CN1405762A - 全息光学元件和采用该元件的光学拾取装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用全息光学元件的光学拾取装置，包括一个通过结合双折射介质和各向同性介质而成的全息光学元件，用于根据入射光束的偏振方向和波长调整透射光束的光路。该光学拾取装置具有物镜，用于将通过全息光学元件的光束根据该光束的波长聚焦至光盘上。
Description
发明领域
本发明涉及一种光学拾取装置，并且更具体地说，涉及一种用在光学拾取装置中的全息光学元件，可以在不同格式的光盘上记录和再现数据。
现有技术说明
近年来，随着光盘变为高密度和高容量的光盘，光学拾取装置的结构在提高物镜的数值孔径以及降低激光束的波长等方面有很大进展，以便降低用于记录和再现它的光束尺寸。
但是同时，由于光盘倾斜造成信号恶化的特性反比于激光波长，所以光盘倾斜的倾斜容限随着密度的提高而急剧降低。相应地，为了补偿倾斜容限，随着光盘记录密度的提高，可以通过降低盘片厚度来补偿其光盘倾斜特性。例如，对于具有650MB容量的CD光盘，激光波长为780nm，并且物镜的数值孔径为0.45。另一方面，对于具有4.7GB容量的DVD光盘，激光波长为560nm且数值孔径为0.6。CD光盘的厚度为1.2mm而DVD光盘的厚度为0.6mm。另外，在新近研制的HD光盘的情况下，已有具体提出波长为405nm且数值孔径为0.85。在此情况下，光盘厚度将为薄得多的0.1mm，从而可以确保光盘的倾斜容限。
由于光盘厚度根据光盘的类型而不同，所以如果采用仅适用一种特定类型光盘的光学拾取装置来记录和再现其他类型的光盘，则由于光盘的厚度差别会大量产生球差，从而会发生光学质量的降低。因而难以正常地记录和再现信号。为此原因，已有提出数种方法可以在盘片厚度不同的多种光盘之间确保兼容性。
例如，图1中画出了在再现0.6mm厚度DVD光盘时采用为0.1mm厚度光盘(HD光盘)设计的物镜的光学拾取装置产生的象差形状。象差值转换成均方根值为大约0.507λ，但是在Marechal标准中非常短，因而整个光学系统的象差应当低于0.07λ。相应地，为了补偿此相位，有人提出应当制作一种在650nm波长光束入射其中时具有与象差相反的相位值的元件。
在这些方法中，有数种方法提出采用全息光学元件(HOE)，它是一种利用光线的衍射效应来调整相位的光学元件。图2表示采用光学拾取装置将光束聚集在HD光盘和DVD光盘上的情况，该光学拾取装置中采用了为较高密度光盘设计的全息光学元件和物镜。
如图2所示，通过采用全息光学元件21控制用于DVD的光束的光路和用于HD的光束的光路，使光束通过物镜22聚焦在HD光盘23上和DVD光盘24上。这里，物镜22为适用于HD而设计的透镜。另外，全息光学元件21设置在物镜22之前，通过采用405nm波长光束的零级光线使光束特性保持不变，而对于650nm波长的光束，通过采用一级光线可以补偿其球差。
图3表示用于DVD的一级光线和用于HD的零级光线随全息光学装置的深度而变化的衍射效率。参照图3，405nm波长的零级光线的衍射效率越大，650nm波长的一级光线的效率就越低。据此，如果将405nm波长的零级光线的效率设计得较大，则会降低650nm波长的一级光线的效率。
另外，还提出有另一种对于两种光盘都采用一级光线的方法。在此情况下，物镜不应设计为仅用于HD的透镜，而应设计为适用于全部两种光盘所用源光线的特性。图4表示在此例中用于DVD的一级光线和用于HD的一级光线随全息光学元件的深度而变化的衍射效率。
如图4所示，由于表示随全息光学元件深度变化的最大效率点是不同的，所以显然难以对两种光盘都实现最大效率。另外，存在如下缺点，即如果取适当的中间值，则由于随深度变化的较大衍射效率会使波动较为严重。
换句话说，当采用零级和一级光线时，如果全息光学装置设计成对一级光线具有较大的效率，则零级光线的效率会显著降低；而如果全息光学装置设计成对零级光线具有较大的效率，则一级光线的效率会显著降低，因而只能取适当的中间值。
另外，因为在采用一级光线用于两种光盘的情况下其两种光线的波长不同，所以不可能将两种波长同时都设计成达到最大效率。因此，在此情况下，将全息光学装置设计成具有适当的中间值，在此方面的设计是相同的。
