對信息面進行光掃描的裝置的製作方法

2024-04-07 08:22:05

專利名稱：對信息面進行光掃描的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對信息面進行光掃描的裝置，該裝置包括提供掃描光束的二極體雷射器，用於使掃描光束聚焦，以在信息面上形成掃描光點的物鏡系統，安裝在二極體雷射器和物鏡系統之間的複合衍射光柵，該光柵包括兩個子光柵，所述子光柵用於把由信息面反射的輻射束偏轉到包括兩個檢測器對的輻射敏感檢測系統上，以及用於把所述輻射束分裂為兩束各與獨立的檢測器對合作的子光束。
美國專利第4，665，310號(PHN11.531)公開了這種類型的裝置，它在原則上適合於閱讀預先記錄好的記錄載體，以及適合於對這種記錄載體進行光學記錄。在該裝置中，複合衍射光柵完成兩項功能，為此，還需要另外兩個獨立的元件。第一，該光柵確保已被信息面反射而且通過物鏡系統的輻射、偏離由二極體雷射器所發射的輻射的路徑，使得能夠在被反射的輻射的路徑上安排檢測系統。第二，該光柵把被反射的光束分裂成用於生成聚焦誤差信號(即，一種包含有關物鏡系統的焦面和該信息面之間偏移的大小和方向等信息的信號)所需要的兩束子光束。每束子光束與一組獨立的檢測器對相關聯，顯示同一檢測器對的檢測器的輸出信號之間的差異的信號，正是掃描光束在信息面上聚焦的量度。
在所述記錄載體中，信息是按照信息紋道排列的。倘若兩子光柵之間的邊界線平行於紋道方向延伸，通過確定每個檢測器對輸出信號的和並且把這些和信號彼此相減，就可能產生一種包含關於掃描光點的中心與待掃描信息紋道的中心軸之間偏移的大小和方向等信息的信號。
為了獲得所期望的光束分裂，在該已知裝置中，衍射光柵包括兩個具有相同光柵周期的子光柵，同時，第一子光柵的光柵條以第一角度延伸，而第二子光柵的光柵條以第二角度延伸，對兩子光柵的邊界線來說，第二角度與第一角度相等，但方向相反。因為衍射光柵使入射光束在一平面內相對於光柵線方面橫向偏轉，所以，入射到子光柵之一的部分光束與入射到第二子光柵的部分光束將被賦予不同方向。
存在一種日益增長的需求，即，減小用於光記錄載體的光掃描裝置，例如公知的「小型唱片唱機」(「CDplayer」)的尺寸，以便使這些裝置能夠成為更方便的內插件。為此，減小二極體雷射器與記錄載體之間的光程長度是特別重要的。只要二極體雷射器與衍射光柵之間的距離能夠減小，則該長度也就能夠減小。當減小該距離時，衍射光柵與成象透鏡組之間的距離也能夠予以減小，同時滿足使二極體雷射器光束的一次和高次衍射落在該透鏡組的光孔之外的要求。因而，當裝配該裝置時，必須有可能精確地、在平行於該裝置的光軸方向進行測量，來調整二極體雷射器與各檢測器之間的距離，因為，不然會引起聚焦誤差信號的失調，使得掃描光束不再聚焦在信息面上。
為達到較少花費的、較輕的和較小的掃描裝置的目的，較合適的是利用一種，例如由半導體元件製造廠提供的元件來製作，該元件容納二極體雷射器和具有光電二極體形式的各檢測器，該二極體雷射器和各光電二極體是彼此相對定位的。由於存在加工公差，所以，必須考慮這樣的事實，即，所述距離偏離所期望的距離，從而產生聚焦誤差信號的失調。衍射光柵與二極體雷射器間的距離越小，所述偏離的影響將越大。
本發明提供一種補償所述描述裝置中焦點偏移的可能性，所述焦點偏移是由二極體雷射器和光電二極體之間在光軸方向上的不適當的距離引起的。
