Система зчитування даних з оптичного носія та оптичний носій для довготермінового зберігання даних

Реферат: Винахід належить до інформаційних технологій і може використовуватися в системах зберігання і відтворення даних з цифрових носіїв довготермінового зберігання даних. Носій для довготермінового зберігання даних, який містить високостабільну монокристалічну, наприклад, сапфірову підкладку, на яку нанесено рельєфну мікроструктуру, що кодує записану інформацію, відбиваючий шар і захисний шар. Відхилення кристалографічної осі підкладки від перпендикуляра до площини оптичного носія не перевищує 20 кутових хвилин, при цьому товщина підкладки становить 1,19…1,21 мм. Система зчитування даних з оптичного носія складається з лазера, фокусуючої лінзи, світлоподільного кубика, багатоплощадкового фотоприймача, чвертьхвильової пластинки і дифракційної ґратки, між фокусуючою лінзою та носієм інформації розміщено монокристалічну пластинку, яка має інверсне значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів до значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів матеріалу високостабільної монокристалічної, UA 106699 C2 (12) UA 106699 C2 наприклад, сапфірової, підкладки оптичного носія. Технічним результатом, що досягається даним винаходом є підвищення щільності запису інформації на оптичний носій. UA 106699 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до інформаційних технологій і може використовуватися в системах зберігання і відтворення даних з цифрових носіїв довготермінового зберігання даних. Відома система зчитування даних з оптичного носія, яка складається з лазера, світлоподільного кубика, фокусуючої лінзи, чвертьхвильової пластинки і фотоприймача. Фокусуючою лінзою безперервне випромінювання лазера фокусується в пляму мікронних розмірів на поверхні носія, а відбитий від носія модульований відтвореною інформацією промінь спрямовується на фотоприймач, який формує сигнали зчитування і автофокусування [1]. Недоліком цього технічного рішення (аналога) є те, що така система зчитування не дозволяє формувати сигнали автотрекінгу і чутлива до двопроменезаломлення в підкладці оптичного носія, в зв'язку з чим до значень двопроменезаломлення в підкладках компакт-дисків висуваються жорсткі вимоги ( n  n0  ne  10 4 . В прототипі [2] частково недоліки пристрою аналога усунено в системі зчитування даних з оптичного носія, яка складається з лазера, фокусуючої лінзи, світлоподільного кубика, чвертьхвильової пластинки, багатоплощадкового фотоприймача і додатково містить дифракційну ґратку, встановлену безпосередньо після лазера. Наявність дифракційної ґратки та багатоплощадкового фотоприймача дозволяє формувати сигнали автотрекінгу. Недоліком прототипу є те, що система зчитування також чутлива до двопроменезаломлення. Системи зчитування даних з оптичного носія [2] можуть використовуватися для відтворення даних, коли підкладка оптичного носія виготовлена з аморфного полімеру (наприклад, полікарбонату), тому що в даному матеріалі значення двопроменезаломлення є нехтовно малим і практично не залежить від кута падіння зчитувального променя на оптичний носій. Відомо, що оптичні носії інформації на підкладках з аморфних полімерів не придатні для довготермінового зберігання інформації. Для довготермінового зберігання інформації використовуються підкладки з високостабільних монокристалічних матеріалів, більшість з яких має значне двопроменезаломлення [3]. Але у випадку, коли підкладка оптичного носія виготовлена з високостабільного монокристалічного матеріалу, використання зазначених (аналогу і прототипу) систем зчитування неможливе, тому що в монокристалічних матеріалах значення двопроменезаломлення починає впливати на достовірність і надійність зчитування даних з оптичних носіїв. Задачею винаходу є підвищення достовірності і надійності відтворення даних