CN1110803C - 光扫描装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一个可通过辐射光束(9)扫描记录载体(1)的光扫描装置。分离单元(13)把从记录载体反射的光(11)引向探测系统(17)。探测系统至少由三个探测器(26-29)组成。分离单元至少有三个光栅(21-24)，每一个形成指向一个探测器的子光束。每一个探测器的最长尺寸基本垂直于相关扇区的平分线。

Description

光扫描装置
技术领域
本发明涉及一种用来光扫描信息面的装置，这种装置包括用来提供扫描光束的辐射源，用来将扫描光束聚焦成信息面上的扫描光斑的物镜系统，由具有放置于信息面辐射线的光程上的用来将所述辐射线的至少一部分分裂成子光束的内含弧面(included arc)等于或小于120°的至少一个扇区组成的分离单元，以及由一个接收子光束的长方形探测器组成的辐射敏感探测系统。
背景技术
扇区是两个半径和一条连接半径的端点的线之间包围的区域。该线可以是任何形式，如一段被半径或直线割开的弧，或一条成90°角的线。扇区的平分线是将扇区的两条半径间的夹角平分成相等部分的直线。一个图形在垂直方向的尺寸不相等时被称作长方形。
这种类型的从原理上讲适合于在光记录载体上读出和写入信息的装置，已知已发表在期刊Neues aus der Technik，number No.4，1990年12月20日，7页，493项中。已知装置的分离单元形成的子光束入射到探测系统上。探测系统的探测信号被用来获得径向寻道误差信号和聚焦误差信号。其中从美国专利No.5,511,057可知，已知装置的一个缺点是不适于扫描多层记录载体。在这样的多层信息记录载体中信息面从记录载体的一侧被扫描，也就是说，一个信息面通过另外一个信息面被扫描。来自其它信息面的散射光线影响从探测系统中得到的信号。而且，从欧洲专利申请No.763 234可知，已知装置也不适于扫描有着不同厚度的透明衬底层的不同类型的记录载体。这些应用中有象差(aberrated)的光线影响从探测系统中得到的信号。
发明内容
本发明的一个目标是参照前文提供一种对散射光线和有象差的光线比较不敏感的装置。
从而根据本发明的装置除了包括上述的元件以外，其特征在于，探测器的最长尺寸方向基本垂直于分离单元的扇区的平分线，所述平分线与最长尺寸方向之间的夹角在从75°到105°之间的范围内，以充分减小散射光线和有象差的光线的影响。扇区形成的子光束在探测器上形成一个光斑。从几何近似这个光斑的形状和扇区一样。被扇区偏斜的散射光线和有象差的光线形成从扇区中心径向延伸在扇区对向角之内的扇状光。在平分线方向的探测器尺寸决定了探测器的空间滤波特性。依据本发明，当探测系统的探测器在垂直于平分线方向上的尺寸最大时，被探测器截获的散射光线或有象差的光线的量将被减少。如果探测器的长度至少是其宽度的两倍则探测器被称作长方形。
当辐射线的波长变化时，例如，由于辐射源的温度变化或者辐射源的电控制变化，光斑的位置优选地在探测器的最长尺寸方向上变化。那么即使当波长变化时光斑也将被正确地探测到。
在扫描装置的特殊实施例中，一个或更多的探测器包括两个对称地位于分割线的两边的两个子探测器。分割线优选被安置在基本平行于探测器的最长尺寸方向上。波长的变化将引起光斑沿分割线漂移，不影响光斑的密度分布重心与分割线之间的距离。
分离单元的扇区优选地提供有光栅线，并且每一个扇区的光栅线的方向与扇区的平分线之间的夹角小于15°。光栅线的取向导致探测器上形成的光斑具有沿基本垂直于每一扇区的平分线的方向的波长漂移，也就是说，沿每一探测器的最长尺寸方向。具有曲线的光栅的光栅线的方向被理解为经光栅平均的光栅线的方向。
在相关扇区的平分线的方向上探测器的宽度优选在从4到8倍λ/NA的范围内，这里λ是辐射线的波长，NA是入射到探测器上的光束的数值孔径。较小的探测器影响从探测器输出信号中得到的信号质量，而较宽的探测器俘获太多的散射光线和有象差的光线。
分离单元中扇区数目优选等于或大于二。更优选的是扇区数等于四，其允许采用Foucault方法产生聚焦误差信号，这一点从美国专利No.4,665,310可知。分离单元可由例如一个180°扇区和两个90°扇区，四个90°扇区，或三个120°扇区组成。
