CN1556984A - 用于光学扫描器件的光学单元 - Google Patents

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Abstract

用于光学扫描器件的光学单元(10)包括一体部件(18)，所述一体部件(18)具有内置分束器(14)和被配置成安置辐射源(20)和对辐射敏感的探测器(22)的内置部分。光学单元具有良好的辐射效率以及小且重量轻。所述一体部件可由玻璃或透明塑料材料制成且还可包括衍射光栅(16)和物镜(12)。

Description

用于光学扫描器件的光学单元
发明背景
本发明涉及一种用于光学扫描器件的光学单元，包括用于供应扫描束的辐射源，用于将所述扫描束聚焦到待被扫描物体上的扫描光点的物镜以及用于将由被扫描物体所反射的反射束转换成电信号的对辐射敏感的探测器。
本发明还涉及到一种包括这样的光学单元的光学扫描器件。
光学扫描器件典型地，但不排他地被用来扫描光学记录载体，例如光盘如光盘(Compact Disc)或数字化通用盘(DVD)的信息层。在那种情况下，物体的扫描被理解成意味着信息层的扫描，用于既读取被记录信息层的信息又在空白或部分空白的信息层中写入信息的目的。
目前可获得的技术提供了光学扫描器件，其大多数使用全息的光学元件。这个元件将来自正在行进束路径的反射束偏转且朝向探测系统。全息光学元件可是具有线性变化的光栅周期的光栅，其致使反射束经历其象散。如在US-A 4,358,200中所说明，利用这样的象散束，连同四象限探测器，可以产生聚焦误差信号。
然而，在光学扫描器件中使用全息照相致使这个器件在辐射强度方面效率相当低。在这样的器件中仅6％的由源发射的辐射到达探测系统。这使得具有全息光学元件的光学单元不适合用于需要从具有低反射率的物体如可记录光盘(CD-R)或可改写光盘(CD-RW)进行读取的扫描器件中。生产具有全息光学器件的单元还很昂贵，且难以实施对其的任何设计改变。
尽管被公认的需要，在本技术中持续的失败一直是无能力增加光盘扫描器件光功率的效率，而同时降低生产成本。因而，一直是持续地无能力提供一种既具有低成本又是辐射高效率的紧凑光学捡拾单元。
本发明的一个目的是减轻这些缺点且提供一种用于光学扫描器件的光学单元，所述单元是紧凑的、低成本的且辐射高效率的。这个单元的特征在于它包括用于容纳辐射源，探测器的一体部件且具有形成分束器的内置倾斜部分。
本发明基于这样的见识，即通过由简单的分束器替代全息光学元件，不仅可以增加辐射效率而且还可能制造具有起到分束器作用的内壁的一体部件。借助于这样的集成，光学扫描器件变得更加紧凑且可以以低成本被加以制造。
注意到US-A 4,358,200也公开了一种包括分束器的光学扫描器件，所述分束器用于将来自将到达记录载体的束的反射束进行分离以及用于将所述反射束导引向探测器。在这个扫描器件中，所有的光学部件是独立的部件且分束器并不形成还容纳辐射源和探测器的一体部件的一部分。
优选地光学单元的特征在于分束器被配置成板，以便于在反射束中引入象散。
当反射束入射到形状如同具有一定厚度的板的分束器上面时，其为会聚束，这个板使所述束产生足够象散以便于根据象散方法所述束可以被用来产生聚焦误差信号。这个方法在关于具有独立光学部件的扫描器件的US-A 4,358,200中被说明。
关于辐射源，光学单元进一步的特征在于一体部件包括第一壁，其被设置在分束器的第一侧面处且被配置成安置辐射源。
关于探测器，光学单元进一步的特征在于一体部件包括第二壁，其被设置在分束器的第二侧面处且被配置成安置对辐射敏感的探测器。
光学单元的进一步特征可在于内置衍射光栅被设置在辐射源和分束器之间。
