CN1082222C - 物镜装置及使用该物镜装置的光学头设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于记录或/和读取不同厚度光盘信息的物镜装置，具有预定大小的有效直径并将光聚焦到聚焦区，所述物镜包含具有不同光学特性的近轴区、中间轴区及远轴区，而被中间轴区区分并相邻于该中间轴区的近轴区和远轴区具有同一光轴，并且到达所述聚焦区的用于记录或/和读取光盘信息的光斑至少包含由所述物镜近轴区聚焦的光。该装置结构简单紧凑、成本低，并减少了使用不同厚度的光盘时产生的球差。

Description

物镜装置及使用该物镜装置的光学头设备
本发明涉及一种物镜装置和制作该物镜装置的方法，一种获取具有稳定的焦点的伺服信号的方法，一种采用该伺服信号的光学头装置，一种区分具有不同厚度的光盘的方法和一种从该光盘再现信息或在该光盘上记录信息的方法。
光学头在记录介质，例如光盘上，记录和再现诸如视频或声频信息。通过在基体上形成信息记录表面构成光盘。该基体可由塑料或玻璃制作。为了从高密度光盘读或写信息，光斑直径必须非常小。为此，通常都使用大数值孔径的物镜和较短波长的光源。但在使用较短波长的光源时，就要减小光盘相对于光轴的倾斜允差。这种被减小的光盘倾斜允许可通过减小光盘厚度而增加。
假定光盘倾斜角是θ，则慧差系数W31的数值可由下式得出： W 31 = - d 2 [ n 2 ( n 2 - 1 ) sin θ cos θ ( n 2 - sin 2 θ ) 5 2 ] NA 3
这里，d和n分别表示光盘的厚度和折射率。从上式可知，慧差系数与数值孔径(NA)的三次方成正比。因此，鉴于传统的小光盘(CD)所需的物镜数值孔径NA是0.45，而传统数字视频光盘或数字通用光盘(DVD)所需的物镜数值孔径是0.6(以适应更高的信息密度)，对于给定的倾斜角，DVD的慧差系数是具有同样厚度的CD的2.34倍。这样，DVD的最大倾斜允差减小到传统CD的一半。为使DVD的最大倾斜允差与CD一致，就需减小DVD的厚度。
然而，由于具有非标准厚度的光盘受球差影响的程度与该光盘厚度同标准光盘厚度的差异相对应，因此，这种采用短波长(高密度)光源的、厚度减小的光盘，例如DVD，就不能用在采用长波长光源的例如光盘驱动器等传统CD的记录/再现装置。如果球差增加过大，则形成在光盘上的光斑就不具有记录信息所需的光强，这样就会妨碍信息的准确记录。另外，信息再现时，信噪比(S/N)太低就不能准确地再现记录的信息。
因此，有必要采用可兼容CD或DVD等不同厚度光盘的、如650nm的短波长光源的光学头。
为此，已展开了对用单个光学头装置和较短波长光源在两种具有不同厚度的光盘上均能记录和再现信息的设备的研究。例如日本待公开专利申请平7-98431就提出了一种采用全息透镜和折射透镜组合成的透镜装置。
图1和2分别表示零级和一级衍射光聚焦到具有不同厚度光盘3a和3b上的情形。在这两幅图中，带有图案11的全息透镜1和折射物镜2布置在光盘3a和3b前面的光路上。图案11来自光源(未示出)并穿过全息透镜1的光束4进行衍射，将该透射光分成第一级衍射光41和零级衍射光40，两束衍射光经物镜2以不同的强度聚焦到光轴的不同点。这两个不同的焦点分别对应厚光盘3b和薄光盘3a的焦点，因此可以对不同厚度的光盘进行读/写数据的操作。
但是，在这种透镜装置的使用中，用全息透镜1将光分成两束(即零级和第一级光)会使实用光的使用效率(第一级光被反射和其中部分被两次衍射)降低到15％。另外，在读操作时，只有一束光携带信息、而另一束不携带信息，不携带信息的光束很可能被检作噪声。再者，制作这种全息透镜要求蚀刻微细全息图案时的高精度操作，因此增加了制作成本。
图3是美国专利US5,281,797中提出的另一传统光学头装置的示意图。这种光学头装置包括一个用来改变孔径直径的可变光阑1a，这样，数据就可被记录在具有相同厚度的长波长光盘及短波长光盘上，而且可从这些光盘上再现信息。可变光阑1a设置在物镜2与准直透镜5之间。该可变光阑1a通过适当地调整光束通过区的面积，即数值孔径(NA)，而控制来自光源9并经分束器6传输的光束4。根据所用光盘所需光斑尺寸调整可变光阑1a的孔径阑直径，使得中心区的环形光束能始终通过，而选择通过或阻挡周围区的光束4b。在图3中，标号7表示聚焦透镜，标号8表示光检测器。
