CN1499502A - 光学拾取器以及用于校正光束像差的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球面像差校正单元(9、11、13)，校正在朝向要被探测的物体(DK)照射并聚焦到物体上的光束(B)中造成的像差。校正单元包括像差校正器(9)、驱动器(12)、光接收器(11)和控制器(13)。由多个光学元件(9a、9b)构成的像差校正器将光束形成为平行光线锥，并校正光束中造成的像差。驱动器沿着光束的光轴方向驱动光学元件中任一个。光接收器接收从介质反射的光，以从接收到的光产生光接收信号，而控制器基于所产生的光接收信号控制驱动器。

Description

光学拾取器以及用于 校正光束像差的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于校正在聚焦到要被探测的物体上的光束中造成的像差的方法和装置，并涉及有该校正装置使用的光学拾取器。
背景技术
通常，光学拾取器由信息记录介质所采用。在这个光学拾取器领域中，随着从光学拾取器发出并聚焦到信息记录介质上的光束的光斑直径的减小，信息的记录或再现片断的密度变得更大。光斑的直径随着光波长变短且物镜的数值孔径(NA)变大而变小。
从而，为了提高光学记录介质的存储容量，需要在光学拾取器中安装发出较短波长的光束的半导体激光器(LD)作为光源，并采用更大数值孔径(NA)的物镜。在高密度光盘系统的领域中，人们的注意力已经被引向一个标准，该标准中，发射波长为405nm的蓝-紫半导体激光器用作光源，使用数值孔径为0.85的物镜，以将存储容量提高到每个表面25GB，并且记录介质的覆盖层的厚度缩小到100μm，以防止由于记录介质倾斜造成的性能下降。另外，双层盘片也被标准化，使得它的覆盖层的厚度为75μm。覆盖层的厚度定义为从记录介质的光入射表面到包含到介质中的信息记录层的厚度。
另一方面，在光学系统中造成的球面像差正比于物镜数值孔径的四次方，并正比于记录介质厚度中的误差。由此，如果期望采用约为0.85的较高数值孔径的物镜，记录介质的厚度必须均匀，而限定厚度误差的一个特定的恒定范围内。然而，记录介质的这种高精度制造极其困难。即使厚度误差限定在生产误差的可允许容限内，球面像差也通常会形成较大的量。这要求无论何时更换光盘就要校正球面像差。尤其是，为了消除从双层盘片再现信息中造成的球面像差，需要传统DVD或CD(致密盘)中未曾使用的特定校正装置。
将参照图1和2描述这种用来校正球面像差的传统结构。
图1举出了一个光学拾取器的例子，其中扩展透镜(expander lens)用作校正球面像差的装置。
如图1所示，从激光源1发出的光束B由准直器2转变为平行光线锥(pencil)。平行光线锥穿过扩展透镜，并然后进入透镜8。扩展透镜由凸透镜5a和凹透镜5b构成，并具有扩展入射的平行光通量并然后在输出平行光之前使它回到平行光的功能。顺便提及，在图1中，在光束路径中还插入了一个成形棱镜3、PBS4、四分之一波板6、提升反射镜7、探测透镜10、探测器11、以及光盘DK。
现在将描述如何校正球面像差。例如，盘片DK的厚度变化在光束B中造成球面像差。在这种情况下，凸透镜5a或凹透镜5b沿着穿过构成扩展透镜的透镜5a和5b的光轴前后移动，导致被发射的光通量自平行光偏移。这个偏移能够改变光向物镜8的入射角，由此可以抵消所造成的球面像差。
图2是利用准直透镜作为校正球面像差的装置的示例。
在图2所示的光学拾取器，沿着光轴移动准直透镜2使得从准直透镜2发出的光通量的角度得以调节，由此可以校正光束B的球面像差，这类似于图1中移动扩展透镜时获得的情形。
顺便提及，图2所示的结构只使用一个准直透镜，但是这仅仅是一个例子。另外，如日本专利公开2002-150598中所描述的，由两个或多个透镜组合而构成的准直透镜可以用于一同移动，由此校正球面像差。
然而，上述传统拾取器已经面对多种困难。在图1所示的示例中，由于使用扩展透镜，必须向拾取器添加附加部件(即扩展透镜)，由此增大了部件成本，并需要用来安装的额外空间。因此，使用扩展透镜与使整个拾取器紧凑不相适应。
