CN101517643A - 具有对准装置的光学全息设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于读出数据页的光学全息设备和对应的方法，所述数据页被记录在全息记录介质(106)中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量。为了避免存储用于确定块调制码的块对准的任何对准标记，提出了一种设备，该设备具有：对准装置(115)，用于通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准；和解码装置(116)，用于基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
Description
技术领域
本发明涉及用于读出数据页的光学全息设备和对应的方法，所述数据页被记录在全息记录介质中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量。此外，本发明还涉及用于这种光学全息设备中的电子设备和对应的方法。最后，本发明涉及用于以软件来实施所述方法的计算机程序。
背景技术
全息数据存储系统(HDSS)保证高数据容量(在12厘米盘上具有1太字节(TByte))和高数据率(吉比特/秒(Gbit/s))。全息数据存储相比常规光学存储的优点在于，其使用介质的真正3D体积来存储数据，使得高容量成为可能。对全息数据存储系统的综述可参见“Holographic Data Storage Systems”，Lambertus Hesselink、Sergei S.Orlov和Matthew C.Bashaw，Proceedings of the IEEE，vol.92，no.8，pp.1231-1280，2004。
在全息数据存储中，通常数据是用(平衡)块调制码来编码的以便得到低用户误码率，在上述参考文献中也描述了该块调制码。常见的平衡块调制码是所谓的6:8码，其中数据页被划分成2×4(＝8)像素的子阵列(也称为块)并且这些子阵列中的每一个含有刚好4个0和4个1(因此是平衡码)。由于对于每个子阵列可能有70(＝8选4)种不同配置，所以每个子阵列可编码6位，因为26＝64＜70，并留下6种冗余配置。显然，码率是6:8＝0.75，原因在于用8个像素编码6个用户位。这种编码功能强大，因为一旦知道每块的位置，那么简单的排序算法就足以确定所述四个0和四个1。
一般而言，为了确定每个子阵列的位置，基准(即对准标记)被引入数据页内，如例如US 5,838,650所描述的。这些对准标记被检测并且全息介质被平移和旋转，直到在检测器上获取正确的对准标记为止。然而，这种检测方法不适合用于高密度全息介质，因为对准标记要求全息介质的空间，这降低了可能的数据密度/速率。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于读出在全息记录介质中记录的数据页的光学全息设备和对应的方法，其不需要任何用于确定块调制码的块对准的对准标记。另一个目的是提供用于这种光学全息设备中的电子设备和对应的方法以及提供用于实施所述方法的计算机程序。
根据本发明，所述目的通过如权利要求1所限定的光学全息设备来实现，所述设备包括：
-图像形成装置，用于形成成像数据页，
-图像检测装置，用于检测所述成像数据页，
-对准装置，用于通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-解码装置，用于基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
根据本发明，所述目的还通过如权利要求8所限定的电子设备来实现，所述电子设备包括：
-对准装置，用于通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-解码装置，用于基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
根据本发明，所述目的还通过计算机程序来实现，所述计算机程序包括用于当在计算机上执行所述计算机程序时使计算机执行如权利要求9或10所述的方法的步骤的程序代码装置。
在其他独立权利要求中限定了对应的方法。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所述电子设备、方法和计算机程序具有如从属权利要求中所限定的类似的和/或相同的优选实施例。
