專利名稱：位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中像素匹配的實(shí)時補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)信息存儲及體全息數(shù)據(jù)存儲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在數(shù)據(jù)讀出時對位置誤差產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤進(jìn)行補(bǔ)償校正的方法。
背景技術(shù)：
隨著信息時代的到來，人們對于信息存儲、傳輸與處理的要求與日俱增。光信息存儲技術(shù)以其密度高、壽命長等特點(diǎn)成為繼磁存儲技術(shù)之后的新興存儲技術(shù)，成為世界各國競相研究的對象。光學(xué)體全息存儲技術(shù)以其資料冗余度高、數(shù)據(jù)并行傳輸、存儲密度高、尋址速度快和相關(guān)尋址功能等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前最具潛力的光存儲技術(shù)。而體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)讀出過程中如何達(dá)到較低的誤碼率仍是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)中，為了增大系統(tǒng)容量，普遍采用位置、角度混合復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)方案。圖1是美國Rockwell科學(xué)中心實(shí)現(xiàn)的角度位置混合復(fù)用裝置原理圖，由水平聲光偏轉(zhuǎn)器101，垂直聲光偏轉(zhuǎn)器102，存儲材料鈮酸鋰晶體103，透鏡104，CCD105組成復(fù)用裝置的光路像系統(tǒng)。圖2顯示了實(shí)現(xiàn)圖1所示原理的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，由激光器201發(fā)出激光，通過分光片202分成物光光路和參考光光路。其中參考光光路第一透鏡203，垂直聲光偏轉(zhuǎn)器204，參考光光路第二透鏡205，參考光光路第三透鏡206，參考光光路第四透鏡207，參考光光路第五透鏡208，參考光光路反射鏡209，水平聲光偏轉(zhuǎn)器210，參考光光路第六透鏡211，參考光光路第七透鏡212，參考光光路第八透鏡213，參考光光路第九透鏡214組成全息存儲系統(tǒng)的參考光光路。全息存儲系統(tǒng)的物光光路是依次由聲光頻率補(bǔ)償器215，物光光路第一透鏡216，物光光路第二透鏡217，物光光路反射鏡218，物光光路第三透鏡219，空間光調(diào)制器(SLM)220，物光光路第四透鏡221，物光光路第五透鏡222組成。參考光和物光相干涉，全息圖存儲于晶體材料(LiNbO3)223中。讀出時，關(guān)閉物光光路，參考光改變角度，衍射光通過讀出透鏡224成像于輸出器件(CCD)225上。
為了達(dá)到大容量、高存儲速度的要求，體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的輸入-輸出器件要達(dá)到像素1:1匹配對準(zhǔn)。但在體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的輸入-輸出器件像素1:1匹配過程中，由于系統(tǒng)存在放大率誤差、像素平移、光學(xué)失真等因素，會造成像素間的串?dāng)_從而導(dǎo)致誤碼。而其中最主要的影響因素是像素的位置偏移。由于需匹配的像素尺寸都在微米量級，且整個系統(tǒng)分離元件過多，需調(diào)整的自由度過多。因此在實(shí)際應(yīng)用中，要完全保持探測器與數(shù)據(jù)頁之間的像素一對一匹配，將是非常難以實(shí)現(xiàn)的。從另一方面來說，即使能滿足這些嚴(yán)苛的機(jī)械調(diào)整要求，系統(tǒng)的成本、體積均會大幅度上升，從而無法實(shí)現(xiàn)體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實(shí)用化、小型化。
為了解決上述問題，G.W.Burr等人在2001年發(fā)表于Optics Letters的文章中提出了在體全息存儲中對像素偏移未匹配進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒āＴ摲椒ǖ闹饕硎沁\(yùn)用傅立葉光學(xué)理論分析系統(tǒng)成像過程，推導(dǎo)像素偏移量與讀出圖像灰度值之間的關(guān)系式。根據(jù)推導(dǎo)出的計(jì)算公式，首先在存儲數(shù)據(jù)前采用精密測量儀器測出當(dāng)前的像素偏移量，然后在數(shù)據(jù)讀出時應(yīng)用計(jì)算公式對讀出圖像的每個像素灰度值進(jìn)行補(bǔ)償，從而校正由于像素偏移導(dǎo)致的讀出碼錯誤，進(jìn)而降低總體誤碼率。這一補(bǔ)償方法的流程圖如圖3所示。
