Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 004.023

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Фізико-технічні основи побудови оптичних запам'ятовуючих пристроїв на фотолюмінесцентних носіях

05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Беляк Євген В'ячеславович

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Крючин Андрій Андрійович, Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Данилов Володимир Васильович, Донецький національний університет, завідувач кафедри

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Костюкевич Сергій Олександрович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет кафедра лазерної та оптоелектронної техніки

Захист відбудеться " 20 " лютого 2006 року о 16:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.02 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ пр. Перемоги, 37, корп. 18, ауд 306).

Відзиви на автореферат у двох екземплярах, завірені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: пр. Перемоги, 37, м. Київ 03056, вченому секретарю Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий " 19" січня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої ради,кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Обсяги інформації, які створило людство і які використовуються у наукових дослідженнях, банківсько-фінансовій діяльності, виробництві, освіті, культурі, мистецтві та сфері розваг постійно зростають. За даними вчених з університету Берклі на кінець 2000 року обсяг інформації, накопиченої людством, склав 1210¹⁵ біт і кожні 2,5 роки він буде подвоюватися. Найбільш швидко зростають обсяги інформації, представленої у цифровому вигляді. Таке зростання пов'язане не тільки з накопиченням нової інформації, а також з переведенням до цифрової форми представлення архівних матеріалів, у тому числі аудіо- і відеоматеріалів, обсяги яких, з огляду на світові дані, складають сотні мільйонів годин. Переведення до цифрової форми представлення архівних матеріалів забезпечує їх довгострокове зберігання та введення до наукового обігу. Різке збільшення об'ємів інформації також пов'язане з використанням нових форматів представлення і зберігання відеоінформації (телебачення високої роздільної здатності, тощо), мультимедійного представлення даних. Прогнозується поява в найближчому майбутньому систем голографічного відображення відеоінформації (так званої об'ємної чи стерео-відеоінформації), систем, які на сьогоднішній день вже розроблюються для ігрових консолей. Це ставить проблему збільшення щільності цифрового відеозапису на новий рівень, вимагаючи від розробників термінового впровадження таких методів запису, що з одного боку дозволять найближчим часом створити носії інформації значного об'єму, пристрої зчитування яких будуть сумісні з попередніми форматами оптичних дисків, а з іншого боку передбачити перспективи розвитку запропонованої технології в майбутньому.

В галузі технологій запису інформації за останні роки досягнуті вражаючи результати: щільність запису інформації на магнітні диски досягла десятків гігабайт на дюйм², що у десятки мільйонів разів перевищує щільність запису у магнітних запам'ятовуючих пристроях перших комп'ютерів; ємність нових типів оптичних носіїв інформації досягла десятків гігабайт і постійно зростає. Поступаючись магнітним носіям у щільності запису і швидкості реєстрації інформації, оптичні носії інформації знайшли своє місце у інформаційних технологіях як ефективний технічний засіб масового розповсюдження інформації та її архівного зберігання. Оптичні носії інформації привертають увагу до себе завдяки, як високій надійності зберігання інформації і зручності їх експлуатації, так і досить високій інформаційній ємності. Поява оптичних дисків з можливістю перезапису інформації CD-RW, DVD-RW, DVD+RW фактично призвела до технологічної революції у галузі змінних носіїв.

Сучасні оптичні носії за ємністю та швидкістю відтворення інформації поступаються магнітним носіям. Для забезпечення довготермінового зберігання великих обсягів інформації (одиниці та сотні террабайт) необхідно суттєво збільшити ємність оптичних носіїв інформації. Новітні технології оптичної реєстрації даних, в яких використовуються методи рідинного та твердотільного імерсійного запису ультрафіолетовим випромінюванням (л=257 нм), а відтворення інформації здійснюється дифракційнообмеженими оптичними системами високої роздільної здатності (числова апертура складає 0,95), або ближньопольовими системами, в яких використовуються напівпровідникові лазери з довжиною хвилі 405 нм, дозволяють підвищити ємність оптичних носіїв (диск діаметром 120 мм) до 30 Гбайт. Подальше збільшення ємності оптичних носіїв інформації пов'язують із створенням об'ємних носіїв, зокрема багатошарових носіїв. У оптичних DVD-носіях вибір одного з інформаційних шарів здійснюється перефокусуванням оптичної системи зчитування, застосування такої технології передбачено також і для новітніх “Blu-ray disc” та “HD DVD” дисків. Однак, в носіях з напівпрозорими (частково відбиваючими) шарами спостерігається значний вплив шарів, крізь які проходить сфокусоване випромінювання, на процес відтворення інформації з обраного інформаційного шару. Для вирішення головної проблеми, що виникає при розробці оптичних багатошарових носіїв інформації, пов'язаної із значним впливом сусідніх інформаційних шарів на процес відтворення інформації з високим співвідношенням сигнал/шум та високою швидкістю, запропоновано декілька технічних рішень. Використання поляризаційних методів виділення сигналів відтворення з багатошарових носіїв дозволяє збільшити кількість шарів до 4-8 при збереженні високого значення співвідношення сигнал/шум. Найкращі можливості створення багатошарових носіїв надають методи фотолюмінесцентного зчитування. Дослідженню цих методів останнім часом приділяється значна увага. Це пов'язано з тим, що використання некогерентного випромінювання в процесі виділення інформаційного сигналу з багатошарової структури дозволяє ефективно зчитувати інформацію з носіїв з великою кількістю шарів, до 50-100. Крім того, при створенні багатошарових носіїв з фотолюмінесцентним зчитуванням можуть бути використані наукові і технологічні наробки, спрямовані на збільшення ємності компакт-дисків, та в значній мірі використані технології їх виготовлення.

