оптический накопитель данных и способы оптической записи и считывания

Формула изобретения

1. Оптический накопитель данных, содержащий область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных процедур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов выполнен с возможностью фокусировать луч света, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек на точку, находящуюся вне оптического носителя данных, отличающийся тем, что дифракционный оптические элементы образованы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы.

2. Оптический накопитель данных по п.1, отличающийся тем, что дифракционные оптические элементы (ДОЕ) представляют собой линзы - зонные пластинки.

3. Оптический накопитель данных по п.1, отличающийся тем, что область памяти данных образована между прозрачным поверхностным слоем и прозрачной подложкой.

4. Оптический накопитель по п.3, отличающийся тем, что дифракционные оптические элементы образованы на поверхностном слое.

5. Оптический накопитель данных по п.3, отличающийся тем, что дифракционные оптические элементы внедрены в поверхностный слой.

6. Оптический накопитель данных по п.3, отличающийся тем, что дифракционные оптические элементы (ДОЕ) образованы как единое целое с поверхностным слоем.

7. Оптический накопитель данных по п.3, отличающийся тем, что между поверхностным слоем и областью памяти данных образован непрозрачный слой, причем упомянутый непрозрачный слой способен разрушаться при поглощении энергии излучения.

8. Оптический накопитель данных по п.1, отличающийся тем, что накопитель данных спроектирован в виде ленты, диска или карты, причем дифракционные оптические элементы размещены на поверхности упомянутой ленты, диска или карты.

9. Оптический накопитель данных по п.1 или 8, отличающийся тем, что дифракционные оптические элементы (ДОЕ) размещены в строках и столбцах, образуя таким образом двухмерную матрицу дифракционных оптических элементов.

10. Оптический накопитель данных по п.1, отличающийся тем, что область памяти данных содержит один или более слоев хранения, которые образуют одну или более раздельных плоскостей хранения, причем слой хранения содержит молекулы флуоресцентного красителя, внедрение в материал основы, который образует слой хранения, молекулы красителя в каждом отдельном слое хранения имеют различные спектральные характеристики, соответствующие длине волны светового луча, фокусируемого на этот слой хранения дифракционным оптическим элементом (ДОЕ).

11. Оптический накопитель данных по п.10, отличающийся тем, что один или более из слоев хранения являются частично отражающими ли частично прозрачными слоями.

12. Оптический накопитель данных по п.10 или 11, отличающийся тем, что слои хранения, в зависимости от длины волны света, являются или отражающими, или прозрачными слоями.

13. Способ записи данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать луч света, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек на точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент, находящийся на оптическом накопителе данных, фокусируя таким образом упомянутый лазерный луч упомянутым дифракционным оптическим элементом в определенную точку в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке, производит физическое или химическое изменение в материале в чистой области памяти данных в этой точке и таким образом создает структуру хранения данных, которая присваивается элементу данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в материале в упомянутой структуре хранения данных, причем упомянутую степень изменения определяют посредством модуляции упомянутого лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции.

14. Способ записи данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать луч света, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек на точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, способ предусматривает применение лазера с перестраиваемой длиной волны, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом накопителе данных, настраивают длину волны упомянутого лазерного луча так, чтобы упомянутый лазерный луч сфокусировать упомянутым дифракционным оптическим элементом в определенную точку в области памяти данных, и посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке, производит физическое или химическое изменение в материале в чистой области памяти данных в этой точке и создает таким образом структуру хранения данных, которая присваивается элементу данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в материале в упомянутой структуре хранения данных, причем упомянутую степень изменения определяют посредством модуляции упомянутого лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что длину волны лазерного луча настраивают так, что степень настройки определяет один или более произвольных слоев хранения в однородном материале основы.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что длину волны лазерного луча настраивают так, что упомянутый лазерный луч фокусируют в точку в определенном слое хранения, где он образует структуру хранения данных.

17. Способ считывания данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать световой луч, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек в точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, в котором накопитель данных содержит структуры хранения данных, образованные способом по п. 13, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом накопителе данных, фокусируя таким образом лазерный луч на определенную структуру хранения данных в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке, производит оптически детектируемый отклик от упомянутой структуры хранения данных так, что упомянутый детектируемый отклик соответствует значению элемента данных, хранимых в упомянутой структуре хранения данных, и упомянутый оптически детектируемый отклик фокусируют упомянутым дифракционным оптическим элементом на оптический детектор, установленный вне упомянутого оптического накопителя данных.

18. Способ по п.17, в котором накопитель данных содержит молекулы флуоресцентного красителя, внедренные в материал основы, отличающийся тем, что для считывания данных применяют свет с длиной волны, настраиваемой на спектральную характеристику молекул флуоресцентного красителя.

19. Способ считывания данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать световой луч, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек в точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, в котором накопитель данных содержит структуры хранения данных, образованные способом по любому из пп.14 - 16, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом накопителе данных, настраивают длину волны упомянутого лазерного луча так, чтобы упомянутый лазерный луч сфокусировать на определенную структуру хранения данных в области памяти данных, и посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке, производит оптически детектируемый отклик от упомянутой структуры хранения данных, так что упомянутой детектируемый отклик соответствует значению элемента данных, хранимых в упомянутой структуре хранения данных, и упомянутый оптически детектируемый отклик фокусируют упомянутым дифракционным оптическим элементов на оптический детектор, установленный вне упомянутого оптического накопителя данных.

20. Способ по п.19, в котором накопитель данных содержит слои хранения с молекулами флуоресцентного красителя, внедренными в материал основы, которые образуют слои хранения, отличающийся тем, что для считывания данных применяют свет с длиной волны, настраиваемой на спектральную характеристику молекул флуоресцентного красителя, образованных в каждом отдельном слое хранения.

21. Способ параллельной записи данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур, в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать световой луч, падающий на одну или более точек области данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек в точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы, направляют два или более лазерных луча, испускаемых лазерным прибором, который содержит два или более отдельно возбуждаемых лазерных элементов, через оптическое устройство и с различными углами падения на дифракционный оптический элемент, находящийся на оптическом накопителе данных, настраивают длину волны каждого отдельного лазерного луча так, чтобы упомянутый лазерный луч сфокусировать упомянутым дифракционным оптическим элементом на ту же самую плоскость, причем упомянутая плоскость соответствует определенную слою хранения в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из каждого лазерного луча в фокальной точке, вызывает физическое или химическое изменение в материале в чистом слое хранения данных в каждой фокальной точке в упомянутой плоскости, создавая таким образом в упомянутой плоскости ряд структур хранения данных, соответствующих ряду лазерных лучей, и присвоение каждой структуре хранения данных какого-то элемента данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в упомянутой структуре хранения данных, причем упомянутую степень изменения определяют модуляцией упомянутого соответственного лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции.

