CN1133997C - 带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘，包括保护层，反射层，记录层盘基和掩膜层，掩膜层置于盘基和记录层之间。本发明的光盘基于光化学效应，可以实现分子级别的反应，缩小读写光斑，获得更高的分辨率。采用光致变色材料作为掩膜层，可用于包括只读、磁光、相变，色变等各种存储介质。由于采用基于光化学反应的掩膜，没有热反应过程，可以大大提高读写速度。

Description

带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘

本发明涉及一种带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘，属数字光存储技术领域。更具体的说，本发明是一种附加于光盘上的，可以减小在记录层上读写光斑的尺寸的掩膜层。

提高光盘存储密度的传统方法，是减小读写光斑的尺寸。通常聚焦光斑的尺寸受激光束衍射效应的限制，其半强度直径DIAFWHM与激光波长λ成正比，与光学头物镜数值孔径NA成反比： ${\mathrm{DIA}}_{\mathrm{FWHM}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{NA}}......\left(1\right)$

因此，减小聚焦光斑尺寸的方法主要有两种：

1.减小激光波长。例如，目前最新的高密度DVD光盘，激光波长从CD光盘的780nm减小到650nm。但是，由于短波长激光器件研制的困难，以及盘基对短波长激光透过率减弱等方面的原因，波长的减小是有限的。

2.增大光学头物镜的数值孔径。例如上述高密度DVD光盘，数值孔径从CD光盘的0.45增大到0.6。但用于光存储系统中的大数值孔径的非球面透镜的制作在工艺上比较困难。同时，根据象差分析，即使在物镜很好地校正了象差的情况下，光盘厚度的变化也将引起光程变化，这一光程的变化将使得读写信号质量下降。

此外，采用“超分辨”掩膜技术，可以得到小于衍射极限尺寸的光斑。目前，主要的超分辨掩膜技术有：

1.磁致超分辨技术。这一设想最早由SONY公司的M.Kaneko等人提出，他们在光盘中使用三到四个磁性介质层，利用外部磁场实现读写时的超分辨效果。这种方式可以提高了磁光盘的线密度和道密度，能实现更高密度的存储。

2.相变材料超分辨技术。这一设想由SONY公司的Yutaka Masami等人提出，它利用了相变介质的晶态与非晶态间反射率的不同实现超分辨率掩膜，提高了存储密度。

上述超分辨率掩膜方法，能够在不改变读写系统光路的情况下达到超衍射极限的读写效果，增加介质的存储密度。但MSR技术有一定的局限性，除了上面所说的以外，最重要的是MSR技术只能用于磁光介质，而不能用于相变或只读类光存储介质中。另一方面，上述各种介质超分辨盘都利用了介质的热效应，由于材料的热扩散效应，很难使有效光斑做得很小。同时，随着激光波长的减小，这种利用热效应的介质超衍射技术可能会受到一些限制。

本发明的目的是设计一种带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘，在反射层和透明盘基之间附加的一层光致变色材料掩膜层，基于光化学效应，实现分子级别的反应，进一步缩小读写光斑，以获得更高的分辨率。

本发明设计的带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘，包括保护层，反射层，记录层和盘基，上述各层依次相互排列。该光盘还包括掩膜层，掩膜层置于盘基和记录层之间；光盘厚度为0.1mm～10mm，其中掩膜层厚度为5nm～1000nm，记录层厚度为5nm～2000nm，反射层厚度为5nm～1000nm，保护层厚度为1μm～5mm，盘基厚度为0.1mm～10mm。

本发明设计的光致变色超分辨率掩膜层的光盘，其第二种结构形式为，所述的记录层有n层，所述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层依次排列，掩膜层置于第n-1层记录层和第n层记录层之间；光盘总厚度为0.1mm～10mm，其中掩膜层厚度为5nm～1000nm，每层记录层厚度为5nm～1000nm，反射层厚度为5nm～1000nm，保护层厚度为1μm～5mm，盘基厚度为0.1mm～10mm。

其第三种结构形式为，所述的记录层有n层。上述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层依次排列，上述掩膜层置于第m-1层记录层和第m层记录层之间，其中1＜m＜n；光盘总厚度为0.1mm～10mm，其中掩膜层厚度为5nm～1000nm，每层记录层厚度为5nm～1000nm结构形式为，所述的记录层有n层，上述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层，反射层厚度为5nm～1000nm，保护层厚度为1μm～5mm，盘基厚度为0.1mm～10mm。

其第四种依次排列，掩膜层置于盘基和第1层记录层之间。所述的光盘厚度为0.1mm～10mm，其中掩膜层厚度为5nm～1000nm，每层记录层厚度为5nm～1000nm，反射层厚度为5nm～1000nm，保护层厚度为1μm～5mm，盘基厚度为0.1mm～10mm。

其第五种结构形式为，该光盘包括保护层，反射层，和预压有信息坑点盘基，上述各层依次相互排列，该光盘还包括掩膜层。所述的掩膜层置于盘基和反射层之间。光盘总厚度为0.1mm～10mm，其中掩膜层厚度为5nm～1000nm，信息凹坑深度为10nm～2000nm，反射层厚度为5nm～1000nm，保护层厚度为1μm～5mm，盘基厚度为0.1mm～10mm。