被公知为三光点光栅的如此光栅将来自辐射源的在主束，以及两个辅助束中的束进行分裂。主束被聚焦到光学记录载体信息层中的主扫描光点m且辅助束被聚焦到辅助光点，每个辅助光点处在主光点的不同侧。正如本技术中所众所周知的那样辅助光点被用来将主束保持在轨迹上。
光学扫描器件的物镜可被设置在一体部件的外面。优选地，光学单元的特征在于物镜被建造在一体部件内。
借助于这个措施，光学单元变得更加紧凑。
内置物镜可是分立透镜，当一体部件已经被制造出之后分立透镜被放置在一体部件中。优选地，光学单元的特征在于物镜由与一体部件相同的材料制成。
这允许物镜与一体部件一同被制造，这样光学单元可以更低的成本被制造。
根据本发明的另一方面，光学单元的特征在于所述一体部件由玻璃制成。
特别地对于分束器和集成的物镜，玻璃具有卓越的光学质量。
作为选择地且优选地，光学单元的特征在于一体部件由透明的塑料材料制成。
透明塑料的使用允许降低一体部件及由此扫描器件的质量，这对快速存取扫描器件是重要的。适合的透明塑料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)，其目前被使用在光学领域中且具有足够的光学质量。
本发明还涉及一种用于扫描物体光学扫描器件，其包括用于供应扫描束和由扫描动作所产生的探测器信号的光学单元，用于彼此相对地移动所述光学单元和物体的装置以及用于将探测器信号处理成包含有关正在被扫描物体信息的信息信号的电子处理装置。这个扫描器件的特征在于光学单元是如上面所说明的单元。
就有关用于光学扫描器件和用于微型光学扫描器件的光学单元，上面所说明的有益效果总体上适用于在此所公开的示范性器件、机理及方法步骤。下面将更详细地说明借此可以提供这些益处的具体结构和步骤。
在附图中：
图1示例具有单独物镜的根据本发明的光学单元的第一实施例；以及
图2示例具有内置物镜的根据本发明的光学单元的第二实施例。
如所要求，在此本发明的详细实施例被公开；然而，要理解到所公开的实施例仅是以各种和交替形式可被实施的本发明实例。所述图不必按照比例画出，一些特点可被夸张或被最小化以示出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构性和功能性细节并不被解释为限定性的，但是仅作为权利要求的基础且作为用于为本领域普通技术人员讲授以各种方法实施本发明的表达基础。
图1示例根据本发明具有单独物镜的光学单元的实施例。这个光学单元可形成用于扫描光盘24的信息层25的光学扫描器件的一部分。总体上，光学扫描器件包括辐射源20，例如激光器，优选地为半导体激光器，或光发射二极管(LED)。扫描器件的另一关键部件是物镜12，其将由源20发射的束b聚焦到光盘24的信息层25中的扫描光点S上，所述光盘24具有透明的基片23。扫描器件进一步包括所组成的对辐射敏感的探测器22，其将由信息平面所反射的反射束b′转换成电信号。正如本领域中所众所周知的那样，读取信号，聚焦误差信号和轨迹误差信号可源自这些信号。
为了将反射束b′偏转离开正在行进束b的路径且朝向探测器22，全息光学元件被使用在传统的紧凑扫描器件中。这个元件可是衍射光栅，其由具有不同光栅周期或被不同取向的光栅条组成的两个子光栅。由光栅以不同衍射级所衍射的束之一，优选地第一级束被导引到探测器。因两个子光栅存在的缘故，这个第一级束被分裂成两个空间上分开的子束。这些子束以本领域中众所周知的方法被用来产生聚焦误差信号。在这个扫描器件中，仅较少部分，例如由源所发射辐射的6％的数量级实际上到达探测器。
