CN1127064C - 光拾取头 - Google Patents

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Abstract

一种光拾取头，用于从数据存储媒体读取信息，读取头包括：一个VCSEL，用于发射光射束；一个聚焦元件，用于使光射束引导到数据存储媒体上；一个光接收元件，用于接收从数据存储媒体反射的光；以及跟踪元件，用于定位该射束。

Description

光拾取头
技术领域
本发明涉及光再现拾取头。
本发明具体涉及一种采用半导体激光光源类型的光再现拾取头。
更进一步和更具体地说，本发明涉及光再现拾取头在小型化方面的改进。
背景技术
众所周知，光再现拾取头读取存储在表面媒体，例如CD(com-pact disk)盘上的信息。常规的拾取头例如通常包括一个光发射源和一个光反射和接收组件。
简要地讲，常规的光再现拾取头的光发射源是由一个典型的二极管边缘发射激光器组成的，后者是由一个双异结型半导体，例如GaAlAS(镓—铝砷化物)形成的。该二极管激光器适合于在其长矩形(该长矩形的近似尺寸为二分之一微米宽，5至10微米长)的发射位置上具有横截面形状的激光束。
光接收组件包括具有透镜、反射射镜和棱镜的聚焦机构的读取机构，该读取机构含有一个由固态激光器组成的光读取头。初始时，线性极化激光射束通过射束成形棱镜，并由极化射束分离器反射到一个四分之一波长片，然后，使激光射束通过这个四分之一波长片，将这个极化改变为圆极化。然后，激光束由跟踪反射镜导向，并由物镜聚焦到该盘上。
光从盘表面向后反射回到四分之一波长片，它将激光射束的极化从圆极化变回到线极化，并通过极化射束分离器，由一个临界角棱镜反射，它按直角改变射束方向为投射射束方向。而后光引到光电二极管阵列。光通过光电二极管的传导率机构在光强度方面的变化通知该系统从“坑”(pit)到“陆地”(land)的阶越或反之亦然。在操作中，各“坑”随盘转动使激光束散射，“陆地”反射该激光束。反射光的方向和数量是随盘表面从“陆地”到坑(或反之亦然)的变化而变化。由读取光电装置检测到的这些变化表示为“1”。如果光电电路没有检测到反射信号的变化，则译为一系列“0”，“1”和“0”的数目取决于“坑”或“陆地”的长度。
反射光在光电二极管阵列上不总具有均匀的和相等的分布。光强度的变化可用于聚焦和跟踪的调整。该系统通过计算不同的二极管对的光强度和值之间的差值，能够补偿聚焦和跟踪的误差。
一种不同的机构利用绕射光栅将激光束分为三部分，可用来检测跟踪误差。激光束变为一个主跟踪射束和两个弱射束，可以将两个弱射束聚焦在跟踪射束的左侧和右侧，以保持主射束在中央。
CD盘表面将两个侧射束与主跟踪射束一起反射。一组分隔开的光电二极管可以用来检测跟踪误差。当两个侧射束的强度不等时，该系统便激活一个伺服机构，使光头移动，来校正跟踪误差。
所述的光读取头利用一种称为“边发射二极管激光器”型半导体激光源。这是一种常规的激光器，用于CD盘设备的读取光头。然而，当考虑光头元件小型化时，边发射二极管有一定的局限性。
在常规的光拾取头中，需要六个以上的光学元件来工作。这些是激光二极管、射束分离器、衍射光栅、反射镜、物镜和光电二极管阵列，它们最终译出从CD盘表面反射的光强度。这些分立元件的结果导致光拾取头变得又厚又大。
这种常规光拾取头的一种改进型是全息激光器单元，它考虑了减少组成光拾取头的分立元件的数量。因为全息激光器单元仅由三个光学元件组成，故使光拾取头小型化成为可能。全息激光器单元包括一个全息激光器单元、一个反射镜和一个物镜。在普通的制造中，该常规的全息激光器单元是由三维地综合在一个铜散热片上的激光二极管和光电二极管组成的。常规的激光器的封装变得很大，不适合于便携式CD光盘唱机的光拾取头。
