包括热致变色或光致变色材料的光信息载体的制作方法

专利名称：包括热致变色或光致变色材料的光信息载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种借助光束记录信息的光信息载体，所述光信息载体包括-基底层，-记录层，包括具有依赖于温度的光学特性的热致变色材料或具有依赖于光的光学特性的光致变色材料，用于在记录和/或读出期间选择性改进灵敏度，和-覆盖层。
本发明还涉及一种确定这种光信息载体的记录层(P)厚度的方法和从这种光信息载体读取数据的读出设备。
在欧洲专利申请02078676.0(PHNL020794 EPP)中披露了在多叠层光信息载体中使用热致变色效应增强读取和写入。为了实现对许多记录层之一进行有效寻址以写入/读取数据而不会与非寻址层产生过多交互作用，这些记录层包括具有依赖于温度的光学特性的热致变色材料，用于在记录和/或读出期间选择地改进被寻址记录层的灵敏度。另外，其中还披露了用于有效反射率为3.6％的反射ROM和WORM多层系统的热致变色效应的实现过程。
许多不同的可逆有机和无机热致变色材料都是可用的。在上述的欧洲专利申请02078676.0(PHNL020794 EPP)中还披露了许多不同的材料，例如聚合母体中π共轭材料、PH敏感染料分子和显色剂的π共轭低聚物或聚合物；其中包括螺吡喃(spiropyran)、螺二苯并吡喃(spirobichromene)、或螺噁嗪(spirooxazine)的聚合物材料；其中包括位阻光致变色染料的聚合物材料；其中包括热致变色染料尤其是花青或酞菁染料的聚合物材料；和其中染料分子聚合尤其是形成J型聚合体或H型聚合体的染料材料。在US 5817389中也披露了热致变色材料，例如多并苯类(polyacene class)、酞菁类(phthalocyanine class)、螺吡喃染料(spiropyran dye)、内酯染料(lactone dye)和荧烷染料(fluoran dye)。
热致变色效应的目的是在环境温度下(多个)未聚焦层尽可能少地吸收光，但足以在聚焦层中引起热致变色效应并在升高温度下尽可能多地反射。然而，虽然可获得许多热致变色材料，但对于单层或多层光信息载体来说必须选择满足这些要求的最佳候选材料。
此外，从US5817389也可获知许多光致变色材料，例如吨染料、偶氮染料、花青染料等。光致变色(PC)效应的目的是与热致变色(TC)材料类似的方式改变光学常数(n和k)，区别在于通过增大光强而不是通过升高温度。因此，对于PC和TC材料都会出现n和k的相同光谱偏移，只不过是基于不同的原理。因此通过使用光致变色材料，我们就可以利用材料的非线性光学性质，这意味着光学常数(n和k)可随着入射光的强度变化，使得这些材料具有依赖于光的光学特性。已知光致变色材料是可逆的或不可逆的，这取决于条件。在有机材料的典型极限内主要关心的通常并不是温度稳定性。对光致变色材料的速度和稳定性的最初研究表明这些材料的固有速度或响应时间是快的(～ns或更快)，大大快于热致变色材料。但是，从可获得的光致变色材料中，对于单层或多层光信息载体来说也必须选择满足期望要求的最佳候选材料。
包括热致变色或光致变色材料的已知记录层的反射率较低，大约为3％，甚至低于双层BD盘的有效反射率。这种低反射率将会对驱动器带来问题，因为它导致较低的光强度，而例如聚焦和跟踪信号或HF信号又是从这种光强度获得的。最终，较少数量的光子限制了可获得的数据率(光子发射噪声比探测器带宽)。
因此，本发明的目的是提供一种具有一个或多个记录层的光信息载体，所述记录层在聚焦状态具有增加的反射率以及在非聚焦状态具有非常高的透射率及可忽略的反射率。本发明的另一个目的是提供一种确定光信息载体的记录层的厚度的方法，以便找出一个最佳厚度，该厚度提供最大对比度(～100％)，以及若写入之后在写入标记中发生折射率失配，对于给定初始吸收率提供最大透射率。本发明的再一个目的是提供一种从这种光信息载体读取数据的读出装置，由其能够将读出温度保持在阈值写入温度以下以便避免读出期间出现写入效应。
根据本发明该目的是通过如权利要求1所述的光信息载体实现的，所述光信息载体的特征在于热致变色或光致变色材料的复折射率 的虚部k在升高的温度或较高的光强度下分别大于0。
已知热致变色或光致变色材料具有分别在环境温度或较低的光强度下应与基底材料的折射率近似匹配的折射率。因此在基底-记录层界面将不会出现或出现非常少的反射。所述材料在环境温度或较低的光强度下确实显示出一些有限的吸收率，其足以在焦点处引起白放大热致变色或光致变色效应。TC效应是自放大的，但PC效应原则上不是。在PC效应的情况下，受照射的PC分子从状态A转变至状态B，而没有中间状态。然而，使用PC材料的折射率的温度依赖性或从状态A至B的转变速率的温度依赖性连同光学PC效应一起，非线性PC效应也是切实可行的。还进一步认识到在焦点处，由于自放大效应，不仅吸收剖面k(复折射率 的虚部)发生偏移，而且根据Kramers-Kronig关系，所述折射率的实部(通常简单的称作折射率n)也发生偏移。
目前考虑用于蓝光波长记录的典型染料具有介于1和3之间的折射率n值和介于0和1.5之间的k值(取决于所选择的材料和使用的激光波长)。然而，甚至能够使用n和k具有在范围1＜＝n＜＝4和0＜k＜＝3的值的有机材料和具有值0＜n＜＝4和0＜k＜＝5的无机材料。还未研究这些染料的热致变色或光致变色效应，但有机TC材料的n和k范围将是类似的。对标准聚碳酸酯材料使用1.6的折射率nFPC致使染料和聚碳酸酯之间的峰值界面反射率近似为 根据这些认识，本发明在热致变色或光致变色记录层内部使用相长干涉以便获得尤其具有至少两个记录层的多层系统的聚焦层的有效反射率的极大增加，优选＞＞5％，而(多个)非聚焦层具有几乎100％的透射率和可忽略的反射率。因此，本发明是基于这种思想独自或改变复折射率 的实部n的同时增加复折射率 的虚部k，可导致聚焦状态下的反射率增加。例如，在双层RW BD盘的情况下，已经使用最优化的每记录层4层叠层设计来获得第二(最深的)记录层的～20％的反射率。然而，对于该第二层来说只获得～5％的有效反射率，因为对于入射到第二层和从第二层反射的光来说，第一层的透射率为～50％。
另外已经发现，通过同时考虑虚部k对分辨率的影响并根据本发明的提议选择k，还可获得额外的热致变色或光致变色分辨率增强因子。
再者，已经发现通过使用热致变色或光致变色材料的非线性效应，对于吸收或反射光学存储系统可获得较少的象差。在使用蓝色激光二极管的DVD的情况下，非线性效应可用于增加倾斜容限。在多层存储的情况下，它可用于增加深度范围。在所有单层和多层应用中，非线性效应都可用于增加物镜的数值孔径，同时将象差保持在一个可接受的水平。
传统的反射光学存储系统，例如CD、DVD和BD基于相位光栅，其要求精确的凹坑/凹槽深度。与最佳深度的较小偏差导致信号对比度的降低，并接着导致信噪比(SNR)的降低。还发现通过如根据本发明所提出的对热致变色或光致变色材料的折射率的实部n和虚部k进行最佳化，能够使反射存储系统的反射率和对比度不依赖于凹坑/凹槽深度。
升高的温度和较高的光强度在这里分别意味着远高于环境温度/阈值光强度的温度和光强度。在通过将记录激光束会聚到记录层上，或者在多个记录层的情况下将其会聚到一个特定的记录层上而进行记录期间，会产生升高的温度/较高的光强度，即聚焦记录层的温度/光强度比非聚焦记录层的高得多。升高的温度典型的在100-800℃的范围内(该温度至少高于驱动器的操作温度，例如在汽车中为60-80℃)。较高的光强度通常在0.5-300MW/cm2的范围内，例如，由Nichia生产的蓝色激光二极管结合0.85NA物镜的电流强度为0-8MW/cm2，并且对于由Picoquant生产的皮秒脉冲激光可一直达到150MW/cm2。
可使用不同的小脉冲激光系统结合BD透镜(405nm和0.85NA)获得较高的光强度对于具有～35pJ脉冲能量和～10ns脉冲持续时间的蓝色Nichia激光器为1.8MW/cm2；对于具有～10pJ脉冲能量和～70ps脉冲持续时间的PicoQuant激光器为2.300MW/cm2。
本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。
根据一优选实施例，热致变色或光致变色材料在阈值以上具有大于0.5的虚部k，优选的是大于1。在该范围中，可获得较高的反射率增加，尤其是如果实部n也同时降低到阈值以上。
