CN1127061C - 记录或重放装置和聚焦状态的识别方法 - Google Patents

记录或重放装置和聚焦状态的识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及记录或重放装置和聚焦状态的识别方法。本发明的目的是提供这种类型的方法和记录或重放装置，其具有在反射光束(15)中无须精确校准而简单又低成本地产生显著散光的能力。此目的是通过使用双折射元件(23、24)实现的。特别是，本发明适用于写入或重放光记录介质(11)的记录或重放装置，光记录介质(11)如CD、视盘、DVD等。

Description

记录或重放装置和聚焦状态 的识别方法
本发明涉及入射到信息载体上的光束的聚焦状态识别方法，以及读写光信息载体的记录或重放装置。
用于识别聚焦状态的本发明的方法能够被用在相应的记录或重放装置中，用于光信息载体的无接触扫描。在这种类型的记录或重放装置中，信息载体，如CD，被扫描光束照射。信息载体反射的光束携带存储在信息载体上信息。假如是CD，最普通的光信息载体，通常在反射面平面上刻有细长凹痕。这些凹痕，也叫凹坑，以螺旋或同心圆的形式形成光道。反射光束具有不同的强度，取决于扫描光束入射到CD上凹痕还是平面部位。
为了获得一个明显的信号，扫描光束需要很好地聚焦。一方面，携带信息的信息载体表面上的光点不能太大，从而相邻凹坑或光道不被同时读取，另一方面，光点应当满足特定的最小尺寸。此最小区域是需要的，例如，在CD的情况下，从而，对于入射到凹坑上，环绕凹坑的足够区域也被照射。由于有害影响，通常用在CD中的凹坑间隙导致反射光束的强度降低。
因此普通的光扫描系统具有一个自动聚焦系统，用于自动设置或校正扫描光束的聚焦。用于识别信息载体上入射光束聚焦状态的一种公知的设计使用散光方法。
参考图6，借助于普通扫描系统解释这种设计。在图6中，扫描光束14由光源12发射，具体地说，是一个半导体激光器。扫描光束14穿过光束分裂器29并通过会聚透镜13聚焦，使聚焦点照射在信息载体11的信息光道30上。信息载体11反射的光束15携带从信息光道30读取的信息，再次通过会聚透镜13并被光束分裂器29向下反射到圆柱形透镜31。在反射的光束15中，圆柱形透镜31产生人工像散。从而反射光束15被转换成一个不规则光束。此光束不具有关于传播方向旋转对称的截面。它不具有一个单独的焦点，而是彼此分离的两个聚焦线33、34，其中一个沿圆柱形透镜31的柱状轴的x方向延伸，而另一个则沿与其垂直的y方向延伸。
如果信息载体11沿到会聚透镜13的距离变小的方向移动，光束在点32的截面变得比x方向的宽，但是，如果信息载体11朝着远离会聚透镜13移动，反射光束15在点32的截面变得比y方向的宽。这意味着在反射光束15的横截面中所谓的散光和会聚变化可以被用作聚焦误差信号，以控制或调整会聚透镜13到信息载体11的距离，从而信息载体11的携带信息的表面上的凹坑总是处于扫描光束的焦点内。反射光束在点32的截面变化能够被光敏检测器18扫描，特别是光电二极管。
DE 40 02 015 C2公开了另一种入射光束在信息载体上的聚焦状态能够被识别的扫描系统。在此提出的扫描系统中，具有平行四边形结构的棱镜取代了圆柱形透镜。
在那里所描述的装置中提出的棱镜的应用是为了实现减小尺寸的光学系统。另一方面，在其提出的光学系统中，由于棱镜自身构成一个光束分裂器，因此可以省略光束分裂器。另一方面，由于反射光束在棱镜自身中来回重复地被反射，因此整个装置较短。
但是，为了保证光束分裂功能以及反射光束的多次反射，需要精确地校准棱镜。
使用圆柱形透镜时同样需要精确地校准。而且，圆柱形透镜具有制造费用相对较高的缺陷。为了实现足够大的聚焦点，圆柱形透镜还需要与负透镜即发散透镜相结合。
本发明的目的是提供一种通过散光来识别聚焦状态的方法，其中，无须精确的校准就能在反射光束中简单有效地实现显著的散光。另一个目的是提供相应的记录或重放装置。
