CN1641764A - 光束整形棱镜以及使用其的光学拾取器 - Google Patents

Abstract

一种使用在光学拾取器中的光束整形棱镜，该光束整形棱镜包括具有入射表面的第一棱镜和具有倾斜表面的第二棱镜。由于进入光束整形棱镜的光束与从此出射的光束成直角，所以容易光学地布置和装配部件。

Description

光束整形棱镜以及使用其的光学拾取器

本申请要求已于2004年1月13日提交到韩国知识产权局的第10-2004-0002257号韩国专利申请的优先权，该申请全部公开于此，以资参考。

                          技术领域

本发明涉及一种被设计以产生正交光学路径的光束整形棱镜以及使用其的光学拾取器。

                          背景技术

随着移动记录装置的增加，对使用低价钱介质的光学记录应用的需求增加，并且用于移动应用的光学拾取器正被活跃地研究。

用于移动应用地光学拾取器需求使用作为用于记录的光源的激光二极管(LD)的高输出功率，这导致高功率消耗和热量值。

为了解决这些问题，提供了一种通过采用光束整形棱镜来整形激光光束以增加光利用的效率的方法，从而实现了用于采用低输出功率需求来记录的系统。由于来自LD输出光束的轮廓，光束整形棱镜被通常使用在用于记录的光学拾取器中。

图1是从一侧发射激光光束的典型LD的示意图。参考图1，具有椭圆截面的激光光束从LD 1的激励层(activation layer)3发射出。椭圆光束轮廓应归于激励层3的厚度(垂直尺寸)和宽度(水平尺寸)之间的不同。

由于激励层3的几何和结构，垂直和水平发散角不同，所以从LD 1发射的分别在水平和垂直方向分开的光束θ‖和θ⊥互相不同。因此，在水平方向分开的光束似乎已经从光束在垂直方向分开的位置后ΔZ距离的位置发射出。光束在垂直和水平方向分开的开始点之间的距离差ΔZ被称为“象散差”。

在这种情况下，由LD 1发射的光束的主偏振方向是光束的短轴(即，水平)方向。因此，由于象散差，通常在光学拾取器中使用作为光源的LD 1发射在短轴方向偏振的椭圆光束。

与发射椭圆光束的LD 1相比，具有圆形孔径的物镜需要圆形光束以增加光利用的效率。因此，为了实现相同目的，用于记录的光学拾取器通常使用光束整形棱镜以将由LD 1发射的椭圆光束转换成圆形光束。

图2示出了传统光学拾取器的例子。参考图2，传统光学拾取器包括：LD 11；光束整形棱镜20，将由LD 11发射的椭圆光束整形成圆形光束并且改变光束的传播路径；物镜19，将入射光束聚焦到光盘10上的一点；和光电探测器29，接收从光盘10反射的光束。

准直透镜13将从激光二极管11发射的光束准直成平行光束，该光束然后穿过光栅15并且入射到光束整形棱镜20。光束整形棱镜由将入射椭圆光束整形成圆形光束的第一和第二棱镜21和23以及反射从在第一和第二棱镜21和23之间的镜面反射的光束的第三棱镜25组成。

穿过第一和第二棱镜21和23的光束被整形为然后从反射镜17反射进入物镜19的圆形光束。光束通过物镜19被聚焦在光盘10上。从光盘10反射的光束穿过物镜19和反射镜17，入射到第二棱镜23并且从在第一和第二棱镜21和23之间的镜面反射进入第三棱镜25。入射到第三棱镜25的光束在内部地从倾斜表面反射到光电探测器29，通过准直透镜27改变为会聚光束，并且通过传感透镜28聚焦到光电探测器29。

在传统光学拾取器中，从LD 11发射到光束整形棱镜20的光束的光轴不与从光束整形棱镜20出射到物镜19的光束的光轴垂直。因此，光学部件以对互相指定的角度被布置。

在制作除物镜以外所有光学拾取器系统部件被布置和装配其上的基座中，对互相指定的角度的固定组件恶化了精确性，因此在精确地装配部件中导致困难。即，与当两个光轴互相正交或一致时相比，在基座的制作和部件的装配和对齐期间很难控制公差。

                        发明内容

本发明提供了一种被设计从而从光束整形棱镜出射的光束与进入光束整形棱镜的光束正交的光束整形棱镜，以及一种采用该光束整形棱镜并且容易在基座的制作和光学部件的装配和对齐期间控制公差的光学拾取器。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

根据本发明的一方面，提供了一种包括具有入射表面的第一棱镜和具有倾斜表面的第二棱镜的光束整形棱镜。当入射表面和具有θ1入射角的入射光束形成的角度为α1并且倾斜表面与从第一棱镜穿进第二棱镜并从倾斜表面反射的光束形成的角度为α2时，光束整形棱镜满足方程(1)并且使得该光束与入射光束垂直地出射：

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n1}\right)$

θ3＝θ1-θ2

$\mathrm{\θ}4={\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)$

α1＝90°-θ1

其中，n1和n2分别是第一和第二棱镜的折射率，θ2是折射通过第一棱镜的入射表面的光束的折射角，θ3是从第一棱镜穿进第二棱镜的光束的入射角，θ4是折射通过第一棱镜进入第二棱镜的光束的折射角，和θ5是经过第二棱镜的光束入射在第二棱镜的倾斜表面上的角度。

