Оптическое запоминающее устройство

 

Сущность изобретения: носитель информации содержит флуоресцентный слой с несущими информацию структурами. Флуоресцентный слой содержит молекулы флуоресцентного красителя, заделанные в полимерном материале подложки. При использовании лазерного луча для создания несущих информацию структур получают более низкую флуоресценцию по отношению к флуоресценции от соответствующего участка исходного флуоресцентного слоя, когда несущая информацию структура облучается возбуждающим флуоресценцию излучением. При модуляции лазерного луча в каждой несущей информацию структуре может храниться несколько битов, в результате чего значение хранившегося элемента данных соответствует значению определенного уровня в многоуровневом коде. Хранящаяся информация считывается посредством возбуждения флуоресценции молекул флуоресцентного красителя в несущей информацию структуре. Флуоресценция определяется в детекторном устройстве, причем интенсивность определяемой флуоресценции соответствует значению хранившегося элемента данных. Таким образом, 1-10 битов может храниться в несущей информацию структуре менее 0,25 мкм². Это является значительным увеличением плотности записи информации по сравнению с ранее известными носителями информации оптических запоминающих устройств. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к носителю информации, содержащему флуоресцентный слой, расположенный на подложке, где несущие информацию структуры обеспечиваются в флуоресцентном слое в его поверхности или от его поверхности и к подложке, и где несущие информацию структуры обеспечиваются по линейному или криволинейному пути, или в строках, или в столбцах таким образом, что несущие информацию структуры образуют матрицу, и где флуоресцентный слой в основном содержит молекулы флуоресцентного красителя, заделанные в прозрачный полимерный материал подложки. Изобретение также относится к способу формирования несущей информацию структуры в носителе информации, содержащем флуоресцентный слой. Кроме того, изобретение относится к дополнительному носителю информации, содержащему флуоресцентный слой, расположенный на подложке, где несущие информацию структуры обеспечиваются в флуоресцентном слое в его поверхности или от его поверхности и к подложке, и где несущие информацию структуры обеспечиваются по линейному или криволинейному пути, в строках или столбцах, причем несущие информацию структуры образуют таким образом матрицу, и где флуоресцентный слой, в основном, содержит молекулы флуоресцентного красителя, заделанные в прозрачный полимерный материал подложки, вместе с дополнительным способом формирования несущей информацию структуры в дополнительном носителе информации. Наконец, изобретение касается способа генерирования и детектирования возбуждения флуоресценции в несущей информацию структуре в дополнительном носителе информации.

В более конкретном смысле изобретение содержит носитель информации цифрового оптического запоминающего устройства WORM-типа ("пишу раз - читаю много раз"), где информация записывается на тонком слое с помощью светового импульса высокой интенсивности, обычно сильно сфокусированного лазерного луча. После того, как информация записана на слое, он не может быть возвращен в свое исходное состояние, но информация может быть считана много раз с помощью слабого светового луча, который не оказывает дополнительного воздействия на физическое состояние слоя. Хорошо известным средством в этом контексте являются тонкая металлическая фольга, или плоские стеклянные или пластиковые поверхности, или тонкая полимерная пленка, которая содержит светопоглощающий краситель. В большинстве случаев такие слои предусматриваются между другими слоями, например, отражающим или защитными слоями. Слой записывает информацию в результате претерпевания изменения под воздействием мощного записывающего светового импульса и составляет фактически запоминающий информацию слой в носителе.

В своей наиболее главной части современная технология оптического запоминающего устройства почти исключительно основана на отражательном контрасте между записанными знаками в запоминающем слое или его непосредственном окружении. Фокусированный лазерный луч пропускается вдоль запоминающего слоя, и записываются изменения силы отраженного лазерного света, когда луч проходит записанный текст. Типичный текст может быть в виде небольших круглых или удлиненных углублений размером между 0,5 и 7 мкм. Носители основанных на отражении оптических запоминающих устройств используют сильно отражающий слой, например, нанесенный испарением алюминиевый слой в многослойной структуре, где запоминающий слой регулирует количество света, падающего на носитель, которое отражается.

Хорошо известными являются носители информации, которые основаны на контрасте пропускания света, который определяется после прохождения через носитель информации. В этом случае запоминающий слой может иметь низкую способность к светопропусканию в неизвестных условиях и быть более прозрачным в записанном тексте, который образуется с помощью мощного записывающего луча. Альтернативно, запоминающий слой может превращаться из прозрачного в непрозрачный в записанном тексте.

Известно, что разрабатываются носители информации, в которых контраст основан на возбужденном светоиспускании. В процессе считывания информации один или более световых лучей сканируют носитель информации, который реагирует с испусканием света, сила которого зависит от того, как носитель был обработан ранее на стадии записи. Испускаемая световая энергия дает в результате либо высвобождение захваченных электронов в высокоэнергетическом состоянии в запоминающем слое, либо падение превращения сканирующего светового луча. Были также предложены голографические носители информации с хранением информации как в объеме, так и на слоях. Важным механизмом контраста в этой связи является светоиндуцированное изменение коэффициента преломления.

Носитель информации может быть также на основе флуоресцентных свойств запоминающего слоя. Например, патент ЕР-А1-503482 описывает удаляемый оптический записывающий носитель, содержащий, по крайней мере, один записывающий слой, который содержит флуоресцентный материал и фотореактивный бистабильный гаситель, способный гасить флуоресценцию, испускаемую флуоресцентным материалом. Фотореактивный бистабильный гаситель дает два изомера, один, имеющий длинноволновый спектр поглощения, который отличается от другого и превращается в другой при облучении светом. Один из этих бистабильных изомеров действует как гаситель для гашения флуоресценции, испускаемой флуоресцентным материалом. В частности, фотореактивным бистабильным гасителем является фотохромное соединение, имеющее гасящее действие. Информация дискретно записывается при использовании двух бистабильных изомеров фотореактивного бистабильного гасителя. В стертом состоянии абсорбционный спектр фотобистабильного гасителя является спектром длинноволнового изомера, тогда как в записанном состоянии абсорбционный спектр является спектром коротковолнового изомера. Информация записывается, когда заставляют флуоресцентный материал поглощать испускаемый свет с передачей поглощенной энергии фотореактивному бистабильному гасителю, заставляя фотореактивный гаситель участвовать в реакции изомеризации от длинноволнового изомера к коротковолновому изомеру. Считывание записанной информации осуществляется либо путем детектирования флуоресценции, испускаемой флуоресцентным материалом, либо имеет место при преобразовании только небольшой части фотореактивного бистабильного гасителя, который содержится в записывающем слое в избыточном количестве, из состояния его коротковолнового изомера и обратно в состояние его длинноволнового изомера, с активацией, таким образом, гасителя. Видно, что согласно патенту ЕР-А1-503482 гасящее действие имеет место в результате фотоиндуцированной химической реакции и не влечет за собой истощение флуоресцентного материала в зоне записи на записанном носителе.

