CN1054922C - 光学分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种光学分束器(8)，用于把入射光束(14′)的一部分光辐射以分光束(17)的形式分束。该分束器包括通过衍射使入射光束的一部分偏向的光栅(16)，以及用以放大分光束方向伸向入射光束方向间角度的反射镜(18)。

Description

光学分束器
本发明涉及光学分束器，具有第一表面，其上提供有一光栅，用于从入射在该表面上具有第一方向的辐射光束中产生出具有第二方向的分光束。本发明还涉及包括这种分束器的辐射光源单元和包括该辐射光源单元的光学扫描装置。
光束的方向，被定义为该光束主光线的方向。
这种类型的分束器可从欧洲专利申请NO.0583036中了解到，其在该申请中被作为光学扫描装置的元件描述过。此扫描装置中，由辐射源产生辐射光束，由物镜将其在光学记录载体上聚集成扫描光斑。辐射光束由第二表面通过分束器射至第一表面，该分束器被配置在辐射源和物镜之间。从记录载体反射回来的光辐射的路径与来自辐射源的辐射光束的路径相同，形成具有第一方向的上述光束，并入射在该分束器上。此分束器第一表面上的光栅，以具有第二方向的分光束的形式将入射光束的一部分光辐射进行分束。分光束会聚在紧挨着辐射源设置的检测系统上，检测系统从入射的光辐射中产生出尤其是代表已存储信息的信号。
已知的这种分束器的缺点在于上述第一和第二方向之间的角度小，这就迫使辐射源和检测系统之间的距离比较小。假如辐射源和检测系统是两个分立的部件，以彼此间如此短的距离将其安置在一个扫描装置中是非常困难的。
本发明的目的在于提供克服上述缺点的一个分束器，并且提供一种足以安置上述部件的适应性强的辐射源部件。
根据本发明，其目的是通过开头一节描述的分束器来达到的，其特征在于，进一步包括有用以将分光束的方向从第二方向改变至第三方向的反射镜，而且第一和第二方向之间的角度小于第一和第三方向之间的角度。
通过减小光栅中光栅刻线的周期来增加第一和第二方向之间的偏转角度或许能被看作增大辐射源和检测系统间距离的一种可能性。然而本发明是以判明其具有缺点为基础的。首先，随偏转角增加对光栅施加的要求提高，以致于该光栅更难以实现。其次，随偏转角增加分光束的截面变得更加椭圆形，从而使得在检测系统上面形成的扫描光斑的质量降低因而使其产生的信号的性能变坏。第三，随着偏转角度的增加，对于光栅相对于辐射源和检测系统安装的容许偏差将更严格，以致于在需要更大的机械稳定性时安装这些部件更加困难。根据本发明的反射镜而没有上述的三个缺点，能够增大分光束和入射光束间的角度。
根据本发明的分束器的非常合适的实施例，其特征在于，在分光束的光路中拥有一出射表面，且其反射镜位于第一表面和出射表面之间分光束的光路中。然后此反射镜构成一整体的分束器部件，这样其第一表面、出射表面和反射镜能够按单一工序制做，例如通过塑料注压成型方法。
该反射镜最好为内反射型，这样就不需要在分束器的局部提供反射层。
第一和第三方向间的角度最好约为90°。这样辐射源和检测系统相互间具有比较大的距离，而还能够得到具有良好机械稳定性的依然紧凑的布局。
除了对入射光束的一部分光辐射分束的作用之外，位于第一表面上的光栅，最好还具有按照这样一种方式形成分光束的作用，那就是以使其适于产生包括有关记录载体上扫描光斑跟踪和调焦误差信息的信号。为此目的，该光栅可以包括例如位于分界线两侧的一些子光栅或者一些复合的子光束。
根据本发明的分束器的一个特定实施例具有位于入射光束光器中的第二个表面，此表面提供具有平行的光栅刻线的光栅，以便从辐射源发出的辐射光束中形成被用于产生一些跟踪信号的两条另外的分光束。
在根据本发明的分束器的有利的实施例中，至少这些表面之一具有光焦度。按照这种方式，此分束器还为辐射光束带来准直透镜或者光束整形器的作用。
当此分束器被安装在进一步包括有一辐射源和一检测系统的辐射光源单元中时，其性能将被最佳地利用。此辐射光源单元不仅具有紧凑的结构和显著的机械稳定性，而且具有适于结合不同类型的辐射源和检测系统的巨大的优势。
