利用焦点控制扫描信息载体的方法和系统的制作方法

专利名称：利用焦点控制扫描信息载体的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用焦点控制来扫描信息载体的方法和系统。 本发明具有在光学数据存储和显微镜领域的应用。
背景技术：
当前，光学存储解决方案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。光学存储大大优于硬盘和固态 存储之处在于，信息载体的复制很容易且很便宜。
但是，由于在驱动器中存在大量运动单元，考虑到所述运动单元在 读取/写入操作期间所需要的稳定性，已知的利用光学存储解决方案的应
用对执行读取/写入操作时的震动不够强健。因而，光学存储解决方案无
法简单且有效地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
光学存储使用便宜和可拆卸信息载体的优点和固态存储的信息载体静 止及其读取仅需有限数量的运动单元的优点。
图1表示这样一种光学存储系统的三维视图，该系统旨在产生反映 信息载体101在读取设备中的空间位置的控制信号并通过所述控制信号 调节所迷空间位置。
该系统包括用于产生要用来扫描和施加到信息载体101上的光点 103的周期性阵列的光学元件102。所述扫描是通过在信息载体上方移 动光点阵列来进行的。输入光束104施加在光学元件102的输入端上。 输入光束104可以由用来展开输入激光束的波导(未示出)来实现，或 者可以由成对的微激光器的二维阵列来实现。
按照图2中所示的第一实施方式，光学元件102对应于微透镜的二 维阵列201,在其输入端施加有相干输入光束104。微透镜阵列平行于 信息载体101放置并且距离信息载体101 —定距离，以便将光点聚焦在 信息载体101的表面上。微透镜的数值孔径(NA)和品质决定光点的 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。
按照图3中所示的第二实施方式，光学元件102对应于小孔301的二维阵列，在其输入端，施加了相干输入光束104。这些小孔相当于例 如直径为l，或更小的圆形孔。
按照第二实施方式，光点103阵列是利用塔尔波特(Talbot)效应 由小孔阵列产生的，塔尔波特效应是一种衍射现象，下面将介绍它的作 用。当同一波长的多个相干光发射器发出的光，比如输入光束104,施 加到具有周期性衍射结构的对象(比如孔阵列)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相同 图像。这个距离zO称为塔尔波特距离，信息载体101就放在这个距离 上。塔尔波特距离zO是由关系式zO-2.n.dV;t给出的，其中d是光发射 器的周期间隔，义是输入光束的波长，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) -Z.n.m.cP/A,其中m是整 数。对于m-l/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-l/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阵 列小孔的周期而言被减半。
利用塔尔波特效应能够实现在距离孔阵列相对较大的距离(几百 戸，由z (m)表示)处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和信息载体之间插入覆盖层，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施加在信息载体上 的光点的密度。
再回到图1,信息载体101包括数据区105,用于存储以多进制方 式(例如二进制和三进制)编码的数据。数据区105包括以矩阵形式组 织的相邻基本数据区。基本数据区例如由相邻的方形表示。存储在基本 数据区105上的二进制数据的状态例如由透明或不透明(即，光吸收) 区域代表。基本数据区印刷在诸如玻璃或塑料之类的材料上。
光点施加在信息载体101的基本数据区上。如果光点施加在不透明 的基本数据区上，没有输出光束穿过信息载体。相反，如果光点施加在 透明基本数据区上，它将穿过信息载体并且然后由放置在信息载体101 上方的一企测器106 4企测到。
每个光点都要照射在数据区105的局部区域上并且在这个局部区域上进行扫描。信息载体101的扫描是通过沿着x和y轴位移光点103阵 列来进行的。
