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EML-FCRPC Paper 04｜聲光耦合與動態場容器：超音波、可變介質與閉迴路光場控制

english_title

Acousto-Optic Coupling and Dynamic Field Containers: Ultrasound, Reconfigurable Media, and Closed-Loop Optical-Field Control

series

EveMissLab Field-Container and Reconfigurable Physical Computing

series_abbreviation

EML-FCRPC

paper

04 / Acousto-Optic Coupling and Dynamic Field-Container Control

version

0.1

date

2026-10-22

status

Public-facing research draft; not yet published or submitted

author

Neo.K

research_assistance

Aletheia (AI-assisted technical synthesis and drafting)

institution

EveMissLab／一言諾科技有限公司，台灣

document_class

Engineering Concept / Research Agenda / Physical Control Model (E/R/T)

evidence_level

E0 for the integrated EML-FCRPC acoustic-optical field-container architecture; cited physical effects and outside experiments carry independent evidence

language

zh-TW

canonical_format

UTF-8 Markdown; canonical math delimiters: $...$ and $$...$$ only

license

Undecided; explicit author approval required before public release

EML-FCRPC Paper 04

聲光耦合與動態場容器

超音波、可變介質與閉迴路光場控制：從外緣致動到可驗證的三維計算作用域

Acousto-Optic Coupling and Dynamic Field Containers: Ultrasound, Reconfigurable Media, and Closed-Loop Optical-Field Control

研究性質聲明：本文提出受控聲場作為外部三維光學計算容器之可配置介質控制層的工程研究框架。它不宣稱已經製造出 EveMissLab 聲光場容器、不把聲學懸浮顯示當成可級聯光學邏輯、不把聲波視為能永久禁錮雷射的實體容器，也不對尚未量測的效率、位元密度或運算性能提出實測數值。既有文獻支撐的是特定聲光作用與場配置能力，不是本系列完整系統的驗收。

關鍵詞：場容器；聲光耦合；超音波；可變折射率；動態聲場；氣體聲光調變；相位陣列；布拉格繞射；Raman–Nath 繞射；三維光學計算；場控制；空間投影；閉迴路控制；物理量測；可辨識性；FCEI；DNGP；TCE；GCCFT。

作者： Neo.K
機構： EveMissLab／一言諾科技有限公司，台灣
日期： 2026-10-22
版本： 0.1

摘要

本文承接 EML-FCRPC Paper 00–03，回答尚未閉合的關鍵工程問題：若「外部場容器」由外圍光學發射、超音波致動、有限物理介質與量測裝置界定，而中央計算機及 AI 只持有任務配置、啟動、同步、觀測、驗證與安全控制權限，那麼聲場究竟能在多大程度上成為三維光學計算域的動態控制結構？

作者提出的產品形象是一台具有外側發射／致動層與內部物理場域的盒狀裝置：最外緣配置發射器、感測器及必要防護；內部則允許多路光學訊號與受控聲場共享空間。聲學控制可用來改變介質的密度、折射率、聲學勢能、微粒位置或其他條件，使光的傳播、相位、方向、模式或讀出改變。此處的「場容器」不是將光束封存在透明立方體中的既有物理裝置，而是有界、可編程、可觀測、可校準且可安全停止的物理作用域。其表面可以被三維 UI 視覺化，卻不由視覺表面決定計算是否成立。

本文建立聲場 $p(\mathbf r,t)$ 、折射率擾動 $\Delta n(\mathbf r,t)$ 、光學複數振幅 $A(\mathbf r,t)$ 與觀測 $y(t)$ 之間的受限耦合模型，並嚴格分開四件事：聲學配置、對光的物理作用、可用於運算的輸入輸出映射，以及可能服務於人機介面的體積顯示。本文提出「聲光場控制輪廓」（FCEI-AO Profile v0.1），擴充 Paper 02 的 FCEI，但不改寫其正典權限與結果回執；用帶版本的配置、控制更新、校準、量測窗口、拒絕判定和安全約束，將抽象構想拆成可以獨立測試的技術門檻。

本文將實驗路線分為純軟體的耦合波動模擬、受控且不預設光學硬體的數位雙生／低風險學術驗證、專業設施內的有限物理聲光試驗，以及遠期多區域動態場容器。核心可證偽命題不是「聲音能控制光，所以已存在聲光 CPU」，而是：與固定介質或無聲致動的可比基線相比，受控聲學配置是否能在計入建立、量測、重配置、校準與全系統能源成本後，擴大某一有限任務族的有效光學運算控制空間？

本文新增的貢獻是以整合架構、物理限制、能力契約、識別性測試及證據規則表達這個命題；不宣稱發明聲光效應、聲學全息、相位陣列、體積顯示或光學邏輯。

0. 系列定位與研究問題

0.1 前四篇如何到達這裡

Paper 03 已明確指出，光束在通常的線性空氣中交會不等於彼此發生非線性運算。本篇不得透過加入「超音波」三個字便迴避這個限制。即使聲場使折射率具有時空變化，也要確認某個任務函數究竟由：光學傳播、材料非線性、讀出閾值、聲學調制，還是電子後處理實現。

0.2 本篇的五個核心問題

1. 如何以可測試的模型描述聲學致動如何改變介質並影響光學傳播？
2. 哪些空間區域是可以控制的，哪些只是數值模型或顯示器中的理想體素？
3. 一次控制更新與一次光學測量如何在時間、相位和校準上正確對齊？
4. 哪種結果才足以證明受控聲學層改善了計算映射，而非只改善視覺演示或單次偏轉？
5. 如何透過 FCEI 讓 AI 建議配置，卻由獨立權威檢查物理可行性、量測證據與安全界限？

0.3 研究目標不是超聲波版 CPU

本篇不預設聲學場的功能集合足以支持通用處理器。較合理的近期研究對象是：可調光路、聲控繞射、模式路由、有限矩陣變換、動態感測和特定物理儲備池；其中只有通過編碼—輸出對照的部分，才可稱為實作了計算。純演示型體積顯示與真正任務運算須分開呈現。