此方法的主要不足在于根據(jù)研究表明，存儲材料在進(jìn)行數(shù)據(jù)頁存儲之后會發(fā)生局部收縮，而且由于材料本身性質(zhì)等原因，材料各個區(qū)域的收縮率將有所不同，且在多次存儲讀出不同數(shù)據(jù)頁的過程中同一區(qū)域的收縮率也將有所變化。這樣將導(dǎo)致在存儲前測得的像素偏移量將無法應(yīng)用于所有數(shù)據(jù)頁，這一問題對于位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)影響尤為明顯。如果采用每存儲一幅數(shù)據(jù)頁都重新測量偏移量的做法，將會大大影響系統(tǒng)的實(shí)際存儲、讀出速度，不適合于體全息存儲的實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為克服已有技術(shù)重復(fù)準(zhǔn)備工作量大、無法應(yīng)用于位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的不足，提出一種適合于位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實(shí)時補(bǔ)償方法。
本發(fā)明提供了一種位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中像素匹配的實(shí)時補(bǔ)償方法，其特征在于，所述實(shí)時補(bǔ)償方法利用位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟1)將每個數(shù)據(jù)頁劃分為多個數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)之間用暗像素列隔開，在每個數(shù)據(jù)區(qū)中心放置3×3～8×8像素大小的測試圖樣，作為測試區(qū)；2)通過體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的物光與參考光干涉過程，在所述系統(tǒng)的存儲材料中存儲數(shù)據(jù)頁；3)利用所述系統(tǒng)中的輸出器件讀出數(shù)據(jù)頁，并分析數(shù)據(jù)頁中測試區(qū)的灰度值狀況來測定該數(shù)據(jù)區(qū)的像素偏移量；然后根據(jù)測出的像素偏移量對此數(shù)據(jù)區(qū)的像素灰度值進(jìn)行補(bǔ)償；4)對數(shù)據(jù)頁中的所有數(shù)據(jù)區(qū)重復(fù)步驟3)直到完成整個數(shù)據(jù)頁的還原；5)讀出下一幅數(shù)據(jù)頁，重復(fù)步驟3)和4)，直到完成所有數(shù)據(jù)頁的讀出和還原。
本發(fā)明所述方法可應(yīng)用于高密度、像素1:1匹配、采用位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，能有效降低像素讀出的誤碼率。


圖1為現(xiàn)有的全息存儲復(fù)用裝置的原理圖。
圖2為現(xiàn)有的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為現(xiàn)有的補(bǔ)償方法流程圖。
圖4是本發(fā)明所述方法的原理中涉及的像素偏移分析原理圖。
圖5是本發(fā)明所述方法的原理中涉及的像素間串?dāng)_分析示意圖。
圖6是本發(fā)明所述方法的原理中涉及的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)像素補(bǔ)償順序圖。
圖7是本發(fā)明所述方法的原理涉及的數(shù)據(jù)區(qū)像素偏移量測定示意圖。
圖8是本發(fā)明所述方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的實(shí)時補(bǔ)償方法采用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的主要光路結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相同，參見圖2。由激光器201發(fā)出激光，通過分光片202分成物光光路和參考光光路。其中參考光光路第一透鏡203，垂直聲光偏轉(zhuǎn)器204，參考光光路第二透鏡205，參考光光路第三透鏡206，參考光光路第四透鏡207，參考光光路第五透鏡208，參考光光路反射鏡209，水平聲光偏轉(zhuǎn)器210，參考光光路第六透鏡211，參考光光路第七透鏡212，參考光光路第八透鏡213，參考光光路第九透鏡214組成全息存儲系統(tǒng)的參考光光路。全息存儲系統(tǒng)的物光光路是依次由聲光頻率補(bǔ)償器215，物光光路第一透鏡216，物光光路第二透鏡217，物光光路反射鏡218，物光光路第三透鏡219，空間光調(diào)制器(SLM)220，物光光路第四透鏡221，物光光路第五透鏡222組成。參考光和物光相干涉，全息圖存儲于晶體材料(LiNbO3)223中。讀出時，關(guān)閉物光光路，參考光改變角度，衍射光通過讀出透鏡224成像于輸出器件(CCD)225上。元器件均采用常規(guī)產(chǎn)品。
