CN118053456A - 用于增加三维光学数据存储介质中的数据速率和存储密度的系统和方法 - Google Patents

用于增加三维光学数据存储介质中的数据速率和存储密度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于数字光学信息存储系统的提高了荧光和反射性多层三维光学数据存储介质的速度、信噪比、可控性和存储密度的系统和方法，例如光学装置。该系统和方法包括用于来自移动的单层或多层或其它三维光学信息存储介质的数据通道的读取光束的光学系统，该光学系统包括至少一个光学元件，其特征在于将相关联的图像平面上的读取光束的视场(FOV)限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。

Description

用于增加三维光学数据存储介质中的数据速率和存储密度的 系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月24日提交的美国临时专利申请序列号62/865,575的权益，在此要求其优先权并且其公开内容通过引用全部结合于此。
技术领域
本发明涉及用于数字光学信息存储系统的提高了荧光和反射性单层和多层或其他三维光学数据存储介质的速度、存储密度以及信噪比和可控性的系统和方法，例如光学装置。
背景技术
商业光学数据存储介质包括以高速旋转并且使用光学拾取单元(optical pickupunit,OPU)寻址以便进行读取和写入的光盘。对于写入，来自OPU上的物镜的聚焦激光以足以在激光脉冲期间改变介质的光学性质的功率照射在介质上。对于读取，在低功率下，由OPU上的光学检测系统检测数据，该光学检测系统区分来自写入区域和未写入区域的信号。比如，通过检测来自写入区域的反射率(REF)方面的增加或减少、或来自写入区域的荧光(FL)方面的增加或减少可获取和检测光学性质方面的变化。
需要增加光学介质的容量，以提供在企业数据存储系统中部署光学存储所需的性能和成本。一种可行的方法是使用多层光盘来提供三维存储。多层蓝光光盘和超多层光盘是适用于这种方法的两个示例介质。为了提供最大容量，存储密度在三个维度上均应该最大化。向405nm波长激光器、高数值孔径物镜以及增强的跟踪和写入控制方案的移动有利于增加的面密度。通过增加三维上的密度来增加容量的方法受制于在读取和伺服过程两者中由附近层间信号、符号间(沿数据轨)信号和层内(相邻数据轨道)信号引起的串扰。
当前对增加面密度的兴趣研究包括减小数据道的大小。然而，视场(field ofview，FOV)超过了轨道间隔，这导致了来自信号的由相邻轨道引起的层内(面)串扰，从而限制了轨道间隔和面存储密度。此外，还可以通过减少多层介质中各层之间的间隔来实现更高的密度。这种情况下，层间(轴向)串扰限制层间隔，并且因此限制体积数据存储密度。层间串扰由远离焦点的层产生的相干和非相干信号产生。
FL数据存储方案包括当被发光介质的吸收带中的源激发时发射光谱带上的光的介质。这种发射介质可以包括荧光染料、半导体纳米颗粒(诸如量子点)、等离子纳米金属物质及其组合。与引起符号间串扰的OPU扫描速率相比，以高速检测数字数据可能被FL物质的发射寿命限制。此外，球面像差、色差和球面色像差可能限制聚焦和收集整个发射光谱上的光的能力。光学系统中的色差以及由高数值孔径物镜和多层介质的厚度的组合引起的球面像差对总像差有贡献。
当从荧光光学存储介质读取光学信号用于以高速解释数据或实现伺服控制时，发射物质的有限荧光发射寿命可能限制读取速度。在某些情况下，发射寿命比聚焦激发点在单个数据标记上的停留时间更。这可能导致检测光学系统的FOV内来自先前激发的区域的荧光信号(荧光尾)干扰单个数据标记的检测。这会导致符号间串扰和信噪比方面的降低。
已知基于针孔的检测方案限制FOV、限制层内串扰和限制层间串扰。基本原理是将聚焦的激光点重新成像到检测路径中的针孔孔径上，从而限制FOV和层内串扰。在针孔后面放置检测器来收集信号能量。来自相邻轨道的光在针孔处被阻挡，为此针孔直径被设计用于进行适当的空间过滤，以将所收集的光限制到单个轨道上。该系统通过利用以下原理来限制层间串扰：当来自周围层的光照射到针孔上时，它分配在比聚焦层更大的区域上。因此，很小百分比的光从周围层穿过针孔。
然而，在对准针孔和保持对准方面的困难阻碍了它们在商业光驱中的使用。因此，申请人认识到，需要开发一种实用的系统，该系统降低了与机械针孔对准的难度，并为来自相邻轨道和荧光尾的层间串扰建立了有限的FOV。申请人理解限制层间串扰可以通过保持共焦条件来实现。最佳地，如果与FL介质一起使用，共焦条件在FL发射的带宽上得以保持。申请人意识到还需要为这种系统开发实用的聚焦伺服反馈信号。
发明内容
本文中公开了一种共焦检测系统，其可以通过降低FOV来提高检测的面分辨率和信噪比(signal to noise ratio，SNR)。具体而言，该系统可以保持与对应于激发光的焦点的数据标记尺寸相当的检测FOV，这有效地将所期望的信号与不想要的、无关的或错误的信号(例如，来自当前焦点之外的先前激发的区域的荧光)隔离开。它以在检测过程中几乎完全地排除杂散荧光。共焦检测系统的其增加的面分辨率和轴向分辨率可以减少来自介质的给定层中的相邻轨道的层间串扰和层内串扰。此外，它采用的光纤系统可以允许更轻的重量的OPU和更容易的维护。
根据本公开的用于移动的三维光学信息存储介质的可选OPU数据通道中的读取光束的示例性光学系统包括至少一个光学元件，其特征在于将相关联的图像平面上的读取光束的FOV限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径作为共焦检测的可选条件。