1. 外部聲光場容器：三層盒子不是三道魔法牆

1.1 三類邊界

我們將一台概念裝置的邊界區分為：

• 幾何邊界 $\partial\Omega_g$：設計者聲明的有效三維運作域，含幾何、座標和取樣範圍；
• 物理邊界 $\partial\Omega_p$：真實隔離、聲學反射／吸收、光學遮蔽、終端吸收及環境條件所造成的作用限制；
• 權限與安全邊界 $\partial\Omega_a$：允許何種發射、致動、測量、維護與人員接近的獨立安全契約。

三種邊界並不必然共面。把 UI 繪出的立方體頂點當成真實光能束縛的位置，將錯誤混淆視覺與物理語義。

1.2 最小容器本體

定義候選聲光場容器為：

其中 $\Omega$ 為有限空間區域； $\mathcal B_a$ 為聲學邊界致動； $\mathcal B_o$ 為光學寫入和讀出端口； $\mathcal M$ 為介質及其模型； $\Theta$ 為可配置參數與版本； $\mathcal O$ 為觀測映射； $\mathcal A$ 為任務與權限； $\mathcal S$ 為安全及失效處理。

定義中的容器是一份可實作的作用域契約，不是聲波實際形成一個永遠不讓光離開的封閉空間之主張。

1.3 空間角色的物件分離

1.4 哪一部分算「外部運算」？

中央機可事先求解聲場配置、光學編碼和讀出函數；物理場承擔配置後的波動演化。但不能把所有中央計算都忽略，再將現場發生的自然現象稱為零成本運算。對任務 $f$，必須證明物理場傳遞了可用的輸入依賴映射，並將採樣、初始化、解碼和失敗重試全數計入成本。

2. 物理基礎：聲場如何改變光的傳播條件

2.1 聲學場的基本描述

在小擾動、近似均勻的介質與線性聲學範圍內，可用壓力擾動 $p(\mathbf r,t)$ 描述聲場。最簡化的參考方程為：

其中 $c_s$ 為所建模介質中的聲速， $s_a$ 為等效聲學源項。邊界反射、黏滯與熱耗散、介質流動和非線性若不可忽略，必須增加相應項；此式不是適用於任意高強度、多相材料或任意形狀容器的完整模型。

聲場配置參數可用有限維向量 $\boldsymbol\theta_a$ 近似描述，包含某一裝置可實現的致動通道控制量；不把抽象控制向量直接當成可在每個體素獨立設定壓力的證明。

2.2 折射率擾動不是直接由 AI 指定的魔法場

聲學壓力、密度、溫度和材料應變可能使折射率產生變化。有限弱擾動、固定環境及經校準條件下，可採一階局部近似：

$\chi_p$ 是在指定介質、溫度、濕度、頻率與操作區間下的有效壓力—折射率係數，單位可取 $\mathrm{Pa}^{-1}$。它不可不經測量便當作跨氣體、液體、玻璃通用的常數。必要時應以 $\Delta n=\mathcal N[p,T,\rho,\ldots]$ 的非線性或耦合形式取代。

光的波前經過這個介質，會累積路徑相關相位；在適當近似下：

其中 $k_0=2\pi/\lambda_0$ 為真空波數， $\gamma$ 是光傳播路徑。這表示量測常只得到沿路徑整合的結果，而不是任意位置的獨立折射率。要反推三維分布，可能需要多角度觀測與正則化，而且逆問題不一定可唯一辨識。

2.3 凍結介質近似的條件

若一次光學穿越時間 $\tau_o$ 遠小於聲場明顯變化時間 $\tau_a$，可以對單次光場傳播採取「近似凍結的折射率」：

這不是說聲場永遠靜止，而是某次光學取樣中可把它視為準靜態背景。若是行進聲波、頻移或高速取樣問題，必須使用時變耦合模型；不能把凍結場模擬用在跨聲學週期的累積讀取卻不說明誤差。

2.4 光學包絡的受限近似

在標量、傍軸、緩變包絡、弱折射率擾動的適用範圍內，可寫：

其中 $A$ 是複數光學包絡， $k=n_0k_0$。這個式子保留了橫向繞射及由介質擾動造成的相位變換。它不描述所有偏振耦合、近場效應、極強非線性、電離、等離子體或高數值孔徑現象；在這些情況必須換用更完整的電磁模型。

2.5 聲學線性不等於光學邏輯非線性

上式中 $A$ 對固定 $\Delta n$ 仍可構成線性傳播算子；相同聲場背景下兩路光束的線性組合，通常依線性性質演化。若最終偵測使用 $|A|^2$ 和數位判閾，即使得到非線性布林映射，也不代表兩束光在介質中直接彼此改寫。若聲學回饋受到光強影響而產生雙向耦合，則需要獨立建立其機制及有效性。

3. 聲光效應的三個不同運作輪廓

3.1 AO-R：聲控光學路由（Acoustic-Optical Routing）

目標為透過受控折射率擾動或聲光繞射，改變光路方向、繞射階次、通道分配或模式權重。對某些固定輸入與聲學配置，觀察到輸出端能量分布變化可支持「聲控路由」，但未必支持「任意邏輯運算」。

最低驗證：聲場啟閉和配置切換造成的可重複傳輸矩陣差異、感測器交叉確認、背景漂移排除，以及已知模型對照。

3.2 AO-T：受控光學變換（Acoustic-Optical Transformation）

目標為使一組光學模式經聲學可配置介質後發生可量測變換；可以是受限矩陣、影像濾波、相位調制或頻率路由。任務可寫為：

$H$ 是依聲學配置而變的有效傳輸算子； $\boldsymbol\eta$ 含測量噪聲與模型誤差。若僅在少量校準樣本上擬合 $H$ 而缺乏留出資料測試，不能宣稱形成穩健的可程式光學函數族。

最低驗證：每一配置下獨立量測的 $H$ 、未參與校準的測試輸入、誤差上界、重配置成本和讀出一致性。

3.3 AO-M：聲控物理媒介與顯示（Acoustic-Material and Display）

聲場亦可操控微粒、液滴或散射中心，再由光照亮它們形成可見的三維圖像。這能為人機空間投影提供支線技術，也可能提供有歷史依賴的材料狀態。但它不自動形成多位元記憶體、可級聯光學邏輯或高解析度實體體素處理器。