本发明进一步涉及用于扫描信息平面的光学扫描装置，该装置包括这种辐射光源单元以及用于聚焦由此单元供给的辐射束以在信息平面上形成扫描光斑的物镜系统，其中的检测系统被安置在此辐射光源单元中，以把来自信息平面的分光束中的辐射光转换成代表存储在信息平面中信息的电信号。
本发明的这些以及其它一些方面，从参照此后描述的实施例所作的解释中将会明白。附图中：
图1表示根据本发明包括有光束整形器的光学扫描装置；
图2a，b，c表示根据本发明配置在分束器上的某些光栅；
图3表示根据本发明配置在分束器上的三光束光栅；
图4表示根据本发明的光学扫描装置，以及
图5表示根据本发明的包括两个检测系统的光学扫描装置。
图1概略表示对于光学记录载体1的信息平面进行光学扫描用的装置。此处的扫描被理解为是指对于写入和读出信息的扫描。信息平面可以是预先录制的记录层，或者是可被整体或局部提供信息的膜层。记录载体1的一部分以其径向截面表示在图1中，它包括透明基片2、反射信息平面3和涂层4。信息平面被分成大量记录槽5，其中的信息被记录或者能够以信息区的形式(未表示)被写上，此信息区以光学方式与其外界相识别。
扫描装置包括有辐射光源单元6，根据本发明其设置有容纳二极管激光器7和外壳7′、用以改变入射其上的辐射束截面形状的光束整形器8，以及容纳检测系统9的外壳9′。二极管激光器和检测系统为分开的部件，以致于很容易通过另一类型的部件取代其中之一而其余的部件可保持不变。来自二极管激光器光束的椭圆形截面，主要是由光束整形器变圆的。于是辐射源单元供给的光束10具有固定的波长，且其强度由二极管激光器所产生强度的大部分来表示。因此，该辐射源单元非常适合于可被用来写入信息的写入装置，例如通过烧蚀使表面变形或通过磁-光过程。在写入过程中光束10将被调制，例如通过声光调制器或者通过二极管激光器的电流被调制。
具有圆形截面的辐射光束10具有使其经过折弯反射镜11最恰当地落在物镜12上面的孔径角。以使此系统能在信息平面上形成衍射限制的扫描光斑13。信息记录槽可通过旋转记录载体进行扫描。全部的信息记录槽可通过记录载体1沿径向相对扫描光斑13的运动进行扫描。
受到信息平面反射的辐射以光束14再一次通过物镜，并作为光束14′入射在光束整形器8的第一表面15上面。为使此返回来的光束14能同现行的辐射光束10空间分开，其第一表面上提供有分束用的光栅16，以便通过衍射方式将入射光束14′的一部分以分光束17的形式偏向检测系统9。因此光束整形器具有分束器的作用。入射的光束具有第一方向，分光束则具有第二方向。这两个方向之间的夹角不能选择太大，因为随偏转角的加大光栅16上光栅刻线的周期将变得非常小，以致于此光栅难以实现，且其位置限差将变小。由于这些原因，此角度最好在20°和35°之间的范围内。另一方面，此角度必须尽可能大，为的是使辐射源7和检测系统9之间能有适当的距离，以使其外壳7′和9′不会处在交互状态，而且存在足够的空间以分别对准每一个部件。根据本发明，这个问题是通过将分光束17经过反射镜18导向检测系统9来解决的。该反射镜可将具有第二方向的分光束17变成具有第三方向的分光束17′。通过此反射镜提供的分光束17′和入射光束14′之间角度的放大并不会导致上述缺点。此反射镜18可以是光束整形器8的一个分离元件。然而它最好是构成光束整形器8的整体部分。在这种情况下，该反射镜被设置在光束整形器的第一表面15和出射表面19之间通过的分光束17的光路中。在适当选择在反射镜上的入射角度和光束整形器材料折射率的情况下，此反射为全内反射型，以使其不必提供带有反射涂层的反射镜表面。
辐射光源7、带有分束光栅16的光束整形器8以及检测系统9的紧凑安排，可保证很大的位置稳定性。第一和第三方向间的角度最好为90°，以使外壳7′和9′相互垂直。
