DE69102421T2

DE69102421T2 - Aufzeichnungsträger und verfahren zum abspeichern und lesen von daten.

Info

Publication number: DE69102421T2
Application number: DE69102421T
Authority: DE
Inventors: Per-Erik Nordal
Original assignee: Dyno Particles AS
Current assignee: Dyno Particles AS
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2011-01-18
Also published as: LV11390A; EP0513062B1; NO179886C; ATE107068T1; WO1991011804A1; NO900443L; DE69102421D1; JPH05506530A; AU7142191A; DK0513062T3; NO179886B; NO900443D0; EP0513062A1; LV11390B; ES2057861T3; US5384764A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Datenspeichermedium und Verfahren zum Aufzeichnen und Lesen von Daten auf/von dem Medium.
Insbesondere wird ein Konzept zum optischen Speichern von Information auf Datenträgern, wie etwa Fiches, Karten oder Band beschrieben.
Die Oberfläche des Datenträgers ist vollständig oder teilweise mit fokussierenden Mikrostrukturen nahe einer Schicht bedeckt, die ihre optischen Eigenschaften ändern kann, wenn sie intensivem Licht ausgesetzt ist. (Nachfolgend wird diese Schicht der Einfachheit halber in den meisten Fällen als der "Brennfilm" bezeichnet. Dieser Ausdruck bedeutet keine besondere Ausführung dieser Schicht, die von dem reversiblen oder irreversiblen Typ sein kann, s. unten.) Während der Aufzeichnung von Daten werden diese lokalen Änderungen in der Schicht dadurch erzeugt, wodurch man die Mikrostrukturen des Lichts fokussieren läßt, wodurch man auf der Schicht eine hohe Lichtintensität erhält. Während des Lesens von Daten können die optischen Mikrostrukturen als eine aktive optische Komponente wirken, die die Leseausrüstung unterstützt.
Durch Verwendung beispielsweise transparenter Mikrokugeln (typischer Durchmesser: 1 bis 100 um) als Fokussierungselemente, die über einem optisch absorbierenden Film angeordnet sind, läßt sich eine enge Fokussierung und eine hohe Datenspeicherkapazität ohne die Komplexität und die Aufwendungen erreichen, die andernfalls für ein Speicher- und Lesesystem erforderlich wären, das auf die lichtabsorbierende Schicht direkt fokussiert. Unter Verwendung schräger Beleuchtung durch die Mikrokugeln ergibt sich die Möglichkeit zum Speichern einer hohen Anzahl von Datenbits an der Stelle jeder Mikrokugel sowie für hierarchisch aufgebaute Datenbasen, in bestimmten Fällen kombiniert mit Datenschutz. Leichtes Voraufzeichnen auf massenproduzierten Datenträgern wird möglich. Während des Lesens von Daten wirken die Mikrokugeln als Hilfsoptiken, die es ermöglichen, beispielsweise große Datenblocks ohne die Verwendung eines Lasers zu lesen.
Das Speichern von Daten mittels Laserstrahlen, die eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften eines dünnen Films auf einem ebenen Substrat erzeugen, sind gut bekannt, beispielsweise aus SPIE Vol. 329 (1982) "Optical Disk Technology", SPIE Vol. 490 (1984) "Applications of Optical Digital Data Disk Storage System", SPIE Vol. 695 (1986) "Optical Mass Daten Storage II", SPIE Vol. 899 (1988) "Optical Storage Technology and Applications", SPIE Vol. 1078 (1989) "Optical Data Storage Topical Meeting". Die Änderung der optischen Eigenschaften kann reversibel sein, wodurch die gespeicherten Daten gelöscht und durch neue Daten ersetzt werden können.
Alternativ können die Änderungen der optischen Eigenschaften irreversibel sein, wodurch es unmöglich wird, zu löschen und/oder neue Daten aufzuzeichnen. Speichermedien des letztgenannten Typs werden oft als WORM (Write Once Read Many Times)-Medien bezeichnet.
Ein übliches Verfahren zum Vorbereiten von WORM-Medien besteht aus dem Auflagern eines dünnen Films aus Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie etwa Te, auf einem Substrat, das eine Kunststoffscheibe ist. Während des Datenspeicherns wird jedes Bit durch den physikalischen Zustand des bestimmten Filmbereichs repräsentiert, der für die Speicherung des Bits bestimmt ist (eine Elementardatenspeicherzelle mit ihrer Adresse), d.h. ob dieser Bereich durch Aussetzen zu Licht irreversibel geändert wurde oder ob er unverändert blieb. Unserer Kenntnis nach beruhen alle praktischen optischen Datenspeichersysteme insoweit auf der Reflektion von dem Brennfilm. Die irreversible Änderung besteht in diesem Fall auf einem Anstieg oder einer Abnahme der Reflektivität jeder Zelle, wenn ein fokussierter Laserstrahl den Brennfilm erwärmt. Hierdurch wird in dem Film ein Loch erzeugt, durch das Licht hindurchtreten kann, oder der Film wird geglättet, so daß seine Reflektivität ansteigt. Es können verschiedene andere Prozesse verwendet werden, beispielsweise lokale Verformung des Substrats, was die Reflektivität beeinflußt. Das Lesen wird in den meisten Fällen durch Prüfen der Reflektivität jeder Zelle mittels eines fokussierten Laserstrahls geprüft, der Oberfläche des Datenträgers systematisch abtastet. Dieser Laserstrahl ist zu schwach, um die Reflektivität zu beeinflussen.
Aus der NO-Patentanmeldung 86.4041 (= DE 3536739) ist ein Datenspeichermedium des optischen Typs bekannt, welches Medium mit fokussierenden optischen Strukturen versehen ist, die in dem Medium zusammen mit und oben auf einem Material integriert sind, dessen optische Eigenschaften durch Bestrahlung mit Licht geändert werden können. Dieser bekannte Datenträger ist jedoch nur zum Speichern von sichtbaren Daten geeignet, das sind Bilder, die visuell erkennbar sind und die aus Punkten bestehen, die zum Erzeugen eines Bildes zusammen zu interpretieren sind. Erzeugen lassen sich "Kippbilder" aufgrund der optischen Strukturen, d.h. eines Linsenrasters oder einer Linsenanordnung, weil die Linsen in der Lage sind, in Abhängigkeit von der Richtung der Beleuchtung Licht auf bestimmte kleine Bereiche unterhalb der Linsen zu richten. Die Linsen sind jedoch relativ groß, der Variationsbereich des Linsendurchmessers ist mit 150 - 500 um anzugeben, empfohlen etwa 400 um. Daher betrifft die beschriebene Technik kein Datenspeichermedium zum optimierten "dichten Packen" beispielsweise digitaler, unabhängig interpretierbarer Datenbits, sondern nur einen punktstrukturierten Bildspeicher des direkt sichtbaren Typs. In der NO- Patentanmeldung 86.4041 ist nur das irreversible Aufzeichnen von Daten beschrieben.
Ein Hauptziel zur Verwendung optischer Datenspeichermedien anstatt magnetischer ist die sehr hohe erreichbare Speicherdichte, kombiniert mit einer guten Langzeitstabilität (beispielsweise Immunität gegen Magnetfelder). Das optische Datenspeichern unterliegt jedoch sowohl grundlegenden als auch praktischen Einschränkungen, und man muß zwischen den verschiedenen erwünschten Merkmalen Kompromisse machen, von denen die wichtigsten sind:
1) Große Anzahl gespeicherter Bits pro Flächeneinheit
2) Niedrige Laserenergie zum Aufzeichnen jedes Bits
3) Hoher Kontrast beim Lesen der Information
4) Schnelles Aufzeichnen und Lesen
5) Kurze wahlfreie Zugriffszeit
6) Robustes und stabiles Datenspeichermedium
7) Billiges Datenspeichermedium
8) Billige Aufzeichnungs- und Leseausrüstung
9) Mäßige Anforderungen an präzises Fokussieren (Abstandssteuerung).
Derzeitige Techniken haben verschiedene Einschränkungen/Probleme. Man betrachte zunächst die Aufzeichnungs- und Datensysteme: Wenn man eine hohe Datenspeicherdichte wünscht, braucht man einen Laserstrahl zum Datenaufzeichnen, der auf den Brennfilm mittels sehr schneller Optiken fokussiert wird (Linse mit niedriger f-Zahl). Theoretisch läßt sich der Lichtstrahl unter optimalen Bedingungen auf einen Durchmesser von etwa der Wellenlänge des verwendeten Lichts fokussieren. Es wurden praktische Systeme realisiert, die diesem sehr nahe kommen, mit Brennpunktdurchmessern von 0,5 bis 1 um. Jedoch werden bei derart starker Fokussierung die Erfordernisse an die mechanische Steuerung der Linse sehr streng:
Der Abstand der Linse zu dem Brennfilm muß sehr genau gesteuert sein: Einerseits divergiert der Brennpunkt des Laserstrahls sehr schnell, und in einem Abstand von z/2 von dem Brennpunkt verdoppelt sich der Durchmesser (unter Voraussetzung eines Gauß'schen Lichtstrahls, s. Fig. 1). z läßt sich als ein Maß der "Tiefe des Felds" interpretieren, die mit dem Strahldurchmesser w an dem Brennpunkt und die Lichtwellenlänge λ durch die Gleichung korreliert ist:
z = π w²/λ
Weil in diesem Zusammenhang w sehr klein ist, liegt z nur in dem Bereich von 1 - 10 um, was bedeutet, daß der Abstand zwischen der Linse und dem Speichermedium mit entsprechender Genauigkeit gesteuert werden muß. Mögliche Abweichungen von der Ebenheit in dem Datenspeichermedium und Variationen der optischen Dicke des den Brennfilm bedeckenden Schutzfilms machen es notwendig, daß in der Praxis der Abstand während der schnellen Relativbewegung zwischen Speichermedium und Linse servogesteuert sein muß.
Darüber hinaus ist die Position des Brennfilms kritisch. Beim Speichern von Daten auf sich drehenden Scheiben werden die Brennflecken typischerweise in einem Spiralmuster oder in konzentrischen Spuren angeordnet, oder, beim Speichern auf Karten, in geraden Streifen. In beiden Fällen müssen die Brennflecken so eng aneinander wie möglich angeordnet werden, damit man eine hohe Speicherdichte erhält; ein typischer Abstand zwischen den Flecken reicht von einigen um bis hinunter annähernd 1 um Die Erfordernisse zum Anordnen der Linse werden dementsprechend streng und erfordern in der Praxis, daß das Datenspeichermedium zuvor optische "Führungsspuren" erhalten hat, denen während der Aufzeichnung und des Lesens ein Steuerservo folgen kann.
