CN1331131C - 光学设备和用于检测球差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测球差的光学设备。该光学设备包括：用于将具有第一数值孔径的第一辐射光束(203)和具有小于第一数值孔径的第二数值孔径的第二辐射光束(204)聚焦到信息载体(200)上的装置(206、208)。该光学设备还包括用于检测对应于第一辐射光束的第一聚焦误差信号和对应于第二辐射光束的第二聚焦误差信号的装置(211)。为了测量由于信息载体覆盖层厚度变化引起的第一辐射光束的球差，该光学设备包括用于根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束球差的装置(212)。

Description

光学设备和用于检测球差的方法

技术领域

本发明涉及一种包含用于检测球差的装置的光学设备。

本发明还涉及一种用于检测球差的方法。

本发明尤其涉及一种光盘装置，其用于从光盘读取数据和/或将数据记录到光盘上，该光盘例如CD、DVD或者Blu-Ray盘(BD)播放器和/或记录器。

背景技术

从本申请人的US6229600中获知了一种包含用于检测球差的装置的光学设备。该专利中描述的发明的目的在于提供一种用于检测球差的检测系统。将这种检测系统用于一种包含用于将辐射光束聚焦到信息载体上的装置的光学设备中。通常，穿过保护信息层的透明层来扫描信息载体。透明层厚度的微小变化使穿过该透明层的高数值孔径辐射光束引起的球差显著变化。利用诸如US6229600中描述的双透镜物镜可以减少这种球差。但是为了减少球差，也许要确定球差的量。

图1表示了如何按照US6229600来检测光学设备中的球差。该光学设备包括由驱动器113控制的辐射光源101、准直透镜102、物镜103、平凸透镜104、分束器105、两个检测器106和107、信号处理器108、加法器109、放大器110以及两个伺服控制器111和112。该光学设备意在用于扫描信息载体100。

辐射光源101生成辐射光束，准直透镜102和物镜103将该辐射光束聚焦到信息载体100的信息层上。信息层反射该辐射光束并且物镜103和准直透镜102将其转变为会聚辐射光束。入射到分束器105的中心区域上的部分会聚辐射光束朝向检测器106偏转，入射到分束器105的外部区域上的部分会聚辐射光束朝向检测器107偏转。检测器106和107检测到的信号可以使信号处理器108提供对应于反射辐射光束内部部分和外部部分的聚焦误差信号。

信号处理器108还通过将这两个聚焦误差信号相减来确定辐射光束的球差。

如果获知了聚焦误差信号，伺服控制器111就驱动控制物镜103的轴向位置的致动器，以便校正聚焦误差。如果获知了球差，该伺服控制器112就驱动控制平凸透镜104的轴向位置的致动器，以便校正球差。

上述光学设备的缺点在于其需要特殊的分束器105，从而使得该光学设备体积大并复杂。另一缺点在于其需要两个检测器，从而使得该光学设备体积大并复杂，这是因为这两个检测器需要不同的读取通道，因而包含不同的相关电子设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学设备，其包含用于检测球差的简化装置。

为此，本发明提出了一种光学设备，其包含：用于将具有第一数值孔径的第一辐射光束和具有与第一数值孔径不同的第二数值孔径的第二辐射光束聚焦到信息载体上的装置，用于检测对应于第一辐射光束的第一聚焦误差信号和对应于第二辐射光束的第二聚焦误差信号的装置，以及用于根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束球差的装置。

本发明基于以下认识，在具有球差的辐射光束中，光束中央的光线和光束外围的光线当它们聚焦到信息载体上时具有不同的焦点。焦点的位置差提供了一种测量球差的方法。现在，光束中央的光线的数值孔径比光束外围的光线的数值孔径小。因此，当具有不同数值孔径的两个辐射光束聚焦到信息载体上时，通过检测这两个辐射光束的焦点位置差可以获得球差的测量结果。因此，在这种光学设备中不再需要分束器，从而简化了设备。

在优选实施例中，由两个辐射光源产生第一和第二辐射光束，该设备进一步包含用于打开和关闭辐射光束的装置，并且由同一个检测器检测第一和第二聚焦误差信号。根据这个实施例，使用了两个辐射光源，以便生成两个具有不同数值孔径的辐射光束。将辐射光束中的一个(例如蓝色激光)用于扫描信息层(例如Blu-ray盘)，另一辐射光束(例如拟于扫描DVD的辐射光束)用于提供球差的测量。例如，在扫描盘之前，关闭第一辐射光束并且打开第二辐射光束，实施对第二辐射光束聚焦误差信号的测量，继而实施球差测量，其后关闭第二辐射光束而打开第一辐射光束，以便扫描信息层。当使两个辐射光束打开的时间不同时，用同一个检测器检测对应于两个辐射光束的聚焦误差信号。因此，简化了该光学设备。

