数据存储装置和方法

专利名称：数据存储装置和方法
技术领域：
本发明大体涉及数据存储系统和方法，更特别地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：
已知数据存储系统和方法是期望的。体全息记录系统通常使用两个对向传播的激
光或光束，所述激光或光束会聚在光敏全息介质内以形成干涉图案。该干涉图案导致全息
介质的折射率的改变或调制。在其中一个光束被调制的情况下，响应于要编码的数据，所得
到的干涉图案在强度和相位两方面对调制数据进行编码。之后可以响应于未调制的或参考
光束的重新引入而检测记录的强度和相位信息，从而作为反射还原编码的数据。 常规的"基于页面"的全息存储器并行地在二维阵列或"页面"上将数据写在全息
介质中。 期望的是提供一种相对简单的、便宜的且鲁棒的全息存储器系统。此外，面向比特 的全息存储器系统是期望的。

发明内容
—种数据存储装置，包括塑料衬底，其具有在多个垂直堆叠、横向延伸的层中沿 轨道布置的多个体积；以及多个各自包含在对应的一个体积中的微全息图；其中，每个体 积中微全息图的存在或缺乏指示所存储的数据的对应部分。


通过结合附图考虑本发明的优选实施例的以下详细描述可以促进对本发明的理 解，在附图中相似的附图标记指代相似的部分，并且 图1示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的配置；
图2示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的可选配置；
图3示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的可选配置；
图4示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的可选配置；
图5示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的可选配置；
图6示出了光强度图案； 图7示出了线性介质中对应于图6的强度图案的折射率调制； 图8示出了当衍射效率是记录和读取温度之间的差的函数时全息图的预期的布 拉格解谐(本文附图中"norm"表示归一化)； 图9示出了当衍射效率是角度变化的函数时全息图的预期的布拉格解谐；
图10A-10B示出了基本线性的光学响应介质中的光强度和对应的折射率变化；
图10C-10D示出了基本非线性的光学响应介质中的光强度和对应的折射率变化；
图11A-11B示出了基本线性的光学响应介质中的光强度和对应的折射率变化；
图11C-11D示出了基本非线性的光学响应介质中的光强度和对应的折射率变化；
图12示出了作为折射率调制的函数的预期的微全息图反射率；
图13A和13B示出了在不同时间的作为位置的函数的预期的温度上升分布图 (profile); 图14A和14B示出了作为上升温度的函数的预期的折射率变化，以及对应的微全 息图读写模式； 图15A-15C示出了作为对应的光能流的函数的把材料温度提升到临界温度所需 的光束入射光束能量与归一化线性吸收之间、使用反饱和吸收剂的光束腰和距离之间，以 及使用反饱和吸收剂的透射和能流之间的预期关系。 图16A和16B示出了在介质内的预期的对向传播光束曝光，以及对应的温度增 加； 图16C示出了对应于图16A和16B的温度增加的预期的折射率变化； 图17A示出了作为时间的函数的orthonitrostilbene在25。C和160。C的归一化
透射的变化； 图17B示出了作为温度的函数的orthonitrostilbene的量子效率的变化；
图17C示出了作为波长的函数的dimethylamino dinitrostilbene在25 。C和
16(TC处的吸光度； 图18示出了跟踪和聚焦检测器配置； 图19A-19C示出了模拟的折射率分布的轮廓； 图20示出了撞击全息记录介质的区域的入射激光束的横截面； 图21A-21C示出了对应于图19A-19C的圆形微全息图的模拟的近场分布(z
=_2 ii m);图22A-22C分别示出了对应于图21A-21C的近场分布的远场分布；图23A-23C示出了模拟的折射率分布的轮廓；图24A-24C示出了对应于图23A-23C的圆形微全息图的模拟的近场分布；图25A-25C分别示出了对应于图24A-24C的近场分布的远场分布；图26A-26D示出了跟踪和聚焦检测器配置以及示范性的感测的条件；图27是示出了聚焦和跟踪伺服系统；图28示出了具有交替方向螺旋轨道的格式化；图29示出了各种轨道开始和结束点；图30示出了包括基本圆形的微全息图的格式化；图31示出了包括伸长的微全息图的格式化；图32示出了离轴微全息图记录；图33示出了离轴微全息图反射；图34A-34C示出了离轴微全息图记录和读取；图35示出了准备母版(Master)微全息介质的配置；图36示出了根据母版微全息介质准备相配母版(Conjugatemaster)微全息介质
的配置;图37示出了根据相配母版微全息介质准备分布微全息介质的配置；
图38示出了根据母版微全息介质准备分配微全息介质的配置； 图39示出了通过改变预格式化的微全息图阵列来记录数据； 图40示出了读取基于微全息图阵列的存储器装置的配置； 图41示出了存储在全息介质中的微全息图的一个层的径向定向的截面图； 图42-44示出了图41的层的各部分； 图45-48也示出了在全息介质中沿轨道存储的微全息图层的一部分的截面图，其 中轨道中的相邻比特相对于彼此有垂直偏移； 图49A和49B也示出了在全息介质中沿轨道存储的微全息图层的一部分的径向视
图，其中微全息图的相邻轨道相对于彼此有垂直偏移； 图50A-52C示出了对于不同比特和轨道垂直偏移的模拟结果； 图53示出了适用于写和/或读全息介质的系统的框图，其中该全息介质中存储有
多个微全息图；以及 图54示出了根据本发明实施例的用于调整读取微全息图的功率的过程流。
具体实施例方式
要理解本发明的附图和描述已经被简化，以为了清楚理解本发明而示出相关的元 件，同时为了清楚的目的省去了在典型的全息方法和系统中看到的许多其他元件。然而，由 于这种元件在本领域是公知的，并且因为它们并不促进本发明的更好理解，在此不提供这 种元件的论述。本文的公开内容针对本领域技术人员已知的所有这种变型和修改。
概述 体光学存储系统具有满足高容量数据存储需求的潜力。与数字信息存储在单个 (或至多两个)反射层中的传统光盘存储格式(诸如光盘(CD)和数字多功能盘(DVD)格 式)不同，根据本发明的一个方面，数字内容作为多个体积中的局部化的折射率变化存储， 所述多个体积布置在存储介质中垂直堆叠、横向定向的轨道中。每个轨道可以定义对应的 横向(例如径向)定向的层。 根据本发明的一个方面，数据的单个比特或比特组可以编码为单独的微全息图， 每个微全息图基本上包含在对应的一个体积中。在一个实施例中，所述介质采用可注射模 制的热塑盘的形式并且呈现出一个或多个非线性的功能特性。所述非线性功能特性可以实 现为折射率变化，所述折射率变化是所经受的能量(诸如入射光强度或能量或加热)的非 线性函数。在这种实施例中，通过在给定体积的介质内产生干涉条纹，可以在该体积中将数 据的一个或多个比特选择性地编码为之后可检测的折射率调制。因此，折射率变化的三维 的分子的光响应矩阵由此可以用来存储数据。 根据本发明的一个方面，非线性功能特性可以建立阈值能量响应条件，在该条件 之下折射率不发生重大变化，并且在该条件之上引发折射率中可测量的变化。通过此方式， 通过使具有小于阈值的传递能量的光束撞击可以读取或还原选定的体积，并且使用具有高 于所述阈值的传递能量的光束可以写入或擦除选定的体积。相应地，可以建立体积的密集 矩阵，每个体积可以或可以不在其中基本上包含微全息图。每个微全息图被实现为具有不 同折射率的子区域的交替图案(pattern)，其对应于用于写入微全息图的对向传播的光束 的干涉条纹。在折射率调制作为距目标体积(诸如编码比特中心)的距离的函数快速衰减
5的情况下，可以更密集地装填(pack)体积。 根据本发明的一个方面，特定体积中的折射率变化可以由局部化的加热图案而引 发一所述加热图案对应于穿过该体积的对向传播的激光束的干涉条纹。在一个实施例中， 折射率变化是由热塑介质的非晶态和晶态之间的密度差引起的。通过在其中的干涉条纹处 热激活目标体积的子体积，可以选择性地在介质的目标体积中引发从一个态到另一个态的 转变。可选地，可以通过介质的目标体积的子体积内的化学变化来引发折射率变化，所述化 学变化诸如在位于目标体积内的染料或染料内的其他催化剂中的发生的化学变化。这种化 学变化也可以使用热激活来选择性地弓I发。 利用非线性响应介质的配置非常适于用于提供面向比特(与基于页面相反)的微 全息介质和系统，其使用单个紧密聚焦的光束、聚焦的、稍微聚焦的或不聚焦的反射光束。 这样的配置提供的优势包括对记录光学器件的未对准的改进的容限以及更简单的更便宜 的微全息系统。因此，具有很小曲率或没有曲率的反射元件可以用在根据本发明一方面的 微全息系统中。数据记录盘的一个表面可以用作反射元件(具有或没有反射涂层)。
例如，具有低曲率特征的可注射模制的热塑介质可以被模制为介质表面，并且可 以被喷涂金属并且用于产生反射以及用于跟踪。根据本发明的一个方面，热塑介质可以被 模制为将稍微弯曲的元件结合到盘中，然后该盘可以用于以更高的功率密度产生反射。这 些特征可非常适于跟踪，如同DVD上的凹槽。此外，一个或多个元件可以用于校正反射的光 束。例如，曲面镜可以用于产生准直的光束并且液晶单元可以用于偏移由去到不同层而产 生的路径长度差。或者，像衍射元件一样起作用的全息层可以定位在介质表面附近，以便给 光束提供校正。外部镜或盘表面可以用于产生反射。 根据本发明的一个方面，在不同层的数据读出可以不同。因为反射在不同层具有 不同的像差，像差可以用于聚焦过程中的层索引。在盘背面的设计可以用于提供对反射的 光束的更好控制以便增加有效光栅强度。多层涂层和/或表面结构(类似于显示器膜结 构)适于使用。根据本发明的一个方面，吸收倾斜入射光束并且反射垂直光束的设计也可 以被用于减少噪声以及控制微全息图的取向。此外，微全息图的光栅强度对于不同层不需 要是相同的。可以使用功率调度在不同层进行记录。 根据本发明的一个方面，使用一个聚焦光束和一个平面波光束在阈值材料中记录 微全息图可以被实现。虽然这种方法可能利用两个输入光束，与常规方法相比对准要求不 那么严格，而同时微全息图取向和强度仍被很好地控制并且在各层中是均匀的。也可以更 好地预测读出信号。
单比特全息术 单比特微全息图相比其他全息技术呈现出几个光学数据存储的优势。现在参考图 l，示出了使用对向传播的光束在介质内形成全息图的示范性配置100。其中，微全息记录 是由两个对向传播的光束110、 120产生的，这两个光束干涉以在记录介质130的体积140 中产生条纹。可以通过以近衍射极限直径(诸如大约l微米(ym)或更小)将光束110、 120聚焦在记录介质140内的目标体积(例如期望位置)处来实现干涉。可以使用用于光 束110的常规透镜115和用于光束120的透镜125来聚焦光束110、 120。虽然示出了简单 的透镜化，但是当然可以使用复合透镜形式。 图2示出了用于使用对向传播的光束在支持全息图的介质内形成全息图的可选配置200。在配置200中，透镜125被曲面镜220代替，使得光束110的聚焦反射120与光 束110自身干涉。配置100、200要求透镜115、125或透镜115和镜子220相对于彼此的高 度精确对准。因此，采用这种配置的微全息记录系统限于稳定的无振动环境，诸如那些结合 了常规的高精度定位平台的环境。 根据本发明的一个方面，聚焦的、稍微聚焦的或未聚焦的反射光束(相对于对向 传播的聚焦光束)可用于记录。图3示出了使用对向传播光束在介质内形成全息图的可选 配置300。配置300使用来自镜子320的光束110的未聚焦的对向传播反射310。在示出 的实施例中，镜子320采取基本平面的镜子的形式。 图4示出了使用对向传播光束在介质内形成全息图的可选配置400。配置400使 用来自镜子420的光束110的稍微聚焦的对向传播反射410。配置400的所示实施例还包 括光程长度校正元件425，其例如可以采取液晶单元、玻璃楔或楔对的形式。
