TW523749B - Holographic memory apparatus and mapping method of holographic memory system - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 ) 1. 發明範園_ 本發明通常係關於光學記憶體，而更特別地，係關於全 像z隐夫使用把伯特效應於週期性結構之無透鏡成像以在 此全像記憶系統中一平面處映射週期的相位結構至此統中 的知入數據平m ’ n由傳播_透鏡片陣列以自我成像重合 在-空間光調制器，其提供此全像記憶㈣輸入數據。 2. 先前技術的_1 全像記-憶系統儲存大量的數據。此可以有用於關於檔案 的，唯讀應用，或在一主動記憶系統中。在這些系統背後 的基本原理包括㈣各頁巾的數據，其爲矩形影像並將這 些頁記錄於全像片上。當此數據被取回時，適當的頁由此 全像片重建。 大邵分現代的處理系統，包括個人電腦（pcs)，依靠一種 形式或其他的光學數據儲存。例如，cd_r〇m機現在幾乎 是所有新PCS的標準配備。幾乎所有的多媒體軟體，包括視 訊遊戲，地圖，百科全書，和類似的，以CD_R0M來販賣 。同樣地，光碟是用於音樂記錄之最普遍的儲存介質。最 近，數位影像碟片（DVD)技術已經引進，其會擴展標準CD 技術之儲存容量從大約五億位元組至大約五十億位元組。 此CD-R0Ms和DVDs的大儲存容量和相當低的成本已經創 造出甚至較大於仍然較大和較便宜之光學儲存介質的需求 量。許多大生意依靠自動點唱機型式的CD轉位器，爲了進 入可能有數百個碟片的特定一個。以光學儲存格式釋放的 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） /—1 ^------—裝 *-------訂------- f請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 523749 A7 B7 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電影仍然要求多個CDS，DVDs或太大的雷射碟片。然而， 其顯示已達到此CD-ROM和DVD技術的極限。爲了繼續改 善光學儲存系統的容量和速度，研究逐漸地專注於在一cd 尺寸的儲存介質中能夠儲存數千億位元組的全像儲存裝置 已經發展出若干全像數據儲存系統，其能夠在一次儲存 和讀取-整頁的數據。在這些系統中，被儲存的數據首先 在一維（2D)光學p車列中被編碼，例如在一液晶顯示（lcd) 螢幕上，-其空間光調制器（SLM)的一種型式。另一SLM的型 式是德州儀器的數位反射鏡裝置，其爲一反射裝置其允許 每一像素的反射率被改變。名詞，，SLM ”也包括變化的光學 密度，相位，或反射率的固定光罩。 一第一雷射光束，一平面波，傳遞通過此SLM並自此2D 陣列中之數據正方形和矩形（像素）獲得一強度及/或相位圖 樣。此數據編碼的光束，稱爲物光束，最終投影至一光敏 材料上，稱爲全像記憶細胞（HMC)。一第二雷射光束，稱 爲參考光束，也投影至此全像記憶細胞。然後此物光束和 參考光束通過此HMC以產生一干涉圖樣遍及此HMC的一體 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 積元件。此獨特的干涉圖樣導致在此hmc中材料的改變， 其產生一全像。 在全像1己憶細胞中全像的形成是一相關振幅和極化狀態 ’及物光束和參考光束之間相位差的函數。其也與物光束 和參考光束投射在此全像記憶細胞上的入射角非常有關。 在全像儲存後，此數據光束可以藉由將一與生此全像之參 -5- 本紙張尺度適” _冢標準（CNS)A4規格⑽χ撕公楚） 523749 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 考光束相同的參考光束投射入此HMC來重建。然後此全像 和參考光束交互作用以再生數據編碼的物光束，然後可以 投射在一光敏偵測器的二維陣列上，其藉由感測此亮和暗 像素的圖樣來讀回此數據。 在全像記憶系統中，其經常有利於對此輸入振幅數據結 構作相位編碼。此相位編碼重新分配此振幅數據結構的傅 i葉轉換圖樣成爲較適合用於全像記憶系統的分佈。然而 ，爲了最佳的效能，此選擇的相位編碼結構必須作成與振 幅編碼給構光學地重合。此重合通常由4_f將此相位結構成 像在此振幅結構上來完成，或反之亦然。一完全的4-f成像 系統之增加部分爲了完成此重合，其在系統尺寸，成本， 複雜性，和重量上有與生倶來的缺點。 對於此相位編碼結構之無限的選擇，某些事實上可以是 週期的。而其經常不希望使用大部分週期的相位結構在全 m it系統中（因爲在此傅立葉平面重建中以很少的利益完 成此、々果）木些可能是希望的。一類週期的相位結構，其 可以有利於使用於相位改變在一全像記憶系統中之輸入數 據組的振幅圖樣中，是一透鏡片陣列。一透鏡片陣列的使 用作用以瓦解較高傅立葉級數能量成爲零級，而局部地分 散此級數的D.C.部分。 美國專利第5,859，⑽號，減給本專利書的讓受人，發 、操k光學路fe以獲得進入在一全像記憶細胞中之 數據位置的系統和方法。此系統之一包括：⑴-折射元件 ，其接收—複雜的，空間調制的入射光束，（2)第一和第二 --------^-------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -6-

