專利名稱：光數(shù)據(jù)存貯媒體及其讀寫方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包含有數(shù)據(jù)存貯區(qū)的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其由基本上透明均勻襯底材料形成，并毗臨這個數(shù)據(jù)存貯區(qū)的一面有一些光敏結構。本發(fā)明還涉及按照權利要求13和14介紹的寫數(shù)據(jù)方法以及分別按照權利要求17和18介紹的讀數(shù)據(jù)的方法，此外，本發(fā)明還涉及按照權利要求19介紹的并行寫數(shù)據(jù)的方法和按照權利要求20介紹的并行讀數(shù)據(jù)的方法。最后本發(fā)明涉及按照權利要求25介紹的讀數(shù)據(jù)的方法。
本發(fā)明用于以旋轉盤、矩形卡或者帶型或卷筒型的紙張或紙帶形式的光數(shù)據(jù)存貯媒體中。
本發(fā)明特意要同在另一個專利申請中所述的載數(shù)據(jù)媒體和該載數(shù)據(jù)媒體里產生載數(shù)據(jù)結構的方法聯(lián)系起來利用。所說的另一個專利申請是同一申請人提出的XX-XXXX號挪威專利，在這里提出以供參考。
在按目前技術水平的數(shù)字光數(shù)據(jù)存貯中，被強烈聚焦的激光束在載數(shù)據(jù)的媒體(典型地是一旋轉盤)的表面上有規(guī)則地掃描，而數(shù)據(jù)的內容按著當激光束通過微小的凹點或斑點時盤的反射光的變化來推演出來。所說的微小凹點或斑點已到這個媒體上進行代碼化。當凹點或斑點很小，且彼此非?？拷鼤r，高的數(shù)據(jù)密度被實現(xiàn)。形成載數(shù)據(jù)結構的凹點或斑點在制造時被塑壓到盤里，或者利用掃描激光束，通過載數(shù)據(jù)結構(如斑點形式)形成的急速猝發(fā)的光將數(shù)據(jù)編碼到盤里。
這種光數(shù)據(jù)存貯和訪問有許多缺點。為了定位激光束準確地沿包含數(shù)據(jù)的路徑并且數(shù)據(jù)可連續(xù)讀出，需要高精密的光機系統(tǒng)。這遺留下機械操作的限制，還減慢了隨機訪問的速度。后者的問題在許多應用中特別嚴重。為了開發(fā)允許更快速機械定位的更輕光頭的設計，目前正在進行廣泛的研究。但是，基于機械的方法不適于達到很高的訪問速率，因而可觀的資源已被投入到為發(fā)展基于聲光或電光效應的光束的尋址方案中。由于目前這樣方案能以緊湊的和可取地低成本的實際組件來實現(xiàn)，集成光結構對研究者來說是特別有興趣的。
即使這個在進行的研究將最終導致實用硬件的出現(xiàn)，但是由于對存貯信息的連續(xù)訪問和利用循跡方法的結果，數(shù)據(jù)傳送速率將是嚴重問題。為了消除這個問題，多軌跡解決辦法的研究已進行，在多軌跡解決辦法中，數(shù)據(jù)被寫和讀許多相鄰軌跡的光頭并行地傳送。按這個方式，僅少量相鄰的軌跡能被一個單獨的伺服控制的光頭覆蓋，為達到更高速度需要若干獨立循跡的光頭。用這樣方法可達到讀寫的并行程度嚴重地為物理和成本的制約所限制。
本發(fā)明的目的是避免上述同當前光數(shù)據(jù)存貯技術相聯(lián)系的問題以及由一些以前提出的解決辦法產生的問題。另一個目的是可以并行地訪問在載數(shù)據(jù)媒體中的大塊數(shù)據(jù)和通過利用基于電子尋址以及基于電子邏輯操作完全地或部分地代替機械移動。
本發(fā)明的特定目的是實現(xiàn)簡單的讀寫并行通道中的大量(幾百到幾千)光存貯數(shù)據(jù)和在一些無機械移動的情況下獲得快速隨機的數(shù)據(jù)訪問。
能提供一個不昂貴的具有高數(shù)據(jù)密度的載數(shù)據(jù)媒體是本發(fā)明的又一個目的。本發(fā)明再另外一個目的是，在一些應用中，不需要激光源而僅需要如發(fā)光二極管(LED)這樣的不相干光電發(fā)射器。本發(fā)明再另外一個目的是，除了允許使用很緊湊的光寫/讀硬件外，它應當同數(shù)據(jù)承載媒體上的任何格式相配，不管媒體是盤、卡還是帶。
