КОМБИНИРОВАННЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНО-ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО СЧИТЫВАНИЯ
COMBINATION FLUORESCENT-REFLECTING OPTICAL DATA MEDIUM AND DEVICE FOR ITS READING

Область техники
Настоящее изобретение относится к области создания носителей информации, более узко к области создания оптических носителей информации и еще более узко к области многослойных оптических носителей информации.
Уровень техники
Оптические носители информации, работающие на отражательном принципе считывания, хорошо известны. К ним прежде всего относятся оптические диски.
В случае носителей CD-ROM-типа (аббревиатура "Compact Disc Read-Only Memory" - «Компакт диск только для чтения» информация записывается на поверхность диска в виде массива углублений (питов) определенного размера, расположенных на спиральных дорожках (треках). Такие носители устроены так, что пользователь не может записывать на них свою информацию. Она записывается и тиражируется производителем оптического диска и не может быть стерта пользователем для повторной записи.
Однократно записываемые диски WORM-типа (аббревиатура "Write Once Read Many" - "однократная запись - многократное считывание") и RW-типа (аббревиатура "Rewritable" - "перезаписываемый") содержат на своей поверхности спиральные дорожки, заполненные фоточувствительным материалом, способным осуществлять и хранить одно- или многократную запись информации.
В качестве примера на фиг.1 дано схематическое представление структуры информационного слоя традиционного оптического диска ROM-типа. Он выполнен в виде металлизированного диска 10 с цифровой информацией, закодированной в виде ряда информационно-несущих углублений (пит) 11, расположенных вдоль спиральных дорожек 12, распространяющихся от центра 13 к периферии.
В настоящее время основные усилия разработчиков средств оптической памяти направлены на:
- увеличение плотности и объема записываемой (хранимой) информации;
- повышение скорости ее записи (для носителей WORM- и RW-типов) и считывания и
- повышение временной устойчивости записанной информации в процессе длительного хранения носителей.
Стабильность носителей в процессе длительного хранения в основном зависит только от конструкции и компонентного состава отдельных их элементов.
Первые две задачи до настоящего времени решались прежде всего уменьшением геометрических размеров элементарного носителя информации (пита) 11 и расстояний 14 между соседними дорожками (треками) 12 на информационно-несущем слое 10. Это возможно как с уменьшением длины волны источников излучений, используемых для записи и считывания информации, так и (или) с увеличением числовой апертуры NA оптической системы. Кроме того, повышение емкости без увеличения плотности на поверхности информационного слоя возможно при использовании многослойной или трехмерной структуры носителя.
Технологии, позволяющие увеличить плотность регистрации и скорости передачи информации оптических носителей, постоянно совершенствуются. Это наглядно видно из таблицы, в которой приведены основные сравнительные характеристики наиболее продвинутых в настоящее время стандартов оптических дисков ROM-типа: DVD-ROM (аббревиатура для «Digital Video Disc» - «цифровой видеодиск» или «Digital Versatile Disc» - «цифровой универсальный диск»), HD-DVD (аббревиатура «High Density-DVD» - «высокоплотный DVD» и BD (Blue-Disk) соответственно. Как видно из таблицы, все эти стандарты объединяет только единство геометрического размера самих дисков (120 см).
min
Вместе с тем хорошо известно, что в соответствии с критерием Рэлея минимально допустимый размер D сфокусированного пятна ограничивается дифракционным пределом, определяемым соотношением между длиной волны λ записывающего (считывающего) оптического излучения и числовой апертурой NA используемой оптической системы:
2
Следовательно, площадь сфокусированного светового пятна пропорциональна (λ/NA). Таким образом, при традиционных оптических устройствах записи (считывания) информации для повышения информационной плотности и, соответственно, емкости оптических дисков стандартных размеров (диаметром 12 см) необходимо уменьшать длину волны считывающего излучения и/или повышать величину числовой апертуры, как это сделано в стандартах HD-DVD и BD.
4
Однако использование высокоапертурных объективов повышает аберрационные искажения (пропорционально (NA)), снижающие надежность работы записывающей (считывающей) аппаратуры. Для устранения отрицательного влияния этих искажений в системах однослойной оптической памяти с однолинзовыми объективами вводятся специальные статические или динамические (например, на основе жидкокристаллических пространственных модуляторов света) корректоры [US 2004125734].
