（光学专业论文）光致聚合物材料中的数字数据全息存储.pdf

摘要 摘要 体全息存储以其在存储容量和存储速率上的独特优势，被认为是最具潜力的 下一代存储技术，其在信息处理、航空航天、国防等领域有广阔的发展前景。而 光致聚合物被认为是最有前途的海量全息信息存储材料。虽然近几年来全息存储 技术在多个方面都取得了骄人的成绩，数字数据全息存储方面也有很大进展，国 际上也完成了数字视频数据在聚合物材料里全息存储的实验演示，但是国内一直 没有这方面的报导。本论文立足于数字数据全息存储的前沿，在已有的理论及研 究基础上，着重于如何实现在光致聚合物材料里完成大幅面、高保真度的数字数 据全息存储的研究。 本文首先介绍了体全息存储的基本原理，总结了数字数据存储保真度的评价 方法，然后从研究光致聚合物材料的散射噪声入手，与中国科学院理化技术研究 所合作，定量测量了其提供的多批次样片的信噪比损失( 姗) ，分析了理化所 材料不同组分对散射噪声的影响，从现有样片中优选出低噪声的适合数字数据全 息存储的光致聚合物，同时与美国a p r i l i s 公司的材料进行对比研究，为后期光 致聚合物材料的优化提供依据。 另外，在分析数字数据全息存储中页内串扰噪声产生的物理过程的基础上， 提出了像元匹配扩散函数( p m s f ) 的概念，并提出了一个反卷积算法来抑制页 内串扰噪声，计算机模拟和实验结果都证明我们提出的p m s f 算法可以有效的抑 制页内串扰噪声，提高恢复数据页的保真度。 最后，从提高数据页的记录质量出发，优化了全息存储光路系统，选用均化 器提高了物光的均匀度，重新设计参考光光路使得参考光光斑更加均匀，选用合 适的曝光光强使得材料产生的噪声更小。根据我们设计的串行二进制数字数据与 数据页之间的编解码方法，将一段1 0 k b 大小的f l a l s h 视频编码为4 幅5 1 2 5 1 2 幅面，1 ：2 匹配的数据页，并成功的在美国a p r i l i s 公司光致聚合物材料中完成 了这4 幅数据页的单点角度复用存储，再现数据页经过偏移补偿算法和p m s f 算法处理后的平均原始误码率为2 4 1 0 4 ，这样低的误码率完全满足后期软解码 的需要，并使得解码后的数据可以满足用户误码率的要求。 据悉这是国内首次在光致聚合物材料里面实现5 1 2 5 1 2 大幅面、高保真度 的、低至1 0 4 数量级原始误码率的数字数据全息存储和重建，实验结果充分说明 北京工业大学理学硕十学位论文 了光致聚合物是一种有潜力的全息记录材料，本论文为以后在光致聚合物材料里 实现大规模的数字数据存储奠定了基础。 关键词数字数据全息存储：光致聚合物材料：像元匹配；页内串扰；散射噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t o 丽n gt 0i t s 甜删i v ec o m b i n 撕o no fc 印a c 时a i l d 觚l s f e rr a t e ，v o l 啪eh o l o 伊印1 1 i c s t o r a g e ( v h s ) i s 扫e a t e da sm ep r o m i s i n gn e ) ( tg e 撒翻土i o nd a t as t o r a g et e c h n o l o 醪 1 1 1 ep o t e n t i a la p p l i c a t i o 璐o fv h si i l c l u d eav 撕啊o ff i e l d ss u c ha si 施m a t i o n p r 0 c e s s i i l 舀a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h t ，n a t i o n a ld e 妇1 s es e c u r i 饥p h o t o p o l y m e r s 王l a v e b e e nc o n s i d e r e da st 1 1 em o s tp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rm 鹊sh o l o 肿p m cs t o r a g e a m l o u 曲v h st e c k l o l o g yl l a sg o tg r e a ta c _ i l i e v e m e n ta tm a n ya s p e c t s i nr e c e m y e a r s ， a n d 也eh 0 1 0 9 r 印l l i cd i g i t a ld a t as t o r a g et e c h n o l o g yh a sb e e np r o g r e s s i n gr a p i d l y ，此 e x p e r i m e n ：t a ld e m o n s 台a t i o no fh o l o 伊a p h i cd i g 瓶ld a 协s t o r a g ei np h o 铆) o l y m e r sh a s b e e np s