为了增加这个部分且减少扫描器件的体积和质量，由分束器14替代全息光学器件且如图1所示这个分束器被容纳在一体部件18内。这个部件包括具有其中放置辐射源20的开孔的第一外壁19及具有容纳探测器22的开孔的第二外壁21。所述部件进一步包括倾斜内壁26，其一侧面对辐射源22且另一侧面对探测器20。一体部件18的材料是透明的，其允许使用倾斜壁作为涂层的载体，其反射入射辐射束强度的一部分且透射这个强度的余下部分。通过将倾斜壁26涂有这样的涂层27，则获得不要求附加空间的低成本的分束器14。这个分束器14将来自源的束b的一部分反射到光盘且将反射束b′的一部分透射到探测器。正如本领域所众所周知的那样，涂层27包括λ/4和λ/2层的层叠，λ是束b和b′的波长。涂层的组成确定其透射和反射，因此确定被反射朝向光盘的束b的一部分及被透射朝向探测器的束b′的一部分。可使涂层的组成适合于扫描器件的被设想的应用。如果具有良好反射的光盘，如CD将被读取，则反射和透射可均为50％。然后源辐射的50％将到达所述盘的信息层25且源辐射的25％将到达探测器20。如果具有较低光射的光盘将被读取，或如果信息将被写入到信息层内，则涂层可具有如此组成，以便于源辐射的50％被反射到所述盘。上述给出的百分比是理论的百分比。实际上由于尤其地，在分束器的非涂镀侧，在盘的前侧及探测器的入口表面由不需要的反射所引起的辐射损失的缘故，以及特别地由于在盘内辐射损失的缘故，百分比较低。当两个扫描器件实际上被加以比较时，其中两个扫描器件彼此间的不同仅在于第一个器件包括根据本发明的分束器而第二个器件包括Foucault光栅，则结果是在第一器件中，入射到探测器上的辐射量处于12.5％的数量级，而这个量在第二器件中处于6％的数量级。本发明的光学单元的辐射效率明显地高于传统单元的辐射效率。
一体部件18可由任何合适刚性的、透明材料，如玻璃或透明塑料材料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)制成。玻璃具有这样的优点，即它对环境参数，像温度或湿度的变化并不敏感。透明塑料比玻璃具有较小的重量，这样通过使用这些塑料光学单元的质量可被降低。
分束器14应该具有一定厚度以为其提供足够的刚性。这个厚度及反射束b′并不是平行束而是会聚束的事实允许使用分束器作为象散部件，其将象散引入到正在前往探测器的束中。假定探测器22包括四象限探测器，则如在US-A 4,358,200中所说明象散方法可以被用来产生聚焦误差信号。
如图1所示，一体部件18的设计进一步允许在壁19的内侧容纳三光点衍射光栅16，以便于它面对辐射源20。正如在本技术中所众所周知的那样，这样的光栅允许两个辅助或跟随光点的形成，每个光点处在记录载体信息层中的主光点的不同侧。如果跟随光点被物镜12成像在探测器22的不同探测器元件上面，则这些探测器元件的输出信号可被处理成跟踪误差信息。例如借助于模制过程，在一体部件18的壁21内侧处的光栅16可与这个部件被同时生产。因此，并不需要附加空间的低成本三光点光栅可被添加到光学单元中。
在图1的光学单元中的独立物镜12可由形成一体部件18的一部分的物镜替代。后述物镜及部件18可分别生产且然后物镜可被固定到部件18的上侧面，例如它可被沉陷在部件18中为此透镜而预留的孔眼中。
图2示出根据本发明的光学单元30的实施例，其中已经完成部件的另外集成。现在一体部件34被提供具有与余下材料相同材料的上侧面，其上侧面32以如此方法被成形，这样它以与图1中物镜相同的方法将束b聚焦，以便于它替代后述物镜。通过这种方法，则获得并不需要附加空间的低成本物镜32。
在图1实施例中的物镜12及在图2实施例中的物镜32可是单非球面或双非球面透镜。单非球面透镜具有一个非球面的表面且双非球面透镜具有两个非球面的表面。非球面表面被理解成意味着折射表面，其基本形状是球面或平的，但是其实际形状示出与基本形状的小偏差，以为了补偿球面象差。
