CN1918639A - 用于记录和再现的光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学设备，包括一个用于产生辐射光束的辐射源(101)和用于沿光程将辐射光束聚焦在信息载体(100)上的装置(103，106)。辐射光束具有中心轴、外包络和强度分布。所述光学设备还在光程中包括一个光学组件(104)，被设计成用以由于使至少中心轴附近的辐射光束发生衍射因此增大边缘强度并因而增大包络附近强度与中心轴附近强度的比值。

Description

用于记录和再现的光学设备
技术领域
本发明涉及一种用于向信息载体写入和/或从信息载体读取的光学设备。
本发明还涉及一种用于向信息载体写入和从信息载体读取的方法。
本发明还涉及一种光学组件。
本发明尤其涉及一种用于向光盘记录和从光盘读取的光盘设备，例如，CD、DVD或蓝光光盘(BD)刻录机和播放器。
背景技术
为了在诸如光盘的信息载体上记录数据和从中读取数据，在光学设备中采用辐射光束。信息载体包括一个记录层，其属性由于施加了高强度的辐射光束可以被局部修改。记录层中引入的这些局部变化对应写入的数据，并且这些局部变化接着被用于通过更低强度的辐射光束来再现信息。例如，采用相变化材料作为记录层。在写入期间，高强度辐射光束改变记录层，但是由于低强度的辐射光束用于读取，所以所得到的信息层在读取期间不被改变。
由辐射源产生辐射光束，并通过准直仪透镜和物镜将辐射光束沿光程聚焦在信息层上。沿该光程，辐射光束主要是具有中心轴和外包络的平行光束。辐射光束具有强度分布，该分布取决于辐射源和光学设备。在现有的光学设备中，中心轴附近的光束强度要比外包络附近的强度高。辐射光束的外包络附近和中心轴附近的强度比值被称为边缘强度(rim intensity)。
为了在信息载体的信息层上记录数据和从中读取数据，需要有一定量的边缘强度。实际上，如果边缘强度太低，光束在信息层上形成的光斑质量就会很差，从而影响写入和读取进度。
为了增加边缘强度，在现有的光学设备中将来自由准直仪透镜的焦距和物镜的光瞳确定的辐射源中的数值孔径减小。这个数值孔径被称为准直仪透镜的数值孔径。当增大准直仪透镜的数值孔径时，边缘强度就增加。因而，辐射光束的远场就削减得更多。
然而，削减辐射光束远场的更大部分就意味着从辐射源到信息载体的透光率降低。透光率是信息载体上辐射光束的能量与辐射源产生的辐射光束能量的比值。如今，由于需要一定强度的辐射光束用于在信息载体上记录和从中读取，这就意味着必须提高辐射源的能量以获得理想的光束强度。
这样做是存在缺点的，因为它缩短了辐射源的寿命，例如，激光二极管，或者限制了最大写入速度。而且，它增加耗电量，这对便携式设备尤其不利。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括用来增加边缘强度的装置的光学设备，在此光学设备中透光率相对高。
为此，本发明提出了一种光学设备，包括一个用于产生辐射光束的辐射源和用于沿光程将辐射光束聚焦在信息载体上的装置，所述辐射光束具有中心轴和外包络，所述辐射光束具有强度分布，光学设备还在光程中包括一个光学组件，被设计成用以由于使至少中心轴附近的辐射光束发生衍射因而增大包络附近强度与中心轴附近强度的比值。
根据本发明，辐射光束的中心轴附近的强度降低了。实际上，当中心轴附近的辐射光束发生衍射时，只有中心轴附近的部分辐射光束向信息载体传播。辐射光束包络附近的强度也可能会降低，但是所述光学组件被设计成增大包络附近强度与中心轴附近强度的比值。因而，增大了边缘强度。而且，没有削减辐射光束的远场，这就意味着透光率保持相对较高，至少比准直仪的数值孔径减小的现有光设备的高。
在一个有益的实施方案中，辐射光束至少包括垂直于中心轴的第一和第二方向，辐射光束具有在第一方向上有第一平均强度的第一强度分布和在第二方向上有第二平均强度的第二强度分布，所述第二平均强度比第一平均强度要高，其中光学组件被设计成用以使辐射光束在第二方向比第一方向衍射更强烈。
通常用于光学设备中的辐射源具有大于1的光束发散纵横比(aspect ratio)。这导致了椭圆形光斑，这样的光斑影响数据的写入和读取。在现有的光学设备中，这是由将椭圆激光远场转变为更圆的远场的波束整形器补偿的。然而，这样的波束整形器需要与准直仪和物镜进行仔细的对准，这将使光学设备的装配过程复杂化。根据这个有益的实施方案，由于光学组件被设计成用于补偿辐射源光束发散纵横比，所以不需要波束整形器。因此，光学设备就不怎么庞大并且光学设备的装配过程也更加容易。