用于移动三维光学信息存储介质的可选OPU数据通道中的读取光束的另一示例性光学系统包括：读取光学检测器；以及物镜和读取光学检测器之间的光路；并且其中读取光学检测器具有有效区域，该有效区域的大小被确定成将有效区域上的读取光束的FOV限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。
一种用于从移动的三维光学信息存储介质生成聚焦误差信号(focus-errorsignal，FES)和数据信号的示例性光学系统，包括：FES子系统，该FES子系统包括具有适当设计的焦平面的第一和第二光纤以及用于从光学信息存储介质进行差分共焦FES检测的FOV，两个光纤具有由物体空间中对称位于光学数据存储介质的数据信号平面的两侧上的两个不同平面产生的信号；以及数据子系统，该数据子系统包括相对于光学信息存储介质聚焦在两个光纤的焦点之间的第三光纤，用于从光学信息存储介质获取读取信号。
光学信息存储介质的示例包括蓝光、CD-ROM、DVD-ROM、DVD-RAM、光学磁带、可记录介质、一次写入多次读取(write-once read-many，WORM)光学盒和可擦除光学盒。应当理解的是，尽管本公开将盘称为示例性光学介质，但是本公开通常适用于除光盘介质之外的各种类型的光学介质。
用于多层光学数据存储的OPU中的示例性FOV限制设备将物平面上的读取光束的FOV限制为小于4艾里斑直径。优选地，设备具有限制孔径。优选地，该设备将FOV减小到等于或小于数据标记的直径(小至0.3或0.5艾里斑直径)的FOV。多层光学介质可以是REF或FL，并且用于数据通道和聚焦的相对应的读出信号也可以是REF或FL。有限的FOV允许在读取时减少来自层中相邻写入位的层内串扰，特别是对于具有高轨道密度的介质，因为它可以将检测到的信号限制到单个轨道。在FL光学介质的情况下，即使在介质荧光团的较长荧光寿命的情况下，有限的FOV也允许通过消除符号间串扰实现的较高读出速率。此外，光纤的共焦孔径消除了来自未寻址或未聚焦层的信号，从而引起了器件的轴向分辨率的提高并提高了信噪比。
用于在OPU中生成FES和数据信号的示例性设备包含用于差分共焦FES检测的2个光纤和用于读取信号获取的第3条光纤。该设备包括第一和第二光纤，用于从光学数据存储介质返回的光进行FES检测。激光被施加到多层光学记录介质，并且使用来自光学介质的返回光来检测FES。第一和第二光纤的输入处的图像从在激发光焦平面的两侧上等距的平面发出的光路产生。用于FES获取的纤维的直径在1至10微米的范围内，优选地小于3微米。光纤的共焦孔径消除了来自未寻址或未聚焦层的信号，从而引起了器件的轴向分辨率的提高并提高了信噪比。可能的是，当取两个光纤信号的和时，这个FES设备也可以充当信号获取通道。
本文提出了一种用于多层光学数据存储、用于FES和用于FL介质的读取信号生成的示例性FOV限制设备。该设备与具有高达50nm的半峰全宽(full-width-at-halfmaximum，FWHM)带宽的多色信号兼容。特殊的双面非球面衍射光学元件可以用于(多个)FES通道和(多个)读取通道，以补偿色差和球面色像差。降低的像差允许数据读出和FES信号的信噪比的显著提高。
附图说明
图1示出了包括数据通道和FES通道的示例性实施例的OPU系统。
图2A是示出在像差可以被忽略的情况下确定光学传递函数(OTF)的基本布局的示意图。
图2B是示出了对于两个光纤(OF2和OF3)的光强与散焦以及图1中示出的实施例的聚焦误差的曲线图。
图3示出了包括数据通道和FES通道的另一示例性实施例的OPU系统。
图4示出了包括数据通道和FES通道的另一示例性实施例的OPU系统。
图5示出了包括数据通道和FES通道的另一示例性实施例的OPU系统。
图6示出了包括数据通道和FES通道的另一示例性实施例的OPU系统。
图7示出了包括数据通道和FES通道的另一示例性实施例的OPU系统。
具体实施方式
本文公开了一种用于共焦检测从单层三维光学数据存储介质、多层三维光学数据存储介质或其他三维光学数据存储介质(诸如光学存储盘、带、柱面等)产生的光的基于光纤的OPU装置。在示例性实施例中，介质相对于OPU移动，诸如但不限于转动(例如，对于转动的盘格式光学介质)、纵向移动(例如，对于线或带格式光学介质)、旋转(例如，对于旋转的柱面格式光学介质)或对于其他介质格式的其他移动。
OPU装置可以为光学数据存储系统的操作提供以下功能中的一个或多个：a)数据写入，b)用于数据检测的照明，c)写入数据的检测，d)聚焦伺服，以及e)跟踪伺服。OPU装置涉及功能c、d和e所需的检测路径以及这些功能的优化。本公开的示例性实施例可以包括三个检测路径。检测路径可以基于三个光纤接收器，这三个光纤接收器将光从OPU引导到光纤的远端处的光学检测器。这三种纤维可以减少层内、符号间和层间串扰，并影响其他有益性质。
OPU装置中的共焦探测系统可以提高面分辨率和轴向分辨率，并将FOV降低到分辨尺寸。检测的降低的FOV减少了来自先前激发的数据标记的荧光。这个杂散荧光被光学系统从检测器中排除。当FOV相当于对应于激发光的当前焦点的数据标记尺寸时，期望的信号被有效地隔离，从而导致较高的信噪比。
已经表明，基于光纤的共焦检测系统比在基于孔径的共焦系统中更容易对准，并且它们的对准更容易保持。[1,2]因此，共焦光纤检测系统比孔径共焦系统更易于进行大规模生产。此外，基于光纤的系统的光学传递函数的相干性(由于相干光纤模式)允许相干检测方案，该相干检测方案例如可以进一步减少反射性光学存储系统中的层间串扰。[3]共焦检测系统的增加的面分辨率和轴向分辨率可以减少来自给定层中的相邻轨道的层间串扰和层内串扰。此外，光纤系统可能允许更轻的重量的OPU和更容易的维护。
