CN1448809A - 用于存储/恢复全息照相数据的装置和用于编码/解码全息照相数据的方法 - Google Patents

用于存储/恢复全息照相数据的装置和用于编码/解码全息照相数据的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于存储/恢复全息照相数据的装置和一种用于编码/解码全息照相数据的方法。在一个记录方式下，该装置把输入数据分成多个组，其中每组包含两个二进制数字；并且把每一组编码成为一个2×2数据块，其中该2×2数据块的第一行具有这两个二进制数字，它的第二行具有另外两个二进制数字，这两个二进制数字通过在包含在第一行中的那两个二进制数字上进行二进制差分计算产生。在一个恢复方式下，该装置把从一个存储介质中恢复的一个信号分成多个2×2数据块；并且通过比较该2×2数据块第一行的值和其第二行的值，把每一个2×2数据块解码成为两个二进制数字。这样，就能够避免分离的”开”或者”关”的现象。

Description

用于存储/恢复全息照相数据的装置和 用于编码/解码全息照相数据的方法
发明领域
本发明涉及一种用于存储/恢复全息照相数据的装置和一种用于编码/解码全息照相数据的方法；而且尤其涉及一种用于存储/恢复全息照相数据的装置和一种用于编码/解码全息照相数据的方法，其通过防止在存储到一个存储介质的全息照相数据或是从一个存储介质恢复的全息照相数据的像素中存在分离的“开”或“关”现象，来改善BER(误码率)。
背景技术
近来，借助于例如半导体激光器、CCD(电荷耦合器件)、LCD(液晶显示器)等的显著发展，有关用于存储大量全息照相数据的技术的许多研究已经在进行中。这些研究的结果现在正应用于诸如指纹识别系统的领域，以及任何利用大规模存储能力和高速传输率的领域。
一个传统的全息照相数据存储/恢复装置把一个干涉图样存储到一个对该干涉图样的振幅灵敏的存储介质中，其中该干涉图样是在当用于一个目标物体的一个目标光束与一个参考光束干涉时产生的，而该存储介质由例如晶体构成。该装置通过改变参考光束的角度来存储关于该目标光束的振幅和相位的数据，从而使得目标物体的一个三维形状能够在该存储介质上表示出来。这样，存储介质能够包含数百或数千的全息图，其中每个全息图以一个包含二进制数字的页面的形式表示。
在一个记录模式中，传统的全息照相数据存储/恢复装置把来自于一个光源的一个激光束分成一个参考光束和一个目标光束。然后，依据外部输入的数据(即，将被存储的输入数据)，目标光束被调制成为包含像素的二进制数据，其中每个二进制数据表示一个目标物体的亮或者暗。接下来，通过被调制的目标光束(即，一个信号光束)与从激光束中分出、并且从一面具有某一倾角的镜子反射的参考光束的干涉，获得一个干涉图样。干涉图样作为对应于该输入数据的全息照相数据被保存在存储介质中。
在这种情况下，全息照相数据在被保存在存储介质中之前被多路复用。通过使用例如一个角度多路复用、一个波长多路复用或一个相位多路复用，能够执行全息照相数据的多路复用。
与此同时，在一个再现模式中，传统的全息照相数据存储/恢复装置遮住从一个激光束中分出的一个目标光束。另一方面，该装置把从激光束中分出的一个参考光束在该参考光束从一面以一个预定角度的镜子反射之后，照射到存储介质上。尔后，通过使用保存在存储介质中的干涉图样，照射的参考光束被衍射，从而能够获得被解调制的二进制数据的一个页面。
在这种情况下，用于恢复全息照相数据的参考光束与用于存储全息照相数据的参考光束具有相同的反射角。
然而，传统的全息照相数据存储/恢复装置有一个问题是：通常，由于诸如在激光束强度中的不均匀性、通过一个透镜产生的失真噪声、以及在该装置中的散射和衍射等几个因素，一个被恢复信号的振幅具有一个不均匀的分布。
同时，一种传统的用于编码/解码全息照相数据的方法使用一个阈值，以在恢复存储在存储介质中的全息照相数据时区分两个二进制数字、即0和1。该阈值能够是一个固定值，例如0.5，或是被包含在一个表示全息照相数据的页面内的像素的平均值，或是局部确定的一个局部阈值。
在固定值被用于解码全息照相数据的情况下，当被包含在该页面中的一个像素的级别(level)大于一个阈值即平均值或0.5时，该像素被认为是1。另一方面，当级别小于阈值时该像素被认为是0。使用一个固定值作为阈值的传统编码/解码方法在能够获得一个高的编码率方面是有利的。然而，有一个问题是：就解码在该页面一个边缘部分上的数据来说，一个恢复误码率变得较高。
