全息數據存儲的快速讀出系統及方法

文檔序號：6782723閱讀：266來源：國知局

專利名稱：全息數據存儲的快速讀出系統及方法
技術領域：
全息數據存儲的快速讀出系統及方法屬于光存儲技術領域。
背景技術：
隨著信息高速公路的建設和計算機科學與技術的發展，需要存儲和傳播的信息量在急劇增加，這對信息存儲技術提出了越來越高的要求。當今社會對于存儲器性能的要求，既要超大容量(或高密度)，也要求存取數據的高傳輸速率。光學體全息存儲是實現這一目標最明朗的發展方向，經過近幾十年的研究，已經在體全息機理以及超高密度和超大容量全息記錄材料等方面取得了相當多的研究成果。
體全息存儲的并行頁面存儲機制和極短的尋址時間使得它有可能達到很高的數據傳輸速率。更為重要的是，高分辨率大幅面的組頁器(如空間光調
制器即SLM)、精確定位的運動系統、高速光電探測器(如CCD和CMOS 等)以及外圍高速電子電路的引入，提供了全息存儲快速讀出的可行性。作為一個完整的、實用化的全息信息存儲系統必須包含高速讀取的功能，如果體全息存儲系統在實現超大容量的基礎上同時還能夠實現高速的數據傳輸速率，無疑將極大地推動信息科學的發展進步。
目前在全息存儲技術領域發表的論文中，涉及的讀出均為在介質靜止狀態讀取再現圖像，S卩通過計算機發出命令，驅動帶有記錄介質的精密尋址設備(轉臺或平臺)轉動或移動一個微小的距離，運動結束后，在介質靜止狀態下用參考光對其進行光讀取，然后用圖像采集設備采集圖像，送入計算機處理。顯然這種"靜態讀出"由于等待時間過長而無法達到高的讀出速率。

發明內容
本發明的目的在于克服了上述全息存儲的缺點和不足，提出了一種全息數據存儲的快速讀出系統及方法，該方法可以將己經記錄在全息介質中的多個全息圖高速動態的讀出，即在連續讀出多個全息圖的過程中，全息介質始終處于高速運動的狀態。
為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。本發明包括有激光器、
分束器、第一反射鏡、第一擴束準直系統、空間光調制器(SLM)、傅里葉變換鏡頭FT"、第二擴束準直系統、第二反射鏡、參考光鏡頭、高速精密尋址設備、全息介質、傅里葉變換鏡頭FTL2、設置在分束器和第二擴束準直系統之間的電光開關、脈沖發生器、高速圖像采集設備、微動定位控制器、計算機、連接計算機與被控制的器件的電纜線、物光快門。其中-
所述的脈沖發生器至少存在兩個能夠同步輸出同一脈沖信號的脈沖輸出接口，同時具有外觸發信號輸入接口；所述的電光開關有接收外觸發信號輸入的接口；所述的高速圖像采集設備有接收外觸發信號輸入的接口；所述的微動定位控制器具有一個TTL電平接口。
脈沖發生器的兩個脈沖輸出接口分別與高速圖像采集設備的接收外觸發信號輸入的接口和電光開關的接收外觸發信號輸入的接口相連；脈沖發生器的外觸發信號輸入接口與微動定位控制器的TTL電平接口相連，計算機通過其自身串口與微動定位控制器連接，微動定位控制器還與高速精密尋址設備相連。
脈沖發生器在接收到外觸發信號上升沿的時候，按照提前設置好的脈沖周期和寬度輸出連續周期性的脈沖信號；在接收到外觸發信號下降沿的時候，停止輸出脈沖信號。
電光開關在接收到外觸發信號上升沿的時候，令來自激光器的光波順利透過；在接收到外觸發信號下降沿的時候，則令來自激光器的光波無法透過，實現閉光；從而可用外觸發脈沖信號對電光開關的開關頻率和開光閉光比進行控制。
高速圖像采集設備在接收到外觸發信號上升沿的時候，開始曝光，積累電荷；曝光時間長度預先設定，在曝光時間的末端，開始讀出和傳輸幀數據，從而與外觸發信號的下降沿是無關的；
高速圖像采集設備是以CCD或者CMOS為圖像傳感器的相機探測器，其幀速大于100幀每秒。
