CN101248377A - 数据存储设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种数据存储设备，包括：塑料衬底，其具有沿着多个垂直叠置、横向延伸的层中的轨道设置的多个体积；以及每一个包含在该多个体积中相应的一个体积中的多个微全息图；其中，在每个所述体积中存在或者不存在微全息图表示所存储的数据的相应部分。

Description

数据存储设备和方法
技术领域
本发明一般涉及数据存储系统和方法，更特别的是涉及基于光学的数据存储系统和方法，以及全息数据存储系统和方法。
背景技术
已经知道数据存储系统和方法是十分需要的。体积全息记录系统通常使用会聚在光敏全息媒质内的两束反向传播的激光或者光束来形成干涉图案。该干涉图案造成该全息媒质的折射率改变或者调制。如果响应于将要编码的数据调制该光束中的一束，则所生成的干涉图案在强度和相位方面编码该调制数据。随后，可以响应于未调制的或者基准光束的再次引入而检测所记录的强度和相位信息，从而将已编码的数据再现为反射。
常规的“基于页面”的全息存储器在2维阵列或“页面”上将数据写入全息媒质中。
希望提供一种相对简单、不太昂贵并且稳建可靠的全息存储系统。而且，希望获得面向位的全息存储系统。
发明内容
一种数据存储设备，包括：塑料衬底，其具有沿着多个垂直叠置、横向延伸的层中的轨道设置的多个体积；以及每一个包含在该多个体积中相应的一个体积中的多个微全息图；其中，在每个体积中存在或者不存在微全息图表示所存储数据的相应部分。
附图说明
通过结合相应附图考虑以下对于本发明优选实施例的详细说明，将有助于理解本方面，在附图中相同的附图标记表示相同的部件，并且：
图1表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的配置；
图2表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的可选配置；
图3表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的可选配置；
图4表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的可选配置；
图5表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的可选配置；
图6表示了光强度图案；
图7表示了对应于图6的强度图案的在线性媒质中的折射率调制；
图8表示了当衍射效率为记录与读取温度之差的函数时预期的全息布拉格失谐；
图9表示了当衍射效率为角度变化的函数时预期的全息布拉格失谐；
图10A-10B表示了在基本上线性的光学响应媒质中的光强度和相应的折射率变化；
图10C-10D表示了在基本上非线性的光学响应媒质中的光强度和相应的折射率变化；
图11A-11B表示了在基本上线性的光学响应媒质中的光强度和相应折射率变化；
图11C-11D表示了在基本上非线性的光学响应媒质中的光强度和相应折射率变化；
图12表示了预期微全息图反射率与折射率调制的关系；
图13A和13B表示了在不同时间预期温度升高分布与位置的关系；
图14A和14B表示了预期折射率变化与升高温度之间的关系以及相应的微全息图读取和写入模式；
图15A-15C表示了作为相应的光学注量与归一化线性吸收率、使用反饱和吸收剂时光束束腰与距离以及使用反饱和吸收剂时透射率与注量的函数的将材料温度提高到临界温度所需的光束入射光束能量之间的预期关系；
图16A和16B表示了媒质内的预期反向传播光束曝光以及相应的温度提高；
图16C表示了对应于图16A和16B的温度提高的预期折射率变化；
图17A表示了作为时间的函数的在25℃和160℃时邻硝基芪的归一化透射率的变化；
图17B表示了作为温度的函数的邻硝基芪的量子效率的变化；
图17C表示了25℃和160℃时作为波长函数的二甲基氨基二硝基芪的吸收率；
图18表示了跟踪和聚焦探测器配置；
图19A-19C表示了模拟折射率分布的轮廓；
图20表示了照射到全息记录媒质区域的入射激光束的横截面；
图21A-21C表示了对应于图19A-19C的圆形微全息图模拟的近场分布(z＝-2μm)；
图22A-22C分别表示了对应于图21A-21C的近场分布的远场分布；
图23A-23C表示了模拟折射率分布的轮廓；
图24A-24C表示了对应于图23A-23C的圆形微全息图的模拟的近场分布；
图25A-25C分别表示了对应于图24A-24C的近场分布的远场分布；
图26A-26D表示了跟踪和聚焦探测器配置和示例性检测条件；
图27表示了聚焦和跟踪伺服系统；
图28表示了具有交替方向螺旋轨道的格式化；
图29表示了多种轨道开始和终止点；
图30表示了包括基本上圆形的微全息图的格式化；
图31表示了包括伸长微全息图的格式化；
图32表示了离轴微全息图记录；
图33表示了离轴微全息图反射；
图34A-34C表示了离轴微全息图记录和读取；
图35表示了用于制备微全息母媒质的配置；
图36表示了用于由微全息母媒质制备共轭微全息母媒质的配置；
图37表示了用于由共轭微全息母媒质制备流通微全息媒质的配置；
图38表示了用于由微全息母媒质制备流通微全息媒质的配置；
图39表示了通过改变预先格式化的微全息图阵列来记录数据；
图40表示了用于读取基于微全息图阵列的存储器设备的配置。
具体实施方式
应当理解，已经简化了附图和对本发明的说明，以说明与清楚理解本发明相关的元件，同时为了清楚，省略了许多在典型全息方法和系统中可以找到的其他元件。然而，因为这些元件是本领域公知的，并且因为它们无助于更好地理解本发明，因此在本文中不再对这些元件进行讨论。本说明书涉及本领域技术人员可知的所有变化和修改。
概述
体积光学存储系统有可能满足高容量数据存储的要求。在诸如紧致盘(CD)和数字通用盘(DVD)格式的传统光盘存储格式中，将数字信息存储在单一(或者至多两个)反射层中，与这些格式不同，根据本发明的一个方面，将数字内容作为局部折射率改变存储在存储媒质中的设置在垂直堆叠、横向定向的轨道中的多个体积中。每个轨道可以限定相应的横向(例如径向)定向的层。
根据本发明的一个方面，可以将数据的单个位或者位组编码成单独的微全息图，每个微全息图基本上包含在相应的一个体积中。在一个实施例中，该媒质或介质采用可注模热塑盘的形式，并且具有一个或多个非线性功能特性。该非线性功能特性可以具体体现为作为所经历的能量的非线性函数的折射率变化，该能量例如为入射光强度或者能量或者加热。在这个实施例中，通过在该媒质的给定体积内生成干涉条纹，可以有选择性地将数据的一个或多个位编码在该体积中，作为随后的可检测的折射率调制。因此，可以将折射率变化的三维分子光响应矩阵用于存储数据。
根据本发明的一个方面，非线性功能特性可以确定阈值能量响应条件，在该条件以下基本上不发生折射率变化，在该条件以上引起可测量的折射率变化。按照这种方式，通过投射具有小于该阈值的传递能量的光束，能够读取或再现(recover)选定的体积，并且利用具有大于该阈值的传递能量的光束，能够写入或擦除选定的体积。相应地，可以确定稠密体积矩阵，每个体积中实质上可以或可以不包含微全息图。每个微全息图具体体现为具有不同折射率的子区域的交替图案，这些子区域对应于用于写入微全息图的反向传播光束的干涉条纹。在折射率调制作为与目标体积(例如编码的位中心)的距离的函数快速衰减之处，可以更加密集封装(pack)这些体积。
根据本发明的一个方面，可以利用局部化加热图案——对应于穿过该体积的反向传播激光束的干涉条纹——引起特定体积中的折射率变化。在一个实施例中，该折射率变化是由热塑媒质的非晶和结晶态之间的密度差造成的。通过在媒质的目标体积中的干涉条纹处热激励该目标体积的子体积，可以在该目标体积中选择性地引起从一种状态到另一种状态的转变。可选的是，可以利用该媒质目标体积的子体积内的化学变化引起折射率变化，该化学变化例如为在位于该目标体积内的染料或者染料内的其它催化剂中发生的化学变化。也可以利用热激励选择性地引起这种化学变化。
利用非线性响应媒质的配置非常适合用于提供一种面向位的(与基于页面的形成对比)微全息媒质和系统，其使用单个紧聚焦光束，聚焦的、略聚焦或者未聚焦的反射光束。这种配置提供的优点包括：改善了对于记录光学器件未对准的容差，以及提供了更加简单、成本更低的微全息系统。因此，根据本发明的一个方面，可以将具有很小曲率或者没有曲率的反射元件用于微全息系统中。可以将数据记录盘的一个表面用作反射元件(具有或者不具有反射涂层)。
例如，具有低曲率特征的可注模热塑媒质可以模制成媒质表面，并且能够被金属化并用于产生反射以及用于跟踪。根据本发明的一个方面，可以模制热塑媒质以使盘中包含略弯曲的元件，继而可以将其用于产生具有较高功率密度的反射。这些特征也可以用于跟踪例如DVD上的凹槽。而且，可以将一个或多个元件用于校正反射光束。例如，可以将弯曲镜用于生成准直光束，并且可以将液晶单元用于抵消由于去到不同的层而产生的路径长度差。或者，可以将起到衍射元件作用的全息层接近该媒质的表面放置，从而提供对光束的校正。可以将外部反射镜或者盘表面用于产生反射。
根据本发明的一个方面，在不同层处的数据读取可以是不同的。因为反射在不同层处具有不同的像差，所以可以将该像差用于聚焦过程中的层索引。可以将该盘背面的设计用于提供对反射光束的更好控制，以便增大有效光栅强度。多层涂层和/或表面结构(类似于显示器膜结构)适合使用。根据本发明的一个方面，还可以将吸收倾斜入射光束并反射垂直光束的设计用于减少噪声以及控制微全息图的取向。而且，微全息图的光栅强度对于不同的层无需相同。可以将功率调度用于不同层处的记录。
根据本发明的一个方面，可以实现使用一个聚焦光束和一个平面波光束在阈值材料中记录微全息图。尽管这种方法可以利用两个输入光束，但是对准要求没有常规方法严格，同时微全息图取向和强度保持良好控制并且贯穿各层是均匀的。也可以更好地预测读取信号。
单个位(single-bit)全息术
单个位微全息术与其它全息技术相比，在光学数据存储方面具有几个优点。现在参照图1，示出了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的示例性配置100。其中，微全息记录是由两个反向传播的光束110、120干涉以在记录媒质130的体积140中产生条纹而引起的。通过以接近衍射极限的直径(例如约1微米(μm)或更小)使光束110、120聚焦在记录媒质140内的目标体积处，例如希望的位置处，就可以获得干涉。可以将常规透镜115用于光束110以及将透镜125用于光束120来聚焦光束110、120。尽管表示了简单的透镜，但是当然也可以使用复合透镜形式。
