CN1188844C - 高密度信息存储光盘及其读取装置和方法 - Google Patents

Abstract

高密度信息存储光盘及其读取方法是一种用于高密度信息存储的光盘及其读取装置。高密度信息存储光盘，由基片103、信息记录层102、封装层101所组成，在基片的上面为信息记录层，在信息记录层的上面为封装层，其特征在于信息记录层中的每个记录点21由两种或两种以上的不同发光特性的记录介质22混合而成，每一种记录介质表示一个多位二进制数中的某一位，利用n种记录介质可使每一个记录点代表n位二进制的数。读取方法是用聚焦式短波长激发光源301照射记录点；用覆盖有不同波长滤波片302的光电转换CCD阵列303按特征波长大小的顺序编制数据位，接收由记录点发回的不同波长的光，经过光电转换将各种不同波长的光信号转换为对应的“0”或“1”电信号，从而使一个信息记录点上由n种记录介质记录的n个比特的数据读取出来。

Description

高密度信息存储光盘及其读取装置和方法

一、技术领域

本发明是一种用于高密度信息存储的光盘及其读取装置和方法。特别是涉及利用不同发光光谱特性的组合式记录介质产生的特征光谱，实现单一记录点信息存储量高于1比特功能的装置，属于高密度信息存储技术领域。

二、背景技术

作为实现海量信息处理与传输技术基础的高密度大容量信息存储技术，随着信息产业的日益发展越来越受到人们的重视。信息存储的核心问题是单位尺度记录介质上所能存储信息容量的高低，即信息的存储密度。就当前的信息存储技术而言，主要采用的是磁带、磁盘、光盘等方法。磁带与磁盘技术的信息记录介质均为磁性介质材料，它是通过外场对磁介质中局域磁畴取向的改变来实现二进制的信息记录。以最先进的10Gb/in²的存储密度估算，其记录点的尺寸约为100nm。光盘则是利用记录介质表面反光特性的差异来实现二进制的信息记录，目前最为先进的蓝光DVD盘片的轨道间距已达到320nm(仅仅是当前红光DVD盘片的一半)，而其记录单元——凹槽(或化学物质相变单元)的最小直径约为140nm。磁盘同光盘相比具有记录密度高、读写速度快等优点，但成本较高，也易受外场的影响。

从磁盘、光盘的发展过程来看，提高记录密度的主要途径是通过不断减小记录点的尺寸。但因受到读写装置中有关激发探测单元(光盘为激光束、磁盘为读写头)的实际尺寸或物理效应的限制，记录点的尺寸不能无限地减小下去。目前实验室中利用近场扫描探针技术可以将记录点尺寸减小至20nm左右，这可能是记录点的最小尺寸。

虽然现有光盘或磁盘的记录介质不同，但它们在单个记录点记录的信息均为二进制数0或1，也就是单点记录的信息为一比特，这一特点使提高单盘面记录密度的途径仅限制在通过减小单元记录点的尺寸方面。另一种实现高密度信息存储的方式是将信息的记录形式从现在的二维拓展为三维。例如，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，可实现三维多重体全息存储，获得极高的存储容量。但是全息存储同现有技术及工艺的结合存在一定的困难，因此势必造成较高的记录成本。

三、技术内容

1、技术问题

本发明的目的在于提供一种成本低、兼容性强、信息存储量大的高密度信息存储光盘及其读取方法。

2、技术方案

本实用新型的高密度信息存储光盘，由基片、信息记录层、封装层所组成，在基片的上面为信息记录层，在信息记录层的上面为封装层，其特征在于信息记录层中的每个记录点由两种或两种以上的不同发光特性的记录介质混合而成，每一种记录介质表示一个多位二进制数中的某一位，利用n种记录介质就可使每一个记录点代表n位二进制的数，即n比特的信息。

每个记录点中的各种记录介质为微粒状，采用打印、滴定、涂敷、印刷的方式将记录介质制备在基片上，或采用压电喷涂法、扫描探针蘸液直写法、母板套印法将记录介质制备在基片上。每个记录点中的多种记录介质为重叠或顺序排列。

