CN1639780A - 能补偿光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备 - Google Patents

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Abstract

一种能补偿高密度光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备被公开。该光学拾取设备具有光源、准直器透镜、束分裂器和包括固体浸没透镜的物镜系统，所述固体浸没透镜具有面向光学记录介质的基片的平面表面。所述光学拾取设备具有被连接于光源或准直透镜的位置调节单元，其根据从聚焦控制单元产生的聚焦控制信号而使光源或准直透镜移位。此外，未使用准直器透镜的有限光学拾取设备具有被连接于光源的位置调节单元，其根据聚焦控制信号而使光源移位。

Description

能补偿光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备
技术领域
本发明涉及一种能补偿光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备，更具体而言，涉及一种能通过使用固体浸没透镜(solid immersion lens)(SIL)来补偿所述介质的厚度偏差的光学拾取设备，所述介质用于近场记录/再现。
背景技术
最近，诸如光盘和磁光盘的光学记录介质已被开发以具有高密度存储，从而被用于计算机存储，用于音乐和图像的封装介质等。为了获得高密度存储，理想的是减小光学拾取设备的光斑尺寸。
光斑尺寸与光的波长成比例，并且与物镜系统的数值孔径成反比。因此，已提出了许多建议以减小光的波长并且增加物镜系统的数值孔径。
为了增加物镜系统的数值孔径，已开发了使用与光盘的信号记录表面接近接触的SIL的许多光学拾取设备。然而，SIL可能与光盘碰撞，由此导致由于摩擦和磨损而造成的对信号记录表面的破坏。此外，对于所述设备或光盘来说高度可能的是经历由于高热而导致的化学或物理变形，所述高热是由光斑辐射而导致的。
为了克服以上缺陷，通过光学记录介质的基片从信号记录表面收集光的光学拾取设备已被提出于日本公开出版物No.JP8-221790和韩国公开出版物No.2002-0093287中。在这种类型的光学拾取设备中，由于光由SIL通过光盘的基片而聚焦于信号记录表面，有必要的是补偿在盘的制造过程中有可能发生的光盘基片的厚度偏差。
光盘的厚度偏差是常见的。然而，如果为了由SIL通过光盘的基片来控制光斑的拾取设备中的聚焦控制，SIL被移位，则光学能量变化从而使近场记录/再现变得不可能。
当光盘具有大于标准厚度的厚度时，SIL不能被移向信号记录表面。此外，在较薄的区域处，SIL不能被逆着信号记录表面而移位，这是因为在近场记录/再现期间必须适当地维持气隙。就是说，由于光盘的厚度偏差相对比100nm的气隙大，它们不能通过调节SIL和盘之间的气隙来补偿。
此外，焦深与光源的波长成比例，并且与SIL或物镜系统的数值孔径的平方成反比，其被定义如下：
焦深＝λ/(2×NA2)
其中λ表示光的波长，而NA表示数值孔径。
因此，当物镜系统的数值孔径是1.2并且光的波长是650nm时，焦深是225nm的值，这是很短的。由于很短的焦深，相对于基片的厚度偏差，拾取设备可能不能适当地接近光学衍射极限。
因此，原则上，聚焦控制不是通过在近场记录/再现中调节SIL的位置来完成的，并且厚度偏差不是通过调节气隙来补偿的，特别是在经过基片的记录/再现中，这是因为SIL应当总是与盘接近接触。
发明内容
考虑到上述现有技术，本发明的目的是提供这样一种光学拾取设备，其能补偿由于光学记录介质的基片的物理厚度的变化或折射率(index)变化而造成的光学厚度(光程长度)的偏差，从而正好在介质的信号记录表面上形成光斑。
为达到以上和其它目的，如在此所实施的和概括描述的，本发明包括：
光源，其产生并发射光束；
准直器透镜，其将来自所述光源的发射光束准直成准直束；
束分裂器，其使一部分准直束能从中经过；
物镜系统，其被置于束分裂器和光学记录介质之间的光程上，聚焦来自束分裂器的准直束，该物镜系统包括固体浸没透镜，其具有面向光学记录介质的基片的平面表面；
光接收模块，其接收从光学记录介质反射的光束并将其转换成电信号；
聚焦控制单元，其响应于来自光接收模块的电信号而产生用于聚焦控制的聚焦控制信号；以及
位置调节单元，其被连接于光源或准直透镜，响应于从聚焦控制单元产生的聚焦控制信号而使光源或准直透镜移位，由此补偿光学记录介质的厚度偏差。
