專利名稱:光學(xué)傳感器和光記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器和光學(xué)記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置,尤其是適宜于從磁光記錄介質(zhì)再現(xiàn)數(shù)據(jù)的光學(xué)傳感器和磁光記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置。
至今,在磁光記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置中,具有用于記錄和再現(xiàn)如
圖1所示結(jié)構(gòu)的磁光盤(pán)的光學(xué)傳感器1。在所述光學(xué)傳感器1中,由激光二極管(LD)2發(fā)出的光通過(guò)偏振分束器(PBS)3和物鏡4聚焦在光盤(pán)5上,從光盤(pán)5反射的光通過(guò)物鏡4,偏振分光器3和復(fù)合透鏡6射至光探測(cè)器(PD)7。
在實(shí)際的光學(xué)傳感器1中,光學(xué)部件,例如激光二極管2,光探測(cè)器7和偏振分束器3是分別提供的,所以用于記錄和再現(xiàn)磁光盤(pán)的光學(xué)傳感器不能小型化和提高可靠性。
此外,作為對(duì)磁記錄介質(zhì)進(jìn)行重現(xiàn)的元件,已知的是采用一種組合的光學(xué)元件,其中激光二極管,光探測(cè)器和分束棱鏡(位于光探測(cè)器上)是被安置在同一個(gè)板上(參見(jiàn)U.S.4,823,331),并且還有單片光接收和發(fā)射器件,在該發(fā)射器件中具有用半導(dǎo)體方法形成的光發(fā)射單元和移光鏡以及光接收單元(參見(jiàn)日本待公開(kāi)專利申請(qǐng)No.114746/1995)。
在使用非偏振光學(xué)系統(tǒng)的光接收和發(fā)射元件時(shí),不可能探測(cè)磁光信號(hào),從而不可能再現(xiàn)磁光盤(pán)信號(hào)。
所以,應(yīng)考慮把一維金屬線狀光柵作為偏振器用于探測(cè)磁光信號(hào)。一種用在3~10μm紅外波長(zhǎng)范圍的一維金屬光柵(見(jiàn)圖2)由互相平行設(shè)置的許多金屬線9形成。在把柵線距d選擇成短于入射光波長(zhǎng)時(shí),有一種特性,即反射平行于金屬線9的偏振分量(P偏振),透射垂直于金屬線9的偏振分量(S偏振)。利用這種特性可以把一維金屬光柵8作為偏振器使用。
在使用一維金屬光柵8作為偏振器時(shí),應(yīng)該滿足下述兩個(gè)條件,線的寬度"b"與線距"d"之比b/d約為0.6,而波長(zhǎng)λ與線距"d"之比λ/d≥5。所以,對(duì)于可見(jiàn)和近紅外區(qū)的偏振光,例如約780nm波長(zhǎng)的光,在考慮到環(huán)境介質(zhì)折射率時(shí),線距"d"需要約為100nm那樣小的值,因此這樣一種光柵加工起來(lái)非常困難。
基于上述,本發(fā)明的目的是,提供一種小型,可靠和容易制造的適用于磁光記錄介質(zhì)的記錄和磁光記錄介質(zhì)再現(xiàn)裝置。
上述目的和其它的目的,可以利用設(shè)置一維金屬柵來(lái)取得,這種金屬光柵其金屬導(dǎo)體的厚度"h"與線距"d"之比約為h/d≥0.1,一組接收光的光接收元件由所述一維金屬光柵間隔開(kāi)。
利用構(gòu)成一維金屬光柵的金屬導(dǎo)體的厚度由一維金屬光柵的透射和反射特性形成一個(gè)共振區(qū)域,從而相對(duì)于已有的磁光記錄介質(zhì)用的光學(xué)傳感器,本發(fā)明的光學(xué)傳感器更小型和更可靠。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)、原理和實(shí)用性可以通過(guò)閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖更為清楚理解,附圖中類似的部件采用相同的數(shù)字和符號(hào)表示。
