CN1979226A - 反射镜和光学读取器 - Google Patents
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Abstract
一种反射镜和光学读取器。反射镜上有反射的多层镀层，能反射离散波长的光束，如在CD、DVD、和大储存量光盘的波长范围中的激光束，不存在光吸收问题。
Description
技术领域
本发明涉及能反射离散波长光束的反射镜，和采用该反射镜的光学读取器。
背景技术
一般地说，光学读取器(optical pickup)由光源、偏振光束分束器、λ/4波片、物镜、APC(自动功率控制)、和光电检测器构成。从光源来的光束，被馈送至偏振光束分束器，把p偏振光与s偏振光分离。被分离的p和s偏振光光束之一，照在光盘上，同时，另一光束照在APC上，用于信号的检测。即将照在光盘上的光束，被λ/4波片从线偏振光转变为圆偏振光，并被反射而离开光盘，又在再进入偏振光束分束器前，被λ/4波片从圆偏振光再转变为线偏振光。因为偏振方向在再进入偏振光束分束器时，已被转过90度，所以入射光束要么透过，要么被反射，然后照在信号检测器上。一般地说，在该种光学读取器中，光束从光源沿平行于光盘表面的光路投射，然后，通过反射镜(变向反射镜)的使用，使平行的光路转向光盘。
光学读取器采用激光束，因而光源输出的是激光束。另一方面，当使用如上所述的反射镜时，可以采用基底表面上淀积金属膜的反射镜，或采用交替地把高折射率层和低折射率层一层叠在一层上形成的介质多层膜镀层的反射镜。因为金属膜易受污染、氧化、和擦伤或其他损伤，所以对光学读取器的普遍做法，是采用有介质多层镀层的反射镜。
在有介质镀层的反射镜的情形，一般分别使用TiO2和SiO2作为高和低折射率层。即，对淀积的高折射率层有用的各种材料中，TiO2由于它的高折射率而在大多数情形下使用。高折射率材料TiO2和低折射率材料SiO2之间大的折射率差，使之能在制造反射特定波长激光束的介质镀层的过程中，降低层的数量。
与此有关的是，近来，要求光学读取器不但覆盖用780nm波长激光束的CD(激光唱盘)和用650nm波长激光束的DVD(数字通用盘)，而且要覆盖大容量储存光盘(在写入和读出数据中，使用405nm的所谓蓝激光)。在高和低折射率层用TiO2和SiO2形成的情形中，利用上述大的折射率差，具有反射该三种离散波长光学特征的介质多层镀层，能够通过淀积较少数量的高和低折射率层形成。但是，吸收短波长光的TiO2，招致光能效率下降的问题。就是说，当405nm的光束，投射在由交替层叠的TiO2和SiO2层构成的介质多层镀层上时，部分入射光能量被TiO2层的作用所吸收。因此，部分入射光没有被介质多层镀层反射，结果导致光能效率的下降。
在这方面，日本公布的专利申请H3-12605公开一种有介质多层镀层的反射镜，其介质多层镀层的安排，可以避免上述光吸收的问题。
在日本公布的专利申请H3-12605的情形中，在基底上形成第一组薄层，然后在第一组上形成第二组薄层。第一组薄层用吸收紫外波长范围的光的材料形成，而第二组薄层用不吸收紫外波长范围的光的材料形成。入射反射镜的紫外光线，被第二组薄层反射，就是说，入射的紫外光线没有被反射镜吸收就被反射了。另一方面，如在日本公布的专利申请H3-12605的说明，第一组薄层用吸收紫外波长范围的光的材料形成。这是因为，使用吸收紫外波长范围的光的材料，能有效地增宽出现在紫外波长范围的反射频带。
在反射镜的介质多层膜镀层，是交替地用高折射率层和低折射率层一层叠在一层上形成的情形，为了赋予反射多种离散波长的光学特征，必需极大数量的叠层。在上述日本公布的专利申请H3-12605中，层被分为第一组和第二组，但层的总数没有减少。
发明内容
有鉴于前面所说的情势，本发明的一个目的，是提供一种有介质多层镀层的反射镜，它不存在光吸收的问题，并由较少数量的层构成。
为了达到上述目的，按照本发明，是提供实际上能全部反射两种或多种离散波长的光束的反射镜，其特征在于，该反射镜包括：通过在基底板上交替淀积吸收短波光的第一高折射率层和低折射率层，形成第一反射的多层镀层；
通过在第一反射的多层镀层入射侧上，交替淀积几乎没有吸收的第二高折射率层和低折射率层，形成第二反射的多层镀层，该第二高折射率层的折射率，低于第一高折射率层的折射率；