Для ефективного застосування технології фотолюмінесцентного зчитування інформації з багатошарових компакт-дисків необхідно вирішити питання про форми представлення даних і фізичне розміщення заглиблень, заповнених фотолюмінесцентною речовиною, на поверхні окремих шарів. Необхідно також забезпечити відтворення інформації з високою швидкістю з носіїв з фотолюмінесцентним зчитуванням. Реалізація таких умов можлива тільки при використанні фотолюмінесцентних матеріалів з високим квантовим виходом люмінесценції.

Для визначення можливостей створення багатошарових оптичних носіїв різного призначення необхідно провести аналіз можливостей створення не тільки носіїв з постійним записом та можливістю багаторазового відтворення, але і носіїв з одноразовим і багаторазовим записом та багаторазовим відтворенням.

Від нового типу оптичних носіїв очікують не тільки великі значення інформаційної ємності але і високу швидкість відтворення інформації, яка може бути досягнута завдяки системам паралельного зчитування.

Таким чином, задача розробки технології запису та відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних оптичних носіїв є актуальною для створення оптичних дисків великої ємності.

Зв'язок програми з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота була виконана в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України з 2001 по 2005 роки в рамках наступних науково-дослідних робіт:

“Дослідження процесів лазерного запису та зчитування інформації з люмінесцентних середовищ” (2001-2003р.р.) виконувалася згідно з постановою Бюро Відділення інформатики НАН України від 24.04.2001, протокол №3, державний реєстраційний номер 0101U000868.

“Розробка фізико-технічних методів верифікації та ідентифікації компакт-дисків” (2003-2005р.р.) виконувалася згідно з постановою Бюро Відділення інформатики НАН України від 03.04.2003, протокол №5, державний реєстраційний номер 0103U000830.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у збільшенні ємності оптичних носіїв інформації завдяки розробці фізико-технічних методів створення багатошарових оптичних носіїв з фотолюмінесцентним зчитуванням.

Об'єктом дослідження є оптичний запис інформації на багатошарові фотолюмінесцентні носії інформації великої ємності.

Предметом дослідження є розробка методів створення багатошарового фотолюмінесцентного носія та пристрою зчитування інформації з нього, які би забезпечували надійність процесів зчитування запису та збереження інформації, можливість збереження великих об'ємів інформації та велику швидкість її відтворення, сумісність з сучасними оптичними носіями інформації.

Основні задачі дослідження відповідно до поставленої мети полягають у наступному

Розробка фізико-технічних методів фотолюмінесцентного відтворення інформації з багатошарового оптичного носія, запис на який проведено з щільністю, обмеженою роздільною здатністю оптичних систем.

Визначення умов, виконання яких є необхідним для надійного відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв при значному рівні перехресних завад.

Розробка методів побудови оптичних систем зчитування з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв, в тому числі таких, в яких використовуються методи паралельного та голографічного зчитування.

Визначення вимог до характеристик фотолюмінесцентного матеріалу багатошарового оптичного носія інформації та методів підвищення квантового виходу люмінесценції при зчитуванні.

Експериментальне дослідження спектрів фотолюмінесцентних матеріалів, у тому числі композиційних фотолюмінесцентних сумішей, а також процесів нанесення таких матеріалів на підкладки оптичних носіїв.

Запропонування технології виготовлення оптичних носіїв з фотолюмінесцентним зчитуванням при постійному рівні перехресних завад від сусідніх інформаційних шарів.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач використовувалися методи оптичної спектроскопії (для вимірювання спектрів люмінесценції та поглинання фоточутливих шарів носіїв інформації), методи фізики твердого тіла (для опису процесів запису і відтворення інформації при двофотонному поглинанні), методи математичного моделювання (для аналізу процесів відтворення інформації) та методи електропроменевої і тунельної мікроскопії (для аналізу форми пітів на поверхні носіїв, контролю підкладок, дефектів у світлочутливих шарах).

Наукова новизна одержаних результатів визначається розробкою нового підходу до створення багатошарових оптичних носіїв інформації, який будується на використанні високоефективних композитних фото-люмінесцентних матеріалів та оптоелектронних систем зчитування, що дозволяють виділяти корисний сигнал при значному рівні перехресних завад.

Запропоновано методи побудови системи відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв при значному рівні перехресних завад від сусідніх шарів, який полягає у розробці структури інформаційних шарів носія, для якої рівень паразитного сигналу при зчитуванні залишається постійним, та створенні оптоелектронної схеми, що виділяє змінний корисний сигнал з великим співвідношенням сигнал/шум.

На базі експериментальних досліджень обґрунтовано вибір для фотолюмінесцентного запису композиційних піразолінових барвників, що мають високий квантовий вихід та широкий спектральний діапазон люмінесценції, високу фоточутливість, малий час релаксації а також демонструють наявність двофотонного поглинання, що значно розширює спектр можливостей для фотолюмінесцентного запису з різними градаціями яскравості та голографічного багатошарового фото-люмінесцентного запису.

Для підвищення швидкості відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв запропоновано голографічні системи зчитування, в яких використовуються середовища з ефектом просвітлення та реєструючі фотолюмінесцентні середовища.

