ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МИКРОГОЛОГРАММ Российский патент 2013 года по МПК G03H1/04 

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. Важной характеристикой таких устройств записи является общий объем оптической части устройства.

Существуют 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 представляется наиболее перспективным, поскольку позволяет восстанавливать полно цветное 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.

Из уровня техники известно техническое решение, описанное в патенте США №6330088 [1] и касающееся способа и устройства для одношаговой записи полноцветных, полнопараллаксных стереограмм. Указанное решение (см. Фиг.1) предполагает наличие 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.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в заявке на патент США №2008/0151340 [2] и касающееся конструкции голографического принтера. Указанное решение (см. Фиг.2) предполагает наличие 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.

Оба вышеуказанных решения содержат большое количество разнообразных оптических элементов, разделенных воздушными промежутками, причем, взаимное расположение всех этих элементов неблагоприятно сказывается на работоспособности всего устройства. Таким образом, обычно данные конструкции имеют два главных недостатка: 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. Конструкция [2] выбрана в качестве прототипа заявляемого технического решения.

Задачей настоящего изобретения является преодоление вышеописанных недостатков известных решений за счет сокращения большого числа отдельных оптических элементов и специализированных конструкций, предназначенных для контроля и корректировки расположения таких оптических элементов, добиваясь, таким образом, компактности оптической части записывающего устройства.

Технический результат достигается за счет использования голографических оптических элементов и Фурье преобразующих оптических элементов, что позволяет упростить конструкции и уменьшить геометрические размеры оптического устройства записи микроголограмм. При этом предлагаются два варианта конструкции интегрального оптического устройства записи и воспроизведения микроголограмм.

В первом варианте предлагается использовать интегральное оптическое устройство записи и воспроизведения микроголограмм, состоящее из лазерного источника света, оптического устройства, выполненного с возможностью разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптического устройства, выполненного с возможностью расширения сигнального пучка, пространственного модулятора света, Фурье преобразующей оптической системы, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, отличающееся тем, что включает в себя:

- по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения;

- систему формирования сигнального пучка, содержащую, по меньшей мере, один оптический элемент, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент, выполненный с возможностью разделения исходного пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент, выполненный с возможностью преобразования сигнального пучка, по меньшей мере, один голографический Фурье преобразующий оптический элемент, выполненный с возможностью преобразования модулированного сигнального пучка, и, по меньшей мере, один вспомогательный голографический элемент, выполненный с возможностью преобразования вышедшего из пространственного модулятора света, с другой стороны которого расположен, по меньшей мере, один, интегрированный электрооптический пространственный модулятор света;

- систему формирования опорного пучка, выполняющую функцию оптической линии задержки опорного пучка и содержащую элемент формирования опорного пучка, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один голографический элемент, выполненный с возможностью преобразования падающего на него опорного пучка, по меньшей мере, один вспомогательный голографический элемент, выполненный с возможностью придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной области светочувствительного материала детерминированного светового поля, необходимого для записи микроголограмм;

- 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;

- устройство электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света и системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации.

В заявляемом устройстве указанный комбинированный голографический элемент выполнен 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.

В заявляемом устройстве указанный осветительный голографический элемент преобразования падающего на него сигнального пучка выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости сигнального пучка в плоскости пространственного модулятора света.

В заявляемом устройстве указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой, по меньшей мере, двухкоординатный оптический пространственный модулятор света, выполненный с возможностью модулирования фазы и амплитуды сигнального пучка записываемым волновым фронтом.

В заявляемом устройстве указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой отражательный пространственный модулятор света.

В заявляемом устройстве указанный вспомогательный голографический элемент преобразования вышедшего из пространственного модулятора света может быть выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости в плоскости Фурье преобразующего оптического элемента.

Допустимо, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент был выполнен с возможностью изменения кривизны волнового фронта и выполнения полного или частичного Фурье преобразования падающего на него модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала.

Допустимо также, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представлял собой голографическую Фурье преобразующую линзу, записанную с применением полного внутреннего отражения на границе оптического волновода и выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

Допустимо также, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий элемент представлял собой осевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

Кроме того, допустимо, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представлял собой неосевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала и изменяющую направление распространения фокусированного сигнального пучка для интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

Имеет смысл, чтобы в заявляемом устройстве указанная голографическая Фурье преобразующая линза была выполнена с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости записи микроголограмм изображение Фурье спектра входного сигнала одновременно с Фурье преобразованием виртуальной фазовой маски.