最低驗證：被操控物件位置、穩定度、可見性及刷新能力；若聲稱計算，還需要另行證明任務輸入如何改變可讀輸出。

3.4 三個輪廓可共存，但不能混用證據

在同一實驗中，AO-R 可以支援 AO-T，AO-M 可以輔助可視化，但三者的結果應各有識別符、測量條件和驗收規則。一篇以單顆微粒顯示出的立體畫面作為主結果的研究，不應在沒有進一步測試時被轉述成「完成三維光學邏輯矩陣」。

4. 已發表技術的有效支撐與不可跨越的結論

4.1 空氣中的聲光調變：真的存在，但不是任意場 CPU

Schrödel 等人在 Nature Photonics 於 2023 年 10 月 2 日先行線上發表、後收錄於 2024 年第 18 卷的研究，展示利用強聲場在環境空氣中調變雷射脈衝傳播，達成受控偏轉。[E1]

其意義在於：不必每一種光束調節都依賴傳統穿透式固態光學元件，氣體中的受控密度／折射率擾動也能發揮部分聲光功能。然而該研究使用專業高強度光學實驗條件；不應因此推論一般桌面超音波即可高效率操縱任意低功率可見光，亦不可把其高峰值功率條件當作 DIY 設備建議。

4.2 聲學全息與相位陣列：重配置具有先例

Cox 等人在 Physical Review Applied（2019）展示聲學全息元件與多通道超音波相位陣列結合，可在保留全息聲場品質的同時提供可調位置的聲學作用區，支援特定微粒操控。[E2]

這對場容器的啟發不是「已能任意寫入每個三維體素」，而是場的配置可以由實際可調參數產生空間分布，而非只能依賴固定金屬壁或被動結構。其可控自由度、聲場範圍、反射和實際獨立聚焦點數必須依裝置量測，不能由理想網格數推出。

4.3 體積顯示：證明可見空間物件，而非可用位元陣列

Hirayama 等人在 Nature（2019）以聲學捕捉並移動受光照微粒，展示整合可視、可聽與觸覺內容的體積顯示。[E3] 這是場與物質的整合展示，對未來人機交互有重要參考價值。然而亮起的視覺點可能是掃描運動與視覺暫留共同造成的知覺結果，並非某一時刻空間中存在相同數量的獨立可計算物理位元。

4.4 可配置聲場的歷史研究

Marzo 等人於 Nature Communications（2015）展示全息式聲學元件與超音波捕捉的粒子搬運、旋轉等能力。[E4] 這支援三維場域的物理致動及聲學勢能配置，卻不意味聲學作用本身能承擔任意的電子邏輯語義。

4.5 與 Paper 03 光學計算先例的連接

Bhatt 等人於 Nature Communications（2026）展示可重配置自由空間繞射光學的多種邏輯及算術輸出。[E5] 該實驗並不需要本文的超音波介質控制，亦不能反過來充當聲光場容器已實現的證據。若未來將聲控變換與此類讀出架構結合，新的聲光貢獻必須以消融實驗單獨識別。

4.6 共同結論

現有研究分別支持聲學配置、氣體聲光調變、粒子捕捉與光學邏輯等局部技術。尚未由這些研究直接證明的，是本篇提出的「可重配置、可驗證、可由中央計算機調用的三維外部聲光計算場容器」整套產品。其整合架構仍列 E0。

5. 光學相位、聲學相位與計算相位必須分開

5.1 三種相位

• 光學載波相位 $\phi_o$：決定相干干涉關係，涉及光學頻率、光程與源相干性；
• 聲學驅動相位 $\phi_a$：不同超音波致動端輸出的相對時間與相位關係；
• 計算／排程相位 $\phi_c$：GCCFT 或任務排程用來描述就緒、協同或工作階段的抽象狀態。

它們可以透過設備控制互相約束，但不可因同名便以 $\phi_o=\phi_a=\phi_c$ 合併。

5.2 時間事件與相干參照

一項物理測試可以有以下事件：配置確認、聲場建立、光學輸入寫入、讀取器曝光、場復位、原始資料封存。中央時鐘可幫助追蹤事件先後，但不能單靠網路時間同步保證光源間的載波相干或聲波相位鎖定。

5.3 五種相關時間尺度

定義：

其代表光學穿越、聲學傳播、聲場建立、感測整合與重新配置時間。一次實際執行還可能包含 $\tau_{cal}$ 校準及 $\tau_{verify}$ 驗證。不能只取極短的 $\tau_{prop,o}$，便說整個計算機已具備同等低延遲。

5.4 聲學速度限制場配置更新

對一個特徵尺度 $L$ 的區域，場的局部變化至少受聲學傳播與邊界反射等因素限制。 $L/c_s$ 只能是理想傳播尺度的量級提醒，不是所有實驗的精確穩定時間；真實穩態建立可能受反射、共振、阻尼、設備響應與演算法控制影響。

5.5 將測量窗口綁定到場配置

若在同一讀出窗口中更換聲學配置，觀測可能是兩個不同 $H(\boldsymbol\theta_a)$ 的時間混合：

因此任何結果若未記錄配置時刻、穩態判準及感測積分區間，即使能得到漂亮圖像，也無法嚴格歸因於單一聲光配置。

6. 從聲學致動自由度到有效三維可控性

6.1 顯示 10,000 個格子不等於能獨立控制 10,000 個位置

數值模擬可能在大量離散體素上計算 $p$ 或 $A$。但這些網格是用來求解波動方程的採樣點，不保證等數量的獨立硬體控制器、獨立聲場模式或獨立光學讀出通道。

6.2 線性化控制與量測的識別問題

給定某一工作點 $\boldsymbol\theta_a^*$，可用局部雅可比矩陣描述聲場致動參數對可觀察結果的影響：

$J$ 的數值秩、奇異值及條件數，可揭示某些控制方向是否幾乎不可辨識。它是局部線性化診斷，不能替代完整非線性控制性證明。當奇異值很小時，所謂「可控制很多體素」可能只是模型參數較多，實際讀出對其不敏感。