e n t e d 勰w e l l ，t 1 1 e r ei sh a r d l ys u c hr e s e a r c hr e p o r ti n 叫rc o u i l n yt i l i s 位s i sf o c u s e so n l e 咖d yo fr e a l i z a t i o no fl a r g es i z ed a t ap a g e ，1 1 i 曲- j f i d e l 遗d i g i t a l d a t as t o r a g ei l l p h 砷d p o l y i n e rm e d i a ，o nm eb a l s i so ft l l ep r e v i o u sw o r ko fo u r r e s e a r c hg r o u p 1 1 1 i s 吐l e s i si i l 仃0 d u c e st h e 胁d 锄e n t a l 面n c i p l e so fv h sf i r a n d 蚴a i i z e sm e e v a l u a t i o nm e m o d0 fd a 慨f i d e l 时o f h 0 1 0 乒印l l i cp a g e s t h e n 也es c a 位e r i n gn o i s eo f p h o t o p 0 1 y m e ri sd e e p l yi i e s t i g a t e db ym e a n so fl o s so fs i 鲫m t o - n o i s er 撕。 犯肼氓) w 色a c c o m p l i s h e dm em e 姗e m e n to fm a n ys 耐e so fp h o t o p 0 1 y m e rs 锄p l e s p r o v i d e db yt e c l l i l i c a li 璐t i n 晚o fp h y s i c sa n dc h e n l i s 衄o fc m n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e ，趾ds e l e c t e ds o m em e d i a 、杭也l e s si l o i s ew h i c h 铷es m 饭b l ef o rm e e x p e r i r n e n _ t so fd i 西t a lh o l o 鲫l l i cd a 瞳a 咖r a g e b y 趾a l y z i n gt l l er e s u l t so f 三田氓 m e a s 啪e n t sf 0 rs 锄叩l e s 谢t l ld i 赶i e r c n tc o l n p o n e n t s ，a n dc 0 r n p 痂g 诵n lt 1 1 em e d i a o fa p r i l i sc o 印o r a t i o 玛w e 西v em es u g g e s t i o nt 0o p t 蛳z en l em a t e r i a lc o n l p o n e n t s i nm e 自i t l 】r e i i la d d i t i o i l ，b 弱e do n 付1 ep h y s i c a lm e 吐唿i l i s mo fi i l 仃a p a g ec r o s s t a l kn o i s e ，w e p r o p o s e d m ep i x e l - m a t c h e d s p r e a df u n c t i o n ( p m s f ) ， 锄da s i m p l i f i e d d e c o n v 0 1 u t i o n 撕t 1 1 m e t i ct 0s u p p r e s st l e i n 缸a - p a g e c r o s s t a l kn o i s e b o m 也e c o m p u t e rs i i i l u l a t i o na n dt l l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt 1 1 a t “sp m s fa r i t 胁e t i c c 锄哪p r e s sn l e 砷：m - p a g ec r o s s t a l kn o i s es o u i l d l y m u si i i l p r o v em ef i d e l 埘o f - n i 北京工业大学理学硕士学位论文 r e 拄i e v e dd a i a p a g e f i l l a l l y ，仃o mt 1 舱v i e wp o i n to fr e c o r d i n g1 1 i g h - f i d e l i t ) rd a 舾p a g e ，w eo p t i m i z e dm e s t o r a g es y 呶瓶b