聚焦誤差檢測裝置及具有其的全息數據記錄/再生設備的製作方法

2023-09-18 01:54:30

專利名稱：聚焦誤差檢測裝置及具有其的全息數據記錄/再生設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚焦誤差檢測裝置以及一種提供有這種聚焦誤差檢測裝置的全息數 據記錄/再生設備。具體說來，本發明涉及一種聚焦誤差檢測裝置，其在通過全息攝影術記 錄以及再生數據的光存儲器設備中使用。
背景技術：
隨著雷射束波長減小以及數值孔徑增加，光碟的存儲容量不斷增加，因此首先出現CD, 然後DVD以及最終HD DVD。目前據稱存儲容量趨近於HD DVD和藍光光碟的極限，它們 都使用發出具有405nm波長光線的藍紫半導體雷射器。考慮到這個，應該提供一種新的數 據記錄/再生系統，以賦予光碟超大的存儲容量。既然如此，人們研究以高密度儲存數據的 各種系統，例如體記錄，多層記錄和鄰近記錄，作為下一代的高密度光存儲器系統。在這 些光存儲器系統中，使用全息攝影術的體記錄光存儲器系統被認為是有前途的。近年來， 實驗已經在進行，其結果表明可以開發高靈敏度全息介質，而且可以增加各介質的存儲容 量。因此，研究和開發轉到提供實用的全息介質。利用全息攝影術的體記錄光存儲器系統的原理在於，信息束在光學數據記錄介質中與 參考光束幹涉，將數據記錄為三維圖形的精密幹涉圖。多個數據項可以記錄在光學數據記 錄介質的同一位置或者重疊位置。利用全息攝影術的光存儲器系統可以存儲比現有光碟多 得多的數據量，現有光碟例如HDDVD和藍光光碟，其中數據以坑或記錄記號的形式記錄 在平面中。利用全息攝影術的光存儲器系統分為幾個多路復用系統，例如移位多路復用系統 (shift-multiplexing system)，角度多路復用系統和分波長多路復用系統，其設計來提高數 據記錄密度。移位多路復用系統稍微改變雷射束相對記錄介質的位置，從而記錄數據。角度多路復用系統改變雷射束相對記錄介質的角度從而記錄資料。分波長多路復用系統改變 雷射束的波長，從而記錄資料。這些類型的多路復用系統可以組合成多種記錄和再生數據 的系統。"H丄Coufaletal.，HolographicDataStorage,Springer， 2000, (ISBN3-5406-6691-5)" 中披露了典型的多路復用數據記錄/再生系統。第5,483,365號美國專利中披露了另一類型的 數據記錄/再生系統。在這個系統裡，記錄介質圍繞垂直於入射面的軸並圍繞垂直於介質的 軸旋轉。第5,483,365號美國專利=中披露的系統稱為旋轉復用(peristrophic multiplexing)。 該系統的典型光學配置顯示在第5,483,365號美國專利說明書的圖1中。該系統可以很簡單， 因為其光學部分沒有可動組件，儘管其驅動部分包含可動組件。為了使第5，483,365號美國專利披露的系統更實用，重要的是探測並控制光學數據記錄 介相對光學系統質的位置。然而，至今尚未提出探測並控制光學數據記錄介質位置的簡單 實用方法。這是因為當記錄介質旋轉角度e時，從記錄介質反射並用於探測介質位置的光束 不可避免地彎曲到20的角度。眾所周知，如果記錄介質旋轉幾度到10度，如同在角度多路 復用中，光路將偏離太多，使得難以使用探測光碟位置的傳統方法。可以利用透射光束探 測記錄介質的位置。在這種情況下，同樣，幾乎無法探測記錄介質的位置，因為當介質的 位置改變時該透射光束幾乎不變。因此，應該採用新的技術來探測並控制光學數據記錄介 質的位置。發明內容根據本發明的第一方面，提供一種聚焦誤差檢測裝置，包含 雷射束源，其發出聚焦誤差檢測雷射束；分束光學單元，其將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和第二光束成分，其使 第一和第二光束成分中的一個發散或者會聚，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個激 光束；物鏡，其將單個雷射束的第一和第二光束成分分別聚焦在光學數據記錄介質的第一和 第二焦點上，其中光學數據記錄介質具有針孔陣列，並對第一和第二光束成分實質上不敏 感，第一焦點設置在針孔的一側，第二焦點設置在針孔的另一側；檢測光學單元，其將從光學數據記錄介質出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成 分，分別檢測第一和第二成分以產生第一和第二檢測信號；以及處理單元，其處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。