專利名稱：全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的制作方法
技術領域：
全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭屬于光存儲技術領域。
背景技術：
光全息存儲器作為一種新型的高密度光存儲系統，由于其存儲容量大、高冗余度、快的數據傳輸速率和存取時間短等各項優點，正在引起研究領域人們的極大關注。目前由于固體激光器、高分辨率空間光調制器以及高分辨率高速光電探測器等的相關技術的成熟，使高密度光全息存儲越來越向實用化方向發展。光全息信息存儲根據不同情況和需要，有菲涅爾全息、像面全息和傅立葉變換全息等存儲方法，而其中的傅立葉變換全息圖具有空間位移不變性，使其在空間復用存儲中占有優勢。
全息光盤存儲器是一種采用盤式存儲介質的光全息存儲器，作為全息光盤存儲器的激光讀寫的鏡頭由特殊設計的傅立葉變換透鏡組和參考光透鏡組成，將兩個傅立葉透鏡進行串聯組成4f系統來完成信息的處理，是對輸入信息進行傅立葉變換運算處理的核心工具。經過空間光調制器(SLM)調制后的物光信息經過一個傅立葉變換鏡頭后與來自參考鏡頭的參考光干涉形成全息圖，存儲在位于傅立葉鏡頭組間的某個位置上的全息存儲介質中。讀出時，以參考光通過參考光鏡頭照射在全息光盤的存儲介質上，存儲介質中的信息經過第二個傅立葉鏡頭還原成SLM的物光信息，成像到面陣光電耦合器件上，實現的數據的讀出。
圖1是全息光盤存儲器中讀寫鏡頭的工作原理圖。用平行光照射置于透鏡前焦面上的空間光調制器(SLM)1，又稱為組頁器，它將待存儲的信息呈現為光學圖像，透過傅立葉變換透鏡FTL12，在其后焦面附近安放全息光盤4，經過參考光鏡頭7引入另一參考光束3，形成干涉的全息圖，此干涉的全息圖在一定光強度下，可以被全息光盤記錄下來。用原參考光照明全息光盤中的全息圖，通過傅立葉變換鏡頭FTL25作傅立葉逆變換，便可在其后焦面平面上再現原存儲的信息，形成圖像，在此位置放置面陣光電耦合器件6，如CCD器件或COMS器件等，就可以實現存儲信息的讀出。
目前通用的傅立葉變換透鏡組都是以兩個光學參數一致的傅立葉變換鏡頭以對稱結構形式串聯，全息光盤位于兩個鏡頭之間，參考光鏡頭僅采用一個單鏡片的正透鏡。其缺點一是由于兩個傅立葉鏡頭的焦距一樣，其放大率為1，這樣對于像素尺寸比不為1∶1的空間光調制器和面陣光電耦合器件，不能夠實現它們的每一個像素都相匹配，限制了存儲信息的讀出速度，增大了數據的誤碼率。缺點二是由于傳統的傅立葉變換透鏡并不是針對全息存儲器所設計，不但焦距長，體積大，而且像差也沒有得到足夠的修正，使存儲信息的誤碼率達不到數據存儲的要求。缺點三是參考光沒有專門針對全息存儲所設計的消像差參考光鏡頭，當參考光的光軸與存儲介質表面法線有微小角度誤差時，會使含有未校正像差的參考光斑在存儲介質中的光斑形狀不規則，光能量分布不均勻，造成存儲在介質中的干涉全息圖像照度不均勻，使數據的誤碼率難以控制。另外沒有專門針對三維數字全息存儲器設計的短焦距，大孔徑的參考光鏡頭，達不到三維存儲器存儲的高密度目的。
發明內容
本發明為了解決上述提出的全息光盤存儲器空間光調制器和面陣光電耦合器件像素匹配問題，以及參考光斑質量差和實用化等問題，提出了一種基于傅立葉變換全息圖的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭。
本發明所設計的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，具體結構參見圖2～3。本發明包括傅立葉變換鏡頭(FTL1)2和傅立葉變換鏡頭(FTL2)5兩個鏡頭以及參考光鏡頭7，傅立葉變換鏡頭2和傅立葉變換鏡頭5串聯，全息光盤位于兩個傅立葉變換鏡頭之間，存儲介質可以垂直傅立葉變換鏡頭2的光軸或者以與之夾角30°～60°放置在傅立葉變換鏡頭2和傅立葉變換鏡頭5之間，參考光鏡頭7與傅立葉變換鏡頭光軸成一定角度放置，夾角在30°～150°，并且這三個鏡頭的光軸均在同一平面內，參見圖2。
本發明中的傅立葉變換鏡頭組采用非對稱型結構。兩個傅立葉變換鏡頭的焦距比等于空間光調制器和面陣光電耦合器件的像素尺寸大小比，兩個傅立葉變換鏡頭有多種不同焦距的組合。
