БЛОК ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОГО НОСИТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ДАННЫХ Российский патент 2024 года по МПК G11B7/24044 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройствам оптического считывания информации, а именно к устройствам, считывающим с помощью лазерного излучения оптически записанную информацию со стеклянных носителей с многоуровневым кодированием.

Уровень техники

Стремительный рост объема цифровой информации, требующей долговременного хранения, порождает проблему создания долговечных носителей информации.

Кварцевое и ряд других оксидных стекол позволяют осуществить многослойную запись информации, которая кодируется в виде небольших областей (ячеек), подвергшихся лазерному облучению. Эти модифицированные области отличаются по оптическим свойствам от исходной среды, что необходимо для дальнейшего считывания записанной информации. Надежность сохранения информации на практически неограниченное время (порядка тысячелетий) при минимальных требованиях к условиям хранения самих носителей, как правило, реализуется за счет использования материала носителя, устойчивого к внешним воздействия. При этом плотность записанной на носителе информации в большинстве случаев зависит от используемого способа записи такой информации. Получивший наибольшее распространение способ записи информации на носитель из оптически прозрачного материала основан на изменении поляризационно-зависимого двулучевого преломления в анизотропной ячейке информации, созданной в объеме носителя фемтосекундным лазерным излучением [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 033901. Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] Подобный способ позволяет осуществлять запись в трех пространственных измерениях (X, Y, Z) в толще оптически прозрачного носителя при одновременном кодировании информации в виде направления оптической оси и уровня фазового сдвига между обыкновенной и необыкновенной волной одновременно. Это позволяет реализовать многоуровневое кодирование информации в носителе, то есть закодировать в одной измененной лазерным импульсом области более одного бита информации и тем самым увеличить плотность записи информации и снизить стоимость хранения данных в облачных хранилищах.

Создание с помощью фемтосекундного лазерного излучения анизотропных структур, обладающих двойным лучепреломлением, возможно в различных материалах, причем как в их объеме, так и на поверхности. Анизотропные структуры были получены в таких материалах, как, аморфный кремний [R. Drevinskas, M. Beresna et al. “Giant birefringence and dichroism induced by ultrafast laser pulses in hydrogenated amorphous silicon” // Appl. Phys. Lett. 106, 171106 (2015)], халькогенидные стеклообразные полупроводники [A.M. El-Naggar, A.A. Albassam et al. “Laser-induced gratings in Ag₃AsS₃ semiconductors” // Physica B: Condensed Matter 569, 36-39 (2019)] и нанопористые кварцевые стекла [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 033901. Beresna, Martynas, et al. “Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses.” Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.]. Тем не менее, на данный момент для приложений оптической памяти с многоуровневым кодированием наибольший интерес представляет именно последний из вышеуказанных класс материалов.

Для считывания оптической информации с оптически прозрачного носителя с многоуровневым кодированием основной задачей является определение ориентации оптической оси и фазового сдвига в устройствах, основанных на использовании источника оптического излучения, зондирующего носитель информации на основе кварцевого стекла, и детектора, проходящего через носитель сигнала [US7372567, US7202950], [Patrick Anderson, Richard Black et al. “Glass: A New Media for a New Era?” // HotStorage '18 Workshop, July 9-10, 2018, Boston, MA USA], [Техническое описание на систему Abrio Microbirefringence фирмы Hinds Instruments, http://www.hindsinstruments.com/wp-content/uploads/Abrio-Product-Bulletin.pdf]. Как правило, оба плеча оптической системы - с источником света и детектором - имеют поляризационные элементы (например, жидкокристаллические фазовые пластинки) для возможности произвольного изменения поляризации, как зондирующего излучения, так и анализируемого света, выходящего из носителя информации. Однако при этом носитель информации должен быть снабжен средством его быстрого и прецизионного перемещения относительно зондирующего пучка излучения.

Известно устройство для считывания информации [Техническое описание на изделие Анализатор поляризации РАХ5710/РАХ5720 фирмы Thorlabs GmbH, 2008], в котором используется анализатор с замедлителями, изготовленными из жидких кристаллов, а регистрация прошедшего излучения осуществляется единичным фотоприемником с последующей обработкой и выводом информации на персональный компьютер. Однако для определения поляризационных свойств считываемых областей требуется производить последовательную съемку нескольких изображений (3 и более кадра; обычно не менее 4, например, как в устройстве по патенту [US11422086]) каждого участка образца (носителя информации), а также съемку изображения фона без образца, что значительно увеличивает длительность и трудоемкость работы. Это требуется по причине того, что анизотропная ячейка носителя информации на основе, например, кварцевого стекла обладает двумя дополнительными степенями свободы: углом поворота оптической оси и величиной оптической задержки обыкновенного и необыкновенного лучей. При этом размер одновременно считываемой области образца (носителя информации) ограничен полем зрения микроскопа, а перемещение между соседними участками осуществляется в пошаговом режиме и требует участия оператора.