本发明基于针对不同的对准迭代地检查是否满足块调制码的给定码约束的思想。例如，在上面解释的平衡块6:8码的实例中，码约束是每个块刚好含有四个0和四个1。然后在给定迭代和给定对准下针对至少一个块但优选地针对多个块对此进行检查，这可以不同的方式来完成。如果在迭代中找到正确的对准，则停止迭代搜索并且基于所找到的对准对检测的成像数据页进行解码。
根据优选的实施例，本发明通常能够应用于平衡调制码和非平衡调制码。对理想对准的检测通常更准确且更容易。非平衡码相对不大高效，即较少用户位能够被存储在给定数量的信道位中。例如，对于3个“1”像素和5个“0”像素，存在56种唯一的可能性，这小于在使用平衡码的情况下的70种可能性。这意味着使用非平衡码仅能编码5位“字”，而不是使用平衡码可以编码6位“字”。这种非平衡码的编码效率因而会是5:8＝0.625，其小于平衡码的编码效率6:8＝0.75。然而，对于这两种码，通常要求在块中具有第一符号值和具有第二符号值的数据符号的数量对所有块是相同的并且对所述对准装置是已知的。
根据另外的优选实施例，所述对准装置适于在每次迭代中基于每块的符号值并且基于所述确定的成像数据页的块数量来确定显著性值(significant value)或函数，以及适于针对在所述迭代中应用的块对准基于所述显著性值或函数来确定是否满足了所述码约束。所述显著性值或函数通常可以是允许区别对准块和非对准块的任何值或函数。优选地，所述值或函数被选择成使得它们对于对准块和非对准块表现出大的差异，但它们的确定就计算力和存储空间而言仅需要小的开销。
在另外的从属权利要求中给出了优选的显著性值或函数的有利实施例。例如，根据一个实施例，用于所述数量的块的符号值的总和和/或总和强度值用作所述显著性值或函数，而根据另一实施例，表示找到块中的总和符号或强度值的概率的概率函数用作所述显著性函数。特别地，确定所述概率函数的宽度并且将其用于检查所述宽度是否小于预定的宽度。
附图说明
现在将参照附图更加详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的光学全息设备；
图2示出了6:8平衡块调制码的2×4子阵列的八种不同的对准配置；
图3示出了图2所示的配置2-5的概率函数；和
图4示出了说明本发明的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的利用相位共轭读出的光学全息设备。这种光学设备包括辐射源100、准直器101、第一分束器102、空间光调制器103、第二分束器104、透镜105、第一偏转器107、第一望远镜108、第一反射镜109、半波片110、第二反射镜111、第二偏转器112、第二望远镜113、检测器114、对准单元115以及解码单元116。该光学设备预期把数据记录到全息介质106中以及从全息介质106中读取数据。
对准单元115和解码单元116优选地形成电子设备117，比如专用集成电路或其他硬件，其是单独分布的并且能够例如被添加到现有的全息光学设备中。可替换地，对准单元115和解码单元116的功能还能够以运行在例如计算机或微处理器上的软件来实施。
在把数据页记录到全息介质106中期间，由辐射源100产生的辐射束的一半借助于第一分束器102而朝空间光调制器103发送。这部分辐射束被称为信号束SB。由辐射源100产生的辐射束的一半借助于第一偏转器107而朝望远镜108偏转。这部分辐射束被称为参考束RB。信号束SB借助于空间光调制器103进行空间调制。空间光调制器103包括透射区和吸收区，其对应于待记录的数据页的0数据位和1数据位。在信号束经过空间光调制器103之后，它携带了待记录到全息介质106中的信号，即待记录的数据页。该信号束然后借助于透镜105聚焦到全息介质106上。
参考束RB借助于第一望远镜108也聚焦到全息介质106上。因而，所述数据页以由于信号束SB和参考束RB之间的干涉所致的干涉图案的形式被记录到全息介质106中。一旦数据页被记录到全息介质106中，那么另一数据页被记录在全息介质106的相同位置。为此，对应于这个数据页的数据被发送到空间光调制器103。第一偏转器107被旋转以使得参考信号相对于全息介质106的角度被修改。第一望远镜108用来在旋转时将参考束RB保持在相同位置。干涉图案因此被记录，其中不同的图案处于全息介质106的相同位置。这被称为角度复用。其中记录多个数据页的全息介质106的相同位置被称为册(book)。
可替换地，可以调整辐射束的波长以便在相同册中记录不同的数据页。这被称为波长复用。其他种类的复用(比如移位复用)也可用来把数据页记录到全息介质106中。在上述文件“Holographic Data StorageSystems”中也描述了这样的复用技术。
