光信息處理[第6章]

1、 6.1 6.1 引引 言言信息傳播信息傳播 烽火烽火 結(jié)繩記數(shù)結(jié)繩記數(shù) 書(shū)籍文字書(shū)籍文字 照相術(shù)照相術(shù) 磁盤(pán)、光盤(pán)磁盤(pán)、光盤(pán) 光學(xué)存儲(chǔ)光學(xué)存儲(chǔ)信息源信息源傳送器傳送器信信 道道接收器接收器加工處理加工處理存存 儲(chǔ)儲(chǔ)使用終端使用終端信息信息編碼編碼信號(hào)信號(hào)解碼解碼信信息息信息傳輸框圖信息傳輸框圖 傳統(tǒng)的信息存儲(chǔ)方法傳統(tǒng)的信息存儲(chǔ)方法 縮微照相技術(shù)縮微照相技術(shù) 利用普通照相法把圖像縮微利用普通照相法把圖像縮微 面積大，存儲(chǔ)量小，難與現(xiàn)代通信設(shè)備聯(lián)機(jī)面積大，存儲(chǔ)量小，難與現(xiàn)代通信設(shè)備聯(lián)機(jī)電路存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)紙帶存儲(chǔ)紙帶存儲(chǔ) 磁性材料存儲(chǔ)磁性材料存儲(chǔ)存儲(chǔ)密度小，用時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率低存儲(chǔ)密度小，用時(shí)長(zhǎng)，

2、數(shù)據(jù)傳輸速率低 數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù) 把圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)把圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ) 光學(xué)存儲(chǔ)光學(xué)存儲(chǔ) 主要指與計(jì)算機(jī)和其他通信系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的海量存儲(chǔ)技術(shù)主要指與計(jì)算機(jī)和其他通信系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的海量存儲(chǔ)技術(shù) 存儲(chǔ)密度高；存儲(chǔ)密度高； 并行程度高；并行程度高； 抗電磁干擾；抗電磁干擾； 存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)；存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)； 非接觸讀非接觸讀/寫(xiě)信息；寫(xiě)信息； 信息位價(jià)格低廉。信息位價(jià)格低廉。光學(xué)打點(diǎn)式存儲(chǔ)光學(xué)打點(diǎn)式存儲(chǔ)頁(yè)面并行式存儲(chǔ)頁(yè)面并行式存儲(chǔ)面存儲(chǔ)（二維存儲(chǔ)）面存儲(chǔ)（二維存儲(chǔ)）體存儲(chǔ)（三維存儲(chǔ)）體存儲(chǔ)（三維存儲(chǔ)）位置選擇存儲(chǔ)位置選擇存儲(chǔ)頻率選擇存儲(chǔ)頻率選擇存儲(chǔ) 從原理上講，只要材料的某種性質(zhì)對(duì)光敏感，在被從

3、原理上講，只要材料的某種性質(zhì)對(duì)光敏感，在被信息調(diào)制過(guò)的光束照射下，能產(chǎn)生物理、化學(xué)性質(zhì)的改信息調(diào)制過(guò)的光束照射下，能產(chǎn)生物理、化學(xué)性質(zhì)的改變，并且這種改變能在隨后的讀出過(guò)程中使讀出光的性變，并且這種改變能在隨后的讀出過(guò)程中使讀出光的性質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲(chǔ)的介質(zhì)。質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲(chǔ)的介質(zhì)。 照相膠片；照相膠片； 重鉻酸鹽明膠；重鉻酸鹽明膠； 光敏聚合物；光敏聚合物； 光刻膠；光刻膠； 熱塑薄膜；熱塑薄膜； 光折變材料；光折變材料； 光致變色材料；光致變色材料； 電子俘獲材料；電子俘獲材料； 雙光子吸收材料；雙光子吸收材料； 磁光材料；磁光材料； 相變材料。相變材料。 存儲(chǔ)器

4、件性能指標(biāo)存儲(chǔ)器件性能指標(biāo) 容量（密度）；容量（密度）； 寫(xiě)入（存儲(chǔ)）和讀出（提?。?shù)據(jù)的傳輸速率；寫(xiě)入（存儲(chǔ)）和讀出（提?。?shù)據(jù)的傳輸速率； 存取等待時(shí)間；存取等待時(shí)間； 持久性（使用期和保存期）；持久性（使用期和保存期）； 誤碼率和噪聲特性；誤碼率和噪聲特性； 符號(hào)間干擾和串?dāng)_；符號(hào)間干擾和串?dāng)_； 可否直接重寫(xiě)；可否直接重寫(xiě)； 非破壞性讀出和選擇性擦除；非破壞性讀出和選擇性擦除； 功耗和熱耗散要求；功耗和熱耗散要求； 器件和存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。器件和存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。6.2 6.2 光盤(pán)存儲(chǔ)光盤(pán)存儲(chǔ)一一. .光盤(pán)存儲(chǔ)原理光盤(pán)存儲(chǔ)原理 激光經(jīng)聚焦后可在記錄介質(zhì)中形成極微小的光照微激光經(jīng)聚焦后可在記