Розроблено нові методики захисту оптичних носіїв інформації, які базуються на використанні фотолюмінесцентних елементів і можуть бути реалізовані: нанесенням через трафарет фотолюмінесцентного графічного зображення або лазерним записом фотолюмінесцентного радіального одновимірного чи двовимірного штрих-коду.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень розроблено і запропоновано:

методи побудови оптоелектронних систем відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв, що дозволяють надійно виділяти корисний сигнал при постійному рівні паразитного сигналу;

методики одержання фотолюмінесцентних реєструючих матеріалів на основі піразолінових барвників з добавками розчинників, цеоліту, лаків, полімерних матриць та нанесення одержаних композиційних матеріалів центрифугуванням на підкладки з мікрорельєфом, яким кодується інформація ;

методики ідентифікації компакт-дисків, засновані на використанні фотолюмінесцентних маркерів, що розташовані у захисному фотополімерному шарі;

методи побудови оптичних систем з високою швидкістю відтворенням інформації з багатошарового фотолюмінесцентних носіїв, в яких використовуються методики паралельного та голографічного зчитування.

Результати роботи можуть бути використані в організаціях та підприємствах, які займаються проектуванням нових систем оптичного запису, а також створенням захисних ідентифікаційних елементів.

Особистий внесок здобувача. У всіх опублікованих у співавторстві працях за темою дисертації особистий внесок здобувача полягає у розробці методів відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв інформації, власноруч проведених обчисленнях, запропонуванні теорії фотолюмінесцентного світіння на базі теорії переходів електронів в атомах для пояснення спектрів люмінесценції та поглинання піразолінових барвників, проведенні вимірювань спектрів фотолюмінесценції та поглинання фотолюмінесцентних барвників, дослідженні фізичних характеристик реєструючого середовища фотолюмінесцентних носіїв інформації.

Автором особисто:

У роботі 1: проведено аналіз розвитку технології оптичного запису на основі даних літературних джерел.

У роботах 2, 4-6: проведено експериментальні дослідження (виміряні спектри люмінесценції та поглинання плівок піразолінових барвників), запропоновано механізм, що пояснює виміряні спектри на основі теорії атомних переходів у випадку додавання до барвнику цеоліту.

У роботі 3: проведено аналіз розвитку технології голографічного запису на основі даних літературних джерел.

У роботах 7-8: проведено експериментальні дослідження (виміряні спектри люмінесценції та поглинання плівок піразолінових барвників), запропоновано методику нанесення на оптичні носії захисного радіального штрих-коду.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на таких конференціях:

Third International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Materials” SPO 2002 (Kyiv, Ukraine, 2002), International Scientists Conference “Optical Holography and It's Applications” SPIE 2004 (Kyiv, Ukraine, 2004), Fifth International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Materials” SPO 2004 (Kyiv, Ukraine, 2004), Third International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2005” (Vinnytsia, Ukraine, 2005), Шестая научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса, Украина, 2005).

Публікації. Матеріали дисертації оприлюднені у 8 наукових працях, у тому числі у 3 статтях у наукових фахових виданнях і у тезах 4 доповідей на наукових конференціях і одному патенті України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 120 найменувань. Роботу викладено на 155 сторінках машинописного тексту, що містить 63 рисунка і 16 таблиць.

Основний зміст дисертації

У першому розділі наведено огляд літератури по сучасному оптичному запису. Проведено аналіз вимог до характеристик оптичних носіїв інформації, галузей їх застосування та методів збільшення щільності оптичного запису. На прикладі сучасних оптичних носіїв CD та DVD показано гнучку залежність попит-пропозиція на світовому ринку змінних носіїв та наявність значного попиту на носії великої ємності, що створює надзвичайно привабливі умови для впровадження принципово нових технологій оптичного запису. Поведений аналіз методів збільшення щільності оптичного запису охоплює основні відомі методи, що не відносяться до багатошарового фотолюмінесцентного запису, як то: ближньопольовий запис, використання імерсійних систем запису, багаторівневий запис, запис інформації короткохвильовими лазерами. Системи ближньопольового та імерсійного запису, через необхідність надзвичайно точного позиціонування голівки зчитування, показали себе технологічно складними та дуже вразливими до механічних вібрацій. З іншого боку можливості методів багаторівневого запису та запису інформації короткохвильовими лазерами (програми “Blu-ray disc” та HD DVD) жорстко обмежені; в першому випадку максимальною кількістю рівнів, для якої можливе надійне зчитування, в другому - мінімальною довжиною хвилі для якої існують малогабаритні лазери та лазерні діоди.

Зроблено висновок про необхідність впровадження принципово нових технологій оптичного запису. Такими технологіями є технології оптичного запису в об'ємі: багатошаровий та голографічний запис.

У другому розділі показано механізм процесу відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв інформації. Проведено аналіз особливостей фотолюмінесцентного запису інформації, та вказано його наступні переваги перед іншими видами багатошарового оптичного запису:

- зміна довжини хвилі випромінювання люмінесценції у порівнянні з довжиною хвилі зондувального випромінювання внаслідок стоксового зсуву фотолюмінесцентного випромінювання;

- незначне поглинання фотолюмінесцентного випромінювання матеріалом шару носія, що реєструє.

Проведено аналіз вимог до характеристик люмінесцентного матеріалу, що заповнює піти інформаційних шарів носія, серед яких зазначено наступні:

область поглинання має відповідати довжинам хвиль напівпровідникових лазерів, що використовуються у найбільш вживаних на теперішній час системах оптичного запису інформації (650 нм, 780 нм);

довжина хвилі люмінесцентного випромінювання повинна бути зміщена як мінімум на 50 нм від зондуючого випромінювання для ефективного розділення світлових потоків;

люмінофор повинний мати високий квантовий вихід світіння для надійного зчитування;

показник заломлення барвника має бути близьким до показника заломлення матеріалу підкладки для зменшення втрат інтенсивності світла при відбиванні на границях розділу барвник-підкладка;

для довгострокового надійного зберігання інформації люмінофор повинний мати високу часову стабільність і не руйнуватися під дією випромінювання, що зчитує;

для збільшення швидкості зчитування люмінофор повинний мати малий час відгуку ф “ 100 нс.

