CN1263626A - 包括带有小型驱动器的透镜系统的光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

激光唱机中使用的一种光学扫描装置(17),包括光学透镜系统(37),用来将一束光(45)聚焦到信息载体(9)的一个扫描点(47)上。该透镜系统包括主要的物镜(53)和用于为透镜系统提供大数值孔径的辅助固体浸没透镜(55),从而使扫描装置适合扫描诸如高密度CD盘的具有高信息密度的信息载体。透镜系统还包括驱动器(63),利用它可以使主要和辅助透镜在与透镜系统光轴(39)平行的方向上相互移位,用来补偿信息载体的透明保护层内的球差。按照本发明,透镜系统的驱动器包括两个与光轴平行的环形永磁体(75,77),它们彼此邻接地固定在基本上呈环形的闭合磁轭(79)上,将磁轭固定在透镜系统的外壳(57)上,并且将两个环形线圈(81,83)固定在透镜系统中一个透镜的环形支架(59)上,上述磁体在相对于光轴的彼此相反的径向方向上受到磁化,而与光轴平行的上述线圈对着两个磁体彼此相邻地布置并按彼此相反的方向绕制。按照这种方式,透镜系统的驱动器在其电磁力与其尺寸之间具有上乘的比例,从而使为了获得预定的电磁力所必须的驱动器的尺寸和重量能够得到限制。

Description

包括带有小型驱动器的透 镜系统的光学扫描装置

本发明涉及一种光学扫描装置，用于扫描一种光学扫描式信息载体上的信息轨迹，这种扫描装置包括一个辐射光源，一个带有光轴的光学透镜系统，用于在操作中将辐射源发出的射束聚焦在信息载体上的一个扫描点内，以及用于使透镜系统与光轴平行移动的第一驱动器，上述透镜系统包括两个透镜元件和一个第二驱动器，用于使第一个透镜元件相对于第二个透镜元件移位。

本发明进而涉及一种光学透镜系统，它可以适用于本发明的光学扫描装置。

本发明还涉及一种激光唱机，它包括一个可以绕着旋转轴线转动的台面，一个光学扫描装置，用于扫描可以设置在上述台面上的一个光学扫描式信息载体上的信息轨迹，以及一个移位装置，在操作中可以利用这一移位装置主要在相对于旋转轴线的径向方向上移动扫描装置。

在美国专利US-5712842中公开了一种上文所述类型的光学扫描装置和一种激光唱机。这种公知的光学扫描装置的光学透镜系统包括一个物镜和一个比较小的所谓固体浸没透镜，它被设置在物镜和被扫描的信息载体之间。由于使用了上述的固体浸没透镜，这种公知的光学扫描装置的透镜系统具有比较大的数值孔径，从而在被扫描的信息载体上获得比较小的扫描点。因此，这种公知的光学扫描装置适合用来扫描具有比较小的基本信息特征的信息载体，也就是说信息载体具有比较高的信息密度，例如是一种高密度CD。利用公知扫描装置中的第一驱动器可以使透镜系统与光轴平行地移位，从而将扫描点聚焦在信息载体的信息层上。利用公知扫描装置中的第二驱动器，可以使固体浸没透镜与光轴平行地相对于物镜移位，从而使出现在信息层和扫描装置之间的一个透明的信息载体保护层内的射束的球面象差可以得到校正。

公知扫描装置中的第二驱动器包括一个环形电子线圈，它被固定在用来固定固体浸没透镜的第一支架上以及一个环形的永磁体，它被固定在用来固定物镜的第二支架上。利用一个簧片将第一支架固定在第二支架上。借助于磁体的磁场与线圈中的电流之间的相互作用就可以使固体浸没透镜在与透镜系统的光轴平行的方向上相对于物镜移位，从而使簧片变形。

这种公知的激光唱机及其内部使用的这种公知光学扫描装置的缺点在于第二驱动器的磁体所具有的磁场在本质上是分散的，因此在第二驱动器的线圈位置上的磁场仅有有限的磁场强度，从而使第二驱动器仅仅能提供有限的电磁力。因此为了获得足够大的电磁力，第二驱动器的磁体和线圈必须具备比较大的体积。

