CN1853226A - 用于移动至少一个光点的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于移动至少一个光点(903)的系统，所说系统包括：一个相位调制器(906)，用于从输入光束产生一个按照可控的相位分布进行相位调制的光束；一个孔隙阵列(902)，用于从所说相位调制的光束产生所说至少一个光点(903)，所说相位分布的变化意味着所说至少一个光点(903)的移动。应用：光学存储。

Description

用于移动至少一个光点的系统

技术领域

本发明涉及考虑到数据恢复例如在一个信息载体上移动至少一个光点的系统。

本发明可以用在光学数据存储领域。

背景技术

现在，例如在基于DVD(数字通用盘)标准的存储系统中，为了进行内容分配，广泛地使用光学存储。与硬盘存储和固态存储相比，光学存储具有很大的优点：信息载体的复制很容易并且廉价。

然而，由于在驱动器中存在大量的活动部件，所以当进行读出操作时，考虑到在这种操作期间所说的活动部分的所需稳定性，使用这种类型存储的已知应用对于冲击震动来说是不稳固的。结果，在要经受冲击震动的应用中，例如在便携式设备中，光学存储的使用就不可能那么容易。

发明内容

本发明的一个目的是提出一个新的系统，用于考虑数据恢复例如在一个信息载体上移动至少一个光点。

为此，用于移动至少一个光点的系统包括：

一个相位调制器，用于从输入光束产生一个按照可控的相位分布进行相位调制的光束；

一个孔隙阵列，用于从所说相位调制的光束产生所说至少一个光点，

所说相位分布的变化意味着所说至少一个光点的移动。

光点的移动是通过利用由孔隙阵列产生的Talbot效应再加上相位调制器的作用实现的。光点的移动可以是在读出操作期间用于扫描信息载体表面的横向移动，或者可以是用于在信息载体的表面上精确地聚焦光点以便改善读出操作的质量的轴向移动。

所说的光点移动是在没有任何机械结构的情况下实现的，因此所说的系统可以确定一个稳固的机械结构方案。于是，可以在容易受到冲击震动的便携式设备中有益地实施这个系统。

这个解决方案可以应用到信息载体上的单个光点的移动，但也可以应用到同时加到信息载体表面上的光点阵列。

本发明还涉及一种读出设备，用于读出存储在信息载体上的数据，所说读出设备包括按照本发明的一个系统。

下面将要给出本发明的详细说明和其它方面。

附图说明

现在参照下面描述的实施例说明本发明的特定方面，并且结合附图对这些方面进行考虑，其中用相同的方式指定相同的部件或子步骤：

图1描述按照本发明的第一系统；

图2描述按照本发明的第二系统；

图3描述的是专用于宏单元扫描的部件的详细视图，宏单元扫描用于按照本发明的系统；

图4表示按照本发明的宏单元扫描的原理；

图5描述按照本发明的第一系统的一个三维视图；

图6描述用于在信息载体上移动按照本发明的系统的第一装置；

图7描述用于在信息载体上移动按照本发明的系统的第二装置；

图8描述用于在信息载体上移动按照本发明的系统的第二装置的详细元件；

图9描述按照本发明的第三系统；

图10描述按照本发明的第三系统的一个三维视图；

图11描述的是一个电控液晶单元和这样一种液晶单元的电压控制曲线；

图12表示包括按照本发明的系统的各种不同的设备和器件。

具体实施方式

按照本发明的系统旨在读出存储在信息载体上的数据。信息载体用于存储按照一个阵列组织的二进制数据，如在数据矩阵中的数据。如果想要按照透射方式读信息载体，则存储在信息载体上的二进制数据的状态要由透明区和非透明区(即，光吸收区)表示。按照另一种方式，如果想要按照反射方式读信息载体，则存储在信息载体上的二进制数据的状态要由非反射区(即，光吸收区)和反射区表示。这些区域都标记在诸如玻璃、塑料、或者具有磁性的材料中。

按照本发明的系统包括：

一个光学元件，用于从输入光束产生一个光点阵列，所说光点阵列用于扫描所说信息载体；

一个检测器，用于从由所说信息载体产生的输出光束阵列检测所说数据。

在图1所示的第一实施例中，用于读出存储在信息载体101上的数据的按照本发明的系统包括一个光学元件102，用于从输入光束104产生一个光点阵列103，所说光点阵列103用于扫描信息载体101。