图2表示了使用反向传播的光束在支持全息图的媒质内形成全息图的可选配置200。在配置200中，曲面反射镜220取代了透镜125，使得光束110的聚焦反射120与光束110自身干涉。配置100、200需要使透镜115与125或者透镜115与反射镜220相对彼此高度精确对准。相应地，采用这种配置的微全息记录系统限于稳定的、无振动的环境，例如包含常规高精度定位台的环境。
根据本发明的一个方面，可以将聚焦、略聚焦或者未聚焦的反射光束(相对于反向传播的聚焦光束)用于记录。图3表示了使用反向传播光束在媒质内形成全息图的可选配置300。配置300使用来自反射镜320的光束110的未聚焦反向传播反射310。在所示实施例中，反射镜320采用基本上为平面反射镜的形式。
图4表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的可选配置400。配置400使用来自反射镜420的光束110的略聚焦反向传播反射410。所示的配置400的实施例还包括光路长度校正元件425，其可以采取例如液晶单元、玻璃楔或者楔对的形式。
图5表示了使用反向传播的光束在媒质内形成全息图的另一种可选配置500。类似于配置300(图3)，配置500使用基本上为平面的反射表面。然而，配置500使用了媒质130自身的一部分520来提供光束110的反射510。部分520可以采取媒质130的反射(例如金属涂敷)后表面、媒质130内的反射层或者在媒质130中实质上形成反射表面的一个或多个全息图的形式，所有这些形式均为非限制性实例。
在配置300、400和500中，光束110在目标体积或区域中比光束310、410、510具有更小的光点尺寸和更大的功率密度，使得微全息图的维度将由该较小光点尺寸的维度驱动。两个光束的功率密度差的潜在缺点是在干涉图案中产生零频(pedestal)或者DC成分。当材料130显示出随着所经历的曝光强度的折射率线性变化，该零频或者DC成分消耗了材料130相当大部分的记录能力(动态范围)。
图6表示了从反向传播的光束所经历的光强度随位置的变化——从而形成了干涉条纹。如图7所示，在线性响应材料中，其中折射率相对于n0随着经历的光强度基本上线性地变化，(相对)未聚焦的光束由此消耗了比对应于希望全息图的目标体积大得多的体积中的动态范围，从而降低其它体积和微全息图的可能的反射率。在反向传播的光束也是正入射之处，还在该媒质的整个深度上消耗了动态范围(参见图1和2)。
根据本发明的一个方面，利用对于所经历的功率密度具有非线性响应的记录材料，减轻了全息图形成过程中不是目标体积的受影响体积中的这种动态范围消耗。换句话说，将具有非线性记录属性的媒质与微全息方法结合使用。将该材料的非线性记录属性用于促进随光强度非线性的记录(例如平方、立方或者为阈值型的)，使得基本上仅在某个光强度以上发生记录。该材料的这种非线性记录特性减少或消除了未寻址体积中的动态范围消耗，并且有助于微全息图维度的减小，从而有助于目标体积的维度的减小。
图10A-B和11A-B表示了线性记录媒质的记录特性，同时图10C-D和11C-D表示了阈值型非线性记录媒质的记录特性。更特别的是，图10A-10D表示了使如图1和2所示的两个聚焦的反向传播的光束干涉产生了光强度的调制，其中位置0(-0.5与0.5之间的中间)对应于沿着媒质厚度的这两个聚焦光束的焦点。在媒质具有线性记录属性的情况下，将产生如图10B所示的折射率调制，其遵循图10A所示的强度分布。尽管折射率调制最终会在接近位置0时最大化，但是可以注意到其基本上在该材料的整个厚度上延伸，并且不限于例如图10B中的位置(横坐标)值——使得所生成的微全息图基本上没有包含在媒质内的特定体积内，其中多个体积上下叠置。另一方面，在具有非线性或阈值属性的记录媒质中(图10D中表示了阈值条件)，基本上仅在满足阈值条件1020的体积中出现记录1010，使得所得到的微全息基本上包含在特定体积内，其中多个体积上下叠置。图10D表示了微全息图引起的条纹延伸了大约3μm多。如图11A-11D所示，在微全息图的横向维度中存在类似的特性。由此证明了利用阈值型的非线性材料，减轻了媒质的非目标体积的动态范围的不希望的消耗。
尽管为了说明描述了阈值型非线性材料，但是应当理解，在一阶近似的情况下，在线性响应材料中，折射率调制的振幅随着光强度线性变化(参见图10A-10B、11A-11B)。因此，即使具有记录阈值的材料可以证明是特别希望的，但是对曝光呈现出非线性光学响应的材料(其中折射率调制的幅度，例如象大于1的幂(或者幂的组合)那样变化)将显著减轻其它受影响体积中的动态范围消耗。
再返回到阈值型的非线性材料，并且再次参照图10C-D和11C-D，在这种情况下，阈值响应媒质这样工作，即基本上仅在入射能量密度或者功率密度1015高于阈值1020时经历光引起的折射率变化1010。在阈值1020以下，该媒质基本上不经历折射率变化。用于记录的反向传播光束之一(例如反射光束)可以是聚焦的(图1和2)、略聚焦的(图4)或者甚至未聚焦的(图3和5)。尽管如此，使用这种阈值响应材料仍具有放松聚焦容差要求的影响。另一个优点是可以将反射装置包含在该媒质(例如盘)中，类似于当前的表面技术光学存储设备，例如图5所示的。
现在还参照图8和9，使用较小的微全息图(与较大的基于页面的全息图形成对比)改善了对温度波动和角度未对准的系统容差。图8表示了作为记录与读取温度之差的函数的预期全息图布拉格失谐(∝1/L，其中L为全息图长度)。附图标记810对应于预期的微全息图性能，而附图标记820对应于预期的基于页面的全息图的性能。图9表示了作为角度变化的函数的预期全息图布拉格失谐(∝1/L，其中L为全息图长度)。附图标记910对应于预期的微全息图性能，而附图标记920对应于预期的基于页面的全息图的性能。
仅为了进一步说明而非限定的是，以接近衍射极限的尺寸聚焦的入射光束可以略聚焦或者根本未聚焦地反射，使得反射光束相对于反向传播的聚焦入射光束而言是未聚焦的(或略聚焦的)。该反射元件可以位于盘表面上，并且可以采取例如平面反射镜或者略微弯曲的反射镜的形式。如果在聚焦光束与反射之间出现一定程度的未对准，则在反射光束的相位波前具有较大曲率的情况下，将由聚焦光束的位置驱动干涉图案。当聚焦光点相对于反射光束移动时，该大曲率产生小的功率密度变化。
非线性响应材料实例1
已经提出了将光聚合物作为全息存储系统的媒质备选材料。以夹在玻璃衬底之间的凝胶状态记录，基于光聚合物的媒质具有适当的折射率变化和灵敏度。然而，希望的是提供一种简化的结构，例如模制盘。而且，光聚合物系统对于环境条件(即环境照明)敏感，并且通常在记录过程之前、期间甚至有时是之后需要特殊处理。也希望消除这些缺点。
根据本发明的一个方面，将聚合物相变材料用作全息数据存储媒质，其中通过使该材料暴露于光束在该材料中引起折射率调制。在一个实施例中，可检测的折射率变化是由热引起的该材料在非晶和晶体成分之间的局部变化产生的。这样就使得能够利用小能量引起潜在的大折射率调制。这种材料还提供了阈值条件，其中阈值以下的光学曝光能量对于材料的折射率具有很小的影响或者基本上没有影响，而阈值以上的光学曝光能量造成可检测的折射率变化。
更特别的是，可引起相变的聚合物材料能够在可注模的、环境稳定的热塑衬底中提供大折射率变化(Δn＞0.01)以及良好灵敏度(S＞500或更大cm/J)。此外，这种材料还提供了使用基本上阈值响应的记录过程的可能性——使得能够将相同波长的激光用于读和写，同时防止环境光曝光显著劣化存储的数据。在一个实施例中，可检测的折射率变化对应于共聚物热塑衬底的成分之一的非晶与晶体状态之间的折射率差。通过将该共聚物升高到熔化温度(Tm)以上并且快速冷却或者淬火该材料，以引发该材料的先前晶体成分冷却在非晶状态下，能够制备这种衬底。
现在还参照图14A和14B，光束在该材料的目标体积内干涉，从而局部加热其对应于干涉条纹的子体积，这是由于在这些子体积处的能量吸收造成的。一旦局部温度上升到临界温度以上，例如玻璃转变温度(Tg)以上(图14A)，该材料的晶体成分熔化，并且随后冷却为非晶状态，从而产生了相对于该材料中的其它晶态体积的折射率差。可选的是，该临界温度可以在纳米畴成分材料的熔化温度(Tm)附近。无论如何，如果入射光束的能量不足以使该材料的温度升高到临界温度以上，则基本上不会发生变化。这在图14B中表示出来，其中临界值Fcrit以上的光注量造成相位变化，该相位变化导致全息图写入，并且小于临界值Fcrit的光注量基本上不会造成这种变化——并且由此适用于读取所记录的全息图，并且因此恢复所记录的数据。
为了非限定地进一步说明，由FCRIT＝L×ρ×cp×ΔT给出该临界值，其中L是微全息图的长度或者深度，ρ是材料密度，cp是该材料的比热，并且ΔT是经历的温度变化(即，Tg-T0，其中Tg是该材料的玻璃转变温度，T0是该材料的环境温度)。例如，当使用密度为1.2g/cm3并且比热为1.2J/(K·g)的聚碳酸酯时，微全息图的长度为5×10-4cm，并且温度变化为125℃(K)，FCRIT＝90mj/cm2。转化为能量项，达到该临界注量FCRIT所需的能量(ECRIT)为ECRIT＝FCRIT×A＝FCRIT×πw0 2/2，其中A是该全息图的横向面积，w0是光束腰。提供ECRIT所需的焦点处的能量EF为EF＝ECRIT/(1-e-αL)，其中e-αL为透射，α＝α0+αNLF，α0是该材料的线性吸收，α NL是该材料的非线性吸收，F是最大入射光注量，L是该微全息图的长度。传递到该材料以提供焦点处所需的能量EF的入射能量EIN为 E IN = E CRIT ( 1 - e - αL ) e - αD / 2 , 其中e-αL为透射，α＝α0+αNLF，α0是该材料的线性吸收，αNL是该材料的非线性吸收，F是最大入射光注量，L是该微全息图的长度，并且D是该材料的深度(或长度)(例如该媒质盘的厚度)。现在还参照图15A-15C，假设光束腰w0为0.6×10-4cm，则该全息的横向面积A为5.65×10-9cm2。又假设微全息图的深度L为5×10-4cm，并且该材料的深度D(例如整个媒质盘)为1mm，则入射能量EIN与α之间的预测关系如图15A所示。进一步假设材料线性吸收α0为0.018l/cm，并且材料非线性吸收αNL为1000cm/J(并且材料长度仍为.1cm)，则透射与注量之间的预测关系如图15B所示。使用这些相同的假设，图15C表示了光束腰与距离以及归一化吸收与距离之间的预测关系。