2
Таким образом, поскольку вышеописанные типы оптических дисков регистрируют информацию на поверхности, предельная плотность записываемой информации ограничивается физическим дифракционным пределом и составляет приблизительно 1 Гигабит/см.
№
Характеристика
CD
DVD
HD-DVD
BD
1
Емкость однослойного диска
0.68
4.7
15
23.3/25
2
Длина волны лазера, нм
780
650
405
405
3
Числовая апертура (NA)
0.45
0.6
0.65
0.85
4
Мощность луча при чтении, мВт
-
-
0.5
0.35
5
Минимальная длина пита (~2 бита), нм
833-972
400-440
204 (15 Гбайт)
160 (23.3 Гбайт)149 (25 Гбайт)138 (27 Гбайт)
6
Расстояние между дорожками, нм
1600
740
400
320
7
Скорость передачи данных, Мбит/с
1.47
11.08
36.5 (1X)
36 (1X)72 (2Х)54 (video BD-ROM)
Как видно из таблицы, информационная емкость дисков типа DVD, работающих с красным полупроводниковым лазером (λ=650 нм), при стандартном расстоянии между треками 0.74 мкм и диаметре диска 120 мм составляет 4.7 GB. Для дисков типа BD, работающих с голубым лазером (λ=405 нм) при стандартном расстоянии между треками 0.32 мкм емкость достигает 25 GB при таком же размере диска. Из приведенных данных видно, что информационная емкость однослойного диска зависит от длины волны лазера, расстояния между треками и размеров пит. Переход от лазера с рабочей длиной волны 650 нм к лазеру с длиной волны 405 нм позволяет увеличить емкость диска (информационного слоя) в 5 раз.
Однако такой переход требует существенного изменения числовой апертуры NA фокусирующей линзы с 0.6 до 0.85 и, следовательно, необходимости располагать линзу непосредственно над информационной поверхностью, что влечет за собой усложнения технологии изготовления дисков, например применения специальных твердых покрытий, и предъявляет повышенные требования к планарности диска и его балансировке. Эти факторы обусловливают поиск других технических решений, позволяющих увеличить информационную емкость оптических носителей информации.
Емкость дисков может быть повышена за счет увеличения числа информационных слоев, частично отражающих свет. Особенно эффективен такой подход в случае применения лазеров с рабочей длиной волны 650 нм. Такие технические решения предлагаются, например, в патентах [US 5449590; ЕР 1419503]. Однако, в частности, из-за повышенных межслойных оптических шумов (кросс-токов) в этом случае количество информационных слоев будет существенно ограниченно. В особенности это касается дисков, предназначенных для использования с лазерами, излучающими в коротковолновой (380-410 нм) области спектра.
Альтернативой дискам, работающим на принципе отражения, являются оптические флуоресцентные многослойные диски, предложенные в C3D Inc. [White paper. Technical report, Constellation 3D, June 2000; H.Coufal, G.W.Burr, Optical data storage", International Trends in Optics, 2000]. В этом случае углубления (питы для носителей ROM-типа или дорожки (треки) для носителей WORM- и RW-типа) на поверхности информационных слоев заполнены флуоресцентным составом, который при возбуждении считывающим лазером излучает некогерентный свет с другой длиной волны. Так как в этом случае межслойные оптические шумы оказываются существенно ниже, чем в случае отражательных дисков, число слоев может быть существенно больше, чем в случае отражательных дисков. Это, в свою очередь, позволяет повысить информационную емкость диска.
Наиболее близким по технической сущности настоящего изобретения являются оптические флуоресцентные многослойные диски ROM- и WORM-типа, предложенные в [US 6039898; US 6309729] и [US 6721257] соответственно. Однако информационная емкость одного слоя таких флуоресцентных дисков несколько ниже, чем у диска DVD (порядка 3.8 GB) и высокая информационная емкость диска достигается за счет его многослойной структуры.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является повышение плотности и объема информации, записанной и хранимой в предлагаемом, в общем случае многослойном, оптическом носителе в виде оптического диска, карты, ленты или ином виде.
Указанная цель достигается с использованием предлагаемого в настоящем изобретении многослойного комбинированного оптического носителя, в котором информация, хранящаяся и воспроизводимая с его слоев, выполнена путем совмещения на нем флуоресцентного и отражательного принципов записи и (или) считывания.
Другой целью изобретения является разработка оптического устройства для таких многослойных флуоресцентно-отражательных носителей информации.