图5示出了使用对向传播光束在介质内形成全息图的另一可选配置500。类似于 配置300 (图3)，配置500使用基本平面的反射表面。然而，配置500使用介质130自身的 一部分520来提供光束110的反射510。部分520可以采取介质130的反射(诸如涂覆金 属的)后表面、介质130内的反射层或基本形成介质130中的反射表面的一个或多个全息 图的形式，所有这些形式都作为非限制性的示例。 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 更小的斑点大小和更大的功率密度，使得微全息图尺寸将由更小斑点大小的尺寸来驱动。 这两个光束之间的功率密度差的潜在缺点是在干涉图案中导致基础或直流分量。这样的基 础或直流分量消耗了材料130的记录能力(动态范围)的相当大部分，其中材料130呈现 出折射率随经历的曝光强度线性的变化。 图6示出了从对向传播的光束的经历的光强度随位置改变一从而形成了干涉条 纹。如图7所示的，在线性响应的材料中，折射率基本线性地随经历的光强度相对于n。变 化，(相对)未聚焦的光束因此消耗比对应于期望全息图的目标体积大很多的体积中的动 态范围，从而降低了其他体积和微全息图的可能反射率。动态范围还在其中对向传播的光 束也处于垂直的入射(参见例如图l和2)的整个介质深度中被消耗了。
根据本发明的一个方面，在全息图形成期间除了目标体积之外的受影响体积中动 态范围的这种消耗通过使用对经历的功率强度呈现出非线性响应的记录材料而减弱。换言 之，呈现非线性记录性质的介质与微全息图方法结合使用。该材料的非线性记录性质被用 于促进与光强度成非线性的(例如，平方、立方或阈值类型)记录，使得记录基本上仅仅发 生在某个光强度之上。材料的这种非线性记录特性减少或消除了在非针对的体积中动态范 围的消耗，并且促进了微全息图以及因此目标体积的尺寸的减小。 图10A-B以及11A-B示出了线性记录介质的记录特性，而图10C-D以及11C-D示 出了阈值类型的非线性记录介质的记录特性。更具体而言，图10A-D示出了将如图1和2 所示的两个聚焦的、对向传播的光束干涉产生了光强度的调制，其中位置O(-O. 5和0. 5中 间)对应于沿两个聚焦光束的介质厚度的焦点。在表现出线性记录性质的介质的情况中， 将导致像图10B所示那样的折射率调制一其遵循图IOA中示出的强度分布。虽然折射率调 制最终可能在位置0附近最大化，但是可注意的是其基本上在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)值一使得所得到的微全息图基本上不包含在其中多个体积一个叠一个地堆叠的介质内的特定体积内。另一方面，在呈现出非线性或阈值性 质的记录介质(图IOD示出的阈值条件)中，记录1010基本上仅仅发生在满足阈值条件 1020的体积中，使得所得到的微全息图基本上包含在其中多个体积一个叠一个地堆叠的特 定体积内。图10D示出了引发微全息图的条纹在大约3iim上延伸。在微全息图的横向尺 寸上呈现出类似的特性，如图11A-11D所示。如由此所展示的，通过使用阈值类型的非线性 材料，减弱了介质的非目标体积的动态范围的不希望的消耗。 虽然为了解释讨论了阈值类型的非线性材料，但是应该理解对于一阶近似，在线 性响应材料中折射率调制的幅度随光强度线性变化(参见图IOA-B， 11A-B)。因此，即使具 有记录阈值的材料可能证明是特别期望的，对曝光呈现出非线性光学响应的、其中折射率 调制的幅度例如像大于一的幂(或多个幂的组合)变化的材料将显著减弱其他受影响体积 中的动态范围消耗。 再次返回到阈值类型的非线性材料，并且再次参考图10C-D和IIC-D，在这种情况 下，阈值响应介质通过基本上仅在入射能量密度或功率密度1015高于阈值1020时才经历 光学引发的折射率变化1010而操作。在阈值1020之下，介质基本上不经历折射率的变化。 用于记录的对向传播光束之一 (例如反射光束)可以被聚焦(图1和2)、稍微聚焦(图4) 或甚至不聚焦(图3和5)。尽管如此，使用这样的阈值响应材料具有减少聚焦容限要求的 效果。另一个优势在于反射装置可以被合并到介质中，诸如盘，类似于当前的表面技术光学 存储装置，例如如图5中所示。 现在还参考图8和9，使用与较大的基于页面的全息图相对的较小的微全息图，提 供了对温度波动和角度未对准的改进的系统容限。图8示出了作为记录和读取温度之差的 函数的全息图的预期的布拉格解谐(k 1/L，其中L是全息图长度)。基准810对应于微全 息图的期望性能，而基准820对应于基于页面的全息图的预期性能。图9示出了作为角度 变化的函数的全息图的预期的布拉格解谐(k 1/L，其中L是全息图长度)。基准910对应 于微全息图的预期性能，而基准920对应于基于页面的全息图的预期性能。
仅作为非限制性的进一步的解释，以近衍射极限尺寸聚焦的入射光束可能在稍微 聚焦或完全没有聚焦的情况下被反射，使得反射的光束相对于对向传播的聚焦的入射光束 未聚焦(或稍微聚焦)。反射元件可能在盘表面上，并且例如可能采取平面镜、或稍微弯曲 的镜子的形式。如果在聚焦光束和反射之间发生某种未对准，则干涉图案将由聚焦光束在 反射光束具有其相前的相对大的曲率的位置驱动。大的曲率在聚焦的斑点相对于反射光束 移动时产生小的功率密度变化。
非线性响应材料示例1 光聚合物已经被提议作为全息存储系统的介质候选。基于光聚合物的介质具有在 夹在玻璃衬底之间的凝胶状状态下记录的合理的折射率变化和敏感性。然而，期望的是提 供简化的结构，诸如模制的盘。此外，光聚合物系统对于环境条件(即环境照明)是敏感的， 并且经常需要在记录过程之前、期间以及甚至有时在记录过程之后的特殊处理。也希望消 除这些缺点。 根据本发明的一个方面，其中经由曝光于光束而引发折射率调制的聚合物相变材 料被用作全息数据存储介质。在一个实施例中，折射率的可检测变化是由热引发的材料的 非晶成分和晶体成分之间的 部化变化而产生的。这提供了潜在大的使用小能量引发的折射率调制。这种材料也可以提供阈值条件，其中阈值之下的光学曝光能量对材料的折射 率具有很少的影响或基本上没有影响，而阈值之上的光学曝光能量造成可检测的折射率变 化。 更特别地，可引发相变的聚合物材料可以在可注射模制、环境稳定的热塑衬底中 提供大的折射率变化(AnX).01)，并具有良好的敏感性(S > 500或更多cm/J)。此外， 这种材料还提供了使用基本阈值响应记录过程的潜力一使得对于记录和读取两者能够使 用相同波长的激光，同时防止环境光曝光严重恶化存储的数据。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其中一个成分的非晶态和晶态之间的折射率差。这种 衬底可以通过将共聚物提升至熔化温度(Tm)之上并且快速冷却或淬火该材料以使得该材 料的先前晶体的成分在非晶态下冷却而制备。 现在还参考图14A和14B，光束在材料的目标体积内干涉以作为在那里的能量吸 收的结果局部加热其对应于干涉条纹的子体积。 一旦局部温度被升高到临界温度之上，例 如玻璃化转变温度(Tg)(图14A)，材料的晶体成分熔化并且随后冷却到非晶态，导致相对 于材料中其他晶态体积的折射率差。临界温度可选地可以在纳米域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将材料的温度提升到临界温度之上，则基 本上没有变化发生。这在图14B中示出，其中临界值F^T之上的光能流引起导致写入全息 图的相变，并且小于临界值Fcm的光能流基本上不引起这种变化一并且因此适于读取记录 的全息图，从而还原记录的数据。 为了进一步解释的非限制性目的，临界值由Fcm二LX p XcpX AT给出，其中L是 微全息图的长度或深度，P是材料密度，Cp是材料的比热，AT是经历的温度变化(即Tg-T。， 其中Tg是玻璃化转变温度并且T。是材料的环境温度)。作为示例，在使用密度为1.2g/cm3 并且比热为1. 2J/(k g)的聚碳酸酯的情况下，微全息图的长度是5X 10—4cm，并且温度变 化是125t: (K)，Fcm = 90mj/cm2。转化为能量项，达到临界能流Fcm需要的能量(Ecm)为
Eawr-FoyrX」z^cR/rX^"其中A是全息图的横断面积，w。是光束腰。提供Ecm所需
的在焦点处的能量EF是^ = (^-"其中e—"是透射，a = a。+a/， a 。是材料的线
性吸收，c^是材料的非线性吸收，F是最大入射光能流，L是微全息图的长度。传递到材
料以在焦点提供所需能量EF的入射能量EIN为Aw - (1 —e—。e-aD。其中e-"是透射，a =
a 。+ a NlF， a 。是材料的线性吸收，a是材料的非线性吸收，F是最大入射光能流，L是微全 息图的长度，D是材料的深度(或长度)(例如介质盘的厚度)。现在还参考图15A-15C，假 设光束腰w。为0. 6X 10—4cm，全息图的横断面积A为5. 65X 10—9cm2。还假设微全息图的深 度L为5X10—、m，材料的深度D(例如整个介质盘)为lmm，入射能量EIN和a之间的预测 关系如图15A所示。还假设材料的线性吸收a。为0.0181/cm，并且材料的非线性吸收a 是1000cm/J(材料长度仍为.lcm)，透射和能流之间的预测关系在图15B示出。使用这些 相同的假设，光束腰和距离之间的预测关系以及归一化的吸收和距离之间的预测关系在图 15C示出。 —致地并且如图16A和16B所示，预期这种共聚物材料介质的对向传播光束曝光将以对应于对向传播光束干涉条纹的固定折射率调制的形式写入微全息图，这是由于那里的晶体聚合物的纳米域的形成或破坏而导致的。也就是说，相变/分离机制基于远远小于所用光波长的晶体纳米域的形成或破坏而生成折射率调制。使用两个对向传播光束来预测图16B的值，每个光束具有75mW的入射单光束功率(PI = P2) ， a = 20cm—、曝光时间(T)为lms。预测的形成微全息图的得到的折射率变化(An = 0.4)在图16C示出。如在其中可见的，实现为对应于对向传播光束的干涉条纹的一系列折射率变化的微全息图基本上仅仅在局部化加热超过阈值条件(例如温度超过15(TC)使得阈值记录条件发生的位置出现。
作为非限制性示例，适于使用的聚合物包括显示部分结晶性的均聚物、由非晶和晶体聚合物组成的均聚物的混合物，以及各种包括无规和嵌段共聚物的共聚物组成、以及具有或没有均聚物的共聚物的混合物。仅作为非限制性示例，这种材料适于在大约3微米的深度存储全息图。材料的线性吸收可能较高，使得材料不透明并且限制了敏感性。
