常用的存储器有磁芯、磁鼓、磁盘、磁带等磁性存储元件和光盘、缩微胶卷等光存储器。光盘存储与磁盘存储技术相比，最主要的优点是其存储容量大，一张只读光盘（CD-ROM）可存储的信息容量是相同尺寸软盘容量的500～1 000倍，其存储密度可达2×106bit/mm2。例如，日本索尼公司的φ120 mm蓝光盘DVD，其最大容量达27 Gbit，存储密度则为2.39×106bit/mm2。但光盘技术这种按位存储和读出的“串行”方式和常规磁盘存储相似，要求读写头相对于记录介质做机械运动，因而光盘的记录密度被限制在机械调节的精度以内，数据传输速率也受到低速机械运动的限制。当前光盘技术的前沿研究已使光盘存储的容量接近光学极限，数据速率已达到每秒几兆字节，这虽然满足当前多媒体技术的需要，但计算机技术正在向高速、并行性和智能化方向发展，对于并行的操作方式，特别是对于以模式识别见长的光计算技术来说，按位存取的磁盘和光盘显然不能满足需要，要寻求一种既能并行写/读，提高数据速率，又能增大存储容量的海量存储技术。激光全息存储则是一种最佳的选择。
全息存储器就是用全息照相方法进行图像、文字等资料的存储，需要时采用重现光束读出（采用原参考光寻址）。全息存储器具有下列独特优点：
（1）全息图本身具有成像作用，因此，即使不用透镜也能写入和读出信息。
（2）与按位存储的磁盘及光盘不同，全息图以分布式的方式存储信息，每一信息位都存储在全息图的整个表面（平面全息）或整个体积中（体全息），因此，冗余度大，全息图片上的尘埃和划痕等局部缺陷对存储的影响小，也不会引起信息的丢失。
（3）既能在二维平面上记录信息，又能在三维空间内进行立体存储，还能够使很多信息多重叠加。因此，全息存储器可以作为大容量高密度存储器。
（4）有可能被用作有联想记忆功能的存储器，即全息联想存储器（Holographic Associative Memory）。
（5）能与计算机联机实现图文原件的自动检索，数据读取速率高且可并行读取。全息图采用整页存储和整页读取的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出。此外，全息数据库可以用无惯性的光束偏转（例如声光偏转器）来寻址，不一定要采用磁盘和光盘存储中必需的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高。
（6）用于记录全息图的材料不仅具有抗干扰能力强和保存时间久等优点，还能够大量生产，价格比较便宜。
光全息存储技术被认为是最有潜力、能与传统的磁性存储技术以及光盘存储技术相竞争的技术。
2.高密度全息存储器
全息照相对信息的大容量、高密度存储是通过记录图像或文字信息的傅里叶变换全息图来实现的。其原理光路如图5.9.8所示。图文信息（透明片）置于变换透镜L3的前焦面上，全息底片置于后焦面上，把欲存储的信息通过变换透镜L3制作成直径约为1 mm的点全息图，排成阵列形式。具体记录时，要将全息底片H微微移离透镜L3的后焦点，造成一定的离焦量（大约是焦距长的1%），其目的在于使光束在H上的光强分布均匀，从而避免底片工作于非线性区。重现时可采用细激光束照明。
图5.9.8 高密度全息存储光路
全息图的存储密度由光学系统的最小分辨距离δc决定，而δc又由系统的截止频率ρc决定：δc=
。对相干照明ρc=
，D为系统光瞳直径，故δc=
。选择相对孔径大的透镜，会使δc更小，从而增大信息存储容量。
计算表明，光学全息存储的信息容量要比磁盘存储的信息容量高几个数量级，而体全息图的信息存储容量又比平面全息图的信息存储容量大得多。例如，用平面全息图存储信息时，与DVD盘片同样大小（φ120 mm）的全息光盘可存储高达1 Tbit的数据，是DVD光盘容量的近40倍，其存储密度达到88.4×106bit/mm2，而体全息图的存储密度却可高达1013bit/cm3。
在这种全息存储器中，既要考虑高的存储密度，又要使重现像可以分离开，互不干扰，因此常常采用以下两种记录方式：
（1）空间叠加多重记录
在全息图的同一面积或体积内，一边改变参考光相对于全息图的入射角，一边顺次将许多信息重叠曝光，进行多重记录。重现时只需采用细光束逐点照明此全息图，在其后适当距离处的屏幕上观察，通过改变重现光的入射角就能读取所需要的信息。
（2）空间分离多重记录
把待存储的图文信息单独地记录在一个一个微小面积元上（即点全息图），然后空间不相重叠地移动全息图片，于是又记录下了另一个点全息图。如此继续不断地移位，便实现了信息的多重记录。信息的读取是通过变化重现光入射点的位置来实现的。