5、錄介質(zhì)中形成極微小的光照微區(qū)，使光照部分發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而使光照微區(qū)區(qū)，使光照部分發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而使光照微區(qū)的某種光學(xué)性質(zhì)（的某種光學(xué)性質(zhì)（反射率反射率、折射率折射率或或偏振特性偏振特性等）與周等）與周?chē)橘|(zhì)有較大反襯度，以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。圍介質(zhì)有較大反襯度，以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。 光盤(pán)是在襯盤(pán)上光盤(pán)是在襯盤(pán)上淀積了記錄介質(zhì)及其淀積了記錄介質(zhì)及其保護(hù)膜的盤(pán)片。保護(hù)膜的盤(pán)片。光盤(pán)記錄斑光盤(pán)記錄斑信息信息“寫(xiě)入寫(xiě)入”：將要存儲(chǔ)的信息通過(guò)調(diào)制激光聚焦到記將要存儲(chǔ)的信息通過(guò)調(diào)制激光聚焦到記錄介質(zhì)上，使介質(zhì)的光照微區(qū)發(fā)生物理、化學(xué)變化以實(shí)錄介質(zhì)上，使介質(zhì)的光照微區(qū)發(fā)生物理、化學(xué)變化以實(shí)現(xiàn)信息的

6、存儲(chǔ)?，F(xiàn)信息的存儲(chǔ)。信息信息“讀出讀出”：用低功率密度激光掃描信息軌道，其反用低功率密度激光掃描信息軌道，其反射光通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)、解調(diào)以取出所要的信息。射光通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)、解調(diào)以取出所要的信息。 光盤(pán)是按位存儲(chǔ)的二維存儲(chǔ)介質(zhì)。光盤(pán)是按位存儲(chǔ)的二維存儲(chǔ)介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 存儲(chǔ)密度高（光盤(pán)道距僅存儲(chǔ)密度高（光盤(pán)道距僅1 m，而磁盤(pán)道距為，而磁盤(pán)道距為10 m ）抗電磁干擾、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)、非接觸讀寫(xiě)、信噪比高；抗電磁干擾、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)、非接觸讀寫(xiě)、信噪比高；缺點(diǎn)缺點(diǎn) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)尋址方式、按位存儲(chǔ)的特性，限制了數(shù)據(jù)傳機(jī)械運(yùn)動(dòng)尋址方式、按位存儲(chǔ)的特性，限制了數(shù)據(jù)傳 輸速率的進(jìn)一步提高。輸速率的進(jìn)一步提高。

7、二二. .光盤(pán)的類(lèi)型光盤(pán)的類(lèi)型（1）只讀存儲(chǔ)光盤(pán)（）只讀存儲(chǔ)光盤(pán)（ROM，Read Only Memory ）（2）一次寫(xiě)入光盤(pán)（）一次寫(xiě)入光盤(pán)（WORM ，Write Once Read Memory ）（3）可擦重寫(xiě)光盤(pán)（）可擦重寫(xiě)光盤(pán)（Rewrite）（4）直接重寫(xiě)光盤(pán)（）直接重寫(xiě)光盤(pán)（Overwrite）（1）只讀存儲(chǔ)光盤(pán)（）只讀存儲(chǔ)光盤(pán)（ROM，Read Only Memory ） ROM 只能用來(lái)播放記錄在盤(pán)片上的信息，用戶(hù)只能只能用來(lái)播放記錄在盤(pán)片上的信息，用戶(hù)只能讀取，不能自行寫(xiě)入。讀取，不能自行寫(xiě)入。激光刻錄示意圖激光刻錄示意圖 視頻錄像盤(pán)（視頻錄像盤(pán)（VD盤(pán)）、數(shù)字音響唱盤(pán)

8、（盤(pán)）、數(shù)字音響唱盤(pán)（CD盤(pán)）都屬于盤(pán)）都屬于只讀存儲(chǔ)光盤(pán)。只讀存儲(chǔ)光盤(pán)。（2）一次寫(xiě)入光盤(pán)（）一次寫(xiě)入光盤(pán)（WORM ，Write Once Read Memory ） WORM 利用聚焦激光在介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物利用聚焦激光在介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理和化學(xué)變化寫(xiě)入信息的盤(pán)片，具有寫(xiě)、讀兩種功能，用理和化學(xué)變化寫(xiě)入信息的盤(pán)片，具有寫(xiě)、讀兩種功能，用戶(hù)可自行一次寫(xiě)入，但信息一經(jīng)寫(xiě)入便不可擦除，也不能戶(hù)可自行一次寫(xiě)入，但信息一經(jīng)寫(xiě)入便不可擦除，也不能反復(fù)使用。反復(fù)使用。 WORM 的寫(xiě)入過(guò)程主要是利用激光的熱效應(yīng)，其記的寫(xiě)入過(guò)程主要是利用激光的熱效應(yīng)，其記錄方式多種多樣：錄方式多種多樣：燒

9、蝕型燒蝕型起泡型起泡型熔絨型熔絨型合金型合金型相變型相變型信息坑信息坑（3）可擦重寫(xiě)光盤(pán)（）可擦重寫(xiě)光盤(pán)（Rewrite） 可擦重寫(xiě)光盤(pán)是可擦重寫(xiě)光盤(pán)是利用記錄介質(zhì)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的可逆利用記錄介質(zhì)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的可逆變化來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)的寫(xiě)入與擦除。這類(lèi)光盤(pán)除用來(lái)寫(xiě)、讀信變化來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)的寫(xiě)入與擦除。這類(lèi)光盤(pán)除用來(lái)寫(xiě)、讀信息外，還可將已經(jīng)記錄在光盤(pán)上的信息擦去，然后再寫(xiě)入息外，還可將已經(jīng)記錄在光盤(pán)上的信息擦去，然后再寫(xiě)入新的信息；但寫(xiě)、擦需要兩束激光、兩次動(dòng)作完成。新的信息；但寫(xiě)、擦需要兩束激光、兩次動(dòng)作完成。玻璃態(tài)玻璃態(tài)晶態(tài)晶態(tài)可逆相變可逆相變寫(xiě)入信息時(shí)，記錄介質(zhì)從寫(xiě)入信息時(shí)，記錄介質(zhì)從晶態(tài)晶態(tài)