Также имеет смысл, чтобы при реализации заявляемого варианта устройства система формирования сигнального пучка была выполнена в виде единого монолитного оптически прозрачного планарного волновода с прочно закрепленными на его поверхности и в глубине указанными оптическими и электронными элементами, выполняющими совокупно преобразование сигнального пучка для записи микроголограмм.

Согласно одной из реализаций заявляемого устройства голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполняется с возможностью одновременной фильтрации неиспользуемой составляющей поляризации сигнальных световых пучков.

Целесообразно также, чтобы лазерный источник когерентного излучения был выполнен интегрированно с оптическим волноводом.

Также для решения вышеупомянутой задачи предлагается второй вариант конструкции интегрального оптического устройства записи и воспроизведения микроголограмм, состоящего из лазерного источника света, оптического устройства разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптического устройства расширения сигнального пучка, пространственного модулятора света, Фурье преобразующей оптической системы, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, при этом такая конструкция отличается тем, что включает в себя:

- по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения;

- систему формирования сигнального пучка, содержащую:

- по меньшей мере, один основной оптический элемент формирования сигнального пучка, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент разделения исходного пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент преобразования сигнального пучка;

- по меньшей мере, один дополнительный оптический элемент для формирования сигнального пучка, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один голографический Фурье преобразующий оптический элемент, выполненный с возможностью преобразования модулированного сигнального пучка; и,

- по меньшей мере, один пространственный оптический модулятор света, расположенный между основным и дополнительным элементами формирования сигнального пучка;

- систему формирования опорного пучка, выполняющую функцию оптической линии задержки опорного пучка;

- светочувствительный материал, выполненный с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков;

- систему механического позиционирования, выполненную с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала и остальных элементов устройства;

- устройство электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света и системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации.

В заявляемом втором варианте устройства система формирования опорного пучка содержит элемент формирования опорного пучка, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один голографический элемент преобразования падающего на него опорного пучка, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной области светочувствительного материала детерминированного светового поля, необходимого для записи микроголограмм.

В заявляемом устройстве указанный комбинированный голографический элемент выполнен 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.

В заявляемом устройстве указанный осветительный голографический элемент преобразования падающего на него сигнального пучка выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости сигнального пучка в плоскости пространственного модулятора света.

В заявляемом устройстве указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой, по меньшей мере, двухкоординатный оптический пространственный модулятор света, выполненный с возможностью модулирования фазы и амплитуды сигнального пучка записываемым волновым фронтом.

В заявляемом устройстве указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой просветный пространственный модулятор света.

Согласно одной из реализаций второго варианта устройства указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполнен с возможностью изменения кривизны волнового фронта и выполнения полного или частичного Фурье преобразования падающего на него модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала.

Допустимо, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представлял собой голографическую Фурье преобразующую линзу, записанную с применением полного внутреннего отражения на границе оптического волновода и выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

Допустимо также, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий элемент представлял собой осевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

Согласно другой реализации заявляемого устройства указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представляет собой неосевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала и изменяющую направление распространения фокусированного сигнального пучка для интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

В заявляемом устройстве указанная голографическая Фурье преобразующая линза может быть также выполнена с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости записи микроголограмм изображение Фурье спектра входного сигнала одновременно с Фурье преобразованием виртуальной фазовой маски.

Представляется целесообразным, чтобы указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполнялся с возможностью одновременной фильтрации неиспользуемой составляющей поляризации сигнальных световых пучков.

Имеет также смысл, чтобы лазерный источник когерентного излучения выполнялся интегрированно с оптическим волноводом.

Основными преимуществами заявляемого изобретения по сравнению с прототипом и другими аналогами являются:

- Возможность значительного уменьшения количества отдельных элементов.

- Использование планарных интегрированных оптических элементов.

- Жесткая конструкция всего устройства.

- Плоский дизайн всего устройства.

Новизна предложенного изобретения заключается в использовании интегральных оптических элементов, каждый из которых представляет собой единый неюстируемый оптический элемент, заменяющий собой большое количество отдельно расположенных и снабженных 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 элементов обеспечивает жесткость всей конструкции устройства.

Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов, на которых представлены:

Фиг.1 - известное из уровня техники решение [1].

Фиг.2 - известное из уровня техники решение [2].

Фиг.3 - принципиальная схема заявляемого устройства для записи микроголограмм.

Элементы:

2 - Лазерный источник

5.1 - Пространственный (отражательный) модулятор света

9 - Светочувствительный материал

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

14 - Вспомогательный осветительный голографический элемент

15 - Голографический Фурье преобразующий элемент

16 - Элемент системы формирования опорного пучка

17 - Голографический элемент системы формирования опорного пучка

18 - Вспомогательный голографический элемент системы формирования опорного пучка.

Фиг.4 - схема сигнальной ветви устройства для записи микроголограмм с внеосевым голографическим Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

6.1 - Дифрагированные лучи

6.2 - Недифрагированные лучи

9 - Светочувствительный материал

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

20 - Пространственный (просветный) модулятор света

21 - Блок управления пространственным модулятором света

22 - Вспомогательный элемент системы формирования сигнального пучка

25 - Неосевой голографический Фурье преобразующий элемент

Фиг.5 - схема сигнальной ветви устройства для записи микроголограмм с осевым голографическим Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

6.1 - Дифрагированные лучи

6.2 - Недифрагированные лучи

9 - Светочувствительный материал

5.2 - Пространственный (просветный) модулятор света

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

21 - Блок управления пространственным модулятором света

22 - Вспомогательный элемент системы формирования сигнального пучка

26 - Осевой голографический Фурье преобразующий элемент

Фиг.6 - схема сигнальной ветви устройства для записи микроголограмм с призмой и голографическим Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

6.1 - Дифрагированные лучи

6.2 - Недифрагированные лучи

9 - Светочувствительный материал

5.2 - Пространственный (просветный) модулятор света

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

21 - Блок управления пространственным модулятором света

27 - Осевой голографический Фурье преобразующий элемент

28 - Призма

Фиг.7 - интегральный вариант сигнальной ветви устройства записи микроголограмм с Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

5.1 - Пространственный (отражательный) модулятор света

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

15 - Голографический Фурье преобразующий элемент

21 - Блок управления пространственным модулятором света

Фиг.8 - интегральный вариант (модификация) сигнальной ветви устройства для записи микроголограмм с Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

2 - Интегрированный лазерный источник

5.1 - Пространственный (отражательный) модулятор света

10 - Элемент системы формирования сигнального пучка

11 - Комбинированный голографический элемент

12 - Осветительный голографический элемент

15 - Голографический Фурье преобразующий элемент

Фиг.9 - модификация схемы устройства записи микроголограмм с Фурье преобразующим элементом.

Элементы:

1 - Блок управления и интерфейсов

2 - Лазерный источник

3 - Пространственный модулятор света

4 - Система механического позиционирования светочувствительного материала

6 - Сигнальный пучок

7 - Опорный пучок

9 - Светочувствительный материал.

Фиг.10 - схема записи Фурье преобразующего элемента с призмой.

Элементы:

28 - Призма

27 - Осевой голографический Фурье преобразующий элемент

31 - Лазерный источник

32, 34, 37, 38 - Плоское зеркало

33 - Светоделительный кубик

35, 36, 39 - Линза

Фиг.11 - схема записи внеосевого Фурье преобразующего элемента.

Элементы:

25 - Неосевой голографический Фурье преобразующий элемент

31 - Лазерный источник

32, 34, 37, 38 - Плоское зеркало

33 - Светоделительный кубик

35, 36, 39 - Линза

Фиг.12 - схема записи осевого Фурье преобразующего элемента.

Элементы:

26 - Осевой голографический Фурье преобразующий элемент

31 - Лазерный источник

32, 34, 37, 38, 40 - Плоское зеркало

33 - Светоделительный кубик

35, 36, 39 - Линза

41 - Светоделительная пластина

Принципиальная схема заявляемого по первому варианту интегрального оптического устройства записи микроголограмм состоит из (см. Фиг.3), по меньшей мере, одного лазерного источника 2 когерентного излучения с возможностью временной модуляции потока излучения, системы формирования сигнального пучка, системы формирования опорного пучка, светочувствительного материала 9, системы механического позиционирования, устройства электронного позиционирования. Система формирования сигнального пучка состоит из, по меньшей мере, одного делителя пучка, представляющего собой комбинированный голографический элемент 11, по меньшей мере, одного элемента 10 формирования сигнального пучка, по меньшей мере, одного осветительного голографического элемента 12, по меньшей мере, одного пространственного (отражательного) модулятора 5.1 света, по меньшей мере, одного вспомогательного осветительного голографического элемента 14, по меньшей мере, одного светочувствительного материала 9, по меньшей мере, одного Фурье преобразующего элемента 15 формирования сигнального пучка. Система формирования опорного пучка состоит из, по меньшей мере, одного голографического элемента 17 формирования опорного пучка, по меньшей мере, одного элемента 16 формирования опорного пучка, по меньшей мере, одного вспомогательного голографического элемента 18 формирования опорного пучка и направления его на светочувствительный материал 9.

Каждый элемент 10 формирования сигнального пучка имеет размещенные на его гранях: один комбинированный голографический элемент 11, один осветительный голографический элемент 12, один пространственный (отражательный) модулятор 5.1 света, один вспомогательный осветительный элемент 14, один голографический Фурье преобразующий элемент 15. Указанный комбинированный голографический элемент 11 выполнен с возможностью разделения пучка, выходящего из лазерного источника 2, на сигнальный и опорный пучки с последующим направлением опорного пучка на вход элемента 10 формирования опорного пучка. 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 5.1 света равнояркое световое поле с заданной угловой расходимостью, одинаковой в каждой точке указанного пространственного (отражательного) модулятора 5.1 света. Указанный осветительный голографический элемент 12 выполнен с возможностью пропускания сигнального пучка, промодулированного пространственным (отражательным) модулятором 5.1 света, без искажений.

Вспомогательный осветительный элемент 14 расположен между элементом 10 системы формирования сигнального пучка и пространственным модулятором 5.1 света. Каждый вспомогательный осветительный голографический элемент 14 выполнен с возможностью пропускания сигнального пучка, промодулированного пространственным (отражательным) модулятором 5.1 света, без искажений и направления сигнального пучка через элемент 10 формирования сигнального пучка на голографический Фурье преобразующий элемент 15 таким образом, чтобы он формировал в плоскости осветительного Фурье преобразующего элемента 15 равномерную освещенность, и поперечные размеры преобразованного сигнального пучка в плоскости Фурье преобразующего элемента соответствовали поперечным размерам вспомогательного осветительного голографического элемента.

Каждый голографический Фурье преобразующий элемент 15 выполнен с возможностью совершения преобразования Фурье над модулированным сигнальным пучком с последующей фокусировкой указанного модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного (отражательного) модулятора 5.1 света, в плоскости светочувствительного материала 9 с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 9.

Каждая система 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.

Каждый элемент 16 формирования опорного пучка 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 9. Указанный элемент 16 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 одной из альтернативных реализаций заявляемого устройства каждый элемент формирования опорного пучка 16 снабжен расположенными на его гранях: по меньшей мере, одним голографическим элементом 17 преобразования падающего на него опорного пучка, одним вспомогательным голографическим элементом 18 придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной области светочувствительного материала 9 детерминированного светового поля, необходимого для оптимальной записи микроголограмм.

Каждый светочувствительный материал 9 выполнен с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков.

Принцип действия устройства для записи микроголограмм с использованием Фурье преобразующего оптического элемента и пространственного отражательного модулятора 5.1 света заключается в следующем: исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью комбинированного голографического элемента 11 на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из комбинированного голографического элемента 11 и осветительного голографического элемента 12. После этого расширенный сигнальный пучок модулируется пространственным модулятором 5.1 света в соответствии с записываемым изображением. После отражения от модулятора 5.1 света пучок с помощью вспомогательного осветительного элемента направляется на Фурье преобразующий оптический элемент 15, который фокусирует пучок в плоскости светочувствительного материала 9. Опорный пучок фокусируется на противоположной плоскости светочувствительного материала 9 по отношению к плоскости фокусировки сигнального пучка с помощью голографических элементов 17 и 18, формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.

