CN101189673A - 球面像差检测器 - Google Patents

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CN101189673A CNA2006800192804A CN200680019280A CN101189673A CN 101189673 A CN101189673 A CN 101189673A CN A2006800192804 A CNA2006800192804 A CN A2006800192804A CN 200680019280 A CN200680019280 A CN 200680019280A CN 101189673 A CN101189673 A CN 101189673A
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Abstract

一种对至少一种光学记录载体(3)的至少一个信息层(2)进行扫描的光学扫描设备(1)。该设备包括：至少提供包括第一波长的第一辐射光束(4)的辐射源(7)，使第一辐射光束会聚到相应信息层(2)上的物镜系统(8)，检测第一辐射光束从相应的信息层反射的至少一部分(22)以确定所述层(2)上的信息的信息检测器(23)，以及球面像差检测系统。球面像差检测系统包括检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器(24)，以及使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器(24)衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器(23)透射的衍射单元(26)。在第一工作模式，光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器(23)透射的相位变化。而在第二操作模式，光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向像差检测器(24)衍射的相位变化。

Description

球面像差检测器
技术领域
本发明涉及球面像差检测器、含有这种检测器的光学扫描设备以及制造和操作这种设备的方法。本发明的一些特定实施例适用于与诸如密致盘(CD)、数字通用盘(DVD)和蓝光光盘(BD)之类的光学记录载体的两种或更多种不同格式兼容的光学扫描设备。
背景技术
光学记录载体有各种不同的格式，每种格式通常设计成用特定波长的辐射光束扫描。例如，现有的CD，其中特别是如CD-A(音频CD)、CD-ROM(只读CD)和CD-R(可录CD)，设计成可以用波长(λ)为785nm左右的辐射光束扫描。另一方面，DVD设计成可以用波长为650nm左右的辐射光束扫描，而BD设计成可以用波长为405nm左右的辐射光束扫描。通常，波长越短，光盘相应的容量就越大，例如BD格式的盘具有比DVD格式的盘大的存储容量。
希望光学扫描设备可以与不同格式的光学记录载体兼容，例如可以用波长不同的辐射光束(优选的是，使用一个物镜系统)扫描不同格式的光学记录载体。例如，在引进存储容量更大的新光学记录载体时，希望用来对这种新光学记录载体进行读和/或写信息的相应的新光学扫描设备可以向后兼容，即也能扫描具有现有格式的光学记录载体。
多层光学记录载体可以进一步增大存储容量。例如，双层光学记录载体就包括两个信息层。通常，这些信息层是平行的，处在光学记录载体内的不同深度。由于每个层处在记录载体表面下不同的深度，因此对扫描不同的层的光束必须进行不同量的球面像差补偿。
对于像BD那样的大NA(数值孔径)系统，所希望的是主动地控制和校正球面像差，特别是在多层光盘上的不同信息层之间切换扫描时。有效控制需要能检测球面像差的程度，以便可以提供适当的球面像差补偿。
US 6,229,600揭示了一种测量光束的球面像差的球面像差检测系统。光束的球面像差通过对光束进行聚焦和将光束截面分成至少两个同心环带来确定。通过这些环带的子光束各聚焦到各自的聚焦检测系统上。两个焦点之间的距离就是对光束内存在的球面像差的测度。US6,229,600描述了一些将光束分成各个环带的不同实施例。
发明内容
本发明的实施例的目的在于解决现有技术的一个或多个问题，无论是在这里还是其他地方提到的问题。本发明的特定实施例的目的是提供一种适用于与两种或更多种不同的光学记录载体格式兼容的光学扫描设备的像差检测系统。本发明的特定实施例的目的是提供一种使用单个检测系统测量球面像差的改进像差检测系统。
在本发明的第一方面，提供了一种扫描至少一种光学记录载体的至少一个信息层的光学扫描设备，该设备包括：用于提供包括第一波长的至少第一辐射光束的辐射源；用于使第一辐射光束会聚到相应信息层的物镜系统；检测从相应信息层反射的第一辐射光束的至少一部分以确定所述层上的信息的信息检测器；以及球面像差检测系统，其包括检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器和使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器透射的衍射单元，其中所述衍射单元包括衍射光栅，在第一工作模式所述光栅被配置为对辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的相位变化，而在第二操作模式所述光栅被配置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的相位变化。
这种球面像差检测系统允许以较小的光束功率损耗检测球面像差。例如，在第一操作模式所涉及的辐射光束是第一辐射光束时，衍射单元就起着使光束的入射部分在像差检测器与信息检测器之间切换的作用。这可以高效率地使用第一辐射光束的入射到衍射光栅上的这部分。可选地，在第一模式所涉及的辐射光束是另一个光束(即不是第一辐射光束)时，可以使这另一个光束射向信息检测器，而不向像差检测器衍射。因此，来自这另一个光束的功率没有不必要因射向像差检测器而浪费掉。
