全息数据存储系统基于与参照束干涉的信号束的观念在全息存储介质 中存储信息或数据。信号束与参照束的干涉生成了数据单元的全息表示， 即全息图，作为印在一件存储或记录介质，例如感光聚合物或光折射晶体 中的不同折射指数和/或吸收的图形。将称作目标束的已编码数据信号束与 参照束结合能在存储介质中生成干涉图形。例如，立体的光调制器(SLM) 或平版印刷的数据掩膜可以生成该已编码数据信号束。该干涉图形引起生 成全息图的存储介质中的材料改变。存储介质中的全息图的形成通常是信 号束和参照束的有关幅度和偏振状态以及信号束与参照束之间的相位差的 函数。全息图也取决于波长和信号束与参照束射入存储介质的角度。在存 储介质中生成全息图之后，将参照束射入存储介质相互作用并重构最初的 已编码数据信号束。可以通过利用检测器检测重构的信号束，该检测器例 如CMOS光检测器阵列等。然后可由光检测器阵列将恢复的数据解码成原 始的编码数据。
图1示出了一种基本的全息系统。该全息存储系统包括光源110，例如 用于提供相干光束的激光器。设置分束器114用于将激光束分裂成目标束 和参照束。目标束射向SLM或数据掩膜116，在此处以信息编码为二维图 象并且通过反射镜118和透镜120射向记录存储介质124，在此处与通过 反射镜130射来的参照束干涉。合成的干涉图形被记录在存储介质124中， 在此处目标束与参照束相互作用。在记录了第一图象或层之后，可以修改 系统以使另外的图象能记录在存储介质124中。例如，通过修改参照束的 角度和/或波长，在存储介质124中可以记录连续的图象。
利用与用于存储图象的原始参照束相同的参照束可以从记录介质124 中恢复特定图象。该光被存储介质124根据已存储的全息图衍射，且存储 在记录介质124中的二维图象被透镜126射向光检测器阵列128。
全息只读存储器(全息ROM或HROM)存储介质是众所周知的。过 去全息的信息通过连续地将HROM上的不同位置与目标束和参照束对准 来记录连续的数据位，以递增方式被记录在盘格式的HROM中。通过改 变经由立体的光调制器(SLM)或连续的数据掩膜给出的信息可以在每个 连续位置记录不同的信息，例如，Liu等人的名称为“Apparatus and Method for Storing and/or Reading Data on an Optical Disk”的美国专利 No.6,272,095中说明了示例性的先前的记录技术的几个实例，其作为整 体在此引入作为参考。此外，例如，通过波长复用、角度复用、移位复用、 共焦复用或其它的复用技术在虚拟图象层可以堆栈多个全息图。在堆栈中 的每个全息图可包括一页信息，其中一“页”是存储在一起的位或象素数 据的集合，例如，存储在一起成为2048×2048阵列或10×10阵列。Daiber 等人的名称为“Volume Track Definition for Data Storage Media Used to Record Data by Selective Alteration of a Format Hologram”的美国专利 No.6,322,933中说明了示例性的先前的卷(volume)记录技术的几个实 例，其作为整体在此引入作为参考。此外，其它的说明记录技术和HROM 的逐位检索的参考文献包括Sony公司的Ernest Chuang等人在2002年7 月8日美国夏威夷的Optical Data Storage Conference上发表的 “Holographic ROM System for High Speed Replication”。
用于全息图的记录的这些方法的一个缺陷是在逐个位置或者逐个位的 基础上递增地记录信息需要很多时间。因此已经提出了改进的记录方法， 在该方法中信息的整个全息图象或“层”被同时在整个存储介质上进行记 录。典型的方法包括穿过透射的光学介质发出平面波束，该透射的光学介 质例如透射的平版印刷数据掩膜，该平面波束以信息编码以生成平面波目 标/信号束。该已编码平面波目标束照射存储介质的一个表面。例如圆锥形 平面波参照束可以照射该全息存储介质的相反表面。在全息存储介质内目 标束和参照束干涉以在存储介质内生成信息层。
利用用于记录数据的同样的参照束或者通过利用共轭的读出束(即， 与相反方向传播的原始的参照束相同)以重建回扫原始记录路径的反向传 播信号束，可以随后实现对存储在介质上的数据的读出。该已存储信息以 逐位方式，例如一次一位或以如上述引用的Sony公司的方法所述的串行 方式一次几位读出。系统的拾取透镜可以将利用读出束生成的数据的实图 象聚焦到适当的检测器作为全息介质和/或驱动转换和/或相对于彼此的旋 转。
上述记录方法的一个缺陷是信息读出是典型的一次一位或以串行方式 一次几位。因此，对于记录全息存储介质需要更容易地实现相对较高的并 行读出速率。具体而言，需要一次至少并行读出一页信息，例如并行读出 许多位。此外，逐位的读出体系结构通常限制了旋转盘以获得合理的传送 速率的实现。需要逐页读出可考虑到新的更加紧密、轻便的格式，例如即 将实现的存储卡。先前提出的记录方法的另一个缺陷包括对准和在全息存 储介质，例如HROM介质中对准和记录多个数据掩膜所需的时间。

在本发明的一个方面，提供用于记录全息存储介质的方法。在本发明 该方面的一个实例中，一种方法包括用光束照射数据掩膜和在全息存储介 质中记录产生的已调制束，其中该数据掩膜包括信息层，该信息层被分成 多个数据页，将参照束传播到全息存储介质来以并行方式在全息存储介质 上记录信息层的多个数据页。