本发明主要有以下几个特点：

1、与基于光热效应的超分辨掩膜技术完全不同，本发明基于光化学效应，可以实现分子级别的反应，能进一步缩小了读写光斑，获得更高的分辨率。

2、针对多层光盘系统采用多波长的特点，可选择性的对其中部分波长，如长波部分进行拦截。

3、采用光致变色材料作为掩膜层，可用于包括只读、磁光、相变，色变等各种存储介质。

4、由于采用基于光化学反应的掩膜，没有热反应过程，可以大大提高读写速度。

附图简要说明：

图1是本发明所述的光致变色掩膜层在不同照射时间时的透射率沿光斑半径的分布曲线。

图2是本发明所述的光致变色掩膜层在不同照射时间时透射光强沿光斑半径的分布曲线。

图3是本发明只有一层记录层时的光盘结构，掩膜层位于盘基和记录层之间。

图4是本发明有n个记录层时的光盘结构，掩膜层位于第n层记录层与第n-1层记录层之间。

图5是本发明有n个记录层时的光盘结构，掩膜层位于盘基与第1层记录层之间。

图6是本发明有n个记录层时的光盘结构，掩膜层位于第m层记录层与第m-1层记录层之间。

图7是本发明的只读光盘结构，掩膜层位于盘基和反射层之间。

下面结合附图详细介绍本发明的原理和实例。图3～图7中，1是盘基，2是掩膜层，4是反射层，5是保护层。图3中，3是记录层。图4～图6中，3₁，3₂～3_n是n层记录层。图4中，3_n-1是第n-1层记录层，图6中3_m-1，3_m分别是第m-1层和第m层记录层。

图1是光致变色掩膜层在不同曝光时间t时，读写光斑沿光斑半径r方向的透过率T曲线，其中 $r_0=0.317\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}.$ 从图1中可以看到，由于局部反应速率的不均匀性，该掩膜层的对读写光斑的透过率成非线性关系。

图2是光致变色掩膜层在不同曝光时间t时，读写光斑沿光斑半径r方向的相对光强分布曲线。I₀是读写光斑沿光斑半径r方向的强度分布函数。其中， $I_0=\frac{P}{{\mathrm{\πr}}_0^2}$ 表示无掩膜层时的最大光强。图中的实线显示了无掩膜层时的相对光强分布的情况。P表示入射光功率， $r_0=0.317\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}.$ 从图2中可以看出，读写光斑透射过掩膜层后形成一个在切向和径向两个方向尺寸都小于实际光斑的有效读写光斑。

实验进一步表明，聚焦光斑通过光致变色掩膜层的透射率与光致变色材料的浓度有关：介质浓度越大，掩膜透射率非线性情况越显著，得到的超衍射光斑尺寸越小。此外，由图1，图2可以看出，光致变色掩膜的透射率亦与照射时间有关，照射时间越短，掩膜透射率非线性情况越显著，得到的超衍射光斑尺寸越小。在读写时，因光斑扫描过程导致光斑区从前部向后部照射时间线性增长，光致变色膜的透过率非线性加强，从而在实际光斑的后部形成一个尺寸更小的有效光斑。

计算显示，当光盘有光致变色掩膜层时，其串扰信号更小。这说明掩膜层的存在能改善光盘读写信号的串扰特性，当要求读写信号的串扰值满足一定要求时(例如CD-ROM要求串扰小于50％)，在相同的道间距下，有掩膜层的光盘所允许信息符的宽度比无掩膜时更宽，这可以降低刻录光盘时的工艺要求。而信息符宽度相同时，有掩膜层的光盘的道间距可以比无掩膜时更小，从而提高道密度，增加了光盘的容量。

可用于光致变色掩膜层的材料有螺吡喃、螺恶嗪、俘精酸酐类、偶氮类等有机化合物。上述的光致变色掩膜层可采用表面旋涂工艺制备：将光致变色化合物，例如，吡咯取代的俘精酸酐衍生物，溶于含有有机溶剂中，旋涂在已经预压有伺服槽或信息凹坑的盘基上的相应层上，待溶剂挥发风干即成。

本发明设计的带有光致变色超分辨率掩膜层的光盘有几种不同的结构：

图3是只有一层记录层的光盘，掩膜层位于盘基和记录层之间。读写光斑透过掩膜层，在记录层上形成尺度缩小的实际光斑，所述的掩膜层和记录层的厚度总和小于读写系统的焦点深度。

图4是一种带有掩膜层的多层多波长光盘结构。记录层n对应的读写波长λn最长，掩膜层位于第n层记录层与第n-1层记录层之间。只将波长为λn的读写光斑缩小尺度，不影响其他波长的读写光斑，所述的掩膜层和记录层的厚度总和小于读写系统的焦点深度。

图5是带有掩膜层的多层多波长光盘中的另一种结构。掩膜层位于盘基与第一层记录层之间。读写光束的某一组分起到“开启光的作用”使掩膜层产生超衍射极限孔径，从而使读写光斑透过掩膜层时，缩小所有读写波长λ1～λn的读写光斑尺寸，所述的掩膜层和记录层的厚度总和小于读写系统的焦点深度。

