WO2006082067A1 - Verfahren und anordnung zur konfokalen, chromatischen, interferometrischen, spektroskopischen abtastung für optische mehrlagen-datenspeicher - Google Patents

Verfahren und anordnung zur konfokalen, chromatischen, interferometrischen, spektroskopischen abtastung für optische mehrlagen-datenspeicher Download PDF

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Christof Pruss
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Tobias Wiesendanger
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Definitions

  • the present invention relates to an interferometric, confocal method, an interferometric, confocal arrangement for optical data storage, in particular terabyte volume memory and a use of a data memory.
  • the reading of data from a DVD can still be done at a slower speed even in modern real-time applications. For example, if multiple feature films in high image quality from a single DVD to be played simultaneously.
  • the confocal technique also in combination with the interferometry, is well suited for the reading of optical volume storages with multilayers (multi-layer), s. a. Stephen R. Chinn and Eric A. Swanson: "Optical Coherence Tomography for High-Density Data Storage” in Handbook of Optical Coherence Tomography Editors: Bouma, Brett, E., Tearney, Guillermo, J .; Marcel Dekker, Inc. New York, Basel, 2002, ISBN 0-8247-0558-0, [1] Chapter 14, pp. 385-420. These bases are illustrated in U.S. Patent 5,784,352 to Eric A. Swanson and Stephen R. Chinn ,
  • the reading out of data by means of confocal technology can be done diffraction-limited in a very good approximation.
  • the confocal technique represents a very viable approach to further increase the storage volume of optical volume storage. Problems with the signal quality, however, can occur with very many layers arranged one above the other due to the scattering in the volume, in particular when reading out the deeper layers.
  • There is a noticeable advantage in terms of sensitivity if the confocal technique is combined with an interferometric approach, ie if a confocal-interferometric method is used, see also [1], p. 409. This advantage over the purely confocal Technique also applies generally to the detection of scattering centers at a greater depth in an unstructured transparent storage medium.
  • Another problem with the multi-layer technique is the spherical aberration in the storage medium, which limits the usable depth range in the storage volume of high-aperture fixed lenses, see also [1], p. 408.
  • a fixed lens with a numerical aperture of 0.55 at a wavelength of 780 nm despite refocusing because of the spherical aberration can only be used in a depth range of about +/- 100 microns to the center focus position of 1.2 mm in a standard polycarbonate disk without a Signal degradation by wavefront deformations occurs.
  • a confocal-interferometric method-referred to as OCT system in [1] p. 409-could well read out 100 layers in depth with a suitable design of the plate medium and layer design.
  • this then requires to compensate the spherical aberration active optics, which is also known as dynamic optical compensation.
  • this active optic greatly increases the complexity of the scanning system and severely degrades its temporal dynamics.
  • optical coherence domain reflectometry also referred to herein as "optical coherence domain reflectometry", or OCT technique
  • OCT technique always only the reading out of a single layer, or data track at a time, namely the reading of the layer on which
  • White light interferometry with spectral evaluation also known as Fourier domain OCT or spectral interferometry, see MW Lindner, P. Andretzky, F. Kiesewetter and G. Häusler: Spectral Radar: Optical Coherence Tomography in the Fourier Domain in [1] , Pp 335-345, is also much better than the exclusively confocal technique suitable for reading a larger number of memory layers in depth because of the comparatively good dynamics of the detectable signals.
  • the problem with regard to reading optical Volume storage by means of spectral merferometry represents the comparatively small numerical aperture of the focusing objective.
  • the object of the invention is to be able to read optical multilayer data carriers, ie volume data carriers transparent in the base material, with a very high storage density and storage capacity, for example also in the terabyte range, comparatively quickly.
  • the aim is the reading of volume data carriers with a lateral storage density as close as possible to the limitation by the diffraction of electromagnetic waves and for the use of high-aperture as possible focusing optics, for example, with a numerical aperture of at least 0.5.
  • a comparatively high storage density can be achieved by the data layers are relatively close together by the application of the invention. This is to be made possible by the use of focusing optics with a high numerical aperture.
  • the largest possible data flow should be achieved with the inventive readout method when reading the volume data carrier, for example, for the simultaneous reproduction of multiple movies in very high image quality.
  • the object of the invention is also to achieve a comparatively high robustness to vibrations in the read-out process and smaller manufacturing errors of the data carrier.
  • the goal continues to be to forego active optics, at least in the read-out process, in particular in order to achieve a high read-out speed and comparatively low production costs, as well as a high product service life.
  • Another goal is to be able to read data carriers, which have a very good long-term stability of data storage. These then have more of a lower storage capacity. Therefore, the application of the method should also be made possible with memory materials which, if necessary, allow for a subsequent polishing of the optical contact surface in the event of wear, destruction or weathering of the surface of the optical data carrier. It should be when using the invention, for example, by means of femto-second laser "burned" dots, in different depths of Storage volume can be read, for example, dots in high-strength, inorganic and transparent materials.
  • the inventive task to be solved when reading data from an optical data storage in more than two layers at depth or in different depths volume areas at the same time to capture optical characteristics very quickly and with high reliability.
  • the inventive task is to be solved, a great robustness in the read process thereby achieve that the readout system, so the optical probe at the time of reading even at a certain misalignment of the same in the depth can provide relatively reliable data.
  • the invention can be used both for a previously structured storage volume, that is to say one with a defined number of storage layers, for example 8, 16, 64 or 128 storage layers, but also for a spatially rather unstructured transparent volume of the storage.
  • a data layer which is to be read out by means of an inventive arrangement can be constructed, for example, with pits having a depth which corresponds to an optical path difference of one quarter of the wavelength used. This is standard in modern optical data storage, s. a. [1], p. 388.
  • the data pits may also be microscopically small regions with reflectance differences in the transparent memory material due to a change in the refractive index or even microscopically small scattering centers or reflection centers which can be detected optically.
  • the inventively proposed, interferometric, confocal method for optical data storage preferably for writing and / or reading optical data storage, in particular terabyte volume memory and also for the simultaneous reading of several channels connects according to the invention the known, preferably conventional chromatic confocal technique for depth detection or 3D scanning.
  • Detection also referred to as chromatic-confocal microscopy (CCM), in which a longitudinal split of foci in the storage volume by a longitudinal chromatic aberration, with the known, preferably conventional white light interferometry (WLI) with preferably conventional spectral analysis, also known as Fourier domain WLI, Fourier domain OCT or as spectral interferometry, in particular two-beam interferometry.
  • WLI white light interferometry
  • spectral analysis also known as Fourier domain WLI, Fourier domain OCT or as spectral interferometry, in particular two-beam interferometry.
  • chromatic-confocal spectral hiterferometrie chromatic confocal spectral interferometry, CC-SI
  • chromatic-confocal second-beam spectral Called interferometry chromatic-confocal spectral hiterferometrie
  • CC-SI chromatic confocal spectral interferometry
  • chromatic-confocal second-beam spectral Called interferometry chromatic-confocal spectral hiterferometrie
  • CC-SI chromatic confocal spectral interferometry
  • interferometric, confocal method for optical data storage in particular terabyte volume memory and also for the simultaneous reading of multiple channels of optical volume memory
  • a single multi-wavelength source of electromagnetic radiation or a larger number of multi-wavelength sources can be used.
  • the multi-wavelength sources may be punctiform, or it may be represented by means of fibers or micro-apertures one or more punctiform multi-wavelength sources.
  • the reflected light approach is in the foreground.
  • the image of the interior of the volume memory, or the storage medium takes place on a rastered receiver electromagnetic radiation, which has a high temporal resolution, the rasterized receiver is preceded by a spectrometer.
  • This spectrometer may be fiber-coupled.
  • the chromatic-confocal microscopic technique is procedurally associated with the spectral two-beam merferometry, ie a chromatic-confocal microspopic method and a spectral two-beam spectrometer.
  • Interferometry methods are coupled together.
  • the interferometer operates at an optical path difference not equal to zero, ie the interferometer is operated such that an optical path difference of the interfering electromagnetic radiation is different from zero.
  • At a reflective area or dot in the storage medium at least one wavelet is generated over the spectral axis.
  • the term "dot" and the term "reflective region” are preferably used essentially synonymously. Wavelet here is understood to mean a signal which is periodic, wherein the frequency or the period length can also change, and the signal has an upper envelope, ie is modulated over its course. In this case, the upper envelope of the signal may have a maximum.
  • one aspect of the present invention relates to a method for writing and / or reading a data memory, in particular a terabyte volume memory, comprising the steps:
  • Imaging reflected or transmitted electromagnetic radiation on a rasterized receiver after passage of the electromagnetic radiation through a two-beam interferometer, a chromatic-confocal microscope and a spectrometer, wherein in the interferometer, a non-zero optical path difference and at a reflected area or a dot at least one wavelet is generated in the data memory over the spectral axis of the spectrometer.
  • the signal amplitude of wavelets for obtaining digital data is evaluated.
  • the phase or the half-width of the envelope can also be evaluated.
  • this requires a more complex calculation method than the calculation of the signal amplitude of wavelets, the latter only must be calculated approximately to decide whether a logical zero or a logical 1 is present. Therefore, the calculation of the signal amplitude of wavelets is favored here.
  • logical sampling windows formed from the respective sensor elements of the spectrometer evaluating a wavelet-that is, on the spectrometer axis.
  • the foci are preferably separated and at least approximately along a straight line in the volume of the transparent data memory.
  • the interferometer may be of the Michelson type, the Linnik type or the Mach Zehnder type.
  • the two-beam interferometer can also be designed as an at least partially formed common-path interferometer. Then, the two-beam interferometer can thus be designed as a Fizeau or a Mirau ititerferometer.
  • the data carrier can thereby have a relative movement to the scanning head with a rather high speed, for example as in the case of high-speed storage disks.
  • these volume memories can be used in particular for the long-term stable identification of objects or animals.
  • these volume memories preferably have a clearly defined depth of densely packed, partially transparent layers, wherein the presence of a layer is assigned a logical 1 and the absence of a layer a logical 0.
  • the scanning head When reading this volume memory, the scanning head performs only a microscopically small lateral or no relative movement to the volume memory.
  • the latter is possible, if preferably in each depth of the volume memory, each layer should carry only one bit of information in the extreme case.
  • the advantage here is the particularly fast identification after the optical coupling of a miniaturized scanning head with comparatively simple means, for example in comparison to a DNA analysis.
  • the optical coupling of the scanning head to the storage medium can also be effected by means of immersion liquid in order to greatly reduce the requirements regarding the roughness of the interface of the storage medium.
  • an optical marking of the tail preferably of multimode fibers, for example of quartz by means of laser-fired dots in the depth of a few 10 ⁇ m generated by a femtosecond laser.
  • the transmission of the fiber is only insignificantly influenced.
  • the longitudinal chromatic splitting of the foci in the object space can be carried out in different ways with a longitudinal chromatic aberration exactly quantified in the optical design of the focusing system:
  • the size of the longitudinal chromatic aberration of the focusing optics of the wavelength range used for the data readout is adjusted so that a depth splitting of the foci is performed which corresponds at least to the desired scanning depth in the volume of the data memory.
  • the spectral range used is adapted to the spectral resolution of the spectrometer used.
  • the advantage of the principle of longitudinal chromatic aberration or longitudinal splitting of the focusing optics is that even with a displacement of the scanning head in depth at a collision on the system, but light at the time after the shock - but with a different wavelength than before the shock - can focus on a data layer.
  • the evaluation processors which preferably evaluate the light of all wavelengths in the spectral range used, detect this change in the wavelength of the focused light.
  • Light is always used here in writing in the broad sense of electromagnetic radiation in the UV, VIS or infrared range.
  • the diffractive-optical element may preferably be formed as a positive or negative zone lens.
  • Long-wave light for example, usually penetrates a storage material slightly better. This reason speaks for a negative zone lens.
  • short-wave light at small openings is influenced less by diffraction, so it can also reach deeper layers in the storage material well. This speaks more for a positive zone lens.
  • the diffractive-optical zone lens can also be generated by a spatial light modulator (SLM) whose refractive power can be adjusted variably and computer-controlled, that is, predetermined.
  • SLM spatial light modulator
  • the zone lens is preferably arranged in the Fourier plane of the focusing lens, where the pupil of the optical focusing system is located as well, whereby a telecentric beam path is formed in the storage volume gives the wavelength independent magnification.
  • the coherent reference wave required in each case for the interference is preferably obtained by means of the reference beam path of a fiber-coupled Michelson interferometer, a fiber-coupled Linnik interferometer or else a Mach-Zehnder interferometer.
  • the use of the Mach-Zehnder interferometer allows the use of the second interferometer output which operates at least approximately in antiphase.
  • the signal amplitude can be doubled and the DC component eliminated. This improves the signal-to-noise ratio and thus the reliability of the data evaluation.
  • a miniaturized collimator and a retroreflector are preferably arranged downstream of the fiber end in the reference beam path of the merferometer.
  • This retroreflector is preferably used as a miniaturized, usually glassless, triple mirror reflector trained.
  • the collimator must be well achromatized. In. In this case all layers can be read simultaneously, for example 16 layers.
  • Reflective regions of a data layer thus provide evaluable wavelets, while pits having a depression corresponding to an optical path difference of one quarter of the wavelength used do not yield wavelets.
  • the signal amplitude of the wavelet or a value derived from the signal amplitude and not the phase of the wavelet is preferably evaluated.
  • a threshold for the calculated signal amplitude A or a value derived therefrom it is decided to 1 or 0.
  • the confocal discrimination only light or electromagnetic radiation is evaluated as digital information, which forms a focus which is located in each case in the wave-optical depth of field area which symmetrically surrounds a data layer. Light from wavelengths that form a focus that is more than the wavelength of the optical depth of field from a data layer is consistently excluded from processing to digital data.
  • the differences of the signals of directly adjacent sensor elements of a spectrometer line can be evaluated to detect a wavelet. If these differences exceed a threshold several times, wherein an averaging of these signals is also possible, a wavelet is present. This arises as a result of reflection at the layer and, for example, the presence of a wavelet is recognized as a logical 1.
  • the signal amplitude can also be calculated over a larger number of intensities of directly adjacent sensor elements by means of FFT, wherein the FFT is preferably carried out piecewise over the spectral range, namely where a wavelet is expected and the evaluated on the spectrometer line piece preferably not more than about equals half the distance between two wavelets. Also sub-Nyquist methods are applicable for calculating the signal amplitude, since the expected frequency is at least approximately known.
  • the greatly changing periodicity versus wavelength in the wavelets can pose a significant problem for the simultaneous Detection of the same represent.
  • the simultaneous evaluation of, for example, 4, 8 or 16 layers, which then constitute a layer package is generally sufficient.
  • several adjacent layers can be scanned in addition to allow a particularly large flow of data.
  • the retroreflector is sensitively controllable in its axial position in order to always set the optical path difference in the interferometer to be slightly different from zero with respect to the depth of the layers of the selected package.
  • an axial position of the retroreflector is approached by the control, which leads to a well evaluable frequency over the wavelength in the wavelet, for example if the phase difference between two areas scanned by directly adjacent sensor elements of the wavelet is at least approximately 60-120 Altgrad is.
  • This inventive approach with the axially fed retroreflector has great potential for data readout to read a particularly large number of layers in depth, since the axial tracking of the retroreflector always allows a good adjustment of the frequency of the wavelets on the wavelength of the resolution of the spectrometer , It is also preferably possible for the respectively required coherent reference wave to be formed from a wavefront which arises during passage or reflection in the zeroth diffraction order at the diffractive-optical zone lens. Thus, a cornmon path can be achieved.
  • this zonal lens is associated with an at least partially reflecting reference mirror surface in the common path beam path, which serves for reflection of the reference waves of all wavelengths which are focused at least approximately well.
  • the reference beam path is achromatic.
  • the dispersive part of the focusing system preferably has to be well achromatized.
  • This approach is very compact and volume-saving, but is suitable for a rather smaller number of layers and for a rather not extremely high numerical aperture because of the problems with the elimination of spherical aberration in the common path path for both object and reference. For example, this can be an optimum for only 16 layers in the storage volume and a numerical aperture of about 0.55.