为了避免在环境温度下在层间的边界处发生反射，热致变色或光致变色材料在环境温度下的折射率与基底的折射率n匹配是有利的，并且优选的，在包括由间隔层分开的一层以上的记录层的多层盘的情况下，还与间隔层的折射率n匹配。
另外，根据一个实施例，在升高的温度下，热致变色材料的折射率n与基底和可能的间隔层的折射率n匹配，而根据另一个实施例，热致变色或光致变色材料的折射率n在升高的温度下高于基底和可能的间隔层的折射率n。在后面的实施例中，热致变色或光致变色材料的k值优选选择为等于或大于0.5，而在第一实施例中零以上的k值已经导致反射率增加。
根据本发明的另一个实施例，热致变色或光致变色材料的折射率n在升高的温度下不增加，而是降低，因为已经发现与增加折射率n相比，通过降低折射率n，甚至可能进一步增加反射率。尤其是，在升高的温度下在1.0到1.6范围内的折射率n是有利的。例如，在折射率n为1.0和k值为约1.5的情况下，反射率可变至30％。
另外还认识到记录层的厚度在升高的温度下对反射率有影响。优选的厚度范围是10-200nm，特别是20-80nm。记录层的最佳厚度主要取决于折射率的实部n的值，尤其是记录层的折射率的实部n和相邻基底层或相邻间隔层的实部n之间的差。另外，读出或记录所使用的波长也对记录层的最佳厚度有影响。
另外还发现在记录层周围使用介电层进一步增强反射率，代价是增加介质复杂性。在一优选实施例中，在记录层的每一侧放置有至少一个介电层。有利地，提出了五层设计，其中记录层的每侧布置两个介电层，通过该设计可使反射率达到55％。介电层的折射率n的优先选择和用作介电材料的优选材料定义在权利要求8到10中。
根据本发明，热致变色或光致变色材料可同时是记录材料，但也可以在记录层中出现其它记录材料。优选的，本发明适用于具有一个或多个记录层的ROM或WORM(一次写入多次读取)光盘，例如CD-ROM、CD-R、DVD-ROM或BD(蓝光盘)。
本发明还涉及一种确定根据本发明的光信息载体的记录层(P)的厚度的方法，所述方法包括步骤-选择热致变色或光致变色材料，其在第一波长下具有较低的初始k值(kinitial)，而在短于或长于所述第一波长的第二波长下具有较高的k值，并且复折射率 的实部n与基底层和/或所述覆盖层的折射率相匹配；-记录测试数据；-在记录所述测试数据之后，基本在所述第一波长下确定所述热致变色或光致变色材料和所述基底层和/或所述覆盖层之间的折射率失配度Δn；-通过确定写入和未写入标记之间的信号对比度确定所述热致变色或光致变色材料的最小优化层厚度；-在记录之前，对于所述优化层厚度基本上在所述第一波长下确定最大初始k值。
通过该方法，如果在记录之后在写入标记中发生折射率失配Δn，则多层记录载体中的聚焦层的信号对比度和非聚焦层的透射率被优化。对于每个折射率失配Δn，在给定初始吸收率下，可发现具有最大对比度(～100％)和最大透射率的优化层厚度，而不会损害信号强度。该方法的优选实施例在从属权利要求中定义。
本发明还涉及一种如权利要求16所述的用于从光信息载体读取数据的读出装置，包括光源，用于发射读取光束；多点光栅，用于从所述读取光束产生至少两个偏移的光束；用于将偏移光束会聚在信息载体上的不同位置和用于将反射光束会聚在探测器上的不同位置的装置；和用于接收所述反射光束的探测器。
优选使用2点、4点、8点或10点光栅使得可同时读取2、4、8或10位。
使用根据本发明所述的记录载体，由于使用高k值的高吸收率，盘中的温度在读出期问可能会增加到写入阈值温度以上。这会在读出期间导致写入效应。如根据本发明提出地使用多点光栅，盘上的读出激光功率可降低，并且可将读出温度保持在阈值写入温度以下。与传统的单层DVD+RW相变系统相比，多轨迹方法的一个额外优点是即使每个点的读出功率较低，总的数据速率也会增加。
现在将参照附图详细说明本发明，其中

图1a、b表示根据本发明的单层和多层光信息载体的剖面图；图2表示吸收率增加的原理；图3、4表示作为波长函数的有机染料的复折射率 的测量实部(n)和虚部(k)；图5表示对于不同k值的作为层厚度函数的热致变色层的反射率；图6表示根据本发明的包括一个记录层和四个介电层的单叠层光信息载体的剖面图；图7表示对于图6中所示的信息载体作为记录层厚度函数的聚焦层反射率和非聚焦层透射率；图8表示对于图6中所示的信息载体作为k值函数的非聚焦层透射率；图9表示对于图6中所示的信息载体作为k值函数的热致变色层的聚焦反射率；图10表示热致变色材料显示出依赖于温度的反射特性的热致变色ROM载体的实施例的侧视图；图11表示图10c中所示载体的实际实现方式；图12表示对于中心孔径和DPD跟踪信号，信号对比度与凹坑深度的关系；图13表示在DTD2跟踪情况下，对于信号A+C和B+D，信号对比度与凹坑深度的关系；图14表示具有未写入轨迹的WORM实施方式的概念；图15表示具有写入轨迹的图14的WORM实施方式；图16表示具有未写入轨迹的另一WORM实施方式的概念图17表示具有写入轨迹的图16的WORM实施方式；图18表示具有未写入轨迹的第三WORM实施方式的概貌；图19表示具有写入轨迹的图18的WORM实施方式；
图20表示作为n和k的函数的反射率；图21表示当n和k同时改变时的反射率；图22表示k＝0和k＝0-1.5时作为n和距离的函数的反射率；图23表示对于不同记录载体叠层，在k＝1.5的情况下作为n的函数的最大反射率；图24表示对于S5013染料材料，测量的不同波长下的反射率、透射率和吸收率；图25表示使用光致变色材料的光学实现方式；图26表示具有完整和环形孔径的透镜的光点的强度分布；图27表示沿环形透镜的光点在k＝0和k＝0-1.5的情况下作为n和距离的函数的反射率；图28表示归一化的图27中所示的反射率分布；图29表示使用中心光阻挡器的记录光学系统的第一实施例；图30表示使用射束整形光学系统的记录光学系统的第二实施例；图31表示由于盘倾斜或球面象差引起的从中心光点至侧瓣的强度转移；图32表示对于不同情况，在写入之前(未写入标记)和之后(写入标记)，聚焦和非聚焦的单层热致变色/光致变色记录叠层的反射率、透射率、吸收率和信号对比度；图33表示多反射、多介质光学系统的矩阵方法的注解；图34表示用于计算介于两个聚碳酸酯(PC)间隔层之间的TC/PC层在405nm波长下的总反射率、透射率和吸收率的叠层设计的一个实施例；图35表示根据本发明的包括2点光栅的读出装置的一个实施例。
图1a表示根据本发明的单层光信息载体的一个实施例。在载体1的顶部布置有用于保护的覆盖层C，光束L，例如激光束或由LED产生的光入射到所述覆盖层上。其后布置有单个记录层P。在记录层P的下面布置有例如由聚碳酸酯形成的基底S。
图1b表示根据本发明的多叠层光信息载体1的一个实施例。与只有单个记录层P相反，提供有多个记录叠层，每个记录叠层都包括一个记录层P1到P7。通过间隔层R将所述记录叠层并因此也将记录层P1至P7隔开，以便使相邻的记录层在光和热上分开。
因此根据本发明的信息载体是通过交替叠置惰性的无源间隔层R和有源记录层P1至P7形成的。间隔层R是非旋光的并且是透明的，而且优选具有1-100μm、尤其是5-30μm的厚度。记录层P1至P7优选具有0.05-5μm的厚度。
除了记录和信息承载功能外，记录层P还具有热致变色(或可选择的，光致变色)功能，以提供增加入射光与被寻址记录层的相互作用的临时可逆效应。根据具体实施，折射率的虚部和/或实部的变化导致吸收、反射和透射特性的变化，这种变化其后被用于读出。优选的，这些功能结合在一种材料中，但也可将其分在不同的材料中。
因为除了被寻址记录层外的所有层中，光强度都是较低的，所以热曲线或者保持在阈值温度以下使得吸收曲线根本不会发生变化，或者变化不足以使吸收率在期望的波长下增加，所述变化意味着光谱移动或形式变化，例如所述曲线朝向激光波长的光谱移动，所述激光波长随温度可以是线性的，但光谱的较高吸收部分不会到达它。因此，只有在被寻址记录层中，才会获得温度升高，这足以在期望波长下局部(即在焦点位置)增加吸收率。在PC材料的情况下，使用强度阈值。在PC材料的情况下，由于焦点处的高光强度，所以就获得了被寻址层的反射率和/或吸收率(？)的显著局部增加。由于较低的光强度，所以在其它层中就不会获得反射率和/或吸收率的显著增加。
在非聚焦层中遇到的温度下，记录层和间隔层的折射率应该相互匹配，以便使界面处的反射率最小化。
图2中示出了本发明的效果。在环境温度下，在激光波长下的相对吸收率较小。因此，所有非聚焦记录层对入射光几乎是透明的。只有在被寻址的记录层处，激光的强度才高到足以充分加热所述材料以显著改变光学性质，由此进一步提高温度和局部加热。
