УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ МИКРОГОЛОГРАММ
DEVICE FOR RECORDING MICROHOLOGRAMS

Изобретение относится к устройствам для обработки цифровых сигналов, а более конкретно - к устройствам для записи микроголограмм с использованием лазерного источника когерентного излучения.
Известно, что микроголограммы широко используются для записи информации, представленной в цифровом виде, на светочувствительные материалы с целью дальнейшего хранения и восстановления записанной информации. При незначительных размерах микроголограмм общий размер оптической части устройства записи зачастую бывает нерационально большим.
Широко распространены два основных типа записываемых микроголограмм: просветная микроголограмма 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 считается наиболее перспективным, поскольку позволяет восстанавливать полно цветное и полно параллаксное 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 чего он 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.
Из уровня техники известна конструкция голографического принтера (см. заявку на патент США №2008/0151340) [1]. Это устройство, показанное на Фиг.1, состоит из источника когерентного импульсного лазерного излучения, оптического устройства для разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптической системы для ограничения и трансформации опорного пучка, пространственного модулятора света для модулирования сигнального пучка, оптической системы для записи голографического пикселя на светочувствительном материале, системы позиционирования светочувствительного материала и устройства для контроля и изменения пространственной когерентности объектного пучка.
В патенте США №6806982 [2] описываются способ и устройство для записи стереограмм с использованием импульсного источника лазерного излучения. Это техническое решение, показанное па Фиг.2 предусматривает наличие импульсного источника когерентного лазерного излучения, оптической системы деления исходного мучка на сигнальный и опорный, держателя светочувствительного материала, оптической системы для модулирования сигнального пучка рассчитанным изображением и оптической системы для преобразования опорного пучка.
Указанные технические решения предусматривают использование источника импульсного лазерного излучения для повышения качества записываемого сигнала. В дополнении к этому, в патенте [2] описывается новый подход к решению задачи, который включает в себя предварительную засветку светочувствительного материала импульсами высококогерентного импульсного источника лазерного излучения с целью увеличить чувствительность материала для последующей записи голографического излучения высокого качества. Таким образом, в указанных решениях предложены конструкции, которые используют для повышения качества записываемого изображения в основном импульсные лазерные источники высокой мощности с высоким уровнем когерентности лазерного излучения. Это значительно усложняет изготовление записывающих устройств и негативно отражается на их стоимости.
Патент [2] выбран в качестве прототипа заявляемого решения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке усовершенствованного устройства для записи микроголограмм, позволяющего использовать источник лазерного излучения с высокой степенью когерентности и с пониженной мощностью при сохранении требуемого времени экспонирования и повышении качества записываемых топографических изображений.
Технический результат заключается в упрощении конструкции, использовании в качестве основного источника когерентного лазерного излучения лазерных источников низкой мощности и сокращение общих размеров оптического устройства для записи микроголограмм. При этом разработана конструкция оптического устройства для записи микроголограмм, содержащая:
лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения;
источник некогерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения и работающий синхронно с лазерным источником когерентного излучения;
оптическую систему деления исходного пучка на сигнальный и опорные пучки;
оптическую систему формирования сигнального пучка и модулирования его рассчитанным изображением;
пространственный модулятор света, модулирующий сигнальный пучок записываемым изображением;
Фурье Линзу, выполненную с возможностью фокусирования падающего на нее модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала;
оптическую систему формирования опорного пучка, выполняющую функцию оптической линии задержки опорного пучка, придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной точке светочувствительного материала равнояркого светового поля;
оптическую систему для формирования излучения от источника некогерентного излучения, выполненную с возможностью преобразования и направления излучения от источника некогерентного излучения в заданное место;
светочувствительный материал, выполненный с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков;
систему механического позиционирования, управляющую взаимным расположением светочувствительного материала и остальных элементов устройства.
В заявляемом устройстве указанный источник некогерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока и работающий синхронно с лазерным источником когерентного излучения, предпочтительно выполняется в виде лазерного источника излучения с низкой степенью пространственной когерентности и длиной волны излучения, совпадающей с длиной волны излучения лазерного источника когерентного излучения.
В заявляемом устройстве указанный источник некогерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока и работающий синхронно с лазерным источником когерентного излучения, может быть выполнен в виде лазерного источника излучения с низкой степенью пространственной когерентности и длиной волны излучения, не совпадающей с длиной волны излучения лазерного источника когерентного излучения.
В заявляемом устройстве указанный источник некогерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока и работающий синхронно с лазерным источником когерентного излучения, преимущественно выполняется в виде светодиодного источника излучения, генерирующего излучение в широком диапазоне длин волн, включающем длину волны излучения лазерного источника когерентного излучения.