通过将激光二极管全息单元建造在带有结构上呈45°角的镜子的硅光电检测器基底上可以在光拾取头小型化方面得到进一步改进。而后，将全息光元件与激光二极管综合在模塑扁平封装物中。
将激光二极管全息单元建造在具有该组件制造的一个主要部分即45°微型镜的硅光电检测器基底上，该微型镜反射从激光二极管发射的激光束。激光二极管把激光束发射到垂直于基底的45°微型镜上，并被反射。在硅基底制造微型镜的结构对于激光二极管全息的功能是关键的因素。将激光二极管安装在基础基底的凹表面上，形成一个扁平和紧凑的组件。可以将激光二极管和光电检测器在光学上相结合，并将微型镜和全息光元件置于中间。在这种装置结构中，在激光二极管的左侧和右侧安装一对光电检测器是可能的。
激光二极管全息单元利用光点尺寸检测方法，用伺服机构聚焦激光射束从边发射激光二极管发射的激光束。从垂直于硅光电检测器基底的微型镜反射。激光束通过全息光学元件上的光栅格形，后者将主激光束分为三个射束，该射束通过全息光元件的下表面。三个射束由聚焦物镜聚焦到CD盘上。从CD盘反射表面来的每个反射射束在光电检测器对上被检测。每个光检测器具有5个元件来检测该信号。该信号由光头机构使用，来聚焦该信号，诸如聚焦误差信号FES、跟踪误差信号TES和数据信号RFS。这些信号用于聚焦和跟踪校正，它们用以下数学公式描述：
FES＝〔1+3+5〕-〔2+4+6〕
TES＝〔T1-T2〕+〔T3-T4〕
RFS＝〔1+3+5〕+〔2+4+6〕
在激光二极管全息的生产中，重要因素是将具有光学平表面的微型镜正确制作在硅基底上。在硅基底上获得正确的45°角的方法是，在硅基底上蚀刻该角度。各向异性的蚀刻的硅基底的横截面具有从<100>表面为54°角的<111>平面表面。在两步过程中，通过对具有<100>表面(它已向<110>平面倾斜9°)的硅基底进行化学腐蚀，各向异性的蚀刻含形成激光束适当反射所需的45°表面。在制造微型镜中，消除了激光芯片的顶角。
为了实现一个薄而小的、衣袋尺寸的CD盘唱机，该CD盘唱机的光拾取头必须小型化。一种常规的光拾取头含有许多元件，从而需要一个大的组件。这个边发射激二极管和全息单元已使光拾取头小型化成为可能。然而，这个单元的设计要求在硅光电检测器基底上建造一个微型镜，以使激光束在垂直于该基底的方向上转向。微型镜的结构涉及高成本和精细工作的制造过程。
上述装置(含有常规的光再现拾取头和安装边发射全息激光拾取头的基底)充分地提供了拾取和再现存储在表面媒体上的信息，然而，业已证明这种结构不是完全令人满意的。例如，该常规的拾取头含有太多的分立元件，而不易于小型化。边发射激光全息拾取头需要对硅基底精细的蚀刻来产生一个微型镜。
为此，弥补先有技术中上述的和其它的固有缺陷是十分有益的。
发明内容
据此，本发明的一个目的是提供改进的光再现拾取头。
本发明的另一目的是提供特别适用于光拾取头的跟踪系统的改进。
本发明的又一目的是为边发射激光全息光再现头提供改进装置。
本发明的再一个目的是为垂直腔激光全息光拾取头的跟踪系统提供改进装置。
本发明还有一个目的是提供一种具有相当少的元件的简化光拾取头。
本发明的还有另一个目的是提供能够小型化的光拾取头。
本发明的还有再一个目的是提供按照在用料上减少光拾取头成本的上述装置和改进。
本发明提供一种光拾取头，用于从数据存储媒体读取信息，其特征在于：该读取头包括：一个垂直腔表面发射激光器，用于沿一条路径发射光射束；一个半导体基底，其上安装所述垂直腔表面发射激光器；聚焦装置，用于把光射束引导到数据存储媒体上，该聚焦装置包含位于光束路径上并且形成在一个集成的光学元件上的用于聚焦和极化光束的全息区；光接收装置，用于接收从数据存储媒体反射的光，该光接收装置包含多个位于该半导体基底上的光电检测器；跟踪装置，用于定位该光射束，该跟踪装置包含与位于光束路径上的全息区相邻并且位于该集成的光学元件上的用于分离光束的光栅。