在具有上述结构的光学装置中，如果可变光阑由机械光阑构成，则其结构谐振特性的变化取决于该光阑的有效孔径。但在实践中很难将该光阑装到用于驱动物镜的驱动器上。为了解决这个问题，可使用液晶构成该光阑。不过这会极大地妨碍系统的小型化，降低热阻和寿命，而且增加了制造成本。
美国专利US5,496,995中公开了另一种方案。其方案是在物镜的光路中设置一个相位板。该相位板产生不同相位的第一和第二光源，第一光源影像主波瓣横向振幅通过重叠被第二光源影像主波瓣的振幅抵消。在一个实施例中，环形不透明圈分隔出不同深度的槽，这些槽能产生相位差。此方案的问题是必须仔细控制槽的深度和光的振幅，以便产生恰当的相位变化和波瓣抵消。
另外，要为每个光盘配置相应的物镜以使特定的物镜用于特定的光盘。在这种情况下，因为需要驱动设备来更换透镜，所以这一方案会使结构复杂化且增加了制造成本。
本发明的一个目的是提供一种物镜装置，其成本低且易于制造，并能够用于多种规格的光盘。
本发明的另一个目的是提供一种光学头设备，其结构紧凑，能够增加光使用效率并减小像差，并能够读写多种规格的光盘。
为达到上述目的而提供的物镜装置具有预定大小的有效直径并将光聚焦到聚焦区，所述物镜包含具有不同光学特性的近轴区、中间轴区及远轴区，而被中间轴区区分并相邻于该中间轴区的近轴区和远轴区具有同一光轴，并且到达所述聚焦区的用于记录或/和读取光盘信息的光斑至少包含由所述物镜近轴区聚焦的光。
其中，所述的光盘为0.6mm薄光盘时，聚焦于该光盘信息记录区的光斑包含由所述物镜近轴区及远轴区聚焦的光。所述的光盘为1.2mm厚光盘时，聚焦于该光盘信息记录区的光斑包含由所述物镜近轴区聚焦的光。用于区分近轴区和远轴区的中间轴区设置于该物镜的一侧表面，并且该中间轴区为一凹进的环形沟槽，或者为一凸出的环形凸起，或者为一环形不平表面，该不平表面可为粗糙的、方齿形的或锯齿形的表面之一。所述中间轴区为至少使用阻挡、散射、衍射、折射、吸收、透射或反射中的一种方式控制位于近、远轴区之间的中间轴区入射光。
为实现本发明的另一个目的，提供了一种用于记录或/和读取不同厚度光盘信息的光学头设备，该设备包括：用于发射光的光源；用于将由所述光源发出的光聚焦于光盘聚焦区的物镜，该物镜包含具有不同光学特性的近轴区、中间轴区、远轴区，而被中间轴区区分并相邻于该中间轴区的近轴区和远轴区具有同一光轴，并且到达所述聚焦区的用于记录或/和读取光盘信息的光斑至少包含由所述物镜近轴区聚焦的光；用于检测由所述光盘聚焦区反射的反射光的光电检测器。
其中，由所述光盘聚焦区反射的反射光透过所述物镜并经过设置于物镜一侧的分束器后入射于所述光电检测器的受光区。当所述光盘为薄光盘时，入射于光电检测器的受光区的反射光为包含由所述物镜近轴区及远轴区发出的光。当所述光盘为厚光盘时，入射于光电检测器的受光区的反射光为包含由所述物镜近轴区发出的光。
图1和2是具有全息透镜的传统光学头装置的示意图，图中分别示出光束被聚焦到薄光盘和厚光盘的情况；
图3是另一传统光学头装置的示意图；
图4和5表示用普通透镜而不用全息透镜分别将光束聚焦到薄光盘和厚光盘上的情况；
图6A表示当采用和不采用本发明物镜时，光斑大小的变化图，图6B是图6A中的部分“A”的放大视图；
图7A是本发明的光学头装置的示意图，该图表示光束被聚焦到两个不同厚度的光盘上，图7B和7C分别是图7A中薄光盘和厚光盘的焦点放大图；
图8是示于图7A的本发明光学头装置的物镜的透视图；
图9是用于图7A所示的本发明光学头装置的一个实施例中的一个物镜的示意图，该图表示光束被聚焦到一个光盘上；
图10A是根据本发明另一实施例、在其表面具有光控制膜的物镜的剖视图；图10B是本发明又一实施例的物镜的剖视图；
图11是本发明另一实施例的具有方形光控制槽的物镜的俯视图；