В заявляемом устройстве указанный источник некогерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока и работающий синхронно с лазерным источником когерентного излучения, может быть выполнен в виде светодиодного источника излучения, генерирующего излучение в широко диапазоне длин волн, не включающем длину волны излучения лазерного источника когерентного излучения.
В заявляемом устройстве указанная оптическая система для формирования излучения от источника некогерентного излучения преимущественно выполняется таким образом, чтобы вводить сформированное некогерентное излучение в оптическую систему для формирования опорного пучка с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования опорного пучка, параллельно с опорным пучком.
В заявляемом устройстве указанная оптическая система для формирования излучения от источника некогерентного излучения, в качестве варианта, выполняется таким образом, чтобы вводить сформированное некогерентное излучение в оптическую систему для формирования сигнального пучка с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования сигнального пучка, параллельно с сигнальным пучком.
В одном из вариантов заявляемого устройства указанная оптическая система для формирования излучения от источника некогерентного излучения выполнена таким образом, чтобы вводить сформированное не когерентное излучение одновременно в оптическую систему для формирования опорного пучка и в оптическую систему для формирования сигнального пучка с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования опорного пучка, параллельно с опорным пучком и через оптическую систему для формирования сигнального пучка, параллельно с сигнальным пучком.
В другом варианте заявляемого устройства указанная оптическая система для формирования излучения от источника некогерентного излучения выполнена таким образом, чтобы направлять сформированное не когерентное излучение в заданную точку светочувствительного материала.
Кроме того, основными преимуществами заявляемого изобретения являются:
- возможность значительного уменьшения требуемой мощности источника лазерного излучения с высоким уровнем когерентности;
- использование отдельного источника некогерентного излучения для повышения качества записываемых голографических изображений.
Новизна заявляемого изобретения заключается в использовании некогерентного источника излучения с целью уменьшить время необходимое для записи голографических изображений при неизменной мощности лазерного источника когерентного излучения.
Использование излучения некогерентного источника излучения позволяет уменьшить требуемую мощность излучения лазерного источника когерентного излучения.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1. Известное решение [1].
Фиг.2. Известное решение [2].
Фиг.3. Принципиальная схема устройства для записи микроголограмм, где:
1 - лазерный источник,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - Фурье преобразующая оптическая система,
7 - оптическая система для формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал.
Фиг.4. Экспозиционная кривая светочувствительного материала.
Фиг.5. Схема устройства для записи микроголограмм с внешней некогерентной подсветкой, где:
1 - лазерный источник,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - Фурье преобразующая оптическая система,
7 - оптическая система для формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал,
10 - источник некогерентпого излучения,
11 - оптическая система для формирования некогерентной подсветки.
Фиг.6. Схема устройства для записи микроголограмм с некогерентной подсветкой в обеих ветвях, где:
1 - лазерный источник,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - Фурье преобразующая оптическая система,
7 - оптическая система для формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал,
10 - источник некогерентного излучения,
11 - оптическая система для формироания некогерентной подсветки.
Фиг.7. Схема устройства для записи микроголо1рамм с некогерентной подсветкой в сигнальной ветви, где:
1 - лазерный источник,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - Фурье преобразующая оптическая сие тема,
7 - оптическая система для формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал, 10 - источник некогерентного излучения,
11 - оптическая система для формирования некогерентной подсветки.
Фиг.8. Схема устройства для записи микроголограмм с некогерентной подсветкой в опорной ветви, где:
1 - лазерный источник,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - Фурье преобразующая оптическая система,
7 - оптическая система для формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал,
10 - источник некогерентного излучения,
11 - оптическая система для формирования некогерентной подсветки.
Принципиальная схема заявляемого устройства (Фиг.3) состоит, по меньшей мере, из одного лазерного источника 1 когерентного излучения, выполненного с возможностью временной модуляции потока излучения, по меньшей мере, одного делителя 2 пучка, но меньшей мере, одного расширителя 3 пучка, по меньшей мере, одного устройства 4 подсветки пространственного модулятора света, по меньшей мере, одного пространственного модулятора 5 света, по меньшей мере, одной Фурье преобразующей оптической системы 6, по меньшей мере, одной оптической системы 7 для формирования опорного пучка, по меньшей мере, одной системы 8 механического позиционирования, по меньшей мере, одного светочувствительного материала 9.
Каждый лазерный источник 1 когерентного излучения имеет встроенное или внешнее устройство, позволяющее изменять мощность выходного излучения в течение времени.
