CN101025948A - 可修正像差的光学读取装置和聚光装置 - Google Patents

Abstract

可修正像差的光学读取装置包含光源、透镜、液晶层、以及电极组。光学读取装置的光源提供光线，并利用透镜将光线聚焦至储存媒体以读取数据。光学读取装置的液晶层设于光源及储存媒体之间。电极组的两电极分别设于液晶层的两侧，通过施加电压至电极组来改变液晶层的电场，进而改变液晶层对光线的折射系数，藉此修正光学读取装置的像差。

Description

可修正像差的光学读取装置和聚光装置

技术领域

本发明相关于一种可修正像差的光学读取装置，尤指一种可通过液晶层修正像差的光学读取装置。

背景技术

在光学系统中常使用透镜来聚集、折射或是透射光线。在理想状况下，光学系统中所使用的透镜依照系统设计理应能够获得理想的图像，然而在实际生产时，限于材料或制程因素，制造出来的光学镜片并不能达到完全理想的状态，镜片本身多少存在像差(aberration)现象。而在使用的过程中，也往往因为一些不预期的操作因素(例如光驱在读取光盘片时，光盘片并未完全放置妥当，使得光盘片的数据面具有倾角)，会造成光学系统的偏差，影响显示品质或数据的读取。

一般光学系统中常见的镜片像差有球面像差(spherical aberration)、慧型像差(coma aberration)、像散(astigmatism)、或是像面弯曲(curvatureof field)等等。顾名思义，慧型像差是指当以相对镜头光轴的方向倾斜入射的光线，和以平行方向入射的光线所结合成的图像不是在一点上，而是形成带有类似彗星的尾部的成像结果时所产生的像差。简单的说，慧型像差是反应透镜在光线偏离光轴时的一种球面像差，在入射光线和数据读取面倾角过大时容易产生，且在画面的周边最为显著。慧型像差可由下列公式来表示：

$\mathrm{comaaberration}=(\frac{n^2-1}{{2n}^3}*d*\frac{{\mathrm{NA}}^3}{\mathrm{\λ}})(\mathrm{\θ}*\frac{\mathrm{\π}}{180})$

以光驱为例，d代表光盘片厚度，NA代表光驱采用的数值孔径(numericalaperture，NA)，λ代表光线的波长，θ代表光盘片的倾角，n代表光线在光盘片内的折射系数(refractive index)。

随着科技发展，消费者对于储存媒体的储存容量要求也越来越高，请参考图1，图1的图表显示目前市面常见储存媒体的规格。如图1所示，相较于传统的光盘(compact disc，CD)和数码多用途光盘(digital versatiledisc，DVD)规格，蓝碟(blu-ray disc，BD)和高密度数字多用途光盘(highdensity digital versatile disc，HD-DVD)能提供相当大的储存容量，因此已成为未来发展的趋势。蓝碟机和高密度数字多用光驱皆采用波长为405nm的蓝色激光来读取数据，而蓝碟机更采用较大的数值孔径以增加其光学读取头的单片镜片能从储存媒体上处理数据的数值。此外，蓝盘片的记录层是单面单层，厚度为0.1mm，相较于DVD和HD-DVD采用单面双层0.6mm的构造，蓝盘片单层设计能让光盘表层储存媒体更密集结合，减少激光蓝光的扩散，提供更高密集数据光储容量。由于慧型像差和波长成反比，和数值孔径的三次方与光盘厚度成正比，因此蓝碟机和高密度数字多用光驱能容许的倾角θ便大幅降低，也更容易产生慧型像差，只要盘片位置有稍许偏差，往往会影响数据的存取。

请参考图2，图2为美国公开号US2004/0042356中光学系统20的示意图。光学系统20包含储存媒体21、光学读取头22、主轴马达(spindlemotor)24、倾斜修正器(tilt corrector)26、LPP(land pre-pits)信号产生器27、RF(radio frequency)信号产生器28、以及倾斜修正量计算器29。光学读取头22上设有光学传感器，可将从储存媒体21测得的信号传至LPP信号产生器27和RF信号产生器28，倾斜修正量计算器29再依据LPP信号产生器27和RF信号产生器28所产生的LPP信号和RF信号计算出储存媒体21的倾斜量，并将相对应的倾斜修正量传至倾斜修正器26，如此可依据储存媒体21的倾斜量修正光学读取头22在读取储存媒体21时的角度，降低光学系统20的慧型像差。因此，光学系统20需额外设置倾斜修正器26来修正像差，如此会增加生产成本和控制上的复杂度。