光学元件102对应于一个两维的微透镜(micro-lenses)阵列，相干输入光束104就加到这个微透镜阵列的输入端。微透镜阵列102平行地并且远离信息载体101地放置，从而使光点聚焦到信息载体上。微透镜的数值孔径和质量确定了光点的尺寸。例如，可以使用数值孔径为0.3的一个两维的微透镜阵列。通过波导(未表示出)来扩展输入激光光束，或者通过两维的经过耦合的微透镜阵列，都可以实现输入光束104。

将所说光点加在信息载体101的透明区或非透明区。如果光点加在非透明区，信息载体101在响应中不产生任何输出光束。如果光点加在透明区，信息载体101在响应中产生一个输出光束，所说输出光束由检测器105检测。于是，使用检测器105来检测加有光点的区域的数据的二进制值。

检测器105最好由CMOS或CCD像素阵列制造。例如，将检测器的一个像素放置在包含信息载体的一个数据(即一个比特)的基本数据区的对面。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。

有益地，将一个微透镜阵列(未示出)放置在信息载体101和检测器105之间，用于聚焦在检测器上由信息载体产生的输出光束，以便改善数据的检测。

在图2所示的第二实施例中，用于读出存储在信息载体201上的数据的按照本发明的系统包括一个光学元件202，用于从输入光束204产生一个光点阵列203，所说光点阵列203用于扫描信息载体201。

光学元件202对应于一个两维的孔隙阵列，相干输入光束204就加到这个孔隙阵列的输入端。孔隙例如对应于直径为1微米或者比1微米小得多的圆孔。通过波导(未表示出)来扩展输入激光光束，或者通过两维的经过耦合的宏激发器阵列，都可以实现输入光束204。

将所说光点加在信息载体201的透明区或非透明区。如果光点加在非透明区，信息载体在响应中不产生任何输出光束。如果光点加在透明区，信息载体在响应中产生一个输出光束，所说输出光束由检测器205检测。与图1中所示的第一实施例类似，使用检测器205来检测加有光点的区域的数据的二进制值。

检测器205最好由CMOS或CCD像素阵列制造。例如，将检测器的一个像素放置在包含信息载体的一个数据的基本数据区的对面。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。

有益地，将一个微透镜阵列(未示出)放置在信息载体201和检测器205之间，用于聚焦在检测器上由信息载体产生的输出光束，以便改善数据的检测。

在利用Talbot效应当中，通过孔隙阵列202产生光点阵列203，所说Talbot效应是按照以下所述的方式工作的一种衍射现象。当将一个相干光束如输入光束204加到具有周期性衍射结构(因此形成发光体)的一个物体上时，如加到孔隙阵列202上时，衍射光在位于距衍射结构的一个可预期距离z0的一个平面上重新结合成发光体的相同图像。这个距离z0称之为Talbot距离。这个Talbot距离z0由关系z0＝2.n.d²/λ给出，在这里，d是发光体的周期性间隔，λ是入射光束波长，n是传播空间的折射率。更加具体地说，重新成像发生在距发光体更远的另外的距离z(m)，并且这个距离是Talbot距离z的倍数，从而使z(m)＝2.n.m.d²/λ，在这里，m是一个整数。这样一种重新成像对于m＝1/2+一个整数也要发生，但这里的图像移动了半个周期。这样一种重新成像对于m＝1/4+一个整数、以及对于m＝3/4+一个整数也要发生，但图像的频率加倍，这就意味着，相对于孔隙阵列的周期而言，光点的周期减半。

利用Talbot效应可以在距孔隙阵列202的一个相当大的距离处产生高质量的光点阵列(用z(m)表示，有几百微米)而不需要光学透镜。这样，例如就可以在孔隙阵列202和信息载体201之间插入一个覆盖层，以防止信息载体201被污染(例如尘土、指印…)。况且，这样做便于实施，并且与使用微透镜阵列相比，可以以成本有效的方式增加施加到信息载体上的光点的密度。

