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Die Erfindung betrifft ein optisches
Datenspeichermedium, das einen Datenspeicherbereich aufweist, der
durch ein im wesentlichen transparentes homogenes Basismaterial
und mit einer Anzahl von optisch aktiven Strukturen in Form von
diffraktiven optischen Elementen (DOE) benachbart zu einer Seite
des Datenspeicherbereichs gebildet ist, wobei die diffraktiven optischen
Elemente (DOE) jeweils ausgebildet sind, um einen Lichtstrahl, der
auf den Datenspeicherbereich einfällt, auf einen oder mehrere
Punkte zu fokussieren, wobei jeder mit einem eindeutig adressierbaren
Ort einer Daten aufweisenden Struktur, die zu erzeugen ist, oder
einer erzeugten Daten aufweisenden Struktur in dem Datenspeicherbereich
korrespondiert und/oder um einen von diesem Punkt oder diesen Punkten
abgelenkten Lichtstrahl oder eine emittierte Lichtstrahlung auf
einen Punkt außerhalb
des optischen Speichermediums zu fokussieren. Die Erfindung betrifft
auch Verfahren zum Schreiben von Daten jeweils gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
13 und 14 sowie Verfahren zum Lesen von Daten jeweils gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
17 und 18. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum
parallelen Schreiben von Daten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
20 und ein Verfahren zum parallelen Lesen von Daten gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 21.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf
gerichtet in optischen Datenspeichermedien in Form von sich drehenden
Disks (Scheiben), rechteckige Karten oder Folien oder Bänder in
Form von Streifen oder Spulen verwendet zu werden.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere darauf
gerichtet, in Verbindung mit einem Daten aufweisenden Medium und
einem Verfahren zum Erzeugen einer Daten aufweisenden Struktur in
einem derartigen Daten aufweisenden Medium verwendet zu werden,
wie dies in der internationalen Offenlegungsschrift WO 96/37888
mit dem Titel „Optical
data storage (Optischer Datenspeicher)" beschrieben ist, die auf den vorliegenden
Anmelder lautet und auf die hiermit Bezug genommen wird.
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In digitalen optischen Datenspeichern
gemäß dem Stand
der Technik tastet ein scharf fokussierter Laserstrahl symmetrisch
die Oberfläche
des Daten aufweisenden Mediums, typischerweise eine sich drehende
Disk, ab und der Dateninhalt wird abgeleitet durch Aufzeichnung
von Änderungen
im reflektierten Licht von der Disk, wenn der Laserstrahl mikroskopische
Vertiefungen oder Punkte (Spots) passiert, welche auf dem Medium
kodiert worden sind. Hohe Datendichten können erreicht werden, wenn
die Vertiefungen oder die Punkte klein und dicht beieinander angeordnet
sind. Die Vertiefungen oder Punkte, welche die Daten aufweisenden
Strukturen bilden, können
während
der Herstellung in die Disk formgepresst oder gepresst werden oder
es kann ein abtastender Laserstrahl verwendet werden, um Daten in
der Disk mittels kurzer intensiver Bündel von Licht zu kodieren,
welche die Daten aufweisenden Strukturen, bspw. in Form von Vertiefungen,
bilden.
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Dieses Verfahren des optischen Datenspeicherns
und -zugreifens hat eine Anzahl von Nachteilen. Ein hochpräzises optomechanisches
System ist erforderlich, um den Laserstrahl akkurat auf der Spur zu
positionieren, welche die Daten enthält, und die Daten werden seriell
ausgelesen. Dies bringt mechanische operative Einschränkungen
mit sich und reduziert die Zugriffsgeschwindigkeit. Das letztgenannte Problem
ist insbesondere in vielen Anwendungen schwerwiegend und derzeit
finden eingehende Forschungen statt im Hinblick auf die Entwicklung
von leichteren Bauweisen des optischen Kopfs, welche eine schnellere
mechanische Positionierung ermöglichen.
Jedoch sind mechanisch basierte Verfahren nicht zur Erzielung von
sehr hohen Zugriffsraten geeignet und daher wurden beträchtliche
Mittel in die Forschung investiert, um adressierende Systeme für Lichtstrahlen
basierend auf akustooptischen oder elektrooptischen Effekten zu
entwickeln. Da nun derartige Systeme in kompakten und vorzugsweise
kostengünstigen
physikalischen Baugruppen implementiert werden können, waren integrierte optische
Anordnungen von besonderem Interesse für Forscher.
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Obgleich die oben genannten andauernden Forschungen
irgendwann einmal zu praktischer Hardware führen werden, werden wegen des
sequentiellen Zugriffs auf die gespeicherten Informationen und wegen
des verwendeten Spurverfolgungsverfahrens die Datenübertragungsraten
ein ernsthaftes Problem sein. Um dies zu beseitigen, wurde nach Mehrspurlösungen geforscht,
bei denen Daten mittels opti scher Köpfe parallel übertragen
werden, welche eine Anzahl benachbarter Spuren schreiben und lesen.
Nur wenige benachbarte Spuren können
auf diese Weise durch einen einzelnen servogesteuerten optischen
Kopf abgedeckt werden und etliche unabhängige spurfolgende Köpfe werden
benötigt,
um höhere
Geschwindigkeiten zu erreichen. Der Grad an Schreib- und Leseparallelität, der durch
derartige Verfahren erreichbar ist, ist durch physikalische und kostenmäßige Beschränkungen
erheblich eingeschränkt.
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Ein Beispiel eines optischen Speichers,
welcher die Probleme von mechanisch basierten Adressierungsverfahren
vermeidet, ist in der internationalen Offenlegungsschrift WO 93/13529
offenbart. Daten werden in einer optischen Schicht 19 gespeichert, welche
in der Lage ist, selektiv Licht bspw. durch eine Änderung
des Durchlassvermögens,
des Reflektionsvermögens,
der Polarisation und/oder der Phase zu ändern. Die Datenschicht 19 wird
durch steuerbare Lichtquellen 15 beleuchtet und ein Array 21 von bildgebenden
Mikrolinsen (lenslets) projizieren das Bild auf ein herkömmliches
bzw. gemeinsames Array 27 von Lichtsensoren. Durch selektives
und sequentielles Beleuchten verschiedener Datenregionen oder Seiten
in der Datenschicht werden entsprechende unterschiedliche Datenmuster
durch korrespondierende Mikrolinsen 21 auf dem herkömmlichen
bzw. gemeinsamen Sensorarray 27 abgebildet, wodurch die
Abfrage einer großen
Anzahl von Datenseiten durch elektrooptisches Multiplexing ermöglicht wird. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
können die
Mikrolinsen 21 durch diffraktive optische Strukturen 402, 406 ersetzt
werden, obgleich zugestanden wird, dass, wenn nicht monochromatische
oder schmalbandige Lichtquellen verwendet werden, diffraktive optische
Strukturen unerwünschte
Abbildungsfehler oder Störungen
in den Bilddaten infolge von unterschiedlichen Quellenwellenlängen verstärken. Überdies
trennt dieser optische Speicher auch strukturell die Schreib- und
Leseoptiken, was zu einer ziemlich komplizierten optischen Anordnung
führt, welche
die Bereitstellung eines Strahlenteilers 31 in dem Gehäuse 11 des
Speichers mit sich bringt.