热致变色记录层的反射率较低(约3％)，甚至小于双层BD盘的有效反射率。这种低反射率将会对驱动器造成问题，因为它导致较低的光强度，而较低的光强度用于获得例如聚焦和跟踪信号，或HF信号。最终，较少数量的光子限制了可获得的数据率(光子发射噪声比探测器带宽)。
热致变色材料具有在环境温度下应与基底材料的折射率接近匹配的折射率。因此在基底-记录层界面处将不会发生反射。所述材料确实在环境温度下显示出在焦点处足以引起自放大热致变色/光致变色效应的某一有限吸收率。在焦点处，由于自放大效应，不仅吸收率曲线(折射率 的虚部k)如图2所示的移动，而且根据Kramers-Kronig关系，复的折射率 的实部n也发生移动。
所考虑的用于蓝光波长记录的典型染料折射率n值为1-3且k值为0-1.5(取决于所选择的材料和使用的激光波长)，这可在图3和4中看出，其中示出了有机染料的折射率的测得实部(n)和虚部(k)与波长的函数关系。还未研究这些染料的热致变色效应，但所述曲线图确实显示出能够用“蓝光”染料获得的实际n和k值。折射率从1.7一直增加到2.4从图3看起来是切实可行的。所述虚部k也增加至值0.5。使k值在1.0附近而折射率自1.9一直增加到3.0看起来也是切实可行的(参见图4)。对于为2.5的折射率，在该图中发现k值在1.5附近。对于标准聚碳酸酯使用为1.6的折射率将得到染料和聚碳酸酯之间的峰值界面反射率近似为 本发明的思想是在热致变色记录层的内部使用相长干涉，以便使多层载体(≥2层)中的聚焦层或图1a所示实施例中的单一记录层获得有效反射率的显著增加(＞＞5％)，同时非聚焦层具有几乎100％的透射率和可忽略不计的反射率。在双层RW BD盘的情况下，已经使用了最佳的每层四叠层设计来获得～20％的反射率。然而，对于第二层来说发现有～5％的有效反射率，因为第一层的透射率对于入射光和反射光都是～50％。由热致变色/光致变色效应导致的单独或在改变折射率的实部的同时增加虚部的影响是未知的(参见图3和4)。热致变色/光致变色效应的目标是在环境温度下在非聚焦层尽可能少地吸收光(k≈0.002)，但足以在聚焦层中引起热致变色效应，和在升高的温度下尽可能多地反射(k≥0.5)。
下面已经执行了n的示例性计算，假定激光波长为405nm。为了在不同的激光波长λ下获得类似的性能，所提出的叠层设计中的单独的层的厚度应按比例缩放λ/405(λ的单位为纳米)。
已经发现与使用较低k值(k≈0.1)的情况相比，使用由于热致变色/光致变色效应引起的大折射率差结合较高的k值((k≥0.5)导致反射率的极大增加。图5表示计算得到的作为k值(0、0.1、0.5、1.0和1.5)的函数的热致变色层的反射率。示出了对于n变化的不同情况从1.6变化至1.0(图5a)、从1.6变化至1.6(图5b)和从1.6变化至2.2(图5c)。
在环境温度/低光强下，聚碳酸酯(PC)盘的折射率n为1.6，热致变色材料的折射率也为1.6，而在升高的温度/较高的光强度下为2.2。对于低k值(k≈0.1)来说，反射率极大得取决于层厚。应该注意作为层厚度函数的振荡。对于45nm的层厚度发现最大反射率为8.6％，而对于90nm的厚度，发现最小反射率为0.2％。对于相同的折射率变化和较高的k值(≥0.5)来说，发现反射率有进一步的增加。在k分别为0.5、1.0和1.5的情况下，对于～40nm的层厚度已经发现9.2％、13.9％和20.1％的最大反射率。对于较高的k值(≥0.5)，反射率变得不依赖于层厚度。在k分别为0.5、1.0和1.5的情况下，对于大于100nm的层厚度已经发现4.2％、8.8％和15.6％的恒定反射率。对于k＝1.5和最佳热致变色记录层厚度，反射多层系统(≥2层)能够获得20％的有效反射率。
从图5a-c，在升高温度/高光强的情况下，对于k≥0.5且n＝1.0、1.6和2.2，分别发现了对于70nm、50nm和40nm附近的层厚度的最大反射率。对于层厚度≥100和k≥0.5，反射率大致是常数，与层厚度无关并且与最大值相比略微降低。对于k≥1、n＜1.6或n＞1.6，与深度无关的反射率与现有技术的情况(k≈0)相当甚或更高。注意，对于k＞0.5和n＝1.6，反射率总是高于k≈0和n＝1.6的现有技术的反射率。
需要初始吸收来引起热致变色效应或光致变色效应。然而，最大初始吸收在多层系统中受层数和所述层上使用的填充比的限制。已经计算出在厚度≥100nm(例如200nm)、k＝0.013和n＝1.6的层中～8％的初始吸收率对反射率和信号对比度的影响。在升高的温度/较高亮度的情况下，对于n＝1.0、1.6和2.2，非聚焦层的反射率为～0.006％，而聚焦层的反射率为29％、18％和16％。
写入是基于将所述材料加热到阈值温度以上进行的，在所述阈值温度下所述材料将失去热致变色属性并将永久的返回至其非反射状态，使n与周围的基底/间隔材料的n匹配和使k尽可能的低。如果超过上述阈值的转变是通过热致变色材料的降解实现的或与其伴随发生的，则必须小心选择材料使得所产生的碎片的平均折射率近似与周围基质匹配。在多层系统中写入之后k的最大可允许值也受层数和在所述层上使用的填充比的限制。对于厚度为200nm、kmax＝0.013和n＝1.6，写入之后获得～8％的吸收率。对于k＝0，反射率为0％，但即使对于0＜k≤kmax，反射率也是非常小的。k＝kmax＝0.013和n＝1.6时，写入标记的反射率为～0.006％。写入(反射率≈0.006％)和未写入标记(在升高温度/高亮度的情况下，对于n＝1.0、1.6和2.2，反射率分别≈29％、18％和16％)之间的调制将＞99％，即使初始吸收率为～8％，并且不依赖于层厚度。
在没有牺牲聚焦层吸收率和非聚焦层透射率的情况下，通过使用一些额外的介电层可进一步增加热致变色记录层的反射率。在图6中示出了一个记录层的示例性叠层。该叠层包含一夹在两个介电层I2、I3之间并进一步夹在两个介电层I1、I4之间的由热致变色材料形成的记录层P，所述介电层I2、I3的折射率(n’＝1.5)低于聚焦状态下的热致变色材料的折射率，而介电层I1、I4的折射率(n”＝2.3)高于与所述热致变色材料相邻的介电层I2、I3的折射率。所述叠层被沉积在一聚碳酸酯基底S上并覆盖有一保护层C(盖层或用于多层的隔层)。与在记录层P中使用热致变色材料相反，也能够使用光致变色材料。
在图7中，这种叠层的光学性能被作为热致变色记录层厚度的函数给出。对该图中的透射率进行了空气-覆盖层界面处损失的光的校正。如可从图7看到的，对于这种叠层获得了约40％的聚焦反射和多于99％的非聚焦透射。很明显，非聚焦透射率取决于环境温度下的热致变色材料的k值。如图8所示，对于较大的k来说，透射率线性降低。对于厚度为28nm的均质热致变色记录层的～2％的吸收率来说，非聚焦层的透射率＞96％。
在图9中示出了在环境温度下对于热致变色材料的三种不同折射率(1.8、2.0和2.2)，计算得到的作为k的函数的最佳叠层的反射率。所述热致变色材料在环境温度下的折射率为1.6。对于1.8-2.2的折射率和1.5的k值来说，非聚焦层的透射率＞99％和反射率为35-38％。对于2.2的折射率，不依赖于k值，反射率＞20％。对于大于1.8的折射率和0.5-1.5的k值，反射率＞12％。
因此，与2层BD RW系统的有效反射率相比，使用具有热致变色材料的最佳叠层，能够将4层系统和20层系统的有效反射率分别增加到2.5-7和2-5倍。
在ROM系统的一个实现过程中，热致变色记录层被图形化(使用传统的并已确定的技术，例如湿式模压、注模、(光)平板印刷技术、微接触印刷、气相淀积)使得凹坑形状和深度被最佳化以在反射中给出最佳读出和跟踪信号，就如同在标准ROM系统中一样。除较小的反射率之外，不需要对驱动器提供关于热致变色效应的出现的任何反馈，并因此能与标准的、现在可获得的驱动器大大兼容，仅需要补偿由变化的焦深引入的像差。
应该提及的是在下面的实施例中示出了类似于当前盘系统的轨迹。然而，这并不意味着是限制，其它实施方式，例如在具有可能是非扫描数据访问和/或2D信息编码的卡系统中也是可行的，例如使用宽束照明和用CCD传感器进行检测的非扫描卡。另外，应该注意各幅图不是按比例绘制的。
图10a、b表示具有组合幅度和相位的光栅(图10a)和纯粹相位光栅(图10b)的热致变色ROM反射系统的一个实施例的侧视图。所述载体包括一基底覆盖层S、具有模压的ROM结构的热致变色层10和间隔层R(可能包含粘接层)。层S、10、R的折射率在环境温度下是相同的。阴影区域20表示光束形状，即温度显著增加到环境以上的区域。温度只有在束腰处才显著增加到环境以上。