图1中示出了本公开的OPU装置的示例性实施例100。尽管将在实施例100的上下文中讨论本公开的许多优点、特征和修改，但是应当理解的是，这些优点、特征和修改可以同等地应用于其他实施例，即分别在图2至图7中示出的实施例200至700。
在示例性实施例100中，OPU检测系统包括两个通道，即，数据通道和FES通道。数据通道包括一个光纤输出(OF1)，以及FES通道包括两个光纤输出(OF2和OF3)。系统100的光学设计可以针对在设计中由一起使用所有三个光纤(OF1、OF2和OF3)而产生的许多益处进行优化。
实施例100中FOV的减小可提高FL检测系统中的高读取速度。当存储介质以m/秒的的速度移动时，有限的发射寿命可能导致符号间串扰。串扰可能导致从比当前聚焦的激光点的区域大得多的区域发射的光的检测，因此限制了检测的信噪比(SNR)(载噪比或CNR)。相反，如果检测到的光限于当前聚焦的光斑，则高SNR(CNR)被恢复，因为从聚焦激光光斑的背离艾里斑的区域发射的光被FOV从检测器中排除。这排除了在发射寿命内在较早时间首先从艾里斑(或其倍数)之外的点发射的光到达探测器。
实施例100的光学设计还增加了通过共焦透镜-光纤组合的选择所实现的面分辨率，该组合降低了物平面上的FOV。降低的FOV通过将前进到检测器的光限制到从局限于单个轨道的单个数据标记产生的光来减少轨道之间的层内串扰。
实施例100的光学设计可以通过选择透镜-光纤组合实现的空间过滤来增加轴向分辨率，从而导致类似共焦的轴向切片。这种轴向切片功能可以减少层间串扰，从而允许介质上的各层位于更靠得在一起。透镜-光纤组合的详细光学设计导致来自物体空间中三个平面的图像：a)数据通道聚焦在从其产生信号的层中，b)FES通道包含两个透镜-光纤组合(即，分别对应于图1中的OF2和OF3的透镜-光纤组合)，使得一个透镜-光纤组合在从其产生信号的层的稍微前面聚焦，以及另一透镜-光纤组合在稍微后面聚焦。在b)的情况下，由这个通道中的检测器产生的信号方面的差异提供了FES。这个FES由各自提供减少的FOV和轴向切片的两个信号构成。
存储介质和检测器之间的光路中衍射元件的存在结合适当的折射非球面和/或复消色差或消色差聚焦元件进一步针对色差和球面色像差校正光学成像系统。
光纤OF1、OF2和OF3可以结合灵敏光学检测器(图1中示意性地示出的检测器)。合适的高灵敏检测器的示例包括雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)或光电倍增管检测器(photomultiplier detector，PMD)，从而与PIN二极管检测器相比，导致灵敏度增加和SNR(CNR)更好。使用远侧检测器、远程检测器或非OPU检测器可能是有利的，因为它们可以允许：a)减少OPU质量，b)增强的热管理，以及c)更容易维修或更换检测器，潜在地延长光驱的寿命。
示例性实施例100中的OPU可以利用低成本光纤制造/对准/连接器方法。移动介质的典型读取速度在每个写入数据nm(10-9秒)范围内。共焦检测系统可以包括小针孔来滤除高空间频率。在商业上可行的驱动器中，将OPU中的针孔相对于光轴和共轭点附近的轴向位置对准可能是困难的。
实施例100中使用的光纤共焦成像系统可以获得具有几个优点的传统针孔系统的性能。首先，系统100可以将过滤元件放置在检测器的准直区域(未示出)中或附近。示例性实施例(例如，100)可以包括一体的透镜/光纤部件，其中一些可以在商业上以相对低的成本获得。这种部件可以使用同轴对准元件来对准以对准透镜(例如，L3、L5和L7)和它们相应的光纤(OF1、OF2和OF3)。透镜可以利用粘合剂固定。在这些情况下，透镜/光纤部件然后可以容易地对准呈准直或近准直。换句话说，透镜/光纤部件可以被准直到足以容易地/轻松地对准准直透镜和光纤并保持对准到可制造的公差(例如，足够或大于针孔共焦系统对准所需的公差的公差)的程度。这可以通过最大化放置在光纤的远端处的光学检测器中的信号来实现。这种检测器也可以永久地附着到光纤上，以形成单个部件。
申请人已经发现光学传递函数(OTF)有助于描述本申请的OPU的各方面。Gu和同事已经在光纤共焦扫描显微镜[4,5](其通过引用结合于此)的操作的背景下详细描述了OTF。
图2A示出了在其中像差可以被忽略的情况下确定OTF的基本布局。示出了来自激光器(例如，405nm激光器)的激发路径201以及用于数据202和差分共焦FES203的读取流，包括物镜204和(多个)耦合透镜(分别为205和206/207)。元件208、209和210是承载它们相应的信号的光纤。元件211、212和213是分束器。元件214是与激励相关联的透镜。读取流202包括作为共焦对的物镜204和耦合透镜205。对于给定的物镜204，共焦过滤的程度决定了减小的FOV。轴向切片由无量纲纤芯尺寸A确定。这通过公式1进行数学表达：
其中：a0＝聚焦到光纤中的耦合透镜的光瞳半径，d＝耦合透镜距光纤输入的距离，r0＝纤芯半径以及λ＝波长。量a0/d限定了耦合透镜的数值孔径(numerical aperture，NA)。公式1中的量DA是由1.22λd/a0＝1.22λ/NA给出的艾里斑直径。参数A类似于针孔共焦检测系统中艾里斑直径的数量，但针对光纤进行调节。
参数A影响OTF在轴向方向和平面内方向上的截止频率。通过改变纤芯半径r0和距离d，可以通过匹配光纤模式分布和光纤上的场分配来最大化检测器上的信号水平。
当A＝0时，OTF对应于点源和点检测器情况。对于有限大小的源和检测器的情况，通过增加r0大小来增加参数A导致较窄的OTF，因此降低空间截止频率并因此降低系统分辨率。这个较低的分辨率对应于较大的FOV。通过距离d和纤芯半径r0的选择，参数A可以在较宽的范围内变化。对于1至5微米(例如，2至3微米)范围内的r0和3至5mm的透镜光瞳半径a0，参数A可以根据距离d在0.5至10的范围内变化。对于较小的A值，分辨率被提高，从而导致更小的FOV和更精细的光学切片。通常，耦合到光纤中的光量随着r0减少。这产生了分辨率和信噪比(SNR)之间的折衷。通过消除来自有限发射寿命的符号间串扰以及使用高灵敏的APD或PMD检测器，SNR方面的降低可以至少部分地被来自SNR增加的增益所抵消。