简言之，为了按照本发明的优选实施例实现本发明希冀的目的，这里提供一种光拾取头用以从数据存储媒体读取信息。该拾取头含有一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，用于发射光束；聚焦装置用于把光束引导到数据存储媒体上；光接收装置，用于接收从数据存储媒体反射的光；以及跟踪装置。
在一个具体的实施例中，跟踪装置包含一个射束分离器，位于VCSEL中间；和聚焦装置。聚焦装置包含一个四分之一波长片和沿射束路径串行就位的一系列聚焦透镜。光接收装置包含多个光电检测器，用于接收从数据存储媒体来的光。
按照另一实施例，光拾取头还包含一个基底，该基底具有一个凹槽用于容纳VCSEL，和包括光检测器。光电检测器包括在基底上形成的多个光电二极管，聚焦装置包含位于射束路径上的全息图装置。
按照光拾取头的另一个更具体的实施例，跟踪装置包含第一跟踪VCSEL和第二跟踪VCSEL，它们位于VCSEL的相对的两个侧面上，它们发射光束通常平行于VCSEL所发射的射束。
本领域的技术人员结合以下附图读阅本发明优选实施例的详细描述就会对本发明的上述的、其它的和更具体的目及其优点更加明了。
附图说明
图1示出采用具有准直透镜和成形棱镜的边发射激光器的一种常规的光拾取头的简化原理图；
图2示出说明按照本发明的教导而构成的光拾取头的实施例的简化原理图；
图3示出安装在硅基底上的边发射激光二极管的等角图；
图4示出沿图3中4-4线截取的剖面图，说明激光束从硅基底上形成的45°微型镜反射的情况；
图5示出对应于图3说明全息光元件示图的边发射激光二极管单元的组成的等角图；
图6示出按照本发明的教导而构成的光拾取头的另一实施例的组成的等角图；
图7示出沿图6中7-7线截取的剖面图，说明按照本发明的安装在硅基底上的垂直腔表面发射激光器；
图8示出全息光学单元的简化原理图，说明光栅将主激光射束分为三个射束，即主射束和两个侧射束，用于跟踪误差的校正；
图9示出图6的硅基底的顶视图，说明按照本发明的垂直腔表面发射激光器和两个光电检测器(每个都含有5个部件)；
图10～12示出图9的局部分示图，说明光电检测器的中心部件及其工作情况；
图13示出按照本发明的教导而构成的光拾取头的另一个实施例的组成的等角图，及
图14示出图13的实施例的简化原理图。
具体实施方式
参照这些附图，图中相同的参考字符表示在几个视图中相对应的部件，首先参照图1，图中示出一种常规的边发射二极管激光光拾取头10。边发射二极管激光器19沿着一条路径发射激光束，该路径贯通着一个准直透镜18和用于射束成形的棱镜17。激光射束而后由极化射束分离器14反射到四分之一波长片13，后者进一步改变激光射束的极化并由物镜12聚焦到数据存储谋体11例如CD盘11的表面上。激光射束从CD盘11反射，通过四分之一波长片13，后者进一步改变激光射束的极化。激光束由临界角棱镜15反射，按与投射射束呈直角地改变射束方向。光而后引导到光电二极管阵列上。光强度通过象限(四分)光电检测器板16上的光电二极管的导电性机构的变化通知该系统从“坑”至“陆地”(或相反)的阶越。这说明了在常规的结构配置中的边发射二极管激光光拾取头10的机理。激光射束是一种发散射束，具有各向异性发散角。来自激光二极管19来的发散射束是一种线性极化的激光射束，它落到准直器透镜18上，该透镜将它变换为基本上平行的光射线的射束，该射束而后引导到射束成形棱镜17，用以使激光射束成形。激光射束而后引导到极化射束分离器14。来自射束分离器14的线极化激光射束然后射入到四分之一波长片13上，后者然后将激光射束变换为圆极化激光射束，之后落到物聚焦透镜12上。通过物镜12的射束是一个聚焦射束，它具有基本上圆截面形状，而后聚焦到CD盘11上，CD盘11具有一个光点，直径约为1微米。