相应地，在一般非偏振全息光学装置的情况下，难于对两种波长都达到衍射效率的最大值，因而存在产生一定程度光学损耗的局限性。
发明概述
因此，本发明的目的在于提供一种采用全息光学元件的光学拾取装置，可以在多种光盘的不同盘面上记录和再现数据。
本发明的其它特点和优点将在下面的说明书中给出，并且从说明书中会部分清楚，或者可以从本发明的实施中理解。通过说明书及其权利要求书以及附图中具体给出的结构，可以实现并达到本发明的目的和其它优点。
为实现上述目的，提供了一种采用全息光学元件的光学拾取装置，包括一个全息光学元件，由双折射介质和各向同性介质组合构成，用于根据入射光束的偏振方向和波长调整透射光束的光路；和一个物镜，用于将来自全息光学元件的光束会聚至适于各光束波长的光盘上。
构成全息光学元件的双折射介质和各向同性介质沿入射光束的传播方向顺序设置。
双折射介质在垂直于光束传播方向的平面内具有同心圆的形状，在其径向形成锯齿状，所述双折射介质的锯齿状平面通过紧密粘合至所述各向同性介质而形成交界层。
双折射介质随着高度对应于阶梯形状的变化而形成一个锯齿状的斜面。
如果用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束入射在全息光学元件上，则选择双折射介质使得各向同性介质上用于高密度光盘的反射率(n1_高)与双折射介质上用于低密度光盘的非常光的反射率(ne_高)可以相同。
如果各向同性介质上用于高密度光盘的光束的反射率(n1_高)与双折射介质上用于低密度光盘的非常光反射率(ne_高)选择为相同，则入射在高密度光盘上光束的偏振方向与非常光的相同。
如果用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束入射在全息光学元件上，则选择双折射介质使得各向同性介质上用于高密度光盘的反射率(n1_高)与双折射介质上用于低密度光盘的寻常光的反射率(ne_高)可以相同。
如果各向同性介质上用于高密度光盘的反射率(n1_高)与双折射介质上用于低密度光盘的寻常光反射率(ne_高)选择为相同，则入射在高密度光盘上光束的偏振方向与寻常光的相同。
如果各向同性介质上用于高密度光盘的反射率(n1_高)与双折射介质上用于低密度光盘的寻常光反射率(ne_高)选择为相同，则入射在低密度光盘上光束的偏振方向与用于高密度光盘的光束的偏振方向以及光束传播方向相垂直。
为实现上述目的，提供了一种全息光学元件，由双折射介质和各向同性介质组合构成，用于根据入射光束的波长和偏振方向选择透射光束的传播方向。
所述双折射介质和各向同性介质沿光束的传播方向顺序设置。
双折射介质在垂直于光束传播方向的平面内沿径向形成为锯齿状，双折射介质的所述平面通过紧密粘合至所述各向同性介质而形成交界层。
双折射介质随着高度对应于阶梯形状的变化而形成一个锯齿状的斜面。
根据本发明，其优点在于，通过使用一种其中采用双折射介质的全息光学元件，可以补偿不同种类光盘的球差并且以光束的最大效率来记录和再现数据。
应当理解，前述一般描述和下面的详细描述只是例示性和解释性的，意在提供对所要求保护的发明的进一步解释。
附图的详细说明
本发明的上述目的、特色和优点从下面结合附图给出的详细说明中将更加清楚。附图中：
图1表示在使用其中采用适用于高密度光盘而设计的物镜的光学拾取装置来再现DVD的情况下的OPD曲线的例子；
图2表示使用其中采用适用于较高密度光盘而设计的物镜和全息光学元件的光学拾取装置将光束会聚至HD光盘和DVD光盘的情况；
图3表示使用其中采用相关全息光学元件的光学拾取装置时，用于HD的零级光线和用于DVD的一级光线随全息光学元件的深度而变化的衍射效率。
图4表示当使用其中采用相关全息光学元件的光学拾取装置时，用于HD的一级光线和用于DVD的一级光线随全息光学元件的深度而变化的衍射效率。
图5表示光束通过双折射介质的传播方向；
图6表示根据本发明优选实施例的全息光学元件中入射面形状的透视图；
图7表示沿图6中线B-B的剖视图的一个例子；
图8表示沿图6中线B-B的剖视图的一个不同例子；以及
图9表示在使用根据本发明优选实施例的全息光学元件的光学拾取装置中，根据入射至全息光学元件中光束的偏振方向和波长所透射光束。
优选实施例的详细说明
