專利名稱：多層組合液晶光學存儲系統以及記錄和讀取信息的方法
技術領域：
本發明涉及一種逐坑或逐頁記錄和讀取信息的光學存儲系統，尤其涉及ROM，WORM，RW多層光學存儲系統以及它們與熒光讀取信息的混合。
背景技術：
現有光學存儲系統利用具有一個或兩個信息層的二維數據載體。光學數據記錄的大部分先前技術解決辦法提議記錄信息層的局部區域(凹坑)中反射激光輻射強度的變化。這些變化可能CD或DVD只讀存儲器(ROM類型)的凸紋光盤上的干擾效應，金屬薄膜中孔的燒制，染料脫色，廣泛使用的CD寫一次可讀多次(WORM)系統中聚碳酸酯的局部熔融，相變可重寫(RW)系統中反射系數的變化等的結果。[Bouwhuis G.等人，“光盤系統的原理”，Philips研究實驗室，Eindhoven，Adam Hilger Ltd.，Bristol和Boston]。
為了增加記錄密度，這些載體使用方法例如轉變為較短的波發射源并結合大孔徑透鏡(高NA物鏡)[I.Ichimura等人，SPIE，3864，2280]，平臺凹槽記錄型光盤的減小的道間距和增加的凹槽深度[S.Morita等人，SPIE，3109，167]。信息讀取的新的介質和方法用于信息的高密度存儲[T.Vo-Diny等人，SPIE，3401，284]，凹坑深度調制[S.Spielman等人，SPIE，3109，98]，以及具有以對稱模式排列的正方形信息凹坑的光盤[Satoh等人，美國專利5,572,508號]。
在美國專利4,634,850和4,786,792號(Drexler技術公司)中，使用“四倍密度”或“微棋盤”格式的數字光學數據來增加數據密度并同時使錯誤達到最少；數據由CCD光檢測器陣列讀取，以使得可以光存儲在電影膠卷(或光學存儲卡)上的數字數據量成為四倍。
三維(均勻)光敏介質使得我們能夠實現超過每立方厘米幾個兆兆位的這種信息記錄密度。這些介質表現出在雙光子吸收方面的各種光物理和光化學非線性效應。這些三維WORM和RW信息載體中的大部分最佳記錄和讀取性能是由光敏元件和光反應的產物經由中間虛擬級的雙光子吸收的過程，例如當使用光變色[D.Parthenopoulos等人，科學，1989，245，843]或光致褪色材料時，或者當使用光折射晶體或聚合物和光聚合物時，記錄折射參數的變化的過程[Y.Kawata等人，Opt.Lett.，1998，23，756]，和[R.Borisov等人，Appl.Phys.，1998，B67，1]。
原則上，這種讀寫入方式使得我們能夠將信息局部地記錄在信息介質內具有已改變信息性質的凹坑中(類似于傳統反射CD-或DVD-ROM中使用的信息凹坑)。
但是，該原理的實際實現構成大的挑戰，因為這種類型的記錄所要求的毫微微(phemtosecond)激光發射源的高成本和大尺寸，也因為介質的非常低的感光靈敏度。通常，介質的這種非常低的感光靈敏度由我們當前已知的光敏材料的非常低的雙光子吸收橫截面參數所造成。
從工藝上說，多層光學信息載體的使用將更有效。但是，它們也帶來某些限制并且引起關于數據載體介質以及數據讀取方式和設備(以及在WORM和RW的寫入方式中，光學存儲數據)的設計和性質的額外問題，特別是在介質內深處。
在反射方式中，多層光學信息載體的每個信息層將由部分反射涂層覆蓋。這減小讀取信息光束和因它通過介質到達給定信息層并且返回到接收器的反射信息光束的強度。
另外，因為它們的相干特性，兩個光束當它們通過時在信息層的片段(凹坑和凹槽)上經受難以估計的衍射，也經受干涉畸變。
這就是為什么具有熒光讀取的多層熒光光學信息載體是優選地，因為它們沒有部分反射涂層。在這種情況下，衍射和干涉畸變將因熒光輻射的非相干特性，與讀激光波長相比較其較長的波長，以及光學介質對于入射激光和熒光輻射的透明性和均一性(不同層的類似的反射率)而非常小。因此，多層熒光載體與反射光學存儲相比較具有一些優點。
在美國專利4,202,491號中，使用熒光墨水層，它的數據點發射紅外輻射。日本專利63,195,838號提出一種具有熒光讀取方式的WORM盤，其中數據載體層應用于基底的席紋面。如果是WORM盤，在該基礎上創建多層信息結構是絕對不可能的，因為讀寫發射的強的光色散。但是，使用熒光復合材料來創建多層光盤是可能的。該技術在美國專利6,027,855和5,945,252號中，以及在EP 00963571A1中描述。
美國專利6,009,065和6,071,671號(V.Glushko和B.Levich)描述用于從多層熒光光盤中逐位讀取信息的設備。
目前，對于所有類型的多層熒光數據載體(光盤和卡)的一般要求是數據載體應當具有最大可能的記錄信息容量和密度，最大可能的讀取速度以及“信號與噪聲”之間的高比率。當我們使得信息凹坑的尺寸達到最小并且增大每個信息層中它們的記錄密度時；以及當我們增加信息層的數目并且使用較短波長的讀發射源時，我們可以滿足該要求。為了能夠實現高速讀取，我們需要創造最大可能的信息熒光信號容量。
光學數據寫入的實際記錄密度以及上面引用的其余參數不僅由記錄發射源的波長來確定，而且由用于記錄的實際記錄介質的性質，輸入/輸出方式以及光學存儲設備來確定。
如果我們討論熒光多層存儲，應當滿足一些附加要求記錄發射必須僅被三維介質的某個微小位置的邊界所吸收，并且它的寫和/或讀發射應當足夠強烈以能夠實現某種閾效應。否則，記錄介質內深處的信息位的記錄將伴隨有當記錄光束通過介質時沿著記錄光束整個路徑的光學性質的變化。
另外，當熒光分子吸收單光子讀發射時，我們觀察到設計光盤和卡形式的數據讀取方式的具體差別。
參見關于在多層信息介質10(20)中讀取的兩種可能選擇的圖1和2，其中信息承載層11(21)已經由聚合物層12(22)分隔，該聚合物層對于讀17(23)和熒光發射24和25是透明的。
通常，光盤系統利用由精確聚焦激光束23完成的逐位數據讀取(圖2)。
由于在來自信息凹坑(26)的熒光發射(24)的光接收器收集過程中的空間濾波，我們可以實現非常小的層間串音。該串音因當相鄰的信息層被讀發射(23)穿透時的熒光激勵(25)而發生。因此，在這些數據載體的使用中，低反差是完全可接受的(背景熒光強度Ifl(back)的差與它們的總和之間的比K＝(Ifl(pit)-Ifl(back))/(Ifl(pit)+Ifl(back))K＝1/2-2/3的記錄信號來自每個分隔的信息層。
隨著這發生，分隔的信息層(21)可能完全是固態的。熒光材料可以填充微凹坑(信息凹坑)(26)以及它們之間的空間(27)。
該現象使得我們能夠使用眾所周知的加熱模制技術(注入-壓縮模制技術)，或者基于來自凸紋主盤(原始盤)的光可聚合組合物的2P過程，以及隨后在旋涂，或輥涂或浸涂的幫助下進行的用信息承載層(21)的涂敷。
多層熒光數據載體例如光卡使得我們能夠使用包括幾千個凹坑(16)的整頁信息(14)的多通道(逐頁)讀取；這就是CCD照相機所實行的。隨著這發生，頁(14)的三維圖像濾波可以顯著地被層間串音所阻礙；該串音因由相鄰層所發射的熒光(25)而發生，結果，我們觀察到由光接收器所接收的低對比度圖像，因為對比度真實地在直線下降。這就是為什么當使用光卡時我們在每層中實現高對比度(K～1.0)是關鍵性的。為了獲得高水平的對比度，我們應當將信息層(11)組合成類似島的結構，同時僅信息凹坑(16)必須用熒光材料充滿。為了制造包括數據承載層的這種結構，我們實在需要使用相當復雜的技術。
而且，因為層內的熒光信息凹坑占據整個層區域的大約百分之五十，并且即使填充的百分比與上面已經引用的百分比一樣大，在讀取方式中由該層發射并且到達光接收設備的信息信號的強度為從多層載體到達接收器的整個熒光流強度的大約1/N，N表示其中信息層的數目。
本發明提供ROM，WORM或RW型熒光多層數據載體的新結構以及向其寫入數據和從中讀取數據的類型和方式的幾種選擇。這些選擇使得我們能夠用電力控制稀釋在液晶基體中的熒光分子的吸收和發射能力。而這又使得我們能夠完全或部分地消除當以“逐坑”和“逐頁”方式讀取時相鄰數據承載層之間的熒光串音。這樣做時，我們也可以控制信息信號的熒光強度并且縮短層之間的距離，這又使得我們能夠增加載體中信息層的數目并且降低讀取過程中的像色差和畸變。另外，所提出的解決辦法將擴大單寫或重寫的各種非線性和線性光化學和光物理機制的應用范圍。這也將使得我們能夠對于在數據載體中記錄，讀取和刪除數據使用一個且同一個發射源。
