УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ-СТИРАНИЯ-СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам трехмерной оптической памяти, а именно к устройствам для записи-стирания-считывания информации в многослойной оптической регистрирующей среде. Заявляемое устройство может быть использовано во всех областях вычислительной техники, где требуется производить запись больших массивов информации на компактные носители. Так же возможно использование данного устройства для записи-считывания видеоданных, например, в системах автономного видеонаблюдения.
Одной из важнейших технических проблем, стоящих на пути создания эффективных систем записи информации в объемных носителях с помощью лазерного излучения, в частности, в многослойных оптических дисках, является проблема позиционирования лазерного пучка в области записи внутри объемной среды таким образом, чтобы изменение оптических свойств записывающей среды, являющееся результатом сохранения информации, было в максимальной степени пространственно локализовано. Под изменением оптических свойств в данном случае можно полагать изменение показателя преломления, показателя поглощения, коэффициента рассеяния или иных оптических, например флуоресцентных, свойств среды. Пространственный размер области записи одного бита данных (пикселя) должен быть как можно меньшим, что обеспечивает увеличение плотности записи и объем хранения данных на одном носителе. Наименьший поперечный размер пикселя ограничен значением, равным примерно половине длины волны записывающего излучения. Это является прямым следствием теории дифракции и, поэтому, является фундаментальным физическим ограничением. При использовании для записи данных в объемной оптической среде коротковолнового оптического излучения и короткофокусных оптических систем с большой числовой апертурой и исправленной сферической аберрацией, фокусирующих это излучение в объем записывающей среды, можно обеспечить высокую объемную плотность записи информации.
Известно трехмерное устройство для записи-считывания информации (Kawata Y., Nakano M, Lee S-C, Three-dimensional optical data storage using three-dimensional optics. - Optical Engineering, v.40 (10), p.2247-2254). В данной работе описываются различные среды (однофотонные и двухфотонные) и различные варианты устройства для записи-стирания-считывания информации, использующего принцип конфокальной микроскопии. Запись информации в данном устройстве осуществляется посредством фокусировки излучения на длине волны записи в объем материала и изменения показателя преломления указанного материала под действием излучения. Считывание записанных данных осуществляется путем регистрации областей с измененным показателем преломления по величине искажения фазы считывающего светового пучка с длиной волны отличной от длины волны записывающего излучения. Авторы известной работы отмечают недостатки предложенных сред и устройств. В случае использования однофотонных сред велико перекрестное влияние слоев, при применении двухфотонных сред необходима высокая энергия записывающего импульса лазерного излучения при его малой длительности, что делает невозможным миниатюризацию лазерного источника. Кроме того, вследствие высокой чувствительности метода измерения фазовых возмущений для записи данных необходимо использовать среды с очень высокой оптической однородностью материала и оптическим качеством поверхности.
Известно устройство для записи-стирания-считывания информации в объеме фотохромного материала, в частности, в спиробензопиране, связанном в трехмерной матрице полимера (Патент США №5268862, Three-dimensional optical memory, опубл. 0712.1993). Данное устройство включает источники лазерного излучения и оптические системы позиционирования и фокусировки лазерных пучков. Используемый для записи материал имеет две стабильные формы - спиропиран и мероцианин. Переход из первой формы во вторую осуществляется путем двухфотонного поглощения на длине волны 532 нм. Освещение записывающей среды производится двумя фокусированными лазерными пучками с указанной длиной волны по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Таким образом достигается пространственное позиционирование области взаимодействия лазерных пучков в трехмерном объеме, а преобразование из первой формы фотохромного материала во вторую происходит только в месте пересечения фокальных областей пучков. Вторая форма фотохромного материала является флуоресцирующей под действием излучения с длиной волны 1064 нм. При освещении объема таким излучением возможно считывание информации по наличию излучения флуоресценции. Стирание записанной в объемном материале информации может быть осуществлено путем нагрева среды -общего или локального, например, излучением с длиной волны 2.12 мкм. Недостатки данного устройства в основном аналогичны предыдущему. Вследствие того, что процесс преобразования записывающего материала из одной формы в другую является двухфотонным, необходимо использовать источники излучения со сверхвысокой пиковой мощностью. Необходимость позиционирования места пересечения фокальных областей двух ортогональных пучков в трехмерном объеме материала ограничивает степень уменьшения объема записи одного бита информации в данном устройстве величиной единиц и десятков микрометров при потенциальной возможности фокусировки светового пучка в область с поперечным размером в доли микрометра. Кроме того, степень оптической однородности среды и качество поверхностей, ограничивающих объем с фотохромным материалом, должны быть очень высокими. При использовании полимеров в качестве связующей матрицы получение требуемого оптического качества в условиях серийного производства объемного фотохромного материала представляется проблематичным.