523749 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 可定位的反射元件，其接收和反射此入射光束在一夫雷涅 爾區域中，及（3)—反射元件操控機構，連接至此第_和第 二反射元件，其移動此第一和第二反射元件成直排的以操 控此入射光束相對於此HMC，由此造成此入射光束照明在 此HMC上的一位置，其爲此第一和第二反射元件之移動的 函數。 美國專利第4,813,762號，標題”使用微透鏡和繞射耦合之 雷射的同調光束組合”發表一繞射透鏡片陣列其接收來自多 個雷射的光。此透鏡片陣列被放置離一部分反射鏡ζ=η(12/λ 的距離，其中η是一整數或整數的一半，人是雷射的波長， 而d是在陣列中透鏡片的間隔。在此，762專利的一較佳具體 裝置中，此裝置是一整體的設計，其中此透鏡片被蚀刻成 爲一基板的一表面和一平行的表面被鍍膜以形成此部分反 射鏡。此透鏡片緊靠著另一個以產生一填充因子（包含光之 陣列的百分比）接近1，且此透鏡片的每一個是一多步繞射 透銃。繞射擴展至雷射至反射鏡及再回來的往返距離造成 從一單一透鏡片反饋的光結合入鄰近的透鏡片。只有當在 每一透鏡片的波前是平的時，亦即，當此反饋的相位是均 勻通過一透鏡片時，來自於所有透鏡片的光有效地結合回 雷射波導。均勻性被達成當透鏡片陣列和反射鏡之間的間 隔是如上説明的托伯特自我成像條件。 發明概要 本發明的一目的在於使用托伯特效應於週期性結構之重 複影像平面的無透鏡，近場傳播。 ------------裝--------訂--------_· (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)

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、發明說明（5 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的另一目的在於使用托伯特效應將在一全像記憶 系統中之—平面處的週期性相位結構映射至在該全像記憶 系統中的輸入數據。 本發明叼另一目的在於使用_透鏡片陣列，光通過其會 被傳播經由托伯特效應以自我成像重合在此空間光調制器 上，用其輸入數據提供給此全像記憶系統。 本發明還有另一目的在於提供一全像記憶系統，其中一 m相位結構在其夫雷淫爾區域内被自我成像在一全像 1己憶系、_輸人振幅數據結構上而不需要額外的4.鏡。 >本發明的另一目的在於使用托伯特效應於週期性結構之 典透鏡成像以藉由傳播—透鏡片陣列將在_全像記憶系統 中t平137處的週期性相位結構映射至此系統中的輸入數 據平面，以自我成像重合在此空間光調制器±，用其輸入 數據提供給此全像記憶系統。 、本發明還有另-目的在於提供—種用於週期性結構之無 透鏡成像以藉由傳播—透鏡片陣列將在_全像記憶系統中 之-平面處的週期性相位結構映射至此系統中的輸入數據 平面’以自我成像重合在此空間光調制器上，用其輸入數 據提供給此全像記憶系統。 根據上述的目的和額外的目的，其在下文中會變得明顯 ’本發明在具有一全像記憶細胞的全像記憶系統中提供一 裝置使用托伯特效應將在—平面處的週期性相位結構映射 至一全像記憶系統中的輸入數據平面，包含：具有一週期 數2w的週期性相位結構（例如，一透鏡片陣列）以接收光； ------------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

