CN1953070A - 光束整形装置及使用该装置的光学记录/再现装置 - Google Patents

光束整形装置及使用该装置的光学记录/再现装置 Download PDF

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Abstract

一种光束整形装置，包括一第一光学元件及一第二光学元件，该第一光学元件与第二光学元件同光轴设置。第一光学元件具有一第一复合光学面，第二光学元件具有一第二复合光学面，第一复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行会聚，使其在长轴方向的发散角小于在短轴方向的发散角；第二复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行扩展，使得经该第一光学元件变换后的光束再经过第二光学元件变换之后，其长轴方向的发散角与短轴方向的发散角相等。本发明还提供一种利用该光束整形装置的光学记录/再现装置。

Description

光束整形装置及使用该装置的光学记录/再现装置
【技术领域】
本发明涉及一种光束整形装置，尤其涉及一种用于光学记录/再现装置的光束整形装置。
【背景技术】
光盘作为存储介质已经被广泛应用于各个领域中，并且随着信息产业的发展，其存储容量正在不断地增加，存储密度也随之增大。
如图1所示，其为一现有的光学记录/再现装置示意图。该光学记录/再现装置10包括一光源102，其所发射之光束经过一准直透镜104后形成平行光。所述平行光经过一分光元件106后入射至一物镜108，随后被物镜108聚焦于光盘110上。光盘110反射入射的光束；反射光束经过物镜108后到达分光元件106；分光元件106对入射的光束反射使其至聚焦透镜112，聚焦透镜112对其聚焦后将其投射至光束探测装置114，光束探测装置114将探测到的光信号转换为电信号进行后续处理以生成再现信号。
边发射型半导体激光器经常被用作光学记录/再现装置的光源。然而，在边发射型半导体激光器中，工作物质由于发生受激辐射所产生的能量在出射方向上形成激光纵模TEMq，在其截面方向上形成激光横模TEMmn。由于边发射型半导体激光器的工作物质谐振腔的截面长度和宽度一般并不相等，因此边发射型半导体激光器所发出的激光的截面形状一般为椭圆形，其光强度分布也不均匀。
如图2所示，其为一边发射型半导体激光器及其所发出光束的结构示意图。对于这种椭圆形光束来说，由于其在长轴方向和短轴方向上的发散程度不同，对其进行聚焦所需的光学系统的会聚程度也就不同，当这种光束被用于光学变换时，其所形成的聚焦斑点便不理想。因此，人们通常会使用一个光束整形装置将上述的椭圆形光束转变为截面形状为圆形(如图中阴影部分所示)、光强度分布均匀的光束，从而有利于光学变换。
基于此，出现了采用孔径角为激光的短轴方向最大发射角的准直透镜来进行整形的方法，这种透镜仅仅接收以椭圆光束短轴为半径的圆形区域内的光，由此可得到截面形状为圆形的光束。这种透镜会将激光的长轴方向上超出短轴的那部分光能量损失，光束的利用效率不高。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种光束利用效率高的光束整形装置。
此外，还有必要提供一种具有光学整形装置的光学记录/再现装置。
一种光束整形装置，包括：一第一光学元件及一第二光学元件，所述第一光学元件与所述第二光学元件同光轴设置。所述第一光学元件具有一第一复合光学面，所述第二光学元件具有一第二复合光学面；所述第一复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行会聚，使其在长轴方向的发散角小于在短轴方向的发散角；所述第二复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行扩展，使得经所述第一光学元件变换后的光束再经过所述第二光学元件变换之后，其长轴方向的发散角与短轴方向的发散角相等。
上述光学整形装置的进一步改进：所述第一复合光学面包括一凸起弧面及两个第一柱状衍射表面，所述第二复合光学面包括一凹陷弧面及两个第二柱状衍射表面。所述二第一柱状衍射表面设于所述凸起弧面的两侧；所述二第二柱状衍射表面设于所述凹陷弧面的两侧。
一种光学记录/再现装置，包括一光源、一上述光束整形装置、一物镜及一光接收元件。所述光源发出一椭圆光束，所述光束整形装置用于将该椭圆光束整形成为圆形光束，所述物镜用于将所述圆形光束聚焦至光学记录介质上，所述光接收元件用于接收由所述光学记录介质反射的光束。
相较于现有技术，所述光束整形装置对椭圆光束在长轴方向上进行会聚，利用了全部的入射光束，提高了光束的利用效率。
进一步地，所述光束整形装置利用衍射结构减小其在长轴方向上的发散角，衍射结构具有较高的光束透过率，从而光束整形装置的光束透过率提高。
使用所述光束整形装置的所述光学记录/再现装置光束的利用效率高，这样可以不必使用大功率的光源，从而降低了成本。
【附图说明】
图1为一现有的光学记录/再现装置结构示意图。
图2为一边发射半导体激光器及其所发出的椭圆光束的示意图。
图3为本发明一较佳实施方式的光束整形装置的立体视图。
图4为图3所示的光束整形装置的羽状浅裂纹理单位的阶数与其光透过率的关系示意图。
图5为图3所示的光束整形装置在椭圆光束的短轴方向上对光束进行变换的光路结构示意图。
图6为图3所示的光束整形装置在椭圆光束的长轴方向上对光束进行变换的光路结构示意图。
图7为利用图3所示的光束整形装置的光学记录/再现装置结构示意图。
【具体实施方式】
如图3所示，其揭示本发明光束整形装置的一个较佳实施方式的结构示意图。该光束整形装置40包括同光轴设置的第一、第二柱形光学透镜42、44，且第一、第二柱形光学透镜42、44的镜轴相互平行。