Наиболее коммерчески доступными в настоящее время носителями оптических запоминающих устройств, однако, являются носители на основе запоминающих слоев WORM-типа на основе одной из следующих категорий: 1. Образование отверстия в поглощающей или отражающей тонкой пленке, где отверстие получается абляцией или плавлением металлической фольги. Такие запоминающие слои могут часто использоваться без лежащего ниже рефлектора и обеспечивают контраст, когда свет, который проходит через отверстие после образования отверстия, теряется вo внутреннем записывающем слое или позади него, обеспечивая в результате темный отпечаток, записываемый на сильно отражающем основании, который считывается при отражении. Носители информации этого вида также являются хорошо пригодными для считывания посредством пропускания, при условии, что относительно слабый свет способен проходить через запоминающий слой до осуществления на нем записи.

2. Образование топографического отпечатка при массопереносе является известным, например, в виде нагревоиндуцированного питтинга в полимерной пленке. В процессе записи сильный импульс поглощается фокусированным светом в полимерной пленке, вызывая местный разогрев и перенос полимерного материала с нагретого участка. Физическим процессом, который входит в массоперенос, обычно является термопластичная деформация, в некоторых случаях возможны также испарение или абляция. В результате этого образуется углубление, размеры и форма которого определяются фокальным размером светового луча и коэффициентом поглощения полимерной пленки, длительностью экспозиции и параметрами термической диффузии и массопереноса материала в зоне записи в запоминающем слое. Информация считывается с носителя путем записи коэффициента суммарного отражения падающего света, который проходит через полимерный слой и который отражается от нижележащего отражающего слоя и возвращается через полимерную пленку. Для получения желаемых светопоглощающих свойств полимерная пленка обычно обрабатывается красителем.

3. Известными также являются другие носители информации подобного типа, где поглощающие и отражающие свойства запоминающего слоя модифицируются заделанными частицами, пригодными для этой цели, в прозрачном полимерном материале подложки, или где поверхность запоминающего слоя находится под локальным воздействием термического процесса, индуцированного высокомощным фокусированным лазерным лучом, в результате заставляя поверхность в облученной точке становиться более мягкой и более отражающей.

В разработке носителей оптических запоминающих устройств имеется общая тенденция к прогрессивному возрастанию плотности записи информации.

Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача получения носителя оптического запоминающего устройства, в котором запоминающий слой обеспечивает большую плотность записи информации, выполненную более мелкими записанными знаками. Требованием является способность к записи знаков или несущих информацию структур, которые меньше 0,4 мкм и которые легко считываются, и, таким образом, требуется, чтобы запоминающий слой не имел частиц или топографических структур, которые превышают 0,1 мкм. Необходимо также, чтобы чувствительность запоминающего слоя была достаточно высокой для того, чтобы можно было использовать свет с малой длительностью импульса для обеспечения пространственной разрешающей способности и, кроме того, позволить использовать малые длительности записывающего импульса, получая соответственно короткие промежутки термической диффузии.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение запоминающего слоя с более плотными образцами несущих информацию структур или текстов, с получением в результате увеличенной плотности записи информации. Это значит, что несущие информацию структуры на основе массопереноса не могут быть использованы, если только перенесенный материал не откладывается таким образом, что он не входит в зоны, которые заняты смежными несущими информацию структурами.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение носителя информации, который позволяет записать несколько битов на одном участке, т. е. несколько битов в каждом записанном знаке или каждой несущей информацию структуре. Обычной ситуацией является, когда записанный знак или несущая информацию структура в традиционном носителе информации имеет записанный знак, который в процессе считывания находится в одном из двух возможных состояний, соответствующих двоичному "0" или двоичной "1". Обычно определяется отражение или проницаемость запоминающего слоя, и предел простого решения определяет, подвергается ли слой воздействию записывающего лазерного импульса или нет при определении несущей информацию структуры. Таким образом, отдельной задачей изобретения в данном случае являются несущие информацию структуры, которые могут хранить более 1 бита, и все вышеуказанное обеспечивает несущую информацию структуру, которая обеспечивает кодирование серой шкалы, значительно увеличивая в результате плотность записи информации по сравнению с известными в настоящее время носителями оптических запоминающих устройств. В этой связи можно указать, что были проведены эксперименты с захватом электронов в многоуровневом запоминающем слое, разработанной фирмой Оптекс Инк., которая утверждает, что можно использовать 16 уровней серой шкалы, соответствующих 4 битам. Этот носитель считывается при возбуждении флуоресценции от электронов, захваченных в процессе записи, и появляется возможность хранения многоуровневого кода путем регулирования интенсивности флуоресценции.

Наконец, задачей настоящего изобретения является обеспечение носителя информации, где положение фокальной точки в запоминающем слое меняется при изменении угла падения света, который используется для записи в запоминающем слое, что делает, таким образом, возможным плотный образец несущих информацию структур, к которым направлен угол падения, например, с помощью микролинз, предусмотренных на поверхности носителя информации, как рассмотрено в норвежской заявке на патент N 900443.

