專利名稱：光學(xué)數(shù)據(jù)存儲的光敏材料的預(yù)曝光和固化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、具體地為全息數(shù)據(jù)存儲的光敏材料進(jìn)行預(yù)曝光(pre-exposure)和固化(curing)的方法，以及一種用于使用此類方 法寫入光學(xué)存儲介質(zhì)的裝置。
背景技術(shù)：
一種增加光學(xué)存儲介質(zhì)的容量的思路是使用全息數(shù)據(jù)存儲。在這種情況 下，使用全息存儲介質(zhì)的全部體積(volume)來存儲信息，而不是像常規(guī)光 學(xué)存儲介質(zhì)那樣只使用幾層。在全息數(shù)據(jù)存儲中，通過記錄由疊加兩個相干 激光光束產(chǎn)生的干涉模式，來存儲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，該兩個相干激光光束中的一個 光束由空間光調(diào)制器調(diào)制并且承載要以數(shù)據(jù)頁形式記錄的信息。對于全息數(shù)據(jù)存儲、并且也對于其他類型的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲，使用諸如光 敏聚合物之類的光敏材料用于光學(xué)數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)該材料局部吸收的總體光 能量，這些材料改變特定的物理屬性，例如折射率。這些變化允許在該材料 內(nèi)記錄數(shù)據(jù)。對于某些材料，必須在可以高效記錄數(shù)據(jù)之前預(yù)曝光該材料， 并且在記錄數(shù)據(jù)之后將該材料再次曝光。該最后一次曝光或者后曝光也稱為 固化或者泛光固化(floodcuring)。需要預(yù)曝光來增加材料的敏感性，這是獲得 高記錄數(shù)據(jù)速率所需要的。需要固化來在記錄之后處理所有未處理的材料， 即固定所記錄的數(shù)據(jù)，并且防止在該材料中記錄附加數(shù)據(jù)。期望預(yù)曝光與固 化不要在材料中導(dǎo)致任何可檢測的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。預(yù)曝光的目的在于在記錄數(shù)據(jù) 之前提高材料的敏感性。固化的目的在于在記錄數(shù)據(jù)之后降低材料的敏感性。 對于預(yù)曝光與固化兩者，需要以如下方式使其中要記錄或者已記錄數(shù)據(jù)的光 敏材料的體積曝光，即產(chǎn)生的物理屬性變化不會影響lt據(jù)記錄質(zhì)量。通常這 通過以下達(dá)到使該材料曝于非相干光，其例如由LED陣列發(fā)射。以這種方 式，貫穿記錄體積達(dá)到了物理屬性的均勻改變。使用非相干光源，避免了例 如由干涉效應(yīng)引起的對于該材料的非均勻曝光。例如，US4799746與US4687720公開了固化用于全息數(shù)據(jù)存儲的光敏材料的方法。在這兩個文獻(xiàn)的情況下，使用特殊的非相干光源進(jìn)行固化。在以上文獻(xiàn)中，使用相干光源如激光二極管進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)記錄。使用額 外的非相干光源進(jìn)行固化。這意味著在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，需要兩個不同 的光源。因此，也需要兩條至少部分分離的光學(xué)路徑以及兩個分離的電子驅(qū) 動器來控制光源。這會使光學(xué)系統(tǒng)較復(fù)雜，并且提高了其成本。文獻(xiàn)EP0415230公開了一種用于光學(xué)存儲介質(zhì)的預(yù)曝光和/或固化的方 法，其中對于預(yù)曝光和/或固化，由相干光束照射光學(xué)存儲介質(zhì)。