CN101310330A - 调整用于读取信息载体的光点的间距的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将信息载体读取设备中的光点(103)阵列的间距调整成与存储着数据的宏单元的大小相对应的方法和系统。当用准直输入光束照明探针阵列产生装置(102)时，确定光点(103)阵列的间距与宏单元的大小之间的失配程度，并且据此通过调节光源(12)的焦点的距离以便会聚或发散输入光束(104)到探针阵列产生装置(102)、从而产生非准直输入光束(104)并据此放大光点(103)阵列的间距来调节所述间距。

Description

调整用于读取信息载体的光点的间距的方法和系统

技术领域

本发明涉及调整用于读取信息载体的宏单基本数据的光点的间距的方法和系统。

本发明可以应用于光学数据存储领域。

背景技术

当前，光学存储装置正广泛应用于内容发布，例如应用于基于DVD(数字万用盘)标准的存储系统中。光学存储装置大大优于硬盘和固态存储装置之处在于，信息载体的复制很容易且很便宜。

不过，由于在驱动器中存在大量运动部件，考虑到所述运动部件在读取操作期间所需要的稳定性，已知的利用这种类型存储装置的应用对进行读取操作时的震动不够强健。因而，无法容易地将光学存储装置用于会遭受震动的应用中，例如便携式装置。

因此，已经研发出了新的光学存储解决方案。这些解决方案结合了光学存储装置使用便宜和可拆卸信息载体的优点和固态存储装置的信息载体静止及其读取仅需有限数量的运动元件的优点。

目的在于读取存储在信息载体上的数据的系统是已知的系统。信息载体用来存储按照阵列形式(按照数据矩阵形式)组织的二进制数据。如果信息载体是用来以透射方式进行读取的，则存储在信息载体上的二进制数据的状态是由透明区域和不透明区域(即，光吸收区域)代表的。或者，如果信息载体是用来以反射方式进行读取的，则存储在信息载体上的二进制数据的状态是由不反射区域(即，光吸收区域)和反射区域代表的。这些区域用诸如玻璃、塑料或具有磁性属性的材料标记。

基本地说，已知系统包括：

-光学元件，用于由输入光束产生光点阵列，所述光点阵列用来对所述信息载体进行扫描；

-检测器，用于从由所述信息载体产生的输出光束阵列中检测所述数据。

按照图1中所示的第一种实施方式，用于读取存储在信息载体101上的数据的已知系统包括用于由输入光束104产生光点103阵列的光学元件102，所述光点103阵列用来对信息载体101进行扫描。

光学元件102对应于微透镜的二维阵列，在其输入端上施加了相干输入光束104。微透镜阵列102与记录载体101平行放置并且与记录载体101相距一定距离，从而使得光点聚焦在信息载体上。微透镜的数值孔径和质量决定了光点的大小。例如，可以使用数值孔径等于0.3的微透镜的二维阵列102。输入光束104可以由用于扩展输入激光束的波导(未示出)或者由成对微激光器的二维阵列来实现。

光点施加在信息载体101的透明或不透明区域上。如果光点施加在不透明区域上，则没有由信息载体做出响应而产生的输出光束。如果光点施加在透明区域上，则由信息载体做出响应产生输出光束，所述输出光束由检测器105检测。检测器105因此用于检测光点所施加区域的数据的二进制值。

检测器105最好是由CMOS或CCD像素的阵列制成的。例如，检测器的一个像素位于与包含信息载体的一个数据(即，一位)的基本数据区相对的位置上。在这种情况下，检测器的一个像素用于检测信息载体的一个数据。

最好，将微透镜阵列(未示出)放置在信息载体101与检测器105之间，用于将由信息载体产生的输出光束聚焦到检测器上，以改善数据检测。

按照图2中所示的第二实施方式，用于读取存储在信息载体201上的数据的已知系统包括用于由输入光束204产生光点203阵列的光学元件202，所述光点203阵列用于对信息载体201进行扫描。

光学元件202对应于小孔的二维阵列，在其输入端，施加了相干输入光束204。这些小孔相当于例如直径为1μm或更小的圆形孔。输入光束204可以由用于扩展输入激光束的波导(未示出)或者由成对微激光器的二维阵列来实现。

光点施加在信息载体201的透明或不透明区域上。如果光点照射在不透明区域上，则没有由信息载体做出响应而产生的输出光束。如果光点照射在透明区域上，则由信息载体做出响应产生输出光束，所述输出光束由检测器205检测。与图1所示的第一实施例相似，检测器205因此用于检测光点所施加区域的数据的二进制值。

