一种面阵式高密度光盘数据存储阅读器及其设计方法

摘要

传统的磁记录和光记录器均采用单磁头和单光学头对数据进行存储和读取,并由机械位移方式实现数据的寻址和阅读。本发明采用面阵式光探测器实现光盘数据的高密度快速阅读。光盘的数据记录密度与面阵光探测器的密度一致,其极限数据存储密度仅受到探测器阵列密度的限制。在数据阅读和传输过程消除了记录头的机械位移,因而显著提高了器件的防振和环境应用能力。器件的工作状态稳定,寿命长,极不易被模仿和伪造。

说明书

本发明属于光学电子器件

数据的存储和阅读在现代信息处理中起着十分重要的作用，尤其是大容量和高密度的数据存储和阅读方式，更是各工业发达国家研究的热点。目前在计算机中普遍应用的数据存储器主要有磁盘和光盘两种形式，即把二进位数据以一定的方式存储在磁盘和光盘上，然后用磁头和光学头对所存储的信号进行阅读。每张磁盘和光盘，通常只能用一个磁头和光学头对数据进行阅读。在阅读中，磁盘和光盘需作高速旋转，磁头和光学头需在记录仪的伺服系统的控制下作相应的机械位移，以便对数据进行跟踪和读取。这类数据记录装置均已实用化。然而，随着高速大容量计算机和多媒体技术的发展，对数据的存储密度和阅读传输速度的要求越来越高。如依然采用单一磁头和光学头并结合机械的方式对数据进行逐点串联式的阅读，将受到制造工艺和成本的限制。

上述光盘数据阅读方式具有如下的程式：光源L_x→光盘D_x→数据阅读R_x→数据传输T_x

其中，光源L_x为半导体激光光源，二进位数据被记录在反射式光盘D_x上。在实际数据阅读时，光盘D_x作高速旋转，激光头由光盘驱动器的伺服机构控制。激光束被精细聚焦后对光盘上的数据点进行精确跟踪，并由光学头R_x对数据进行阅读。这种数据的阅读和传输T_x是以逐点和串联型的方式进行的。当数据的存储密度提高后，为提高阅读速度，即提高数据的传输速度，除了需改进电子部件的信号传输性能外，需极大地提高光盘的机械转速和光学头的机械跟踪寻址速度，这对驱动器的工艺设计将提出很高的要求，需解决光盘高速旋转运动时的一系列技术和工艺难题，如需解决高速运动时的激光自动聚焦、跟踪、寻址、防振等难题。这也是在较恶劣的具有较大振动的环境下光盘驱动器的应用受到限制的原因，磁盘驱动器的应用也受到同样的限制。这将给数据存储密度和阅读速度的提高带来困难和限制。

本发明的目的是发明一种高密度快速阅读传输的光盘数据存储阅读器及其设计方法。

本发明的原理为如下的程式：

光源L_x→光盘D_x→数据阅读R_x→数据传输T_x

在实验中，采用普通低功率照明光源L_x，光强可调，二进位数据以黑白圆点(黑代表1，白代表0)分隔的方式被印刻记录在一块透明的玻璃基板D_x上。数据阅读器R_x是市场通用的单色CCD探测器，例如：具有768×494象素的阵列式单色CCD探测器，面积为4.8×3.6mm，每个象素的面积为6.4×7.4μm，单位面积的象素密度约为2.2兆/cm²。玻片光盘面积与CCD探测面积相当，将数据记录玻片贴紧在CCD的光信号采集面上。数据记录的总面积与CCD面积一致，数据密度可调，最高的数据记录和阅读密度等于CCD的象素密度。由普通光源对波片进行均匀照明，CCD的每个象素就测量到记录在波片上的黑白分明的圆点信号，对应于二进位数字信号。对于8位A/D数据转换具有256灰度的CCD探测器，每秒可阅读和传输30幅完整的CCD信号，相当于在最高的数据记录密度下，达到10⁷bits/s数据阅读和传输速度。

