Устройство считывания данных с носителя из стекла

Полезная модель относится к области считывания информации с помощью оптических средств, в частности, к устройству считывания данных, записанных на носитель из стекла путем наведения анизотропного показателя преломления.
Проблема создания долговечных носителей информации, устойчивых к различным воздействиям со стороны окружающей среды: экстремальным климатическим условиям, повышенной температуре, сильным электромагнитным полям, ультрафиолетовому излучению, радиации, космическим лучам и не подверженных естественному старению, сегодня стала весьма актуальной в связи с возникшей в последние годы тенденцией к информатизации всех сфер жизни и деятельности человека, массовому переводу различных типов данных, включая архивные фонды, на цифровые носители и, как следствие, стремительного роста объема цифровой информации, требующей долговременного хранения. Кварцевое и ряд других оксидных стекол позволяют осуществить многослойную запись информации с многоуровневым кодированием, которая может храниться неограниченно долго и обладает исключительной устойчивостью к перечисленным факторам.
В основе метода оптической записи и считывания данных с многоуровневым кодированием лежит формирование в объеме стекла двулучепреломляющих питов - нанорешеток. Нанорешетки - это особый тип модификации в кварцевом и некоторых других стеклах, которая образуется в объеме стекла под действием фемтосекундных (ФС) лазерных импульсов и оптически характеризуется наличием двулучепреломления формы, параметры которого (фазовый сдвиг, возникающий между компонентами проходящего через нанорешетку света с различной поляризацией, и ориентация медленной оси двулучепреломления) определяются параметрами записывающего лазерного пучка [Y. Shimotsuma, P.G. Kazansky, Q. Jiarong, and К. Hirao. Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses. Phys. Rev. Lett. 91, 247405 (2003)]. Особенностью их использования в технологии оптической памяти является возможность кодирования нескольких бит в одну нанорешетку и высокая термостабильность до 1100°С [J. Zhang, М. Gecevicius, М. Beresna, P.G. Kazansky. Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass. Phys. Rev. Lett. 112, 033901 (2014)]. Для считывания информации, записанной в нанорешетках, применяются анализаторы двулучепреломления, основанные на измерении поляризации исходного и прошедшего через оптический носитель излучения.
Известны схемы анализатора поляризации с регистрацией прошедшего излучения единичным фотоприемником с последующей обработкой и выводом информации на персональный компьютер [Техническое описание на анализатор поляризации РАХ5710/РАХ5720 фирмы Thorlabs GmbH, 2008]. В таких системах реализован алгоритм последовательного измерения поляризационных составляющих интенсивности анализируемого излучения, что предопределяет большую длительность процесса измерения, препятствующую считыванию информации в реальном времени.
Основным устройством считывания информации закодированной с помощью нанорешеток является оптический микроскоп с приставкой для количественного измерения параметров двулучепреломления [J. Zhang, М. Gecevicius, М. Beresna, P.G. Kazansky. Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass. Phys. Rev. Lett. 112, 033901 (2014)], которое принимается за прототип. Прототип состоит из универсального фазового компенсатора, включающего два переменных замедлителя на жидких кристаллах, управление которыми осуществляется путем подачи заданного напряжения, линейного поляризатора и ПЗС матрицы, использующейся в качестве регистратора интенсивности прошедшего излучения, и позволяет с высокой точностью определять значения фазового сдвига и угла ориентации медленной оси [S.B. Mehta, М. Shribak, R. Oldenbourg. "Polarized light imaging of birefringence and diattenuation at high resolution and high sensitivity." Journal of Optics 2013, V.15, No.9, P. 094007]. Основными недостатками прототипа являются высокая стоимость изготовления за счет наличия жидкокристаллических фазовых компенсаторов, высокочувствительной ПЗС матрицы и необходимости применения оптического микроскопа исследовательского класса, а также низкая скорость считывания, обусловленная тем, что для анализа двулучепреломления производится последовательная съемка нескольких изображений каждого участка сформированного массива нанорешеток при нескольких ориентациях фазового компенсатора, и на основе полученных изображений производится расчет параметров двулучепреломления. При этом размер участка ограничен полем зрения микроскопа, а перемещение между соседними участками осуществляется в пошаговом режиме и требует участия оператора. Таким образом, нельзя говорить о процессе считывания в реальном времени, а оценка скорости считывания при анализе двулучепреломления за время 1 с массива питов, находящихся в поле зрения высокоапертурного объектива (который позволяет с уверенностью разрешить записанные питы, например, 40-кратный объектив Olympus UplanFLN с числовой апертурой 0,75) размером, определенным из соотношения полевой номер(22 мм)/увеличение(40 крат), при расстоянии между питами 1,5, дает верхнее значение в ~50 КБ/с при записи 3 бит в 1 пит.
