小型化球面波体全息存储系统 (一)技术领域
本发明涉及全息技术，具体说就是一种小型化球面波体全息存储系统。
(二)背景技术
全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体强度和相位信息的技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此为存储过程：一束激光经过物体或信息页面调制后形成物光束；另一束激光作为参考光束入射到存储材料上和物光束叠加产生干涉，把物光束上的振幅和位相信息转换成在空间上调制的强度，从而利用干涉条纹的形式将物光束的全部信息记录下来。记录的干涉条纹便成为一张全息图；其第二步是利用衍射原理再现物光束的信息，这是成像过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在原参考光照射下，原物光方向即可再现物光束的振幅和位相信息。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。
在体全息存储系统实用化过程中，如何减小整个全息存储系统的体积，使系统集成化，并且具有较高的存储容量，是体全息系统实用化的关键问题之一。
美国加州理工学院的Drolet等人设计了一种小型化相位共轭全息存储器，利用参考光的相位共轭光再现全息图。该系统因为需要很少的成像器件而使系统非常紧凑。然而，由于相位共轭器在达到相当的反射率之前需要相对长的响应时间，这就大大降低了存取数据率，而且响应快的相位共轭器的反射率较低。因此，该系统需要响应速度快且反射率较高的相位共轭器，要做到这点比较困难，不易实现实用化。另外，此系统还有读写转换与复用不易实现的缺陷，而且对探测阵列与SLM对准的要求也比较严格。
加利福尼亚的喷气推进实验室(JPL)设计了一种小型化体全息存储器，该系统的体积为241mm×165mm×63mm，系统所用的光束扫描器是由液晶光阀改进而来，因而成本较高，而且目前这种光束扫描器的技术尚未成熟，要使这种系统达到实用化的目的还需要对这种利用液晶光阀来实现复用的扫描器作更深入的研究，并在实用化的基础上降低成本。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可进行复用存储、结构紧凑、实用的小型化球面波体全息存储系统。
本发明的目的是这样实现的：它是由光束滤波模块和相干记录模块组成的，光束滤波模块光学连接相干记录模块。
本发明还有以下技术特征：
(1)所述的光束滤波模块包括激光器、空间滤波器和准直透镜，激光器发出的光束经过空间滤波器后成为发散光，通过准直透镜变为平行光束，空间滤波器和准直透镜之间的距离等于准直透镜的焦距。
(2)所述的相干记录模块包括分光比用半波片、偏振分光棱镜、物光束棱镜、空间光调制器、半波片、物光汇聚透镜、参考光汇聚透镜、参考光束棱镜、反射镜、存储材料和平移台与转台，平行光经过分光比用半波片后被偏振分光棱镜分为两束，一束光入射到物光束棱镜，在空间光调制器处加载图像，而后经过半波片和物光汇聚透镜成为球面波汇聚光束；另一束光经过参考光汇聚透镜后成为汇聚光束，经参考光束棱镜和反射镜后改变方向，两束光在存储材料内干涉，存储材料放置在平移台与转台上，可改变记录点的位置与角度。
本发明是一种小型化球面波体全息存储系统，所述的透镜包括普通透镜与傅里叶透镜，其中以傅里叶透镜为佳。由于反射式空间光调制器产生90度位相延迟，为使反射光的偏振态与入射光相同，则系统中还包括半波片，用以改变位相和调节分束比。此外，全息图的记录方式可采用透射式、邻面入射式或反射式。该系统与前面所介绍的JPL实验室研究的体全息存储系统相比，没有用到任何特殊的装置来实现同体积复用，只需要平移台与转台即可实现复用技术，系统结构简单，成本低。与单光束全息存储系统相比，此系统充分利用了存储介质的体积，可以实现高密度多重存储。理论上，根据分光棱镜的最小尺寸，保证傅里叶透镜直径与焦距的比值足够大，这个系统的体积比JPL研究的小型化体全息存储系统的体积要小很多。
(四)附图说明
图1为本发明地光束滤波模块结构示意图；
图2为本发明的相干记录模块结构示意图；
图3为本发明的双层结构的全息存储系统结构示意图；
图4为本发明的不同角间隔下的系统再现图像效果图；
图5为本发明的单点存储100幅图像时的部分再现图像效果图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1、图2，本发明是一种小型化球面波体全息存储系统，它是由光束滤波模块(1)和相干记录模块(2)组成的，光束滤波模块(1)光学连接相干记录模块(2)。
本发明还有以下技术特征：
所述的光束滤波模块(1)包括激光器(3)、空间滤波器(4)和准直透镜(5)，激光器(3)发出的光束经过空间滤波器(4)后成为发散光，通过准直透镜(5)变为平行光束，空间滤波器(4)和准直透镜(5)之间的距离等于准直透镜(5)的焦距。
