CN110060706B - 一种全像信息读取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全像信息读取装置及方法，所述全像信息读取装置包括：存储装置、双频式光栅、光侦测器、致动器、计算器、控制器、第一透镜和第二透镜；所述双频式光栅耦合于所述存储装置和光侦测器之间，所述第一透镜光学耦合于所述存储装置和双频式光栅之间，所述第二透镜光学耦合于所述双频式光栅和光侦测器之间，所述控制器分别与所述致动器和计算器电连接，所述致动器和双频式光栅电连接，所述计算器和光侦测器电连接。本发明可以利用单一双频光栅实现相移式干涉术以及剪切干涉术，由此可推算出绕射光之相位分布，从而简化相移式干涉术以及剪切式干涉术的光学系统结构，进而达到缩小化的目的。

Description

一种全像信息读取装置及方法

技术领域

本发明涉及光学信息读取领域，具体涉及一种全像信息读取装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，电子档案的所需储存用量也跟着上升。常见的存储方式为记录储存介质表面上磁或光的变化，以作为所存储数据的依据，例如磁盘片或光盘片。随着电子档案的所需存储用量增加，全像存储的技术发展开始受到注目。

全像储存技术为一种通过使透过讯号光以及参考光产生干涉，将影像数据写入存储介质内的信息存储技术。当读取数据时，重新照射参考光至储存介质上，即可通过绕射产生绕射光，接着，所产生的绕射光再被接收器读取。

现有技术中，在将绕射光转译为数字数据的步骤中，由于绕射光可能会受到噪声之影响，接收器对绕射光所进行的读取步骤可能为多次，以期更准确计算数据内容并消除噪声。然而，多次的读取步骤将延长将绕射光转译为数字数据的时间，使得接收器对数据读取的效率不佳。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷和不足，本发明公开了一种全像信息读取装置及方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种全像信息读取装置，其特征在于，包括：存储装置、双频式光栅、光侦测器、致动器、计算器、控制器、第一透镜和第二透镜；

所述双频式光栅耦合于所述存储装置和光侦测器之间，所述第一透镜光学耦合于所述存储装置和双频式光栅之间，所述第二透镜光学耦合于所述双频式光栅和光侦测器之间，所述控制器分别与所述致动器和计算器电连接，所述致动器和双频式光栅电连接，所述计算器和光侦测器电连接；

所述存储装置用于将读取光转换为绕射光，并将所述绕射光提供给所述双频式光栅；

所述双频式光栅用于接受所述绕射光，并将所述绕射光转换为带有不同频率的第一一阶绕射光与第二一阶绕射光；

所述光侦测器用于对接收的所述第一一阶绕射光与第二一阶绕射光在进行成像；

所述致动器用于带动所述双频式光栅沿所述第一透镜的第一焦平面进行移动；

所述计算器用于根据所述双频式光栅移动前后的所述第一一阶绕射光与第二一阶绕射光的光强分布和波程差，计算所述绕射光的相位分布；

所述第一透镜用于对由所述存储装置提供的所述绕射光进行聚焦；

所述第二透镜用于将由所述双频式光栅提供的所述第一一阶绕射光与第二一阶绕射光收敛至接近于相互平行。

进一步的，所述第一透镜的第一焦平面与所述双频式光栅所在平面相交；所述第二透镜的第二焦平面与所述光侦测器之侦侧面所在平面相交；所述第二透镜的前焦点与所述第一焦平面相交。

进一步的，所述第一透镜的第一焦平面与所述双频式光栅所在平面重合；所述第二透镜的第二焦平面与所述光侦测器之侦侧面所在平面重合；所述第二透镜的前焦点位于所述第一焦平面和所述双频式光栅所在平面上。

