用于体全息存储系统实现像素一一匹配的装置及调整方法

摘要

本发明公开了属于体全息数据存储技术领域的一种用于体全息存储系统实现像素一一匹配的装置及调整方法。该装置包括六自由度调节架、像感器连接架、整体支架、偏振分光棱镜PBS支架等。其调整方法为，在空间光调制器SLM、傅立叶变换透镜前后组、像感器等元件已确定的情况下，采用所设计的装置将这些元件组装起来，保证SLM位于傅立叶变换透镜前组的前焦面上，通过只调整像感器的六个自由度以实现像素一一匹配，得到尽可能小的像素匹配误差，使读出数据图像达到容易进行软件补偿的程度。实现像素一一匹配的装置结构简单，实施效果显著，解决了体全息存储系统中的像素匹配问题。

说明书

技术领域

本发明属于体全息数据存储技术领域。特别涉及一种用于体全息存储系统实现像素一一匹配的装置及调整方法。

背景技术

全息存储的基本原理是基于全息术。相比于一般的波前记录和重现，全息存储往往不直接记录物光与参考光的干涉图样，而是先对物光做一个变换，比如傅立叶变换，然后再让物光与参考光干涉得到干涉图并记录于介质上。要达到数据存储的目的，只需将数据(一般是二进制数据)排布成一个图像矩阵，然后作为一般图像进行全息存储即可。

体全息存储通常利用布拉格选择性通过改变参考光的角度或波长在同一体积内干涉记录不同的物光，当使用该不同角度的参考光照射存储介质时，即可再现物光。从而通过这一过程实现了大数据量的存储和读取。和其他数据存储技术如CD、DVD光盘以及硬盘存储技术相比，体全息存储在数据存储方式上具有不可比拟的优越性，例如数据容量大，数据密度高以及传输率高等特点。但数据的可靠性仍有待提高，其中像素匹配问题是系统数据能否正确读出的关键。

在体全息存储系统中，空间光调制器(SLM)是一个数据输入器件，其像素阵列对物光进行调制，使物光携带有数据信息。记录时SLM可以被视为一个物，经过傅立叶变换透镜前组变换得到其空间频谱并与参考光干涉被记录在介质中。当用记录时的参考光照射记录介质时，记录在其中的物频谱被再现出来，经傅立叶变换透镜后组逆变换，成像在置于后焦面处像感器接收面上，要使接收到的数据图像和SLM上载的数据图像一致，达到数据正确写入读出的目的，需使SLM的像素阵列所成的像中的像素与像感器的像素阵列中的像素一一对应。形象的理解如图1所示，即使黑圆圈阵列所成的像与像感器的白圆圈阵列相重合。但在实际光路中，会出现一些像素失配情况，如图2(a)所示的图像放大率不匹配；如图2(b)所示物像的方向存在偏差；如图2(c)所示成像模糊；如图2(d)所示的物像的位置存在横向偏差。其中第一种像素不匹配情况与透镜组的焦距有关，后三种像素不匹配情况则与系统中的机械结构密切相关。

像素匹配的最终目的就是让SLM的像素阵列所成的像中的像素与像感器的像素阵列中的像素一一重合。如果SLM的像素阵列所成的像中各像素之间相对位置未发生改变，那么不管成像在什么位置，只要调整像感器接收面的位置就可以达到像素匹配的目的。实际光路中元件位置误差会造成成像质量下降，各像素间的相对位置发生偏差。如果通过机械定位装置保证各元件位置误差在一定范围内，则像素间的相对位置偏差可控制在期望的范围内，若允许像感器有足够的调整自由度，那么像素匹配就可以实现，使读出数据图像达到容易进行软件补偿的程度。

本发明应用的实施例中，体全息存储系统的原理图示于图3，激光透过PBS(偏振分光棱镜)2照射到SLM 1上，经SLM 1和PBS 2反射后被傅立叶变换透镜前组3会聚，再由傅立叶变换透镜后组4还原，最终被像感器5接收。如果各器件位置不准确所引起的像素匹配误差不超过十分之一个像感器像素，则可不需要借助补偿算法在软件层面上对像素匹配误差进行补偿，从而提高系统读出速率。但如果单纯地对系统中位置不准确的器件进行调整，其调整精度要求相当高，在实际机械结构中难以实现。因此，需要一种实现简单快速对准的像素匹配装置和调整方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于体全息存储系统实现像素一一匹配的装置及调整方法，其特征在于，所述实现像素一一匹配的装置的整体支架7为一个U形架，U形架的两支上分别开了两个孔，用于傅立叶变换透镜前组3与傅立叶变换透镜后组4的定位；PBS支架6的基本结构是一个“几”字形，PBS 2放置于其槽内，而侧面的SLM 1用螺钉与该支架固定；U形架的底部延伸出一个平台，其上固定有用于调整像感器5各自由度的调节架9；而像感器5则通过一个专门的连接架8与调节架9相连。