上述目的將依據(jù)具備一種光數(shù)據(jù)存貯區(qū)的本發(fā)明來達到。光數(shù)據(jù)存貯區(qū)的特征在于光敏結構是分別為聚焦入射到數(shù)據(jù)存貯區(qū)的光束到一個或幾個存貯區(qū)內的點上和/或聚焦從這點或這些點折回的光束或發(fā)射的光輻射到在光存貯媒體外的一點上而放置的衍射光學元件，結合分別在具體的權利要求13和14中所表明的特點的寫數(shù)據(jù)方法，以及分別在具體的權利要求17和18中所表明的特點的讀數(shù)據(jù)方法。根據(jù)本發(fā)明的并行寫數(shù)據(jù)方法的特點是在具體的獨立權利要求19中所表明的，而根據(jù)本發(fā)明并行讀數(shù)據(jù)方法的特點是在具體的獨立權利要求20中所表明的。最后，根據(jù)本發(fā)明的另一個數(shù)據(jù)的讀方法的特點是在具體的獨立權利要求25中所表明的。
現(xiàn)在將參照附圖結合如用在本發(fā)明中那樣的衍射光學元件原理的敘述并結合實施例來更詳細地說明本發(fā)明。


圖1表示衍射光學元件DOE矩陣形式的光敏結構。
圖2a、b表示如用在本發(fā)明中的衍射光學元件DOE或波帶片透鏡的原理。
圖3a表示圖2b中的衍射光學元件DOE的一個波帶的剖面。
圖3b、c、d表示在圖3a中的剖面的不同的相位函數(shù)近似或量化的方法。
圖4a表示看作衍射光柵的波帶片透鏡。
圖5表示一個入射平面波如何被在襯底中的衍射光元件聚焦。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的光數(shù)據(jù)存貯媒體的示意截面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的并行寫數(shù)據(jù)方法的示意圖解。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的并行讀數(shù)據(jù)方法的示意圖解。
圖9a、b是根據(jù)本發(fā)明在聚焦各激光束到同一平面上的原理的示意圖解。
圖10是根據(jù)本發(fā)明在數(shù)據(jù)存貯媒體中并行訪問幾個存貯層方法的示意圖解。
本發(fā)明的基本特點是在載數(shù)據(jù)媒體中使用以衍射光學元件DOE形式的光敏結構，這些衍射光學元件DOE起許多顯微透鏡的作用。因此，根據(jù)本發(fā)明的載數(shù)據(jù)媒體實際在效果上成為光學系統(tǒng)的一個集成元件，這個元件整形和引導用作數(shù)據(jù)讀寫的光。于是，許多在傳統(tǒng)光數(shù)據(jù)存貯方法中遇到的限制被解除，打開了用實用又不昂貴的硬件實現(xiàn)高寫/讀性能的可能性。
同光的、折射或反射不同，衍射光學是以衍射為基礎。在許多情況下，DOE可取代如透鏡或棱鏡這樣的常規(guī)折射光學設備，由此提供了在成本上或尺寸上的明顯減小。在許多情況下，衍射光學設備可提供比折射光學設備更優(yōu)越的性能，例如消除色差，或者提供以折射或反射為基礎的常規(guī)光學元件所達不到的可能性。
圖1表示一個衍射光學元件DOC矩陣。每個DOE由精心設計的外形結構組成。這種結構可通過如塑造、雕刻、干燥或濕腐蝕這樣的廣東回加工過程被制造和復制。
現(xiàn)在將說明為了實現(xiàn)所要求的數(shù)據(jù)存貯能力，衍射光學元件DOE怎樣被用于根據(jù)本發(fā)明的光數(shù)據(jù)存貯媒體中。數(shù)據(jù)存貯能力將依賴于由在DOE后面的載數(shù)據(jù)媒體的襯底中的非重迭聚焦面積或焦斑所能得到的最大密度。
在圖2上說明衍射光學元件DOE或波帶片透鏡的原理。為簡單起見，如果假定帶有波前平行于圖2a所示的透鏡的平面表面的平面波從下面入射，則除了2nπ的相位因子(n是整數(shù))外，只圖2a中的陰影區(qū)將影響被傳播的波前。因此，除了在圖2b的透鏡中的2個不同波帶2nπ之間有不連續(xù)的相位跳動外，圖2b中所示的透鏡將產生與圖2a中的透鏡相同的傳播波前。如在圖2b中所示的那樣透鏡被按照衍射光學元件DOE或波帶片透鏡來說明。它同F(xiàn)resnel透鏡的區(qū)別在于，F(xiàn)rensnel透鏡由于制造過程中的不精確會產生從一個波帶到另一個波帶的隨機相位跳動，結果由不同波帶產生的波場不提供在聚焦區(qū)的相長干涉。因此，F(xiàn)rensnel透鏡的衍射極限分辨率取決于寬度，而波帶片透鏡的分辨率取決于透鏡的直徑。
圖2b中的一個波帶的實際剖面被表示在圖3a上。然而，實際上如圖3b和3c所示用分級波帶剖面會是更容易的。在分級剖面中的梯級數(shù)被描寫為相位函數(shù)的量化級數(shù)。顯然，當量化級數(shù)變成無限大時，可得到類似圖3d中那樣的連續(xù)剖面。提供軸上一點的最佳成象的波帶片透鏡的設計原理是經透鏡中每個波帶的由物點到象點的光程長除了一個整數(shù)波長外應是物點和像點之間的直接光程長。
