（光学专业论文）全息数据存储的快速读出系统研究.pdf

摘要 摘 信息技术和计算机技术飞速发展， 要 对存储器的信息容量和信息传输速率的 要求也在增长，需要开发更高容量、更高访问速度的存储系统。本论文工作的目 的是设计全息存储器的动态读出系统，使系统达到1 5 0 m b i t s s e c 的读出速率。 本论文首先对全息数据存储中快速读出技术的国内外发展状况进行了详尽 的调研和理论阐述，介绍了一些体全息存储和全息存储器读出机理的相关概念， 并针对盘式全息存储方案进行分析，得到了影响系统读出速率的因素。同时针对 实验室现有寻址设备设计了高速读出系统的实验方案并分别对系统中需要用到 的仪器的工作性能进行了论证 高密度的信息存储是实现快速读出的基础。因此本论文也讨论了利用分轨 道热固定的盘式全息存储( t r a c k - d i v i s i o nt h e r m a l f i n gh o l o g r a p h i cd i s k s t o r a g e ，t d t o 方案对一种盘状全息存储介质( z n ：f e ：l i n b 0 3 晶体) 进行其全 息存储性能的优化。实验结果显示：t d t f 方案可以抑制z n ：f e ：l i n b 0 3 晶体的 擦除效应并且可以提高晶体的动态范围。 以空间角度复用全息存储光路为基础，设计了可实现快速动态读出的全息 读写系统并做出了其工作流程和时序图。通过编制c v i 程序，使得高速光开关、 寻址机械设备( 电动精密转台) 和再现数据采集系统( 高速c m o s 相机) 三者在脉 冲发生器的控制下实现同步工作，并通过实验验证了转台运动性能的稳定性和系 统读出功能的可靠性 为了在实验室现有条件下验证高速动态读出的可能性，首先根据现有硬件 设备的各项系数计算出可以得到的读取速率为3 4 2 m b s 。在此基础上设计了1 5 0 幅全息图的记录和读出的实验方案。最终在盘状晶体中进行了原理性实验，通过 1 5 0 幅全息图的记录和动态读出，成功获得了3 4 2 m b s 的读出速率。并分析了在 现有实验硬件情况下，只要系统在某些方面进行改进，就可以实现1 5 0m b s 的目 标。进一步讨论了达到g 呐级读出速率对系统的要求。 关键词信息存储；盘式体全息存储；快速读出 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fi n f o r m a t i o nh i g h w a ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n tt oc a p a c i t ya n dt r a n s f e rr a t eo fi n f o r m a t i o ns t o r a g ei sg e t t i n gh i g h e ra n d h i g h e r i ti si m p o r t a n tt od e v e l o ps t o r a g es y s t e m sw i t hh i g h e rc a p a c i t ya sw e l la s f a s t e rr e a d o u tr a l e t h ea i mo ft h i st h e s i si st od e s i g naf a s td y n a m i cr e a d o u ts y s t e m f o r h o l o g r a p h i cm e m o r i e st og e tat a r g e tr e a d o u t r a t en ol e s st h a n1 5 0m b s i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r ya n dp r o g r e s so ff a s tr e a d o u tt e c h n o l o g yo fh o l o g r a p h i c d a t as t o r a g ei nt h ew o r l di ss u r v e y e d , s o m er e l a t i v ee o n c e p t l o l l sa b o u tv o l u m e h o l o g r a p h i cs t o r a g ea n dr e a d o u tm e c h a n i s mo