CN1160910A

CN1160910A - 光学装置

Info

Publication number: CN1160910A
Application number: CN96105715A
Authority: CN
Inventors: 土居正人; 成井启修; 中尾敬
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 1997-10-01

Abstract

本发明的光学装置包括发光部分、聚光器件和光接受部分，其中由发光部分发出的光被聚光器件会聚并照射于被照射部分上，从被照射部分反射的返回光再被聚光器件会聚；光接受部分以及来自受照射部分之返回光位于所述聚光器件的共焦点附近；从发光部分发射的光通过相同光轴的光路，并且在其于被照射部分上被反射之前和之后由光接受部分接收，光接受部分根据差动法检测信号。

Description

光学装置

本发明涉及一种光学装置，用于接收和检测由光发射部分的光照射在诸如光盘或磁光盘之类的光学记录介质部分上所返回来的反射光。

迄今为止，在诸如小型光盘(CD)用的光盘驱动装置或磁光盘驱动装置用的光学拾象器中，诸如光栅或分光镜等光学元件都是单个制作的，致使光学装置变大，并使结构复杂。另外，当把这样的光学元件制作于光学装置的基板上成为混合基片时，必须以极高的调整精度使它们被光学地定位。

附图1示意地表示关于记录介质，如光盘上的反射点入射光的光路和反射光的光路。如图1所示，按照目前市场上能买到的光学拾象器70，将由物镜71所会聚的光射光LF引入光学介质，如光盘72的记录凹坑中，它在那里被反射和衍射成三束光斑，即零级衍射光斑、+1级衍射光斑和-1级衍射光斑，形成反射光LR。各衍射光束互相干涉，改变由从光盘72回来的反射回光LR形成之远场图样的光强，同时，光学拾象器70利用光强的这种变化再现记录在光盘72上的信号。

当入射到光盘上的光的一个束斑移离轨迹或凹坑时，+1级衍射光斑和-1级衍射光斑之间产生一个强度差，形成一个非对称的远场图样。作为公知的追踪伺服方法之一的差动法，利用上述现象，借助两个探测器A和B产生相应于该非对称远场图样的信号，并由计算器(未示出)计算这些信号，检测束斑的移位。

图2示意地表示一种光学拾象器的例子。如图2所示，光学拾象器91包括半导体激光器92、准直透镜93、光栅94、偏振光束分光器95、四分之一波片96、聚焦透镜97、柱面透镜98和由光敏二极管(PD)组成的光接受元件99。由半导体激光器92发射的激光束L通过准直透镜93、光栅94、偏振光束分光器95、四分之一波片96、聚焦透镜97被传送，并照射在光盘100上。在光盘100上反射的回程光被偏振光束分光器95反射，再通过柱面透镜98，由光接受元件99接受。

当这个光学装置根据差动检测追踪伺服信号时，必须使各光学元件以很高的位置精度组合在一起，并最大限度地防止透镜的横向移动或减小光盘的径向扭曲。本光学拾象器中的光学元件都是单个制作的，而且各光学元件的尺寸较大，需要较高的对准精度。

当光束返回发光部分并检测返回的光束时，光束会被分光镜或全息器件所分离，从而使光接受部分接受的光量减少。

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种光学装置，如光学拾象器，其中组件数目可被减少，为调整本光学装置相应元件之特定相互关系所需的对准调整可被简化。

本发明的另一目的在于提供一种可使结构简化，小型化的光学装置。

本发明的再一目的在于提供一种容易制作的光学装置。

本发明的又一目的在于提供一种光学装置，通过增大回到光接受部分的光的比率，可降低能耗。

本发明还有一目的在于提供一种光学装置，它能利用具有高精度调整的差动法可靠地检测信号，从而能够稳定地进行追踪伺服。

按照本发明的一种情况，提供一种光学装置，它包括发光部分、聚光器件和光接受部分；其中由发光部分发出的光被聚光器件会聚并照射于被照射部分上，从被照射部分返回的光再被聚光器件会聚；所述光接受部分相对来自受照射部分之返回光位于所述聚光器件的共焦点附近；从光发射部分发射的光通过相同光轴的光路，并且在其于被照射部分上所反射之前和之后被光接受部分接收；所述接受部分根据差动检测信号。