  • a diffractive optical system with one, two or more zone lenses for chromatic longitudinal splitting in a comparatively large pupil of the focusing system which is preferably arranged in the Fourier plane thereof, also a higher numerical aperture than 0.55 for the Focusing system can be achieved.
  • a diffractive optical system in the pupil for the chromatic beam path a sufficiently good correction of the spherical aberration, also known as aperture aberration, must take place - and this for the entire spectral range used.
  • the foci at different depths of the storage medium wherein for each focus of any wavelength in the spectral range used, the spherical aberration has a minimum, so that the focus spot in each of the Design of the scanning system took into account depth of the storage medium in good approximation a diffraction limited image exists.
  • confocal discrimination for the wavefronts coming from the storage medium is always carried out in the optical system by means of beam-limiting means in order to avoid crosstalk from other layers. This can be done by the end of a single-mode fiber or micro-apertures.
  • wavelets are preferably used which are influenced in their shape and frequency by making the optical path difference wavelength-dependent in at least one arm of the interferometer.
  • This is of great advantage for a fast evaluation of the wavelets on the spectrometer axis, in particular if very many layers are to be evaluated in depth.
  • the shape and frequency of the wavelets change comparatively strongly, for example by more than 500 ⁇ m, because of the comparatively large depth range. This can lead to an inappropriately large variation of the frequency of the wavelets for the fast evaluation.
  • the spectrometer line would then have sensor elements with variable spacing or a very large number of sensor elements is needed, which in turn make an extremely fast evaluation more expensive.
  • the wavelength dependence over the path difference is adjusted so that it results in an overall little varying variation of the frequency of the wavelets on the spectrometer axis or spectrometer line with the respective wavelength.
  • 3 to 6 sensor elements are preferably assigned to each period below the envelope of the wavelet.
  • preferably mathematically 4/3 sensor elements of each period can also be assigned below the envelope of the wavelet, which leads to a comparatively small number of sensor elements.
  • the sensor elements should have a filling factor in the direction of the spectrometer axis of at most 50% in order to achieve a high signal modulation, which means a non-efficient use of the light energy used.
  • the optical path difference is predetermined to be wavelength dependent.
  • the optical path difference is wavelength-dependent and preferably computer-controlled adjustable.
  • the adjustment of the dependence of the optical path difference on the wavelength can be generated in the interferometer by means of dispersion, but also by means of diffraction or by a combination of both. This can be caused at the same time in both merferometer arms or only in each case, whereby the optical imaging system can already introduce some dependence of the optical retardation on the wavelength, but as a rule in a rather small size.
  • This dependence of the optical retardation on the wavelength is based on the dispersion and / or diffraction in at least one of the two arms of the two-beam interferometer. Since the frequency variation in efficient use of the sensor elements is usually possible on a rather limited scale because of the sampling theorem, except when using sub-Nyquist methods, this approach tends to be for a limited number of layers and thus to be evaluated Wavelets can be used. With the rapid determination of the mean frequency of the wavelets, for example by means of FFT processors, trends in the overall system, for example changes in the distance of the focusing optics to the volume memory or variations in the slice distance, can be very well recognized and thus also corrected.
  • the inventive, interferometric, confocal method for optical data storage in particular terabyte volume storage, preferably in one
  • rotating thin low-cost disk storage preferably with only a single data-carrying layer and only to use the robustness to changes in the depth position of the data-carrying layer.
  • the use is seen here, especially in electronic toys and for the optoelectronic marking of products.
  • An axial scan of the focusing system can be completely dispensed with here by the application of the invention, since a scanning focus spot is available for each depth position.
  • the changes in the depth position can in this case be caused, for example, by a wavy topography of the surface of this low-cost disk memory, or by a wobbling of the disk memory as a result of poor rolling body support or else by a slightly wavy data layer.
  • the variation of the depth position of the data-carrying layer can then be detected on the spectrometer axis as a "jumping wavelet", which, however, can be reliably detected by means of fast processors in a comparatively large area
  • the lateral scan for reading out the memory can optionally also be done manually, the scanner preferably being placed mechanically on the plastic film
  • an opto-mechanical ID lateral scanner similar to a bar code scanner, can be used as the light source in this application, an SLD can be used, for example, at about 700 nm, a spectral width at half maximum of 50 nm to 100 nm.
  • Another aspect of the present invention relates to an interferometric, confocal arrangement for optical data storage, in particular for writing and / or reading optical data storage, in particular terabyte volume storage, in reflected light or in transmitted light with an interferometer and with a multi-wavelength source of electromagnetic radiation or a Variety of multi-wavelength sources and with microscopic imaging of the interior of the volume memory by means of focusing system, which is arranged in the interferometric beam path on a rastered receiver of electromagnetic radiation according to the invention, the interferometer with a chromatic-confocal arrangement in the imaging beam path of the focusing system coupled, wherein the rasterized receiver is preceded by a spectrometer.
  • the reference beam path is preferably free of chromatic-confocal components.
  • the interferometer is preferably designed as a two-beam interferometer.
  • 16 layers are to be accommodated in a depth range of the storage medium of approximately 0.2 mm for a focusing system with a numerical aperture of approximately 0.7 using the VIS range.
  • the spacing of the layers may well be somewhat variable over the depth.
  • the distance of the focusing system to the optical interface of the storage medium and the refractive index and the dispersion of the storage medium are tight tolerances.
  • the optical design of the focusing system is preferably performed with respect to the tightly tolerated storage medium so that when spherical spots of each wavelength of the electromagnetic radiation used for reading are formed in the storage volume, the spherical aberration is made sufficiently small, hence at any depth Reflected or scattered focused electromagnetic radiation of the storage medium can provide a sufficiently low aberrated wavefront, which can thereby reach a signal wave coherently generated in the merferometer reference wave to signal technology sufficiently well evaluated interference.
  • a sufficiently well-modulated interference signal can also be formed for all focus spots which are reflected or scattered, at least approximately along a straight line in the depth of the storage medium by chromatic depth splitting.
  • the at least approximately eliminating the spherical aberration for all wavelengths used makes it possible to overcome the known problem of the quite limited readout depth range of, for example, only +/- 100 ⁇ m in high-aperture focusing systems, e.g. At a numerical aperture of 0.55 and a wavelength of light of 780 nm due to spherical aberration without the use of active optics.
  • the uncompensated system allows reading only about 10 layers.
  • the spherical aberration is made sufficiently small for each wavelength already by the design of the chromatically longitudinally splitting focusing system, so that a sufficiently large readout depth range can be achieved.
  • This can be, for example +/- 300 microns with a numerical aperture of 0.7, which can be read in the VIS area quite a few 32 layers simultaneously and with high reliability.
  • the sensor elements When using a white light continuum source, such as a white light continuum laser, and a sensor line with a large number of sensor elements, the sensor elements are read in parallel and thus very fast, the demand for the exact distance positioning of the scanning can be somewhat mitigated, since in each case a pit or dot of a particular data layer is hit by a focus spot, even if the wavelength of the respective at least approximately diffraction-limited focus spot for this data layer or depth can vary slightly thereby.
  • the wavelength of the Focus spot is so within certain limits sliding. However, this significantly improves the robustness of the data acquisition compared with manufacturing tolerances of the storage medium and against vibrations.
  • the evaluation of the interference signal is preferably carried out by means of a grating spectrometer with preferably at least one very fast line of photodiodes which can deliver evaluable signals in the microsecond range or even in the sub-microsecond range and has a high sensitivity.
  • a fast CMOS line scan camera can preferably also be used.
  • the line sensor ie the spectral axis, represents the ⁇ -axis, where ⁇ represents the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the chip of the photodiode array or the CMOS line scan camera can also have an intelligence-on-chip functionality. With a parallel access to the individual sensor elements, an extremely fast evaluation of the spectra, in this case of the wavelets, can thus be carried out by means of hardwired processors.
  • a data storage can be constructed with a large number of storage disks, each side of a plate is preferably associated with a complete focusing system. This is particularly easy by the application of the invention, as this can be dispensed with the axial scan in the focusing.
  • the diffractive optical zone lens can be arranged in the pupil in the remote focal plane of the focusing lens.
  • the numerical aperture of the light of all wavelengths is the same.
  • the pupil can also be made somewhat larger for longer-wavelength light by a chromatic filter with radial dependence, also known as chromatic apodization, since the diffraction-limited lateral expansion for foci of longer-wavelength light can thus be matched to that of the shorter-wavelength light.
  • a white-light continuum laser or one or more fiber-coupled superluminescent diodes are used as white light source.
  • At least one additional reference layer is preferably arranged in the storage medium. This is used for unique spatial structuring of the storage volume in depth at the sampling with slightly sliding wavelength due to a not very narrow toleranced distance of the optical pickup to the surface of the storage medium or by manufacturing inaccuracies of the storage medium.
  • the interferometer is preferably followed by a fiber-coupled line spectrometer.
  • At least one optical element is arranged in the collimated reference beam path with dispersive material. This allows a retardation adjustment to adjust the frequency of the wavelets over the wavelength and can make the axial readjustment of the retroreflector when changing the layer package superfluous.
  • the optical element with dispersive material in the collimated reference beam path preferably formed as a plane parallel plate.
  • a diffraction module with gratings can preferably be arranged in the collimated reference beam path in the interferometric confocal arrangement according to the invention for optical data memories, in particular terabyte volume memories.
  • the diffraction module can preferably be constructed by means of two or even four identical and all mutually parallel phase gratings.
  • phase gratings can be designed as phase-mostly SLMs.
  • SLMs are preferably designed to be electronically controllable in their lattice parameters.
  • the interferometric confocal arrangement according to the invention for optical data storage in particular terabyte volume storage, can be in compliance with the following first condition:
  • the mean optical path difference in the reference arm of an interferometer should preferably be set such that-upon impact of a beam having the wavelength ⁇ + ⁇ on a reflection element of the data layer-a phase change of at least approximately ⁇ / 2 results compared to a beam with the wavelength ⁇ , which meets the same reflection element, wherein the light with the wavelength ⁇ + ⁇ is detected by the adjacent sensor element of the spectrometer.
  • a period of the wavelet below the envelope can already be sampled quite well with four sensor elements and the signal amplitude can be determined.
  • This adjustment of the optical path difference can be done for example by means of axially displaceable retroreflector in the reference arm of the interferometer.
  • the focus formed by a wavelength ⁇ + ⁇ in the storage medium, where ⁇ represents the spectral element resolved by the spectrometer, should preferably result in a shift of the focus position in the depth of n ⁇ / 30 in the minimum and at most of n ⁇ / 3 in the storage medium, where n represents the refractive index of the storage medium.
  • ⁇ should preferably not be chosen far below 0.05 .mu.m.
  • A is a phase difference ⁇ of 1500 ⁇ .
  • the sensor element i of the spectrometer at the wavelength 600.0 nm thus detects an interference signal with the variable phase term ⁇ i of 1500 ⁇ .
  • the spectrometer should resolve to 0.2 nm, d. H. two adjacent sensor elements i and i + 1 detect light of wavelengths differing by 0.2 nm in wavelength.
  • a wavelet thus arises over the wavelength axis of the spectrometer, with two adjacent sensor elements i and i + 1 detecting signals with a phase difference of ⁇ / 2 or 90 degrees in this example.
  • the spectral range of 500 nm to about 700 nm can be used.
  • An increase in the number of read-out layers in the visible spectral range also requires an increase in the spectral resolution. This requires the use of sufficiently strong, preferably fiber-coupled white light sources and highly sensitive sensor elements required.
  • the layer spacing should be selected, for example, with a numerical aperture of the focusing system of at least 0.5 such that at least approximately diffraction-limited focus spot on a layer, the associated bundles on the directly adjacent layer has at least a diameter corresponding to five to ten times the diffraction-limited focus spot.
  • the focal length of the focusing system is freely selectable within wide limits.
  • a storage volume of one terabyte requires a double-sided use of the storage disk according to the invention and a corresponding lateral extent of this storage disk, which may have approximately the diameter of a standard DVD.
  • the storage volume of a conventional DVD can be accommodated on a diameter of this much smaller volume storage disk according to the invention.
  • a further aspect of the invention relates to a chromatic-confocal arrangement for writing optical data storage, in particular terabyte volume storage, in reflected light or in transmitted light with at least one multi-wavelength source of electromagnetic radiation, characterized in that at least one chromatic-confocal component in the imaging beam path of the focus -Systems is arranged.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for producing data memories, in particular terabyte data memories or the use of a data memory for storing data, in particular in the terabyte range.
  • this aspect of the present invention relates to the use of a data memory for storing data, in particular in the terabyte range, by means of the interferometric confocal arrangement according to the invention.
  • the data memory with a chromatic-confocal write head and / or with a fiber-coupled multi-wavelength laser and / or a fiber-coupled and / or switchable multi-superluminescent diode light source in multiple layers simultaneously and / or in a large depth range in the unstructured storage volume.
  • volume stores can preferably be equipped with a cliromatic-confocal write head with a preferably fiber-coupled multi-wavelength laser or a preferably fiber-coupled and optionally also switchable multi-superluminescent diode light source in several layers simultaneously, or also in a large depth range in the unstructured
  • This "optical burning" is preferably carried out by means of fast optical switches that adjust the spectrum of writing radiation very quickly in the writing process.
  • Optical switches may be filters with variable absorption coefficient, for example.
  • a filter can absorb electromagnetic radiation of a particular wavelength and control the absorption coefficient for that wavelength.
  • the filter can also absorb electromagnetic radiation in a wavelength range and have an absorption coefficient over the entire wavelength range, which in particular can be varied rapidly.
  • the filter has different absorption coefficients for the whole wavelength range, i. the filter absorbs different wavelengths differently.
  • the individual absorption coefficients can be varied independently or with each other. This can be done for example by applying a voltage and / or by a current flow. In other words, the absorption of the filter can be controlled by applying a voltage and / or by a current flow.
  • Optical switches can also be radiators of monochrome electromagnetic radiation or multi-wavelength emitters. For example, the wavelength of the emitted electromagnetic radiation can be varied. It is also possible to change the intensity of the emitted electromagnetic radiation. In particular, both the wavelength and the intensity of the emitted electromagnetic radiation can be varied.
  • unstructured storage volume for example, "optically burned" dots can be produced which, when read, are easily detectable micro-scatterers in a transparent, For example, represent inorganic storage medium, which is highly stable for a long time.
  • the entire depth of the storage volume can thus be described by means of chromatic-confocal technique in one or more operations.
  • FIG. 1 The light emanating from a comparatively strong continuum white light laser Ia light via an optical fiber 2 and an x-coupler 33, as a partial light on a piece of fiber 2a and a Grin lens 4 for collimating the light beam on a diffractive-optical zone lens 5 with as a function of the wavelength of light of variable negative refractive power in the first diffraction order, so that it acts as a diverging lens.
  • the chromatically split light reaches a well chromatically corrected micro objective 12b.
  • the micro-objective 12b is followed in the light direction by the optical storage medium 108 with a plurality of data layers one above the other, for example also with the data layer 109.
  • the optical storage medium is intended to rotate at the circumferential speed v.
  • this data layer 109 too, there is exactly one light bundle B_109, which has a precisely defined wavelength and a sharp focus the data layer 109 forms. This focus spot is either at least partially reflected at the data layer 109 or erased by a data pit having a quarter wavelength recess in a known manner.
  • the light beam B_109 passes via the micro objective 12b and via the diffractive optical zone lens 5, the light beam B_109 passing the zone lens 5 exactly in the same first diffraction order as in the trace, via the grin lens 4 onto the end of the fiber 2a the confocal discrimination is realized, as a result of which light of the light bundle B_109, which is reflected, for example, at a layer lying above or below the data layer 109, is almost completely blocked and thus the crosstalk is greatly reduced.
  • the confocal discriminated light can thus reenter the fiber 2a.
  • each data layer in the storage medium 108 is optically scanned at least approximately diffraction-limited by a bundle of light of suitable wavelength and discriminated confocally.
  • the light in "spectral packets" enters the fiber 2a, since light from the area of the storage medium 108, where there is currently no data layer, but there is also a diffraction-limited focus spot can form no focus on the end of the fiber 2a and the
  • the light entering this fiber 2a passes through the x-coupler 33 in the direction of the decoupling fiber 9.