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Als Beispiel eines für ein optisches
Speicher geeignetes Datenspeichermedium kann Bezug genommen werden
auf zum Beispiel das US-Patent 5 536 871 (Russel), welches von der
Vorgängeranmeldung
von WO 93/13529 abgeleitet ist und einen kompakten optischen Speicher
offenbart, wobei Daten auf einer Karte 104 mit integrierten
Mikrolinsenarrays 210 und in einer optischen Datenschicht 190 gespei chert
werden, welche in der Lage ist, selektiv Licht durch eine Änderung
im Durchlassvermögen,
Reflektionsvermögen,
der Polarisation und/oder der Phase zu ändern. Optische Speicher können jedoch
auch in einem Speichermedium implementiert werden, das in der Lage
ist, fluoreszentes Licht nach Anregung mit einer geeigneten Lichtquelle
zu emittieren, wie dies zum Beispiel in der oben genannten internationalen Offenlegungsschrift
WO 96/37888 offenbart ist, oder eine chromophore Zusammensetzung
enthält,
wie dies zum Beispiel in der internationalen Oftenlegungsschrift
WO 96/21228 offenbart ist, welche die Verwendung von Bacteriorhodopsin
als das Chromophor lehrt.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, die oben genannten Probleme zu vermeiden, die mit den gegenwärtigen Technologien
für optische
Datenspeicher im Zusammenhang stehen, sowie die Probleme, die aus
einer Anzahl von zuvor vorgeschlagenen Lösungen resultieren. Ein weiteres
Ziel ist es, in der Lage zu sein, auf große Datenblöcke in einem Daten aufweisenden
Medium parallel zugreifen zu können
und mechanische Bewegung vollständig oder
teilweise durch Verwendung von elektronisch basierter Adressierung
und elektronisch basierten Logikoperationen zu ersetzen.
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Ein besonderes Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, einfaches Schreiben und Lesen von optisch gespeicherten
Daten in einer großen
Anzahl, zum Beispiel mehrere hundert bis mehrere tausend paralleler
Kanäle
zu erreichen und einen schnellen Direktzugriff auf die Daten zu
erreichen, in einigen Fällen
ohne mechanische Bewegung.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
in der Lage zu sein, ein kostengünstiges
Datenspeichermedium mit hoher Datendichte bereitzustellen. Ein weiteres
Ziel der Erfindung ist es, dass in einer Anzahl von Anwendungen
eine Laserquelle nicht erforderlich ist, sondern inkohärente Fotoemitter,
wie zum Beispiel Licht emittierende Dioden (LEDs) ausreichen. Ein
weiteren Ziel der Erfindung ist es, dass sie in der Lage sein sollte,
zu jedwedem Format zu passen, welches auch immer auf einem Daten
aufweisenden Medium vorhanden ist, ob es nun Disks, Karten oder Bänder sind,
neben dem Ermöglichen
der Verwendung von sehr kompakter optischer Schreib-/Lesehardware.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
ist ein optisches Datenspeichermedium vorgesehen, das einen Datenspeicherbereich
aufweist, der durch ein im wesentlichen transparentes homogenes
Basismaterial gebildet ist, auf dem eine Anzahl von optisch aktiven
Strukturen in Form von diffraktiven optischen Elementen (DOE) benachbart
zu einer Seite des Datenspeicherbereichs vorgesehen ist, wobei die
diffraktiven optischen Elemente (DOE) jeweils ausgebildet sind,
um einen Lichtstrahl, der auf den Datenspeicherbereich einfällt, auf
einen oder mehrere Punkte zu fokussieren, wobei jeder mit einem
eindeutig adressierbaren Ort einer Daten aufweisenden Struktur,
die zur erzeugen ist, oder einer erzeugten Daten aufweisenden Struktur
in dem Datenspeicherbereich korrespondiert und/oder um einen von
diesem Punkt und diesen Punkten angelenkten Lichtstrahl oder emittierte
Lichtstrahlung auf einen Punkt außerhalb des optischen Speichermediums
zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische
Element (DOE) topografische Strukturen aufweist, wobei gesteuerte
schrittweise Phasenänderungen
in der optischen Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt
werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein erstes Verfahren zum Schreiben von Daten auf ein
optisches Speichermedium vorgesehen, das einen Datenspeicherbereich
aufweist, der durch ein im Wesentlichen transparentes homogenes
Basismaterial gebildet ist, auf dem eine Anzahl von optisch aktiven
Strukturen in Form von diffraktiven optischen Elementen (DOE) benachbart
zu einer Seite des Datenspeicherbereichs vorgesehen ist, wobei die
diffraktiven optischen Elemente (DOE) jeweils ausgebildet sind,
um einen Lichtstrahl zu fokussieren, der auf den Datenspeicherbereich
auf einen oder mehrere Punkte einfällt, die jeweils mit einem
eindeutig adressierbaren Ort einer datenaufweisenden Struktur, welche
zu erzeugen ist, oder einer erzeugten datenaufweisenden Struktur
in dem Datenspeicherbereich korrespondieren und/oder um von diesem
Punkt oder diesen Punkten einen abgelenkten Lichtstrahl oder emittierte
Lichtstrahlung auf einen Punkt außerhalb des optischen Speichermediums
zu fokussieren,
gekennzeichnet durch Richten eines Laserstrahls
auf ein diffraktives optisches Element auf dem optischen Speichermedium,
wobei das diffraktive optische Elemente topographische Strukturen
aufweist, wobei gesteuerte schrittweise Phasenänderungen in der optischen
Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt werden, wobei
der Laserstrahl durch das diffraktive optische Element auf einen
bestimmten Punkt in den Datenspeicherbereich fokussiert wird, wobei
die von dem Laserstrahl in den Brennpunkt in einer bekannten Weise
abgegebene Energie eine physikalische oder chemische Änderung
in dem Material an diesem Punkt in einem unberührten Datenspeicherbereich
bewirkt, wodurch eine datenaufweisende Struktur erzeugt wird, der
ein Datum zugewiesen wird, dessen Wert mit dem Grad der physikalischen
oder chemischen Änderung
in dem Material in der datenaufweisenden Struktur korrespondiert,
wobei dieser Grad durch Modulieren des Laserstrahls gemäß einem
vorbestimmten Modulationsverfahren bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein zweites Verfahren zum Schreiben von Daten auf
ein optisches Speichermedium vorgesehen, das einen Datenspeicherbereich
aufweist, der durch ein im Wesentlichen transparentes homogenes Basismaterial
gebildet ist, auf den eine Anzahl von optisch aktiven Strukturen
in Form von diffraktiven optischen Elementen (DOE) benachbart zu
einer Seite des Datenspeicherbereichs vorgesehen ist, wobei die
diffraktiven optischen Elemente (DOE) jeweils ausgebildet sind,
um einen Lichtstrahl zu fokussieren, der auf den Datenspeicherbereich
auf einen oder mehrere Punkte einfällt, die jeweils mit einem
eindeutig adressierbaren Ort einer datenaufweisenden Struktur, welche
zu erzeugen ist, oder einer erzeugten datenaufweisenden Struktur
in dem Datenspeicherbereich korrespondieren und/oder um von diesem
Punkt oder anderen Punkten einen abgelenkten Lichtstrahl oder emittierte
Lichtstrahlung auf einen Punkt außerhalb des optischen Speichermediums
zu fokussieren, gekennzeichnet durch das Verwenden eines Lasers
mit einstellbarer Wellenlänge
in dem Verfahren, Richten eines Laserstrahls auf ein diffraktives
optisches Element auf dem optischen Speichermedium, wobei die diffraktiven
optischen Elemente topographische Strukturen aufweisen, wobei gesteuerte
schrittweise Phasenänderungen
in der optischen Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt
werden, Einstellen der Wellenlänge des
Laserstrahls derart, dass der Laserstrahl dabei durch dieses diffraktive
optische Element auf einen bestimmten Punkt in den Datenspeicherbereich
fokussiert wird und wobei die von diesem Laserstrahl in den Brennpunkt
in einer an sich bekannten Weise abgegebene Energie eine physikalische
oder chemische Änderung
