全像儲存與多工原理

全像資訊儲存因為儲存容量大與資訊存取速度快的明顯優勢，己經被考慮為下一

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世紀的資訊儲存技術。若使用適當的多工設計，數千張的光學資料頁面可以被疊置，並 且記錄儲存在記錄材料的單一位置上，被儲存的資訊可以快速地以整頁的形式讀出。全 像資訊儲存系統的高儲存容量、快速資訊讀取速度、影像品質佳和誤碼率低己經被提出 和證實[2-5]

1.2.1 全像術簡介

1947 年，Denis Gabor 在改善電子顯微鏡解析度時，他發明了全像術(Holography)，

為日後光資訊的儲存與處理開啟了新方向。然而，在當時因為光源及光學元件的限制，

全像術僅只於原理性的學術探討，其應用停滯了十多年之久。然而，Leith和Upateniks 在 1962 年，發明以非同軸的參考光及物體光來拍攝離軸式(off-axis)全像，Mamer也發明了

高同調性雷射光源做為可用得激發光源，這兩樣新技術帶給當時全像術領域新的刺激，

全像術的應用得以再次復甦。在同 一時期，任職於拍立得公司的P.J. Van Heerdeen[6]提 出，若以 3D干涉來取代傳統的二維式光學儲存方法，可以大幅度提高固態記錄媒介儲 存容量，當時估算儲存密度為V/λ³

全像術是利用同調光的干涉特性，將光源的振幅跟相位同時記錄在全像底片中。

一般而言，單一的雷射光所輸出的光源會被分成兩道光束，即物體光跟參考光。其中物

，這賦予了全像術一個全新的發展方向。1969 年 Kogelnik[7]更集其大成，發表了著名的「耦合波方程式」來分析體積厚全像，奠定了全

像術應用在光資訊儲存上的基礎。從此，這種透過全像技術來建立高密度、高速度的資 訊儲存系統，似乎在光學資訊儲存領域中衝擊著全世界科學家的思考方向。

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體光挾帶著訊息，而參考光被設計得以重現訊息。這兩道同調光束相交所行程的干涉圖 案（光強度變化之亮暗圖紋）則會被全像底片記錄下來。從圖 1-2 到這種全像儲存的配 置。

圖 1-2 全像術的記錄和重建圖示

利用干涉方法儲存資訊的特色是：當記錄後的全像底片經由讀取光源照射時，訊 號光會被「重建」，這是一種可以重現光波波前（wavefront reconstructuon）的技術；記 錄的資訊（干涉亮暗紋）分佈在記錄媒介整個體積中，若材料有部分刮損，仍可以重建 出資訊。若訊號光是由立體物體反射而產生，則讀取光源經過底片所繞射出來的光束，

會在底片後方 產生物體的虛像，因為物體光波波前完全地被重建出來，所以讓人眼感 受底片後面為一立體物體，若全像被記錄在薄材料中，讀取光源可以與記錄時的參考光 角度不同，依然可以重建影像[8]。

1.2.2 多重儲存技術 – 體積全像術

當全像記錄材料的厚度增加，全像片的繞射效率就會與讀取光和原參考光的相似

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性（或相位失配量）相關。讀取的光源波長、角度或是相位的微小變化，就足以使材料 的繞射的影像消失。在重建的過程中，讀取光對這些微小變化的敏感程度，幾乎隨著材 料的厚度而線性增加，這個現象也就是厚體積全像得布拉格選擇率（Bragg Selectivity）。

所以，使用厚儲存材料，我們可以利用這種角度或波長讀取敏感特性，在一個曝光點上 來儲存多重影像以增加儲存密度。

以角度多工儲存的全像為例，在儲存的時候，我們以不同的角度來儲存不同的資 料頁，相鄰的兩頁資料其角度變化量必須滿足上述的嚴格布拉格條件，使的第一張全像 的重建有效的消失，而新的入射角與新的物體光被用來儲存第二張影像。那麼在重建資 料時，這兩張全像可以經由改變讀取光的角度往前或是往後而各自被讀出。對於 2cm 厚 度的材料，布拉格角度的選擇度只有 0.0015 度。所以在可容許範圍得參考光旋轉角度內