圖1是表示傳感器的示意圖;圖2是表示一維金屬光柵的示意布置圖;圖3是表示本發(fā)明光學(xué)記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置總構(gòu)成的示意圖4A是表示本發(fā)明光學(xué)傳感器布置的示意圖;圖4B是表示光探測(cè)器信號(hào)處理電路的方塊圖;圖5是表示出現(xiàn)共振區(qū)(在h/d=0.1,λ/α處)在b/d=0.4時(shí)Ts與λ0/d之間關(guān)系的曲線圖;圖6是一維金屬光柵的剖視圖;圖7是表示一維金屬柵剖面的座標(biāo)系圖;圖8是表示采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的橫座標(biāo)上波長(zhǎng)與線距之比和縱座標(biāo)上S偏振透過(guò)平及P偏振通過(guò)率之間關(guān)系的特性曲線圖;圖9是表示采用模式展開(kāi)方法找到的波長(zhǎng)線距之比與透過(guò)率關(guān)系的特性曲線圖;圖10A和10B是表示h/d=0.1時(shí),S偏振波透過(guò)率與S偏振波反射率特性的曲線圖;圖11A和11B表示h/d=0.5時(shí),S偏振波透過(guò)率與S偏振波反射率特性的曲線圖;圖12是表示h/d=0.01時(shí),S偏振波透過(guò)率特性的曲線圖;圖13A和13B是表示h/d=0.1時(shí),P偏振波透過(guò)率和P偏振波反射率特性的曲線圖;圖14A和14B是表示h/d=0.5時(shí),P偏振波透過(guò)率和P偏振波反射率特性的曲線圖;圖15A和15B是表示h/d=0.4時(shí),S偏振波透過(guò)率和P偏振波反射率特性的曲線圖;圖16A和16B是表示在一維金屬光柵截面處座標(biāo)系的示意圖;圖17A和17B是表示在實(shí)施例中光學(xué)傳感器布置的示意圖;圖18是表示在實(shí)施例中光入射角和一維金屬光柵之間關(guān)系的示意圖;圖19是表示在實(shí)施例中d/λ比例的特性曲線示意圖;圖20A和20B是表示在實(shí)施例中光入射角和一維金屬光柵之間關(guān)系的示意圖;圖21是表示在實(shí)施例中光入射角和一維金屬光柵的另一關(guān)系的示意圖;圖22是表示圖21中比例d/λ0的特性曲線圖;圖23A和23B是表示另一種光學(xué)傳感器的示意圖;圖24是表示入射光和一維金屬光柵之間關(guān)系的示意圖;圖25是表示圖24中比例d/λ0的特性曲線圖;圖26A和26B是表示另一種光學(xué)傳感器的布置示意圖。
下面將參見(jiàn)附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例(1)光學(xué)記錄介質(zhì)的重現(xiàn)裝置,(1-1)光學(xué)記錄介質(zhì)記錄和重現(xiàn)裝置的一般結(jié)構(gòu)。
圖3表示一種光學(xué)錄音的重現(xiàn)裝置10,它作為光學(xué)記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置的一個(gè)示例。
在磁光記錄和重現(xiàn)裝置中,利用光學(xué)傳感器11使激光束聚焦至磁光盤(pán)12上,其中光學(xué)傳感器11將磁光記錄和重現(xiàn)所需的一定強(qiáng)度的光點(diǎn)照射至光盤(pán)上。從磁光盤(pán)12反射的光由光學(xué)傳感器11接收,并轉(zhuǎn)換成探測(cè)信號(hào)。然后,由I-V放大電路13對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換。從I-V放大電路輸出的信號(hào)由矩陣電路14進(jìn)行計(jì)算,并輸出跟蹤誤差信號(hào)S1,焦點(diǎn)誤差信號(hào)S2,磁光信號(hào)S3和數(shù)據(jù)信號(hào)S4。在再現(xiàn)記錄時(shí),磁光信號(hào)S3和數(shù)據(jù)信號(hào)S4由解調(diào)和解碼電路15進(jìn)行解調(diào)和解碼,然后輸出至數(shù)字一模擬(D/A)轉(zhuǎn)換電路16。于是,從磁光記錄和重現(xiàn)裝置10輸出模擬信號(hào)的重現(xiàn)輸出。