检测器106显然是用于检测光点所照射的基本数据区的二进制值。 为此，检测器106包括处于平行平面之内、与信息载体的数据区105相 对的数据检测区107。检测器106例如由CMOS或CCD像素阵列制成。 有利地，检测器的一个像素用来检测一组基本数据，这个基本数据组中 的每一个数据是由单个光点相继读取的。这种读取信息载体101上的数 据的方式在下文中称为宏单元扫描，并且稍后将做介绍。
图4表示信息载体101的数据区105和检测器106的数据检测区107 的横截面和详细视图。检测器106包括称为PX1-PX2-PX3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PX1用来检 测存储在信息载体的数据区Al上的数据，像素PX2用来检测存储在数 据区A2上的数据，而像素PX3用来检测存储在数据区A3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Al包 括四个基本数据，称为Ala-Alb-Alc-Ald。
图5通过实例图解说明信息载体101的宏单元扫描。存储在信息载 体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，黑色区域对应于"O"二进制状态，而白色区域对应 于"l"二进制状态。当检测器的像素受到由信息载体101产生的输出光 束的照明时，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，当检测区域107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，并且同时施加在每一 数据组上的是单个光点。由光点103阵列对信息载体101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S。
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笫二状态，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。
当光点已经施加到了面对检测器的像素的一组数据中的所有数据 时，信息载体101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。
由光点103阵列对信息载体进行的扫描是在由轴x和y定义的、平 行于信息载体101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。
一般来说，假设探针产生装置和数据卡位于垂直于z轴的平面内。 数据层位于平面z-zo中。在数据卡上的某些位置上，使探针聚焦在距 探针产生装置不同的距离上。例如，第一部分探针使其焦点处于z = Zo-AZ。通过测量第一部分和第二部分中的对比度，以某种量C,和C2表 示该对比度，并且求出这两个对比度值的差，我们得到了离焦的测量结 果。
下面表1表示三种不同的情况。
C广C2 数据卡位置
<0 z过高
=0 z刚好 >0 z过低
信息载体101还包括第一周期性结构108和第二周期性结构109。 第一和第二周期性结构是例如印刷或粘合在信息载体上的。周期性结构 108和109是由透明和不透明平行条紋构成的。
第一周期性结构108用来对光点103的周期性阵列进行干涉，以便 在检测器106的区域110上产生第一莫尔条紋(Moi&)图案。第一莫 尔条紋图案仅仅是由与第一周期性结构108相对的光点103周期性阵列 当中取出的光点的子集产生的。第 一周期性结构108和区域110是相对 的。
笫二周期性结构109用来对光点103的周期性阵列进行干涉，以便在检测器106的区域111上产生第二莫尔条紋图案。第二莫尔条紋图案 仅仅是由与第二周期性结构109相对的光点103的周期性阵列当中取出 的光点的子集产生的。笫二周期性结构109与区域111相对。 这些莫尔条紋伺服标记用于相对于信息载体精确定位光点。 在实践中，可能会发生这样的情况，光点没有得到准确聚焦，从而 有损于数据区105中的数据读取。因此，很重要的一点是，测量焦点， 并且据此沿着z轴改变信息载体101与产生光点102阵列的光学元件102 之间的距离。这种已知的解决方案介绍了如何使用数据卡上的莫尔条紋 伺服标记来进行焦点检测。莫尔伺服标记产生光点的莫尔条紋放大图 像。当数据层处于光点的焦平面内时，这个图像的大小是最小的并且对 比度是最大的。
不过，从最终信号不能给出与需要对数据卡的位置进行正还是负修 正有关的信息这个意义上讲，该最终信号是单向性的。因此信息载体的 定位并不可靠。

发明内容
这样，本发明的目的是提供一种用于在扫描和/或写入设备中精确且 可靠地相对于光点阵列定位信息载体的方法和系统。
按照本发明，提供了一种用于扫描信息载体的方法和系统，该信息 载体包括一个或多个伺服标记，该系统包括
