ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ МИКРОГОЛОГРАММ
INTEGRATED OPTICAL DEVICE FOR RECORDING MICROHOLOGRAMS

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно к устройствам для записи голограмм, в частности 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. Важной характеристикой таких устройств записи является общий объем, то есть габариты, оптической части устройства.
Существует 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 наиболее перспективный, 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 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.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение значительно меньших габаритов оптической части записывающего устройства за счет использования интегральных оптических элементов.
В патенте США №6330088 [1] описываются способ и устройство для одношаговой записи полноцветных, полнопараллаксных стереограмм. Указанное устройство (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 выложенной патентной заявке США №2008/0151340 [2] описывается голографический принтер (см. Фиг.2), состоящий из источника когерентного импульсного лазерного излучения, специального оптического устройства для разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, специальной оптической системы для ограничения и трансформации опорного пучка, пространственного модулятора света для модулирования сигнального пучка, специализированной оптической системы для записи голографического пикселя на светочувствительном материале, специальной системы позиционирования светочувствительного материала и специального устройства для контроля и изменения пространственной когерентности объектного пучка. Это техническое решение по своим признакам является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Следует отметить, что оба вышеуказанных технических решения содержат большое количество разнообразных оптических элементов, разделенных воздушными промежутками, причем взаимное расположение всех этих элементов влияет на работоспособность всего устройства. Таким образом, к основным недостаткам подобных конструкций можно отнести следующее: 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.
Задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованной конструкции оптического устройства для записи микроголограмм, свободной от вышеописанных недостатков известных решений, содержащих в себе большое количество отдельных оптических элементов и специальных элементов для контроля и корректировки их расположения.
Технический результат предложенного изобретения заключается в создании упрощенной конструкции оптического устройства для записи микроголограмм при уменьшении габаритов такого устройства.
Заявляемое интегральное оптическое устройство для записи микроголограмм содержит:
лазерный источник когерентного излучения, имеющий возможность временной модуляции потока излучения;
элемент для формирования сигнального пучка, на поверхности которого расположен комбинированный голографический элемент, осветительный голографический элемент и голографическая Фурье линза;
комбинированный голографический элемент, выполненный с возможностью разделения пучка, выходящего из лазерного источника, на сигнальный и опорный пучки и придания сигнальному пучку формы и однородности в плоскости осветительного голографического элемента;
осветительный голографический элемент преобразования падающего на него сигнального пучка, выполненный с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости сигнального пучка в плоскости пространственного модулятора света;
пространственный модулятор света, выполненный с возможностью модулирования сигнального пучка записываемым изображением;
голографическую Фурье линзу, выполненную с возможностью фокусирования падающего на нее модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала;
элемент формирования опорного пучка, выполняющий функцию оптической линии задержки опорного пучка, придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной точке светочувствительного материала равнояркого светового поля;
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 заявленном устройстве указанный комбинированный голографический элемент преобразует сигнальный пучок таким образом, что он формирует в плоскости осветительного голографического элемента равномерную освещенность, причем поперечные размеры преобразованного сигнального пучка в указанной плоскости соответствуют поперечным размерам указанного осветительного голографического элемента.
В заявленном устройстве указанный осветительный голографический элемент может быть выполнен, в частности, с возможностью пропускания сигнального пучка, промодулированного пространственным модулятором света, без искажений.
В заявленном устройстве указанная голографическая Фурье линза фокусирует сигнальный пучок в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.
В заявленном устройстве указанный осветительный голографический элемент может быть выполнен, в частности, с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости пространственного модулятора света равнояркое изображение виртуальной фазовой маски.
В заявленном устройстве элемент формирования опорного пучка может быть выполнен, в частности, с возможностью выравнивания оптической длины хода сигнального и опорного пучков от комбинированного голографического элемента до плоскости светочувствительного материала.
В заявленном устройстве указанный элемент формирования опорного пучка формирует в плоскости светочувствительного материала однородное световое поле с возможностью интерференции указанного опорного пучка со сфокусированным модулированным сигнальным пучком.
В заявленном устройстве указанный элемент формирования опорного пучка согласует поперечный размер опорного пучка с поперечным размером сфокусированного модулированного сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала и направляет указанный опорный пучок под заданным углом с нормалью к поверхности светочувствительного материала.
В заявленном устройстве на гранях элемента формирования опорного пучка располагают, по меньшей мере, один голографический элемент для формования опорного пучка.
В заявленном устройстве указанный голографический элемент формования опорного пучка может быть выполнен, в частности, с возможностью преобразования входящего опорного пучка таким образом, чтобы он формировал в плоскости светочувствительного материала однородное световое поле с возможностью интерференции указанного опорного пучка со сфокусированным модулированным сигнальным пучком.
В заявленном устройстве элемент формирования сигнального пучка может быть выполнен, в частности, в виде монолитного куска оптически прозрачного материала.
