CN113838485A - 光盘的二维信息编码写入与快速读取方法及快速读取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，包括：将待存储信息进行2i×j进制的编码，得到二维编码信息；沿信道依次排布的存储位点内通过纳米信息写入方法在每个存储位点以i×j点阵的记录点的形式进行二维编码信息的写入；对存储位点照射形成与存储位点的尺寸相当的读取光束光斑，并得到反射光信号，基于光学关联成像方法，对反射光信号进行处理并采集，采用光学重构算法反解出目标信号，实现快速读取。本发明还提供快速读取装置。本发明的方法通过待存储信息的多维信息写入，提升了信息存储量；同时对每个存储位点分别采用光学关联成像方法作为光盘的读取方法，可实现高存储密度光盘的快速信息读取。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及光盘的二维信息编码写入与快速读取方法及快速读取装置。
背景技术
随着基因测序以及脑活动读取等技术的发展，不仅仅产生了大量的数据，同时对于数据如何有效、稳定、准确地保存提出了更高的要求。基于上述背景，光盘存储技术因其节能、存储寿命长、安全性好以及易加工等优点，很好地顺应了时代的要求。而对于光盘技术而言，存储容量的限制严重阻碍了光盘技术的发展。
为了提升光盘的容量，传统的技术路线是减小记录光斑的尺寸。随着短波长激光二极管(GaN蓝绿色激光器)的研制成功，使得蓝光光盘逐渐成为光盘市场上的主流存储方式。早期的CD光盘，记录激光波长为780nm，数值孔径为0.45，轨道间距为1.6μm，单层存储容量仅为650MB；后来的DVD光盘，记录激光波长为650nm，数值孔径为0.6，轨道间距为0.74μm，单层存储容量为4.7GB；而目前的蓝光光盘记录激光波长为405nm，数值孔径为0.85，轨道间距为0.32μm，轨道间距仅仅是红光DVD盘片(0.74μm)的一半，单层存储容量高达25GB，同时，蓝光光盘利用不同反射率达到多层写入效果，实现了12层300GB的蓝光光盘存储。
为了进一步突破光盘存储量的限制，科研工作者也提出了一些提升存储容量的方法。2009年澳大利亚的顾敏研究团队利用不同长宽比的金纳米线对不同波长和偏振方向激光的响应差异，实现了厚度内，三层五维(以及偏振)光信息存储，参见【Zijlstra P,Chon JW M,Gu M.Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons ingold nanorods[J].Nature,2009,459(7245):410-413】。2011年，S.W Hell研究团队提出了一种可用于超分辨光存储读写的新型显微技术RESOLFT(reversible saturable optical‘fluorescence’transition between two states)，利用绿色荧光蛋白(rsEGFP)的光固化和光开关特性，通过超分辨写入读出的方法，实现了250nm点间距的高密度光存储实验，参见【Grotjohann T,Testa I,Leutenegger M,et al.Diffraction-unlimited all-opticalimaging and writing with a photochromic GFP[J].Nature,2011,478(7368):204-208】。2012年澳大利亚的顾敏研究团队结合光致聚合以及超分辨受激辐射损耗技术原理，利用1,5-双(对二甲氨基辛酰亚胺)环戊酮(BDCC)材料体系，实现了9nm的光刻沟道宽度，52nm的沟道间距(Nature Communications,2013,4.6:2061)，利用该光致聚合光刻的机制可高密度写入光盘信息，并据此申请了国际专利，参见专利文件PCT/AU2013/001378。目前的超分辨光存储技术方案中，光致聚合的方法还无法实现数据的有效读取，而荧光蛋白的数据存储方法，读取采取逐点扫描的方式，受限于RESOLFT技术的成像时间限制，无法做到快速、高密度的数据读取。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光盘二维信息编码写入与快速读取方法及快速读取装置，以提高光盘的存储密度与容量，并实现光盘存储信息的快速读取。
为了实现上述目的，本发明提供一种光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，包括：
S1：将待存储信息进行2i×j进制的编码，得到二维编码信息，该二维编码信息的每一位分别对应于一组i×j点阵的记录点；
S2：沿光盘的信道依次排布的存储位点内通过纳米信息写入方法在每个存储位点以i×j点阵的记录点的形式进行二维编码信息的写入；
S3：对所述存储位点照射读取光束，形成与所述存储位点的尺寸相当的读取光束光斑，并得到存储位点的反射光信号，随后基于光学关联成像方法，对反射光信号进行处理并采集，对采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法的写入调制过程通过改变存储位点处的存储材料的光学性质来实现二维编码信息的写入，所述存储材料的光学性质的改变包括材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化、材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化；在所述步骤S3中，所述反射光信号包括荧光信号、激光散射信号或激光吸收变化信号。
在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法包括：
S21：通过纳米光刻方法、等离子刻蚀、电子束曝光、掩膜版曝光、空间光调制器调制曝光或者微透镜阵列曝光的二维信息写入方法，分别获取远小于或小于所述读取光束光斑尺寸的激光束、激光束阵列、粒子束、粒子束阵列、电子束和电子束阵列中的至少一种，作为信息写入束流，并通过激光束曝光、粒子束曝光或电子束曝光实现二维纳米信息刻录；