Известно устройство для записи-считывания оптической информации в многослойной записывающей среде (патент США №7345967, Optical pickup unit, опубл. 18.03.2008), включающее установленные последовательно по ходу луча источник излучения, светоделитель, управляемый корректор сферической аберрации и объектив, а также фотоприемник, оптически сопряженный с объективом через светоделитель. В данном устройстве запись и считывание информации осуществляется излучением одной длины волны. Переключение режимов работы устройства производится за счет изменения мощности направляемого на записывающую среду излучения. Основным недостатком данного устройства является неустранимая возможность частичной потери записанной информации при считывании. Для ее уменьшения в известном устройстве мощность источника излучения в режиме считывания информации предложено снижать до предельно допустимых величин, при которых полезный сигнал лишь ненамного превышает уровень шумов.
Проблема потери информации при ее считывании особенно актуальна при использовании в качестве объемных записывающих сред материалов с однофотонными механизмами взаимодействия света с веществом. Если рассматривать реальные световые потоки, необходимые для считывания информации по изменению оптической плотности среды, стирание информации происходит за 5-10 циклов считывания. Для решения данной проблемы в ряде работ при считывании информации предложено использовать излучение с длиной волны на краю полосы поглощения фотохромного материала (см. Satoshi Kawata, Yoshimasa Kawata Three-dimensional optical data storage using photochromic materials. - Chem. Rev. 2000, 100, 1777-1788.). При этом объем пикселя на практике увеличивается, соответственно, в десятки, а то и в сотни раз. Кроме того, в случае применения однофотонных сред, практически во всех работах отмечается также значительное перекрестное влияние слоев с записанной информацией.
С учетом вышесказанного наиболее оправданным выглядит применение для записи-считывания информации пороговых двухфотонных сред, запись-стирание информации в которых происходит только при достижении определенной пороговой интенсивности света. Однако, такие среды требуют очень большой мощности излучения для записи-стирания информации, и в настоящее время практическая реализация таких мощностей в миниатюрных устройствах невозможна.
Наиболее простой с точки зрения практической реализации системой для записи-считывания информации в объемных средах является устройство, включающее два источника излучения с различными длинами волн, оптически сопряженных с одной фокусирующей системой, снабженной средствами управления положением области фокусировки излучения внутри объемной среды, блоком коррекции сферических аберраций, а также приемником оптического излучения, испускаемого объемной средой при считывании записанной в ней информации (патент США №7436750, Optical storage with ultrahigh storage capacity, опубл. 14.10.2008). В данном устройстве при записи информации излучение с длиной волны И фокусируют в объем записывающей среды, состоящей из чередующихся слоев прозрачного и фотохромного материалов. В выбранном записывающем слое под действием указанного излучения фотохромный материал изменяет свои оптические свойства и приобретает способность флуоресцировать под действием излучения с длиной волны λ2 на длине волны λ3. При считывании информации излучение с длиной волны λ2 фокусируют в объем записывающей среды. Испускаемое фотохромным материалом излучение флуоресценции на длине волны λ3 в пределах пикселей, ранее облученных светом с длиной волны λ1 и содержащих биты информации, регистрируют фотоприемником. Данная система в наибольшей степени соответствует технической сущности заявляемого устройства и принята автором за прототип.