DOE或波帶片透鏡被分別表示在圖4a中的頂視圖和圖4b中的橫截正視圖上。會看出，波帶片透鏡由一些同心環(huán)形通道組成，每個環(huán)被規(guī)定一個具體的相位和幅度值。此外，眾所周知，波帶片透鏡具有較高階焦點，其結果是只一部分入射能量在所要求的象中結束。還眾所周知的是，波帶透鏡的效率可通過增加相位函數(shù)的量化級數(shù)而被增加。已證明，對于2、3和4量化級有可能在無象差象的主波瓣中獲得分別為33、57和67％的強度級。但是，最近已發(fā)展了一種稱為RSIDO方法的新編碼方法，據(jù)說它給出90％測量出的衍射效率。另外，波帶片透鏡的一個不利之處是它有大的色差。但是，只要照射是比較單色的，則中等的相對于用于波帶片透鏡結構中的波長的照射波長的改變將不引起成象質量的明顯惡化。一般說，視場也受彗差、象散和場的彎曲的限制，但是彗差可通過將波帶片透鏡或DOE放在球形形面上來避免。
通過將波帶片透鏡或DOE看作有不同光柵周期的衍射光柵和根據(jù)光柵方程建立幾何束，在波帶片透鏡或DOE中的光路可被求得。參看在圖4a、b中表示的波帶片透鏡，如圖4a所示它可被看作有周期的向透鏡邊緣減小的圓形衍射光柵。在圖4b中所表示的波帶片透鏡中，光場同一入射幾何光束、局部平面波相聯(lián)系。對應于一階衍射被轉換的幾何光束的方向由光柵方程給出sinθt-sinθi=λd---(1)]]>這里λ是波長，d是光柵周期的局部值，θi和θt分別是在光柵上的法線幾何光束和入射以及傳播幾何光束之間的角度。由于d向透鏡邊緣減小，在圖4b中可看出，最外側的光束接受的偏轉比靠近中心的光束大。通過特殊的方式使光柵周期減小，所有光束都能朝向公共焦點。應注意到，在圖4b中沿水平和垂直軸分別用不同的標度。
在DOE中的光線路徑幾何圖形示意地表示在圖5中。具有空氣中給定波長λo的單色平面波對DOE的光軸有入射角θ，DOE同有一定折射指數(shù)的平面襯底接觸。DOE的直徑用D表示，DOE/襯底組合的第二焦距用f表示。對于不同的f數(shù)，DOE的直徑D和襯底的折射指數(shù)n的組合，在半最大強度上的焦斑全寬(FWHM)可按如下確定。曾發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WHM在光軸上是在0.33μm和0.42μm之間變化，而在視場的邊緣上是在0.70μm和0.90μm之間變化。在光軸上的透射強度大約是0.9，而在視場邊緣上的透射強度大約是這個數(shù)的1/10。于是，當強度向著DOE視場的邊緣迅速下降時，F(xiàn)WHM對于DOE同對于以微型球形式的折射透鏡大致相同。但是，一個優(yōu)點是，對于給定直徑，DOE提供了比較自由地選擇f數(shù)和襯底的折射指數(shù)的可能性，由于這兩個數(shù)值都會影響衍射極限的FWHM。DOE的另一個優(yōu)點是，它有可忽略的光場彎曲，結果在光軸上的焦點和在光場邊緣上的焦點大致是在同一平面上。對平面襯底接觸的DOE的衍射極限聚焦特性的分析表明，對于具有一固定直徑的DOE來說，F(xiàn)WHM與襯底的折射指數(shù)成反比，與在襯底上的DOE的f數(shù)成正比。
最后應指出，衍射光學元件DOE有大的色散，這是由于DOE的焦距高度地依賴于光的波長。
現(xiàn)在結合圖6將更詳細地考慮利用如上所述的衍射光學元件DOE或波帶片透鏡的根據(jù)本發(fā)明的載數(shù)據(jù)媒體的設計。圖6示意地說明這種數(shù)據(jù)媒體的一部分，在這種數(shù)據(jù)媒體的表面上有一密集的衍射光學元件DOE的矩陣。每個DOE起一個小透鏡的作用，入射光如上述那樣被聚焦和被引導到存貯區(qū)、即信息承受區(qū)。為簡潔起見，下面將按照(二進制)位層來說明這個區(qū)。在數(shù)據(jù)照射狀態(tài)時每位信息可被在位層中材料如何受影響或被透過它的光的影響來表示。例如，假定載數(shù)據(jù)媒體是如圖6中所表示的那樣，在前面入射到DOE上的光在鍍敷薄碲合金膜的DOE背面被聚焦。這個膜構成位層或存貯層，除了在寫狀態(tài)時光斑處暴露在短的高強度光脈沖外，有很低的光傳遞。因此，同每個衍射光學元件DOE相聯(lián)系的載數(shù)據(jù)媒體的這一部分中的信息內容由位層中的一組光傳遞或非傳遞的位分配區(qū)或結構所代表，例如，當它們被讀以便傳輸時，這組位分配區(qū)或結構按亮或暗表現(xiàn)。在載數(shù)據(jù)媒體中的每個數(shù)據(jù)的位置同唯一的地址相聯(lián)系，在兩個獨立的寫和讀步驟期間這個地址可通過DOE訪問。在載數(shù)據(jù)媒體的表面上的一定的DOE的位置由X、Y坐標定義，例如，相對于載數(shù)據(jù)媒體上的一個參考原點的DOE色心位置。在位層中相對于同其聯(lián)系的衍射元件DOE的光斑位置用聚焦在這點上的光的入射方向定義，例如，用一般極坐標θ、φ來定義。于是，完全的地址是x、y、θ、φ。
