三维盘式全息存储方法及系统技术方案

三维盘式全息存储方法及系统属于光存储技术领域，本发明专利技术的存储方法为分轨道存储，即同一轨道上、相邻轨道上的全息图之间都有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法。根据本方法所设计的三维盘式全息存储系统，由写入系统、读出系统及全息光盘驱动系统共同组成，设计了装载全息光盘的定位器，可实现全息光盘离开全息存储器后精确复位；本发明专利技术提高了单位体积的存储密度，存储装置小型、稳定、灵活，还提高了存储图像的质量，能够降低存储数据的误码率。

【技术实现步骤摘要】

三维盘式全息存储方法及系统属于光存储

技术介绍
信息科学技术的高速发展对信息存储技术提出了更高的要求。体全息存储技术以页面全息图的方式并行地在存储介质的整个体积进行信息存储和检索，这一特点使它同时具有存储密度高、存储容量大、数据传输率高、数据搜索时间短等优势，成为一种高密度数据存储的光学存储技术。以块状光折变晶体作为存储介质的体全息存储，通常采用邻面入射光路和纯角度复用方式。但由于光折变晶体的有限动态范围，特别是后续记录对已存储全息图的擦除效应，使得在局部微小体积中可以实现的超高存储密度，难以向材料的整个体积中推广，从而总的存储容量受到限制。采用盘状的存储材料，可以充分利用材料的全部体积，有利于实现高密度盘式全息存储。专利号为ZL96102463.1的专利技术中的三维盘式存储方法和系统，虽然是采用盘式按轨道形式记录图像的方法存储，每个同心圆轨道内的存储图像彼此可以部分重叠，在一定程度上增大了存储密度，但由于轨道间的图像不能重叠，使整个全息光盘上的全息图分布呈轨道内密集而轨道间稀疏形式分布，整个存储材料上的存储结构不均匀，由于轨道间距比较大，限制了全息图的存储密度。另外由于装置上采用物光和参考光不等光程的光路，使其对激光的相干长度要求很长，限制了实际的应用。对于存储材料为光折变晶体的材料，由于全息图多次记录的擦除效应，也使全息图存储的密度和图像质量变差。此外由于三维全息存储器使用的是单模的激光，光束的光斑能量存在高斯分布，会使存储的干涉全息图的能量不均匀，中心亮，周围暗，不但影响存储的图像质量，还影响存储信息的再现。目前的体全息存储的装置存在体积大、结构复杂、不能脱离光学平台，物光和参考光光程不相等的情况。另外存储介质取下后不能复位，影响其存储信息的正确读出。这些都不利于三维全息存储器的实用化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种存储容量大、存储信息保存时间长的三维盘式全息存储方法。可以解决上述的缺点和不足，本项专利技术的方法不但可以使每个同心圆轨道内的存储图像部分重叠，而且实现了轨道之间存储的图像也有部分重叠，在存储过程中为了防止轨道间图像的擦除，采用了分轨道定影热固定技术。本专利技术的三维盘式全息存储方法，是一种在全息光盘上记录多个全息图，相邻的傅里叶变换全息图在空间部分地重叠(不是完全分开，也不是完全重叠)的方法，其中，每个全息图是一个信息页面(数字数据的二维排列，或图像)的傅里叶变换全息图，全息图分布在全息盘的同心圆轨道上，同一轨道上相邻全息图可以有部分的重叠，其特征在于相邻轨道上的全息图之间也有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址(切向寻址)由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址(径向寻址)由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法；其存储和读取过程如下1)首先选择和确定全息光盘上所存储的全息图寻址方式；①计算全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，其中，参考光、物光和盘面法线在同一平面内，此平面称为“水平面”，与此平面垂直的平面称为“垂直面”，其计算方法是ΔX≈2λd(sinθR+sinθs)×n2-sin2θRcos2θRrR,]]>ΔY≈2rRΔsinθRcosθR]]>其中n和d分别为存储介质的折射率和厚度，rR是球面波中心到全息图中心的距离，θR和θS分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角。关于角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY具体可参见图1，图中5和12表示ΔX；4，8，11表示ΔY；6表示某位置处的变轨道的平台移动距离ΔL。按照上面本专利技术所述的全息图复用方法，根据存储的密度目标，计算全息光盘上面每个全息图相互之间的中心间距。②确定全息图的初始记录点在盘面上的方位，盘面上全息图的间距(选择性)取决于体积全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，选择同一轨道内相邻全息图的间隔ΔS的水平分量不小于ΔX，同一垂直线上相邻轨道的两个全息图的间距不小于ΔY，方位角α在30°～60°之间的记录点作为初始记录点，此位置可以实现水平的轨道间寻址，降低寻址难度；同时使全息图在盘面上的分布相对均匀。当记录材料的动态范围有限时，实际上全息图的间隔可以取得大于以上的理论计算值，以保证较低的串扰噪声。图1中1，2，3，分别表示三个不同的初始记录位置。