用于扫描信息载体的光学设备的制作方法

专利名称：用于扫描信息载体的光学设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用辐射光点阵列扫描信息载体的光学扫描设备、用于这种设备中的光学元件、以及扫描方法。本发明可以用于光学数据存储器领域。
背景技术：
光学存储器广泛用于内容分配，例如，在基于CD(光盘)和DVD(数字多功能盘)标准的存储系统中的内容分配。光学存储器比硬盘与固态存储器具有很大的优势，因为信息载体容易复制且复制成本低。
然而，由于驱动器中大量的移动部分，使用这种类型存储器的已知的应用在进行读操作时，考虑到在这种操作期间要求所述移动部分的稳定性，其不是耐振动的。因此，光学存储不便于在要受到振动影响的应用中，诸如便携设备中使用。
最近，曾提出过一种新型的可替代的光学存储系统，其使用光学辐射光点阵列来扫描信息载体。信息载体可以用于内容分配。所提出的系统的规格可以在邮票大小(＜1平方英寸)的盘上提供1G字节量级的信息密度及存储容量。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于扫描信息载体的光学扫描设备。
根据本发明的第一方面，提供一种用于扫描信息载体的光学扫描设备，该设备包括阵列光学元件，其被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束生成辐射光点阵列；而且其中该设备还包括像差光学元件，其被设置成将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点中的光学像差。
通过将这种像差光学元件结合到所述设备中，改善了设备的性能。像差光学元件向辐射提供预定的光学像差，以便补偿否则将在辐射光点处(如在阵列光学元件的图像中)产生的像差。这使信息载体的数据密度得到增加。
像差光学元件可以位于阵列光学元件与辐射光点之间的光学路径上。
像差光学元件可以位于入射辐射束源与阵列光学元件之间的光学路径上。
像差光学元件可以被设置基本上仅仅改变辐射的相位。
优选地，像差光学元件包括具有基本上均匀的反射率的透明材料，材料的厚度在整个元件上变化以提供预定的光学像差。
像差光学元件可以被形成为分立设备。
像差光学元件可以包括所述阵列光学元件。
阵列光学元件可以是透镜阵列或者孔径阵列。
阵列光学元件可以被设置成在基本上距阵列光学元件Talbot距离处产生光点。
像差光学元件可以被设置成施加预定的光学像差，以用于校正因阵列光学元件的有限尺寸而产生的辐射光点中的光学像差。
所述设备还可以包括一个包含光学传感器阵列的检测器，其被设置成检测来自所述信息载体所产生的输出光束阵列的信息。
根据本发明的第二方面，提供一种在用于扫描信息载体的光学扫描设备中使用的像差光学元件，该设备包括阵列光学元件，该阵列光学元件被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束生成辐射光点阵列；其中像差光学元件被设置成将预定的光学像差施加到辐射，以用于校正辐射光点中的光学像差。
根据本发明的第三方面，提供一种扫描信息载体的方法，该方法包括从用于扫描信息载体的入射辐射束生成辐射光点阵列；以及将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点中的光学像差。
根据本发明的第四方面，提供一种用于制作扫描信息载体的光学扫描设备的方法，该方法包括提供阵列光学元件，该阵列光学元件被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束生成辐射光点阵列；以及提供像差光学元件，该像差光学元件被设置成将预定的光学像差施加到所述辐射以用于校正辐射光点中的光学像差。


现在通过例子参照附图描述本发明的实施例，其中相同的部件或子步骤用相同的方式标明图1描述了第一系统；
图2描述了第二系统；图3描述了在信息载体上移动系统的第一布置；图4描述了在信息载体上移动系统的第二布置；图5描述了在信息载体上移动系统的第二布置的详细的元件；图6描述了专用于系统中所用的宏单元扫描的部件的详细示图；图7图示说明了宏单元扫描的原理；图8描述了第一系统的三维示图；图9描述了第三系统；图10描述了第三系统的三维示图；图11描述了可电控制的液晶单元以及这种液晶单元的电压控制曲线；图12描述了平面系统的第一实施例；图13描述了平面系统的第二实施例；图14描述了平面系统的第三实施例；图15描述了平面系统的第三实施例的三维示图；图16描述了平面系统中所用的部件的详细示图；图17描述了周期性结构的强度分布，图示地说明了Talbot效应；图18描述了图示地说明使用孔径阵列以生成探头阵列的示意图；图19描述了根据本发明的一个实施例的图示地说明使用相位掩模以生成探头阵列的示意图；图20描述了根据本发明的一个实施例的图示地说明结合孔径阵列使用相位掩模以生成探头阵列的示意图；图21描述了当不存在任何像差时的所述探头；图22描述了当存储像差时在Talbot距离处所得到的探头的强度图案；图23描述了根据本发明的一个实施例的在使用全像差校正时在Talbot距离处的图像；图24描述了用于产生图23的光点的一个单位单元(unit cell)掩模的幅度(左)及相位(右)分布图；图25描述了根据本发明的一个实施例的当掩模的幅度被设置为1且仅仅保持所述相位项时在Talbot距离处的图像；图26描述了用于产生图25的光点的掩模(一个单位单元)的幅度(左)及相位(右)分布图；图27描述了当使用四个离散的相位阶跃(-1/2π，0，1/2π，π)的掩模时在Talbot距离处所得到的图像；图28描述了图27中所示的用于产生探头的掩模(掩模幅度保持等于1)；图29描述了当掩模被手动修改以使其更易于生成(与图28中的掩模相比较，一些最小的特征已被去除)时在Talbot距离处所得到的图像；以及图30描述了用于生成图29中所示的探头的掩模(幅度保持等于1)。