在本发明的另一方面，提供用于记录全息介质和/或全息主数据掩膜的 方法。本发明该方面的一个实例中，一种方法包括在全息主数据掩膜中存 储至少一个信息层，照射该全息主数据掩膜来重建该已存储的信息层且用 目标束在全息存储介质中存储此信息层，将参照束传播到全息存储介质以 在该全息存储介质中记录信息层。
在本发明的另一方面，提供用于在全息介质中存储信息的数据掩膜。 在一个实例中，该数据掩膜包括适于转入全息介质的信息层，其中该信息 层被分为多个数据页。
在本发明的另一方面，提供用于读取全息介质的各种方法。在一个实 例中，一种用于读取全息存储介质的方法包括提供参照束和利用放置在距 离全息存储介质一定距离的检测器来检测全息存储介质中的已存储的信 息，其中该全息存储介质包括至少一个被分为存储于其中的多个数据页的 信息层并且适于在检测器处检测。
在本发明的另一方面，提供用于共焦地将信息记录到全息存储介质中 的方法。在一个实例中，该方法包括在两个或多个距离全息存储介质中心 的不同距离处共焦地复用多个数据掩膜在全息存储介质中，其中至少一个 数据掩膜包括被分为多个数据页的信息层。
结合附图和权利要求书考虑下面的详细说明，将会更好地理解本发明。

图1示出了示例性的全息记录和读取系统；
图2A示出了包括多个数据页的示例性的数据掩膜；
图2B示出了每层有多个数据页的示例性的信息层的堆栈；
图3示出了用于生成全息主数据掩膜或全息介质的示例性的全息数据 记录系统；
图4示出了用于利用检测器直接检测全息数据的示例性系统；
图5A和5B示出了用于记录主全息数据掩膜的示例性系统；
图6示出了将主全息数据掩膜成象到全息存储介质的示例性系统；
图7示出了读取包含全息光学元件的全息存储介质的示例性系统；
图8示出了用于从全息存储介质中读取图象的示例性系统和方法；
图9A和9B示出了用于记录和读取全息存储介质的示例性系统和方 法。

提供了用于基于页的全息存储介质，例如全息只读介质或HROM介 质记录和读取的方法和系统。下面给出的说明可以使本领域普通技术人员 制造和使用本发明。具体的技术和应用的说明仅作为举例。对本领域普通 技术人员来说很容易对在此描述的实例作出不同的修改，并且在不脱离本 发明的实质和范围的情况下可将在此限定的一般原理用到其它的实例和应 用中。因此，本发明并不旨在局限于说明的和示出的这些实例，而是要遵 循与在此公开的原理和特征一致的最宽范围。
在本发明的一个方面，数据掩膜用于记录虚拟层或有多个数据页的全 息图象，该多个数据页集中在全息存储介质上的不同位置以便可以以逐页 的方式进行读出。在一个实例中，并行记录在每一层中的多个数据页为以 增加的存储容量快速复制HROM介质提供了方便，并且HROM介质的逐 页读出为有比逐位读出更快的读出速率提供了方便。增加的存储容量一部 分原因是由于通过在存储介质上并行地记录多个数据页增加了衍射效率。 数据传送速率的增加的部分原因是由于并行检测全部数据页，而没有象在 串行存储设备例如CD、磁盘等中那样让介质运动。该实例特别适于制造 高性能卡存储设备；然而，本领域普通技术人员也应该理解，该实例也适 用于不同的存储设备介质和配置，例如盘和磁带介质。
在本发明的另一方面，在全息介质中存储一个或多个数据掩膜来生成 用于记录全息存储介质的全息主数据掩膜。在一个实例中，可以制造全息 主数据掩膜并将其用于在全息存储介质，例如HROM介质中存储一个或 多个数据层。该全息主数据掩膜不需要移动和对准不同的数据掩膜就可以 被复用来以在记录的不同层之间的改善的对准和速度检索不同的数据掩 膜。此外，利用Vanderlugt装置或其它的转换光学系统可以将该全息主数 据掩膜放置在已存储的数据掩膜的准傅立叶变换平面上或附近。在光学系 统的傅立叶平面或图象平面上或附近可以记录全息主数据掩膜。在记录全 息主数据掩膜期间这些系统内的傅立叶变换位置可以滤出高次变换分量， 在记录HROM等时减少了已存储数据页之间的干扰，因此改善了读出性 能。
在本发明的另一方面，全息存储介质的每个存储层被存储在距离主介 质中心等距离d的位置上，其中d位于全息存储介质的外部。检测器可以 有利地放置在已存储信息，例如一个或多个数据页的图象平面上，以使该 信息可以直接读出，不需要使用额外的光学器件，例如透镜等。此特征可 以为更加紧凑和简单读取的驱动系统提供了方便。
在本发明的另一方面，其中一个或多个数据掩膜被存储在全息介质或 全息主数据掩膜中，利用复用技术，例如波长或角度复用，数据页能被复 用在堆栈中。此外，利用多元复用该数据页可被立体地重叠存储。例如， 2003年3月10日提交的、名称为“A METHOD FOR OVERLAPPING HOLOGRAMS USING LOCATION BASED FILTERING TO SEPARATE OUT THE SIGNAL”的美国专利申请60/453,529中说明了 多元复用，其作为整体在此引入作为参考。
以下的说明包括本发明的不同的实例和方面。本领域普通技术人员应 认识到根据具体应用各种实例可以单独使用或与各种方法和系统组合使 用。
可用卷(volume)全息照相来复用相同的全息存储介质中的多个层。 例如，第一透射掩膜介质或数据掩膜可以以第一信息层编码，第二透射掩 膜介质可以以第二信息层编码。例如，来自第一和第二透射掩膜介质的信 息可通过角度或波长复用技术被复用到全息存储介质上。用此方式多个透 射掩膜介质，可每个以不同信息编码，用于生成多个信息层。即，可生成 全息图的堆栈，其中在给定堆栈中的不同层上存储的信息是由不同或连续 的透射掩膜介质生成的。在堆栈中术语“层”的使用是一个逻辑解释或术 语，因为存储介质全息图记录的物理现实是堆栈中的所有全息图存在于或 几乎存在于同一件存储介质中，而不是存在于介质中的在物理上分开的层 中。