yu s i n gb e a ms h a p e ri ns i 黟a lb e a m ，a 芏l dr e d e s i 弘i n gg e o 涨垃r yt o i i l c r e a s et h e 嘶f o n n i t yo fr e f l e r e n c eb e 锄i n l ef i n a ld e m o n s 仃a t i o ne x p e r i m e n t ，w e e n c o d e1 0 k bf l a s ht of o u rd a t ap a g e s ，e a c h 沁l u m n g5 1 2 5 1 2b i t s t h ed a t a p a g e s a r e1 ：2p i x e l sm a t c h e d t h e s ef o u rd a t ap a g e s 、e r es t o r e di 1 1as i i 坞l ep o i n ti i la p h o t o p 0 1 y m e rm e d i ao fa p r i l i sc o 印o r a t i o nb yu s i n ga i l g l em u l t i p l e x i n gm 础o d ，a i l d s u c c e s s m l l y r e t r i e v e d t h e a v e r a 萨r a wb e ro fr e t r i e v e d d a t ap a g e s 世e r s m 金c o m p e l l s a t i o n 砒l dp m s fa l g o r i m mr e a c 血e d2 4 1o 4 t bo u rk n o w l e d g e ，m er e s u l t sp r e s e n t e di i lt ：i l i st h e s i sa r et ：h ef i r s td e m o n s 臼a t i o no f h 0 1 0 孕a p l l i cm u l t i p l e x i n gr e c o r d i n ga n dr e t r i e v a lo f1 1 i 曲f i d e l i 够d i g i t a ld a t ap a g e s w 址c hc o n ：t 血a sm u c ha s5 1 2 51 2p i x e l si i lp h o i t o p o l m e rm e d i ai 1 1o u rc o 啷 k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o 掣印m cd a t as t o r a g e ，p h o t o p o l 肿e r ，p i x e lm a t c l l ，锄娩- p a g e c r o s s t a u 【，s c a 他r i n gn o i s e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 查兰空：二墨：岁 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：；嶂导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着信息技术的发展，人们对信息的需求量日趋增大，相应的对存储设备 的容量、速率的要求越来越高。现有的成熟的存储技术有磁存储和光盘存储等， 磁盘存储是现在广泛应用的计算机外设存储器之一，过去l o 年中，磁盘存储的 面密度以每年6 0 的速率递增，然而磁存储的面密度在物理上受到超顺磁性的 限制，超顺磁性的极限密度大约为4 0 g b i t s i n 2 【1 1 ，这样的密度远远不能满足未来 对大容量存储器的要求。另外磁存储的原理也使得磁盘存储器在一些强磁场等 苛刻的物理条件下不能工作，这限制了它在信息安全等方面的应用。 光存储是继磁存储之后兴起的存储技术，现在应用最广泛的是光盘存储， 从早期的c d ，d v d ，到现在的蓝光光盘已经成为重要的移动存储介质。光盘 存储是利用激光的热效应在存储介质的表面刻蚀出一个一个的小的凹槽，利用 介质表面凹槽的变化代表二进制数据的o 和1 ，这种方法简单易于实现，但是 因为衍射效应，激光的聚焦光斑有一定的大小，相应的记录密度就会受到限制。 通过减小激光的波长和增加光盘存储器物镜的n a ( 数值孔径) 可以减小光斑 的大小，从而提高记录密度，d v d 就是采用了这种方法。c d 驱动器的激光波 长为7 8 0 n m ，物镜n a 为0 4 5 ，d v d 驱动器的激光波长为6 8 0 r u i l ，物镜n a 为 0 6 ，这样的改进使得光盘的容量从c d 的7 8 0 m b y t e 提高到d v d 的4 ，7 g b y t e 。 b d 是近几年走向实用的新的光盘格式，它的驱动器采用蓝紫色激光，波长为 4 0 5 衄，物镜n a 更是采用接近极限的0 8 5 ，这样b d 光盘可以单面存储2 5 g b y t e 的数据。