CN1114205C - 利用全息图形的光学拾取装置和全息图形产生方法 - Google Patents

Abstract

在一种类型的光学拾取装置中抑制象散和彗形象差，这种类型的光学拾取装置用一个全息图模块(13)衍射和并分割来自一个单一实激光源(11)的光，成为多个光点，将多个光点聚焦在一个光盘的多个轨道上以同时读取轨道上的数据。适当地确定全息图模块(13)的非衍射全息图形(14)和衍射全息图形(15a，15b，15c)，使得能够给全息图模块衍射的光施加在从实激光源(11)到光盘的光路中由光学元件造成的象差的反向象差。另一个全息图形(14)提供光学元件形成的一个均匀强度的激光光点。

Description

利用全息图形的光学拾取装置和全息图形产生方法

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种用于从光盘和卡之类的记录介质读取数据和对其写入数据的光学拾取装置，更具体地讲，涉及一种能够同时在记录介质的多个轨道上形成光点的多束光学拾取装置。

2.相关技术的描述

在一种同时读取记录在光盘之类的记录介质的多个轨道上的数据的方法中，从一个光学拾取装置发射出光，并聚焦在记录介质的对应的轨道上，用对应的光检测器检测从轨道反射的光。图7和8中所示的形成多个光点的方法是已知的。现在参考图7和8说明这些方法的基础，图7和8中的与后面将要说明的实施例中相同的元件用相同的标号表示。在图7中所示的方法中，使用了一个具有与需要光点相同数量的半导体激光器的半导体激光器阵60从半导体激光器的光源61a，61b，61c和61d发射光。在图8所示的方法中，使用了一个单一半导体激光器10。从半导体激光器10的一个实激光源11(使用“实”以便与后面说明的的“虚”激光源12a，12b和12c区别)发射的光被衍射光栅64分成多个光束，这些光束具有与图7中所示半导体激光器阵60的光源61a，61b，61c和61d发出的光束相同的作用。

但是，图7中所示的利用半导体阵60的方法存在以下问题：(a)由于把多个半导体激光器组装在一个封装或芯片中，这限制了减小半导体激光器阵的尺寸；(b)增加了连接端的数量；(c)由于需要较大的表面积来散发热量，所以难于使激光器阵小型化；和(d)由于需要使用多个具有统一特性的半导体激光器，所以生产率和成本不理想。

虽然利用衍射光栅64可以仅使用一个单一的半导体激光器，并且可以降低成本，但是为了使光学拾取装置微型化，必须把衍射光栅安装在尽可能靠近半导体激光器的位置。在这种情况下，如图9中所示，衍射光栅安装得越靠近半导体激光器，从实激光源11入射到衍射光栅64上的光束与从衍射光栅64发射的衍射光束之间的角度θ越大(θ1＞θ2)。因此，光点的象散和彗形象差变大，这使光点25a，25b和25c的直径更大，并且增大了再生信号的抖动。

发明概述

本发明的目的是要解决上述有关利用从一个单一实激光源发射的光的衍射形成多个光点这种类型的现有光学拾取装置的问题。

本发明的光学拾取装置包括：(a)一个单一实激光源；(b)一个用于衍射从实激光源发射的光以形成至少一个虚激光源的全息图部件；和(c)一个用于接收来自全息图部件的光并在记录介质的轨道上形成多个光点的光点形成光学元件。在光学拾取装置中，适当地确定全息图部件的全息图形，使得能够给衍射光施加一个在从实激光源到记录介质的光路中由光学元件造成的象差的反象差。

光点形成光学元件不仅包括一个在中心区和周围区具有不同厚度的透镜之类的光学元件，而且包括一个具有均匀厚度的平板型菲涅尔体之类的光学元件。记录介质包括光盘，以及可以进行数据读取/写入的卡。象差包括象散和彗形象差。