依照本发明的另一个方面，一种能补偿高密度光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备包括：
光源，其产生并发射光束；
束分裂器，其使一部分发射光束能从中经过；
物镜系统，其被置于束分裂器和光学记录介质之间的光程上，聚焦来自束分裂器的光束，该物镜系统包括固体浸没透镜，其具有面向光学记录介质的基片的平面表面；
光接收模块，其接收从光学记录介质反射的光束并将其转换成电信号；
聚焦控制单元，其响应于来自光接收模块的电信号而产生用于聚焦控制的聚焦控制信号；以及
位置调节单元，其被连接于光源，响应于从聚焦控制单元产生的聚焦控制信号而使光源移位。
附图说明
图1示出本发明的第一优选实施例；
图2说明具有物镜系统的第一优选实施例，该物镜系统由聚光物镜和固体浸没透镜(SIL)组成；
图3说明依照光盘厚度偏差的理想入射光线的光程；
图4说明表1的光学拾取设备；并且
图5示出本发明的第二优选实施例。
具体实施方式
将参照附图来详述本发明。本发明旨在在各种光学记录介质如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)、小型盘(MD)和磁光盘上读取或写入信息，但是为了易于说明的目的，将针对用于从已写入信息的高密度光盘读取信息的光学拾取设备来说明它。
首先参考图1和2，将说明依照本发明第一优选实施例的光学拾取设备。该光学拾取设备具有激光二极管的光源110、准直器透镜120、束分裂器140、传感器透镜220和光电检测器240。从光源110发射的光束通过准直器透镜120来准直。
与光盘200接近接触的固体浸没透镜(SIL)180被用作图1的设备中的物镜系统170，以将准直束聚集在光盘200的信号记录表面202上。SIL 180具有面向光盘200的基片201的平面表面和向着光源的凸表面。
如图2中所示，有可能形成具有聚光物镜160和SIL 180的物镜系统170而不是如图1中的单个SIL。
准直器透镜120被与被连接于聚焦控制单元300的位置调节单元310连接。聚焦控制单元300响应于从光电检测器240产生的信号而产生聚焦控制信号给位置调节单元310。位置调节单元310使准直器透镜120移位，从而使聚焦控制去除由于光盘的厚度偏差而造成的散焦。位置调节单元310可由已知的精确移动装置如压电装置、移动磁体或移动线圈来实施以精确地移动准直器透镜。
尽管位置调节单元310被描绘成与准直器透镜120连接以调节准直器透镜的位置，有可能将其与光源110连接以补偿光盘的厚度偏差。
聚焦控制单元300通过常规的聚焦误差检测方法来检测聚焦误差，如束尺寸检测、象散检测、刀口检测(knife-edge detection)、全息图傅柯(Foucault)检测等。光电检测器240可根据聚焦误差检测方法而被适当地分成几个区。
现在将描述第一优选实施例的光学拾取的操作。激光二极管的光源110产生激光束，该激光束经过准直器透镜120以变成准直束。准直束经过束分裂器140然后进入物镜系统170的SIL 180和光盘的基片201，以被聚焦于光盘200的信号记录表面202上。然后，信号记录表面202上的聚焦光从表面202衍射或反射，经过物镜系统170的SIL 180，然后以回射方式进入束分裂器140。所述光从束分裂器140被反射，进入传感器透镜220，然后进入光电检测器240。光电检测器240解调入射光并再现信息信号。
SIL 180与光盘200接近接触以使SIL 180和盘200之间的气隙可由常规支持设备在正常情况下维持于大约100nm，这是将其保持在近场效应范围内的光源的波长的量级。
当光盘200被维持于与SIL 180的正常气隙并具有标准厚度时，光斑被正好聚焦于盘的信号记录表面202上(见图3(a))。当盘比标准厚度厚时，聚焦控制单元300产生聚焦控制信号以将准直器透镜120移向光源110(见图3(b))，而当盘比标准厚度薄时，聚焦控制单元300产生聚焦控制信号以将准直器透镜120移离光源110(见图3(c))，从而补偿光盘的厚度偏差。
准直器透镜120或光源110的移位量如下：
L～(f1/f2)2×(Δd/n)
其中Δd表示光盘基片的光学厚度的偏差；
n表示基片的折射率；并且
f1和f2分别表示准直透镜和物镜系统的焦距。
例如，当比率f1/f2是10，即准直器透镜120和物镜系统170的焦距分别是10mm和1mm，光盘的标准厚度是0.1mm，厚度偏差Δd是1μm，并且奇偶的折射率n是1.57时，准直器透镜120和光源110之间的移位量L变为大约64μm。因此，当光盘基片的厚度偏差相当于大约2μm时，它可通过以下来补偿：将准直器透镜120和光源110之间的距离改变大约128μm，从而正好聚焦在信号记录表面上而不管基片的厚度偏差。