图12A是本发明又一实施例的物镜的示意图，该图表示光被聚焦到一个光盘上，图12B是本发明再一实施例的物镜的示意图；
图13是示于图12A中物镜的透视图；
图14A和14B分别是示于图12A中的物镜的俯视图和局部放大图；
图15A是用于制造本发明一个实施例物镜的模具的侧视图，图15B是示于图15A的模具的下座内侧的俯视图，图15C是用于制造本发明另一实施例物镜的模具的侧视图，图15D是示于图15C的模具的下座内侧的俯视图，图15E至15G是示于图15C的部分K的放大图、它们表示本发明的多种实施例，图15H和15I表示本发明物镜的制造方法，图15J是用示于图15H和15I的方法制造出物镜的侧视图，图15K是经图15H、15I、15J所示的制造过程后所形成的物镜的侧视图；
图16是本发明又一实施例物镜的俯视图；
图17和18是本发明再一实施例物镜的示意图，该图分别表示用平面透镜将光束聚焦到两个不同厚度的光盘上；
图19和20分别表示用本发明的物镜装置将光束聚焦到一个厚光盘和一个薄光盘时的三维曲线图；
图21和22是在本发明的光学头装置中，使用厚光盘和薄光盘时、每个光检测器的俯视图，这两幅图分别表示光从1.2mm盘和0.6mm盘入射到光电检测器的情况；
图23是用于本发明的光学头装置的八段式光电检测器的俯视图；
图24-26和27-29分别表示根据相对薄光盘和厚光盘的物镜位置，在八段式光电检测器上形成的受光区的俯视图；
图30表示从示于图23的八段区光电检测器中获得的聚焦信号；
图31是由用于两种不同厚度光盘的本发明光学头装置中的光电检测器检测到的聚焦信号的变化比较曲线；
图32是表示驱动本发明光学头装置的顺序的流程图；
图33表示在图32的流程图中，产自基于聚焦电流变化的电流-时间曲线的聚焦信号的位置；
图34和35是聚焦信号分别与用于图32的流程图中的第一和第二参考值相比较的电流-时间曲线；
图36是用于本发明光学头的数字均衡器的框图。
在本发明中，位于光传输通道中心轴线周围的中间区内的光被阻挡或遮蔽。该中间区位于接近轴线的区域(“近轴区”)与距该轴线较远的区域(“远轴区”)之间。阻拦该中间区内的光使得来自近轴和远轴区的光形成一个小光斑，同时通过抑制该中间区内现存的其它光的干扰而使在该镜头聚焦区内光斑周围的侧瓣变得最小。
这里，近轴区是指围绕透镜轴线(即光轴)、具有可忽略不计的像差且聚焦在接近傍轴焦点附近的区域。远轴区是指比近轴区更远离光轴的区域并能在边缘焦点附近形成聚焦区域。中间区是指位于近轴区和远轴区之间的区域。
另外，近轴区和远轴区可由厚光盘中的光学像差量定义。物镜的光学像差(如，球差，彗差，畸变等)必须很小。一般来说，物镜的像差小于约0.04λ(其中λ表示传输到该物镜的光波长)才能用于光学头装置。物镜的光学像差大于0.07λ时就不能用于光学头装置。随着光盘的厚度增加，光学像差增加。因此，若光学像差小于0.04λ的物镜用于预先确定的或薄光盘(例如，DVD)，则当使用较厚的光盘(例如，CD)时该物镜会产生很大的光学像差(主要是球差)。
另外，当光学像差在0.04λ和0.07λ之间时就会产生图5所示的不希望的边缘光(B)。为了补偿厚光盘中产生的大光学像差，近轴区的光学像差被限定在0.04λ以下。远轴区的光学像差被限定为大于0.07λ。于是中间区的像差被限定在0.04λ与0.07λ之间以便抑制由球差产生的干扰。对图5的更详细说明将在后面叙述。
为此目的，沿着入射光路在近轴区和远轴区之间的中间区内设置一个环形或多边形例如方形的用于阻挡或散射光的控制装置。本发明利用的事实是，远轴区的光不影响光斑的中间光部分、而近轴和远轴之间的中间区的光影响光斑的中间光部分。
图4表示波长为650nm的光被折射率为1.505的物镜聚焦到厚度为0.6±0.1mm、折射率为1.5的光盘上的情况。如图所示，该光斑在1/e2(～13％的光强)点处的直径是0.85μm。
图5表示在与上述同样的条件下，光被聚焦到厚1.2±0.1mm的光盘上的情况。参阅图5，直径2μm的光斑被相对地聚焦在中间部分(A)，也被聚焦在其它部分(B)。此时，其它部分(B)的光强是中间部分(A)光强的5～10％。这是由于入射到远离光轴区域的光受到球差的影响，其影响程度依光盘厚度不等。