本发明的目的是提供一种上文所述类型的光学扫描装置和一种激光唱机，其中的第二驱动器在其能够提供的电磁力和第二驱动器的尺寸之间具有上乘的比例，从而使为了获得足够大电磁力所必须的第二驱动器的尺寸和重量能够得到限制。

为了实现上述目的，按照本发明的光学扫描装置的特征在于在第二驱动器上设有两个看起来与光轴平行的环形永磁体，它们被彼此邻接地固定在一个基本上呈环形的闭合磁轭上，将磁轭固定在透镜系统的外壳上，并且将两个环形线圈固定在第一透镜元件的一个基本上呈环形的支架上，当看起来与光轴平行的两个线圈对着两个磁体彼此相邻地布置并且按彼此相反的方向绕制时，磁体在相对于光轴的彼此相反的径向方向上受到磁化。

为了实现上述目的，本发明的激光唱机的特征在于在其中采用的光学扫描装置是按照本发明的一种光学扫描装置。

由于使用了磁性相反的上述两个磁体和闭合的磁轭，就可以获得一个基本上完全通过闭合的磁轭并且基本上完全地从一个磁体传到另一个磁体上的同心的磁场，从而尽可能地避免了磁体的磁场出现分散。线圈被布置在磁体对面的一部分磁场中，磁场从两个磁体当中的一个传到另一个磁体。上述的一部分磁场具有比较大的磁场强度，通过磁体的磁场与线圈中的电流之间的相互作用就可以获得比较大的电磁力。由于线圈是按照彼此相反的方向绕制的，施加在单个线圈上的电磁力分量在基本上相同的方向上延伸。因此在第二驱动器所能够提供的电磁力与磁体和线圈的尺寸之间具有上乘的比例，从而使用来获得足够大电磁力所必须的第二驱动器的重量和尺寸得到限制。

按照本发明的光学扫描装置的一个具体实施例的特征在于第一透镜元件的支架是用非磁性材料制成的。因此磁体不会在垂直于光轴的方向上对第一透镜元件的支架施加磁力，从而使上述支架在垂直于光轴的方向上需要支撑的机械负荷受到限制。

按照本发明的光学扫描装置的另一实施例的特征在于第二驱动器的两个线圈是用一条导线绕制而成的，并且各自包括偶数的绕组层。上述导线的两个电连接点可以设置在两个线圈之一的一侧，这样可以简化线圈的电路连接。

按照本发明的光学扫描装置的再一实施例的特征在于导线是按顺序绕制的，从而构成第一个线圈的奇数绕组层，第二个线圈的全部绕组层，以及第一个线圈中剩下的绕组层。

这样就能在绕制线圈的过程中使绕线机的绕线方向仅仅需要翻转两次。另外还可以使两个线圈之间仅有两个电连接点。

按照本发明的光学扫描装置的一个特殊实施例的特征在于，从平行于光轴的方向上看，第一透镜元件是利用两个安装元件弹性地悬挂在外壳中的，从平行于光轴的方向上看，这两个安装元件彼此之间有一定的距离，并且在光轴的横向方向上延伸，从平行于光轴的方向上看，每个安装元件是可以弹性变形的，并且，从光轴的直角方向上看基本上不能变形。由于使用了这样两个安装元件，第一透镜元件有可能于光轴平行地偏移，从而使两个安装元件发生弹性变形。从垂直于光轴的方向上看，第一透镜元件相对于外壳基本上不能偏移，同时，两个安装元件的配合作用可以防止第一透镜元件绕着一个方向与光轴垂直的倾斜轴出现倾斜。按照这样的方式就可以用两个安装元件将第一透镜元件相对于外壳和第二透镜元件保持在精确的位置使两个透镜元件的光轴基本上吻合。