f d e v i c e s i nh o l o g r a p h i cs t o r a g es y s t e m s a r ci n t r o d u c e da n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er e a d o u tr a t ea ma n a l y z e db a s e do nt h e d i s kh o l o g r a p h i cs t o r a g es c h e m e s 1 1 圮e x p e r i m e n t a lf a s t - r e a d o u ts c h e m e ss u i t a b l e f o rt h ee q u i p m e n ti n0 1 1 1 l a b o r a t o r ya r e ；i n v e s t i g a t e d , a n dt h ep e r f o r m a n c e so ft h e n e c e s s a r yd e v i c e si nt h es c h e m e sa l ee v a l u a t e d t h eh i g h - d e n s i t yi n f o r m a t i o ns t o r a g ei st h ef o u n d a t i o no f a c h i e v i n gf a s tr e a d o u t t h u st h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h eh o l o g r a p h i cd i s c s t o r a g em e d i u m ( z n ：f e ：l i n b 0 3 ) b yu s i n g t r a c k - d i v i s i o nt h e r m a l 一6 x i n g h o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g e ( t d t f ) s c h e m e t h er e s u l ts h o w st h a tt h et d t fs c h e m e s u p p r e s s e st h ee r a s u g ce f f e c ta n di n c r e a s e st h ed y n e cr a n g eo fz n ：f e ：l i n b 0 3 c r y s t a l 船w e l l b a s e do nt h es p a t i o a n g u l a r - m u l t i p l e x e dh o l o g r a p h i cs t o r a g es c h e m ea n dt h e e q u i p m e n ta v a i l a b l ei no u rl a b ，t h eh o l o g r a p h i cs y s t e mt h a tc o u l dr e a l i z et h ef a s t r e a d o u tw a sd e s i g n e d t h eo p e r a t i o np r o c e s sa n dt i m es c h e d u l e ro ft h es y s t e mw e r e a l s ow o r k e do u t h i g hs p e e de l e c t r o - o p t i cs w i t c h , a d d r e s s i n ge q u i p m e n t ( m o t o r i z e d p r e c i s er o t a r ys t a g e ) a n dd e t e c t o ra r r a y ( h i g h - s p e o dc m o sc a m e r a ) w e d r i v e n t o g e t h e ru n d e rt h ec o n t r o lo ft h ep u l s eg e n e r a t o rw i t l ls e l f - d e v e l o p e dc v is o f t w a r e t h es t a b i l