6.3 可控制性與可觀測性必須分別測量

6.4 任務相關控制比追求完整場控制更實際

若一個任務只需要少量獨立模式，未必需要重建整個三維場。可將目標限制在可辨識的子空間 $\mathcal Y_{task}$：

其中 $\mathcal R$ 可包含控制量、空間平滑度、頻繁切換、熱或安全代理成本。這個式子是研究中的候選配置問題，不是保證全域最佳或物理可行的直接解。

7. 場容器的幾何可重構性與拓樸可重構性

7.1 不把移動光斑稱為改變拓樸

• 幾何變化：模式或聚焦區位置、尺寸、距離、方向發生改變；
• 權重變化：兩個輸入輸出模式之間的有效耦合強度改變；
• 連結變化：任務定義的有效作用通道啟用、失效或重新連接；
• 物理拓樸變化：介質連通、空腔、渦旋線或場的拓樸不變量在適當模型下發生可定義變化。

前三者可以透過測得傳輸算子或裝置連結來研究。第四者需要適當的拓樸定義和不變量，不能由畫面上的立體交叉線直接推出。

7.2 運算拓樸是任務相關的有效關係圖

對有限光學模式集合 $V$，可依可測的作用或傳輸關係構成圖：

$E_{eff}$ 是在指定閾值、輸入子空間與觀測契約下可辨識的有效耦合關係， $W$ 是權重。改變聲學配置可能改變 $W$，也可能讓某些有效通道跨越預先宣告的判定邊界；但這不等同於物理中真的出現一條導線。

7.3 與 TCE 和 GCCFT 的接口

TCE 可根據任務候選提出不同的模式圖或配置；GCCFT 可為多場、多任務、多資源的觀察與協調提供抽象表述。真正的聲光物理轉換仍由場模型與量測決定。尤其 GCCFT 的全域耦合不意味電磁場可以超過因果傳播速度，也不意味聲學場具有零延遲的全域配置能力。

7.4 無法保證每一種拓樸重組都提高效率

更多控制通道、複雜聲場或跨區回授，可能增加串擾、演化時間、能耗、測量不適定性和故障率。每一項拓樸設計的收益須在相同任務資料分布及相同完整成本口徑下檢驗。

8. 聲光系統何時真的「算了一次」？

8.1 從物理變化到計算的必要契約

定義任務輸入 $u$ 、物理控制參數 $\boldsymbol\theta_a$ 、物理演化算子 $\Phi_{AO}$ 、感測映射 $H$ 和解碼器 $D$：

$E$ 為輸入編碼， $\widehat f$ 為裝置所實現的近似任務函數。只有當 $\widehat f$ 在預先宣告的輸入集合和誤差條件下符合目標 $f$，並能重複、拒絕不確定讀數、提供可核查的測量來源時，才能將其視為某種計算後端。

8.2 三種不得混淆的計算歸因

1. 場內物理變換：聲光系統在光場傳播或材料動力學中完成非平凡映射；
2. 觀測轉換：固定讀點、光強平方律與閾值形成某種任務輸出；
3. 數位後處理：中央機對感測資料使用一般軟體運算，可能是整體結果的主要來源。

最嚴格的報告必須指出各步驟功能，避免把大部分數位分類能力歸功於場容器。

8.3 可否證命題 AO-H1：配置依賴性

命題：在凍結的輸入編碼、量測與解碼契約下，兩個合法聲學配置 $\boldsymbol\theta_a^{(1)}$ 和 $\boldsymbol\theta_a^{(2)}$ 能形成可統計分辨的光學傳輸行為。

否證情形：多輪漂移對照後兩者差異仍落在測量噪聲內，或差異全部可由非聲學干擾解釋。

8.4 AO-H2：對任務的新增控制能力

命題：與固定聲場或無聲學致動的光學基線相比，可配置聲學層對至少一個預註冊任務帶來有效的函數可達性或品質提升。

否證情形：在控制編碼、感測器、電子讀出及優化預算一致後，改進消失；或僅因額外後處理取得優勢。

8.5 AO-H3：重配置可回復

命題：在受控環境條件下，按 A→B→A 的序列切換配置後，A 的光學響應可回到事先聲明的容差區間。

否證情形：回復需大幅重新校準且成本超過事先設定門檻，或系統漂移造成不可辨識結果。

8.6 AO-H4：多模式配置增益

命題：增加控制模式能在一定範圍內提升某一指定任務的有效獨立變換自由度。

否證情形：模式數增加但有效秩、測量品質和可重現性未提升；或所增加自由度全部被串擾消耗。

8.7 AO-H5：全系統成本

命題：至少在某一具體任務、設備規模和誤差區間，聲學可重構性具有可量化的淨收益。

否證情形：加總配置、聲學致動、光源、讀取、電子轉換、校準及失敗回退後，聲光方案不如適當的數位／固定光學基線。否證不代表聲光效應不存在，只代表該任務上工程價值不足。

9. FCEI-AO：場容器聲光控制輪廓 v0.1（提案）

9.1 定位與權限

FCEI（Field-Container Execution Interface）已在 Paper 02 提出。本文只增加一個特定後端的 FCEI-AO Profile v0.1，不建立平行且互相衝突的新正典。DNGP、AI 或 Spatial Canvas 可以建立配置意圖；唯一可真正執行物理裝置操作的部分，仍是經獨立授權的硬體控制代理及安全系統。

