第四章 全息存储系统的单元器件
4.1 激光器
4.2 组页器
4.3 探测器
4.4 寻址器件
4.5 其它单元器件典型的光学全息存储系统示意图主要单元器件
1) 全息存储材料
2) 激光器,提供高强度而准直的相干光。
3) 寻址器件,用于改变物光或参考光方向，
以实现多重记录和随机存取功能。
4) 组页器,产生待记录图像或数据页的相干光学图像。
5) 探测器,读出再现的图像或数据页。
6) 各种常规光学和电子学元件
4.1 激光器
在全息存储系统中，要求激光器能够提供所需的高强度、准直相干光，并且具有很好的频率稳定性、振幅稳定性、相干长度和可靠性。
激光器可以是脉冲的或连续波的。大容量的全息存储系统基本上是采用连续激光器。应用应尽量采用相对短的波长。
氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器、
红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器、可调谐激光器。
4.2 组页器
组页器是光学全息存储器的二维信号输入器件，
输入信号可以是光信号或电信号，经过组页器转换成二维相干光学图像，它可以代表灰级模拟图像，也可以代表数字数据。
广义上，组页器就是空间光调制器 (SLM)
SLM是一种可对某光波的波前的某些特性进行调制的器件，如二维光场分布的位相、振幅、频率或强度和偏振态，从而将信息加载于该光波上。
作为输入器件，可以将 SLM视为一种可控制的透明片。
SLM结构的基本特点
SLM是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，
也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，
并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、
振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
SLM结构的基本特点
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，
把控制像素的光电信号称为“写入光”，或
“写入（电）信号”，
把照明整个器件并被调制的输入光波称为
“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
SLM的分类
读出光应该能照明空间光调制器的所有像素，并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息，经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分，
可有透射式和反射式。
写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为“寻址”（或“编址”）。如果采用写入光实现这一过程，称为光寻址，采用写入电信号时，称为电寻址。
空间光调制器示意图光寻址
光寻址通常采用一个二维光强分布（如一幅图像）
作为写入光，使其成像在空间光调制器的像素平面上，并使写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现寻址。
光寻址时，所有像素的寻址同时完成，所以它是一种并行寻址。
其特点是寻址速度最快，而且像素的大小，原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。
光寻址
采用光寻址时，要防止写入光与读出光之间的串扰。
对于透射式,读出光和写入光可以使用不同的波长，再利用滤光片除去输出光中的写入光，从而消除它们之间的串扰。
对于反射式,在调制器内部设置一个光隔离层，
使写入光与读出光位于调制器两侧。
光寻址的 SLM由连续（模拟）的非像素单元结构来产生调制作用。
电寻址
采用电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，
所以电寻址是一种串行寻址方式。
实现电寻址有多种形式。例如，在空间光调制器的表面设置两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去，完成寻址。再如，利用电荷耦合器（ CCD）和一个附加的电荷转移机构，把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址的。
电寻址