此目的通过具有反射光束被双折射元件分成普通和特殊分光束，并且从特殊光束的截面形状获得扫描光束的聚焦状态的特征的方法和具有产生散光的装置是一个双折射元件的特征的装置来实现。
在从属权利要求中给出了一些有益的改进。
本发明关键的一点在于反射光束被双折射元件分成普通光束和特殊分光束，并且扫描光束的聚焦状态可以从特殊分光束的截面形状获得。根据本发明，由于使用了晶体的双折射，能够实现显著的散光或类似于散光的状态，从中能够得出信息载体上扫描光束聚焦状态的精确测量。
下面概要解释双折射效应。对于其他细节，可以参考，如Bergmann/Schafer的“Lehrbuch der Experimentalphysik”[物理实验教科书]，第三卷“Optik”[光学]，第八版，第524～556页。会聚光束即将被考虑，它穿过双折射、平面平行板。为了简化说明，假定平面平行板的光轴平行于其入射和出射平面。进一步假定普通折射系数no大于特殊折射系数ne，也就是说，具有光学负特性。这里不再进一步考虑同样可能的相反情况。对于光束的普通部分，板是各向同性的，折射的普通定律是有效的。对于特殊部分，下面将仅考虑入射光束的两个入射平面，即平行于光轴的平面和垂直于光轴的平面。垂直入射平面中的周边光线使用ne模式，也就是说在特殊部分，由特殊反射系数和相对于板的光轴的角度给出的折射系数小于平行入射面的折射系数。因此，当考虑ne模式时，垂直入射面中被折射的周边光线少于平行入射面中的周边光线。当这些ne模式的周边光线从板出射时，它们形成一个比与其垂直的另一平面中的聚焦点更远的聚焦点。
这导致特殊分光束(ne模式)的聚焦点的希望的“模糊”。特殊分光束被双折射元件给定一个不对称的截面形状。
此外，或可选择地，在垂直于光轴的入射平面中ne模式的特性也可以与no模式，也就是说普通部分，相比较。
在用于读取信息或写入信息到信息载体的记录或重放装置中，此效应可被用于识别聚焦状态。由于此效应非常清楚，因此无须象现有技术那样要求精确校准。晶体的光轴位于板的平面中的事实进一步提供了简单的校准。因此无须相对于光束的光轴对准板的中心，相反，圆柱形透镜的光轴要与光束的光轴保持一致。
安排信息载体反射的光束作为会聚光束入射到双折射元件上是有利的，最好以这样的方式：相应的聚焦点，即普通分光束的聚焦点和特殊分光束的分裂聚焦点都位于双折射元件后。由于普通和特殊分光束的聚焦点的相对位置根据扫描光束的聚焦状态的改变而变化，因此能够从它们的相对位置或特殊分光束的截面的不对称性获知可能的聚焦误差。
有利的是，提供一种检测器，具体地说是光敏元件，它记录普通和特殊分光束的聚焦点相对位置的移动或特殊分光束的截面形状的变化。
在读取信息或写入信息到信息载体的记录或重放装置的情况下，关键的一点在于提供一种双折射元件，此双折射元件在信息载件反射的光束中产生人工散光或类似于散光的状态。这种情况下的光束被分成依据双折射元件的光轴位置被折射达不同程度的普通和特殊分光束。
由于在双折射元件的光轴方向上没有双折射，双折射元件最好设置成使其光轴与光束入射方向的角度α)0°，最好是角度α为从45°到90°，特别是α＝90°。α的规定值允许双折射元件的散光的使用尽可能地被优化。
在特别有利的和节省费用的变形中，双折射元件由组成相同的双折射元件的平面平行板形成。
但是，作为可选择的一种情况，双折射元件也可以由所谓的渥拉斯顿(Wollaston)棱镜构成。此类型的渥拉斯顿棱镜由两个粘结在其基面上的直角棱镜组成，相应棱镜的光轴并非相互平行地对准。其光轴彼此垂直的渥拉斯顿棱镜适于产生散光。它相对容易产生，但是由于这种渥拉斯顿棱镜的两个半部分的楔形形状，光线的光束将被变形。如果使用的渥拉斯顿棱镜的光轴相对于另一个倾斜45°，能够避免这种情况。
通过这种渥拉斯顿棱镜能够实现两个光束之间的高度分离。而且，由于其平面平行表面，这种类型的渥拉斯顿棱镜可以直接安装。
在渥拉斯顿棱镜中，两个棱镜之间的楔形角γ应当为5°到30°，最好10°到20°，具体地说约为15°。在实际实验当中，具有15°的楔形角能够获得非常理想的结果。图象的总体尺寸和分离都取决于楔形角，并且最好是在规定的范围内。
