CN101350201A - 全息图记录设备、全息图重建设备、以及全息图记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种全息图记录设备、全息图重建设备、以及全息图记录方法。所述的全息图记录设备记录由参考光束和信号光束产生的全息图数据到一全息图记录媒体，包括一激光光源、一空间光调变器、以及一傅力叶镜片。该激光光源提供一相干光束。该空间光调变器，接收m－位数据用以只判定(p×q)区块，该(p×q)区块包括少于关－像素的开－像素，以及接收上述相干光束用以调变上述(p×q)区块来产生上述信号光束。该傅力叶镜片，将上述信号光束聚焦在上述全息图记录媒体上，使得当聚焦的信号光束聚和聚焦的参考光束一起调变时，产生记录于上述全息图记录媒体的上述全息图数据。

Description

全息图记录设备、全息图重建设备、以及全息图记录方法

技术领域

本发明有关于通讯系统，特别有关于缩放输入数据的方法以及通讯系统内的行动装置，具体来说是关于一种全息图记录(recording)设备、全息图重建设备、以及全息图记录方法。

背景技术

全息图数据储存系统(Hologram Data Storage，HDS)提供有希望的下一代数字数据储存系统，其具有高储存密度并且每片HDS光盘可以以超过160Mb/sec的数据传送速度储存大于200GB的数据。HDS系统是以页为基础的系统，其编码2维(2-dimensional，2D)格式的信息，并且以HDS储存系统的3维(3-dimensional，3D)空间记录编码后的数据，该HDS储存系统由屈旋光性(photorefractive)物质组成。

通常，HDS数据以2维格式编码，用以使用6∶8平衡区块码(6∶8 balancedblock code)以及8∶12平衡条状码记录(8∶12 balanced strip code)记录在HDS光盘上。对6∶8平衡区块码来说，6位的输入数据调变成(2×4)阵列数据，该(2×4)阵列数据具有刚好4个开像素(ON-pixel)以及4个关像素(OFF-pixel)，该6位的输入数据和该(2×4)阵列数据具有一对一的对应关系，并且任何两个连续的调变(2×4)字码的最小汉明距离(Hamming distance)是2。对8∶12平衡区块码来说，8位的输入数据使用有限状态机(finite state machine)调变成(2×6)阵列数据，该(2×6)阵列数据具有刚好数量的开像素以及关像素，由维特比(Viterbi)解码器解码，并且任何两个连续的调变(2×6)字码的最小汉明距离是4。为了获得跟6∶8平衡区块码一样的高编码率以及8∶12平衡条状码一样的好效能，现有技术也提出9∶12伪平衡区块码(9∶12 pseudo balanced block code，PBC)，其具有调变成(3×4)阵列的9位的输入数据，该(3×4)阵列具有大致刚好数量的开像素以及关像素，8位的输入数据使用有限状态机调变成(3×4)阵列数据，由维特比解码器解码，并且任何两个连续的调变(3×4)字码的最小汉明距离是4。8∶12平衡条状码具有编码率3/4，6∶8平衡区块码和9∶12伪平衡区块码的编码率相较之下比较没有效率。

HDS系统增加的储存密度同时带来增加的像素间干扰(crosstalkinterference)，称之为相互像素干扰(inter-pixel interference，IPI)，以及减少的噪声抗扰性(noise immunity)。有鉴于此，需要一种用于全息图数据储存系统的编码方法，其可以记录和重建数据，并且具有降低的相互像素干扰以及增加的噪声抗扰性。

发明内容

本发明提出一种全息图(hologram)记录设备，记录由参考光束和信号光束产生的全息图数据到一全息图记录媒体，包括一激光光源、一空间光调变器(Spatial Light Modulator；SLM)、以及一傅力叶镜片(Fourier Lens)。该激光光源提供一相干光束(coherent light beam)。该空间光调变器，接收m-位数据用以只判定(p×q)区块，该(p×q)区块包括少于关-像素(OFF-pixel)的开-像素(ON-pixel)，以及接收上述相干光束用以调变上述(p×q)区块来产生上述信号光束。该傅力叶镜片，将上述信号光束聚焦在上述全息图记录媒体上，使得当聚焦的信号光束聚和聚焦的参考光束一起调变时，产生记录于上述全息图记录媒体的上述全息图数据。

