CN1107312C - 用于信息记录介质重放的光学拾波器 - Google Patents

Abstract

用于多层结构信息记录层中信息记录介质重放的光学拾波器设备设制有：一个光源(5)；一个光探测器(PD)；一个光学系统(1a，2-4)和一个操作机构(1b)。光学系统被设计成满足公式≤0.63d/n，其中，S代表分别给出聚焦差错信号最大和最小值的被操作的光学系统的两个焦点之间的距离，d代表信号记录层之间的间隔，n代表信息记录层之间隔介质的折射率。

Description

用于信息记录介质重放的光学拾波器

本发明涉及一种光学拾波器，用于信息记录层为多层结构的信息记录介质的重放。

像DVD(数字视盘或通用盘)那样的光盘可以有这样的结构，其信息记录层为多层以便提高记录密度。在重放这种类型的光盘时，来自光学拾波器的光束在光盘的信息记录层中的一个上聚光或聚焦，其反射光在光探测器上聚光。

然而，如果光束以上述方式在一个信息记录层上聚光，则来自个信息记录层的反射光以散焦状态与重放一个信息记录层时的记录信号重叠。这样就产生了记录信号的串扰。由于这些信息记录层的记录信号相互之间不相关，因而产生了这样的问题：来自另一个信息记录层的信息对被重放的一个信息记录层的记录信号的质量造成象随机噪声那样的有害影响。

因此，本发明的目的是提供一种用于多层型记录介质的重放的光学拾波器设备，它能抑制记录信号的串扰。

本发明的上述目的可以通过用于信息记录层为多层结构的信息记录介质重放的光学拾波器设备来实现。该拾光设备设有：一个发射光束的光源；一个光探测器，用于检测反射光束和输出对应于被探测的反射光束的光探测信号；一个光学系统，用于在信息记录层的一个上聚光发射的光束和把一个信息记录层反射的光束作为反射光束会聚在光探测器上；和一个操作机构，用于至少部分地以聚焦伺服方向操作光学系统，以便根据由光探测输出的光探测信号中产生的聚焦信号来聚焦—伺服一控制关于一个信息记录层的发射光束。光学系统被设计成满足公式S≤0.63d/n；这里S代表分别给定最大和最小聚焦误差信号值的被操作系统的两个焦点之间的距离，d代表信息记录层之间的间隔，n代表信息记录层之间的隔离介质的折射率。

根据本发明的光学拾波器装置，光学系统被设计为满足公式S≤0.63d/n，这里S代表分别给定最大和最小聚焦误差信号值的被操作光学系统的两个聚焦点之间的距离。这样，从一个被重放的信息记录层上的光探测信号对另一个信息记录层的光探测信号的比值(可以表示为由这些每个信息记录层的反射光束组成并被聚焦或聚光在光探测器上的光斑面积比值)就可以被限制，使其低的足以把对应来自另一个信息记录层的光探测信号的随机噪声(即，光检测信号的串扰)降低到在实际检测中不会造成噪声问题的某种程度。

在本发明的的光学拾波器设备中，光学系统可以至少包括物镜、准直透镜、柱面透镜、和凹透镜中的一个，以便可以在一个信息记录层上聚焦发射的光束和通过使用相对简易的光学结构在光探测器上聚焦反射光束。