有利的是，该光学设备进一步包含用于脉冲化第二辐射光束的装置以及用于检测对应于所述脉冲化的第二辐射光束的脉冲化聚焦误差信号的装置。这可以增加信噪比，从而获得对球差的更精确测量。

在优选实施例中，由同一个辐射光源生成第一和第二辐射光束，该光学设备进一步包含用于减小第一辐射光束的数值孔径从而获得第二辐射光束的装置，以及用于打开和关闭所述减小装置的装置。根据这个实施例，用于测量球差的第二辐射光束是第一辐射光束的一部分。这个实施例优选用于光学设备，其中可以仅使用一个辐射光源。

有利的是，将液晶单元置于辐射光源和聚焦装置之间，以便减小第一辐射光束的数值孔径。由于电场的作用，该液晶单元可以简单、快速地切换。因此，很容易根据第一辐射光束构建第二辐射光束。此外，可以通过脉冲化的方式打开和关闭该液晶单元，这样就产生了脉冲化的第二辐射光束，从而提高了信噪比。

本发明还涉及一种用于检测球差的方法，所述方法包括以下步骤：检测与具有第一数值孔径的第一辐射光束相对应的第一聚焦误差信号，检测与具有不同于第一数值孔径的第二数值孔径的第二辐射光束相对应的第二聚焦误差信号，并且根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束的球差。

有利的是，根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束的球差的步骤如下，计算第一聚焦误差信号和第二聚焦误差信号之差，从所述差值中减去预先定义的聚焦误差信号，所述预先定义的聚焦误差信号对应于利用第二辐射光束获得的聚焦误差信号，该第二辐射光束聚焦到具有预定厚度的信息载体上。

为了获得对信息载体覆盖层厚度变化引起的球差的精确测量，考虑预先定义的聚焦误差信号，其对应于利用第二辐射光束获得的聚焦误差信号，该第二辐射光束聚焦到具有预定厚度的信息载体上。实际上，即使在具有预先定义的理想覆盖层厚度的信息载体的情况下，第二辐射光束也具有聚焦误差，这是因为该信息载体本来是要由第一辐射光束来读取的。在制造过程中可以确定预先定义的聚焦误差信号，并且将其载入光学设备的存储器，以便从第一聚焦误差信号和第二聚焦误差信号之差中减去该预先定义的聚焦误差信号。

下文中将参照实施例描述本发明的这些以及其它方面，并使其清楚明显。

附图说明

通过举例的方式参照附图更加详细地描述本发明，在附图中：

图1表示了根据背景技术的光学设备；

图2表示了根据本发明优选实施例的光学设备；

图3表示了根据本发明优选实施例的光学设备；

图4表示了根据本发明另一实施例的光学设备。

具体实施方式

图2中表示了根据本发明优选实施例的光学设备。这种光学设备包括用于生成第一辐射光束203的第一辐射光源201、用于生成第二辐射光束204的第二辐射光源202、第一分束器205、准直透镜206、第二分束器207、物镜208、平凸透镜209、伺服透镜210、检测装置211、测量装置212和两个伺服控制器213和214。这种光学设备拟用于扫描信息载体200。

在下文中描述的实例中，信息载体200是包含信息层的Blu-ray盘。在扫描操作过程中，第一辐射光源201生成的第一辐射光束203扫描该Blu-ray盘。第一辐射光束203具有第一波长，为405nm。准直透镜206和物镜208将第一辐射光束203聚焦到信息载体200的信息层上。准直透镜206和物镜208是聚焦装置。第一辐射光束的数值孔径为0.85。在扫描操作过程中，可以检测第一聚焦误差信号，其对应于第一辐射光束203。该第一聚焦误差信号可以用于校正物镜208的轴向位置，从而补偿第一辐射光束203的聚焦误差信号。将信号发送到伺服控制器213，该控制器驱动致动器以便轴向移动物镜208。

检测装置211检测第一聚焦误差信号。物镜208将信息载体200反射的第一辐射光束203转变为平行光束，平行光束继而由于第二分束器207的作用到达伺服透镜210。该反射光束继而到达检测装置211，该检测装置根据本领域公知的任意聚焦检测方法检测第一聚焦误差信号。例如，可以使用像散聚焦检测法或者傅科检测法。这些聚焦检测方法例如在US6229600中进行了描述。应当注意，该检测装置211优选置于利用无球差的第一辐射光束203的光学设备中。为了放置检测装置，使用“完美”的盘，其具有厚度为100nm的校准覆盖层。