為了預(yù)曝光 和/或固化，通過移動鏡子來破壞該光束的相干性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種簡化方法，用于光學(xué)存儲介質(zhì)的預(yù)曝光和/或 固化。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過一種用于光學(xué)存儲介質(zhì)的預(yù)曝光和/或固化的方 法達(dá)到，其中由相干光束照射光學(xué)存儲介質(zhì)。以一或多個曝光步驟進(jìn)行預(yù)曝 光和/或固化，其中相干光束承載數(shù)據(jù)模式(pattern),其中對于每個曝光步驟 曝光量(dose)小于最小量，使得所記錄的數(shù)據(jù)模式的衍射效率低得無法從 噪聲中區(qū)分出數(shù)據(jù)。有利地，所述相干光束由光源發(fā)射，該光源在其他情況 下用于數(shù)據(jù)記錄。構(gòu)思為去除非相干光源，僅利用相關(guān)光源、優(yōu)選為用于數(shù)據(jù)記錄的光源 實(shí)現(xiàn)預(yù)曝光和/或固化/后曝光。以如下方式進(jìn)行預(yù)曝光和/或固化，使得不記 錄可檢測的數(shù)據(jù)。同時，產(chǎn)生的材料中物理屬性的分布可比于利用非相關(guān)光 源照射而獲得的分布。這簡化了光學(xué)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，并且降低了其成本。另 外，可以在向光學(xué)存儲介質(zhì)的特定區(qū)域?qū)懭肓藬?shù)據(jù)之后，容易地在局部進(jìn)行 固化。本發(fā)明尤其適用于全息存儲介質(zhì)，因?yàn)橛糜谶@些存儲介質(zhì)的許多光敏 聚合物需要預(yù)曝光或固化。代替一或多個非相干曝光步驟，將一系列不同的適當(dāng)選擇的相干照射步 驟施加到光敏材料。利用適配的強(qiáng)度和/或相位分布實(shí)現(xiàn)每次曝光。選擇對于 每個曝光步驟的被定義為總曝光強(qiáng)度與曝光時間的乘積的曝光量小于最小 量。在這種情況下，在讀出期間，所記錄的數(shù)據(jù)模式的衍射效率不足以在重 構(gòu)的數(shù)據(jù)頁中從噪聲中區(qū)分出數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，隨后的曝光步驟的數(shù)據(jù)模式為 隨機(jī)模式。這允許最小化不同分布的相關(guān)性。有利地，利用恒定曝光強(qiáng)度不同曝光時間、或者恒定曝光時間不同曝光 強(qiáng)度進(jìn)行隨后的曝光步驟。這允許考慮到光敏聚合物的非恒定敏感性，其一 般依賴于該材料先前已經(jīng)被曝光的總量。通過變化曝光時間或者曝光強(qiáng)度來 調(diào)整曝光量，產(chǎn)生的衍射效率保持低于最小值，從而不記錄可檢測的數(shù)據(jù)。有利地， 一種用來寫入光學(xué)存儲介質(zhì)的裝置具有用于執(zhí)行^L據(jù)本發(fā)明的 方法的部件。這些部件包括隨機(jī)數(shù)據(jù)模式生成器和/或控制器，用來在預(yù)曝光 和/或固化期間調(diào)整曝光時間和/或曝光強(qiáng)度。此類裝置允許在不需要額外的非 相干光源的情況下實(shí)現(xiàn)預(yù)曝光和/或固化。這大大簡化了光學(xué)設(shè)置。


為了更好地理解，現(xiàn)在將參照附圖在以下的說明書中更詳細(xì)地解釋本發(fā) 明。在示范性實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于全息存儲介質(zhì)。應(yīng)該理解，本發(fā)明還 適用于其他類型的光學(xué)存儲介質(zhì)，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以方^f更地組合和/或修改所指定的特征。在附圖中圖1示意性地顯示用于全息存儲系統(tǒng)中的全息拾取器，圖2顯示用于照射全息存儲介質(zhì)的單個曝光步驟，圖3顯示用于預(yù)曝光、數(shù)據(jù)記錄與固化的第一曝光安排，圖4顯示用于預(yù)曝光、數(shù)據(jù)記錄與固化的第二曝光安排，圖5示意性地顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于預(yù)曝光和/或固化的方法，以及圖6顯示具有特殊區(qū)域的全息存儲介質(zhì)的示范性剖面圖，該特殊區(qū)域破壞相干光束的空間相干性。
