CN1156722C - 使用光束整形系统的光学头 - Google Patents

Abstract

一种用于光储存媒体的光学头，包括：一激光光源，用来输出光；多块平板；一个柱面透镜，其位于激光光源和多块平板之间，所说的柱面透镜有一个凸表面，该凸表面朝向所说的多块平板；一个物镜，用于使来自多块平板的入射光聚焦在光储存媒体上；和一个光探测器，接收从所说的多块平板中的一块平板反射来的光，所说的一块平板是这样的：在所说的一块平板和物镜之间至少有另外的一块平板。由于从光存储媒体反射出来的会聚光，只透过平板而按原样象散，不需要单独的透镜来进行光的探测；而且能够按需要对聚焦在光存储媒体上的光斑形状进行控制，并且能够获得最大的光利用率和波前象差。

Description

使用光束整形系统的光学头

                        技术领域

本发明是关于一种使光束整形的光学系统和使用该光束整形系统的光学头，尤其是关于一种使从光源输出的光束具有所希望的形状的光学系统，和使用该光学系统的光学头。

                        背景技术

用于CD盘和DVD盘之类光存储媒体的光学头使用一个激光光源来输出具有椭圆形截面的光束，激光光源输出的光线由激光二极管的激发层产生并呈发散状。附图1是对激光产生的简单解释。

图1显示从一激光二极管输出一椭圆形光束。在图1中，激光二极管中交接面的方向，也就是平行于激发层的方向用“‖”表示，垂直于交接面的方向用“丄”表示，这里，丄方向与流经激光二极管激发层的电流的方向一致。关于激光二极管(由Bue Sky Research制造的PS010-00型)，激发层区域以图1中所示的B点为中心，大小为1μm(丄方向)×3μm(‖方向)。激光从该激发层区域产生，由于通过激发层区域输出的光起始于二个不同的点A和B，该输出光有象散距ΔZ，该象散距表示点A和B之间距离。激光的发散角一般θ为20～40°，θ‖为8～20°因而，输出的光束具有一个相对于光轴为椭圆形的截面。特别是，具有大的光束直径的长轴与丄方向一致，而具有小光束直径的短轴与平行于交接面的‖方向一致。

然而，由于用于光存储媒体的物镜是圆形，为提高光的利用率，需要具有圆形截面的光束。下面参考附图2A至图4来描述根据这一需要而提出的传统的光束整形的方法。

图2A和图2B所示的光学系统包括二个柱面透镜11和12，图2A显示的透镜11和12是从与‖方向一致的平面上观察的，图2B所示的透镜11和12是从平行于丄方向的平面观察的，透镜11和12的焦距分别不同。使如图1所示从激光光源输出的发散光束通准直透镜(图中没表示)准直，然后入射到透镜11。为使以平行于‖方向入射到透镜11上的光线适当地发散，透镜11在与‖方向一致的方向上具有平凹状，透镜11无折射地透射平行于丄方向的入射光。从透镜11出来的光线入射到透镜12，透镜12把来自平凹透镜11的以平行于‖方向入射的光线以基本上为平行光的形式输出，而以平行于丄方向入射的光线被无折射地通过透镜12，使其基本上保持为平行光。这样，在如图2A所示的平行于‖方向的方向上，入射光的光束直径Wi变成具有较大的光束直径Wo。结果，使从激光光源输出的椭圆形光束成为基本上为圆形截面的光束。

图3显示了一种传统的光束整形棱镜，入射到图3棱镜上的光束是一种从激光光源输出的椭圆形光束，并和图2A和2B中一样经过准直透镜准直，准直后的光束入射到棱镜21的表面23。在图3所示的入射面上，入射角为θi方向入射的小直径光束经过折射率为n的棱镜21的折射，其折射角为θo，然后从表面25输出。棱镜21使入射到图3的入射面上的光束直径Wi变成较大的直径Wo，然而，对于入射到垂直入射面的其它平面上的光的光束直径，棱镜21几乎不对其产生变化。因此，从表面25输出的光束基本上变成圆形。