本发明的高密度信息存储光盘中的读取装置包括激光光源以及由窄带通光学滤波片、光电接收转换CCD阵列、解码电路组成的读取头。激光光源安装在读取头上，读取头中的光电接收转换阵列的输出信号依次连接解码电路中的信号放大电路、模数转换电路、译码电路、编码校验电路，从解码电路输出信号在输入常规光盘的信息转换电路。

本发明的高密度信息存储光盘的读取方法是用聚焦式短波长激光光源照射记录点；用覆盖有不同波长滤波片的CCD阵列按特征波长大小的顺序编制数据位，接收由记录点发回的不同波长的光，经过光电转换将各种不同波长的光信号转换为对应的“0”或“1”电信号，从而使一个信息记录点上记录的n个比特的数据读取出来。

本发明利用不同组合的记录介质产生的特征光致发光光谱来存储信息，因此单个记录点的信息记录容量可大于1比特，进而可实现一种新的高密度信息存储光盘。该高密度信息存储光盘技术主要包括单元记录点的编码与解码、记录介质的选择、光盘中信息的存储与读取等过程；

编码是将具有不同发光特性、且发光特性能够被区分的不同记录介质按信息编码要求，分散组装到信息记录载体相应的记录点上；解码是用一短波长光源激发记录载体，使各记录点中不同的记录介质发出相应的组合特征光谱，并利用窄带通光学滤波片分别获取对应不同记录介质的特征光谱，从而获取各种记录介质所携带的编码信息；

高密度信息存储光盘的记录介质可选用能发出从可见到红外波段不同波长的、半高宽很窄的发光光谱材料或分子，如一些特殊的纳米结构(纳米点、纳米线、纳米空腔等)与特殊的染料分子等；

若利用记录介质将一串信息按编码要求依次顺序写到光盘的每个记录点上，最终就形成了本发明提出的高密度信息存储光盘；该光盘(图1)在结构上包括三层，最下一层为基片，可采用低荧光产率的材料；中间一层为信息记录层，其中每个记录点均包含大于1比特的一段信息，因此每个记录点至少需要有两种不同发光特性的记录介质，同一记录点内对各种记录介质的位置无特殊要求，不同的记录介质可互相重叠；记录介质的种类越多，单个记录点可存储的信息量也越大；记录点中记录介质的制备可采用打印、滴定、涂敷、印刷等方式制备；最上一层为封装层，可采用荧光产率低、透光率高、化学稳定性好的材料，如高聚物薄膜等；光盘上已存储信息的读取可依托常规的光盘读取技术，并结合特制的读取头加以实现；

由组合式记录介质所构成的信息存储光盘具有高密度存储特性的原理简介如下：采用至少两种发光波长不同的记录介质，例如以发光中心波长分别为500nm(I)、550nm(II)、600nm(III)和650nm(IV)的四种记录介质(如纳米量子点)为例，将这些具有不同发光特性(波长与半高宽)、且发光特性能够被区分的不同记录介质组装到光盘的某一相同记录点位置上；若该记录点包含所有上述四种纳米量子点时，获得的发光光谱就应包含500nm、550nm、600nm和650nm四个不同峰位，则将对应的信息记为(1111)；若完全没有上述四种纳米量子点，则光谱无上述发光峰，对应信息记为(0000)；若仅有I、III、IV三种纳米量子点，对应信息则为(1011)；若仅有II、IV两种纳米量子点，对应信息则为(0101)；以此类推；

上述方案实际是利用了不同的记录介质来提高单个记录点的信息记录容量，不同于常规的信息记录方法，每个记录点仅存储1比特的信息，该方案则利用了4种不同记录介质的组合来表示信息，故每记录点的信息可增加到4比特，因此本方案中的一个记录点就相当了常规光盘中的四个记录点，故可明显提高单位面积上的信息存储容量；显然，每个记录点组合的不同记录介质越多，则其存储容量越大；

