CN1052325C - 光学记录介质和光学数据存储系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学数据存储系统使用一叠间隔开的光盘组成光学介质。其中每个盘均由光透射材料制成，并在其至少一个表面上有一个部分光透射的数据层。聚焦透镜把光聚焦在数据层上，每个数据层对应着唯一的光路长度。通过反射离开相邻数据层，光聚焦到每个数据层上，使每个光路穿过的基片总厚度相同。因此，由聚焦透镜提供的固定球面象差校正是满足要求的，而不需要可变象差校正。通过选择反射率，可使各数据层的有效反射光强度相同，而不需要可调信号放大。

Description

光学记录介质和光学数据存储系统
一般地说，本发明涉及光学数据存储介质和系统，更具体地说，涉及带有多重盘表面的光学介质及使用这种介质的存储系统。
光学数据存储系统提供了一种在盘上存储大量数据的方法。通过把激光束聚焦到盘的数据层上而后探测其反射光束来存取数据。已知各种各样的系统。在像CD(Compact disk)系统之类的ROM(只读存储器)系统中，数据是在盘的制造时作为刻痕被永久地嵌入盘中的。当激光束从数据刻痕上经过时，以反射率变化的形式探测该数据。WORM(一次写入多次读出)系统允许用户利用在空白光盘表面上制出像凹坑之类的刻痕写出数据。一旦数据记录在盘上就不能抹去。在WORM系统中的数据也以反射率变化的形式被探测。还有一些可擦光学数据存储系统，例如相变(Phase Change)和磁光(M-O)系统。相变系统也利用测量反射率的变化读出数据，而M-O系统则利用测量M-O介质产生的入射偏振转动来读出数据。
为了增大光盘的存储容量，已经提出多数据层系统。利用改变透镜的焦点位置可以在不同的层处访问具有两个或多个数据层的光盘。在授予IBM的美国专利5,202,875中描述了这种系统的一个例子。在这种系统中，为了访问不同基片上的数据层，来自激光光源的光必须透过一个或多个光透射盘基片。透过较厚基片的光的聚焦把球面象差引入光束中。就常规单盘光学系统而论，因为光必须透过的基片材料的量保持不变，所以这能够通过按某一固定量稍微改变聚焦透镜的曲率来校正。然而，在多数据层光盘系统中，因为根据要访问哪一个数据层，要求光透过不同数量和厚度的基片被聚焦，所以要求对球面象差进行某种形式的可调节动态(active)补偿。
本发明的目的是提供一种光记录介质和使用该介质的光数据存储系统，其中由聚焦透镜提供的固定球面象差校正是足够的，不需要可变象差校正。
本发明是一种由一叠间隔开的光盘制成的光盘介质，及一种使用这种介质的光盘存储系统。该叠盘中的每个盘都由光透射材料制成，例如当系统是CD-ROM系统时为聚碳酸酯，并且在它的至少一个表面上具有一个部分光透射的数据层。在系统中的聚焦透镜沿着光路把光聚焦到各数据层上，每个数据层都对应着唯一的光路长度。然而，通过从相邻数据层的反射把光聚焦到每个数据层，使光透过的基片总厚度对每个光路都是相同的。以这种方式，由聚焦透镜提供的固定球面象差校正是满足要求的，而可变象差校正是不必要的。通过适当选择盘叠组中多数据层的反射率，系统可以设计得使来自每个数据层的有效反射光强度是相同的，从而使可调信号放大是不必要的。
特别地，本发明的技术方案如下。
一种光记录介质，包括：
多个光透射盘基片；及
用于支承这些基片的装置，这些基片相互平行且相互隔开而成为一个叠盘，其特征在于：
每个基片都在其一个表面上具有一个部分透射的数据层，以便接收从该叠盘中外侧盘的表面引导来的光束的聚焦光点，光束穿过光透射基片的光路距离对每一个数据层都是相同的；及
一个基片有反射层，用于把光反射到在其他基片上的数据层上。
一种光学数据存储系统，包括：
一个包括多个间隔开的基片的光学介质；
一个光源；
一个把光从该光源引导到该介质的装置，该光引导装置包括聚焦装置；以及
与所述聚焦装置相耦合的装置，用来移动所述聚焦装置；
其特征在于：
每个基片具有特定的材料厚度并且具有数据层；
至少一个基片有数据层，该数据层至少是部分透射的；
一个基片有反射层，用于把光反射到其他基片上的数据层；及
移动装置把聚焦装置移动到多个离散的位置上，每个位置确定一个该聚焦装置和相应的一个数据层之间的唯一光程长，每个唯一光程长大体上含有相同的总基片材料厚度。
为了更充分的理解本发明的本质和优点，应参考联系附图所作的如下详细描述。
图1是本发明CD-ROM系统形式的光盘存储系统的示意图。