在从全息介质106中读出数据页期间，让空间光调制器103变成完全吸收，以致光束的任何部分都不能经过空间光调制器103。去除第一偏转器107以使得由辐射源100产生的辐射束经过分束器102的部分经由第一反射镜109、半波片110和第二反射镜111到达第二偏转器112。如果使用角度复用来把数据页记录到全息介质106中，并且要读出给定的数据页，则第二偏转器112以下述方式进行布置：其相对于全息介质106的角度与用来记录这个给定的全息图的角度相同。由第二偏转器112偏转并且借助于第二望远镜113聚焦到全息介质106中的信号因而是用来记录这个给定的全息图的参考信号的相位共轭。如果例如使用波长复用来把数据页记录到全息介质106中，并且要读出给定的数据页，则相同的波长用来读取这个给定的数据页。
参考信号的相位共轭然后被信息图案衍射，这产生重构的信号束，其然后经由透镜105和第二分束器104到达检测器114。成像数据页因而在检测器114上被创建并由所述检测器114检测。检测器114包括像素。虽然在一个实施例中每个像素对应于成像数据页的一位，但是在另一实施例中(在此其是优选的)检测器114具有比成像数据页更多的像素，即图像被检测器114过采样。无论如何，成像数据页应当以下述方式与检测器114进行精细对准：使得成像数据页的一位或给定数量位入射到检测器114的对应像素。
现在，系统中存在许多自由度，以致成像数据页不总是与检测器114精细对准。例如，全息介质106相对于检测器114在与重构信号束的轴垂直的方向上的移位导致平移未对准。全息介质106或检测器114的旋转导致成像数据页和检测器114之间的角度误差。全息介质106相对于检测器114在与重构信号束的轴平行的方向上的移位导致放大误差，这意味着成像数据页的位(或给定数量的位)的大小不同于检测器114的像素的大小。
此外，如上面所解释的，在数据的写入期间以及在读出期间激光束的空间光强波动导致所获取的图像在读出时的不想要的变化。此外，图像检测器114的非一致像素响应增加了这些不想要的变化。另外，全息介质106可能不均匀地散射激光，使得图像中的光强波动甚至更严重。这些变化使得难于实现正确的位检测。
通常，如上面所解释的，数据是用平衡或非平衡块调制码来编码的以实现低用户误码率。在平衡块调制码(例如6:8码)中数据页被划分成预定数量(例如2×4＝8)像素的子阵列，并且这些子阵列中的每一个含有约定数量的0和1(对于8像素的子阵列含有刚好4个0和4个1)。在非平衡块调制码中数据页也被划分成预定数量像素的子阵列，但0的预定数量不同于1的预定数量。然而，这些数量对于所有子阵列是相等的。为了说明该发明，下面要考虑平衡6:8块调制码。
代替使用一般被包含到数据页内以确定每个子阵列的位置的基准或对准标记，根据本发明的优选实施例，提出使用每个块的总和强度的变化/分布来确定这些块的对准。因为在完全对准的情况下每个块的总和强度将总是为4(对于在每个块中具有四个1和四个0的示例性6:8码)，因而该变化将理想地为零。对于处于未对准的任何其他情况，来自至少两个不同块的像素对总和强度有贡献并且没有四个0和四个1的码约束，导致这个总和强度的数据页的相当大的变化。
图2示出了这个示例性码的2×4像素的子阵列的八种不同对准配置C1-C8，其中只有第一配置C1被对准。实线S表示2×4子阵列的边界，虚线D表示各个像素，而填充块B是2×4域(每种配置仅示出一个)，其表示子阵列在所述配置中的假设对准。为了确定根据特定配置的假设对准是否正确，多个所述2×4域的强度被总和并评价，如下面所解释的。
如已经提及的，对于未对准情况，总和强度将示出数据页的相当大的变化。为了确定这种变化的量值，计算了用于图2所示的所有可能的八种不同对准配置C1-C8的分布函数。从对称性容易证明：配置C6类似于配置C2，配置C7类似于配置C3，而配置C8类似于配置C4，每对得到相同的统计量并且允许仅考虑配置C1-C5。对于配置C2-C5中的每个，计算找到总和强度值在0和8之间的概率并将其描绘于图3所示的图表中。显然，配置C1得到在总和值为4时概率为1而在其他情况概率为零；配置C1的这种概率因而未示于图3中。
由图3显然可知，总和强度的变化是显著的，其FWHM(半高全宽)为3～4。这证明根据本发明所提出的方法确实能够确定2×4子阵列位于数据页中的何处以及哪个是正确的对准。
图4示出了说明本发明的总体思想的主要步骤的流程图。在如上所述以常规方式捕获图像(步骤S1)之后，开始迭代过程，在该过程中确定所捕获的图像中的子阵列的正确对准。