衍射光栅可以包括一系列具有预定高度的台阶，在第一工作模式这些台阶被设置为对辐射光束的所述入射部分引入使这部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化，而在第二工作模式这些台阶被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的基本是2π的非整数倍的相位变化。
该设备还可以包括用于使从辐射源接收到的入射辐射光束射向光学记录载体并且使从光学记录载体接收到的所反射的辐射光束沿光径射向信息检测器的分束器，其中衍射单元位于分束器与信息检测器之间的光径内。
衍射单元可以包括透射入射辐射的中央部分，衍射光栅沿围绕中央部分的环延伸。
中央部分可以是由环限定的延伸穿过衍射单元的孔径。
辐射源可以被设置为用于提供包括第二波长的第二辐射光束，衍射光栅的台阶被设置为在第一工作模式为第二辐射光束的入射到衍射光栅上的部分引入使这部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
辐射源可以被设置为提供包括第三波长的第三辐射光束；并且其中衍射光栅的台阶被设置为在第三工作模式为第三辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
所述衍射光栅的台阶在第一工作模式被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
信息检测器可以包括像差检测器，信息检测器包括多个检测器单元，每个检测器单元被设置为检测入射辐射的强度。
衍射光栅形成为多个段，各段包括相应的一系列预定高度的所述台阶，这些台阶定向成使得每段的台阶在所述第二工作模式被设置为引入相位变化，以使入射到该段上的辐射衍射到与该段在所述第一工作模式时将入射辐射透射到的检测器单元不同的检测器单元。
衍射单元可以包括至少一种流体和用来改变所述流体的配置的控制器，以使所述单元在至少两个工作模式之间切换。
流体可以包括双折射性材料，而控制器可以被设置为改变与衍射光栅的台阶毗连的双折射性材料的优先轴的取向。
双折射性材料可以包括液晶，而控制器可以被设置为提供加到液晶上的改变液晶取向的电场。
该至少一种流体可以包括不混溶的具有第一折射率的第一流体和具有不同的第二折射率的第二流体，控制器被设置为控制哪种所述流体毗连衍射光栅的台阶。
该至少一种流体可以包括不混溶的具有第一折射率的第一流体和具有不同的第二折射率的第二流体，设备还包括覆盖衍射光栅和面对光栅的盖板的至少其中之一的电极，以通过加到其中一种流体与所述电极之间的电压差来改变光栅或盖板的有效疏水性。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于对至少一种光学记录载体的至少一个信息层进行扫描的光学扫描设备的球面像差检测系统，该设备包括至少提供包括第一波长的第一辐射光束的辐射源、使第一辐射光束会聚到相应信息层的物镜系统和检测从该相应信息层反射的第一辐射光束的至少一部分以确定所述层上的信息的信息检测器；球面像差检测系统包括：检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器；以及使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器透射的衍射单元，其中衍射单元包括衍射光栅，在第一工作模式所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的相位变化，而在第二工作模式所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的相位变化。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造对至少一种光学记录载体的至少一个信息层进行扫描的光学扫描设备的方法，该方法包括：提供辐射源，该辐射源用于至少提供包括第一波长的第一辐射光束；提供使第一辐射光束会聚到相应信息层的物镜系统；提供检测从该相应信息层反射的第一辐射光束的至少一部分以确定所述层上的信息的信息检测器；以及提供球面像差检测系统，该球面像差检测系统包括检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器和使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器透射的衍射单元，其中衍射单元包括衍射光栅，在第一工作模式所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的相位变化，而在第二工作模式所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的相位变化。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作对至少一种光学记录载体的至少一个信息层进行扫描的光学扫描设备的方法，该设备包括至少提供包括第一波长的第一辐射光束的辐射源；使第一辐射光束会聚到相应信息层的物镜系统；检测从该相应信息层反射的第一辐射光束的至少一部分以确定所述层上的信息的信息检测器和球面像差检测系统；球面像差检测系统包括检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器和使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器透射的衍射单元，其中衍射单元包括衍射光栅，在第一工作模式所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的相位变化，而在第二工作模式所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的相位变化，该方法包括提供用于对光学记录载体的信息层进行扫描的包括第一波长的第一辐射光束。