根據本方面的第二方面，提供有一種光學數據記錄/再生設備，包含記錄/再生雷射束源，其產生記錄/再生雷射束；第一分束單元，其將記錄/再生雷射束分離成記錄雷射束和參考雷射束； 聚焦檢測雷射束源，其產生聚焦誤差檢測雷射束；第二分束單元，其將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和第二光束成分，其使 第一和第二光束成分中的一個發散或者會聚，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個激 光束；物鏡，其將記錄雷射束聚焦在全息記錄介質上，並且將單個雷射束的第一和第二光束 成分分別聚焦在全息記錄介質的第一和第二焦點上，其中全息記錄介質具有針孔陣列和對 第一和第二光束成分實質上不敏感的記錄層，第一焦點設置在針孔的一側，第二焦點設置 在在針孔的另一側；會聚光學單元，其將參考雷射束會聚在記錄層中，其中在記錄模式中，參考雷射束與 記錄雷射束光學幹涉以產生幹涉記錄圖形，並且在再生模式中，參考雷射束投射到幹涉記 錄圖形上而沒有記錄雷射束的照射，來從幹涉記錄圖形中產生再生雷射束；光檢測器，其探測再生雷射束；檢測光學單元，其將從光學數據記錄介質出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成 分，分別檢測第一和第二成分以產生第一和第二檢測信號；以及處理單元，其處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。 根據本發明的第三方面，提供一種探測聚焦誤差的方法，包含 產生聚焦誤差檢測雷射束；將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和一第二光束成分，其使第一和第二光束 成分中的一個發散或者會聚，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個雷射束；將單個雷射束的第一和第二光束成分分別聚焦在光學數據記錄介質的第一和第二焦 點上，其中光學數據記錄介質具有針孔陣列，並且對第一和第二光束成分實質上不敏感， 第一焦點設置在針孔的一側，第二焦點設置在針孔的另一側；將從光學數據記錄介質上出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成分；分別檢測第一和第二成分來產生第一和第二檢測信號；以及處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。


圖l是表示光學數據記錄介質結構的剖面原理圖，本發明實施例所對應的光學數據記錄/再生設備可以將數據記錄在和再生自其中；圖2是表示圖1所示光學數據記錄介質結構的原理透視圖；圖3是表示本發明實施例所對應的光學數據記錄/再生設備中所包含聚焦誤差檢測光學 系統的示意圖；圖4是表示圖3所示光學數據記錄/再生設備中可以包含的兩焦點形成光學系統的透視圖；圖5是表示圖3所示光學數據記錄/再生設備中可以使用的另一種兩焦點形成光學系統 的側視圖；圖6A和6B是分別圖解兩個雷射束的圖，這兩個雷射束各自穿過圖4和5所示聚焦誤差檢 測光學系統中的光學數據記錄介質；圖7A到7C是圖解兩個雷射束的其他圖，這兩個雷射束各自穿過圖4和5所示聚焦誤差檢 測光學系統中的光學數據記錄介質；圖7D是表示聚焦誤差與圖7A到7C所示聚焦誤差檢測光學系統中安裝的探測器輸出之 間關係的曲線；圖8A到8C是圖解兩個雷射束的其它圖，這兩個雷射束各自穿過圖4和5所示聚焦誤差檢 測光學系統中的光學數據記錄介質；圖8D是表示聚焦誤差與圖8A到8C所示聚焦誤差檢測光學系統中安裝的探測器輸出之 間關係的曲線；圖9是表示本發明另一實施例所對應的光學數據記錄/再生設備中安裝的聚焦誤差檢測 光學系統的示意圖；圖10表示圖9所示光學數據記錄/再生設備中可以使用的兩焦點形成光學系統的透視圖；圖ll是表示圖9所示光學數據記錄/再生設備中可以使用的另一種兩焦點形成光學系統 的側視圖；圖12是表示光學數據記錄/再生設備的示意圖，其包含圖3或9所示的聚焦誤差檢測光學 系統；以及圖13是表示與圖1所示光學數據記錄介質的針孔層不同的針孔層平面圖。
具體實施方式
以下參照附圖，說明本發明實施例所對應的聚焦誤差檢測裝置和裝備有該聚焦誤差檢測裝置的全息數據記錄/再生設備。首先說明數據可以被記錄在全息數據記錄/再生設備中的光學數據記錄介質的配置。然 後說明探測在光學數據記錄介質上聚焦誤差的光學系統。此外還將說明使用本發明所對應 聚焦誤差檢測方法的光學數據記錄/再生設備的配置。[光學數據記錄介質的配置]圖l是表示光學數據記錄介質結構的剖面原理圖，本發明實施例所對應的光學數據記 錄/再生設備可以將數據記錄在和再生自其中。圖2是表示該光學數據記錄介質結構的原理 透視圖。如圖1和2所示，光學數據記錄介質20包含光學數據記錄層202和針孔層203。針孔 層203具有一個或多個針孔301。