本发明提出的组合式记录介质高密度信息存储光盘的存储容量可估计如下：若具有发光特征波长分别为450、475、500、......1375、1400nm，且其发光光谱的半高宽均小于25nm的多种记录介质，利用中心波长对应上述波长、带通宽度小于20nm的各种窄带通光学滤波片，则可以分辨这些不同的记录介质，因此上述可以用于信息存储的记录介质种类共有n＝(1400-450)/25+1＝39；由于单个记录点包含的信息比特数同记录介质的种类相同，故每个记录点的信息可提高到39比特；借助现有的打印、涂敷、印刷等技术，单个记录点的尺寸可以很容易控制在5μm左右，因此记录点的密度可达25.8Mb/in²，考虑到每记录点可存储39比特信息，故存储密度将达到1Gb/in²；同现有的DVD存储方法比较：对红光DVD存储密度约为200Mb/in²，其记录点尺寸约为500nm，蓝光DVD为1Gb/in²，其记录点尺寸约为200nm，则该方案的高密度记录效果完全可同现正努力研发的蓝光DVD记录方式相比；

本信息存储光盘中信息的读取过程包括：利用读取头对光盘的扫描、对记录点的激发、探测、解码和转换等；读取头由激发光源与探测器组成，激发光源是安装在探测器上的短波长激发光源；探测器包括窄带通光学滤波片、光电接收转换阵列与解码电路；不同波长的窄带光学滤波片可采用具有不同折射率的氧化物，通过精确的多层薄膜光学制备方法实现，滤波片特性要求为：针对相应的特征透射波长的透光率应高于93％，带宽分辨能力优于20nm，对其它波长的透光率应低于2％；光电接收单元阵列可由全色CCD构成；光电转换后的信号通过解码电路输出后输入常规光盘的信息转换电路，读取头的扫描可借助常规光盘技术中的扫描伺服读取方法；通过解码与转换电路，就可以将该光盘记录的信息转变为通常的二进制信息串，进而获取相应的图象与声音等信息；

3、有益效果

本发明与现有的高密度DVD存储光盘相比：后者记录密度的提高是通过尽量减小记录点的尺寸来实现的，工艺要求很高，且具有一定的极限限制；而前者存储密度的提高是通过增加单位记录点的信息存储容量来实现的，对记录点尺寸的大小无特殊的要求，因此通过较为简单的工艺，也可实现高密度的信息存储；

本发明的高密度信息存储光盘具有明显的技术优势：不同记录介质的种类决定了单元记录点可记录信息的比特数，因此理论上可实现极高的记录密度；由于每个记录点可包含较多数量的记录介质，所以可保证信息存储有较好的稳定性及灵敏度；记录介质有很快的光响应，因此信息读取的速度仅受限于伺服与解码等后续电路，至少可达到现有光盘的读取速度；此外，记录介质成本低、无能耗、高环保，光盘的制备工艺较为简单，并同现有的高密度存储技术及微电子工艺兼容，易于大规模开发与集成。

四、附图说明

图1为高密度存储光盘的结构示意图，右边的局部放大图中有封装层101、记录层102、基片103。

图2为81比特信息存储九个记录点21位置分布示意图，分别按A、B、C、D、E、F、G、H、I顺序排列。

图3为利用压电喷注技术存储信息示意图。

图4为母版套印存储技术中母版的设计(对应图2各记录点位置)及母版上针尖的结构示意图。图中阴影记录点表示安置了相应的纳米量子点，空白的记录点则无相应纳米量子点。

图5为3×3滤波片及光电转换阵列光电探测器的布局示意图，其中数字表示各单元探测的不同数据位。

图6为读取头的结构示意图。

图7为高密度信息存储读取装置的结构示意图。

图8为读取头的读取过程示意图。

五、具体实施方案

本发明的高密度信息存储光盘，由基片103、信息记录层102、封装层101所组成，在基片的上面为信息记录层，在信息记录层的上面为封装层，信息记录层中的每个记录点21由两种或两种以上的不同发光特性的记录介质22混合而成，每一种记录介质表示一个多位二进制数中的某一位，利用n种记录介质可使每一个记录点代表n位二进制的数。每个记录点中的各种记录介质为微粒状，采用打印、滴定、涂敷、印刷的方式将记录介质制备在基片上，或采用压电喷涂法、扫描探针蘸液直写法、母板套印法将记录介质制备在基片上。每个记录点中的多种记录介质为重叠或顺排列。高密度信息存储光盘的读取方法是用聚焦式短波长激发光源301照射记录点；用覆盖有不同波长滤波片302的光电转换CCD阵列303按特征波长大小的顺序编制数据位，接收由记录点发回的不同波长的光，经过光电转换将各种不同波长的光信号转换为对应的“0”或“1”电信号，从而使一个信息记录点上记录的n个比特的数据读取出来。