检测器205最好是由CMOS和CCD像素的阵列制成的。例如，检测器的一个像素位于与包含信息载体的一个数据的基本数据区相对的位置上。在这种情况下，检测器的一个像素用于检测信息载体的一个数据。

最好，将微透镜阵列(未示出)放置在信息载体201与检测器205之间，用于将由信息载体产生的输出光束聚焦到检测器上，以改善数据检测。

光点203阵列是利用塔尔波特(Talbot)效应由孔阵列202产生的，塔尔波特效应是一种衍射现象，下面将介绍它的作用。当相干光束，比如输入光束204，施加到具有周期性衍射结构的对象(由此形成光发射器)，比如孔阵列202上时，经过衍射的光会在位于距衍射结构可预测距离z0处的平面上重新组合成发射器的等同图像。这个距离z0称为塔尔波特距离。塔尔波特距离z0是由关系式z0＝2.n.d²/λ给出的，其中d是光发射器的周期间隔，λ是输入光束的波长，而n是传播空间的折射系数。更加一般地说，再成像还发生在距离发射器更远的其它距离z(m)上，这些距离是多个塔尔波特距离z，为z(m)＝2.n.m.d²/λ，其中m是整数。对于m＝1/2+整数，也会发生这样的再成像，不过此时图像移位了半个周期。对于m＝1/4+整数，也发生再成像，并且对于m＝3/4+整数也是一样，只是图像的频率得到了加倍，意思是说光点的周期相对于孔阵列而言被减半。

利用塔尔波特效应能够实现在距离孔阵列202相对较大的距离(几百μm，由z(m)表示)上产生高质量的光点阵列，而不需要使用光学透镜。这能够实现例如在孔阵列202和信息载体201之间插入覆盖层，以保护信息载体不受污染(例如灰尘、指印...)。而且，这有利于实施，并且相对于使用微透镜阵列而言，这能够以低成本的方式增加照射在信息载体上的光点的密度。

图3表示前面介绍的已知系统的详细视图。它表示用于从由信息载体301产生的输出光束中检测数据的检测器305。该检测器包括称为302-303-304的像素，为了便于理解而限制了所示出的像素的数量。具体来说，像素302用来检测存储在信息载体的数据区306上的数据，像素303用来检测存储在数据区307上的数据，而像素304用来检测存储在数据区308上的数据。各个数据区(也称为宏单元)包括一组基本数据。例如，数据区306包括称为306a-306b-306c-306d的二进制数据。

在这一实施方式中，检测器的一个像素用于检测一组数据，由图1中所示的微透镜阵列102或图2中所示的孔阵列产生的单个光点相继读取这组数据中的每一基本数据。这种读取信息载体上的数据的方式在下文中称为宏单元扫描。

图4基于图3，通过非限定性的例子表示信息载体401的宏单元扫描。

存储在信息载体401上的数据具有两种状态，由黑色区域(即，不透明)或白色区域(即，透明)表示。例如，黑色区域相当于“0”二进制状态，而白色区域相当于“1”二进制状态。

当检测器405的像素受到由信息载体401产生的输出光束的照射时，该像素由白色区域表示。在这种情况下，该像素发出具有第一状态的电输出信号(未示出)。相反，当检测器405的像素没有接收到任何来自信息载体的输出光束时，该像素由阴影区域表示。在这种情况下，该像素发出具有第二状态的电输出信号(未示出)。

在这个例子中，各组数据包括四个基本数据，并且同时施加在每组数据上的是单个光点。由光点403对信息载体201进行的扫描是例如从左向右进行的，该扫描具有递增的横向位移，该位移等于两个基本数据之间的距离。

在位置A上，所有的光点施加在不透明区域上，从而使得检测器的所有像素都处于第二状态。

在位置B上，在光点向右位移之后，左侧的光点施加在透明区域上，从而使得相应的像素处于第一状态，而其它两个光点施加在不透明区域上，从而使得检测器的两个相应像素处于第二状态。

在位置C上，在光点向右位移之后，左侧的光点施加到不透明区域上，从而使得相应的像素处于第二状态，而其它两个光点施加到透明区域上，从而使得检测器的两个相应像素处于第一状态。

在位置D上，在光点向右位移之后，中间的光点施加到不透明区域上，从而使得相应的像素处于第二状态，而其它两个光点施加到透明区域上，从而使得检测器的两个相应像素处于第一状态。

当光点已经施加到面对检测器的像素的一组数据中的所有数据时，信息载体401的扫描完成。这意味着信息载体的二维扫描。构成与检测器的像素相对的一组数据的基本数据是由单个光点相继读取的。