电寻址的 SLM主要由单个分离的元素或像素结构组成，它的优势在于具有电子系统与光学系统之间实时接口能力。但由于分立的像素结构，一方面将导致多重衍射图样，另一方面在电极之间存在死区，最终影响携带信息的光波能量的有效利用。由于串行方式，使它的信息处理速度降低。
但目前它是光信息处理与现代电子技术、特别是计算机 -多媒体技术相结合，构成光电混合系统的有效方式，已得到了广泛的应用。
SLM的分类
空间光调制器还可以根据其完成信号转换的过程分为在线转换和离线转换两类。
离线转换 SLM需要预先制作，如感光胶片和在熔融石英上镀铬形成的透射掩膜板，它们具有很高的对比度和空间分辨能力。
在线转换 SLM可以就地进行信号转换，通常达到视频速率或更高的帧速。主要有：液晶光阀、铁电液晶空间光调制器、电寻址液晶空间光调制器、
磁光器件等。
液晶空间光调制器工作原理
1,液晶的基本性质
2,电寻址液晶空间光调制器
3,光寻址液晶光阀液晶
有些物质的分子没有固定的排列，可以自由移动，
因而具有液体的流动性，但同时它的分子排列取向又存在一定的规律性，因而又具有晶体的各向异性的特点。把这种介于固相和液相之间的相态称为液晶态。把具有液晶相态的物质称为液晶物质，常见的主要是一些有机化合物（例如芳香族化合物）及它们的混合物。这些物质处在液晶相时，就叫做液晶。
液晶分子呈雪茄状的细长条形，长度在几个纳米量级，直径在零点几个纳米量级。
液晶的类型扭曲向列相液晶的光学特性
1、是一种向列液晶，施加外力将一扭矩施加到这种液晶上。
2、局部性质类似与单轴晶体，其光轴平行于分子的方向。光轴以螺旋的方式逐渐旋转。
3、在一定条件下扭曲向列相液晶的作用是偏振旋转器，其偏振平面的旋转与分子的扭转相一致。
向列相液晶的电学特性
1、由于液晶分子的长条形状以及其规则的取向，液晶具有单轴对称性的各向异性电特性。
2、外加稳态（或低频）
电场感生出电偶极子，
总的电场力在分子上产生转矩，从而是分子沿某一方向旋转，最后使分子的长轴指向电场方向。
扭曲向列相液晶盒
2,电寻址液晶空间光调制器
电寻址液晶空间光调制器实际上是由微型液晶显示器改装而成的。
液晶显示屏 (LCD)由很多二维矩阵结构的像素组成，
每一个像素相当于一个小液晶盒，液晶盒内一般装有扭曲 900的向列相液晶，能够通过电信号分别独立控制它们。
改变每一像素单元的外加电压可以改变其透射率，
此时若 LCD屏的外加电压是由计算机等产生的，
则此 LCD屏可以产生灰度图像。
3,光寻址液晶光阀
4.3 探测器
常用的探测器包括照相胶片、光电探测器阵列和
CCD探测器。
照相胶片记录图像需要显影、定影处理，并且要通过机械装置移动胶片，因而是慢速的、耗时的。
光电探测器阵列和 CCD探测器可以实时地将二维光学再现图像信号转换为时序电信号，因而具有简便、速度快、与电子信息处理系统兼容、便于与计算机接口等优点，其缺点是光电接收的空间分辨率和灰度级较低。
光电二极管阵列探测器
光电二极管阵列就是将许多光电二极管以线阵或面阵的形式集成在一个芯片上，可同时检测入射光学图像的光强分布，并将其转变为电信号分布。
CCD探测器
CCD是一种由 MOS结构单元组成的阵列器件，基本功能是在每个 MOS结构单元中，都可存储一定数量的电荷（即信息）,
CCD用作光学图像探测器是时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入；当光束从背面或正面入射到硅片上时，将产生电子 -空穴对，其多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号带和，它是被积分的光通量的函数，
这样的一个 MOS单元叫作光敏单元或一个像素。
CCD摄像器件包括光敏区（成像区）、存储区和移位寄存器。
4.4 寻址器件
一个全息存储系统必须要用寻址器件在读出、写入和擦除操作中准确地定位不同的全息图（数据页面），这个定位过程必须既快又准确，才能提高全息存储器的数据传输速度和读出数据的保真度。
寻址器件的性能可用分辨率和随机存取时间作定量描述，分辨率与存储密度有着密切的关系。
目前主要的寻址期间就是光束偏转器，此时分辨率可定义为最大偏转角除以衍射极限角。
可分为机械运动寻址器件和无机械运动寻址器件两大类，无机械运动寻址器件可以提供更短的随机存取时间。
旋转镜偏转器平移台声光偏转器件利用声光效应而制成的声光偏转器件 (AOD)，通过运动声波来寻址。
声波是一种传播着的压力扰动，它在介质中产生压缩和稀疏区域，这种密度的变化引起介质中相应的折射率的变化。
声光偏转器的基本结构是一个声光盒，又称作布拉格盒。
声光偏转器件声光偏转器的关键参数是可分辨的角位置数目 N和随机存取时间?a
激光频率有一个与声波速率大小相同的频移。