图2是本发明的光头和介质的示意图，说明对从各自数据层以不同强度反射的光进行探测和放大的装置。
图3是本发明控制器系统的方框图。
图4是本发明聚焦误差信号(FES)与透镜位移的关系曲线图。
图5是说明各种盘基片及其数据层的光学介质的剖面图。
图6是说明光聚焦于不同数据层的光学介质的优选实施例的剖面图。
图7是说明光聚焦于不同数据层的光学介质的另一实施例的剖视图。
图1表示光盘存储系统的示意图，该系统用总参考数字10表示。将按照CD-ROM光学系统解释系统10。系统10包括有光学数据存储介质12，如在现有技术中已知的那样，该介质最好为盘形并可移动地安装在固定心轴14上。心轴14连接到心轴电机16上，该电机又连接到系统底架20上。电机16转动心轴14和介质12。
一个光头22位于介质12下面。光头22连接到臂24上，该臂又连接到像音圈电机26之类的执行器装置上。音圈电机26连接到底架20上并且在介质12的下面沿径向移动臂24和光头22。
图2表示图1的光头22和介质12的一个实施例的示意图。光头22包括一个激光二极管200。该二极管可以是一个产生波长大约为780毫微米的初级光束202的镓—铝—砷化物二极管激光器。光束202首先被光栅201衍射以便除初级数据光束外又产生两个用于跟踪的次级光束，然后由透镜203进行平行校正。所得到的三分量光束204再传到分光镜205。光束204的一部分被分光镜205反射到一个聚焦镜206和一个光学探测器207。探测器207用来监视激光束204的功率。来自分光镜205的光束204再传到一个反光镜208上并被该镜反射。然后光束204透过聚焦透镜210并聚焦到介质12的一个数据表面上(图示为基片70的表面71)。透镜210安装在支座214中，该透镜和介质12的相对位置由一个聚焦执行器电机216调节，该电机可以是音圈电机。
光束204的一部分在数据表面71被反射为反射光束220。光束220透过透镜210返回并被反光镜208反射。在分光镜205处，引导光束220透过一个象散透镜232，再到一个多元件光学探测器234上。
图3是本发明的控制器系统的方框图并用总参考数300表示。一个聚焦误差信号(FES)峰值探测器310接收聚焦误差信号(FES)，而一个跟踪误差信号(TES)峰值探测器312接收一个跟踪误差信号(TES)。多元件探测器234(图2)产生输出信号，这些信号由信号放大器236放大并用来产生数据信号、跟踪误差信号(TES)以及聚焦误差信号(FES)，这三个信号中的每一个都送到控制器314。控制器314还接收来自FES峰值探测器310、TES峰值探测器312及激光功率探测器207的输出信号。控制器314是一个以微处理机为基础的盘驱动控制器。控制器314还连接到激光器200、光度头电机26、心轴电机16及聚焦电机216上并控制这些元件。
参照图2和3，现在可以理解光学存储系统10(图1)的工作。控制器314控制转动盘12的电机16，和在盘12下面反光头22移动到适当位置的电机26。激发激光器200以便从介质12读出数据。光束204由透镜210聚焦在适当的数据表面上。反射光束220返回，并由象散透镜232引导到多元件探测器234上。TES、FES和数据信号由探测器234输出，并由放大器236放大(图3)。
图4表示FES和透镜210位移距离的关系曲线图。注意在适当补偿由基片产生的象差时，对于介质12诸数据表面中的每一个表面都得到一个名义上为正弦形的聚焦误差信号。在这些数据层之间，FES为零。在系统开始工作期间，控制器314首先使电机216把透镜210置于其零位移位置。然后通过使电机216沿正位移方向移动透镜210，控制器314将寻长想要的数据表面。分别在每个数据层，即盘50、60、70、80的数据层51、62、71、82，当光束204的聚焦点经过数据表面并且基片象差被适当补偿时，峰值探测器310将探测FES的两个峰值。探测器314计数峰值并确定光束204所聚焦的准确数据表面。当到达所要的数据表面时，控制器314使电机216把透镜210放在适当位置，以便聚焦误差信号处于这个具体的数据表面的两个峰值之间。然后该聚焦误差信号用来控制电机216，以便寻找在峰值之间的零点聚焦误差信号，即跟踪正斜率信号，由此实现准确聚焦。对于这个具体的数据表面，控制器314还将调节激光器200的功率。
