高密度体全息存储器的光学系统设计

论文摘要

信息技术和计算机技术的高速发展对信息存储技术提出了更高的要求。体全息存储技术以其存储密度高、存储容量大,数据传输速率高、数据搜索时间短等优势成为一种颇具潜力新型信息存储技术。如何充分发挥体全息存储的优势,实现高存储密度、大存储容量,高数据传输速率的全息信息存储,并完善体存储器的各项性能,推进体全息存储技术的实用化,是近年来体全息存储领域的研究热点。三维盘式全息存储方案以其相对简单的光路读写机构以及与现有光盘系统的兼容性,更适合大容量数据存储的应用,因而也更具实用意义。本论文立足于体全息存储领域的研究前沿,在已有的理论及研究基础上,着重于盘式体全息存储器的光学系统设计。重点目标是研制能够实现大幅面的空间光调制器（SLM）和光电耦合探测器阵列（CCD）的像素1:1匹配的傅立叶变换镜头,在此基础上进行盘式体全息存储器的小型化设计,同时研制能够实现全息光盘的离开实验台的精确复位机构。进一步优化盘式全息存储的方案和光学系统,以此推进三维盘式全息存储技术的实用化进程。本论文从盘式体全息存储的基本理论和相关技术出发,首先描述了光学体全息记录的基本物理过程和耦合波理论;然后根据全息图的类型特点,阐述了傅立叶变换全息光路作为体全息存储器的光路系统的优点;同时对光学体全息存储材料的存储特性做了一些简单的介绍;接下来讨论了光学体全息体积复用存储技术,最后对本论文工作应用到的空间-角度复用与盘式体全息存储技术以及有关体全息存储器光学设计的像差理论进行了详细叙述。根据这些理论,实现了盘式体全息光学系统的设计。首先提出来用于反射式傅立叶变换体全息存储的空间-角度复用的光路机构,然后按照SLM和CCD的光学参数以及系统的工作要求提出傅立叶变换镜头的设计条件,为实现在1024×768幅面的1:1像素匹配,设计采用非对称结构的傅立叶变换镜头,可以解决SLM与CCD像素尺寸相差比较大的问题,使两个镜头的焦距比同SLM和CCD的像素尺寸比相等。经过一系列的设计和优化,得到一个能够满足设计要求的结果。然后利用光学设计软件对设计参数进行误差分析,以此确定能够满足设计要求的加工和装配公差指标。同时,通过对镜头中各组镜片的公差敏感度分析,找到了前组傅立叶变换镜头中一个对成像质量不敏感的单元镜片,通过对这一镜片

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 信息存储技术的状况
• 1.1.2 三维光存储技术的发展
• 1.2 光学体全息存储领域的研究进展
• 1.2.1 国内外的光学全息存储技术研究现状
• 1.2.2 实用化的光学体全息存储器面临的主要问题
• 1.3 本文主要研究内容及结构
• 第2章 盘式体全息存储器的基本理论和有关技术
• 2.1 光学体全息存储的基本原理
• 2.1.1 体全息记录的基本物理过程及耦合波理论
• 2.1.2 傅立叶变换全息图存储的基本光学系统与特点
• 2.2 体全息存储材料的全息存储机理及特性
• 2.2.1 光折变晶体的全息存储特性
• 2.2.2 光致聚合物的全息存储特性
• 2.3 体全息存储的体积复用技术及基本光路结构
• 2.3.1 角度复用存储技术的光路配置
• 2.3.2 空间-角度复用存储及其在盘式全息存储方式中的应用
• 2.3.3 光学体全息存储的基本光路结构
• 2.4 光学系统对全息存储器的主要性能影响
• 2.4.1 光学系统对存储容量的影响
• 2.4.2 光学系统对全息图再现像质的噪声影响
• 2.4.3 二值化图像的信噪比及误码率的计算
• 2.5 体全息存储系统的有关光学设计理论
• 2.5.1 高斯光束的光学特征及扩束准直方法
• 2.5.2 4f 系统及傅立叶变换透镜的设计特点
• 2.6 本章小结
• 第3章 盘式体全息存储器的光学系统设计及分析
• 3.1 盘式体全息存储器的光路设计
• 3.1.1 系统主要器件的选择
• 3.1.2 光路设计方案的选择
• 3.2 傅立叶变换镜头的设计与分析
• 3.2.1 傅立叶变换镜头的设计要求
• 3.2.2 傅立叶变换镜头的设计过程及结果
• 3.2.3 存储介质的引入对傅立叶变换透镜性能的影响
• 3.2.4 傅立叶变换镜头的公差分析与评估
• 3.2.5 傅立叶变换镜头 FTL1 的变焦距设计
• 3.3 傅立叶变换镜头的实验验证及分析
• 3.3.1 像素匹配实验的基础条件
• 3.3.2 像素匹配实验的实验验证
• 3.3.3 SLM 像素匹配的及存储实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 小型盘式体全息存储器的实验验证
• 4.1 小型盘式体全息存储器的设计与实现
• 4.1.1 光学结构
• 4.1.2 参考光会聚透镜的设计与选择
• 4.1.3 小型盘式全息存储器的实现
• 4.2 全息光盘定位器的设计
• 4.2.1 全息光盘定位器的设计
• 4.2.2 全息光盘定位器的实验验证
• 4.3 小型盘式体全息存储器存储实验
• 4.3.1 全息图的选择性与全息光盘上光斑的记录位置
• 4.3.2 小型盘式体全息存储器的存储实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 盘式体全息存储器光学系统的优化研究
• 5.1 全息光盘复位误差的补偿方法探索
• 5.1.1 全息光盘复位误差的补偿方法设计
• 5.1.2 模拟实验
• 5.2 高斯光束均匀化的设计
• 5.2.1 基于非球面透镜的高斯光束均匀化器的设计
• 5.2.2 设计结果及计算机模拟分析
• 5.3 同轴全息光盘光学系统设计
• 5.3.1 同轴全息光盘的光路设计
• 5.3.2 同轴全息光盘的读写镜头设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文和参加的科研课题
• 致谢