CN100446098C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描装置(1)，用于借助辐射束(25)在写入模式和读取模式下对信息层(2)进行扫描，该装置包括：用于发射所述辐射束的辐射源(7)和用于会聚所述辐射束以在所述信息层上形成扫描光斑(19)的物镜(10)。所述装置还包括扫描光斑功率切换开关(20)，用于在写入模式下的第一尺寸与读取模式下的第二较大尺寸之间切换所述辐射束的横截面尺寸，以便在写入模式下的第一边缘强度等级(I_{边缘，写入})与读取模式下的第二较高边缘强度等级(I_{边缘，读取})之间切换所述辐射束的边缘强度，从而在写入模式下的第一光功率等级(P_写入)与读取模式下的第二光功率等级(P_读取)之间切换所述扫描光斑的光功率。

Description

光学扫描装置

技术领域

本发明涉及一种光学扫描装置，用于在写入模式和读取模式下借助辐射束扫描信息层，该装置包括：

辐射源，用于发射所述辐射束，

具有光轴的物镜，用于会聚所述辐射束，以在所述信息层的位置上形成扫描光斑，和

设置在所述辐射束的光路中的扫描光斑功率切换开关，用于在写入模式下的第一光功率与读取模式下的较低的第二光功率之间切换所述扫描光斑的光功率。

本发明还涉及一种适用于光学扫描装置的扫描光斑功率切换开关，所述光学扫描装置用于在写入模式和读取模式下借助辐射束扫描光学记录载体。

“扫描信息层”指的是借助辐射束进行扫描用于读取信息层中的信息(“读取模式”)和/或在信息层中写入信息(“写入模式”)。通过扩展，写入模式可以包括擦除信息层中的信息(“擦除模式”)。

背景技术

从例如美国专利US4363116中，得知了一种用于在写入模式和读取模式下借助辐射束对信息层进行扫描的光学扫描装置。这种已知的装置具有光轴并且包括：用于发射辐射束的辐射源、用于对辐射束进行会聚以在信息层中形成扫描光斑的物镜系统。由辐射源发出的辐射束具有处于垂直于光轴的平面内的基本为圆形的横截面。注意，进入物镜系统的辐射束在写入和读取模式下都具有尺寸(直径)相同的圆形横截面。

所述已知的扫描装置还包括设置在所述辐射束的光路上的扫描光斑功率切换开关，用于调整所述扫描光斑的光功率，以使该光斑在写入模式下具有高光功率并且在读取模式下具有低光功率。简单来说，光斑光功率在写入模式下必须要高，以便在信息层内产生可采取光学手段检测到的变化，从而在该层中写入信息，并且光斑光功率在读取模式下必须要低，以便不致改变写入在该层当中的信息。已知的光斑功率切换开关包括用于改变进入物镜系统的辐射束的偏振的电光调制器和用于将偏振变化转换成辐射束的强度变化的分析器。因此，光斑光功率的切换是通过改变进入物镜系统的辐射束的强度最大值来实现的，并且该辐射束的最大强度在写入模式下具有高等级并且在读取模式下具有低等级。注意，强度最大值的这样的增加造成了扫描装置的光功率消耗无法得到保证。

虽然已知的扫描装置在写入模式下为辐射束提供了必须的高光功率，但是该装置无法在读取模式下为辐射束提供必须的高边缘强度。

在本说明书中，“边缘射线”指的是进入物镜的辐射束在所述物镜的入射光瞳的边缘或边界处的射线。而且，“边缘强度”指的是一个归一化值，该归一化值等于进入物镜的辐射束在物镜的入射光瞳的边缘或边界处的强度除以强度的最大值(即，辐射束中心的强度)。在下文中，并且仅仅为了说明，“高边缘强度”指的是等于或高于70％的边缘强度，而“低边缘强度”指的是低于70％的边缘强度。注意，这一边缘射线和强度是在物镜的入射光瞳被完全充满时(即，当进入物镜的辐射束的尺寸大于物镜的圆形入射光瞳的半径时)定义的。

就所述已知装置而言，注意，在读取模式下，边缘强度变成了临界参数。在这一模式下，所述装置将辐射束提供得形成具有足够小的尺寸的扫描光斑，即，防止或最小化读取信息层时的切向和径向串扰的尺寸。这可以得到实现，尤其是在进入物镜的辐射束具有高的边缘强度的时候。相反，在写入模式下，边缘强度并不是很重要，而是扫描光斑的总光功率变成了临界参数。这是由于这样的情况造成的：在写入期间，主要是扫描光斑的中央部分用来产生能够在信息层中产生可检测变化的最高温度。结果，为了在信息层上获得这一温度，进入物镜的入射光瞳的辐射束的光功率要很高。一般来说，结果是，进入物镜的辐射束的边缘强度于是会相当低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种光学扫描装置，该光学扫描装置用于借助在写入模式下具有高光功率等级而在读取模式下具有高边缘强度等级的辐射束对光学记录载体进行扫描。

这一目的是通过本文开头段落中所介绍的那种类型的光学扫描装置达到的，其中，按照本发明，将所述扫描光斑功率切换开关进一步设置为用于在写入模式下的第一尺寸与读取模式下的第二较大尺寸之间切换所述辐射束的横截面尺寸，以便在写入模式下的第一边缘强度等级与读取模式下的第二较高边缘强度等级之间切换所述辐射束的边缘强度，从而在写入模式下的所述第一光功率等级与读取模式下的所述第二光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率。

这样，按照本发明的扫描光斑功率开关起到了辐射束尺寸(直径)调节器的作用，从而进入物镜的辐射束在写入模式下具有高的光功率等级和低的边缘强度等级，并且在读取模式下具有低的光功率等级和高的边缘强度等级，这将做进一步解释说明。

