CN100452185C - 在光学数据载体上写入光学可读数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从光学数据载体(21)上读取数据和/或在光学数据载体(21)上写入数据的装置(20)。光源产生入射光束(26)，物镜组件(28)将入射光束聚焦在光学数据载体上。采用基本上无象散的薄凸透镜(32)将反射光束(30)投射到产生跟踪误差信号的光学检测组件(33)上。光学数据载体具有一个记录层，其上以二进制标记或凹坑(11)的形式写入光学可读数据。二进制标记能够在与所述二进制标记相互作用的反射光和与所述记录层其余部分相互作用的反射光之间产生一个接近180°的相位差。数据信号和跟踪误差信号的信噪比同时得到了提高。

Description

在光学数据载体上写入光学可读数据的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种从光学数据载体上读取数据和/或在光学数据载体上写入数据的装置。本发明还涉及一种在光学数据载体上写入光学可读数据的方法，以及一种承载利用该方法获取的光学可读数据的光学数据载体。

本发明应用于所有类型的光学数据载体，包括光盘、数字通用光盘和蓝光光盘，还用于读取和/或写入数据的相应装置。

背景技术

现有技术(例如美国专利申请US-A-20030081530)公开了光学拾波器，其中，从光盘反射的光束在到达光学检测器的光接收面之前，由检测透镜会聚并经过一个产生象散的单元(例如柱状透镜)。光学检测器连接到产生记录或数据信号的解调电路和连接到产生聚焦误差信号、跟踪误差信号和其它伺服信号的误差检测电路。

发明内容

本发明的一个目标是提高这类信号(特别是数据信号和跟踪误差信号)的信噪比(SNR)，从而使从光学数据载体上读取和/或在光学数据载体上写入数据的误码率最小。

按照本发明，该目标由如权利要求1所述的装置、如权利要求6所述的方法和如权利要求10所述的光学数据载体实现。

本发明的基础是认识到现有技术的光学拾波器中存在这样一个问题，即，数据信号的SNR与跟踪误差信号的SNR之间存在冲突。参照图1、2和3对该问题作更为详细的描述。

图1为现有技术光学拾波器的示意图，为方便起见，反射系统以一个入射光瞳和出射光瞳的孔径相同的透射系统表示，它们实际上对应的是相同的物镜组件。为读取数据，激光束6由该物镜组件1聚焦在光盘3的记录层上。借助于伺服系统，激光光点可保持聚焦状态并且沿轨道扫描被记录的标记。通过检测经象散透镜5投射到光学检测器4上的反射激光束7的强度变化来读取以这些标记表示的二进制信息。

二进制标记在ROM格式盘中为凹坑，而在可重写R(W)格式盘中为相变区域。图2为光盘3的剖面示意图，其示出了ROM格式盘的轨道部分。光盘3包括透明的聚碳酸酯衬底层8。二进制标记为高度为d的凹坑11，凹坑通过从衬底层8内表面铸压到该衬底层8内。随后以溅射工艺涂覆一层反射铝层9并与受到铸压的聚炭酸酯衬底8一致。保护层10覆盖反射层9。

图3为沿图2平面III-III剖取的剖面视图，示出了ROM盘3的一部分。入射光束6经衬底层8进入光盘并经反射铝层9反射。照射到数据凹坑11上的入射光线6a与照射到衬底层8其余部分(即所谓的平面(land)12)的光线6b是在不同的深度处被反射的。在ROM光盘中，凹坑-平面结构可以被视为一种二维相位光栅。反射光线7b与7a的相位差Ψ满足Ψ＝4πnd/λ，这里n为衬底层8的折射率。

再次参见图1，平行激光束6填充在入射光瞳平面(x，y)内并且聚焦在光盘3的记录层上。激光束经反射后传播并到达出射光瞳(x’，y’)。由于衍射，只有部分光束经过物镜组件1返回和经象散透镜5投射到光电检测器4。按照衍射理论，在存在强象散时，在光电检测器4上的光场将在出射光瞳平面(x’，y’)内呈现象散性，因此从光电检测器4中提取数据信号和跟踪误差信号相当于直接从物镜组件1的出射光瞳中提取。这样出射光瞳处的光场A(x’，y’)基本上为：