但是，因为衍射极限( 聚焦点的大小为o 6 1 槲a ) 的限制，这种依靠 减小激光波长和增大物镜n a 的方法来提高容量的办法所剩的空间已经不大。 提高光盘存储容量的方法还有采用多层记录介质和近场光学存储等。多层 记录介质虽然能提高光盘容量，但允许的层数也是非常有限【2 】。近场光学存储 可以突破远场衍射极限，获得更小的记录光斑，因而可以进一步提高光盘存储 容量，近场光学存储的实现需要两个条件：一是要形成一个纳米级的透光小孔， 二是要控制透光孔和记录介质之间的距离在v 1 0 左右，满足了这两个条件后， 记录光斑的大小只取决于透光孔的大小而不受衍射极限的约束。但是这两种方 北京工业大学理学硕+ 学位论文 法技术上实现的难度非常大，另外，这种按位“串行存储的本质也限制了现 在光盘存储的数据传输速率。 体全息存储是2 0 世纪6 0 年代随着激光全息术的发展而出现的一种高密度 三维光存储技术，它采用了一种与传统二维存储完全不同的原理。体全息存储 的基本原理是：相干的物光和参考光两束激光，在记录介质的体积中重合，利 用两束激光的干涉性质，在材料内部记录上类似光栅结构的全息图，在读出过 程中，利用原来的参考光照明全息图，可以衍射出原来的物光，即可重现出物 光携带的信息。全息存储可以把数据记录在材料的整个体积里，它的记录方式 也从传统的按位“串行 记录读取变为按页“并行记录读取，每个记录点包 含的信息不再是一个比特，而是“一页 ，这“一页 包含的数据可以达到l m b i t s ， 这就大大提高了存储密度。因为这种并行传输数据的原理，全息数据存储还可 以达到极快的传输速率，被认为是提高信息存储能力最有前途的发展方向之一 口，3 】 o 传统的全息存储材料为光折变晶体，但由于光折变晶体存在着材料难于制 作、在读出过程中参考光束对数据有擦除效应等缺陷，制约着其在实用的道路 上进一步发展，相比较之下，光致聚合物材料具有高灵敏度，高衍射效率，低 成本，易于制作和不需要后期处理等优点，成为目前高密度全息存储材料的研 究热点【4 】，数字数据的全息存储，即将要存储的串行数据二进制码编码为数据 页，然后将此数据页加载在s l m ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，空间光调制器) 上。 常用的s l m 为一液晶屏，其上有1 0 2 4 7 6 8 个像元甚至更多，每个像元在电信 号的控制下可以独立的开和关，这样把s l m 放置于物光路中，利用像元的开和 关控制光强的变化就可以把数字信号调制到物光上。当用参考光读出物光后， 经过后续解码可以把存储在材料中的二进制数据还原出来。二进制数字数据存 储的方式使全息存储的可靠性大大提高，降低了对材料噪声的要求，又因为现 在二进制数据在计算机中的通用性，数字存储原则上可以存储任何内容形式的 数据。 由于数字数据全息存储技术对系统精度的高要求和很多技术上的难点，特 别是现有光致聚合物材料的散射噪声和体积收缩严重，影响到像元匹配数据页 的保真度，采用光致聚合物材料进行高质量、大幅面的数字数据记录与读取的 第1 章绪论 全息存储系统在我国还没有相关实验报导。本论文完成了大量光致聚合物材料 的散射噪声测量评定工作，优选出了适合像元匹配数字数据全息存储的材料， 并提出了一种独特的算法抑制数据页的页内串扰噪声，最终利用光致聚合物材 料实现了像元匹配的高质量的大幅面的数字数据记录与读出，这种演示不仅显 示了全息存储器的性能优势，同时亦可为全息存储技术走向实用化打下基础。 1 2 数字数据全息存储领域的研究进展 自从全息存储技术被提出以来，因为其突出的性能优势和在国防等领域的 重要性，得到了很多大公司及国防部门的大力支持，像美国i b m 的灿m a d e n 研究中心，r d c l ，w e u 科学中心，a i rf o r c er e s e a r c hl a b ，s t a | 怕r du i l i v e r s 埘等， 同样的研究工作在法国、英国、德国和日本等国也在进行。 从整体上来说，全息存储技术的应用在很大程度上取决于是否有合适的记 录材料，从早期的光折变晶体到现在的光致聚合物材料，众多的科学家和研究 人员做了大量的基础理论和实验工作【5 。1 2 】，随着光致聚合物材料的逐渐兴起， 国际上一些大的公司也开发出了多种适合全息存储的聚合物材料，像美国杜邦 公司的h i 强系列【1 3 1 ，a p m i s 公司的c r o p 型聚合物h m d 系列【引，p o l a r o i d 公 司的c r o p 型聚合物u l s h 系列【7 1 ，在这些材料上的实验表明光致聚合物是一种 灵敏度高，易于处理的高密度全息存储材料。 大容量、高速率的数字数据全息存储系统的实现有赖于一个关键的技术， 即输入数据设备一s l m 与读出数据设备一面阵光电探测器( c c d ) 的像元匹配。 