22. Способ параллельного считывания данных в оптическом накопителе данных, содержащем область памяти данных, сформированную прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов (ДОЕ), смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов (ДОЕ) выполнен с возможностью фокусировать световой луч, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек в точку, находящуюся вне оптического накопителя данных, в котором применяют способ по любому из пп.14 - 16 записи данных или способ по п.21 параллельного считывания данных в оптическом накопителе данных, отличающийся тем, что образуют дифракционные оптические элементы с управляемыми, ступенчатыми изменениями фазы, направляют два или более световых луча из осветительного прибора, который содержит два или более отдельно возбуждаемых источника света с фиксированными или перестраиваемыми длинами волн, причем упомянутые длины волн световых лучей либо фиксированы, либо перестраиваются посредством оптического прибора на один или более дифракционных оптических элементов на накопителе данных, фокусируя таким образом упомянутые световые лучи на определенные структуры хранения данных в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из каждого лазерного луча в соответственной фокальной точке, производят оптически детектируемые отклики от упомянутых структур хранения данных и упомянутые оптически детектируемые отклики фокусируют через другой оптический прибор, находящийся на противоположной стороне упомянутого накопителя данных, и на оптические детекторные элементы в оптическом детекторном приборе, причем детектируемые оптические отклики соответствуют значениям данных, присвоенных упомянутым соответственным структурам хранения данных.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что используют множество источников света в осветительном приборе для того, чтобы направлять ряд световых лучей, соответствующих используемым источникам света, через оптический прибор, и фокусируют отдельные лучи света через один или более дифракционных оптических элементов под различными углами падения для параллельной генерации оптически детектируемого отклика от ряда структур хранения данных, соответствующих одному и тому же дифракционному элементу.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что размещают источники света в осветительном приборе с возможностью образования матрицы осветительных элементов.

25. Способ по п.23, отличающийся тем, что одновременно настраивают отдельные световые лучи из осветительного прибора на различные длины волн для параллельной генерации оптически детектируемого отклика от ряда структур хранения данных, которые расположены в различных плоскостях или слоях хранения в оптической области памяти, в результате чего в дополнение к параллельному считыванию данных, хранимых в структурах хранения данных в той же плоскости или слое хранения, достигают параллельного считывания также для данных, хранимых в структурах хранения данных на различных плоскостях или слоях хранения.

26. Способ по п.22, отличающийся тем, что для считывания данных применяют оптические фильтры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому накопителю данных, содержащему область памяти данных, сформированную существенно прозрачным однородным материалом основы и рядом оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов, смежных с одной стороной области памяти данных, в котором каждый из дифракционных оптических элементов адаптируется так, чтобы фокусировать луч света, падающий на одну или более точек области памяти данных, каждая из которых соответствует однозначно адресуемой ячейке структуры хранения данных, которая должна быть образована, или соответствует образованной структуре хранения данных в области памяти данных, и/или фокусировать перенаправленный луч света или испускаемое световое излучение из этой точки или этих точек на точку, находящуюся вне оптического носителя данных. Изобретение также относится к способам записи данных в соответствии с ограничительной частью пп. 13 и 14 формулы изобретения, способам считывания данных в соответствии с ограничительной частью пп. 17 и 18 формулы изобретения соответственно. Кроме того, изобретение также касается способа параллельной записи данных в соответствии с ограничительной частью п. 20 формулы изобретения и способа параллельного считывания данных в соответствии с ограничительной частью п. 21 формулы изобретения.

Настоящее изобретение предназначено для применения в оптических накопителях данных в виде вращающихся дисков, прямоугольных карт или листов, или лент в виде полосок или катушек.

Настоящее изобретение особенно предназначено для применения в связи с носителем данных и способом создания структуры хранения данных в таких носителях данных, которые описаны в опубликованной международной патентной заявке WO 96/37888, озаглавленной "Оптический накопитель данных", которая принадлежит настоящему заявителю и на которую далее будут делаться ссылки.

В оптическом накопителе цифровых данных, в соответствии с уровнем техники, остро сфокусированный лазерный луч систематически сканирует по поверхности носителя данных, обычно это вращающийся диск, и содержание данных выводится посредством регистрации изменений в отраженном от диска свете, когда лазерный луч проходит микроскопические впадины или пятна, которые были закодированы на носителе. Высокая плотность данных может быть достигнута, когда впадины или пятна малы и расположены близко друг к другу. Впадины или пятна, которые образуют структуры хранения данных, могут быть либо сформованы, либо запрессованы во время изготовления диска, или может быть использован сканирующий лазерный луч для того, чтобы кодировать данные в диск посредством коротких интенсивных вспышек света, которые приводят к образованию структур хранения данных, например, в виде впадин.

Этот способ оптического запоминания данных и доступа к ним имеет ряд недостатков. Требуется высокопрецизионная оптико-механическая система, чтобы позиционировать лазерный луч точно по дорожке, содержащей данные, и данные считывать последовательно. Это накладывает ограничения, обусловленные механической системой, и также уменьшает скорость произвольного доступа. Последняя проблема особенно серьезна во многих применениях, и в настоящее время проводятся всесторонние исследования, нацеленные на развитие конструкций более легких оптических головок, которые делают возможным более быстрое механическое позиционирование. Способы, основанные на применении механических систем, однако, не подходят для достижения очень высоких скоростей доступа, и поэтому значительные ресурсы были вложены в исследования, направленные на развитие схем адресации световых лучей, основанных на акустооптических или электрооптических эффектах. Поскольку в настоящее время такие схемы могут быть выполнены в виде компактных и предпочтительно дешевых физических блоков, то интегральные оптические структуры имеют особый интерес для исследователей.

