单光束数字化全息光盘读写装置.pdf

一种单光束数字化全息光盘读写装置。该装置的构成是在一光轴上同轴地设有激光器、扩束滤波系统、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜，在扩束滤波系统和第一傅立叶透镜之间有空间光调制器，在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜之间为数字化全息光盘，在第二傅立叶透镜之后是CCD摄像机，一计算机分别通过电缆与激光器、空间光调制器、数字化全息光盘和CCD摄像机相连。本发明大大地减少了传统数字化全息存储利用双光束光路进行读写系统的复杂性，降低了对系统光学参数和机械精度的要求，也大大地减小了系统的尺寸、降低了成本。

1、  一种单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于该装置的构成是在一光轴上同轴地设有激光器(1)、扩束滤波系统(2)、第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)，在扩束滤波系统(2)和第一傅立叶透镜(4)之间有空间光调制器(3)、在第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)之间为数字化全息光盘(5)，在第二傅立叶透镜(6)之后是CCD摄像机(7)，一计算机(8)分别通过电缆与激光器(1)、空间光调制器(3)、数字化全息光盘(5)和CCD摄像机(7)相连，其中第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)构成傅立叶变换全息存储的4f光学系统，即空间光调制器(3)、第一傅立叶透镜(4)、数字化全息光盘(5)、第二傅立叶透镜(6)和CCD摄像机(7)之间的水平间距均为傅立叶透镜的焦距f，空间光调制器(3)和CCD摄像机(7)分别位于该4f系统的输入面和输出面上，但不共轴，数字化全息光盘(5)放置在4f光学系统的频谱面上。

2、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的数字化全息光盘(5)为圆形，该数字化全息光盘(5)具有通过盘心的轴线转动的机构和沿水平通过圆心的直径做径向移动的机构。

3、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的数字化全息光盘(5)为方形，该数字化全息光盘(5)具有在垂直于光轴的两个正交方向移动的机构。

4、  根据权利要求1或2或3所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的数字化全息光盘(5)是由盘状数字化全息存储介质构成的。

5、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的扩束滤波系统(2)扩束后光束的孔径为30——50mm，滤波小孔的孔径为20——50μm。

6、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的空间光调制器(3)为电寻址透射型液晶显示器件，透射率大于10％，对比度大于400∶1，纵横尺寸均小于扩束滤波系统(2)输出光束的直径，分辨率小于800×600。

7、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的傅立叶变换全息存储的4f光学系统的孔径大于或等于扩束滤波系统(2)输出光束的直径，第一傅立叶透镜(4)和第二傅立叶透镜(6)是相对孔径为0.5的标准傅立叶变换透镜。

8、  根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的CCD摄像机(7)的象素大小及分辨率与空间光调制器(3)的相同。

9、  利用权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置进行记录和读出的方法，其特征在于包括下列具体工作过程：
①计算机(8)开启激光器(1)，激光器(1)发出的光束经扩束滤波系统(2)扩束滤波，调整扩束后光束的直径，使扩束后的光束面积大于空间光调制器(3)的有效透光面积，且剩余部分的透光强度与空间光调制器(3)的透光强度尽可能接近1∶1；
②计算机(8)将数字化的编码信息显示在空间光调制器(3)上，经扩束的光束垂直投射于空间光调制器(3)所在的平面，其中通过空间光调制器(3)的光束部分，受到数字信号的调制成为全息记录的物光，而不通过空间光调制器(3)的部分光束为数字化全息记录的参考光，上下调整空间光调制器(3)使其位于光束所成光斑的下部；
③计算机(8)控制数字化全息光盘(5)，使上述参考光和物光经傅立叶透镜(4)汇聚于数字化全息光盘(5)的记录位置，两束光在光盘介质中干涉，形成傅立叶变换全息图，以实现数字化全息记录；
④读出时，计算机(8)关闭空间光调制器(3)，使其完全不透光，用原记录过程的参考光汇聚投射在数字化全息光盘(5)的记录位置，该参考光将记录的物光页面再现在CCD摄像机(7)的感光面上，该信息通过CCD摄像机(7)送回计算机(8)进行解码，实现数字全息存储信息的读出。

