CN100376002C - 兼容型光学拾取头和使用其的光学记录及/或重放装置 - Google Patents

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Abstract

一种兼容型光学拾取头包括一种光学部件和一种聚焦部件。光学部件为高密度记录介质射出短波长的光，为低密度记录介质射出长波长的光，它把短波长和长波长的光导向一种记录介质，接收由记录介质反射的光，并从接收的光中检测信息重放信号及/或误差信号。聚焦部件把从光学部件接收的光在记录介质的表面聚焦成一个光点，它把短波长的光衍射成零次光，并把长波长的光衍射成二次光以便用作记录及/或重放信息的有效光。因此，具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质可以被兼容地使用。

Description

兼容型光学拾取头和使用其的光学记录及/或重放装置
相关申请的交叉引用
本申请要求韩国专利申请号为No.2003-51635的权益，此申请于2003年7月25日在韩国知识产权局提交，其公开内容在此全部引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种光学记录及/或重放装置，更具体而言，本发明涉及一种兼容型的光学拾取头和一种采用该兼容型拾取头的光学记录及/或重放装置，该光学拾取头可兼容地采用一种使用蓝光的高密度记录介质，和一种记录密度比该高密度记录介质要低的低密度的记录介质。
背景技术
光学记录及/或重放装置使用一由物镜聚焦的光点把信息记录到一种圆盘形记录介质或由此介质重放信息。在光学记录及/或重放装置中，记录容量由光点的尺寸决定。光点的尺寸(S)由光的波长(λ)和物镜的数值孔径(NA)来决定，如方程式1所示：
S∝λ/NA    ...(1)
如方程式1所示，光点的尺寸取决于所用光的波长和和物镜的数值孔径。
由于可以用波长为780nm的光和数值孔径为0.45或0.5的物镜在其上记录信息及/或从其上重放信息的CD的出现，大量的通过增加记录密度来增加信息存储容量的改良信息存储介质的研究已经完成。此项研究产生了数字化多用光盘(DVD)，用波长为650nm的光和数值孔径为0.6或0.65的物镜可以使信息被记录在此光盘上或从光盘上重放。
目前，另外的关于高密度记录介质的研究已经稳步完成，这种介质可以使用蓝光波长(例如，405nm的波长)的光来提供20GB或更大的记录容量。
高密度记录介质正在积极地标准化中，某些高密度记录介质的标准化将近完成。高密度记录介质使用蓝光波长(例如，405nm的波长)的光。高密度记录介质的物镜的数值孔径为0.65或0.85。
CD的厚度为1.2mm，DVD的厚度为0.6mm。DVD的厚度是小于1.2mm的0.6mm的原因是为了保证由记录介质的倾斜所导致的公差，因为DVD的数值孔径大致为0.6，大于CD的数值孔径0.45。
当记录介质的倾斜角为θ时，记录介质的折射率为n，记录介质的厚度为d，记录介质的数值孔径为NA，由记录介质倾斜所造成的慧形像差(comaaberration)W31可以由方程式2来表示：
W 31 = - d 2 n 2 ( n 2 - 1 ) sin θ cos θ ( n 2 - sin 2 θ ) 5 / 2 NA 3 . . . ( 2 )
其中，记录介质的折射率(n)和厚度(d)分别表示从光的入射面到记录面的光学介质的折射率和厚度。
考虑到方程式2，当增加物镜的数值孔径以获得高密度的记录时，记录介质的厚度应该减小以保证由记录介质的倾斜所导致的公差。
因此，当增加物镜的数值孔径到0.85以处理高密度记录介质时，该高密度记录介质的厚度应该为大约0.1mm。需要高物镜数值孔径并具有薄厚度的高密度记录介质就是蓝光(Blu-ray)光盘(在下文中，称为BD)。在BD的规范中，光源的波长为405nm，物镜的数值孔径为0.85，BD的厚度大约为0.1mm。记录介质的厚度表示从该记录介质上的用于记录及/或重放信息的光的入射面到介质的记录面之间的距离。
高密度记录介质的例子，包括BD和一种改进的光盘(advanced opticaldisc，AOD)。AOD采用波长为405nm的光源，数值孔径为0.65的物镜，其厚度为0.6mm，相当于DVD的厚度。BD比AOD有更高的记录密度。
作为现有记录介质的一个例子，因为DVD-R反射率依赖于光的波长而显著减少，所以必须使用波长为650nm的光源。
因此，为了兼容地使用高密度记录介质(例如，BD)和低密度记录介质(例如，DVD)，考虑到因记录介质厚度不同所产生的球面像差和不同格式的记录介质的数值孔径的不同，高密度记录介质的光学记录及/或重放装置一般使用一种光学拾取头，这种光学拾取头带有一个针对高密度记录介质的独立的光学系统和一个针对低密度记录介质的独立的光学系统。
换句话说，一个高密度记录介质的光学拾取头一般有一个光学系统，该系统既使用高密度记录介质的物镜又使用低密度记录介质的物镜。同样，考虑到与DVD-R的兼容性，该高密度记录介质的光学拾取头使用至少两种发射不同波长的光束的光源。
如前所述，高密度记录介质光学拾取头应该包括至少两个物镜以兼容地使用高密度和低密度记录介质，例如，BD和DVD。这种情况下，因为引起性能降低的装配，物镜可能向对方倾斜。
换句话说，高密度记录介质(即，BD)的物镜和低密度记录介质(即，DVD)的物镜通常安置在一个物镜保持器上，以便于两个物镜在一个驱动机构的驱动下聚焦和追踪方向。
在一个拥有两个物镜的这样的系统中，当两个物镜之间出现倾斜时，两个物镜的一个物镜的光轴可通过偏斜调整来调整到与记录介质垂直。但是，这样另一个物镜相对于记录介质而倾斜。因此，由于光学系统的特性，例如，光点倾斜，应该尽可能的被调整以适应BD的物镜，所以DVD的光学特性可能降低。