з оптичних носіїв з підкладками з високостабільних двопроменезаломлюючих монокристалічних матеріалів, які забезпечують довготермінове зберігання даних. При падінні лазерного випромінювання, промені якого утворюють сферичний хвильовий фронт, на монокристалічну підкладку виникають фазові спотворення світла з незвичайною поляризацією (р- поляризацією), які є суперпозицією астигматизму та сферичних аберацій різних порядків. Зокрема фазові спотворення призводять до того, що s- і р- поляризоване світло буде фокусуватися на різній глибині і відстань між двома фокусами F буде визначається наступним чином: F  2hn / n0 , де n - різниця між показниками заломлення звичайного (n0 ) і незвичайного (ne ) променя, - товщина підкладки оптичного носія. h При фокусуванні крізь високостабільну монокристалічну підкладку товщиною 1 мм відстань між плямами в декілька разів перевищує розмір плями. Це не дає можливості надійно відтворювати записані дані. Поставлена задача досягається тим, що в відомій системі зчитування даних з оптичного носія, яка складається з лазера, фокусуючої лінзи, світлоподільного кубика, багатоплощадкового фотоприймача, чвертьхвильової пластинки і дифракційної ґратки, між фокусуючою лінзою та носієм інформації розміщено монокристалічну пластинку, яка має інверсне значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів до значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів матеріалу високостабільної монокристалічної, наприклад, сапфірової, підкладки оптичного носія. Оскільки в процесі роботи оптичний дисковий носій обертається навколо своєї осі, а компенсуюча пластинка є нерухомою, то реалізувати метод можна тільки при вертикальній орієнтації оптичної осі матеріалу оптичного диску і компенсуючої пластинки. Головне технічне рішення полягає в тому, що ефект фокусування лазерного випромінювання з різними поляризаціями в плямах, які, за рахунок різних показників заломлення звичайного та незвичайного променів, рознесені по глибині фокусування, усувається за рахунок проходження лазерного променя крізь додаткову пластинку. Наприклад, 1 UA 106699 C2 для сапфіру, який є високостабільним монокристалічним матеріалом, з якого можуть бути виготовлені підкладки для носіїв довготермінового зберігання даних, маємо: 5 10 nspf  n0  ne  178038 177206 0,00832 8  103 . , , Дослідження наявних прозорих одноосних високостабільних оптичних кристалів показали, що для випадку матеріалу підкладки із сапфіру найкращим матеріалом для компенсації аберацій є кварц, що має наступні значення показників заломлення n0  15443 , ne  15534 , , , різниця між якими становить: nkv r  15443  15534  9  10 3 , , , тобто має інверсне значення показників заломлення звичайного та незвичайного променів до значень показників заломлення звичайного та незвичайного променів сапфірової підкладки. Умова компенсації астигматичної аберації записується як Hspf n2 spf 15 20 25 n spf  Hkv r 2 nkv r nkv r  0 , де Hspf і Hkv r - товщини високостабільної монокристалічної підкладки з сапфіру та компенсуючої кварцової пластинки відповідно. Вищі порядки аберацій будуть повністю компенсовані, коли матеріал підкладки оптичного диску і компенсуючої пластинки мають однакові показники заломлення для звичайного променя. В іншому випадку компенсація буде частковою. Тому, для отримання дифракційно обмеженої оптичної системи, компенсуюча пластинка повинна мати показник заломлення близький до показника заломлення підкладки оптичного диску. Відповідно, другою головною умовою щодо вибору матеріалу, з якого повинен виготовлятися компенсуюча пластинка системи зчитування з оптичного носія, є те, щоб значення показника заломлення матеріалу компенсуючої пластинки ncom було близьке до значення показника заломлення підкладки оптичного носія nsub . Умови для отримання оптичної системи з мінімальними залишковими