УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам трехмерной оптической памяти, а именно к устройствам для записи-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 близким по технической сущности и принятым автором за прототип является устройство для записи-считывания информации в объемных средах, 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 №6045888, Optical volume memory, опубл. 04.04.2000). В данном устройстве при записи информации излучение с длиной волны U 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 через боковую поверхность, причем для адресации сигнального слоя использую акустооптический дефлектор. 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 авторами за прототип.
Основными недостатками прототипа являются сложность конструкции и низкая точность адресации при считывании. Эти недостатки обусловлены наличием в оптической схеме акустооптического дефлектора с функцией изменения траектории распространения считывающего излучения с длиной волны λ2 и его направления в сигнальный фотохромный слой, содержащий пиксели с записанными битами информации. Прототип принципиально может обеспечивать приемлемую точность адресации только в том случае, если многослойная записывающая среда неподвижна. Если же многослойный оптический диск вращается, что является абсолютно необходимым условием практической реализации устройства, то неконтролируемые осевые и радиальные биения периферийной части диска неизбежно приведут к ухудшению точности адресации вплоть до ее полной потери.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности адресации при считывании информации в многослойном оптическом диске с одновременным упрощением конструкции устройства.
В заявляемой полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для записи-считывания информации, включающем систему позиционирования оптического диска, источник излучения с длиной волны λ1, фокусирующую систему, установленную таким образом, что ее оптическая ось перпендикулярна плоской поверхности многослойного оптического диска, источник излучения с длиной волны λ2, осветительную систему, расположенную таким образом, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси фокусирующей системы, средства позиционирования фокусирующей системы, спектроделитель, расположенный между источником излучения с длиной волны λ1 и фокусирующей системой, фотоприемник, оптически сопряженный с фокусирующей системой через спектроделитель, и блок управления, электрически сопряженный с источниками излучения на длинах волн λ1 и λ2, источник излучения с длиной волны λ2 выполнен в виде линейки лазерных диодов, оптические оси которых параллельны и лежат в одной плоскости, а осветительная система включает последовательно установленные вдоль оптической оси цилиндрическую линзу, расположенную таким образом, что образующая ее цилиндрической поверхности параллельна плоскости расположения p-n переходов лазерных диодов и фокусирующую линзу, установленную на оптическом расстоянии L от цилиндрической линзы, удовлетворяющем условию L>F, где F - фокусное расстояние фокусирующей линзы.
Сущность полезной модели состоит в следующем. Источник излучения с длиной волны λ2 выполнен в виде линейки лазерных диодов, количество которых равно количеству информационных слоев многослойного оптического диска. Осветительная система устройства включает по меньшей мере две линзы:
цилиндрическую линзу, расположенную таким образом, чтобы обеспечить коррекцию расходимости излучения по направлению, перпендикулярному плоскости расположения p-n переходов лазерных диодов, и фокусирующую линзу, установленную так, чтобы обеспечить получение действительного изображения выходной апертуры линейки лазерных диодов на боковой (цилиндрической) поверхности многослойного оптического диска. При этом увеличение осветительной системы должно быть равно отношению пространственного периода информационных слоев в многослойном оптическом диске к пространственному периоду лазерных диодов в линейке.
Для дополнительного повышения точности адресации в заявляемом устройстве предлагается использовать схему стабилизации осветительной системы, включающую светоделитель, второй фотоприемник и стабилизатор. При этом повышение точности адресации обеспечено за счет регистрации и анализа амплитудных и/или пространственных характеристик светового потока излучения источника с длиной волны λ2, отраженного от боковой (цилиндрической) поверхности многослойного оптического диска. Регистрируемый вторым фотоприемником сигнал поступает в блок управления, выход которого электрически сопряжен со стабилизатором. Стабилизатор установлен на фокусирующей линзе и обеспечивает в небольших пределах ее продольные и поперечные линейные перемещения, а также угловые перемещения относительно оптической оси в направлениях смещений вращающегося многослойного оптического диска, вызванных осевыми и радиальными биениями. Тем самым достигается реализация отрицательной обратной связи.
Упрощение конструкции заявляемого устройства по сравнению с прототипом достигается за счет исключения из оптической схемы осветительной системы акустооптического дефлектора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства. На фиг.2 показана оптическая схема, включающая источник излучения с длиной волны λ2, осветительную систему и фрагмент многослойного оптического диска в разрезе. На фиг.3, 4 изображены примеры исполнения осветительной системы со схемой стабилизации в двух различных вариантах расположения лазерных диодов в линейке.
На фиг.1 показаны многослойный оптический диск 1, система позиционирования оптического диска 2, источник излучения 3 с длиной волны λ1, фокусирующая система 4, источник излучения 5 с длиной волны λ2, выполненный в виде линейки лазерных диодов 10, средства позиционирования 6 фокусирующей системы 4, спектроделитель 7 с функцией отражения излучения на длине волны λ1 и пропускания излучения на длине волны λ3, фотоприемник 8, выполненный с возможностью регистрации излучения на длине волны λ3, блок управления 9, осветительная система, содержащая цилиндрическую линзу 11, фокусирующую линзу 12 и схему стабилизации осветительной системы, включающую второй фотоприемник 13, светоделитель 14 и стабилизатор 15.
