具有傾斜檢測的光學掃描設備的製作方法
2023-05-10 07:02:01
專利名稱：具有傾斜檢測的光學掃描設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有傾斜檢測功能的光學掃描設備。
在先進光學掃描設備中，例如在數字通用盤(DVD)類系統中，將高數值孔徑(NA)物鏡用於實現高數據容量。缺點是當盤傾斜時，由盤的覆蓋層引起的波前像差(尤其是彗差)造成了小的盤傾斜餘量。因為該波前像差隨著物鏡的NA增大而增大，所以使用的數值孔徑越高，盤的傾斜就變得越重要。
美國專利第4219704號描述了一種光學掃描裝置，其中測量了光學記錄載體的傾斜。在一個實施例中，利用獨立的光源測量傾斜，該獨立的光源具有例如不同的波長。在可選實施例中，利用從雷射輻射源背面發出的輻射來測量傾斜，因此該輻射與讀取光束分離。利用具有背發射的雷射二極體較複雜而且成本較高。
日本專利申請JP-A-200076678描述了一種光學掃描設備，其中物鏡的前表面由曲率互不相同的第一和第二區域構成。中心區域不將輻射光束聚焦到盤的信息層上的一點，而是將光束的中心部分聚焦到該盤的前表面上。在返回光束路徑中，利用全息元件將返回光束的中心部分分離到位置檢測器。利用全息元件來分離兩個光束是成本較高的解決方案。
日本專利申請JP-A-05006562描述了一種包括傾斜檢測系統的光學掃描設備。該設備的物鏡包括外圍邊緣，光束向光學記錄載體傳播時通過該外圍邊緣而不重新定向。半反射鏡分束器僅僅在該外圍邊緣或者在出現光束傾斜檢測部分的邊緣處起作用，其將返回的光束傾斜檢測部分反射出主光路並朝向傾斜檢測光學系統，該光學系統包括位置傳感器。傾斜檢測系統需要獨立的光路。而且，如該配置中所提議的，半反射鏡與致動器的集成增加了物鏡系統的重量並且增加了該物鏡系統的機械致動器系統的功耗。還減少了致動器的帶寬，這就限制了系統的掃描速度。
需要在克服現有技術配置缺點的條件下檢測系統中傾斜的特性。
根據本發明，提供了一種光學掃描設備，其利用輻射光束掃描光學記錄載體，所述設備包括用於將輻射光束聚焦為記錄載體信息層上的光點的光學系統；以及檢測系統，包括信息信號檢測器，該檢測器設置用於在輻射光束的主要部分在記錄載體上反射之後接收該主要部分中的輻射並且檢測其中的信息信號，其中該光學系統包括重新定向的結構，設置用於在輻射光束向記錄載體傳播時，將其一部分的方向變為不同於輻射光束主要部分的方向，使得重新定向的光束部分所遵循的路徑不同於主光束部分所遵循的路徑，並且其中該檢測系統包括用於檢測重新定向的光束部分的位置的位置敏感檢測器。
利用本發明，提供了一種傾斜檢測系統，其不需要光學系統中獨立的傾斜檢測支路。該重新定向的結構能夠形成在例如光學系統中物鏡的表面上，並且改變主信息信號檢測光束的一部分的方向。在從光學記錄載體反射之後，重新定向的部分所遵循的路徑通過與主光束相同的光學組件，直到到達位置敏感檢測器。
以下將參照相應附圖，示例性地給出本發明優選實施例的描述，據此，本發明的其它方面、優點和特徵將顯而易見，其中
圖1是根據本發明實施例的光學掃描設備的示意側視圖；圖2是根據本發明實施例設置的檢測系統的平面圖；圖3是根據本發明實施例相對於盤設置的物鏡的示意橫截面圖；圖4是圖3所示的物鏡的表面的一部分的平面圖；圖5是本發明另一實施例中相對於光碟設置的物鏡的示意橫截面圖；圖6是圖5所示的物鏡的一部分的橫截面圖；圖7是用於本發明實施例中的信號處理元件的示意圖；圖8是表示了用於本發明實施例的盤的傾斜與最佳物鏡傾斜之間的關係圖。