按照本发明又一实施例的光学扫描装置的特征在于，从平行于光轴的方向上看，第二驱动器处在两个安装元件之间。按照这种方式就可以有效地使用两个安装元件之间的有用空间，从而使扫描装置的透镜系统实现一种紧凑的结构。

本发明再一实施例的光学扫描装置的特征在于第二驱动器的闭合磁轭构成了外壳的一部分。借助于这种结构可以使外壳具有紧凑和轻便的结构。

通过以下对具体实施例的说明可以了解到本发明的上述和其它方面。

在附图中：

图1示意性地表示了按照本发明的一种激光唱机；

图2示意性地表示了按照本发明的一种光学扫描装置，它被用在图1所示的激光唱机中；

图3表示按照本发明的一种光学透镜系统，它被用在图2所示的光学扫描装置中；

图4表示按照图3所示的光学透镜系统中的一个弹性变形安装元件；

图5示意性地表示了在图4所示的光学透镜系统中使用的一个驱动器的磁场；以及

图6是在图5所示的驱动器中使用的两个电子线圈的示意性截面图。

图1示意性地表示了按照本发明的一种激光唱机，它包括一个可以绕着一个转轴3旋转的台面1，并且可以用固定在一个框架7上的电动机5驱动。在上述台面1上可以放置一个光学扫描式信息载体9，例如是一张CD，它有一个盘形的支撑体11和一个透明的保护层13。在支撑体11的一侧邻接着保护层13构成信息载体9的一个信息层15，在这一层上面设有螺旋形的信息轨迹。激光唱机进一步包括一个按照本发明的光学扫描装置17，用于对信息载体9的信息轨迹进行光学扫描。可以利用激光唱机的偏移装置19使上述扫描装置17相对于转轴3主要在两个相反的径向方向X和X′上偏移。为此需要将扫描装置17固定在偏移装置19的滑板21上，偏移装置上进一步设有一个装在框架7上并且与X方向平行延伸的直线导轨23，按照偏移的方式在导轨上引导滑板21，并且可以利用电动机25在导轨23上移动滑板21。在操作中，由图中没有表示的激光唱机的一个电子控制单元来控制电动机5和25，使信息载体9绕着转轴3旋转，并且同时使扫描装置17与X方向平行地偏移，扫描装置17就是按照这种方式来扫描信息载体9上的螺旋形信息轨迹。在上述的扫描过程中，可以用扫描装置17读出信息轨迹上的信息，或者是用扫描装置17在信息轨迹上写入信息。

在图2中示意性地表示了在按照本发明的激光唱机中使用的本发明的一种光学扫描装置17。上述扫描装置17装备有一个辐射源27，例如是带有一个光轴29的一个半导体激光器。扫描装置17进一步包括一个由透明片33构成的射束分离器31，它相对于辐射源27的光轴29成45°角布置，并且还包括一个面对着辐射源27的反射面35。扫描装置17进一步包括具有一个光轴39的光学透镜系统37和布置在射束分离器31和透镜系统37之间的一个准直透镜41。透镜系统37的光轴39和辐射源27的光轴29包括一个90°角。扫描装置17进一步包括一个光学检测器43，它相对于透镜系统37被布置在射束分离器31的后面，上述光学检测器属于现有技术中公知的类型并且是普遍使用的。在操作中，辐射源27产生一个射束45，它受到射束分离器31的反射面的反射并且被透镜系统37聚焦在信息载体9的信息层15上的一个扫描点47内。射束45被信息层15反射成一个反射射束49，通过透镜系统37将其聚焦在光学检测器43，准直透镜41和射束分离器31上。为了读出信息载体9上的信息辐射源27产生一个连续的射束45，并且由光学检测器43提供一个检测信号，该信号对应着信息载体9的信息轨迹上的一系列基本信息特征，这些基本信息特征按顺序出现在扫描点47上。为了在信息载体9上写入信息，辐射源27产生一个射束45，它对应着需要写入的信息在扫描点47中，在信息载体9的信息轨迹上产生一系列顺序的基本信息特征。