S22：在每个存储位点内，通过信息写入束流根据二维编码信息进行i×j点阵的记录点的写入调制；每个存储位点内的i×j点阵的记录点的位置分别为β(1,1)，β(1,2)…β(i,j)，其中，i表示二维点阵的行数，j为二维点阵的列数，每一记录点的位置是否进行写入调制分别对应二进制中的两个数码。
在所述步骤S3中，所述光学关联成像方法基于散斑场随机测量，所述光学关联成像方法包括：
S31：对一定标样板采用定标方法来构建一定标矩阵；
S32：对所述存储位点的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，获得测量散斑信号；
S33：通过光学重构算法来将所述定标矩阵与所述测量散斑信号进行关联计算，获得目标信号，目标信号为所述存储位点处的记录点的分布信息。
在所述步骤S31中，所述定标样板具有一与存储位点的尺寸一致的定标范围，且定标样板在定标范围内只设有一个离散的定标点，定标样板根据所述存储位点的存储材料改变的光学性质来选择；
所述步骤S31包括：
S311：根据记录点的尺寸和点间距，构建定标点位置矩阵，定标点位置矩阵包括各个定标点位置，定标点位置与记录点的位置一一重合；
S312：放置所述定标样板并使其定标点位于其中一个定标点位置；
S313：对所述定标样板照射读取光束，形成读取光束光斑，并得到对应的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，得到定标散斑信号，作为该定标点位置的矩阵元信息；
S314：将所述定标样板移动至各个定标点位置，并分别重复上述步骤S313，直到获得所有矩阵元信息，至此根据矩阵元信息构建出完整的定标矩阵。
在所述步骤S3中，所述光学关联成像方法基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑，所述光学关联成像方法包括：
S31’：构建一定标矩阵，所述定标矩阵是根据记录点的尺寸和点间距计算获得的；
S32’：对所述存储位点的反射光信号，采用一放大成像系统和一面阵探测器依次对其进行处理和采集，获得测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号；
S33’：通过光学重构算法来将所述定标矩阵与所述测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号进行关联计算，获得目标信号，目标信号为所述存储位点处的记录点的分布信息。
所述光学重构算法为压缩感知算法，所述压缩感知算法通过
寻找信号的最优解，其中X为目标信号，Y为测量散斑信号或者测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号，A为定标矩阵；或者所述光学重构算法为深度学习算法。
另一方面，本发明提供一种光盘的二维存储信息的快速读取装置，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点内以i×j点阵的记录点的形式写入的二维编码信息，所述存储位点沿光盘的信道依次排布，所述存储位点处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜、分束器、放大成像系统和面阵探测器，相对于所述二向色镜沿垂直于该光轴的方向设置的激光器以及控制模块；激光器设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；分束器设置为将激光器发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜，并透过所述聚焦透镜或物镜收集的反射光信号；所述聚焦透镜或物镜设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点，形成与所述存储位点尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点的反射光信号；所述放大成像系统和面阵探测器分别设置为对所述反射光信号进行处理和采集；所述控制模块对所述面阵探测器采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
所述分束器为二向色镜，在所述光轴上且在所述分束器和放大成像系统之间设有滤波片，所述滤波片设置为进一步滤去所述反射光信号中的激光。
在所述光轴上且在所述放大成像系统和面阵探测器之间设有随机相位调制器，所述随机相位调制器设置为对所述反射光信号进行调制。
本发明的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法通过纳米光刻和多阶编码的方法实现了待存储信息的多阶编码和多维信息写入，具有更高的存储密度与存储容量，提升了光盘的信息存储量；同时对已存储写入信息光盘的每个二维信息存储位点分别采用光学关联成像方法作为光盘的读取方法，可实现高存储密度光盘的快速信息读取，从而提高了光盘的读取效率。可扩展性强，无须对现有光驱系统进行较大改进。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法的写入过程的原理示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的光盘的二维存储信息编码写入与快速读取方法的基于散斑场的光学关联成像方法的流程示意图。
图3为如图2所示的基于散斑场的关联成像方法的定标过程的原理示意图。
图4为如图2所示的基于散斑场的关联成像方法的数据重构过程的原理示意图。
图5A为根据本发明的一个实施例的光盘的二维存储信息快速读取装置的结构示意图。
图5B为根据本发明的另一个实施例的光盘的二维存储信息快速读取装置的结构示意图。