注意，在光学存储领域中，辐射束尺寸调节器是公知的，但是这是对其它应用而言的。

首先，我们知道(例如，通过日本专利申请JP11-259895)，使用辐射束尺寸调节器将辐射束聚焦到多层盘的不同信息层上。同样，我们知道(例如，通过美国专利US4307929)，辐射束调节器包括液晶透镜，该透镜可采用电学手段进行控制，以改变折射率，从而改变透镜的光功率。结果，液晶透镜的焦距是可变的，可用于在不同的信息深度上聚焦，例如，用于扫描CD格式盘和DVID格式盘。注意，在上述两种方案中，已知的调节器改变的是进入物镜的辐射束的聚散度。

其次，我们知道(例如，通过日本专利申请JP10-269585)，使用辐射束尺寸调节器来扫描具有不同信息密度的光学记录载体。“信息密度”指的是信息层的每单位面积存储的信息量。这种已知的调节器设置为用于根据所要扫描的盘的信息密度改变进入物镜的辐射束的数值孔径并且从而改变扫描光斑的尺寸。扫描具有不同信息密度的光学记录载体的其它很多技术也是为大家所熟知的，例如，超分辨率技术(例如，在日本专利申请JP2001-307365中进行了介绍)。注意，在公知的辐射束尺寸调节器使用超分辨率技术的情况下，进入公知调节器中的辐射束的光功率等于从该公知调节器中射出的辐射束的光功率。

第三，我们知道(例如，通过美国专利US4734906)，使用辐射束尺寸调节器将由二极管激光器发射出的象散的非圆形的辐射束重整形为无象散的圆形辐射束。不过，这种已知的装置以这样一种方式对辐射束进行重整形：在没有进一步考虑在写入和读取模式下对扫描光斑造成影响的要求的情况下，对写入和读取模式都进行了优化。换句话说，这种已知的装置给出了适当写入和读取信息层的折中方法，而没有给出针对写入和读取模式的最佳解决方案。而且，这种已知的辐射束尺寸调节器包括具有两个或三个光学单元的结构，这种结构难以移动。

这样，没有一种已知的辐射束尺寸调节器可用来将进入物镜的辐射束整形得，在写入模式下，该辐射束具有高的光功率等级和低的边缘强度等级，并且在读取模式下，具有低的光功率等级和高的边缘强度等级。

按照本发明的另一方面，光学扫描装置还包括设置在所述辐射源与所述扫描光斑功率切换开关之间的准直透镜，并且所述扫描光斑功率切换开关构成了具有可切换的焦距的望远镜状结构，从而所述辐射束的横截面在写入模式下具有所述第一尺寸并且在读取模式下具有所述第二尺寸。

注意，包括望远镜状结构的辐射束调节器是从已经引用过的专利US4734906中获知的。不过，借助这种已知的望远镜状结构，针对写入和读取模式二者对辐射束进行了优化，即，对于两种模式，辐射束的横截面具有相同的尺寸。换句话说，这种已知的辐射束调节器不能在写入和读取模式之间进行切换。

本发明的另一个目的是提供一种适用于光学扫描装置的扫描光斑功率切换开关，所述光学扫描装置用于借助在写入模式下具有高光功率等级并且在读取模式下具有高边缘强度等级的辐射束对光学记录载体进行扫描。

这一目的是通过一种适用于光学扫描装置的扫描光斑功率切换开关得以实现的，其中所述光学扫描装置用于在写入模式和读取模式下借助辐射束对光学记录载体进行扫描，所述功率开关设置为用于在写入模式下的第一光功率等级和读取模式下的第二较低光功率等级之间切换所述辐射束的光功率，按照本发明，所述功率切换开关还设置为用于在写入模式下的第一尺寸与读取模式下的第二较大尺寸之间切换所述辐射束的横截面尺寸，以便在写入模式下的第一边缘强度等级与读取模式下的第二较高边缘强度等级之间切换所述辐射束的边缘强度，从而在所述第一模式下的所述第一光功率等级与所述第二模式下的所述第二光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率。

附图说明

通过下面如附图中所示的本发明的更加详细的说明，本发明的目的、优点和特征将会变得显而易见，其中：

附图1是按照本发明的光学扫描装置的组成部分的示意图，

附图2A和2B给出表示工作在写入模式或读取模式下的附图1中所示的扫描装置的功率切换开关的入射光瞳处的强度的两条对应曲线。

附图3A和3B给出表示工作在写入模式下的附图1中所示的扫描装置的功率切换开关的出射光瞳处的强度的两条对应曲线。

附图4A和4B给出表示工作在读取模式下的附图1中所示的扫描装置的功率切换开关的出射光瞳处的强度的两条对应曲线。

附图5表示附图1中所示的功率切换开关的第一实施方式的横截面图。

附图6A表示工作在写入模式下的、配备有附图5中所示的功率切换开关的附图1中所示的扫描装置的某些光学元件，

附图6B表示工作在读取模式下的、配备有附图5中所示的功率切换开关的附图1中所示的扫描装置的某些光学元件，

附图7表示附图5中所示的功率切换开关的示意性横截面图，

附图8表示附图1中所示的功率切换开关的第二实施方式的横截面图，

附图9表示附图1中所示的功率切换开关的第三实施方式，

附图10A表示工作在写入模式下的、配备有附图9中所示的功率切换开关的附图1中所示的扫描装置的某些光学元件，

附图10B表示工作在读取模式下的、配备有附图9中所示的功率切换开关的附图1中所示的扫描装置的某些光学元件。

具体实施方式

附图1是按照本发明的光学扫描装置的组成部分的示意性图示，该光学扫描装置由附图标记1标注。光学扫描装置1能够借助第一(写入)模式和第二(读取)模式下的辐射束4对至少一个光学记录载体3的至少一个信息层2进行扫描。