A(x′，y′)＝A(x，y)*F{R(u，v)}C(x′，y′)    (1)

这里的＊表示卷积而F{}表示傅里叶变换。由于入射和出射光瞳平面相同并且由于入射光束是均匀的，因此入射和出射光瞳函数为A(x，y)＝1(x²+y²≤r²)和C(x’，y’)＝1(x’²+y’²≤r²)，这里r为物镜组件1的半径。

R(u，v)为可表示为如下形式的光盘反射函数：

$R(u,v)=1+(e^{\mathrm{j\ψ}}-1)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_p(u-u_i,v-v_i)---\left(2\right)$

这里的窗口函数W_p(u-u_i，v-v_i)对应于具有相位调制e^jΨ的中心位于坐标(u_i，v_i)的凹坑i。

数据信号I可通过积分光电检测器4上的光强度得到：

$I\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}I\left(Q_i\right)=\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}{\left|A(x^{\′},y^{\′})\right|}^2{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}=\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}{|A(x,y)*F\{R(u,v)\left\}\right|}^2\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

这里Q_i表示常规4象限检测器(4-quadrant detector)的象限(quadrants)。

为简单起见，如图3所示，假设在径向v和切线方向u上相同周期p和相同凹坑宽度w。而且我们假设凹坑窗口是理想的矩形并且具有无限陡直的壁。现有下列近似：

$A(x,y)*F\left\{R(u,v)\right\}\≈\left\{\begin{array}{c}A(x,y)*[\mathrm{\δ}(x,y)+(e^{\mathrm{j\ψ}}-1)e^{\mathrm{j\φ}}{W}_p(x,y)],x\∈[0,r]\\ A(x,y)*[\mathrm{\δ}(x,y)+(e^{\mathrm{j\ψ}}-1)e^{-\mathrm{j\φ}}{W}_p(x,y)],x\∈[-r,0)\end{array}\right.---\left(4\right)$

这里W_p(x，y)表示周期性凹坑窗口结构W_p(u，v)(即二维方波)的傅里叶变换，其包括所有的凹坑窗口W_p(u-u_i，v-v_i)。

表示光点位置的相移，这里假定激光光点以速度s沿箭头13所示的切线方向u扫描轨道。注意这里仅考虑一阶谐波。

利用轴对称性和函数W_p(x，y)和A(x，y)的实部(realness)，得到下式：

$I\left(t\right)=2(\cos \mathrm{\ψ}-1)\underset{0}{\overset{r}{\∫}}\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\left\{2\cos \mathrm{\φ}\right[W_p(x,y)*A(x,y)]-{|W_p(x,y)*A(x,y)|}^2\}\mathrm{dxdy}---\left(5\right)$

这里忽略了无关的直流分量。

显然，因子2(cosΨ-1)决定了数据信号的调制幅度。调制幅度随凹坑高度d的增加而增加，其对应于相位差Ψ的增加。当相位差Ψ达到π弧度(即180°)时，意味着凹坑11反射的光线与平面12反射的光线是反相时实现最大调制，并且获得反射光束7的最大消光(extinction)。

另外，在读或写期间使聚焦的激光点在所需的轨道上保持稳定所需的跟踪误差信号TES一般由所谓径向推挽信道(push-pull channel)产生。参见图3，如果激光束6的光点位于其中一个凹坑11之上，其在切线方向u上无位移而在径向方向v上有偏移(即轨道偏离)l，则可以由下式获得相应的跟踪误差信号：

$\mathrm{TES}\left(l\right)=I\left(Q_1\right)+I\left(Q_2\right)-I\left(Q_3\right)-I\left(Q_4\right)$

$=\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{0}{\overset{r}{\∫}}[{\left|A(x^{\′},y^{\′})\right|}^2-{\left|A(x^{\′},-y^{\′})\right|}^2]{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}---\left(6\right)$