Вышеуказанные и другие задачи, положенные в основу изобретения, согласно изобретению достигаются носителем информации, который отличается тем, что каждая из несущих информацию структур имеет в соответствии с установленным значением элемента данных определенную степень гашения флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой, которая облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем степень гашения флуоресценции считается по отношению к флуоресценции, испускаемой исходным флуоресцентным слоем на участке, площадь поверхности которого равняется площади несущей информации структуры, на поверхности флуоресцентного слоя; или носителем информации, который отличается тем, что каждая из несущих информацию структур имеет в соответствии с установленным значением элемента данных определенную степень гашения флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой, когда она облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем элемент данных несущей информацию структуры соответствует определенному уровню в предварительно установленном многоуровневом коде, где каждый уровень соответствует определенной степени гашения флуоресценции, причем степень гашения флуоресценции считается по отношению к флуоресценции, испускаемой исходным флуоресцентным слоем на участке, площадь поверхности которого равняется площади несущей информацию структуры, на поверхности флуоресцентного слоя; соответственно, в сочетании со способом, который отличается направлением лазерного луча в точку на флуоресцентром слое, облучением этой точки таким образом, что в этой точке в флуоресцентном слое образуется несущая информацию структура, причем несущая информацию структура получается при термическом воздействии на флуоресцентный слой и/или при фотоинициированном воздействии на молекулы флуоресцентного красителя, предусмотренные в флуоресцентном слое, и возможно другие молекулы, поэтому несущая информацию структура получает определенную степень гашения флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой, когда она облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем степень гашения считается по отношению к флуоресценции, испускаемой исходным слоем на участке, площадь поверхности которого равняется площади несущей информацию структуры, на поверхности флуоресцентного слоя; или способом, который отличается направлением лазерного луча в точку на флуоресцентном слое, модуляцией лазерного луча в соответствии с заданной методикой модуляции, которая включает ряд стадий модуляции, соответствующих уровням в заданном многоуровневом коде, и облучением места на флуоресцентном слое модулированным лазерным лучом, с образованием в результате несущей информацию структуры в этой точке в флуоресцентном слое, причем несущая информацию структура получается при термическом воздействии на флуоресцентный слой и/или при фотоиндуцированном воздействии на молекулы флуоресцентного красителя, предусмотренные в флуоресцентном слое, и, возможно, другие молекулы, в результате после облучения несущая информацию структура получает с помощью модуляции лазерного луча обусловленную степень гашения флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой, когда она облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем степень гашения флуоресценции соответствует значению элемента данных, заданному модулированным облучением несущей информацию структуры, причем элемент данных соответствует значению определенного уровня на заданном многоуровневом коде.

Наконец, согласно настоящему изобретению также предусматривается способ, который может быть использован для считывания одного из носителей информации согласно изобретению и который отличается направлением светового луча на несущую информацию структуру, регулированием длины волны светового луча до спектрального реагирования молекул флуоресцентного красителя в несущей информацию структуре, и детектированием флуоресценции, испускаемой несущей информацию структурой в детекторном устройстве на расстоянии от носителя информации, помещенном выше или ниже его, причем интенсивность детектируемой флуоресценции соответствует значению элемента данных, заданному для несущей информацию структуры, который (элемент данных) представляет уровень в заданном многоуровневом коде.

Изобретение теперь будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, где: фиг. 1 схематически показывает сечение носителя информации согласно настоящему изобретению; фиг. 2a и 2b показывают схематически и в разрезе образование несущей информацию структуры в носителе информации; фиг. 3a и 3b показывают схематически и в разрезе образование второй несущей информацию структуры в носителе информации; фиг. 4a и 4b показывают схематически и в разрезе образование третьей несущей информацию структуры в носителе информации; фиг. 5 схематически показывает сечение варианта носителя информации согласно изобретению; фиг. 6 показывает схематически и в разрезе хранение нескольких битов в несущей информацию структуре в настоящем изобретении; фиг. 7 показывает схематически и в разрезе хранение нескольких битов во второй несущей информацию структуре в настоящем изобретении; фиг. 8 показывает схематически и в разрезе более практический вариант носителя информации согласно изобретению; и
фиг. 9 показывает схематически принцип считывания информации с носителя информации согласно изобретению.

На фиг. 1 показан носитель информации, который содержит флуоресцентный слой 1, расположенный на подложке 2. В флуоресцентном слое предусматриваются в его поверхности или от его поверхности и к подложке несущие информацию структуры 3. Должно быть понятно, что видимые сверху носителя несущие информацию структуры 3 способны располагаться по линейному или криволинейному пути, например, спирально, как на CD-диске, а также в строки или столбцы, образуя таким образом матрицу.

Флуоресцентный слой 1 содержит молекулы красителя 4 (см. фиг. 2), которые преимущественно заделываются в прозрачный полимерный материал подложки, например, из модифицированного полиметилметакрилата (МПММА). Молекулами красителя 4 могут быть, например, молекулы родамина. Каждая из несущих информацию структур 3 имеет определенную степень гашения флуоресценции, которая испускается несущей информацию структурой 3, когда она облучается возбуждающим флуоресценцию получением (см. фиг. 6). Степень гашения флуоресценции считается по отношению к флуоресценции, которая испускается исходным флуоресцентным слоем, т.е. слоем без несущих информацию структур, который не облучается лазерным светом для того, чтобы образовать несущие информацию структуры 3. Например, степень гашения флуоресценции в таком случае может считаться по отношению к участку исходного флуоресцентного слоя с площадью поверхности, равной площади несущей информацию структуры 3, на поверхности флуоресцентного слоя 1. Степень гашения флуоресценции, которая испускается несущей информацию структурой 3, представляет значение элемента данных, который хранится в несущей информацию структуре.

На фиг. 1, например, каждая несущая информацию структура 3 может представлять двоичный "0" или двоичную "1", и промежуток между смежными несущими информацию структурами может представлять двоичную 1 или двоичный 0, причем флуоресценция, которая испускается в этом промежутке, обычно является флуоресценцией, испускаемой исходным флуоресцентным слоем 1.