В заявленном устройстве пространственный модулятор света может быть выполнен, в частности, в виде отражательной жидкокристаллической матрицы на кремнии (LCoS), примыкающей к осветительному голографическому элементу.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный пространственный модулятор света 5 прилегает к одной из сторон элемента для формирования сигнального пучка.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный пространственный модулятор света 5 прилегает к осветительному голографическому элементу.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве элемент формирования опорного пучка выполнен в виде монолитного куска оптически прозрачного материала.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве элемент формирования опорного пучка имеет, по меньшей мере, одну общую грань с элементом для формирования сигнального пучка и расположен таким образом, чтобы опорный пучок, сформированный комбинированным голографическим элементом, испытывал полное внутреннее отражение на гранях указанного элемента для формирования опорного пучка.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный комбинированный голографический элемент выполнен в виде волноводного голографического элемента.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный осветительный голографический элемент выполнен в виде волноводного голографического элемента.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанная голографическая Фурье линза выполнена в виде волноводного голографического элемента.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный голографический элемент формирования опорного пучка выполнен в виде волноводного голографического элемента.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный комбинированный голографический элемент выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный осветительный голографический элемент выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанная голографическая Фурье линза выполнена с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно одному из вариантов в заявленном устройстве указанный голографический элемент формирования опорного пучка выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Новизна заявляемого изобретения заключается в использовании интегральных оптических компонентов, каждый из которых представляет собой единый неюстируемый оптический элемент, заменяющий собой большое количество отдельно расположенных и снабженных специальными юстировочными устройствами простых оптических элементов различной формы и конфигурации.
Геометрическая форма интегральных элементов обеспечивает малые размеры всего устройства.
Геометрическая форма отдельных интегральных элементов позволяет создать плоское устройство.
Отсутствие юстировочных компонентов обеспечивает жесткость всей конструкции устройства.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1 - известное устройство по [1].
Фиг.2 - известное устройство по [2].
Фиг.3 - принципиальная схема заявляемого устройства для записи микроголограмм.
Элементы:
1 - лазерный источник когерентного излучения,
2 - делитель пучка,
3 - расширитель пучка,
4 - устройство подсветки пространственного модулятора света,
5 - пространственный модулятор света,
6 - преобразующая оптическая система Фурье,
7 - оптическая система формирования опорного пучка,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал.
Фиг.4 - интегральное оптическое устройство для записи микроголограмм согласно изобретению.
Элементы:
1 - лазерный источник когерентного излучения,
5 - пространственный модулятор света,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал,
10 - элемент формирования сигнального пучка,
11 - комбинированный голографический элемент,
12 - осветительный голографический элемент,
13 - голографическая Фурье линза,
14 - элемент формирования опорного пучка.
Фиг.5 - интегральное оптическое устройство для записи микроголограмм согласно изобретению (предпочтительный вариант реализации).
Элементы:
1 - лазерный источник когерентного излучения,
5 - пространственный модулятор света,
8 - система механического позиционирования,
9 - светочувствительный материал,
10 - элемент формирования сигнального пучка,
11 - комбинированный голографический элемент,
12 - осветительный голографический элемент,
13 - топографическая Фурье линза,
14 - элемент формирования опорного пучка.
15 - голографический элемент формования опорного пучка.
Принципиальная схема заявляемого устройства (см. Фиг.3) состоит из, по меньшей мере, одного лазерного источника 1 когерентного излучения, выполненного с возможностью осуществления временной модуляции потока излучения; из, по меньшей мере, одного делителя 2 пучка; из, по меньшей мере, одного расширителя 3 пучка; из, по меньшей мере, одного устройства 4 подсветки пространственного модулятора света, по меньшей мере, одного пространственного модулятора 5 света; из, по меньшей мере, одной преобразующей оптической системы 6 Фурье; из, по меньшей мере, одной оптической системы формирования опорного пучка 7; из, по меньшей мере, одной системы 8 механического позиционирования; из, 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 7 формирования опорного пучка.
Каждый 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.
Каждое 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.
Каждый пространственный модулятор 5 света формирует исходное изображение в соответствии с управляющим сигналом, модулирует падающий на него сигнальный пучок указанным изображением и направляет модулированный сигнальный пучок на вход преобразующей оптической системы 6 Фурье.
Каждая преобразующая оптическая система 6 Фурье выполнена с возможностью проведения преобразования Фурье над модулированным сигнальным пучком с последующей фокусировкой указанного модулированного сигнального пучка в задней фокальной плоскости преобразующей оптической системы 6 Фурье. Указанная преобразующая оптическая система 6 Фурье направляет сфокусированный модулированный сигнальный пучок на светочувствительный материал 9 с возможностью интерференции указанного сигнального пучка с опорным пучком.
Каждая оптическая система 7 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.
Каждая 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.
Каждый светочувствительный материал 9 выполнен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.
Вышеописанная принципиальная схема реализуется в заявляемом интегральном устройстве для записи микроголограмм (см. Фиг.4), при этом такое устройство состоит из:
- по меньшей мере, одного лазерного источника 1 когерентного излучения, выполненного с возможностью временной модуляции потока излучения;
- по меньшей мере, одного пространственного модулятора 5 света;
- по меньшей мере, одной системы 8 механического позиционирования;
- по меньшей мере, одного светочувствительного материала 9;
- по меньшей мере, одного элемента 10 формирования сигнального пучка;
- по меньшей мере, одного элемента 14 формирования опорного пучка.