作为图示，光学记录载体3包括透明层5，在该透明层5的一侧上设置有信息层2。由保护层6保护信息层远离透明层5的一侧不受环境影响。透明层5通过为信息层2提供机械支撑起到了光学记录载体3的基底的作用。可选择的，透明层5可以具有保护信息层2的单一功能，而机械支撑由信息层2的另一侧上的层提供，例如通过保护层6或通过附加的信息层和连接在最上面的信息层上的透明层来提供机械支撑。注意，信息层具有相应于透明层5的厚度的信息层深度7。信息层2是所述载体3的表面。该表面包含至少一个轨迹，即，由聚焦辐射束的光斑所跟踪的路径，在该路径上安排可采用光学方式读取的标记来代表信息。所述标记可以，例如，具有不同于周围的反射系数或磁化方向的凹坑或区域的形式。

光学扫描装置1包括辐射源7、准直透镜8、第一分束器9、扫描光斑功率切换开关20、具有光轴11的物镜10和检测系统12。此外，光学扫描装置1包括伺服电路13、径向致动器15和用于误差校正的信息处理单元16。

在下文中，“Z轴”对应于物镜8的光轴11。“O”是光轴11与信息平面2之间的交叉点。在光学记录载体3具有盘形形状的情况下，下列为针对给定轨迹进行的定义：“径向方向”是轨迹与盘中心之间的参考轴X轴的方向，而“切线方向”是另一个轴Y轴的方向，该方向与轨迹相切并且垂直于X轴。注意，(O，X，Y，Z)形成了与信息平面2的位置相关的正交基础。

辐射源7供应波长为λ的辐射束4。例如，辐射源7包括用于供应辐射束4的半导体激光器。

准直透镜8是沿着辐射束4的光学路径设置的，并且，按照这种实施方式，准直透镜8介于辐射源7与分束器9之间。准直透镜8将辐射束4转换为基本准直的辐射束17。准直透镜8具有与物镜10的光轴11相同的光轴。

第一分束器9设置在辐射源7与功率切换开关20之间，并且，按照这种实施方式，设置于准直透镜8与功率切换开关20之间。分束器9将准直辐射束17朝向物镜10传送。最好，分束器9是使用相对于Z轴倾斜角度α(更加优选地，该角度为α＝45°)的平面平行板形成的。

扫描光斑功率切换开关20设置在辐射束17的光路中，并且按照附图1所示的实施方式，设置在准直透镜8与物镜10之间。功率切换开关20具有面对分束器9的入射光瞳平面20a和面对物镜10的出射光瞳平面20b。按照附图1所示的实施方式，“O₁”是光轴11与入射平面20a之间的交点，“X₁轴”和“Y₁轴”是入射平面20a的两条相互垂直的轴，“Z₁轴”是垂直于入射平面20a的轴并且穿过点O₁。注意，(O₁，X₁，Y₁，Z₁)形成了与入射平面20a的位置相关的正交基础。还要注意，按照附图1所示的实施方式，入射平面20a的中心位于物镜10的光轴11上：因此X₁、Y₁和Z₁轴分别平行于X、Y和Z轴。类似地，“O₂”是光轴11与出射平面20b之间的交点，“X₂轴”和“Y₂轴”是出射平面20b的两条相互垂直的轴，“Z₂轴”是垂直于入射平面20b的轴并且穿过点O₂。注意，(O₂，X₂，Y₂，Z₂)构成了与入射平面20b的位置相关的正交基础。还要注意，按照附图1所示的实施方式，出射平面20b的中心位于物镜10的光轴11上：因此X₂、Y₂和Z₂轴分别平行于X、Y和Z轴。

功率切换开关20设置为用于调整扫描光斑19的光功率，从而该光斑在写入模式下具有第一光功率等级P_写入，并且在读取模式下具有第二(较低的)光功率等级P_读取。这样，功率切换开关20将进入入射平面20a的辐射束17转换为从出射平面20b射出的辐射束25，其中，在入射平面20a内，辐射束17在写入模式和读取模式下都具有强度I₁，而在出射平面20b内，辐射束25在写入模式下具有强度I_2，写入，在读取模式下具有一不同的强度I_2，读取。入射束17在写入和读取模式下都具有相同的强度分布(I₁)，而出射束25在写入模式和读取模式下具有两种不同的强度分布I_2，写入和I_2，读取。将对功率切换开关20进行更加详细的介绍。

物镜10将辐射束25(按照附图1所示的实施方式，该辐射束基本上是准直的)转换成聚焦辐射束18，以便在信息层2的位置上形成扫描光斑19。按照附图1所示的实施方式，透镜10具有入射光瞳10a和出射光瞳10b，它们关于光轴11旋转对称：入射光瞳10a具有圆形的边缘或边界。在下文中，“r₀”是入射光瞳10a的半径(正值)，并且仅仅为了说明，r₀等于1.5mm。注意，可以将物镜形成为用在无限共轭模式下的混合透镜，比如结合了折射元件的透镜。这样一种混合透镜可以是借助金刚石车削工艺或利用例如UV固化涂漆的光致聚合作用的平板印刷工艺形成的。还要注意，附图1中所示的物镜10形成为凸凸透镜；不过，也可以使用诸如平凸或凹凸透镜之类的其它透镜元件类型。而且，光学扫描装置1可以包括前置物镜(附图1中未示出，但是在附图6A和6B中仅为了说明示出了前置透镜，并且由附图标记10’标注)。这一前置物镜设置在准直透镜8与物镜10之间，以便形成复合物镜系统。按照另外一种可选实施方式，物镜系统可以包含一个以上的前置物镜。