(1-2)光學(xué)傳感器圖4A表示一個(gè)用于磁光記錄和重現(xiàn)裝置10中的光學(xué)傳感器11的裝置實(shí)例。光學(xué)傳感器11其組成是一個(gè)用于發(fā)射光束的激光光源21;用于探測(cè)磁光盤(pán)22的信號(hào)的光探測(cè)器23a,23b;一個(gè)用于把激光源21發(fā)出的光聚焦至磁光盤(pán)22的信號(hào)記錄表面上的物鏡24;一個(gè)用于把發(fā)射的光反射至物鏡24,并把反射光導(dǎo)向到光探測(cè)器23a,33b的光波導(dǎo)向器25;一塊安置激光源21,光探測(cè)器23a,23b和光波導(dǎo)向器25的平板26;一個(gè)用于支承平板26的支撐件26A。光波導(dǎo)向器25包括一個(gè)用于反射由光源21發(fā)出的光,并通過(guò)從磁光盤(pán)22返回的光的分束膜片27;一個(gè)用于透過(guò)那些穿過(guò)分束膜27的光束中預(yù)定偏振分量的光,并把其導(dǎo)向光探測(cè)器23,以及用于對(duì)其它偏振分量的光反射的一維金屬光柵28;以及用于把由一維金屬光柵28反射的光束反射至光探測(cè)器23b的全反射膜29。需設(shè)定分束膜27具有30%的S偏振透過(guò)率Ts,65%的P偏振透過(guò)率TP。
這里,一維金屬光柵28能滿足柵線28A的厚度"h"和線距"d"之間關(guān)系為h/d≥0.1的要求,從而使光柵工作在下述的共振區(qū)內(nèi)。如果一維金屬光柵28滿足預(yù)定的要求。那么平行于線光柵的P偏振光(電場(chǎng)與線光柵平行)受到反射,而垂直于線光柵的S偏振光(電場(chǎng)垂直于線光柵)被透射。對(duì)于一維金屬光柵28,假定線寬為"b",線距為"d",線厚度為"h"。圖5表示,在b/d=0.4,h/d變化時(shí)S偏振透過(guò)率Ts和λ0/d之間的關(guān)系,這里λ0是到達(dá)光柵的光波長(zhǎng),λ0=λ/n。如從圖5可見(jiàn),"共振區(qū)"(在Ts~1處出現(xiàn)峰值)出現(xiàn)在h/d~0.1或稍大一些處。尤其是,當(dāng)h/d=0.1,λ0/d~1時(shí),發(fā)現(xiàn)一個(gè)陡峰PK。利用具有陡峰的共振區(qū),λ0/d為沒(méi)有利用共振區(qū)值的1/4,于是線距"d"可以增加4倍(相比于傳統(tǒng)的在帶用波長(zhǎng)下的光學(xué)傳感器)。
圖4B表示與光學(xué)傳感器11中,二個(gè)光探測(cè)器23a和23b的細(xì)分圖形和信號(hào)產(chǎn)生方式。光探測(cè)器23a,設(shè)置在光波導(dǎo)向器25的入射光的前面位置,而光探測(cè)器23b設(shè)置在相對(duì)于入射光的后面位置,他們分別被分劃成四個(gè)光接收區(qū)(對(duì)光探測(cè)器23a為a,b,c和d區(qū),對(duì)光探測(cè)器23b為e、f、g和h區(qū))。從各個(gè)光接收區(qū)輸出的電流在I-V放大電路受到電流/電壓轉(zhuǎn)換。然后在矩陣電路14中對(duì)該輸出進(jìn)行計(jì)算,最后獲取跟蹤誤差信號(hào)S1,聚焦誤差信號(hào)S2和數(shù)據(jù)信號(hào)S3和S4。數(shù)據(jù)信號(hào)S3是一個(gè)相應(yīng)于磁光盤(pán)12反射光的克爾(Kerr)旋轉(zhuǎn)角的磁光信號(hào),數(shù)據(jù)信號(hào)S4是一個(gè)相應(yīng)于磁盤(pán)凹陷的射頻RF信號(hào)(光強(qiáng)度信號(hào))。
(2)一維金屬光柵的基本構(gòu)造。
如圖6剖面所示,一維金屬光柵28是依據(jù)考慮到柵線厚"h",柵線距"d",h/d比的理論來(lái)構(gòu)成的。在一維金屬光柵28其截面為矩形的情況下,可以應(yīng)用模式展開(kāi)方法。在模式展開(kāi)方法中,從所考慮面積之外區(qū)域與各柵線28A之間的區(qū)域是分開(kāi)的。在所考慮面積之處區(qū)域內(nèi),其電磁場(chǎng)類縱于正常折射理論,是受到瑞利(Rayleigh)展開(kāi)的。在各柵線28A之間的區(qū)域(見(jiàn)圖7,0≤X≤C,-h/2≤Y≤h/2),電磁場(chǎng)受到模式展開(kāi),展開(kāi)成一種滿足邊界條件為X=0或X=C的模式。按照二種展開(kāi)方法的匹配條件,0≤X≤d,Y=±h/2來(lái)確定展開(kāi)系數(shù)。有關(guān)模式展開(kāi)的更詳細(xì)內(nèi)容將在下面介紹。