图4显示了一种传统的利用一种微透镜使光束整形的光学系统，如上面图1中所描述，从激发层41输出的光具有一椭圆形的截面。该光线入射到距离激发层几个微米的微透镜42上，微透镜42有一种光学特性，其中，对按图4中虚线所示的方向入射的小直径光线基本上是无折射地透射，而对于按实线所示的方向入射的大直径光线，微透镜42使其通过凸面421折射成基本上为平行光，并使该光线通过面423发散以致使其与小的光束直径方向上的光束直径基本上一致。

由于上面所描述的具有非常好的波前象差的柱面透镜很难制造，也很难调节光轴，因此很少采用柱面透镜的方法。

关于棱镜，由于只有在基本上以平行光入射时才可能进行所要求的光束整形操作，需要一单独的准直透镜来使激光光源产生的发散光束准直，从而导致光路较长，以致难于制造一种小型的光学头。

关于使用微透镜的方法，微透镜应安装在激光二极管的输出窗内，因此没有激光二极管的制造者而要把微透镜与激光二极管组装在一起很困难，制造费用很高，而且要制造一种具有非常好的性能的微透镜也很困难。

                        发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种使光的利用率和波前象差达到最优的光束整形光学系统。

本发明的另一个目的是提供一种使用上面所说的光束整形光学系统的光学头。

所提供的用于光学储存媒体的光学头包括：包括：一激光光源，用来输出光；多块平板；一个柱面透镜，其位于激光光源和多块平板之间，所说的柱面透镜有一个凸表面，该凸表面朝向所说的多块平板；一个物镜，用于使来自多块平板的入射光聚焦在光储存媒体上；和一个光探测器，接收从所说的多块平板中的一块平板反射来的光，所说的一块平板是这样的：在所说的一块平板和物镜之间至少有另外的一块平板。

                        附图说明

下面结合附图描述最佳实施例，其中：

图1是说明一个激光光源产生椭圆形光束的视图；

图2A和2B是说明一种传统的采用一柱面透镜来整形光束的光学系统；

图3显示了一种传统的光束整形棱镜；

图4显示了一种传统的采用一微透镜来整形光束的光学系统；

图5A和5B显示了一种按照本发明实施例的整形光束的光学系统，其中，图5A所示的光学系统是按激光光源所产生的光的光束大直径方向观察的，图5B所示的光学系统是按激光光源所产生的光的光束小直径方向观察的；和

图6的视图显示了一种按照本发明的一个实施例的光学系统。

                        具体实施方式

下面将参考附图详细描述按照本发明的一种光学系统和使用该系统的光学头。

图5A和图5B是显示一种按照本发明的一个实施例的光学系统的不同的视图，图5A所示的光学系统是按激光光源所产生的光的光束的大直径方向观察的，图5B所示的光学系统是按激光光源所产生的光的光束的小直径方向观察的。激光光源所产生的光的光束直径大的方向与附图1中所描述的丄方向相同，而激光光源所产生的光的光束直径小的方向与附图1中所描述的‖方向一致。在按照本发明的光学系统中，从激光光源输出的椭圆形光束最后被整形成为一种基本上是圆形的光束。因而，激光光源所产生的光的光束大直径的方向和光束小直径的方向用丄方向和‖方向来表示。

该光学系统包括一个柱面透镜53，二块平板55和57，和一个准直透镜59，激光二极管51产生一束发散的基本上为椭圆形截面的激光，该激光入射到柱面透镜53上，柱面透镜53包括面533和535，它们的轴与‖方向平行。柱面透镜53被制造成使它的面533相对于丄方向为负光学放大率，而面535相对于丄方向为正光学放大率，面533的光学放大率值比面535的光学放大率值相对稍小，本发明的柱面透镜53并不局限于该特定性状和取向，可以变更柱面透镜53，使其有一平行于‖方向的轴，并且其表面分别相对于丄方向为双凸状。

来自激光二极管51的光线入射时，相对于丄方向上如图5A所示，具有上述结构的柱面透镜53使该入射光发生折射，以减小光束的发散。而对于‖方向的入射光，柱面透镜53使其按图5B所示输出。从而，在从柱面透镜53输出的光线中，相对于丄方向的发散稍稍减小，而相对于‖方向的发散基本上保持与从激光二极管51输出时相同。