本發(fā)明所述方法的原理如下根據(jù)傅立葉光學(xué)理論，由傅立葉變換透鏡和傅立葉逆變換透鏡組成的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)像面的復(fù)振幅分布是幾何光學(xué)理想像與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的卷積，因此單個亮像素發(fā)出的光波經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在像面的復(fù)振幅分布可由式(1)表示U(x,y)=1MA(xM,yM)*(4f0xf0ysinc(2f0xx)sinc(2f0yy))----(1)]]>式中*為卷積運(yùn)算，M為系統(tǒng)放大率，A為SLM像素發(fā)光區(qū)域的矩孔函數(shù)，x、y坐標(biāo)系原點(diǎn)為像素中心，f0x、f0y為x、y方向的截止頻率。由于此系統(tǒng)可看作是相干成像系統(tǒng)，則像面的光強(qiáng)分布可由式(2)表示
I(x，y)＝|U(x，y)|2(2)考慮如圖4所示情況。SLM像素經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后的成像相對于應(yīng)與它匹配的CCD像素在兩維方向上分別有偏移，注意到CCD像素并不是所有面積都可以接收信號，利用上述幾個表達(dá)式，它所接收到的光強(qiáng)值可用式(3)表示。
h(x,y)=∫-ffx/2-σxffx/2-σx∫-ffy/2-σyffy/2-σy|U(x,y)|2dydx----(3)]]>式中ffx和ffy分別為CCD像素光敏區(qū)在x、y方向上的尺寸，σx和σy是CCD像素相對于SLM像素成像位置在x、y方向上的偏移量。
由單個SLM像素發(fā)出光波在像面的光場分布可知，對于某一CCD像素而言，只有成像中心距它不超過1個像素間距的SLM像素發(fā)出的光波對它接收到的信號有影響，其它的可以忽略。參看圖5，圖中陰影表示一個CCD像素，序號(M，N)，其余方格表示相鄰的9個SLM像素的像，其中(m，n)像素是與此CCD像素對應(yīng)的SLM像素。如圖中所示情況下，CCD像素所接收到光強(qiáng)值將來自像素(m，n)、(m，n-1)、(m+1，n)、(m+1，n-1)，根據(jù)式(1)，可以分別寫出這些像素發(fā)出的光波能被此CCD接收到部分的表達(dá)式。以(m+1，n-1)為例，有式(4)h(x,y)′′(m+1,n-1)=∫-ffx/2-σxffx/2-σx∫-ffy/2-σyffy/2-σy|U(x-px,y+py)|2dydx----(4)]]>式中px、py為CCD像素在x、y方向上的間距。σx和σy是CCD像素相對于SLM像素成像位置在x、y方向上的偏移量。
計(jì)算結(jié)果表明，由于SLM像素的透光部分是矩形，類似于圖5所示情況中的像素(m+1，n-1)對CCD接收光強(qiáng)值影響很小可以忽略。因此CCD像素(M，N)接收的光強(qiáng)可用式(5)表示k(M，N)＝h(x，y)(m，n)+h(x，y)(m+1，n)″+h(x，y)(m，n-1)″(5)可見，式中的后兩項(xiàng)就是由于像素偏移帶來的噪聲?？紤]單個數(shù)據(jù)區(qū)的情況，當(dāng)CCD相對于SLM向右下方偏移時，對于數(shù)據(jù)區(qū)最右下方的CCD像素(Mmax，Nmin)式中后兩項(xiàng)均為0。這樣就可以得到h(x，y)(mmax，nmin)的值，如果測出偏移量σx、σy，就可以應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法通過式(3)算出U(x，y)(mmax，nmim)，進(jìn)而可以算出當(dāng)偏移量σx、σy為0即SLM-CCD完全匹配時CCD像素(Mmax，Nmin)的灰度值，這樣就通過數(shù)值補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍ瓿闪讼袼仄ヅ洹Ｍ瑫r還可以通過式(4)算出SLM像素(mmax，nmin)對相鄰CCD像素(Mmax-1，Nmin)和(Mmax，Nmin+1)的串?dāng)_值。這樣對于這兩個像素而言，由于式(5)中后兩項(xiàng)中一項(xiàng)為0，一項(xiàng)已求出，同樣可得到h(x，y)的值，依此類推，就可以完成頁面最下一行和最右一列的數(shù)值補(bǔ)償，進(jìn)而可以完成整個數(shù)據(jù)區(qū)的補(bǔ)償校正(見圖6)。
本發(fā)明中實(shí)時測定某一數(shù)據(jù)區(qū)像素偏移值的原理如下，將每個數(shù)據(jù)頁劃分為多個數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)之間用暗像素列隔開，在每個數(shù)據(jù)區(qū)中心放置3×3～8×8像素大小的測試圖樣，作為測試區(qū)，參照圖7，數(shù)據(jù)頁在每個測試區(qū)的中心設(shè)置1個亮像素作為測試信號，與測試信號相匹配的CCD像素為(m，n)。首先比較圖中(m-1，n)和(m+1，n)，(m，n-1)和(m，n+1)灰度值的大小，確定偏移方向。由于已知測試圖樣中測試信號周圍像素均為暗像素，根據(jù)式(5)可分析出像素偏移對其本身及周圍像素灰度值的影響系數(shù)h(x，y)和h(x，y)′，通過計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值積分的方法就可以算出像素偏移量。