在扫描期间，记录载体3在主轴(附图1中未示出)上旋转并且随后透过透明层5对信息层2进行扫描。聚焦辐射束18在信息层2上反射，从而形成反射束21，该反射束沿着前向会聚辐射束18的光路返回。物镜10将反射辐射束21转换成反射的基本准直的辐射束22。分束器9通过将至少一部分反射辐射束22朝向检测系统12传送而将前向辐射束17与反射辐射束22分离开来。

检测系统12包括会聚透镜23和用于采集所述部分反射辐射束22的四分检测器24。四分检测器24将部分反射辐射束22转换成一个或多个电信号。这些信号之一是信息信号I_数据，该信号的值代表在信息层2上扫描到的信息。由信息处理单元16对信息信号I_数据进行处理，以进行误差修正。从检测系统12得到的其它信号是聚焦误差信号I_聚焦和径向跟踪误差信号I_径向。信号I_聚焦代表沿着Z轴方向在扫描光斑19与信息层2的位置之间的高度轴向差。最好，信号I_聚焦是由“象散法”形成的，除了其它的获知途径外，这种方法可以从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijser等人所著的名为《光盘系统原理(Principles ofOptical Disc Systems)》(Adam Hilger 1985)(ISBN 0-85274-785-3)的书中的第75-80页获知。径向跟踪误差信号I_径向代表信息层2的XY平面内扫描光斑19与信息层2中由扫描光斑19跟踪的轨迹的中心之间的距离。最好，信号I_径向是通过“径向推挽法”形成的，除了其它的获知途径外，该方法可以从G.Bouwhuis所著的书中的第70-73页获知。

伺服电路13设置为用于，响应于信号I_聚焦和I_径向，分别提供用于控制聚焦致动器14和径向致动器15的伺服控制信号I_控制。聚焦致动器14控制物镜10沿着Z轴方向的位置，从而将扫描光斑19的位置控制得基本上与信息层2的平面相符。径向致动器14控制物镜10沿X轴的位置，从而将扫描光斑19的径向位置控制得基本上与所要跟踪的信息层2中的轨迹的中心线相符。

现在将对功率切换开关20作更加详细的介绍。如已经提到的，在写入模式下，功率切换开关20将入射平面20a内具有强度I₁的辐射束17转换为出射平面20b内具有强度I_2，写入的辐射束25，从而使得扫描光斑19的光功率P等于高功率等级P_写入。在读取模式下，功率切换开关20将入射平面20a内具有同样强度I₁的辐射束17转换成出射平面20b内具有强度I_2，读取的辐射束25，从而使得扫描光斑19的光功率P等于低功率等级P_读取。

附图2A表示代表在功率切换开关20的入射光瞳上沿着X₁轴方向的强度I₁的曲线31。附图2B表示代表在功率切换开关20的入射光瞳上沿着Y₁轴方向的强度I₁的曲线32。如附图2A和2B所示，强度I₁具有类似高斯分布：

$I_1(x_1,y_1)=I_0{e}^{-{\left(\frac{x_1}{A}\right)}^2-{\left(\frac{y_1}{B}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中“I₁(x₁，y₁)”是直角坐标系(O₁，X₁，Y₁)中的坐标为(x₁，y₁)的点上的强度I₁的值，“I₀”是强度I₁的最大值(即，辐射束17的中心射线的强度)，而“A”和“B”是两个主要取决于辐射源7的恒定参数。按照附图1所示的实施方式，参数A和B还取决于设置在辐射源7和功率切换开关10之间的光学元件，例如，取决于准直透镜8。在下文中，并且仅用作说明，从辐射源7发射出来的辐射束4具有椭圆形的横截面，并且参数A和B因此彼此相异。仅作示例之用，参数A和B分别等于2.68和2.24。注意，在辐射束17具有圆形横截面的情况下，参数A和B是彼此相等的。

附图3A表示代表在功率切换开关20的出射光瞳20b上沿着X₂轴方向的强度I_2，写入的曲线33。附图3B表示代表在功率切换开关20的出射光瞳20b上沿着Y₂轴方向的强度I_2，写入的曲线34。如附图3A和3B所示，强度I_2，写入具有类似高斯分布：

其中“I_2，写入(x₂，y₂)”是直角坐标系(O₂，X₂，Y₂)中的坐标为(x₂，y₂)的点上的强度I_2，写入的值，“I_0，写入”是强度I_2，写入的最大值(即，在写入模式下辐射束25的中心射线的强度)，而“C”和“D”是两个取决于参数A和B并且取决于功率切换开关20的针对写入模式的设计参数的恒定参数。在下文中，并且仅用作说明，参数C和D分别等于2.51和2.10。注意，在辐射束17具有圆形横截面的情况下，参数C和D是彼此相等的。

附图4A表示代表在功率切换开关20的出射光瞳20b上沿着X₂轴方向的强度I_2，读取的曲线35。附图4B表示代表在功率切换开关20的出射光瞳20b上沿着Y₂轴方向的强度I_2，读取的曲线36。如附图4A和4B所示，强度I_2，读取具有类似高斯分布：

其中“I_2，读取(x₂，y₂)”是直角坐标系(O₂，X₂，Y₂)中的坐标为(x₂，y₂)的点上的强度I_2，读取的值，“I_0，读取”是强度I_2，读取的最大值(即，在读取模式下辐射束25的中心射线的强度)，而“E”和“F”是两个取决于参数A和B并且取决于功率切换开关20的针对读取模式的设计参数的恒定参数。在下文中，并且仅用作说明，参数E和F分别等于2.87和2.40。注意，在辐射束17具有圆形横截面的情况下，参数E和F是彼此相等的。还要注意，最大强度I₀、I_0，写入和I_0，读取可以是相互不同的。