在本发明的光学拾波器设备中，光探测器可以包括输出光探测信号的四分探测器，以便使用已知的例如散光方法从四分光测器的检测信号中容易和确定地产生聚焦误差信号。

通过下面的结合附图对本发明优选实施例的详细说明将会进一步理解本发明的特性、实用性和进一步特点。

图1是作为本发明实施例的光学拾波器设备的示意图；

图2A是反射光的截面图，它示出了使用图1的光学拾波器设备重放多层盘时的反射光的轨迹；

图2B是使用图1的光学拾波器设备重放多层盘时反射光在光探测器处的光点的平面图；

图3是显示多层盘第一层的反射光的光点形状从聚焦状态到散焦状态的变化，和在相应时间第二层反射光光点形状的变化的示意图；

图4A是显示获得聚焦光点半径的近轴光线轨迹的曲线图；

图4B是显示获得散焦光点半径的近轴光线轨迹的曲线图；

图4C是显示聚焦误差信号的S字母间隔的曲线图；

图5是显示在附加的白高斯噪声存在的情况下每个随机双极性二进制基带信号和随机开/关二进制信号的误差比值的曲线；

图6是显示用于各种码的随机纠错能力的曲线图；

图7是显示近轴光线的轨迹示意图，用于说明图1的光学拾波器设备中每个透镜的安排；

图8A是显示近轴光线的轨迹的一种曲线图，用于说明图1的光学拾波器设备中的柱面和凹面复合透镜的焦距等；

图8B是显示近轴光线的轨迹的另一种曲线图，用于说明图1拾光设备中的柱面和凹面复合透镜的焦距等；

图8C是显示近轴光线的轨迹的再一种曲线图，用于说明图1的拾光设备中的柱面和凹面复合透镜的焦距等；和

图9是显示近轴光线的轨迹的曲线图；用于说明本发明实施例的光学系统的一种设计实例中每个透镜的具体位置。

正面参照附图说明本发明的实施例。

图1是显示本发明实施例的用于信息记录介质的重放的光学拾波器设备结构的示意图。如图1所示，该拾光设备设有：一个物镜1a；一个操作机构1b；一个四分之一波片2a；一个分光器2b；一个准直透镜3；一个柱面透镜和凹透镜的复合透镜4；一个4分(支)光探测器(下面，称为“PD”)；一个半导体激光器(下面，称为“LD”)5；和一个耦合透镜6。光学拾波器设备以下述的方式构成。即，LD5发送的激光束在信息记录盘的一个信息层(如图1中的信息记录面)上被聚光或聚焦。来自信息记录面的反射光经过每个透镜在PD上聚光，以便读出信息。更具体地说，PD向信息处理单元100输出一个对应被检测反射光的光检测信号Sdet。然后，信号处理单元100借助于已知的(例如)散光方法产生聚焦误差信号FE，和产生(另外的)伺服信号以及重放记录信号Sre。聚焦控制信号Sc根据聚焦误差信号FE产生，以形成聚焦伺服环路。随后，当损伤机构1b根据聚焦控制信号Sc操作物镜1a时，操作机构1b以聚焦伺服方向(图中箭头所示)以及跟踪伺服的方向随动控制激光束。

如果多层型的信息记录盘，如多层型DVD通过使用上述结构的光学拾波器设备被重放(如图2A所示)，则从第一和第二层每一个反射的光的状态就变成图2B所示的那样。在图2A中，第一和第二信息记录层以间隔(即、距离)d被相互隔离，第一和第二层之间的隔离介质具有折射率n。在这里，图2B示出要重放的第一层的状态。即，在PD的光检测面上聚焦光点(为聚焦的光点)由来自第一层的反射光形成；在PD的光检测面上，散焦光点(是光斑，但未聚焦)由来自第二层的反射光形成；换句话说，当记录信息从信息记录层的一层(为半反射层)读出时，来自信息记录层的另一层(为高或半反射层)的反射光经半反射层(即，第一层)也由PD接收，从而产生记录信号的串扰。由于第一和第二层的记录信号不相关，因此一个信号作为随机噪声影响另一个信号，从而对阅读信号的信号质量带来有害的影响。

为了定量地抑制或限制这种串扰，作了下面的研究。首先，由于可以假定来自每个记录层的光检测信号与PD上的光检测量有理想的比例，因而研究光点的面积。

图3分别示出了与散焦或聚焦状态一致的每层反射光光点形状的变化。具体地说，按照状态ABC和D的顺序，第一层的反射光光点的形状从聚焦状态变为散焦状态。此外，状态A’、B’、C’和D’的每一个代表与状态A、B、C和D的相应的一个相一致的第二层反射光光点的形状。

从图3中可以看出，对第一层处于聚焦状态(即，状态A)时处于散焦状态(即，状态A’)的第二层来说，只有图3中状态A’显示的具有数焦光点面积πr_d ²的光点区域被PD光检测，因此光检测量小于图3中状态D’所示的处于第二层聚焦状态时的光检测量。由于在图3中状态A’至D’的每一个中反射光的总光通量未改变，因此，处于(由图3中状态A’显示的)散焦状态时的面积πr_d ²中的光通量与处于(由图3中状态D’显示的)聚焦状态时的面积πr_d ²的光通量彼此相等。因此，就对应面积πr_d ²的总光通量而言，由图3中状态A’显示的处于第二层散焦状态时由PD可接收的光通量等于对应面积πr_f ²的光通量。