将方程式(1)和(2)代入方程式(6)并且依据上述数据信号偏移的概述，则得到：

$\mathrm{TES}\left(l\right)=\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{0}{\overset{r}{\∫}}2\mathrm{Re}\left\{(e^{\mathrm{j\ψ}}-1)(e^{\mathrm{j\φ}}-e^{-\mathrm{j\φ}})\right[W_p(x,y)*A(x,y)\left]\right\}\mathrm{dxdy}---\left(7\right)$

$=-4\sin \mathrm{\ψ}\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{0}{\overset{r}{\∫}}\sin \mathrm{\φ}[W_p(x,y)*A(x,y)]\mathrm{dxdy}$

这里

可见跟踪误差信号TES的幅度在Ψ达到π/2时最大并且随后减少直到Ψ达到π时为零幅值。

因此，利用现有技术的光学拾波器，在最大化数据信号幅值与最大化跟踪误差信号幅值之间存在冲突，因此如果希望使数据信号幅值最大，则将完全损失跟踪误差信号TES(sinπ＝0)。换句话说，数据信号的调制深度因为跟踪误差信号需要有足够的幅值而受到限制。因此所用的最高调制深度为Ψ＝135°。

认识到上述冲突后，本发明的基本出发点是抑制所有主要的象散，这些象散来自于将反射光束引向产生跟踪误差信号的光学检测组件(即至少两个用于产生对应于反射束至少两个截面部分的强度信号的光电检测器)的光学系统。该措施抑制了数据信号幅值与跟踪误差信号幅值之间的冲突。因此两种信号的幅值可以同时增大甚至最大化，这提高了两种信号的SNR。

如权利要求2所限定的措施的优点是采用薄的凸透镜(即正常的成像透镜(normal imaging lens))使反射束会聚到光学检测器上。这种透镜的优点在于性价比。

如权利要求3所限定的措施提供了分立的光学支路，用于产生聚焦误差信号。因此可以采用任何聚焦误差信号产生方法而不会干扰跟踪误差信号的产生。数据信号可以在任一支路上检测。

不同类型的跟踪误差信号(例如权利要求4和5限定的)将得益于如权利要求1所限定的措施，特别是径向推挽信号、差分推挽信号和多束跟踪误差信号。

如权利要求6所述的方法增加了数据信号的调制幅值，因而提高了SNR。与此同时，该方法还提高了权利要求1所述装置产生的跟踪误差信号的调制幅值和SNR。权利要求7所限定的措施对两种信号的调制幅值提供了非常大的优化。

该方法应用于具有不同类型记录层的若干类型数据载体。例如ROM型光盘具有一记录层，其由深度相对于光盘外表面有局部变化的衬底层组成。衬底厚度在载带二进制1(即所谓的数据凹坑)的区域上减小。通过调整数据凹坑的深度，在选定范围内引入反射光线的相位调制。

在可记录的一次写入光盘(CD-R、DVD-R、DVD+R)中，数据记录层为有机光敏染料。二进制标记通过激光束引起的化学变化被写入染料。通过选择合适的染料可以在选定区域内引入反射光束的相位调制。

可重写光盘(CD-RW、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM)的数据记录层为相变金属合金薄膜。激光束通过加热薄膜并由此诱发相变(结晶)将二进制标记写入薄膜。通过调整预置沟槽深度和二进制标记处的记录层阻抗，可在选定范围内引入反射光的相位调制。

本发明的这些和其它方面将通过以下参照附图以举例方式描述的实施例变得显而易见并得到阐述。

附图的简要说明

图1是按照现有技术的光学拾波器的示意图，

图2是ROM型光盘的局部剖面图，

图3是表示ROM型光盘记录层的局部透视图，

图4是按照本发明一个实施例的装置的示意图，

图5是一个曲线图，示出了对于几种数据调制深度值，利用图4装置获得的径向推挽信号，其是光束轨道偏离的函数，

图6是一个曲线图，示出了利用图4装置获得的数据信号的SNR，其是数据调制深度的函数。

本发明的详细描述

图4示出了一种从光盘21上读取数据和在光盘21上写入数据的装置20。图4的示意表示着重于装置20的光学系统，而装置的其余部分是常规元件并且这里不作详细描述。所示的光学系统是示意性的。光盘21可以任何类型。如果光盘21是ROM型的，则可参照图2和3。光盘21由电机23驱动围绕转轴22转动。