CD盘11上的信息由刻印在该盘表面上的“陆地”和“坑”进行编码，对于存储在该盘表面上的记录信息，“陆地”和“坑”或是反射对它聚焦激光射束，或是使聚焦激光射束散射。从盘表面反射的射束通过物镜12射到四分之一波长片13，借此，从圆极化射束变回到线极化射束。从四分之一波长片13来的已变换的射束由射束分离器14反射，射到临界角棱镜15，还偏转到象限光电检测器16，从而得到数据信号。
象限光电检测器16由四个具有相同尺寸的光检测元件组成。提供到象限光电检测器16上的入射射束的光点，由于聚焦透镜12的作用，在形状上从椭圆形通过一个真正的圆形变化为另一种椭圆形。利用来自光电检测器D1和D2的和信号并减去来自光电检测器D3和D4的和信号来调整聚焦。而后，聚焦透镜12利用安排在象限的一个半球面(它相对的第二半球面)上的两个相对的光检测元件的再现信号之和(由任一侧来的信号之和)的差值来进行调整。聚焦误差信号自适应于移动物聚焦透镜的控制装置。
如由光电检测器D1和D3之和表示左侧的和以及由光电检测器D2和D4之和表示右侧的和，利用右侧的二个光检测元件再现信号之和的差值还能够得到跟踪误差信号。聚焦误差是从左侧到右侧信号之和的差值。这个跟踪误差信号适应于控制物聚焦透镜或整个光系统，来提供象限光电检测器16从左侧到右侧的光电检测信号差值的零信号。
图2以标号20示出VCSEL光拾取头的一个实施例。垂直腔表面发射激光器29沿着贯通准直透镜28的一条路径发射激光束。使该激光束由极化射束分离器24反射到四分之一波长片23上，后者进而改变激光束的极化，并由物镜22聚焦到CD盘21的表面。本领域的技术人员很容易理解，采用激光读取的任何数据存储媒体都可以利用本发明进行读取。激光束从CD盘21反射，并通过四分之一波长片23，进一步改变激光束的极化。激光束由临界角棱镜25反射，并按照对投射射束呈直角地改变射束的方向。而后，由一个柱透镜将光线聚焦到一个光电二极管阵列上。通过象限光电检测器26上的光电二极管的导电机构在光强度方面的变化通知该系统传达有关从“坑”到“陆”(或相反亦然)的阶越。这说明了按照本发明的教导所构成的VCSEL光读取头20的机理。
从VCSEL29来的激光束通过准直透镜28，而后引导到极化射束分离器24。从射束分离器24出来的已线极化的激光束在四分之一波长片23上刻印，而后使激光束通过物镜22。已聚焦的射束具有基本上为圆截面形状，聚焦在CD盘上21上，其光点直径约为一微米。
CD盘21上的，信息按照刻印在该盘表面上的“陆地”和“坑”来编码，该“陆地”和“坑”对于该盘表面上所存储的记录信息或反射该已聚焦的激光束或使之散射。从该盘表面反射的射束通过物镜22射到四分之一波长片23，借此，从圆极化射束变回到线极化射束。从四分之一波长片来的已变换极化的射束由射束分离24反射到临界角棱镜25，偏转到象限光电检测器26，从而得到数据信号。
象限光电检测器由四个具有相同尺寸的光电检测元件组成。施加到象限光电检测器26上的入射射束的光点，由于聚焦透镜22的作用，在形状上从椭圆经过真正圆形变为另一个椭圆。该聚焦利用来自光电检测器D1和D2的和信号并减去来自光电检测器D3和D4的和信号进行调整。于是，利用安排在象限一个半球面(它相对于第二个半球面)上的二个相对的光电检测元件的再现信号之和(即来自任一侧的信号之和)的差值，来调整聚焦透镜22。聚焦误差信号自适应于移动物聚焦透镜22的控制装置。
如由光电检测器D1和D3之和表示为左侧之和，以及由光电检测器D2和D4之和表示右侧之和，跟踪误差信号是利用右侧的两个光电检测元件再现信号之和间的差值而获得的。聚焦误差是从左侧到右侧的信号之和的差值。这个跟踪误差信号适应于控制物聚焦透镜22或整个光系统，以提供象限光电检测器26从左侧到右侧的光电检测器信号的差值的零信号。
