CN102549663A - 记录、擦除和读取多层光盘上数据的设备 - Google Patents

记录、擦除和读取多层光盘上数据的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维光学存储设备，其可用于所有计算领域，其中需要在紧凑载体上记录大量数据文件，并可用于记录、擦除和读取视频数据，例如在独立视频观看系统中。该设备包括光盘定位系统、具有两种不同波长并光耦合到聚焦系统的辐射源、聚焦系统定位装置、和经光谱分束器及位于具有两种不同波长的辐射源和光谱分束器之间的可调光谱选择器光学耦合到聚焦系统的光学传感器，其中所述聚焦系统设计成在给定波长具有纵向色差。

Description

记录、擦除和读取多层光盘上数据的设备
技术领域
本发明涉及三维(3D)光学存储设备，更具体地，涉及用于记录、擦除和读取多层光学记录介质上数据的设备。本发明要求的设备可用于所有要求在紧凑载体上记录大量文件的计算领域。其也可用于记录和读取视频数据，例如在独立视频观测(observation)系统中。
背景技术
使用激光辐射以在3D介质，特别在多层光盘上记录信息的有效系统的设计者面对的最重要的技术问题之一是在3D介质内的记录区域中定位/设置激光束，以便作为信息存储结果的记录介质的光学特性变化最大限度地空间局域化。在该情形中，通过光学特性的变化，可指折射率/折射系数、吸收系数、散射系数或其他光学，如介质的荧光特性的变化。记录一位数据(像素)占据的空间必须被最小化，因此增加介质上数据记录密度和数据存储体积。像素的最小横向尺寸被限制为记录辐射波长值的大约一半。这直接遵从衍射理论，并且是基本物理限制。通过利用短波光学辐射和短焦距光学系统记录数据可获得高体密度的记录信息，其中光学系统具有大数值孔径和校正的球面像差，并将辐射聚焦在记录介质内。
本领域已知，记录和读取信息的3D设备(Kawata Y.，Nakano M.，Lee S-C，Three-dimensional optical data storage using three-dimensionaloptics.Optical Engineering，Vol.40(10)，p.2247-2254)。该论文/文献描述了不同(单光子和双光子)介质和基于共聚焦显微镜的各种形式的记录、擦除和读取信息的设备。通过使用记录波长将辐射聚焦在材料内并通过将其暴露于所述辐射改变所述材料的折射率，该设备记录信息。然后通过以改变的折射率登记(registering)该区域读取记录的数据，其中折射率改变值为读取光束的相位失真值，该读取光束的波长不同于记录辐射的波长。上述论文的作者指出了提出的方法和设备的缺点。使用单光子介质时，层间串音大，而使用双光子介质需要功率更大和更短的记录激光束脉冲，这使得激光源微型化不可能。此外，因为相位扰动的测量方法是高度灵敏的，所以数据记录要求介质具有非常高的光学均匀性材料和光学表面质量。
而且本领域已知在光致变色材料内记录、擦除和读取数据的设备，该材料通常为螺旋苯并吡喃(spirobenzopyran)，其保持在3D基体/基质(matrix)中，通常为聚合物(美国专利No.5268862，Three-dimensional optical memory，1993年12月7日公布)。该设备包括激光器辐射源和光学定位与聚焦激光束的系统。用于记录的材料具有两种稳定形式，螺旋吡喃和部花青(merocyanine)。从第一形式到另一种形式的转变是通过双光子吸收执行的，该双光子吸收发生在532nm的波长。记录介质被在两个相互垂直方向上具有特定波长的两个聚焦的激光束辐照的。以该方式，实现在3D空间内两个激光束相互作用区域的空间定位，同时第一形式的光致变色材料转化为另一种形式仅在光束相交的焦点区域发生。