在一个典型的记录方法中，包含在单一全息图图象或信息层内的多个 数据页被并行记录在全息存储介质的至少一部分中。此外，多个层可以被 记录到全息存储介质以创建数据页的堆栈。
图2A示出了典型的包含多个数据页210的数据掩膜200。每个数据页 210可以包括几百象素或更多象素的阵列。例如每个数据页210可以包括 2048×2048象素的阵列，但每个数据页210也可能有不同的尺寸和形状。 在数据掩膜200和存储介质内每个数据页可以被以几微米或更大的间距分 隔。或者，例如，如果使用多元复用，数据页可在存储介质内重叠，详细 内容将在下面说明。
图2B示出了全息图图象或含有多个信息数据页212的虚拟信息层202 的典型的示意图，该虚拟信息层202可以通过数据掩膜200存储在全息存 储介质中。同时每个层202可以存储到全息介质的一部分或全部上，以使 在同一层上的多个数据页212并行地被记录。此外，多个层202可以以数 据页212对准来形成数据页212的堆栈214，其中一个堆栈214被总体上 以箭头表示出。在读出期间，检测器可以与存储介质中的一个或多个数据 页212的堆栈214对准且每个数据页212可以被检测到或以逐页的方式连 续读出。例如，利用角度、波长或其它适当的方法可以将每个层202和堆 栈214的数据页212复用到介质内并相应地读出。当整个堆栈214被读出， 检测器和/或介质可以被移动和/或旋转以将检测器与另一堆栈214对准并 继续逐页读出。在下面说明的另一个实例中，该实例被称作多元复用，数 据页210当存储时可以空间重叠。
在整个全息存储介质中存储包括多个数据页212的信息层202可以更 有效地利用全息介质的动态范围，因此增加了该介质的存储容量。通常， 存储容量和衍射效率随全息图的数量下降，在此例中信息层202被存储在 该件存储介质的相似的位置。例如，衍射效率正比于1/m2，其中m是其中 存储的全息图的数量。但当多个数据页被并行地记录在介质中作为单个图 象的一部分时，对于多个数据页212的每个层202衍射效率仅下降一次， 即，m＝1，而不是对于每个记录在全息存储介质中的数据页212都下降。 典型的是，由于改进了介质曝光的一致性和较好地利用该件存储介质，所 以在层202内并行地记录所有的数据页212会导致较高的存储密度或为较 高的存储密度提供了方便。相比较而言，如果每个数据页212以串行的方 式被各自记录，该过程将比同时，即并行地记录每个数据页212时使用更 大的动态范围的介质。动态范围的差异至少部分原因是由于信号束的重叠 和参照束通过介质传播时曝光了较多的介质。这导致在串行记录期间比并 行记录记录相同信息的更有效曝光和使用较大动态范围的介质。此外，数 据页212的局部串行记录可以生成局部的体积指数改变，其与并行记录整 个的层202相比其可降低系统的信噪比(SNR)。
此外，用该典型的方法可以实现较快可读出次数。在使用每层202中 有多个数据页212的全息存储介质的读出期间，系统可以利用数据页212 或数据页212的堆栈214来对准检测器并以逐页方式读出数据页212，例 如，其中存储在每个数据页212内的信息阵列被并行读出。在一个实例中， 检测器与堆栈214对准且数据页212的整个堆栈214逐页地被读出(通过 复用等等)。该检测器可然后移动到该存储介质的另一堆栈214来读出数据 页212。与以串行或逐位方式进行读出的系统和方法相比，以逐页方式读 出可以大大提高读出速率。
此外，并行地检测整个数据页212为逐页纠错方法提供了方便。例如， 检测数据页212的图象为恢复检测到的信号并用较高的精度将其解码成存 储信息的各种纠错和信道调制技术提供了方便。例如，名称为 “MICRO-POSITIONING MOVEMENT OF HOLOGRAPHIC DATA STORAGE SYSTEM COMPONENTS”的美国专利申请10/305,769中说 明了几种纠错方法和技术，其作为整体在此引入作为参考。
图3示出了用于将包含多个数据页的数据掩膜200记录到有利地并行 记录了多个数据页的全息存储介质220的典型系统的一部分。本领域普通 技术人员应当认识到，在此显示和说明的该典型系统可以包括各种附加的 或不同的光学元件，例如透镜、棱镜、孔镜、滤光器、分束器、光栅等。 然而，为清楚起见这些附加的特征已从本说明中删除。
在此例中，数据掩膜200被光源236发出的目标束242照射且与光源 236发出的参照束240相互作用。光源236可以包括任何适合的光源，例 如激光器或其它的相干光源。此外，目标束242和参照束240可以由相同 或不同的光源提供。该典型的记录方法以反射的几何结构全息照相过程配 置被示出(目标和参照束从相对两侧进入介质)，其中在全息存储介质220 内平面波参照束与数据编码的目标束干涉。本领域普通技术人员应当认识 到，该示出的系统可以以不同的方式配置，并可包括在此没有明确说明的 各种其它的特征。例如，应该很容易地认识到，传输几何结构全息照相过 程还可用于存储数据掩膜200的信息，其中同数据掩膜200一样，从介质 220的同侧提供平面参照波束。此外，在目标束路径中的光学系统可以包 括如图所示的单个透镜230、没有透镜或多个透镜。