例如：利用组合式半导体纳米量子点构成高密度信息存储光盘，以及利用窄带通光学滤波片构成的读取头。

1.半导体纳米量子点与窄带通光学滤波片的制备

(1)利用金属有机前驱体热解法(Injection of precursor molecules into a hotsurfactant，《Nature》，404，59)等技术制备各种半导体纳米材料，通过对纳米材料的颗粒尺寸、组成成分与表面结构等性质的控制，得到具有不同发光特征的光谱；本例由半导体纳米材料所构成的各种记录介质的光学特性如下：CdS的特征波长分别位于430、460、490左右，CdSe的特征波长分别位于520、550、580、610、640、670nm左右，上述各记录介质的发光峰半宽小于30nm；这样共获得9种具有不同特征光谱的纳米量子点记录介质，并将各介质分别存储在相应的氯仿等有机溶液中；

(2)采用氧化硅与氧化铌材料制备多层膜结构的窄带通光学滤波片，通过控制多层膜中的层数、周期厚度及每单层厚度，可制备出9种窄带通光学滤波片，他们的带通特征波长分别对应上述各种纳米量子点的特征发光波长，带通宽度约为20nm(小于纳米量子点的发光半高宽)；也可以委托日本Shincron公司或中国科学技术大学-Shincron先进薄膜工艺与材料联合实验室加工制备上述窄带通光学滤波片；

2.信息存储

例如需要存储111011001 010110011 100001111 001101011 011110001111000100 001110101 110110111 000011100共81比特的信息，常规的光盘存储需要81个记录点。本方案则利用9个记录点就可存储上述信息。具体步骤如下：

(1)将上述9种纳米点分别对应一个数据位，并将它们的有无(通过光谱方法探测)与二进制信息对应，具体对应情况见表1：

表1各纳米量子点的发光中心波长、代码、数据位标号、光谱特性与二进制信息的关系

中心波长    430    460   490   520   550    580   610   640   670
	纳米点代码  i      h     g     f     e      d     c     b     a
数据位标号  9      8     7     6     5      4     3     2     1
	纳米点光谱  有/无  有/无 有/无 有/无 有/无  有/无 有/无 有/无 有/无
二进制信息  1/0    1/0   1/0   1/0   1/0    1/0   1/0   1/0   1/0

(2)将上述81比特信息分组标记成9个不同位置的记录点(其在光盘上的位置参见图2)，则对于每个记录点而言都是由9个数据位组成：

A： 111011001；B： 010110011；C： 100001111；D： 001101011；E： 011110001

F： 111000100；G： 001110101；H： 110110111；I： 000011100

各记录点中纳米量子点的配置与二进制信息对应关系分别如下表所示：

记录点A： 111011001

数据位标号    9   8   7   6   5    4    3   2  1
	二进制信息    1   1   1   0   1    1    0   0  1
纳米点光谱    有  有  有  无  有   有   无  无 有
	纳米点代码    i   h   g   /   e    d    /   /  a
中心波长(nm)  430 460 490 /   550  580  /   /  670

记录点B： 010110011

数据位标号    9   8   7   6   5    4   3   2    1
	二进制信息    0   1   0   1   1    0   0   1    1
纳米点光谱    无  有  无  有  有   无  无  有   有
	纳米点代码    /   h   /   f   e    /   /   b    a
中心波长(nm)  /   460 /   520 550  /   /   640  670

记录点C： 100001111

数据位标号    9   8   7   6   5   4   3   2   1
	二进制信息    1   0   0   0   0   1   1   1   1
纳米点光谱    有  无  无  无  无  有  有  有  有
	纳米点代码    i   /   /   /   /   d   c   b   a
中心波长(nm)  430 /   /   /   /   580 610 640 670

记录点D： 001101011

数据位标号    9   8   7   6    5   4    3   2    1
	二进制信息    0   0   1   1    0   1    0   1    1
纳米点光谱    无  无  有  有   无  有   无  有   有
	纳米点代码    /   /   g   f    /   d    /   b    a
中心波长(nm)  /   /   490 510  /   570  /   640  670