如果全息介質為盤狀材料，則精密尋址設備為轉臺，全息圖分布在盤狀材料的同心圓軌道上；如果全息介質為卡片狀材料，則精密尋址設備為線性平移臺，全息圖分布在卡片狀材料的線性軌道上，軌道方向與平移臺的移動方向平行。分布在全息介質同一軌道上的相鄰全息圖之間有一定的空間間隔，全息介質固定于高速精密尋址設備，可以實現對全息介質運動狀態的控制。
在全息介質高速運動過程中，高速電光開關只在參考光可以照射至全息圖記錄位置的時候，令參考光波順利通過；當參考光可以照射至全息圖之間的記錄間隔的時候，令參考光波無法通過。
利用本發明中的全息數據存儲的快速讀出系統可以實現全息數據存儲的快速讀出。全息數據存儲的快速讀出方法，是一種利用高速精密尋址設備、高速電光開關、高速圖像采集設備三者之間的同步工作，可以在已記錄全息圖的全息介質高速運動的狀態下，實現對全息圖的高速讀出。其讀出過程如下
1) 先將高速精密尋址設備運動至等待讀出的首個全息圖(假設其位置為B)之前某一位置A;
2) 通過測量軟件精確測量出高速精密尋址設備在設定的加速度和速度下，由A運動至B所需的精確時間7; (ms量級)，同時要保證精密尋址設備運動至B點時處于勻速運動狀態。
3) 根據實際采集中的實驗參數，提前設置好脈沖發生器輸出信號的脈沖周期和寬度，即使脈沖發生器的脈沖周期與精密尋址設備的運動速度的乘積應等于記錄于全息介質中的全息圖之間的間隔，脈沖發生器的脈沖寬度應不小于高速圖像采集設備的每幀積分時間。4) 計算機通過微動定位控制器控制精密尋址設備由B點返回至A點位置;
5) 計算機向微動定位控制器發出指令，使精密尋址設備從A點由靜止狀態以步驟2)中所設定的加速度和速度開始向B點運動；
6) 在高速精密尋址設備運動rw的時刻，計算機通過微動定位控制器的TTL 電平接口向脈沖發生器發出一個脈沖信號的上升沿，從而觸發脈沖發生器按照3)中設置好的脈沖周期和寬度，向電光開關和高速圖像采集設備輸出TTL 脈沖信號來觸發它們開始工作。而此時安裝有全息介質的高速精密尋址設備應該恰好準確運動至首個全息圖所在的位置B，從而恰好可將首個全息圖讀出。
7) 由于此時高速精密尋址設備已經處于勻速狀態，而且高速圖像采集設備和高速電光開關也同時在以脈沖發生器輸出的固定的脈沖周期和寬度進行工作，即實現高速精密尋址設備、高速電光開關、高速圖像采集設備三者可以對處于高速運動狀態下的全息介質中的全息圖進行同步匹配地采集讀出。
本發明的效果采用本發明的技術，可以在精密尋址設備運動速度和高速圖像采集設備的積分時間允許的情況下，在存儲介質高速運動的過程中實現高密度全息存儲器的高速讀出，理論上數據讀出速率可以達到l-10Gb/s。

圖l系統光路圖2動態快速讀出150幅全息圖的部分讀出圖像； (a)第l幅；(b)第51幅；(c)第134幅；(d)第150幅圖中l.激光器，2.分束器，3.第一反射鏡，4.電光開關，5.第一擴束準直系統，6.空間光調制器(SLM)， 7.傅里葉變換鏡頭FTL， 8.第二擴束準直系統，9.第二反射鏡，IO.脈沖發生器，ll.參考光鏡頭，12.高速精密尋址設備，13.全息介質，14.傅里葉變換鏡頭FTL2， 15.高速圖像采集設備，16.微動定位控制器，17.計算機，18.連接計算機與被控制的器件的電纜線，19.物光快門。
具體實施例方式
下面結合圖1對本發明作進一步說明
本發明中的全息數據存儲的快速讀出系統，系統圖參見圖l，包括有激光
器l、分束器2、第一反射鏡3、電光開關4、第一擴束準直系統5、空間光調制器(SLM) 6、傅里葉變換鏡頭FTLJ、第二擴束準直系統8、第二反射鏡9、脈沖發生器IO、參考光鏡頭ll、精密尋址設備12、全息介質13、傅里葉變換鏡頭FTL214、高速圖像采集設備15、微動定位控制器16、計算機17、連接計算機與被控制的器件的電纜線18、物光快門19。其中高速圖像采集設備15 的幀速高達1000幀每秒。