响应于光学吸收染料的热引发反应非常适于将折射率变化机制与光反应机制分开，从而实现潜在较大的敏感性。根据本发明的一个方面，热引发过程可以为光学引发的折射率变化提供非线性响应机制。该机制或阈值条件使得能够以低功率和高功率使用相同波长的光束来分别进行数据读取和记录。该特性还防止了环境光严重恶化存储的数据。具有反饱和吸收(RSA)性质的染料是有用的，其中吸收是能流的函数并且随着增加的能流而增大。结果，吸收在光束焦点处最高，这意味着背景线性吸收较小，最终产生了几乎透明的材料。仅作为非限制性示例，这种染料的示例包括卟啉和酞化青染料。 此外，非晶/晶体共聚物非常适于在可注射模制的热塑衬底(诸如盘)中提供期望的性质。使用热塑塑料使得能够在稳定衬底中记录数据而没有很多的后处理要求，使得折射率变化、敏感性、稳定性和"固定"通过单个共聚物材料本身提供。而且，大于常规光聚合物的折射率调制通过共聚物组成的选择是可能的。材料的敏感性可能依赖于所用染料的光吸收性质。在已知的反饱和吸收染料的情况中，可以实现是常规全息光聚合物2-3倍那么高的敏感性。阈值条件也提供以相同波长读写数据的能力，并且在数据记录之后需要很少的或不需要后处理。这与光聚合物形成对比，光聚合物通常需要在数据记录之后进行整个衬底曝光以将系统达到充分硬化(cure)。最后，共聚物衬底在数据记录之前可能处于热塑状态，与光聚合物的凝胶状状态相对。与光聚合物相比较这有利地简化了介质的物理结构，因为热塑状态材料可能自身是注射模制的并且例如不需要包含在包含体或载体内。
因此，根据本发明的一个方面，非晶/晶体共聚物可以用于支持光学引发的相变和得到的折射率调制。线性吸收染料可以与非晶/晶体相变材料结合使用以将光学能量转换为温度增加。反饱和吸收染料可以用于有效地产生温度增加。通过染料和相变/分离材料，光学激活可以与折射率变化引发分开，实现折射率变化的阈值条件。
作为进一步的解释，在某些嵌段共聚物组成中，单独的聚合物相自发分离成规则有序的域结构，由于共聚物的性质该结构不会像聚合物混合物那样宏观地增长。Sakurai在TRIP第三巻，1995，第90页以及下列等等讨论了这个现象。组成共聚物的各单独的聚合物可以显示依赖于温度的非晶和/或晶体行为。单独的聚合物的重量比往往指示分开的微相是形成球形、圆柱形还是薄片。可以使用这样的共聚物系统，其中在高于各单独嵌段的玻璃化转变温度(Tg)和熔化温度(Tm)之上的简短(或延长)加热后两个相都是非晶的。当冷却到低温时，其中一个相结晶，同时保持了原始微相的形状。该现象的示例在聚(环氧乙烷)/聚苯乙烯嵌段共聚物中示出，如Hung等在Macromolecules， 34， 2001第6649页以及下列等等中报告的。根据本发明的一个方面，例如可以以75%/25%的比率使用聚(环氧乙烷)/聚苯乙烯嵌段共聚物。 例如，光化学和热稳定的染料，诸如酞花青染料，像铜酞菁、铅酞菁、锌酞菁、铟酞菁、四丁基铟酞菁、镓酞菁、钴酞菁、铂酞菁、镍酞菁、tera-4-sulfonatophenylporphyrinato-copper (II)或tetra_4_sulfonatophenylporphyrinato_zinc (II)可以被添加到这种共聚物并且注射模制为120mm直径的盘。该模制将共聚物的温度提高到聚苯乙烯的玻璃化转变温度(Tg)以及聚(环氧乙烷)的熔化温度(Tm)之上，从而产生微相分离的非晶材料。将盘冷却(例如淬火)到大约3(TC使得聚(环氧乙烷)相在整个材料中结晶。在晶体区域的域尺寸足够小，诸如小于100纳米(例如< 100nm)的位置，光不会被介质散射，并且该介质甚至在厚的衬底中也将保持透明。通过在盘的特定区域(例如在目标体积中)干涉两个激光束(或光束和其反射)可以将数据记录到材料中。
当曝光于一个或多个记录光束(例如高功率激光束)时，染料在干涉条纹处吸收强光，暂时将对应的盘的体积或区域中的温度提升到聚(环氧乙烷)相的熔化温度(Tm)之上的点。这使得该区域变成基本非晶的，产生了与周围材料中的晶体域不同的折射率。在不将聚合物加热到各单独聚合物的Tg或Tm之上的激光功率被使用的情况下，为了读取记录的微全息图以及随着微全息图反射还原对应的数据的目的而随后曝光于低能量的激光束不造成材料中的任何重大变化。因此，诸如阈值响应的非线性光学响应的全息数据存储介质可以被提供，其对于长的时间段并且在很多次读取上基本上是稳定的。
虽然球形、圆柱形和薄片是常见结构，但是可以形成其他变换并且同样工作很好。各种嵌段共聚物(包括聚碳酸酯/聚酯嵌段共聚物)可选地可以被使用并且允许不同的晶体域形成温度，以及破坏它们的温度。在用于吸收辐射并且产生热的染料采取反饱和吸收剂的形式时，可以得到精确定点哪里发生加热的良好控制。微全息图的横向延伸可以明显小于聚焦激光束的腰的直径。限制或消除在记录的微全息图之外的记录材料的动态范围的消耗(从而增加每个微全息图的反射率以及因此增加数据存储容量)因而可以通过使用根据本发明方面的非线性记录介质来实现。 阈值材料也可以给出比线性材料对记录更敏感的附加益处。该优势可以转换为微全息系统的更高可实现记录数据率。此外，由介质的阈值特性产生的阶跃式折射率调制可以用于产生反射比使用线性材料时更少的微全息图。然而，反射率对于数据存储应用可以保持得足够高。现在还参考图12，预期反射率随增加的折射率调制而增加。还预期热漫射不应造成不适当的问题。在微全息图形成期间的热漫射也已经被考虑，并且预期温度图案遵循对向传播光束的干涉条纹，即曝光图案。为了维持折射率图案中的条纹，热漫射可以被基本上限制于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。现在还参考图13A和13B，示出了作为位置的函数的预期温度升高分布图。相应地，预期从目标体积到周围体积的热泄露不应将周围体积升高到阈值温度1020。
非线性材料示例2 根据另一配置，聚合物基体中的有机染料可以用于支持折射率变化(An)以实现全息数据存储，其中该有机染料相对于聚合物基体具有大的谐振增强的折射率。在这种情况下，在特定区域或目标体积中漂白染料可以用于产生用于全息术的折射率梯度。可以通过在介质内干涉光束以漂白特定区域来写入数据。然而，在干涉光穿过整个介质的情况中，(即使仅要漂白特定区域)并且存在对漂白辐射的线性响应，(即使光束强度在聚焦区域是最高的，并且在那里产生最多的漂白)，预期相对低水平的染料在整个撞击的介质中被漂白。因此，在数据被写入多个层次之后，预期在线性记录介质中发生不希望的附加漂白。这最终可以限制可以写入到介质中的数据层的数目，这又限制线性记录介质的整体存储容 另一个顾虑来自认识到记录介质需要具有高的量子效率(QE)以便对于商业应用具有有用的敏感性。QE指的是撞击光反应成分的将产生电子空穴对的光子的百分比并且是装置的敏感性的度量。具有高QE的材料通常经受所存储全息图以及因此数据的快速漂白，即使当使用低功率读取激光时也是如此。与此一致地，在线性响应介质中的数据基本变得无法读取之前该数据仅能被读取有限的次数。 根据本发明的一个方面，使用非线性光学响应介质来解决这些缺陷。再次，基于热塑塑料而不是光聚合物的材料解决方案可以在全息系统中用于提供数据存储和取回。这在工艺、处理和存储以及与各种全息技术的兼容性方面证明是有利的。 作为进一步的解释，热塑塑料材料中的窄带吸收染料可以用于全息光学数据存储。相信刚性聚合物网络妨碍了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，将聚合物网络局部化加热到例如热塑塑料的Tg附近或之上的温度可用于将材料的局部化QE增大，例如以〉100的因子。该改进以对全息光学数据存储有用的方式直接增强了材料的敏感性。此外，其提供了开启过程或阈值过程，其中介质的离散熔化区域中的染料分子比周围非晶材料中更快地经受光化学反应一进而促进了在介质的许多虚拟层上的写入而不会显著影响其他层。换言之，其实现了在没有有害地造成其他体积的显著漂白的情况下的读写。 现在参考图17A-17C，包含聚合物基体的ortho-nitrostilbene(o-nitrostilbene)可以用于全息数据存储。造成ortho-nitrostilbene的漂白的光化学反应是众所周知的，并且例如在Splitter和Calvin的J0C， 1955，第20巻，第1086-1115页有所论述。McCulloch之后使用该类化合物通过漂白染料以形成覆层材料而制作薄膜应用中的波导(参见Macromolecules， 1994，第27巻第1697-1702页)。McCulloch报告了在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基体中特定o-nitrostilbene的QE是0.000404。然而，他注意到在稀释的己烷溶液中相同染料的QE在相同的漂白波长下为O. 11。McCulloch还推测该差异是由于在从聚合物薄膜转到己烷溶液中拉姆达最大(lambda max)的向蓝移造成的。其可能与迁移率效应有关，因为刚性聚合物中o-nitrostilbene的稳定构造可能由于初始周环反应而没有适当对准。图17A示出了指示在25。C和160。C下利用100mW 532nm激光漂白的数据。增强可能是由于因更高温度引起的增加的迁移率或仅仅更快的反应动力学或两者的组合造成的。与图17A相一致，图17B示出了预期在大于大约65t:处的所讨论基体的增强的QE。因此，在一个实施例中，o-nitrostilbene染料与聚碳酸酯基体结合使用以提供与PMMA材料可比的性能，不过稍微更高的QE是可能的。 然而，应该理解，本发明不限于该类染料。相反，本发明考虑使用任何这样的光活染料材料，所述材料在固态聚合物基体中在室温或接近室温时具有足够低的QE并且在加热时表现出QE的增加，诸如QE的指数增加。这提供了非线性的记录机制。应理解的是加热不需要将温度升高到玻璃化转变温度(Tg)之上或者加热可以将温度升高到明显高于Tg，只要QE变得显著增强。这种光活染料的QE可以在包含基本均匀分布的染料的聚合物基体的特定区域内得以增强。在聚碳酸酯基体的情况中，通过将包含光活染料的聚碳酸酯基体加热到其Tg之上，可以实现漂白速率的增加。漂白速率的增加可以为大约> 100倍。
任选地，除了将光反应染料添加到像o-nitrostilbene的聚碳酸酯基体之外，第二热稳定且光化学稳定的染料也可以被添加到基体以充当光吸收剂，从而在对向传播的激光束的焦点处的干涉条纹处产生局部化加热。例如，聚焦点处的时间、激光功率和染料浓度可以用于将预期温度调整到基体的Tg附近或之上的希望范围。在这样的实施例中，用于光漂白的光的第一和第二波长同时聚焦在大致相同的基体区域中。由于材料的加热区域中的敏感性预期比周围的冷却刚性聚合物区域(参见图17)高，例如大约为IOO倍，可以使用相对较低功率的光束将信息快速记录在目标加热体积中，所述光束对周围区域的漂白影响明显较小。因而，之前记录的区域或尚未记录有数据的区域经历最小的漂白，从而减弱在那里的不希望的动态范围消耗并且整体上允许更多数据层写入介质中。而且，通过利用用于加热特定区域进行写入的激光波长以相对较低功率来读取，在读出期间的不经意的染料漂白也被减弱。可选地，单个波长或波长范围的光可以用于加热和漂白，使得仅仅使用一个波长(或波长范围)的光而不是两个不同的波长。 虽然为了局部化加热的目的各种染料适于用作热稳定且光化学稳定的染料，表现得非线性的染料证明是特别适用的。 一个这种类别的染料(称为反饱和吸收剂(RSA)，又称为激发态吸收剂)尤其具有吸引力。这些包括各种金属酞青和富勒烯染料，其通常具有与染料的其他强吸收很大分离开的部分光谱中的非常弱的吸收，但是当光强度超过阈值水平时形成强的瞬态三重态-三重态吸收。对应于使用extendeddimethylaminodinitrostilbene的非限制性示例的数据在图17C中示出。与此相一致地，预期一旦在合并了 dimethylamino dinitrostilbene的介质中在对向传播光束的干涉条纹处的光强度超过了阈值水平，则该染料在聚焦点处强吸收并且可以快速将对应的材料体积加热到高温。因此，根据本发明的一个方面，使用热开启事件来使得相对较低的能量能够将数据写到介质的目标体积中(由此呈现出增加的敏感性)，同时最小化了在介质的其他体积中不想要的曝光引发的反应。