请参考图3，图3为美国公开号US2002/0067672中光学读取头30的示意图。光学读取头30包含发光元件10和12、光学传感器14、汇流透镜(conflux prism)31、准直镜(collimator lens)32、光栅(grating)33、偏极化分光镜(polarization beam splitter，PBS)34、聚焦镜(condenserlens)35、液晶层36、物镜37，以及致动器(actuator)38。光学读取头30通过致动器38来修正在读取储存媒体21的像差。致动器38包含聚焦区域(focus region)和轨道区域(tracking region)。依据光学传感器14测得的信号，致动器38的聚焦区域可调整物镜37和储存媒体21之间的距离，而致动器38的轨道区域则可调整物镜37的角度。因此，光学系统30需额外设置致动器38来修正像差，如此会增加生产成本和控制上的复杂度。

请参考图4，图4为美国公开号US2004/0125711中光学读取头40的示意图。光学读取头40包含发光元件42、主轴马达43、偏极化分光镜44、光学传感器45、液晶层46、控制电路47、透镜L1-L3、以及氧化铟锡(Indium TinOxide)电极ITO₁和ITO₂。在光学读取头40中，控制电路47依据光学传感器45以开路(open-loop)方式测得的信号，传送修正电压至氧化铟锡电极ITO₁和ITO₂，如此可依据储存媒体21的倾斜量修正光学读取头40在读取储存媒体21时的像差。然而，光学读取头40改变施加于液晶层46两侧的氧化铟锡电极ITO₁和ITO₂的电压，并无法有效地改善像差，且无法灵活地针对在读取过程中不同程度的像差作调整。

在现有技术中，一般会在光学系统中另外设置控制器(例如倾斜修正器26和致动器38)来调整透镜角度，或是通过改变施加于液晶层两侧的氧化铟锡电极的电压来降低光学系统的慧型像差，因此容易增加生产成本和控制上的复杂度，且无法有效地改善像差或是灵活地针对在读取过程中不同程度的像差作调整。

发明内容

本发明提供一种可修正像差的聚光装置，其包含透镜，用来将光线聚焦至储存媒体以读取储存于该储存媒体内的数据；液晶层，设于该聚光装置将光线聚焦至该储存媒体时的光学路径上并与该透镜互相结合；以及电极组，该电极组的两电极分别设于该液晶层的两侧，用来改变该液晶层的电场。

本发明还提供一种可修正像差的光学读取装置，其包含发光元件，用来提供光线；透镜，用来将该发光元件发射的光线聚焦至储存媒体以读取储存于该储存媒体内的数据；液晶层，设于该发光元件至该储存媒体的光学路径上；以及电极组，设于该发光元件至该储存媒体的光学路径上，用来改变该液晶层的电场，该电极组包含：第一电极，设于该液晶层的第一侧，且平行于该液晶层的第一侧；以及第二电极，以非平行于该第一电极的方式设于该液晶层的第二侧。

附图说明

图1的图表显示目前市面储存媒体的规格。

图2为现有技术中一光学系统的示意图。

图3为现有技术中一光学读取头的示意图。

图4为现有技术中另一光学读取头的示意图。

图5为本发明第一实施例中一光学系统的示意图。

图6为图5的光学系统在运作时的等效示意图。

图7为图5的光学系统在运作时的等效示意图。

图8为本发明第二实施例中一光学系统的示意图。

图9为本发明第三实施例中一光学系统的示意图。

图10为本发明第四实施例中一光学系统的示意图。

图11为本发明第五实施例中一光学系统的示意图。

[主要元件标号说明]

21         储存媒体           26         倾斜修正器

27         LPP信号产生器      28         RF信号产生器

31         汇流透镜           32         准直镜

33         光栅               24、43    主轴马达

34、44     偏极化分光镜       29         倾斜修正量计算器

35         聚焦镜             37         物镜

38         致动器             47         控制电路

55         上透镜             57         下透镜

66、76     等效透镜           60、70     等效光学系统

14、45     光学传感器         103、113   保护层

SW1-SW4    开关               58         电源

ITO₁、ITO₂    氧化铟锡电极

10、12、42、52    发光元件

22、30、40        光学读取头

36、46、54、84、94、104、114       液晶层

20、50、80、90、100、110           光学系统

L1-L3、56、86、96、106、116        透镜

A1-A4、B1-B4、C1-C4、D1-D4、E1-E4  电极

具体实施方式

请参考图5，图5为本发明第一实施例中光学系统50的示意图。光学系统50包含发光元件52、液晶层54、透镜56、电源58、电极A1-A4，和开关SW1-SW4。发光元件52可为激光二极管(laser diode，LD)，用来提供读取储存媒体21所需的光源。透镜56设于发光元件22和储存媒体21之间，用来将发光元件52发射的光线聚焦至储存媒体21的表面以读取储存于储存媒体21内的数据。