所述调节架应具有6个自由度，包括3个平移自由度——上下y、前后z、左右x，以及3个转动自由度——俯仰γ旋转α、偏摆β；并具有平移精度为1μm，转动精度为0.001°的调节精度；调节第一旋钮91、第二旋钮92、第三旋钮93实现平移调节，调节第四旋钮94、第五旋钮95、第六旋钮96实现转动调节。

所述用于体全息存储系统实现像素一一匹配的调整方法为，激光透过PBS 2照射到SLM 1上，经SLM 1和PBS 2反射后被傅立叶变换透镜前组3会聚，再由傅立叶变换透镜后组4还原，最终被像感器5接收，其中SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组和像感器几个器件的位置误差都通过调整六自由度调节架的各个自由度来加以纠正，使像素匹配误差达到读出数据图像容易进行软件补偿的程度。

所述几个器件的位置误差调整是在保证SLM位于傅立叶变换透镜前组的前焦面上的前提下，把SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组这几个器件的位置误差所需要的调整综合到像感器上，通过调整像感器的6个自由度来加以纠正，像感器各自由度所需调整量与SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组的位置误差关系由式(1)～(6)给出：

d_x＝-d_xSLM+d_x3+d_x4+Msinθ_zPBScosθ_zPBS-Msinθ_yPBS        (1)

d_y＝d_zSLM-d_zPBS-d_yPBS+d_y3+d_y4-Msin²θ_zPBS+Msin2θ_xPBS    (2)

d_z＝-d_ySLM+d_zPBS+d_yPBS-d_z3+d_z4+

M(1-cosθ_zPBS)+M(1-cosθ_yPBS)+M(1-cos2θ_xPBS)+           (3)

f(1-cosθ_y3)+f(1-cosθ_x3)+f(1-cosθ_y4)+f(1-cosθ_x4)

${\theta }_x={\theta }_{\mathrm{xSLM}}-\arctan \left(\frac{{\sin }^2{\theta }_{\mathrm{zPBS}}}{\cos {\theta }_{\mathrm{zPBS}}}\right)+2{\theta }_{\mathrm{xPBS}}-{\theta }_{x3}-{\theta }_{x4}---\left(4\right)$

θ_y＝θ_zSLM-arctan(sinθ_zPBS)+θ_yPBS-θ_y3-θ_y4           (5)

θ_z＝θ_ySLM-θ_zPBS-θ_yPBS                                (6)

其中M为SLM的对角线长度，f为傅立叶变换透镜的焦距，d表示平移，θ表示旋转，下标x、y、z分别表示沿着相应的方向或绕着相应的轴，下标3、4分别表示傅立叶变换透镜前组与傅立叶变换透镜后组。

所述用于体全息存储系统实现像素一一匹配的调整方法的具体步骤如下：

1)调节像感器沿轴向的坐标位置z：先使像感器离傅立叶变换透镜后组尽可能的远，然后逐渐地靠近，观察何时接收到的棋盘格边缘最清晰，一般往复进行两三次就可以确定像感器的轴向位置；

2)调节像感器的俯仰γ与偏摆β：这两个自由度位于垂轴方向，像素匹配对此并不敏感，可以通过目测及借助游标卡尺测量进行调节；

3)调节像感器的轴向旋转α：这是像感器最重要的一个维度调节，如果旋转方向没有匹配，则会出现明显的莫尔条纹，轴向旋转调好后莫尔条纹应当基本消失；

4)调节平移方向，包括上下y和左右x：如果在平移方向不准，本应是白色的区域由于照射的能量有一部分分散在黑色的区域，会变成灰色，同样本来黑色的区域也会变成灰色，平移方向调整后应当尽可能消除灰色区域；

5)综合调节：经过前面的4个步骤调节，基本上可以实现像素一一匹配，但由于第3步骤、第4步骤的调节之间会有微量的相互影响，所以需要重复第3步骤、第4步骤的调节。其中第3步骤的调节应当依据图像两侧像素的偏离量，而不仅依据莫尔条纹，重复第3步骤、第4步骤的调节，逐渐逼近最佳像素匹配。

