CN1714394A - 包含光学滤波器的扫描设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于扫描光学记录载体(2；102)的信息层(4)的光学扫描设备(1；100)。该设备包括用于生成辐射光束(12、15、20；112、115、120)的辐射光源(11；111)，用于将辐射光束会聚到信息层(4)上的物镜系统(18；118)以及用于调整辐射光束的强度轮廓的光学滤波器(200)。该滤波器具有光轴(119)并且包括可饱和吸收体(206)，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率。对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。

Description

包含光学滤波器的扫描设备
本发明涉及一种用于扫描光学记录载体的光学扫描设备，还涉及一种光学滤波器，适用于、但不限于调整该扫描设备中的辐射光束的强度轮廓，以及涉及一种用于制造这种设备和这种滤波器的方法和用于利用这种滤波器调整辐射光束的强度轮廓的方法。
在光学存储中，读取和写入对于用于扫描记录载体的辐射光点具有不同的要求。光学记录载体的实例包括CD(密致盘)和DVD(数字通用盘)。
当从载体读取信息时，辐射光点尺寸确定了可读取的标记尺寸。因此，希望得到的是小光点尺寸，从而可以读取具有高信息密度的载体上的小尺寸标记。
当向载体写入信息时，辐射光点的尺寸不太重要。然而，希望从辐射光源到信息载体的光路是高效率的(即低损耗)。这就减少了辐射光源的功耗，这对于便携用途来讲是十分重要的因素。而且，典型的辐射光源为激光器。如果激光器与记录载体之间的光路是高效率的，那么激光器的寿命增加，这是因为可以以较低的驱动电流操纵该激光器，从而生成希望得到的入射到记录载体上的辐射强度。
为了获得用于读取的小光点尺寸，希望使入射到物镜系统上的光束的强度分布较为平坦。换句话说，为了读取，希望使辐射光束具有高边缘强度(边缘强度是在物镜边缘的光束强度与沿光轴的强度之间的相对强度)。
图1表示了在半径为r的辐射光束宽度上典型的光强度分布。可以看出，最高光学强度Imax位于光束中心(即沿着典型扫描设备的光轴)，随着远离光束中心该强度较显著地下降。通过将吸收空间滤波器置于光束中，可以提高用于读取用途的光束的边缘强度，从而减少光束中心部分的透射率。然而，这种滤波器将会降低整个光路的效率，从而使得在写入用途中不希望使用这种滤波器。
本发明实施例的目的是提供一种适于解决现有技术中的至少一个问题的光学滤波器，无论该问题是否在本文中提到。
本发明实施例的目的是提供一种适于为读取辐射光束提供高边缘强度的光学滤波器，同时提供对于写入辐射光束的低吸收率。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备，该设备包括用于生成辐射光束的辐射光源、用于将辐射光束会聚到信息层上的物镜系统以及用于调整辐射光束的强度轮廓的光学滤波器，该滤波器具有光轴并且包括可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
利用这种滤波器，可以增大读取辐射光束(强度小于阈值)的边缘强度。而且，如果提供强度大于阈值的写入辐射光束，则该吸收体将饱和，使得该滤波器表现出较低损失的光学传输路径。可以将该滤波器置于物镜系统之前，但也可以置于物镜系统之后。如果置于物镜系统之后，那么优选将其置于物镜系统之后的非常小的距离处。
在另一方面中，本发明提供了一种用于调整辐射光束的强度轮廓的光学滤波器，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
在又一方面中，本发明提供了一种用于制造光学滤波器的方法，该滤波器用于调整辐射光束的强度轮廓，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低，该方法包括以下步骤：在透明基底上形成可饱和吸收体的非均匀层。
在另一方面中，本发明提供了一种用于制造光学扫描设备的方法，该设备用于扫描光学记录载体的信息层，该方法包括以下步骤：提供用于生成辐射光束的辐射光源；提供用于将辐射光束会聚到信息层上的透镜系统；提供光学滤波器或者调整辐射光束的强度轮廓，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
在另一方面中，本发明提供了一种利用滤波器来调整辐射光束的强度轮廓的方法，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
根据从属权利要求将获知本发明的其它方面。
