JP2009516314A - 焦点制御を有する情報担体の走査方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は情報担体(101)のデータ層(105)上のデータを読み取る方法及びシステムに関する。情報担体(101)は、データ層(105)に対して位置設定された1つ以上のサーボマーク(108,109)を有する。当該システムは：
前記1つ以上のサーボマーク(108,109)を表す出力ビームを生成するように前記情報担体に照射されるように設計された光スポットのアレイを有するプローブアレイを生成する光学構造を有するプローブアレイ生成手段であって、前記プローブアレイの一部の1つ以上の光スポットに係る焦点と、少なくとも1つのサーボマーク(108,109)に対応する前記情報担体の対応部分との間の距離が、前記プローブアレイの他の部分の光スポットに係る焦点と前記情報担体の他の部分との間の距離とは異なるように前記光学構造は設計されている、プローブアレイ生成手段；
前記出力ビームを受けて、かつ対応する像を生成する像センサ；
前記少なくとも1つのサーボマークに対応する前記像の少なくとも一部に係るコントラスト値を導き、かつ該コントラスト値から導かれる制御信号を生成して、該制御信号を差動手段に与えることで、前記情報担体と前記光スポットのアレイとの間の距離を調節する、手段；
を有する。

Description

本発明は、焦点制御を有する情報担体の走査方法及びシステムに関する。

本発明は、光データ記憶及び分光の分野での用途を有する。

最近光記憶による解決法は、たとえばDVD（デジタル多目的ディスク）基準に基づく記憶システムでのコンテンツ配信向けに普及している。光記憶は、情報担体の複製が容易かつ安価な点で、ハードディスク及び固体記憶よりも大きな利点を有する。

しかし駆動装置中には可動素子が多数存在するため、読み取り/書き込み動作中では前記可動素子に安定性が要求されることを考慮すると、光記憶による解決法を用いる既知の応用は、読み取り/書き込み動作の実行中では衝撃に強くない。その結果、光記憶による解決法は、たとえば携帯装置のような衝撃の影響を受ける応用に、容易かつ効率的に用いることができない。

よって新たな光記憶による解決法が開発されてきた。これらの解決法は、安価で取り外し可能な情報担体が用いられるという光記憶の利点と、情報担体が静的でかつ情報担体の読み取りには限られた数の可動素子しか必要としないという固体記憶の利点とを併せ持つ。

図1は、係る光記憶システムの3次元図を示している。その光記憶システムは、読み取り装置内の情報担体101の空間位置を反映する制御信号を生成すること、及び前記制御信号から前記空間位置を調節することを目的とする。そのシステムは、光スポット103の周期アレイを生成する光学素子102を有する。その光スポット103の周期アレイは、情報担体101を走査させ、かつその情報担体101へ照射されるように設計されている。情報担体にわたって光スポットのアレイを動かすことによって、そのような走査は行われる。入力光ビーム104は、光学素子102の入力に用いられる。入力光ビーム104は、入力レーザービームを拡張する導波路（図示されていない）によって、又は結合マイクロレーザーの2次元アレイによって、実現されて良い。

図2に図示された第1実施例によると、光学素子102は、コヒーレントな入力光ビーム104が用いられる入力でのマイクロレンズの2次元アレイ201に対応する。マイクロレンズのアレイは、情報担体101表面で光スポットが集束するように、情報担体101に対して平行かつ距離をおいて設けられている。マイクロレンズの開口数(NA)及び品質は、光スポットの大きさを決定する。たとえば開口数が0.3のマイクロレンズの2次元アレイが用いられて良い。

図3に図示された第2実施例によると、光学素子102は、コヒーレントな入力光ビーム104が用いられる入力でのアパーチャ301の2次元アレイに対応する。アパーチャはたとえば、直径1μm以下の円形の穴に対応する。

この第2実施例では、光スポット103のアレイは、アパーチャのアレイによって、トールボット効果(Talbot effect)を利用して生成される。トールボット効果とは次のように作用する回折現象である。たとえば入力光ビーム104のような、多数の同一波長のコヒーレント光放出体が、たとえばアパーチャのアレイのような周期回折構造に照射されるとき、回折光が、その回折構造から予測可能な距離z0に位置する面に、放出体と同一の像を形成する。情報担体101が設けられるこの距離z0は、トールボット距離として知られている。トールボット距離z0は、z0=2.n.d²/λの関係式によって与えられる。このとき、dは光放出体の周期間隔、λは入力光ビームの波長で、nは伝播空間の屈折率である。より一般的には、再結像は他の距離z(m)でも生じる。z(m)は放出体からさらに離れ、かつトールボット距離zの整数倍で、z(m)=2.n.m.d²/λである。ここでmは整数である。係る再結像は、m=1/2+（整数）でも生じるが、その場合には像は半周期シフトする。再結像はまた、m=1/4+（整数）及びm=3/4+（整数）でも生じるが、像は2倍の周波数を有する。このことは、光スポットの周期がアパーチャのアレイの周期に対して半分になることを意味する。

トールボット効果を利用することで、光学レンズを必要とせずに、アパーチャのアレイから比較的離れた距離（z(m)で表される、数百μmの距離である）で高品質の光スポットのアレイを生成することが可能となる。これによりたとえば、アパーチャのアレイと情報担体との間に被覆層を挿入して情報担体の汚染（たとえば埃、指紋…）を防止することが可能となる。しかもこのことにより上記の実施が補助される。しかもこのことにより、マイクロレンズアレイを用いた場合と比較して費用対効果良く、情報担体に照射される光スポット密度を増大させることが可能となる。