同样，如前所述，当一个高密度记录介质的光学系统和一个低密度记录介质的光学系统独立地安装在一个光学系统中时，光学拾取头的光学系统是十分复杂的，需要很多的光学元件。这样复杂的光学系统导致了原料成本的增加，可靠性的下降，还有装配和调整的性能的降低。可靠性的降低是由在高温操作中光学元件所产生的偏斜造成的。随着光学元件数量的增加，用粘合剂将光学元件固定在底架上的粘合点数量也随之增加。因此，在高温操作中，光学元件偏斜的可能性增加，整个光学系统的失真程度变严重。此外，随着光学元件数量的增加，装配过程中的装配误差也将增加。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种兼容型的光学拾取头，该拾取头可以使用单个物镜在使用蓝光的高密度记录介质和比该高密度记录介质拥有更低记录密度的低密度记录介质(比如，DVD)上，记录及/或从其上重放信息，并且提供了一种采用该兼容型光学拾取头的光学记录及/或重放装置。
本发明其他的方面及/或优点将在后面的描述中部分阐明，并且将在描述中部分显见，或者可以在发明的实践中获悉。
根据本发明的一个方面，这里提供了一个兼容型的光学拾取头，它包括一光学部件和一聚焦部件。光学部件为高密度记录介质射出短波长的光，并且为低密度的记录介质射出波长比短波长的光要长的光，该部件引导长短波长的光到记录介质，接收从记录介质反射回来的光，并从接收到的光中检测信息重放信号及/或误差信号。聚焦部件把从光学部件接收来的光在记录介质的记录面聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成一种零次光，把长波长的光衍射成一种二次光，以便它们成为记录及/或重放信息的有效光，这样，具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质就可以被兼容地使用了。
在本发明的一个方面，所述聚焦部件包括：一种为高密度记录介质而优化的物镜，它把从光学部件接收来的光在记录介质的记录面上聚焦成光点；还包括一种全息元件，它把短波长的光衍射成零次光，把长波长的光衍射成二次光。根据一个方面，全息元件可以和物镜合成一个单一的实体。
根据本发明的一方面，所述聚焦部件包括一种为高密度记录介质而优化的物镜。该物镜具有一种全息图案，其形成于一个透镜表面上，它可以把从光学部件接收来的短波长的光衍射成零次光，把长波长的光衍射成二次光，并且把从光学部件接收来的光在记录介质的记录面上聚焦成光点。
根据本发明的一方面，所述短波长的光是一种蓝光，所述长波长的光是一种红光。
根据本发明的一方面，所述高密度记录介质包括一种蓝光光盘，所述低密度记录介质是一种数字多用光盘。
根据本发明的一方面，所述蓝光的波长在400nm到420nm之间，其中，所述红光的波长在645nm到670nm之间。
根据本发明的一方面，所述光学部件包括：一种射出蓝光的光源；一种光电探测器，它接收由记录介质反射的蓝光，并从接收的蓝光中检测与高密度记录介质相关的信息重放信号及/或误差信号；还包括一种射出红光的全息光学模块，它接收由记录介质反射的红光，并从接收的红光中检测与低密度记录介质相关的信息重放信号及/或误差信号。
根据本发明的一方面，所述光学部件还包括：一种偏振依赖(polarization-dependent)的光路改变器，它可以根据一偏振状态传递或反射蓝光；还包括一种波片，它可以改变入射光的偏振。
根据本发明的一方面，所述兼容型的光学拾取头还包括一种液晶元件，它被安装在偏振依赖的光路改变器和波片之间的光路上，用来补偿当数据被记录到或从高密度记录介质重放时由于厚度不同所产生的球面像差。
根据本发明的一方面，高密度记录介质在至少一面有多个记录层。当一厚度与设计值有偏差的高密度记录介质的记录层被记录或重放时，液晶元件开动以补偿由厚度的差异而产生的球面像差。
根据本发明的另一方面，这里提供了一种光学记录及/或重放装置，它使用一种可移动地安装在记录介质的半径方向的光学拾取头，来向/从高密度记录介质和至少一种低密度记录介质来记录信息及/或重放信息。该光学拾取头包括一种光学部件和一种聚焦部件。光学部件为高密度记录介质射出短波长的光并且为低密度的记录介质射出波长比短波长的光的波长要长的光，该部件引导长短波长的光到记录介质，接收从记录介质反射回来的光线，并从接收到的光线中检测信息重放信号及/或误差信号。聚焦部件把从光学部件接收来的光在记录介质的记录面聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成一种零次光，把长波长的光衍射成一种二次光，以便它们成为记录及/或重放信息的有效光，这样，具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质就可以被兼容地使用了。
附图说明
本发明的这些及/或其他方面和优点在下面实例的描述结合附图中将变的显而易见和更容易理解：
图1描述了参照本发明的一实施例的兼容型光学拾取头的光学结构；
图2是在图1的全息元件上形成的全息图案的例子的部分截面面；
图3是蓝光光盘(BD)的蓝光和数字通用光盘(DVD)的红光的衍射效率与在图1的全息元件上形成的一个全息图案的深度相比的图形；
图4是蓝光光盘(BD)的蓝光和数字通用光盘(DVD)的红光的衍射效率与在图1的全息元件上形成的一个全息图案的深度相比的图形；
图5是示出深度为3.45μm和10.35μm的全息图案的零次衍射效率的波长独立性与蓝光波长范围相比的图形；
图6是示出当一种深度为3.45μm的全息图案形成时红光的二次衍射效率的波长独立性和当一种深度为10.35μm的全息图案形成时红光的一次衍射效率的波长独立性的图形；
图7描述了当全息元件从物镜分离时，该全息元件将一种蓝光和一种红光分别衍射成零次光和二次光的光路；
图8是参照本发明的另一个实施例的聚焦部件的示意图；
图9是参照本发明的一个实施例的采用兼容型光学拾取头的光学记录及/或重放装置示意图；
具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施例，本发明的例子结合附图中被阐明，其中，相同的参考数字自始至终表示相同的元件。为了解释本发明，实施例在下面通过参考附图的方式被描述。