Задачей настоящей полезной модели является считывание информации, записанной в двулучепреломляющих питах, в реальном времени, достижение скорости считывания в 100 Мбит/с и выше при упрощении конструкции анализатора поляризации.
Поставленная задача достигается устройством считывания информации, характеризующимся тем, что для считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из стекла (далее - Диск), используют последовательно размещенные до Диска на одной оптической оси: источник лазерного излучения с длиной волны АЛ, четвертьволновую пластинку, фокусирующий объектив, а также после Диска на той же оптической оси: конфокальный объектив, дифференциальный анализатор поляризации и блок управления, обеспечивающий возможность управления фокусом считывающего лазерного пучка, причем между источником лазерного излучения считывающего луча и четвертьволновой пластиной введена трехзвенная призма Волластона, разделяющая считывающий луч лазера на восемь лучей по углу, в качестве дифференциального анализатора поляризации используют восьмиканальный оптоэлектронный блок, а блок обработки информации обеспечивает декодирование каждого из восьми считывающих лучей в реальном времени.
Настоящая полезная модель поясняется фигурами 1-3.
Фиг. 1. Схема устройства считывания на восемь каналов.
Фиг. 2. Схема расположения восьми лучей считывания в информационном слое диска из стекла.
Фиг. 3. Осциллограмма реальных выходных сигналов на фотоприемнике поляризации.
Ниже приведены обозначения позиций на фигурах.
1 - Полупроводниковый лазер.
2 - Призма Волластона: первое звено.
3 - Призма Волластона второе и третье звенья.
4 - Четверть волновая пластина.
5 - Фокусирующий объектив.
6 - Оптический диск из стекла на вращающейся платформе.
7 - Коллимирующий объектив.
8 - Светоделительная пентапризма.
9, 10 - объективы фотоприемника.
11, 12, 13, 14 - восьмиканальные фотоприемники поляризации.
15 - Блок обработки информации.
16 - Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор управления фокусирующим объективом системы слежения за дорожкой (фокусом).
На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства считывания на восемь каналов. Коллимированное излучение полупроводникового лазера 1 длиной волны 650±10 нм, который заменяет блок осветителя и конденсор микроскопа и упрощает конструкцию устройства, проходит через блок расщепителя на восемь лучей, который состоит из комбинированной призмы Волластона 2, 3, делящей считывающий луч по углу поляризации на восемь лучей, и фазовой четвертьволновой пластины 4. Далее восемь лучей круговой поляризации фокусируются объективом 5 на информационный слой оптического диска из стекла на вращающейся платформе 6, причем каждый луч фокусируется на свою дорожку записи (фиг. 2). Объектив 7 собирает прошедшее излучение восьми лучей, которые несут информацию в измененном состоянии поляризации, и направляет на восьмиканальный блок дифференциального анализатора поляризации, состоящий из пентапризмы 8, фокусирующих объективов 9, 10 и восьмиканальных фотоприемников поляризации 11, 12, 13, 14. Блок обработки информации 15 декодирует информацию и выделяет аналоговый сигнал ошибки слежения за дорожкой и управляет положением фокусирующего 5 и коллимирующего 7 объективов через ПИД регулятор 16.
Пример 1.
На основе оптической схемы, приведенной на фиг.1, создана установка для считывания информации, записанной в объеме кварцевого стекла по спиральной траектории на глубине 600 мкм при расстоянии между двулучепреломляющими питами в 3 мкм. Каждый пит содержит 2 бита информации. В процессе считывания скорость вращения оптического диска из стекла составляет до 15 об/с, выполняется слежение и удержание дорожки с двулучепреломляющими питами и анализируются амплитуды выходных сигналов на фотоприемниках для каждого пита в реальном времени. С помощью осциллограммы реальных выходных сигналов на приемнике поляризации (фиг. 3) произведена оценка времени, необходимого для считывания 1 пита, и определенного как ~150 не. Таким образом, созданное восьмиканальное устройство считывания обеспечивает скорость считывания (V), определяемую из соотношения: восемь каналов перемножим на два бита в пите и перемножим на коэффициент, равный отношению одной секунды к длительности считывания одного пита приблизительно в сто пятьдесят наносекунд, в итоге получаем
-9
V=8*2*(1/(~150*10))=~106,7 [Мбит/с].
Результат работы установки для считывания информации по примеру 1 подтвердил достижение скорости считывания информации, поставленной в задаче настоящей полезной модели.