in dem Material in diesem Punkt auf dem unberührten Datenspeicherbereich
bewirkt, und Erzeugen einer datenaufweisenden Struktur, der ein Datum
zugewiesen ist, dessen Wert mit dem Grad der physikalischen oder
chemischen Änderungen
in dem Material in dieser datenaufweisenden Struktur korrespondiert,
wobei dieser Wert durch Modulieren des Laserstrahls gemäß einem
vorbestimmten Modulationsverfahren bestimmt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein Verfahren zum Lesen von Daten auf einem optischen
Speichermedium vorgesehen, das datenaufweisende Strukturen aufweist,
die durch das erste Verfahren zum Schreiben gemäß der Erfindung erzeugt worden
sind,
wobei ein Lichtstrahl auf ein diffraktives optisches Element
auf das optische Datenspeichermedium gerichtet wird, wobei die diffraktiven
optischen Elemente topographische Strukturen aufweisen, wobei gesteuerte
schrittweise Phasenänderungen
in der optischen Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt
werden, wobei dieser Lichtstrahl auf eine spezifische datenaufweisende
Struktur in den Datenspeicherbereich fokussiert wird, wobei die
von diesem Lichtstrahl in den Brennpunkt in einer an sich bekannten
Weise abgegebene Energie eine optisch detektierbare Reaktion von
dieser datenaufweisenden Struktur bewirkt, derart, dass diese detektierbare
Reaktion mit dem Wert des Datums korrespondiert, das in der datenaufweisenden
Struktur gespeichert ist, und wobei diese optisch detektierbare
Reaktion durch das diffraktive optische Element auf einen optischen
Detektor fokussiert wird, der außerhalb dieses optischen Speichermediums
bereitgestellt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein zweites Verfahren zum Lesen von Daten auf einem
optischen Speichermedium vorgesehen, das datenaufweisende Strukturen
aufweist, die durch das zweite Verfahren zum Schreiben gemäß der Erfindung
erzeugt worden sind,
wobei ein Lichtstrahl auf ein diffraktives
optisches Element auf dem optischen Datenspeichermedium gerichtet
wird, wobei die diffraktiven optischen Elemente topographische Strukturen
aufweisen, wobei gesteuerte schrittweise Phasenänderungen in der optischen
Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt werden, wobei
die Wellenlänge
des Lichtstrahls derart eingestellt wird, dass der Lichtstrahl dabei
auf eine spezifische datenaufweisende Struktur in dem Datenspeicherbereich
fokussiert wird, wobei die von dem Lichtstrahl in den Brennpunkt
in einer an sich bekannten Weise abgegebene Energie eine optisch
detektierbare Reaktion von der datenaufweisenden Struktur bewirkt,
so dass diese detektierbare Reaktion mit dem Wert des Datums, das
in der datenaufweisenden Struktur gespeichert ist, korrespondiert
und diese optisch detektierbare Reaktion durch das diffraktive optische
Element auf einen optischen Detektor fokussiert wird, der außerhalb
des optischen Speichermediums bereitgestellt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein Verfahren zum parallelen Schreiben von Daten auf
ein optisches Speichermedium vorgesehen, das einen Datenspeicherbereich
aufweist, der durch ein im Wesentlichen transparentes homogenes Basismaterial
gebildet ist, auf dem eine Anzahl von optisch aktiven Strukturen
in Form von diffraktiven optischen Elementen (DOE) benachbart zu
einer Seite des Datenspeicherbereichs vorgesehen ist, wobei die
diffraktiven optischen Elemente (DOE) jeweils ausgebildet sind,
um einen Lichtstrahl zu fokussieren, der auf den Datenspeicherbereich
auf einen oder mehrere Punkte einfällt, die jeweils mit einem
eindeutig adressierbaren Ort einer datenaufweisenden Struktur, welche
zu erzeugen ist, oder einer erzeugten datenaufweisenden Struktur
in dem Datenspeicherbereich korrespondieren und/oder um von diesem
Punkt oder diesen Punkten einen abgelenkten Lichtstrahl oder emittierte
Lichtstrahlung auf einen Punkt außerhalb des optischen Speichermediums
zu fokussieren,
gekennzeichnet durch Richten zweier oder mehrerer Laserstrahlen,
die von einer Lasereinrichtung emittiert werden, der zwei oder mehrere
separat aktivierbare Laserelemente aufweist, durch eine optische Einrichtung
und mit verschiedenen Einfallswinkeln auf ein diffraktives optisches
Element auf dem optischen Speichermedium, wobei die diffraktiven
optischen Elemente topographische Strukturen aufweisen, wobei gesteuerte
schrittweise Phasenänderungen
in der optischen Wellenfront des einfallenden Lichtstrahls erzeugt
werden, wobei die Wellenlänge von
jedem individuellen Laserstrahl jeweils derart eingestellt wird,
dass dieser Laserstrahl von dem diffraktiven optischen Element auf
dieselbe Ebene fokussiert wird, wobei diese Ebene mit einer bestimmten
Speicherschicht in dem Datenspeicherbereich korrespondiert, wobei
die von jedem Laserstrahl in den Brennpunkt in einer an sich bekannten
Weise abgegebene Energie eine physikalische oder chemische Änderung
in dem Material in einer unberührten Speicherschicht
in jedem Brennpunkt dieser Ebene bewirkt, wobei eine Anzahl von
datenaufweisenden Strukturen in dieser Ebene erzeugt wird, korrespondierend
zu der Anzahl von Laserstrahlen, und wobei jeder datenaufweisenden
Struktur ein Datum zugewiesen wird, dessen Wert dem Grad der physikalischen
oder chemischen Änderung
in dieser datenaufweisenden Struktur entspricht, wobei dieser Grad durch
Modulieren des jeweiligen Laserstrahls gemäß einem vorbestimmten Modulationsverfahren
bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein Verfahren zum parallelen Lesen vorgesehen, wobei
zwei oder mehr Lichtstrahlen von einer Beleuchtungseinrichtung,
welche zwei oder mehrere auswählbar
aktivierbare Lichtquellen mit festen oder einstellbaren Wellenlängen aufweist,
wobei die Wellenlängen
dieser Lichtstrahlen entweder fest oder mittels einer optischen
Einrichtung einstellbar sind, auf ein oder mehrere diffraktive optische
Elemente auf dem Datenspeichermedium gerichtet werden, wobei die
diffraktiven optischen Elemente topographische Strukturen aufweisen,
wobei gesteuerte schrittweise Phasenänderungen in der optischen Wellenfront
des einfallenden Lichtstrahls erzeugt werden, wobei die Lichtstrahlen
auf bestimmte datenaufweisende Strukturen in den Datenspeicherbereich
fokussiert werden, wobei die von jedem Lichtstrahl in den jeweiligen
Brennpunkt in einer an sich bekannten Weise abgegebene Energie optisch
detektierbare Reaktionen von den datenaufweisenden Strukturen bewirken,
und wobei diese optische detektierbaren Reaktionen durch eine weitere
optische Einrichtung auf der gegenüberliegenden Seite des Datenspeichermediums
und auf optische Detektorelemente in einer optischen Detektoreinrichtung
fokussiert werden, wobei die detektierten optischen Reaktionen den
Werten der Daten entsprechen, die den jeweiligen datenaufweisenden
Strukturen entsprechen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiel
des optischen Datenspeichermediums ist das Datenspeichermedium in
Form eines Bandes, einer Disk oder einer Karte ausgebildet und die
diffraktiven optischen Elemente sind auf der Oberfläche des
Bandes, der Disk oder der Karte angeordnet.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
des optischen Datenspeichermediums weist der Datenspeicherbereich
eine oder mehrere Schichten auf, welche eine oder mehrere unterscheidbare Speicherebenen
bilden, wobei die Speicherschicht fluoreszierende Farbmolekühle aufweist,
die in das Basismaterial eingebettet sind, welches die Speicherschicht
bildet, wobei die Farbmolekühle
in jeder individuellen Speicherschicht eine unterscheidbare Spektralempfindlichkeit
aufweisen, welche an die Wellenlänge
des Lichtstahls angepasst ist, welcher durch die diffraktiven optischen
Elemente auf dieser Speicherschicht fokussiert ist.