电光偏转器电光偏转器电光偏转器电光偏转器
数字电光偏转器利用一个电光调制器和一个双折射棱镜。电光调制器用作偏振旋转器。当电压变化了调制器的半波电压时，就使线偏振输出光束的偏振方向旋转 900。当光束通过双折射棱镜后，
它偏离到两个方向中的一个方向上，这取决于它的偏振方向。 m个数字偏转器的串级组合就可以有 2m个偏转角。
该器件随机存取时间一般为 100ns~1000ns。缺点是在连续工作状态下，存取时间受到电容充电和放电速度的限制，并易产生巨大的能耗。
磁光偏转器
4.5 其它单元器件
1) 偏振光学元件
2) 透镜
3) 微透镜阵列
4) 空间滤波器
5) 随机相移器偏振光学元件
保证物光束和参考光束在偏振方向上保持一致，从而获得较好的条纹调制度。
记录材料需要特定的偏振光记录和读出。
/2波片、偏振分光棱镜、偏振片等透镜
标志透镜质量的一个重要参数是相对孔径，也称 F
数。相对孔径越大，透镜的分辨率越高，从而允许组页器具有更多的像素数目。对于探测器来说，
可以允许更短的曝光时间，提高数据读出速率。
用来扩散光束或准直的透镜一般焦距要求短一些。
（显微物镜）
傅立叶变换透镜需要按傅立叶变换要求设计，成像透镜需要消像差，孔径和焦距需要与系统中其它器件想匹配。
望远物镜、照相物镜。
微透镜阵列
具有二维空间多通道成像和聚焦能力，每一个小透镜可以对应一个空间位置。
可以是分立制作的短焦距玻璃透镜阵列、整体浇注的塑料透镜阵列、折射率分段的光纤二维阵列或全息光学元件阵列等。
分为两种类型：渐变折射率的平面形微透镜、折射率均匀的球冠形微透镜。
微透镜阵列的参数可以做到：焦距 f为 1mm，阵列周期为 88?m，面积为 12.7mm*8.5mm，即
145*96的微透镜阵列。
空间滤波器
由针孔滤波器和扩束镜组成，安装在同一个支架上，目的是消除激光中的散射和光学系统的杂散光。
显微物镜射出的光聚焦在针孔上，当针孔的直径等于物镜衍射零级光斑直径时，只能通过平行光轴的光线，从而消除了散射与杂散光这类不平行于光轴的光线。
随机相移器
在组页器平面上采用随机相移器，可以使得后焦平面上的能量分布比较均匀，大大改善了全息再现像的质量。
可以是光刻法制作、全息法制作。
作业
典型的光学全息存储系统包括哪些关键部件，叙述这些关键部件的功能，并设计一种光学全息存储系统，同时简述该系统的基本工作原理。
4.1 激光器
4.2 组页器
4.3 探测器
4.4 寻址器件
4.5 其它单元器件典型的光学全息存储系统示意图主要单元器件
1) 全息存储材料
2) 激光器,提供高强度而准直的相干光。
3) 寻址器件,用于改变物光或参考光方向，
以实现多重记录和随机存取功能。
4) 组页器,产生待记录图像或数据页的相干光学图像。
5) 探测器,读出再现的图像或数据页。
6) 各种常规光学和电子学元件
4.1 激光器
在全息存储系统中，要求激光器能够提供所需的高强度、准直相干光，并且具有很好的频率稳定性、振幅稳定性、相干长度和可靠性。
激光器可以是脉冲的或连续波的。大容量的全息存储系统基本上是采用连续激光器。应用应尽量采用相对短的波长。
氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器、
红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器、可调谐激光器。
4.2 组页器
组页器是光学全息存储器的二维信号输入器件，
输入信号可以是光信号或电信号，经过组页器转换成二维相干光学图像，它可以代表灰级模拟图像，也可以代表数字数据。
广义上，组页器就是空间光调制器 (SLM)
SLM是一种可对某光波的波前的某些特性进行调制的器件，如二维光场分布的位相、振幅、频率或强度和偏振态，从而将信息加载于该光波上。
作为输入器件，可以将 SLM视为一种可控制的透明片。
SLM结构的基本特点
SLM是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，
也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，
并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、
振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
SLM结构的基本特点
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，
把控制像素的光电信号称为“写入光”，或
“写入（电）信号”，
把照明整个器件并被调制的输入光波称为
