CN1164917A - 用于多层记录载体并包含聚焦控制电路的光扫描装置 - Google Patents

用于多层记录载体并包含聚焦控制电路的光扫描装置 Download PDF

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Abstract

在扫描部件内的光束(8)聚焦在多层光记录载体的信息层(3)上。聚焦控制电路(22)保持光束的焦点(9)在信息层上。当焦点转移到另一信息层时，为了与信息层内信息的存在无关聚焦控制电路不再监控所谓中心孔径信号焦点转移期间，使聚焦控制单元的反馈环特性改变，以避免在转移期间焦点移动的不稳定性。在预定的时间周期之后使反馈环的特性恢复，则焦点靠近指定层，而恢复了的控制环调节指定层的焦点。

Description

用于多层记录载体 并包含聚焦控制电路的光扫描装置
本发明涉及用于扫描光记录载体的光扫描装置，该载体至少具有第一和第二压于其上的信息层，它包括：
包含有把光幅射聚于焦点的装置的光学系统，
用于控制聚焦装置的聚焦致动器，以便使焦点沿垂直于信息层方向移动，
用于获得指示焦点和待扫描层之间方向和距离的聚焦误差(FE)信号的聚焦误差检测器，
一种聚焦控制电路，用于根据FE信号获得聚焦致动器驱动信号(FA)，并把上述驱动信号提供给聚焦致动器，以便使聚焦致动器维持焦点基本上在待扫描层上，
第一控制器用于产生二值环控制信号，在接收到从第一层改变到第二层的层转移命令之后，这信号取第一逻辑值，以控制聚焦控制电路功能改变，而取第二逻辑值，用以控制功能的恢复。
光(数据)记录载体可能包括一些信息层，以增加其存储容量。这些层中的每一层被依靠物镜聚到一个焦点上的单光束每次一层地扫描。聚焦控制电路根据表示焦点偏离信息层的聚焦误差信号控制物镜位置，聚焦控制电路维持焦点在信息层上。聚焦误差信号来源于由记录载体光的反射或传输，并为光检测系统截取。来自记录载体的光幅射也用于产生所谓中心孔径(CA)信号，这种信号是对记录载体的光反射总量的一种量度。CA信号可用于形成一种信息信号，用来表示从记录载体的信息读取。
当扫描装置开始一扫描过程时，它必须把物镜移向记录载体，在移动期间，焦点穿过所谓记录载体的光入射平面、一种记录载体衬底的低反射界面，穿过该入射面，信息层被扫描，为了避免焦点锁定在光入射面上，聚焦控制电路检查CA信号的幅度。当由于光入射平面幅度小于某一电平，则电路将不把焦点锁定在光入射平面上，并且把物镜继续移向记录载体。当焦点接近记录载体的信息层时，这层的高反射将引起CA信号越过上述电平，于是聚焦控制电路将把焦点锁定在信息层上。
欧洲专利申请号0020199公开了一种扫描装置，它包括一种聚焦控制电路，用于在光记录载体的两信息层之间改变焦点。当改变到另一信息层时，聚焦控制电路的反馈环断开，致动器在合适的方向被驱动，并且CA信号的高频成分受到监控。当高频成分的幅度越过某一电平时，焦点接近于信息层，于是反馈环闭合。聚焦控制电路务必使焦点跟随着信息层。
已知扫描装置的缺点是：如果一层或二层尚未提供有信息，则层间焦点的改变不再能操作。这种状况出现于多层记录系统。因为在那种情况下CA信号不包含高频成分，上述电平不可能被越过，因此反馈环将不会闭合。
本发明的目的在于提供一种光扫描装置，不论层是否含有任何信息，它能可靠地聚焦在光记录载体的所有信息层上。
此外根据本发明所述的扫描装置其特征在于：这种光学扫描装置包括用于产生转移控制脉冲的脉冲产生装置，当用上述脉冲产生装置在接收上述跳层命令时以便触发聚焦致动装置，至少在转移控制脉冲期间，这个跳层命令进一步引起聚焦控制电路功能的基本改变，或在上述时间周期过去后聚焦控制电路功能的恢复。
根据本发明所述，光扫描装置另一实施方案的特征在于：基本改变要持续一预定的时间周期，这大体上比转移控制脉冲的时间周期长。在本实施例中在转移期间致动器的运动是由转移控制脉冲引起的，在转移控制脉冲之后，致动器以恒定速度运转，并且与聚焦误差信号无关，为的是使焦点接近于待扫描的层。知道了层间距离，例如25μm，给予转移控制脉冲以合适功率，在这速度下致动器将运转而且使聚焦控制电路不起作用，在聚焦伺服控制必须不起作用的期间所经历的预定时间周期能够很容易决定。接着聚焦控制电路的功能恢复，焦点将聚焦到待扫描的层上。
