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安防视频监控系统光电存储录像设备——全息存储技术

自激光全息技术诞生之日起,激光体全息光存储技术(以下简称全息存储)就开始受到人们的关注。目前,全息存储研究已取得很大进展,存储容量迅速增大,存储器性能不断改进,高密度全息存储技术正日益走向实用。

一、全息存储的原理

全息存储方式利用光的干涉原理,在记录材料上以体全息图的形式记录信息,并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息。三维多重体全息存储,是利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像。一般常用的材料有重铭酸盐明胶、光致聚合物和光致变色材料等。

三维体全息存储的原理是,待存储的数据由空间光调制器调制成二维信息,然后与参考光在记录介质中发生干涉,并利用材料的光折变效应形成体全息图而完成信息的记录。读取时,使用和原来相同的参考光寻址,以读出存储在晶体中的相应的全息图。根据体全息图的布拉格角度或波长选择性,改变参考光的入射角度或波长,以实现多重存储。由于布拉格选择性非常高,所以体全息存储可在一个单位体积内复用多幅图像,从而实现超高密度存储。

根据光波干涉原理,当信号光和参考光都是平面波时,在一定厚度的记录介质内部都会形成等间距的、具有平面族结构的体光栅,从而实现对光信号的存储。

体全息图光路示意图如图1所示。

图1 体全息图光路图示意图

光信号存储时,待存储的信号光O和参考光R分别以角度θ1和θ2但入射到介质内,形成的条纹面与两束光的夹角θ满足θ=(θ12)/2。该等间距的平面族结构被记录并形成光栅(其光栅常数71满足布拉格条件:2Λsinθ=λ,其中λ为光波在介质内传播的波长),从而实现某波长光信号在某角度下的存储。

体全息图对再现光的衍射作用与布拉格晶体对X射线的衍射现象相似,也满足布拉格条件:2Λsinθ=λ,式中θ称为布拉格角。图1(b)是其再现示意图。只有满足布拉格条件的再现光才能得到最强的衍射光,任何对布拉格角和光波长的偏离都会使衍射光急剧衰减,即布拉格条件表现出很强的选择性。当某一波长的光以某一角度入射到存储介质的某一区域(该区存有数据信息)时,如果出现较强的、满足布拉格条件的衍射光,则表示该区域在该波长和角度下的存储信息为“1”,反之则为“0”。由此可见,体全息可采用波长复用和角度复用来实现超高密度存储。

二、全息存储的特点

与磁存储技术和光盘存储技术相比,全息存储有以下特点。

(1)数据冗余度高。在传统的磁盘或光盘存储中,每一数据比特占据很小的空间位置,当存储密度增大,存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时,必将引起对应数据失真或丢失;全息存储的信息以全息图的形式存储在一定的扩展体积内,而记录介质局部的缺陷和损伤只会使信号的强度降低,但不至于引起数据丢失,因此冗余度高,抗噪能力强。

(2)存储容量大。利用体全息图可在同一存储体积内存储多个全息图,其有效存储密度很高,存储密度的理论极限值为1/λ3(人为光波波长),在可见光谱区中该值约为1012b/cm3

(3)数据并行传输。全息图数据以页面形式存储和恢复,一页中所有的位都并行地记录和读出(不像磁、光盘那样串行方式逐点存取),其存取一页的时间≤1s,因而具有极高的数据传输率,其极限值主要由I/O(输入/输出)器件来决定。目前多信道CCD阵列的运行速度已达到128MHz/s,采用并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率将有望达8GBps。

(4)寻址速度快。数据检索采用声光或电光等非机械寻址方式,因而系统的寻址速度很快,寻址一个页面的时间可小于50μs。数据访问时间可降至亚毫秒范围或更低。

(5)有关联寻址功能。块状角度复用体全息存储用角度多重法存储多个全息图,读出时若用物光中的某幅图像光波(或其部分)照射其公共体积,则会读出一系列不同方向的“参考光”,各光的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间相似程度。利用此关联特性,可实现内容关联寻址操作和基于图像相关运算的快速目标识别。