换句话说，如图3中状态A所示的那样，在第一层处于聚焦状态时，整个聚焦光点面积πr_f ²的反射光被接收。此时的光通量等于处在第一层散焦状态(即，图3中的状态D)时的面积πr_d ²内的光通量。由于第二层数焦状态时的面积πr_d ²等于图3中的状态A’所示的第二层散焦光点的面积πr_d ²的比值可以被假定为等于处于第二层散焦状态时的反射光的光检测量对处在第一层聚焦状态时的反射光的总的光接收量的比值。即，该比值可以表示(达)如下： $\mathrm{\π}{r}_f^2/\mathrm{\π}{r}_d^2$

   ＝(第二层的光检测信号)/(第一层的光检测信号)

这里，假定PD侧面的NA(数值孔径)为NA_p，PD上的散光差值为AS，聚焦信号FE的S字母间隔或宽度为S，光路的横向放大率(即，返回放大率)为β，因此，可以从图4中得到由下式表达的处于聚焦状态时的光点半径r_f。

  r_f＝NAp*(AS/2)＝NAp*(2S*β²/2)＝NAp*S*β²)

另一方面，假定第一和第二层间的光学距离为d’＝(d/n)；n为信息记录层间的隔离介质的折射率)，则从图4B中可以得出下列公式表示的处在散焦状态时的光点半径r_d。

       r_d＝NAp*2d’*β²

图4C用于说明聚焦误差信号FE的S字母间隔的曲线图。如图4C所示，借助数光方法得到的聚焦误差信号FE具有最大和最小峰值，以形成所谓的关于聚焦点位移(即，焦点与信息记录面之间的位移或距离)的S字母曲线。S字母间隔是分别给出聚焦误差信号FE的最大和最小值的被操作物镜的两个焦点间的距离。

通过上述的关于r_f和r_d的两个公式，其比值可以用下式表示。 $\mathrm{\π}{r}_f^2/\mathrm{\π}{r}_d^2={(S/2d\text{'})}^2$

因此，根据本发明，来自另一层的光检测信号(即，噪声)对来自被重放的一层的光检测信号(即，信号)的比值被定义为串扰CT。也就是说，若假定来自被重放的一层的光检测信号为Sg，来自另一层的光检测信号为Ns，则串扰被定义如下。 $\mathrm{CT}=\mathrm{Ns}/\mathrm{Sg}=\mathrm{\π}{r}_f^2/\mathrm{\π}{r}_d^2={(S/2d\text{'})}^2$

然后设计光学系统，以使现串扰值CT小于预定值。

其次，通过(基于)根据普通信号对噪声功率，比与比特差错率之间的关系对串扰CT的适当值的研究，可以理解下面的事实。即，根据“数据传输”(WilliamR.Bennett等，LATICE公司1td，1966)，当比特误差率为10^-8时，在随机双极二进制基带信号中相对于噪声功率比的信号约为15dB；上述的比特误差率10^-8与(例如)密实盘的数据结构中的块误差率6×10^-6相等，如图5所示。这样，根据“数字声频新模型”(Doi等，无线电技术公司，1987)，纠错后不造成实际问题的状态可以通过使用纠错方法中的交错码来得到，如图6所示。

如上所述，为了得到校正后足够的比特差错率，信号对噪声功率比应不小于20dB。因此，在本发明中可以认为比值Sg/Ns(被重放的一个记录层的光检测信号Sg对另一个记录层的光检测信号的比值)应不少于20dB。即，在本发明中，串扰CT由下式确定。 $\mathrm{CT}=\mathrm{Ns}/\mathrm{Sg}=\mathrm{\π}{r}_f^2/\mathrm{\π}{r}_d^2={(S/2d\text{'})}^2$

这样，光学系统被设定满足下列公式表达的条件。

          20log(S/2d’)²≤-2O

          ∴s/d’≤0.63

换句话说，如果设计光学系统使之得到满足该公式的S字母间隔(见图4C)，则字母间隔表示的串扰和信息记录层间的光学距离可以被减小，这样就可以获得校正后的足够大的比率差错率。