在本发明的一方面中，作为出射光束的宽度对入射光束的宽度的比的光束整形比M由方程(2)定义：

$M=\frac{\cos \mathrm{\θ}2\cos \mathrm{\θ}4}{\cos \mathrm{\θ}1\cos \mathrm{\θ}3}$

在本发明的一方面中，第一和第二棱镜由具有满足方程(3)的折射率和散射系数的介质制作以补偿色差：

$\frac{n1}{n2}\×\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}2)=\frac{n{1}^{\′}}{n{2}^{\′}}\×\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}{2}^{\′})$

其中，n1′、n2′和θ2′分别表示当波长改变时与n1、n2和θ2相应的折射率和角度。

在本发明的一方面中，入射表面被镀膜以增加S偏振光束的透射比。光束整形棱镜还包括置于第一和第二棱镜之间并且将入射光束的偏振转换成正交偏振的半波片。光束整形棱镜还包括与第二棱镜的倾斜表面相邻放置的第三棱镜，并且因此光束整形棱镜作为偏振光束分解器工作。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括光束整形棱镜并且整形由光源发射的光束，由物镜将整形的光束聚焦到光学信息存储介质，并且由光电探测器接收从光学信息存储介质反射的光束的光学拾取器，其中，光束整形棱镜包括：具有入射表面的第一棱镜和具有与第一棱镜的界面倾斜的表面第二棱镜。当入射表面和具有θ1入射角的入射光束形成的角度为α1并且倾斜表面与从第一棱镜穿进第二棱镜并从倾斜表面反射的光束形成的角度为α2时，光束整形棱镜满足方程(1)并且使得出射光束与入射光束垂直地出射：

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n1}\right)$

θ3＝θ1-θ2

$\mathrm{\θ}4={\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)$

α1＝90°-θ1

其中，n1和n2分别是第一和第二棱镜的折射率，θ2是作为折射通过第一棱镜的入射表面的光束的折射角，θ3是作为从第一棱镜穿进第二棱镜的光束的入射角，θ4是作为折射通过第一棱镜进入第二棱镜的光束的折射角，和θ5是经过第二棱镜的光束入射在第二棱镜的倾斜表面上的角度。

在本发明的一方面中，光学拾取器还包括置于光束整形棱镜和物镜之间的四分之一波片以改变光束的偏振。

                          附图说明

通过结合附图对实施例进行下面的描述，本发明这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是传统的从一侧发射激光束的激光二极管的示意图；

图2示出传统的光学拾取器的例子；

图3是根据本发明实施例的光束整形棱镜的示意性透视图；

图4是示出在图3的光束整形棱镜中光束的折射和反射的侧视图；

图5是用于解释在图3的光束整形棱镜中的光束整形比的图；

图6A示出当光束从空气传播到具有比空气高的折射率的预定光学介质时相对于与入射面正交地偏振的光束的入射角的反射比和透射比的变化；

图6B示出当光束从空气传播到具有比空气高的折射率的预定光学介质时相对于与入射面平行地偏振的光束的入射角的反射比和透射比的变化；

图7是示出当图3的光束整形棱镜的入射表面被镀膜时光束的透射比的图；

图8是根据本发明另一个实施例的光束整形棱镜的示意性透视图；

图9和图10分别示出使用根据本发明实施例的图3和图8的光束整形棱镜的光学拾取器；和

图11是示出包括根据本发明的光学拾取器的光学记录和/或再现设备的示意图。

                        具体实施方式

现在将详细参照本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。

参照图3，光束整形棱镜30包括：第一棱镜31，其具有入射表面33；和第二棱镜35，其具有相对于第一棱镜31的表面的倾斜表面37。第一棱镜31和第二棱镜35将入射椭圆光束整形为圆光束，并且使得出射光束垂直于入射光束。第一棱镜31和第二棱镜35由具有不同的色散系数和折射率的介质构成，以补偿色差。第二棱镜35的倾斜表面37和出射光束的方向形成的角度α2被确定，从而入射光束的光路与出射光束的光路正交。

参照图4，其中，第一棱镜31的入射表面33和具有入射角θ1的入射光束形成的角度为α1，并且第二棱镜35的倾斜表面37和垂直于入射光束定向的出射光束形成的角度为α2，光束整形棱镜30最好满足方程(1)的要求以使得光束垂直于入射光束出射：

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n1}\right)$

θ3＝θ1-θ2

$\mathrm{\θ}4={\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)$

α1＝90°-θ1

在方程(1)中，θ1是入射角，并且n1和n2分别是第一棱镜31和第二棱镜35的折射率。θ2是通过第一棱镜31的入射表面33折射的光束的折射角，并且θ3是从第一棱镜31射到第二棱镜35中的光束的入射角。θ4是通过第一棱镜31折射到第二棱镜35中的光束的折射角，并且θ5是通过第二棱镜35传播的光束在第二棱镜35的倾斜表面37上入射的角度。