Основным недостатком прототипа является низкая плотность записи информации, обусловленная перекрестным влиянием слоев фотохромного материала. Это влияние возникает в результате того, что при записи информации в глубоко расположенный сигнальный слой фотохромного материала излучение с длиной волны λ1 проходит через вышерасположенные фотохромные слои и неизбежно вызывает в них те же самые процессы, которые протекают при записи информации в сигнальном слое. Для уменьшения перекрестного влияния фотохромных слоев необходимо либо уменьшать их количество, либо увеличивать толщину слоев прозрачного материала между ними. Оба варианта решения проблемы не оптимальны и приводят либо к ограничению предельного объема записываемых на один носитель данных, либо к увеличению толщины многослойного оптического диска и снижению плотности записи. В практической реализации прототипа использованы два приема подавления перекрестного влияния слоев: во-первых, в качестве записывающего источника излучения использован мощный лазер, обеспечивающий возбуждение двухфотонного процесса записи информации в сигнальном фотохромном слое, а во-вторых, в оптическую схему регистрации излучения флуоресценции включены последовательно расположенные компенсатор хроматической аберрации, короткофокусный объектив и диафрагма с размером отверстия порядка нескольких микрон, образующие в совокупности конфокальную схему регистрации излучения флуоресценции. Конфокальная схема регистрации приводит к значительному уменьшению величины полезного сигнала флуоресценции, поэтому в прототипе в качестве приемника излучения флуоресценции предложено использовать фотоумножитель. Описанная в прототипе практическая реализация с одной стороны подтверждает наличие серьезной проблемы перекрестного влияния слоев, а с другой - при современном уровне техники делает невозможным использование прототипа при производстве промышленных устройств записи информации в многослойных оптических дисках по основаниям высокой стоимости и сложности конструкции.
Задачей настоящей полезной модели является повышение плотности записи информации в многослойном оптическом диске с одновременным упрощением конструкции устройства.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в уменьшении перекрестного влияния фотохромных слоев многослойного оптического диска при записи информации и уменьшении вероятности потери записанной информации при считывании.
В заявляемой полезной модели технический результат достигается тем, что устройство для записи-стирания-считывания информации, включающее систему позиционирования оптического диска, источник излучения с двумя различными длинами волн, оптически сопряженный с фокусирующей системой, снабженной средствами позиционирования и фотоприемник, оптически сопряженный с фокусирующей системой через спектроделитель, дополнительно содержит управляемый спектральный селектор, расположенный между источником излучения с двумя различными длинами волн и спектроделителем, а фокусирующая система выполнена с хроматизмом положения на указанных длинах волн.
Сущность полезной модели состоит в следующем. В заявляемом устройстве фокусирующая система с хроматизмом положения обеспечивает позиционирование и фокусировку излучения на двух различных длинах волн в объеме многослойного оптического диска таким образом, что плоскости фокусировки для этих длин волн оказываются разнесенными на расстояние S. Заявляемое устройство предназначено для записи-стирания-считывания информации в многослойном оптическом диске, состоящем из чередующихся слоев фотохромного и прозрачного материала. В качестве прозрачного материала целесообразно использовать, например, полимер с максимальным оптическим пропусканием излучения на длинах волн λ1 и λ2. В качестве фотохромного материала целесообразно использовать, например, фульгид, заключенный в полимерную матрицу, обладающий способностью изменять оптические свойства под действием излучения на длинах волн λ1 и λ2, а именно, находясь в исходном состоянии, под действием излучения с длиной волны λ1 приобретать способность флуоресцировать под действием излучения с длиной волны λ2 в широком спектральном диапазоне, условно обозначаемом длиной волны λ3, а, находясь в измененном состоянии, под действием излучения с длиной волны λ2 флуоресцировать и переходить в исходное состояние, утрачивая при этом вышеуказанные флуоресцентные свойства. Толщина отдельного слоя фотохромного материала в многослойном оптическом диске составляет от одного до нескольких микрон, а толщина отдельного слоя прозрачного материала δ - от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Величину хроматизма положения фокусирующей системы S целесообразно выбирать равной δ/2.