本发明提供一种兼容型光学拾取头，它可以兼容地使用具有不同厚度的高密度记录介质和至少一种低密度记录介质。该光学拾取头包括一种光学部件和一种聚焦部件。
光学部件所包括的光学元件向记录介质上为高密度记录介质射出短波长光和为低密度记录介质射出长波长光，并且接收从记录介质反射回来的光线，并从接收到的光线中检测信息重放信号及/或误差信号。低密度记录介质的光波长比高密度记录介质的光波长要长。
聚焦部件所包括的光学元件把从光学部件接收来的光在记录介质的记录面聚焦成一个光点，并根据波长把接收到的光衍射，使得短波长的零次光和长波长的二次光用作记录及/或重放信息的有效光。
在兼容型光学拾取头的一个方面，短波长的光是蓝光，高密度记录介质是可重放的及/或可记录的蓝光光盘(BD)，它和那些DVD的厚度不同，它用蓝光并且存储容量达到20GB或更大。同样，长波长的光是红光，低密度记录介质至少是DVD记录介质家族中的一员，DVD记录介质家族包括DVD-ROM，DVD-R，DVD±RW，和DVD-RAM。
当低密度记录介质是DVD时，高密度记录介质是具有比该DVD(例如，BD)的厚度小的高密度记录介质。如前所述，BD使用波长为405nm的光源和数值孔径为0.85的物镜，其厚度大致为0.1mm。
高密度记录介质可以是一种遵循众所周知的BD规范的记录介质，或者是任何一种厚度比DVD小并且采用比DVD的红光波长要短的光的记录介质。
根据本发明的一个实施例的兼容型光学拾取头可以兼容地使用DVD，和厚度比DVD小但存储容量比DVD大且采用蓝光的BD。现在通过参考附图来描述该兼容型拾取头。但是，本发明不应被局限地理解为前面所说实施例的BD-DVD兼容型光学拾取头；确切地说，这些具体实施例的提供是为了使公开的内容更加彻底和完整，并且能把本发明的概念充分地传达给本领域的技术人员。换句话说，可以理解本发明可以被实例化为很多不同的形式，只要它们在采用单个物镜时能兼容地使用高密度记录介质和具有不同厚度和不同记录密度的低密度记录介质就可以了。
图1阐明了一种参照本发明的一个实施例的兼容型光学拾取头的光学结构。根据图1，兼容型光学拾取头包括，光源10，光电探测器19，为低密度记录介质1b准备的全息光学模块20，物镜35和全息元件30。光源10射出短波光，例如，蓝光10a。光电探测器19接收由记录介质1反射的蓝光10a并且为高密度记录介质1a检测信息重放信号及/或误差信号。物镜35在记录介质1的记录面上把光聚焦成一个光点。全息元件30把蓝光10a衍射成零次光，把长波长的光，例如，一种红光20a衍射成一种二次光。物镜35和全息元件30属于聚焦部件，其他的元件属于光学部件。
图1中的光学部件的光学结构只是一个例子，可在多种不同的形式方面中被改变，通过采用为介质1a使用短波光和为介质1b使用长波光，这些形式方面依然有助于兼容地使用高密度记录介质1a和低密度记录介质1b。
光源10被用来在高密度记录介质1a，例如，一种BD，上记录信息及/或从其上重放信息。优选地，光源10射出波长在400nm到420nm之间的蓝光10a。
在本发明的一方面，一种DVD全息光学模块用来做全息光学模块20。换句话说，全息光学模块20射出红光20a，并且接收由记录介质1反射的红光20a来为低密度记录介质1b检测信息重放信号及/或误差信号。
全息光学模块20可以包括，一种射出红光20a的光源(未标出)，一种光电探测器(未标出)，它接收由记录介质1反射的红光20a来为低密度记录介质1b检测信息重放信号及/或误差信号，和一种全息元件(未标出)，它传输由红光光源射出的红光20a(即，把红光20a衍射成为零次光)并且把由记录介质1反射的红光20a衍射成正一次或负一次光，以便于将衍射的红光20a导向光电探测器。因为全息光学模块20的结构在本发明的技术领域是众所周知的，所以这些个别的元件将不标出。优选地，全息光学模块20射出波长在645nm到670nm之间的红光20a。
图1的兼容型光学拾取头还包括，偏振光束分裂器13，它是一种偏振依赖光路改变器，还包括波片29，它在记录光学系统中保持高效率。偏振光束分裂器13根据偏振改变蓝光10a的光路，波片29改变入射光的偏振。图1的兼容型光学拾取头还包括一种光束分裂器25，它传输通过偏振光束分裂器13的蓝光10a并反射由全息光学模块20射出的红光20a，这样蓝光10a和红光20a沿单一路径导向了物镜35。
图1的兼容型光学拾取头还包括，液晶元件28，它用来校正后面将要描述的球面像差，波片29优选地安置在液晶元件28和物镜35之间。
偏振光束分裂器13根据偏振传输或反射入射的蓝光10a。比如，偏振光束分裂器13把从光源10接收到的蓝光10a传输到物镜35，并把从记录介质1反射的蓝光10a反射到光电探测器19。
除了偏振光束分裂器13，一种偏振全息元件可以被用作偏振依赖的光路改变器，它可以不加改变地传输由光源10射出的蓝光10a的一偏振的光，并把记录介质1反射的蓝光10a的另一偏振的光衍射成正一次或负一次光。在这方面，光源10，光电探测器19，和偏振全息元件优选地组成一种光学模块。
按预定的比率传输和反射入射光的光路改变器，例如，光束分裂器或全息元件，可以被用来替代偏振依赖的光路改变器。
波片29是一个针对蓝光10a的波长(例如，405nm)的四分之一波片。可以理解到针对其他波长优化的波片也可以被使用。
在这种情况下，具有线性偏振的光，例如，由光源10射出的P偏振光，经过偏振光束分裂器13的传输，然后当穿过波片29时被变成具有圆偏振的光。该具有圆偏振的光被导向记录介质1。该具有圆偏振的光在被记录介质1反射时变成具有另一种圆偏振的光。具有另一种圆偏振的光在穿过波片29时变成具有另一种线性偏振的光，例如，一种S偏振。具有另一种线性偏振的光被偏振光束分裂器13反射到光电探测器19。
光束分裂器25可以是一个传输蓝光10a或反射红光20a的波长选择性光束分裂器，或者是一个按预定比率传输并反射入射光的光束分裂器。