在这种情况下，光束整形比被确定如下。为了解释光束整形比，图5显示了修改了的图3中的光束整形棱镜30的例子。

参照图5，其中，在第一棱镜31上入射的光束的宽度为A，当光束与第一棱镜31的入射表面33相遇时其宽度为B，通过第一棱镜31的入射表面33折射到第一棱镜31中的光束的宽度为C，当光束与第一棱镜31和第二棱镜35之间的界面相遇时其宽度为D，并且在该界面折射到第二棱镜35中的光束的宽度为E，宽度B、C、D、和E由方程(2)定义，在满足方程(1)的光束整形棱镜30中，光束的宽度E是经受整形的出射光束的宽度。

$B=\frac{A}{\sin \mathrm{\α}1}$

$C=B\cos \mathrm{\θ}2=\frac{A\cos \mathrm{\θ}2}{\sin \mathrm{\α}1}$

$D=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}3}=\frac{A\cos \mathrm{\θ}2}{\sin \mathrm{\α}1\cos \mathrm{\θ}3}$

$E=D\cos \mathrm{\θ}4=\frac{A\cos \mathrm{\θ}2\cos \mathrm{\θ}4}{\sin \mathrm{\α}1\cos \mathrm{\θ}3}---\left(2\right)$

因此，由于光束整形比M是指出射光束的宽度E和入射光束的宽度A之比，所以使用方程(1)和方程(2)由方程(3)定义光束整形比M：

当构造光束整形棱镜30满足方程(1)的要求时，入射光束垂直于出射光束。当在光学拾取器中使用光束整形棱镜30时，光学拾取器的光路可以被构造，从而入射光束的路径和出射光束的路径形成90度。此外，可以基于方程(3)的光束整形比M来改变入射光束的宽度。

在这种情况下，在光束整形棱镜30中，第一棱镜31的宽度L1、第二棱镜35的长度L2和宽度L3、第一棱镜31和第二棱镜35中的角度α1和α2、和光束整形比M被确定为关于入射角θ1以及第一棱镜31和第二棱镜35的折射率n1和n2的变量。因此，进入到光束整形棱镜30中的椭圆光束在其离开光束整形棱镜30时被整形为圆光束。

图6A和图6B中明显的是，当光束从具有低折射率的介质传播到具有高折射率的介质时，P-偏振光束的透射比高于S-偏振光束的透射比。即，P-偏振光束的反射比低于S-偏振光束的反射比。当光束从具有低折射率的介质移动到具有高折射率的介质时发生这种类型的反射被称作外反射。

图6A和图6B示出了当光束从空气传播到具有比空气高的折射率的预定光介质时反射比和透射比相对于入射角的变化。在这种情况下，预定光介质和空气的折射率分别是1.5和1。T_⊥和R_⊥是指与入射面垂直地偏振的光束，即，S-偏振光束的透射比和反射比，并且T_‖和R_‖是指平行地偏振于入射面的光束，即，P-偏振光束的透射比和反射比。图6A和图6B的曲线图摘录于Eugene Hecht所著的《光学》第二版103页图4.29(Addison-Wesley出版社)。

同时，在当光束从高折射率的介质传播到低折射率的介质时发生内部反射的情况下，S-偏振光束的反射比高于P-偏振光束的反射比。P-偏振光束和S-偏振光束之间的内部反射比的差别在以上引用的参考中被描述(98页，图4.23)。反射比是振幅反射系数的平方。

在光学拾取器中用作光源的激光二极管发出椭圆光束，即，椭圆激光光束主要在短轴方向上线性地偏振。通常以通过加大短轴直径将椭圆激光光束整形为具有短轴直径与长轴直径相等的圆光束这样的方式来执行光束整形。

因此，如果没有用于改变从激光二极管发出的光束的偏振的光学部件，或者如果激光二极管没有被制作为发出在长轴方向上线性地偏振的激光光束，那么具有平行于入射面偏振的光束，即，P-偏振光束可以入射到光束整形棱镜30上。

但是，为了增加光利用的效率，有必要将从第二棱镜35的倾斜表面37反射的光的量最大化。为了达到此目的，由于当内部反射时S-偏振光束的反射比高于P-偏振光束的反射比，所以S-偏振光束应该入射到第二棱镜35上。

因此，当光束整形棱镜30应用于所设计的光学系统从而S-偏振光束进入到光束整形棱镜30中时，第一棱镜31的入射表面33最好被镀膜以增加S-偏振光束的透射比。

入射表面33最好被镀膜以在35°和70°之间的入射角具有90％或更高的透射比，此外，最好是大约99％或更高。图7是示出当S-偏振光束具有405nm波长并且入射表面33最好被镀膜以具有高于大约99％或更高的透射比时，光束的透射比相对于从35°到70°的范围中的入射角的变化。当入射表面33以这种方式被镀膜时，入射的S-偏振光束的大部分能够通过入射表面33透射。

这里，为了允许S-偏振光束进入到光束整形棱镜30中，激光二极管可以被设计为发出在长轴方向上偏振的椭圆光束，即，S-偏振光束。达到此目的的另一种方式是包括放置在一般激光二极管的入射表面上的并且将P-偏振光束转换为S-偏振光束的单独光学部件，或者包括在光束整形棱镜30的第一棱镜的前面的半波片，从而S-偏振光束入射到光束整形棱镜30上，这随后将在图9中的光学拾取器中描述。