有利地，光学组件具有相深从辐射光束中心轴到外包络递减的相结构。这样一种相结构非常适于增强其强度从中心轴到外包络递减的辐射光束的边缘强度。可以安排相结构的相深分布以与辐射光束的强度分布相匹配，在这种情况下，边缘强度接近1。这样一种相结构在已经存在于光程中的光学组件中可以很容易地被模制或复制。
优选地，光学组件具有占空比从辐射光束中心轴到外包络递减的相结构。这种相结构非常适于增强其强度从中心轴到外包络递减的辐射光束的边缘强度。另外，由于所述相结构的相深是常数，所以这种相结构不会将波前像差引入辐射光束。
有利地，光学组件具有其衍射剖面可以根据光学设备的操作模式改变的相结构。这是特别有利的，因为要求的辐射光束强度和要求的边缘强度在写入和读取期间不相同。实际上，在读取期间要求相对低的辐射光束强度和相对高的边缘强度。在写入期间，要求更高的辐射光束强度，但是可采用更低的边缘强度。由于当光学设备从写入模式转换到读取模式时可以改变相结构的衍射剖面，所以可以考虑要求的边缘强度和辐射光束的强度。
优选地，光学组件具有周期相结构。在这种情况下，相结构产生三级衍射。因而，产生一个主光斑和两个伴生光斑。这三个光斑可用于所谓的“三光斑推挽循轨”方法。因此，从辐射光束中去除以增强边缘强度的光用来产生三光斑推挽循轨方法中采用的两个伴生光斑。因而，在这样一个光学扫描设备中没有损失光，这就意味着透光率相对较高。
本发明还涉及一种利用光学设备向信息载体写入和从信息载体读取的方法，所述光学设备包括用于产生辐射光束的辐射源和用于沿光程将辐射光束聚焦在信息载体上的装置，所述辐射光束具有中心轴和外包络，所述辐射光束具有强度分布，所述方法包括步骤：在写入期间，在光程中提供一个光学组件，该光学组件被设计用以由于使中心轴附近光束的第一百分比发生衍射因而增大包络附近强度与中心轴附近强度的比值，然后在读取期间，改变所述光学组件的衍射剖面，以致于所述光学组件使光束中心轴附近强度的第二百分比发生衍射，第二百分比大于第一百分比。
本发明还涉及一种包括具有可变相深的相结构的光学组件，还涉及一种包括具有可变占空比的相结构的光学组件。优选地，所述组件的相结构是周期性的。
本发明的这些和其他方面将参考下述实施方案进行阐述，并通过这些实施方案变得更加明显。附图说明
下面将参照附图通过实例对本发明进行更详细的说明，其中：
图1示出了根据本发明的一种光学设备；
图2是图1中光学组件的剖面图；
图3a，3b和3c是图1中光学组件的俯视图；
图4a是本发明的一个有益实施方案中的光学组件的剖面图，图4b是本发明的一个优选实施方案中的光学组件的剖面图；
图5是具有可切换衍射剖面的光学组件的剖面图。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的一种光学设备。这种光学设备包括用于产生辐射光束102的辐射源101，准直仪透镜103，光学组件104，分光器105，物镜106，伺服镜107，检测装置108，测量装置109以及控制器110。这种光学设备是用来扫描信息载体100的。
在扫描操作期间(可能是写入操作或读取操作)，由辐射源101产生的辐射光束102来扫描信息载体100。准直仪透镜103和物镜106将辐射光束102聚焦在信息载体100的信息层上。准直仪透镜103和物镜106是聚焦装置。在扫描操作期间，可检测到聚焦误差信号，对应于信息层上辐射光束102的定位误差。这个聚焦误差信号可用于校正物镜106的轴位置，以便补偿辐射光束102的聚焦误差。一个信号被发送至控制器110，该控制器就驱动制动器以轴向移动物镜106。
检测装置108检测聚焦误差信号和写入信息层的数据。由信息载体100反射的辐射光束102通过物镜106转变为平行光束，然后通过分光器105到达伺服镜107。接着这个反射光束到达检测装置108。
光学组件104被设计成用以仅向物镜106透射辐射光束102的强度的一定百分比。为此，光学组件104被设计成用以衍射至少一部分辐射光束102。根据本发明，光学组件104衍射位于辐射光束102外包络附近的辐射光束102部分的强度的相对低的百分比，以及衍射位于辐射光束102中心轴附近的辐射光束102部分的强度的相对高的百分比。光学扫描设备被设计成用以使衍射光对于信息载体100上光斑的形成不起作用，并且反射后不会到达检测装置108。
