微型光學讀取裝置的製作方法

2023-09-16 01:17:40 2

專利名稱：微型光學讀取裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型光學讀取裝置，特別是涉及一種使用分開設置的軸 向式分光元件與像散式反射鏡的微型光學讀取裝置。
背景技術：
目前，光碟機廣泛應用於影音播放裝置及數據儲存裝置，並且已成為計算 機必備的外設裝置。在光碟機薄型化的過程中，光學讀取頭的設計非常關鍵。 光學讀取頭是光碟機的重要部分，其主要功能是在光碟上產生足夠小的聚焦光 點，以及產生聚焦誤差信號與循軌誤差信號，進而正確且快速地獲得光碟所 儲存的數據。為了縮小體積，目前已有運用集成電路的方式來製造光學讀取 頭，將微電機元件通過微機電系統技術相互結合，並利用表面矽微加工技術
縮小尺寸、減輕系統重量，從而獲得微小化的光平臺(Optical Bench),從而具 有光碟機信號讀取頭組件的功能。
參照圖1，該圖是顯示現有技術的微型光學讀取裝置的示意圖。在圖中， 微型光學讀取裝置1為矽基堆疊式微光學元件，微型光學讀取裝置1包含激 光發光二極體10、光檢測器11、全像光學元件(Holographic Optical Element, HOE) 12、準直透鏡13及物鏡14。雷射二極體10產生入射光16,該入射光 16經過全像光學元件12及準直透鏡13成為平行光，再經由物鏡14會聚到 光碟15上。由光碟15反射的反射光17經過全像光學元件12,聚焦於光檢 測器11上。
在全像光學元件12的設計中，相互間隔地蝕刻偏折一定角度的圖案，以 獲得一階衍射光束，這產生了有限的光學路徑效率，且微影製作難度增加， 並且需要考慮薄膜本身應力問題。在微光學製造領域中，蝕刻技術是最重要 的製作步驟，通過微影製作過程將圖案轉移到薄膜上的光阻上，通過化學反 應或者物理作用的方式除去被光阻覆蓋和保護的薄膜部分，從而最終完成將 圖案轉移到薄膜上的目的。
溼式蝕刻是最早被使用的蝕刻技術，利用薄膜與特定溶液之間的化學反
4應來去除未被覆蓋的薄膜部分。其特點是製作過程簡單，蝕刻速度快，對不 同材料具有較好的選擇部分。但是化學反應則是具有腐蝕性的自由基與被蝕 刻材料的氧化鍵結反應，但無特定方向性，為各向同性蝕刻，並且被蝕刻物 向下與向側部的速度相等，容易有底切現象發生。另外，乾式蝕刻是通過離 子轟擊，高能離子經偏壓吸引，加速撞擊被蝕刻的材料表面，從而出現材料 被挖除的現象，屬於各向異性的蝕刻技術，具有能夠控制薄膜蝕刻輪廓的優 點。因此，製作全像光學元件12,當蝕刻具有偏折一定角度的圖案時，在薄 膜蝕刻、在計算較小的參數範圍以及在技術掌控等方面困難度高。
此外，現有技術的全像光學元件12為穿透式光學元件，其兩側都需要光
傳播空間，這也是不利於光學讀取裝置薄型化的因素。
考慮到現有技術的各項問題，為了能夠兼顧解決的，本申請的發明人基 於多年研究與諸多實務經驗提出 一種微型光學讀取裝置，以作為改善上述缺 點的實現方式與依據。

發明內容
本發明的目的在於提供一種微型光學讀取裝置，其使用分開設置的軸向 式分光元件與像散式反射鏡來解決設計製作上的製作過程參數範圍過窄的問 題，進而降低集成電路的製作難度。
根據本發明的目的，提出一種微型光學讀取裝置，用於將入射光提供到 光學記錄介質，並接收來該光學記錄介質的反射光，從而存取該光學記錄介 質的數據。所述微型光學讀取裝置包括用於產生入射光的光源產生元件、軸 向式分光元件、光偏振元件、像散式反射鏡及光感測元件。軸向式分光元件 根據入射光及反射光的極化方向，使入射光完全穿透，並使反射光發生偏折。 光偏振元件被設置在軸向式分光元件及光學記錄介質之間，用於改變入射光 和來自光學記錄介質的反射光的極化方向。像散式反射鏡接收並像散聚焦來 自軸向式分光元件的反射光，並對其進行反射。光感測元件接收來自像散式 反射鏡的反射光，並將該反射光轉換為相應的電信號。
其中，軸向式分光元件最好為鋸齒式光柵。
其中，像散式反射鏡最好為連續曲面結構、二元光學式結構或菲涅爾結構。


通過下面結合示例性地示出一例的附圖進行的描述，本發明的上述和其
他目的和特點將會變得更加清楚，其中
圖1為現有技術的微型光學讀取裝置的示意圖2為本發明的微型光學讀取裝置的示意圖3為本發明的微型光學讀取裝置的第一實施例的示意圖4為本發明的微型光學讀取裝置的第二實施例的示意圖5A為本發明的微型光學讀取裝置的光檢測器上聚焦的光點形狀的示