附图说明
下面将结合附图仅通过示例对本发明的优选实施例进行描述，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的光学扫描设备的示意图；
图2A和2B示出了图1所示的像差检测器的两个不同的工作模式；
图3示出了根据本发明实施例的衍射单元的平面图；
图4A和4B分别示出了根据本发明的又一实施例的衍射单元的截面平面图和剖截面侧视图；
图5是根据本发明的另一个实施例的衍射单元以及组合的像差和信息检测器的示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的球面像差检测系统的示意图；以及
图7是根据本发明的又一实施例的球面像差检测系统的示意图。
具体实施方式
在诸如在US 6,229,600中所揭示的现有技术的球面像差检测系统中，光束有效地分成两个各由独立的检测系统检测的子光束。只有其中一个检测系统用来确定光学记录载体的信息层上的信息。
本发明的发明人认识到这种系统可能不是所希望的，特别是在多波长光学扫描设备中。通常，希望只对特定格式的光学记录载体例如BD执行有源球面像差补偿。如果用这种光学扫描设备去扫描其他类型的光学记录载体(例如CD和DVD)，则为了进行球面像差补偿而分割从这些光学记录载体反射的辐射光束就会浪费光功率。
本发明的发明人认识到，这个问题可以通过使用含有如在这里所述的衍射光栅的球面像差检测系统来克服。衍射光栅具有尺寸预定的台阶。在第一工作模式，这些台阶被设置为对辐射光束的入射部分引入使这部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。在第二工作模式，这些台阶被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使这部分向像差检测器衍射的基本上是2π的非整数倍的相位变化。
因此，在第二工作模式，衍射光栅起着使所反射的第一辐射光束的入射部分向检测球面像差的像差检测器衍射的作用。然而，在第一工作模式，光栅起着使辐射光束的入射部分向信息检测器透射的作用。因此，衍射光栅在第一模式对辐射光束的相关入射部分实际上是不可见的，而在第二工作模式，衍射光栅的结构起着使第一辐射光束(例如用来扫描BD的光束)衍射的作用，以便检测球面像差。本发明的发明人认识到衍射光栅结构的功能在第一模式可以用无源方式(例如，静态衍射光栅结构)也可以用有源方式(例如，衍射光栅结构，其中至少部分材料起着限定在模式之间的配置中经受变化的衍射光栅的作用)实现。
下面将更详细描述包括这种衍射单元的光学扫描设备，然后再说明这种衍射单元的详细情况。
图1示出了用第一辐射光束4扫描第一光学记录载体3的第一信息层2的设备1，该设备包括物镜系统8。
光学记录载体3包括透明层5，信息层2设置在透明层的一侧。信息层2的背离透明层5的那侧由保护层6保护，以免受到环境影响。透明层面向设备的那侧称为入射面。透明层5起着光学记录载体3的衬底的作用，为信息层2提供机械支持。可选地，透明层5可以只具有保护信息层的功能，而机械支持由处在信息层2的另一侧的层提供，例如由保护层6或由与最高信息层结合的透明层和附加信息层提供。注意信息层具有第一信息层深度27，在如图1所示的这个实施例中，深度27对应于透明层5的厚度。信息层2是载体3的表面。
信息以基本上平行、同心或螺旋轨道排列(图中未示出)的光可检标记的形式存储在记录载体的信息层2上。轨道为聚焦辐射光束的光点可以遵循的路径。标记可以是任何光可读形式，例如以具有与周围不同的反射系数或磁化方向的凹坑或区域为形式，或这些形式的组合。在本例中，光学记录载体3具有圆盘的形状。
如图1所示，光学扫描设备1包括辐射源7、准直透镜18、分束器17、具有光轴19a的物镜系统8、衍射单元26和检测系统10。此外，光学扫描设备1还包括伺服电路11、对焦致动器12、径向致动器13和用于纠错的信息处理单元14。
在这个特定的实施例中，辐射源7被设置为连续或分别提供第一辐射光束4、第二辐射光束4′和第三辐射光束4″。例如，辐射源7可以包括连续提供辐射光束4、4′和″中的两个辐射光束的可调半导体激光器和独立提供第三光束的激光器，或者三个分别提供这些辐射光束的半导体激光器。辐射光束4、4′和4″中至少两个辐射光束的输出路径是不同的。例如，辐射光束的两个或更多可以从辐射源7的不同物理位置和/或以与物镜系统的光轴19a成不同角度发射。典型地，每个辐射光束具有与其他辐射光束平行的光轴，并且从不同位置发射。例如，这些辐射光束的光轴可以是平行的，相距100微米，因为这些辐射光束从辐射源7发射的点相距100微米。
辐射光束4具有波长λ1和偏振p1，辐射光束4′具有波长λ2和偏振p2，而辐射光束4″具有波长λ3和偏振p3。波长λ1、λ2和λ3都不同。优选地，任何两个波长之差等于或大于20nm，更优选的是50nm。两个或更多个偏振p1、p2和p3可以相互不同。
分束器17被设置为使辐射光束沿光径向物镜系统8透射。在所示的这个例子中，辐射光束透过分束器17透射向物镜系统8。优选地，分束器17用与光轴倾斜成角度α的平行玻璃板形成，更优选地α＝45°。在这个特定实施例中，物镜系统8的光轴19a与辐射源7的光轴是共同的。
准直透镜18设置在光轴19a上，用来将发散的辐射光束4变换成基本准直的光束20。类似地，它将辐射光束4′和4″变换成两个相应的基本准直的光束20′和20″(图1中未示出)。
物镜系统8被设置为将准直的辐射光束20变换成第一聚焦辐射光束15，使得在信息层2的位置形成第一扫描光点16。
在扫描期间，记录载体3在主轴(图1中未示出)上旋转，然后通过透明层5对信息层2进行扫描。聚焦辐射光束15在信息层2上反射，从而形成沿前向会聚光束15的光径返回的反射光束21。物镜系统8将所反射的辐射光束21变换成反射准直辐射光束22。