另一方面，当光束整形棱镜30应用于光学系统时，其可以被设计为接收P-偏振光束并且还包括如图8所示的放置在第一棱镜31和第二棱镜35之间以将P-偏振光束转换为S-偏振光束的半波片34。在这种情况下，由于P-偏振光束的透射比高于S-偏振光束的透射比，所以没有必要对入射表面33′镀膜。但是，入射表面33′可以被镀膜以进一步增加P-偏振光束的透射比。

如上所述，为了使得S-偏振光束照射到第二棱镜35的倾斜表面37上，光束整形棱镜30可以被设计以便S-偏振光束入射到第一棱镜31的入射表面33上，并且入射表面33被镀膜以增加S-偏振光束的透射比，或者被设计以便P-偏振光束入射到第一棱镜31的入射表面33′上，并且半波片34放置在第一棱镜31和第二棱镜35之间以将P-偏振光束转换为S-偏振光束。任一种方式可以最小化内部反射。

因此，从第一棱镜31传播到第二棱镜35中的光的大部分从第二棱镜35的倾斜表面37反射，然后垂直于入射到光束整形棱镜30上的光束而出射。如上所述，光束整形棱镜30被构造为光束以对入射光束的直角而出射。

因此，光束整形棱镜30可以应用于所设计的光学系统，以通过对第一棱镜31的入射表面33镀膜使得S-偏振光束进入到光束整形棱镜30中这样一种方式来增加S-偏振光束的透射比。光束整形棱镜30也可以应用于所设计的光学系统，以使得P-偏振光束进入到还包括用于在第一棱镜31和第二棱镜35之间将P-偏振光束转换为S-偏振光束的半波片34的光束整形棱镜30中。

光束整形棱镜30最好可以被构造为不仅整形光束而且补偿色差。为此，第一棱镜31和第二棱镜35由具有不同的色散系数和折射率的介质构成制成。

当光束具有与方程(1)中的波长不同的波长时，方程(4)以所附的撇号标记使用在方程(1)中使用的角度和折射率定义了下列要求。

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}{2}^{\′}={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n{1}^{\′}}\right)$

θ3′＝θ1-θ2′

$\mathrm{\θ}{4}^{\′}={\sin }^{-1}\left(\frac{n{1}^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}{3}^{\′}}{n{2}^{\′}}\right)$

α1＝90°-θ1

其中，θ2′、θ3′、θ4′、θ5′、n1′、n2′、α2′分别与方程(1)中的θ2、θ3、θ4、θ5、n1、n2、α2相对应。

对色差的补偿是指即使当波长改变时从光束整形棱镜30出射的光束仍然保持与进入光束整形棱镜30的光束垂直，即，θ5＝θ5′。当θ5＝θ5′时，通过方程(1)和方程(4)很明显，θ4＝θ4′。通过分别使用方程(1)和方程(4)中的θ4和θ4′，定义在方程(5)中的关系可以被获得：

${\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{n{1}^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}{3}^{\′}}{n{2}^{\′}}\right)---\left(5\right)$

另外，从由方程(5)定义的关系获得方程(6)中的关系：

$\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}=\frac{n{1}^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}{3}^{\′}}{n{2}^{\′}}---\left(6\right)$

分别用方程(1)和(4)中的θ1-θ2和θ1-θ2′替换方程(6)中的θ3和θ3′，得到方程(7)中的关系：

$\frac{n1}{n2}=\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}2)=\frac{n{1}^{\′}}{n{2}^{\′}}\×\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}{2}^{\′})---\left(7\right)$

因此，如果第一和第二棱镜31和35由具有色散系数和满足方程(7)的要求的折射率的介质制成，则可实现能够补偿色差的光束整形棱镜30。例如，当第一和第二棱镜31和35分别由具有n1(＝1.6808)和n2(＝1.68236)的折射率的BaCED5和E-FD2制成，并且入射角为70°，则光束整形比为2.425并且在入射表面33的光束的透射比约为99％。在这种情况下，这样构造的光束整形棱镜30能够补偿色差并射出与入射光束垂直定向的输出光束。

同时，通过另外包括由与第二棱镜35的介质相同的介质即与第二棱镜35具有相同的色散系数和折射率的介质制成并与第二棱镜35的倾斜表面37相邻设置的第三棱镜39，光束整形棱镜30用作偏振光分束器(PBS)。在这种情况下，倾斜表面37用作根据偏振来分解光束的分束表面。

以这种方式，当光束整形棱镜30还包括由与第二棱镜35的介质相同的介质制成并与第二棱镜35的倾斜表面37相邻设置的第三棱镜39时，第二和第三棱镜35和39用作PBS。因此，光束整形棱镜30能够补偿色差，执行光束整形，并用作PBS。

在这种情况下，当被构造为集成光束整形棱镜和PBS的单一块时，光束整形棱镜30使光轴垂直对齐，由此方便光学部件的对齐和装配以及在其上装配部件的基座的加工。

光束整形棱镜30能够应用在光学拾取器中。图9和10分别示意性地显示应用根据本发明实施例的图3和8的光束整形棱镜30的光学拾取器。

参照图9和10，根据本发明多个方面的光学拾取器包括：光源51；准直透镜53，用于准直由光源51发射的光束；光束整形棱镜30，用于将从光源51发射然后通过准直透镜53的椭圆光束整形为圆光束；物镜59，用于将入射光束聚焦在光学信息存储介质即光盘50的信息存储表面的点上；和光电探测器65，用于接收从光盘50的信息存储表面反射的光束以检测再现的信息信号和/或用于伺服控制的错误信号。在光束整形棱镜30中，附图中相同的标号表示相同部件，因此将省略对它们的描述。