其上形成多个光点的记录介质轨道可以是离散轨道或一个连续轨道。即，记录介质的轨道可以是由多个同心园轨道构成，或是一个螺旋轨道。

光学元件在从实激光源到记录介质的光路中造成的象差可以是由全部或一些光学元件造成的象差。确定全息图部件的全息图形，从而给衍射光施加一个由光学元件在从实激光源到记录介质的光路中造成的象差的反象差。并不总是需要全息图形来完全消除光学元件造成的象差，但是存在适于数据读取的光点具有某种象差的情况。在这种情况下，适当地设计全息图形，从而能够正向地保留预定量的固有象差而不全部消除，或有意地形成预定量的具有固有象差的反向象差的象差。显然，对于给予衍射光由全部光学元件在从实激光源至记录介质的光路中造成反向象差的全息图部件的全息图形，减小记录介质上光点的象差的效果要大于给予由一些光学元件造成的反向象差的全息图形。

全息图形可以是具有明暗干涉条纹的幅度全息图形，或带有二元形(阶梯形横截面)或突发形(锯齿形横截面)槽的相位全息图形。全息图部件产生至少一个虚激光源。可以在实激光源的一侧或两侧产生所有多个虚激光源。尽管形成在记录介质轨道上的光点一般用于通过检测反射光读取轨道上的数据，但是也可以用于写入数据。

全息图部件的全息图形部分或全部地消除了从实激光源到记录介质之间的光路中的光学元件造成的象差(尽管最好是完全消除，但实际上部分消除也是可用的)。因此，能够在记录介质的轨道上形成光点，其光源具有减小的象差或没有象差。

本发明的光学拾取装置的全息图部件的全息图形的纵列方向最好与实激光源的远场图形的长轴方向对准。远场图形是椭球形的，并表示在与半导体激光器发射点间隔大约10至20cm位置的光通量的横截面强度分布。光的扩展角度在长轴方向上比在短轴方向上大，因而在长轴方向上可以获得比短轴方向上强度更均匀的光输出。利用与远场图形的长轴方向对准的全息图形的纵列方向，可以使光以大致相同的强度照射到全息图部件末端的全息图形和其它全息图形。因此，可以形成具有与实激光源大致相同强度的虚激光源，并减小施加到各全息图形的光的强度差。由于可以把具有小强度差的多个光点施加到光盘上，因而可以抑制从光盘读取的和光电转换的数据信号中的变化。因此，可以防止数据信号质量下降。由于在能够接收均匀强度的光的状态下，全息图部件设置在相对远离实激光源的位置，可以使参考图9描述的角度θ比较小，因而可以减小光点的象散和彗形象差。

本发明的光学拾取装置的全息图部件可以是一个相位全息图部件。适当地确定用于对应于每个虚激光源的衍射光的全息图形，从而可以减少不形成光点的衍射光量，并把减去的光量用作光点形成衍射光。

不形成光点的衍射光与光点形成衍射光有相反的概念。在衍射光中，向光点形成光学元件传播的光成为光点形成衍射光，而传播到光点形成光学元件之外的光成为不形成光点衍射光。相位全息图部件可以减少在一特定方向上传播的光量，并把减去的光量引导到不同的方向。因此，通过减少不形成光点的衍射光量并把减去的光量用作光点形成衍射光，可以形成具有高光强度的光点。

在本发明的光学拾取装置中，将记录介质上的一个由来自实激光源的非衍射光形成的光点用作伺服操作。全息图部件具有一个在整个光点区提供均匀光强度的伺服光点的全息图形。

伺服操作一般是跟踪伺服，并包括聚焦伺服之类的其它操作。记录介质上的由来自实激光源的非衍射光形成的光点不仅用作专门的伺服操作，而且用作与数据读取等组合操作，后者是普遍使用的。

伺服光点即使在它具有跟踪偏移等时，也需要具有小的光强度变化。但是，记录介质上的光点一般在光点中心区具有高的光强度，并且在光点周边区局域低的光强度。这样的光点不能用作伺服光点。来自对应于伺服光源的实激光源的光通过全息图部件而不发生衍射。如果这个光通过全息图形，全息图形减少在中心光点区的光强度，并在记录介质上的整个光点区中提供了均匀光强度的光点，那么可以形成一个适用于伺服操作的光点。