图5是用于CD-ROM系统中的光学介质12的优选实施例的横截面剖视图。介质12包括四个盘基片50、60、70和80。基片50是最靠近光头22(图1)的基片，还是激光束进入介质12的地方。在基片50和相邻基片60之间连接有一个外径(OD)垫环52和一个内径(ID)垫环(rim)54。在基片60与相邻基片70之间连接有外径垫环63和内径垫环64，而在相邻基片70与80之间连接有外径垫环72和内径垫环74。基片50、60、70和80由像玻璃、聚碳酸脂或其他聚合物材料之类的光透射材料制成。内径和外径垫环也最好由聚碳酸脂之类的塑料材料制造。
这些垫环可以通过粘结、凝结或其他接合工艺连接到基片上。然而，最好在制造期间这些垫环整体地成形在基片中，比如用于聚碳酸脂CD-ROM基片的常规的注模工艺。安装好时，这些垫环在基片和表面板之间形成多个环形空间86。心轴孔90在内径垫环内穿过介质12以便安装心轴14。在内径垫环中设置有多个通道88把孔90与空间86连接，以便使空间86与盘驱动装置周围环境的压力相等，周围环境一般为空气。通道88也可置于外径垫环上。
现在参考图6，这是一个说明光学介质12的优选实施例部分截面的示意图，表示代表性的光路A至D被聚焦到盘基片的各个反射数据层上的情况。在该优选实施例中，盘基片中的每一个都有相同的厚度，最好为0.4mm左右，并且由常规的聚碳酸脂CD-ROM材料形成。数据层中的每一层(在基片50上的51、在基片60上的62、在基片70上的71及在基片80上的82)都是一种如在CD-ROM盘中所用的只读数据层，即一种浮雕的凹坑图形。在基片60上的层61是一个不带有数据的部分透射层。但是，正如将要解释的那样，形成的数据层是部分透射的并具有不同的反射率。
要这样选择基片的间隔，使虚像的位置，例如，如果光路A和B不被层61反射他们所聚焦处的点，不会非常靠近其他数据层。如果这些虚像太靠近基片70上的数据层71或基片80上的数据层82，则将在读出信号中出现干扰。图6的一个实施例既实现了低干扰又实现了介质12的总厚度最小，它是一种这样的结构：基片50与60之间的间隔设定为0.2mm左右，基片70与80之间的间隔也设定为0.2mm，而基片60与70之间的间隔设定为两倍于这一距离，即，0.4mm。
如图6所示，光路A至D中的每一个都有唯一的长度，每个长度由透镜210的聚焦位置确定，该位置由透镜聚焦电机216控制(图2)。例如，在光路A的情况下，激光束依次穿过下列基片和间隔而聚焦到基片50的数据层51上：(a)光透射基片50、(b)在基片50上的部分透射数据层51、(c)基片50与60之间的空气间隔、(d)在基片60上的部分透射数据层62、(e)由于从部分透射表面61的反射而两次穿过基片60、(f)再次穿过基片60上的部分透射数据层62、及(g)再次穿过基片50与60之间的空气间隔。因此，光路长度A包括从聚焦透镜到基片50的距离，加上三倍的基片厚度和两倍的基片50与60之间的间隔距离。
现在参考光路B，为了聚焦到基片60上的数据层62上，激光束必须穿过基片50一次和基片60两次(被反射离开部分透射表面61)。因此，B光路总长度与A光路总长度相差一个基片50与60之间的间隔距离。然而，既在光路A又在B中，光路长度中都包括光穿过三个基片厚度之和的行程。
为了聚焦到基片70上的数据层71上，如光路C所示，光必须穿过每个基片50、60和70各一次。类似地，到第四个基片80上的数据层82的光路D的长度等于光路C的长度加上在基片70与80之间的间隔距离。
在每一个单独的光路长度A至D中，长度都包括光穿过相同量基片的行程，就是等于三个基片厚度的距离。因为在这些单独光路的每一个中的光聚焦在不同的点上但穿过相同量和相同种类的基片材料，还因为间隔间隙是折射率为1.0的空气，所以在光学数据系统中不需要可变象差校正器。就是说，能够设置聚焦透镜210(图2)的固定球面象差校正以便适应固定的总基片厚度(1.2mm)，并且该校正应当满足聚焦到所有四个数据层的要求。
在图6的实施例中，对于从分别对应于光路长度A至D的每一个的数据层所反射的光反射强度SA至SD，在一般情况下可以表示如下：其中R和T代表每个基片各自界面的反射率和透射率，表面1为最靠近光度头的表面(对着基片50上的数据层51的表面)，而表面7离光度头最远(在基片80上的数据层82)
SA＝N*(R4 *T3)2*R2       (1)
SB＝N*(R4)2*R3          (2)
SC＝N*(T4 *T5)2*R6       (3)
SD＝N*(T4 *T5 *T6)2*R7    (4)
其中