Каждый делитель 2 пучка выполнен с возможностью разделения пучка когерентного излучения, вышедшего из лазерного источника 1 когерентного излучения, на сигнальный и опорный пучки. Указанный делитель 2 пучка направляет сигнальный пучок на вход расширителя 3 пучка. Указанный делитель 2 пучка направляет опорный пучок на вход оптической системы для формирования опорного пучка 7.
Каждый расширитель 3 пучка выполнен с возможностью
поперечного размера сигнального пучка указанный расширитель пучка направляет сигнальный пучок на вход устройства 4 подсветки пространственного модулятора света.
Каждое устройство 4 подсветки пространственного модуляторе света служит для направления сигнального пучка на пространственный модулятор 5 света и выполнено с возможностью согласования поперечного размера сигнального пучка и поперечного размера пространственного модулятора 5 света.
Каждый пространственный модулятор 5 света формирует исходное изображение в соответствии с управляющим сигналом и модулирует падающий на него сигнальный пучок, указанным изображением, и направляет модулированный сигнальный пучок на вход Фурье преобразующей оптической системы 6.
Фурье преобразующая оптическая система 6 выполнена с возможностью совершения преобразования Фурье над модулированным сигнальным пучком с последующей фокусировкой указанного модулированного сигнального пучка в задней фокальной плоскости Фурье преобразующей оптической системы 6. Указанная Фурье преобразующая оптическая система 6 направляет сфокусированный модулированный сигнальный пучок на светочувствительный материал 9 с возможностью интерференции указанного сигнального пучка с опорным пучком.
Каждая оптическая система 7 для формирования опорного пучка выполнена 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 с поперечным размером сфокусированного модулированного сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала 9 и направления указанного опорного пучка под необходимым углом с нормалью к поверхности светочувствительного материала 9.
Система 8 механического позиционирования выполнена с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала 9 и остальных элементов устройства. Причем, указанное управление выполнено с целью записи каждого отдельного изображения, формируемого пространственным модулятором 5 света в соответствующую точку светочувствительного материала 9.
Светочувствительный материал 9 изготовлен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.
0
0
1
1
2
2
3
s
2
3
2
3
2
В основе заявляемого способа записи голографических изображений лежит использование особенности экспозиционной кривой светочувствительного материала (см. Фиг.4). До определенного уровня энергии Е светочувствительный материал не реагирует на падающее на него излучение. Начиная с уровня энергии Е и до уровня энергии Ематериал регистрирует падающее излучение нелинейно. От уровня энергии E до Е материал осуществляет линейную регистрацию падающего излучения. От уровня энергии Е до Е материал осуществляет нелинейную регистрацию падающего излучения. Начиная с уровня энергии E, материал осуществляет одинаковую реакцию на падающее излучение. Таким образом, для осуществления записи топографического изображения высокого качества необходимо освещать материал картиной интерференции падающего и сигнального пучков с диапазоном энергий от Е до Е. Особенностью предлагаемого способа является одновременное сообщение материалу достаточного колличества энергии, причем уровень энергии Е достигается за счет энергии излучения источника некогерентного излучения, а картина интерференциии опорного и сигнального пучков создаваемых лазерные источником когерентного излучения имеет диапазон энергий от 0 до Е-Е.
Указанный лазерный источник когерентного излучения выполнен с возможностью временной модуляции мощности излучения.
Указанный источник некогерентного излучения выполнен с возможностью временной модуляции мощности излучения.
Схема заявляемого устройства записи микроголограмм с внешней некогерентной подсветкой (Фиг.5) состоит из, по меньшей мере, одного лазерного источника 1 когерентного излучения, выполненного с возможностью временной модуляции потока излучения, по меньшей мере, одного делителя 2 пучка, по меньшей мере, одного расширителя 3 пучка, по меньшей мере, одного устройства 4 подсветки пространственного модулятора света, по меньшей мере, одного пространственного модулятора 5 света, по меньшей мере, одной Фурье преобразующей оптической системы 6, по меньшей мере, одной оптической системы 7 для формирования опорного пучка, по меньшей мере, одной системы 8 механического позиционирования, по меньшей мере, одного светочувствительного материала 9, по меньшей мере, одного источника 10 некогерентного излучения, по меньшей мере, одной оптической системы 11 для формирования излучения источника не когерентного излучения.
Лазерный источник 1 когерентного излучения имеет встроенное или внешнее устройство, позволяющее изменять мощность выходного излучения в течение времени.