VCSEL光拾取头20通过结合垂直腔表面发射激光器29，VC-SEL29不要求在常规的边发射二极管激光器19使用的棱镜17，从而改进了常规平面发射激光拾取头10。由垂直腔表面发射激光器29发射的激光束具有良好的质量，并且不需要射束成形棱镜17。
实质上VCSEL29各配置的基本原理是在两反射镜组之间夹着一个活化区，为激活VCSEL29，必须驱动电流通过该镜组和该活化区。这通常是通过在激光器一端放置跨接在该镜组上的第一电极和在激光器另一端放置跨接在该镜组上的第二电极而来实现的。该电极之一通常限定了一个中心开口用于光的发射。
对于常规光拾取头10的一种改进是全息激光器单元，后者允许减少了组成光拾取头的分立元件。图3示出了通过在具有结构性45°角的微型镜34(它将来自边发射二极管32的激光射束反射为垂直于基片31的射束)硅光电检测器基底31上构建一个边发射激光二极管单元32，从而在光拾取头的一部分30的小型化方面所获得的进一步改进。在这种结构中，在硅基底31上形成二个光电检测元件33是可能的。激光二极管32建造在硅光电检测器基底31上。这个组件的制造的一个重要部件是45°微型镜34，它构制在基底31上，来反射该发射激光束，如图4所示。边发射二极管激光器32向蚀刻在硅基底31上的45°微型镜发射激光束。部分30在生产中的重要因素是正确地在硅基底31上制造具有光学平表面的微型镜34。用以获得在硅基底31上正确的45°角的方法是在硅基底31上蚀刻一个角度。各向异性地蚀刻的硅基底的截面具有一个与<100>表面成54°角的<111>平表面。在一种两步过程中，通过化学蚀刻具有已向<110>平面倾斜9°的<100>表面的硅基底，各向异性的蚀刻得到了一个适合反射激光射束所需的45°表面为进一步解释形成微型镜34的加工细节，去除了激光器芯片的顶角。
对于常规的光拾取头10的一种进步的改进是包含了一个全息光学元件55，以实现图5所示的发射二极管激光器全息光学拾取头50，它允许减少构成光拾取头10的分立元件。边发射二极管激光全息光学拾取头50包括具有边发射二极管激光器32的全息光学元件55，在硅光检测器基底31上蚀刻的45°反射的微型镜34，后者反射激光射束通过全息光学元件55的全息表面56。
图6以标号60示出根据本发明的教导构成的一种垂直腔表面发射激光器光拾取头的另一个实施例。光拾取头60包括一个VC-SEL62，它沿一个路径发射激光束并在凹槽64内，装在半导体基底61上。拾取头60还包括一个具有光栅66的全息光学元件65，该光栅通常把主激光束分为三个分离的部分。可以理解，全息元件65以类似于透镜和四分之一波长片的方式执行功能，由于全息区综合地包括一个用于聚焦的透镜元件和一个用于改变射束极化的板型元件。分离的射束反射到光电检测器63上，检测器63包括5个元件，每个元件都是一个光电检测器。这些元件基本上可以是任何公知的光电检测器，但最好是由光电二极管组成的。
参照图7，该图示出一个安装在半导体基底61上的垂直腔表面发射激光器62，并进一步示出从VCSEL 62发射的垂直激光束。
图8示出一种全息光学元件65，其中，垂直腔表面发射激光器62发射一种垂直于基底61的激光束并通过全息光学元件65的下表面上的光栅66。激光射束由全息光元件65上表面上的全息区部分67予以极化。
参照图9，该图示出基底61，它包括两个光检测器63，每个光检测器具有5个元件。进一步参照图10、11和12，将左侧的光检测器63的三个中间元件分别地标注为元件91、92和93；另一侧的光检测器63的中间元件分别地标注为94、95和96。图10～12示出用于聚焦误差校正的可能的聚焦逻辑。在这种结构中，在VCSEL 62的左、右两则的一对光电检测器63各含有5个光电检测元件，用来校正图中所注的聚焦误差和跟踪误差。
