CN1139925C - 可兼容多种光盘的光学头装置 - Google Patents

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Abstract

一种兼容至少两种类型光学记录载体的光学头装置，采用具有不同波长的光束来记录和读取信息。其中，物镜一侧表面上设有环形全息环，第一光源发出的光束透过该全息环区域，第二光源发出的光束在透过该全息环区域时被衍射；所述第一光源发出的光束聚焦于第一种光记录载体的信息记录面上形成一光点，而所述第二光源发出的光束聚焦于第二种光记录载体的信息记录面上形成一光点。这种光学头装置消除了光学记录载体厚度不同产生的球差。

Description

可兼容多种光盘的 光学头装置
技术领域
本发明涉及一种兼容数字视盘(DVD)和可记录小型盘(以下简称CD-R)的光学头装置，特别涉及一种采用全息透镜，能分别将信息兼容地记录至数字视盘(DVD)及可记录光盘(CD-R)上，并由之读取信息。
背景技术
光学头装置用于记录和读取高密度的诸如视频，声频或数据信息，其记录载体为磁盘、卡或盒带。其中，主要采用的是盘式记录载体。最近，在光盘装置领域，激光光盘(LD)，小型盘(以下简称CD)和数字视盘(DVD)得以发展。这种光盘包括一沿光束入射的轴向有一定厚度的塑料或玻璃载体，和一信号记录面，其上记录信息且位于上述塑料或玻璃载体上。
如今，为提高记录密度，高密度光盘系统增大了物镜的数值孔径并采用635nm或650nm的短波长光源。相应地，此种高密度光盘系统可对数字视盘记录或读取信息，还能从CD读取信息。然而，为兼容新型CD盘，即可记录CD(CD-R)，由于CD-R记录载体的记录特性，应当采用波长780nm的光束。其结果是，在单一光学拾取头中采用波长780nm和650nm的光束对于兼容DVD和CD-R是很重要的。下面参照图1说明一种传统的兼容DVD和CD-R的光学拾取头。
图1显示了一种采用单一物镜和两个激光二极管作为用于DVD和CD-R的光源的光学拾取头。图1的光学拾取头在再现DVD时采用波长635nm的激光束，而在记录和再现CD-R时采用波长780nm的激光束。
由第一激光源11发出的波长635nm的光束入射至第一准直透镜12，其中用实线表示该光束。第一准直透镜12可使入射光束成为平行光束。通过第一准直透镜12的光束被分束器13反射，然后射向干涉滤波棱镜14。
由第二激光源21发出的波长780nm的光束通过第二准直透镜22，分束器23和会聚透镜24，然后射向干涉滤波棱镜14，其中用虚线表示该光束。此处，波长780nm的光束经干涉滤波棱镜14会聚。具有如此结构的光学系统称为“有限光学系统”。干涉滤波棱镜14全部透过经分束器13反射的波长635nm的光束，并全部反射经会聚透镜24会聚的波长780nm的光束。其结果是，来自第一激光源11的光束由准直透镜12变为平行光束形式入射至1/4波片15，而来自第二激光源21的光束由会聚透镜24和干涉滤波棱镜14以发散光束形式入射至1/4波片15。透过1/4波片15的光束通过具有薄膜结构的可变光阑16，然后入射至物镜17。
由第一激光源11发出的波长635nm的光束由物镜17聚焦于厚度0.6mm的DVD 18的信息记录面上。因此，自DVD 18的信息记录表面反射的光束包含了记录于此信息记录表面的信息。反射光束透过分束器13，然后入射至用于检测光学信息的光电探测器19上。
若不采用上述有限光学系统，在第二激光源21发出的波长780nm的光束由上述物镜17聚焦于厚度1.2mm的CD-R 25的信息记录面时，由于DVD 18和CD-R 25之间厚度的差别，则会产生球差。该球差是因为沿着光轴CD-R 25的信息记录面与物镜17之间的距离大于DVD 18的信息记录面与物镜17之间的距离这一事实造成的。为减小这种球差，需要包含会聚透镜24的有限光学系统结构。通过采用后面将参照图2说明的可变光阑16，波长780nm的光束在CD-R25的信息记录上形成了最佳束斑。由CD-R 25反射的波长780nm的光束被分束器23反射，然后由一光电探测器26加以检测。
如图2所示，图1中薄膜型可变光阑16的结构为，能以选择方式透过入射于数值孔径(NA)小于或等于0.6的区域的光束，该孔径与物镜17的直径一致。也即，根据0.45的数值孔径(NA)使可变光阑16关于光轴分为两个区域。在此二区域之间，第一区域1既透过波长635nm也透过波长780nm的光束。第二区域2全部透射波长635nm的光束并全部反射波长780nm的光束。区域1的数值孔径小于或等于0.45，区域2为区域1的外围区域，其上镀有介电薄膜。区域1由石英(SiO2)薄膜构成，以消除由镀有介电薄膜的区域2产生的任何光学象差。