在这种寻址方案下，图1中的位置2即为本专利技术所确定的每个圆形轨道在盘面上初始记录点。图中7为轨道内相邻全息图的中心距离ΔS，9为全息图对应的方位角α。当轨道寻址方向沿盘面的垂直直径时(即位置1)，切向选择性(轨道内的选择性)即为ΔX，径向选择性(轨道间的选择性)即为ΔY。当轨道寻址方向沿盘面的水平直径时(即位置3)，切向选择性(轨道内的选择性)即为ΔY，径向选择性(轨道间的选择性)即为ΔX。2)开始存储计算每个全息图的曝光时间ti，j和这些时间的序列。第一个轨道从全息光盘的最大半径的圆形轨道开始，该轨道距离全息光盘的边缘为2～3mm，从选择的方位角开始记录第一个全息图，每次全息光盘转动一个微小的角度，根据全息光盘轨道直径和前面计算的寻址方式的ΔX和ΔY计算，该角度介于0.006°～0.06°之间。记录同一轨道的下一幅全息图，直到该轨道转动到初始方位角。改变记录完这一轨道后，通过全息光盘的径向移动ΔL，向全息光盘半径变小的方向平动，改变轨道的半径，开始记录下一个轨道的全息图。根据晶体材料的动态范围性能，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为单轨道固定时，第一个轨道存储完后，进行步骤3)，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为多轨道固定时，存完多个轨道，进行步骤3)。3)进行分轨道热固定，由于光折变晶体中存储密度的主要因素是材料的有限动态范围这个原因使目前的全息光盘的轨道间和轨道内的图像重叠所产生的擦除效应使图像重叠程度非常小，因此为了提高存储密度，将分批存储热固定技术与盘式存储相结合，发展为分轨道热固定的盘式全息存储技术。不仅可以提高存储密度，而且实现非易失性存储，使介质中存储的信息长久保存。其要点是①将步骤2)中记录一个轨道(或多个轨道)内的M个全息图的全息盘取下，放置入温度受控的加热炉中，加热到140℃，并持温20分钟，冷却至室温；②将晶体放回原存储的位置，重复步骤2)和本步骤中的步骤①，直至全部该全息光盘上的所有需要记录的全息图记录完成；③用均匀的非相干光照射全息盘，一次性使记录并固定的全息图显现出来，即显影。4)读取数据时，将已经固定和显影后的全息光盘安装在精密定位器上，将全息光盘转至记录时的初始方位角，用前述的参考光照射，转动全息光盘，就可以实现每一轨道上的全息图的读取。所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于根据分轨道热固定存储计算写入信息时的存储时间(曝光时序)，对于光折变晶体记录材料，计算M个全息图曝光时序的要点如下每一轨道全息图，都是按照曝光时序来确定每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维盘式全息存储方法，是一种在全息光盘上记录多个全息图，相邻的傅里叶变换全息图在空间部分地重叠，不是完全分开，也不是完全重叠的方法，其中，每个全息图是一个信息页面即数字数据的二维排列，或图像的傅里叶变换全息图，全息图分布在全息盘的同心圆轨道上，同一轨道上相邻全息图可以有部分的重叠，其特征在于：相邻轨道上的全息图之间也有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址（切向寻址）由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址（径向寻址）由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法，其存储和读取过程如下：１）首先选择和确定全息光盘上所存储的全息图寻址方式；①计算全息图在水平面内的角度选择性ΔＸ和在垂直面内的角度选择性ΔＹ，其中，参考光、物光和盘面法 线在同一平面内，此平面称为“水平面”，与此平面垂直的平面称为“垂直面”，其计算方法是：ΔＸ≈２λ／ｄ（ｓｉｎθ↓［Ｒ］＋ｓｉｎθ↓［Ｓ］）×＊／ｃｏｓ↑［２］θ↓［Ｒ］ｒ↓［Ｒ］，ΔＹ≈２＊／ｃｏｓθ↓［Ｒ］　其中ｎ和ｄ分别 为存储介质的折射率和厚度，ｒ↓［Ｒ］是球面波中心到全息图中心的距离，θ↓［Ｒ］和θ↓［Ｓ］分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角；②确定全息图的初始记录点在盘面上的方位，盘面上全息图的间距即选择性取决于体积全息图在水平面内的角度选择 性ΔＸ和在垂直面内的角度选择性ΔＹ，选择同一轨道内相邻全息图的间隔ΔＳ的水平分量不小于ΔＸ，同一垂直线上相邻轨道的两个全息图的间距不小于ΔＹ，方位角（９）在３０°～６０°之间的记录点作为初始记录点，此位置可以实现水平的轨道间寻址，降低寻址难度；同时使全息图在盘面上的分布相对均匀；当记录材料的动态范围有限时，全息图的间隔可以取得大于以上的理论计算值，以保证较低的串扰噪声；２）开始存储：①计算每个全息图的曝光时间ｔ↓［ｉｊ］和这些时间的序列；②第一个轨道从 全息光盘的最大半径的圆形轨道开始，该轨道距离全息光盘的边缘为２～３ｍｍ，从选择的方位角开始记录第一个全息图，每次全息光盘转动一个微小的角度，根据全息光盘轨道直径和前面计算的寻址方式的ΔＸ和ΔＹ计算，该角度介于０．００６°～０．０６°之间；记录同一轨道的下一幅全息图，直到该轨道转动到初始方位角；改变记录完这一轨道后，通过全息光盘的径向移动ΔＬ（６），向全息光盘半径变...

