CN1306273A - 光学头 - Google Patents

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Abstract

一种光学头,包括:产生不同波长激光束的第一和第二光源,分别对应于厚度不同的第一和第二介质;一个具有发散和聚焦部分的物镜,用于将来自第一和第二光源的激光束分别聚焦在所述第一和第二介质上;至少一个光电检测器,用于接收从所述第一和第二光源发射并且分别由所述第一和第二介质反射的激光束;一个设置在所述物镜、第一和第二光源之间的光路上的准直透镜。上述光学头与现有的DVD和HD－DVD兼容。

Description

光学头
本发明涉及一种用于高密度信息写入和读取系统的光学头，并尤其涉及一种能够减小在采用兰光光源时产生的色差的光学读/写系统。
在光学读/写系统中，记录密度由聚焦光点的大小决定。一般地，聚焦光点的大小(S)与波长(λ)成正比，与数值孔径(NA)成反比，由下式(1)表示：
        S∝λ/NA    …(1)
要实现比小型盘(CD)或数字通用盘(DVD)更高的记录密度，必须进一步减小聚焦到光盘上的光点大小。为了减小光点大小，从公式(1)中可以推出，必须减小激光束的波长(λ)以及增大物镜的数值孔径(NA)。因此，为了实现这种高密度的信息记录，必须用具有短波长的激光束如蓝色激光作为光源，并且必须把物镜的NA保持在0.6或更大。
另一方面，彗差W31(由于光盘的倾斜而出现)与光盘的倾斜角度(θ)有关，光盘基片的折射率(n)、厚度(d)和物镜的NA由公式(2)表示： W 31 = - d 2 · n 2 ( n - 1 ) sin θ cos θ ( n 2 - sin 2 θ ) 5 / 2 N A 3 - - - - - - - - - - - ( 2 )
为了保证高密度记录的光盘的倾斜允差，倾向于减小所述盘基片的厚度(d)。例如，CD的厚度为1.2mm，DVD的厚度为0.6mm。另外，最近开发出来的高清晰度DVD(HD-DVD)的厚度很有可能被确定为0.6mm或者更小。采用这种薄的光盘进行高密度记录时，首先要考虑的是对现有盘(包括CD和DVD)的兼容性。可是，对于可记录的DVD(DVD-R)和多层DVD，因为这些盘对于短波光的反射率低，所以必须采用红光源。所以，这些盘只能采用红光源。关于物镜，通过采用能够校正由光源的不同波长引起的色差和由盘之间厚度的不同引起的球差这样的技术，对于现存盘和HD-DVD能够共用一个物镜。
对用于0.6mm厚的DVD的光学头而言(其采用红光源和0.6的NA物镜)，为了与1.2mm厚的CD兼容，在所述光学头中采用不同技术使用一种波长为650nm的其它光源和物镜。这些技术包括阻挡光通过远轴和近轴区域之间的中间区域的环状屏蔽技术、通过采用液晶(LC)光阀控制物镜NA的方法和采用全息光学元件分离光而在两个具有不同厚度的光盘上形成单独的焦点的方法。可是，因为可记录小型盘(CD-R)对红光的反射率急剧下降，因此必须采用具有780nm波长的光源。因此，建议采用在780nm和650nm光束之间提供兼容性的DVD无限/CD有限光学系统，或者采用在近轴和远轴区域之间具有一个环形焦点区域的环形物镜。特别地，对于CD有限光学系统，物镜的NA被限制并且发散光线被入射在所述物镜上，由此校正由物镜和盘厚度的改变所引起的色差。
如前所述，对于比DVD系统能够进行更高密度的信息读/写的信息读/写系统，需要采用短波光源的光学头。例如，对于HD-DVD光学头，需要波长比DVD采用的波长650nm短的激光作为光源。此外，光盘光学材料的折射率在波长小于650nm时急剧变化，因此引起过分的象差。这样，就需要光学系统能够有效地减小色差，并与现存的DVD兼容。
对于DVD-R，相对于非红光源的光源来说反射率减小。这样，为了与DVD-R兼容必须采用波长为650nm的光源。然而，仅仅通过控制入射光的发散度不能消除400nm物镜的色差问题，所述的入射光是从650nm光源发射的并入射到所述物镜上。这样，在研究HD-DVD过程中人们所关心的关键是有效的色差校正技术。
