專利名稱：多波長菌紫質(zhì)光信息讀、寫、擦除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及在一種生物光存儲材料——菌紫質(zhì)上存儲信息的裝置，特別是一種多波長菌紫質(zhì)光信息讀、寫擦除裝置，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
信息化社會(huì)的發(fā)展離不開高性能的存儲介質(zhì)，同時(shí)存儲技術(shù)也一直是信息技術(shù)中最重要也是發(fā)展最快的部分之一。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對高速大容量存儲技術(shù)和隨機(jī)快速存儲技術(shù)的發(fā)展需求甚為迫切，而現(xiàn)行的存儲介質(zhì)(如半導(dǎo)體存儲器、磁盤、光盤、磁帶等)，由于自身材料的性能而受到很大限制(如半導(dǎo)體光刻技術(shù)以臨近極限、硅單晶的生長和摻雜工藝的要求也越來越高。同時(shí)隨著集成度的不斷提高，元件間距不斷縮小，使元件間的干擾日趨嚴(yán)重，散熱問題也難以解決)。因此，人們在迫切尋找新的材料代替目前的硅片。
光盤是繼縮微技術(shù)(適于40年代)和磁性存儲介質(zhì)(適于60年代)之后發(fā)展起來的一種嶄新的也是最為成功的一種信息存儲系統(tǒng)。它通過激光束照射到旋轉(zhuǎn)的盤片(由保護(hù)層、記錄介質(zhì)層、反射層和基片組成)上，利用記錄介質(zhì)層所發(fā)生的物理或化學(xué)變化，從而改變光的反射和透過強(qiáng)度而進(jìn)行二進(jìn)制信息的記錄。它的特點(diǎn)是存儲密度高、信息容量大、保存時(shí)間長。光盤可分為三大類型只讀型光盤(ROM)、一次寫多次讀型光盤(WORM)和可擦除型光盤(EDRAW)。本發(fā)明所涉及的是EDRAW型光盤。EDRAW光盤不同于CD和WORM光盤，其存儲是可逆的，即寫讀和擦除。目前這種類型的光盤主要基于磁光效應(yīng)、可擬相變和光致變色，目前商品化的EDRAW光盤采用的均系無機(jī)材料。而本實(shí)用新型可以應(yīng)用于EDROM超高密度光盤。
本世紀(jì)八十年代以來，人們發(fā)現(xiàn)某些生物分子具有優(yōu)異的光致變色、高速光電響應(yīng)和開關(guān)存儲及自裝配與自組織的功能，能夠滿足今后高速、大容量存儲和數(shù)據(jù)信息并行處理的需求，從而在全球范圍內(nèi)興起了生物分子器件和生物分子計(jì)算機(jī)研究的熱潮。嗜鹽菌紫膜光敏蛋白-細(xì)菌視紫紅質(zhì)(Bacteriorhodopsin，簡稱菌紫質(zhì)或BR)就是其中的杰出代表。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)是野生嗜鹽菌(Halobacterium，halobium)細(xì)胞膜上自然形成的二維結(jié)晶—紫膜(Purple membrane，PM)中唯一的蛋白成分，分子量約為26000。它的組織在鹽濃度比海水高6倍多的鹽沼中生存，紫膜中包含蛋白質(zhì)—細(xì)菌視紫紅質(zhì)和磷脂基質(zhì)(蛋白質(zhì)∶磷脂＝3∶1)，并形成具有準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的三聚物，這種三聚物在細(xì)菌細(xì)胞中具有跨膜運(yùn)輸質(zhì)子的質(zhì)子泵功能，通過吸收光子，細(xì)菌視紫紅質(zhì)可以從暗適應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為光適應(yīng)狀態(tài)，并引發(fā)一個(gè)帶有許多中間態(tài)(bR-K-M-N-O-P-bR)的光循環(huán)過程，從而產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度，完成質(zhì)子從細(xì)胞質(zhì)側(cè)(Cytoplasmic)向細(xì)胞外側(cè)(Extracellular)的跨膜傳輸，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能來把磷酸鹽和ADP合成為能量物質(zhì)ATP。細(xì)菌視紫紅質(zhì)為垂直于細(xì)胞膜表面的含7個(gè)α螺旋的多肽棒，多肽鍵跨過膜，其C端在膜內(nèi)，N端在膜外，質(zhì)子通過席夫堿完成跨膜傳輸。由BR材料制備的生物分子膜是目前發(fā)現(xiàn)的唯一的結(jié)晶生物膜，它具有獨(dú)特的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵和順反開關(guān)功能，及雙穩(wěn)態(tài)和快速光電響應(yīng)特性，特別是它的優(yōu)良光致變色性能在光存儲領(lǐng)域深具發(fā)展的前景，已經(jīng)逐漸成為國際上普遍關(guān)注的光存儲和光信息處理的新型熱點(diǎn)材料。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種多波長的光信息讀寫和擦除裝置，用以實(shí)現(xiàn)在公知的生物存儲介質(zhì)-細(xì)菌視紫紅質(zhì)上可多次反復(fù)擦、寫、讀的光信息存儲。
