CN1164734A - 组合激光源和检测系统 - Google Patents

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Abstract

激光以一种精确的方式聚焦在多层光盘记录系统中的选定层上，借助于从颤动光源上输出电信号的分析，导致产生一电信号，该信号与系统部件相对运动的数量成正比，该运动在某一层上实现所需的聚焦。

Description

组合激光源和检测系统
本发明一般地涉及一种系统，用于在多层光盘信息存储系统中，将激光聚焦在选定的层上。更具体地，本发明针对一种系统，用于提供一种电信号，该信号与激光源为实现聚焦而相对于旋转光盘的移动数量成正比。甚至更具体地，本发明针对一种系统，其中，一种透镜或光源作机电高频振动以产生一种电信号，该信号突出地表现为有能力为被读或写的光学层提供指示。最重要的和与本发明最相关的是，它针对一种半导体激光器，它既可用做光源，又可用做检测器。
采用光学盘用于信息存储，已变得很流行了。这些盘能存储数字化数据，并通常称为CD ROM。已证明，这些器件能存储成百上千个兆比特的信息。
甚至最近，已经证明，用光盘存储技术可以在多个层上读写信息。这些新光盘可在每个附加层上存储不同的信息。这种光学存储的多层方法显著地增加了每个盘的存储容量。然而，采用这些盘需要高密度驱动器。
这些新的驱动器包括一台激光器和装在一种伺服电动机控制的机构上的透镜。通过移动透镜趋近和远离光盘，激光聚焦在盘中的不同层上。可是，在盘中用于数据存储的层数越多，提供正确的激光聚焦就越困难。尤其是，作为聚焦困难的结果，这些盘在每个数据层之间典型地要求具有厚度为100微米或更多的“缓存器”。
因此，需要能在光盘上精确地聚焦激光，并伴随地能从该特定层上读出反射光。由此可见，采用使用伺服电动机和已经存在于这种驱动器中的反馈环路的一种定位准直技术是很可取的。此外，对于便携式或移动式应用中，甚至对单层光盘，能改进跟踪以便使它们更能耐冲击和振动，通常是可取的。同样，通过简单地改变已经使用的盘驱动器以便提高其跟踪精度，能对这些问题提供一种解决方案也是很可取的。用一种系统，其中激光光源也用做反射光的检测器，尤其能很好地满足这些要求。
根据本发明的一种实施方案，一种光学信息存储系统包括一种包含存储信息的可旋转光盘。提供一种激光源，以便从可旋转的盘上产生调制反射。在光盘附近，提供一种透镜系统装置或机构，用于聚焦激光。提供一种高频振动装置或机构，它能引起激光源的振动，及/或使透镜移向或远离可旋转的盘。这将引起检测信号的调制，它可用于产生一种显著的优点。进而，本系统采用激光源作为独立的光源和检测器，它在光从盘上反射后接收光；该光源/检测器将光变换为电信号。而且，关于本发明的特殊相关性，具有一种装置或机构，用于分析来自光检测器的电信号，及用于从此产生一种为达理想聚焦使光源相对于盘移动量成正比的电信号。在本发明的另一种实施方案中，分析来自光检测器的电信号的装置可简单地用于指示激光聚焦在多层CD-ROM盘中哪个平面上。
在这里，发明者们了解到，信号检测过程可能是以发生在某些固态激光器件中的、在此以前没有描述过的物理现象为基础的。特别是，本申请人了解到，当激光二极管的调制光反射回来照入二极管自身时，其电流强度发生变化。特别是，本申请人了解到，可以利用激光二极管既当作光源，又当做检测器，用于CD-ROM驱动电路。特别是，本发明人了解到，这种现象允许不用单独的光检测器来构成电路。因此，这就导致较轻的重量，较容易移动，并较容易聚焦激光/检测器机构。而且，结果是可能增大光学存储密度。