记录点E： 011110001

数据位标号    9   8    7   6   5   4   3   2   1
	二进制信息    0   1    1   1   1   0   0   0   1
纳米点光谱    无  有   有  有  有  无  无  无  有
	纳米点代码    /   h    g   f   e   /   /   /   a
中心波长(nm)  /   460  490 510 540 /   /   /   670

记录点F： 111000100

数据位标号    9   8   7   6   5   4   3    2   1
	二进制信息    1   1   1   0   0   0   1    0   0
纳米点光谱    有  有  有  无  无  无  有   无  无
	纳米点代码    i   h   g   /   /   /   c    /   /
中心波长(nm)  430 460 490 /   /   /   610  /   670

记录点G： 001110101

数据位标号    9   8   7    6   5    4   3    2   1
	二进制信息    0   0   1    1   1    0   1    0   1
纳米点光谱    无  无  有   有  有   无  有   无  有
	纳米点代码    /   /   g    f   e    /   c    /   a
中心波长(nm)  /   /   490  520 550  /   610  /   670

记录点H： 110110111

数据位标号    9   8    7   6    5   4  3   2   1
	二进制信息    1   1    0   1    1   0  1   1   1
纳米点光谱    有  有   无  有   有  无 有  有  有
	纳米点代码    i   h    /   f    e   /  c   b   a
中心波长(nm)  430 460  /   520  550 /  610 640 670

记录点I： 000011100

数据位标号    9   8   7   6   5   4    3    2   1
	二进制信息    0   0   0   0   1   1    1    0   0
纳米点光谱    无  无  无  无  有  有   有   无  无
	纳米点代码    /   /   /   /   e   d    c    /   /
中心波长(nm)  /   /   /   /   550 580  610  /   /

(3)将信息存储到记录点上，可采用下面三种方法之一或其它方法：

(i) 压电喷注法。将上述9种纳米量子点溶液分别注入对应标号的压电喷注盒中(见图3)，借助压电喷注技术(当压电陶瓷受电压驱动膨胀时，挤压喷注盒中的纳米量子点溶液，使其从喷嘴快速喷出)，将对应各信息的不同纳米点组合喷注到基片上相应的记录点位置上(基片可采用低荧光产率的材料制作，如硅、玻璃、塑料等)；例如对于A记录点，需要将驱动压电陶瓷的电压分别加到1、4、5、7、8、9等六个数据位对应的喷嘴上，使a、d、e、g、h、i等6种纳米量子点组合喷注到基片的A记录点位置上，从而使该记录点存储上111011001的二进制信息；而对B记录点则将驱动压电陶瓷的电压分别加到1、2、5、68等五个数据位对应的喷嘴上；其余记录点的情况类推；这种方法得到的记录点尺寸约为10μm；

(ii) 扫描探针蘸液 直写法。利用扫描探针显微镜的蘸液直写(Dip-Pen)方法(《Science》，283，661)，借助多探针技术(本方案可采用9根探针)，每根探针分别蘸上包含上述9种纳米量子点的溶液，然后类似(i)中的方法，分别在基片的A～I等9个记录点位置上根据信息要求，按所需数据位分别写入相应的纳米量子点；这种方法得到的记录点的尺寸可小于0.5μm；

(iii) 母版套印法。将上述蘸液直写技术应用到母版制备上，可方便地重复快速存储信息；母版的设计与制备方法简述如下：本方案中需要九块母版，分别对应1～9号数据位(或纳米量子点a～i)，如图4所示，其中母版中的阴影区表示有突出的针尖状结构(见放大图)；母版材料是硅或氮化硅，其制备方法可利用微电子工艺中的光刻技术；根据2(2)中A～I各记录点记录的信息，母版1所提供的对应数据位为1的a纳米点应在A、B、C、D、E、G、H等七个记录点位置出现(即需要在上述记录点位置刻出针尖)；母版2所提供的对应数据位为2的b纳米点应在B、C、D、H等四个记录点出现；母版3所提供的对应数据位为3的c纳米点应在C、F、G、H、I等五个记录点出现；余类推；则共可以得到九块相应的母版；将上述母版1带有针尖的一面蘸上相应的纳米溶液a，然后对准光盘基片上相应的需要存储该信息的记录点位置(图2)，并将纳米量子点a套印在光盘的相应位置上；依次对其它8块母版进行上述操作(各母版蘸对应的纳米溶液，如母版2对应纳米量子点b溶液，余类推)，就完成了光盘信息的存储过程；这种方法得到的记录点尺寸约为2μm；