Таким образом, недостатками указанных известных устройств являются размеры одновременно считываемой области и оптического носителя, ограниченные размером предметного столика лабораторного оптического микроскопа, а также скорость считывания, ограниченная возможностями используемых средств перемещения оптического носителя и необходимостью делать несколько кадров одной и той же ячейки для анализа анизотропии. Следовательно, подобные устройства на основе оптических поляризационных микроскопов обладают ограниченным практическим применением в качестве систем считывания информации.

Известно устройство считывания данных с носителя из стекла по патенту CN111508534, где повышение скорости считывания данных реализовано посредством уменьшения числа кадров, необходимых для поляризационного анализа изображения. При этом используется параллельный анализ изображений одной и той же анизотропно структурированной ячейки с информацией, полученных при различной поляризации света, осуществляемый при помощи разделения излучения с различными состояниями поляризации посредством поляризационного светоделителя. Однако данный подход требует наличия не менее двух детекторов изображения (видеокамер), что усложняет оптическую схему устройства считывания.

В заявленном устройстве используется один детектор изображения в виде высокоскоростной камеры, что позволяет упростить оптическую схему устройства и снизить его стоимость.

Известно устройство считывания данных по патентам [RU2710388, RU191298], где для разделения излучения с различными состояниями поляризации вместо поляризационного светоделителя используется пентапризма. Устройство позволяет провести одновременный анализ четырех и более сигналов с различным поляризационным состоянием, однако при этом предполагается последовательный анализ единичных ячеек, например, с помощью фотодиода. Осуществление же съемки большого массива данных с помощью видеокамеры в указанных патентах также является проблематичным, так как представляемая в вышеуказанных патентах система использует 4 и более анализируемых луча, что требует соответствующее количество (4 и более) видеокамер.

Другим подходом для уменьшения числа кадров, необходимых для поляризационного анализа изображения, является использование при анализе 2 и более монохроматических пучков с различной длиной волны, облучающих носитель информации одновременно. Известно устройство считывания данных с носителя из стекла по патенту [US11422086], использующее данный подход, которое позволяет осуществлять съемку сразу большого массива ячеек за один кадр. При этом для съемки массива данных в нем используется всего одна видеокамера. Однако взамен требуется, соответственно, наличие двух и более источников излучения и цветного сенсора камеры, что также усложняет систему считывания данных.

Увеличение скорости считывания данных, помимо минимизации числа кадров, которые необходимо считать камерой для осуществления поляризационного анализа, может быть достигнуто также увеличением скорости съемки самих кадров, что, с одной стороны, требует наличия высокоскоростной видеокамеры машинного зрения, а с другой - наличия высокоскоростных прецизионных механических трансляторов, перемещающих носитель информации. Таким образом, задача, связанная с увеличением скорости считывания данных, является актуальной, несмотря на возможность применения высокоскоростных камер для считывания информации из стеклянного носителя.

Наиболее близким к заявленному решению является устройство считывания данных с носителя из стекла [патент US10672428], представляющее собой оптическую систему, состоящую из источника поляризованного излучения, анализирующей камеры и контроллера считывания. Источник поляризованного излучения может представлять собой маломощный диодный лазер или другой источник поляризованного света. Контроллер считывания функционально соединен с источником поляризованного излучения и сконфигурирован для управления углом плоскости поляризации излучения источника. Камера может включать в себя КМОП-матрицу с высоким разрешением и высокой частотой кадров или другую подходящую матрицу фотодетекторов. Камера регистрирует зондирующее излучение от источника, проходящее или отраженное от массива ячеек носителя с информацией. Изображение ячеек с информацией, получаемое камерой при различных состояниях поляризации, при этом, может быть, как составным (разные области КМОП-матрицы отвечают за разное состояние поляризации), так и в виде серий из нескольких кадров, снятых в быстрой последовательности. В последнем случае камера анализатора через контроллер считывания может осуществлять управление поляризацией зондирующего излучения, например, в виде электрически управляемой жидкокристаллической фазовой пластинки или ячейки Поккельса. В конкретном случае камера осуществляет съемку четырех последовательных кадров, за период времени, пока поляризация зондирующего излучения принимает четыре различных состояния.

Однако в изобретении по патенту US10672428 отсутствует описание средства перемещения образца. Вместе с тем, для получения высокой скорости считывания помимо высокоскоростной камеры, снимающей изображения массива ячеек, необходимо быстро перемещать образец относительно поля зрения камеры с высокой точностью, при этом осуществлять синхронизацию системы перемещения образца и камеры.