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Die Erfindung wird nun detailierter
in Verbindung mit einer Darstellung des Prinzips von diffraktiven
optischen Elementen, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwen det
werden, und in Verbindung mit Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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1 veranschaulicht
optisch aktive Strukturen in der Form einer Matrix von diffraktiven
optischen Elementen DOE.
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2a, b veranschaulicht das Prinzip eines diffraktiven
optischen Elements DOE oder einer Zonenplattenlinse, wie sie in
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3a veranschaulicht
das Profil einer Zone in dem diffraktiven optischen Element DOE
gemäß 2b.
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3b, c, d veranschaulichen
verschiedene Verfahren zum Approximieren oder Quantisieren der Phasenfunktion
des Profils gemäß 3a.
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4a veranschaulicht
eine Zonenplattenlinse, welche als Diffraktionsgitter in Betrachtung
gezogen worden ist.
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5 veranschaulicht,
wie eine einfallende ebene Welle durch ein diffraktives optisches
Element in einem Substrat fokussiert wird.
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6 ist
ein schematischer Schnitt durch ein optisches Datenspeichermedium
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahren zum parallelen Schreiben
von Daten gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum parallelen Lesen
von Daten gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9a, b ist eine schematische Darstellung des
Prinzips des Fokussierens von Laserstrahlen auf derselben Ebene
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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10 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum parallelen Zugreifen
auf mehrere Speicherschichten in dem Datenspeichermedium gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist die Verwendung von optisch aktiven Strukturen in der Form von
diffraktiven optischen Elementen DOEs in dem Daten aufweisenden
Medium, wobei die diffraktiven optischen Elemente DOEs als eine
Mehrzahl von mikroskopischen Linsen wirken. Das eigentliche Daten
tragende Medium gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dabei eigentlich ein integraler Teil des optischen
Systems, welches das Licht formt und führt, welches zum Schreiben
und Auslesen von Daten verwendet wird. Ferner ist gemäß der Erfindung
erforderlich, dass die diffraktiven optischen Elemente mit kontrollierten
schrittweisen Phasenänderungen
gebildet werden. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Beschränkungen
eliminiert, welchen man in herkömmlichen
optischen Datenspeicherverfahren begegnet, und die Möglichkeit
wird eröffnet, eine
hohe Schreib-/Lese-Leistungsfähigkeit
mit praktischer und kostengünstiger
Hardware zu erhalten.
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Diffraktive Optiken basieren auf
Beugung bzw. Strahlenbeugung im Gegensatz zur Brechung oder Reflektion
von Licht. In vielen Fällen
können DOEs
den Platz von herkömmlichen
refraktiven Optiken einnehmen, wie bspw. Linsen oder Prismen, wobei
auf diese Weise eine wesentliche Reduktion der Kosten und Größe erreicht
wird. In einer Anzahl von Fällen
können
diffraktive Optiken bessere Leistungen erreichen als refraktive
Elemente, zum Beispiel Achromatisation, oder selbst Möglichkeiten
jenseits der Reichweite von herkömmlichen
optischen Elementen erreicht werden, die auf Refraktion oder Reflektion
basieren.
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1 veranschaulicht
eine Matrix von diffraktiven optischen Elementen DOEs. Jedes DOE besteht
aus sorgsam ausgebildeten topografischen Strukturen, welche durch
vielfältige
Prozesse, wie Formpressen, Formstanzen, trockenes oder nasses Ätzen hergestellt
und nachgebildet werden können.
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Eine Beschreibung wird nachfolgend
gegeben, wie diffraktive optische Elemente DOEs in dem optischen
Datenspeichermedium gemäß der Erfindung
zu verwenden sind, um die gewünschte
Datenspeicherkapazität
zu erreichen. Die Datenspeicherkapazität wird von der maximalen Dichte
abhängig sein,
welche durch nicht überlappende
fokussierte Bereiche oder Brennflecken in dem Substrat des Daten
aufweisenden Mediums hinter dem DOE erzielt werden kann. Insbesondere
soll die folgende Beschreibung auf die Verwendung von Zonenplattenlinsen
als ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der DOEs mit
gesteuerten schrittweisen Phasenänderungen
fokussiert werden.
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Ein Bauartprinzip für ein diffraktives
optisches Element DOE oder eine Zonenplattenlinse ist in 2 dargestellt. Falls der
Einfachheit halber angenommen sei, dass eine ebene Welle mit der
Wellenfront parallel zu der planaren Oberfläche der in 2a dargestellten Linse von unten einfällt, werden nur
die schraffierten Bereiche in 1a die
transmittierte Wellenfront beeinflussen, abgesehen von einem Phasenfaktor
von 2nπ,
wobei nπ ein
ganzzahliger Wert ist. Folglich wird die in 2b dargestellte Linse die gleiche transmittierte
Wellenfront erzeugen wie die Linse in 2a,
abgesehen davon, dass es einen diskontinuierlichen Phasensprung
von 2n zwischen zwei verschiedenen Zonen in der Linse in 2b gibt. Eine derartige
in 2b dargestellte Linse
wird als ein diffraktives optisches Element DOE oder eine Zonenplattenlinse
bezeichnet. Es unterscheidet sich von einer Fresnellinse dadurch,
dass letztere infolge von Ungenauigkeiten in dem Herstellungsprozess
einen zufälligen
Phasensprung von einer Zone zur nächsten macht mit der Folge,
dass die Wellenfelder, welche den verschiedenen Zonen entspringen,
nicht eine konstruktive Interferenz in dem Brennbereich ergeben.
Folglich wird die Diffraktion begrenzte Auflösung der Fresnellinse durch
die Breite der Zone bestimmt, während
die Auflösung
einer Zonenplattenlinse durch den Durchmesser der Linse bestimmt
wird.
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Ein tatsächliches Profil von einer der
Zonen in 2b ist in 3a dargestellt. In der Praxis
kann es jedoch einfacher sein, abgestufte Zonenprofile zu verwenden,
wie in 3b und 3c dargestellt. Die Anzahl
von Schritten in dem abgestuften Profil wird als die Anzahl von
Quantisierungsebenen für
die Phasenfunktion beschrieben. Es ist ersichtlich, dass, wenn die
Anzahl der Quantisierungsebenen unendlich groß wird, ein kontinuierliches
Profil wie das in 3d erhalten
werden kann. Das Prinzip der Bauweise einer Zonenplattenlinse, welche
eine optimale Abbildung eines Punktes auf der Achse bereitstellt, ist,
dass die optische Pfadlänge
von dem Objektpunkt zu dem Bildpunkt über jede Zone in der Linse die
gleiche ist wie die direkte optische Pfadlänge zwischen dem Objekt- und
dem Bildpunkt abgesehen von einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen.