除此之外，我們的發明也包括多層信息載體的其他設計，該多層信息載體使用光化學穩定、各向異性吸收且非熒光物質作為主熒光物質，同時液晶基體可以完全沒有主分子。
如果讀者閱讀更詳細描述在我們已經研制的信息載體中寫入，讀取和重寫數據的原理的下述頁，我們的發明的細節和優點可能更加明顯。我們也提供我們的發明的許多附圖和說明。


圖1。從具有由不應該被讀取的信息層所造成的熒光背景的多層熒光信息載體中逐頁數據讀取的示意思想。
圖2。從具有由不應該被讀取的信息層所造成的熒光背景的多層熒光信息載體中逐位數據讀取的示意思想。
圖3。包括“液晶-熒光染料”類型的組合多層數據載體的所提出結構的普遍選擇的橫截面的示意思想。
圖4。具有兩個相互正交的條形式的透明電極的數據承載層的示意思想。
圖5。熒光-液晶數據層的排列和轉換結構。
圖6。電極中具有和不具有任何電壓的一個數據承載層的頂視圖和橫截面。
圖7a，b。形成具有構圖排列表面的記錄層的各種選擇，以及讀取來自這些表面的熒光信號的方式。
圖8a，b，c。ROM，WORM或RW類型的組合數據承載層的結構的各種選擇。
圖9a，b分別是在由光束入射寫入之前(a)和之后(b)，光卡和光盤中顯示的軌道的示意平面圖。
圖10。在包含光化學穩定且各向異性吸收的物質的光各向異性材料中制導，刪除和光學各向異性暗度弛豫的運動曲線的典型視圖。上(↑)和下(↓)箭頭表示打開和關閉光激活發射的時刻。符號A→B和B←A表示當極化的光激活發射轉換為正交方式時的那些時刻。符號“0”，“1”和“-1”根據熱動力學分別表示起始位置和兩個光誘導的且穩定的狀態。
圖11。當數據記錄在保證數據寫入質量的實時逐位控制和調節的多層熒光液晶光學數據載體上時，逐位數據寫入設備的選擇之一的示意思想。
圖12。多層組合熒光液晶光學載體的寫入記錄層的質量的逐頁控制的設計選擇之一。
圖13。染料結構式。
應當指出，這些圖不說明其組成部分的實際尺寸和比例，因為它們被設計以易于熒光多層光學數據載體的操作的結構和原理的理解。
具體實施例方式
下面參考支持它的附圖來領會我們的發明的描述。
圖3描繪所提出結構的普遍選擇的橫截面的示意思想，該結構包括基于用電力操作的客-主液晶系統而制造的組合多層(為了易于理解其操作原理，我們選擇兩層)光學數據載體(300)。
作為其主要組成部分，數據載體(300)裝配有“襯墊”(襯底)(301)并且包括許多數據承載層(數據層)(302)，不同于[美國專利6,009,065；6,071,671號；WO 99/24527等]中描述的眾所周知的熒光數據載體，這些承載層也構成多層結構而不是單層結構。通常，它已經設計為薄的液晶單元(LCC)，該液晶單元可以用電力操作并且包括用由間隔層(306)分隔的排列層(304和305)覆蓋的兩個類似的光學透明電極(303)。被間隔層(306)劃分的排列層之間的空間裝滿客-主液晶(LC)組合物(307)，其包含用作主物質(308)的光化學穩定、各向異性吸收熒光材料(308)。
我們已經選擇了可以充分溶解在液晶組合物中并且因它們發射大量光子(量子)而高度熒光的那些物質，因為我們需要在設定的譜(specter)中變得熒光且能夠各向異性吸收的光化學穩定的物質。在這些物質中，分子排列成堅韌的，棒狀或盤狀簇，并且它們的長波吸收振子沿著它們的長軸(例如，像在均二苯代乙烯中)，或者橫切該軸(像在并四苯，并五苯和其他多并苯中)而定向。
在我們的發明中，這些熒光物質已經選自如下光化學穩定組合物，包括芳香族碳水化合物及其衍生物的族，例如多芯縮合芳香族碳水化合物；以及包括芳基乙烯基和芳基乙炔基的那些碳水化合物及其衍生物(1.2-二芳基乙烯，二芳基多烯，均二苯代乙烯官能替換和1.4-聯苯乙烯苯替換等)和聚苯基碳水化合物；包含五-(呋喃，噻吩，吡咯以及它們的衍生物，等)和六元分子(一個或兩個氮原子組合物或者一個或兩個氧原子組合物等)；雜環組合物；包含羰基的組合物(香豆素和carbostenated物質，anthron和芳香酸衍生物；oxazol-5替換，靛青和硫代靛青，醌等)；萘二甲酸化合物；以及金屬與氧雜蒽基，吖啶基，惡嗪基，吖嗪基，二萘嵌苯基，滌綸基，vialonthrone基，花青基，酞花青基，紫菜堿基等的有機配體和有機染體的絡合物。
液晶和染料已經以1∶0.01和1∶0.8的克分子比混合。對于液晶，可以使用正溫或lyothropic近晶型或膽甾醇型液晶以及它們的混合物，但是，具有其他晶體的向列型液晶以及它們的混合物更優。
光化學穩定、各向異性吸收材料可以與具有液晶性質的物質的分子具有共價連接。正是液晶物質可以起熒光劑的作用，因為當它們受發射影響并且吸收它時，能夠發出熒光。
數據層(302)已經由“中間層”(309)分隔，該“中間層”(309)是光學上具有良好質量并且對于也能夠承載數據(熒光)和刪除的讀寫發射是透明的。該中間層從幾微米到幾百微米厚。保護層(310)保護光學數據承載介質不受機械損傷和攻擊性介質的有害影響。為了消除由散焦層所引起的光反射，散射和衍射的寄生效應，我們為所有數據，中間和保護層選擇對于給定波長彼此非常接近的那些折射參數是關鍵性的。相同的參數也應當為可能處于同轉向(homeotropic)(或平面狀態，依賴于其特性以及讀取和/或寫入方式)的客-主LC組合物(307)而選擇。如果需要的話，規定波長的數據層(302)可以制造成具有抗反射和干涉涂層的多層。為了制造這種類型的層，我們應當向其結構中增加一些附加層(沒有在圖3中指出)。
數據層和中間層在當暴露于光或熱時固化的膠水(311)的幫助下粘合在一起形成一個多層載體(300)。
控制器312保證單獨的電控制。它使用來自源313的電源并且幫助排列組合物307中的LC分子，從而排列作為該組合物一部分的主熒光分子(308)。控制器312和電源(313)位于多層載體(300)的外部，因為它們安裝在獨立操作的數據寫和/或讀設備(沒有在圖3中指出)中。
對于光學透明電極(303)，我們已經使用通常用于PC液晶(LC)屏的透明電極層。它們由金屬氧化物，例如氧化銦錫(ITO)，氧化錫等制成。它們大約從0.001到1mmc厚。它們可以制造成均勻薄膜(303)或者制造成兩個相互正交的條(圖4)41，42，以便在向(或從)多層載體寫入，讀取或刪除數據的一般方式中節省電能。在后一種情況下，每個液晶單元起光閘陣列的作用，其控制在多層載體(300)的數據層(302)的一個的給定區域(頁)43中寫入，讀取或刪除數據的過程中通過光譜區域的主激發熒光(308)的系數。它也控制熒光強度。中間玻璃或聚合物層(309)的兩側都覆蓋有電極(303)(對于玻璃或聚合物，可以使用聚酯薄膜(Dupont)，聚碳酸酯，環氧樹脂，光敏樹脂，光可聚合組合物等)。優選地，就其光學性質來說，中間層應當是各向同性的。
為了制造排列層(304)的均勻表面，我們可以使用傳統上在液晶(LC)屏技術中使用的那些排列層。該技術已經在[P.Chatelain，Bull.Soc.Franc.Miner.66，105(1943)]中描述。該方法使用小于一微米厚的聚酰亞胺類型的聚合物薄膜。該薄膜在一個方向上機械摩擦，并且它覆蓋透明電極(303)(圖3)的一個或者電極41或42(圖4)的一個。
但是，當中間層太薄(大約10mmc或更少)時或者當該層使用微起伏表面(309)時，這種技術不太可適用或者完全不可適用。在這種情況下，我們可以采取使用液晶層的平面排列的非接觸方法的其他已知技術，例如傾斜地噴涂某種透明材料的方法[J.L.Janning，Appl.Phys.Lett.21，173(1972)]或者Langmuir-Blodgett多分子薄膜的使用[E.Guyon，Vac.Sci.Technol.10，681(1973)]。
