CN1689083B - 具有倾斜检测功能的光学扫描设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学扫描设备，用于在扫描期间扫描光学记录载体并且检测光学记录载体的倾斜特性。该设备包括设置在物镜(10)上的重新定向的结构(26)，从而在辐射光束向记录载体传播时使其一部分的方向变为不同于该辐射光束主要部分的方向。重新定向的光束部分所遵循的路径朝向检测系统(16)中的位置敏感检测器，该路径不同于主光束部分所遵循的路径。

Description

具有倾斜检测功能的光学扫描设备
技术领域
本发明涉及一种带有倾斜检测功能的光学扫描设备。
背景技术
在先进光学扫描设备中，例如在数字通用盘(DVD)类系统中，将高数值孔径(NA)物镜用于实现高数据容量。缺点是当盘倾斜时，由盘的覆盖层引起的波前像差(尤其是彗差)造成了小的盘倾斜余量。因为该波前像差随着物镜的NA增大而增大，所以使用的数值孔径越高，盘的倾斜就变得越重要。
美国专利第4219704号描述了一种光学扫描装置，其中测量了光学记录载体的倾斜。在一个实施例中，利用独立的光源测量倾斜，该独立的光源具有例如不同的波长。在可选实施例中，利用从激光辐射源背面发出的辐射来测量倾斜，因此该辐射与读取光束分离。利用具有背发射的激光二极管较复杂而且成本较高。
日本专利申请JP-A-200076678描述了一种光学扫描设备，其中物镜的前表面由曲率互不相同的第一和第二区域构成。中心区域不将辐射光束聚焦到盘的信息层上的一点，而是将光束的中心部分聚焦到该盘的前表面上。在返回光束路径中，利用全息元件将返回光束的中心部分分离到位置检测器。利用全息元件来分离两个光束是成本较高的解决方案。
日本专利申请JP-A-05006562描述了一种包括倾斜检测系统的光学扫描设备。该设备的物镜包括外围边缘，光束向光学记录载体传播时通过该外围边缘而不重新定向。半反射镜分束器仅仅在该外围边缘或者在出现光束倾斜检测部分的边缘处起作用，其将返回的光束倾斜检测部分反射出主光路并朝向倾斜检测光学系统，该光学系统包括位置传感器。倾斜检测系统需要独立的光路。而且，如该配置中所提议的，半反射镜与致动器的集成增加了物镜系统的重量并且增加了该物镜系统的机械致动器系统的功耗。还减少了致动器的带宽，这就限制了系统的扫描速度。
需要在克服现有技术配置缺点的条件下检测系统中倾斜的特性。
发明内容
根据本发明，提供了一种光学扫描设备，其利用辐射光束扫描光学记录载体，所述设备包括：用于将辐射光束聚焦为记录载体信息层上的光点的光学系统；以及检测系统，包括信息信号检测器，该检测器设置用于在辐射光束的主要部分在记录载体上反射之后接收该主要部分中的辐射并且检测其中的信息信号，
其中该光学系统包括重新定向的结构，设置用于在辐射光束向记录载体传播时，将其一部分的方向变为不同于辐射光束主要部分的方向，使得重新定向的光束部分所遵循的路径不同于主光束部分所遵循的路径，并且
其中该检测系统包括用于检测重新定向的光束部分的位置的位置敏感检测器。
利用本发明，提供了一种倾斜检测系统，其不需要光学系统中独立的倾斜检测支路。该重新定向的结构能够形成在例如光学系统中物镜的表面上，并且改变主信息信号检测光束的一部分的方向。在从光学记录载体反射之后，重新定向的部分所遵循的路径通过与主光束相同的光学组件，直到到达位置敏感检测器。
具体来说，本发明提出了一种利用辐射光束扫描光学记录载体的光学扫描设备，所述设备包括用于将辐射光束聚焦为记录载体中信息层上的光点的光学系统，还包括检测系统，该检测系统包括信息信号检测器，该信息信号检测器被设置成用于在辐射光束的主光束部分在记录载体上反射之后接收来自该主光束部分中的辐射并且用于检测其中的信息信号，
其中该光学系统包括重新定向的结构，该重新定向的结构被设置成用于在辐射光束的一部分向记录载体传播时，重新定向该辐射光束的一部分使其方向变得与辐射光束的主要部分不同，使得重新定向的光束部分所遵循的路径不同于主光束部分所遵循的路径，
其中所述重新定向的结构包括用于折射的折射重新定向部分，