图6为根据本发明的另一个实施例的光盘的二维存储信息编码写入与快速读取方法的基于艾里斑的光学关联成像方法的流程示意图。
图7为如图6所示的基于散斑场的关联成像方法的数据重构过程的原理示意图
图8A为根据本发明的另一个实施例的光盘的二维存储信息快速读取装置的结构示意图。
图8B为根据本发明的另一个实施例的光盘的二维存储信息快速读取装置的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
第一实施例光盘的二维信息编码写入与快速读取方法
如图1所示为根据本发明的第一实施例的一种光盘的二维信息编码写入方法，其以3×3点阵的二维信息编码写入方法为例，包括如下步骤：
步骤S1：将待存储信息进行2i×j进制的编码，得到二维编码信息，该二维编码信息的每一位分别对应于一组i×j点阵的记录点104，即对应于i×j比特信息；
步骤S2：沿光盘的信道102依次排布的存储位点103内，通过纳米信息写入方法在所述存储位点103以i×j点阵的记录点104的形式进行二维编码信息的写入；其中，存储位点103的尺寸小于光盘的信道102的宽度；由于光盘的每个存储位点103处分别包括i×j点阵的记录点104，存储位点103处的每一记录点104代表1比特信息，使每个存储位点103的信息容量扩展为i×j比特；
需要说明的是，在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法的写入调制过程通过改变存储位点103处的存储材料的光学性质作为数据的存储信号形式来实现二维编码信息的写入，存储材料的光学性质的改变包括材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化、材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化。
在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法包括：
步骤S21：通过纳米光刻方法、等离子刻蚀、电子束曝光或者掩膜版曝光、空间光调制器调制曝光或者微透镜阵列曝光的二维信息写入方法，获取远小于或小于光盘的读取光束光斑的尺寸的激光束、激光束阵列、粒子束、粒子束阵列、电子束和电子束阵列中的至少一种，作为信息写入束流101，并通过激光束曝光、粒子束曝光或电子束曝光实现二维纳米信息刻录；
所述信息写入束流101的尺寸小于存储位点103的尺寸，在本实施例中，所述信息写入束流101的尺寸可小于或等于读取光束波长的光学衍射极限光斑的尺寸，由此小于读取光束光斑的尺寸。其中，读取光束的光学衍射极限光斑的尺寸为λ/2NA，λ为读取光束的波长，NA为读取光束的透镜NA(数值孔径)。
步骤S22：在每个存储位点103内，通过信息写入束流101根据二维编码信息进行i×j点阵的记录点104的写入调制；其中，每个存储位点103内的i×j点阵的记录点104的位置分别为β(1,1),β(1,2)…β(i,j)，每一记录点104分别代表1比特存储信息，在本实施例中因此在存储位点103处实现了i×j比特的信息写入。每一记录点104的位置β(i，j)是否进行写入调制分别对应二进制中的“0”、“1”这两个数码，即β(i，j)处进行信息写入表示数码“1”，反之则为数码“0”；由此，二维的i×j点阵中的每一记录点104为1比特信息，每一记录点104分别对应每一位二进制数码，每个存储位点103处通过i×j点阵的记录点104实现i×j比特信息写入，同时二维点阵的行列数i和j取决于本方法的读取分辨能力。
步骤S3：对已存储写入信息的每个存储位点103照射读取光束，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，即读取光束尺寸为存储位点尺寸的0.8～1.2倍，并得到存储位点103的反射光信号，随后基于光学关联成像方法，对该反射光信号进行处理并采集，对采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
由于在步骤S2中，存储材料的光学性质的改变包括材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化、材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化，因此，在步骤S3中，所述透镜或物镜收集的反射光信号包括荧光信号、激光散射信号或激光吸收变化信号。
在本实施例中，该光学关联成像方法基于散斑场随机测量，所述光学关联成像方法包括：
步骤S31：对一定标样板301采用定标方法来构建一定标矩阵A；
如图3所示，在所述步骤S31中，所述定标样板301具有一与存储位点103尺寸一致的定标范围302，且定标样板301在定标范围302内只设有一个离散的定标点303，定标点303的尺寸应与记录点104的尺寸r相近，误差范围在±20％以内，该定标点303进行过写入调制，即对应数码“1”，该定标点303可以为离散的荧光点、光散射点或光吸收点，定标样板301具体根据所述存储位点103的存储材料改变的光学性质来选择，即存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化时选择具有离散的荧光点的荧光定标样板，存储材料的光学性质的改变为材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化时相应选择具有离散的光散射点或光吸收点的光散射点或光吸收定标样板；由此，对应于同一个存储位点103的不同记录点104的位置β(1,1),β(1,2)…β(i,j)，通过移动同一个定标样板301，可以得到二维点阵每一记录点104对应的数码为“1”时分别对应的光场分布，该光场分布即定标矩阵A；
所述步骤S31具体包括：