具体实施例方式
首先，参照图1-16给出通常的新型系统(即光学扫描设备及信息载体)以及可能的不同实施例的详细描述。然后给出在这种系统中发生的光学像差、连同根据本发明的实施例的像差光学元件如何在这种系统中实施以提高系统的性能的例子的详细解释。
所述系统被设置成扫描存储在信息载体上的数据。术语扫描意在包括从载体读取信息以及将信息写入载体。光学扫描设备可以被设置执行这一种或两种功能。
信息载体用于存储以阵列形式组织的数据，如以数据矩阵形式那样。优选地，该数据是二进制型的，即由1和0组成。如果信息载体以透射形式被读，那么存储在信息载体上的二进制数据的状态由透明区域和非透明区域(即光吸收的)所表示。可选地，如果信息载体以反射形式被读，那么存储在信息载体上的二进制数据的状态由非反射性区域(即光吸收的)和反射性区域所表示。这些区域在诸如玻璃、塑料之类的材料或具有磁特性的材料中被标记。
所述系统包括-光学元件，用于从输入光束生成光点阵列，所述光点阵列用于扫描所述信息载体，-检测器，用于从所述信息载体生成的输出光束阵列中检测所述数据。
该系统可以包括静态信息载体(也称为光卡)，该静态信息载体用于存储以数据矩阵形式所组织的二进制数据。信息载体上的比特例如由透明的或非透明的区域所表示。
信息载体不是要由单条光束来照射，而是要由阵列光学元件生成的光点阵列来照射。有利地，光学元件对应于微透镜阵列，或对应于被设计来利用Talbot效应的孔径阵列。
每个光点选择信息载体上要被读取的特定的数据区域，所述数据由检测器检测。通过在信息载体上移动光学元件，光点可以扫描整个信息载体。
由于信息载体是静态的，所以移动元件的数目被大大减少，使得系统提供坚固的机械解决方案。
该系统允许使用结合了固态存储器是静态的优点以及光学存储器可从包括该系统的读出器装置中去除的优点的信息载体。
在图1示出的第一实施例中，用于读取存储在信息载体101上的数据的所述系统(即光学扫描设备)包括用于从输入光束104生成光点103阵列的光学元件102，所述光点103阵列用于扫描信息载体101。
光学元件102对应于一个处在施加了相干输入光束104的输入端的二维微透镜阵列。微透镜阵列102平行放置且与信息载体101间隔一段距离，从而使得光点聚焦到信息载体上。微透镜的数值孔径以及质量决定光点的大小。例如，可以使用具有等于0.3的数值孔径的二维微透镜阵列102。输入光束104可以由用于扩展输入激光束的波导(未示出)或者由被耦合的微型激光的二维阵列来实现。
光点被施加到信息载体101的透明区或非透明区上。如果光点被施加到非透明区上，那么作为响应，信息载体不产生任何输出光束。如果光点被施加到透明区上，那么作为响应，信息载体产生输出光束，所述输出由光束由检测器105检测。因此检测器105用于检测光点所施加到的区域的数据值(如，二进制值)。
有利地，检测器105由传感器元件(例如CMOS传感器(互补性金属氧化硅传感器)或CCD(电荷耦合器件))阵列制成。例如，检测器的一个传感器元件被放置成与包括信息载体的一个数据(即一个比特)的基本区域相对。在那种情况下，检测器的一个传感器元件用于检测信息载体的一个数据。
有利地，在信息载体101与检测器105之间放置一个微透镜阵列(未示出)，用于将由信息载体产生的输出光束聚焦到检测器上，用于改进数据的检测。
在图2中所示的第二实施例中，用于读取存储在信息载体201上的数据的系统包括用于从输入光束204生成光点阵列203的光学元件202，所述光点阵列203用于扫描信息载体201。
光学元件202对应于在输入端处的二维孔径阵列，在二维孔径阵列的输入端处被施加了相干输入光束204。所述孔径对应于例如具有1μm或更小的直径的圆孔。输入光束204可以由用于扩展输入激光束的波导(未示出)或者由被耦合的微型激光的二维阵列来实现。
光点被施加到信息载体201的透明区或非透明区上。如果光点被施加到非透明区上，那么由信息载体作为响应而不产生任何输出光束。如果光点被施加到透明区上，那么由信息载体作为响应而产生输出光束，所述输出由光束由检测器205检测。与图1中所示的第一实施例类似地，因此检测器205用于检测光点所施加到的区域的数据值(如，二进制值)。
检测器205有利地由传感器元件(例如CMOS传感器或CCD)阵列制成。例如，检测器的一个传感器元件被放置成与包括信息载体的一个数据的基本区域相对。在那种情况下，检测器的一个传感器元件用于检测信息载体的一个数据。
有利地，在信息载体201与检测器205之间放置一个微透镜阵列(未示出)，用于将由信息载体产生的输出光束聚焦到检测器上，从而改进提高数据的检测。
光点阵列203由利用Talbot效应的孔径阵列202产生，该Talbot效应是按以下工作的衍射现象。当相干光束被施加到具有周期性衍射结构的物体(如孔径阵列202)上时，刚刚经过孔径阵列之后的光束包括次级相干发射器的一个周期性阵列。在正好与衍射结构之间有可预知的距离z0的平面处的周期性衍射结构之后，该衍射光重新组合成该光束的确切的图像。该距离z0被称为Talbot距离。Talbot距离z0由关系式z0＝2.d2/λ给出，其中d是衍射结构的周期，λ是输入光束的波长。更通常地，再成像发生在与衍射结构相隔更远的另一距离z(n)处，且距离z(n)是Talbot距离z的倍数，从而z(n)＝2.n.d2/λ，其中n是整数。对于n＝1/2+一个整数，也发生这样的再成像，但这里图像移动二分之一周期。对于n＝1/4+一个整数以及对于n＝3/4+一个整数，也发生所述再成像，但图像具有二倍频率，这意味着该孔径的周期数相对于孔径阵列的周期数减半。