-探针阵列产生装置，用于产生探针阵列，该探针阵列包括用于施 加到所述信息载体以产生代表所述一个或多个伺服标记的输出光束的 光点阵列，其中所迷探针阵列的 一 部分的 一 个或多个光点的焦点与所述
信息载体的和至少 一个伺服标记相对应的相应部分之间的距离不同于 探针阵列的其余部分的光点的焦点与所述信息载体的其余部分之间的 距离；
-图像传感器，用于接收所述输出光束并且产生相应的图像； -用于得出与相应于所述至少一个伺服标记的所述图像的至少一部 分有关的对比度值并产生由所述对比度值得出的控制信号的装置，所述 控制信号用于施加给致动装置，用来调整所述信息载体与所述光点阵列 之间的距离。其他信息的探针所处的平面的平面上，可以获得用来控制施加到信息载 体上的光点的焦点的双向误差信号。换句话说，由此提供了具有相关符 号的控制信号，表示需要沿着哪个方向进行焦点控制。


现在将仅以举例的方式并且参照图对本发明的实施方式进行介绍，
其中
图1表示信息载体读取系统；
图2表示图1的系统的第一种示范性实施方式中使用的光学元件；
图3表示图1的系统的第二种示范性实施方式中使用的光学元件；
图4表示图1的系统的细节视图5表示图1的系统中使用的宏单元扫描的原理；
图6表示第一种信息载体；
图7通过第一实例图解说明图6的所述第一信息载体； 图8通过第二实例图解说明图6的所述第一信息载体； 图9表示第二种信息载体； 图IO表示第三种信息载体；
图11通过第一实例图解说明图10的所述第三种信息载体； 图12通过第二实例图解说明图IO的所述第三种信息载体； 图13表示第四种信息载体； 图14表示第五种信息载体；
图15通过第一实例图解说明图14的所述第五种信息载体； 图16通过第二实例图解说明图14的所述第五种信息载体； 图17表示第六种信息载体；
图18是表示本发明的第一种示范性实施方式的示意图； 图19是表示本发明的第二种示范性实施方式的示意图； 图20是表示本发明的第三种示范性实施方式的示意图；和 图21表示用于图1的系统的控制回路。
具体实施例方式
作为背景，并且参照附图当中的图6，给出了包括垂直放置的第一 周期性结构108和第二周期性结构109的信息载体101的顶视图。各个周期性结构是由具有称为"S"的周期的平行条紋制成的(注意，第一周期
性结构108的第一周期和第二周期性结构109的周期可以是不同的)。 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)。 每个宏单元打算由一个光点进行扫描。
莫尔条紋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(即，本例中的周期性结构108或109)由周期为p (近似或等 于输入图像的周期s，这会造成混叠)的周期性采样栅格(即，本例中 的光点103的周期性阵列)进行采样时。相比于输入图像，经过采样的 图像(即，莫尔条紋图案)得到了放大并且发生了旋转。
可以看出，莫尔条紋图案的放大系数〃和莫尔条紋图案与周期性结 构之间的角度0可以表示为如下表达式
<formula>formula see original document page 11</formula>(1)
<formula>formula see original document page 11</formula>(2)
其中，p是光点103阵列的周期，
s是周期性结构108或109的周期， ^是光点103的周期阵列与周期结构之间的角度。 对于光点103阵列与周期性结构108或109之间没有角失准的情况 (即，在角度6 = 0的情况下)，放大系数//0由下式表示
<formula>formula see original document page 11</formula>(3)
图7和8表示莫尔条紋图案的产生过程。它们表示向信息载体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的每个宏单元上，而且还施加在周期性结构108和 109上。周期p等于宏单元的侧边长。由于周期p与结构108和109的 周期s之间存在差异，因此第一周期性结构108和第二周期性结构109 得到放大，并且分别对^r测区域IIO和111进行片企测。在这个例子中， 将s和p选择为使得比值s/p=ll/10,则致使放大系数^/0 = 10。图7代表信息载体的扫描的初始位置，其中每一光点处于各个宏单
元的左上角。第一周期性结构108得到放大，并且相应的第一莫尔条紋 图案包括第一光团Bl。笫一光团Bl对应于位于周期性结构108的两个 相邻不透明条紋之间的透明条紋的放大。第二周期性结构109也得到了 放大，并且相应的第二莫尔条紋图案包括第二光团B2。第二光团B2对 应于位于周期性结构109的两个相邻不透明条紋之间的透明条紋的方文 大。