Согласно одной из возможных реализаций заявляемого устройства сигнальная ветвь устройства записи микроголограмм (см. Фиг.4) включает в себя элемент 10 формирования сигнального пучка и вспомогательный элемент 22 формирования сигнального пучка. На гранях 10 элемента формирования сигнального пучка расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент 11 формирования сигнального пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент 12, по меньшей мере, один пространственный (просветный) модулятор 5.2 света.

Блок 21 управления пространственным модулятором света, выполненный на основе микроконтроллеров, предназначен для управления питанием фазового модулятора 5.2 света, синхронизации с внешними устройствами, формирования последовательности изображений для вывода на фазовом модуляторе.

На поверхности вспомогательного элемента 22 формирования сигнального пучка расположен голографический Фурье преобразующий оптический элемент 25, представляющий собой неосевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала 9 и изменяющую направление распространения фокусированного сигнального пучка для указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 9.

Принцип действия устройства записи микроголограмм с использованием неосевого Фурье преобразующего оптического элемента 25 и пространственного просветного модулятора 5.2 света заключается в следующем. Исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью комбинированного элемента 11 на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из элементов 11 и 12. После этого расширенный сигнальный пучок проходит через пространственный модулятор 5.2 света, модулируется в соответствии с записываемым изображением и направляется на неосевой Фурье преобразующий оптический элемент 25, который фокусирует пучок дифрагированных лучей 6.1 в плоскости светочувствительного материала 9. При этом недифрагированные пучки 6.2 не участвуют в записи. Опорный пучок фокусируется на противоположной плоскости светочувствительного материала 9 по отношению к плоскости фокусировки сигнального пучка с помощью голографических элементов 17 и 18, формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.

Согласно одной из возможных реализаций заявляемого устройства сигнальная ветвь (см. Фиг.5) включает в себя элемент 10 формирования сигнального пучка, причем на гранях элемента 10 расположены: по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент 11 формирования сигнального пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент 12, один пространственный (просветный) модулятор 5.2 света и вспомогательный элемент 22 формирования сигнального пучка, на поверхности которого расположен неосевеой голографический Фурье преобразующий оптический элемент 26, выполненный в виде осевой голографической Фурье преобразующей линзы, обеспечивающей фокусировку дифрагированных лучей 6.1 в плоскости светочувствительного материала 9 и изменяющей направление распространения фокусированного сигнального пучка для указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 9. Недифрагированные пучки 6.2 не участвуют в записи.

Принцип действия устройства для записи микроголограмм с использованием осевого Фурье преобразующего оптического элемента 2 и пространственного просветного модулятора 5.2 света заключается в следующем: исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью комбинированного элемента 11 на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из элементов 11 и 12. После этого расширенный пучок проходит через пространственный модулятор 5.2 света, модулируется в соответствии с записываемым изображением и направляется на осевой Фурье преобразующий оптический элемент 26, который фокусирует дифрагированные лучи 6.1 в плоскости светочувствительного материала 9, а недифрагированные лучи 6.2 не участвуют в записи. Опорный пучок фокусируется на противоположной плоскости светочувствительного материала 9 по отношению к плоскости фокусировки сигнального пучка с помощью голографических элементов 17 и 18, формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.

Согласно одной из возможных реализаций заявляемого устройства сигнальная ветвь (см. Фиг.6) включает в себя элемент 10 формирования сигнального пучка, причем на гранях элемента 10 расположены: по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент 11 формирования сигнального пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент 12, один пространственный (просветный) модулятор 5.2 света и призма 28, на поверхности которой расположен голографический Фурье преобразующий оптический элемент 27, представляющий собой голографическую Фурье преобразующую линзу 27, записанную с применением полного внутреннего отражения на границе призмы 28 и выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала 9 с изменением направления распространения фокусированного сигнального пучка для указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала 9.

Принцип действия устройства для записи микроголограмм с использованием призмы, осевого Фурье преобразующего оптического элемента 27 и пространственного просветного модулятора 5.2 света заключается в следующем: исходный пучок лазерного излучения разделяется с помощью комбинированного элемента 11 на два пучка: сигнальный и опорный. Сигнальный пучок расширяется расширителем пучка, состоящим из элементов 11 и 12. После этого расширенный пучок проходит через пространственный модулятор 5.2 света, модулируется в соответствии с записываемым изображением и направляется на осевой Фурье преобразующий оптический элемент 27, который фокусирует пучок в плоскости светочувствительного материала 9. Опорный пучок фокусируется на противоположной плоскости светочувствительного материала 9 по отношению к плоскости фокусировки сигнального пучка с помощью голографических элементов 17 и 18, формирующих в заданной области светочувствительного материала детерминированное световое поле, необходимое для записи микроголограмм.