Определенная степень гашения флуоресценции может быть установлена для несущих информацию структур несколькими путями. Предпочтительно, это может быть сделано, как показано на фиг. 2a и 2b, на которых записывающий импульс, т. е. луч лазерного света, падает на флуоресцентный слой 1 (фиг. 2a), размягчая и расплавляя материал в флуоресцентном слое, с образованием, таким образом, несущей информацию структуры 3 (фиг. 2b), образуемой в виде углубления в этом слое. Включенными процессами могут быть термопластичная деформация, абляция или другой индуцированный нагревом процесс переноса. Когда флуоресцентный слой облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, углубление, т.е. несущая информацию структура 3, будет иметь флуоресценцию ниже, чем окружающие части флуоресцентного слоя 1, причем степень гашения флуоресценции в значительной степени определяется геометическими размерами нагревоиндуцированного углубления, практически, например, глубиной и диаметром.

Флуоресценция флуоресцентного слоя 1 может быть также модифицирована на молекулярном уровне, например, как показано на фиг. 3a и 3b, путем направления луча лазерного света на поверхность флуоресцентного слоя 1 и вынуждения, по крайней мере, части молекул флуоресцентного красителя 4 мигрировать из несущей информацию структуры 3, указанной пунктирной линией (фиг. 3a). Таким образом, мало молекул красителя 4 остается в несущей информацию структуре 3, как показано на фиг. 3b, и интенсивность флуоресцентного свечения, которое испускается структурой 3, соответственно уменьшается, снова достигая поэтому определенной степени гашения флуоресценции. Степень гашения в значительной степени определяется соотношением между числом молекул флуоресцентного красителя в структуре 3, соответственно, до и после того, как флуоресценция модифицируется с помощью лазерного луча.

На фиг. 4a и 4b показано, как в флуоресцентном слое 1 может быть образована несущая информацию структура 3 путем инициирования реакции между молекулами флуоресцентного красителя 4 и молекулами реагента 5, которые показаны кружками, перечеркнутыми крест на крест, тогда как молекулы красителя 4 показаны свободными кружками. Таким образом, как показано на фиг. 4b, получается несущая информацию структура, в которой часть молекул в флуоресцентном слое 1 является теперь продуктами реакции 6, показанными здесь затушеванными кружками, молекул красителя 4 и молекул реагента 5, так как молекулы продукта реакции 6 не флуоресцируют при облучении. Созданная в результате несущая информацию структура 3 получает степень гашения флуоресценции, которая определяется числом молекул флуоресцентного красителя 4, оставшихся в несущей информацию структуре после модификации флуоресценции. Облучение лазерным светом заставляет молекулы красителя 4 химически взаимодействовать с молекулами реагента. Специалистам хорошо известен ряд других химических процессов, которые могут быть инициированы облучением лазерным светом, и одним примером, который может быть показан, является то, что можно получить гашение флуоресценции образованием радикалов, расщеплением молекул красителя или перегруппировкой молекул красителя, или при обеспечении химического взаимодействия молекул красителя с другими молекулами. В этом контексте ссылка может быть сделана на работу D.A.Gromov and al., "Efficent Plastic-HostDye-Lasers", Opt. Soc. Am., vol.2, N 7, pages 1028-10031 (July 1985).

Согласно изобретению можно создать несущие информацию структуры 3, где степень гашения флуоресценции соответствует значению элемента данных, которое устанавливается для несущей информацию структуры, причем этот элемент данных соответствует значению определенного уровня в заданном многоуровневом коде. Снова степень гашения флуоресценции считается по отношению к флуоресценции, которая испускается исходным флуоресцентным слоем на его участке, который соответствует площади несущей информацию структуры 3 в флуоресцентном слое 1. Поэтому также становится возможным хранить несколько битов в одной и той же несущей информацию структуре. Использование двух различных степеней гашения флуоресценции, например, дает двухвалентный или двоичный код, так как одна степень гашения может соответствовать двоичному "0", а вторая степень гашения - двоичной "1". При четырех различных степенях гашения могут храниться 2 бита. Можно, однако, использовать коды с намного большими уровнями, и можно, по крайней мере, теоретически использовать эффективный код серой шкалы, например, установлением кода с 1024 уровнями для каждой несущей информацию структуры, таким образом, делая возможным хранить до 10 битов. Поэтому одна и та же несущая информацию структура является способной, например, хранить 0-1023 номера с увеличением, таким образом, плотности записи информации в 10 раз по сравнению с традиционными системами оптических запоминающих устройств WORM-типа на основе, например, отражающих/неотражающих площадей, т.е. с "1" или "0", представленными в каждой несущей информацию структуре. При присвоении несущих информацию структур многоуровневому коду могут быть использованы такие же способы, как показано на фиг. 2-4, причем значение элемента данных, который хранит несущая информацию структура 3, на фиг. 2 задается размером несущей информацию структуры, или углубления, на фиг. 3 - числом молекул красителя 4, оставшихся в несущей информацию структуре, и на фиг. 4 - числом молекул красителя 4, которые не вступили в химическую реакцию с молекулами реагента 5 и не потеряли способность флуоресцировать.

В способе согласно изобретению для образования несущей информацию структуры 3, где хранящийся элемент данных имеет значение, которое соответствует уровню в заданном многоуровневом коде, лазерный луч модулируется в соответствии с определенным способом модуляции, который включает ряд стадий модуляции, соответствующих уровням в заданном многоуровнем коде. При формировании несущей информацию структуры 3 лазерным лучом, которому задается определенное модуляционное значение, несущая информацию структура получает соответствующую степень гашения с тем результатом, что флуоресценция, которая испускается несущей информацию структурой при облучении возбуждающим информацию излучением, соответствует значению элемента данных, заданному несущей информацию структуре, который (элемент данных) получается при использовании заданного модуляционного значения для лазерного луча, который формирует несущую информацию структуру. При создании несущих информацию структур 3 лазерный луч может модулироваться по отношению к ряду параметров. Преимущественно, модуляция может осуществляться путем изменения параметров импульса, причем модуляционное значение обычно является соразмерным значению элемента данных, которое задается несущей информацию структуре 3, когда она образуется, и которое снова представляет определенный уровень в заданном многоуровневом коде.