如果只应用FE信号，则在焦点从一层移向另一层时必须采取特殊措施。假若聚焦控制电路的反馈环在改变到另一信息层时是保持闭合，则致动器(围绕处于二信息层间FE信息的过零点)达到太高速度。因此致动器可能冲出指定的信息层之外。根据本发明所述装置通过断开反馈环或者部分反馈环(在围绕上述过零点间隔内)以避免过分的速度增加，解决了上述问题。
由于围绕上述过零点FE信号的斜坡对速度增加的一个重要贡献来源于在反馈环内的微分分支。因此，待断开的反馈环部分最好是微分分支。反馈环的其它两分支，即比例分支和积分分支在一定程度上能够根据记录载体的移动在转移期间控制致动器速度。
根据本发明所述扫描装置的优选实施例，其特征在于：通过中断在聚焦控制电路输入端上的输入信号实现基本改变。
本发明的这些特征和其它特征参照下述实施例将阐明得一目了然。
在下列图中，
图1表示根据本发明的扫描装置的原理图。
图2表示作为焦点位置函数的焦点误差信号的形状。
图3表示聚焦控制电路原理图。
图4表示第一控制器的实施例。
图5表示第二控制器的实施例。
图6表示作为焦点位置函数的聚焦误差信号和中心孔径信号的形状。
图7表示可调整的微分器。
图8表示根据本发明提出的部件内的聚焦位置、聚焦误差信号和聚焦衰减器信号随时间变化图。
各图标注的相同的参考数字表示相同的元件。
图1表示根据本发明所述用于光记录载体1扫描的光扫描装置。图1给出了具有各间隔距离δ的压于其上的三层信息层2、3、4的记录载体截面图。每一层透过具有在周围介质和记录载体之间形成的光入射面的透明衬底被分别地扫描。信息层2、3部分反射，以便使信息层4可能通过层2和3而被扫描。信息可能在信息层内以凹坑或凸起形式或者具有与周围区域不同的反射或磁化强度的区域形式编码。记录载体可能是围绕其中心可旋转的盘形或矩形。
扫描装置具有用于产生对记录载体扫描的光束的光学系统。光学系统包括光幅射源，例如半导体激光器，形成光束8。通过聚焦装置10，例如单元或多元物镜，光束会聚于焦点。物镜可以藉助聚焦致动器12沿其光轴，即Z轴，在箭头11的方向移动。聚焦致动器可能是以磁线圈内磁铁形式或以一个或多个磁铁内的磁线圈形式的线性马达。物镜的移动能使焦点9穿过信息层移位。从记录载体1反射的光幅射由物镜10经光束分离器13会聚在检测系统14上。检测系统14一般包含几个光敏检测元件。元件的电输出信号馈送到信号形成电路15。电路产生电信号的和，并作为中心孔径信号(CA信号)输出。CA信号作为对记录载体1反射的光幅射总量的量度。CA信号的高频成分(h.f.)代表在信息层内编码的信息、并且被电路15B用于从CA信号中产生时钟信号Clk。
信号形成电路15从检测系统的输出信号产生径向误差信号，它表示焦点中心和跟踪在信息层上的记录道中心之间的距离。尤其从美国专利No.5321676大家知道了维持焦点在记录道中心的径向控制系统，但在图上既未解释也未绘出。
信号形成电路15也形成这样一种检测系统14的电输出信号组合，为的是得到聚焦误差(FE)信号。FE信号值表示焦点偏离正在扫描的信息层的方向和大小。电信号的组合方式，检测元件的布局以及光束分离器13的形式取决于用于形成FE信号的方法。特别是与分别从美国专利No.4 023 033，欧洲专利申请号No.0 583 036和美国专利No.4724 533获悉，可能的方法是所谓astigmatic(像散)法，Foucault(傅科)法以及光束尺寸法。
图2表示对信息平面两次过零的FE信号形状，FE作为在Z方向即沿着物镜10的光轴方向的焦点位移函数。FE信号基本上是零，当处于相隔δ的位置16和17，这里焦点分别与信息层2和3重合。FE信号在每一过零点16和17的两侧各有正最大值18、20和负最大值19、21。