10、進(jìn)入進(jìn)入玻璃態(tài)；玻璃態(tài)；擦除信息時(shí)，記錄介質(zhì)從擦除信息時(shí)，記錄介質(zhì)從玻璃態(tài)玻璃態(tài)回到回到晶態(tài)。晶態(tài)。 激光熱致可逆相變可由近紅外脈沖激光或短波激光脈沖引起。激光熱致可逆相變可由近紅外脈沖激光或短波激光脈沖引起。記錄介質(zhì)：記錄介質(zhì)： 相變材料；相變材料； 磁光材料磁光材料 （4）直接重寫(xiě)光盤(pán)（）直接重寫(xiě)光盤(pán)（Overwrite） 直接重寫(xiě)光盤(pán)可直接重寫(xiě)光盤(pán)可用一束激光、一次動(dòng)作錄入信息，也就用一束激光、一次動(dòng)作錄入信息，也就是在寫(xiě)入新信息的同時(shí)自動(dòng)擦除原有信息，無(wú)須兩次動(dòng)作。是在寫(xiě)入新信息的同時(shí)自動(dòng)擦除原有信息，無(wú)須兩次動(dòng)作。 特點(diǎn) 類(lèi)型記錄介質(zhì)記錄介質(zhì)物理效應(yīng)物理效應(yīng)直接重寫(xiě)直接重寫(xiě)相變光盤(pán)相

11、變光盤(pán)相變型相變型存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)介質(zhì)光致快速晶化光致快速晶化直接重寫(xiě)直接重寫(xiě)磁光光盤(pán)磁光光盤(pán)磁光磁光型型存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)介質(zhì)寫(xiě)入：熱磁反轉(zhuǎn)寫(xiě)入：熱磁反轉(zhuǎn)讀出：克爾磁光效應(yīng)讀出：克爾磁光效應(yīng)三三. .光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器 光盤(pán)存儲(chǔ)器是在光盤(pán)已經(jīng)設(shè)計(jì)定型、各項(xiàng)性能參數(shù)都已確光盤(pán)存儲(chǔ)器是在光盤(pán)已經(jīng)設(shè)計(jì)定型、各項(xiàng)性能參數(shù)都已確定的情況下，特定盤(pán)片的驅(qū)動(dòng)器。光盤(pán)讀取和檢索信息的功定的情況下，特定盤(pán)片的驅(qū)動(dòng)器。光盤(pán)讀取和檢索信息的功能，要靠光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。能，要靠光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器性性 能能只讀存儲(chǔ)只讀存儲(chǔ)一次寫(xiě)入一次寫(xiě)入可擦重寫(xiě)可擦重寫(xiě)直接重寫(xiě)直接重寫(xiě)記錄方式記錄方式2P記錄記錄大量復(fù)制大量復(fù)制燒

12、蝕記錄燒蝕記錄相變記錄相變記錄相變記錄相變記錄磁光記錄磁光記錄相變記錄相變記錄光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)單束光單束光讀讀 出出單束光單束光寫(xiě)、讀寫(xiě)、讀雙束光雙束光一束擦除一束擦除一束寫(xiě)、一束寫(xiě)、讀（先擦讀（先擦后寫(xiě)）后寫(xiě)）單束光單束光讀、寫(xiě)、讀、寫(xiě)、擦（寫(xiě)的擦（寫(xiě)的同時(shí)自動(dòng)同時(shí)自動(dòng)擦除）擦除）實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用 視頻錄像視頻錄像盤(pán)、數(shù)字盤(pán)、數(shù)字音響唱盤(pán)音響唱盤(pán)計(jì)算機(jī)外存計(jì)算機(jī)外存文檔、資料存儲(chǔ)與檢索系統(tǒng)文檔、資料存儲(chǔ)與檢索系統(tǒng)各類(lèi)光盤(pán)存儲(chǔ)器的性能各類(lèi)光盤(pán)存儲(chǔ)器的性能光盤(pán)存儲(chǔ)器的組成光盤(pán)存儲(chǔ)器的組成光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器精密光學(xué)系統(tǒng)精密光學(xué)系統(tǒng)電子學(xué)電路電子學(xué)電路伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)提供高質(zhì)量讀出光束提供

13、高質(zhì)量讀出光束引導(dǎo)檢索出的光信號(hào)引導(dǎo)檢索出的光信號(hào)產(chǎn)生信息讀出信號(hào)、產(chǎn)生信息讀出信號(hào)、再現(xiàn)盤(pán)片格式化地址再現(xiàn)盤(pán)片格式化地址信號(hào)、檢測(cè)光盤(pán)聚焦信號(hào)、檢測(cè)光盤(pán)聚焦誤差信號(hào)和跟蹤誤差誤差信號(hào)和跟蹤誤差信號(hào)信號(hào)實(shí)現(xiàn)光束高精度跟蹤實(shí)現(xiàn)光束高精度跟蹤光盤(pán)存儲(chǔ)器的光學(xué)系統(tǒng)光盤(pán)存儲(chǔ)器的光學(xué)系統(tǒng)光源光源 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器光學(xué)頭光學(xué)頭聚焦物鏡聚焦物鏡單（雙）光束系統(tǒng)單（雙）光束系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)特點(diǎn) 體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于集成；體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于集成；優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 工作電壓低；電能轉(zhuǎn)換效率高；功耗低；可工作電壓低；電能轉(zhuǎn)換效率高；功耗低；可靠性高、壽命長(zhǎng)；可用寫(xiě)入信號(hào)直接