本发明另提出一种全息图重建设备，解码一全息图记录媒体上的全息图数据，包括一光学检测器、一候选(candidate)选择器、一最佳字码(codeword)选择器、以及一信息产生器。该光学检测器根据上述全息图数据和一参考光束检测重建的页数据(page data)。该候选(candidate)选择器耦接上述光学检测器，当汉明距离小于一预定的汉明距离临界值时，运算上述重建的页数据以及每个候选值页数据之间的上述汉明距离。该最佳字码(codeword)选择器耦接上述候选选择器，估计每个输出的候选页数据以及上述重建的页数据之间的一欧几里得距离(Euclidean distance)，并且判定其中的一最小欧几里得距离。该信息产生器耦接上述最佳字码选择器，输出对应到该输出的候选页数据的一信息数据，该输出的候选页数据具有上述最小欧几里得距离。

本发明另提出一种全息图记录方法，记录由参考光束和信号光束产生的全息图数据到一全息图记录媒体，包括一空间光调变器接收m-位数据用以只判定(p×q)区块，该(p×q)区块包括少于关-像素的开-像素，上述空间光调变器接收一相干光束用以调变上述(p×q)区块来产生上述信号光束，以及一傅力叶镜片将上述信号光束聚焦在上述全息图记录媒体上，使得当聚焦的信号光束聚和聚焦的参考光束一起调变时，产生记录于上述全息图记录媒体的上述全息图数据。

附图说明

图1显示本发明实施例的全息图(hologram)数据储存系统的方块图。

图2显示图1中在HDS通道120的数据记录方法。

图3显示本发明实施例中的全息图的数据重生方法。

图4显示图1中全息图系统的通道模型的方块图。

图5显示本发明实施例中的全息图数据页。

图6显示图1中解调变单元144的方块图。

附图标号：

100-ECC编码器；

102-调变单元；

104-前置编码器；

120-HDS通道；

140-等化以及检测单元；

142-通道估测单元；

144-解调变单元；

146-ECC解码器；

60-候选选择器；

600-切割器；

602-字码表；

606-比较器；

62-最佳字码选择器；

624-最小单元；

64-信息产生器。

具体实施方式

图1显示本发明实施例的全息图(hologram)数据储存系统的方块图，包括ECC编码器100、调变单元102、前置编码器104、HDS通道120、等化及检测单元140、通道估测单元142、解调变单元144、和ECC解码器146。ECC编码器100耦接调变单元102、前置编码器104、HDS通道120、等化及检测单元140和通道估测单元142、解调变单元144、最后耦接到ECC解码器146。

ECC编码器100接收1维(1-dimensional，1D)数据流D_in来对1D数据流D_in利用添加同位位(parity bit)进行错误更正码(error correction code，ECC)编码，使得数据流D_in可以在多噪声通道以及不可靠储存媒体的环境下维持数据完整性。调变单元102接着获得ECC编码后的数据来进行数据切割以及将这些数据切割段调变为2D数据字码D_mod，该数据字码D_mod符合本发明的6∶8可变比重的调变(6∶8 variable weight modulation)方法，其中数据切割段是6位数据以及2D数据字码D_mod是(2×4)页数据(page data)。页数据D_mod可以通过前置编码器104来提供更进一步的错误更正保护，以及在全息图储存过程中对调变后的数据字码D_mod提供相互像素干扰的保护。HDS通道120内的空间光调变器(Spatial Light Modulator；SLM)(未图式)然后将数据字码D_mod从电子信号转换为光学信号，该光学信号用于HDS通道120内的数据储存。当数据接收时，全息图数据由等化及检测单元140以及通道估测单元142处理以进行通道估计以及等化程序(equalizing)来产生等化后的页数据D_e。HDS通道120也包括检测全息图光盘上的页数据的光学检测器(未图式)。等化及检测单元140包括对重建的页数据进行等化程序的等化器，以及使用具有估算或检测条件的算法来回复数据字码D_mod。解调变单元144根据6∶8可变比重的调变方法解调变等化后的页数据D_e以产生解调变的信息数据D_dem，将解调变的信息数据D_dem送到ECC解码器146用以解码以及产生字码数据D_out。

