CN1088884C - 光学拾象装置 - Google Patents

Abstract

一种光学拾象装置，能消除因光盘厚度误差所致的球面象差。该装置包括：一个凸透镜；一个物镜；一个聚光系统；第一光检测装置，用于产生第一检测信号；第二光检测装置，用于产生第二检测信号；一个位置检测装置，用于根据第一和第二检测信号测定光学记录介质的光入射面与凸透镜的平面间的位置关系；以及一个驱动装置，用于沿其光轴驱动凸透镜，使凸透镜引起按反方向向着光学记录介质或者物镜移动。

Description

光学拾象装置

本发明涉及一种光学拾象装置，用以将光源发射的光会聚在光记录介质，如光盘的信号记录面上。

近来，高密盘形记录介质或者磁光盘已在计算机用的记录介质或储存声音或图象用的小型介质领域得到应用。有人提出一种实现这种记录介质高密化的方法，包括增大光学拾象装置所用物镜的数值孔径和减小聚焦于光盘信号记录面上的光的光斑尺寸(直径)。

例如，在用光学拾象装置读取已经以信息点形式存于光盘上的高密信息的信号的情况下，就需要读出的上述光斑尺寸尽可能的小，以便从光盘上的精密记录符号所形成的麻点中重现信息，从而可实现高密度记录。

附带而言，随着光学拾象装置所用物镜的数值孔径变大，物镜本身就难以制作，进而就导致制作成本加高。

另外，当上述光盘的厚度偏离规定值时，就会发生球差。这种球差W₄₀由下述方程(1)表示： $W_{40}=\frac{\mathrm{\Δt}}{8}\·\frac{N^2-1}{N^3}{\mathrm{NA}}^4\…\left(1\right)$ 其中Δt表示光盘厚度的误差，N表示折射率，NA表示数值孔径。

正如从方程(1)所能理解的那样，球差W₄₀与数值孔径成比例。这就是说，随着数值孔径变大，就可能发生大的球面像差。由于这个原因，必须严格控制光盘的厚度。然而，这种控制有害地导致生产率低下和生产成本加高。

于是，本发明的目的在于提供一种光学拾象装置，它不仅表现出其中所用物镜的数值孔径大和达到会聚于光学记录介质上的读/写光束的光斑尺寸小，以实现高密度记录，而且还减小了因光学记录介质厚度误差所发生的球面象差。

按照本发明，提供一种将光源发射的光束会聚在光学光记录介质上的光学拾象装置，它包括：一个凸透镜，该凸透镜具有与光学记录介质之光入射面相对的平面，并有预定的折射率；一个物镜，被布置得使凸透镜被插在光学记录介质与该物镜之间；一个聚光系统，用于会聚自光学记录介质的光入射面和凸透镜的平面反射的光；第一光检测装置，用于检测自光学记录介质的光入射面反射并通过聚光系统的光，从而产生第一检测信号；第二光检测装置，用于检测自凸透镜的平面反射并通过聚光系统的光，从而产生第二检测信号；一个位置检测装置，用于根据第一和第二检测信号测定光学记录介质的光入射面与凸透镜的平面间的位置关系；以及一个驱动装置，用于根据第一和第二检测信号驱动凸透镜，使凸透镜按反方向沿其光轴向着光学记录介质或者物镜移动，从而控制光学记录介质的光入射面与所述凸透镜的平面间的距离。

在这种情况下，第一光检测装置被布置在与来自光学记录介质光入射面的反射光会聚点之共轭点相符的位置，而第二光检测装置被布置在与来自凸透镜平面的反射光会聚点之共轭点相符的位置。

于是，在本发明的光学拾象装置中，由于具有给定折射率的凸透镜位于物镜和光学记录介质之间，所以可使此光学系统的总数值孔径增大。另外，光学记录介质的光入射面与凸透镜的平面间的位置关系根据各光检测装置的检测信号来确定，以致可很好地控制其间的距离。由于这个原因，使得出现在光学记录介质信号记录面上的球面像差显著地减少，因而可使本光学记录介质重现性能得到提高。