按照本发明的另一种情况，提供一种光装置，它包括由水平谐振腔型激光器构成的发光部分、位于面对该激光器一个出光端面处的反射部分，以及在反射部分上形成的光接受部分。其中，光接受部分位于从光接受部分返回光的共焦点位置附近；光接受部分根据差动法检测信号。

按照上述结构，在光接受部分根据差动法检测信号时，可以检测入射到被照射部分上，即从发光部分发射的光照射被照部分位置上的光。

图1是表示一个光学拾象器中的光的反射衍射的示意图；

图2是表示一个光学拾象器的光学系统的示意图；

图3是表示按照本发明的一个光学拾象系统中的光的反射和衍射的示意图；

图4A和4B是表示光盘上束斑的被照位置与反射光及衍射光分布之间关系的示意图；

图4C是表示照射束斑中心的位置与光接受部分输出功率的差之间关系的曲线。

图5是表示光盘上的反射光的衍射光的示意图；

图6是表示本发明一种具体实施例光学装置的示意透视图；

图7是表示透镜位置移位与追踪伺服信号补偿量之间关系的曲线；

图8是表示光盘扭曲与追踪伺服信号补偿量之间关系的曲线；

图9是表示本发明另一种具体实施例光学装置的示意透视图。在描述本发明的光学装置之前，下面将描述一种方法，该方法中，追踪伺服信号由一光学系统检测，所述光学系统即当本发明的光学装置被用于从记录介质如光盘读出所记录之信号的光学系统时所用的共焦点光学系统。

图3示意地表示入射光的光路和相对于记录介质(如光盘)上反射点的反射光光路。如图3所示，按照本发明的光学拾象器60中，将经物镜61会聚的光射光L_F引入光学记录介质，如光盘62的记录凹坑中，它在那里被反射和衍射，生成三束光斑，即零级衍射光斑、+1级衍射光斑和-1级衍射光斑，从而形成类似于图1的反射光L_R。各衍射光束互相干涉，改变由从光盘62回来的反射回光L_R形成之远场图样的光强。

根据本发明，本光学拾象器类似于图1那样有多个检测器，即检测器A、B，并将检测器A、B安置在这样的位置：反射光L_R在此被诸如物镜61的聚光装置会聚并聚焦，也就是在图3所示的共焦点附近，从而形成一个共焦光学系统。

这时，就使照在检测器A、B上之反射光L_R的光斑直径减小，同时束斑也变得比图1所示情况要小，因此就可用较小的检测器检测追踪伺服信号。

本发明的光学拾象器根据差动法检测追踪伺服信号，而且将会描述利用差动法检测追踪伺服信号的具体方式。

差动法通过计算光盘上被照部分在其追踪控制槽处的反射光及衍射光检测追踪伺服信号，作为两个对称地定位于二进制光敏二极管PD上的光接受部分间的输出差。

图4A和4B示意地表示出照在光盘上的束斑位置与反射光及衍射光分布间的关系。当照射光斑的中心与控制槽(刻槽部分)中心如图4A所示那样，能够得到反射光和衍射光的对称分布时，由两个光敏二极管PD(C、D)测得的光束强度是彼此相同的。在照射束斑中心、控制槽(刻槽部分)中心以及中间部分(台阶部分)一致的情况下，可以类似于图4A那样，得到反射光和衍射光的对称分布，而且由两个光敏二极管PD接受的光束强度是彼此相同的。另一方面，当照射光斑的中心与刻槽部分或台阶部分的中心不一致时，得到衍射光的不对称分布，因此由两个光敏二极管PD接受的光束强度是彼此不相同的。

图4C是表示照射束斑中心的位置与光接受部分输出之差间关系的特性曲线。如图4C所示，当照射束斑与追踪目标相交时，由二个光接受部分给出的输出之间的差变成一条S形曲线。