本发明的光学拾取装置包括：(a)一个单一实激光源；和(b)一个用于经过全息图部件接收来自实激光源的光，并在记录介质上形成一个伺服光点的光点形成光学元件。全息图部件具有一个在整个伺服光点区中提供均匀光强度的伺服光点的全息图形。

附图说明

图1是显示一个光学拾取装置的构造的示意图；

图2是显示图1中所示的光学拾取装置中从半导体激光器到一个全息图模块部分的放大视图；

图3是显示一个衍射全息图形的示意图；

图4是说明利用光学元件确定每个衍射全息图形的方法的示意图；

图5是说明利用一个针孔元件代替图4中所示半反射镜形成具有与实光源相同特性的多个光源的方法的示意图；

图6A至6C是说明改进跟踪伺服光点的方法的曲线图和示意图；

图7是显示一个利用一半导体激光器阵形成多个光点的常规光学拾取装置的构造的示意图；

图8是显示一个利用一个单一半导体激光器形成多个光点的常规光学拾取装置的构造的示意图；

图9是显示从一个实光源投射到衍射光栅的光束与从设置在和图8中所示光学拾取装置的一个半导体激光器间隔一段距离的衍射光栅发射的衍射光束之间的角度θ的示意图。

优选实施例的详细描述

以下参考附图说明本发明的实施例。

图1是显示一个光学拾取装置20的构造的示意图，图2是图1中所示光学拾取装置20的从半导体激光器10到全息图模块13部分的放大视图。光学拾取装置20具有一个从半导体激光器10到物镜19范围的光路。半导体激光器10具有一个单一激光器芯片。来自半导体激光器10的一个单一实激光源11(“实”用于与“虚”激光源12a，12b和12c区别)的光照射到全息图模块13。全息图模块13具有一个非衍射全息图形14和三个衍射全息图形15a，15b和15c。来自实激光源11的光通过非衍射全息图形14无衍射地发射，衍射全息图形15a，15b和15c衍射来自实激光源11的光，并射向准直透镜18。来自每个衍射全息图形15a，15b，15c的衍射光通量与从对应的一个虚激光源12a，12b和12c照射的光通量符合。实和虚激光源11，12a，12b和12c的纵列方向平行于非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c的纵列方向。实和虚激光源11，12a，12b和12c以相等的间距设置。在图1中，尽管非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c在全息图模块13中设置在朝向半导体激光器10的一侧，但它们可以设置在全息图模块的背向半导体激光器10的一侧。此外，在图1中，尽管非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c在纵列方向间隔设置，但也可以把它们在纵列方向上部分地重叠设置。从全息图模块13发射的光通过准直透镜18，转变为照向物镜19的平行光通量。从物镜19输出的光在光盘23的对应轨道上形成光点24，25a，25b和25c，作为实和虚激光源11，12a，12b和12c的映像。形成有光点24，25a，25b和25c的轨道沿光盘23的径向相继定位。光点24，25a，25b和25c的每个反射光点沿入射光的相反方向通过物镜19和准直透镜18传播，并经过分光器(未示出)到达一个光检测器(未示出)，从而读取每个轨道上的数据。

适当设置实激光源11，使得其远场图形的长轴方向与全息图模块13的非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c的纵列方向重合。实激光源11的远场图形是椭球形。远场图形的光强度保持在一个预定值，或在沿椭球形长轴方向的较长范围内保持较高的强度。因此，利用如上设定的长轴方向，可以使沿长轴方向的虚激光源12a，12b和12c的光强度均匀。非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c可以是带有明暗干涉条纹的幅度全息图形，或带有形成在玻璃之类物质上的二元形或突发形槽的相位全息图形。

由于在全息图模块13的衍射和在准直透镜18和物镜19的偏转，来自实激光源11的光接收象散和彗形象差，从而使光盘23上的光点25a，25b和25c的质量降低。为了避免这种情况，适当地设计衍射全息图形15a，15b和15c，从而能够给从这些图形外出的光通量施加从实激光源11到光点25a，25b和25c的光路中的总象散和彗形象差的反向象差。使这种反向象差重叠在固有总象散和彗形象差上，从而减少光点25a，25b和25c的象差，或使它们的象差为零(尽管零象差是最好的，但实际上减少的象差也可以)。反向象差可以是仅由衍射造成的象散和彗形象差的象差，而不是从实激光源11到光点25a，25b和25c的光路中的总象散和彗形象差的反向象差，衍射造成的象散和彗形象差的象差是象差的重要因素。在这种情况下，消除了光点25a，25b和25c的象散和彗形象差中的仅由衍射造成的部分象差。