14、調(diào)制激光輸出，靠性高、壽命長(zhǎng)；可用寫(xiě)入信號(hào)直接調(diào)制激光輸出，不需另加光調(diào)制器。不需另加光調(diào)制器。光學(xué)頭光學(xué)頭 包括聚焦物鏡和從光源到物鏡的一套光學(xué)元件的組合，稱(chēng)包括聚焦物鏡和從光源到物鏡的一套光學(xué)元件的組合，稱(chēng)為光學(xué)探測(cè)頭，簡(jiǎn)稱(chēng)光學(xué)頭。為光學(xué)探測(cè)頭，簡(jiǎn)稱(chēng)光學(xué)頭。光學(xué)頭可分為光學(xué)頭可分為單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)和和雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)：1. 光源；光源；2、3. 透鏡；透鏡；4. 偏振偏振分束器；分束器；5. 1/4波片；波片；6. 反射鏡；反射鏡；7. 聚焦物鏡；聚焦物鏡；8. 光盤(pán)；光盤(pán)；9. 分束分束鏡；鏡；10. 透鏡；透鏡；11. 讀出探測(cè)器；讀出探測(cè)器；12. 透鏡；透鏡；13. 聚焦、

15、跟蹤誤差聚焦、跟蹤誤差探測(cè)器探測(cè)器 單光束系統(tǒng)的光路示意圖單光束系統(tǒng)的光路示意圖o光（全反射）光（全反射）12、3整形整形準(zhǔn)直準(zhǔn)直4方解石方解石e光（線(xiàn)偏光）光（線(xiàn)偏光）5. 1/4波片波片圓偏偏振光圓偏偏振光6、7反射、聚焦反射、聚焦8光盤(pán)光盤(pán)5. 1/4波片波片經(jīng)經(jīng)7、6返回返回線(xiàn)偏光線(xiàn)偏光（旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)90）4方解石方解石o光、全反射光、全反射9分束鏡分束鏡10會(huì)聚會(huì)聚11讀出光讀出光探測(cè)器探測(cè)器 1213聚焦、跟蹤聚焦、跟蹤誤差探測(cè)器誤差探測(cè)器 會(huì)聚會(huì)聚單光束系統(tǒng)的光路示意圖單光束系統(tǒng)的光路示意圖 單光束系統(tǒng)采用一單光束系統(tǒng)采用一束激光一套光路進(jìn)行束激光一套光路進(jìn)行信息寫(xiě)信息寫(xiě)/讀，適合

16、于只讀，適合于只讀光盤(pán)存儲(chǔ)器和一次讀光盤(pán)存儲(chǔ)器和一次寫(xiě)入光盤(pán)存儲(chǔ)器。寫(xiě)入光盤(pán)存儲(chǔ)器。雙光束系統(tǒng)的光路示意圖雙光束系統(tǒng)的光路示意圖1. 寫(xiě)寫(xiě)/讀激光器讀激光器（0.83 m）；）；2. 準(zhǔn)直鏡；準(zhǔn)直鏡；3. 組合棱鏡；組合棱鏡；5. 二向色反射鏡；二向色反射鏡；7. 直角棱直角棱鏡；鏡；11. 刀口；刀口； 12. 讀出探測(cè)讀出探測(cè)器；器； 13. 聚焦、跟蹤誤差探聚焦、跟蹤誤差探測(cè)器；測(cè)器； 14. 擦除擦除激光器激光器（0.78 m）；）；15. 準(zhǔn)直鏡；準(zhǔn)直鏡；16. 組合棱組合棱鏡；鏡；17. 偏振分束器偏振分束器；18、19. 正負(fù)柱面透鏡；正負(fù)柱面透鏡；20. 聚聚焦透鏡；焦透鏡；2

17、1. 探測(cè)器探測(cè)器寫(xiě)寫(xiě)/讀光讀光 路：路：由器件由器件 18、1013 構(gòu)成；構(gòu)成；擦擦 除光除光 路：路：由器件由器件 1419、 58、 2021 構(gòu)成。構(gòu)成。雙光束系統(tǒng)用于可擦重寫(xiě)光盤(pán)存儲(chǔ)器。雙光束系統(tǒng)用于可擦重寫(xiě)光盤(pán)存儲(chǔ)器。6.3 6.3 光學(xué)全息存儲(chǔ)光學(xué)全息存儲(chǔ) 早在早在 1948 年，英籍匈牙利物理學(xué)家蓋伯就根據(jù)光的干涉年，英籍匈牙利物理學(xué)家蓋伯就根據(jù)光的干涉和衍射原理，提出了重現(xiàn)波前的全息照相理論。和衍射原理，提出了重現(xiàn)波前的全息照相理論。全息圖全息圖光存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器？光學(xué)體全息存儲(chǔ)技術(shù)是最早研究的光存儲(chǔ)技術(shù)之一光學(xué)體全息存儲(chǔ)技術(shù)是最早研究的光存儲(chǔ)技術(shù)之一全息存儲(chǔ)的基本原理全息存