  • the reference beam R which is in the reference beam path in the fiber 2b after leaving the same and collimating at the collimator 116 and after reflection on the triple mirror reflector 115, the x-coupler 33 also passes in the direction of the decoupling fiber 9.
  • Reference light and light from the storage medium 108 pass through the decoupling fiber 9 on a highly sensitive fiber-coupled spectrometer 100 - in which case the associated imaging optics of the spectrometer was not shown-and on a high-sensitivity CMOS line scan camera 11 and come there for interference. There, the spectrum of the interfering light is evaluated.
  • the evaluation is carried out by the size of the signal amplitude of the wavelet is determined in the simplest possible way, since the frequency of the wavelet is at least approximately known. In the simplest case, this can be done by evaluating a few sensor elements which scan the wavelet in such a way that in each case signal values which are shifted a quarter of a period are detected.
  • the logical 1 or the logical 0 are determined by means of a sliding trigger threshold from the size of the signal amplitude of the wavelet.
  • the sliding trigger threshold takes into account the complex situation the signal formation, for example, the depth of the layer and thus the occurring light losses.
  • the optical path difference in the fiber-coupled interferometer by means of triple reflector 115 is tuned so that this is only a maximum of a few 100 microns, but not zero.
  • the evaluation can also be carried out by means of a fast Fourier transformation (FFT) of the wavelet.
  • FFT fast Fourier transformation
  • the CMOS line scan camera 11 can also be displaced laterally so that it does not have to be too long.
  • the diffractive optical zone lens 55 is formed with variable depending on the light wavelength positive refractive power in the first diffraction order, so that it acts as a converging lens.
  • the longer wavelength light forms the foci at the minimum distance from the chromatically well corrected micro-objective 12b.
  • a dispersion plate 117 is arranged in the collimated optical path, the optical thickness of which increases due to the larger refractive index of the plate material with a shorter wavelength. This can be used to selectively influence the optical path difference as a function of the wavelength in the interferometer.
  • FIG. 2 a shows a triple prism reflector which is thus dispersive in order to enable a dependence of the optical path difference on the wavelength.
  • FIG. 2b shows the possibility of producing a variation of the optical path difference over the wavelength by means of diffraction at four line gratings 118, which are in the form of phase gratings in parallel position and here perpendicular to the optical axis, in which case the longer wavelength light is the larger one has optical path difference.
  • the diffractive-optical zone lens 5 may be formed with negative refractive power, whereby the foci of the longer-wavelength light have the greater distance from the system and thus even with interference the larger optical path difference.
  • This larger optical path difference can be at least partially compensated for by means of the grating arrangement consisting of four line gratings 118.
  • the light emanating from a white light source 1 passes via an optical fiber 2 and a y-junctor 3 and via a fiber piece 2a via a grin lens 4 for collimating the light beam onto a diffractive-optical zone lens 5 as a function of the wavelength of the light variable negative refractive power, so that it acts as a diverging lens.
  • the light beam is split at the diffractive-optical zone lens 5 in the zeroth order of diffraction into a reference R and in the first diffraction order into a plurality of weakly divergent object beam bundles, thus also into an object beam O_li.
  • the subsequent Grin lens 6 is tuned in its geometrical-optical configuration such that the front surface 7 of the Grin lens 6, which acts as a reference mirror with the beam splitter layer 7a, lies in the focus of the beam of the zeroth diffraction order of the diffractive-optical zone lens 5.
  • the partial light bundle reflected at the front surface 7 at the beam splitter layer 7a serves as reference bundle R.
  • the partial light bundle O_li passing through the diffractive optical zone lens 5 in the 1st diffraction order passes through the front surface 7 of the grin lens 6, which represents the reference mirror surface, and enters the storage medium 108 Due to the refractive power variable effect of the diffractive optical zone lens 5, the focusing of the object beam takes place in different depths of the storage medium 108 as a function of the wavelength of light. Thus, there is a longitudinal chromatic aberration or longitudinal splitting.
  • the light reflected back from the storage medium 108 by the data layer 109 passes through the grin lens 6 again together with the reference bundle R and passes through the diffractive optical zone lens 5 again in the same diffraction order as in the way and becomes the object bundle O__1_li.
  • two interfering bundles O_l_li and R_0_0 are refocused on the end of the monomode fiber 2 by means of grin lens 4 and enter this monomode fiber 2, in which case confocal discrimination occurs in particular for the object beam O 1 li.
  • the interfering light passes via the decoupling fiber 9 to a spectrometer 100 on a high-sensitivity CMOS line scan camera 11, which registers the resulting spectrum.
  • the spectrum is modulated over the wave number - depending on the conditions for constructive and destructive interference as a function of the wavelength and the optical path difference at the object point - and forms a wavelet over the wavenumber.
  • the signal produced on the line camera 11 can be calculated with a fixed optical path difference ⁇ x as a function of the wavelength ⁇ i using the following equation (4) with the modulation m:
  • the value ⁇ x indicates the path difference of the interfering wave packets originating from the zeroth order and the first order, wherein the path difference ⁇ x may be somewhat dependent on the wavelength due to the dispersion of the storage medium.
  • NA denotes the numerical aperture of the cone of light at the object point and z indicates the depth.
  • the presence of a data pit can be detected with a high degree of certainty by determining, by evaluation of the spectrum, whether a wavelet or no wavelet has arisen, wherein no wavelet means the existence of a data pit.
  • This optical path difference .DELTA.x is up to several 100 .mu.m and can be selected larger or smaller depending on the spectral resolution and photometric sensitivity of the spectrometer used.
  • FIG. 4 illustrates the principle of the inventive interferometric confocal arrangement and the interferometric confocal method according to the invention with integrated chromatic-confocal depth splitting.
  • the interferometer, the objective 12b and the storage medium are shown.
  • the wavelets are formed in the presence of reflecting areas in the Storage volume 108 with an upper envelope. If there is a pit, there is no or very weak wavelet. This envelope has in each case a maximum. From the wavelets on the spectrometer axis, the desired digital information is obtained by means of a data processing unit, in each case the logical values 0 and 1.
  • the wavelength is determined, which forms a sharp focus in the range of the optical depth of field, which includes a data layer symmetrically. Only light of this wavelength can provide a logical zero with high reliability.
  • the transition from the "digitally processed light” to the “digitally unprocessed light” can very quickly result from vibrations.
  • the trend can be followed, but the safest way is to constantly determine the amplitudes of all the wavelets, that is, all of them To evaluate sensor elements of a spectrometer line.
  • the distance between the individual data layers should be chosen such that light which is focused sharply on a data layer does not bring much more reflected light from the directly adjacent data layer through the confocal diaphragm, for example a fiber end, than a ⁇ / 4-pit on which there is a sharp focus would come back.
  • a ⁇ / 4-Pit generates yes the extinction of the incident light. It should always be kept in mind that the light from the storage volume is practically "amplified" by confocal discrimination by means of interference.
  • the high spectral splitting makes the coherence length relatively large, which can thus also make coherent interferences possible high sensitivity of the process and thus also gives the opportunity to read more than 100 layers lying in a single volume.

Abstract

Bei einem interferometrischen, konfokalen Verfahren und einer interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, erfolgt eine Kopplung der spektralen Zweistrahl-Merferometrie mit breitbandiger Quelle elektromagnetischer Strahlung mit der chromatisch-konfokalen Technik, die eine Längsaufspaltung von Foki im Speichervolumen ermöglicht, die beugungsbegrenzt sind. Dieses neue Verfahren wird hier als chromatisch-konfokale Spektral-Interferometrie (CC-SI) bezeichnet. Dem Interferometer mit konfokaler Diskriminierung im Strahlengang ist hierbei ein Spektrometer nachgeordnet. Zur chromatischen Längsaufspaltung ist im interferometrischen Strahlengang eine diffraktiv-optische Zonenlinse (DOZE) mit Nutzung der ersten Beugungsordnung eingesetzt. Das Interferometer kann als fasergekoppeltes Interferometer mit Retroreflektor im fasergekoppelten Referenzarm und mit wellenlängenabhängiger Gangunterschiedsänderung mittels Dispersion oder Diffraktion ausgebildet sein. Der Gangunterschied im Interferometer ist so eingestellt, dass aus detektierten Interferogrammen mittels Spektralanalyse gut detektierbare Wavelets gebildet werden können. Dabei gibt es im optischen-transparenten Speichervolumen eine räumliche Anordnung von örtlich wechselnden Bereichen erhöhter und verringerter Reflexion im mikroskopischen Maßstab. Mittels numerischer Auswertung werden digitale Daten aus den Wavelets bestimmt, im einfachsten Fall ein Bit pro Wavelet. So werden Daten aus unterschiedlichen Tiefen des Speichermediums simultan gelesen. Dies ermöglicht eine sehr hohe Datentransferrate wie sie z. B. für Datenbanken oder bei der Datensicherung benötigt wird.

Description

VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR KONFOKALEN , CHROMAT I S CHEN , INTERFEROMETRISCHEN , SPEKTROSKOPISCHEN ABTASTUNG FÜR OPTISCHE MEHRLAGEN-DATENSPEICHER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein interferometrisches, konfokales Verfahren, eine interferometrische, konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher und eine Verwendung eines Datenspeichers.
Das Auslesen von Daten von einer DVD kann auch bei modernen Echtzeitapplikationen noch mit einer zu geringen Geschwindigkeit erfolgen. Beispielsweise, wenn mehrere Spielfilme in hoher Bildqualität von einer einzigen DVD gleichzeitig wiedergegeben werden sollen. Außerdem gibt es in zunehmenden Maße Anwendungen, wo auch das Speichervolumen einer 17 GByte DVD bei Weitem nicht ausreichend ist, beispielsweise bei der Video-Archivierung oder Datensicherung im Staatsdienst sowie bei Datenbanken, wo eine sehr hohe Daten- transferrate wie benötigt wird.
Die konfokale Technik, auch in Verbindung mit der ϊnterferometrie, ist für die Auslesung optischer Volumenspeicher mit Vielfachschichten (Multi-Layer) gut geeignet, s. a. Stephen R. Chinn und Eric A. Swanson: „Optical Coherence Tomography for High-Density Data Storage" in Handbook of Optical Coherence Tomography, Editoren: Bouma, Brett, E.; Tearney, Guillermo, J.; Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, 2002, ISBN-Nummer 0-8247- 0558-0, [1] Kapitel 14, S. 385 - 420. Diese Grundlagen sind im US-Patent 5784 352 von Eric A. Swanson und Stephen R. Chinn dargestellt.
Das Auslesen von Daten mittels konfokaler Technik kann in recht guter Näherung beugungs- begrenzt erfolgen. Damit stellt die konfokale Technik einen sehr tragfähigen Ansatz dar, das Speichervolumen optischer Volumenspeicher weiter zu erhöhen. Probleme mit der Signalqualität können jedoch bei sehr vielen übereinander angeordneten Schichten durch die Streuung im Volumen, insbesondere beim Auslesen der tieferen Schichten auftreten. Es gibt einen merklichen Vorteil hinsichtlich Sensitivität, wenn eine Verbindung der konfokalen Technik mit einem interferometrischen Ansatz erfolgt, also ein konfokal-interferornetrisches Verfahren eingesetzt wird, s. a. [1], S. 409. Dieser Vorteil gegenüber der rein konfokalen Technik gilt auch allgemein für die Detektion von Streuzentren in einer größeren Tiefe in einem unstrukturierten transparenten Speichermedium.
Ein weiteres Problem bei der Vielfachschichten-Technik stellt die sphärische Aberration im Speichermedium dar, die bei hochaperturigen Festobjektiven den nutzbaren Tiefenbereich im Speichervolumen stark begrenzt, siehe hierzu auch [1], S. 408. Hier wird dargestellt, dass ein Festobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0,55 bei einer Wellenlänge von 780 nm trotz Nachfokussierung wegen der sphärischen Aberration nur in einem Tiefenbereich von etwa +/- 100 μm um die mittlere Fokusposition von 1,2 mm bei einer Standard-Polycarbonat-Disk genutzt werden kann, ohne dass eine Signaldegradation durch Wellenfrontdeformationen auftritt. Dies bedeutet, dass wegen des Einflusses der sphärischen Aberration beispielsweise nur etwa 10 Schichten mit guter Signalqualität ausgelesen werden können. Dabei könnte bezüglich der Sensitivität ein konfokal-interferometrisches Verfahren - in [1], S. 409 als OCT-System bezeichnet - bei geeigneter Ausführung des Plattenmediums und Schichtgestaltung durchaus 100 Schichten in der Tiefe auslesen. Dies erfordert dann jedoch zur Kompensation der sphärischen Aberration eine aktive Optik, welche auch als dynamische optische Kompensation bekannt ist. Diese aktive Optik erhöht die Komplexität des Abtastsystems jedoch sehr stark und verschlechtert die zeitliche Dynamik desselben erheblich.
Außerdem ermöglicht der bekannte Ansatz der optischen Datenauslesung mittels konfokal- interferometrischer Verfahren, s. a. [1], S. 386 -389, hier auch als „optical coherence domain reflectometry", bzw. OCT-Technik bezeichnet, stets nur das Auslesen einer einzigen Schicht, bzw. Datenspur zu einem Zeitpunkt, nämlich das Auslesen der Schicht, auf welche die elektromagnetische Strahlung zur Auslesung gerade fokussiert wird. Damit ist kein simultanes Auslesen mehrerer Datenspuren zu einem Zeitpunkt möglich und somit die Auslesegeschwindigkeit angesichts der sehr großen Datenmenge eines lateral nahezu beugungsbegrenzt speichernden Vielfachschichten-Datenträgers doch sehr gering.
Die Weißlicht-Interferornetrie mit spektraler Auswertung, auch als Fourier-Domain OCT oder Spektral-Interferometrie bekannt, s. a. M. W. Lindner, P. Andretzky, F. Kiesewetter und G. Häusler: Spectral Radar: Optical Coherence tomography in the Fourier Domain in [1], S. 335-345, ist wegen der vergleichsweise guten Dynamik der detektierbaren Signale ebenfalls viel besser als die ausschließlich konfokale Technik geeignet, eine größere Anzahl von Speicherschichten in der Tiefe auszulesen. Das Problem, bezüglich der Auslesung optischer Volumenspeicher mittels Spektral-Merferometrie, stellt die vergleichsweise geringe numerische Apertur des Fokussierobjektivs dar. Bei Anwendung der Spektral-Interferometrie für die optische Datenauslesung aus einem Speichermedium würde dies zu lateral vergleichsweise großen Dots oder Pits im Speichermedium fuhren und damit zu einer deutlich geringeren Speicherdichte pro Schicht im Vergleich zur Standardtechnik. Damit ist der wirtschaftliche Nutzen dieses bekannten Ansatzes für die optische Datenauslesung eher begrenzt.
Unabhängig davon wurde auch bereits vorgeschlagen, allein mittels hochaperturiger konfokaler Technik eine größere Anzahl von Speicherschichten gleichzeitig in der Tiefe und auch lateral aus einem Speichervolumen nahezu beugungsbegrenzt auszulesen. Es wird jedoch mittels rein konfokaler Technik bei weitem nicht die Sensitivität der konfokal- interferometrischen Verfahren erreicht, die nach [1], S. 409 um zwei Größenordnungen besser ist als die der rein konfokalen Technik.
Ansätze zur chromatisch-konfokalen Mikroskopie wurden bereits von H. J. Tiziani und H.-M. Uhde im Fachartikel Three-dimensional image sensing by chromatic confocal microscopy in Applied Optics, Vol. 33, No. 1. April 1994, S. 1838 bis 1843 dargestellt. Mit diesem Ansatz kann auf den mechanischen Tiefen-Scan verzichtet werden. Bei diesen Applikationen stand die Auslesung optischer Datenträger nicht im Vordergrund.
In der Veröffentlichung "Accurate fiber-optic sensor for measurement of the distance based on white-light interferometry with dispersion" von Pavel Pavlicek und Gerd Häusler in ICO Tokyo, Paper-Nr. 15B3-1 vom 15.7.2004 [12] wird eine Anordnung beschrieben, bei der in einer Faser im Referenzarm eines tnterferometers mittels Dispersion ein über der Wellenzahl intensitätsmoduliertes Signal erzeugt wird. Der Objektabstand kann jedoch auch hier nur innerhalb der wellenoptischen Schärfentiefe des Sensorkopfes, die durch die numerische Apertur des Objektivs desselben bestimmt ist, ermittelt werden und ist somit insbesondere für eine hohe numerische Apertur sehr begrenzt.