为了更好地理解本发明，以及如何实现本发明的实施例，作为示例，将参照示意性附图，其中：
图1表示了在辐射光束横截面上的光学强度轮廓；
图2表示了用于扫描光学记录载体的设备，其包括根据本发明实施例的光学滤波器；
图3表示了根据本发明实施例的光学滤波器；
图4A表示了对于强度小于饱和阈值的辐射光束而言，光学滤波器在辐射光束宽度上的吸收率；
图4B表示了对于以小于饱和阈值的入射光束强度入射到滤波器上的光束(虚线)以及透射通过滤波器的光束(实线)而言，在辐射光束宽度上的光学强度；
图5A表示了对于强度大于饱和阈值的辐射光束，光学滤波器在辐射光束宽度上的吸收率；
图5B表示了对于以大于饱和阈值的入射光束强度入射到滤波器上的光束(虚线)以及透射通过滤波器的光束(实线)而言，在辐射光束宽度上的光学强度；
图6表示了用于扫描光学记录载体的设备，指示了用于放置根据本发明实施例的光学滤波器的两个可能位置。
图2表示了根据本发明实施例的用于扫描光学记录载体102的设备100。该设备包括辐射光源111，在本特定实例中其为激光器。辐射光源用于输出至少两个强度级别的辐射光束。
当最终入射到记录载体102的表面上时，第一级别的强度足以从记录载体读取信息。典型的是，这个强度对应于大约为8mW/cm2的准直光束强度(光瞳强度)。
当入射到适当的记录载体上时，更大的第二强度适于将信息写入记录载体。典型的是，这个强度对应于40mW的写入功率，以及直径为4mm的准直光束，从而产生了大约80mW/cm2的光瞳强度(大约比读取强度大10倍)。这些不同强度的光束可能具有相同波长或不同波长。
辐射光源111向准直透镜114发射辐射光束112，该透镜将发散光束112转变为准直光束115。准直光束115入射到物镜系统118上。该物镜系统118将光束115变为会聚光束120，该光束入射到记录载体102上。
分束器113位于从载体102的表面反射的辐射光束的光路中，从而将一部分反射光束引导到检测器。
该设备100还包括光学滤波器200。优选的是，该光学滤波器200位于准直光束115的光路中。优选的是，该光学滤波器200没有位于从载体102的表面反射的光束的光路中，即在这个特定设备中，该滤波器200优选位于准直透镜114和分束器113之间。
图3表示了图2的滤波器200的更详细视图。该滤波器200具有光轴119，在图2所示的设备中，该光轴也对应于物镜系统的光轴。
滤波器200包括可饱和吸收体206，该可饱和吸收体的吸收率设为在预定阈值入射辐射强度下饱和，通常称作饱和强度。选择该吸收体，使得吸收体的饱和强度位于读取和写入光束强度之间(当入射到滤波器上时)。例如，对于大约8mW/cm2的准直(光瞳)读取强度，以及大约80mW/cm2的写入光瞳强度，则该饱和强度应为10-50mW/cm2的数量级。在该饱和强度以上，可饱和吸收体的透射率将随入射辐射强度的增大而增大。
在这个特定实例中，为了给吸收体提供坚固的支撑，该可饱和吸收体在透明基底上形成为层。该吸收体用作准直辐射光束115中的空间滤波器。为了使读取时比写入时具有更高的边缘强度，该可饱和吸收体主要置于光束中心。可饱和吸收体的厚度确定了读取光束的强度分布，从而吸收层的厚度(作为半径的函数，即与光轴的距离)随着远离光轴而减小，该层在光轴处的厚度最大。
当写入光束的强度比饱和强度大时，降低了可饱和吸收体对于光束的吸收率，并且提高了光路的效率。因此，该滤波器可以调整辐射光束的强度轮廓，从而为读取提供高边缘强度，而仍旧为写入光束提供有效的透射光路。该滤波器不需要任何有源控制，而是完全由读取和写入光束之间的强度变化来切换。
在这个特定实施例中，需要使该滤波器对写入光束提供均匀的吸收率。因此，在围绕光轴延伸的环(204a、204b)中提供了普通吸收体(其吸收强度是与强度无关的，至少与写入光束强度无关)，并且在这个情况下该普通吸收体覆盖了可饱和吸收体206的环形层的边缘。可饱和吸收体和普通吸收体的空间分布是这样的，对于写入光束强度而言总吸收轮廓是均匀的，而仍然允许读取光束获得希望得到的高边缘强度。
图4A、4B、5A和5B表示了光学滤波器的吸收率的情况(图4A和5A)，以及吸收率与辐射光束轮廓的变化的关系(图4B和5B)。这些附图是按照光束半径的函数绘制的，半径即光束与滤波器光轴119的距离，假设总光束宽度为2r。
图4A和4B涉及读取光束，而图5A和5B涉及写入光束。在图4B和5B中，由虚线表示了入射到滤波器上的光束轮廓，而由实线表示了通过该滤波器的光束轮廓。应当注意，图4B所示的入射光束的最大光束强度(Imax)约为图5B所示的写入光束的最大入射光束强度的1/10。
如图所示，当用于读取的适当强度(即小于饱和阈值)的光束入射到滤波器上时，该滤波器的吸收率是不均匀的，沿着光轴最大，并且随着与光轴距离的增大而减小。因此，非均匀地减弱了入射光束，使得滤波器传递了较平坦的光束光学强度轮廓，即具有高边缘强度的光束，如用于读取所需的光束。