18、儲(chǔ)的基本原理 在全息存儲(chǔ)器中，物光束經(jīng)過(guò)空間調(diào)制而攜帶信息，參考光束以在全息存儲(chǔ)器中，物光束經(jīng)過(guò)空間調(diào)制而攜帶信息，參考光束以特定方向直接到達(dá)記錄介質(zhì)。在特定方向直接到達(dá)記錄介質(zhì)。在寫(xiě)入過(guò)程寫(xiě)入過(guò)程中，材料對(duì)干涉條紋照明中，材料對(duì)干涉條紋照明發(fā)生響應(yīng)而產(chǎn)生折射率分布，形成類(lèi)似光柵結(jié)構(gòu)的全息圖；在發(fā)生響應(yīng)而產(chǎn)生折射率分布，形成類(lèi)似光柵結(jié)構(gòu)的全息圖；在讀出讀出過(guò)程過(guò)程中，用參考光照明全息圖，使衍射光束經(jīng)過(guò)空間調(diào)制，精確復(fù)中，用參考光照明全息圖，使衍射光束經(jīng)過(guò)空間調(diào)制，精確復(fù)現(xiàn)出寫(xiě)入過(guò)程中由參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。現(xiàn)出寫(xiě)入過(guò)程中由參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。二維全息存儲(chǔ)二維全息存儲(chǔ) 平面全息

19、存儲(chǔ)技術(shù)平面全息存儲(chǔ)技術(shù)三維全息存儲(chǔ)三維全息存儲(chǔ) 體積全息存儲(chǔ)技術(shù)體積全息存儲(chǔ)技術(shù)全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 1、高數(shù)據(jù)傳輸速率、高數(shù)據(jù)傳輸速率：并行記錄、并行提取，大大提高二維圖像：并行記錄、并行提取，大大提高二維圖像 信息的數(shù)據(jù)傳輸速率信息的數(shù)據(jù)傳輸速率2、高存儲(chǔ)容量、高存儲(chǔ)容量：三維光學(xué)存儲(chǔ)的容量極限為：三維光學(xué)存儲(chǔ)的容量極限為1 / 3 例如：用例如：用 532 nm 波長(zhǎng)記錄的體積全息圖的最大容量達(dá)波長(zhǎng)記錄的體積全息圖的最大容量達(dá) 6600個(gè)個(gè)/mm3 ，采用角度和波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)容量將更大，采用角度和波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)容量將更大3、高冗余度、高冗余度：局部缺陷和損傷不會(huì)引起信息

20、丟失或誤碼：局部缺陷和損傷不會(huì)引起信息丟失或誤碼4、存取速度快、存取速度快：尋址一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面約需：尋址一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面約需 100 s 而磁盤(pán)系統(tǒng)的機(jī)械尋址需而磁盤(pán)系統(tǒng)的機(jī)械尋址需 10 ms 提高提高 2 個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)一一. .平面全息存儲(chǔ)技術(shù)平面全息存儲(chǔ)技術(shù) 全息照相對(duì)信息的大容量、高密度存儲(chǔ)是通過(guò)記錄圖像全息照相對(duì)信息的大容量、高密度存儲(chǔ)是通過(guò)記錄圖像或文字信息的或文字信息的傅里葉變換全息圖傅里葉變換全息圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傅里葉變換全來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傅里葉變換全息圖是指把物體進(jìn)行傅里葉變換后，在其頻譜面上拍攝其息圖是指把物體進(jìn)行傅里葉變換后，在其頻譜面上拍攝其空間頻譜的全息圖?？臻g頻譜的全息圖。優(yōu)點(diǎn)

21、優(yōu)點(diǎn) 細(xì)光束記錄（寫(xiě)入），細(xì)光束再現(xiàn)（讀出）細(xì)光束記錄（寫(xiě)入），細(xì)光束再現(xiàn)（讀出） 面積小、密度大，使用方便面積小、密度大，使用方便 高密度全息存儲(chǔ)光路高密度全息存儲(chǔ)光路1 mm點(diǎn)全息圖點(diǎn)全息圖二二. .體積全息存儲(chǔ)技術(shù)體積全息存儲(chǔ)技術(shù)1. 體積全息圖體積全息圖 當(dāng)記錄材料的厚度是條紋間距的若干倍時(shí)，則在記錄當(dāng)記錄材料的厚度是條紋間距的若干倍時(shí)，則在記錄材料體積內(nèi)將記錄下干涉條紋的空間三維分布，形成等材料體積內(nèi)將記錄下干涉條紋的空間三維分布，形成等間距的三維空間曲面簇，稱(chēng)為間距的三維空間曲面簇，稱(chēng)為體全息光柵體全息光柵。這種類(lèi)型的。這種類(lèi)型的全息圖稱(chēng)為全息圖稱(chēng)為體積全息圖體積全息圖。2. 體全

22、息存儲(chǔ)體全息存儲(chǔ) 體全息存儲(chǔ)技術(shù)體全息存儲(chǔ)技術(shù)是利用空間光調(diào)制器將被存儲(chǔ)信息調(diào)是利用空間光調(diào)制器將被存儲(chǔ)信息調(diào)制成明暗圖像，而與同步的參考光匯聚，形成全息干涉制成明暗圖像，而與同步的參考光匯聚，形成全息干涉條紋，被記錄在介質(zhì)的某一層面上。條紋，被記錄在介質(zhì)的某一層面上。充分利用存儲(chǔ)介質(zhì)的整個(gè)體積，使存儲(chǔ)容量大增充分利用存儲(chǔ)介質(zhì)的整個(gè)體積，使存儲(chǔ)容量大增 角度復(fù)用角度復(fù)用 利用體全息的角度選擇性利用體全息的角度選擇性 波長(zhǎng)復(fù)用波長(zhǎng)復(fù)用 利用體全息的波長(zhǎng)選擇性利用體全息的波長(zhǎng)選擇性 1. 光折變材料的存儲(chǔ)機(jī)理光折變材料的存儲(chǔ)機(jī)理三三. .體全息材料的存儲(chǔ)機(jī)理體全息材料的存儲(chǔ)機(jī)理 光折變效應(yīng)光折變效