Es wurde von K. Körner, P. Lehmann, A. Ruprecht und W. Osten auch eine chromatisch- konfokale Anordnung zur Auslesung optischer Datenträger vorgeschlagen. Diese weist jedoch noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Sensitivität der Anordnung auf. Holografische Verfahren erlauben zwar gespeicherte Information aus einem Volumen auszulesen, weisen i. a. eine nicht beugungsbegrenzte Speicherdichte auf und werden deshalb hier nicht weiter betrachtet, s. a. [1], S. 386.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, für die gewerbliche Nutzung optische Vielfachschichten-Datenträger, also im Basismaterial transparente Volumendatenträger mit sehr hoher Speicherdichte und Speicherkapazität, beispielsweise auch im TeraByte-Bereich, vergleichsweise schnell auslesen zu können. Ziel ist dabei das Auslesen von Volumendatenträgern mit einer lateralen Speicherdichte möglichst nahe an der Begrenzung durch die Beugung elektromagnetischer Wellen und für den Einsatz möglichst hochaperturiger Fokussieroptik, beispielsweise mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,5. Auch soll in vertikaler Richtung eine vergleichsweise hohe Speicherdichte erzielt werden können, indem die Datenschichten durch die Anwendung der Erfindung vergleichsweise eng beieinander liegen. Dies soll durch den Einsatz von Fokussieroptik mit einer hohen numerischen Apertur möglich werden. Dabei soll mit dem erfinderischen Ausleseverfahren beim Auslesen des Volumendatenträgers ein möglichst großer Datenfluss erreicht werden können, beispielsweise zur simultanen Wiedergabe von mehreren Spielfilmen in sehr hoher Bildqualität.
Das Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, eine vergleichsweise große Robustheit gegenüber Vibrationen beim Auslesevorgang und kleineren Fertigungsfehler des Datenträgers zu erreichen. Das Ziel besteht weiterhin darin, insbesondere zum Erreichen einer hohen Auslesegeschwindigkeit und vergleichsweise geringer Herstellungskosten sowie einer hohen Produktlebensdauer auf aktive Optik zu verzichten, zumindest im Auslesevorgang.
Ein weiteres Ziel besteht darin, auch Datenträger auslesen zu können, die eine sehr gute Langzeitstabilität der Datenspeicherung aufweisen. Diese verfugen dann eher über ein geringeres Speichervermögen. Deshalb soll auch die Anwendung des Verfahrens auch bei Speichermaterialien ermöglicht werden, die bei Verschleiß, Zerstörung oder Verwitterung der Oberfläche des optischen Datenträgers bei Bedarf eine Nachpolitur der optischen Kontaktfläche desselben ermöglichen. Es sollen bei Anwendung der Erfindung beispielsweise auch mittels Femto-Sekunden-Laser „gebrannte" Dots, in verschiedenen Tiefen des Speichervolumens gelesen werden können, beispielsweise auch Dots in hochfesten, anorganischen und transparenten Materialien.
Damit ist also im besonderen die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim Auslesen von Daten aus einem optischen Datenspeicher auch in wesentlich mehr als zwei Schichten in der Tiefe oder in verschieden tiefen Volumenbereichen gleichzeitig optische Merkmale sehr schnell und mit hoher Zuverlässigkeit zu erfassen.
Weiterhin ist also auch die erfinderische Aufgabe zu lösen, eine große Robustheit im Auslesevorgang dadurch zu erreichen, dass das Auslesesystem, also der optische Tastkopf, zum Zeitpunkt des Auslesens auch bei einer gewissen Fehllage desselben in der Tiefe noch vergleichsweise zuverlässig Daten liefern kann.
Die Anwendung der Erfindung wird vor allem für die optische Auslesung von Nur-Lese- Speichern (read only memories) gesehen, ist aber keinesfalls auf diese Applikation beschränkt.
Dabei kann die Erfindung sowohl für ein vorab strukturierten Speichervolumen, also eines mit einer definierten Anzahl von Speicherschichten, beispielsweise 8, 16, 64 oder 128 Speicherschichten, aber auch für ein räumlich eher unstrukturiertes transparentes Volumen des Speichers angewendet werden.
Eine Datenschicht, die mittels erfinderischer Anordnung ausgelesen werden soll, kann beispielsweise mit Pits mit einer Tiefe, die einem optischen Gangunterschied von einem Viertel der verwendeten Wellenlänge entspricht, aufgebaut sein. Dies ist Standard in modernen optischen Datenspeichern, s. a. [1], S. 388. Es kann sich aber bei den Datenpits auch um mikroskopisch kleine Bereiche mit Reflexionsgradunterschieden im transparenten Speichermaterial durch eine Änderung des Brechungsindexes oder auch um mikroskopisch kleine Streuzentren oder Reflexionszentren handeln, die optisch erfasst werden können.
Das hier vorgeschlagene, erfinderische, interferometrische, konfokale Verfahren für optische Datenspeicher vorzugsweise zum Beschreiben und/oder Lesen optischer Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher und auch zur simultanen Auslesung mehrerer Kanäle verbindet erfindungsgemäß die bekannte, vorzugsweise herkömmliche chromatisch- konfokale Technik zur Tiefenerfassung oder 3D-Erfassung, auch als chromatisch-konfokale Mikroskopie (CCM) bezeichnet, bei der eine Längsaufspaltung der Foki im Speichervolumen durch eine chromatische Längsaberration erfolgt, mit der bekannten, vorzugsweise herkömmlichen Weißlicht-Interferometrie (WLI) mit vorzugsweise herkömmlicher spektraler Analyse, auch als Fourier-Domain-WLI, Fourier-Domain OCT oder auch als Spektral- Interferometrie, insbesondere Zweistrahl-Interferornetrie bekannt.
Das erfinderische, interferometrische, konfokale Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher und auch zur simultanen Auslesung mehrerer Kanäle wird im Weiteren als chromatisch-konfokale Spektral-hiterferometrie (chromatic confocal spectral interferometry, CC-SI) oder auch chromatisch-konfokale Zweitstrahl- Spektral-Interferometrie bezeichnet. Dabei erfolgen der Einsatz einer im Vergleich zu einem Laser eher breitbandigen Quelle elektromagnetischer Strahlung sowie der Einsatz eines Interferometers und eines Empfängers elektromagnetischer Strahlung. Dem Interferometer ist erfϊndungsgemäß ein Spektrometer nachgeordnet. Dieses ist dem Empfänger elektromagnetischer Strahlung vorgeordnet.
Bei dem erfinderischen, interferometrischen, konfokalen Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher und auch zur simultanen Auslesung mehrerer Kanäle optischer Volumenspeicher kann eine einzige Multiwellenlängen-Quelle elektromagnetischer Strahlung oder auch eine größere Anzahl von Multiwellenlängen- Quellen eingesetzt werden. Die Multiwellenlängen-Quellen können punktförmig ausgebildet sein, beziehungsweise es wird mittels Fasern oder Mikroblenden eine oder mehrere punktförmige Multiwellenlängen-Quellen dargestellt. Es ist ein Interferometer angeordnet. Mit einem Fokussier-System erfolgt die Beleuchtung des Speichermediums, wobei das Fokussier-System Bestandteil des Interferometers ist. Außerdem erfolgt mit dem Fokussier- System auch eine mikroskopische Abbildung des Inneren des Volumenspeichers, beziehungsweise des Speichermediums. Das Verfahren kann im Auflicht oder auch im Durchlicht durchgeführt werden. Bei der weiteren Beschreibung steht der Auflichtansatz im Vordergrund. Die Abbildung des Inneren des Volumenspeichers, beziehungsweise des Speichermediums erfolgt auf einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung, der eine hohe zeitliche Auflösung besitzt, wobei dem gerasterten Empfänger ein Spektrometer vorgeordnet ist. Dieses Spektrometer kann fasergekoppelt sein.
Erfindungsgemäß wird also die chromatisch-konfokale mikroskopische Technik mit der spektralen Zweistrahl-Merferometrie verfahrensmäßig verbunden, d.h. ein chromatisch- konfokales mikrospopisches Verfahren und ein spektrales Zweistrahl- Interferometrieverfahren werden miteinander gekoppelt. Dabei wird im Interferometer bei einem optischen Gangunterschied ungleich null gearbeitet, d.h. das Interferometer derart betrieben, daß ein optischer Gangunterschied der interferierenden elektromagnetischen Strahlung von Null verschieden ist. Bei einem reflektierenden Bereich oder Dot im Speichermedium wird mindestens ein Wavelet über der spektralen Achse erzeugt. Der Begriff „Dot" und der Begriff „reflektierender Bereich" werden vorzugsweise im wesentlichen gleichbedeutend verwendet. Dabei wird unter Wavelet hier ein Signal verstanden, welches periodisch ist, wobei sich die Frequenz oder die Periodenlänge auch ändern kann, und das Signal über eine obere Einhüllende verfugt, also über seinen Verlauf moduliert ist. Dabei kann die obere Einhüllende des Signals ein Maximum aufweisen.
In anderen Worten betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Schreiben und/oder Lesen eines Datenspeichers, insbesondere eines Terabyte Volumenspeichers mit den Schritten:
Einstrahlen elektromagnetischer Strahlung zumindest einer Multiwellenlängen Quelle auf den Datenspeicher,
Abbilden reflektierter oder transmittierter elektromagnetischen Strahlung auf einem gerasterten Empfänger, nach Durchgang der elektromagnetischen Strahlung durch ein Zweistrahl-Interferometer, ein chromatisch-konfokales Mikroskop und ein Spektrometer, wobei in dem Interferometer ein optischer Gangunterschied ungleich Null vorliegt und bei einem reflektierten Bereich bzw. einem Dot im Datenspeicher mindestens ein Wavelet über der spektralen Achse des Spektrometers erzeugt wird.
Vorzugsweise wird bei dem interferometrischen, konfokalen Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher die Signalamplitude von Wavelets zur Gewinnung digitaler Daten ausgewertet. Vorzugsweise ist auch die Phase oder die Halbwertsbreite der Einhüllenden auswertbar. Dies erfordert jedoch ein aufwendigeres Rechenverfahren als die Berechnung der Signalamplitude von Wavelets, wobei letztere nur näherungsweise berechnet werden muss, um zu entscheiden, ob eine logische Null oder eine logische 1 vorliegt. Deshalb wird die Berechnung der Signalamplitude von Wavelets hier favorisiert.
Vorzugsweise werden bei dem interferometrischen, konfokalen Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher logische Abtastfenster, die aus den jeweils ein Wavelet auswertenden Sensorelementen des Spektrometers - also auf der Spektrometerachse — gebildet. Diese Wavelets können durch äußere Einwirkungen auf den Abtastkopf „auf der Spektrometerachse von einen Datenerfassungszeitpunkt zum nächsten driften oder sogar springen". Vorzugsweise werden deshalb diese logischen Abtastfenster im Auslesevorgang diesen driftenden Wavelets hochdynamisch elektronisch nachgeführt. Dabei kann hochdynamisch eine Trendanalyse für die Verschiebung erfolgen. Dies ist möglich, da das logische Abtastfenster etwas breiter ausgelegt ist als für die Auswertung der Wavelets unbedingt erforderlich. Das ermöglicht selbst bei auf der Spektrometerachse „springenden Wavelets", beispielsweise infolge eines heftiges Stoßes auf das Gesamtsystem mit einer Beschleunigungskomponente in der Tiefe, logische Abtastfenster nachzuführen, um eine sichere Auslesung der Daten aus dem Speichervolumen zu erreichen. Da diese Nachführung ohne jede mechanische Komponente erfolgen kann, ist dieser Ansatz den mit mechanisch stellenden Komponenten arbeitenden Ansätzen weit überlegen.
Es erfolgt hier bei Anwendung der erfinderischen chromatisch-konfokalen Spektral- Interferometrie für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, mittels optischen Fokussier-Systems also sowohl eine Beleuchtung als auch eine mikroskopische Abbildung des Inneren des im Basismaterial transparenten Volumenspeichers, also in verschiedenen Tiefen gleichzeitig. Mittels einer chromatischen Längsaberration im optischen Fokussier-System des Abtastkopfes erfolgt eine Separierung der Foki vorzugsweise und zumindest näherungsweise entlang einer Geraden im Volumen des transparenten Datenspeichers. Es werden also durch chromatische Längsaberration, beziehungsweise chromatische Tiefenaufspaltung, in unterschiedlichen Tiefen des Speichermediums Foki ausgebildet. Dabei ist für jeden Fokus jeder beliebigen Wellenlänge im genutzten Spektralbereich, die sphärischen Aberration zu einem Minimum gemacht, so dass für den Fokusfleck in jeder vom Design des Abtastsystems berücksichtigten Tiefe des Speichermediums in guter Näherung eine beugungsbegrenzte Abbildung besteht. Dabei kann das Interferometer vom Michelson-, bzw. vom Linnik-Typ oder auch vom Mach- Zehnder-Typ sein. Das Zweistrahl-Interferometer kann aber auch als zumindest teilweise ausgebildetes Common-path- Interferometer gestaltet sein. Dann kann das Zweistrahl- Interferometer also auch als ein Fizeau- oder auch ein Mirau-ititerferometer ausgebildet sein.
Der Datenträger kann dabei zum Abtastkopf eine Relativbewegung mit eher großer Geschwindigkeit aufweisen, beispielsweise wie bei hochtourig laufenden Speicherplatten.
Es ist aber auch möglich, hinsichtlich Volumen und Datenmenge vergleichsweise sehr kleine Volumenspeicher aus verschleißfestem, chemisch hochbeständigem, anorganischem Material zu gestalten.
Diese können insbesondere zur langzeitstabilen Identifikation von Objekten oder von Tieren dienen. Diese Volumenspeicher - weisen beispielsweise zur Langzeitspeicherung von Namen- Herkunfts- und Geburtsdaten sowie Buchstaben- oder Nummernschlüsseln - vorzugsweise eine in der Tiefe eindeutig definierte Anzahl von dichtgepackten, teiltransparenten Schichten auf, wobei dem Vorhandensein einer Schicht eine logische 1 zugeordnet ist und dem Fehlen einer Schicht eine logische 0. Damit ist beispielsweise das Speichern von einer Datenmenge von 16 Byte langzeitstabil möglich.
Bei Tieren können auch mehrere Volumenspeicher im Zahn- oder Skelettbereich als unsichtbare, nahezu unzerstörbare und unverlierbare Implantate angeordnet sein. Diese Implantate können auch mit einer Versiegelung ausgebildet sein.
Beim Auslesen dieses Volumenspeichers führt der Abtastkopf nur eine mikroskopisch kleine laterale oder auch gar keine Relativbewegung zum Volumenspeicher aus. Letzteres ist möglich, wenn vorzugsweise in jeder Tiefe des Volumenspeichers jede Schicht im Extremfall nur ein Bit Information tragen soll. Der Vorteil ist hierbei die nach der optischen Ankopplung eines miniaturisierten Abtastkopfes besonders schnelle Identifikation mit vergleichsweise einfachen Mitteln, beispielsweise im Vergleich zu einer DNA-Analyse. Die optische Ankopplung des Abtastkopfes an das Speichermedium kann auch mittels Immersionsflüssigkeit erfolgen, um die Anforderungen hinsichtlich der Rauheit der Grenzfläche des Speichermediums stark zu reduzieren.
Weiterhin kann vorzugsweise eine optische Markierung des Endstückes vorzugsweise von Multimode-Fasern, beispielsweise aus Quarz mittels lasergebrannter Dots in der Tiefe von einigen 10 μm, die durch einen Femto-Sekunden-Laser erzeugt wurden, erfolgen. Dabei wird die Transmission der Faser nur unwesentlich beeinflusst.