【技术特征摘要】
1.一种三维盘式全息存储方法，是一种在全息光盘上记录多个全息图，相邻的傅里叶变换全息图在空间部分地重叠，不是完全分开，也不是完全重叠的方法，其中，每个全息图是一个信息页面即数字数据的二维排列，或图像的傅里叶变换全息图，全息图分布在全息盘的同心圆轨道上，同一轨道上相邻全息图可以有部分的重叠，其特征在于相邻轨道上的全息图之间也有部分的重叠，所有的全息图记录和读出时不需要调整参考光和照明光的角度；对同一轨道内全息图的寻址(切向寻址)由盘面旋转完成，对不同轨道的寻址(径向寻址)由读写光学系统与盘面的相对平动完成；采用分轨道热固定的存储方法，其存储和读取过程如下1)首先选择和确定全息光盘上所存储的全息图寻址方式；①计算全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，其中，参考光、物光和盘面法线在同一平面内，此平面称为“水平面”，与此平面垂直的平面称为“垂直面”，其计算方法是ΔX≈2λd(sinθR+sinθs)×n2-sin2θRcos2θRrR,]]>ΔY≈2rRΔXsinθRcosθR]]>其中n和d分别为存储介质的折射率和厚度，rR是球面波中心到全息图中心的距离，θR和θS分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角；②确定全息图的初始记录点在盘面上的方位，盘面上全息图的间距即选择性取决于体积全息图在水平面内的角度选择性ΔX和在垂直面内的角度选择性ΔY，选择同一轨道内相邻全息图的间隔ΔS的水平分量不小于ΔX，同一垂直线上相邻轨道的两个全息图的间距不小于ΔY，方位角(9)在30°～60°之间的记录点作为初始记录点，此位置可以实现水平的轨道间寻址，降低寻址难度；同时使全息图在盘面上的分布相对均匀；当记录材料的动态范围有限时，全息图的间隔可以取得大于以上的理论计算值，以保证较低的串扰噪声；2)开始存储①计算每个全息图的曝光时间ti，j和这些时间的序列；②第一个轨道从全息光盘的最大半径的圆形轨道开始，该轨道距离全息光盘的边缘为2～3mm，从选择的方位角开始记录第一个全息图，每次全息光盘转动一个微小的角度，根据全息光盘轨道直径和前面计算的寻址方式的ΔX和ΔY计算，该角度介于0.006°～0.06°之间；记录同一轨道的下一幅全息图，直到该轨道转动到初始方位角；改变记录完这一轨道后，通过全息光盘的径向移动ΔL(6)，向全息光盘半径变小的方向平动，改变轨道的半径，开始记录下一个轨道的全息图；根据晶体材料的动态范围性能，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为单轨道固定时，第一个轨道存储完后，进行步骤3)，当设计分轨道热固定写入信息时的存储时间为多轨道固定时，存完多个轨道，进行步骤3)。3)进行分轨道热固定，其要点是①将步骤2)中记录一个轨道或多个轨道内的M个全息图的全息盘取下，放置入温度受控的加热炉中，加热到120℃～150℃之间，并持温10～30分钟，冷却至室温；②将晶体放回原存储的位置，重复步骤2)中的全息图记录和本步骤中的步骤①，直至全部该全息光盘上的所有需要记录的全息图记录完成；③用均匀的非相干光照射全息盘，一次性使记录并固定的全息图显现出来，即显影；4)读取数据时，将已经固定和显影后的全息光盘安装在精密定位器上，将全息光盘转至记录时的初始方位角，用的前述的参考光照射，转动全息光盘，就可以实现每一轨道上的全息图的读取。2.根据权利要求1所述的三维盘式全息存储方法，其特征在于根据分轨道热固定存储，计算全息图的写入时间ti，j，，即第i个轨道上的第j幅全息图的曝光时间和这些时间的序列，对于光折变晶体记录材料，计算M个全息图曝光时序的要点如下1)首先在室温和纯角度复用条件下，测量材料的写入时间常数τW、擦除时间常数τE和饱和衍射效率η饱和。2)采用分批热固定少量光栅的方法模拟测量材料的轨道间擦除时间常数τF。3)根据单个全息图的尺寸和相邻全息图之间的间隔ΔX和ΔY，计算擦除矩阵W(i，j) α=tan-1dH2(jΔx)2+(iΔy)2-1]]>(其中j＝l-k；i＝m-n)即α=tan-1dH2(l-k)2Δx2+(m-n)2Δy2-1]]>dH为全息图直径，同一轨道内的两相邻全息图的中心距Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶世荃，江竹青，王也，万玉红，王大勇，贾克斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]