在本发明第一实施例中，透镜56可为塑料或是玻璃，可通过射出成型或是铸造的方式来制作。透镜56包含上透镜55和下透镜57，电极A1-A4可经由物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)或是化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)形成于透镜56的上透镜55和下透镜57之间，接着形成液晶层54，最后再将透镜56的上透镜55和下透镜57胶合封装起来。如图1所示，电极A1-A4分别设置于液晶层54的两侧，电极A1和A2以平行方式分别设置于液晶层54的两侧，电极A3和A4以非平行于电极A1和A2的方式分别设置于液晶层54的两侧，而电极A3和A4彼此平行。电源58可提供电压至设置于液晶层54两侧的电极，改变液晶层54在光线行进方向的电场。在本发明第一实施例中，电源58系分别通过开关SW1-SW4电性连接于电极A1-A4。

由于液晶层54提供光线的折射系数相关于外加电场，本发明的光学系统50可通过电源58施加于电极A1-A4的电压来改变液晶层54的外加电场，通过改变光线的折射系数来修正光学系统50的慧型像差。请参考图6和图7，图6和图7分别为本发明光学系统50在运作时的等效光学系统60和70示意图。在图6中，电源58是通过开关SW1和SW3分别电性连接于电极A1和A3，由于电极A3和液晶层54距离不同，当电源58在电极A1和A3之间提供电压差时，电极A1和A3会在光线行进方向提供液晶层54不同外加电场，使得通过液晶层54不同位置的光线面临不同的折射系数，此时光学系统50的透镜相当于图6中所示的等效透镜66。同样地，在图4中，电源58是通过开关SW2和SW4分别电性连接于电极A2和A4，由于电极A4和液晶层A4距离不同，当电源58在电极A2和A4之间提供电压差时，电极A2和A4会在光线行进方向提供液晶层54不同外加电场，使得通过液晶层54不同位置的光线面临不同的折射系数，此时光学系统50的透镜相当于图7中的等效透镜76。如图6和图7所示，当电源58提供电压差时，光学系统50的透镜相当于等效透镜66和76，可通过改变光线的行进方向，来修正因储存媒体21倾角过大而造成的慧型像差。因此，当储存媒体21倾角过大时，本发明的光学系统50可依据检测到的像差来决定电源58的输出电压值，以及决定与电源58电性连接的电极，通过改变液晶层54的折射系数来修正慧型像差，改善光学系统50的读取效率。

请参考图8，图8为本发明第二实施例中光学系统80的示意图。光学系统80包含发光元件52、液晶层84、透镜86、电源58、电极B1-B4，和开关SW1-SW4。光学系统80和光学系统50不同之处在于电极B1-B4是设置于透镜86的外部，电极B1和B2以平行方式分别设置于透镜86的两侧，电极B3和B4以非平行于电极B1和B2的方式分别设置于透镜86的两侧，而电极B3和B4彼此平行。当储存媒体21倾角过大时，本发明的光学系统80同样可依据检测到的像差来决定电源58的输出电压值，以及决定与电源58电性连接的电极，通过改变液晶层84的折射系数来修正慧型像差，改善光学系统80的读取效率。

请参考图9，图9为本发明第三实施例中光学系统90的示意图。光学系统90包含发光元件52、液晶层94、透镜96、电源58、电极C1-C4，和开关SW1-SW4。光学系统90和光学系统50不同之处在于电极C2和C3是设置于透镜96的外部，而电极C1和C4是设置于透镜96之内。电极C1和C2以平行方式分别设置于透镜96的内侧和外侧，电极C3和C4以非平行于电极C1和C2的方式分别设置于透镜96的外侧和内侧，而电极C3和C4彼此平行。当储存媒体21倾角过大时，本发明的光学系统90同样可依据检测到的像差来决定电源58的输出电压值，以及决定与电源58电性连接的电极，通过改变液晶层94的折射系数来修正慧型像差，改善光学系统90的读取效率。

请参考图10，图10为本发明第四实施例中光学系统100的示意图。光学系统100包含发光元件52、液晶层104、透镜106、保护层103、电源58、电极D1-D4、和开关SW1-SW4。光学系统100和光学系统50不同之处在于液晶层104是设置于透镜106的外部，且还包含保护层103。此外，在光学系统100中，电极D2和D3是设置于透镜106的外部，而电极D1和D4是设置于透镜106之内。电极D1和D2以平行方式分别设置于透镜106的内侧和外侧，电极D3和D4以非平行于电极D1和D2的方式分别设置于透镜106的外侧和内侧，而电极D3和D4彼此平行。当储存媒体21倾角过大时，本发明的光学系统100同样可依据检测到的像差来决定电源58的输出电压值，以及决定与电源58电性连接的电极，通过改变液晶层104的折射系数来修正慧型像差，改善光学系统100的读取效率。

