CN1146595A - 光学头 - Google Patents

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Abstract

一种光学头，包括一发射读取光盘的激光束的光源，一光束分离器，用于把从光源发射的激光束和来自光盘的光分离成透射光和反射光，一个物镜，用于会聚来自光束分离器的光以便在光盘上聚焦和把来自光盘的光射向光束分离器，附在光束分离器一侧的微型菲涅耳透镜，它产生象散并会聚来自光束分离器的光，光检测器接收来自微型涅耳透镜的光，再现光盘上的信息和检测聚焦误差。该光学头结构简单，制造便利，可改善产品质量。

Description

光学头
本发明涉及一种光学头，特别是一种结构简单的新颖光学头，它采用微型菲涅耳透镜，制造程序简单。
通常，在用于重放记录在光盘形状的信息记录媒体中的信息的光盘重放装置中，设置有用于重放信息的光盘驱动机构。这种类型的光盘中，由于单元信息记录在多个轨道中，与利用磁特性的磁性信息记录媒体相比，可以记录大量信息，以完成大容量信息记录。利用光盘的这种特性，在光盘上记录静止图象或运动图象，可以获得高质量声音和高分辨率图象的信息。
在现有技术中，在光盘上形成螺旋形光道的情况下，由于光盘的偏心，光道中的扇区与光盘的旋转中心的距离不等。因此，要使激光束精确地照射光道，必须要进行跟踪控制。即使光道为圆形，光盘的偏心使得光道中的扇区和光盘的旋转中心的距离也不相同，因此跟踪控制也是必需的。光学头利用单激光束读出信息的1光束方法(参见颁发给Ryoichi的美国专利第4767921号)和利用读取信息的绕射光栅把单激光束分离为三束光的3光束方法(参见颁发给Mat-suoka的美国专利第4973886号和颁发给Takahashi等人的美国专利第5,073,888号)进行跟踪控制。
光学头的跟踪控制可通过对响应于跟踪误差信号的跟踪驱动器进行操作实现，该跟踪误差信号是由光盘和光学透镜反射的光或由光盘和光学透镜透射的光形成的。用1光束或3光束方法，使光源发射的激光束生成的1光束或3光束来产生此光。
同时，由于圆盘以导向方式(lead mode)旋转，所以光学头到光盘的距离会微小地变化。这种变化使信息的精确读取变得很困难，所以必须进行聚焦控制。为了控制聚焦，可利用象散等方法(参见颁发给Takanori的美国专利第4862446号)和一种刃口方法(参见颁发给Mosami等人的美国专利第4684799号和颁发给Koichiro的美国专利第4868377号)。在该光学头中，从激光源发射的激光束被光盘和光学透镜反射或透射并形成聚焦误差信号。响应于该信号，操作聚焦驱动器以控制聚焦。
下面将结合附图对具有上述结构的光学头详细描述。
图1为传统的光学头的概略示意图。由一个激光二极管组成的光源10产生激光束。在3光束类型的光学头中，设置了用于把激光束分离成三束光的绕射光栅11。从光源10发射的激光束由绕射光栅11分离成三束，然后由光束分离器12分离为反射光和透射光，其中，朝向光盘15的反射光由准直透镜13转换为平行光。该平行光经过物镜14在光盘15的表面形成直径约1μm的光点来读出记录在光盘上的信息。
此光束分离器12是由两个有45°角斜面的直角棱镜构成，用于透射部分输入光和以90°角反射剩余的输入光。
光盘15表面发射的激光束由不同的记录信息的凹坑15a反射不同的反射光量，根据反射光量再现信息。反射光由物镜14再一次转换为平行光以指向光束分离器12。入射光的一部分以90°角反射，剩余的入射光则透过光束分离器。在透射光的光路上设置象散产生透镜16，并安装4象限或6象限的光检测器17以接收光束。
根据光检测器17的入射光所成的象，可检测光学头的位置精度。这就是说，可测量聚焦误差和跟踪误差以产生聚焦和跟踪误差信号。响应于该信号，作为物镜驱动器的话音线圈式电机(voice coilmotor)(未示出)被驱动以移动物镜从而控制聚焦和跟踪误差。根据光盘15的凹坑15a确定的反射光量可以进行信息的重放。
图2概略示出了传统光学头的另一实施例，其为双焦点光学头。