図1に戻ると、情報担体101はデータ領域105を有する。そのデータ領域105は、たとえば2準位及び3準位といった多準位で符号化されるデータを記憶するように設計されている。データ領域105は、マトリックス中で構成された隣接する基本データ領域を有する。基本データ領域はたとえば、隣接する正方形として表される。基本データ領域105上に記憶されるバイナリデータの状態はたとえば、透明又は非透明（つまり光吸収）領域によって表される。基本データ領域は、たとえばガラス又はプラスチックのような材料上にプリントされる。

光スポットは、情報担体101の基本データ領域上に照射される。光スポットが非透明基本データ領域上に照射される場合、出力光ビームは情報担体を通過しない。対照的に光スポットが透明基本データ領域上に照射される場合、出力光ビームは情報担体を通過し、その後、その情報担体101の上に設けられた検出器106は、その出力光ビームを検出することができる。

各光スポットは、データ領域105の一部の領域に照射され、かつ走査される。光スポットのアレイをx軸及びy軸に沿って変位させることによって、情報担体101の走査が行われる。

検出器106は特に、光スポットが用いられる基本データ領域の2進値を検出するのに用いられる。このため、検出器106は、情報担体のデータ領域に平行でかつ対向するデータ検出領域107を有する。検出器106は、CMOS又はCCD画素のアレイで作られる。有利となるように、検出器の一画素は、基本データの組を検出するように備えられている。この組の基本データに含まれる各データは、単一の光スポットによって順次読み取られる。このようにして情報担体101上のデータを読み取る方法を、以降マクロセル走査と呼ぶ。
マクロセル走査については後述する。

図4は、情報担体101のデータ領域105及び検出器106のデータ検出領域107の断面詳細図を示している。検出器106はPX1-PX2-PX3と呼ばれる画素を有する。理解を助けるため、図示する画素数は限定されている。詳細には、画素PX1は情報担体のデータ領域A1上に記憶されたデータの検出し、画素PX2は情報担体のデータ領域A2上に記憶されたデータの検出し、かつ画素PX3は情報担体のデータ領域A3上に記憶されたデータの検出を行うように設計されている。マクロセルとも呼ばれる各データ領域は1組の基本データを有する。たとえばデータ領域A1は、A1a-A1b-A1c-A1dと呼ばれる4つの基本データを有する。

図5は、例として情報担体101のマクロセル走査を図示している。情報担体上に記憶されたデータは、黒色（つまり非透明）領域又は白色（つまり透明）領域のいずれかで表される2つの状態を有する。たとえば黒色領域は2進法の“0”状態に対応し、白色領域は2進法の“1”状態に対応する。検出器の画素が、情報担体101によって生成される出力光ビームによって照射されるとき、その画素は白色領域で表される。その場合、その画素は第1状態を有する電気出力信号（図中には表されていない）を供給する。対照的に、検出領域107の画素が情報担体から出力光ビームを受け取らないときには、その画素は、斜線で塗りつぶされた領域で表される。その場合、その画素は、第2状態を有する電気出力信号（図中には表されていない）を供給する。

この例では、各データ組は4つの基本データを有し、かつ単一光スポットが各データ組へ同時に照射される。光スポット103のアレイによる情報担体101の走査は、たとえば2つの基本データ間の距離Sに等しい横方向の変位分ずつ増加させながら、左から右へ向かって行われる。

位置Aでは、検出器の全画素が第2状態になるように、全光スポットが非透明領域に照射される。

位置Bでは、光スポットが右へ変位した後に、左側の光スポットが透明領域に照射されることで、その照射に対応する画素は第1状態となる。他方他の2つの光スポットは非透明領域に照射されることで、その2つに対応する検出器の画素は第2状態となる。

位置Cでは、光スポットが右へ変位した後に、左側の光スポットが非透明領域に照射されることで、その照射に対応する画素は第2状態となる。他方他の2つの光スポットは透明領域に照射されることで、その2つに対応する検出器の画素は第1状態となる。

位置Dでは、光スポットが右へ変位した後に、中央の光スポットが非透明領域に照射されることで、その照射に対応する画素は第2状態となる。他方他の2つの光スポットは透明領域に照射されることで、その2つに対応する検出器の画素は第1状態となる。

光スポットが検出器の画素に対向するデータの組に含まれる全データに照射されたとき、情報担体101の走査が完了する。このことは、情報担体が2次元的に走査されることを意味する。検出器の画素に対向する1組のデータを構成する基本データは、単一の光スポットによって順次読み取られる。

光スポット103のアレイによる情報担体の走査は、情報担体101に対して平行な、x軸及びy軸によって定義される面内で行われる。走査装置は、情報担体の全表面を走査するため、x及びyの2方向での並進運動を供する。

一般的には、プローブ生成装置及びデータカードは、z軸に対して垂直に位置設定されていると推定される。データ層は、z=z₀の面内に位置する。データカード上のある特定位置では、それぞれのプローブが集光される位置は、プローブ生成装置からそれぞれ異なる距離にある。たとえばプローブの第1部分はz=z₀-Δzに焦点を有する。第1部分と第2部分の両方のコントラストを測定し、そのコントラストをある量C₁及びC₂で表し、かつこれら2つのコントラスト値の差異をとることによって、デフォーカスの指標が得られる。

以下の表1は3種類の異なる条件を示している。

情報担体101は、第1周期構造108及び第2周期構造109を有する。第1及び第2周期構造はたとえば、情報担体上でプリント又は接着される。周期構造108及び109は、互いに平行である透明な細片と非透明な細片とで構成される。