i t yo fr o t a t es t a g ea n dr e a d o u tr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mw 讹v e r i f i e db y e x p e r i m e n t s i no r d e rt o v e r i f yt h ef e u s i b i l i t yo fh i g h - s p e e dd y n a m i cr e a d o u tu n d e rt h e c o n d i t i o no fo u rl a b o r a t o r y ，t h ea c h i e v a b l er e a d o u tr a t ew a sd e t e r m i n e df l r s t l yt ob e 3 4 2m b sa c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h ee q u i p m e n ta v a i l a b l ei no u rl a b t h e n e x p e r i m e n t a ls c h e m eo fr e c o r d i n ga n dd y n a m i cr e a d o u to f 1 5 0h o l o g r a m sw a s d e s i g n e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n tw a se x e c u t e di nt h ez n ：f e ：l i n b 0 3d i s kc r y s t a la n d r e a d o u tr a t eo f 3 4 2m b sw a sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l y m e a n w h i l e , w ea n a l y z e dt h a tt h e d e s i r e d r e a d o u tr a t eo f1 5 0m b sc o u l db er e a l i z e d 、“t hs o m ei m p r o v e m e n t so f s y s t e n l t h es y s t e mr e q u i r e m e n t sf o rar e a d o u tr a t eo f g b so r d e rw e r ef u r t h e rd i s c u s s e d k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ns t o r a g e ，v o l u m eh o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g e ，f a s tr e a d o u t 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 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： 导师躲妪鹾乙吼至! 黝簖 第一章绪论 第一章绪论 随着信息高速公路的建设和计算机科学与技术的发展，需要存储和传播的 信息量在急剧增加，这对信息存储技术提出了越来越高的要求。当今社会对于 存储器性能的要求，既要超大容量( 或高密度) ，也要求存取数据的高传输速率【l 】 光学体全息存储是实现这一目标最明朗的发展方向，经过近几十年的研究，已 经在体全息机理以及超高密度和超大容量全息记录材料等方面已经取得了相当 多的研究成果。与磁存储和光盘存储技术相比，体全息存储有以下特点和优点： 1 高冗余度：以全息图形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存储 在全息图的整个表面上( 或整个体积中) ，故记录介质局部的缺陷或损伤不会引 起信息单元的丢失。这得益于全息图的波面再现性质，是其他任何存储技术所 无法具有的。 2 高存储容量：按照三维光学存储数据密度的理论上限l 妒伫】，以记录光波 长 = i p m 计算，体全息数据存储的理论存储密度可达1 0 1 2 b i t s c m 3 。 3 非常高的数据传输速率和很快的存取时间：全息存储中数据是以页面的 形式存储和恢复的。