在此例中，数据掩膜200被来自光源236的目标波束242照射，该目 标波束在传输系统内传播到图象平面222，该图象平面222距离全息存储 介质220中心的距离为“d”。该距离“d”可以是正的、零或负的，即在 存储介质220如虚线所示的另一侧。图象平面222也可以位于存储介质220 内。全息地实现多个层(图象平面)的一个可能的优点是这些层不需要物 理地存在于存储介质上。例如对于当前的多层CD、近场或高纳米系统， 这些层在介质的上面或内部。通过映像或放置数据的数据掩膜200，这些 层可在检测器或驱动器来看位于存储介质220的外部、存储介质220的内 部或存储介质220上，这取决于记录期间图象平面222位于数据掩膜200 的位置。因此常见的光通过的基基片数量的变化所引起的球面象差的补偿 问题可能并不是必要的，且在一些实例中可不用拾取透镜来检测。此外， 通过将数据的图象平面222放置在存储介质220的外部，各种介质缺陷或 污染问题例如灰尘、划痕等可以被减轻。
此外，当成象时，透镜系统230能改变掩膜的放大倍数，其可为正的 (放大)或负的(缩小)。在一个实例中，透镜230将图象缩小十倍。透镜 系统230可以包括一个或多个光学元件，这些光学元件包括透镜、透镜阵 列、棱镜、分束器等。此外，通过将数据掩膜200靠近介质放置，例如放 置在离介质220距离为d处并在此位置记录，没有透镜也可记录数据掩膜。
数据掩膜200可以以任何适当的方式传播到全息存储介质。在有多个 数据掩膜200的情况下，利用一个过程可以将连续的数据掩膜200和201 存储在全息存储介质中，在该过程中，每个数据掩膜200、201等被有效地 复用以进行读出。在一个用于并行记录数据掩膜200的多个页的实例中， 利用透镜阵列将数据掩膜200傅立叶变换到介质220上，该透镜阵列包括 用于每个数据页210的透镜元件。用于并行记录数据掩膜200的多个数据 页的方法还可以包括VanderLugt成象系统。例如，VanderLugt成象系 统通常包括或其特征为具有在数据掩膜200的前面的透镜230以使数据掩 膜200被会聚的光束照射。下面将说明的图5A包括典型的VanderLugt 成象配置。该VanderLugt系统是优选的，因为其使存储介质220能位于 傅立叶变换平面中或靠近傅立叶变换平面，且当图象平面例如与相位共轭 读出一起使用时不需要透镜就可生成图象平面。存储介质220也可以靠近 傅立叶变换平面放置以使在记录期间孔镜能滤出高次变换分量。此外，傅 立叶变换平面可以包含在介质内或靠近介质，这取决于具体应用。如果傅 立叶变换平面在媒介内，则在转播系统的另一个傅立叶平面内可以实现该 傅立叶平面滤光。此外，可以包括降低相对于其它各次的强度的直流点能 量的相位掩膜或其它元件以为较好地记录信息提供方便。
在一个典型的波长复用方法中，光束240、242的波长可以被改变，且 具有含有不同信息的数据页的新数据掩膜201可以被存储。此外，可以使 用有一个或多个层的全息主数据掩膜(下面将说明)。在一个实例中，可以 包括可调的激光器件，例如，其中可通过调节二极管的温度改变波长，如 名称为“System and Method for Bitwise Readout Holographic ROM”的美 国专利申请10/346,399中所述，其作为整体在此引入作为参考。此外，可 以使用一系列离散的有不同波长的激光源。用于在系统中实现不同的波长 的其它的方法包括为电信应用而开发的技术。例如，这些方法包括电子吸 收调制和使用在激光腔上的微电子机械系统(MEM)结构来改变波长。感 兴趣的中央波长可以是350-950纳米之间的任何值，实际的感兴趣的调节 范围可以小到1纳米。优选的可保持的状态范围是在大约5纳米和15纳米 之间。读出激光可以包括连续波或脉冲束。脉冲束通常在利用能量方面更 有效。通过改变参照束的入射角度也可实现角度复用。此外，相位码、多 元、移位、相关或其它已知的复用方法也可单独或组合使用。
在另一个实例中，通过改变在记录的连续数据掩膜200和201之间图 象平面222距离d可以实现共焦复用。通过在垂直于数据掩膜200的方向 上沿着透镜230的光轴平移透镜230以改变连续层之间的位置d的重调位 置器件控制器232，可以改变距离d。该重调位置器件可以包括任何适合的 能平移透镜230(或多个透镜)并被适合的微处理器控制的器件。通过移 动连续层之间的掩膜也可实现这一点。在读出时，由重调位置器件也可类 似地改变检测器来成象和检测存储的图象。例如，改变波长复用的波长或 改变共焦复用的检测器的位置。此外，对于共焦复用通常需要有滤光器， 例如图象平面上的针孔阵列，即，在检测器阵列上或中间的图象平面上， 用以从其它共焦存储的全息图中滤出噪声。本领域中公知的这些和其它的 复用技术可以单独实现或进行任意组合以实现存储介质220中的高密度存 储和容量。
假设该光学系统是靠近远心的，共焦复用的一个优点包括数据掩膜200 可以移动一定的距离，例如100微米或更多，而没有严重的图象质量损失 也没有放大倍数的改变。通过利用类似于共焦显微镜的针孔滤光器按每象 素滤出其它数据页，堆栈中的多个页可以被记录在不同的深度。这也可极 大地增加全息介质220中可存储的密度。共焦复用也可与基于Bragg的， 例如基于角度、波长、移位和/或动量的复用技术，例如分形(fractal)、 孔径、周边转动(peristrophic)相组合以增加存储密度。
数据掩膜200可以包括相位掩膜、幅度掩膜或相位和幅度掩膜的任意 组合，其中相位和/或幅度表示数据。例如，二进制信息可存储为(1，0) 或(1，-1，0)，且在任何适当的检测器上被检测为1，0，该检测器例如CCD 图象传感器、CMOS图象传感器或其它适当的传感器，例如区域阵列传感 器。数据掩膜200可以包括与在传统DVD盘上发现的信息相似的信息， 其包括对应于1和0的亮点和暗点，数据轨迹和数据中的伺服图形。