跟踪和聚焦 在一个实施例中，微全息图沿径向延伸的螺旋轨道在多个垂直堆叠的层中存储在体介质中，其中该介质的形式是转动的盘(例如参见图28和30)。光学系统将光束聚焦到介质中的特定目标体积中，以在那里检测微全息图的存在或不存在，以便还原或读出之前存储的数据或在那里产生干涉条纹以产生微全息图。因此，重要的是目标体积被精确瞄准以进行数据写入和还原光束照射。 在一个实施例中，撞击光束的反射的空间特性被用于辅助包含微全息图阵列的介质的所选体积的精确瞄准。如果目标体积(例如微全息图)离焦或偏离轨道，反射的图像按可预测方式不同于来自焦点对准且在轨的微全息图的反射。这又可以被监控并且用来控制致动器精确瞄准特定体积。例如，来自离焦微全息图的反射的大小与焦点对准的微全息图的那些有所不同。此外，来自未对准的微全息图的反射与来自适当对准的微全息图的反
13射相比被拉长，例如在性质上更椭圆。 作为进一步的解释，在上面讨论的材料系统中，(不同于常规CD和DVD技术的)非金属化层被用于反射入射的读取光束。如图18所示，包含在介质1820中的微全息图1810将读取光束1830反射到定位在一个或多个光学元件(例如透镜)1850周围的环形检测器1840。光学元件1850将光束1830聚焦到对应于微全息图1810的目标体积中一使得微全息图1810产生入射在光学元件1850和环形检测器1840上的反射。在示出的实施例中，光学元件1850将该反射传送到数据还原检测器(未示出)。应该理解，虽然示出了仅仅单个微全息图1810，但是在实际中预期介质1820包含定位在各个位置(例如XY坐标或沿着轨道)以及许多层(例如Z坐标或深度平面或伪平面)中的微全息图的阵列。使用一个或多个致动器，光学元件1850可以被选择性地瞄准到对应于所选微全息图的不同目标体积。
如果微全息图1810处于读取光束1830的焦点处，读取激光束1830被反射，从而在光学元件1850产生反射信号，该信号被传送到数据还原检测器。所述数据还原检测器例如可以采取定位为检测光束1830反射的光电二极管的形式。如果在焦点处不存在微全息图1810，数据还原检测器不产生对应的信号。在数字数据系统中，检测到的信号可以被解释为"1"并且不存在检测到的信号被解释为"0"，反之亦然。现在还参考图19A-19C，示出了对应于焦点对准、在轨的圆形微全息图的模拟反射数据，其中使用的读取光束的入射波长为0. 5 ii m，激光斑点尺寸为D/2 = 0. 5 ii m，左圆偏振，共焦光束参数z/2 = 2. 5 y m，并且远场半衍射角9 /2 = 11. 55° (场)或e /2 = 8. 17° (功率)。 现在还参考图20，为了使微全息图正确反射读取激光束，激光束应当被正确聚焦并且在横向上以微全息图为中心。在图20中，看到入射光束具有波前2010，其正交于在其中心部分2030中的传播光轴2020。微全息图基本上仅反射匹配某个方向的那些波矢(即k矢量)的光。聚焦的高斯光束(诸如在图20中示出的光束)是许多小波与各个波矢的重叠。波矢的最大角度由聚焦物镜的数值孔径确定。相应地，微全息图并不反射所有波矢一使得微全息图像仅反射具有某些波矢的入射光的滤光器那样起作用。当远离焦点时，仅入射光的中心部分与微全息图重叠。因此，仅中心部分得以反射。在这种情形下，反射效率的变化降低。 当聚焦光束没有与轨道中的微全息图适当对准时，沿垂直于该轨道的方向的波矢没有同沿该轨道的方向上一样强烈的反射。在这种情况下，在近场中光束在垂直于该轨道的方向上被拉长，而在远场中该光束在该方向上被挤压。相应地，可以提供分离的跟踪全息图。 图21A-21C示出了对应于图19A-19C的圆形微全息图的模拟的近场分布(z=-2iim)。图21A示出了在x二y = 0以及z = 0.01处被发射到介质中的数据还原光束。图21B示出了由x = 0. 5的偏移造成的离轨条件反射。图21C示出了由z = 1. 01的偏移造成的离焦或失焦条件反射。因此，在离焦条件下光束效率降低，而在离轨条件下反射空间失真。现在还参考图22A-22C，示出了分别对应于图21A-21C的近场分布的远场分布。图22A示出了在x = y = 0以及z = 0. 01处发射到介质中的数据还原光束提供了 X和Y方向上的类似远场发散角(全)，在示出的情况中在X方向和Y方向上都是11.88。。图22B示出了由x = 0. 5的偏移造成的离轨条件反射导致X和Y上的不同远场分布角，在示出的情况中在X方向上是4.6。，在Y方向上是6.6。。最后，图22C示出了由z = 1.01的偏移造成的离焦或失焦条件反射导致在X和Y方向上类似的远场发散角(全)，在示出的情况中，在X方向和Y方向上都是9.94。。因此，微全息图用作k-空间滤光器，使得远场斑点在离轨条件下是椭圆的，并且在离焦条件下远场斑点较小。 应该理解，微全息图不需要是圆形的。例如，可以使用长方形的微全息图。现在还参考图23A-23C，示出了对应于焦点对准、在轨的长方形微全息图的模拟，其中使用的读取光束的入射波长为0. 5iim，激光斑点尺寸为D/2 = 0. 5iim，左圆偏振，瑞利范围z/2 =2. 5iim，并且远场半衍射角e/2 = 11. 55° (场)或e/2 = 8. 17° (功率)，与图19A-19C的模拟类似。图24A-24C示出了对应于图23A-23C的长方形微全息图的模拟的近场分布(z=-2iim)。图24A示出了在x = y = 0以及z = 0.01发射到介质中的数据还原光束。图24B示出了由x = 0. 5的偏移造成的离轨条件反射。图24C示出了由z = 1. 01的偏移造成的失焦或离焦条件反射。因此，在离焦条件下光束效率降低，而在离轨条件下反射空间失真。现在还参考图25A-25C，示出了分别对应于图24A-24C的近场分布的远场分布。图25A示出了在x = y = 0以及z = 0. 01处发射到介质中的数据还原光束提供了依赖于微全息图的长方形性的远场发散，在示出的情况中在X方向上是8.23。，在Y方向上是6. 17° 。图25B示出了由x = 0. 5的偏移造成的离轨条件反射导致X和Y上的不同远场分布角，在示出的情况中在X方向上是4. 33° ，在Y方向上是5.08。。最后，图25C示出了由z = 1. 01的偏移造成的离焦或失焦条件反射导致在X和Y方向上不同的远场发散角(全)，在示出的情况中，在X方向上是5.88。，在Y方向上是5.00。。 因此，长方形的微全息图也用作k-空间滤光器，并且虽然长方形的微全息图导致椭圆的远场斑点空间分布图，但是在离轨条件下拉长的方向可能不同，并且在离焦条件下远场斑点较小。 仅为了解释的非限制性目的，将进一步关于圆形微全息图来讨论本发明。在离轨
方向的光束形状变化以及光束空间强度可以使用四极矩检测器(诸如图26中所示的)来
确定。因此，在一个实施例中，微全息图反射的空间分布图被用来确定读取光束是否焦点对
准和/或在轨。该信号还可以用于将这两种光束聚焦情形(离焦和离轨)分开，并且提供
反馈信号到驱动伺服以例如校正激光光学器件头的位置。例如，将微全息图反射转换为电
信号的一个或多个检测器可以用于检测微全息图的反射图像中的变化一并且因此用于为
光学元件定位致动器提供聚焦和跟踪反馈。各种光检测器可以用于检测微全息图反射。作
为示例，一个或多个光电二极管可以用于以常规方式检测来自微全息图的反射。二极管的
制造和使用是相关领域的技术人员众所周知的。这些检测器提供的信息被用于在光学系统
中执行致动器的实时控制以便维持焦点并且保持在正确的数据轨道上。 这样的伺服控制系统因而主要可以处理对于激光束离焦条件可能发生的两种情
形第一种情形是激光束未聚焦到正确层上时，并且第二种是激光束与要读取的微全息图
横向未对准时；同时也配置为在存在噪声源时优化跟踪和聚焦性能。诸如卡曼滤波器的估
计技术可以用于推断该系统的过去、现在或未来状态的最优估计以便减小实时误差并且减
小读写误差。 图26A-26D示出了确定该系统是否焦点对准或在轨的检测器配置或阵列(图26A)以及各种检测到的条件(图26B-26D)。在一个实施例中，四象限检测器阵列2600可以用于确定光学系统是否离焦或离轨。检测器阵列2600的每个象限检测器2600A、2600B、2600C、2600D产生与反射到其上的能量的量成比例的电压。例如，检测器阵列2600合并了光电二极管阵列，每个光电二极管对应于其中一个象限，形式诸如为四极矩检测器。在示出的实施例中，检测器阵列2600响应于在大于聚焦光学器件(例如透镜2620)的面积上传播的光学能量，所述聚焦光学器件用于将光束中继(例如聚焦)到体存储介质中以及对来自体存储介质中的反射进行中继。例如，四极矩检测器2600可以定位在物镜之后以检测光束形状变化，所述物镜用于撞击和接收来自目标体积的反射。在圆形微全息图的情况中，如果所检测的光束形状是椭圆的，可以推断出该光束离轨，从而离轨方向是椭圆光束的短轴。如果所检测的光束小于预期(具有较小的数值孔径)，但是变化本质上是对称的，则可以推断出光束离焦。在从体介质反射的读取光束的空间分布图中所检测的这些变化用作驱动聚焦和/或跟踪控制的反馈。任选地，可以在物镜周围使用较小的透镜阵列以聚焦失真的反射信号。此外，反射光束的传播角中的变化也可以用作未对准方向的指示。 象限环检测器2600A-2600D产生的信号的总量由a表示。如果系统焦点对准，如图26B所示，聚焦的斑点将是圆形的，具有最小尺寸并且产生最少量的信号amin。在a >a^的情况下，如图26C所示，可以确定光束斑点离焦。透镜2620可以定位在检测器阵列2600的中心以将读取光束传递并聚焦在微全息图上。最小化a的常规反馈控制机制可以用于维持微全息图的聚焦。现在还参考图26D，如果传感器头离轨移动，则检测到非对称模式。在轨时，所有四个象限检测器2600A、2600B、2600C、2600D接收相等的能量，使得13 =(1800B+1800D)-(1800A+1800C) =0。因此，条件P # 0表示离轨条件。作为进一步的示例，如果传感器头离轨并且变量13 (相对象限之间的差)变得更正或更负，则反射的信号被拉长。常规反馈控制机制可以与跟踪伺服结合使用以通过最小化13的绝对值来减少跟踪误差。在一个实施例中，可以建立时间基准因此在适当的时间对a和P进行采样。锁相环(PLL)可以用于建立该基准并且形成采样的跟踪和聚焦控制系统。来自盘的旋转速率和当前读取头位置的信息也可以用于产生该系统的主时间基准T。 可以对误差源(诸如偏心盘、盘扭曲和/或丢失数据)进行补偿。卡曼滤波器可以用于计及误差源并且基于过去信息预测记录的微全息图的未来路径。螺旋路径轨迹的正常前进也可以被估计并转发到跟踪伺服。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示出了适用于实施聚焦和跟踪控制的伺服系统2700的框图。系统2700包括焦点和轨道路径估计器2710、2720，其在一个实施例中采取常规卡曼滤波器的形式。焦点路径卡曼滤波器2720使用伺服定时脉冲(t)，介质的旋转速度、焦点误差值(O(希望的轨道路径和实际轨道路径之间的差)以及当前触针(例如读取头)位置来在介质旋转时提供估计的焦点轨迹。轨道路径卡曼滤波器2720使用伺服定时脉冲(O ，介质的旋转速度、轨道误差值(O以及当前触针位置来提供估计的轨道轨迹。系统2700还包括全息图检测、边缘检测、提供伺服定时脉冲(t)的锁相环(PLL)2730，其响应于检测的总信号a (即与电动机速度以及当前触针位置直接有关的电动机定时信号)来提供伺服定时脉冲(t )。例如合并了差动放大器的常规调节电路2740响应于象限检测器2600A、2600B、2600C、2600D(图26A)提供总信号a以及前述信号|3 。 聚焦伺服2750响应于来自焦点路径卡曼滤波器2710的估计的焦点轨迹以及伺服定时脉冲(t )、总信号a以及来自常规层和轨道寻找逻辑(未示出)的层寻找命令来控制聚焦致动器2760。跟踪伺服2770响应于来自轨道路径卡曼滤波器2720的估计的轨道轨迹以及伺服定时脉冲(T)、信号|3和来自常规层和轨道寻找逻辑(未示出)的层寻找命