9.2 聲光配置的必需資訊

9.3 純軟體模擬任務 JSON（規格示例）

以下是提議中的資料契約，不是現有產品服務端已回傳的格式，亦不包含真實雷射或超音波設備參數：

{
  "schema": "eml-fcrpc/fcei-ao-task/v0.1-proposal",
  "task_id": "demo:ao:config-dependence-001",
  "task_revision": 1,
  "source": {
    "system": "DNGP",
    "canonical_unit_id": "program-unit:demo:ao-17",
    "canonical_revision": 1
  },
  "execution": {
    "mode": "simulation_only",
    "backend_id": "digital-acousto-optic-simulator",
    "capability_version": "demo-v0.1",
    "configuration_id": "config:ao:demo-A",
    "configuration_revision": 1,
    "boundary_revision": 1,
    "acoustic_calibration_ref": "calibration:sim:acoustic-v1",
    "optical_calibration_ref": "calibration:sim:optical-v1"
  },
  "model": {
    "acoustic_field": "linear-acoustic-helmholtz-illustration",
    "medium_response": "small-signal-index-perturbation",
    "optical_field": "scalar-paraxial-illustration",
    "length_units": "normalized",
    "time_units": "normalized",
    "assumptions_ref": "assumptions:ao:sim-v1"
  },
  "observations": {
    "raw_data_required": true,
    "settling_rule_ref": "rule:demo:stable-before-read",
    "window_ref": "window:demo:01",
    "decoder_ref": "decoder:demo:pre-registered-v1",
    "held_out_dataset_ref": "dataset:demo:held-out-v1"
  },
  "governance": {
    "ai_proposal_only": true,
    "physical_actuation_authorized": false,
    "independent_verification_required": true
  }
}

此示例繼承 Paper 02 的 simulation_only 語義，以擴充輪廓形式聲明雙校準與聲光場模型。normalized 單位確保示例不被誤讀為物理裝置的實作設置。若未來與 Paper 02 正式 JSON Schema 整合，應採版本化映射，而不是默默將此候選欄位視為已部署的服務端標準。

9.4 聲光能力描述符

後端能力至少需要分辨：

• acoustic_field_generation：可以產生何種聲場；
• optical_modulation：可調方向、相位、繞射、模式或讀出之哪一個；
• supported_media：哪些介質經模型或實驗支持；
• independent_measurements：何種讀出／校準有可獨立檢驗的紀錄；
• configuration_update_class：靜態、分段準靜態或真正時間動態；
• validated_function_family：哪些任務族已經有證據支持；
• uncertainty_policy：在哪些條件下必須拒絕結果；
• safety_contract：實體權限、聯鎖和故障回退的固定要求。

若沒有能力聲明，AI 不應假設任意三維光學位元都能藉聲學配置獨立尋址。

9.5 回執與讀數來源

{
  "schema": "eml-fcrpc/fcei-ao-observation-receipt/v0.1-proposal",
  "execution_id": "run:demo:ao-0001",
  "task_id": "demo:ao:config-dependence-001",
  "mode": "simulation_only",
  "configuration_id": "config:ao:demo-A",
  "configuration_revision": 1,
  "boundary_revision": 1,
  "acoustic_calibration_ref": "calibration:sim:acoustic-v1",
  "optical_calibration_ref": "calibration:sim:optical-v1",
  "observation_ref": "observation:demo:ao-0001",
  "raw_data_digest": "sha256:placeholder-not-a-digest",
  "readout_decoder_ref": "decoder:demo:pre-registered-v1",
  "verdict": "INDETERMINATE",
  "verifier_ref": "verifier:demo:v0.1",
  "note": "Illustrative contract only: no physical trial or simulation result is claimed."
}

將來真的運行後，正式回執的摘要必須由真實原始資料位元組產生，並指向可取得的來源，而不是像這裡使用明確無效的佔位字串。後端不能因為偵測到某個預期影像而自動宣告演算成功；必須依測量窗口、校準與驗證任務判斷。

9.6 FCEI-AO 狀態機

Created -> Proposed -> SchemaChecked -> CapabilityChecked
        -> SimulationChecked -> Calibrated -> Authorized
        -> Settling -> Stable -> Exposed -> Acquired
        -> RawFrozen -> Decoded -> Verified -> Adopted

以上是候選正常路徑，而不是可繞過的固定工作日誌。任一狀態可能轉為 REJECTED、INDETERMINATE 或 SAFE_ABORT。純軟體後端只能產生模擬證據，不可因跑完測試便自動進入實體授權狀態。

10. 低階物理控制與 AI 的權限邊界

10.1 AI 可以設計候選，不能自行解除聯鎖

AI 可提出：希望出現哪種可辨識模式、採用哪些相位陣列策略、選擇哪些解碼器和負對照、是否重新校準。但實體光學與聲學安全限制由獨立控制器或人員管理。尤其不可讓可生成任意文字的模型直接輸出未經驗證的致動波形，並以其自身判斷取代安全審核。

10.2 確定性驗證器與 AI 候選分離

• Proposal：AI 或使用者選定研究目標與候選策略；
• Validation：確認能力、單位、校準、時間、源版本及模型約束；
• Authorization：實體操作依專業安全權限與聯鎖條件核發；
• Execution：硬體或模擬器執行；
• Verification：依事前規則檢查量測及任務結果；
• Adoption：由擁有寫入權限的來源系統承認結果。

這與 DNGP 的 Observation、Proposal、Candidate、Commit 分離相容，但不假設既有 DNGP 已經接入任何聲光硬體。

10.3 FCEI 不是實驗安全認證

即使 JSON Schema 和軟體測試全部 PASS，也不代表實體場容器符合雷射、電氣、超音波、人員曝露或適用設備標準。軟體語義驗證與現場工程安全是兩條獨立證據鏈。

11. 完整成本：聲場建立不會免費

11.1 延遲預算

對一次任務定義：

各項成本不可假設互斥或完全相加於實際平行管線；此式作為保守會計分項，若有真正重疊必須以事件記錄顯示重疊量。若模型對整體請求僅報告光學傳播時間，則會系統性低估聲學控制與讀取成本。

11.2 能量預算

各項必須指向互不重複的量測邊界。若有啟動與維持成本，應依單次任務或批次攤提方式報告，不能只擷取短時間光學場的局部功率與工作量作效率宣稱。

11.3 精度與失敗率

類比聲光場容易受到聲速變化、介質折射率漂移、環境噪聲、反射、機械公差、相位誤差、讀出器量測範圍與場配置相互干擾。單個成功例子不足以給出穩定可用的誤差分布。對真值離散任務需同時報告誤判與拒絕率；對連續變換任務需報告尺度歸一化誤差與校準外推能力。

