ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ФУРЬЕ ПРЕОБРАЗУЮЩИМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ОДНОШАГОВОЙ ЗАПИСИ НЕСКОЛЬКИХ МИКРОГОЛОГРАММ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИЗМЕННЫХ СИСТЕМ
OPTICAL DEVICE WITH FOURIER TRANSFORM OPTICAL ELEMENTS FOR SINGLE-STEP RECORDING OF MULTIPLE MICROHOLOGRAMS USING PRISM SYSTEMS

Изобретение относится к технологиям обработки цифровых сигналов, а более конкретно к устройствам для 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. При незначительных размерах микроголограмм общий размер оптической части устройства записи зачастую бывает нерационально большим. Поэтому важными характеристиками таких устройств записи являются общий объем оптической части устройства и скорость записи микроголограмм.
Известны 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 считается 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 чего расширенный сигнальный пучок отклоняется на требуемый угол двухкоординатным дефлектором и модулируется пространственным модулятором света в соответствии с записываемым изображением. Затем 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 известны различные подходы к решению проблемы записи голограмм. В частности, в патенте США №6330088 [1] описываются способ 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, оптической системы для модулирования сигнального пучка рассчитанным изображением и 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, состоящее из источника когерентного импульсного лазерного излучения, оптического устройства для разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптической системы для ограничения и трансформации сигнального пучка, пространственного модулятора света для модулирования сигнального пучка, оптической системы для записи голографического пикселя, в виде полосы или точки, на светочувствительном материале, оптической системы для ограничения и трансформации опорного пучка, системы позиционирования светочувствительного материала (см. Фиг.2).
Указанные решения содержат большое количество разнообразных оптических элементов, разделенных воздушными промежутками, причем взаимное расположение всех этих элементов и наличие индивидуальных юстируемых креплений, а также механизм позиционирования оптического материала неблагоприятно сказываются на работоспособности устройства. Все это приводит к значительному усложнению устройства, критическому увеличению его размеров, а также ужесточению требований к устройству механического позиционирования. Следует также иметь в виду, что в патенте [1] на светочувствительный материал записывается только одна полнопараллаксная микроголограмма за один шаг системы позиционирования, а в патентной заявке [2] на светочувствительный материал записывается микроголограмма в форме линии за один шаг системы позиционирования, но только с параллаксом по одной оси. Решение [2] выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке усовершенствованного устройства записи микроголограмм, позволяющего увеличить скорость записи пикселей за счет записи нескольких пикселей за один шаг системы механического позиционирования и уменьшить общий объем оптической части устройства.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в упрощении конструкции и уменьшении размеров оптической части устройства для записи микроголограмм, а также увеличении скорости записи полнопараллаксных микроголограмм, что достигается за счет применения заявляемой конструкции оптического устройства для параллельного пространственного формирования и записи массивов микроголограмм, состоящего из лазерного источника света, оптического устройства для разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптической системы для ограничения и трансформации сигнального пучка, оптической системы для ограничения и трансформации опорного пучка, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, отличающегося тем, что включает в себя:
- по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью осуществлять временную модуляцию потока излучения;
- узел формирования сигнального пучка, содержащий,
- по меньшей мере, один оптический элемент, представляющий собой телескопическую систему пространственного преобразования волнового фронта, излученного вышеупомянутым лазерным источником света к волновому фронту, необходимому для освещения пространственного модулятора света,
- по меньшей мере, один рефракционный элемент, выполненный с возможностью углового разделения светового пучка на сегменты, конфигурация и размер которых соответствуют пространственному разделению информации, предназначенной для записи на разные микроголограммы и выводимой параллельно на пространственный модулятор света,
- по меньшей мере, один Фурье-преобразующий оптический элемент, выполненный с возможностью преобразования промодулированного пространственным модулятором света 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 корректирующий рефракционный оптический элемент, расположенный в фурье-плоскости вышеупомянутого Фурье-преобразующего оптического элемента и выполненный с возможностью выполнения коррекции направления распространения света, согласованной с преобразованием сигнального пучка, произведенным вышеупомянутым рефракционным элементом, в результате чего на светочувствительном материале формируется массив микроизображений, соответствующих Фурье-преобразованиям выводимой на разные секторы вышеупомянутого пространственного модулятора света информации;
- узел формирования опорного пучка, выполненный с возможностью осуществления, помимо прочего, 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 оптический элемент формирования массива световых опорных пучков, выполненный с возможностью формирования массива световых опорных пучков таким образом, чтобы их положение и взаимное расположение совпадало с массивом вышеупомянутых микроизображений, сформированных вышеописанным узлом формирования сигнального пучка на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала;
- систему механического позиционирования, выполненную с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала и остальных элементов устройства;
- устройство электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света, а также системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации, причем указанный светочувствительный материал, выполнен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.