在第一回所述迭代中假设这些块的第一对准，即选择所有可能的配置之一(例如对于示例性6:8码，图2所示的八种不同配置C1-C8之一)并且确定所述对准是否正确。因此，在所述迭代的第一步骤S2中，如以上参照图2和3所述通过对多个块(特别是对图像的大部分)的2×4块的强度进行总和以便具有足够的统计量，来确定概率函数。换言之，对于所获取的图像的多个块(其假设是根据所述迭代中所选择的配置来对准的)而言，形成每个块中的0和1的数量以及每个块的总和。由于这是针对多个块来完成的，所以能够获得如图3所示的概率函数，因为在未对准的情况下在不同块中该总和可以不同。
在该迭代的下一个步骤S3中，确定在所述迭代中所获得的概率函数的参数(优选地为宽度)，并且以此为基础判定该参数是否满足预定的条件，例如判定该宽度是否小于预定的宽度。这基本上相当于确定概率函数是否仅在总和值4处含有一个单峰(这将表示正确的对准)，或者是否不存在这种单峰但存在如图3所示具有分布式概率的形式的曲线。
因而，步骤S3中的判定可以是这些块未对准，此后将在下一个迭代中执行步骤S2和S3。然而，将预先在步骤S4中改变所假设的对准，即例如通过把所有块水平和/或垂直地移动一个像素来选择另一配置。另一方面，如果步骤S3中的判定给出所假设的对准是正确这一结果，则在下一个步骤S5中基于所确定的块对准对来自所捕获的图像的块调制数据进行解码，即优选地利用标准排序算法来确定所述0和1。此后，基本上完成数据页的读出(步骤S6)。
优选地继续该迭代，直到找到正确的对准为止。可替换地，代替使用迭代，也可以确定所有可能的配置的概率函数并且然后搜索最佳地表示该对准的概率函数。
优选地，本发明的光学全息设备满足以下(非强制性的)条件，其使得能够利用本发明的方法来更容易且更快速地读出数据页。优选地，SLM 103上的每个像素刚好对应于检测器阵列114上的一个像素：
缩放：SLM和检测器阵列的像素具有相同大小。
旋转：SLM和检测器的像素行/列被平行对准。
平移：SLM和检测器阵列的像素中心重合。
在上文中，已就平衡块调制码(具体是6:8码)方面讨论了本发明的一个实施例。然而，显而易见的是，本发明能够等同地应用于任何其他平衡块调制码。
更有甚者，本发明还能够应用于非平衡块调制码。对于非平衡块调制码，如图3所示的分布将被扭曲，即峰位置发生移动并且分布(概率)函数具有非对称性轮廓。
一般而言，也可以在数据页中存储多元(m-ary)符号而不是二进制位，但是检测因而将比二进制系统更加困难。因此，本申请所用的术语“位”不应当限于仅有两个不同值的意义“二进制位”，而是应当被解释为能够具有超过两个不同的可区别值的意义“多元符号”。简而言之，在二进制系统中像素强度分布在两个峰中(对于对准的块而言)：一个峰在特定低强度水平附近而另一峰在较高强度水平附近。如果这两个峰是明显分离的(没有具有中间强度水平的像素)，则可以设定切割水平，并且具有低于这个水平的强度的所有像素被检测(或解释)为“0”而具有高于这个水平的强度的所有像素被检测(或解释)为“1”。在多元系统中，像素强度分布在不止两个峰中。满足所有峰分布充分地分离的要求变得更加困难，因而切割水平的设定也变得更加困难。
通常，根据本发明的用于确定对准的方法独立地应用于每个检测的成像数据页。然而，如果系统在两个数据页的读出之间的光学对准稳定得足以开始读取在与第一数据页相同的位置处的第二数据页，则对两个或者甚至几个数据页执行所述对准方法仅一次就足够了。
在上文中已参照附图解释了本发明的实施例，其中总和强度的分布已用来确定所述块是否对准。然而，通常可以为此使用函数的任何显著性值，只要其使得能够检测是否满足码约束，所述码约束用于块调制码中以便调制在数据页中记录的数据。
确定所确定的概率函数的宽度也是非强制性的，但是还可以评价所述概率函数的其他特征以获得更多的信息，例如最高峰的水平、斜度、峭度或者(概率)分布的其他高阶要素。
虽然在附图和前面的描述中图示和详细说明了本发明，但是这种图示和描述应当视为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通常，本发明所蕴涵的思想不仅能够应用于全息数据存储系统中而且还能够应用于其中图像处理要求平场(flat fielding)和暗流校正的其他领域中。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时通过研究所述附图、本公开和所附权利要求书可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，措词“包括”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。单个单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。