如图2中所示扫描装置17包括第一驱动器51，利用它可以使透镜系统37在平行于透镜系统37的光轴39的比较小的距离上以及在平行于X-方向的比较小的距离上发生偏移。利用第一驱动器51在平行于光轴39的方向上偏移透镜系统37，按照理想的精确度将扫描点47聚焦在信息载体9的信息层15上。利用第一驱动器51在平行于X-方向的一个方向上偏移透镜系统37，按照理想的精确度将扫描点47保持在需要跟踪的信息轨迹上。为此而需要用激光唱机的上述控制单元来驱动第一驱动器51，由控制单元接收来自光学检测器43的聚焦误差信号和跟踪误差信号。

在这种光学扫描装置17中使用的光学透镜系统37的细节如图3所示，它包括第一透镜元件53和第二透镜元件55。第一透镜元件53是一个物镜，并且构成了透镜系统37的主透镜。第二透镜元件55是一个所谓的固体浸没透镜，它被设置在物镜和有待扫描的信息载体9之间，并且构成了透镜系统37的一个比较小的辅助透镜。通过采用独立于主透镜53的上述辅助透镜55，透镜系统37具有比较大的数值孔径，从而使信息载体7的信息层15上的扫描光点47变得比较小。因此这种扫描装置17适合用于扫描具有比较小的基本信息特征的光学信息载依也就是说信息载体具有比较高的信息密度，例如是一种高密度CD。如图3所示，辅助透镜55被安装在透镜系统37的外壳57中的一个固定位置，外壳57被固定在第一驱动器51上，利用第一驱动器51可以使其与透镜系统37的光轴39平行地偏移。主透镜53被固定在一个大体上呈环状的支架59上，从平行于光轴39的方向上看，利用一个下文将要详细解释的弹性变形的安装装置61将其弹性地悬挂在外壳57内，上述主透镜53能够与光轴39平行地相对于外壳57偏移，从而使上述安装装置61弹性变形。如图3所示，透镜系统37进一步包括一个下文中将要详细描述的第二驱动器63，利用它可以在平行于透镜系统37的光轴39的方向上相对于外壳57和辅助透镜55移动主透镜53。通过利用第二驱动器63在平行于光轴39的方向上相对于辅助透镜55偏移主透镜53，射束45在信息载体9的透明保护层13中产生的球面象差就可以得到校正。这种球面象差是由于保护层13的厚度t的波动所造成的。同样用激光唱机的上述控制装置来驱动第二驱动器63，控制装置从扫描装置17的一个传感器上接收一个误差信号，在图中为了简化而没有表示传感器，利用这一传感器可以检测出扫描光点47附近的保护层13的厚度t。

如图3所示，安装装置61包括两个安装件65，67，从平行于光轴39的方向上看，它们彼此相隔移动的距离，并且在光轴39的横向上延伸。在图4中表示了相同的安装件65，67的细节，从垂直于光轴39的方向上看，它们基本上不会变形，但是从平行于光轴39的方向上看则是可以弹性变形的。为此，如图4所示，安装件65，67各自具有第一个主要的环形部分69，它被固定在透镜系统37的外壳57上，还有第二个主要的环形部分71，它被固定在主透镜53的支架59上，用三个可弯曲的桥73将上述环形部分69和71互连到一起，它们在一个横切光轴39的平面上延伸，并且彼此相隔一样的间隔，安装件65的每个可弯曲的桥73是这样定向的，使其分别与安装件67上的一个可弯曲的桥73基本上平行地延伸。通过使用这样两个安装件65，67，从平行于光轴39的方向上可以使主透镜53自由移动，同时，在垂直于光轴39的方向上则能够使主透镜53相对于外壳57获得一种比较刚性的支撑。两个安装件65，67之间的配合还可以使安装装置61在垂直于光轴39的每一个倾斜轴线的方向上都具有比较高的抗倾斜能力，从而尽可能地防止主透镜53相对于外壳57在于光轴39成直角的方向上绕着倾斜的轴线发生倾斜。这样就能使主透镜53和辅助透镜55彼此对准，这项工作是在制作透镜系统37的过程中完成的，其结果可以使主透镜53和辅助透镜55的光轴尽可能地吻合，保持在操作的允许范围之内。