В заявляемом устройстве указанные рефракционный оптический и указанный корректирующий рефракционный оптический элементы выполнены в виде квадрантных призменных элементов с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала при произвольном положении регистрирующего материала, выставленным системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность параллельной одновременной записи массива микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Согласно одному из вариантов реализации устройства указанные рефракционный оптический и корректирующий рефракционный оптический элементы выполняются в виде гексагонально-расположенных призменных элементов с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность параллельной одновременной записи массива гексагонально-расположенных микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Согласно другому варианту устройства указанный пространственный модулятор света выполнен заодно с указанным рефракционным оптическим элементом. Данная комбинация образует узел формирования массива информации для параллельной записи микроголограмм. Таким образом, система имеет возможность параллельной одновременной записи массивов как квадрантных, так и гексагонально-расположенных, в соответствии с типом применяемых рефракционных элементов, в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Согласно еще одному варианту устройства указанные рефракционный оптический и указанный корректирующий рефракционный оптический элементы могут быть выполнены в виде фазовых пространственных модуляторов света, способных изменять пространственную конфигурацию указанных сигнальных и опорных пучков с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность реконфигурируемой «налету» параллельной записи массива микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования с произвольным видом и расположением микроголограмм в массиве.
Новизна заявляемого изобретения заключается в использовании рефракционных элементов для формирования массивов микроголограмм одновременно с использованием минимального числа, например одного, пространственных модуляторов света и минимального числа, например одного, лазерных источников когерентного излучения за один шаг системы механического позиционирования.
Геометрическая форма элементов, их положение и наличие рефракционных элементов обеспечивают малые размеры всего устройства и запись массива микроголограмм одновременно за один шаг системы механического позиционирования.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1 - техническое решение-аналог [1].
Фиг.2 - техническое решение-прототип [2].
Фиг.3 - принципиальная схема устройства для одношаговой записи нескольких микроголограмм.
Элементы:
1 - Лазерный источник
2, 4, 10, 17, 18 - Плоское зеркало
3 - Оптическая система деления
5, 6 - Телескопическая система для пространственного преобразования вида волнового фронта
7 - Рефракционный элемент
8 - Пространственный модулятор света
9 - Фурье-преобразующий оптический элемент
11 - Корректирующий рефракционный оптический элемент
12, 13 - Вспомогательные оптические элементы для переноса изображения фурье-плоскости
14 - Светочувствительный материал,
15, 16 - Телескопическая оптическая система для преобразования вида и формы опорного пучка необходимого для записи микроголограмм
19 - Оптический элемент для формирования массива световых опорных пучков
Фиг.4 - принципиальная схема узла для формирования сигнального пучка.
Элементы:
7 - Рефракционный элемент
8 - Пространственный модулятор света
9 - Фурье-преобразующий оптический элемент
11 - Корректирующий рефракционный оптический элемент
12, 13 - Вспомогательные оптические элементы для переноса изображения фурье-плоскости
Принципиальная схема заявляемого интегрального оптического устройства для записи микроголограмм состоит из (см. Фиг.3), по меньшей мере, одного лазерного источника 1 когерентного излучения с возможностью временной модуляции потока излучения, по меньшей мере, одной оптической системы 3 деления пучка, например, светоделительного кубика, узла для формирования сигнального пучка, узла для формирования опорного пучка, светочувствительного материала 14, системы механического позиционирования (не показана на Фиг.3), а также устройства электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света и системой механического позиционирования (не показано на Фиг.3). Узел для формирования сигнального пучка состоит из, по меньшей мере, одной телескопической системы 5, 6 для пространственного преобразования вида волнового фронта, по меньшей мере, одного рефракционного элемента 7, по меньшей мере, одного пространственного модулятора 8 света, по меньшей мере, одного Фурье-преобразующего оптического элемента 9, по меньшей мере, одного корректирующего рефракционного оптического элемента 11, двух вспомогательных оптических элементов 12, 13 для переноса изображения фурье-плоскости. Узел для формирования опорного пучка состоит из, по меньшей мере, одной телескопической оптической системы 15, 16 для формирования опорного пучка, по меньшей мере, одного оптического элемента 19 для формирования массива световых опорных пучков на плоскости светочувствительного материала 14 для параллельной записи массива микроголограмм.
Указанная телескопическая система 5, 6 для пространственного преобразования вида волнового фронта, излученного лазерным источником света, выполнена с возможностью преобразования падающего на нее сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости пространственного модулятора 8 света равнояркое световое поле с заданной угловой расходимостью, одинаковой в каждой точке указанного пространственного модулятора 8 света.
Указанный рефракционный элемент 7 выполнен с возможностью пропускания сигнального пучка без амплитудных искажений и служит для углового разделения светового пучка на сегменты, конфигурация и размер которых соответствуют пространственному разделению информации, предназначенной для записи на разные микроголограммы и выводимой параллельно на пространственный модулятор 8 света.
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 пространственного модулятора 8 света, в плоскости светочувствительного материала 14 с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 14.