具體實(shí)施方式
在全息數(shù)據(jù)存儲中，通過記錄由疊加兩個相干激光光束產(chǎn)生的干涉模式， 來存儲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在圖1中顯示了在全息存儲系統(tǒng)中使用的全息拾取器1的 示范性設(shè)置。相干光源、例如激光二極管2發(fā)射光束3，該光束3由準(zhǔn)直透 鏡4準(zhǔn)直。調(diào)制器14可以連接到激光二極管2，其功能將在以后參照圖5解 釋。然后，光束3被分為兩個分離的光束7、 8。在該例子中，利用第一分光 器5達(dá)到光束3的劃分。但是，對于該目的同樣可以使用其他光學(xué)組件?？?間光調(diào)制器(SLM) 6調(diào)制兩個光束中的一個，即所謂的"物體光束"7，以印 制二維數(shù)據(jù)模式。物體光束7與另一光束、即所謂的"參考光束"8兩者由物鏡9聚焦到全息存儲介質(zhì)10、例如全息盤中。在物體光束7與參考光束8的交 叉處，出現(xiàn)干涉模式，其被記錄在全息存儲介質(zhì)IO的光敏層中。該光學(xué)路徑 還可以包含相位調(diào)制器15或者漫射器(diffoser) 16。這些元件將在以后參照 圖5解釋。通過僅用參考光束8照射所記錄的全息圖，從全息存儲介質(zhì)10中檢索存 儲的數(shù)據(jù)。參考光束8由全息圖結(jié)構(gòu)衍射，并且產(chǎn)生原始物體光束7的副本， 即重構(gòu)的物體光束ll。該重構(gòu)的物體光束ll由物鏡9準(zhǔn)直，并且由第二分光 器12引導(dǎo)到二維陣列檢測器13、例如CCD陣列之上。陣列檢測器13允許 重構(gòu)所記錄的數(shù)據(jù)。為了能夠?qū)?shù)據(jù)模式的亮像素從暗像素中區(qū)分開來，檢測器13上的亮像 素的信噪比SNR必須超過最小值。這意味著當(dāng)該信噪比低于該最小值時無法 檢測到數(shù)據(jù)，因?yàn)闊o法從噪聲中區(qū)分出所記錄的數(shù)據(jù)。由此，應(yīng)該以如下方 式記錄數(shù)據(jù)，即在讀出期間該信噪比超過該最小值。在以上示范性全息存儲 系統(tǒng)中，這一點(diǎn)通過利用足夠大的曝光量來記錄全息圖而達(dá)到。通過選擇用 于記錄曝光的正確量，可以控制一個全息圖的衍射效率。由于光敏聚合物的 非恒定敏感性，達(dá)到所期望的衍射效率的量 一般依賴于該材料先前已經(jīng)曝光 的總量。知道了該特定函數(shù)，可以調(diào)整量以控制是否可以讀取所記錄的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖2到圖4,現(xiàn)在將解釋本發(fā)明的第一方面。在圖2中，在單個曝 光步驟30中，利用承載數(shù)據(jù)頁20的相干光束照射光敏材料。選擇對于該單 個曝光步驟30的曝光量D小于最小量D—min,該曝光量D被定義為總曝光 強(qiáng)度與曝光時間的乘積。在這種情況下，在讀出期間，所記錄的全息圖的衍 射效率太低，以至于在重構(gòu)的數(shù)據(jù)頁21中無法從噪聲中區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)?，F(xiàn)在可以將上述發(fā)現(xiàn)用于光敏材料、例如光敏聚合物的預(yù)曝光和/或固 化。將單個曝光步驟重復(fù)幾次，以達(dá)到用于預(yù)曝光或固化的所期望的總曝光 量。