更加具体地讲，为了将强度I₁转换成强度I_2，写入或I_2，读取，功率切换开关20对在写入或读取模式下进入物镜10的辐射束25的尺寸进行调整。在本说明书中，辐射束的“尺寸”在辐射束具有椭圆形横截面的情况下指的是长轴或短轴的长度，在辐射束具有圆形横截面的情况下指的是圆形横截面的半径。而且在本说明书中，辐射束的“横截面”指的是辐射束在垂直于辐射束的中心射线的平面内的横截面。

这样，将功率切换开关20设置成，在写入模式下，使得辐射束25具有第一大尺寸，以便具有第一低边缘强度等级I_{边缘，写入}，从而使得扫描光斑19具有高功率等级P_写入。还要将功率切换开关20设置成，在读取模式下，使得辐射束25具有第二小尺寸(即，小于所述第一尺寸)，以便具有第二高边缘强度等级I_{边缘，读取}(即，高于边缘强度等级I_{边缘，写 入})，从而使得扫描光斑19具有低功率等级P_读取。换句话说，通过与入射束17的尺寸相比，功率切换开关20在写入模式下减小呈现束25的尺寸，而在读取模式下增大呈现束25的尺寸。

在物镜10的圆形入射光瞳10a(半径为r₀)得以完全充满的较佳情况下，由下列等式给出高和低功率等级P_写入和P_读取：

假设扫描光斑的光功率P等于入射光瞳10a中的辐射束25的光功率。这在由于物镜10的吸收而造成的传输损耗可以忽略不计的情况下可以成立。

而且，注意，在写入模式下，辐射束25的任何边缘射线来自于辐射束17在直角坐标为(x₁，y₁)的第一点处进入入射平面20a的射线，其中该第一点与点O₁之间的距离等于第一距离h_写入，该第一距离是不变的，与射线无关。因此，在写入模式下，该第一点的坐标(x₁，y₁)是由下述等式给出的。

x₁ ²+y₁ ²＝h_写入 ²(5a)

同样，在读取模式下，辐射束25的任何边缘射线来自于辐射束17在直角坐标为(x₁，y₁)的第二点处进入入射平面20a的射线，其中该第二点与点O₁之间的距离等于第二距离h_读取，该第一距离是不变的，与射线无关。因此，在读取模式下，该第二点的坐标(x₁，y₁)是由下述等式给出的。

x₁ ²+y₁ ²＝h_读取 ²(5b)

这样，由等式4(a)、4(b)、5(a)和5(b)得出：

通过适当设计功率开关20(将进一步详细解释)，能够将高度h_写入和h_读取选择得使边缘强度等级I_{边缘，写入}和I_{边缘，读取}等于不同的期望值，并且因此功率等级P_写入和P_读取等于不同的期望值。仅仅为了说明的目的，表I给出了沿X₂轴和Y₂轴的边缘强度等级I_{边缘，写入}和I_{边缘，读取}的期望值、沿X₁轴和Y₁轴(按照附图2A和2B)的相应高度h_写入和h_读取以及结果得到的光功率等级P_写入和P_读取(按照等式6(a)和(6b))。

表I：

注意，在表I中，在辐射束的光路中没有传输损耗的情况下，比值P_写入/P_读取近似等于1.25。还要注意，辐射束25的边缘强度在写入模式下低于读取模式下的边缘强度，并且扫描光斑19的光功率在写入模式下要大于读取模式下的光功率。这样，光学扫描装置1能够借助在写入模式下具有高的光功率且在读取模式下具有高的边缘强度的辐射束25实现光学记录载体3的扫描。

还要注意，功率切换开关20构成了在无穷远处具有物和像共轭的望远镜状结构，其中该望远镜结构具有在写入和读取模式之间可切换的横向放大率。这样，该望远镜结构的放大率在写入模式下等于

在读取模式下等于

现在详细介绍附图1中所示的扫描光斑功率切换开关的三种实施方式。

现在介绍扫描光斑功率切换开关20的第一实施方式201(此后由附图标记201指代)。附图5表示功率切换开关201的Y₁Z₁平面内的横截面。按照这一实施方式，功率切换开关201包括两个可变聚焦透镜单元41和42，这两个透镜单元具有电加湿装置60的形式。注意，各种不同的聚焦透镜的原理在中国专利申请第03803856.0号中进行了详细的介绍。

电加湿装置60包括导电材料制成的圆筒43。圆筒43涂覆有绝缘层44。该圆筒的内侧配备有流体接触层45。导电圆筒43构成用于透镜单元41和42的公共第一电极。第一透镜单元41的第二电极是由环形导电层46构成的，该环形导电层46具有用于透过射线的中心透明区域。位于出口端的导电层47构成第二透镜单元42的第二电极。两个透明层48和49分别覆盖着导电层46和47。圆筒43的中央部分填充有第一透明且不导电流体(液体或蒸汽)50。在流体50的每一侧，都有第二透明且导电流体(液体或蒸汽)51。流体51具有第一折射系数n₁，而流体50具有第二折射系数n₂。按照这种实施方式，第一折射系数n₁低于第二折射系数n₂。仅仅为了说明的目的，按照附图5中所示的实施方式，第一流体50是水(n₁＝1.349)，第二流体是油，例如，聚二甲基(8-12％)-苯基甲基硅氧烷共聚物(polydimethyl(8-12％)-phenylmethylsiloxame copolymer)(n₂＝1.425)。按照另外一种可选方式，第一流体50可以是油，而第二流体51可以是水。而且另外，出口端处的流体可以与入口端处的流体不同。互不相溶的流体50和51在功率切换开关201的入口侧(即，面对X₁Y₁平面的一侧)是凭借第一弯液面52分开的，该第一弯液面52构成了第一可变聚焦透镜单元41。流体50和51在功率切换开关201的出口侧(即，面对X₂Y₂平面的一侧)是凭借第二弯液面53分开的，该第二弯液面53构成了第二可变聚焦透镜单元42。下文中，“R₁”是第一弯液面52的曲率半径，而“R₂”是第二弯液面53的曲率半径。分别借助可控电压源54和55，可以彼此独立地改变这些弯液面的曲率，并且从而，独立地改变透镜单元41和42的焦距。下文中，“V₁”是电压源54的电压，“V₂”是电压源55的电压。