第一柱形光学透镜42具有相对的两个表面，分别为第一平面422及第一复合光学面424。第二柱形光学透镜44也具有相对的两个表面，分别为第二平面442及第二复合光学面444。第一柱形光学透镜42的第一复合光学面424与第二柱形光学透镜44的第二平面442相邻设置。
第一复合光学面424在近光轴处具有一凸起弧面426，在凸起弧面426的两侧的远光轴处分别具有一第一柱状衍射表面430。每个第一柱状衍射表面430具有一系列第一羽状浅裂纹理单位436，并且这些第一羽状浅裂纹理单位436的宽度沿着远离第一柱形光学透镜42的光轴的方向逐渐变小。
每一个第一羽状浅裂纹理单位436具有一第一齿尖面432及一第一齿槽面434，这些第一齿尖面432与第一齿槽面434相互交错排列形成第一柱状衍射表面430。第一齿尖面432面向凸起弧面426设置，且沿着与第一平面422大致垂直的方向从第一柱形光学透镜42向外延伸；第一齿槽面434则面向相反的方向设置，且其靠近光轴的一端与其相邻的第一齿尖面432的相对于第一柱形光学透镜的外部一端相接，远离光轴的一端与另一端相邻的第一齿尖面432的相对于第一柱形光学透镜42的根部一端相接，且第一齿槽面434相对于该两个第一齿尖面432的相应两端之间的连接面稍稍凸起。从而，当光束经过第一柱状衍射表面430时，被这些第一羽状浅裂纹理单位436衍射并会聚。由波动光学理论，这些第一羽状浅裂纹理单位436的阶数越高，其透光率越高。
第二复合光学面444在近光轴处具有一凹陷弧面446，在凹陷弧面446的两侧的远光轴处分别具有一第二柱状衍射表面450。每个第二柱状衍射表面450具有一系列第二羽状浅裂纹理单位456，并且这些第二羽状浅裂纹理单位456的宽度沿着远离第二柱形光学透镜44的光轴的方向逐渐变小。
每个第二羽状浅裂纹理单位456也具有一第二齿槽面452及一第二齿尖面454，这些第二齿槽面452与第二齿尖面454相互交错排列形成第二柱状衍射表面450。第二齿尖面454面向凹陷弧面446设置，且沿着与第二平面442大致垂直的方向从第二柱形光学透镜44向外延伸；第二齿槽面452则面向相反的方向设置，且其靠近光轴的一端与其相邻的第二齿尖面454的相对于第二柱形光学透镜44的根部一端相接，远离光轴的一端与另一端相邻的第二齿尖面454的相对于第二柱形光学透镜44的外部一端相接，且该第二齿槽面452相对于该两相邻的第二齿尖面454的相应两端的连接面稍稍凹陷。从而，当光束经过第二柱状衍射表面450时，被这些第二羽状浅裂纹理单位456衍射并发散。由波动光学理论，这些第二羽状浅裂纹理单位456阶数越高，其透光率越高。
如图4所示，其为第一、第二羽状浅裂纹理单位436、456的阶数与其透光率的关系图。可见当阶数为3阶时，其透光率已达到60％以上。
如图5所示，其所示为该光束整形装置40在沿椭圆短轴方向上对椭圆光束52的变化光路图。当该光束整形装置40被用于光束整形时，其第一、第二柱形光学透镜42、44的镜轴被设为与椭圆光束的短轴方向平行。
光束整形装置40的第一、第二柱形光学透镜42、44的镜轴沿着短轴方向设置。通过这样的设置，可以使得第一、第二柱形光学透镜42、44的光学结构在光束的短轴方向的投影形状不发生变化。当光束经过第一柱形光学透镜42、第二柱形光学透镜44时，在光束的短轴方向上并不会受到变化的光学结构的作用，仅仅会由于经过一折射率不同的介质而发生折射，而其在短轴方向的发散程度却不会发生变化。这样，光束从第二复合光学面444出射后，仍然相当于是直接从光源所发射出来的光束。
如图6所示，其为该光束整形装置40在沿椭圆长轴方向上对椭圆光束52的变化光路图。椭圆光束52由第一平面422进入第一柱形光学透镜42，并由第一复合光学面424出射。在出射过程中，到达第一复合光学面424的凸起弧面426的部分光束在长轴方向上被直接会聚；而落在两侧第一柱状衍射表面430的部分光束在长轴方向上则被衍射会聚。最终，由第一复合光学面424出射的光束54相对于椭圆光束52其在长轴方向上的发散角度较小。
会聚光束54经由第二平面442进入第二柱形光学透镜44，并由第二复合光学面444出射。到达第二复合光学面444的凹陷弧面446的部分光束被直接发散；而落在两侧第二柱状衍射表面450的部分光束则被衍射发散。最终由第二复合光学面444出射的光束56为一发散光束，但是该光束56的发散角则减小到与椭圆光束52在短轴方向的发散角相等。
图中虚线所示为经过第一、第二柱状光学透镜42、44变换后，光束在长轴方向上相当于是直接从光源发射所发出。整体光束从第二柱状光学透镜44的第二复合光学面444出射后，其在长轴方向上和短轴方向上的发散程度相同，使得出射的光束的截面形状为一圆形。
如图7所示，其为利用本发明的光学整形装置的光学记录/再现装置。该光学记录/再现装置70包括一光源72、该光束整形装置40、一准直透镜74、一光路改变元件76、一物镜78、一聚焦透镜84以及一光接收元件86。光源72发出的椭圆光束722经光束整形装置40后形成截面形状为圆形的光束724。该光束724依次经过准直透镜74、光路改变元件76、物镜78后到达光学记录介质82。由于光束的截面形状为圆形，因此光束在经过物镜聚焦后在光学记录介质上所形成的光点十分精细，可以得到分辨率极高的光点。经光学记录介质82反射的光束沿原路返回经物镜78到达光路改变元件76，经光路改变元件76转向后射向聚焦透镜84，最后光束经由聚焦透镜84聚焦后被光接收元件86接收以进行后续处理。
由于采用了光束整形装置40，该光学记录/再现装置可将光源72所发出的光能量最大限度地利用，避免了能量的损失，提高了光利用效率，同时其在光学记录介质上所形成的光点十分精细，可以用以记录/读取更高记录密度的光学记录介质。