第1周期構造108は、光スポット103の周期アレイと干渉して検出器106の領域110上に第1モアレパターン(Moire pattern)を生成するように設計されている。第1モアレパターンは、第1周期構造108に対向する光スポット103の周期アレイから取り出される光スポットのサブセットによってのみ生成される。第1周期構造108と領域110とは対向する。

第2周期構造109は、光スポット103の周期アレイと干渉して検出器106の領域111上に第2モアレパターンを生成するように設計されている。第2モアレパターンは、第2周期構造109に対向する光スポット103の周期アレイから取り出される光スポットのサブセットによってのみ生成される。第2周期構造108と領域111とは対向する。

これらのモアレサーボマークは、情報担体に対して光スポットを正確に位置設定するのに用いられる。

実際には光スポットは完全に集光しないことで、データ領域105内での読み取りに障害が起こる恐れがある。よって焦点を測定し、かつそれに従って情報担体101と、光スポット103のアレイを生成する光学素子102との間の距離をz軸に沿って変化させることは重要な問題である。この既知である解決法は、データカード上のモアレサーボマークがいかにして焦点の検出に用いられるのかについて記載している。モアレサーボマークはスポットのモアレ拡大像を生成する。データ層がスポットの焦点面にあるときには、像の大きさは最小となり、かつコントラストは最大となる。

しかし最後の信号は、データカードの位置を正負のいずれの方向に補正することが必要なのかについての情報を与えない、という意味で一方向的である。よって情報担体の位置設定は信頼性がない。

よって本発明の目的は、走査及び/又は書き込み装置内での光スポットのアレイに対する情報担体の位置設定を正確かつ確実に行う方法及びシステムの提供である。

本発明によると、1つ以上のサーボマークを有する情報担体を走査する方法及びシステムが供される。当該システムは：
前記1つ以上のサーボマークを表す出力ビームを生成するように前記情報担体に照射されるように設計された光スポットのアレイを有するプローブアレイを生成するプローブアレイ生成手段であって、前記プローブアレイの一部に含まれる1つ以上の光スポットに係る焦点と、少なくとも1つのサーボマークに対応する前記情報担体の対応部分との間の距離が、前記のプローブアレイの一部以外の部分の光スポットに係る焦点と前記情報担体の前記対応部分以外の部分との間の距離とは異なる、プローブアレイ生成手段；
前記出力ビームを受けて、かつ対応する像を生成する像センサ；
前記少なくとも1つのサーボマークに対応する前記像の少なくとも一部に係るコントラスト値を導き、かつ該コントラスト値から導かれる制御信号を生成して、該制御信号を差動手段に与えることで、前記情報担体と前記光スポットのアレイとの間の距離を調節する、手段；
を有する。

他の情報を走査するプローブの専用部分とは、サーボマークに対して異なる面にプローブアレイの専用部分を有することによって、情報担体に照射される光スポットを制御するための2方向の誤り信号が得られる。換言すると、どの方向に焦点制御が行われる必要があるのかの示唆に関する信号を有する制御信号が供される。

背景技術の紹介を目的として図6を参照すると、互いに垂直に設けられている第1周期構造108と第2周期構造109を有する情報担体101の上面図が示されている。各周期構造は、”s”で表された周期を有する平行な細片で構成される（第1周期構造108の第1周期と第2周期構造109の周期とは異なって良いことに留意して欲しい）。データ領域105は、隣接するマクロセル（太線で表された正方形）で構成される。各マクロセルは、1組の基本データ領域を有する（この例では16の基本データによって表されている）。各マクロセルは1つの光スポットによって走査されるように設計されている。

モアレ効果とは、周期sを有する構造（つまり本例では周期構造108又は109）による入力像が、周期pを有する周期サンプリンググリッド（つまり本例では光スポット103の周期アレイ）によってサンプリングされるときに生じる光学現象である。このとき周期pは入力像の周期sに近い値又は同一の値である結果、エイリアシングが生じる。サンプリング像（つまりモアレパターン）は、入力像と比較して、拡大かつ回転される。

モアレパターンの拡大因子μ及びモアレパターンと周期構造のなす角φは次のように表される。

ここで、pは光スポット103のアレイの周期、sは周期構造108又は109の周期、θは光スポット103のアレイと周期構造のなす角である。

光スポット103のアレイと周期構造108又は109との間に角度に係る位置合わせのずれがない状況（つまり角度θ=0）では、拡大因子は次のように表される。

図7及び図8は、モアレパターンの生成を図示している。これらの図は、”p”で表される周期を両方向に有する光スポット103のアレイが照射される情報担体を図示している。光スポットは、データ領域105の各マクロセルに照射されるだけではなく、周期構造108及び109にも照射される。周期pはマクロセルの大きさに等しい。構造108及び109の周期sと周期pとの間に差異が存在するため、第1周期構造108と第2周期構造109は拡大され、かつ検出領域110及び111上でそれぞれ検出される。この例では、s及びpは、比s/p=11/10となるように選ばれる。よって拡大因子はμ₀=10となる。

図7は、情報担体を走査するときの初期位置を表している。各光スポットの位置は各マクロセルの左上隅に設定される。第1周期構造108は拡大される。それに対応する第1モアレパターンは第1光斑点B1を有する。第1光斑点B1は、周期構造108が有する2つの隣接する非透明細片間に設けられた透明細片の拡大に対応する。第2周期構造109もまた拡大される。それに対応する第2モアレパターンは第2光斑点B2を有する。第2光斑点B1は、周期構造109が有する2つの隣接する非透明細片間に設けられた透明細片の拡大に対応する。