接收来自柱面透镜53的光线的第一块平板55是一平面平行板，它的表面553和555互相平行，安装该第一块平板55，使其以一条平行于激光二极管51光轴的线为基准有一个倾角θ。在柱面透镜53对光线的折射固定的情况下，通过控制第一块平板55的倾角θ能使丄方向的光束直径和II方向的光束直径相同，然而，大家都知道，当第一块平板55斜插到散射光或会聚光的光路上时，会发生慧形象差和象散现象。

在沿光路的不同位置上以交叉方式设置平板可以修正慧形象差，因此使用了第二块平板57，第二块平板57有一个面573朝向第一块平板55的表面555，第二块平板57也是一块平面平行板，其表面573与面575平行。安排平板55和57，使其相对于垂直光轴的面呈平面对称关系，该平面对称关系显示在图5A中。这样，当第一块平板55以一条平行于激光二极管51光轴的线为基准斜置角度θ时，第二块平板57斜置角度-θ。用一种具有相同折射系数的光学部件加工平板55和57，例如用玻璃。同时，由于平板55和57的插入而产生的象散现象通过光学系统中的柱面透镜53补偿，柱面透镜53也补偿图1所描述的象散差，也就是由于在产生光的激光二极管的激发层区域内的起始点不同而发生的象散差。

第一块平板55使来自柱面透镜53向着图5A的丄方向的入射光通过平板表面553折射，而向着图5B的‖方向光线基本上无折射地透过平板55，第二块平板57也执行与平板55相同的功能，也就是说，第二块平板57使来自第一块平板55的平板表面555向着图5A的丄方向的入射光通过平板表面573折射，而向着图5B的‖方向光线基本上没有折射地透过。因此，透过第一块平板55和第二块平板57后的光变成一束圆形光束，丄方向的光束截面基本上与‖方向的光束截面相同，这可以从图5A和图5B看到。同时，由于光束整形是按小的光束直径而不是按大的光束直径进行的，从而能使整形后的光在光记录媒体的信号记录面上所形成的光点的大小减小。准直透镜59朝向第二块平板57的平板面575，其使来自第二块平板57的散射光准直，因此，如果在准直透镜59的后面安装一物镜，则就制成一个能被用于光学头的完整的光学系统。

上面参考附图5A和5B所示的实施例已描述了有关产生一束基本上为椭圆形截面光束的激光光源，然而，需要整形的光束有各种各样，包括白光或自然光。有可能在本发明的范围内作各种改变来使这些光束整形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。

作为一种改变，用一个输出圆形截面光束的光源替代上面所述的激光二极管51，在这种情况下，使圆形截面的光束变成具有一长轴光束直径和一短轴光束直径的椭圆形截面的光束，长轴光束直径或短轴光束直径中的任何一个可以与光源输出的光束直径相同。

作为另一种变化，把输出椭圆形截面光束的光源放在准直透镜59的位置上，在这种情况下，使椭圆形截面的光束变成具有圆形截面的光束，其直径与椭圆形截面的长轴光束直径和短轴光束直径中的任一个相同。

由于这些改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见，因此不再对这些改变作进一步的解析。

图6显示了一种采用上面图5A和图5B描述的实施例的光学系统，在图6中，激光二极管51、柱面透镜53和第二块平板57的排列与它们在图5A中的方式相同，并执行同样的功能，但与图5A所示的不同的是，第一块平板55的平板表面555透射来自平板表面553的光，并反射来自第二块平板57的平板表面573的光，也就是说，平板表面555具有一种已知的分束器的光学性能，来自第二平板的表面573的入射光被平板表面555反射。

图6所示的光学头除了上面所述的光学部件之外还进一步包括一反射镜58、一个物镜60和一个光探测器63，图6的光学头的排列要使得激光二极管51的光轴与物镜60的光轴不平行，物镜60是用来使入射光聚焦在光记录媒体的信号记录面上。也要使反射镜58的位置能把来自第二平板57的入射光反射到准直透镜59。这样，激光二极管51的光轴垂直于物镜60的光轴，从而能够把光学头制造得很小巧。