利用Talbot效应使得在距孔径阵列202相对大的距离(几百μm，由z(n)表示)处产生高质量的光点阵列，而无需光学透镜。这允许在孔径阵列202与信息载体201之间插入例如覆盖层，以用于防止后者被玷污(如，灰尘、手指印......)。另外，与使用微透镜阵列相比，这便于实施，且使得施加到信息载体上的光点密度以成本效益方式增加。
图6示出了所述系统的详细示图。它描述了检测器605，其用于从信息载体601所生成的输出光束中检测数据。该检测器包括被称为602-603-604的传感器元件，为了方便理解，所示的元件数目是有限的。尤其，元件602用于检测存储在信息载体的数据区606上的数据，元件603用于检测存储在数据区607上的数据，以及元件604用于检测存储在数据区608上的数据。每个数据区(也称为宏单元)包括一组基本数据。例如，数据区606包括被称为606a-606b-606c-606d的二进制数据。
在这个实施例中，检测器的一个传感器元件用于检测一组数据，在这组数据中的每个基本数据或者由图1中所示的微透镜阵列102或者由图2中所示的孔径阵列产生的单个光点连续地读取。读取信息载体上的数据的这一技术在下面被称为宏单元扫描。
基于图6的图7图示说明了信息载体701的宏单元扫描的一个非限制性例子。
存储在信息载体701上的数据具有由黑色区域(即，不透明的)或白色区域(即，透明的)表示的两个状态。例如，黑色区域对应于二进制“0”的状态，而白色区域对应于二进制“1”的状态。
当检测器705的传感器元件由信息载体701所产生的输出光束照射时，传感器元件由白色区域表示。在那种情况下，传感器元件传送具有第一状态的电输出信号(未示出)。相反，当检测器705的传感器元件没有接收来自信息载体701的任何输出光束时，传感器元件由交叉影线区域表示。在那种情况下，传感器元件传送具有第二状态的电输出信号(未示出)。
在这个例子中，每组数据包括四个基本数据，且单个光点被同时施加到每组数据。光点703对信息载体701的扫描以等于两个基本数据之间的距离的递增的横向位移例如从左至右进行。
在位置A，所有的光点被施加到非透明区，从而检测器区域的所有传感器都处在第二状态。
在位置B，光点向右位移之后，在左侧的光点被施加到透明区，从而相应的传感器处于第一状态，而其它两个光点被施加到非透明区，从而检测器的两个相应传感器处于第二状态。
在位置C，在光点向右位移之后，在左侧的光点被施加到非透明区，从而相应的传感器处于第二状态，而其它两个光点被施加到透明区，从而检测器的两个相应传感器处于第一状态。
在位置D，在光点向右位移之后，中心光点被施加到非透明区，从而相应的传感器处于第二状态，而其它两个光点被施加到透明区，从而检测器的两个相应传感器处于第一状态。
当光点已被施加到面对检测器的传感器的一组数据的所有数据时，完成信息载体701的扫描。由于施加到信息载体的光点形成二维阵列，所以与检测器的传感器相对的一组数据被连续地读取，例如，按照若干行接着若干行的方式读取基本数据，以及对于一个给定基本数据行，逐个地读取基本数据。这意味着信息载体的二维扫描。
图7中所展示的图示说明是非限制的还在于以下事实不采取读取二进制基本数据，而是可以采取使数据例如在使用多级别方案中以更高的分辨率编码。一个例子可以是采取这样的一个方案其中通过区别四个灰度级(0，1/4，1/2，3/4)来对每一像素检测两个基本比特。这与使用二进制编码的系统相比，可以使数据密度加倍。
图8示出了图2中所示系统的三维示图。其包括用于产生施加到信息载体801的光点阵列的孔径阵列802。每个光点被施加到信息载体801(由粗的矩形)的一组二维数据上并对其进行扫描。响应于该光点，信息载体产生(如果光点被施加到非透明区，则不产生)输出光束，作为响应，该输出光束由与被扫描的那组数据相对的检测器803的传感器来检测。信息载体801的扫描以沿x和y轴位移孔径阵列802的方式而进行。
孔径阵列802、信息载体801以及检测器803以平行平面的方式堆叠。仅仅移动的部分是孔径阵列802。
注意的是，图1中所示的系统的三维示图在用微透镜阵列102代替孔径阵列802后将与图8中所示的相同。
光点阵列对信息载体的扫描在平行于信息载体的平面内进行。扫描设备提供在x和y两个方向上的平移运动，以便扫描信息载体的所有表面。
在图3中所示的第一方案中，扫描设备对应于一个H桥。产生光点阵列的光学元件(即微透镜阵列或孔径阵列)以第一滑板301的形式被实施，该第一滑板301相对于第二滑板302可沿y轴移动。为了这个目的，第一滑板301包括与导板307-308接触的接头303-304-305-306。第二滑板302通过与导板309-310接触的接头311-312-313-314可沿x轴移动。滑板301和302借助致动器(未示出)而平移，例如借助步进电机、用作传动装置的磁致动器或压电致动器而平移。
在图4中所示的第二方案中，扫描设备被保持在框架401中。用于悬挂框架401的元件在图5中以详细的三维示图描述。这些元件包括-第一叶片弹簧402，-第一叶片弹簧403，-第一压电元件404，其对扫描设备401提供沿x轴的致动。