同样并且如图16A和16B所示，预期的是，使这种共聚物材料媒质在反向传播光束下曝光，将按照与反向传播光束干涉条纹对应的固定折射率调制的形式写入微全息图，这是由于在干涉条纹处形成或者破坏了结晶聚合物的纳米畴而造成的。也就是说，基于基本上小于正在使用的光波长的结晶纳米畴的形成或破坏，相变/相分离机制产生了折射率调制。使用两个反向传播光束预测图16B的值，每个反向传播光束具有75mW的单一入射光束功率(P1＝P2)，α＝20cm-1，并且曝光时间(T)为1ms。图16C中表示了预测所得到的形成该微全息图的折射率改变(Δn＝0.4)。如图中所示，基本上只有在局部加热超过阈值条件(例如温度超过150℃)使得产生了阈值记录条件的情况下，才会出现具体化为一系列折射率改变的微全息图，该一系列折射率改变对应于反向传播光束的干涉条纹。
适用的适当聚合物包括(作为非限定性实例)显示出部分结晶度的均聚物、包括非晶和晶态聚合物的均聚物的混合物以及包括随机和成块共聚物的多种共聚物组分，以及具有或不具有均聚物的共聚物的混合物。这种材料适用于在3微米量级深处存储全息图，仅作为非限定性实例。该材料的线性吸收高，从而使该材料不透明并且限制了灵敏度。
响应于光学吸收染料的热引发反应非常适用于将折射率改变机制与光致反应机制分离，从而可能获得大灵敏度。根据本发明的一个方面，热引发过程可以为光引发的折射率改变提供非线性响应机制。这种机制或者阈值条件使得能够以低和高功率使用相同波长的光束，以便分别用于数据读取和记录。这个特性还防止了环境光显著劣化所存储的数据。具有反饱和吸收(RSA)属性的染料是有用的，其中吸收是注量的函数并且随着注量的增大而增大。因此，吸收在(多个)光束焦点处是最大的，这意味着背景线性吸收小，最终产生了几乎透明的材料。这些染料的实例包括卟啉和酞菁，仅作为非限定性实例。
而且，非晶/晶态共聚物适合在可注模的热塑衬底中提供希望的属性，该衬底例如为盘。使用热塑性材料使数据能够记录在稳定的衬底中，而没有重要的后处理要求，使得单一共聚物材料本身就提供了折射率改变、灵敏度、稳定性和“固定”。并且，通过选择共聚物的成分，大于常规光聚合物的折射率调制也是可能的。该材料的灵敏度可以取决于所使用的染料的光学吸收属性。在已知反向饱和吸收染料的情况下，可以获得是常规全息光聚合物2-3倍高的灵敏度。阈值条件还提供了以相同波长读取和写入数据的能力，在记录了数据之后需要很少的后处理或者不需要后处理。这与光聚合物形成了对比，光聚合物通常需要在记录数据之后使衬底全部曝光，以使该系统完全固化。最后，在数据记录之前，该共聚物衬底可以处于热塑状态，这与光聚合物的凝较状状态形成对比。这样，与光聚合物相比，有利地简化了该媒质的物理结构，这是因为热塑态材料本身可以是注模的，并且无需包含在例如容器或者载体内。
因此，根据本发明的一个方面，可以将非晶/晶态共聚物用于支持光引发的相变和所得到的折射率调制。可以将线性吸收染料与非晶/晶态相变材料组合使用，以将光学能量变为温度增加。可以使用反饱和吸收染料有效地生成温度升高。可以借助染料和相变/相分离材料将光学激励与折射率变化诱因分开，相变/相分离材料能够实现折射率变化的阈值条件。
作为进一步说明，在某些成块共聚物成分中，单独的聚合物相自发地分离成规则排序的畴结构，这些畴结构不会像聚合物混合物那样宏观生长，这是由于共聚物的性质决定的。Sakurai在TRIP，1995年第3卷第90页以后讨论了这种现象。构成共聚物的单个聚合物能够取决于温度显示出非晶和/或晶态特性。各个聚合物的重量比可用于指示分离的微相形成了球、柱还是薄片。可以使用这样的共聚物系统，其中当简短的(或延长的)加热到单个块的玻璃转变温度(Tg)和熔化温度(Tm)以上时，两个相都是非晶的。当冷却到低温时，一个相结晶，同时保持原始微相的形状。如Hung等人在2001年34期《Macromolecules》的第6649页及以后发表的，在聚(环氧乙烷)/聚苯乙烯成块共聚物中说明了这种现象的一个实例。根据本发明的一个方面，可以按照例如75％/25％的比例使用聚(环氧乙烷)/聚苯乙烯成块共聚物。
例如，能够将光化学和热稳定染料添加到这种共聚物中并且注模成120mm直径的盘，该染料例如为酞菁染料，如铜酞菁、铅酞菁、锌酞菁、铟酞菁、铟四丁基酞菁、镓酞菁、钴酞菁、铂酞菁、镍酞菁、四-4-磺酸苯基卟啉-铜(II)(tetra-4-sulfonatophenylporphyrinato-copper(II))或者四-4-磺酸苯基卟啉-锌(II)。模制将共聚物的温度提高到聚苯乙烯的玻璃转变温度(Tg)和聚(环氧乙烷)的熔化温度(Tm)以上，从而生成具有微相分离的非晶材料。将该盘冷却(例如淬火)到约-30℃使得聚(环氧乙烷)相贯穿该材料结晶。当晶态区域的畴尺寸足够小，例如小于一百纳米(例如＜100nm)时，该媒质将不会使光散射，并且该媒质即使在厚衬底中也将保持透明。可以通过使2个激光束(或者光束及其反射)在该盘的特定区域(例如目标体积)中干涉，而将数据记录到该材料中。
当暴露于一个或多个记录光束(例如高功率激光束)时，染料吸收干涉条纹处的强光，即刻将该盘相应体积或区域中的温度升高到聚(环氧乙烷)相的熔化温度(Tm)以上。这使得该区域成为基本上非晶的，从而产生了与周围材料中的晶态畴不同的折射率。随后为了读取所记录的微全息图并且作为微全息图反射再现相应数据而暴露于低能量激光束，并不会造成材料的任何显著变化，其中使用不会将聚合物加热到各个聚合物的Tg或者Tm以上的激光功率。因此，可以提供非线性光学响应(例如阈值响应)的全息数据存储媒质，其在长时间段内并且经过多次读取基本上保持稳定。
尽管球、柱和薄片是常用结构，但是其它排列也能够同样形成并工作。可替换的是，可以使用各种块状共聚物，包括聚碳酸酯/聚酯块状共聚物，并且这些块状共聚物允许晶态畴的不同形成温度以及破坏温度。如果用于吸收辐射并且产生热量的染料采取反饱和吸收物的形式，可以对精确查明何处发生了加热进行良好控制。微全息图的横向延伸比(多个)聚焦激光束的束腰直径小得多。因此可以通过使用根据本发明一个方面的非线性记录媒质，实现对所记录的微全息图之外的记录材料的动态范围消耗的限制或者消除，由此提高了每个微全息图的反射率，并且因此提高了数据存储容量。
阈值材料也能够表现出比线性材料对于记录更加敏感的附加优点。这个优点可以转化为微全息系统的更高的可实现记录数据速率。而且，由于该媒质的阈值特性而产生的阶梯式折射率调制，可以用于生成比使用线性材料时反射更少的微全息图。然而，对于数据存储应用，反射率可以保持足够高。现在还参照图12，预期反射率随着折射率调制的增加而增加。还预期热扩散不应呈现不适当的问题。也已经考虑到了全息图形成过程中的热扩散，并且预期温度图案遵循反向传播光束的干涉条纹，即曝光图案。为了保持折射率图案中的条纹，基本上可以将热扩散限制到达到相变温度的条纹之间的区域。图12中的曲线1210对应于线性响应材料，并且图12中的曲线1220对应于阈值响应材料。现在还参照图13A和13B，示出了作为位置的函数的预期温度升高分布。相应地，预期从目标体积到周围体积的热泄漏不应当将周围体积升高到阈值温度1020。
非线性材料实例2
根据另一种配置，可以将聚合母体中的有机染料用于支持折射率变化(Δn)，以实现全息数据存储，其中该有机染料相对于聚合母体而言具有大谐振增强折射率。在这种情况下，对特定区域或者目标体积中的染料进行漂白，可以用于产生用于全息术的折射率梯度。可以通过在该媒质内使光束干涉以漂白特定区域来写入数据。然而，在干涉光穿过整个媒质，(即使仅将要漂白特定区域)并且存在对于漂白辐射的线性响应时，(即使光束强度在聚焦区域中最大并且在聚焦区域中产生最大程度的漂白)预期贯穿被照射的媒质，较低层次(level)的染料被漂白。因此，在将数据写入到多个层次之后，预期在线性记录媒质中出现不需要的附加的漂白。这最终可能限制能够写入该媒质中的数据层的数量，而这又限制了该线性记录媒质的整体存储容量。
由于认识到记录媒质需要具有高量子效率(QE)以便具有对于商业用途而言有用的灵敏度，产生了另一种顾虑。QE是指入射到光反应元件的、将生成电子-空穴对的光子的百分比，其是该设备灵敏度的度量。即使在使用低功率读取激光时，具有高QE的材料也通常受到对所存储的全息(因而对数据)的快速漂白。一贯的是，在线性响应媒质中，数据实质上变为不可读取的之前，仅能够有限次地读取数据。
根据本发明的一个方面，将非线性光学响应媒质用于解决这些缺点。同样，可以在用于提供数据存储和获取的全息系统中使用基于热塑性材料的解决方案，来取代光聚合物。这在过程、处理和存储方面证明是有利的，并且与各种全息技术具有兼容性。
作为进一步解释，可以将热塑材料中的窄带吸收染料用于全息光学数据存储。人们认为刚性聚合物网络妨碍某些光化学反应的量子效率(QE)。因此，根据本发明的一个方面，局部加热聚合物网络到例如热塑性材料的Tg附近或者以上的温度，对于提高该材料的局部QE是有效的，例如提高＞100倍。这种改进按照有用于全息光学数据存储的方式直接增强了该材料的灵敏度。而且，其提供了光栅过程(grating process)或者阈值过程，其中染料分子在该媒质的分立熔化区域中比在周围的非晶材料中更快地经历光化学反应——由此有助于写到媒质的许多虚拟层上，而不显著影响其它层。换句话说，其使得能够在没有有害地使其它体积显著漂白的情况下进行读取和写入。
现在参照图17A-17C，可以将包含聚合母体的邻硝基芪(ortho-nitrostilbenes)(o-硝基芪)用于全息数据存储。造成该邻硝基芪漂白的光化学反应是公知的，并且例如在Splitter和Calvin在1955年第20期JOC第1086-1115页中对其进行了讨论。McCulloch随后通过将染料漂白以形成覆层材料来使用这类化合物在薄膜应用中生成波导(参见1994年第27期Macromolecules第1697-1702页)。McCulloch发表了在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)母体中特定邻硝基芪的QE为0.000404。然而，他注意到在稀释的己烷溶液中的相同染料在相同的漂白波长时具有0.11的QE。McCulloch还推测这种差异是由于在从薄聚合物膜进入到己烷溶液时lambda最大值的向蓝移造成的。其可能与迁移率效应有关，这是因为刚性聚合物中邻硝基芪的稳定构造可能会由于初始周环反应而不能适当对准。图17A示出了表示在25℃和160℃时利用100mW的532nm激光进行漂白的数据。增强可能是由于迁移率增大或者简单地由于较高温度产生的更快反应动力学，或者由这两者造成。与图17A一致，图17B表示了在约65℃以上预期所讨论母体的增强的QE。因此，在一个实施例中，将邻硝基芪染料与聚碳酸酯母体组合使用，以提供与PMMA材料相当的性能，当然略高的QE也是可能的。