(2-1)一維金屬光柵的工作原理下面將介紹一維金屬光柵的原理。假定,柵線28A是由導(dǎo)電體金屬制做的,按模式展開(kāi),需滿足下述表達(dá)式。
對(duì)于S偏振波(一個(gè)TM波,即磁場(chǎng)"f"平行于線柵28),由下式表示f(x,y)=Σm=0∞φm(x,y)]]>φm(x,y)=cos(βmx)[amsin(μmy)+bmcos(μmY)]βm=mπc,μm=+(kO2βm2)1/2...(1)]]>其中,am,bm是復(fù)值振幅。
式(1)由滿足Neumann邊界條件(對(duì)垂直界面方向的導(dǎo)數(shù)值為零),在X=0或X=c時(shí)推導(dǎo)出。
于是,對(duì)于TM波,光通過(guò)柵線28A之間的磁場(chǎng)傳輸。
一個(gè)P偏振波即,TE波,電場(chǎng)平行于柵線用下式表示,φm(x,y)=Sin(βmX)[amSin(μmY)+bmCos(μmy)]…(2)式(2),在X=0,或X=C時(shí)滿足Dirichlet邊界條件(由于在導(dǎo)體內(nèi)無(wú)電場(chǎng),所以該值在界面處為零)。
在這種情況下,由于Sin(β0x)=0,對(duì)于β0=0,"m"為零的項(xiàng)是不存在的。這意味著,如果忽略第一和以后次數(shù)的項(xiàng),則在柵線28A之間區(qū)域內(nèi)沒(méi)有電場(chǎng)。
對(duì)于在近似條件(忽略第n次項(xiàng)(m≥1)下的一維金屬光柵28,可以把TM波引入一維金屬光柵柵線之間的區(qū)域,但是TE波不能。換言之,TM波具有一個(gè)透射光的電磁場(chǎng),而TE波沒(méi)有電磁場(chǎng),因此反射光。
(2-2)模式展開(kāi)方法與傳統(tǒng)理論不同處圖8是傳統(tǒng)理論中S偏振透過(guò)率與波長(zhǎng)λ和線距d的比λ/d值關(guān)系的曲線圖。圖9是模式展開(kāi)方法中S偏振透過(guò)率與λ/d比值的關(guān)系圖。從圖中可見(jiàn),他們是相當(dāng)不同的。對(duì)此作比較,并獲得S偏振反射率RS和P偏振反射率RP,其理論折射將再被用在瑞利(Rayleigh)展開(kāi)中的零級(jí)(主要透過(guò)和反射的光)和±1級(jí)(散射光波)中,同樣,在模式展開(kāi)中進(jìn)行零級(jí)(S偏振波和TM波)和1級(jí)(P偏振波和TE波)(P偏振無(wú)零級(jí)模式)的理論折射。
上述方式中只有低級(jí)的項(xiàng),獲得S偏振透過(guò)率TS,P偏振透過(guò)率TP,S偏振反射率RS和P偏振反射率RP等值,利用數(shù)學(xué)方法在下述條件下作出曲線圖(1)光是垂直入射的,(2)柵線是由良導(dǎo)體金屬做成的,(3)線距"d"滿足,d=2C。
在下面將對(duì)S偏振波(TM波)進(jìn)行說(shuō)明。圖10A和10B表示,在h/d=0.1(柵線厚度"h"是薄的)時(shí)S偏振透過(guò)率TS和S偏振反射率RS的變化。圖11A和11B表示,在h/d=0.5(柵線厚度"h"是厚的,它的截面是矩形的)時(shí)S偏振透過(guò)率TS和S偏振反射率RS的變化。
如圖可見(jiàn),圖11A中h/d=0.5時(shí)的曲線相比于h/d=0.1時(shí)的曲線更類似于圖9所示的模式展開(kāi)方法中的曲線。此外,如圖10A和10B所示,在柵線寬度"h"減小時(shí),曲線類似于圖8中傳統(tǒng)理論的曲線。例如,在h/d=0.01(線厚度"h"相當(dāng)薄),透過(guò)率幾乎與圖8的曲線一樣。
在P偏振波(TE波)中,如圖13A和13B所示,在h/d=0.1時(shí),P偏振波透過(guò)率TP和P偏振波反射率RP類似于圖8所示的傳統(tǒng)理論中的曲線,如對(duì)于S偏振波的情況。相反,如圖14A和14B所示,在h/d=0.5時(shí),P偏振波反射率RP和P偏振波透過(guò)率TP類似于圖9所示的在模式展開(kāi)方法中的曲線。