分束器17通过将反射辐射22的至少一部分沿光径射向检测系统10使前向辐射光束20与反射辐射光束22分开。在所例示的这个例子中，反射辐射光束22通过从分束器17内的平板反射射向检测系统10。在所示的特定实施例中，分束器17是偏振分束器。四分之一波片9’沿分束器17与物镜系统8之间的光轴19a放置。四分之一波片9′与偏振分束器17的组合保证反射辐射光束22大部分沿检测系统光轴19b射向检测系统10。由于分束器17使反射辐射22至少部分射向检测系统10，检测系统光轴19b是光轴19a的延续。因此，物镜系统的光轴包括由附图标记19a和19b所标的轴。
检测系统10包括会聚透镜25和信息检测器23，它们被设置为捕获反射辐射光束22的所述部分。
信息检测器被设置为将反射光束的所述部分变换成一个或多个电信号。
其中一个信号是信息信号，它的值表示在信息层2上扫描的信息。信息信号由信息处理单元14处理，进行纠错。
来自检测系统10的其他信号是对焦误差信号和径向跟踪误差信号。对焦误差信号表示扫描光点16与信息层2的位置之间沿Z轴的轴向高度差。优选地，这个信号是用“像散方法”形成的，可参见G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijiser等人的著作“光盘系统原理”(“Principlesof Optical Disc Systems”，第75-80页，Adam Hilger 1985，ISBN 0-85274-785-3)。径向跟踪误差信号表示在信息层2的XY平面内扫描光点16与信息层2内扫描光点16需遵循的轨道中心之间的距离。这个信号可以根据“径向推拉方法”形成，该方法也可从上述G.Bouwhuis的著作(70-73页)中找到。
伺服电路11被设置为响应于对焦和径向跟踪误差信号提供分别控制对焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号。对焦致动器12沿Z轴控制物镜8的位置，从而控制扫描光点16的位置，使它基本上与信息层2的平面重合。径向致动器13控制扫描光点16的径向位置，这样通过改变物镜8的位置使扫描光点16的径向位置基本上与信息层2内需遵循的轨道的中心线重合。
检测系统10还包括球面像差检测系统，其包括像差检测器24和衍射单元26。优选地，球面像差检测器处在与信息检测器23同一个平面内和/或是信息检测器23的一部分。衍射单元沿分束器17与信息检测器23之间的光轴19b放置。衍射单元包括两个部分。衍射单元的第一部分被设置为使所有入射辐射向信息检测器23透射，而没有衍射。衍射单元的第二部分包括衍射光栅，它包括一系列具有固定的预定高度的台阶。
在第一工作模式，这些台阶被设置为使辐射光束的入射部分向信息检测器透射，而不使光束的该入射部分衍射。在第二工作模式，这些台阶被设置为使预定辐射光束的部分向像差检测器24衍射。因此，就能根据已知技术通过将球面像差检测器24检测到的信号与信息检测器23检测到的信号相比较来确定球面像差，例如像US 6,229,600中所揭示的。例如，在第二工作模式可以用入射到信息检测器23上的(通过衍射单元26的第一部分透射的)光束与聚焦在检测器24上的(通过衍射单元26的衍射光栅衍射的)光束之间的焦点位置差来确定光束的球面像差。不同工作模式的进一步细节将参考衍射单元26的具体例子结合其他一些附图进行说明。
通过比较来自检测器23、24的信号，伺服电路11可以确定所需的球面像差补偿的适当程度，提供伺服控制信号，以控制提供给入射到光学记录载体的信息层上的辐射光束的球面像差。
物镜8被设置为将准直辐射光束20变换为具有第一数值孔径NA1的聚焦辐射光束15，以便形成扫描光点16。也就是说，光学扫描设备1能用具有波长λ1、偏振p1和数值孔径NA1的辐射光束15扫描第一信息层2。
此外，在这个实施例中光学扫描设备还能用辐射光束4′扫描第二光学记录载体3′的第二信息层2′并且用辐射光束4″扫描第三光学记录载体3″的第三信息层2″。因此，物镜系统8将准直辐射光束20′变换成具有第二数值孔径NA2的第二聚焦辐射光束15′，以便在信息层2′的位置上形成第二扫描光点16′。物镜系统8还将准直辐射光束20″变换成具有第三数值孔径NA3的第三聚焦辐射光束15″，以便在信息层2″位置形成第三扫描光点16″。光学记录载体3、3′、3″的任何一个或多个都可以含有两个或更多个信息层，例如记录载体可以是双层或多层的。在这种情况下，物镜系统8被设置为将准直辐射光束20、20′、20″变换成聚焦辐射光束15、15′、15″，以便在相应光学记录载体3、3′、3″的每个信息层上形成扫描光点16、16′、16″。
可以将扫描光点16、16′、16″的任何一个或多个形成为具有两个用来提供误差信号的辅助光点。可以通过在光束20的光径内提供适当的衍射单元来形成这些相关的辅助光点。
与光学记录载体3类似，光学记录载体3′包括第二透明层5′，它的一侧是具有第二信息层深度27′的信息层2′，而光学记录载体3″包括第三透明层5″，它的一侧是具有第三信息层深度27″的信息层2″。
在这个实施例中，仅作为示例，光学记录载体3、3′和3″分别为“蓝光光盘”-格式盘、DVD-格式盘和CD-格式盘。因此，波长λ1处在365到445nm的范围内，优选为405nm。数值孔径NA1在读模式和写模式都为0.85左右。波长λ2处在620到700nm的范围内，优选为650nm。数值孔径NA2对于只读驱动器为0.6左右，而对于可读写数据的驱动器为高于0.6，优选为0.65。波长λ3处在740到820nm的范围内，优选为785nm左右。数值孔径NA3对于只读驱动器低于0.5，优选为0.45，而对于可读写数据的驱动器优选为在0.5到0.55之间。
图2A和2B分别示出了根据本发明实施例的包括衍射单元26的检测系统10的第一和第二工作模式。图3示出了从信息检测器23的位置来看的衍射单元26的平面视图。可以看到，衍射单元26关于光轴19b圆对称。可将衍射单元看成是由两个不同部分形成的。衍射单元262的第一部分，中央部分，被设置为透射在光学扫描设备内使用的所有辐射光束，不衍射任何光束。在这个特定实施例中，该第一中央部分262是孔径。该孔径由光栅的第二外围部分限定。第二部分是与光轴19b同轴放置的环形衍射光栅结构261。