此外，在图2所示的拾取器结构中，整个准直透镜必须移动，使得校正球面像差所需的透镜驱动量变大。由此，迫使用于准直透镜的这种驱动所需的空间较大。另外，需要移动准直透镜经过较长的距离，导致校正的时间较长并且能量消耗增大。
发明内容
鉴于上述传统技术的困难，本发明的一个目的是提供一种光学拾取器，一种像差校正单元以及一种像差校正方法，其能够在较短时间内完成对球面像差的校正工作，且透镜安装空间变窄，能量消耗减小。
根据本发明的一个方面，提供了一种球面像差校正单元，用于校正在朝向要被探测的物体发射并聚焦到物体上的光束中被造成的像差。该单元包括像差校正器，该像差校正器由多个光学元件构成，并被构造成将光束形成为平行光线锥，且校正光束中的像差；该单元还包括构造成沿光束的光轴方向驱动光学元件中任一个的驱动器、构造成接收从物体反射的光以便从所接收到的光中产生光接收信号的光接收器、以及构造成基于所产生的光接收信号控制驱动器的控制器。
作为示例，物体是光学信息记录介质。优选的是，满足关系0.2＜|f1/f|＜0.82，其中，像差校正器的合成焦距为f，而被驱动的光学元件的焦距为f1。仍为优选的是，像差校正器为准直透镜。
根据本发明另一方面，提供了一种通过将光束向光学信息介质辐射而从光学信息介质读取信息或向光学记录介质写入信息的光学拾取器，光束被聚焦到光学信息介质上，该光学拾取器包括用于校正在光束中造成的像差的球面像差校正单元。在这种构造中，该单元包括一个像差校正器，该像差校正器由多个光学元件构成，并构造成将光束形成为平行光线锥，并校正在光束中被造成的像差，该单元还包括被构造成沿着光束的光轴方向驱动光学元件中任一个的驱动器、被构造成接收从介质反射的光以便由所接收的光产生光接收信号的光接收器、以及被构造成基于所产生的光接收信号控制驱动器的控制器。
根据本发明的另一方面，提供了一种球面像差校正方法，用于校正在向要被探测的物体辐射并聚焦到物体上的光束中被造成的像差。这个方法包括如下步骤：利用多个光学元件将光束形成为平行光线锥，在这个过程中，校正在光束中被造成的像差；沿着光束的光轴方向驱动光学元件中任一个；接收从物体反射的光以从所接收的光中产生光接收信号；以及基于所产生的光接收信号控制驱动器。
附图说明
本发明的其他目的和方面将从下面参照附图的实施例描述中变得更清楚，图中：
图1举例说明了传统光学拾取器的概括构造；
图2举例说明了另一传统光学拾取器的概括构造；
图3示出根据本发明一实施例的光学拾取器的概括构造；
图4A和4B解释了通过利用单个准直透镜进行的球面像差校正；
图5A和5B解释了通过利用由多个透镜构成的单个准直透镜装置进行的球面像差校正；
图6是举例说明在整个一个准直器移动时所需的移动量与在只有结合到一个准直透镜装置中的一个透镜移动时所需的移动量之间的关系；
图7A示出了利用传统光学拾取器进行的试验结果的一个示例；
图7B示出利用根据本发明实施例的光学拾取器进行的试验结果的一个示例；
图8A到8D示出其中一个准直透镜装置由多个透镜构成的实施例的改进；以及
图9解释了根据本实施例的准直透镜的设计示例。
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的球面像差校正方法和单元的优选实施例。
在下面的实施例中，要被探测的物体是高密度光盘，且本发明应用于将光束朝向该物体照射的光学拾取器，并包括用于校正光束的球面像差的像差校正单元。
作为物体的光盘DK经历向其上记录信息和从其上再现信息。光盘DK具有基片，在基片上形成记录层，信息信号基于相变记录在该记录层中。在这个记录层上，覆盖层形成为例如具有大约0.1mm的厚度。这个覆盖层作用为保护记录层的保护层。使得光从覆盖层一侧，而不是从基片一侧，进入光盘DK，用来记录和再现，这是由于覆盖层比基片薄很多。
由于该结构为光通过覆盖层进入光盘，距记录层的举例变短，由此抑制了彗形像差。由此，与传统CD或DVD相比，可以实现记录的高密度和大容量。
参照图3，现在解释根据本实施例的光学拾取器的构造。图3示意性示出这种构造。