按照这种实施方式，分别在写入和读取模式下增大和减小辐射束25的尺寸，是通过改变曲率半径R₁和R₂来实现的，而曲率半径R₁和R₂的改变是经由电压V₁和V₂的顺应变化而进行的。附图6A表示配备有附图5中所示的功率切换开关201的扫描装置1的某些光学元件，它们处于写入模式。附图6B表示工作于读取模式下的同一些光学元件。

如附图6A所示，第一弯液面40具有凹曲度，其曲率半径R₁是负的，并且由于折射率n₂和n₁之间的差异，透镜单元41起到了正的会聚透镜单元的作用。第二弯液面42具有凹曲度，其曲率半径R₂是负的，并且由于折射率n₁和n₂之间的差异，第二透镜单元42起到了负的发散透镜单元的作用。

如附图6B所示，第一弯液面40具有凸曲度，其曲率半径R₁是正的，并且由于折射率n₂和n₁之间的差异，透镜单元41起到了负的发散透镜单元的作用。第二弯液面42具有凸曲度，其曲率半径R₁₂是正的，并且由于折射率n₁和n₂之间的差异，第二透镜单元42起到了正的会聚透镜单元的作用。

距离h_写入和h_读取取决于曲率半径R₁和R₂，和附图5中所示的电浸湿装置的其它设计参数。附图7表示附图5中所示的扫描光斑功率切换开关201的示意性横截面图。在附图7中，用实线示出了辐射束25的边缘射线穿过功率切换开关201的路径。附图7中给出了下列设计参数：“d₁”是第一流体50沿着光轴11的厚度，“d₂”是入口侧内的第二流体51沿着光轴11的厚度，“d₃”是出口侧内的第二流体51沿着光轴11的厚度，“d₀”是透明层48或49沿着光轴11的厚度，而“n₀”是透明层48或49的折射率。我们发现，使用旁轴近似(具有20％的典型精度)，按照这种实施方式的距离h_写入和h_读取由下述等式给出：

$R_1=\frac{d_1(n_1-n_2)}{n_1(1-\frac{r_0}{h_1})}---\left(7a\right)$

$R_2=R_1+\frac{n_2-n_1}{n1}{d}_1---\left(7b\right)$

其中“h₁”是距离h_写入或距离h_读取。

仅仅为了说明的目的，表II表示使用射线跟踪仿真获得的写入和读取模式下的曲率半径R₁和R₂以及相应的高度h_写入和h_读取。

表II：

因此，并且参照表I，通过适当选取曲率半径，能够将辐射束17转换成这样的辐射束25：其中进入物镜10的辐射束25的边缘强度在写入模式下等于I_{边缘，写入}，从而光功率P等于P_写入，并且在读取模式下，该边缘强度等于I_{边缘，读取}，从而光功率P等于P_读取。注意，虽然在理想情况下比值P_写入/P_读取近似等于125％(见表I)，但是在光扫描装置1配备有附图5所示的功率切换开关201的情况下，该比值等于120％。这是由发生在第二流体(油)中的大约5％的传输损耗造成的。

有利地，与传统的功率切换开关相比，可以将功率切换开关201制作得充分地更加小型化并且为写入模式和读取模式间的切换动作消耗充分少的电能。借助这些特性，本实施方式非常适于加入到用于小的和/或手持和/或电池供电设备的微型装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、个人计算机相机、内部通信系统和电子游戏机。

注意，在附图6A和6B中，扫描光斑功率切换开关201设置在准直透镜8和物镜10之间，从而构成了具有无穷远处的物和像共轭的望远镜状的结构。

功率切换开关20的第二实施方式(此后由附图标记202指代)，是附图5中所示的功率切换开关201的替换方案。附图8表示功率切换开关202在Y₁Z₁平面内的横截面图，其中第一和第二可变聚焦透镜单元分别设置在两个不同的电浸湿装置60’和60”中。

如附图8所示，电浸湿装置60’包括导电材料制成的圆筒43’，该圆筒涂覆有绝缘层44’。该圆筒43’的内侧配备有流体接触层45’。导电圆筒43’构成所述第一透镜单元的公共电极。所述第一透镜单元的第二电极是由具有用于通过射线的中央透明区域的圆环形导电层46’构成的。装置60’还配备有两个透明层48’和49’。层49’覆盖着导电层46’。圆筒43’的一部分填充有与附图5所示的实施方式的第一流体50相同的流体。该圆筒的其它部分填充有与附图5所示的实施方式中的第二流体51相同的流体。互不相溶的流体50和51是凭借弯液面52’分开的，该弯液面52’具有与附图5中所示的弯液面52相同的形状和曲率半径，该弯液面52’的形状和曲率半径由电压源54’控制，该电压源54’提供与附图5中所示的电压V₁相同的电压。

而且如附图8所示，电浸湿装置60”包括导电材料制成的圆筒43”，该圆筒涂覆有绝缘层44”。该圆筒43”的内侧配备有流体接触层45”。导电圆筒43”构成所述第二透镜单元的公共电极。所述第二透镜单元的第二电极是由具有用于通过射线的中央透明区域的圆环形导电层47”构成的。装置60”还配备有两个透明层48”和49”。层49”覆盖着导电层47”。圆筒43”的一部分填充有与附图5所示的实施方式的第一流体50相同的流体。该圆筒的其它部分填充有与附图5所示的实施方式中的第二流体51相同的流体。互不相溶的流体50和51是凭借弯液面53”分开的，该弯液面53”具有与附图5中所示的弯液面53相同的形状和曲率半径，该弯液面53”的形状和曲率半径由电压源55”控制，该电压源55”提供与附图5中所示的电压V₂相同的电压。