进一步的，所述第一透镜的第一透镜主光轴和所述第二透镜的第二透镜主光轴相交。

进一步的，所述光侦测器的法线与所述第二透镜的第二透镜主光轴平行；所述双频式光栅的法线与所述第一透镜的第一透镜主光轴平行。

进一步的，所述存储装置为同轴存储装置或离轴存储装置中的任意一种。

进一步的，所述致动器为压电式致动器。

一种全像信息读取方法，其特征在于，采用所述的全像信息读取装置，通过如下步骤进行全像信息读取：

S1通过所述存储装置将所述读取光转换为所述绕射光；

S2通过所述第一透镜使所述绕射光在所述双频式光栅上聚焦；

S3通过所述双频式光栅将所述绕射光转换为部分重叠，并具有带有不同频率的所述第一一阶绕射光和第二一阶绕射光；

S4通过所述第二透镜使所述第一一阶绕射光和第二一阶绕射光相互接近于平行；

S5通过所述光侦测器使所述第一一阶绕射光和第二一阶绕射光进行成像；

S6通过由所述致动器带动所述双频式光栅沿所述第一透镜的第一焦平面进行移动；

S7通过所述计算器根据所述双频式光栅移动前后的所述第一一阶绕射光与第二一阶绕射光的光强分布和波程差，计算所述绕射光的相位分布。

本发明与现有技术相比，其优点在于：相比于现有技术中，相移式干涉术必须另外架设一道参考波与待测波进行干涉；而剪切式干涉术则是必须存在一片表面反射率几乎相同的平板玻璃片，且体积较为庞大，本发明可以简化实现相移式干涉术以及剪切式干涉术的光学系统结构，进而达到缩小化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明所述全像装置的光路示意图；

图2：本发明所述同轴存储装置的装配示意图；

图3：本发明所述离轴存储装置的装配示意图。

为进一步清楚地说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明：

100-全像装置

102-存储介质

110-存储装置

110A-同轴的存储装置

110B-离轴的存储装置

112-空间光调制器

120-导光模块

120A-同轴存储装置的导光模块

120B-离轴存储装置的导光模块

122-第一导引透镜

124-第一偏振分光棱镜

126-第二导引透镜

128-四分之一波片

130-第一物镜

132-第三导引透镜

134-第四导引透镜

136-二分之一波片

138-第二偏振分光镜

140-反射镜

142-振镜

144-第五导引透镜

146-第二物镜

148-第三偏振分光镜

150-第一透镜

152-第二透镜

160-双频率式光栅

162-致动器

170-光侦测器

172-侦测面

174-计算器

176-控制器

A1-第一透镜主光轴

A2-第二透镜主光轴

D-绕射光

F-第二透镜的前焦点

L-读取光

L1-第一一阶绕射光

L2-第二一阶绕射光

P1-第一焦平面

P2-第二焦平面

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段，达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。

需要说明的是，本发明实施例及附图提供的光路示意图和组件的装配示意图表示的仅仅是光束在全像信息读取装置内所经过各个组件的顺序关系，并非实际组件的相对位置关系。本领域技术人员可以依据光束于全像装置内的光路设计，调整组件之间的实际相对位置关系。

需要说明的是，本文中的电性连接可包括透过无线连接或是透过有线连接实现。例如，当电性连接为无线连接时，无线连接可透过蓝牙传输装置、红外线传输装置、WIFI无线网络传输装置、WT无线电波传送装置、NFC近距离无线通信装置、ANT+近距离无线通信装置或紫蜂无线通信装置(Zigbee)实现。当电性连接为有线连接时，有线连接可透过实体扁平电缆实现。

如附图1所示，本发明提供了一种全像信息读取装置，其特征在于，包括：存储装置110、双频式光栅160、光侦测器170、致动器162、计算器174、控制器176、第一透镜150和第二透镜152。

所述双频式光栅160耦合于所述存储装置110和光侦测器170之间，所述第一透镜150光学耦合于所述存储装置110和双频式光栅160之间，所述第二透镜152光学耦合于所述双频式光栅160和光侦测器170之间，所述控制器176 分别与所述致动器162和计算器174电连接，所述致动器162和双频式光栅160 电连接，所述计算器174和光侦测器170电连接。

所述存储装置110用于将读取光L转换为绕射光D，并将所述绕射光D提供给所述双频式光栅160。

所述双频式光栅160用于接受所述绕射光D，并将所述绕射光D转换为带有不同频率的第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2；

所述光侦测器170用于对接收的所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光 L2在进行成像；

所述致动器162用于带动所述双频式光栅160沿所述第一透镜150的第一焦平面P1进行移动，其中所述致动器162可以是压电式致动器；

所述计算器174用于根据所述双频式光栅160移动前后的所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2的光强分布和波程差Δψ，计算所述绕射光D的相位分布；

所述第一透镜150用于对由所述存储装置110提供的所述绕射光D进行聚焦；

所述第二透镜152用于将由所述双频式光栅160提供的所述第一一阶绕射光 L1与第二一阶绕射光L2收敛至接近于相互平行。

其中，所述存储装置110可以是全像存储装置。所述绕射光D用于提供一种相位分布讯号。所述存储装置110可以是同轴存储装置110A或离轴存储装置110B中的任意一种。