如美國專利第4，665，310號中所述，該專利中所敘述的光柵設計基於一種先前建議的複合衍射光柵。該光柵包括兩個子光柵，其中，一個子光柵的光柵條與另一個子光柵的光柵條具有相同的方向，但是，兩個子光柵的光柵周期卻各異。在一個具有這種複合光柵的裝置中，兩束子光束被聚焦成輻射光點，後者位於垂直檢測器平面的平面中的曲線上。因此，倘若各檢測器對都設置在一個平面中，則兩個輻射光點相對於它們相關聯的檢測器對就不能得到同樣清晰的聚焦。因此，與具有複合衍射光柵的裝置相比，上述裝置甚至更快地產生聚焦誤差信號的失調;在所述複合衍射光柵中，一個子光柵的光柵條與另一個子光柵的光柵條構成一個角度。
所以，連同下面即將提出的幾個原因，本發明特別適用於一種裝置，後者包括由兩個具有平行的光柵劃線的子光柵組成的衍射光柵。
應用本發明的裝置的特徵在於待安裝在裝置中的二極體雷射器和檢測系統的相對位置是固定的;沿該裝置的光軸測得的二極體雷射器與複合光柵之間的距離約小於9mm;子光柵具有不同的光柵周期以及兩個子光柵的光柵條都是彎曲的。
由於不同的光柵周期和彎曲的光柵條，該複合光柵具有透鏡的作用，並且，通過在兩子光柵之間的邊界線方向上移動該光柵，能夠使由物鏡系統和所述光柵構成的組件的成象距離與二極體雷射器和光電二極體之間在光軸方向上的距離相適應。
當利用本發明的概念時，對在利用具有直光柵劃線時可能出現的諸如彗形象差和象散等成象誤差進行校正是可能的。為此，在製造光柵期間可修改光柵線的曲率。
本發明裝置的第一個實施例的進一步的特徵在於兩子光柵的光柵條在該兩子光柵之間的邊界線區域是垂直於所述邊界線的，以及子光柵的對應部分具有不同的光柵周期和不同的光柵條曲率。這樣，這兩個子光柵就具有不同的焦度。
然而，該裝置的最佳實施例的進一步的特徵在於兩子光柵的對應部分具有相同的光柵周期，以及兩子光柵的對應的光柵條以相對於兩子光柵之間的邊界線的相同但相反的角度延伸。
與第一實施例相比較，該實施例具有在美國專利第4，665，310號中提到的各優點。
具有彎曲的光柵條的衍射光柵在文獻中也稱為綜合衍射圖。應當指出，在由日本NEC公司發表的、題為「將多功能綜合衍射圖用於小型唱片唱機(「CDplayers」)的光學頭」的學術常講中(該演講於1986年12月18日在日本如開的「光存儲器專題討論會」中發表)，敘述了在光讀裝置中綜合衍射圖的應用。該綜合衍射圖完成三項功能-分離二極體雷射器光束和由記錄載體所反射的光束，-將後一光束分裂成用於聚焦誤差檢測的兩束子光束，以及-提供產生循跡誤差信號的可能性。
該綜合衍射圖包括兩個子綜合衍射圖，後者把光束的各入射部分偏轉到不同的方向。所述出版物並沒有陳述本發明所解決的各種問題，該解決辦法似乎是合理的，因為二極體雷射器與綜合衍射圖之間的軸向距離是18mm。所述出版物僅僅提到一種可能的影響，即，由溫度變化引起的二極體雷射器波長的變化可能對在檢測器平面上形成的輻射光點的質量有影響。所述複合綜合衍射圖具有基本上為零的焦度。此外，該出版物表明，組裝時，各光電二極體的位置要與雷射器光束波長的變化相適應。在該出版物

圖1的圖解說明中，應當認為綜合衍射圖中的各傾斜線是確定兩個子綜合衍射圖界限的暗影。
根據該裝置的進一步的特徵，該複合衍射光柵是一種具有凸紋結構的相位光柵。這種光柵在所需要的偏轉方向上具有顯著高於幅度光柵的效率，並且提供如下附加的優點，即，可利用標準光柵，用已知方法以低成本製造大量的複製品，當把該光柵用於消費設備時，這一點是特別重要的。