图1是表示本发明一种优选具体实施例的光学拾象装置的示意图；

图2是本发明光学拾象装置中所用凸透镜的制作步骤说明图；

图3是表示与本发明光学拾象装置之半球形凸透镜邻接的详细结构纵向视图；

图4是说明来自光学记录介质和半球形凸透镜之反射光的纵向视图；

图5是表示本发明优选实施例中作为光检测装置的光探测器之间位置关系的视图；

图6A和6B是表示半球形凸透镜反射光的检测输出与半球形凸透镜位置之间关系曲线；

图7是表示光学记录介质与半球形凸透镜之间间隙(空气层)与控制该间隙的间隙误差信号之间关系的曲线。

本发明的光学拾象装置用于重现已经存储于光学记录介质20，如光盘的信号记录面上的高密信息信号。如图1所示，光学拾象装置包括(1)一个半球形透镜(凸透镜)，它具有给定的折射率并提供一个平面7b，该平面面对光盘20的光入射面20a；(2)会聚光学系统23，用于会聚来自光学记录介质20的光入射面20a和半球形透镜7的平面7b的反射光；(3)作为第一光检测装置的第一光探测器15(下面仅称为“PD”)用于检测自光入射面20a反射并通过会聚光学系统23的光R2；(4)作为第二光检测装置的第二光探测器(PD)19用于检测自半球形透镜7的平面7b反射并通过会聚光学系统23的光R3；(5)减法器21，用于根据对第一PD15和第二PD19输出Pb和Pc的检测确定光学记录介质20的光入射面20a与半球形透镜7的平面7b间的位置关系；还包括执行机构31，用以根据减法器21的输出(Pb-Pc)沿着半球形透镜7的光轴以相反方向向着光学记录介质20或物镜6驱动半球形透镜7，以控制光学记录介质20的光入射面20a与半球形透镜7的平面7b间空气层(气隙)AG的间隔。

即然如此，就将第一光探测器(PD)15布置在与从光学记录介质20的光入射面20a反射并通过聚光系统23的光之会聚点的共轭点相符的位置，而将第二光探测器(PD)19布置在与从半球形透镜7的平面7b反射并通过聚光系统23的光之会聚点的共轭点相符的位置。第一光探测器(PD)15和第二光探测器(PD)19都由譬如四个分立的光探测元件组件，并且以有如采用象散方法一样的方式检测误差。将此二光探测器(PD)检测的输出加给减法器21，以测定光学记录介质20的光入射面20a与半球形透镜7的平面7b间的位置关系。

以下说明光学拾象装置的详细结构。本光学拾象装置包括一个激光二极管1作为光源，从这里向着准直仪物镜2发射一束线偏振激光束。通过准直仪物镜2的激光束成为平行射线形式，然后再通过衍射光栅3被衍射。被衍射的激光束再继续通过偏振束分束装置(下面仅称为“PBS”)和1/4波片5，然后入射到物镜6上，激光束在此被会聚，并使之能朝着光学记录介质(光盘)20的信号记录面20b透过半球形透镜7。顺便要说的是，将在光学记录介质20的信号记录面上聚焦的激光束通过1/4波片5时被从线偏振光变成圆偏振光。

从光学记录介质20的信号记录面20b反射的光通过半球形透镜7和物镜6又被入射到1/4波片5上。此1/4波片5用于旋转从信号记录面20b反射回来的线偏振激光束，使得激光束通过此1/4波片后的偏振方向从通过该1/4波片前的方向变换90度角。旋转了的线偏振激光束再被入射到偏振束分束装置(PBS)上，在此它被按90度角反射，变成朝向半透明反射镜8。半透明反射镜8用于朝聚光镜9反射50％的激光束同时透射其余50％的激光束。具有相同光学特性的偏振束分束装置(PBS)可被用来替代半透明反射镜8。通过聚光镜9的激光束被会聚并变成朝向多透镜10，激光束在此被进一步会聚在光探测器11上。