在图1，FE信号输入到聚焦控制电路22，以便根据FE信号产生聚焦致动器(FA)信号，并且把上述驱动信号提供给聚焦致动器装置12，以促使致动器维持焦点9基本上在待扫描的信息层上。图3给出了聚焦控制电路22的原理布局。FE信号输入到包含交叠滤波器和放大器的滤波电路23。滤波电路的输出信号用作三个电路的输入。第一个电路是线性放大器24，用于得到成比例的聚焦控制作用。第二个电路是微分器25，用于得到微分聚焦控制作用。第三个电路是积分器26，用于得到积分聚焦控制作用。三个电路的输出信号组合于加法器电路27内，为聚焦致动器12产生FA信号。积分器26从脉冲发生装置28得到一附加输入信号。这电路28能产生称为转移控制脉冲的恒定脉冲信号，而积分器上的输入引起FA信号电平以呈斜坡上升形式增加。线性放大器24、微分器25的输入和积分器26的两个输入能分别被安置于信号到输入端的通路上的开关29，30，31和32中断。开关由环控制器33根据环控制(LC)信号控制。LC信号能包含一系列平行传输的信号。开关的断开和闭合改变聚焦控制电路22的特性，实际的控制运行将在下面解释。积分器26最好在其一个或多个输入端上(取代其在输出端上)开和关。在输出端开关必然使FA信号去除或添加给积分器的输出，这输出可能具有相当大的电平，因此干扰了聚焦控制。图3所示的控制电路22的实施例藉助于积分器有规律上升的输出，在层转移期间控制聚焦致动器的移动。在另一实施例中聚焦致动器的移动通过由转移控制脉冲发生电路28′提供给加法器电路27的正或负转移控制脉冲决定，此后致动器的向上或向下移动无需另外的功率消耗。脉冲可能持续例如1毫秒，之后致动器继续移动预定的时间周期2毫秒，给出焦点从一层移到另一层(经过距离25微米)总的时间大约3毫秒。
检测系统14，信号形成电路15，聚焦控制电路22，聚焦致动器12和聚焦装置10的组合形成用于维持焦点9在待扫描信息层上的反馈环。线性放大器24，微分器25和积分器26形成反馈环的三个分支。
图1中的二值LC信号由第一控制器34产生。图4给出了控制器的实施例。LC信号在接收改变扫描从一信息层到另一信息层的跳层(LJ)命令后取第一逻辑值。LC信号在接收到二值闭合(CL)信号的转换后取第二逻辑值。LC信号在接收到改变信号层命令的瞬时通过环控制器33改变反馈环的特性。当检测到CL信号的转换时，并且焦点接近待继续扫描的信息层时，该信号恢复反馈环的特性。电路35，可能是置位一复位触发器，改变LJ信号和CL信号为LC信号。
第一控制器34还包括转移控制信号发生器36用于与LC信号同步把属于一种延迟转移命令的转移(JU)信号提供给聚焦控制电路，为了使焦点9沿着待扫描的信息层方向移动。在接收LJ命令时，发生器输出JU信号到聚焦控制电路22。这信号闭合聚焦控制电路的开关32，并触发脉冲发生电路28，因此电路28传送正极性或负极性的恒定电平信号到积分器26，促使聚焦致动器移动一定距离，并沿一定方向，而移动的距离和方向由恒定电平信号来指示，并由要转移的信息层数和转移方向来决定。
用作第一控制器34输入的CL信号根据转移命令信号由计数器99产生。计数器99计算预定的时钟脉冲Clk的数目，并且在预定时间周期之后产生供给脉冲发生电路28(或28′)和环控制器33的复位信号RS，以恢复聚焦伺服控制电路22的功能。
在焦点穿过光入射面移向信息层时应用CA信号。当在信息层之间改变焦点时，不再需要应用CA信号。图5给出了第二控制器的实施例。CA信号或低通滤波的CA信号输入到比较器38，当CA信号超过预定的CA预置值CAp时，比较器38给出二进制“1”输出信号。CAp的值是这样设置的，它高于归因于光入射面6的CA信号，它低于归因于信息层的CA信号。FE信号在检波器39内检波。比较器40把检波器39的输出与预定的FE预置值FEp进行比较。FEp的值是这样设置的，它高于FE信号内噪声的峰值，但低于S曲线的最高值。比较器38和40的输出在AND(与)电路41内组合，这电路只在两输入均为“1”时给出二进制“1”输出信号。AND(与)电路41的输出连接到CL信号导线上。CL信号导线把CL信号接到第一控制器34。
现在参照图1、3、4、5的电路图和图2和6的图描述控制电路的操作。