如图1所示，按照传统的校正色差方法，将一个色差校正透镜3置于光盘1和物镜2之间。或者，如图2所示，将一个依赖于光的波长而限定物镜2的NA的波长选择件4置于物镜2和光源(未示出)之间。对于图1所示的光学头，通过根据光盘1的厚度的变化调节两个物镜之间的距离来校正球差。对于图2所示的光学头，对于波长较长的光，物镜2的NA由波长选择件4来限制，其光学元件被设置成来自光源的光被发散地入射到所述物镜2，由此校正由于光盘的厚度变化引起的球差。
可是，图1所示的传统光学头需要精确控制物镜2与象差校正透镜3之间的距离，因此需要其他的致动器来精确控制两个透镜之间的距离和透镜与光盘之间的距离。这样，这种光学头的制造复杂且成本昂贵。此外，对于图2所示的传统光学头，由于采用发散光，物镜相对于光盘的轴向畸变引起寻道误差的畸变。
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种光学头，该光学头使用波长不同的多个激光束，并且与不同类型的光学记录介质兼容。
本发明的另一个目的是提供一种光学头，它能够容易以一种简单结构组装起来，并且与不同类型的光学记录介质兼容。
本发明还有一个目的是提供一种光学头，它能够以低成本制造，并且与不同类型的光学记录介质兼容。
本发明的这些目的通过一个光学头来实现，该光学头包括：产生不同波长激光束的第一和第二光源，它们分别对应于具有不同厚度的第一和第二介质；一个具有发散和聚焦部分的物镜，用于将来自第一和第二光源的激光束分别聚焦在所述第一和第二介质上；至少一个光电检测器，其用于接收从所述第一和第二光源发射并且分别由所述第一和第二介质反射的激光束；一个设置在所述物镜、第一和第二光源之间的光路上的准直透镜。
优选地，假设所述物镜的发散和会聚部分的前焦距分别是f1和f2，所述物镜的发散和会聚部分的光学材料的d线阿贝数分别是v1和v2，则所述物镜满足关系式0＜1/(f1·v1)+1/(f2·v2)＜0.005。
优选地，假设所述整个物镜的焦距为f，发散部分的焦距是fh，物镜满足关系式-0.8＜f/fn＜0。
优选地，所述物镜的一个表面是非球面的，所述光电检测器接收来自所述第一和第二光源的激光。
优选地，所述第一光源产生蓝激光束，更优选地，其波长为405nm，第二光源产生红激光束，更优选地，其波长为650nm。优选地，第一介质基片的厚度小于0.6mm，第二介质基片的厚度等于0.6mm。
通过结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加清楚。其中
图1是传统光学头的物镜；
图2是另一个传统光学头的物镜；
图3表示本发明光学头第一个实施例的光学布局；
图4表示本发明光学头第二个实施例的光学布局；
图5是本发明光学头和传统光学头的光盘基片最佳厚度随波长变化而变化的对比曲线图；
图6是本发明光学头和传统光学头的象差随波长的变化而变化的对比曲线图；
图7A表示按照本发明的光学头中波长为405nm的光的光路；
图7B表示本发明的光学头对于波长为405nm的光的象差；
图7C表示本发明的光学头对于波长为405nm的光的聚焦误差信号；
图8A表示按照本发明的光学头中波长为650nm的光的光路；
图8B表示在本发明的光学头中相对于波长为650nm的光的象差；
图8C表示本发明的光学头对于波长为650nm的光的聚焦误差信号。
<实施例1>
本发明光学头的第一个优选实施例在图3中示出。参看图3，第一光源601设置在面对介质(光盘)100的物镜200的光轴端部。而且，准直透镜400和第一、第二和第三分束器501、502和503顺序地布置在物镜200和第一光源601之间的光路上。准直透镜400包括一个具有聚光本领(condensing power)的正透镜401和一个具有散光本领(diverging power)的负透镜402。
所述准直透镜400校准来自第一和第二光源601和701的激光束，被校准的激光束穿过物镜200入射到所述介质100上。