为了精确地将每个光点定位在每个宏单元的左上角上，移动光点 103阵列直到第一光团Bl处于距检测区域110的左侧已知距离x0的位 置上，并且直到第二光团B2处于距检测区域111的上侧已知距离yO的 位置上。距离xO和距离yO是通过设计得知的。
当光点阵列进行水平移动来读取下一组基本数据区时，第 一光团 Bl水平移动。当光点阵列垂直移动来读取下一组基本数据区时，第二 光团B2垂直移动。
为了扫描的目的，考虑要将光点103阵列水平向右移动一个量 kl.Ax,并且要垂直向下移动一个量k2. Ay,其中Ax相当于两个水平相 邻基本数据区之间的距离，Ay相当于两个垂直相邻基本数据区之间的 距离，其中kl是证实lsklskl一max范围之内的整数(在这个例子中kl =1) , kl一max相当于水平扫描宏单元所需的基本水平移位的数量(在 这个例子中kl—max = 3), k2是证实1 sk2sk2—max范围之内的整数(在 这个例子中k2 = 1 ) , k2—max相当于垂直扫描宏单元所需的基本垂直移 位的数量(在这个例子中k2—max = 3)，当下述条件得到满足时，光点 到达其目标位置
-检测到第一光团Bl的位置处于距检测区域110的左侧的距离为 xl = (xO+^O.kl. Ax)的位置上，且
-检测到第二光团B2的位置处于距检测区域111的上侧的距离为 yl= (y0+;/0.k2. Ay)的位置上。
为了便于进行光团在检测区域上的定位，有利的是，沿着长度为L (L=Lx,或L-Ly)的给定检测区域仅产生一个光团。可以看出的是， 对于具有 一 个光团的情况，周期s和p需要满足下述关系(4)
还要对周期s和p进行选择，使得距离xl- (x0+^0.k1—max.Al = (yO+p0.k2一max.Ay)分另'J不会超过Lx和Ly。
有利地，周期性结构108和109的宽度至少和光点103阵列的周期 p—样大，从而当光点阵列在信息载体101上进行扫描时，总是有光点 的子集可以对这些周期性结构进行干涉，以便产生莫尔条紋图案。
按照另外一种可选方案，如图9所示，第一和第二周期性结构108 和109是按照在数据区105内部交叉的形式设置的。相应的检测区域110 和111也是按照在检测区域107内部交叉的形式设置的。
图IO表示特性与图6中所示的信息载体相同的信息载体101的顶 视图，不过该信息载体101额外包括第三周期性结构112,用来对所述 光点的周期性阵列进行干涉，以便在检测器106的检测区域113上产生 第三莫尔条紋图案。第三周期性结构112与第一周期性结构108相同， 放置在所述数据区105的周边，并且与所述第一周期性结构108平行且 相对设置。
第 一莫尔条紋图案和第三莫尔条紋图案都是用来给出与光点103的 周期性阵列和信息载体101之间的角失准有关的信息。
由于必须要在每个宏单元中的同样的基本数据区上施加一个光点， 因此角失准的检测和校正是在对数据区进行读取或写入操作之前要解 决的重要问题。
如图11所示，当光点阵列与信息载体101之间没有角失准时，第 一莫尔条紋图案包括第一光团Bl,并且笫三莫尔条紋图案包括第三光 团B3。光团Bl和B3是沿垂直方向对齐的。
如图15所示，当光点阵列与信息载体101之间发生角失准(在这 个例子中是2度)时，笫一光团Bl发生水平移位，并且第三光团B3也 发生水平移位。如果旋转中心介于108和112之间(如图12所示)， 则光团Bl和B3沿相反的方向发生水平移位。相反，如果旋转中心超出 了 108和112,光团Bl和B3将沿着相同的方向发生水平移位，但是移 位不等量。
从(2)中可知，如果失准角0小(即，不大于几度)，则可以看出，失准角^可以由下列关系式得出<formula>formula see original document page 14</formula>
其中Ltb是第一周期性结构108与第二周期性结构109之间的垂直距离， BB是第一光团Bl和第二光团B2之间的垂直移位， A是(3)定义的放大系数。
角度P的符号是由差值(xl-x2)的符号给出的，其中xl是从检测 区域110的左侧测得第一光团Bl的位置，而x2是从检测区域112的左 侧测得的第三光团B3的位置。
为了进行角失准的校正，图1的系统包括致动装置AC3-AC4-AC5 (例如，压电致动器)，用于调整所述信息载体101相对于所述光点103 阵列的角位置。它们由从所述角度0得出的控制信号123进行控制。
按照图1中所示的第一实施方式，致动装置AC3-AC4-AC5与信息 载体101的外周接触。在这种情况下，光点103阵列是固定的，而信息 载体101可以在所述致动装置的控制下进行旋转，直到消除了角失准。