Каждый элемент 10 формирования сигнального пучка содержит расположенные на его гранях:
- один комбинированный голографический элемент 11;
- один осветительный голографический элемент 12;
- одну голографическую Фурье линзу 13.
Указанный комбинированный голографический элемент 11 выполнен с возможностью разделения пучка, выходящего из лазерного источника 1, на сигнальный и опорный пучки с последующим направлением опорного пучка на вход элемента 14, формирующего опорный пучок. Указанный комбинированный голографический элемент 11 выполнен с возможностью преобразования сигнального пучка таким образом, чтобы он формировал в плоскости осветительного голографического элемента 12 равномерную освещенность, и поперечные размеры преобразованного сигнального пучка в плоскости осветительного голографического элемента 12 соответствовали поперечным размерам осветительного голографического элемента 12. Указанный осветительный голографический элемент 12 выполнен с возможностью преобразования падающего на него со стороны комбинированного голографического элемента 11 сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости пространственного модулятора 5 света равнояркое световое поле с заданной угловой расходимостью, одинаковой в каждой точке указанного пространственного модулятора 5 света. Указанный осветительный голографический элемент 12 выполнен с возможностью пропускания сигнального пучка, промодулированного пространственным модулятором 5 света, без искажений. Указанная топографическая Фурье линза 13 выполнена с возможностью фокусирования падающего на нее модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора 5 света, в плоскости светочувствительного материала 9 с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 9.
Согласно одному из возможных вариантов реализации настоящего изобретения указанный комбинированный голографический элемент 11 может быть выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанный осветительный голографический элемент 12 может быть выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно одному из возможных вариантов настоящего изобретения указанная голографическая Фурье линза 13 может быть выполнена с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Указанный осветительный голографический элемент 12 (см. Фиг.4) может быть выполнен с возможностью преобразования падающего на него со стороны комбинированного голографического элемента 11 сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости пространственного модулятора 5 света равнояркое изображение виртуальной фазовой маски.
Согласно одному из вариантов изобретения, указанный пространственный модулятор 5 света может прилегать к одной из сторон элемента 10 формирования сигнального пучка.
Согласно одному из вариантов изобретения, указанный пространственный модулятор может прилегать к осветительному голографическому элементу 12.
Каждый элемент формирования опорного пучка 14 (см. Фиг.4) выполнен с возможностью выполнения функции оптической линии задержки с целью выровнять оптическую длину хода сигнального и опорного пучков от комбинированного голографического элемента 11 до плоскости светочувствительного материала. Указанный элемент формирования опорного пучка выполнен с возможностью преобразования входящего опорного пучка таким образом, чтобы он формировал в плоскости светочувствительного материала 9 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 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.
Согласно предпочтительному варианту реализации заявляемого изобретения каждый элемент формирования опорного пучка 14 (см. Фиг.5) имеет расположенный на его гранях, по меньшей мере, один голографический элемент 15 формования опорного пучка. Указанный элемент 14 формирования опорного пучка выполнен с возможностью осуществления функций оптической линии задержки с целью выровнять оптическую длину хода сигнального и опорного пучков от комбинированного голографического элемента 11 до плоскости светочувствительного материала. Указанный голографический элемент 15 формования опорного пучка выполнен с возможностью преобразования входящего опорного пучка таким образом, чтобы он формировал в плоскости светочувствительного материала 9 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 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.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, указанный голографический элемент 15 формирования опорного пучка выполнен с возможностью контроля поляризации входящих пучков.
Согласно предпочтительному варианту реализации заявляемого изобретения (см. Фиг.5), элемент 10 формирования сигнального пучка выполнен в виде монолитного куска оптически прозрачного материала, причем комбинированный голографический элемент 11 выполнен в виде волноводного голографического элемента, расположенного на одной стороне элемента 10 формирования сигнального пучка. При этом осветительный голографический элемент 12 выполнен в виде волноводного голографического элемента, расположенного на одной из сторон элемента 10 формирования сигнального пучка. Голографическая Фурье линза 13 выполнена в виде волноводного голографического элемента, расположенного на одной из сторон элемента формирования сигнального пучка. Пространственный модулятор 5 света выполнен в виде отражательной жидкокристаллической матрицы (LCoS - жидкокристаллическая матрица на кремнии), примыкающей к осветительному голографическому элементу 12. Элемент 14 формирования опорного пучка выполнен в виде монолитного куска оптически прозрачного материала, имеющего, по меньшей мере, одну общую грань с элементом формирования сигнального пучка и расположен таким образом, что опорный пучок, сформированный комбинированным голографическим элементом 11, испытывает полное внутреннее отражение на гранях указанного элемента 14 формирования опорного пучка, причем голографический элемент для формования опорного пучка расположен на одной из граней элемента формирования опорного пучка и выполнен в виде волноводного голографического элемента.
Заявляемое устройство может быть найти практическое применение в устройствах печати микроголограмм (голографических принтерах), в голографических устройствах хранения информации, в иных голографических устройствах.