每一页中的所有位都并行地记录和读出，而不是像磁盘和 光盘那样，数据位以串行方式逐点存取此外，全息存储器不一定要用磁盘和 光盘存储系统中必需的机电式读写头，而可以用无惯性的光束偏转( 例如声光 偏转器) 、参考光的空间相位调制或波长调谐等手段，在数据检索过程中有可能 进行非机械的寻址，使寻址一个数据页面的时间小于1 0 0 1 峪，而磁盘系统的机 械寻址需要1 0 m s 。 4 可进行并行内容寻址：全息存储器可以直接输出数据页或图像的光学再 现，这使信息检索以后的处理更为灵活。例如，任何全息存储器通过工作在傅 里叶变换域都能够执行相关操作。采用适当的光学系统，有可能一次读出存储 在整个全息存储器中的全部信息，或在读出过程中同时与给定的输入图像进行 相关，完全并行地进行面向图像( 页面) 的检索和识别操作。 正是因为拥有这样的特点，全息存储有望成为下一代存储器的关键技术。 随着材料科学的发展，铌酸锂晶体作为体全息存储的首选材料，人们在晶体生 长、后处理等方面对其全息性能的影响的研究开展比较完善，使满足实用化的 大规模存储的要求成为可能【3 , 4 1 。一个完整的、实用化的全息信息存储系统必须 北京工业大学理学硕士学位论文 包含高速的读取功能，体全息存储的并行页面存储机制和极短的寻址时间使得 它有可能达到很高的数据传输速率。更为重要的是，高分辨率大幅面的组页器 ( 如空间光调制器即s l m ) 、精确定位的运动系统、高速光电探测器( 如c c d 和c m o s 等) 以及外围高速电子电路的引入，提供了全息存储快速读出的可行 性。如果体全息存储系统在实现超大容量的基础上同时还能够实现高速的数据 传输速率，无疑将极大地推动信息科学的发展进步。 正是由于快速读出是全息存储技术极为重要的潜在功能，国外高校和科研 机构对其都相当重视。早在9 0 年代初期，包括美国s t a n f o r d 大学，英国 m a n c h e s t e r 大学以及美国的j e t p r o p u l s i o n 实验室，b e l l 实验室，r o c k w e l l 科学 中心，a i rf o r c er e s e a r c hl a b 等均纷纷投入人力物力研究，并取得了一定的成 果【5 棚。 9 0 年代中期美国国防部先进研究项目署( d a r p a ) 斥巨资支持两个全息 存储技术研究项目：h d s s ( h o l o g r a p h i cd a t as t o r a g es y s t e m ) 和p l u s m ( p h o l d r e f r a c t i v ei n f o r m a t i o ns t o r a g em a t e r i a l s ) 。他们将多家公司与高校等研 究单位的研究人员联合在一起，致力于开发实用的全息存储系统，生产和提供 全息存储所用的高性能存储材料。有关快速读出的工作属于h d s s 研究范畴。 各大公司在h d s s 的资助下均开展了一系列工作。o p f i m k 公司1 9 9 8 年开发了 一套系统，以l i n b 0 3 为记录介质，实现了几个g b s 的速率而作为美国h d s s 项目的一部分，以光致聚合物为介质的研究也在同步进行。1 9 9 6 年朗讯科技选用 6 5 0 n m 、5 3 2 n m 、4 2 5 n m = 种波长的光记录，以光致聚合物为记录介质，分别实 现了7 0 m b i s 、6 4 m b s 、4 0 m b s 的读取速率【】。 j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b ) 在全息快速读出方面进行了比较深入的研究，致 力于开发紧凑全息数据存储( c o m p a c th o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ，c h d s ) 系统。 c h d s 系统包含激光器、光折变晶体、s l m 、光电探测器( 阵列) ，还有i o 电子 接口j p l 分别在1 9 9 9 、2 0 0 0 开发出两套系统，目前响应速度己达到2 0 0 帧秒， 将来若采用铁电晶体代替向列相液晶，有望再提高一个数量级。在他们的实验中， 读出速率范围为2 0 0 m b s ( 每页l m b ，每秒2 0 0 页) 至5 g b s ( 每页2 5 m b ，每秒2 0 0 页) 【1 2 1 。 