嵌入式开发-角度复用光信息存储与图像识别实验讲义及实验指导书.pdf

角度复用光信息存储与图像识别实验讲 义及实验指导书 角度复用光信息存储与图像识别实验讲 义及实验指导书 （一）实验系统介绍（一）实验系统介绍 一、 实验概况一、 实验概况 近年来随着信息技术的高速发展， 人们对存储器的存储容量和传输速率等性 能的要求越来越高基于对大存储容量的要求，出现了海量存储技术，因而包括 光盘存储在内的光信息存储技术相应而生 但光盘存储虽然在海量信息存储方面 有诸多优点，却只能在二维平面介质上存储信息，而二维存储正逐步接近其物理 极限从平面扩展到三维体积的体全息存储技术同时具有存储容量大、数据传输 速率高和信息寻址速度快的特点， 因此体全息存储技术是可以满足目前人们对海 量存储系统性能要求的首选方案，对其的研究也就具有十分重要的意义 体全息存储的过程实质上是一个相干光两步成像的过程 首先是在存储介质 中记录物光和参考光干涉形成电场，然后用读出光(参考光或物光)去再现被记录 的物光波前或参考光这与数据通信的过程相似，参考波的振幅和相位都被物光 波所调制，参考波犹如载波；记录全息图就是把被调制了的载波记录下来在多 重存储中，可以通过改变参考光束的角度，即改变参考光的空间频率，在记录介 质的同一体积来(同一信道)记录多幅经过调制了的图像；也可以改变记录介质的 位置(不同信道)来存储不同的图像。

当再现时，用相干光去照射全息图，就相当 于对调制了的信号进行解调，于是又得到原来的物光波，从而看到物体的像并 且，由体全息的角度和波长的选择性可知，利用不同角度入射或不同波长的光， 可以在同一体积中记录许多不同的全息图；而且记录介质越厚，角度和波长的偏 移量就越小，记录的全息图就越多，可以进行大容量存储 本实验系统便于学生从实验现象中更形象地认识与了解信息光学， 加深对全 息尤其是体积全息基本概念和基本性质的理解，为今后更深入的学习奠定基础 二、 实验装置二、 实验装置 体全息存储系统主要由以下核心器件构成： （1）存储介质：体全息存储系统的存储容量、存取速度、存储数据的稳定 性等基本存储性能在很大程度上都是由存储材料的性能决定的 光折变晶体可以 记录相位型体全息图，衍射效率大，目前大体积的光折变晶体制造技术已较为成 熟，晶体的光学质量也很高，掺杂 LiNbO3晶体也是当前使用最广泛的体全息存 储材料本实验系统选用尺寸为 1cm×1cm×0.5cm 的片状 Fe:LiNbO3晶体作为 体全息存储器 （2）激光器：采用固体激光器，输出波长为 532nm，输出功率为 50mW （3）空间光调制器（SLM） ：作为存储时原图像的输入及再现时图像模板的 输入器件， 其性能直接影响到再现图像的质量， 国外生产的 SLM 性能相对较好， 但价格昂贵。

在本实验中所使用的 SLM 的分辨率为 1024×768，每个像素大小 为 26μm×26μm，其性能参数见表 1 · 图 1 体全息多重存储与图像再现的光路结构图 图 2 体全息多重存储与图像再现的实验装置图 表 1 空间光调制器的性能 类型 L 扭曲向列相晶体材料的透过式激活矩阵 TFT 空间分辨率 1024(H)×768(V) 像素大小 26μm(H)×26μm(V) 像素有效面积 23μm(H)×16μm(V) 通道面积 有效区域 26.6mm(H)×20.0mm(V) 透过率 600nm 波段的透过率 18% 填充因子 54% 对比度 ＞100:1 类型 PCXGA 刷新 60Hz 线频率 48.4kHz 像素频率 65MHz 三、 图像存储及再现过程三、 图像存储及再现过程 如图 1 所示，光束的传播方向为 z 方向激光器发出的光是波长为 532nm 的线偏振光，经过 1/2 波片 HW1，HW1 具有调节分光比的功能以偏振分光棱 镜 PBS 的透射光作为物光，反射光为参考光参考光经过快门 S1 曝光后由反射 镜 M1 反射到反射镜 M2 上，再经过 4f 系统到达存储晶体上。

