专利名称：全息数据存储的快速读出系统及方法
技术领域：
全息数据存储的快速读出系统及方法属于光存储技术领域。
背景技术：
随着信息高速公路的建设和计算机科学与技术的发展，需要存储和传播 的信息量在急剧增加，这对信息存储技术提出了越来越高的要求。当今社会 对于存储器性能的要求，既要超大容量(或高密度)，也要求存取数据的高传输 速率。光学体全息存储是实现这一目标最明朗的发展方向，经过近几十年的 研究，已经在体全息机理以及超高密度和超大容量全息记录材料等方面取得 了相当多的研究成果。
体全息存储的并行页面存储机制和极短的寻址时间使得它有可能达到很 高的数据传输速率。更为重要的是，高分辨率大幅面的组页器(如空间光调
制器即SLM)、精确定位的运动系统、高速光电探测器(如CCD和CMOS 等)以及外围高速电子电路的引入，提供了全息存储快速读出的可行性。作 为一个完整的、实用化的全息信息存储系统必须包含高速读取的功能，如果 体全息存储系统在实现超大容量的基础上同时还能够实现高速的数据传输速 率，无疑将极大地推动信息科学的发展进步。
目前在全息存储技术领域发表的论文中，涉及的读出均为在介质静止状 态读取再现图像，S卩通过计算机发出命令，驱动带有记录介质的精密寻址 设备(转台或平台)转动或移动一个微小的距离，运动结束后，在介质静止状态 下用参考光对其进行光读取，然后用图像采集设备采集图像，送入计算机处 理。显然这种"静态读出"由于等待时间过长而无法达到高的读出速率。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述全息存储的缺点和不足，提出了一种全息 数据存储的快速读出系统及方法，该方法可以将己经记录在全息介质中的多个全息图高速动态的读出，即在连续读出多个全息图的过程中，全息介质始 终处于高速运动的状态。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括有激光器、
分束器、第一反射镜、第一扩束准直系统、空间光调制器(SLM)、傅里叶变 换镜头FT"、第二扩束准直系统、第二反射镜、参考光镜头、高速精密寻址 设备、全息介质、傅里叶变换镜头FTL2、设置在分束器和第二扩束准直系统 之间的电光开关、脉冲发生器、高速图像采集设备、微动定位控制器、计算 机、连接计算机与被控制的器件的电缆线、物光快门。其中-
所述的脉冲发生器至少存在两个能够同步输出同一脉冲信号的脉冲输出 接口，同时具有外触发信号输入接口；所述的电光开关有接收外触发信号输 入的接口；所述的高速图像采集设备有接收外触发信号输入的接口；所述的 微动定位控制器具有一个TTL电平接口 。
脉冲发生器的两个脉冲输出接口分别与高速图像采集设备的接收外触发 信号输入的接口和电光开关的接收外触发信号输入的接口相连；脉冲发生器 的外触发信号输入接口与微动定位控制器的TTL电平接口相连，计算机通过 其自身串口与微动定位控制器连接，微动定位控制器还与高速精密寻址设备 相连。
脉冲发生器在接收到外触发信号上升沿的时候，按照提前设置好的脉冲 周期和宽度输出连续周期性的脉冲信号；在接收到外触发信号下降沿的时候， 停止输出脉冲信号。
电光开关在接收到外触发信号上升沿的时候，令来自激光器的光波顺利 透过；在接收到外触发信号下降沿的时候，则令来自激光器的光波无法透过， 实现闭光；从而可用外触发脉冲信号对电光开关的开关频率和开光闭光比进 行控制。
高速图像采集设备在接收到外触发信号上升沿的时候，开始曝光，积累 电荷；曝光时间长度预先设定，在曝光时间的末端，开始读出和传输帧数据，从而与外触发信号的下降沿是无关的；
高速图像采集设备是以CCD或者CMOS为图像传感器的相机探测器，其 帧速大于100帧每秒。