步骤S311：根据记录点104的先验信息(即记录点104的尺寸r和点间距d)，构建定标点位置矩阵A，定标点位置矩阵A包括各个定标点位置A(1,1),A(1,2)…A(i,j)，其中，定标点位置A(1,1)与记录点104的位置β(1,1)重合，其余位置均通过将定标样板301移动所述记录点104的点间距d来得到。由此，定标点位置A(1,1),A(1,2)…A(i,j)与记录点104的位置一一重合；
步骤S312：放置定标样板301并使其定标点303位于其中一个定标点位置A(1,1)，定标点位置A(1,1)即为其中一个记录点104的位置β(1,1)；
步骤S313：对所述定标样板301照射读取光束，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，并得到对应的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，得到定标散斑信号304，作为该定标点位置A(1,1)的矩阵元信息A1×1；
步骤S314：依此类推，依次沿方向305-306-307-308-309移动至各个定标点位置，并分别重复上述步骤S313，直到获得所有矩阵元信息A1×1～A3×3，至此根据矩阵元信息A1×1～A3×3构建出完整的定标矩阵A；
也就是说，首先将所述定标样板301沿记录点104的i×j点阵的行方向305移动距离d至下一个定标点位置A(1,2)，定标点位置A(1,2)即为其中一个记录点104的位置β(1,2)，重复上述步骤S313，得到该定标点位置A(1,2)的矩阵元信息A1×2；
随后，依此类推，依次沿方向305-306-307-308-309移动至各个定标点位置，并分别重复上述步骤S313，直到获得所有矩阵元信息A1×1～A3×3，至此根据矩阵元信息A1×1～A3×3构建出完整的定标矩阵A。
由此，在定标过程中，本发明通过光盘的先验信息(即记录点104的尺寸大小r与点间距d)，极大的缩小了定标矩阵A的矩阵大小，使得在数据重构过程中可以有效地提升数据重构速度，提高光盘读取速率。
步骤S32：进行信号采集，具体包括：对所述存储位点103的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，获得测量散斑信号401(如图4所示)；
由此，每次形成的读取光束光斑都可以一次性采集得到存储位点上所有记录点104，实现了二维存储信息的快速读取。
所述随机相位调制器为具有一定高宽比范围、颗粒随机分布的毛玻璃，或电脑编程控制产生随机相位的相位调制器。所述随机相位调制器设置为将反射光信号调制成定标或测量散斑信号。
步骤S33：如图4所示，进行数据重构以得到目标信号403，具体包括：采用光学重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量散斑信号401进行关联计算402，获得目标信号403，目标信号403即为存储位点103处的记录点104的分布信息X1×1-Xi×j，最终得到的目标信号403以成像图片的形式表示，亮的点为1，反之为0，如图4所示。二维点阵中对应记录点104的位置是否经过写入激光调制对应着读取信号为二进制中的“0”、“1”这两个数码，即经过写入调制表示数码“1”，反之则为数码“0”；二维点阵i×j中的每一记录点104为1比特信息，每一记录点104按位分别对应每一位二进制数码，实现存储位点103处的i×j比特信息读取。
需要说明的是，光学重构算法可以是压缩感知算法或者深度学习算法；其中，所述压缩感知算法通过
寻找信号的最优解，其中X为目标信号403，Y为测量散斑信号401，A为定标矩阵；所述深度学习算法则需构建神经网络模型fθ(x)，随后由采集的数据xi,yi通过相应的优化算法实现该神经网络模型fθ(x)的收敛，进而利用该模型快速重构信息；深度学习算法的神经网络模型包括模型结构和网络参数两部分，模型结构包括：逻辑回归模型、支持向量机、卷积神经网络、全连接网络、生成对抗网络及其组合；网络模型的fθ(x)中未知的网络参数的值θ由采集的数据xi,yi通过优化算法获得；采集的数据为xi,yi，xi是目标信号403，yi是测量散斑信号401。
由此，在本实施例中，二维存储信息的快速读取方法基于光学关联成像方法；光学关联成像方法主要分为信号采集阶段与图像重构阶段；其中，信号采集阶段，反射光信号经过放大成像系统，并由随机相位调制器调制成散斑信号以实现随机测量方法，面阵探测器对散斑信号进行探测；图像重构阶段，通过光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
同时利用艾里斑的光学关联成像方法，将在后文的其他实施例中进一步介绍，但在本实施例中的基于散斑场随机测量的光学关联成像方法的好处在于，所述随机测量方法通过对反射光信号进行随机相位调制，提升了信号的随机特性，提高了数据重构的定位精度和密度，使得本方法极大地提升了分辨能力和读取速率，实现快速的光盘读取方法。
第二实施例基于散斑场的光盘的二维存储信息的快速读取装置
如图5A所示，为基于散斑场的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点103内以i×j点阵的记录点104的形式写入的二维编码信息，存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，存储位点103处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化(在本实施例中，光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化)。所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜501、二向色镜502、滤波片503、放大成像系统504、随机相位调制器505和面阵探测器506，以及相对于所述二向色镜502沿垂直于该光轴的方向(即二向色镜502的光路偏折方向)设置的激光器507。