Weiterhin kann im optischen Fokussier-System des optischen Abtastkopfes die chromatische Längsaufspaltung der Foki im Objektraum in verschiedener Art und Weise mit einer im Optikdesign des Fokussier-Systems exakt quantifizierten chromatischen Längsaberration erfolgen:
Erstens durch eine spezielle chromatische Ausbildung einer rein dispersiven Fokussier-Optik, oder zweitens durch eine dispersive Fokussier-Optik mit eher geringer chromatischer Längsaberration, jedoch zusätzlich mit mindestens einem diffraktiv-optischen Element, also durch ein Hybridsystem, wobei das diffraktiv-optische Element in einer von null verschiedenen Beugungsordnung genutzt wird, oder drittens durch die Ausbildung der Fokussier-Optik als rein diffraktives System wobei auch hier das diffraktiv-optische Element in einer von null verschiedenen Beugungsordnung genutzt wird.
Dabei ist die Größe der chromatischen Längsaberration der Fokussier-Optik des für die Datenauslesung genutzten Wellenlängenbereiches so eingestellt, dass eine Tiefenaufspaltung der Foki durchgeführt wird, die mindestens der gewünschten Abtasttiefe im Volumen des Datenspeichers entspricht. Darüber hinaus wird der benutzte Spektralbereich der spektralen Auflösung des verwendeten Spektrometers angepasst. Der Vorteil des Prinzips der chromatischen Längsaberration oder Längsaufspaltung der Fokussier-Optik besteht darin, dass auch bei einer Verschiebung des Abtastkopfes in der Tiefe bei einem Stoß auf das System, dennoch Licht zum Zeitpunkt nach dem Stoß - jedoch mit etwas anderer Wellenlänge als vor dem Stoß - einen Fokus scharf auf einer Datenschicht ausbilden kann. Die Auswerteprozessoren, die vorzugsweise das Licht aller Wellenlängen im genutzten Spektralbereich auswerten, erkennen diesen Wechsel der Wellenlänge des fokussierten Lichtes.
Licht wird hier in der Schrift stets im weitgefassten Sinn von elektromagnetischer Strahlung im UV-, VIS- oder Infrarotbereich verwendet.
Damit gibt es im Abtastsystem stets Licht bestimmter Wellenlängen, welches gerade digital weiterverarbeitet wird und Licht bestimmter Wellenlängen, welches zu einem Zeitpunkt gerade nicht weiterverarbeitet wird. Das diffraktiv-optische Element kann dabei vorzugsweise als positive oder negative Zonenlinse ausgebildet sein. Es gibt technische Argumente für beide Varianten. Langwelliges Licht durchdringt beispielsweise ein Speichermaterial meist etwas besser. Dieser Grund spricht für eine negative Zonenlinse. Dagegen wird kurzwelliges Licht an kleinen Öffnungen weniger durch Beugung beeinflusst, kann also auch tiefergelegene Schichten im Speichermaterial gut erreichen. Dies spricht mehr für eine positive Zonenlinse.
Die diffraktiv-optische Zonenlinse kann auch durch einen Spatial Light Modulator (SLM) erzeugt werden, dessen Brechkraft variabel und rechnergesteuert, also vorbestimmt, eingestellt werden kann.
Um mehrere Spuren lateral in einer Schicht gleichzeitig auslesen zu können, ist die Zonenlinse vorzugsweise in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs angeordnet, wo sich auch die Pupille des optischen Fokussier-Systems befindet, wodurch sich im Speichervolumen ein telezentrischer Strahlengang und damit ein von der Wellenlänge unabhängiger Abbildungsmaßstab ergibt. Dies ist für das Auslesen von Schichten verschiedener Tiefe von großem Vorteil und stellt auch die praktische Voraussetzung dar, sowohl mehrere nebeneinander liegende Schichten als auch mehrere Schichten in der Tiefe gleichzeitig auslesen zu können.
Die für die Interferenz jeweils benötigte kohärente Referenzwelle wird vorzugsweise mittels Referenzstrahlengang eines fasergekoppelten Michelson-Interferometers, eines fasergekoppelten Linnik-Interferometers oder auch eines Mach-Zehnder-Interferometers gewonnen.
Die Nutzung des Mach-Zehnder-Interferometers gestattet die Verwendung des zweiten Interferometerausganges, der zumindest näherungsweise gegenphasig arbeitet. So kann durch Subtraktion der mit den beiden Interferometerausgängen gewonnenen Signale die Signalamplitude verdoppelt und der Gleichanteil eliminiert werden. Dies verbessert das Signal-Rausch- Verhältnis und damit die Zuverlässigkeit der Datenauswertung.
Dabei sind im Referenzstrahlengang des Merferometers dem Faserende vorzugsweise ein miniaturisierter Kollimator und ein Retroreflektor nachgeordnet. So kann in einem ersten Fall durch einmaliges Verschieben des Retroreflektors bei der Fertigung des Abtastkopfes der benötigte optische Gangunterschied des Interferometers abgestimmt werden. Dieser Retroreflektor ist vorzugsweise als miniaturisierter, in der Regel glasloser Tripelspiegel- reflektor ausgebildet. Der Kollimator muss gut achromatisiert sein. In. diesem Fall können alle Schichten gleichzeitig ausgelesen werden, beispielsweise 16 Schichten.
Reflektierende Bereiche einer Datenschicht liefern also auswertbare Wavelets, während Pits mit einer Vertiefung, die einem optischen Gangunterschied von einem Viertel der verwendeten Wellenlänge entspricht, keine Wavelets liefern. Ausgewertet wird also vorzugsweise die Signalamplitude des Wavelets oder ein Wert, der sich aus der Signalamplitude abgeleitet, und nicht die Phase des Wavelets. Mittels einer Schwelle für die errechnete Signalamplitude A oder einem Wert, der sich aus derselben ableitet, wird zu 1 oder 0 entschieden. Dabei wird wegen der konfokalen Diskriminierung jedoch nur Licht, bzw. elektromagnetische Strahlung, zu einer digitalen Information ausgewertet, das oder die einen Fokus bildet, der sich jeweils im wellenoptischen Schärfentiefebereich, der symmetrisch eine Datenschicht umgibt, befindet. Licht von Wellenlängen, die einen Fokus bilden, der mehr als die wellenoptische Schärfentiefe von einer Datenschicht entfernt liegt, wird von der Verarbeitung zu digitalen Daten konsequent ausgeschlossen.
Dabei kann durch die Verrechnung von fünf Intensitäten I1 bis I5 aus direkt benachbarten Sensorelementen, die eine Phasendifferenz von zumindest näherungsweise 90° zueinander aufweisen zum Beispiel die folgende, bekannte Gleichung zur Bestimmung der Signalamplitude A, verwendet werden:
Λ = V(/i -2/3 + /5)2 + (2/2 - 2/4)2 . (D
Andere Gleichungen zur Bestimmung der Signalamplitude A sind bekannt und ebenfalls anwendbar. Diese Berechnung der Signalamplitude A kann mittels Hardware-Prozessoren, die parallel auf die Sensorelemente zugreifen, extrem schnell ausgeführt werden. Zur weiteren Beschleunigung der Berechnung können anstelle der Wurzelausdrücke auch die Beträge der Klarnmerinhalte addiert werden, die zumindest näherungsweise den Wert für die Signalamplitude A liefern.
Im einfachsten Fall können zum Erkennen eines Wavelets auch die Differenzen der Signale direkt nebeneinander liegender Sensorelemente einer Spektrometerzeile ausgewertet werden. Überschreiten diese Differenzen mehrfach eine Schwelle, wobei auch eine Mittelwertbildung dieser Signale möglich ist, liegt ein Wavelet vor. Dieses entsteht als Ergebnis einer Reflexion an der Schicht, und es wird beispielsweise das Vorhandensein eines Wavelets als logische 1 erkannt. Die Signalamplitude kann jedoch auch über eine größere Anzahl von Intensitäten aus direkt benachbarten Sensorelementen mittels FFT errechnet werden, wobei die FFT vorzugsweise stückweise über dem Spektralbereich ausgeführt wird, nämlich dort, wo ein Wavelet erwartet wird und das auf der Spektrometerzeile ausgewertete Stück vorzugsweise maximal etwa dem halben Abstand zwischen zwei Wavelets entspricht. Auch Sub-Nyquist-Verfahren sind zur Berechnung der Signalamplitude anwendbar, da die erwartete Frequenz zumindest näherungsweise bekannt ist.
Bei einem sehr hochaperturigen Fokussierobjektiv, beispielsweise mit einer numerischen Apertur von 0,8 und einer besonders großen Anzahl von übereinander angeordneten Schichten im Speichervolumen, beispielsweise bei 128 Schichten, kann die sich stark ändernde Periodizität über der Wellenlänge in den Wavelets ein erhebliches Problem für die simultane Detektion derselben darstellen. Andererseits genügt in der Regel die simultane Auswertung von beispielsweise 4, 8 oder 16 Schichten, die dann ein Schichtenpaket darstellen. Dabei können zusätzlich auch mehrere nebeneinander liegende Schichten abgetastet werden, um einen besonders großen Datenfluss zu ermöglichen.
In diesem zweiten Fall wird der Retroreflektor in seiner axialen Position feinfühlig regelbar ausgebildet, um den optischen Gangunterschied im Interferometer stets etwas von null verschieden einzustellen im Bezug auf die Tiefe der Schichten des ausgewählten Paketes. Entsprechend dem gewünschten Schichtenpaket wird also durch die Regelung eine axiale Position des Retroreflektors angefahren, die zu einer gut auswertbaren Frequenz über der Wellenlänge im Wavelet führt, beispielsweise wenn die Phasendifferenz zwischen zwei - von direkt benachbarten Sensorelementen abgetasteten Bereichen - des Wavelets zumindest näherungsweise 60-120 Altgrad beträgt. Da unterschiedliche Schichtenpakete bei der Erfindung stets auch einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweisen, kann mit dem Wechsel der Position des Retroreflektors auch eine andere Lichtquelle eingeschaltet werden, also beispielsweise eine andere Superlumineszenz-Diode (SLD), die zu einer schaltbaren Multi-SLD-Lichtquelle gehört. Dabei deckt das Spektrum der jeweils eingeschalteten SLD den benötigten Bereich für das Paket voll ab. Dieser erfinderische Ansatz mit dem axial nachgeführten Retroreflektor besitzt großes Potenzial für die Datenauslesung, um eine besonders große Anzahl von Schichten in der Tiefe auszulesen, da die axiale Nachführung des Retroreflektors stets eine gute Anpassung der Frequenz der Wavelets über der Wellenlänge an die Auflösung des Spektrometers gestattet. Es ist vorzugsweise auch möglich, dass die jeweils benötigte kohärente Referenzwelle aus einer Wellenfront, die beim Durchgang oder der Reflexion in der nullten Beugungsordnung an der diffraktiv-optischen Zonenlinse entsteht, gebildet wird. Damit kann ein Cornmon-path- Strahlengang erreicht werden. Dabei ist dieser Zonenlinse eine zumindest teilweise reflektierende Referenzspiegelfläche im Common-path-Strahlengang zugeordnet, die zur Reflexion der zumindest näherungsweise gut fokussierten Referenzwellen aller Wellenlängen dient. Der Referenzstrahlengang ist achromatisch ausgebildet. Das bedeutet, dass der dispersive Teil des Fokussier-Systems vorzugsweise gut achromatisiert sein muss. Dieser Ansatz ist sehr kompakt und volumensparend, ist jedoch für eine eher geringere Anzahl von Schichten und für eine eher nicht extrem hohe numerische Apertur wegen der Probleme mit der Eliminierung der sphärischen Aberration im Common-path-Strahlengang sowohl für Objekt- als auch Referenz geeignet. Beispielsweise kann hierbei ein Optimum für nur 16 Schichten im Speichervolumen und eine numerische Apertur von etwa 0,55 gegeben sein.
Bei Ausbildung eines diffraktiv-optischen Systems mit einer, zwei oder mehr Zonenlinsen zur chromatischen Längsaufspaltung in einer vergleichsweise großen Pupille des Fokussier- Systems, die vorzugsweise in der Fourier-Ebene desselben angeordnet ist, kann auch eine höhere numerische Apertur als 0,55 für das Fokussier-System erreicht werden. In diesem Fall muss jedoch mittels diffraktiv-optischen Systems in der Pupille für den chromatischen Strahlengang eine hinreichend gute Korrektur der sphärischen Aberration, auch als Öffnungsfehler bekannt, erfolgen - und dies für den gesamten genutzten Spektralbereich. Dabei bilden sich durch die vorbestimmt erzeugte chromatische Längsaberration, beziehungsweise die chromatische Tiefenaufspaltung, die Foki in unterschiedlichen Tiefen des Speichermediums aus, wobei für jeden Fokus jeder beliebigen Wellenlänge im genutzten Spektralbereich, die sphärischen Aberration ein Minimum aufweist, so dass für den Fokusfleck in jeder vom Design des Abtastsystems berücksichtigten Tiefe des Speichermediums in guter Näherung eine beugungsbegrenzte Abbildung besteht.
Weiterhin wird im optischen System mittels bündelbegrenzender Mittel stets eine konfokale Diskriminierung für die aus dem Speichermedium kommenden Wellenfronten durchgeführt, um Übersprechen von anderen Schichten zu vermeiden. Das kann durch das Ende einer Monomode-Faser oder Mikroblenden geschehen.
Weiterhin werden vorzugsweise bei dem erfinderischen, interferometrischen, konfokalen Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher Wavelets erzeugt, die in ihrer Form und Frequenz beeinflusst sind, indem in mindestens einem Arm des Interferometers der optische Gangunterschied wellenlängenabhängig gemacht ist. Dies ist von großem Vorteil für eine schnelle Auswertung der Wavelets auf der Spektrometerachse, insbesondere dann, wenn sehr viele Schichten in der Tiefe auszuwerten sind. In diesem Fall ändert sich bei einem Interferometer ohne wellenlängenabhängige Gangunterschiedsanpassung die Form und Frequenz der Wavelets wegen dem vergleichsweise großen Tiefenbereich vergleichsweise stark, beispielsweise um mehr als 500 μm. Dies kann zu einer für die schnelle Auswertung ungeeignet großen Variation der Frequenz der Wavelets führen. Die Spektrometerzeile müsste dann Sensorelemente mit variablem Abstand aufweisen oder es wird eine sehr große Anzahl von Sensorelemente benötigt, die wiederum eine extrem schnelle Auswertung aufwendiger machen. Die Wellenlängenabhängigkeit über dem Gangunterschied wird so eingestellt, dass diese mit der jeweiligen Wellenlänge eine sich insgesamt wenig ändernde Variation der Frequenz der Wavelets auf der Spektrometerachse, beziehungsweise Spektrometerzeile ergibt. Beispielsweise werden vorzugsweise so jeder Periode unter der Einhüllenden des Wavelets, 3 bis 6 Sensorelemente zugeordnet. Bei einer Sub-Nyquist-Aus- wertung und einem im Interferometer optimierten wellenlängenabhängigen Gangunterschied können auch vorzugsweise rechnerisch 4/3 Sensorelemente jeder Periode unter der Einhüllenden des Wavelets zugeordnet sein, was zu einer vergleichsweise geringen Anzahl von Sensorelementen führt. Dabei sollten jedoch die Sensorelemente einen Füllfaktor in Richtung der Spektrometerachse von höchstens 50% aufweisen, um eine hohe Signalmodulation zu erreichen, was eine nicht effiziente Nutzung der eingesetzten Lichtenergie bedeutet.
Weiterhin werden beim erfinderischen interferometrischen, konfokalen Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, vorzugsweise Wavelets mit Formund Frequenzanpassung erzeugt. Dies bedeutet: Für Licht unterschiedlicher Wellenlängen muss ein unterschiedlicher optischer Gangunterschied im Interferometer erzeugt werden. Deshalb ist mindestens in einem Arm des Interferometers der optische Gangunterschied vorbestimmt wellenlängenabhängig gemacht. Vorzugsweise ist dabei im Referenzarm des Interferometers der optische Gangunterschied wellenlängenabhängig und vorzugsweise rechnergesteuert einstellbar gemacht. So erfolgt eine Anpassung der Frequenz und gegebenenfalls auch der Form der Einhüllenden der Wavelets über der Wellenlänge, also auf der Spektrometerzeile und erleichtert damit technisch die extrem schnelle Erkennung und Auswertung der Wavelets. Ziel ist hierbei eine möglichst geringe Variation der Frequenz der Wavelets. Diese vorbestimmte Einstellung der Abhängigkeit des optischen Gangunterschiedes von der Wellenlänge kann somit das axiale Nachstellen des Retroreflektors beim Wechsel des auszulesenden Schichtenpaketes vollständig überflüssig machen.