短波入射光束被第二反射的多层镀层反射，而不同于短波的入射光束，被第一和第二反射的多层镀层的协同作用反射。
在按照本发明的光学读取器中，在向着光源和离开光源的光路中采用上述反射镜、偏振光束分束器、λ/4波片、和光电检测器。
本发明的上述和其他目的、特性、和优点，从下面结合附图的具体说明，将变得显而易见，附图以举例方式表明本发明优选的实施例。不言而喻，不应认为本发明限于图示的特定形式。
附图说明
附图有：
图1示意画出反射镜的反射的多层镀层的构造；
图2是曲线，画出一个例子的反射率特征，其中，在形成由第一反射的多层镀层和第二反射的多层镀层构成的反射的多层镀层中，应用离子镀，该第一反射的多层镀层包括交替层叠的TiO2和SiO2层，该第二反射的多层镀层包括交替层叠的Nb2O5和SiO2层；
图3是曲线，画出一个例子的反射率特征，其中，在形成由交替层叠的Nb2O5和SiO2层构成的反射的多层镀层中，应用离子镀；
图4是曲线，画出一个例子的反射率特征，其中，在形成由第一反射的多层镀层和第二反射的多层镀层构成的反射的多层镀层中，应用真空淀积，该第一反射的多层镀层包括交替层叠的TiO2和SiO2层，该第二反射的多层镀层包括交替层叠的Nb2O5和SiO2层；
图5是曲线，画出一个例子的反射率特征，其中，在形成由交替层叠的Nb2O5和SiO2层构成的反射的多层镀层中，应用真空淀积；
图6示意画出光学读取器的一个例子，该光学读取器应用了本发明的反射镜；和
图7示意画出光学读取器的另一个例子。
具体实施方式
现在，更具体地参照附图，借助本发明的优选实施例，说明本发明。现在参考图1，图上画出有第一反射的多层镀层10和第二反射的多层镀层20的反射镜1，第一反射的多层镀层10淀积在类似玻璃基底板的基底板30上，第二反射的多层镀层20淀积在第一反射的多层镀层10上。入射反射镜1的光，首先照在第二反射的多层镀层20上。就是说，第二反射的多层镀层20形成在入射光一侧，而第一反射的多层镀层10形成在基底板30一侧。第一和第二反射的多层镀层10和20，两者都是介质多层镀层，用交替淀积的高折射率层和低折射率层形成。同时，第一和第二反射的多层镀层10和20，反射不同波长的光。因此，第一和第二反射的多层镀层10和20的每一镀层，虽然形式上都是交替淀积高折射率层和低折射率层形成的介质多层镀层，但在交替层叠的层的构成材料和厚度上，彼此全部地或部分地不同。在本例中，第一和第二反射的多层镀层10和20的低折射率层，使用相同的材料。与之相反，第一和第二反射的多层镀层10和20的高折射率层用不同材料形成。自然，在淀积第一和第二反射的多层镀层10和20的低折射率层中，可以使用不同的材料。
如在图1中所示，首先在基底板30的顶部淀积第一反射的多层镀层10，然后在第一反射的多层镀层10的顶部淀积第二反射的多层镀层20。如在本文前面所述，在第一反射的多层镀层10中的第一高折射率层10H，用与第二反射的多层镀层20中第二高折射率层20H不同的材料形成。然而，在第一和第二反射的多层镀层10和20中的低折射率层L，则用相同的或共同的材料形成。在本例中，赋予第一反射的多层镀层10的光学特征，是几乎100％地反射DVD波段(650nm)附近的光和CD波段(780nm)附近的光。另一方面，赋予第二反射的多层镀层20的光学特征，是几乎100％地反射大容量储存光盘波段(使用405nm的蓝激光)附近的光。
适合反射大容量储存光盘的光的第二反射的多层镀层20，还一定程度地有反射CD和DVD波段中的光的光学特征。在图1中可见，第二反射的多层镀层20，形成在第一反射的多层镀层10前面光入射的一侧。因此，在CD和DVD波段中的光，首先照在第二反射的多层镀层20上，从而一定程度地被反射。就是说，在CD和DVD波段中的光，被第一和第二反射的多层镀层10和20的协同作用反射，而不必单靠第一反射的多层镀层10的100％反射。
反射405nm附近短波的第二反射的多层镀层20，其高折射率层(第二高折射率层20H)和低折射率层(低折射率层L)，用对入射短波光几乎没有吸收的材料形成。众所周知，当短波光照在高折射率介质镀层上时，发生光吸收。波长越短，光的能量越高。因此，有强能量的短波光照在高折射率层上，部分能量被高折射率层吸收，亦称“光吸收现象”。为了抑制该现象，第二反射的多层镀层20中的第二高折射率层20H，用几乎不吸收短波的材料形成。