衍射单元的环形部分(即衍射光栅)包括一系列分别具有预定的固定高度的凸台或台阶261a、261b、261c。这些台阶起着形成二元光栅的作用，每个台阶的尺寸设计成为预定波长辐射引入2π的整数倍的相位变化，以便使所有入射到衍射光栅上的辐射都透过衍射光栅而没有衍射。例如，这些台阶的尺寸可以设计成使用于扫描DVD的辐射光束全部不被衍射光栅衍射。这些台阶还配置成衍射第一预定波长的辐射。例如，在BD辐射光束中可以用光栅选择一阶衍射。因此，衍射单元可以形成为环形衍射光栅结构，这种光栅结构包括基本上直的线性环带。
图2A是示出衍射单元在第一模式的工作的示意图。所反射的辐射光束22a具有适当的波长，使得衍射光栅261的台阶高度h为辐射光束22a的入射到衍射光栅上的部分引入是2π的整数倍的相位变化，即衍射光栅使入射部分向信息检测器23透射而没有衍射。辐射光束的另一部分将透过孔径262，因此所有入射到衍射单元26上的辐射光束22a在信息检测器23上成像，用以检测辐射光束扫描的光学记录载体的信息层的信息。
在图2B中，波长不同的辐射22b入射到衍射单元26上。辐射光束22b的中央部分透过孔径262，入射到信息检测器23上。辐射光束22b的外周环形部分入射到衍射光栅部分261上，被衍射光栅261衍射，射向像差检测器24。在这个特定实施例中，检测器23与24在单个相同的平面内延伸。
在这个特定实施例中，信息检测器23和像差检测器24都是4象限检测器。因此，可以通过比较入射到每个检测器23、24上的光束部分的两个焦距计算出球面像差。伺服电路11被设置为向光学扫描设备提供适当的伺服控制信号，以提供与辐射光束22b有关的球面像差补偿。
此外，在图2A所示的工作模式中，辐射光束22a全部都入射到信息检测器23上。这允许原始辐射源可以提供强度较低的辐射光束，因为光束中没有因射向像差检测器24而浪费掉的。因此，在这种特定的工作模式中，对于给定的源辐射光束功率，在扫描光学记录载体时可以保持合理的读出速度。
虽然衍射单元26已被描述为包括直的光栅，带有穿过光栅的中心孔或孔径，但可以理解，衍射单元也可以是包括衍射光栅，而不是中心孔或孔径。这个附加的衍射光栅可以是中央圆形衍射光栅，也可以是内环形衍射光栅。这个附加的衍射光栅可以被设置为将光学扫描设备内所使用的全部辐射光束透射到信息检测器23上。
某些光学系统使用三个或更多的辐射光束扫描例如BD、DVD和CD。通常希望为其中一个辐射光束(例如用来扫描BD的)进行有源球面像差补偿，但并不为其他两个读出模式(例如DVD和CD)进行有源球面像差补偿。通常，很难实现无源解决方案(其中使用固定的衍射光栅结构)，因为用来扫描不同格式的光学记录载体的波长是不同的。
这个问题的有源解决方案是使用可切换光栅，例如其中毗连/限定衍射光栅的材料的折射率可以在两个或更多个值之间切换的光栅结构。
通过使用包括具有两个或更多个折射率的材料(例如双折射性材料)的流体，就可以改变与固定衍射光栅结构毗连的材料的折射率，如通过衍射光栅的偏振辐射光束所经历的。适当的材料是处于向列相的液晶。通过适当的施加电压，可以改变液晶分子的取向(组态)，从而控制偏振辐射光束所经历的折射率。辐射光束在穿过衍射光栅时所经历的相位变化取决于辐射光束的波长，而波长作为折射率的函数而改变。控制辐射光束所经历的折射率因此将改变辐射光束所经历的相位改变(从而改变衍射光栅对辐射光束的衍射程度，如果有的话)。
可选地，可以通过改变与光栅台阶毗连的材料(例如通过切换两种或更多种流体的哪一种与固定衍射光栅结构毗连)来改变折射率。可以提供一种系统，它含有折射率不同的两种或更多种不同的、不混溶的流体。通过提供与衍射光栅邻接的腔体、改变与衍射光栅的台阶毗连的流体，就可以可控地调节这些台阶为入射辐射光束引入的相位变化。
图4A和4B分别示出了利用电湿效应来切换与光栅毗连的流体的可切换光栅的示意性截面平面视图(沿图4B中的AA线)和截面侧视图(沿图4A中的BB线)。
衍射单元426实际由两个部分461、462形成。部分461为中央透射部分，也是由周围的环形部分462限定的孔径。
环形部分462又由两个部分形成：包括台阶454的固定衍射光栅456和覆盖光栅的腔体462。
腔体462经由腔体的两个开口442、444与具有两个相对的端部的管道441流体地连通。腔体的第一开口442与管道的第一端流体地连接，而腔体的第二开口444与管道的第二端流体地连接，从而形成了流体系统的液密外壳。腔体452的一侧由具有暴露给腔体452内部的表面(即台阶454)的衍射光栅456、454封住。如前所述，衍射光栅用透明材料例如聚碳酸酯形成。
腔体452还由盖板436封住，盖板436是用透明材料例如聚碳酸酯形成的平板件。盖板436上覆盖有透明的疏水性流体接触层和电绝缘流体接触层(例如聚对苯二甲撑-N)。在这个实施例中，提供的是单个层432，它既是电绝缘的又是疏水性的，例如用DuPont生产的TeflonTMAF1600形成。这个疏水性流体接触层432的一个表面暴露于腔体452的内部。第一电湿电极434形成为一片透明的导电材料，例如铟锡氧化物(ITO)。这个第一电湿电极434具有与衍射光栅456的台阶454所占区域完全重叠的工作区域。疏水性流体接触层432具有也与台阶454所占区域完全重叠的表面区域。
在管道壁411与盖板440之间形成管道441。盖板上覆盖有疏水性流体和电绝缘接触层438，疏水性流体和电绝缘接触层438在一个表面上暴露给管道424的内部。第二电湿电极440处在盖板442和疏水性流体接触层438之间。第二电湿电极440具有与管道441内部大部分重叠的表面区域。
这个密封的流体系统包括第一流体448和第二流体446。第一流体448包括电敏感流体，例如导电流体，诸如盐水之类。第二流体包括电不敏感流体，例如电绝缘流体，诸如油之类。第一和第二流体448、446具有不同的折射率，而且是不混溶。第一流体448与第二流体446在两个流体弯液面412、414处相互接触。公共的第三电极450设置在管道441内靠近腔体的一个开口444。