进一步注意到，本发明的一种重要情况是，利用特定的输出波形，用来辨别激光源的定位。特别是，通过与两台计数器耦合的阈值电路的简单的便利，可能通过适当的计算机逻辑，提供一种指明聚焦平面的电信号。而且，作为能够知道聚焦平面定位在哪里的自然结果，相应地比较容易将焦平面控制在人们需要的地方。
于是，本发明的目的之一是，提供一种在多层光盘上提供读写信息的机构。
此外，本发明的目的之一是，在光盘存储系统中，提供一种更精确和严格地校准激光读写系统的数字电信号和电路。
本发明还有另一个目的是，在CD-ROM系统中更容易控制聚焦和对准。
本发明还有另一目的是，增大光学信息盘的存储容量。
本发明仍有另一目的是，扩大对多层光盘和多层光盘系统性能的应用。
本发明还有另一目的是，使激光读写系统的重量更轻。
本发明还有一个目的是，增大光盘驱动器的存储，速度和容量。
本发明仍有进一步的目的是，利用Z轴方向聚焦原理，也在X和Y轴方向提供精确的跟踪。
本发明的又一个目的是提供一种简单的数字电路以确定聚焦定位。
最后，但不限于此，本系统的目的之一是，提供一种既可当做激光源，又当做反射激光检测系统的机构。
在说明书的结论部分中，特别地指明本发明的主题并突出地提出权利要求。但是，既做为组织又做为实施方法的本发明，和进一步目的和优点一起，可由结合附图参照下列说明得到最佳的理解，其中：
图1是部分示意框图，用于说明本发明的系统；
图2是原理框图，示出一种信号处理机构，用于产生一种与提供正确聚焦所需的距离成正比的信号；
图3示出根据本发明产生的各种信号波形的波形作为焦平面的CD位置相对于透镜光束腰平面的函数；
图4是图3示出的信号经过阈值检测电路处理后的波形的说明；及
图5示出用于确定焦平面位置的数字电路的一种实施方案；
图6示出确定焦平面位置的数字电路另一种实施方案；及
图7示出由反射和检测(激)光产生的各种信号，该信号是当高频振动用于跟踪在X-Y平面中，不同反射率区域边界时产生的。
作为企图逐步移动透镜改变位置而又保持聚焦的替代办法，根据本发明，宁愿将透镜前后移动，或在中心位置附近“颤动”。颤动频率可以低到几百赫，以便不影响盘驱动器其它方面的运行。颤动的光从光盘上反射，并用光检测器取样。根据本发明的其它方面，这些方面将在下面更详细地讨论，做为另一方案，激光器或光二极管本身可交替地用做光检测器。
当要读的光盘表面在焦点内时，反射光信号相对于颤动频率被倍频。在下面更详细地讨论的图3和4中，倍频将更做专门说明。这种倍频可用阈值处理电路检测，该电路将倍频转换成数字信号。当移动透镜在光盘不同的层上聚焦时，反射光信号仅部分倍频。用这种方法可以精确地测定什么时候光聚焦在盘的几个不同平面上。盘上相继的平面间的间隔等于颤动信号的四分之一。例如，若采用2.5千赫的颤动，可区分两个相距100微米的平面的聚焦。采用5千赫的稍高的颤动频率，使人们可分辨仅相距50微米的平面。以这种方法，人们可将光聚焦在更多的，彼此更接近的平面上。本发明仅限于透镜的实际颤动频率。透镜的标称位置(颤动的中心点)由一种检测器电路的反馈环路有效地控制。以这种方法，盘的所需平面总保持在焦点上。由于在盘上保持更精确的聚焦，在单个的盘上本方法允许使用更多的层，并可使存储密度增大3或4或更多的因数。作为一种替代办法，本发明可以高精度地检测单层盘是否在焦点上。
