TWI417882B - 全像儲存系統及全像資料儲存方法 - Google Patents

Description

全像儲存系統及全像資料儲存方法

本發明係關於全像儲存系統，尤指使用相位空間性調光器之全像儲存系統。

全像資料儲存器數位資料之儲存，是藉記錄二相干雷射光束重疊產生的干擾圖型為之，其中一光束(即所謂「物光束」)是利用空間性調光器調變，帶有要記錄之資訊。第二光束用做干擾光束。干擾圖型導致儲存器材料特殊性能之修改，視干擾圖型的局部強度而定。所記錄全像圖之閱讀，是以干擾光束使用和記錄時同樣條件照明全像圖進行。造成所記錄物光束之重構。

全像資料儲存器之一優點是，提高資料容量。與習知光學儲存媒體相反的是，全像儲存媒體的容量用來儲存資訊，不僅少數層而已。全像資料儲存器又一優點是，在同樣容量內儲存複數資料之可能性，例如改變二光束間之角度，或使用移位多工化等。此外，儲存單一位元改為資料是以資料頁儲存。典型上，資料頁包含亮/暗圖型之矩陣，即二維度二元陣列，或把複數位元寫碼之灰值陣列。此舉容許除提高儲存強度外，可達成提高資料率。資料頁是利用空間性調光器(SLM)印記在物光束上，以檢測器陣列加以檢測。SLM的坦率例是振幅SLM，其中"0"值的圖元遮蔽光，而"1"值的圖元則透射或反射光。在簡化圖中，意味振幅SLM有黑白圖元。假設黑圖元和白圖元有同等或然率，約有50%的物光束功率受遮蔽。受遮光即浪費，降低書寫資料率。此外，如應用低白率電碼(在全像儲存器領域常有此情況)，則物光束的光損甚至超過50%。例如，使用20%白率電碼，光損約80%。

上述問題可用相位SLM把資訊印記在物光束上加以克服。在此情況下，圖元的"0"和"π"之相移，分別相當於輸入資料陣列的資訊位元"0"和"1"(或反之)。"π"相移相當於λ/2之光程差異，其中λ為物光束和參考光束之波長。當然，同樣可應用其他中間相移。由於無光受遮，使用相位SLM把資訊印記到物光束上時，並無光損。然而，由於檢測器陣列只能檢測光強度，在光碰到檢測器陣列之前，重構的物光束之相位分佈，必須轉變成強度分佈。

WO 2004/112045號揭示一種全像儲存系統，其中的相位對比濾光器是置於讀出光束途程內，把相位調變轉變成振幅調變，利用陣列檢測器加以檢測。

在WO 02/49018和WO 02/03145號內，設有相位SLM把資訊印記在物光束上。為了把重構相位分佈轉變成強度分佈，使用以讀出光束干擾反射式參考光束。在檢測器表面，參考光束從全像儲存媒體反射之參考光束，是有一定相位之平面波，而讀出光束是二元相位調變光束。此二光束之干擾，是二元強度分佈。此項解決方式需要干擾光束有類似振幅。若振幅大為不同，干擾圖型的強度分佈之可見度很低。惟以多工化而言，讀出光束的繞射效率只有10^－4 至10^－6 ，即干擾光束間的強度差，在4－6階之幅度。意即此解決方式不能應用到使用高度多工化全像圖之全像儲存系統，因可見度和訊雜比很低。

本發明之目的，在於擬議一種使用相位SLM之全像儲存系統，可克服上述缺點。

按照本發明，此目的是利用具有相位SLM可把二維度相位資料圖型印記在物光束上之全像儲存系統所達成，含有共同途程干擾器，將物光束之相位資料圖型轉變成強度資料圖型。

同理，全像資料儲存方法具有如下步驟：－使用相位SLM把二維度相位資料圖型印記在物光束上；和－使用共同途程干擾器把相位資料圖型轉變成強度資料圖型。

按照本發明，對全像儲存系統應用為相位對比顯微鏡開發之相位對比法。把簡單的光學配置放在記錄物光束之途程，把利用相位SLM印記在物光束上的相位分佈，轉變成強度分佈。此項光學配置構成共同途程干擾器。本發明解決方式可較使用振幅SLM的全像儲存系統實質上提高資料傳送率。書寫時間可比振幅SLM的書寫時間短少4－5倍。使用相位SLM加上把相位資料圖型轉變成振幅資料圖型用之相位對比法，光效率的改進與所採用白率呈反比。使用共同途程干擾術，對相位SLM和其他光學元件之蓋玻璃均勻性和機械性能，需要稍微嚴格之公差。惟所需公差實際上可藉相位對比法的最佳轉變功能加以減小。