各マクロセルの左上隅内に各光スポットを正確に位置設定するため、第1光斑点B1が検出領域110の左側から既知の距離x0に位置設定され、かつ第2光斑点B2が検出領域111の上側から既知の距離y0に位置設定されるまで、光スポット103のアレイは動かされる。距離x0及びy0は設計から既知である。

次の組の基本データを読み取るために光スポットのアレイが水平方向に動かされるとき、第1光斑点B1が水平方向に移動する。次の組の基本データを読み取るために光スポットのアレイが垂直方向に動かされるとき、第2光斑点B2が垂直方向に移動する。

走査を行うため、光スポット103のアレイが水平方向にk1*Δxだけ右側へ移動し、かつ垂直方向にk2*Δyだけ下方へ移動すると仮定すると、以下の条件が満たされるときに、光スポットのターゲット位置に到達する。その条件とは、
-第1光斑点B1の位置が、検出領域110の左側から距離x1(=x0+μ₀*k1*Δx)で検出されること、及び
-第2光斑点B2の位置が、検出領域111の上側から距離y1(=y0+μ₀*k2*Δy)で検出されること、
である。ここで、Δxは水平方向で隣接する2つの基本データ領域間の距離に対応し、Δyは垂直方向で隣接する2つの基本データ領域間の距離に対応し、k1は1≦k1≦k1_maxを満たす整数（この例ではk1=1）、k1_maxはマクロセルを水平方向に走査するのに必要な水平方向の基本移動距離の回数（この例ではk1_max=3）に対応し、k2は1≦k2≦k2_maxを満たす整数（この例ではk2=1）、k2_maxはマクロセルを垂直方向に走査するのに必要な垂直方向の基本移動距離の回数（この例ではk2_max=3）に対応する。

検出領域の光斑点の位置の特定を容易にするため、所与の一検出領域の一辺の長さL（L=L_x又はL_y）について1つだけ光斑点を生成することが有利である。光斑点を1つにするためには、周期p及びsは、以下の関係式を満たさなければならない。

周期s及びpはまた、距離x1(=x0+μ₀*k1_max*Δx)及びy1(=y0+μ₀*k2_max*Δy)が、それぞれL_x及びL_yを超えないように選ばれる。

有利になるように、周期構造108及び109の幅は少なくとも、光スポット103のアレイの周期pと同じ広さである。それにより光スポットのアレイが情報担体101にわたって走査されるとき、周期構造と干渉することでモアレパターンを生成することのできる光スポットのサブセットが常に存在する。

あるいはその代わりに、図9に図示されているように、第1周期構造108及び第2周期構造109は、データ領域105内部の交差に従って配置される。対応する検出領域110及び111も、検出領域107内部の交差に従って配置される。図10は、図6に図示された情報担体と同一の特性を有する情報担体101の上面図を示している。しかし図10に図示された情報担体は、第3周期構造112をさらに有する。第3周期構造112は、前記光スポットの周期アレイと干渉することで、検出器106の検出領域113上に第3モアレパターンを生成するように設計されている。第3周期構造112は、第1周期構造108と同一で、前記データ領域105の周辺に設けられ、かつ前記第1周期構造108に対して平行かつ対向して備えられている。

第1モアレパターン及び第3モアレパターンは、光スポット103の周期アレイと情報担体101との間での角度に係る位置合わせのずれについての情報を与えることを目的とする。

1つの光スポットは、各マクロセル内で同一の基本データ領域に照射されなければならないので、角度に係る位置合わせのずれの検出及び補正は、データ領域上での読み取り又は書き込み操作を行う前に行われるべき重要な問題である。

図11に図示されているように、光スポットのアレイと情報担体101との間に位置合わせのずれが存在しないとき、第1モアレパターンは第1光斑点B1を有し、かつ第3モアレパターンは第3光斑点B3を有する。光斑点B1とB3とは垂直方向で位置合わせされている。

図15に図示されているように、光スポットのアレイと情報担体101との間に位置合わせのずれが存在するとき（この例では2°）、第1光斑点B1は水平方向に移動し、かつ第3光斑点B3も水平方向に移動する。回転中心が（図12に図示されているように）108と112の間である場合、光斑点B1及びB3は、水平方向を反対方向に移動する。対照的に回転中心が108と112を超えている場合、光斑点B1及びB3は、水平方向を同一方向に移動するが、移動量はそれぞれ異なる。

(2)から位置合わせのずれを表す角θが小さい（つまり2,3°以下）場合、位置合わせのずれを表す角θは、以下の関係式から導くことができることが示される。

ここで、Ltbは第1周期構造108と第3周期構造112との間の垂直距離、BBは第1光斑点B1と第3光斑点B3との間での水平方向の移動量で、μは(3)で定義された拡大因子である。

角θの符号は、差(x1-x2)の符号によって与えられる。ここで、x1は検出領域110の左側から測定された第1光斑点B1の位置で、x2は検出領域112の左側から測定された第3光斑点B3の位置である。

角度に係る位置合わせのずれを補正するため、図1のシステムは、前記光スポット103のアレイに対して前記情報担体101の角度位置を調節する差動手段（たとえば圧電アクチュエータ）AC3-AC4-AC5を有する。これらの差動手段は、前記角度θから導かれる制御信号123によって制御される。

図1に図示された第1実施例では、差動手段AC3-AC4-AC5は、情報担体101の周辺と接している。この場合、光スポット103のアレイは固定されているが、情報担体101は、角度に係る位置合わせのずれが打ち消されるまで、前記差動手段の制御下で回転することができる。