下面参照图5，将更充分地描述如上所述的按差动法检测追踪伺服信号的具体方式。图5是来自光盘的反射光和衍射光的示意图。当控制栅距P变成与束斑尺寸相同时，控制槽看上去像是衍射光栅。具体地说，这时沿着满足Psinθ＝Nλ(N是整数)方向光束的相位是交错的，因此，光的强度增大。换句话说，在这样的区域内，零级衍射光斑、+1级衍射光斑和-1级衍射光斑是互相重叠的，同时，由于追踪移位所致的干涉效应，使束斑的强度分布改变。因此，如果将二进制光敏二极管PD组成的检测器放在上面的区域，检测这些输出之间的差，随之即可检测追踪伺服信号。这时，当控制槽的深度为λ/8n时，追踪伺服信号的强度变为最大，而当控制槽的深度λ/4n时，彼此干涉的衍射光束互相抵消掉，从而，追踪伺服信号的强度变为零。

接下去，将参照附图描述本发明的光学装置。实施例1

图6是示意地表示本发明光学装置的片断透视图。在本发明实例1中，记录介质为一光盘，它有带记录凹坑的记录部分2。本发明的光学装置被用于光学拾象器，用以通过将激光束照射在该光盘上读出所记录的信号。

如图6所示，本光学装置包括由半导体基板1和发光部分4组成的光学元件10，所述发光部分4由腔长方向沿所述半导体基板1之基面伸展的半导体激光器LD和位于半导体激光器LD之一出光端面上的反光镜M组成；本光学装置还包括由诸如透镜组成的聚光器件3，以及由两个光敏二极管PD(PD₁、PD₂)组成的光接受部分5。从发光部分4发出的光被聚光器件3会聚并照射于光盘等的被照部分2上。由被照部分2反射回的光L_R被同一聚光器件3会聚，再回到光学元件10。光学元件10中的光接受部分5，即光敏二极管PD₁、PD₂位于半导体基板1上、半导体激光器LD的相对一侧靠近反光镜M穿过的共焦点。

返回的光L_R被聚光器件3会聚，基本上等同于光衍射极限(即透镜的衍射极限)，光接受部分5被如此放置，使每个光敏二极管PD₁、PD₂的至少一部分光接受面处在此衍射极限内，即从发光部分4发射的光越过位于光接受面之反射面偏离其光轴的距离成为1.22λ/NA，其中λ表示发光部分4所发出光的波长，而NA表示聚光器件3的数值孔径。

另外，光接受部分5的受光面从发光部分4接受的光L_F的直径小于所述光衍射极限的直径，而且光接受部分5的有效受光面位于发射光L_F直径范围之外。如果发光部分4采用半导体激光器作为光源，则从这样的发光部分4发出的光有大约1μm到2μm的直径。若聚光器件3的数值孔径NA大约为0.09到0.1，并且所发出光的波长大约为780nm，则衍射极限大约为1.22λ/NA＝10μm。

下面将描述一种通过选择MOCVD(金属有机化学气相淀积)制作光学元件10的方法。

将由半导体激光器LD组成的半导体层以外延方式淀积在第一导电型半导体基板上。具体地说，尽管未予示出，半导体基板1被作成分层的半导体层，在它上面以适当的方法，如MOCVD法依次外延沉积上与半导体基板1同样导电类型的第一覆盖层、激活层、以及与第一覆盖层不同之第二导电类型的第二覆盖层。

然后，至少在分层的半导体层6的反射镜M部分用RIE(活性离子蚀刻)将其蚀刻掉，最后，当一部分由分层半导体层6组成的半导体层被脱离而作为半导体激光器LD时，制成光敏二极管PD。蚀刻面，即分层半导体层6的两面是谐振腔的面，半导体激光器LD的水平谐振腔被制作在这两个面之间。在此情况下越过最终通过注入杂质离子形式成半导体激光器LD水平谐振腔的区域形成电流阻挡区。

