光信息处理[第6章]概要.ppt

第六章光信息存储技术,（OpticalInformationStorage）,6.1引言,信息传播,烽火结绳记数书籍文字照相术磁盘、光盘光学存储,传统的信息存储方法缩微照相技术利用普通照相法把图像缩微面积大，存储量小，难与现代通信设备联机,数字存储技术把图像转变为数字信号存储,光学存储主要指与计算机和其他通信系统联机的海量存储技术,与传统的磁性存储技术相比，光学存储有以下特点：,存储密度高；并行程度高；抗电磁干扰；存储寿命长；非接触读/写信息；信息位价格低廉。,光学存储的分类,从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生物理、化学性质的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存储的介质。,光学存储介质,照相胶片；重铬酸盐明胶；光敏聚合物；光刻胶；热塑薄膜；光折变材料；,光致变色材料；电子俘获材料；双光子吸收材料；磁光材料；相变材料。,存储器件性能指标,容量（密度）；写入（存储）和读出（提取）数据的传输速率；存取等待时间；持久性（使用期和保存期）；误码率和噪声特性；符号间干扰和串扰；可否直接重写；非破坏性读出和选择性擦除；功耗和热耗散要求；器件和存储系统的成本。,6.2光盘存储,一.光盘存储原理,激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区，使光照部分发生物理、化学变化，从而使光照微区的某种光学性质（反射率、折射率或偏振特性等）与周围介质有较大反衬度，以实现信息的存储。,光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片。,信息“写入”：将要存储的信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物理、化学变化以实现信息的存储。信息“读出”：用低功率密度激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息。,光盘是按位存储的二维存储介质。,优点存储密度高（光盘道距仅1m，而磁盘道距为10m）抗电磁干扰、存储寿命长、非接触读写、信噪比高；,缺点机械运动寻址方式、按位存储的特性，限制了数据传输速率的进一步提高。,二.光盘的类型,按不同功能可划分为四种：,（1）只读存储光盘（ROM，ReadOnlyMemory）,（2）一次写入光盘（WORM，WriteOnceReadMemory）,（3）可擦重写光盘（Rewrite）,（4）直接重写光盘（Overwrite）,（1）只读存储光盘（ROM，ReadOnlyMemory）,ROM只能用来播放记录在盘片上的信息，用户只能读取，不能自行写入。,激光刻录示意图,视频录像盘（VD盘）、数字音响唱盘（CD盘）都属于只读存储光盘。,（2）一次写入光盘（WORM，WriteOnceReadMemory）,WORM利用聚焦激光在介质的微区产生不可逆的物理和化学变化写入信息的盘片，具有写、读两种功能，用户可自行一次写入，但信息一经写入便不可擦除，也不能反复使用。,WORM的写入过程主要是利用激光的热效应，其记录方式多种多样：,烧蚀型,起泡型,熔绒型,合金型,相变型,（3）可擦重写光盘（Rewrite）,可擦重写光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆变化来实现反复的写入与擦除。这类光盘除用来写、读信息外，还可将已经记录在光盘上的信息擦去，然后再写入新的信息；但写、擦需要两束激光、两次动作完成。,写入信息时，记录介质从晶态进入玻璃态；,擦除信息时，记录介质从玻璃态回到晶态。,激光热致可逆相变可由近红外脉冲激光或短波激光脉冲引起。,记录介质：相变材料；磁光材料,（4）直接重写光盘（Overwrite）,直接重写光盘可用一束激光、一次动作录入信息，也就是在写入新信息的同时自动擦除原有信息，无须两次动作。,三.光盘存储器,光盘存储器是在光盘已经设计定型、各项性能参数都已确定的情况下，特定盘片的驱动器。光盘读取和检索信息的功能，要靠光盘驱动器实现。,各类光盘存储器的性能,光盘存储器的组成,提供高质量读出光束引导检索出的光信号,产生信息读出信号、再现盘片格式化地址信号、检测光盘聚焦误差信号和跟踪误差信号,实现光束高精度跟踪,半导体激光器,特点体积小、结构简单，价格便宜，易于集成；,优点工作电压低；电能转换效率高；功耗低；可靠性高、寿命长；可用写入信号直接调制激光输出，不需另加光调制器。