あるいはその代わりに第2実施例（図示されていない）では、差動手段AC3-AC4-AC5は、光スポット103のアレイを生成する光学素子102の周辺と接している。この場合、情報担体101は固定されているが、光学素子102は、角度に係る位置合わせのずれが打ち消されるまで、前記差動手段の制御下で回転することができる。

角度に係る位置合わせのずれを補正するように垂直軸zの周りで情報担体101（又は光学素子102）を回転させるには、3つのアクチュエータAC3-AC4-AC5を用いれば十分である。

図13は、図10に図示された情報担体と同一の特性を有する情報担体101の上面図を示している。しかし図13に図示された情報担体は、第4周期構造114をさらに有する。第4周期構造114は、前記光スポットの周期アレイと干渉することで、検出器106の検出領域115上に第4モアレパターンを生成するように設計されている。第2モアレパターンと同様に、第4モアレパターンは第4光斑点B4を有する（図示されていない）。

第4周期構造112は、前記第2周期構造109と同一で、前記データ領域105の周辺に設けられ、かつ前記第2周期構造109に対して平行かつ対向して備えられている。

第4モアレパターンは、角度に係る位置合わせのずれを測定する際の安定性を改善させるのに用いられて良い。具体的には、位置合わせのずれを表す角θの第1測定値は、前述した関係式(5)を用いることによって、前記第1及び第3モアレパターンから導かれて良く、かつ同様に位置合わせのずれを表す角の第2測定値も、前記第2及び第4モアレパターンから導かれて良い。これら2つの中間の測定値の平均をとることで、位置合わせのずれを表す角θが導かれる。

第1モアレパターンと同様に第3モアレパターンもまた、光スポットのアレイと情報担体との間での水平方向の移動量の測定に用いられて良いことに留意して欲しい。

第2モアレパターンと同様に第4モアレパターンもまた、光スポットのアレイと情報担体との間での垂直方向の移動量の測定に用いられて良いことに留意して欲しい。

図14は、光スポット103の周期アレイによって読み取り及び/又は書き込みが行われることを目的とする情報担体101の上面を図示している。

情報担体101はデータ領域105を有する。前述のように、データ領域105は、1組の基本データ領域によって定義され、かつマクロセル内に構成される。

情報担体101はまた2次元周期構造TDをも有する。2次元周期構造TDは、光スポットの周期アレイと干渉することで、検出器106の検出領域107上に全体的なモアレパターンを生成するように設計されている。この2次元周期構造は、前記基本データ領域と混同する。よって検出領域107上で検出される全体的なモアレパターンもまたデータと混同する。しかしデータは先験的に無作為なので、周期パターンは、たとえば既知の一致アルゴリズムを用いることによって、検出領域107内で容易に検出可能である。

図14に図示されているように、2次元周期構造TDは、垂直方向に延びる互いに平行な細片（この例では基本データ領域の大きさの2倍の幅を有する）及び水平方向に延びる互いに平行な細片（この例では基本データ領域の大きさの2倍の幅を有する）によって形成される格子を画定する。図15に図示されているように、対応するモアレパターンもまた、拡大された格子である（理解を助けるために破線で描かれた正方形で表されている）。

前述の光斑点B1及びB2の追跡と同様に、拡大された格子の水平位置は、情報担体と光スポットのアレイとの間の水平位置の決定に用いられ、他方拡大された格子の垂直位置は、情報担体と光スポットのアレイとの間の垂直位置の決定に用いられて良い。

情報担体と光スポットのアレイとの間での角度に係る位置合わせのずれの場合、モアレパターンもまた(2)に従って回転する。

図16は、位置合わせのずれθが5°の場合を図示している。以下の関係式から角度に係る位置合わせのずれθを導くことができることが、(2)から示される。

ここでTは検出領域107上で検出される全体的なモアレパターンの周期である。

図1に戻ると、当該システムはまた、様々なモアレパターンから計算を行うように設計された処理ユニット116をも有する。その様々なモアレパターンは、検出器106によって検出され、かつデータバス117を介して信号として伝搬される。その処理は、メモリ内に保存されたコーディングによる命令により行われ、かつ単一プロセッサによって実行されて良い。具体的には処理ユニット116は、第1解析手段118及び第2解析手段119を有する。第1解析手段118は、前記第1及び第2モアレパターンから、光スポット103の周期アレイと前記情報担体101との間の空間位置(x,y)を得る。解析手段118は、検出領域110及び111に従って、光斑点B1及びB2の位置をそれぞれ検出する。この目的のため、既知の追跡アルゴリズムが用いられて良い。

第2解析手段119は、前記第1及び第3モアレパターン及び/又は前記第2及び第4モアレパターンから、前記光スポット103の周期アレイと前記情報担体101との間の角度の値θを得る。解析手段119は、（既知の追跡アルゴリズムが用いることによって）検出領域110、111、113及び115に従って、光斑点B1、B2、B3及びB4の位置をそれぞれ検出し、かつ(5)の関係式から角度の値θを得る。

(2)から周期構造108、109、112又は114の周期は、以下の関係式から導くことができる。

たとえば(6)の関係式から位置合わせのずれを表す角度θが正確に分かる場合には、(7)の関係式によって、考慮している周期構造の周期sの値を得ることができる。

よって処理ユニット116は第3解析手段120を有する。第3解析手段120は、(7)の関係式から、前記第1、第2、第3又は第4周期構造(108,109,112,114)の周期sの値を得て、前記光スポット103の周期アレイの周期pから、角度の値θ、及び前記第1、第2、第3又は第4周期構造(108,109,112,114)と前記第1、第2、第3又は第4モアレパターンとのなす角φの測定値を得る。

