CN1140900C - 用于光学扫描记录载体的光学扫描设备 - Google Patents
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Abstract
描述一种用于用具有高数值孔径的放射束(15)光学扫描两种类型的记录载体(1;25)的设备。放射束通过物镜(10)和平凸透镜(11)而经记录载体的透明层(2;26)聚焦在信息层(3;27)上。平凸透镜的放大率等于1/n1,即透明层(2)的折射率的倒数。但扫描在第一和第二记录载体之间变化时,平凸透镜与记录载体之间的间隙被维持在固定值。
Description
本发明涉及用于光学扫描第一和第二类型的记录载体的光学扫描设备,第一类型的记录载体包括第一信息层和具有第一厚度的第一透明层,第二类型的记录载体包括第二信息层和具有折射率n1和大于第一厚度的第二厚度的第二透明层,该设备包括用于把放射束经过第一或第二透明层会聚在信息层上而聚焦的物镜和凸透镜,以及用于轴向定位凸透镜的装置,透镜装置具有面对物镜的凸表面、面对透明层的基本上是平面的表面、放大率和折射率n2。
可被存储在光学记录载体上的信息量尤其取决于由扫描设备形成在记录载体的信息层上的放射斑的大小。信息密度和因此存储的信息量可通过降低光斑的大小而被增加。光斑大小可通过提高形成光斑的放射束的数值孔径而降低。当使用单一物镜时,这种数值孔径的提高通常伴随形成放射束的透镜的自由工作距离,即记录载体与透镜之间的最小距离的降低。数值孔径越高,这种物镜的制造成本变高,透镜场降低,制成透镜的材料的分散日益带来问题。问题可通过在物镜与记录载体之间插入凸透镜而被减轻。凸透镜可以是平凸透镜。凸透镜可以是滑动器透镜或固态浸没式透镜,并且可通过确定它的轴向位置,即沿透镜光轴它的位置而被设置在记录载体上很小的距离处。更大的距离也是可能的。放射束的总的会聚被分布在物镜和平凸透镜上。使用平凸透镜的一个优点是它几乎不对放射束增加象差。
具有这种平凸透镜的扫描设备可从欧洲专利申请No.0727,777中已知。该设备包括其中物镜和平凸透镜把放射束会聚于0.84的数值孔径(NA)以经透明层扫描记录载体的光头。平凸透镜被设置在记录载体上面的一个较小的高度。透镜可被安装在滑动器上,与记录载体滑动接触或漂浮在薄空气层上。透镜具有几个微米的自由工作距离。已知的设备的缺点是当改变为对带有更大厚度的透明层的记录载体进行扫描时,自由工作距离将相当程度地降低。对于一些情况,当把透明层的厚度从100改变到600μm时,它表现为从300到125μm的改变。这种降低需要平凸透镜的高度可根据要被扫描的记录载体的类型而被调整。它还影响平凸透镜的动态行为,尤其是伺服控制透镜的轴向位置和/或倾斜的行为,并增加光头与记录载体之间的撞击可能性。
本发明的一个目标是提供一种用于用不具有上述缺点的高数值孔径的放射束扫描两种类型的记录载体的扫描设备。
根据本发明通过在开头的一段中描述的扫描设备来实现该目标,其特征在于凸透镜的放大率基本上等于1/n1,并且该装置维持凸透镜与记录载体之间的距离在一预定值。扫描设备具有凸透镜与记录载体之间的距离对于第一和第二类型的记录载体基本上是相同的优点。因此,对于两种类型的记录载体可使用相同的平凸透镜悬臂,从而简化扫描设备的设计并改善扫描设备的光撞击到记录载体中的容许公差。用于轴向定位物镜和/或凸透镜的扫描设备的伺服系统可相对简单。伺服系统必须调整物镜的位置,使得放射束被聚焦到信息层上,并且它必须保持凸透镜与记录载体之间的距离在一恒定值。对于不同的记录载体伺服系统不需要不同的设置。根据本发明的扫描设备的一个优点是对于被扫描的记录载体自动调整球差补偿。
在扫描需要最大的数值孔径(NA)的记录载体时放大率优选是1/n1。这通常是具有最薄的透明层的记录载体类型。当透明层的折射率在1.5到1.6之间的范围内时,放大率处于0.625到0.667之间,即0.646±0.021。