11.4 可比較基線

至少與以下候選比較：

1. 無聲學致動的固定光學傳播／讀出；
2. 有可配置光學元件、但不使用聲學致動的版本；
3. 相同任務下的純數位求解或近似；
4. 同樣觀測帶寬、輸入／輸出規格及資料集的聲光方案。

不同方案若使用不同的光學輸入功率、電子預處理量或訓練時間，應揭露差異並提供公平版本或成本更正。公開成果不能僅以「速度接近光速」作為速度比較結論。

12. 原型驗證路線與最小實驗矩陣

12.1 Stage S0：純軟體聲學到光學耦合

目的：驗證基本求解器與配置語義，而不是驗證硬體性能。建立可重現的二維截面或有限三維體積模型，以線性聲學場求出候選壓力分布，再映射到 $\Delta n$，最後用經適用性檢查的標量光學模型求出輸出場與讀出結果。

最低測試：

• 關閉聲源時 $\Delta n$ 回到宣告背景值；
• 對等效對稱邊界與輸入進行對稱性檢查；
• 加密數值網格後可觀測量達到收斂或能解釋的不收斂原因；
• 使用可解析特例對照聲學、光學求解器；
• 所有資料均標記 simulation_only 與假設單位，不冒稱量測值。

12.2 Stage S1：配置影響與可辨識性

目的：檢查不同聲學配置是否形成可觀測的光學轉換，而不是在 UI 裡看到不同聲場顏色。採 A、B、A 配置回復對照與負對照，固定讀出端位置和解碼器。記錄傳輸分布、噪聲、版本與數值不確定度。

最低測試：能辨識 A/B 差異；A 回復落在預先門檻內；控制雅可比矩陣至少具有一個超出測量噪聲的有效方向。若否，應紀錄失敗，不把訓練擬合成功解讀為物理可編程性。

12.3 Stage S2：小任務與固定解碼器

目的：利用有限、可重複的任務，測量場配置帶來的功能差異。可先選擇二選一路由、固定模式匹配或受限連續線性變換。所有閾值和輸入樣本在測試前凍結，另保留獨立測試資料。

最低測試：完整原始模擬資料、事先登錄的目標函數、數位／固定光學基線、統計重複、否證標準與總成本估計。

12.4 Stage S3：受控實體量測（由合格實驗環境決定）

目的：讓某一個受限的聲學配置與光學響應得到真正的獨立量測證據；不以開放雷射投影為預設。應先由專業實驗設施與安全審查界定硬體及可接觸範圍，確保光束受控、測量裝置合格、急停和聯鎖獨立於 AI，再執行有限且事前批准的對照試驗。

此階段的公開稿不提供高峰值雷射或高功率超音波硬體建造參數。若無正式安全驗收條件，應維持 S0–S2 的純模擬路線。

12.5 Stage S4：多區域閉環場控制（遠期）

目的：在已確認單區域物理效應的前提下，測試多區聲場、模式讀取與封閉控制的可重複性。更進一步才研究同一執行容器能否承擔多任務排程與連續配置重寫。

多區並不直接意味平行運算收益；必須量測重配置的互相干擾、可用頻寬、輸出可分離性與全系統功耗。

12.6 建議的消融矩陣

這張矩陣是候選試驗設計，不是已完成的結果表；不應預填 PASS 或虛構數據。

13. 從三維聲光場到人機可操作的空間編輯器

13.1 DNGP 的格子只是程式投影

DNGP 的 ProgramUnit、Relation、Interior 與可編輯投影可以表達「此輸出依賴哪些模式」「某個物理埠綁定哪個任務」「哪些區域需要觀察」。但操作畫布上的可視立方格子，不代表使用者已直接控制真實聲場中的一個獨立物理位元。

13.2 Spatial Canvas 的四種動作

將 UI 拖曳直接映射為物理致動，必須經過裝置座標轉換、能力檢查、校準和安全批准；即使能即時預覽，預覽也不得變成權限提升的捷徑。

13.3 現實體積顯示與場計算是兩種輸出

未來可能讓使用者看見一台「懸浮的盒子」，並以手勢拖拉光學格子、拓樸節點及可見層。但可見光點可以是被掃描的微粒、散射面、顯示裝置渲染或其他呈現方式，其身分仍與計算物理場取樣格不同。就算不再使用投影，場容器仍可在無可見畫面的狀態下執行受限函數並回報結果。

13.4 與 EveAtelier／Compositor／ORDR 的責任邊界

EveAtelier 和 Compositor 可以提供圖層操作、方案草圖與輸出檢視；ORDR 可提供自身的世界與場景狀態。這些系統的影像正典、世界正典及 DNGP 程式正典不會因為都顯示成三維格子就自動變成同一個物件。物理控制由 FCEI 維持設備級邊界，結果以版本化回執返回。

14. 故障、校準與穩定度：可被操作的場必須允許拒絕

14.1 常見失敗源

• 空氣／介質溫度與濕度變化造成折射率及聲速漂移；
• 邊界反射、阻尼和多重聲學模式導致期望聲場偏移；
• 光學讀取器飽和、散斑、幾何校準失配或曝光混合；
• 控制通道串擾、致動器老化與相位參考遺失；
• 非預期物質／微粒進入場內，改變散射與吸收；
• 監測器或控制器時間戳不可靠，形成跨配置混合讀數；
• 顯示器畫面正常但實體測量沒有符合任務的可辨訊號；
• AI 解釋模型依預期輸出反向修正讀出閾值，形成資料洩漏。

14.2 模型殘差與校準失效

令 $y^{obs}$ 為實際觀測， $y^{pred}$ 為受版本綁定模型的預測：

依事前固定的誤差規則決定接受、拒絕或追加校準。只有在排除已知噪聲與配置差異後，才可將殘差變化視為模型失配的證據。若校準過期，系統應拒絕任務或退回安全模擬／數位計算；不應自動更新校準版本並假裝原本結果仍成立。

14.3 動態配置不等於可無限持續操作

場容器在聲學致動、光學發射與感測過程中會耗能及累積誤差。穩定工作範圍必須有完整的溫控、感測器飽和及安全界限，不能從一次短時間成功操作外推為全年持續、零耗散或永久無需維護。

