CN111883185A - 一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法及装置，属于光学数据存储领域。包括：选择一个存储介质和一种用于写入/读出的数据阵列格式；根据数据阵列格式向存储介质上单次投射出光斑图案，完成一个数据阵列的一次性写入/读出。投影出的光斑图案与数据阵列对应，一次投射就能将一个数据阵列全部写入/读出，仅需一次曝光时间，本发明可极大地提高写入/读出的速度。数据阵列格式所包含的内容越大，一次写入/读出的数据越多。因此，本申请可以应用于光刻、3D打印、三维微纳制造等(数据写入)各个领域，提高制造的速度；或应用在光学成像(数据读取)，例如STED显微成像等领域中，提高成像速度；或同时应用在数据存储的刻录及读取。

Description

一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法及装置

技术领域

本发明属于光学数据存储领域，更具体地，涉及一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法及装置。

背景技术

双光束超分辨光学数据存储技术中，普遍的方式是采用两束光来减小数据记录点的尺寸和提高数据存储的密度。第一束记录光聚焦成为一点打在记录介质上，使得记录介质发生性能改变，从而实现一个点数据的记录。记录点通过与其周边性能未发生改变的材料区分开来，从而实现数据记录的有无。在单光束数据存储的情况下，因为光束聚焦形成的小光点受到衍射极限的限制，因而实际形成的该聚焦光斑为高斯状弥散光斑。利用该光斑来记录数据将存在两个记录点间距过于靠近的时候在物理上原本需要分离的两个数据点黏连在一起的情况，从而造成无法区分是一个记录点还是两个记录点的数据读出问题。

双光束超分辨光学数据存储技术在此基础上引入第二束光，通过将第二束记录抑制光在聚焦平面形成中心光强为零，往外在半个波长半径范围内光强不断增强的甜甜圈形光斑，并与第一束记录光形成的高斯状弥散光斑在中心处重合。第二束记录抑制光通过阻止第一束记录光引起的记录介质发生性能改变，从而使得在两束光中心位置处除外的其他地方，第一束记录光引起的记录介质发生性能改变不发生或者性能改变的记录介质材料产生量减少。在两束光的作用下，利用聚焦光斑记录点数据时，最终性能改变的记录介质材料在空间位置上的分布比以前更加向中心位置集中，因而记录点的尺寸减小。当改变两束光光斑整体中心位置与记录介质的相对位置实现序列数据记录时，在第一个点已经记录完毕的情况之下，第二个点就可以在比只有一束光的情况时更加靠近的位置进行记录，从而实现记录数据密度的提高。

通过上述方法实现了数据存储密度的提升，当记录点的间距缩小到原来的1/10时，数据密度将提升100倍，标准光盘尺寸下，其容量将提高100倍。而如今蓝光光盘25GB每层，其道间距为320纳米，如果能够提高到20纳米，则相当于提高容量256倍，单层光盘将可容纳6.4TB的数据。

然而现有的双光束超分辨光学数据存储技术在实现高密度存储的同时，也面临了严峻的读写速度挑战。现有技术采用点扫描，如果其容量提高256倍，则意味着其刻录时间将延长至256倍，而在实现荧光数据读取的过程中，单点读写速度远达不到蓝光光盘基于激光反射信号的读取速度，因此其整体读取速度还将大幅度降低。蓝光光盘的读取线速度可达10m/s，在0.14μm的位间距读取中，单点近似停留时间约为14ns。而考虑到荧光材料的寿命以及双光束超分辨光学数据存储技术的数据记录和读出方式，单点读取近似停留时间可成百上千倍地增加。因此，要保证双光束超分辨光学数据存储技术下单光盘与蓝光光盘相当的读写时间，其读写速度要求提高6个数量级。同时面对未来数据存储需求，这一速度还需要继续提高。