普通光束和特殊光束之间的分离能够通过一个接一个地装配多个双折射元件进一步被放大，特别是渥拉斯顿棱镜和平面平行板。如果适当，一个元件不利的性能能够通过适当地构成的其他元件被补偿或至少被最小化。
根据本发明的记录或重放装置特别适于实现根据方法权利要求的方法。
下面将结合附图，借助于对列举实施例的描述，解释本发明进一步的特征和优越性。可以理解，本发明不局限于列举的实施例。
图1示出了根据本发明的记录或重放装置的实施例的示意图；
图2a示出了在平行于光轴的入射面中的平面平行板上特殊折射的示意图；
图2b示出了在垂直于光轴的入射面中的平面平行板上特殊折射的示意图；
图3示出了渥拉斯顿棱镜的示意图；
图4示出了另一个渥拉斯顿棱镜的示意图；
图5示出了在根据本发明的记录或重放装置中，当使用了根据图4的渥拉斯顿棱镜时在一个检测器接收的光的示意图；以及
图6示出了一种公知的记录或重放装置的示意图。
图1示出了根据本发明的记录或重放装置的实施例的示意图。为了简单起见，对于那些在示出的实施例中彼此相同或相应的组件，使用与普通记录或重放装置的说明中相同的标号。根据图1的记录或重放装置具有一个光源，具体地说是一个半导体激光器12。半导体激光器12发射一个扫描光束14，扫描光束14入射到光束分裂器29并从那里被反射到会聚透镜13上。在会聚透镜13中，扫描光束14被紧密定位地聚焦在信息载体11上，从而能够读写信息。
扫描光束14以正常入射在信息载体11上的方式校准。从而信息载体11反射的扫描光束14再次穿过会聚透镜13。一部分反射光无偏离地穿过光束分裂器29。在最简单的实施例中，光束分裂器29能够通过半镀银镜形成。穿过会聚透镜13后会聚的反射光束15接着入射到双折射光学元件上，这里的双折射光学元件由平面平行板23形成。在平面平行板23中，反射光束15被分成普通分光束25和特殊分光束26。这种分束在图1中示出仅为了说明的目的。其取决于双折射元件的光轴的位置，并非所有情况都如图1所示。
穿过平面平行板23后，普通和特殊分光束25、26入射到检测器18上，检测器18可以由光敏元件形成，如被分成多个扇区的光电二极管。特殊分光束26足以用于测定。但是普通分光束25不需要特别被遮断，而是可以与特殊分光束26一起入射到检测器18上。普通分光束具有关于光束的光轴的对称性，因此不影响聚焦误差信号的形成。由于除了特殊分光束之外它也可以入射到检测器上，因此它可以与特殊分光束一起形成信息信号。
在本实施例中，平面平行板23由均匀的同类材料形成。双折射材料合适的例子包括方解石、石英或LiNbO3，最好在半导体激光器的相关波长下普通折射系数no和特殊折射系数ne之间具有最大的可能差别。
在图2a和2b中，在双折射材料组成的平面平行板23的特殊折射通过图示表示，图2a示出了在平行于双折射材料的光轴的入射面中的折射光束15的周边光线，图2b示出了在垂直于双折射材料的光轴21的入射面中的反射光束15的周边光线。
标号22表示被信息载体11反射的光束15到平面平行板上23的入射方向。当反射光束15入射到平面平行板23上时，如前所描述，反射光束15被分成普通分光束25和特殊分光束26。为了清楚起见，在图2a和2b中只表示出了特殊分光束26的周边光线。普通分光束25遵循正常反射规律，其中没有可识别的优惠方向。
在图2a和图2b中，假设平面平行板23具有光学正特性，也就是说特殊折射系数ne大于普通折射系数no。这就导致光束15的特殊部分比普通部分被作更大程度折射。特殊部分的折射程度也取决于入射面和光轴之间的角度。因此，对于垂直于光轴21(图2b)的入射面，特殊部分比入射到与其垂直的入射面中的光线被平面平行板23折射更大的程度。在平行于光轴21的入射面中，反射光束15的周边光线被折射得不强烈，因此此平面(图2a)中的聚焦点在一个较小的距离处，此距离小于垂直于光轴21(图2b)的平面中的聚焦点的距离。因此，通过双折射材料构成的平面平行板23在会聚在入射面上的光束15的特殊部分产生散光是可能的。此散光适于检测用于读取和/或写入光记录介质的装置的聚焦误差信号。适于散光聚焦方法的传感器和计算方法是公知的，因此这里不再进一步详细描述。