数据掩膜200可以通过本领域已知的任何适当的平版印刷的方法来制 造。或者，SLM或全息存储介质也可以用于对目标束编码。在一个实例中， 包括具有多个页的层的一个或多个数据掩膜200可以作为全息主数据掩膜 全息地存储在全息介质中，并用于将数据存储入全息存储介质，例如， HROM中。下面将更详细地说明，该全息地存储的层可以被成象到 HROM，并在多个页的情况下被复用到HROM来存储具有多个页的每个 全息图。
在一个实例中，全息存储介质220可以包括卡介质，例如高性能卡存 储设备等。或者，存储介质220可以包括与传统的CD或DVD介质相同 或不同的盘介质、磁带或任何其它可制造光介质的方便的格式。通常全息 存储介质220包括在保护的基片上或之间的光聚合物。该保护基片可以有 利地从玻璃、蓝宝石、聚碳酸酯、聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)或聚甲基丙 烯酸甲酯(PMMA)、塑料、石英或其它对于所用的光的波长通常是可透 射的、且在全息存储系统内有足够的力学特性的适当材料中选取。或者， 该存储介质可以至少部分地封闭在带盒或其它保护结构内。
该光聚合物层可以包括能记录需要的干涉图形的光聚合物材料。一典 型的全息介质包括由同相技术制造的TapestryTM介质，但也可以使用其它 能记录全息图的存储介质。其它的光聚合物和存储介质的实例包括了美国 专利No.6,482,551中所述的内容，其作为整体在此引入作为参考。还要求 介质的光学质量非常高，例如，小于4能量波长/cm2，以获得良好的图象 重构和良好的Bragg选择性。美国专利5,932,045中说明了一种用于制造 典型介质的典型方法，其作为整体在此引入作为参考。
图4说明了一用于读取全息存储介质的典型系统，该全息存储介质例 如用图3所示的系统记录的存储介质220。可以用许多不同方式实现读出 存储在存储介质220中的数据。例如可以用相位共轭参照束，其具有一单 页或全息图的堆栈尺寸的参照波(对于平面波参照束，其可以包括相反方 向的平面波)。可以引入参照束260并由分束器270将其偏转至介质。分束 器270可以包括标准的分束器，偏振分束器或全息光学元件，以使参照束 260改射向存储介质220。在分束器270和存储介质220之间使用孔镜或角 度滤光器(恰好通过零阶或零阶的一部分)可用以获得适当尺寸的光束并 滤出其它数据页。这样的滤光器或孔镜也可以是该介质结构自身的一部分。
在一个实例中，其中图象被存储到存储介质220外面距离为d的位置， 在图象平面处可放置适当的检测器250并且不需要光学透镜或其它光学元 件就可检测到数据页。重调位置器件控制器252可以用来通过适当的重调 位置器件改变检测器250和存储介质220之间的距离，以通过平移检测器 250来读出堆栈内不同距离d处存储的不同数据页。可选地或另外地，重 调位置器件控制器也可通过适当的重调位置器件来平移存储介质220的位 置。
此外，检测器250和存储介质220能相对于彼此平行移动以使检测器 250与存储介质220的其它数据页和堆栈对准。例如，通过移动检测器250 并使参照束照射到所需要的堆栈可以访问全息图的其它堆栈。相反地，可 移动该介质到堆栈位置或将检测头和介质的运动结合起来，如在光盘(CD) 或数字多功能/视频光盘(DVD)系统中那样。
该典型系统，例如没有拾取透镜等的读取驱动器的成本和/或紧凑度在 这种方式下可得到极大的改善。应当理解该所述的典型系统可以包括不同 的其它器件和元件，这些器件和元件包括例如透镜等的光学器件。例如， 本领域中公知，各种透镜、孔镜、滤光器、光栅等可用于将数据页成象到 检测器。
在一个实例中，检测器250包括与存储在存储介质220中的单个数据 页相同的象素数目。检测器250可以包括适当的象素尺寸，该象素大小部 分地取决于用于存储数据页的数据掩膜的象素尺寸，如果有光学系统的放 大倍数的话，和光学系统的放大倍数。在另一些实例中，检测器250可以 包括多于存储的图象象素的较小尺寸的象素，使检测器250能过采样该存 储的图象。检测器250可以包括任何适当的检测器，例如对光学信息敏感 的CMOS图象传感器、CCD图象传感器等。此外，耦合到检测器250的 解码单元可以确定该恢复数据的相应值。
在不同的实例中，检测器也可以包括行检测器CCD或CMOS行传感 器。可用行检测器扫描(物理地扫过图象)以读出整个数据页，整个数据 页可以是存储介质或存储介质的任意一部分的尺寸。该数据页可以被复用 和以逐页方式被读出并利用行相机检测到。该数据页也可以用CMOS或 CCD相机或其它的包含了用于检测重构的数据页的象素阵列的相机以类 似方式检测到。
堆栈中的全息图，即在存储介质220的相同位置处复用的数据页，全 都可以通过以存储其所用的方式改变参照束来读出。例如，改变波长复用 的波长或改变共焦复用的检测器位置。此外，对于共焦复用需要有滤光器， 例如在图象平面上即在检测器阵列上或在中间的图象平面上的针孔阵列， 用以滤出来自其它共焦存储的全息图的噪声。在一个实例中，当在读出期 间用透镜或其它的光学元件时，该滤光器也可在检测器前面的中间的图象 平面的位置上。