Даже если вышеупомянутые непрерывные исследования в конечном счете закончатся практическими аппаратными средствами, все равно, из-за последовательного доступа к хранимой информации и в результате применяемого способа слежения скорости передачи данных будут оставаться серьезной проблемой. Чтобы ее устранить, было проведено исследование на основе многодорожечного решения, где данные передаются параллельно оптическими головками, которые записывают и считывают ряд смежных дорожек. Для единичной оптической головки, управляемой сервомеханизмом, только несколько соседних дорожек могут быть охвачены таким способом, а чтобы достичь более высокой скорости, требуется несколько независимо следящих головок. Степень параллельности записи и считывания, достигаемой такими способами, строго ограничена физическими и ценовыми рамками.

Пример оптического запоминающего устройства, которое ликвидирует проблемы, связанные со способами адресации, основанными на применении механических систем, раскрыт в опубликованной международной патентной заявке WO 93/13529. Данные запоминаются в оптическом слое 19, способном выборочно изменять свет, например, изменяя коэффициент пропускания, коэффициент отражения, поляризацию и/или фазу. Слой данных 19 освещается управляемыми источниками света 15, и матрица передающих изображение микролинз 21 проектирует изображение на стандартную матрицу световых датчиков 27. Путем выборочного и последовательного освещения различных областей данных или страниц в слое данных соответственно различные конфигурации данных отображаются соответствующими микролинзами 21 на стандартную матрицу световых датчиков 27, таким образом делая возможным выборку большого числа страниц данных электрооптическим мультиплексированием. В предпочтительном варианте воплощения микролинзы 21 могут быть заменены дифракционными оптическими структурами 402, 406, хотя следует признать, что если используются не монохроматические или не узкополосные источники света, то дифракционные оптические структуры вызывают нежелательные аберрации или искажения в данных изображения из-за различных длин волн источника. Более того, в этом оптическом запоминающем устройстве также конструктивно разделяется оптика считывания и записи, что приводит к довольно усложненной оптической установке и необходимости введения светоделителя 31 в корпус 11 запоминающего устройства.

Примером накопителя данных, подходящего для оптического запоминающего устройства, может быть накопитель данных, раскрытый в патенте США 5436871 (Russell), который является продолжением основной международной заявки WO 93/13529 и раскрывает компактное оптическое запоминающее устройство, в котором данные запоминаются на карте 104 с интегральными матрицами микролинз 210 и в оптическом слое данных 190, способном выборочно изменять свет путем изменения коэффициента пропускания, коэффициента отражения, поляризации и/или фазы. Оптические запоминающие устройства могут быть, однако, также выполнены с носителем данных, способным к испусканию флуоресцентного света при возбуждении с помощью подходящего источника света, как раскрыто в вышеупомянутой опубликованной международной патентной заявке WO 96/37888, или содержать хромофорное составное соединение, как раскрыто в опубликованной международной патентной заявке WO 96/21228, сообщающей об использовании бактериородопсина в качестве соединения хромофора.

Задачей настоящего изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков, связанных с технологией уровня техники для оптического запоминания данных, а также недостатков, вытекающих из ряда предварительно предложенных решений. Следующей задачей является сделать возможным параллельный доступ к большим блокам данных в носителе данных и заменить механическое перемещение полностью или частично, применяя адресацию и логические операции, основанные на электронике.

Особой задачей настоящего изобретения является достижение простой записи и считывания оптически запоминаемых данных в большом количестве, то есть от нескольких сотен до нескольких тысяч параллельных каналов, и получение быстрого произвольного доступа к данным в некоторых случаях без привлечения механического перемещения.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение возможности создания дешевого носителя данных с высокой плотностью данных. Еще одной задачей изобретения является предпочтительное использование некогерентных фотоизлучателей, таких как светодиоды (LED), в ряде применений, когда лазерный источник не нужен. Другой задачей изобретения является обеспечение возможности согласовывать любой формат, каким бы ни был носитель данных, будь это диски, карты или ленты, вдобавок к обеспечению возможности использования очень компактных оптических технических средств для записи/считывания.

Вышеупомянутые задачи в соответствии с изобретением достигаются как оптическим накопителем данных, отличающимся тем, что формируются дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, отличающимся тем, что область памяти данных образована между прозрачным поверхностным слоем и прозрачной подложкой, тем что дифракционные оптические элементы могут быть образованы на поверхностном слое, могут быть внедрены в поверхностный слой или могут быть образованы как единое целое с поверхностным слоем, причем между поверхностным слоем и областью памяти данных может быть образован непрозрачный слой, способный разрушаться при поглощении энергии излучения, так и способом записи данных, отличающимся тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом носителе данных, фокусируя таким образом упомянутый лазерный луч упомянутым дифракционным оптическим элементом в определенную точку в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке известным образом, производит физическое или химическое изменение в материале в чистой области памяти данных в этой точке, и создавая таким образом структуру хранения данных, которая присваивается элементу данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в материале в упомянутой структуре хранения данных; причем упомянутую степень изменения определяют посредством модуляции упомянутого лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции; другой способ записи данных согласно изобретению отличается тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом носителе данных, настраивают длину волны упомянутого лазерного луча так, что упомянутый лазерный луч фокусируют упомянутым дифракционным оптическим элементом в определенную точку в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке известным образом, производит физическое или химическое изменение в материале в чистой области памяти данных в этой точке, создавая таким образом структуру хранения данных, которая присваивается элементу данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в материале в упомянутой структуре хранения данных; причем упомянутую степень изменения определяют посредством модуляции упомянутого лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции; способ считывания данных согласно изобретению отличается тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом носителе данных, фокусируя таким образом лазерный луч на определенную структуру хранения данных в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке известным образом, производит оптически детектируемый отклик от упомянутой структуры хранения данных такой, что упомянутый детектируемый отклик соответствует значению элемента данных, хранимых в упомянутой структуре хранения данных, и упомянутый оптически детектируемый отклик фокусируют упомянутым дифракционным оптическим элементом на оптический детектор, установленный вне упомянутого оптического носителя данных; другой способ считывания данных согласно изобретению отличается тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют лазерный луч на дифракционный оптический элемент на оптическом носителе данных, настраивают длину волны упомянутого лазерного луча так, что упомянутый лазерный луч фокусируется на определенную структуру хранения данных в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из упомянутого лазерного луча в фокальной точке известным образом, производит оптически детектируемый отклик от упомянутых структур хранения данных, так что упомянутый детектируемый отклик соответствует значению элемента данных, хранимых в упомянутой структуре хранения данных, и упомянутый оптически детектируемый отклик фокусируют через упомянутый дифракционный оптический элемент на оптический детектор, установленный вне упомянутого оптического носителя данных; а также способ параллельной записи данных согласно изобретению отличается тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют два или более лазерных луча, испускаемых лазерным прибором, который содержит два или более отдельно возбуждаемых лазерных элемента, через оптическое устройство и с различными углами падения на дифракционный оптический элемент на оптическом носителе данных, настраивают длину волны каждого отдельного лазерного луча так, что упомянутый лазерный луч фокусируется упомянутым дифракционным оптическим элементом на ту же самую плоскость, причем упомянутая плоскость соответствует определенному слою хранения в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из каждого лазерного луча в фокальной точке общеизвестным образом, производит физическое или химическое изменение в материале в чистом слое памяти данных в каждой фокальной точке в упомянутой плоскости, создавая таким образом в упомянутой плоскости ряд структур хранения данных, соответствующих ряду лазерных лучей, и присваивая каждой структуре хранения данных элемент данных, значение которого соответствует степени физического или химического изменения в упомянутой структуре хранения данных, причем упомянутую степень изменения определяют модуляцией соответственного лазерного луча в соответствии с заданной процедурой модуляции; и способ параллельного считывания данных согласно изобретению отличается тем, что формируют дифракционные оптические элементы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы, направляют два или более световых луча из осветительного прибора, который содержит два или более отдельно возбуждаемых источника света с фиксированными или перестраиваемыми длинами волн, причем упомянутые длины волн световых лучей либо фиксированы, либо перестраиваются с помощью оптического прибора, на один или более дифракционных оптических элементов на накопителе данных, фокусируя, таким образом, упомянутые световые лучи на определенные структуры хранения данных в области памяти данных, посредством чего энергия, выделяемая из каждого лазерного луча в соответственной фокальной точке известным образом, производит оптически детектируемые отклики от упомянутых структур хранения данных, фокусируя упомянутые оптически детектируемые отклики через следующий далее оптический прибор, находящийся на противоположной стороне упомянутого носителя данных, на оптические детекторные элементы в оптическом детекторном приборе, причем детектируемые оптические отклики соответствуют значениям данных, присвоенных упомянутым соответственным структурам хранения данных.