图1的兼容型光学拾取头还包括光栅11和21，它们对入射光衍射并将其分解成至少三种光，这样采用一种3-光束技术及/或一种微分的推挽式(differential push-pull，DPP)技术就可以检测跟踪误差信号(TES)。光栅11和21被分别安装在光源10和偏振光束分裂器13之间以及全息光学模块20和光束分裂器25之间。在图1中，光栅21安装在全息光学模块20和光路改变器之间，它与全息光学模块20相分离。但是，光栅21可以结合到全息光学模块20中。
当光栅11包括在图1的光学拾取头中时，光电探测器19优选地包括一主光电探测器和第一、第二子光电探测器，以便采用3-光束技术及/或DDP技术检测TES。主光电探测器接收由记录介质1反射的光的主光束，第一和第二子光电探测器被安装在主光电探测器的两侧，分别用来接收由记录介质1反射的光的第一和第二子光束。主光束是一种光栅11直接传输的零次衍射光，第一和第二子光束是光栅11衍射的正负一次衍射光。
在相应于记录介质1的半径方向，R方向上主光电探测器可以分解成至少四部分，这样采用主推挽(MPP)技术就可以检测到TES。在MPP技术中，推挽操作通过主光电探测器完成。当把三个光电探测器排列在一起时，在中间排列的那个光电探测器被用作主光电探测器，其它的光电探测器被用作副光电探测器。同样，在相应于记录介质1的切线方向T方向上主光电探测器可以被分解成至少两部分，这样聚焦误差信号(FES)及/或TES就可以分别采用象散技术及/或微分相位检测技术(DPD)被检测出来。换句话说，主光电探测器可以具有一种8-分解结构，该结构中主光电探测器在R方向被分成四个部分，在T方向被分成两个部分。
每个第一和第二子光电探测器优选的，但不是必需的，在R方向被分解成两部分，这样TES可以采用DPP技术被检测。
当一个光学拾取头被设计为使红光20a被光栅21衍射成零次光和一次光，全息光学模块20的主光电探测器具有和光电探测器19一样或相似的分解结构。
图1的兼容型光学拾取头还包括准直透镜15和23，它们分别在光源10和光束分裂器25之间以及在全息光学模块20和光束分裂器25之间。准直透镜15校准光源10射出的发散的蓝光10a。准直透镜23校准全息光学模块20射出的红光20a的偏差。在偏振光束分裂器13和光电探测器19之间还包括一种象散透镜17，它使光入射时产生象散，这样就可以采用象散技术检测FES。在图1中，偏振光束分裂器13是立方形的。当偏振光束分裂器13是碟形时，象散透镜17优选的，但不是必需的，沿与碟形偏振光束分裂器13的倾斜方向相对的方向倾斜，以便去除当光束穿过碟形偏振光束分裂器13时所产生的慧形像差。在图1中，参考数字27表示一个反射镜，它用来改变分别从光源10射出的和全息光学模块20射出的蓝光10a和红光20a的路径。
为了控制在高密度记录介质1a，即，BD上记录信息及/或从上面重放信息的蓝光的能量，图1中的兼容型光学拾取头还包括一种监视光电探测器16，它接收由偏振光束分裂器13反射的从光源10发出的蓝光10a的一束光。为了通过监视光电探测器16提高检测效率，聚光透镜14也被安装在偏振光束分裂器13和监视光电探测器16之间。
在本发明的一个方面，物镜35被制造成适合于高密度记录介质1a，例如，BD。例如，物镜35具有用于波长为405nm蓝光10a的数值孔径0.85，并被设计成最适合于厚度约为0.1mm的高密度记录介质。
当高密度记录介质1a在至少一面上有多个记录层时，例如，两个记录层，物镜被设计为最适合于大约两个记录层厚度的一半或两个记录层中一个的厚度。
记录层的厚度表示从用于记录及/或重放的光入射到的保护层表面到记录层之间的距离。例如，如果高密度记录介质1a有两个记录层，第一记录层L0的厚度表示从保护层表面到第一记录层L0之间的距离。第二记录层L1的厚度表示从保护层表面到第二记录层L1之间的距离。当记录介质1有多个记录层时，作为物镜35的设计值，记录介质1的厚度表示从保护层表面到一个记录层的距离，或从保护层表面到记录层间预定的位置的距离。
例如，当BD在厚度分别为100μm和80μm的至少一面上有两个记录层L0和L1时，将物镜35设计为最适合于BD的厚度90μm。
因此当数据被记录到及/或从多层高密度记录介质1a的记录层重放数据时，由于这两个厚度不同所产生的球面像差必须被校正，其中该介质1a的厚度偏离于物镜35的设计值。
在此球面像差的一个方面，图1的兼容型光学拾取头包括一种液晶元件28，它被安装在偏振光束分裂器13和波片29之间。液晶元件28能有选择地校正由多层高密度记录介质1a的记录层的厚度不同所造成的球面像差，以便数据能被记录在及/或从多层高密度记录介质1a重放。
当从偏振光束分裂器13传播到波片29的蓝光10a具有P偏振时，并且与上述方向反方向传播的蓝光10a具有S偏振时，液晶元件28被设计为通过按需改变从光源10接收的P-偏振的蓝光10a的波阵面来校正球面像差，并传输从记录介质1接收的S-偏振的蓝光1a而不对其进行改变。
当记录及/或重放数据的记录层的厚度与物镜35所设计的值有偏差时，液晶元件28执行某种操作来补偿由于厚度和设计值间的差异所造成的球面像差。这时，穿过偏振光束分裂器13的P-偏振的蓝光10a具有和穿过液晶元件28时的待补偿的球面像差相反的球面像差波阵面，并且在穿过波片29时变成了具有圆偏振的光束。具有无球面像差和单一圆偏振的蓝光10a聚焦在记录数据的记录层上。当被记录介质1反射时具有一种圆偏振的蓝光10a变成了具有另一种圆偏振的蓝光10a。在穿过波片29时具有另一种圆偏振的蓝光10a变成了一种具有S偏振的光。S-偏振的蓝光被液晶元件28再次传输而不其改变波阵面，并且被偏振光束分裂器13反射向光电探测器19。
如前所述，高密度记录介质1a的记录及/或重放数据的一个记录层具有和物镜35设计值所不同的厚度，液晶元件28执行某种操作来补偿当蓝光入射到高密度记录介质1a时所产生的球面像差。换句话说，当高密度记录介质1a的记录及/或重放数据的一个记录层具有和物镜35设计值所相同的厚度时，液晶元件28不执行补偿球面像差的操作。同样，当红光20a入射到低密度记录介质，并且要记录在该低密度记录介质1b，例如一种DVD上或从其中重放时，液晶元件不执行补偿球面像差的操作。
现在将描述在比DVD较薄的高密度记录介质1a(例如，BD)上记录及/或重放数据时液晶元件28有选择地补偿球面像差。