圖1中表示了根據本發明實施例的光學掃描設備。在這個實施例中，該設備適於掃描DVD型盤。輻射光源2在本實施例中為雷射二極體，其發出具有預定波長(例如660nm)的輻射光束。準直透鏡6準直輻射光束，具有預定焦距(例如2.75mm)的物鏡將該輻射光束聚焦到光學記錄載體(本實施例中為盤)的信息層上。1/4波片8和偏振分束器4用於將反射光束引導到檢測系統16上。例如像散透鏡的檢測透鏡14用於為主光束部分15提供聚焦控制。
除了通過上述光學系統的主光束之外，為了傾斜檢測，光束部分17被分離出光路，並且將其方向變為朝向檢測系統16的傾斜檢測部分，從而獨立於主信息信號對該光束部分進行檢測。重新定向的光束部分17在其朝記錄載體12的路徑上重新定向並由此反射之後，通過了物鏡10、1/4波片8、準直透鏡6和檢測器透鏡14中的每一個，每個元件都在其各自的孔內。準直透鏡6將重新定向的光束部分17聚焦為檢測系統中位置敏感檢測器上的光點。
圖2表示了用於檢測系統16中的示例性檢測器陣列。該檢測器陣列包括常規的象限檢測器18，用於檢測從光碟12中的信息層讀取的信息信號以及聚焦誤差信號；以及兩個推挽式徑向跟蹤誤差檢測器20、22，設置在象限檢測器18的每一側，用於檢測跟蹤誤差信號。在光學系統16中還包含二維位置感測設備24，其用於檢測徑向的盤傾斜和切向的盤傾斜。在可選實施例中，一維位置感測設備可以用來取代該二維位置感測設備24，從而單獨檢測徑向傾斜或者切向傾斜。其它可選方式是，如下所述，可以使用兩個一維檢測器以及兩組重新定向的結構，以便獨立地檢測徑向的盤傾斜與切向的盤傾斜。
在這個實施例中，在物鏡10的前表面25上提供了重新定向結構26，該前表面即為圖3和4中所示的最接近輻射光源2的表面。這種結構可以位於該透鏡的任意位置上——用於掃描盤12的信息層的孔徑內和外。如圖3所示，優選位置是在透鏡10的中心處，這是因為在這個位置上重新定向的光束部分將會測量主掃描光點位置處的盤傾斜。在這個實施例中，物鏡的後表面27是平面。
重新定向的結構26包括兩個傾斜且平坦的區域A和B，這兩個區域中的每一個相對於周圍的透鏡表面傾斜，如圖3和4所示。在這個實施例中，這兩個區域的傾斜角為i。在可選實施例中，該表面可以以不同角度傾斜。在另一可選實施例中，不包括表面B；返回光束部分可以改為通過該物鏡前表面25的基本上平坦的部分。當光線RI表示的準直光束部分平行於透鏡10的光軸28傳播時，其入射到區域A上並且被該傾斜表面A重新定向並被盤反射，接著傾斜表面B再次改變該光束部分的方向，如光線RR所示。該盤相對於與檢測器平面方向相同的平面的傾斜為δ。當光線如圖3所示重新定向並反射時，它們形成了角度i、o』、i』、o、p、q、j和k。反射光線RR相對於光軸28的角度k如下k＝2((n-1)i+δ) (1)以上，使用了小角度近似，並且n是物鏡10主體的折射率。當在與測量x的方向相同的方向上測量角度δ時，準直器聚焦到檢測器平面中的光點位置x是x＝fk＝2f[(n-1)i+δ] (2)其中f是準直器和伺服透鏡組合的焦距。因此，通過適當選擇傾斜平面區域A和B的傾斜角I，能夠選擇反射光點的非傾斜位置，並且該位置根據盤的傾斜δ變化。位置檢測器26的中心與象限檢測器18的中心在檢測器平面上間隔了大約2f(n-1)i的值。在製造過程中需要的唯一對準是在物鏡10的定向過程中，相對於位置檢測器設置傾斜區域A和B，使得在掃描未傾斜的盤部分時，重新定向的光束部分17的光點落入檢測器24的中心。