注意，扫描光斑功率切换开关202设置在准直透镜8和物镜10之间，从而构成了具有无穷远处的物和像共轭的望远镜状的结构。

现在介绍扫描光斑功率切换开关20的第三实施方式，其此后由附图标记203指代。附图9表示功率切换开关203的光学元件。

按照附图9所示的实施方式，辐射束4(并且因此辐射束25)是沿着一个偏振轴线性偏振的，所述偏振轴平行于X₁轴或Y₁轴。下文中，“p_⊥”是沿着平行于X₁轴的轴的线偏振状态，并且由附图中的点表示；“p_‖”是沿着与X₁轴垂直的轴的线偏振状态，并且由附图中的箭头表示。而且按照这种实施方式，第一分束器9设置在辐射源7与准直透镜8之间。此外，分束器9是偏振分束器，使得进入该分束器的辐射束在该辐射束具有偏振状态p_‖的时候得以朝向功率切换开关203传送，而在该辐射束具有偏振状态p_⊥的时候朝向检测系统24反射。

功率切换开关203包括偏振开关70、第一反射镜71、第二反射镜72和第一四分之一波长板73、第二四分之一波长板74、第三四分之一波长板75和第二偏振分束器76。偏振分束器76能够根据辐射束的偏振状态传送和反射进入该分束器76的任何辐射束：它传送具有偏振状态p_‖的辐射束并且反射具有偏振状态p_‖的辐射束。第一反射镜71设置在偏振分束器76的一侧：该反射镜的光轴垂直于光轴11，即，平行于O₁Y₁轴。第二反射镜72设置在偏振分束器76的另一侧：该反射镜的光轴垂直于光轴11，即，平行于O₁Y₁轴。按照这种实施方式，反射镜71和72构成了高斯型望远镜结构，即，反射镜71的像方焦点是反射镜72的物方焦点。第一四分之一波长板73设置在偏振分束器76和反射镜71之间，使其具有与反射镜71相同的光轴。第二四分之一波长板74设置在偏振分束器76与反射镜72之间，使其具有与反射镜72相同的光轴。第三四分之一波长板75设置在偏振分束器76与物镜10之间，使其具有与物镜10的光轴11相同的光轴。偏振开关70设置在由第一分束器9传送的辐射束的光路当中，并且按照这种实施方式，处于准直透镜8和第二分束器76之间。偏振开关70能够在偏振状态p_‖和p_⊥之间改变辐射束的偏振状态。偏振开关70包括(仅仅为了说明的目的)电可控液晶单元。按照附图9中所示的实施方式，将偏振开关70设置成，进入和射出第二偏振分束器76的辐射束的偏振状态在写入模式下发生转换，而在读取模式下保持不变。

按照这种实施方式，分别在写入和读取模式下减小和增加辐射束25的尺寸，是通过改变经功率切换开关203传播的辐射束的光路来实现的，这种改变是经由切换该辐射束的偏振状态来完成的。附图10A表示配备有附图9中所示的扫描光斑功率切换开关203的扫描装置1的某些光学元件，其处于写入模式下。附图10B表示工作于读取模式下的同一些光学元件。在附图10A(写入模式)和附图10B(读取模式)中，由从辐射源7到记录载体3的虚线和从记录载体3到检测器24的实线表示辐射束25的边缘射线的路径，特别是穿过功率切换开关203的边缘射线的路径。

如附图10A(写入模式)所示，辐射束4具有偏振状态p_‖，并且因此偏振分束器9将该辐射束朝向准直透镜8传送。具有偏振状态p_‖的准直辐射束17进入功率切换开关203并且进入偏振开关70。按照这种实施方式，在写入模式下，偏振开关70将偏振状态p_‖改变为p_⊥。这样，进入第二偏振分束器76的辐射束具有偏振状态p_⊥：分束器76将该辐射束经板73朝反射镜71反射。然后反射镜71将该辐射束再次经板73朝分束器76反射，从而该辐射束现在的偏振状态为p_‖。从而，分束器76将该辐射束经板74传送到第二反射镜72。然后反射镜72将该辐射束再次经板74反射到分束器76，从而该辐射束现在的偏振状态是p_⊥。这样，该分束器将该辐射束经板75反射到物镜10。在信息层2上进行了反射之后，辐射束经物镜10和板75传播到分束器76，从而该辐射束现在具有偏振状态p_‖。因此，分束器76朝向偏振开关70传送该具有偏振状态p_‖的辐射束。按照这种实施方式，在写入模式下，偏振开关70再次将偏振状态p_‖改变为偏振状态p_⊥。这样，从偏振开关70射出的辐射束具有偏振状态p_⊥，并且经准直透镜8向第一偏振分束器9传播：分束器9将该辐射束朝向检测器24反射。

如附图10B(读取模式)所示，辐射束4具有偏振状态p_‖，并且因此偏振分束器9将该辐射束朝向准直透镜8传送。具有偏振状态p_‖的准直辐射束17进入功率切换开关203并且进入偏振开关70。按照这种实施方式，在读取模式下，偏振开关70不改变偏振状态。这样，进入第二偏振分束器76的辐射束具有偏振状态p_‖：分束器76将该辐射束经板75传送至物镜10。在信息层2上进行了反射之后，辐射束经物镜10和板75传播到分束器76，从而该辐射束现在具有偏振状态p_⊥。因此，分束器76将该辐射束经板74朝反射镜72反射。然后反射镜72将该辐射束再次经板74反射到分束器76，从而该辐射束现在的偏振状态为p_‖。从而，分束器76将该辐射束经板73传送到第二反射镜71。然后反射镜71将该辐射束再次经板73反射到分束器76，从而该辐射束现在的偏振状态为p_⊥。这样，该分束器朝向偏振开关70反射该具有偏振状态p_⊥的辐射束。而且按照这种实施方式，并且在读取模式下，偏振开关70同样不会改变偏振状态。这样，从偏振开关70射出的辐射束具有偏振状态p_⊥并且经准直透镜8传播到第一偏振分束器9：分束器9朝向检测器24反射该辐射束。