Согласно одной из возможных реализаций заявляемого изобретения (см. Фиг.7) 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. В то же время, осветительный голографический элемент 12 выполнен в виде волноводного голографического элемента, расположенного на одной из сторон элемента 10 формирования сигнального пучка. Пространственный (отражательный) модулятор 5.1 света выполнен в виде отражательной жидкокристаллической матрицы (LCoS - жидкокристаллическая матрица на кремнии). Голографическая Фурье линза 15 выполнена в виде волноводного голографического элемента, расположенного на одной из сторон элемента 10 формирования сигнального пучка.

Согласно другой реализации заявляемого изобретения (см. Фиг.8) элемент 10 формирования сигнального пучка представляет собой планарный волновод на, по меньшей мере, двух сторонах которого расположены оптические и электронные элементы, выполняющие совокупно преобразование сигнального пучка для оптимальной записи микроголограмм, причем элемент 10 включает в себя: по меньшей мере, один лазерный источник света 2, комбинированный голографический элемент 11, многофункциональный голографический оптический элемент 12 согласования параметров оптического излучения с параметрами пространственного отражательного модулятора 5.1 света, выполненного в виде отражательной жидкокристаллической матрицы (LCoS) и осуществляющего ввод информации в сигнальный пучок, Фурье преобразующей голографической системы 15, при этом элемент 10 отличается тем, что с целью обеспечения механической и оптической стабильности выполнен в виде единого монолитного оптически прозрачного волновода с прочно закрепленными на его поверхности и в глубине всеми вышеуказанными оптическими и электронными элементами.

Согласно предпочтительному варианту реализации заявляемого изобретения (см. Фиг.9) элемент формирования сигнального и опорного пучков выполнен в виде монолитного слитка оптически прозрачного материала, на поверхности которого расположены оптические и электронные элементы, выполняющие совокупно преобразование сигнального пучка для оптимальной записи микроголограмм, при этом такой элемент формирования состоит из, по меньшей мере, одного блока 1 управления и интерфейсов, представляющего собой программно-аппаратный комплекс, выполненный с возможностью осуществления коммутации информационных потоков с различных внешних устройств, управления работой таких устройств, как лазерный источник 2, пространственный модулятор 5.1 света, система механического позиционирования светочувствительного материала 9, а также осуществления приема и обработки сигналов с различных датчиков; по меньшей мере, одного лазерного источника 2 когерентного излучения, выполненного с возможностью временной модуляции потока излучения; по меньшей мере, одного пространственного модулятора 5.1 света; по меньшей мере, одной системы 4 механического позиционирования; по меньшей мере, одного светочувствительного материала 9; по меньшей мере, одного элемента формирования сигнального пучка 6; по меньшей мере, одного элемента для формирования опорного пучка 7. При этом управление работой лазерного источника 2, пространственного модулятора 5.1 света и системой 4 механического позиционирования осуществляется с помощью блока 1 управления и интерфейсов.

Схема записи неосевого Фурье преобразующего элемента состоит из источника 31 лазерного когерентного излучения, зеркала 32, поворачивающего оптическую ось, светоделителя 33, в качестве которого используется светоделительный кубик, формирующий объектную и опорную ветвь схемы записи, голографического фотоматериала на подложке, на котором записывается внеосевой Фурье преобразующий элемент 25. Опорная ветвь состоит из расширителя пучка, выполненного по схеме телескопа Кеплера: на двух положительных линзах 35 и 36. Зеркало 34 служит для задания угла падения опорной ветви на голографический фотоматериал 25. Объектная ветвь состоит из 2-х зеркал 37 и 38, служащих для выравнивания разности хода объектного и опорного пучков лучей и для согласования их положения в плоскости голографического фотоматериала и линзы (объектива) 39, формирующей расходящийся пучок.