多波長菌紫質(zhì)光信息讀、寫、擦除裝置，包括三組分別獨(dú)立工作的光學(xué)系統(tǒng)，每一組光學(xué)系統(tǒng)均由公知的光學(xué)器件組合成相應(yīng)的光路，其特征是按光路傳遞順序，寫入部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直鏡、空間光調(diào)制器、成像光學(xué)裝置和監(jiān)視器；讀出部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直器、成像光學(xué)準(zhǔn)直和圖像讀出器；擦除部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直器，菌紫質(zhì)生物分子膜存儲器件置于寫入部分成像光學(xué)裝置的成像面處，該位置也位于擦除部分準(zhǔn)直器后及位于讀出部分的成像光學(xué)裝置與準(zhǔn)直器之間，讀、寫、擦除的三個(gè)光源輸出波長不同。寫入讀出部分的準(zhǔn)直器前還設(shè)有光學(xué)濾波器，寫入、讀出、擦除三部分的光源分別為輸出波長為620～670nm、585～610nm、470～500nm的激光器，寫入、讀出、擦除三部分的光路中，均分別設(shè)有活動(dòng)遮光擋板。寫入部分的監(jiān)視器可以是CCD器件計(jì)算機(jī)顯示器構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測，讀出部分的圖像讀出器是由CCD器件、圖像采集卡、圖像數(shù)據(jù)處理軟件與計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成。
附圖及實(shí)施細(xì)則。


圖1為BR分子光信息存儲裝置示意圖。
圖2為分子膜存貯器件示意圖。
BR的光信息讀、寫和擦除裝置如圖1所示，包括了寫入、讀出和擦除三部分寫入部分由光源1、光學(xué)濾波、擴(kuò)束器4、準(zhǔn)直器5、空間光調(diào)制器6、成像光學(xué)裝置7、CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測器14組成。光源可采用波長在640nm附近的激光器，如美國PRELIMINARY公司的SDL-07470-P5型LD泵浦的光纖耦合二極管激光器，其輸出波長為650nm，400μm的光纖傳光束；光學(xué)濾波主要用來改善寫入光的均勻性；CCD監(jiān)測器用于成像光路的精密調(diào)校，包括一個(gè)CCD器件和一個(gè)顯示器。待寫入信息可由空間光調(diào)制器(或帶有需記錄信息的透明片)提供。讀出部分由黃光激光器(波長594nm左右，如黃光He-Ne激光器)2、光學(xué)濾波、擴(kuò)束與準(zhǔn)直器9，10，11，12、成像光學(xué)裝置13、圖像讀出器組成14，15，16。圖像讀出器由CCD器件14和圖像采集卡、圖像數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成15?？芍苯訉⒆x取信息通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)圖形文件，再經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)處理軟件將信息經(jīng)過分析和處理并儲存在計(jì)算機(jī)中。圖2中擋板21在執(zhí)行一種操作時(shí)，另外兩路擋板插入。記錄信息的信噪比主要來自與記錄、讀出光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和CCD器件的象素大小，特別是后者影響占主要地位；采用弱光讀出可提高信噪比，但對CCD器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求較高。
擦除部分由激光器3和擴(kuò)束器17、準(zhǔn)直器18構(gòu)成。擦除所用激光器其輸出波長在490nm附近，如氬離子激光器是美國光譜物理公司的Beamlok2085-15激光器，采用其輸出的488nm單線激光。
信息的記錄首先待記錄的信息可以由計(jì)算機(jī)輸入空間光調(diào)制器6中，寫入光源經(jīng)過濾波、擴(kuò)束和準(zhǔn)直后通過空間光調(diào)制器，經(jīng)成象光學(xué)裝置將待記錄信息成像在細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物分子膜存儲器件8上，這時(shí)，信息的記錄完成；信息的讀出讀出光經(jīng)過濾波、擴(kuò)束準(zhǔn)直后通過反射鏡19和棱鏡20后，變成一束準(zhǔn)直電子照明光束投射在細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子器件8上，該器件可由國內(nèi)外市場購得(該器件的正面示意圖如圖2所示)，通過器件的讀出光將攜帶記錄的信息，并經(jīng)過成像光學(xué)裝置成象在CCD的光敏面上，CCD獲得讀出信息，通過圖像采集卡和計(jì)算機(jī)中的圖像處理軟件將記錄信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)圖形文件，信息的讀出過程至此完成。