傅立葉變換鏡頭2和5前后串聯，在2和5之間加入全息光盤的存儲介質后，全息光盤的的存儲介質表面法線與傅立葉變換鏡頭2垂直的時候，鏡頭5與鏡頭2的光軸共軸。當全息光盤的的存儲介質表面法線與傅立葉變換鏡頭2有一定夾角的時候，由于存儲介質對來自鏡頭2的信息光有偏折作用，使信息光束的光軸產生一定的平行平移，本發明設計的鏡頭5與鏡頭2不共軸，二者光軸位于同一平面且平行，兩個光軸偏移量和偏移方向等于由于全息光盤存儲介質對信息光束的光軸折射產生的偏移量和方向，可以保證光路的實際同軸性與像差要求，2和5的光軸偏移量根據全息光盤和傅立葉變換鏡頭2的夾角以及存儲介質厚度遞增，范圍為1～6mm。
傅立葉變換鏡頭2由四組四片組成第一組是具有正光焦度的第一片單片雙凸透鏡12，第二組是具有負光焦度的第二片彎月透鏡13，第三組是具有負光焦度三片厚雙凹透鏡14，第四組是具有正光焦度的第四片薄雙凸透鏡15。該鏡頭有效焦距范圍在100mm～150mm之間，相對孔徑在1/5～1/2.5之間。
傅立葉變換鏡頭2后面設計有一個錐形套作為濾波器，把空間光調制器經過2變換后產生的頻譜面上的其余級次的譜濾除，只保留衍射強度最大零級譜26，可以去除衍射各級光對存儲圖像的干擾，本發明根據零級譜面26的大小來確定錐型套濾波器光闌的通光孔徑。空間光調制器的正方形單個像素邊長為b，工作波長為λ，f為傅立葉變換鏡頭FTL1的后焦距9，零級譜面大小為w=2λfb2·]]>并且由傅立葉變換鏡頭FTL1的后焦距9和此鏡頭的最后一片透鏡15的直徑來作為錐型的濾波器的錐高和錐底直徑。錐型套內表面做不反光處理，參見圖2和圖3。
傅立葉變換鏡頭5由三組四片組成，第一組是FTL2的第一片具有負光焦度單片彎月透鏡，第二組是FTL2的中間具有正光焦度單片雙凸透鏡，第三組為具有正光焦度的雙膠合透鏡。其有效焦距范圍在40mm～80mm之間，相對孔徑在1/6～1/3之間。
傅立葉變換鏡頭2和5的組合后的波像差小于λ/4，調制傳遞函數MTF在401p/mms時，全視場內大于0.5，最大畸變小于0.012％，球差小于0.2mm。2和5中間前后的有效工作焦距，滿足SLM和CCD以及全息存儲介質的安裝和工作空間，可以實現空間光調制器和面陣光電耦合器件件像素的1∶1匹配。
參考光鏡頭7由三組三片組成，第一組為具有正光焦度的單凸透鏡，第二組為具有負光焦度單片雙凹透鏡，第三組為具有正光焦度雙凸正透鏡。數值孔徑0.28～0.4。最后一片透鏡口徑在40mm～80mm之間。參考光是將經過擴束準直的光束會聚，得到消像差得圓形光斑。使光斑能量分布均勻，提高圖像質量。
本發明中以上所述所有鏡片的均為球面透鏡，并且透鏡加工中心偏差均小于0.005mm，中心厚度誤差小于0.02，曲率誤差小于兩個光圈。
本鏡頭的可用于FTL1焦距在100mm～150mm之間，FTL2焦距在40mm～75mm之間，工作波長532nm的全息光盤存儲器激光讀寫。兩個傅立葉變換鏡頭采用非對稱結構，焦距不相同，可以按照空間光調制器與面陣光電耦合器件的像素尺寸匹配鏡頭組合的放大率，進行消像差和畸變設計，能夠實現全息光盤存儲器的像素匹配要求，達到快速讀取，降低誤碼率的目的。與之相配合設計的參考光鏡頭可以滿足參考光的光軸與存儲介質表面法線有微小角度誤差時，參考光在存儲介質中的光斑形狀規則，光能量分布均勻，存儲在介質中的干涉全息圖像照度均勻，降低誤碼率。另外短焦距，大孔徑的參考光鏡頭，可以提高全息光盤存儲器的存儲密度。
圖1全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的工作原理圖；1.空間光調制器 2.傅立葉變換鏡頭FTL13.參考光 4.存儲介質 5.傅立葉變換鏡頭FTL26.面陣光電耦合器件 7.參考光鏡頭 8.FTL1的前工作焦距 9.FTL1的后工作焦距 10.FTL2的前工作焦距 11.FTL2的后工作焦距圖2全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的光學結構圖；12.FTL1的第一片雙凸透鏡 13.FTL1的第二片彎月透鏡 14.FTL1的第三片厚雙凹透鏡 15.FTL1的第四片薄雙凸透鏡 16.FTL2的雙膠合透鏡 17.FTL2的第二片正光焦度雙凸透鏡 18.FTL2的第一片負光焦度單片彎月透鏡19.參考光第三片正光焦度雙凸正透鏡 20.參考光第二片負光焦度單片雙凹透鏡 21.參考光第一片正光焦度的單凸透鏡 22.圓錐型濾波器圖3傅立葉變換鏡頭FTL1與零級譜面計算關系；23.λ/b 24.b 25.w。