另一种形式的光致变色材料在暴露于波长为1064nm的光辐照时产生荧光。由于材料被辐照，人们可以利用所述荧光读取信息。通过以波长为212微米的光辐照，记录在3D材料上的信息可通过加热介质全部或局部被擦除。该设备的缺点主要是类似于上述设备的缺点。因为记录材料从一种形式转化为另一种形式的过程是双光子过程，需要使用具有超高峰值容量的辐照源。在一定体积材料内定位两个正交光束聚焦区相交点的要求限制给定设备减小记录一位信息体积的程度为几个单位和几十微米，同时潜在地，光束可聚焦到横向尺寸为几分之一微米的区域上。而且，介质的光学均匀性程度和限制光致变色材料体积的表面质量必须非常高。在聚合物用作粘合基体(binding matrix)的情形中，在连续生产3D光致变色材料的条件下获得所需光学质量非常困难。
本领域还已知，在多层记录介质上记录/读取光学信息的设备(美国专利7345967，Optical pickup unit，2008年3月18日公布)包括辐射源、分束器、受控球面像差校正器和物镜，以及经分束器与物镜光学耦合的光学传感器(光接收器)，所有这些都连续地/串联设置在光束方向上。给定设备通过辐射一种波长记录和读取信息。设备的操作模式是通过改变瞄准在辐射记录介质上的辐射功率被选择的。该设备的主要缺点在于在读出过程中存在不可避免地丢失记录信息的危险。现有技术设备中为了缓解该缺点，建议在信息读出过程中减小辐射源功率到最小可允许值，在最小可允许值，有用的信号仅稍微超过噪声水平。
在具有光与物质相互作用的单光子机制的材料被用作3D记录介质时，在读出过程中丢失信息的问题特别严重。使用介质光密度变化读取信息要求的实际光通量中，信息在5-10个读取周期中被擦除。为了解决该问题，一些作者提出利用波长位于光致变色材料的光学吸收边缘的辐射来读取信息的方法(参看Satoshi Kawata、YoshimasaKawata的Three-dimensional optical data storage using photochromicmaterials，Chem.Rev.2000，100，1777-1788)。以该方法，实践中，像素体积增加十倍乃至百倍。此外，实际使用单光子介质的情形中，所有作者也指出携带记录信息的层间串音。
考虑上面的说明，在该情形中最正确的选择似乎是涉及使用阈值双光子介质记录/擦除信息的选择，其中仅在达到一定阈值密度的光时，信息才被记录和擦除。然而，这类介质要求读取和擦除信息的辐射功率非常高，同时这类功率的实际实施例在当前微型化设备中是不可能的。
从实际实施例的观点看，在3D介质中读取/擦除信息的最简单系统由这样的设备表示，其包括两个具有不同波长并与一个聚焦系统光学耦合的辐射源，该聚焦系统具有控制3D介质内聚焦区域位置的装置、球面相差校正单元、以及在记录其上的信息被读出过程中3D介质发射的光学辐射的接收器(美国专利7436750，Optical storage withultrahigh storage capacity，2008年10月14日公布)。在该设备中，当信息被记录时，波长为λ1的辐射被聚焦在由交替的透明和光致变色材料层组成的记录介质上。当暴露于所述辐射时，选择的记录层中的光致变色材料改变其光学特性并形成容量，当暴露于波长为λ2的辐射时，发射波长为λ3的荧光。随着信息被读出，具有波长λ2的辐射聚焦到记录介质上。由光致变色材料在像素的限制(the limits of the pixel)内发射的波长λ3的荧光被光学传感器(光接收器)登记，该像素的限制先前暴露于波长为λ1的光并含多位信息。该系统表明所要求保护的设备的技术本质，且因此被本发明人接受为原型/标准(prototype)。