图5表示图2中所示的系统的三维视图。它包括孔阵列502，用于产生施加到信息载体501上的光点阵列。各个光点是在信息载体501的二维数据组(由粗体正方形表示)的范围内照射和扫描的。响应于这个光点，信息载体作出响应产生(或者不产生，如果光点照射到不透明区域上)输出光束，该输出光束由与所扫描的数据组相对的检测器503的像素检测到。信息载体501的扫描是通过沿着x和y轴位移孔阵列502来进行的。

孔阵列502、信息载体501和检测器503叠置在平行的平面内。唯一的移动部件是孔阵列502。

注意，在用微透镜阵列102替换了孔阵列502的情况下，图1中所示的系统的三维视图应当是与图5中所示的三维视图是一样的。

由光点阵列对信息载体进行的扫描是在平行于信息载体的平面内进行的。扫描装置提供两个方向x和y上的平移运动，以扫描信息载体的所有表面。或者，信息载体可以相对于光点阵列和检测器(最好包括CMOS传感器)进行扫描。

不过，与信息载体有关的热膨胀和例如制造问题会造成光点阵列的间距与宏单元的大小之间的失配，而要想得到数据位的正确读出，需要光点阵列(或“探针阵列”)的间距与宏单元的大小相匹配。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种用于将光点阵列的间距调整成与具有以数据区域阵列的形式存储的数据的信息载体的数据区的大小相对应的系统。

为此，按照本发明的系统包括：

-光源和光学器件，用于产生准直输入光束；

-探针阵列产生装置，用于由所述输入光束产生所述光点阵列，该光点阵列用于施加到所述信息载体，以产生代表所述数据的输出光束；

-检测器，用于接收所述输出光束并且检测所述数据的值；

-用于确定所述光点阵列的间距与数据区域的大小之间的失配程度的装置，

-用于通过调节所述光源的焦点与所述探针阵列产生装置之间的距离以调节所述光点阵列的间距来补偿所述失配的装置。

将探针阵列的间距调节成与宏单元的大小相匹配以确保正确的数据读出，是通过确定探针阵列的间距与宏单元的大小之间的失配程度、然后调节探针阵列产生装置的照明以进行使探针阵列的间距与宏单元的大小相匹配的相应调节来实现的。改变所述输入光束的会聚或发散的程度能够产生非准直输入光束。

本发明还涉及包括与由按照本发明的系统的各种不同装置实现的功能相应的步骤的方法。

参照本文介绍的实施方式，本发明的这些和其它的方面将显而易见，并且将参照本文介绍的实施方式对本发明的这些和其它方面进行解释说明。

附图说明

现在将仅以举例的方式并且参照图介绍本发明的实施方式，其中：

图1表示信息载体读取系统的第一种示范性实施方式；

图2表示信息载体读取系统的第二种示范性实施方式；

图3表示图1和2的系统中使用的专用于宏单元扫描的组成部分的详细视图；

图4图解说明宏单元扫描的原理；

图5表示图1的系统的三维视图；

图6表示本发明的系统中使用的示范性信息载体；

图7通过第一个实例图解说明图6的信息载体；

图8和9示意性地图解说明按照现有技术的信息载体读取系统中的探针产生结构，其中输入光束是准直光束；

图10示意性地图解说明按照本发明的示范性实施方式的方法的原理；和

图11表示包括按照本发明的系统的各种设备和装置。

具体实施方式

因此，本发明提供这样一种结构，借助该结构，可以确定探针的间距与宏单元的大小之间的(例如由热膨胀或制造问题造成的)失配量，并且可以据此调节探针的间距，从而使探针阵列的间距p与宏单元的大小相匹配，并且确保在上面针对图4介绍的宏单元扫描操作期间正确读出数据位。

在下文中，应意识到，光源的焦点意思是指虚拟图像，并非(必须)是光源本身。

按照本发明的示范性实施方式，提出，通过在信息载体(或数据卡)上设置用于对探针阵列进行干涉的周期性结构，从而在检测器的区域上产生莫尔条纹(Moire)图案，来确定探针的间距与宏单元的大小之间的失配量。周期性结构108可以是例如印刷或粘合在信息载体上的，并且可以由透明和不透明平行带构成，这些平行带具有称为“s”的周期，如图6中所示。数据区105是由相邻的宏单元(粗实线形成的正方形块)构成的，各个宏单元包括一组基本数据区(在这个例子中给出了十六个基本数据区)。各个宏单元打算由一个光点进行扫描。