相应地，本发明的方法还可用于制造和利用单层盘驱动器，因此，该驱动器更为健全并能抗冲击和振动，正如在移动及/或便携式计算机的环境所遇到的情况。而且，本发明的执行是极为实际的，因为现有的光盘驱动器已包括可用于执行本发明的必要的伺服电动机和透镜定位系统。进而指出，本发明适用于存储有计算机数据、声频信息及/或视频信息的光盘驱动器的读和写。此外，值得注意的是，本发明提供的颤动还可由透镜本身的机械振动变形产生，而不是用机械装置将透镜单纯地前后移动。不过，这不是本发明的优选实施方案。
为了更完整地理解本发明，将注意力针对图1，其中用示意图的形式表示一种可用于说明本发明操作的装置。特别是，在图1中，其中，二极管注入型激光器10将激光穿过优选的交叉纤维80投向透镜100，交叉纤维80可修正激光的不均匀发散。交叉纤维80用于使激光成圆形，以便使在两方向中的发散相等。透镜100的物理定位用音圈20控制，该音圈由函数发生器60获得适当的颤动信号。该信号还包括一种适当的直流偏置控制电平。光从透镜100投向光盘或CD靶30，然后光从CD靶被反射，穿过透镜100和二极管注入型激光器10回到光检测器40。从光检测器40来的电信号可被直接利用。作为替代，本发明者们观察到，实际上，流过二极管注入型激光器10的驱动电流，被从靶返回的光所调制。于是，通过在电源70的电流通路中提供一电阻器R(参考号90)，通过将其对置的端点连接到提供交变输出信号的差分放大器50上，可以提取这种相同的信号作为跨在电阻器R的电压降。在一适当的时间周期τ(用毫秒量度)内积分该信号，可产生一输出信号，这里也称为R，它正比于对一特定的层实现最佳聚焦而重新定位透镜的量。
如在图3中着重说明的，在最佳聚焦点，颤动调制输出信号被倍频。参照图3的讨论，这种现象更特别地说明如下：
图2是功能框图，示出用于测试本发明原理的一种装置。尤其是，函数发生器60产生颤动信号I＝IosinΩDt。同时，包括光检测器40、二极管注入型激光器10、光束准直交织纤维80、透镜100的激光光学装置，导致产生一信号S。颤动信号I和返回信号S，最好是分别流过放大器55和56。根据下列方程式：
信号S可表示为具有直流分量a0的、加上其它正弦和余弦分量的傅里叶级数。
从检测器40的输出，即跨接在电阻器90上的电压、正比于信号I和S的矢量叉积。如果该叉积在颤动信号的周期(周期为τ)内积分，由此可得的结果表示在下列方程2中。 R ∝ ∫ θ t ( I O sin ω D t ) ( a 0 + a 1 sin ω D t + a 2 sin 2 ω D t + · · · ) dt
由于在下列方程中表示的正交性关系：
Figure A9710306400073
由此可见，输出结果R和系数a1的数值成正比。这种数值表示从焦平面至所需平面间的距离。于是，看来本发明的唯一特性是，提供一种信号，该信号与定位误差的量成正比。这是一种重要特性，因为它为精确地准直透镜提供一反馈控制机构。
此外还可看出，输出结果或正或负，这取决于透镜偏离焦点的方向。因此，信号R允许确定三种条件：(1)系统是否偏离焦点；(2)透镜实现聚焦必须移动的方向；和(3)透镜恢复焦点必须移动的量。
而且上述方程证明，对于发生的任何散焦的数量，总是可能确定这些性质。对本发明来说，这是唯一的特征，尤其是和要求透镜被(可能是异常大的)预定的最小数量散焦的其它系统比较时。这种限制严重地削减了透镜焦点的精细控制。可是在本发明中，最小的修正限制不是一种固有的限制。
更特别地，在图2中可以看出，信号R可通过可选用的变换器110反馈至伺服驱动器200，它在周期τ中作出响应，以便为适当聚焦而正确地定位透镜。可以看出，这种反馈机构采用的变量具有最大的修正误差。以这种方法，可完成精确和迅速的对准。