Die Einstellung der Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge kann im Interferometer mittels Dispersion, aber auch mittels Diffraktion oder mittels einer Kombination von beiden erzeugt werden. Die kann gleichzeitig in beiden Merferometer- armen oder auch nur in jeweils einem verursacht werden, wobei auch das optische Abbildungssystem bereits etwas Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge einbringen kann, jedoch in der Regel in eher geringer Größe.
Weiterhin ist es auch vorzugsweise möglich, dass die Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge im umgekehrten Sinne wie vorab beschrieben einzusetzen und zwar so, dass sich für die Wavelets auf der Wellenlängenachse eine - vorzugsweise mittels FFT - charakteristische und gut auswertbare Verschiebung der Mittenfrequenz der Wavelets ergibt, also der Änderung der Mittenfrequenz der Wavelets von einem Wavelet zum nächsten. Diese veränderte Mittenfrequenz wird erfindungsgemäß dazu benutzt, vorzugsweise die Identität eines Wavelets zweifelsfrei zu erkennen. Diese Applikation wird jedoch eher für spezielle Anwendungen als vorteilhaft angesehen. Dabei wird vorzugsweise eine - durch die Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge gezielt mitinduzierte - stetig fallende oder stetig steigende Mittenfrequenz der Wavelets erzeugt. Diese Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge beruht auf der Grundlage der Dispersion und/oder Diffraktion in mindestens einem der beiden Arme des Zweistrahl-Interferometers. Da die Frequenzvariation bei effizienter Nutzung der Sensorelemente wegen des Abtast-Theorems in der Regel nur in einem eher begrenzten Rahmen möglich ist, es sei denn bei Anwendung von Sub-Nyquist- Verfahren, wird dieser Ansatz eher für eine begrenzte Anzahl von Schichten und damit auszuwertenden Wavelets eingesetzt werden können. Mit der schnellen Bestimmung der mittleren Frequenz der Wavelets, beispielsweise mittels FFT-Prozessoren, können auch Trends im Gesamtsystem, beispielsweise Abstandsänderungen der Fokussieroptik zum Volumenspeicher oder Variationen des Schichtabstandes, sehr gut erkannt und damit auch korrigiert werden.
Es ist aber auch möglich, das erfinderische, interferometrische, konfokale Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, vorzugsweise bei einem rotierenden dünnen Low-cost-Plattenspeichers mit vorzugsweise nur einer einzigen datentragenden Schicht anzuwenden und nur die Robustheit gegenüber Änderungen der Tiefenposition der datentragenden Schicht zu nutzen. Der Einsatz wird hier, insbesondere auch bei elektronischen Spielwaren und zur optoelektronischen Kennzeichnung von Produkten gesehen. Auf einen Axial-Scan des Fokussiersystems kann hier durch die Anwendung der Erfindung vollständig verzichtet, da für jede Tiefenposition ein abtastender Fokusfleck zur Verfügung steht. Die Änderungen der Tiefenposition können hierbei beispielsweise durch eine wellige Topografie der Oberfläche dieses Low-cost- Plattenspeichers, oder durch ein Taumeln des Plattenspeichers infolge einer schlechten Wälzkörperlagerung oder auch durch eine etwas wellige Datenschicht hervorgerufen sein. Die Variation der Tiefenposition der datentragenden Schicht kann dann auf der Spektrometerachse zu einem „springenden Wavelet", welches jedoch mittels schneller Prozessoren in einem vergleichsweise großen Bereich sicher erfasst werden kann. Das Speichermedium kann eine dünne, beispielsweise aufgeklebte Kunststofffolie sein, die beispielsweise in einer Tiefe von etwa 20 μm ausgelesen wird. Bei Anordnung von strichförmigen Datenpits auf der datentragenden Schicht kann der Lateral-Scan zum Auslesen des Speichers gegebenenfalls auch von Hand erfolgen, wobei der Scanner vorzugsweise mechanisch auf die Kunststofffolie aufgesetzt wird. Im Regelfall kann das Auslesen von strichförmigen Datenpits jedoch durch einen opto-mechanischen lD-Lateral-Scanner, vergleichbar einem Strichcode-Scanner, erfolgen. Als Lichtquelle kann bei dieser Applikation eine SLD eingesetzt werden, die beispielsweise bei etwa 700 nm eine spektrale Halbwertsbreite von 50 nm bis 100 nm aufweisen kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine interferometrische, konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere zum Beschreiben und/oder Lesen optischer Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, im Auflicht oder auch im Durchlicht mit einem Interferometer und mit einer Multiwellenlängen-Quelle elektromagnetischer Strahlung oder einer Vielzahl von Multiwellenlängen-Quellen und mit mikroskopischer Abbildung des Inneren des Volumenspeichers mittels Fokussier-Systems, welches im interferometrischen Strahlengang angeordnet ist, auf einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer Strahlung wird erfindungsgemäß das Interferometer mit einer chromatisch-konfokalen Anordnung im Abbildungsstrahlengang des Fokussier-Systems gekoppelt, wobei dem gerasterten Empfänger ein Spektrometer vorgeordnet ist. Dabei sind im Referenzstrahlengang keine chromatisch-konfokalen Komponenten angeordnet. In anderen Worten ist der Referenzstrahlengang bevorzugt frei von chromatisch-konfokalen Komponenten. Dabei ist das Interferometer vorzugsweise als Zweistrahl- Interferometer ausgebildet.
Geht man von einer Separierung der Datenschichten in der Tiefe des Speichermediums, um das Übersprechen zu minimieren, beispielsweise vom Wert der zehnfachen Halbwertsbreite FWHM des konfokalen Signals aus, welches bekannterweise aus der jeweiligen Wellenlänge λ und dem Aperturwinkel α der numerischen Apertur sin α des Fokussier-Systems mit der Gleichung (2) für den Brechungsindex n folgt
FWHM = °A5λ , (2)
«(1 - cos(α)) ergibt sich bei Fokussier-Systemen mit einer hohen numerischen Apertur NA > 0,65, und bei elektromagnetischer Strahlung im VIS-Bereich eine Separierung der Datenschichten in der Tiefe in der Größenordnung von 10 μm. Dies kann bereits genügen, um das bekannte Übersprechen weitgehend auszuschließen. Das absolute Minimum für den Schichtenabstand kann etwa bei 3 bis 5 Halbwertsbreiten des konfokalen Signals, s. a. Gleichung (2) liegen, was im blauen oder violetten Spektralbereich, einschließlich des UV-Bereiches, Schichtabstände von wenigen Mikrometern ermöglichen kann. Jedoch muss dies auch stets im Zusammenhang mit der eingesetzten Algorithmik zur Auswertung der optischen Daten und den dabei einzuhaltenden sehr kleinen Fertigungstoleranzen des Speichermediums betrachtet werden.
Bei einer Separierung der Datenschichten in der Tiefe von näherungsweise 10 μm sind beispielsweise 16 Schichten in einem Tiefenbereich des Speichermediums von näherungsweise 0,2 mm bei einem Fokussier-System mit einer numerischen Apertur von näherungsweise 0,7 bei Nutzung des VIS-Bereiches unterzubringen. Der Abstand der Schichten kann dabei durchaus über der Tiefe etwas variabel ausgebildet sein.
Dabei müssen folgende Bedingungen für die Generierung zuverlässig auswertbarer Signale eingehalten sein:
1. Der Abstand des Fokussier-Systems zur optischen Grenzfläche des Speichermediums sowie der Brechungsindex und die Dispersion des Speichermediums sind eng toleriert. 2. Das optische Design des Fokussier-Systems ist im Hinblick auf das eng tolerierte Speichermedium vorzugsweise so durchgeführt, dass bei der Ausbildung von Fokusflecken jeder Wellenlänge der für die Auslesung genutzten elektromagnetischen Strahlung im Speichervolumen die sphärische Aberration hinreichend klein gemacht ist, damit in jeder Tiefe des Speichermediums reflektierte oder gestreute fokussierte elektromagnetische Strahlung eine hinreichend gering aberrierte Wellenfront liefern kann, die dadurch mit einer im Merferometer kohärent erzeugten Referenzwelle zur signaltechnisch hinreichend gut auswertbaren Interferenz gelangen kann.
Bei hinreichend kleiner sphärischer Aberration im Fokussier-System für alle genutzten Wellenlängen kann ein hinreichend gut moduliertes Interferenzsignal auch für alle - jeweils zumindest näherungsweise entlang einer Geraden in der Tiefe des Speichermediums durch chromatische Tiefenaufspaltung separierten — Fokusflecken, die reflektiert oder gestreut werden, gebildet werden. Die zumindest näherungsweise Eliminierung der sphärischen Aberration für alle genutzten Wellenlängen ermöglicht die Überwindung des bekannten Problems des recht stark begrenzten Auslesetiefenbereiches von beispielsweise nur +/- 100 μm bei hochaperturigen Fokussier-Systemen, z. B. bei einer numerischen Apertur von 0,55 und einer Wellenlänge des Lichts von 780 nm aufgrund der sphärischen Aberration ohne die Nutzung aktiver Optik. Das unkompensierte System ermöglicht das Auslesen von nur etwa 10 Schichten.
Bei dem erfinderischen Ansatz ist vorzugsweise also für jede Wellenlänge die sphärischen Aberration schon durch das Design des chromatisch längsaufspaltenden Fokussier-Systems hinreichend klein gemacht, so dass ein hinreichend großer Auslesetiefenbereich erreichbar ist. Dieser kann beispielsweise +/- 300 μm bei einer numerischen Apertur von 0,7 betragen, wodurch im VIS-Bereich durchaus 32 Schichten gleichzeitig und mit hoher Zuverlässigkeit ausgelesen werden können.
Beim Einsatz einer Weißlicht-Kontinuums-Quelle, beispielsweise ein Weißlicht-Kontinuums- Laser, und einer Sensorzeile mit einer hohen Anzahl von Sensorelementen, deren Sensorelemente parallel und damit sehr schnell ausgelesenen werden, kann die Forderung nach der genauen Abstandspositionierung des Abtastkopfes etwas entschärft werden, da in jedem Fall ein Pit oder Dot einer bestimmten Datenschicht von einem Fokusfleck getroffen wird, auch wenn die Wellenlänge des jeweils zumindest näherungsweise beugungsbegrenzten Fokusflecks für diese Datenschicht oder Tiefe dadurch etwas variieren kann. Die Wellenlänge des Fokusflecks ist also innerhalb bestimmter Grenzen gleitend. Das verbessert jedoch die Robustheit der Datengewinnung gegenüber Fertigungstoleranzen des Speichermediums und gegenüber Vibrationen erheblich.
Die Auswertung des Ihterferenzsignals erfolgt vorzugsweise mittels eines Gitter- Spektrometers mit vorzugsweise mindestens einer sehr schnellen Fotodiodenzeile, die im Mikrosekundenbereich oder auch im Sub-Mikrosekundenbereich auswertbare Signale liefern kann und eine hohe Sensitivität aufweist. Bei einer hinreichend starken Lichtquelle kann vorzugsweise auch eine schnelle CMOS-Zeilenkamera eingesetzt werden. Dabei stellt der Zeilensensor, also die spektrale Achse, die λ-Achse dar, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung darstellt. Der Chip der Fotodiodenzeile oder auch der CMOS- Zeilenkamera kann auch eine Intelligence-on-Chip-Funktionalität aufweisen. Mir einem Parallelzugriff auf die einzelnen Sensorelemente kann so mittels festverdrahteten Prozessoren eine extrem schnelle Auswertung der Spektren, also hier der Wavelets, durchgeführt werden.
Für jede Tiefe einer Datenträgerschicht im Speichermedium oder für jeden beliebig tief liegenden Dot innerhalb des auswertbaren Bereiches des Speichermediums gibt es also Licht einer genau passenden Wellenlänge, das genau dort einen Fokus bildet, so dass sich stets ein zumindest näherungsweise beugungsbegrenzter Fokusfleck ausbilden kann, wobei die Wellenlänge des Lichtes etwas variieren kann. Genau in diesem Wellenlängenbereich entsteht auf diesem Zeilensensor jeweils ein Wavelet, wobei die genau passende Wellenlänge zumindest näherungsweise die Schwerpunktwellenlänge des Wavelets bildet. Im Minimum genügen drei Sensorelemente mit geeignetem lateralen Abstand, um die Existenz eines Wavelet mit zumindest näherungsweise bekannter Frequenz zu erkennen. Besser ist es jedoch, vier bis acht Sensorelemente geeigneten lateralen Abstandes zu verwenden, um die Existenz eines Wavelets mit zumindest näherungsweise bekannter Frequenz sicher zu erkennen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Phasendifferenz zwischen zwei - von direkt benachbarten Sensorelementen - abgetasteten Bereichen des Wavelets zumindest näherungsweise 90 Altgrad beträgt.
Bei nicht so eng toleriertem Abstand des Tastkopfes, wobei damit als Folge auch eine gleitende Mittenwellenlängen der Wavelets auftritt, gibt es vorzugsweise mindestens eine, in der Regel mehrere unstrukturierte und reflektierende Referenzschicht im Speichermedium, beispielsweise auf dem Grund desselben, um die Zuordnung der Wavelets zu den einzelnen Schichten sicher zu ermöglichen. Andererseits kann auch ein Datenspeicher mit einer großen Anzahl von Speicherplatten aufgebaut werden, wobei jeder Seite einer Platte vorzugsweise jeweils ein vollständiges Fokussiersystems zugeordnet ist. Dies ist durch die Anwendung der Erfindung besonders einfach, da dadurch auf den Axial-Scan im Fokussiersystem verzichtet werden kann.
Bei einer interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, kann die diffraktiv-optische Zonenlinse in der Pupille in der abgewandten Brennebene des Fokussierobjektivs angeordnet sein. Damit ist die numerische Apertur des Lichtes aller Wellenlängen gleich. Die Pupille kann aber auch für längerwelliges Licht durch ein chromatisches Filter mit radialer Abhängigkeit, auch als chromatische Apodisation bekannt, etwas größer gemacht sein, da so die beugungsbegrenzte laterale Ausdehnung für Foki längerwelligen Lichts der des kürzerwelligen Lichts angeglichen werden kann.
Als Weißlichtquelle wird beispielsweise ein Weißlicht-Kontinuums-Laser oder es werden eine oder mehrere fasergekoppelte Superlumineszenz-Dioden eingesetzt.
Weiterhin ist vorzugsweise mindestens eine zusätzliche Referenzschicht im Speichermedium angeordnet. Diese dient zur eindeutigen räumlichen Strukturierung des Speichervolumens in der Tiefe bei der Abtastung mit etwas gleitender Wellenlänge infolge eines nicht sehr eng tolerierten Abstandes des optischen Abtastkopfes zur Oberfläche des Speichermediums oder durch Fertigungsungenauigkeiten des Speichermediums.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, dem Interferometer vorzugsweise ein fasergekoppeltes Zeilen-Spektrometer nachgeordnet.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, vorzugsweise mindestens ein optisches Element im kollimierten Referenzstrahlengang mit dispersivem Material angeordnet. Dies ermöglicht eine Gangunterschiedsanpassung zur Anpassung der Frequenz der Wavelets über der Wellenlänge und kann das axiale Nachstellen des Retroreflektors beim Wechsel des Schichtenpaketes überflüssig machen.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, das optische Element mit dispersivem Material im kollimierten Referenzstrahlengang vorzugsweise als eine Planparallelplatte ausgebildet.
Weiterhin kann vorzugsweise bei der erfmdungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, im kollimierten Referenzstrahlengang ein Diffraktionsmodul mit Gittern angeordnet sein.
Weiterhin kann vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, das Diffraktionsmodul mittels zwei oder auch vier baugleicher und sämtlich parallel zueinander angeordneter Phasengitter aufgebaut sein. Diese Phasengitter können als Phase-mostly SLMs ausgebildet sein. Diese SLMs sind vorzugsweise in ihren Gitterparametern elektronisch steuerbar ausgebildet.