從激光器1發出的光經過分束器2后分成兩束，一束依次經過物光快門 19、第一反射鏡3、第一擴束準直系統5、空間光調制器(SLM) 6、傅里葉變換鏡頭FTLJ到達全息介質13的前表面，成為全息記錄的物光；另一束依次經過電光開關4、第二擴束準直系統8、第二反射鏡9、參考光鏡頭ll到達全息介質13的后表面，成為全息記錄的參考光。全息介質13由微動定位控制器16所控制的精密尋址設備12驅動。以上構成全息圖的寫入光路，在寫入過程中，物光快門19和電光開關4都是打開的。
全息數據存儲的快速讀出系統，在讀出階段，由計算機17控制物光快門 19關。從激光器1發出的光依次經過分束器2、電光開關4、第二擴束準直系統8、第二反射鏡9、參考光鏡頭11到達全息介質13的后表面，成為全息記錄的讀出光。在讀出光的照射下，從全息介質13衍射出的信號光經過傅里葉變換鏡頭FTU14后成為全息記錄的再現圖像，被高速圖像采集設備15采集。微動定位控制器16具有一個通用輸入輸出接口(GPI0， General Purpose Input/Output interface),可以輸出TTL電平。將此GPIO接口與脈沖發生器10
的外觸發信號輸入接口連接，可以實現計算機n對脈沖發生器io工作狀態的控制。將脈沖發生器io的兩個信號同步輸出接口分別連接到高速圖像采集設備15和電光開關4，從而以脈沖發生器10為傳遞，可以實現計算機17對高速圖像采集設備15和電光開關4工作狀態的控制。將計算機17通過其自身串口與微動定位控制器16連接進行通信。通過微動定位控制器16與精密尋址設備12連接，從而實現計算機17對高速精密尋址設備12運動狀態的控制。本發明的實施方法.-
1) 使用本發明設計的全息數據存儲的快速讀出系統進行全息圖讀出實例。首先選擇全息介質材料13為光折變晶體厚度為3.0mm的Zn:Fe:LiNb03晶體(0.03wtMFe 、 6mol%Zn)，為盤狀，物光和參考光的功率分別為2mW 和8mW，精密尋址設備12選用NEWPORT公司的URM80ACC電動精密轉臺，并將其轉速設定為4.5°/s，加減速度都設定為5°/s2，脈沖發生器IO 采用美國TENMA公司生產的TGP110型10MHz脈沖發生器，輸出脈沖的周期設為45Hz (結合轉臺4.5°/s的轉速，可以使得高速圖像采集設備所采集的兩幅圖像間隔為0.1。)，脈沖寬度設為llms;
2) 微動定位控制器16是由美國NEWPORT公司生產的Universal Motion Controller,型號為ESP300。將計算機17通過其自身串口與微動定位控制器相16連接進行通信，并將微動定位控制器16的GPIO接口與脈沖發生器10的外觸發信號輸入接口連接，再將脈沖發生器10的兩個信號同步輸出接口分別連接到高速圖像采集設備15和電光開關4的外觸發信號輸入接口。其中高速圖像采集設備15是德國BASLER公司的A504K高速 CMOS相機及其配套的EPIX公司的PIXCI CL3SD圖像采集卡；光電開關 4是美國QUANTUM科技公司生產的QC12-2型號的KD*P晶體調制器及其配套的型號為HVP-5LP的高壓驅動電源。將微動定位控制器16與高速精密尋址設備12相連接。
3) 在全息介質材料13的0°位置以0.1。間隔記錄150個全息4) 通過微動定位控制器16自帶的運動調節程序ESP-Tuning，精確測量出精密尋址設備12在轉速為4.5°/s，加減速度都為57s2的情況下，由-5°運動至0。的精確時間為1.573s;同時可以保證精密尋址設備12運動至0°時，處于勻速運動狀態。