本发明的目的、特性和优点从如下对本发明优选实施例更具体的描述中表现得更加明显，正如附图所示。
附图说明
图1A和B表示根据本发明的扫描装置，
图2表示分离单元和探测系统的设计，
图3A-C表示在扫描双层记录载体(A，B)和一具有偏离衬底厚度(C)的记录载体时探测系统上的散射光线分布，
图4表示探测系统电路图的实施例，
图5，6，7和8表示分离单元和探测器的顶视图。
具体实施方式
图1A表示扫描光记录载体1的装置。记录载体包括透明层2和位于其一面的信息层3。信息层的远离透明层的另一边由保护层4保护以免受环境影响。透明层2作为记录载体的衬底来为信息层提供机械支撑。另一种情况是透明层也可以只起保护信息层的作用，而由信息层另一面上的层提供机械支撑，例如保护层4。信息以光可探测的标记形式排列成基本平行的信迹存贮在记录载体上，在图中未标明。标记可是反射系数或磁化强度方向不同于周围材料的坑，面等形式或这些形式的结合。
扫描装置包括辐射源5，例如半导体激光器，发射出发散的辐射束6。具有光轴8的物镜7将光束6转变成会聚光束9，其在信息层3上形成聚焦光斑10。尽管在图中物镜表示成一个透镜单元，物镜也可能由准直镜和物镜的组合，在透射或反射时操作的全息图，或将光线从传送光束的波导中耦合出来的光栅组成。被信息层3反射的形成反射光束11的会聚光线9，沿向前的会聚光束9的光程返回。经过物镜7，反射光束通过分光镜12，例如半透明平板，和分离单元13。分离单元可以是被分成四个扇区的衍射平面镜。分离单元形成的一个零阶光束14入射到象限探测器15。分离单元形成的四个高阶光束16，在图中表示成一个光束，入射到探测系统17。光束16优选为一阶光束。探测系统17产生聚焦和半径寻址误差信号18。误差信号被用作伺服控制器19的输入，其控制物镜7的轴向和径向位置，从而控制聚焦光斑10的轴向和径向位置。聚焦误差信号可以采用傅科(Foucault)或束尺寸(beam-size)方法形成。聚焦误差信号的值代表聚焦光斑10与信息层3之间高度上的轴向偏差。径向寻址误差信号可以采用推拉或差分相位探测方法形成。用于产生误差信号的探测系统的一部分被称作误差探测系统。定位物镜的伺服系统由误差探测系统，伺服控制器和一个或多个用于移动物镜的致动器组成。
象限探测器15的输出信号总和可用于形成代表从信息面读出的信息的信息信号20。信息信号被送入误差修正电路20’，其修正信息的误差。误差修正电路的输出是代表修正信息的信号。象限探测器15的四个输出信号也可参照所谓的差分相位探测或差分时间探测方法用于形成径向寻址误差信号，正如在美国专利No.4 785,441中所揭示的，其中决定了输出信号高频成分之间的相位或时间延迟。径向寻址误差信号的产生要求将象限探测器15被放置于一阶光束94的远场中。结果，象限探测器可从焦点移开一小段距离。象限探测器15的最佳位置是朝着分离单元13移离光束14的焦点八倍焦深的距离。在校直扫描装置的光学系统的组件时也可采用象限探测器15。
图1B表示参照本发明的扫描装置的一个不同的实施例。辐射源5被放置在光轴8上。分光镜12的功能被分离单元13代替，因而不再需要分光镜12。信息信号20’从探测系统17的子探测器的输出信号的总和形成。
图2表示在优选的交互取向上的分离单元13，象限探测器15和探测系统17。尽管分离单元13和象限探测器15一个位于另一个之上，只是为了说明而将它们分开地画在一边。分离单元有四个象限21至24，每个象限配有一个光栅。一个象限可理解成一个平面被位于面上的正交轴分开的四个部分的任何一个。象限中的光栅线沿象限的平分线方向取向。信息面上信迹的方向在图2中是水平方向。探测系统17由四个分立探测器26至29组成。象限21沿垂直于光栅线的方向衍射入射到其上的光束11。被象限衍射的光束在探测器26上形成一个光斑30。如图所示，光斑的形状与象限21相同。同样地，象限22，23和24分别在探测器28，27和29上形成光斑31，32和33。在一个象限内任何散射光线和有象差的光线被聚集在象限平分线上。由于探测器沿这个方向的尺寸小，大部分散射光线和有象差的光线落在探测器的旁边，减少了对探测器产生的电信号的影响。每个探测器26至29都是分立探测器，在分割线34至37两边分别有两个子探测器26.1，26.2至29.1，29.2。激光5的波长变化导致每一个光斑的位置沿分割线位置漂移。