“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
SLM的分类
读出光应该能照明空间光调制器的所有像素，并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息，经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分，
可有透射式和反射式。
写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为“寻址”（或“编址”）。如果采用写入光实现这一过程，称为光寻址，采用写入电信号时，称为电寻址。
空间光调制器示意图光寻址
光寻址通常采用一个二维光强分布（如一幅图像）
作为写入光，使其成像在空间光调制器的像素平面上，并使写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现寻址。
光寻址时，所有像素的寻址同时完成，所以它是一种并行寻址。
其特点是寻址速度最快，而且像素的大小，原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。
光寻址
采用光寻址时，要防止写入光与读出光之间的串扰。
对于透射式,读出光和写入光可以使用不同的波长，再利用滤光片除去输出光中的写入光，从而消除它们之间的串扰。
对于反射式,在调制器内部设置一个光隔离层，
使写入光与读出光位于调制器两侧。
光寻址的 SLM由连续（模拟）的非像素单元结构来产生调制作用。
电寻址
采用电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，
所以电寻址是一种串行寻址方式。
实现电寻址有多种形式。例如，在空间光调制器的表面设置两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去，完成寻址。再如，利用电荷耦合器（ CCD）和一个附加的电荷转移机构，把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址的。
电寻址
电寻址的 SLM主要由单个分离的元素或像素结构组成，它的优势在于具有电子系统与光学系统之间实时接口能力。但由于分立的像素结构，一方面将导致多重衍射图样，另一方面在电极之间存在死区，最终影响携带信息的光波能量的有效利用。由于串行方式，使它的信息处理速度降低。
但目前它是光信息处理与现代电子技术、特别是计算机 -多媒体技术相结合，构成光电混合系统的有效方式，已得到了广泛的应用。
SLM的分类
空间光调制器还可以根据其完成信号转换的过程分为在线转换和离线转换两类。
离线转换 SLM需要预先制作，如感光胶片和在熔融石英上镀铬形成的透射掩膜板，它们具有很高的对比度和空间分辨能力。
在线转换 SLM可以就地进行信号转换，通常达到视频速率或更高的帧速。主要有：液晶光阀、铁电液晶空间光调制器、电寻址液晶空间光调制器、
磁光器件等。
液晶空间光调制器工作原理
1,液晶的基本性质
2,电寻址液晶空间光调制器
3,光寻址液晶光阀液晶
有些物质的分子没有固定的排列，可以自由移动，
因而具有液体的流动性，但同时它的分子排列取向又存在一定的规律性，因而又具有晶体的各向异性的特点。把这种介于固相和液相之间的相态称为液晶态。把具有液晶相态的物质称为液晶物质，常见的主要是一些有机化合物（例如芳香族化合物）及它们的混合物。这些物质处在液晶相时，就叫做液晶。
液晶分子呈雪茄状的细长条形，长度在几个纳米量级，直径在零点几个纳米量级。
液晶的类型扭曲向列相液晶的光学特性
1、是一种向列液晶，施加外力将一扭矩施加到这种液晶上。
2、局部性质类似与单轴晶体，其光轴平行于分子的方向。光轴以螺旋的方式逐渐旋转。
3、在一定条件下扭曲向列相液晶的作用是偏振旋转器，其偏振平面的旋转与分子的扭转相一致。
向列相液晶的电学特性
1、由于液晶分子的长条形状以及其规则的取向，液晶具有单轴对称性的各向异性电特性。
2、外加稳态（或低频）
电场感生出电偶极子，
总的电场力在分子上产生转矩，从而是分子沿某一方向旋转，最后使分子的长轴指向电场方向。
扭曲向列相液晶盒
2,电寻址液晶空间光调制器
电寻址液晶空间光调制器实际上是由微型液晶显示器改装而成的。
液晶显示屏 (LCD)由很多二维矩阵结构的像素组成，
每一个像素相当于一个小液晶盒，液晶盒内一般装有扭曲 900的向列相液晶，能够通过电信号分别独立控制它们。
改变每一像素单元的外加电压可以改变其透射率，
此时若 LCD屏的外加电压是由计算机等产生的，