通过采用可变光阑16，透过等于或小于0.45 NA的区域1的780nm波长光束在CD-R 25的信息记录面上形成了与之适应的束斑。因而，在光盘类型从DVD 18变为CD-R 25时，图1的光学头利用了最佳束斑。因而，图1的光学拾取头适用于CD-R。
然而，上述图1的光学拾取头对于780nm波长光束需形成一“有限光学系统”，以消除将DVD改为适于CD-R时产生的任何球差。而且，由于在可变光阑16的等于或大于0.45 NA的区域2形成的光学薄膜即介电薄膜的原因，透过等于或小于0.45 NA的区域1的光束和透过等于或大于0.45NA的区域2的光束之间产生光程差。为消除此光程差，必须在区域1上形成光学薄膜。由于此原因，在区域1上形成石英镀膜并在区域2形成一多层薄膜。然而，这不仅使制造工艺复杂，而且薄膜厚度的调整还要以“μm”为单位精确进行。因而难于批量生产这种光学拾取头。
发明内容
本发明目的在于提供一种光学头装置，能兼容数字视盘(DVD)和可记录小型盘(CD-R)，通过采用无限光学系统并利用全息透镜来消除由于光盘间厚度差产生的球差。
本发明的另一个目的是提供一种用于光学头装置的物镜，具有简单的结构，适合于批量生产。
为实现本发明的上述目的，提供了一种兼容至少两种类型的光学记录载体的光学头装置，采用具有不同波长的光束记录和读取信息，其特征在于，所述光学头装置包括：分别发出不同波长光束的多个激光源；用以变换从光记录载体信息记录面反射的光束的光路的光学元件；光电探测器，用以检测自上述光学元件入射的光束中的光学信息；一个物镜，用各具有不同波长的第一光束和第二光束在所述光记录载体形成光点，所述物镜包括：包含有所述物镜光学中心的内区；环绕所述内区的全息区；和环绕所述全息区的外区，其中，所述内区透射第一、二光束，所述全息区衍射第二光束，所述外区透射第一光束。
其中，所述物镜的环形全息环具有与物镜相同的光轴和与物镜表面相同的曲率，其设置于数值孔径在0.3至0.5范围内的物镜区域，具有全息图案的结构，或者具有一定深度的沟槽。所述的物镜使较短波长的第一光源发出的光束的相位改变360°，而使较长波长的第二光源发出的光束的相位改变180°。
为实现本发明的另一个目的，提供了一种用于光学头装置的物镜，可适用于将光源发出的光聚焦于至少两种类型光记录载体的信息记录面，所述物镜的一侧表面上设有环形全息环，该全息环区透过由波长较短的第一种光源所发出的光束，而由波长较长的第二种光源发出的光束在透过该全息环区域时被衍射；以使由所述第一种光源发出的光束聚焦于第一种光记录载体的信息记录面上形成一光点，而由所述第二种光源发出的光束聚焦于第二种光记录载体的信息记录面上形成一光点。
其中，所述环形全息环具有与物镜相同的光轴，并且其表面与物镜表面的曲率相同。所述环形全息环设置于数值孔径在0.3至0.5范围内的物镜区域，具有全息图案的结构，或者具有一定深度的沟槽。所述的物镜将较短波长的第一光源发出的光束的相位改变360°，而将较长波长的第二光源发出的光束的相位改变180°。
附图说明
下面参照附图描述优选实施例，其中：
图1是表示传统光学拾取头结构的示意图；
图2是说明图1中所示传统可变光阑结构的示意图；
图3是表示本发明光学拾取头的光学系统示意图；
图4A是表示本发明全息环状透镜与物镜之间的位置关系的示意图，图4B是表示全息环状透镜的平面表面示意图；
图5A是表示全息环状透镜的平面表面示意图，图5B是表示图5A中部分区域的放大图示；
图6是显示两种波长下全息环状透镜沟槽深度与透射率关系曲线图；
图7是表示合为一体的全息环状透镜和物镜的示意图。
具体实施方式
下面参照附图更详细地说明本发明的优选实施例。
图3显示了根据本发明一优选实施例的光学拾取头的光学系统。参照图3，该光学头装置包括两个激光源31和39，分别发出具有不同波长的光束；两个全息分束器32和40，用于变换由光盘的信息记录表面反射的光束的光路；分束器33，根据光波长全部透射或反射所入射的光束；准直透镜34，可使所入射光束变为平行光束；全息环状透镜35，用于根据其波长衍射入射光束；以及物镜36，用于将光束聚焦于光盘37和41的相应信息记录面上。用于检测由光盘37和41的相应信息记录表面反射的光束的两个光电探测器38和42与激光源31和39以整体方式合装成单个组件，形成单元30和43。下面描述如上构造的光学拾取头的工作情况，其中以DVD和CD-R作为光学记录载体加以说明。
首先，当对DVD记录和读取信息时，由第一激光源31发出的波长650nm的光束入射至全息分束器32，其中用实线表示该光束。该入射光束通过全息分束器32并射向分束器33。当对CD-R记录和再现信息时，由第二激光源39发出的波长780nm的光束入射至全息分束器40，其中用虚线表示该光束。该入射光束通过全息分束器40并射向分束器33。