為在媒體中達到盡可能高的數(shù)據(jù)存貯密度，光斑或載數(shù)據(jù)結構必須盡可能地小，它們應在每個DOE下面排列得盡可能地靠近在一起。此外，在通過不相同但又相鄰的DOE詢問的載數(shù)據(jù)結構組之間的“死區(qū)”應被做得最小。上述最后的要求在每個DOE下面的每個載數(shù)據(jù)結構的位置和模型之間以及在媒體表面上的DOE的形狀和相對位置之間加上了一種聯(lián)系物。應注意到，用比載數(shù)據(jù)結構大幾個數(shù)量級的DOE可實現(xiàn)很小的載數(shù)據(jù)結構或光斑尺寸。此外，大范圍的DOE尺寸可給出幾乎是相同的載數(shù)據(jù)結構的平均尺寸，并因此給出在位層中的相同的平均局部數(shù)據(jù)存貯密度。
在后面的情況下，大的DOE應同大數(shù)量的載數(shù)據(jù)結構位置相聯(lián)系，于是，在讀和寫時利用較密地隔開的入射光的角度尋址位置θ、φ。如以后關于最佳媒體所討論的，增加DOE的尺寸會使每個DOE的空間尋址x，y精度的減小，必須對照角度坐標θ、φ的高精度來權衡。
作為一個例子可提及，占有2500μm2面積的一個DOE典型地可被分配10000多個如上所說明的有0.3～0.7μm直徑的載數(shù)據(jù)結構，以θ、φ的角度尋址偏移被分開到0.5-1.0°。如果DOE的直線尺寸被減小N倍，在相鄰載數(shù)據(jù)結構間的角度間隔必須被增加大約同樣的倍數(shù)，而同每個DOE相聯(lián)系的載數(shù)據(jù)結構的數(shù)目被減少N2倍。
在某些根據(jù)本發(fā)明的載數(shù)據(jù)媒體的實施例中，同常規(guī)的光存貯媒體很類似，借助于光和薄膜相互作用可進行寫和讀。的確，為常規(guī)的“寫一次，讀許多次”(WORM)型的媒體以及為可重寫媒體而研制的薄膜可直接在根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)存貯媒體中實施。在本發(fā)明和其他已知的技術之間進行區(qū)別的要點在于如何把光引導和聚焦到位層上以及由此產生的結果。寫在寫期間，一個短而強的光脈沖以指定的方向θ、φ指向在x、y坐標上指定的DOE。如圖7中所示，為加速寫過程，幾個或所有同DOE聯(lián)系的方向同時或以快時序被閃光，例如用閃光照射空間光調制器(SLM)或線束激光器(垂直腔表面發(fā)射激光器，VCSEL)來實現(xiàn)。這實際上同在下面將要更嚴密說明的大規(guī)模并行軌跡字相當。對于每個DOE寫光束的準直允差取決于在每種應用中的確切的設計和性能參數(shù)，但通常要比應用在傳統(tǒng)的光學數(shù)據(jù)存貯方案中來得寬松。在后者的情況下，要求跟蹤精度在所有三維尺寸上低于1μm，而DOE的定位允差可以是1或2個數(shù)量級上的寬松。讀同分層(x，y)(θ、φ)尋址相結合的載數(shù)據(jù)媒體的物理布局對于簡單，高速的隨機存取和傳遞數(shù)據(jù)定性開辟了新的機遇。采用直接從載數(shù)據(jù)媒體映象到矩陣探測器的大數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)了大規(guī)模并行讀取，從而取代了用嚴密聚焦的激光束來順序地讀取沿一軌跡的位串信號。
本發(fā)明的一個實施例示意地表示在圖8中，其中以入射角θ、φ的準直光同時指向許多DOE，使載數(shù)據(jù)媒體顯示在每個被照射的DOE處的θ、φ地址位狀態(tài)。DOE在載數(shù)據(jù)媒體的表面上典型地以30～100μm的間隔被間隔開，因此能夠容易地被寬闊場、長的場深度的光學設備所分辨，這個光學設備將在每個DOE處的θ、φ位狀態(tài)映象到所說明的矩陣探測器上。一般地說，在沒有聚焦伺服、甚至媒體偏離平面性的條件下，上述情況也是可能的。對于以480nm的照射波長能分辨50μm特征物的光學系統(tǒng)，其最大場深度是10mm。另一方面，如果位狀態(tài)通過沒有DOE的簡單平面層上的位圖形直接映象來訪問，則小于1μm的位到位間隔會需要約等于3μm的場深度，用同時映象到矩陣探測器方式的大規(guī)模讀出實際上是不可能的，即使有聚焦伺服也是如此。在美國專利NO.4745484(J.Drexper和J.B.Arnold)中臨時地介紹了一個克服這個問題的方法，指出了按幾個分離的步驟的非同時成象次序。