如上所述，由于球差的缘故在厚光盘上的光斑大于在薄光盘上的光斑。另外，既然入射到远轴区即距光轴较远的区域的光被聚焦到光轴之外(周围的)区域并被散射，远轴区的光不影响中间部分(A)光斑的聚焦。然而，如上所述，由于存在于近轴和远轴之间的光干扰的近轴光的聚焦，被聚焦的光的边缘光(B)的量变得较大。换言之，当不使用本发明时，位于近轴区和远轴区之间的中间区内的光会产生干扰，如图5所示，使得在中间光束(A)的周围产生出边缘光束(B)，这种边缘光束一般具有中间光束强度的约6～7％，因而对光进行检测时增加了跳动并给准确的数据记录和再现造成困难。
图6A所示曲线(a)至(d)表示当使用和不使用本发明的光控制装置时光斑尺寸的变化。在图6A中，曲线(b)和(c)是使用光控制装置时得到的曲线，曲线(a)和(d)是不使用光控制装置时得到的曲线。此时，物镜的数值孔径是0.6，有效半径是2mm。作为遮光或散射光的光控制装置的一个例子，所使用的环形光控制膜自光轴起的中心高为1.4mm、宽为0.25mm。
在以上条件下，曲线(c)和(d)是表示使用0.6mm光盘时光斑尺寸变化曲线，曲线(a)和(b)表示使用1.2mm光盘时光斑尺寸变化曲线。这里，曲线(b)和(c)表示使用本发明时光斑的情况。
显然，当使用0.6mm光盘时，依使用或不使用光控制膜，图5中间部分“A”处的光斑尺寸的变化在3％以内。然而，在使用1.2mm光盘时，使用光控制膜可明显减小图5所示部分“B”的大小。
因此，如上所述，根据本发明，通过近轴和远轴区之间的中间区的光受到控制。为此目的，沿光路设置一个用于控制(例如，阻挡、散射、衍射、吸收或折射)中间区的光的光控制装置，以便阻止该光斑边缘光尺寸的增加并减小可能以其它形式产生的球差。
图7A是采用本发明第一实施例的物镜的光学头装置的示意图，其中对将光聚焦在薄光盘和厚光盘的情况进行了比较。图7B和7C分别表示图7A所示的薄光盘和厚光盘的焦点的放大图。如图7B和7C所示，移动物镜200以使光聚焦在薄光盘或厚光盘上。
图8是物镜200和作为光控制装置的光控制器100的透视图。
在图7A中，标号300a表示比较薄的信息记录介质，例如0.6mm的薄光盘；标号300b表示比较厚的光盘，例如1.2mm的厚光盘。应注意，薄厚光盘的直径可以是相同的。另外，根据在操作时支承旋转光盘300a和300b的光盘座机构(未示出)的情况，光盘的底面既可处在不同平面也可处在同一平面。该图进行了变更以显示不同的厚度。如传统的那样，激光穿过光盘座上的开口。
一个总物镜200位于光盘300a或300b的前面。具有预定有效直径的物镜200对来自光源900的入射光聚焦并接受从光盘300a或300b的反射回来的光。如图9所示，作为本发明一个特征，光控制器100设置在物镜200的后面。光控制器100是透明的并具有抑制，例如阻挡或散射入射到其表面的光的环形光控制膜101。光控制膜101的外径小于物镜200的有效直径。光控制器由玻璃或塑料构成。Cr、CrO2或Ni等可用以制作光控制膜101。另外，参照图12～17在下文中讨论的任何表面不平度结构将也能用在光控制器上。
如图7A所示，准直直透镜500和分束器600设置在光控制器100和光源900之间。沿着被分束器600反射的光的传输路径设有聚焦透镜700和光电检测器800。这里，光检测器800基本是一扇形结构。
在具有本发明上述结构的光学头装置中，如图9所示，光控制膜101抑制入射光束400中的穿过近轴区和远轴区之间的中间区内的光束402，而仅传输穿过近轴区和远轴区的光束401和403。例如，铬(Cr)制光控制膜101阻挡穿过光控制器100的光束402。另外，依据光控制膜101的表面粗糙度，光束402可被散射、反射、衍射或折射。