令来控制跟踪致动器2780。本质上，致动器2760、2780响应于来自常规层和轨道寻找逻辑 (未示出)的对应的层和轨道寻找命令来将读和/或写光束定位并聚焦到介质中头的目标 体积。 要理解，通过转换染料分子形成的全息图可以被写入为提供与多于二进制量化的 等级对应的一个范围的读取返回功率，以便每个全息图能够存储多于一个比特的数据。在 一个配置中，这可以通过调整写入功率来实现，所述写入功率进而控制转换的染料分子的 百分比。在另一配置中，这可以通过使用成对的紧密定位的堆叠光栅使得所述光栅共享公 共轴而引入多于两个量化等级来实现。在光栅包络中心之间存在固定距离的情况下，通过 在记录时改变两个条纹图案之间的相对相位，可以产生这样的结构当用读出光束扫描所 述结构时，该结构对于朝向检测器传播的衍射光束将产生相长的或相消的干涉。在这种配 置中，折射率变化可能是离散的(例如阶跃状的)，如在阈值折射率变化材料中一样，并且 仍能够以稍微增加的单个元件的尺寸(例如在这个示例中为光栅对)为代价生成多个反射 率等级。而且，当使用阈值材料生成折射率变化时，光栅的深度(例如沿写入/读取光束的 尺寸)由于在光束的焦点区域的外围的阈值截止而被减小，因此这两个光栅可以更紧密地 定位在一起使得单个(多等级)元件占据的有效体积被减小。 在另一方面，当读取微全息图时控制返回功率的变化可以用于减小检测到的微全 息图的动态范围，并且实现对于承认的微全息图检测的更紧的阈值。这还可以改进全息介 质的误码率。参考图54示出的示范性配置400，通过基于要读取的层调整读取功率，返回 功率的变化被减小。在示范性实施例中，盘读取设备400接收来自盘控制器460的读取层 n的命令。该命令导致两个动作。首先，功率调整模块450调整读取激光器410功率，使得 预期的从读取层n的深度处的全息图返回的光功率将基本上与预期的从读取任何其它层 的深度处的全息图返回的光功率相同。其次，调整深度调整光学器件430以将读取激光器 410提供的读取能量聚焦到层n上的全息图。然后通过反射光学器件440引导经过功率调 整和聚焦的激光束425，使得其落在盘160的顶表面上。因而，使用可调整功率激光器来读 取微全息图，其中激光器的功率根据激光照射的盘表面之下微全息图的深度来调整。
因而，公开了一种聚焦和跟踪空间存储介质中的微全息图的方法。对于采样的跟 踪和聚焦产生主系统定时基准。基于由离轨条件产生的微全息图反射不对称和/或由离焦 条件产生的扩展来产生误差信号。卡曼滤波器用于在微全息图的跟踪控制伺服中估计和校 正跟踪路径误差。卡曼滤波器可以用于在微全息图的聚焦控制伺服中校正焦点路径误差。 如果数据是基于不同层的或在各层之间变化则可以使用伺服控制。 应该理解，这里描述的跟踪和聚焦系统以及方法不限于使用非线性和/或阈值响 应材料的体存储系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使 用线性响应材料的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公 开在此全文引入以供参考。 将指示数据的微全息图用于跟踪的可旋转体存储盘的格式化
现在参考图41，微全息图(其中之一在图41中标为4100)可以使用多个垂直层 4110并且沿着每个层中的一个或多个径向定向的轨道n到n+x (在所示情况中n+5)存储在 可旋转的介质盘中。数据存储介质的格式对系统性能和成本可能具有显著影响。例如，相
17邻层中的微全息图的相邻层的接近性可以导致微全息图之间的串扰。这个问题随着盘中层 数的增加而加剧。 现在参考图42，示出了两个微全息图4100(标为4202、4204)的截面图，所述两个 微全息图并排放置在全息存储介质中的相邻轨道4210、4220中。所述轨道的周期性或间隔 称为轨道间距。对应于写入期间的干涉条纹的折射率变化的各单个区域的每一个4215分 开写入光束波长的1/2(入/2)。如从图43中可见的，当具有适当波长的相干光的高斯光束 4310聚焦在其中一个微全息图上时，该微全息图用作布拉格光栅并且反射能量。在没有微 全息图被照射的情况下，不发生反射。因而，反射的存在与否指示微全息图的存在与否，并 且因此指示对应的数据状态的存在与否。现在参考图44，当读取光束4310在轨道4210、 4220之间未对准时，来自两个轨道的能量被反射，使得难以确定在读取哪个数据比特。再次 参考图41，线4130表示光束4310的反射强度一其最终可以使用检测器来检测以确定比特 状态。如那里所示的，在两个轨道之间，存在信号的稍微降低，但是没有到零附近。这使得 微全息图检测和数据还原变得复杂。 现在还参考图45，示出了在共同轨道(例如图41中的n+l)中的两个相邻数据比 特4510、4520。类似于图44中描绘的情况，当光束4310聚焦在数据比特4510、4520之间时， 则来自两个比特的能量被反射。现在还参考图46，示出了在共同轨道中的相邻比特4510、 4520之间的串扰是如何表现自己的。线4610表示光束4310的反射强度一其最终可以使用 检测器来检测以确定比特状态。如在那里示出的，在两个比特之间，存在信号的稍微降低， 但是没有到零附近。这也使微全息图检测和数据还原变得复杂。 去除数据比特模糊性(轨道内和轨道间)的一种方法是分别增加比特和轨道之间 的距离。不过这可能会不希望地人为限制存储的数据密度。 可选地，或除此之外，并且现在参考图47，示出了其中在稍微不同的垂直位置(由 箭头4705表示)写入相邻全息图4510、4520的格式化。在所示情况中，微全息图4520相对 于微全息图4510垂直(例如深度方向上)偏移光束4310的四分之一波长(入/4)。这在从 微全息图4520反射的光中产生了相对于从微全息图4510反射的光的l/2波长(A/2)偏 移。在光束4310相干的情况下，两个反射信号将抵消，造成在线4710的虚线部分4715所 示的相位反转。在幅度检测器用于还原存储的数据状态的情况下，那么反射的信号在两个 比特上都作为正响应被检测到(如线4710所示)。然而，有利的是，利用示出的相移，检测 器信号在相邻比特4510、4520之间到达零，如图48所示。这导致改进的精确检测微全息图 和对应比特状态的存在的能力。 再次参考图41，线4130示出了相邻轨道之间的类似影响。线4130示出了跨微全 息图的6个相邻轨道(n-n+5)的反射光束强度。如图41所示，轨道间的信号不显著下降， 并且因此可能使区分一个轨道与下一个轨道变得复杂。现在还参考图49A，线4910示出了 在垂直方向上将相邻轨道的位置改变四分之一波长(A/4)的效果。在这样的格式化中，所 反射的信号又在轨道之间到达零(如线4910所示)，使得更容易在这些微全息图轨道上正 确定位检测光学器件。这种格式化进一步在图49B示出。其中，全息介质盘4950包括在多 个垂直堆叠的、径向延伸的层(示出了单个层)的每一个中的多个轨道4920、4930。在所 示实施例中，每隔一个轨道被调制为具有相同的相对垂直定位。例如，轨道4920对应于图 49A的轨道n+l和n+3，而轨道4930对应于图49B的轨道n和n+2。仍参考图49B，轨道之间的调制变化发生在盘4950的公共区域4940内，诸如在每个轨道的开始和/或结束附近。
还应该理解虽然在各个附图中示出了两级调制，但是可以使用其他数目。 图50A-52C示出了模拟结果。图50A示出了单层测试微全息案的顶视图。示
出的测试图案包括0. 5 P m直径的微全息图，其具有0. 6 ii m的轨道间距，以及四(4)种不同
的包含和插入微全息图的区域(例如平面和凹坑)尺寸。图50B示出了模拟的高斯读取光
束。图50B还示出了所示出的高斯光束从图50A的测试图案的模拟反射。 现在参考图51A，示出了当图50B的高斯光束沿图50A的测试图案的第二内侧轨道
(如在图50B中标为51A)居中时该高斯光束的模拟的反射幅度。图51B示出了当图50B的
高斯光束在图50A的测试图案的第二和第三内侧轨道(如在图50B中标为51B)之间居中
时该高斯光束的模拟的反射幅度。 图52A和52B示出了根据本发明实施例的比特和轨道相位调制的各方面。反射 的信号幅度在图片(slide)的右下角示出，其中图52A示出了对于没有相位调制的系统跨 测试图案的轨道的信号平均，并且图52B示出了在采用四分之一波长的垂直轨道到轨道偏 移时的信号平均。如可见的，在反射信号幅度中，这种偏移增强了轨道区分。图52C示出了 +/_45度垂直比特到比特偏移以及四分之一波长垂直轨道到轨道偏移的模拟反射。如其中 所示的，预测轨道和比特到比特间距相比诸如图52A所示的未调制情况有所改善。
现在参考图53，示出了微全息图数据存储介质写/读系统5300的表示。系统 5300包括光束源5302，诸如脉冲二极管激光器，其通过偏振控制1/2波板5315、隔离分束 器5317(它们共同提供功率控制)以及束整形光学器件5319光学耦合。之后，源5302光 束5305穿过1/4波板5321之后撞击到分束器5309。分束器5309提供两个输出光束一写 光束5303和读/基准光束5307。写光束5303被引导通过光闸5312、分束器5323U/4波 板5325以及物镜化(0L2)进入全息介质5310的目标体积中。通过分束器5327、 1/2波板 5329、分束器5331、 1/4波板5333和物镜化(0L1)将读/基准光束5307也聚焦到介质5310 的目标体积中。通过分束器5331、透镜化5335以及针孔5336将读/基准光束5307介质 5310微全息图反射引导到检测器5337。通过介质5310的读/基准光束5307透射被引导 到聚焦传感器阵列5339。读/基准光束5307的光程长度校正(以匹配写光束5303)由微 级定位的反射器5341提供。轴5343机械地旋转介质5310 (其在所示情况中采取可旋转盘 的形式)，而3-轴定位台5345定位透镜化0L1和0L2以将光束5303、5307聚焦到全息介质 5310的不同目标体积中。 在写过程中，光束5305被偏振分束器5309分成写光束5303和基准光束5307。在 偏振调整之后，由物镜化0L1和0L2聚焦的两个对向传播光束被重叠在介质5310的相同体 积中。得到局部化的干涉条纹并且该干涉条纹使得微全息图被创建。在读过程中，写光束 5303被光闸5312阻挡。读光束5307被聚焦到目标体积，并且如果在该目标体积中存在微 全息图，大约1%或更少的读光束5307从斑点被衍射/反射到检测器5337。基于检测器 5337检测的反射的存在或不存在确定对应的数据状态。在读写期间，读/基准光束5337能 量的大部分透射通过该介质到达检测器阵列5339。同样，在写期间，写光束5303的大部分 穿过介质5310并且可以被检测器5337感测到。 系统5300还包括衰减元件5350。根据本发明的实施例，元件5350可以采取磁或 电光调制器的形式。在这种情况下，元件5350可以被选择性地激活以相对于读/基准光束5307将延迟或光程长度调整引入到写光束5303中。通过逐比特和/或逐轨道地调制衰减 元件5350，这种选择性调制可以用于垂直地或在深度方向上将介质5310中形成的微全息 图的位置逐比特和/或逐轨道地偏移。在本发明的一个实施例中，衰减元件5350可以引入 入/2延迟，其中A是光束5303和5307的中心波长。例如，光束5305、5303和5307的中心 波长可以大约为405nm或532nm。 图28示出了格式2800，用于通过在两个径向方向上的螺旋中将数据存储在介质 (诸如可旋转盘)上来克服不同层之间的数据不连续性。例如，在向内旋转的螺旋中将微全 息图存储在一个层2810中。在该层2810的结束处，该数据通过在沿相反方向旋转的螺旋 中聚焦在盘中的另一个层2820上而以最小的中断继续。相邻层(例如2830)可以继续在 开始位置和方向上交替。以此方式，否则的话传感器头回到前一螺旋2810开始的位置将要 花费的时间被消除。当然，如果希望在与前一螺旋相同的起始点处开始，可以提前存储数据 并且在检测器移动回到起始点的同时以希望的系统速率读出数据。可选地，不同组的层可 以具有一个起始位置，和/或前进方向，而其他组的层具有另一起始位置和/或前进方向。 在相邻层中反转螺旋的方向也可以通过在沿相同方向前进的螺旋之间提供隔离而减少层 间串扰的量。 现在还参考图29，通过改变每个螺旋的起始点或定相可以进一步减少串扰。图29 示出了格式2900，其包括多个潜在的微全息图轨道起始/结束点2910A-2910G。应认识到， 虽然示出了八(8)个轨道起始/结束点，但是可以使用任何合适数目(更多或更少)。根据 本发明的一个方面，每个层的相位或起始/结束点可以交替。通过改变不同层上数据螺旋 的结束点可以减少层间的串扰。也就是说，例如，在第一层开始于点2910A并且向内螺旋到 点2910H的情况下，下一层可以开始于点2910H并且向外螺旋移动到点2910D，在该位置向 内螺旋移动的下一层然后开始。当然，可以使用起始/结束点的其他特定分组。