Технической проблемой является разработка устройства, обеспечивающего высокоскоростное считывание информации с оптического носителя с многоуровневым кодированием посредством обеспечения быстрого и точного прецизионного перемещения носителя информации.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является разработка устройства для считывания информации с носителя с многоуровневым кодированием с использованием пневмомеханических трансляторов, способных перемещать держатель с носителем информации и объектив друг относительно друга, по меньшей мере, в двух направлениях (по осям Х и Y, либо по радиусу R и на угол ϕ) в плоскости носителя информации, а также с возможностью перемещения по оси Z с возможностью считывания информации с носителя со скоростью не менее 30 Мбит/с, осуществляемого за счет варьирования оптической анизотропии материала носителя. Устройство характеризуется компактностью, надежностью считывания информации, простотой сборки и эксплуатации.

Технический результат достигается с помощью блока прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации в устройстве для считывания данных с многоуровневым кодированием, включающего, по меньшей мере, три пневмомеханических транслятора, выполненные с возможностью перемещения по направляющим по взаимно ортогональным осям, каждый из которых содержит основание с направляющими и платформу, выполненную с возможностью перемещения по направляющим на воздушной подушке, формируемой в зазоре между основанием и платформой для обеспечения более точного позиционирования размещаемого на трансляторе носителя информации. Два пневмомеханических транслятора предназначены для позиционирования носителя информации и выполнены горизонтально ориентированными, при этом основание первого транслятора неподвижно закреплено на горизонтально ориентированной плите, основание с направляющими второго транслятора неподвижно закреплено на платформе первого транслятора. Третий транслятор предназначен для позиционирования объектива и размещен перпендикулярно первым двум трансляторам на вертикально ориентированной плите, также снабжен средством крепления объектива с возможностью его размещения на одной оптической оси с носителем информации. Кроме того, блок прецизионного позиционирования содержит держатель носителя информации, подвижно закрепленный на платформе второго транслятора на вертикальной поворотной оси, выполненной также с возможностью возвратно-поступательного перемещения по платформе и по вертикальной оси; при этом держатель выполнен с окном для оптического излучения в области размещения носителя информации и прижимными подпружиненными элементами.

Держатель носителя информации может быть выполнен в виде П-образной пластины, на концах снабженной ложементом для размещения носителя информации.

В качестве трансляторов могут быть использованы линейные трансляторы Aerotech ABL1000.

В конкретном варианте осуществления изобретения средство фиксации объектива на третьем трансляторе выполнено с возможностью поворота объектива по двум взаимно перпендикулярным осям, ортогональным оптической оси объектива.

Технический результат достигается также устройством для считывания данных с оптически прозрачного носителя с многоуровневым кодированием, содержащим блок прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации; источник оптического поляризованного монохроматического излучения; оптический блок, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси рассеивающую линзу, поляризатор, первое зеркало, объектив, второе зеркало, анализатор; детектор (или приемник) оптического излучения, выполненный в виде цифровой видеокамеры с ПЗС-матрицей, установленной за анализатором оптического блока; контроллер управления и считывания данных, выполненный с возможностью управления параметрами поляризатора, анализатора, блока прецизионного позиционирования, обеспечивающего перемещение носителя информации относительно объектива. При этом рассеивающая линза, поляризатор, первое зеркало, установлено на одном кронштейне, второе зеркало, анализатор, детектор оптического излучения - на втором кронштейне, с обеспечением расположения рассеивающей линзы между источником излучения и поляризатором, расположения первого зеркала - под держателем носителя информации, расположения объектива - между держателем носителя информации и объективом, расположения второго зеркала - над объективом.

В одном из вариантов осуществления изобретения зеркало в кронштейне закреплено с возможностью его юстировки.

Кронштейн может быть выполнен из четырех параллельно расположенных стержней с образованием квадрата в поперечном сечении.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения источник оптического поляризованного монохроматического излучения представляет собой источник импульсного или непрерывного лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 400-700 нм;

Поляризатор и анализатор могут представлять собой четвертьволновую пластинку, или жидкокристаллическую фазовую пластинку или ячейку Поккельса, выполненные с возможностью перестройки оптического запаздывания в диапазоне от 0 до λ, где λ - длина волны источника оптического излучения.

Объектив может быть выполнен с возможностью не менее 20-ти кратного увеличения и числовой апертурой не менее 0,42.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения цифровая видеокамера машинного зрения выполнена с разрешением не менее 1080×1000 и с возможностью максимальной скоростью съемки не менее 1000 кадров/с.