则此 LCD屏可以产生灰度图像。
3,光寻址液晶光阀
4.3 探测器
常用的探测器包括照相胶片、光电探测器阵列和
CCD探测器。
照相胶片记录图像需要显影、定影处理，并且要通过机械装置移动胶片，因而是慢速的、耗时的。
光电探测器阵列和 CCD探测器可以实时地将二维光学再现图像信号转换为时序电信号，因而具有简便、速度快、与电子信息处理系统兼容、便于与计算机接口等优点，其缺点是光电接收的空间分辨率和灰度级较低。
光电二极管阵列探测器
光电二极管阵列就是将许多光电二极管以线阵或面阵的形式集成在一个芯片上，可同时检测入射光学图像的光强分布，并将其转变为电信号分布。
CCD探测器
CCD是一种由 MOS结构单元组成的阵列器件，基本功能是在每个 MOS结构单元中，都可存储一定数量的电荷（即信息）,
CCD用作光学图像探测器是时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入；当光束从背面或正面入射到硅片上时，将产生电子 -空穴对，其多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号带和，它是被积分的光通量的函数，
这样的一个 MOS单元叫作光敏单元或一个像素。
CCD摄像器件包括光敏区（成像区）、存储区和移位寄存器。
4.4 寻址器件
一个全息存储系统必须要用寻址器件在读出、写入和擦除操作中准确地定位不同的全息图（数据页面），这个定位过程必须既快又准确，才能提高全息存储器的数据传输速度和读出数据的保真度。
寻址器件的性能可用分辨率和随机存取时间作定量描述，分辨率与存储密度有着密切的关系。
目前主要的寻址期间就是光束偏转器，此时分辨率可定义为最大偏转角除以衍射极限角。
可分为机械运动寻址器件和无机械运动寻址器件两大类，无机械运动寻址器件可以提供更短的随机存取时间。
旋转镜偏转器平移台声光偏转器件利用声光效应而制成的声光偏转器件 (AOD)，通过运动声波来寻址。
声波是一种传播着的压力扰动，它在介质中产生压缩和稀疏区域，这种密度的变化引起介质中相应的折射率的变化。
声光偏转器的基本结构是一个声光盒，又称作布拉格盒。
声光偏转器件声光偏转器的关键参数是可分辨的角位置数目 N和随机存取时间?a
激光频率有一个与声波速率大小相同的频移。
电光偏转器电光偏转器电光偏转器电光偏转器
数字电光偏转器利用一个电光调制器和一个双折射棱镜。电光调制器用作偏振旋转器。当电压变化了调制器的半波电压时，就使线偏振输出光束的偏振方向旋转 900。当光束通过双折射棱镜后，
它偏离到两个方向中的一个方向上，这取决于它的偏振方向。 m个数字偏转器的串级组合就可以有 2m个偏转角。
该器件随机存取时间一般为 100ns~1000ns。缺点是在连续工作状态下，存取时间受到电容充电和放电速度的限制，并易产生巨大的能耗。
磁光偏转器
4.5 其它单元器件
1) 偏振光学元件
2) 透镜
3) 微透镜阵列
4) 空间滤波器
5) 随机相移器偏振光学元件
保证物光束和参考光束在偏振方向上保持一致，从而获得较好的条纹调制度。
记录材料需要特定的偏振光记录和读出。
/2波片、偏振分光棱镜、偏振片等透镜
标志透镜质量的一个重要参数是相对孔径，也称 F
数。相对孔径越大，透镜的分辨率越高，从而允许组页器具有更多的像素数目。对于探测器来说，
可以允许更短的曝光时间，提高数据读出速率。
用来扩散光束或准直的透镜一般焦距要求短一些。
（显微物镜）
傅立叶变换透镜需要按傅立叶变换要求设计，成像透镜需要消像差，孔径和焦距需要与系统中其它器件想匹配。
望远物镜、照相物镜。
微透镜阵列
具有二维空间多通道成像和聚焦能力，每一个小透镜可以对应一个空间位置。
可以是分立制作的短焦距玻璃透镜阵列、整体浇注的塑料透镜阵列、折射率分段的光纤二维阵列或全息光学元件阵列等。
分为两种类型：渐变折射率的平面形微透镜、折射率均匀的球冠形微透镜。
微透镜阵列的参数可以做到：焦距 f为 1mm，阵列周期为 88?m，面积为 12.7mm*8.5mm，即
145*96的微透镜阵列。
空间滤波器
由针孔滤波器和扩束镜组成，安装在同一个支架上，目的是消除激光中的散射和光学系统的杂散光。
显微物镜射出的光聚焦在针孔上，当针孔的直径等于物镜衍射零级光斑直径时，只能通过平行光轴的光线，从而消除了散射与杂散光这类不平行于光轴的光线。
随机相移器
在组页器平面上采用随机相移器，可以使得后焦平面上的能量分布比较均匀，大大改善了全息再现像的质量。
可以是光刻法制作、全息法制作。
作业
典型的光学全息存储系统包括哪些关键部件，叙述这些关键部件的功能，并设计一种光学全息存储系统，同时简述该系统的基本工作原理。