本发明操作的原理可以更具体地在图3中说明，图3显示一种5层光盘的实例。尤其是，从透镜100向外轴向伸展的线，表示对该透镜聚焦的锥形。特别是，对于任何给定的透镜配置，聚焦锥形具有一个点，在该点它是最狭的。这点确定透镜的光束腰平面。对于透镜的特定形状来说，这种平面是恒定的。还应特别指出，相对于这个和其它图形，有关的特征是透镜和盘间的距离。图3是从透镜方向看去而画出的。在中心的垂直实线表示，当所加的颤动电压为零时，透镜的DC位置。该DC位置，名义上可被想做待读的盘的等层的位置。在图中的左手部分中示出的数字，对应于图中右手部分示出的信号时间点。现在特别地对颤动方面的操作进行描述。
具体来说，从图3中位置1可见，DC位置处于其最远的右手传播点。当透镜进一步向右作颤动时，信号电平从位置1处的电平降到在位置2处的最低点。当颤动的透镜返回标称的DC位置时，信号值回到在图中点3处的值。当透镜位置由于颤动进一步向右移动时，即接近透镜的光束腰平面，信号在位置4处增至其最高的正输出电平。此后，当透镜回到其DC位置时，信号电平再次下降。于是，当透镜颤动一个循环周期τ时，信号电平变至图3所示的情况1(“1”如图中圆周中所示)的左手和右手部分的位置1，2，3，4和5所显示的电平。
当DC位置进一步向左移动时，可见到产生了不同的输出信号。该信号显示在图3的情况2中。循环的第一个半周几乎全同于情况1中显示的情况。不过，曲线的深度不像在情况1中显示的那样剧烈。尽管如此，更有意义地是，在颤动的位置通过0偏置位置3时，随着最大值两次通过光束腰平面，颤动的透镜产生了一个有双峰4和6的信号。因此，总的输出信号在周期τ的后半部分出现倍频的形式。最后的输出信号在图3中如情况2所示。
特别应当指出的是，在图3的情况3中，输出波形有效地显示为颤动驱动器信号的倍频。发生这种情况是因为DC位置全同于光束腰平面。这说明，焦点在平面上的情况是最佳选择。
这种颤动倍频现象，在美国专利4,385,744号提出的，该专利于1982年11月9日授与Richard Wilkinson。不过，Wilkison的讲述并未提供一种机构用于提取R值，该值表示移动透镜实现焦点量。若没有这个变量，难以实现对准机构的反馈控制。
关于图3中所示的其它情况，情况4和情况5是稍微对称的，但分别是情况2和情况1的镜象。在每种情况下，示出了输出信号的波形。
本发明者进一步认识到，最后的输出波形可用数字方式处理。尤其是，在图3中，情况1至5的波形可通过一种阈值检测器。如果进行这种过程，最后的信号波形和各尖峰或脉冲，分别是B至F部分，示于图4中。具体来说，参照图4的部分B，可以看出，情况1导致低于0伏电压参考线的两个脉冲，随之以高于所示参考线的两个电压脉冲。当输出信号形式上升到高于参考电平51或52，如图4的左手部分所示，导致产生这些脉冲。用同样方法，可以产生脉冲或尖峰序列作为其它情况的结果。这些情况示于图4的C、D、E、F部分。
此外，本发明者了解到，这些信号可通过一正脉冲计数器和一负脉冲计数器，以便提供透镜的DC位置相对于所需待聚焦平面所在地方的极迅速的指示。进行这种数字信号处理操作的电路，示于图5中。另一种替代办法示于图6中。具体地参考图5，来自图1中显示装置的信号经过阈值检测器120，导致产生如图4的右手部分所示的一系列尖峰脉冲。提供一正脉冲计数器130对电压为正的脉冲计数。类似地，负脉冲发生器140计数负脉冲。这些计数器的输出送到状态检测逻辑电路150，该逻辑电路可几乎立即提供DC透镜位置相对于所需位置的指示。