14.4 失效恢復不能改寫證據

若試驗中斷，保留所有當時已產生的合法原始量測、事件時序及配置版本。重跑屬於新 execution ID，必須有新回執和清楚的重試來源，不得悄悄替換舊紀錄。特別不能因為某次數值模擬成功，就把真實硬體因安全聯鎖而中止的記錄標為已完成。

15. 物理安全與法規：不能讓產品願景越過工程聯鎖

15.1 雷射安全

即使主要研究主題是超音波，任何結合雷射的真實場容器都必須依設備級別、曝露途徑、反射危害、光路終端、外殼、聯鎖、緊急停止與人員訓練執行安全審查。IEC 60825-1 與實際適用地方法規是重要參考；不能因為有「空間容器」UI 就把開放光路當作安全的家庭演示。[E7][E8]

15.2 超音波不是可忽略的背景音

超音波裝置仍需評估空氣傳播、設備接觸、結構傳聲、可聽次諧波、局部發熱、共振、旁觀者和動物曝露、環境影響與實際設備的法規要求。對高聲壓或人體附近運作必須由專業人員設定限制；「聽不到」不代表無風險。

15.3 高功率實驗先例不得當作實作說明書

本文引用高峰值光學研究只用於證明存在某種物理交互。此稿刻意不提供可直接複製高風險裝置的雷射功率、聚焦條件、聲學峰值或高能元件配置參數。合格的實體研究應由專門實驗室、安全程序與實際設備文件決定，與公開概念草稿分開。

15.4 AI 的治理與實體裝置的分離

AI 能輔助研究者找配置、預測誤差、分析測量與提出重新校準候選，但不得自行解除聯鎖、將模擬權限升格成實體操作權、修改安全限值或自行認證硬體合格。實體停止訊號應具有獨立、優先且不可被資料生成流程覆寫的路徑。

16. 公開的可證偽命題與證據帳本

E0 原則：即使引用了研究者已完成的實體實驗，本系列提出的整合容器仍然是 E0，直到具有對應的 EveMissLab 可追溯實體或模擬證據。模擬可以提升特定模型的證據，不能自動提升裝置硬體成熟度。

17. 與既有研究的正式關係

17.1 AetherGlass–LaserCPU

先前公開修訂版把 AetherGlass 定義為三維玻璃光子載體、把 LaserCPU 視為異質光電系統。本篇則研究在有限介質及聲學致動下的場控制配置層。兩者可以共用光學模式、量測與校準思想，但不應將玻璃波導與開放空氣的條件互換。聲光控制也不構成對 AetherGlass 既有研究的替代。

17.2 DNGP／Spatial Canvas

DNGP 提供 ProgramUnit、Relation 與 Projected View 的身份及操作基礎；Paper 01 的空間格子可用來呈現聲學作用區、光模式、感測點與連結。顯示圖層不是物理光路的正典；實體控制指令由經授權的 FCEI 執行代理產生。

17.3 TCE（拓撲約束執行引擎）

TCE 的圖重寫與異質後端能力描述可為「選擇聲光或純數位後端」提供工程路線；它需要面對配置、傳輸、校準與功耗等真實限制。本篇不將 TCE 的圖拓樸與聲學物理場直接視為同一數學物件。

17.4 GCCFT（全域耦合計算場論）

GCCFT 提供多活動計算單元、耦合、計算域與觀察投影的抽象研究脈絡。本篇僅在中介接口承接其「有限活動域與分層觀察」思路；不宣稱聲學場可實現 GCCFT 所有形式機制。

17.5 ORDR／EveAtelier／Compositor

這些系統可以提供場景、可視化、編輯、資產生成與空間效果，但它們與 FCEI 物理後端保留不同的正典資料與權限。把圖層或 3D 格子變成可視化的聲場並不會自動讓編輯操作形成真實硬體計算。

18. 最小交付與可重現研究項目

下一步若由實作者接續，建議先交付以下有限成果，而不是建造實體雷射盒：

1. 一份可運行的數位聲場模型及解析／數值交叉測試；
2. 一份經適用性驗證的折射率擾動模型與其參數範圍聲明；
3. 一份對固定介質的光學傳播與同一讀出的對照測試；
4. 一個 FCEI-AO simulation_only 後端，保留配置、校準、窗口、原始資料與拒絕判決；
5. 至少一個 A/B/A 消融結果，以及一個意圖明確的失敗案例；
6. 一份聲學控制的可辨識性或有效模式秩測試；
7. 一份數位基線、光學基線和帶聲學致動版本之成本與誤差比較；
8. 提供可直接重新執行的命令、資料模式、測試案例和版本鎖定；
9. 安全與物理運算權限分離的專用測試，不允許 AI 自行解鎖硬體；
10. 一份包含未支持假設、數值不確定度、無法重現案例與後續退路的結果報告。

所述是正式實作工作項目，本 Paper 04 文件本身不是這些測試已被完成的證明。即使未來驗證失敗，仍應保留其負結果作為概念產品的研究成果。

19. 結論

這次提出的「聲學或其他場調控盒內三維光學作用，外緣發射和接收由中央計算機／AI 管理」可以被轉成一個清楚、受限的產品研究問題：是否能用可編程聲場對光的路由、相位、模式或測量映射施加可確認的動態控制，使中央計算機獲得一種可重配置的外部物理運算後端？

已發表研究表明，聲學全息、超音波粒子捕捉、空氣聲光調變和自由空間光學邏輯都是有實驗基礎的現象或技術，但它們彼此不能以名稱拼接便直接形成通用 3D CPU。本文將「場」分解為聲學壓力、介質折射率、光學複數場、任務讀出及 UI 投影，為每一層建立不同的模型、單位、控制權與驗證條件；同時將中樞 AI 限定於建議及協調，把實際物理執行與安全權限交給獨立控制器。