因此，可以在螺旋轨道中将微全息图存储在各层中，所述螺旋轨道在不同层上沿 不同方向螺旋移动，以便减少读/写检测器头移动到下一螺旋(例如下一层的起始点)所 需的时间。在检测器头从一个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 器来维持到用户或系统的一致的数据流。在检测器头向下一螺旋层移动的同时，来自先前 数据层的存储在该存储器中的数据可以被读出。通过在相邻或不同层上将螺旋反转可以减 少层间串扰。还可以通过改变每个层的相位或起始点并且改变不同层上数据螺旋的结束点 来减少层间串扰。要连续读取的不同层上的起始和结束点可以被间隔开，以避免在聚焦到 下一连续数据层上所需的时间期间数据的不必要或延长的中断。 在一个实施例中，长方形形状的微全息图被用作体数据存储系统的格式。换言之， 提供了自跟踪微全息图。有利地，使用长方形形状的微全息图可以允许微全息图尺寸在至 少一个横向维度上比还原激光斑点尺寸小。为了跟踪的目的，长方形形状的微全息图被用 于通过检测反射形状来确定轨道取向。基于反射光的差分信号可用于增加系统鲁棒性。
现在还参考图30，在单比特全息存储介质中，通过以与数据全息图相同的方式以 周期性结构局部地调制折射率，可以写入格式微全息图。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，读激光穿过局部区域。通过检测反射的光，驱动器产生指示内 容为1还是O的信号。在图30的所示情况中，比特是基本圆形的微全息图3010，其尺寸由写 激光斑点尺寸确定。由于微全息图写过程遵循激光的高斯空间分布，微全息比特在空间轮廓上也是高斯的。高斯分布倾向于在光束腰(或斑点直径)之外具有相当多的能量。为了 减少来自相邻比特(微全息图1、2、3、4和5)的干扰，比特间隔(两个比特之间的距离dt) 可能需要是激光斑点尺寸的三倍大。结果，层上的内容密度实际上可能比CD或DVD层上的 内容密度小得多。另一与圆形格式相关的可能缺陷与跟踪有关，其中介质盘以方向3020旋 转。仍参考图30，希望的是在读取比特1后激光斑点移动到比特2。然而，由于微全息图比 特1是对称的，驱动器没有指示包括比特1和2的轨道3030的方向的附加信息。相应地， 该驱动器可能无意地使激光漂到另一轨道3040、3050，例如比特4或5。
现在还参考图31，为了帮助校正潜在的轨道未对准，可以使微全息图斑点形状为 非圆形或非对称的，使得激光头可以确定轨道取向。为了在至少一个横向维度上具有小于 读激光斑点尺寸3110的比特间隔，具有高反射率的长方形形状的微全息图3120沿轨道 3130、3140、3150形成。值得注意的是对比而言，诸如CD和DVD的单层格式使用长方形形 状的凹坑，其产生干扰，从而导致相对低反射率的区域。为了写入如图31所示的格式，沿轨 道(例如3130)旋转介质盘，并且取决于在局部体积中是否希望反射而开启和关断写激光。 换言之，在曝光期间相对于激光斑点前移介质，从而暴光介质的伸长部分。经由写激光开启 的时间长度和前进或旋转速度写入具有受控长度的长方形形状的微全息图。这有利地用于 消除在逐斑点写入时快速地脉动写激光的需要。当读激光聚焦在长方形形状的微全息图上 时，圆形的高斯激光斑点沿轨道取向比垂直于轨道取向具有更大强度的反射。微全息图反 射的信号不再是完美的圆形(例如参见图25A-25C)，并且诸如象限检测器的检测器可以用 于确定反射光束形状以及因此轨道方向一其然后用作反馈来帮助保持激光头在轨。为了增 加系统敏感性，常规的CD/DVD格式方法(诸如通过使用基于反射的差分信号)也可以被合 并。 因此，在一个实施例中，对于体数据存储物理格式，沿介质内部的轨道提供长方形 形状的微全息图。格式微全息图可以编码数据本身，或任选地记录在不同位置的，或共同定 位但以不同角度记录的和/或以与指示主要数据的微全息图不同的波长记录的附加数据。 在记录介质提供非线性光学响应(即阈值响应)的情况下，长方形标记的宽度(短维度) 可以被进一步减小从而进一步增加层容量。 应当理解，这里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
的体存储系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使用线性 响应材料的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公开在此
全文引入以供参考。 使用分离的全息元件的可旋转体盘的格式化 可选地，或除了指示自跟踪数据的微全息图之外，可以将分离的跟踪元件合并到 介质中。在没有主动聚焦将激光斑点维持聚焦到正确的层并且保持激光头在正确的轨道上 的情况下，至少部分由于包括但不限于表面粗糙度和划痕的物理限制，在介质盘内部存储 微米或亚微米尺寸特征在商业上可能是不切实际的。 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 制进行跟踪。然而，体存储介质不包括介质中数据记录层次处的高度反射的层。在可记录或 可重写版本的CD和DVD格式中，预先形成轨道或凹槽，使得激光头在写入数字内容时遵循 该轨道。公开的美国专利申请2001/0030934以及2004/0009406以及美国专利号6512606
21提出在单比特全息介质内部预先形成轨道，使得激光头在内容写入过程中可以遵循该轨 道，这两者的全部公开内容都在此引入以供参考，就好像在这里全部阐述它们一样。在读取 过程期间激光头也遵循该轨道。 在一个实施例中，轨道预格式化和/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)。更特别地，在体存储介质内部存储微全息比特之前，在介质中的各种 深度和位置处预先记录用离轴微全息光栅编码的轨道。这种跟踪微全息图可以被定向以便 产生偏离撞击激光束的法线的反射。取向角可以与跟踪微全息图深度和半径相关，使得跟 踪微全息图用作检查点。在读或写过程中，跟踪微全息图将入射光反射偏离光学法线轴，其 例如可以使用分离的检测器检测到。基于有角度的离轴反射的检测来确定盘中当前位置的 聚焦深度和半径。预先形成的微全息图因此可用于向驱动器提供关于光学头位置的反馈信 号。 精确的定位平台和写激光器适用于将轨道写到全息介质内部。每个轨道可以螺旋 移动通过介质内部的各种半径和/或深度。当然，不过，包括圆形或基本同心轨道的其他配 置也可以使用。通过沿每个轨道形成微全息图写入数字比特。例如通过聚焦高功率激光以 局部地改变介质的折射率可以形成轨道。局部折射率调制生成从入射聚焦光到跟踪检测器 的部分反射并且提供关于轨道的信息。相反地，轨道可以被写入到全息母版(master)中并 且光学复制到介质装置(例如盘)中，如这里讨论的。 图32示出了形式为盘的介质3200可以旋转以使读写头遵循预编程的轨道。非 常邻近该介质的激光头将光束3210聚焦到局部区域以促进介质中轨道的写入。光束3210 垂直于介质。形成的微全息图用于将轨道位置编码为离轴角度。从介质另一侧撞击的第二 激光束3220与激光束3210照射相同的体积。光束3220是从盘法线轴离轴的。两个光束 3210、3220干涉并且形成与介质法线离轴的微全息图3230。该离轴角度可以用于编码轨道 的物理或逻辑位置，即深度或半径。如相关领域的普通技术人员所理解的，微全息图3230 的离轴角度小依赖于光束3220的离轴角度(K其中光束3210垂直于介质3200。因此，通 过改变撞击光束3220的角度，可以编码形成的全息图的位置。 光束3210可以采取连续波的形式以写入连续的轨道，或是发脉冲的。在发脉冲的 情况下，脉冲重复率确定在内容写和/或读期间可以检查轨道位置的频率。可选地，或除此 之外，微全息图以变化的重复率突然出现，或除了角度依赖性之外或代替角度依赖性可以 使用大量的脉冲来编码轨道位置信息。然而，在使用微全息图写光束的发脉冲，使得脉冲重 复率或脉冲数量指示轨道位置的情况下，可能需要读取多于一个的跟踪微全息图以确定有 用的定位信息。 再次返回到使用角度依赖性，在内容读写过程期间，预先形成的离轴微全息图 3230将与介质垂直的入射激光束3210'反射为离轴的，以提供关于轨道的信息。诸如版 权信息的其他信息可以任选地被编码。在这种情况下，离轴光束可以被调制以编码这种其 他数据，并且处于指示介质内的位置的角度。现在还参考图33，当垂直于介质的入射光束 3210'被聚焦到局部预先写入的跟踪微全息图3230时，跟踪微全息图3230部分地将该光 反射为光束3310，其具有与微全息图记录过程中使用的的第二激光束(例如光束3220，图 32)类似的方向和空间分布。离轴传感器或传感器阵列可以用于检测反射的有角度的光束 3310并且确定入射光束3210'的聚焦斑点的位置。
22
因此，轨道和/或其他信息可以被编码在预先形成的离轴微全息图中。在离轴角 度光束用作编码器的情况下，光学驱动器可以通过读取单个跟踪微全息图而确定聚焦的入 射光束的位置。收集的信息可以用于聚焦和跟踪，例如被提供给类似于图27所示的聚焦/ 跟踪系统。例如，离轴信号可以用于确定入射光是否处于适当的深度并且适当的透镜是否 被用于校正与深度相关的球形像差。 在一个实施例中，一个或多个微全息图可以包括离轴和/或偏心的部件。现在 还参考图34A，诸如相位掩模或光栅的全息衍射单元将入射光束分成用于读/写的主光束 3410和用于跟踪的至少一个离轴光束3420。离轴光束3420的传播角9与介质3400中的 离轴、偏心跟踪微全息图3430 —致，使得反射的光束沿着入射离轴光束3420的方向传播回 去。在这种情形中，可能不需要物镜之外的附加收集光学器件。然而，微全息图3430的离 轴角度e是固定的并且可能有必要使用微全息图脉冲重复率或脉冲数调制来对轨道位置 进行索引。 图32-34A示出了一个离轴微全息图。可选地，数据微全息图可以用两个离轴微全 息图(每一侧各有一个)进行格式化。在图34B中示出了3个重叠的微全息图的写入。通 过基准光束3440和数据光束3450写入微全息图数据，数据光束3450沿着与基准光束相同 的轴线对向传播。两个离轴微全息图可以通过同一基准光束3440和离轴写入光束3460、 3470之间的干涉来写入。 在读过程中(图34C)，基准光束3440'用作读取光束。这三个微全息图已经被存 储在一个位置中。基准光束3440'因此将沿三个方向衍射从数据微全息图的背反射3482 以及从两个离轴微全息图的侧反射3484、3486。当两个侧反射形成的平面垂直于微全息图 数据轨道方向时，这两个侧反射作为用于跟踪的指标。 应该理解，这里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 材料的体存储系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使用 线性响应材料的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公开 在此全文引入以供参考。