光學數據記錄層202放置在針孔層203上。光學數據記錄層 202的物理特性可以用光學方法改變，從而將幹涉圖記錄在層202上。由光學數據記錄層202 和針孔層203組成的兩層構造固定在兩個覆蓋襯底201和204之間。覆蓋襯底201和204是提供用於兩個目的。第一，它們降低光學數據記錄層202表面上 的傷痕或灰塵的影響。第二，它們固定光學數據記錄層202 (在大多數情形中為凝膠層)。 在大多數情形中，覆蓋襯底201和204由玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等它們可以由 其他的材料製成如果它們展現的光學特性適合於所用雷射束的波長並且如果它們具有足 夠的機械強度，足夠的尺寸穩定性，足夠的易塑性等等。光學數據記錄層202對使用的記 錄雷射束敏感，並且對使用的聚焦探測雷射束從分不靈敏。更確切地說，層202是全息介 質，代表性的材料是光聚合物。光聚合物是一種由光聚合單分子物體製成的感光材料。它 的主要組分通常是單體，聚合引發劑並且多孔基體。注意多孔基體在數據記錄前後保持體 積。作為全息介質層的光學數據記錄層202，應該大約為100i^m或者更厚，以獲得充分的衍 射效率來再生信號並且獲得角度多路復用中要求的角解析度。光學數據記錄層202可以由 不同於光聚合物的材料製成。它可以由能實現全息記錄的介質製成，例如白明膠重鉻酸鹽 或者光反射晶體。如圖2所示，針孔層203是具有一個或多個針孔301的薄膜。針孔301用來產生稍後說明 的聚焦誤差信號。針孔301提供來消除在再生數據時產生的不必要的衍射光以及避免在記 錄位置(即，記錄區域)附近的串擾。圖2所示的針孔301是物理孔。它們可以是多層薄膜的高透光度部分，剩餘部分具有低 透光度並且幾乎不允許雷射束通過。在這種情況下，多層薄膜的低透光度部分最好具有光 線吸收層，從而屏蔽反射雷射束引起散射光，或者以防止光線到達光學數據記錄層202。[聚焦誤差檢測光學系統]圖3是表示本發明實施例所對應的光學數據記錄/再生設備中所包含聚焦誤差檢測光學 系統的示意圖。如上所述，光學數據記錄介質20具有針孔層203，其具有一個或多個針孔 301。從圖3可以看到，光檢測器409和411分別產生兩個檢測信號。表示檢測信號之間差異 的信號被輸入到差動放大器412。差動放大器412產生聚焦誤差信號。同時，聚焦誤差檢測雷射器401發出線偏振雷射束。這個光束被施加到光束擴張光學 系統(準直器系統)402。光束擴張光學系統402增加光束的直徑，將該光束改變為平行光 束通量(準直雷射束)。平行光束通量被施加到一個兩焦點形成光學系統403。兩焦點形 成光學系統403將平行光束通量分離成P偏振成分和S偏振成分，並且使P偏振成分或者S偏 振成分發散或者會聚。P和S偏振成分彼此重疊，提供單個雷射束。這個雷射束被施加到物 鏡404。當物鏡404聚焦P和S極化光束時，它們當中的一個被發散或者會聚。結果，P和S極 化束可以被聚焦在不同的焦點。圖4表示兩焦點形成光學系統403的具體例子。在兩焦點形成光學系統403中，入射線 偏振雷射射束穿過半波長片501。在穿過片501的時候，光束轉變為其中P和S偏振成分具有 相同強度的光束。然後這個雷射束被施加到偏振光束分離器502上。偏振光束分離器502將 光束分離成P偏振成分和S偏振成分。更具體地說，偏振光束分離器502反射一個偏振成分 並允許另一偏振成分通過。為了簡化說明，假定S偏振成分被分離器502反射並且P偏振成 分穿過越分離器502。然後，被分離器502反射的S偏振成分被反光鏡503反射並且施加到衍 射光柵504。衍射光柵504有凹透鏡的功能，因此將入射光束轉換來發散光束。衍射光柵504 可以具有凸透鏡的功能，並且因此將入射光束轉換為會聚光束。這個衍射光柵可以實現為 如下形式，即將主要衍射光束轉換為發散光束的相類型波帶片(顯像形式)。眾所周知， 通過在深度上優化柵的凹槽，主要光束的折射效率可以增加到幾乎100%。從衍射光柵504 出射的發散光束被反光鏡505反射，並且施加到偏振光束分離器506。偏振光束分離器506 還接收平行光束通量的P偏振成分，其穿過偏振光束分離器502。在偏振光束分離器506的 偏振表面，S和P偏振成分彼此重疊，提供單個光束。兩焦點形成光學系統403不僅限於圖4所示的光學系統。它也可以是圖5所示的光學系 統。在圖5的光學系統中，施加到兩焦點形成光學系統403上的平行通量，例如線偏振雷射 束，被施加到半波長片601。因此線偏振雷射射束轉變為其中P和S偏振成分具有相同強度 的圓偏振雷射束。圓偏振雷射束被施加到背面固定有衍射光柵的鏡子602上。這個衍射光 柵與上述相類型波帶片(顯像形式)相同。它具有將入射平行雷射束轉換為發散雷射束以及反射發散雷射束的功能。鏡子602具有在表面全部反射S偏振成分並且允許P偏振成分通 過的功能。