23、應(yīng)是指光輻照下，某些電光晶體的折射率隨是指光輻照下，某些電光晶體的折射率隨光強(qiáng)的空間分布而變化的現(xiàn)象。光強(qiáng)的空間分布而變化的現(xiàn)象。+ + + + + - - - - - - - - - - - -價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶2Fe3Fe（a）（b）（c）（d）（a）光電離；）光電離；（b）擴(kuò)散；）擴(kuò)散；（c）復(fù)合；）復(fù)合；（d）形成空間電荷場(chǎng)；）形成空間電荷場(chǎng)； 空間電荷場(chǎng)通過(guò)線(xiàn)性電空間電荷場(chǎng)通過(guò)線(xiàn)性電光效應(yīng)在晶體內(nèi)形成折射光效應(yīng)在晶體內(nèi)形成折射率的空間調(diào)制變化，產(chǎn)生率的空間調(diào)制變化，產(chǎn)生折射率調(diào)制的相位光柵。折射率調(diào)制的相位光柵。鈮酸鋰晶體光折變過(guò)程的能級(jí)圖鈮酸鋰晶體光折變過(guò)程的能級(jí)圖2. 光致聚合物材

24、料的全息存儲(chǔ)機(jī)理光致聚合物材料的全息存儲(chǔ)機(jī)理 光致聚合物材料光致聚合物材料是一種新型的光全息存儲(chǔ)材料，具有是一種新型的光全息存儲(chǔ)材料，具有高感光靈敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比等優(yōu)高感光靈敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生的全息圖像具有高保真度、可長(zhǎng)期保存。點(diǎn)，產(chǎn)生的全息圖像具有高保真度、可長(zhǎng)期保存。光致聚合物中全息光柵的形成示意圖光致聚合物中全息光柵的形成示意圖四四. .材料的全息存儲(chǔ)特性材料的全息存儲(chǔ)特性 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 用于全息存儲(chǔ)的用于全息存儲(chǔ)的記錄材料應(yīng)當(dāng)對(duì)寫(xiě)入激光波長(zhǎng)敏感。記錄材料應(yīng)當(dāng)對(duì)寫(xiě)入激光波長(zhǎng)敏感。2. 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 通常指最大可能的折射率改變通常指

25、最大可能的折射率改變，反映了材料的存儲(chǔ)潛力。反映了材料的存儲(chǔ)潛力。3. 響應(yīng)時(shí)間常數(shù)響應(yīng)時(shí)間常數(shù) 引入響應(yīng)時(shí)間常數(shù)描述體全息光柵建立和擦除的快慢。引入響應(yīng)時(shí)間常數(shù)描述體全息光柵建立和擦除的快慢。響應(yīng)時(shí)間是全息存儲(chǔ)的重要特性參量，它表征了體全息光響應(yīng)時(shí)間是全息存儲(chǔ)的重要特性參量，它表征了體全息光柵的動(dòng)態(tài)特征。柵的動(dòng)態(tài)特征。4. 靈敏度靈敏度 指材料受到光照后響應(yīng)的靈敏程度，在記錄的初始階指材料受到光照后響應(yīng)的靈敏程度，在記錄的初始階段，靈敏度正比于單位寫(xiě)入光強(qiáng)在單位厚度的材料中產(chǎn)生段，靈敏度正比于單位寫(xiě)入光強(qiáng)在單位厚度的材料中產(chǎn)生的折射率變化速率。的折射率變化速率。5. 存儲(chǔ)持久性存儲(chǔ)持久性 全

26、息圖的存儲(chǔ)持久性用其暗存儲(chǔ)時(shí)間來(lái)表征。全息圖的存儲(chǔ)持久性用其暗存儲(chǔ)時(shí)間來(lái)表征。6. 散射噪聲散射噪聲 材料中的缺陷使光散射成球面波，與初始的入射波相干材料中的缺陷使光散射成球面波，與初始的入射波相干涉，形成噪聲相位光柵。涉，形成噪聲相位光柵。全息存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸速率全息存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是評(píng)價(jià)全息存儲(chǔ)器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)全息存儲(chǔ)器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它由數(shù)據(jù)存取時(shí)間決定。它由數(shù)據(jù)存取時(shí)間決定。存取時(shí)間存取時(shí)間傳送時(shí)間傳送時(shí)間（電子元件、線(xiàn)路引起的時(shí)間延遲）（電子元件、線(xiàn)路引起的時(shí)間延遲）潛伏時(shí)間潛伏時(shí)間（存儲(chǔ)設(shè)備的物理移動(dòng)）（存儲(chǔ)設(shè)備的物理移動(dòng)）五五. .全

27、息存儲(chǔ)的應(yīng)用全息存儲(chǔ)的應(yīng)用全息顯示全息顯示全息顯微術(shù)全息顯微術(shù)全息干涉度量學(xué)全息干涉度量學(xué)全息光學(xué)元件全息光學(xué)元件全息信息存儲(chǔ)全息信息存儲(chǔ)全息信息處理全息信息處理全息相關(guān)存儲(chǔ)器全息相關(guān)存儲(chǔ)器 圖像與字符識(shí)別是全息存儲(chǔ)器在光學(xué)信息處理中應(yīng)用得圖像與字符識(shí)別是全息存儲(chǔ)器在光學(xué)信息處理中應(yīng)用得最廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。圖像與字符識(shí)別的目的是要確定待識(shí)最廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。圖像與字符識(shí)別的目的是要確定待識(shí)別的圖像或字符特征是否在輸入圖像中存在。將待識(shí)別的別的圖像或字符特征是否在輸入圖像中存在。將待識(shí)別的圖像或字符用全息照相方法記錄在全息圖中，構(gòu)成特征識(shí)圖像或字符用全息照相方法記錄在全息圖中，構(gòu)成特征識(shí)別存儲(chǔ)器，然