同时，局部阈值被确定如下。首先，表示全息照相数据的一个页面被分成几个区域。然后，为这些区域中的每一个设置一个不同的阈值。即，为一个接近页面中心的区域设置一个较高的阈值，而为一个接近页面边缘的区域设置较小的阈值。取决于像素的级别是小于或者大于该阈值，包含在该页面中的一个像素被分别认为是0或1。
在局部阈值在解码全息照相数据中使用的情况下，能够获得一个高的编码率和一个低的恢复误码率。然而，当相同的一组局部阈值被用于编码/解码系统时，恢复误码率可以增加，其中取决于该系统及其它环境因素的特性每个局部阈值具有一个不同的噪声图。
做为选择，作为一种用于减少恢复误码率的全息照相数据编码/解码方法，能够使用一种二进制差分编码/解码方法。二进制差分编码/解码方法通过利用表示二进制数字“1”的一个像素级别大于表示二进制数字“0”的一个像素级别的特性，对一个二进制数字序列进行编码。例如，二进制数字“0”和“1”被分别编码成“01”和“10“。此外，被编码的二进制数字的解码以编码过程的逆序执行。
传统的二进制差分编码/解码方法在能够获得一个低的恢复误码率方面是有利的，但是在编码率相当低(50％)方面是不利的。
此外，当如图5A和5B所示、通过使用传统的二进制差分编码/解码方法对二进制数字进行编码时，在一个页面的一部分中可以出现分离的“开(ON)”或“关(OFF)”现象。这些现象可以导致在保存在一个存储介质中的页面上的噪音，这是由于依据被编码的二进制数字调制的目标光束在经过空间光调制器的同时被衍射了。
在这种情况下，对应于分离的”开”的一部分激光束在它的相邻像素上传播，从而使得对应于该相邻像素的一个激光束强度增加了，而对应于分离的”开”像素的激光束强度减少了。此外，对应于分离的”关”的相邻像素的一部分目标光束在该页面上传播，从而使得对应于该相邻像素的一个激光束强度减少了，而对应于该分离的”关”像素的激光束强度增加了。
在这种情况下，与一个不分离的”开”像素相比分离的”开”像素引入了相对低的激光束强度。此外，与一个不分离的”关”像素相比分离的”关”像素引入了相对高的的激光束强度。因此，用于分离的”关”(或”开”)像素的激光束强度可以被认为是高于(低于)用于相邻”开”(或”关”)像素的激光束强度，这导致一个恢复误码率会较高。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种用于存储/恢复全息照相数据的装置和一种用于编码/解码全息照相数据的方法，它们通过在一个表示全息照相数据的页面中除去分离的”开”或”关”像素来改善恢复误码率。
依据本发明的一个方面，提供了一种用于存储/恢复全息照相数据的装置，包含：一个光源，用于产生一个激光束；一个分束器，用于把激光束分成一个参考光束和一个目标光束；一个第一分组块，用于把输入数据分成多个组，其中每组包含两个二进制数字；一个编码块，用于把每一组编码成为一个2×2数据块，其中该2×2数据块的第一行具有这两个二进制数字，该2×2数据块的第二行具有另外两个二进制数字，这两个二进制数字通过在包含在第一行中的两个二进制数字上进行二进制差分计算产生；一个调制器，用于依据该2×2数据块通过调制目标光束来产生一个信号光束；一个存储介质，用于存储一个通过将参考光束与信号光束进行干涉产生的干涉图样；一个第二分组块，用于把从存储介质中恢复的一个信号分成多个2×2数据块；以及一个解码块，用于通过比较2×2数据块第一行的值和2×2数据块第二行的值，把从第二分组块中输出的每一个2×2数据块解码成为两个二进制数字。
依据本发明的另一个方面，提供了一种用于编码全息照相数据的方法，包含以下步骤：(a)把输入数据分成多个组，其中每组包含两个二进制数字；以及(b)把每一组编码成为一个2×2数据块，其中该2×2数据块的第一行具有这两个二进制数字，该2×2数据块的第二行具有另外两个二进制数字，这两个二进制数字通过在包含在第一行中的那两个二进制数字上进行二进制差分计算产生。
依据本发明的还有另一个方面，提供了一种用于解码全息照相数据的方法，包含以下步骤：(a)把从一个存储介质中恢复的一个信号分成多个2×2数据块；以及(b)通过比较2×2数据块第一行的值和2×2数据块第二行的值，把每一个2×2数据块解码成为两个二进制数字。
附图简要说明
通过以下结合附图给出的对最佳实施例的描述，本发明的上述及其它目的和特征将会是显而易见的，其中：
图1描述了一个依据本发明、用于存储/恢复全息照相数据的装置的方框图；
图2用图表列出了依据本发明编码的输入数据的一种格式；
图3A到3D说明了一个依据本发明另一个最佳实施例编码输入数据的过程；