其中，M2 经由步 进电机带动的电转平台控制转角来实现水平位置的角度复用，M2 的旋转轴在 4f 系统的焦点上，如图 2 所示，4f 系统由两个相同的傅立叶透镜构成这样只要 M2 在 4f 系统的物方孔径角范围内转动，其通过 4f 系统的出射光都会照射到晶 体的同一点上 图 3 4f 系统结构原理图 透射光在经过快门 S2 后，被扩束器扩束准直后照明 SLM 加载图像信息， 经过 SLM 的平行光经过凸透镜 L 聚焦后，经过一个 1/2 波片 HW2，此 1/2 波片 的作用是使物光的偏振方向与参考光束的偏振方向一致， 即使参考光与物光成为 两束相干光，在晶体内部发生干涉，形成与原图像信息相对应的体光栅结构，完 成了一幅图像存储此时，计算机 PC2 在经过控制快门 S1 与 S2 曝光了计算所 得的相应曝光时间后，命令其关闭，然后控制电转平台以一定步距角转动，同时 通信 PC1 切换图像，在上述命令完成之后，PC2 再次命令 S1、S2 曝光相应的时 间，进行切换图像的存储，以此过程循环，最后实现在晶体同一体积内通过角度 复用完成多重全息图的存储再现图像时，使电转平台控制 M1 旋转，恢复存储 时各全息图所对应的参考光角度即可再现出所存图像，在实验中，我们存储了若 干的二值化汉字图像，实验再现的图像如图 4 所示。

图 4 实验中存储与再现的部分全息图 四、 多重存储控制系统四、 多重存储控制系统 如图 5 所示，实验中采用 PC 机作为计算机平台，数量为两台：PC1 运行图 像显示软件，实现在接到 PC2 通信指令后，切换到下一幅需要存储的图像的功 能；PC2 用于完成对曝光与光束偏转系统控制的工作其中 PC1 与 PC2 以串口 实现通信， 以控制输入图像的显示 本系统的所有软件均采用 VisualC++6.0 集成 环境开发体全息多重存储的软件工作流程图如 6 所示 图 5 软件控制分工图 图 6 多重体全息存储控制软件流程 输出至 SLM 显示 输入图像 控制光束偏转 器偏转参考光 光束 控制快门实现存储 所有图像存储 完毕？ 存储完毕 Y N PC 光束偏转与快 门控制系统 SLM CCD 体全息存储系统 曝光与偏转控制 图像显示控制 串口通信 PC1 PC2 五、 光束偏转与快门的控制五、 光束偏转与快门的控制 光束偏转与快门控制系统主要由 ATtiny2313 单片机控制，以 MAX232 形成 的串口电路实现与PC机的通信， 控制快门端以直流控制直流的固态继电器连接， 曝光快门 S1、S2 的工作电压为 3V 直流电压，当固态继电器的控制端导通时， 连接快门的一端将接入 3V 电压，曝光快门开启。

步进电机的控制由则电机驱动 模块实现，步进电机带动电转平台旋转，其结构简图如图 7 所示 图 7 光束偏转与快门控制系统结构简图 表 2 RSA60 电控旋转台的性能 型号 RSA60 传动比 90:1 重复定位精度 ＜0.01° 步进电机（1.8°） 42BYGH101 最大静转矩 40Ncm 额定工作电流 1.7A 最大速度 50°/sec 分辨率（8 细分） 0.0025° 中心最大负载 30Kg 自重 1Kg 实验中所选择的步进电机驱动器型号为 MA335B 高性能细分步进驱动器 （Micro step Driver） ，适合驱动中小型的任何 3.5A 相电流以下的两相或四相混 合式步进电机其细分功能可使步进电机运转精度提高，振动减小，噪声降低 电转平台的选择型号为 RSA60 电控旋转台，此系列的电控旋转台通过步进 电机驱动， 实现角度调整的自动化； 采用精加工蜗轮蜗杆传动， 角度调整无极限， 并采用精密轴系设计，保证调整精度高，承载大标准接口，方便信号的传输 其性能参数如表 2 所示 图 8 实验中的光束偏转与快门控制系统 六、 六、 实验注意要点实验注意要点 1. 在进行实验前必须详细阅读实验指导书，清楚实验目的，理解实验原理，并 重点熟悉各实验装置、操作方法和注意事项。