Указанный корректирующий рефракционный оптический элемент 11 расположен в фурье-плоскости вышеупомянутого Фурье-преобразующего оптического элемента 9 и служит для коррекции направления распространения света, согласованной с преобразованием сигнального пучка, произведенным вышеупомянутым рефракционным элементом 7, в результате чего на светочувствительном материале 14 формируется массив микроизображений, соответствующих фурье-преобразованиям выводимой на разные секторы вышеупомянутого пространственного модулятора 8 света информации.
Каждый пространственный 8 модулятор света расположен в фурье-плоскости вышеупомянутого Фурье-преобразующего оптического элемента 9 и служит для изменения как амплитудного, так и фазового распределения в формируемом сигнальном пучке и, соответственно, изменяет вид светового пятна на вышеупомянутом светочувствительном материале. Таким образом, пространственный модулятор 8 света формирует исходное изображение в соответствии с управляющим сигналом и модулирует падающий на него сигнальный пучок.
Каждый узел для формирования опорного пучка выполнен с возможностью преобразования входящего опорного пучка и направления преобразованного опорного пучка на светочувствительный материал 14 с возможностью интерференции указанного опорного пучка со сфокусированным модулированным сигнальным пучком. Преобразование опорного пучка выполняется с возможностью согласования поперечного размера массива опорных пучков и его положения с поперечным размером и положением сфокусированного модулированного массива сигнальных пучков в плоскости светочувствительного материала 14 и направления указанного массива опорных пучков 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, необходимого для записи микроголограмм, и оптический элемент 19, предназначенный для формирования массива световых опорных пучков, положение и конфигурация которых согласованы с массивом микроизображений, сформированных узлом для формирования сигнального пучка на плоскости светочувствительного материала 14 для параллельной записи массива микроголограмм.
Каждый элемент для формирования опорного пучка:
телескопическая система 15, 16 для преобразования вида и формы опорного пучка для записи микроголограмм и оптический элемент 19 выполнены с возможностью выполнения функции оптической линии задержки с целью выровнять оптическую длину хода сигнального и опорного пучков от оптической системы деления пучка 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 в каждом элементе массива световых опорных пучков с возможностью интерференции указанного массива световых опорных пучков со сфокусированным модулированным массивом сигнальных пучков. Преобразование опорного пучка выполняется с возможностью согласования поперечного размера всего массива в целом и каждого элемента массива опорных пучков, а также положения массива и его элементов в плоскости светочувствительного материала 14 с поперечным размером сфокусированного модулированного массива сигнального пучка и его положения в плоскости светочувствительного материала 14 и направления указанного массива опорных пучков 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.
Каждая система механического позиционирования (не показана на Фиг.3) выполнена с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала 14 и остальных элементов устройства. Причем указанное управление выполнено с целью записи каждого отдельного массива изображений, формируемого пространственным модулятором 8 света в соответствующий массив точек светочувствительного материала 14.
Принцип действия устройства для записи микроголограмм с использованием Фурье-преобразующего оптического элемента 9 и пространственного модулятора 8 света заключается в следующем: исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью оптической системы 3 деления пучка на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из телескопической системы 5, 6 для пространственного согласования вида волнового фронта. После этого он отклоняется под требуемыми углами угловым дефлектором 7 и модулируется управляемым пространственным модулятором 8 света в соответствии с записываемым изображением. После прохождения через управляемый пространственный модулятор 8 света 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 элементов телескопической системы 15, 16 и дефлектора 19, формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.
Указанный рефракционный оптический элемент 7 и указанный корректирующий рефракционный оптический элемент 11 выполнены в виде квадрантных призменных элементов с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала 14 при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность параллельной записи массива микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Согласно другому варианту реализации изобретения указанный рефракционный оптический элемент 7 и указанный корректирующий рефракционный оптический элемент 11 выполнены в виде гексагонально-расположенных призменных элементов с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала 14 при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования. Таким образом, система имеет возможность параллельной записи массива гексагонально-расположенных микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования.
Согласно другому варианту реализации изобретения указанный пространственный модулятор 8 света выполнен заодно с указанным рефракционным оптическим элементом 7, образующим узел формирования массива информации для параллельной записи микроголограмм.
Согласно другому варианту реализации изобретения указанные рефракционный оптический элемент 7 и корректирующий рефракционный оптический элемент 11 выполнены в виде фазовых пространственных модуляторов света, способных изменять пространственную конфигурацию указанных сигнальных и опорных пучков с возможностью пространственного совмещения позиции массивов сигнального и опорного пучков на плоскости вышеупомянутого светочувствительного материала 14 при произвольном положении регистрирующего материала, выставленном системой механического позиционирования.
Таким образом, система имеет возможность реконфигурируемой «налету» параллельной записи массива микроголограмм в окрестности каждой позиции, задаваемой системой механического позиционирования с произвольным видом и расположением микроголограмм в массиве.
Заявленное устройство может быть использовано в устройствах печати микроголограмм (топографических принтерах); в голографических устройствах хранения информации; в иных голографических устройствах.