如果全息介质为盘状材料，则精密寻址设备为转台，全息图分布在盘 状材料的同心圆轨道上；如果全息介质为卡片状材料，则精密寻址设备为线 性平移台，全息图分布在卡片状材料的线性轨道上，轨道方向与平移台的移 动方向平行。分布在全息介质同一轨道上的相邻全息图之间有一定的空间间 隔，全息介质固定于高速精密寻址设备，可以实现对全息介质运动状态的控 制。
在全息介质高速运动过程中，高速电光开关只在参考光可以照射至全息 图记录位置的时候，令参考光波顺利通过；当参考光可以照射至全息图之间 的记录间隔的时候，令参考光波无法通过。
利用本发明中的全息数据存储的快速读出系统可以实现全息数据存储的 快速读出。全息数据存储的快速读出方法，是一种利用高速精密寻址设备、 高速电光开关、高速图像采集设备三者之间的同步工作，可以在已记录全息 图的全息介质高速运动的状态下，实现对全息图的高速读出。其读出过程如 下
1) 先将高速精密寻址设备运动至等待读出的首个全息图(假设其位置 为B)之前某一位置A;
2) 通过测量软件精确测量出高速精密寻址设备在设定的加速度和速度 下，由A运动至B所需的精确时间7; (ms量级)，同时要保证精密寻址设备 运动至B点时处于匀速运动状态。
3) 根据实际采集中的实验参数，提前设置好脉冲发生器输出信号的脉 冲周期和宽度，即使脉冲发生器的脉冲周期与精密寻址设备的运动速度的乘 积应等于记录于全息介质中的全息图之间的间隔，脉冲发生器的脉冲宽度应 不小于高速图像采集设备的每帧积分时间。4) 计算机通过微动定位控制器控制精密寻址设备由B点返回至A点位置;
5) 计算机向微动定位控制器发出指令，使精密寻址设备从A点由静止状 态以步骤2)中所设定的加速度和速度开始向B点运动；
6) 在高速精密寻址设备运动rw的时刻，计算机通过微动定位控制器的TTL 电平接口向脉冲发生器发出一个脉冲信号的上升沿，从而触发脉冲发生器按 照3)中设置好的脉冲周期和宽度，向电光开关和高速图像采集设备输出TTL 脉冲信号来触发它们开始工作。而此时安装有全息介质的高速精密寻址设备 应该恰好准确运动至首个全息图所在的位置B，从而恰好可将首个全息图读 出。
7) 由于此时高速精密寻址设备已经处于匀速状态，而且高速图像采集 设备和高速电光开关也同时在以脉冲发生器输出的固定的脉冲周期和宽度进 行工作，即实现高速精密寻址设备、高速电光开关、高速图像采集设备三者 可以对处于高速运动状态下的全息介质中的全息图进行同步匹配地采集读 出。
本发明的效果采用本发明的技术，可以在精密寻址设备运动速度和高 速图像采集设备的积分时间允许的情况下，在存储介质高速运动的过程中实 现高密度全息存储器的高速读出，理论上数据读出速率可以达到l-10Gb/s。
图l系统光路图2动态快速读出150幅全息图的部分读出图像； (a)第l幅；(b)第51幅；(c)第134幅；(d)第150幅 图中l.激光器，2.分束器，3.第一反射镜，4.电光开关，5.第一扩束准 直系统，6.空间光调制器(SLM)， 7.傅里叶变换镜头FTL， 8.第二扩束准直 系统，9.第二反射镜，IO.脉冲发生器，ll.参考光镜头，12.高速精密寻址设 备，13.全息介质，14.傅里叶变换镜头FTL2， 15.高速图像采集设备，16.微 动定位控制器，17.计算机，18.连接计算机与被控制的器件的电缆线，19.物光快门。
具体实施例方式
下面结合图1对本发明作进一步说明
本发明中的全息数据存储的快速读出系统，系统图参见图l，包括有激光
器l、分束器2、第一反射镜3、电光开关4、第一扩束准直系统5、空间光调 制器(SLM) 6、傅里叶变换镜头FTLJ、第二扩束准直系统8、第二反射镜9、 脉冲发生器IO、参考光镜头ll、精密寻址设备12、全息介质13、傅里叶变 换镜头FTL214、高速图像采集设备15、微动定位控制器16、计算机17、连接 计算机与被控制的器件的电缆线18、物光快门19。其中高速图像采集设备15 的帧速高达1000帧每秒。