如图2所述，在本发明的其中一个实施例中，所述存储装置110是同轴存储装置110A。所述同轴存储装置110A包括光源模块130、导光模块120A和存储介质102。

所述光源模块130包含光发射器及空间光调制器(图中未示出)。光发射器例如可以是激光光源，其用于朝空间光调制器发射光束。所述光发射器用以提供光束，所述空间光调制器通过像素对所述光束的相位进行调制，经过所述空间光调制器将所述光束调制为讯号光、参考光或读取光L。

所述导光模块120A包含第一导引透镜122、第一偏振分光棱镜124、第二导引透镜126、四分之一波片128、第一物镜130及第三导引透镜132。透过上述组合，导光模块120A可透过第导引一透镜122接收来自光源模块130提供的读取光L，并将读取光L导引至存储介质102，接着，读取光L会于存储介质102 绕射后，成为绕射光D，并再由导光模块120A将绕射光D导引至第一透镜150。

如图3所述，在本发明的其中一个实施例中，所述存储装置110是离轴存储装置110B。所述离轴存储装置110B包括光源模块130、导光模块120B和存储介质102。

所述导光模块120B包含第四导引透镜134、二分之一波片136、第二偏振分光镜138、反射镜140、振镜142、第五导引透镜144、第二物镜146及第三偏振分光镜148，导光模块120B能够通过第四导引透镜134接收来自光源模块130 的读取光L。读取光L自第四导引透镜134依次通过二分之一波片136、第二偏振分光镜138、反射镜140、振镜142、第五导引透镜144，而接着进入第二物镜 146。通过第二物镜146，读取光L被导引进入存储盘片102。接着，读取光L 于存储盘片102进行绕射后，成为绕射光D，并再由导光模块120将绕射光D导引至第一透镜150。

所述存储装置110将读取光L转换为绕射光D后，将所述绕射光D提供给所述双频式光栅160。所述绕射光D在进入所述双频式光栅160前，首先经过所述第一透镜150的聚焦。其中，所述第一透镜150为凸透镜。所述双频式光栅160 接受到所述绕射光D后，将所述绕射光D转换为具有不同频率的第一一阶绕射光 L1与第二一阶绕射光L2，其中，所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2 部分重叠，并且在行进方向上存在微量的差异。所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2进入所述光侦测器170，所述光侦测器170具有侦测面172，所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2在所述侦测面172上进行成像。所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2在由所述双频式光栅160进入所述光侦测器170前，首先通过所述第二透镜152，所述第二透镜152将所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2收敛至接近于相互平行。其中，所述第二透镜152 为凸透镜。

所述第一透镜150的第一焦平面P1与所述双频式光栅160所在平面相交；所述第二透镜152的第二焦平面P2与所述光侦测器170之侦侧面172所在平面相交；所述第二透镜152的前焦点F与所述第一焦平面P1相交。

优选的，所述第一透镜150的第一焦平面P1与所述双频式光栅160所在平面重合；所述第二透镜152的第二焦平面P2与所述光侦测器170之侦侧面172 所在平面重合；所述第二透镜152的前焦点F位于所述第一焦平面P1和所述双频式光栅160所在平面上。

由所述存储装置110发出的所述绕射光D通过所述第一透镜150后，聚焦于所述双频式光栅160上。由于所述双频率式光栅160所在的平面与所述第一透镜 150的第一焦平面P1相交，因此来自所述第一透镜150的绕射光D会聚焦在所述双频率式光栅160上。即：所述双频率式光栅160所接收的光束会是通过所述第一透镜150的绕射光D的傅立叶变换。由于所述双频率式光栅160具有两种空间频率，因而可将所述绕射光D转换为具有不同频率的第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2，其中，所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2部分重叠，并且在行进方向上存在微量的差异。所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2经过所述第二透镜152的收敛，以相互接近于平行，但行进方向存在微量差异的方式进入所述光侦测器170。

所述控制器176与所述致动器162电连接，控制所述致动器162带动所述双频式光栅160沿所述第一透镜150的第一焦平面P1进行移动。所述控制器176 与所述计算器174电连接，控制所述计算器174计算进入所述光侦测器170的所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2的光强分布和波程差Δψ。通过所述计算器174的计算，可获得所述绕射光D携带的光学信息，即：完成对全像信息的读取。

