多重结构的体全息存储傅里叶变换光学系统设计

　　1　引　言

　　作为三维存储技术的体全息存储,由于具有存储密度大、数据传输速率高和读出时间快等优点[1],已成为存储技术研究的重点。在体全息存储系统中 一般采用傅里叶变换(FT)光学系统存取数据(图1)[2,3]。为了使系统结构紧凑和高密度存储信息,要求傅里叶变换镜头具有较短的焦距;为了提高存储 密度,采用较大尺寸的空间光调制器(SLM)作为物面,这就要求傅里叶变换镜头具有较大的视场角。具有较短焦距和较大视场角的傅里叶变换镜头一般采用非对 称的5片以上的球面透镜的结构形式[3~6]。

　　傅里叶变换镜头对衍射光成像的特点决定了镜头满足以下设计要求[7]:(1)对两对物像共轭位置控制像差。第一对物像共轭位置:物在无穷远,光 阑在前焦面上,像在后焦面上。第二对物像共轭位置:物在前焦面,光阑在后焦面上,像在无穷远处。(2)平行于光轴出射的主光线满足正弦条件。(3)消除各 种单色像差,达到衍射受限,全视场内波像差小于0·25λ。

　　本文分析了体全息存储傅里叶变换光学系统的设计要求和光学参量的确定;采用多重结构(Multi_configuration)方法[8]对傅 里叶变换镜头的正向、逆向光路同时进行优化,从而实现了对两对物像共扼位置控制像差;给出了前后组焦距分别为44mm和40mm的达到衍射受限要求的4片 型球面全息存储光学系统的设计结果。

　　2　全息存储傅里叶变换光学系统的设计要求和光学参量的确定

　　2.1　设计要求

　　输入面SLM的像素尺寸为13.2μm,像元数为1280×768,对角线长ΦO= 19. 71mm。输出面对角线长ΦI=17.91mm。工作波长为0.532μm。

　　(1)焦距和焦距的公差。要想使输入面SLM和输出面CMOS的像素元具有一一对应的关系,傅里叶变换光学系统中前组镜头焦距fⅠ与后组镜头焦 距fⅡ之比应等于SLM面的对角线与CMOS面的对角线长度之比,即fⅠ/fⅡ=O/I=1·1。设计中前组镜头焦距fⅠ取44mm,所对应的后组焦 距fⅡ取40mm。可见,前组、后组镜头近似于以频谱面对称。

　　若要保证SLM面与CMOS面的像素元具有一一对应的关系,制作出的前组镜头焦距fⅠ和后组镜头焦距fⅡ与设计值不能有很大的偏离。设LⅠ为输 入面的物高,LⅡ为输出面的像高,则有LⅡ=(fⅡ/fⅠ)LⅠ。假设后组镜头焦距fⅡ偏离设计值ΔfⅡ,引起像高LⅡ偏离设计值ΔLⅡ,则有ΔLⅡ= (LⅠ/fⅠ)ΔfⅡ。为保证SLM面与CMOS面的像素元具有一一对应的关系,ΔLⅡ应小于0·3pixel。对fⅠ=44mm,fⅡ=40mm,像元 数为1280×768的全息存储系统来说,ΔfⅡ应小于0·018mm,后组镜头焦距的相对偏差ΔfⅡ/fⅡ≤0·044%。