Схема записи осевого Фурье преобразующего элемента состоит из источника лазерного когерентного излучения 31, зеркала 32, поворачивающего оптическую ось, светоделителя 33, в качестве которого используется светоделительный кубик, формирующий объектную и опорную ветвь схемы записи, голографического фотоматериала на подложке, на котором записывается осевой Фурье преобразующий элемент 26. Опорная ветвь состоит из расширителя пучка, выполненного по схеме телескопа Кеплера: на 2-х положительных линзах 35 и 36. Зеркала 34, 40 и светоделительная пластина 41 служат для согласования углов падения пучков лучей опорной и объектной ветвей на голографический материал 26. Объектная ветвь состоит из двух зеркал 37 и 38, служащих, также, для выравнивания разности хода объектного и опорного пучков, и линзы (объектива) 39, формирующей расходящийся пучок.

Заявленное устройство может быть использовано в:

- устройствах печати микроголограмм (голографических принтерах);

- голографических устройствах хранения информации;

- иных голографических устройствах.

Изобретение относится к технологиям обработки цифровых сигналов. Интегральное оптическое устройство записи и воспроизведения микроголограмм состоит из лазерного источника света, оптического устройства разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптического устройства расширения сигнального пучка, пространственного модулятора света, Фурье преобразующей оптической системы, светочувствительного материала и системы механического позиционирования. Также устройство включает в себя: по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения; систему формирования сигнального пучка, содержащую, по меньшей мере, один оптический элемент формирования сигнального пучка, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент разделения исходного пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент преобразования сигнального пучка, по меньшей мере, один голографический Фурье преобразующий оптический элемент и, по меньшей мере, один вспомогательный голографический элемент преобразования вышедшего из пространственного модулятора света. При этом с обратной стороны указанного вспомогательного голографического элемента расположен, по меньшей мере, один интегрированный электрооптический пространственный модулятор света. Технический результат - упрощение конструкции и уменьшение геометрических размеров оптического устройства записи микроголограмм. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Интегральное оптическое устройство записи и воспроизведения микроголограмм, состоящее из лазерного источника света, оптического устройства разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптического устройства расширения сигнального пучка, пространственного модулятора света, Фурье преобразующей оптической системы, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, отличающееся тем, что включает в себя
по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, выполненный с возможностью временной модуляции потока излучения;
систему формирования сигнального пучка, содержащую, по меньшей мере, один оптический элемент формирования сигнального пучка, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент разделения исходного пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент преобразования сигнального пучка, по меньшей мере, один голографический Фурье преобразующий оптический элемент, выполненный с возможностью преобразования модулированного сигнального пучка, и, по меньшей мере, один вспомогательный голографический элемент преобразования вышедшего из пространственного модулятора света, при этом с обратной стороны указанного вспомогательного голографического элемента расположен, по меньшей мере, один интегрированный электрооптический пространственный модулятор света;
систему формирования опорного пучка, выполняющую функцию оптической линии задержки опорного пучка и содержащую элемент формирования опорного пучка, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один голографический элемент преобразования падающего на него опорного пучка, по меньшей мере, один вспомогательный голографический элемент, выполненный с возможностью придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной области светочувствительного материала детерминированного светового поля, необходимого для записи микроголограмм;
светочувствительный материал, выполненный с возможностью сохранения картины интерференции сфокусированного модулированного сигнального и опорного пучков;
систему механического позиционирования, выполненную с возможностью управления взаимным расположением светочувствительного материала и остальных элементов устройства;
устройство электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света и системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки для сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный комбинированный голографический элемент выполнен 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.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный осветительный голографический элемент преобразования падающего на него сигнального пучка выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости сигнального пучка в плоскости пространственного модулятора света.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой, по меньшей мере, двухкоординатный оптический пространственный модулятор света для модулирования фазы и амплитуды сигнального пучка записываемым волновым фронтом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой отражательный пространственный модулятор света.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный вспомогательный голографический элемент преобразования вышедшего из пространственного модулятора света выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости в плоскости Фурье преобразующего оптического элемента.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполнен с возможностью изменения кривизны волнового фронта и выполнения полного или частичного Фурье преобразования падающего на него модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представляет собой голографическую Фурье преобразующую линзу, записанную с применением полного внутреннего отражения на границе оптического волновода и выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий элемент представляет собой осевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представляет собой неосевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала и изменяющую направление распространения фокусированного сигнального пучка для интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

11. Устройство любому из пп.8, 9, 10, отличающееся тем, что указанная голографическая Фурье преобразующая линза выполнена с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости записи микроголограмм изображение Фурье спектра входного сигнала одновременно с Фурье преобразованием виртуальной фазовой маски.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный узел формирования сигнального пучка выполнен в виде единого монолитного оптически прозрачного планарного волновода с прочно закрепленными на его поверхности и в глубине указанными оптическими и электронными элементами, выполняющими совокупно преобразование сигнального пучка для записи микроголограмм.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполнен с возможностью одновременной фильтрации неиспользуемой составляющей поляризации сигнальных световых пучков.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазерный источник когерентного излучения выполнен интегрированно с оптическим волноводом.