本发明的有益效果是结构简单，实施效果显著，解决了体全息存储系统中的像素匹配问题，可以使像素匹配误差很小，达到读出数据图像容易进行软件补偿的程度。

附图说明

图1为现有技术中的像素匹配问题。

图2为现有技术中的像素失配的情况。

图3为体全息存储系统的光路原理图。

图4为图3所示光路中SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组在yz平面内的位置误差。

图5为体全息存储系统实现像素一一匹配的装置示意图。

图6为图5中整体支架及透镜的示意图。

图7为图5中PBS支架及PBS、SLM装入位置示意图。

图8为图5中像感器连接架及连接示意图。

图9为图5中六自由度调节架示意图。

图10为调整后输入8×8棋盘格所接收到的图像的放大图。

图11为白图轴向旋转不匹配的结果。

图12为白图轴向旋转基本匹配的结果。

图13为调节前上下不准的结果。

图14为调节前左右不准的结果。

图15为在平移方向调节后的结果。

具体实施方式

本发明提供一种用于体全息存储系统实现像素一一匹配的装置及调整方法。下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。

图5所示为体全息存储系统实现像素一一匹配的装置示意图。整体支架7的基本结构是一个U形架7，U形架7的两支上分别开了傅立叶变换透镜前组定位孔71，傅立叶变换傅立时变换透镜后组定位孔72(如图6(a)所示)，分别用于傅立叶变换透镜前组3与傅立叶变换透镜后组4的定位；PBS支架6的基本结构是一个“几”字形，PBS 2放置于其槽内，而侧面的SLM 1用螺钉与该支架固定；U形底座的底部延伸出一个平台73，其上固定有用于调整像感器5各自由度的调节架9；而像感器5则通过一个专门的连接架8与调节架9相连，通过该装置将SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组和像感器连接起来。在图3所示的体全息存储系统的光路原理图中，SLM 1、PBS 2、傅立叶变换透镜前组3、傅立叶变换透镜后组4、像感器5的位置误差都可以通过调整六自由度调节架9的各个自由度来加以纠正，尽可能减小像素匹配误差，使读出数据图像达到容易进行软件补偿的程度，实现像素一一匹配。

本发明的调整方法是在保证SLM位于傅立叶变换透镜前组的前焦面上的前提下，把SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组这几个器件的位置误差综合调整到像感器上，通过调整像感器的6个自由度来加以纠正。像感器各自由度所需调整量与SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组的位置误差关系由式(1)～(6)给出：

d_x＝-d_xSLM+d_x3+d_x4+Msinθ_zPBScosθ_zPBS-Msinθ_yPBS             (1)

d_y＝d_zSLM-d_zPBS-d_yPBS+d_y3+d_y4-Msin²θ_zPBS+Msin2θ_xPBS         (2)

d_z＝-d_ySLM+d_zPBS+d_yPBS-d_z3+d_z4+

M(1-cosθ_zPBS)+M(1-cosθ_yPBS)+M(1-cos2θ_xPBS)+     (3)

f(1-cosθ_y3)+f(1-cosθ_x3)+f(1-cosθ_y4)+f(1-cosθ_x4)

${\theta }_x={\theta }_{\mathrm{xSLM}}-\arctan \left(\frac{{\sin }^2{\theta }_{\mathrm{zPBS}}}{\cos {\theta }_{\mathrm{zPBS}}}\right)+2{\theta }_{\mathrm{xPBS}}-{\theta }_{x3}-{\theta }_{x4}---\left(4\right)$

θ_y＝θ_zSLM-arctan(sinθ_zPBS)+θ_yPBS-θ_y3-θ_y4     (5)

θ_z＝θ_ySLM-θ_zPBS-θ_yPBS                          (6)

其中M为SLM的对角线长度，f为傅立叶变换透镜的焦距，d表示平移，θ表示旋转，下标x、y、z分别表示沿着相应的方向或绕着相应的轴，下标3、4分别表示傅立叶变换透镜前组与傅立叶变换透镜后组。SLM、PBS、傅立叶变换透镜前后组在yz平面内的位置误差示于图4中。

图6为图5中整体支架及透镜的示意图。其中图6(a)为整体支架7，图6(b)为傅立叶变换透镜前组3与傅立叶变换透镜后组4。整体支架7的功能性部分主要在于两个用于傅立叶变换透镜前组定位孔71与傅立叶变换透镜后组定位孔72。延伸出的平台73用于固定六自由度调节架9。从图6(a)中可以看到用于傅立叶变换透镜前组垂轴方向定位的两段圆柱面，用于轴向定位的两个端面和两段圆柱面之间的过渡面。傅立叶变换透镜后组的情况与傅立叶变换透镜前组类似。由于傅立叶变换透镜前后组有同轴度的要求，应使U形架的两支距离尽可能小，以减小加工变形。垂轴方向的定位采用傅立叶变换透镜前组的大圆柱面与傅立叶变换透镜后组的小圆柱面，轴向的定位均采用大小圆柱面的过渡平面。此定位方案容易保证加工时孔的同心度。