第二压电元件405，其对扫描设备401提供沿y轴的致动。图4中所示的第二方案比图3中所示的H桥方案具有更少的机械传动。与框架401接触的压电元件受到电控制(未示出)，从而使得电压变化导致压电元件的尺寸变化，进行导致框架401沿x和/或y轴的位移。
位置P1示出在第一位置的扫描设备401，而位置P2示出了在沿x轴平移后在第二位置的扫描设备401。证实了叶片弹簧402和403的柔韧性。
类似的配置可以用四个压电元件来构建，两个额外的压电元件代替叶片弹簧402和403。在那种情况下，相对的一对压电元件以与一对对抗的肌肉相同的方式在一维方向上一起动作。
图9示出了一种不用移动部件就实现信息载体901的扫描的改进系统。图9是基于图2但附加地包括放置在输入光束904的路径上的相位调制器906。
通过对输入光束904施加由相位调制器906限定的相位分布(profile)来和改变该相位分布从而实现非机械扫描。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。
注意的是，相位调制器906也可以设置于孔径阵列902与信息载体901之间(未示出)。
当相位调制器906起作用以使得相位φ(x)相对于位置x以线性方式变化时，这导致光点阵列903沿横向轴x横向移位Δx。可以规定使相位φ(x)与横向位置x由下面关系来联系在一起φ(x)=2πa·xλ]]>等式1其中x是横向位置(例如取自相位调制器906的极左端)，λ是输入光束904的波长，a是可变参数。
可以示出，如果由等式1限定的相位分布由相位调制器906来执行，那么光点阵列903的横向移位Δx由下面关系给出Δx＝a.Z 等式2其中Z是有利地对应于Talbo距离z0、或者是对应于Talbot距离z0的整数倍或子倍数的固定值。
参数a允许因改变横向移位Δx而修改相位分布的线性因子。对于参数a的每个值，定义了不同的相位分布。参数a的变化作为结果导致光点在x上的移位。
为了扫描信息载体901的全部表面，信息载体的每个宏单元必须由光点阵列的一个光点扫描。因此宏单元的扫描对应于沿x和y轴的二维扫描。在同时地规定根据x和y轴的线性相位调制时执行该二维扫描，所规定的相位分布产生于根据x(由等式1所定义的)轴的线性相位分布与根据y(类似地由等式1用y代替x所定义的)轴的线性相位分布的线性组合。
相位调制器906有利地包括可控液晶(LC)单元。例如，可以使用像素化线性向列型LC单元，使得孔径阵列902的每个孔径具有其自己的像素，从而可以给出其自己的φ(x)。因此，相位调制器906对应于LC像素的二维阵列。向列型液晶由伸长的分子构成，该伸长的分子平均地沿优先轴，即定向器排列。LC相位调制器可以通过在两个导电基底之间设置向列型液晶层并向LC层施加电压而制作。电场将使定向器在施加的电场方向上倾斜。优选地，LC层是非扭曲的，意思是，当定向器从基底至基底横越单元时，其在任何地方都被定向在单个平面内。在这个平面内具有偏振方向的线性偏振光束经历一个取决于基底的法线与定向器之间的夹角的折射率。因此，光学路径长度以及因而相位变化，都随着所施加的电压变化而变化。由于孔径阵列902的每个孔径具有自己的像素，所以相位分布规定一个具有递增的台阶的斜面，该斜面完全适于等式1所定义的线性等式。
可选地，相位调制器906可以规定连续的预设定的相位分布，该相位分布是电可控制的，以便改变相位分布的线性因子。
可选地，电子湿润单元可以用于规定相位分布。在这种情况下，根据横向位置x的相位分布通过对电子湿润单元施加不同的高电压而改变。
可选地，光点阵列可以随着改变输入光束904与z轴方向的入射角而在信息载体上移位。这种方案是有利的，因为它不再要求相位调制器放置在光路中。然而，它要求用于改变入射光束904的角度的致动单元(未示出)。当该光束相对于孔径阵列的表面法线的角度是a时，相位分布对应于等式1所限定的相位分布。
图10示出了图9中所示的系统的三维示图。它包括用于产生施加到信息载体1001上的光点阵列的孔径阵列1002。每个光点被施加到信息载体1001(由用粗体的方框表示)的一组二维数据上且对其进行扫描。响应该光点，信息载体产生(或者如果光点被施加到非透明区，则不产生)输出光束，该输出光束由与被扫描的那组数据相对的检测器1003的传感器元件检测。信息载体1001沿x和y轴的扫描通过放置在孔径阵列1002下面的相位调制器1006进行，而无需移动任何元件。
相位调制器1006、孔径阵列1002、信息载体1001和检测器1003以平行平面的方式堆叠。
图11示出了LC单元的一个例子。它包括LC层1101、玻璃基底1102、透明电极1103、对准层1104。在这个图中，参数d对应于单元厚度，而θ对应于LC分子的角度。当液晶分子重新取向时，由于电压发生器1105所施加的电场，经所述单元传播的线性偏振光将经历不同的有效折射率，导致产生相位变化。
作为例子，所产生的相位变化Δφ相对于电压的图表也图示于图11中。曲线特性取决于被使用的LC材料、光波长及单元厚度d。
当相位调制器906起作用以使得输入光束904的相位φ(x)相对于位置x以二次项方式变化时，这导致光点阵列903沿z轴轴向产生轴向移位Δz。可以定义相位φ(x)与横向位置x由下面关系而联系在一起φ(x)=2π2R·x2λ]]>等式3其中x是横向位置，λ是输入光束904的波长，a是对应于相位分布的曲线的半径的可变参数。
Δz是相对于z＝0的位置的轴向移位。
可以显示，如果等式3所定义的相位分布由相位调制器906实现，则光点阵列903的轴向移位Δz可以由下列关系精确地近似Δz≈Z2R]]>等式4其中Z是有利地对应于Talbot距离z0、或者对应于Talbot距离z0的整数倍或子倍数的固定值。