分束器33完全透过波长为650nm的入射光束并完全反射波长780nm的入射光束。全部透射或反射的光束由准直透镜34变成平行光束形式射至全息环状透镜35。全息环状透镜35根据入射光束波长以选择方式对其衍射，以防止对聚焦于光盘37和41信息记录面上的光束产生球差。
图4A是表示全息环状透镜35和物镜36之间位置关系的示意图。如图4A所示，物镜36分为区域A和B。靠近光轴的区域A几乎不产生球差，而离光轴较远的区域B对球差有较大影响。而且，物镜36最适于比如DVD这种厚度较薄的光盘。因此，当以例如CD-R这种较厚的光盘替换DVD后再运作光学拾取头时，就需要全息环状透镜35。在对CD-R记录和读取信息时，如果不采用全息环状透镜35，则在光盘信息记录表面形成的束斑球差会变大，其尺寸超过1.7μm。一般地说，形成于CD-R信息记录表面的束斑尺寸为1.4μm。全息环状透镜35衍射通过物镜36的区域B的光束，以防止产生球差，为此在区域A(内区)的外边界与区域B之间设有图4B中打点画出的全息图。相应地，入射至全息环状透镜35并通过物镜36的区域A的光束，通过物镜36而无任何由于全息环状透镜35产生的衍射并随后直接入射至盘上。入射至全息环状透镜35并通过物镜36区域B的光束经全息环状透镜35衍射，然后射向物镜36。经衍射的光束通过物镜36，使聚焦于光盘上的束斑尺寸变小，并且无任何象差产生。衍射光束通过区域B被聚焦于其上的光盘聚焦表面应当与通过区域A的光束而被聚焦其上的光盘最佳表面相一致。通过采用全息环状透镜35，与DVD 37相比，在CD-R 41情况下从物镜36表面至光盘信息记录面的工作距离有所缩短。
图5A是表示全息环状透镜35结构的示意图。区域D(全息区)设有如图5A所示全息环状透镜35中全息图，区域D对应于数值孔径0.3-0.5，这是被确定为适于CD-R的。在图5A中，符号E表示数值孔径(NA)为0.6的用于DVD的物镜的直径(E和区域D之间所形成的区域为外区)。而且，本发明所用全息环状透镜35能根据光束波长以选择方式调节物镜的数值孔径(NA)，而且无需单独的孔径。该全息环状透镜35具有与以发散或会聚形式透射光束的一般球面透镜相同的作用。另外，该全息环状透镜35具有负光焦度并采用了一移相全息图。为使全息环状透镜35根据入射光波长以选择方式衍射所入射光束，应确定一最佳沟槽深度。全息环状透镜35构造为，使得波长650nm的光束具有近于100％的透射率并使未经衍射的波长780nm的光束具有0％的零级透射率。因此，对于波长650nm的光束，由全息环状透镜35的沟槽深度引起的相位变化应当为360°。由于产生了360°的相位变化，所以全息环状透镜35透过波长650nm的光束。对于波长780nm的光束，应使其相位变化为180°，由此，该波长780nm光束全部衍射为一级光束。其结果是，全息环状透镜35被设计成不衍射波长650nm光束，但将波长780nm光束衍射为一级光束。以选择方式衍射波长650nm和780nm光束的全息环状透镜35的最佳表面沟槽深度d由下列方程(1)和(2)决定。
2πd(n-1)/λ＝2mπ            (1)
2πd(n′-1)/λ′＝(2m′+1)π  (2)
此处，λ为650nm波长，λ′为780nm波长，n和n′分别表示对于650nm波长的折射率(1.514520)和对于780nm波长的折射率(1.511183)。在上述方程(1)和(2)中，若m＝3且m′＝2，则其深度d约为3.8μm。
图5B是表示图5A所示全息图区域C的放大图示。全息图具有通过刻蚀形成或者可通过金属模塑制成的深度恒定的槽线。另外，全息图可与一环状模板一起分步制成。
图6为表示对应于各入射光波长的全息环状透镜35的零级透射率的曲线图。当表面沟槽深度d为3.8μm时，波长650nm的光束通过全息环状透镜35以100％透射率透射，如以符号“++”覆盖的实线所示，而波长780nm的光束通过全息环状透镜35透射0％，如圆圈覆盖的实线所示。此时，全息环状透镜35将波长780nm光束衍射成一级光束，其衍射率为40％。
入射至具有上述特性的全息环状透镜35的波长650nm光束得以全部透射，然后射由物镜36。该入射光束通过物镜36，在DVD 37的信息记录面上形成光斑。从DVD 37的信息记录面反射的光束入射至全息环状透镜35。全息环状透镜35变换了该入射光束的光路，将该光束导向光电探测器38。入射至全息环状透镜35的波长780nm光束在区域A处透射，然后射向物镜36，但在区域B处衍射并射向物镜36，如图4A所示。因此，通过物镜36的光束在CD-R 41的信息记录面上形成最佳束斑。从CD-R 41的信息记录面反射的光束入射至分束器33，然后被反射。反射光束射向全息分束器40，并通过变换光路入射至光电探测器42。
通过从物镜的一个表面向内刻蚀一恒定深度或经金属模制，可使具有上述作用的全息环状透镜35与物镜制成一体。这种制成一体的全息环状透镜具有与全息环状透镜35相同的作用。图7是表示被制成一体的全息环状透镜和物镜的示意图。