穿過鏡子602表面的P偏振成分被固定在鏡子602背面的衍射光柵反射轉變為發 散雷射束。衍射光柵可以將平行入射雷射束轉變為會聚雷射束，而不是上述的發散雷射束。 而且，鏡子602可以在正面全部反射P偏振成分並且允許S偏振成分通過。被鏡子602反射並由S和P偏振成分組成的反射雷射束被施加到半波長片603。半波長片 603將S偏振成分轉變為P偏振成分，並且P偏振成分轉變為S偏振成分。從片603輸出的P和S 偏振成分被施加到鏡子604。鏡子604與鏡子602的不同僅在於它沒有衍射光柵。如圖5所示， 鏡子604在正面和背面分別全部反射P偏振成分和S偏振成分。如此在鏡子602的正面反射的 P偏振成分和轉變為發散光束並且在鏡子602背面反射的S偏振成分互相重疊在鏡子604上， 它們的光軸互相對準。如圖3所示，由S和P偏振成分組成並且從兩焦點形成光學系統403輸出的雷射束被會聚 到物鏡404上。物鏡404將雷射束會聚到光學數據記錄介質20上。在光學數據記錄介質20上， P和S偏振成分聚焦到不同的焦點上。然後P和S偏振成分從光學數據記錄介質20中出射。正 如己經所指出的那樣，光學數據記錄層202的介質20對聚焦探測雷射束不敏感，但對記錄 雷射束敏感，正如稍後所述。因此，光學數據記錄介質20可以記錄由數據光波和參考光波 形成的幹涉圖。穿過光學數據記錄介質20的發散雷射束被施加到物鏡406。物鏡406將雷射束轉變為平 行光束，其被施加到偏振光束分離器407。偏振光束分離器407在其偏振平面上反射P和S偏 振成分中的一個，並且允許另一個偏振成分通過。結果，兩個雷射束從偏振光束分離器407 中出射。這些雷射束分別被聚焦透鏡408和410聚焦，並且由此施加到光檢測器409和411。 光檢測器409和411分別產生表示入射雷射束強度的檢測信號。檢測信號提供到差動放大器 412。差動放大器412產生聚焦誤差信號。聚焦誤差信號提供到驅動信號產生單元414，其 從聚焦誤差信號產生驅動信號。驅動信號提供到驅動機制415，其使介質20沿聚焦誤差檢 測光學系統(圖3)的光軸微小移動，從而將光學數據記錄層202放置在焦點位置。在圖3所示的控制系統中，驅動機制415沿系統的光軸移動介質20。或者，驅動機制415 可以根據聚焦誤差信號，沿光軸移動物鏡404和406。以下參照圖6A和6B以及圖7A至U7D，說明圖3所示的光學系統如何檢測到焦點。如圖6A 和6B所示，被物鏡404聚焦的雷射束在光學數據記錄介質20上形成焦點701和702。也就是 說，雷射束的P和S偏振成分被聚焦在不同的點，因為在兩焦點形成光學系統403中偏振成 分中的一個已經被發散或者會聚。在上述實施例中，在兩焦點形成光學系統403中S偏振成分被發散。因此，P偏振成分被物鏡404聚焦在位於針孔層203中接近於光源一側的焦點701。 相反，被發散的S偏振成分被物鏡404聚焦在位於針孔層203中遠離光源一側的焦點702。只 要P偏振成分的光軸Op穿過針孔301，焦點701離針孔301越近，穿過針孔301的P偏振成分越 強。焦點701離針孔301越遠，越多的P偏振成分將被針孔層203阻擋並且穿過針孔301的P偏 振成分越弱。類似地，只要S偏振成分的光軸Op穿過針孔301，焦點702離針孔301越近，穿 過針孔301的S偏振成分越強。焦點702離針孔301越遠，越多的S偏振成分將被針孔層203阻 擋並且穿過針孔301的P偏振成分越弱。假設針孔301位於圖6A和6B所示焦點701和702的中點。然後，將發現記錄雷射束聚焦 在光學數據記錄層202上，如果檢測到兩者都穿過針孔301的P偏振成分和S偏振成分。也就 是說，P和S偏振成分的圓周部分被針孔層203阻擋，如圖6A和6B所示。各自穿過針孔301 的P和S偏振成分，被施加到圖3所示的光檢測器409和411。光檢測器409和411可以分別產 生檢測信號。針孔301必須具有如下直徑以致P和S偏振成分的周圍部分可能被針孔層203阻擋。更確 切地說，要求針孔301應該具有下式所給的直徑D :AMformula see original document page 12其中Az[pm]是從物鏡404到P偏振成分的焦點701的距離與從物鏡404到S偏振成分的 焦點702的距離之間的差值，NA是物鏡404的數值孔徑，並且n是光學數據記錄介質20的平 均折射率。以下參照圖7A到7D以及圖8A到8D，說明當光學數據記錄介質20中發生聚焦誤差(光 軸方向的位置改變)時光檢測器409和411產生的檢測信號。圖7B和8B分別表示施加到位於 焦點處的針孔301上的P和S偏振成分。分別探測P和S偏振成分的光檢測器409和411分別輸 出功率檢測信號Vp和Vs。這些信號Vp和Vs的電平(level)幾乎相等，因為它們分別被聚 焦在焦點701和702上。