衍射单元426可在两个离散状态之间切换。在第一离散状态，如图4A和4B中所示，流体448占据腔体，而流体446占据邻接的管道。在第二离散状态，流体446占据腔体，而流体448占据流体管道。第一、第二和第三电极434、440、450形成了电湿电极的配置，与电压控制系统(未示出)一起形成流体系统开关。这个开关对所述流体系统作用，以在可切换光栅元件426的所描述的第一与第二离散状态之间切换。在第一离散状态，适当值的电压V1加在第一电湿电极与公共第三电极之间。所加的电压提供了使电敏感流体基本上充满腔体的电湿力。由于所加电压V1，腔体的疏水性流体接触层432在本质上实际暂时成为至少比较亲水的，因此使第一流体优先地基本充满腔体20。
作为对比，在第二离散状态，适当值的电压V2加在第二电湿电极与公共第三电极之间。第一与第三电极之间的电压差被设为零伏。由于所加电压V2，管道的疏水性流体接触层438在本质上实际暂时成为比较亲水的，因此优先地使第一流体基本充满管道，也就是使第二液体充满腔体。通过切换电压，导致流体在这两个不同的位置之间流动，从而可以使衍射单元在这些状态之间切换。
在以上的实施例中，将第一电湿电极434(具有与衍射光栅456所占区域重叠的工作区域)描述为是一薄片。然而，可以通过将光栅元件用另一个电极和疏水性绝缘层覆盖得到可选的流体切换系统。这个附加电极可以用来代替或结合电极434。配置这样的覆盖光栅元件的附加电极有助于清除稀油薄膜，否则它会仍然残留在光栅的凸起内。残留在凸起内的油会扰乱衍射单元的光学性能，特别是如果油聚集在光栅元件的凸起的拐角处的话。
虽然这个特定实施例是结合电可切换流体系统(用电湿效应切换)来说明的，应理解也可以用其他效应来使流体在两个离散状态之间移动。例如，可以提供两种不混溶的流体，它们各具有不同的折射率。在第一离散状态，第一流体将覆盖衍射单元。在第二离散状态，第二流体将覆盖衍射单元。利用泵(例如普通的泵)使流体在两个离散状态之间切换。与用普通的泵送相比，用电湿效应是优选的，因为它减小了不希望的一种流体膜残留(例如困在衍射光栅的凸起所形成的拐角内)的可能性。
用衍射单元426的这两个离散状态可以实现球面像差检测系统的三种所希望的不同的工作模式。
例如，在第一离散状态，与台阶454毗连的流体448的折射率与固定的台阶高度h一起提供了第一工作模式，在第一工作模式下衍射光栅为预定波长的辐射光束(例如与DVD操作相应的辐射光束)的入射部分引入2π的整数倍的相位变化。如图2A的这个例子所示，这导致辐射光束全部入射到信息检测器23上。在第二工作模式，光栅426仍然处在第一离散状态。然而，设置高度为h的台阶为另一个不同波长的辐射光束(例如与BD操作相应的光束)的入射部分引入基本上是2π的非整数倍的相位变化。因此，衍射光栅将使入射到衍射光栅上的这部分光束射向/衍射向像差检测器(即与图2B所示的系统的操作类似)。
在第二离散状态，衍射单元426提供了第三工作模式。例如，台阶高度h与毗连这些台阶的第二流体446的折射率组合在一起使得为第三、不同的辐射光束(例如与CD工作模式相应的辐射光束)引入基本上为2π的整数倍的相位变化。在最简单的情况下，流体446的折射率与限定台阶454的材料的折射率相同，即相位变化为零。
在可选实施例中，可切换的光栅可以被设置为调整用于CD操作的光点大小。例如，衍射单元可以用两个沿光轴19b相互分开的衍射光栅形成。例如，可以形成这样的流体腔，其中第一衍射光栅处在腔体的第一内表面上而第二衍射光栅处在腔体的对向第二内表面上。这种衍射单元可以具有与图4A和4B中所例示的类似的结构，只是有着面向衍射光栅456、454的第二光栅(而不是盖板436)。或者，衍射光栅单元也可以由两个大体如结合图4A和4B所描述的衍射光栅结构形成。
改变腔体内的流体因此就改变光栅的工作模式。这可以用来减小检测器上的光点大小，利用光栅提供“变焦”功能，即增大或减小任何一个或多个入射的辐射光束的光点大小。例如，可以设置两个光栅结构，使得不同的辐射光束受到不同的变焦作用，从而对于每个工作模式(入射的辐射光束)提供入射到每个检测器上的所希望大小的光点。因此，用两个衍射单元所提供的放大可以调节光点大小，以便增大入射到每个辐射检测器上的辐射光点直径。这可用来补偿干扰光的影响，从而提高扫描器的扫描性能。
在本发明的又一个实施例中，使用可切换的光栅就可以不需要使用第二独立的像差检测器。相反，信息检测器既用作信息检测器又用作像差检测器。因此，在一个读出模式(例如BD操作)，检测系统10可以在作为聚焦误差检测器与作为球面像差检测器之间切换。这使一个简单的4象限检测器(聚焦和跟踪所需要的)可以暂时用作球面像差检测器，从而明显地减小了整个光学扫描器的成本和尺寸。例如，球面像差只是在开始对双层BD内新的一层进行读写前需要加以检测。然后，就一直保持用于球面像差补偿的相同设置，直到光学扫描器改变扫描的光学记录载体的层。
图5示出了适当的可切换衍射单元526与相应的信息检测器523(也用作像差检测器)的例子。衍射单元526包括中央透射部分510。限定透射部分510的光栅被分成四个离散区域或象限514A-514D。虚线512表示不同区域的分界线。
信息检测器523被分成四个独立的检测区域或象限523A-523B。
可切换的光栅526大体与图4A和4B所例示的相同，只是衍射光栅台阶454被分成四个离散区域。每个离散区域被设置为对入射辐射进行不同的衍射。
在第一离散状态，衍射光栅被设置为对相关辐射(例如用来扫描BD光学记录载体的辐射)的入射部分引入基本上为2π的整数倍的相位变化。因此，光栅对该入射辐射光束实际上是不可见的。于是，入射到区域514A上的辐射被透射而没有衍射，从而入射到辐射检测器的相应区域523A上，入射到区域514B上的辐射被透射到辐射检测器的523B上，入射到区域514C上的辐射被透射到辐射检测器的523C上，而入射到区域514D上的辐射被透射到辐射检测器的523D上。