其中该重新定向的结构形成为光学系统中的透镜元件的一部分，以及在透镜元件的表面上设置成在透镜元件的表面中的非旋转对称的变化的结构，并且
其中该检测系统包括用于检测重新定向的光束部分的位置的位置敏感检测器。
附图说明
以下将参照相应附图，示例性地给出本发明优选实施例的描述，据此，本发明的其它方面、优点和特征将显而易见，其中：
图1是根据本发明实施例的光学扫描设备的示意侧视图；
图2是根据本发明实施例设置的检测系统的平面图；
图3是根据本发明实施例相对于盘设置的物镜的示意横截面图；
图4是图3所示的物镜的表面的一部分的平面图；
图5是本发明另一实施例中相对于光盘设置的物镜的示意横截面图；
图6是图5所示的物镜的一部分的横截面图；
图7是用于本发明实施例中的信号处理元件的示意图；
图8是表示了用于本发明实施例的盘的倾斜与最佳物镜倾斜之间的关系图。
具体实施方式
图1中表示了根据本发明实施例的光学扫描设备。在这个实施例中，该设备适于扫描DVD型盘。辐射光源2在本实施例中为激光二极管，其发出具有预定波长(例如660nm)的辐射光束。准直透镜6准直辐射光束，具有预定焦距(例如2.75mm)的物镜将该辐射光束聚焦到光学记录载体(本实施例中为盘)的信息层上。1/4波片8和偏振分束器4用于将反射光束引导到检测系统16上。例如像散透镜的检测器透镜14用于为主光束部分15提供聚焦控制。
除了通过上述光学系统的主光束之外，为了倾斜检测，光束部分17被分离出光路，并且将其方向变为朝向检测系统16的倾斜检测部分，从而独立于主信息信号对该光束部分进行检测。重新定向的光束部分17在其朝记录载体12的路径上重新定向并由此反射之后，通过了物镜10、1/4波片8、准直透镜6和检测器透镜14中的每一个，每个元件都在其各自的孔内。准直透镜6将重新定向的光束部分17聚焦为检测系统中位置敏感检测器上的光点。
图2表示了用于检测系统16中的示例性检测器阵列。该检测器阵列包括：常规的象限检测器18，用于检测从光盘12中的信息层读取的信息信号以及聚焦误差信号；以及两个推挽式径向跟踪误差检测器20、22，设置在象限检测器18的每一侧，用于检测跟踪误差信号。在检测系统16中还包含二维位置感测设备，其用于检测径向的盘倾斜和切向的盘倾斜。在可选实施例中，一维位置感测设备可以用来取代该二维位置感测设备，从而单独检测径向倾斜或者切向倾斜。其它可选方式是，如下所述，可以使用两个一维检测器以及两组重新定向的结构，以便独立地检测径向的盘倾斜与切向的盘倾斜。
在这个实施例中，在物镜10的前表面25上提供了重新定向结构26，该前表面即为图3和4中所示的最接近辐射光源2的表面。这种结构可以位于该透镜的任意位置上——用于扫描盘12的信息层的孔径内和外。如图3所示，优选位置是在透镜10的中心处，这是因为在这个位置上重新定向的光束部分将会测量主扫描光点位置处的盘倾斜。在这个实施例中，物镜的后表面27是平面。
重新定向的结构26包括两个倾斜且平坦的区域A和B，这两个区域中的每一个相对于周围的透镜表面倾斜，如图3和4所示。在这个实施例中，这两个区域的倾斜角为i。在可选实施例中，该表面可以以不同角度倾斜。在另一可选实施例中，不包括表面B；返回光束部分可以改为通过该物镜前表面25的基本上平坦的部分。当光线RI表示的准直光束部分平行于透镜10的光轴28传播时，其入射到区域A上并且被该倾斜表面A重新定向并被盘反射，接着倾斜表面B再次改变该光束部分的方向，如光线RR所示。该盘相对于与检测器平面方向相同的平面的倾斜为δ。当光线如图3所示重新定向并反射时，它们形成了角度i、o’、i’、o、p、q、j和k。反射光线RR相对于光轴28的角度k如下：
k＝2((n-1)i+δ)(1)
以上，使用了小角度近似，并且n是物镜10主体的折射率。当在与测量x的方向相同的方向上测量角度δ时，准直器聚焦到检测器平面中的光点位置x是：
x＝fk＝2f[(n-1)i+δ](2)
其中f是准直器和伺服透镜组合的焦距。因此，通过适当选择倾斜平面区域A和B的倾斜角I，能够选择反射光点的非倾斜位置，并且该位置根据盘的倾斜δ变化。位置检测器24的中心与象限检测器18的中心在检测器平面上间隔了大约2f(n-1)i的值。在制造过程中需要的唯一对准是在物镜10的定向过程中，相对于位置检测器设置倾斜区域A和B，使得在扫描未倾斜的盘部分时，重新定向的光束部分17的光点落入检测器24的中心。