例；
圖5B為本發明的微型光學讀取裝置的光檢測器上聚焦的光點形狀的另 一示例；
圖5C為本發明的微型光學讀取裝置的光檢測器上聚焦的光點形狀的再 一示例。
其中，主要元件符號說明如下
1:微型光學讀取裝置；
10:雷射發光二極體；
11:光檢測器；
12:全像光學元件；
13:準直透鏡；
14:物4竟；
15:光碟；
16:入射光；
17:反射光；
2:微型光學讀取裝置；
20:光源產生元件；
21:光感測元件；
22:像散式反射鏡；
23:軸向式分光元件；
24:光偏l展元件；
25:光學記錄介質；
626:反射光； 27:入射光； 3:微型光學讀取裝置; 30:光學記錄介質； 31:雷射發光二極體； 32:光感測元件； 331:第一反射面； 332:第二反射面； 34:像散式反射鏡； 35:鋸齒式光^f冊； 351:各向同性材料； 352:各向異性材料； 36: 1/4相位延遲波片； 37:入射光； 38:反射光； 4:微型光學讀取裝置; 45:類鋸齒式光柵； 501 504:感測區； 51 53:光點。
具體實施例方式
以下將參照相關圖示，說明根據本發明的優選實施例的微型光學讀取裝 置，為便於理解，下述實施例中的相同元件以相同的符號標示來說明。
參照圖2,該圖為本發明的微型光學讀取裝置的示意圖。圖中，微型光 學讀取裝置2用於讀取光學記錄介質25 (例如VCD、 DVD系列的光碟)的 數據。微型光學讀取裝置2包含光源產生元件20、光偏振元件24、軸向式分 光元件23、像散式反射鏡22以及光感測元件21。光源產生元件20用於產生 入射光27，該入射光27射向軸向式分光元件23。光源產生元件20最好為激
或直接穿透。在此說明中，入射光27穿透軸向式分光元件23,從而射向光 偏4展元件24。光偏振元件24設置在軸向式分光元件23與光學記錄介質25之間，用於 改變所述射入光線的極化方向。入射光27經過光偏振元件24後射向光學記 錄介質25，再由光學記錄介質25反射產生反射光26，以射至光偏振元件24。 由於光偏振元件24的作用是使反射光26與入射光27的極化方向不同，這使 得反射光26射入軸向式分光元件23時產生偏折，從而射向像散式反射鏡22。
像散式反射鏡22將反射光26像散聚焦且反射至光感測元件21。光感測 元件21包含多個獨立感測區，並且被設置在像散式反射鏡22的光學路徑上， 用於接收來自像散式反射鏡22的反射光26,並感測反射光26的強度，以產 生相對應的電信號。反射光26在光感測元件21上形成光點，該光點的形狀 隨著光學記錄介質25的位置變化而變化，所以可根據光感測元件21的所有 獨立感測區分別感測到的光強度信號進行運算，以得知光學記錄介質25的位 置變化。
由此，光源產生元件20產生的入射光射向讀取光學記錄介質25,經由 讀取光學記錄介質25反射後，所產生的反射光由像散式反射鏡22像散聚焦 於光感測元件21上以形成光點。而光學記錄介質25因運轉而上下飄動時會 使光點產生不對稱結構的變化，可通過分析光點的變化來產生誤差信號。光 偏振元件24可為延遲片(retarder),例如1/4相位延遲波片，或是光偏振板，
l學元件: '"' ° 、一 ' "' ° 、5 、
軸向式分光元件23最好由各向同性材料和各項異性材料的組合製成的 光學元件，例如鋸齒式光柵(blazed grating)或類鋸齒式光柵。此光柵在製作上 先以各向同性材料形成鋸齒元件或階梯形狀的類鋸齒元件，再將各向異性材 料覆蓋在上述元件上，從而形成所述鋸齒式光柵或所述類鋸齒式光柵。由於 各向異性材料的折射率會隨著極化方向而改變，所以當在入射光27的極化方
，入射光27可直接穿透,
時，則反射光在此光柵處發生偏折，且偏折角度與光柵周期和光柵的鋸齒溝 槽角度或斜率有關。
上述微型光學讀取裝置2最好為自由空間堆疊型光學讀取裝置，且根據 需要還可包含至少一個反射面，以使上述的光路摺疊。像散式反射鏡22可為連續曲面結構、二元光學式(binary optics)結構或菲涅爾(Fresnel)結構。菲涅爾 結構為一種片段連續結構，二元光學式結構為一種階梯式結構，其厚度小於 傳統的反射鏡結構，且能製作出任意的非球面透鏡輪廓，但只是其光效率較 低。此外，像散式反射鏡22可為軸對稱或非軸對稱，可為曲面，也可為柱狀。 由於本發明的微型光學讀取裝置使用像散式反射鏡來執行聚焦功能，而 像散式反射鏡可根據設計需要而被設置於其它元件上，而傳統的穿透式全像 光學元件的兩側都需要光傳播空間，相比較之下，本發明可製作出厚度更薄 的光學讀取裝置。