具体地，如果正脉冲计数器130具有数值1，这意味着图4中的D、E、F情况是可能性。如果下一个脉冲是正脉冲，情况E和F是可能性。如果在一行中出现三个正脉冲，则显然图4的E部分说明的情况是适应的。这对应于图3中的情况4。于是，可知，移动颤动偏置的DC值，从而将透镜移向右方是所需的。应当特别地注意，在确定要做什么来改变DC偏置值时，并不需要生成全部脉冲。在它加速正确操作方面，这是非常需要的。人们甚至不需要等待整个的颤动周期τ，以开始通过反馈伺服环路开始产生所需的定位。作为替代办法，上下计数器135可将其输出信号供应计数器逻辑电路155，该逻辑电路以类似方式操作，以提供透镜位置相对于其所需位置的一种指示。
在发展这里公开的改进的聚焦系统过程中，关于某些激光器件的操作，本申请者也发现和利用了一种全新的现象。具体地，半导体二极管激光器，如那些从固态材料，包括砷化镓铝，当调制激光被反射回到激光腔时，可起光检测器那样的作用。反射回到空腔的光的调制表现为激光驱动电流的相应调制。如果信号以不同于激光驱动信号的频率被检测，因而，这两者可用一种选频滤光器分开，然后，可由串联的电阻器获得被检测信号，从而传导驱动电流(如上面讨论的并示于图1中)。也可采用用于检测电流变化的任何其它方便的装置。
具体地，参考这里讨论的聚焦应用，颤动信号以比激光数据速率低得多的频率工作，因此，用传统的信号滤光器件和方法很容易分开。可是，这种现象的利用不限于CD-ROM型的应用场合。例如，它也可被用于条形码扫描器，或在采用从靶反射激光的光纤传感器系统中应用。
采用上述既当作激光源，又当做信号检测器的半导体激光器件，对工业提供许多好处。例如，本发明的这方案消除了对额外的单独的检测器的需要。单单这一点就是肯定的成本、包装和制造方面的优点。可是，它只是许多有关的优点之一。另外，这种设计简化了聚焦光学器件和准直，因为待检测光只是从它的来处简单地沿同一路径反射回来的。利用这种简化的光学几何结构，本装置更能耐冲击、振动和其它光源的失配情况。光学的或光振幅技术因光学像差和光源波动而遭受损失。不过，本发明采用了一种基本上摆脱这些振幅问题的频率方法。因此可见，应用频率效应的直接结果是，整个系统很不易遭受噪声效应的影响(例如，由激光驱动电流变化引起的光强变化)。可是，这并不妨碍基于振幅的方法和本发明结合。
此外，因为消除了光检测器，而且提高了光学容差，读头可做得比较轻(较小的质量和重量)。这意味着，读头可以更快地移动。单独这一点就给于数据存取更多的时间，因此，也给与数据检索更多的时间。此外，通过简化和聚焦光学元件，读头可放得更靠近CD-ROM盘。这就可能制造更紧凑的驱动装置，这是对便携应用特别重要的一种特征。
最后，但很重要地，由于能将读头移得接近盘，实现了光的更好聚焦，可使磁道更加靠近在一起，从而增加存储密度，即使是在单面，单层CD器件中也是如此。
根据上述，应理解到，本发明在控制激光聚焦在固体内各种平面上时，使本发明更突出地便于实用。于是，当本发明定位系统的基本应用针对多层CD-ROM读出设备时，也应理解到公开的设备和方法可用于读出三维全息信息。因此，本发明也是一种精确选择固体内一平面区域的控制机构所述区是一全息存储介质，用于在激光和存在于选定平面的光学，晶态，结构或其它特性的相互作用。
与上述Z-方向的位置控制相对应，可在系统中找到本发明原理的另一种应用，用于改进在X-Y平面内的CD-ROM磁道跟随。在这种情况中，颤动最好是应用于CD-ROM盘上相对于弯曲磁道的径向方向。由于磁道间的面积比有纹孔的写区段更具反射性，可利用返回信号的性质指示聚焦激光点相对于跟随磁道的位置。如上述，这种较大的控制度，允许磁道间的间隔更接近，从而增加表面数据密度。可是，因为有部分磁道未被写入，或以各种有纹孔的数据模式写入。最好在较长的时间周期中对输出电平进行平均。于是，例如，当上述积分过程在一周期τ中进行时，作为实例，对X-Y方向控制的过程可采用对周期为4τ的积分。