该原型的主要缺点在于低密度的记录信息，这是由于光致变色材料的层之间的串音导致的。串音是因为下面的事实产生的，当信息记录在光致变色材料的深埋信号层上时，波长λ1的辐射通过较高位置的光致变色层，因此在记录信息时，不可避免地在后者中诱导与信号层发生的过程相同的过程。为了减小光致变色层之间的串音，需要减小其数目，或增加其间透明材料层的厚度。该问题解决方案的变体都不是最优的，并导致要么限制可在一个数据介质上记录的最大数据量或增加多层光盘的厚度，且因此减小记录密度。该原型的实际实施例中有两种用于抑制层间串音的方法：第一种方法使用大功率激光器作为记录辐射光源，其在信号光致变色层中初始化双光子记录过程，而另一种方法具有登记(register)荧光的光具组/光学系统(optical train)，其包括色差补偿元件，短焦距物镜和几微米孔径光阑，所有这些都连续设置因而形成登记荧光辐射的共焦光具。使用共焦登记光具显著减小有用荧光信号的值，因此提出在原型中将光电倍增管用作荧光检测器。另一方面，原型中描述的实际实施例确定层间有串音的严重问题的存在，另一方面，因为设备的高成本和复杂设计，现有技术排除了在基于多层光盘的商业信息记录设备中使用原型。
发明内容
本发明要解决的任务是增加多层光盘上记录的数据密度，同时简化设备的设计。
该任务可通过实现下面技术结果被解决，该技术结果包括当信息记录其上时减小多层光盘的光致变色层之间的串音，并可在后者读出期间减小丢失记录的信息的可能性。
在所要求的本发明中，技术结果是通过利用在多层光盘上记录/擦除/读取信息的设备实现的，其包括光盘定位系统、使用两种不同波长并与具有聚焦装置的聚焦系统光学耦合的辐射源、经分光器与聚焦系统光学耦合的光学传感器(光接收器)、电连接到辐射源的控制和数据处理单元、聚焦系统定位装置和光学传感器，此外还包含在其输出端的可调节光谱选择器，可为两个波长中每个设置所需要的光束强度比，所述选择器设置在辐射源和光谱选择器之间，并电连接到控制和数据处理单元，同时聚焦系统在指定波长设计有位置色差。
本发明的本质如下所述。在本发明所要求的设备中，设计有位置色差的聚焦系统能够在多层光盘内定位和聚焦以两个不同波长发射的光束，以便这些波长的聚焦平面间隔距离S。所要求的设备是为了记录/擦除/读取多层光盘上信息，该多层光盘由光致变色和透明材料的交替层组成。适当的是使用对于波长为λ1和λ2的光具有最大光通路(opticalpassage)的聚合物作为透明材料，并使用设置在聚合物基体(matrix)中并能够在暴露于波长为λ1和λ2的光时改变其光学特性的俘精酸酐作为光致变色材料，且更具体地，在初始状态暴露于波长为λ1的光后，如果暴露于通常表示为λ3的宽光谱范围内的波长为λ2的光，则形成发射荧光的能力，然而当在其改变的状态暴露于波长为λ2的光时，其可发射荧光并返回到其初始状态，同时在该过程中丧失所述荧光特性。多层光盘中光致变色材料的各层厚度在一微米到几个微米之间，且透明材料6的各层厚度在几个微米到几十微米之间。适当的是选择聚焦系统位置的色差值S为δ/2。
由于聚焦系统位置的某些色差，在波长λ1和λ2发射的光的聚焦区域的空间分离使得能够实施独一无二的条件，其涉及当记录、擦除和读取光盘深埋的光致变色层上的信息时，两个频率的辐射与物质相互作用，这最小化较高光致变色层的串音效果和在读出过程中信息的擦除。该条件是通过双频率辐射同时辐射多层光盘执行的，其谱成分的强度比等于相同谱成分的波长比。例如，在记录数据过程中，波长λ1的辐射的吸收和光致变色材料过渡/转变到改变的状态不仅可在信号光致变色层中发生，而且在传播记录光束的其他层中发生。这导致虚影记录(ghost record)。适当强度的波长λ2的辐射激励未进行记录的层中光致变色材料返回到其初始状态，结果导致其内产生的虚影记录消失。在以波长λ1和λ2的光同时辐射的情形中，光谱成分的强度比等于这些光谱成分的波长比，光致变色材料总是在其初始状态，因此保持光力学平衡。波长为λ1和λ2的辐射的光谱成分的强度可通过使用可调节光谱选择器独立改变其通道被控制。