Claims (12)

1.一种光束整形装置，其特征在于：所述光束整形装置包括一第一光学元件及一第二光学元件，所述第一光学元件与所述第二光学元件同光轴设置；所述第一光学元件具有一第一复合光学面，所述第二光学元件具有一第二复合光学面，所述第一复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行会聚，使其在长轴方向的发散角小于在短轴方向的发散角；所述第二复合光学面可对椭圆光束的长轴方向进行扩展，使得经所述第一光学元件变换后的光束再经过所述第二光学元件变换之后，其长轴方向的发散角与短轴方向的发散角相等。
2.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一光学元件、第二光学元件分别为柱形光学透镜，所述第一柱形光学透镜、第二光学透镜的镜轴方向相互平行。
3.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一复合光学面包括一凸起弧面及二第一柱状衍射表面，所述二第一柱状衍射表面设于所述凸起弧面的两侧。
4.如权利要求3所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一柱状衍射表面具有一系列第一羽状浅裂纹理单位。
5.如权利要求4所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一羽状浅裂纹理单位各具有一第一齿尖面及一第一齿槽面，所述第一齿尖面与所述第一齿槽面相互间隔并交错设置。
6.如权利要求4所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一羽状浅裂纹理单位的宽度由所述第一光学元件的中间向两侧逐渐变小。
7.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：所述第二复合光学面包括一凹陷弧面及二第二柱状衍射表面，所述二第二柱状衍射表面设于所述凹陷弧面的两侧。
8.如权利要求7所述的光束整形装置，其特征在于：所述第二柱状衍射表面具有一系列第二羽状浅裂纹理单位。
9.如权利要求8所述的光束整形装置，其特征在于：所述第二羽状浅裂纹理单位各具有一第二齿尖面及一第二齿槽面，所述第二齿尖面与所述第二齿槽面相互间隔并交错设置。
10.如权利要求8所述的光束整形装置，其特征在于：所述第二羽状浅裂纹理单位的宽度由所述第二光学元件的中间向两侧逐渐变小。
11.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：所述第一光学元件还具有一第一平面，所述第二光学元件还具有一第二平面，所述第一复合光学面与所述第二平面相邻设置。
12.一种光学记录/再现装置，包括一光源、一物镜及一光接收元件，其特征在于：所述光学记录/再现装置还包括如权利要求1至7中任一项所述的一光束整形装置，所述光源发出一椭圆光束，所述光束整形装置用于将所述椭圆形光束转变为圆形光束，所述物镜用于将所述圆形光束聚焦至光学记录介质上，所述光接收元件用于接收由所述光学记录介质反射的光束。
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