在另一个用于读出全息存储介质的实例中，该介质例如HROM介质， 不需要利用相位共轭读出就可以读出不同的数据页。在驱动器中有或者没 有透镜都可实现这一点。例如，再次参照图3，如果全息图或层被存储在 距离为-d的位置上(在如虚线所示的存储介质220的对侧的图象)，可以 用图3所示的同样的参照束来读出该数据层。全息图将显现为在距介质-d 处(介质的另一侧)的图象。因此检测器可被放置在位置-d处。本领域 普通技术人员应当理解，也可用包括拾取透镜的不同的光学元件进行需要 的成象或变换。
在此的各种实例可以包括复用多个页以在全息存储介质或全息主数据 掩膜中获得高的存储密度。例如，波长、角度、共焦(存储在距介质中心 不同的距离处)、周边转动、多元等。此外，复用技术中的一种或多种可以 组合以增加存储密度，例如(波长，共焦)、(角度，共焦)、(波长，多元) 或三种全包括。此外，出于安全目的等可以将数据页和层与可见图象组合。
可结合本发明的不同方面使用的其它典型的全息数据存储系统包括名 称为“Method and Apparatus for Holographic Data Storage Syetem”的美 国专利5,920,536、名称为“Phase Correlation Multiplex Holography”的 美国专利5,719,691和名称为“Process for Holography Using Reference Beam Having Correlated Phase Content”的美国专利6,191,875中描述的 内容，所有这些内容作为整体在此引入作为参考。
在本发明的另一方面，在全息主数据掩膜中记录一个或多个数据掩膜。 然后该全息主数据掩膜可以用于在全息存储介质，例如HROM存储介质 等中记录多个全息层。例如，该全息主数据掩膜可用于在整个全息存储介 质中全息地记录整个的信息层。每个层可被分为将要并行记录的信息的多 个数据页。利用波长、角度、周边转动、共焦、多元、相位码或其它的复 用技术可将多个层复用到介质上。在生成全息主数据掩膜的过程中，数据 页和数据页的堆栈可被仔细对准，并记录在全息主数据掩膜中，且该对准 可以通过利用全息主数据掩膜复制全息存储介质来维护。例如，不是对准 连续的数据掩膜，而是可以对准将要记录的不同的数据掩膜，然后通过波 长或角度复用将其记录到全息主数据掩膜中。当需要成象或存储时，正确 的数据掩膜可以以适当的波长或角度来恢复。这使得在复制过程期间数据 掩膜的相互转换变得非常快速且简单，为快速的周期提供了方便。在读出 介质时，可以增加由全息主数据掩膜生成的页和页堆栈的对准，以使用于 在堆栈的不同页之间的驱动器机械对准和伺服的时间最小，而改善了读出。 此外，层的严格对准或层内的数据页堆栈之间的严格对准可以用于检测假 冒的、未授权的或盗版的存储介质。例如，通过以预定的方式故意地改变 在页堆栈之间或层之间的对准或保持特定的在页堆栈之间或层之间的对 准，就在介质自身中生成了有效存储介质的标记。
图5A示出了用于将数据掩膜记录到主全息数据掩膜中的典型系统。 在此例中，全息主数据掩膜520放置在靠近要存储于其中的数据掩膜500 的准傅立叶变换平面处。此外，该典型系统可以包括VanderLugt成象装 置以实现准傅立叶变换设置。该典型的系统中也可包括多元滤光器。
平面波照射数据掩膜500，该数据掩膜500可以包括SLM、平版印刷 数据掩膜或其它适当的数据掩膜，并存储全息主数据掩膜520的一部分。 在此例中，平面波通过透镜530，例如汇聚透镜。平面波参照束也入射到 全息主数据掩膜520且可以被改变例如波长或角度，以将多个数据掩膜记 录在全息主数据掩膜520中。该系统可以包括传播或反射几何结构。也可 引入孔镜、角度滤光器或相位掩膜到图5A的系统中。
如图5B所示，可以移动全息主数据掩膜520和/或成象系统以在整个 介质中空间复用或多元复用多个数据页510。例如，该系统可通过一种或 多种复用技术在第一空间位置对准一个或多个掩膜500以将数据页510的 堆栈记录在全息主数据掩膜520中。然后该系统可被重调位置来记录数据 页510的另一堆栈等等，以完成全息主数据掩膜520。利用用于记录的同 一平面波参照束可将存储的数据页510成象到全息介质中。
将全息主数据掩膜520放置在数据掩膜500的准傅立叶变换平面附近， 在记录期间以及例如当从全息主数据掩膜520中读出数据页510并将该数 据页510记录在HROM存储介质中时，可以降低同一堆栈内的页之间的 干扰。当读出利用该全息主数据掩膜520记录的HROM介质的期间，这 又可降低同一好比是书的堆栈的页之间的干扰。更详细言之，当从全息主 数据掩膜520中读出期间，在全息主数据掩膜520的傅立叶变换平面中靠 近HROM介质等的表面处可以有利地放置傅立叶滤光器以滤出高阶变换 分量。例如，4-F系统可用于成象到VanderLugt成象系统中，在4-F系统 的傅立叶变换平面中具有傅立叶滤光器。4-F系统通常包括两个透镜，它 们之间的距离是它们的焦距之和，其二维的输入和输出平面位于这对透镜 前一个焦距处和这对透镜后一个焦距处。利用4-F系统，傅立叶平面也 可设置在介质内。
在傅立叶变换平面中或附近记录HROM介质的另一个优点是由于傅 立叶变换平面是位移恒定的，所以增加了HROM介质和检测器的位置公 差。例如该傅立叶变换平面在x、y、z的任一轴上都可能脱离位置，例如 +/-100微米，且仍能恢复对准相机的图象，该图象有小得多的象素，例 如～10微米。如上述实例所述，傅立叶变换平面的位移恒定可以使读出的 公差好得多。此外，由于傅立叶变换平面中的信息是均匀分布的，所以当 在图象平面上时，介质的缺陷，例如划痕和灰尘不会严重到影响数据的恢 复。