莫尔条纹效应是一种光学现象，它发生在具有周期为s的结构的输入图像由周期为p(近似或等于输入图像的周期s，会造成混叠)的周期性采样栅格(即，本例中的周期性光点103阵列)进行采样时。相对于输入图像，经过采样的图像(即，莫尔条纹图案)被放大并且发生了旋转。

可以给出的是，莫尔条纹图案的放大系数μ和莫尔条纹图案与周期性结构之间的角度φ可以表示为如下表达式：

$\mathrm{\μ}=\frac{p}{\sqrt{p\cos \mathrm{\θ}-s{)}^2+{\left(p\sin \mathrm{\θ}\right)}^2}}---\left(1\right)$

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{p\sin \mathrm{\θ}}{p\cos \mathrm{\θ}-s}---\left(2\right)$

其中，p是光点103阵列的周期，

s是周期性结构108的周期，

θ是光点的103周期性阵列与周期性结构之间的角度。

对于光点103阵列与周期性结构108之间没有角失准的情况(即，在角度θ＝0的情况下)，放大系数μ0由下式表示：

$\mathrm{\μ}0=\frac{p}{|p-s|}---\left(3\right)$

图7表示莫尔条纹图案的产生过程。它表示向记录载体101施加在两个方向上都具有称为“p”的周期的光点103阵列。这些光点不仅施加在数据区105的各个宏单元上，而且还照射在周期性结构108上。周期p等于宏单元的侧边长。由于周期p与结构108的周期s之间存在差异，因此周期性结构108得到放大，并且在检测区域110上得到检测。

图7代表信息载体的扫描的初始位置，在该位置上，每个光点处于每个宏单元的左上角。周期性结构108得到放大，并且相应的莫尔条纹图案包括光团B1。光团B1对应于位于周期性结构108的两个相邻不透明带之间的透明带的放大。

在图7所示的例子中，沿着长度为Lx的检测区域仅产生一个光团。可以给出的是，对于具有一个光团的情况，周期s和p需要满足下述关系：

$|p-s|=\frac{p^2}{\mathrm{Lx}}---\left(4\right)$

不过，通过选择周期性结构的周期(或间距)，使下述关系式得到满足：

$|p-s|=\mathrm{Cx}\frac{p^2}{\mathrm{Lx}}---\left(5\right)$

其中C＞2且C＜3，将在检测器上显现出两个莫尔条纹块(代替图7中所示(B1)上单独一个)。光团之间的距离是光学探针的间距的衡量标准，因此，是探针阵列的间距与数据卡上的宏单元的大小之间的失配的衡量标准。这样，这个距离可以用于控制输入光束的会聚/发散，现在将对此进行更加详细的介绍。

在上面介绍的公知系统中，探针阵列产生装置被设计成，在用准直光束照明的情况下，在距离该装置一定距离的位置上产生探针。这样，参照图8，在已知的系统中，准直入射光束104由激光器12发出，穿过准直透镜10。在实际的系统中，准直光束104是借助光栅14引导到用于产生包括光点103阵列的探针阵列的探针阵列发生器102上的，并且光点103施加在数据卡101上用于数据读取。图9示意性表示省掉了光栅的同一系统。激光器12位于透镜10的焦平面(由距离f限定)内，从而照射在探针阵列发生器102上的结果得到的输入光束104是良好准直的，并且探针103的间距是p。

在已经确定了探针阵列103的间距p与数据卡101上的宏单元的大小之间存在失配的情况下，本发明提出，通过调节探针阵列产生装置的照明使探针阵列的间距与数据卡上的宏单元的间距匹配。

一般来说，将探针阵列产生装置设计成，在用准直光束照明情况下，在距离该装置一定距离处产生探针。可以给出，通过用非准直光束照明该装置，图像将按照下述放大倍数得到放大

$M=\frac{v+\mathrm{\ϵz}}{v}---\left(6\right)$

其中M是放大倍数，

v是从该装置到照明光束的焦点的距离，

z是从该装置到光点的距离。

在(6)中，对于会聚光束，ε是-1，而对于发散光束，是+1。因此探针阵列的间距从p变成了

Mxp           (7)