共同途程干擾器宜包含具有非線性轉換之相位對比濾光器。以具有三個共焦配置的傅立葉(Fourier)平面之12f全像儲存系統而言，相位對比濾光器宜插入12f光學系統之第一傅立葉平面內。使用適當形狀和相位分佈，此相位對比濾光器把相位SLM的相位資料圖型轉變成強度資料分佈。由於相位資料圖型為二進式，非線性轉變容許實現牢靠，對誤差不敏感之儲存系統。

相位對比濾光器宜具有內圓形面積，把物光束的傅立葉轉換的中心部份之相位，移位第一數值；以及圍繞內圓形面積的環形面積，把物光束的傅立葉轉換的外面部份之相位，移位第二數值。如此一來，可達成步進般(二進式)轉變。第一數值和第二數值間之差異量為"π"之相對性相移。"π"之相對性相移導致強度資料圖型之最適對比。惟其他相對性相移亦可實施，因結果對正確相對性相移值不太敏感。

相位對比濾光器最好又有外遮光面積，把物光束的傅立葉轉換加以低通過濾。傅立葉物鏡的數值孔徑有限，在傅立葉空間裡，此意味物鏡的空間頻率帶寬有限。物鏡只對此有限的空間頻率面積為最適。濾光器的外遮光面積實施此項限制。此外，對優良可見度言，在共同途程干擾器內干擾的波前之能量內含，必須大約相同。藉調節外遮光面積之直徑，物光束的傅立葉轉換之外面部份的能量，可加以控制。又一優點是，環形面積的外徑較小，導致全像圖尺寸減小。因此，資料密度增加。

為對本發明更為瞭解起見，茲參見附圖加以說明。須知本發明不限於此具體例，而特定之特點亦可權宜合併和/或修飾，不悖本發明之範圍。

把二凝聚雷射光束重疊產生的干擾圖型加以記錄，而將數位資料儲存於全像資料儲存器內。第1圖表示3×4f(12f)全像儲存系統的一般設置例。例如雷射二極體2，發射光束3，以準直透鏡4加以準直。光束3再分成二分離光束7,8。在實施例中，光束3之分離是使用第一分光器5達成。惟亦可使用其他光學組件於此目的。相位空間性調光器(SLM)6把二光束之一，稱為「物光束」7，加以調變，印記二維度相位資料圖型。第二光束(稱為「參考光束」8)的途程，在此圖中省略，以求簡明。物光束7利用傅立葉物鏡31加以傅立葉轉換。位於傅立葉物鏡31的傅立葉平面內者為相移器40，可參見第3和4圖加以更詳細說明。來自相移器40的傅立葉轉換後物光束7，通過極化分光器9(不對物光束7作用)，及另一傅立葉物鏡32。最後，四分之一波板12轉動物光束7的極化方向。為了記錄，物光束7和參考光束8二者利用傅立葉物鏡33聚焦在全像儲存媒體10，例如全像碟片或卡片。在物光束7和參考光束8交會處，出現干擾圖型，記錄在全像記錄媒體10之光敏層。

儲存之資料僅用參考光束8照明所記錄全像圖，而從全像儲存媒體10檢復。參考光束8利用全像結構加以繞射，產生原有物光束7的複本，即重構物光束11。此重構物光束11利用物鏡34加以準直，通過四分之一波板12。重構物光束11利用極化分光器9，經二傅立葉物鏡35,36，和針孔濾光器37，引導至二維度陣列檢測器13，例如CCD陣列。陣列檢測器13容許重構所記錄資料。

第2圖表示3×4f(12f)全像儲存系統20更簡化圖。為更加清晰起見，摺疊系統20以展開表示，而極化分光器9則略而不示。12f光學系統20基本上包含三個4f系統21,22,23，各有二傅立葉物鏡31,32,33,34,35,36。相位SLM 6(例如液晶元件)配置在第一個4f系統21之物平面24。二個中間物/像平面26,28分別為第一和第二4f系統21,22，以及第二和第三4f系統22,23之共同平面，陣列檢測器13位於第三個4f系統23之物平面30。12f光學系統20有三個共焦配置之傅立葉平面25,27,29。位於或接近第一個4f系統21的傅立葉平面25的是，特別小尺寸的相移器40，把第一個4f系統21的第一透鏡31所發生相位SLM 6的傅立葉轉換之小中心面積相位，移動"π"。位於第二個4f系統22的傅立葉平面27內的是全像儲存媒體10，而針孔濾光器37置於第三個4f系統23之傅立葉平面29，以過濾重構之物鏡光束。