预先记录介质批复制 光学复制非常适于分配大量的记录为支持介质中的微全息图的数字信息。与基于 页面的全息方法相比，使用微全息技术的光学复制的工业过程看起来是希望的。使用线性 材料的光学复制的一个问题是光学复制系统中的任何不希望的反射将产生不希望的全息 图。因为光学复制中一般涉及高功率的激光器，那些不希望的全息图可能明显干扰指示数 据和/或格式化的全息图。而且，在线性材料中记录的全息图的强度将直接与记录激光束 的功率密度的比值成正比。对于与1差别很大的比值，全息图将是弱的，并且将不希望地消 耗大量的动态范围(材料的记录能力)。再次，这可以通过使用非线性光学响应介质而解 决。 现在参考图35、36和37，示出了适于与非线性光学响应介质一起使用的光学复制 技术的实施方式。图35示出了用于制备母版介质的系统，图36示出了用于制备相配母版 介质的系统，并且图37示出了用于制备拷贝介质例如用于分发的系统。首先参考图35，示 出了用于记录母版介质3510的系统3500。在示出的实施例中，母版介质3510采取光学非 线性响应材料模制盘的形式，诸如本文所描述的那些。通过逐个形成微全息图3520的阵列来对母版全息介质3510进行记录。系统3500包括光学耦合到分束器3552的激光器3550。 激光器3550可以采取532nm、100mW CW、单纵模、腔内倍频、二极管泵浦固态Nd:YAG激光器 的形式，其中分束器3552例如采取偏振立方分束器的形式。聚焦光学器件3532、3542用于 将分开的光束3530、3540聚焦到介质3510内的共同体积，其中它们对向传播、干涉并且形 成条纹图案，包括微全息图形成，如上面所述的。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。光闸3554用于选择性地使光束3530通过到介质3510，以编 码数据和/或促进微全息图3520的有序形成。例如，光闸3554可以采取机械、电光、或声 光光闸的形式，并具有大约2. 5ms的窗口时间。 为了使得微全息图能够在特定的目标体积中形成，聚焦光学器件3532、3542被致 动以选择性地聚焦到距旋转介质(例如盘3510)中心的不同半径处。也即是说，它们横向地 在距旋转介质(例如盘3510)中心不同半径处平移聚焦区域。介质3510由精确定位平台 3556支持，精确定位平台3556旋转该介质并且允许聚焦光束3530、3540在介质3520中的 不同垂直层的垂直对准。角度定位通过在适当的时间选择性地打开光闸3554来控制。例 如，步进电动机或空气轴承主轴可以用于旋转介质3510，使得可以在对应于旋转介质3510 的不同角位置的各个时间选择性地打开和关闭光闸。 现在参考图36，示出了系统3600的框图。系统3600包括光源3610。光源3610 例如可以采取532nm、90W、lKHz重复率脉冲控制的Nd:YAG激光器的形式，诸如商业可获得 的相干进化(Coherent Evolution)型号90。源3610通过相配母版介质3620照射母版介 质3510。在示出的实施例中，相配母版介质3620采取光学线性响应材料模制盘的形式，诸 如在美国专利公开20050136333中描述的那个，该美国专利公开的全部内容在此引入以供 参考。通过快速地经过相配母版介质3620将母版介质3510暴露于源3610发射3615，来自 母版介质3510的反射与直接来自源3510的发射干涉，以在相配母版介质3620中形成条纹 图案。在相配母版介质3620中形成的全息图案与母版介质3510的全息图案并不相同，而 是指示从其的反射。根据本发明的一方面，整个母版介质3510和相配母版介质3620对可 以被一次闪光曝光或批曝光。可选地，发射3615可以机械地扫描母版/相配母版介质对， 如横向箭头3618所指示的。 图37示出了系统3700。像系统3600 —样，系统3700包括光源3710。光源3710 例如可以采取532nm、90W、lKHz重复率脉冲控制的Nd: YAG激光器的形式，诸如商业可获得 的相干进化(Coherent Evolution)型号90。源3710通过分配介质3720照射相配母版介 质3620。在示出的实施例中，介质3720像母版介质3510和相配母版介质3620 —样采取光 学非线性响应材料模制盘的形式，诸如本文所描述的那些。更具体地，源3710发出的发射 3715穿过分配介质3720并且到相配母版介质3620中。对应于来自微全息图阵列3520 (图 35、36)的反射的其中的折射率变化产生反射。这些反射再次横穿过分配介质3720，在那里 它们与对向传播的发射3715干涉，形成指示微全息图阵列3730的干涉条纹图案。在光发 射3715和发射3615在方向和波长方面基本相同的情况下，阵列3730对应于阵列3520 (图 35、36) —从而将母版介质3510复制为分配介质3720。整个相配母版介质3620和分配介 质3720对可以被一次闪光曝光或批曝光。可选地，发射3715可以扫描相配母版介质/分 配介质对，如横向箭头3718所指示的。 应该理解，系统3500、3600、3700仅是示例，并且设置中的若干变化将导致类似的结果。此外，母版介质、相配母版介质和分配介质不需要由相同材料制成并且可以由线性和 非线性材料的组合制成。可选地，它们可以都由例如阈值响应材料制成。
现在还参考图38，在不同的实施方式3800中，分配介质3810最终从其创建的母版 可以采取带子的形式，其具有孔径、或孔、或至少基本透明的区域。可选地，分配介质3810 最终从其创建的母版介质可以采取空间光调制器的形式，其具有二维的像素或孔径阵列。 不管哪种方式，系统3800包括激光器3820，激光器3820例如可以采取532nm、Q开关的、高 功率(例如90W、lKHz重复率脉冲控制的)Nd:YAG激光器的形式，诸如商业可获得的相干进 化型号90。激光器3820光学耦合到分束器3830，分束器3830例如可以采取偏振立方分束 器的形式。分束器3830因而产生第一和第二光束3830、3840，它们在介质3810的特定体积 内以适于形成指示存储数据的微全息图3815的阵列的方式对向传播，如本文所讨论的。更 具体地，光束3840通过调节光学器件3845传送到介质3810中。光束3850通过调节光学 器件3855传送到介质3810中。 调节光学器件3845、3855可以采取一个或多个微透镜阵列的形式，其适于将激光 束转换为一系列聚焦斑点或二维的聚焦斑点阵列。在所述透镜具有高数值孔径的情况下， 可以通过以小得足以使曝光产生交错的阵列的增量来移动介质而实现密集封装。调节光学 器件3845、3855因而将对向传播的光束3840、3850聚焦到介质3810的单个层内的二维的 聚焦点阵列。根据本发明的一方面，该点阵列对应于在整个层中记录的数字0或1的阵列。 因此，通过激活激光器3850，可以通过在其中形成微全息图阵列的斑点的干涉条纹在介质 3810的单个层中记录都是数字0或1的层。在介质采取光学非线性响应材料盘(诸如本文 已描述的)的形式的情况中这尤其有用。 根据本发明的一方面，带子或空间光调制器3860可以用于提供在介质3810的单 个层中记录不同数据。带子或空间光调制器3860可以包括一系列的孔径或孔，或者孔径或 孔的阵列。孔径的存在与否可以对应于对应数字数据的数字状态。也即是说，取决于微全 息图是否被记录(这取决于对应的数据状态)，缺少孔径的区域选择性地阻挡光束3840。
在任一种情况中，一次仅在记录介质的一个区域中记录一个层的数据。例如使用 定位平台3870，介质3810可以被前进或旋转若干次以记录完整的层。例如，同样使用定位 平台3870，介质可以被上下移动以记录其他层。 因此，可以使用对母版介质的泛光照射以记录中间或相配母版介质。还可以使用 对母版或相配母版的泛光照射以在分配介质中记录数据。带子或空间光调制器可以用作母 版来记录分配介质。并且，记录的全息图的衍射效率(强度)可以独立于记录激光束功率 密度的比值。 预格式化的介质 如所述的，全息介质盘可以用指示数据状态的微全息图的阵列来记录。这些阵列 可以在光学非线性或阈值响应记录材料制成的介质的基本所有体积上散布。在一个实施例 中，通过擦除或不擦除某些微全息图来在预格式化的介质中记录特定数据(例如交替的数 据状态)。擦除可以通过使用单个光束来实现，该光束具有足够的聚焦能量以将微全息图的 体积带到阈值条件之上，例如加热到接近组成聚合物基体的Tg。 更具体地，将数据记录到预格式化的介质(例如光学非线性响应材料内的指示单 个数据状态(例如全O或全1)的微全息图的阵列)中可以通过擦除或不擦除所选择的预先记录的或预格式化的微全息图来实现。可以通过在其上聚焦一个或多个激光束来有效地 擦除微全息图。在光束传递的能量超过写阈值强度时，如上讨论的，擦除微全息图。因而， 阈值条件可以与首先形成目标微全息图所需要满足的条件相同。光束可以从传统的二极管 激光器发出，类似于传统上在CD和DVD技术中使用的那些。图39示出了系统3900，其中通 过聚焦在以预格式化的阵列预提供的微全息图上，并且选择性地擦除对应于要写入比特的 那些微全息图来由单个激光束记录数据。 更具体地，由聚焦光学器件3920将激光束3910聚焦到包含预先形成的微全息图 (未示出)的介质3930中的目标体积3940。擦除目标全息图的实际机制可以类似于首先 用于形成该全息图的机制。例如，可以通过使用单个入射光束来使得体积单元的任何先前 未受影响的部分(即原始条纹之间的区域)经历折射率变化从而导致条纹图案的破坏一从 而产生具有连续折射率的区域，来擦除预格式化的全息图。此外，激光器不需要是单纵模， 因为不需要干涉，使得微全息图数据装置的读取和记录激光器有利地简单并且可能相对便 且。 任选地，可以在介质中光学地记录序列号。该序列号例如可以用于跟踪可记录介 质的物主身份以促进版权保护。该序列号可以被以促进其光学检测的方式而光学记录。该 序列号可以在使用空间光调制器复制数据之前、基本同时地、之后被光学记录在介质中的 一个或多个预定位置。 微全息数据存储配置的这种预格式化的非线性记录格式可以促进实现低成本的 微全息记录系统。利用介质单侧上的光学器件，也可以使用简化的光学头。此外，非单纵模 激光器可以用于记录数据。而且，由于仅使用单个光束，还可以实现微全息系统的容忍振动 的记录系统。 应该理解，这里描述的预格式化系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材
料的体存储系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使用线