对于给定的光纤，减小耦合透镜的数值孔径增加共焦度。这导致平面内和轴向尺寸上两者的更高的分辨率。[6].因此，基于光纤的检测系统对所有三个光纤(OF1、OF2和OF3)的共焦行为是基于光纤的输入面上的数据标记的图像，并与导模尺寸相匹配。减小耦合透镜的有效数值孔径将图像放大，这可能与光纤模式失配。这可能减少耦合到光纤中的光量，并且因此降低SNR。在示例性实施例中，通过设计光学系统使得艾里斑直径(第一个零)基本上匹配光纤模直径的大小，可以获得减小的FOV。在示例性实施例中，艾里斑直径可以是模直径的1/2至2倍。当0<A<5，诸如A＝0.5 -5，例如A＝2-4时，可以获得信噪比和分辨率之间的折衷。在示例性实施例中，a0＝1.5mm，r0＝1.25μm，以及d＝12mm。使用公式1，这对应于A＝3.85。
在示例性实施例中，面分辨率和FOV在一个或多个方向上可以是与介质上的数据标记尺寸大致相同的大小。在这种情况下，提高了轴向分辨率。在一些示例性实施例中，FOV为145至155nm长，例如，大约150nm长。这是大约与蓝光光盘标准下的最小凹坑长度相同的长度。FOV可以是125至135nm宽，例如大约130nm宽。这大约与蓝光光盘标准下的最小凹坑宽度相同的宽度。当由于在数据位上的数据位停留时间与发射寿命相当(小于5nm)时，降低的FOV可以消除由FL介质中的有限发射寿命引起的SNR/CNR降低。FOV的最佳大小通过折衷来自符号间串扰的信号与来自减小的FOV的减少的信号来确定。
除了分束器(BS1)之外，照明系统没有在图1中明确示出，该分束器将来自照明激光器的光通过物镜(L-OBJ)引导到存储介质。从介质作为FL或REF返回的光沿着从L-OBJ示出的路径101引导。透镜L1可以是可移动的中继透镜，其可以消除L-OBJ寻址各个层遇到的球面像差。第二分束器BS2将从介质返回的光在数据通道和FES通道之间分束。由于发射的光的光谱带宽和由透镜进行的不足的像差校正，对于FL介质,可能包括衍射色彩校正部件CP1、CP2和CP3。CP1、CP2和CP3可以作为分离的元件位于存储介质和检测器之间的光路中(如图1所示)，或者可以施加在包括物镜L-OBJ的光路101中的折射元件的表面上。在示例性实施例中，由荧光介质发射的多色信号的光谱带宽可以具有20至50nm的半峰全宽(FWHM)带宽，例如35至45nm，例如大约40nm的半峰全宽带宽。透镜对L2/L3、L4/L5、L6/L7可以被设计用于聚焦到它们相应的光纤(分别为OF1、OF2和OF3)中的主要功能，从而在它们的远侧检测器处生成FES和数据信号。在示例性实施例中，光纤(OF1、OF2和OF3)可以具有2至3微米的芯直径，例如约2.5微米。在示例性实施例100中，透镜L3、L5和L7可以相同。在这个示例中，透镜L3、L5和L7可以包括准直器封装件，而透镜L2、L4和L6可以赋予用于FES和数据检测的功能。数据通道中的部件W提供了光程差，以匹配由BS3在FES通道中引入的相移。
表1中示出了示例性实施例100的变型的详细示例性光学处方。
表1：图1的示例性实施方式的细节。
非球面系数：
Y：距光轴的高度，
k：圆锥常数，
A2i：第i阶的非球面系数，
R曲线的近轴半径。
公式2描述了非球面表面的设计，其中Z是透镜表面在近轴方向上在位置Y处的定位。
表2：用于实施公式2的参数：
现在描述示例性FES通道的操作。返回参考图1，来自介质的返回信号通过非偏振分束器BS2，并被分成两个光束，即，用于数据通道的光束102和用于FES通道的光束103。在FES通道中，当荧光光束被非偏振分束器BS3进一步分成被透镜或透镜系统封装件聚焦到连接到检测器(例如，APD检测器)的两个单模光纤中的两个光束104和105时，差分共焦操作被影响。两个通道104和105中的焦点具有相对于数据通道中的被寻址的层中的焦点位置分别在轴向方向上移位+u和-u的物平面焦点。在示例性实施例中，物平面焦点移位例如±0.12mm。所得到的光耦合到两个光纤(例如，图1中示出的OF2和OF3)中，并被引导到两个APD检测器，该两个APD检测器为在数据通道的焦平面的前面的一个APD检测器、以及在数据通道的焦平面后面的另一APD检测器。FES是由来自用于OF2和OF3的两个检测器的信号之间的差异生成的。
图2B示出了示例性实施例100的模拟FES曲线，其中来自OF2和OF3的信号两者在X轴上方，并且FES从左上象限延伸到右下象限。在实施例100中，通过适当选择透镜L4/L5和L6/L7、纤芯直径和各种距离，可以设计减小视场的类似共焦的空间过滤。检测器可以全部连接到一个或多个控制单元(也未示出)，这些控制单元使用FES信号来控制致动器(未示出)，这些致动器调节物镜相对于介质的焦点，例如调节焦点以趋向于使焦点误差信号为零。
在图1的实施例100中，透镜L3、L5和L7可以是相同的。L3、L5和L7之间的焦点方面的变化可以通过选择透镜L2、L4和L6来确定，使得L2提供从信号层发出的光的图像。可以选择透镜L4和L6来产生两个信号，即从要寻址的层前面的平面发出的一个信号和从其后面发出的一个信号。因此，可以将物平面上的焦点选择在要被寻址的介质层内。可以选择透镜L4和L6来优化由FES通道中的两个检测器之间的所检测到的光强方面的差异产生的所得到的S-曲线(换句话说，提供对称的S曲线，其过零点对应于激发光束的焦平面)。还可以选择透镜来改善整体信号水平和改善FOV(例如，以提供最小化轴向串扰和面串扰并导致至少30dB的CNR的FOV)。