На фиг.2 представлена оптическая схема осветительной системы, поясняющая взаиморасположение ее элементов. Фокусирующая линза 12 расположена на расстоянии L от цилиндрической линзы 11, выходная поверхность которой является выходной апертурой линейки лазерных диодов 10. Расстояние L удовлетворяет условию L>F, что обеспечивает нахождение действительного изображения предмета в пространстве изображений. Расстояние между фокусирующей линзой и боковой (цилиндрической) поверхностью многослойного оптического диска 1 равно S, при этом выполняется соотношение S/L=d/D, где d - пространственный период информационных слоев в многослойном оптическом диске 1, а D - пространственный период лазерных диодов 10 в линейке.
На фиг.3, 4 изображены варианты исполнения конструкции источника излучения 5 с длиной волны λ2 и соответствующие варианты расположения цилиндрической линзы 11 в осветительной системе со схемой стабилизации. На фиг.3 лазерные диоды 10 в линейке расположены таким образом, что их p-n переходы лежат в одной плоскости, а на фиг.4 - в разных параллельных плоскостях. В обоих вариантах исполнения образующая цилиндрической поверхности цилиндрической линзы 11 параллельна плоскости расположения p-n перехода любого из лазерных диодов 10.
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 спиробензопиран, имеющий две стабильные формы - спиропиран и мероцианин, с толщиной отдельного слоя примерно 5 мкм. В качестве источника излучения 3, генерирующего на длине волны λ1, предлагается использовать твердотельный лазер на основе кристалла Nd:YVO с преобразованием излучения в третью (λ1=0.355 мкм) гармонику. В качестве источника излучения 5, генерирующего на длине волны λ2, предлагается использовать линейку лазерных диодов 10 марки FSDL-556-001-200t (λ2=0.556 мкм). Количество лазерных диодов 10 в линейке предпочтительно выбрать равным количеству слоев фотохромного материала в многослойном оптическом диске 1. В качестве фокусирующей системы 4 предлагается использовать линзовый модуль с большой числовой апертурой и средствами контроля и управления сферической аберрацией. Средства позиционирования 6 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 или ее считывание. Стабилизатор 15 схемы стабилизации осветительной системы также целесообразно выполнить в виде управляемого электромагнитного подвеса. В качестве спектроделителя 7 предлагается использовать дихроичное зеркало. Второй фотоприемник 13 предлагается выполнить в виде линейки фотодиодов и установить его на оптическом расстоянии L от фокусирующей линзы.
Количество фотодиодов в линейке предпочтительно выбрать равным количеству слоев фотохромного материала в многослойном оптическом диске 1. При этом каждый лазерный диод 10 источника излучения 5 с длиной волны λ2 будет оптически сопряжен с каждым слоем фотохромного материала в многослойном оптическом диске 1 и с каждым фотодиодом в линейке второго фотоприемника 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Многослойный оптический диск 1 с помощью системы позиционирования 2 устанавливают в положение, необходимое для проведения записи или считывания информации. В режиме записи излучение источника 3 на длине волны λ1 через спектроделитель 7 направляют на фокусирующую систему 4, положение которой устанавливают средствами позиционирования 6. Указанные средства 6 обеспечивают позиционирование областей фокусировки светового пучка на длине волны λ1 внутри многослойного оптического диска 1 и юстировку фокусирующей системы 4 с целью компенсации возникающей сферической аберрации. Запись, информации осуществляют путем изменения оптических свойств фотохромного материала в выбранном для записи фотохромном слое. Считывание записанной информации производят путем регистрации излучения флуоресценции на длине волны λ3, возбуждаемой излучением с длиной волны λ2, в тех пикселях слоя фотохромного материала, которые предварительно были освещены излучением с длиной волны λ1. Испущенное этими пикселями излучение флуоресценции частично попадает в апертуру фокусирующей системы 4, а затем через спектроделитель 7 поступает на вход фотоприемника 8. Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает в блок управления 9 и свидетельствует об успешном считывании бита информации. В режиме считывания излучение источника 5 на длине волны 12 через цилиндрическую линзу 11, светоделитель 14 и фокусирующую линзу 15 направляют на боковую (цилиндрическую) поверхность многослойного оптического диска 1. При этом в линейке лазерных диодов 10 включают только тот источник, расположение которого в линейке соответствует расположению адресуемого фотохромного слоя в многослойном оптическом диске 1. Излучение на длине волны λ2 через боковую поверхность проникает внутрь данного фотохромного слоя и, распространяясь в нем, достигает области с измененными оптическими свойствами. Часть излучения на длине волны λ2 отражается от боковой поверхности многослойного оптического диска 1, попадает в апертуру фокусирующей линзы 12 а затем через светоделитель 14 поступает на вход второго фотоприемника 13. Сигнал с выхода второго фотоприемника 13 поступает в блок управления 9 и свидетельствует об успешной адресации считывающего пучка. Изменение (например, уменьшение) амплитуды сигнала с выхода второго фотоприемника 13 из-за неконтролируемых смещений многослойного оптического диска 1 при его позиционировании является управляющим сигналом для включения схемы стабилизации осветительной системы. При ее включении сигнал из блока управления 9 поступает на стабилизатор 15, который изменяет положение фокусирующей линзы 12 в направлении смещения многослойного оптического диска 1.
Эффективность практического применения заявляемого устройства существенно выше прототипа. Это связано с отсутствием акустооптического модулятора в оптической схеме осветительной системы и надежностью конструкции устройства адресации считывающего пучка, обеспеченной наличием схемы стабилизации с отрицательной обратной связью.
Среди известных из научной и технической литературы решений автором полезной модели не обнаружены устройства записи-считывания информации, содержащие источник считывающего излучения с длиной волны λ2 в виде линейки лазерных диодов и осветительную систему со схемой стабилизации, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию новизны. Работоспособность заявляемого устройства проверена экспериментально.