在实验中，采用了商用CCD探测器。在实际应用中，由于黑白数字信号只需要50％对比度就能被分辨出来，可省去A/D信号转换方式，将至少可使信号阅读和传输速度提高10倍，可达到≥10⁸bits/s的数据传输速度。由于采用了信号测量与所记录的数字信号一一对应的阅读方式，并免去了信号阅读头的任何机械移动部件，因此可采用更快速的并行数字信号阅读方式。以十分保守的计算，如速度再被提高10倍(8-16位数字并行阅读)，可实用的数据传输速度将达到≥10⁹bits/s。

为进一步降低成本，用硅基阵列式探测器。可采用单晶硅或多晶硅，甚至非晶硅二极管阵列或CMOS阵列探测器代替CCD阵列探测器，其探测面积与玻片光盘面积相当。采用目前成熟的0.25μm半导体集成电路工艺技术，简易硅二极管探测器的密度可达到≥10⁹/cm²，相应的光盘数据存储和阅读密度可迭10⁹/cm²。采用此方式，一张10×10cm面积光盘，对应于10×10cm面积的硅二极管阵列探测器，可记录和快速阅读10¹¹bits的数字信号，相当于每张光盘存储12GByte的数据密度，仅需≤100秒就能被传输完毕。这是用单一磁头和光学头阅读方式难以做到的。

本发明的设计制备方法在实施例中已详细描述，需要说明的是透明玻璃基板厚0.5-2.0mm，太薄了，光盘易损，太厚了，透光性能差。

利用本方法设计的面阵式高密度光盘数据存储和阅读器的特点为：

采用数据的面阵式光学存储和阅读方法，具有数据存储密度高，阅读速度快的特点，其极限数据存储密度仅受到探测器阵列密度的限制，并且存储器技术与大规模半导体集成电路技术相兼容。在数据阅读和传输过程中无任何机械振动和位移，因而显著提高了器件的防振和在恶劣环境中的应用能力。器件的工作状态稳定，寿命长。采用这种方法制备的新型高密度光盘数据存储和阅读器，记录媒体和信息(包括光盘)极不易被模仿和伪造，这将对信息媒体和知识产权起到十分有效的保护作用。

本发明的实施例如下

在实验中，采用一个普通低功率的钨丝灯作为照明光源，通过改变灯丝电压将光调至合适的强度。将二进位数据以黑白圆点(黑代表1，白代表0)分隔的方式印刻记录在一块约1mm厚的透明玻璃基板上。采用商品阵列式单色CCD探测器数据阅读器，它具有768×494象素，数据采集面积为4.8×3.6mm，每个象素的面积为6.4×7.4μm，单位面积的象素密度约为2.2兆/cm²。将记有数据的玻璃基板面贴紧在CCD的光信号采集面上。数据记录的总面积与CCD面积一致，但数据密度可调，其最高的数据记录和阅读密度等于CCD的象素密度。将光源对玻璃基片进行均匀照明，透射到CCD上。CCD象素就真实测量到记录在波璃基片上黑白分明的圆点信号，即对应于所记录的二进位数字信号。对于8位A/D数据转换具有256灰度的CCD探测器，每秒可阅读和传输30幅完整的CCD信号，在最高的数据记录密度下，相当于达到10⁷bits/s数据阅读和传输速度。

对于实际仅黑白二个状态的数字信号进行测量，可省去A/D信号转换功能，并采用并行数字信号阅读方式(8-16位数字并行阅读)，供实用的数据传输速度可达到≥10⁹bits/s。

可进一步采用成熟的大规模半导体集成电路工艺技术，如0.25μm工艺技术，可制备成单晶硅(或多晶硅，甚至非晶硅)二极管阵列代替CCD探测器。其硅二极管探测器的阵列密度可达到≥10⁹/cm²。采用同样的集成电路工艺可制备高密度的数据存储光盘，数据存储密度也可相应达到10⁹/cm²。采用此方式，一张10×10cm面积光盘，对应于10×10cm面积的硅二极管阵列探测器，可记录和快速阅读10¹¹bits的数字信号，相当于每张光盘存储12GByte的数据密度。单张光盘即可满足目前许多大容量媒体信息存储的要求，并仅需≤100秒就能将数据阅读和传输完毕。

玻璃基片与探测器阵列的准直问题，可通过电致伸缩陶瓷和设置特别的准直标记的方法有效解决。