激光器507设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；其中，激光器507发射激光束可采用um级小孔空间滤波或者直接采用由透镜准直光纤输出的光纤激光器，由此可实现光斑整形，通过小孔空间滤波或者直接采用小孔空间滤波或者直接采用后可以获得形状好的激光束。
二向色镜502为分束器的一种，其设置为将激光器507发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜501，并透过所述聚焦透镜或物镜501收集的反射光信号；在本实施例中，所述反射光信号包括荧光，二向色镜502还设置为透过所述反射光信号中的荧光，并滤去所述反射光信号中的一部分激光。
所述聚焦透镜或物镜501设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点103，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点103的反射光信号。由于所述存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，且光盘100由一光驱105驱动其转动，因此可以沿信道102依次读取各个存储位点103所对应的二维存储信息。
所述滤波片503设置为进一步滤去所述反射光信号中的激光。
所述放大成像系统504、随机相位调制器505和面阵探测器506分别设置为对所述反射光信号进行放大处理、空间随机相位调制和成像采集；其中，所述放大成像系统504优选为第二成像透镜。所述随机相位调制器505为具有一定高宽比范围、颗粒随机分布的毛玻璃，或电脑编程控制产生随机相位的相位调制器，所述随机相位调制器505设置为将反射光信号调制成定标或测量散斑信号。
此外，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置还包括一控制模块，控制模块可采用CPU、MCU、SOC等控制器件，设置为对面阵探测器506采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
第三实施例基于散斑场的光盘的二维存储信息的快速读取装置
如图5B所示，展示了基于散斑场的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点103内以i×j点阵的记录点104的形式写入的二维编码信息，存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，存储位点103处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化(在本实施例中，存储材料的光学性质的改变为材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化，通过材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化实现材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化。所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜601、分束器602、放大成像系统604、随机相位调制器605和面阵探测器606，以及相对于所述分束器602沿垂直于该光轴的方向(即分束器602的光路偏折方向)设置的激光器607。
激光器607设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；其中，激光器607发射激光束可采用um级小孔空间滤波或者直接采用由透镜准直光纤输出的光纤激光器，由此可实现光斑整形，通过小孔空间滤波或者直接采用小孔空间滤波或者直接采用后可以获得形状好的激光束。
分束器602设置为将激光器607发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜601，并透过所述聚焦透镜或物镜601收集的反射光信号。
所述聚焦透镜或物镜601设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点103，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点103的反射光信号。由于所述存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，且光盘100由一光驱105驱动其转动，因此可以沿信道102依次读取各个存储位点103所对应的二维存储信息。
所述放大成像系统604、随机相位调制器605和面阵探测器606分别设置为对所述反射光信号进行放大处理、空间随机相位调制和成像采集；其中，所述放大成像系统604优选为第二成像透镜。所述随机相位调制器605为具有一定高宽比范围、颗粒随机分布的毛玻璃，或电脑编程控制产生随机相位的相位调制器，所述随机相位调制器605设置为将反射光信号调制成定标或测量散斑信号。
此外，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置还包括一控制模块，控制模块可采用CPU、MCU、SOC等控制器件，设置为对面阵探测器506采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
第四实施例基于艾里斑的二维存储信息编码写入与快速读取方法