N＝(T1 *T2 *T3)2          (5)
通过把第7个界面(在基片80上的数据层82)的反射率设定为100％，并限定反射强度SA至SD均相等，那么对于光路A至D的每一个有效反射强度为2.7％是可能的，每个数据层的反射率按如下给出：
R2＝14
R3＝11
R4＝65
R6＝38假定T＝(1-R)，即，数据层的吸收率为零。设定有效反射强度基本上为常数而不管进入哪一个数据层的关键优点在于，不需要来自探测器234(图2)的输出的可变放大，并且由放大器236(图3)提供的固定信号放大将是足够的。
现在参考图7，在此表示光学介质的另一个实施例，用12′表示，这是一个提供四个数据层的三盘基片系统。基片400和410为相同厚度(0.4mm)而其间隔为0.6mm。第三个基片420离光度头最远，厚度为基片400、410厚度的一半，即0.2mm，并且从其相邻基片410按第一与第二基片之间的间隔的三分之一距离隔开。
基片400在其远离光度头的表面上具有一个数据层401，基片410在其两个表面412、411上都有数据层，而其片420在其面对着基片410的表面上具有一个数据层422。正如参考相应于各数据层401、412、411和422的各个光路A′至D′的图解表示时能够理解的那样，各光路具有对应于聚焦透镜唯一位置的唯一长度。但是，在光路A′至D的每一个中光穿过基片材料的总量是相同的。这一距离是基片400厚度的三倍，即1.2mm左右。光路A′和B′穿过基片400一次而穿过基片410两次，总量约为1.2mm。光路C′和D′穿过基片400和410一次而穿过其片420两次，总量约为1.2mm。光路A′、B′、C′和D′的长度之差仅仅是盘基片400、410和420之间的间隔距离。但是，由于该间隔是折射率为1.0的空气，所以对象差没有影响。如图6的实施例所表示的那样，要这样选择盘之间的间隔：使虚像靠近数据层而造成的干扰最小。在图7的实施例中实际选择的间隔距离，正好既可使干扰低又可使介质12′的总厚度最小。从图7显见，在第三即最远基片420上的表面421是一个不含数据但需要反射光路C′和D′中每一个的光的全反射层。
来自光路A′至D′的反射强度可以表示如下：其中下标1至6仍然表示从最靠近光度头的界面1开始的基片界面
SA′＝N*(R4 *T3)2*R2    (6)
SB′＝N*(R4)2*R3          (7)
SC′＝N*(T4 *T5 2*R6)2*R4      (8)
SD′＝N*(T4 *T5 *R6)2*R5       (9)其中仍然是
N＝(T1 *T2 *T3)2               (5)
通过把第6个界面(在基片420上的反射层421)的反射率设定为100％，并限定各反射强度均相等，那么对于光路A′至D′中的每一个的有效反射强度均为1.7％是可能的，这时各个数据层的反射率按如下给出：
R2＝13
R3＝10
R4＝56
R5＝29仍然假定T＝(1-R)。
在图6和7中光学介质所代表的CD-ROM盘被制造时，数据层由常规的注模法、浮雕法或光聚合物复制法形成。然后可用各种常规的金属(例如，铝、金)层、半导体材料(例如，非晶硅、镓(Ga)、锑(Sb))层、或绝缘体(例如，三氧化锆(ZrO2)，氮化硅(SiN))层制成数据层，以选择不同的反射率。这些材料可用溅射法或蒸发法来沉积，这是一些已知技术。
在图6和7的两个实施例中，都这样选择诸数据层的反射率，以使每个光路的有效反射强度都是相同的。如上所述，这就不需要可变信号放大器。但是，如果希望不同光路具有不同的有效反射强度，那么放大器236(图3)必须是可变放大器，由控制器314控制其电平并根据访问的数据层加以选择。
虽然已经详细说明本发明优选实施例，但应该明白，在不脱离下面权利要求书中所描述的精神和范围的情况下可以对本发明进行修改和改进。

Claims (19)

1.一种光记录介质，包括：
多个光透射盘基片；及
用于支承这些基片的装置，这些基片相互平行且相互隔开而成为一个叠盘，其特征在于：
每个基片都在其一个表面上具有一个部分透射的数据层，以便接收从该叠盘中外侧盘的表面引导来的光束的聚焦光点，光束穿过光透射基片的光路距离对每一个数据层都是相同的；及
一个基片有反射层，用于把光反射到在其他基片上的数据层上。
2.根据权利要求1所述的介质，其特征在于具有两个盘基片，所述的最外侧盘基片在其内表面上具有一个数据层，而第二个盘基片在其两个表面上都有数据层，第二盘基片的外侧数据层把光束反射到所述第二盘基片的内侧数据层上和所述最外侧盘的内侧数据层上。