абераціями для оптичного диску з високостабільною монокристалічною підкладкою із сапфіру та монокристалічної кварцової компенсуючої пластинки можна записати у вигляді: 1) Hkv r / Hspf  0.62  0.72 , 2) Hkv r  Hspf  Hsum  5 % , 3) ncom  nsub  0.3 , 30 де перша умова - це умова компенсації астигматизму, друга умова пов'язана з сферичною аберацією плоско-паралельного шару, третя умова - умова достатньої компенсації аберацій вищого порядку, Hsum - сумарна товщина сапфірової підкладки і кварцової компенсуючої пластинки. Співвідношення товщини кварцової компенсуючої пластинки Hkv r і товщини сапфірової підкладки Hspf повинно мати значення з діапазону 0,62÷0,72. У випадку, коли значення 35 40 45 співвідношення Hkv r / Hspf виходить за рамки цього діапазону, буде спостерігатися значне спотворення сфокусованого променя. Товщину підкладки бажано вибирати із діапазону 0,6÷2 мм, межі якого було вибрано з міркувань того, що при товщині підкладки оптичного носія меншої за 0,6 мм, конструкція буде мати низьку механічну міцність і виготовлення якої являє значну технологічну проблему. Для конструкції з товщиною підкладки більшої ніж 2 мм різко зростають масогабаритні показники оптичної системи і вона стає чутливою до нахилу поверхні диску відносно її осі. У табл. наведено приклади конструкційних параметрів (товщини) диску з сапфіровою підкладкою і кварцової компенсуючої пластинки для оптичних дисків різних форматів. Товщина кварцової компенсуючої пластинки залежить від товщини сапфірової підкладки, чим і треба керуватись при виготовленні кварцової компенсуючої пластинки. 2 UA 106699 C2 Таблиця Товщини сапфірової підкладки і кварцової компенсуючої пластинки для оптичних дисків різних форматів Тип носія CD DVD CD (з відтворенням на довжині хвилі λ=400 нм) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Товщина сапфірової Товщина кварцової підкладки (мм) пластини (мм) 0,714 0,486 0,357 0,243 0,714 0,486 Нескомпенсована аберація ΔФ/Ф0, 100 % 1% 1,6 % 0,3 % Для зчитування даних з CD, з товщиною сапфірової підкладки 0,714 мм, треба використовувати компенсуючу кварцову пластинку товщиною 0,486 мм, а для зчитування даних з DVD, з товщиною сапфірової підкладки 0,357 мм, треба використовувати компенсуючу кварцову пластинку товщиною 0,243 мм. Для оптичних носіїв із сапфіровими підкладками, запис на які зроблено в різних форматах (CD, DVD тощо), товщина кварцової пластинки становить 0,2-0,6 мм. На фіг. 1 представлена оптична схема системи зчитування даних з оптичного носія. В процесі відтворення даних лазерне випромінювання, яке генерується лазерним світло діодом (1), крізь дифракційну ґратку (2), чвертьхвильову пластинку (4) і світлоподільний кубик (3) направляється на фокусуючу лінзу (5). Фокусуюча лінза (5) фокусує лазерне випромінювання крізь компенсуючу пластинку (6) і підкладку носія (7) на рельєфну структуру носія інформації. Наявність монокристалічної компенсуючої пластинки призводить до того, що звичайний та незвичайний промені фокусуються по глибині фокусування в одну площину. На фіг. 1 показано розповсюдження звичайного (суцільна лінія) та незвичайного (штрихова лінія) променя при проходженні крізь монокристалічну компенсуючу пластинку з кварцу та високо стабільну монокристалічну підкладку оптичного носія з сапфіру. Відхилення в розповсюдженні незвичайного променя крізь підкладку оптичного носія компенсується його відхиленням в протилежному напрямку при проходженні крізь компенсуючу пластинку, що дає змогу зменшити вплив двопроменезаломлення в підкладках оптичних носіїв до мінімуму. В якості матеріалу підкладки оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних можуть використовуватися сапфір або кварц. У випадку, коли в якості матеріалу для виготовлення підкладки оптичних носіїв застосовується сапфір (Al2О3), для виготовлення компенсуючої пластинки використовують