上文的第二实施例～第四实施例介绍的二维存储信息编码写入与快速读取方法或者快速读取装置皆是基于散斑场的光学关联成像。本实施例提供一种基于艾里斑的二维存储信息编码写入与快速读取方法，其步骤S1’和步骤S2’与实施例一中的步骤S1和步骤S2相同；其步骤S3’与实施例一中的步骤S1大致相同，其区别仅在于，如图7所示，所采用的光学关联成像方法基于点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑，即通过去除随机相位调制器，以采用点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑代替散斑其中，所述点扩散函数(PSF)或高斯光斑或艾里(Airy)斑为面阵探测器上探测到的，符合相应分布函数的光斑；
所述光学关联成像方法具体包括：
步骤S31’：构建一定标矩阵A，由于光学关联成像方法基于点扩散函数(PSF)或高斯光斑或艾里(Airy)斑，所以所述定标矩阵A是根据光盘的先验信息(即记录点104的尺寸r和点间距d)计算获得的；
步骤S32’：如图8所示，采集测量点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑信号801，具体包括：对所述存储位点103的反射光信号，采用一放大成像系统和一面阵探测器依次对其进行处理和采集，获得测量点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑信号801；
光盘反射光信号经过放大成像系统，成像到面阵探测器，获得测量点扩散函数(PSF)或高斯光斑或艾里(Airy)斑信号801；
步骤S33’：关联重构目标信号X，具体包括：通过光学重构算法来将所述定标矩阵A与所述测量点扩散函数(PSF)或高斯光斑或艾里(Airy)斑信号801进行关联计算802，获得目标信号803，目标信号803即为所述存储位点103处的记录点104的分布信息；
需要说明的是，光学重构算法可以是压缩感知算法或者深度学习算法；其中，所述压缩感知算法通过
寻找信号的最优解，其中X为目标信号，Y为测量点扩散函数(PSF)或高斯光斑或艾里(Airy)斑信号，A为定标矩阵，其中定标矩阵A可直接通过计算获得；
深度学习算法需构建神经网络模型fθ(x)、随后由采集的数据xi,yi通过相应的优化算法实现模型的收敛，进而利用该模型快速重构信息；深度学习算法的神经网络模型包括模型结构和网络参数两部分，模型结构包括：逻辑回归模型、支持向量机、卷积神经网络、全连接网络、生成对抗网络及其组合；深度学习算法的神经网络模型的fθ(x)中未知的网络参数的值θ由采集的数据xi,yi通过优化算法获得；采集的数据为xi,yi，xi是目标信号，yi则是测量点扩散函数(PSF)、高斯光斑或艾里(Airy)斑信号。需要说明的是，上述第二～第五实施例中的快速读取方法都是基于光学关联成像原理方法，而采取压缩感知算法还是深度学习算法只是具体方法应用中的两种不同计算方法；压缩感知算法通过构建定标矩阵A实现目标信息与定标信息的关联计算，寻找目标最优解，从而实现光学关联成像；深度学习算法则无需构建定标矩阵A，通过构建神经网络模型，对大量采集信息进行数据训练，分析出目标信息与采集信息的关联函数，实现光学关联成像。
第五实施例基于艾里斑的光盘的二维存储信息的快速读取装置
如图8A所示为基于艾里斑的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点103内以i×j点阵的记录点104的形式写入的二维编码信息，存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，存储位点103处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化(在本实施例中，光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化)。所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜901、二向色镜902、滤波片903、放大成像系统904和面阵探测器906，以及相对于所述二向色镜902沿垂直于该光轴的方向(即二向色镜902的光路偏折方向)设置的激光器907。
激光器907设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；其中，激光器907发射激光束可采用um级小孔空间滤波或者直接采用由透镜准直光纤输出的光纤激光器，由此可实现光斑整形，通过小孔空间滤波或者直接采用小孔空间滤波或者直接采用后可以获得形状好的激光束。
二向色镜902为分束器的一种，其设置为将激光器907发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜901，并透过所述聚焦透镜或物镜901收集的反射光信号；在本实施例中，所述反射光信号包括荧光，二向色镜902还设置为透过所述反射光信号中的荧光，并滤去所述反射光信号中的一部分激光。
所述聚焦透镜或物镜901设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点103，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点103的反射光信号。由于所述存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，且光盘100由一光驱105驱动其转动，因此可以沿信道102依次读取各个存储位点103所对应的二维存储信息。
所述滤波片903设置为进一步滤去所述反射光信号中的激光。
所述放大成像系统904和面阵探测器906分别设置为对所述反射光信号进行放大处理和成像采集；其中，所述放大成像系统504优选为第二成像透镜。
此外，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置还包括一控制模块，控制模块可采用CPU、MCU、SOC等控制器件，设置为对面阵探测器506采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
第六实施例基于艾里斑的光盘的二维存储信息的快速读取装置