双焦点光学头在两个不同位置形成两个聚焦点，以有选择地读出记录在例如1.2mm厚和0.6mm厚的光盘上的信息(参见颁发给Komma的美国专利第5446565)。首先，光源20发出的激光束通过绕射光栅21时，被分离为三束光，然后这三束光由光束分离器22被分离为透射光和反射光，如图2所示。从光束分离器22反射的光，由位于光束分离器22上部的准直透镜23转换为平行光。然后，进入由成为一线的全息光学透镜24和物镜25组成的组合透镜的光形成两个聚焦点，以有选择地读取记录在第一光盘26和第二光盘27上的信息。
这就是说，激光束被聚焦为直径为1μm的中空圆形光点，从第一和第二光盘26和27的凹坑26a和27a上反射。光束在光盘上未形成凹坑的地方被全部反射，而光束在形成凹坑的地方则被绕射，偏离物镜，导致了部分入射光返回，产生了光量差。
来自光盘的反射和变形的光信息通过组合透镜、准直透镜23和光束分离器22。然后该信息传送到象散产生透镜28，以产生用于检测聚焦误差的象散。光信息被送到6象限的光检测器29，RF信号、聚焦信号和跟踪信号被转换为电流，该电流由控制电路重现成用于重放的原始信号。
图3概略示出了使用偏振激光束光源的另一种光学头。
从光源30发射的偏振激光束通过绕射光栅31后被分成三束光。该光束由准直透镜32转换为平行光。被转换的平行光入射到光束分离器33并通过偏振层34，该偏振层可透过入射的偏振光，偏振光通过波长转换部，即，λ/4波长板35。该板把线偏振光转换为圆偏振光或者把圆偏振光转换为直线偏振光。由物镜36聚焦后入射在光盘37表面上的激光束，根据记录信息的凹坑37a的有无得到不同的反射光量。该反射光通过物镜36被转换为平行光并经λ/4波长板35以90°角偏振。然后，入射到光束分离器33的入射光在偏振层34上以90°角全反射在反射光通路中，设置会聚透镜38a和柱透镜38b(或刃口)作为象散产生装置，以聚集反射光和产生象散。然后该光入射到4象限或6象限光检测器39。
由光检测器39接收的光的图像，可对光学头的精度即聚焦误差和跟踪误差进行检测，以产生聚焦和跟踪误差信号。响应于该信号，物镜驱动器的话音线圈式电机(未示出)被驱动以移动物镜，控制聚焦和跟踪。此外，根据由光盘37的凹坑37a确定的反射光量完成信息的再现。
除了上述的光学头外，用于记录数据的双层光媒体的大容量小型光盘也有了发展，例如，颁发给Nagashima等人的美国专利第5,134,604号已经公开。
然而，在上述的各种光学头中，需要大量的光学器件以再现记录在信息记录媒体中的信息以及控制光源发射的激光束的聚焦和跟踪，因此光学头的尺寸较大，制造成本高。此外，各种光学器件还要沿光通路进行精确调整。
为解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种结构和制造程序简单的光学头，以提高了产品的质量。
为完成上述目的，本发明提供的光学头包括：一个为读取光盘而发射激光束的光源；一个光束分离器，用于把光源发射的激光束分离为透射光和反射光，以及把来自光盘的光分离成透射光和反射光；一个物镜，用于会聚来自光束分离器的光，在光盘上聚焦并把来自光盘的光送给光束分离器；微型菲涅耳透镜，附在光束分离器的一边，该微型菲涅耳透镜产生象散并会聚来自光束分离器的入射光；光检测器，用于接收来自微型菲涅耳透镜的光，再现记录在光盘上的信息和检测聚焦误差。
尤其特别地是，光检测器安装在光束分离器的一边上，即安装在附着有微型菲涅耳透镜的一边的相反边上。
光检测器还可以在微型菲涅尔透镜的延伸线上与光束分离器分开安装。
在任何一种情况中，把激光束分离为三束光的绕射光栅都被安装在光源和光束分离器之间，将激光束转换为平行光的准直透镜设置在适当位置。
同时，可设置全息光学透镜或微型菲涅耳透镜，以在不同的位置形成两个焦点，以有选择地用双焦点光学头再现厚度不同的两种光盘的信息。
激光束可以是偏振光束。这时，偏振层在用于透射偏振光束的光束分离器的斜面上形成，反射光与偏振光的相位相反。用于把线偏振光转换为圆偏振光和把圆偏振光转换为线偏振光的波长转换部分设置在光束分离器和物镜之间。微型菲涅耳透镜和光检测器安装在从偏振层反射的光反射方向的相同侧。
在这种情况下，用于把来自光源的激光束分离为三束光的绕射光栅也可以设置在光源和光束分离器之间。用于把激光束转换为平行光的准直透镜还可以设置在一适当位置。
此外，设置全息光学透镜或菲涅耳透镜以在不同位置形成两个焦点，以有选择地用双焦点光学头再现厚度不同的光盘中的信息。
本发明的光学头利用微型菲涅耳透镜作为象散产生透镜。微型菲涅耳透镜附着在光束分离器上，从而简化了组装过程和光学系统的结构。