利用(多個)相干曝光波的適當(dāng)選擇的強(qiáng)度和/或相位分布，實(shí)現(xiàn)每次曝 光。以如下方式選擇不同分布的集合，使得相干曝光的總和導(dǎo)致與(多次) 非相干曝光近似相同的材料的物理屬性改變。優(yōu)選地，這通過以下達(dá)到最 小化不同分布的相關(guān)性。例如，隨機(jī)模式具有低相關(guān)性，由此很適合于該應(yīng) 用。圖3中顯示用于預(yù)曝光、數(shù)據(jù)記錄與固化的第一示范性曝光安排。上部 圖指示材料的敏感性，其受隨后的曝光影響。下一較低圖指示曝光強(qiáng)度相對于時間，即，該圖中的矩形為曝光量的測度。再向下的圖顯示示范性數(shù)據(jù)模 式。在預(yù)曝光與固化期間，使用隨機(jī)模式，而在記錄期間，使用正常數(shù)據(jù)模 式。下面的圖顯示在每個曝光步驟期間記錄的數(shù)據(jù)模式的衍射效率。全息圖 號指示在預(yù)曝光和固化期間全息存儲介質(zhì)的特定位置處的曝光步驟的數(shù)目。 在數(shù)據(jù)記錄期間，該號指示在全息存儲介質(zhì)的特定位置處的多路復(fù)用的全息 圖的數(shù)目。根據(jù)該曝光安排，在預(yù)曝光與固化期間，使用相干光束的恒定曝 光強(qiáng)度。對于各個全息圖，通過改變曝光時間來控制曝光量。在預(yù)曝光與固化期間，選擇曝光時間使得產(chǎn)生的衍射效率保持低于最小值eta—min,從而不 記錄可檢測的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵陬A(yù)曝光期間材料敏感性增加，所以減少隨后的曝 光步驟的曝光時間以使衍射效率保持低于最小值。相反，在固化期間，材料 敏感性降低。因此，增加隨后曝光步驟的曝光時間同時仍然保持衍射效率低 于最小值。在實(shí)際數(shù)據(jù)記錄期間，使用較大的曝光時間。在這種情況下，產(chǎn) 生的衍射效率超過最小值eta一min。圖4中顯示用于預(yù)曝光、數(shù)據(jù)記錄與固化的第二示范性曝光安排。根據(jù) 該曝光安排，在預(yù)曝光與固化期間，使用相干光束的恒定曝光時間。對于各 個全息圖，通過改變曝光強(qiáng)度，來控制曝光量。在預(yù)曝光與固化期間，選擇 曝光強(qiáng)度使得產(chǎn)生的衍射效率保持低于最小值eta_min，從而不記錄可檢測的 數(shù)據(jù)。與圖3中的例子類似，在這種情況下，在預(yù)曝光期間，減少隨后的曝 光步驟的曝光強(qiáng)度以使衍射效率保持低于最小值，而在固化期間，增加隨后 的曝光步驟的曝光強(qiáng)度。在實(shí)際數(shù)據(jù)記錄期間，使用較大的曝光強(qiáng)度。在這 種情況下，產(chǎn)生的衍射效率超過最小值eta一min。當(dāng)然，在預(yù)曝光與固化期間 同樣可以改變曝光時間與曝光強(qiáng)度兩者。在兩個示范性曝光安排中，在預(yù)曝光和/或固化期間使用 一系列隨機(jī)分布 的曝光的總和造成體積中物理屬性、例如折射率的近似均勻的變化。這導(dǎo)致 了記錄體積中敏感性的均 一 變化。根據(jù)在圖5的流程圖中示意描述的已知的技術(shù)方案，在預(yù)曝光和/或固化 期間，由非相干光束照射42光敏材料，該非相干光束通過破壞41激光二極 管發(fā)射40的相干光束的相干性獲得，該激光二極管在其他情況下用于記錄。 為了降低甚或破壞時間相干性，生成40相干光束的激光二極管由高頻調(diào)制器 14調(diào)制。對于降低甚或破壞空間相干性，存在幾種技術(shù)方案。根據(jù)第一技術(shù) 方案，物鏡9相對于光學(xué)存儲介質(zhì)10的位置和/或傾斜通過致動器調(diào)制。這導(dǎo)致更均勻的強(qiáng)度分布，并且不需要任何附加硬件。另一種技術(shù)方案為調(diào)制參考光束8與信號光束7之間的光學(xué)路徑差異。為此目的，將相位調(diào)制器15 引入到光束7、 8之一中。另一種技術(shù)方案為在光學(xué)路徑中引入旋轉(zhuǎn)相位板、 即漫射器16。