たとえば温度変化によって、測定された周期sが目標である既知の周期s0と異なる場合、光スポットとマクロセルとの間で移動が生じていると推定することができる。よって周期sの値は、情報担体101の大きさを変化させることで、光スポットの周期pに対するマクロセルの大きさを制御するのに有利に用いられる。

図17に図示されているこの目的のため、情報担体101は、上面S_up及び下面S_lowを有するポリマー膜からなる透明層(PF)を有する。そのポリマー膜は、2つの表面間の電圧差を受けることを目的とする。その2表面間に電圧差Vが印加されるとき、マクスウエル応力現象によってポリマー膜が面内方向に延びることで、周期構造の周期sが変化する。

電圧差Vは、ループ制御によって発生し、かつ目標である周期s0と測定周期sとの差異から得られる信号である。

その結果ポリマー膜は、前記周期sの測定値から得られる制御信号から、前記第1、第2、第3又は第4周期構造108,109,112,114の周期sを調節する第3差動手段として機能する。

上記の説明では、光スポット103のアレイがサンプリング操作に相当するように、情報担体101に照射される光スポットは十分に集光されている（つまり高コントラストな小さい光スポット）と推定されている。実際には光スポットは完全に集光しないことで、データ領域105内での読み取りに障害が起こる恐れがある。よって焦点を測定し、かつそれに従って情報担体101と、光スポット103のアレイを生成する光学素子102との間の距離をz軸に沿って変化させることは重要な問題である。

モアレの拡大は、光スポットのアレイ自体の拡大による周期構造の拡大の畳み込みと見ることができる。よって、光スポットが十分に集光していないときは、それぞれの異なるモアレパターンはぼやける。対照的に光スポットが十分に集光しているときは、それぞれの異なるモアレパターンは明確である。

よって検出器106上に検出されるモアレパターンの明確さを最初に解析し、続いてz軸に沿って情報担体101と光学素子102との間の距離を、1以上のモアレパターンでの測定されるコントラストが最大となるまで変化させることで、光スポットの焦点を制御することが提案される。

勾配測定に基づくアルゴリズム、あるいはその代わりにヒストグラムに基づくアルゴリズムによって、モアレパターンのコントラストをつけることができる。この目的のため、処理ユニット116は、前記第1、第2、第3、又は第4モアレパターンのうちの少なくとも1つのコントラスト値を得る第4解析手段121を有する。

情報担体101と光学素子102との間の距離は、第3作動手段AC6（たとえば圧電アクチュエータ）によって変化する。

よってデータカード上のモアレサーボマークは、焦点の検出に用いることができる。モアレサーボマークは、スポットのモアレ拡大像を生成する。データ層がスポットの焦点面内であるとき、この像の大きさは最小で、かつコントラストは最大となる。図21は、図1に図示されたシステムを制御する処理ユニット116によって実行されるループ制御の原理を図示している。

光スポット103のアレイに対する情報担体101の空間位置(x,y)を調節するため、その空間位置(x,y)を反映する信号S_xyが第1ローパスフィルタF1を通過する。第1ローパスフィルタF1は、処理ユニット116によって、作動手段AC1-AC2への制御信号122を生成するように設計されている。それに応じて、作動手段AC1-AC2は、その空間位置を補正する。測定された空間位置が目標とする空間位置に対応するとき、情報担体と光スポットのアレイとの間の位置は最適となる。

光スポット103のアレイに対する情報担体101の角度位置θを調節するため、その角度位置θを反映する信号S_θが第2ローパスフィルタF2を通過する。第2ローパスフィルタF2は、処理ユニット116によって、作動手段AC1-AC2-AC3への制御信号123を生成するように設計されている。それに応じて、作動手段AC1-AC2-AC3は、その角度位置を補正する。角度θがゼロに近づくとき、情報担体と光スポットのアレイとの間の位置合わせは最適となる。

情報担体101上にプリントされた構造の周期sを調節するため、その周期sの値を反映する信号S_sが第3ローパスフィルタF3を通過する。第3ローパスフィルタF3は、処理ユニット116によって、作動手段PFへの制御信号124を生成するように設計されている。それに応じて、作動手段PFは延びて、測定された周期sだけではなく情報担体101のサイズをも修正する。測定された周期sが目標周期s0に近づくとき、情報担体の周期sは最適となる。

情報担体101へ照射される光スポット103のアレイの焦点を調節するため、その焦点の測定値を反映する信号S_fが第4ローパスフィルタF4を通過する。第1ローパスフィルタF1は、処理ユニット116によって、作動手段AC6への制御信号125を生成するように設計されている。それに応じて、作動手段AC6は、z軸に沿って情報担体101の高さを動かす。前記第1、第2、第3、又は第4モアレパターンのコントラストが最大となるとき、光スポットの焦点は最適となる。

上述したシステムでは、取得像のコントラストが、データカードのデータ層をプローブの焦点面内になるように位置設定する間での、焦点（デフォーカス）の指標として用いることができるとはいえ、結果として得られるエラー信号は一方向である。つまりデータカードの位置を負方向又は正方向のいずれに補正することが必要なのかについての情報は得られない。以降で述べる本発明の典型的実施例によると、データ読み取りに用いられるプローブ面とは異なる面にプローブアレイの専用部分を設けることが提案される。このようにして方向を示唆するエラー信号を得ることができる。