Пространственное разнесение областей фокусировки излучения с длинами волн λ1 и λ2 за счет наличия определенного хроматизма положения фокусирующей системы дает возможность реализовать уникальное условие взаимодействия двухчастотного излучения с веществом при записи, стирании и считывании информации в глубоколежащих фотохромных слоях оптического диска, сводящее к минимуму эффекты перекрестного влияния вышележащих фотохромных слоев и стирание информации при считывании. Реализацию данного условия обеспечиваются одновременным освещением многослойного оптического диска двухчастотным излучением, отношение интенсивностей спектральных составляющих которого равно отношению длин волн этих спектральных составляющих. Так, например, при записи данных поглощение излучения на длине волны λ1 и переход фотохромного материала в измененное состояние возможны помимо сигнального фотохромного слоя также и в других слоях, через которые распространяется записывающий пучок. Это приводит к появлению ложных записей. Излучение на длине волны λ2 соответствующей интенсивности стимулирует возврат фотохромного материала в исходное состояние в тех слоях, в которых запись не производится, и появившиеся в них ложные записи исчезают. При одновременном освещении излучением с длинами волн λ1 и λ2, отношение интенсивностей спектральных составляющих которого равно отношению длин волн этих спектральных составляющих, фотохромный материал всегда находится в исходном состоянии в фотодинамическом равновесии. Интенсивностями спектральных компонент излучения на длинах волн λ1 и λ2 можно управлять, независимо изменяя их пропускание управляемым спектральным селектором.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства. На фиг.2 показаны характерные спектры поглощения фотохромного материала в исходном (сплошная линия) и измененном (штриховая линия) состояниях. На фиг.3 изображена детальная схема пересечения пучков излучения на длине волны λ1 (сплошная линия) и на длине волны λ2 (штриховая линия) внутри многослойного оптического диска. На схеме указаны толщина слоя прозрачного материала δ и хроматизм положения фокусирующей системы S. На фиг.4 показана общая схема пересечения пучков излучения на длине волны λ1 (сплошная линия) и на длине волны λ2 (штриховая линия) внутри многослойного оптического диска (а) и соответствующий указанной геометрии график отношения площадей пучков излучения на длине волны λ1 и λ2 (б) в режиме записи информации. На фиг.5 показана общая схема пересечения пучков излучения на длине волны λ1 (сплошная линия) и на длине волны λ2 (штриховая линия) внутри многослойного оптического диска (а) и соответствующий указанной геометрии график отношения площадей пучков излучения на длине волны λ1 и λ2 (б) в режимах считывания или стирания информации.
На фиг.1 показаны многослойный оптический диск 1, система позиционирования оптического диска 2, источник излучения 3 с двумя различными длинами волн λ1 и λ2, фокусирующая система 4 с хроматизмом положения на длинах волн λ1 и λ2, средства позиционирования 5 фокусирующей системы 4, фотоприемник 6, выполненный с возможностью регистрации излучения флуоресценции на длине волны λ3, спектроделитель 7 с функцией отражения излучения на длинах волн λ1 и λ2 и пропускания излучения на длине волны 13, а также управляемый спектральный селектор 8 с функцией независимого управления пропусканием излучения с длинами волн λ1 и λ2. Кроме того, на схеме показан блок управления и обработки информации 9, электрически сопряженный с источником излучения 3, средствами позиционирования 5 фокусирующей системы 4, управляемым спектральным селектором 8 и фотоприемником 6.