Делитель 2 пучка выполнен с возможностью разделения пучка когерентного излучения, вышедшего из лазерного источника 1 когерентного излучения, на сигнальный и опорный пучки. Указанный делитель 2 пучка направляет сигнальный пучок на вход расширителя 3 пучка. Указанный делитель 2 пучка направляет опорный пучок на вход оптической системы 7 для формирования опорного пучка.
Расширитель 3 пучка выполнен с возможностью изменения поперечного размера сигнального пучка. После изменения поперечного размера сигнального пучка указанный расширитель пучка направляет сигнальный пучок на вход устройства 4 подсветки пространственного модулятора света.
Устройство 4 подсветки пространственного модулятора света служит для направления сигнального пучка на пространственный модулятор 5 света и выполнено с возможностью согласования поперечного размера сигнального пучка и поперечного размера пространственного модулятора 5 света.
Пространственный модулятор 5 света формирует исходное изображение в соответствии с управляющим сигналом и модулирует падающий на него сигнальный пучок, указанным изображением, и направляет модулированный сигнальный пучок на вход Фурье преобразующей оптической системы 6.
Фурье преобразующая оптическая система 6 выполнена с возможностью совершения преобразования Фурье над модулированным сигнальным пучком с последующей фокусировкой указанного модулированного сигнального пучка в задней фокальной плоскости Фурье преобразующей оптической системы 6. Указанная Фурье преобразующая оптическая система 6 направляет сфокусированный модулированный сигнальный пучок на светочувствительный материал 9 с возможностью интерференции указанного сигнального пучка с опорным пучком.
Оптическая система 7 для формирования опорного пучка выполнена 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 с поперечным размером сфокусированного модулированного сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала 9 и направления указанного опорного пучка под необходимым углом с нормалью к поверхности светочувствительного материала 9.
Система 8 механического позиционирования выполнена с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала 9 и остальных элементов устройства. Причем, указанное управление выполнено с целью записи каждого отдельного изображения, формируемого пространственным модулятором 5 света в соответствующую точку светочувствительного материала 9.
Светочувствительный материал 9 выполнен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.
Источник 10 некогерентного излучения имеет встроенное или внешнее устройство, позволяющее изменять мощность выходного излучения в течение времени.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанный источник 10 некогерентного излучения может быть выполнен в виде лазерного источника излучения с низкой степенью пространственной когерентности и длиной волны излучения, совпадающей с длиной волны излучения лазерного источника 1 когерентного излучения.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанный источник 10 некогерентного излучения может быть выполнен в виде лазерного источника излучения с низкой степенью пространственной когерентности и длиной волны излучения, не совпадающей с длиной волны излучения лазерного источника 1 когерентного излучения.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанный источник 10 некогерентного излучения может быть выполнен в виде светодиодного источника излучения, генерирующего излучение в широко диапазоне длин волн, не включающем длину волны излучения лазерного источника 1 когерентного излучения.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанный источник 10 некогерентного излучения может быть выполнен в виде светодиодного источника излучения, генерирующего излучение в широко диапазоне длин волн, включающем длину волны излучения лазерного источника 1 когерентного излучения.
Оптическая система 11 для преобразования излучения источника некогерентного излучения выполнена с возможностью преобразования и направления излучения некогерентного источника излучения на вход схемы записи микроголограмм.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанная оптическая система 11 для преобразования излучения источника некогерентного излучения выполнена с возможностью формирования равномерной засветки требуемой формы и интенсивности в заданной точке на поверхности светочувствительного материала 9.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанная оптическая система 11 для преобразования излучения (Фиг.6) источника некогерентного излучения выполнена таким образом, чтобы вводить сформированное некогерентное излучение одновременно в оптическую систему для формирования опорного пучка и в оптическую систему для формирования сигнального пучка с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования опорного пучка, параллельно с опорным пучком и через оптическую систему для формирования сигнального пучка, параллельно с сигнальным пучком.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанная оптическая система 11 для преобразования излучения (Фиг.7) источника некогерентного излучения выполнена таким образом, чтобы вводить сформированное некогерентное излучение в оптическую систему для формирования сигнального пучка с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования сигнального пучка, параллельно с сигнальным пучком.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанная оптическая система 11 для преобразования (Фиг.8) излучения источника некогерентного излучения выполнена таким образом, чтобы вводить сформированное некогерентное излучение в оптическую систему для формирования опорного пучка 7 с возможностью дальнейшего распространения, через оптическую систему для формирования опорного пучка, параллельно с опорным пучком.
Заявленное устройство может быть использовано в устройствах печати микро голограмм (голографических принтерах), в голографических устройствах хранения информации, a также в иных голографических устройствах.