本发明还涉及一种用于光学扫描记录载体的光学扫描设备,记录载体包括至少两个在上面的信息层和设置在信息层之间的具有折射率n1的透明间隔层,该设备包括用于把放射束会聚聚焦在信息层之一上的物镜和凸透镜;和用于轴向定位凸透镜的装置,凸透镜具有面对物镜的凸表面、面对透明层的基本上是平面的表面、放大率和折射率n2,其特征在于凸透镜的放大率基本上等于1/n1,并且该装置维持凸透镜与记录载体之间的距离在一预定值。当扫描从一个信息层改变到另一层时,物镜的轴向位置必须被改变来移动放射束的焦点到要求的信息层,而凸透镜与记录载体的入口表面之间的距离,也称为间隙,不必要被改变。由于凸透镜与记录载体的入口表面之间的距离可被保持在固定值,扫描设备的光头的构造被简化。
透明层的折射率n1优选大于凸透镜的折射率n2。由具有比n2低的折射率的凸透镜与具有比n2高的折射率的透明层之间的间隙引起的球差至少部分互相补偿。由物镜引入的球差量被降低,其依次还提高所提到的位置容许公差。折射率优选有关系(n1-1)>1.03(n2-1)。
为在聚焦位置处获得最小球差,间隙大小dgap根据下面的关系式优选取决于凸透镜的折射率n2和透明基片的n1:
dgap/ds=(n2/n1 3)*(n1 2-n2 2)/(n2 2-1).
对于ds值大于dgap40%内dgap值优选满足该关系式,其中ds是透明层的厚度。
ds值优选大于dgap值以获得可利用材料的折射率。
放大率与折射率n1的乘积优选位于0.95到1.05的范围内。
本发明的目标、优点和特征从下面的对本发明的优选实施例的更特定的描述中变得更明显,如附图所示。
图1表示扫描设备;
图2表示物镜和凸透镜;
图3表示三种不同类型的记录载体;及
图4表示物镜和平凸透镜的实施例。
图1表示用于扫描光记录载体1的扫描设备。记录载体包括透明层2,在其一侧上设置信息层3。通过保护层4使远离透明层的信息层的那一侧免受环境影响。面对设备的透明层的那侧称为入口表面5。透明层2通过提供对信息层的机械支持而起到记录载体的基片作用。另外,透明层有保护信息层的唯一功能,而通过在信息层的另一侧上的一层来提供机械支持,例如通过保护层4或通过连接于信息层3的又一信息层和透明层。信息可以基本上平行的、同心的或螺旋的轨道来设置的光学可检测的标记的形式被存储在记录载体的信息层3中,这一点在图中未表示出来。标记可以任何光学可读的形式,例如以凹坑的形式,或者用反射系数或磁化方向不同于它们周围的区域的形式,或者以它们的组合形式。
扫描设备包括放射源6,例如发射散射的放射束7的半导体激光器。束分离器8,例如半透明板,把放射束反射到透镜系统。透镜系统包括准直透镜9、物镜10和凸透镜11。准直透镜9改变散射的放射束7到准直束12。具有光轴13的物镜10把准直束12转变成入射到透镜11的会聚束14。准直透镜9和物镜10可被组合为一个单一的透镜。凸透镜11把入射束14改变为会聚束15,其聚焦到信息层3上的焦点16。凸透镜11具有一个凸表面和一个大致的平面,即,透镜11是平凸透镜。平面可具有没有明显的光强的非球面轮廓。平面可具有一个曲率,例如为了空气动力目的,曲率足够小而不明显影响凸透镜的光学性能。平面面对透明层2并形成透镜与该层之间的间隙。尽管物镜10在图中表示为单一的透镜元件,它可包括更多元件,并且可包括在透射或反射中操作的全息件,或用于耦合载有放射束的波导之外的放射的光栅。由信息层3反射的会聚束15的放射形成反射束17,其在向前的会聚束14的光路上返回。物镜10和准直透镜9把放射束17转变为会聚的反射束18,束分离器8通过透射至少部分的反射束18向检测系统19而把向前的和反射的束分开。检测系统捕获放射并把它转换为一个或多个电信号。这些信号之一是信息信号20,其值代表从信息层3读出的信息。另一个信号是聚焦误差信号21,其值代表焦点16与信息层3在高度上的轴向差别。聚焦误差信号被用作对聚焦伺服控制器22的输入,其控制物镜10和/或凸透镜11的轴向位置,从而控制焦点16的轴向位置,使得它基本上与信息层3的面一致。检测系统的包括一个或多个放射敏感检测元件和处理检测元件的输出信号的电路的用于产生聚焦误差的部分被称为聚焦误差检测系统。用于定位透镜系统的聚焦伺服系统包括聚焦误差检测系统、聚焦伺服控制器和用于移动透镜系统的致动器。