第3圖更詳細表示相移器40。相移器或相位對比濾光器40位於第一個4f系統21之傅立葉平面25，有二界定良好的直徑。直徑DCentFlt的內圓形面積41，把第一個4f系統21的第一傅立葉物鏡31所發生相位SLM 6的傅立葉轉換之高強度中央部份的相位，移動"π"。介於內徑DCentFlt和外徑DAperture間之相移器40之環型區域42，對傅立葉轉換之傅立葉組件無影響。惟須知內圓形面積41同樣可能無相移，以及在環型區域42內無相移"π"，或是任何其他之相移組合，增加"π"之相對相移。最後，從直徑DAperture開始的外部面積43不透明，把相位SLM 6的較高階傅立葉組件遮蔽。如此一來，即可實施相位SLM 6的傅立葉轉換之低通過濾。當然，外部面積43同樣可利用其他機構反射或吸收，或遮蔽較高階的傅立葉組件。再者，遮蔽外部面積43亦可改用分開之濾光器孔。

第4圖表示相移器40以及第一個4f系統21的第二傅立葉物鏡32所逆轉換的波前50,51。在第二傅立葉物鏡32之後，源自相位SLM 6的傅立葉轉換之高強度小中央面積41的相移光束，在中間影像平面26可視為是均質平面波。此可利用平面波前50表示。源自環型面積42的逆轉換物光束，在中間影像平面26是二進相位分佈，如「二進」波前51所示。二進波前51只表示真實情況之第一次近似值。來自環型面積42的波前51事實上更為複雜。一方面，形狀不全然長方形，在不同區域間有連續過渡。另方面，不同區域並非平坦，而是有凹凸。二光束之干擾在中間影像平面26，導致近乎二進之強度分佈。相移器40因此把相位分佈轉變成強度分佈。

實質上，12f光學系統20之第一4f系統21，例如由相位對比顯微術已知形成共同途程干擾器。惟在相位對比顯微術中，使用線性轉變。在J.Glckstad和P.C.Mogensen文〈共同途程干擾術中之光學相位對比〉(Appl.Opt.第40卷268－282頁)和P.C.Mogensen和J.Glckstad文〈逆向相位對比：實驗證明〉(Appl.Opt.第41卷2103－2110頁)中，證明使用共同途程干擾術，把相位影像轉變為強度分佈。對線型轉變之可見度和光效率，賦予基本方程式。以線型轉變而言，在"0"至"π"範圍內強度變化與相位變化呈比例。

本發明相移器40不能進行線型轉變，只有非線型，最好是步進般(二進式)轉變。此項轉變功效可藉對相移元件使用適當內徑DCentFlt和外徑Daperture而最適化。步進般轉變得以實現堅牢、誤差不敏性儲存系統。

本發明使用相移器40之全像記錄方法，如第5圖簡略所示。在物光束7上印記50相位資料圖型後，把物光束7以低通過濾51，相位資料圖型即轉變52成強度資料圖型。過濾51和轉變52宜利用相移器40以單一步驟進行。過濾和轉變後的物光束7，即記錄53在全像記錄媒體10上。

第6至9圖表示電腦模擬本發明之解決方式。模擬限於第一個4f系統21，不涵蓋完整的12f光學配置20。為模擬透鏡31,32的傅立葉轉換性能，使用在MATLAB軟體中實施之快速傅立葉變換(FFT)。相位SLM 6是利用300×300矩陣模擬。此矩陣只有在圓形部份才充填二進值"＋1"或"－1"，因為傅立葉物鏡31的物平面可用面積為圓形。矩陣之其他圖元充填"0"。意即無源自物平面的圓形物面積外之光。"＋1"值代表"0"的相移，而"－1"值代表"π"之相移。須知圖上表示不同的資料圖型。蓋因事實上數值模擬所用程式不儲存矩陣，以便減少記憶器需要，和提高模擬速度。SLM矩陣或中間矩陣以及結果，均不儲存。所以，對各模擬步驟，發生新的隨機輸入資料圖型。