下文中描述了如何测量由于与校准的覆盖层厚度相比发生了变化的覆盖层厚度引起的球差。当将新盘引入该光学设备时可以实施这种测量。例如，通过关闭第一辐射光源201而关闭第一辐射光束203。然后打开第二辐射光束204。由于第一分束器205的作用将第二辐射光束204发送到准直透镜206。然后由准直透镜206将第二辐射光束204转变为平行光束，并且由于物镜208的作用将平行光束聚焦到信息载体200上。第二辐射光束204的数值孔径是0.65，第二辐射光束204的波长为650nm。该第二辐射光束204通常用于扫描DVD。

物镜208将信息载体200反射的第二辐射光束204转变为平行光束，平行光束继而由于第二分束器207的作用到达伺服透镜210。该反射光束继而到达检测装置211，该检测装置检测第二聚焦误差信号，这和以上对第一辐射光束203的描述相同。

然后，测量装置212测量第一聚焦误差信号和第二聚焦误差信号之差。该差值是由于覆盖层厚度变化造成的第一辐射光束203的球差的测量值。实际上，如US6229600所述，通过计算对应于辐射光束外围部分的聚焦误差信号与对应于辐射光束内部部分的聚焦误差信号之差，可以测量辐射光束的球差。在本发明中，第二辐射光束204起到第一辐射光束203的内部部分的作用，该第二辐射光束的数值孔径比第一辐射光束203的数值孔径小。因此，测量第一聚焦误差信号与第二聚焦误差信号之差就可以测量第一辐射光束203的球差。

应当注意，优选以短时间间隔实施第二聚焦误差信号和第一聚焦误差信号的测量。实际上，给定辐射光束的聚焦误差信号在盘上的不同位置处可能会不同，这是由于盘的缺陷造成的。随着盘的旋转，当检测聚焦误差信号时，优选在该盘基本处于相同位置时测量第一和第二辐射光束203和204的聚焦误差信号，因此，球差的测量不会受到盘的缺陷的影响。

还应当注意，可以对第一辐射光束203的球差进行更准确的测量。实际上，当第二辐射光束204聚焦到具有校准覆盖层厚度的“完美”信息载体上时，第二辐射光束204具有聚焦误差，这是因为该光学设备优选用于第一辐射光束203的波长，其波长与第二辐射光束204的波长不同。因此，在制造过程中可以检测预先定义的聚焦误差信号，其对应于聚焦到具有校准覆盖层厚度的信息载体上的第二辐射光束204。该预先定义的聚焦误差信号可以存储到测量装置212的存储器中。然后，为了对第一辐射光束203的球差进行精确测量，从第一聚焦误差信号和第二聚焦误差信号之差中减去该预先定义的聚焦误差信号。

有利的是，对第二辐射光束204进行脉冲化。这可以通过脉冲化该第二辐射光源202来实现。以已知的脉冲化频率对该第二辐射光束204进行脉冲化。因此，第二聚焦误差信号就是具有已知频率的脉冲信号。然后，检测装置211检测该脉冲化的信号，该检测装置包括用于检测该脉冲频率的信号的装置。例如，可以实施同步检测，以便获得第二聚焦误差信号。这可以提高信噪比，从而获得对第一辐射光束203的球差的更精确测量。

应当注意，用于打开两个辐射光束和关闭两个辐射光束的装置，即打开和关闭两个辐射光源的装置不限于前文中已经描述的装置。例如，可以在检测装置211之前使用滤光器。该滤光器能够根据两个辐射光束的波长选择它们中的一个。然后，为了测量球差，以某种方式激励该滤光器，使其透射第二辐射光束204并且阻止第一辐射光束203。

然后，使用球差的测量方法，从而校正第一辐射光束203的球差。当第一辐射光束203通过厚度不同于设计厚度的覆盖层聚焦时产生了这种球差，通过改变平凸透镜209的轴向位置来补偿该球差。测量装置将信号发送到伺服控制器214，该信号对应于球差。然后，伺服控制器214驱动致动器，以便改变平凸透镜209的位置。这种改变使得该平凸透镜209由于放大率的变化而产生一定量的球差，该球差补偿了由于覆盖层厚度变化引起的球差。

应当注意，也可以使用其它用于补偿球差的装置。例如，通过移动准直透镜206的位置，改变第一辐射光束203的共轭，从而在物镜208中产生了球差，该球差可以用于补偿由于覆盖层厚度变化引起的球差。这在2001年出版的Optical Review volume 8，第211-213页中B.H.W.Hendriks等人的“Optical Pick-Up for blue opticalrcording at NA＝0.85”有详细描述。

