CN1305043C - 位置复用体全息数据存储系统中像素匹配的实时补偿方法 - Google Patents

Abstract

位置复用体全息数据存储系统中像素匹配的实时补偿方法，属于光学信息存储及体全息数据存储技术领域。为克服已有技术重复准备工作量大、无法应用于位置复用体全息数据存储系统的不足，本发明公开了一种适合于位置复用的体全息数据存储系统的实时补偿方法，主要包括原始数据页处理、数据页存储、数据页的读出及数值补偿还原等步骤。本发明所述方法可应用于高密度、像素1∶1匹配、采用位置复用的体全息数据存储系统中，能有效降低像素读出的误码率。

Description

位置复用体全息数据存储系统中像素匹配的实时补偿方法

技术领域

本发明属于光学信息存储及体全息数据存储技术领域，特别涉及在数据读出时对位置误差产生的数据错误进行补偿校正的方法。

背景技术

随着信息时代的到来，人们对于信息存储、传输与处理的要求与日俱增。光信息存储技术以其密度高、寿命长等特点成为继磁存储技术之后的新兴存储技术，成为世界各国竞相研究的对象。光学体全息存储技术以其资料冗余度高、数据并行传输、存储密度高、寻址速度快和相关寻址功能等优点成为当前最具潜力的光存储技术。而体全息数据存储系统读出过程中如何达到较低的误码率仍是这一领域的研究热点。

现有技术中，为了增大系统容量，普遍采用位置、角度混合复用的体全息数据存储系统方案。图1是美国Rockwell科学中心实现的角度位置混合复用装置原理图，由水平声光偏转器101，垂直声光偏转器102，存储材料铌酸锂晶体103，透镜104，CCD105组成复用装置的光路像系统。图2显示了实现图1所示原理的体全息数据存储系统的结构图，由激光器201发出激光，通过分光片202分成物光光路和参考光光路。其中参考光光路第一透镜203，垂直声光偏转器204，参考光光路第二透镜205，参考光光路第三透镜206，参考光光路第四透镜207，参考光光路第五透镜208，参考光光路反射镜209，水平声光偏转器210，参考光光路第六透镜211，参考光光路第七透镜212，参考光光路第八透镜213，参考光光路第九透镜214组成全息存储系统的参考光光路。全息存储系统的物光光路是依次由声光频率补偿器215，物光光路第一透镜216，物光光路第二透镜217，物光光路反射镜218，物光光路第三透镜219，空间光调制器(SLM)220，物光光路第四透镜221，物光光路第五透镜222组成。参考光和物光相干涉，全息图存储于晶体材料(LiNbO₃)223中。读出时，关闭物光光路，参考光改变角度，衍射光通过读出透镜224成像于输出器件(CCD)225上。

为了达到大容量、高存储速度的要求，体全息数据存储系统的输入-输出器件要达到像素1∶1匹配对准。但在体全息数据存储系统的输入-输出器件像素1∶1匹配过程中，由于系统存在放大率误差、像素平移、光学失真等因素，会造成像素间的串扰从而导致误码。而其中最主要的影响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级，且整个系统分离元件过多，需调整的自由度过多。因此在实际应用中，要完全保持探测器与数据页之间的像素一对一匹配，将是非常难以实现的。从另一方面来说，即使能满足这些严苛的机械调整要求，系统的成本、体积均会大幅度上升，从而无法实现体全息数据存储系统的实用化、小型化。

为了解决上述问题，G. W.Burr等人在2001年发表于Optics Letters的文章中提出了在体全息存储中对像素偏移未匹配进行补偿的方法。该方法的主要原理是：运用傅立叶光学理论分析系统成像过程，推导像素偏移量与读出图像灰度值之间的关系式。根据推导出的计算公式，首先在存储数据前采用精密测量仪器测出当前的像素偏移量，然后在数据读出时应用计算公式对读出图像的每个像素灰度值进行补偿，从而校正由于像素偏移导致的读出码错误，进而降低总体误码率。这一补偿方法的流程图如图3所示。