在第二离散工作模式，与衍射部分的台阶毗连的材料的折射率被改变。入射到每个不同区域、段或部分514A-514D上的辐射将受到不同程度的衍射。每个区域的衍射部分设置成将入射辐射衍射到信息检测器的不同区域。例如，在衍射状态，入射到段514A上的辐射被衍射到区域523B，入射到514B上的辐射被衍射到区域523C，入射到514C上的辐射被衍射到区域523D，而入射到514D上的辐射被衍射到区域523A。
在这两个离散状态，辐射光束的里面部分没有被衍射，因此被透射，入射到4象限检测器的区域523A-523D。
通过比较同一个辐射光束的两个不同状态之间的信号差别，就可以计算出球面像差。例如，假设分别来自检测器象限523A、523B、523C、523D的信号为A、B、C、D，于是可以看到信号A+C-B-D在不衍射的第一状态充当聚焦误差信号而在衍射的第二状态充当球面像差信号。
可以理解，以上提供的实施例仅作为示例，各种可选方案对于技术人员来说都是显而易见的。例如，以上实施例指出衍射单元的中央透射部分是孔径。然而，如图6所示，中央透射部分262’可以由配置为不衍射入射辐射的透射元件提供。例如，透射部分可以由一个或多个对入射辐射光束呈现为平面的透明元件给出，使得辐射光束不会被中央部分衍射。在所示的衍射单元626内，衍射单元是由两种折射率不同的材料626a、626b形成的。
虽然这些优选实施例含有包括一系列台阶的衍射光栅，但应理解，本发明的其他实施例可以用其他类型的衍射光栅实现。例如，可以使用锯齿形的光栅。例如，可以将入射辐射的不同阶次的衍射导向不同的检测器，举例来说，将+1阶导向像差检测器，将-1阶导向信息检测器。
同样，本发明不一定要用包括多个不同检测元件的单个球面像差检测器来实现。可以将衍射单元分成不同的部分，每个部分设置成将入射辐射导向相应的球面像差检测器。在图7所示的实施例中，衍射单元726设置成在所示的第二工作模式将入射辐射导向分开的不同检测器724。

Claims (17)

1.一种对至少一种光学记录载体(3)的至少一个信息层(2)进行扫描的光学扫描设备(1)，所述设备包括：
至少提供包括第一波长的第一辐射光束(4)的辐射源(7)；
使第一辐射光束会聚到相应信息层(2)上的物镜系统(8)；
检测第一辐射光束的从该相应信息层反射的至少一部分(22)以确定所述层上的信息的信息检测器(23；523)；以及
球面像差检测系统，包括：
检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器(24；523；724)；以及
使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器(24；523；724)衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器(23；523)透射的衍射单元(26；426；526；626；726)，
其中，所述衍射单元(26；426；526；626；726)包括衍射光栅(261；462；514A-D；261′)，在第一工作模式，所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器(23；523)透射的相位变化，而在第二工作模式，所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向像差检测器(24；523；724)衍射的相位变化。
2.如在权利要求1内所述的设备，其中所述衍射光栅(261；462；514A-D；261′)包括一系列具有预定高度(h)的台阶(261a-c；454)，在第一工作模式，所述台阶被设置为对辐射光束的所述入射部分引入使该部分向信息检测器(23；523)透射的基本上是2π的整数倍的相位变化，而在第二工作模式，所述台阶被设置为对所反射的第一辐射光束的该入射部分引入使该部分向像差检测器(24；523；724)衍射的基本上是2π的非整数倍的相位变化。
3.如在权利要求1或权利要求2中所述的设备，还包括：
使从辐射源接收到的入射辐射光束射向光学记录载体(3)而使从光学记录载体(3)接收到的所反射的辐射光束沿光径射向信息检测器(23)的分束器(17)；
其中所述衍射单元(26)放置在分束器(17)与信息检测器(23)之间的光径内。
4.如在以上权利要求中任何一个权利要求中所述的设备，其中所述衍射单元(26)包括透射入射辐射的中央部分(262；461；510；262′)，衍射光栅(261；462；514A-D；261′)沿围绕中央部分的环延伸。
5.如在以上权利要求中任何一个权利要求中所述的设备，其中所述中央部分(262；461；510；262′)是由环限定的孔径，该孔径穿过衍射单元。
6.如在权利要求2至5中任何一个权利要求中所述的设备，其中所述辐射源(7)被设置为提供包括第二波长的第二辐射光束，衍射光栅的台阶(261a-c；454)被设置为在所述第一工作模式为第二辐射光束的入射到衍射光栅上的部分引入使该部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
7.如在权利要求6中所述的设备，其中
所述辐射源(7)被设置为提供包括第三波长的第三辐射光束；以及
所述衍射光栅的台阶(261a-c；454)被设置为在第三工作模式为第三辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
8.如在权利要求2至5中任何一个权利要求中所述的设备，其中所述衍射光栅的台阶(261a-c；454)被设置为在第一工作模式为所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器透射的基本上是2π的整数倍的相位变化。
9.如在权利要求8中所述的设备，其中所述信息检测器(523)包括像差检测器，信息检测器包括多个检测器元件(523A-D)，每个检测器元件被配置为检测入射辐射的强度；衍射光栅(526)形成为多个段(514A-D)，每一段包括各自的一系列具有预定高度的所述台阶，所述台阶定向成使得每个段(514A-D)的台阶被设置成在所述第二工作模式引入使入射到该区域上的辐射向与该段在所述第一工作模式时使入射辐射透射到的检测器元件不同的检测器元件(523A-D)衍射的相位变化。