其中，所述第一透镜150的第一透镜主光轴A1和所述第二透镜152的第二透镜主光轴A2相交。即所述第二透镜152相对所述第一透镜150及双频率式光栅162为倾斜设置。

所述光侦测器170的法线与所述第二透镜152的第二透镜主光轴A2平行；所述双频式光栅160的法线与所述第一透镜150的第一透镜主光轴A1平行。因此，所述光侦测器170的法线与所述双频式光栅160的法线相交。

其中，在所述全像装置100的光路配置中，所述双频率式光栅160可视为光路的频谱平面，所述光侦测器170的侦测面172可视为光路的成像平面。

本发明还包括一种全像信息读取方法，其特征在于，采用所述的全像信息读取装置，通过如下步骤进行全像信息读取：

S1通过所述存储装置110将所述读取光L转换为所述绕射光D；

S2通过所述第一透镜150使所述绕射光D在所述双频式光栅160上聚焦；

S3通过所述双频式光栅160将所述绕射光D转换为带有不同频率的所述第一一阶绕射光L1和第二一阶绕射光L2；

S4通过所述第二透镜152使所述第一一阶绕射光L1和第二一阶绕射光L2 相互接近于平行；

S5通过所述光侦测器170使所述第一一阶绕射光L1和第二一阶绕射光L2 进行成像；

S6通过由所述致动器162带动所述双频式光栅160沿所述第一透镜150的第一焦平面P1进行移动；

S7通过所述计算器174根据所述双频式光栅160移动前后的所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2的光强分布和波程差Δψ，计算所述绕射光D的相位分布。

通过本发明所述的方法，所述存储装置110将自存储介质102离开的绕射光D提供至所述第一透镜150，所述绕射光D通过所述第一透镜150上聚焦在所述双频率式光栅160上。接着，所述绕射光D会通所述双频率式光栅160被转换成具有不同频率的第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2，其中，所述第一一阶绕射光L1与第二一阶绕射光L2部分重叠，并且在行进方向上存在微量的差异。所述第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2共同通过所述第二透镜152，并投射在所述光侦测器170的侦测面172上。所述第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2于光侦测器170的侦测面172上的成像范围部分重迭。

当所述光侦测器170接收到所述第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2 于所述侦测面172上的成像后，所述控制器176驱动所述计算器174计算光侦测面172上成像的图案的光强分布。

接着，所述控制器176控制所述致动器162，使所述致动器162带动所述双频率式光栅160沿所述第一焦平面P1移动。依据傅立叶光学原理，当做为频谱平面的所述双频率式光栅160沿所述第一焦平面P1移动时，会在做为成像平面的光侦测器170的侦测面172上造成以倾斜方式射向所述光侦测器170的第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2之间的波程差。当视做为频谱平面的所述双频率式光栅160沿所述第一焦平面P1有微量位移ΔX的时候，通过所述双频率式光栅160的第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2之间的波程差Δψ可表示为：

此处的微量位移ΔX为所述双频率式光栅160 的第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2之间造成波程差Δψ的微量位移，

其中λ为第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2的波长，θ1以及θ2 分别为第一一阶绕射光L1以及第二一阶绕射光L2经通过双频率式光栅160后的绕射角度。

由上述波程差Δψ的方程式可知，由于参数λ、θ1以及θ2为已知，因此在透所述双频率式光栅160进行微量位移ΔX后，即可得到所述第一一阶绕射光 L1以及第二一阶绕射光L2之间的波程差Δψ。

所述双频率式光栅160微量移动后，所述控制器176再次控制所述计算器 174计算所述光侦测面172上成像的图案的光强分布，其中所述光侦测面172上于双频率式光栅160移动前后所成像的图案部分重叠。通过部分重叠的双频率式光栅160移动前后所成像的图案，所述计算器174可推算出自存储介质102离开的绕射光D的部分相位分布。所述双频率式光栅160沿所述第一焦平面P1多次微量移动，所述计算器174进行多次计算，从而完成对全像信息的读取。

显然，上述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全像信息读取装置，其特征在于，包括：存储装置(110)、双频式光栅(160)、光侦测器(170)、致动器(162)、计算器(174)、控制器(176)、第一透镜(150)和第二透镜(152)；