В предпочтительном варианте воплощения оптического накопителя данных в соответствии с изобретением дифракционные оптические элементы (DOE) представляют собой линзы - зонные пластинки.

В другом предпочтительном варианте воплощения оптического накопителя данных накопитель данных предпочтительно выполнен в виде ленты, диска или карты и дифракционные оптические элементы располагаются на поверхности упомянутой ленты, диска или карты. В другом предпочтительном варианте воплощения оптического накопителя данных область памяти данных содержит один или более слоев хранения, которые образуют одну или более раздельных плоскостей хранения, и такой слой хранения содержит молекулы флуоресцентного красителя, внедренные в материал основы, который образует слой хранения, причем молекулы красителя в каждом отдельном слое хранения имеют различные спектральные характеристики, соответствующие длине волны светового луча, фокусируемого на этот слой хранения дифракционным оптическим элементом.

Изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения с учетом принципа действия дифракционных оптических элементов и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых

фиг. 1 иллюстрирует оптически активные структуры в виде матрицы дифракционных оптических элементов,

фиг. 2а, б иллюстрируют принцип действия дифракционного оптического элемента или линзы - зонной пластинки согласно настоящему изобретению,

фиг. 3а иллюстрирует профиль зоны в дифракционном оптическом элементе по фиг. 2б,

фиг. 3б, в, г иллюстрируют различные способы для аппроксимации или квантования фазовой функции профиля по фиг. 3а,

фиг. 4а иллюстрирует линзу - зонную пластинку, рассматриваемую как дифракционная решетка,

фиг. 5 иллюстрирует как падающая плоская волна фокусируется дифракционным оптическим элементом на подложку,

фиг. 6 изображает вид в разрезе оптического накопителя данных согласно настоящему изобретению,

фиг. 7 - схематическая иллюстрация способа параллельной записи данных согласно настоящему изобретению,

фиг. 8 - схематическая иллюстрация способа параллельного считывания данных согласно настоящему изобретению,

фиг. 9а, б - схематическая иллюстрация принципа фокусирования лазерных лучей на той же самой плоскости согласно настоящему изобретению,

фиг. 10 - схематическая иллюстрация способа параллельного доступа нескольких слоев хранения в накопителе данных согласно настоящему изобретению.

Основополагающим признаком настоящего изобретения является использование оптически активных структур в виде дифракционных оптических элементов в носителе данных, причем дифракционные оптические элементы работают как множество микроскопических линз. Фактический носитель данных в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, становится в действительности неотъемлемой частью оптических систем, которые формируют и направляют свет, используемый для записи и считывания данных. Кроме того, в соответствии с изобретением требуется, чтобы дифракционные оптические элементы были сформированы с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы. Таким образом, ряд ограничений, с которыми сталкиваются в традиционных оптических способах хранения данных, устраняется, и открывается возможность достижения высокой скорости записи/считывания с помощью практичных и недорогих аппаратных средств.

Дифракционная оптика основана на дифракции в противоположность преломлению или отражению света. Во многих случаях дифракционные оптические элементы могут занять место обычной преломляющей оптики типа линз или призм, таким образом обеспечивая существенное сокращение стоимости или снижение размеров. В ряде случаев дифракционная оптика может обеспечить получение более высоких рабочих характеристик, чем преломляющие элементы, например ахроматизацию, или даже обеспечивать возможности, не досягаемые обычными оптическими элементами, основанными на преломлении или отражении.

Фиг. 1 иллюстрирует матрицу дифракционных оптических элементов. Каждый дифракционный оптический элемент состоит из тщательно спроектированных топографических структур, которые могут быть изготовлены и воспроизведены посредством широкого диапазона процессов, таких как формовка, тиснение, сухое или влажное травление.

В дальнейшем поясняется, каким образом дифракционные оптические элементы используются в оптическом накопителе данных в соответствии с изобретением, чтобы достичь желаемой емкости хранения данных. Емкость хранения данных будет зависеть от максимальной плотности, которая может быть получена посредством не перекрывающихся сфокусированных областей или фокальных пятен на подложке носителя данных позади дифракционного оптического элемента. В частности, дальнейшее описание будет сосредоточено на использовании линз - зонных пластинок в качестве предпочтительного варианта воплощения дифракционного оптического элемента с управляемыми ступенчатыми изменениями фазы.