在HDS通道120中，数据字码D_mod记录于屈旋光性(photorefractive)物质以储存数据。图2显示图1中在HDS通道120的数据记录方法。图2中的全息图设备包括空间光调变器(Spatial Light Modulator；SLM)20以及记录全息图数据于全息图光盘24的傅力叶镜片(Fourier Lens)22。当记录时，相干光束从一激光光源(未图式)发出，并且该相干光束被转换为大致平行的光束，该大致平行的光束经由空间光调变器20滤波，同时空间光调变器20提供包括开-像素(ON-pixel)以及关-像素(OFF-pixel)的区块矩阵，该区块矩阵可以由2D数据字码D_mod判定。开-像素以及关-像素可以对应于数据字码D_mod的位1和0。平行的激光束经由空间光调变器20滤波用以提供信号光束S_d1，其经由傅力叶镜片22聚焦于全息图光盘24。同时，平行的参考光束S_ref以一角度被送到全息图光盘24。聚集的信号光束S_d2和参考光束S_ref调变在一起用以产生干扰图案(interference pattern)，该干扰图案可以储存于全息图光盘24的屈旋光性物质。

在数据回复时，全息图光盘24上的数据字码D_mod由图3的数据重生(reproduction)方法重新产生。图3中的全息图设备包括傅力叶镜片30以及回复全息图光盘24上的全息图数据的光学检测阵列32，该全息图数据的回复利用参考光束S_ref以记录数据时的同样角度照射于全息图光盘24上，使得大致相同的数据字码D_mod可以回复。重建光束S_rec1经由傅力叶镜片30送到以产生大致平行的重建光束S_rec2，光学检测阵列32可以检测到该大致平行的重建光束S_rec2。光学检测阵列32以光电的方式将所接收的光学映像转换到电子映像信号，该电子映像信号接着由等化器(未图式)进行等化程序。等化后的数据送到解调变单元144以将2D页数据转换回解调变的信息数据D_dem。

在数据记录和重生时，包括相互像素干扰(inter-pixel interference，IPI)以及可加性白高斯噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)的HDS通道120内的通道损失(Channel Impairments)会影响重建的数据的质量，该重建的数据可以用于解调变以及解码。图4显示图1中全息图系统的通道模型的方块图，主要包括三部分，即，(1)SLM像素形状函数(SLM pixel shape funtion)，由p(x，y)400、402表示，(2)孔隙脉冲响应(aperture impulse response)，由H_A(x，y)404、406表示，以及(3)光学检测阵列32内的积分函数44。SLM像素形状函数是2D长方形函数，其具有由有效SLM像素设定的间隔(interval)。孔隙脉冲响应是2D sinc函数。SLM像素形状函数和孔隙脉冲响应的回旋函数称为像素扩散函数(pixel spread function，PxSF)40，其包括了主要导致相互像素干扰的原因。空间光调变器20内的每个像素D_i，j将位1加1或位1加1/ε，其中ε是空间光调变器20的振幅对比比例。重建的数据像素D_i，j可以由以下表示：

$I_{i,j}=\∫\∫{\left|\right[\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{D}_{k,l}p(x-\mathrm{k\Δ},y-\mathrm{l\Δ})]\⊗h_A(x,y)|}^2\mathrm{dxdy}---\left[1\right]$

其中Δ是空间光调变器20内像素间的像素空间。公式[1]的积分范围由光学检测阵列32的有效面积所决定。其它的通道损失来自包括在HDS通道内的光学和电子噪声的噪声源。光学噪声在检测器阵列积分之前插入，并且具有瑞舜机率密度函数(Rician distribution)的分布特性。具有高斯功率密度函数(Gaussian power density function，PDF)的电子噪声在接收信号转换回电子形式时加入。

经由HDS通道，由调变编码器所产生的字码主要被相互像素干扰所破坏，称为因为不同光源强度产生的信号干扰。因为关-像素具有很低的光线强度，而开-像素具有高很多的光线强度，因此关-像素比较容易被开-像素干扰破坏。换句话说，相互像素干扰效应对这两种像素并非一样。所以开-像素的数量需要减低越多越好，以缓和相互像素干扰效应。

