第一章 緒論
1.1 光儲存技術簡介
1.1.1 光儲存技術演進
人們追求影音娛樂的需求，也帶動了儲存資訊產業的發展，一開始光碟片的 誕生是用在音樂的用途上，因為在光碟片被廣泛利用之前，音樂是存在卡帶內供 人們瀏覽聆聽，不過卡帶的缺點也往往被人們所詬病，例如：從第一首歌如果要 往後聽其它首歌時，要一直轉到帶子，不過又不一定能剛好轉到要聽的曲子上，
而卡帶在長時間順轉與倒轉的過程中會導致某些資料磨損而遺失，所以此時給了 光碟片崛起的契機。
在 1980 年時，由 Sony 與 Philip 兩家公司共同推出的 CD-DA 光碟，共同立 下了數位光碟製作的標準及規格，並於 1982 年至訂了著名的紅皮書，此為最早 的光碟規格書，隨後為了滿足各個領域的需求，生產了不同規格的光碟與其對應 的規格書，依照書皮顏色來分共有紅、黃、橘、白、綠、藍等規格書。
隨著時代的進步，人們對物質生活的品質越來越要求，只具有音樂功能的 CD 已不能滿足需求，除了音樂外還需要有視覺效果，VCD(Video CD)正好能滿 足此需求，而 VCD 的發明使得出門遊玩時在車上觀看影片有更大的便利性，VCD 播放器體積比傳統錄放影帶播放器還要小，且不需再另備倒帶機，所以 VCD 已 漸漸取代掉錄放影帶的功能。
不過隨著電視或液晶顯示器的解析度增高，撥放品質已越來越好，若再搭配 上家庭劇院的效果，聽覺與視覺的享受將大幅提升，不過只有 DVD(Digital Video Disk)能提供這種功能，因採取與 VCD 不同的壓縮方式，具有較大的解析度，VCD 的解析度為 352*240，而 DVD 的解析度則為 720*480。且 DVD 儲存的影音資料 具備多聲道的輸出，並能提供多種字幕與視角的選擇。
以上均是因為不同影音需求而發展出不同規格的光碟片，但是儲存容量的大 小也是發展的重點，CD、DVD 的儲存容量依序為 700Mb、4.7GB(單面單層)，
由 CD 到 DVD 之間的容量大幅提升是因為透鏡採用較高的數值孔徑並利用短波
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長的光源，而能產生較小的聚焦光點，使得儲存密度提升，進而大幅提升儲存密 度。不過因為有繞射極限的關係，使得光點不能聚成無限小，而導致儲存容量無 法再往上提升，不過有另外的解決辦法：以多層儲存來提升儲存容量，不過在 2008 年由 Pioneer 所提出的 16 層藍光光碟儲存技術中，在讀取時會有其它非讀 取層的訊號干擾且本身在讀取時的訊號太過微弱的缺點。而在撥放器的相容上，
新推出的播放器，如 DVD 光碟機能讀取其它規格的光碟，但相反的，CD 光碟 機並不能讀取 VCD 與 DVD 光碟。
在 1995 年提出發表的 DVD 與 2002 年提出發表的 Blu-ray Disc 均能達到多 層儲存的效果，有很大的因素是為了滿足影音需求，現階段的電影與遊戲特效效 果越來越驚人，畫質也越來越好，所以每部電影或遊戲的容量也就越來越大，當 然也需要相對應的儲存媒介才能容納得下，這也給了我研究上的一些啟發。
全像儲存技術可分為兩類，一類為頁面式(Page-oriented)[1]儲存技術，另一 類為位元式(Bit-oriented)[2]儲存技術，而本論文的重點為位元式全像儲存技術之 研究，以位元式的方法將 0 或 1 二進位的資訊儲存在全像光碟內，而全像光碟可 能是下一世代的光碟產品，希望能發掘一些位元式全像光碟的特性，深入的了解 此產品。就如前一段落所言，像是 DVD 與 Blu-ray Disc 這類產品，其儲存容量 均非常的大，一般個人電腦使用者較少有機會利用這些產品做資料存取的動作，
而是大部分應用於影音產品上。所以位元式全像光碟的發展有極大的可能會朝向 影音娛樂這方面發展，可將位元式全像光碟應用於電影院方面，一片全像光碟就 可存下好幾部電影，而且現在也有 3D 電影的誕生，故在儲存容量上會有更大的 需求；而在遊戲機方面，現在的遊戲特效越來越高級，動作越來越華麗，遊戲使 用者對畫面的呈現也越來越苛求，想要有高畫質甚直是 Full HD 的螢幕效果，若 是遊戲中又有動畫電影的串場在加上若是遊戲畫面為 3D 的呈現時，此時儲存容 量將會是現在遊戲的好幾倍，所以位元式全像光碟就有機會可以派上用場。
1.1.2 全像光學儲存系統：起源與發展