这样，大容量储存光盘波段中的光，没有吸收地被第二反射的多层镀层20的镀层反射，而在CD和DVD波段中的光，被第一和第二反射的多层镀层10和20反射。就此而言，可以考虑把第二反射的多层镀层20的高折射率层，应用于整个反射的多层镀层。但是，几乎不吸收光的第二反射的多层镀层20的高折射率层20H，有比吸收光的第一高折射率层10H更低的折射率。因此，在整个反射的多层镀层，若按第二反射的多层镀层20的方式构成，则需要更多数量的层，以实现利用折射率差的反射的多层镀层。如上所述，在第一和第二反射的多层镀层10和20是协同地淀积的情形，总的层数可以减少。
在大容量储存光盘波段中的光，可能没有被第二反射的多层镀层20完全反射。即，为了严格使大容量储存光盘波段中的光被第二反射的多层镀层100％地反射，必需淀积更多数量的层。因此，可以修改第二反射的多层镀层20，使反射率如果不是100％，也接近100％。此时，大容量储存光盘波段中的光，透过第二反射的多层镀层20并照在吸收光的第一反射的多层镀层10上。但是，第一反射的多层镀层10的光吸收率不是非常高，以致大容量储存光盘波段中光的透射百分率(百分之几)被吸收，不是全部而是按极其小量地部分地被吸收。这样，大容量储存光盘波段中光的吸收，仅按可忽略的比率发生，所以，不一定要求第二反射的多层镀层20对大容量储存光盘波段，有完全100％的反射率。在前述的说明中，已经结合三种不同波长的光，或按CD、DVD、和大容量储存光盘波段，说明反射镜1。但是，应当指出，反射镜1的应用，不限于这些光盘的波长，还可以类似地应用到两种或更多种对光吸收敏感的波长。
因此，按照本发明的反射镜1，采用介质多层镀层，该介质多层镀层用较少数量的层构成，且该介质多层镀层是为消除光吸收问题而这样安排的。下面给出应用以上说明的本发明实施例的例子。
[
例1]
在以上说明的实施例中，选择几乎没有吸收的材料，用于低折射率层L，该低折射率层L是第一和第二反射的多层镀层10和20共同使用的。在本例中，是使用SiO2(折射率接近1.47)基材料。在这方面，低折射率层L可以单由SiO2或SiO2基材料形成，该SiO2基材料除主要成分SiO2外，例如包含少量(如5％)Al2O3之类，只要附加的物质是几乎没有光吸收的。第一高折射率层10H用TiO2形成，它是光吸收的，但有高的折射率(折射率接近2.45)。第二高折射率层20H用Nb2O5(折射率接近2.30)形成，它是几乎没有光吸收的。虽然本例中用Nb2O5作第二高折射率层20H，但也可以采用其他几乎没有光吸收的材料，举例说，诸如Ta2O3(折射率接近2.1)、ZrO2(折射率接近2.05)、CeO2(折射率接近2.3)、镧钛混合氧化物(SubstanceH4，Merck的产品)、锆钛混合氧化物(OH-5，Optron的产品)，如此等等。考虑到高折射率、低光吸收、和高耐气候性，推荐把Nb2O5应用于第二高折射率层20H。但是，因为通过利用高和低折射率层之间的折射率差，赋予第二反射的多层镀层20以反射特征，所以用于第二高折射率层20H的材料，其折射率应当比低折射率层L的材料SiO2高。
图2曲线画出反射镜的p偏振和s偏振光的反射特征，该反射镜有第一反射的多层镀层和第二反射的多层镀层，该第一反射的多层镀层包括24层交替淀积的TiO2和SiO2层，该第二反射的多层镀层包括8层交替淀积的Nb2O5和SiO2层。本例中，输入光的入射角是45度，而上述物质是通过离子镀淀积的。从图2可见，在CD、DVD、和大容量储存光盘的三种波段的每一种中(即在405nm、650nm、和780nm波段中)，获得几乎100％的p和s偏振的反射率。
在本例中，因为使用Nb2O5作第二反射的多层镀层20的第二高折射率层20H，所以反射镜没有因光吸收引起的光能效率下降的问题。此外，CD和DVD波段中的光束，不单被第一反射的多层镀层10反射，而且被第一和第二反射的多层镀层的协同作用反射，这样能减少层的数量。