在光学扫描单元中常见的操作是相对于信息层移动物镜，用于校正聚焦和跟踪误差。在传统器件中，物镜然后还相对于容纳辐射源、探测器和分束器或光栅的支架移动。在其中物镜被固定到一体部件18上的光学单元的图2实施例中，物镜的移动是通过移动整个光学单元而实现的。物镜的工作距离，即面对盘的透镜表面与盘入口表面之间的距离可被减少到12mm，而不是目前大出3至4mm的距离。通过以如此方法设计物镜，以便于它具有小的共轭，即在物体平面与透镜的物体侧主平面之间小的距离，光学单元的尺寸及由此其质量可被进一步降低。
概括地，在此所包括的特征及数据证明了将根据本发明的光学扫描器件的各种部件有利地集成到光学单元10，30中的效用和成功，所述光学单元10，30包括透明塑料，如PMMA或玻璃的单个部件，其可以被有利地使用以替代由目前可获得的光学扫描器件中的单独部件所应付的至少三个功能。例如，本发明的激光导向单元10，30可以有利地被使用以替代目前所使用光学扫描单元中被分开制作和安装的衍射光栅、分束器和光学外壳。
此外，本发明的光学单元10，30是紧凑的且重量轻且具有在大规模生产中具有获取每件非常低成本的机会。此外，光学单元10，30允许制造低成本、轻、高效、紧凑且高度集成的光学扫描器件，以便于这种扫描器件表示对本发明的实施。除了用于提供扫描光点和由扫描动作所产生的探测器信号的光学单元以外，这样的扫描器件还包括用于彼此相对地移动光学单元和物体的装置和用于将探测器信号处理成包含有关被扫描物体信息的信息信号的电子处理装置。
如上所说明，这样的光学扫描器件可用于读取光盘，如光盘(CD)，可记录光盘(CD-R)、可改写光盘(CD-RW)及数字通用盘(DVD)。本发明的光学扫描器件还可以被应用于通常的光学扫描目的，如在扫描光学显微镜中及在表面检查或表面粗糙度测量装置中。
为实现本发明的各种目的已经说明了本发明的各种优选实施例。应该意识到这些实施例仅是对本发明原理的示例。其众多的修改和适应对本领域中那些普通技术人员将十分显然，而不偏离本发明的实质和范围。

Claims (9)

1、一种用于光学扫描器件的光学单元，包括用于供应扫描束的辐射源、用于将扫描束聚焦到待被扫描物体上面的扫描光点的物镜，以及用于将由被扫描物体所反射的反射束转换成电信号的对辐射敏感的探测器，其特征在于所述单元包括用于容纳辐射源、探测器的一体部件且具有形成分束器的内置倾斜部分。
2、根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于所述分束器被配置成板以便于在反射束中引入象散。
3、根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于所述一体部件包括第一壁，其被设置在分束器的第一侧处且被配置成安置对辐射敏感的探测器。
4、根据权利要求1，2或3所述的光学单元，其特征在于所述一体部件包括第二壁，其被设置在分束器的第二侧处且被配置成安置对辐射敏感的探测器。
5、根据权利要求1，2，3或4所述的光学单元，其特征在于内置衍射光栅被设置在辐射源和分束器之间。
6、根据任何一项权利要求1至5所述的光学单元，其特征在于所述物镜被建造在所述一体部件内。
7、根据任何一项权利要求1至6所述的光学单元，其特征在于所述一体部件由玻璃制成。
8、根据任何一项权利要求1至7所述的光学单元，其特征在于所述一体部件由透明塑料材料制成。
9、一种光学扫描器件，其用于扫描物体且包括用于供应扫描束和由扫描动作所生产的探测器信号的光学单元，用于彼此相对地移动光学单元和物体的装置以及用于将探测器信号处理成包含有关正在被扫描物体信息的信息信号的电子处理装置，其特征在于所述光学单元是根据任何一项权利要求1至8的单元。
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