然而，应当理解，本发明不限于这类染料。相反，本发明希望使用任何这样的光敏染料材料，该材料在室温或者接近室温时在固态聚合母体中具有足够低的QE，并且在加热时显示出QE的增加，例如QE的指数增加。这提供了一种非线性记录机制。应当理解，只要显著增强了QE，加热不必将温度提高到玻璃转变温度(Tg)以上，或者也可将其提高到Tg以上。可以在包含基本上均匀分布的染料的聚合母体的特定区域内增强该光敏染料的QE。在聚碳酸酯母体的情况下，通过将包含光敏染料的聚碳酸酯母体加热到其Tg以上，就可以实现漂白速率的提高。漂白速率的提高可以是＞100倍的量级。
可选的是，除了将光致反应染料添加到如邻硝基芪的聚碳酸酯母体，还可以将第二热学和光化学稳定的染料添加到该母体，以起到光吸收剂的作用，从而在反向传播激光束的焦点处的干涉条纹处产生局部加热。可以将焦点处的染料浓度、激光功率和时间用于将预期温度调整到例如该母体的Tg附近或者以上的希望范围。在这个实施例中，用于光漂白的光的第一和第二波长同时聚焦在该母体的大约相同区域中。因为该材料的受热区域中的灵敏度有望比周围冷刚性聚合物区域(参见图17A)更大，例如是其大约100倍，所以能够利用对周围区域具有小得多的漂白影响的较低功率光束，将信息快速地记录在目标受热体积中。因此，先前记录的区域或者仍未记录数据的区域经历最小程度的漂白，由此减少这些位置处不希望的动态范围消耗，并且总体上允许在该媒质中写入更多层数据。而且，通过利用加热特定区域以进行写入时所使用的激光波长、以较低功率进行读取，还减轻了读取过程中无意的染料漂白。可选的是，可以将单一波长或者一波长范围的光用于加热和漂白，使得仅使用一种波长的光(或者一波长范围)，取代使用两种不同的波长。
尽管对于局部加热目的，多种染料均适合用作热学和光化学稳定染料，但是表现出非线性的染料证明特别适合。一种这类的染料称作反饱和吸收剂(RSA)，也称作激态吸收剂，其特别具有吸引力。这种染料包括多种金属酞菁和富勒碳染料，这些染料对于一部分光谱(与该染料的其它强吸收充分分开)通常具有非常弱的吸收，但是，当光的强度超过阈值水平时，其也形成强瞬态三重态-三重态吸收。图17C示出了对应于使用扩展的二甲氨基二硝基芪的非限定实例的数据。与其一致，预期一旦在包含二甲氨基二硝基芪的媒质中的反向传播光束的干涉条纹处的光强度超过阈值水平，则该染料在焦点处强烈吸收，并且能够将该材料的相应体积快速加热到高温。因此，根据本发明的一个方面，使用热光栅事件使得能够以较低能量将数据写入到媒质的目标体积中(由此表现出增加的灵敏度)，同时使该媒质的其它体积中的不想要的曝光引起的反应最小化。
跟踪和聚焦
在一个实施例中，将微全息图沿着多个垂直叠置层中的径向延伸螺旋轨道存储在体积媒质中，其中该媒质为旋转的盘的形式(例如参见图28和30)。光学系统将光束聚焦到该媒质中的特定目标体积中，以检测该目标体积处是否存在微全息图，以便再现(recover)或者读取先前存储的数据或者在该目标体积处生成干涉条纹，以生成微全息图。因此，重要的是精确瞄准目标体积，以便于数据写入和再现光束的照射。
在一个实施例中，将照射光束的反射的空间特性用于帮助瞄准包含微全息图阵列的媒质中的选定体积。如果目标体积，例如微全息图是离焦的或者在轨道外，则反射图像不同于来自按照可预测方式焦点对准和在轨道上的微全息图的反射。而这能够被监测并且用于控制致动器以精确瞄准特定体积。例如，来自离焦的微全息图的反射的尺寸与焦点对准的微全息图的反射尺寸不同。而且，与来自适当对准的微全息图的反射相比，来自未对准微全息图的反射伸长，例如本质上更加椭圆。
作为进一步解释，在上述材料系统中，(与常规的CD和DVD技术不同)，将非金属化层用于反射入射读取光束。如图18所示，包含在媒质1820中的微全息图1810将读取光束1830反射到位于一个或多个光学元件(例如透镜)1850周围的环形探测器1840。光学元件1850将光束1830聚焦到对应于微全息图1810的目标体积中-使得微全息图1810生成入射到光学元件1850和环形探测器1840的反射。在所示实施例中，光学元件1850将该反射传送到数据再现探测器(未示出)。应当理解，尽管仅表示了单个微全息图1810，但是实际上期望媒质1820包含位于多个位置(例如X、Y坐标或者沿着轨道)和许多层(例如Z坐标或者深度平面或者伪平面)中的微全息图阵列。使用(多个)致动器，可以将光学元件1850选择性地瞄准对应于选定微全息图的目标体积。
如果微全息图1810处于读取光束1830的焦点处，则读取激光束1830受到反射，由此在光学元件1850处生成反射信号，该反射信号被传送到数据再现探测器。该数据再现探测器可以采用光电二极管的形式，其定位成检测例如光束1830的反射。如果在焦点处不存在微全息图1810，则数据再现探测器不生成相应的信号。在数字数据系统中，可以将检测到的信号解译为“1”，并且将不存在检测到的信号解译为“0”，反之亦然。现在还参照图19A-19C，示出了对应于焦点上、轨道上圆形微全息图的模拟反射数据，使用了具有0.5μm入射波长的读取光束，激光光点尺寸为D/2＝0.5μm，左圆偏振，共焦光束参数：z/2＝2.5μm，远场半衍射角为θ/2＝11.55°(场)或者θ/2＝8.17°(能量)。
现在还参照图20，为了微全息图正确地反射读取激光束，应当将激光束正确地聚焦在微全息图上，并且横向上以微全息图为中心。在图20中，所示的入射光束具有其中心部分2030垂直于传播光轴2020的波前2010。微全息图基本上仅反射具有匹配某个方向的波矢(即k矢量)的光。聚焦高斯光束，例如图20所示的光束，是具有各种波矢的许多子波的交叠。聚焦物镜的数值孔径确定波矢的最大夹角。相应地，不是所有的波矢均被微全息图反射-使得微全息图类似于仅反射具有某些波矢的入射光的滤波器。当远离焦点时，仅入射光的中心部分与微全息图交叠。因此，仅有中心部分被反射。在这种情况下，反射效率的变化减小。
当聚焦光束未与轨道中的微全息图适当对准时，沿着垂直于轨道的方向的波矢不象沿着轨道的方向的反射那样强。在这种情况下，在近场中光束在垂直于轨道的方向上伸长，同时在远场中光束沿着这个方向挤压。相应地，可以提供独立跟踪全息图。
图21A-21C表示了对应于图19A-19C的圆形微全息图的模拟的近场分布(z＝-2μ m)。图21A表示了在x＝y＝0并且z＝0.01处射入媒质中的数据再现光束。图21B表示了由x＝0.5的偏移造成的轨道外条件反射。图21C示出了由z＝1.01的偏移造成的离焦或者焦点外条件反射。因此，在焦点未对准条件下，光束效率降低，而在轨道外条件下，反射在空间上失真。现在还参照图22A-22C，表示了分别对应于图21A-21C的近场分布的远场分布。图22A表示了在x＝y＝0并且z＝0.01处射入媒质的数据再现光束沿着X和Y方向提供了模拟远场发散角(全)，在所示情况下沿着X和Y方向均为11.88°。图22B表示了由x＝0.5的偏移造成的轨道外条件反射导致沿着X和Y有不同的远场分布角，在所示情况下沿着X方向为4.6°以及沿着Y方向为6.6°。最后，图22C表示了由z＝1.01的偏移造成的焦点未对准或焦点外条件反射导致沿着X和Y方向的模拟远场发散角(全)，在所示情况下沿着X和Y方向均为9.94°。因此，微全息图起到k空间滤波器的作用，使得远场光点在轨道外条件下为椭圆的，并且该远场光点在焦点未对准条件下更小。
应当理解，该微全息图不必是圆形的。例如，可以使用长方形微全息图。现在还参照图23A-23C，表示了对应于在焦点上的、轨道上长方形微全息图的模拟，其利用了入射波长为0.5μm的读取光束，D/2＝0.5μm的激光光点尺寸，左圆偏振，z/2＝2.5μm的瑞利范围以及θ/2＝11.55°(场)或者θ/2＝8.17°(功率)的远场半衍射角-其与图19A-19C的模拟类似。图24A-24C表示了对应于图23A-23C的长方形微全息图的模拟的近场分布(z＝-2μm)。图24A表示了在x＝y＝0并且z＝0.01处射入媒质中的数据再现光束。图24B表示了由x＝0.5的偏移造成的轨道外条件反射。图24C表示了由z＝1.01的偏移造成的焦点未对准或者焦点外条件反射。因此，在焦点未对准的条件下，光束效率降低，同时在轨道外条件下，反射在空间上失真。现在还参照图25A-25C，表示了分别对应于图24A-24C的近场分布的远场分布。图25A表示了在x＝y＝0并且z＝0.01处射入媒质中的数据再现光束，提供了取决于该微全息图的长方形程度的远场发散，在所示情况下沿着X方向为8.23°并且沿着Y方向为6.17°。图25B表示了由x＝0.5的偏移造成的轨道外条件反射导致沿着X和Y有不同的远场分布角，在所示情况下该角沿着X方向为4.33 °并且沿着Y方向为5.08°。最后，图25C表示了z＝1.01的偏移造成的焦点未对准或者焦点外条件反射导致沿着X方向和Y方向有不同的远场发散角(全)，在所示情况下沿着X方向为5.88°并且沿着Y方向为5.00°。
因此，长方形微全息图还起到k空间滤波器的作用，并且尽管长方形微全息图产生椭圆远场光点空间轮廓，但是在轨道外条件下，拉伸的方向可能不同，并且远场光点在焦点未对准条件下变小。
仅出于非限定性说明的目的，进一步描述涉及圆形微全息图的本发明。使用四极探测器，例如图26所示的探测器，可以确定沿着偏离轨道方向的光束形状变化以及光束空间强度。因此，在一个实施例中，将微全息图反射的空间分布用于确定读取光束是否聚焦和/或在轨道上。该信号还可以用于将焦点未对准和轨道外这两种光束聚焦情况分开，并且向驱动伺服提供反馈信号，以校正例如激光器光头的位置。例如，能够使用将微全息图反射转变为电信号的一个或多个探测器来检测微全息图反射图像中的变化-并且因此能够用于为光学元件定位致动器提供聚焦和跟踪反馈。可以将多种光电探测器用于检测微全息图反射。例如，可以将一个或多个光电二极管用于按照常规方式检测来自微全息图的反射。光电二极管的制造和使用对于相关领域普通技术人员而言是公知的。将这些探测器提供的信息用于对光学系统中的致动器实施实时控制，以便保持聚焦并且停留在正确的数据轨道上。
因此，这种伺服控制系统可以解决激光束焦点未对准条件下可能出现的两个主要情况：第一个是当激光束没有聚焦在正确的层上时，第二个是当激光束相对于所要读取的微全息图横向未对准时；同时还配置为在存在噪声源的情况下优化跟踪和聚焦性能。能够将诸如卡尔曼(Kalman)滤波器的估计技术用于推断出该系统过去、当前或者未来状态的最佳估计，以便减少实时误差并且减少读取和写入误差。