表1和图4示出一个光学拾取设备的实例，其具有双重准直器透镜120和单个非球面SIL的物镜。
表1
    表面     曲率半径(mm)   厚度或距离(mm)   材料(折射率)
    s0     ∞     0.1   空气(1.0)
    s1     ∞     0.25   BK7(1.514)
    s2     ∞     11.945   空气(1.0)
    s3     32.0311     0.3293   SF1(1.71)
    s4     5.927     1.4491   BSM24(1.614)
    s5     -6.09280     3.0   空气(1.0)
    s6     1.36399非球面系数K：-0.854874A：0.287815E-01B：0.883859E-02C：-.138755E-02D：0.278867E-02E：-.115832E-02F：0.740425E03G：-.319108E-03H：0.726333E-04     2.0   GD(1.91)
    s7     ∞     0.6   PC(1.5785)
    Si     ∞     0.0
在表1和图4的光学拾取设备中，当盘比标准厚度厚1μm时，光源和准直器透镜之间的距离变为11.8777mm，其比正常距离短大约67μm。当盘比标准厚度薄1μm时，光源和准直器透镜之间的距离变为12.0135mm，其比正常距离长大约68μm。此外应指出，当厚度偏差与标准厚度超过3μm时，设备可远离整个光学系统的衍射极限。
在存在光盘的明显厚度偏差的情况下，有可能借助于改进SIL和/或准直器透镜的形状来加宽满足衍射极限性能的范围。在实践中，当光盘基片的厚度是0.1mm时，当前的制造技术使光盘能在±1μm的厚度偏差内被制造。尽管其它部件被认为具有一些制造容差，仍有可能借助于三重准直器透镜、非球面双重SIL或渐变折射率透镜(GRIN透镜)型SIL而达到衍射极限性能，不论有或没有聚光物镜。
为了补偿光盘的厚度偏差，有可能不仅改变光源和准直器透镜之间的物理距离，还有可能改变其光学距离，这是通过以下实现的：在光源和准直器透镜之间放置折射率在外部电场下被改变的材料(例如具有电光效应的液晶)或根据外部光强度而被改变(例如具有光折(photorefractive)效应的液晶)的材料。
接下来参考图5，将说明依照本发明第二优选实施例的光学拾取设备。依照第二优选实施例的光学拾取设备类似于第一优选实施例，除了该设备是一种没有准直器透镜的有限光学系统。该设备具有激光二极管的光源110、束分裂器140、传感器透镜220和光电检测器240。
与光盘200接近接触的固体浸没透镜(SIL)180被用作图5的设备中的物镜系统170，以将从光源发射的发散束聚集在光盘200的信号记录表面202上。SIL 180具有面向光盘200的基片201的平面表面和向着光源的凸表面。
尽管图5示出了作为物镜系统170的单个SIL 180，亦有可能形成具有聚光物镜和SIL的物镜系统，如在如图中所示的第一优选实施例中。
光源110被与被连接于聚焦控制单元300的位置调节单元310连接。聚焦控制单元300响应于从光电检测器240产生的信号而产生聚焦控制信号给位置调节单元310。位置调节单元310使光源110移位，从而使聚焦控制去除由于光盘的厚度偏差而造成的散焦。位置调节单元310可由已知的精确移动装置如压电装置、移动磁体或移动线圈来实施以精确地移动准直器透镜。
聚焦控制单元300通过常规的聚焦误差检测方法来检测聚焦误差，如束尺寸检测、象散检测、刀口检测、全息图傅柯检测等。光电检测器240可根据聚焦误差检测方法而被适当地分成几个区。
现在将描述第二优选实施例的光学拾取的操作。激光二极管的光源110产生发散的激光束，该激光束经过束分裂器140然后进入物镜系统170的SIL 180和光盘的基片201，以被聚焦于光盘200的信号记录表面202上。然后，信号记录表面202上的聚焦光从表面202衍射或反射，经过物镜系统170的SIL 180，然后以回射方式进入束分裂器140。所述光从束分裂器140被反射，进入传感器透镜220，然后进入光电检测器240。光电检测器240解调入射光并再现信息信号。
SIL 180与光盘200接近接触以使SIL 180和盘200之间的气隙可由常规支持设备在正常情况下维持于大约100nm，这是将其保持在近场效应范围内的光源的波长的量级。