在扫描过程开始，跳层(LJ)命令给到第一控制器34，这引起转移控制信号发生器发送转移脉冲到聚焦控制电路22。接着发生的开关32的闭合和电路28的激励引起聚焦致动器(FA)信号斜坡上升或下降，这取决于电路28产生信号的符号。电路35将输出LC信号，以断开开关29，30和31，因此断开了聚焦控制电路形成的部分反馈环。在按斜坡变化(ramp)期间FE和CA信号值作为沿物镜10光轴位移Z的函数在图6中给出。第二控制器37监控这些值，并且在两信号越过合适的预置值时起作用。围绕光入射面的位置45的FE信号分别与围绕信息层2，3，4的位置46，47，48的FE信号一样大，因为信号形成电路15使FE信号归一化，这就使它与表面或层的反射率无关。因为入射面的FE信号越过FEp电平，比较器40将输出“1”信号。然而未归一化的CA信号，由于入射面的低反射率保持在CAp电平之下。比较器38将不输出“1”信号，并且因为开关44把CL信号接到AND(与)电路41的输出，无CL信号的转换发生。因此反馈环保持断开，并继续按斜坡变化。当焦点通过位置46′时，在此位置处焦斑接近信息层2，CA信号越过CAp电平，稍迟，FE信号在位置49越过FEp电平，则AND(与)电路将输出“1”信号。在扫描过程的起动阶段，AND(与)电路41的输出将提供CL′信号到CL导线。CL′信号传送到第一控制器34，在那儿它使电路35复位。LC信号值下降到零，并闭合开关29，30和31，因而闭合反馈环。在同一时间开关32被电路33断开，按斜坡的变化终止。现在聚焦控制电路22将这样控制焦点9的位置，它从位置49移到46，在那儿保持锁定。关于起始聚焦步骤的更详尽描述可在美国专利号5189293中找到。
在扫描过程中当焦点必须跳层时，例如从信息层2到信息层3，即从图6的位置46到47，上述已知的用于起始聚焦的方法不能应用。假定已知方法被应用，越过CA信号和FE信号两者的电平必须监控。由于比较器检查FE信号的绝对值，则比较器将检测在位置50的向上跨越。信息层的CA信号重叠到这种程度，使CA信号在层转移期间保持高于CAp预置电平。因此，比较器3 8还将输出“1”信号，引起AND(与)电路41输出“1”信号。在已知的方法中，AND(与)电路41的输出与CL导线连接，所以信号CL′设置到“1”，保持反馈环闭合。万一调节器在位置50移动得不够快，则聚焦控制将推动焦点返回到位置46。一旦致动器移动得足够快，则焦点将在位置47的方向继续移动。可是，围绕焦点处于层2和层3之间距一半处的位置51处FE信号的过零点，则由于FE信号的正斜率对聚焦控制电路22的微分器的作用，致动器将获得高速度。高速度使位置47处焦点的捕获靠不住。
根据本发明所述的聚焦控制以很有效的方案解决了这个问题。第一控制器34(图4)一接收到层转移命令LJ，而计数器99提供的环控制信号LC是“1”则LC信号和JU信号产生，这些信号通过电路33：i)断开开关29，30和31，ii)闭合开关32，并导致由转移控制脉冲发生装置28在积分器26的第二输入端上产生转移控制脉冲。上述转移控制脉冲使聚焦焦点从已扫描层转移到下一个待扫描层。在转移脉冲终止后，积分器26的输出还促使致动器向前直到计数器99对其计数到最终值从而产生复位信号RS为止。通过电路33，复位信号RS使开关29、30和31闭合，开关32断开。此外，脉冲发生电路28复位，以便一旦通过电路33接收到合适的触发信号，这电路28可能产生另一脉冲。脉冲发生电路28可能包含一单稳态触发器。另外最好用脉冲发生电路28′取代电路28(开关32也可省却)。电路28′在2-3毫秒时间周期内提供一转移控制脉冲到控制电路22的输出上(参看图8：FA信号)。结果是聚焦致动器装置12在提供上述聚焦控制脉冲期间促使聚焦装置加速移动。一旦上述转移控制脉冲终止，聚焦装置遵循斜坡变化曲线，这意味着聚焦装置以恒定速度运行(如图3所示：聚焦位置)。在一固定时间周期5ms之后，控制电路22再由复位信号RS激励。随后聚焦控制电路产生合适的FA信号，以便使焦斑聚焦在指定层上(图8：5毫秒后的FA信号)。此外，作为时间函数的实际FE信号表示在图8中。在这个例子中，开关29，30，31和32断开或闭合放大器23或电路28与P.I.D(比例积分微分)电路24，25和26之间的连接。在这方面上述开关的断开意味着等效于使P.I.D电路24，25，26的输入接地，或使电路23和28的输出接地，或使电路23的输入接地，或使电路28的输出接地。