如图3所示，根据本实施例的光学拾取器设置有激光源1、偏振分束器(PBS)4、四分之一波板6、提升反射镜7、物镜8、由两个透镜9a和9b构成的作为像差校正器的准直透镜装置9、探测透镜10、作用为光接收器的探测器11、作用为驱动器的致动器12、以及控制器13。在准直透镜装置9中，透镜9a形成为凸透镜，而透镜9b形成为凹透镜。透镜9a和9b二者构成可以作为单个透镜部件操纵的准直透镜装置9。
激光源1设计成例如发射波长λ为405nm的光束B。从激光源1发出的光束B经由偏振分束器4进入准直透镜装置9(透镜9a和9b)。
在盘片DK的覆盖层具有0.1mm的厚度时，进入准直透镜9(透镜9a和9b)的光束B转变成平行光线锥。换句话说，布置成使得光束在盘片DK的覆盖层具有预定的额定厚度0.1mm时变成平行光线锥。
在由透镜9a和9b构成的准直透镜9中，凹透镜9b固定在预定部分处，而凸透镜9a安装到致动器12上，以便透镜9a可以被驱动沿着入射光束B的光轴前后移动。当盘片DK的覆盖层厚度不是预定额定值(例如0.1mm)时，透镜9a被致动器12驱动，从而透镜被移动以校正归因于覆盖层厚度误差造成的球面像差。即，当覆盖层厚度自额定值偏离时，通过移动准直透镜9a将光束B转变成发散光束或会聚光束，从而校正由覆盖层厚度误差造成的球面像差。后面将描述这种像差校正技术。
从准直透镜装置9(透镜9a和9b)发出的光束B由四分之一波板6转变成圆偏振光，并然后在提升反射镜7处经历角度变化，从而进入物镜8。
物镜8作用为将(圆偏振的)光束B聚焦到光盘DK的记录层上。即，已经由四分之一波板6转化成圆偏振光的光束B经历在物镜8处聚焦，从而光束B经由未示出的盘片DK的覆盖层聚焦到盘片DK的记录层上。
从盘片DK的记录层反射的光束B跟踪原始路径，从而被反射的光束B穿过物镜8，并然后进入四分之波板6。由此，波板6使得光束B与发出光束时最初赋予光束的偏振方向相比旋转90度，结果光束被减弱为线性偏振光。此后，光束B由准直透镜装置9(透镜9a和9b)转化为会聚光，并然后被偏振分束器4反射，而进入探测透镜10中。由此在探测器11上形成图像。
探测光束B的探测器11例如具有四个光电探测器。由此，光电探测器分别产生对应于进入光束的强度的电信号。
具体地说，为了从盘片DK上再现信息，探测器11利用所产生的电信号探测进入光电二极管的光束B，由此产生与光强度相符的信号。
由探测器11产生的信号被传送到控制器13。控制器13接收来自于探测器11的信号，并用它产生控制准直透镜9a所需的信号。这个被产生的信号被传送到致动器12。更具体的说，控制器13利用来自探测器11的信号来寻找在光束B中造成的像差量，并基于光束B的像差量确定驱动准直透镜9a的量。控制器13还工作以为致动器12提供反映了驱动量的控制信号。响应接收到的控制信号，致动器12产生驱动电流，来驱动准直透镜9a。
致动器12可以根据施加到其上的电能以受控方式被驱动。致动器12例如由音圈构成。由此，调节供给音圈的电流可以使得准直透镜9a的位置偏移。致动器12不局限于音圈，而是可以由其他元件构成，如由所提供的电压控制的压电元件和相应于被指令的脉冲数的步进电机。
在下面的描述中，将参照图4到6描述由于盘片DK覆盖层误差造成的球面像差以及如何校正这个球面像差。
首先，参照图4，现在将解释通过移动整个准直透镜校正球面像差的情况。
如图4A所示，当盘片DK覆盖层的厚度为0.1mm时，其厚度误差变为零。在这种情况下，不发生由厚度中的误差造成的球面像差，由此不需要校正像差。从而，光束被准直透镜2转变成平行光。
相反，光盘DK的覆盖层厚度为0.075mm，将由于厚度中的误差而造成球面像差，如图4B所示，在这种情况下，准直透镜2应该被移动，以便将光束B转变成平行光，以便消除球面像差。
例如，焦距为25mm的准直透镜2朝向盘片DK移动距离ΔD，由此光束B聚焦在分离a＝200到250mm的距离的位置处。
在会聚光被形成为进入物镜8以校正像差的情况下，准直透镜2的移动量ΔD在举例a远大于焦距f的条件下，可以表示如下：
ΔD＝f2/(a-f)＝f2/a
这可以从图4B理解到。
接着，参照图5A和5B，解释通过移动两个透镜之一校正球面像差的情况，其中这两个透镜结合而形成准直透镜装置。