Запропоновано технологічні методи створення багатошарових фотолюмінесцентних носіїв типу ROM, носіїв з одноразовим записом і багаторазовим відтворенням (FMD-R) та носіїв з багаторазовим відтворенням (FMD-RW). Для реплікації FMD-ROM пропонується використовувати процес, технологічно подібний до процесу реплікації сучасних компакт-дисків, лише етап металізації підкладинки в даному випадку заміняє етап нанесення люмінесцентної речовини методом центрифугування. Для реалізації носіїв типу FMD-R запропоновано наступні технології:

· перерозподіл барвника у полімерній матриці в процесі запису,

· локальне знебарвлення барвника в процесі запису,

· локальне активування барвника записуючим випромінюванням завдяки переходу полімеру в інший ізомерний стан.

Для створення дисків FMD-RW запропоновано використання середовищ з ефектом електронного захоплення.

Проведено розрахунки потужності люмінесценції випромінювання піту інформаційного шару. На відміну від стандартних компакт-дисків для фотолюмінесцентних носіїв потужність сигналу зчитування визначається не тільки потужністю зондуючого променю та геометрією пітів, а і характеристиками фотолюмінесцентного матеріалу, яким заповнені піти. Проведені розрахунки показали, що потужність корисного сигналу P_кс визначається: потужністю зондуючого променю P₀ (3 мВт, як і для CD-приводів), квантовим виходом фотолюмінесценції барвника з (70% для композитних піразолінових барвників), кутом збору фотолюмінесцентного сигналу dЩ = р, коефіцієнтом, пов'язаним зі втратами у системі приймача k_вп (30%, як для CD-приводів), і різницею у площі піту S_p та площі плями сфокусованого лазерного світла S_sp, k_S =S_p/S_sp=0,1 (рис.1):

P_кс = P₀?з?б?k_вп?k_S ? 3мВт?70%?0,25?0,3?0,1 ? 16 мкВт (1)

де б=dЩ/4р і визначає процент ізотропного фотолюмінесцентного сигналу, що збирається оптичною системою приймача.

Фотолюмінесцентний сигнал відрізняється від сигналу зондуючого променю довжиною ф_і = t₂t₁ не тільки амплітудою, але і формою. Функція його інтенсивності визначається часом релаксації люмінесценції барвника ф_l, амплітудою імпульсу та коефіцієнтом k_l, що враховує втрати при прийомі

фотолюмінесцентного сигналу оптоелектронною системою та квантовий вихід фотолюмінесценції барвника з :

(2)

при ф_і ” ф_l форма люмінесцентного відгуку I_l(t) є близькою до форми зондуючого сигналу I_p(t), оптимальним є значення ф_і / ф_l=2р, при цьому форма зондуючого імпульсу на вході мало спотворюється і інтенсивність люмінесцентного відгуку в точці t=ф_і досягає максимального можливого значення . Зважаючи на те, що довжина імпульсу зондуючого сигналу CD-приводу складає 100 нс, бажано, щоб час релаксації барвника був ф_l“100нс. Характеристики розглянутих в роботі композитних піразолінових барвників задовольняють даній вимозі.

Експериментальні дослідження під час яких барвники опромінювалися імпульсами лазерного світла довжиною ф_i=10 нс на довжині хвилі л=337 нм показали, що для даного класу матеріалів час повної релаксації складає ф_l= 60…90 нс, час релаксації по рівню ф_l^e = 30…60 нс. Найкращі результати були отримані для барвників з домішками цеоліту, час релаксації по рівню для яких був найменшим ф_l^e = 30 нс. Залежність фотолюмінесцентного відгуку від часу в цьому випадку має більш складну структуру, що складалася з релаксаційної компоненти барвника, який входить у матрицю цеоліту і характеризується часом релаксації ф_l⁽¹⁾, та компоненти барвника, який не входить у пори цеоліту ф_l⁽²⁾.

Оптична система пристрою для відтворення інформації з багатошарових носіїв та сучасних оптичних дисків мають певні відмінності, пов'язані з необхідністю фокусування променю на різній глибині. Для компенсації сферичної та позаосьових аберацій при зчитуванні інформації з багатошарового носія запропоновано застосування двоопуклої лінзи об'єктиву Бурча у телескопічній системі Галілея. Більш складною виявляється проблема компенсації перехресних завад. Запропонована структура FMD-носія складається з підкладки S, певної кількості інформаційних шарів F₁ F_n, розділених проміжними шарами I₁ I_n-1 та захисного покриття. Товщина підкладки може бути від 10 до 200 мкм, товщина проміжного шару від 50 до 100 мкм, товщина інформаційного шару від 0,5 до 3 мкм. Структура даних кожного інформаційного шару люмінесцентного багатошарового диску (FMD-диску) є подібною структурі даних на поверхні компакт-диску чи шарі DVD-диску. Відмінності полягають у більшій глибині пітів та певних заходах по обмеженню негативного впливу перехресних завад на процес зчитування. По перше, пропонується кодувати інформацію лише проміжками між пітами, завдяки цьому значно зменшується коефіцієнт поглинання кожного інформаційного шару. Другою відмінністю є створення на поверхні інформаційних шарів периферійних зон. Це пов'язано з процесом виділення корисного сигналу за умови наявності такого рівня перехресних завад, що у кілька разів перевищує рівень корисного сигналу. В роботі запропоновано використовувати в оптоелектронному пристрої зчитування схеми на основі компаратора, що виділяє корисний сигнал за тією ознакою, що він є змінним на відміну від паразитного. Змінна компонента паразитного сигналу виникає внаслідок часткового поглинання пітом енергії зондуючого променю, що відсутня при фокусуванні променю на проміжку між пітами:

(3)

де I_S інтенсивність сигналу зчитування, S_P процент площі, що займають піти на поверхні інформаційного шару, k_t^P коефіцієнт пропускання шару зчитування, k_t^I коефіцієнт пропускання інших шарів, n кількість шарів. При запропонованій структурі шарів =0,044 I_S, що забезпечує відношення сигнал/шум SNR6,7 для 20-шарового FMD-носія.