从激光器1发出的光经过分束器2后分成两束， 一束依次经过物光快门 19、第一反射镜3、第一扩束准直系统5、空间光调制器(SLM) 6、傅里叶变 换镜头FTLJ到达全息介质13的前表面，成为全息记录的物光；另一束依次 经过电光开关4、第二扩束准直系统8、第二反射镜9、参考光镜头ll到达全 息介质13的后表面，成为全息记录的参考光。全息介质13由微动定位控制 器16所控制的精密寻址设备12驱动。以上构成全息图的写入光路，在写入 过程中，物光快门19和电光开关4都是打开的。
全息数据存储的快速读出系统，在读出阶段，由计算机17控制物光快门 19关。从激光器1发出的光依次经过分束器2、电光开关4、第二扩束准直系 统8、第二反射镜9、参考光镜头11到达全息介质13的后表面，成为全息记 录的读出光。在读出光的照射下，从全息介质13衍射出的信号光经过傅里叶 变换镜头FTU14后成为全息记录的再现图像，被高速图像采集设备15采集。 微动定位控制器16具有一个通用输入输出接口(GPI0， General Purpose Input/Output interface),可以输出TTL电平。将此GPIO接口与脉冲发生器10
的外触发信号输入接口连接，可以实现计算机n对脉冲发生器io工作状态 的控制。将脉冲发生器io的两个信号同步输出接口分别连接到高速图像采集设备15和电光开关4，从而以脉冲发生器10为传递，可以实现计算机17对 高速图像采集设备15和电光开关4工作状态的控制。将计算机17通过其自身 串口与微动定位控制器16连接进行通信。通过微动定位控制器16与精密寻 址设备12连接，从而实现计算机17对高速精密寻址设备12运动状态的控制。 本发明的实施方法.-
1) 使用本发明设计的全息数据存储的快速读出系统进行全息图读出实例。首 先选择全息介质材料13为光折变晶体厚度为3.0mm的Zn:Fe:LiNb03晶 体(0.03wtMFe 、 6mol%Zn)，为盘状，物光和参考光的功率分别为2mW 和8mW，精密寻址设备12选用NEWPORT公司的URM80ACC电动精密 转台，并将其转速设定为4.5°/s，加减速度都设定为5°/s2，脉冲发生器IO 采用美国TENMA公司生产的TGP110型10MHz脉冲发生器，输出脉冲 的周期设为45Hz (结合转台4.5°/s的转速，可以使得高速图像采集设备所 采集的两幅图像间隔为0.1。)，脉冲宽度设为llms;
2) 微动定位控制器16是由美国NEWPORT公司生产的Universal Motion Controller,型号为ESP300。将计算机17通过其自身串口与微动定位控制 器相16连接进行通信，并将微动定位控制器16的GPIO接口与脉冲发生 器10的外触发信号输入接口连接，再将脉冲发生器10的两个信号同步输 出接口分别连接到高速图像采集设备15和电光开关4的外触发信号输入 接口。其中高速图像采集设备15是德国BASLER公司的A504K高速 CMOS相机及其配套的EPIX公司的PIXCI CL3SD图像采集卡；光电开关 4是美国QUANTUM科技公司生产的QC12-2型号的KD*P晶体调制器及 其配套的型号为HVP-5LP的高压驱动电源。将微动定位控制器16与高速 精密寻址设备12相连接。
3) 在全息介质材料13的0°位置以0.1。间隔记录150个全息4) 通过微动定位控制器16自带的运动调节程序ESP-Tuning，精确测量出精 密寻址设备12在转速为4.5°/s，加减速度都为57s2的情况下，由-5°运动至0。的精确时间为1.573s;同时可以保证精密寻址设备12运动至0°时， 处于匀速运动状态。