кварц (SiO2), і навпаки, коли в якості матеріалу для виготовлення підкладки оптичних носіїв застосовується кварц (SiO2), то для виготовлення компенсуючої пластинки використовують сапфір (Аl2О3). Відомий оптичний носій для довготермінового зберігання даних складається з підкладки, на яку нанесено рельєфну мікроструктуру, яка кодує записану інформацію, відбиваючого та захисного шарів [3]. Мінімальне значення двопроменезаломлення спостерігається для сапфірових підкладок з орієнтацією 0001(с) (кристалографічна ось перпендикулярна площині підкладки) і вони можуть бути скомпенсовані компенсуючими пластинками, виготовленими з матеріалів з протилежним значенням двопроменезаломлення. Складність компенсації двопроменезаломлення кристалічної підкладки полягає в тому, що в процесі використання носій обертається навколо осі, перпендикулярній його площині. Навіть використання компенсуючої пластинки не дає повної компенсації двопроменезаломлення при відхилі кристалографічної осі сапфірової підкладки від визначеної орієнтації. При обертанні такої підкладки компенсація двопроменезаломлення має місце тільки при повному куті повороту підкладки. Задачу підвищення щільності запису інформації на оптичний носій вирішується шляхом того, що в носії для довготермінового зберігання інформації, який містить підкладку з монокристалічного матеріалу з рельєфною мікроструктурою для кодування записаної інформації, відбиваючий та захисний шар, відповідно до винаходу, відхилення кристалографічної осі підкладки від перпендикуляра до площини оптичного носія не перевищує 20 кутових хвилин, при цьому товщина підкладки становить у межах 1,19…1,21 мм. Переважно підкладку виконують з сапфіру. Фактично відхилення кристалографічної осі підкладки визначає максимальну щільність запису, яка може бути досягнута на оптичному носії з підкладкою з сапфіру. Різниця в 3 UA 106699 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оптичному шляху для звичайного і незвичайного променів може бути скомпенсована тільки при перпендикулярному положенні кристалографічної осі до поверхні носія. Відхилення кристалографічної осі від перпендикуляра призводить до відповідного зміщення кристалографічної осі підкладки під час обертання носія, що в свою чергу призводить до астигматичної аберації. Тому промені з різною поляризацією фокусуються по-різному, тобто спостерігається розфокусування променів, яке не було враховано при розрахунку компенсуючої пластинки. Для стандарту CD величина розфокусування, обумовлене анізотропією підкладки носія, не повинно перевищувати 100 нм. Винахідниками з метою вирішення завдання підвищення щільності запису на оптичний носій довготермінового зберігання даних, який містить монокристалічну, наприклад, сапфірову підкладку, відбиваючий та захисний шари, виявлено, що поставлене завдання вирішується забезпеченням відхилення кристалографічної осі 0001(с) від перпендикуляра до площини оптичного носія у певному інтервалі. При цьому заявником також було визначено вимоги до оптимального інтервалу товщини підкладки, виходячи з технології її виготовлення та подальшого використання, який у сукупності з умовами для кута відхилення кристалографічної осі підкладки від перпендикуляра до площини оптичного носія призводить до утримання величини розфокусування у зазначених вище межах, необхідних для стандарту CD. Так, було встановлено, що підкладки з товщиною менше 1,19 мм мають недостатню механічну міцність і не можуть бути використані для виготовлення оптичних носіїв довготермінового зберігання даних. В оптичних носіях, товщина підкладки яких перевищує 1,21 мм, виникають аберації більш великих порядків, які роблять неможливим компенсацію двопроменезаломлення, виникаючого в підкладці оптичного носія, за допомогою компенсуючої пластинки. Для цього винахідниками було отримано наступну залежність