对于反射ROM系统可以采用实施例的不同选项。尤其是，除了图10中所示的实施例之外，具有均匀厚度的单个热致变色层的实施例也是可行的。在图10c中，示出了纯粹相位光栅的第二实施例。在该情况中，脊和坑的层厚度是相同的，不同于图10b中的情况。在图11中示出了图10c的使用包含热致变色材料的均匀叠层的一个实际实施例。使用传统的方法(溅射、蒸镀)可相对容易且廉价地沉积该均匀叠层。对于图10b和10c中所示的实施例，就如同在标准的ROM系统中一样，可获得推挽/3点/DTD跟踪。3点/DTD跟踪可用于图10a中所示的实施例，因为推挽跟踪是不可行的。
基于光学分布图，利用405nm的波长和0.6的低NA，能使用约265nm的凹坑宽度(对于12cm盘为12.5GB用户密度)。然而，对于12cm盘使用热致变色超级分辨率效应能够获得25GB的用户密度，从而导致使用DVD光学系统能够获得20层500GB的12cm盘。
对于使用纯粹幅度光栅、层厚度≥100nm，即凹坑深度d≥100nm、凹坑中的初始吸收率为～8％，且凹坑填充比为25％的ROM实施例来说，非聚焦层的平均反射率、透射率和吸收率分别为＜0.0025％、～98％和～2％。对于阈值以上1≤n≤2.2和k≈1.5，聚焦层的凹坑反射率为15-30％。对于n＝1和k＝1.5发现有～30％的最佳反射率(参见图5)。聚焦层中的脊的反射率为0％，从而导致～100％的信号对比度。应该注意，对于d≥100nm，该对比度不依赖于凹坑深度，聚焦层和非聚焦层的反射率和透射率也不依赖于凹坑深度。
该ROM盘不能通过旋涂填充预先模压的凹坑来制造，因为脊将不会保持没有旋涂的材料，这会导致较低对比度的反射盘。相反，优选使用基于湿式模压的方法以获得高对比度的多层盘。
对于纯粹相位光栅盘和所提出的纯粹幅度光栅盘，在图12中示出了信号对比度和凹坑深度之间的关系。CA表示中央孔径数据信号，DPD表示用于跟踪的类型-1微分相位检测信号。能够看出对于纯粹的相位光栅盘，当凹坑深度从最佳值偏离时，信号对比度下降，而对于纯粹的幅度光栅，它总是呆在约100％处。应该注意在纯粹幅度光栅的情况下，径向推挽信号原则上消失。
DTD2(微分时间检测类型-2)跟踪方法也可得益于纯粹幅度光栅。DTD2信号偏离的过程中，首先需要获得两对对角象限信号(即，A+C和B+D，其中，例如A为左上象限，B为右上象限，D为左下象限，而C为右下象限)，然后将它们的相位差进行比较。如果这两个信号已经被最大调制了，则导致更加精确的相位比较并且接下来得到更好的跟踪误差信号。相似的，在图13中绘出了信号A+C和B+D的调制和坑深度之间的关系。在所有计算中使用了填充比25％。
现在将解释WORM系统上反射实施例的实现过程。原则上，仅仅通过将材料加热到阈值温度以上就能获得从高到低的写入效果，在所述阈值温度下，所述材料将失去热致变色性质并将永久地返回至其折射率n与周围基底/间隔物材料的折射率相匹配的非反射状态。如果通过或伴随热致变色材料的降解实现超过上述阈值的转变，则必须要小心选择材料使得所产生的碎片的平均折射率与周围基质的折射率接近匹配。
这种在下述的第一实施例中使用的写入概念的一个非常积极的特征是调制的最终值高(原则上100％)。这对高密度系统实现高数据率是重要的，在所述高密度系统中，最高数据空间频率非常接近调制转换函数截止频率，并因此被光学系统强烈衰减。因此较高的调制直接有益于可获得的数据率。
在第一WORM实现过程中，一种热致变色材料被使用并沉积在轨迹中。热致变色材料可如此使用，或者可通过溶解、分散、吸附在粘合剂上、络合等结合到主基质中。选择层厚度以提供适当的信息和跟踪信号。在图14和15中示出了所述概念。注意为了说明，轨迹被示出为直线形的。当然，例如可将定时信息放入到例如在标准记录中所使用的轨迹摆动中。
图14a、b表示未写入轨迹的第一实施例的侧视图(图14a)和顶视图(图14b)；图15a、b表示写入轨迹的第一实施例的侧视图(图15a)和顶视图(图15b)。热致变色材料50被沉积在轨迹中并且如60所示的发生局部降解。间隔层R是折射率匹配的和非活性的。在写入之后，只有没降解的轨迹部分仍然显示出热致变色效应使得反射光的调制得以实现。
对于使用具有如图14所示的层厚度≥100nm的纯粹幅度光栅、凹槽中的初始吸收率为～8％、凹槽深度d≥100nm和凹槽填充比为50％的WORM实施例，非聚焦层的写入标记和非写入标记的平均反射率、透射率和吸收率分别为＜0.005％，～96％和4％。对于阈值以上1≤n≤2.2和k≈1.5，聚焦的写入标记的反射率＜0.01％，而未写入标记的反射率为15-30％。对于n＝1和k＝1.5发现最佳反射率为～30％(与图5比较)。对于d≥100nm，从写入标记和未写入标记得到的信号对比度为～100％。应该注意对于d≥100nm，该调制不依赖于凹坑深度，并且聚焦层和非聚焦层的反射率和透射率不依赖于凹坑深度。
对于纯粹相位光栅盘和提出的幅度光栅盘，信号对比度和凹坑深度之间的关系类似于图12和13中所显示的。对于未写入区域，可通过例如邻接双斑法实现跟踪。邻接双斑法是基于在径向扫描期间检测的中央孔径信号的变化。因为所述信号在径向上通过纯粹幅度光栅进行了最大调制，所以它也可受益于本发明。
在图16和17中示出了第二WORM实施例。其中应用了另一个概念，其使用了具有不同降解温度的两种材料，它们都呈现出热致变色效应。图16a、b表示未写轨迹的第一实施例的侧视图(图16a)和顶视图(图16b)；图17a、b表示写入轨迹的第一实施例的侧视图(图17a)和顶视图(图17b)。
所述轨迹主要由降解温度约为在写入处理期间遇到的典型的处理温度的热致变色材料70构成。轨迹-凹槽由材料80包围，其也呈现出热致变色属性，但是具有远高于写入处理期间遭受的温度的降解温度。由于该较高的降解温度和与激光点中心的强度相比在预制凹槽轨迹的边沿的较低的光强度(即，较低的温度)，所以在写入程中只有材料70将会被降解，如17a中90所示。
再次，热致变色材料可如此使用，或者可通过溶解、分散、吸附在粘合剂商、络合等并入到主基质中。可使用例如传统的技术例如模压或微接触印刷来制造轨迹-凹槽。
该实施例的一个优点是在未写入和写入状态中都产生了连续的伺服信号。在该实施例中所获得的对比度取决于记录叠层的具体布局和材料性质。由材料80制成的“脊”层具有最大厚度d1+d2，d1是额外扩展到存储层下面的厚度。图16和17示出了一个实施例，但存在其它可能的变化，例如，具有d1＝0和d2＝0的厚度均匀的层。
另一个理念是使用图6中所示的具有预制模压轨迹的最佳叠层(图18和19)。通过使用强烈的激光脉冲局部降解热致变色材料50来写入透明的标记。将不会有光从降解的标记60反射。对于0＜d＜λ/2n且d≠λ/2，d是轨迹深度，可获得读出和跟踪(推挽/3点)信号。DTD只能用于凹坑(ROM)，而不能用于凹槽(WORM)。从使用λ/2n轨迹深度能够从轨迹的剩余活性部分获得具有3点跟踪(推挽为零)和最大对比度(原则上100％)的最大读出信号。
另外，为了了解在折射率变化Δn是可忽略的或者折射率n降低而不是增加的情况下将会发生什么，作了进一步的研究。图20中示出了对于折射率范围1.0-2.2和k＝0、0.1、0.5和1.5，计算的具有单一热致变色或光致变色层(如图1a所示)的记录载体的反射率。
例如，基底的初始折射率已被取作1.6，其是标准聚碳酸酯基基底的代表性折射率值。用相同标记的两条线表示对于特定k值的最小和最大反射率。对于特定k值，该反射率范围由层厚度确定，如图5所示。对于低k值(≤0.1)来说，反射率极大的依赖于层厚度。对于k≈0，反射率作为层厚度的函数几乎是无衰减的振荡函数。因此，层厚度的不同值导致相似的反射率，并且因此对于k≈0，图20中只使用了反射率的一个值。对于k＞0，在n从其初始值1.6分别变化至1、1.6和2.2的情况下，最大反射率值是在厚度等于～75nm、～50nm和～40nm时出现的。对于k＞0，在n从其初始值1.6分别变化至1、1.6和2.2的情况下，对于该应用的恒定和最小反射率值是在厚度＞50nm、＞30nm和＞25nm时出现的。
因此，对于k≈0，在n值为2.2和1.0的情况下，反射率分别从几乎是零一直增加至10％和20％。对于0＜k＜0.5，与k≈0的情况相比，对于n≈1和n≈2.2，反射率降低。对于1.2＜n＜2.2，反射率增加机构百分比。另外，对于0.5＜k＜1.5，在n≈2.2和n≈1.0时，反射率分别从10％和20％增加至20％和30％。在n≈1.6的情况下，反射率从几乎是零一直增加至22％。这是非常不可思议的。同时，与反射率增加一起，通过优化n和k可获得分辨率增强。