Периферійні зони не несуть інформацію, але мають таку саму структуру, що і решта інформаційного шару, дозволяють утримати рівень паразитного сигналу постійним при зчитуванні інформації з зовнішнього чи внутрішнього краю диску. Загальна площа периферійних зон складає

S_pz = [R_o² (R_o L_pz^min)²] + [ (R_i + L_pz^min)² R_i²] 436+190=626 мм²

де R₀ та R_i внутрішній та зовнішній радіуси зони запису, L_pz^min - ширина периферійної зони, що була попередньо обрахована. Площа периферійних зон займає лише 1,8% зони запису і їх наявність не вносить значних обмежень в загальну інформаційну ємність FMD-носія.

Проведені розрахунки показали, що запропонована структура FMD-носія забезпечує надійне зчитування інформації при наявності 20 інформаційних шарів. Загальна інформаційна ємність такого носія за умови запису інформації короткохвильовим лазером (л=405 нм) складатиме біля 500 ГБ. багатошаровий оптичний фотолюмінесцентний зчитування

Третій розділ присвячено пошуку придатного люмінесцентного матеріалу інформаційних шарів FMD-носія та методам його нанесення. Було проведено експерименти по нанесенню фотолюмінесцентного матеріалу на рельєфну поверхню підкладки. Метою експериментів було дослідження того, за яких умов при максимальному заповненні пітів плівка на поверхні між пітами має мінімальну товщину. Було визначено, що однорідні за товщиною плівки виготовляються при нанесенні розчину композитного матеріалу в центр підкладки носія, що оберталася зі швидкістю 200-250 об./с з подальшим підвищення швидкості обертання (через 2-3 с) до 2000-3000 об./с. Як результат досліджень були також виявлені специфічні дефекти на поверхні підкладки “комети”. Було зроблено висновок, що виготовлення фотолюмінесцентних носіїв має здійснюватися у “чистих” приміщеннях з дотриманням усіх вимог електровакуумної гігієни

В якості фотолюмінесцентних матеріалів інформаційних шарів FMD-носія було запропонована велика кількість органічних барвників та їх сполук. Аналіз показав непридатність використання більшості з них для фотолюмінесцентного запису. Серед основних недоліків були відзначені:

необхідність використання для запису потужну лазерну систему

низький квантовий вихід

неможливість збудження барвника короткохвильовими лазерами

Було запропоновано використання сумішей піразолінових барвників різного ступеню очистки з цеолітом і акрилового лаком, що застигає при опроміненні його ультрафіолетовим випромінюванням. Записувати інформацію було запропоновано локальним опроміненням плівки барвника світлом інфрачервоного лазеру (л=940 нм), після чого були проводені дослідження зміни спектрів люмінесценції та поглинання барвника у опроміненій області. Додавання цеоліту призвело до збільшення квантового виходу барвника. У термінах атомної фізики це пояснюється тим, що поява кластерів у порах цеоліту призводить до виникнення квантово-розмірних ефектів і це змінює енергетичну молекулярну структуру барвника. Це, у свою чергу, спонукує центр випромінювання більш інтенсивно взаємодіяти з основними компонентами барвника, останнє призводить до того, що частина заборонених переходів стає частково дозволеними. Додавання у барвник прозорого УФ лаку на основі акрилу “Rengolux 3203-015 clear”, призвело до змін спектру люмінесценції барвника і значного збільшення чутливості барвника до опромінення інфрачервоним світлом. Було зроблено висновок про можливість у даному середовищі люмінесцентного запису знебарвленням матеріалу.

Була проаналізована проблема низької швидкості запису та зчитування інформації з FMD-носія, що пов'язана з самою природою явища фотолюмінесценції. Вирішенням цієї проблеми є запис та зчитування одночасно більше одного біту інформації. Двома шляхами реалізації цього підходу є запис з різними градаціями яскравості та паралельне зчитування інформації, можливе також і поєднання цих концепцій. Зважаючи на необхідність наявності високого рівня люмінесценції при записі з різними градаціями яскравості, було зроблено висновок про потребу використання в даному випадку середовищ з ефектом багатофотонного поглинання. Експерименти проведені з піразоліновими барвниками показали наявність в них ефекту двофотонного поглинання. Критеріями двофотонного поглинання світла на частоті були: наявність люмінесценції при збудженні опроміненням на частоті 2 та квадратична залежність інтенсивності люмінесценції від інтенсивності збудження.

Схеми паралельного зчитування пов'язані з використанням в інформаційних шарах матеріалу, що люмінесцує лише під опроміненням двох джерел світла, спрямованих у пристрої зчитування ортогонально. Це значно збільшує швидкість зчитування, дозволяє позбутися проблеми перехресних завад, але в великій мірі ускладнює пристрій зчитування. В іншій схемі пропонується записувати інформацію у вигляді площин розташованих під кутом до поверхні диску і використовувати таким чином лише одне джерело, світло якого сфокусовано у вузьку смугу.