探测器在平分线方向的宽度优选为4和8倍λ/NA，λ是辐射线的波长，NA是入射到探测器的子光束的数值孔径。探测器的长度优选为基本等于其宽度的5倍。在一个特定实施例中，波长为780nm，数值孔径为0.08，探测器宽度为60μm，长度为300μm。子探测器的宽度为30μm。
图3表示在探测系统17上散射光线和有象差的光线的密度分布。在每一个分立探测器上的象限形状的光斑表明光斑由分离单元的扇区形成，然而阴影区的光斑表明散射光线和有象差的光线。图3A表示扫描双层记录载体的一个信息面时的分布。图3B表示扫描记录载体的另一个信息面时的分布。注意探测器26与27之间的距离以及探测器28与29之间的距离必须足够大以避免入射到一个探测器的子光束的有象差的光线落入相邻的探测器。探测器最近邻的边的测量距离优选为大于在相关扇区的平分线方向上测得的在一个探测器上的光斑的直径的两倍。直径在焦点对准的条件下测量，不考虑散射光线和有象差的光线。落入相邻的探测器的散射光线和有象差的光线对聚焦误差的影响通过如图4所示的探测器输出信号处理而减小。图3C中辐射线分布是在扫描具有衬底2厚度不同于设计值的记录载体时所得到的。例如，物镜7可能被设计来补偿辐射束穿过0.6mm厚的衬底时所引起的球差。在扫描衬底厚度为1.2的记录载体时，光束11边缘的光线将表现出强烈的球差，导致如图3C所示的分布。
图4表示形成信息和误差信号的探测系统17的电路的实施例。聚焦误差信号SFE采用四重傅科方法形成。径向寻址误差信号SDPD采用差分相位探测方法形成。当跟随带有信息的信迹时这种寻址误差信号是有用的。另一个径向寻址误差信号SPP采用推拉方法形成。在跟随还没有记录信息的信迹时优选采用这种寻址误差信号。信息信号SHF代表记录在信迹上的信息。参照下式从探测器信号形成信息和误差信号，其中Sn是子探测器n的探测信号。
SFE＝S26.1-S26.2-S27.1+S27.2+S28.1-S28.2-S29.1+S29.2
SDPD＝S26.1+S26.2+S27.1+S27.2-S28.1-S28.2-S29.1-S29.2
SPP＝S26.1+S26.2-S27.1-S27.2+S28.1+S28.2-S29.1-S29.2
SHF＝S26.1+S26.2+S27.1+S27.2+S28.1+S28.2+S29.1+S29.2如图4所示，聚焦误差信号SFE由减法器41，43，45，47，48和51以及加法器54形成。寻址误差信号SDPD由加法器40，42，44，46，49和52以及减法器55形成。寻址误差信号SPP由加法器40，42，44，46和56以及减法器50和53形成。信息信号SHF由加法器40，42，44，46，49，52和57形成。
图5表示分离单元和探测器的实施例，其中一条子光束用于产生聚焦误差信号。分离单元58配备有光栅结构。单元59的三个象限具有一个第一光栅结构，象限60的光栅结构带有不同的光栅线的方向。分离单元58形成的零阶光束入射到由四象限探测器61-64组成的探测器。来自象限58的一阶子光束入射到由子探测器65和66组成的分立探测器。象限59形成的一阶光束入射到探测器67。通过以合适的刻标提供的光栅结构，可实现子光束的光线主要朝向探测器方向择优衍射。由分离单元的象限在探测器上形成的光斑由阴影区中表示。为了清晰起见，分离单元58画在探测器61-64的右边而不是上边。在信息层上被扫描的信迹的方向相应于图中的水平方向或垂直方向。子探测器65和66的输出信号用于产生聚焦误差信号SFE。探测器61-64的输出信号用于通过差分相位检测方法产生径向误差信号SRE。产生的信息信号SHE是探测器61-64的输出信号的总和，还可选择地加入探测器65-67的输出信号。
SHF＝S61+S62+S63+S64
SFE＝S65-S66
SRE＝Φ(S61+S63，S62+S64)，
其中Φ(a，b)表明信号a与b之间的相位差。