附图说明
本发明的本质可通过参考相关附图得到最佳理解。
图1是本发明设备的示图。
图2示出光致变色材料在其初始状态(实线)和改变的状态(虚线)中的特征吸收谱。
图3是多层光盘内波长λ1(实线)和波长λ2(虚线)的光束相交的详细图。该示图示出透明材料层5的厚度和聚焦系统S的位置色差。
图4是总图/一般图，其示出多层光盘内波长λ1(实线)和波长λ2(虚线)的光束相交(a)，和相应于该几何结构并示出数据记录模式中波长λ1和λ2的光束面积比的图表(b)。
图5是总图，其示出多层光盘内波长λ1(实线)和波长λ2(虚线)的光束相交(a)，和相应于该几何结构并示出数据读取模式或擦除模式中波长λ1和λ2的光束面积比的图表(b)。
具体实施方式
图1示出多层光盘1、光盘定位系统2、具有两种不同波长λ1和λ2的辐射源3、在波长λ1和λ2有色差的聚焦系统4、用于定位聚焦系统4的装置5、设计成可登记波长λ3的荧光辐射的光学传感器6、能够抵制波长λ1和λ2的辐射并通过波长λ3的辐射的分束器7以及能够独立控制波长λ1和λ2辐射通过的可调节光谱选择器8。此外，示图还示出与辐射源3电接口/电连接的控制和数据处理单元9、聚焦系统4的定位装置5、可调节光谱选择器8和光学传感器6。
如图2所示，初始状态(实线)和改变状态(虚线)中光致变色材料的吸收谱明显不同。在其初始状态，光致变色材料在光谱的紫外线区具有最大吸收能力。当暴露于相应于吸收线短波峰值的波长λ1的辐射时，光致变色材料从初始状态转变为改变状态。该情形中吸收光谱失真：吸收线短波最大吸收降低，且相反位于可见光带中间的长波最大吸收增加。在其改变状态中，光致变色材料在暴露于波长为λ2并相应于吸收的长波峰值的辐射时形成发射荧光的能力。在荧光情形中，光致变色材料部分返回到其初始状态。多层光盘1上数据的记录是通过波长为λ1的光辐射实现的。由于多层光盘被波长λ1和λ2的光同时辐射，所以光致变色材料不改变其状态，只要这类波长的辐射强度比等于波长比。
图3是多层光盘详细示图，其具有光致变色材料层10和透明材料层11以及聚焦在/聚焦(focus on)波长λ1(实线)和λ2(虚线)的辐射区域。在具有色差的光学系统中，辐射光谱的长波部分的聚焦平面与最后光学元件的距离比辐射光谱短波部分的聚焦平面更大。本发明设备中波长λ1和λ2的辐射的聚焦平面之间距离S优选为比多层光盘1的透明层11的厚度6的两倍小。
图4和5是总图，其示出数据记录(图4a)和数据读取或擦除(图5a)模式中，多层光盘1内波长λ1(实线)和波长λ2(虚线)的辐射光束相交。在数据记录模式中，具有波长λ1的记录辐射的光束被定位并聚焦到光致变色材料层10(参考图3)上，同时具有波长λ2的读取/擦除辐射的光束被近似定位并聚焦到邻近后续透明层11的中间厚度，这是由于聚焦系统4存在色差。
在数据读取/擦除模式中，波长为λ2的读取/擦除辐射的光束聚焦在光致变色层10上，且相反，波长λ1的记录辐射光束被近似定位并聚焦到邻近前续透明层11的中间厚度。
如可从图4b、5b中给出的图表中看到的，波长为λ1和λ2的辐射的光谱成分的光束面积/区域(area)在整个光盘1深度上实际彼此相等，并仅在用于记录、读取或擦除信息的光致变色材料层的中间附近显著不同。如果多层光盘几乎同时暴露于波长为λ1和λ2且强度比确保等于波长比的辐射，则包含在光致变色层的像素中的信息在从信号光致变色材料中读出时不改变。