Принцип проектирования дифракционного оптического элемента, или линзы - зонной пластинки, иллюстрируется на фиг. 2. Если для простоты предположить, что плоская волна с волновым фронтом, параллельным плоской поверхности линзы, иллюстрируемой на фиг. 2а, падает снизу, то только заштрихованные области на фиг. 1а будут влиять на передаваемый волновой фронт, не считая фазового множителя 2n, где n - целое число.

Следовательно, линза, иллюстрируемая на фиг. 2б, создаст такой же прошедший волновой фронт, как и линза на фиг. 2а, не считая того факта, что имеется скачкообразное изменение фазы 2 между двумя различными зонами в линзе на фиг. 2б. Линза, такая как иллюстрируется на фиг. 2б, описывается как дифракционный оптический элемент или линза - зонная пластинка. Она отличается от линзы Френеля тем, что последняя имеет случайный скачок фазы от одной зоны к другой из-за погрешностей в производственном процессе, так что в результате поля волн, которые возникают из различных зон, не обеспечивают структурную интерференцию в фокальной области. Следовательно, дифракционно-ограниченная разрешающая способность линзы Френеля определяется шириной зоны, в то время как разрешающая способность линзы - зонной пластинки определяется диаметром линзы.

Фактический профиль одной из зон фиг. 2б иллюстрируется на фиг. 3а. На практике, однако, может быть проще использовать размеченные зонные профили, как иллюстрируется на фиг. 3б и 3в. Число ступеней в размеченном профиле описывается как число уровней квантования для фазовой функции. Очевидно, что когда число уровней квантования становится бесконечно большим, тогда может быть получен непрерывный профиль подобно такому, как на фиг. 3г. Принцип проектирования линзы - зонной пластинки, которая обеспечит оптимальное изображение точки на оси, состоит в том, что длина оптического пути от точки объекта до точки изображения через каждую зону в линзе должна быть такой же, как длина прямого оптического пути между объектом и точкой изображения, не считая целого числа длин волн.

Дифракционный оптический элемент (DOE) или линза - зонная пластинка иллюстрируется видом сверху на фиг. 4а и видом в разрезе на фиг. 4б соответственно. Видно, что линза - зонная пластинка состоит из ряда концентрических кольцевых выемок, причем каждому кольцу присваивается определенное значение фазы и амплитуды. Более того, хорошо известно, что линзы - зонные пластинки имеют фокусы более высокого порядка, так что в результате только часть падающей энергии заканчивается требуемым изображением. Также известно, что эффективность линз - зонных пластинок может быть увеличена путем увеличения числа уровней квантования для фазовой функции. Было показано, что можно получить уровни интенсивности 33, 57 и 67% в главном лепестке безаберрационного изображения для 2, 3 и 4 уровней квантования соответственно. Недавно, однако, был разработан новый способ кодирования, названный способом RSIDO, который, как считают, дает измеренную дифракционную эффективность 90%. Другой недостаток линзы - зонной пластинки состоит в том, что она имеет большие хроматические аберрации. Однако до тех пор, пока освещение относительно монохроматическое, умеренное изменение длины волны освещения относительно длины волны, используемой при построении линзы - зонной пластинки, не будет приводить к существенному ухудшению качества изображения. Вообще, поле зрения также ограничивается комой, астигматизмом и кривизной поля, но кому можно избежать, помещая линзу - зонную пластинку или дифракционный оптический элемент на сферической поверхности.

Ход луча в линзе - зонной пластинке или в дифракционном оптическом элементе может быть найден, если рассматривать их как дифракционную решетку с различным периодом решетки и строя геометрические лучи на основе уравнения решетки. Схематично показанную на фиг. 4а, б линзу - зонную пластинку можно рассматривать, как изображено на фиг. 4а, как круглую дифракционную решетку с периодом, который уменьшается к краю линзы. В линзе - зонной пластинке, изображенной на фиг. 4б, поле связано с падающим геометрическим лучом, в данном случае - с плоской волной. Направление прошедшего геометрического луча, соответствующее первому порядку дифракции, дается уравнением решетки



где - длина волны, d - локальное значение периода решетки, a _i и _t - углы между нормальным геометрическим лучом к решетке и падающим и прошедшим геометрическими лучами соответственно. Так как d уменьшается к краю линзы, из фиг. 4б можно увидеть, что внешние лучи испытывают большее отклонение, чем лучи вблизи центра. Вызывая уменьшение периода решетки определенным способом, все лучи могут быть направлены в общую фокальную точку. Необходимо отметить, что на фиг. 4б использованы различные масштабы по горизонтальной и вертикальной осям соответственно.

Геометрия хода луча в дифракционном оптическом элементе DOE иллюстрируется схематично на фиг. 5. Монохроматическая плоская волна с заданной длиной волны ₀ в воздухе имеет угол падения 0 с оптической осью дифракционного оптического элемента, который обеспечивается в контакте с плоской подложкой с показателем преломления (n). Диаметр дифракционного оптического элемента обозначен D, и заднее фокусное расстояние комбинации дифракционный оптический элемент/подложка обозначено f. Для различных комбинаций отношений f/число и диаметров D для дифракционного оптического элемента, и показателя преломления n подложки, полная ширина фокального пятна, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности (FWHM) могла бы быть определена следующим образом. Было обнаружено, что полная ширина фокального пятна, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности, варьируется между 0.33 мкм и 0.42 мкм на оптической оси и между 0.70 мкм и 0.90 мкм на краю поля зрения. Интенсивность прошедших лучей на оптической оси была приблизительно 0.9, а интенсивность прошедших лучей на краю поля зрения приблизительно 1/10 от первой. Таким образом, полная ширина фокального пятна, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности, является приблизительно такой же для дифракционного оптического элемента, как и для преломляющих линз в виде микросфер, в то время как интенсивность снижается быстрее к краю поля зрения дифракционного оптического элемента. Это, однако, является преимуществом, поскольку для некоторого заданного диаметра дифракционный оптический элемент открывает возможность относительно свободного выбора отношения f/число и показатель преломления подложки, так как оба из этих значений будут влиять на дифракционно-ограниченную полную ширину фокального пятна, измеренную на уровне половины максимальной интенсивности. Другое преимущество дифракционных оптических элементов состоит в том, что они имеют незначительную кривизну поля, так что в результате фокус на оптической оси и фокус на краю поля находятся приблизительно в одной плоскости. Анализ дифракционно-ограниченной характеристики фокусировки для дифракционного оптического элемента в контакте с плоской подложкой показывает, что для дифракционного оптического элемента с фиксированным диаметром полная ширина фокального пятна, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности, обратно пропорциональна показателю преломления подложки и пропорциональна отношению f/число дифракционного оптического элемента в подложке.