下面说明这种光学系统的具体设计实例。图7是用于解释本实施例中每个透镜安排的视差光线的轨迹图。在图7中，参考标记f’_ob代表物镜的焦距，f’_co代表准直透镜的焦距，f’_cy代表柱面透镜的焦距，f’_cc代表凹透镜的焦距，f’_cyc代表柱面透镜和凹透镜的复合透镜的焦距，h_co代表准直秀镜的主表面位置上取外侧光的半径，h_cc代表凹透镜的主表面位置上最外侧光的半径，h_cyc代表柱面透镜和凹透镜的复合透镜的主表面位置处的最外侧光的半径，h_p代表PD表面上最外侧光的半径，d_cocyc代表准直透镜主表面与柱面/凹面复合透镜主表面之间的距离，d_coc代表准直透镜主表面与凹透镜主表面之间的距离，d_cyc代表凹透镜的中心厚度与柱面透镜中心厚度的总值(sum value)，H_cyc代表凹透镜主表面与柱面/凹面复合透镜主表面之间的距离，F_coc代表凹透镜主表面与准直/凹面复合透镜的焦点之间的距离，F_all代表柱面/凹面复合透镜主表面与三复合透镜焦点之间距离，S₁是准直/凹面复合透镜的焦点与PD表面之间的距离，S₂是三复合透镜的焦点与PD表面之间的距离。

1.如图7所示，在光学拾波器设备的返程光路中，组合准直透镜与柱面透镜和凹透镜的复合。这里假定有下列关系：

透镜距离＝d；

复合透镜焦距＝f

每个透镜的焦距＝f’₁*f’₂

由于1/f＝1/f’₁+1/f’₂-d/(f’₁*f’₂)

因此，几何镜片这两个透镜的复合系统可以由下列公式说明。

      f＝f’₁*f’₂/(d-f’₁-f’₂)

2.入射到物镜后面的准直透镜的平行光通量在准直透镜后面的复合透镜的焦点上聚光或聚焦。

从第一透镜位置到复合透镜焦点的距离可以由下列公式说明：

F₂＝(1-dK₁)/K

   ＝(1-d/f’)f’

   ＝((f’₁-d)/f’₁)*((-f’₁*f’₂)/(d-f’₁-f’₂))

   ＝f’₂(f’₁-d)/(d-f’₁-f’₂)

3.从第二透镜的f’₂到复合透镜的主表面(后侧)的距离可以由下列公式表示。

  H₂＝dk₁/K

     ＝d/f’/f’₁

     ＝f’₂*d/(d-f’₁-f’₂)

4.根据对实际光路的应用，可以作如下考虑。最始，由下式表示柱面透镜和凹透镜的复合透镜(此后称为柱面/凹面复合镜)的焦距f’cyc。

       f’_cyc＝-f’_cy*f’_cc/(d_cyc-f’_cy-f’_cc)    ……(1)

这里，参考标记f’_cy代表柱面镜的焦距，f’_cc代表凹透镜的焦距，d’_cyc是柱面/凹面复合透镜的主表面间隔。

假定透镜的折射率为n_L，柱面透镜的半径为r_cy，凹透镜的半径为r_cc，(如图8A所示)，则焦距f’_cy和f’_cc可以由下式分别得到。

     f’_cy＝r_cy/(n_L-1)    ……(2)

     f’_cc＝r_cc/(n_L-1)    ……(3)

此外，柱面透镜的中心厚度d’_cy用下式表示，如图8B所示。

     d’_cy＝t/2n_L

凹透镜的中心厚度du用下式表示，如图8C所示。

     du＝t/2n_L

这样，数值d_cyc就可以用下式(4)表示。

     d_cyc＝t/n_L    ……(4)

因此，如果透镜规格设置如下，

折射率：n_L＝1.49

柱面透镜的半径：r_cy＝35

凹透镜的半径：r_cc＝8

柱面/凹面复合透镜的厚度：t＝2

准直透镜的焦距：f’_co＝18，

则，

f’_cy＝71.429

f’_cc＝16.327

d_cyc＝1.342

这样，通过使用上述公式(1)，本实例的焦距可以被确定为：

  f’_cyc＝13.089。

另一方面，从凹透镜的主表面到柱面/凹面复合透镜的主表面的距离H_cyc由下式表示。

   H_cyc＝-f’_cc*d’_cyc/[-(d_cyc-f’_cc)]

这样，本实例中H_cyc和数值可以被确定为：

   H_cyc＝-0.246

另一方面，准直透镜、柱面透镜和凹透镜的复合焦距f’_all由下列表示：

   f’_all＝f’_co*f’_cyc/(d_coyc-f’_co-f’_cyc)    ……(5)