2. 必须严格按照实验步骤进行操作，才能顺利完成实验 3. 严禁擅自拆卸实验仪器、设备的各组成部分，若实验中遇到故障应首先报告 实验指导老师，由指导老师排除故障或做相应处理 4. 光学零件或组件的表面应保持清洁，不要用手随意触摸任何光学表面 七、 实验配置七、 实验配置 主体装置： 本实验装置的主体由激光器、液晶光阀、光学再现系统、CCD 图像采集与 显示、光强探测组成，并配以相应的驱动电路和电源 （二）实验指导书（二）实验指导书 一、实验目的一、实验目的 1、加深对光信息存储的理解 2、掌握利用铌酸锂晶体进行体全息存储与图像识别的工作原理及方法 二、实验原理二、实验原理 在磁存储和传统的光盘存储中，一个信息位是由介质表面物理性质的改变， 如消融和凹点或是磁畴的反转等来表示的 而在体全息存储中的一个信息位分布 在整个记录体中 一整页的信息是以光学干涉图样的形式一次记录在厚的感光光 学材料中的， 此干涉图样是由两束相干激光束在存储材料中相遇而形成的三维光 栅状全息图，我们称之为体积全息图通常两束光是由一束激光分离而成，一束 称为物光，携带有欲存储的信息，另一束称为参考光，要求简单易于复制，一般 采用传播中没有汇聚或发散的平面波。

体积全息图可分为透射和反射两种， 其主要区别在于记录时物光和参考光的 传播方向不同而造成体全息图内部干涉层面的不同趋向， 从而使两者在再现特性 上也有所区别，透射体全息图由物光与参考光在记录介质的同侧入射形成，再现 时表现为较强的角度选择性； 而反射体全息图是由物光和参考光从记录介质两侧 相向入射形成，再现时表现为较强的波长选择性，由于本文中的实验系统所采用 的是透射式全息存储，因此在以下的理论分析中主要由透射体全息图为例 当物光与参考光在介质内相互作用时，便形成了三维光栅状全息图，即体全 息图这种全息图的吸收系数和折射率是周期变化的，它对光的衍射作用如同三 维光栅的衍射在用与存储时两束光中的任一束相同的光照射干涉光栅时，入射 光与存储光栅产生衍射，就能正确地恢复出另一束波前，如图 9(b)所示 当全息图被存储在厚的材料中时， 能否读出信息依赖于读出光束与记录时所 用参考光的相似度 读出光无论是在角度或者波长上如果同记录时所用的参考光 有微小的差别，就可能导致欲读出的信息完全消失读出过程对这些微小变化的 敏感性几乎随着材料厚度线性增加当用与存储时所用参考光相同的光束照射 时，读出的全息图效率最高，随着读出光角度或波长的改变，全息图的效率逐渐 下降，最后会变为零，其中使全息图的衍射效率为零的角度或波长的改变量同存 储材料的厚度有关。

存储材料的厚度越厚，读出过程对角度或波长等的微小变化 也越敏感，记录结构的可调性也就越高，稍微改变角度或波长就可以存储另一幅 全息图， 这样就可以利用对读出光波长或入射角度的敏感性在记录材料的同一体 积内存储很多独立的全息图，从而显著增加有效存储密度提高存储容量这种技 术称为波长和角度复用，另一种复用技术是相位复用，它是用不同的参考光的相 位编码记录不同的全息图通过使用各种复用技术，可以增加存储密度，显著提 高整体存储容量，这也是体全息存储区别于传统存储技术的优点之一 图 9(a) 体光栅的形成 图 9(b) 物光波与参考光波的再现 当记录信息时， 从 PC 机中输出的二维图案呈现在空间光调制器 SLM （spatial light modulator）或液晶光阀上，一束激光穿过此空间调制单元，从而携带信息 并在存储材料中与参考光发生干涉，所形成的干涉图样也就是全息相片利用复 用技术可以在同一存储材料上存储另外的全息图，一个特定的参考光入射角度、 波长或者相位编码对应一个全息图，以角度复用为例的体全息存储系统如图 10 所示 图 10 角度复用体全息存储系统记录基本原理 图 11 角度复用体全息存储系统读数据出基本原理 由于所记录的干涉图。