Отличительными признаками заявленного устройства от наиболее близкого аналога является выполнение блока прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации с пневмомеханическими трансляторами, позволяющими осуществлять быстрое и прецизионное перемещение носителя информации относительно объектива, синхронизируемое с работой видеокамеры, поляризатора и анализатора с помощью контроллера управления и считывания данных, что позволяет повысить скорость и точность считывания информации из оптических носителей с многоуровневым кодированием.

В заявляемом изобретении использован блок прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации, включающий, по меньшей мере, три пневмомеханических транслятора, позволяющий увеличить размеры считываемой области оптического носителя, поскольку трансляторы обладают большей величиной хода, чем размер предметного столика, а также увеличить скорость считывания информации, поскольку пневмомеханические трансляторы характеризуются высокой скоростью перемещения платформы с размещенным на ней носителем информации при одновременном сохранении прецизионности перемещений, что в сочетании с высокоскоростной камерой позволяет быстро и синхронно считывать с носителя информации большую по сравнению с аналогами область.

Устройство считывания информации со стеклянных носителей с многоуровневым кодированием может быть совмещено с записывающим устройством, для чего источник зондирующего излучения может быть совмещен с источником фемтосекундного лазерного излучения, используемого для записи информации в стеклянный носитель. Помимо этого, излучение фемтосекундного лазера может выполнять функции как записывающего, так и зондирующего излучения.

Описываемое устройство позволяет существенно повысить плотность записи информации в оптических носителях на основе стекла за счет возможности использования многоуровневого кодирования информации в каждой ячейке; а также существенно повысить скорость считывания записанной в таких носителях информации за счет быстрого прецизионного перемещения образца относительно зондирующего излучения с помощью системы пневмомеханических трансляторов.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема заявленного устройства; на фиг. 2 - схема варианта конфигурации блока прецизионного позиционирования, где два транслятора перемещают носитель информации в одной плоскости (по осям X и Y), а третий транслятор перемещает объектив перпендикулярно данной плоскости (по оси Z); на фиг. 3 - схема варианта конфигурации блока прецизионного позиционирования, где три транслятора перемещают носитель информации по трем взаимно ортогональным координатам (по осям X, Y и Z), а объектив установлен статично; на фиг. 4 - схема варианта конфигурации блока прецизионного позиционирования, где один транслятор перемещает носитель информации по оси R поступательно, второй - вращает транслятор вокруг оси ϕ в горизонтальной плоскости, а третий транслятор перемещает объектив перпендикулярно данной плоскости (по оси Z); на фиг. 5 - схема варианта конфигурации блока прецизионного позиционирования, где два транслятора перемещают носитель информации в одной плоскости (по осям X и Y), а объектив установлен статично; на фиг.6 представлено изображение массива ячеек, полученное высокоскоростной видеокамерой; на фиг. 7 представлено изображение ячеек с различной оптической анизотропией, полученное высокоскоростной видеокамерой; на фиг. 8 - пример реализации заявленного устройства; на фиг. 9 - пример реализации блока прецизионного позиционирования заявленного устройства.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - источник оптического поляризованного монохроматического излучения, 2 - поляризатор, 3 - пневмомеханические трансляторы, 4 - держатель носителя информации, 5 - объектив, 6 - анализатор, 7 - цифровая высокоскоростная видеокамера машинного зрения, 8 - контроллер управления и считывания данных, 9 - первый персональный компьютер, 10 - второй персональный компьютер, 11 - плата захвата изображения, 12 - система кронштейнов с держателями оптических элементов, 13 - зеркала, 14 - рассеивающая линза, 15 - основание пневмомеханического транслятора, 16 - платформа пневмомеханического транслятора, 17 - плита, 18 - окно держателя, 19 - прижимные подпружиненные элементы держателя.

Осуществление изобретения

Подробное описание настоящего изобретения является иллюстрацией одного из возможных вариантов использования заявленного устройства. В этой связи описание отдельных примеров устройства не должно использоваться для ограничения возможности реализации изобретения. Другие варианты осуществления и преимущества заявленного устройства, не указанные в настоящем описании, являются очевидными для специалистов в данной области техники. Соответственно, чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные по своему характеру, не ограничивающие сущность изобретения.

При описании заявленного изобретения использованы следующие термины и определения.

Двулучепреломление (двойное лучепреломление) - оптическое свойство анизотропного материала, заключающееся в том, что его показатель преломления зависит от направления распространения света; при этом происходит расщепление падающего света на две волны с разной поляризацией и скоростью распространения.

Поляризация - направление колебаний вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны (света).

Обыкновенная и необыкновенная волны - две волны, на которые происходит расщепление света, попадающего в двулучепреломляющий материал; показатель преломления среды для них различен, а поляризация взаимно ортогональна.