Захист носіїв інформації від незаконного копіювання здійснюється шляхом нанесення на них захисних елементів, що несуть інформацію, яка дозволяє відрізнити диск-оригінал від незаконно зробленої копії. Таким чином захист інформації можна розглядати, як галузь запису інформації, що має певні особливості, але підкоряється основним вимогам, що існують для запису інформації. Запропоновано три методики фотолюмінесцентного захисту. Найпростішим є нанесення на поверхню носія інформації через трафарет люмінесцентним барвником графічного зображення чи тексту, що візуально ідентифікується при опроміненні носія світлом ультрафіолетової лампи. Переваги цього методу над методом нанесення голографічних елементів захисту є наступними: люмінесцентні елементи до опромінення є невидимими, що зменшує ризик їх підробки, крім того люмінесцентний метод є набагато простішим та дешевшим. Другою методикою люмінесцентного захисту є нанесення на поверхню носія інформації шару люмінесцентного барвника з подальшим записом лазером штрих-коду, який надалі можна ідентифікувати нескладним автоматичним пристроєм, вилучивши необхідну інформацію, щодо носія. Третя методика є найбільш ефективною, згідно з нею пропонується створити додатковий фото-люмінесцентний інформаційний шар на поверхні носія. Зчитування захисної інформації в даному випадку може проводитися лише на спеціальному пристрої зчитуванні інформації з оптичних носіїв. Зважаючи на те, що для запису захисної інформації нема потреби використовувати всю поверхню носія, пропонується поєднати цю методику з двома попередніми, встановивши таким чином для носія три рівні захисту.

В четвертому розділі розглядається такий метод оптичного запису в об'ємі, як голографічний запис. Як і в випадку сучасних оптичних носіїв та FMD-носіїв голографічні носії можуть бути носіями типу ROM (постійний запис багаторазові відтворення), носіями з одноразовим записом і багаторазовим зчитуванням або носіями з багаторазовим записом. На голографічний носій типу ROM уся інформація може бути записана у вигляді однієї голограми. При створенні голографічного носія з одноразовим записом виникає необхідність записувати інформацію у вигляді окремих блоків, мікроголограм. В цьому разі існує можливість взаємного накладання голограм при записі інформації завдяки методикам ущільнення. Для голографічних носіїв з багаторазовим записом додається вимога можливості локального стирання інформаційних блоків, а отже взаємне накладання мікроголограм тут не є припустимим.

На відміну від фотолюмінесцентного запису пошук придатного та недорогого матеріалу реєструючого середовища для голографічного носія виявляється серйозною проблемою. Тому, зважуючи на переваги голографічного запису, основна з яких - висока швидкість зчитування, в даній роботі було запропоновано об'єднання концепцій голографічного та багатошарового фотолюмінесцентного запису. В усіх запропонованих схемах голографічних багатошарових фотолюмінесцентних носіїв (FMH-носіїв) використовуються проміжні шари, що складаються з матеріалу з ефектом просвітлення. Схема FMH-диску є подібною до схеми FMD-носія розглянутого в третьому розділі. Різниця полягає у структурі даних інформаційних шарів, інформація в даному випадку записана у вигляді люмінесцентних цифрових мікроголограм. На виході об'єктиву FMH-приводу лазерний промінь формується у тонку смугу чи циліндричний світловий потік в залежності від того записана інформація у вигляді лінійних чи двовимірних голограм. Зчитується та голограма, що знаходиться у перехідній області середовища з ефектом просвітлення, корисний сигнал виділяється за спектральними компонентами. При цьому немає необхідності у вертикальному переміщенні об'єктиву з метою фокусування променю на потрібному шарі, що спрощує оптико-механічну схему пристрою зчитування. Зміна глибини на якій зчитується мікроголограма (глибини перехідної області) здійснюється зміною амплітуди зондуючого променю або завдяки створення режиму біжучої хвилі зчитування.

Задля того, щоб зменшити втрати часу та обчислювальних ресурсів операційної системи, обумовлені складним аналізом цифрових голограм пропонується записувати інформацію у вигляді одновимірних чи двовимірних блоків пітів. Це зменшить ємність окремого інформаційного шару FMH-диску, але завдяки тому, що в даному випадку кількість шарів може бути значною, зменшенням інформаційної ємності окремого шару цілком можна поступитися.

Іншою причиною втрат часу та обчислювальних ресурсів операційної системи при голографічному багатошаровому фотолюмінесцентному зчитуванні є необхідність виділення спектральних компонент шару зчитування. Задля запобігання цим втратам запропонована схема, що в значній мірі відрізняється від попередніх. Згідно з цією схемою інформація має записуватися шляхом знебарвлення люмінесцентного матеріалу інформаційних шарів. Опромінення носія при зчитування інформації відбувається на двох довжинах хвиль ₁ та ₂. Люмінесцентний матеріал носія має бути підібраний таким, щоб до запису знебарвленням давати двофотонний люмінесцентний сигнал при опроміненні обома джерелами світла та однофотонний сигнал при опроміненні на довжині хвилі ₂. Після процесу запису знебарвлені зони мають давати двофотонний люмінесцентний сигнал при опроміненні обома джерелами світла, і не давати люмінесцентного сигналу при опроміненні на довжині хвилі ₂. Широкий вибір люмінесцентних барвників, зокрема дослідженого в даній роботі класу піразолінових барвників, дозволяє підібрати люмінесцентний матеріал з потрібними оптичними характеристиками. Зчитування інформації відбувається в області що є незасвіченою для світла з довжиною хвилі ₁, та засвіченою для світла з довжиною хвилі ₂ .