如前所述，当物镜35具有有效的数值孔径0.85时，高密度记录介质1a的厚度应该大约为0.1mm以便抑制由物镜35的高数值孔径所产生的慧形像差(comma aberration)。
当高密度记录介质1a具有较小的厚度约0.1mm时，并且至少在一面有两个记录层时，具有高数值孔径大约0.85的物镜35被设计为最适合于两个记录层中一个的厚度，或者适合于两个记录层之间的一个位置。在一个至少一面具有多个记录层的高密度记录介质1a上记录及/或重放数据时，当记录及/或重放数据的记录层的厚度和物镜35的设计值存在差异时，就产生了球面像差，需要设计并驱动液晶元件28来消除球面像差。
例如，如果一个两层BD的两个记录层L0和L1的厚度分别为100μm和80μm，并且对于厚度为90μm的记录介质1(即，物镜35的设计值)来说物镜35具有最适宜的结构，液晶元件28必须设计来消除当在两个记录层L0和L1上记录及/或重放数据时所产生的球面像差。
当在厚度为100μm的记录层L0上记录及/或重放数据时，这里与物镜的设计值(即，90μm)存在一个10μm的厚度差，所以，产生了-0.1λrms的球面像差。当液晶元件28被设计并被驱动，使得在光束穿过液晶元件28时一个相当于+0.1λrms的反向球面像差出现了，从而-0.1λrms的球面像差得到了补偿。
当在厚度为80μm的记录层L1上记录及/或重放数据时，这里与物镜的设计值(即，90μm)存在一个-10μm的厚度差，所以，产生了+0.1λrms的球面像差。当液晶元件28被设计并被驱动，使得在光束穿过液晶元件28时一个相当于-0.1λrms的反向球面像差出现了，从而+0.1λrms的球面像差得到了补偿。
当该两层BD的两个记录层L0和L1中的一个具有和物镜35的设计值相同的厚度时，液晶元件28只有在数据在另一个记录层记录及/或重放时才被驱动以补偿球面像差。
如前所述，液晶元件28产生的球面像差与由于比DVD的厚度小的高密度记录介质1a和物镜35的设计值之间的差异所产生的球面像差相反，两个球面像差相互抵消，所以由于比DVD的厚度小的高密度记录介质1a和物镜35的设计值之间的差异所产生的球面像差可以被补偿。
如前所述，在比DVD的厚度小的多层高密度记录介质1a上记录及/或重放数据时，液晶元件28补偿由于记录及/或重放数据的记录层的厚度与物镜的设计值之间的差异而造成的球面像差。但是，这只是一个例子。换句话说，虽然例如高密度记录介质的厚度被定为0.1mm，但是由于制造误差高密度记录介质1a实际的厚度可能与0.1mm有所偏差，或者高密度记录介质1a的表面可能存在厚度差别。即使在这些情况下，液晶元件28可以被设计并驱动以补偿球面像差。
在图1的兼容型光学拾取头的一个方面中，物镜35被优选地设计为最适应于高密度记录介质1a，并且高密度和低密度记录介质1a和1b的厚度差，例如，BD和DVD之间的厚度差，是由全息元件30补偿的。
优选地，全息元件30把从光源10接收的蓝光10a衍射成零次光，把从全息光学模块20接收的红光20a衍射成二次光。
图2是在全息元件30上形成的一个全息图案的例子的部分横截面。图2的全息图案具有四阶结构，并且按规律的节距T重复。在图2中，d3表示全息图案的最大深度。
阶梯式的全息图案在全息元件30上集中的形成，以便能得到把蓝光10a衍射成零次光(即，被直接传输)并把红光20a衍射成二次光的深度。
图3和图4是BD的蓝光10a和DVD的红光20a的衍射效率与每一个具有图2中四阶结构的全息图案的深度相比的图表。参照图3，当全息图案较浅时，BD的蓝光10a的零次衍射效率和DVD的红光20a的二次衍射效率具有相同的最大波峰位置。参照图4，当全息图案较深时，BD的蓝光10a的零次衍射效率和DVD的红光20a的一次衍射效率具有相同的最大波峰位置。
在图3和图4中，当BD的蓝光10a的零次衍射效率为100％时，DVD的红光20a的一次和二次衍射效率分别是最大值的85％和57％。
表1指示了当全息图案的深度为3.45μm和10.35μm时，BD的蓝光10a的零次衍射效率和DVD的红光20a的一次和二次衍射效率。
表1
  BD的零次光效率   DVD的一次光的效率   DVD的二次光的效率
  全息图案的深度   3.45μm   100％   0％   57.3％
  10.35μm   100％   85％   0.2％
尽管在BD的规范中指定BD使用波长为405nm的光，但从BD的半导体激光器射出的光的波长在400nm到420nm之间。同样地，尽管在DVD的规范中指定DVD使用波长为650nm的光，但从DVD的半导体激光器射出的光的波长在645nm到670nm之间。以上事实的原因在于很难制造出能射出具有精确的405nm波长的蓝光和具有精确的650nm波长的红光的半导体激光器，当几个半导体激光器在相同条件下生产时，因为制造误差等，半导体激光器射出波长具有微小差别的光束。因此，在光学拾取头的光学系统的设计中，必须考虑到预先指定的光的波长和由作为光源用的半导体激光器所射出的光的波长的差别。
图5说明了在蓝色波长范围上具有3.45μm和10.35μm深度的全息图案零次衍射效率的波长依赖性。图6说明了在红色波长范围上具有3.45μm深度的全息图案的红光20a的二次衍射效率的波长依赖性和具有10.35μm深度的全息图案的红光20a的一次衍射效率的波长依赖性。
表2说明了图5和图6中在蓝色和红色波长范围上由全息图案决定的衍射效率。
表2
  波长范围   由全息图案决定的衍射效率
  3.45μm   10.35μm
  BD   400～420nm   100～88.7％(零次)   100～29.5％(零次)
  DVD   645～670nm   57.3～56.5％(二次)   88.7～77.5％(一次)
参考图5和表2，当全息图案的深度较浅时，即，3.45μm，零次衍射的效率在从作为BD光源10的半导体激光器发出的蓝光的波长范围内(约400到420nm)变化不大。但是，当全息图案的深度较深时，即，10.35μm，零次衍射效率变化较大。