對于我們的發明，我們已經使用在所謂光各向異性材料的幫助下保證液晶排列的技術，該光各向異性材料自然是各向同性光敏材料，當它們吸收極化的和甚至非極化但是制導的光發射時，其表現出光學各向異性。這種技術由本發明的作者之一于1990年公開[V.Kozenkov等人，11 USSR光學液晶討論會，Krasnoyarsk，1990，p.130(俄語)]。
光學各向異性由材料深處中以及材料表面上的排列分子分布的各向異性所導致。這些可能是具有各向異性性質的剩余初始分子或者作為光化學反應的結果而形成的新的各向異性產物。隨著這發生，并且當激活發射安全地到達光各向異性材料時，剩余初始分子中的永久性偶極的普遍排列將按照材料平面并且將正交于激活發射的電場矢量而排列。作為該排列的結果，我們獲得位于各向異性材料表面上的各向異性分子與作為光化學反應的結果而形成的各向異性產物的組合。該組合能夠沿著該平面并且在根據光各向異性材料表面分子的普遍排列的方向的某一方向上排列液晶的分子。
在我們的發明中，由這些材料制成的層可以使用離心技術，溶液浸漬或者按照Langmuir-Blodgett方法，或者通過真空熱噴涂來制造。增加排列性質的非接觸和非機械光學方法使得我們能夠制造超薄中間層(309)或微起伏表面層，當層表面中僅有一面覆蓋有微起伏時。
當薄的LC單元用于數據層(302)時，可以不要排列層(304)。在我們的發明中，位于反向透明電極303(圖3)上或電極42(或41)(圖4)上的排列層(305)除了其排列作用外，也起記錄層的作用。該層可以通過聚合物層的機械摩擦，它們的傾斜噴涂來制造，或者由Langmuir-Blodgett薄膜制成(對于ROM類型的數據載體)。我們也可以使用上面所引用的適用于光各向異性材料的光排列方法(對于ROM，WORM或RW類型的數據載體)。
在后一種情況下，在寫入已經完成之后，該層將包含許多將承載數據的微區域(信息標記或凹坑)，這些微區域類似于傳統CD或CD-ROM系統中的反射凹坑314。它們將位于背景區域(315)中，并且與分別位于外表面(316和317)中以及LC層(307)內部的電力控制的LC復合材料客-主層307相比較，其將具有不同的分子簇，從而具有不同的排列能力。
與LC分子的電力控制有序排列同時，已經稀釋在LC中的主熒光各向異性分子(308)的簇也變得更加有序和排列，并且它們開始吸收讀發射。隨著這發生，依賴于電極303或41和42上電壓的存在或不存在，數據承載層的吸收系數和熒光強度也將變化。
與以前使用的LC分子排列的接觸和非接觸非光學方法相比較，光各向同性材料用作光排列層的這種技術解決辦法具有一定數目的優點。因此，我們可以列出下列優點-形成具有表面排列能力的規定空間結構的光構圖排列表面的簡化-在光學質量方面，LC分子在表面上更好的排列-控制它們與排列層表面的分子的粘附度W3的可能性后者至關重要，因為在數據層(302)的高密度表面數據寫入過程中，LC層厚度必須與記錄在記錄層(305)中的信息凹坑的大小相關，換句話說，如果凹坑大約為0.4mmc，LC層應當大約0.1-0.4mmc厚。
順便提及，在高度粘附(W3)排列表面中和在控制該過程實際電場中，例如在大約0.01mmc厚的區域中的向列型LC中，用電力重新排列分子是不可能的，這是常識。換句話說，在包括具有與中間相的直接接觸的幾個分子層的那些層中，這樣做是不可能的。顯然，如果我們控制光各向異性材料的曝光能量，我們將不僅能夠形成LC平面排列的軸，而且能夠控制粘附能值(W3)，這是LC分子與光排列器的表面分子之間的粘附度，從而我們將能夠影響它們的電光性能。
因此，在我們的發明中所提出的數據層(302)的電力控制多組分電結構中，層(304)(如果它們可用)起傳統的排列層的作用，而排列層(305)也直接作為ROM，WORM或RW類型的記錄層來操作。隨著這發生，信息凹坑的隱藏構圖，在改變排列性質的過程中成形，并且這改變沿著關于LC分子的表面而調整。必要時，該圖案可以使用高熒光強度自動地(直觀地)讀取，這由數據承載層302中的客-主液晶單元來完成。該層也包括使用各向異性吸收熒光分子作為主(308)的排列和記錄層(305)。
所提出的組合熒光多層光學數據載體可以制造成多種光盤，卡或帶中的CD或DVD只讀存儲器(ROM)，寫一次可讀多次(WORM)，可重寫(RW)或者它們的混合類型。信息凹坑沿著這種載體的空間的二維分布的幾何形狀可以描繪成直線，或者它可以是螺旋形或圓形軌道，數據流在EFM(八到十四調制)14數字通道調制碼的幫助下寫到那里。數據也可以以在二維數據編碼的ETT(八到十)方法的幫助下記錄的四個相鄰字節的形式寫到排列和記錄層(305)表面上。
通過改變發射朝向激勵熒光的讀發射而定向的光的二向色分子(308)的軸的排列來控制熒光強度是可能的。作為吸收熒光材料(308)的二向色性質的結果，由它所發射的光具有最大強度。但是，為了獲得最大強度，當它們的讀發射吸收最大時分子應當以這樣一種方式來排列。在由控制器312形成的電場的幫助下改變液晶基體(307)的方向，我們可以控制熒光分子(308)對讀發射的吸收強度，從而控制由它們所發射的熒光數據承載光的強度。如果必要的話，我們可以平滑地改變電場參數，并且熒光的強度也可以平滑地改變，而不改變讀發射的強度。
例如，所提出的光學存儲系統可以基于具有負介電各向異性的向列型LC(501)的同轉向(homeotropic)晶體結構或者在一個方向上排列并且具有正介電各向異性性質的向列型LC(502)的均勻(平面)晶體結構的靜電形變而構造。這些形變伴隨有稀釋在向列型基體(504)(圖5a)中的二向色熒光物質(503)的分子的相關排列變化。
向列型液晶，例如，具有正介電各向異性的那些，執行排列具有二向色性質的物質(503)的細長分子的基體的功能，并且彼此平行且平行于LC層的分子(502)來定位它們。電場中液晶基體的排列的改變將必然伴有二向色材料(503)的排列的改變，從而必然伴有薄的客-主LC層(504)關于讀(或寫)和刪除發射(505)的吸收(理論上達到零)和熒光能力(也達到零)的改變。
例如，如果當沒有電壓提供(V＝0)時我們想要二向色分子(503)平行于電極表面(303)來排列，我們需要在具有正介電各向異性的向列型樣本(502)中形成排列的平面結構。另外，我們需要以這樣一種方式來選擇具有二向色性質的分子(503)，即對于規定波長，它們將最大程度地吸收讀發射(圖5b，曲線1)，從而保證讀取方式中的最大熒光(圖5b，曲線11)。當受電場V＝V1影響時，我們已經選作基體的正各向異性向列型LC(502)將改變其晶體結構并且變成同轉向(homeotropic)，同時二向色物質(503)的分子將垂直于可能極化或非極化的光波的電矢量的振蕩方向來排列。該分子實際上是透明的，所以對于讀發射波長的吸收，從而熒光將不存在(分別為圖5b，曲線2和21)。
隨著這發生，除了正在被讀取的層中之外，熒光背景(506)不再存在于所有散焦層中的事實使得我們能夠消除由它們所產生的熒光串音并且增加讀取方式中的“信號與噪聲”之間的比率。我們能夠使得層504的吸收能力達到最小，實際上達到零，并且這將使得我們能夠使用具有完全或部分重疊的吸收范圍的光各向異性熒光材料。
為了節省由讀取設備所使用的電能，優選地，我們應當使用具有負介電各向異性的向列型晶體。當沒有電壓提供到電極(303)時，所有數據承載層(302)將不吸收讀發射，從而將不發射熒光。控制到電極(303)(或者到電極41和42的具體條)的電源僅僅對于從規定數據層(302)或者該層的規定數據頁(44)中讀取是必需的。
與現有單層熒光數據承載系統相比較，所提出的熒光數據承載層302的多組分結構的另一個優點在于，也用作關于客-主組合物307的光構圖和排列層的記錄層(305)可以按你所希望的薄，達到可能僅十埃厚的單層。同時，它的吸收能力也將非常小，但是讀，寫和刪除發射的強度在其通過這種多層介質的過程中實際上將保持相同(不會下降)。
另外，在光敏排列和記錄層(305)與各向異性吸收熒光材料(308)的吸收范圍全部或部分重疊的情況下，在電的幫助下控制各向異性熒光分子的吸收能力是可能的。這將使得我們能夠用使用一個且同一個波長的發射源在WORM或RM類型載體中寫入，讀取或刪除數據。而且，我們將具有更多的機會對單寫或重寫數據使用各種線性和非線性光化學和光物理設備。