因此，差動放大器412產生一個零電平的聚焦誤差信號，表示P和S 偏振成分都聚焦好。^針孔301從圖7B和8B所示的焦點位置向圖7A所示的焦點位置701移動，並且遠離圖 8A所示的焦點702時，差動放大器412產生一個負電平聚焦誤差信號。在圖7B和8B中，虛 線表示針孔層203的基準位置，相當於焦點位置。如圖7A所示，P偏振成分被針孔層203阻 擋的部分減少，並且P偏振成分穿過針孔301的部分增加。因此光檢測器409產生的檢測信 號Vp增加圖7D所示幅度。如圖8A所示，S偏振成分被針孔層203阻擋的部分增加，並且S 偏振成分穿過針孔301的部分減少。因此光檢測器409產生的檢測信號Vs減少圖8D所示幅度。結果，差動放大器412產生負電平聚焦誤差信號。當針孔301從圖7B和8B所示的焦點位置遠離圖7C所示的焦點701，並且朝圖8C所示焦 點702移動時，差動放大器412產生一個正電平聚焦誤差信號。在圖7C和8C中，虛線表示針 孔層203的基準位置，相當於焦點位置。如圖7C所示，P偏振成分被針孔層203阻擋的部分 增加，並且P偏振成分穿過針孔301的部分減少。因此光檢測器409產生的檢測信號Vp減少 圖7D所示幅度。如圖8C所示，S偏振成分被針孔層203阻擋的部分減少，並且S偏振成分穿 過針孔301的部分增加。因此光檢測器409產生的檢測信號Vs增加圖8D所示幅度。結果，差 動放大器412產生正電平聚焦誤差信號。如上所述，P偏振成分被針孔層203阻擋的部分減少，如圖7A所示，並且P偏振成分穿 過針孔301的部分增加，如果發生負值的聚焦誤差(引起具有負電平的聚焦誤差信號)， 與針孔層203位於其基準位置即焦點位置的情況相比。反之，如果發生正值的焦點誤差(引 起具有正電平的聚焦誤差信號)，P偏振成分被針孔層203阻擋的部分增加，如圖7C所示， 並且束穿過針孔301的光的部分減少。因此光檢測器409產生的檢測信號Vp大小改變如圖7D 所示。相反地，P偏振成分被針孔層203阻擋的部分增加，如圖8A所示，並且P偏振成分穿 過針孔301的部分減少，如果發生負值的聚焦誤差。如果發生正值的聚焦誤差，S偏振成分 被針孔層203阻擋的部分減少，如圖8C所示，並且光束穿過針孔301的部分增加。在這種情 況下，光檢測器411產生的檢測信號Vs改變如圖8D所示，其改變方式與光檢測器409產生的 檢測信號Vp相反。這樣，可以通過找出光檢測器409和411的輸出信號之差(Vs — Vp)， 而產生聚焦誤差信號。如上所述，本發明所對應的聚焦誤差檢測方法，可以提供穩定的聚焦誤差信號，即使 在角度多路復用時光學數據記錄介質旋轉幾度到十度。這是因為傳播通過介質的光通量幾 乎沒有由於介質20的轉動而改變，事實上沒有引起偏移。[聚焦誤差檢測光學系統的修改例]在圖3到5所示的聚焦誤差檢測光學系統中，入射光束被分成P偏振成分和S偏振成分， P和S偏振成分中的一束被發散或者會聚。P和S偏振成分合成一個光束。光束聚焦在兩個焦 點701和702。聚焦誤差檢測雷射器401可以發出具有指定波長範圍並且在第一和第二波長 J 和X2具有波峰的雷射束。在這種情況下，可以採用圖9到11所示的聚焦誤差檢測光學系統。 圖9到11所示組件中與圖3到5相同的分配有相同的參考編號，並且將不詳細描述。在圖9所示的光學系統中，雷射器401發出在第一和第二波長X1和X2上具有波峰的雷射 束，並且使用分色鏡707代替偏振光束分離器407 (如圖3所示)。在第一和第二波長X1和人2上具有波峰的雷射束從雷射器401施加到兩焦點形成光學系 統703。在兩焦點形成光學系統703中，入射光束被分成兩束分別具有波長X1和X2的光束。 這些光束中的一個被發散或者轉變，並且兩束光合成一個雷射束。該雷射束從兩焦點形成 光學系統703輸出。具有第一和第二波長;il和A2的雷射束以與在圖6A和6B、圖7A到7D和 圖8A到8D所示光學系統中一樣的方式，在光學數據記錄介質20中形成兩個焦點701和702。 雷射束入射到代替偏振光束分離器407使用的分色鏡707上。分色鏡707反射具有波長;il的雷射束，其被光檢測器4U探測到。具有波長X2的雷射束 穿過分色鏡707，並且被光檢測器409探測到。光檢測器409和411分別從這些雷射束產生兩 個檢測信號。檢測信號提供到差動放大器412。差動放大器412產生表示檢測信號大小之差 的聚焦誤差信號。如圖10所示，兩焦點形成光學系統703具有代替偏振光束分離器502 (如圖4所示)的 分色鏡712。分色鏡712反射具有波長X1的雷射束。具有波長X2的雷射束穿過分色鏡712。具 有波長;il的雷射束被衍射光柵504發散，並且施加到分色鏡716。分色鏡716把具有波長;tl 和義2的兩束雷射束合成為單個雷射束。這個雷射束從兩焦點形成光學系統703輸出。在圖io所示的光學系統中，具有波長;u和;i2的雷射束中的一個被轉向或者會聚。