Während des Lesens von Daten gibt es wie während der Aufzeichnung entsprechende grundliegende Beschränkungen: Um die kleinen Brennflecken erfassen zu können und um diese voneinander zu unterscheiden, ist zum Aufzeichnen entweder ein Laserstrahl mit den genannten Fokussierungseigenschaften und -anordnungen oder aber ein Abbildungssystem erforderlich. Im letzteren Fall bringen es die Auflösungskrafterfordernisse mit sich, daß die Linse mit einer Abstandsgenauigkeit entsprechend derjenigen angeordnet werden muß, die bei Verwendung eines Laserstrahls auftritt.
Zusammenfassend: Aufzeichnungs- und Lesesysteme, die mit Brennfleckendurchmessern von annähernd 1 um oder weniger arbeiten, benötigen in der Praxis einen Laser als Lichtquelle, optische Komponenten hoher Qualität, hochentwikkelte mechanische Steuersysteme sowie Datenträger mit gut gesteuerten mechanischen und optischen Eigenschaften (s. unten). Mit Rücksicht auf den kommerziellen Wettbewerb hat dies für größere stationäre Einheiten in gesteuerten Umgebungen wahrscheinlich wenig Folgen, aber kann einen beträchtlichen Nachteil für kleine, möglicherweise mobile Aufzeichnungs- und Leseeinheiten bedeuten, insbesondere in schwierigen Umgebungen (Vibrationen, Staub etc.).
Das Datenspeichermedium selbst unterliegt ebenfalls Einschränkungen und Problemen: Ein möglicher Nachteil kleiner Brennfleckengrößen liegt in einer möglichen Störung der Aufzeichnung und des Lesens aufgrund kleiner Staubpartikel 2 oder dgl. Im Prinzip läßt sich dieses Problem lösen, indem man einen transparenten Schutzfilm 3 auf dem Brennfilm 4 anordnet, s. Fig. 2. Unter der Voraussetzung, daß der Schutzfilm 3 dick genug ist, wird der Laserstrahl 1 aufgrund seiner starken Fokussierung einen so großen Durchmesser auf der Oberfläche des Schutzfilms 3 haben, daß kleine Partikel 2 nur einen kleinen Teil 6 des Strahls 1 verdecken. Dies erfordert jedoch eine hohe Qualität der optischen Eigenschaften des Schutzfilms: Ein allgemeines Erfordernis besteht für die Flachheit und die Konstanz des Brechungsindex, um eine Brennpunktverschiebung zu vermeiden. Dieses Erfordernis wird im Fall kleiner Brennflecken noch strenger. Dünne und flexible Datenträger wie optische Bänder, Fiches oder Karten, stellen ein besonders großes Problem dar. Die erforderliche Steifheit/Flachheit kann nicht in den Datenträger selbst eingebaut werden, und die Abschattungseffekte von (Staub-)Partikeln können nicht durch Fokussierung, wie in Fig. 2 gezeigt, annehmbar verringert werden. Zum Aufzeichnen und Lesen auf/von Datenspeichersystemen, die auf von dem Brennfilm reflektiertem Meßlicht beruhen, verwendet man gewöhnlich polarisationsempfindliche Strahlenteiler. Dies bedeutet, daß ein zusätzlicher Schutzfilm homogen etc. sein muß und auch frei von Doppelbrechungen. Dies schließt große Materialgruppen aus, die andernfalls auswählbar wären, z.B. gewalzte oder extrudierte Kunststoffolien.
Das Lesen mittels Reflektion von dem Brennfilm erfordert zusätzlich, daß er eine nicht unbedeutende Reflektionsfähigkeit besitzt. Weil der Film gleichzeitig in der Lage sein muß, während der Aufzeichnungsphase genügend Strahlung zu absorbieren, ist die Wahl des Filmmaterials und der Filmdicke signifikant eingeschränkt, und man muß während des Herstellungsprozesses sehr auf ausreichend gute Steuerung der Reflektion/Absorption achten.
Um die oben genannten Probleme zu vermeiden und um die Anpassung an spezielle Marktnischen zu erlangen, wurden verschiedene optische Datenspeichersysteme eingeführt, die auf relativ großen Brennflecken, z.B. von 2,5 - 25 um Durchmesser beruhen. In dem US-Patent 4.542.288 und dem US-Patent 4.284.716 beschreiben Drexler et al einen optischen Datenträger von Kreditkartengröße, wo Brennflecken entlang einer Serie gerader Spuren auf einer Folie aufgezeichnet werden, wobei der Brennfilm auf die Karte geklebt ist. Die Brennfleckgröße hat einen Durchmesser von typischerweise von 2,5 - 7 um und aufwärts, mit einem Abstand von 12 um zwischen den Brennspuren. Dies führt zu einer signifikant geringeren Datenspeicherdichte als in der Einleitung dieser Anmeldung beschrieben, und die Kapazität der Karte hat daher nur 2-4 Megabyte. Andererseits wird das Aufzeichnen und Lesen relativ unkritisch und man kann beispielsweise eine inkohärente Lichtquelle (lichtemittierende Diode) zum Lesen verwenden. Es ist beabsichtigt, optische Datenkarten einzuführen, die steif und billig genug sind, um Verwendungscharakteristiken zu erhalten, die mit denen üblicher Kreditkarten vergleichbar sind.
Ein großen Brennflecken zugeordnetes potentielles Problem ist die erforderliche Erwärmung beträchtlich größerer Flächen durch den Laser während der Aufzeichnung: Beispielsweise führt das Ändern des Brennfleckdurchmessers von 0,7 um zu 7 um zu einer Vergrößerung der Fleckenfläche um einen Faktor von 100. Um einen dramatischen und unakzeptablen Anstieg der Erfordernisse nach Laserkraft oder Impulsenergie zu vermeiden, muß man daher den Aufzeichnungsschwellenwert des Brennfilms (den Schwellenwert für gesteuerte Beschädigung während des Aussetzens von Laserlicht) bezüglich dem, was für stärker fokussierte Systeme akzeptabel ist, beträchtlich absenken. Drexler et al haben einen Brennfilm entwickelt, der aus Silbermikropartikeln in Gelatine besteht, der durch chemische Behandlung eine optimierte Oberflächenreflektion erreicht und einen sehr niedrigen Aufzeichnungsschwellenwert hat.
Obwohl Drexler et al durch Verwendung ihres speziellen Brennfilms und der großen Brennfleckenfläche technische Lösungen erreicht haben, die für große und wichtige Märkte geeignet sind, resultierte dies in einer verringerten Datenspeicherkapazität, die etwa 2 Größenordnungen unter anderen optischen Datenspeichersystemen liegt. Gegenwärtig scheinen Datenspeicheranwendungen dahin zu zielen, daß sie in der 2-4 Megabyte-Kapazität dieser Kartengrenze liegen (z.B. Patienten-Journale), aber es besteht kein Zweifel darin, daß die niedrige Datenspeicherdichte in der Zukunft noch mehr als einschränkend und unakzeptabel betrachtet werden wird, auch bezüglich kleiner und verbreiteter Datensyssteme. Schließlich ist es bis jetzt unklar, bis zu welchem Ausmaß der hochempfindliche und chemisch besondere Brennfilm eine schlechtere Stabilität haben kann als beispielsweise aus Tellur hergestellte Brennfilme, wenn er starken widrigen Umwelteinflüssen ausgesetzt ist (Wärme, Licht, chemische Angriffe).
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Datenträger und Verfahren zum Aufzeichnen und Lesen vorzusehen, der trotz hoher Datenspeicherdichte geringe Anforderungen an die Aufzeichnungs- und Leseausrüstung bezüglich Leistung und Präzision stellt.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch Herstellung eines optischen Datenspeichermediums des in den Ansprüchen 1-16 genau bezeichneten Typs und durch Anwenden von Aufzeichnungs- und Leseprozessen für Daten auf dem Medium, wie es in den Ansprüchen 17-20 genau festgelegt ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen von Ausführungen weiter beschrieben. Sie wird auch mit Hilfe der folgenden Figuren erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch die grundlegende Beziehung zwischen dem Fokussierungsgrad und der Feldtiefe, wie oben beschrieben.
Fig. 2 zeigt, wie ein Schutzfilm oben auf einem Brennfilm den Einfluß von Verunreinigungen oder Defekten auf der Oberfläche, wie oben beschrieben, mindert.
Fig. 3 illustriert die Wirkung optischer Strukturen, wie etwa transparenter Kugeln über dem Brennfilm, im Vergleich mit herkömmlichen Anordnungen.
Fig. 4 zeigt genauer, wie man in dem Brennfilm an verschiedenen Stellen unterhalb einer einzelnen transparenten Kugel ein Loch erzeugen kann, indem man die Richtung des einfallenden Lichtstrahls ändert.
Fig. 5 zeigt experimentell erzeugte Brennmuster, erhalten durch die Verwendung transparenter Kugeln.
Fig. 6 zeigt einen alternativen Typ optischer Strukturen, das sind reflektlerende Mikrostrukturen unter dem Brennfilm.
Fig. 7 illustriert die Retroreflektion von dem Brennfilm mittels einer transparenten Kugel.
Fig. 8 zeigt schematisch das Prinzip eines Leseverfahrens, bei dem diffuses Licht von der Bodenseite des Datenspeichermediums her angelegt wird.
Fig. 9A zeigt ein alternatives Leseverfahren, das gerichtetes Licht von der Oberseite des Mediums verwendet.
Fig. 9B zeigt von der Bodenseite des Mediums her aufgenommene Bilder für verschiedene Richtungen des auf die Oberseite fallenden Lichts.
Fig. 10A zeigt das experimentelle Ergebnis von einfachem Auftropfenlassen von Kugeln auf ein vorher mit Gruben versehenes Substrat.
Fig. 10B zeigt die entsprechenden Ergebnisse nach Ablagerung mittels Trockenbürsten.
Fig. 11A, B und C illustrieren verschiedene Verfahren zum Ablagern transparenter Kugeln in Gruben auf einem Substrat.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines vollständigen Datenspeichermediums mit transparenten Kugeln in Gruben.
Fig. 13 zeigt die Möglichkeit der Aufzeichnung durch eine einzelne Kugel aus verschiedenen Richtungen durch Abtasten oder Parallelverschiebung des Lichtstrahls beim Eintritt in das optische System.
Fig. 14A zeigt schematisch eine Anordnung zum Lesen mit gerichtetem Licht, und
Fig. 14B, C und D zeigen Beispiele eines Erfassungssystems zur Verwendung in der Anordnung nach Fig. 14A.
Beim Einbringen von Fokussierungsstrukturen in das Datenspeichermedium lassen sich die gleichen Vorteile erreichen wie mit großen Brennflecken, ohne daß man die hohe Datenspeicherdichte verringern muß. Gleichzeitig sind Möglichkeiten für technische Lösungen und Anwendungen erreichbar, die mit herkömmlichen Datenspeichermedien nicht zu erreichen sind.