Еще одной целью настоящего изобретения является разработка конструкции считывающего устройства, способного также считывать традиционные оптические диски, основанные на флуоресцентном или отражательном принципах считывания информации.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется на приведенных ниже примерах его конкретных, но не ограничивающих заявляемые технические решения вариантах с использованием следующих фигур, где:
фиг.1 - схематическое представление структуры информационного слоя традиционного оптического диска;
фиг.2 - схематическое представление поперечного сечения одного варианта комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя информации;
фиг.3 - схематическое представление продольного сечения другого варианта комбинированного носителя информации, где флуоресцентные и отражательные данные хранятся в одном и том же спиральном треке;
фиг.4 - схематическое представление одного из возможных вариантов считывающего устройства с комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя информации;
фиг.5а и 5b - микроизображение поверхности комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя информации (а) и изображение его поперечных сечений (b), полученное с помощью атомно-силового микроскопа.
Осуществление изобретения
В настоящее время существуют оптические дисковые носители, в которых информация, хранящаяся в информационно-несущем слое, например, оптического диска, выполняется, например, или только путем отражательного [G.Bouwhuis et al. "Principles of Optical Disc Systems", Philips Research Laboratories, Eindhoven, Adam Hilger Ltd, Bristol and Boston] или только флуоресцентного [White paper. Technical report. Constellation 3D, June 2000; H.Coufal, G.W.Burr, Optical data storage", International Trends in Optics, 2000] принципов записи и (или) считывания.
В данном изобретении предлагается многослойный оптический носитель, где информация на некоторых, или на всех его слоях, выполнена путем комбинированного совмещения на них как флуоресцентного, так и отражательного принципов записи и (или) считывания.
На фиг.2 приведено схематическое изображение поперечного сечения информационного слоя одного из вариантов предлагаемой конструкции такого комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя в виде оптического диска. Информация в таком ROM-, WORM- или RW-диске может быть записана в виде пит разной глубины в двух рядом расположенных чередующихся спиралевидных дорожках, причем в одной из дорожек, например (1) с более глубокими питами, заполненными флуоресцирующим составом, считывание информации осуществляется по флуоресцентному принципу, в то время как в другой (2) с более мелкими питами - по отражательному. Расстояние между двумя дорожками одинакового типа (1 или 2) равно или чуть больше стандартной величины расстояния между треками, принятому для данного типа диска (CD, DVD, HD DVD, BD и т.д.).
Возможен другой вариант носителя ROM-типа, когда флуоресцентные и отражательные питы расположены на одной и той же спиралевидной дорожке (треке). На фиг.3 приведено схематическое изображение продольного сечения информационно-несущего трека такого варианта комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя. Информация в таком диске записана в виде пит разной глубины в одной спиралевидной дорожке, причем с более глубоких пит (1), заполненных флуоресцирующим составом, считывание информации осуществляется по флуоресцентному принципу, в то время как с других более мелких пит (2) - по отражательному.
1
При этом в обоих случаях для уменьшения взаимного влияния (кросс-токов) информационно несущих пит при считывании глубина флуоресцентных информационных элементов 1 выбирается существенно больше глубины отражательных элементов 2, например, в 3-4 раза, причем глубина флуоресцентных элементов d определяется выражениями:
условие аддитивности вкладов от лэнда и пита 1 при отражении:
условие вычитания вкладов от лэнда и пита 2 при отражении:
где:
1
2
d и d - глубины флуоресцентного и отражательного питов соответственно;
λ - длина волны излучения считывающего лазера;
1
3
n и n - показатели преломления флуоресцентной среды в питах (или треках) 1 и разделительных слоев 3, прозрачных для записывающего (для оптических носителей WORM- и RW-типов), считывающего и считываемого (флуоресцентного) излучений
i
N - целые числа.
Из формул (2) и (3) видно, что разность между оптической толщиной флуоресцентных информационных пит или флуоресцентных информационных дорожек (треков) и оптической толщиной отражательных информационных пит или отражательных информационных дорожек (треков) должна составлять нечетное число 1/4 части длины волны считывающего излучения.
Информационные элементы (питы для носителей ROM-типа или канавки (грувы) для носителей WORM- или RW-типов) глубокой спирали заполняются полимерной композицией с флуоресцентным красителем по методам, описанным, например, в патентах [US 6338935; US 6835431; EP 1419047].