注意，图3所示的角度是示意性的，并且为了说明而进行了夸张表示。被重新定向且被反射的光束部分17与光束准直部分的光轴的夹角k应足够小，通常在0＜i＜10°的范围内，使得重新定向的光束部分17通过图1所示的每个组件并且相对于主光束部分重新定向。该夹角应足以将重新定向的光束部分与主光束部分分离到检测系统16的分别不同的检测器元件上。入射到倾斜区域A上的辐射以角度γ反射回检测器，并且其沿着检测器表面上的轴的位置是x。考虑以下实例，物镜10主体的折射率n＝1.768、i＝54.3mrad、准直器和检测器透镜组合的焦距为12mm，x位置表示为：
x＝24(0.768×0.0543+δ)≈1.00+24δmm    (3)
假设最大的盘倾斜为δ＝±2°(＝±35mrad)，则最小和最大的x位置是0.16mm和1.84mm。可以利用检测系统中的正敏感检测器来测量偏移，例如Hamamatsu S7848检测器。如果典型的位置误差假定为30μm，则能够实现的倾斜角度测量精度小于±0.1°。
优选的是，重新定向的结构26构成主光束部分孔径横截面面积的不到5％。在这个实例中，将Anteryon AO460型物镜用作物镜10的基体。物镜光瞳的总面积是10.07mm2。中心结构的面积是例如0.25mm2，因此2.5％(即小于5％)的扫描辐射光束未聚焦到盘12的信息层上的点，而是用于测量盘的倾斜。这就影响了主光束光点的形状，但是其在可接受的容差范围内。
图5和6中表示了本发明的另一实施例，其中与第一实施例相似的元件用相同的参考数字加上100表示。
在这个实施例中，使用了替换的重新定向的结构126，其包括两个小倾斜平面表面C和D，它们相对于透镜的平面后表面127倾斜的角度为α和β，该后表面为垂直于透镜光轴的平面。由R1表示的一个入射光束部分的被重新定向并且在盘上反射，由光线R2表示的另一入射光束部分在透镜表面上反射。优选选择角度α和β，使得当物镜和盘平行时，被重新定向的光线R1和反射光线R2重叠。这个条件如下：
β = α ( n + 1 ) ( n - 1 ) - - - ( 4 )
其中使用了小角度近似，并且n是辐射通过的物镜110的折射率。当物镜和盘的倾斜角度相同时，光线R1和R2表示的光束部分在向检测器传播时重叠，而不依赖于绝对倾斜角度(假设这些角保持为小角度)。例如，如果α＝1.4°，n＝1.5，则β＝7.0°。在图5中，盘相对于与检测器平面相当的平面的夹角为δ。采用小角度近似，在物镜表面上反射的光束部分(由光线R2表示)与重新定向并在盘上反射的光束部分(由光线R1表示)之间的夹角是2δ。
在与检测系统相关联的信号处理系统中区分检测器24上的由射线R1和R2表示的两个光束部分的位置信号。在一个实施例中，通过将辐射强度调制器放置在盘和物镜之间来调制由光线R1表示的重新定向的光束部分，从而进行区分。然后通过解调，能够区分检测器信号。可选择的是，可以利用不同的光源，例如不同波长的光源，如用于可兼容CD的DVD播放器中的附加CD激光器，来生成辐射光束，通过该辐射光束生成反射光束部分。可以独立于主光束光源来打开和关闭这个光源，从而能够区分其对于检测器信号的贡献。
图6表示了在物镜表面125的其余部分上使用抗反射涂层130以及在重新定向的结构上使用高反射率涂层132，这两个涂层是分离光线所需的。该抗反射涂层130对于CD波长(例如780nm)和DVD波长(例如660nm)是高透射性的，而高反射率涂层132对于DVD波长是高透射性的，对于CD波长是高反射性的。DVD激光器发出的辐射光束形成了由光线R1表示的光束部分，CD激光器发出的辐射光束形成了由光线R2表示的光束部分。当CD激光器关闭时，来自检测器的信号与DVD光束部分相对应，该光束部分被重新定向并且经历了在盘112上的反射。在打开CD激光器之后，第二检测器信号对应于分别经历了在盘和物镜上反射两个光束部分。减去在第一次测量中获得的检测器信号就得到了由CD激光器光束部分产生的信号。因此，能够计算检测器24上的DVD激光光点位置与CD激光光点位置，它们分别对应于盘的倾斜和物镜的倾斜。通过间歇开关CD激光器，能够动态地测量各种倾斜。