下面將通過實例結合附圖對本發明作更詳細描述，附圖中圖1用圖解法示出具有衍射光柵的讀出裝置的實施例，圖2是本發明的衍射光柵的第一實施例和相關聯的輻射敏感檢測系統的示意性透視圖，圖3a和圖3b表示當存在聚焦誤差時，在檢測器上輻射光點的變化，圖4示出圖2類型的已實現的光柵，圖5以橫截面方式示出一種已知的衍射光柵以及圖6示出本發明的衍射光柵和相關聯的輻射敏感檢測系統的第二實施例。
圖1是具有輻射一反射信息面2的光學記錄載體1的小部分的切向截面圖。該圖示出位於信息面2中的各紋道3之一。這種紋道包括與中間區域3b相交替的信息區域3a，同時，舉例來說，區域3a處在與中間區域3b不同的高度上。該信息表面受到由輻射源4(例如二極體雷射器)所發射的光束b的掃描。該光束由物鏡系統b(圖上示意性地用單透鏡表示)聚焦，以便在信息面上形成一微小的輻射光點V。可以在物鏡系統的前面設置一個單獨的準直透鏡。該成象系統也可以由如圖1所示組合的準直物鏡系統構成。當記錄載體圍繞軸8旋轉時，紋道3被掃描，並且，讀出光束被包含在該紋道中的信息所調製。通過在徑向相對移動記錄載體和包括光源4、物鏡系統6以及檢測系統10的讀出裝置，使整個信息表面受到掃描。
已被信息表面反射和調製的光束應當予以檢測，這意味著該光束應當與投射光束分離。因此，該裝置應包括一種分離光束的元件。
為了讀出具有細微的，例如1微米量級的信息細節的信息結構，需要一種具有大數值孔徑的物鏡系統。這種物鏡系統的景深是很小的。因為信息面2與物鏡系統6之間距離的變化可能出現大於景深的情況，所以，為了檢測這些變化必須採取一些措施，隨之校正聚焦。為此，該裝置可配備一個光束分離器，後者把反射光束分離成兩束子光束，並且配備例如兩個檢測器對，其中第一對與第一子光束合作，而第二對與第二子光束合作。各檢測器的輸出信號經過處理後，除了別的以外，產生一種聚焦伺服信號。
正如在1980年12月15日出版的「新技術」第6期第3頁上，「光學聚焦誤差檢測」一文中所述的，光束分離和光束分裂可以通過單一元件，即透明光柵來完成。該光柵分裂由信息表面2所反射的光束，而且把經過物鏡系統的光束分成非衍射的零階和若干一階和高階子光束。光柵的各參數、特別是光柵條的寬度與中間條的寬度的比例、以及光柵凹槽的深度與形狀，可以按照能使最大量的輻射入射到檢測系統的方式來選擇。
圖2是光柵9和輻射敏感檢測系統10的第一實施例的透視立面圖。用光束b在光柵區域的橫截面來表示該光束。光柵9包括被線11相互分開的兩個子光柵12和13。子光柵12和13的光柵條分別用14和15來表示。這些光柵條被中間條16和17隔開。在該實施例中，在邊界線11的區域，各光柵條具有相同方向，並且，舉例來說，都是垂直於邊界線的。然而，子光柵12的平均光柵周期P1與子光柵13的平均光柵周期P2不同。因此，子光束b1衍射的角度與子光束b2衍射的角度不同。這意味著在檢測器平面上，輻射光點V1和V2在Y方向上是彼此偏離的。
具有光電二極體18、19和20、21形式，分別由窄條22和23分隔的輻射敏感檢測器各與子光束b1和b2相關聯。這些檢測器要安置在適當的位置上，使得在光束b正確聚焦在信息表面2的情況下，由子光束b1和b2形成的輻射光點V1和V2分別處於與檢測器18、19以及20、21有關的、對稱的位置上。當出現聚焦誤差時，輻射光點V1和V2變得較大，並且，這些輻射光點還相對於其關聯的檢測器而移位，如圖3a和圖3b所示。圖3a表示光束b聚焦在信息表面2前面的平面上的情況，而圖3b涉及光束b聚焦在信息表面後面的平面上的情況。