因此，假定：

复合焦距：f’_all＝29.505；

物镜的焦距：f’_ob＝3.349。

那么，图像生成放大率β₁可以被确定为：

   β₁＝f’_all’/f’_ob＝29.505/3.349＝8.81

此时，准直透镜与柱面/凹面复合透镜之间的间隔d_cocyc可以被确定为：

   d_cocyc＝12.896

另一方面，准直透镜主表面到凹透镜主表面之间的距离d_coc为：

   d_coc＝d_cocyc-H_cyc

这样，在本实例中，d_coc可以被确定为：

   d_coc＝12.896-(-0.246)＝13.142

准直透镜和凹透镜的复合焦距f’_coc被表示为：

   f’_coc＝f’_co*f’_co/(d_coc-f’_co-f’_cc)

这样，在该实例中，f’_coc被具体确定为：

   f’_coc＝25.624

如果根据上述参数安排每个透镜，则设置准直透镜，柱面透镜构成的复合透镜系统中每个的焦点离柱面/凹面复合透镜位置为距离F_all。在本实例中，距离F_all的具体值为

   F_all＝8.366

用相同的方式，使准直透镜和凹透镜构成的复合透镜的焦点相距凹透镜的位置为距离F_coc。在本实例中，距离F_coc的具体值为：

    F_coc＝6.915

从上述研究中可以确定复合透镜设计中的准直透镜与柱面透镜之间的距离为：

     d_coc-d_cyc＝13.142-1.342＝11.8

此外，散光距离As被确定为：

     As＝F_all+H_cyc(-1)-F_coc＝1.205

上述实例中得到的结果如图9所示。根据这些结果，准直透镜和凹透镜的复合透镜系统的返回放大率可以由下式给出：

    β₂＝f’_coc/f’_ob＝25.624/3.349＝7.65

这样假定返回放大率β为返回放大率β₁和β₂的平均值，即

    β＝8.23

这样，S字母距离(见图4C)可以被确定为

    S＝As/(2β²)＝0.0089

此时，假定

    d’＝0.032

那么，20log(s/2d)²＝-34

它意味着可以得到足够的比特差错率。

如上所述，如果设计光学系统使其满足公式S≤0.63d’，则可以减小串扰，并可以得到校正后的足够的比特差错率。

在上述的说明中，所说明的是光学拾波器设备为单焦型的情况。但本发明不限于此。例如，本发明适用于双焦(点)型的光学拾波器的设备。

此外，在上述说明中，所说明的是采用散光方法为聚焦差错信号产生方法的情况，但本发明不限于此。例如，可以采用已知的聚焦差错信号产生方法，如刀口(knife-edge)方法，楔形棱镜(Wedge-Prism)方法，临界角(Critical angle)方法或类似方法代替散光方法。

根据以上详细说明的实施例，通过设计光学系统使其满足公式S≤0.63d/n(这里，S代表S字母间隔，d代表信息记录层之间的间隔，n代表信息记录层之间隔离介质的折射率)，可以减小串扰(即，被重放的一个记录层的光检测信号对另一个记录层的光检测信号的比值，以由在光探测器上聚光或聚焦的每个信息记录层的反射光光点的面积的比值)，同时也可以减小随机噪声。因此，校正后的比特差错率可以被限制在足够低的程度，以致能够实现信息记录介质精确和极好地重放操作。

Claims (4)

1、一种光学拾波器，用于多层结构信息记录层中信息记录介质的重放，所述设备包括：一个光源(5)，用于发射光束；和一个光探测器(PD)，用于检测反射光束和输出对应被检测的反射光束的光检测信号，其特征在于所述的设备进一步包括：

一个光学系统(1a，2至4)，用于把被发射的光束聚集在信息记录层的一个上，并把从所述的信息记录层的一个反射的光束作为反射光束聚集在光探测器上；和

一个操作机构(1b)，用于在聚焦伺服方向至少部分地操作所述光学系统，以便根据所述光探测器输出的光检测信号产生的聚焦差错信号来聚焦有关所述信息记录层的一个的被发射光束；

所述光学系统被设计成满足公式S≤0.63d/n，其中S代表分别给定聚焦差错信号最大和最小值的S字母曲线的两个点之间的距离，d代表信息记录层之间的间隔，n代表信息记录层之间的隔离介质的折射率。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学系统(1a，2至4)包括至少物镜(1a)、准直透镜(3)、柱面透镜和凹透镜(4)中的一个。

3、根据权利要求1或2的所述的设备，其特征在于，所述光探测器(PD)包括一个四分检测器。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述S代表聚焦差错信号的峰-峰值之间的距离。

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