参考图6和表2，当全息图案的深度较浅时，即，3.45μm，二次衍射的效率在从作为DVD光源的半导体激光器发出的红光的波长范围内(约645到670nm)变化不大。但是，当全息图案的深度较深时，即，10.35μm，一次衍射效率变化较大。
如图5，图6和表2所示，当全息图案变浅时相对于波长的衍射效率变的不灵敏。因此，通过尽可能地降低全息图案的深度，全息元件30优选地保证了取决于入射光波长的容限。
换句话说，用一次衍射代替二次衍射有助于DVD的红光20a的效率。但是，在这方面，全息图案必须被制作为具有很大的深度，这样，一次衍射光的效率就会对BD的蓝光10a的波长变化十分敏感。因此，虽然DVD的红光20a的衍射效率有所降低，但通过浅全息图案获得的二次衍射将被用于提高BD的蓝光10a的波长依赖性。
因此，在本发明的一个方面，考虑到由光波长的变化决定的衍射效率的变化，一种能把BD的蓝光10a衍射成零次光并能把DVD的红光20a衍射成二次光的全息图案形成在全息元件30上。
当全息元件30被设计为如前所述把BD的蓝光10a衍射成零次光并把DVD的红光20a衍射成二次光时，蓝光10a和红光20a的光路分别由图7所示的全息30衍射成零次和二次光。
在图1和图7的兼容型光学拾取头中，全息元件30是与物镜35分开安装的。
可选择地，全息元件30可以与物镜35结合成一个单一的实体。换句话说，全息元件30可以附加在物镜35上。可选择地，如图8所示，一种全息图案130可以直接形成在物镜135的表面上，其针对高密度记录介质做了优化。全息图案130把短波长的光衍射成零次光，把长波长的光衍射成二次光。除了全息图案130形成在一个透镜表面外，物镜135和物镜35具有大致上相同的光学结构。
在图1中，全息元件30，液晶部件28，和波片29形成了一个单一的实体。物镜35被一种传动装置(未标出)驱动在聚焦和跟踪方向，全息元件30，液晶部件28，和波片29被一同安置在该传动装置上。全息元件30，液晶部件28，和波片29可以相互分离地布置。可选择地，液晶部件28，和波片29可以相互分离。
表3表示了图1和图7中所示的一种聚焦部件的设计例子，它可以兼容地使用BD和DVD，且物镜35和全息元件30相互分离。
如表4所示，表3中所提到的数据代表了这一方面，即：物镜35被设计为具有0.85的数值孔径(NA)，1.76mm的焦距(f)，和0.5mm的工作距离以在厚度为0.1mm的BD上聚焦波长为405nm的蓝光10a，并具有0.6NA，1.84mm的焦距(f)，和0.5mm的操作距离以在DVD上聚焦波长为650nm的红光20a。
表3
  表面   曲率半径   厚度   玻璃
  物体表面   无穷大   无穷大
  S1   无穷大   无穷大
  S2(其上形成全息的表面)   无穷大   0.50000   二氧化硅(silica)
  波长为650nm的光的二次衍射C1：1.9674E-02 C2：2.5773E-03 C3：1.5501E-03C5：3.3370E-03 C6：-6.2022E-03 C7：2.3060E-03
  S3   无穷大   1.600000
  S4(非球面1)   1.39427   2.170000   avc81
  K：-0.507896A：0.487024E-02 B：-.235023E-02 C：0.128856E-02D：-.682789E-03 E：-.166206E-03 F：0.682382-04
  S5(非球面1)   -23.61004   0.500000
  K：-27167.82179A：-.924381E-02 E：0.157090E-01 C：0.639951E-02D：-.625849E-02
  S6   无穷大   0.600000   ‘pc’
  S7   无穷大   0.600000
表3中在表面S7和表面S8存在一个0.6mm的间隔的原因是，全息元件30衍射波长650nm的红光20a所形成的二次光经过物镜35被聚焦在厚度为0.6mm的DVD上。当物镜35接收波长为405nm的蓝光10a时，S7和S8之间的间隔大约为0.1mm。
表4
  BD   DVD
  物镜   数值孔径(NA)   0.85   0.6
  焦距(f)   1.76mm   1.84mm
  工作距离   0.5mm   0.5mm
  波长   405nm   650nm
在表3中，表面S2表示全息元件30的具有能把波长650nm的光衍射为二次光的全息图案的那一个表面，C1，C2，C3，C5，C6，C7表示全息系数。在表3的S4和S5表面上，K表示非球面表达式的立方系数，A，B，C，D，E和F表示非球面系数。
在一个转动对称的图案中，全息光学元件(HOE)相位系数可以由方程式3获得：
Figure C20041007663000231
其中，c表示全息系数，r表示曲率半径，λ0表示波长，表示相位。全息的衍射效率的公式如方程式4所示：
T m = 1 T ∫ 0 αT e 2 πim T x dx + 1 T ∫ αT βT e 2 πim T x e 2 πi ( n 1 - n 0 ) d 1 λ dx + 1 T ∫ βT γT e 2 πim T x e 2 πi ( n 1 - n 0 ) d 2 λ dx + 1 T ∫ γT T e 2 πim T x e 2 πi ( n 1 - n 0 ) d 3 λ dx
n m = [ T m ] 2 . . . ( 4 )
其中，η表示一个系数，m表示阶，λ表示所用的波长。如图2所示，T表示全息图案的节距，αT，βT，和γT表示阶的宽度，d1，d2，和d3分别表示第一阶和第二阶，第三阶和第四阶中的每一个之间的阶高度。d3是全息图案的最大深度。
表3表示了具有两个非球面透镜表面的物镜35的例子。
假设从非球面的顶点算起的透镜的非球面的深度是z，则z由方程式5给出：
z = ch 2 1 + 1 - ( 1 - K ) c 2 h 2 + Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 + Eh 12 + Fh 14 + Gh 16 + Hh 18 + Jh 20 . . . ( 5 )