倘若檢測器18、19、20和21的輸出信號分別用S18、S19、S20和S21表示，則聚焦誤差信號將由下式給出Sf＝(S18+S21)-(S19+S20)正比於讀出信息的信號，或信息信號Si，由下式給出Si＝S18+S19+S20+S21倘若兩個子光柵12和13的邊界線11平行於讀出紋道3的方向而延伸，則從檢測器信號還可能產生循跡誤差信號Sr。該信號由下式給出Sr＝(S18+S19)-(S20+S21)根據本發明，兩子光柵具有不同的光柵周期，這種周期變化，例如具有平均光柵周期的百分之幾的量級。此外，如圖2所示，兩個子光柵的光柵條都是彎曲的。這樣，這些子光柵都具有可變透鏡的作用。由於不同的光柵周期，輻射光點V1和V2的位置可能在平行於光軸00′的方向變化;因此，通過使光柵9沿著邊界線11移動，就能使所述光點沿Z方向移動。通過光柵條的彎曲，可以使垂直於邊界線11的方向上的象差取最小值。倘若使用集成的雷射器-光電二極體元件，即，一種把二極體雷射器和光電二極體設置在一個基片上，從而彼此相對定位，並因此Z方向有固定的相互距離，那麼，移動輻射光點V1和V2的Z位置的可能性就是特別重要的。所述距離受加工公差的支配，而且當器件組裝時不能通過在Z方向相對移動光電二極體和二極體雷射器而得到校正。
二極體雷射器與檢測器對中心之間在X方向的距離也受加工公差的支配。為此，通過在線11的方向上移動光柵9，也能夠獲得一種補償。
在根據圖2的實施例中，可以保證，儘管由於子光柵12和13的不同的平均光柵周期，子光束b1和b2以不同角度在XZ平面中偏轉，但是，各子光柵的焦點仍在同一XY平面中，其方法是使各子光柵的相應部分的光柵周期和光柵條曲率具有不同的變化。
具有彎曲的光柵條的衍射光柵與具有直的光柵條的光柵相比一個重要的優點是當使用後一種光柵時可能出現的各種光學象差，例如彗形象差和象散，在前一種光柵中是能夠避免的，其方法是在製造時把這些象差考慮進去，並修改光柵條的曲率圖4示出可以用在圖1裝置中的已實現的實施例的複合衍射光柵的一部分。在子光柵之一中，光柵周期，例如在1.6μm和1.8μm之間變化，而在另一個子光柵中，該周期，例如在2.4與2.7μm之間變化。對於這種具有圓周邊的光柵來說，作為例子，其直徑為800μm。
該衍射光柵最好是具有凸紋結構的相位光柵，其中，光柵槽位於與中間條不同的高度處。圖5a中表明這種光柵的組成部分。通過適當選擇光柵槽14的寬度W1與中間條16的寬度W2之間的比例以及各槽深度，可確定這種光柵的最佳特性。此外，還可適當選擇各槽的形狀。最好是用一種非對稱的形狀，例如一種鋸齒形的形狀(圖5b)，來代替圖5a所示的矩形對稱的形狀，因為那時最大量的輻射能夠集中在某一級中，例如，+1級中。
也可以用振幅光柵或黑-白光柵來代替相位光柵。通過改變黑度的變化可使該光柵達到最優化。
振幅光柵和相位光柵兩者都可以由所謂的標準光柵予以大量複製，相位光柵的優點是它能夠以低成本大量予以複製，因為，可利用已知的版樣或複製技術，這些版樣和複製技術非常適合於大批量製造。
可用全息照相方法獲得標準光柵。因此，使用一種裝置，其中，在光源4的位置上，以及在圖2中輻射光點V1和輻射光點V2的所需位置上，設置發射各分支光束的輻射源。然後，在圖2中光柵9的位置上設置照相感光板。首先，使半塊感光板曝露於由光源4和輻射光點V1的位置處的輻射源所發射的光束中，而將感光板的後一半遮蔽起來。接著，把已曝光的一半感光板遮蔽起來，而使另一半曝露於由光源4和輻射光點V2的位置處的輻射源所發射的光束中。於是，可用公知的顯影和腐蝕技術，把在感光板兩半部分上獲得的幹涉圖案轉變成凸紋結構。