考慮到S偏振波的情況,圖13A,13B,14A和14B表示下述的結(jié)果,他們不能根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論推導(dǎo)出。
在h/d=0.5(柵線截面是矩形),在TS=1時(shí)λ/d是位于共振區(qū)域,此處λ/d~1.4,RP>0.99。假定λ=780nm,線距"d"~550nm,線厚度"h"~275nm,λ/d~1.4,則在尺寸方面很容易制造。即,共振區(qū)可用于避免在生產(chǎn)λ/d≥5的元件時(shí)常遇到的問(wèn)題。
如上所述,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論只是在薄線厚時(shí)是正確的。然而,在上述實(shí)施例中可見(jiàn),增加線厚允許線距也增加。還發(fā)現(xiàn),在線厚減小時(shí),從h/d=0.5處開(kāi)始,λ/d的峰值在TS=1時(shí)趨于"1",并且當(dāng)線厚進(jìn)一步減小時(shí),P偏振波的消光比RP/TP將減小。
(2-3)一維金屬光柵檢偏器的可行性在一維金屬光柵的截面是方形(d~550nm,h~275nm)時(shí),消光比TS/RS=∞,RP/TP>200。為解決生產(chǎn)方面的問(wèn)題,需要減小h/d比。
如圖15A和15B所示,在h/d=0.4時(shí),TS/RS=∞,在d=618nm,h=247nm時(shí),RP/TP~40。通常,很難生產(chǎn)線距為~0.5μm或以下的柵線,甚至線距在0.5-1μm的柵線也很難生產(chǎn)。然而,根據(jù)本發(fā)明測(cè)試的結(jié)果表明,在下述條件下一維金屬光柵檢偏器可提供滿意的性別(1)光垂直地入射,(2)柵線是由良導(dǎo)體制做,(3)柵線的截面是方形的,(4)信號(hào)的占空因子是50%。
于是發(fā)現(xiàn),在易于進(jìn)行的一維金屬光柵檢偏器加工過(guò)程中,線光柵常數(shù)可予以選擇。
(3)用于一維金屬光柵實(shí)例中的座標(biāo)系統(tǒng)。
圖16A和16B表示不是良導(dǎo)體的一維金屬光柵相對(duì)于斜入射其上的光束的關(guān)系,由正交座標(biāo)系統(tǒng)表示這種關(guān)系。在圖中,Z軸平行于線光柵28,入射光的波矢為K,入射光的電場(chǎng)矢量為a。用下式表示K(α,β,γ)分量α=K sinθcosφβ=K cosθγK sinθsinφ…(3)K在X-Y平面上的投影表示為K′,對(duì)K′成直角的波矢用u表示,假定u和a的夾角為δ,用下式表示透過(guò)率T和反射率R。
T=TPsin2δ+TScos2δR=RPsin2δ+RScos2δ…(4)其中,TP是P偏振波透過(guò)率,TS是S偏振波透過(guò)率,RP是P偏振波反射率,RS是S偏振波反射率,他們投影在一個(gè)投影圖上的量。
如果檢偏器要求滿足等式(4)中的透過(guò)率T和反射率R,則透過(guò)率T~cos2δ,透過(guò)率R~sin2δ,按照RP~1,TS~1,TP~0和RS~0條件。在T=R時(shí),可進(jìn)行45°微分波的探測(cè),此外需滿足下述等式sin2δ=cos2δ所以,cos2δ=1/2…(5)在入射光的電場(chǎng)用位置矢量r表示時(shí),下述等式被滿足Ei=a·eik·r…(6)對(duì)于圖4A所示的光學(xué)傳感器11,入射偏振光的電場(chǎng)矢量a用下式表示,在Y軸方向利用入射光波矢K和單位矢量Y″a=Kxy′′|Kxy′′|=(-γ,0,α)|(-γ,0,α)|...(7)]]>其中,克爾(Kerr)轉(zhuǎn)角可忽略。