另外，按照第二种实施方式(未示出)，致动装置AC3-AC4-AC5 与产生光点103阵列的光学元件102的外周相接触。在这种情况下，信 息载体IOI是固定的，而光点103阵列可以在所述致动装置的控制下进 行旋转，直到消除角失准。
对于围绕着垂直轴z旋转信息载体101 (或光学元件102)从而校 正角失准e来说，使用三个致动器AC3-AC4-AC5就足够了 。
图13表示特性与图10中所示的信息载体相同的信息载体101的顶 视图，不过该信息载体101额外包括第四周期性结构114,用来对所述 光点的周期性阵列进行干涉，以便在检测器106的检测区域115上产生 第四莫尔条紋图案。类似于第二莫尔条紋图案，第四莫尔条紋图案包括
第四光团B4 (未示出)。
第四周期性结构114与所述第二周期性结构109相同，放在数据区 105的外围上，并且与所述第二周期性结构109平行且相对地设置。
第四莫尔条紋图案可以用于提高角失准测量的强健性。诚然，通过
使用前面解释过的关系式(5),可以从所述第一和第三莫尔条紋图案得出失准角6 的第一测量结果，并且，类似地，也可以从所述第二和第 四莫尔条紋图案得出失准角的第二测量结果。对这两个中间测量结果进 行求平均，可以得出失准角^的测量结果。
注意，类似于第一莫尔条紋图案，第三莫尔条紋图案也可以用来测 量光点阵列与信息载体之间的水平移位。
注意，类似于第二莫尔条紋图案，第四莫尔条紋图案也可以用来测 量光点阵列与信息载体之间的垂直移位。
图14表示用来由光点103的周期性阵列进行读取和/或写入的信息 载体101的顶视图。
信息载体101包括数据区105,该数据区由一组基本数据区定义， 并且以前面介绍的宏单元形式组织。
信息载体101还包括二维周期性结构TD，用于对光点的周期性阵 列进行干涉，以便在检测器106的检测区域107上产生球形莫尔条紋图 案。这个二维周期性结构与所述基本数据区混合在一起。要在检测区域 107上检测的球形莫尔条紋图案因此也是与数据混合在一起的。不过， 由于数据是先验随机的，因此可以很容易地在检测区域107中检测到周 期性图案，例如使用公知的匹配算法。
如图14所示，二维周期性结构TD定义了由垂直且平行条紋(在这 个例子中，具有两倍于基本数据区的大小的宽度)和水平且平行条紋(在 这个例子中具有两倍于基本数据区的大小的宽度)形成的网格。如图15 所示，相应的莫尔条紋图案也是得到放大的网格(为了便于理解，也由 虛线正方形代表)。
放大网^f各的水平位置可以用于确定信息载体和光点阵列之间的水 平位置，而放大网格的垂直位置可以用于确定信息载体和光点阵列之间 的垂直位置，类似于前面介绍的对光团Bl和B2的跟踪。
在信息载体和光点阵列之间有角失准的情况下，莫尔条紋图案也按 照(2)旋转。
图16表示角失准为5度的情况。从(2)可以示出，角失准^可以 由下述关系式得出
<formula>formula see original document page 15</formula>其中T是在检测区域107上检测到的球形莫尔条紋图案的周期。
再回到图1,系统还包括处理单元116,用来对由检测器106检测 到并且产生的不同莫尔条紋图案进行计算，并且通过数据总线117以信 号形式进行传送。该处理可以由存储在存储器中并且由信号处理器执行 的代码指令来完成。具体来说，处理单元113包括
-第一分析装置118,用于由所述第一和第二莫尔条紋图案得出光 点103的周期性阵列与所述信息载体101之间的空间位置(x, y)。分 析装置118负责分别沿着检测区域110和111检测光团B1和B2的位置。 为此，可以使用已知的跟踪算法。
-第二分析装置119，用于由所述第一和第三莫尔条紋图案和/或所 述第二和第四莫尔条紋图案得出所述光点103的周期性阵列与所述信息 载体101之间的角度值^。分析装置119负责分别沿着检测区域110、 111、 113和115检测光团Bl、 B2、 B3和B4的位置(通过使用例如已 知的跟踪算法)，并且由关系式(5)得出角度值9。
由(2),周期性结构108、 109、 112或114的周期可以由下列关 系式得出
tan^ ( 7 )
如果确切知道失准角e,例如通过关系式(6)获知，关系式(7) 能够得出所考虑的周期'性结构的周期S的测量结果。
处理单元116因此包括笫三分析装置120,用于由所述光点103的 周期性阵列的周期p、角度值6和所测得的所述第一、第二、第三或第 四周期性结构(108、 109、 112、 114)与所述第一、笫二、第三或第四 莫尔条紋图案之间的角度^通过(7)得出所述第一、第二、第三或笫四 周期性结构(108、 109、 112、 114)的周期s的测量结果。
如果所测得的周期s不同于作为目标的且已知的周期s0,例如因为 温度改变，可以设想在光点与宏单元之间会发生移位。因此最好将周期 s的测量结果用于通过改变信息载体101的大小来控制宏单元相对于光