Наконец, следует заметить, что дифракционные оптические элементы имеют большую дисперсию, причем фокусное расстояние дифракционного оптического элемента сильно зависит от длины волны света.

Конструкция носителя данных в соответствии с настоящим изобретением, которое применяет дифракционные

оптические элементы, или линзы - зонные пластинки, построенная как описано выше, будет в дальнейшем рассматриваться более подробно со ссылкой на фиг. 6, которая схематично иллюстрирует часть носителя данных, с плотной матрицей из дифракционных оптических элементов на поверхности носителя данных. Каждый дифракционный оптический элемент действует как маленькая линза, и падающий свет фокусируется, как упомянуто выше, и направляется к области памяти, то есть к области, несущей информацию, которая в дальнейшем для краткости будет описываться как битовый слой.

Каждый бит информации представлен тем, как материал в битовом слое воздействует на свет или подвергается воздействию света, попадающего на этот материал во время фазы освещения при обработке данных. Если предположить, например, что носитель данных такой, как иллюстрируется на фиг. 6, то свет, который падает на дифракционный оптический элемент спереди, фокусируется на задней стороне дифракционного оптического элемента, которая покрыта тонкой пленкой из сплава теллура. Последняя составляет битовый слой или слой хранения и имеет низкую прозрачность, за исключением пятен, где она была подвергнута воздействию короткого высокоинтенсивного импульса света во время фазы записи. Информационное содержание в этой части носителя данных, которое связано с каждым дифракционным оптическим элементом, поэтому представлено набором прозрачных или непрозрачных побитово-распределенных областей или структур в битовом слое, который будет, например, проявляться ярким или темным при считывании в проходящем свете. Каждое положение данных на носителе данных связано с уникальным адресом, к которому можно обращаться через дифракционный оптический элемент во время записи и считывания в двух независимых шагах. Положение заданного дифракционного оптического элемента на поверхности носителя данных определяется координатами x, y; например, положение его хроматического фокуса относительно начала координат на носителе данных и положение в битовом слое пятна, относящегося к соответствующему дифракционному элементу, определяются направлением падения света, который фокусируется на этой точке, заданно, например, в нормальных полярных координатах , . Таким образом, полный адрес должен быть x, y, , .

Чтобы достичь плотности хранения данных настолько высокой, насколько это возможно в носителе, пятна или структуры хранения данных должны быть как можно меньше, и они должны быть расположены как можно ближе друг к другу под каждым дифракционным оптическим элементом. Кроме того, "мертвая зона" между группами структур хранения данных, к которым можно обращаться через различные, но соседние дифракционные оптические элементы, должна быть минимизирована. Последнее требование налагает связь между конфигурацией положения каждой структуры хранения данных под каждым дифракционным оптическим элементом, формой и относительным положением дифракционного оптического элемента на поверхности носителя. Следует отметить, что очень маленькие структуры хранения данных или размеры пятна могут быть достигнуты с помощью дифракционных оптических элементов, которые на несколько порядков величины больше, чем структуры хранения данных. Более того, большой диапазон размеров дифракционных оптических элементов может давать почти такой же средний размер структуры хранения данных и, следовательно, такую же среднюю локальную плотность хранения данных в битовом слое.

В последнем случае большой дифракционный оптический элемент должен быть связан с большим количеством положений структур хранения данных, таким образом подразумевая более плотно расположенные угловые позиции адресации , для падающего света во время считывания и записи. Как будет обсуждаться позже для оптимизированного носителя, увеличение размера дифракционного оптического элемента влечет за собой снижение точности пространственной адресации x, y для каждого дифракционного оптического элемента, и это следует соизмерять в зависимости от более высокой точности в угловых координатах , .

В качестве примера следует отметить, что дифракционный оптический элемент, который занимает площадь 2500 мкм² и обычно может охватывать 10000 или более структур хранения данных, как иллюстрировалось выше, имеет диаметр 0.3-0.7 мкм и разделяется угловыми сдвигами адресации и вплоть до 0.5-1.0^o. Если бы линейные размеры дифракционного оптического элемента были уменьшены на множитель N, то угловое разделение между соседними структурами хранения данных должно было быть увеличено приблизительно на такой же множитель, в то время как число структур хранения данных, соответствующих каждому дифракционному оптическому элементу, уменьшается на множитель N².

В некоторых вариантах воплощения носителя данных в соответствии с изобретением запись и считывание могут иметь место посредством взаимодействия света с тонкой пленкой, в близкой аналогии с известными оптическими носителями данных. Действительно, пленки, разработанные для известных носителей типа "однократная запись - многократное считывание" (WORM), а также для перезаписываемых носителей, могут быть непосредственно выполнены в накопителе данных в соответствии с настоящим изобретением. Отличительный признак настоящего изобретения от других известных методов заключается в том, как свет направляется и фокусируется на битовый слой, и в последствиях, вытекающих из этого.

Запись

Во время записи короткий и интенсивный импульс света направляется к назначенному дифракционному оптическому элементу с координатами x, y в заданном направлении , . Чтобы ускорить процесс записи, несколько или все направления, связанные с дифракционным оптическим элементом, высвечиваются одновременно или в быстрой последовательности, например, посредством импульсно освещаемого пространственного светового модулятора (SLM) или кластерного лазера (лазер с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, VCSEL), как иллюстрируется на фиг. 7. По результату действия это соответствует записи с параллельными дорожками в большом масштабе, что будет более подробно описано впоследствии. Допустимые отклонения юстировки для лучей записи относительно каждого дифракционного оптического элемента зависят от конкретной конструкции и параметров функционирования в каждом конкретном применении, но вообще являются намного шире, чем те, которые применяются в традиционных оптических схемах хранения данных. В последнем случае требуется точность слежения порядка 1 мкм во всех трех измерениях, в то время как допустимое отклонение позиционирования с помощью дифракционного оптического элемента может быть на один или два порядка величины более свободным.

Считывание

Физическая компоновка носителя данных, объединенная с иерархической (x, y) (, ) адресацией, открывает качественно новые возможности для простого быстродействующего произвольного доступа и передачи данных. Вместо последовательного считывания битовой строки вдоль дорожки посредством остро сфокусированного лазерного луча может быть выполнено широкомасштабное параллельное считывание путем передачи изображения больших блоков данных непосредственно с носителя данных на матричный детектор.

