TWI413118B - 光學讀寫頭 - Google Patents

Description

光學讀寫頭

本發明係關於一種光學讀取頭，尤指一種利用微機電技術所製作之微型光學讀取頭。

近年來在半導體技術的發展之下，微機電系統(Microelectromechanical System,MEMS)技術有許多重大的發展。對於光學資料儲存系統而言，微光機電技術(Micro Optical Electro Mechanical System)正是提供製造更小更輕的光學資料儲存系統的一個好方法。

微機電系統(Microelectromechanical System,MEMS)技術是一種結合光學、機械、電子、材料等多重技術領域的整合型微小化半導體製造技術。其應用範圍很廣，包括光電、資訊、通訊及生醫等相關產業。運用這些技術，可以讓產品因微小化而提高其性能、品質、可靠度及附加價值，同時降低製造成本。

其中微光學系統整合微光學元件於單一晶片上，可實現光束於微小化系統內的自由空間傳播，因此可廣泛應用於各種光電領域。例如應用於光儲存系統時，微型光學讀寫頭對整個系統有重要的影響，由於重量更低，體積更小，所以可提高讀取速率。

請參閱圖1，係習知之微型光學讀取頭的架構示意圖。光學讀取頭10係利用微機電技術所實現的微型光學讀取頭，其係由複數個三維微光學元件所組成。該微型光學讀取頭10主要構件包括：黏著在一矽(Si)基板17上之一鐳射二極體(Laser Diode,LD)14，其功能為發射一光源，鐳射二極體14的波長為介於350至800 nm；一分光鏡11分離光束能量，使部分光能量反射，部分光能量穿透；一菲涅爾鏡12將入射光束平行；一45度傾斜反射鏡13將入射光反射；一物鏡19將入射光束聚焦；及一菲涅爾鏡15將入射光聚焦；其中，分光鏡11、菲涅爾鏡12、15及45度傾斜反射鏡13均由微機電技術所製作。

光學讀取頭10的作動原理為，當光學讀取頭10進行寫入時，鐳射二極體14所發出的光穿透分光鏡11後由菲涅爾鏡12將光束平行，並經由45度傾斜反射鏡13將光反射後透過物鏡19聚焦至光碟片20表面，把資料寫入光碟片20表面；當光學讀取頭10進行讀取時，鐳射二極體14所發出的光穿透分光鏡11後由菲涅爾鏡12將光束平行，並經由45度傾斜反射鏡13及物鏡19將光反射至光碟片20表面，由光碟片20反射回的信號被菲涅爾鏡12聚焦，再由分光鏡11反射到菲涅爾鏡15，被菲涅爾鏡15聚焦折射到矽基板17表面上的光感測元件16轉換成電信號輸出。

但，光學讀取頭10中分光鏡11及菲涅爾鏡12、15佔據不少佈局面積，使得所有元件無法在同一直線帶上，需要較大的面積，而物鏡19也需另外架設，使得光學讀取頭10具有一定的厚度，如此不只使光學讀取頭10的微型化受限，光學讀取頭10的光路徑(Optical path)也無法縮小，不符合系統的成本考量與效率。

於是，為解決上述之缺點，本發明之目的係在提供一種光學讀寫頭，透過二個135度傾斜反射鏡及全像光學元件(Holographic Optical Element,HOE)，取代習知光學讀取頭中所用的分光鏡及菲涅爾鏡，使得所有元件在同一直線帶上，進而達到微型化的目的及縮短光路徑，降低光學讀取頭系統的成本，增加光學讀取頭讀寫效率。

本發明的另一目的，在於將物鏡與基板結合，使得光學讀取頭的厚度降低，達到微型化的目的，也降低光學讀取頭組裝的成本。

為達上述之目的，本發明揭露一種光學讀取頭，其包括：一基板，且在基板上設有一孔，該孔內設有一物鏡；一鐳射二極體黏著於該基板上用以發射一光源，光源波長介於350至800 nm；一135度傾斜反射鏡設於該基板上，且跨設於該鐳射二極體；一光感測元件設於該基板上，且該光感測元件位於該135度傾斜反射鏡鏡面下方相對應位置；及一135度傾斜全像反射鏡設於該基板上，用以像散以及分光，且該135度傾斜全像反射鏡鏡面對應前述物鏡、鐳射二極體及135度傾斜反射鏡。

其中，該基板係為矽基板，該135度傾斜反射鏡及135度傾斜全像反射鏡係由半導體技術於前述矽基板上所製作。更進一步該光感測元件也可由半導體技術於前述矽基板上所製作。

其中，該135度傾斜全像反射鏡表面設有一全像光學元件，該全像光學元件係為光柵結構用以達到像散以及分光的功用；且該全像光學元件係由半導體技術形成製作於該135度傾斜全像反射鏡表面。

本發明的優點在於，透過二個135度傾斜反射鏡及全像光學元件以微機電製程的方法製造於光學平台的斜面結構上，取代習知光學讀取頭中所用的分光鏡及菲涅爾鏡，如此可使得所有微機電技術所製作的元件在同一直線帶上，再配合鐳射二極體及光感測元件的貼黏佈局，及物鏡裝設於與基板的孔內，減少光學讀取頭的厚度，進而達到微型化的目的及縮短光路徑，降低光學讀取頭系統的成本，增加光學讀取頭讀寫效率。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請參閱圖2與圖3，為本發明實施例之架構與立體示意圖。實施上該光學讀取頭100包括：一基板110，且在基板110上設有一孔111，該孔111內設有一物鏡112。一鐳射二極體120黏著於該基板110上用以發射一光源。一135度傾斜反射鏡130設於該基板110上，且跨設於前述鐳射二極體120；一光感測元件140黏著設於該基板上，且該光感測元件140位於該135度傾斜反射鏡130鏡面下方相對應位置，即可接收135度傾斜反射鏡130反射光之位置；及一135度傾斜全像反射鏡150設於該基板110上，用以像散以及分光，且該135度傾斜全像反射鏡150鏡面對應前述物鏡112、鐳射二極體120及135度傾斜反射鏡130，使前述所有元件裝設於一直線帶。