第6圖表示相位SLM 6之放大部份，帶有象徵性的黑白圖元。影像的白色圖元代表相移為"π"之相移SLM圖元，而黑色圖元代表相移為"0"之相移SLM圖元。對傅立葉轉換，矩陣可以"4"因數過度取樣。矩陣再以黑色(零)圖幅放大。此步驟為消除FFT演算的洞孔效應所需。

第7圖表示相移SLM 6通過相位對比濾光器40後之傅立葉轉換影像。首先對傅立葉轉換影像，施以直徑Daperture的圓孔。此孔決定在第一傅立葉平面的傅立葉轉變大小，並構成低通過濾，與此低通過濾並行的是，在傅立葉轉換影像中心之低頻成份，以直徑DCentFlt的相移濾光器位移"π"。

第8圖表示相位SLM 6在利用傅立葉物鏡32逆轉換後的中間物/像平面26，低通過濾和相移後影像之放大部份。此逆轉換影像內之黑白面積，是經由所應用相位對比法所得實際強度值。可見相位SLM 6的二進相位分佈，由於非線型轉變功能，在中間物/像平面26轉變成幾近二進式強度分佈。中間物/像平面26為第一4f系統21和第二4f系統22所共同。轉變影像可用做第二4f系統22之標的。

為供比較起見，第9圖表示振幅SLM之低通過濾和逆轉換影像。為低通過濾，採用計算第8圖所用直徑同樣為DAperture之傅立葉濾光器。因此，單一全像圖容量的結果，全像圖直徑在二種情況均相同，可見逆轉換影像的強度分佈，與使用相位對比法的振幅SLM和相位SLM 6相似。第9圖內的影像有稍微較高對比。惟決定黑白圖元之決策計劃，對對比不敏感。資料寫碼於k×k圖元段，例如k＝3、4或5。每一段確含同樣數目m的白色圖元。於閱讀之際，只考慮到k×k圖元段內之最亮m圖元。第9圖內之模擬使用一定權值的低白率碼，有25%白率。接近12f系統20的第二傅立葉平面27之過濾影像全像圖，會很像低通過濾後振幅SLM之全像圖。中間物/像平面26後之光分佈，即在第二和第三4f系統22,23內，很像以相位對比法之振幅SLM和相位SLM 6。意即在相似位準的位元誤差率可達成同樣資料容量，不論使用振幅SLM或相位SLM。

第10圖表示逆轉換影像之模擬總能量(任意單位)，以兼為相位SLM 6和振幅SLM的低通過濾孔42之直徑DAperture為函數。相位SLM 6的曲線參數，是內圓形面積41之直徑DCentFlt。須知DCentFlt＝10和DCentFlt＝40的曲線基本上重搭。由圖可見使用相位SLM 6的總能量，比使用同樣條件的振幅SLM之總能量高約4－5倍。意即相位SLM 6的光效率，比振幅SLM的效率高約4－5倍。光效率改進的理論與白率呈反比例，因為以振幅SLM而言，黑色圖元會遮光。對相位SLM 6而言，來自轉換黑色圖元的光，移到逆轉換的白色圖元內。意即對同樣白率，使用具有相位對比濾光器的相位SLM的全像圖書寫時間，比振幅SLM的書寫時間短4－5倍。

第11圖表示逆轉換白色圖元的平均高峰強度(任意單位)，以兼為相位SLM 6和振幅SLM的低通過濾孔42之直徑DAperture為函數。相位SLM 6的曲線上之參數，為內圓形面積41的直徑DCentFlt。由圖可見逆轉換白色圖元之高峰強度，在相位SLM 6比振幅SLM高2－5倍，視內圓形面積41的直徑DCentFlt而定。此亦表示以相位SL M6對全像圖之書寫時間，比振幅SLM的書寫時間短。

第12和13圖表示基於模擬例，如何獲得DAperture和DCentFlt之適當值。由數值模擬，可以DCentFlt和DAperture為函數，計算位元誤差率。第12圖表示如此數值模擬的結果。縱座標是以對數標度之位元誤差率，橫座標為微米計之直徑DAperture。由線上的參數是中央濾光器的直徑DCentFlt，以微米計。可見對模擬全像儲存系統而言，介於1μm和20μm間的直徑DCentFlt，可得位元誤差率的最佳結果。位元誤差率和振幅SLM所得位元誤差率相同，或尤勝一籌。