下面参照附图说明本发明的优选实施例。在下面的说明中，相同的附图标记用以表示相同的元件，即使在不同的附图中。说明书中所述的主题例如详细结构和电路元件仅仅用于帮助对发明的理解。因此，显然本发明可以在不采用所述主题的情况下加以实施。另外，公知的功能和结构没有给出详细描述，因为这会由于不必要的细节而导致本发明模糊。
在本发明中，由光盘厚度差导致的球差通过构造一种其中采用双折射介质的偏振全息光学元件而加以补偿。图5表示双折射介质的偏振光束透射特性。具体地说，图5表示在光束偏振入射至普通双折射介质时光束的传播方向。
如果偏振光束入射至双折射介质，则光束的传播方向将根据入射光束的偏振方向而变化。也就是说，沿双折射介质x轴方向偏振的光束路径在通过双折射介质时不发生改变，这称作寻常光。然而，沿双折射介质y轴方向偏振的光束的路径在通过双折射介质时或多或少地发生改变，这称作非常光。
图6至图8表示根据本发明优选实施例的采用双折射介质的全息光学元件。图6为根据本发明的全息光学元件中入射面形状的透视图。另外，图7和图8表示沿图6中线B-B的剖视图的例子。
如图6和图7中所示，构成全息光学元件的双折射介质73在光束传播方向的垂直平面内形成同心圆，而在其径向形成类似锯齿的形状。具有锯齿状的双折射介质73的平面通过粘合至各向同性介质72而形成交界层。这里，标号71表示玻璃，其中形成有双折射介质73和各向同性介质72。
参照图8，构成全息光学元件的双折射介质83具有一个锯齿状的斜面。优选地，该斜面具有高度变化的阶梯状结构。另外，具有锯齿状的双折射介质83的平面通过粘合至各向同性介质82而形成交界层。标号81表示玻璃，其中形成有双折射介质83和各向同性介质82。
下面参照图7至图9说明根据本发明的使用全息光学装置的对多种光盘兼容的光学拾取装置。图9表示在使用根据本发明的全息光学元件的光学拾取装置中，根据入射至全息光学元件中光束的偏振方向和波长所透射光束。
在说明对多种光盘的兼容性时，以用于HD的光束(波长405nm)和用于DVD的光束(波长650nm)作为用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束入射为例加以说明。
参照图7，各向同性介质72是一种对波长405nm具有折射率n1_405并且对波长650nm具有折射率n1_650的材料。另外，双折射介质73对波长405nm根据入射光束的偏振方向具有折射率no_405和ne_405，并且对波长650nm根据入射光束的偏振方向具有折射率no_650和ne_650。此处no表示寻常光的折射率，ne表示非常光的折射率。根据一个优选实施例，非常光相对于寻常光为偏振光，优选偏振90度。
例如，根据本发明的一个实施例，通过选择各向同性介质72和双折射介质73制成全息光学元件，使得n1_405优选等于ne_405。如果入射的405nm光束的偏振方向与非常光的偏振方向相同，则波长405nm的光束不受任何影响地透射，因为其折射率在各向同性介质72和双折射介质73中是相同的。
当波长650nm的光束入射时，如果光束入射时被偏振至与波长405nm的光束的偏振方向相垂直的方向(寻常光偏振方向)，则各向同性介质72中折射率为n1_650，而双折射介质73中折射率为no_650。相应地，对于波长650nm的光束，在各向同性介质72和双折射介质73中可以发现不同的折射率，从而由于发生衍射使得球差可以通过斜面上的全息光学元件的形状加以补偿。
参照图9，在波长405nm的光束的情况下，全息光学元件中入射波前和透射波前以相同的方式传播。然而在波长650nm的光束的情况下，全息光学元件中的入射波前是直线，而全息光学元件中的透射波前是曲线。此效应是由于在全息光学元件中双折射介质与各向同性介质的交界层发生衍射而引起的。相应地，球差得到了适当的补偿。
如果适当调整全息光学元件形状的深度，可以使波长650nm光束的衍射效率达到最大。另外，由于波长405nm的光束没有空间相位变化，所以其效率是最大化的。根据本发明的优选实施例，可以解决用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束辐照强度损耗的问题。