图1的全息图数据储存系统的6∶8可变比重的调变方法是一种固定长度的区块码，该调变方法将6位数据标码为(2×4)长方形区块，该(2×4)区块包括少于关-像素的开-像素，使得开-像素对关-像素的干扰可以减轻。在实施例中，只有1或3个开-像素用于每个(2×4)长方形区块。图5显示本发明实施例中的全息图数据页，只包括1或3个开-像素。1个开-像素包括 $C_1^8=8$ 个字码，以及3个开-像素包括 $C_3^8=56$ 个字码。在设计6∶8可变比重调变方法的64(＝2⁶)字码时遭遇到最主要的考虑因素是位错误率(bit-error rate，BER)以及字码的稀少数量。原则上，1D位对应到2D字码的方式可以参照格雷码(GrayCode)的方式产生。对任意两个刚好相差1位的6位信息来说，其相对应的字码的汉明距离(Hamming distance)具有最小值。在实施例中，每个(2×4)数据区块只包括1或3个开-像素，并且两个(2×4)字码之间的最小汉明距离是2，对应于两个刚好相差1位的6位数据。另外，两个(2×4)字码在被相互像素干扰破坏后具有最小的欧几里得距离(Euclidean distance)。这个方法使得最可能的解码误差是1个误差位，因此降低位错误率。

虽然图5的实施例显示的是6∶8可变比重的调变方法，但是其它的(m∶n)可变比重的调变方法也可以根据本发明的精神实现，其中m位的输入数据调变为n位的调变字码，该调变字码包括(p×q)区块，该调变字码中其开-像素的数量小于关-像素的数量。

图6显示图1中解调变单元144的方块图，解码全息图记录媒体上的全息图数据，包括候选选择器60、最佳字码选择器62、和信息产生器64。候选选择器60耦接到最佳字码选择器62、接着耦接到信息产生器64。

候选选择器60运算等化后的页数据D_e以及每个候选页数据(candidatepage data)D_cand之间的上述汉明距离，并且当汉明距离小于预定的汉明距离临界值时，输出候选页数据D_cand。最佳字码选择器62接着估计每个输出的候选页数据D_cand以及等化后的页数据D_e之间的欧几里得距离(Euclideandistance)，并且判定其中之一为最小欧几里得距离。信息产生器64输出对应到该输出的候选页数据的解调变的信息数据D_dem，该输出的候选页数据具有最小欧几里得距离。

候选选择器60包括切割器(slicer)600、字码表602、汉明距离计算器604、比较器606、乘法器608、以及延迟单元610。切割器600和字码表602耦接汉明距离计算器604、比较器606、乘法器608、最后耦接延迟单元610。

切割器600从前面的数据等化以及检测阶段接收等化后的页数据D_e用以判定其中每个像素值。汉明距离计算器604对等化后的页数据D_e和候选页数据D_cand每个相对应的像素执行互斥或(exclusive OR)，以及将所有的互斥或结果相加用以提供汉明距离HD。比较器606比较汉明距离HD和预定的汉明距离临界值，当汉明距离HD小于预定的汉明距离临界值时，致能第一选择信号。乘法器608接收第一选择信号用以选择候选页数据D_cand和储存于延迟单元610的前一个候选页数据其中之一作为输出值。延迟单元610可以是暂存器(register)。

最佳字码选择器62包括差别单元620、加法单元622、和最小单元624。差别单元620耦接加法单元622，最后耦接到最小单元624。

差别单元620接收候选页数据D_cand以及等化后的页数据D_e用以计算其中每个相对应像素之间的差值，然后将每个相对应像素之间的差值送到加法单元622来将所有的差值相加用以产生上述欧几里得距离ED。最小单元624接收对应于所有输出的候选页数据的欧几里得距离ED，用以判定其中的最小欧几里得距离。

信息产生器64包括乘法器640和耦接到乘法器640的延迟单元642。乘法器640接收第一选择信号用以选择候选信息数据以及前一个候选信息数据之间其中之一作为输出值，该前一个候选信息数据储存于延迟单元642。延迟单元642可以是暂存器。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种全息图记录设备，其特征在于，所述的全息图记录设备记录由参考光束和信号光束产生的全息图数据到一全息图记录媒体，所述的设备包括：

一激光光源，提供一相干光束；

一空间光调变器，接收m-位数据用以只判定(p×q)区块，所述的(p×q)区块包括少于关-像素的开-像素，以及接收上述相干光束用以调变上述(p×q)区块来产生上述信号光束；以及