1 9 9 5 年，p s a l t i s 【1 4 】等人利用数据掩模板( 镀铬的玻璃板) 代替s l m 作为输入面 实现了1 0 2 4 1 0 2 4 像元页面的匹配，1 9 9 6 年，b u 一”】等人利用s l m 和c c d 作为输入输出设备在l n 妯0 3 ：f e 晶体中存储了1 2 0 0 幅( 2 4 0 x1 9 0 p i x e l s ) 全息 图，误码率 1 0 ( 槲2 矾) ( 厶是空气中的波长) 时，介质内产生的光栅可以认为是体光 栅，体光栅的一个突出优点是能够抑制不需要的衍射级，即只有当参考光的入射 角度在布拉格角时衍射光强最大，当参考光稍微偏离布拉格角时就可引起衍射光 强的急剧下降，这使得体光栅有很好的角度选择性。利用体光栅的角度选择性， 就可能在介质的同一个点，仅仅改变参考光的角度就存储多幅全息图，而且每幅 全息图之间互不串扰，这大大提高了体全息存储的记录密度。 2 1 2 体光栅的角度选择性 在分析体光栅的角度选择性时，须从体光栅的衍射效率与参考光入射角度 的关系入手，作这一分析可借助于耦合波理论，k o g e l i l i k 【3 3 1 首先将耦合波理论 用于分析体光栅的衍射，其主要思想是从麦克斯韦方程出发，根据介质的电学 和光学常量，直接求解描述照明光波和衍射光波的耦合微分方程组，得到衍射 效率。他的这一理论，不仅能给出定量的结果，而且可以广泛用于各种体光栅 衍射特性的分析。 根据耦合波理论的结果，对于无吸收透射位相光栅，衍射光波的改变由折 射率的空间变化而产生。这时，它的衍射效率为 刁= 帮 陋2 ， 式中： ( 2 3 ) 五( c o s q c o s 最) 2 称为光栅强度，其中血为介质折射率，d 为介质的厚度，b 与b 分别为再现光 波和衍射光波与z 轴所夹的角度( 见图2 - 1 ) 。黟为布拉格失配量，且 孝= 矗 ( 2 - 4 ) 其中万= 微s 坂矽一岛) 一魃2 4 册称为相位失配因子，么劝偏离布拉格 角岛的偏移角，觚为偏离布拉格波长知的偏移量，矽为光栅的倾斜角，k 为光 栅矢量且 k ：望 ( 2 5 ) 北京工业大学理学硕十学位论文 根据方程( 2 2 ) ，可以画出无吸收透射位相全息图归一化的衍射效率珈随 布拉格失配参量韵变化曲线。如图2 2 所示，三条曲线分别对应三个不同的调 制参量炉矾，卢尥和y = 3 冗4 。当l ，= 彤2 时，7 7 口= 1 0 0 ；当卢梢或卢3 矾 时，珈= 5 0 。刁伪满足布拉格条件时的衍射效率。 e s f 褥 较 蒹 谨 薯 耍 53 1l 55 布擅捂失配璧鼍 图2 2 无吸收透射光栅的归一化衍射效率矿7 7 脯布拉格失配参量乎的变化曲线 f 培2 2d i f f r a c t i o ne 街c i e n c i e so f 仃趾s m i s s i o ng r a t i n g sw i t l l o u ta b s o r p t i o n ( n o r m a j i z e dt o t h e i rv a l u e sw h e n 乒o ) v e r s u s 善 由图2 2 可以看出，当触时，衍射效率最大，随着i 訇值的增大，7 迅速下 降。当l 目值增大到一定程度时，刁值下降至零。由于参考量锄改变量与角度的 偏移量4 9 以及波长的偏移量4 兄成正比，因此，入射光只要偏离布拉格角一个很 小的角度，或波长有一个小的改变，衍射效率即降低为o 。体积全息图的这一 特性称之为角度和波长的灵敏性。 对于无吸收反射位相光栅，可以得到衍射效率为 三 刁：￥兰l 一 ( 2 _ 6 ) s h 2 ( y 2 一手2 ) i + 【1 一( 孝y ) 2 】 同样可以做出归一化的衍射效率珈与布拉格失配量獭变化曲线( 见图2 3 ) 。 图中给出了对应调制参量分别为伊兀4 ，卢7 【2 和庐3 矾的三条曲线，相应的 ，7 分别为4 3 ，8 4 和9 6 。 第2 章数字数据全息存储理论和方法基础 n 、 n 一一3 ，【，4 一亿2 优埠 布拉格失配量孝 图2 3 无吸收反射光栅的归一化衍射效率，7 讲遁布拉格失配参量孝的变化曲线 f i g 2 - 3d i f 丘秕t i o ne 丘i c i e n c i e so fd e n e c t i o ng r a t i n g sw i t h o u ta b s o r p t i o n ( n o 肌a l i z e dt 0 恤i r 砌u e s w h e n 釉) v 粥u s 孝 通常我们将对应着矿孝曲线( 见图2 2 和图2 3 ) 的主瓣全宽度定义为水平 选择角，用骧示。由反射光栅衍射效率公式( 2 6 ) 可以看出，当伊一孑= 矛时， 轳o ，结合式( 2 4 ) 可得到反射光栅的水平选择角为 l ：堑：! ：蔓生 劂d ( 2 7 ) 这里2 伊矿绣仍为参、物光之间的夹角，式中所有的角度均为介质中的值。对 于透射光栅也有相似的表达式。 体全息存储中角度以及波长的布拉格选择性是影响材料存储密度的重要参 数，选用合适厚度的材料和适当的记录方法以减小选择角可以有效的提高记录 密度。 2 2 数字数据存储保真度的评价 体全息存储的再现图像质量，是限制体全息存储器的存储容量以及决定其 能否实用化的重要因素。受全息存储系统噪声的影响，数字数据页的保真度在 信道传输过程中会降低，全息存储的噪声源主要包括系统噪声和全息图噪声两 大类。