距离h_写入和h_读取取决于第二分束器76、反射镜71和72以及板73、74和75的设计参数。我们已经得出，按照这种实施方式，距离h_写入和h_读取是由下述等式给出的：

其中“f₁”和“f₂”分别是反射镜71和72的像焦距。

仅仅为了说明的目的，表III给出了写入和读取模式下焦距f₁和f₂的值以及按照等式(8a)和(8b)的相应高度h_写入和h_读取。

表III：

因此，并且参照表I，通过适当选取焦距f₁和f₂，能够将准直辐射束17转换成这样的辐射束25：其中进入物镜10的辐射束25的边缘强度在写入模式下等于I_{边缘，写入}，从而光功率P等于P_写入，并且在读取模式下，该边缘强度等于I_{边缘，读取}，从而光功率P等于P_读取。如参照表I所述的，在配备有附图9所示的功率切换开关203的光学扫描装置1中没有光传输损耗的理想情况下，比值P_写入/P_读取近似等于125％。

注意，扫描光斑功率切换开关203设置在准直透镜8和物镜10之间，从而构成了具有无穷远处的物和像共轭的望远镜状的结构。

应该意识到，也可以采用与上面介绍的实施方式相关的多种多样的变形方式和修改方式，而不会超出后附的权利要求书中限定的本发明的范围。

作为扫描光斑功率切换开关的第一或第二实施方式的一种替代方案，可以将电浸湿装置的入口和出口面设计成用作，例如，透镜，比如准直透镜或衍射结构。

Claims (7)

1.一种光学扫描装置，用于借助辐射束在写入模式和读取模式下对信息层进行扫描，该装置包括：

辐射源，用于发射所述辐射束，

具有光轴的物镜，该物镜用于会聚所述辐射束，以在所述信息层的位置上形成扫描光斑，和

设置在所述辐射束的光路内的扫描光斑功率切换开关，用于在写入模式下的第一光功率等级和读取模式下的第二较低光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率，

其特征在于，所述扫描光斑功率切换开关还设置用于在写入模式下的第一尺寸与读取模式下的第二较大尺寸之间切换所述辐射束的横截面尺寸，以便在写入模式下的第一边缘强度等级与读取模式下的第二较高边缘强度等级之间切换所述辐射束的边缘强度，从而在写入模式下的所述第一光功率等级与读取模式下的所述第二光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率。

2.按照权利要求1所述的光学扫描装置，还包括设置在所述辐射源与所述扫描光斑功率切换开关之间的准直透镜，并且其中所述扫描光斑功率切换开关构成了具有可在写入和读取模式之间切换的横向放大率的望远镜状结构，从而所述辐射束的横截面在写入模式下具有所述第一尺寸并且在读取模式下具有所述第二尺寸。

3.按照权利要求1或2所述的光学扫描装置，其中所述扫描光斑功率切换开关包括具有第一弯液面和第二弯液面的可变焦液液体透镜，所述第一弯液面和第二弯液面的形状可电调整，以致使得所述辐射束的横截面在写入模式下具有所述第一尺寸并且在读取模式下具有所述第二尺寸。

4.按照权利要求1或2所述的光学扫描装置，其中所述辐射束具有第一偏振或第二相异偏振，并且其中所述扫描光斑功率切换开关包括：

偏振分束器，能够根据辐射束的偏振透射和反射所述辐射束，

设置在所述偏振分束器的一侧上的第一反射镜和设置在所述偏振分束器的另一侧上的第二反射镜，

第一四分之一波长板，设置在所述偏振分束器和所述第一反射镜之间，

第二四分之一波长板，设置在所述偏振分束器和所述第二反射镜之间，

第三四分之一波长板，设置在所述偏振分束器和所述物镜之间，

设置在所述辐射束的光路中的偏振开关，能够在所述第一和第二偏振之间改变所述辐射束的偏振，以致使得所述辐射束的横截面在写入模式下具有所述第一尺寸并且在读取模式下具有所述第二尺寸。

5.按照权利要求1或2所述的光学扫描装置，还包括一个检测系统，用于提供聚焦误差信号和/或径向跟踪误差信号，并且还包括对所述聚焦误差信号和/或所述径向跟踪误差信号做出响应的伺服电路和致动器，用于控制所述扫描光斑相对于所述信息层位置的位置和/或控制所述扫描光斑相对于所要扫描的所述信息层的轨道位置的位置。

6.按照权利要求5所述的光学扫描装置，还包括用于误差校正的信息处理单元。

7.一种适用于光学扫描装置的扫描光斑功率切换开关，该光学扫描装置用于在写入模式和读取模式下借助辐射束对光学记录载体进行扫描，所述功率切换开关设置为用于在写入模式下的第一光功率等级和读取模式下的第二较低光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率，其特征在于，所述扫描光斑功率切换开关还设置为用于在写入模式下的第一尺寸与读取模式下的第二较大尺寸之间切换所述辐射束的横截面尺寸，以便在写入模式下的第一边缘强度等级与读取模式下的第二较高边缘强度等级之间切换所述辐射束的边缘强度，从而在所述第一模式下的所述第一光功率等级与所述第二模式下的所述第二光功率等级之间切换所述扫描光斑的光功率。

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