5) 将高速精密寻址设备12运动至-5°位置；
6) 将高速图像采集设备15的曝光时间设置为llms。然后使电光开关4和高 速图像采集设备15都处于等待接收脉冲发生器10的触发信号状态，而脉 冲发生器10则处于等待接收微动定位控制器16的触发信号状态；
7) 通过用CVI编制的程序，向微动定位控制器16发出指令，使精密寻址设 备12从-5°位置由静止状态开始加速运动；
8) 程序等待1.573s后，通过微动定位控制器16的GPIO接口向脉冲发生器 10发出一个脉冲信号的上升沿，从而触发脉冲发生器10按照步骤l)中设 置好的脉冲周期和宽度，向电光幵关4和高速图像采集设备15输出TTL 脉冲信号来触发它们开始工作。而此时夹带全息介质13的高速精密寻址 设备12应该恰好准确运动至首个全息图所在的位置0°，从而恰好可将首 个全息图读出。
9) 由于高速图像采集设备15所采集的两幅图像间隔为0.1。，与记录于全息介 质13中的全息图之间的间隔相一致，而且此时高速精密寻址设备12已经 处于匀速运动状态，即实现高速精密寻址设备12、高速电光开关4、高速 图像采集设备15三者可以对处于高速运动状态下的全息介质13中的全息 图进行同步匹配地采集读出。本例实现45幅全息图每秒的读出速率，由 于每幅全息图包含数据量可以达到1M比特，故本例可以实现数据读出速 率45Mbit/s。
图2给出了部分全息图的再现像。
权利要求
1、全息数据存储的快速读出系统，包括有激光器(1)、分束器(2)、第一反射镜(3)、第一扩束准直系统(5)、空间光调制器(6)、傅里叶变换镜头FTL1(7)、第二扩束准直系统(8)、第二反射镜(9)、参考光镜头(11)、精密寻址设备(12)、全息介质(13)、傅里叶变换镜头FTL2(14)和物光快门(19)；其特征在于还包括有设置在偏振分束棱镜(2)和第二扩束准直系统(8)之间的电光开关(4)、高速图像采集设备(15)、脉冲发生器(10)、微动定位控制器(16)和计算机(17)；其中所述的脉冲发生器(10)至少存在两个能够同步输出同一脉冲信号的脉冲输出接口，同时具有外触发信号输入接口；所述的电光开关(4)有接收外触发信号输入的接口；所述的高速图像采集设备(15)有接收外触发信号输入的接口；所述的微动定位控制器(16)具有一个TTL电平接口；脉冲发生器(10)的两个脉冲输出接口分别与高速图像采集设备(15)的接收外触发信号输入的接口和电光开关(4)的接收外触发信号输入的接口相连；脉冲发生器(10)的外触发信号输入接口与微动定位控制器(16)的TTL电平接口相连，微动定位控制器(16)还分别与精密寻址设备(12)和计算机(17)相连。
2、 根据权利要求1所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于所述 的高速图像采集设备(15)是以CCD或者CMOS为图像传感器的相机探测器。
3、 根据权利要求1所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于所述 的全息介质(13)是光折变晶体、光致聚合物或其它全息存储材料制成的盘 状介质。
4、 根据权利要求1所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于所述 的全息介质(13)是光折变晶体、光致聚合物或其它全息存储材料制成的卡 片状介质。
5、 根据权利要求3所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于高速 精密寻址设备(12)为转台，全息图分布在盘状介质的同心圆轨道上。