单光束数字化全息光盘读写装置
技术领域
本发明涉及数字全息光盘，特别是一种单光束数字化全息光盘读写装置。
背景技术
信息技术的发展，尤其是多媒体技术和数字化高清晰度电视技术的发展，越来越迫切需要具有超高密度和超高传输速率的海量存储技术。高密度数字全息存储技术因为能够同时实现在材料中进行三维体存储而达到超高密度海量存储以及以页面形式并行读写而达到超高传输速率，其理论上可以达到10²bite/μm²以上的存储密度和10³MB/s的信息传输速率，而成为当前光信息存储研究领域的重要热点之一。目前影响高密度数字化全息存储实用化的主要原因除了没有理想的干法在线处理的高密度数字全息存储材料外；另一个主要原因就是人们利用体全息存储的传统方法设计的双光束数字化全息存储装置，结构复杂、体积庞大、成本昂贵、系统防震性能差，更主要的是这些装置中光束准直和对准需要超高精度和复杂的自动控制技术，对各种元件机械要求精度高，不利于数字化全息存储的动态读写，在试验过程中往往需要多台计算机进行精密的控制，造成数字化体全息存储的庞大器件仅能在实验室中工作，很难成为小型化低成本的实用化产品。
因此现在急需寻找新的读写装置来解决上述问题。2001年日本Keio大学的Hideta Mitsuhashi等人，设计了一种单光束数字化全息存储方法，大大降低了器件的复杂性，但是他们提出的方法是利用光折变晶体的立体结构实现的，因而只能适用于具有特殊立体结构的晶体形状的全息存储介质，考虑到实际晶体的结构和光学设置，该方法不容易实现超高密度的数字化全息存储，而且没法用于目前人们认为最有可能实用化的盘状聚合物厚膜存储材料上。有关这方面的报道，目前在国内还没有看到。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种单光束数字化全息光盘读写装置，主要解决双光束数字化全息光盘读写装置结构复杂、体积庞大、成本高和稳定性差的问题。
本发明的技术构思是利用单光束代替双光束，在单光束中利用分波振面干涉方法进行数字全息光盘的信息记录。
本发明的技术解决方案如下：
一种单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于该装置的构成是在一光轴上同轴地设有激光器、扩束滤波系统、第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜，在扩束滤波系统和第一傅立叶透镜之间有空间光调制器、在第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜之间为数字化全息光盘，在第二傅立叶透镜之后是CCD摄像机，一计算机分别通过电缆与激光器、空间光调制器、数字化全息光盘和CCD摄像机相连，其中第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜构成傅立叶变换全息存储的4f光学系统，即空间光调制器、第一傅立叶透镜、数字化全息光盘、第二傅立叶透镜和CCD摄像机之间的水平间距均为傅立叶透镜的焦距f，空间光调制器和CCD摄像机分别位于该4f系统的输入面和输出面上，但不共轴，数字化全息光盘放置在4f光学系统的频谱面上。
所述的数字化全息光盘为圆形，该数字化全息光盘具有通过盘心的轴线转动的机构和沿水平通过圆心的直径做径向移动的机构。
3、根据权利要求1所述的单光束数字化全息光盘读写装置，其特征在于所述的数字化全息光盘(5)为方形，该数字化全息光盘(5)具有在垂直于光轴的两个正交方向移动的机构。
所述的数字化全息光盘是由盘状数字化全息存储介质构成的。
所述的扩束滤波系统扩束后光束的孔径为30——50mm，滤波小孔的孔径为20——50μm。
所述的空间光调制器为电寻址透射型液晶显示器件，透射率大于10％，对比度大于400∶1，纵横尺寸均小于扩束滤波系统输出光束的直径，分辨率小于800×600。