其中，h表示从光轴的高度，c表示曲率，K表示立方系数，A到J表示非球面系数。
当参考表3和表4中的数据设计物镜35和全息元件30时，在使用BD时聚焦元件会产生大约0.0049λrms的误差，在使用DVD时会产生大约0.0031λrms误差。
鉴于在使用光学拾取头的光学系统中容许的典型Marechal标准是0.070λrms，依据本发明的兼容型光学拾取头具有一个产生充分容许误差的光学系统。
因此，根据本发明实施例具有这样光学系统的的兼容型光学拾取头可以兼容地使用高密度记录介质1a，例如，BD，和低密度介质1b，例如，DVD。
根据本发明的实施例，图9是一个采用图1的兼容型光学拾取头的记录及/或重放装置的示意图。参考图9，这个光学记录及/或重放装置包括：主轴电动机55，它用来旋转是一种光学信息存储介质的记录介质1；所安装的兼容型光学拾取头50，它可在记录介质1的半径方向上移动并在记录介质1上记录及/或重放数据；驱动器57用来驱动主轴电动机55和该兼容型光学拾取头50；以及控制器59，它用来控制兼容型光学拾取头50的聚焦和跟踪伺服。参考数字52表示一种转盘，参考数字53表示一种夹住记录介质1的夹持器。
前面所述的依据本发明实施例，多种光学拾取头被用作兼容型光学拾取头50。
由记录介质1反射的光束被兼容型光学拾取头50的光电探测器19检测，并被光电转换器转变为电信号。电信号经过驱动器57被输入到控制器59，驱动器57控制主轴电动机55的转速，放大接收到的信号，并驱动兼容型光学拾取头50，基于从驱动器57接收来的电信号而调整的聚焦和追踪伺服命令由控制器59传送到驱动器57，这样，兼容型光学拾取头50可以执行跟踪和聚焦操作。
根据本发明的一个方面，在该光学记录及/或重放装置中所采用的兼容型光学拾取头使用单一物镜35，所以，针对高密度记录介质1a的光学系统和针对低密度记录介质1b的光学系统组成了一个单个的光学系统。因此，兼容型光学拾取头的光学系统的复杂性被最小化了。
同样，因为所采用的兼容型光学拾取头包括一种全息元件，该全息元件可以把用于高低密度记录介质的短波长光衍射为零次光，并把用于低密度记录介质的长波长光衍射为二次光，所以所采用的兼容型光学拾取头既可以在使用蓝光的高密度记录介质上记录及/或重放数据，又可以通过使用为高密度记录介质做了优化的单一物镜在比高密度记录介质的记录密度要低的低密度记录介质(例如，DVD)上记录及/或重放数据。
另外，所采用的兼容型光学拾取头使用单个物镜35，这样，针对高密度记录介质1a的光学系统和针对低密度记录介质1b的光学系统组成了一个单个的光学系统。因此，光学记录及/或重放装置的光学系统就会更加容易制造。
虽然本发明的几个实施例已经被说明并描述，本领域的技术人员可以理解，能够在不违背发明的原则和精神情况下对这些实施例做一些修改，本发明的范围在权利要求及其等价物中定义。

Claims (28)

1.一种兼容型光学拾取头，包括：
一光学部件，为高密度记录介质射出短波长光并为低密度记录介质射出长波长光，把短波长和长波长的光分别导向相应的高密度和低密度记录介质，接收由相应的记录介质反射的光，并从接收的光中检测信息重放信号和误差信号；以及
一聚焦部件，把从光学部件接收的短波长和长波长的光在相应的记录介质的记录面上聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成零次光，长波长的光衍射成二次光，以便用来记录和重放信息，这样，所述兼容型光学拾取头适于用于具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质；
其中，所述聚焦部件包括：
一针对高密度记录介质进行优化了的物镜，把从光学部件接收的短波长和长波长的光在相应的记录介质的记录面上聚焦成一个光点；以及
一全息元件，把短波长的光衍射成零次光，将长波长的光衍射成二次光；
所述全息元件和所述物镜结合成了一个单一实体或者所述全息元件是在该物镜的一个透镜表面上形成的全息图案。
2.如权利要求1所述兼容型光学拾取头，其中，所述短波长光为蓝光，长波长光为红光。
3.如权利要求2所述的兼容型光学拾取头，其中，高密度记录介质包括一种蓝光光盘，低密度记录介质包括一种数字多用光盘。
4.如权利要求2所述的兼容型光学拾取头，其中，所述蓝光的波长范围在400nm到420nm之间，红光的波长范围在645nm到670nm之间。
5.如权利要求2所述的兼容型光学拾取头，其中，所述光学部件包括：
一射出蓝光的光源；
一接收由相应的记录介质反射的蓝光的光电探测器，从接收到的蓝光中检测相应于高密度记录介质的信息重放信号和误差信号；以及
一射出红光的全息光学模块，接收由记录介质反射的红光，并从接收到的红光中检测相应于低密度记录介质的信息重放信号和误差信号。
6.如权利要求2所述的兼容型光学拾取头，其中，所述光学部件还包括：
一偏振依赖的光路改变器，根据偏振状态传输或反射蓝光；以及
一改变入射光偏振的波片。
7.如权利要求6所述的兼容型光学拾取头，其中还包括一种液晶元件，被安装在所述偏振依赖的光路改变器和波片之间的一条光路上，用来补偿当在高密度记录介质记录和重放数据时由于厚度不同所造成的球面像差。
8.如权利要求7所述的兼容型光学拾取头，其中：
所述高密度记录介质至少在一面上具有多个记录层，并且，当厚度与设计值有所偏差的高密度记录介质的一个记录层被用来记录或重放时，所述液晶元件运作以补偿厚度不同所造成的球面像差。
9.一种光学记录和重放装置，通过使用一个在记录介质的半径方向上移动的光学拾取头来在高密度记录介质和低密度记录介质之一上记录和重放信息，该光学拾取头包括：
一射出用于高密度记录介质的短波长光并为射出用于低密度记录介质的长波长光的光学部件，把短波长和长波长的光分别导向相应的高密度记录介质和低密度记录介质之一，接收相应的记录介质反射来的光并从接收的光中检测信息重放信号和误差信号；