10.如在以上权利要求中任何一个权利要求中所述的设备，其中所述衍射单元(26；426；526；626；726)包括至少一种流体(448，446)和用来改变所述流体的配置以在至少两个工作模式之间切换所述单元的控制器(434，440，450)。
11.如在权利要求10中所述的设备，其中所述流体包括双折射性材料，而所述控制器被设置成改变与衍射光栅的台阶毗连的双折射性材料的优先轴的取向。
12.如在权利要求11中所述的设备，其中所述双折射性材料包括液晶，而所述控制器被设置为提供加到液晶上的改变液晶取向的电场。
13.如在权利要求10中所述的设备，其中所述至少一种流体(448，446)包括不混溶的具有第一折射率的第一流体(448)和具有不同的第二折射率的第二流体(446)，所述控制器(434，440，450)被设置为控制所述流体中的哪一种流体毗连衍射光栅的台阶(454)。
14.如在权利要求10中所述的设备，其中所述至少一种流体(448，446)包括不混溶的具有第一折射率的第一流体(448)和具有不同的第二折射率的第二流体(446)，所述设备还包括覆盖衍射光栅(456)和面对光栅的盖板(436)的至少其中之一的电极(434)，以通过施加到其中一种流体与所述电极之间的电压差来改变光栅(456)或盖板(436)的实际疏水性。
15.一种用于对至少一种光学记录载体(3)的至少一个信息层(2)进行扫描的光学扫描设备(1)的球面像差检测系统，所述设备包括至少提供包括第一波长的第一辐射光束(4)的辐射源(7)、使第一辐射光束会聚到相应信息层(2)上的物镜系统(8)和检测第一辐射光束从相应的信息层反射的至少一部分(22)以确定所述层(2)上的信息的信息检测器(23；523)，
所述球面像差检测系统包括：
检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器(24；523；724)；以及
使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器(24；523；724)衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器(23；523)透射的衍射单元(26；426；526；626；726)，
其中，所述衍射单元(26；426；526；626；726)包括衍射光栅(261；462；514A-D；261′)，在第一工作模式，所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器(23；523)透射的相位变化，而在第二工作模式，所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向像差检测器(24；523；724)衍射的相位变化。
16.一种制造对至少一种光学记录载体(3)的至少一个信息层(2)进行扫描的光学扫描设备(1)的方法，所述方法包括：
提供辐射源(7)，该辐射源至少提供包括第一波长的第一辐射光束(4)；
提供使第一辐射光束会聚到相应信息层(2)上的物镜系统(8)；
提供检测第一辐射光束从相应的信息层反射的至少一部分(22)以确定所述层(2)上的信息的信息检测器(23；523)；以及
提供球面像差检测系统，所述球面像差检测系统包括
检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器(24；523；724)，以及
使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器(24；523；724)衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信息检测器(23；523)透射的衍射单元(26；426；526；626；726)，其中，所述衍射单元(26；426；526；626；726)包括衍射光栅(261；462；514A-D；261′)，在第一工作模式，所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器(23；523)透射的相位变化，而在第二工作模式，所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向像差检测器(24；523；724)衍射的相位变化。
17.一种操作对至少一种光学记录载体(3)的至少一个信息层(2)进行扫描的光学扫描设备(1)的方法，所述设备包括：
至少提供包括第一波长的第一辐射光束(4)的辐射源(7)；
使第一辐射光束会聚到相应信息层(2)上的物镜系统(8)；
检测第一辐射光束从相应的信息层反射的至少一部分(22)以确定所述层(2)上的信息的信息检测器(23；523)；以及
球面像差检测系统，所述球面像差检测系统包括
检测所反射的第一辐射光束的至少一部分以确定第一辐射光束的球面像差的像差检测器(24；523；724)，以及
使所反射的第一辐射光束的至少一部分向像差检测器(24；523；724)衍射并且使所反射的第一辐射光束的至少一部分向信
息检测器(23；523)透射的衍射单元(26；426；526；626；726)，
其中，所述衍射单元(26；426；526；626；726)包括衍射光栅(261；462；514A-D；261′)，在第一工作模式，所述光栅被设置为对辐射光束的入射部分引入使该部分向信息检测器(23；523)透射的相位变化，而在第二工作模式，所述光栅被设置为对所反射的第一辐射光束的入射部分引入使该部分向像差检测器(24；523；724)衍射的相位变化，
所述方法包括提供对光学记录载体(3)的信息层(2)进行扫描的包括第一波长的第一辐射光束(4)。
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