讀出光的光束直徑可以通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束器和準(zhǔn)直器來控制其大小，從而適合不同尺寸的細(xì)菌視紫紅質(zhì)器件。信息的擦除由擦除光源發(fā)出的光經(jīng)過擴(kuò)束和準(zhǔn)直后，照射在記錄信息的細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子膜上，即能迅速擦除已記錄的信息。這時(shí)，細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子膜器件又可以方便地進(jìn)行下一次的寫、讀操作。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是利用公知的光存儲介質(zhì)細(xì)菌視紫紅質(zhì)作為光信息存儲材料，根據(jù)其光致變色特性，采用三種不同波長激光源分別實(shí)現(xiàn)信息的寫、讀、擦操作，CCD與計(jì)算機(jī)結(jié)合的實(shí)時(shí)信息采集、處理及監(jiān)測，采用高分辨率的CCD器件可以實(shí)時(shí)將讀出信息傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析，同時(shí)通過視頻輸出，可以通過監(jiān)視器實(shí)時(shí)對讀出信息的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由計(jì)算機(jī)、圖像數(shù)據(jù)處理軟件和圖像采集卡構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)用戶設(shè)定對讀出信息進(jìn)行采集、分析、處理和存儲，保證記錄信息信噪比的CCD實(shí)時(shí)監(jiān)控，在記錄信息時(shí)，CCD器件及監(jiān)視器構(gòu)成了數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，在調(diào)整寫入系統(tǒng)時(shí)，可以實(shí)時(shí)、直觀地提供信息寫入狀況，更便于實(shí)際操作和獲得最佳的記錄信息信噪比。
權(quán)利要求1.多波長菌紫質(zhì)光信息讀、寫、擦除裝置，包括三組分別獨(dú)立工作的光學(xué)系統(tǒng)，每一組光學(xué)系統(tǒng)均由公知的光學(xué)器件組合成相應(yīng)的光路，其特征是按光路傳遞順序，寫入部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直鏡、空間光調(diào)制器、成像光學(xué)裝置和監(jiān)視器；讀出部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直器、成像光學(xué)準(zhǔn)直和圖像讀出器；擦除部分包括光源、擴(kuò)束器、準(zhǔn)直器，菌紫質(zhì)生物分子膜存儲器件置于寫入部分成像光學(xué)裝置的成像面處，該位置也位于擦除部分準(zhǔn)直器后及位于讀出部分的成像光學(xué)裝置與準(zhǔn)直器之間，讀、寫、擦除的三個(gè)光源輸出波長不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌紫質(zhì)光信息存儲方法的裝置，其特征是在寫入讀出部分的準(zhǔn)直器前還設(shè)有光學(xué)濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的菌紫質(zhì)光信息存儲方法的裝置，其特征是在寫入、讀出、擦除三部分的光源分別為輸出波長為620～670nm、585～610nm、470～500nm的激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的菌紫質(zhì)光信息存儲方法的裝置，其特征是在寫入、讀出、擦除三部分的光路中，均分別設(shè)有活動(dòng)遮光擋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的菌紫質(zhì)光信息存儲方法的裝置，其特征是所說寫入部分的監(jiān)視器是CCD器件計(jì)算機(jī)顯示器構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測，讀出部分的圖像讀出器是由CCD器件、圖像采集卡、圖像數(shù)據(jù)處理軟件與計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型采用三種波長不同的激光源分別通過公知的光學(xué)器件組合對菌紫質(zhì)生物分子膜存儲器件進(jìn)行激發(fā),完成信息的寫入、讀出及擦除,裝置中采用了CCD實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)信息采集處理,提高了信息記錄的信噪比和讀出信息的處理速度。
文檔編號G11B7/004GK2399800SQ9925613
公開日2000年10月4日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月28日
發(fā)明者陳烽, 楊青 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所