具體實施例方式
實施例1根據發明中的原理和方法，設計一個全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭。其中，在532nm的波長條件下，傅立葉變換鏡頭FTL1焦距為100mm，傅立葉變換鏡頭FTL2焦距為40mm。可以滿足空間光調制器像素與面陣光電耦合器件像素尺寸比為5∶2的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的像素匹配要求。光學結構如圖2所示，傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2以FTL1的第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1，共有16個面。
1.傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2有關參數如下
FTL1和FTL2組合后，調制傳遞函數MTF在401p/mms時，全視場內大于0.6，畸變小于0.01％。
2.參考光鏡頭在532nm的波長條件下，該參考光鏡頭焦距為數值孔徑N.A.＝0.3。以參考光鏡頭第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1，共有六個面。有關參數如下
實施例2根據發明中的原理和方法，設計一個全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭。其中，在532nm的波長條件下，傅立葉變換鏡頭FTL1焦距為130mm，傅立葉變換鏡頭FTL2焦距為60mm。可以滿足空間光調制器像素與面陣光電耦合器件像素尺寸比為13∶6的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的像素匹配要求。光學結構如圖2所示，傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2以FTL1的第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1，共有16個面。
1.傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2的有關參數如下
FTL1和FTL2組合后，調制傳遞函數MTF在401p/mms時，全視場內大于0.6，畸變小于0.01％。
2.參考光鏡頭在532nm的波長條件下，該參考光鏡頭焦距為數值孔徑N.A.＝0.3。以參考光鏡頭第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1，共有六個面。有關參數如下
實施例3根據發明中的原理和方法，設計一個全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭。其中，在532nm的波長條件下，傅立葉變換鏡頭FTL1焦距為150mm，傅立葉變換鏡頭FTL2焦距為75mm。可以滿足空間光調制器像素與面陣光電耦合器件像素尺寸比為2∶1的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭的像素匹配要求。光學結構如圖2所示，傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2以FTL1的第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1，共有16個面。
1.傅立葉變換透鏡組FTL1和FTL2的有關參數如下
FTL1和FTL2組合后，調制傳遞函數MTF在401p/mms時，全視場內大于0.5，畸變小于0.012％。
2.參考光鏡頭在532nm的波長條件下，該參考光鏡頭焦距為數值孔徑N.A.＝0.3。以參考光鏡頭第一組的第一個透鏡表面作為透鏡表面編號1。有關參數如下
注以上所述玻璃均為中國玻璃庫GB903-8權利要求