實施上，該基板110可為一矽基板，該135度傾斜反射鏡130及135度傾斜全像反射鏡150係由半導體製程技術前述矽基板上直接製作，可採用任何已知半導體技術在光學平台矽基板上應用中製作三維微鏡面結構。

請再參閱圖4，為本發明實施例之全像光學元件示意圖。該135度傾斜全像反射鏡150表面設有一全像光學元件160，該全像光學元件160係為光柵結構；全像光學元件160的基本結構，為一具有不規則週期的廣義光柵，產生有成像功能的繞射光束，利用此全像原理所製成的光學元件。實施上，該全像光學元件160可由任何已知半導體技術形成於該135度傾斜全像反射鏡150表面，透過半導體技術形成波帶表面之光柵結構作為繞射元件，用以達到像散以及分光的功用。

該光學讀取頭100透過二個135度傾斜的反射鏡及全像光學元件160，使得所有微機電技術所製作的元件在同一直線帶上，再配合鐳射二極體120及光感測元件140的貼黏佈局，或該光感測元件14直接藉由半導體技術於前述矽基板上所製作。藉此，所有該光學讀取頭100的元件都在同一直線帶上，進而達到微型化的目的及縮短光路徑，降低光學讀取頭系統的成本，增加光學讀取頭讀寫效率。

在實施上，鐳射二極體120的光源波長介於350至800 nm且鐳射二極體120及光感測元件140係利用金屬或高分子黏著劑黏著於矽基板110表面。

該光學讀取頭100是以數個三維斜面結構以及其他組裝於此平台上的光學元件所組成，因此實施上基板110可採用應力幾乎為零且結構較厚的SOI(Silicon On Insulator)基板，可透過任何已知的半導體製程方法及組裝方式，完成製作該135度傾斜反射鏡130及135度傾斜全像反射鏡150之微鏡面，避免一般利用多晶矽製作時可能發生的翹曲現象。

請再參閱圖5，為本發明實施例之光路徑示意圖。首先，當光學讀取頭100進行寫入時，鐳射二極體120所發出的光直接到135度傾斜全像反射鏡150，透過全像光學元件160將光像散以及分光反射，經物鏡112聚焦至一光碟片200表面，把一資料寫入該光碟片200表面。在整個寫入動作中，光學讀取頭100處於多光束高能狀態。

其次，當該光學讀取頭100進行讀取時，鐳射二極體120所發出的光直接到135度傾斜全像反射鏡150將光反射，經物鏡112聚焦至光碟片200表面，由光碟片200表面反射回的信號光再經過物鏡112及該135度傾斜全像反射鏡150表面上的全像光學元件160像散及分光，最後由135度傾斜反射鏡130反射到光感測元件140，把載有光碟片200之資料的信號光轉換成電信號輸出。在整個讀取動作中，該光學讀取頭100處於多光束低能狀態。

因此，本發明之光學讀取頭具有重量輕、體積小、結構簡單以及光路徑短與成本考量等優點，可以有效提高光學讀取頭之讀取速率。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

(習知)

10．．．光學讀取頭

11．．．分光鏡

12、15．．．菲涅爾鏡

13．．．45度傾斜反射鏡

14．．．鐳射二極體

16．．．光感測元件

17．．．矽基板

19．．．物鏡

20．．．光碟片

(本發明)

100．．．光學讀取頭

110．．．基板

111．．．孔

112．．．物鏡

120．．．鐳射二極體

130．．．135度傾斜反射鏡

140．．．光感測元件

150．．．135度傾斜全像反射鏡

160．．．全像光學元件

200．．．光碟片

圖1為習知之光學讀取頭的架構示意圖。

圖2為本發明實施例之架構示意圖。

圖3為本發明實施例之立體示意圖。

圖4為本發明實施例之全像光學元件示意圖。

圖5為本發明實施例之光路徑示意圖。

100．．．光學讀取頭

110．．．基板

111．．．孔

112．．．物鏡

120．．．鐳射二極體

130．．．135度傾斜反射鏡

140．．．光感測元件

150．．．135度傾斜全像反射鏡

160．．．全像光學元件

200．．．光碟片

Claims (8)

1. 一種光學讀取頭，其包括：一基板，其設有一孔，且在該孔內設有一物鏡；一鐳射二極體，其黏著於前述基板上用以發射一光源；一135度傾斜反射鏡，其設於前述基板上，且跨設於該鐳射二極體；一光感測元件，其設於前述基板上，位於該135度傾斜反射鏡鏡面下方相對應位置；及一135度傾斜全像反射鏡，其設於前述基板上，用以像散以及分光，且該135度傾斜全像反射鏡鏡面對應前述物鏡、鐳射二極體及135度傾斜反射鏡。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學讀取頭，其中，該基板係為矽基板。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學讀取頭，其中，該135度傾斜反射鏡及135度傾斜全像反射鏡係由半導體技術於前述矽基板上所製作。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學讀取頭，其中，該光感測元件係由半導體技術於前述矽基板上所製作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學讀取頭，其中，該135度傾斜全像反射鏡表面設有一全像光學元件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學讀取頭，其中，該全像光學元件係為光柵結構用以達到像散以及分光的功用。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學讀取頭，其中，該全像光學元件係由半導體技術形成於該135度傾斜全像反射鏡表面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學讀取頭，其中，該鐳射二極體的波長為介於350至800 nm。