系统噪声主要包括透镜像差、s l m 的缺陷、探测器噪声、透镜和其他光 北京，丁业大学理学硕十学位论文 学元件的散射和多次反射、激光束的不均匀性和涨落、以及s l m 像元与c c d 像元之间的错位等；全息图噪声主要有记录介质的散射噪声、页间串扰噪声、 页内串扰噪声等。通过对全息存储再现图像保真度的定量分析可以评价系统的 某一方面噪声的水平。 2 2 1 全息存储再现图像保真度的定量分析信噪比与信噪比损失 信噪比是人们用来描述信号质量的经典方法，通常定义为 ， 鼢倪= l ( 2 8 ) 一 式中，厶是信号强度，是测量值的数学期望；厶是噪声强度，是相对于信号的扰 动强度，通常采用测量值的标准差来描述。对于体全息存储图像的质量，人们 也沿用了这一描述方式，但由于对于二值化图像的信号和噪声在具体测量时的 定义方法不同，因而得到的信噪比值差别很大【3 4 。7 1 。 在全息存储中，数字数据用二值化图像表示，即空间光调制器像元的亮态 和暗态分别对应于数字数据的“1 和“o 。在探测到的二值化再现图像中，设 和而分别是“1 ( 亮) 像元和“o ( 暗) 像元的平均光强，o 。和o o 分别是“1 ” ( 亮) 像元和“o ”( 暗) 像元光强的标准差。假设6 ，和g 。彼此独立，且数据页 中的“1 像元和“0 像元出现的几率相等。设在重构时的判决阈值为厶，定 义再现图像的信噪比如下【3 4 1 ： 僦：生生( 2 9 ) 仃1 在。a 。时，可选出一个最佳阈值l = 鱼量盟，得 d l 十口o 跚：土生( 2 1 0 ) 盯l + 万0 由于( 2 1 0 ) 式是在选择了最佳阈值使得重构误码率最小时对图像信噪比的描述 形式，因而它对图像质量的描述较为客观。 信噪比反映了幅图像的质量好坏，但是它受实验条件的限制较大，图像 不同的亮度往往会影响图像信噪比的值，因此我们实验室提出了另一个参量， 鄹氓( l o s so fs i 印a l - t o n o i s er a t i o ，信噪比损失) ，它的定义为【3 0 】 第2 章数字数据全息存储理论和方法基础 姗- 1 0 g 器 ( 2 _ 1 1 ) 式中国理。为图像的输入信噪比，固缓行为一段时间后图像的输出信噪比。从信 噪比损失的定义可以看出，它的值表明了信噪比的变化，删越大，图像质 量恶化越严重，因此用信噪比损失可以定量的判断图像质量的变化，它也反映 了存储介质的噪声水平。 2 2 2 数字数据页保真度的定量分析误码率 误码率( b e rb i te 玎0 r 胁e ) 是评价体全息存储中二值化图像质量的最终 标准，它反映了数字数据存储的保真度。误码率定义为探测器判决电路对1 比 特的数据判决错误的几率。 误码率的计算需要知道信号和噪声的统计分布特性，许多实验测量表明【4 ，3 6 ， 3 羽，再现图像像元的强度分布通常取图2 4 所示的形式，即采用高斯分布近似所 产生的不准确度是小的。 图2 4 典型再现二值化图像中像元强度的分布示意图直方图 f i g 2 4at ) r p i c a jl l i 咖肿mo f r e c a l i e d b i n 哪d a t ap a g e 下面根据全息存储图像的特点讨论误码率的计算方法。因为高斯噪声叠加 在“0 像元和“1 像元上，那么像元强度测量值，也具有高斯统计分布。高 斯概率密度函数为 p ( x ) ：，p 一一) 2 ，2 仃2 ( 2 一1 2 ) 贴) 2 赢一卜帕叫撕。 ( 2 。1 2 ) 其中，历是平均值，仃为标准差。则“0 ”像元和“1 像元的强度概率密度函 北京工业大学理学硕+ 学位论文 数可分别表示如下： 删2 志口州“) 2 ，2 印 ( 2 _ 1 3 ) 岛u ) = 志一， 户坨印 ( 2 - 1 4 ) 式中，印和仃1 分别是“0 像元和“1 ”像元概率密度函数的标准差，这里的而 和 分别是它们的平均强度。 设重构时设定的判决阂值为历，“o 像元错判为“1 像元的概率和“1 ” 像元错判为“o 像元的概率分别为p ( i o ) 和p ( 0 1 ) ，当原始图像中“0 像元和 “1 ”像元出现的概率相等，即各为1 2 时，误码率引豫的计算公式可表示为【3 9 】 跚= 去 p ( o 1 ) + p ( 1 o ) 】 ：丢c 皓川“一w 刃怯p 刈一，- 一斫 q 。1 5 将上式对厶求导可得重构误码率取极小值时的历值 驴尘焉塑 ( 2 - 1 6 ) 式中， 彳= 2 一仃1 2 ( 2 1 7 ) b = 2 ( 厶仃1 2 一厶盯0 2 ) ( 2 1 8 ) c ：仃。2 厶2 一仃1 2 厶2 2 仃1 2 c r 0 2l n ( ! 立) ( 2 1 9 ) 从( 2 1 6 ) 式中可解得两个历值，其中一个历值满足厉铴讪，则此历值就是 最小误码率所对应的最佳重构阈值：另一个历值使得重构的误码率最大。实验 中计算重构误码率，需要先测量再现像中所有像元的强度统计分布，并计算出 ，而和盯l ，印，再利用( 2 一1 6 ) 求出最小误码率所对应的最佳重构阈值，最后通 过式( 2 1 5 ) 即可求出最小重构误码率。 