因而，物镜106前的辐射光束102的边缘强度增加了。获得这样的增加并不用削减辐射光束102的远场。即使物镜106前的辐射光束102的强度降低了，仍然比现有技术中降低的少，现有技术中辐射光束的远场被削减得更多，对于高的边缘强度尤其如此。因而，给定某个边缘强度，根据本发明可以获取更高的透光率。因此，辐射源101可以在更低的电源下工作，这就降低了光学设备的功耗，并延长了辐射源101的寿命或者提高了记录速度。
光学组件104被置于辐射光束102的光程中，该光程对应辐射光束102从辐射源101传播到信息载体100的路径。在这个实施例中，光学组件104被置于准直仪透镜103和分光器105之间，但是还可置于光程的其它位置。特别是，被设计成用以由于使至少中心轴附近的辐射光束发生衍射因而增大外包络附近强度与中心轴附近强度比值的光学组件104，可以是已经存在于光学扫描设备(例如准直仪透镜103)中的光学组件。在这种情况下，在所述准直仪透镜103上提供一种相结构，所述相结构被设计成用以至少使中心轴附近的辐射光束发生衍射。在接下来的图中给出了具有这样相结构的实施例。
图2示出了光学组件104的一个实施例。在这个实施例中，光学组件104包括位于辐射光束102中心轴周围的相结构。辐射光束102穿过所述相结构的部分发生了衍射，然而辐射光束102没有穿过所述相结构的部分则通过光学组件104完全透射。图2示出了辐射光束102入射光学组件104前和后的强度分布。由于这种相结构，辐射光束102中心轴附近的强度被降低，然而外包络附近的强度保持不变。因而，增加了边缘强度。
在图2的实施例中，相结构是周期性的。因而，位于所述辐射光束102中心轴附近的辐射光束102的部分以三级衍射的方式衍射。图2表示的是0级。其他两级衍射引起两个光斑最终聚焦在信息载体100上。这两个通过光学组件104产生的额外的光斑可用于循轨，采用众所周知的三光斑推挽循轨方法。因而，为了增加边缘强度而从辐射光束102中去除的光被用于循轨，这就意味着在光学扫描设备中没有损失光，因此增大了透光率。
图3a到3d示出了光学组件104的可能俯视图，其剖面图于图2中示出。在图3a的实施例中，光学组件104包括只在一维方向衍射的常规光栅。这样一种光学组件非常适于其强度分布根据一个优选方向变化的辐射光束，所述方向与图3a中表示的轨迹垂直。
在图3b的实施例中，光学组件104包括在二维方向衍射的圆形光栅。这样一种光学组件非常适于具有圆形强度分布的辐射光束。
在图3c的实施例中，光学组件104包括在二维方向衍射光的椭圆形光栅。这样一种光学组件非常适于具有椭圆形强度分布的辐射光束。这样的辐射光束包括垂直于中心轴的第一和第二方向，并具有在第一方向上有第一平均强度的第一强度分布和在第二方向上有第二平均强度的第二强度分布，所述第二平均强度比第一平均强度要高。这样具有椭圆形光栅的光学组件104被设计成用以使辐射光束在第二方向比第一方向衍射更强烈。
在图3d的实施例中，光学组件104包括在二维方向衍射光的具有类似棋盘状的相结构的光栅。
图4a是本发明的一个有益实施方案中的光学组件的剖面图。这样的一个光学组件具有相深为δ(x)的相结构，当光学组件被置于光程中时，相深δ(x)从辐射光束中心轴到外包络递减。如果d(x)是相结构的机械深度，相深δ(x)定义如下式：
δ(x)＝(n-1)d(x)π/λ
其中n是光学组件的折射率，λ是辐射光束102的波长。另外，光学组件的透射率T(x)被定义为下式：
T(x)＝cos2δ(x)
因而，光学组件具有透射率T(x)，当光学组件被置于光程中时，透射率T(x)从辐射光束中心轴到外包络递增。如果相深δ(x)和辐射光束的强度分布变化一致，边缘强度可接近1。
在图4a的这个实施例中，相结构以标记“x”为中心轴对称。在这种情况下，此光学组件没有在辐射光束引入任何波前像差。
图4b是本发明一个优选实施方案中的光学组件的剖面图。当这样一个光学组件被置于光程中时，该光学组件具有占空比从辐射光束的中心轴到外包络递减的相结构。定义占空比为D(x)/P，其中P是相结构的周期，D(x)是图4b中表示的量。下式给出图4b的光学组件的透射率表达式：
T(x)＝1-D(x)(1-cos2δ)/P
