光信息处理[第6章]讲解

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1、第六章第六章 光信息存储技术光信息存储技术 （ Optical Information StorageOptical Information Storage ） 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 信息源传送器信 道接收器 加工处理 存 储使用终端 信息编码 信号 解码 信 息 信息传输框图 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 电路存储 纸带存储 磁性材料存储 存储密度小，用时长，数据传输速率低 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

2、储技术 与传统的磁性存储技术相比，光学存储有以下特点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。 光学存储的分类光学存储的分类 光学打点式存储 页面并行式存储 面存储（二维存储） 体存储（三维存储） 位置选择存储 频率选择存储 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；

3、 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

4、 膜的盘片。 光盘记录斑 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10 m ） 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按不同功能可划分为四种 ： （1）只读存储光盘（ROM，Read Only Memory ） （2）一次写

5、入光盘（WORM ，Write Once Read Memory ） （3）可擦重写光盘（Rewrite） （4）直接重写光盘（Overwrite） （1）只读存储光盘（ROM，Read Only Memory ） 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 ，Write Once Read Memory ） 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，

6、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 信息坑 （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。 玻璃态晶态 可逆相变 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）

7、 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 。 特点 类型 记录介质物理效应 直接重写 相变光盘 相变型 存储介质 光致快速晶化 直接重写 磁光光盘 磁光型 存储介质 写入：热磁反转 读出：克尔磁光效应 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。 存储器 性 能 只读存储一次写入可擦重写直接重写 记录方式2P记录 大量复制 烧蚀记录 相变记录 相变记录 磁光记录 相变记录 光学系统 单束光 读 出 单束光 写、读 双束光 一束擦除

8、一束写、 读（先擦 后写） 单束光 读、写、 擦（写的 同时自动 擦除） 实际应用 视频录像 盘、数字 音响唱盘 计算机外存 文档、资料存储与检索系统 各类光盘存储器的性能 光盘存储器的组成 光盘存储器 精密光学系统 电子学电路 伺服控制系统 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 光盘存储器的光学系统 光源 半导体激光器 光学头 聚焦物镜 单（双）光束系统 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

9、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） 12、3 整形 准直 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

10、9分束镜10 会聚 11读出光 探测器 12 13聚焦、跟踪 误差探测器 会聚 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（0.83 m）； 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（0.78 m）；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、101

11、3 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。 全息图光存储器 ？ 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

12、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 532 nm 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 100 s 而磁盘系统的机械寻址需 10 ms 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

13、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 1 mm 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

14、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。 + + + + + + - - - - - - 价带 导带 （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

15、、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 1. 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.

16、 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 全全 息息 照照 相相 的的 应应 用用 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