2 0 0 0 年，斯坦福大学的o r l o v 等人发表文章宣布他们以光致聚合物为记录 2 第一章绪论 介质实现了1 g b s 的读取速率【1 3 1 。2 0 0 4 年，斯坦福大学和s i r o s 技术中心合作， 用转盘、脉冲激光光源、1 0 0 0 f p s c c d 、编码解码器，采用光致聚合物为记录介 质在盘转速3 0 0 r p m 条件下实现了1 0 g b s 传输速率1 1 4 1 ，这也是目前世界上对光 全息存储装置所报道的最快的传输速率。图1 1 是其系统示意图。目前，在电 脑中应用最为广泛的i d e 接口硬盘，其稳定传输速率一般在3 0 m b s 到8 0 m b s 之间l 嘲。而现在流行的1 6 倍速d v d r o m 的速度大约是2 1 m b s 1 1 6 1 。由此可见， 体全息存储系统在数据的读取速率方面优势是相当大的。但是，综观国外科研 机构在全息存储快速读出领域所发表的文献资料，只是公布其所达到的传输速 率，而并没有披露更多的快速读出部分具体细节和核心技术。 图i - i 读出速率为1 0 g b s 的系统 f 培l - 1s y s t e mw i t h1 0 g b sr e a d o u tr a t e 我国在2 0 世纪9 0 年代初开始开展全息存储方面的研究。北京工业大学是 国内最早在此领域开展研究工作的单位之一，并在体全息机理、数字式三维存 储以及超高密度和超大容量等方面获得了许多研究成果清华大学，华中理工 大学等高等院校也相继开展了相关的研究工作。但是国内在全息存储技术领域 发表的论文中，涉及的读出均为在介质静止状态读取再现图像，即：通过计算 机发出命令，驱动带有记录介质的微动设备( 转台或平台) 转动或移动一个微小 的距离，运动结束后，在介质静止状态下用参考光对其进行光读取，然后用c c d 采集图像，送入计算机处理。显然这种“静态读出”由于等待时间过长而无法 达到高的读出速率。由于全息存储潜在的高读出速率是其独特优势之一，开展 针对体全息存储系统中快速读出技术的研究、使这一功能得以实现是一件很有 北京工业大学理学硕士学位论文 意义而且很迫切的工作 本课题的研究内容为：针对实验室现有的全息盘式存储系统单元设备，设 计出一套全息快速读出系统及相关技术，使得读出光源、寻址机构和图像采集 机构三者之间实现精确同步匹配工作，从而实现在存储介质快速运动状态下， 动态实时读取再现图像，即。动态读出”。在理论上对此系统的读出速率进行评 估，并在实验中力争达到1 5 0 m b s 读取速率，填补我国在全息存储系统的快速 读出技术领域的空白 本课题的特色之处在于：详细论述了快速读出系统的设计思路及具体的读 取流程，在我国首次实现了较高速率的全息数据页面动态读出。 本论文包含以下各个章节： 第一章为绪论 第二章首先介绍了体全息存储的基本理论，包括k o g e l n i k 的耦合波理论、 体光栅的角度选择性、体全息存储介质、空角复用方案、光折变全息存储的热 固定技术、复用存储等衍射效率的存储方法等。然后较为详细的讨论了快速读 出的理论基础以及限制读出速率的因素等。最后提出了要构建全息数据存储的 写读系统所需要的仪器设备。 、第三章对实验中用到的低噪声光折变晶体( z n ：f e ：l i n b 0 3 ) 先期进行性能 的优化首先进行热固定性能测试，然后利用t d t f 方案记录3 0 0 幅全息图的 实验来说明t d t f 方案使得晶体的有效动态范围得到显著优化 第四章详细介绍了我们的快速读出方案。包括方案设计图及设计思路、 方案中所必需设备的工作原理、特性参数以及其主要功能。然后是确定单幅全 息图光读取时间并列出读出过程的时序图，同时介绍了我们用c v i 编制的读出 程序最后进行了快速读出的准备性实验，包括对转台运动性能进行测试和分 别对读出系统的同步匹配性能与可靠性能进行测试 第五章是实现系统对1 5 0 幅全息图快速读出的原理性实验。先确定实验 中的各种参数，然后计算曝光时序并在晶体中记录1 5 0 幅全息图。随后进行了 快速读出1 5 0 幅全息图的实验，获得了3 4 2 m b s 的读取速率最后对实验结果 进行讨论和总结，指出本系统可以从哪些方面进行改进和优化，以获得更高的 读取速率。 4 第二章全息数据存储的基本原理 第二章全息数据存储的基本原理 光学全息是现代光学的一个重要分支。全息照相是利用光的干涉原理，引入 参考波将包含物体信息的光波记录为干涉条纹即全息图。在一定的照明条件下全 息图衍射，形成物体逼真的再现像。随着全息研究的不断深入，体全息逐步应用 于科学研究和工业生产中。 