然后，将用来选择MOCVD的隔离层的掩膜层沉积在半导体基板1上，以便掩盖半导体基板1上脱离的半导体层6，即形成半导体激光器LD的部分。

通过选择MOCVD，将譬如第一导电型的第一半导体层淀积在半导体基板1不被掩膜层掩盖的部分，并通过扩散杂质，将第二导电型的第二半导体层选择性地淀积在第一半导体层的上表面上。第一和第二半导体层包含构成光接受部分5的光敏二极管PD(PD₁、PD₂)。

由此，当优先以外延方式淀积第一半导体层时，反射镜H作为一种特殊的晶面，并形成具有很好形貌的原子表面的斜面。所以，在反光镜M与半导体基板1表面之间，反光镜具有预定角度的倾斜。通过选择半导体基板1的上表面及半导体激光器LD之水平谐振腔的方向，以特种晶面制成此晶面。

也可采用其它方法制作光学元件10。这就是当已经在半导体基板1上制成分层的半导体层6以后，采用适当的方法如RIE制成一个槽，它的一个面由竖直面形成，另一个面由一斜面形成。该竖直面被用作半导体激光器LD之水平谐振腔的一个面。另外，在已经制成该槽以后，在所述斜面上制成多层介质膜的金属膜反光镜M。

在迄今如此布置的这种光学装置中，由半导体激光器LD发出的光被反光镜M反射，变成从发光部分4发出的光L_F。光L_F被聚光器件3会聚，照射于光盘的被照部分2上，并以如图3所示实施例一样的方式，在光盘的被照部分2上所形成的记录凹坑处被反射和衍射。此后，被反射和衍射的光通过与尚未反射之发射光L_F同光轴的光路传输。由被照部分2返回的光具有直径由衍射极限确定的束斑，并由在发光部分4周围形成的光接受部分5接收。光接受部分5的光敏二极管PD(PD₁、PD₂)被布置在半导体基板1上、靠近半导体激光器LD的位置处，例如在半导体基板1上布置反光镜M的一侧。于是，光敏二极管PD₁、PD₂处于所述直径由衍射极限确定之束斑的位置以内。

当光敏二极管PD₁、PD₂受到返回光L_R照射时，计算从这二个光敏二极管PD₁、PD₂产生的信号，并采用差动法检测追踪伺服信号。另外，从光盘读出所记录的信息，即由全部光敏二极管PD₁、PD₂从光盘上检测RF信号。

将图6所示之具有光学元件10的光学装置(其中发光部分4及光接受部分5都被形成于一个半导体基板1上)与图2所示之光学装置(其中发光部分的半导体激光器82和光接受部分的受光元件99是分开布置的)互相比较，也就是将透镜位置移位或者光盘弯曲或扭曲时，来自上面两种光学装置的追踪伺服信号产生的失调量(偏离正确的追踪伺服信号)互相比较。

最初比较当透镜(即聚光器件3)沿水平方向(即图6中箭号“X”所示方向)移位时，由含两个光敏二极管PD₁、PD₂之检测器按差动法计算的追踪伺服信号产生的失调量。图7就是表示由这种比较所得检测结果的曲线。

图7中，纵轴表示追踪伺服信号相对于按差动法计算之正确追踪伺服信号所观察到的失调率(％)，而横轴表示透镜位置的移位量(μm)。图7中的空心圈代表按本实例1光学装置测得的追踪伺服信号失调结果，实心圈代表按现有技术光学装置测得的追踪伺服信号失调结果。

研究图7表明，当透镜位置移位200μm时，按本实例1的光学装置产生的追踪伺服信号失调量为零，这是普通光学装置的透镜位置移位100μm时追踪伺服信号产生的失调量。

另外，当光盘像上面那样被扭曲时，追踪伺服信号产生失调。将利用差动法从普通光学装置和本发明光学装置计算的、在光盘绕过其中心之转轴有如图6中箭头“a”所示那样前后扭曲时追踪伺服信号产生的失调量互相比较。图8就是表示由这种比较所得检测结果的曲线。