图26A-26D表示了用于确定该系统是否焦点对准或者处于轨道上的探测器配置或者阵列(图26A)以及各种检测的条件(图26B-26D)。在一个实施例中，可以使用四象限探测器阵列2600来确定该光学系统是否焦点未对准或者偏离轨道。该探测器阵列2600的每个象限探测器2600A、2600B、2600C、2600D生成与反射到其上的能量的量成比例的电压。探测器阵列2600包括光电二极管阵列，每个光电二极管对应于一个象限，该探测器阵列例如为四极探测器的形式。在所示实施例中，探测器阵列2600响应于在大于聚焦光学器件(例如透镜2620)的区域上传播的光学能量，该聚焦光学器件用于将光束中继到体积存储媒质中或者将反射中继出体积存储媒质。例如，可以将四极探测器2600放置在用于照射目标体积和接收来自该目标体积的反射的物镜之后，以检测光束形状变化。在圆形微全息图的情况下，如果检测到的光束形状是椭圆的，则可以推断该光束偏离轨道，因此该偏离轨道方向是椭圆光束短轴。如果检测到的光束小于预期(具有更小的数值孔径)，但是该变化本质上是对称的，则可以推断该光束焦点未对准。将检测到的这些从体积媒质反射的读取光束的空间轮廓变化用作反馈，以用于驱动聚焦和/或跟踪控制。可选的是，可以在物镜周围使用更小的透镜阵列，以聚焦畸变的反射信号。而且，该反射光束的传播角度变化还用作未对准方向的指示。
由α表示象限环形探测器2600A-2600D生成的信号总量。如果该系统是焦点对准的，如图26B所示，则聚焦光点是圆形，其具有最小尺寸并且生成最少量的信号αmin。如果α＞αmin如图26C所示，则可以确定该光束光点焦点未对准。可以将透镜2620放置在探测器阵列2600的中心，以传送读取光束并且使其聚焦在微全息图上。可以将使α最小化的常规反馈控制机构用于保持微全息图的聚焦。现在还参照图26D，如果传感器头移动偏离轨道，则检测到非对称图案。当在轨道上时，全部四个象限探测器2600A、2600B、2600C、2600D接收相等的能量，使得β＝(1800B+1800D)-(1800A+1800C)＝0。因此，条件β≠0表示偏离轨道条件。作为另一个实例，如果传感器头偏离轨道并且变量β(相对象限之差)变得更正或更负，则反射信号变得伸长。可以将常规的反馈控制机构与跟踪伺服组合使用，以通过使β的绝对值最小化来减少跟踪误差。在一个实施例中，能够确定时间基准，从而在适当时间采样α和β。可以将锁相回路(PLL)用于确定该基准，并且形成采样的跟踪和聚焦控制系统。还可以将有关盘的旋转速率和当前读取头位置的信息用于为该系统生成主时间基准T。
能够补偿误差来源，例如偏心盘、盘翘曲和/或丢失数据。可以将卡尔曼滤波器用于解决误差来源，并且根据过去的信息预测所记录的微全息图的未来路径。还能够估计螺旋路径轨迹的正常进展，并将其转发到跟踪伺服。该信息可用于增强跟踪和聚焦伺服的性能，并且减少跟踪和聚焦伺服误差。图27表示了适用于实现聚焦和跟踪控制的伺服系统2700的结构图。系统2700包括聚焦和跟踪路径估计器2710、2720，在一个实施例中，其采用常规卡尔曼滤波器的形式。聚焦路径卡尔曼滤波器2720使用伺服定时脉冲(τ)、媒质的旋转速度、聚焦误差值(ε)(希望的跟踪路径与实际跟踪路径之差)以及当前触针(stylus)(例如读取头)位置，来提供媒质旋转时的所估计的聚焦轨迹。跟踪路径卡尔曼滤波器2720使用伺服定时脉冲(τ)、媒质的旋转速度、跟踪误差值(ε)以及当前触针位置来提供所估计的跟踪轨迹。系统2700还包括提供全息图检测、边缘检测、伺服定时脉冲(τ)的锁相回路(PLL)2730，其响应于检测到的总信号α、与电机的速度和当前触针位置直接相关的电机定时信号，来提供伺服定时脉冲(τ)。例如包括差动放大器的常规的调节电路2740，响应于象限探测器2600A、2600B、2600C、2600D(图26A)提供总信号α以及前述信号β。
聚焦伺服2750响应于来自聚焦路径卡尔曼滤波器2710的所估计的聚焦轨迹以及伺服定时脉冲(τ)、总信号α以及来自常规层和轨道搜索逻辑(未示出)的层搜索命令控制(多个)聚焦致动器2760。跟踪伺服2770响应于来自跟踪路径卡尔曼滤波器2720的所估计的跟踪轨迹以及伺服定时脉冲(τ)、信号β以及来自常规层和轨道搜索逻辑(未示出)的轨道搜索命令控制(多个)聚焦致动器2780。实质上，致动器2760、2780响应于来自常规层和轨道搜索逻辑(未示出)的相应层和轨道搜索命令，将读取和/或写入光束定位并聚焦在该媒质中的头的目标体积中。
因此，本发明公开了一种在空间存储媒质中聚焦和跟踪微全息图的方法。针对所采样的跟踪和聚焦生成主系统定时基准。根据由于偏离轨道条件造成的微全息突反射非对称性和/或由于焦点未对准条件造成的扩展，生成误差信号。将卡尔曼滤波器用于估计和校正微全息图跟踪控制伺服中的跟踪路径误差。可以将卡尔曼滤波器用于校正微全息图聚焦控制伺服中的聚焦路径误差。如果数据基于不同的层或者层之间的变化，则能够使用该伺服控制。
应当理解，本文中描述的跟踪和聚焦系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般可以广泛用于体积存储系统和方法，包括使用线性响应材料的那些，例如美国专利公报20050136333中描述的，将该公报在本文中引入作为参考。
利用用于跟踪的数据表示微全息图对可旋转体积存储盘进行格式化
如本文中所述，能够利用多个垂直层并且沿着每层上的螺旋轨道将微全息图存储到旋转盘中。该数据存储媒质的格式可以对系统性能和成本具有非常大的影响。例如，相邻层中微全息图的相邻层邻近会导致微全息图之间的串扰。这个问题随着该盘中层的数量增大而变得严重。
图28表示了格式2800，其通过将数据沿着两个径向以螺旋形存储在诸如可旋转盘的媒质上，来克服不同层之间的数据不连续性。以例如向内横穿的螺旋形将微全息图存储在一个层2810上。在该层2810的端部，通过以沿着相反方向横穿的螺旋形聚焦到该盘中的另一个层2820上，数据以最小的中断继续。相邻的层，例如2830可以继续在开始位置和方向上交替。按照这种方式，消除了传感器头返回到前一螺旋2810开始的位置所需的时间。当然，如果希望在与前一螺旋相同的开始位置开始，则数据能够提早存储并且以希望的系统速率读取，同时探测器移回开始点。可选的是，不同的层组可以具有一个开始位置和/或行进方向，而其它层组具有另一开始位置和/或行进方向。通过在沿着相同方向行进的螺旋之间提供间隔，使相邻层中的螺旋方向反向也可以减少各层之间的串扰量。
现在还参照图29，通过改变每个螺旋的定相或开始点，可以进一步减少串扰。图29表示了包括多个潜在微全息图轨道开始/终止点2910A-2910G的格式2900。应当认识到，尽管表示了8个轨道开始/终止点，但是可以使用任意适当的数量，更多或更少。根据本发明的一个方面，可以交替每层的相位或者开始/终止点。通过改变不同层上数据螺旋的终止点，可以减少各层之间的串扰。也就是说，例如，如果第一层在点2910A处开始并且螺旋向内到达点2910H，则下一层可以在点2910H处开始并且螺旋向外到达点2910D，继而在该点处向内螺旋的下一层开始。当然，可以使用其它特定的开始/终止点分组。
因此，可以将微全息图在螺旋轨道(其在不同层上沿着不同方向螺旋)中存储到各层中，以便减少读取/写入探测器头移动到下一螺旋，例如下一层的开始点所需的时间。在探测器头从一层移动到另一层的间隔期间，可以使用一个或多个数据存储器来保持对于用户或系统的一致数据流。可以在探测器头移动到下一螺旋层时从前一数据层读取存储在该存储器中的数据。通过使相邻或者不同层上的螺旋反向可以减少各层之间的串扰。还可以通过改变每层的相位或开始点以及改变不同层上数据螺旋的终止点来减少各层之间的串扰。可以将所要连续读取的不同层上的开始和终止点间隔开，从而避免在聚焦到下一连续数据层上所需的时间期间不必要或延长的数据中断。
在一个实施例中，将长方形微全息图用作体积数据存储系统的格式。换句话说，提供了自跟踪微全息图。有利的是，使用长方形微全息可以使微全息图尺寸在至少一个横向维度上比再现激光光点尺寸小。为了跟踪，将长方形微全息用于通过检测反射形状确定轨道方向。可以将基于反射光的差分信号用于提高系统可靠性。
现在还参照图30，在单个位全息存储媒质中，可以通过按照与数据全息图相同的方式局部调制周期性结构中的折射率来写入格式微全息图。该微全息图生成读取激光束的部分反射。当不存在微全息图时，读取激光透射穿过局部区域。通过检测反射光，驱动器生成表示内容为1还是0的信号。在图30所示的情况中，位基本上是圆形微全息图3010，其尺寸是由写入激光光点尺寸确定的。因为该微全息图写入过程遵循激光的高斯空间轮廓，所以该微全息位的空间轮廓也是高斯形的。高斯轮廓倾向于在光束束腰(或者光点直径)之外具有大量能量。为了降低来自相邻位(微全息图1、2、3、4和5)的干扰，位间隔(两个位之间的距离dt)需要为激光光点尺寸的三倍。因此，层上的内容密度实际上可能比CD或者DVD层上的内容密度小的多。与圆形格式相关的另一个可能的缺点与跟踪有关，其中媒质盘沿着方向3020旋转。仍然参照图30，希望激光光点在读取位1之后移动到位2。然而，因为微全息图位1为对称的，所以驱动并不具有表示包括位1和2的轨道3030的方向的附加信息。相应地，驱动会使激光器徘徊到其它轨道3040、3050，例如位4或5。
现在还参照图31，为了帮助校正潜在的轨道未对准，可以使微全息图点形状为非圆形的，或者非对称的，使得激光器头能够确定轨道方向。为了使位间隔在至少一个横向维度上小于读取激光光点尺寸3110，沿着轨道3130、3140、3150形成具有高反射率的微全息图3120。值得一提的是，与此对照，诸如CD和DVD的单层格式使用长方形坑，该长方形坑生成导致较低反射率区域的干涉。为了写入如图31所示的格式，根据局部体积中是否希望反射，使媒质盘沿着轨道(例如3130)旋转并且接通和关断写入激光。换句话说，在曝光过程中该媒质相对于激光光点而言超前，从而使该媒质的伸长部分曝光。通过接通写入激光器以及超前的时间长度或旋转速度，以受控长度写入长方形微全息图。这是有利得，因为不需要在一个光点一个光点地写入时，快速脉动写入激光。当读取激光聚焦在长方形微全息图上时，该圆形高斯激光光点沿着轨道方向比垂直于轨道方向具有更大的反射强度。该微全息图反射的信号不再是完美的圆形(例如参见图25A-25C)，并且可以将诸如象限探测器的探测器用于确定反射光束的形状，并且因此确定轨道方向-然后将轨道方向用作反馈以帮助激光器头保持在轨道上。为了提高系统灵敏度，还可以采用常规的CD/DVD格式方法，例如通过利用基于反射的差分信号。
因此，在一个实施例中，针对体积数据存储物理格式，沿着该媒质内的轨道提供长方形微全息图。该格式微全息图本身可以编码数据，或者可选的是可以编码相对于主要数据表示微全息图记录在不同位置的、或者在同一位置但以不同角度记录的和/或以不同波长记录的其它数据。如果记录媒质提供了非线性光学响应(即阈值响应)，则可以进一步减少长方形标记的宽度(短维度)，从而进一步提高层容量。