这套偏振束分束装置(PBS)4、半透明反射镜8、聚光镜9和多透镜10与另一套半透明反射镜12、聚光镜13和多透镜14以及再一套反射镜16、聚光镜17和多透镜18一起构成聚光(会聚)光学系统23；后两套以下会详细描述。

光探测器11也由四个光探测元件组成，它们的输出被送给一个重现处理单元(未示出)，以产生一个得到重现数据的RF信号、一个跟踪误差信号和一个聚焦误差信号。在此重现处理单元中，RF信号二元化，并随之将所得到的二元化了的数据受到EFM解调处理和CIRC解码处理，从而由RF信号得到重现数据。跟踪误差信号和聚焦误差信号被送给伺服电路(未示出)。该伺服电路根据所述跟踪误差信号和聚焦误差信号利用二轴执行机构实现跟踪控制和聚焦控制。

如图2所示，可以通过截割一部分球形透镜30来制得半球形透镜7。半球形透镜7的截割面被镜面抛光，形成平面7b。球形透镜30可由具有与光学记录介质20的透光层相同折射率的材料制成。

物镜6的数值孔径NA可由下式表示：

                NA＝nsinθ其中θ是从物镜出射之光束角孔径的一半，n是光传播介质的折射率。既然这样，半球形透镜7的折射率被设定为比如1.5，光学记录介质20的透光层相似。因此，本光学拾象装置的总数值孔径就是普通光学拾象装置的譬如1.5倍，所述普通光学拾象装置中，只用物镜会聚通过具有折射率n为1的传播介质的激光束。由此，激光束在信号记录面20b上的光斑尺寸被设定为1/1.5，从而可实现高密度记录。

同时，在驱动光学记录介质20时，为防止半球形透镜7的平面7b与光学记录介质20的光入射面20a间的滑动摩擦，在它们之间形成一个空气层(气隙)AG。

图3详细表示空气层AG、半球形透镜7、光学记录介质20以及物镜6之间的相互关系。半球形透镜7被支持于第一支架31上。此第一支架31带有共轴地安装于其上的第一驱动线圈32。另一方面，物镜6由第二支架33所支持，所述第二支架上固定有磁铁34。第一支架31通过板弹簧35可动地支承在第二支架33上。也即磁铁34的磁通量与第一驱动线圈32的励磁之间的相互作用，使半球形透镜7和物镜6能够沿着它们的光轴方向彼此无关地运动。进而，物镜6受到卡在第二支架33上的第二驱动线圈36和磁铁37之间的电磁作用而被驱动。当空气层AG沿光学记录介质20厚度方向的宽度变化时，就发生球面象差。这种球面象差W′₄₀由下述方程(2)表示： ${W^{\′}}_{40}=-\frac{\mathrm{\Δh}}{8}{n}^2(n^2-1){\sin }^4\mathrm{\θ}\…\left(2\right)$ 这里的Δh是空气层AG厚度的改变量，n是光学记录介质20与半球形透镜7的复合折射系数，sinθ是它们的复合数值孔径。

随着由方程(2)所表示的球差W′₄₀变大，当由本光学拾象装置读出存于光学记录介质上的信息信号时，重现特性会大大降低。

在本发明这种优选实施例的光学拾象装置中，采用由第一支架31、第一驱动线圈32、磁铁34和片簧35构成的半球形透镜执行机构，使由方程(2)表示的球差W′₄₀被限制于最小的程度。所述半球形透镜-执行机构沿着半球形透镜的光轴向着光学记录介质20或物镜6驱动该半球形透镜，从而使空气层AG的厚度得以被高精度地控制。