（一般為 20-30 度），得以儲存好幾千張圖像。到目前為止，儲存在單一位置得全像張 數己到達一萬張以上[9]。

1.2.3 數位資料儲存與重建技術

從目前的記憶體及週邊器件發展的趨勢來看，一個記憶元件若要能實際與週邊器 件配合，資料數位化是必須的步驟。如此，我們在描述全像儲存資料數位化的技術，要 使用體積全像來當作儲存技術，欲儲存數位資訊必須放入物體光上，來進行記錄的動 作 ， 讀 取 時 經 由 重 建 物 體 光 來 重 現 影 像 。 系 統 輸 入 的 元 件 稱 為 空 間 光 調 制 器 或 SLM(spatial light modulator)，它的結構為一平面得陣列形式，具有數百萬個像素。每一

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個像素為一獨立的光學開關，可以用來設定讓光通過或被阻隔，所以我們可以用此元件 來產生 0 與 1 的數位資料。最簡單的方法就是直接將待儲存的數位資料直接以電信信號 控制顯示在 SLM 上，亮代表 1，暗代表 0。而輸出的元件為一偵測像素的類似陣列，例 如 CCD(光電耦合元件，charge-coupled device)或 CMOS 像素陣列，輸出器件上的每一點 分別經由一組光學系統成像，使其對應到 SLM 每一點像素上，如圖 1-3 所示。

圖 1-3 體積全像儲存示意圖

全像可以在輸入像素陣列與輸出像素陣列間的成像路徑上的任一位置成像。為了 使儲存密度最大，全像通常被記錄在物體光達到緊密聚焦的地方（或些許離焦位置）。

當參考光重建全像時，物體光仍沿著原來的成像路徑到達 CCD 攝影機，並能平行的輸出 且轉換成數位訊息。當每一個偵測的像素與 SLM 上的像素匹配時，儲存容量和讀取速度 得以最佳化，但這必須經過非常小心的對光及高解析的光學系統來達成。

1.2.4 體積全像的發展

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全像資訊儲存系統是由很多構件組合而成的巨大機構，主要包含雷射光源、成像 光學系統、光機整合、光電介面（輸入/輸出）與儲存媒介……等，其中重要的核心構件 是：輸入元件---空間光調製器（SLM）、輸出元件---二維偵測器陣列（2D detector array）、

與儲存媒介---體積全像記錄材料。上述前兩者屬於光電介面中掌管資訊進出的元件，隨 著近年來光電子技術快速的發展，液晶顯示元件（LCD）、微型反射鏡元件（DMD）與光 電耦合元件（CCD）有長足的進步，能提供在每個畫面百萬畫素以上的顯示能力與偵測 能力，且影像品質與均勻度也符合全像記錄的要求，若以一個畫素顯示一個電腦資訊的 位元，這些原件配合適當的光學系統，讓平行存取百萬位元的方法不再是夢想；相比較 之下，體積全像記錄的材料的發展就略嫌不足，雖然各種全像應用所要求的材料特性不 盡相同，但理想的記錄媒介應該具有高感光性（微秒）、感光波長範圍大（～近紅外光）、 高光學品質、製程簡單、可量產且可重覆讀寫………等特性。到目前為止，並無同時滿足 這些需求之完美的材料，正如光折變晶體雖具有不錯的光折變響應（～鋰酸鈮晶體），

其缺點為光敏感度較小（毫米～秒）及儲存資料需要定影（fixing）的問題。而感光聚合 高分子（photopolymer）則具有較高的光敏感度和動態範圍，但其散射效應較高，以及 劇烈的化學反應所帶來的材料體積收縮（shrinkage），而影響到可實際應用的厚度（數 百微米以下），尋找新的儲存材料是目前最迫切的課題。