在进行读出时，被反射光束的参数如强度或偏振方向将根据存储在一系列信息区中的信息被调制。检测系统9则将此调制转换成电信号。此检测系统通常包括许多检测元件，以使其提供许多输出信号，并在信号处理电路20中被处理成信息信号Si和跟踪伺服系统用的跟踪误差信号Sr及调焦伺服系统用的调焦误差信号Sf。
对于扫描装置的进一步细节，可以参考M.G.Carasso，J.B.H.Peek和J.P.Sinjou发表在《Philips Technisch Tijdschrift 40》No.9，1981-82，PP.267-272上的文章“Het systeem Compact Disc Digital Audio”。
分束光栅16可以具有不同的形状，取决于检测系统9中各检测器的配置以及由这些检测器的输出信号中得到各种信号的方式。此分束光栅可以包括位于分界线26两侧的两个子光栅24及25，而此每一子光栅中的光栅刻线具有相同的周期，并以相等但相反的角度伸向此分界线，如图2a所示。此光栅适于通过单或者双重Foucault方法形成调焦误差信号，并且通过双光束法或者两或三光束推挽法形成跟踪误差信号。此光栅及其相关联的检测器配置，尤其可从美国专利No.4,924,079中了解到。分束光栅的另一种实施例16′，表示在图2b中。此光栅也包括位于分界线26′两侧的两个子光栅24′和25′，但此子光栅上的光栅刻线具有不同的周期，例如可从欧洲专利申请No.0583036中了解到。分束光栅的第三种实施例16″，表示在图2c中，它包括具有相同或者不同光焦度的两个复合的或者交织的子光栅，而其光栅刻线以0°和90°之间的角度相互伸展。这样的光栅适于通过光束尺度法确定焦点误差，如从日本专利申请No.1-35737(A)中了解的那样。通过变化跨越这些子光栅的子光栅上光栅刻越线的周期，此子光栅将获得光焦度，以使所形成的分光束的聚散度不同于由其形成的光束。随着光栅刻线周期的特殊变化和可能性弯曲，有可能将象散引进分光束，以致于焦点误差信号可以通过象散法形成，尤其可从美国专利No.4,358,200中了解到。
在图1所示的扫描装置中，二极管激光器7的光束被入射在光束整形器的第二表面30上面。此第二表面可以配备用以产生两条分光束32和33的光栅31，为清楚起见，仅表示其一小部分。这两条分光束将在信息平面3上扫描光斑13的两侧提供两个侧光斑。由其反射回来的光辐射可在检测系统9中被检测，用于按照三光束方法产生出跟踪信号Sr，尤其可从美国专利No.3,376,842中了解到。此光栅31通称为三光束光栅，如图3所示，并且具有基本上为直的平行的光栅刻线。为避免分光束32和33通过物镜系统12的渐晕，二极管激光器7和三光束光栅31之间的距离不应当太小。1到2毫米的距离仅产生很小的渐晕，而光栅相对辐射光源的定位稳定性在所要求的容差限制之内。
光束整形器8被用来减小来自二极管激光器7的辐射光束截面的椭圆度。光束整形器的第二表面30上设置有圆柱轴线的大抵为圆柱的部分。此部分在横向平面(YZ-平面)内具有n1/n2数量级的角放大率，且在侧向平面(XZ-平面)内具有n2/n1数量级的角放大率，其中的横向平面和侧向平面相互垂直，并且沿着光束整形器的光轴(Z-轴)彼此相交，而且圆柱轴线位于横向平面内。参数n2和n1分别为元件材料和周围介质的折射率。第一表面15为复曲面。光束整形器整个是由合成材料聚碳酸酯(PC)制成的，并且具有下述参数值：
至二极管激光器的距离为Z1＝2.0mm，其中包括0.25mm厚度的对于激光为n＝1.514的涂层玻璃；
第二表面30的曲率为：
在XZ-平面内为C1x＝-2.032mm-1，且略为非球面；
在YZ-平面内为C1y＝-0.020mm-1；
厚度D＝2.70mm。
第一表面15的曲率为：
在XZ-平面内为C2x＝-0.434mm-1；
在YZ-平面内为C2y＝-0.166mm-1，且略为非球面。