1.全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，包括傅立葉變換鏡頭(2)和傅立葉變換鏡頭(5)以及參考光鏡頭(7)，傅立葉變換鏡頭(2)和傅立葉變換鏡頭(5)串聯并位于存儲介質(4)的兩側，其特征在于存儲介質(4)垂直傅立葉變換鏡頭(2)的光軸或者以與之夾角30°～60°放置在傅立葉變換鏡頭(2)和傅立葉變換鏡頭(5)之間，參考光鏡頭(7)與傅立葉變換鏡頭(2)光軸夾角在35°～150°，并且這三個鏡頭的光軸均在同一平面內；傅立葉變換鏡頭組采用非對稱型結構兩個傅立葉變換鏡頭的焦距比等于空間光調制器和面陣光電耦合器件的像素尺寸大小比；存儲介質垂直放置在傅立葉變換鏡頭(2)和傅立葉變換鏡頭(5)之間時，傅立葉變換鏡頭(5)與傅立葉變換鏡頭(2)共軸；存儲介質以一定夾角放置在傅立葉變換鏡頭(2)和傅立葉變換鏡頭(5)之間時，傅立葉變換鏡頭(5)與傅立葉變換鏡頭(2)不共軸，二者光軸位于同一平面且平行，兩個光軸偏移量和偏移方向等于由于全息光盤存儲介質(4)對信息光束的光軸折射產生的偏移量和方向，傅立葉變換鏡頭(2)和(5)的光軸偏移量根據存儲介質和傅立葉變換鏡頭(2)的夾角以及存儲介質厚度遞增，范圍為1～6mm。
2.根據權利要求1所述的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，其特征在于傅立葉變換鏡頭(2)由四組四片組成第一組是具有正光焦度的第一片單片雙凸透鏡(12)，第二組是具有負光焦度的第二片彎月透鏡(13)，第三組是具有負光焦度三片厚雙凹透鏡(14)，第四組是具有正光焦度的第四片薄雙凸透鏡(15)；該鏡頭有效焦距范圍在100mm～150mm之間，相對孔徑在1/5～1/2.5之間；傅立葉變換鏡頭(5)由三組四片組成，第一組是FTL2的第一片具有負光焦度單片彎月透鏡(18)，第二組是FTL2的中間具有正光焦度單片雙凸透鏡(17)，第三組為具有正光焦度的雙膠合透鏡(16)；其有效焦距范圍在40mm～80mm之間，相對孔徑在1/6～1/3之間。
3.根據權利要求1或2所述的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，其特征在于傅立葉變換鏡頭(2)和(5)組合放大率等于空間光調制器和面陣光電耦合器件的像素尺寸大小比，傅立葉變換鏡頭(2)和(5)組合畸變小于0.012％，放大率和畸變能實現空間光調制器和面陣光電耦合器件的像素1∶1匹配。
4.根據權利要求1所述的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，其特征在于參考光鏡頭(7)由三組三片組成，第一組為具有正光焦度的單凸透鏡(21)，第二組為具有負光焦度單片雙凹透鏡(20)，第三組為具有正光焦度雙凸正透鏡(19)；數值孔徑0.28～0.4；最后一片透鏡(19)口徑在40mm～80mm之間。
5.根據權利要求1或2所述的全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭，其特征在于傅立葉變換鏡頭(2)后設置有一個作為濾波器的錐形套，由傅立葉變換鏡頭(2)的后工作焦距(9)和此鏡頭的第四片薄雙凸透鏡(15)的直徑分別來作為錐型的濾波器的錐高和錐底直徑，光闌的對角線長度或直徑等于零級譜面(25)的對角線長度或直徑；錐型套內表面為不反光表面。
全文摘要
全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭屬于光存儲技術領域。本發明中的兩個傅立葉變換鏡頭組采用非對稱型結構進行串聯，按照空間光調制器與面陣光電耦合器件的像素尺寸匹配鏡頭組放大率，進行消像差和畸變設計。消像差參考光鏡頭與傅立葉變換鏡頭的光軸有一定夾角，兩個傅立葉變換鏡頭和參考光鏡頭形成三鏡頭組合式全息光盤存儲器的激光讀寫鏡頭。本發明能夠完成物光和參考光不共軸的全息光盤存儲器的數據寫入和讀出，并且實現全息光盤存儲器的空間光調制器與面陣光電探測器的像素匹配要求，達到快速讀取，降低誤碼率的目的。
文檔編號G11B7/1372GK1758348SQ200510098338
公開日2006年4月12日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年9月9日
發明者王也, 陶世荃, 萬玉紅, 王大勇, 江竹青, 劉長江 申請人:北京工業大學