其中δ是上文中定义的相深，在根据这个优选实施方案的光学组件中，δ是常数。随着占空比从辐射光束的中心轴到外包络的递减，光学组件透射率增加。因为图4b中的光学组件在衍射和未衍射光束中都没有引入波前像差，因此它特别具有优势。实际上，相结构的相深δ是常数。图4b中的光学组件的相结构是周期性的，这就意味着这个光学组件也可以用于产生三光斑推挽循轨方法中使用的两个伴生光斑。
图5示出了具有可切换的衍射剖面的光学组件。图5中的光学组件与图4b中的类似，但是相结构包括具有液晶分子的液晶材料。在这个实施例中，选择光学组件的折射率与液晶材料的寻常折射率n0相等。液晶分子可以被旋转，原因在于电极间施加适当的势差，图5中未示出。当液晶分子的取向垂直于图1中的辐射光束102的偏振时，液晶分子的有效折射率为n0。因而，光学组件为中性元件，这就意味着所述光学组件没有使辐射光束发生衍射。当液晶分子取向平行于图1中的辐射光束102的偏振时，液晶分子的有效折射率为液晶材料的非寻常折射率ne。因而，光学组件就是图4b中所描述的光栅。
因而，图5中的光学组件可以在具有第一衍射剖面的第一模式与具有第二衍射剖面的第二模式之间切换。取决于光学设备的操作模式，也就是说，写入或读取，光学组件的模式通过施加到所述光学组件电极的电压来选择。在写入期间，液晶分子取向垂直于辐射光束102的偏振。因此，辐射光束没有发生衍射，边缘强度保持相对较低。在读取期间，液晶分子取向平行于辐射光束102的偏振。因此，辐射光束发生了如图4b中所描述的衍射，增加了边缘强度。
应该注意到图5中的光学组件仅仅是具有可切换衍射剖面的光学组件的一个实施例。例如，基于图4a的具有液晶分子的光学组件的光学组件也是可以的。
在下述权利要求中的任何参考标记都不应解释为是对权利要求的限制。显而易见，动词“包括”及其变化形式并不排除任何权利要求中已经定义的元件之外的任何其它元件。元件之前的数量词“一个或一”也不排除多个这样的元件。

Claims (10)

1.一种光学设备，包括一个用于产生辐射光束的辐射源(101)和用于沿光程将辐射光束聚焦在信息载体(100)上的装置(103，106)，所述辐射光束具有中心轴和外包络，所述辐射光束具有强度分布，光学设备还在光程中包括一个光学组件(104)，被设计成用以由于使至少中心轴附近的辐射光束发生衍射因而增大包络附近强度与中心轴附近强度的比值。
2.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述辐射光束至少包括垂直于中心轴的第一和第二方向，辐射光束具有在第一方向上有第一平均强度的第一强度分布以及在第二方向上有第二平均强度的第二强度分布，所述第二平均强度分布比第一平均强度要高，其中光学组件被设计成用以使辐射光束在第二方向上比第一方向衍射更强烈。
3.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学组件具有其相深从辐射光束中心轴到外包络递减的相结构。
4.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学组件具有其占空比从辐射光束中心轴到外包络递减的相结构
5.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学组件具有其衍射剖面根据光学设备的操作模式变化的相结构。
6.如权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学组件具有周期性的相结构。
7.一种利用光学设备向信息载体写入和从信息载体读取的方法，该光学设备包括用于产生辐射光束的辐射源和用于沿光程将辐射光束聚焦在信息载体上的装置，所述辐射光束具有中心轴和外包络，所述辐射光束具有强度分布，所述方法包括步骤：
-在写入期间，在光程中提供一个光学组件，该光学组件被设计成用以由于使中心轴附近光束的第一百分比发生衍射因而增大外包络附近强度与中心轴附近强度的比值；
-在读取期间，改变所述光学组件的衍射剖面，以致于所述光学组件使中心轴附近光束强度的第二百分比发生衍射，第二百分比大于第一百分比。
8.一种包括具有可变相深的相结构的光学组件。
9.一种包括具有可变占空比的相结构的光学组件。
10.如权利要求8或9所述的光学组件，其中相结构是周期性的。
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