性响应材料的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公开在
此全文引入以供参考。 还原微全息图存储的数据 图40示出了系统4000。系统4000适于检测在介质(诸如旋转盘介质)内的特定 位置处是否存在微全息图。系统4000可以被目标确定为使用这里描述的跟踪和聚焦机构 选择体积。在示出的实施例中，激光束4010被聚焦光学器件4020聚焦以通过分束器4050 撞击介质盘4040内的目标体积4030。光束4010可以从传统的激光二极管(诸如CD和DVD 播放器中使用的那些)发出。这种激光器例如可以采取基于GaAs或GaN的二极管激光器 的形式。分束器4050例如可以采取偏振立方分束器的形式。聚焦光学器件4020例如可以 采取高数值孔径聚焦物镜化的形式。当然，其他配置是可能的。 不管这些具体细节如何，在目标体积4030中存在微全息图的情况下，光束4010被
反射通过光学器件4020回到分束器4050。分束器4050将反射重定向到检测器4060，检测
器4060检测反射的存在与否。检测器4060例如可以采取由象限检测器围绕的光电二极管
的形式，诸如商业可获得的H咖amatsu Si Pin光电二极管型号S6795。 应该理解，这里描述的数据还原系统和方法不限于使用非线性和/或阈值响应材
料的体存储系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使用线性响应材料的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公开在
此全文引入以供参考。 收入保护 预先记录的光学介质的盗版以及甚至偶然复制代表了娱乐和软件工业的经济损 失的重要源头。具有高速(诸如高达177Mbps)数据传输速率的可记录介质的可用性使得 复制包含受版权保护的音乐或正片的CD或DVD相当容易。在软件工业中，内容提供商通常 使用产品激活码来试图减少软件的盗版。然而，产品激活码和盘上的数据并不被唯一地联 系，并且软件的若干拷贝可以被安装在许多机器上而没有或很少有办法来检测多个拷贝或 防止同时使用。 在传统的预先记录的光学介质(例如CD或DVD)中，传统上通过在注射模制过程 期间将对应的数据模压到介质中来复制预先记录的内容。这个过程可以用于将数据从单个 母版复制到上万个盘上，这固有地限制了唯一识别单个盘的能力。已经进行了若干尝试来 提供附加的设备和过程以在模制过程之后标记每个盘。然而，这些过程通常需要在模制的 盘上记录新数据或从模制的盘擦除数据来标记该盘。例如，已经尝试使用高功率激光器来 以可由驱动器读取的方式来"标记"盘。然而，盘上的数据比激光聚焦到的斑点要小得多， 使得这些标记通常比数据大并且不容易被驱动器解释。 此外，传统的用于分配预先记录的内容的光学数据存储装置(例如DVD) —般具有 足够用于至多两个完整长度正片的容量。通常，内容提供商使用容量来容纳同一内容的两 个不同观看格式，例如传统的4:3格式与在最近的电视机型号上流行的16:9格式组合。
根据本发明的单比特微全息系统可以用于在例如单个CD大小的盘上提供多个 (诸如高达50个之上)单独的正片。在一个实施例中，每个盘被标记有单独唯一的识别号 或基本唯一的识别号，该识别号嵌入在数据中并且可被全息驱动器读取。全息数据可以光 学方式复制的事实促进了此。唯一识别每个大容量盘的能力实现了传递内容的新商业模 型，其中每个盘例如可以包括按各种类别(诸如类型、导演、男主演或女主演)分组的许多 正片。 在这样的实施例中，消费者可以例如通过购买来获取预先记录的盘。例如，成本可 能与传统的让用户访问一个内容特征(例如一个正片)的介质相当。根据本发明的一方面， 消费者随后可以通过例如购买来激活盘上包含的附加内容，诸如附加的正片。这可以通过 内容提供商发布与特定盘或盘的离散集合上编码的识别号关联的单独访问码来实现。在盘 序列号是不可复制的情况中，访问码并不适合用于使得能够在另一不同序列化的盘上观看 盗版内容。 此外，例如可以鼓励消费者复制盘(例如通过还原数据并且将其再次复制到另一 类似的介质盘)并且基于嵌入在预格式化的可记录盘上的序列号来接收他们自己的访问 代码。通过这种方式，实际上鼓励用户间的内容分配，同时保持了内容所有者的收入流。
在一个实施例中，如这里讨论的，通过注射模制空盘并且随后通过光学复制(例 如闪光曝光)将数据传输到盘，可以将单比特微全息数据复制用于大量分配。在要复制的 数据的初始曝光期间，可以故意使得盘上的若干位置为空白。例如，使用空间光调制器，随 后经由对应于识别号的附加光学曝光来记录这些位置，其中每个号对于每个盘或盘的集合 是唯一的。这些位置还可以用于识别预格式化的空盘上的号。
仅作为非限制性的示例，基于预期的存储要求和存储容量，传统CD大小的含有内 容的微全息盘可以包含高达50个标准清晰度完整长度的正片或10个高清(HD)的完整长 度影片。可以以任何数量的方式对内容分组。例如，内容提供商可能在盘上放置给定系列 中的影片或具有特定男主演或女主演的影片或落入相同类型的影片。当准备进行零售时可 以在盘上或盘的包装上指示盘的序列号。当消费者购买盘时，包装可以包括在播放该盘时 提示用户将其输入的访问码。访问码对应于关联的序列化的盘以使得用户能观看该盘上的 一个且仅一个特定特征(或特征的离散集合)。可选地，盘的播放器可以配备有硬件/软件 以使得其能够与使用管理方通信，所述使用管理方响应于该序列号，以及可能播放器的标 识符，以及当前允许的访问级别给播放器提供激活码。 无论如何，驱动器或读取设备可以包括存储器，诸如固态或磁存储设备，用于在访
问码被输入后存储该访问码，从而以后观看该特征将不需要再次输入该码。 用户可以经由诸如因特网的计算机网络或经由电话(例如经由免费电话呼叫)联
系内容提供商或其代理，以获得对应于在盘上包含的其他特征的附加激活码。可选地，播放
器可以提示用户确定该用户是否希望购买附加内容，例如在用户尝试选择该数字内容时。
当用户输入另一激活码时，或该码由例如使用管理方提供时，播放器可以针对盘的序列号
检查该码，并且仅在该码和序列号对应或关联的情况下才使得能够播放该特征。相应地，对
于不可复制的特定盘序列号编制(key)访问码，使得虽然对应于盘上的特征的数据可以被
复制，但是允许访问该特征的访问码是原始盘特有的并且不会使其他盘上的拷贝能够被播放。 根据本发明的一方面，例如，内容本身可以被复制到预格式化的空介质盘上。内容 提供商甚至可以鼓励消费者向其他消费者提供盘的拷贝，以允许下游拷贝用户受限地访问 盘的内容。每个盘(预格式化的且预先记录的)可以被提供有唯一的或基本唯一的标识符。 该序列号在复制期间将不转移。类似于原始介质的用户，原始介质的拷贝的用户可以联系 内容提供商或代理并且请求对应于拷贝介质盘的序列号的访问码，或从拷贝介质盘的序列 号导出的访问码。通过这种方式，传播了内容，同时管理了对应的数字权利。
根据本发明的一方面，微全息复制系统因而可以提供以可由微全息驱动器读取的 方式(至少基本)唯一地序列化每个盘的能力。例如通过干涉两个对向传播的激光束可以 在介质盘的保留区域中记录微全息图。介质盘可以包括多个内容，诸如正片或其他内容，所 述内容诸如可以通过购买而单独地访问。 硬件和/或软件可以用于比较访问码和盘上的序列号以看它们是否对应。存储器 可以用于存储访问码，因此未来观看内容不需要重新输入该码。其中可以购买新码以获取 对盘上附加内容的访问的商业模型可以被提供。预序列化的可记录盘可以被提供，在该盘 上可以复制内容并且对于该盘可以使用新访问码来访问复制的内容。 使用具有唯一序列号的包含微全息图的盘和读取驱动器，以及使得能够在获取介 质之后购买内容的商业模型可以提供几个优点。例如，通过促进已经包含在用户的盘上的 附加内容的购买可以产生收入。经由包含内容且可记录的盘的序列编号以及禁止序列号的 复制可以增强数字权利保护。经由用户复制含有内容的盘以及随后授权这些盘的内容分配 的收入可以被提供。多个正片、专辑或其他内容可以被提供，并且这些内容在单个盘上可被 独立激活。
28
应该理解，这里描述的收入模型不限于使用非线性和/或阈值响应材料的体存储 系统和方法，而是对一般的体存储系统和方法具有广泛的适用性，包括使用线性响应材料 的那些系统，诸如在美国专利公开20050136333中描述的系统，该专利公开在此全文引入 以供参考。 对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以对 本发明的设备和过程进行修改和变化。本发明旨在涵盖本发明的这些修改和变化，包括其 所有等同物。
权利要求
一种数据存储装置，包括塑料衬底，其具有在多个垂直堆叠的横向延伸的层(4110)中沿轨道(n+1)布置的多个体积(4510，4520)，其中在所述层中的一个常规层中至少一些所述体积相对于在该常规层中的至少其他所述体积垂直偏移；以及多个微全息图(4202，4204)，每个微全息图都包含在对应的一个所述体积中；其中每个所述体积中存在或不存在微全息图指示了所存储的数据的对应部分。
2. 如权利要求l所述的装置，其中在给定的一个所述轨道中的至少一些体积(4510， 4520)相对于所述给定轨道中的其他体积垂直偏移。
3. 如权利要求l所述的装置，其中每个层包括多个轨道(n+l)，并且在一常规层中的至 少一个所述轨道中的体积相对于在该常规层中的至少一个其他所述轨道中的体积垂直偏 移。
4. 如权利要求1所述的装置，其中每个微全息图包括具有交替折射率的多个区域，其 中相邻的具有相同折射率的区域具有入/2的间隔，其中A是用于形成具有交替折射率的 该多个区域的光束的中心波长。
5. 如权利要求1所述的装置，其中所述衬底包括热塑塑料。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述热塑塑料具有非线性的功能特性。
7. —种存储数据的方法，包括提供塑料衬底，所述塑料衬底具有在多个堆叠并延伸的层(4110)中沿轨道(n+1)布置 的多个体积(4510,4520); 提供多个光束(4310);选择至少一些体积作为目标体积；并且对于每个目标体积根据所选择的目标体积的相对位置对至少一个所述光束(4310)进行相位调制；以及 在所选择的目标体积内干涉所述相位调制的光束与至少一个其他所述光束，从而在所述衬底中形成多个微全息图(4202,4204);其中每个所述微全息图基本包含在对应的一个所述体积中并且每个所述体积中存在或不存在微全息图指示所述数据的对应部分。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述微全息图(4202,4204)依赖于所述数据而被选 择性地形成。
9. 如权利要求7所述的方法，还包括聚焦一个所述光束(4310)。
10. 如权利要求7所述的方法，其中至少一个所述微全息图存储多于一个比特的数据。
全文摘要
一种数据存储装置，包括塑料衬底，其具有多个体积(4510，4520)，布置在沿其中的多个垂直堆叠的横向延伸的层(4110)的轨道中；以及多个微全息图(4202，4204)，每个微全息图都包含在对应的一个所述体积中；其中每个所述体积中微全息图的存在与否指示所存储的数据的对应部分。
文档编号G11B7/0065GK101783148SQ20091026193
公开日2010年7月21日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者B·L·劳伦斯, J·A·F·罗斯, J·E·赫尔希, K·B·韦尔斯, P·P·吴, V·P·奥斯特罗弗霍夫, X·施, 任志远 申请人:通用电气公司