此方法的主要不足在于：根据研究表明，存储材料在进行数据页存储之后会发生局部收缩，而且由于材料本身性质等原因，材料各个区域的收缩率将有所不同，且在多次存储读出不同数据页的过程中同一区域的收缩率也将有所变化。这样将导致在存储前测得的像素偏移量将无法应用于所有数据页，这一问题对于位置复用的体全息数据存储系统影响尤为明显。如果采用每存储一幅数据页都重新测量偏移量的做法，将会大大影响系统的实际存储、读出速度，不适合于体全息存储的实用化。

发明内容

本发明的主要目的是为克服已有技术重复准备工作量大、无法应用于位置复用体全息数据存储系统的不足，提出一种适合于位置复用的体全息数据存储系统的实时补偿方法。

本发明提供了一种位置复用体全息数据存储系统中像素匹配的实时补偿方法，其特征在于，所述实时补偿方法利用位置复用体全息数据存储系统执行以下步骤：

1)将每个数据页划分为多个数据区，数据区之间用暗像素列隔开，在每个数据区中心放置3×3～8×8像素大小的测试图样，作为测试区，数据页在每个测试区的中心设置1个亮像素作为测试信号，与测试信号相匹配的CCD像素为(m，n)；

2)通过体全息数据存储系统的物光与参考光干涉过程，在所述系统的存储材料中存储数据页；

3)利用所述系统中的输出器件读出数据页，并比较所述亮像素周围的像素(m-1，n)、(m+1，n)、(m，n-1)和(m，n+1)灰度值的大小，确定偏移方向，再通过模拟数值积分的方法计算出像素偏移量；然后根据测出的像素偏移量对此数据区的像素灰度值进行补偿；

4)对数据页中的所有数据区重复步骤3)直到完成整个数据页的还原；

5)读出下一幅数据页，重复步骤3)和4)，直到完成所有数据页的读出和还原。

本发明所述方法可应用于高密度、像素1∶1匹配、采用位置复用的体全息数据存储系统中，能有效降低像素读出的误码率。

附图说明

图1为现有的全息存储复用装置的原理图。

图2为现有的体全息数据存储系统的结构图。

图3为现有的补偿方法流程图。

图4是本发明所述方法的原理中涉及的像素偏移分析原理图。

图5是本发明所述方法的原理中涉及的像素间串扰分析示意图。

图6是本发明所述方法的原理中涉及的数据区内像素补偿顺序图。

图7是本发明所述方法的原理涉及的数据区像素偏移量测定示意图。

图8是本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的实时补偿方法采用的体全息数据存储系统的主要光路结构与现有技术相同，参见图2。由激光器201发出激光，通过分光片202分成物光光路和参考光光路。其中参考光光路第一透镜203，垂直声光偏转器204，参考光光路第二透镜205，参考光光路第三透镜206，参考光光路第四透镜207，参考光光路第五透镜208，参考光光路反射镜209，水平声光偏转器210，参考光光路第六透镜211，参考光光路第七透镜212，参考光光路第八透镜213，参考光光路第九透镜214组成全息存储系统的参考光光路。全息存储系统的物光光路是依次由声光频率补偿器215，物光光路第一透镜216，物光光路第二透镜217，物光光路反射镜218，物光光路第三透镜219，空间光调制器(SLM)220，物光光路第四透镜221，物光光路第五透镜222组成。参考光和物光相干涉，全息图存储于晶体材料(LiNbO₃)223中。读出时，关闭物光光路，参考光改变角度，衍射光通过读出透镜224成像于输出器件(CCD)225上。元器件均采用常规产品。

本发明所述方法的原理如下：

根据傅立叶光学理论，由傅立叶变换透镜和傅立叶逆变换透镜组成的体全息数据存储系统像面的复振幅分布是几何光学理想像与系统脉冲响应的卷积，因此单个亮像素发出的光波经过光学系统后在像面的复振幅分布可由式(1)表示：