图3为了说明的目的示出了渥拉斯顿棱镜24。渥拉斯顿棱镜24由经它们的基面粘合的两个直角棱镜27、28构成。这里也可以使用非直角但具有互相平行平面表面的棱镜。在棱镜27中，光轴平行于纸面，而在棱镜28中，光轴被垂直于纸面安置。通过这种棱镜配置，能够实现普通分光束25和特殊分光束26的高度空间分离，这里仅用光束15的中央光线的路径表示这些。应当注意，由于渥拉斯顿棱镜的光学特性，“普通”和“特殊”仅仅是相对而言，这是因为一个分光束仅对渥拉斯顿棱镜的一半而言是光学普通分光束，而对另一半来说则是光学特殊分光束。相反的情况对于其他分光束同样是正确的。
图4a示出了另一个渥拉斯顿棱镜44，它由彼此粘合的两个棱镜47和48构成，棱镜47和48的两个光轴47′和48′相互成45°角。棱镜的边缘角由i表示。这种类型的棱镜也叫做三射线渥拉斯顿棱镜(three-ray Wollastonprism)。
入射光束15的偏振方向由E表示，并被相对于光轴47′旋转了45°。由于光线15在渥拉斯顿棱镜44的表面上具有正常入射，普通光线45和特殊光线46沿此方向传播，虽然以不同的速度。图中在棱镜47、48之间的界面49处指出了相应的偏振方向， 表示普通光束45的偏振方向，
Figure C9712128100102
表示特殊光束46的偏振方向。在图4b中示出不同反对传播特性。
如图4c所示，左侧为标为
Figure C9712128100103
的普通分光线45在经棱镜47到棱镜48时的分裂，右侧为标为
Figure C9712128100104
的特殊分光线46在经棱镜47到棱镜48时的分裂。晶体的光轴方向被再次表示为48′。分光线45被分成偏振方向由
Figure C9712128100105
表示的一个普通分光线45′和偏振方向由
Figure C9712128100106
表示的一个特殊分光线45″。这种情况下选择的术语使得上标表示穿过第一棱镜47的分光线是否为普通或特殊分光线，下标表示穿过第二棱镜48的相应特性。普通分光线45′在入射方向上传播，而特殊分光线45″从此方向上偏离。
图4c右部示出了分光线46是如何被分成偏振方向由 表示一个普通分光线46′和偏振方向由 表示一个特殊分光线46″的。普通分光线46′从入射方向偏离，而特殊光线46″在入射方向上进一步传播。
从而在棱镜48中有四个不同的分光线45′、45″、46′和46″，其中分光线45′和46″重合并在入射光线15的方向上传播。由于这个复合的光线由两个彼此成直角偏振的分光线组成，因此通过双折射透镜这里有再次产生散光的可能性。
图5示出了零阶光线分布，也就是说包括分光线45′和46″的光线，穿过渥拉斯顿棱镜44后，如已为本发明的系统所证实的。在图5的情况下，渥拉斯顿棱镜44具有1mm的厚度和15°的楔角i。普通折射系数no。为2.2585。特殊折射系数ne为2.1765。780nm的波长和17.03mm的聚焦长度被使用。基本的点对称分布40起因于普通分光线45′，而不对称分布41起因于特殊分光线46″。
通过根据本发明的方法和相应的记录或重放装置，能够在检测器上产生与扫描光束在信息载体上的聚焦状态有关的聚焦点，此聚焦点对聚焦状态具有特殊的灵敏度。能够基本上很容易地实现校准并且整体上减少了制造费用。

Claims (15)