5) 將高速精密尋址設備12運動至-5°位置；
6) 將高速圖像采集設備15的曝光時間設置為llms。然后使電光開關4和高速圖像采集設備15都處于等待接收脈沖發生器10的觸發信號狀態，而脈沖發生器10則處于等待接收微動定位控制器16的觸發信號狀態；
7) 通過用CVI編制的程序，向微動定位控制器16發出指令，使精密尋址設備12從-5°位置由靜止狀態開始加速運動；
8) 程序等待1.573s后，通過微動定位控制器16的GPIO接口向脈沖發生器 10發出一個脈沖信號的上升沿，從而觸發脈沖發生器10按照步驟l)中設置好的脈沖周期和寬度，向電光幵關4和高速圖像采集設備15輸出TTL 脈沖信號來觸發它們開始工作。而此時夾帶全息介質13的高速精密尋址設備12應該恰好準確運動至首個全息圖所在的位置0°，從而恰好可將首個全息圖讀出。
9) 由于高速圖像采集設備15所采集的兩幅圖像間隔為0.1。，與記錄于全息介質13中的全息圖之間的間隔相一致，而且此時高速精密尋址設備12已經處于勻速運動狀態，即實現高速精密尋址設備12、高速電光開關4、高速圖像采集設備15三者可以對處于高速運動狀態下的全息介質13中的全息圖進行同步匹配地采集讀出。本例實現45幅全息圖每秒的讀出速率，由于每幅全息圖包含數據量可以達到1M比特，故本例可以實現數據讀出速率45Mbit/s。
圖2給出了部分全息圖的再現像。
權利要求
1、全息數據存儲的快速讀出系統，包括有激光器(1)、分束器(2)、第一反射鏡(3)、第一擴束準直系統(5)、空間光調制器(6)、傅里葉變換鏡頭FTL1(7)、第二擴束準直系統(8)、第二反射鏡(9)、參考光鏡頭(11)、精密尋址設備(12)、全息介質(13)、傅里葉變換鏡頭FTL2(14)和物光快門(19)；其特征在于還包括有設置在偏振分束棱鏡(2)和第二擴束準直系統(8)之間的電光開關(4)、高速圖像采集設備(15)、脈沖發生器(10)、微動定位控制器(16)和計算機(17)；其中所述的脈沖發生器(10)至少存在兩個能夠同步輸出同一脈沖信號的脈沖輸出接口，同時具有外觸發信號輸入接口；所述的電光開關(4)有接收外觸發信號輸入的接口；所述的高速圖像采集設備(15)有接收外觸發信號輸入的接口；所述的微動定位控制器(16)具有一個TTL電平接口；脈沖發生器(10)的兩個脈沖輸出接口分別與高速圖像采集設備(15)的接收外觸發信號輸入的接口和電光開關(4)的接收外觸發信號輸入的接口相連；脈沖發生器(10)的外觸發信號輸入接口與微動定位控制器(16)的TTL電平接口相連，微動定位控制器(16)還分別與精密尋址設備(12)和計算機(17)相連。
2、根據權利要求1所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于所述的高速圖像采集設備(15)是以CCD或者CMOS為圖像傳感器的相機探測器。
3、根據權利要求1所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于所述的全息介質(13)是光折變晶體、光致聚合物或其它全息存儲材料制成的盤狀介質。
4、根據權利要求1所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于所述的全息介質(13)是光折變晶體、光致聚合物或其它全息存儲材料制成的卡片狀介質。
5、根據權利要求3所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于高速精密尋址設備(12)為轉臺，全息圖分布在盤狀介質的同心圓軌道上。