X-Y定位的原理示于图7A至7D。在每一种情况下，示出了聚焦(激光)光点的中间位置，其以频率ω左右(X-方向)颤动。如果，如图7a所示，光点永远不能跨过反射区(在左边)和无反射区(在右边)间的边界，输出电平相对恒定(按前述求平均值进行补偿的无反射区的纹孔除外)。如果，像图7C和7D所示、聚焦光点的正中位置如图所示，可分别地看出图7C和7D右手部分中的最终输出波形变化。于是，和对Z轴方向定位一样，颤动也可用于在所需的(图7B)跟踪和移动光点的需求之间进行识别。还有，如上述，相对于Z轴方向定位，本发明还提供了待定值R，表示中间光点位置将移动的数量和其中必须移动的方向，即，在图7C中向右，和在图7D中向左移动。
本发明还有一种应用，是在光盘既包含音频和视频，及/或音频和数字式数据时，从其上读出存储的(典型地数字式)信息。尤其是，计算机应用的CD-ROM，和描述为数字式视盘(DVD)的光盘，以不同格式存储信息的情况。此外，光盘可在一层存储音频信息，而在另一层存储数字式数据。读出这两种不同格式的(音频与数据)激光点的大小也是不同的。可是，本发明既能控制焦平面也能控制激光点的大小。即使这两种不同格式存在于一张单层光盘上，用本发明的方法和系统，该光盘仍是完全可读的。
还应理解到，虽然这里讨论的实例针对单个读头的应用，本发明还是完全可用于采用读头阵列(或其它读出设备)实现并行数据读出的情况与设备。事实上，由本发明做成更实用的、较小的尺寸，可提供较大空间供附加读头的并行操作。
根据上述，应当理解，所有上述目的已经达到。此外，可以看出，本发明的装置提供一种机构，用于在多层光学存储盘设备中精确地调整激光源的焦点。因为本发明可利用光束腰线圈激励的机构，用于定位光学存储盘透镜系统，本发明的系统可以最小的不便利性用于现有CD-ROM设备的改型。不过，应特别指出，本发明的操作不限于透镜的振荡运动。光源或靶也可移动。有关连的是，系统(光源，透镜，反射靶)中的一种元件对其它两种元件的相对运动。在采用本发明的典型的CD-ROM系统中，靶本身的运动不是所需的。
虽然根据其某些优选实施方案详细描述了本发明，但那些熟悉本领域技术的人员仍可进行许多改动和变化。因此，附加的权利要求书意图覆盖一切适合本发明的实质精神和范围的改形和变化。

Claims (5)

1.一种组合的激光源和检测系统包括：
一个半导体激光源，它能通过改变加到所述半导体光源上的驱动电流，使其光输出被调制；及
用于检测流过所述半导体激光源的电流变化的装置，所述变化取决于从所述半导体光源上发出并返回的调制激光。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述检测装置包括一所述电流经过的电阻性装置，和耦合至该电阻性装置两端的电压信号的频率滤波器装置，该频率滤波器能在与所述变化同样的频率范围内选择性地通过信号。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于，进一步包括反射性靶装置，该装置的定位能把来自所述光源的光返回到所述光源。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于，所述反射性靶是旋转的。
5.根据权利要求3的系统，其特征在于，所述靶是一种小型盘。
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