第三分束器503透射来自第一光源601的激光束，并且将来自第二光源701的激光束向着介质100反射。如图3所示，第二光源701被设置在由第三分束器503反射的光的光路上。
第二分束器502透射来自第一和第二光源601和701的激光束，并且反射从介质100反射的发自第二光源701的光。由介质100反射并接着由第二分束器502反射的光被第二聚光镜802会聚在第二光电检测器702上。
第一分束器501透射来自第一和第二光源601和701的所有激光束。第一分束器501反射由介质100反射的发自第一光源601的光，并且透射由介质100反射的发自第二光源701的光。由介质100反射接着由第一分束器501反射的光被第一聚光镜801会聚在所述第一光电检测器602上。
作为本发明特征的物镜200是一个包括一个具有聚光本领的正透镜部分202和一个具有散光本领的负透镜部分201的二重透镜。假设物镜200的焦距是f，负透镜部分201的焦距是fn，该物镜200满足关系式：
             -0.8＜f/fn＜0
并且，假设所述物镜200的负透镜部分和正透镜部分201和202的前焦距分别是f1和f2，所述物镜的负透镜部分和正透镜部分201和202的光学材料的d线阿贝数分别是v1和v2，所述物镜200满足关系式0＜1/(f1·v1)+1/(f2·v2)＜0.005。此外，物镜200的一面是非球面。
<实施例2>
图4所示的是本发明光学头的第二个优选实施例。参看图4，第一光源601设置在面对介质(光盘)100的物镜200的光轴端部。而且，第一和第三分束器501和503被设置在物镜200和第一光源601之间，相互之间分开一段预定距离。包括具有聚光本领的正透镜401和具有散光本领的负透镜402的一个准直透镜400被设置在所述物镜200和第一分束器501之间。
所述准直透镜400校准来自第一和第二光源601和701的激光束，被校准的激光束穿过物镜200入射到所述介质100上。
第三分束器503透射来自第一光源601的激光束，并且将来自第二光源701的激光束向着介质100反射。如图4所示，第二光源701被设置在由第三分束器503反射的光的光路上。
第一分束器501透射来自第一和第二光源601和701的激光束，并且反射由介质100反射的光。由介质100反射并接着由第一分束器501反射的光被一个聚光镜801会聚在一个光电检测器602上。
如在第一实施例中一样，如图4所示的作为本发明特征的物镜200是一个包括一个具有聚光本领的正透镜部分202和一个具有散光本领的负透镜部分201的二重透镜。假设物镜200的焦距是f，负透镜部分201的焦距是fn，该物镜200满足关系式-0.8＜f/fn＜0。此外，物镜200的一个面是一个非球面。
并且，假设所述物镜200的负透镜部分和正透镜部分201和202的前焦距分别是f1和f2，所述物镜的负透镜部分和正透镜部分201和202的光学材料的d线阿贝数分别是v1和v2，所述物镜200满足关系式0＜1/(f1·v1)+1/(f2·v2)＜0.005。
在前述的第一和第二实施例中，一个波长选择滤波器可被进一步设置在物镜200和准直透镜400之间。相对于由所述第一和第二光源601和701产生的激光束，如果需要分别控制物镜的所述NA，就采用所述波长选择滤波器。例如，在使用发射405nm的蓝激光束并且需要所述物镜的NA为0.7的第一光源601和发射650nm的红激光束并且需要所述物镜的NA为0.6的第二光源701的情况下，采用波长选择滤波器300以允许对于650nm的激光束物镜的所述NA减小到0.6(同时传送所有的405nm激光束)。
表1表示一个光学头的设计数据，其采用405nm的激光束，并且包括一张0.4mm厚基片的光盘。
                     表1
表面 曲率半径 厚度 玻璃名称
物面 无限大 0.000000
 S1 无限大 0.250000  BK7
 S2 无限大 16.26320
 S3 无限大 6.000000  BK7
 S4 无限大 3.000000