光拾取头60利用光点尺寸检测方法，使用伺服机构来聚焦激光束。从垂直腔表面发射激光器62发射的激光射束是垂直于基底61的。激光束通过全息光学元件65上的光栅图型66，将激光束分为三个射束，通过全息光学元件65下表面。三个射束聚焦在CD盘上在全息区部分67上。从CD盘反射表面来的每个反射射束由一对光电检测器63检测出来。这些信号由光头机构使用，来聚焦各种信号例如聚焦误差信号FES、跟踪误差信号TES和数据信号RFS。这些用于聚焦和跟踪校正用的各种信号用数学式表示如下：
      FES＝〔91+93+95〕-〔92+94+96〕
      TES＝〔T1-T2〕+〔T3-T4〕
      RFS＝〔91+93+95〕+〔92+94+96〕
标注为T1和T2的元件分别为图9所示的基底61左侧的五元件光电检测器63的顶部光电检测器元件和底部检测器元件。标注为T3和T4的元件分别是硅基底61右侧的五元件光电检测器63的顶部光电检测器元件和底部光电检测器元件。
参照图13，该图以标号110示出VCSEL光拾取头的又一实施例。VCSEL光拾取头110总地与拾取头60相类似，包括一个VC-SEL 112，它沿一条路径发射激光束，并装在半导体基底111的凹槽114内；一个全息光学元件115，具有全息区部分116，以及各个光电检测器113，每个包含5个元件，并在基底111的凹槽114任一侧形成。如象前一个实施例所述的，每个元件是一个光电检测器。这些元件实际上可以是公知的任何光电检测器，但最好由光电二极管组成。
拾取头110与拾取头60的区别在于，它包括一个不同的机构，用于检测跟踪误差而不是用绕射光栅66，绕射光栅66将主激光束分为三个部分。在这个实施例中，跟踪的VCSELS120和121装在凹口114内在VCSEL112的两个相对的侧面上，并发射跟踪射束，由光电检测器113检测出来，由于全息光学元件115不需要分离射束光栅66，故三个VCSEL阵列允许光拾取头110进一步小型化。激光束变为主跟踪射束与两个侧射束，两个射束聚焦在跟踪射束的左侧和右侧，从而使主射束保持在中心位置。
图14示出一种具有全息区部分116的全息光学元件115，当来自VCSEL112和跟踪VCSEL120和121的三个激光束入射到全息区部分116时，用以校正图内标注的跟踪误差。
CD盘表面与主跟踪射束一起反射两个侧射束。光电检测器113用来检测跟踪误差。当两个侧射束强度不相等时，该系统激活一个伺服机构，该伺服机构移动光头，校正跟踪误差。反射光不总是均匀和相等地分布在光检测器113上。这种在光强度方面的变化考虑到聚焦和跟踪的调整。通过计算不同光电检测器对的光强度和的差值，该系统便能补偿聚焦和跟踪的误差。
本领域的技术人员可以方便地对这里为了描述目的所选用的实施例进行各种变更和修改。在这样的修改和变更不背离本发明精神前提下，它们都寓意他们包括在所附的权利要求规定的本发明的范围内。
业已简明扼要地全面描述了本发明，可使本领的域技术人员能够清楚理解和实践本发明。

Claims (3)

1.一种光拾取头，用于从数据存储媒体读取信息，其特征在于：该读取头包括：
一个垂直腔表面发射激光器，用于沿一条路径发射光射束；
一个半导体基底，其上安装所述垂直腔表面发射激光器；
聚焦装置，用于把光射束引导到数据存储媒体上，该聚焦装置包含位于光束路径上并且形成在一个集成的光学元件上的用于聚焦和极化光束的全息区；
光接收装置，用于接收从数据存储媒体反射的光，该光接收装置包含多个位于该半导体基底上的光电检测器；
跟踪装置，用于定位该光射束，该跟踪装置包含与位于光束路径上的全息区相邻并且位于该集成的光学元件上的用于分离光束的光栅。
2.根据权利要求1所述的光拾取头，其特征在于，所述光电检测器是光电二极管。
3.根据权利要求2所述的光拾取头，其特征在于，所述聚焦装置还包括一个位于所述集成光学元件上的用于改变光束的极化的板型元件。
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