本章主要介绍体全息存储技术的基本原理，依次描述 k o g e l n i k 耦合波理论、 体光栅的角度选择性。随后简单描述了光折变材料中体全息存储的机理和本论文 所用到的空角复用技术与盘式全息存储技术，热固定机理和复用存储等衍射效率 的存储方法。最后详细描述了全息读出的基本理论及限制读出速率的主要因素。 2 1 体全息存储的基本概念 体全息存储是将物光信息以三维干涉条纹的形式存储在介质内部，即在介质 中形成体全息光栅，见图2 1 。其中，锹在介质内的参考光r 的入射角：砝条纹 面的法线方向与z 轴的夹角；s ：衍射光；k ：光栅矢量；a ：光栅的周期：击介 质的厚度。记录完成后只需单独用参考光就可以衍射出物光光波，从而将存储的 信息读出。 体全息光栅的记录按照明方式有反射式、透射式和邻面入射式三种，按照记 录材料在光路中位置又可以分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图、像面全息图和 傅立叶变换全息图等。与逐位读出的光盘等技术相比，全息存储的数据信息以页 面形式被并行读出，从理论上可以达到很高的读出速率。 图2 i 体光栅衍射示意图 f i g 2 - 1d i f f r a c t i o nb yav o l u m eh o l o g r a p h i cg r a t i i - g 5 北京工业大学理学硕士学位论文 按照三维光栅的衍射理论，为使连续散射波同位相相加，以便使总的衍射波 振幅到达极大值，则照明光束的波长工照明光束与峰值条纹面之间的夹角只以及 条纹面的间距a 三者之问必须满足布拉格定律【1 7 1 ： 2 a s i n 0 = 五 ( 2 一1 ) 根据布拉格条件( 2 1 ) 式，如果读出光的波长和光栅间距确定，则读出光的入 射角是唯一确定的；若读出光的入射角和光栅间距已确定，则读出光的波长唯一 确定。体全息图总是在满足布拉格条件时才能衍射出最强的再现像，若读出光入 射角度或波长不满足布拉格条件，均会引起再现像衍射效率的急剧下降，说明体 光栅具有很强的选择性下面用k o g e l n i k 耦合波理论的结果，对体全息图再现 时的选择性和衍射效率进行定量地描述。 2 1 1 k o g e l n i k 耦合波理论1 1 s l k o g e l i n k 的耦合波理论是分析体全息图衍射特性的基本理论模型。该理论从 麦克斯韦方程出发，根据记录介质的电学及光学常数，直接求解描述入射波场和 衍射波场的耦合微分方程组，得出衍射波的复振幅，进而给出体全息图的衍射效 率。 根据k o g e l i n k 的耦合波理论模型，求解耦合波方程，可以计算出对于无吸 收反射位相光栅，满足布拉格条件的衍射效率为1 8 1 ： ，7 = 妫2 ( y 2 一f 2 ) ( 2 - 2 ) 曲2 ( ，2 一善2 ) 2 + 【1 一( 善v ) 2 】 式中v 为光栅的调制参量，亡表示布拉格失配量。两个参量分别定义为： y = a ( e o s 0 坐, e o l s o , ) ( 2 - 3 ) ， 善：黑 ( 2 2 b z 1 ) c = ， 7 2 c o s 见 、7 式中，a 刀表示折射率的空间调制度，j 是由于再现光波不满足布拉格条件而产 生的相位失配，2 为空气中光波波长，d 为记录介质的厚度，屏和6 1 分别是记录介 质内读出光和再现信号光与z 轴的夹角。 当读出光满足布拉格条件入射时，布拉格失配量孝卸，读出时的反射光栅的 峰值衍射效率为： 6 第二章全息数据存储的基本原理 。t a l l h 2 习丽t a n d ) ( 2 - 5 ) 图2 - 2 是根据公式( 2 2 ) 做出的无吸收反射光栅的归一化衍射效率随布拉格 失配量的变化曲线u 9 1 ，其中的曲线对应的调制量闸r 4 。从图中可以看出，当读出 光束的角度偏离原始记录时的角度时，衍射效率将从峰值很快的下降直至零，随 着布拉格失配量的增加，在衍射效率的变化曲线上出现了旁瓣，旁瓣的最大值较峰 值衍射效率要小得多。 布拉格失配量 图2 - 2 无吸收透射体光栅的衍射效率n 与布拉格失配参量e 的关系曲线 f i g 2 0 2d e p e n d e n c eo f n o m m l i z e dd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo nb r a g gm i s m a t c h 2 1 2 体光栅的角度选择性嗍 从图2 2 可以看出，当再现光波偏离布拉格条件时，读出光的衍射效率将明 显的减小。