15. Интегральное оптическое устройство записи и воспроизведения микроголограмм, состоящее из лазерного источника света, оптического устройства разделения исходного пучка на сигнальный и опорный, оптического устройства расширения сигнального пучка, пространственного модулятора света, Фурье преобразующей оптической системы, светочувствительного материала и системы механического позиционирования, отличающееся тем, что включает в себя
по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, имеющий возможность временной модуляции потока излучения;
систему формирования сигнального пучка, содержащую, по меньшей мере, один основной оптический элемент формирования сигнального пучка, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один комбинированный голографический элемент разделения исходного пучка, по меньшей мере, один осветительный голографический элемент преобразования сигнального пучка;
по меньшей мере, один дополнительный оптический элемент формирования сигнального пучка, представляющий собой оптический волновод, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один голографический Фурье преобразующий оптический элемент преобразования модулированного сигнального пучка; и,
по меньшей мере, один пространственный оптический модулятор света, расположенный между основным и дополнительным элементами формирования сигнального пучка;
систему формирования опорного пучка, выполняющую функцию оптической линии задержки опорного пучка;
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;
устройство электронного управления лазерным источником, электрооптическим пространственным модулятором света и системой механического позиционирования, включающее интерфейсные блоки для сопряжения интегрального оптического устройства с внешними источниками информации.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный узел формирования опорного пучка содержит элемент формирования опорного пучка, на поверхности которого расположен, по меньшей мере, один топографический элемент преобразования падающего на него опорного пучка, по меньшей мере, один комбинированный топографический элемент придания формы опорному пучку в плоскости светочувствительного материала и формирования в заданной области светочувствительного материала детерминированного светового поля, необходимого для записи микроголограмм.

17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный комбинированный топографический элемент выполнен 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.

18. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный осветительный топографический элемент преобразования падающего на него сигнального пучка выполнен с возможностью формирования равнояркого светового поля и заданной угловой расходимости сигнального пучка в плоскости пространственного модулятора света.

19. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой, по меньшей мере, двухкоординатный оптический пространственный модулятор света, выполненный с возможностью модулирования фазы и амплитуды сигнального пучка записываемым волновым фронтом.

20. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный оптический пространственный модулятор света представляет собой просветный пространственный модулятор света.

21. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент выполнен с возможностью изменения кривизны волнового фронта и выполнения полного или частичного Фурье преобразования падающего на нее модулированного сигнального пучка, вышедшего из пространственного модулятора света, в плоскости светочувствительного материала.

22. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представляет собой голографическую Фурье преобразующую линзу, записанную с применением полного внутреннего отражения на границе оптического волновода и выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

23. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий элемент представляет собой осевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала с возможностью интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

24. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий оптический элемент представляет собой неосевую голографическую Фурье преобразующую линзу, выполняющую фокусировку сигнального пучка в плоскости светочувствительного материала и изменяющую направление распространения фокусированного сигнального пучка для интерференции указанного сфокусированного модулированного сигнального пучка с опорным пучком в плоскости светочувствительного материала.

25. Устройство по любому из пп.22, 23, 24, отличающееся тем, что указанная голографическая Фурье преобразующая линза выполнена с возможностью преобразования падающего на него сигнального пучка таким образом, что преобразованный сигнальный пучок формирует в плоскости записи микроголограмм изображение Фурье спектра входного сигнала одновременно с Фурье преобразованием виртуальной фазовой маски.

26. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанный голографический Фурье преобразующий элемент выполнен с возможностью одновременной фильтрации неиспользуемой составляющей поляризации сигнальных световых пучков.

27. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный лазерный источник когерентного излучения выполнен интегрированно с оптическим волноводом.