图8中，横轴表示光盘相对水平方向的倾斜(度数)，而纵轴表示追踪伺服信号相对于按差动法计算之正确追踪伺服信号所观察到的失调率(％)。图8中的空心圈代表按本实例1光学装置测得的追踪伺服信号失调结果，实心圈代表按现有技术光学装置测得的追踪伺服信号失调结果。

从图8可以理解，由本发明光学装置的追踪伺服信号产生的失调量明显小于普通光学装置的追踪伺服信号失调量，并且有一个相对于光盘的径向扭曲增加的限界。

如上所述，按照本发明实例1的光学装置可以提高限制透镜位置移位的限界，同时，与普通光盘相比，还可提高光盘弯曲或径向扭曲的限界。因而，本发明实例1的光学装置能够可靠地精确测定信号，诸如追踪伺服信号或者自光盘读取所记录信息产生RF信号的变化。

按照本发明，可将发光部分和光接受部分制作在一块半导体基板上，因而可减小整个光学拾象装置的尺度。

另外，从被照射部分返回的光通过与发射光同样的光路传输。因而，可以很容易进行光学元件的对准，并可增加将要返回发光部分的光的比率。

此外，本发明的光学装置可以提高限制透镜位置移位以及光盘弯曲或径向扭曲的限界，并能可靠地测定追踪伺服信号。

按照本发明实例1的光学装置，它有制作在一块半导体基板上的单一发光部分和单一光接受部分，不过，可将本发明的原则类似地用于比如将多个发光部分和光接受部分制作在一块半导体基板上的变型。实施例2

图9表示本发明另一种具体实施例的光学装置。

如图9所示，三个光学元件21、22和23各有一个由半导体激光器LD和反光镜M组成的发光部分，和一个由形成在一块半导体基板20上的光敏二极管PD组成的光接受部分。

作为构成光接受部分的光敏二极管PD，光学元件21包括光敏二极管PD、光学元件22包括两个光敏二极管PD_2A和PD_2B，而光学元件23包括光敏二极管PD₃。

位于光接受部分中心的光学元件22呈两部分的形式，它们是将光敏二极管PD等分为两半而得到的，用于根据差动法检测追踪伺服信号，以及用于检测RF信号。

位于光接受部分两端的光学元件21和23被用来根据所谓差动法检测聚焦伺服信号。

光学元件21、22和23被按照与制作本发明实例1光学装置之光学元件10同样的方法制作。尽管没有表示出来，具体地说，使具有顺序形成于其上之多个半导体层的分层的半导体层制作在半导体基板20上，所述各半导体层包括发光部分、反光镜M，以及由光接受部分的光敏二极管PD组成的第一和第二半导体层。

由各发光部分发射的激光束L_F(图9中用虚线表示)被透镜等构成之聚光器件3所会聚，并照在光盘等的被照部分2上。如图9所示，这时的激光束L_F被照在被照部分2的三个部分上。于是，如此照上的各激光束在被照部分2上受到反射，成为返回光束L_R(图9中用细线表示)。

这些返回的激光束L_R通过具有与各发射激光束L_F同样光轴的光路回到光学元件21、22和23，并被引入光接受部分。从中央光学元件22发出之激光束L_F的光路和回到中央光学元件22之返回激光束L_R的光路实质上成为彼此一样。

这时，中央光学元件22中的光接受部位于自被照部分2返回之激光束L_R的共焦点附近。

另外，中央光学元件22可以通过按照差动法计算由光敏二极管PD_2A、PD_2B所测得的信号检测追踪伺服信号。

位于两端的光学元件21和23可根据差动法检测聚焦伺服信号。也就是说，在一种将激光束聚焦于由诸如光盘这类光学记录介质组成之被照部分2上的方法，可能够检测位于两端之光学元件21和23接收的光量，也即光接受部分之光敏二极管PD₁、PD₃输出之间的差来检测中央光学元件22的聚焦伺服信号。