如图3所示，在平行于光轴39的方向上看，第二驱动器63处在安装装置61的两个安装件65，67之间，这样就能有效地使用两个安装件65，67之件的有用间隙，并且使透镜系统37获得紧凑的结构。驱动器63有两个环形的永磁体75，77，从平行于光轴39的方向上看，它们是前后排列的，并且固定在一个基本上呈环状的闭合轭铁79上，轭铁是用可磁化的材料制成的，并且构成透镜系统37的外壳57上的一个独立部分。驱动器63进一步包括两个环形电子线圈81，83，它们被固定在主透镜53的支架59上。从平行于光轴39的方向上看，线圈81，83也是前后排列的，线圈81被布置贼赃磁体75对面，而线圈83布置在磁体77对面，并且在磁体75，77与线圈81，83之间有一个环形的气隙85。如图3所示，磁体75，77是相对于光轴39在相对的径向方向R和R′上被磁化的。线圈81，83按照彼此相反的方向绕制，因此，在操作中，线圈81中的电流和线圈83中的电流是在相反的方向上流动的。按照这种方式，在操作中就可以使通过磁体75，77的磁场与线圈81，83中的电流之间的相互作用而施加在线圈81和83上的电磁力指向大体上相同的方向。支架59是用非磁性材料制成的，因此磁体75，77不会对支架59施加磁力，从而最大限度地限制了在与光轴39成直角的方向上作用在安装件65，67上的机械负荷。

图5示意性地表示了利用第二驱动器63的磁体75，77和闭合磁轭79获得的一个磁场87。由于磁体75和77是在相对于光轴39的相反的径向方向R和R′上磁化的，并且被固定在闭合的磁轭79上，可以获得一个集中的磁场87，它基本上完整地通过闭合的磁轭79，并且被基本上完整地从磁体75传到磁体77上。这样就尽可能地避免了磁场87的分散。如图5所示，电子线圈81和83被布置在磁体75，77对面的磁场87中，磁场87从磁体75传到磁体77上。由于磁场87是按照上述方式集中的，上述磁场87在线圈81，83的位置上具有比较高的磁场强度，因此通过磁场87与线圈81，83中的电流之件的相互作用，就可以获得比较大的电磁力。按照这种方式，就可以在第二驱动器63能够提供的电磁力与第二驱动器63的磁体75，77和线圈81，83的尺寸及重量之间获得一种上乘的比例，从而能够使用来获得足够电磁力所必须的第二驱动器63的尺寸和重量得到限制。

在图6中所示的第二驱动器63的电子线圈81，83的截面图体现了这两个线圈81，83的绕制方法。上述两个线圈81，83是用一条导线89绕制而成的，并且各自包括偶数的绕组层，图中所示是四层，也就是91，91′，91＂，91和93，93′，93＂，93。如图6所示，在绕制线圈81，83的过程中，首先绕制线圈81的第一绕组层91。接着绕制线圈83的所有绕组层93，93′，93＂，93，所用的绕线机的绕制方向在从线圈81的第一绕组层91过渡到线圈83的第一绕组层93的一点上反向。接着绕制线圈81的其它绕组层91′，91″、91，并且在从线圈83的最后一个绕组层93过渡到线圈81的第二绕组层93′的一点上再次反向。如图6所示，采用上述绕制方法绕制而成的线圈81，83具有两个公共的电连接点95，97，它们都位于线圈81的一侧，从而简化了线圈81，83的电路连接。值得注意的是，只要是两个线圈81，83都具有偶数的绕组层，就可以获得这种简单的电路连接。另外，利用上述的绕制方法，绕线机的绕制方向所需要的反向次数被限制在最少两次。值得注意的是，如果依次绕制线圈81的奇数绕组层，线圈83的所有绕组层，然后是线圈81的剩余绕组层，也可以获得最小数量的绕制方向反向次数。