注意，圖3所示的角度是示意性的，並且為了說明而進行了誇張表示。被重新定向且被反射的光束部分17與光束準直部分的光軸的夾角k應足夠小，通常在0＜i＜10°的範圍內，使得重新定向的光束部分17通過圖1所示的每個組件並且相對於主光束部分重新定向。該夾角應足以將重新定向的光束部分與主光束部分分離到檢測系統16的分別不同的檢測器元件上。入射到傾斜區域A上的輻射以角度γ反射回檢測器，並且其沿著檢測器表面上的軸的位置是x。考慮以下實例，物鏡10主體的折射率n＝1.768、i＝54.3mrad、準直器和檢測器透鏡組合的焦距為12mm，x位置表示為x＝24(0.768×0.0543+δ)≈1.00+24δmm (3)假設最大的盤傾斜為δ＝±2°(＝±35mrad)，則最小和最大的x位置是0.16mm和1.84mm。可以利用檢測系統中的正敏感檢測器來測量偏移，例如Hamamatsu S7848檢測器。如果典型的位置誤差假定為30μm，則能夠實現的傾斜角度測量精度小於±0.1°。
優選的是，重新定向的結構26構成主光束部分孔徑橫截面面積的不到5％。在這個實例中，將Anteryon A0460型物鏡用作物鏡10的基體。物鏡光瞳的總面積是10.07mm2。中心結構的面積是例如0.25mm2，因此2.5％(即小於5％)的掃描輻射光束未聚焦到盤12的信息層上的點，而是用於測量盤的傾斜。這就影響了主光束光點的形狀，但是其在可接受的容差範圍內。
圖5和6中表示了本發明的另一實施例，其中與第一實施例相似的元件用相同的參考數字加上100表示。
在這個實施例中，使用了替換的重新定向的結構126，其包括兩個小傾斜平面表面C和D，它們相對於透鏡的平面後表面127傾斜的角度為α，該後表面為垂直於透鏡光軸的平面。由R1表示的一個入射光束部分的被重新定向並且在盤上反射，由光線R2表示的另一入射光束部分在透鏡表面上反射。優選選擇角度α和β，使得當物鏡和盤平行時，被重新定向的光線R1和反射光線R2重疊。這個條件如下=(n+1)(n-1)]]>其中使用了小角度近似，並且n是輻射通過的物鏡110的折射率。當物鏡和盤的傾斜角度相同時，光線R1和R2表示的光束部分在向檢測器傳播時重疊，而不依賴於絕對傾斜角度(假設這些角保持為小角度)。例如，如果α＝1.4°，n＝1.5，則β＝7.0°。在圖5中，盤相對於與檢測器平面相當的平面的夾角為δ。採用小角度近似，在物鏡表面上反射的光束部分(由光線R2表示)與重新定向並在盤上反射的光束部分(由光線R1表示)之間的夾角是2δ。
在與檢測系統相關聯的信號處理系統中區分檢測器24上的由射線R1和R2表示的兩個光束部分的位置信號。在一個實施例中，通過將輻射強度調製器放置在盤和物鏡之間來調製由光線R1表示的重新定向的光束部分，從而進行區分。然後通過解調，能夠區分檢測器信號。可選擇的是，可以利用不同的光源，例如不同波長的光源，如用於可兼容CD的DVD播放器中的附加CD雷射器，來生成輻射光束，通過該輻射光束生成反射光束部分。可以獨立於主光束光源來打開和關閉這個光源，從而能夠區分其對於檢測器信號的貢獻。
圖6表示了在物鏡表面125的其餘部分上使用抗反射塗層130以及在重新定向的結構上使用高反射率塗層132，這兩個塗層是分離光線所需的。該抗反射塗層130對於CD波長(例如780nm)和DVD波長(例如660nm)是高透射性的，而高反射率塗層132對於DVD波長是高透射性的，對於CD波長是高反射性的。DVD雷射器發出的輻射光束形成了由光線R1表示的光束部分，CD雷射器發出的輻射光束形成了由光線R2表示的光束部分。當CD雷射器關閉時，來自檢測器的信號與DVD光束部分相對應，該光束部分被重新定向並且經歷了在盤112上的反射。在打開CD雷射器之後，第二檢測器信號對應於分別經歷了在盤和物鏡上反射兩個光束部分。減去在第一次測量中獲得的檢測器信號就得到了由CD雷射器光束部分產生的信號。因此，能夠計算檢測器24上的DVD雷射光點位置與CD雷射光點位置，它們分別對應於盤的傾斜和物鏡的傾斜。通過間歇開關CD雷射器，能夠動態地測量各種傾斜。