在以θ1、φ1照射下矩陣探測器上形成的象中包含了媒體中視場內所有地址(x，y，θ1，φ1)上的位狀態(tài)，這個象被傳遞到讀裝置的電子系統(tǒng)作進一步處理，對于新的讀出周期，探測器被清零，這是在讀出角θ2、φ2時。依次地，這又得出在視場范圍內在所有地址(x、y、θ2、φ2)上的信息內容。這個周期被重復直到所有在載數(shù)據(jù)媒體中需要的地址被讀完為止。
上述從平面媒體角度多路讀出方案表面上類似于角度多路全息攝影存貯，并在某些方面類似于基于折射或反射結構的方案。后者如在挪威專利申請NO.90-0443(P.-E.Nordal)中所介紹的，上述折射或反射結構將光引導和聚焦到一燒膜上。但是，如在以后的各節(jié)里要被詳述的，使用根據(jù)本發(fā)明的DOE提供了在其他情況下得不到的關于性能和成本利益的技術上的可能性和優(yōu)點。
結合上述DOE原理的說明，論證了怎樣小的焦斑是可達到的，這可通過FWHM參數(shù)給定。當DOE被用于在位層或存貯層中聚焦時，為了達到在這個層中的數(shù)據(jù)密度，焦斑或FWHM的尺寸是決定性的。對于有關數(shù)據(jù)媒體設計和諸如波長這樣的運算參數(shù)的計算表明，遍及在每個DOE下面的大部分區(qū)域，光斑尺寸是衍射極限的或接近衍射極限的。在具體意義上這意味著，例如，當光圈數(shù)是1，在襯底中的折射指數(shù)是1.6時，以450nm波長照射一個直徑為50μm制造恰當?shù)腄OE，便能產生一個近軸焦斑，即在光軸上有一個直徑為0.33μm的FWHM。在偏軸位置、即入射角θ＞0°，焦斑受透鏡中的象差現(xiàn)象的影響，在θ＝30°時焦班增加到0.61μm。如已提到的，除非為避免彗差將DOE建造在球形表面上，否則象場的彎曲是很小的。在這種情況下，所述的DOE的色散性質可被利用來消除場彎曲。
如已提到的，當使用折射或反射光學系統(tǒng)時帶有衍射光學設備的載數(shù)據(jù)媒體提供了無任何相似的靈活性和可能性。如已提到的，這意味著，同球折射透鏡情況相比，衍射光學設備提供選擇f數(shù)和襯底的折射指數(shù)，乃至焦斑尺寸的充分自由。
如提到的，衍射光學的顯著特點是它們的很大色散性，即衍射透鏡的焦距高度地依賴于光的波長。于是，當用作折射透鏡的光學材料呈現(xiàn)出折射指數(shù)隨波長而改變，這典型地使透鏡焦距在可見光譜上有1％的相對變化，對于衍射透鏡這個變化是40-50倍那樣大，相當于焦距和光波長之間的直接反比值。這就對如下的應用有明顯的否定的推斷在應用中，由于技術的或成本的限制，得不到單色光源，或者，在應用中，要求用多色光成象。在本發(fā)明中，可用單色光，帶有DOE的存貯媒體的波長允差適合于諸如半導體激光器和發(fā)光二極管LED等相關的光源。于是，通過適當?shù)剡x擇和改變波長，使采用受控方式移動襯底里的焦點位置成為可能。在本發(fā)明中，可以利用幾種方式。象場變曲的修正這在圖9a中作說明，在那里位層是平面的，但以單色光形成的象場組成了球形表面，如用破折線表示。于是，在平面的位層上建立的焦斑被形成，并由于它們的位置在最佳焦距之外而被放大。由于焦距依賴于光的波長，應注意到，作為入射角的函數(shù)的入射單色光的波長調諧可被用于在位層中焦點的定位，如圖9b中所示?？捎镁仃嚬潭úㄩL光源矩陣或可調諧光源來實現(xiàn)基本原理。用波長調諧同時存取幾個位層由于焦距可通過調節(jié)光波長來調節(jié)，這就有可能在如圖10中所示的不同深度層上形成載數(shù)據(jù)結構。制定這樣的實用方案的一個基本因素是DOE中有大的色散。為避免不同層間的串擾，各層必須被分開至少一個距離S，參見圖10。間隔S的最小可允許值取決于若干因素，如位層薄膜的寫特性、所需要的對比度和可允許的串擾程度。后者又取決于在每個焦斑的數(shù)據(jù)內容是否被例如灰度級編碼所加強。于是，為了設計數(shù)據(jù)密度和寫/讀能力間最高可能的比值，在灰度級編碼中的碼級和幾個位層的同時寫/讀之間存在一個折衷。