 S5  99.276000 1.000000  FD4
 S6  13.400000 2.000000  BAF10
 S7 -17.230000 5.000000
 S8  2.249482 2.000000  BACD5
 K:-1.099197A:0.540411E-0.2  B:-0.113820E-03 C:0.266830E-04D:-0.287691E-0.4 E:0.502346E-0.5 F:-0.541172E-0.6
 S9 -13.997487 0.800000  FEL1
 S10 无限大 1.508124z1
 S11 无限大 0.400000z2  ‘CG’
S12 无限大 0.000000
像面 无限大 0.000000
非球面等式(见公式(3))
d-线折射率/阿贝数，v  BACD:1.605256/61.3FEL1:1.568949/45.8FD4:1.805793/27.5BAF10:1.694714/47.2BK7:1.530196/64.2‘CG’:1.621462/31.0
入瞳直径(mm) 3.96
波长(nm) 405
准直透镜负透镜部分/正透镜部分的焦距，fc1/fc2(mm)结合后准直透镜的焦距，fc(mm)∑1/(fi·vi)fc/fc1 -19.325/11.14924.9940.0002-1.293
物镜负透镜部分/正透镜部分的焦距，fo1/fo2(mm)结合后物镜的焦距，fo(mm)∑1/(fi·vi)fo/fo1  2.491/-7.0093.3520.0034-0.478
波长为650nm时厚度  z1:1.451248z2:0.6000000
Z = ch 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 h 2 + Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + D h 10 + E h 12 + F h 14 - - - - ( 3 )
其中Z是从表面顶点的深度，h是距光轴的距离，c是曲率，k是圆锥系数，A、B、C和D是非球面系数。
图5是对于传统的单物镜和基于表1的数据画出本发明二重物镜，最佳光盘基片厚度随波长变化的对比曲线图。对于传统的单物镜，基片的最佳厚度趋向于随着波长的增加而减小以校正色差。当采用用于波长405nm、基片厚0.4mm的单物镜时，基片厚度为0.23mm时可以消除波长650nm的色差。这样，在从DVD读取数据期间，就会出现对应于厚度变化(0.4-0.23=0.17mm)的色差和对应于(0.6-0.4=0.2mm)的球差。为了校正这种象差，HD-DVD的厚度必须被确定为0.6+0.77(mm)。可是，它违背了对于高密度记录减小盘厚度的倾向。
图6是传统单物镜和本发明设计用来校正色差的二重物镜的象差随波长的变化而变化的对比曲线图。图7表示出本发明的物镜能够将波长变化引起的色差减小到OPD0.015λrms的大小，甚至更小。
对于读/写操作，在介质上随波长变化的散焦度与NA2成反比，焦深为±λ/2NA2，是0.563μm。对于传统的物镜，相对于±1nm波长变化的散焦是0.7μm，这超出焦深的范围。而对于本发明的二重物镜，相对于±1nm波长变化的散焦是0.45μm，这在所述焦深范围内。
图7A表示在按照表1的说明设计的光学系统中指向0.4mm厚基片光盘的波长为405nm的激光束的光路，图7B表示在图7A的光学系统中出现的象差，图7C表示在图7A的光学系统中通过像散获得的聚焦误差信号。
图8A表示在按照表1的数据设计的光学系统中指向0.6mm厚基片光盘的波长为650nm的激光束的光路，图8B表示在图8A的光学系统中出现的象差，图8C表示在图8A的光学系统中通过散光获得的聚焦误差信号。如图8C所示，出现约0.5μm或大些的偏移量，采用适当的信号处理电路能够校正该偏移量。这一结果表示在对于第二实施例描述的两种类型的光盘，可以采用一个光电检测器。