根据本文中的教导，实施例100和其他实施例的设计方面的附加变化是显而易见的：
替代性方案0透镜L2、L4和L6是相同的，并且通过相对于彼此不同地定位透镜来获得不同的焦平面。透镜L4位置相对于透镜L2位置为+0.12mm，并且透镜L6位置相对于透镜位置为-0.12mm，反之亦然。示例100在图1中示出。
替代性方案1透镜L2、L4和L6可以被消除，并且通过L3、L5和L7的设计获得的差动焦点现在彼此不同，并且产生3个分离且不同的焦点。CP1、CP2和CP3可以被设计用于FL系统的颜色校正。示例300在图3中示出。
替代性方案2附加的相位板窗口W1、W2和W3可以被插入到每个路径中以调节焦点以便如上所述进行操作。可以分离地选择W1、W2和W3的折射率和厚度来确定三个焦点。在这种情况下，透镜L3、L5和L7可以是相同的。示例400在图4中示出。
替代性方案3利用图5中示出的示例配置500，可以使用相位不对称分束器BS2’和BS3’来执行相移。可以选择分束器BS2’和BS3’使得OF1方向(方向501)上的相移介于OF2和OF3之间。在这种情况下，透镜L3、L5和L7可以是相同的。
替代性方案4通过使用相位不对称分束器BS3’可以获得差分聚焦，其示例600在图6中示出。可以选择分束器BS3’,使得在OF2和OF3方向上的物平面焦点在感兴趣层的前面和后面移位。在这种情况下，透镜L5和L7可以相同。
尽管在图1、图3至图6中没有明确示出，但是本文中的各种实施例可以具有生成读取光束的相关联的照明系统和用于跟踪伺服的系统。在OF1、OF2和OF3的检测信号之间类似地起作用的其他光学设备和方法也是可能的。这些功能提供了物平面焦点被布置成使得数据通道聚焦在被寻址层中，并且FES通道具有在被寻址的层的后面和前面的两个聚焦的。所有这些都可以被设计成提供适当的FOV和轴向切片。
图7示出了另一示例性实施例700。在实施例700中，来自光源(例如，405nm激光二极管(未示出))的读取光束经由非球面透镜1和非球面透镜2被引入，并最终被物镜聚焦到介质上，该介质将所得到的信号提供回到数据通道和FES通道。图7中的偏振分束器对应于图1、图3至图6中的分束器BS1。
尽管本发明已经通过其实施例的描述进行了说明，并且尽管已经相当详细地描述了实施例，但是申请人并不旨在将本发明的范围限制或以任何方式局限于这些细节。对于本领域技术人员来说，附加的优点和修改将很容易显现，例如，具有最靠近光纤的透镜的准直光束照射的设计。因此，本发明构思在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和说明性示例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。
实施例
以下是根据本公开的各方面的示例性实施例的非穷尽列表。
1.一种用于来自移动的单层或多层三维光学信息存储介质的数据通道的读取光束的光学系统，包括：
至少一个光学元件，其特征在于将相关联的图像平面上的读取光束的视场(FOV)限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。
2.根据实施例1的光学系统，其中至少一个光学元件通过将读取光学检测器上的FOV限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径来限制读取光束的FOV。
3.根据实施例1或实施例2的光学系统，其中至少一个光学元件通过将聚焦在光纤的芯上的数据点大小限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径来限制读取光束的FOV，光纤将读取光束耦合到相关联的读取光学检测器。
4.根据实施例1至3中任一项的光学系统，其中至少一个光学元件将读取光束的FOV限制为第一方向上的0.3至1艾里斑直径。
5.根据实施例1至3中任一项的光学系统，其中至少一个光学元件进行以下中的至少一项：
将读取光学检测器上的FOV限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径；以及
将聚焦在光纤的端部上的数据点大小限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。
6.根据实施例1至5中任一项的光学系统，其中至少一个光学元件包括光学信息存储介质和读取光学检测器之间的光路中的孔径。
7.根据实施例1至6中任一项的光学系统，其中至少一个光学元件至少包括第一透镜和第二透镜，该第一透镜和第二透镜基本上准直读取光束并将基本上准直的读取光束聚焦到光纤中，以便耦合到相关联的读取光学检测器。
8.一种用于来自移动的三维光学信息存储介质的数据通道的读取光束的光学系统，包括：
读取光学检测器；以及
物镜和读取光学检测器之间的光路；以及
其中读取光学检测器具有有效区域，该有效区域的大小被确定成将有效区域上的读取光束的视场(FOV)限制为第一方向上的0.3至2艾里斑直径。
9.根据实施例8的光学系统，其中读取光学检测器的有效区域的大小被确定成将读取光束的FOV限制为第一方向上的0.3至1艾里斑直径。
10.根据实施例8或实施例9的光学系统，其中读取光束的FOV在第二方向上以不同于第一方向上的程度进行限制。
11.根据实施例8至10中任一项的光学系统，其中(a)三维光学信息存储介质是反射性三维光学信息存储介质和荧光三维光学信息存储介质中的一个，并且(b)读取光束是反射性读取光束和Stokes频移荧光读取光束中的一个。
12.根据实施例8至11中任一项的光学系统，还包括聚焦误差信号(FES)子系统，该聚焦误差信号子系统具有用于从光学信息存储介质进行差分共焦FES检测以从光学信息存储介质生成FES信号的两个光纤。