如图5A所示，对于写入光束强度，该滤波器的吸收率在半径上基本是均匀的。因此，已通过的辐射光束保持了低边缘强度。而且，当写入光束在饱和阈值以上时，总百分比光束吸收率较低，使得大部分入射辐射信号通过该滤波器。
可以理解，以上实施例仅仅是示例性的，并且多个其它实施例应理解为落入本发明的范围之内。
例如，在以上实施例中，所描述的滤波器具有一层普通吸收体。可以将该普通吸收层从该滤波器中省略掉，尤其是在写入光束可以容许非均匀吸收率的情况下。
同样，在优选实施例中，所描述的饱和吸收层的厚度为非均匀的。然而，本发明的可选实施例利用了均匀厚度的可饱和吸收层，但是该层内的可饱和吸收体的密度按照半径的函数变化，即该层内的可饱和吸收体沿着光轴的密度最大，并且该密度随着与光轴的距离增加而增加。
所示的光束轮廓(如图1、4A、4B、5A和5B所示)仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以理解其它实施例的实际精确光束轮廓可以具有不同的形状。而且，光束强度同样仅仅是示例性的，在其它实施例中可以完全不同。例如，读取光束光瞳强度可以为1mW/cm2，写入光束强度可以为10mW/cm2。
用作可饱和吸收体的各种化合物对于本领域技术人员来讲是显而易见的，并且可以用于根据本发明的滤波器中。
例如，染料中的可饱和吸收具有非常低的饱和强度。该染料中的饱和是由于以下情况造成的，在光学激发之后，可以将分子激励成最低位置的三重能量态，从而具有较长的寿命。当分子处于三重态时，该分子不能进一步吸收入射辐射，因此变为光学透明的。因此，典型的是在大多数分子处于三重态时达到染料的饱和强度。染料的饱和强度取决于每个分子的吸收横截面以及三重寿命，并且其可以低到15mW/cm2。
可选择的是，可以将半导体作为可饱和吸收体，例如通过溅射或者外延生长构成的量子点的形式。半导体吸收体的饱和对应于电子群处于激发态的时候或者杂质用作捕集器的状态(从而提高该状态的寿命)。这种电子状态的寿命通常比染料的三重寿命短，并且因此饱和强度更高。
与用于使吸收体饱和的绝对辐射强度相同，可以使用其中出现热致变色效应的材料，其中由更高的入射强度光束使材料的温度升高，这种升高造成吸收率的下降。这种材料例如在M.Hatakeyma等人在Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.39(2000)pp 752-755上发表的论文“Super-resolution rewritable optical disk having a masklayer composed of thermo-chromic organic dye”中进行了描述。
尽管上述实施例描述了一种在光束路径中的一个特定位置上包括光学滤波器的扫描设备，但是应当理解，该滤波器当然也可以置于光束路径中的其它位置，或者甚至置于结构与图2所示的设备不同的光学设备中。
图6表示了用于扫描光学记录载体2的设备1，其包括两个可选择的位置A和B，可以依照本发明的实施例将光学滤波器放置在所述位置。该记录载体包括透明层3，在其一侧上设置了信息层4。该信息层背对透明层的面受到保护层5的保护而免受环境影响。透明层面对该设备的面称作入射面6。该透明层3用作记录载体的基底，为信息层提供机械支撑。
可选择的是，该透明层可以仅仅具有保护信息层的功能，而机械支撑是由信息层另一侧上的层来提供的，例如由保护层5或者其它信息层和与信息层4相连的透明层来提供。信息可以以可光学检测标记的形式存储在记录载体的信息层4中，该可光学检测标记设置在基本上平行的、同心的或者螺旋的轨道上(未示出)。该标记可以是任意的可光学读取的形式，例如坑的形式，或者反射系数或者磁化方向与其周围不同的区域，或者这些形式的组合。
扫描设备1包括能够发射辐射光束12的辐射光源11。该辐射光源可以是半导体激光器。分束器13将发散辐射光束12反射到准直透镜14，该透镜将发散光束12转变为准直光束15。准直光束15入射到物镜系统18上。
该物镜系统包括一个或多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18将光束15变为会聚光束20，该光束入射到记录载体2的入射面6上。物镜系统具有适于使辐射光束通过透明层3的厚度的球差校正。会聚光束20在信息层4上形成了光点21。信息层4反射的辐射形成了发散光束22，物镜系统18将其变为基本上准直的光束23，并且随后由准直透镜14将其变为会聚光束24。分束器13通过将至少部分会聚光束24透射到检测系统25而将前进的光束和反射光束分开。检测系统捕获辐射并且将其转变为电输出信号26。信号处理器27将这些输出信号转变为多种其它信号。