具体地说，假定位于两端之光学元件21和23具有相同的接受返回光L_R的受光面积，也即相同的受光量，也就是说，当从中央光学元件22发出的光L_F被严格地聚焦在被照部分2上时，测得有同样的输出。按照上面的布置，当从中央光学元件22发出的光L_F未被严格地聚焦在被照部分2上时，一个被聚焦在光学元件21之有效受光面积上的返回光L_R的束斑变大，而被聚焦在另一光学元件23之有效受光面积上的返回光L_R的束斑变小；反过来也一样。换句话说，所测得光学元件21和23受光部分的输出强度是相反改变的。可以通过检测所测得的输出间的差检测所述的方法，在该方法中，从中央光学元件22发射的光L_F被聚焦于被照部分2上，还可将测得的信号用作为聚焦伺服信号。在图9所示的光学装置中，当使其上形成有多个光学元件的半导体基板20相对于被照部分2及聚光器件3倾斜时，将反射光L_R斜着引入光敏二极管的受光面中。于是通过增大束斑的直径，可增大受光面积及接受的光量，从而，位于两端之光学元件21和23上的光敏二极管PD₁，PD₃可以相当精确地检测聚焦伺服信号。

在本发明实例2的光学装置中，由于将发光部分和光接受部分形成于一块半导体基板上，而且类似于本发明实例1的光学装置那样，使光接受部分形成在自被照部分返回光的共焦点附近，就可使光学拾象器减小尺度，可简化光学元件的对准，还能够可靠地检测追踪伺服信号，也就是可以达到本发明实例1的类似效果。

在本发明的光学装置中，位于两端的光学元件可以检测聚焦伺服信号，又使半导体基板倾斜，于是能够斜着将返回的光引入受光面中。因此，可使所接收的光量增加，从而能够可靠地精确检测聚焦伺服信号。

另外，由于可利用于多个光接受部分检测光强分布，所以信号就有增大了的信息量，各种信号均可被检测。

如上所述，按照本发明，由于光接受部分位于返回到发光部分的共焦点附近，而且将发光部分和光接受部分形成于一块半导体基板上，所以可使整个光学拾象器的尺寸减小，并使光学组件的数目减少，因而能使光学装置小型化。

发射光和返回光通过相同光轴的光路传输，因此，可使光学系统简化。另外，可简化位置的调整。此外，与利用分光镜等分割光路的情况相比，可使回到光接受部分光的比率增加，从而使受光量增加。

因此，可用较低的激光功率实现同样的受光量，并可降低光学装置的能耗。

另外，由于光在返回光共焦点附近被接收，所以与根据远场图样检测信号的情况相比，可用差动法可靠而精确地检测信号。因此，能够可靠地检测追踪伺服信号。这时，如果提供多个光接受部分，以分割返回的光，随之即可检测诸如聚焦伺服信号的变化，并可增加信号的信息量。

此外，当把本发明应用于采用光盘、相位变化光盘或者磁光盘为光学记录介质的光学装置时，可减少该光学装置的能耗，使其小型化，并可检测信号，即再现或可靠地记录。因此，能够实现高效光学装置。

已然参照附图描述了本发明的优选实施例，但应理解，本发明并不限于这些明确的实施例，各种变化和改型对于本领域的熟练人员均为有效，而不会脱离有如所附各权利要求确定的本发明的精髓和范围。

Claims

1.一种光学装置，包括：

发光部分；

聚光器件；

光接受部分；其特征在于：

由所述发光部分发出的光被所述聚光器件会聚并照射于被照射部分上，从所述被照射部分返回的光再被所述聚光器件会聚；所述光接受部分相对来自受照射部分之返回光位于所述聚光器件的共焦点附近；从所述发光部分发射的光通过相同光轴的光路，并且在其中所述被照射部分上被反射之前和之后由所述光接受部分接收；所述光接受部分根据差动法检测信号。

2.一种光学装置，包括：

由水平谐振腔型激光器构成的发光部分和位于面对所述激光器一个出光端面处的反射部分，以及

在所述反射部分上形成的光接受部分；其特征在于：

所述光接受部分位于从所述光接受部分返回光的共焦位置附近，并且所述光接受部分根据差动法检测信号。

3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：所述发光部分及所述光接受部分形成于一块基板上。

4.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于：所述发光部分及所述光接受部分形成于一块基板上。