当光盘200被维持于与SIL 180的正常气隙并具有标准厚度时，光斑被正好聚焦于盘的信号记录表面202上。在盘比标准厚度厚的情况下，聚焦控制单元300产生聚焦控制信号以将光源110移向盘200，而当盘比标准厚度薄时，聚焦控制单元300产生聚焦控制信号以将光源110移离盘200，从而补偿光盘的厚度偏差。
光源110的移位量如下：
L2～(s1/s2)2×(Δd/n)
其中Δd表示光学记录介质基片的光学厚度的偏差；
n表示基片的折射率；
s1表示光源和固体浸没透镜之间的光程长度；并且
s2表示固体浸没透镜和光学记录介质之间的光程长度。
尽管已在第二优选实施例中说明了位置调节单元310被连接于光源，仍有可能置换附加的透镜，例如耦合透镜，其使能改变物镜系统的一部分光焦度，并且将位置调节单元310连接于耦合透镜而不是光源。
此外，清楚的是，本发明不仅适用于盘的物理厚度偏差，而且适用于由于基片折射率的变化而造成的盘中的光学厚度偏差。
因此，当记录和/或再现数据时，依照本发明的光学拾取设备能校正可由于光学记录介质的物理和/或光学厚度的变化而发生的聚集误差。
对本领域的技术人员将显而易见的是可在本发明的精神和范围内进行各种修改和变化，本发明覆盖了该发明的修改和变化，只要它们属于所附权利要求极其等效形式的范围内。

Claims (13)

1.一种能补偿高密度光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备，该光学拾取设备从在基片上具有信号记录表面的光学记录介质记录或再现数据，包括：
光源，其产生并发射光束；
准直器透镜，其将来自所述光源的发射光束准直成准直束；
束分裂器，其使一部分准直束能从中经过；
物镜系统，其被置于束分裂器和光学记录介质之间的光程上，聚焦来自束分裂器的准直束，该物镜系统包括固体浸没透镜，其具有面向光学记录介质的基片的平面表面；
光接收模块，其接收从光学记录介质反射的光束并将其转换成电信号；
聚焦控制单元，其响应于来自光接收模块的电信号而产生用于聚焦控制的聚焦控制信号；以及
位置调节单元，其被连接于光源或准直透镜，响应于从聚焦控制单元产生的聚焦控制信号而使光源或准直透镜移位。
2.权利要求1的光学拾取设备，其中物镜系统进一步包括聚光物镜。
3.权利要求1的光学拾取设备，其中准直透镜和光源之间的距离被改变了量L，其满足以下：
L～(f1/f2)2×(Δd/n)
其中Δd表示光学记录介质基片的光学厚度的偏差；
n表示基片的折射率；并且
f1和f2分别表示准直透镜和物镜系统的焦距。
4.权利要求1的光学拾取设备，其中光源是激光二极管。
5.权利要求1的光学拾取设备，其中聚焦控制单元通过一种检测方法来检测聚焦误差，该检测方法是从束尺寸检测、象散检测、刀口检测、全息图傅柯检测中选择的。
6.权利要求1的光学拾取设备，进一步包括：
气隙控制单元，用于维持固体浸没透镜和光学记录介质之间的距离。
7.一种能补偿高密度光学记录介质的厚度偏差的光学拾取设备，该光学拾取设备从在基片上具有信号记录表面的光学记录介质记录或再现数据，包括：
光源，其产生并发射光束；
束分裂器，其使一部分发射光束能从中经过；
物镜系统，其被置于束分裂器和光学记录介质之间的光程上，聚焦来自束分裂器的光束，该物镜系统包括固体浸没透镜，其具有面向光学记录介质的基片的平面表面；
光接收模块，其接收从光学记录介质反射的光束并将其转换成电信号；
聚焦控制单元，其响应于来自光接收模块的电信号而产生用于聚焦控制的聚焦控制信号；以及
位置调节单元，其被连接于光源，响应于从聚焦控制单元产生的聚焦控制信号而使光源移位。
8.权利要求7的光学拾取设备，其中物镜系统进一步包括聚光物镜。
9.权利要求7的光学拾取设备，其中光源的物质被改变了量L2，其满足以下：
L2～(s1/s2)2×(Δd/n)
其中Δd表示光学记录介质基片的光学厚度的偏差；
n表示基片的折射率；
s1表示光源和固体浸没透镜之间的光程长度；并且
s2表示固体浸没透镜和光学记录介质之间的光程长度。
10.权利要求7的光学拾取设备，其中光源是激光二极管。
11.权利要求7的光学拾取设备，其中聚焦控制单元通过一种检测方法来检测聚焦误差，该检测方法是从束尺寸检测、象散检测、刀口检测、全息图傅柯检测中选择的。
12.权利要求7的光学拾取设备，进一步包括：
气隙控制单元，用于维持固体浸没透镜和光学记录介质之间的距离。
13.权利要求7的光学拾取设备，进一步包括：
耦合透镜，其被置于光源和束分裂器之间，使物镜系统的光焦度能被分配，
其中位置调节单元被连接于该耦合透镜。
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