当n从1.6变化至2.2同时k从0变化至1.5时，发射率所发生的变化在图21中用虚线示出。没有照射的情况下，n为1.6，且蓝色曲线开始于0％的反射率。在增加照度的同时，n和k都增加。当n＝1.9、2.05、2.15和2.2时，该虚线曲线分别与k＝0.1、0.5、1.0和1.5的其它曲线交叉。注意在曲线的交叉处，k值相同。在图22a中将该情况(虚线曲线)与所示的仅通过增加n而没有最佳化k来最佳化反射率的已知情形相比较。对于这两种情况，n从1.6一直变化至1.9，反射率几乎是相同的。然而，与k不发生变化的情况相比，在增加k的同时，n值越大，反射率增加越快(图22a的虚线)。
受衍射限制的光斑的强度分布通过正弦函数来描述并能用高斯函数来近似。由于现有技术的热致变色效应，增加的分辨率通过朝向光斑中心非线性增加反射率来获得。作为光斑位置函数的相应反射率通过图22b中的连续曲线示意的显示。由于n和k的同时增加，热致变色反射率朝向光斑中心更快速增加，导致分辨率的进一步增强(图22b的虚线)。作为所述位置的函数的反射率在图22b中已经通过高斯分布进行了近似，并且已经发现大致有1.3倍的分辨率增强(图22b)。2D分辨率增强将是～1.7。
从图20能够得出对于基于单层结构的多层记录载体(如图1b所示)，对于k≈1.5和n≈1.6，反射率增加并不是如所期望的几乎为零，而是一直增加至22％，并且因此比上面k≈1.5和1.6＜n≤2.2的情况甚至更大。与n增加或n不变的情况相比，在n降低的情况下，反射率增加更大。对于k≈0和n≈1.0反射率能一直变至20％，并且对于k≈1.5和n≈1.0，反射率能一直变至30％。另外，基于所提出的方法能够获得～1.7(2D)的额外分辨率增强因数，所述方法也能用于在没有增加空间分辨率的情况下增加系统容限。已经使用n从1.6变化至2.2和k从0变化至1.5的情况解释了分辨率增强方法，但所述方法也可应用于n从1.6变化至1.0和k从0变化至1.5的情况。
如上面参照图6至8所述的，通过使用一些额外的介电层，在没有牺牲聚焦吸收率和非聚焦透射率的情况下，可进一步增加记录层的反射率。图6的相同叠层设计已经用于计算叠层的反射率，其中1≤n≤2.2和k＝1.5，开始于n＝1.6和k＝0。对于k≤0.02的初始值，非聚焦层的透射率＞96％。
已经发现，对于k＝1.5，反射率在n≈2.2时为～45％，并且在将n降低至1.0时逐渐增加至55％。这导致这样的结论与n增加的情况或当n不变时的情况相比，在n降低的情况下，最佳化的热致变色叠层的反射率增加更大。另外，当k≈1.5和n≈1.0时，反射率可一直变至55％，并且当k≈1.5和n≈1.6时，反射率也可一直变至46％。
n和k值是材料的光学常数，它们取决于波长。在阈值温度或阈值强度以上，吸收带朝另一个波长移动。因此，n和k的光谱相依性也将朝向另一个波长转移。k值在最大吸收波长下是最大的，并且在光谱移动之后，该最大k值将不变化。然而，不同材料可具有不同的最大k值。因此，由于光谱移动，在特定波长下的k值在阈值温度以上(TC)或阈值强度以上将发生变化。需要初始吸收率来引起TC/PC效应，并且该初始吸收率受层数和所使用的填充比(对于ROM为～25％，而对于WROM为～50％)的限制。吸收率A和k之间的关系为A＝1-exp(-4πdk/λ)，其中d是层厚度，λ是所使用的激光波长。应该注意，对于特定波长下的特定吸收率，dk＝常数。例如，对于厚度为200nm、k＝0.013、n＝1.6的层和λ＝405nm来说，将获得～8％的初始吸收率。在阈值以上，对于1≤n≤1.6和k≥1.0、层厚度≥30nm，反射率总是≥9％。因此，使用具有初始k≤0.085和d≥30nm的材料可发现～8％的初始吸收率。
特定材料的选择过程如下-选择在感兴趣的激光波长(200-800nm)下具有较低的初始k值的TC/PC材料，例如k≤0.085，以在405nm下获得～8％的初始吸收率，以便获得非聚焦层的高透射率。
-所选择的材料的最大k值应该≥1。
-与已知的材料相比，所述材料的k值在阈值温度/强度以上应增加到0.5以上，优选的在1以上，以在聚焦层中获得反射率增强。
-在阈值温度/强度下的折射率范围为1＜n＜4，并且优选的范围是1＜n＜1.6(其中n＝1.6是周围层的折射率，其能在1.4＜n＜1.7之间变化)。范围1＜n＜1.6是优选的，因为通过增加k并同时降低n可获得反射率的进一步增加。
-蓝移和红移都能够使用，但蓝移是优选的。n的降低是通过应用蓝移(1＜n＜1.6)获得的，n的增加是通过应用红移(1.6＜n＜4)获得的。
基于高k值的预计高反射率已经经过实验验证。在玻璃基底上(n≈1.52)的厚度d≥30nm的染料S5013层(参见图4)在440nm附近的计算空气入射反射率为30-33％。在厚度为～50nm时发现33％的计算最佳空气入射反射率。应该注意类似在多层盘中，对于基底入射，反射率为～23％。在图中示出了分别在320nm和440nm下实验测量的n和k值，其中n≈1.2和k≈0.1及n≈1.5和k≈1.5。在图24中示出了测量的反射率，其中对于80+/-25nm的厚度，在320nm和440nm波长附近空气入射反射率分别为～3％和～36％(图24)。在440nm下的测量反射率高于期望值并且可能由略高的k值1.6代替了1.5引起。对于基底入射，该染料层的反射率在320nm和440nm附近将分别是～0％和～25％。应该注意吸收率和反射光谱在440nm波长下具有最大值，而透射光谱在该波长下是最小的。
PC材料是双稳态的，而TC材料不是。对于TC材料，n和k值在将温度降低至阈值温度以下之后返回至其初始值。在光照射的情况下，PC材料的结构发生改变，从而导致n和k变化。为了返回至初始光学常数，需要一个其它的照射波长。这需要一个更加复杂的光学系统以使用一个激光点选通并读出该PC材料，并使用具有另一波长的不同激光点关闭该PC材料。这种使用PC材料进行的可能实现过程在图25中示出，其示出了使用PC材料进行光学实施。一个具有在吸收带内的波长的激光束L1用于改变PC材料的光学常数(n，k)。同时数据被读出。具有在移动的吸收带内的不同波长的第二激光束L2用于将PC材料的光学常数(n，k)恢复至其初始值。S1表示接通和读出光斑，S2表示切断光斑。箭头表示盘旋转方向。
通过阻挡记录装置的会聚透镜的中心孔或通过在透镜上施加环形光束，使用光学均衡能够获得较高的物理密度。然而，该效应对于传统的记录载体是不可应用的，因为由于来自邻近位的符号间干扰(ISI)同时增加而使得抖动变得太大。
结合如根据本发明提出的非线性材料，通过阻挡透镜的中心孔或通过在透镜上施加环形光束，使用光学均衡能够提高物理密度。非线性效应用于在增加物理密度的同时将抖动保持在意料中的水平。热致变色或光致变色材料用于获得如上所述的非线性效应。
虽然中心峰值变得较小，但能量被传输到艾里(Airy)图案的侧瓣，从而增加了它们的大小(图26)。将光点尺寸降低到原来的1.9分之一是切实可行的。光点尺寸的减小增加了较高频率的调制传递函数(MIF)，代价是损害较低频率的MTF。使用该光学均衡可获得较高的物理密度，而抖动保持在可接受的水平。通常，该效应不能有效的用于增加物理密度，因为侧瓣被解释为来自邻近位的符号间干扰(ISI)，并趋于接近眼睛张开度(eye-opening)。在非线性吸收或反射的情况下，所检测的信号的这些侧瓣表现出少得多的程度(图27和28)。图22中所示的非线性效应已经用于显现侧瓣的降低。在图27a中，示出了最佳化的情况(虚曲线)和已知的情况(连续的曲线图)下，作为n的函数的反射率。在图27b中，示出了已知情况(连续曲线图)和最佳情况(虚曲线)的沿环形透镜的斑点的相应反射率分布图。由于非线性效应，在放大中心峰值的反射率的同时，所述斑点侧瓣的反射率未被改变。归一化这两个反射率分布(图28)，可观察到与中心峰值的反射率相比，侧瓣的反射率降低到原来的1/2。所示的侧瓣反射率的降低是在现有的热致变色或光致变色引入的降低的基础上的额外降低。总计降低甚至更大。
所述方法可以不同的方式来实现。为了通过使用该方法获得显著的增益，透镜孔中心部分大部分被阻挡，例如，如图29中所示在透镜的前面使用光阻断器，从而导致标准过量填充的透镜的功率极大地损失几乎是80％的功率损失，以获得～1.9倍的光点区域减小。