參照圖10可進行簡單的可能性估計，假定尺寸可忽略的焦斑可被用在所示位層中的較低層。穿過上位層的聚焦光的焦斑直徑df近似是df=Dsf---(2)]]>其中，D是微型透鏡的直徑，f是微型透鏡的焦距。由于衍射光學元件DOE的焦距同光波長λ成反比，對于波長的變化為Δλλ=sf---(3)]]>現(xiàn)在可要求，df是這樣大以致在離開焦點的位層(圖10中的上層)中的光強度相對在最佳焦點上的光強度減小到某個倍數(shù)。忽略在位層里的吸收并假定df＝2.0μm，如果焦斑直徑是0.5μm，這就給出了16倍的強度減小，可以求得Δλλ=dfsD---(4)]]>這意味著，在這個具體情況下需要4％的波長變化，也就是說，例如從480nm波長增加到500nm波長。如果光保持在可見或近可見光譜內，則許多位層或存貯層可被使用，每個這樣的位層在其指定波長上用照射尋址，例如，假定相鄰波長之間的間隔為4％460nm、479nm、498nm、518nm、539nm、561nm、584nm，608nm、633nm、659nm、686nm、714nm、743nm和773nm。在這個例子中共有14層，同單一存貯層相比較存貯容量增加了14倍，如果每層上的數(shù)據(jù)密度在兩種情況下是相同的話。
這個多層存貯概念有些類似某些已知道的在磁盤上的2個或多個平行層中數(shù)據(jù)存貯方案，但有重要差別。在本發(fā)明中每層的尋址通過光的波長調諧進行，而那些已知道的方案都是建立在用伺服控制激勵器機械定位寫/讀光學設備的基礎上。這樣一來，在本發(fā)明中在波長調諧提供極其快速的隨機訪問的同時避免了機械的復雜性。
多層存貯的一個眾所周知的問題是，當光傳播到媒體里穿透相應位層或存貯層時，它必須越過插入的各位層。當光從這層向探測器傳播時，同樣地這些插入層必須被再次越過(用反射讀的情況下)，或者，在相應層的相對面上的各層必須被越過(在用透射寫的情況下)。這個問題已由IBM先前處理了。通過仔細地均衡在每層的反射特性，IBM推斷；在實用系統(tǒng)中10層會是可行的(用反射讀數(shù)據(jù)媒體)。有理由予料，通常在這方面很少需要以透射讀的數(shù)據(jù)媒體。
根據(jù)本發(fā)明的光存貯媒體可這樣設計，10個2μm厚的存貯層一起組成了三明治結構或存貯層堆，其中間層的每側延伸10μm。在該體積內可實現(xiàn)或產生許多不同的結構。
(1)每層可以由產生載數(shù)據(jù)結構(即位點)的寫光束來生成，位點確定在最初是均勻的20μm厚的塊內的位層，在這種情況下每個載數(shù)據(jù)結構實際上將是在聚焦寫光束中的高強體積元相對應的小體積元。
(2)另一方面，三明治結構的各獨立層在制造時就被建造到數(shù)據(jù)存貯媒體里。例如通過嵌入染料分子，每層則被給定一特定光譜響應，染料分子與進入到在那個特定存貯層中的最佳焦點上的光的波長相匹配。這樣，這個響應可以是在存貯層的不寫狀態(tài)時的窄吸收帶中的選擇吸收變到在被寫光斑里的低吸收(脫色)。如果各吸收帶很窄且不重迭，則除了相關層外的所有層將對這個波長上的光顯得是透明的，由此便消除了對比度和串擾的問題。
關于所用的衍射光學元件，它們目前有若干產品中可用，并有為本發(fā)明所必需的質量和尺寸。
上述可見，根據(jù)本發(fā)明的光數(shù)據(jù)存貯媒體連同衍射光學元件的使用允許數(shù)據(jù)在存貯區(qū)中的真正的體積存貯和訪問。在存貯區(qū)里，數(shù)據(jù)能被存貯在隨機選取但在存貯區(qū)體積內的唯一可尋址位置，或被安排在存貯區(qū)中的各特定存貯層中。在兩種情況下，所存貯的數(shù)據(jù)的訪問也能被隨機地和立體地進行。
權利要求
1.包含由基本上透明均勻的基底材料所構成的數(shù)據(jù)存貯區(qū)和在鄰近數(shù)據(jù)存貯區(qū)的一側面有許多光敏結構的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，光敏結構是衍射光學元件，其被安排為將入射到數(shù)據(jù)存貯區(qū)的光束聚焦到一個或幾個存貯區(qū)中的點上和/或將從這個點或這些點折回的光束或發(fā)射的光輻射聚焦到在光存貯媒體外的一點上。
2.根據(jù)權利要求1的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，衍射光學元件是波帶片透鏡。
3.根據(jù)權利要求1或2的光數(shù)存貯媒體，其特征是，存貯區(qū)在透明表面層和透明襯底之間。
4.根據(jù)權利要求3的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，衍射光學元件在表面層上。
5.根據(jù)權利要求3的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是衍射光學元件被嵌入表面層。