这些信号之一是信息信号28，该信号的值表示从信息层4读取的信息。用于误差校正的信息处理单元29处理该信息信号。来自信号处理器27的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号表示光点21与信息层4之间的轴向高度差。径向误差信号表示在信息层4的平面内光点21与该光点遵循的信息层中轨道中心之间的距离。
将聚焦误差信号和径向误差信号提供给伺服电路31，该电路将这些信号转变为分别用于控制聚焦致动器和径向致动器的伺服控制信号32。这些致动器没有在图中示出。聚焦致动器控制物镜系统18在聚焦方向33上的位置，从而控制光点21的实际位置，使其基本上与信息层4的平面重合。径向致动器控制物镜系统18在径向34上的位置，从而控制光点21的径向位置，使其基本上与信息层4中遵循的轨道中心线重合。该图中的轨道在垂直于该图平面的方向上延伸。
图2的设备还可以适于扫描第二种记录载体，其透明层比记录载体2的透明层厚。该设备可以使用辐射光束12或者波长不同的辐射光束来扫描第二种记录载体。这种辐射光束的NA可以适于该类型的记录载体。相应地必须修改物镜系统的球差补偿。
考虑到以上实例，可以理解本发明的实施例可用于提供光学滤波器，该滤波器用于提供适于读取的高边缘强度的辐射光束，同时该滤波器为更高强度的写入光束提供了相对有效的光路。而且，当可饱和吸收体为无源光学元件时，可以在不对滤波器进行任何有源控制的情况下实现本发明的实施例。

Claims (12)

1.一种用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备，该设备包括用于生成辐射光束的辐射光源、用于将辐射光束会聚到信息层上的物镜系统以及用于调整辐射光束的强度轮廓的光学滤波器，该滤波器具有光轴并且包括可饱和吸收体，该可饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在基本上垂直于光轴延伸的层中形成该可饱和吸收体。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述层具有非均匀厚度，该层的厚度随着远离光轴而减小。
4.根据权利要求1所述的设备，其中该辐射光源用于生成第一强度的辐射光束，该第一强度小于用于从光学记录载体读取信息的所述阈值，以及用于生成第二强度的辐射光束，该第二强度大于用于将信息写入到所述光学记录载体的所述阈值。
5.根据权利要求1所述的设备，其中该光学滤波器设置为对于大于所述阈值的至少一种入射辐射强度具有基本上均匀的吸收轮廓。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述至少一种光束强度对应于适于将信息写入光学记录载体的辐射光束强度。
7.根据权利要求5所述的设备，其中该滤波器进一步包括一层吸收体，该吸收体在所述至少一种强度下不饱和。
8.一种用于调整辐射光束的强度轮廓的光学滤波器，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该可饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
9.一种用于制造光学滤波器的方法，该光学滤波器用于调整辐射光束的强度轮廓，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该可饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低，该方法包括以下步骤：
在透明基底上形成可饱和吸收体的非均匀层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述层在厚度和密度中至少一个方面是非均匀的。
11.一种用于制造光学扫描设备的方法，该设备用于扫描光学记录载体的信息层，该方法包括以下步骤：
提供用于生成辐射光束的辐射光源；
提供用于将辐射光束会聚到信息层上的透镜系统；以及
提供光学滤波器或者调整辐射光束的强度轮廓，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该可饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
12.一种利用滤波器来调整辐射光束的强度轮廓的方法，该滤波器具有光轴并且包含可饱和吸收体，该饱和吸收体具有在阈值入射辐射强度下饱和的吸收率，对于强度小于阈值的入射辐射光束，该吸收体的吸收率随着远离光轴而降低。
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