下面，在一个对比的例子中，单独用Nb2O5作高折射率层，同时单独用SiO2作低折射率层。就是说，在该对比的例子中，反射的多层镀层由交替淀积的Nb2O5和SiO2层形成，没有用TiO2。Nb2O5和SiO2层用离子镀淀积在基底板上，且输入光的入射角是45度。图3曲线画出介质多层镀层的p和s偏振的反射特征，该介质多层镀层包括46层交替层叠的Nb2O5和SiO2层。与图2的情形类似，在三种波段中获得几乎100％的反射率。
如本文前面所述，Nb2O5(折射率接近2.30)的折射率比TiO2(折射率接近2.45)低。因此，单独用Nb2O5作高折射率层，反射镜的光吸收是没有问题了，但要利用高和低折射率层之间的折射率差来赋予反射特征，必需用更多数量的层。因此，要赋予图3所示反射特征，需要总数46层交替层叠的Nb2O5和SiO2层。换句话说，虽然图2和图3都获得几乎相同的反射特征，但在介质镀层是由第一和第二反射的多层镀层构成的情形，在反射镜上淀积总数32层就足够了，而在介质镀层由交替淀积的Nb2O5和SiO2层构成的情形，则必需淀积总数46层。因此，与对比的例子比较，第一和第二多层镀层10和20的组合，能够通过淀积较少数量的高和低折射率层，产生更高的反射特征。
[
例2]
在本例中，代替例1的离子镀，TiO2、Nb2O5、和SiO2是用真空淀积的。图4所示的p和s偏振反射特征，是在下述情形获得的，第一反射的多层镀层10，是交替淀积总数24层的TiO2和SiO2形成的，而第二反射的多层镀层20，是交替淀积总数10层的Nb2O5和SiO2形成的。输入光的入射角是45度，且所有上述物质都是通过真空淀积的。从图4可见，在三种波段，即CD、DVD、和大容量储存光盘的波段中，获得几乎100％的反射。
图5所示的p和s偏振的反射特征，是在下述情形获得的，应用真空淀积，通过交替淀积总数62层的Nb2O5和SiO2，形成反射的多层镀层。如图5中所示，为了在三种波段的每一种中，都获得接近100％的p和s偏振的反射，必需淀积总数62层。交替淀积Nb2O5和SiO2层构成的反射的多层镀层，没有光吸收的问题，但由于本文前面所述的较小的折射率差值，需要更多数量的层。用真空淀积形成的镀层，密度比用离子镀的镀层低，从而有较低的折射率。这就是为什么需要淀积62层才获得如图5所示的反射特征。
另一方面，在淀积第一和第二反射的多层镀层10和20，按协同方式反射光的情形，即使应用真空淀积，通过较少数量的层的淀积(总数34层)，可以消除光吸收的问题，并获得如图4所示的反射特征。
在本例和前面的例子中，表明第一和第二多层镀层10和20的最少的层结构(离子镀的情形是总数32层，真空淀积的情形是总数34层)。然而，层的数量越少，即使在上述波段的每一个中获得几乎100％的反射，但100％反射的带宽也越窄。因此，当入射光依赖于角度，或随温度条件变化时，可能出现折射率的略为变劣。在这方面，淀积的层数可能要有某种程度的增加，以便增宽反射带宽。无论如何，在控制淀积的层数时，有必要考虑与该问题(层数)有关的需要的反射带宽。虽然在本例2和例1中应用的是真空淀积和离子镀，但在必要时，也可以应用溅射和离子辅助工艺。
[
例3]
在本例中，是把上述反射镜应用于CD(780nm)、DVD(650nm)、和大容量储存光盘(405nm)的光学读取器。如在图6中所示，光学读取器由光源101、偏振光束分束器102、λ/4波片103、反射镜104、物镜105、和光电检测器106构成。
光源101有选择地发射三种波长之一的激光束，即用于CD的激光束、用于DVD的激光束、或用于大容量储存光盘的激光束。从光源101发射的激光束，首先进入偏振光束分束器102，偏振光束分束器102通过取决于偏振方向的透射和反射，把入射光分解为偏振的分量。本例中，从光源101发射的激光是p偏振光，而偏振光束分束器102适合透射p偏振光同时反射s偏振光。(或者，在需要时，可以适合反射p偏振光同时透射s偏振光)。这样，从光源101发射的p偏振激光束，透过偏振光束分束器102，馈送至λ/4波片103，λ/4波片103把线偏振转变为圆偏振。离开λ/4波片103的圆偏振光，被反射镜104反射，并被物镜105会聚于光盘D上的预定位置。被反射离开光盘D的光，再次经物镜105和反射镜104，馈送至λ/4波片103。此时，圆偏振被λ/4波片103转变为线偏振。这样，在返回的路程上，原来的p偏振光已被转变为s偏振光。就是说，s偏振的激光束，被偏振光束分束器102向光电检测器106反射，在光电检测器106上，入射光借助光电转换，被转换为电信号。