另一方面，在給定輻射源4、衍射光柵9以及光電二極體位置的條件下，有可能計算出各子光柵的圖樣，接著，藉助於例如一種電子束寫入裝置，在電子敏感材料上寫入這些圖樣。
圖6示出該裝置的第二實施例。該裝置包括一個衍射光柵，它的兩個子光柵有相同的光柵周期。子光柵12的各彎曲的光柵條14的主方向相對於邊界線11以第一角度延伸，同時，第二子光柵13的各彎曲的光柵條15的主方向相對於所述邊界線以第二角度延伸，所述第一和第二角度最好是相對於所述邊界線的相同大小但相反方向的角度。各子光束主要在橫切主方向的方向上偏轉，因此各光電二極體必須以不同於圖2中的方式排列。在XY平面中的檢測器對的邊界線22和23沿Y方向相繼排列。可參照圖2的說明，以與圖2相同的方式獲得聚焦誤差信號、信息信號以及循跡誤差信號。
因為衍射光柵的效率(即，在所需方向上的輻射衍射量與入射在光柵上的輻射總量的比值)特別取決於光柵周期，所以，圖6所示的複合衍射光柵比圖2所示的更可取。事實上，在最後一種光柵中，由於子光柵的不相等的光柵周期，各子光束可能獲得不相等的強度，因此，可能產生循跡誤差信號的失調。這種情況在包含如圖6所示的衍射光柵的裝置中是不會出現的。
上文描述了把本發明用於讀出裝置中的情況，但是，另一方面，本發明也可以用於寫入裝置，或者用於寫一讀聯合裝置，在該裝置中，在記錄過程中，寫入光束的聚焦和循跡受到監控。所述聚焦誤差檢測系統並不利用信息表面2的各種特殊性能。充分和必要的條件是該表面具有反射作用。因此，本發明可以應用於各種要求非常精確聚焦的裝置中，例如，用於各種顯微鏡，在那種情況下，可以不用循跡誤差檢測。
權利要求
1.一種用於對信息面進行光掃描的裝置，該裝置包括提供掃描光束的二極體雷射器，用於使掃描光束聚焦在信息面上，以形成掃描光點的物鏡系統，安裝在二極體雷射器和物鏡系統之間的複合衍射光柵，該光柵包括兩個子光柵，所述子光柵用於把由信息面反射的輻射束偏轉到包括兩個檢測對的輻射敏感檢測系統上以及用於把所述輻射束分裂成兩束各與一個獨立的檢測器合作的子光束，其特徵在於待裝入裝置中的二極體雷射器和檢測系統是彼此相對定位的，沿該裝置的光軸測得的二極體雷射器與複合光柵之間的距離小於大約9mm，所述子光柵具有不同的光柵周期，兩個子光柵的光柵條都是彎曲的。
2.根據權利要求1的裝置，其特徵在於在兩子光柵之間的邊界線區域，兩子光柵的光柵條垂直於所述邊界線，兩個子光柵的對應部分具有不同的光柵周期和不同的光柵條曲率。
3.根據權利要求1的裝置，其特徵還在於兩個子光柵的對應部分具有相等的光柵周期，而且，兩個子光柵的對應光柵條相對於子光柵之間的邊界線以相等但相反的角度延伸。
4.根據權利要求1、2或3的裝置，其特徵在於該複合衍射光柵是具有凸紋結構的相位光柵。
全文摘要
用於掃描光記錄載體(1)的裝置，其中，由光源(4)所發射的輻射光束(b)通過透鏡系統(6)而聚焦，而且，從記錄載體反射的輻射聚焦在兩個各自與獨立的檢測器對(18、19；20、21)合作的輻射光點(V
文檔編號G11B7/08GK1030987SQ8810460
公開日1989年2月8日 申請日期1988年7月21日 優先權日1987年7月24日
發明者安德烈亞斯·約翰內斯·瑪麗亞·布拉, 沙斯, 彼得·庫斯, 亞德裡安納斯·約翰內斯·杜伊韋斯蒂 申請人:菲利浦光燈製造公司