在使用電場(chǎng)矢量a和與a成直角的矢量u所成的角時(shí),由下式表δcos2δ=(a·u)2|a|2|u|2...(8)]]>u(β,α,0)是由u從K′(α,-β,0)中取得,因此,根據(jù)式(8)滿足下式cos2δ=(βγ)2(α2+γ2)(α2+β2)]]>=cos2θ·sin2φ1-sin2θ·sin2φ...(9)]]>式(5)可用下式代替cos2θ·sin2φ1-sin2θ·sin2φ=12...(10)]]>于是,可獲得下式的關(guān)系tan2φ=1cos2θ...(11)]]>在假設(shè)相對(duì)于柵線表面的入射角θ為0°≤θ≤90°,φ是-90°≤φ≤90°時(shí),式(11)由下式表示tanφ=±1cosθ...(12)]]>為獲得TP、TS、RP和RS所需的矢量K′(投影矢量)可由下式表示k′=k2-γ2=k1-sin2θ·sin2φ]]>=2πλ01-sin2θ·sin2φ=2πλ...(13)]]>因此,垂直通過(guò)線光柵的光分量的波長(zhǎng)λ′由下式表示λ′=λ01-sin2θ·sin2φ...(14)]]>對(duì)此,可獲得下式sinθ′=sinθ·cosφ1-sin2θ·sin2φ(=αk′)...(15)]]>有關(guān)一維金屬光柵28的裝置和磁光信號(hào)的檢測(cè)的具體實(shí)例將在下面介紹。
在圖17A和17B中,與圖4A中相應(yīng)的部件采用相同數(shù)字表示。圖17A通常表示按照第一實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)傳感器31,在第一實(shí)施例中把一維金屬光柵28,1/2波片32放置在長(zhǎng)度方向的光波導(dǎo)向器25的里面,以使光柵28和波片32與光探測(cè)器23a和23b垂直。
如圖18所示,柵線28A設(shè)置成,使一維金屬光柵28與光傳感器31中入射至光柵上的入射光之間關(guān)系為φ=0,而θ是改變的。
在此實(shí)施例中,光學(xué)傳感器31包括光源21,光波導(dǎo)向器25,二個(gè)光探測(cè)器23a,23b,他們由支撐板26支承。分束膜27放置在光傳感器31中,光波導(dǎo)向器25的入射光照射面上。從分束膜27入射的光束通過(guò)光波導(dǎo)向器25照射至座落在支撐板26上的光探測(cè)器23a,由其反射的光入射到面對(duì)板26的全反射膜29上。
全反射光束通過(guò)縱向設(shè)置的1/2波片32,并入射至與1/2波片堆放的一維金屬光柵28上。最后,透射光分量和反射光分量均射向位于支撐板26上的光探測(cè)器23b。
光探測(cè)器23a被分成四個(gè)區(qū)域a,b,c和d,(見(jiàn)圖4B),光探測(cè)器23b被分成四個(gè)區(qū),其中"e"區(qū)接收由一維金屬光柵28反射的光,而"f、g、h"區(qū)接收通過(guò)一維金屬光柵28透過(guò)的光。
在柵線28放置成φ=0的θ改變的情況下,從柵線28A的透射光和反射光,在滿足下式時(shí)只包括0級(jí)光,對(duì)它的詳細(xì)介紹可見(jiàn)模式展開(kāi)方法內(nèi)容)αn=Ksinθ′+n2πd...(16)]]>K2≤α±12…(17)1≤(sinθ±λ0d)2...(18)]]>從0°≤θ≤90°,λ0/d>0,可獲得下式d≤λ011+sinθ...(19)]]>圖19表示入射角θ與λ0/d的關(guān)系。一維金屬光柵28起檢偏器作用,因此把入射光分成透射光和反射光,將依據(jù)偏振方向來(lái)分。當(dāng)入射在柵線表面上的入射角θ增加時(shí)(圖16A和16B),線距"d"的范圍(由式(5)表示的)移向較小值范圍。
根據(jù)上述的裝置,線距"d"小于λ0/(1+sinθ)的一維金屬光柵28在其光傳感器31的光波導(dǎo)向器25內(nèi)的縱向方向與1/2波片32一起設(shè)置,由此入射光的偏振方向由1/2波片32旋轉(zhuǎn)45°,實(shí)現(xiàn)45°的微分波方向。所以,在圖18所示的一維金屬光柵28的柵線28A的布置中入射光以φ=0的角度入射,由此可實(shí)現(xiàn)較小的更可靠的用于光學(xué)記錄介質(zhì)的光學(xué)傳感器31。
在圖17A和17B的實(shí)施例中,入射光相繼地由光探測(cè)器23a,全反射膜29反射,并入射至1/2波片32和一維金屬光柵28,1/2波片和光柵28布置在垂直于光探測(cè)器23a和23b的方向上。然而,不用這種方式,而利用圖20A和20B結(jié)構(gòu)的光傳感器使其具有與圖17A和17B實(shí)施例相同的效果。
在這種結(jié)構(gòu)的圖20A和20B的光傳感器33中,入射光通過(guò)朝著光探測(cè)器23a和23b,放置的1/2波片34入射至位于支撐板26上光探測(cè)器23a和23b,而一維金屬光柵28被放在1/2波片34和光探測(cè)器23a之間。