應當指出，光敏記錄層(305)的厚度減小到單分子層的大小不會影響其在數據寫入過程中的光敏性，它也不會影響讀取過程中數據(熒光)信號的參數，像傳統單層熒光記錄層的情況經常的那樣。這由以下事實來實現，即正在寫入的數據將作為記錄層(305)表面(316)的排列性質的變化來存儲，同時讀取方式中的數據承載信號將由具有熒光分子(308)的電力控制的客-主LC層(307)來增強。信號增強不依賴于記錄層(305)的厚度，將僅受LC層(307)的厚度和其中熒光物質(308)的濃度所影響。所提出的讀取技術不關注信息凹坑(314)大小的任何變化。而且，優選地，我們應該使它盡可能的薄，以消除從散焦層到達數據凹坑的寫和(或)讀發射的寄生衍射效應。
為了更好地說明該數據載體的操作原理，參見圖6a，b，其提供當在電極(303)上不存在控制電壓V(V＝0)時和當電壓可用(V＝V1)時，WORM或RW類型的一個這種多組分數據層(302)，所提出的數據載體(300)的示意性頂視圖(圖6a)和橫截面(圖6b)。
圖6a中的箭頭(601和602)分別指示信息凹坑(314)和背景區域(315)的表面316和317上的排列方向，從而指示光學成形的光構圖記錄和排列層(305)的方向。例如，他們可能以90°角定位，而在凹坑314位于層305中的區域中，均勻層(304)的表面上的排列方向(603)可能平行于排列方向(601)。
隨著這發生，客-主LC層(307)的三維圖像(圖案)采取光學構圖的形狀，其中位于區域608中的液晶(604)分子和熒光分子(605)平行于繪圖平面上的排列方向(601)而排列，其中區域608位于信息凹坑(606)的表面316的對面。位于背景區域317前面的區域607看來像扭轉向列，其中位于層表面(304)上的液晶分子(604)和熒光分子(605)平行于繪圖平面而排列。在相對的表面上，它們正交于該表面而排列，換句話說，在扭轉效應的情況下，相反電極上LC平面排列的方向將形成直角。
在讀相位中，零電壓(V＝0)時數據承載層(302)的該多層結構經受在具有繪圖平面上所示的極化(611)的極化器(609)的幫助下由記錄層(305)發射的線性極化發射。在該過程中，讀發射將被熒光物質的分子(605)吸收，從而重新發射(612)(In(pit))。但是，這種現象僅在信息凹坑(314)的表面(316)前的LC組合物608的區域中觀察到，而位于背景表面(317)對面的LC組合物的區域(607)當在這種類型的讀發射極化條件下暴露于該發射時將是透明的。在視覺上，我們將觀察到信息凹坑相對于非熒光背景的熒光圖案(In(back))。熒光發射也將被極化。如果我們啟動位于光接收設備前面的另外的極化器，我們將能夠避免過度暴露于外部發射的一些背景(圖6中沒有顯示)。
當寫發射極化平面的方向變成正交時，它可能引起負讀取方式，即我們將觀察到具有非熒光信息凹坑的發光背景。為了消除在讀取方式中來自其他層的熒光串音，電壓應當提供到它們，如圖6b中所示。結果，基體中的LC分子(614)和基體中的LC熒光分子(613)都將垂直于電極而排列，同時散焦層將變得對于讀發射完全透明。
當電壓不可用并且LC材料具有負介電各向異性時，熒光物質將正交于電極而排列并且將不吸收讀發射，其將正交于該層而定向。在讀相位中，電壓提供到所選數據層，結果具有熒光物質(308)分子的LC層(307)將獲得具有與記錄在記錄和排列層(305)中的數據相關的平面定向排列的構圖外觀。
通過實例，圖7說明形成由光各向異性材料制成的記錄和排列層(305)的幾個選擇，當信息以將排列表面構圖和在讀發射的極化的不同狀態下相應類型的傳統強熒光讀信號的形式來記錄時。隨著這發生，信息凹坑在載體的給定微區域中可用或不可用的事實借助于信息凹坑位置和背景之間熒光強度的差來定量地檢測。對于讀取信息的常規熒光方法，例如在[美國專利6,009,065和6,071,671(Glushko和Levich.)]中描述的那些方法，也是同樣成立的。
圖7a說明信息凹坑(701)和背景區域(702)具有彼此正交定位的表面，其排列能力(703和704)也彼此正交的事實。當讀取由線性極化(705或706)發射執行時，構圖的記錄層(305)的這種方案保證最大的對比度，其等于K＝+或-1(正或負)。但是，非極化發射(707)不能用于該目的，因為在這種情況下，對比度將降低到零，如果我們使用傳統的基于強度的讀取方法。
這個缺點可以由我們在我們的發明中提出的數據讀取方法來改正。該方法能夠通過熒光信號中各向異性性質的存在或不存在，而不是通過熒光信號的強度差(例如，不同極化度)來檢測所發送的信號，當極化或非極化讀發射被吸收時。我們的技術也能夠檢測極化光軸方向的差。
實際上，各個各向異性吸收分子的熒光也是各向異性的。所以，在圖7a中所示空間排列的結構的情況下，不僅當讀取由線性極化(705或706)發射來執行時，而且當讀取由非極化(707)發射來執行時，熒光數據承載發射都將被極化。并且，在非極化發射的情況下，信息凹坑位置的區域(701)和背景區域(702)的熒光發光的極化矢量將彼此正交地定位，并且可以容易地使用位于讀取設備的光接收單元前面的極化器來識別。
圖7b顯示另一種可能的結構，當背景區域(708)缺乏排列性質(709)，而信息凹坑表面(710)保證定向平面排列(711)時。在這種情況下，基于強度的常規讀取技術也使得我們能夠使用極化(714)和非極化發射(712)，其中對比度可以在模數K＝1/3之后確定，而當熒光信號的強度In(back)變成其最大值的兩倍大小時，極化發射(713)保證K＝-1的對比度。在極化讀發射(713或714)方式的情況下，發光信號的極化，例如可以在光學系統的幫助下來檢測，該光學系統將包括旋轉讀發射極化平面的轉換調制器，和用于隨后光電檢測由熒光亮度以讀發射極化矢量的二倍旋轉頻率發送的電信號可變分量的光接收設備。隨著這發生，由包括任意排列的熒光分子的背景區域(709)所發射的熒光的強度將不改變，并且由該發射所發送的電信號的恒定分量將截止。
當應用非極化讀發射(712)時，極化的熒光將僅由信號凹坑(711)發射，并且它的存在也可以通過增加位于光接收設備前面的另外的極化器來檢測。單光子讀取-通過其強度和其極化度-將使得我們能夠執行逐位和逐頁讀取。
本發明提供熒光數據承載層的多組分結構，其使用光各向異性材料來形成客-主類型的排列和記錄層以及液晶組合物。能夠各向異性吸收的光化學穩定的熒光物質已經用于“客”，這使得我們能夠創造ROM，WORM或RW類型的光學載體。另外，ROM類型的多組分數據層也可以利用在液晶屏中傳統使用的排列層來制造。
圖8a顯示所提出的ROM類型數據層(810)的選擇之一，其使用位于相同厚度的劃分層(812)之間的間隔層(811)，劃分層(812)使用透明電極(813)和保證在同一方向上排列的排列層(814)。
在該特殊情況下，間隔層811不僅保證在信息凹坑(816)中具有熒光分子(815)的LC客-主層的必需厚度，而且起ROM類型的數據層的作用。它具有三維構圖的外觀，并且可以由光敏丙烯酸樹脂或者正或負光致抗蝕劑來制造。記錄在其中的數據可以通過接觸或投影光刻或靜電印刷的傳統方法，或者通過沿著光敏表面掃描調制的激光發射以及隨后的發展來形成。作為排列器(813)，可以使用由光各向異性材料制成的光排列器或者傳統的LC排列器。在我們的發明中，一個或者甚至兩個排列器(813)可能在圖8a中所示的圖中缺少。
圖8b給出ROM類型的熒光數據層(820)的多組分結構的另一種選擇。這里，具有數據承載微起伏表面(822)和平整表面(823)的劃分層(821)像反射CD或DVD光盤一樣，使用注入-壓縮模制技術或者基于光可聚合組合物的2P過程來制造。透明電極(824)已經噴涂在劃分層(821)的兩側并且用排列涂層825和826覆蓋。為了消除數據層(826)的可能損傷，我們已經使用光學方法和光各向異性材料來發展其排列性質。信息凹坑(827)用具有熒光物質的客-主液晶組合物LC828填充。像在前面所引用的情況中一樣，這里至少一個排列層(825或826)可以缺少。