图3描述的是按照本发明的系统的一个详细的视图。图3描述一个检测器305，检测器305用于从信息载体301产生的输出光束中检测数据。检测器包括标记为302-303-304的像素，限制图中所示的像素数量是为了便于理解。具体来说，像素302用于检测信息载体的数据区306上存储的数据，像素303用于检测信息载体的数据区307上存储的数据，像素304用于检测信息载体的数据区308上存储的数据。每个数据区(也叫做宏单元)都包括一组基本数据。例如，数据区306包括标记为306a-306b-306c-306d的二进制数据。

在这个实施例中，检测器的一个像素用于检测一组数据，在这组数据当中的每个基本数据都由单个光点相继读出，所说光点或者由图1中所示的微透镜阵列102产生，或者由图2中所示的孔隙阵列产生。在信息载体上读出数据的这种方式在下面称之为宏单元扫描。

图4来源于图3，图4用一个非限制性实例表示信息载体401的宏单元扫描。

存储在信息载体401上的数据有两种状态，这两种状态由或者黑色区(即不透明的)或者白色区(即透明的)表示。例如黑色区对应于二进制状态“0”，而白色区对应于二进制状态“1”。

当由信息载体401产生的输出光束照亮检测器405的一个像素时，这个像素由白色区表示。在这种情况下，像素传递具有第一状态的电输出信号(图中未示出)。相反，当检测器405没有从信息载体接收到任何输出光束的时候，这个像素由横断阴影区(cross-hatched area)表示。在这种情况下，像素传递具有第二状态的电输出信号(图中未示出)。

在此例中，每组数据包括4个基本数据，单个光点同时施加到每组数据上。例如从左到右完成通过光点403的信息载体401的扫描，其中增加的横向位移等于两个基本数据之间的距离。

在位置A，所有的光点施加到不透明区上，因此检测器的所有的像素处在第二状态。

在位置B，在光点向右移动后，左边的光点施加到透明区，因此对应的像素处在第一状态，同时另外的两个光点施加到非透明区，因此检测器的两个对应的像素处在第二状态。

在位置C，在向右移动光点后，左边的光点施加到非透明区，因此对应的像素处在第二状态，同时另外的两个光点施加到透明区，因此检测器的两个对应的像素处在第一状态。

在位置D，在向右移动光点后，中间的光点施加到非透明区，因此对应的像素处在第二状态，同时另外的两个光点施加到透明区，因此检测器的两个对应的像素处在第一状态。

当光点已经施加到面对检测器的一个像素的一组数据中的所有数据的时候，信息载体401的扫描就已经完成。这意味着信息载体的一个两维扫描。通过单个光点连续地读出构成在检测器的像素对面的一组数据的基本数据。

图5描述图2所示系统的一个三维视图。所说系统包括一个孔隙阵列502，用于产生施加到信息载体501的一个光点阵列。在信息载体501的一个两维数据组(由黑体方框代表)上，施加每个光点并使每个光点扫描。响应这个光点，信息载体产生一个输出光束作为应答(或者，如果光点加到非透明区，则不产生输出光束)，输出光束由扫描的所说数据组对面的检测器503的像素检测。信息载体501的扫描是在沿着x或y轴移动孔隙阵列502过程中完成的。

孔隙阵列502、信息载体501、和检测器503叠置在相互平行的平面中。唯一的移动部分是孔隙阵列502。

要说明的是，如果用微透镜阵列102代替孔隙阵列502，则如图1所示的系统的三维视图将与图5所示的相同。

信息载体通过光点阵列的扫描是在平行于信息载体的平面中进行的。扫描设备在两个方向x和y提供光点的平移运动，从而可以扫描信息载体的所有表面。

在图6所示的第一解决方案中，扫描设备对应于一个H形的桥。在第一橇状结构(sledge)601中实施产生光点阵列的光学元件(即微透镜阵列或孔隙阵列)，第一橇状结构601沿y轴相对于第二橇状结构602是可以移动的。为此，第一橇状结构601包括与导轨607-608接触的接合点603-604-605-606。第二橇状结构602借助于与导轨609-610接触的接合点611-612-613-614可以沿x轴移动。橇状结构601、602借助于执行机构(未示出)可以平移，例如借助于步进电机、作为传动装置(jacks)的磁性的或者压电的执行机构平移。