如图10所示，具有上述功能的光控制膜101直接镀在物镜200的一个表面。如图11所示，光控制器101′可以改制成如图16所示的多边形、例如，正方形或五边形，而不是园形。再有，可根据光盘厚度设置附加光控制膜101或101′以限定近轴区。例如，针对一薄光盘优化物镜并应限定相应的近轴区。这样，可根据薄光盘厚度设置附加光控制膜或槽的限定适当的中间区。在图10B中，相应于经优化的、光盘厚度为0.9mm可增加一个附加环形光控制槽102′。这样，物镜200就可用于厚度为0.6mm、0.9mm或1.2mm的光盘。
图12A和12B表示本发明又一实施例的物镜。图13和14A分别是图12A所示物镜的透视图和前视图。在这些实施例中，物镜200′中的光偏转装置102用作光控制装置。换言之，一种结构模式即用于部分地阻挡、衍射、折射或散射入射光的环形光控制槽102被设置在物镜200′的原始光接受侧(图12A)或光发射侧(图12B)。槽102也可设置在物镜200′的两则。另外，光偏转装置102可采用如图15K所示的凸起或楔形肋102的形式。楔形肋102既可位于物镜200′的单侧也可位于其双则。光控制槽或光控制楔形胁102的外径小于物镜200′的有效直径。
与上述的光控制膜101相似，光控制槽或楔形肋102设置在近轴与远轴之间的光区内，其功能是不影响光聚焦或抑制(例如，阻挡)入射光的方向改变(例如，反射、折射或散射)该入射光的方向。
物镜200′可用常规高压压注模法(未示出)制造或用图15H～15K所示的使用具有与楔形胁102相应形状的模子的压模法制造。
下模1002a上有一个或多个槽103a与图15A和15B所示的用于散射该中间区内光的光控制肋102相对应，这样就使制成的物镜表面带有向外凸出的阶梯形或楔形光控制装置，但加工如图12A所示的上述槽或具有衍射格栅的光控制装置就要取掉上述的槽103a。槽103a形成在近轴区和远轴区之间的中间区。光控制装置102也可经在镜头表面雕刻、蚀刻或划刻而成。如图15C和15D所示，在部分K上经腐蚀或蚀刻处理而形成的不平表面构成本发明又一实施例的镜头的光控制装置102。
图15E至15G示出几种用于形成光控制装置102的不平表面(粗糙的、方齿形的、锯齿形的表面)，该光控制装置102可以由一种不平面构成或由几种不平面组合成。
在图15F中，光控制装置102可具有形成格栅的均匀的阶梯形、以对中间区的入射光衍射。当激光波长为650nm时，该格栅节距S小于约200μm。
图15H表示将诸如玻璃或塑料等透镜材料200m放在上模1001与下模1002a之间。如图15I所示，上模1001与下模1002a被紧密压合后模压透镜材料200m。然后，如图15J所示，分开上模1001和下模1002a，就可得到物镜200m。
如图14B所示，光控制槽102最好加工在物镜200′的底面上并与垂直于光轴的直线相交成预定角θ。在中间区从光控制槽102反射回来的光最好沿不平行光轴的方向进行散射或反射。
图16是光控制装置是光控制槽的物镜的前视图，其中正方形的光控制槽102′加工在本发明又一个实施例的物镜200′中。
光控制槽102′的形状可以是诸如正方形的多边形。另外，物镜可改制成不只具有一个光控制槽的形式以控制入射光。也可在诸如光控制件100的分离的透明件上使用这些表面不平度结构(例如槽、肋、粗糙的、方齿形和锯齿形)中任何一种。
在上述实施例中，物镜200或200′是凸透镜，也可用基于衍射原理的平面透镜，例如全息透镜或菲涅耳透镜取代凸透镜。具体地说，当透镜设置光控制装置时，在平面透镜上加工出一个环形或正方形的光控制槽102″，如图17所示；或将一个独立制成的环形或正方形的光控制膜101固定或镀在平面透镜上，如图18所示。光控制槽102″只传输中间区光402，而不对其衍射。另外，光控制槽102″沿与光的聚焦无关的方向对中间区内光进行反射。这样，中间区的光402就不能到达光盘的光斑。
图18所示的光控制膜101吸收、散射和/或反射入射到平面透镜200″的中间区的光402，防止中间区的光402到达光盘的光斑。例如当用黑色涂料作光控制膜时，该膜将吸收光。图17和18所示的光控制槽或光控制膜也可根据光盘厚度改制成不只具有一个环形槽或膜的结构。
应当注意，上述的透镜结构并不限制用于光学头装置的物镜。