发射具有预定波长的激光束的激光二极管被用作光源51。光源51可为单一光源51，或包括被设计用于发射以下光束的至少一个的多个光源51：适合CD的红外波长的光束，例如780nm波长光束；适合DVD的红光波长区域的光束，例如650nm波长光束；和适合高级光盘(AOD)或蓝光光盘(BD)的蓝光波长区域的光束，例如405 nm波长光束。这里，AOD标准规定405nm波长的光源、0.65数值孔径(NA)的物镜、和0.6mm厚度的记录介质。BD标准规定405nm波长的光源、0.85NA的物镜、和0.1mm厚度的记录介质。

当为了使用不同格式和波长的多种光盘之间的兼容性来设计根据本发明多个方面的光学拾取器时，光源51可为发射以上三种波长光束的两种的TWIN-LD或发射以上三种波长光束的多波长光源。另一方面，光学拾取器可包括用于发射第一单一波长光束的光源51，并且还包括用于发射与光源51的波长不同的波长的第二光束的单独光源以及相应布置的光学部件。

准直透镜53将由光源发射的发散光束准直为平行光束。

光学拾取器可还包括：光栅55，设置在光源51和光束整形棱镜30之间并将由光源51发射的光束分为三个或更多的光束。光栅55被用于使用三光束或差分推挽(DPP)方法或另一种应用它们的方法来检测跟踪错误信号。因此，当使用不同的方法检测跟踪错误信号时，可能不需要光栅55。

如图9中所示，光学拾取器可还包括：半波片34，设置在光源51和光束整形棱镜30之间并改变光束的偏振。另一方面，如图10中所示，半波片34设置在光束整形棱镜30的第一和第二棱镜31和35之间。

半波片34被用于反射来自第二棱镜35的倾斜表面37具有S偏振的光束。为此，半波片34将从光源51发射的光束的偏振转换成正交的偏振。例如，当由光源51发射P偏振光束时，半波片34将该P偏振光束转换成S偏振光束。当光源51被构造为发射S偏振光束时，不需要半波片34。

虽然图9已显示光栅55和半波片34设置在准直透镜53和光束整形棱镜30之间，当光栅55和/或半波片34可位于光源51和准直透镜53之间。另外，尽管图9已显示光栅55与半波片34结合成一体，但它们可以是彼此分离的。

如上所述，由于光束整形棱镜30被设计为满足由方程(1)定义的要求，所以入射光束能够被整形为能垂直于入射方向出射的形式。另外，由于光束整形棱镜30被以既满足方程(1)又满足方程(7)的这种方式设计，所以它不仅能对光束整形而且能补偿色差。

光束整形棱镜30可在下述情况下补偿色差。

例如，当根据本发明的光学拾取器被用于记录和/或再现BD或AOD因此光源51发射蓝光(例如，405nm波长的光)时，在记录和再现模式之间的转变期间的光输出功率的差别将导致波长的改变。甚至当波长改变时，光束整形棱镜30也能够补偿色差，由此使被整形的光束相对于入射方向以直角出射。这里，对于具有约405nm波长的蓝光，在记录和再现模式之间的转变期间发生约1到2nm的波长改变。

当该光学拾取器被用于记录和/或再现CD和/或DVD时，因在记录和再现模式之间的转变期间的光输出功率的差别而发生波长的改变。在这种情况下，同样，光束整形棱镜30可被设计为补偿色差，由此使被整形的光束相对于入射方向以直角出射。

另外，当该光学拾取器包括，例如，TWIN-LD作为光源51，或者其每一个发射不同波长光束的光源51和附加光源以及相应布置的其他光学部件时，由该附加光源发射的光束可由光束整形棱镜30以与由光源51发射的光束相同的方式整形。在这种情况下，光束整形棱镜30能够补偿由波长差引起的色差，由此使具有不同波长的两个光束垂直于入射方向出射。

图9显示了采用根据本发明实施例的图3的光束整形棱镜30的光学拾取器。如上所述，光束整形棱镜30包括：第一棱镜31，具有被镀膜以增加S偏振光的透射比的入射表面33；和第二棱镜35，具有倾斜表面37。

另一方面，如图10中所示，光学拾取器包括根据本发明另一实施例的图8的光束整形棱镜30。

光束整形棱镜30包括：第一棱镜31，具有倾斜表面33′；第二棱镜35，具有倾斜表面37；和半波片34，设置在第一和第二棱镜31和35之间，并将P偏振光束转换为S偏振光束。在这种情况下，P偏振光束入射到第一棱镜31的入射表面33′上。由于P偏振光束的透射比高于S偏振光束的透射比，所以不必将入射表面33′镀膜。此外，与当入射表面33被镀膜以增加S偏振光束的透射比时相比，当入射表面33′被镀膜以进一步增加P偏振光束的透射比时，可显著降低镀膜条件。