圖8c顯示WORM或RW類型的數據層(830)的所提出結構的一種。這里，具有平整表面(823)和具有直線，同心或螺旋形軌道或通道(834)的表面(833)的劃分層(831)使用注入-壓縮模制技術或者基于光可聚合組合物的2P過程來制造。軌道的大小和形狀基于具有熒光分子836的客-主LC 835的排列性質以及期望的軌道方式來選擇。透明電極837噴涂在劃分層(833)的兩側上。如果LC層835太薄(小于1微米)，排列層(838)可能缺少，并且排列層(840)將由光各向異性材料制成。
當一個且同一個發射源用于寫入或刪除數據時，這些過程在規定層前面出現的所有數據層中，以及在規定層中以客-主LC組合物(839)的hemeotropic排列的方式發生；而在讀取方式中，這些過程也在除正在讀取的層以外的所有層中重復，其中LC組合物(839)沿著該平面排列。
圖9a，b顯示WORM或RW類型的數據層(302)的所提出多組分結構的排列和記錄層(305)(頂視圖)，其普遍視圖在圖3中描繪，在數據寫到其上之前(圖9a)和之后(圖9B)。已經制造成光卡910(或光盤920)的數據載體的軌道911(922)完全位于由光各向異性材料制成的排列記錄光敏層912(922)中。該層912(922)也用作第一多組分數據層302中由光化學穩定各向異性吸收熒光分子制成的客-主LC組合物層的光構圖和光排列層。例如，該層具有背景區域913(923)，背景區域913(923)具有任意排列的分子簇914(924)。該層也具有直線(對于光卡910)或螺旋形(對于光盤920)軌道911(921)，其中分子簇在大多數情況下具有普遍排列915(925)。在這種情況下，這些分子簇的普遍排列的方向(參見圖9，其中它們用箭頭指出)可能以關于軌道的某種ψi角度來定位，如在光卡(910)的直線軌道(911)的情況中，或者它們可能沿著(橫切)軌道來定位，如在光盤(920)的同心軌道(921)的情況中。
每個排列記錄光敏層-i 912(922)的該表面結構沿著有序分子排列來調整方向。該排列可以通過將該i層(在制造多層數據載體300之前)暴露于沿著該表面聚焦和掃描的、被該層光各向異性材料所吸收的線性極化發射(圖9中沒有示出)來實現，因為該層的初始分子結構還沒有排列914(924)。
也能夠使用由極化發射執行的投影或接觸光印刷，因為該光刻技術如今已經變得非常普通。該發射通過鍍有具有透明軌道的正光學模板的金屬。為了制造具有非排列軌道911(921)的結構，需要使用相對于排列背景913(923)的負光學模板。
隨后，我們可以制造多層組合熒光液晶光學載體。它們使用具有我們早先已經準備好的給定角度ψI的那些排列記錄層來制造。中間層(309)的一側用它們覆蓋，并且也覆蓋有電極303。
如我們已經提及的，當數據記錄在多層載體的記錄層的一個上時，我們可以通過在這之前施加電壓來獲得所有多組分數據層(302)的期望吸收能力，該電源從外部控制器(312)提供到它們。
繼續，在逐位寫入方式中，寫光束(圖9中沒有顯示)聚焦在軌道位置區域911(921)中的點916或917(926或927)上，并且部分地被由光各向異性材料制成的記錄介質912(922)所吸收。作為光物理，光化學或熱光過程的結果，物質內部以及-最重要的-暴露區域916或917(926或927)的表面上的初始分子簇被修改，并且那些改變也必然伴有其關于客-主LC層307的排列能力的改變。這些改變依賴于光各向異性材料的類型和寫脈沖的參數(脈沖的強度和能量在時間和空間中的分布，脈沖持續時間，寫發射極化矢量關于點916或917(926或927)中分子簇915的排列的極化狀態和方向)。這些改變可以作為表面分子918(928)的空間排列的方向的變化(或者在負的情況下，形成)顯示出來。例如，在負的情況下，在微區域916(926)中，它們的排列方向可以變成正交，或者在微區域917(927)中，它們可能變成完全地未排列919(929)，如圖9中所示。與修改表面918，919，928，和929直接接觸的LC層307的排列因此改變。
記錄的第一種選擇使用具有光化學或光物理記錄機制的光各向異性材料，其中寫入通過具有例如關于軌道911(921)中的初始分子排列916(926)正交的極化矢量指向的極化發射來完成。
第二種選擇使用熱光記錄機制，其中寫入作為微區域熔化917(927)以及隨后當材料冷卻下來時分子排列919(929)的喪失的結果來完成。通過這種方法寫入的數據凹坑可以通過具有被LC組合物的熒光分子所吸收的不同波長的發射源，也可以通過與用于寫入的同一發射源以圖6和圖7中所示的方式來讀取。但是，在后一種情況下，我們必需使用較低的發射強度。
應當指出，將各向異性吸收熒光分子的所有振子都給出成線性振子并不完全正確。所以，即使當它們在完美同轉向(homeotropic)簇中排列時，這種分子也將吸收一些讀發射。另外，如前面所提及的，向列型LC的例如近表面區域，從而溶解在它們中、與排列記錄層912(922)的中間相直接接觸的熒光分子，當受電場所影響時，不能完全地使其自身重新排列。
所有這些可以導致包括散焦層的熒光背景的照度的不完全損失。在我們的發明中，我們試圖更有效地消除該現象，所以我們使用輔助碼，也就是角度ψ單獨值。分子簇915(925)朝向多層數據載體300的每個記錄層912(922)的軌道911(921)的主要排列方向具有附加的特征，當它用角度ψ單獨值編碼時。這在正在被讀取的層的各向異性(部分極化)熒光發射的另外極化隔離(解碼)的讀相位中使用。這幫助使該層與來自所有其他散焦層的各向異性部分極化熒光發射相隔離。
所有光各向異性材料由它們的可逆性來表征，而不管引起它們光學各向異性，從而引起它們重新排列LC的能力的光化學或光物理機制。在這種情況下，光學各向異性以及它們的排列能力可以刪除。換句話說，記錄在記錄光各向異性層中的某些位置數據可以光學地或熱光地刪除。在該記錄層中，我們能夠完全地通過使用純熱學方法，也就是加熱整個層來刪除寫入的數據。
數據可以使用已經由具有相同或不同極化矢量的初始光發射所極化的制導各向異性的光軸的相同修改排列來重新存儲(或重寫)。但是，這些可逆周期的數目依賴于在這些材料中造成光學各向異性的具體機制。
我們的發明提出在WORM類型的數據載體中使用基于單分子不可逆光化學反應或者雙分子光化學反應的光各向異性材料。在后一種情況下，我們可以使用基于低或高光敏性物質而制成的那些材料，例如聯乙炔衍生物族，例如Langmuir-Blodgett多分子薄膜或者10，12-羧酸的nonacozadein的噴涂薄膜[Kozenkov V.等人，SURFACE，物理，化學和力學，2，129，1989]，或者聚乙烯肉桂酸鹽[Kozenkov V.等人，展示，USSR科學院，1977，237，3，p.633]。但是，它們的可逆性小，并且受在每個周期中的光化學過程中消耗的光敏分子的數目所限制。但是，這些材料可以用于我們的發明的目的，作為WORM類型記錄介質，如果我們消除它們的分子旋轉。
另外，我們也可以利用它們的光誘導各向異性的小的可逆性，來完全在該過程或記錄中或者在寫入已經完成之后將改正引入到寫入數據中。
大多數光變色(photochrome)材料也表現出光誘導的光學各向異性的效應。但是，它們對于我們的發明的目的不是非常有用，因為它們也表現出反向的發射弛豫，并且具有相當高的量子釋放，這導致初始和/或光誘導狀態中光變色分子的不可逆破壞。
為了我們的發明，我們可以充分利用由光化學穩定，各向異性吸收且非熒光物質制成的那些光各向異性材料。不像作為各種可逆和不可逆光化學反應(Weigert效應)的結果而表現出光誘導光學各向異性效應的那些材料，在這些材料中，光學各向異性作為當物質分子吸收極化和甚至非極化但是制導的發射時分子排列的光物理過程的結果而產生。順便提及，該過程不是必然伴有分子簇中的任何化學或構象變化。