13.一种用于从移动的三维光学信息存储介质生成聚焦误差信号(FES)和数据信号的光学系统，包括：
FES子系统，该FES子系统包括用于从光学信息存储介质进行差分共焦FES检测的第一和第二光纤，这两个光纤相对于光学信息存储介质具有不同的焦点；以及
数据子系统，该数据子系统包括相对于光学信息存储介质聚焦在两个光纤的焦点之间的第三光纤，用于从光学信息存储介质获取读取信号。
14.根据实施例13的光学系统，其中FES子系统包括以下光学元件中的一个或多个：
(a)至少一个透镜，该至少一个透镜基本上准直第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到第一光纤中；并且还包括至少一个其他透镜，该至少一个其他透镜基本上准直第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到第二光纤中；和/或
(b)至少两个透镜，该至少两个透镜协作以基本上准直第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到第一光纤中；并且还包括至少两个其他透镜，该至少两个其他透镜基本上准直第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到第二光纤中；和/或
(c)至少三个透镜，该至少三个透镜协作以基本上准直第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到第一光纤中；并且还包括至少三个其他透镜，该至少三个其他透镜基本上准直第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到第二光纤中；和/或
(d)至少一个相位板窗口(W)，该至少一个相位板窗口调节物镜和前述透镜中的至少一个之间的FES光束中的一个的焦点；和/或
(e)至少一个相位不对称分束器(BS2)，该至少一个相位不对称分束器被定位成不对称地将光束分束以形成读取光束和FES光束；和/或
(f)至少一个相位不对称分束器(BS3)，该至少一个相位不对称分束器被定位成不对称地将该FES波束/FES波束分束以形成第一和第二FES光束。
15.根据实施例14的光学系统，其中FES子系统的光学元件中的一个或多个与第一和第二光纤协作，使得光学元件中的一个或多个的数值孔径(NA)相对于相应光纤的NA失配，使得光信号的高空间频率分量不耦合到相应的光纤中。
16.根据实施例13至15中任一项的光学系统，其中FES子系统中的第一和第二光纤的焦点被定位成使得它们在光纤输入处的图像从物镜的焦点的任一侧上等距的平面产生。
17.根据实施例13至16中任一项的光学系统，其中FES子系统中的第一和第二光纤的直径在1至10微米的范围内。
18.根据实施例13至17中任一项的光学系统，还包括光学信息存储介质和读取光学检测器之间的光路中的衍射性和折射性色差或球面色像差校正器中的至少一个。
19.根据实施例14至18中任一项的光学系统，其中FES子系统的光学元件中的一个或多个被配置和定位成与相应的光纤协作以根据以下公式提供范围在0至5的A值：
其中：a0＝FES子系统的光学元件中的一个或多个的光瞳，d＝FES子系统的光学元件中的一个或多个距相应的光纤的距离，r0＝相应纤芯半径和λ＝波长，a0/d限定了FES子系统的光学元件中的一个或多个的数值孔径(NA)，公式1中的DA是由1.22λd/a0＝＝1.22λ/NA给出的艾里斑直径。
20.根据实施例14至18中任一项的光学系统，其中FES子系统的光学元件中的一个或多个被配置和定位成与相应的光纤协作，以在介质上提供与介质上的在一个或两个方向上的数据标记尺寸大致相同大小的FOV。
21.一种用于检测来自移动的三维光学信息存储介质的光信号的光学系统，包括：
至少一个透镜，该至少一个透镜接收并基本上准直光信号，并将基本上准直的光信号聚焦到具有1至20微米的芯直径的光纤中；以及
其中至少一个透镜和光纤相对于彼此被配置、间隔和布置，并且彼此协作以根据以下公式提供范围在0至5的A值：
其中：a0＝至少一个透镜的光瞳，d＝从至少一个透镜到光纤的距离，r0＝纤芯半径并且λ＝光信号的波长，a0/d限定了至少一个透镜的数值孔径(NA)，以及公式1中的DA是由1.22λd/a0＝1.22λ/NA给出的艾里斑直径。
22.根据实施例21的光学系统，其中至少一个透镜和光纤协作以增加三维光学信息存储介质中的面数字数据密度和轴向数字数据密度。
23.根据实施例21或实施例22的光学系统，其中至少一个透镜和光纤协作以通过允许活动层之间的空间减小而减小层间距并增加三维光学信息存储介质中的轴向数字数据密度。
24.根据实施例21至23中任一项的光学系统，还包括在光信号的光谱带宽上进行校正的至少一个色差或球面色像差校正器。
25.根据实施例21至24中任一项的光学系统，其中至少一个透镜包括第一和第二透镜，该第一和第二透镜接收并几乎准直光信号，并将几乎准直的光信号聚焦到光纤中。
26.根据实施例21至25中任一项的光学系统，其中：
至少一个透镜包括第一和第二透镜，该第一和第二透镜接收并基本上准直光信号，并将基本上准直的光信号聚焦到光纤中；以及
光学系统还包括在光信号的光谱带宽上进行校正的衍射校正器、色差校正器和球面色像差校正器中的至少一个。
27.根据实施例21至26中任一项的光学系统，还包括至少一个相位板窗口(W)，该至少一个相位板窗口引入调节物镜和至少一个透镜之间的光信号的焦点的相移。
28.根据实施例21至27中任一项的光学系统，还包括至少一个相位不对称分束器，该至少一个相位不对称分束器在物镜和至少一个透镜之间不对称地分束光信号。
29.一种用于检测来自移动的三维光学信息存储介质的光信号并生成FES信号的聚焦误差信号(FES)子系统，包括：