因此可以因為參照圖7A到7D和圖8A到8D所述的原理，探測到聚焦誤差。兩焦點形成光學系統403不僅限於圖10所示的光學系統。可以有圖ll所示的光學系統 修改例。在圖U的光學系統中，使用分色鏡902代替背面裝有衍射光柵的鏡子602，並且類 似地使用分色鏡904代替鏡子604 。在圖ll所示的光學系統中，具有波長X1和X2的雷射束被施加到分色鏡902。分色鏡901 反射具有波長人l的雷射束，其被施加到鏡子904。具有波長X2的雷射束穿過分色鏡902，並 且被固定在分色鏡902背面的衍射光柵反射。因此具有波長U的雷射束在分色鏡902中發散。 具有波長人2並如此發散的雷射束也被施加到鏡子904。在分色鏡902中，具有波長X1的雷射 束和具有波長X2的雷射束被折射並且在背面被反射。因此，具有波長X1和X2的雷射束在鏡 子卯4中合成一個雷射束。這個雷射束從兩焦點光學系統703輸出。在圖ll所示的光學系統中，具有波長 d和X2的雷射束中的一個被發散或者會聚。因此 光學系統可以因為參照圖7A到7D和圖8A到8D所述的原理，探測到聚焦誤差。[光學數據記錄/複製再生的配置]圖12是表示光學數據記錄/再生設備的示意圖，其包含圖3或9所示的聚焦誤差檢測光學 系統；除聚焦誤差檢測光學系統之外，該設備具有一記錄/再生光學系統。記錄/再生光學系統包含記錄雷射器101。記錄雷射器101是具有長相干長度的單模式雷射器，並且因此適 合用於全息記錄。適合記錄光束波長的雷射波長應該短(例如，405 nm，那就是說，藍紫 雷射器的輸出波長)，考慮到全息介質的設計自由。記錄雷射器101發出束線偏振雷射射 束，其施加於空間濾波/光束擴張光學系統102。這個光學系統102過濾來自線偏振雷射射束 的噪音並且增加光束的直徑。雷射束從光學系統102施加到半波長片103。半波長片103將 雷射束轉變為具有P偏振成分和S偏振成分的雷射束。光束施加到偏振光束分離器104。P偏振成分穿過偏振光束分離器104，被鏡子105反射，並且施加到特殊光調製器106。 特殊光調製器106執行P偏振成分的亮度調製，將P偏振成分表示的數據轉變為數字數據。 數字數據等於二進位圖形，其包含誤差校正碼並且由許多亮點和暗點組成。這些數據塊稱 作頁碼或者書。以下，它們將稱為頁碼。特殊光調製器106是液晶元件。或者，可以是數 字微鏡裝置(測距裝備)或者鐵電液晶元件。注意鐵電液晶元件具有十微秒左右的高響應 速度數。在特殊光調製器106中強度調整的雷射束被物鏡107聚焦在光學數據記錄介質20 上。這裡假定電場在光學數據記錄介質20的入射面振動。雷射束被以橫磁(TM)模式偏 振並且施加到介質20。儘管如此，光束可以以其中電場在垂直於入射面方向振動的橫電 (TE)模式偏振，並施加到介質20。或者，光束可以是橢偏光束。另一方面，由偏振光束分離器104反射的S偏振成分施加到半波長片109。這個半波長 片109將S偏振成分轉變為具有起始波長一半波長的P極化束，其是可以在光學數據記錄介 質20中與數據光束相干涉的TM極化束。然後，P極化束被施加到光束壓縮系統llO。系統 IIO降低P極化束的直徑。直徑降低的P極化束首先被鏡子111反射，然後被鏡子112反射。 然後P極化束作為參考光束施加到光學數據記錄介質20。在介質中20中，P極化束與數據光 束相互幹涉，從而以精密的幹涉圖的形式記錄一個頁面數據。為了提高角解析度，要求增加數據光束和參考光束之間的角度(即，圖l所示的角度 a )。特殊光調製器106和CCD U4之間的距離由圖12所示的4f光學系統定義，其中物鏡107 和113分別具有焦距fl和f2。如圖12所示，執行圍繞Y軸的角度多路復用和圍繞Z軸的角度 多路復用，以及在X和Y軸的變速多路復用，以記錄方式完成多路復用數據。這些多路復用 數據記錄類似於第5，483,365號美國專利中披露的旋轉復用(peristrophicmultiplexing)。在數據再生模式中，僅僅參考光束被施加到其中在記錄模式下記錄有數據的光學數據 記錄介質20。基本光束(數據光)在介質20中寫入的參考圖形中折射，提供二維圖象。二 維圖象施加到CCD 114。 CCD 114將圖像解碼為數字數據，從而再生數據。在這時候，提 供在光學數據記錄介質20上的針孔301不僅用於按上述方法探測聚焦誤差，而且用於消除鄰近記錄位置的串擾。聚焦誤差檢測光學系統具有配置類似於參照圖3到5和圖6A和6B所述系統的光學系統。 二向色稜鏡118安裝在特殊光調製器106和物鏡107之間。二向色稜鏡118允許用作數據記錄 光束的藍雷射束通過，並且反射用作焦點探測光束的紅光雷射束。二向色稜鏡118用於圖3 到5所示的光學系統。在圖9到11所示的光學系統中，使用半透明反射鏡稜柱代替二向色稜 鏡118。 二向色稜鏡118或者半透明反射鏡稜柱(118)引導焦點探測光束到記錄/再生光學 系統。