可变参数R允许因改变轴向移位Δz而修改相位分布的二次项系数。对于参数R的每个值，定义了不同的相位分布。参数R的变化作为结果导致移位Δz。因此光点903将更靠近或者远离信息载体901的表面聚焦。二次相位分布在更常规的记录中起到与聚焦致动器一样的作用，而无需使用任何机械元件。
有利地，由相位调制器906所定义的相位分布可以由等式1所定义的线性相位分布(根据x或y轴)以及由等式4所定义的二次相位分布的线性组合而产生。这允许同时执行光点的二维扫描，而将光点的焦点准确地设定在信息载体901的表面上。
在改进的实施例中，系统的不同部件不是如图1-2-8-9-10中所示那样被堆叠，而是被设置得彼此相邻以限定一个平面系统。该平面系统被构建在包括第一表面和第二表面的波导上。波导的使用允许不同的光束因在波导的第一表面(即下表面)与第二表面(即上表面)之间的反射而产生横向位移。该平面系统根据两个系列(family)而得出。
用于读取存储于信息载体上的第一系列平面系统示于图12及图13中。第一系列平面系统包括-波导1203-1303，其包括第一表面1207-1307以及第二表面1208-1308。该波导由塑料或玻璃或不具有双折射或密度变化的任何材料制成。
-孔径阵列1202-1302，它被放置于所述第一表面的一侧上，用于从输入光束1204-1304产生第一光束。所述光束可以由通过附加的波导(未示出)而扩展的激光束得出。
-第一反射单元1209-1309，它被放置于所述第二表面的一侧上，用于从所述第一光束产生第一反射光束。
-反射型相位调制器1206-1306，它被放置于所述第一表面的一侧上，用于从所述第一反射光束产生相位调制光束。该相位调制光束包括前面所述的光点阵列。
-第二反射装置1210-1310，它被放置于所述第二表面的一侧上，用于从所述相位调制光束产生第二反射光束，所述第二反射光束用来扫描信息载体1201-1301，-检测器1205-1305，用于从信息载体1201-1301所产生的输出光束检测所述数据。该检测器(例如前面所述的CMOS型的检测器)、有利地包括微透镜阵列(未示出)，以便将所述输出光束聚焦到检测器的敏感单元上。
在图12中所示的实施例中，检测器1205置于所述第一表面1207的一侧上，信息载体1201用于放置在所述第一表面1202与检测器1205之间。该特定实施例说明使用以透射方式进行读取的信息载体1201。
在图13所示的实施例中，检测器1305置于所述第二表面1308的一侧。另外，所述系统还包括-反射型偏振片1311，它被设置于所述第二反射单元1310与检测器1305之间，-四分之一波长片1312，它被设置于所述第一表面1307与信息载体1301之间。
在波导1303的左手侧，向上指向的粗箭头表示从信息载体1301返回来的光束。该光束的偏振通过四分之一波长波片1312而被旋转，使得其经反射型偏振片1311被直接透射(而无需由第二反射单元1310使其偏离)。
示于图13中的该特定实施例说明了使用放置于所述第一表面1307的一侧且用于以反射的方式被读取的信息载体1301。
用于读取存储于信息载体上的数据的第二系列平面系统以三维示图示于图14与图15中。该第二系列平面系统包括-波导1403，其包括第一表面1407及第二表面1408。该波导由塑料或玻璃或不具有双折射或密度变化的任何材料制成。
-孔径阵列1402，放置于所述第一表面的一侧上，用于从输入光束1404产生第一光束。所述光束可以从通过附加的波导(未示出)而扩展的激光束得出。
-第一反射单元1409，其放置于所述第二表面的一侧上，用于从所述第一光束产生第一反射光束。
-反射型相位调制器1406，其放置于所述第一表面的一侧上，用于从所述第一反射光束产生相位调制光束。该相位调制光束包括前面所述的光点阵列。
-第二反射单元1410，其放置于所述第二表面的一侧上，用于从所述相位调制光束产生第二反射光束(由向下指向的细箭头表示)。所述第二反射光束垂直于信息载体1401的平面。
-反射型偏振片1411，其置于所述第一表面的一侧上，用于从所述第二反射光束产生第三反射光束(由指向向上的粗箭头表示)，所述第三反射光束用于穿过放置于所述第二反射单元1410与信息载体之间的四分之一波长片1412，且用于扫描信息载体1401。反射型偏振片1411能反射具有给定偏振的光束(对应于所述第二反射光束)，并且其透射具有与所述给定偏振相比旋转了90度的偏振的光束(对应于所述第三反射光束)。
-检测器1405，其置于反射型偏振片1411之下，用于从由信息载体1401所生成的输出光束(由指向向下的粗箭头表示)中检测所述数据。该输出光束经四分之一波长片1412以及经反射型偏振片1411而透射。检测器(例如如前面所述的CMOS型的检测器)有利地包括微透镜阵列(未示出)，以便将所述输出光束聚焦到检测器的敏感单元上。
在图14和图15中所示的这个特定实施例意味着使用放置于所述第二表面1408一侧上且用于以反射的方式被读取的信息载体1401。平面系统的这个实施例是有利的，因为所有部件都在波导的同一侧上，而信息载体在波导的相对侧上。该设置便于在一个信息载体读取装置中实施。优选地，第一表面1207-1307-1407与第二表面1208-1308-1408使在所述孔径阵列1202-1302-1402的输出处产生的光束重新能成像在反射型相位调制器1206-1306-1406上。