В качестве светочувствительной среды для отражательных носителей WORM- или RW-типа могут использоваться известные ранее композиции [G.Bouwhuis et al. "Principles of Optical Disc Systems", Philips Research Laboratories, Eindhoven, Adam Hilger Ltd, Bristol and Boston].
1
3
1
3
Для получения нужной интенсивности считываемого излучения в отражательном режиме показатель преломления флуоресцентной композиции n выбирается отличным от показателя преломления n разделительных слоев 3. При этом компонентный состав флуоресцентной среды (и, соответственно, показатель преломления флуоресцентной композиции n) остается неизменным во всех информационно несущих слоях, а компонентный состав разделительного слоя 3 (и, соответственно, коэффициент преломления n) изменяется от одного информационно несущего слоя к другому для поддержания одинаковой интенсивности считываемого излучения в отражательном режиме с любого информационного слоя.
1
3
Возможно применение и стандартного метода создания отражения от поверхности информационно несущего слоя, а именно создание металлических, диэлектрических или полупроводниковых слоев, частично отражающих свет, как это описано в патентах [US 5449590; EP 1419503]. При этом показатель преломления флуоресцентной композиции n и показатель преломления n разделительных слоев 3 могут быть одинаковыми.
Возможны два варианта считывания информации.
В первом варианте считывание осуществляется последовательно, т.е., например, сначала считывается только флуоресцентный сигнал, а затем только отражательный.
Во втором варианте считывание осуществляется одновременно двумя оптическими каналами: отражательным и флуоресцентным.
При считывании флуоресцентного сигнала слежение по фокусу может осуществляться как по флуоресцентному, так и по отражательному сигналам. При этом считываемый флуоресцентный сигнал формируется аналогично описанному в патентах [US 6039898; US 6309729].
1
3
Аналогично при считывании отражательного сигнала слежение по фокусу может осуществляться как по флуоресцентному, так и по отражательному сигналам. Отражательный сигнал формируется аналогично описанному в патентах [US 5449590] за счет отражения сигнала от границы раздела информационного и разделительного слоев, имеющих различные показатели преломления n и n.
Уменьшение кросс-токов между флуоресцентной и отражательными треками обеспечивается сильным отличием глубины флуоресцентного и отражательного треков, подбором глубины флуоресцентного информационного элемента по формулам (2) и (3), описанным выше, а также за счет увеличения расстояния между треками.
На фиг.4 дано схематическое представление одного из возможных вариантов устройства считывания информации с комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя 400, размещенного на шпинделе 401.
Оно включает источник считывающего излучения (лазер) 402, излучение 403 которого проходит через дихроичный элемент 404 и полупрозрачным зеркалом 405 направляется на актюатор с микрообъективом 406, который формирует считывающий пучок излучения 407, сфокусированного на заданный i-тый информационный слой носителя информации 400.
Специальный статический или динамический корректор 408 (например, на основе жидкокристаллических пространственных модуляторов) служит для компенсации аберрационных искажений, вносимых высокоапертурными объективами (пропорционально величине NA объектива в четвертой степени), и повышения надежности работы считывающей аппаратуры.
Считываемая с такого комбинированного носителя информация в виде отраженного 409 и флуоресцентного 410 оптических информационных сигналов, а так же сигналов слежения по фокусу и треку (411 и 412 соответственно) подаются в соответствующие каналы регистрации интенсивности отраженного 413 и флуоресцентного 414 пучков.
Эти каналы регистрации содержат в своем составе оптические светофильты 415 и 416, отсекающие флуоресцентное излучение и излучение считывающего лазера соответственно; расщепители пучков 417 и 418, которые, в свою очередь, с помощью объективов 419, 420, 421 и 422 направляют отраженное и флуоресцентное излучения на соответствующие фотоприемники 423 и 424 и серводетекторы 425 и 426. Элементы 414 и 417 (и 416 и 418 соответственно) могут быть функционально объединены.
Далее электрические сигналы от соответствующих фотодетекторов направляются в блоки обработки данных 427 и 428 и блоки слежения за фокусом и дорожками 429 и 430.
В случае считывания информации с комбинированных носителей, в которых флуоресцентные и отражательные питы располагаются на одной дорожке, такое устройство обеспечивает последовательное (попеременное во времени) считывание при одновременной работе каналов регистрации 413 и 414.