所述的傅立叶变换全息存储的4f光学系统的孔径大于或等于扩束滤波系统输出光束的直径，第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜是相对孔径为0.5的标准傅立叶变换透镜。
所述的CCD摄像机的象素大小及分辨率与空间光调制器的相同。
利用上述单光束数字化全息光盘读写装置进行记录和读出的方法，包括下列具体工作步骤：
①计算机开启激光器，激光器发出的光束经扩束滤波系统扩束滤波，调整扩束后光束的直径，使扩束后的光束面积大于空间光调制器的有效透光面积，且剩余部分的透光强度与空间光调制器的透光强度尽可能接近1∶1；
②计算机将数字化的编码信息显示在空间光调制器上，经扩束的光束垂直投射于空间光调制器所在的平面，其中通过空间光调制器的光束部分，受到数字信号的调制成为全息记录地物光，而不通过空间光调制器的部分光束为数字化全息记录的参考光，上下调整空间光调制器使其位于光束所成光斑的下部；
③计算机控制数字化全息光盘，使上述参考光和物光经第一傅立叶透镜汇聚于数字化全息光盘的记录位置，两束光在光盘介质中干涉，形成傅立叶变换全息图，以实现数字化全息记录；
④读出时，计算机关闭空间光调制器，使其完全不透光，用原记录过程的参考光束汇聚投射在数字化全息光盘的记录位置，该参考光将记录的物光页面再现在CCD摄像机的感光面上，该信息通过CCD摄像机送回计算机进行解码，实现数字全息存储信息的读出。
本发明大大地减少了传统数字化全息存储利用双光束光路进行读写系统的复杂性，降低了对系统光学参数和机械精度的要求，也大大地减小了系统的尺寸、降低了成本。
附图说明：
图1是本发明的单光束全息光盘读写装置简图。
图2是本发明上述光路图的局部。
图中：
1-激光器，2-扩束滤波系统，3-空间光调制器，4-第一傅立叶透镜，5-数字全息光盘，6-第二傅立叶透镜，7-CCD摄像机，8-微型计算机。
具体实施方式
先请参阅图1，图1是本发明的单光束全息光盘读写装置简图。由图可见，本发明单光束数字化全息光盘读写装置的构成是在一光轴上同轴地设有激光器1、扩束滤波系统2、第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6，在扩束滤波系统2和第一傅立叶透镜4之间有空间光调制器3、在第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6之间为数字化全息光盘5，在第二傅立叶透镜6之后是CCD摄像机7，一计算机8分别通过电缆与激光器1、空间光调制器3、数字化全息光盘5和CCD摄像机7相连，图中用虚线表示，其中第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6构成傅立叶变换全息存储的4f光学系统，即空间光调制器3、第一傅立叶透镜4、数字化全息光盘5、第二傅立叶透镜6和CCD摄像机7之间的水平间距均为傅立叶透镜的焦距f，空间光调制器3和CCD摄像机7分别位于该4f系统的输入面和输出面上，但不共轴，数字化全息光盘5放置在4f光学系统的频谱面上。
所述的数字化全息光盘5为圆形，数字化全息光盘5应该不仅能够绕垂直通过盘心的轴线转动以实现在光盘相同半径的轨道上记录数字化全息信息，而且光盘还可以沿水平通过圆心的直径做径向移动以实现在不同半径的轨道上进行记录；该数字化全息光盘5具有通过盘心的轴线转动的机构和沿水平通过圆心的直径做径向移动的机构。图中未示，这种机构是不难想象的，例如从该数字化全息光盘5的圆盘边缘推动圆盘转动的机构，而且该机构又在该数字化全息光盘5的某一径向可移动的机构。
所述的数字化全息光盘5为方形，该数字化全息光盘5具有在垂直于光轴的两个正交方向移动的机构，以实现在光盘上每个位置进行记录。
所述的数字化全息光盘5是由盘状数字化全息存储介质构成的。如光致聚合物、光折变聚合物、光折变晶体等。
所述的扩束滤波系统2扩束后光束的孔径为30——50mm，滤波小孔的孔径为20——50μm。