$U(x,y)=\frac{1}{M}A(\frac{x}{M},\frac{y}{M})*\left(4f_{0x}{f}_{0y}\sin c\left(2f_{0x}x\right)\sin c\left(2f_{0y}y\right)\right)---\left(1\right)$

式中*为卷积运算，M为系统放大率，A为SLM像素发光区域的矩孔函数，x、y坐标系原点为像素中心，f_0x、f_0y为x、y方向的截止频率。由于此系统可看作是相干成像系统，则像面的光强分布可由式(2)表示：

I(x，y)＝|U(x，y)|²                           (2)

考虑如图4所示情况。SLM像素经光学系统后的成像相对于应与它匹配的CCD像素在两维方向上分别有偏移，注意到CCD像素并不是所有面积都可以接收信号，利用上述几个表达式，它所接收到的光强值可用式(3)表示。

$h(x,y)=\underset{-{\mathrm{ff}}_x/2-{\mathrm{\σ}}_x}{\overset{{\mathrm{ff}}_x/2-{\mathrm{\σ}}_x}{\∫}}\underset{-{\mathrm{ff}}_y/2-{\mathrm{\σ}}_y}{\overset{{\mathrm{ff}}_y/2-{\mathrm{\σ}}_y}{\∫}}{\left|U(x,y)\right|}^2\mathrm{dydx}---\left(3\right)$

式中ff_x和ff_y分别为CCD像素光敏区在x、y方向上的尺寸，σ_x和σ_y是CCD像素相对于SLM像素成像位置在x、y方向上的偏移量。

由单个SLM像素发出光波在像面的光场分布可知，对于某一CCD像素而言，只有成像中心距它不超过1个像素间距的SLM像素发出的光波对它接收到的信号有影响，其它的可以忽略。参看图5，图中阴影表示一个CCD像素，序号(M，N)，其余方格表示相邻的9个SLM像素的像，其中(m，n)像素是与此CCD像素对应的SLM像素。如图中所示情况下，CCD像素所接收到光强值将来自像素(m，n)、(m，n-1)、(m+1，n)、(m+1，n-1)，根据式(1)，可以分别写出这些像素发出的光波能被此CCD接收到部分的表达式。以(m+1，n-1)为例，有式(4)：

${{h(x,y)}^{\′\′}}_{(m+1,n-1)}=\underset{-{\mathrm{ff}}_x/2-{\mathrm{\σ}}_x}{\overset{{\mathrm{ff}}_x/2-{\mathrm{\σ}}_x}{\∫}}\underset{-{\mathrm{ff}}_y/2-{\mathrm{\σ}}_y}{\overset{{\mathrm{ff}}_y/2-{\mathrm{\σ}}_y}{\∫}}{\left|U(x-p_x,y+p_y)\right|}^2\mathrm{dydx}---\left(4\right)$

式中p_x、p_y为CCD像素在x、y方向上的间距。σ_x和σ_y是CCD像素相对于SLM像素成像位置在x、y方向上的偏移量。

计算结果表明，由于SLM像素的透光部分是矩形，类似于图5所示情况中的像素(m+1，n-1)对CCD接收光强值影响很小可以忽略。因此CCD像素(M，N)接收的光强可用式(5)表示：

k_(M，N)＝h(x，y)_(m，n)+h(x，y)″_(m+1，n)+h(x，y)″_(m，n-1)            (5)