Vorteilhaft kann der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, die Einhaltung folgender erster Bedingung sein:
Der mittlere optische Gangunterschied im Referenzarm eines Interferometers soll vorzugsweise so eingestellt sein, dass sich - beim Auftreffen eines Bündels mit der Wellenlänge λ+ Δλ auf ein Reflexionselement der Datenschicht - eine Änderung der Phase von zumindest näherungsweise π/2 ergibt im Vergleich zu einem Bündel mit der Wellenlänge λ, welches auf dasselbe Reflexionselement trifft, wobei das Licht mit der Wellenlänge λ+ Δλ vom benachbarten Sensorelement des Spektrometers detektiert wird. So kann eine Periode des Wavelets unter der Einhüllenden bereits mit vier Sensorelementen recht gut abgetastet werden und die Signalamplitude bestimmt werden. Diese Einstellung des optischen Gangunterschiedes kann beispielsweise mittels axial verschiebbaren Retroreflektors im Referenzarm des Interferometers erfolgen.
Weiterhin soll hierbei vorzugsweise die folgende zweite Bedingung für ein Fokussier-System mit hoher numerischer Apertur gelten:
Der Fokus, der von einer Wellenlänge λ+Δλ im Speichermedium gebildet wird, wobei Δλ das vom Spektrometer aufgelöste Spektralelement darstellt, sollte vorzugsweise im Speichermedium zu einer Verschiebung der Fokusposition in der Tiefe von nλ/30 im Minimum und maximal von nλ/3 führen, wobei n den Brechungsindex des Speichermediums darstellt. Damit ist gewährleistet, dass genügend Sensorelemente ein moduliertes Signal unter der Einhüllenden eines jeden Wavelets delektieren können, wobei diese Abschätzung stets auch im Zusammenhang mit der Halbwertsbreite des konfokalen Signals und dem Schichtabstand sowie der Anzahl der verfügbaren Sensorelemente des Spektrometers gesehen werden muss. Weiterhin sollte Δλ aus energetischen Gründen möglichst nicht weit unter 0,05 im gewählt werden.
Für Lichtbündel mit der Wellenlänge von λ = 600,0 nm und einem Gangunterschied Δx von 450 μm im Merferometer ergibt sich mit Gleichung (3)
φ = 2π -~ . (3)
A eine Phasendifferenz φ von 1500 π. Das Sensorelement i des Spektrometers bei der Wellenlänge 600,0 nm detektiert also ein Interferenzsignal mit dem variablen Phasenterm φi von 1500 π. Das Spektrometer soll 0,2 nm auflösen, d. h. zwei benachbarte Sensorelemente i und i+1 detektieren Licht von Wellenlängen, das sich um 0,2 nm in der Wellenlänge unterscheidet. Für ein Lichtbündel mit der Wellenlänge von λ = 599,8 nm folgt nun ein Interferenzsignal mit einer Phasendifferenz φ von 1500,5 π, so dass das benachbarte Sensorelement i+1, welches das Interferenzsignal mit der Wellenlänge von λ = 599,8 nm detektiert, nun einen Signalwert registriert, der um π/2 oder 90 Altgrad gegenüber dem des Sensorelementes i verschoben ist. Über der Wellenlängenachse des Spektrometers entsteht so ein Wavelet, wobei in diesem Beispiel zwei benachbarte Sensorelemente i und i+1 Signale mit einer Phasendifferenz von π/2 oder 90 Altgrad erfassen.
Geht man davon aus, dass beispielsweise etwa 1.00 bis 200 Sensorelemente zur lückenlosen Erfassung des Abstandes zwischen zwei Schichten — entsprechend zwei Wavelets auf der Spektrometerzeile oder Wellenlängenachse, benötigt werden, beispielsweise hier 120 Sensorelemente angenommen, können mit etwa 1000 Sensorelementen 8 Schichten gleichzeitig und mit hoher Zuverlässigkeit ausgelesen werden. Dabei kann der Spektralbereich von 500 nm bis ca. 700 nm genutzt werden. Eine Erhöhung der Anzahl der ausgelesenen Schichten im sichtbaren Spektralbereich setzt auch eine Erhöhung der spektralen Auflösung voraus. Dies macht den Einsatz hinreichend starker, vorzugsweise fasergekoppelter Weißlichtquellen und hochempfindlicher Sensorelemente erforderlich.
Der Schichtenabstand sollte bei einer numerischen Apertur des Fokussier-Systems von mindestens 0,5 beispielsweise so gewählt werden, dass bei einem zumindest näherungsweise beugungsbegrenzten Fokusfleck auf einer Schicht, das zugehörige Bündel auf der direkt benachbarten Schicht mindestens einen Durchmesser aufweist, der dem Fünf- bis Zehnfachen des beugungsbegrenzten Fokusflecks entspricht.
Die Brennweite des Fokussier-Systems ist in weiten Grenzen frei wählbar. Je größer die Brennweite gemacht ist, umso geringer ist die - für einen bestimmten Tiefenbereich - durch die Diffraktion aufzubringende Brechkraft. Grundsätzlich einfacher ist es deshalb, das Fokussier-System mit nicht zu kurzer Brennweite zu gestalten. Das führt jedoch andererseits zu einem großen Durchmesser des Fokussier-Systems und damit großem Bauvolumen.
Ein Speichervolumen von einem TeraByte setzt eine doppelseitige Nutzung der erfindungsgemäßen Speicherplatte und eine entsprechende laterale Ausdehnung dieser Speicherplatte voraus, die dabei etwa den Durchmesser einer Standard-DVD aufweisen kann. Andererseits kann das Speichervolumen einer üblichen DVD auf einer im Durchmesser zu dieser deutlich kleineren erfindungsgemäßen Volumen-Speicherplatte untergebracht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine chromatisch-konfokale Anordnung zum Schreiben für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, im Auflicht oder auch im Durchlicht mit zumindest einer Multiwellenlängen-Quelle elektromagnetischer Strahlung gekennzeichnet dadurch, dass zumindest eine chromatisch-konfokale Komponente im Abbildungsstrahlengang des Fokussier-Systems angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Datenspeichern, insbesondere von Terabyte Datenspeichern bzw. die Verwendung eines Datenspeichers zum Speichern von Daten, insbesondere im Terabytebereich.
Insbesondere betrifft dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Datenspeichers zum Speichern von Daten, insbesondere im Terabytebereich, mittels der erfindungsgemäßen interferometrischen konfokalen Anordnung.
Bevorzugt wird der Datenspeicher mit einem chromatisch-konfokalen Schreibkopf und/oder mit einem fasergekoppelten Multiwellenlängen-Laser- und/oder einer fasergekoppelten und/oder schaltbaren Multi-Superlumineszenz-Dioden-Lichtquelle in mehreren Schichten gleichzeitig und/oder in einem großen Tiefenbereich im unstrukturierten Speichervolumen beschrieben.
Erfindungsgemäß können Volumenspeicher vorzugsweise mit einem cliromatisch-konfokalen Schreibkopf mit einem vorzugsweise fasergekoppelten Multiwellenlängen-Laser- oder einer vorzugsweise fasergekoppelten und gegebenenfalls auch schaltbaren Multi-Superlumi- neszenz-Dioden-Lichtquelle in mehreren Schichten gleichzeitig, bzw. auch in einem großen Tiefenbereich im unstrukturierten, „optisch-brennbaren" Speichervolumen beschrieben werden. Dieses „optische Brennen" erfolgt vorzugsweise mittels schneller optischer Schalter, die im Schreibvorgang das Spektrum der Schreibstrahlung sehr schnell anpassen. Optische Schalter können beispielsweise Filter mit variierbarem Absorptionskoeffizient sein. Beispielsweise kann ein Filter elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und der Absorptionskoeffizient für diese Wellenlänge gesteuert werden. Alternativ kann der Filter auch elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich absorbieren und über den gesamten Wellenlängenbereich einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, welcher insbesondere schnell variiert werden kann. Es ist auch möglich, daß der Filter für den ganzen Wellenlängenbereich verschiedene Absorptionskoeffizienten aufweist, d.h. der Filter verschiedene Wellenlängen unterschiedlich absorbiert. Die einzelnen Absorptionskoeffizienten können unabhängig voneinander oder miteinander variiert werden. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung und/oder durch einen Stromfluß geschehen. In anderen Worten kann die Absorption des Filters durch Anlegen einer Spannung und/oder durch einen Stromfluß gesteuert bzw. geregelt werden. Optische Schalter können auch Strahler monochromer elektromagnetischer Strahlung oder Mulitwellenleängenstrahler sein. Beispielsweise kann die Wellenlänge der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung variiert werden kann. Es kann auch die Intensität der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung geändert werden. Insbesondere kann sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung variiert werden.
Im unstrukturierten Speichervolumen können beispielsweise so „optisch-gebrannte" Dots erzeugt werden, die beim Lesen gut detektierbare Mikrostreuer in einem transparenten, beispielsweise auch anorganischen Speichermedium darstellen, das in hohem Maße langzeitstabil ist.
Die gesamte Tiefe des Speichervolumens kann also mittels chromatisch-konfokaler Technik in einem oder mehreren Vorgängen beschrieben werden.
Es sind auch andere Techniken zur Herstellung von optischen Vielfachschichten- bzw. Multilayer-Datenspeichern einsetzbar, die beispielsweise auf einer sukzessiven schichtenweisen Herstellung des Volumenspeichers basieren. Die dafür einsetzbaren Techniken zur Herstellung stehen jedoch hier nicht im Vordergrund.
Beschreibung der Figuren 1 bis 4
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben.
Auf die Darstellung von Dots und/oder Pits sowie Reflexionsschichten durch Brechzahlunterschiede, die allein zur räumlichen Strukturierung des Speichervolumens für ein oder mehrere Referenzsysteme dienen, wird hier verzichtet.
Zu Figur 1: Das von einem vergleichsweise starken Kontinuums-Weißlichtlaser Ia ausgehende Licht gelangt über eine Lichtleitfaser 2 und einen x-Koppler 33, als Teillicht über ein Faserstück 2a und über eine Grinlinse 4 zur Kollimierung des Lichtbündels auf eine diffraktiv-optische Zonenlinse 5 mit in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge variabler negativer Brechkraft in der ersten Beugungsordnung, so dass diese als Zerstreuungslinse wirkt. Das chromatisch aufgespaltete Licht gelangt auf ein gut chromatisch korrigiertes Mikroobjektiv 12b.
Durch die wellenlängenabhängige Brechkraft der diffraktiven lichtzerstreuenden Zonenlinse 5 führt dies für das Lichtbündel nach dem Mikroobjektiv 12b zu einer chromatischen Längsaufspaltung, wobei hier die Foki des langwelligen Lichts am Weitesten vom Mikroobjektiv 12b entfernt sind.
Dem Mikroobjektiv 12b ist in Lichtrichtung das optische Speichermedium 108 mit einer Vielzahl von Datenschichten übereinander nachgeordnet, beispielsweise auch mit der Datenschicht 109. Das optische Speichermedium soll hierbei mit der Umfangsgeschwindigkeit v rotieren. Auch für diese Datenschicht 109 gibt es genau ein Lichtbündel B_109, welches eine genau bestimmte Wellenlänge aufweist und einen scharfen Fokus auf der Datenschicht 109 ausbildet. Dieser Fokusfleck wird entweder an der Datenschicht 109 wenigstens teilweise reflektiert oder durch ein Daten-Pit mit einer Vertiefung von einer Viertelwellenlänge in bekannter Art ausgelöscht. Im Fall der Reflexion gelangt das Lichtbündel B_109 über das Mikroobjektiv 12b und über die diffraktiv-optische Zonenlinse 5, wobei das Lichtbündel B_109 die Zonenlinse 5 genau in derselben ersten Beugungsordnung passiert wie im Hinlauf, über die Grinlinse 4 auf das Ende der Faser 2a, welches die konfokale Diskriminierung realisiert, wodurch Licht des Lichtbündel B_109, welches beispielsweise an einer über oder unterhalb der Datenschicht 109 liegenden Schicht reflektiert wird, nahezu vollständig gesperrt wird und somit das Übersprechen stark reduziert wird. Das konfokal diskriminierte Licht kann also wieder in die Faser 2a eintreten. So wird jede Datenschicht im Speichermedium 108 von einem Lichtbündel passender Wellenlänge optisch zumindest näherungsweise beugungsbegrenzt abgetastet und konfokal diskriminiert. Damit tritt das Licht in „Spektralpaketen" in die Faser 2a ein, da Licht aus dem Bereich des Speichermediums 108, wo sich gerade keine Datenschicht befindet, jedoch sich auch ein beugungsbegrenzter Fokusfleck befindet, keinen Fokus auf dem Ende der Faser 2a ausbilden kann und das Licht dieser Wellenlänge nahezu vollständig durch die konfokale Diskriminierung unterdrückt wird. Das in die Faser 2a eintretende Licht passiert den x- Koppler 33 in Richtung der Auskoppelfaser 9. Das Referenzbündel R, welches im Referenzstrahlengang in der Faser 2b nach Austritt aus derselben und Kollimation am Kollimator 116 und nach Reflexion am Tripelspiegelreflektor 115 entsteht, passiert den x- Koppler 33 ebenfalls in Richtung der Auskoppelfaser 9. Referenzlicht und Licht aus dem Speichermedium 108 gelangen nach dem Durchsetzen der Auskoppelfaser 9 auf ein hochempfindliches fasergekoppeltes Spektrometer 100 - wobei hier die zugehörige Abbildungsoptik des Spektrometers nicht dargestellt wurde -und auf eine hochempfindliche CMOS-Zeilenkamera 11 und kommen dort zur Interferenz. Dort wird das Spektrum des interferierenden Lichts ausgewertet. Die Auswertung erfolgt, indem die Größe der Signalamplitude des Wavelets in möglichst einfacher Art bestimmt wird, da die Frequenz des Wavelets zumindest näherungsweise bekannt ist. Dies kann im einfachsten Fall durch das Auswerten von einigen Sensorelementen erfolgen, die das Wavelet so abtasten, dass jeweils Signalwerte detektiert werden, die eine Viertel Periode verschoben sind. Die logische 1 oder die logische 0 werden mittels gleitender Triggerschwelle aus der Größe der Signalamplitude des Wavelets bestimmt. Die gleitende Triggerschwelle berücksichtigt die komplexe Situation der Signalentstehung, beispielsweise auch die Tiefe der Schicht und damit auch die auftretenden Lichtverluste.
Dabei ist der optische Gangunterschied im fasergekoppelten Interferometer mittels Tripelspiegelreflektors 115 so abgestimmt, dass dieser nur maximal einige 100 μm beträgt, jedoch nicht null ist. Die Auswertung kann andererseits auch mittels einer schnellen Fourier- Transformation (FFT) des Wavelets erfolgen.
Beim Wechsel des auszulesenden Schichtpaketes kann die CMOS-Zeilenkamera 11 auch lateral verschoben werden, damit diese nicht zu lang ausgebildet sein muss.
Zu Figur 2: Hierbei ist die diffraktiv-optische Zonenlinse 55 mit in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge variabler positiver Brechkraft in der ersten Beugungsordnung ausgebildet, so dass diese als Sammellinse wirkt. So bildet das langwelligere Licht die Foki in der minimalen Entfernung vom chromatisch gut korrigierten Mikroobjektiv 12b aus. Im Referenzarm des Interferometers ist eine Dispersionsplatte 117 im kollimierten Strahlengang angeordnet, deren optische Dicke sich wegen des größeren Brechungsindexes des Plattenmaterials mit kürzerer Wellenlänge vergrößert. Dies kann zur gezielten Beeinflussung des optischen Gangunterschiedes in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Interferometer genutzt werden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Frequenz der Wavelets über der Wellenlänge gezielt zu beeinflussen und somit die unerwünscht starke Vergrößerung der Frequenz der Wavelets in Richtung kürzerer Wellenlängen erheblich zu verringern. In der Figur 2a ist ein Tripelprismenreflektor dargestellt, der damit dispersiv ist, um eine Abhängigkeit des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge zu ermöglichen.