如图8B所示为基于艾里斑的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点103内以i×j点阵的记录点104的形式写入的二维编码信息，存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，存储位点103处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化(在本实施例中，存储材料的光学性质的改变为材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化，通过材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化实现材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化)。所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜1001、分束器1002、放大成像系统1004和面阵探测器1006，以及相对于所述分束器1002沿垂直于该光轴的方向(即二向色镜1002的光路偏折方向)设置的激光器1007。
激光器1007设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；其中，激光器1007发射激光束可采用um级小孔空间滤波或者直接采用由透镜准直光纤输出的光纤激光器，由此可实现光斑整形，通过小孔空间滤波或者直接采用小孔空间滤波或者直接采用后可以获得形状好的激光束。
分束器1002设置为将激光器1007发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜1001，并透过所述聚焦透镜或物镜1001收集的反射光信号。
所述聚焦透镜或物镜1001设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点103，形成与所述存储位点103尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点103的反射光信号。由于所述存储位点103沿光盘100的信道102依次排布，且光盘100由一光驱105驱动其转动，因此可以沿信道102依次读取各个存储位点103所对应的二维存储信息。
所述放大成像系统1004和面阵探测器1006分别设置为对所述反射光信号进行放大处理和成像采集；其中，所述放大成像系统1004优选为第二成像透镜。
此外，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置还包括一控制模块，控制模块可采用CPU、MCU、SOC等控制器件，设置为对面阵探测器506采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将待存储信息进行2i×j进制的编码，得到二维编码信息，该二维编码信息的每一位分别对应于一组i×j点阵的记录点；
步骤S2：沿光盘的信道依次排布的存储位点内通过纳米信息写入方法在每个存储位点以i×j点阵的记录点的形式进行二维编码信息的写入；
步骤S3：对所述存储位点照射读取光束，形成与所述存储位点的尺寸相当的读取光束光斑，并得到存储位点的反射光信号，随后基于光学关联成像方法，对反射光信号进行处理并采集，对采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
2.根据权利要求1所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法的写入调制过程通过改变存储位点处的存储材料的光学性质来实现二维编码信息的写入，所述存储材料的光学性质的改变包括材料经过读取光束照射后的荧光信号的强度变化、材料对读取光束的散射特性变化以及材料对读取光束的吸收度变化；在所述步骤S3中，所述反射光信号包括荧光信号、激光散射信号或激光吸收变化信号。
3.根据权利要求1所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述纳米信息写入方法包括：
步骤S21：通过纳米光刻方法、等离子刻蚀、电子束曝光、掩膜版曝光、空间光调制器调制曝光或者微透镜阵列曝光的二维信息写入方法，分别获取远小于或小于所述读取光束光斑尺寸的激光束、激光束阵列、粒子束、粒子束阵列、电子束和电子束阵列中的至少一种，作为信息写入束流，并通过激光束曝光、粒子束曝光或电子束曝光实现二维纳米信息刻录；
步骤S22：在每个存储位点内，通过信息写入束流根据二维编码信息进行i×j点阵的记录点的写入调制；每个存储位点内的i×j点阵的记录点的位置分别为β(1,1)，β(1,2)…β(i,j)，其中，i表示二维点阵的行数，j为二维点阵的列数，每一记录点的位置是否进行写入调制分别对应二进制中的两个数码。
4.根据权利要求1所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述光学关联成像方法基于散斑场随机测量，所述光学关联成像方法包括：
S31：对一定标样板采用定标方法来构建一定标矩阵；
S32：对所述存储位点的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，获得测量散斑信号；
S33：通过光学重构算法来将所述定标矩阵与所述测量散斑信号进行关联计算，获得目标信号，目标信号为所述存储位点处的记录点的分布信息。
5.根据权利要求4所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，在所述步骤S31中，所述定标样板具有一与存储位点的尺寸一致的定标范围，且定标样板在定标范围内只设有一个离散的定标点，定标样板根据所述存储位点的存储材料改变的光学性质来选择；
所述步骤S31包括：