体全息图的这种对波长或角度的敏感性，为角度复用和波长复用提供 了理论依据，使大容量体全息存储成为可能。以广为使用的角度复用为例，一定 数量的全息图非相干地叠加在记录介质的同一区域，不同的全息图对应于不同的 参考光角度；再现时，用与参考光对应的不同角度再现光波，每个角度附近将能 得到唯一的物体再现图像，这就实现了体全息的角度复用存储。下面将研究多重 角度复用存储中角度间隔选取的理论依据。 在全息存储系统中，再现光束的入射角可以在形成光栅的两写入光束所组成 的平面( 称之为水平面) 内变化，也可在垂直于该平面的平面( 称之为垂直面) 内变化。全息复用存储时，相邻两个全息图之间有一定的角度间隔。若角度间隔 选取过大，则将减少单一点全息图的角度复用存储数量，影响系统的存储容量； 7 l 0 o 0 0 0 0 0 o o 0 *糕霉采晕，皿 北京工业大学理学硕士学位论文 然而，过小的角度问隔使得读出过程中也部分再现了相邻全息图，与所需要的信 息叠加在一起形成噪音j 影响到读出图像的质量。这两种情况都应尽量避免。由 上述的耦合波理论，对应于特定的记录介质和记录条件，可得到唯一的选择角大 小定义衍射效率一布拉格失配量曲线( 图2 - 2 ) 的主瓣全宽度为水平选择角，写作 a o ( a 伊- - 2 a s , a b 是主瓣半宽度的水平选择角) 从反射光栅衍射效率公式( 2 - 2 ) 可以导出反射光栅的水平选择角公式刚： 扯警尚( 2 - 6 ) 刀l 口 l s l i l z 妒m 这里2 卢- o r o , 为参、物光之间的夹角，式中所有角度均为介质中的值。根据折射 定律，同样可以得到该选择角在空气中的值，对于非倾斜光栅，水平选择角为f z o ： 们= 筠辫 弱耦合条件下( v d # ，则相 邻全息图不会重叠，也就不会有串扰，但这将限制可存储的全息图数目，见图 2 3 ( a ) 。缩小间距，使a x ，y 而，全息图会重叠，见图2 3 ( b ) 。如果各全息图 采用相同的平面波参考光来记录，对一个全息图的读出操作会使若干个全息图同 时读出，形成严重的“串像”噪音。空问一角度复用在相邻全息图之问引入微小的 空间间隔a 工，a y 9 9 输出电压范围 0 5 1 0 0 v 驱动脉冲上升时间 7 n s 驱动脉冲下降时问 1 0 0 7f i t s 第四章快速读出方案设计及系统的性能测试 高压电源有外触发信号输入接口，从而可用外触发脉冲信号对高速光开关 的开关频率和开光闭光比进行控制。 4 2 4 高速图像采集设备 经过论证，我们实验室采用的高速图像采集设备是德国b a s l e r 公司的 a 5 0 4 k 高速c m o s 相机及其配套的e p i x 公司的p i x c ic l 3 s d 图像采集卡。图 4 - 6 和图4 7 分别是a 5 0 4 k 型高速c m o s 相机外观图和其后面板示意图。 图4 - 6 b a s l e ra 5 0 4 k 外观 f i g a - 6a p p e a r c eo f b a s l e ra 5 0 4 k g a n l e r a 图4 - 7a 5 0 4 k 高速c m o s 相机后面板 f i 导4 - 7r e a rp a n e lo f b a s l e ra 5 0 4 kc e m 北京工业大学理学硕士学位论文 表4 3 是b a s l e ra 5 0 4 k 型相机主要性能参数。 表4 - 3a 5 0 4 k 型b a s l e r 相机主要性能参数 t a b l e 4 - 3i i v l a i ns p e c i f i c a t i o no f b a s l e ta s 0 4 kc a n l g t a 分辨率 1 2 8 0 ( h ) x 1 0 2 4 ( v ) 像元尺寸 1 2 p mx1 2 u m 全帧采样速率5 0 0 f p s 曝光时间 0 o l 一3 3 m s 外部同步触发信号 支持 最高传输速率 6 2 5 m b ，s 与相机配套的p i x c ic l 3 s d 图像采集卡自身通过p c i 插槽固定在计算机主 板上，c m o s 相机采集的图像序列通过c a m e r al i n k 数据传输线存放在板卡上高达 4 g b ( 5 1 2 m 8 ) 的同步动态随机存储器( d r a m ，d y n a n l i cr a n d o m - a c c e s s m e m o r y ) 上，这使得相机以极高的数据传输速率( 6 2 5 m b s e e ) 采集、传输信息， 突破了6 4 位p c i 总线6 6 m h z 的带宽限制。