如上所述，根据本发明的光学拾取头兼容地适用于DVD和CD-R，通过采用一全息环状透镜，而消除在将光盘换成不同厚度的另一光盘时产生的球差，其中的工作距离比CD-R情况下要短。而且，该光学头装置还具有包括使全息环状透镜便于制造及有良好的批量生产能力在内的优点。
虽然此处仅特别描述了本发明的一些特定的实施例，但显然可对其作出许多改动而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种兼容至少两种类型光记录载体的光学头装置，采用具有不同波长的光束记录和读取信息，其特征在于，所述光学头装置包括：
分别发出不同波长光束的多个激光源；
用以变换从光记录载体信息记录面反射的光束的光路的光学元件；
光电探测器，用以检测自上述光学元件入射的光束中的光学信息；
一个物镜，用各具有不同波长的第一光束和第二光束在所述光记录载体形成光点，所述物镜包括：
包含有所述物镜光学中心的内区；
环绕所述内区的全息区；和
环绕所述全息区的外区，
其中，所述内区透射第一、二光束，所述全息区衍射第二光束，所述外区透射第一光束。
2.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区是移相区。
3.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，第二光束透射全息区后会聚在光记录载体上的焦面与在再现较厚光记录载体时第二光束透射内区后会聚在光记录载体上的焦面一致。
4.如权利要求3所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区将第二光束衍射成一级衍射光，而不衍射第一光束。
5.如权利要求3所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区对于第二光束具有正光焦度。
6.如权利要求5所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区将第二光束衍射成一级衍射光。
7如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区具有衍射第二光束用的定深度沟槽，并对于第二光束具有正光焦度。
8.如权利要求7所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区将第二光束衍射成一级衍射光。
9.如权利要求8所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区对于第一光束具有大约100％的零级透射率，而对于第二光束具有大约100％的一级衍射率。
10.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区具有台阶形的沟槽。
11.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述物镜根据入射光的波长，不衍射较短波长的光，而衍射较长波长的光。
12.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述物镜按厚度对于厚光记录载体是最优的。
13.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述全息区为环形。
14.如权利要求7所述的光学头装置，其特征在于，所述沟槽的深度能够根据所述激光源发出的光的波长产生相变。
15.如权利要求14所述的光学头装置，其特征在于，在所述激光源发出的第一光束和第二光束中，所产生的相变对波长较短的入射光来说为360°，对波长较长的入射光来说为180°。
16.如权利要求15所述的光学头装置，其特征在于，当产生360°相变时，所述全息区不衍射入射光束；当产生180°相变时，所述全息区衍射入射光束，减小会聚在光记录载体上的光点的球差。
17.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述光学元件设在所述激光源和所述物镜之间。
18.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述光学元件是全息分束器。
19.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，所述光电探测器和对应的所述激光源一体地装在一个单元中。
20.如权利要求1所述的光学头装置，其特征在于，较厚光记录载体中的工作距离小于较薄光记录载体中的工作距离。
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