図18を参照すると、プローブ生成装置102は、プローブ103のアレイを生成する位相/振幅構造を有する。またプローブ生成装置102は、一部のプローブが高いz位置にあり、かつ他の一部のプローブは低いz位置にあるように設計される。そのようなものとして、図示された例では、プローブを生成する位相/振幅構造は、構造の縁すなわち端部でz軸に沿って変位させることができる。それによりこの構造の変位した部分は、変位したスポットを生成する。

図19を参照すると、本発明の第2典型実施例では、プローブ生成装置102は、全スポット103が同一面内（均一なz距離）となるように設計される。この場合、データ層構造105の一部は高いz位置に設けられ、データ層構造105の他の一部は低いz位置に設けられる。より詳細には、図示された実施例では、（縁すなわち端部で）データ層105の一部が変位した結果、スポット103はデフォーカスされる。

図20を参照すると、本発明の第3典型実施例では、全光スポット103が同一面内で、かつデータ層105も一の面内となるように、プローブ生成装置は設計される。この場合、必要なデフォーカスを実現するため、プローブ生成装置102とデータ層105との間の空間内に透明材料層10が供される。図示された例から、（縁すなわち端部で）透明基板10の厚さが平均値からずれる結果、スポット103がデフォーカスすることは明らかである。

よって本発明は、エラー信号に符号を付加することによって、焦点検出系を拡張する。それにより焦点を操作するのに比例制御を利用することが可能となる。コントラスト信号はアナログである。よって比例制御装置は、データカードのz方向の位置を制御するのに用いられて良い。その本発明の目的は、データ読み取り用プローブの面とは異なる面にプローブアレイの専用部分を設けることによって実現される。このようにして方向を示唆するエラーを得ることができる。

本発明によるシステムは、前述した情報担体上のデータ書き込み及び/又は読み取りを行う装置内に有利に実装されて良い。

係る装置に本発明が実装されるとき、光スポットの焦点は最初に測定及び補正され、続いて光スポットのアレイと情報担体との間の位置合わせのずれを表す角度が測定及び補正されることが好ましい。これら2つの手順は、データ領域の読み取り又は書き込み操作前に行われなければならない。よって空間位置の測定及び修正は、読み取り又は書き込み操作中に実行されて良い。

本発明によるシステムは顕微鏡に用いられて良い。十分な視野及び開口数を有する収差のないレンズは高価なため、十分な解像度を有する顕微鏡は高価である。走査顕微鏡は、視野の非常に小さな対物レンズを有し、かつ測定される試料に対して対物レンズを（又は対物レンズに対して測定される試料を）走査することによって、このコストの問題を解決する。この単一スポット走査顕微鏡の欠点は、試料全体が走査されなければならないために機器が扱いにくくなることである。多スポット顕微鏡はこの機器に係る問題を解決する。なぜなら多スポット顕微鏡では、試料は全体が走査される必要はなく、走査範囲は2のスポット間のピッチに限定されるからである。

本発明による顕微鏡では、プローブアレイ生成手段によって生成されるスポットによって、試料は照射され、かつカメラは照射された試料の写真を撮る。試料全体にわたってスポットを走査し、かつ複数の位置で写真を撮ることによって、高解像度のデータが得られる。コンピュータは、全測定データを1枚の試料の高解像度写真にまとめることができる。本発明によるシステムは、光スポットのアレイに対する、試料を保持する情報担体の位置を正確かつ確実に設定することを可能にする。

本発明による顕微鏡は、照射装置、プローブアレイ生成装置、試料台、任意である結像素子（たとえばレンズ、ファイバ光学系平板、ミラー）、及びカメラ（たとえばCMOS、CCD）で構成される。このシステムは図1のシステムに対応する。情報担体101は、結像される試料を上に乗せることができる顕微鏡のスライドである。顕微鏡のスライドは試料台の上に設けられる。顕微鏡のスライドはたとえば構造108、109及び112のような周期構造を有する。データ試料は、情報担体上のそのような周期構造が存在しない位置に設けられる。

光は照射装置内で生成され、プローブアレイ生成装置によって焦点のアレイに集光される。そして光（の一部）は測定される試料を透過する。透過光は、結像系によってカメラ上で結像する。試料は試料台に設けられている。試料台は、複数の焦点からなる焦点面内及び試料に対して垂直に、再現可能なように試料を動かすことができる。試料全体を結像するため、情報担体が走査される。それにより、試料の全領域が個々のプローブによって結像される。位置設定サーボは、前述した参照構造及び絞り込み処理によって実行される。

前述の透過型顕微鏡の代わりに、反射顕微鏡が設計されても良い。本発明による反射顕微鏡では、試料を通過する光は、顕微鏡のスライドの反射面によって反射され、かつビームスプリッタによってカメラへ向けて進路を変える。

上述の実施例は本発明を限定するというよりは、むしろ本発明を図示するもので、当業者は、特許請求の範囲における請求項で定義される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明に関する多くの代替的実施例を設計することが可能であることに留意すべきである。本発明は、複数の明確に異なる素子を有するハードウエアの手段及び、適切にプログラミングされたコンピュータの手段によって実装することが可能である。複数の手段が列挙されている装置に関する請求項では、これらの手段のうちの複数が、ハードウエアにおける一及び同一の項目によって実施することが可能である。ある方法が、相互に異なる従属請求項において再掲されているという事実だけでは、これらの方法の組み合わせが利点を有しないということを示唆しない。