Оптическая ось - направление в двулучепреломляющем материале, при распространении вдоль которого показатели преломления среды для обыкновенной и необыкновенной волн совпадают; при этом поляризация обыкновенной волны всегда ортогональна данной оси, а поляризация необыкновенной волны лежит в плоскости, образованной направлением распространения волны и оптической осью. Как следствие, значение показателя преломления для обыкновенной волны одинаково при всех направлениях распространения, а для необыкновенной - зависит от угла между направлением вектора напряженности электрического поля и оптической осью материала. Данный угол меняется в пределах от 0 до 90°, а показатель преломления необыкновенной волны становится равным показателю преломления обыкновенной волны при значении данного угла в 90°.

Фазовый сдвиг - величина запаздывания обыкновенной волны от необыкновенной или наоборот, обусловленная различием в показателях преломления для обыкновенной и необыкновенной волн.

Многоуровневое кодирование - осуществление записи информации в цифровом виде, когда одна ячейка содержит в себе более одного бита информации.

В заявленном устройстве считывание и дешифровка информации из ячеек оптического носителя с многоуровневым кодированием, осуществляемым за счет различий в оптической анизотропии данных ячеек, реализовано путем пропускания через массив ячеек зондирующего лазерного излучения с линейной или круговой поляризацией и поляризационного анализа прошедшего излучения; при этом размер массива одновременно анализируемых ячеек составляет не менее 100х100 ячеек. Оптическая анизотропия ячеек - двойное лучепреломление - приводит к возникновению обыкновенной и необыкновенной волн в пределах ячейки. При этом кодирование информации осуществляется как за счет изменения ориентации оптической оси ячейки, так и за счет изменения величины запаздывания обыкновенной и необыкновенной волн, проходящих через данную ячейку.

Заявленное устройство включает источник 1 зондирующего оптического поляризованного монохроматического излучения, например, источник лазерного излучения или иной источник импульсного или непрерывного поляризованного монохроматического излучения, в частности, с длиной волны в диапазоне 400 - 700 нм; поляризатор 2, представляющий собой четвертьволновую пластинку, жидкокристаллическую фазовую пластинку или ячейку Поккельса с возможностью перестройки оптического запаздывания в диапазоне от 0 до λ, где λ - длина волны источника оптического излучения (например, лазера), используемого в конкретном устройстве; блок прецизионного позиционирования 3, состоящий из не менее, чем двух трансляторов, выполненных с возможностью перемещения держателя 4 носителя информации по не менее, чем двум координатам; объектив 5 с числовой апертурой не менее 0.42; анализатор 6, который может быть выполнен как в виде жидкокристаллической фазовой пластинки или ячейки Поккельса, так и в виде поляроида или другого поляризационного приспособления; цифровую высокоскоростную видеокамеру 7 с ПЗС-матрицей; а также контроллер управления и считывания данных 8, выполненный с возможностью управления параметрами поляризатора 2, анализатора 6, трансляторов 3 для перемещения друг относительно друга держателя 4 с носителем информации и/или объектива 5.

Пневмомеханические трансляторы представляют собой основание 15 с направляющими и платформу 16, перемещаемую механическим микрометрическим винтом, приводимым в действие шаговым электродвигателем, либо с помощью линейного электродвигателя, пневмо- или гидроцилиндра, либо другим способом. Значимым элементом транслятора является воздушная подушка, позволяющая минимизировать передачу механических вибраций извне на носитель информации, а также обеспечить быстрое прецизионное перемещение носителя информации с минимумом энергетических затрат. Воздушная подушка реализована путем подачи воздуха в зазор между основанием транслятора и перемещаемой платформой через микроскопические отверстия или щели в основании.

Блок прецизионного позиционирования включает не менее двух трансляторов, установленных отдельно друг от друга, либо группой друг на друге. Так, в случае использования трех трансляторов, возможна конфигурация в виде пары трансляторов, установленных друг на друге и третьего отдельного транслятора (фиг. 2). Например, два линейных транслятора установлены взаимно ортогонально друг на друге, и позволяют перемещать носитель информации по двум координатам в плоскости XY; а третий транслятор с закрепленным на нем объективом, установлен отдельно над держателем носителей информации и позволяет перемещать объектив по оси Z, ортогональной плоскости XY. В данной конфигурации, как и в последующих, плоскость XY может быть ориентирована как горизонтально, вертикально, так и под любым углом; при этом ось Z должна быть ортогональна плоскости XY. Трансляторы, установленные друг на друге и осуществляющие перемещение в плоскости XY, также могут перемещать не носитель информации, а объектив, при этом в таком случае носитель информации установлен на транслятор, осуществляющий перемещение по оси Z.