1.一种用于识别入射在信息载体(11)上的扫描光束(14)的聚焦状态的方法，散光产生在信息载体(11)反射的光束(15)中，该反射光束(15)被双折射元件(23)分成普通和特殊分光束(25，26)，其特征在于，由该双折射元件(23)所产生的散光只发生在特殊分光束(26)中，以及可从该特殊分光束(26)的截面形状获得扫描光束(14)的聚焦状态。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于反射光束(15)被作为会聚光束入射在双折射元件(23-24)上。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，穿过双折射元件(23-24)后，特殊分光束(26)具有一个非对称的截面形状，截面形状根据信息载体(11)上扫描光束(14)的聚焦状态的变化而变化。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于特殊分光束(26)的截面形状的变化能够使用检测器18被扫描。
5.一种用于读取或写入光信息载体(11)的记录或重放装置，该装置具有一个光源(12)，光源(12)通过扫描光束(14)照射信息载体(11)，为了识别扫描光束(14)的聚焦状态，该装置还具有一个在信息载体(11)反射的光束(15)中产生人工散光的装置，该产生散光的装置是一个双折射元件(23)，其产生普通和特殊分光束(25，26)，其特征在于，所述双折射元件(23)是这样设置的，仅在特殊分光束(26)中产生散光。
6.根据权利要求5的记录或重放装置，其特征在于提供有检测器(18)，光束穿过双折射元件(23-24)后入射到检测器(18)上并经过散光或光束截面的变化扫描信息载体(11)上扫描光束(14)的聚焦状态。
7.根据权利要求5或6的记录或重放装置，其特征在于双折射元件(23-24)具有一个光轴(21)并以光轴(21)与入射在双折射元件上的光束的入射方向(22)成一角度α＞0°的方式校准，角度α最好从45°到90°，特别是角度α＝90°。
8.根据权利要求5或6的记录或重放装置，其特征在于双折射元件(23-24)具有两个相对排列的平行表面，分别限定一个进入和退出表面(19，20)。
9.根据权利要求8的记录或重放装置，其特征在于双折射元件(23-24)由平面平行板(23)形成，平面平行板(23)由相同的双折射材料构成。
10.一种用于读取或写入光信息载体(11)的记录或重放装置，该装置具有一个通过扫描光束(14)照射信息载体(11)的光源(12)，为了识别扫描光束(14)的聚焦状态，该装置还具有一个在信息载体(11)反射的光束(15)中产生人工散光的装置，该产生散光的装置是一个双折射元件(44)，其产生一普通分光束和一特殊分光束(45′，46″)，并由渥拉斯顿棱镜(44)构成，它由两个在其基面上彼此粘合的、且晶体光轴彼此不平行的棱镜(47，48)组成，其特征在于，所述双折射元件(44)是这样设置的，仅在特殊分光束(46″)中产生散光，其中，所述普通光束被定义为关于第二棱镜是普通的、并由关于第一棱镜的普通光束产生，而特殊光束定义为关于第二棱镜是特殊的、并由关于第一棱镜的特殊光束产生。
11.根据权利要求10的记录或重放装置，其特征在于渥拉斯顿棱镜的边缘角γ为5°到30°，最好是10°到20°，特别是15°左右。
12.根据在前的权利要求5或10的记录或重放装置，其特征在于提供有聚焦装置，特别是会聚透镜(13)，它把信息载体(11)反射的光束(15)聚焦使之作为会聚光束入射到双折射元件(23-24)上。
13.根据在前的权利要求5或10的记录或重放装置，其特征在于聚焦装置，特别是会聚透镜(13)，被设置在光源(12)和信息载体(11)之间，会聚透镜(13)和信息载体(11)之间的距离对于聚焦信息载体(11)上的扫描光束(14)来说是可调的，并且检测器(18)产生信号给控制或调节从会聚透镜(13)到信息载体(11)的距离的控制或调节装置。
14.根据权利要求5或10的记录或重放装置，其特征在于多个双折射元件(23-24)，特别是渥拉斯顿棱镜(24)和其后的平面平行板(23)，相互配合产生散光。
15.根据权利要求5或10的记录或重放装置，其特征在于双折射元件(23-24)被排列成入射光束的入射方向(22)与双折射元件的入射面(19)形成一个特殊角β＞0°，最好是90°左右。
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