在上述一維金屬光柵28的例子中,入射到柵線表面上的入射角θ增加,使線距"d"的范圍移動(dòng)較小范圍(由式(19)可見(jiàn))。下面,將描述線距"d"移到較大值的情形,與上述正相反。
在這種情況下,柵線28A其φ=90°,(圖21所示),此時(shí)光學(xué)傳感器31的一維金屬光柵28示于圖17A和17B,而光學(xué)傳感器示于圖20A和20B。
如圖21可見(jiàn),在一維金屬光柵28的柵線設(shè)置成其φ=90°和θ是可變的情形下,則在θ′=0,φ=90°條件下,從式(20)可得到下式d≤λ′=λ01-sin2θ·sin2φ]]>=λ01-sin2θ=λ0·1cosθ...(20)]]>在圖22中表示入射角θ與λ0/d的關(guān)系。由圖22可見(jiàn),在圖21的實(shí)施例中,當(dāng)柵線表面上的入射角θ增加時(shí),式(26)中,線距"d"的范圍移向較大值范圍。
根據(jù)圖17A,17B,20A,20B和21的布置,線距"d"小于λ0/cosθ的一維金屬光柵28與1/2波片32和34以縱向或橫向方式相結(jié)合設(shè)置,以此進(jìn)行45°微分波探測(cè),從而可以實(shí)現(xiàn)一種較小的,更可靠的用于光記錄介質(zhì)的光學(xué)傳感器。
下面,將介紹一種不需要1/2波片的光傳感器41的結(jié)構(gòu)。如圖23A和23B所示,在這樣一種光傳感器41中,光束通過(guò)分束器27入射至縱向放置的一維金屬光柵28上,光探測(cè)器23a放置在一維金屬光柵28的反射光束照射的區(qū)域內(nèi),而全反射膜42放置在透射光照射的區(qū)域內(nèi)。所以,由全反射膜42反射的光,在經(jīng)過(guò)全反射膜29反射之后入射至光探測(cè)器23b上。
在這種情形下,光探測(cè)器23a被分成四個(gè)區(qū)"a","b","c"和"d"(見(jiàn)圖20B),光探測(cè)器23b分成四個(gè)如同光探測(cè)器23a一樣的區(qū)"e","f","g"和"h"。
在本實(shí)施例的一維金屬光柵28情況下,如果柵線28滿足下式設(shè)置,則可以不用1/2波片對(duì)45°微分波的探測(cè)tanφ=±1cosθ...(21)]]>利用式(14)和(15),可獲下式d≤λ′·11+sinθ′]]>=λ01-sin2θ·sin2φ·11+sinθ·cosφ1-sin2θ·sin2φ]]>=λ0·1√1-sin2θ·sin2+sinθ·cosφ...(22)]]>其中sin2φ,cosφ由下式給出sin2φ=11+1tan2φ=11+cos2θ]]>cosφ=sin2φtan2φ=cosθ1+cos2θ(...-90o<φ≤90o)...(23)]]>把式(23)代入式(22),得下式
d≤λ011-sin2θ·11+cos2θ+sinθ·cosθ1+cos2θ]]>=λ01+cos2θcosθ(2+sin)...(24)]]>α/λ0由下式表示,其變化α用25所示。d/λ0=1+cos2θcosθ(2+sinθ)...(25)]]>把θ≥60°代入等式,得到d/λ0允許更有益的探測(cè)。
根據(jù)上述的裝置,線距"d"滿足式(25)的一維金屬光柵相對(duì)于光學(xué)傳感器41的光波導(dǎo)向器25橫向設(shè)置,以使不用1/2波片就可以進(jìn)行45°微分波探測(cè),并可實(shí)現(xiàn)更小和可靠的用于光記錄介質(zhì)的光學(xué)傳感。
在圖23A和23B所示實(shí)施例情況下,通過(guò)分束膜27使入射光以圖24所示的關(guān)系(φ=0,90°),入射至一維金屬光柵28,反射光入射至光探測(cè)器23a,透射光相繼由全反射膜42和29反射,并入射至另一光探測(cè)器23b。然而,代替這種結(jié)構(gòu),圖26A和26B的情形可以得到圖23A和23B實(shí)施例相同的效果。
在該結(jié)構(gòu)中,光學(xué)傳感器42(圖26A和26B中所示),相繼分束膜27和全反射膜29使入射在光探測(cè)器23a上的光反射,并入射至縱向設(shè)置的一維金屬光柵28上。然后,從一維金屬光柵28得到的透射光入射至光探測(cè)器23b的三個(gè)分區(qū)"f""g"和"h"上,反射光入射至分區(qū)"e"上。