可選擇的是，與上面相反，利用對於CD波長是高透射性的且對於DVD波長是高反射性的高反射率塗層132，同樣間歇地開關CD雷射器，也能夠實現類似的區分效果。
在這個實施例中的傾斜角度測量靈敏度與第一實施例中相同，即能夠以0.07的精確度測量±2°的盤傾斜。
本發明的優點在於其能夠包含在控制物鏡傾斜的三維機械致動器中。在圖3和4所示的第一實施例中，能夠校準在機械致動器的不同驅動信號下物鏡10的傾斜，並且能夠將提供給被測盤的適當驅動信號用於動態地補償盤的傾斜。
在圖5和6所示的第二實施例中，利用如圖7示意表示的伺服迴路能夠補償盤的傾斜。一旦在信號處理系統(由盤傾斜信號發生器140和物鏡傾斜信號發生器142示意表示)中已經生成了盤傾斜信號和物鏡傾斜信號，則能夠減去這兩個信號以獲得物鏡致動器控制信號，其用於控制物鏡致動器144。這樣，能夠使物鏡傾斜近似等於盤的傾斜。不需要絕對物鏡傾斜控制信號。
圖8表示了最佳補償物鏡傾斜作為盤傾斜的函數。該函數基本上為線性的，且斜率略小於1。已經計算了對應的均方根(RMS)像差並且列於以下的表1中。假設該斜率近似為1，例如假設盤傾斜和物鏡傾斜相等，如最後一欄所示，則不會產生最佳傾斜補償，但是仍然顯著減少了RMS像差，其大約高於最佳情況25％。假設所製造的物鏡的RMS像差為30mλ，則在這個實例中的最大允許的盤傾斜為±1°，這是因為最大允許的波前像差假設為70mλ，其對應於包括物鏡像差和由1°盤傾斜造成的像差的總RMS，其中盤傾斜(tiltdisk)由相等的物鏡傾斜(tiltobj.)補償，如表1的最後一欄所示。
表1
在上述實施例中，傾斜區域A、B；C、D位於物鏡10的前表面上。可選擇的是，它們也可以位於後表面或者物鏡系統的不同表面上。在所選的任何配置中，光束中重新定向的部分不應聚焦到記錄載體的表面上，這與聚焦到盤的信息表面上的主光束不同。帶有除了傾斜區域A和B之外的結構的表面不必垂直於光軸。然而，其優選為平面並且如果選擇其它方向，則上述的方向角將是不同的。
儘管在以上實施例中該光學掃描設備是DVD設備，但應當理解，本發明可以用於其中盤的傾斜是特點問題的所有光碟驅動器。此外，儘管在第二實施例中，第二光源是CD雷射光源，但是也可以使用其它類型的第二輻射光源。
在以上第二實施例中，使用單個檢測器檢測光束中重新定向的部分和反射部分；可選擇的是，可以使用兩個獨立的位置敏感檢測器獨立地檢測每個部分，並且通過適當地設置重新定向的結構部分的傾斜從而分別將兩個部分分開。
以上實施例應理解為本發明的示例性實施例。可以預見本發明的其它實施例。應當理解，可以單獨地使用結合任意一個實施例所述的任意特徵，或者將它們與所述的其它特徵組合使用，也可以將它們與其它任意實施例或其它任何實施例的任何組合的一個或多個特徵相組合使用。此外，也可以在不背離在所附權利要求中限定的本方明範圍的情況下，採用以上沒有描述的等價物和變型。
權利要求
1.一種利用輻射光束掃描光學記錄載體的光學掃描設備，所述設備包括用於將輻射光束聚焦為記錄載體信息層上的光點的光學系統，還包括檢測系統(16)，該檢測系統(16)包括信息信號檢測器(18)，該信息信號檢測器設置用於在輻射光束的主要部分在記錄載體上反射之後接收該主要部分中的輻射並且用於檢測其中的信息信號，其中該光學系統包括重新定向的結構(26、126)，該重新定向的結構被設置用於在輻射光束的一部分(17)向記錄載體傳播時使其方向變得與輻射光束的主要部分(15)不同，使得重新定向的光束部分所遵循的路徑不同於主光束部分所遵循的路徑，並且其中該檢測系統包括用於檢測重新定向的光束部分的位置的位置敏感檢測器(26)。