点的周期p的大小。
为此，如图17所示，信息载体101包括由聚合物膜制成的透明层(PF),该透明层包括上表面S—up和下表面S—low。该聚合物膜用于 接收两个表面之间的电压差V。当在这两个表面之间施加电压差V时， 麦克斯维尔应力现象造成该聚合物膜在平面方向上拉长，改变了周期性 结构的周期s。
该电压差V是由回路控制产生的信号，并且是由目标周期s0与测 得周期s之间的差得出的。
结果，该聚合物膜起到了第三致动装置的作用，用于通过由所述周 期s的测量结果得出的控制信号调整所述第一、第二、第三或第四周期 性结构108、 109、 112、 114的周期s。
在上面的介绍中，假设施加在信息载体101上的光点的质量是聚焦 良好的(即，具有高对比度的小光点)，以致光点103阵列等价于采样 操作。在实践中，可能会发生这样的情况，光点没有得到良好聚焦，从 而损害了数据区105中的数据读取。因此一个重要的问题是测量焦点， 并且据此沿着轴z改变信息载体101与产生光点103阵列的光学元件102 之间的3巨离。
莫尔条紋放大系数可以看作周期性结构的放大系数与光点阵列本 身的放大系数的巻积。因此，当光点得到良好聚焦时，不同的莫尔条紋 图案具有模糊的外观。相反，当光点得到良好聚焦时，不同的莫尔条紋 图案具有清晰的外观。
因此提出，这样控制光点的聚焦通过首先分析在检测器106上检 测到的莫尔条紋图案的清晰度，然后再沿着轴z改变信息载体101与光 学元件102之间的距离，直到在一个或多个莫尔条紋图案中测量到最大 对比度。
莫尔条紋图案的对比度可以通过基于梯度测量的算法来得到，或者 按照另外一种方案通过基于柱形图的算法来得到。为此，处理单元116 包括第四分析装置121,用于得出所述第一、第二、第三或第四莫尔条 紋图案中的至少一个的对比度值。
信息载体101与光学元件102之间的距离是由第三致动装置AC6 (例如，压电致动器)来改变的。
这样，数据卡上的莫尔伺服标记可用于焦点检测。莫尔伺服标记产
生光点的莫尔放大图像。当数据层处于光点的焦平面上时，这个图像的 大小最小并且对比度最大。图21表示由处理单元116进行的、用于控制图l所示的系统的回 路控制的原理。
为了调整信息载体101相对于光点阵列103的空间位置(x, y), 将反映空间位置(x, y)的信号S—xy通过用于产生由处理单元116产 生的控制信号122的第一低通滤波器Fl传送给致动装置AC1-AC2。响 应于此，致动装置AC1-AC2修正它们的空间位置。当测得的空间位置 相当于目标空间位置时，达到了信息载体和光点阵列之间的最佳位置。
为了调整信息载体101相对于光点103阵列的角位置6>,将反映角 度S的值的信号S—^通过用于产生由处理单元116产生的控制信号123 的第二低通滤波器F2传送给致动装置AC1-AC2-AC3。响应于此，致动 装置AC1-AC2-AC3校正它们的角位置，这将会改变测得的角度^。当角 度^趋向于零时，达到了信息载体与光点阵列之间的最佳对准。
为了调整印刷在信息载体101上的结构的周期s，将反映所述周期s 的值的信号S一s通过用于产生由处理单元116产生的控制信号124的第 三低通滤波器F3传送给致动装置PF。响应于此，致动装置PF拉长，这 改变了信息载体101的大小以及所测得的周期s。当s趋近于目标周期 sO时，达到信息载体的最佳周期s。
为了调整施加在信息载体101上的光点103阵列的焦点，将反映焦 点的测量结果的信号S—f通过用于产生由处理单元116产生的控制信号 125的第四低通滤波器F4传送给致动装置AC6。响应于此，致动装置 AC6沿着轴z移动信息载体101的高度。当所述第一、第二、第三或第 四莫尔条紋图案的对比度最大时，达到了光点的最佳焦点。
按照上面介绍的结构，虽然所采集的图像的对比度可以用作将数据
但是结果得到的误差信号i单向性的，即，不i^与;'要沿正方向还是
负方向校正数据卡的位置有关的信息。按照下面的本发明的示范性实施 方式，提出了使探针阵列的专用部分处于与用于数据读出的探针所处的 平面不同的平面上。按照这种方式，可以获得有方向的误差信号。
参照图中的图18,探针产生装置102具有用于产生探针阵列103的 相位/幅度结构，并且是以这样一种方式设计的探针的一部分处于较高 的z位置上，而另一部分处于较低的z位置上。这样，在所示的例子中， 产生探针的相位/幅度结构可以在该结构的外缘或边缘上沿着z轴进行位移，从而该结构的这个经过位移的部分将会产生经过位移的光点。