所述双频式光栅(160)耦合于所述存储装置(110)和光侦测器(170)之间，所述第一透镜(150)光学耦合于所述存储装置(110)和双频式光栅(160)之间，所述第二透镜(152)光学耦合于所述双频式光栅(160)和光侦测器(170)之间，所述控制器(176)分别与所述致动器(162)和计算器(174)电连接，所述致动器(162)和双频式光栅(160)电连接，所述计算器(174)和光侦测器(170)电连接；

所述存储装置(110)用于将读取光(L)转换为绕射光(D)，并将所述绕射光(D)提供给所述双频式光栅(160)；

所述双频式光栅(160)用于接受所述绕射光(D)，并将所述绕射光(D)转换为带有不同频率的第一一阶绕射光(L1)与第二一阶绕射光(L2)；

所述光侦测器(170)用于对接收的所述第一一阶绕射光(L1)与第二一阶绕射光(L2)在进行成像；

所述致动器(162)用于带动所述双频式光栅(160)沿所述第一透镜(150)的第一焦平面(P1)进行平移，在做为成像平面的光侦测器(170)的侦测面(172)上造成以倾斜方式射向所述光侦测器(170)的第一一阶绕射光(L1)以及第二一阶绕射光(L2)之间的波程差；

所述计算器(174)用于根据所述双频式光栅(160)移动前后的所述第一一阶绕射光(L1)与第二一阶绕射光(L2)的光强分布和波程差(Δψ)，计算所述绕射光(D)的相位分布；

所述第一透镜(150)用于对由所述存储装置(110)提供的所述绕射光(D)进行聚焦；

所述第二透镜(152)用于将由所述双频式光栅(160)提供的所述第一一阶绕射光(L1)与第二一阶绕射光(L2)收敛至接近于相互平行。

2.根据权利要求1所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述第一透镜(150)的第一焦平面(P1)与所述双频式光栅(160)所在平面相交；所述第二透镜(152)的第二焦平面(P2)与所述光侦测器(170)之侦侧面172所在平面相交；所述第二透镜(152)的前焦点(F)与所述第一焦平面(P1)相交。

3.根据权利要求1所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述第一透镜(150)的第一焦平面(P1)与所述双频式光栅(160)所在平面重合；所述第二透镜(152)的第二焦平面(P2)与所述光侦测器(170)之侦侧面172所在平面重合；所述第二透镜(152)的前焦点(F)位于所述第一焦平面(P1)和所述双频式光栅(160)所在平面上。

4.根据权利要求2所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述第一透镜(150)的第一透镜主光轴(A1)和所述第二透镜(152)的第二透镜主光轴(A2)相交。

5.根据权利要求4所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述光侦测器(170)的法线与所述第二透镜(152)的第二透镜主光轴(A2)平行；所述双频式光栅(160)的法线与所述第一透镜(150)的第一透镜主光轴(A1)平行。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述存储装置(110)为同轴存储装置(110A)或离轴存储装置(110B)中的任意一种。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的全像信息读取装置，其特征在于，所述致动器(162)为压电式致动器。

8.一种全像信息读取方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任意一项所述的全像信息读取装置，通过如下步骤进行全像信息读取：

S1通过所述存储装置(110)将所述读取光(L)转换为所述绕射光(D)；

S2通过所述第一透镜(150)使所述绕射光(D)在所述双频式光栅(160)上聚焦；

S3通过所述双频式光栅(160)将所述绕射光(D)转换为带有不同频率的所述第一一阶绕射光(L1)和第二一阶绕射光(L2)；

S4通过所述第二透镜(152)使所述第一一阶绕射光(L1)和第二一阶绕射光(L2)相互接近于平行；

S5通过所述光侦测器(170)使所述第一一阶绕射光(L1)和第二一阶绕射光(L2)进行成像；

S6通过由所述致动器(162)带动所述双频式光栅(160)沿所述第一透镜(150)的第一焦平面(P1)进行平移，在做为成像平面的光侦测器(170)的侦测面(172)上造成以倾斜方式射向所述光侦测器(170)的第一一阶绕射光(L1)以及第二一阶绕射光(L2)之间的波程差；

S7通过所述计算器(174)根据所述双频式光栅(160)移动前后的所述第一一阶绕射光(L1)与第二一阶绕射光(L2)的光强分布和波程差(Δψ)，计算所述绕射光(D)的相位分布。

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