情報担体読み取りシステムを図示している。 図1のシステムの第1の典型的実施例に用いられる光学素子を図示している。 図1のシステムの第2の典型的実施例に用いられる光学素子を図示している。 図1のシステムの詳細を図示している。 図1のシステムに用いられるマクロセル走査の原理を図示している。 第1情報担体を図示している。 図6の前記第1情報担体の第1例を図示している。 図6の前記第1情報担体の第2例を図示している。 第2情報担体を図示している。 第3情報担体を図示している。 図10の前記第3情報担体の第1例を図示している。 図10の前記第3情報担体の第2例を図示している。 第4情報担体を図示している。 第5情報担体を図示している。 図14の前記第5情報担体の第1例を図示している。 図14の前記第5情報担体の第2例を図示している。 第6情報担体を図示している。 本発明の第1の典型的実施例を図示する概略図である。 本発明の第2の典型的実施例を図示する概略図である。 本発明の第3の典型的実施例を図示する概略図である。 図1のシステムの制御ループを図示している。

Claims (12)

1つ以上のサーボマークを有する情報担体を走査するシステムであって：
前記1つ以上のサーボマークを表す出力ビームを生成するように前記情報担体に照射されるように設計された光スポットのアレイを有するプローブアレイを生成するプローブアレイ生成手段であって、前記プローブアレイの一部に含まれる1つ以上の光スポットに係る焦点と、少なくとも1つのサーボマークに対応する前記情報担体の対応部分との間の距離が、前記のプローブアレイの一部以外の部分の光スポットに係る焦点と前記情報担体の前記対応部分以外の部分との間の距離とは異なる、プローブアレイ生成手段；
前記出力ビームを受けて、かつ対応する像を生成する像センサ；
前記少なくとも1つのサーボマークに対応する前記像の少なくとも一部に係るコントラスト値を導き、かつ該コントラスト値から導かれる制御信号を生成して、該制御信号を差動手段に与えることで、前記情報担体と前記光スポットのアレイとの間の距離を調節する、手段；
を有するシステム。

前記サーボマークが1つ以上の周期構造を有し、かつ
該1つ以上の周期構造は、前記光スポットのアレイと干渉することで、前記像センサ上に1つ以上の対応するモアレパターンを生成するように設計されている、
請求項1に記載のシステム。

前記情報担体に照射される前記光スポットの焦点を制御する制御信号を生成するために、前記モアレパターンのうちの少なくとも1つについてのコントラスト値が得られる、請求項1に記載のシステム。

前記プローブアレイ生成手段が前記プローブアレイを生成する位相/振幅構造を有し、かつ
少なくとも1つのサーボマークに対応する前記位相/振幅構造の一部が、前記情報担体の面にほぼ垂直な面に沿って変位することによって、前記位相/振幅構造の一部によって生成される前記光スポットの焦点は、前記プローブアレイの前記光スポット以外の光スポットの焦点とは異なる面に位置する、
請求項1に記載のシステム。

前記少なくとも1つのサーボマークは、前記情報担体のデータ層の端部又はその付近に設けられ、かつ
前記の位相/振幅構造の変位した一部は、前記データ層の端部又はその付近である前記位置に対応する、
請求項4に記載のシステム。

前記情報担体のプロファイルの一部が不均一であるため、前記一部では、前記情報担体に対する前記光スポットの焦点が、前記光スポット以外の光スポットの焦点とは異なる、請求項1に記載のシステム。

前記少なくとも1つのサーボマークが、前記情報担体のデータ層の端部又はその付近に位置し、かつ
前記情報担体の不均一部分が、前記データ層の端部又はその付近である前記位置に対応する、
請求項6に記載のシステム。

前記プローブアレイと前記情報担体との間に基板が供され、
前記基板の一部での光学特性は不均一で、
そのため前記一部に対応する位置での前記情報担体に対する前記光スポットの焦点は、前記光スポット以外の光スポットの焦点とは異なる、
請求項1に記載のシステム。

前記少なくとも1つのサーボマークが、前記情報担体のデータ層端部又はその付近に位置し、かつ
光学特性が変化する前記基板の一部は、前記データ層端部又はその付近である前記位置に対応し、
前記基板の一部での光学特性の変化により、前記基板の一部での前記情報担体に対する前記光スポットの焦点は、前記光スポット以外の光スポットの焦点とは異なる、
請求項8に記載のシステム。

前記基板が有利なようにほぼ透明で、かつ
前記一部での前記基板の厚さは、前記の不均一な光学特性が得られるように不均一で、
それにより前記一部での前記情報担体に対する前記光スポットの焦点は、前記光スポット以外の光スポットの焦点とは異なる、
請求項9に記載のシステム。

1つ以上のサーボマークを有する情報担体を走査する方法であって：
前記1つ以上のサーボマークを表す出力ビームを生成するように前記情報担体に照射されるように設計された光スポットのアレイを有するプローブアレイを生成するプローブアレイを生成する工程であって、前記プローブアレイの一部の1つ以上の光スポットに係る焦点と、少なくとも1つのサーボマークに対応する前記情報担体の対応部分との間の距離が、前記プローブアレイの他の部分の光スポットに係る焦点と前記情報担体の他の部分との間の距離とは異なる、工程；
前記プローブアレイを前記情報担体へ照射することにより、前記1つ以上のサーボマークを表す出力ビームを生成する工程；
前記出力ビームを受けて、かつ対応する像を生成する像センサを供する工程；及び
前記少なくとも1つのサーボマークに対応する前記像の少なくとも一部に係るコントラスト値を導き、かつ該コントラスト値から導かれる制御信号を生成して、該制御信号を差動手段に与えることで、前記情報担体と前記光スポットのアレイとの間の距離を調節する、工程；
を有する方法。

請求項1から10までのいずれか1項に記載のシステムを有する顕微鏡。

Images