参照图中的图19，按照本发明的第二种示范性实施方式，探针产生 装置102是以这样一种方式设计的所有的光点103都处于同一平面内 (统一的z距离)。在这种情况下，数据层结构105的一部分定位在较 高的z位置上，而其另一部分定位在较低的z位置上。更加具体地讲， 按照所示的实施方式，经过位移的数据层105部分(在其外缘或边缘上) 得到离焦的光点103。
参照附图中的图20,按照本发明的第三种示范性实施方式，探针产 生装置是以这样一种方式设计的所有的光点103处于同一平面内，并 且数据层105也处于一个平面内。在这种情况下，在探针产生装置102 与数据层105之间的空间内设置了透明材料层10，以便实现所需的离 焦。从所示的例子中可以清楚地看到，透明基板10的厚度偏离平均值 的位置上的部分(处于外缘或边缘处)得到离焦的光点103。
这样，本发明通过为误差信号添加符号、实现对焦点致动使用比例 控制方案而扩展了焦点检测系统。对比度信号是模拟信号，因此比例控 制器可以用于控制数据卡的z位置。本发明的目的是通过使探针阵列的 专用部分处于与用于数据读取的探针所处的平面不同的平面上来实现 的。这样，可以获得有方向性的误差信号。
如前面所介绍的，按照本发明的系统最好实现在用于在信息载体上 读取和/或写入数据的设备中。
最好，当本发明实施在这样的设备中时，首先测量和校正光点的焦 点，然后测量和校正光点阵列与信息载体之间的失准角。这两个步骤必 须要在数据区的读取或写入操作之前完成。然后可以在读取或写入操作 期间进行空间位置测量和调整。
根据本发明的系统可用于显微镜。具有合理分辨率的显微镜是昂贵 的，因为具有合理大视场和足够高数值孔径的无像差物镜费用4艮大。扫 描显微镜通过包括具有非常小的视场的物镜和相对于待测量的样品扫 描该物镜(或反之亦然)部分地解决了这一成本问题。该单点扫描显微 镜的缺点在于整个样品必须被扫描，导致繁重的机械部分。多点扫描显 微镜解决了这一机械问题，因为样品不需要在其整个尺寸上扫描，扫描 范围限于两点之间的间距。
在根据本发明的显微镜中，使用由探针阵列发生装置生成的点照明样品，并且照相才几给;故照明的样品照相。通过扫描样品上的点和在几个 位置进行照相，收集高分辨率数据。计算机可以将所有测得的数据合并 成一个单独的高分辨率样品图片。根据本发明的系统允许相对于光点阵
列准确地并可靠地定位承载样品的信息载体。
根据本发明的显微镜由照明装置、探针阵列发生器、样品台、可选
的成像设备(例如透镜，光纤面板，反射镜)和照相机(例如CMOS, CCD)组成。这个系统对应于图1的系统，其中信息载体(101)是显 微镜载片，其上可以放置将被成像的样品，显微镜载片设置在样品台上。 显微镜载片包括周期性的结构，例如结构108, 109和112。数据样品放 置在信息载体上没有这种周期性结构的位置。
在照明装置中产生光，利用探针阵列发生器将光聚焦成焦点的阵 列，它(部分地)透射经过将被测量的样品，并且被透射的光通过成像 系统在照相机上成像。样品放置在样品台中，其可以在焦点的焦平面内 并垂直于样品可再现地移动样品。为了给整个样品成像，信息载体被扫 描以便于通过单独的探针使样品的所有区域被成像。利用如上描述的参 考结构和开窗处理来执行定位伺服。
可以设计一种反射型显微镜来代替上面描述的透射型显微镜。在根 据本发明的发射型显微镜中，通过样品的光被显微镜载片的反射表面反 射然后利用束分离器重新定向到照相机。
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。
0
权利要求
1. 一种用于扫描信息载体(101)的系统，该信息载体(101)包括一个或多个伺服标记，该系统包括-探针阵列产生装置(104，102)，用于产生探针阵列，该探针阵列包括光点(103)阵列，用于被施加到所述信息载体(101)，以产生代表所述一个或多个伺服标记(108，109)的输出光束，其中所述探针阵列的一部分的一个或多个光点的焦点与所述信息载体的和至少一个伺服标记相对应的相应部分之间的距离不同于探针阵列的其余部分的光点的焦点与所述信息载体的其余部分之间的距离；-图像传感器(106)，用于接收所述输出光束并且产生相应的图像；-装置(116)，用于得出关于相应于所述至少一个伺服标记(108，109)的所述图像的至少一部分的对比度值并产生由所述对比度值得出的控制信号(125)，所述控制信号(125)用于施加给致动装置(AC6)，用来调整所述信息载体(101)与所述光点(103)阵列之间的距离。
2. 按照权利要求1所述的系统，其中所述伺服标记包括一个或多个 周期性结构(108, 109 ),用来对光点(103)阵列进行干涉，从而在 图像传感器(106)上产生一个或多个相应的莫尔条紋图案。
3. 按照权利要求1所述的系统，其中对比度值是针对所述莫尔条紋 图案至少之一得出的，以便产生控制信号(125)，用来控制施加在信 息载体上的光点(103)的焦点。