图6表示分离单元和探测器的一种可选择的安置方案，这种方案减小了径向聚焦串扰。被扫描的信迹方向相应于图中的垂直方向。信号及其处理与图5所示安置方案一样。
图7表示另一种减小径向聚焦串扰的安置方案。被扫描的信迹方向相应于图中的垂直方向。聚焦误差信号采用分离单元68的两个象限69和70形成的分别入射到探测器85，86和87，88的子光束来产生。分离单元68的象限69和70形成的子光束入射到探测器89。则信息、聚焦误差和径向误差信号为：
SHF＝S81+S82+S83+S84
SFE＝S85-S86-S87+S88
SRE＝Φ(S81+S83，S82+S84)，
在图7所示方案的一个可选实施例中，两组探测器85，86和87，88可与四探测器组81-84一起被安置在同一直线上。假使那样，扇区69和70中的光栅就有不同的光栅周期。
当光线的波长因温度改变而变化时，光斑沿探测器的拉长方向移动的情形下的探测器安置方案也可用于含有可发射两种不同波长的辐射源的扫描装置。长波长辐射线可用于扫描信息密度相对低的记录载体，而短波长辐射线可用于扫描高密度记录载体。辐射源可在图1A中辐射源5的位置上由两个相隔很近的半导体激光器组成。图8表示位于图1A中探测器15和17位置处的探测器构形。分离单元的设计与图2中分离单元13相同。长波长辐射线被分离单元衍射的角度比短波长辐射线小。象限探测器90有四个探测器91-94，接收分离单元的零阶子光束。四个含有子探测器95至102的分立探测器相应于四个含有子探测器26.1至29.2的分立探测器26至29。图8中子探测器的长度比图2中的子探测器长度长。在采用长波长辐射线时分离单元的象限在子探测器上形成的光斑表示为103至106。在采用短波长光线时形成的光斑标明为107至110。当波长改变时象限探测器90上的零阶子光束的光斑不移位。子探测器长度增加不影响扫描装置的性能，这是因为由于所发明的分离单元和探测器的取向，较长的子探测器不会俘获更多的散射光线和有象差的光线。探测器91-102的输出信号可采用图2中探测器的输出信号同样的方式处理。
在图8所示探测器的的一个可选实施例中，探测器95-102中的每一个都可分成两个分开的探测器，每一个对应一个波长，给出八个分割探测器的总和。两个辐射源可被安置在图1B中辐射源5的位置。可选择地，一个辐射源可安置在辐射源5的位置，一个可安置在图1A中的探测器15的位置。探测器和/或辐射源可安装在一个封装中，分离单元优选地安装在该封装中。很明显，图5，6和7所示的探测器构形可类似地适用于两波长的应用中。
扫描具有不同的衬底厚度的记录载体的扫描装置所用的探测器的辐射敏感表面优选尺寸在欧洲专利申请no.763 236中给出。

Claims (6)

1.一种用于光扫描信息面的装置，该装置包括一个提供扫描光束的辐射源，一个将扫描光束聚焦成信息面上的扫描光斑的物镜系统，一个由具有放置于信息面辐射线的光程上的用来将所述辐射线的至少一部分分裂成子光束的内含弧面(included arc)等于或小于120°的至少一个扇区组成的分离单元，和一个包括接收子光束的长方形探测器的辐射敏感探测系统，探测器的最长尺寸方向垂直于分离单元的扇区的平分线，其特征在于所述平分线与最长尺寸方向之间的夹角在75°至105°的范围之间。
2.根据权利要求1的装置，其中探测器由对称位于一个分割线两侧的两个子探测器组成，所述分割线平行于探测器的最长尺寸方向。
3.根据权利要求2的装置，其中分离单元的扇区提供有光栅线，光栅线的方向与所述分割线基本垂直。
4.根据权利要求1的装置，其中探测器在相关扇区平分线方向上的宽度在4至8倍λ/NA的范围内，这里λ是辐射线的波长，NA是入射到探测器上的光束的数值孔径。
5.根据权利要求1的装置，其中分离单元由四个扇区组成，每一个扇区都内含90°角，辐射敏感探测系统由四个各自接收相关扇区形成的子光束的长方形探测器组成，每一个探测器的最长尺寸方向基本垂直于相关扇区的平分线。
6.根据权利要求1的装置，其由一个与探测系统相连的、提供代表存贮在信息面上的信息的信息信号的探测电路和一个修正信息信号中误差的修正电路组成。
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