如在图3和8中所示，用于根据本发明多个方面的光学拾取器中的光束整形棱镜30可还包括与第二棱镜35相邻的第三棱镜39。在这种情况下，光束整形棱镜30还用作PBS，这使得不需要单独的PBS。

当光束整形棱镜30用作PBS时，最好还包括：四分之一波片57，设置在光束整形棱镜30和物镜59之间的光路中，以便从光盘50向光束整形棱镜30反射的光束的偏振与从第二棱镜35的倾斜表面37向光盘50反射的光束的偏振正交。在这种情况下，当后者是S偏振光束时，从光盘反射到第二棱镜35的光束具有P偏振。因此，该P偏振光束然后被引导通过第二和第三棱镜35和39之间的界面，即倾斜表面37。

物镜59在光盘50的信息存储表面创建合适大小的射束点，并具有符合光盘50的标准和从光源51发射的光的波长的NA。光电探测器65接收光束以检测再现的信息信号和/或用于伺服控制的错误信号，该光束由物镜59聚焦到光盘50的信息存储表面上并从相同表面反射，并且通过物镜59、四分之一波片57、和光束整形棱镜30的第二和第三棱镜35和39。

在图9和10中，标号58和61分别表示：反射镜，用于以直角将来自光束整形棱镜30的光束的方向改变为向物镜59传播；和传感透镜(sensing lens)，用于将经光束整形棱镜30透射向光电探测器65传播的光束会聚为在光电探测器65上的合适大小的射束点。

传感透镜61可以是能够通过象散方法检测聚焦错误信号的非球面透镜。光学拾取器可还包括用于监测光源51的光输出功率的监测光电探测器56。如在图9和10中所示，可设置监测光电探测器56以接收一些从光束整形棱镜30的第一和第二棱镜31和35之间的界面反射的光。

现在将描述在具有光束整形棱镜30的光学拾取器中的光束的传播。

由光源51发射的发散光束被准直透镜53转换成平行光束。当准直的光束经过光栅55时，它被分为三个或更多的光束，并且被半波片34转换成具有正交的偏振的光束。例如，如果P偏振光束被光源51发射，则当经过半波片34时它被转换成S偏振光束。

如在图9中所示，入射在光束整形棱镜30上的S偏振光束被经第一棱镜31的入射表面33折射并透射，从倾斜表面37反射，并且从光束整形棱镜30的第二棱镜35出射。在这种情况下，由于入射表面33被镀膜以增加S偏振光束的透射比，所以入射光束的大部分经入射表面33折射并透射。

如在图10中所示，半波片34设置在第一和第二棱镜31和35之间，而非设置在光束整形棱镜30和光源51之间。当P偏振光束入射在光束整形棱镜30上时，入射的P偏振光束的大部分经入射表面33′折射并透射，并且被半波片34转换成S偏振光束。该S偏振光束被从第二棱镜35的倾斜表面37反射并且随后从光束整形棱镜30出射。

当由光源51发射的光束通过光束整形棱镜30时，该光束的色差被补偿并且该光束被整形以垂直于入射方向出射。

从光束整形棱镜30出射的S偏振光束在它经过四分之一波片57时被转换成第一圆偏振光束，并被反射镜58以这种方式反射，即以直角将该光束的路径转向物镜59。该入射光束被物镜59聚焦在光盘50的信息存储表面上的一点。当光束被从光盘50的信息存储表面反射时，它被改变为第二圆偏振光束，该第二圆偏振光束然后通过物镜59并被反射镜58反射到四分之一波片57。该入射光束在通过四分之一波片57时被转换成P偏振光束，并入射到光束整形棱镜30上。入射的P偏振光束经第二棱镜35和第三棱镜39之间的界面，具体地讲，倾斜表面37被透射，并被传感透镜61会聚到光电探测器65上。

应用于根据本发明多个方面的光学拾取器中的光束整形棱镜30使从光源51发射的光束的路径与向物镜59和光电探测器65传播的光束的路径正交。因此，易于布置并装配光学拾取系统。也就是说，由于光束整形棱镜30使进入光束整形棱镜30的光束与离开其的光束垂直，所以光束整形棱镜30的使用使得易于控制在其上装配除物镜之外的所有光学部件的基座的加工中的公差。因此，包括该光束整形棱镜30的光学拾取器能够被应用为用于移动应用的小型光学拾取器。

图11示意性地表示应用根据本发明实施例的光学拾取器的光学记录和/或再现设备的结构。参照图11，该光学记录和/或再现设备包括：转轴电机455，用于旋转作为光学信息存储介质的光盘50；光学拾取器450，沿光盘50的径向方向可移动地安装，用于从光盘50再现信息和/或将信息记录到光盘50；驱动器457，用于驱动转轴电机455和光学拾取器450；和控制器459，用于控制光学拾取器450的聚焦、跟踪、和/或倾斜伺服机构。这里，标号452和453分别表示转盘和用于夹住光盘50的夹具。

光学拾取器450具有光束整形棱镜30，并且可以是参照图9或10描述的光学拾取器。光学拾取器450的物镜59可在聚焦、跟踪、和/或倾斜方向由激励器驱动。

从光盘50反射的光束由安装在光学拾取器450中的光电探测器65检测，并被光电地转换为电信号，该电信号然后经驱动器457被输入到控制器459。驱动器457控制转轴电机455的旋转速度，放大输入信号，并驱动光学拾取器450。控制器459将已基于从驱动器457接收的信号调整的聚焦伺服命令、跟踪伺服命令、和/或倾斜伺服命令发送回至驱动器457，以便光学拾取器450能够执行聚焦、跟踪、和/或倾斜伺服控制。