523749 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 置於與此週期性相位結構距離T的振幅數據結構，使得此相 位結構是自我成像在此相位結構的一夫雷涅爾區域成爲振 幅數據結構，其中： τ 2rmv 1 =-- t2JQ 〇m 且其中：

I ^ J 當此中心距離” W"的透鏡片用波長λ的光照明時，而是光 被繞射處的角度。 本發明也提供一種使用此托伯特效應將在一平面處的週 期性相位結構映射至一具有一全像記憶細胞之全像記憶系 統中的輸入數據平面的方法，包含以下步驟： (a) 提供一具有2w之週期數的週期性相位結構以接收光； (b) 放置一振幅數據結構與此週期性相位結構距離τ處使 侍此相位結構在此相位結構的一夫雷丨圼爾區域中根據上面 的公式自我成像至此振幅數據結構；及 (c) 用波長λ的光照明此中心寬度，’w”的週期元件，其中㊀ 是光被繞射處的角度。 圖例概述 圖1爲一常用之4-f成像系統的概要圖； 圖2爲被一同調光的平面波照明之振幅格線的概要圖. 圖3爲一概要圖，其描述用以決定”T”之公式的解析产· 圖4a爲一先前技術常用之成像技術的概要圖；及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------.丨—丨丨丨丨I訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 523749 A7 B7 五、發明說明（ 圖4b爲一根據本發明之—成像技術的概要圖。 致體荤,1:詳述 本發明提供一種方法’其避免對於-額外4-f成像系統的 需求以帶來-週期性相位結構平面和—振幅結構平面重合 此方法依賴托伯特效應，_干涉效應其自動地和連續地 再成像一週期性結構(振幅，相位，或其某種组合)在此結構 的夫雷涅爾（近場）區域中。使用此粍伯特效應，希望的週期 性相位結構在其夫雷淫爾區域中自我成像至—全像記憶系 統的輸入-振幅數據結構而不需要額外的（4_f)透鏡。此自我 成像距離可以是數微米至數米。 圖1説明一常用的4-f 成像系統1〇。此顯示於圖 之4-f成像系統1〇的組成稱爲”無限共軛，，。此範例的4_f成像 系統ίο包含一空間光調制器（SLM) 12，薄凸透鏡14，其具 有一焦距，f\，和薄凸透鏡16，其具有一焦距，v，其中h 和f2可以或可以不相等。SLM 12包含，例如，一液晶顯示1 (LCD)螢幕，數據在其上編碼爲一透明和不透明像素的 陣列圖樣。SLM 12，透鏡14和透鏡16被正交於光路徑18放 置，顯示爲一與實線20重合的虛線。一同調雷射光的平面 波物光束被投射通過SLM 12，拾取此編碼的數據圖樣，並 傳播距離f/以達到透鏡14。此由光束20，22和24表示的物光 束通過透鏡14並再次傳播一匕以達到傅立葉平面15。在傅立 葉平面15處，所有此物光束的位置資訊變成角度資訊，而 所有此物光束的角度資訊變成位置資訊·。形成在傅立葉平 面15處的影像對於透鏡16是輸入的物。從傅立葉平面丨4， -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 -------丨訂-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 523749 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 ) 此物光束傳播距離f2以達到透鏡16。通過透鏡祕，此物光 束最後傳播距離f2以達到輪出影像平面26, SLM 12的輸入 數據影像在該處被重建。輪出影像平面26對於平心，和 對於SLM 12所在之平面的輪出影像平面是傅立葉平面。因 此，由处叙16形成在輸出影像平面26的影像是由透鏡丨斗形 成在傅互葉平面15處之傅立葉影像的傅立葉影像。 如光束20-24.所示，形成在輸出影像平面％的輸入數據影 像相對於在SLM 12處的外形是反相的。因此，如果一全像 記憶細胞:被放置在輸出影像平面26處，此在SLM 12之2〇陣 列圖樣的反相影像會被儲存爲在此全像記憶細胞中的一頁 數據。一分開之雷射光的參考光束（未示出）會被要求爲了儲 存此數據影像。在上述光學系統的一替代的具體裝置中， 此空間光凋制器可以放置於初始透鏡和其後的傅立葉平面 之間。一入射於此初始透鏡的物光束將被此初始透鏡聚焦 ’但是會自此SLM拾取此編碼的數據在此初始透鏡之後， 而非之前。在此一组成中，此傅立葉級數的大小（位置）線性 地隨此SLM和其後的傅立葉平面之間的距離改變。此外， 此光束的入射角會根據此SLM的位置而改變。