在图7所示的第二解决方案中，扫描设备保持在一个框架701中。在图8的详细三维视图中描述了用于悬挂框架701的元件。这些元件包括：

第一片簧802，

第二片簧803，

第一压电元件804，用于提供扫描设备801沿x轴的驱动，

第二压电元件805，用于提供扫描设备801沿y轴的驱动。

图7中所示的第二解决方案与图6中所示的H形的桥解决方案相比，具有较少的机械传动。可以电控(未示出)与框架701接触的压电元件，以使电压变化可以导致压电元件的尺寸变化，从而可以产生框架701沿x和/或y轴的位移。

位置POS1描述在第一位置的扫描设备701，位置POS2描述沿x轴平移后的第二位置的扫描设备701。使片簧702、703的柔性清晰可见。

可以利用4个压电元件建立类似的结构，其中有两个额外的压电元件代替片簧702、703。在这种情况下，相对的一对压电元件在一个方向上一起起作用，与具有对抗作用的一对筋(muscles)起作用的方式相同。

图9描述的是按照本发明的一个改进的系统，其中信息载体901的扫描是在没有移动部件的条件下实现的。图9基于图2，但图9还附加包括一个相位调制器906，相位调制器906设置在输入光束904的光路中。

通过向输入光束904施加由相位调制器906确定的相位分布并且改变这个相位分布，可以实现非机械式的扫描。相位调制器906改变输入光束904相对于横向距离x(和/或y)的相位。

要说明的是，相位调制器906也可以设置在孔隙阵列902和信息载体901之间(未示出)。

当相位调制器906发挥作用使相位(x)相对于位置x线性变化时，这将导致光点阵列903沿横轴x的横向位移Δx。可以确定，相位(x)和横向位置x是通过下述关系相互联系的：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{a}\·\frac{x}{\mathrm{\λ}}$ 方程1

在这里，x是横向位置(例如，从相位调制器906的最左边取的距离)，

λ是输入光束904的波长，

a是一个可变参数。

可以看出，如果由方程1确定的相位分布是由相位调制器906实现的，则由下式给出光点阵列903的横向位移Δx：

         Δx＝a.Z                   方程2

在这里，Z是一个固定值，最好对应于Talbot距离z0，或者对应于Talbot距离z0的整数倍或Talbot距离z0的几分之一。

参数a允许考虑改变横向位移Δx来修改相位分布的线性因子。对于每个参数a的值，确定一个不同的相位分布。参数a的变化最终导致沿x的移动光点。

为了扫描信息载体901的所有表面，必须通过光点阵列中的一个光点扫描信息载体的每个宏单元数据。于是，宏单元数据的扫描因此对应于沿x和y轴的两维扫描。这个两维的扫描是在按照x和y轴同时确定线性相位调制的过程中完成的，其中确定的相位分布是从按照x轴的线性相位分布(如由方程1确定的相位分布)和按照y轴的线性相位分布(与由方程1确定的相位分布类似，但其中的x由y代替)的线性组合产生的。

相位调制器906有益地包括可控液晶(LC)单元。例如，可以使用像素式(pixelated)线性向列液晶单元，以使孔隙阵列902的每个孔隙都有它自己的液晶单元，并且可以给出它自己的相位(x)。于是，相位调制器906对应于一个两维的液晶单元阵列。通过电场和磁场可使向列物质排齐，导致相位改变。向列单元在光学上等效于具有一个固定光轴的线性波板，但它的双折射是所加电压的函数。当所加电压变化时，双折射随之变化，导致光路长度的变化，于是产生相位变化。

由于孔隙阵列902的每个孔隙都有它自己的液晶单元，因此相位分布确定了一个具有增加梯级的斜坡，这个斜坡总体上与方程1确定的线性方程拟合。

按照另一种方式，相位调制器906可以确定一个连续的预先设置的相位分布，这个相位分布是可以电控的，因而可以改变相位分布的线性因子。

按照另一种方式，可以使用电湿润单元来确定相位分布。在这种情况下，通过向电湿润单元施加不同的高压可以改变按照横向位置x的相位分布。

按照另一种方式，在改变来自轴向方向z的输入光束904的入射角当中，可以在信息载体上移动光点阵列。这个解决方案是有益的，因为它不再需要在光路上设置相位调制器。然而，它需要执行装置(未示出)来改变光束904的角度。当光束相对于孔隙阵列的表面法线的角度是α的时候，相位分布对应于由方程1确定的一个分布。