间隙,即透镜11的平面与记录载体1的入口表面5之间的距离应被基本维持在名义值,而与记录载体的类型和记录载体中信息层的位置无关。这可通过使用载有透镜11的无源空气支承结构而获得并被设计来维持该间隙在名义值。也可能使用光学获得的误差信号,其代表实际间隙与它的名义值的偏离。通过利用误差信号作为用于致动器伺服环路的输入信号,特定的致动器保持平凸透镜在它的与透明层离开预定的距离处。透镜10的致动器被聚焦误差信号21控制来保持焦点16在信息层3上。
在放射束必须经过比透明层的设计厚度更厚的透明层而被聚焦时会出现球差,这种球差通过聚焦物镜的行为而被补偿。这个聚焦行为引起平凸透镜产生抵消更厚的透明层产生的象差的球差量,这是由于变化的放大率引起的。在物镜的聚焦行为期间,间隙应以上述方式被基本维持在它的名义值。记录载体的透明层的厚度的变化通常是名义厚度的百分之几的数量级,例如对于100μm的名义层厚度则其小于10μm。特定应用的变化的峰峰值在3μm之内。
图2表示物镜10和平凸透镜11的放大。物镜10可以是单一个的非球面平凸透镜或两个的非球面透镜。物镜10以已知的方式被设计以补偿由凸透镜11和透明层2引入的球差,从而使放射束靠近焦点16而名义上基本没有球差。
如果使平凸透镜11的放大率B基本等于1/n1,即透明层的折射率的倒数,光头对于透明层2的厚度变化的容许公差相对大。这一点可如下理解。当透镜10与透镜11的距离变化时,透镜11的共轭距离改变。如果透镜11的图像共轭变化Δl的数量,放射束15中的球差W变化:
由透明层2的厚度变化Δd1引入放射束15的球差等于:
若透镜11的图像共轭变化Δl且透明层的厚度变化Δd1,透镜11与记录载体的入口面之间的距离d2必须改变Δd2以保持放射束聚焦在信息层上,其中:
由厚度变化引入的球差可通过选择ΔW1=-ΔW2而被补偿,导致Δl的值等于
结果得到的平凸透镜11与透明层2的入口表面5之间的距离dgap中的改变Δdgap为
方括号中的项通过使B的值等于1/n1而为0。在距离dgap中的改变Δdgap在这个近似中与透明层2的厚度变化Δd1无关。换言之,透镜11的自由工作距离与透明层的厚度无关。
扫描设备被设计来扫描两种不同类型的记录载体。图3表示第一类型的记录载体25,包括具有入口表面29的透明层26,在表面29上扫描设备的放射进入记录载体。记录载体25还包括信息层27和保护层28。第二类型的记录载体是图1所示的记录载体1,具有透明层2、信息层3和保护层4。信息层3和27可具有不同的或类似的信息密度,信息可以不同或相似的格式被存储在不同或类似的类型的标记中。透明层2的厚度大于透明层26。透明层26的厚度可以是0,使记录载体称为所谓的空气入射记录载体30,如图3所示,并包括信息层31和保护层或基片32。在特定的示例中,透明层26是100μm厚的聚碳酸酯箔层,透明层2是600μm厚的聚碳酸酯层,而信息层27的信息密度是高于信息层3的。凸透镜11与入口表面5之间的间隙被选择为足够小以实现放射束15的要求的高的数值孔径,并足够大以避免平凸透镜11或它的夹持器与记录载体的撞击。
当扫描从第一类型的记录载体25改变为第二类型的记录载体1时,凸透镜11被定位在如它在入口面29上面具有的入口表面5上面的相同高度处。物镜10的轴向位置被聚焦伺服系统控制,从而焦点16与信息层27一致。透镜10和11的定位将以一种方式改变它们之间的距离,使得透镜补偿透明层的厚度变化引起的球差变化。由于平凸透镜11与两种类型的记录载体的入口表面之间的间隙基本上相同,光头的动态行为对于两种类型的记录载体是相似的。