28、后用它與輸入圖像進(jìn)行相關(guān)識(shí)別。別存儲(chǔ)器，然后用它與輸入圖像進(jìn)行相關(guān)識(shí)別。光學(xué)體全息存儲(chǔ)相關(guān)識(shí)別原理示意圖光學(xué)體全息存儲(chǔ)相關(guān)識(shí)別原理示意圖全息存儲(chǔ)光盤(pán)全息存儲(chǔ)光盤(pán) 傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)技術(shù)使用激光讀寫(xiě)光盤(pán)上的傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)技術(shù)使用激光讀寫(xiě)光盤(pán)上的“坑坑”，每個(gè)，每個(gè) “坑坑”表示一個(gè)表示一個(gè) 0 或或 1 的數(shù)字信號(hào)；而全息存儲(chǔ)則可以在一的數(shù)字信號(hào)；而全息存儲(chǔ)則可以在一個(gè)位置上保存一個(gè)全息圖案，通過(guò)激光相位的不同讀出多個(gè)個(gè)位置上保存一個(gè)全息圖案，通過(guò)激光相位的不同讀出多個(gè)數(shù)據(jù)單元，從而成倍提高存儲(chǔ)密度。全息存儲(chǔ)技術(shù)有望成為數(shù)據(jù)單元，從而成倍提高存儲(chǔ)密度。全息存儲(chǔ)技術(shù)有望成為下一代存儲(chǔ)技術(shù)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。下一

29、代存儲(chǔ)技術(shù)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。 日本日本Hitachi Maxell公司公司研發(fā)的全息光盤(pán)和驅(qū)動(dòng)器研發(fā)的全息光盤(pán)和驅(qū)動(dòng)器美國(guó)美國(guó)InPhase Technologies公司公司研發(fā)的全息光盤(pán)和驅(qū)動(dòng)器研發(fā)的全息光盤(pán)和驅(qū)動(dòng)器 6.4 6.4 其它光存儲(chǔ)技術(shù)其它光存儲(chǔ)技術(shù)一一. .近場(chǎng)高密度光近場(chǎng)高密度光存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)技術(shù) 所謂所謂遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)是指可以用光傳播的衍射理論來(lái)描述光場(chǎng)行是指可以用光傳播的衍射理論來(lái)描述光場(chǎng)行為的距離范圍，對(duì)于高密度光存儲(chǔ)技術(shù)而言，光學(xué)頭與為的距離范圍，對(duì)于高密度光存儲(chǔ)技術(shù)而言，光學(xué)頭與存儲(chǔ)記錄介質(zhì)之間的距離遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)時(shí)就稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)；存儲(chǔ)記錄介質(zhì)之間的距離遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)時(shí)就稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)；光學(xué)

30、頭與存儲(chǔ)記錄介質(zhì)之間的距離小于波長(zhǎng)量級(jí)的范圍光學(xué)頭與存儲(chǔ)記錄介質(zhì)之間的距離小于波長(zhǎng)量級(jí)的范圍稱(chēng)為稱(chēng)為近場(chǎng)近場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的衍射極限衍射極限為為NAd22. 1d 光束聚焦光斑的直徑光束聚焦光斑的直徑NA 物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑近場(chǎng)高密度光近場(chǎng)高密度光存儲(chǔ)技術(shù)的三種方案存儲(chǔ)技術(shù)的三種方案固態(tài)浸沒(méi)透鏡型固態(tài)浸沒(méi)透鏡型掃描探針顯微鏡型掃描探針顯微鏡型超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu)型超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu)型 激光束激光束 采用掃描探針顯微采用掃描探針顯微術(shù)原理、將激光束術(shù)原理、將激光束耦合進(jìn)光纖探針，耦合進(jìn)光纖探針，通過(guò)納米孔徑進(jìn)行通過(guò)納米孔徑進(jìn)行記錄和讀取。納米記錄和讀取。納米孔徑探針是該方案孔徑探針是該

31、方案的核心元件。的核心元件。 激光束激光束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有光驅(qū)兼容性好，光能驅(qū)兼容性好，光能量損失小，讀量損失小，讀 / 寫(xiě)寫(xiě) 速度得到提升。速度得到提升。 可獲得納米級(jí)記可獲得納米級(jí)記錄點(diǎn)，但光能量損錄點(diǎn)，但光能量損失大，讀失大，讀 / 寫(xiě)信號(hào)寫(xiě)信號(hào)微弱，信噪比差、微弱，信噪比差、響應(yīng)速度較慢。響應(yīng)速度較慢。 可與現(xiàn)有光盤(pán)技可與現(xiàn)有光盤(pán)技術(shù)兼容，但對(duì)于孔術(shù)兼容，但對(duì)于孔徑層材料的要求較徑層材料的要求較為苛刻，信噪比較為苛刻，信噪比較低。低。光盤(pán)光盤(pán)SIL物鏡物鏡基底基底記錄層記錄層孔徑層孔徑層L二二. .四維光學(xué)四維光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)技術(shù)光盤(pán)存儲(chǔ)光盤(pán)存儲(chǔ)位置選擇存儲(chǔ)位置選擇存儲(chǔ)三