全像術又稱為立體照相術，是利用光的干涉原理，將物體光和參考光同時 記錄在感光介質(感光介質可為感光底片、感光高分子或光折變晶體)上，使材料 產生折射率調變而將干涉條紋記錄下來，而將此拍攝所得的介質上的影像加以重 建，能重建原光波的振幅與相位，所以若原參考光讀取材料時時，即可以顯示出 與原物一樣的立體像，如圖 1 與圖 2 所示。
一般人眼觀察到的影像均包含影像的能量、相位與波長，能量代表影像的 強弱亮暗，相位隱含著與觀察者之間的相位差，也是能觀察到立體影像的因素，
波長及位影像內各個物體的色彩；全像術與傳統照相機所拍攝而得的照片最大的 不同是，照片只能記錄某一角度的物體影像，且僅為二維帄面的圖像；然而全像 術因為同時記錄了物體的振幅與相位的資訊，故重建時的影像是 3D 立體的影像，
由左而右看全相片時，全相片的影像也會跟著有左而右不同角度的變化。
全像術的原理如下圖所示：
圖 1 全像片的記錄與重建-穿透式全像
圖 2 全像片的記錄與重建-反射式全像
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全像術的起源於 1947 年在英國工作的匈牙利籍工程師－丹尼斯∙蓋博
（Dennis Gabor），他為了要解決電子顯微鏡解析度的問題而想出波前重建 (Wave-front reconstruction)的方法[3]，不過因為當時缺乏高同調性(Coherence) 的光源，並且因為 Gabor 提出的全像術架構為同軸式，所以重建時會同時觀察到 原物體與孿生像會使得影像模糊。直到 1960 年代雷射發明之後，以及 1962 年由 Leith 和 Upatnieks 提出離軸全像術[4]，因為雷射光源具有高度同調性以及能量較 集中，再加上使用離軸全像術，實驗所得全像術的影像非常的清晰，使得全像術 能被廣泛地發展與利用。
全像術被廣泛地利用之後，許多關於全像術的應用也都遍布在生活中，例如：
全像光學元件、全像干涉量測(可對任何物體的表面進行偵測，如輪胎、橋梁、
建築物...等可做精密量測，及時發現裂痕可防範於未然)、全像藝術(利用全像 術進行藝術創作，或是將博物館內珍貴的典藏品翻拍成全像片，以全像片取代真 品展出)、全像辨識(現已廣泛地應用於鈔票與信用卡上，可用來辨識真僞)以及 全像儲存技術。
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感光底片 點光源
物體
散射光
穿透光
全像片 虛像
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實像
Zo Zo
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圖 3 同軸式全像之記錄與讀取
1.1.3 頁面式與位元式儲存方式之比較
全像資料儲存方式可分為頁面式(Page-oriented)與位元式(Bit-oriented)兩種 儲存方法，底下分別討論此兩種儲存方法的系統架構，分析其優缺點，進而選擇 出適合本論文的儲存方式。
圖 4 體積全像記錄之示意圖
首先介紹頁面式儲存方法，如圖 4 所示，一道雷射光分為兩道光，右側入 射至材料稱為參考光，另一道為物體光，因為會通過空間光調製器(Spatial Light Modulator , SLM)，將所要儲存的資料編碼顯示於空間光調製器上，為一個輸入 訊號的裝置，空間光調製器上的資訊稱為“資料頁”(Data page)，所以物體光通 過時會將帶有物體的資訊與參考光干涉，也因為是將帶有資料頁的物體光進行干 涉而達到儲存的目的，一次性的儲存整頁的訊號，所以此方法也稱為頁面式全像 資料儲存。
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Medium
Er Es
圖 5 位元式全像記錄之示意圖
6 圖 6 微全像
圖 5 為位元式資料儲存的示意圖，為兩道高斯波聚焦在材料內同一位置而 產生干涉並記錄。重建時若有干涉條紋的存在，則會得到重建的訊號，並定義為 訊號 1；反之，若無干涉條紋存在，則讀取波會穿透材料不會有繞射波產生，而 無訊號被偵測到，此時定義為訊號 0，所以便可將干涉條紋的有無視為 0 與 1 的 訊號，故被稱作為位元式全像資料儲存，又因為其記錄產生的全像尺寸只有微米 (m)等級，如圖 6 所示，故又稱為微全像。