下面参照图4描述本发明光学拾象装置的结构和基本动作。如图4所示，从光学记录介质20反射的光由来自信号记录面20b的第一反射光组分R1、来自光入射面20a的第二反射光组分R2和来自半球形透镜7之平面7b的第三反射光组分R3组成。第一反射光组分R1被引入到如图1所示的光探测器(PD)11中。只有50％的第二反射光组分R2透过半透明反射镜8。另外，只有50％第二反射光组分R2之半可以透过半透明反射镜12并随后被引入光探测器(PD)15。这些半透明反射镜可由射束分离器代替。类似地，只有50％的第三反射光组分R3透过半透明反射镜8，而且只有50％第三反射光组分R3之半可以透过半透明反射镜12。一部分从半透明反射镜12反射的第三反射光组分R3变成朝向反射镜16，在此出现第三反射光组分R3的全部，从而第三反射光组分R3通过聚光镜17和多透镜18被引入光探测器(PD)19。光探测器(PD)15和19类似地也由四个分立的光探测元件组成。多透镜10、14和18有如在象散法中所用，各包括一个圆柱形透镜和一个聚光镜。

光探测器(PD)15检测来自光学记录介质20的光入射面20a的第二反射光组分R2的输出。这种情况下，拟检测之输出等同于有如象散法中所用的输出。类似地，光探测器(PD)19检测第三反射光组分R3的输出，它也等同于有如象散法中所用的输出。减法器21进行从所测得的PD15的输出Pb减去所测得的PD19Pc的输出。将如此得到的差值信号Pb-Pc送给驱动器22，由此，该差值信号进一步被送给半球形透镜执行机构的驱动线圈32。

每个光探测器11、15和19被放在预先根据第一、第二和第三反射光组分R1、R2和R3的聚焦点被调整的位置处。以下通过参照图5说明各个光探测器(PD)的位置调整。图5中，为清楚计，以重叠的方式关于同一光轴表示第一到第三反射光组分R1-R3的光程。

光探测器(PD)11被布置在与光学记录介质20的信号记录面20b上的聚焦点Fa之共轭点fa相符的位置。关于聚焦点Fa的共轭点fa位置通过其间所插入的PBS4、半透明反射镜8、聚光镜9和多透镜10的布置来确定。类似地，光探测器(PD)15被布置在与来自光学记录介质20的光入射面20a的第二反射光组分R2的会聚点Fb之共轭点fb相符的位置。关于聚焦点Fb的共轭点fb位置通过其间所插入的PBS4、半透明反射镜8、聚光镜13和多透镜14的布置来确定。此外，光探测器(PD)19被布置在与关于来自半球形透镜7的平面7b的第三反射光组分R3的聚焦点Fc之共轭点fc相符的位置。关于聚焦点Fc的共轭点fc位置通过其间所插入的PBS4、半透明反射镜8和12、反射镜16、聚光镜17和多透镜18的布置来确定。

特别地，采用象散法，将物镜6的焦点调整在光探测器11处。同时，将聚焦偏压定为零。在保持聚焦条件的同时半球形透镜7逐渐接近的情况下，光探测器(PD)15和19分别检测各反射光组分的成S形的信号输出Pb和Pc。两个S形信号输出Pb和Pc受到电控制，使得它们的距离，换句话说就是峰-峰宽度变得恒等。将半球形透镜7固定在一个位置附近，在这里，两个S形信号输出Pb和Pc各自的波形都穿过零点。当使半球形透镜7保持于这种固定条件下时，多透镜14和多透镜18的Z-距离是互相补偿的，致使光探测器(PD)15的输出Pb和光探测器(PD)19的输出Pc二者均为零。多透镜14和18之Z-距离的这种补偿意味着从光探测器(PD)15和19所得到的两个S形信号输出(它们对应于光记录介质20之光入射面20a的位置和半球形透镜7之平面7a的位置)的相位是互相补偿的。于是，使光探测器(PD)11、15和19关于它们的位置被校准。

接下去说明空气层AG控制过程。

为保持空气层AG的恒定，必须控制光探测器(PD)15和19的输出Pb和Pc，使作为来自减法器21的位置检测信号的差值信号“Pb-Pc”变为零。为此，通过利用驱动器22激励半球形执行机构的驱动线圈32调整半球形透镜7的位置。

