется на требуемый угол двухкоординатным дефлектором и модулируется пространственным модулятором света в соответствии с записываемым изображением. После этого, сигнальный пучок проходит через фокусирующую оптическую систему и падает на светочувствительный материал, причем сигнальный пучок падает с одной стороны светочувствительного материала, а опорный пучок - с другой стороны.
В патенте США №6330088 [1] описывается метод и устройство для одношаговой записи полноцветных, полнопараллаксных стереограмм. Указанное решение (см. Фиг.1) состоит из источника когерентного лазерного излучения, оптической системы деления исходного пучка на сигнальный и опорный, держателя светочувствительного материала, специальной оптической системы для модулирования сигнального пучка рассчитанным изображением и специальной оптической системы для преобразования опорного пучка и изменения его угла падения на светочувствительный материал.
В патентной заявке США №2007/0019266 [2] описывается устройство для создания голографических стереограмм. Указанное решение (см. Фиг.2) состоит из источника когерентного импульсного лазерного излучения, специального оптического устройства для разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, специальной оптической системы для ограничения и трансформации сигнального пучка, пространственного модулятора света для модулирования сигнального пучка, специализированной оптической системы для записи топографического пикселя, в виде полосы или точки, на светочувствительном материале, специальной оптической системы для ограничения и трансформации опорного пучка, специальной системы позиционирования светочувствительного материала.
Указанные решения содержат большое количество разнообразных оптических элементов разделенных воздушными промежутками, причем взаимное расположение всех этих элементов и наличие индивидуальных юстируемых креплений, а также высокоскоростной механизм позиционирования оптического материала неблагоприятно сказывается на работоспособности всего устройства. Таким образом, обычно данные конструкции имеют два главных недостатка: большое количество отдельных оптических элементов и специальных устройств, контролирующих и корректирующих их взаимное расположение. Все это приводит к значительному усложнению устройства и критическому увеличению его размеров, а также к ужесточению требований на устройство механического позиционирования. Так же в патенте [1] на светочувствительный материал записывается только одна полнопараллаксная микроголограмма за один шаг системы позиционирования, а в заявке [2] на светочувствительный материал записывается микроголограмма в форме линии за один шаг системы позиционирования, но только с параллаксом по одной оси. Техническое решение [2] выбрано в качестве прототипа заявляемого решения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является преодоление вышеописанных недостатков известных решений, содержащих в себе большое количество отдельных оптических элементов и специальных элементов для контроля и корректировки их расположения, а также увеличение скорости записи пикселя за счет записи нескольких пикселей за один шаг системы механического позиционирования.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и уменьшение размеров оптической части устройства для записи микроголограмм, а также увеличении скорости записи полнопараллаксных микроголограмм. Для достижения этого результата разработано оптическое устройство записи и воспроизведения микроголограмм, состоящее из лазерного источника света, оптического устройства, выполненного с возможностью разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптической системы, выполненной с возможностью ограничения и трансформации сигнального пучка, оптической системы, выполненной с возможностью ограничения и трансформации опорного пучка, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, отличающееся тем, что включает в себя:
по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения;
по меньшей мере, один узел формирования сигнального пучка, содержащий,
по меньшей мере, один делитель пучка,
по меньшей мере, один оптический элемент, представляющий собой телескопическую систему, выполненную с возможностью пространственного преобразования волнового фронта, излученного вышеупомянутым лазерным источником света, к волновому фронту, необходимому для освещения управляемого амплитудно-фазового оптического элемента;
по меньшей мере, один управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент, расположенный в фурье-плоскости фурье-преобразующего оптического элемента и выполненный с возможностью изменения как амплитудного, так и фазового распределения (то есть направления распространения света) в формируемом сигнальном пучке и, соответственно, изменения вида и положения светового пятна на светочувствительном материале;
по меньшей мере, один угловой дефлектор, выполненный с возможностью изменения среднего угла падения светового пучка на вышеупомянутый управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент,
по меньшей мере, один фурье-преобразующий оптический элемент, выполненный с возможностью преобразования промодулированного вышеупомянутым управляемым амплитудно-фазовым оптическим элементом сигнального пучка;
по меньшей мере, один вспомогательный оптический элемент, выполненный с возможностью переноса изображения фурье-плоскости вышеупомянутого фурье-преобразующего оптического элемента на плоскость расположения светочувствительного материала;
по меньшей мере, один узел, выполненный с возможностью формирования опорного пучка и исполнения дополнительной функции оптической линии задержки опорного пучка, и содержащий телескопическую оптическую систему, выполненную с возможностью осуществления пространственного преобразования волнового фронта, излученного вышеупомянутым лазерным источником света, к волновому фронту, необходимому для записи микроголограмм опорного пучка;
по меньшей мере, один дефлектор, выполненный с возможностью точного управления положением сформированного опорного пучка на плоскости светочувствительного материала;
по меньшей мере, один светочувствительный материал, выполненный с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков;
по меньшей мере, одну систему механического позиционирования, выполненную с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала и остальных элементов устройства;
по меньшей мере, одно устройство электронного управления лазерным источником, дефлекторами и амплитудно-фазовым оптическим элементом, а также системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки, выполненные с возможностью сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации.