Как видно из фиг.2, спектры поглощения фотохромного материала в исходном (сплошная линия) и измененном (штриховая линия) состояниях существенно различаются. В исходном состоянии фотохромный материал имеет максимальное поглощение в ультрафиолетовом диапазоне спектра. При его освещении излучением с длиной волны λ1, соответствующей коротковолновому пику линии поглощения, фотохромный материал из исходного состояния переходит в измененное. Его спектр поглощения при этом искажается: коротковолновый максимум линии уменьшается, а длинноволновый, находящийся в середине видимого диапазона, наоборот, возрастает. В измененном состоянии фотохромный материал приобретает возможность флуоресцировать при освещении излучением с длиной волны λ2, соответствующей длинноволновому пику поглощения. При флуоресценции фотохромный материал частично переходит в исходное состояние. Запись информации на многослойный оптический диск 1 осуществляется излучением с длиной волны λ1. При освещении многослойного оптического диска 1 одновременно излучением с длинами волн λ1 и λ2 фотохромный материал не изменяет своего состояния, если отношение интенсивностей излучения на этих длинах волн равно отношению длин волн.
На фиг.3 детально изображен участок многослойного оптического диска 1 со слоями фотохромного материала 10 и слоями прозрачного материала 11, а также области фокусировки излучения на длине волны λ1 (сплошная линия) и λ2 (штриховая линия). При наличии хроматической аберрации в оптических системах плоскость фокусировки длинноволновой части спектра излучения находится на большем расстоянии от последнего оптического компонента, чем плоскость фокусировки коротковолновой части спектра излучения. Расстояние S между плоскостями фокусировки излучения с длинами волн λ1 и λ2 в заявляемом устройстве предпочтительно обеспечивать примерно в два раза меньшим, чем толщина δ прозрачного слоя 11 многослойного оптического диска 1.
На фиг.4, 5 показаны общие схемы пересечения пучков излучения на длине волны λ1 (сплошная линия) и на длине волны λ2 (штриховая линия) внутри многослойного оптического диска 1 в режиме записи (фиг.4а), а также в режимах считывания или стирания (фиг.5а) информации. В режиме записи информации пучок записывающего излучения на длине волны λ1 позиционируется и фокусируется в слой фотохромного материала 10 (см. также фиг.3), а пучок считывающего-стирающего излучения на длине волны λ2 за счет наличия хроматической аберрации фокусирующей системы 4 позиционируется и фокусируется примерно в середину толщины соседнего последующего прозрачного слоя 11.
В режимах считывания-стирания информации в слой фотохромного материала 10 фокусируется пучок считывающего-стирающего излучения на длине волны λ2, а пучок записывающего излучения на длине волны λ1, наоборот, позиционируется и фокусируется примерно в середину толщины соседнего предыдущего прозрачного слоя 11.
Как видно из графиков, представленных на фиг.4б, 5б, площади пучков спектральных компонент излучения на длинах волн λ1 и λ2 практически равны друг другу по всей глубине оптического диска 1, и существенно различаются лишь в непосредственной близости от слоя фотохромного материала, в котором производится запись, считывание или стирание информации. Если многослойный оптический диск 1 освещать одновременно излучением на длинах волн λ1 и λ2, обеспечив при этом отношение их интенсивностей равное отношению длин волн, то информация, содержащаяся в пикселах фотохромных слоев при считывании информации из сигнального фотохромного слоя не изменяется.