但( 2 1 5 ) 式较为复杂，使得误码率与信噪比的关系不够明确。为此，设 当盯l 印时，对( 2 1 5 ) 式历求导可得最佳重构阈值为 第2 章数字数据全息存储理论和方法基础 l ：掣 仃o + 吼 若令s n r 量生，此时误码率可以表示为 盯l ( 2 2 0 ) b e r 墅里【二! 些些垫( 2 2 1 ) s n r q 2 冗 误码率的另一种计算方式是通过将再现的数据页与标准输入数据页进行比 对，即首先对采集的灰度图像数据页进行阂值判断，得到二值的数据页，然后 将得到的二值数据页与输入到s l m 中的数据页对应位一一比对。如果对应位值 相同，则代表没有错误，如果对应位不同，则代表出现了误码，这种误码率的 计算方法直观，因此实际中被广泛应用。 误码率可分为用户误码率( 1 i s e rb e r ) 和原始误码率( r a wb e r ) ，前者是 指用户使用存储设备时出现的错误比特的概率，针对不同的用户服务质量对系 统误码率的要求也不尽相同，一般情况下对于数据业务应达到1 0 。1 2 。全息存储 中的原始误码率是指经过阈值判断之后，在到达纠错码译码器之前的误码率， 一般情况下原始误码率应该达到1 0 3 【4 0 】，经过解码之后的用户误码率才能达到 使用要求。 2 3 光致聚合物全息记录材料 合适的存储材料一直是光全息存储技术发展的关键，在当前我国研究较多 的是以铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体为代表的光折变晶体材料，这种晶体有很高的衍 射效率和动态范围，还可擦除重写，但其灵敏度不高，生产条件要求苛刻，难 以生成较大尺寸的盘状记录材料，难以选择响应波长，生产成本昂贵等缺点制 约了它的迸一步发展。 光致聚合物材料是最近兴起的一个研究热点，光致聚合物材料具有灵敏度 高，衍射效率高，折射率调制度大等突出优点，另外它的可以容易的通过选择 掺入不同的光敏染料选择工作波长、制作工艺简单、成本低廉等优势也使得高 密度全息存储技术会因为理想的光致聚合物材料的出现而最终获得突破成为共 识。 北京工业大学理学硕士学位论文 2 3 1 光致聚合物材料的组成 光致聚合物材料的成分一般包括成膜树脂，单体，引发剂，光敏染料，链 转移剂，增塑剂等，各成分的种类及作用如下【4 l l ： 成膜树脂是聚合物材料的基体，一般由环氧树脂和胺固化剂混合组成，它 与单体共同决定了材料的机械物理性能。 单体是聚合物的基本单元，它一般在自由基或离子的作用下产生聚合效应， 是光致聚合物体系必须的组成部分，通常带有光聚合性基团。常见的单体材料 有：甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸乙酯，甲基丙烯酰胺等。单体的作用是在光 的照射下通过聚合、迁移与基体形成折射率差，产生折射率调制度。单体与成 膜树脂的匹配，单体的组合，单体的结构、官能团数和折射率对材料的全息特 性如衍射效率、灵敏度、机械物理性能等都有很大影响。 引发剂是一种吸收光能而分解生成活性种子( 自由基、阳离子) ，从而引发 单体或感光性高分子聚合的化合物。 光敏染料严格地说与引发剂概念不同，它能吸收光能，并将激发态的能量 通过能量转移或电子转移给另一个分子，使它形成活性种子，引发单体或感光 性高分子聚合，而光敏染料本身不消耗或产生结构变化。因为一般的单体对光 照不敏感，不能直接产生聚合，所以通常要在材料中掺入对适当波段敏感的光 敏染料及引发剂，这通常是控制光致聚合物曝光波长的理想方法，也是光致聚 合物材料在全息应用中优于其他类型材料的地方之一，因此光敏染料和引发剂 也是该类材料不可或缺的主要成分之一。 增塑剂可以改善膜的柔软程度，使单体更容易在膜中扩散，从而增加折射 率调制度，提高衍射效率。 2 3 2 光致聚合物材料的记录机理 光致聚合物作为全息记录材料是基于其具有光致聚合效应，光致聚合效应 即在光照情况下，光敏染料吸收相应敏感波长光波的光子，受激发跃迁到较高 的能级，弛豫过程中将能量传给引发剂，使之产生活性种子，这些活性种子引 发小分子或单体发生聚合，生成聚合物。 全息记录时相干的物光和参考光的干涉使光场中的光强产生非均匀分布， 强度非均匀分布的光场使聚合物材料产生非均匀曝光，光波干涉相长的地方光 * 2 蕈数 敢2 息# 理论# 基础 强较强，单体聚合较多，而光波干涉相消的地方光强较弱，单体聚合较少甚至 无聚合，因此引起亮、暗区域内单体密度的不均匀，在扩散过程的作用下，暗 区的单体会向亮区迁移，随着曝光量的增加或记录的固定直至单体耗尽。这样， 聚合区域( 亮条纹区) 和无聚合区域( 暗条纹区) 就产生了折射率的差别( 这 里聚合物的折射率是由单体的折射率决定的，所以也可以说是单体与成膜树脂 的折射率差别) ，因此就记录下了折射率调制的位相型光栅。记录过程如图2 5 所示。 u n e os e d脚o g t oh 曲 ，。墓搀一翠 p 土1 0 t o p o 蛳n “e “o n m q t r m 。