在記錄/再生光學系統中，焦點探測光束施加到光學數據記錄介質20。在穿過物鏡113 以後，焦點探測光束傳到提取部分光束的二向色稜鏡119。提取的部分光束從記錄/再生光 學系統中輸出。在圖3到5所示的光學系統中，使用二向色稜鏡119。在圖9到11所示的光學 系統中，使用半鏡稜柱代替二向色稜鏡119。如上所指出，提供在光學數據記錄介質20上的針孔301用來探測聚焦誤差以及來消除 數據再生光束中的噪音和串擾。然而，探測聚焦誤差的最理想針孔301直徑可能不同於消 除噪音和串擾的最理想直徑。如果是這個情況，介質20—定具有圖13所述的針孔層。如圖 13所示，這個針孔層包含光屏蔽903和形成在光屏蔽903上的環902。光屏蔽903分別具有針 孔901，和圍繞針孔901的環902。記錄雷射束，再生雷射束和聚焦誤差檢測雷射束可以穿 過每個針孔901。記錄雷射束和再生雷射束可以穿過環902。最好，圖13所示針孔層的光屏 蔽卯3是光吸收層，其屏蔽反射雷射束引起的散射光，並且防止光到達介質20的光學數據 記錄層。上述記錄/再生光學系統是透射型系統。本發明不限於此。明顯地，本發明中可以採用 反射同軸直線型的記錄/再生光學系統。可以提供有簡易而且有用的聚焦誤差檢測裝置，用於可以在旋轉的光學數據記錄介質 上記錄和再生數據的光學數據記錄/再生設備。已經說明本發明的最佳模式。本發明不限於上述實施例。可以進行各種改變和修改， 而不背離本發明的範圍和實質。對本領域的技術人員而言，很容易實現其他優點和修改。因此，本發明在其更廣大方 面並不限於本文說明的具體細節和典型實施例。相應地，可以做出諸多修改，而不背離總 體發明概念的精神和範圍，該總體發明概念由附加的權利要求及其等價物定義。
權利要求
1.一種聚焦誤差檢測裝置，其特徵在於，包含雷射束源，其發出聚焦誤差檢測雷射束；分束光學單元，其將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和第二光束成分，其使第一和第二光束成分中的一個發散或者會聚，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個雷射束；物鏡，其將單個雷射束的第一和第二光束成分分別聚焦在光學數據記錄介質的第一和第二焦點上，其中光學數據記錄介質具有針孔陣列，並且對第一和第二光束成分實質上不敏感，第一焦點設置在針孔的一側，並且第二焦點設置在針孔的另一側；檢測光學單元，其將從光學數據記錄介質出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成分，分別檢測第一和第二部分來產生第一和第二檢測信號；以及處理單元，其處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，其中分束光學單元包含第一偏振光束分離 器，將聚焦誤差檢測雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的P和S偏振成分，並且 重疊P和S偏振成分來產生單個雷射束，檢測光學單元包含第二偏振光束分離器以及第一和 第二檢測器，第二偏振光束分離器將單個雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的 P和S偏振成分，並且第一和第二檢測器分別檢測P和S偏振成分。
3. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，其中一個針孔具有下式所給出的直徑D:Ddz.tan(sirT'(上))其中Az[pm]是第一和第二焦點之間的距離，NA是物鏡的數值孔徑，並且n是光學數據 記錄介質的平均折射率。
4. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，其中分束光學單元包含分色鏡，將聚焦誤 差檢測雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的第一和第二波長成分，並且重疊第 一和第二波長成分來產生單個雷射束，檢測光學單元包含第二分色鏡以及第一和第二檢測 器，第二分色鏡將單個雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的第一和第二波長成 分，並且第一和第二檢測器分別檢測第一和第二波長成分。