Как показано на фиг. 5, на поверхности флуоресцентного слоя 1 может быть, преимущественно, предусмотрен непрозрачный слой 7 с хорошими радиационнопоглощающими свойствами, который исчезает при облучении лазерным светом в процессе образования несущих информацию структур 3.

На фиг. 6 схематически показаны несущие информацию структуры 3₁-3₄ в виде нагревоиндуцированных углублении различных размеров, причем несущие информацию структуры 3₁-3₄ представляют в последовательном порядке код с четырьмя уровнями, и поэтому каждая способна хранить 2 бита. Например, структура 3₁ здесь представляет двоичные 11, т.е. 3 и 3₄, 0.

На фиг. 7 показаны те же структуры, что и на фиг. 6, но уровни в каждой структуре 3 с 3₁ по 3₄ определяются числом молекул флуоресцентного красителя 4 в созданной несущей информацию структуре. Желаемое число, которое соответствует определенному уровню в заданном многоуровневом коде, может быть получено либо путем инициирования миграции молекул красителя 4 из несущей информацию структуры 3₁, либо при взаимодействии молекул красителя 4 с другими молекулами с образованием нефлуоресцирующих продуктов реакции. На фиг. 7 несущая информацию структура 3₁ показана схематически двумя молекулами красителя 4 и задана двоичным значением 11, т.е. 3, тогда как несущая информацию структура 3₄ показана схематически с помощью 8 молекул красителя 4 и задана значением 0. Аналогично, степень гашения снижается от несущей информацию структуры 3₁ к несущей информацию структуре 3₄ в соответствии с четырьмя уровнями в используемом коде, и поэтому несущие информацию структуры 3 могут каждая хранить до 2 битов. Конечно, должно быть понятно, что фиг. 6 и 7 являются чисто схематическими и предназначаются только для иллюстрации принципа хранения информации согласно изобретению, причем физические реальности (число молекул и т.д.) обычно являются совершенно различными.

На фиг. 8 представлен более практический вариант носителя информации согласно изобретению. Как уже указано, вышеупомянутый флуоресцентный слой 1, который обрабатывается молекулами красителя 4, не показанными здесь, может быть снабжен теплопоглощающим слоем 7, который является непрозрачным как для флуоресцирующего излучения, которое испускается флуоресцентным слоем, так и для излучения, которое используется для возбуждения флуоресценции. Непрозрачный слой 7, однако, исчезает или становится прозрачным в точке, где излучение поглощается, что используется для создания нижележащей несущей информацию структуры 3. Флуоресцентный слой 1 размещается выше прозрачной подложки 2, которая имеет высокую прозрачность по отношению к флуоресцентному излучению, испускаемому несущей информацию структурой 3. Как показано на фиг. 8, на поверхности носителя информации, преимущественно, предусматриваются оптически активные структуры 10₁-10₄. Эти оптически активные структуры показаны на фиг. 8 в виде микролинз 10₁-10₄, частично заделанных в связующий слой 9, который располагается поверх прозрачного промежуточного слоя 8. Показанный здесь непрозрачный слой 7 размещается между промежуточным слоем 8 и флуоресцентным слоем 1, но должно быть понятно, что, если желательно, слой 7 может быть опущен несмотря на то, что он дает некоторые преимущества с точки зрения, например, считывания данных, хранящихся в несущих информацию структурах 3, поскольку непрозрачный слой 7 не подвергается воздействию возбуждающего флуоресценцию излучения и дает улучшенную помехозащищенность носителя информации при считывании хранившихся данных. Микролинзы 10₁-10₄ могут быть образованы из монодисперсных сфер, как описано более подробно в норвежской заявке на патент N 900443. Микролинзы 10₁-10₄ являются оптически-геометрически расположенными в однозначном соответствии с одной или более несущих информацию структур. На практике, однако, каждая отдельная микролинза 10, которая обычно имеет диаметр в несколько десятков микрон, относится к очень большому числу несущих информацию структур, например, в несколько тысяч, так как размер единичной несущей информацию структуры 3 по сравнению с размерами микролинз может быть очень небольшим, например, значительно меньше 1 мкм.

Вместо использования оптически активных структур в виде рефракционных структур, таких как микролинзы, оптически активные структуры могут также быть дифракционными структурами, как описано более подробно в одновременно поданной заявке тех же заявителей на Международный патент N PCT/NO 96/00156. Как при использовании микролинз 10₁-10₄ (фиг. 8), так и в случае дифракционных оптических структур, луч падающего света, когда он является лазерным светом для образования несущих информацию структур 3, или световым излучением для того, чтобы вызвать возбуждение флуоресценции в несущей информацию структуре 3, фокусируется однозначно в отдельной точке в флуоресцентном слое 1 для того, чтобы образовать несущую информацию структуру 3, или на несущей информацию структуре 3 для того, чтобы вызвать в результате флуоресценцию для считывания хранившегося в ней элемента данных. При одновременном использовании нескольких световых лучей с различными углами наклона Θ, которые проходят через микролинзы 10 или оптически активную структуру, становится возможным создание параллельных несущих информацию структур, поскольку отдельные световые лучи могут модулироваться независимо друг от друга при использовании отдельных источников для каждого отдельного светового луча. Аналогично, при использовании нескольких световых лучей, но с одинаковым углом наклона Θ для того, чтобы получить флуоресценцию в несущих информацию структурах 3, получается параллельное считывание нескольких несущих информацию структур, число которых соответствует числу используемых световых лучей. Однако эти подробности выходят за объем настоящего изобретения, но рассматриваются более подробно в вышеуказанной поданной одновременно и параллельно норвежской заявке на патент. При считывании записанных данных согласно изобретению используется способ генерирования и детектирования возбуждения флуоресценции в несущих информацию структурах. Это также показано в принципе на фиг. 8. Световой луч с углом падения Θ достигает микролинзы 10₂ и фокусируется на одной из несущих информацию структур 3₂₂. Возбуждающий флуоресценцию световой луч должен иметь длину волны, которая регулируется до спектральной чувствительности молекул флуоресцентного красителя 4 в несущей информацию структуре 3. Флуоресценция, которая генерируется при возбуждении и испускается несущей информацию структурой, определяется детекторным устройством 11, которое может быть предусмотрено на расстоянии от носителя информации и располагается выше или ниже его. На фиг. фиг. 8 и 9 показано, как испускаемая флуоресценция выходит из несущей информацию структуры и проходит через прозрачную подложку 2 таким образом, что в данном случае детектор 11 должен располагаться под прозрачной подложкой 2. Интенсивность определяемой флуоресценции соответствует значению элемента данных, заданному несущей информацию структуре, который (элемент данных) представляет один из уровней в заданном многоуровневом коде. Однако нет причины, по которой детектор флуоресценции 11 не может быть предусмотрен сверху носителя информации, так как в этом случае флуоресцентный свет, который испускается несущей информацию структурой 3, может проходить через оптически активную структуру или микролинзы 10 и в результате может быть сфокусирован, например, на детекторном элементе оптического детектора 11.