即便是采用基于光束调制的多焦点读写技术，也无法满足读写速度提高6个数量级以上的要求。首先基于空间光调制的百万个焦点的产生并未得到实验的证实。其次，产生这样的百万个以上多焦点将面临边缘焦点畸变的挑战。因此，急需要一种高速地读写方法来匹配高密度的存储。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法及装置，其目的在于解决现有技术中双光束超分辨光学数据存储技术面临的读写速度问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，包括以下步骤：

S1，选择一个存储介质和一种用于写入/读出的数据阵列格式；

S2，根据所述数据阵列格式向所述存储介质上单次投射出光斑图案，以完成一个数据阵列的一次性写入/读出。

通过上述技术方案，投影出的光斑图案与数据阵列对应，一次投射就能将一个数据阵列全部写入存储介质或者一次读出一个阵列的数据。仅需要一次曝光时间，对比现有技术中的单焦点、多焦点扫描，本发明可极大地提高写入/读出的速度。数据阵列格式越大，一次写入/读出的数据越多。因此，本申请可以应用于光刻、3D打印、三维微纳制造(写入)等各个领域，来提高制造的速度；或应用在光学成像(读取)，例如STED显微成像等相关技术领域中，来提高成像速度；或同时应用于写入与读出时，本申请可以应用在数据存储的刻录及读取。

本发明的第二个方面，提供了一种投影式超分辨光学数据的写入/读出装置，包括：放置在激光光路中的图案板，以使激光束在存储介质上投射出光斑图案。

通过采用上述技术方案，可以执行本发明第一方面的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，与现有技术相比，在激光束的光路中增加了图案板，根据需要的数据格式制作对应的图案板，从而能一次投射出所需的光斑图案，完成数据的一次性写入/读出。

附图说明

图1是本发明在存储介质上单次投射出的光斑图案示意图；

图2是本发明的光路示意图；

图3是本发明中图案板的一种结构示意图；

图4是本发明的投影式超分辨光学数据的写入装置示意图；

图5是点阵格式下刻录光和抑制光的图案板对比示意图；

图6是刻录光与抑制光的合束示意图；

图7是点阵格式下刻录光与抑制光的写入效果示意图；

图8是线阵格式下刻录光和抑制光的图案板的示意图；

图9是图形格式下刻录光和抑制光的图案板的示意图；

图10是线阵格式下刻录光与抑制光的写入效果示意图；

图11是图形格式下刻录光和抑制光的写入效果示意图；

图12是点阵格式下相同图案板嵌套式写入/读出步骤原理图；

图13是点阵格式下不同图案板嵌套式写入/读出步骤原理图；

图14是本发明的投影式超分辨光学数据的读出装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，包括以下步骤：

S1，选择一个存储介质3和一种用于写入/读出的数据阵列格式。存储介质可以是光盘、掩膜版、空间光调制器、数字微镜等能进行光刻存储的存储介质；数据阵列格式可以是数据点阵、也可以是数据线阵或其他格式。

S2，根据数据阵列的格式向存储介质上单次投射出光斑图案，以完成一个数据阵列的一次性写入/读出。当数据阵列格式为点阵时，投射出的光斑图案为点阵型光斑图案，当数据阵列格式为线阵时，投射出的光斑图案为线阵型光斑图案，当数据点阵格式呈图形状时，投射出的光斑图案为图形状的光斑图案。任意一种数据阵列中，其中任意一个位置对应的聚焦位置处的光强归一化后为“0”或“1”，无论选择何种数据阵列格式，投射出的光斑图案均需要与数据阵列中的“0”或“1”对应。

如图1所示，通过光斑图案的投影，一次性就能将一个数据阵列全部写入，仅需要一次曝光时间，可大幅提高存储的速度。因此，将本发明应用在光刻写入时，本申请可以应用于光学制造，例如光刻、3D打印、三维微纳制造等各个领域，能确保制造速度得到极大的提升。将本发明应用在光学数据读出时，本申请可以应用在光学成像，例如STED显微成像等相关技术中，确保成像速度得到极大的提升。将本发明同时应用于写入与读出时，本申请可以应用在数据存储的刻录及读取。