另一种可行性是使用环形光束。为了将能量损失保持在可容忍的水平，可使用产生径向强度分布的射束整形光学系统，所述径向强度分布的峰值不在r＝0处，而是在r峰值＝(R阻断+R透镜)/2处，所谓的环形射束如图30所示。
应该注意到物理密度增加也可应用于荧光存储，荧光存储是用于多层存储的特殊类型的吸收存储。
然而，数据密度的进一步增加通常导致光学存储系统的象差增加。作为实际的例子将讨论蓝光DVD系统和多层系统。图31表示DVD+RW透镜的光点在基底厚度为0.6mm(图31a)或0.65mm(图31c)的盘中的强度。将DVD系统的波长从红光(660nm；图31a)改变至蓝光(405nm；图31b)，同时将信息层保持在0.6mm深度处，将导致倾斜容限的降低。当盘倾斜时，聚焦点的中心峰值的能量被传递给侧瓣。这些增加的侧瓣增加了来自邻近位的符号间干扰(ISI)，并因此增加了抖动。由于倾斜引起的侧瓣的增加还与光的波长成反比。
在多层盘中，限制可用的NA的一个因素是象差的出现，像差将随着NA显著增加。在单层甚或双层系统的情况下，这是可容忍的，因为对物镜补偿了介质中或两个可能层之间的焦点的已知位置。对于多层应用，像差是被寻址层的深度的函数，并且必须通过自适应的光学系统进行补偿。然而，补偿范围也是有限的已经被设计用于补偿双层BD中的球面象差的液晶(LC)补偿器可补偿～1λ的球面象差(SA)峰峰误差。因此，使用LC补偿器，对于基于DVD(NA＝0.60)和BD(NA＝0.85)的多层系统可获得～30μ和～400μm的深度范围。而且对于SA，当透镜会聚在位于盘中不同深度的另一层上时，会聚光点的中心峰的能量被传递给侧瓣(图31c)。
对于吸收或反射光学存储系统，通过使用上述的热致变色或光致变色材料的非线性效应而能够获得较少的像差。在蓝光DVD的情况下，非线性效应能够用于增加倾斜容限。在多层存储的情况中，它可用于增加深度范围。
在图31b和31c中，分别对于倾斜和SA，示出了红光DVD透镜的会聚光斑的能量从中心顶点至侧瓣的传递。在非线性吸收或反射的情况下，如上面参照图26-30所述的，所检测的信号的这些侧瓣将表现出少得多的程度。之前已经说明了通过使用环形透镜能够获得物理密度增强。然而，中心顶点宽度的降低与侧瓣强度的增加并且因此与抖动的增加同时发生。这些检测的侧瓣可通过应用如图28所示的根据本发明的非线性效应得到抑制。相同的非线性方法可用于降低由倾斜(图31b)或由SA(31c)引入的检测的侧瓣。
吸收或反射型蓝光DVD系统的较小倾斜容限可通过使用根据本发明的非线性效应得到增强。另外，也可使用根据本发明的非线性效应增加吸收或反射多层存储系统的深度范围。因此，使用LC补偿器，对于基于DVD(NA＝0.60)和BD(NA＝0.85)的多层系统可获得＞30μm和＞400μm的深度范围。对于其它SA补偿光学系统，深度范围可能更小或更大。
另外，可通过使用根据本发明的非线性效应能够在将象差(例如，倾斜、SA、彗形象差和象散)保持在一可接受的水平的同时，增加吸收或反射型多层存储系统的NA。具有彗形象差的检测到的光斑侧瓣的强度也增加，代价是检测的中央峰的强度。另外，由于象散引起的反射强度分布扩宽在非线性反射表面上将比线性反射表面少。因此，使用热致变色或光致变色材料的非线性效应也能够降低彗形象差和象散像差。
应该注意通过应用非线性响应，也可将象差减小应用于荧光存储和基于线性响应的所有光存储系统。
上面已经参照图14-19说明了基于热致变色材料的WORM概念。原则上，仅仅通过将所述材料加热到阈值温度以上就能获得从高到低的写入效应，在阈值温度下所述材料将失去热致变色性质并将永久的恢复至其非反射状态，此状态下折射率n与周围的基底/间隔材料的折射率匹配，例如所述折射率对于聚碳酸酯(PC)来说为1.6。在光致变色材料的情况下，使用了阈值强度。如果超过所述阈值的转变是通过热致变色/光致变色材料的降解完成的或伴随有热致变色/光致变色材料的降解，则必须要小心选择材料使得所产生的碎片的平均折射率与周围基质的折射率近似匹配。折射率的失配将导致信号对比度和非聚焦层的透射率降低。
因此提出如果在记录之后在写入标记中发生了折射率失配，则对聚焦层的信号对比度和非聚焦层的透射率进行最佳化。对于每个折射率的失配来说，在不减弱信号强度(通常也称作信号调制)的情况下，对于给定的初始吸收率，可通过最大对比度(～100％)和最佳透射率来找到热致变色/光致变色材料的最佳化层厚度。
在图32中示出了对于不同情况，聚焦和非聚焦的单层热致变色/光致变色(TC/PC)记录叠层在写入之前(未写入标记)和写入之后(写入标记)的反射率(R)、透射率(T)、吸收率(A)、和信号对比度(C)。聚碳酸酯(PC)的折射率在405nm波长下取作1.6。在写入TC/PC标记的折射率(n＝1.6)与PC的折射率(nPC)相匹配的情况下，在写入之后(图32a)，凹槽深度200nm，(图32b)Δn＝0.3(nw＝1.3)的折射率失配度将导致156nm的最佳深度，(图32c)Δn＝0.6(nw＝1.0)的折射率失配度将导致202nm的最佳深度，(图32d)Δn＝0.6(nw＝2.2)的折射率失配度将导致184nm的最佳深度，(图32e)Δn＝0.6(nw＝2.2)的折射率失配度将导致92nm的最佳深度。在所有的图32中，下列曲线被显示为凹槽深度的函数在高于阈值时n＝1.0(Runw1.0)和1.6(Runw1.6)与k＝1.5情况下的聚焦层中的未写入标记的反射率，对于n＝1.0和1.6(Rw)进行写入之后具有8％的吸收率的聚焦层中的写入标记的反射率，在高于阈值时n＝1.0(C1.0)和1.6(C1.6)与k＝1.5情况下的聚焦层中的写入和未写入标记之间的信号对比度，以及使用50％的槽/脊比和给定(最佳)凹槽深度进行写入之后非聚焦层的平均透射率(Toof)。
在下表中也给出了对于不同情况，聚焦和非聚焦的单层TC/PC记录叠层在写入之前和写入之后的反射率、透射率、吸收率和信号对比度。该表和图32中所使用的术语的含义如下a)nw是写入标记(w)的复折射率的实部(n)。已经考虑了相对于nw＝1.6为Δnw＝±0.6的写入之后折射率失配的影响(nw＝1.0和nw＝2.2)。
b)nunw是阈值以上的未写入标记(unw)的复折射率的实部(n)。未写入标记的n在阈值以下为1.6。
c)dopt是TC/PC层的最佳厚度。
d)Toof是非聚焦(oof)层的平均透射率(T)。预制凹槽WORM介质的比为50％。
e)Aoof是非聚焦(oof)层的平均吸收率(A)。预制凹槽WORM介质的比为50％。
f)k是聚焦层和未聚焦层中的写入标记和非聚焦层中的未写入标记的复折射率的虚部。
g)C是聚焦层中的写入和未写入标记的信号对比度。
h)R是聚焦和非聚焦的写入标记和未写入标记的反射率。
在图32a和上表的第一行中示出了以405nm波长进行记录之后，对于升高温度下k＝1.5和1.6附近的匹配的折射率的情况。在阈值以上，对于厚度≥30nm和n＝1.6的层来说，未写标记的聚焦反射率为～18％并且不受依赖于深度。在阈值以上，对于厚度≥50nm和n＝1.0的层来说，未写标记的聚焦反射率为～29％并且不依赖于深度。在阈值以上，在n＝1.6和n＝1.0时，对于每一层厚度，信号对比度都是100％。非聚焦层透射率取决于厚度、槽/脊比(通常也称作填充比)和k，对于初始吸收率为8％(k＝0.013)和槽/脊比为50％的200nm厚的预制凹槽WORM层来说，该透射率为～96％。对于聚焦层和非聚焦层来说，最大吸收率为8％(k≤0.013)的折射率匹配写入标记的反射率为～0.006％。在环境温度下非聚焦层的未写标记的反射率也为～0.006％。
由于例如通过降解进行记录之后n＝1.3而非1.6的写入标记的折射率失配，观察到对比度和非聚焦层透射率降低了(图32b和上表的第二行)。由于写入标记的反射率增加，而未写入标记的反射率保持不变，所以对比度降低至75％。然而，对于～156nm的层厚度，在非聚焦层的平均初始吸收率为4％(k＝0.017)和平均透射率为～96％时出现～100％的最大对比度(图32b)。
对于n＝1.0和n＝2.2而不是1.6的写入标记的折射率失配，对比度分别降低至0％和50％(分别参见图32c和上表的第三行，以及图32d-e和上表的第四行)。对比度≥99.8％最佳层厚度为202nm是在n＝1.0而非1.6的写入标记的折射率失配的情况下出现的(图32c)。对比度≥99.9％且最佳层厚度为184nm和92nm是在n＝2.2而非1.6的写入标记的折射率失配度的情况下出现的(分别参见图32d和32e)。对于所有说明的情况，具有最佳凹槽深度的非聚焦层的吸收率、透射率和反射率的平均值分别为4％、～96％和≤0.02％(图32b-e)。对于所有说明的情况，具有最佳深度的折射率失配的写入标记的聚焦反射率为≤0.04％。
