首页 > 专利学习

基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构、及其信息写入与读取方法

1.本发明属于光存储领域。该发明通过设定液晶层厚度，并根据信息图案设计并制备像素化的液晶分子取向区域，使得光束出射后偏振方向与像素区域内液晶取向角有关，将多层液晶层堆叠，利用光学显微镜与偏振片进行信息读取。由于液晶对可见光基本无吸收，且材料折射率相近，层间反射串扰较小，因此多层信息均能清晰观察。是一种大容量，高空间利用率的光学存储技术，同时，未加偏振片时，无法观察到有效信息，信息存储具有一定保密性。该技术为大数据存储提供一种解决方案。

背景技术：

2.近年来，随着信息技术不断提升，从3d全息显示、天文观测等高科技领域到社交娱乐、医疗档案等日常生活领域，产生的数据量却来越庞大，但是目前人类缺乏有效便捷的存储手段进行数据保存，传统的硬盘、磁带等信息存储设备有效寿命不超过10年且能耗巨大，对于冷数据的保存存在巨大缺陷。而光学存储虽然存储寿命较长，且能耗较低，但是光盘层数往往只有几层，当层数增多时，层间反射散射造成串扰严重，且堆叠多层光透过率低，造成对比度下降，信息读取难度大，因此空间利用率不高。液晶光存储利用光的偏振特性，配合偏振片的滤光特性实现信息的读取，整个过程光能基本无损耗，信息无接触磨损，保护性好，与环氧树脂封装等工艺兼容。信息保护性强，未加偏振片时液晶光存储器保持透明，可应用于保密通信领域。

技术实现要素：

3.本发明为了解决上述传统信息存储方法的不足，提出基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构、及其信息写入与读取方法。根据读取光、信息图案设计并制备像素化的液晶取向区域，并根据逆向设计的原理，将多层取向层堆叠形成透明的液晶光存储器，通过偏振片和显微镜配合读取信息图案。
4.液晶是一种双折射的晶体，其相位延迟量δ可由公式表示，其中δn为液晶双折射率，对于液晶聚合物薄膜而言无法更改。而d为液晶层厚度，可由旋涂工艺进行设置，达到需要的厚度。
5.参数的设置可以按需求变化，下面介绍一种简洁参数设置的情况下，光入射液晶存储器后的变化过程，可通过以下步骤说明
6.1)单层信息存储：单层取向液晶层对垂直入射光波变换可以用琼斯矩阵描述。假定x、y方向上偏振分量分别为e
x
,ey的线偏振单波入射用矩阵表示为经过液晶盒后，出射光矩阵表示为则有
[0007][0008]
式中θ为液晶分子取向角，可根据信息图案进行不同角度取向，并旋涂液晶层厚度使相位延迟量δ的调制为π，那么，出射的光束矩阵为
[0009][0010]
如果此时利用x轴偏振片和显微镜读取信息，那么不同的取向角θ会让透过光光强不一致，形成灰度图案，也就是需要的信息；
[0011]
2)多层信息存储：根据单层信息的计算原理，入射至第二层取向角θ2后，出射的光矩阵表示为
[0012][0013]
那么，对于入射至第n层，出射的光矩阵表示为
[0014][0015]
因此，根据逆向设计原则，我们能根据每层的信息确定像素区域内的取向角，并通过光取向、电子束直写等方式制备像素化取向的多层液晶结构。
[0016]
在读取时，根据设计的取向角，利用偏振片滤光，在显微镜下移动载物台，并分别聚焦每一层图案，就可以进行信息的读取。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用的材料均为透明材料，利用光的偏振信息进行信息存储，对可见光、红外等波段的读取光在传输阶段光能损失小；偏振信息需要配合偏振片读取，具有隐蔽性、保密性；多层结构间折射率基本一致，不会有层间的来回反射造成的鬼像、杂散光，成像清晰度高；本发明堆叠层数远大于传统的光存储技术，在空间利用率上有数量级的提升；本发明便于封装，且材料的耐高温、耐酸碱等性能高于普通光存储使用的光盘，利于长久使用。
附图说明
[0018]
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
[0019]
图1(a)为多层液晶存储器示意图。
[0020]
图1(b)为显微镜对存储信息读取原理的示意图
[0021]
图2为双层液晶光场仿真图。图2(a)为原始图片；图2(b)为取向角示意图；图2(c)为未加偏振片光强分布；图2(d)为加偏振片光强分布。
具体实施方式
[0022]
以下将参照附图更详细地描述本发明。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
[0023]
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
[0024]
图1(a)展示了基于任意取向的液晶光存储的示意图，主要材料包括玻璃基底、光取向层、液晶聚合物薄膜，依据存储的信息特征，通过光取向材料对液晶聚合物薄膜形成像素化取向，并将这种取向层、液晶层的周期结构堆叠，成为多层可读取的液晶存储器。图1(b)展示了利用偏光显微镜读取多层信息的过程，在设定角度的偏振片与显微镜的配合下，移动载物台即可获得每层液晶层携带的信息。
[0025]
具体而言，根据需要存储信息和读取信息的要求，首先需要结合读取信息采用光束的波长，以及显微镜分辨率等信息，确定液晶聚合物薄膜的厚度和像素的特征尺寸。首先根据液晶聚合物双折射率和光束波长，利用琼斯矩阵推导出液晶层薄膜的合适厚度，在此厚度下，规定读取信息时时偏振片方向，这样也就同时确定了单个像素区域该选择取向角的基准。结合显微镜的分辨率大小，和工艺条件等参数，确定能分辨的最小像素区域的尺寸。
[0026]
明确液晶层厚度和取向区域尺寸后，进一步明确取向层厚度，使得上方取向层不对下方已经取向好的液晶层产生影响。一般而言，在取向层对于固化的液晶层影响较小，不同取向方式的影响也存在区别，但该因素仍需考虑。本发明中光取向层厚度为百纳米级，即可不对下方液晶层产生影响。
[0027]
通过旋涂、固化工艺制得取向层，结合需要存储的信息图案，利用光学投影曝光的方式对取向层进行像素化取向，之后在取向层上旋涂液晶聚合物薄膜。等待液晶聚合物薄膜固化后，即可依据信息图案进行新一轮的制备。
[0028]
本发明取向方式为投影曝光式取向，但正如本技术领域人所熟知，光刻技术、激光直写、聚焦离子束/电子束直写、化学刻蚀微结构等取向方法亦可应用于像素化取向，因此不同取向方法不应当作为新的创新发明。
[0029]
图2可以看到，依据图2(a)原始图像设计取向角，图2(b)处可以看到取向角分布，值得指出的的是数据在不同软件中存在转秩。未加偏振片时，图2(c)可以看到在23*23μm2区域内光场较为均匀，信息无法清晰得知，而加上一x轴的偏振片时，图2(d)图案信息清晰重现，证明该方法的有效性，隐蔽性。
[0030]
经试验表明，一块1cm3液晶光存储立方可以存储约128-6400gb数据，是一种高效节能、保密性强的光存储方式，为大数据存储提供解决方案。
[0031]
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