可选择的是，与上面相反，利用对于CD波长是高透射性的且对于DVD波长是高反射性的高反射率涂层132，同样间歇地开关CD激光器，也能够实现类似的区分效果。
在这个实施例中的倾斜角度测量灵敏度与第一实施例中相同，即能够以0.07的精确度测量±2°的盘倾斜。
本发明的优点在于其能够包含在控制物镜倾斜的三维机械致动器中。在图3和4所示的第一实施例中，能够校准在机械致动器的不同驱动信号下物镜10的倾斜，并且能够将提供给被测盘的适当驱动信号用于动态地补偿盘的倾斜。
在图5和6所示的第二实施例中，利用如图7示意表示的伺服回路能够补偿盘的倾斜。一旦在信号处理系统(由盘倾斜信号发生器140和物镜倾斜信号发生器142示意表示)中已经生成了盘倾斜信号和物镜倾斜信号，则能够减去这两个信号以获得物镜致动器控制信号，其用于控制物镜致动器144。这样，能够使物镜倾斜近似等于盘的倾斜。不需要绝对物镜倾斜控制信号。
图8表示了最佳补偿物镜倾斜作为盘倾斜的函数。该函数基本上为线性的，且斜率略小于1。已经计算了对应的均方根(RMS)像差并且列于以下的表1中。假设该斜率近似为1，例如假设盘倾斜和物镜倾斜相等，如最后一栏所示，则不会产生最佳倾斜补偿，但是仍然显著减少了RMS像差，其大约高于最佳情况25％。假设所制造的物镜的RMS像差为30mλ，则在这个实例中的最大允许的盘倾斜为±1°，这是因为最大允许的波前像差假设为70mλ，其对应于包括物镜像差和由1°盘倾斜造成的像差的总RMS，其中盘倾斜(tiltdisk)由相等的物镜倾斜(tiltobj.)补偿，如表1的最后一栏所示。
表1
  盘倾斜[°]   物镜倾斜[°]   无补偿时的RMS[mλ]   最佳补偿时的RMS[mλ]   tilt<sub>disk</sub>＝tilt<sub>obj</sub>.补偿时的RMS[mλ]
  0.1   0.085   13.6   3.75   4.57
  0.2   0.17   27.2   7.54   9.23
  0.3   0.25   40.9   11.4   14.1
  0.4   0.33   54.4   15.5   19.3
  0.5   0.42   68.1   19.8   24.8
  0.6   0.50   81.7   24.3   30.8
  0.7   0.58   95.3   29.1   37.3
  盘倾斜[°]   物镜倾斜[°]   无补偿时的RMS[mλ]   最佳补偿时的RMS[mλ]   tilt<sub>disk</sub>＝tilt<sub>obj</sub>.补偿时的RMS[mλ]
  0.8   0.66   108   34.2   44.4
  0.9   0.75   123   39.7   52.1
  1.0   0.83   136   45.5   60.5
在上述实施例中，倾斜区域A、B；C、D位于物镜10的前表面上。可选择的是，它们也可以位于后表面或者物镜系统的不同表面上。在所选的任何配置中，光束中重新定向的部分不应聚焦到记录载体的表面上，这与聚焦到盘的信息表面上的主光束不同。带有除了倾斜区域A和B之外的结构的表面不必垂直于光轴。然而，其优选为平面并且如果选择其它方向，则上述的方向角将是不同的。
尽管在以上实施例中该光学扫描设备是DVD设备，但应当理解，本发明可以用于其中盘的倾斜是特点问题的所有光盘驱动器。此外，尽管在第二实施例中，第二光源是CD激光光源，但是也可以使用其它类型的第二辐射光源。
在以上第二实施例中，使用单个检测器检测光束中重新定向的部分和反射部分；可选择的是，可以使用两个独立的位置敏感检测器独立地检测每个部分，并且通过适当地设置重新定向的结构部分的倾斜从而分别将两个部分分开。