使用按照本发明的上述的激光唱机，在扫描信息载体9的信息轨迹的过程中，可以从信息轨迹上读出信息，或者是在信息轨迹上写入信息。值得注意的是，本发明同时还涉及到仅仅能被用来读出出现在信息载体的信息轨迹上的信息的激光唱机。

在按照本发明的上述光学扫描装置17中，第二驱动器63可以使透镜系统37的主透镜53(物镜)相对于透镜系统37的外壳57和辅助透镜55(固体浸没透镜)发生偏移。值得注意的是，本发明还涉及到光学扫描装置和激光唱机，在这些装置中，按照美国专利US5712842中所述利用上述扫描装置或是激光唱机中使用的透镜系统的驱动器可以使辅助透镜相对于主透镜或是物镜发生偏移。

在按照本发明的上述光学扫描装置17中，利用上述的两个弹性变形的安装件65，67将主透镜53悬挂在透镜系统37的外壳57内，第二驱动器63被布置在两个安装件65，67之间。最后还应该注意到，本发明还涉及到光学扫描装置和激光唱机，其中的透镜元件是由其中所使用的透镜系统来操作的，透镜元件按照不同的方法被装在透镜系统的外壳内，例如是采用轴向的预应力或是惯用的平面支撑。

Claims (9)

1.用于扫描光学扫描式信息载体的信息轨迹的一种光学扫描装置，该扫描装置包括一个辐射光源，一个带有光轴的光学透镜系统，用于在操作中将辐射光源发出的射束聚焦在信息载体上的一个扫描点内，以及用于使透镜系统与光轴平行移动的第一驱动器，上述透镜系统包括两个透镜元件和一个第二驱动器，用于使第一个透镜元件相对于第二个透镜元件移位，其特征在于第二驱动器上设有两个看起来与光轴平行的环形永磁体，它们被彼此邻接地固定在一个基本上呈环形的闭合磁轭上，磁轭被固定在透镜系统的外壳上，而两个环形线圈固定在第一透镜元件的一个基本上呈环形的支架上，当看起来与光轴平行的两个线圈对着两个磁体彼此相邻地布置并且按彼此相反的方向绕制时，磁体在相对于光轴的彼此相反的径向方向上受到磁化。

2.按照权利要求1的光学扫描装置，其特征在于第一透镜元件的支架是用非磁性材料制成的。

3.按照权利要求1或2的光学扫描装置，其特征是第二驱动器的两个线圈是用一条导线绕制而成的，并且各自包括偶数的绕组层。

4.按照权利要求3的光学扫描装置，其特征是导线是按顺序绕制的，首先形成第一线圈的奇数绕组层，第二线圈的所有绕组层，然后是第一线圈的剩余绕组层。

5.按照权利要求1，2，3或4的光学扫描装置，其特征是，从平行于光轴的方向上看，第一透镜元件是利用两个安装元件弹性地悬挂在外壳中的，从平行于光轴的方向上看，这两个安装元件彼此之间有一定的距离，并且在光轴的横向方向上延伸，从平开光轴的方向上看，每个安装元件是可以弹性变形的，并且，从光轴的直角方向上看基本上不能变形。

6.按照权利要求5的光学扫描装置，其特征在于，从平行于光轴的方向上看，第二驱动器处在两个安装元件之间。

7.按照权利要求1，2，3，4，5或6的光学扫描装置，其特征在于第二驱动器的闭合磁轭构成了外壳的一部分。

8.适合在权利要求1，2，3，4，5，6或7的光学扫描装置中使用的一种光学透镜系统。

9.一种激光唱机，它包括一个可以绕着旋转轴线转动的台面，一个光学扫描装置，用于扫描可以设置在上述台面上的一个光学扫描式信息载体上的信息轨迹，以及一个移位装置，在操作中可以利用这一移位装置主要在相对于旋转轴线的径向方向上移动扫描装置，其特征在于上述光学扫描装置是按照权利要求1，2，3，4，5，6或7的光学扫描装置。

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