隨著這發生，各向異性、電化學穩定且非熒光分子的較大部分或者沿著正交于光波電場矢量定位的平面來排列，或者在非極化發射的情況下在其傳播方向上排列。這些材料是電化學穩定的，并且由于它們，我們不僅能夠在已記錄數據中做改正，而且能夠保證“寫入-刪除”周期的無限數目；換句話說，可以無限期地在它們上面寫入和重寫數據。該數據可以存儲長達未來的許多年。另外，這些材料使得我們能夠讀取數據而不破壞它。
而且，在所提出的發明中，在這種介質中所有操作，包括寫入，讀取，刪除和重寫數據，可以由一個且同一個發射源來執行。我們甚至不需要重新設置它的參數(時間，功率和極化光脈沖)。這些材料可以用作ROM，WORM和RW類型數據載體。這些組合多層數據載體是特別有前途的，因為它們的組成也可以包括ROM，WORM和RW類型的記錄層。這些層可以由具有類似或不同組成的材料制成。該事實將顯著地簡化制造這些組合多層數據載體的技術并且擴大它們功能的范圍。
在這些光各向異性材料中使用的光化學穩定、各向異性吸收非熒光物質可以引入到分子級的聚合母體，或者它們可以用作具有將提高其成膜性能的少量特殊添加劑的均勻單物質薄膜。
對于這些可能性參見圖10，因為它顯示單物質薄膜中在其制導或刪除的不同相位中受極化發射所影響的制導和光學各向異性發射弛豫(雙光束折射)的典型運動圖表。
如你從圖10中所看到的，該材料在其初始的熱動穩定狀態中表現出各向同性性質。我們可以將這種狀態看作邏輯零“0”。當數據在輻射過程中寫入時，材料獲得光學各向異性性質，并且各向異性以漸進的方式(曲線圖1)到達其光穩定參數。當暴露非常短(或者功率無意義)時，我們可以觀察到發射弛豫的過程(曲線圖2)，這導致制導各向異性的完全或部分降低達到隨著暴露層能量的增長而增長的某個穩定值。該降低作為可以導致光化學穩定分子的任意未排列的Brownian分子旋轉擴散的結果而發生。但是，當暴露能量變得較高時，發射弛豫的速度慢下來，甚至變得不存在(曲線圖3)。
而且，使用足夠高的暴露(大約0.1-1nJ/′η2)，激活發射的停止將導致該層中分子更加有序的自排列(曲線圖4)，并且它們將達到新的熱動穩定狀態。該“方向向上的發射弛豫”的速度隨著該層中熱量的增長而增長。這種高度排列的狀態可以看作邏輯“1”。該狀態連續穩定，直到溫度到達光各向異性材料的熔化溫度。
這些介質中的該光誘導光學各向異性的最大值接近液晶中的相應值。因此，排列有序參數S可以如下來表示S＝(D11-D1)/(D11+2D1) (1)并且雙光束折射的值ΔnΔn＝n1-n11(2)這些值可以分別達到0.8和0.3。
這里n11和D11分別為材料對于所測量發射的極化分量矢量的折射指標和光學密度的值，其中所測量發射由可能平行或垂直于激活發射的極化矢量的激活發射極化所產生。
我們已經確定，這些材料中的光誘導狀態(包括表面分子的有序排列)可以保持至少長達多于10年。
已經以這種方式寫入的數據的熒光讀取可以以圖6和7中說明的方式來執行。但是，該有序排列層到類似的但是非極化或圓極化發射源的短期或低強度暴露將導致其部分未排列(曲線圖5)，導致其關于液晶的排列性質的部分退化。當我們改變讀發射極化矢量的方向并且使其正交時，我們可以獲得相同的結果。但是，當發射源關閉時，光誘導的且熱動穩定的狀態可以恢復(曲線圖41)；對于液晶排列性質，同樣成立。由光化學穩定各向異性吸收非熒光物質制成的光各向異性材料的該特征使得我們能夠讀取數據，而實際上無論如何不會損壞它，當數據記錄在所提出的多組分熒光數據系統中并且這些材料用于排列和記錄層中時。另外，發射弛豫的符號和速度之間的相互作用(曲線圖2，4和41)幫助消除寫入方式中散焦層的光學各向異性“背景”導向目標，因為如果所吸收的能量太小，我們可能誘導“自刪除”(參見曲線圖2，圖10)。
刪除已記錄數據可以以與讀取相同的方式來完成；但是，它要求更多的發射能量。在該過程中，我們可能在正在刪除的微區域中觀察到完全熱(光熱)分子未排列(以及它們排列液晶的能力的損失)(曲線圖6)。這是可能的，因為該層的局部熔化及其隨后的冷卻或者因為它的正交重新排列(曲線圖61)(其關于LC的排列能力的方向的變化)，當該區域受正交極化發射所影響時。
應當指出，在后一種情況下，當暴露功率與寫入方式中的功率暴露相當時，我們可以獲得另一種熱動穩定狀態(在低于層熔化溫度的溫度上)。該狀態是高的，并且相對于初始排列狀態正交定向，所以我們可以將其看作邏輯負一“-1”。隨著這發生，我們可以同時刪除和寫新的數據。
重寫方式類似于初始寫入(曲線圖7)。
在我們的發明中，在給定光敏排列和記錄層中的所有寫入和刪除操作都通過提供電壓到位于給定層之前，包括該層自身的所有散焦層來執行(對于具有正介電各向異性的LC組合物)。在另一種選擇中，我們可以僅提供電壓到給定層(對于具有負介電各向異性的LC組合物)。換句話說，當我們提供電壓到除正在被讀取的層以外的所有數據層時(第一種選擇)，或者當我們可以僅提供電壓到正在被讀取的層時(第二種選擇)，數據讀取是可能的。
在讀取方式中，我們的發明不利用能夠執行兩種功能的給定排列和記錄層912(922)的各向異性光學性質的量修改。但是，它們可以用于質量控制，和用于已經記錄的數據或正在寫入的數據的改正。在這些介質中，這能夠實時地或者在記錄已經完成之后執行。這些操作通過調節時間和(或)空間參數以及發射強度和寫脈沖能量的分布來執行。我們也可以調節記錄設備極化度或者記錄設備的光學系統。
實際上，光各向異性材料中的光誘導各向異性直接在暴露過程中發生，因為這些光排列和光化學過程所需的時間絕不會超過一百微秒。發生的雙光束折射(TBR)也導向透明區域，該透明區域是位于光敏記錄層的幽靈區域外部的區域。
所有這些使得我們能夠在該非破壞性方法的幫助下控制正在寫入的數據，因為我們使用非光激活的發射，例如，我們可以實時地或者在寫入已經完成之后使用He-Ne(λ＝632.8nm)或半導體(λ～700nm)激光。
在當我們在讀取方式中在層912(922)中使用極化光激活發射時的暴露相位中，我們可能觀察到熒光數據凹坑前體的出現，其可能采取表面上的隱藏分子排列的形狀，并且可能表現出相對于各向同性背景而定位的三維各向異性相位(雙光束折射)調制的圖案。因為該層非常薄的事實，我們觀察到該層內和其表面上(912)(922)的有序分子排列的程度之間的一一對應。
我們可以在位于暴露的記錄層與光檢測器之間的極化分析器的幫助下，通過將隱藏的三維凹坑前體圖案轉變成三維調制圖案，來控制由非光激活極化發射寫入的質量。
讀發射強度的空間分布(I(x，y))，在它已經通過隱藏凹坑前體圖案并通過分析器之后，可以使用在寫入過程中制導的雙光束折射(TBR)的值來確定I(x，y)＝I0×Sin2(πΔn(x，y)d/λ＝Const×(Δn(x，y))2，(3)其中Δn(x，y)＝ψ(H(x，y))-指向正在形成的凹坑的前體并且受具有能量空間分布H(x，y)的激活發射所影響的TBR空間分布；d-記錄層厚度λ-讀發射的波長I0-到達數據載體的讀發射的強度；Const＝I0×(πd/λ)2，并且X，Y-記錄層位置的平面上的三維(空間)坐標。
我們也可以假設，極化器和分析器的光軸是正交的，同時以ψ角度定向的相應TBR記錄I層中的光軸將關于那些軸以45°角度來定位。
為了容易理解公式3，我們可以假設，因為記錄層非常薄的實事，其對于激活發射的波長的吸收也非常小，并且其在層深度Z中的強度，從而其TBR是類似的，同時相位延遲(ψ)的值也非常小(ψ＝πΔn(x，y)d/λ)。
圖11和12給出使用控制和改正層中隱藏信息凹坑圖案的質量的所提出技術來數據寫入的兩種可能選擇的示意思想。
圖11中的選擇保證通過使用DRAW技術(寫入后直接讀取)逐位讀取已記錄信息的隱藏圖案來實時地控制和改正逐位數據寫入。在寫入過程中，調制器1103調制已經由極化器1102極化并且正在被記錄信號1104所記錄的激光束1101。
已調制的記錄光束(1105)由透鏡(物鏡)(1106)聚焦在多層數據載體(1108)的記錄層(1107)上。設備使用特殊的光束掃描方法，其中每個凹坑單獨地暴露。該方法不需要任何光模板。為了獲得規定的數據圖案，本發明使用特殊的編程設備來掃描光束。