Висновки

1. На основі даних, підібраних внаслідок детального аналізу сучасного ринку носіїв інформації, створено прогнози подальшого розвитку оптичного запису. Було показано, що створення нового типу оптичних носіїв великої ємності призведе до бурхливого розвитку багатьох галузей народного господарства, комп'ютерних технологій, освіти, сфери розваг, тощо, а отже є дуже доцільним. Дослідження розвитку та впровадження оптичних дисків CD та DVD і той факт, що диски більшої ємності DVD стають все більш приоритетними, показало гнучку залежність відношення попиту до пропозиції, щодо нових технологій в галузі цифрового запису інформації.

Внаслідок аналізу можливостей значного збільшення щільності оптичного запису, від суто теоретичних до вже існуючих прототипів нового покоління оптичних дисків “Blu-ray disc” та “HD DVD” було зроблено висновок, що найбільш доцільним є впровадження концепції об'ємного оптичного запису, а зокрема голографічного та багатошарового фотолюмінесцентного запису.

2. Розроблено схему багатошарового фотолюмінесцентного диску (FMD), а також пристрою для зчитування інформації з такого носія. Було досліджено можливості позбутися від головної проблеми багатошарового запису: високого рівня перехресних завад. Розроблена така структура FMD-носія та даних на поверхнях його інформаційних шарів, для якої рівень перехресних завад є завжди постійним і детермінованим, що дозволяє легко виділити корисний сигнал. Запропоновано дві технологічно прості схеми виділення корисного сигналу, а також оптична схема FMD-приводу. Проведені розрахунки показали можливість створення 20-шарового FMD-носія

3. Проведено спектроскопічні дослідження плівок піразолінових барвників. Обґрунтовано можливість їх використання в якості реєструючого середовища багатошарового інформаційного шару фотолюмінесцентного носія. Проведені експерименти по локальному знебарвленню плівок опроміненням ІЧ лазерного світла дали позитивний результат, щодо можливості використання барвників у FMD-носіях з одноразовим записом та багаторазовим зчитуванням. Аналіз фотолюмінесцентних спектрів сумішей барвників даного класу з цеолітом та УФ лаком дозволив виділити композиції з високим квантовим виходом та високою чутливістю до записуючого опромінення. Експерименти по наявності у барвників та сумішей ефекту двофотонного поглинання також дали позитивні результати. Це дозволяє використати дані барвники при створенні FMD-носіїв з паралельним зчитуванням.

4. Запропоновано комплексну методику люмінесцентного захисту носіїв інформації: нанесення на поверхню носія люмінесцентного графічного зображення чи тексту, запис лазером люмінесцентного штрих-коду та створення захисного інформаційного люмінесцентного шару.

5. Запропоновано методи відтворення інформації і реєстрації даних, що поєднують голографічний та багатошаровий фотолюмінесцентний запис і суміщають в собі переваги обох концепцій. Це багатошаровий запис цифровими люмінесцентними мікроголограми та блоками люмінесцентних пітів. В обох випадках пропонується запис у середовищі з ефектом просвітлення. Крім того запропоновано метод, який завдяки широкому вибору люмінесцентних матеріалів з різними оптичними властивостями (спектрами поглинання та люмінесценції) дозволяє підбором матеріалу реєструючого середовища значно спростити процес виділення корисного сигналу при зчитуванні інформації з голографічного багатошарового фотолюмінесцентного носія.

Список опублікованих праць за темою диссертації

Беляк Е.В., Крючин А.А., Стецун А.И. Люминесцентное считывание - путь повышения емкости носителей информации. // Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, т. 5, № 1, с. 3-11.

Дисертанту належить проведення аналізу розвитку технології оптичного запису на основі даних літературних джерел.

Беляк Е.В., Кравец В.Г., Крючин А.А., Косско И.А., Погодина А.А. Использование красителей с люминесцентным откликом для создания регистрирующих сред и защиты компакт-дисков // Реєстрація зберігання і обробка інформації, том. 4 № 3, 2002 р. стор. 15-22

Дисертанту належать проведення експериментальних досліджень, запропонування механізму, що пояснює виміряні спектри люмінесценції та пропускання сполук на основі органічних барвників

Беляк Е.В. Проблемы и пути создания объемных оптических голографических носителей информации // Реєстрація зберігання і обробка інформації, том. 5 № 1, 2004 р. стор. 5-19

Кравець В.Г., Пригун О.В., Беляк Є.В, Крючин А.А. Спосіб захисту компакт-дисків з використанням люмінесцентного захисного шару // патент на винахід, UA 66954 C2

Дисертанту належать проведення експериментальних досліджень, запропонування механізму фотолюмінесцентного світіння на базі теорії переходів електронів в атомах для пояснення спектрів люмінесценції та поглинання сумішей на основі піразолінових барвників.

Beliak E.V., Kryuchyn A.A. “Luminescent response dye application for optical recording media design and compact disc counterfeiting protection” // Scientific works “Problems of Optics and High Technology Material Science” SPO 2002. Kyiv (Ukraine) 2002 - P.91

Дисертанту належать проведення експериментальних спектроскопічних досліджень, запропонування композитних сполук на основі піразоліну як реєструючого середовища багатошарового фотолюмінесцентного носія.

Beliak E.V., Kryuchyn A.A. “Crosstalk noise while luminescent readout process” // Scientific works “Problems of Optics and High Technology Material Science” SPO 2004. Kyiv (Ukraine) 2004 - P.112

Дисертанту належать проведення експериментальних спектроскопічних досліджень, запропонування структури багатошарового фото-люмінесцентного носія.