可见，式中的后两项就是由于像素偏移带来的噪声。考虑单个数据区的情况，当CCD相对于SLM向右下方偏移时，对于数据区最右下方的CCD像素(M_max，N_min)式中后两项均为0。这样就可以得到h(x，y)_{(mmax，nmin)}的值，如果测出偏移量σ_x、σ_y，就可以应用数值计算的方法通过式(3)算出U(x，y)_{(mmax，nmin)}，进而可以算出当偏移量σ_x、σ_y为0即SLM-CCD完全匹配时CCD像素(M_max，N_min)的灰度值，这样就通过数值补偿的方法完成了像素匹配。同时还可以通过式(4)算出SLM像素(m_max，n_min)对相邻CCD像素(M_max-1，N_min)和(M_max，N_min+1)的串扰值。这样对于这两个像素而言，由于式(5)中后两项中一项为0，一项已求出，同样可得到h(x，y)的值，依此类推，就可以完成页面最下一行和最右一列的数值补偿，进而可以完成整个数据区的补偿校正(见图6)。

本发明中实时测定某一数据区像素偏移值的原理如下，将每个数据页划分为多个数据区，数据区之间用暗像素列隔开，在每个数据区中心放置3×3～8×8像素大小的测试图样，作为测试区，参照图7，数据页在每个测试区的中心设置1个亮像素作为测试信号，与测试信号相匹配的CCD像素为(m，n)。首先比较图中(m-1，n)和(m+1，n)，(m，n-1)和(m，n+1)灰度值的大小，确定偏移方向。由于已知测试图样中测试信号周围像素均为暗像素，根据式(5)可分析出像素偏移对其本身及周围像素灰度值的影响系数h(x，y)和h(x，y)＇，通过计算机模拟数值积分的方法就可以算出像素偏移量。

参考图8，本发明提出的在位置复用的体全息数据存储系统中进行实时补偿的方法的包括以下步骤：

1、原始数据页处理过程。将数据页划分为多个数据区，数据区之间用暗像素隔开，并在每个数据区中心放置3×3～8×8像素大小的测试图样，作为测试区。将需存储的数据放置在数据区除去测试区的其余位置，从而得到一个划分了数据区并加入测试区的数据页。重复以上步骤完成所有数据页的处理。

2、数据页存储过程。由体全息数据存储系统的激光光源发出的单色光通过分光片分成物光光路和参考光光路。物光经空间光调制器调制后在晶体内部与参考光发生干涉，晶体变化记录下干涉图样，变换参考光角度记录下一幅数据页，角度复用完成后移动晶体到下一个复用位置记录下一幅数据页，直到完成所有数据页的存储。

3、数据页的读出及数值补偿还原过程。在体全息数据存储系统中，用参考光照射晶体，得到记录图样的复现，由CCD接收。根据前述原理中的测定偏移量的方法，计算该数据区的像素偏移量，之后利用测得的像素偏移量对此数据区的每个像素灰度值进行补偿。对数据页中的每一个数据区重复上述步骤，直至完成所有数据区的校正还原。

4、变换参考光角度到下一个复用角度或移动晶体到下一个复用位置，重复步骤3，直到完成所有数据页的校正还原。

Claims (1)

1.位置复用体全息数据存储系统中像素匹配的实时补偿方法，其特征在于，所述实时补偿方法利用位置复用体全息数据存储系统执行以下步骤：

1)将每个数据页划分为多个数据区，数据区之间用暗像素列隔开，在每个数据区中心放置3×3～8×8像素大小的测试图样，作为测试区，数据页在每个测试区的中心设置1个亮像素作为测试信号，与测试信号相匹配的CCD像素为(m，n)；

2)通过体全息数据存储系统的物光与参考光干涉过程，在所述系统的存储材料中存储数据页；

3)利用所述系统中的输出器件读出数据页，并比较所述亮像素周围的像素(m-1，n)、(m+1，n)、(m，n-1)和(m，n+1)灰度值的大小，确定偏移方向，再通过模拟数值积分的方法计算出像素偏移量；然后根据测出的像素偏移量对此数据区的像素灰度值进行补偿；

4)对数据页中的所有数据区重复步骤3)直到完成整个数据页的补偿还原；

5)读出下一幅数据页，重复步骤3)和4)，直到完成所有数据页的读出和补偿还原。

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