在本发明设备的最佳实施例的例子中，建议使用由透明材料，即聚碳酸酯的交替层组成的多层光盘1，一个单层厚度约100微米，光致变色材料层，即聚碳酸酯，包括光致变色俘精酸酐复合物(fulgidecomplex)、螺旋苯并吡喃，其具有两种稳定形式，螺旋吡喃和部花青，单层厚度约5mm。建议的具有两种波长λ1和λ2的辐射源3是基于NdYVO4晶体的固体激光器/固态激光器，其中辐射转化/变换为第二(λ2＝0.532μm)和第三(λ＝0.355μm)谐波。建议的可调节光谱选择器8是这样的光学单元，其包括将波长λ1和λ2的辐射束路径分开的输入光谱分束器、在波长为λ1和λ2的光的光学路径上分别设置的两个独立可控制电光调制器、以及在波长为λ1和λ2的光束通过可控制电光调制器后集成其路径的输出光谱分束器。作为聚焦系统4，建议使用具有大数值孔径和球面像差控制的透镜模块，以及确保波长λ1和λ2处预设色差的监测装置。建议聚焦系统4的定位装置5设计成可控制电磁悬浮形式，其确保聚焦系统4的一个或更多光学元件沿光轴纵向位移以便选择要用于记录、读取和擦除信息的信号光致变色层或多层光盘1。建议分光镜/二色镜用作光谱分束器7。
本发明实施例
借助定位系统2，多层光盘1设置在记录、擦除或读取信息需要的位置。波长为λ1和λ2的光从辐射源3传播通过可调节光谱选择器8，在光谱选择器8的输出端，预设波长为λ1和λ2的光束的所需强度比。然后，光被引导通过光谱分束器7到达聚焦系统4，其位置是借助定位装置5设置的。所述装置5在多层光盘1内定位波长λ1和λ2的光束的聚焦区域，并调节聚焦系统4从而补偿产生的球面像差。信息的记录、擦除或读出是通过使用可调节光谱选择器8改变各波长辐射的强度实现的。当信息被记录时，波长λ1的辐射功率最大，且波长λ2的辐射功率最小；当信息被擦除时，波长λ1的辐射功率最大，而波长λ2的辐射功率最小。当信息被读出时，波长λ1的辐射功率与波长λ2的辐射功率的比等于λ1/λ2，并在0.2-0.7的范围内。记录的信息的读出是通过登记波长为λ3的荧光辐射执行的，该荧光辐射是通过波长为λ2的辐射在首先被波长为λ1的光辐射的光致变色材料信号层10的那些像素中诱导的。由这些像素发射的荧光辐射的某些部分进入聚焦系统4的孔径，由此经光谱分束器7传播到光学传感器6的输入端。
从原型得到的本发明设备的重要特点/区别在于使用可调节光谱选择器8，其能够独立控制辐射源3产生的具有一定波长光的通道，同时聚焦系统被设计成在所述波长具有预设的位置色差。在本发明之前给出的任务是通过下面的事实解决的，即在读出预记录数据的过程中，多层光盘1的光致变色材料的信息层中发生两个过程，读取光束执行的信息擦除，以及记录光束执行的信息记录。同时，这两个光束强度的一定比/某一比(certain ratio)确保光盘的光致变色层的光学条件的稳定性。
本发明的设备比原型显著更有效。这是因为光致变色材料的选择更宽，该材料可用来形成多层光盘1的信息层，特别地，单光子光致变色，且对光盘材料的表面质量和均匀性的要求不严格。
应该强调，本发明的设备基于现有DVD驱动器使用的逐层记录/擦除/读取原理。本发明的实施例不要求再设计现有驱动系统，而仅是升级。积极效果是通过如下实现的，即通过改变单色辐射源为使用不同波长的光源或光源组合，并加入额外可调节光谱选择器和具有预设位置色差的聚焦系统。

Claims (1)

1.一种用于记录/擦除/读取多层光盘上信息的设备，其包括光盘定位系统、具有不同波长并与具有定位装置的聚焦系统光学耦合的两个辐射源、经光谱分束器与所述聚焦系统光学耦合的光学传感器，以及控制和数据处理单元，所述控制和数据处理单元电连接到所述辐射源、聚焦系统定位装置和光学传感器，其中所述设备包括可调节光谱选择器，在其输出端，可为两种波长中的每个波长设定所需的光束强度比，且其中所述选择器设置在所述辐射源和所述光谱分束器之间并电连接到所述控制和数据处理单元，同时所述聚焦系统设计成在指定波长具有位置色差。
CN2010800413678A 2009-09-25 2010-09-09 记录、擦除和读取多层光盘上数据的设备 Pending CN102549663A (zh)

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