Основными преимуществами заявляемого изобретения являются
- возможность значительного уменьшения количества отдельных элементов;
- запись нескольких микроголограмм за один шаг системы механического позиционирования.
В заявляемом устройстве указанные дефлекторы направления падения света на управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент, расположенные в опорном и сигнальном пучках, и управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент выполнены с возможностью пространственно-временной синхронизации позиции сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность записи нескольких микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Кроме того, узел для формирования сигнального пучка может дополнительно содержать диафрагму.
Новизна заявляемого изобретения заключается в использовании дефлекторов для формирования нескольких микроголограмм за один шаг системы механического позиционирования.
Геометрическая форма элементов, их положение и наличие дефлекторов обеспечивает малые размеры всего устройства и запись нескольких микроголограмм за один шаг системы механического позиционирования.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1 - известное из уровня техники решение [1].
Фиг.2 - известное из уровня техники решение [2].
Фиг.3. Принципиальная схема устройства одношаговой записи нескольких микроголограмм, которое включает в себя следующие элементы:
1 - лазерный источник;
2, 4, 10, 17, 18 - плоское зеркало;
3 - светоделительный кубик;
5, 6 - телескопическая система для пространственного преобразования вида волнового фронта;
7 - угловой дефлектор;
8 - управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент;
9 - фурье-преобразующий оптический элемент;
11 - диафрагма;
12, 13 - вспомогательные оптические элементы для переноса изображения фурье-плоскости;
14 - светочувствительный материал;
15, 16 - телескопическая оптическая система для преобразования вида и формы оптимального для записи микроголограмм опорного пучка;
19 - дефлектор для точного управления положением сформированного опорного пучка.
Принципиальная схема предлагаемого интегрального оптического устройства для записи микроголограмм состоит из (см. Фиг.3), по меньшей мере, одного лазерного источника 1 когерентного излучения, выполненного с возможностью временной модуляции потока излучения, узла для формиpoвaния сигнального пучка, узла для формирования опорного пучка, светочувствительного материала 14, системы механического позиционирования (не показана на Фиг.3), устройства электронного позиционирования (не показано на Фиг.3), устройства электронного управления (не показано на Фиг.3). Узел для формирования сигнального пучка состоит из, по меньшей мере, одного делителя пучка в виде светоделительного кубика 3, по меньшей мере, одной телескопической системы 5, 6 для пространственного преобразования вида волнового фронта, по меньшей мере, одного углового дефлектора 7, по меньшей мере, одного управляемого амплитудно-фазового оптического элемента 8, по меньшей мере, одного фурье-преобразующего оптического элемента 9, по меньшей мере, одной диафрагмы 11, двух вспомогательных оптических элементов 12, 13 для переноса изображения фурье-плоскости для формирования сигнального пучка. Узел для формирования опорного пучка состоит из, по меньшей мере, одной телескопической оптической системы 15, 16 для преобразования вида и формы оптимального для записи микроголограмм опорного пучка для формирования опорного пучка, одного дефлектора 19 для точного управления положением сформированного опорного пучка и направления его падения на светочувствительный материал 14.
Указанное устройство электронного управления выполнено с возможностью одновременного управления лазерным источником когерентного излучения 1, угловыми дефлекторами 7 и 19, амплитудно-фазовым оптическим элементом 8 и системой механического позиционирования.