应当理解，本文中描述的格式化系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般广泛地适用于体积存储系统和方法，包括使用线性响应材料的系统和方法，例如美国专利公报20050136333中描述的，该专利在本文中引入作为参考。
使用单独的全息组件对可旋转体积盘进行格式化
代替或者除了自跟踪数据表示微全息图之外，可以将单独的跟踪元件包含在该媒质中。在没有有源聚焦以保持激光光点聚焦到正确的层以及保持激光器头位于正确的轨道上的情况下，可以证明将微米或者亚微米尺寸的特征存储到媒质盘中在商业上是不现实的，这至少部分是由于物理方面的限制造成的，包括但不限于表面粗糙度和划痕。
单层存储格式(例如CD、DVD)使用反射非对称光束进行聚焦，并且使用三光束机构进行跟踪。然而，体积存储媒质不包括位于该媒质中数据记录层次的高度反射层。在可记录或者可改写类型的CD和DVD格式中，预先形成轨道或者凹槽，使得激光器头在写入数字内容时遵循该轨道。美国公开专利申请2001/0030934和2004/0009406以及美国专利No.6512606提出了在单个位全息媒质中预先形成轨道，使得激光器头能够在内容写入过程中遵循该轨道，将这些专利在本文中全部引入作为参考。在读取过程中，激光器头也遵循该轨道。
在一个实施例中，轨道预先格式化和/或离轴微全息图用于编码跟踪数据(例如深度和半径位置信息)。更特别的是，在将微全息位存储到体积存储媒质中之前，将利用离轴微全息光栅编码的轨道预先记录在该媒质中的不同深度和位置处。可以定向这种跟踪微全息图，从而生成偏离照射激光束法线的反射。该定向角度可以与跟踪微全息图深度和半径相关，使得该跟踪微全息图起到检查s点的作用。在读取或者写入过程中，该跟踪微全息图使入射光远离光学法线轴反射，这能够利用例如独立的探测器进行检测。根据对该成角度的离轴反射的检测，来确定该盘中当前位置的聚焦深度和半径。因此，可以将预先形成的微全息图用于向驱动器提供有关光头位置的反馈信号。
精确定位的台和写入激光器适用于在全息媒质内写入轨道。每个轨道可以在媒质内旋转通过不同的半径和/或深度。当然，也可以使用其它配置，包括圆形或者基本上同心的轨道。通过沿着每个轨道形成微全息图形成数字位。例如可以通过聚焦高功率激光以使该媒质的折射率局部交替来形成轨道。局部折射率调制生成了从入射聚焦光到跟踪探测器的部分反射，并且提供了有关轨道的信息。相反地，如本文中所述，可以将轨道写入全息母板(master)中，并且将其光学复制到媒质设备(例如盘)中。
图32表示了盘形式的媒质3200，其可以旋转以使写入或者读取头遵循预先编程的轨道。与该媒质基本上相邻的激光器头将光束3210聚焦到局部区域以便于在媒质中写入轨道。光束3210垂直于媒质。所形成的微全息图用于将轨道位置编码成离轴角度。从该媒质另一侧照射的第二激光束3220与激光束3210照射相同的体积。光束3220相对于盘法线轴是离轴的。两个光束3210、3220干涉，并且形成相对于媒质法线离轴的微全息图3230。可以将离轴角度用于编码轨道的物理或逻辑位置，即深度或半径。相关技术领域普通技术人员可以理解，微全息图3230的离轴角度Φ取决于光束3220的离轴角度Φ，其中光束3210垂直于媒质3200。因此，通过改变照射光束3220的角度，可以编码所形成的全息图的位置。
光束3210可以采用连续波的形式，以写入连续的轨道，或者该光束可以是脉冲的。如果是脉冲的，则脉冲重复速率确定了在内容写入和/或读取过程中能够多么频繁地检查轨道位置。作为替代或除此之外，可以使用具有变化的重复速率或者脉冲数的微全息图串(burst)与角度相关性结合或者代替角度相关性，来编码轨道位置信息。然而，如果使用微全息图写入光束的脉动，使得脉冲重复速率或者脉冲数表示轨道位置，则可能需要读取不止一个跟踪微全息图来确定有用的定位信息。
再次返回到使用角度相关性，在内容写入和读取过程中，预先形成的离轴微全息图3230将垂直于该媒质入射激光束3210’离轴地反射，以提供有关轨道的信息。可选的是，可以编码其它信息，例如版权信息。在这种情况下，可以调制离轴光束以编码这样的其它数据，并且以表示在该媒质内的位置的角度。现在还参照图33，当将垂直于媒质轴的入射光束3210’聚焦到局部预先写入跟踪微全息图3230时，跟踪微全息图3230使该光反射成为光束3310，该光束3310具有与微全息图记录过程中使用的第二激光束(例如图32中的光束3220)相似方向和空间轮廓。可以使用离轴传感器或者传感器阵列来检测反射的有角度的光束3310并且确定入射光束3210’的聚焦光点的位置。
因此，可以将轨道和/或其它信息编码到预先形成的离轴微全息图中。如果将离轴的有角度光束用作编码器，则光学驱动器能够通过读取单个跟踪微全息图来确定聚焦入射光束的位置。可以将所收集的信息用于聚焦和跟踪，例如提供给类似于图27所示的聚焦/跟踪系统。例如，可以将离轴信号用于确定入射光是否处于适当的深度以及是否将适当的透镜用于校正与深度有关的球面像差。
在一个实施例中，一个或多个微全息图可以包括离轴和/或偏离中心的组件。现在还参照图34A，全息衍射单元(例如相位掩模或者光栅)将入射光束分成用于写入/读取的主光束3410以及用于跟踪的至少一个离轴光束3420。离轴光束3420的传播角度θ与该媒质3400中的离轴、离心跟踪微全息图3430相符合，使得反射光束沿着入射离轴光束3420的方向传播回来。在这种情况下，可能不需要除物镜外的附加收集光学器件。然而，微全息图3430的离轴角θ是固定的，并且对于索引轨道位置而言，使用微全息图脉冲重复速率或者脉冲数调制可能是必要的。
图32-34A表示了一个离轴微全息图。可选的是，可以利用两个离轴微全息图(一侧一个)来格式化数据微全息图。图34B表示了写入3个交叠的微全息图。利用基准光束3440和数据光束3450来写入微全息图数据，该数据光束沿着与基准光束相同的轴反向传播。可以利用同一基准光束3440与离轴写入光束3460、3470之间的干涉写入两个离轴微全息图。
在读取过程中(图34C)，基准光束3440’用作读取光束。已经将三个微全息图存储在一个位置中。因此该基准光束3440’将沿着三个方向衍射：来自数据微全息图的反向反射3482以及来自两个离轴微全息的侧向反射3484、3486。当两个侧向反射形成的平面垂直于微全息图数据轨道方向时，该两个侧向反射用作用于跟踪的指示器。
应当理解，本文中所述的跟踪和聚焦系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般可以广泛用于包括使用线性响应材料的体积存储系统和方法，例如美国专利公报20050136333中描述的，该专利在本文中引入作为参考。
预先记录的媒质成批复制
光学复制非常适用于分发(distribute)大量的数字信息，所述数字信息作为微全息图记录在支持媒质中。与基于页面的全息方法形成对比，更加希望将微全息术用于光学复制的工业过程。使用线性材料的光学复制的一个问题在于光学复制系统中任何不希望的反射会产生不希望的全息图。因为光学复制过程中通常涉及高功率激光器，不希望的全息图会严重干扰数据表示全息图和/或格式化全息图。而且，线性材料中记录的全息图的强度与记录激光光束的功率密度的比例成正比。对于与1相差很多的比例而言，全息图弱并且大量动态范围(材料的记录容量)被不希望地消耗掉。同样，这能够通过使用非线性光学响应媒质得到解决。
现在参照图35、36和37，表示了适合与非线性光学响应媒质一起使用的光学复制技术的实现方案。图35表示了用于制备母媒质的系统，图36表示了用于制造共轭母媒质的系统，图37表示了用于制备副本媒质的系统，该副本媒质例如用于流通。首先参照图35，表示了用于记录母媒质3510的系统3500。在所示实施例中，母媒质3510采用光学非线性响应材料模制盘的形式，例如本文中描述的那些。通过一个接一个地形成微全息图阵列3520来记录全息母媒质3510。系统3500包括与分束器3552光学耦合的激光器3550。激光器3550可以采用532nm、100mWCW、单纵模、腔内倍频二极管泵浦固态Nd:YAG激光器，其中分束器3552采取例如偏振立方分束器的形式。将聚焦光学器件3532、3542用于将分离的光束3530、3540聚焦到媒质3510内的共同体积，其中这两个光束反向传播，干涉并且形成条纹图案，从而引发微全息图形成，如上文中所述。聚焦光学器件3532、3542可以采取例如高数值孔径非球面透镜的形式。将快门3554用于将光束3530选择性地传送到媒质3510，从而编码数据和/或有助于微全息图3520的有序形成。快门3554可以采取例如具有约2.5ms窗口时间的机械、电光或声光快门的形式。
为了能够使微全息图在特定目标体积中形成，激励聚焦光学器件3532、3542以选择性地聚焦到相对于旋转媒质中心的不同半径，该媒质例如为盘3510。也就是说，它们将聚焦区域横向平移到相对于旋转媒质中心的不同半径处，该媒质为例如盘3510。精确定位台3556支撑该媒质3510，该精确定位台使媒质3510旋转并且允许将聚焦光束3530、3540对准媒质3520中的不同垂直层。通过在适当时间选择性地打开快门3554来控制角度定位。例如，可以将步进电动机或者空气轴承心轴用于旋转媒质3510，使得可以选择性地打开快门，并且在对应于旋转媒质3510的不同角度位置的不同时刻关闭快门。
现在参照图36，表示了系统3600的结构图。系统3600包括光源3610。光源3610可以采取532nm、90W、1kHz重复频率的脉冲的Nd:YAG激光器，例如市场上可买到的Coherent Evolution的90型号。源3610穿过共轭母媒质3620照射母媒质3510。在所示实施例中，共轭母媒质3620采取光学线性响应材料模制盘的形式，例如美国专利公报20050136333中描述的那些，该专利公报在本文中引入作为参考。通过使母媒质3510快速暴露于源3610穿过共轭母媒质3620的发射3615，来自母媒质3510的反射与直接来自源3510的发射干涉，以在共轭母媒质3620中形成条纹图案。共轭母媒质3620中形成的全息图案与母媒质3510中形成的全息图案不同，而是表示来自它的反射。根据本发明的一个方面，整个母媒质3510与共轭母媒质3620对可以闪速(flash)、或者成批一次曝光。可选的是，发射3615可以机械地扫描母媒质/共轭母媒质对，如横向箭头3618所示。