根据本发明优选实施例的光学设备如图3所示。根据本实施例，由于液晶单元300的影响，由第一辐射光束203生成了第二辐射光束204。由此，通过同一个辐射光源201产生了第一辐射光束203和第二辐射光束204。这表示第一和第二辐射光束203和204具有相同的波长，但是如下文所述，它们具有不同的数值孔径。

通过向液晶单元300施加电压，从而由第一辐射光束203获得第二辐射光束204，该液晶单元置于准直透镜206和物镜208之间。当没有向液晶单元300施加电压时，透射入射到液晶单元300上的全部光束。当向液晶单元300施加电压时，仅透射入射到液晶单元300上的光束的内部部分。这表示液晶单元可以减小第一辐射光束203的数值孔径。

因此，当实施扫描操作时，其中必须由第一辐射光束203来扫描信息载体，不向液晶单元300施加电压。当检测对应于第一辐射光束203的第一聚焦误差信号时情况相同。当必须测量球差时，例如当新盘插入该光学设备内时，向液晶单元300施加电压，并且由此检测第二聚焦误差信号。

应当注意，通过向液晶单元300施加交变电压，可以脉冲化第二辐射光束204。在这种情况下，脉冲频率就是交变电压的频率。如上所述，这可以提高信噪比。

以上说明书描述了本发明，而非限制本发明。实际上，本发明不限于图2和图3所示的光学设备。根据本发明也可以使用其它光学设备，其中的两个辐射光束具有不同的数值孔径，以便对球差进行测量。例如，本发明可以用于图4所示的光学设备中。

这种设备可用于扫描多层信息载体400。在这个实例中，该多层信息载体400具有两个层401和402。光学设备通过伺服控制器213改变物镜208的轴向位置，可以扫描一个层或另一个层。但是当第一辐射光束203聚焦到信息层401上或者信息层402上时，第一辐射光束203通过的信息载体材料的量是不同的。因此，在第一辐射光束203中由信息载体引起的球差从一个信息层转变到另一信息层上。球差补偿器403补偿这些变化，该补偿器置于准直透镜206和物镜208之间。该球差补偿器使第一辐射光束203的波前具有相移，该相移取决于波前的位置。

如图2的说明中所述，首先测量球差。然后，将对应于该球差的信号发送到伺服控制器404，该伺服控制器根据球差量控制由该球差补偿器403引起的相移特性。球差补偿器403可以是可变形折叠反射镜或者液晶单元。

以下的权利要求中的任何附图标记不应构成对权利要求的限制。显而易见的是，动词“包括”及其变型的使用不排除不同于任意权利要求中限定的元件的出现。元件前的词语“一”或“一种”不排除多个这种元件的出现。

Claims (7)

1.一种光学设备，包括：

-用于将具有第一数值孔径的第一辐射光束(203)和具有与第一数值孔径不同的第二数值孔径的第二辐射光束(204)非同时地聚焦到信息载体(200)上的装置(206、208)；

-用于检测对应于第一辐射光束的第一聚焦误差信号和对应于第二辐射光束的第二聚焦误差信号的装置(211)；

-用于根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束球差的装置(212)。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中由两个辐射光源(201、202)产生第一和第二辐射光束，该设备进一步包含用于打开和关闭辐射光束的装置，并且由同一个检测器检测第一和第二聚焦误差信号。

3.根据权利要求2所述的光学设备，进一步包含用于脉冲化第二辐射光束的装置以及用于检测对应于所述脉冲化的第二辐射光束的脉冲化聚焦误差信号的装置。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中由同一个辐射光源生成第一和第二辐射光束，该光学设备进一步包含用于减小第一辐射光束的数值孔径从而获得第二辐射光束的减小装置(300)，以及用于打开和关闭所述减小装置的装置。

5.根据权利要求4所述的光学设备，其中将液晶单元置于辐射光源和聚焦装置之间，以便减小第一辐射光束的数值孔径。

6.一种用于检测球差的方法，所述方法包括以下步骤：

将具有第一数值孔径的第一辐射光束和具有与第一数值孔径不同的第二数值孔径的第二辐射光束非同时地聚焦到信息载体上；

-检测对应于第一辐射光束的第一聚焦误差信号；

-检测对应于第二辐射光束的第二聚焦误差信号；

-根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束的球差。

7.根据权利要求6所述的方法，其中根据第一和第二聚焦误差信号测量第一辐射光束的球差的步骤如下：

-计算第一聚焦误差信号和第二聚焦误差信号之间的差值，

-从计算得到的差值中减去预先定义的聚焦误差信号，所述预先定义的聚焦误差信号对应于利用第二辐射光束获得的聚焦误差信号，该第二辐射光束聚焦到具有预定厚度的信息载体上。

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