В связи со считыванием записанной информации, т.е. определением флуоресценции, испускаемой несущей информацию структурой, калибрование или настройка могут, преимущественно, осуществляться считыванием значений при одновременном считывании эталонных несущих информацию структур, которые в последовательном порядке представляют значение каждого отдельного уровня в заданном многоуровневом коде. Эти эталонные структуры могут быть, преимущественно, включены в ряд несущих информацию структур, которые предназначаются одной из оптически активных структур, и в этом контексте ссылка должна быть сделана на фиг. 6 и 7, где видно, что показанные несущие информацию структуры 3 представляют эталонные структуры для кода с четырьмя уровнями, причем несущие информацию структуры 3₁-3₄ в последовательном порядке представляют отдельные стадии в этом четырехуровневом коде, что позволяет хранить до 2 битов в каждой из несущих информацию структур.

В носителе информации согласно настоящему изобретению и с использованием способов формирования несущей информацию структуры 3 согласно настоящему изобретению можно получить очень небольшие несущие информацию структуры, так как молекулы красителя 4, которые равномерно распределяются в флуресцентном слое 1, дают пространственную характеристику, которая в последнем случае ограничивается только расстоянием между и размерами молекул красителя. Однако имеет смысл отметить, что другие факторы могут внести вклад в снижение размера несущей информацию структуры или оказать воздействие на флуоресцентный слой неблагоприятным образом. Например, создание групп или кристаллизации молекул красителя может дать флуоресцентный слой зернистой структуры, что может быть проблемой, если требуется высокая концентрация молекул красителя для того, чтобы получить достаточную интенсивность флуоресценции в флуоресцентном слое.

Если гашение флуоресценции осуществляется термическим способом, величина высокотемпературного интервала, который образуется в процессе формирования несущих информацию структур, является критической. Этот интервал может выходить за пределы непосредственно освещаемого объема в зависимости от длительности импульса и параметров теплопереноса в флуоресцентном слое и в подложке. Даже в тех случаях, когда гашение флуоресценции ограничивается только объемом флуоресцентного слоя, который подвергается интенсивному освещению в процессе формирования несущих информацию структур, т.е. когда имеет место термодиффузионное расширение объема несущей информацию структуры, может быть необходимо использовать флуоресцентный слой, который для того, чтобы обеспечить достаточное светопоглощение, становится таким толстым, что это может привести к потере определения места для несущей информацию структуры.

Как показано выше, при образовании несущих информацию структур 3 согласно настоящему изобретению для осуществления гашения флуоресценции имеет место ряд процессов, в которых отдельные молекулы красителя 4 оказываются под воздействием in situ, т.е. без массопереноса на значительное расстояние. Хорошо известно, например, что ряд процессов, таких как, например, местный разогрев в фокальной области пишущего луча, могут включать массоперенос на молекулярном уровне. Как указано, эти процессы могут включать образование радикалов, расщепление, перегруппировку или химическую реакцию со смежными молекулами в полимерном материале подложки. Поскольку настоящее изобретение не использует массоперенос в большей области, чем механизм контрастообразования, ситуация отличается от случая, когда запись осуществляется с помощью термопластичной деформации. Таким образом, поскольку не имеет место достаточное течение материала, поэтому нет проблемы с перекрытием между смежными несущими информацию структурами с тем результатом, что в настоящем изобретении они могут образовать чрезвычайно плотный образец.

Хорошо отражено в литературе, что флуоресценция от красителей, которые связаны в полимерном материале подложки, может быть погашена в различной степени при воздействии интенсивного освещения, например, в ряде стадий (см. вышеупомянутую статью Д.А. Громова и др.). В настоящем изобретении многоуровневое кодирование несущих информацию структур 3 в флуоресцентном слое 1 получается при соответствующем регулировании интенсивности и энергии светоизлучения в процессе образования несущих информацию структур и записи информации. В процессе считывания информации остаточная флуоресценция несущих информацию структур может быть определена количественно посредством использования точного светового импульса для того, чтобы возбудить флуоресценцию несущей информацию структуры в процессе считывания, показывая поэтому мультибайтовое состояние в несущей информацию структуре.

Согласно настоящему изобретению гашение флуоресценции обеспечивается, например, модуляцией интенсивности и энергии импульса падающего света. Соотношения между выбранными параметрами модуляции пишущего луча могут быть линейными, нелинейными и предельнозависимыми. В качестве примера последнего может быть указано, что, когда гашение флуоресценции осуществляется местным разогревом при светопоглощении, гашение флуоресценции не становится эффективным до тех пор, пока не достигается предельная температура, например, температура стеклования полимерного материала подложки в флуоресцентном слое 1. При практическом осуществлении многоуровневого кодирования несущих информацию структур 3 согласно изобретению необходимо поэтому понимать, что выбор параметров для формирования таких несущих информацию структур значительно зависит от эмпирических конкретных данных.