图10描述如图9所示的系统的一个三维视图。它包括用于产生施加到信息载体1001上的光点阵列的一个孔隙阵列1002。在信息载体1001的一个两维的数据组(用粗黑方框表示)上，施加每个光点并使每个光点扫描。响应这个光点，信息载体产生一个输出光束(或者，如果光点加到非透明区，则不产生输出光束)，输出光束由扫描所说数据组对面的检测器1003的像素检测。信息载体1002沿着x或y轴的扫描是借助于设置在孔隙阵列1002下面的相位调制器1006完成的，没有移动任何元件。

相位调制器1006、孔隙阵列1002、信息载体1001和检测器1003叠置在相互平行的平面中。

图11描述一个液晶单元的例子。它包括液晶层1101、玻璃基板1102、透明电极1103、取向层1104。在这个图中，参数d对应于单元厚度，而θ对应于液晶分子的角度。当液晶分子转动时，由于存在由电压发生器1105施加的电场，通过单元传播的线性偏振光经受不同的有效折射率，导致一个相位变化。

作为一个例子，在图11中还表示出相位变化Δ相对于电压的结果曲线。这个曲线的特性取决于所用的液晶材料、光的波长、和单元厚度d。

当相位调制器906操作以使输入光束904的相位(x)相对于位置x是二次方式变化时，这导致光点阵列903沿轴向的轴z的一个轴向位移Δz。可以确定，相位(x)和横向位置x可由下面的关系发生联系：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{2R}\·\frac{x^2}{\mathrm{\λ}}$ 方程3

在这里，x是横向位置，

λ是输入光束904的波长，

R是对应于相位分布的曲率半径的可变参数，

Δz是相对于z＝0的位置的轴向位移。

可以看出，如果由方程3确定的相位分布是由相位调制器906完成的，则通过下面的关系可以准确地近似光点阵列903的轴向位移Δz：

$\mathrm{\Δz}\≈\frac{Z^2}{R}$ 方程4

在这里，Z是一个固定值，最好对应于Talbot距离z0，或者对应于Talbot距离z0的整数倍，或者对应于Talbot距离z0的几分之一。

可变参数R可以考虑改变轴向位移来修改相位分布的二次因子。对于参数R的每个值，确定一个不同的相位分布。参数R的变化的结果是产生位移Δz。因此光点903的聚焦距信息载体901的表面或者更近或者更远。二次相位分布的作用与比较传统的记录过程中的聚焦执行机构的作用相同，但不使用任何机械元件。

有益地，由相位调制器906确定的相位分布可以来源于由方程1确定的线性相位分布(按照x和/或y轴)和由方程4确定的二次相位分布的线性组合。这就可以同时完成光点的两维扫描，而且在信息载体901的表面上可以准确地设定光点的焦点。

如图12所示，可以在读出设备RA(如家用播放器设备…)中，在便携式设备PD(如便携式数字助手、便携式计算机、游戏机单元…)中，或者在移动电话MT中，都可以有益地实施按照本发明的系统。这些设备和器件包括：一个开口(OP)，用于接收如先前描述过的信息载体IC；和按照本发明的系统，用于考虑数据的恢复在所说信息载体IC上移动光点。

使用动词“包括”和它的变化形式并不排除存在除权利要求书中所述的那些元件和步骤以外的元件和步骤。在元件和步骤前面使用冠词“一个”并不排除存在多个这样的元件或步骤。

Claims (9)

1、一种用于移动至少一个光点(903)的系统，包括：

一个相位调制器(906)，用于从输入光束产生一个按照可控的相位分布进行相位调制的光束；

一个孔隙阵列(902)，用于从所说相位调制的光束产生所说至少一个光点(903)，

所说相位分布的变化意味着所说至少一个光点(903)的移动。

2、根据权利要求1所述的系统，其中：相位调制器(906)用于确定相对于横向位置的线性相位分布。

3、根据权利要求1所述的系统，其中：相位调制器(906)用于确定相对于横向位置的二次相位分布。

4、根据权利要求1所述的系统，其中：相位调制器(906)用于确定相对于横向位置的线性相位分布和二次相位分布的组合。

5、根据权利要求1、2、3、或4所述的系统，其中：相位调制器(906)包括液晶单元(LC)或电湿润单元。

6、包括根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统的读出设备。

7、包括根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统的便携式设备。

8、包括根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统的移动电话。

9、包括根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统的游戏机单元。

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