如图5A和5B所示，两个透镜9a和9b结合而形成准直透镜装置9，其中一个透镜9a焦距为f1，而另一个透镜9b的焦距为f2，在这种条件下，相结合的两个透镜9a和9b的合成焦距f成为：
d≤f1，f2
f＝f1·f2/(f2-f1)
从透镜9a到光源1的举例D变成：
D＝f1·f2/(f2-f1)-d{f2/(f2-f1)-1}
D＝f-d(f/f1-1)
如图5B所示，在只有透镜9a移动来校正球面像差的情况下，透镜9a所需的移动量Δd可以表示如下：
Δd＝f1 2/(a-f1)＝f1 2/a
计算在整个准直器2移动时所需的移动量ΔD和只有透镜9a移动时所需的移动量Δd之间的比，结果为：
ΔD/Δd＝1/m2
其中，比m(＝f2/f1)是透镜9a的焦距f1与合成焦距f之间的比。
由此，例如，如果m＝0.5，得到ΔD/Δd＝4。这表明仅仅移动透镜9a“1”那么远相当于移动整个准直器2“4”那么远。图6是表面ΔD/Δd与m之间的关系的曲线。
高密度光盘拾取器利用焦点在大约20到25mm的准直透镜。双层光盘层对层的距离为25μm。由此，当采用这种双层光盘时，通过移动整个准直透镜2来消除球面像差要求准直透镜2移动大约3mm。相反，当m＝5时，仅移动透镜9a0.75mm就使得像差得以消除。
当假设焦距25mm的透镜在调节过程中存在0.5mm的失调时，球面像差大约增大12mλ。透镜调节中的失调应该吸收透镜温度特性的变化，从而，对于透镜的开环控制，需要估计失调大约为0.01mm。在由于调节失调导致的球面像差恶化的情况下，对移动整个准直透镜2的方式赋予0.25mm的公差。由于这得出ΔD/Δd＝0.25/0.01＝25，优选的是，比“m”大于0.2。
此外，从图6的曲线可以看出，可以理解到当比“m”小于0.2时，比值ΔD/Δd剧烈变化。从而，在这种剧烈变化的范围内，焦距f1的波动将导致校正球面像差过程中的灵敏度也变化很大，这个剧烈变化范围是不期望的范围。这个剧烈变化的范围也给出焦距f1和f2的曲率的精密值，由此易受像差和偏心影响。
于是，比值“m”的可行且实际可控制的范围是0.2≤m≤0.82，它满足关系式1.5≤ΔD/Δd≤25。
现在，将参照图7A和7B描述根据本发明为了校正球面像差所进行的试验结构的数据的含义。
图7A示出从试验得出的数据，其中如图2所示构造的传统准直透镜作为一个装置移动。具体的说，在这个试验中，盘片的覆盖层的基准厚度为100μm，而整个准直透镜作为一个装置移动，用来校正球面像差。这个试验数据表明例如当覆盖层厚度变化到70μm时，即厚度误差为30μm，为了校正准直透镜应该移动4mm。
相反，图7B示出从与图7A相同情形下进行的另一个试验中得出的数据，除了只有包含在准直透镜装置中的一个透镜移动之外。在这种情况下，可以理解到当覆盖层的厚度变化到70μm而具有30μm的厚度误差时，将准直透镜装置中的一个透镜移动0.65mm就足以获得与传统那个相同的校正效果(参照图7A)。
图7A和7B也揭示了仍然存在剩余的高阶球面像差，这时由物镜的结构特性如何造成的，尽管低阶球面像差通过基于透镜移动的校正被消除。
如迄今为止所描述的，根据本实施例的光学拾取器采用由多个透镜(例如两个透镜)构成的准直透镜，并仅移动多个透镜中的一个，来校正球面像差。由此，与简单地移动整个准直透镜来校正的传统结构相比，透镜为了校正而移动的距离显著缩短。
因此，可以减小为了校正球面像差所需的透镜的驱动量，可以减小其中的允许透镜移动的空间，由此节省了空间。
再者，由于透镜不需要移动较长的距离，校正球面像差所需的时间也可以缩短，同时节省了驱动透镜所需的能量量。
再者，由于使用了准直透镜装置，因此不需要在拾取器内安装诸如扩展透镜的用于校正球面像差的额外部件。从而，可以减少部件成本，也不需要用于这种额外部件的额外安装空间，并且整个拾取器可以形成得更紧凑。
将描述一些其他的实施例。
在前述实施例中，在由两个透镜9a和9b构成的准直器中，只有另一个透镜9b变化，本发明同样可以应用于该实施例。只要满足比值“m”的条件，只有透镜9b移动，如图8A示意性描述的。即使在这个改进中，可以通过透镜移动来校正像差校正灵敏度中的诸如不规则性的较小波动，并且行程可以保持较小。