Число достижимых уровней при использовании многоуровневого кодирования несущих информацию структур 3 зависит от оборудования, которое используется для формирования, и подразумевается, что должна быть рассмотрена как скорость записи, так и скорость считывания, а также плотность записи информации на носителе информации в дополнение к обусловленной стоимости оборудования и носителя информации.

Как пример того, что это можно достигнуть по отношению к числу уровней в используемом многоуровневом коде, ссылка делается на эксперименты с гашением флуоресценции ксантеновых красителей, заделанных в полиметилметакрилат, с помощью достаточных световых импульсов. Уровни экспозиции варьировались от очень высокого уровня, когда вся флуоресценция гасилась одним импульсом, и вниз. Наблюдалось, что число импульсов, которое было необходимо для определенной степени гашения флуоресценции, было воспроизводимо связано с уровнем экспозиции. В этом контексте ссылка может быть сделана на вышеупомянутую статью Д.А. Громова и др. На основании этих результатов максимально достижимое число стадий для многоуровневого кодирования лежит в пределах от 100 до 2000, т.е. можно хранить приблизительно 5-10 битов в каждой несущей информацию структуре 3 согласно настоящему изобретению. Для сравнения ссылка может быть сделана на ранее указанное оптическое запоминающее устройство на основе захвата электронов (ETOM), которое частично рассматривается в этой связи, так как оно тоже основано на флуоресценции. Несмотря на то, что используемые материалы и принципы хранения полностью отличаются от рассматриваемых в настоящем изобретении, основные ограничения в отношении оборудования и определения флуоресценции являются аналогичными. Считывание в оптическом запоминающем устройстве ETOM-типа осуществляется на 13 уровнях и, как показано выше, заявлено, что 16 уровней, т.е. хранение 4 битов, будут реализовываться в коммерческих вариантах.

При считывании информации с несущих информацию структур 3 в носителе информации согласно настоящему изобретению флуоресцентный слой освещается в различных местах несущих информацию структур относительно слабым световым лучом, что вызывает флуоресценцию несущих информацию структур. Несмотря на то, что возбуждающий флуоресценцию падающий свет достигает несущую информацию структуру или флуоресцентного слоя с различных направлений, в каждом случае флуоресцентное свечение, которое испускается несущей информацию структурой, испускается изотропно (см. фиг. 9). Несмотря на то, что только относительно небольшая часть флуоресцентного излучения от несущей информацию структуры является направленной таким образом, что она задерживается системой детектирования, в первом приближении эта часть будет одинаковой для всех положений несущих информацию структур и направлений экспозиции. Это также включает отражение или пропускание от тыльной стороны носителя информации, где флуоресцентное свечение, испускаемое всеми несущими информацию структурами, будет иметь одинаковое распределение в отношении угловой силы света. Исключение проблем, связанных с переменным или полным отражением, представляет важный аспект применения несущих информацию структур на основе флуоресценции.

Поскольку образование несущих информацию структур 3 и определение испускаемой ими флуоресценции имеет место в двух различных диапазонах длин волн, становится возможным удалить прямое светооблучение, которое проходит между флуоресцентным слоем 1, а также ложные отражения этого света внутри носителя информации. Это достигается путем использования фильтра, который помещается на детектор 11 флуоресцентного излучения, и/или обработкой подложки 2 носителя информации спектрально адаптированным нефлуоресцентным красителем. Перекрестное искажение длины волны детектирования может быть снижено введением поглощения в подложку, получая таким образом значительную передачу флуоресцентного света, который распространяется на расстоянии, значительно большие толщины подложки. Кроме того, использование непрозрачного слоя 7 поверх флуоресцентного слоя может способствовать увеличению помехозащищенности носителя информации согласно изобретению либо поглощением отражений на границах флуоресцентного свечения, либо экранированием отраженного или рассеянного флуоресцентного света от смежных несущих информацию структур, когда детектирование флуоресцентного света осуществляется фокусированием с помощью оптически активных структур 10.

Для того, чтобы получить тонкий флуоресцентный слой 2, как использовано в носителе информации согласно настоящему изобретению, может быть использован ряд различных красителей, например, кумариновых, ксантеновых или оксазиновых красителей, и твердые материалы подложки, например, термоотверждающиеся полимеры или термопластичные полимеры. После того, как краситель растворяется в материале подложки, и до того, как последний отверждается, к слою может быть применен ряд способов получения тонкой пленки, таких как нанесение покрытия центрифугированием, электростатическим напылением, ножевым или менисковым устройством. Для обеспечения хорошего детектирования несущих информацию структур 3 толщина слоя должна быть менее 1 мкм, и концентрация красителя и толщина слоя должны контролироваться очень точно в тех случаях, когда используется многоуровневое кодирование несущих информацию структур. Это находится в пределах возможностей, предлагаемых сегодняшней технологией для массового производства, даже когда расположенный по кривой слой используется концентрически со сферическими микролинзами и соответствующим флуоресцентным слоем.

В качестве конкретного примера ссылка делается на систему краситель/полимер, описанную в вышеупомянутой статье Д.А. Громова и др., где 6 г родамина заделывается в подложку из модифицированного полиметилметакрилата (МПММА). Когда 6 г хлорида родамина освещается 50 нс импульсами лазерного света с длиной волны 530 нм, флуоресценция полностью гасится 180 импульсами интенсивностью 1 Дж/см² (что соответствует 10 нДж/мкм²). Увеличение интенсивности до 1,6 Дж/см² (или 16 нДж/мкм²) вызывает полное гашение флуоресценции одним импульсом. Это соответствует отдаваемой мощности лазера 10 мВт, фокусированной на 0,25 мкм² с длиной импульса 400 нс. Эти параметры близки к параметрам, которые используются в настоящее время в традиционном оптическом запоминающем устройстве.