第13圖表示視中央濾光器的直徑DCentFlt而定之位元誤差率。縱座標是對數標度之位元誤差率，橫座標為微米計之直徑DCentFlt，曲線上之參數為微米計之直徑DAperture。可見位元誤差率對較高濾光器直徑只緩慢遞增，但對很小濾光器直徑卻快速增加。

2．．．雷射二極體

3．．．發射光束

4．．．準直透鏡

5．．．第一分光器

6．．．空間性調光器

7．．．物光束

8．．．參考光束

9．．．極化分光器

10,20．．．全像儲存媒體

11．．．重構物光束

12．．．四分之一波板

13．．．陣列檢測器

21,22,23．．．4f系統

24,30．．．物平面

25,27,29．．．傅立葉平面

26,28．．．中間物/像平面

31－36．．．傅立葉物鏡

37．．．針孔濾光器

40．．．相移器

41．．．內圓形面積

42．．．環型區域

43．．．外面積

DCentFlt．．．內徑

DAperture．．．外徑

50．．．把相位資料圖型印記在物光束上

51．．．低通過濾物光束之傅立葉轉換

52．．．把相位資料圖型轉變成強度資料圖型

53．．．以強度資料圖型記錄全像圖

第1圖為全像儲存系統之簡圖；第2圖為3×4f(12f)全像儲存系統簡化圖；第3圖表示本發明相位對比濾光器；第4圖表示相位對比濾光器之側視圖；第5圖簡略表示使用相位對比濾光器之全像記錄方法；第6圖表示具有象徵性黑色和白色圖元的相位SLM放大部份；第7圖表示相位SLM通過相位對比濾光器後之傅立葉變換影像；第8圖表示相位SLM在中間物/像平面的低通過濾、相移和逆轉換影像；第9圖表示比較用的振幅SLM經低通過濾和逆轉換影像；第10圖表示以低通過濾孔的直徑為函數的逆轉換影像之模擬全能量；第11圖表示以低通過濾孔的直徑為函數的逆轉換白色圖元之平均高峰強度；第12圖表示因環型區的直徑DAperture而定之位元誤差率；第13圖表示因中央濾光器直徑DCentFlt而定之位元誤差率。

40．．．相移器

41．．．內圓形面積

42．．．環型區域

43．．．外面積

DCentFlt．．．內徑

DAperture．．．外徑

Claims (10)

1. 一種全像儲存媒體(10)之書寫裝置(20)，具有相位SLM(6)，把二維度相位資料圖型印記在物光束(7)上，其特徵為，裝置含有：共同途程干擾器(31,32,40)，把物光束(7)的相位資料圖型轉變成強度資料圖型，和物鏡(33)，把參考光束(8)和具有強度資料圖型的物光束(7)，照射於全像儲存媒體(10)者。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置(20)，其中共同途程干擾器(31,42,40)包含具有非線型轉變之相位對比濾光器(40)者。
3. 如申請專利範圍第2項之裝置(20)，其中相位對比濾光器(40)具有內圓形面積(41)，把物光束(7)的傅立葉轉換之中央部份相位移動第一數值；以及內圓形面積(41)周圍之環形面積(42)，把物光束(7)的傅立葉轉換之外部部份相位移動第二數值者。
4. 如申請專利範圍第3項之裝置(20)，其中第一數值和第二數值間之差異，為數在"π"之相對相移者。
5. 如申請專利範圍第2、3或4項之裝置(20)，其中相位對比濾光器(40)有外部遮光面積(43)，供低通過濾物光束(7)之傅立葉轉換者。
6. 一種把資料圖像書寫於全像儲存媒體(10)之方法，其步驟為：-使用相位SLM(6)把二維度相位資料圖型印記(50)在物光束(7)；-使用共同途程干擾器(31,32,40)，把相位資料圖型轉換(52)為強度資料圖型，和-把參考光束(8)和具有強度圖像之物光束(7)，照射於全像儲存媒體(10)者。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中相位資料圖型係利用相位對比濾波器(40)，以非線型轉變，轉變(52)成強度資料圖型者。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中相位對比濾波器(40)具有內圓形面積(41)，把物光束(7)的傅立葉轉換之中心部份相位移動第一數值；以及內圓形面積(41)周圍之環形面積(42)，把物光束(7)的傅立葉轉換之外部部份相位移動第二數值者。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中第一數值和第二數值之差異，為數在“π”之相對相移者。
10. 如申請專利範圍第7、8或9項之方法，又具有步驟為，把物光束(7)之傅立葉轉換加以低通過濾(51)者。