计算机程序可以存储/分布在适当的介质(比如光学存储介质或固态介质，其与其他硬件一起或作为其部分来提供)上，但也可以其他形式分布，比如经由互联网或者其他有线或无线电信系统来分布。
权利要求中的任何附图标记都不应当被解释成对所述范围的限制。
Claims (11)
1.用于读出数据页的光学全息设备，所述数据页被记录在全息记录介质(106)中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量，所述设备包括：
-图像形成装置(104，105)，用于形成成像数据页，
-图像检测装置(114)，用于检测所述成像数据页，
-对准装置(115)，用于通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-解码装置(116)，用于基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
2.如权利要求1所述的光学全息设备，其中所述调制码是平衡调制码，根据该平衡调制码应用码约束以限定在块中具有第一符号值的数据符号的数量与在相同块中具有第二符号值的数据符号的数量相同，该第一符号值特别是位值0，该第二符号值特别是位值1。
3.如权利要求1所述的光学全息设备，其中所述调制码是非平衡调制码，根据该非平衡调制码应用码约束以限定在块中具有第一符号值的数据符号的数量与在相同块中具有第二符号值的数据符号的数量不同，该第一符号值特别是位值0，该第二符号值特别是位值1，其中所述数量对所有块是相同的并且对所述对准装置是已知的。
4.如权利要求1所述的光学全息设备，其中所述对准装置(115)适于在每次迭代中基于每块的符号值并且基于所述确定的成像数据页的块数量来确定显著性值或函数，以及适于针对在所述迭代中应用的块对准基于所述显著性值或函数来确定是否满足了所述码约束。
5.如权利要求4所述的光学全息设备，其中所述对准装置(115)适于在每次迭代中把用于所述数量的块的符号值的总和和/或总和强度值确定为所述显著性值或函数。
6.如权利要求4所述的光学全息设备，其中所述对准装置(115)适于在每次迭代中确定表示找到块中的总和符号或强度值的概率的概率函数，以及适于基于所述概率函数确定对于在所述迭代中应用的块对准而言是否满足了所述码约束。
7.如权利要求6所述的光学全息设备，其中所述对准装置(115)适于确定所述概率函数的宽度以及适于检查所述宽度是否小于预定的宽度。
8.用于如权利要求1所述的光学全息设备中的电子设备(117)，所述光学全息设备用于读出数据页，所述数据页被记录在全息记录介质(106)中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量，其中所述光学全息设备包括用于形成成像数据页的图像形成装置(104，105)和用于检测所述成像数据页的图像检测装置(114)，所述电子设备包括：
-对准装置(115)，用于通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-解码装置(116)，用于基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
9.用于读出数据页的方法，所述数据页被记录在全息记录介质(106)中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量，所述方法包括如下步骤：
-形成成像数据页，
-检测所述成像数据页，
-通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
10.用于如权利要求1所限定的光学全息设备中的方法，所述光学全息设备用于读出数据页，所述数据页被记录在全息记录介质(106)中并且携带利用块调制码调制的数据，根据所述块调制码数据页被划分成多个块并且应用码约束以限定在块中具有预定符号值的数据符号的数量，其中所述光学全息设备包括用于形成成像数据页的图像形成装置和用于检测所述成像数据页的图像检测装置，所述方法包括以下步骤：
-通过针对每次迭代中所述检测的成像数据页中的块的不同对准迭代地确定对于所述对准而言是否满足了所述码约束来确定这些块的对准，和
-基于所确定的块对准来从所述检测的成像数据页中解码块调制数据。
11.计算机程序，包括用于当在计算机上执行所述计算机程序时使计算机执行如权利要求9或10所述的方法的步骤的程序代码装置。
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