,光学头,包括聚焦物镜和从光源到物镜的一套光学元件的组合，称为光学探测头，简称光学头。,光学头可分为单光束系统和双光束系统：,1.光源；2、3.透镜；4.偏振分束器；5.1/4波片；6.反射镜；7.聚焦物镜；8.光盘；9.分束镜；10.透镜；11.读出探测器；12.透镜；13.聚焦、跟踪误差探测器,单光束系统的光路示意图,o光（全反射）,4方解石,e光（线偏光）,5.1/4波片,圆偏偏振光,6、7,反射、聚焦,8光盘,5.1/4波片,经7、6返回,线偏光（旋转90）,4方解石,o光、全反射,9分束镜,单光束系统的光路示意图,单光束系统采用一束激光一套光路进行信息写/读，适合于只读光盘存储器和一次写入光盘存储器。,双光束系统的光路示意图,1.写/读激光器（0.83m）；2.准直镜；3.组合棱镜；5.二向色反射镜；7.直角棱镜；11.刀口；12.读出探测器；13.聚焦、跟踪误差探测器；14.擦除激光器（0.78m）；15.准直镜；16.组合棱镜；17.偏振分束器；18、19.正负柱面透镜；20.聚焦透镜；21.探测器,写/读光路：由器件18、1013构成；擦除光路：由器件1419、58、2021构成。,双光束系统用于可擦重写光盘存储器。,6.3光学全息存储,早在1948年，英籍匈牙利物理学家盖伯就根据光的干涉和衍射原理，提出了重现波前的全息照相理论。,？,光学体全息存储技术是最早研究的光存储技术之一,全息存储的基本原理,在全息存储器中，物光束经过空间调制而携带信息，参考光束以特定方向直接到达记录介质。在写入过程中，材料对干涉条纹照明发生响应而产生折射率分布，形成类似光栅结构的全息图；在读出过程中，用参考光照明全息图，使衍射光束经过空间调制，精确复现出写入过程中由参考光相干涉的数据光束的波面。,二维全息存储平面全息存储技术三维全息存储体积全息存储技术,全息存储的特点和优点,1、高数据传输速率：并行记录、并行提取，大大提高二维图像信息的数据传输速率2、高存储容量：三维光学存储的容量极限为1/3例如：用532nm波长记录的体积全息图的最大容量达6600个/mm3，采用角度和波长复用技术容量将更大3、高冗余度：局部缺陷和损伤不会引起信息丢失或误码4、存取速度快：寻址一个数据页面约需100s而磁盘系统的机械寻址需10ms提高2个数量级,一.平面全息存储技术,全息照相对信息的大容量、高密度存储是通过记录图像或文字信息的傅里叶变换全息图来实现的。傅里叶变换全息图是指把物体进行傅里叶变换后，在其频谱面上拍摄其空间频谱的全息图。,优点细光束记录（写入），细光束再现（读出）面积小、密度大，使用方便,高密度全息存储光路,点全息图,二.体积全息存储技术,1.体积全息图,当记录材料的厚度是条纹间距的若干倍时，则在记录材料体积内将记录下干涉条纹的空间三维分布，形成等间距的三维空间曲面簇，称为体全息光栅。这种类型的全息图称为体积全息图。,2.体全息存储,体全息存储技术是利用空间光调制器将被存储信息调制成明暗图像，而与同步的参考光汇聚，形成全息干涉条纹，被记录在介质的某一层面上。,充分利用存储介质的整个体积，使存储容量大增角度复用利用体全息的角度选择性波长复用利用体全息的波长选择性,1.光折变材料的存储机理,三.体全息材料的存储机理,光折变效应是指光辐照下，某些电光晶体的折射率随光强的空间分布而变化的现象。,+,-,（a）,（b）,（c）,（d）,（a）光电离；,（b）扩散；,（c）复合；,（d）形成空间电荷场；,空间电荷场通过线性电光效应在晶体内形成折射率的空间调制变化，产生折射率调制的相位光栅。,铌酸锂晶体光折变过程的能级图,2.光致聚合物材料的全息存储机理,光致聚合物材料是一种新型的光全息存储材料，具有高感光灵敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比等优点，产生的全息图像具有高保真度、可长期保存。,光致聚合物中全息光栅的形成示意图,四.材料的全息存储特性,光谱响应用于全息存储的记录材料应当对写入激光波长敏感。2.动态范围通常指最大可能的折射率改变，反映了材料的存储潜力。3.响应时间常数引入响应时间常数描述体全息光栅建立和擦除的快慢。响应时间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全息光栅的动态特征。4.灵敏度指材料受到光照后响应的灵敏程度，在记录的初始阶段，灵敏度正比于单位写入光强在单位厚度的材料中产生的折射率变化速率。