以上实施例应理解为本发明的示例性实施例。可以预见本发明的其它实施例。应当理解，可以单独地使用结合任意一个实施例所述的任意特征，或者将它们与所述的其它特征组合使用，也可以将它们与其它任意实施例或其它任何实施例的任何组合的一个或多个特征相组合使用。此外，也可以在不背离在所附权利要求中限定的本方明范围的情况下，采用以上没有描述的等价物和变型。

Claims (11)

1.一种利用辐射光束扫描光学记录载体的光学扫描设备，所述设备包括用于将辐射光束聚焦为记录载体中信息层上的光点的光学系统，还包括检测系统(16)，该检测系统(16)包括信息信号检测器，该信息信号检测器被设置成用于在辐射光束的主光束部分在记录载体上反射之后接收来自该主光束部分中的辐射光束并且用于检测其中的信息信号，
其中该光学系统包括重新定向的结构(26、126)，该重新定向的结构被设置成用于在辐射光束的一部分(17)向记录载体传播时，重新定向该辐射光束的一部分(17)使其方向变得与辐射光束的主光束部分(15)不同，使得重新定向的光束部分所遵循的路径不同于主光束部分所遵循的路径，
其中所述重新定向的结构(26、126)包括用于折射的折射重新定向部分；
其中该重新定向的结构(26、126)形成为光学系统中的透镜元件的一部分，以及在透镜元件的表面上设置成在透镜元件的表面中的非旋转对称的变化的结构，并且
其中该检测系统包括用于检测重新定向的光束部分的位置的位置敏感检测器(24)。
2.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中该重新定向的结构(26、126)包括为平坦的表面部分。
3.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中该重新定向的结构(26、126)包括相对于周围的透镜元件表面倾斜的表面部分。
4.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中该重新定向的结构(26、126)设置成覆盖主光束部分孔径横截面面积的5％以下。
5.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中该重新定向的结构(26、126)包括第一部分(A；C)，用于在该辐射光束的一部分向记录载体传播时对该辐射光束的一部分重新定向，还包括第二部分(B；D)，用于在该辐射光束的一部分从记录载体反射之后对该辐射光束的一部分重新定向。
6.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中该光学系统包括反射部分(D)，该反射部分(D)被设置成用于反射辐射光束的一部分，使得该被反射的光束部分所遵循的路径不同于该辐射光束的主光束部分所遵循的路径，并且其中位置敏感检测器(24)检测该被反射的光束部分的位置。
7.根据权利要求6所述的光学扫描设备，其中该重新定向的结构(26、126)包括第一部分(A；C)，用于在该辐射光束的一部分向记录载体传播时对该辐射光束的一部分重新定向，还包括第二部分(B；D)，用于在该辐射光束的一部分从记录载体反射之后对该辐射光束的一部分重新定向，并且所述第二部分和所述反射部分一体地形成为一个单独的元件(D)。
8.根据权利要求7所述的光学扫描设备，其中所述第一和第二部分相对于垂直于该光学系统的光轴的平面的倾角α和β分别如下：
&beta; = &alpha; ( n + 1 ) n - 1
其中n是重新定向的结构的折射率。
9.根据权利要求6所述的光学扫描设备，其中位置敏感检测器是用于检测重新定向的光束部分和被反射的光束部分的单个位置敏感检测器(24)。
10.根据权利要求6到8中任一项所述的光学扫描设备，包括产生具有第一波长的第一辐射光束的第一辐射光源，和产生具有不同的第二波长的第二辐射光束的第二辐射光源，并且其中该反射部分(D)选择性地关于第一和第二波长之一进行反射。
11.根据权利要求10所述的光学扫描设备，其中产生第二辐射光束的第二辐射光源设置成有选择性地在光束强度上进行修改，从而改变重新定向的光束部分和被反射的光束部分的相对强度。
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