在另一例中，被偏振至与波长405nm的光束具有相同偏振方向(非常光偏振方向)的波长650nm的光束入射在全息光学元件上，如图9所示。然后，在各向同性介质72中折射率变为n1_650，而在双折射介质73中，折射率变为ne_650。因此，对于波长650nm的光束，发现在各向同性介质72和双折射介质73中其折射率不同，从而由于发生衍射使得球差可以通过斜面上的全息光学元件的形状加以补偿。
根据本发明的一个替代实施例，通过选择各向同性介质72和双折射介质73制成全息光学元件，使得n1_405等于no_405。如果入射在全息光学元件上的波长405nm光束的偏振方向与寻常光的偏振方向相同，则波长405nm的光束不受任何影响地透射，因为其折射率在各向同性介质72和双折射介质73中是相同的。
当波长650nm的光束入射在该全息光学元件上时，如果该光束被偏振至与波长405nm光束的偏振方向相垂直的方向(非常光偏振方向)，则各向同性介质72中折射率为n1_650，而双折射介质73中折射率为ne_650。相应地，对于波长650nm的光束，各向同性介质72和双折射介质73中可发现其折射率不同，从而由于发生衍射使得球差可以通过斜面上的全息光学元件的形状加以补偿。
根据本发明的优选实施例，如果适当调整全息光学元件形状的深度，可以使波长650nm光束的衍射效率达到最大。另外，由于波长405nm的光束没有影响，所以其效率是最大化的。相应地，可以解决用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束辐照强度损耗的问题。
在另一例中，被偏振至与波长405nm的光束具有相同偏振方向(寻常光偏振方向)的波长650nm的光束入射在全息光学元件上，如图9所示。然后，在各向同性介质72中折射率变为n1_650，而在双折射介质73中，折射率变为no_650。因此，对于波长650nm的光束，发现在各向同性介质72和双折射介质73中其折射率不同，从而由于发生衍射使得球差可以通过斜面上的全息光学元件的形状加以补偿。
根据本发明，可以简单地通过采用发射预偏振光束的激光二极管，来选择用于高密度光盘的光束和用于低密度光盘的光束的偏振方向。考虑其发射光束的偏振方向来设置激光二极管。其结果是，可以通过采用λ/2滤波片将偏振方向加以旋转或者简单地将激光二极管加以旋转，来选择性地调整光束的偏振方向。
另外，仅仅考虑适用于高密度光盘的光学系统的最佳设计，可以十分容易地设计物镜。换句话说，将物镜设计成适用于高密度光盘的光学系统。另外，至于低密度光盘光学系统的问题，可以通过全息光学元件补偿其球差，从而易于构造光学系统。
如上所述，根据全息光学元件和使用该全息光学元件的光学拾取装置，其优点在于，通过使用其中采用双折射介质的全息光学元件，可以补偿多种光盘的球差，并且可以以最高光束效率来记录和再现数据。
虽然本发明是结合其特定的优选实施例加以表示和说明的，但是本领域技术人员应当理解，在不偏离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对其中作出多种形式和细节的改变。
Claims (22)
1.一种光学拾取装置，其特征在于，它包括：
光源，用于发射光束；
全息光学元件，具有双折射介质和各向同性介质，用于根据入射光束的偏振方向和波长调整该光束的光路；和
物镜，用于根据光束的波长将来自全息光学元件的光束会聚至光盘上。
2.如权利要求1所述的光学拾取装置，其特征在于，所述双折射介质在光束传播方向的垂直平面内具有同心圆的形状，且在径向形成锯齿形状，并且所述双折射介质的锯齿状平面与所述各向同性介质形成交界层。
3.如权利要求2所述的光学拾取装置，其特征在于，所述双折射介质和各向同性介质沿光束的传播方向顺序设置。
4.如权利要求3所述的光学拾取装置，其特征在于，所述双折射介质在光束传播方向的垂直平面内具有同心圆的形状，且在径向形成锯齿形状，并且所述双折射介质的锯齿状平面与所述各向同性介质形成交界层。
5.如权利要求4所述的光学拾取装置，其特征在于，所述锯齿状的双折射介质含有阶梯表面。
6.如权利要求1所述的光学拾取装置，其特征在于，如果用于高密度光盘的光束入射在全息光学元件上，则选择所述双折射介质使得各向同性介质的反射率(n1_高)与双折射介质的非常光反射率(ne_高)相同。