參照圖3，該圖為本發明的微型光學讀取裝置的第一實施例的示意圖。 圖中，微型光學讀取裝置3被置於矽基氮化矽上，利用晶片封裝技術以堆疊 方式封裝完成，計算機據此仿真定義出光學元件所需要的規格，進而將各光 學元件的圖案製作到光罩上，最後利用微影與蝕刻的方式將此圖案轉移到光 學元件上，以完成所述自由空間堆疊型微型光學讀取裝置。微型光學讀取裝 置3包括光學記錄介質30、雷射發光二極體31、光感測元件32、第一反射 面331、第二反射面332、像散式反射鏡34、鋸齒式光4冊35及1/4相位延遲 波片36。
雷射二極體31產生的入射光37由第一反射面331及第二反射面332反 射至鋸齒式光柵35。鋸齒式光柵35由各向同性材料351與各向異性材料352 的組合製成。在此實施例中，各向同性材料351與各向異性材料352的折射 率在入射光37的極化方向上被設計為相同，所以入射光37可直接穿透至1/4 相位延遲波片36,再射向光學記錄介質30。光學記錄介質30反射入射光37 而產生反射光38。
由於反射光38再次經過1/4相位延遲波片36後其才及化方向與入射光37 的極化方向近似正交，且各向同性材料351與各向異性材料352的折射率在 反射光38的極化方向上被設計為不同，因此，反射光38在各向同性材料351 與各向異性材料352的交界面產生偏折，從而射向像散式反射鏡34。反射光 38偏折的角度與光柵35的周期和光柵35的鋸齒溝槽角度有關，微型光學讀 取裝置的設計者可調整光柵的周期與鋸齒溝槽角度(斜率)，以設計出需要的偏 折角度。通過鋸齒式光柵36的反射光38由像散式鏡34接收且像散聚焦，並 反射至光感測元件32，以產生形狀不對稱變化的光點。
參照圖4,該圖為本發明的微型光學讀取裝置的第二實施例的示意圖。圖中，微型光學讀取裝置4與微型光學讀取裝置3的差異處在於，微型光學
讀取裝置4使用類鋸齒式光柵45作為軸向式分光元件，並且像散式反射鏡 34也被設置在不同的位置，以接收在類鋸齒式光柵45上發生偏折的反射光 38。類鋸齒式光柵45由各向同性材料351與各向異性材料352的組合製成， 而各向同性材料351為階梯狀，而各向異性材料352覆蓋各向同性材料351。 類鋸齒式光柵45偏折反射光38的原理與鋸齒式光柵35相似，而反射光38 偏折的角度與光柵35的周期和光柵35的階梯溝槽斜率有關。而像散式反射 鏡34被設置在偏折後的反射光38的光路徑上，以像散聚焦反射光38,並將 其反射至光感測元件32。類鋸齒式光柵45與鋸齒式光柵36相比較，其製作 過程的難度及成本比較低，但光效率比鋸齒式光柵36低，因此，微型光學讀 取裝置的設計者可根據實際應用需要而選擇適當的軸向式分光元件。
此外，在上述兩個實施例中，軸向式分光元件以各向同性材料及各向異 性材料的組合所製成的光柵來實施，且入射光從各向異性材料側射入光柵， 而反射光從各向同性材料側射入光柵，並且都是反射光在光柵中發生偏折。 此僅為舉例，但本發明不限於此，只要可根據射入光線的極化方向不同而使 射入光線具有不同的偏折角度的光學元件，都在本發明的保護範圍內。
上述兩個實施例說明本發明的微型光學讀取裝置在設計上可根據需要而 改變，例如改變所使用的軸向式分光元件、改變軸向式分光元件的偏折角度、 改變像散式反射鏡34的位置或改變像散式反射鏡34的結構形式。此外，設 計者可分別獨立優化軸向式分光元件與像散式反射鏡的效率及功能，以次來 提高微型光學讀取裝置的效率及功能。與傳統全像光學元件相比，本發明設 計製作上的可用參數及彈性增加，使其可實現性大幅提升。
參照圖5A至圖5C所示，所述附圖是分別顯示聚焦在光檢測器上的光點 的形狀，聚焦焦點從遠至近的示意圖。圖中，經過像散式反射鏡像散聚焦後， 反射光在光感測元件上形成光點51 53。光傳感器元件具有多個感測區 501 504，分別用於感測到光點51 53的部分光強度，並轉換為相對應的電信 號，並通過從感測區501 504輸出的光強度信號進行運算，從而可以得知光 學記錄介質的位置變化。
例如，當感測區502與感測區504的光強度總和的值大於感測區501與 感測區503的光強度總和的值，且超過閾值，即，光點形狀近似於光點51， 這表示聚焦焦點過遠；當感測區501與感測區503的光強度總和的值大於感