图4A到4D描述了一个依据本发明另一个最佳实施例编码输入数据的过程；以及
图5A和5B举例说明了当通过使用一种传统的二进制差分编码方法编码输入数据时出现的分离的”开”和”关”现象。
具体实施方式
图1说明了一个依据本发明用于存储/恢复(或者再现)全息照相数据的装置。
该装置包含一个存储/恢复设备110、一个数据编码设备130和一个数据解码设备150。
参见图1，存储/恢复设备110有一个用于产生一个激光束的光源111，一个用于存储三维全息照相数据(即干涉图样)的存储介质119(例如，一个光折射结晶(crystal))，和一个CCD 120。此外，在光源111和存储介质119之间有两条处理路径，即，一条用于处理一个参考光束的路径(PS1)和一条用于处理一个目标光束的路径(PS2)。这两条路径中的每一条在其上都包含多个光学元件。
在下文中，将说明依据本发明的装置的一个操作。
首先，一个分束器112把来自于光源111、照射在其上的一个激光束分成一个参考光束和一个目标光束。垂直偏振的参考光束沿着参考光束处理路径(PS1)前进。同时，目标光束沿目标光束处理路径(PS2)前进。
同时，沿着参考光束处理路径(PS1)，沿参考光束照射方向布置有一个快门113、一个镜子114和一个致动器115。通过这样的一条路径，参考光束在从处于一个预定角度的镜子114反射之后，照射到存储介质119上。
此时，即使为了说明起见在图1中没有被显示它们，但是在该参考光束处理路径(PS1)上可以包含多个光学透镜(例如，一个收敛(waist)配置透镜和一个光束扩展器)。
更仔细地进行描述，由分束器112分开的、垂直偏振的参考光束通过快门113的一个开口到达光学透镜(未显示)。参考光束在一个光束扩展器(未显示)处被扩展，从而使它覆盖由在目标光束处理路径(PS2)上的另一个光束扩展器扩展的目标光束的大小。随后，被扩展的参考光束从处于一个预定角度(例如，被确定以适于存储输入数据或者恢复所记录的输入数据的一个角度)的镜子114反射，以照射到存储介质119上。
此时，镜子114的一个倾斜角由致动器115以这样的方式控制，即参考光束的反射角能够逐页变化，其中每一个页面包含要被保存在存储介质119中的二进制数据。这样，数百或者数千的全息图能够被保存在存储介质119中。
同时，沿着目标光束处理路径(PS2)，沿目标光束的照射方向布置有另一个快门116、另一个镜子117和一个空间光调制器118。快门116响应于一个系统控制装置(未显示)的控制分别在一个记录方式或者在一个恢复方式下保持打开或关闭。
此时，即使为了说明起见在图1中没有被显示它们，但是在该目标光束处理路径(PS2)上可以包含多个光学透镜(例如，一个重新成像透镜，一个光束扩展器和一个物镜)。
更仔细地说，由分束器112分开的目标光束通过快门116的一个开口照射在镜子117上。目标光束从处于一个预定角度的镜子117反射，然后照射在空间光调制器118上。
随后，基于从数据编码设备130提供的输入数据(即，依据本发明编码的输入数据)，在空间光调制器118处，在镜子117上被反射的目标光束被转换成为一个二进制数字页面，其中每个二进制数字表示一个对应于一个目标物体的亮或者暗的像素。这就是说，如果输入数据是以一个图像帧的形式表示的图像数据，则在空间光调制器118处，该目标光束被调制成为一个表示该图像帧的信号光束。尔后，该信号光束照射到存储介质119上，并且与从镜子114反射、并照射到存储介质119上的参考光束同步。
在记录模式中，在存储介质119中，存储有一个通过从空间光调制器118输出的信号光束与在镜子114上反射的参考光束干涉获得的干涉图样。这就是说，依据该干涉图样的强度，在存储介质119中发生了移动带电粒子的一个光学感应，通过它能够把表示一个三维全息图的干涉图样记录在其中。
如图1所示，数据编码设备130包含一个分组块132和一个编码块134。分组块132把外部输入的数据(即，要被保存在存储介质中的输入数据)转换成为多个组，其中每组包含要被传输到编码块134的2个二进制数字(2比特)。
然后，编码块134把每一组转换成为一个具有2×2个二进制数字的数据块。被编码的数据块被打包成为一个页面以提供给空间光调制器118。
图2描述了依据本发明，由编码块编码的、具有2×2个二进制数字的一个示例数据块。该数据块的第一行200是一个数据行，其包含了通过使用从分组块132传送的一组二进制数字编码的两个二进制数字(A，B)。该数据块的第二行210是一个参考行，其包含了要在对包含在第一行200中的被编码二进制数字进行解码的过程中使用的两个二进制数字(C，D)。