參考圖8，本發(fā)明提出的在位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ陌ㄒ韵虏襟E1、原始數(shù)據(jù)頁處理過程。將數(shù)據(jù)頁劃分為多個數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)之間用暗像素隔開，并在每個數(shù)據(jù)區(qū)中心放置3×3～8×8像素大小的測試圖樣，作為測試區(qū)。將需存儲的數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)區(qū)除去測試區(qū)的其余位置，從而得到一個劃分了數(shù)據(jù)區(qū)并加入測試區(qū)的數(shù)據(jù)頁。重復(fù)以上步驟完成所有數(shù)據(jù)頁的處理。
2、數(shù)據(jù)頁存儲過程。由體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的激光光源發(fā)出的單色光通過分光片分成物光光路和參考光光路。物光經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后在晶體內(nèi)部與參考光發(fā)生干涉，晶體變化記錄下干涉圖樣，變換參考光角度記錄下一幅數(shù)據(jù)頁，角度復(fù)用完成后移動晶體到下一個復(fù)用位置記錄下一幅數(shù)據(jù)頁，直到完成所有數(shù)據(jù)頁的存儲。
3、數(shù)據(jù)頁的讀出及數(shù)值補(bǔ)償還原過程。在體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，用參考光照射晶體，得到記錄圖樣的復(fù)現(xiàn)，由CCD接收。根據(jù)前述原理中的測定偏移量的方法，計(jì)算該數(shù)據(jù)區(qū)的像素偏移量，之后利用測得的像素偏移量對此數(shù)據(jù)區(qū)的每個像素灰度值進(jìn)行補(bǔ)償。對數(shù)據(jù)頁中的每一個數(shù)據(jù)區(qū)重復(fù)上述步驟，直至完成所有數(shù)據(jù)區(qū)的校正還原。
4、變換參考光角度到下一個復(fù)用角度或移動晶體到下一個復(fù)用位置，重復(fù)步驟3，直到完成所有數(shù)據(jù)頁的校正還原。
權(quán)利要求
1.位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中像素匹配的實(shí)時補(bǔ)償方法，其特征在于，所述實(shí)時補(bǔ)償方法利用位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟1)將每個數(shù)據(jù)頁劃分為多個數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)之間用暗像素列隔開，在每個數(shù)據(jù)區(qū)中心放置3×3～8×8像素大小的測試圖樣，作為測試區(qū)；2)通過體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的物光與參考光干涉過程，在所述系統(tǒng)的存儲材料中存儲數(shù)據(jù)頁；3)利用所述系統(tǒng)中的輸出器件讀出數(shù)據(jù)頁，并分析數(shù)據(jù)頁中測試區(qū)的灰度值狀況來測定該數(shù)據(jù)區(qū)的像素偏移量；然后根據(jù)測出的像素偏移量對此數(shù)據(jù)區(qū)的像素灰度值進(jìn)行補(bǔ)償；4)對數(shù)據(jù)頁中的所有數(shù)據(jù)區(qū)重復(fù)步驟3)直到完成整個數(shù)據(jù)頁的補(bǔ)償還原；5)讀出下一幅數(shù)據(jù)頁，重復(fù)步驟3)和4)，直到完成所有數(shù)據(jù)頁的讀出和補(bǔ)償還原。
全文摘要
位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中像素匹配的實(shí)時補(bǔ)償方法，屬于光學(xué)信息存儲及體全息數(shù)據(jù)存儲技術(shù)領(lǐng)域。為克服已有技術(shù)重復(fù)準(zhǔn)備工作量大、無法應(yīng)用于位置復(fù)用體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的不足，本發(fā)明公開了一種適合于位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實(shí)時補(bǔ)償方法，主要包括原始數(shù)據(jù)頁處理、數(shù)據(jù)頁存儲、數(shù)據(jù)頁的讀出及數(shù)值補(bǔ)償還原等步驟。本發(fā)明所述方法可應(yīng)用于高密度、像素1∶1匹配、采用位置復(fù)用的體全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，能有效降低像素讀出的誤碼率。
文檔編號G11B7/00GK1595506SQ20041000921
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者何樹榮, 鮑鵬 申請人:清華大學(xué)