Fig. 2 und 3 (linker Teil von Fig. 3) zeigen schematische Zeichnungen eines erfindungsgemäßen Speichermediums: Eine Trägerschicht 5 aus z.B. Kunststoff ist mit einem dünnen Brennfilm 4 beschichtet, der mit Mikrolinsen (10), z.B. kleinen transparenten Kugeln, bedeckt ist, die auf der Oberseite des Films 4 oder diesem benachbart bevorzugt in einem bestimmten Muster verteilt sind. Während der Aufzeichnung von Daten wird ein Lichtstrahl 1 von einem Laser 7 zu einer Zeit auf eine Kugel 10 gerichtet. Der Strahl 1 braucht nur insoweit fokussiert zu sein, daß er einzelne Kugeln 10 trifft. Das Licht wird danach in der jeweiligen Kugel 10 fokussiert und beleuchtet einen kleinen Fleck des Brennfilms 4 unterhalb der Kugel 10, was eine Änderung der optischen Eigenschaften des Brennfilms 4 an diesem Fleck verursacht, z.B. in dem Brennfilm ein Loch (ein "Brennfleck") erzeugt wird, durch das Licht hindurchtreten kann. Die Gegenwart oder Nichtgegenwart eines Brennflecks stellt ein Informationsbit dar (logisch "0" oder "1"). Die Rolle des Mediums, die "Hilfsoptiken 10" enthält, ist im Prinzip in Fig. 3 dargestellt, durch den Vergleich mit einem herkömmlichen Medium (rechter Teil von Fig. 3) ohne Mikrolinsen, bei dem eine kräftige Linse 8 verwendet werden muß. Dies zeigt, daß kleine Brennflecken mit entsprechend geringen Leistungs/Energieanforderungen an den Laserstrahl mit relativ großen Kugeln 10 und entsprechend unkritischer Fokussierung (Linse 9 geringer Leistung) und Positionierung des Laserstrahls 1 kombiniert werden können.
Es bleibt immer noch das Problem, daß große Kugeln 10 analog mit großen Brennflecken, wie oben erwähnt, eine geringe Datenspeicherdichte ergeben, solange jeder Kugel nur ein Brennfleck zugeordnet ist. Jedoch durch Beleuchtung der Kugeln 10 aus anderen Richtungen werden Brennflecken an vielen Punkten 11 unterhalb einer gegebenen Kugel 10 auftreten, s. Fig. 4. Das Schreiben von Brennflecken 11 durch Beleuchtung in schrägen Winkeln macht es möglich, daß jede Kugel 10 mehrere Bits in Abhängigkeit davon speichert, wie viele Brennstellen jeder Kugel zugeordnet werden können. Wenn jede Kugel 10 in der Ebene die Koordinaten x, y hat und der Schrägwinkel durch die Polarkoordinaten Θ, γ definiert ist, läßt sich die vollständige Adresse jeder Bitposition schreiben (x, y, Θ, γ). Die Anzahl möglicher Brennrichtungen (Θi, γj) für jede Kugel 10 läßt sich als ein "Multiplexfaktor" N interpretieren. Vorliegende Experimente zeigen praktisch erreichbare Werte für N von bis zu 25, möglicherweise mehr.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel, in dem Licht durch eine große Anzahl von Kugeln gleichartig unter Verwendung fünf verschiedener Winkel in der gleichen Ebene geschickt wurde. Die entsprechenden Brennlöcher in dem Film sind in einer Linie (aufgrund unbeabsichtigt gering-intensiven Laserstrahls ist ein Brennloch schwächer als der Rest) mit guter einzelner Auflösung gebildet. Dieses Ergebnis zeigt, daß man unter jeder Kugel beispielsweise ein Gruppe von annähernd 17 gut aufgelösten Brennlöchern erzeugen kann (2 Byte plus Steuerloch, s. unten).
Das Lesen besteht aus Festlegen der Adressen, die einen Brennfleck haben, was die Bestimmung der lokalen Änderung der optischen Reflektions- oder Transmissionseigenschaften des Brennfilms beinhaltet. Im folgenden sind prinzipielle und technische Aspekte in Verbindung damit beschrieben.
Die fokussierenden Mikrostrukturen können viele Formen haben:
Lichtbrechende Strukturen 10 können vor/oben auf den Datenspeicherfilm 4 angeordnet sein, wie in Fig. 4 gezeigt. Solche Stukturen können beispielsweise aufweisen:
- Diskrete optische Elemente, die bezüglich des Datenspeicherfilms immobilisiert sind (Kugeln, konvexe Linsen, Fresnel-Strukturen).
- Gestanzte Oberflächenmuster in der transparenten Schicht.
- Gesteuerte Brechungsindexänderungen in einer vollständig oder teilweise transparenten Schicht, welche Indexänderungen erzeugt sind beispielsweise durch Einbringen von Additiven in gesteuerten Konzentrationen und Stellen mittels Halbleiterdopierungstechniken, d. i. Diffusion oder Ionenimplantation.
Lichtreflektierende Strukturen 13 können hinter/unter dem Datenspeicherfilm 4 angeordnet sein, so daß das Licht 1 nach Durchtritt durch den Film 4 (unter der Annahme, daß dieser teilweise transparent ist) und eine transparente Schicht 12 reflektiert und gegen die Filmrückseite fokussiert wird, s. Fig. 6.
Der Brennfilm 4 kann vom irreversibel änderbaren Typ sein oder er kann reversibel sein, wenn verschiedene Lichtintensitäten zum Aufzeichnen, Löschen und Lesen verwendet werden. Bekannt sind reversible optische Brennmaterialien beispielsweise aus dem Artikel "Organometallic materials for erasable optical storage" von Hoffman und Potember, Applied Optics, Vol. 28, S. 1417-1421, 1989. Andere wohlbekannte reversible Brennfilme sind u. a. vom magneto-optischen, phasenändernden oder Blasenbildungs- Typ.
Es gibt zwei Hauptalternativen zum Lesen von Daten von dem Datenspeichermedium, nämlich Messen des Lichts, das von dem Medium reflektiert wird, oder des Lichts, das durch dieses durchgelassen wird.
Reflektion: Ein Laserstrahl 1 tastet die interessanten Adressen auf dem Datenspeichermedium ab. Die Beleuchtung der Kugeln 10 wird unter den gleichen Bedingungen wie während der Aufzeichnung durchgeführt, aber die Strahlintensität ist nun so eingestellt, daß sie zur Beeinflussung des Brennfilms 4 zu schwach ist. In einem geeignet ausgebildeten Datenspeichermedium trifft das von dem Brennfilm 4 reflektierte Licht auf die Kugel 10 von der Bodenseite auf und wird derart fokussiert, daß das Licht in Eintrittsrichtung zurückkehrt (Fig. 7). Das reflektierte Licht läßt sich von dem einfallenden Lichtstrahl mittels eines Strahlenteilers trennen, und die Intensität wird durch einen Fotodetektor gemessen. Dies ist eine wohlbekannte Technik, die bei einem Großteil existierender optischer Datenspeichersysteme verwendet ist. An Adressen mit einem Brennfleck wird die Reflektion schwächer (bei einigen Typen des Brennfilms stärker) als anderswo, wodurch der logische Zustand "0" oder "1" jeder einzelnen Adresse bestimmt ist.
Transmission: In diesem Fall kann das Licht durch den Brennfilm 4 nur an Stellen hindurchtreten, an denen Brennflecken 11 vorhanden sind. Analog zum Fall der Reflektion können interessante Adressen mit einem Laserstrahl abgetastet werden, und zwar während gleichzeitiger Aufzeichnung durch diejenigen, durch die Licht auf einen Fotodetektor fällt, der auf der Rückseite bzw. dem Boden angeordnet ist (im folgenden ist die Vorder- bzw. Oberseite als die Seite definiert, auf der die Kugeln 10 angeordnet sind). Jedoch ermöglichen die hier beschriebenen speziellen Datenspeichermedien neue und in vielen Fällen sehr einfach zu verwendende Leseverfahren. Im folgenden sind zwei Konzepte beschrieben; in einem Fall ist die Beleuchtung von der Rückseite her vorgesehen, im anderen Fall von der Vorderseite:
Unter "räumlicher Filterung in der Fourier-Ebene" (s. Fig. 8) ist das Datenspeichermedium von der Rückseite her mit einem breiten diffusen Lichtstrahl 14 beleuchtet. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Lampe oder eine lichtemittierende Diode sein. Jeder Brennfleck 11 wirkt dann unter jeder Kugel 10 als eine Lichtquelle in einer Position bezüglich der Kugel, die das Licht nach Durchtritt durch die Kugel der Richtung folgen läßt, die der Laserstrahl während der Aufzeichnung hatte. Die Adressenbestimmung wird in zwei Stufen erzeugt: Zuerst fokussiert eine Linse 15 die Beleuchtung in einer Ebene 16 (Fourier-Ebene), in der Licht von allen Brennflecken 11, die unter einer vorgegebenen Richtung (Θ, γ ) aufgezeichnet wurden, durch denselben Punkt 18 bzw. 19 hindurchtritt, der für diese Brennrichtung charakteristisch ist (dir.2 bzw. dir.3). Danach wird Licht, das durch jeden dieser charakteristischen Punkte 18; 19 hindurchtritt, mittels einer Lochmaske (z.B. elektrooptisch zeitgesteuert), einen Spiegel oder dgl. getrennt. Für jedes Lichtbündel wird in einer Ebene 17 hinter der Fourier-Ebene ein Bild 20, 21 des Datenspeichermediums erzeugt, in welcher Ebene die in einer bestimmten Richtung (Θ, γ ) aufgezeichneten Brennflecken 11 gegenüber einem dunklen Hintergrund hell erscheinen. Die Oberflächenposition (x, y) der Fläche kann hierdurch mittels eines oder mehrerer Fotodetektoren bestimmt werden. Auf diese Weise läßt sich ein vollständiger Adressensatz (x, y, Θ, γ ) für jede Richtung (Θi, γj) erhalten, die für die Datenspeicherung in dem gegebenen Medium zugänglich ist.
Ein alternatives Leseverfahren kann man als "gerichtete Beleuchtung" bezeichnen, bei dem das Datenspeichermedium von der Seite, an der die Kugeln 10 angeordnet sind, beleuchtet wird. Nur Licht 14 mit einem Einfallswinkel zu den Kugeln 10, der einer der Richtungen entspricht, die während der Aufzeichnung verwendet wurden, kann durch einen Brennfleck 11 hindurchtreten, s. Fig. 9A. Durch Beleuchtung einer größeren Fläche des Datenspeichermediums unter Verwendung des Einfallswinkels (Θi, γj) wird es möglich, von der Rückseite des Mediums diejenigen Brennfleckstellen (x, y) auf dem Medium zu bestimmen, die in dieser Richtung ihre Adressen haben. Dies ist in Fig. 9B dargestellt, wo eine Gruppe von vier Löchern unter jede einiger benachbarter Kugeln eingebrannt wurde. Wie dargestellt, kann man mittels gerichteter Beleuchtung das Licht selektiv durch Löcher hindurchtreten lassen, die jeder der vier Brennrichtungen entsprechen. Durch systematisches Beleuchten in allen zugänglichen Brennrichtungen kann man daher den logischen Zustand "0" oder "1" für vollständige Adressensätze (x, y, Θ, γ ) bestimmen.