所述的空间光调制器3为电寻址透射型液晶显示器件，透射率大于10％，对比度大于400∶1，纵横尺寸均小于扩束滤波系统2输出光束的直径，分辨率小于800×600。
所述的傅立叶变换全息存储的4f光学系统的孔径大于或等于扩束滤波系统2输出光束的直径，第一傅立叶透镜4和第二傅立叶透镜6是相对孔径为0.5的标准傅立叶变换透镜。
所述的CCD摄像机7的象素大小及分辨率与空间光调制器3的相同。
利用上述的单光束数字化全息光盘读写装置进行记录和读出的方法，包括下列具体工作步骤：
①计算机8开启激光器1，激光器1发出的光束经扩束滤波系统2扩束滤波，调整扩束后光束的直径，使扩束后的光束面积大于空间光调制器3的有效透光面积，且剩余部分的透光强度与空间光调制器3的透光强度尽可能接近1∶1；
②计算机8将数字化的编码信息显示在空间光调制器3上，经扩束的光束垂直投射于空间光调制器3所在的平面，其中通过空间光调制器3的光束部分，受到数字信号的调制成为全息记录的物光，而不通过空间光调制器3的部分光束为数字化全息记录的参考光，上下调整空间光调制器3使其位于光束所成光斑的下部；
③计算机8控制数字化全息光盘5，使上述参考光和物光经傅立叶透镜4汇聚于数字化全息光盘5的记录位置，两束光在光盘介质中干涉，形成傅立叶变换全息图，以实现数字化全息记录；
④读出时，计算机8关闭空间光调制器3，使其完全不透光，用原记录过程的参考光汇聚投射在数字化全息光盘5的记录位置，该参考光将记录的物光页面再现在CCD摄像机7的感光面上，该信息通过CCD摄像机7送回计算机8进行解码，实现数字全息存储信息的读出。
下面给出几个实施例的重要参数：
实施例1
扩束滤波系统：输出平面光波光束直径50mm，滤波小孔直径50μm。空间光调制器：对比度400∶1，象素大小32μm，分辨率800×600。傅立叶透镜：孔径50mm，焦距f＝100mm。两个傅立叶透镜参数相同。
全息光盘：以玻璃为盘基的光致聚合物厚膜。CCD摄像机：参数与空间光调制器相同。
按照发明内容中所说的方法，可以构成数字全息光盘的读写装置，每个全息图存储480Kb信息。
实施例2
扩束滤波系统：输出平面光波光束直径30mm，滤波小孔直径20μm。空间光调制器：对比度800∶1，象素大小20μm，分辨率400×400。
傅立叶透镜：孔径30mm，焦距f＝60mm。两个傅立叶透镜参数相同。全息光盘：以玻璃为盘基的光致聚合物厚膜。CCD摄像机：参数与空间光调制器相同。
按照发明内容中所说的方法，可以构成数字全息光盘的读写装置，每个全息图存储160Kb信息。
实施例3
扩束滤波系统：输出平面光波光束直径50mm，滤波小孔直径20μm。空间光调制器：对比度400∶1，象素大小20μm，分辨率800×600。傅立叶透镜：孔径50mm，焦距f＝100mm。两个傅立叶透镜参数相同。全息光盘：以玻璃为盘基的光致聚合物厚膜。CCD摄像机：参数与空间光调制器相同。
按照发明内容中所说的方法，可以构成数字全息光盘的读写装置，每个全息图存储480Kb信息。
实施例4
扩束滤波系统：输出平面光波光束直径30mm，滤波小孔直径50μm。空间光调制器：对比度800∶1，象素大小20μm，分辨率400×400。傅立叶透镜：孔径30mm，焦距f＝60mm。两个傅立叶透镜参数相同。
全息光盘：以玻璃为盘基的光致聚合物厚膜。
CCD摄像机：参数与空间光调制器相同。
按照发明内容中所说的方法，可以构成数字全息光盘的读写装置，每个全息图存储160Kb信息。
实施例5
扩束滤波系统：输出平面光波光束直径50mm，滤波小孔直径30μm。空间光调制器：对比度400∶1，象素大小32μm，分辨率800×600。傅立叶透镜：孔径50mm，焦距f＝100mm。两个傅立叶透镜参数相同。
全息光盘：以玻璃为盘基的光致聚合物厚膜。
CCD摄像机：参数与空间光调制器相同。
按照发明内容中所说的方法，可以构成数字全息光盘的读写装置，每个全息图存储480Kb信息。