用于增加三维光学数据存储介质中的数据速率和存储密度的系统和方法与流程

本发明涉及用于数字光学信息存储系统的提高了荧光和反射性单层和多层或其他三维光学数据存储介质的速度、存储密度以及信噪比和可控性的系统和方法，例如光学装置。

背景技术：

1、商业光学数据存储介质包括以高速旋转并且使用光学拾取单元(optical pickupunit,opu)寻址以便进行读取和写入的光盘。对于写入，来自opu上的物镜的聚焦激光以足以在激光脉冲期间改变介质的光学性质的功率照射在介质上。对于读取，在低功率下，由opu上的光学检测系统检测数据，该光学检测系统区分来自写入区域和未写入区域的信号。比如，通过检测来自写入区域的反射率(ref)方面的增加或减少、或来自写入区域的荧光(fl)方面的增加或减少可获取和检测光学性质方面的变化。

2、需要增加光学介质的容量，以提供在企业数据存储系统中部署光学存储所需的性能和成本。一种可行的方法是使用多层光盘来提供三维存储。多层蓝光光盘和超多层光盘是适用于这种方法的两个示例介质。为了提供最大容量，存储密度在三个维度上均应该最大化。向405nm波长激光器、高数值孔径物镜以及增强的跟踪和写入控制方案的移动有利于增加的面密度。通过增加三维上的密度来增加容量的方法受制于在读取和伺服过程两者中由附近层间信号、符号间(沿数据轨)信号和层内(相邻数据轨道)信号引起的串扰。

3、当前对增加面密度的兴趣研究包括减小数据道的大小。然而，视场(field ofview，fov)超过了轨道间隔，这导致了来自信号的由相邻轨道引起的层内(面)串扰，从而限制了轨道间隔和面存储密度。此外，还可以通过减少多层介质中各层之间的间隔来实现更高的密度。这种情况下，层间(轴向)串扰限制层间隔，并且因此限制体积数据存储密度。层间串扰由远离焦点的层产生的相干和非相干信号产生。

4、fl数据存储方案包括当被发光介质的吸收带中的源激发时发射光谱带上的光的介质。这种发射介质可以包括荧光染料、半导体纳米颗粒(诸如量子点)、等离子纳米金属物质及其组合。与引起符号间串扰的opu扫描速率相比，以高速检测数字数据可能被fl物质的发射寿命限制。此外，球面像差、色差和球面色像差可能限制聚焦和收集整个发射光谱上的光的能力。光学系统中的色差以及由高数值孔径物镜和多层介质的厚度的组合引起的球面像差对总像差有贡献。

5、当从荧光光学存储介质读取光学信号用于以高速解释数据或实现伺服控制时，发射物质的有限荧光发射寿命可能限制读取速度。在某些情况下，发射寿命比聚焦激发点在单个数据标记上的停留时间更。这可能导致检测光学系统的fov内来自先前激发的区域的荧光信号(荧光尾)干扰单个数据标记的检测。这会导致符号间串扰和信噪比方面的降低。

6、已知基于针孔的检测方案限制fov、限制层内串扰和限制层间串扰。基本原理是将聚焦的激光点重新成像到检测路径中的针孔孔径上，从而限制fov和层内串扰。在针孔后面放置检测器来收集信号能量。来自相邻轨道的光在针孔处被阻挡，为此针孔直径被设计用于进行适当的空间过滤，以将所收集的光限制到单个轨道上。该系统通过利用以下原理来限制层间串扰：当来自周围层的光照射到针孔上时，它分配在比聚焦层更大的区域上。因此，很小百分比的光从周围层穿过针孔。

7、然而，在对准针孔和保持对准方面的困难阻碍了它们在商业光驱中的使用。因此，申请人认识到，需要开发一种实用的系统，该系统降低了与机械针孔对准的难度，并为来自相邻轨道和荧光尾的层间串扰建立了有限的fov。申请人理解限制层间串扰可以通过保持共焦条件来实现。最佳地，如果与fl介质一起使用，共焦条件在fl发射的带宽上得以保持。申请人意识到还需要为这种系统开发实用的聚焦伺服反馈信号。