步骤S311：根据记录点的尺寸和点间距，构建定标点位置矩阵，定标点位置矩阵包括各个定标点位置，定标点位置与记录点的位置一一重合；
步骤S312：放置所述定标样板并使其定标点位于其中一个定标点位置；
步骤S313：对所述定标样板照射读取光束，形成读取光束光斑，并得到对应的反射光信号，采用一放大成像系统、一随机相位调制器和一面阵探测器依次对其进行处理、调制和采集，得到定标散斑信号，作为该定标点位置的矩阵元信息；
步骤S314：将所述定标样板移动至各个定标点位置，并分别重复上述步骤S313，直到获得所有矩阵元信息，至此根据矩阵元信息构建出完整的定标矩阵。
6.根据权利要求1所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述光学关联成像方法基于点扩散函数、高斯光斑或艾里斑，所述光学关联成像方法包括：
步骤S31’：构建一定标矩阵，所述定标矩阵是根据记录点的尺寸和点间距计算获得的；
步骤S32’：对所述存储位点的反射光信号，采用一放大成像系统和一面阵探测器依次对其进行处理和采集，获得测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号；
步骤S33’：通过光学重构算法来将所述定标矩阵与所述测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号进行关联计算，获得目标信号，目标信号为所述存储位点处的记录点的分布信息。
7.根据权利要求4或6所述的光盘的二维信息编码写入与快速读取方法，其特征在于，所述光学重构算法为压缩感知算法，所述压缩感知算法通过
寻找信号的最优解，其中X为目标信号，Y为测量散斑信号或者测量点扩散函数、高斯光斑或艾里斑信号，A为定标矩阵；或者所述光学重构算法为深度学习算法。
8.一种光盘的二维存储信息的快速读取装置，其特征在于，其用于读取通过纳米信息写入方法在每个存储位点内以i×j点阵的记录点的形式写入的二维编码信息，所述存储位点沿光盘的信道依次排布，所述存储位点处的存储材料的光学性质的改变为材料经过读取光束照射后的反射光信号的变化，所述光盘的二维存储信息的快速读取装置包括在同一光轴上依次排布的聚焦透镜或物镜、分束器、放大成像系统和面阵探测器，相对于所述二向色镜沿垂直于该光轴的方向设置的激光器以及控制模块；
激光器设置为发射预设波长的激光，以作为读取光束；
分束器设置为将激光器发射的读取光束反射并沿所述光轴传播至所述聚焦透镜或物镜，并透过所述聚焦透镜或物镜收集的反射光信号；
所述聚焦透镜或物镜设置为将所述读取光束聚焦照射于所述存储位点，形成与所述存储位点尺寸相当的读取光束光斑，并收集存储位点的反射光信号；
所述放大成像系统和面阵探测器分别设置为对所述反射光信号进行处理和采集；
所述控制模块对所述面阵探测器采集的信号采用光学重构算法反解出目标信号，实现二维存储信息的快速读取。
9.根据权利要求1所述的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其特征在于，所述分束器为二向色镜，在所述光轴上且在所述分束器和放大成像系统之间设有滤波片，所述滤波片设置为进一步滤去所述反射光信号中的激光。
10.根据权利要求1所述的光盘的二维存储信息的快速读取装置，其特征在于，在所述光轴上且在所述放大成像系统和面阵探测器之间设有随机相位调制器，所述随机相位调制器设置为对所述反射光信号进行调制。
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| CN202010514825.0A Pending CN113838485A (zh) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | 光盘的二维信息编码写入与快速读取方法及快速读取装置 |
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| CN (1) | CN113838485A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1467711A (zh) * | 2003-05-27 | 2004-01-14 | 中国科学技术大学 | 高密度信息存储光盘及其读取装置和方法 |
| US20130258832A1 (en) * | 2010-12-08 | 2013-10-03 | Roche Diagnostics Operations, Inc. | Test element having an optical data storage, device for reading the optical data storage of the test element and measuring system thereof |
| CN104217732A (zh) * | 2014-07-28 | 2014-12-17 | 中国民航大学 | 体全息存储演示装置及高厚度全息光盘组成和制备方法 |
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| CN111199753A (zh) * | 2018-11-20 | 2020-05-26 | 中国科学院上海高等研究院 | 基于纳米光刻的光盘读写方法及刻写控制信息编解码方法 |
-
2020
- 2020-06-08 CN CN202010514825.0A patent/CN113838485A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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| Title |
|---|
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