根据上面的发现和测量，提出一种方法，在记录之后写入标记中出现有折射率失配Δn时，用来最佳化聚焦层的信号对比度和非聚焦层的透射率。对于每个折射率失配Δn来说，可发现具有最大对比度(～100％)最佳化的层厚度dopt和给定初始吸收率下的最大透射率，而不会损害信号强度。
所提出的方法的步骤如下-在写入之前，选择在第一波长(例如405nm)附近具有较低的初始k值(例如，kinitial＜0.5)而在较短或较长的第二波长下具有较高的k值(例如，kmax≥0.5)的TC/PC材料。在以第一波长(405nm)读出期间，k应该变得高于所述初始值(kmax≥0.5)并在读出之后再次降至初始值(kinitial＜0.5)。
-在写入之前，TC/PC材料的折射率应该与周围基底/间隔材料的折射率匹配，例如在405nm附近对于聚碳酸酯(PC)来说为～1.6。
-在记录之后测量在第一波长(405nm)下的折射率失配度Δn。
-计算TC/PC材料的最小最佳化层厚度(对于折射率失配Δn＝-0.3和Δn＝±0.6的例子可参见图32和上表)。
-在写入之前计算对于最佳化的层厚度dopt在第一波长(405nm)下的最大初始k值(kinitial-max)，以获得非聚焦层的最小透射率。非聚焦层透射率取决于厚度、槽/脊比和k，例如对于初始吸收率为8％(kinitial-max＝0.013)和槽/脊比为50％的200nm厚的预制凹槽WORM层来说，非聚焦层透射率为～96％。应该注意如果在写入之前kinitial＞kinitial-max和在写入之后kafter writing＞kinitial-max，则所述材料是无用的。对于记录之后写入标记中的折射率失配度Δn，对比度(～100％)和非聚焦层信号透射率(～96％)已经在第一波长(405nm)下被最佳化了。
使用平行界面处的多光束干扰的矩阵形式计算寻址和未寻址层的反射率、吸收率和透射率，如图33中所示和如M.V.Klein，T.E.Furtak的《Optics-second edition》(John Wiley &Sons(1986))中所述。
在垂直光入射的情况下两个不同介质之间的界面处的反射和透射系数ρij和τij分别为ρij=ni-njni+nj,]]>和τij=2nini+nj.]]>在从左侧至右侧穿过一给定层时，引入了一个相位因子exp(-iβj)，其中βj=2Πλ0njdj.]]>叠层矩阵由下式给出S＝H12L2…，LN-1HN-1，N其中界面过渡矩阵Hij=1τij1ρijρij1,]]>和层传播矩阵Lj=exp(-iβj)00exp(iβj).]]>图34中所示的叠层用于计算寻址和未寻址层的TC/PC层的总的透射、反射和吸收。还未考虑空气-聚碳酸酯界面处的反射。对于未写入标记，在kinitial≤kinitial-max的情况下，在环境温度下nTC-unwritten＝1.6-(kinitial)i，在升高的温度下，nTC-unwritten＝1.6-(1.5)i。对于写入标记，在kafter writing≤kinitial-max的情况下，nTC-written＝Nafter writing-(kafter writing)i。nPC＝1.6且在环境温度下与nTC-unwritten匹配。如果Δ＝nafter writing-nbefore writing≠0，则由于折射率失配度，被寻址层中的写入和未写入标记之间的对比度降低。然而，通过调整其厚度来最小化写入标记的反射率能够增加该对比度。可使用上述的矩阵形式通过计算作为TC层厚度的函数的对比度来计算写入标记的这种最佳化厚度dopt(对于折射失配Δn＝-0.3和Δn＝±0.6的例子可参见图32和上表)。d＞30nm的对比度的最大值确定了dopt的值。应该注意，未写入标记的反射率不依赖于其厚度，因此将使用与写入标记的最佳厚度相同的厚度。
非寻址层的最小可允许透射率确定了kinitial-max的值。具有透射率T和几乎可忽略的反射率R的非寻址层的总吸收率A为A＝1-T-R≈1-T吸收率和虚折射率k之间的关系为A=1-exp(-4Πdkλ)]]>其中d为层厚度，λ为光的波长。使用下式，对于槽/脊比RL/G为0.5、非寻址层的最小可寻址透射率Tminimal为0.96、最佳厚度dopt为200nm和波长λ为405nm的预制凹槽WORM层来说，发现kinitial-max的值为0.013，kinitial-max=(-λ4Πdopt)ln(-0.5-TminimalRL/G).]]>通过调整凹槽深度，可使用如上所述对于大于100nm的层厚度使用纯粹幅度光栅的WORM施行过程，以获得最佳的信号对比度、信号强度和非聚焦层透射率。此外，该思想也可应用于多层和单层反射光盘系统，例如CD、DVD和BD。
TC/PC有机染料的较低热稳定性在读出过程中可能是一个严重的问题。TC读出是基于在加热和冷却时光学常数(n和k)的可逆变化。PC读出是基于在用两个不同波长的激光束照射时光学常数(n和k)的可逆变化。将有机材料加热到分解/降解温度以上可用作写入效应。
然而，如果在读出期间温度超过分解温度，则将发生写入效应。在所提出的TC/PC多层记录介质中，优选使用TC/PC材料和低导热材料(聚碳酸酯、SiO2、Si3N4)。因此，在读出期间温度可升高到分解温度以上，因为使用较高的k值(0.5＜k＜1.5)具有较高的吸收率。温度＜70℃在读出期间是优选的，因为有机染料的分解温度＞70℃。热学计算显示如果使用了21.12m/s(4xBD/6xDVD)速度和0.3mW读取功率，则k＝1.5和TC/PC层厚度为50nm时，就能达到约130℃的温度。在更高的盘速度和较低的读出功率下，所述温度将降低。然而，较低的激光功率并不是现实的选择，因为为了满足位检测的SNR要求，由于激光尤其是电子噪声，则数据速率将极大地受到限制。
基于相变材料的传统DVD+RW单层系统和基于TC/PC材料的DVD-WORM多层介质的计算信道位速率(CBR)之间的比较列举在下表中。使用14％的反射率(R)、盘上0.7mW的激光功率(P激光)以及PDIC探测器的传统DVD系统的CBR为146Mbps。对于TC多层系统，在盘上使用为0.07mW的1/10的激光功率(读出温度将＜130℃)确实导致CBR显著降低至16Mbps，因为激光噪声增加了(RIN从-125dB到-115dB)。
在将激光功率保持较低的同时将CBR一直增加到可接受的水平的可能解决方案也列在下表中，例如灰色滤波器(在第五列中由“滤波器”指示)用于降低激光噪声，雪崩光电二极管(APD)用于降低电子噪声，以及多轨迹读出用于提高CBR而没有光学功率损失。使用3.5mW的输出激光功率(是传统的DVD+RW系统的两倍)和使用灰色滤波器将激光功率降低到20倍将在盘上给出0.07mW的激光功率。使用灰色滤波器将激光噪声降低了20dB，这导致CBR增强为原来的6倍(从16到93Mbps)，其受到电子噪声的限制。通过使用APD可使CBR进一步增加到2倍(从93到204Mbps)。使用灰色滤波器的缺陷是损失90-95％的光学功率。
该光学功率损失问题根据本发明可通过使用多光点光栅，例如10光点光栅来代替衰减因数为10的灰色滤波器得到解决。使用1.75mW的传统读出激光功率、10点光栅和传统的PDIC探测器，得到～700Mbps的CBR。使用1.75mW的传统读出激光功率、10点光栅和基于PIN的APD探测器可得到～1.2Gbps的CBR。应该注意分解温度＞200℃的TC有机染料的例子已经在A.Nomura等人的“Super-Resolution ROM disk with Metal Nanoparticles orSmall Aperture”Jpn.J.Appl.Phys.41，3B，1876(2002)中公开了。
考虑激光噪声、电子噪声和探测器噪声的信噪比(SNR)为20dB的计算信道位速率被列举在下表中。当还考虑AD转换器的量化噪声和介质噪声时，SNR在相同的信道位速率下将变成10-15dB(9-16％抖动)。
所提及的探测器是PDIC0.5pA/Hz1/2，8.8nV/Hz1/2，0.7pF，0.5A/W@650nm；APD(PIN)0.5pA/Hz1/2，2.2nV/Hz1/2，9pF，0.5A/W@650nm，M＝10，Fexc＝2.5。