6.根據(jù)權利要求3的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，衍射光學元件同表面層形成一體。
7.根據(jù)權利要求3的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，在表面層和存貯層之間有一不透明層，這個不透明層通過吸收輻射能量是可破壞的。
8.根據(jù)前面的權利要求中的一個的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，存貯媒體被設計成帶，盤或光的形式，以及衍射光學元件被排列在帶、盤或片的表面上。
9.根據(jù)前面的權利要求中的一個的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，衍射光學元件以成行成列的形式被排列，于是衍射光學元件組成一個矩陣。
10.根據(jù)前面的權利要求中的一個的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，存貯區(qū)包含一個或幾個構成一個或幾個性質不同的存貯平面的存貯層；這個存貯層或這些存貯層包含嵌入構成存貯層的襯底材料中的瑩光染料分子，在每個單獨的存貯層中的染料分子有不同的光譜響應，該響應與由衍射光學元件聚焦到這個存貯層上的光束的波長相匹配。
11.根據(jù)權利要求10的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，一個或幾個存貯層是部分反射或透射層。
12.根據(jù)權利要求10的光數(shù)據(jù)存貯媒體，其特征是，存貯層是與波長有關的反射或透射層。
13.在根據(jù)權利要求1-13的光存貯媒體中寫數(shù)據(jù)的方法，其特點是引導一激光束到光存貯媒體上的衍射光學元件上，由此經衍射光學元件將激光束聚焦到存貯區(qū)中的一特定點上；通過在焦點上由激光束發(fā)射的能量引起在這個點上的原來存貯區(qū)里的材料中的物理或化學變化，由此數(shù)據(jù)承載結構被生成；將一數(shù)據(jù)賦給載數(shù)據(jù)結構，這個數(shù)據(jù)的值對應于在數(shù)據(jù)承載結構里的材料中的物理或化學變化程度，這個程度由依據(jù)預定的調整程序調制激光束來確定。
14.在根據(jù)權利要求1～13的光數(shù)據(jù)存貯媒體中寫數(shù)據(jù)的方法，其中波長可調諧的激光器被利用在這個方法中，方法的特征是將一激光束引導到光學存貯媒體上的衍射光學元件上；調諧激光束波長，于是使激光束經過衍射光學元件被聚焦到存貯區(qū)中的一特定點上；通過在焦點上由激光束發(fā)射的能量引起在這點上的原來存貯區(qū)里的材料中的物理或化學變化，由此數(shù)據(jù)承載結構被生成；將一數(shù)據(jù)賦給數(shù)據(jù)承載結構，這個數(shù)據(jù)的值對應于在數(shù)據(jù)承載結構里的材料里的物理或化學變化程度，這個程度由根據(jù)預定的調制程度調制激光束來確定。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中存貯區(qū)是一種基本上均勻的原基底材料，方法的特征是調諧激光束的波長，使調諧度確定均勻基底材料中的一個或幾個隨機存貯層。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中存貯區(qū)由多個疊式的存貯層組成，方法的特征是，調諧激光的波長于是激光束被聚焦到在生成數(shù)據(jù)承載結構的特定存貯層里一個點上。
17.根據(jù)權利要求1～12的讀出在光數(shù)據(jù)存貯媒體中的數(shù)據(jù)的方法，其中存貯媒體包含按照根據(jù)權利要求13的方法產生的數(shù)據(jù)承載結構，方法的特征是將光束引導到在光數(shù)據(jù)存貯媒體上的衍射光學元件上；于是光束被聚焦到在存貯區(qū)中的一特定數(shù)據(jù)承載結構上；借助在焦點上從光束發(fā)射的能量引起從數(shù)據(jù)承載結構來的可光探測響應有效，可探測響應對應于存貯在數(shù)據(jù)承載結構中的數(shù)據(jù)；通過衍射元件可將可光探測響應聚焦到在光存貯媒體外的光探測器上。