Альтернативная конфигурация представляет собой три линейных транслятора, установленные друг на друге и позволяющие перемещать носитель информации, либо объектив по трем взаимно ортогональным декартовым координатам XYZ (фиг. 3); при этом объектив закреплен статично. Перемещение по двум взаимно ортогональным осям XY позволяет наводить объектив на разные области носителя информации, а с помощью транслятора, осуществляющего перемещение по оси Z, осуществляется фокусировка объектива. При этом, если перемещается объектив, то носитель информации закреплен статично, и наоборот.

В случае использования осесимметричных носителей информации в виде дисков или цилиндров, один из линейных трансляторов, перемещающий носитель информации по оси X или Y, в описанных конфигурациях может быть заменен на вращающий транслятор, осуществляющий поворот образца по углу ϕ. При этом второй транслятор из данной пары будет перемещать носитель информации вдоль его радиуса R. В таком случае перемещение образца происходит в полярной системе координат R и ϕ (фиг. 4).

Конфигурация может также включать 2 транслятора (фиг. 5), перемещающих носитель информации по осям X и Y или координатам R и ϕ. В этом случае могут быть использованы либо только однослойные носители информации, либо в случае многослойных образцов фокусировка осуществляется другим способом, например, с помощью объектива с перестраиваемым фокусным расстоянием.

Алгоритм работы заявленного устройства состоит в следующем.

Предварительно в держателе 4 размещают источник информации в виде оптически прозрачного носителя с многоуровневым кодированием. Носитель размещают над окном 18 держателя и фиксируют прижимными подпружиненными элементами 19 на держателе. Далее с помощью контроллера 8 управления и считывания данных запускают источник 1 оптического поляризованного монохроматического излучения, которое падает на носитель информации через поляризатор 2, отражается в объектив 5, проходит через анализатор 6 и поступает на камеру 7, которая передает информацию на контроллер 8. При этом контроллер 8 передает управляющий сигнал на объектив 5, которым производят фокусировку излучения на первом слое ячеек носителя информации. Одновременно контроллером 8 запускают движение трансляторов 3 и съемку видеокамерой 7. Управление поляризатором 2 и анализатором 6 синхронизуют с работой трансляторов 3 и камеры 7 с помощью контроллера 8. Поляризацию падающего на носитель (зондирующего) и прошедшего через него (анализируемого) излучения либо отраженного от него (анализируемого) излучения меняют с помощью поляризатора 2 и анализатора 6 соответственно. Причем поляризацию меняют в течение времени, пока поле зрения камеры 7 не сместится на величину, равную длине кадра. Таким образом, за один кадр держатель 4 носителя информации или объектив 5 смещают так, чтобы можно было осуществить съемку каждой области с ячейками два и более раз, в зависимости от необходимого числа кадров для дешифровки поляризационных состояний анизотропно структурированных ячеек. При достижении конца массива данных в первом слое ячеек с помощью объектива 5 производят фокусировку зондирующего излучения на следующий слой.

Альтернативным вариантом работы устройства при считывании является считывание всего слоя с фиксированной поляризацией зондирующего излучения, затем повторное считывание этого слоя с другой поляризацией зондирующего излучения.

При достижении конца массива данных во всех слоях носителя съемку видеокамерой 7 останавливают. Контроллером 8, в который входит, например, один или несколько персональных компьютеров производят анализ записанного видеофайла и дешифровку поляризационного состояния ячеек. Дешифрованная информация может записываться в файл в двоичном, шестнадцатеричном или другом цифровом формате.

Пример конкретного выполнения:

На фиг.1 схематично в виде блок-схемы представлено заявленное устройство, которое было реализовано в виде экспериментального образца устройства, представленного на фиг.8 и фиг.9, включающего блок прецизионного позиционирования 3, источник 1 оптического поляризованного монохроматического излучения, оптический блок 2, 5, 6, цифровую камеру 7, установленные на монтажном стенде в виде гранитных плит 17 на оптическом столе, контроллер управления и считывания данных 8. В качестве носителя информации была использована прямоугольная пластина из нанопористого стекла, в которой с помощью фемтосекундных лазерных импульсов был создан трехмерный массив ячеек с оптически анизотропными свойствами, позволяющими осуществлять многоуровневое кодирование. Изображение массива ячеек, полученное с помощью высокоскоростной камеры в неполяризованном свете, представлено на фиг. 6; размер ячеек составляет не более 2х2 мкм, а шаг между ними - 5 мкм. На фиг. 7 представлено изображение ячеек с различной оптической анизотропией, полученное с помощью высокоскоростной камеры при круговой поляризации падающего лазерного излучения. Видно, что при изменении ориентации оптической оси ячеек изменяется яркость проходящего через ячейку лазерного излучения.