图37表示了系统3700。与系统3600类似，系统3700包括光源3710。源3710可以采取532nm、90W、1kHz重复频率的脉冲的Nd:YAG激光器，例如市场上可以买到的Coherent Evolution的90型号。源3710穿过流通媒质(distribution media)3720照射共轭母媒质3620。在所示实施例中，媒质3720类似于母媒质3510和共轭母媒质3620，采取光学非线性响应材料模制盘的形式，例如本文中公开的那些。更特别的是，源3710发射穿过流通媒质3720并且进入共轭母媒质3620中的发射3715。其中的折射率变化生成反射，该折射率变化对应于来自微全息图阵列3520(图35、36)的反射。这些反射又横穿流通媒质3720，在该流通媒质中它们与反向传播发射3715干涉，以形成表示微全息图阵列3730的干涉条纹图案。如果光发射3715与发射3615的方向和波长基本相同，则阵列3730对应于阵列3520(图35、36)-由此将母媒质3510复制成流通媒质3720。整个共轭母媒质3620和流通媒质3720对可以是闪速、或者成批一次曝光。可选的是，发射3715可以扫描该共轭母媒质/流通媒质对，如横向箭头3718所示。
应当理解，系统3500、3600和3700仅仅是实例，并且设置上的许多变化可以产生类似的效果。而且，该母媒质、共轭母媒质和流通媒质不必由相同材料制成，并且能够由线性与非线性材料的组合制成。可选的是，它们全部可以由例如阈值响应材料构成。
现在还参照图38，在不同的实现方案3800中，最终生成流通媒质3810的母媒质可以采取具有孔(aperture)、洞(hole)或者至少基本上透明区域的带的形式。可选的是，最终生成流通媒质3810的母媒质可以采取具有像素或孔的二维阵列的空间光调制器的形式。总之，系统3800包括激光器3820，其可以采取532nm、Q开关、高功率(例如90W、1kHz重复速率脉冲)的Nd:YAG激光器，例如市场上可以买到的Coherent Evolution的90型号。激光器3820与分束器3830光学耦合，该分束器可以采取例如偏振立方分束器的形式。因此，分束器3830生成第一和第二光束3830、3840，该第一和第二光束3830、3840按照适合形成表示所存储的数据的微全息图阵列3815的方式在媒质3810的特定体积内反向传播，如本文中所讨论的。更特别的是，光束3840通过调节光学器件3845传送到媒质3810中。光束3850通过调节光学器件3855传送到媒质3810中。
调节光学器件3845、3855可以采取适于将激光束转变为一系列聚焦光点或者聚焦光点的二维阵列的微透镜阵列的形式。如果透镜具有高数值孔径，则可以通过以小得足以使曝光生成交错阵列的增量移动该媒质，来实现密集封装。因此，调节光学器件3845、3855将反向传播光束3840、3850聚焦成媒质3810的单层内的聚焦点二维阵列。根据本发明的一个方面，该点阵列对应于遍布整个层记录的数字0或1的阵列。因此，通过激励激光器3850，可以利用在其中形成微全息图阵列的光点的干涉条纹，将全部数字0或1的层记录在该媒质3810的单个层中。如果该媒质采取本文中所述的光学非线性响应材料盘的形式，这种方法是特别有用的。
根据本发明的一个方面，可以将带或者空间光调制器3860用于提供记录在媒质3810的单个层中的不同数据。带或空间光调制器3860可以包括一系列孔或洞、或者孔或洞的阵列。存在或不存在孔可以对应于相应数字数据的数字状态。也就是说，缺少孔的区域取决于相应的数据状态，根据是否将要记录微全息图来选择性地遮挡光束3840。
在这两种情况下，每次记录一层数据并且仅记录在记录媒质的一个区域中。利用例如定位台3870可以使媒质3810前进或旋转几次以记录一个完整的层。利用例如定位台3870，可以向上或向下移动该媒质，以记录其它层。
因此，可以使用对母媒质的泛光照射(flood illumination)来记录中间或者共轭母媒质。还可以使用对母媒质或共轭母媒质的泛光照射将数据记录到流通媒质中。可以将带或者空间光调制器用作母媒质来记录流通媒质。并且，所记录的全息图的衍射效率(强度)可能与记录激光束功率密度的比例无关。
预先格式化的媒质
如上所述，可以利用表示数据状态的微全息图阵列来记录全息媒质盘。可以将这些阵列遍布由光学非线性或阈值响应记录材料制成的媒质的基本全部体积。在一个实施例中，通过擦除或者不擦除某些微全息图，将特定数据(例如数据的交替状态)记录在预先格式化的媒质中。可以利用具有足够聚焦能量使微全息图的体积达到阈值条件以上(例如加热到接近组分聚合母体的Tg)的单个光束来实现擦除。
更特别的是，通过擦除或者不擦除选定的预先记录的或者预先格式化的微全息图，可以实现将数据记录到预先格式化的媒质中(例如在光学非线性响应材料内的表示单个数据状态(例如全部为0或全部为1)的微全息图阵列)。通过将一个或多个激光束聚焦到微全息图上，可以有效擦除微全息图。如上文中所述，如果光束传递的能量超过写入阈值强度，则擦除该微全息图。因此，该阈值条件可能与原先形成目标微全息图所需要满足的阈值条件相同。该光束可以由常规二极管激光器发出，类似于CD和DVD技术中常规使用的光束。图39表示了系统3900，其中利用单个激光束，通过聚焦到预先格式化的阵列中的预先提供的微全息图上并且选择性地擦除对应于所要写入的位的那些微全息图，来记录数据。
更特别的是，利用聚焦光学器件3920将激光束3910聚焦到包含预先形成的微全息图(未示出)的媒质3930中的目标体积3940。擦除目标全息图的实际机制可以与原先用于形成该全息图的机制类似。例如，利用单一入射光束使体积元件的任何预先未受影响的部分(即原始条纹之间的区域)经历折射率变化，导致条纹图案被破坏-由此生成具有连续折射率的区域，能够擦除预先格式化的全息图。而且，激光器不必为单纵模的，这是因为不需要干涉，从而有利地使得微全息数据设备的读取和记录激光器简单并且可能比较便宜。
可选的是，可以将序列号记录到该媒质中。该序列号可以用于跟踪可记录媒质的所有权，以促进例如版权保护。可以按照有助于对其进行光学检测的方式光学记录该序列号。可以在使用空间光调制器进行数据复制之前、基本上同时或者之后，将该序列号光学记录到该媒质中的预定位置。
这种用于微全息数据存储配置的预先格式化的非线性记录格式可以有助于实现低成本的微全息记录系统。由于在该媒质的单侧使用光学器件，还可以使用简化的光头。而且，可以将非单纵模的激光器用于记录数据。而且，因为仅使用了单个光束，所以还可以实现用于微全息系统的容许振动的记录系统。
应当理解，本文中描述的预先格式化系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般可以广泛用于包括使用线性响应材料的系统和方法，例如美国专利公报20050136333中描述的那些，该专利公报全部引入作为参考。
再现微全息图存储的数据
图40表示了系统4000。系统4000适用于检测在媒质内的特定位置处是否存在微全息图，该媒质例如旋转盘媒质。系统4000的目标是使用本文中所述的跟踪和聚焦机制来选择体积。在所示实施例中，利用聚焦光学器件4020聚焦穿过分束器4050的激光束4010，从而照射媒质盘4040内的目标体积4030。光束4010可以来源于常规的激光二极管，例如用于CD和DVD播放器中的激光二极管。这种激光器可以采用基于例如GaAs或者GaN的二极管激光器。分束器4050可以采取例如偏振立方分束器的形式。聚焦光学器件4020可以采取例如高数值孔径聚焦物镜的形式。当然，其它配置也是可能的。
无论具体细节怎样，当在目标体积4030中存在微全息时，光束4010反向反射穿过光学器件4020到达分束器4050。分束器4050将反射的方向变为朝向探测器4060，该探测器检测是否存在反射。探测器4060可以采取光电二极管的形式，其被象限探测器围绕，例如市场上可以买到的Hamamatsu Si Pin光电二极管S6795型号。
应当理解，本文中所述的数据再现系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般可以广泛用于包括使用线性响应材料的体积存储系统和方法，诸如所述美国专利公报20050136333中描述的那些，该专利在本文中引入作为参考。
收入保护
对预先记录的光学媒质的盗版、甚至是不经意的复制是娱乐和软件业经济损失的重要根源。利用具有高速(例如达到177Mbps)数据传输速率的可记录媒质可以使复制包含版权音乐或正片电影的CD或DVD相当容易。在软件业中，内容供应商通常使用产品激活编码来试图减少软件的盗版。然而，盘上的产品激活编码和数据不是唯一联系的，并且能够将软件的几个副本安装在多个机器上，很少或不能检测该多个版本或者防止同时使用。
在常规的预先记录的光学媒质中，例如CD或者DVD中，常规的是在注模过程中，通过将相应数据压印到媒质中来复制预先记录的内容。可以将该过程用于再现来源于单个母媒质的几万张盘上的数据，这本质上限制了唯一标识单个盘的能力。已经进行了几种尝试来提供附加的装置和方法以在模制过程之后标记每个盘。然而，这些方法通常需要将新数据记录到模制盘上或者从模制盘上擦除数据以标记该盘。例如，已经进行了尝试使用高功率激光器来按照能够被驱动器读取的方式“标记”盘。然而，盘上的数据比激光器所聚焦的光点小的多，使得这些标记通常比数据大的多，并且不容易被驱动器解译。
而且，用于分发预先记录的内容的常规光学数据存储设备，例如DVD通常具有足够用于至多两个完整长度的正片电影的容量。通常，内容供应商使用该容量容纳相同内容的两种不同观看格式，例如传统的4:3格式结合最新型号的电视机上流行的16:9格式。
根据本发明的单个位微全息系统可以用于在单个CD尺寸的盘上提供多个，例如多于50个独立的正片电影。在一个实施例中，利用嵌入数据中并且可以被全息驱动器读取的单独的唯一识别号或者基本上唯一的识别号来标记每个盘。可以按照光学方式复制全息数据有助于这种方法。唯一标识每个大容量盘的能力能够形成一种提供内容的新商业模式，其中每个盘能够包含例如按照各种类别(例如风格、导演、领衔男演员或者女演员)分组的大量正片电影。
在该实施例中，消费者可以通过例如购买来获取预先记录的盘。其成本可能与向用户提供一种内容特征(例如一部正片电影)访问的常规媒质相当。根据本发明的一个方面，消费者可以随后通过例如购买来激活包含在盘上的其它内容，例如附加的正片电影。这可以通过内容供应商发布与特定盘或者分立盘组上编码的识别号相关的各个访问码来实现。当盘序列号是不能复制的时候，该访问码不适于使得能够在另一不同序列化的盘上观看盗版内容。