图3是每个衍射全息图形15a，15b和15c的示意图。图8中所示常规光学拾取装置的衍射光栅64的衍射光栅图形65是一个由多个平行直线构成的图形，因为对于总象差的消除仅考虑衍射。与此相反，提供衍射功能和象差消除功能的每个衍射全息图形15a，15b和15c是由取代平行直线的弧线构成的。

以下说明确定全息图形的方法，该图形给从每个衍射全息图形15a，15b和15c输出的衍射光施加从实激光源11到每个光点25a，25b和25c的光路中的总象差的反向象差，以便消除每个光点25a，25b和25c的象散和彗形象差。第一种方法中，通过把感光膜置于全息图模块13上，并且通过施加来自实激光源11和放置在虚激光源位置上的具有与实激光源11相同波长的光源的光把干涉条纹记录其上而确定全息图形。用这种方法确定的全息图形理论上不形成衍射的象差(象散和彗形象差)。第二种方法使用了计算机分析软件。这种计算机分析软件已经在市场上销售，并且是已知的。例如，美国光学研究协会(OpticalResearch Associates in USA)的软件“code V”提供了一个计算两个光源(在上述例子中，实激光源11和虚光源12a，12b和12c中的一个)的全息图形的公式(一个多项式的系数)。根据获得的多项式确定理论上不形成衍射象差(象散和彗形象差)的全息图形。如果利用这个软件将准直透镜18和物镜19的象差考虑进来，那么输入诸如曲率半径，透镜厚度，和非球面系数之类的准直透镜18和物镜19的数据，以模拟光学拾取装置的光学构造。利用这种模拟，获得一个公式，这个公式代表一个要通过来自实激光源11和放置在光盘23上的光点25a，25b和25c位置上的没有象差的光源的光通量在全息图模块13上形成的全息图形。从这个公式确定的全息图形可以消除准直透镜18和物镜19的象差和衍射象差。

图4是说明利用光学元件确定每个衍射全息图形15a，15b和15c的方法的示意图。一个半反射镜35a设置在从实激光源11到非衍射全息图形14的光路的中间位置，以向下部分地反射光。半反射镜35b，35c，......也设置在反射光的光路的中间位置，以向衍射全息图形15a，15b，......部分地反射光，并向下传输剩余的光。半反射镜35a，35b，35c，......中的最下方的一个(未示出)用一个全反射镜代替，以反射光而不向下传输之。用这种方式，可以形成多个具有与实激光源11相同特性的虚激光源12a，12b和12c。把来自实激光源11和虚激光源12a的光通量在衍射全息图形15a的位置形成的干涉条纹用作衍射全息图形15a。例如，为了记录衍射全息图形15a，将感光材料涂覆在全息图模块13上，并用干涉条纹图形曝光。这样获得的衍射全息图形可以消除并使衍射的象散和彗形象差为零。

图5示出了用针孔元件50代替图4中所示半反射镜35a，35b和35c形成多个具有与实激光源相同特征的光源的另一种方法。用一个准直透镜47把从实激光源11发射的光转变为施加到针孔元件50的平行光通量，并从针孔51a，51b，51c和51d输出。从每个针孔输出的光等价于从虚激光源输出的光。利用从每个针孔输出的光，确定全息图模块13的衍射全息图形。