在層912(922)內，在其暴露區域中，我們可以觀察到熒光信息凹坑的前體的連續外觀，并且圖案獲得可以相對于各向同性背景而觀察到的雙光束折射和空間調制圖案的形狀。隱藏圖案(前體空間拓撲)中的TBR值及其空間分布可以使用記錄脈沖能量的值和空間分布來確定。后者在相應調制碼(1104)的幫助下確定，并且依賴于透鏡聚焦的質量。
信息凹坑的這些相位前體的隱藏圖像可以由聚焦的光非激活激光發射(1110)(例如由He-Ne激光(1109)，其發射波長等于632.8nm)以逐位方式實時地讀取。為了這樣做，回放光束(1110)由極化器(1111)轉化成線性極化光束。當它通過二向色反射鏡(1113)時，它由透鏡(1116)聚焦在在記錄層(1107)上寫入的寫光束(1105)的聚焦區域上。在通過該層的微區域之后，能夠承載熒光凹坑前體的寫入的隱藏各向異性圖案的線性極化回放光束(1112)轉化成橢圓形極化光束(1114)，其部分地通過分析器(1115)。透鏡(1116)將該熒光凹坑前體的直觀圖像投影到光電檢測器(1117)上，該光電檢測器發射電信號(1118)的。該信號由計算機處理，然后到達暴露設備控制單元(圖11中沒有顯示)。
因此，所提出的精確測量實時形成的熒光信息凹坑前體的隱藏圖像的參數的方法，使得我們能夠通過調節寫發射的功率和極化度，暴露時間，以及通過調整透鏡焦點(1106)而獲得的暴露光束中強度分布的質量來獲得反饋。
圖12描繪使用所提出方法的另一種可能的變體，其中CCD照相機(1119)用作光檢測器(1117)。在這種情況下，我們可以選擇性地，或者如果必要的話，完全地控制多層數據載體(1120)的記錄層中熒光信息凹坑前體的隱藏圖案的空間拓撲的質量，一旦寫入完成時。圖12中的讀取圖類似于圖11中所示的圖，它也包括極化器(1111)和分析器(1115)，但是透鏡(1106)立刻讀取由透鏡(1116)投影到CCD照相機(1119)定位平面的、記錄層中的整個隱藏圖案。分析隱藏圖案的這種可能性使得我們能夠在組合多層數據載體中創造形成例如ROM類型的記錄層的最佳條件。
將熒光數據承載層設計成為構成具有至少一個初始構圖(對于ROM類型的系統)或者光各向異性光敏(對于WORM或RW類型的系統)排列層的薄的電力控制液晶單元的多組分結構的該所提出技術解決辦法，使得我們能夠將功能分布在不同的組成部分中。
當我們在WORM或RW類型的系統中執行寫入時，我們在也用作記錄層的排列層的一個中寫入。這里，數據由于關于LC層的表面空間調制排列能力而寫入，換句話說，我們能夠形成光構圖、光排列層。
在讀取方式中，我們使用具有各向異性吸收光化學穩定的熒光主物質的客-主LC基體，而不管載體類型(ROM，WORM，或RW類型)。在WORM或RW類型的組合熒光液晶數據載體中，寫入和讀取方式中功能的這種分布徹底簡化對于在這些設備中使用的熒光組合物的需求。光化學穩定熒光物質在這種系統中的使用使得能夠例如徹底解決基于雙分子光化學反應并且使用天然熒光物質或者其光化產物是熒光的WORM光敏系統中當前存在的熒光數據層的發射性存儲的問題。這涉及可能在它們中發生的發射性熱化學或擴散過程。這些過程造成由熒光分子制成的痕跡；它們也在讀取方式中產生背景熒光發射或者因初始熒光染料的發射性分解而減少熒光信號的強度。
如早先所提及的，基于光變色反應的RW光敏系統具有下面的缺點反向發射性過程以及因光變色分子的光破壞而導致的可能的低“寫入-刪除-寫入”周期。
在我們的發明中，我們也提出ROM，WORM或RW存儲類型的多層組合LC光學系統的另一種選擇。代替熒光各向異性吸收物質，該選擇使用非熒光、光化學穩定的物質，其在規定的讀波長也變成各向異性吸收物質。這些物質用作到主分子的添加劑。為此，我們需要選擇可以完全稀釋在液晶組合物中的非熒光物質。它們的分子具有棒狀或盤狀形式，并且它們的長波振子沿著它們的長軸或橫切它而定位。這些物質在基于客-主原理而操作的LC屏中使用。我們也可以使用具有負二向色性的各向異性染料。
在這種情況下，所有上面引用的光學存儲設計(圖3-6，7-9，11，12)和數據寫入，讀取和刪除操作(圖7，10)保持相同。但是讀取或者通過檢測信息凹坑與背景位置中的讀發射強度的定量差，或者通過測量讀發射的各向異性性質(極化程度)的存在或不存在，或測量其光軸方向的差來完成。
應當指出，該讀取方式也可以在上述光學存儲的熒光系統中使用。
所提出解決辦法的另一種選擇涉及不包含各向異性熒光或非熒光添加劑分子的LC組合物的使用。在這種情況下，多層數據層的組成也保持相同。
讀取通過將多層數據承載結構定位于兩個極化器之間而成為可能，如圖11和12中所示。在該過程中，極化器的光軸應當與分析器的光軸正交。
信息凹坑Iipit定位區域中和背景Iiback區域中從數據層I中讀取并且通過分析器的發射強度可以以下面的方式寫出Iipit＝I0*Sin(2aipit)*Sin2(π(Δnipit*dipit+Δnilc*dilc)/λ)，(4)
Iiback＝I0*Sin(2aiback)*Sin2(π(Δniback*diback+Δnilc*dilc)/λ)其中I0是到達多層數據載體的層i的讀發射的強度；-Δnipit，back，lc，dipit，back，lc-在排列和記錄層i中以及在相鄰的LC層i中的信息凹坑定位區域中由寫發射所引起的DLP值；從而他們的厚度；-aipit，back-分別為在信息凹坑和背景I數據層定位區域中極化器(分析器)光軸與DLP光軸的方向之間的角度；并且-λ是讀發射波長。
為了獲得等于1的最大對比度，朝向極化器的角度aipit應當等于45°，而關于極化器的角度aiback應當等于90°(或0°)。在這種情況下，Iiback值＝0并且Iipit＝I0*Sin2(πΔnilcdilc/λ)(以及diback＜＜dilc)。
在LC組合物中可能具有或不具有熒光或各向異性吸收物質的WORM類型的這些組合多層光學存儲系統中寫入數據的另一種方法是在排列器表面的未排列的幫助下光熱寫入。為此，我們可以使用吸收寫發射且機械摩擦的層或者Langmuir-Blodgett層，用傾斜噴涂涂敷的層以及一些其他層。為了增加寫入方式中的吸收，我們也可以增加一些可以吸收該發射的物質，它們也可以添加到LC層。這些可以是熱變色或光變色物質。也可以使用VO2類型的電變色有機或非有機物質以及電場變色物質。
因此，我們的提議使得能夠創造ROM，WORM或RW類型的多層組合液晶光學存儲系統的新結構，以及到(從)它寫入和讀取數據的方法。在我們的系統中，我們能夠用電力控制溶解在數據承載層的液晶基體中的熒光分子的吸收和發射能力。而且，它又使得能夠部分或完全消除當以逐坑和逐頁方式讀取時，來自相鄰數據層的熒光串音。
另外，我們也具有電力控制(并且如果必要的話，平滑控制)熒光數據信號的強度同時讀發射的強度保持不變的另一種選擇。特別地，熒光串音的減小或完全消除使得我們能夠使層之間的距離達到最小。這又使得我們能夠從讀熒光發射中收集更多的光，并且能夠簡化讀光學頭的設計，因為我們能夠減少寄生像色差畸變并增加載體中數據層的數目。另外，所提出的解決辦法擴展可能應用的范圍，并且這對于單次或多次數據寫入的各種不僅非線性而且線性的光化學或光物理機制都成立。它也使得能夠對于在這種載體中寫入，讀取和刪除數據使用同一發射源。
基于光化學穩定各向異性吸收且非熒光物質的光各向異性材料用作也起光構圖和光排列層作用的記錄介質，允許具有熒光數據讀取的可重寫多層存儲系統的實際應用。
本發明可以使用所提出的客-主液晶數據承載層的組成組合物和結構的下面實例來說明。
實例1。ROM類型的熒光數據承載層，其中間隔層也用作數據承載層。
熒光物質-1.4-雙(N，N-二苯基氨苯-1，3，4-oxadiazyl)苯或1，8-萘-11，21苯并咪唑。
液晶-4-氧代辛41-氰聯苯(8OCB)。
實例2。WORM類型的熒光數據承載層。
光排列器-para-metoxy聚乙烯肉桂酸鹽。
熒光物質-染料#1(圖13)液晶-LCM 440(NIOPiK，俄羅斯)。
實例3。RW類型的熒光數據承載層。
光排列器-染料#2。