数据编码设备130中的编码块134编码一组输入的二进制数字如下。
首先，一个2×2数据块的第一行用包含在该组中的两个输入二进制数字填充。然后，第二行中的第一个二进制数字、即在第二行第一列处的一个二进制数字通过应用二进制差分计算来确定。也就是说，在第二行第一列处的二进制数字被赋值为在第一行第二列处的二进制数字的一个反相值。最后，在第二行第二列处的二进制数字被这样确定，从而使得包含在该2×2数据块中的所有二进制数字的总和变为2。
随后，依据包含在该2×2数据块中的二进制数字，在空间光调制器处，从镜子117反射的目标光束被调制成为一个信号光束、即一个全息图页面。然后该信号光束照射在存储介质119上，借此该全息图页面被保存在存储介质119中。
同时，在恢复模式中，在目标光束处理路径(PS2)上的快门116处于一个关闭状态，而在参考光束处理路径(PS1)上的快门113处于一个打开状态，这通过使用系统控制装置(未显示)来实现。
因此，由分束器112分开的一个参考光束(一个用于恢复的参考光束)从镜子114反射以照射在存储介质119上。因此，通过使用记录在存储介质119中的干涉图样，照射的参考光束被折射，由此产生一个表示一个包含被解调制了的二进制数字的页面的信号。被解调制了的信号被传输到CCD 120。
接下来，在CCD 120中，从存储介质119照射的、被解调制了的信号被转换成一个电信号、即一个原始数据。被恢复了的信号被传输到数据解码设备150中的一个分组块152。
在分组块152中，从CCD 120输入的、被恢复了的信号被分成多个组，其中每个组包含一个2×2数据块。此时，该2×2数据块包含两行二进制数字，其中第一行(一个数据行)包含两个将被恢复的二进制数字，第二行(一个参考行)包含将在解码该数据行中参考的另外两个二进制数字。每一组都被送到一个解码块154。
在解码块154中，通过比较数据行第一列(或者数据行第二列)的值和参考行第二列(或者参考行第一列)的值，来解码该2×2数据块。
这就是说，在解码块154处，数据行第一列(或者数据行第二列)中的值在该值大于在参考行第二列(或者参考行第一列)的值时被解码为“1”。此外，数据行第一列(或者数据行第二列)的值在该值小于参考行第二列(或者参考行第一列)的值时被解码为“0”。
在下文中，参见图3A到3D，将说明通过使用依据本发明第一最佳实施例的一种编码/解码方法来编码/解码一个二进制数字序列、例如“11”的一个过程。
首先，如上所述，在分组块132处，输入数据被分成多个组，其中每组包含两个二进制数字。每一组被传输到编码块134，传输的两个二进制数字(例如，“11”)在该编码块134中被编码以输出到空间光调制器118。
如图3A所示，在编码块134处，一个2×2数据块的第一行通过使用两个二进制数字“11”形成。这就是说，第一行中第一个像素201和第二个像素202中的每一个被赋值为一个二进制数字“1”。然后，该2×2数据块第二行中的第一个像素203被赋值为一个二进制数字“0”，这是像素202的一个反相值。最后，在编码块134处，第二行中的第二个像素被设置为“0”，从而使得包含在该2×2数据块中的所有二进制数字的总和变为2。
随后，依据包含在该2×2数据块中的二进制数字，在空间光调制器处，在镜子117上反射的目标光束被调制成为一个信号光束、即一个全息图页面。该信号光束照射在存储介质119上，借此该全息图页面被保存在存储介质119中。
通过使用以上描述的编码方法，二进制数字序列“10”、“01”、和“00”能够被分别编码成如图3B到3D所示的2×2数据块。这样，在编码一个二进制数字序列时就能够避免了一个分离的”开”或者”关”现象。
依据本发明的这个实施例被编码和保存在存储介质119中的二进制数字的解码被执行如下。
首先，在分组块152处，一个从CCD 120输入的、被恢复了的信号被分成多个组，其中每个组包含一个2×2数据块。此时2×2数据块包含两行二进制数字、即一个数据行和一个参考数据。
在解码块154处，数据行第一列(或者数据行第二列)的值在该值大于参考行第二列(或者参考行第一列)的值时被解码为“1”。此外，数据行第一列(或者数据行第二列)的值在该值小于参考行第二列(或者参考行第一列)的值时被解码为“0”。这样，在解码块154处，先前由编码块134编码的2×2数据块被解码成“11”。