Для позиционирования носителей информации относительно лазерного луча в трехмерном декартовом пространстве XYZ использовался блок прецизионного позиционирования 3, управление которым осуществлялось через контроллер управления и считывания данных 8 с помощью первого персонального компьютера 9. Подача воздуха в трансляторы блока прецизионного позиционирования 3 осуществлялась с помощью спирального безмасляного компрессора Remeza с ресивером и осушителем воздуха.

Блок прецизионного позиционирования 3 в данном варианте осуществления был реализован следующим образом. Два транслятора установлены горизонтально: первый транслятор установлен на горизонтально ориентированную гранитную плиту 17, а второй - на первый транслятор. На втором трансляторе установлен держатель 4 носителей информации, позволяющий закреплять носители информации горизонтально. Таким образом, с помощью указанных трансляторов носитель информации перемещался по двум взаимно ортогональным осям X и Y в пределах ±10 см от центра. Третий транслятор был установлен на вертикально ориентированной гранитной плите 17 («гранитном мосту») и располагался над держателем 4 носителя информации вертикально и перемещал объектив 5 вдоль вертикальной оси Z для осуществления его точной фокусировки, при этом сам объектив 5 мог перемещаться по вертикали в пределах от 0 до 25 мм, а в самой нижней точке, соответствующей 0 мм, нижний край объектива располагался над носителем информации на высоте 10 мм. При этом в составе третьего транслятора был реализован воздушный противовес для удержания объектива 5 в требуемом положении.

В качестве источника 1 оптического поляризованного монохроматического излучения использовался импульсный лазер с длиной волны излучения 515 нм, длительностью импульса 10 нс, частотой следования импульсов 35 кГц.

Управление поляризацией падающего зондирующего излучения осуществлялось с помощью поляризатора 2, представляющего собой жидкокристаллическую фазовую пластинку, изменяющую запаздывание между обыкновенным и необыкновенным лучами лазерного излучения на величину от 0 до λ=515 нм.

С помощью объектива 5 осуществлялся сбор лазерного излучения с последующим его заведением через анализатор 6, оптическая ось которого была расположена под углом 45° к вертикали, на высокоскоростную камеру машинного зрения 7, сопряженную со вторым персональным компьютером 10 контроллера 8 для обработки данных. Сопряжение осуществлялось через плату захвата изображения 11.

Заведение лазерного излучения на носитель информации производилось с помощью системы из дополнительных оптических элементов - зеркал и рассеивающей линзы, установленных на кронштейнах 12. Конфигурация дополнительных оптических элементов может варьироваться в зависимости от особенностей используемого носителя информации и конкретного устройства считывания. В представленном варианте реализации устройства считывания дополнительные оптические элементы были установлены на каркасной стержневой системе производства Thorlabs и включали в себя два зеркала 13 и рассеивающую линзу 14 с фокусным расстоянием 20 см.

Испытание опытного образца производилось для определения работоспособности следующих функций:

- возможности считывания информации, записанной с определенной плотностью при трехмерном расположении массива ячеек с информацией;

- возможности считывания информации, записанной в отдельной ячейке за счет различной величины оптической анизотропии;

- возможности скоростного считывания информации.

В процессе тестовых измерений независимо определялись три группы параметров системы считывания оптической информации:

- площадь поля зрения камеры (в виде числа одновременно считываемых ячеек, а также в мм²) и глубина фокуса;

- поляризационный контраст изображения по серой шкале (grayscale) от 0 до 255;

- скорость считывания информации в кадрах в секунду и в Мбит/с.

При испытаниях использовались оптические носители с шагом между ячейками с информацией 5 мкм, длина волны зондирующего излучения 515 нм, числовая апертура объектива 0,42, скорость съемки 2000 кадров в секунду, разрешение кадра 1000х1000 пикселей. Для перемещения носителя информации и объектива были использованы линейные трансляторы марки ABL1000 (Aerotech). Для управления скоростной видеокамерой было использовано ПО VisionPoint 2020.3 (Kaya Instruments), для управления пневмомеханическими трансляторами - ПО A3200 CNC Operator Interface v6.04.005 (Aerotech), для управления поляризатором и анализатором - ПО Thorlabs LCC25 v03304346 (Thorlabs), для управления источником лазерного излучения - ПО MatchBox Controller v1.16.0 (IntegratedOptics).

Для дешифровки поляризационных состояний ячеек при испытаниях устройства производилась съемка двух изображений каждой ячейки при прохождении лазерного излучения с линейной поляризацией, а также с левой круговой поляризацией, а затем при анализе изображений определялась яркость каждой ячейки на полученных изображениях, которая могла меняться от 0 до 255 в зависимости от поляризационного состояния ячейки.