光束整形棱镜30使入射光束与出射光束垂直，由此方便部件的光学对齐和装配。因此，包括光束整形棱镜30的光学拾取器450使得易于控制在基座的加工中的公差以及装配和对齐光学部件。

虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (38)

1、一种光束整形棱镜，包括：

第一棱镜，具有入射表面；和

第二棱镜，具有倾斜表面，

其中，当入射表面和具有θ1入射角的入射光束形成的角度为α1并且倾斜表面与从第一棱镜穿进第二棱镜并从倾斜表面反射的光束形成的角度为α2时，光束整形棱镜满足第一方程并且使得该光束与入射光束垂直地出射：

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n1}\right)$

θ3＝θ1-θ2

$\mathrm{\θ}4={\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)$

α1＝90°-θ1

其中，n1和n2分别是第一和第二棱镜的折射率，θ2是折射通过第一棱镜的入射表面的第一光束的折射角，θ3是从第一棱镜穿进第二棱镜的第二光束的入射角，θ4是折射通过第一棱镜进入第二棱镜的第二光束的折射角，和θ5是经过第二棱镜的第三光束入射在第二棱镜的倾斜表面上的角度。

2、如权利要求1所述的光束整形棱镜，其中，作为光束的宽度对入射光束的宽度的比的光束整形比M由第二方程定义，

$M=\frac{\cos \mathrm{\θ}2\cos \mathrm{\θ}4}{\cos \mathrm{\θ}1\cos \mathrm{\θ}3}$

3、如权利要求1所述的光束整形棱镜，其中，第一和第二棱镜由具有满足第三方程的折射率和散射系数的介质制作以补偿色差，

$\frac{n1}{n2}\×\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}2)=\frac{{n1}^{\′}}{{n2}^{\′}}\×\sin (\mathrm{\θ}1-{\mathrm{\θ}2}^{\′})$

其中，n1′、n2′和θ2′分别表示当入射光束的波长改变时与n1、n2和θ2相应的折射率和角度。

4、如权利要求3所述的光束整形棱镜，其中，入射表面被镀膜以增加S偏振光束的透射比。

5、如权利要求3所述的光束整形棱镜，还包括置于第一和第二棱镜之间以将入射光束的偏振转换成正交偏振的半波片。

6、如权利要求1所述的光束整形棱镜，其中，入射表面被镀膜以增加S偏振光束的透射比。

7、如权利要求1所述的光束整形棱镜，还包括置于第一和第二棱镜之间以将入射光束的偏振转换成正交偏振的半波片。

8、如权利要求1到7任何一个所述的光束整形棱镜，还包括与第二棱镜的倾斜表面相邻放置以执行偏振光束分解的第三棱镜。

9、一种包括光束整形棱镜并且整形由光源发射的第一光束，由物镜将整形的第一光束聚焦到光学信息存储介质上，并且由光电探测器接收从光学信息存储介质反射的光束的光学拾取器，其中，光束整形棱镜包括：

具有入射表面的第一棱镜和具有向与第一棱镜的界面倾斜的第二棱镜，并且

其中，当入射表面和具有θ₁入射角的入射光束形成的角度为α1，并且倾斜表面与从第一棱镜穿进第二棱镜并从倾斜表面反射的出射光束形成的角度为α2时，光束整形棱镜满足第一方程并且使得出射光束与第一光束垂直地出射，

θ1＝入射角

$\mathrm{\θ}2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}1}{n1}\right)$

θ3＝θ1-θ2

$\mathrm{\θ}4={\sin }^{-1}\left(\frac{n1\×\sin \mathrm{\θ}3}{n2}\right)$

α1＝90°-θ1

其中，n1和n2分别是第一和第二棱镜的折射率，θ2是作为折射通过第一棱镜的入射表面的第一光束的第二光束的折射角，θ3是作为从第一棱镜穿进第二棱镜的第二光束的第三光束的入射角，θ4是作为折射通过第一棱镜进入第二棱镜的第三光束的第四光束的折射角，和θ5是经过第二棱镜的第四光束入射在第二棱镜的倾斜表面上的角。

10、如权利要求9所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜被设计，从而作为出射光束的宽度对入射光束的宽度的比的光束整形比M满足第二方程，

$M=\frac{\cos \mathrm{\θ}2\cos \mathrm{\θ}4}{\cos \mathrm{\θ}1\cos \mathrm{\θ}3}$

11、如权利要求9所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜的第一和第二棱镜由具有满足第三方程的折射率和散射系数的介质制作以补偿色差，

$\frac{n1}{n2}\×\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}2)=\frac{{n1}^{\′}}{{n2}^{\′}}\×\sin (\mathrm{\θ}1-{\mathrm{\θ}2}^{\′})$