采集完成后，存放于板卡d r a m 上图像 可以存储到计算机的硬盘上。图4 8 是p i x c ic l 3 s d 图像采集卡。 图4 - 8p i x c ic l 3 s d i 虱像采集卡 f i g 4 - 8p i x c ic l 3 s d f r a m eg r a b b e r 与前面提到的脉冲发生器和高速光开关一样，采集板卡也提供了外触发信 号输入接口，同样可用外触发脉冲信号对其进行控制。但要利用随图像采集板卡 配备的转换器模块，方可将外部r r l 触发信号转化为板卡可以接收的l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 信号用来触发相机进行相关的采集动作图4 - 9 是 该信号转换器模块的示意图，其中由外触发信号源连接到转换器t t l 输入端的信 号线的长度应该尽量的短 第四章快速读出方案设计及系统的性能测试 图4 - 9 板卡信号转换器模块 f i g 4 9t t lm o d u l eo f f r a m eg r a b b e r 该转换器模块两端都为9 针d 型母口，入口端主要引脚含义如表4 4 所示。 表4 - 4 转换器模块引脚含义 t a b l e 4 - 4p i na s s i g n m e n tf o rt h et t lm o d u l e 引脚号功能 l 接地 6 保持5 v 7 接收外触发信号 当相机在外触发信号控制下工作时，外触发信号可以控制相机曝光时间和 帧读出。若外触发信号是周期性的，则决定帧速，即外部触发信号频率决定相机 采集频率。此时，外触发信号对相机的采集动作有三种控制模式：边缘控制 ( e d g e - c o n t r o l l e dm o d e ) 、电平控制( l e v e l - c o n t r o u e dm o d e ) 和编程控制 ( p r o g r a m m a b l em o d e ) 。下面简要介绍这三种控制模式： ( 1 ) 外部同步信号边缘控制模式( e d g e - c o n t r o l l e dm o d c ) 在每个外触发信号的周期内( 上升沿到上升沿) ，像素被曝光，电荷被收集。 见图4 - 1 0 。 咖厂厂 ir 一州“ 图4 - 1 0 外部同步信号边缘控制模式 f i g 4 - 1 0e x s y ，e d g e - c o n l r o l l e dm o d e 3 7 北京工业大学理学硕士学位论文 ( 2 ) 外部同步信号电平控制模式( l e v e l - c o n t r o l l e dm o d e ) 相机在每个外触发信号的下降沿和下一个上升沿之间曝光。见图4 1 l 。 i e x s y n cp e r i o d l i _ i _ _ - - _ i - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l li f _ x s y n c 厂 苎厂 i 咖嘲删 图4 - 11外部同步信号电平控制模式 f i g 4 11e x s y n c , l e v e l - c o n t r o l l e dm o d e ( 3 ) 外部同步信号可编程模式( p r o g r a m m a b l em o d e ) 触发信号上升沿曝光，积累电荷。曝光时间长度( t i m e r1 ) 由用户预先 设定在t i m e rl 的末端，开始读出和传输帧数据，从而与外触发信号的下降沿 是无关的见图4 - 1 2 。 l 竺生一i e x s y n c几 厂 图4 - 1 2 外部同步信号口】编程模式 f i g 小1 2e x s y n c ，p r o g r a m m a b l em o d e 可以通过相机自带的x c a p 软件来设置c m o s 工作在其中的任何一个模式 下，相机自带的x c a p 是一款交互的图像采集程序，支持p i x c i 图像采集卡，提 供视频格式和方案设置、连续采集、视频速率序列采集、触发采集、单帧采集及 显示p i x c i 图像采集卡的图像帧缓存可以被导入、测试、处理、分析、打印、 批注和保存。x c a p 同样可以导入、分析、修改和保存已经存在的图像序列的大 小、像素深度等，甚至可以在无板卡的情况