平面系统的所有实施例具有共同之处它们使用反射方式的相位调制器。因为光束经过反射型相位调制层两次，所以其允许倍增被施加到光束上的相位偏移(由等式1-4定义)。与图9中所示的实施例类似地，反射型相位调制器1206-1306-1406的每个像素可以电寻址。硅基液晶(LCOS)技术在那种情况下可以有利地使用。
图16示出了第一反射单元1609与第二反射单元1610的详细示图。
第一反射光束的反射角可以由三角型结构的角度α1确定，第二反射光束的反射角可以由三角型结构的角度α2确定，所述三角形结构置于波导1603的第二表面1608的一侧上。
反射角也可以在根据输入光束波长λ的量级选择结构的间距p时确定，从而规定一个炫耀光栅，第一阶衍射光束用作输出偏离的光束。
该系统有利地可以实施于用于读取存储于信息载体上的读取装置中。
现在将描述用于产生高质量光学探头阵列的方法及装置，该光学探头阵列可以应用于上述系统。该技术克服了在Talbot效应中由基本的光学像差所引起的限制，并且允许达到更高的数据密度。该方法包括对用于产生探头的孔径阵列中的像差进行预补偿。实际上，孔径阵列可以由相位掩模(也称为像差光学元件)代替。相位掩模可以具有离散的相位阶跃。
数值模拟已经证实了高质量探头的产生，并且显示这可由相对简单的纯相位掩模来实现。
首先，显示了由Talbot效应中的像差所引起的限制。考虑一个周期性物体(periodic object)，如图2中的掩模202，其具有周期p和长度L。对应于单个单位单元的波矢由kq＝2π/p表示。在图2中好在周期性物体202后面的光束204的电场E(x，z＝0)由下式给出E(x,z=0)=Σn=-∞∞Eneinkqx·F(xL)---(1.1)]]>其中当|x|＜1/2时F(x)为1，否则为0(F(x)决定物体的有限尺寸)。系数En是周期性物体的单个单位单元的传输函数Ecell(x)的傅立叶分量。
En=1p∫-p/2p/2Ecell(x)e-inkqxdx----(1.2)]]>物体的有限尺寸导致去除傅立叶分量。
E^(k)=∫dxΣn=-p/λp/λEneinkqxF(xL)]]>=Σn=-p/λp/λEnsinc((nkq-k)L)---(1.3)]]>注意到该求和仅限于正在传播的波(propagating wave)，因而|n|必须小于p/λ。
在距物体距离z处的场由下式给出E(x,z)=12π∫dk[e-ikxeixk02-k2Σn=-p/λp/λEnsinc((nkq-k)L)]---(1.4)]]>当物体是无限大时，sinc变成了δ函数
E(x,z)=Σn=-p/λp/λEne-inkqxeizk02-(nkq)2---(1.5)]]>当En是单个单位单元的傅立叶变换时，等式(1.5)是逆向变换，函数zk02-(nkq)2]]>可以被看做相位像差。
相位像差项可以被扩展为zk02-(nkq)2=2πλz(1-kq22k02n2-kq48k04n4+...)---(1.6)]]>当仅仅离散的n值起作用时，z可以被选择成使得第二阶项被消掉kq22λk02=m]]>zT=m2p2λ---(1.7)]]>其中m是整数。
在旁轴近似(其中等式(1.6)中高阶项被忽略)中，单位单元在Talbot距离zT处很完美地成像。当旁轴近似无效(在单位单元具有波长量级的结构的情况下)时，较高阶项使得成像过程失真。根据传统成像中的像差类推，等式(1.6)中的第四阶项可以与表示球面像差相关联。
图17中示出了在周期性图案(孔径阵列)之后的强度分布。该结构在图像的底部，且包括小孔径阵列(直径1λ，间距20λ)。Talbot距离(800λ)由水平线表示。可以看出，在该结构中的强度分布被“成象”在Talbot距离。可以观察到影响图像质量的两个因素1)阵列的有限尺寸，其主要影响图像边缘处的光点，以及2)像差。像差的效果被明显地看成是图像的垂直移位，即实际上最佳焦距位于稍微更靠近于阵列而不是Talbot距离。这可以通过最准确的“焦距”位于水平线稍微以下的情况下观察到。像差也使得光点质量下降。
图18图示说明使用孔径阵列产生探头阵列。A)是平面波照明。B)是提高传输效率的透镜阵列。C)是孔径阵列，D)是探头阵列。对于低数据密度系统(其中光学探头可以相对较大)，不会预期像差是基本问题。然而，为了增加数据密度，有效的数值孔径也需要增加，像差将形成基本的限制。因此，用于校正或者防止像差的方法在需要高密度系统时是必要的。
本发明的一个实施例包括一种用于校正相位像差的方法其中通过设计源阵列来使得引起像差的相位因子被预先补偿。这导致产生可以放置于平行光束(图19)中的掩模。在一个可选的实施例中，掩模被设计成使得其可以置于孔径阵列(图20)之后。在某些情况下，这导致产生更简单的掩模。
图19示出了使用相位掩模或像差光学元件(E)来产生探头阵列和预补偿像差。相位掩模例如可以被实施为蚀刻于玻璃片中的高度分布，或者实施为在透明基底上复制的高度分布。
图20图示说明把相位掩模与孔径阵列结合起来使用。在这个实施例中，相位掩模被置于跟孔径给定距离处。要求不同的校正函数可以使掩模设计更简单。
为了能容易地生产掩模，简化它的设计更可取。这可通过以下措施达到1)忽略幅度调制(使用纯相位掩模)，2)仅使用离散相位阶跃和/或3)修改计算出的掩模以去除小的特征(如在预定尺寸限制之下的难以制造的特征)。
数值模拟

上面显示了如何用伪码来生成掩模。在该伪码中，项sqrt表示平方根，exp x表示指数函数ex，x**y表示xy。作为kq的倍数的纯空间频率被用来确保我们具有一个周期性的物体。在这个例子中，选择要平滑地减少(通过使用高斯形状)的衍射级的幅值(ampl)。该减少决定有效的数值孔径。相位项(corr)决定衍射级的相位。当这些相位取为相等(corr＝0)时在源处有一个光点阵列(在图21中示出)以及在Talbot距离处具有一个像差严重的图像(在图22中示出)。