В результате испытаний опытного образца были определены основные технические характеристики устройства: число одновременно детектируемых ячеек информации - 10403 при поле зрения камеры 0,26 мм², глубина фокуса 44 мкм, контраст изображения ячеек 216±16, скорость считывания не менее 1000 кадров в секунду (при скорости съемки камеры 2000 кадров в секунду и условии, что каждая ячейка снималась дважды с разными состояниями поляризации), что соответствует 31,209 Мбит/с.

Изобретение относится к устройствам оптического считывания информации со стеклянных носителей с многоуровневым кодированием. Устройство включает в себя блок прецизионного позиционирования носителя информации, источник излучения, оптический блок из последовательно расположенных рассеивающей линзы, поляризатора, первого зеркала, объектива, второго зеркала и анализатора, анализатора оптического блока, детектора в виде цифровой видеокамеры с ПЗС-матрицей, контроллер управления и считывания данных, управляющий параметрами поляризатора, анализатора, блока прецизионного позиционирования, обеспечивающих перемещение носителя информации относительно объектива. Блок прецизионного позиционирования включает в себя три пневмомеханических транслятора, выполненных с возможностью перемещения по направляющим по взаимно ортогональным осям, каждый из которых содержит основание с направляющими и платформу для перемещения по направляющим на воздушной подушке. Изобретение обеспечивает высокоскоростное считывание информации с оптического носителя с многоуровневым кодированием посредством обеспечения быстрого и точного прецизионного перемещения носителя информации. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Блок прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации в устройстве для считывания данных с многоуровневым кодированием, включающий

по меньшей мере, три пневмомеханических транслятора, выполненных с возможностью перемещения по направляющим по взаимно ортогональным осям, каждый из которых содержит основание с направляющими и платформу, выполненную с возможностью перемещения по направляющим на воздушной подушке, формируемой в зазоре между основанием и платформой,

два из которых предназначены для позиционирования носителя информации и выполнены горизонтально ориентированными, при этом основание первого транслятора неподвижно закреплено на горизонтально ориентированной плите, основание с направляющими второго транслятора неподвижно закреплено на платформе первого транслятора,

третий транслятор предназначен для позиционирования объектива, закреплен на вертикально ориентированной плите перпендикулярно первым двум трансляторам, снабжен средством крепления объектива с возможностью его размещения на одной оптической оси с носителем информации;

держатель носителя информации, подвижно закрепленный на платформе второго транслятора на вертикальной поворотной оси, выполненной также с возможностью возвратно-поступательного перемещения по платформе и по вертикальной оси; при этом держатель выполнен с окном для оптического излучения в области размещения носителя информации и прижимными подпружиненными элементами.

2. Блок по п.1, характеризующийся тем, что держатель носителя информации выполнен в виде П-образной пластины, на концах снабженной ложементом для размещения носителя информации.

3. Блок по п.1, характеризующийся тем, что в качестве трансляторов использованы линейные трансляторы Aerotech ABL1000.

4. Блок по п.1, характеризующийся тем, что средство фиксации объектива на третьем трансляторе выполнено с возможностью поворота объектива по двум взаимно перпендикулярным осям, ортогональным оптической оси объектива.

5. Устройство для считывания данных с оптически прозрачного носителя с многоуровневым кодированием, содержащее

- блок прецизионного позиционирования оптически прозрачного носителя информации, выполненный по п.1,

- источник оптического поляризованного монохроматического излучения,

- оптический блок, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси рассеивающую линзу, поляризатор, первое зеркало, объектив, второе зеркало, анализатор,

- детектор оптического излучения, выполненный в виде цифровой видеокамеры с ПЗС-матрицей, установленной за анализатором оптического блока,

- контроллер управления и считывания данных, выполненный с возможностью управления параметрами поляризатора, анализатора, блока прецизионного позиционирования, обеспечивающего перемещение носителя информации относительно объектива,

при этом рассеивающая линза, поляризатор, первое зеркало установлены на первом кронштейне, второе зеркало, анализатор, детектор оптического излучения – на втором кронштейне, с обеспечением: расположения рассеивающей линзы между источником излучения и поляризатором, расположения первого зеркала – под держателем носителя информации, расположения второго зеркала – над объективом.

6. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что источник оптического поляризованного монохроматического излучения представляет собой источник импульсного или непрерывного лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 400–700 нм.

7. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что поляризатор и анализатор представляют собой четвертьволновую пластинку, или жидкокристаллическую фазовую пластинку, или ячейку Поккельса, выполненные с возможностью перестройки оптического запаздывания в диапазоне от 0 до $$\lambda$$, где $$\lambda$$ – длина волны источника оптического излучения.

8. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что объектив выполнен с возможностью не менее 20-ти кратного увеличения и числовой апертурой не менее 0,42.

9. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что цифровая видеокамера выполнена с разрешением не менее 1080×1000 и с возможностью максимальной скоростью съемки не менее 1000 кадров/с.