6、 根据权利要求4所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于高速精密寻址设备(12)为线性平移台，全息图分布在卡片状介质的线性轨道上，轨道方向与平移台的移动方向平行。
7、 根据权利要求1所述的全息数据存储的快速读出系统，其特征在于所述的高速图像采集设备(15)的帧速大于100帧每秒。
8、 如权利要求1所述的全息数据存储的快速读出系统的快速读出方法，其特 征在于，该方法利用精密寻址设备(12)、电光开关(4)和高速图像采集设 备(15)三者之间的同步工作，在已记录全息图的全息介质(13)高速运动 的状态下实现对全息图的高速读出；具体包括以下步骤a) 记录于全息介质(13)中的全息图之间的间隔等于脉冲发生器(10) 的脉冲周期与精密寻址设备(12)的运动速度的乘积，高速图像采集 设备(15)的每帧积分时间不大于脉冲发生器(10)的脉冲宽度；b) 计算机(17)通过微动定位控制器(16)控制精密寻址设备(12)运 动至等待读出的首个全息图之前的某一位置A点，假设首个全息图的 位置为B点；c) 通过微动定位控制器(16)测量出高速精密寻址设备(12)在设定的 加速度和速度下，由A点运动至B点所需时间^，同时保证精密寻址 设备(12)运动至B点时处于匀速运动状态；d) 计算机(17)通过微动定位控制器(16)控制精密寻址设备(12)由B 点返回至A点位置；e) 精密寻址设备(12)从A点由静止状态以步骤c)中所设定的加速度 和速度开始向B点运动；f) 在精密寻址设备(12)运动至7;的时刻，即此时夹带全息介质(13) 的精密寻址设备(12)恰好运动至首个全息图所在的位置B点，计算 机(17)通过微动定位控制器(16)的TTL电平接口向脉冲发生器(10) 发出脉冲触发信号，使触发脉冲发生器(10)按照步骤a)中设置好的脉冲周期和宽度，向电光开关(4)和高速图像采集设备(15)输出TTL 脉冲信号，电光开关(4)接收到外触发信号上升沿时，电光开关(4) 打开，令来自激光器(l)的光波顺利透过，同时高速图像采集设备(15) 开始曝光，积累电荷；曝光时间长度预先设定，在曝光时间的末端， 开始读出和传输帧数据，与外触发信号的下降沿无关；在接收到外触 发信号下降沿的时候，电光开关(4)令来自激光器(1)的光波无法 透过，实现闭光；电光开关(4)和高速图像采集设备(15)就以这样 相同的固定周期同步工作；将首个全息图读出； g)精密寻址设备(12)处于匀速运动状态，高速图像采集设备(15)和 电光开关(4)以固定的同一个周期对全息图进行采集，即做到了精密 寻址设备(12)、电光开关(4)、高速图像采集设备(15)三者之间的 同步匹配，在全息介质(13)高速运动的状态下，对存储于其中的全 息图的连续高速读出。
全文摘要
本发明涉及一种全息数据存储的快速读出系统及方法，属于光存储技术领域。本发明的快速读出方法是一种先在全息介质上以一定间隔记录多个全息图，然后利用精密寻址设备、电光开关、高速图像采集设备三者之间的同步工作，从而在全息介质高速运动的状态下，实现对多个全息图的高速读出。根据本方法所设计的全息数据存储的快速读出系统，由微动定位控制器，脉冲发生器、高速精密寻址设备、高速电光开关、高速图像采集设备、激光器以及必要的光学元件组成，可以实现在连续读出多个全息图的过程中，全息介质始终处于高速运动的状态，从而实现对全息图的连续高速读出。
文档编号G11B7/135GK101290781SQ200810115109
公开日2008年10月22日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者万玉红, 李光明, 江竹青, 王大勇, 陶世荃 申请人:北京工业大学