所有的技術(shù)方案都使任何剩余的相干效應(yīng)達(dá)到平衡。另一種技術(shù)方案為提供具有特殊區(qū)域的全息存儲介質(zhì)，該特殊區(qū)域至少 破壞相干光束7、 8的空間相干性。在圖6中顯示了此類全息存儲介質(zhì)10的 示范性剖面圖。還顯示了在預(yù)曝光或固化期間相干光束7、 8的傳播。光束7、 8穿行通過覆蓋層14、全息存儲材料層15、以及間隔層16。全息存儲介質(zhì) 10還有反射層17與基底18。選擇相干光束7、 8的光軸使得光束7、 8不會 打到反射層17之上，而是打到特殊區(qū)域19之上。優(yōu)選地，相干光束7、 8的 焦點(diǎn)位于特殊區(qū)域19之中。這允許使特殊區(qū)域19保持非常小。區(qū)域19至少 破壞相干光束7、 8的空間相干性。例如，通過將特殊區(qū)域19實(shí)現(xiàn)為粗糙反 射區(qū)域，可以達(dá)到這一點(diǎn)。當(dāng)參考光束8用于預(yù)曝光與固化時，優(yōu)選地，將 其傾斜地照射到全息存儲介質(zhì)IO之中。在這種情況下，在記錄全息圖期間， 漫反射的參考光束8進(jìn)行對用于隨后的全息圖的鄰近全息存儲介質(zhì)的預(yù)曝 光。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)存儲介質(zhì)(10)的預(yù)曝光和/或固化的方法，其中對于預(yù)曝光和/或固化，由相干光束(7，8)照射光學(xué)存儲介質(zhì)(10)，該方法特征在于以一或多個曝光步驟進(jìn)行預(yù)曝光和/或固化，其中相干光束(7)承載數(shù)據(jù)模式，每個曝光步驟的曝光量小于最小量，使得所記錄的數(shù)據(jù)模式的衍射效率低得無法從噪聲中區(qū)分出數(shù)據(jù)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述相干光束(7, 8)由光源(2) 發(fā)射，該光源(2)在其他情況下用于數(shù)據(jù)記錄。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的方法，其中隨后的曝光步驟的數(shù)據(jù)模式為隨 機(jī)模式。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中利用恒定的曝光強(qiáng)度不 同的曝光時間、或者利用恒定的曝光時間不同的曝光強(qiáng)度進(jìn)行隨后的曝光步驟。
5. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述光學(xué)存儲介質(zhì)(10) 為全息存儲介質(zhì)。
6. —種用來向光學(xué)存儲介質(zhì)(10)寫入的裝置，特征在于其被適配以執(zhí) 行如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、具體地為全息數(shù)據(jù)存儲的光敏材料進(jìn)行預(yù)曝光和固化的方法、以及一種用來使用此類方法寫入光學(xué)存儲介質(zhì)(10)的裝置。根據(jù)本發(fā)明，對于光學(xué)存儲介質(zhì)(10)的預(yù)曝光和/或固化，由也用于數(shù)據(jù)記錄的光源(2)發(fā)射的相干光束(7，8)照射光學(xué)存儲介質(zhì)(10)。以一或多個曝光步驟進(jìn)行預(yù)曝光和/或固化，其中相干光束(7)承載數(shù)據(jù)模式，每個曝光步驟的曝光量小于最小量，使得所記錄的數(shù)據(jù)模式的衍射效率低得無法從噪聲中區(qū)分出數(shù)據(jù)。
文檔編號G03H1/18GK101405797SQ200780009973
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月20日
發(fā)明者喬基姆·尼特爾, 沃爾夫?qū)せ羲官M(fèi)爾德 申請人:湯姆森特許公司