Während der Aufzeichnung und (in einigen Fällen) des Lesens muß der Laserstrahl mit einem solchen Winkel angeordnet und orientiert sein, daß jede einzelne Kugel richtig getroffen wird. Analog zu derzeitigen optischen Datenspeichertechniken könnte man dies mit einem System erreichen, das einen schwachen (d.h. einen zum Beeinflussen des Brennfilms nicht ausreichend intensiven) Laserstrahl mittels einer optischen Steuerspur oder Führung in dem Brennfilm auf die gewünschte Adresse richtet.
Diese Spuren oder Führungen müssen eine unzweideutige räumliche Beziehung zu den Kugelpositionen haben und könnten stärker oder weniger reflektieren als der Rest des Brennfilms. Alternativ kann man die Tatsache ausnutzen, daß die Kugeln bezüglich des Brennfilms in einem Muster immobilisiert sind, das als eine Koordinatenreferenz in der Ebene dienen kann. Unter der Voraussetzung, daß der Brennfilm ausreichend reflektiert, könnte man die Modifikation der schwachen Laserstrahlreflektion bei Auftreffen des Strahls auf die Kugeln als Führungskriterium heranziehen.
Ein Nachteil dieser Techniken ist es, daß sie nicht für Systeme anwendbar sind, die auf Licht beruhen, das durch Brennflecken in den Datenträgern durchgelassen wird. Unserer Kenntnis nach ist das Lesen durch Reflektion das einzige Verfahren, das mit derzeit auf dem Markt befindlichen optischen Datenspeichersystemen verwendet ist. In dem US-Patent Nr. 4.542.288 beansprucht Drexler, daß das Datenspeichern auf Reflektionsmedien vorteilhaft ist, weil sich beispielsweise die automatische Fokussierung leichter durchführen läßt. Dies ist nicht überraschend, weil der Brennfilm kein Licht hindurchtreten läßt.
In unserem Fall können jedoch optische Führungsmarkierungen auf sehr einfache Weise eingerichtet werden, und diese Markierungen können sowohl bei auf Reflektion als auch auf Transmission beruhenden Systemen angewendet werden: Nach Herstellung des Datenspeichermediums wird es einem starken Lichtblitz aus einem Laser oder einer Blitzlampe ausgesetzt, das eine große Fläche des Datenspeichermediums gleichzeitig beleuchtet. Das Licht fällt auf die Ebene, auf der die Kugeln angeordnet sind, in einer zu der Ebene orthogonalen Richtung, und die Intensität ist derart gesteuert, daß Änderungen in dem Brennfilm nur auf einer kleinen Fläche in der Mitte unter jeder Kugel stattfinden. Die Linsenwirkung der Kugel erzeugt hierdurch einen kleinen, gut definiert herzustellenden Brennfleck, und zwar ähnlich solchen Brennflecken, die man während der Laseraufzeichnung von Daten erhält (Laborexperimente zeigten, daß man dies relativ leicht erhalten kann). Während des Lichtblitzes erzeugte Brennflecken werden hierdurch automatisch bezüglich der jeweiligen Kugel korrekt positioniert. Bei Kugeln, die ein wenig aus ihrer Normalposition versetzt sind, wird der gebildete Brennfleck entsprechend versetzt. Wenn an einer gegebenen Position auf dem Datenspeichermedium eine Kugel fehlt, wird an diesem Punkt kein positionierter Brennfleck gebildet.
In Datenspeichermedien, in denen der Brennfleck ein Loch in dem Brennfilm ist, durch das Licht hindurchtreten kann, läßt sich beispielsweise durch Beleuchtung des Mediums von der gegenüberliegenden Seite des Brennfilms eine bezüglich jeder Kugel gut definierte Lichtquelle erzeugen, die zur automatischen Positionierung und Fokussierung während der Aufzeichnung und des Lesens von Daten verwendbar ist.
Es sollte herausgestellt werden, daß die optische Steuermarkierung nicht notwendigerweise zentral unter jeder Kugel angeordnet sein muß, sondern sie läßt sich auch durch Schrägbeleuchtung erreichen. Es kann vorteilhaft sein, daß bestimmte Daten aufgezeichnet sind, bevor ein Verwender die erste Aufzeichnung beginnt. Wenn das Datenspeichermedium dem Verwender geliefert wird, ist es, wie oben erwähnt, typischerweise mit optischen Steuerführungen zur Fokussierung und Positionierung der Aufzeichnungs- und Lesesysteme versehen. Auch können verschiedene andere Informationstypen gespeichert worden sein, beispielsweise Adressen oder Steuercodes.
Grundliegende, vorab aufgezeichnete Informationen dieses Typs ist dann allen Verwendern eines bestimmten Typs des Datenspeichermediums, beispielsweise einer Kategorie von Datenkarten, gemeinsam. Jedoch könnte es darüber hinaus für viele Verwender von Interesse sein, benutzerspezifische Information vorab aufzuzeichen, die auf eine große Anzahl identischer Karten dupliziert wird. Solche Verwender können Organisationen, Versicherungsgesellschaften usw. sein, die Verfallsdaten, Benutzer-Codes oder dgl. auf Karten speichern möchten, die Mitgliedern als Endverbrauchern zugeschickt werden. Alternativ kann dies Datenprogramme betreffen, die in großer Anzahl verteilt werden, usw.
Im Prinzip ist das Aufzeichnen solcher Information mit einer Standardausrüstung zur Aufzeichnung möglich, die entweder direkt verwendet wird oder bezüglich der automatischen Handhabung dieser Karten modifiziert ist. Dies könnte jedoch sehr zeitaufwendig und teuer werden: Die Anzahl von vorab auf zuzeichnenden Karten kann sehr groß sein (von Tausenden bis Millionen), und in bestimmten Fällen kann gleichzeitig das Bedürfnis bestehen, auf jeder Karte beträchtliche Datenmengen (z.B. Datenprogramme) zu speichern.
Vor diesem Hintergrund ist es erwünscht, eine billiger und wirksamere Alternative zur Standardlaseraufzeichnung vorzusehen. Unserer Kenntnis nach gibt es derzeitig in der technischen und wissenschaftlichen Literatur für dieses Problem keine technische Lösung. Zugegebenermaßen beschreibt Drexler in dem US-Patent Nr. 4.542.288 das Vorabaufzeichnen von Daten auf Karten mittels Fotolithografie, Laseraufzeichnung oder Oberflächenverformung. Dies muß man jedoch tun, bevor die Karte versiegelt und zu den Verwendern geschickt wird und ist in den meisten Fällen wahrscheinlich auf einfache Grundinformation beschränkt, wie dies oben beschrieben ist.
Eine anscheinend einfache Alternative ist es, analog zu dem Belichtungsschritt in der Fotolithografie eine Maskierungstechnik zu verwenden: Eine Maske mit Löchern, wo Brennflecken erwünscht sind, wird über einem Datenspeichermedium und in Registerstellung mit dieser angeordnet (d.h. die Maske wird mit den Löchern in der richtigen Position bezüglich des Datenspeichermediums angeordnet). Das Datenspeichermedium wird dann durch die Löcher in der Maske beleuchtet, um hierdurch die Brennflecken an den richtigen Stellen zu erhalten. Jedoch ergeben sich zwei Probleme:
Erstens läßt die Wellennatur des Lichts dieses hinter den Löchern fächerartig ausbreiten, und das Schattenmuster verwischt. Die Abweichung von der geometrischen Schattierung steigt, je kleiner die Löcher und je größer der Abstand von der Schattierungsmaske ist. Praktische optische Datenspeichermedien sind typischerweise mit einem Schutzfilm von 150 bis 500 um Dicke versehen. Dies bedeutet in der Praxis, daß das Aufzeichnen durch eine Maske auf Medien, die den vollständigen Herstellungsprozeß durchlaufen haben (d.h. mit dem Schutzfilm bedeckt sind), nicht mittels Maskentechnik durchführbar ist, solange die Brennfleckgröße wesentlich unter angenähert 4 - 8 um Durchmesser liegen soll. Dies schließt alle derzeitigen Datenspeichermedien aus, mit der möglichen Ausnahme von solchen Medien mit besonders geringer Datenspeicherdichte. Unserer Kenntnis nach könnte in diesem Zusammenhang nur die Drexler Technology Corp.-Lasercard von Relevanz sein.
Das andere Problem ist weniger grundlegend, aber von großer praktischer und ökonomischer Wichtigkeit: Das Lesen von Daten erfordert es, daß die Lichtintensität und die Impulsenergie an dem Punkt ausreichend hoch sind, an dem der Brennf leck zu erzeugen ist. Bei Verwendung der Maskentechnik wird eine große Fläche (d.h. die gesamte Maske) gleichzeitig beleuchtet, und die Lichtquelle muß über dieser vollständigen Fläche ausreichend intensiv sein. Dies kann bedeuten, daß anstatt einer Blitzlampe ein relativ starker Laserstrahl erforderlich ist, was leicht zu einem dominierenden und abhaltenden Kostenelement bei Aufzeichnungsausrüstung werden kann, die für Märkte gedacht ist, in denen es zahlreiche Benutzer jeweils mit ihrer eigenen Ausrüstung gibt ("distributed users").
In der vorliegenden Erfindung werden diese Probleme umgangen:
- Erstens braucht man während der Beleuchtung durch die Maske nur Lichtflecken der Größe der fokussierenden optischen Struktur definieren. Die Dimensionen der Strukturen und die Dicke des Schutzfilms sind aufeinander eingestellt, während man gleichzeitig eine hohe Datenspeicherdichte erhält, indem man viele Richtungen zum Aufzeichnen und Lesen verwendet, wie oben diskutiert.
Zweitens sammeln die Strukturen (z.B. Kugeln) die Lichtenergie über einen großen Teil ihres Querschnitts und konzentrieren sie auf eine wesentlich kleinere Fläche (Brennfleck). Dies reduziert die Leistungs/Energieerfordernisse der Lichtquelle.
Die fokussierenden Mikrooptiken (z.B. Kugeln) in dem Datenspeichermedium selbst lassen sich somit als ein integrales Teil des optischen Lese- und Aufzeichnungssystems betrachten. Mikrooptiken können eine "Hilfsrolle" haben, so daß die Anforderungen an die verbleibenden optischen und mechanischen Systemkomponenten verringert werden können, aber sie können auch zu qualitativ neuen Möglichkeiten in der optischen Datenspeicherung führen. Im folgenden sind beide Typen von Vorteilen/Möglichkeiten kurz zusammengefaßt:

a) Hohe Datenspeicherdichte in Kombination mit einer unkritischen Positionierung und Fokussierung während der Aufzeichnung und des Lesens:

Nicht die Brennflecken, sondern die wesentlich größeren fokussierenden optischen Strukturen (Kugeln) bestimmen die optischen und mechanischen Anforderungen an die Aufzeichnungs- und Leseausrüstung. Dies führt zu einer vergrößerten Fokussierungstiefe und geringeren Anforderungen an das Positionieren mit nachfolgenden Vereinfachungen und Kostenminderungen für Aufzeichnungs- und Lesesysteme, wie auch für das Datenspeichermedium selbst (Ebenheit etc.).
In typischen schwierigen Umgebungen wird ein auf integrierten optischen Strukturen (z.B. Kugeln) beruhendes optisches Datenspeichersystem in dem Datenspeichermedium weniger kritisch und toleriert stärkere Vibrationen, Temperaturänderungen und andere physikalischen Störgrößen. Dies kann in Luftfahrzeugen für militärischen Gebrauch wichtig sein.

b) Möglichkeiten zur Voraufzeichnung von Daten mittels Maskentechnik, s. oben:

Jede optische Struktur, z.B. Kugel, auf dem Datenspeichermedium, die durch Löcher in der Maske selektiv zu beleuchten ist, ist so groß, daß Beugungseffekte hinter den Löchern toleriert werden können. Dies schließt praktische Medien mit einem Schutzfilm ein. Gleichzeitig sammeln die Strukturen Licht von einer Fläche, die wesentlich größer als die Fläche des Brennflecks ist, was die Verwendung entsprechend schwächerer Lichtquellen ermöglicht.