具体地，S2中单次投射出光斑图案的具体步骤为：如图2所示，制作与数据阵列格式相匹配的图案板2，将图案板2放置于激光光路中，以使激光束1在存储介质3上单次投影出光斑图案。

图案板2的制作方法可以为：在图案板2内设计全通光阵列，然后将图案板2内不需要通光的位置涂上阻光材料例如金属形成涂层；也可以为：选择一个透明衬底，在透明衬底上涂覆一层阻光材料例如金属，形成涂层20，然后根据需要通光的图案对涂层20进行刻蚀。这样，激光束1投射到图案板2上就可以形成需要的光斑图案。将存储介质3放置在光斑图案的焦平面上，就可以实现数据阵列的一次性曝光写入/读取。如图3所示，以图案板2为点阵的阵列进行说明：如要一次写入/读取一个100000×100000的数据点阵，那么也将图案板2设计为100000×100000的全通光点阵，对于不需要通光的地方，可通过涂有金属或者其他材料的涂层20来阻止光的通过，以使图案板2的点阵图案与所需要的数据点阵一一对应。然后将该图案板2放置在激光束1的光路中，激光束1就能投影出一个点阵光斑图案。

如图4和图5所示，激光束1可以包括一束刻录光11和一束抑制光12，刻录光11用于改变存储介质3的性能，抑制光12用于抑制刻录光11对存储介质3性能的改变；刻录光11与抑制光12所形成的激光光路中分别包括图案板21和22，且分别投射出的光斑图案互补。刻录光11的图案板21中有的位置通光，有的位置不通光，为了实现投射出的图案互补，相反，抑制光12的图案板22中对应刻录光图案板21中通光的位置处则设置为不通光，不通光的位置设置为通光，对于不通光的地方，可通过涂金属或其他材料的涂层20来实现。两束光的图案板21和22不一定需要整体尺寸一样，但是刻录光11投射出的光斑图案与抑制光12投射出的光斑图案尺寸需保持一致。

具体地，激光束1可以是连续光，也可以是脉冲光，激光束1的波长范围为可见光、红外光或紫外光。

如图6所示，刻录光11与抑制光12配合后，抑制光12将形成对刻录光11的包围，形成同心光束13，当刻录光11产生的点阵光斑图案投射到存储介质3上引起存储介质3性能的改变时，也就是对应为“1”，此时，抑制光12则包围在刻录光11的周侧，来抑制存储介质3上光斑边缘处的性能改变，最终使得有效刻录光14的尺寸减小，从而达到减小光斑刻录尺寸的目的，来提升储存密度。如图7所示，分别为单束刻录光11经过图案板21后投射在存储介质3上的固化效果、单束抑制光12经过图案板22后投射在存储介质3上的抑制固化效果、两束光共同作用的效果。

如图8和图9所示，分别为线阵的图案板21和22、花纹的图案板21和22，而无论是采用点阵、线阵还是其他的图形格式，涂覆的涂层20形状互补，也就是抑制光12投影出的光斑图案与刻录光11投影出的光斑图案互补，且投影出的整体尺寸一致，抑制光12将记录光11包围。如图10和图11所示，可以发现，当仅用一束刻录光11进行投射时，由于光束聚焦形成的小光点受到衍射极限的限制，因而实际形成的聚焦点为高斯状弥散点，当两个聚焦点之间距离较近时，就容易出现黏连的情况，而引入抑制光12后，可以通过阻止刻录光11引起的存储介质3发生性能改变，从而使得在两束光中心位置处除外的其他地方，记录光引起的存储介质3发生性能改变不发生或者性能改变的存储介质3材料产生量减少，最终达到减小刻录尺寸的目的。

更具体地，刻录光11与抑制光12通过的图案板21、22可以为固定式图案板或可变动式图案板，其中，固定式图案板可以是利用电子束曝光等方法来产生，可变动式图案板可以通过数字微镜阵列的方式产生。