雪崩PIN(APD(PIN)使用倍增M＝10时具有过量噪声因数Fexc＝2.5。
对于ROM/WORM系统有不同的可能的实现方式。在第一实现方式中，对于DVD-ROM/WORM多层系统，在将盘中的读出温度保持在可接受的水平的同时，使用灰色滤波器和APD探测器获得可接受的CBR。在第二实现方式中，在将盘中的读出温度保持在可接受的水平的同时，使用多轨迹方法(用于1维(传统多轨迹)或使用多光点光栅的2维光学存储)，对于DVD-ROM/WORM多层系统获得比传统DVD+RW单层系统大致5倍的CBR增强。在第三实施方式中，使用基于PIN的APD来代替传统的PDIC探测器可获得大致1.5倍的进一步的CBR增强。
能够使用少于或多于10点的光栅，例如2点或4点光栅。当结合相同的激光功率使用了较少的点时，读出期间的温度将增加。然而，只要读出期间的温度保持低于写入阈值，则就能使用少于10的点。当结合相同的激光功率使用了太多的点时，信道位速率将快速降低。这将会在信号相对于电子噪声或激光噪声变得较小时发生。然而，只要信道位速率保持在可接受的值以上，就能够使用更多的光点。
根据本发明的包括2点光栅的读出装置的一个实施例在图35中示出。根据该实施例，所述读出装置包括用于发射读取激光束L0的激光二极管100，用于从所述读取光束L0产生两束略微偏移的激光束L1、L2的2点光栅101，分束器102，用于将激光束L1和L2会聚在记录载体104上的不同位置的物镜103和用于将反射的激光束L1’和L2’会聚在探测器106上的不同位置的伺服透镜105。通过使用两个激光束点，可从盘104同时读取两位。
多点光栅的应用领域特别是多层和单层反射光盘系统，例如CD、DVD和BD。
应该注意只有象差降低和分辨率增强才可应用于单层信息载体。N层(多层)光信息载体包含由间隔层分隔的N个不同的单一TC层(P1-PN)或N个不同的单一叠层(P1-PN)，对于每个单一叠层，包括一个记录层(P)和四个介电层(I1-I4)，并由间隔层分割开，如图6所示。
总之，对于单层设计和(图6的)最佳化的叠层设计都能得到甚至更高的反射率(大于10％)和增强的分辨率。对于k≈1.5和n≈1.0，与使用n的增加的最大可获得～20％的反射率相比，对于单层和最佳化的叠层设计，使用热致变色和光致变色材料可发现高达30％和高达55％的反射率。最佳化要求对于单层设计和最佳化的叠层设计是较不严格的。只通过最佳化k(k≈1.5)而没有限制n，对于单层和最佳化的叠层设计，使用热致变色和光致变色材料就已经发现大约20％或45％的反射率。
权利要求
1.一种用于借助光束记录信息的光信息载体，所述光信息载体包括-基底层(S)；-记录层(P)，包括具有依赖于温度的光学特性的热致变色材料或具有依赖于光的特性的光致变色材料，用于在记录和/或读出期间选择性地改进灵敏度；和-覆盖层(C)，其特征在于所述热致变色或光致变色材料的复折射率 的虚部k在升高的温度或高光强度下分别大于0。
2.如权利要求1所述的光信息载体，其特征在于所述热致变色或光致变色材料的复折射率 的虚部k在升高的温度或高光强度下分别大于0.5，尤其是在从1.0至3的范围内。
3.如权利要求2所述的光信息载体，其特征在于所述热致变色或光致变色材料在环境温度或低光强度下分别具有与所述基底的折射率n相匹配的折射率n，并且分别在升高的温度下或高光强度下具有大于所述基底的折射率n的折射率n，尤其是大于1.6，尤其是在从1.6至4的范围内的折射率n。
4.如权利要求1所述的光信息载体，其特征在于所述热致变色或光致变色材料在环境和升高的温度或在低和高的光强度下分别具有与所述基底的折射率n相匹配的折射率n。
5.如权利要求1所述的光信息载体，其特征在于所述热致变色或光致变色材料在环境温度或低光强度下分别具有与所述基底的折射率n相匹配的折射率n，并且在升高的温度下或高光强度下分别具有小于所述基底的折射率n的折射率n，尤其是小于1.6，尤其是在从1.0至1.6的范围内的折射率n。
6.如权利要求1所述的光信息载体，其特征在于所述记录层(P)的厚度在10到200nm的范围内，尤其是在20到80nm的范围内。
7.如权利要求1所述的光信息载体，在所述记录层(P)每一侧还包括至少一个介电层(I)。
8.如权利要求7所述的光信息载体，在所述记录层(P)的每一侧包括两个介电层(I1-I4)，邻近所述记录层(P)的介电层(I2，I3)在升高的温度或高光强度下分别具有小于所述热致变色或光致变色材料的折射率n的折射率n。
9.如权利要求8所述的光信息载体，其特征在于不与所述记录层(P)邻接的介电层(I1，I4)在升高的温度或高光强度下分别具有大于所述热致变色或光致变色材料的折射率n的折射率n。
10.如权利要求8所述的光信息载体，其特征在于邻近所述记录层(P)的介电层(I2，I3)主要包括SiO2，而不邻近所述记录层(P)的介电层(I1，I4)主要包括Si3N4。
11.如权利要求1所述的光信息载体，包括两层或多层由间隔层(R)分割开的记录层(P1，P2)。
12.如权利要求1所述的光信息载体，其特征在于所述记录层(P)还包括作为记录材料的相变材料或一次写入材料。
13.确定如权利要求1中所述的光信息载体的记录层(P)的厚度的方法，包括步骤-选择热致变色或光致变色材料，其在第一波长(λ1)下具有低的初始k值(kinitial)而在短于或长于所述第一波长(λ1)的第二波长(λ2)下具有较高的k值(kmax)，并且其复折射率 的实部n与基底层(S)和/或所述覆盖层(C)的折射率相匹配；-记录测试数据；-在记录所述测试数据之后，基本上在所述第一波长(λ1)下确定所述热致变色或光致变色材料与所述基底层(S)和/或所述覆盖层(C)之间的折射率失配度Δn；-通过确定写入和未写入标记之间的信号对比度确定所述热致变色或光致变色材料的最小最佳化层厚度(dopt)；-在记录之前，对于所述最佳化的层厚度(dopt)基本上在所述第一波长(λ1)下确定最大初始k值(kinitial-max)。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述最大初始k值(kinitial-max)通过下式来确定kinitial-max=(-λ4Πdopt)ln(-0.5-TminimalRL/G)]]>其中，Tminimal确定非寻址记录层的最小可允许透射率，而RL/G确定记录层的槽/脊比。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一波长(λ1)基本上为405nm，其中所述低初始k值(kinitial)低于0.5，并且其中所述较高的k值(kmax)高于0.5。
16.用于从如权利要求1所述的光信息载体(104)读取数据的读出装置，包括-光源(100)，用于发射读取光束(L0)；-多点光栅(101)，用于从所述读取光束(L0)产生至少两个偏移的光束(L1，L2)；-用于将偏移光束(L1，L2)会聚在信息载体(104)上的不同位置和用于将反射光束(L1’，L2’)会聚在探测器(106)上的不同位置的装置(102，103，105)；和-用于接收所述反射光束(L1’，L2’)的探测器(106)。
17.如权利要求16所述的读出装置，其中所述多点光栅(101)是用于产生2、4、8或10个偏移光束的2点、4点、8点或10点光栅。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助光束记录信息的光信息载体，所述光信息载体包括基底层(S)；记录层(P)，包括具有依赖于温度的光学特性的热致变色材料或具有依赖于光的光学特性的光致变色材料，用于在记录和/或读出期间选择性改进灵敏度；和覆盖层(C)。为了分别增加记录层(P)在升高的温度或较高的光强度下的反射率，以及分别在环境温度或较低的光强度下具有非常高的透射率和低的反射率，提出使用这样的热致变色或光致变色材料其复折射率的虚部k在升高的温度或较高的光强度下分别大于0。本发明还涉及一种用于确定这种光信息载体的记录层的厚度的方法和一种用于从这种光信息载体读取数据的读出装置。
文档编号G11B7/26GK1791914SQ200480007095
公开日2006年6月21日 申请日期2004年3月17日 优先权日2003年3月18日
发明者M·L·M·巴里斯特雷里, A·米吉里特斯基, J·T·A·维德比克, C·布斯奇, B·尹, H·C·F·马坦斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司