所述的相干记录模块(2)包括分光比用半波片(6)、偏振分光棱镜(7)、物光束棱镜(8)、空间光调制器(9)、半波片(10)、物光汇聚透镜(11)、参考光汇聚透镜(12)、参考光束棱镜(13)、反射镜(14)、存储材料(15)和平移台与转台(16)，平行光经过分光比用半波片(6)后被偏振分光棱镜(7)分为两束，一束光入射到物光束棱镜(8)，在空间光调制器(9)处加载图像，而后经过半波片(10)和物光汇聚透镜(11)成为球面波汇聚光束；另一束光经过参考光汇聚透镜(12)后成为汇聚光束，经参考光束棱镜(13)和反射镜(14)后改变方向，两束光在存储材料(15)内干涉，存储材料(15)放置在平移台与转台(16)上，可改变记录点的位置与角度。
实施例2：结合图1、图2、图3，本发明是一种小型化球面波体全息存储系统，所述的激光经准直后成为平行光，利用棱镜、透镜与反射镜组合实现双球面波在存储材料内的干涉，偏振分光棱镜(7)使入射光束分成物光与参考光，物光束棱镜(8)的端面放置空间光调制器(9)，使该光束经物光汇聚透镜(11)聚焦到体块材料内，参考光束棱镜(13)与参考光汇聚透镜(12)及上端的反射镜(14)配合提供参考光。存储材料(15)通过旋转与平移实现图像的复用存储。该系统结构紧凑，且易于实现系统稳定。为了充分利用光源能量，该光学设计采用特定分束比的非偏振分光棱镜，已经有实验研究发现当分束比约为3∶1时(透射光强与反射光强的比值)，全息存储速度最快。本发明的全息存储系统的体积为L1×L2×L3。其中L1略大于棱镜边长的两倍，且棱镜的边长须小于或等于透镜2焦距；L2是非偏振分光棱镜的两倍；L3是系统的高度，不考虑空间光调制器和旋转台的高度时，L3等于分光棱镜的边长。为了使该系统体积最小化，分光棱镜的尺寸应与空间光调制器的尺寸匹配，当透镜的焦距等于分光棱镜的边长(也等于透镜的直径)时，空间光调制器和透镜就能紧密地靠近分光棱镜，从而使系统更加紧凑。目前采用商业化器件，可以实现体积为38mm×25.4mm×12.7mm的存储模块。
考虑到激光器、准直器件与转台、平移台的尺寸，实际应用中的存储系统可采用双层结构，下层可放置激光器与空间滤波器，经反射至上层后由透镜准直，同时转台与平移台的控制部件放置在下层也具有足够的空间。系统的整体尺寸可根据各组成器件的尺寸确定。
本发明中的透镜包括普通透镜与傅里叶透镜，其中以傅里叶透镜为佳。由于反射式空间光调制器产生90度位相延迟，为使反射光的偏振态与入射光相同，则系统中还包括半波片，用以改变位相和调节分束比。此外，全息图的记录方式可采用透射式、邻面入射式或反射式。该系统与前面所介绍的JPL实验室研究的体全息存储系统相比，没有用到任何特殊的装置来实现同体积复用，只需要一个电动平移台即可实现复用技术，系统结构简单，成本低。与单光束全息存储系统相比，此系统充分利用了存储介质的体积，可以实现高密度多重存储。理论上，根据分光棱镜的最小尺寸，保证傅里叶透镜直径与焦距的比值足够大，这个系统的体积比JPL研究的小型化体全息存储系统的体积要小很多。
实施例3：结合图4、图5，应用本发明一种小型化球面波体全息存储系统得到的部分实验结果：
应用厚度为2.62mm的Zn(2.0mol.％):Fe(0.03wt.％):LiNbO3晶体，测量了该系统在旋转复用的角度选择性。实验步骤如下：
第一步，选取二值化图像“肤”的左偏旁和右偏旁分别为输入图像，在空间光调制器上两个偏旁所处的位置是左右分离的，当记录完左偏旁“月”后使晶体旋转一个比较小的角度Δθ再记录右偏旁“夫”。
第二步，使晶体角度位置不改变，再现全息图。如果所再现的全息图有串扰，则增大晶体旋转的角度再重复第一步实验。以此类推，当所再现的全息图没有串扰时，晶体所旋转的角度则认为是能够分开串扰的最小角度间隔。
图4为得到的实验结果，从图中可以看出，当Δθ＝0.175°时，所再现的全息图中已没有串扰。因此该系统的选择角为0.175°。在得到晶体的选择角后，进一步实验研究旋转晶体时，满足同体积复用的角度范围。由于片状晶体的厚度较薄，当晶体旋转时，两束光在晶体中的交点的偏移量是可以忽略的，只需要保证这个交点在旋转轴上即可。在实验系统中，参考光与物光的夹角为90°，片状晶体可以旋转的最大角度范围为90度。当物光与参考光从晶体的一个表面入射时，晶体可以旋转的角度范围为45度，当晶体旋转180度后两束光从晶体的另一个表面入射，同样可以旋转45度角度复用。则晶体单点存储可以利用的旋转范围为90度。考虑存储全息图时可以分开串扰的最小角间隔0.175度，那么晶体单点可以存储500幅全息图。我们在实验中实现了单点存储100幅二值化图像，其中第1、30、60、90和第100幅再现全息图如图5所示。