Один из вариантов воплощения изобретения иллюстрируется схематически на фиг. 8, где свет, коллимированный под углом падения , , направляется одновременно на большое количество дифракционных оптических элементов, побуждая носитель данных отображать состояние бита по адресу , в каждом из освещенных дифракционных оптических элементов. Последние обычно разнесены на относительно большие интервалы, 30-100 мкм, на поверхности носителя данных и поэтому могут быть легко разрешены посредством широкоугольной оптики с большой глубиной резкости, которая отображает состояние бита по адресу , на каждом дифракционном оптическом элементе на матричный детектор, как иллюстрируется на фиг. 8. Вообще это возможно без фокусирующего сервомеханизма, даже с носителями, которые значительно отклоняются от плоскостности. Максимальная глубина резкости для оптической системы, которая имеет разрешающую способность 50 мкм на длине волны освещения около 480 нм, составляет 10 мм. С другой стороны, если бы состояние бита должно было бы адресоваться прямым отображением конфигурации битов в простом плоском слое без дифракционного оптического элемента, то побитовое дистанционирование менее 1 мкм повлекло бы за собой глубину резкости, приблизительно равную 3 мкм, и считывание в большом масштабе с одновременным отображением на матричный детектор было бы практически невозможно, даже с фокусирующим сервомеханизмом. Способ, решающий эту проблему, описан в патенте США N 4745484 (J.Drexler и J.B.Arnold), который показывает неодновременную последовательность отображения на нескольких отстоящих этапах.

Изображение, сформированное на матричном детекторе под действием освещения под углом ₁, ₁, охватывающим состояние разряда при всех адресах {x, y, ₁, ₁} в носителе в пределах поля зрения, передается в электронную систему устройства считывания для дальнейшей обработки, и детектор очищается для нового цикла считывания на сей раз под углом считывания ₂, ₂. В свою очередь, электронная система устройства считывания выдает информационное содержание во всех адресах (x, y, ₂, ₂) в пределах поля зрения. Цикл повторяется до тех пор, пока все желаемые адреса в носителе данных не считаны.

Вышеописанная схема считывания с угловым мультиплексированием с плоского носителя на первый взгляд подобна голографической памяти с угловым мультиплексированием и в некоторых отношениях подобна схеме, основанной на преломляющих или отражающих структурах, которые направляют и фокусируют свет на выжигаемую пленку, как описано в опубликованной международной патентной заявке N WО 91/11804 (P.E.Nordal). Как будет подробно описано в последующих параграфах, тем не менее использование дифракционных оптических элементов в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает технологические возможности и преимущества относительно производительности и рентабельности, которые иначе не доступны.

В связи с учетом вышеупомянутого принципа действия дифракционного оптического элемента DOE демонстрировалось, как можно было получить маленькие фокальные пятна, заданные их полной шириной FWHM, измеренной на уровне половины максимальной интенсивности. Размер фокальных пятен или их полная ширина FWHM, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности, при использовании дифракционных оптических элементов для фокусировки в битовом слое или слое хранения имеет решающее значение для достижимой плотности данных в этом слое. Расчеты соответствующих конструкций носителя данных и действующих параметров, таких как длина волны света, показывают, что размер пятна дифракционно-ограниченный или почти дифракционно-ограниченный на больших участках площади под каждым дифракционным оптическим элементом. В определенных условиях это означает, например, что правильно выполненный дифракционный оптический элемент с диаметром 50 мкм, освещенный светом на длине волны 450 нм, может создавать параксиальное, то есть на оптической оси, фокальное пятно с диаметром 0.33 мкм, измеряемом на уровне половины максимальной интенсивности, при условии, что отношение f/число равно 1 и показатель преломления подложки равен 1.6. При положениях вне оси, то есть с углом падения > 0^o, на фокальные пятна влияют явления аберрации в линзе, а при = 30^o фокальное пятно увеличивается уже до 0.61 мкм.

Как уже упоминалось, кривизна поля изображения очень мала, если только дифракционный оптический элемент построен на сферической поверхности для того, чтобы избежать комы. В таком случае могут использоваться изложенные дисперсионные свойства дифракционного оптического элемента для того, чтобы устранить кривизну поля.

Как уже упоминалось, носитель данных с дифракционной оптикой обеспечивает гибкость и возможности, которые не имеют никакой аналогии при использовании преломляющих или отражающих оптических систем. Это означает, что дифракционная оптика обеспечивает полную свободу выбора как отношения f/число, так и показателя преломления подложки, и, следовательно, размер фокальных пятен резко отличается от случая со сферическими преломляющими линзами.

Как уже упоминалось, поразительный аспект дифракционной оптики состоит в ее очень большой дисперсии, то есть фокусное расстояние дифракционной линзы сильно зависит от длины волны света. Таким образом, в то время как у оптических материалов для преломляющих линз показатель преломления изменяется с длиной волны и это обычно приводит к изменению фокусного расстояния линзы на относительное значение 1% по видимому спектру, изменение для дифракционных линз в 40-50 раз больше, соответствуя обратно пропорциональной зависимости между фокусным расстоянием и длиной волны света. Это очевидно имеет негативное значение для тех применений, где стабильный монохроматический источник света не доступен из-за технического или ценового ограничения или где желательно создавать изображения с полихроматическим светом. В настоящем изобретении может использоваться монохроматический свет, и допустимое отклонение по длине волны для накопителей с дифракционными оптическими элементами совместимо с соответствующими источниками света, такими как полупроводниковые лазеры и светодиоды (LED). Таким образом, при правильном выборе и вариации длины волны становится возможным сдвигать положение фокуса внутри подложки управляемым способом. В настоящем изобретении это может применяться несколькими путями.

Коррекция кривизны поля изображения

Как иллюстрируется на фиг. 9а, битовый слой является плоским, а поле изображения в монохроматическом свете образует сферическую поверхность, как показано пунктирными линиями. Таким образом, фокальные пятна, созданные на плоском битовом слое, формируются и увеличиваются из-за их положения вне оптимального фокусного расстояния. Так как фокусное расстояние зависит от длины волны света, следует отметить, что может использоваться настройка длины волны падающего луча монохроматического света как функции угла падения для того, чтобы позиционировать фокус в битовом слое, например, как показано на фиг. 9б. Основной принцип может быть осуществлен либо посредством матриц из источников света с фиксированной длиной волны, либо с помощью перестраиваемых источников света.