6、根據權利要求4所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于高速精密尋址設備(12)為線性平移臺，全息圖分布在卡片狀介質的線性軌道上，軌道方向與平移臺的移動方向平行。
7、根據權利要求1所述的全息數據存儲的快速讀出系統，其特征在于所述的高速圖像采集設備(15)的幀速大于100幀每秒。
8、如權利要求1所述的全息數據存儲的快速讀出系統的快速讀出方法，其特征在于，該方法利用精密尋址設備(12)、電光開關(4)和高速圖像采集設備(15)三者之間的同步工作，在已記錄全息圖的全息介質(13)高速運動的狀態下實現對全息圖的高速讀出；具體包括以下步驟a) 記錄于全息介質(13)中的全息圖之間的間隔等于脈沖發生器(10) 的脈沖周期與精密尋址設備(12)的運動速度的乘積，高速圖像采集設備(15)的每幀積分時間不大于脈沖發生器(10)的脈沖寬度；b) 計算機(17)通過微動定位控制器(16)控制精密尋址設備(12)運動至等待讀出的首個全息圖之前的某一位置A點，假設首個全息圖的位置為B點；c) 通過微動定位控制器(16)測量出高速精密尋址設備(12)在設定的加速度和速度下，由A點運動至B點所需時間^，同時保證精密尋址設備(12)運動至B點時處于勻速運動狀態；d) 計算機(17)通過微動定位控制器(16)控制精密尋址設備(12)由B 點返回至A點位置；e) 精密尋址設備(12)從A點由靜止狀態以步驟c)中所設定的加速度和速度開始向B點運動；f) 在精密尋址設備(12)運動至7;的時刻，即此時夾帶全息介質(13) 的精密尋址設備(12)恰好運動至首個全息圖所在的位置B點，計算機(17)通過微動定位控制器(16)的TTL電平接口向脈沖發生器(10) 發出脈沖觸發信號，使觸發脈沖發生器(10)按照步驟a)中設置好的脈沖周期和寬度，向電光開關(4)和高速圖像采集設備(15)輸出TTL 脈沖信號，電光開關(4)接收到外觸發信號上升沿時，電光開關(4) 打開，令來自激光器(l)的光波順利透過，同時高速圖像采集設備(15) 開始曝光，積累電荷；曝光時間長度預先設定，在曝光時間的末端，開始讀出和傳輸幀數據，與外觸發信號的下降沿無關；在接收到外觸發信號下降沿的時候，電光開關(4)令來自激光器(1)的光波無法透過，實現閉光；電光開關(4)和高速圖像采集設備(15)就以這樣相同的固定周期同步工作；將首個全息圖讀出； g)精密尋址設備(12)處于勻速運動狀態，高速圖像采集設備(15)和電光開關(4)以固定的同一個周期對全息圖進行采集，即做到了精密尋址設備(12)、電光開關(4)、高速圖像采集設備(15)三者之間的同步匹配，在全息介質(13)高速運動的狀態下，對存儲于其中的全息圖的連續高速讀出。
全文摘要
本發明涉及一種全息數據存儲的快速讀出系統及方法，屬于光存儲技術領域。本發明的快速讀出方法是一種先在全息介質上以一定間隔記錄多個全息圖，然后利用精密尋址設備、電光開關、高速圖像采集設備三者之間的同步工作，從而在全息介質高速運動的狀態下，實現對多個全息圖的高速讀出。根據本方法所設計的全息數據存儲的快速讀出系統，由微動定位控制器，脈沖發生器、高速精密尋址設備、高速電光開關、高速圖像采集設備、激光器以及必要的光學元件組成，可以實現在連續讀出多個全息圖的過程中，全息介質始終處于高速運動的狀態，從而實現對全息圖的連續高速讀出。
文檔編號G11B7/135GK101290781SQ200810115109
公開日2008年10月22日申請日期2008年6月18日優先權日2008年6月18日
發明者萬玉紅, 李光明, 江竹青, 王大勇, 陶世荃申請人:北京工業大學

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