1.一种基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构，包括透明基底，其特征在于，在该透明基底上制备有像素排布的第一光取向层、像素排布的聚合物液晶层、像素排布的第二光取向层、像素排布的聚合物液晶层、
…
、像素排布的第n光取向层和聚合物液晶层；入射光矩阵则所述的第一液晶层的某一像素出射光矩阵满足如下公式：所述的第二液晶层某一像素的出射光矩阵满足如下公式：所述的第n液晶层某一像素的出射光矩阵满足如下公式：式中，θ-θ
n
为每层液晶分子取向角，δ为相位延迟量，δn为液晶双折射率，d为液晶层厚度。2.根据权利要求1所述的基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构，其特征在于，所述的光取向层基于可基于光降解、光交联或光至异构进行取向，或者，采用机械摩擦、化学腐蚀进行像素化取向。3.根据权利要求1所述的基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构，其特征在于，所述的聚合物液晶层的可工作温度范围高于取向层固化温度，实现多层堆叠；所述的聚合物液晶层的厚度通过旋涂工艺自由设置，一般设置为满足读取信息的光源波长的半波条件。4.根据权利要求1所述的基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构，其特征在于，所述的透明基底为透明石英、k9玻璃、透明塑料基底或柔性基底。5.一种基于像素取向的多层液晶光存储的信息写入方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、在透明基底上制备第一光取向层：依据该层需要存储的信息，设计该层上不同像素的取向角，制备像素化取向区域，像素尺寸范围为1μm*1μm～100nm*100nm；
s2、在第一光取向层上旋涂聚合物液晶层，聚合物液晶层厚度根据读取信息光的波长设计，满足相位延迟达量达到π；s3、在聚合物液晶层上制备第二光取向层，
……
依次类推，在满足上层取向层不影响下层液晶层的情况下，最终制成多层液晶光存储堆叠结构。6.根据权利要求5所述的基于像素取向的多层液晶光存储的信息写入方法，其特征在于，透明基底上制备第一光取向层，包括倾斜沉积，pi溶液旋涂，光取向溶液旋涂。7.根据权利要求5所述的基于像素取向的多层液晶光存储的信息写入方法，其特征在于，所述制备像素化取向区域，包括投影曝光、激光直写或机械摩擦。8.根据权利要求5所述的基于像素取向的多层液晶光存储的信息写入方法，其特征在于，依据需要存储的信息图案，通过设计调控液晶层厚度、像素区域取向角、偏振片角度等参量计算得到相应出射光场强度，该光场强度即为对应信息值。9.一种基于像素取向的多层液晶光存储的信息读取方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据读取信息光的波长，以透射方式从多层液晶光存储堆叠结构的基底下表面入射，从最外层的聚合物液晶层出射后，依次经偏振片、显微镜后，成像在ccd上，根据取向角旋转偏振片，以获得灰度图像；s2、通过上下调节载物台来控制多层液晶光存储堆叠结构与显微物镜的距离，使不同聚合物液晶层的表面均可成像，实现每一层的信息读取。10.根据权利要求9所述的基于像素取向的多层液晶光存储的信息读取方法，其特征在于，读取光场的偏振信息，使得偏振信息与存储信息对应。

技术总结

一种基于像素取向的多层液晶光存储堆叠结构、及其信息写入与读取方法，可根据读取光、信息图案设计并制备像素化的液晶取向区域，并根据逆向设计的原理，将多层取向层堆叠形成透明的液晶光存储器，通过偏振片和显微镜配合读取信息图案。本发明利用光的偏振信息进行信息存储，对可见光、红外等波段的读取光在传输阶段光能损失小；堆叠层数远大于传统的光存储技术，在空间利用率上有数量级的提升；且便于封装，材料的耐高温、耐酸碱等性能高于普通光存储使用的光盘，利于长久使用。利于长久使用。利于长久使用。