在本例中，重要的是，反射镜104对光源101有选择地发射的三种不同波长激光束的每一种，有几乎100％的反射特征。就是说，反射镜104在所有工作波长上应有高的反射率，因为除光源101发射不同波长的激光束外，系统的所有部件没有变化。因此，把前面实施例说明的反射镜1应用于本例，作为反射镜104。如上所述，因为反射镜1没有光吸收问题，405nm的光能够全部被反射，没有被反射镜104吸收。此外，反射镜在所有三种工作波长上，有几乎100％的反射率，所以适合应用于其光源类似于光源101的光学读取器，这种光源有选择地发射三种不同波长的激光束。
[
例4]
上面的例3采用的光源101，适合有选择地输出三种不同波长的激光束，本例如图7所示，采用两个光源201和202，用于发射三种不同波长的激光束。诸如λ/4波片103、物镜105、和光电检测器106的部件，与例3的对应部件相同。在图7的情形中，光源201是有选择地发射CD和DVD波长的激光束，而光源202专门发射大容量储存光盘波长的激光束。如果需要，光源202可以用作有选择地发射两种不同波长激光束的光源，而光源201用作专门发射一种预定波长激光束的光源。偏振光束分束器203的光学特征，是透射CD和DVD波段的p偏振和透射大容量储存光盘波段的p偏振。另一方面，偏振光束分束器204的光学特征，是透射CD和DVD波段的p和s偏振，同时透射大容量储存光盘波段的p偏振而反射s偏振。从光源201和202发射的激光束，全都是s偏振的。因此，从光源201发射的CD或DVD波段的s偏振激光束，被偏振光束分束器203向光盘D反射。另一方面，从光源202发射的大容量储存光盘波段的激光束，被偏振光束分束器204向光盘D反射。虽然已经说明，偏振光束分束器203和204的光学特征，是透射p偏振和反射s偏振，但在需要时，它们也可以适合反射p偏振和透射s偏振。
这样，CD、DVD、和大容量储存光盘三种激光束每一种的光路被向着λ/4波片103合并。因此，在到达和离开光盘D的路径上，三种激光束的每一束，都被反射镜206反射，反射镜206是上述实施例反射镜1的应用，反射镜1能反射三种激光束的每一种，几乎100％地没有光吸收问题。
Claims (6)
1.一种反射镜，实际上能全部反射两种或多种离散波长的光束，其特征在于，所述反射镜包括：
通过在基底板上交替淀积吸收短波光的第一高折射率层和低折射率层，形成第一反射的多层镀层；
通过在所述第一反射的多层镀层入射侧上，交替淀积几乎没有吸收的第二高折射率层和低折射率层，形成第二反射的多层镀层，该第二高折射率层的折射率，低于所述第一高折射率层的折射率；
短波入射光束被所述第二反射的多层镀层反射，而不同于短波的入射光束，被所述第一和第二反射的多层镀层的协同作用反射。
2.按照权利要求1的反射镜，其中波长在780nm或650nm附近的光束，被所述第一和第二反射的多层镀层的协同作用反射，而波长在405nm附近的光束，被所述第二反射的多层镀层反射。
3.按照权利要求1的反射镜，其中所述低折射率层，是通过淀积SiO2基材料形成的，所述第一高折射率层，是通过淀积TiO2形成的，和所述第二高折射率层，是通过淀积至少如下材料之一形成的：Ta2O5、Nb2O5、ZrO2、CeO2、镧钛混合氧化物、和锆钛混合氧化物。
4.按照权利要求1的反射镜，其中所述低折射率层，是通过淀积SiO2基材料形成的，所述第一高折射率层，是通过淀积TiO2形成的，和所述第二高折射率层，是通过淀积Nb2O5形成的；
所述第二反射的多层镀层，是通过交替淀积总数多于8层的Nb2O5和SiO2形成的，而所述第一反射的多层镀层，是通过交替淀积总数多于24层的TiO2和SiO2形成的。
5.按照权利要求1的反射镜，其中所述低折射率层、第一高折射率层、和第二高折射率层，是通过离子镀、真空淀积、离子辅助、或溅射工艺淀积的。
6.一种光学读取器，包括了在向着光源和离开光源的光路中的权利要求1所述的反射镜，偏振光束分束器，λ/4波片和光电检测器。
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