для оцінки максимального значення відхилення кристалографічної осі  , при якому розфокусування не перевищує заданого стандартом CD значення: n  F    0 .3  , h  n де n - показник заломлення сапфіру, F - величина розфокусування променів для формату CD, h - товщина сапфірової підкладки з урахуванням кварцової компенсуючої пластинки, n різниця оптичного шляху між звичайним і незвичайним променями. Тобто відхилення кристалографічної осі сапфірової підкладки від перпендикуляра до площини підкладки не повинна перевищувати 20 кутових хвилин. Структура оптичного носія для довготермінового зберігання даних, який складається з сапфірової підкладки 1, на яку нанесену рельєфну мікроструктуру, відбиваючого шару 2 і захисного шару 3, наведено на фіг. 2. На фіг. 2 суцільною тонкою лінією зображена кристалографічна вісь підкладки при нормальному положенні, а штриховою тонкою лінією відхилена кристалографічна вісь від нормального положення на кут  . Суцільною жирною лінією зображено розповсюдження променя при нормальному положенні кристалографічної осі сапфірової підкладки, а штриховою жирною лінією - розповсюдження променя при відхиленні кристалографічної осі на кут  . На фіг. 2 можна спостерігати зміщення фокус від нормального положення. Проведені дослідження показали, що при забезпеченні кута відхилення (до 20') кристалографічної осі матеріалу підкладки та товщини підкладки у межах 1,19…1,21 мм можливе підвищення щільності запису інформації на оптичний носій та дотримання вимог щільності запису, з якою здійснюється реєстрація даних на компакт-дисках типу CD-ROM. При цьому можливе додаткове використання компенсуючої пластинки з протилежним значенням різниці між показниками заломлення між звичайним і надзвичайним променями для отримання безабераційного зображення пітів сапфірової підкладки. Джерела інформації: nd 1. The compact disk handbook, 2 ed./ Ken C. Pohlmann. - Madison, Wisconsin. A-R Editions, Inc., 1992. - p.349. 2. United States Patent G 11 В 7/135. Inventors: Kim, Kim, Lee, Park, Song (Lg Electronics Inc., KR). Assignee: Lg Electronics Inc. (KR) Published: April 18,2001. 3. Пат. 73611 Україна, G 11 В 7/00, 7/24. B.B. Петров, В.П. Семиноженко, В.М. Пузіков, О.Я. Данько, А.А. Крючин, С.М. Шанойло, Л.В. Бутенко, І.О. Косско. Носій для довготермінового зберігання інформації. Заявл. 25.04.2003. Опубл. 15.08.2005. Бюл. № 8. 4 UA 106699 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Оптичний носій для довготермінового зберігання даних, який містить підкладку з монокристалічного матеріалу з рельєфною мікроструктурою для кодування записаної інформації, відбиваючий та захисний шар, який відрізняється тим, що підкладка виконана таким чином, що відхилення її кристалографічної осі від перпендикуляра до площини оптичного носія не перевищує 20 кутових хвилин, при цьому товщина підкладки становить 1,19…1,21 мм. 2. Оптичний носій за п. 1, який відрізняється тим, що підкладку виконано з сапфіру. 3. Система зчитування даних з оптичного носія за п. 1, яка складається з лазера, фокусуючої лінзи, світлоподільного кубика, багатоплощадкового фотоприймача, дифракційної ґратки, чвертьхвильової пластинки, яка відрізняється тим, що між фокусуючою лінзою та оптичним носієм розміщено монокристалічну пластинку, яка виконана таким чином, що має інверсне значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів по відношенню до значення різниці показників заломлення звичайного і незвичайного променів високостабільного монокристалічного матеріалу підкладки оптичного носія. 4. Система зчитування даних з оптичного носія за п. 3, яка відрізняється тим, що компенсуючу монокристалічну пластинку виготовлено з монокристалічного кварцу, товщина якої складає 62 % ÷ 72 % від товщини монокристалічної сапфірової підкладки. 5 UA 106699 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6