图4表示用于上述扫描设备的物镜45和凸透镜46。放射的波长是650nm。扫描具有100μm厚的聚碳酸酯透明层的记录载体25的数值孔径等于0.85。用于扫描具有600μm厚的聚碳酸酯透明层的记录载体1的数值孔径等于0.60。650nm波长的聚碳酸酯的折射率等于1.5806。平凸透镜46由折射率为1.46且一个表面是平面的斯科特玻璃FK3制成。透镜46的凸表面的曲率半径是1.25mm,光轴上透镜的厚度等于1.25mm。透镜11的n1B的值是0.985。平表面47与记录载体25的入口表面29之间的距离被设计为100μm。当扫描被改变到记录载体1时,平表面与入口表面5之间的距离改变为93μm以获得最佳球差补偿,即,在100μm的距离上仅7μm的变化。因此,当从第一类型的记录载体改变为第二类型的一种记录载体时保持空气间隙等于100μm将导致有效的球差补偿。
物镜45由斯科特玻璃LAKN22制成,具有1.648的折射率。物镜的凸表面48具有等于2.429mm的曲率半径r1,凹面49的曲率半径r2等于180.368mm。光轴上的透镜的厚度是1.9mm。当经记录载体1的600μm的透明层扫描时光轴上物镜45与46之间的距离是0.010mm,经记录载体25的100μm的透明层扫描时光轴上物镜45与46之间的距离是0.985mm。表面48和49具有非球面轮廓,有下面的等式描述:
这里对于表面48,c1=1/r1,对于表面49 c1=1/r2,z是沿光轴的坐标,r是垂直于光轴的径向坐标,如图所示。系数a2到a16的值为如下所示。
表面48 表面49
a4=-0.00064031138 a4=0.018413388
a6=-0.002214109 a6=-0.023037169
a8=-0.00013925445 a8=0.0171954
a10=0.00029925671 a10=-0.0071408498
a12=-0.00010404658 a12=0.0015024416
a14=1.2246551e-5 a14=-0.00012458591
a16=-5.0598072e-7 a16=0
扫描设备还特别适合于扫描多层记录载体35,如图3所示。记录载体包括带有入口表面37的透明层36、被透明间隔层40分开的两个信息层38和39以及保护盖层41。间隔层可以是粘在信息层或30μm厚的UV硬化旋转涂覆层之间的薄片。间隔层的材料可以是诸如具有1.58的折射率的聚碳酸酯。当扫描从信息层38改变到信息层39时,物镜10被轴向移动,使得焦点16从信息层38移动到信息层39。平凸透镜11与记录载体的入口表面37之间的距离不改变,即,自由工作距离保持大约相同。物镜10与平凸透镜11之间的距离改变引入球差,其补偿由于检测层40引入的球差。物镜与平凸透镜的组合作为可调整的球差补偿器来操作。
Claims (6)
1.一种用于光学扫描第一和第二类型的记录载体的光学扫描设备,第一类型的记录载体包括第一信息层和具有第一厚度的第一透明层,第二类型的记录载体包括第二信息层和具有折射率n1和大于第一厚度的第二厚度的第二透明层,该设备包括用于把放射束经过第一或第二透明层会聚在信息层上而聚焦的物镜和凸透镜,以及用于轴向定位凸透镜的装置,凸透镜具有面对物镜的凸表面、面对透明层的基本上是平面的表面、放大率和折射率n2,其特征在于凸透镜的放大率基本上等于1/n1,并且该装置维持凸透镜与记录载体之间的距离在一预定值。
2.根据权利要求1的光学扫描设备,其特征在于n1值大于n2值。
3.根据权利要求2的光学扫描设备,其特征在于折射率n1与n2有关系(n1-1)>1.03(n2-1)。
4.一种用于光学扫描记录载体的光学扫描设备,记录载体包括至少两个在上面的信息层和设置在信息层之间的具有折射率n1的透明间隔层,该设备包括用于把放射束会聚聚焦在信息层之一上的物镜和凸透镜;和用于轴向定位凸透镜的装置,凸透镜具有面对物镜的凸表面、面对透明层的基本上是平面的表面、放大率和折射率n2,其特征在于凸透镜的放大率基本上等于1/n1,并且该装置维持凸透镜与记录载体之间的距离在一预定值。
5.根据权利要求4的光学扫描设备,其特征在于n1值大于n2值。
6.根据权利要求5的光学扫描设备,其特征在于折射率n1与n2有关系(n1-1)>1.03(n2-1)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20040303 Termination date: 20101129 |