3.根据权利要求1所述的介质，其特征在于光学介质包括三个基片；该叠盘的第一最外侧基片具有厚度t并在其内侧表面上具有一个数据层；第二个基片具有厚度t，与第一基片相邻并与之隔开，且在其两个表面上都有数据层；而第三个基片具有厚度t/2，与第二个基片相邻并与之隔开，且在其对着第二基片的表面上具有一个数据层。
4.根据权利要求1所述的介质，其特征在于第三基片在其对着其数据层的表面上具有一个无数据反射层，以便把光反射到该叠盘中至少一个数据表面上。
5.根据权利要求1所述的介质，其特征在于每个基片基本上由聚碳酸脂制成，并且其基片上的数据层为只读数据层。
6.根据权利要求1所述的介质，其特征在于反射数据层主要含有非晶硅。
7.根据权利要求1所述的介质，其特征在于反射数据层主要含有铝。
8.一种光学数据存储系统，包括：
一个包括多个间隔开的基片的光学介质；
一个光源；
一个把光从该光源引导到该介质的装置，该光引导装置包括聚焦装置；以及
与所述聚焦装置相耦合的装置，用来移动所述聚焦装置；
其特征在于：
每个基片具有特定的材料厚度并且具有数据层；
至少一个基片有数据层，该数据层至少是部分透射的；
一个基片有反射层，用于把光反射到其他基片上的数据层；及
移动装置把聚焦装置移动到多个离散的位置上，每个位置确定一个该聚焦装置和相应的一个数据层之间的唯一光程长，每个唯一光程长大体上含有相同的总基片材料厚度。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于具有两个厚度大致相同并隔开成特定距离的基片；至离所述聚焦装置最近的一个第一基片上数据层的光路长度大致等于从所述聚焦装置到所述第一基片的距离加上两倍的间隔距离和三倍的基片厚度；并且至离所述第一基片最近的一个第二基片上数据层的光路长度大致等于从所述聚焦装置到所述第一基片的距离加上其间隔距离和三倍的基片厚度。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于包括一个其厚度大体上与第一和第二基片相等的第三基片，该第三基片与第二基片相邻并与之隔开；至该第三基片上数据层的光路长度大致等于从所述聚焦装置到所述第一基片的距离加上在所述第一、第二和第三基片之间的全部间隔距离和三倍的基片厚度。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于包括一个与所述第三基片相邻并与之隔开的第四基片，至第四基片数据层的光路长度大致等于从所述聚焦装置到所述第一基片的距离加上四个基片之间的全部间隔距离和三倍的基片厚度。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于光学介质包括三个基片；最靠近所述聚焦装置的第一基片具有厚度t并且在其离所述聚焦装置最远的表面上具有一个数据层；第二基片具有厚度t，与所述第一基片相邻并与之隔开，在其两个表面上都有数据层；第三基片具有厚度t/2，与第二基片相邻并与之隔开，且在其面对第二基片的表面上具有一个数据层。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于所述第三基片在其相对着其数据层的表面上具有一个无数据的反射层，以便把光反射到至少一个数据层上。
14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于每一个基片基本上由聚碳酸脂制成，并且诸基片上的数据层都是只读数据层。
15.根据权利要求8所述的系统，其特征在于反射数据层主要含有非晶硅。
16.根据权利要求8所述的系统，其特征在于反射数据层主要含有铝。
17.根据权利要求8所述的系统，其特征在于每个数据层都具有预定的反射率值，从而对于每个光路长度来说有效反射的光强度都大致相等。
18.根据权利要求8所述的系统，其特征在于包括一个响应从数据层反射的光的装置，以便提供数据信号。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于所述用来提供数据信号的装置包括用于探测从数据层反射的光强度的装置，和一个耦合于该探测装置上以便放大所探测强度的装置。
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