c) Schrägaufzeichnung und -lesen ermöglicht eine gerichtete Datenzugänglichkeit und erhöhte Datensicherheit:

Die Leseausrüstung muß den gleichen Winkeln (Θi, γj) angepaßt sein, die während der Aufzeichnung definiert wurden. Vollständig möglich ist es daher, unterschiedliche Verwendergruppen mit Ausrüstung zu versorgen, die nur mit einigen der Winkel, aber nicht allen Winkeln lesen kann, die während der Aufzeichnung verwendet wurden. Die Winkel, die für eine bestimmte Verwendergruppe nicht zugänglich sind, können beispielsweise Information speichern, die nur zum lesen durch andere Verwendergruppen gedacht ist.
Die Winkel (Θi, γj) brauchen vor der Aufzeichnung nicht definiert zu werden. Hierdurch lassen sich vollständig hergestellte Medien von Fabriken ausliefern und danach zur Aufzeichnung mit benutzerspezifizierten Sätzen von Winkeln verwenden. Das Lesen ist danach nur durch Verwendung derselben Winkel möglich. Dies bildet einen bestimmten Schutz gegen Lesen mit "Piratenausrüstung".

d) Das Medium ist zum Datenlesen durch Transmission gut geeignet:

Die Aufgabe der leichten Einrichtung von optischen Führungsmarkierungen läßt sich wahrscheinlich lösen, indem man das Datenspeichermedium derart beleuchtet, daß Brennflecken nur dort erzeugt werden, wo optische Strukturen angeordnet sind, die Licht fokussiert haben. Weiter bedeuten weniger strenge Anforderungen an die Fokussierung und Bildgebung (s. oben unter a)), daß die relativ großen optischen Weglängen durch das Datenspeichermedium, die während des Lesens mit Transmission zu erwarten sind, toleriert werden können.
Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung der Transmission anstatt der Reflektion besteht in der großen Freiheit der Auswahl des Brennfilms. Er braucht keine gesteuerte Reflektionsfähigkeit mehr besitzen, sondern kann davon unabhängig bezüglich des Brennschwellenwerts, der Stabilität und der Herstellungskosten optimiert werden. Weiter ergeben sich Möglichkeiten bei der Verwendung von Filmen mit besonderen Eigenschaften, beispielsweise umkehrbaren Brennfilmen, fluoreszierenden Farbstoffen, die in der Brennfläche während der Aufzeichnung gebleicht werden, oder Farbstoffen, die nur mit einer oder mehreren definierten Wellenlängen aufgezeichnet oder gelesen werden können.
Ein möglicherweise wichtiger Vorteil der Transmission ist es, daß Doppelbrechung in dem Datenspeichermedium, die früher als ein Problem bezeichnet wurde, wenig wichtig oder unwichtig ist.

e) Einfaches und schnelles Lesen:

Wegen ihrer besonderen Eigenschaften kann man Datenspeichermedien mit Kugeln in neuen Typen von Leseausrüstung verwenden, die auf erweiterter Oberflächenbeleuchtung des Mediums (d.h. kein Laserabtasten) in Kombination mit Abbilden auf einem Erfassungssystem beruhen, das beispielsweise eine elektronisch abgetastete Matrix sein kann, die eine große Anzahl einzelner Detektorelemente enthält, s. unten. Solche Lesesysteme können sehr einfach und kompakt sein und ermöglichen ein gleichzeitiges paralleles Lesen verschiedener Bereiche auf dem Datenspeichermedium. Bei Verwendung großer Detektormatrices usw. kann man hohe Lesegeschwindigkeiten und eine kurze "wahlfreie Zugriffs"-Zeit erhalten (derzeitige Datenspeichersysteme haben den Nachteil langsamer wahlf reier Zugriffszeit, weil sich der Laser, das Datenspeichersystem und/oder die Optiken während des Lesens mechanisch bewegen müssen).
Es ist keine einfache Aufgabe, ein erfindungsgemäßes Datenspeichermedium, beispielsweise vom Typ mit transparenten Kugeln als optischen Strukturen herzustellen. Die Kugeln müssen einschichtig auf dem Brennfilm selbst oder mit einem kleinen, genau definierten Abstand davon angeordnet werden; danach müssen sie befestigt und geschützt werden. In der Praxis muß man die Kugeln wahrscheinlich mit hoher Präzision in einem vorbestimmten Muster anordnen.
Zur gesteuerten Positionierung können verschiedene Techniken interessant sein, s. weiter unten. Soweit dies Ergebnisse aus praktischen Tests zeigen, wird es möglich, bezüglich der Positionierung der Kugeln gute technische Lösungen des Problems zu erlangen.
Man mag erwarten, daß fokussierende Mikrostrukturen, z.B. halbkugelige Erhebungen, die in eine transparente Schicht über dem Brennfilm eingestanzt sind, die Kugeln ersetzen können. Analog zu Herstellungsprozessen z.B. für Compact Discs (CD) könnten diese Strukturen in einer großen Anzahl mittels einer Master-Struktur eingestanzt werden. Jüngste Studien zeigen jedoch, daß die Verwendung gestanzter oder gepreßter Strukturen die Lösung schwieriger Probleme verlangt, s. unten.
Die Kugellösung im Vergleich zu gestanzten oder gepreßten Strukturen begünstigende Faktoren bestehen teilweise in Verbindung mit der Fokussierung, teilweise mit der Energiesituation während der Aufzeichnung von Daten:
- Die Anzahl von Aufzeichnungsrichtungen (Θi, γj) die jedem Fokussierungselement zugeordnet werden können, N, ist ein wesentlicher Faktor. Ein hohes N beinhaltet strenge Anforderungen an die Form des Fokussierungselements und seiner Oberflächenqualität. Wichtiger sind hierbei wahrscheinlich die kleinen Abstandstoleranzen (um oder weniger) zwischen dem Fokussierungselement und dem Brennfilm, die über makroskopische Distanzen (einige cm) zu beobachten sind. Wenn man eine Transparentschicht auf der Oberseite des Brennfilms stanzt oder preßt, der selbst auf einem Kunststoffmaterial angebracht ist, kann es in der Praxis sehr schwierig werden, über das gesamte Datenspeichermedium einen korrekten Abstand zu dem Brennfilm zu erlangen. Darüber hinaus darf während des Stanzens/pressens der Brennfilm nicht lokal deformiert werden, selbst wenn die herzustellende Struktur (z.B. Halbkugel) eine Profilhöhe hat, die mit dem Abstand zu dem Brennfilm vergleichbar ist.
Wenn man jedoch Kugeln verwendet, kann man relativ leicht eine vollständige Steuerung der Fokussierungsbedingungen erlangen, unter der Voraussetzung, daß die Kugeln gleich verteilt sind und kleine Abweichungen von einer perfekten Kugelform haben.
- Allgemein will man pro aufgenommenem Datenbit die geringstmögliche Leistung/Energie aufwenden. Der Abstand des Brennpunkts einer gestanzen/gepreßten Halbkugelfläche ist etwa zweimal so groß wie der einer Kugel entsprechender Größe, und die Brennfleckenfläche ist etwa viermal größer. In einer ersten Annäherung ist die Kugelalternative um einen Faktor 4 vorteilhafter. Diese Situation wird um einen Faktor von etwa 2 weiterverbessert, weil gestanzten/gepreßten Fokussierungsstrukturen betreffende Brennfilme auf beiden Seiten mit einem Festmaterial in Kontakt stehen, während das auf Kugeln beruhende Datenspeichermedium typischerweise auf einer Seite des Brennfilms Luft und auf der anderen Seite Festmaterial aufweist. Insgesamt bedeutet dies, daß Datenspeichermedien mit gestanzten/gepreßten Fokussierungselementen mehr Leistung/Energie zur Aufzeichnung als Medien mit Kugeln erfordern. Darüber hinaus kann dies bei Dimensionierung des Aufzeichnungslasers wichtig sein, zum Erhalt der kleinstmöglichen Größe des Brennflecks, der schnellstmöglichen Aufzeichnung jedes Bits etc. (Der "Beschädigungs"-prozeß im Brennfilm während des Lesens kann bezüglich der Energie oder Leistungsdichte im hohen Maße nichtlinear sein.
Um die praktische Durchführbarkeit der Erfindung darzustellen, beschreiben wir nachfolgend einige Ausführungen, in denen kritische Merkmale in praktischen Tests verifiziert wurden.
Auf der Oberfläche eines transparenten Substrats 5, das beispielsweise aus Polycarbonat besteht, wird ein mit Gruben versehenes Muster in ein Formstück (ein "Master") gestanzt/gepreßt. Analog zu dem Herstellungsprozeß für Compact Discs (CDs), kann man den Master erzeugen mittels Fotolithografie, gefolgt durch Vakuumauflagerung, gefolgt durch elektrolytisches Beschichten. Auch kann man den Stanz/Preßprozeß selbst analog zur CD-Herstellung durchführen, wobei Produktionstechniken in großem Umfang eine fortgeschrittene Entwicklungsstufe erreicht haben.
Nachdem die Gruben 22 in das Substrat 5 gestanzt/gepreßt wurden, wird auf die gestanzte/gepreßte Oberfläche ein Brennfilm 4 aufgebracht. Dies läßt sich durchführen beispielsweise durch Auflagern von Tellur unter Vakuum, wodurch man eine gleichmäßige opake Schicht auf dem Boden jeder Grube 22 erhält. In jeder Grube 22 wird eine Kugel 10 durch Aufträufeln aus einer Flüssigphase oder durch Trockenbürsten plaziert. Dies ist eine schwierige Aufgabe, die jedoch hier im weiteren nicht zu diskutieren ist. Hier genügt es festzustellen, daß bisher durchgeführte Tests praktische Durchführbarkeit zeigen: Substrate mit Gruben von 1-2 um Tiefe und einem Durchmesser im Bereich von 2-15 um wurden fotolithografisch hergestellt. Fig. 10A zeigt Kugeln mit einem Durchmesser von 7,1 um, die mittels Träuf ein aus Flüssigphase auf eine Matrix von Gruben jeweils mit einem Durchmesser von etwa 5 um abgebracht wurden. Trotz des einfachen, nicht-optimierten Prozesses erhielt man einen hohen Füllungsgrad. Ein entsprechendes Ergebnis erhielt man durch das Trockenbürstverfahren, s. Fig. 10B, die Kugeln mit einem Durchmesser von 6,4 um in dem gleichen Grubenmuster zeigt.
Datenspeichermedien mit Gruben lassen sich auf verschiedenen Entwicklungsstufen herstellen: Fig. 11A zeigt den einfachen Fall, worin Kugeln 10 sich in den Gruben 22 direkt auf der Brennschicht 4 befinden. In Fig. 11B ist der Grubendurchmesser an die Größe der Kugel angepaßt, so daß die letztere in optimalem Fokussierungsabstand bezüglich der Brennschicht 4 auf dem Boden der Grube 22 gehalten wird. Dies erfordert die Verwendung monodispergierter Kugeln. In Fig. 110 ist der Boden der Grube 22 als eine Teilkugelfläche geformt, die zu der Kugel 10 konzentrisch ist. Hierdurch erhält man eine ideale Fokussierung auf der Brennschicht 4 für alle Einfallswinkel, sowie eine perfekte Rückreflektion für Systeme, die auf Reflektionslesung beruhen.
Nach Aufbringen der Kugeln 10 wird das Medium mit einem Schutzfilm 3 aus beispielsweise transparentem Polycarbonat eingekapselt, s. Fig. 12. Eine relevante Gesamtdicke des Speichermediums ist 0,8 mm, ein ISO-Standard für Kreditkarten. Die Schrägaufzeichnung erfordert in der Praxis nicht notwendigerweise große technische Kompliziertheit. Eine einfache Technik, die die Beleuchtung ein und derselben Kugel 10 aus vielen Richtungen erlaubt, ohne den Lichtstrahl in jeder Richtung nachzujustieren, ist auf der Prinzipskizze nach Fig. 13 gezeigt
Alle einfallenden Strahlen 1a, 1b, die zueinander parallel sind, werden nach Durchtritt durch die Beleuchtungsoptiken 15 derart gebrochen, daß sie von verschiedenen Richtungen auf denselben Punkt (Kugelmitte) auftreffen. Für jede Richtung wird nur ein Teil der Apertur der Beleuchtungsoptik verwendet. Dies erreicht man durch einen Laserstrahl 1 mit beschränktem Durchmesser, der in Abhängigkeit von der erwünschten Lichtrichtung zu der Kugel 10 auf verschiedene Stellen der Apertur auftrifft.
Alternativ kann man ein teilweises Abtasten der vollständig beleuchteten Apertur verwenden. In beiden Fällen kann man die Richtung ohne mechanische Bewegung von Komponenten wählen (hier nicht weiter diskutiert).
Die prinzipielle Lösung von Fig. 13 erfordert eine vernünftige Auswahl von Parametern und Komponenten, wobei die f-Zahl und die Apertur der Optiken an den Kugeldurchmesser, die Beleuchtungswinkel und ihre Toleranz angepaßt sind. Wieder erweist es sich, daß man mit großen Kugeln leichter praktische Lösungen finden kann.
Bezüglich des Lesens mit gerichteter Beleuchtung wird eine der Techniken, die oben in Verbindung mit dem Lesen unter Lichttransmission erwähnt wurde, diskutiert:
Eine einfache Lichtquelle, wie etwa eine LED 23, beleuchtet das Datenspeichermedium von einer Richtung (Θi, γj), die einem der Lesewinkel entspricht, s. Fig. 9A, B und Fig. 14A. Ein großer Bereich auf dem Medium mit vielen Kugeln wird gleichzeitig von der Seite des Brennfilms beleuchtet, auf der die Kugeln angeordnet sind. Das Licht 14 hat an jeder einzelnen Kugel 10 den Charakter einer annähernd ebenen Welle, und die Fokussierung in der Kugel weicht von der während der vorhergehenden Aufzeichnung mit einem Laserstrahl nur wenig ab. Nach Fokussierung in der Kugel 10 tritt das Licht durch den Brennfilm 4, unter der Voraussetzung, daß ein Brennfleck 11 (ein "Loch") vorher während der Aufzeichnung von Daten in dieser Richtung erzeugt wurde.
Licht, das durch die Löcher 11 in dem Brennfilm 4 hindurchtritt, wird mittels eines einfachen optischen Systems 24 aufgezeichnet, das nicht jedes Loch aufzulösen braucht: Weil die Richtung (Θi, γj) unter der die Beleuchtung stattfindet, bereits bekannt ist, genügt es festzustellen, an welchen Kugelpositionen (x, y) Licht durchgelassen wird. Durchführen läßt sich dies beispielsweise mittels einer Detektormatrix mit einem oder mehreren Detektorelementen 26, die jeder Kugelposition in dem Medium 25 durch "Nähe" (Fig. 14B), eine optische Faser 25 (Fig. 14C) oder bildgebenden Optiken 28 (Fig. 14D) zugeordnet sind.
Die Anzahl von Detektorelementen 26 pro Matrix kann groß sein (CCD-Matrices für TV-Kameras enthalten mehrere hunderttausend Elemente). Hierdurch kann man entsprechend große Blöcke des Datenspeichermediums schnell durch elektronisches Abtasten lesen, und das gesamte Medium läßt sich mit einer kleinen Anzahl mechanischer Verlagerungen abdecken. Als Zwischenlösungen sind denkbar: Eine Alternative zu großen Detektormatrices, die "starr blicken", sind beispielsweise abtastende Detektorgruppierungen. Wenn das Medium nicht zu breit ist (z.B. ein Band), kann die Matrix dessen gesamte Breite überdecken. Mechanische Verlagerung läßt sich in diesem Fall durch bevorzugt kontinuierliches Ziehen des Mediums in eine Richtung erreichen. Große Matrices beinhalten jedoch strengere Anforderungen an das Lesesystem und das Datenspeichermedium, und es wird z.B. schwieriger, die Registerstellung zwischen der Kugelposition und dem zugeordneten Detektorelement für alle Kugelpositionen in dem Block zu erhalten. In diesem Zusammenhang bietet das erfindungsgemäße Datenspeichersystem besondere Vorteile: Es ist wesentlich leichter, eine Registerstellung mit einer geringen Anzahl relativ großer Fokussierungsstrukturen (Kugeln) zu erlangen, als mit einer großen Anzahl kleiner Datenflecken in einem herkömmlichen optischen Datenspeichermedium. Tatsächlich zeigt in vielen relevanten Fällen eine einfache Bildanalyse, daß es eine Dichotomie gibt, wo die eine Lösung praktisch erreichbar, die andere dies aber nicht ist. Auf Redundanz beruhende Lösungen (jeder Fokussierungsstruktur oder Brennfleck auf dem Datenspeichermedium sind mehrere Detektorelemente zugeordnet) oder schnell abzutastende nahe Nominalpositionen werden diese fundamentale Situation kaum ändern.
Nach Beleuchtung in einer gegebenen Richtung (Θi, γj) kann man diese LED 23 abschalten, und eine andere LED 23 wird angeschaltet, die das Lesen in einer neuen Richtung (Θk, γj) vorsieht, usw., bis alle in Frage kommenden Richtungen abgedeckt wurden. Dies läßt sich in sehr schneller Folge durchführen, während das Datenspeichermedlum während des Beleuchtungszyklus unbeweglich ist. In der Praxis kann man Lichtquellen 23 verwenden, die mit einer solchen Rate an- und abschalten, daß die Relativverlagerung zwischen dem Medium und der Leseausrüstung während des Beleuchtungszyklus vernachlässigbar ist, selbst bei hohen Relativgeschwindigkeiten bis zu vielen m/s.
Bei Verwendung von Paaren wechselweise spektral angepaßter Lichtquellen/Detektorelemente ergeben sich Möglichkeiten zum gleichzeitigen parallelen Lesen von Daten in verschiedenen Richtungen.
Wichtig ist, daß die Leseausrüstung in vielen Unterkategorien leicht herstellbar ist, während jede Kategorie nur Beleuchtungsmöglichkeiten in einer kleinen Anzahl von Leserichtungen hat (s. oben Abschnitt C betreffend Steuerung der Datenzugänglichkeit).
Schließlich sollte bemerkt werden, daß, selbst wenn die Datenspeichertechnik, die in der vorliegenden Erfindung das wesentliche Merkmal ist, im Prinzip visuell nicht erkennbare Datenf lecken betrifft, die unabhängig gelesen und interpretiert werden, besteht aktuell kein Hinderungsgrund, zusätzliche Anzeigen vorzusehen, die auch für das Auge sichtbar sind, und zwar unter Verwendung derselben Technik. Im letzteren Fall werden sichtbare Merkmale durch Korrelation von Datenpunkten in makroskopischen Bereichen hergestellt, um durch "Kooperation" sichtbare Bilder zu erzeugen. Solche Bilder können von allen oder nur von einer begrenzten Anzahl von Richtungen sichtbar sein.
Natürlich kann ein praktisch ausgeführtes Datenspeichermedium (Karte) zusätzlich mit durch Drucken erzeugten, visuellen Anzeigen versehen sein.