图8B中的改进表明构成准直透镜装置9的透镜9a和9b之间的位置关系可变化，由此两个透镜9a和9b的位置彼此可替换。
此外，也不总是需要使结合到准直透镜装置9中的每个透镜9a(9b)由单独一个透镜构成，而是如图8C中的改进所示，结合到准直透镜装置9中的每个透镜9a(9b)可以由多个透镜元件形成。透镜数量的增加除了校正前述球面像差之外，还可以校正归因于物镜的色差。
如图8D的改进所示，结合到准直透镜装置9中的每个透镜9a(9b)可以为其上形成全息图14的透镜(即全息透镜)。如果使用全息透镜，除了校正前述球面像差之外，还可以精确校正色差。
另外，结合到准直透镜装置9中的每个透镜9a(9b)的表面不局限于球面形状，而是可以为非球面形状。通过采用非球面形状，也可以消除由物镜引起的前述高阶球面像差。
根据本实施例的光学拾取器也可以应用于由光学拾取器发出的光进入光盘的基片侧的信息记录介质。
由激光源1发出的光束B的波长λ当然不局限于.405nm，而是可以设定为其他波长。
图9示出根据本实施例的准直透镜的设计示例。在图9中列出的数值仅仅是示例性设计值，而不意味着设计要局限于这些值。可以用作透镜的材料不局限于特定的材料，各种材料，如玻璃和塑料都可以使用。甚至可以采用例如玻璃和塑料结合的材料。
通过前述各种类型的实施例，本发明因此可以概括成中空形状的支撑元件另外作用为一个共振管，中空形状支撑元件内侧的声质量和这种支撑元件之外的元件的声音容量腔用于产生Helmholtz共振，并且中空形状的支撑元件的内部容量用作扬声器的后腔(机壳)。

Claims (9)

1.一种球面像差校正单元，用于校正在朝向要被探测的物体(DK)辐射并聚焦到物体上的光束(B)中造成的像差，其特征在于，包括：
像差校正器(9)，它由多个光学元件(9a、9b)构成，并构造成将光束形成为平行的光线锥，并且校正在光束中造成的像差；
驱动器(12)，其被构造成沿光束的光轴方向驱动光学元件中任一个；
光接收器(11)，其被构造成接收从物体反射的光，以便由接收到的光产生光接收信号；以及
控制器(13)，其构造成基于所产生的光接收信号控制驱动器。
2.如权利要求1所述的球面像差校正单元，其特征在于，所述物体是光学信息记录介质。
3.如权利要求1所述的球面像差校正单元，其特征在于，满足关系0.2＜|f1/f|＜0.82，其中像差校正器的合成焦距是f，而被驱动的光学元件的焦距为f1。
4.如权利要求1所述的球面像差校正单元，其特征在于，像差校正器是准直透镜。
5.如权利要求2所述的球面像差校正单元，其特征在于，所述光学元件中任一个由多个透镜构成。
6.如权利要求2所述的球面像差校正单元，其特征在于，准直透镜具有球面。
7.如权利要求2所述的球面像差校正单元，其特征在于，全息图附着到准直透镜上。
8.一种光学拾取器，用于通过将光束(B)照射到光学信息介质(DK)上来从光学信息介质读取信息或向光学记录介质写入信息，光束聚焦到光学信息介质上，其特征在于，光学拾取器包括：
用于校正光束中造成的像差的球面像差校正单元(9、11、13)；
其中，该单元包括：
像差校正器(9)，它由多个光学元件(9a、9b)构成，并构造成将光束形成为平行的光线锥，并且校正在光束中造成的像差；
驱动器(12)，其被构造成沿光束的光轴方向驱动光学元件中任一个；
光接收器(11)，其被构造成接收从物体反射的光，以便由接收到的光产生光接收信号；以及
控制器(13)，其构造成基于所产生的光接收信号控制驱动器。
9.一种球面像差校正方法，用于校正在朝向要被探测的物体(DK)辐射并聚焦到物体上的光束(B)中造成的像差，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用多个光学元件(9a、9b)将光束形成为平行的光线锥，在此期间，校正光束中造成的像差；
沿着光束的光轴方向驱动光学元件中任一个；
接收从物体反射的光，并从接收的光产生光接收信号；以及
基于所产生的光接收信号控制驱动器。
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