此光束整形器能在两个互相垂直的方向上以0.10和0.20的数值孔径将光束整形，以便获得具有圆对称截面的数值孔径为0.15的出射光束。光束整形器的其它一些实施例，在尚未提前公开的欧洲专利申请No.93203681.7中已被描述。如果光束整形器的第一表面15具有比上述实施例中更大的光焦度，则其还可起准直透镜的作用，以致于光束整形器从二极管激光器给出圆形截面光束又被准直。
在图1所示的扫描装置中，分束器和光束整形器的作用被联合在单一部件中。然而有可能使用本发明的分束器而无光束整形器的作用。图4表示根据本发明的包括这种分束器40的扫描装置。该分束器具有其上带有分束光栅42的第一平表面41，以及带有三光束光栅44的第二个类似平表面43。根据本发明的反射镜45被安置在由分束光栅42形成的分光束46的光路中。此反射镜与分束器成一整体。
图5表示根据本发明的扫描装置，其中由分束光栅42形成的第二条分光束48，按照与分光束46相同的方式经过第二反射镜49导向第二个检测系统50。第二个分光束的方向，与分光束46的方向相比，以与光束10方向成相等但相反的角度伸展。可被用来改善检测系统9中信息信号Si的信号质量的信息信号Si′，可以经过信号处理电路51从第二个检测系统的输出信号中得到。由于分光束48在检测系统50上形成的扫描光斑比分光束46在检测系统9上具有不太令人满意的质量，所以伺服信号Sr和Sf最好从检测系统9的输出信号中取得。光栅42和44可以分别按照上述光栅16和31的同样方式实现。
由上文将会明白，此分束器还可以包括平凸或者双凸准直透镜的作用。该分束器不仅能被用在光学扫描装置中的记录载体，而且用在例如激光打印机之类的所有光学装置中，其中必须对一部分现行光束进行分束，尤其对于现行光束中的强度进行检测。

Claims (10)

1.一种光学分束器，具有第一表面，该第一表面上设置有光栅，用于由入射在该表面上具有第一方向的辐射光束中产生出具有第二方向的分光束，其特征在于该分束器包括反射镜，用于将来自第二方向的分光束的方向改变到第三方向，而且第一和第二方向之间的角度小于第一和第三方向之间的角度。
2.如权利要求1所述的光学分束器，其特征在于它在分光束的光路中具有出射表面，而且反射镜位于第一表面和出射表面之间的分光束光路中。
3.如权利要求1或2所述的光学分束器，其特征在于该反射镜为完全内反射型。
4.如权利要求1或2所述的光学分束器，其特征在于第一和第三方向之间的角度大抵为90°。
5.如权利要求1或2所述的光学分束器，其特征在于该光栅包括两块子光栅。
6.如权利要求1所述的光学分束器，其特征在于它在入射光束的光路中设置有第二表面，其上配备带有平行的光栅刻线的光栅。
7.如权利要求1所述的光学分束器，其特征在于它在入射光束的光路中设置有第二表面，而且至少第一和第二表面之一带有光焦度。
8.如权利要求7所述的光学分束器，其特征在于：第一和第二表面具有共同的光轴，而且第二表面上配有带圆柱轴线的大体上为圆柱形的部分；该圆柱形部分在横向平面内具有n1/n2数量级的角放大率，且在侧向平面内具有n2/n1数量级的角放大率；其中的横向平面和侧向平面相互垂直，并且沿着光轴彼此相交，圆柱轴线则位于横向平面内；其中n2和n1分别为元件材料和周围介质的折射率，而且第一表面为复曲面。
9.一种辐射光源单元，包括：二极管激光器，用于产生具有第一方向的辐射光束；光学分束器，具有辐射光束入射到其上的第一表面，并设有光栅，用于产生具有不同于第一方向的第二方向的分光束；以及设置在分光束光路中的辐射敏感检测系统，其特征在于：
所述光学分束器包括：反射镜，用于将来自第二方向的分光束的方向改变到不同于第一方向的第三方向，而且第一和第二方向之间的角度小于第一和第三方向之间的角度。
10.一种用于扫描信息平面的光学扫描装置，它包括如权利要求9所述的辐射光源单元，以及用于聚焦该单元提供的辐射光束以在信息平面上形成扫描光斑的物镜系统；其中的检测系统被安置在此辐射光源单元中，以把来自信息平面的分光束中的光辐射转换成代表存储在信息平面中信息的电信号。
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