至少一个FES分束器，该至少一个FES分束器接收光信号；
第一FES通道，该第一FES通道包括至少一个第一FES透镜，该至少一个第一FES透镜从至少一个FES分束器的第一输出接收光信号并且基本上准直光信号，并且将基本上准直的光信号聚焦到具有大约1至20微米的芯直径的第一FES光纤中；以及
第二FES通道，该第二FES通道包括至少一个第二FES透镜，该至少一个第二FES透镜从FES分束器的第二输出接收光信号并且基本上准直光信号，并且将基本上准直的光信号聚焦到具有大约1至20微米的芯直径的第二FES光纤中；以及
其中至少一个第一FES透镜和第一FES光纤被配置、间隔和布置成降低三维光学信息存储介质的物平面上的FOV并增加三维光学信息存储介质的面存储密度；以及
其中至少一个第二FES透镜和第二FES光纤被配置、间隔和布置成降低三维光学信息存储介质的物平面上的FOV并增加三维光学信息存储介质的面存储密度；以及
其中(a)至少一个FES分束器、(b)至少一个第一FES透镜、(c)至少一个第二FES透镜和(d)至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得第一和第二FES通道使它们的物平面焦点在轴向方向上移位，使得由第一和第二FES光纤承载的光信号可以被检测和处理以生成FES信号。
30.根据实施例29的聚焦误差信号(FES)子系统，其中(a)至少一个FES分束器、(b)至少一个第一FES透镜、(c)至少一个第二FES透镜和(d)至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得第一和第二FES通道使它们的物平面焦点在轴向方向上移位，使得由第一和第二FES光纤承载的光信号可以被检测和处理以生成FES信号。
31.根据实施例29或实施例30的聚焦误差信号(FES)子系统，其中至少一个其他光学元件包括至少一个相位板窗口(W)并且其中(a)至少一个FES分束器、(b)至少一个第一FES透镜、(c)至少一个第二FES透镜、以及(d)至少一个相位板窗口(W)被配置、间隔和布置成使得第一和第二FES通道使它们的物平面焦点在轴向方向上移位，使得由第一和第二FES光纤承载的光信号可以被检测和处理以生成FES信号。
32.根据实施例29或实施例30的聚焦误差信号(FES)子系统，其中至少一个其他光学元件包括至少一个相位板窗口(W)并且其中(a)至少一个FES分束器、(b)至少一个第一FES透镜、(c)至少一个第二FES透镜、以及(d)至少一个相位板窗口(W)被配置、间隔和布置成使得第一和第二FES通道使它们的物平面焦点在轴向方向上移位，使得由第一和第二FES光纤承载的光信号可以被检测和处理以生成FES信号。
33.根据实施例29至32中任一项的聚焦误差信号(FES)子系统，其中至少一个FES分束器包括相位不对称分束器并且其中(a)至少一个FES分束器、(b)至少一个第一FES透镜、(c)至少一个第二FES透镜和(d)至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得第一和第二FES通道使它们的物平面焦点在轴向方向上移位，使得由第一和第二FES光纤承载的光信号可以被检测和处理以生成FES信号。
34.根据实施例29至33中任一项的聚焦误差信号子系统，还包括根据实施例1至12中的任一项的数据通道。
35.一种用于从移动的三维光学信息存储介质的光信号中读取数据的光学系统，包括：根据实施例29-33中任一项的聚焦误差信号(FES)子系统和根据实施例1至12中任一项的数据通道。
36.根据实施例35的系统，其中该介质是发射多色信号的荧光介质，并且由荧光介质发射的多色信号的光谱带宽具有20至50nm的半峰全宽(FWHM)带宽。
37.根据实施例3的系统，其中光纤在反射型介质中提供相干检测。
______________
[1]T.Dabbs and M.Glass,“Fiber-optic confocal microscope:FOCON,”Appl.Opt.31(16),3030-3025(1992).
[2]P.M.Delaney,M.R.Harris,and R.G.King,“Fiber-optic laser scanningconfocal microscope suitable for fluorescence imaging,”Appl.Opt.33(4),573-577(1994).
[3]S.Kimura and T.Wilson,“Confocal scanning optical microscope usingsingle-mode fiber for signal detection,”Appl.Opt.30(16),2143-2150(1991).
[4]X.Gan,M.Gu,and C.J.R.Sheppard,"Fluorescent image formation in thefibre-optical confocal scanning microscope,"J.Mod.Opt.39,825–834(1992).
[5]M.Gu and C.J.R.Sheppard,"Signal level of the fibre-opticalconfocal scanning microscope,"J.Mod.Opt.38,1621-1630(1991).
[6]M.Gu,C.J.R.Sheppard,and X.Gan,"Image formation in a fiber-opticalconfocal scanning microscope,"J.Opt.Soc.Am.A8,1755(1991).