全息存储技术在光计算领域，如光学神经网络、光互连，以及在模式识别和自动控制等领域中有广阔的应用前景。美国奥斯汀微电子学计算机技术公司（MCC）的G.Willenbring指出，正在出现的并行高性能计算机需要更高的输入/输出速度，这种速度可利用全息存储技术得到满足。已知磁盘的存取时间约为10 ms量级，而全息存储器的存取时间比磁盘快3～4个数量级。全息存储器有望存储几千亿字节数的数据（目前光盘是6.4亿字节数据），并以大于或等于109bit/s的速度传送数据，可在100μs或更短的时间内随机选择一个数据页面[1]。因此，在存储密度、存储容量和存取时间3个指标上，其他任何一种存储技术都不及体全息存储。1992年，美国的Northrop公司在1 cm3掺铁铌酸锂晶体中成功地存储了1 000页的数字数据，并无任何错误地复制到数字计算机的存储器。1994年，美国加州理工学院在1 cm3掺铁铌酸锂晶体中记录了10 000幅全息图；同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中，并重现了这些数据，而图像质量无显著下降。这些事实说明，体全息存储器已接近实用化阶段。1995年，由美国政府高级研究项目局（ARPA）、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会（NSIC）主持下，投资约7 000万美元，实施光折变信息存储材料（PRISM）和全息数据存储系统（HDSS）项目，预期在5年内开发出容量为1万亿位数据、存储速率为1 000 Mbit/s的一次写入或可重复写入的全息数据存储系统。现在这个目标已经实现。因此，全息存储技术被《福布斯》杂志评为2005年世界十大最酷科技之一。
3.全息加密存储
全息加密存储包括编码（Encoding）和解码（Decoding）两个过程，其原理光路如图5.9.9所示。作全息存储记录时，用位相介质D制作一个编码板，将其放在物体和全息底片之间，物波通过编码板后发生波面变形，参考光波不通过编码板。这样，全息图片上记录了变形后的物光波面。重现时用共轭参考光R*照明全息图。这时由式（5.1.8）中第3项知，重现出的光波是与原变形物光共轭的光波，因而形成一个模糊的物体实像。若光路中仍旧加入编码板D，则变形的共轭物光波通过编码板后，复原为原来的物光波，形成与原始物体相同的实像。这一过程称为解码。
图5.9.9 全息加密存储原理光路(www.xing528.com)
上述过程可以用分析式表述如下：
设τ=
是描述位相物体D的透过率函数，则在记录时经位相板D后射到全息干板上的物光波O′可表示为
而当用共轭参考光R*重现此全息图时，式（5.1.8）中的第3项变为
此时观察到的是经过位相板D调制后的实像波面，位相板已使原物实像波面发生了畸变，这实际上就是对全息图像进行了编码。
当使畸变波E′3再次通过位相板D时，E′3将变成
所得到的波面就是原物光波准确的实像。这样就实现了全息图的解码。
因此在这里，位相物体D既是编码器，又是解码器。当然，解码时必须将编码器精确复位才能获得良好的效果。
由上述讨论可知，适当选择编码器的形状可使物光波严重畸变，面目全非，从而实现加密的目的。图5.9.10是一种用有机玻璃制作的带余弦剖面的位相编码器。图5.9.11是采用此编码器获得的编码、解码效果。编、解码效果都比较令人满意。
图5.9.10 余弦剖面位相编码器
图5.9.11 采用余弦剖面位相编码器得到的结果
图像加密的方法很多。例如，可以采用周期性位相掩模，也可采用非周期性位相掩模（例如1.8节中所提到的编码脉冲信号），还可以使编码位相板紧贴全息干板，使被记录的物光和参考光同时受到位相调制。甚至也可以保持原有图案而将另一图案（密码或标记）记录于其上，达到加密的目的。通常是采用傅里叶变换方法，把一幅用作密码标记的图案的傅里叶频谱巧妙地记录在待加密图案的适当位置。这在防伪领域是十分有用的。
4.全息相关存储器
图像与字符识别是全息存储器在光学信息处理中应用得最广泛的一个领域。图像与字符识别的目的是要确定待识别的图像或字符特征是否在输入图像中存在。这种存储器可用于检验信用卡、支票、证件的真伪，以及鉴别罪犯的指纹等。将待识别的图像或字符用全息照相方法记录在全息图中，构成特征识别存储器（又称为空间匹配滤波器），然后用它与输入图像进行相关识别。与其他光全息存储器不同，使用这种存储器时，不是重现某种图像，而是读出相关信号。相关信号可以是一个亮的光点，也可以是一个光电脉冲。例如，要在许多指纹图案中识别是否有罪犯的指纹，可将罪犯留下的指纹制成特征识别全息存储器，然后将它放入特征识别相关运算系统中与输入的众多指纹进行相关识别。若在相关平面上出现了光强峰值，便得到了罪犯的作案证据。
关于这种相关存储器的详细讨论，以及全息照相在光学信息处理中的应用，请参考第7章。
本章重点
1.菲涅耳点源全息图原理。
2.全息记录介质的特性。
3.几类典型的全息图（原理、记录光路）。
4.光栅方程。
5.全息照相的应用。
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