В случае считывания информации с комбинированных носителей, в которых флуоресцентные и отражательные питы располагаются на разных дорожках, такое устройство обеспечивает последовательное во времени считывание, т.е. сначала считывается только информация, хранящаяся в виде флуоресцентных сигналов, а затем информация, хранящаяся в виде отражательных сигналов или, наоборот, при последовательной во времени работе каналов регистрации 413 и 414.
Рассмотренная конструкция устройства считывания не исчерпывает всех возможностей, а служит только для иллюстрации предлагаемого технического решения.
В частности, конструкцию считывающего устройства, описанного на фиг.4, можно дополнить вторым комплектом корректора аберрационных искажений и актюатора с микрообъективом, что позволяет осуществлять одновременное считывание информации, представляемой как в отражательном, так и флуоресцентном виде. При этом для использования только одного комплекта каналов регистрации интенсивности отраженного и флуоресцентного пучков конструкция такого устройства может содержать оптические элементы, совмещающие оптические отражательные и флуоресцентные информационные пучки, формируемые двумя микрообъективами, в единый оптический канал.
Такая конструкция позволяет увеличить скорость считывания в два раза по сравнению с традиционными методами.
Возможен другой вариант, когда в лазерный пучок 407 вносится дополнительный оптический элемент 431, например дифракционный расщепитель, осуществляющий расщепление сфокусированного на заданный i-й информационный слой считывающего пучка на два и совмещение считанных отражательных и флуоресцентных оптических сигналов в единые по направлению пучки, которые далее подаются в соответствующие каналы регистрации интенсивности отраженного 413 и флуоресцентного 414 пучков.
Подобная конструкция также позволяет осуществлять одновременное считывание информации как по отражательному, так и по флуоресцентному принципам и увеличить скорость считывания в два раза по сравнению с традиционными методами.
Еще одним достоинством данной конструкции предлагаемого устройства является возможность считывания традиционных оптических флуоресцентных или отражательных дисков.
Примеры осуществление изобретения
Пример 1
Комбинированный флуоресцентно-отражательный ROM-диск.
В этом случае изготавливается стампер, содержащий два спиралевидных трека с питами разной глубины, длины и ширины.
Затем по молдинговой, фотополимеризационной или иной технологии изготавливается подложка, имеющая показатель преломления n3. Для придания слоям отражающей способности могут применяться и стандартные методы создания отражения от поверхности подложки, а именно создание металлических, диэлектрических или полупроводниковых отражающих слоев. Далее аналогично описанному в патентах [US 6039898; US 6309729] изготавливается однослойный или многослойный диск. Причем показатели преломления и глубины пит должны удовлетворять требованиям, сформулированным в предыдущем разделе.
На фиг.5а, b - показаны микроизображение поверхности такого комбинированного флуоресцентно-отражательного носителя информации (а) и изображения его поперечных сечений (b), полученных с помощью атомно-силового микроскопа. Указанные сечения выполнены по разрезу «А-А» для более глубоких и более широких флуоресцентных информационных дорожек и по разрезу «В-В» для более мелких и менее широких отражательных информационных дорожек, как показано на фиг.5а. Треугольные значки на фиг.5в показывают глубину флуоресцентных и отражательных пит в соответствующих дорожках.
Пример 2
Комбинированный флуоресцентно-отражательный WORM-диск.
В WORM-диске информационные элементы формируются в грувах разной глубины способами, которые применяются при записи в отражательных и флуоресцентных WORM-дисках.
В этом случае изготавливается стампер, содержащий два спиралевидных трека с углублениями (грувами) разной глубины. Затем по молдинговой, фотополимеризационной или иной технологии изготавливается подложка с грувами. Причем глубины канавок определяются выражениями (2) и (3).
Далее аналогично, например, методу, описанному в [US 5370970; US 6383596], производится заполнение грувов красителем и напыление металлического слоя, в результате чего изготавливается отражательный WORM в мелких грувах, а глубокие грувы остаются почти пустыми. Затем по способу, описанному в [US 6721257; RU 2271043] проводится окончательное заполнение глубоких грувов полимерной композицией с флуоресцентным красителем и нанесение слоя тушителя флуоресценции сверху.
Запись информации производится методом, описанным в патентах [US 6721257; RU 2271043] для флуоресцентных треков и для отражательных треков по методам, описанным, например, в [US 6246656; US 20050243693], причем при записи в мелких грувах слежение проводится по отражению, а в глубоких по флуоресценции.
Считывание информации происходит аналогично описанному выше для ROM-диска.