因此，通过控制v，就能够实现探针阵列的正确间距。使用标准光学技术，能够使照明光束会聚或发散，例如

·沿着光轴操纵照明系统中的透镜的位置；

·沿着光轴改变激光器的位置(见图10)；

·使用LC电池，该LC电池产生适当的相位曲线，即，二次相位曲线(抛物线)，起到透镜的作用；

·使用电-湿(electro-wetting)透镜。

这样，在示范性实施方式中，并且参照图10，如果激光器12移出透镜10的焦平面，则施加在探针阵列发生器102上的是发散输入光束104。

将从探针阵列发生器102到虚拟源点I的距离定义为v。探针阵列发生器102与数据卡101之间的距离定义为z。探针阵列的间距大于图9的结构的情况。在图9中，探针的间距定义为p。在图10结构中的发散照明光束的作用下，图10中的间距p’等于

$p^{\′}=p(1+\frac{z}{v})---\left(8\right)$

非准直照明的缺点在于，将一些球面象差和慧形象差引入到了光点。不过，当放大倍数为大约0.1％，这也是温度改变大约50度时聚碳酸酯(数据卡一般都是由这种材料制成的)的热膨胀的幅度的大小时，这些相差是可以忽略不计的。

如图11所示，按照本发明的系统可以很好地实施在读取设备RA(例如，家用播放设备...)、便携式装置PD(例如，便携式数字助理、便携式计算机、游戏播放单元...)或者移动电话MT中。这些设备和装置包括用于容纳前面介绍的信息载体IC的开口(OP)和按照本发明的考虑数据恢复而在所述信息载体IC上移位光点的系统。

应注意，上面提到的实施方式是对本发明进行解释说明，而非限制本发明，并且，本领域的技术人员能够在不超出由所附的权利要求限定的本发明的范围的前提下设计出很多可供替换使用的实施方式。在权利要求中，置于括号中的任何图标记都不应解释为是对权利要求的限制。此“包括”和“包含”等等，并不排除存在除了在权利要求中或作为整体的说明书中列出的单元或步骤之外的单元或步骤的可能。单元的单一引用并不排除存在这样的单元的多重引用的可能，并且反之亦然。本发明可以借助包括数个独特的元件的硬件来实现，并且可以借助适当编程的计算机来实现。在列举出数个装置的产品权利要求中，这些装置中的若干个可以通过硬件的同一部分来实现。在相互不同的从属权利要求中引用特定的手段这一表面现象并不表明这些手段的结合形式无益于实现优点。

Claims (7)

1.一种用于将光点(103)阵列的间距调整成与具有以数据区域阵列的形式存储的数据的信息载体(101)的数据区的大小相应的系统，每一数据区包括一组基本数据；所述系统包括：

-光源(12)和光学器件(10)，用于产生准直输入光束(104)；

-探针阵列产生装置(102)，用于由所述输入光束(104)产生所述光点阵列(103)，该光点阵列用于施加到所述信息载体(101)，以产生代表所述数据的输出光束；

-检测器(105)，用于接收所述输出光束并且检测所述数据的值；

-用于确定所述光点(103)阵列的间距与数据区域的大小之间的失配程度的装置，

-装置，通过调节所述光源(12)的焦点与所述探针阵列产生装置(102)之间的距离调节所述光点(103)阵列的间距以补偿所述失配。

2.按照权利要求1所述的系统，其中所述信息载体(101)包括至少一个周期性结构(108)，用于对所述光点(103)阵列进行干涉，从而在所述检测器(105)的区域上产生莫尔条纹图案，该周期性结构的周期是这样选择的：使得所述莫尔条纹图案包括所述检测器(105)的所述区域上的至少两个光斑，其中所述至少两个光斑之间的距离用于确定所述光点(103)阵列的间距，并因此用于确定所述失配的程度。

3.按照权利要求1所述的系统，其中所述光点(103)阵列的所述间距是通过沿着光源(12)的光轴控制光源相对于所述光学器件(10)的焦平面的距离来调节的。

4.一种便携式装置，包括权利要求1到3中任何一项所述的系统。

5.一种移动电话，包括权利要求1到3中任何一项所述的系统。

6.一种游戏播放单元，包括权利要求1到3中任何一项所述的系统。

7.一种将光点(103)阵列的间距调整成与具有以数据区域阵列的形式存储的数据的信息载体(101)的数据区的大小相对应的系统，每一数据区包括一组基本数据；所述方法包括步骤：

-由光源和光学器件产生准直输入光束(104)；

-由所述输入光束(104)产生所述光点(103)阵列，该光点阵列用于照射所述信息载体(101)以产生代表所述数据的输出光束；

-通过在检测器上接收所述输出光束来检测所述数据的值；

-确定所述光点(103)阵列的间距与数据区域的大小之间的失配程度，

-通过调节所述光源(12)的焦点与所述探针阵列产生装置(102)之间的距离，调节所述光点(103)阵列的间距以补偿所述失配。

Images