光探测器(PD)15的输出Pb和光探测器(PD)19的输出Pc分别对应于会聚点Fb和Fc相对于物镜6的位置。特别地，当光学记录介质20的光入射面20a与半球形透镜7的平面7b是互相偏移时，焦点Fb和Fc也互相偏移，致使光探测器(PD)15和19的信号输出Pb和Pc被引起相应的变化。此时，若保持空气层AG的厚度不变，则焦点Fb和Fc相对于物镜6的偏移就是一样的，以致光探测器(PD)15和19的信号输出Pb和Pc是成具有几乎相同位相的S形信号输出。相应地，如果来自减法器21的输出Pb-Pc为零，则认为空气层AG的厚度保持恒定。因此，差值信号Pb-Pc起间隙误差信号的作用。

下面说明气隙变化的情况。

如图6A和6B所示，光探测器(PD)15的输出Pb和光探测器(PD)19的输出Pc被表示为S形波形。当空气层AG的厚度较大时，如图6A所见者，光探测器(PD)19之输出Pc的波形向右偏离光探测器(PD)15之输出Pb的波形。另一方面，当空气层AG的厚度较小时，如图6B所见者，光探测器(PD)19之输出Pc的波形向左偏离光探测器(PD)15之输出Pb的波形。因此，由减法器21算得的间隙误差信号Pb-Pc有如图7所示那样变化。也就是，当空气层AG的厚度变大时，间隙误差信号Pb-Pc为负。另一方面，当空气层AG的厚度变小时，间隙误差信号Pb-Pc为正。相应地，如果通过激励半球形透镜-执行机构的驱动线圈32来驱动半球形透镜7，使间隙误差信号Pb-Pc变小，则空气层AG的厚度可几乎保持不变。

因而，按照本发明，可以高精度地控制半球形透镜7与光学记录介质(光盘)20之间的空气层(气隙)AG的厚度，从而防止球差的发生。结果，就能实现光学记录介质的高重现特性。

同时，商业上所能得到的光盘不可避免地表现出其间厚度方面的偏差(厚度误差)。这种厚度误差也会引起球面象差。按照本发明，由于对这种厚度误差的控制，就可以类似的方式有效地防止这种球面象差。

特别是，或者给光探测器(PD)15或者给光探测器(PD)19加以电偏压，以便确定由光探测器(PD)11的检测输出所得RF信号的最佳重现特性。结果，出现一个与这些电偏压相应的气隙偏压，从而可以高精度地控制空气层AG。具体地说，这种控制引起一个按与由光盘厚度误差所引起的球差相反关系起作用的球面象差，致使这两种具有不同正负号的球面象差互相平衡，从而消除源于厚度误差的球面象差。因而可以理解，即使光盘有厚度误差，也会因采用本发明之光学拾象装置而消除球面象差的发生，从而可得到优良的重现特性。

Claims (2)

1.一种光学拾象装置，用以将光源发射的光会聚在光记录介质上，它包括：

一个凸透镜，该凸透镜具有与光学记录介质之光入射面相对的平面，并有预定折射率；

一个物镜，被布置得使所述凸透镜被插在所述光学记录介质与该物镜之间；

一个聚光系统，用于会聚自光学记录介质的光入射面和所述凸透镜的平面反射的光；

第一光检测装置，用于检测自所述光学记录介质的光入射面反射并通过所述聚光系统的光，并产生第一检测信号；

其特征在于所述光学拾象装置还包括：

第二光检测装置，用于检测自所述凸透镜的平面反射并通过所述聚光系统的光，并产生第二检测信号；

一个位置检测装置，用于根据所述第一和第二检测信号测定所述光学记录介质的光入射面与所述凸透镜的平面间的位置关系；以及

一个驱动装置，用于沿着凸透镜的光轴驱动所述凸透镜，使所述凸透镜向着所述光学记录介质或者所述物镜移动，从而对应于所述第一和第二检测信号控制所述光学记录介质的光入射面与所述凸透镜的平面间的距离。

2.一种如权利要求1所述的光学拾象装置，其特征在于：所述第一光检测装置被布置在与关于从所述光学记录介质的光入射面反射并通过所述聚光系统的光会聚点之共轭点处，而所述第二光检测装置被布置在与关于从所述凸透镜的平面反射并通过所述聚光系统的光会聚点之共轭点处。

Images