,5.存储持久性全息图的存储持久性用其暗存储时间来表征。6.散射噪声材料中的缺陷使光散射成球面波，与初始的入射波相干涉，形成噪声相位光栅。,全息存储器的数据传输速率,数据传输速率是评价全息存储器性能的一项重要指标，它由数据存取时间决定。,存取时间,传送时间（电子元件、线路引起的时间延迟）,潜伏时间（存储设备的物理移动）,五.全息存储的应用,全息照相的应用,全息显示,全息显微术,全息干涉度量学,全息光学元件,全息信息存储,全息信息处理,全息相关存储器,图像与字符识别是全息存储器在光学信息处理中应用得最广泛的一个领域。图像与字符识别的目的是要确定待识别的图像或字符特征是否在输入图像中存在。将待识别的图像或字符用全息照相方法记录在全息图中，构成特征识别存储器，然后用它与输入图像进行相关识别。,光学体全息存储相关识别原理示意图,全息存储光盘,传统的光存储技术使用激光读写光盘上的“坑”，每个“坑”表示一个0或1的数字信号；而全息存储则可以在一个位置上保存一个全息图案，通过激光相位的不同读出多个数据单元，从而成倍提高存储密度。全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者。,日本HitachiMaxell公司研发的全息光盘和驱动器,美国InPhaseTechnologies公司研发的全息光盘和驱动器,6.4其它光存储技术,一.近场高密度光存储技术,所谓远场是指可以用光传播的衍射理论来描述光场行为的距离范围，对于高密度光存储技术而言，光学头与存储记录介质之间的距离远大于光波长时就称为远场；光学头与存储记录介质之间的距离小于波长量级的范围称为近场。,远场条件下的衍射极限为,d光束聚焦光斑的直径NA物镜的数值孔径,近场高密度光存储技术的三种方案,光盘,SIL,物镜,基底,记录层,孔径层,L,二.四维光学存储技术,光盘存储,三维全息存储,光谱烧孔存储,辐射光谱线固有宽度,单个原子的谱线宽度取决于与谱线相关的能级：,光谱烧孔原理示意图,工作物质的均匀加宽线形和荧光线形,固态工作物质中的晶格缺陷导致晶体内不同格位的激活离子发射（或吸收）的中心频率有微小的移动，不同格位的激活离子发射的谱线叠加在一起形成的包络即荧光谱线（非均匀加宽）。,用频率为的窄带强激光激发非均匀加宽的工作物质，同时用另一束窄带可调谐激光扫描该物质的非均匀加宽的吸收谱线，则在吸收频带上激发光频率处会出现一个凹陷，即“光谱烧孔”。,出现光谱烧孔的原因：,在窄带强激光激发下，与激光共振的那部分离子几乎全部被激发到激发态E2，测量这些离子从基态E1到激发态E2的吸收时，就出现吸收饱和线型；而不与窄带激发光共振的离子仍然有正常的吸收。用激光扫过整个吸收线，测透射光强时就会在原来的吸收线型上出现凹陷，也就是“孔”。,激发激光停止后，激发态电子回到基态，孔就消失了，信息不能持久保存，但如果与激光共振的离子发生某种光致物理或化学变化而不能退激回原来基态，或退激需很长时间时，则形成的光谱孔能保存较长的时间，称为“持续光谱烧孔”(PersistentSpectralHole-Burning，PSHB)。,光谱烧孔,把烧孔激光调谐到荧光吸收谱带内的不同频率位置，孔就出现在不同的频率上，有孔和无孔就可以表示“1”和“0”两个状态。孔的存在时间就是电子在激发态的寿命。用测量透射光强的方法就可以检测孔的有无。这一原理应用于光信息存储就是“频率选择光存储”。,光谱烧孔方法有望突破光存储密度的衍射限制，因为除了利用记录材料的空间维度外，还可以利用光频率维度。在光斑平面位置不变的情况下，调谐激光频率在吸收谱带内烧出多个孔，可实现在一个光斑位置上存储多个信息。存储密度可提高13个数量级。,光谱烧孔存储原理,频域多重存储示意图,光谱烧孔材料不仅可以用作高密度频域光存储介质，还可用于记录多幅全息图象。事实上，当在一非均匀展宽谱线内烧出一个孔时，在该孔附近的频域内不仅吸收变化，还相应地发生折射率的改变，因而可同时记录吸收型与相位型全息图。,光谱烧孔的全息存储,三.光致变色光存储技术,光致变色是指某些化合物在光照下发生光化学反应，导致化合物结构的改变而使其吸收光谱发生可逆变化的现象。,光致变色材料可用于印刷、装饰和防护包装材料等方面，由于其独特的光致变色特性，其应用前景不可限量，极有可能成为新一代高密度光存储的主体材料。,光致变色存储原理,光致变色过程可表示为：,A、B：同一物质的两种不同颜色状态；,写入过程：,擦除光（波长1）照射,存储介质状态A状态B,写入光（波长2）照射,介质照射部