图案板具有生成不同阵列格式的能力，小到1*1、1*10、大到1亿*1亿，甚至更多，这主要取决于光学***的性能，可以通过采用大尺寸的光学元件，例如大尺寸镜片、聚焦透镜、成像面阵列相机或用拼接的方法实现更大像素的面阵列相机等等，来生成更大数据阵列数。数据阵列越大，一次曝光写入/读取的数据越多，整体的制造、成像速度也就越快。

进一步地，在前两步的基础上，本发明还可以包括步骤S3，移动存储介质3相对于光斑图案的位置，进行下一个数据阵列的写入/读出。

具体地，移动存储介质3可在平面的两个维度上进行，且单个维度上的相对移动距离小于光斑图案中相邻两个光斑的中心间距。

进一步地，本发明的方法对于二维码一类的写入/读出方式也可以应用，针对二维码中的每个维度，均可以采用本发明中的方式来提高图案的像素。

本发明中的数据阵列适用于二维数据，同时也适用于三维数据。针对二维数据层叠加形成的三维数据，本发明可以在二维数据读写上，对激光束进行纵向的多焦点调焦聚焦，从而完成三维数据的读写，当然，也包括其他一次性生成三维数据的方法。

实施例一

参照图12，以100000×100000数据点阵格式为例，如果使用本发明的方法写入一个100×100000×100000的数据点阵，分100步完成，100步写完后，相当于在原本的100000×100000的数据点阵格式中分别在平面的两个维度上的相邻两点之间嵌套了9个点，最终，相邻两个点的中心间距是单个100000×100000数据点阵的十分之一。

对于100000×100000数据点阵，点阵中相邻两点中心间距为1000纳米的情况：可以通过100步便可实现100×100000×100000数据点阵写入，其中，相邻两点中心间距为100纳米。如果要取得点中心间距10纳米的情况，也仅仅需要对数据点阵移动10000步。

通过上述嵌套式的扫描写入方法，可成倍地缩小相邻两点的中心间距，在提高数据写入速度的基础上进一步提高数据写入的密度。如图13所示，在嵌套式扫描中，还可以根据格式的需求，更换不同通光形状的图案板，例如根据需求在第3步将四通光孔的图案板换成三通光孔的图案板。

如图4所示，为写入的装置及光路，装置包括：激光器，用于发射激光束1；

图案板2，放置在激光束1的路径上，以使激光束1投影出光斑图案；

存储介质3，放置在光斑图案的焦平面上，用于写入/读出光斑图案。

激光器发射出激光束1后，通过图案板2可直接在存储介质3上投影出光斑图案，从而能将一个图案的数据阵列全部写入/读出。

具体地，激光器为两个，一个用于发射刻录光11，一个用于发射抑制光12，刻录光11用于改变存储介质的性能，抑制光12用于抑制刻录光11对存储介质3性能的改变。对应地，图案板2也为两个，刻录光11的图案板21形状与抑制光12的图案板22形状互补，抑制光12的图案板22中对应刻录光11图案板21中通光的位置处则设置为不通光、不通光的位置处设置为通光，对于不通光的地方，可通过涂金属或其他材料的涂层20来实现。两束光的图案板21和22不一定需要整体尺寸一样，但是刻录光11投射出的光斑图案与抑制光12投射出的光斑图案尺寸需保持一致。为实现嵌套式扫描写入可将存储介质放置在具有移动功能的平移台上。使用本装置进行光学刻录时，可以应用在光刻、3D打印、三维微纳制造等各个光学制造领域，能确保制造速度得到极大的提升。

实施例二

如果读出一个100×100000×100000的数据点阵，也能使用实施例一所述的嵌套式扫描方法，如图11所示：通过使每步扫描间距等于100×100000×100000数据点阵中所有点中间间距的100纳米，用100步完成读取，在读出过程中，每100000×100000的数据点阵所对应的光强值是1步一次性读出的。