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Ein DOE oder eine Zonenplattenlinse
ist jeweils in 4a in
einer Ansicht von oben und in 4b in
einer Schnittansicht dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Zonenplattenlinse
aus einer Anzahl von konzentrischen ringförmigen Öffnungen besteht, wobei jedem
Ring ein bestimmter Phasen- und Amplitudenwert zugeordnet ist. Überdies
ist bekannt, dass Zonenplattenlinsen Brennpunkte einer höheren Ordnung
haben, woraus resultiert, dass nur ein Abschnitt der einfallenden
Energie in der gewünschten Abbildung
endet. Es ist ebenfalls bekannt, dass die Effizienz der Zonenplattenlinsen
durch Erhöhen
der Anzahl von Quantisierungsstufen für die Phasenfunktion erhöht werden
kann. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, Intensitätsstufen
von 33, 57 und 67% in der Hauptkeule der abbildungsfehlerfreien
Abbildung für
jeweils 2, 3 und 4 Quatisierungsstufen zu erhalten. Kürzlich wurde
jedoch ein neues Kodierungsverfahren, das sog. RSIDO-Verfahren,
entwickelt, welchem nachgesagt wird, eine gemessene Diffraktionseffizienz
von 90% zu erzielen. Andererseits ist ein Nachteil der Zonenplattenlinse,
dass sie bedeutende chromatische Abbildungsfehler hat. Solang jedoch die
Beleuchtung relativ monochromatisch ist, wird eine moderate Änderung
der Beleuchtungswellenlänge
in Bezug zu der Wellenlänge,
welche für
die Konstruktion der Zonenplattenlinse verwendet wurde, nicht zu
einer wesentlichen Störung
in der Qualität
der Abbildung führen.
Im allgemeinen wird das Sichtfeld auch durch Coma bzw. Leuchtfleckverzerrung,
Astigmatismus und Bildkrümmung
begrenzt, jedoch kann Coma durch Anordnen der Zonenplattenlinse
oder DOE auf einer sphärischen
Oberfläche vermieden
werden.
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Der Strahlenpfad in einer Zonenplattenlinse oder
DOE kann dadurch gefunden werden, dass sie als ein Diffraktionsgitter
mit verschiedenen Gitterperioden angenommen wird oder dadurch, dass
geometrische Strahlen auf der Basis der Gittergleichung konstruiert
werden. Unter Bezugnahme auf die schematisch dargestellte Zonenplattenlinse
in
4a,
b kann
sie, wie in
4a dargestellt,
als ein kreisförmiges
Diffraktionsgitter mit einer Periode angenommen werden, welche in
Richtung des Randes der Linse abnimmt. In der in
4b dargestellten Zonenplattenlinse ist
das Feld mit einem einfallenden geometrischen Strahl, lokal eine
ebene Welle, verbunden. Die Richtung des transferierten geometrischen Strahls,
der der Diffraktion erster Ordnung entspricht, wird durch die Gittergleichung
angegeben:
wobei λ die Wellenlänge, d der lokale Wert für die Gitterperiode
und θ
i und θ
t jeweils die Winkel zwischen dem normalen
geometrischen Strahl auf das Gitter und dem einfallenden und transmittierten
geometrischen Strahl sind. Da d in Richtung der Kante der Linse
abnimmt, kann aus
4b entnommen
werden, dass die äußersten
Strahlen eine größere Deflektion erfahren
als die Strahlen nahe des Zentrums. Durch Einwirken auf die Gitterperiode
derart, dass sie in einer bestimmten Weise abnimmt, können alle
Strahlen in Richtung eines gemeinsamen Brennpunktes gerichtet werden.
Es ist zu beachten, dass verschiedene Maßstäbe jeweils entlang der horizontalen
und vertikalen Achse in
4b verwendet
werden.
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Die Geometrie des Strahlenganges
in einem DOE ist schematisch in 5 dargestellt.
Eine monochormatische ebene Welle mit einer gegebenen Wellenlänge λ 0 in Luft
hat einen Einfallswinkel θ zur optischen
Achse von einem DOE, welches in Kontakt mit einem planaren Substrat
mit dem Refraktionsindex vorgesehen ist. Der Durchmesser des DOE
ist mit D angegeben und die sekundäre Brennweite für die Kombination
DOE/Substrat ist mit f angegeben. Für verschiedene Kombinationen
von f/Zahl, Durchmesser D für
das DOE und Refraktionsindizes n für das Substrat können die
volle Breite des Brennflecks bei halber maximaler Intensität (FWHM)
wie folgt bestimmt werden. Es wurde herausgefunden, dass FWHM zwischen
0,33 μm
und 0,42 μm
auf der optischen Achse und zwischen 0,70 μm und 0,90 μm am Rand des Sichtfeldes variierte.
Die transmittierte Intensität
auf der optischen Achse war ungefähr 0,9 und die transmittierte
Intensität
am Rand des Sichtfeldes war ungefähr 1/10 davon. Auf diese Weise
ist FWHM ungefähr
gleich für
das DOE wie für
refraktive Linsen in der Form von Mikrosphären, während die Intensität in Richtung
des Randes des Sichtfeldes des DOE schneller abfällt. Jedoch ist es ein Vorteil, dass
für einen
gegebenen Durchmesser das DOE die Möglichkeit einer relativ freien
Wahl der f/Zahl und dem Refraktionsindex für das Substrat bietet, da beide
dieser Werte die diffraktionsbegrenzende FWHM beeinflussen werden.
Ein weiterer Vorteil von DOEs ist, dass sie vernachlässigbare
Bildkrümmung
aufweisen mit dem Ergebnis, dass der Fokus auf der optischen Achse
und der Fokus an der Kante des Feldes ungefähr auf der gleichen Ebene liegen.
Eine Analyse der diffraktionsbegrenzenden Fokussierungseigenschaften
für ein
DOE im Kontakt mit einem planaren Substrat zeigt, dass für eine DOE
mit einem festen Durchmesser FWHM umgekehrt proportional zu dem
Refraktionsindex des Substrats und proportional zu der f/Zahl des
DOE in dem Substrat ist.
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Schließlich ist anzumerken, dass
diffraktive optische Elemente DOEs eine große Dispersion haben, wobei
die Brennweite eines DOE im hohen Maße abhängig von der Wellenlänge des
Lichts ist.
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Die Bauweise eines Daten aufweisenden Mediums
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches diffraktive optische Elemente DOEs oder Zonenplattenlinsen
verwendet, die wie oben beschrieben ausgebildet sind, wird nun detaillierter
in Verbindung mit 6 betrachtet,
welche schematisch einen Teil des Datenmediums veranschaulicht mit
einer dichten Matrix von diffraktiven optischen Elementen DOEs auf
der Oberfläche
des Datenmediums. Jedes DOE agiert als eine schmale Linse und einfallendes
Licht wird, wie oben erläutert,
fokussiert und in Richtung eines Speicherbereichs gerichtet, das
heißt der
informationstragende Bereich, welcher der Kürze halber im folgenden als
die Bitschicht beschrieben wird. Jedes Informationsbit wird dadurch
dargestellt, wie das Material in der Bitschicht Licht beeinflusst oder
von Licht beeinflusst wird, welches sie während der Beleuchtungsphase
für die
Daten trifft. Angenommen, dass bspw. das Daten tragende Medium,
wie in 6 dargestellt,
ausgebildet ist, wird Licht, welches auf das DOE an der Vorderseite
einfällt,
auf der Rückseite
des DOE fokussiert, welche mit einem dünnen Film aus einer Tellurlegierung
beschichtet ist. Die letztere bildet die Bitschicht oder die Speicherschicht
und hat eine niedrige Lichttransmission, ausgenommen an Punkten,
wo sie einem kurzen, hochintensiven Lichtimpuls während der
Schreibphase ausgesetzt war. Der Informationsgehalt in diesem Teil
des Daten tragenden Mediums, welcher jedem diffraktiven optischen
Element DOE zugeordnet ist, wird daher durch einen Satz von Licht
transmittierenden oder nicht-transmitierenden Bit-zugeordneten Bereichen
oder Strukturen in der Bitschicht dargestellt, welche zum Beispiel
hell oder dunkel erscheinen werden, wenn sie in der Transmission
gelesen werden. Jeder Datenposition in dem Daten aufweisenden Medium
ist eine eindeutige Adresse zugeordnet, auf welche über das
DOE während
des Schreibens oder Lesens in zwei unabhängigen Schritten zugegriffen
werden kann. Die Position eines gegebenen DOE auf der Oberfläche des
Daten aufweisenden Mediums wird durch eine x, y- Koordinate definiert, zum Beispiel die
Position seines chromatischen Zentrums in Bezug auf einen Referenzursprung
auf dem Daten aufweisenden Medium und die Position eines Punktes
in der Bitschicht, welche sich auf ihr zugeordnetes diffraktives
Element DOE bezieht, ist durch die Einfallsrichtung des Lichts definiert,
welches auf diesen Punkt fokussiert wird, zum Beispiel definiert
in Standard-Polarkoordinaten θ, ϕ.