图6带有掩膜层的多层多波长光盘第三种结构。掩膜层位于中间某一记录层m和m-1之间。掩膜层只将对应记录层m～n的读写光斑缩小尺度，其对应波长为λm～λn，不影响其他波长的读写光斑，所述的掩膜层和记录层的厚度总和小于读写系统的焦点深度。

图7是只读光盘，掩膜层位于盘基和反射层之间。读出光斑透过掩膜层，在已经预压有信息凹坑的盘基上形成尺度缩小的实际光斑，所述的掩膜层厚度与预压凹坑深度的总和小于读写系统的焦点深度。

上述图1～图6带有掩膜层的光盘的一个实例是：每个记录层厚度为50nm，掩膜层厚度为50nm，反射层厚度为50nm，保护层厚度为20μm，盘基厚度为1mm。掩膜层采用吡咯取代的俘精酸酐衍生物。

上述图1～图6带有掩膜层的光盘的另一个实例是：每个记录层厚度为60nμm，掩膜层厚度为80nm，反射层厚度为60nm，保护层厚度为30μm，盘基厚度为1.1mm。掩膜层螺恶嗪衍生物。

上述图1～图6带有掩膜层的光盘的第三个实例是：每个记录层厚度为70nm，掩膜层厚度为70nm，反射层厚度为40nm，保护层厚度为50μm，盘基厚度为1.1mm。掩膜层螺吡喃类化合物。

上述图7带有掩膜层的只读光盘的一个实例是：掩膜层厚度为50nm，反射层厚度为50nm，保护层厚度为20μm，盘基厚度为1mm。掩膜层采用吡咯取代的俘精酸酐衍生物。

上述图7带有掩膜层的只读光盘的另一个实例是：掩膜层厚度为80nm，反射层厚度为60nm，保护层厚度为30μm，盘基厚度为1.1mm。掩膜层螺恶嗪衍生物。

上述图7带有掩膜层的只读光盘的第三个实例是：掩膜层厚度为70nm，反射层厚度为40nm，保护层厚度为50μm，盘基厚度为1.1mm。掩膜层螺吡喃类化合物。

Claims (5)

1、一种带有有机光致变色超分辨率掩膜层的光盘，该光盘包括保护层，反射层，记录层和盘基，上述各层依次相互排列，其特征在于该光盘还包括掩膜层，所述的掩膜层置于盘基和记录层之间；其中光盘总厚度为1mm～10mm，掩膜层厚度为50nm～100nm，记录层厚度为50nm～100nm，反射层厚度为40nm～100nm，保护层厚度为20nm～50nm，盘基厚度为1mm～1.1mm。

2、一种带有有机光致变色超分辨率掩膜层的光盘，该光盘包括保护层，反射层，记录层和盘基，上述各层依次相互排列，其特征在于该光盘还包括掩膜层，所述的记录层有n层上述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层依次排列，所述的掩膜层置于第n-1层记录层和第n层记录层之间；所述的光盘总厚度为1mm～10mm，其中掩膜层厚度为50nm～100nm，每层记录层厚度为50nm～100nm，反射层厚度为40nm～100nm，保护层厚度为20nm～50nm，盘基厚度为1mm～1.1mm。

3、一种带有有机光致变色超分辨率掩膜层的光盘，该光盘包括保护层，反射层，记录层和盘基，上述各层依次相互排列，其特征在于该光盘还包括掩膜层，所述的记录层有n层，上述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层依次排列，上述掩膜层置于第m-1层记录层和第m层记录层之间，其中1＜m＜n；所述的光盘总厚度为1mm～10mm，其中掩膜层厚度为50nm～100nm，每层记录层厚度为50nm～100nm，反射层厚度为40nm～100nm，保护层厚度为20nm～50nm，盘基厚度为1mm～1.1mm。

4、一种带有有机光致变色超分辨率掩膜层的光盘，该光盘包括保护层，反射层，记录层和盘基，上述各层依次相互排列，其特征在于该光盘还包括掩膜层；所述的记录层有n层，上述n层记录层的第1～n层从盘基到反射层依次排列，所述的掩膜层置于盘基和第1层记录层之间；所述的光盘总厚度为1mm～10mm，其中掩膜层厚度为50nm～100nm，每层记录层厚度为50nm～100nm，反射层厚度为40nm～100nm，保护层厚度为20nm～50nm，盘基厚度为1mm～1.1mm。

5、一种带有有机光致变色超分辨率掩膜层的光盘，该光盘包括保护层，反射层，和预压有信息坑点的盘基，上述各层依次相互排列，其特征在于该光盘还包括掩膜层，所述的掩膜层置于盘基和反射层之间；所述的光盘厚度为1mm～10mm，其中掩膜层厚度为50nm～100nm，信息凹坑深度为50nm～100nm，反射层厚度为40nm～100nm，保护层厚度为20nm～50nm，盘基厚度为1mm～1.1mm。

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