4
В примере наилучшей реализации заявляемого устройства предлагается использовать многослойный оптический диск 1, образованный чередующимися слоями прозрачного материала, например, поликарбоната, с толщиной отдельного слоя примерно 100 мкм, и слоями фотохромного материала, например, поликарбоната, содержащего фотохромный фульгидный комплекс спиробензопирен, имеющий две стабильные формы - спиропиран и мероцианин, с толщиной отдельного слоя примерно 5 мкм. В качестве источника излучения 3, генерирующего на двух длинах волн λ1 и λ2, предлагается использовать твердотельный лазер на основе кристалла Nd:YVO с преобразованием излучения во вторую (λ2=0.532 мкм) и третью (λ1=0.355 мкм) гармоники. В качестве управляемого спектрального селектора 8 предлагается использовать оптический блок, включающий входной спектроделитель, разделяющий траектории распространения пучков излучения на длинах волн λ1 и λ2, два независимо управляемых электрооптических модулятора, расположенных, соответственно, в оптических трактах распространения излучения на длинах волн λ1 и λ2, и выходной спектроделитель, объединяющий траектории распространения пучков излучения на длинах волн λ1 и λ2 после прохождения ими управляемых электрооптических модуляторов. В качестве фокусирующей системы 4 предлагается использовать линзовый модуль с большой числовой апертурой и средствами контроля и управления сферической аберрацией, обеспечивающий заданную хроматическую аберрацию положения на длинах волн λ1 и λ2. Средства позиционирования 5 фокусирующей системы 4 предлагается выполнить в виде управляемого электромагнитного подвеса, обеспечивающего продольное перемещение одного или нескольких оптических компонентов фокусирующей системы 4 вдоль оптической оси для выбора сигнального фотохромного слоя многослойного оптического диска 1, в который производится запись информации, ее считывание или стирание. В качестве спектроделителя 7 предлагается использовать дихроичное зеркало.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Многослойный оптический диск 1 с помощью системы позиционирования 2 устанавливают в положение, необходимое для проведения записи, стирания или считывания информации. Излучение источника 3 на длинах волн λ1 и λ2 проходит через управляемый спектральный селектор 8, на выходе которого устанавливают требуемое отношение интенсивностей световых пучков на длинах волн λ1 и λ2. Далее излучение через спектроделитель 7 направляют на фокусирующую систему 4, положение которой устанавливают средствами позиционирования 5. Указанные средства 5 обеспечивают позиционирование областей фокусировки световых пучков на длинах волн λ1 и λ2 внутри многослойного оптического диска 1 и юстировку фокусирующей системы 4 с целью компенсации возникающей сферической аберрации. Запись, стирание или считывание информации осуществляют путем изменения интенсивностей излучения с соответствующей длиной с помощью управляемого спектрального селектора 8. При записи информации мощность излучения на длине волны λ1 равна максимальному значению, а мощность излучения на длине волны λ2 равна минимальному значению, при стирании информации мощность излучения на длине волны λ1 равна максимальному значению, а мощность излучения на длине волны λ2 равна минимальному значению, при считывании информации отношение мощности излучения на длине волны λ1 к мощности излучения на длине волны λ2 равно λ1/λ2 и находится в диапазоне 0.2-0.7. Считывание записанной информации производят путем регистрации излучения флуоресценции на длине волны λ3, возбуждаемой излучением с длиной волны λ2, в тех пикселах сигнального слоя фотохромного материала 10, которые предварительно были освещены излучением с длиной волны λ1. Испущенное этими пикселами излучение флуоресценции частично попадает в апертуру фокусирующей системы 4, а затем через спектроделитель 7 поступает на вход фотоприемника 6.
Существенным отличием заявляемого устройства от прототипа является наличие управляемого спектрального селектора 8, обеспечивающего независимое управление пропусканием на длинах волн, генеририруемых источником излучения 3, а фокусирующая система выполнена с заданным хроматизмом положения на указанных длинах волн. Достижение в полезной модели поставленной задачи обеспечено за счет того, что в процессе считывания предварительно записанных данных в информационных слоях фотохромного материала многослойного оптического диска 1 протекают два процесса - стирание информации считывающим пучком, и ее запись пучком записи. При этом определенное соотношение интенсивностей этих двух пучков обеспечивает неизменность оптического состояния фотохромных слоев оптического диска.
Эффективность практического применения заявляемого устройства существенно выше прототипа. Это связано с возможностью расширения класса используемых фотохромных материалов, применяемых при формировании информационных слоев многослойного оптического диска 1, в частности, однофотонных фотохромов, а также с отсутствием завышенных требований к качеству поверхности и однородности материала диска.
Среди известных из научной и технической литературы решений автором полезной модели не обнаружены устройства записи-стирания-считывания информации в многослойной оптической регистрирующей среде, содержащие управляемый спектральный селектор с функцией управления пропусканием излучения с различными длинами волн и фокусирующую систему с заданной хроматической аберрацией, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию новизны. Работоспособность заявляемого устройства проверена экспериментально.