当然，如果在多层盘内，必须从一层转移到另一层，这些层可能是第三层或第四层，因此必须移动(例如50或75μm)的距离，计数器99应当设置较大数目，以便延长致动器自由漂移的时间周期。参照图8，时间周期可能取大约5msec和8msec，以便在聚焦控制电路再次接通前分别移动约47.5μm和73μm。
此外，转移控制脉冲的脉冲幅度可能上升，以便使在并非直接压在其上的层间有相当短的转移周期。
根据本发明所述，光扫描部件的另一实施例中，过零点51的反馈环的改变包括反馈环放大器的改变。图7表示可调整放大器23的原理图，在其输出端上接收聚焦误差信号。放大器的输入信号FE通过电阻54接到运算放大器51的第一输入端。运算放大器的第二输入接地。两电阻55和56接到第一输入端。开关57允许或接电阻55或接电阻56到输出端。不同的电阻值提供不同的放大系数。开关通过电路33控制。当聚焦锁定在信息层上，开关将处在这种位置上，以得到最高放大作用。在聚焦转移期间，开关将处于这种位置，以得到小放大系数，因而避免了在过零位置(如51)，致动器获得太高的速度。在起始聚焦期间，反馈环如上所述可能被开关29，30，31和32断开。
虽然本发明的公开是针对用于扫描光记录载体的扫描部件，而熟悉本领域的技术人员应当了解：本发明并不限于这样一种部件，而是围绕着具有包含某种信息的上覆层中、为各种目的用的扫描部件。一个例子是用于依靠光幅射研究集成半导体电路上覆层的扫描部件，这种光幅射具有的波长至少能使这些层部分透过(透明)。这部件对构成电路的不同层进行扫描，而从这些层读取的信息是这些层的结构。

Claims (7)

1、光扫描装置，用于对至少具有第一和第二压于其上的信息层的光记录载体进行扫描，它包含有：
光学系统，包括聚光束于焦点的装置，
聚焦致动器装置，用于控制聚焦装置以便在垂直于层的方向移动焦点，
聚焦误差检测器，用于得到指示焦点和待扫描层之间方向和距离的聚焦误差(FE)信号，
聚焦控制电路用于根据FE信号得到聚焦致动器驱动信号，并把上述驱动信号提供给聚焦致动器，以使致动器维持焦点基本上在待扫描层上，
用于产生二值环控制信号的第一控制器，这个控制信号在收到从第一层改变到第二层的层转移命令后取第一逻辑值以控制聚焦控制电路功能改变和取第二逻辑值以控制功能恢复。
其特征在于：光扫描装置包括脉冲发生装置用于一旦收到由上述脉冲发生装置来的上述层转移命令，产生触发聚焦致动器装置的转移控制脉冲，而层转移命令进一步促使聚焦控制电路至少在转移控制脉冲的时间周期内基本改变聚焦控制电路的功能，并在上述时间周期后恢复聚焦控制电路的功能。
2、正如权利要求项1所述的光扫描装置，其特征在于：基本改变持续预定的时间周期，基本上大于转移控制脉冲的时间周期。
3、正如权利要求项1或2所述的光扫描装置，其特征在于：通过在聚焦控制电路输入端上中断输入信号可以实现基本改变。
4、正如权利要求项1或2所述的光扫描装置，其特征在于：通过基本上降低控制电路的放大系数可以实现基本改变。
5、正如权利要求项1或2所述的光扫描装置，其特征在于：在聚焦控制电路P.I.D.控制器的比例分支和微分分支的输入端上中断输入信号可以实现基本改变，其特征还在于：脉冲发生装置把转移控制脉冲提供给P.I.D控制器的积分分支。
6、正如权利要求项2所述的光扫描装置，在这装置内至少能有三个压于其上的层，其特征在于预定的时间周期是与待转移的层数有关。
7、正如权利要求项3或4所述的光扫描装置，其特征在于：脉冲发生装置把转移控制脉冲加到聚焦控制电路的输出信号上。
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