装置20的光学系统包含产生入射光束26的激光光源25、使入射光束26基本平行的准直透镜27、将光束26聚焦在光盘21的记录层上的物镜组件28、将反射光束30从入射光束26分离出来的第一分束镜29(未画出常规的偏振元件)和第二分束镜31，第二分束镜31将反射光束30分成为由理想透镜32会聚至第一象限光电检测器33的第一支路30a和由象散透镜组件34会聚至第二象限光电检测器35的第二支路30b。

象散透镜组件34和第二象限光电检测器35构成常规的象散聚焦误差检测系统的一部分，该系统进一步包含聚焦误差信号产生电路36。聚焦误差信号产生电路36处理来自象限型光电检测器35的四个象限的强度信号，从而产生被传送至聚焦控制器44的聚焦误差信号FES，控制器44用于产生对聚焦传动机构38的控制信号37。聚焦传动机构38能够沿其光轴改变物镜组件28的位置。

但是在第二支路30b上可设置任何类型的聚焦误差检测系统来代替象散聚焦误差检测系统。例如公知的Foucault刀刃型(knife edge)聚焦误差检测系统也是合适的。

理想透镜32和四元型光检测器33是改进的跟踪误差检测系统的一部分，该系统进一步包含处理电路39，该电路处理来自四元型光检测器33的四个象限Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的强度信号以产生数据信号I_n和跟踪误差信号TES_n，这将在下面解释。处理电路39将跟踪误差信号TES_n传送至跟踪控制器43，由其产生对径向跟踪传动机构41的控制信号40，该信号是跟踪误差信号TES_n的函数。径向跟踪传动机构41能够相对于轨道横向地改变物镜组件28的位置，以将聚焦光点42保持在轨道中心。数据信号I_n被馈送给此处无需作进一步详述的解调电路。

理想透镜32在常规设计中为成像凸透镜，即薄的和旁轴的透镜。因此基本上不会有象散。换句话说，相应的波前象差的均方根值小于0.07λ的衍射极限，这里λ为波长。由于不存在象散，将会看到，上述数据信号与跟踪误差信号幅值间的冲突得到了抑制。

为了计算四元型光电检测器33上的光强分布，由于分束镜29和31仅引入均匀的标度因子，因此无需考虑它们。因此，反射束支路30a的光路与图1中光束7的光路几乎相同，除了物镜28的出射光瞳平面上的光场被理想透镜32进一步成像在检测平面以外。在傅里叶光学理论中众所周知的是，理想透镜32的效果基本上是远场近似中的傅里叶变换。因此光电检测器33检测平面上的光场A(即平面(u’，v’))可以写为：

A(u′，v′)＝[A(u，v)R(u，v)]*C(u′，v′)    (8)

这里

A(u，v)＝F^-1[A(x，y)]，

C(u’，v’)＝F^-1[C(x’，y’)]

F^-1表示傅里叶逆变换-二者都具有一阶贝赛尔函数的形式。实际上由于A(x，y)＝C(x’，y’)，它们互相相等。

假设式(4)中的光盘反射函数R(u，v)被变换为光盘平面(u，v)，有：

A(u，v)R(u，v)≈A(u，v){1+(e^jψ-1)[W_p(u，v)+ΔW_p(u，v，l)]}    (9)

这里的窗口偏移ΔW_p(u，v，l)与相对轨道中心的径向偏移l对应。

同样，对于方程式(7)，跟踪误差信号可以表示为：

${\mathrm{TES}}_n\left(l\right)=I\left(Q_1\right)+I\left(Q_2\right)-I\left(Q_3\right)-I\left(Q_4\right)$

$=\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{0}{\overset{r}{\∫}}[{\left|A(u^{\′},v^{\′})\right|}^2-{\left|A(u^{\′},-v^{\′})\right|}^2]{\mathrm{du}}^{\′}{\mathrm{dv}}^{\′}---\left(10\right)$