5. —種光學數據記錄/再生設備，其特徵在於，包含 記錄/再生雷射束源，其產生記錄/再生雷射束；第一分束單元，其將記錄/再生雷射束分離成記錄雷射束和參考雷射束； 聚焦檢測雷射束源，其產生聚焦誤差檢測雷射束；第二分束單元，其將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和第二光束成分，其使 第一和第二光束成分中的一個發散或者會聚，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個雷射束；物鏡，其將記錄雷射束聚焦在全息記錄介質上，並且將單個雷射束的第一和第二光束 成分分別聚焦在全息記錄介質的第一和第二焦點上，其中全息記錄介質具有針孔陣列和對 第一和第二光束成分實質上不敏感的記錄層，第一焦點設置在針孔的一側，並且第二焦點 設置在針孔的另一側；會聚光學單元，其將參考雷射束會聚在記錄層中，其中在記錄模式中，參考雷射束與 記錄雷射束光學幹涉來產生幹涉記錄圖案，並且在再生模式中，參考雷射束投射到幹涉記 錄圖案上而沒有記錄雷射束的照射，來從幹涉記錄圖案中產生再生雷射束；光檢測器，其檢測再生雷射束；檢測光學單元，其將從光學數據記錄介質出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成 分，分別檢測第一和第二成分來產生第一和第二檢測信號；以及處理單元，其處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。
6. 如權利要求5所述的裝置，其特徵在於，其中第二分束單元包含第一偏振光束分離 器，將聚焦誤差檢測雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的P和S偏振成分，並且 重疊P和S偏振成分來產生單個雷射束，檢測光學單元包含第二偏振光束分離器以及第一和 第二檢測器，第二偏振光束分離器將單個雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的 P和S偏振成分，並且第一和第二檢測器分別檢測P和S偏振成分。
7. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，其中一個針孔具有下式所給出的直徑D:Z)〈」z-tan(siiT'(^"))其中Az[pm]是第一和第二焦點之間的距離，NA是物鏡的數值孔徑，並且n是光學數據 記錄介質的平均折射率。
8. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，其中第二分束單元包含分色鏡，將聚焦誤差檢測雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的第一和第二波長成分，並且重疊第 一和第二波長成分來產生單個雷射束，檢測光學單元包含第二分色鏡以及第一和第二檢測 器，第二分色鏡將單個雷射束分離成分別對應於第一和第二光束成分的第一和第二波長成 分，並且第一和第二檢測器分別檢測第一和第二波長成分。
9. 一種探測聚焦誤差的方法，其特徵在於，包含產生聚焦誤差檢測雷射束；將聚焦誤差檢測雷射束分離成第一光束成分和第二光束成分，其發散或者會聚第一和 第二光束成分中的一個，並且重疊第一和第二光束成分來產生單個雷射束；將單個雷射束的第一和第二光束成分分別聚焦在光學數據記錄介質的第一和第二焦 點上，其中光學數據記錄介質具有針孔陣列，並且對第一和第二光束成分實質上不敏感， 第一焦點設置在針孔的一側，並且第二焦點設置在針孔的另一側；將從光學數據記錄介質出射的單個雷射束分離成第一和第二光束成分；分別檢測第一和第二成分來產生第一和第二檢測信號；以及處理第一和第二檢測信號，從而產生聚焦誤差信號。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，其中在分離第一和第二光束成分中，第一 和第二光束成分分別對應於P和S偏振成分，並且P和S偏振成分被重疊，提供單個雷射束； 在檢測第一和第二光束成分中，單個雷射束被分離成分別對應於第一和第二光束成分的P 和S偏振成分，從而檢測P和S偏振成分。
11. 一種全息記錄介質，其用於產生聚焦誤差檢測雷射束、記錄雷射束和參考雷射束 的數據記錄/再生設備，其特徵在於，所述全息記錄包含具有針孔陣列的針孔層；形成在針孔層上的記錄層，其對第一和第二光束成分實質上不敏感，並且其中由記錄 雷射束和參考雷射束幹涉引起幹涉圖案。
全文摘要
本發明提供聚焦誤差檢測裝置及具有其的全息數據記錄/再生設備。在聚焦誤差檢測裝置中，雷射束被分成第一和第二光束成分，並且第一併且第二光束成分中的一個被發散或者會聚。然後，第一和第二光束成分彼此重疊，提供單個雷射束。單個雷射束穿過物鏡，施加到光學數據記錄介質。第一雷射束成分聚焦在位於針孔一側的第一焦點上。第二束部分聚焦在位於針孔另一側的焦點上。
文檔編號G11B7/0065GK101308673SQ20081009051
公開日2008年11月19日 申請日期2008年3月26日 優先權日2007年3月28日
發明者久保田裕二, 山本雄一郎, 立田真一 申請人:株式會社東芝