技术实现思路

1、本文中公开了一种共焦检测系统，其可以通过降低fov来提高检测的面分辨率和信噪比(signal to noise ratio，snr)。具体而言，该系统可以保持与对应于激发光的焦点的数据标记尺寸相当的检测fov，这有效地将所期望的信号与不想要的、无关的或错误的信号(例如，来自当前焦点之外的先前激发的区域的荧光)隔离开。它以在检测过程中几乎完全地排除杂散荧光。共焦检测系统的其增加的面分辨率和轴向分辨率可以减少来自介质的给定层中的相邻轨道的层间串扰和层内串扰。此外，它采用的光纤系统可以允许更轻的重量的opu和更容易的维护。

2、根据本公开的用于移动的三维光学信息存储介质的可选opu数据通道中的读取光束的示例性光学系统包括至少一个光学元件，其特征在于将相关联的图像平面上的读取光束的fov限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径作为共焦检测的可选条件。

3、用于移动三维光学信息存储介质的可选opu数据通道中的读取光束的另一示例性光学系统包括：读取光学检测器；以及物镜和读取光学检测器之间的光路；并且其中读取光学检测器具有有效区域，该有效区域的大小被确定成将有效区域上的读取光束的fov限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。

4、一种用于从移动的三维光学信息存储介质生成聚焦误差信号(focus-errorsignal，fes)和数据信号的示例性光学系统，包括：fes子系统，该fes子系统包括具有适当设计的焦平面的第一和第二光纤以及用于从光学信息存储介质进行差分共焦fes检测的fov，两个光纤具有由物体空间中对称位于光学数据存储介质的数据信号平面的两侧上的两个不同平面产生的信号；以及数据子系统，该数据子系统包括相对于光学信息存储介质聚焦在两个光纤的焦点之间的第三光纤，用于从光学信息存储介质获取读取信号。

5、光学信息存储介质的示例包括蓝光、cd-rom、dvd-rom、dvd-ram、光学磁带、可记录介质、一次写入多次读取(write-once read-many，worm)光学盒和可擦除光学盒。应当理解的是，尽管本公开将盘称为示例性光学介质，但是本公开通常适用于除光盘介质之外的各种类型的光学介质。

6、用于多层光学数据存储的opu中的示例性fov限制设备将物平面上的读取光束的fov限制为小于4艾里斑直径。优选地，设备具有限制孔径。优选地，该设备将fov减小到等于或小于数据标记的直径(小至0.3或0.5艾里斑直径)的fov。多层光学介质可以是ref或fl，并且用于数据通道和聚焦的相对应的读出信号也可以是ref或fl。有限的fov允许在读取时减少来自层中相邻写入位的层内串扰，特别是对于具有高轨道密度的介质，因为它可以将检测到的信号限制到单个轨道。在fl光学介质的情况下，即使在介质荧光团的较长荧光寿命的情况下，有限的fov也允许通过消除符号间串扰实现的较高读出速率。此外，光纤的共焦孔径消除了来自未寻址或未聚焦层的信号，从而引起了器件的轴向分辨率的提高并提高了信噪比。

7、用于在opu中生成fes和数据信号的示例性设备包含用于差分共焦fes检测的2个光纤和用于读取信号获取的第3条光纤。该设备包括第一和第二光纤，用于从光学数据存储介质返回的光进行fes检测。激光被施加到多层光学记录介质，并且使用来自光学介质的返回光来检测fes。第一和第二光纤的输入处的图像从在激发光焦平面的两侧上等距的平面发出的光路产生。用于fes获取的纤维的直径在1至10微米的范围内，优选地小于3微米。光纤的共焦孔径消除了来自未寻址或未聚焦层的信号，从而引起了器件的轴向分辨率的提高并提高了信噪比。可能的是，当取两个光纤信号的和时，这个fes设备也可以充当信号获取通道。

8、本文提出了一种用于多层光学数据存储、用于fes和用于fl介质的读取信号生成的示例性fov限制设备。该设备与具有高达50nm的半峰全宽(full-width-at-halfmaximum，fwhm)带宽的多色信号兼容。特殊的双面非球面衍射光学元件可以用于(多个)fes通道和(多个)读取通道，以补偿色差和球面色像差。降低的像差允许数据读出和fes信号的信噪比的显著提高。