将方程式(8)和(9)代入方程式(10)，定义：

D(u，v)＝[A(u，v)W_p(u，v)]*A(u，v)

ΔD(u，v)＝[A(u，v)ΔW_p(u，v，l)]*A(u，v)

并且考虑函数A(u，v)、D(u，v)和ΔD(u，v)的实部，则得到：

${\mathrm{TES}}_n\left(l\right)=2(\cos \mathrm{\ψ}-1)\underset{-r}{\overset{r}{\∫}}\underset{0}{\overset{r}{\∫}}\left\{\right[A(u,v)\mathrm{\ΔD}(u,v)-A(u,-v)\mathrm{\ΔD}(u,-v)]$

$+[D(u,v)\mathrm{\ΔD}(u,v)-D(u,-v)\mathrm{\ΔD}(u,-v)]---\left(11\right)$

$+[{\left|\mathrm{\ΔD}(u,v)\right|}^2-{\left|\mathrm{\ΔD}(u,-v)\right|}^2]\}\mathrm{dudv}$

结论是，在装置20中，跟踪误差信号TES_n随(cosΨ-1)而变化。

因此，跟踪误差信号TES_n与Ψ的相关性与现有技术装置中获得数据信号I的相关性相同，即两种信号的调制幅值可以随Ψ从0增加至π而单调地增加。这意味着，如果数据信号I是在与现有技术类似的条件下产生的(即都利用象散透镜34和检测器35)，则两种信号的SNR可以同时增加。由图4中虚线箭头I所示，可以利用电路36来产生数据信号I。

然而众所周知的是，傅里叶变换不会改变信号的总强度。因此如果数据信号I_n是在理想透镜32成像反射束30之后产生的，则数据信号I_n与Ψ的相位关系也是一个前置因子(cosΨ-1)，假设检测器33采集了离开物镜组件28整个出射截面的光线。这可以适当选择透镜32的放大倍数和检测器33的尺寸来实现。因此当数据和跟踪误差信号都是在理想透镜32成像反射束30a之后产生的时候，也消除了数据信号I_n与跟踪误差信号TES_n的幅值间的冲突。

利用基于标量衍射理论的计算机模拟，上述理论结果得以确认。利用DVD ROM的参数进行所述模拟。图5示出了结果。每条曲线示出了不同取值的相位差Ψ＝4πnd/λ(即相应的凹坑深度值d)下，跟踪误差信号TES_n作为径向偏移l的函数的变化情况。横坐标为l/p，这里p表示轨道间距。纵坐标为任意单位的TES_n。显然，当Ψ达到π时，幅值最大。

数据信号中的噪声一般源于数据载体的缺陷(例如灰尘和划痕)和电子噪声。这种噪声与凹坑深度没有直接的关系。因此根据方程式(5)，数据SNR的相对增益可以写为：

$G_{\mathrm{SNR}}\left(\mathrm{\ψ}\right)=10*{\log }_{10}\frac{{(\cos \mathrm{\ψ}-1)}^2}{4}---\left(12\right)$

图6示出了这种关系，这里横坐标是以度为单位的Ψ，而纵坐标是以分贝(dB)为单位的G_SNR。对于Ψ＝85°(在现有技术下，跟踪误差信号幅值在此处几乎是最佳的)，数据SNR的增益为-7dB左右，这个值是非常大的。对于Ψ＝135°(这是现有技术的建议值，其在数据信号与径向推挽信号幅值间达成了可接受的折衷)，数据SNR的增益还是有-1.5dB左右。显然，将凹坑深度增加直到使相应的相位差Ψ更为接近π的程度会导致提高了数据SNR。对跟踪误差信号TES_n的SNR也观察到类似趋势。因此，在装置20中，与现有技术相比凹坑深度d有所增加的ROM光盘在读取时的数据信号SNR和跟踪误差信号SNR得到了改进。利用理想透镜32替代象散透镜组件，消除了增加的数据信号调制与跟踪误差信号可用性之间的冲突。结果，可以为获得几个分贝的数据信噪比而使数据调制最大。