也可以用100×100步完成读取，其原理是，通过使每步扫描间距小于100×100000×100000数据点阵中所有点中心间距的100纳米，可以在对于相邻的两个点得到一条中心光强弱，两侧各有一个荧光光强峰的线形，并因此实现对两个记录点的区分。如果其中有一个记录点没有被记录，则其对应位置的光强变弱，将得到一侧有一个荧光光强峰的线形，进而可以实现01或者10的数据读出。平面的两个维度上，相邻两个点分10步取得荧光光强的线形，总体读完一般需要100×100步读完，对于要取得点中心间距10纳米的情况，也仅仅需要移动10000步。考虑到数据记录和读取均需要按照特定的格式在标定的位置上记录，分100步写入一个100×100000×100000的数据点阵时，也可以用1000000×1000000的图案板，分100读完。

通过上述嵌套式的扫描读出方法，可成倍地缩小相邻两点的中心间距，在提高数据读出速度的基础上进一步提高数据读出的密度。

具体的，如图14所示，为读出的装置及光路，读出的装置在写入的装置基础上还包括用于获取读出图案的探测器4，探测器4可以为面阵列相机、单点探测器、阵列探测器等，而采用阵列探测器时，读出速度会明显高于单点探测器。

在读取过程中，将存储有数据的存储介质3放置在光斑图案的焦平面上，有数据记录的地方将辐射出不同的荧光，也可以为磷光，既可以通过光强变化来对应数据记录的有无，也可以通过光的波长变化来对应数据记录的有无。这种对应不是固定的，比如荧光光强归一化为“1”时，可对应数据记录的“1”或者“0”，而荧光光强归一化为“0”时，可对应数据记录的“0”或者“1”，只要体现出强度变化差异即可。通过检测有记录点的信号，可以得出一幅与写入记录点对应的分布图案。这个分布图案可以用面阵列相机的方法一次性获得，单次读出时间与点扫描记录一个点时的单次读出时间大致相等，因此可大幅度提高读出速度。

将本装置应用在光学数据读出时，可以应用在STED显微成像等光学成像技术中，确保成像速度得到极大的提升。

本发明中的写入和读出可同时运用到存储领域，提高存储的写入与读出效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，选择一个存储介质和一种用于写入/读出的数据阵列格式；

S2，根据所述数据阵列格式向所述存储介质上单次投射出光斑图案，以完成一个数据阵列的一次性写入/读出。

2.根据权利要求1所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述步骤S2中单次投射出光斑图案具体包括：制作与所述数据阵列格式相匹配的图案板，将所述图案板放置于激光光路中，以使激光束在存储介质上单次投影出光斑图案。

3.根据权利要求2所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述图案板的制作方法具体包括：在图案板内设计全通光阵列，然后将图案板内不需要通光的位置涂上阻光材料。

4.根据权利要求2所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述激光束包括一束刻录光和一束抑制光，所述刻录光用于改变存储介质的性能，所述抑制光用于抑制所述刻录光对存储介质性能的改变；所述刻录光与所述抑制光所形成的激光光路中分别包括图案板，且分别投射出的光斑图案互补。

5.根据权利要求4所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述刻录光投射出的光斑图案与所述抑制光投射出的光斑图案尺寸一致。

6.根据权利要求1-5任一所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述图案板为固定式图案板或可变动式图案板。

7.根据权利要求1-5任一所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，还包括步骤S3，移动存储介质相对于光斑图案的位置，进行下一个数据阵列的写入/读出。

8.根据权利要求7所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，在平面的两个维度上移动时，单个维度上的相对移动距离小于所述光斑图案中相邻两个光斑的中心间距。

9.根据权利要求8所述的投影式超分辨光学数据的写入/读出方法，其特征在于，所述数据阵列为二维数据或三维数据。

10.一种投影式超分辨光学数据的写入/读出装置，其特征在于，用于执行如权利要求1-9任一所述的写入/读出方法，包括：放置在激光光路中的图案板，以使激光束在存储介质上投射出光斑图案。

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