Beliak E.V. Luminescent radial barcode for compact discs // Proc. III International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2005”. - Vinnytsia (Ukraine). - 2005. - P. 204-205.

А.А. Крючин, И.В. Косяк, О.А. Цубин, В.А. Фомин, Е.В, Беляк “Исследование методов идентификации компакт-дисков” // Труды шестой научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса (Украина). - 2005. - С. 131.

Дисертанту належать проведення експериментальних спектроскопічних досліджень, запропонування композитних сполук на основі піразоліну як матеріалу люмінесцентного радіального штрих-коду

Анотація

Беляк Є.В. Фізико-технічні основи побудови оптичних запам'ятовуючих пристроїв на фотолюмінесцентних носіях. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розробці фізико-технічних методів створення багатошарових оптичних носіїв інформації великої ємності з фотолюмінесцентним зчитуванням. Запропоновано фізико-технічні основи побудови багатошарових фотолюмінесцентних носіїв та проведено розрахунки, що підтвердили можливість надійного зчитування інформації з них. Для інформаційних шарів даних носіїв запропоновано фоточутливі матеріали та на базі експериментальних досліджень обґрунтовано доцільність їх використання. Розглянуто можливість збільшення швидкості відтворення інформації з багатошарових фотолюмінесцентних носіїв та використання фотолюмінесцентного запису у галузі захисту інформації від незаконного копіювання. Представлено методи, що поєднують концепції голографічного та багатошарового фотолюмінесцентного запису.

Ключові слова: оптичний запис, багатошаровий фотолюмінесцентний носій, голографічний носій, захист інформації, фоточутливі матеріали, люмінесцентні барвники, швидкість відтворення інформації.

Аннотация

Беляк Е.В. Физико-технические основы создания оптических запоминающих устройств на фотолюминесцентных носителях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Институт проблем регистрации информации НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена разработке физико-технических методов создания многослойных оптических носителей большой емкости с фотолюминесцентным считыванием.

Проведен анализ требований к характеристикам оптических носителей, областей их применения и анализ методов увеличения плотности оптической записи. На примере современных оптических дисков показана гибкая зависимость спрос-предложение на мировом рынке сменных носителей, которая создает чрезвычайно привлекательные условия для внедрения принципиально новых носителей информации. Анализ методов увеличения плотности оптической записи охватил различные методы, не имеющие отношения к фотолюминесцентной записи, в первую очередь запись информации коротковолновыми лазерами (программы “Blu-ray disc” и HD DVD) и ближнеполевую запись. Отмечены преимущества объемной записи, в частности создания многослойных и голографических носителей.

Представлены физико-технические принципы процесса считывания информации с многослойных носителей информации, детально рассмотрены структура многослойного фотолюминесцентного диска, создание фотолюминесцентных регистрирующих сред в которых возможна однократная и многократная запись. Предложены методы компенсации негативного влияния перекрестных помех от соседних информационных слоев при фотолюминесцентном считывании, проведены расчеты амплитуды сигнала считывания и соотношения сигнал/шум. Также предложены схемы электрооптической схемы устройства считывания информации с многослойного фотолюминесцентного диска. Проведены экспериментальные исследования формы люминесцентного сигнала считывания для случая использования в качестве регистрирующей среды комплексных пиразолиновых красителей, показана возможность считывания информации со скоростью близкой к скорости считывания информации с современных оптических носителей CD и DVD.

Рассмотрена технология изготовления фотолюминесцентного диска информации, показаны методы повышения скорости считывания информации с такого носителя. Продемонстрированы результаты экспериментальных исследований пиразолиновых красителей, предложенных в качестве фотолюминесцентной регистрирующей среды: высокая интенсивность квантового выхода люминесценции, широкий диапазон люминесценции, высокая фоточувствительность и возможность контрастной записи локальным обесцвечиванием при облучении образца светом инфракрасного лазера. Рассмотрены методики дополнительного повышения интенсивности квантового выхода люминесценции и фоточувствительности путем добавления в краситель цеолита и акрилового лака. Показана возможность использования данных материалов и композиций на их основе для фотолюминесцентной двухфотонной записи. Рассмотрены методики применения фотолюминесцентной записи в области защиты информации от копирования: нанесение люминесцентных меток, запись радиального штрих-кода и создание защитного информационного слоя.

Проведён анализ методов оптический записи в объеме, в частности голографической записи. Основное внимание уделено голографической записи в средах с эффектом просветления. Предложены методы создания оптических носителей, которые объединяют концепции голографической и многослойной фотолюминесцентной записи. Рассмотрены методики оптимизации данных схем с точки зрения уменьшения нагрузки на центральный процессор, в частности двухфотонная запись с последующим считыванием информации двумя лазерными источниками.

Ключевые слова: оптическая запись, многослойный фотолюминесцентный носитель, голографический носитель, защита информации, фоточувствительные материалы, люминесцентные красители, скорость воспроизведения информации.

Annotation

E.V. Beliak. Physicotechnical foundations of the photoluminescent storage devices development. Manuscript.

Thesis for Ph.D. degree by the specialty 05.13.05. Elements and devices of the computer techniques and control systems. Institute for information recording NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to elaboration of the high density photoluminescent storage devices. Schemes of the multilayer photoluminescent storage devices were proposed and properly examined. For information layers of the devices were proposed and checked by experimental validation photosensitive materials. Data reproduction speed increase possibilities and photoluminescent information security elements were analysed. Technologies, which combine holographic and multilayer photoluminescent, were presented.

Key words: optical recording, multilayer photoluminescent storage device, holographic storage device, information counterfeit security, photosensitive materials, luminescent dies and data reproduction speed.

Размещено на Allbest.ru