从光记录媒体61的信号记录面反射出来的光透过物镜60和准直透镜59，然后入射到反射镜58，入射到反射镜58的光经过准直透镜59的会聚后呈会聚状态，因此经反射镜58反射并经第二平板57折射的光也具有会聚状态。这样，从平板表面555反射来的光既以会聚状态传播，又具有象散现象，这是由于从平板表面555反射的会聚光仅仅透过一块平板57，不同于聚焦在光记录媒体61的信号记录面上的光线。为把从平板表面555反射的光线所具有的象散现象用作聚焦伺服，该实施例使用了一个光探测器63，该光探测器的结构中运用了一种已知的象散方法。

如上所述，按照本发明实施例的光学系统使用了一个柱面透镜和平板来整形光束，从而以低费用使光源输出的椭圆形或圆形光的光束整形。此外，对于从激光光源输出的椭圆形光来说，对长光束直径方向进行光束整形使其与短光束直径一致，因而使激光的利用率和波前象差达到最优。而且由于从光束整形的光学系统输出的光线是发散的，以及该光学系统使用了多块平板，从光记录媒体反射的光是会聚的，并照原样象散，结果可以利用象散的方法进行聚焦伺服，而不需要用单独的吸收镜来把光会聚到光探测器上。此外，由于激光光源的光轴垂直于物镜的光轴，能够得到小巧的光学头。

虽然这里只对本发明的某些实施例作了专门的描述，显然不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对其作各种改变。

Claims (13)

1.一种用于光储存媒体的光学头，包括：

一激光光源，用来输出光；

多块平板；

一个柱面透镜，其位于激光光源和多块平板之间，所说的柱面透镜有一个凸表面，该凸表面朝向所说的多块平板；

一个物镜，用于使来自多块平板的入射光聚焦在光储存媒体上；和

一个光探测器，接收从所说的多块平板中的一块平板反射来的光，所说的一块平板是这样的：在所说的一块平板和物镜之间至少有另外的一块平板。

2.按照权利要求1所说的光学头，其中，所说的光探测器具有一种适于根据象散方法来检测光的结构。

3.按照权利要求1或2所说的光学头，其中，所说的多块平板中的每一块都是一块有使入射光折射的光学性能的平面平行板。

4.按照权利要求3所说的光学头，其中，所说的多块平板包括二块板，这二块板相对于与所说的光源的光轴相垂直的平面具有平面对称关系，并透射入射光。

5.按照权利要求4所说的光学头，其中，靠近所说的光探测器的一块平板把来自远离所说的光探测器的另一块平板的入射光向所说的光探测器反射。

6.按照权利要求5所说的光学头，其中，所说的激光光源的光轴不与所说的物镜的光轴平行，光学头进一步包括一个反射镜，把从所说的另一块平板来的入射光向所说的物镜反射。

7.按照权利要求6所说的光学头，其中，所说的激光光源的光轴垂直于所说的物镜的光轴。

8.按照权利要求1或2所说的光学头，其中，所说的激光光源产生具有椭圆形截面的发散光束。

9.按照权利要求8所说的光学头，其中，所说的柱面透镜有一个圆柱形表面，它的长轴是一条与所说的椭圆形光束的小直径方向平行的轴，且朝向所说的多块平板，所说的圆柱形表面有一正光学放大率。

10.按照权利要求8所说的光学头，其中，所说的柱面透镜有一个圆柱形表面，它的长轴是一条与所说的椭圆形光束的小直径方向平行的轴，且朝向所说的光源，所说的圆柱形表面有一负光学放大率。

11.按照权利要求10所说的光学头，其中，所说的负光学放大率的值小于所说的正光学放大率的值。

12.按照权利要求8所说的光学头，其中，所说的多块平板在平行于所说的椭圆形光束的大直径的平面上，其光束的发散度小于在平行于所说的椭圆形光束的小直径的平面上的光束的发散度。

13.按照权利要求1或2所说的光学头，进一步包括一个准直透镜，使经过所说的多块平板的入射光准直，并把光传送到所说的物镜。

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