其中，n1′、n2′和θ₂′分别表示当第一光束的波长改变时与n1、n2和θ2相应的折射率和角度。

12、如权利要求11所述的光学拾取器，其中，在光束整形棱镜中的入射表面被镀膜以增加S偏振光束的透射比。

13、如权利要求12所述的光学拾取器，还包括置于光束整形棱镜和光源之间的半波片以将入射光束的偏振转换成正交偏振。

14、如权利要求11所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜还包括置于第一和第二棱镜之间的半波片以将第一光束的偏振转换成正交偏振。

15、如权利要求9所述的光学拾取器，其中，在光束整形棱镜中的入射表面被镀膜以增加S偏振光束的透射比。

16、如权利要求15所述的光学拾取器，还包括置于光束整形棱镜和光源之间的半波片以将第一光束的偏振转换成正交偏振。

17、如权利要求9所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜还包括置于第一和第二棱镜之间的半波片以将第一光束的偏振转换成正交偏振。

18、如权利要求9到17中任何之一所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜还包括与第二棱镜的倾斜表面相邻放置的第三棱镜以执行偏振光束分解。

19、如权利要求18所述的光学拾取器，还包括置于光束整形棱镜和物镜之间的四分之一波片以改变反射光束的偏振。

20、一种光束整形棱镜，包括：

第一棱镜，具有入射表面以接收锐角入射角的入射椭圆光束；和

第二棱镜，与第一棱镜相邻，具有倾斜表面以在透射通过第一棱镜和第二棱镜的一部分以后来反射入射椭圆光束，

其中，形成第一棱镜和第二棱镜之间的界面的第一棱镜的第一表面和第二棱镜的第二表面的每个与入射椭圆光束成直角，并且圆形出射光束在从倾斜表面反射以后与界面平行地从第二棱镜发射出。

21、如权利要求20所述的光束整形棱镜，还包括：

置于第一和第二棱镜之间的半波片以将入射椭圆光束转换成正交偏振。

22、如权利要求21所述的光束整形棱镜，其中，第一和第二棱镜由具有不同折射率和散射系数的材料制作，从而在圆形出射光束中色差被纠正。

23、如权利要求22所述的光束整形棱镜，还包括：

与第二棱镜的倾斜表面相邻放置的第三棱镜，从而以与圆形出射光束平行并相反方向进入第二棱镜的光束穿过倾斜表面并且进入第三棱镜以执行偏振光束分解。

24、如权利要求20所述的光束整形棱镜，其中，第一和第二棱镜由具有不同折射率和散射系数的材料制作，从而在圆形出射光束中色差被纠正。

25、如权利要求24所述的光束整形棱镜，还包括：

由与第二棱镜相同材料制作并且与第二棱镜的倾斜表面相邻放置的第三棱镜，从而以与圆形出射光束平行并相反方向进入第二棱镜的光束穿过倾斜表面并且进入第三棱镜以执行偏振光束分解。

26、如权利要求20所述的光束整形棱镜，其中，入射表面被镀膜以将入射椭圆光束的透射比至少提高到99％。

27、如权利要求26所述的光束整形棱镜，其中，锐角入射角在35度和70度之间。

28、如权利要求20所述的光束整形棱镜，其中，入射表面被镀膜以将入射椭圆光束的透射比至少达到90％。

29、如权利要求28所述的光束整形棱镜，其中，入射椭圆光束是S偏振光束。

30、如权利要求20所述的光束整形棱镜，其中，入射椭圆光束是405nm波长光束、650nm波长光束或780nm波长光束中的至少之一。

31、一种光学拾取器，包括：

光源，发射光束；

物镜，将光束引导到光学存储介质的表面并且引导从光学存储介质的表面反射的光束；

光束整形棱镜，置于光源和物镜之间，包括：

第一棱镜，具有入射表面以接收锐角入射角的光束；和

第二棱镜，与第一棱镜相邻，具有倾斜表面以在透过第一棱镜和第二棱镜的一部分以后反射光束；

传感透镜，会聚透射通过光束整形棱镜的反射光束；和

光电探测器，传感来自传感透镜的会聚的反射光束，

其中，形成第一棱镜和第二棱镜之间的界面的第一棱镜的第一表面和第二棱镜的第二表面的每个与入射椭圆光束成直角，并且圆形出射光束在从倾斜表面反射以后，与界面平行地从第二棱镜发射。

32、如权利要求31所述的光学拾取器，还包括：

半波片，置于光源和光束整形棱镜之间以将入射椭圆光束转换成正交偏振。

33、如权利要求31所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜还包括置于第一和第二棱镜之间的半波片以将入射椭圆光束转换成正交偏振。

34、如权利要求31所述的光学拾取器，其中，光源以等于405nm波长光束、650nm波长光束或780nm波长光束中的至少之一的波长来发射光束。

35、如权利要求31所述的光学拾取器，还包括：

偏振改变器，与光源相邻放置以将光束的偏振改变为S偏振光束。

36、如权利要求31所述的光学拾取器，其中，第一棱镜包括具有与构成第二棱镜的第二材料不同散射系数和折射率的第一材料。

37、如权利要求36所述的光学拾取器，其中，光束整形棱镜还包括与第二棱镜的倾斜表面相邻放置的第三棱镜，从而以与圆形出射光束平行并相反方向进入第二棱镜的反射的光束穿过倾斜表面并进入第三棱镜以执行偏振光束分解。

38、如权利要求37所述的光学拾取器，其中，第三棱镜由第二材料构成。

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