在下文中，参见图4A到4D，将描述通过使用依据本发明第二最佳实施例的一种编码/解码方法来编码/解码一个二进制数字序列、例如“11”的一个过程。
首先，在编码块134处，数据行第一个像素301被设置为从分组块132输入的组中的第一个二进制数字、即“1”。然后，参考行中的第二个像素304被赋值为数据行中第一个像素301的一个反相值、即“0”。
接下来，在编码块134处，数据行中的第二个像素302被设置为从分组块132输入的组中的第二个二进制数字、即“1”。然后，参考行中的第一个像素303被赋值为数据行中第二个像素302的一个反相值、即“0”。因此，获得了包含数据行和参考行的一个2×2数据块。
随后，依据包含在该2×2数据块中的二进制数字，在空间光调制器处，从镜子117反射的目标光束被调制成一个信号光束、即一个全息图页面。该信号光束照射在存储介质119上，借此该全息图页面被保存在存储介质119中。
通过使用以上描述的编码方法，二进制数字序列“10”、“01”、和“00”能够被分别编码成如图4B到4D所示的2×2数据块。这样，在编码一个二进制数字序列时就能够避免一个分离的”开”或者”关”现象。
依据本发明的这个实施例，被编码和保存在存储介质119中的二进制数字的解码以与为本发明第一实施例说明的方式相同的方式执行。
虽然已经就最佳实施例对本发明进行了显示和描述，但是本领域技术人员应当明白，可以在没有背离由附加权利要求定义的本发明精神和范围的情况下做出各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种用于存储/恢复全息照相数据的装置，包含：
一个光源，用于产生一个激光束；
一个分束器，用于把激光束拆分成一个参考光束和一个目标光束；
一个第一分组块，用于把输入数据分成多个组，其中每组包含两个二进制数字；
一个编码块，用于把每一组编码成一个2×2数据块，其中该2×2数据块的第一行具有这两个二进制数字，该2×2数据块的第二行具有另外两个二进制数字，这两个二进制数字通过对包含在第一行中的两个二进制数字进行二进制差分计算产生；
一个调制器，用于依据该2×2数据块通过调制目标光束来产生一个信号光束；
一个存储介质，用于存储一个通过参考光束与信号光束的干涉产生的干涉图样；
一个第二分组块，用于把从存储介质中恢复的一个信号分成多个2×2数据块；以及
一个解码块，用于通过比较该2×2数据块第一行的值和该2×2数据块第二行的值，把从第二分组块中输出的每一个2×2数据块解码成为两个二进制数字。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：在编码块处，第二行第二列的值被设置为第一行第一列的一个反相值，而且第二行第一列的值被设置为第一行第二列的一个反相值。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：在解码块处，第一行第一列或者第一行第二列的值在该值分别大于第二行第二列或者第二行第一列的值时被解码为“1”，而且第一行第一列或者第一行第二列的值在该值分别小于第二行第二列或者第二行第一列的值时被解码为“0”。
4.一种用于编码全息照相数据的方法，包含以下步骤：
(a)把输入数据分成多个组，其中每组包含两个二进制数字；以及
(b)把每一组编码成为一个2×2数据块，其中该2×2数据块的第一行具有这两个二进制数字，该2×2数据块的第二行具有另外两个二进制数字，这两个二进制数字通过对包含在第一行中的两个二进制数字进行二进制差分计算产生。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤(b)中，第二行第二列的值被设置为第一行第一列的一个反相值，而且第二行第一列的值被设置为第一行第二列的一个反相值。
6.一种用于解码全息照相数据的方法，包含以下步骤：
(a)把从一个存储介质中恢复的一个信号分成多个2×2数据块；以及
(b)通过比较该2×2数据块中第一行的值和该2×2数据块中第二行的值，把每一个2×2数据块解码成为两个二进制数字。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤(b)中，第一行第一列或者第一行第二列的值在该值分别大于第二行第二列或者第二行第一列的值时被解码为“1”，而且第一行第一列或者第一行第二列的值在该值分别小于第二行第二列或者第二行第一列的值时被解码为“0”。
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