Auf diese Weise ergibt sich die vollständige Adresse zu x, y, θ, ϕ.
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Um eine möglichst hohe Datenspeicherdichte
in dem Medium zu erzielen, müssen
die Punkte oder die Daten aufweisenden Strukturen so klein wie möglich sein
und sie sollten so dicht wie möglich
unter jedem DOE angeordnet sein. Ferner sollte die „Todeszone" zwischen Gruppen
von Daten aufweisenden Strukturen, auf die durch verschiedene, jedoch benachbarte
DOEs zugegriffen wird, minimiert werden. Die letztere Anforderung
führt eine
Verknüpfung zwischen
dem Positionsmuster von jeder Daten aufweisenden Struktur unter
jedem DOE und der Form und den relativen Positionen der DOEs auf
der Oberfläche
des Mediums ein. Es ist zu beachten, dass sehr kleine Daten aufweisende
Strukturen oder Punktgrößen mit
DOEs erreicht werden können,
welche mehrere Größenordnungen
größer sind
als die Daten aufweisenden Strukturen. Überdies kann ein großer Größenbereich
von DOE etwa die gleiche Durchschnittsgröße der Daten aufweisenden Struktur
ergeben und somit die gleiche durchschnittliche lokale Datenspeicherdichte
in der Bitschicht.
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In dem letzteren Fall sollte ein
großes
DOE mit einer großen
Anzahl von Positionen von Daten tragenden Strukturen verbunden werden,
wobei auf diese Weise dichter beabstandete Winkeladressierungspositionen θ, ϕ für einfallendes
Licht während des
Lesens und Schreibens impliziert werden. Wie nachfolgend für optimierte
Medien erörtert
wird, bringt die Erhöhung
der Größe des DOE
eine Reduktion der Präzision
von räumlicher
Adressierung x, y für
jedes DOE mit sich und dies muss abgewogen werden gegen die höhere Präzision in
den Winkelkoordinaten θ, ϕ.
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Als Beispiel kann eingeführt werden,
dass einem DOE, welches eine Fläche
von 2500 μ2 belegt, typischerweise 10000 oder mehr
Daten aufweisende Strukturen zugeordnet werden können, wie oben dargestellt
worden ist, ein DOE einen Durchmesser von 0,3 bis 0,7 μ aufweist
und durch Winkeladressierungsverschiebungen in θ und ϕ hinunter bis
0,5 bis 1,0° getrennt
wird. Falls die linearen Abmessungen des DOE um einen Faktor N reduziert
würden,
müsste
die Winkeltrennung zwischen benachbarten Daten aufweisenden Strukturen
ungefähr
durch den gleichen Faktor erhöht
werden, während
die Anzahl von Daten aufweisenden Strukturen, die jedem DOE zugeordnet
sind, um einen Faktor von N2 zu reduzieren wäre.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen
der Daten aufweisenden Medien gemäß der Erfindung kann Schreiben
und Lesen mittels der Interaktion von Licht mit einem dünnen Film
in enger Analogie mit herkömmlichen
optischen Speichermedien stattfinden. In der Tat können Filme,
welche für
herkömmliche
Medien des Typs „write
once, read many times" bzw. „schreibe
einmal, lese vielfach" (WORM)
sowie für
wiederbeschreibbare Medien entwickelt wurden, direkt in dem Datenspeichermedium
gemäß der vorliegenden
Erfindung implementiert werden. Die unterscheidenden Merkmale zwischen
der vorliegenden Erfindung und den anderen bekannten Techniken bestehen
darin, wie das Licht geführt
und auf die Bitschicht fokussiert wird sowie in den daraus resultierenden
Konsequenzen.
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Schreiben
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Während
des Schreibens wird ein kurzer und intensiver Lichtimpuls in Richtung
des bestimmten DOE an der Koordinate x, y in der bestimmten Richtung θ, ϕ gerichtet.
Um den Schreibprozess zu beschleunigen, werden verschiedene oder
alle Richtungen, die einem DOE zugeordnet sind, simultan oder in
einer schnellen Folge belichtet, zum Beispiel mittels eines Blitz-illuminierten
räumlichen
Lichtmodulators bzw. spatial light modulator (SLM) oder eines Clusterlasers
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser bzw. vertikalcavitätsoberflächenemittierender
Laser, VCSEL), wie in 7 gezeigt.
Dies korrespondiert gewissermaßen
zu einem Parallel-Spurschreiben in einem massiven Maßstab, wie
genauer im folgenden beschrieben werden wird. Ausrichtungstoleranzen für Schreibstrahlen,
welche sich auf jedes DOE beziehen, hängen von der expliziten Bauweise
und den Leistungsfähigkeitsparametern
in jeder Anwendung ab, jedoch sind sie im allgemeinen viel breiter
als diejenigen, welche in herkömmlichen
optischen Datenspeichersystemen angewendet werden. In dem letzteren
Fall ist eine Spurverfolgungspräzision
von unter 1 μm
in allen drei Dimen sionen erforderlich, während die Positionierungstoleranz
mit einem DOE ein oder zwei Größenordnungen
lockerer sein kann.
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Lesen
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Das physikalische Layout des Daten
aufweisenden Mediums kombiniert mit hierarchischer (x, y) (θ, ϕ)
Adressierung eröffnet
qualitativ neue Möglichkeiten
für einfachen
Hochgeschwindigkeitsdirektzugriff und Datentransfer. Anstelle eines
sequentiellen Lesens einer Bitkette entlang einer Spur mittels eines eng
fokussierten Laserstrahls kann ein paralleles Lesen im großen Maßstab durch
Abbilden großer
Datenblöcke
direkt von dem Daten aufweisenden Medium auf einen Matrixdetektor
implementiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist schematisch in 8 dargestellt,
wo ausgeblendetes Licht unter einem Einfallswinkel θ, ϕ simultan
auf eine große
Anzahl von DOEs gerichtet wird, was das Daten aufweisende Medium
veranlasst, den θ , ϕ Adressbitstatus
an jedem der belichteten DOEs anzuzeigen. Die letzteren sind typischerweise
in relativ großen
Intervallen, 30–100 μm, auf der
Oberfläche des
Daten aufweisenden Mediums beabstandet und können daher leicht durch Optiken
mit einem weiten Feld und großer
Tiefenschärfe
aufgelöst
werden, welche den θ, ϕ Bit-Status
bei jedem DOE auf einen Matrixdetektor, wie dargestellt, abbilden.
Dies ist allgemein möglich
ohne einen Fokussierungsservo, selbst mit Medien, welche beträchtlich
von der Planheit abweichen. Die maximale Tiefenschärfe für ein optisches
System, welches ein 50 μm
Merkmal bei einer Belichtungswellenlänge von 480 nm auflöst, ist 10
mm. Andererseits würde,
falls der Bitstatus durch indirekte Abbildung des Bitmusters in
einer einfachen planaren Schicht ohne ein DOE festgestellt werden müsste, ein
Bit-zu-Bit-Abstand von weniger als 1 μm eine Tiefenschärfe von
ungefähr
3 μm nach
sich ziehen und ein Auslesen in einem großen Maßstab mit simultanem Abbilden
auf einen Matrixdetektor würde in
der Praxis unmöglich
sein, selbst mit einem Fokusservo. Ein Verfahren zum Umgehen dieses
Problems ist provisorisch im US-Patent Nr. 4 745 484 (J. Drexler/J.