在一个该系统包括在目标束中的相位掩膜且利用相位共轭读出的实例 中，其中该相位掩膜可提供一定程度的盗版保护。对于存储的信息的高质 量重构来讲，该相位掩膜最好是与当在该系统中的相同或几乎相同的位置 上记录和除去时所用的相同或几乎相同的相位掩膜。知道了该相位掩膜和 相位掩膜的位置为保护存储的信息提供了方便。此外，通过用相位一个掩 膜(可用专用驱动器读出)为用户X记录信息和用另一相位掩膜(可用一 个不同的驱动器读出)为用户Y记录信息，这样的保护可以变得与用户具 体相关。没有用户Y的驱动器(或知道用于记录的特定相位掩膜和位置)， 用户X不能读用户Y的介质。
在另一方面，用于记录全息主数据掩膜的典型方法包括利用共焦复用， 其中每个数据掩膜被成象到距离主存储介质中心不同距离d的位置。例如， 通过在记录不同层之间改变如图5A所示的数据掩膜500或数据掩膜500 的图象相对于全息主数据掩膜520的距离来实现。用类似于利用共焦显微 镜执行的方法的滤光器可以共焦地检测出读出。在美国专利5,202,875、 6,111,828和6,272,095中说明了共焦检测的典型描述，所有这些作为整体 在此引入作为参考。共焦复用技术可以有利地与上述的存储介质全息复用 技术组合。全息地实现多个层(图象平面)的一个可能优点是这些层不必 物理地存在于存储介质上。例如，对于当前的多层CD、近场或高纳米系 统，这些层都在介质上或内部。通过成象或放置数据的数据掩膜，这些层 可以在检测器或驱动器看来位于存储介质的外部、该介质的内部或该介质 上，这取决于记录期间数据掩膜图象平面所处的位置。因此，由于改变了 光通过的基片的数量所引起的常见的球形相差补偿问题可能就变得不必要 了，且在一些实例中不用拾取透镜就可以检测到。
例如，可以使用如图3所示并如上所述的可调透镜系统来记录到图5A 所示的全息主数据掩膜520。此外，该全息主数据掩膜520可由适当的拾 取透镜读出，该适当的拾取透镜可平移以使在不同距离d处存储的不同数 据页或层成象。或者，该图象和检测器平面可移动以在不同距离处记录。 然后该全息主数据掩膜520可用于利用共焦复用在HROM介质上全息地 记录多个层。类似地，全息存储介质，例如HROM介质，可被利用距离 介质不同距离处的可调透镜系统记录和读出。
图6示出了用于以全息主数据掩膜520记录以在全息存储介质620， 例如HROM存储介质中存储数据的典型系统。该全息主数据掩膜520可 被直接成象到全息材料中(其中图象距离d是小的绝对值)，其中利用复用 可将多个掩膜记录在介质中。如图6所示，全息主数据掩膜520可用平面 波束照射，并按照数据掩膜是怎样存储于其中的来进行复用，例如波长复 用，以将不同数据掩膜成象到全息存储介质620上。这样，该全息主数据 掩膜520就是记录在复制的全息存储介质620中的数据源。通过透镜630， 可以将被全息主数据掩膜520的数据掩膜编码的平面波成象、转播或传播 到全息存储介质620中。透镜630可以包括高性能的光平版印刷透镜。或 者，该全息主数据掩膜520也可以放置在靠近存储介质620处，且不用透 镜就可被记录(自然光束传播)。全息存储介质620还可用平面波参照束照 射以与已编码束干涉并且存储来自全息主数据掩膜520的数据。应当认识 到各种其它系统和配置也是可能的，并被考虑以利用全息主数据掩膜520 来记录。
在记录全息主数据掩膜520的过程中傅立叶变换平面的一个优点包括 可用大的象素且小的全息图可记录在全息主数据掩膜520中，然后复制到 复制的全息介质620中。此外，VanderLugt成象系统的一个优点是其可在 存储介质620的外部形成图象，其具有准傅立叶平面(小的)内的信息层， 该信息层可以以相位共轭参照束或标准的参照束读出。本VanderLugt系 统仅是举例而已，任何产生傅立叶变换平面或准傅立叶变换平面的系统都 将包括类似的优点。VanderLugt系统是令人满意的，部分原因是如果用相 位共轭束来读出，在驱动器中不需要透镜。
图7示出了全息存储介质620的相位共轭读出，该全息存储介质620 是以图6的典型系统生成的，该图6的典型系统例如含有VanderLugt成 象系统。检测器250可放置在全息存储介质620的对面。在此例中，全息 光学元件(HOE)光栅780毗邻检测器250放置。参照束从侧面照射HOE 光栅780并从HOE光栅780引向存储介质620，由此提供了相位共轭束 790。相位共轭图象792从存储介质620反射回检测器250用于读出。使用 HOE光栅780或其它类似光栅以将读出参照束引入光学路径为在相对紧凑 的系统中读出提供了方便。
本领域普通技术人员应该认识到，在其它的实例中，不同角度的标准 分束器、偏振分束器、波片、光栅等也可用于将参照束引入系统。
用于记录不使用透镜即可读出的全息存储介质的另一个典型方法包括 如上面参照图3所述在位于存储介质外部距离全息存储介质一定距离的位 置处存储多个图象平面或层。检测器可以有利地放置在存储图象的位置并 检测存储图象的一部分或全部，例如整个数据页或在并行方式下更多的数 据页。在一个实例中，全息存储介质的每个存储层被成象到图3所示的距 数据掩膜有相同距离“d”的位置。在全息存储介质包括全息主数据掩膜的 一个实例中，利用全息主数据掩膜记录的全息存储介质，例如HROM的 每个层可被记录，以使全息主数据掩膜被成象到距HROM相同距离d的 位置。