通过结合附图对优选的实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点变得显而易见。
图1是传统光学头的示意图；
图2示出了传统光学头另一个实施例，它具有双焦点；
图3是示出了传统光学头的又一个实施例，它采用偏振光束；
图4是根据本发明的第一实施例的光学头的示意图；
图5是根据本发明的第二实施例的光学头的示意图；
图6是根据本发明的第三实施例的光学头的示意图；
图7是根据本发明的第四实施例的光学头的示意图。
下面将结合附图更详细地说明本发明的实施例的光学头的构成元件和工作原理。
图4概略示出了本发明的第一实施例的光学头。
首先，从光源40发射的波长为680nm的激光束由绕射光栅41分成三束光。被分离的光束由光束分离器42再分离为反射光和透射光。射向光盘44的光经过物镜43在光盘44表面上形成直径约1μm的光点，以读出记录在光盘上的光信息。此时，还可以在适当位置设置准直透镜，把入射光转换成平行光以改善光的聚集性。
光盘44表面上发射的激光束根据记录信息的凹坑44a的存在与否以不同的反射光量被反射，以读取信息。该反射光经过物镜43进入光束分离器42，入射光的一部分以90°角反射，而其余的部分的光则被透射。
来自光束分离器42的反射光由形成在光束分离器42一边的微型菲涅耳透镜45再一次反射，并产生象散并射向4象限或6象限光检测器46。微型菲涅耳透镜的透射率被调整到接近零以致入射光可以全部被反射。微型菲涅耳透镜设计成椭圆形状，以使沿X轴和Y轴的入射光获得不同的焦距，以产生象散。因此，光检测器可以被附着在未附着微型菲涅耳透镜45的光束分离器42的另一边上。见图4。
由射到检测器46的图象可以检测光学头的位置精度，即检测聚焦误差和跟踪误差，从而产生聚焦和跟踪误差信号。响应于该信号，在作为物镜的驱动器的话音线圈式电动机(未示出)驱动下，移动物镜43以控制聚焦和跟踪。根据由光盘44上的凹坑44a确定的反射光量可以再现信号。
根据上述实施例，用于产生象散和聚集入射光的光束分离器、菲涅耳透镜和光检测器可以制成一个器件。
图5概略示出了可有选择地再现两种光盘的双焦点光学头。
如图5所示，从光源50发射的激光束经绕射光栅51分离成三束光。这些光束由光分离器52再分离成透射光和反射光。来自光束分离器52的反射光进入组合透镜，该组合透镜是全息光学透镜53和与物镜54成一线平行放置得到的。在不同的位置形成的两个焦点，便于有选择地读取在0.6mm厚的第一光盘55上和1.2mm厚的第二光盘56上记录的信息。
这就是说，被全息光学透镜53分离的光束，然后聚焦成直径约1μm的中空圆形，射向具有凹坑55a和56a的第一光盘55和第二光盘56。在未形成凹坑的光盘表面上的光被全部反射，而在形成凹坑的光盘的表面上的光则由凹坑绕射并偏离物镜。因此，入射光的一部分返回光检测器产生光量差。变形和反射的光信息通过组合透镜然后被光束分离器52反射或透射，该反射光由附在光束分离器52一侧的微型菲涅耳透镜57再一次反射，从而产生用于检测聚焦误差的象散。该光信息入射到6象限光检测器58以把RF信号、聚焦信号和跟踪信号转换为电流，该电流由控制电路再现为原始信号。
根据此实施例，用于产生象散和用于聚集光束的微型菲涅耳透镜形成在光束分离器的一侧，用于接收来自微型菲涅耳透镜的反射光的光检测器形成在光束分离器的另一侧，如图5所示。
第二个实施例对双焦点光学头进行了说明。该实施例可用于采用在单面具有两个或多个记录层的光盘的光学头。
图6示出了根据本发明的第三实施例的具有用于发射偏振光束的光源的光学头。
发射例如P波的偏振光束的光源60，把偏振光束分离成三束的绕射光栅61，以及把入射光转换成平行光的准直透镜62成为一线平行置放。平行光通过透射P波同时反射S波的偏振层64。偏振层在光束分离器斜面上形成，然后穿过作为波长转换部分的λ/4波长板65。该λ/4波长板使线偏振光转换为圆偏振光。被转换的光由物镜66聚焦，射在光盘67的表面上并根据记录信息的凹坑67a的有无反射不同光量的光。反射光反向旋转并与入射光方向相反。该反射光由物镜66转换为平行光和由λ/4波长板65转换为线偏振光。因此，从λ/4波长板到光束分离器的入射光是S波，该S波与光源的初始发射波的相位差为90°
入射到光束分离器63的S波由偏振层64以90°角全反射。微型菲涅耳透镜68位于该反射光的通路中以便聚焦和产生象散。4象限或6象限光检测器69接收此反射光。