B: Arnold) beschrieben, welches eine nicht-simultane Abbildungssequenz
in verschiedenen Distanzschritten angibt.
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Die auf dem Matrixdetektor unter
Belichtungen bei θ1, ϕ1 gebildete
Abbildung, welche einen Bitstatus unter allen Adressen (x, y, θ1, ϕ1) in
dem Medium innerhalb des Sichtfeldes enthält, wird zur weiteren Verarbeitung
in das elektronische System der Lesevorrichtung transferiert und
der Detektor wird für
einen neuen Auslesezyklus gelöscht,
dieses mal bei einem Auslesewinkel θ2, ϕ2. Dies liefert wiederum den Informationsgehalt
an allen Adressen (x, y, θ2, ϕ2) innerhalb
des Sichtfeldes. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis alle gewünschten
Adressen in dem Daten aufweisenden Medium gelesen worden sind.
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Das oben beschriebene Muster von
winkel-multiplextem Auslesen von einem planaren Medium ist oberflächlich gleich
mit winkel-multiplextem holografischen Speichern und in gewisser
Hinsicht ähnlich
zu einem Muster, das auf refraktiven und reflektiven Strukturen
basiert, welche Licht auf einen Abbrandfilm richten und fokussieren,
wie in der internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 91/11804 (P. -E.
Nordal) beschieben. Wie in den nachfolgenden Abschnitten herausgestellt
wird, stellt jedoch die Verwendung von DOEs gemäß der vorliegenden Erfindung
technologische Möglichkeiten
und Vorteile im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit und Kostenvorteile
bereit, welche auf andere Weise nicht erhältlich sind.
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In Verbindung mit der obigen Darstellung
des Prinzips von DOEs wurde gezeigt, wie kleine Brennflecken erhältlich waren,
gegeben durch den Parameter FWHM. Die Größe des Brennflecks oder FWHM,
wenn DOEs verwendet werden, um in eine Bitschicht oder eine Speicherschicht
zu fokussieren, ist ausschlaggebend für die erreichbare Datendichte in
dieser Schicht. Berechnungen für
relevante Datenmedienbauweisen und operative Parameter, wie zum Beispiel
Lichtwellenlänge,
zeigen, dass die Punktgröße bzw.
Fleckgröße über große Abschnitte
des Bereichs unter jedem DOE diffraktionsbegrenzt oder nahezu diffraktionsbegrenzt
ist. In bestimmter Hinsicht impliziert dies, dass zum Beispiel ein
korrekt ausgebildetes DOE mit einem Durchmesser von 50 μ, das mit
einer Wellenlänge
von 450 nm belichtet wird, einen achsenparallelen Brennfleck erzeugen
kann, das heißt
auf der optischen Achse mit einem Durchmesser von 0,33 μm FWHM, wenn
die f/Zahl 1 und der Refraktionsindex in dem Substrat 1,6 ist. An
Positionen zur Achse, das heißt
mit einem Einfallswinkel θ > 0°, werden die Brennflecken durch
Abbildungsfehlerphänomene
in der Linse beeinflusst und bei θ = 30° ist der Brennfleck angewachsen
auf 0,61 μm.
Wie bereits erwähnt,
ist die Krümmung
des Abbildungsfeldes sehr klein, es sei denn, das DOE ist auf einer sphärischen
Fläche
gebildet, um Coma (Leuchtfleckverzerrung) zu vermeiden. In diesem
Fall können
die angegebenen dispersiven Eigenschaften des DOE ausgenutzt werden,
um die Bildkrümmung
zu beseitigen.
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Wie erwähnt, stellt ein Daten aufzeichnendes
Medium mit difraktiven Optiken Flexibilität und Möglichkeiten bereit, welche
keine Analogie haben, wenn refraktive oder reflektive optische Systeme
verwendet werden. Wir bereits erwähnt, bedeutet dies, dass diffraktive
Optiken die volle Freiheit bereitstellen, sowohl die f/Zahl als
auch den refraktiven Index des Substrats auszuwählen und daher die Größe des Brennflecks,
im Gegensatz zu dem Fall mit sphärischen
refraktiven Linsen.
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Wie erwähnt, ist ein schlagender Aspekt
von diffraktiven Optiken deren sehr große Dispersion, das heißt die Brennweite
der diffraktiven Linse ist stark abhängig von der Wellenlänge des
Lichts. Während auf
diese Weise optische Materialien für refraktive Linsen eine Änderung
des Refraktionsindex mit der Wellenlänge zeigen, welche typischerweise
dafür verantwortlich
ist, dass die Linsenbrennweite sich um einen relativen Wert von
1% über
das sichtbare Spektrum ändert,
ist die Änderung
40 bis 50-fach so groß für diffraktive
Linsen entsprechend einer direkten umgekehrten Proportionalität zwischen
der Brennweite und der Wellenlänge
des Lichts. Dies hat ersichtlich negative Implikationen für Anwendungen, wo
eine stabile monochromatische Lichtquelle infolge von technischen
oder kostenmäßigen Beschränkungen
nicht verfügbar
ist, oder wo es gewünscht
ist, Abbildungen mit polychromatischem Licht zu erzeugen. In der
vorliegenden Erfindung kann monochromatisches Licht verwendet werden
und die Wellenlängentoleranz
von Speichermedien mit DOEs ist kompatibel mit relevanten Lichtquellen,
wie zum Beispiel Halbleiterlasern oder lichtemittierenden Dioden LED.
Auf diese Weise wird es durch geeignete Wahl und Veränderung
der Wellenlänge
möglich,
die Brennpunktposition in einer kontrollierten Weise in das Substrat
zu verschieben. In der vorliegenden Erfindung kann dies auf verschiedene
Weisen ausgenutzt werden.
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Korrektur
zur Bildkrümmung
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Dies ist in 9a dargestellt, wo die Bitschicht planar
ist, jedoch das Bildfeld im monochromatischen Licht eine sphärische Fläche bildet,
wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. Auf diese Weise
werden die Brennflecken, die auf der planaren Bitschicht erzeugt
werden, gebildet und infolge ihrer Position außerhalb der optimalen Brennweite
vergrößert. Da
die Brennweite von der Wellenlänge
des Lichts abhängt,
ist anzumerken, dass eine Wellenlängenabstimmung eines einfallenden
monochromatischen Lichtstrahls als eine Funktion eines Einfallswinkels
verwendet werden kann, um den Fokus in der Bitschicht zu positionieren,
zum Beispiel wie in 9b gezeigt.
Das grundlegende Prinzip kann entweder durch Matrizen von Lichtquellen
mit fester Wellenlänge
implementiert oder mit abstimmbaren Lichtquellen werden.
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Simultaner
Zugriff auf mehrere Bitschichten mittels Wellenlängenabstimmung
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Da die Brennweite durch Justierung
der Wellenlänge
des Lichts eingestellt werden kann, wird es möglich, Daten aufweisende Strukturen
in Schichten in verschiedenen Tiefen zu bilden, wie in 10 gezeigt. Ein grundlegender
Faktor, der ein derartiges System praktizierbar macht, ist die große Dispersion in
dem DOE. Um ein Übersprechen
zwischen verschiedenen Schichten zu vermeiden, müssen sie durch wenigstens einen
Abstand s separiert werden, vgl. 10.