图21图示说明了当不存在像差时的探头。右手侧图像已进行了伽马校正以提高低密度结构的可见性。图像大小在水平方向上是40个波长，在垂直方向上是200个波长。阵列的周期性是20个波长。所述探头由上面讨论过的伪码生成。
图22图示说明了像差的效果。在使用图21中的结构作为源时，该强度图案在Talbot距离处得到。
当选择相位来校正像差(用如上面方框中所示的zc Talbot距离和corr)时，提供无像差图像(图23)，但是其代价是源更为复杂(图24)。
图23图示说明了当使用完全校正掩模(即没有简化)时在Talbot距离处的图像。在伪码(见上面)中，对于相位项使用如下的表达式corr＝zc*(sqrt(k0**2-kx**2)-k0+(1/2)*kx**2/k0)。图24图示说明了用于产生图23的光点的掩模(单个单位单元)的幅度(左)和相位(右)分布。
接下来，源被简化，以证明是否可能使用可以更容易制作的掩模。这里通过首先设定传输幅度为1(仅仅保持所述相位分布，图25)来实现。
图25显示当掩模的幅度被设定为1时在Talbot距离处的图像，其仅仅保持所述相位分布。可以看到质量仍然很好。因此显示了其幅度项可以被忽略。图26示出了用于产生图25的光点的掩模(单个单位单元)的幅度(左)和相位(右)分布。

接下来，选择了掩模中的离散的相位阶跃，如上面伪码所表示的。(图27及图28)。运算int表示那个数被四舍五入至最接近的整数。可以看到这几乎不影响图像质量。用于使相位掩模离散化的伪码显示于上面的方框中。使用是π/n的倍数的纯相位值(在全息中整个具有2n个台阶)。
图27示出了使用具有4个离散的相位台阶(-1/2π，0，1/2π，π)的掩模时在Talbot距离处所得到的图像。在离散化的伪码中，n＝2。图28示出了用于产生图27中所示的探头的掩模(该掩模幅度被保持等于1)。
最后，手动改变掩模以优化可制造性是可能的。在图29和图30中示出了一个例子。图29示出了在手动修改掩模时在Talbot距离处所得到的图像，去掉预定阈值以下的特征，以使得生产更容易(来自图28中的掩模的一些最小特征已被去除)。虽然随后一直没有任何广泛的优化程序，但是图像质量已经很好(即与图22相比较)。图30示出了用于产生图29中所示的探头的掩模(幅度保持等于0)。掩模仅仅具有三个不同的相位级别，且结构处在波长的量级。
虽然上述模拟涉及一维阵列，但是将明白的是，这些结论对于二维阵列及掩模也都是有效的。另外，在上面的描述中，通常假设设置阵列光学元件以在距阵列光学元件基本上为Talbot距离处产生辐射光点阵列。然而，将明白的是，阵列光学元件可以被设置成能在不同距离处产生光点。像差光学元件可以被设置成能校正辐射光点中的光学像差，使得焦距处在任何预定的位置。同样地，像差光学元件可以被设置成能改变光点的位置。例如，如果阵列光学元件被设置成在近轴的Talbot距离处产生辐射光点阵列，那么像差光学元件可以被设置成能应用一个用于校正辐射光点中的光学像差的预定的光学像差以及一个预定的光学函数，从而去改变光点的位置z(即，沿光学路径的光点与阵列光学元件之间的距离)。
在上面，通常像差光学元件被描述为与阵列光学元件分隔开的分立的单元。然而，将明白的是，这两个元件可以被形成为单一的、邻近的单元。可选地，阵列光学单元可以形成像差光学元件的一部分，即像差光学元件被设置成不仅校正辐射光点中的光学像差，而且产生辐射光点阵列。
使用动词“包括”及其各种变化形式不排除存在除了权利要求书中所记载的之外的元件或步骤。在元件或步骤之前使用的量词“一个”并不排除存在多个子这种元件或步骤。
(按照条约第19条的修改)1.一种用于扫描信息载体的光学扫描设备，该设备包括阵列光学元件(B，C)，其被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成二维阵列的辐射光点(D)；以及其中该设备还包括像差光学元件(E)，其被设置成将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点(D)中的光学像差。
2.根据权利要求1所述的设备，其中像差光学元件(E)位于阵列光学元件及辐射光点之间的光学路径上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中像差光学元件(E)位于入射辐射束与阵列光学元件之间的光学路径上。
4.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被设置基本上仅改变辐射的相位。
5.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)包括具有基本上均匀折射率的透明材料，材料的厚度在整个元件上变化以提供预定的光学像差。
6.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被形成为分立的设备。
7.根据权利要求1-5中任何一项所述的设备，其中像差光学元件(E)包括所述阵列光学元件(C)。
8.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中阵列光学元件是透镜阵列(B)或者孔径阵列。
9.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中阵列光学元件(C)被设置成在基本上距阵列光学元件(C)Talbot距离处产生光点。