4. 按照权利要求1所述的系统，其中探针阵列产生装置包括用于产 生探针阵列(103)的相位/幅度结构(102),并且其中相位/幅度结构(102)在其相应于至少一个伺服标记(108， 109)的所述部分上沿着 基本上垂直于信息载体的平面的平面发生位移，从而由所述相位/幅度结 构(102)的所述部分产生的光点(103)的焦点处于与所述探针阵列的 其余光点(103)的焦点所处的平面不同的平面上。
5. 按照权利要求4所述的系统，其中所述至少一个伺服标记(108, 109)位于或邻近于信息载体的数据层(105)的边缘，并且相位/幅度结 构(102)的发生了位移的部分对应于所述位于或邻近于数据层(105) 的所述边缘的位置。
6. 按照权利要求1所述的系统，其中信息载体(101 )的轮廓在其 一部分上是不均匀的，从而使得光点(103)相对于信息载体(101)的焦点在所述部分上不同于其余光点(103)的焦点。
7. 按照权利要求6所述的系统，其中所述至少一个伺服标记(108， 109 )位于或邻近于信息载体的数据层(105)的边缘，并且信息载体(101 ) 的不均匀部分对应于所述位于或邻近于数据层(105)的所述边缘的位置。
8. 按照权利要求1所述的系统，其中在探针阵列(103)和信息载 体(101 )之间设置了基板(10),该基板(10)的光学属性在其一部 分上是不均匀的，从而使得光点(103)相对于信息载体(101 )的焦点 在对应于所述部分的位置上不同于其余光点(103)的焦点。
9. 按照权利要求8所述的系统，其中所述至少一个伺服标记(108, 109)位于或邻近于信息载体的数据层(105)的边缘，并且基板(10) 的一部分对应于所述位于或邻近于数据层(105)的所述边缘的所述位 置，所述基板(10)的该部分的光学属性发生改变从而使得光点(103) 相对于信息载体(101)的焦点在所述部分上不同于其余光点(103)的 焦点。
10. 按照权利要求9所述的系统，其中所述基板(10)有利地是基 本透明的，并且其厚度在其所述部分上是不均匀的，从而获得了所述不 均匀光学属性，使得光点(103)相对于信息载体(101)的焦点在所述 部分上不同于其余光点(103)的焦点。
11. 一种扫描信息载体(101)的方法，其中该信息载体(101)包 括一个或多个伺服标记(108, 109),该方法包括步骤-产生探针阵列，该探针阵列包括光点阵列(103),其中所述探针 阵列的一部分的一个或多个光点的焦点与所述信息载体的和至少一个伺服标记相对应的相应部分之间的距离不同于探针阵列的其余部分的 光点的焦点与所述信息载体的其余部分之间的距离；-将所述探针阵列施加到所述信息载体(101)上，以产生代表所述 一个或多个伺服标记(108, 109)的输出光束；-提供用于接收所述输出光束并且产生相应的图像的图像传感器 (106);和-得出关于相应于所述至少一个伺服标记(108, 109)的所述图像 的至少 一 部分的对比度值并产生由所述对比度值得出的控制信号 (125),所述控制信号(125)用于施加给致动装置(AC6)，用来调整所述信息载体(101)与所述光点(103)阵列之间的距离并由此控制 施加到所述信息载体的光点(103)的焦点。
12. —种显微镜，其包括如权利要求l io中任一项所述的系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于读取信息载体(101)的数据层(105)上的数据的方法和系统，该信息载体(101)包括相对于所述数据层(105)定位的一个或多个伺服标记(108，109)，该系统包括探针阵列产生装置(104，102)，用于产生探针阵列，该探针阵列包括光点(103)阵列，用于被施加所述信息载体(101)，以产生代表所述一个或多个伺服标记(108，109)和所述数据的输出光束，其中所述探针阵列的一部分的一个或多个光点的焦点与所述信息载体的和至少一个伺服标记相对应的相应部分之间的距离不同于探针阵列的其余部分的光点的焦点与所述信息载体的其余部分之间的距离；图像传感器(106)，用于接收所述输出光束并且产生相应的图像；装置(116)，用于得出关于相应于所述至少一个伺服标记(108，109)的所述图像的至少一部分的对比度值并产生由所述对比度值得出的控制信号(125)，所述控制信号(125)用于施加给致动装置(AC6)用来调整所述信息载体(101)与所述光点(103)阵列之间的距离。
文档编号G11B7/00GK101305418SQ200680041939
公开日2008年11月12日 申请日期2006年11月7日 优先权日2005年11月11日
发明者L·P·巴克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司