图19表示从上述实施例得出的、1.2mm厚光盘上的光斑大小。这里所用物镜的有效直径是4mm、近轴区直径是2mm、远轴区直径是2.4～4.0mm。这样，光控制装置阻挡直径范围在2.0～2.4mm之间的光束。环形的光控制装置的内径可在2.0～3.0mm之间变化以优化光盘上的聚焦光斑。光控制装置的内径和厚度也可分别在1.1～1.4mm(如，1.2mm)之间和0.1～0.25mm(如0.15mm)之间。其它范围可根据系统情况确定。
在下述条件下形成的光斑中，根据测量结果，在中心光强为1/e2(～13％)的点处的光斑直径是1.3μm。与图5所示的不采用光控制膜的装置相比，当采用光控制膜的本发明的装置时图5所示的部分“B”的光量减少了大于70％。
图20表示，在上述条件下较薄光盘上的(例如0.6mm光盘)光斑尺寸。根据测量结果，在中心光强为1/e2(～13％)的点处的光斑直径是0.83μm。
如上所述，根据本发明，在光盘上形成的光斑可处在最佳状态。如图7A所示，从光盘反射的光透过物镜200、光控制件100和准直透镜500，由分束器600反射后聚焦透镜700传输到光电检测器800，由光电检测器光检测并转换成电信号。光电检测器800通常是一个象限检测器，并利用像散像差获得聚焦误差信号。
下面详细说明本发明光学头装置的光电检测器800。
如图21和22所示，在光电检测器800中心形成的园斑包括与近轴光对应的中心区901a和901b，和与远轴区对应的边缘区902a和902b。标号“a”和“b”分别表示厚光盘和薄光盘上的光斑。具体地，图21表示较厚光盘，例如1.2mm光盘，的情况，图22表示较薄光盘，例如0.6mm光盘，的情况。在不考虑光盘厚度的情况下，近轴区的光形成的中心区901a的直径变化很小。然而，在光被光控制件100阻挡的中间区903a中，直径变化明显。
首先参阅图21，与近轴区相对应的中心区901a处在光电检测器800的中央，而边缘区902a环绕光电检测器800。位于中心区901a和边缘区902a之间的中间区903a中的光被光控制件消除。在本实施例中，光盘反射面接近傍轴焦点，由于边缘区902a和中间区903a实际上由于球差而被放大，因此，只利用近轴光从1.2mm的厚光盘再现信息。
参阅图22，在这个实施例中由于薄光盘的反射表面接近最小的光束焦点圆，故中心(即近轴)区901b和边缘(即远轴)区902b均形成在光电检测800的检测表面。换句话说，除了被光控制件消除的中间区的光，近轴区和远轴区的光均用来从薄光盘(0.6mm)上再现信息。这里，不论何种光盘，傍轴的近轴区901b的直径都保持一个较稳定的数值。
如上所述，为从不同厚度的光盘读信息，本发明的光学头装置采用一个从原光盘读信息时只接受近轴区的光而从薄光盘读信息时接受近轴区和远轴区的光电检测器800。因而，使用厚光盘时得到与近轴光相应的信号；使用薄光盘时，得到一个与近轴区和远轴区的光相应的强度更大一些的信号。
图23表示另一种形式的光电检测器810，该检测器具有八面体或八段结构，其中第二检测区812围绕着处在中央且与图21所示的四象限光检测器相当的第一检测区811。这里，第一检测区811包括四个正方形的第一受光元件A1、B1、C1和D1，第二检测区812包括四个L形的第二受光元件A2、B2、C2和D2。
当从厚光盘读信息时，由八面体光检测器810获取的聚焦误差信号示于图30中。这里，仅以第一受光区811得到的信号用实线A表示，从第一和二第受光区811和812得到的信号用虚线B表示。
图24～26和27～29分别表示使用薄光盘(数字视频光盘)和使用厚光盘(小光盘)时，光电检测器的受光情况。
第一检测区811的尺寸经过优化，使得当从厚光盘读信息时，能无损地接受来自近轴区的光而不接受来自远轴区的光。如图24所示，第一检测区811和第二检测区812的尺寸能保证当从薄光盘读信息时接受近轴区和远轴区的全部光束。如图27所示，当从厚光盘读信息时，远轴区的光照射到第二受光区812。
图24、25和26分别表示当物镜对薄光盘聚焦、物镜距该光盘太远以及物镜距该光盘太近时的受光情况。类似地，图27～29分别表示当物镜对厚光盘聚焦、物镜距该光盘太远以及物镜距该光盘太近时的受光情况。