10測區502與感測區504的光強度總和的值，且超過閾值，即光點形狀近似於 光點53，這表示聚焦焦點過近；若感測區501 504的光強度相似，即光點形 狀近似於光點52，這表示反射光聚焦於光傳感器元件上。
由於本發明使用像散式反射鏡來像散聚焦反射光，所以在光傳感器元件 上形成的光電形狀類似菱形，而非傳統的橢圓形狀。此外，通過上述運算， 還可達到判斷光學記錄介質的位置變化的效果。
如上所述；根據本發明的微型光學讀取裝置具有以下優點
(1) 本發明的微型光學讀取裝置使用互相分離的軸向式分光元件和像散 式反射鏡，與傳統全像光學元件相比，本發明的集成元件製作難度較低，並 降低製作成本。
(2) 本發明的微型光學讀取裝置可分別優化軸向式分光元件與像散式反 射鏡的效率及功能，來提高微型光學讀取裝置的效率及功能，與傳統全像光 學元件相比，本發明設計製作上的可用參數及彈性增加，使其可實現性大幅 提升。
(3) 本發明的微型光學讀取裝置使用像散式反射鏡進行聚焦，與傳統的 穿透式全像光學元件相比，更有利於光學讀取裝置的薄型化。
以上所述僅為舉例性，而非限制性。任何未脫離本發明的精神與範圍對 本發明進行的等效修改或變更，均會落入本申請的權利要求範圍中。
權利要求
1、一種微型光學讀取裝置，用於將入射光提供至光學記錄介質，並接收來自該光學記錄介質的反射光，從而存取該光學記錄介質的數據，該微型光學讀取裝置包括光源產生元件，產生入射光；軸向式分光元件，根據入射光及反射光的極化方向使所述入射光完全穿透，並使反射光發生偏折；光偏振元件，設置在軸向式分光元件及光學記錄介質之間，用於改變入射光及來自光學記錄介質的反射光的極化方向；像散式反射鏡，接收並像散聚焦來自軸向式分光元件的反射光，並對其進行反射；以及光感測元件，接收來自像散式反射鏡的反射光，並將該反射光轉換為相應的電信號。
2、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置，其中，所述反射光的極化方 向與該入射光的^^化方向正交。
3、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 由各向同性材料及各向異性材料的組合製成。
4、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 為鋸齒式光柵或類鋸齒式光柵。
5、 如權利要求4所述的微型光學讀取裝置，其中，所述軸向式分光元件 其中，所述軸向式分光元件或斜率有關。
6、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 軸對稱結構或非軸對稱結構。
7、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 表面為^求面、4主面或非^求面。
8、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 連續曲面結構、二元光學式結構或菲涅爾結構。
9、 如權利要求1所述的微型光學讀取裝置， 所述反射光像散聚焦於所述光感測元件上，以形成光點，並且該光點的形狀其中，所述反射光相對於所 — 斤述光柵的鋸齒溝槽角度其中，所述像散式反射鏡為其中，所述像散式反射鏡的其中，所述像散式反射鏡為其中，所述像散式反射鏡使變化對應於所述光學記錄介質的位置變化。
10、如權利要求9所述的微型光學讀取裝置，其中，所述光感測元件包 括用於感測該光點的強度的多個感測區。
全文摘要
本發明涉及一種微型光學讀取裝置，用於將入射光提供到光學記錄介質，並接收來自該光學記錄介質的反射光，該微型光學讀取裝置包括光源產生元件，用於產生入射光；軸向式分光元件，用於根據入射光及反射光的極化方向使所述入射光完全穿透，並使所述反射光發生偏折；光偏振元件，設置於軸向式分光元件及光學記錄介質之間，用於改變入射光和來自光學記錄介質的反射光的極化方向；像散式反射鏡，接收並像散聚焦來自軸向式分光元件的反射光，且對其進行反射；光感測元件，用於接收來自像散式反射鏡的反射光，並將其轉換為相應的電信號。
文檔編號G11B7/1362GK101562025SQ20081009252
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月18日 優先權日2008年4月18日
發明者蘇雅妮, 陳政寰 申請人:財團法人交大思源基金會