如果希望無 透鏡操控’則可以使用夫雷淫爾區域操控。此夫雷淫爾區 域是在一透鏡和其後的傅立葉焦平面之間或位於離此透鏡 一倍焦距之影像焦平面的區域。在夫雷涅爾區域操控中， 二可移動反射鏡置於在一光學系統中的透鏡之一和相關之 其後的傅立葉或影像焦平面之間。有利地，爲了在移動反 射鏡對之後完成此操控程序不需要額外的光學元件（亦即， -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I-------^ -1------t-------I l^ewT (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 523749 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（9 透鏡）。 此托伯特效應最容易用一振幅格線（_週期性的等寬度之 不透明和透明線組，週期數=2w)的例子來解釋。參考圖 描返一中心寬度2%的格線用一同調光的平面波照明。當此 光傳播通過格線時，其繞射成爲此格線的傅立葉成分階 +第Ρέϊ，T第二階，等等）。當這些繞射光束的每一個 都傳播，其很快會與各種其他的類似光束交互作用。當全 體的光束X點都被觀察到時，可以看到存在不連續的平面 (托伯特平面），在該處此在初始格線之繞射薗樣確切地被重 複對於所有的區域（·除了非常外面的，其中此原始格線之限 制的孔徑由於其非存在而未能產生繞射光束）。 此連續托伯特平面之間的間隔，Τ，由考慮在照明下自此 週期性結構被繞射之光束處的角度L來決定。在最簡單的 幾何近似中，繞射自一用波長λ的光照明之線寬度〃w，，（週期 數2 w)的格線之光束的建設性干涉，發生在角度， m是繞射的級數（不算零級，其在和入射光相同方向處發射） 。如圖3所示，T可以被解得如下： tan dm 例如，使用在λ = 0.5微米的可見光，和一 w = 5微米的格線 寬度，Θ! = 8.63度，和T = 65.9微米。因此，大約每66微米 此格線的影像重複其本身。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I--------^------ (請先Μ讀背面之注意事項存填寫本頁) 523749 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（) 此托伯特效應已經延伸至一般的週期性結構和週期性振 幅格線結構。事實上’其曾經對於透鏡片陣列（例如，週期 的，二維的二次相位結構陣列）研究過。此應用對於全像記 憶系統的主要利益是此透鏡片陣列現在可以在此物光束的 光路徑中置於一振幅數據編碼裝置之前不遠處，使得此振 幅數據結構固定在此週期性相位結構之此托伯平面之一中 。此消除了對於此週期性相位結構之4-f成像在此振幅數據 結構的需求，由此節省成本和降低複雜性，大小和重量。 一常用_的成像趨近描述於圖乜中，而一托伯特成像趨近 描述於圖4b中。在圖4a中，系統包含於二個4_f系統。一同 調光的平面波首先通過一位置相對於一對薄凸透鏡3〇和W 的相位光罩28，其中透鏡30置於距離相位光罩28焦距&處， 而透鏡32具有焦距&如上所述。此透鏡3〇和32垂直於光路徑 34放置。此形成在傅立葉平面36上的影像包含轉變的位置 和角度資訊，該影像通過透鏡32並傳播距離&至振幅光罩Μ 處的輸出影像平面。此影像重合在此振幅光罩38上，然後 傳播距離n冑凸透鏡40。此形成在傅立葉平面上的影 象可乂通過反射介貝，像反射鏡44，以操控此光束，像 在技術上已熟知的。此被操控的影像通過另一凸透鏡牝並 被傳播一距離匕至HMC 48處的輸出影像平面。 現在參考圖4b，_根據本發明之托伯特成像技術根據上 式：T=2mw/tanem放置此相位光罩28於相對於此振幅光罩 38-距離丁。j匕相位光罩是，在此説明的具體裝置中，一透 鏡片陣列具有一格線寬度”w，，如圖2中户斤示。此角认表示 ------------Aw- ^ -1------til------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -13 _

vrjzr-; ;vr提之.Γ4。 A' 申請曰期 案 類 號 以上各櫊由本局填註） 雲』名稱 人 明作 發創 三、申請人 年Λ π ' Ί If補充 A4 C4 中文說明書修正頁(91年7月） 雲靈專利説明書 523749 中 英 姓 文 文 名 國 籍 住、居所 姓 名 (名稱? 國 籍 f事務 全像記憶裝置及全像記憶系統之映射方法