2.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中所述重新定向的結構(26、126)包括折射的重新定向部分。
3.根據權利要求2所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)包括基本上為平面的表面部分。
4.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)形成為光學系統中的物鏡系統的一部分。
5.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)形成在透鏡元件的表面上。
6.根據權利要求5所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)設置成在透鏡元件的表面中的非旋轉對稱的變化。
7.根據權利要求5或6所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)包括相對於周圍的透鏡表面傾斜的表面部分。
8.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)設置成覆蓋輻射光束橫截面面積的5％以下。
9.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中該重新定向的結構(26、126)包括第一部分(A；C)，用於在光束部分向記錄載體傳播時改變該光束部分的方向，還包括第二部分(B；D)，用於在光束部分從記錄載體反射之後改變該光束部分的方向。
10.根據前述權利要求中任一項所述的光學掃描設備，其中該光學系統包括反射部分(D)，該反射部分(D)設置用於反射輻射光束的一部分，使得該被反射的光束部分所遵循的路徑不同於該輻射光束的主光束部分所遵循的路徑，並且其中該檢測系統包括用於檢測反射部分的位置的位置敏感檢測器(26)。
11.根據權利要求9和10所述的光學掃描設備，其中所述第二部分和所述反射部分形成為單獨的結構元件(D)。
12.根據權利要求11所述的光學掃描設備，其中所述第一和第二部分的傾角α和β分別如下=(n+1)(n-1)]]>其中n是重新定向的結構的折射率。
13.根據權利要求10到12中任一項所述的光學掃描設備，其中該檢測系統包括用於檢測重新定向的光束部分和反射的光束部分的單個位置敏感檢測器(26)。
14.根據權利要求10到13中任一項所述的光學掃描設備，包括產生具有第一波長的第一輻射光束的第一輻射光源，和產生具有不同的第二波長的第二輻射光束的第二輻射光源，並且其中該反射部分(D)選擇性地反射第一和第二波長之一。
15.根據權利要求14所述的光學掃描設備，其中產生第二光束的輻射光源設置成強度有選擇性地變化，從而改變重新定向的光束部分和反射的光束部分的相對強度。
全文摘要
本發明涉及一種光學掃描設備，用於在掃描期間掃描光學記錄載體並且檢測光學記錄載體的傾斜特性。該設備包括設置在物鏡(10)上的重新定向的結構(26)，從而在輻射光束向記錄載體傳播時使其一部分的方向變為不同於該輻射光束主要部分的方向。重新定向的光束部分所遵循的路徑朝向檢測系統(16)中的位置敏感檢測器，該路徑不同於主光束部分所遵循的路徑。
文檔編號G11B7/135GK1689083SQ03824244
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月15日 優先權日2002年10月17日
發明者T·W·圖克, O·K·安德森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司