而且，可以鼓励消费者复制盘(例如通过恢复数据并且在另一类似媒质盘上重新再现它)，并且例如基于在预先格式化的可记录盘上嵌入的序列号来接收其自己的访问码。按照这种方式，实际上可以鼓励用户到用户的内容流通，同时保护内容拥有者的收入来源。
在一个实施例中，如本文中所述，可以通过注模空白盘并且随后将数据通过光学复制(例如闪速曝光)转移到盘上，来再现单个位微全息数据，以用于批量流通。在对于所要再现的数据的初始曝光过程中，可以故意地使盘上的几个位置保持空白。随后利用例如空间光调制器，通过对应于识别号的附加光学曝光来记录这些位置，其中每个号码对于每个盘或者盘组而言是唯一的。还能够将这些位置用于识别空白的预先格式化的盘上的号码。
仅作为非限定性实例，根据预期的存储要求和存储量，具有常规CD尺寸的包含内容的微全息盘可以包含多达50个标准分辨率全长正片电影，或者10个高清晰(HD)全长电影。可以按照多种方式对内容进行分组。例如，内容供应商可以将给定系列的影片，或者具有特定领衔男或女演员的影片，或者相同类型的影片置于盘上。当准备零售时，可以在盘的包装上或包装内标明该盘的序列号。当消费者购买该盘时，包装可以包括促使用户在播放该盘时输入的访问码。该访问码对应于相关序列化的盘，从而能够使用户观看盘上的一个且仅一个特定特征(或者分立的特征组)。可选的是，盘的播放器可安装有硬件/软件，以使其与使用权限通信，该使用权限响应于序列号并且可能响应于播放器的标识符以及当前允许的访问级别向播放器提供激活码。
无论怎样，驱动器或者读取设备可以包括存储器，例如固态或者磁存储设备，以在已经输入了访问码时存储该访问码，因此，随后观看该特征无需重复输入该号码。
用户可以通过计算机网络(如互联网)或者通过电话(例如通过免费电话)联系内容供应商或其代理商，从而获得对应于包含在该盘上的其它特征的附加激活码。可选的是，播放器可以促使用户确定该用户是否希望购买附加的内容，例如用户试图选择数字内容时。当用户输入另一激活码或者由例如使用权限提供该码时，播放器可以相对于该盘的序列号检查该号码，并且仅能够在该码与序列号对应或相关的情况下播放该特征。相应的是，针对特定盘序列号(其为不可复制的)键入访问码，使得尽管可以复制对应于盘上特征的数据，但是允许对该特征进行访问的访问码对于原始盘而言是特定的，并且不能够播放其它盘上的副本。
根据本发明的一个方面，可以将内容本身复制到例如预先格式化的空白媒质盘上。内容供应商甚至可以鼓励消费者向其它消费者提供该盘的副本，从而允许下游副本用户有限访问该盘的内容。每个盘(预先格式化和预先记录的)可以设有唯一的或者基本上唯一的标识符。在复制过程中该序列号不会转移。与原始媒质的用户类似，原始媒质副本的用户可以联系内容供应商或者代理商，并且请求对应于该副本媒质盘序列号的访问码或者由该序列号产生的访问码。按照这种方式，在传播内容的同时管理相应的数字权。
根据本发明的一个方面，微全息复制系统因此可以提供按照微全息驱动器可读取的方式(至少基本上)唯一地序列化每个盘的能力。通过使例如两个反向传播的激光束干涉，可以将微全息图记录在该媒质盘的(多个)保留区域中。媒质盘可以包含能够例如通过购买单独访问的多个内容，例如正片电影或者其它内容。
可以将硬件和/或软件用于比较访问码与盘上的序列号，以确定它们是否对应。可以将存储器用于存储访问码，因此以后如观看该内容则无需重复输入该码。可以提供一种能够购买新码以便能够访问盘上的附加内容的商业模式。可以提供其上能够复制内容并且对其可以使用新访问码来访问所复制的内容的预先序列化的可记录盘。
使用具有唯一序列号的含微全息图的盘和读取驱动器和使得能够在获取该媒质之后购买内容的商业模式，可以提供几个优点。例如，通过促进已经包含在用户盘上的附加内容的购买，可以产生收入。通过对包含内容的可记录盘编排序列号并且禁止复制序列号，可以增强数字权利保护。可以提供通过用户复制包含内容的盘并且随后授权这些盘的内容流通方式。可以在单个盘上提供多个正片电影、相册或者其它内容，并且独立地激活它们。
应当理解，本文中所述的收入模式不限于使用非线性和/和阈值响应材料的体积存储系统和方法，而是一般可以广泛用于包括使用线性响应材料的体积存储系统和方法，诸如美国专利公报20050136333中的那些，该专利全文引入作为参考。
本领域技术人员可以理解，在不背离本发明精神或范围的基础上，可以对本发明的装置和方法进行修改和变化。意在本发明覆盖本发明的这些修改和变化，包括其所有等价物。

Claims (39)

1.一种数据存储设备，包括
塑料衬底，其具有沿着多个垂直叠置、横向延伸的层中的轨道设置的多个体积；以及
多个微全息图，每一个包含在相应的一个所述体积中；
其中，在每个所述体积中存在或者不存在微全息图表示所存储的数据的相应部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底为约120mm直径的盘。
3.根据权利要求1所述的设备，其中该衬底包括热塑性材料。
4.根据权利要求3所述的设备，其中该热塑性材料具有非线性功能特性。
5.根据权利要求4所述的设备，其中该非线性功能特性是阈值功能特性。
6.根据权利要求3所述的设备，其中该衬底还包括热催化剂。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包含染料。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述染料是反饱和吸收染料。
9.根据权利要求1所述的设备，其中该衬底包括聚(环氧乙烷)/聚苯乙烯块状共聚物。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包含聚碳酸酯/聚酯块状共聚物。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包含含邻硝基芪的聚合物。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包含邻硝基芪和聚甲基丙烯酸甲酯。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包括聚碳酸酯。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述微全息图基本上为圆形。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述微全息图是长方形的。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底为具有中心的盘，所述层中的至少一层朝所述盘中心螺旋，并且所述层中的至少另一层远离所述盘中心螺旋。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述层中的每一层具有开始和终止点，并且所述开始点中的至少一个基本上与所述终止点中的至少一个垂直对准。
18.根据权利要求1所述的设备，还包括位于所述衬底中并且表示跟踪信息的第二多个微全息图。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述表示数据的微全息图以及第二多个微全息图中的每一个具有轴，所述表示数据的微全息图的轴与所述第二多个微全息图的轴不同。
20.根据权利要求19所述的设备，其中与所述第二多个微全息图中给定的一个微全息图的轴相关的角度表示其在衬底中的位置。
21.一种用于存储数据的方法，包括：
提供塑料衬底，其具有沿着多个垂直叠置、横向延伸的层中的轨道设置的多个体积；以及
在所述衬底中形成多个微全息图；
其中，所述微全息图中的每一个基本上包含在所述体积中相应的一个内，并且在每个所述体积中存在或者不存在微全息图表示数据的相应部分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中根据数据选择性地形成所述微全息图。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括根据数据选择性地擦除选定的微全息图。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述形成包括使两束反向传播的光束干涉。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括使所述光束中的一束聚焦。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述光束中的一束是发散的。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括反射所述光束中的一束，以提供所述光束中的另一束。
28.根据权利要求24所述的方法，还包括根据数据选择性地遮挡至少一束光束。
29.根据权利要求21所述的方法，还包括形成第二多个反射方向与所述多个全息图不同的全息图。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第二多个全息图限定了所述轨道。
31.根据权利要求21所述的方法，还包括以给定间隔形成第二多个微全息图，其中该间隔表示其在衬底内的位置。
32.根据权利要求21所述的方法，还包括形成第二多个微全息图，其中所述第二多个微全息图中的至少一个与所述多个微全息图中的至少一个共同放置在所述体积中共同的一个内。
33.根据权利要求21所述的方法，还包括通过第二塑料衬底泛光照射所述微全息图。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述照射在所述第二塑料衬底中引发了折射率变化图案。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括通过第三塑料衬底泛光照射所述第二塑料衬底。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述通过第三塑料衬底照射所述第二塑料衬底在所述第三衬底中复制了所述多个微全息图。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述泛光照射使用激光束。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述激光束具有对应于所述微全息图的中心波长。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述中心波长约为532nm。
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