熒光物質-染料#1。
液晶-LCM 807(NIOPIK，俄羅斯)。
實例4。具有二向色性質染料的RW類型的數據承載層。
光排列器-染料#2液晶-LCM 807。
二向色染料-染料#3。
實例5。沒有染料的RW類型的數據承載層。
光排列器-染料#2。
液晶-LCM 440。
上面引用的實例僅僅說明所提出的多層組合熒光液晶光學存儲系統的新結構以及數據寫入到其上和從其中讀取數據的方法。它們不限制在下面的專利方案中描述的我們的權利要求書。
權利要求
1.多層組合熒光液晶光學數據載體，包括-位于平行平面中的許多數據承載層；-數據層位于同一襯墊上，并且用透明中間層劃分；-每個數據承載層制造成構成薄的電力控制液晶單元的多組分結構，其由兩個相似的光學透明電極制成，該光學透明電極制成固態層或者制成兩個相互正交的條的系統，其覆蓋有至少一個排列層并且由間隔層劃分，它們之間的空間由客-主液晶組合物和用作主物質的光化學穩定各向異性吸收熒光物質填充。
2.根據權利要求1的數據載體，其中光學透明電極應用到玻璃或聚合物中間層的兩側-優選地對于所有寫入，讀取，熒光和刪除發射光學各向同性且透明，中間層的至少一側具有光滑表面，而另一側包括小凹坑形式的軌道。
3.根據權利要求1和權利要求2的數據載體，其中所有數據承載和中間層以及處于同轉向(homeotropic)狀態中(或者處于平面狀態中，依賴于其特性和寫入方式和(或)讀取數據)的客-主LC組合物的折射率，對于寫熒光(數據承載)和讀(其激勵它)和刪除發射的波長，是彼此相同或接近的。
4.根據權利要求1的數據載體，其中數據承載層以寫入，熒光(信息載體)和激勵它(讀取)和刪除發射的波長的多層干涉抗反射濾光器的形式制成。
5.根據權利要求1的數據載體，其中LC層厚度具有與在其中形成的信息承載凹坑的最小值相當的量。
6.根據前面權利要求的任何一個的數據載體，包括可以溶解在液晶組合物中并且因它們發射大量光子(量子)而高度熒光的物質，因為它們是在設定的譜中變得熒光的光化學穩定物質，這些物質具有排列為堅性、棒狀或盤狀簇的分子，并且它們的長波吸收振子沿著它們的長軸或橫切該軸而定向。
7.根據權利要求1和6的數據載體，包括已經選自如下光化學穩定組合物的熒光物質，包括芳香族碳水化合物及其衍生物的族，例如多心縮合芳香族碳水化合物及其衍生物；以及包括芳基乙烯基和芳基乙炔基的那些碳水化合物及其衍生物(1.2-二芳基乙烯，二芳基多烯，均二苯代乙烯官能替換和1.4-聯苯乙烯替換等)和聚苯基碳水化合物；包含五-(呋喃，噻吩，吡咯以及它們的衍生物，等)和六元分子(一個或兩個氮原子組合物或者一個或兩個氧原子組合物等)；雜環組合物；包含羰基的組合物(香豆素和carbostenated物質，anthron和芳香酸衍生物；oxazol-5替換，靛青和硫代靛青，醌等)；萘二甲酸化合物；以及金屬與氧雜蒽基，吖啶基，惡嗪基，吖嗪基，二萘嵌苯基，滌綸基，vialonthrone基，花青基，酞花青基，紫菜堿基等的有機配體和有機染體的絡合物。
8.根據權利要求1和7的數據載體，包括向列型，近晶型或膽甾醇型液晶或者它們與其他物質的混合物以獲得液晶。
9.根據權利要求8的數據載體，其中液晶和熒光物質已經以1∶0.01～1∶0.8的克分子比混合。
10.根據權利要求1的數據載體，其中光化學穩定、各向異性吸收熒光材料具有與具有液晶性質的物質的分子的共價連接。
11.根據權利要求1的數據載體，包括作為光化學穩定、各向異性吸收熒光材料的液晶物質，當它們受發射影響并且吸收它時，能夠發出熒光。
12.根據權利要求1的數據載體，包括至少一個排列層，該排列層可以由聚合物薄膜的單向機械摩擦，Langmuir-Blodgett薄膜或傾斜噴涂來制造，或者在適用于光各向異性材料的非接觸光排列方法的幫助下制成。
13.根據權利要求1的數據載體，包括位于光滑(兩側)和同樣厚度的劃分層之間的間隔層。該間隔層具有三維構圖的外觀，并且保證客-主液晶組合物的必需厚度，其同時用作ROM類型的數據層。
14.根據權利要求1和13的數據載體，包括三維構圖的間隔層，該間隔層應用光刻或激光掃描由光敏聚合物或者正或負光致抗蝕劑制成。
15.根據權利要求1和13的數據載體，包括同時用作ROM類型數據層的三維構圖的間隔層，該間隔層通過注入-壓縮模制技術或者基于光可聚合組合物的2P工藝來模制，并且位于劃分層的一個表面上。
16.根據權利要求13和15的數據載體，其可以沒有一個或兩個排列層。
17.根據權利要求1的數據載體，其中排列層的一個也用作ROM，WORM和RW類型的光敏層記錄層，所述層由不溶于客-主液晶組合物中的光各向異性材料制成。
18.根據權利要求1和17的數據載體，其中光敏排列和記錄層的最小厚度可以與一個單分子層一樣厚。
19.根據權利要求1的數據載體，其中引導光束用于記錄，再現或擦除操作的軌道區域由光各向異性材料制成的光敏排列和記錄層中形成。
20.根據權利要求1和17的數據載體，其中液晶分子與光敏排列和記錄層表面的分子之間的粘附能量值可以由其暴露于極化發射的能量來控制。
21.根據權利要求1的數據載體，其中WORM類型的光敏排列和記錄層由基于單分子不可逆光化學反應或雙分子光化學反應的光各向異性材料，例如雙乙炔衍生物或聚乙烯肉桂酸鹽制成。
22.根據權利要求1的數據載體，其中數據載體可以屬于下面的類型多種光盤，卡或帶中的CD或DVD只讀存儲器(ROM)，寫一次可讀多次(WARM)，可重寫(RW)或者它們的混合類型。
23.根據權利要求1和22的數據載體，其中光化學穩定、各向異性吸收非熒光物質已經引入到聚合母體中，或者它們可以用作均勻單物質薄膜，具有用于提高它們的成膜性能的少量特殊添加劑的。
24.根據權利要求1和22的數據載體，其中數據層設計成多組分結構，并且構成具有至少一個排列層的薄的電力控制的液晶單元。
25.用于在(從)熒光多層數據載體上寫入，讀取和刪除數據的設備，其包括-包括多組分結構的許多數據承載層的多層組合熒光液晶光學信息載體，其構成薄的電力控制液晶單元，該液晶單元包括兩個相似的光學透明電極，該光學透明電極制成固態層或者制成兩個相互正交的條的系統，其被覆蓋至少一個排列層并且由間隔層劃分，間隔層之間的空間由客-主液晶組合物填充，光化學穩定各向異性吸收熒光物質用作主物質；-電磁發射源，其具有用于光學或熱光寫入，光學讀取和光學或熱光刪除存儲于數據載體上的信息的波長；-極化光學裝置，用于設置寫入，讀取和刪除發射的極化特征；-光學裝置，用于形成以逐坑或逐頁方式寫入，讀取和刪除信息的電磁光束的設置的空間構形；-光接收裝置，其保證正在讀取的數據承載熒光發射的強度和(或)它的極化特征(部分極化發射的普遍排列的極化程度和方向)的逐坑或逐頁光電檢測，其隨后轉化成數據承載電信號；-光電裝置，保證寫入數據的質量控制和校正，能夠實時地或一旦寫入已完成就發送寫入模式校正的反饋信號；以及-用于將電壓提供到任何給定的固態或條形電極對，以控制位于它們之間的客-主液晶組合物的吸收和熒光能力的裝置。
26.根據權利要求5的設備，其中由光各向異性材料制成的光敏排列和記錄層的吸收光譜與多層數據載體熒光物質的光譜部分地或完全地重疊。
27.根據權利要求25和26的設備，包括發射源，該發射源具有用于寫入，讀取，刪除和校正在WORM或RW類型的多層光學載體上正在寫入的數據的質量的光發射的相同波長但是具有不同時間，能量和極化參數。
全文摘要
多層數據載體包括幾個液晶層(302)，每個液晶層包括不同的熒光染料作為與液晶材料的客－主混合物。每個液晶層包括電極(303)和排列層(305)。排列層可以包括熒光或非熒光染料種類。液晶的控制使得信息能夠單獨地從每個像素或者以逐頁格式讀出。間隔層(306)用來定義液晶層(302)的厚度。電極由連接到電源(313)的控制器(312)來驅動。
文檔編號G11B7/24038GK1625716SQ02816747
公開日2005年6月8日 申請日期2002年7月2日 優先權日2001年7月2日
發明者瓦爾迪莫·科曾科夫, 瑟格·瑪戈尼斯基, 尤根尼·萊維奇 申請人:特萊第存儲Ip有限責任公司