图6A至6C是说明改进跟踪伺服光点的方法的曲线和示意图。将通过图2中所示非衍射全息图形14传输的光用于读取光盘轨道上的数据，以及用于跟踪伺服。作为跟踪伺服光点的光点24需要在整个光点区上具有均匀的强度。但是，如图6A中所示，从实激光源11投射到全息图模块13的非衍射全息图形14上的光的强度分布为山形，最高点在其中央。利用相位全息图形可以改进这种强度分布。即，相位全息图形的槽越深，可以减少越多的非衍射光量(第零级光)，并且通过利用减少的非衍射光量作为衍射光可以增加更多的衍射光量。此外，山谷(槽)的宽度越是等于山峰(非槽)的宽度，可以减小越多的第0级光的量，并且通过利用减少的量作为衍射光，可以增加更多的衍射光量。如图6B中所示，使离开光轴中心越远位置的槽54的深度越浅，从而减少第0级光的量，并把减少的光量引导向不同的方向。不是调节槽54的深度，而是使各槽54的深度相等，并且把每个非槽宽度与每对相邻的槽54和非槽的总宽度的比设定为a1＞a2＞a3＞a4＞a5＞a6＞，...，＞an，其中a1，a2，a3，a4，a5，a6，...，an是在从靠近光轴中心位置到远离中心的位置这样的顺序的位置上的比率。以上述方式，如图6c中所示，可以使从光轴中心沿径向的一定范围内的光强度分布均匀。通过利用具有如图6B中所示的槽54的衍射全息图形14，可以使入射光的强度分布曲线平坦。如果跟踪伺服信号是从由这种均匀强度光形成的光点的反射光产生的，那么即使物镜经受跟踪偏移，这个跟踪伺服信号也是稳定的。

图1和2中所示的光学拾取装置20的虚激光源12a，12b和12c仅设置在实激光源11的一侧。也可以把它们设置在实激光源11的两侧。在这种情况下，虚激光源12a，12b和12c一般设置在对称于实激光源11的实激光源11的两侧。此外，尽管图1和2中所示的光学拾取装置20的非衍射和衍射全息图形14，15a，15b和15c仅设置在朝向半导体激光器10一侧的全息图模块13上，但也可以把它们仅设置在朝向准直透镜18一侧的全息图模块13上，或设置在全息图模块13的两侧(衍射全息图形15a在朝向半导体激光器10一侧，衍射全息图形15b在朝向准直透镜18一侧，等等)。此外，尽管图1和2中所示的光学拾取装置20的全息图模块13的衍射全息图形15a，15b和15c沿纵列方向间隔设置，但它们可以沿纵列方向部分重叠地设置。

本发明的光学拾取装置具有至少减小了在从实激光源到记录介质的光路中由光学元件造成的象差的全息图部件。因此，能够在记录介质上形成多个光点，光点具有适合于记录介质的数据读取/写入的光强度和形状。

本发明的光学拾取装置具有提供均匀强度的光点的全息图部件，所述光点的光强度否则将会是从中心区到周边区逐渐降低。因此，可以在记录介质上形成光点，光点具有小的光强度变化，并且适用于伺服操作。

Claims (4)

1.一种光学拾取装置(20)包括：

一个单一实激光源(11)；

一个用于衍射从所述实激光源(11)发射的光以形成至少一个虚激光源的全息图部件(13)；和

一个用于接收来自所述全息图部件(13)的光并在记录介质(23)的轨道上形成多个光点(24，25a-25c)的光点形成光学元件(19)，

其中适当地确定所述全息图部件(13)的全息图形(15a-15c)，使得能够给衍射光施加一个在从所述实激光源(11)到记录介质(23)的光路中由光学元件(13，18，19)造成的象差的反向象差。

2.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中所述全息图部件(13)的全息图形(15a-15c)的纵列方向与所述实激光源(11)的远场图形的长轴方向对准。

3.根据权利要求1或2所述的光学拾取装置，其中所述全息图部件(13)是一个相位全息图部件，并且适当地确定用于对应于每个虚激光源(12a-12c)的衍射的全息图形(15a-15c)，使得能够减小没有用于形成光点的衍射光的强度，并把减少的光量用作光点形成的衍射光。

4.根据权利要求1至3中任何一个所述的光学拾取装置，其中把由来自所述实激光源(11)的非衍射光形成的记录介质(23)上的光点(24)用于伺服操作，并且所述全息图部件(13)具有一个在整个光点区提供均匀强度的伺服光点(24)的全息图形(14)。

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