Одновременный доступ к нескольким битовым слоям посредством настройки длины волны

Так как фокусное расстояние может быть настроено регулированием длины волны света, то становится возможным формировать структуры хранения данных в слоях на различных глубинах, как показано на фиг. 10. Основным фактором, делающим такую схему применимой на практике, является большая дисперсия в дифракционном оптическом элементе. Чтобы избежать перекрестных помех между различными слоями, они должны быть разделены, по крайней мере, расстоянием s, фиг. 10. Минимально допустимое значение расстояния разделения s зависит от нескольких факторов, таких как характеристики записи тонкой пленки битового слоя, требуемый контраст и приемлемый уровень перекрестных помех. Последний фактор зависит в свою очередь от того, увеличено ли содержание данных в каждом фокальном пятне, например полутоновое кодирование (по уровню серого). Таким образом, в конструировании для максимально возможного отношения между плотностью данных и емкостью записи/считывания существует компромисс между уровнями кода в полутоновом кодировании, с одной стороны, и одновременной записью/считыванием нескольких битовых слоев, с другой стороны.

Способ параллельного считывания данных предполагает использование оптических фильтров.

Простая оценка возможностей может быть сделана со ссылкой на фиг. 10, принимая во внимание, что может применяться фокальное пятно пренебрежимо малого размера в одном из показанных битовых слоев. Тогда диаметр d_fs фокального пятна для сходящегося света, который проходит через смежный битовый слой, будет

d_fs = DS/f, (2)

где D - диаметр, a f - фокусное расстояние микролинзы. Так как фокусное расстояние дифракционных оптических элементов обратно пропорционально длине волны , то можно получить изменение длины волны величиной



Теперь можно потребовать, чтобы d_fs было настолько большим, чтобы интенсивность света в битовых слоях, которые находятся вне фокуса, была уменьшена на некоторый множитель относительно интенсивности в оптимальной фокальной точке. Пренебрегая поглощением в битовом слое и предполагая, что d_fs= 2.0 мкм, что дает снижение интенсивности на множитель 16, если минимальный фактический диаметр фокального пятна составляет 0.5 мкм, то для диаметра D=50 мкм можно получить



Это означает, что в этом конкретном случае требуется изменение длины волны на 4%, то есть, например, увеличение длины волны с 480 нм до 500 нм. Если длина волны света остается в пределах видимой или вблизи видимой области спектра, то может использоваться ряд битовых слоев или слоев хранения, каждый из которых адресуется освещением на длине волны, соответствующей этому слою, например, предполагая 4% разделение между соседними длинами волн: 460 нм, 479 нм, 498 нм, 518 нм, 539 нм, 561 нм, 584 нм, 608 нм, 633 нм, 659 нм, 686 нм, 714 нм, 743 нм и 773 нм. В этом примере имеется 14 слоев, что дает 14-кратное увеличение в емкости хранения по сравнению с единственным слоем хранения при условии, что плотность данных в каждом слое одинаковая в обоих случаях.

Эта концепция многослойного хранения напоминает несколько некоторых уже известных схем хранения данных в двух или более параллельных слоях на дисках, но с важным различием. В настоящем изобретении адресация каждого слоя осуществляется настройкой длины волны света, в то время как известные схемы все основаны на механическом позиционировании оптики записи/считывания посредством привода головок, управляемого сервомеханизмом. Таким образом, в настоящем изобретении исключены трудности, связанные с механикой, и вместе с тем настройка длины волны обеспечивает чрезвычайно быстрый произвольный доступ.

Хорошо известная проблема многослойного хранения состоит в том, что свет должен пересекать лежащие на его пути битовые слои по мере того, как свет распространяется в носителе, чтобы попасть на соответствующий битовый слой или слой хранения. Поскольку свет распространяется от этого слоя к детектору, те же самые лежащие на его пути слои должны быть пересечены снова (при считывании в отраженном свете) или же должны быть пересечены слои на противоположной стороне от соответствующего слоя хранения (при считывании в проходящем свете), с этой проблемой сначала сталкивались разработчики фирмы IBM, которые сделали вывод, что в практических системах могут быть осуществимы 10 слоев путем тщательного подбора коэффициента отражения в каждом слое (считывание с носителя данных в отраженном свете). Разумно ожидать, что считывание с носителя данных в проходящем свете будет, в основном, менее требовательным в этом отношении.

Оптический носитель данных в соответствии с настоящим изобретением может быть разработан так, что десять слоев хранения толщиной 2 мкм вместе образуют слоистую структуру или стек слоев хранения, которые простираются на 10 мкм с каждой стороны от центрального слоя. В пределах этого объема может быть выполнен или произведен ряд различных структур.

(1) Каждый слой может быть создан записывающим лучом, образующим структуры хранения данных, то есть битовые точки, которые определяют битовые слои внутри первоначально однородного блока толщиной 20 мкм, в этом случае каждая структура хранения данных будет фактически представлять собой маленький элемент объема, соответствующий элементу объема с высокой интенсивностью в сфокусированном записывающем луче.

(2) В другом случае слоистая структура из отдельных слоев встраивается в накопитель данных во время изготовления. Каждому слою тогда можно придавать, например, путем внедрения молекул красителя определенную спектральную характеристику, которая соответствует той длине волны, на которой свет входит в оптимальный фокус в этом конкретном слое хранения. Так, эта характеристика может являться селективным поглощением в узкой полосе в незаписанном состоянии слоя хранения, меняясь на низкое поглощение в записанном пятне (обесцвечивание). Если полосы поглощения - узкие и не перекрываются, то все другие слои, кроме подходящего, окажутся прозрачными для света на этой длине волны, таким образом, устраняя проблемы контраста и взаимных помех.

Что касается используемых дифракционных оптических элементов, то они в настоящее время доступны от нескольких производителей и поставляются с качеством и размерами, необходимыми для настоящего изобретения.

Из всего вышесказанного станет ясно, что оптический накопитель данных в соответствии с настоящим изобретением с использованием дифракционных оптических элементов делает возможным истинное объемное хранение и доступ к данным в области памяти, где данные могут быть сохранены в произвольно выбранных, но неоднозначно адресуемых позициях в объеме области памяти, или также могут быть расположены в определенных слоях хранения в области памяти. В обоих случаях доступ к хранимым данным может также быть осуществлен произвольно и объемно.