表2表示用于650nm光的传统二重准直透镜的设计数据，其焦距为25mm。如表2所示，准直透镜的总发散度与负透镜发散度的比接近于-1。考虑到本发明的准直透镜的这一比率(在表1中是-1.29)，本发明的准直透镜具有非常强的发散度。而本发明物镜的发散度相对较弱，为0.48。
                   表2
表面 曲率半径 厚度 玻璃名称
物面 无限大 无限大
S1  14.800000  1.7  BAF3
 S2 -13.480000  1.3  SF11
 S3 -48.995000  3.5
 S4 无限大 6.000000  BK7
 S5 无限大 16.025691
 S6 无限大 0.000000
像面 无限大 0.000000
 d-线折射率/阿贝数，v  BAF3:1.579229/46.5SF11:1.776662/25.8BK7:1.514520/64.2
波长(nm) 650
准直透镜在负透镜部分/正透镜部分的焦距，fc1和fc2(mm)结合后准直透镜的焦距，fc(mm)∑1/(fc·fi·vi)fc/fc2 12.454/-24.33325.0000.00013-1.027
本发明的光学头对于现存的DVD和采用接近405nm的蓝光源和0.6NA的物镜但是其规格不是标准的HD-DVD是兼容的。特别地，本发明的光学头通过采用仅仅一个物镜和一个光电检测器就能够达到所述的双重兼容。而且，由于本发明的光学头具有简单的结构，其可以方便容易地制造并减少了成本。此外，在高密度读/写操作过程中随波长变化的散焦能够被抑制在焦深范围内，这能够复制高质量的信号。
尽管本发明参考其优选实施例进行了特别的描述，但是本领域的技术人员应当清楚，在不超出由附加的权利要求限定的本发明的宗旨和保护范围的前提下，可以对本发明的形式和细节部分进行各种各样的修改。

Claims (12)

1．一种光学头，其特征在于，包括：
产生不同波长的激光束的第一和第二光源，分别对应于具有不同厚度的第一和第二介质；
一个具有发散和聚焦部分的物镜，用于将来自第一和第二光源的激光束分别聚焦在所述第一和第二介质上；
至少一个光电检测器，其用于接收从所述第一和第二光源发射并且分别由所述第一和第二介质反射的激光束；以及
一个设置在所述物镜、第一和第二光源之间的光路上的准直透镜。
2．一种如权利要求1所述的光学头，其特征在于，假设所述物镜的发散和会聚部分的前焦距分别是f1和f2，所述物镜的发散和会聚部分的光学材料的d线阿贝数分别是v1和v2，则所述物镜满足关系式：
   0＜1/(f1·v1)+1/(f2·v2)＜0.005。
3．一种如权利要求1或2所述的光学头，其特征在于，假设所述整个物镜的焦距为f，发散部分的焦距是fn，在物镜满足关系式-0.8＜f/fn＜0。
4．一种如权利要求1或2所述的光学头，其特征在于，所述物镜的一个表面是一个非球面。
5．一种如权利要求1或2所述的光学头，其特征在于，所述光电检测器接收来自于所述第一和第二光源的激光。
6．一种如权利要求3所述的光学头，其特征在于，所述光电检测器接收来自于所述第一和第二光源的激光。
7．一种如权利要求1、2或6所述的光学头，其特征在于，所述第一光源产生蓝激光束，所述第二光源产生红激光束。
8．一种如权利要求7所述的光学头，其特征在于，所述的第一光源产生波长为405nm的激光束，所述第二光源产生波长为650nm的激光束。
9．一种如权利要求3所述的光学头，其特征在于，所述第一光源产生蓝激光束，所述第二光源产生红激光束。
10．一种如权利要求9所述的光学头，其特征在于，所述的第一光源产生波长为405nm的激光束，所述第二光源产生波长为650nm的激光束。
11．一种如权利要求1、2、6、8、9或10所述的光学头，其特征在于，所述第一介质基片的厚度小于0.6mm，所述第二介质基片的厚度等于0.6mm。
12．一种如权利要求3所述的光学头，其特征在于，所述第一介质基片的厚度小于0.6mm，所述第二介质基片的厚度等于0.6mm。
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