日“o n 攀一圈 圈2 5 光致聚台物材料中光栅形成示意圉 f 培2 5s c h 锄m l co f 鄂1 1 n g 如玎n m i o nmp h o ”p 0 1 y m e r 2 3 _ 3 光致聚合物材料的全息性能 在数字数据全息存储系统中，再现数据页的质量很大程度上取决于记录介 质的性能，理想的全息记录材料应具有高的衍射效率高的灵敏度高的分辨 率，低的散射噪声，小的收缩，保存时间长等。下面我们列出评价光致聚合物 材料全息性能的主要指标。 ( 1 ) 衍射效率( _ ) 材料所能达到的最大衍射效率是衡量一种材料有无体全息存储潜力的重要 因素。衍射效率定义为全息图衍射成像的光通量与再现用照明光的总光通量之 比，我们实验中定义衍射效率 ， _ 2 了专 2 吨2 ) 北京t 业大学理学硕十学位论文 式中，厶表示衍射光强，五表示再现照明光强，厶表示再现照明光在记录介质表 面的反射光强。 ( 2 ) 灵敏度( s ) 灵敏度指材料受到光照后，其光栅形成的速率快慢。灵敏度是直接影响全 息存储器的写入速度及写入过程能耗的一个重要性能指标。灵敏度有不同的定 义形式，我们这里采用的一个普遍接受的定义是：在记录初始阶段，单位厚度 的材料在单位曝光量下衍射效率的平方根随时间的增长率，数学表达式为 s = 乱肛 2 3 ， 式中，7 是衍射效率，是总的写入光强，d 是材料的厚度，这样定义的灵敏度 单位为c m j 。 ( 3 ) 饱和折射率调制度( 血删) 饱和折射率调制度指的是当光照时间与响应时间相比为足够长时所达到的 折射率变化。给定这一指标，可以根据耦合波理论近似地确定晶体中光栅可能 达到的最大衍射效率( 戤) 。这一特性还决定了在给定体积中所能存储的全息图 数目。当再现光满足布拉格条件时，我们可以得到折射率调制度与衍射效率的 关系 ，砌：竺型型垫坚! 咝 ( 2 2 4 ) 式中d 为材料的厚度。 ( 4 ) 动态范围( m # ) 动态范围反应了全息存储材料的存储潜力，是影响存储容量的一个重要因 素，材料厚度和单体浓度是影响动态范围的重要原因。其定义是 m 撑= m 刁 ( 2 2 5 ) 式中，m 是同一个位置记录的全息图数，7 7 是最终每一个全息图的衍射效率。 在弱耦合条件下，光栅强度y = 7 7 ，可以看到动态范围旆就是m 个全息图的 光栅强度之和 m m 撑= y ( 2 2 6 ) j 二- 一 第2 章数字数据全息存储理论和方法基础 ( 5 ) 选择角( 0 ) 选择角是影响到角度复用度的关键因素，是影响材料存储容量的一个关键 参数，选择角越小，复用密度越高。实验上可以通过改变再现照明光束的入射 角，在布拉格角附近扫描读出记录光栅，得到读出曲线。如图2 5 为在布拉格 角附近扫描读出光栅的曲线，我们取最高衍射效率( 峰值衍射效率减本底噪音) 1 1 0 处的角宽度作为选择角，即1 0 d b 线所对应的角宽度。 r专 | f j j ， 一一，一i 。k 即 l6- o 4o 。20o 2o 4o a n g l e ( o 一0 一 6 图2 5 光致聚合物材料选择角的实验确定 f i g 2 - 5e x p 耐m e i 妇ld 咖m i n a t i o no f s e l e c ta n g e lo fp h o t o p o l y m e rm e d i a ( 6 ) 散射噪声 光致聚合物材料的散射噪声是目前影响图像保真度最主要的因素，散射噪 声是因为材料内部缺陷使入射光散射后又与原入射光干涉记录下来的噪声光栅 引起的，本论文我们采用燃= 3 d b 时对应的曝光量大小来评价材料的散射噪 声水平。 ( 7 ) 体积收缩率 光致聚合物材料在记录过程中的曝光会引起单体发生聚合反应，这种聚合 反应通常会使材料收缩，聚合收缩是光致聚合物材料的本征特性之一。记录过 程中材料的收缩将严重影响光致聚合物材料用于数字数据全息存储的应用，它 不仅使读出条件发生变化，还会使读出光角度偏移原来物光，引起像元匹配状 态改变，进而产生严重误码。 光致聚合物的体积收缩包括纵向( 即厚度方向) 收缩和横向( 面内) 收缩， hu暑。一一-啵liqw p u 西i k w 盎 北京工业大学理学硕士学位论文 材料通常认为是各向同性的，但由于涂覆在基片上成膜，纵向收缩率可能会不 同于横向收缩率。 实验上评价材料的收缩率，可以记录一个倾斜光栅，然后分别用参考光和 物光扫描读出，测量出峰值衍射效率对应的读出角度相对记录时的入射角度的 偏离，也就是布拉格偏移量8 和良，根据布拉格偏移量与收缩率的关系，原 则上即可求出材料纵向和横向的收缩率【4 2 】。 材料组分的不同是引起光致聚合物收缩率不同的主要原因，一般说来材料 的体积收缩率在0 5 5 之间，国际上优良的光致聚合物材料收缩率可低至 0 4 0 】。 2 4 本章小结 本章介绍了全息存储的基本理论，总结了数字数据页保真度评价的各种方 法，特别详细分析了误码率的计算方法，其次介绍了光致聚合物材料的组成， 记录机理和全息性能参数等，这些性能对高质量全息图的记录和再现有重要意 义。 第3 章光致聚合物全息记录材料噪声研究 第3 章光致聚合物全息记录材料噪声研究 数字数据全息存储系统中的噪声来源很多，但现阶段最主要的噪声来源是 材料的散射噪声，光致聚合物材料的散射噪声也是制约着大规模数字数据全息 存储实现的一个关键问题。散射噪声是聚合物材料的一个本质问题，材料的任 何缺