10.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被设置成施加预定的光学像差，用于校正因阵列光学元件的有限尺寸而产生辐射光点(D)中的光学像差。
11.根据上述任何一项权利要求所述的设备，还包括包括光学传感器阵列的检测器，光学传感器阵列被设置成检测来自所述信息载体所产生的输出光束阵列的信息。
12.一种用于扫描信息载体的光学扫描设备中的像差光学元件，该设备包括被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束生成二维阵列的辐射光点(D)的阵列光学元件(B，C)；
其中像差光学元件(E)被设置成将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点中的光学像差。
13.一种扫描信息载体的方法，该方法包括从用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成二维阵列的辐射光点(D)；以及将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点中的光学像差。
14.一种用于制造扫描信息载体的光学扫描设备的方法，该方法包括提供被设置成由用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成二维阵列的辐射光点(D)的阵列光学元件(B，C)；以及提供被设置成将预定的光学像差施加到辐射以用于校正辐射光点(D)中的光学像差的像差光学元件(E)。
权利要求
1.一种用于扫描信息载体的光学扫描设备，该设备包括阵列光学元件(B，C)，其被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成辐射光点阵列(D)；以及其中该设备还包括像差光学元件(E)，其被设置成将预定的光学像差施加到辐射，用于校正辐射光点(D)中的光学像差。
2.根据权利要求1所述的设备，其中像差光学元件(E)位于阵列光学元件及辐射光点之间的光学路径上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中像差光学元件(E)位于入射辐射束源与阵列光学元件之间的光学路径上。
4.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被设置基本上仅改变辐射的相位。
5.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)包括具有基本上均匀折射率的透明材料，材料的厚度在整个元件上变化以提供预定的光学像差。
6.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被形成为分立的设备。
7.根据权利要求1-5中任何一项所述的设备，其中像差光学元件(E)包括所述阵列光学元件(C)。
8.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中阵列光学元件是透镜阵列(B)或者孔径阵列。
9.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中阵列光学元件(C)被设置成在基本上距阵列光学元件(C)Talbot距离处产生光点。
10.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其中像差光学元件(E)被设置成施加预定的光学像差，用于校正因阵列光学元件的有限尺寸而产生的辐射光点(D)中的光学像差。
11.根据上述任何一项权利要求所述的设备，还包括一个包含光学传感器阵列的检测器，其被设置成检测来自所述信息载体所产生的输出光束阵列的信息。
12.一种用于扫描信息载体的光学扫描设备中的像差光学元件，该设备包括被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束生成辐射光点阵列(D)的阵列光学元件(B，C)；其中像差光学元件(E)被设置成将预定的光学像差施加到辐射，用于校正辐射光点中的光学像差。
13.一种扫描信息载体的方法，该方法包括从用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成辐射光点阵列(D)；以及将预定的光学像差施加到辐射用于校正辐射光点中的光学像差。
14.一种用于制造用于扫描信息载体的光学扫描设备的方法，该方法包括提供被设置成从用于扫描信息载体的入射辐射束(A)生成辐射光点阵列(D)的阵列光学元件(B，C)；以及提供被设置成将预定的光学像差施加到所述辐射以用于校正辐射光点(D)中的光学像差的像差光学元件(E)。
全文摘要
一种光学扫描设备，用于扫描信息载体。该设备包括阵列光学元件，其被设置成从入射辐射束生成阵列辐射光点以用于扫描信息载体。该设备还包括像差光学元件，其被设置成将预定的光学像差施加到辐射，用于校正辐射光点中的光学像差。
文档编号G11B7/12GK101048818SQ200580036598
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月25日
发明者R·亨德里克斯, S·斯塔林加, B·亨德里克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司