Claims (14)

1.一种用于从移动的三维光学信息存储介质生成聚焦误差信号FES和数据信号的光学系统，包括：
FES子系统，所述FES子系统包括用于从所述光学信息存储介质进行差分共焦FES检测的第一光纤和第二光纤，两个光纤相对于所述光学信息存储介质具有不同的焦点；以及
数据子系统，所述数据子系统包括相对于所述光学信息存储介质聚焦在所述两个光纤的焦点之间的第三光纤，用于从所述光学信息存储介质获取读取信号。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述FES子系统包括以下光学元件中的一个或多个：
(a)至少一个透镜，所述至少一个透镜基本上准直第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到所述第一光纤中；并且还包括至少一个其他透镜，所述至少一个其他透镜基本上准直第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到所述第二光纤中；和/或
(b)至少两个透镜，所述至少两个透镜协作以基本上准直所述第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到所述第一光纤中；并且还包括至少两个其他透镜，所述至少两个其他透镜基本上准直所述第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到所述第二光纤中；和/或
(c)至少三个透镜，所述至少三个透镜协作以基本上准直所述第一FES光束并将基本上准直的第一FES光束聚焦到所述第一光纤中；并且还包括至少三个其他透镜，所述至少三个其他透镜基本上准直所述第二FES光束并将基本上准直的第二FES光束聚焦到所述第二光纤中；和/或
(d)至少一个相位板窗口(W)，所述至少一个相位板窗口调节物镜和前述透镜中的至少一个之间的所述FES光束中的一个的焦点；和/或
(e)至少一个相位不对称分束器(BS2)，所述至少一个相位不对称分束器被定位成不对称地将光束分束以形成读取光束和FES光束；和/或
(f)至少一个相位不对称分束器(BS3)，所述至少一个相位不对称分束器被定位成不对称地将所述FES波束/FES波束分束以形成所述第一FES光束和第二FES光束。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述FES子系统的所述光学元件中的一个或多个与第一光纤和第二光纤协作，使得所述光学元件中的所述一个或多个的数值孔径(NA)相对于相应光纤的NA失配，使得所述光信号的高空间频率分量不耦合到所述相应的光纤中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其中，所述FES子系统中的所述第一光纤和所述第二光纤的焦点被定位成使得它们在光纤输入处的图像从所述物镜的焦点的任一侧上等距的平面产生。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其中，所述FES子系统中的所述第一光纤和所述第二光纤的直径在1至10微米的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，还包括所述光学信息存储介质和读取光学检测器之间的光路中的衍射性和折射性色差或球面色像差校正器中的至少一个。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的光学系统，其中，所述FES子系统的光学元件中的一个或多个被配置和定位成与相应的光纤协作以根据以下公式提供范围在0至10的A值：
其中，：a0＝所述FES子系统的光学元件中的一个或多个的光瞳，d＝所述FES子系统的光学元件中的一个或多个距所述相应的光纤的距离，r0＝所述相应纤芯半径和λ＝波长，a0/d限定了所述FES子系统的光学元件中的一个或多个的数值孔径(NA)，上述公式中的DA是由1.22λd/a0＝1.22λ/NA给出的艾里斑直径。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的光学系统，其中，所述FES子系统的光学元件中的一个或多个被配置和定位成与相应的光纤协作，以在所述介质上提供与所述介质上的在一个或两个方向上的数据标记尺寸大致相同大小的FOV。
9.一种用于检测来自移动的三维光学信息存储介质的光信号并生成FES信号的聚焦误差信号FES子系统，包括：
至少一个FES分束器，所述至少一个FES分束器接收所述光信号；
第一FES通道，所述第一FES通道包括至少一个第一FES透镜，所述至少一个第一FES透镜从所述至少一个FES分束器的第一输出接收所述光信号并且基本上准直所述光信号，并且将基本上准直的光信号聚焦到具有大约1至20微米的芯直径的第一FES光纤中；以及
第二FES通道，所述第二FES通道包括至少一个第二FES透镜，所述至少一个第二FES透镜从所述FES分束器的第二输出接收光信号并且基本上准直光信号，并且将基本上准直的光信号聚焦到具有大约1至20微米的芯直径的第二FES光纤中；以及
其中，所述至少一个第一FES透镜和所述第一FES光纤被配置、间隔和布置成降低所述三维光学信息存储介质的物平面上的FOV并增加所述三维光学信息存储介质的面存储密度；并且
其中，所述至少一个第二FES透镜和所述第二FES光纤被配置、间隔和布置成降低所述三维光学信息存储介质的物平面上的FOV并增加所述三维光学信息存储介质的面存储密度；并且
其中，(a)所述至少一个FES分束器、(b)所述至少一个第一FES透镜、(c)所述至少一个第二FES透镜和(d)所述至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得所述第一FES通道和所述第二FES通道使它们的物平面焦点在所述轴向方向上移位，使得由所述第一FES光纤和所述第二FES光纤承载的光信号能够被检测和处理以生成所述FES信号。
10.根据权利要求9所述的聚焦误差信号FES子系统，其中，(a)所述至少一个FES分束器、(b)所述至少一个第一FES透镜、(c)所述至少一个第二FES透镜和(d)所述至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得所述第FES通道一和所述第二FES通道使它们的物平面焦点在所述轴向方向上移位，使得由所述第一FES光纤和所述第二FES光纤承载的光信号能够被检测和处理以生成所述FES信号。
11.根据权利要求9或10所述的聚焦误差信号FES子系统，其中，所述至少一个其他光学元件包括至少一个相位板窗口(W)并且其中，(a)所述至少一个FES分束器、(b)所述至少一个第一FES透镜、(c)所述至少一个第二FES透镜、以及(d)所述至少一个相位板窗口(W)被配置、间隔和布置成使得所述第一FES通道和所述第二FES通道使它们的物平面焦点在所述轴向方向上移位，使得由所述第一FES光纤和所述第二FES光纤承载的所述光信号能够被检测和处理以生成所述FES信号。
12.根据权利要求9或10所述的聚焦误差信号FES子系统，其中，所述至少一个其他光学元件包括至少一个相位板窗口(W)并且其中，(a)所述至少一个FES分束器、(b)所述至少一个第一FES透镜、(c)所述至少一个第二FES透镜、以及(d)所述至少一个相位板窗口(W)被配置、间隔和布置成使得所述第一FES通道和所述第二FES通道使它们的物平面焦点在所述轴向方向上移位，使得由所述第一FES光纤和所述第二FES光纤承载的所述光信号能够被检测和处理以生成所述FES信号。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的聚焦误差信号FES子系统，其中，所述至少一个FES分束器包括相位不对称分束器并且其中，(a)所述至少一个FES分束器、(b)所述至少一个第一FES透镜、(c)所述至少一个第二FES透镜和(d)所述至少一个其他光学元件中的至少一个被配置、间隔和布置成使得所述第一FES通道和所述第二FES通道使它们的物平面焦点在所述轴向方向上移位，使得由所述第一FES光纤和所述第二FES光纤承载的光信号能够被检测和处理以生成所述FES信号。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的聚焦误差信号FES子系统，还包括数据通道。
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