32、維全息存儲(chǔ)三維全息存儲(chǔ)布拉格選擇光存儲(chǔ)布拉格選擇光存儲(chǔ)光譜燒孔存儲(chǔ)光譜燒孔存儲(chǔ)頻率選擇光存儲(chǔ)頻率選擇光存儲(chǔ)E2E1h/EE12輻射光譜線(xiàn)固有寬度輻射光譜線(xiàn)固有寬度hEhE單個(gè)原子的譜線(xiàn)寬度取決于與譜線(xiàn)相關(guān)的能級(jí)：?jiǎn)蝹€(gè)原子的譜線(xiàn)寬度取決于與譜線(xiàn)相關(guān)的能級(jí)：光譜燒孔原理示意圖光譜燒孔原理示意圖窄帶強(qiáng)激光窄帶強(qiáng)激光 工作物質(zhì)的工作物質(zhì)的均勻加寬線(xiàn)形均勻加寬線(xiàn)形和熒光線(xiàn)形和熒光線(xiàn)形光譜燒孔光譜燒孔 固態(tài)工作物質(zhì)中的晶格固態(tài)工作物質(zhì)中的晶格缺陷導(dǎo)致晶體內(nèi)不同格位的缺陷導(dǎo)致晶體內(nèi)不同格位的激活離子發(fā)射（或吸收）的激活離子發(fā)射（或吸收）的中心頻率有微小的移動(dòng)，不中心頻率有微小的移動(dòng)，不同格位的激活離子發(fā)射的

33、譜同格位的激活離子發(fā)射的譜線(xiàn)疊加在一起形成的包絡(luò)即線(xiàn)疊加在一起形成的包絡(luò)即熒光譜線(xiàn)（熒光譜線(xiàn)（非均勻加寬非均勻加寬）。）。0 用頻率為用頻率為 的窄帶強(qiáng)激的窄帶強(qiáng)激光激發(fā)光激發(fā)非均勻加寬的工作非均勻加寬的工作物質(zhì)，同時(shí)用另一束物質(zhì)，同時(shí)用另一束窄帶窄帶可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的非均勻加寬的吸收譜線(xiàn)，非均勻加寬的吸收譜線(xiàn)，則在吸收頻帶上激發(fā)光頻則在吸收頻帶上激發(fā)光頻率率 處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，即即“光譜燒孔光譜燒孔”。00出現(xiàn)光譜燒孔的原因：出現(xiàn)光譜燒孔的原因： 在窄帶強(qiáng)激光激發(fā)下，與激光共振的那部分離子在窄帶強(qiáng)激光激發(fā)下，與激光共振的那部分離子幾乎全部被激發(fā)到激

34、發(fā)態(tài)幾乎全部被激發(fā)到激發(fā)態(tài)E2 ，測(cè)量這些離子從基態(tài)，測(cè)量這些離子從基態(tài)E1到激發(fā)態(tài)到激發(fā)態(tài)E2的吸收時(shí)，就出現(xiàn)吸收飽和線(xiàn)型；而不與的吸收時(shí)，就出現(xiàn)吸收飽和線(xiàn)型；而不與窄帶激發(fā)光共振的離子仍然有正常的吸收。用激光掃窄帶激發(fā)光共振的離子仍然有正常的吸收。用激光掃過(guò)整個(gè)吸收線(xiàn)，測(cè)透射光強(qiáng)時(shí)就會(huì)在原來(lái)的吸收線(xiàn)型過(guò)整個(gè)吸收線(xiàn)，測(cè)透射光強(qiáng)時(shí)就會(huì)在原來(lái)的吸收線(xiàn)型上出現(xiàn)凹陷，也就是上出現(xiàn)凹陷，也就是“孔孔”。 激發(fā)激光停止后，激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)，孔就消失激發(fā)激光停止后，激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)，孔就消失了，信息不能持久保存，但如果與激光了，信息不能持久保存，但如果與激光共振的離子共振的離子發(fā)發(fā)生某種光致物理或化學(xué)

35、變化而不能退激回原來(lái)基態(tài)，生某種光致物理或化學(xué)變化而不能退激回原來(lái)基態(tài)，或退激需很長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，則形成的光譜孔能保存較長(zhǎng)的或退激需很長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，則形成的光譜孔能保存較長(zhǎng)的時(shí)間，稱(chēng)為時(shí)間，稱(chēng)為“持續(xù)光譜燒孔持續(xù)光譜燒孔”( Persistent Spectral Hole-Burning，PSHB )。光譜燒孔光譜燒孔0 把燒孔激光調(diào)諧到熒光吸收把燒孔激光調(diào)諧到熒光吸收譜帶內(nèi)的不同頻率位置，孔就譜帶內(nèi)的不同頻率位置，孔就出現(xiàn)在不同的頻率上，出現(xiàn)在不同的頻率上，有孔有孔和和無(wú)孔無(wú)孔就可以表示就可以表示“1”和和“0”兩兩個(gè)狀態(tài)?？椎拇嬖跁r(shí)間就是電個(gè)狀態(tài)?？椎拇嬖跁r(shí)間就是電子在激發(fā)態(tài)的壽命。用子在激發(fā)態(tài)的壽命。用測(cè)量透測(cè)量透射光強(qiáng)射光強(qiáng)的方法就可以檢測(cè)孔的的方法就可以檢測(cè)孔的有無(wú)。這一原理應(yīng)用于光信息有無(wú)。這一原理應(yīng)用于光信息存儲(chǔ)就是存儲(chǔ)就是“頻率選擇光存儲(chǔ)頻率選擇光存儲(chǔ)”。 光譜燒孔光譜燒孔方法有望方法有望突破光存儲(chǔ)密度的衍射限制突破光存儲(chǔ)密度的衍射限制，因?yàn)槌?，因?yàn)槌死糜涗洸牧系目臻g維度外，還可以利用利用記錄材料的空間維度外，還可以利用光頻率維度光頻率維度。在光。在光斑平面位