3.光盘的封装

利用甩胶工艺将稀释(浓度～2％)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液均匀覆盖到光盘面上，覆盖层厚度约为100nm，就完成了光盘封装；

4.信息的读取

(1)选择全色成像高灵敏度CCD(例如：Panasonic公司生产的规格为MN39116KT的CCD)构成光电转换探测器阵列；将CCD中的光敏元件组合成3×3的阵列(每单元阵列尺寸约为0.3mm×0.3mm，大尺寸的阵列有助提高信号探测的灵敏性)，并在该阵列前安置步骤1(2)中制备的相应的0.3mm×0.3mm大小的9种滤波片(参见图5)；

(2)将覆盖有不同滤波片的CCD阵列按特征波长大小的顺序编制数据位(具体见表1)，即覆盖有670nm波长滤波片的阵列单元对应为第1数据位，覆盖430nm波长滤波片的阵列单元对应为第9数据位(参见图5)；

(4)将聚焦式短波长激发光源(例如波长为380nm的蓝光激光器)、上述覆盖9种滤波片的光电转换元件阵列及其相应的解码电路304(其中包括信号放大305、模数转换306、译码307、编码校验308等电路)构成读取头(参见图6)，再与常规的光盘读取装置中的扫描电路、信息转换电路等一起即可组成本发明的光盘读取装置(图7)。在作为扫描电路的伺服电路控制下，用聚焦式短波长激发光源扫描并激发光盘上各信息记录点，并利用上述覆盖有窄带通滤波片的CCD阵列将光信号转换为电信号，再经解码电路读出相应的二进制代码；例如当扫描到A记录点时，二进制输出为：111011001；扫描到E记录点时，二进制输出为：011110001(参见图8)；当顺序扫描完A～I等9个记录点后，就得到了光盘中存储的完整信息(图8)：111011001 010110011 100001111 001101011011110001 111000100 001110101 110110111 000011100；再由后续的信息转换电路将其转换成所代表的相应图像或声音等。

Claims (5)

 1、一种高密度信息存储光盘，由基片(103)、信息记录层(102)、封装层(101)所组成，在基片(103)的上面为信息记录层(102)，在信息记录层(102)的上面为封装层(101)，其特征在于信息记录层(102)中的每个记录点(21)由两种或两种以上的不同发光特性的记录介质(22)混合而成，每一种记录介质表示一个多位二进制数中的某一位，利用n种记录介质(22)可使每一个记录点(21)代表n位二进制的数。

2、根据权利要求1所述的高密度信息存储光盘，其特征在于每个记录点(21)中的各种记录介质(22)为微粒状，采用打印、滴定、涂敷、印刷的方式将记录介质制备在基片(103)上，或采用压电喷涂法、扫描探针蘸液直写法、母板套印法将记录介质制备在基片(103)上。

3、根据权利要求1或2所述的高密度信息存储光盘，其特征在于每个记录点(21)中的多种记录介质(22)为重叠或顺序排列。

4、一种用于权利要求1所述的高密度信息存储光盘的读取装置，其特征在于读取装置包括激光光源(301)以及由窄带通光学滤波片(302)、光电接收转换CCD阵列(303)、解码电路(304)组成的读取头，激光光源(301)安装在读取头上，读取头中的光电接收转换阵列(303)的输出信号依次连接解码电路(304)中的信号放大电路(305)、模数转换电路(306)、译码电路(307)、编码校验电路(308)，解码电路(304)的输出端接常规光盘中的信息转换电路。

5、一种高密度信息存储光盘的读取方法，其特征在于用聚焦式短波长激光光源照射记录点(21)；用覆盖有不同波长滤波片的CCD阵列按特征波长大小的顺序编制数据位，接收由记录点(21)发回的不同波长的光，经过光电转换将各种不同波长的光信号转换为对应的“0”或“1”电信号，从而使一个信息记录点上由n种记录介质记录的n个比特的数据读取出来。

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