Der minimale akzeptierbare Wert der Separation s hängt von
verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel von den Schreibcharakteristika
des Bitschichtfilms, dem erforderlichen Kontrast und dem akzeptablen
Nebensprechwert. Letzterer hängt
wiederum davon ab, ob der Dateninhalt in jedem Brennfleck verbessert
wird, zum Beispiel durch Grauwertcodierung. Auf diese Weise existiert
beim Entwerfen des höchst
möglichen
Verhältnisses
zwischen der Datendichte und der Schreib-/Lesekapazität ein Ausgleich
zwischen den Codewerten bzw. Codeebenen in einer Grauwertcodierung
einerseits und simultanem Schreiben/Lesen von verschiedene Bitschichten andererseits.
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Die einfachste Beurteilung der Möglichkeiten kann
durch Bezugnahme auf
10 gemacht
werden unter der Annahme, dass ein Brennfleck von vernachlässigbarer
Größe in einer
der gezeigten Bitschichten verwendet werden kann. Dann wird der Durchmesser
d
fs des Brennflecks für das konvergierende Licht,
welches durch eine angrenzende Bitschicht hindurchtritt, ungefähr zu
wobei D der Durchmesser
und f die Brennweite der Mikrolinse ist. Da die Brennweite der diffraktiven
optischen Elemente DOE umgekehrt proportional zu der Lichtwellenlänge λ ist, erhält man für eine Wellenlängengrößenänderung
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Es mag nun gefordert sein, dass dfs so groß sein sollte, dass die Lichtintensität in den
Bitschichten, welche außerhalb
des Fokus liegen, um einen bestimmten Faktor in Bezug zu derjenigen
beim optimalen Fokus reduziert wird. Die Absorption in der Bitschicht
vernachlässigend
und annehmend, dass dfs gleich 2,0 μm ist, was
eine Reduktion der Intensität um
einen Faktor 16 ergibt, falls der minimale tatsächliche Brennfleckdurchmesser
0,5 μm ist,
erhält
man mit D = 50 μm
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Dies bedeutet, dass eine Wellenlängenänderung
von 4% in diesem speziellen Fall erforderlich ist, das heißt zum Beispiel
ein Anstieg von 480 nm Wellenlänge
zu 500 nm Wellenlänge.
Falls das Licht im sichtbaren oder nahe dem sichtbaren Spektrum
gehalten wird, kann eine Anzahl von Bitschichten oder Speicherschichten
verwendet werden, wobei jede durch Beleuchtung mit ihrer zugewiesenen
Wellenlänge
adressiert wird, zum Beispiel 4% Separation zwischen benachbarten
Wellenlängen
angenommen: 460 nm, 479 nm, 498 nm, 518 nm, 539 nm, 561 nm, 584
nm, 608 nm, 633 nm, 659 nm, 686 nm, 714 nm, 743 nm und 773 nm. In
diesem Beispiel gibt es 14 Schichten, was einen 14-fachen Anstieg
der Speicherkapazität
ergibt verglichen zu einer einzelnen Speicherschicht, vorausgesetzt,
die Datendichte in jeder Schicht ist in beiden Fällen dieselbe.
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Dieses Multischichtspeicherkonzept ähnelt auf
gewisse Weise bestimmten bereits bekannten Mustern zur Datenspeicherung
in zwei oder mehr parallelen Schichten auf Disks, jedoch mit einem
wichtigen Unterschied. In der vorliegenden Erfindung findet die
Adressierung von jeder Schicht durch Wellenlängenabstimmung des Lichts statt,
während
die bekannten Systeme alle auf mechanische Positionierung der Schreib-/Lese-Optiken
mittels eines servogesteuerten Aktuators basieren. Auf diese Weise
vermeidet die vorliegende Erfindung mechanische Komplexität, während zur
gleichen Zeit eine Wellenlängenabstimmung
einen extrem schnellen Direktzugriff ermöglicht.
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Ein bekanntes Problem mit Multischichtspeichern
ist, dass Licht zwischenliegende Bitschichten durchqueren muss,
während
es sich in dem Medium ausbreitet, um die relevante Bitschicht oder
Speicherschicht zu treffen. Während
sich Licht von dieser Schicht in Richtung des Detektors ausbreitet,
müssen
dieselben zwischenliegenden Schichten erneut durchquert werden (mit
Lesen in der Reflektion) oder Schichten auf gegenüberliegenden
Seiten der relevanten Speicherschicht müssen durchquert werden (mit
Lesen in der Transmission). Mit diesem Problem hat sich zuvor IBM
befasst, die gefolgert hat, dass in praktischen Systemen 10 Schichten
realisierbar sein sollten bei vorsichtiger Balancierung des Reflektionsvermögens in
jeder Schicht (Lesen des Datenmediums in der Reflektion). Es ist
vernünftig
zu erwarten, dass das in der Transmission gelesene Datenmedium in
dieser Hinsicht im allgemeinen weniger anspruchsvoll sein wird.
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Das optische Speichermedium gemäß der vorliegenden
Erfindung kann derart ausgebildet sein, dass zehn Speicherschichten
von einer Dicke von 2 μm
zusammen eine Sandwich-Struktur bzw. einen Kernverbund oder einen
Stapel von Speicherschichten bilden, welche sich 10 μm auf jeder
Seite der zentralen Schicht erstrecken. Eine Anzahl von verschiedenen
Strukturen kann innerhalb dieses Volumens implementiert oder erzeugt
werden.
- (1) Jede Schicht kann erzeugt werden
durch schreibstrahlgestütztes
Erzeugen von datenaufweisenden Strukturen, das heißt Bitpunkten,
welche Bitschichten innerhalb eines anfänglich homogenen Blocks von
20 μm Dicke
definieren, wobei in jedem Fall jede Daten aufweisende Struktur tatsächlich ein
kleines Volumenelement entsprechend einem hochintensiven Volumenelement
in dem fokussierten Schreibstrahl sein wird.
- (2) Alternativ wird eine Sandwich-Struktur bzw. ein Kernverbund
von separaten Schichten während
der Herstellung in dem Datenspeichermedium gebildet. Jeder Schicht
kann dann eine spezifische Spektralantwort gegeben werden, zum Beispiel
durch Einbetten von Farbmolekühlen,
welche mit der Wellenlänge
des Lichts übereinstimmen,
welches in einen optimalen Fokus in der bestimmten Speicherschicht
gelangt. Auf diese Weise kann die Antwort eine selektive Absorption
in einem schmalen Absorptionsband in dem ungeschriebenen Zustand
der Speicherschicht sein, was sich zu einer niedrigen Absorption
in dem beschriebenen Punkt (Ausbleichen) ändert. Falls die Absorptionsbänder schmal
und nicht-überlappend
sind, werden alle anderen Schichten außer der relevanten dem Licht
bei dieser Wellenlänge transparent
erscheinen, wobei auf diese Weise Kontrast- und Nebensprechprobleme
beseitigt werden.
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Im Hinblick auf die verwendeten diffraktiven optischen
Elemente sind diese derzeit von verschiedenen Herstellern verfügbar und
werden mit der bzw. den für
diese Erfindung notwendigen Qualität und Abmessungen geliefert.
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Man erkennt aus dem Vorstehenden,
dass das optische Datenspeichermedium gemäß der vorliegenden Erfindung
mit der Verwendung von diffraktiven optischen Elementen ein echtes
volumetrisches Speichern und Zugreifen auf Daten in einem Speicherbereich
ermöglicht,
wo die Daten in zufällig bzw.
direkt gewählten,
jedoch eindeutigen adressierbaren Positionen in einem Raum des Speicherbereichs
gespeichert werden können
oder auch in bestimmten Speicherschichten in dem Speicherbereich angeordnet
werden können.
In beiden Fällen
kann der Zugriff auf die gespeicherten Daten auch zufällig bzw.
direkt und volumentrisch durchgeführt werden.