7.如权利要求6所述的光学拾取装置，其特征在于，如果所述各向同性介质对于用于高密度光盘的光束的折射率(n1_高)与所述双折射介质的非常光折射率(ne_高)选择为相同，则入射在高密度光盘上光束的偏振方向与非常光的偏振方向相同。
8.如权利要求6所述的光学拾取装置，其特征在于，如果所述双折射介质选择为使得各向同性介质对于用于高密度光盘光束的折射率(n1_高)与双折射介质对于用于高密度光盘光束的非常光折射率(ne_高)相同，则根据双折射介质的深度调整用于低密度光盘的光束的衍射效率。
9.如权利要求1所述的光学拾取装置，其特征在于，如果用于高密度光盘的光束入射在全息光学元件上，则选择所述双折射介质，使得各向同性介质的反射率(n1_高)与双折射介质的寻常光反射率(ne_高)相同。
10.如权利要求9所述的光学拾取装置，其特征在于，如果所述各向同性介质对于用于高密度光盘的光束的折射率(n1_高)与所述双折射介质的非常光折射率(ne_高)选择为相同，则入射在高密度光盘上光束的偏振方向与寻常光的偏振方向相同。
11.如权利要求10所述的光学拾取装置，其特征在于，如果所述双折射介质选择为使得各向同性介质对于用于高密度光盘光束的折射率(n1_高)与双折射介质对于用于高密度光盘光束的非常光折射率(ne_高)相同，则根据双折射介质的深度调整用于低密度光盘的光束的衍射效率。
12.一种光学拾取装置，其特征在于，它包括：
光源，用于发射具有第一既定波长的第一光束；
全息光学元件，具有双折射介质和各向同性介质，用于根据偏振方向和波长调整第一光束的光路，其中所述各向同性介质具有至少第一和第二各向同性折射率，并且所述双折射介质根据第一光束的波长具有第一和第二寻常光折射率以及第一和第二非常光折射率；和
物镜，用于根据第一光束的波长将来自所述全息光学元件的第一光束聚焦至光盘上。
13.如权利要求12所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第一各向同性折射率与所述第一非常光折射率基本相同。
14.如权利要求12所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第一各向同性折射率与所述第一寻常光折射率基本相同。
15.如权利要求12所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第二各向同性折射率不同于所述第二非常光折射率。
16.如权利要求12所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第二各向同性折射率不同于所述第二寻常光折射率。
17.如权利要求12所述的光学拾取装置，其特征在于，所述双折射介质具有同心圆的形状，同心圆具有大致锯齿形的截面形状，该同心圆形状位于一个大致垂直于光束传播方向的平面内，并且所述双折射介质与所述各向同性介质紧密邻接。
18.一种用于光学拾取装置中的全息光学元件，其中的光学拾取装置具有一个光源，用于发射具有第一既定波长的第一光束；和一个物镜，用于根据第一光束的波长将来自所述全息光学元件的第一光束聚焦至光盘上，其特征在于，该全息光学元件包括：
双折射介质和各向同性介质，用于根据偏振方向和波长调整第一光束的光路，其中所述各向同性介质具有至少第一和第二各向同性折射率，并且所述双折射介质根据第一光束的波长具有第一和第二寻常光折射率以及第一和第二非常光折射率。
19.如权利要求18所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第一各向同性折射率与所述第一非常光折射率基本相同。
20.如权利要求18所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第一各向同性折射率与所述第一寻常光折射率基本相同。
21.如权利要求18所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第二各向同性折射率不同于所述第二非常光折射率。
22.如权利要求18所述的光学拾取装置，其特征在于，所述第二各向同性折射率不同于所述第二寻常光折射率。
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