全像術的新應用

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Apr 23, 2003

編輯 Agape 報導

隨著相關產品的問世﹐全像術(holography)在沉寂了十年之後﹐又捲土重來。

不可否認的﹐現今的時代是一個資訊爆炸的時代。各方面科技發展所產生的新知﹐由於其龐大的資料量﹐使得能夠有效並長久安全地存取資料的系統﹐越來越重要。到目前為止﹐不論是磁帶﹑磁碟﹑光碟﹐都是利用磁性或光學原理﹐將資料儲存在這些物體的表面。隨著各學門單位資料量的激增﹐這種僅利用物體表面存取資料的方式﹐似乎已經不太夠用。

早在十年前﹐當人們預期當時的磁碟技術已經面臨瓶頸時﹐就有人開始著手研究利用全像術的原理﹐進行資料的存取。然而﹐隨著製造技術的進步﹐磁碟儲存的容量一再地被提昇﹐使用全像術的發展﹐也就逐漸乏人問津。直到最近﹐少數鍥而不捨的科學家們﹐克服了材料與技術上的難題﹐發展出使用全像術作為資料存取的商品雛型。

所謂的全像術資料存取﹐最早是由在麻省劍橋拍立得(Polaroid)實驗室的Pieter van Heerden在1963年所提出的。這種技術是將代表資料的0與1訊號﹐以明暗的二維像素投影在螢幕上﹐形成一頁代表該資料的圖案。再以雷射光從圖案的背面往前照射﹐產生一個稱為資料波(dada wave) 的投影。資料的儲存﹐則是將這頁投影﹐與另一頁作為參考資料波的投影﹐一起投射在一個對光的明暗有不同反應的透明物體上。這兩頁資料波彼此干涉所產生的二維波峰(明)與波谷(暗)圖案﹐便會儲存在這物體中。這種資料儲存的特點﹐在於由於每一頁的二維干涉圖案﹐產生的方式(入射角度﹑波長)都不同。因此﹐只要透過調整產生干涉時﹐參考波的入射角度﹐便可以將不同頁的資料波﹐儲存在物體中的不同部位。當要把所儲存的資料讀出來時﹐只要另外利用一束雷射光﹐透過特殊的角度﹐就可以讀取該在角度下所儲存的資料。至於讀出的光訊號﹐則可以將其投射在攝影機上﹐在利用電腦軟體來分析。由於整個過程可以在二維的平面進行﹐屬於平行處理﹐比磁碟逐個位元組存取要迅速許多。

起初全像術資料存取所面臨的問題之一﹐是用來儲存資料的感光物體﹐其明暗對比的信號不夠明顯。科學家們通常所使用的物質﹐是一種透明的光聚合物(photopolymer)。基本上﹐它是在被圖案的明亮部份照射時﹐其中的單分子(monomer)組成﹐會結合成為聚合物(polymer) ﹔未感光的部份﹐則不受影響。但是由於一般光聚合物中﹐聚合物部份與單分子部份的透光率相差不夠明顯﹐以致於必須使用高功率雷射才能達成讀取資料的目的。這個限制﹐使得這種技術無法應用在個人電腦上。在去年﹐日本東京電通大學的Yasuo Tomita與其研究同事﹐發現在甲基丙烯(methacrylate) 這種光聚合物中﹐加入二氧化鈦(TiO2) ﹐便可以提供信號的明暗對比。雖然在應用於個人電腦上仍有一段距離﹐但是這樣的物質已經可以用較低功率的雷射﹐來進行資料的存取。

另外一個問題﹐是如何製造厚度足夠儲存與目前光碟片容量相當或甚至更多資料的光聚合物。如前面所介紹的﹐全像術是在物體的實際空間中﹐進行資料的存取。所以這些物體的厚度﹐必須提供足夠的空間﹐讓資料波產生干涉。也就是說﹐物體的厚度至少須有數十個光波長(至少約幾毫米) 。在過去﹐由於技術問題﹐光聚合物的薄膜始終無法超過一毫米。在渥太華微米結構科學院的Pavel Cheben與西班牙馬德里Complutense大學的Maria Calvo﹐合作開發出利用多孔性(porous)的矽晶玻璃(silicon glass) ﹐達成在一毫米厚的物體中﹐儲存達100個干涉圖案(資料波) 的結果。

電腦巨人IBM﹐也曾經對全像術資料存取﹐花過一番心血。然而由於磁碟的不斷進步﹐使得這個計劃就此打住。但是﹐經過一些非主流公司﹐如InPhase與Aprilis的努力﹐這項技術如今已經有產品問世。他們的目標買主不在一般個人用戶﹐乃在於像環球電影等需要處理大量多媒體資料的企業。InPhase的副總裁Lisa Dhar即表示﹐一段60分鐘未經壓縮的影片﹐相較於1600米的底片與100張DVD﹐利用她們的產品﹐僅須三張全像碟片。

最後﹐全像術資料存取獨特的地方﹐不但可以用特定波長與入射角的參考波﹐來讀取資料。也可以使用某個資料波﹐進行特定參考波的搜尋。這個特性﹐也可以用來根據模糊(fuzzy﹐乏晰)理論﹐進行搜尋具有相似內容(干涉強度) 的參考波。這個特性已經被加州理工學院的Dmitri Psaltis﹐應用在電腦視覺的研究上﹐製造出利用搜尋全像記憶資料﹐可以進行即時(real time)導航的機器人。

曾有人作過統計﹐在二十世紀人類科技新知的發展﹐已經超過了過去人類科技發展的總和。而未來每十年﹐各領域相關的知識又會加倍更新。看來﹐屆時達天文數字的資料量﹐還真得借助全像術的資料存取。

原始論文：

Nature: The light fantastic

參考來源：