Claims

1. Optisches Datenspeichermedium (25) zum Speichern von Daten in einer Anzahl von Elementarzellen in Form von Gruppen lokalisierter Bereiche (11), wobei das Medium (25) einen ganz oder teilweise lichtabsorbierenden Film (4) aufweist, hier Brennfilm genannt, der Brennfilm (4) seine optischen Eigenschaften unter dem Einfluß stark lokalisierter Beleuchtung lokal und gegebenenfalls reversibel ändern kann, diese Fähigkeit zur Aufzeichnung von Daten auf dem Medium (25) angewendet wird, und das weiter optische Strukturen (10) aufweist, die in enger Nachbarschaft zu dem Brennfilm (4) zur lichtbrechenden oder reflektierenden Beeinflussung und/oder zur Steuerung der auf den Brennfilm (4) gerichteten Beleuchtung angeordnet sind, wobei jede optische Struktur (10) durch Beleuchtung der Struktur (10) mit Licht (1) aus verschiedenen Richtungen das Auftreffen auf den Brennfilm (4) in einer Gruppe lokalisierter Bereiche (11) erlaubt und die optischen Strukturen (10) einen integralen Teil des Datenspeichermediwns (25) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strukturen (10) wenigstens in jeder zu dem Brennfilm (4) parallelen Richtung charakteristische Dimensionen von weniger als 100 um, bevorzugt in dem Bereich von 3 - 10 um aufweisen, wobei jede Gruppe und jeder lokalisierte Bereich (11) zum individuellen Lesen und Interpretieren angeordnet ist und den gespeicherten Daten eine inhärente Korrelation zu benachbarten Gruppen von Bereichen fehlt, so daß sie mit dem Auge nicht direkt erkennbar sind.

2. Optisches Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strukturen (10) aus strukturellen Modulationen in einem im wesentlichen transparenten Film über dem Brennfilm (4) bestehen.

3. Optisches Medium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationen Oberflächenmodulationen von mechanisch/geometrischem Charakter sind.

4. Optisches Medium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationen Materialmodulationen mit komplexem optischem Brechungsindex sind, der durch Einführen oder Entfernen von Ionen oder Molekülen in definierten lokalisierten Regionen des im wesentlichen transparenten Films induziert ist.

5. Optisches Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strukturen (10) aus einer reflektierenden Schicht (13) bestehen, die mit einem eingestellten Abstand unterhalb des Brennfilms (4) angeordnet ist, wobei der Brennfilm für die Beleuchtung teilweise transparent ist und die reflektierende Schicht (13) geometrische Modulationen aufweist.

6. Optisches Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strukturen (10) zur Konzentration oder Fokussierung einfallender Lichtstrahlen (1) auf den Brennfilm (4) ausgebildet sind.

7. Optisches Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strukturen (10) aus einer Mehrzahl separater, ganz oder teilweise transparenter und optisch brechender Objekte (10) bestehen, die über dem Brennfilm (4) angeordnet sind.

8. Optisches Medium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch brechenden Objekte Kugeln (10) sind.

9. Optisches Medium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) im wesentlichen gleiche Durchmesser und Materialeigenschaften aufweisen.

10. Optisches Medium nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) mit dem Brennfilm (10) in Kontakt liegen.

11. Optisches Medium nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) über Vertiefungen oder Gruben (22) in einem Substrat (5) liegen und der Brennfilm (4) den Boden der Vertiefungen (22) bedeckt.

12. Optisches Medium nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der Vertiefungen (22) an den Kugeldurchmesser angepaßt sind, um ein optimales Fokussieren der Beleuchtung auf dem Brennfilm (4) zu erreichen.

13. Optisches Medium nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden jeder Vertiefung (22) bezüglich einer Kugel (10), die in einer stabilen Position auf der Vertiefung liegt, konzentrisch geformt ist.

14. Optisches Medium nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kugel (10) in dem Bereich von 1 - 100 um, bevorzugt 3 - 10 um, liegt.

15. Optisches Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der lokalisierten Bereiche (11) in jeder Gruppe ein Markierungsbereich für Führungs- und Steuerzwecke in Verbindung mit nachfolgendem Aufzeichnen und Lesen von Daten auf/von dem Medium (25) ist, wobei die Markierungsbereiche durch intensive Vorbeleuchtung durch die optischen Strukturen (10) gemäß einem vorbestimmten Zuordnungsschema erzeugt werden.

16. Optisches Medium nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Markierungsbereich zentral unter jeder jeweiligen optischen Struktur (10) angeordnet ist.

17. Verfahren zum Aufzeichnen von Daten auf einem optischen Datenspeichermedium (25) des in einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Typs, in dem intensive Beleuchtung aus einer Anzahl verschiedener Richtungen selektiv auf das Medium gerichtet ist, wodurch jede jeweils beleuchtete optische Struktur (10) die reversible oder irreversible Änderung der optischen Eigenschaften des Brennfilms (4) selektiv in einer entsprechenden Anzahl von jeder optischen Struktur zugeordneten lokalisierten Bereichen (11) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Richtungen der Beleuchtung erreicht werden durch Parallelverschiebung eines Lichtstrahls (1) durch verschiedene Teile der Eintrittsseite ein und desselben optischen Fokussierungssystems (15), durch selektives Erregen permanent angeordneter, getrennter Lichtquellen oder durch selektives teilweises Unterbrechen eines breiten Lichtstrahls (1) an der Eintrittsseite, wodurch das Licht durch verschiedene Teile des Fokussierungssystems (15) tritt.

18. Verfahren zum Aufzeichnen von Daten auf einem optischen Datenspeichermedium (25) des in einem der Ansprüche 1 bis 16 beschriebenen Typs, in dem intensive Beleuchtung aus einer Anzahl verschiedener Richtungen selektiv auf das Medium gerichtet wird, wodurch jede jeweils beleuchtete optische Struktur (10) die reversible oder irreversible Änderung der optischen Eigenschaften des Brennfilms (4) selektiv in einer entsprechenden Anzahl von jeder optischen Struktur zugeordneten, lokalisierten Bereichen (11) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte optische Strukturen selektiv durch entsprechende Löcher in einer datenvermittelnden Maske beleuchtet werden, die in enger Nachbarschaft zu dem Medium (25) angeordnet ist, wobei die Maske mit den Löchern in Registerstellung mit den bestimmten optischen Strukturen (10) angeordnet ist.

19. Verfahren zum Lesen von Daten aus einem optischen Datenspeichermedium (25) des in einem der Ansprüche 1 bis 16 beschriebenen Typs, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsbestimmung reversibel oder irreversibel veränderter lokalisierter Bereiche (11) in dem Brennfilm (4) durchgeführt wird durch Zufuhr diffuser Beleuchtung (10) zu dem Datenspeichermedium (25), durch räumliches Filtern von aus dem Medium austretendem Licht in einem Bereich (16), der mit Abstand von einem außerhalb des Mediums (25) angeordneten optischen Übertragungssystem (15) angeordnet ist, und durch Abbilden des Mediums mit separat vorbestimmten Richtungen (dir. 1, dir. 2) entsprechendem Licht aus den optischen Strukturen (10) in einer Fokussierebene (17) des optischen Übertragungssystems.

20. Verfahren zum Lesen von Daten aus einem optischen Datenspeichermedium (25) des in einem der Ansprüche 1 bis 16 beschriebenen Typs, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsbestimmung reversibel oder irreversibel veränderter lokalisierter Bereiche (11) in dem Brennfilm (4) durchgeführt wird durch Beleuchten des Mediums (25) als vorbestimmten selektiven Richtungen und mit jeder Richtung korreliertem Auslesen von aus dem Medium (25) austretendem Licht mittels einzelnen Lichterfassungselementen (26) oder einer Lichterfassungsmatrix (26) in einer oder zwei Dimensionen, gegebenenfalls durch Betrieb in einem Abtastmodus.