图7为图5中PBS支架及PBS、SLM装入位置示意图。其中图7(a)、(c)为PBS支架6的不同角度的视图，图7(b)为PBS 2装入PBS支架6的位置示意图，图7(d)为SLM 1装入PBS支架6的位置示意图。PBS支架6的功能在于，通过自身的尺寸关系保证PBS 2与SLM 1的相对位置，通过与U形底座的连接保证PBS2与傅立叶变换透镜前组的相对位置。其中，第一面61、第二面62及第三面63用于长方体状的PBS 2的定位，第四面64与平板状的SLM 1匹配；第五面65扣于傅立叶变换透镜前组之上，并通过销和螺钉连接定位与固定。

图8为图5中像感器连接架及连接示意图。其中图8(a)为像感器连接架8，图8(b)为像感器连接架8与像感器5、六自由度调节架9的连接示意图。此连接架的基本作用是将调节架9与像感器5相连，加工精度要求不高。

图9为本发明的装置中六自由度调节架示意图。调节架应具有6个自由度，包括3个平移自由度——上下y、前后z、左右x，以及3个转动自由度——俯仰γ、旋转α、偏摆β。并具有较高的调节精度，如平移精度为1μm，转动精度为0.001°。调节第一旋钮91、第二旋钮92、第三旋钮93可实现平移调节，调节第四旋钮94、第五旋钮95、第六旋钮96可实现转动调节。

下面一个实施例为通过调节光路中的像感器的自由度来实现像素一一匹配。

通过如下步骤实现实验光路的搭设：1)调节激光器的高度与角度，使出射光束水平；2)在光路上架PBS，通过观察反射光斑与透射光在屏上的位置来调平；3)在光路上加物镜，保证出射光束与未加物镜时的一致性；4)加针孔，调节针孔的位置使出射光束均匀；5)加准直透镜，使出射光束为平行光；6)将傅立叶变换透镜前后组安装到U形底座上；7)将PBS和SLM安装到PBS支架上；8)将PBS支架安装到U形底座上；9)通过常规手段保证SLM位于傅立叶变换透镜前组的前焦面上；10)将像感器通过连接架固定于六自由度调节架上；11)将六自由度调节架连带像感器固定在底座上。

随后采用计算机控制加载测试图片至SLM，像感器接收SLM图片经过系统所成的像。对比像感器的输出图片与原始测试图片，恰当地调节六自由度调节架，逐步实现系统的像素一一匹配。具体步骤如下：

1)调节像感器沿轴向的坐标位置z：这个维度的调节主要是使像感器处于焦面附近，解决聚焦不准的问题。输入测试图像一般是棋盘格，聚焦的判断依据是接收到的棋盘格边缘是否清晰。调节时先使像感器离傅立叶变换透镜后组尽可能的远，然后逐渐地靠近，观察何时接收到的棋盘格边缘最清晰，一般往复进行两三次就可以确定像感器的轴向位置。图10是调整后输入8×8棋盘格所接收到的图像的放大图。

2)调节像感器的俯仰γ与偏摆β：这两个自由度位于垂轴方向，像素匹配对此并不敏感，可以通过目测及借助游标卡尺测量进行调节。

3)调节像感器的轴向旋转α：这是像感器最重要的一个维度调节，如果旋转方向没有匹配，则会出现明显的莫尔条纹。图11是输入一幅白图(即所有像素均为亮像素)的时候由于轴向旋转没有调准而得到的结果。轴向旋转调好后莫尔条纹应当基本消失(如图12所示)。一般根据莫尔条纹就可以基本调准旋转方向，更进一步的调节需借助于图像两侧像素的偏离量。

4)调节平移方向，包括上下y和左右x：图13、图14分别是上下和左右不准的结果，可以看到，如果在平移方向不准，本应是白色的区域由于照射的能量有一部分分散在黑色的区域，会变成灰色，同样本来黑色的区域也会变成灰色，平移方向调整后应当尽可能消除灰色区域。

5)综合调节：经过前面的4个步骤的调节，基本上可以实现像素一一匹配，但由于第3步骤、第4步骤的调节之间会有微量的相互影响，所以需要重复第3步骤、第4步骤的调节。其中第3步骤的调节应当依据图像两侧像素的偏离量，而不仅依据莫尔条纹。重复第3步骤、第4步骤的调节，逐渐逼近最佳像素匹配，最终结果示于图15。

可替代的，可通过调节光路中的SLM来实现像素一一匹配。

尽管上文结合了实例对本发明进行了描述，但本发明的真实保护范围不应仅限于此，因为对于本领域专业技术人员来说，在研究了附图、说明书和权利要求书之后，其他的修改将变得显而易见。因此，在不偏离如权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明进行多种修改和变更。

本发明结构简单，实施效果显著，解决了体全息存储系统中的像素匹配问题，可以使像素匹配误差很小，达到读出数据图像容易进行软件补偿的程度。