在该实施例中，微型菲涅耳透镜被安装在光束分离器上和偏振层的反射光的通路中，该偏振层被覆在光束分离器的斜面上，从而简化了构造。
根据光检测器69上接收光的图象，可检测光学头的位置精度，即聚焦误差和跟踪误差，以产生聚焦和跟踪误差信号。响应于该信号，移动物镜以控制聚焦和跟踪。此外，根据由光盘67的凹坑67a确定的反射光量可以完成信息的再现。
图7概略示出了使用发射偏振光束的光源的双焦点光学头，根据本发明的第四个实施例，它用再现两种光盘的信息。
该光学头包括：一个用于发射偏振光的光源70，一个用于把偏振光分离成三束的绕射光栅71，一个用于把分离的光束转换成平行光的准直透镜72，一个光束分离器73，一个用于将来自光源70的入射光透射和反射来自光盘的反射光的偏振层74，一个用于把线偏振光转换为圆偏振光和把圆偏振光转换为线偏振光的λ/4波长板75，一个用于产生象散和将入射光聚焦到光检测器的微型菲涅耳透镜80和一个光检测器。见图7。
但是，全息光透镜76和物镜77被成为一线平行放置，以形成两个焦点，以便有选择地再现记录在0.6mm厚的第一光盘78上和在1.2mm厚的第二光盘79上的信息。
这就是说，由物镜聚焦得到的中空圆形光点的直径约1μm，射向具有凹坑55a和56a的第一光盘78和第二光盘79的表面。未形成凹坑的光盘表面上的射入光被全部反射，而形成凹坑的光盘表面上的射入光通过凹坑绕射并偏离物镜。因此，入射光的一部分返回到光检测器，产生光量差。
从上面对各种实施例的说明，不难看出本发明的光学头通过减少光学器件的数量可使之小型化，并可以降低光盘的制造成本。此外，由于避免了精确校准许多光学器件的困难，因此产品的质量可以改善。
尽管对本发明的优选实施例作了说明，但应该明白，本发明不限于这些优选实施例，在权利要求书所规定的本发明的精神和范围内，本发明的光学头的各种变化和改进都可以由本技术领域的熟练人员实现。

Claims (12)

1、一种光学头，包括：
一光源，用于发射读取光盘的激光束；
一光束分离器，用于把所述光源发射的激光束分离成透射光和反射光，并用于把来自光盘的光分离成透射光和反射光；
一物镜，用于会聚来自光束分离器的光以在光盘上聚焦并用于把来自光盘的光射向光束分离器；
一微型菲涅耳透镜，附在光束分离器的一侧，该微型菲涅耳透镜产生象散和会聚来自光束分离器的入射光；和
一光检测器，用于接收来自所述微型菲涅耳透镜的光，再现光盘上记录的信息和检测聚焦误差。
2、根据权利要求1所述的光学头，其特征在于，所述光检测器装在所述光束分离器上并附在所述微型菲涅耳透镜的相反侧。
3、根据权利要求2所述的光学头，其特征在于，光检测器与光束分离器分开安装，并装在微型菲涅耳透镜的延伸线上。
4、根据权利要求2所述的光学头，其特征在于，用于把来自光源的激光束分离为三束光的绕射光栅设置在光源和光束分离器之间。
5、根据权利要求2所述的光学头，还包括一个在适当位置上的用于把激光束转换为平行光的准直透镜。
6、根据权利要求2所述的光学头，还包括一个全息光学透镜或微型菲涅耳透镜，用于使经光束分离器透射的光在不同位置形成两个焦点，以有选择地读取具有不同厚度的两种光盘。
7、根据权利要求1所述的光学头，其特征在于，激光束是偏振光束，
以及设置一个在光束分离器斜面上的偏振层，用于透射该偏振光束和反射具有与偏振光束相反相位的光束，和一个在光束分离器与物镜之间的波长转换部分用于把线偏振光转换为圆偏振光和把圆偏振光转换为线偏振光，
其中，微型菲涅耳透镜和光检测器被安装在偏振光束被反射的位置。
8、根据权利要求7所述的光学头，其特征在于，用于把激光束分离成三光束的绕射光栅设置在光源和光束分离器之间。
9、根据权利要求7所述的光学头，还包括一个在适当位置上的用于把激光束转换成平行光的准直透镜。
10，根据权利要求7所述的光学头，还包括一个全息光学透镜或微型菲涅耳透镜，用于使经光束分离器透射的光在不同位置形成两个焦点，以有选择地读出具有不同厚度的两种光盘。
11、根据权利要求10所述的光学头，其特征在于，用于把激光束分离成三光束的绕射光栅设置在光源和光束分离器之间。
12、根据权利要求10所述的光学头，还包括一个位于适当位置的用于把激光束转换成平行光的准直透镜。
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