Наконец, должно быть указано, что, если носитель информации согласно изобретению разрабатывается в виде гибридного слоя, как показано на фиг. 8, могут также использоваться системы краситель/полимер, где гашение флуоресценции является невозможным. С помощью по существу непрозрачного слоя 5, который располагается поверх флуоресцентного слоя 4, например, в виде образующего отверстия металлического слоя, свет предотвращается от считывания флуоресцентного слоя, за исключением участков, где непрозрачный слой подвергается воздействию в процессе записи. В процессе считывания флуоресценция способна испускаться только из тех отверстий, которые образуются в непрозрачном слое. Этот способ, который основан на использовании регулируемого возбуждения флуоресценции, позволяет использовать способные записывать информацию слои, которые являются нефлуоресцентными в диапазоне длин волн, в котором имеет место детектирование, но которые могут тем не менее облучаться для того, чтобы образовать непрозрачное или полностью прозрачное состояние, что соответствует двоичному "0" или двоичной "1" соответственно. Слой также облучается таким образом, что степень пропускания (поглощения) изменяется в несколько стадий, делая, таким образом, возможным хранение более 1 бита в каждой несущей информацию структуре в флуоресцентном слое. Четыре стадии или уровни прозрачности позволяют, например, хранить 2 бита. Это дает значительное расширение возможностей выбора материала для практического осуществления носителя-информации.

Формула изобретения

1. Способ формирования несущих информацию структур в носителе информации, в котором носитель информации содержит флуоресцентный слой, расположенный на подложке и, в основном, содержащий молекулы флуоресцентного красителя, заделанные в прозрачный полимерный материал подложки, при этом несущие информацию структуры в флуоресцентном слое в его поверхности или от его поверхности и к подложке формируются по линейному пути или криволинейному пути, или в строках и столбцах, таким образом, что несущие информацию структуры образуют матрицу, отличающийся тем, что подают регулируемое количество энергии излучения на носитель информации в предполагаемое местоположение несущей информацию структуры для формирования ее с определенной степенью гашения, причем величина энергии излучения регулируется путем ее модуляции согласно заданному способу модуляции, упомянутый способ модуляции включает одну или более стадию модуляции, а число применяемых стадий модуляции соответствует числу определенных степеней гашения так, что определенная степень гашения получается в несущей информацию структуре за счет радиационно-индуцированного уменьшения количества флуоресцентного материала в носителе информации в месте нахождения несущей информацию структуры, при этом число молекул красителя в каждой несущей информацию структуре изменяется в зависимости от определенной степени гашения соответствующей несущей информацию структуры, в результате чего каждой несущей информацию структуре приписывается значение элемента данных, соответствующее интенсивности флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой, когда она облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем упомянутую определенную степень гашения флуоресценции считают по отношению к непогашенной флуоресценции, испускаемой исходным флуоресцентным слоем на участке, площадь поверхности которого равняется площади несущей информацию структуры на поверхности флуоресцентного слоя, таким образом, способ формирования несущей информацию структуры реализует процесс записи информации на упомянутый носитель информации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию излучения для формирования несущей информацию структуры подают с помощью лазерного луча, который промодулирован в соответствии со способом модуляции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую несущую информацию структуру формируют с определенной степенью гашения, представляющей значение в заданном многоуровневом коде.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущую информацию структуру формируют в виде термически индуцированного углубления в флуоресцентном слое, благодаря чему несущая информацию структура приобретает определенную степень гашения флуоресценции, определяемую геометрическими размерами термически индуцированного углубления.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущую информацию структуру формируют в виде флуоресцентно-модифицированного участка в флуоресцентном слое, причем модификацию флуоресценции обеспечивают путем миграции, по меньшей мере, части молекул (4) флуоресцентного красителя из несущей информацию структуры так, что результирующая степень модификации флуоресценции соответствует отношению между числом молекул флуоресцентного красителя на участке несущей информацию структуры до и после модификации флуоресценции, соответственно, при этом несущая информацию структура приобретает определенную степень гашения флуоресценции, определяемую числом молекул красителя, оставшихся в несущей информацию структуре после модификации флуоресценции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущую информацию структуру формируют в виде флуоресцентно-модифицированного участка в флуоресцентном слое, причем модификацию флуоресценции обеспечивают путем химического изменения, по меньшей мере, части молекул флуоресцентного красителя, в результате чего они больше не флуоресцируют, так что получающаяся в результате степень модификации флуоресценции соответствует отношению между числом молекул флуоресцентного красителя на участке несущей информацию структуры до и после модификации флуоресценции, соответственно, поэтому несущая информацию структура приобретает определенную степень гашения флуоресценции, определяемую числом молекул красителя, оставшихся в несущей информацию структуре после модификации флуоресценции.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что химически измененные нефлуоресцентные молекулы красителя получают как продукт реакции между молекулами флуоресцентного красителя и дополнительными молекулами, имеющимися в материале подложки, причем упомянутые дополнительные молекулы химически взаимодействуют с молекулами красителя под воздействием энергии излучения, которая подается на носитель информации.

8. Носитель информации, содержащий флуоресцентный слой (1), расположенный на подложке (2), в котором несущие информацию структуры (3) размещены в флуоресцентном слое в его поверхности или от его поверхности и к подложке (2), и в котором несущие информацию структуры (3) размещены по линейному или криволинейному пути, или в строках и столбцах, так что несущие информацию структуры (3) образуют матрицу, и в котором флуоресцентный слой (1) в основном содержит молекулы флуоресцентного красителя (4), заделанные в прозрачный полимерный материал подложки, отличающийся тем, что каждая из несущих информацию структур (3) имеет в соответствии с установленным значением элемента данных определенную степень гашения флуоресценции, которая испускается этой несущей информацию структурой (3), когда она облучается возбуждающим флуоресценцию излучением, причем установленное значение элемента данных для этой несущей информацию структуры (3) соответствует определенному уровню в заданном многоуровневом коде, где каждый уровень соответствует определенной степени гашения флуоресценции, причем степень гашения флуоресценции считается по отношению к флуоресценции, испускаемой исходным флуоресцентным слоем (1) на участке, площадь поверхности которого равняется площади несущей информацию структуры, на поверхности флуоресцентного слоя (1).

9. Носитель информации по п.8, отличающийся тем, что многоуровневым кодом является бивалентный или двоичный код.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9