18.根據(jù)權利要求1～12的讀出在光數(shù)據(jù)存貯媒體中的數(shù)據(jù)的方法，其中存貯媒體包含按根據(jù)權利要求14～16的方法產生的數(shù)據(jù)承載結構，方法的特征是將光束引導到在光數(shù)據(jù)存貯媒體上的衍射光學元件上；調諧光束的波長，于是光束被聚焦到在存貯區(qū)里的一特定數(shù)據(jù)承載結構上。借助在焦點上從光束發(fā)射的能量引起從數(shù)據(jù)承載結構來的可光探測響應有效，這個可探測響應對應于存貯在數(shù)據(jù)承載結構中的數(shù)據(jù)值；通過衍射元件將可光探測響應聚焦到在光存貯媒體外的光探測器上。
19.根據(jù)權利要求1～12的光存貯媒體中并行寫數(shù)據(jù)的方法，其特征是引導由包括兩個或多個可單獨激活的激光元件組成的激光裝置發(fā)射的兩個或多個激光束通過光學裝置并以不同的入射角到在光存貯媒體上的衍射光學元件上；調諧每個單獨激光束的波長，于是激光束通過衍射光學元件被聚焦到同一平面上。所說的同一平面對應于在存貯區(qū)里的一特定的存貯層；借助在焦點上由每個激光束發(fā)射的能量引起在這個平面中的每個焦點上原來存貯層里的材料中的物理或化學變化，由此在這個平面內形成有同激光數(shù)目對應數(shù)目的數(shù)據(jù)承載結構；賦給每個數(shù)據(jù)承載結構一個其值對應于在數(shù)據(jù)承載結構中物理或化學變化程度的數(shù)據(jù)，這個程度通過根據(jù)預定的調制程序調制各個激光束來確定。
20.根據(jù)權利要求1～12的并行讀光存貯媒體中的數(shù)據(jù)的方法，其中有利用的根據(jù)權利要求14的在光學存貯媒體中寫數(shù)據(jù)的方法或根據(jù)權利要求19的在光存貯媒體中并行寫數(shù)據(jù)的方法，方法的特征是引導從包括一個或幾個有固定的或可調諧的波長的可選擇激活的光源的照射裝置發(fā)出的光束穿過光學元件并到一個或幾個在存貯媒體上的衍射光學元件上；通過從一個或幾個由在貯存區(qū)中的數(shù)據(jù)承載結構來的可光探測響應有效以及將可光探測響應穿過在數(shù)據(jù)存貯媒體反面上的另外光學裝置聚焦到在光探測裝置中的光探測元件上，所探測的光響應對應于賦給各個數(shù)據(jù)承載結構的數(shù)據(jù)值。
21.根據(jù)權利要求20的方法，其特征是，多個光源被利用在照射裝置中，以便引導對應于所利用的光源的若干光束穿過光學裝置；各個光束通過一個或幾個衍射光學元件在不同的入射角上被聚焦，以便從被分配給一個和相同的衍射元件的若干數(shù)據(jù)承載結構并行產生典型的可光探測響應。
22.按權利要求21的方法，其特征是，被按排在照射裝置中的光源構成矩陣。
23.根據(jù)權利要求21或22的方法，其特征是，各個發(fā)自照射裝置的光束被同時調諧到不同的波長以便從被安置在光存貯區(qū)中不同平面或存貯層上的若干數(shù)據(jù)結構并行產生可光探測響應，結果除了并行讀出存貯在在同一平面或存貯層上數(shù)據(jù)承載結構里的數(shù)據(jù)外，還得到并行讀出存貯在不同平面或存貯層上的數(shù)據(jù)承載結構里的數(shù)據(jù)。
24.根據(jù)權利要求20～23中的一個的方法，其特征是，光濾波器被利用于數(shù)據(jù)的讀出。
25.根據(jù)按權利要求1～12的光存貯媒體的讀數(shù)據(jù)的方法，其中數(shù)據(jù)存貯媒體包含帶有嵌入構成存貯層的基底材料中的瑩光染料分子的存貯層，方法的特征是，為數(shù)據(jù)的讀出，利用調諧到在每個單獨的存貯層中提供的瑩光染料分子的光譜特性上的波長的光。
全文摘要
在帶有由透明均勻基底材料構成的存貯區(qū)并帶有一些在這存貯區(qū)的一個面上的光敏結構的光數(shù)據(jù)存貯媒體中,光敏結構是能將入射到存貯區(qū)的一光束聚焦到一個或多個在存貯區(qū)的點上和/或將從這個或這些點折回的光束或發(fā)射的光輻射聚焦到在光存貯媒體外的一點上的衍射光學元件。在存貯媒體中寫/讀時,衍射光學元件被用于聚焦寫/讀光束以便分別地產生載數(shù)據(jù)結構或讀存貯在這樣的載數(shù)據(jù)結構中的數(shù)據(jù)。通過利用衍射光學元件的特殊光學性質,可能完成在光存貯媒體中的幾個平行的或隨機分布的存貯層里并行寫/讀數(shù)據(jù),于是光存貯媒體提供真正體積存貯和相應的所存貯數(shù)據(jù)的體積訪問。
文檔編號G02B5/18GK1192819SQ96196243
公開日1998年9月9日 申請日期1996年6月24日 優(yōu)先權日1995年6月23日
發(fā)明者H·G·古德森, R·M·尼爾森, T·內林斯魯?shù)? P·E·諾達爾 申請人:奧普蒂科姆公司