一傅力叶镜片，将上述信号光束聚焦在上述全息图记录媒体上，使得当聚焦的信号光束聚和聚焦的参考光束一起调变时，产生记录于上述全息图记录媒体的上述全息图数据。

2.如权利要求1所述的全息图记录设备，其特征在于，上述m-位数据是6-位数据，以及上述(p×q)区块是(2×4)区块。

3.如权利要求2所述的全息图记录设备，其特征在于，上述(2×4)区块包括1或3个开-像素。

4.如权利要求2所述的全息图记录设备，其特征在于，任意两个(2×4)区块2对应于两个6-位数据，所述的两个6-位数据相差刚好1位并且具有最小的汉明距离2。

5.如权利要求2所述的全息图记录设备，其特征在于，上述空间光调变器接收上述6-位数据用以根据一查找表判定上述(2×4)区块。

6.如权利要求1所述的全息图记录设备，其特征在于，上述全息图记录媒体是屈旋光性物质。

7.一种全息图重建设备，其特征在于，所述的全息图重建设备解码一全息图记录媒体上的全息图数据，所述的设备包括：

一光学检测器，根据上述全息图数据和一参考光束检测重建的页数据；

一候选选择器，耦接上述光学检测器，当汉明距离小于一预定的汉明距离临界值时，运算上述重建的页数据以及每个候选值页数据之间的上述汉明距离；

一最佳字码选择器，耦接上述候选选择器，估计每个输出的候选页数据以及上述重建的页数据之间的一欧几里得距离，并且判定其中的一最小欧几里得距离；以及

一信息产生器，耦接上述最佳字码选择器，输出对应到所述的输出的候选页数据的一信息数据，所述的输出的候选页数据具有上述最小欧几里得距离。

8.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述候选选择器包括一查找表，以及接收一候选信息数据用以根据上述查找表判定上述候选页数据。

9.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，所述的设备更包括一等化器，耦接上述光学检测器，对上述重建的页数据执行等化程序。

10.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述候选选择器包括：

一切割器，接收上述重建的页数据用以判定其中的每个像素值；

一互斥或单元，耦接上述切割器，对上述重建的页数据和上述候选页数据内每个相对应的像素执行互斥或，以及将所有的互斥或结果相加用以提供上述汉明距离；

一比较器，耦接上述互斥或单元，当上述汉明距离小于上述预定的汉明距离临界值时，致能一第一选择信号；

一第一乘法器，耦接上述比较器，接收上述第一选择信号用以选择上述候选页数据和前一个候选页数据其中之一做为输出值；以及

一第一延迟单元，耦接上述第一乘法器，储存上述前一个候选页数据。

11.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述第一延迟单元是一暂存器。

12.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述最佳字码选择器包括：

一差值单元，接收上述输出的候选页数据以及上述重建的页数据用以计算其中每个相对应像素之间的差值；

一相加单元，耦接上述差值单元，将所有的差值相加用以产生上述欧几里得距离；以及

一最小单元，耦接上述相加单元，接收对应于所有输出的候选页数据的上述欧几里得距离，用以判定上述最小欧几里得距离。

13.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述信息产生器包括：

一第二乘法器，耦接上述最佳字码选择器，接收上述第一选择信号用以选择一候选信息数据以及前一个候选信息数据之间其中之一作为输出值；以及

一第一延迟单元，耦接上述第二乘法器，储存上述前一个候选信息数据。

14.如权利要求7所述的全息图重建设备，其特征在于，上述重建的页数据以及上述候选页数据是(2×4)区块，以及上述信息数据是6-位数据。

15.一种全息图记录方法，记录由参考光束和信号光束产生的全息图数据到一全息图记录媒体，所述的方法包括：

一空间光调变器接收m-位数据用以只判定(p×q)区块，所述的(p×q)区块包括少于关-像素的开-像素；

上述空间光调变器接收一相干光束用以调变上述(p×q)区块来产生上述信号光束；以及

一傅力叶镜片将上述信号光束聚焦在上述全息图记录媒体上，使得当聚焦的信号光束聚和聚焦的参考光束一起调变时，产生记录于上述全息图记录媒体的上述全息图数据。

16.如权利要求15所述的全息图记录方法，其特征在于，上述m-位数据是6-位数据，以及上述(p×q)区块是(2×4)区块。

17.如权利要求16项所述的全息图记录方法，其特征在于，上述(2×4)区块包括1或3个开-像素。

18.如权利要求16所述的全息图记录方法，其特征在于，任意两个(2×4)区块2对应于两个6-位数据，所述的两个6-位数据相差刚好1位并且具有最小的汉明距离2。

19.如权利要求16所述的全息图记录方法，其特征在于，上述判定步骤包括上述空间光调变器接收上述6-位数据用以根据一查找表判定上述(2×4)区块。

20.如权利要求15所述的全息图记录方法，其特征在于，上述全息图记录媒体是屈旋光性物质。

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