和一聚焦部件，把从所述光学部件接收的光在相应的记录介质的记录面上聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成零次光，将长波长的光衍射成二次光，以便用来作为记录和重放信息的有效光，这样，该光学记录和重放装置适于使用于具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质；
其中，所述聚焦部件包括：
一为高密度记录介质而优化的物镜，把从光学部件接收的光在相应记录介质的表面上聚焦成一个光点；以及
一全息元件，把短波长的光衍射成零次光，将长波长的光衍射成二次光；
所述全息元件和所述物镜结合成了一个单一实体或者所述全息元件是在该物镜的一个透镜表面上形成的全息图案。
10.如权利要求9所述的光学记录和重放装置，其中，短波长光为蓝光，长波长光为红光。
11.如权利要求10所述的光学记录和重放装置，其中，所述高密度记录介质包括一种蓝光光盘，低密度记录介质包括一种数字多用光盘。
12.如权利要求10所述的光学记录和重放装置，其中，蓝光的波长范围在400nm到420nm之间，红光的波长范围在645nm到670nm之间。
13.如权利要求10所述的光学记录和重放装置，其中，所述光学部件包括：
一射出蓝光的光源；
一接收由相应的记录介质反射的蓝光的光电探测器，从接收到的蓝光中检测相应于高密度记录介质的信息重放信号和误差信号；和
一射出红光的全息光学模块，接收由记录介质反射的红光，并从接收到的红光中检测相应于低密度记录介质的信息重放信号和误差信号。
14.如权利要求10所述的光学记录和重放装置，其中，所述光学部件还包括：
一偏振依赖的光路改变器，根据偏振状态传输或反射蓝光；和
一改变入射光偏振的波片。
15.如权利要求14所述的光学记录和重放装置，其中还包括一液晶元件，被安装在偏振依赖的光路改变器和波片之间的一条光路上，用来补偿当在高密度记录介质记录和重放数据时由于厚度不同所造成的球面像差。
16.如权利要求15所述的光学记录和重放装置，其中：
所述高密度记录介质至少在一面上具有多个记录层，当厚度与设计值有所偏差的高密度记录介质的一个记录层被用来记录或重放时，所述液晶元件运作以补偿厚度不同所造成的球面像差。
17.一种装置，包括：
一种兼容型光学拾取头，通过光学拾取头中的一个单一物镜，并把从光学部件接收的短波长和长波长的光在相应的记录介质的记录面上聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成零次光，长波长的光衍射成二次光，以便用来记录和重放信息，这样，所述兼容型光学拾取头适于用于具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质，从而在信息的高密度和低密度类型存储介质中的至少一种上记录和重放信息；
光学单元，包括：一第一激光二极管，向高密度类型存储介质发射短波长光；和一第二激光二极管，向低密度类型存储介质发射长波长光；
一衍射元件，把从所述光学单元接收的短波长和长波长的光在相应的记录介质的记录面上聚焦成一个光点，并把短波长的光衍射成零次光，长波长的光衍射成二次光，以便用来记录和重放信息，这样，本装置适于用于具有不同厚度的高密度记录介质和低密度记录介质；以及
一光电探测器，在不同的检测部分有选择地接收短波长光的零次光束和长波长光的二次光束；
所述单一物镜针对高密度信息存储介质而优化；
所述衍射元件是在单一物镜的表面形成的全息图案或者是与单一物镜连接的带有全息图案的全息元件；
其中，所述全息图案把短波长光衍射成零次光束，把长波长光衍射成二次光束，这样，二次光束的衍射效率比零次光束的要低。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述高密度信息存储介质的厚度约为0.1mm，低密度信息存储介质的厚度至少为0.6mm。
19.如权利要求17所述的装置，其中，所述光电探测器包括：
一第一光电探测器，接收短波长光衍射成的零次光束来记录和重放数据，并进行误差检测和补偿，
一第二光电探测器，接收长波长光衍射成的二次光束来记录和重放数据，并进行误差检测和补偿。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述第二光电探测器包括一种全息光学模块。
21.如权利要求19所述的装置，其中，短波长光是波长在400nm到420nm之间的蓝光，长波长光是波长在645nm到670nm之间的红光。
22.如权利要求19所述的装置，其中还包括：
一偏振依赖的光路改变器，根据偏振状态传输或反射蓝光；和
一改变入射光偏振的波片。
23.如权利要求22所述的装置，还包括：
一液晶元件，被安装在偏振依赖的光路改变器和波片之间的一条光路上，用来补偿当在所述高密度记录介质的记录层上记录和从其重放数据时由于厚度不同所造成的球面像差。
24.如权利要求23所述的装置，其中还包括：
一驱动器，在相应信息存储介质的半径方向上驱动光学拾取头；和
一控制器，根据误差检测和补偿引导驱动器来记录和重放数据。
25.如权利要求24所述的装置，其中，所述驱动器在半径方向一起移动物镜、液晶元件和波片。
26.一种使用兼容型光盘播放器记录和重放数据的方法，包括：
向高密度光盘射出短波长的光；
向低密度光盘射出长波长的光；
使用全息元件有选择地把短波长的光衍射成零次光，长波长的光衍射成二次光，所述全息元件和物镜结合成了一个单一实体或者所述全息元件是在该物镜的一个透镜表面上形成的全息图案；以及
在不同的检测部分有选择地接收短波长的光的零次光和第二激光束的二次光，用于误差检测和补偿，其中，所述检测部分包括一光电探测器和一全息光学模块。
27.如权利要求26所述的方法，其中，有选择地分离第一和第二激光束包括最大化第一激光束的零次效率。
28.如权利要求26所述的方法，其中还包括：
当数据被记录到和从相应于高密度光盘和低密度光盘之一的记录层重放时，根据高密度光盘和低密度光盘之一来有选择地补偿球面像差。
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