在具有上述结构的光电检测器810中，用来自第一和第二受光区811和812的总信号，信号从薄光盘读信息，而仅用来自第一受光区811的信号从厚光盘读信息。
图30表示，当从厚光盘读信息时，由来自第一受光区的信号(实线A)和来自第一和第二受光区的总信号(虚线B)产生的聚焦误差信号变化。实线A与虚线B在形状上差别在于厚光盘中散射光的量的不同。在八面体光电检测器810中，因厚光盘大的球差产生的散射光主要被外光电检测器812检测。这些被外检测器812检测的散射光使聚焦误差信号的幅度增大，使虚线B所示的聚焦误差信号不稳定。但当只使用照射到内光检测器811上的检测光时，则可减小散射光对实线A所示的S形曲线的影响。在实际使用中，A表示的聚焦误差信号优于B所示的聚焦误差信号，这是因为它只有一个聚焦误差信号过零点；而信号在该过零点处对称性是确定物镜聚焦位置的重要特性。
从上述中可知，当从一个厚光盘读信息时，仅使用近轴区的光获得聚焦误差信号分量，因此能得到如图30所示的稳定的聚焦误差信号。
如上所述，在物镜装置的聚焦控制方法中以及采用该物镜装置的本发明的光学头装置中，可使光斑尺寸即图5中的部分“B”的光量减小，并使聚焦信号稳定，既然不计光盘厚度而只生成单一的聚焦误差信号，因此，在使用不同厚度的光盘时不需要附加的聚焦控制装置。
检测到的聚焦误差信号的幅值依光盘厚度的不同而不同。换言之，如图31所示，在使用薄光盘时，近、远轴区的所有光线均到达光电检测器；而在使用厚光盘时，只有近轴区的光到达光电检测器，因此很容易区别光盘类型。
参阅图32所示的流程图具体说明区别光盘类型的操作。
如果插入一片薄光盘或厚光盘(步骤100)，聚焦电流(控制物镜与光盘相对位置的电流)增加或减小以区别物镜范围，即光盘类型，如图33所示。物镜在其调焦范围内上、下移动m次(m＝1，2，3，…)，从而从光电检测器得到一个总信号(八象限中各检测区的所有信号加在一起)和一个聚焦误差信号(Sf)(步101)。由于使用象限型光电检测器，因此使用授与Kotaka等人的美国专利US4,695,158中所述的传统像散方法即可得到聚焦误差信号。通常，不对其作过多说明。实验表明，用于薄光盘再现的聚焦误差信号的强度是用于厚光盘再现的聚焦误差信号强度的四倍，这样的光强度足以兼容两类光盘并能实现聚焦误差信号的稳定。
用上述方法可减少球差量以便再现记录在光盘上的信号。不过，该球差大于传统CD播放机中的光学头装置的球差，因而使再现信号质量下降。所以最好使用图36所示的数字波形均衡器，假定该均衡器的输入信号是fi(t)，则其产生的输出信号fo(t)为：
fo(t)＝fi(t+T)-K[fi(t)+fi(t+2T)]
式中，T是预定的延迟时间，K是预定的幅值除数(amplitude divider)，如图32所示(步106和106)。
一旦得到聚焦误差信号Sf和总信号(步101)，就要确认该聚焦误差信号Sf是否大于用于薄光盘的第一参考信号(步102)。此时，根据要求的条件，总信号也可与第一参考信号进行比较。
如图34所示，如果第一参考信号值小于聚焦信号Sf或总信号，则确认该光盘是薄光盘(步103)并依据确认的结果连续地聚焦和寻迹(步104)，从而得到一个再现信号(步105)。该再现信号通过用于薄光盘的波形均衡器(步106)而得到一个波形均衡信号(步107)。但如果第一参考值大于聚焦误差信号Sf或总信号，则需确认该聚焦误差信号是否大于与厚光盘对应的第二参考值(步113)。
如图35所示，如果第一参考值大于聚焦误差信号Sf或总信号，而聚焦误差信号Sf或总信号大于第二参考值(步113)，则确认光盘为厚光盘(步114)，并进行连续的聚焦和寻迹(步115)，从而得到再现信号(步116)。该再现信号通过厚光盘的波形均衡器得到一个波形均衡信号(步118)。
如果聚焦误差信号Sf或总信号小于第二参考信号，就会产生一个误差信号(步123)。聚焦误差信号和总信号可用来准确地区分光盘类型，并且本方法使用这两个信号减小了区分误差。