在上述结果中，Ψ指的是在穿过衬底层8并经二进制标记11反射的光线与穿过衬底层8并经平面区域12反射的光线之间出现的相位差。这些结果并不局限于ROM型光盘。它们可应用于其它任何由二进制标记产生相位差的其他任何记录介质，例如一次写入光盘和可重写光盘。

利用若干反射光束作径向跟踪的系统(例如EP-A-379285描述的3光点系统)也可以得益于上述消除了数据和跟踪误差信号幅值间冲突的方法，由此优化了两种信号的SNR。这源于这样一个事实，即径向跟踪的多光束推挽信号是若干单光束推挽信号的线性组合。

作为上述信号TES_n的另一种替换形式，处理电路39可产生一个对角线式的推挽信号DPP来检测跟踪误差，即：

DPP＝[I(Q1)+I(Q3)]-[I(Q2)+I(Q4)]    (13)

在进行类似于方程式(11)的推导之后，可以发现信号DPP同样具有前置因子(cosΨ-1)，这意味着信号DPP在数据信号调制最大时也取最大幅值。

虽然上面描述了并在附图中示出了装置20的简单实施例，但是可以设计更加复杂的实施例，即提供额外的光学部件(例如象差补偿器、偏振片、分束镜等)。使返回光束的路径更接近理想情形的部件(例如象差补偿器)使得实际光束更类似上述推导所基于的假设。因此假设基本上无象散的成像透镜或透镜组将反射光束会聚到检测跟踪误差的光电检测器上，则采用这些光学部件不会对跟踪误差信号幅值带来不利影响。

虽然为清楚起见，上述方程式已经在标量近似下作了推导，但是适当考虑光偏振也不会改变主要的结果，即跟踪误差信号和数据信号对相位差Ψ具有相同的相关性。因此可以在装置20内加入偏振部件而不会对跟踪误差信号幅值带来不利的影响。

已经描述了在光盘系统中提取跟踪误差信号的方法，其中反射光束的路径由理想会聚透镜或透镜组而不是象散透镜组件加以改变。通过调整光学数据载体(特别是ROM格式)上的数据调制幅值，使数据信号和跟踪误差信号幅值同时得到优化

动词“包括”或“包含”及其变化形式并未将那些在权利要求中未提及的单元或步骤排除在外。而且出现在一个单元或步骤之前的冠词“一个”或“一”并未将存在多个这种单元或步骤的情形排除在外。

在权利要求书中，置于括号内的任何标号不应解释为对权利要求范围的限定。

Claims (5)

1、一种从光学数据载体(21)上读取数据和/或在光学数据载体(21)上写入数据的装置(20)，所述装置包含一个产生入射光束(26)的光源、一个将所述入射光束(26)聚焦在所述光学数据载体上的物镜组件(28)和一个检测透镜组件，所述检测透镜组件将从所述光学数据载体返回的返回光束(30)投射到一个适于产生跟踪误差信号的光学检测组件(33)，其特征在于所述检测透镜组件为一个基本上无象散的会聚透镜组件，用于将在所述物镜组件(28)的出射光瞳平面上的光场成像在所述光学检测组件(33)上。

2、如权利要求1所述的装置，其中，所述检测透镜组件由薄的凸透镜组成。

3、如权利要求1所述的装置，进一步包括一个分束镜(31)，用于将所述返回光束分成为一个经所述检测透镜组件投射的第一支路(30a)和一个投射到所述装置的一个聚焦误差检测组件的第二支路(30b)。

4、如权利要求1所述的装置，进一步包括一个跟踪误差信号产生器(39)，用于产生由强度信号之间的差值引起的一个跟踪误差信号(TES_n)，所述强度信号对应于所述返回光束的两个横截面部分。

5、如权利要求1所述的装置，进一步包括一个用于产生跟踪误差信号的跟踪误差信号产生器(39)，其中，所述光学检测组件包括设置为四边形的四个光电检测器(Q₁-Q₄)，并且所述跟踪误差信号由两个信号之间的差值引起，其中每一个信号通过将两个在对角线上相对的光电检测器的强度信号相加获得。

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