该典型方法在从存储介质中读出全息图象期间不需要透镜。具体而言， 可在距全息存储介质距离为d处放置检测器，图象可直接读出到检测器而 不需要透镜。另外一个优点包括可以并行地将整个数据页读出到检测器。 通过脱离介质在图象平面之上或之前进行成象，然后该标准的全息重构可 自然地被成象而不需要透镜。例如，如果该系统的图象平面在介质的前面 且它们之间没有放置透镜，则用相位共轭波无需透镜就可在该图象平面处 生成图象用于读出。如果驱动器在该图象平面处有检测器，则可检测到该 堆栈内的图象并可读出页的该堆栈内的信息。通过相对于介质将相机移动 至在复制期间被记录到介质上的其它堆栈，可处理其它堆栈。在其它的实 例中，使用相位共轭波可用于以透镜或光学成象元件读出。
全息存储介质，例如HROM介质或全息主数据掩膜的另一个典型的 记录方法包括多元复用。上面引用的美国专利申请60/453,529中说明的多 元复用，在此引入作为参考，其是通过使单个数据页堆栈在空间上变小而 增加层密度的典型方法。多元复用可结合波长、角度、分形或其它的全息 复用技术来使用。多元复用方法允许全息图在空间上复用到全息材料上， 在相邻的全息图和/或全息图堆栈之间有部分空间上的重叠。每个单个的数 据页堆栈可以另外地利用可选择的复用方案，例如角度、波长、相位码、 周边转动或分形复用。通常全息图被以等于写全息图的数据束的光束的光 腰的量分开。然而，与更传统的方法不同，该光束的光腰被有意地放置在 全息介质的外部以使在介质内部的堆栈之间有严重的光束重叠。重构后， 会同时读出该数据页及其相邻数据页，然而，放置在重构数据的光束的光 腰处的孔镜(滤光器)滤出被读出的相邻的数据页以使只检测到所需要的 数据。在另一个傅立叶平面处放置有孔镜的介质内部的光束的光腰来实现， 或通过利用滤出相邻数据页重构的角度滤光器来实现。
全息图可通过标准复用技术的组合，也可通过多元复用来进行复用。 尤其对于厚介质和点尺寸相对较小的高数值孔镜光学系统可实现存储密度 的显著增加。由于大量的光束发散，所以现有技术在空间上分隔全息图堆 栈的能力有限。高数值孔镜光学器件，尽管光束的光腰小，但扩张很快。 当介质中的光束扩张并不再局限于点的尺寸后，现有技术中的堆栈的空间 分隔通常受介质中的光束尺寸的限制。到目前为止，在介质厚度(及进而 的动态范围)和透镜的数值孔径之间通常会有折衷。所以，对于使用现有 技术所给定的方法的任何全息存储系统，可获得可实现容量的饱和。在此 所述的多元方法允许系统充分利用高数值孔镜的透镜，并独立地选择介质 的厚度，因此同时增加位密度和介质的动态范围。
图8示出了典型的读出系统，该典型的读出系统使用相位共轭参照束， 该相位共轭参照束可滤出或阻挡不需要的重构。如图8所示，当参照束806 入射到全息存储介质800上时，位于光束的光腰802处的阻挡物820将阻 挡不需要的重构。图8示出了傅立叶变换设置，包括检测器830，傅立叶 变换透镜832、834，分束器836和SLM838。但应当认识到，该系统也可 与成象系统一起使用。
在这个实例中，可使用堆栈的全部复用(角度、波长等等)且堆栈可 彼此之间以最小间距放置，该间距不由介质800的厚度确定。这就为越来 越多地使用厚膜(大于100微米)提供了方便且对厚度为400微米以上至 许多毫米的膜特别有用。
此外，堆栈不需要一次被全部记录。出于材料的原因，可能会希望部 分地填充相邻的堆栈，然后再回来，并当堆栈的相邻堆栈被记录后完全填 充该堆栈。见例如美国专利申请09/588,908“Process for Holography Involving Skip-Sorted Hologram Storage”，其作为整体在此引入作为参 考。
该典型方法也可与高数值孔镜的透镜或用作透镜的全息光学元件一起 使用。在反射或传播的全息照相几何过程中可记录该全息图。本领域普通 技术人员还应该认识到，不需要相位共轭参照束也可以采用该典型的系统 和多元的方法。
图9A和9B示出了另一个典型的记录和读出的方法。在此例中，多元 复用与相位共轭读出束一起使用，以增强高阶滤光，其中数据编码的信号 束聚焦到介质900前与上述的聚焦到介质900后相反。焦点位置处于光束 阻挡物920现在所处的位置。这具有其它的好处，即阻挡了从SLM或数 据掩膜衍射出不需要的较高阶部分。如图9A所示，该光束随后传播入介 质并利用参照束被全息地记录。然后通过Bragg复用方法(角度、波长等) 可将复用的全息图记录在同一位置。介质900移动由光束的光腰尺寸给定 的数量，然后可记录另一堆栈。读出后，该相位共轭读出被用作输入参照 束，这重构了反向传播信号束，该反向传播信号束沿原始记录的路径返回 到检测器950。阻挡物920将不需要的重构与需要的信号束分开。
该典型的方法也可利用傅立叶平面或图象平面滤波或在这些平面附近 实现。其也可以以单个透镜、两个或多个透镜，或者在读出时不用透镜的 VanderLugt成象系统来实现。其还可以以在转播位置的准傅立叶平面滤光 器和存储介质附近或中的全息图平面的傅立叶平面来进行转播。
上述提供的详细说明只是示出了典型实施例但不旨在于限制。本领域 普通技术人员应理解，在本发明范围内的许多的修改和变形是可能的。例 如，在全息介质中记录和从全息介质中读出的各种方法可以单独或与其它 方法组合使用在全息存储系统中。此外，在此说明的设备和方法不应局限 于任何特定的全息存储系统，例如，这些方法和系统通用于各种系统配置 和复用方法。因此，本发明由所附的权利要求书限定而不应被在此的说明 书所限定。
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年11月22日提交的名称为“A METHOD FOR IMPLEMENTING A PAGE BASED HOLOGRAPHIC ROM”的美国临时 申请60/429,012的权益，其作为整体在此引入作为参考。