请参考图11，图11为本发明第五实施例中光学系统110的示意图。光学系统110包含发光元件52、液晶层114、透镜116、保护层113、电源58、电极E1-E4、和开关SW1-SW4。光学系统110和光学系统50不同之处在于液晶层114和电极E1-E4是设置于透镜116的外部，且还包含保护层113。在光学系统110中，电极E1和E2以平行方式分别设置于透镜116的两侧，电极E3和E4以非平行于电极E1和E2的方式分别设置于透镜116的两侧，而电极E3和E4彼此平行。当储存媒体21倾角过大时，本发明的光学系统110同样可依据检测到的像差来决定电源58的输出电压值，以及决定与电源58电性连接的电极，通过改变液晶层114的折射系数来修正慧型像差，改善光学系统110的读取效率。

本发明光学系统50、80-110所采用的电极可包含氧化铟锡(indium tinoxide，ITO)，由于氧化铟锡为透明材质，因此不会影响光线的行进。光学系统50、80-110可为传统光驱、数码多用途光驱，蓝碟机或高密度数字多用途光驱。电源58可分别通过开关SW1-SW4或以其它方式电性连接于其相对应的电极。电极组的电极亦可依据不同光学系统的需求以不同角度设置，提供弹性的像差修正。

本发明的光学系统通过改变液晶层的折射系数来修正光学系统的慧型像差，通过弹性设置的电极组来有效修正光学系统的慧型像差。本发明的光学系统不需额外设置伺服马达或控制器来调整储存媒体或透镜的角度，因此生产成本较低，控制也较为简单，同时可有效修正光学系统的慧型像差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种可修正像差的聚光装置，其包含：

透镜，用来将光线聚焦至储存媒体以读取储存于该储存媒体内的数据；

液晶层，设于该聚光装置将光线聚焦至该储存媒体时的光学路径上并与该透镜互相结合；以及

电极组，用来提供该液晶层一非平行电场。

2.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该电极组的结构包含第一电极，设于该液晶层的第一侧，且平行于该液晶层的第一侧；以及

第二电极，以非平行于该第一电极的方式设于该液晶层的第二侧。

3.根据权利要求2所述的聚光装置，其中该电极组还包含：

第三电极，设于该液晶层的第二侧，且平行于该液晶层的第二侧；以及

第四电极，以非平行于该第三电极的方式设于该液晶层的第一侧。

4.根据权利要求2所述的聚光装置，其还包含电源，耦接于该四电极，用来在该第一电极和第二电极之间提供电压差，以及在该第三电极和第四电极之间提供电压差。

5.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该电极组包含氧化铟锡。

6.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该液晶层是设于该透镜内。

7.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该液晶层与该电极组的至少一电极是设于该透镜内。

8.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该液晶层是设于该透镜内，且该电极组是设于该透镜外。

9.根据权利要求1所述的聚光装置，其中该液晶层与该电极组的至少一电极是设于该透镜外。

10.一种可修正像差的光学读取装置，其包含：

发光元件，用来提供光线；

透镜，用来将该发光元件发射的光线聚焦至储存媒体以读取储存于该储存媒体内的数据；

液晶层，设于该发光元件至该储存媒体的光学路径上；以及

电极组，设于该发光元件至该储存媒体的光学路径上，用来提供该液晶层一非平行电场。

11.根据权利要求10所述的光学读取装置，其中该电极组包含：

第一电极，设于该液晶层的第一侧，且平行于该液晶层的第一侧；以及

第二电极，以非平行于该第一电极的方式设于该液晶层的第二侧。

12.根据权利要求11所述的光学读取装置，其中该电极组还包含：

第三电极，设于该液晶层的第二侧，且平行于该液晶层的第二侧；以及

第四电极，以非平行于该第三电极的方式设于该液晶层的第一侧。

13.根据权利要求11所述的光学读取装置，其还包含电源，耦接于该四电极，用来在该第一电极和第二电极之间提供电压差，以及在该第三电极和第四电极之间提供电压差。

14.根据权利要求10所述的光学读取装置，其还包含：

检测器，用来检测该发光元件所发出的光线于该储存媒体上所产生的慧型像差；以及

控制装置，电性连接于该电极组，用来依据该检测器检测到的慧型像差更新施加于该电极组上的电压。

15.根据权利要求10所述的光学读取装置，其中该电极组的材料可包含氧化铟锡。

16.根据权利要求10所述的光学读取装置，其中该液晶层与该电极组的至少一电极是设于该透镜内。

17.根据权利要求10所述的光学读取装置，其中该液晶层是设于该透镜内，且该电极组是设于该透镜外。

18.根据权利要求10所述的光学读取装置，其中该液晶层与该电极组的至少一电极是设于该透镜外。

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