如上所述，本发明的物镜装置具有下列多种优点。
本发明的物镜装置采用结构简单且易于制造的遮光或散光装置取代结构复杂且价格昂贵的全息透镜。由于无需全息透镜分光，因此该物镜装置比传统装置具有更高光使用效率。另外，由于形成的光斑很小，故记录和再现信息的性能增强。由于带有遮光、衍射、折射或散射装置的物镜装置只使用单个物镜，因此装配和调整采用该物镜装置的光学头装置时非常简便。还由于区分光盘类型的信号获取与光盘厚度无关，故可省去区分光盘厚度的附加装置。与之相反，由于常规装置产生多个信号，因此使用全息透镜的传统装置必须采用附加装置的区分某些信号。在这些信号中，一个用于薄光盘而另一个用于厚光盘。
虽然结合本发明的优选实施例对本发明进行了具体地描绘和说明，很显然，在不脱离本发明的宗旨和范围的前提下，本领域的技术人员可从形式和具体结构上对本发明作出种种其他的改进。例如，可改变光路中光盘的相对位置，从而改变光斑图形，进而要改变将光斑图形变成电信号的各种方法的细节。
本发明可应用于采用记录介质以记录/再现视频或音频数据的光学系统的领域中。

Claims (14)

1.一种用于记录或/和读取不同厚度光盘信息的物镜，其特征在于该物镜具有预定大小的有效直径并将光聚焦到聚焦区，所述物镜包含具有不同光学特性的近轴区、中间轴区及远轴区，而被中间轴区区分并相邻于该中间轴区的近轴区和远轴区具有同一光轴，并且到达所述聚焦区的用于记录或/和读取光盘信息的光斑至少包含由所述物镜近轴区聚焦的光。
2.如权利要求1所述的物镜，其特征在于所述聚焦区为光盘的信息记录区。
3.如权利要求2所述的物镜，其特征在于所述的光盘为0.6mm薄光盘，并且聚焦于该光盘信息记录区的光斑包含由所述物镜近轴区及远轴区聚焦的光。
4.如权利要求2所述的物镜，其特征在于所述的光盘为1.2mm厚光盘，并且聚焦于该光盘信息记录区的光斑包含由所述物镜近轴区聚焦的光。
5.如权利要求1至4中任一项所述的物镜，其特征在于用于区分近轴区和远轴区的中间轴区设置于该物镜的一侧表面，并且该中间轴区为一凹进的环形沟槽。
6.如权利要求1至4中任一项所述的物镜，其特征在于用于区分近轴区和远轴区的中间轴区设置于该物镜的一侧表面，并且该中间轴区为一凸出的环形凸起。
7.如权利要求1至4中任一项所述的物镜，其特征在于用于区分近轴区和远轴区的中间轴区设置于该物镜的一侧表面，并且该中间轴区为一环形不平表面，该不平表面可为粗糙的、方齿形的或锯齿形的表面之一。
8.如权利要求1至4中任一项所述的物镜，其特征在于所述中间轴区为至少使用阻挡、散射、衍射、折射、吸收、透射或反射中的一种方式控制位于近、远轴区之间的中间轴区入射光。
9.如权利要求1或2所述的物镜，其特征在位于物镜近轴区一侧表面附加一光控制区，该控制区为环形凹槽或环形光控制膜之一。
10.一种用于记录或/和读取不同厚度光盘信息的光学头设备，其特征在于该设备包括：
用于发射光的光源；
用于将由所述光源发出的光聚焦于光盘聚焦区的物镜，该物镜包含具有不同光学特性的近轴区、中间轴区、远轴区，而被中间轴区区分并相邻于该中间轴区的近轴区和远轴区具有同一光轴，并且到达所述聚焦区的用于记录或/和读取光盘信息的光斑至少包含由所述物镜近轴区聚焦的光；
用于检测由所述光盘聚焦区反射的反射光的光电检测器。
11.如权利要求10所述的光学头设备，其特征在于由所述光盘聚焦区反射的反射光透过所述物镜并经过设置于物镜一侧的分束器后入射于所述光电检测器的受光区。
12.如权利要求10或11所述的光学头设备，其特征在于由所述光盘聚焦区反射的并入射于光电检测器的受光区的反射光至少包含由所述物镜近轴区发出的光。
13.如权利要求12所述的光学头设备，其特征在于当所述光盘为薄光盘时，入射于光电检测器的受光区的反射光为包含由所述物镜近轴区及远轴区发出的光。
14.如权利要求12所述的光学头设备，其特征在于当所述光盘为厚光盘时，入射于光电检测器的受光区的反射光为包含由所述物镜近轴区发出的光。
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