HOLOGRAPHIC MEMORY APPARATUS AND MAPPING METHOD OF HOLOGRAPHIC MEMORY SYSTEM 史考特派屈克坎貝爾 美國 美國加州桑蘭市格蘭提斯道7937號 美商朗訊科技公司 美國 美國新澤西州摩里山丘市山脈大道600號 丹尼爾· Ρ ·麥卡迪 〇：\65\ i5536-9107〇9.DOO 1 本紙張尺度適用巾S g家標準(CNS) Μ規格(21GX297公董) 裝 線 523749 .19’n 第089116628號專利申請案 Af

中文說明書修正頁(91年7月） BT 五、發明説明（11 ) 為： 9m sm '0+ι/2μ、 w 此安排避免對於分開的4-f成像系統的需求，如圖4a所示。 本發明已經顯示在考慮最實際和最佳的具體裝置。然而 ，其被預期可以由此出發，且明顯的修改可以發生在那些 技術上已熟練的人。 圖式元件符號說明 10 4 - f成像系統 12 空間光調制器 14 薄凸透鏡 15 傅立葉平面 16 薄凸透鏡 18 光路徑 20 光束 22 光束 24 光束 26 輸出影像平面 28 相位光罩 30 薄凸透鏡 32 薄凸透鏡 34 光路徑 36 傅立葉平面 38 振幅光罩 40 薄凸透鏡 O:\65\65536-910709.DOC\ 4 -14· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇Χ297公釐) 523749 yi. v. -y 第089116628號專利申請案 中文說明書修正頁(91年7月） 五、發明説明（113 ) 42 傅立葉平面 44 反射鏡 46 凸透鏡 48 全像記憶細胞 14a - O:\65\65536-910709.DOa 4 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

Claims (1)

1. 523749 A8 B8 0$ D8

   第0891 1 6628號專利申請棄 中文申請專利範圍修正本(91年7月） 々、申請專利範圍 1 · 一種全像記憶裝置，該全像記憶裝置在具有一全像記憔 細胞的全像圮憶系統中使用托伯特效應將在一全像記憶 系統中之一平面處的週期性相位結構映射至此系統中的 輸入數據平面，包含： 一具有週期2w之週期性相位結構用以接收光； 一振幅數據結構置於與該週期性繞射相位結構一 τ距離 ，使得該相位結構在一該相位結構的夫雷涅爾區域中被 自我成像至此振幅數據結構，其中： 丁= 2 卿 一 tan 0m 且其中： 〜 = sin作1/2]义) 當該週期2w之週期性相位結構用波長λ的光照明時，而 是光被繞射處的角度。 2·根據申請專利範圍第1項之全像記憶裝置，其中該週期性 相位結構是一透鏡片陣列。 3 ·根據申凊專利範圍第1項之全像記憶裝置，更包含一反射 元件置於一介於該相位及數據結構和此全像記憶細胞之間 的焦點平面中。 4·根據申請專利範圍第丨項之全像記憶裝置，其中該反射元 件為一反射鏡。 5· —種使用托伯特效應將在一全像記憶系統中之一平面處的 週期性相位結構映射至此系統中的輸入數據平面之方法 O:\65\65536-9l0709.DOa 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 523749 9ί· λ -9 Α8 Β8 G8 D8 六、申請專利範圍 ，該全像記憶系統具有一全像記憶細胞，包含以下步驟： (a) 提供一具有週期2w之週期性相位結構用以接收光； (b) —振幅數據結構置於與該週期性繞射相位結構一 T 距離，使得該相位結構在一該相位結構的夫雷涅爾區域 中被自我成像至該振幅數據結構，其中： tan 0m 且其中： 0 m = sin" 1>.+ι/2μ’ (c)用波長λ的光照明該週期2w之週期性相位結構，其 中θη^光被繞射處的角度。 -2- O:\65\65536-910709.DOa 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)