Указанная телескопическая система 5, 6 для пространственного согласования вида волнового фронта, излученного лазерным источником света, выполнена с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости управляемого амплитудно-фазового оптического элемента 8 равнояркое световое поле с заданной угловой расходимостью, одинаковой в каждой точке указанного управляемого амплитудно-фазового оптического элемента 8. Указанный угловой дефлектор 7 выполнен с возможностью пропускания сигнального пучка без искажений и служит для изменения среднего угла падения светового пучка на вышеупомянутый управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент 8.
Каждый фурье-преобразующий оптический элемент 9 выполнен с возможностью проведения преобразования Фурье над модулированным сигнальным пучком с последующей фокусировкой указанного модулированного сигнального пучка, вышедшего из управляемого амплитудно-фазового оптического элемента 8, в плоскости светочувствительного материала 14 с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 14.
Каждый управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент 8 расположен в фурье-плоскости вышеупомянутого фурье-преобразующего оптического элемента 9 и служит для изменения как амплитудного, так и фазового распределения (то есть направления распространения света) в формируемом сигнальном пучке и, соответственно, изменяет вид и положение светового пятна на вышеупомянутом светочувствительном материале.
Каждый узел для формирования опорного пучка выполнен с возможностью преобразования входящего опорного пучка и направления преобразованного опорного пучка на светочувствительный материал 9 с возможностью интерференции указанного опорного пучка со сфокусированным модулированным сигнальным пучком. Преобразование опорного пучка выполняется с возможностью согласования поперечного размера опорного пучка и его положения с поперечным размером и положением сфокусированного модулированного сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала 14 и направления указанного опорного пучка под необходимым углом с нормалью к поверхности светочувствительного материала 14.
Каждый узел для формирования опорного пучка содержит телескопическую систему 15, 16, предназначенную для преобразования вида и формы пучка, оптимального для записи микроголограмм, и дефлектор 19, предназначенный для точного управления положением сформированного опорного пучка на плоскости светочувствительного материала 14.
Каждый элемент для формирования опорного пучка, а именно телескопическая система 15, 16 для преобразования вида и формы оптимального для записи микроголограмм опорного пучка и дефлектор 19, выполнены с возможностью выполнения функции оптической линии задержки с целью выровнять оптическую длину хода сигнального и опорного пучков от светоделительного кубика 3 до плоскости светочувствительного материала 14. Указанные элементы 15, 16, 19 для формирования опорного пучка выполнены с возможностью преобразования входящего опорного пучка таким образом, чтобы он формировал в плоскости светочувствительного материала 14 однородное световое поле с возможностью интерференции указанного опорного пучка со сфокусированным модулированным сигнальным пучком. Преобразование опорного пучка выполняется с возможностью согласования поперечного размера опорного пучка и его положения в плоскости светочувствительного материала 14 с поперечным размером сфокусированного модулированного сигнального пучка и его положения в плоскости светочувствительного материала 14 и направления указанного опорного пучка под необходимым углом с нормалью к поверхности светочувствительного материала 14.
Каждый светочувствительный материал 14 выполнен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.
Принцип действия устройства для записи микроголограмм с использованием фурье-преобразующего оптического элемента 9 и управляемого амплитудно-фазового оптического элемента 8 заключается в следующем: исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью светоделительного кубика 3 на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из телескопической системы 5, 6 для пространственного преобразования вида волнового фронта. После этого он отклоняется под требуемыми углами угловым дефлектором 7 и модулируется управляемым амплитудно-фазовым оптическим элементом 8 в соответствии с записываемым изображением. После прохождения через управляемый амплитудно-фазовый оптический элемент 8 пучок направляется на фурье-преобразующий оптический элемент 9, который формирует фурье-преобразование опорного пучка, а вспомогательные оптические элементы 12, 13 для переноса изображения фурье-плоскости переносят фурье-плоскость и фокусируют пучок в плоскости светочувствительного материала 14. Опорный пучок фокусируется на противоположной плоскости светочувствительного материала 14 по отношению к плоскости фокусировки сигнального пучка с помощью телескопической системы 15, 16 и дефлектора (19), формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.
Заявляемое устройство может быть использовано, в частности, в устройствах печати микроголограмм (голографических принтерах); в топографических устройствах хранения информации; в иных голографических устройствах.