因此，Paper 04 的價值是為 EML-FCRPC 提供聲學配置—光學演化—實體觀測—計算判決的可驗證橋接規格。光學運算不是以更多可見亮點為目標，而是以可重現的任務映射、可辨識的控制自由度及公平的全系統比較為目標。只要實驗仍停留在模型，就誠實標為模型；只有受控物理量測完成，才有資格討論真實聲光計算後端的成熟度。

下一篇 Paper 05 將轉向不同物理路線：以可重組微型單元、接觸／連通關係及局部資訊規則作為計算載體的拓樸組合計算機。它與本文共享上層任務、驗證和 FCEI 聲明，卻不共享同一聲光物理定律。

參考資料

作者與本系列既有資料

• [I1] Neo.K（2026）。《EML-FCRPC Paper 00：場容器與外部物理計算》，v0.1，2026-10-22。概念產品總綱與可否證框架；尚未正式公開投稿。
• [I2] Neo.K（2026）。《EML-FCRPC Paper 01：三維格子與體素位元程式表示》，v0.1，2026-10-22。裝置中立的三維程式格子及投影契約。
• [I3] Neo.K（2026）。《EML-FCRPC Paper 02：外部場容器與中央計算機》，v0.1，2026-10-22。FCEI、邊界發射、校準、實驗授權與觀測回執。
• [I4] Neo.K（2026）。《EML-FCRPC Paper 03：三維光場邏輯計算》，v0.1，2026-10-22。線性干涉、受限光學耦合、可讀取光學位元與結構光。
• [I5] Neo.K（2026）。《AetherGlass–LaserCPU v2.0：三維玻璃光子與異質光電運算研究議程》，2026-07-30，公開修訂稿；外部光學模型需個別實驗驗證。
• [I6] Neo.K（2026）。《拓撲約束執行引擎 v2.0》，2026-07-30，公開修訂稿；圖重寫與異質執行後端之架構基礎。
• [I7] Neo.K × Aletheia（2026）。《GCCFT Paper 00：全域耦合計算場論的形式核心》，2026-09-22；屬先行抽象研究，不構成本篇物理驗收。
• [I8] Neo.K × Aletheia（2026）。《DNGP Paper 02：Depth Semantics》《DNGP Paper 10：Projection and Materialization》《DNGP Paper 12：Genesis Matrix / Agent-Native Programming Interface》，2026-09-23；程式正典及視覺投影研究。
• [I9] Neo.K（2026）。《萬物皆 AI v2.0：關係—形態動力計算與液態可重構介質研究綱領》，2026-07-30；物理計算 E0–E5 與介質差異的研究框架。

外部已發表研究與安全資料（截至 2026-10-22）

• [E1] Schrödel, Y., Hartmann, C., Zheng, J., et al. (2024; first online 2023-10-02). Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air. Nature Photonics, 18, 54–59. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01304-y 。驗證氣體聲光調變對特定超短脈衝的作用；本文不採用其高強度試驗條件作為原型建造參數。
• [E2] Cox, L., Melde, K., Croxford, A., Fischer, P., & Drinkwater, B. W. (2019). Acoustic Hologram Enhanced Phased Arrays for Ultrasonic Particle Manipulation. Physical Review Applied, 12, 064055. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064055 。支援聲場的可配置性及微粒操控，不等同光學邏輯。
• [E3] Hirayama, R., Martinez Plasencia, D., Masuda, N., & Subramanian, S. (2019). A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping. Nature, 575, 320–323. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1739-5 。支援聲學懸浮與光學照明的體積顯示，不是三維記憶位元驗收。
• [E4] Marzo, A., Seah, S. A., Drinkwater, B. W., Sahoo, D. R., Long, B., & Subramanian, S. (2015). Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects. Nature Communications, 6, 8661. https://doi.org/10.1038/ncomms9661 。聲學全息捕捉與搬運的早期研究。
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• [E8] U.S. Food and Drug Administration. Frequently Asked Questions About Lasers. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/laser-products-and-instruments/frequently-asked-questions-about-lasers 。公開的雷射危害分類與基本風險說明，非台灣法規的替代品。

附錄 A：最小術語對照

附錄 B：聲光控制實驗的原始記錄模板

Study ID / paper claim ID:
Task / frozen input distribution:
Canonical program reference (if any):
Execution backend and capability version:
Simulation / physical mode declaration:
Acoustic medium, field model and model validity:
Acoustic region and boundary assumptions:
Optical encoder / propagation model and detector model:
Coordinate frames, units and uncertainty:
Acoustic configuration ID and revision:
Optical configuration ID and revision:
Clock references and phase assumptions:
Acoustic settling time or stability criterion:
Optical sampling timestamp and integration window:
Calibration acoustic/optical references and validity:
Input data split and decoder version:
Baseline definitions and null trial:
Raw field / measured signal artifacts and SHA-256:
Predicted observable and actual observable:
Verification decision and rejection reason:
A/B/A reconfiguration round-trip:
Whole-system time, energy, drift and resource budget:
Device safety review, interlocks and environment:
Independent reviewer / evidence tier:
Reproduction notes / unresolved limitations:
Rights and publication status:

附錄 C：Paper 05 交接條件

Paper 05 將研究「可重組實體邏輯資訊單元與拓樸組合計算」，不能直接套用本篇的聲學折射率模型。可繼承的是：任務、輸入編碼、物理狀態、可觀測輸出、版本化配置、AI 候選／獨立授權與 E0–E5 證據制度。應將微型單元的幾何、物理連接拓樸、局部邏輯狀態與群集控制分別建模，並明確區分已可測的重配置電路、模組化機器人與遠期奈米 AI 假說。Paper 06 應另以類比電路及可重配置類比陣列提供可重現的最小對照。

附錄 D：正式原稿與公開狀態

本文以 UTF-8 Markdown 原始檔為 canonical source。正式數學原始碼僅允許 $...$ 和 $$...$$；不以聊天畫面或 PDF 的公式渲染結果反向重建原稿。文件目前是完成的公開研究草稿、尚未投稿或正式發布，並非已驗收硬體。所有測試聲明、外部文獻引用、授權、署名、專利先公開風險及設備安全均須在正式發表前由作者審核。任何後續修訂應另開版本，保留此檔內容雜湊作為歷史版本參照。