Die Figur 2b stellt die Möglichkeit dar, mittels Diffraktion an vier Liniengittern 118, die als Phasengitter in paralleler Lage zueinander und hier senkrecht zur optischen Achse, ausgebildet sind, eine Variation des optischen Gangunterschieds über der Wellenlänge zu erzeugen, wobei hier das langwelligere Licht den größeren optischen Gangunterschied aufweist. Damit kann die diffraktiv-optische Zonenlinse 5 mit negativer Brechkraft ausgebildet sein, wodurch die Foki des langwelligeren Lichtes den größeren Abstand vom System aufweisen und damit auch bei Interferenz den größeren optischen Gangunterschied. Dieser größere optische Gangunterschied kann mittels der Gitteranordnung, bestehend aus vier Liniengittern 118, wenigstens zum Teil kompensiert werden. Zu Figur 3: Das von einer Weißlichtquelle 1 ausgehende Licht gelangt über eine Lichtleitfaser 2 und eine y- Weiche 3 und über ein Faserstück 2a über eine Grinlinse 4 zur Kollimier- ung des Lichtbündels auf eine diffraktiv-optische Zonenlinse 5 mit in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge variabler negativer Brechkraft, so dass diese als Zerstreuungslinse wirkt.
Das Lichtbündel wird an der diffraktiv-optischen Zonenlinse 5 in der nullten Beugungsordnung in einen Referenz- R und in der ersten Beugungsordnung in mehrere schwach divergierende Objektstrahlenbündel aufgespalten, so auch in ein Objektstrahlenbündel O_li. Dabei ist die nachfolgende Grinlinse 6 in ihrem geometrischoptischen Aufbau so abgestimmt, dass die Frontfläche 7 der Grinlinse 6, die als Referenzteilspiegel mit Strahlteilerschicht 7a wirkt, im Fokus des Bündels der nullten Beugungsordnung der diffraktiv-optischen Zonenlinse 5 liegt. Das an der Frontfläche 7 an der Strahlteilerschicht 7a reflektierte Teillichtbündel dient als Referenzbündel R. Das in der 1. Beugungsordnung die diffraktiv-optische Zonenlinse 5 passierende Teillichtbündel O_li durchsetzt die Frontfläche 7 der Grinlinse 6, welche die Referenzspiegelfläche darstellt, und gelangt in das Speichermedium 108. Durch die brechkraftvariable Wirkung der diffraktiv- optischen Zonenlinse 5 erfolgt in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge die Fokussierung des Objektstrahlenbündels in unterschiedlichen Tiefen des Speichermediums 108. Es besteht also eine chromatische Längsaberration oder Längsaufspaltung. Das aus dem Speichermedium 108 von der Datenschicht 109 rückreflektierte Licht passiert gemeinsam mit dem Referenzbündel R wieder die Grinlinse 6 und passiert die diffraktiv-optische Zonenlinse 5 wieder in der derselben Beugungsordnung wie im Hinweg und wird zum Objektstrahlenbündel O__l_li. Das an der Frontfläche 7, die als Referenzspiegelfläche wirkt, fokussierte Licht wird zum Teil reflektiert und passiert die diffraktiv-optische Zonenlinse 5 wieder in der nullten Beugungsordnung und wird zum Referenzstrahlenbündel R_0_0. So bestehen für die Schicht 109 zwei interferierende Bündel O_l_li und R_0_0, die auf das Ende der Monomodefaser 2 mittels Grinlinse 4 wieder fokussiert werden und in diese Monomodefaser 2 eintreten, wobei hier insbesondere für das Objektstrahlenbündel O l li eine konfokale Diskriminierung erfolgt. Nach dem Passieren der y- Weiche 3 gelangt das interferierende Licht über die Auskoppelfaser 9 auf ein Spektrometer 100 auf eine hochempfindliche CMOS- Zeilenkamera 11, die das entstehende Spektrum registriert. Dabei ist das Spektrum über der Wellenzahl moduliert - je nach den Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem optischen Gangunterschied am Objektpunkt - und bildet über der Wellenzahl ein Wavelet. Das auf der Zeilenkamera 11 entstehende Signal kann bei festem optischen Gangunterschied Δx in Abhängigkeit von der Wellenlänge λi mit folgender Gleichung (4) mit der Modulation m berechnet werden:
Figure imgf000032_0001
Der Wert Δx kennzeichnet den Wegunterschied der interferierenden Wellenpakete, die aus der nullten Ordnung und der ersten Ordnung stammen, wobei der Wegunterschied Δx wegen der Dispersion des Speichermediums etwas von der Wellenlänge abhängen kann.
Der Einfluss der konfokalen Blende auf das Signal wird über folgende Formel (5) bestimmt:
Figure imgf000032_0002
2
Mit NA wird die numerische Apertur des Lichtkegels am Objektpunlct bezeichnet und z gibt die Tiefe an.
Mit dieser Anordnung kann mit hoher Sicherheit das Vorhandensein eines Datenpits erkannt werden, indem durch Auswertung des Spektrums ermittelt wird, ob ein Wavelet oder kein Wavelet entstanden ist, wobei kein Wavelet die Existenz eines Datenpits bedeutet.
Im Spektrometer 100 ist die spektrale Auflösung mindestens so hoch zu wählen, dass das von einem Element der Zeilenkamera 11 überdeckte Spektralintervall oder Wellenlängenmkre- ment Δλ bei der Wellenlänge λ klein genug ist, damit die Kohärenzlange 1, 1 = λ /Δλ , größer als der optische Gangunterschied Δx im Merferometer ist, damit Interferenz auftreten kann. Dieser optische Gangunterschied Δx beträgt bis zu mehreren 100 μm und kann je nach der spektralen Auflösung und photometrischer Empfindlichkeit des verwendeten Spektrometers größer oder kleiner gewählt werden.
Die Figur 4 stellt das Prinzip der erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Anordnung und des erfindungsgemäßen, interferometrischen, konfokalen Verfahrens mit integrierter chromatisch-konfokaler Tiefenaufspaltung dar. Es sind das Interferometer, das Objektiv 12b sowie das Speichermedium dargestellt. Auf der Spektrometerachse, also der λ- Achse, entstehen die Wavelets beim Vorhandensein von reflektierenden Bereichen im Speichervolumen 108 mit einer oberen Einhüllenden. Beim Vorhandensein eines Pits entsteht kein oder ein sehr schwaches Wavelet. Diese Einhüllende weist hier jeweils ein Maximum auf. Aus den Wavelets auf der Spektrometerachse werden mittels Datenverarbeitungseinheit die gewünschten digitalen Informationen gewonnen, hier jeweils die logischen Werte 0 und 1.
Dabei ist wichtig, dass stets Licht der Wellenlänge erkannt wird, also die Wellenlänge ermittelt wird, welches einen scharfen Fokus im Bereich der wellenoptischen Schärfentiefe ausbildet, der eine Datenschicht symmetrisch einschließt. Nur Licht dieser Wellenlänge kann eine logische Null mit hoher Zuverlässigkeit liefern.
Damit gibt es im Abtastsystem Licht bestimmter Wellenlängen, welches gerade digital weiterverarbeitet wird, also „digital weiter verarbeitetes Licht" und Licht bestimmter Wellenlängen, welches zu einem gegebenen Zeitpunkt gerade nicht weiterverarbeitet wird, also „digital nicht weiter verarbeitetes Licht".
Dabei kann sich durch Vibrationen der Übergang vom „digital weiter verarbeiteten Licht" zum „digital nicht weiter verarbeiteten Licht" sehr schnell ergeben. Mittels permanenter Ermittlung der Amplituden der Wavelets in der Umgebung von „digital weiter verarbeiteten Licht", also in der direkten Umgebung auf der Spektrometerachse, kann der Trend verfolgt werden. Am sichersten ist es jedoch, ständig die Amplituden aller Wavelets zu ermitteln, also stets alle Sensorelemente einer Spektrometerzeile auszuwerten.
Der Abstand zwischen den einzelnen Datenschichten sollte so gewählt sein, dass Licht, welches auf eine Datenschicht scharf fokussiert ist, von einer direkt benachbarten Datenschicht nicht wesentlich mehr reflektiertes Licht durch die konfokale Blende, beispielsweise hier ein Faserende, bringt, als von einem ein λ/4-Pit auf dem sich ein scharfer Fokus befindet, zurückkommen würde. Ein λ/4-Pit erzeugt ja die Auslöschung des eingestrahlten Lichts. Zu beachten ist stets, dass das Licht aus dem Speichervolumen nach der konfokalen Diskriminierung mittels Interferenz praktisch „verstärkt" wird. Durch die hohe spektrale Aufspaltung wird die Kohärenzlänge relativ groß, was somit auch kohärente Störungen ermöglichen kann. Die Anwendung der Interferenz macht aber auch die hohe Sensitivität des Verfahrens aus und gibt dadurch auch die Möglichkeit, mehr als 100 übereinander liegende Schichten in einem Volumen auszulesen.

Claims

Patentansprüche
1. Interferometrisches, konfokales Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere zum Schreiben und/oder Lesen optischer Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, im Auflicht oder auch im Durchlicht mit zumindest einer Multiwellenlängen-Quelle (1, Ia) elektromagnetischer Strahlung,
einem Interferometer und mit
mikroskopischer Abbildung des Inneren des Volumenspeichers mittels Fokussier-Systems auf einen gerasterten Empfänger (11) elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet dadurch, dass eine chromatisch-konfokale mikroskopische Technik, insbesondere eine herkömmliche, chromatisch-konfokale mikroskopische Technik mit einer spektralen Zweistrahl- Interferometrie, insbesondere einer herkömmlichen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie verfahrensmäßig verbunden wird, wobei
dem gerasterten Empfänger (11) ein Spektrometer (100) vorgeordnet ist und
im Interferometer bei einem optischen Gangunterschied ungleich null gearbeitet wird und
bei einem reflektierenden Bereich oder Dot im Speichermedium (108) mindestens ein Wavelet über der spektralen Achse des Spektrometers (100) erzeugt wird.
2. Interferometrisches, konfokales Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass durch chromatische Längsaberration, beziehungsweise chromatische Tiefenaufspaltung, in unterschiedlichen Tiefen des Speichermediums (108) Foki ausgebildet werden, wobei für jeden Fokus jeder beliebigen Wellenlänge im genutzten Spektralbereich, die sphärische Aberration zu einem Minimum gemacht ist.
3. Interferometrisches, konfokales Verfahren für optische Datenspeicher,, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass logische Abtastfenster, die aus den jeweils ein Wavelet auswertenden Sensorelementen des Spektrometers - also auf der Spektrometerachse - gebildet werden, im Auslesevorgang für auf der spektralen Achse driftende oder springende Wavelets diesen Wavelets hochdynamisch elektronisch nachgefühlt werden.
4. Interferometrisches, konfokales Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Signalamplitude von Wavelets zur Gewinnung digitaler Daten ausgewertet wird.
5. Interferometrisches, konfokales Verfahren für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass in mindestens einem Arm des Merferometers durch Dispersion und /oder Diffraktion der optische Gangunterschied vorbestimmt wellenlängenabhängig gemacht ist, um die Mittenfrequenz der Wavelets zu beeinflussen.
6. Merferometrische konfokale Anordnung zum Schreiben und/oder Lesen für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, im Auflicht oder auch im Durchlicht mit einem Interferometer und mit
zumindest einer Multiwellenlängen-Quelle (1, Ia) elektromagnetischer Strahlung und mit
mikroskopischer Abbildung des Inneren des Volumenspeichers mittels Fokussier-Systems, welches im interferometrischen Strahlengang angeordnet ist, auf einen gerasterten Empfänger (11) elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet dadurch, dass das Interferometer mit einer chromatisch-konfokalen Anordnung im Abbildungsstrahlengang des Fokussier-Systems gekoppelt ist, wobei
dem gerasterten Empfanger (11) ein Spektrometer (100) vorgeordnet ist und
im Referenzstrahlengang keine chromatisch-konfokalen Komponenten angeordnet sind.
7. Interferometrische konfokale Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Anordnung ausgelegt ist, daß im hiterferometer bei einem optischen Gangunterschied ungleich Null gearbeitet wird.
8. Interferometrische konfokale Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Anordnung ausgelegt ist, daß bei einem reflektierenden Bereich bzw. Dot im Speichermedium mindestens ein Wavelet über der spektralen Achse des Spektrometers erzeugt wird.
9. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Interferometer als Zweistrahl-hiterferometer ausgebildet ist.
10. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass im Fokussier-System mindestens eine diffraktiv-optische Zonenlinse (5, 55) angeordnet ist.
11. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die diffraktiv-optische Zonenlinse (5, 55) in der Pupille des Fokussier-Systems angeordnet ist, welche sich in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs (6, 12, 12b) befindet.
12. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Interferometer als fasergekoppeltes Interferometer ausgebildet ist.
13. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet dadurch, dass das Interferometer als Linnik-Interferometer oder als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.
14. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet dadurch, dass das Merferometer als Common-path-lhterferometer ausgebildet ist.
15. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass das Merferometer als Mirau-Interferometer ausgebildet ist.
16. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass das Interferometer als Fizau-Interferometer ausgebildet ist.
17. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 16, gekennzeichnet dadurch, dass dem Interferometer mindestens ein fasergekoppeltes Zeilen-Spektrometer (10, 11) nachgeordnet ist.
18. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 17, gekennzeichnet dadurch, dass ein Retroreflektor im Referenzstrahlengang des Interferometers in seiner axialen Position feinfühlig regelbar ausgebildet ist, um den optischen Gangunterschied im Interferometer stets etwas von null verschieden einzustellen im Bezug auf die Tiefe der Schichten eines ausgewählten Paketes.
19. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass der Retroreflektor als Tripelspiegelreflektor (116) ausgebildet ist.
20. ϊnterferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 19, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein optisches Element im Referenzstrahlengang mit dispersivem Material angeordnet ist.
21. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, dass das optische Element mit dispersivem Material im kollimierten Referenzstrahlengang als eine Planparallelplatte (117) ausgebildet ist.
22. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 19, gekennzeichnet dadurch, dass im kollimierten Referenzstrahlengang ein Diffraktionsmodul mit Gittern angeordnet ist.
23. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, dass das Diffraktionsmodul mittels zwei oder auch vier baugleicher und sämtlich parallel zueinander angeordneter Phasengitter (118) aufgebaut ist.
24. Interferometrische konfokale Anordnung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher, nach Anspruch 23, gekennzeichnet dadurch, dass die Phasengitter (118) als Phase-mostly SLMs ausgebildet und in ihren Gitterparametern elektronisch steuerbar ausgebildet sind.
25. Chromatisch-konfokale Anordnung zum Schreiben für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte- Volumenspeicher, im Auflicht oder auch im Durchlicht mit
zumindest einer Multiwellenlängen-Quelle (1, 1a) elektromagnetischer Strahlung
gekennzeichnet dadurch,
dass zumindest eine chromatisch-konfokale Komponente im Abbildungsstrahlengang des Fokussier-Systems angeordnet ist.
26. Verwendung eines Datenspeichers zum Speichern und/oder Lesen von Daten, insbesondere im Terabytebereich, mittels einer interferometrischen konfokalen Anordnung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 24 oder einer chromatisch-konfokalen Anordnung gemäß Anspruch 25.
27. Verwendung eines Datenspeichers zum Speichern und/oder Lesen von Daten, insbesondere im Terabytebereich, nach Anspruch 26, wobei der Datenspeicher mit einem chromatisch-konfokalen Schreibkopf und/oder mit einem fasergekoppelten Multiwellenlängen-Laser- und/oder einer fasergekoppelten und/oder schaltbaren Multi- Superlumineszenz-Dioden-Lichtquelle in mehreren Schichten gleichzeitig und/oder in einem großen Tiefenbereich im unstrukturierten Speichervolumen beschrieben wird.
28. Verwendung eines Datenspeichers zum Speichern und/oder Lesen von Daten insbesondere im Terabytebereich, nach Anspruch 26 oder 27, mittels schneller optischer Schalter, die im Schreibvorgang das Spektrum der Schreibstrahlung sehr schnell anpassen.
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