(4)模式展開(kāi)方法下面描述用于上述實(shí)施例中的模式展開(kāi)方法。模式展開(kāi)方法用于特殊形狀的衍射光柵,例如矩形衍射光柵,很容易提供上述結(jié)果。本方法使用槽內(nèi)模式展開(kāi)和槽外瑞利展開(kāi)相互配合的技術(shù)。圖7表示有關(guān)一維金屬光柵28(良導(dǎo)體)的展開(kāi)方法。
含f(x、y)是磁場(chǎng)(S模)或電場(chǎng)(P模)的與空間有關(guān)的Z軸分量,該分量經(jīng)瑞利展開(kāi)在金屬光柵上和下成為一個(gè)平面波(Y≥h/2,Y≤-h/2)。
至于在金屬光柵上(Y≥h/2)和金屬光柵下(Y≤-h/2)的展開(kāi),需滿足下式等式對(duì)于Y≥h/2f(x,y)=Σn=-∞∞(Rnexp[ixn(y-h/2)])]]>+δn,0exp[-ix0[y-h/2)]}exp(αnx),... (26)對(duì)于Y≥-h/2f(x,y)=Σn=-∞∞Tnexp(Rnexp[ixn(y-h/2)])+]]>δn,0exp[-ix0(y-h/2)]}exp(αnx),... (27)αn=α0+n(2π/d)α0=k0sinθ0k0=ω/c=2π/λ…(28)xn={i(α22-k02)1/2|K0|≤|αn|(k02-αn2)1/2|k0|≥|αn|...(29)]]>其中,Rn和Tn是射光的透射光的復(fù)振幅。
解Helmholtz方程△f+K2f=0,Neumann邊界條件зf/зn′=0,(n′表示表面垂直矢量)(S模)或Dirichlet邊界條件f=0(P模)需滿足(在0≤x≤c和-h≤y≤h/2范圍內(nèi))f(x,y)=Σm=0∞φm(x,y)...(30)]]>φm(x,y)=cos(βmx)[amsin(μmy)+bmcos(μmy)],s模... (31)φm(x,y)=sin(βmx)[amsin(μmy)+bmcos(μmy)],P模... (32)其中,βm=mπ/c,μm=+(K02-βm2)1/2,am和bm是復(fù)振幅。在P模,φ0=0,m≥1。
解Helmholtz方程,根據(jù)匹配條件f(x,y)和зf/зy在0≤x≤c內(nèi)是連續(xù)的,在y=±h/2得到下述等式在y=h/2時(shí),Σn(Rn+δn,0)exp(iαnx)=Σn(a‾m+b‾m)um(k)....(33)]]>iΣn(Rn-δn,0)exp(iαnx)=Σn(D1ma‾m+D2mb‾m)um(x)...(34)]]>在y=-h/2時(shí),ΣnTnexp(iαnx)=Σm(-a‾m+b‾m)um(x)...(35)]]>-iΣnxnTnexp(iαnx)=Σm(D1ma‾m-D2mb‾m)um(x)...(36)]]>因此,am=amsin(μmh/2)bm=bmcos(μmh/2)D1m=μmcot(μmh/2)D2m=-μmtan(μmh/2)... (37)
現(xiàn)在說(shuō)明S偏振。等式(33)和(35)其x范圍為0≤x≤c,在此范圍,矢量用式um(x)=cos(βmX)表示,他們互相成直角,于是用uj(λ)乘等式(33)和(35),并用Im,j=∫0cum(x)uj(x)dx=Imδm.,j]]>Im={c/2(m≥1)c(m=0)...(39)]]>以及在0≤x≤c范圍對(duì)表達(dá)式求和,給出,(a‾j+b‾j)Ij=Σnkj,n(Rn+δn,0)...(40)]]>(-a‾j+b‾j)Ij=Σnkj,nTn...(41)]]>kj,n=∫0cexp(iαnx)uj(x)dx...(42)]]>
即使在c≤x≤d,和y=±h/2時(shí),"f"也滿足Neumann邊界條件зf/зn′=0,iΣnxn(Rn-δn,0)exp(iαnx)=0...(43)]]>ΣnxnTnexp(iαnx)=0...(44)]]>式(34)和(43)保持在0≤x≤c和c≤x≤d范圍內(nèi)。于是,式(34)和(43)用exp(-iαux)乘,并在范圍0≤x≤c和c≤x≤b內(nèi)分別積分,和互相集合。最后,exp(-iαμx)正交性給出ixq(Rq-δq,0)=ΣmJq,m(D1ma‾m+D2mn‾m)...(45)]]>Jq,m=1d∫0cexp(-iαqx)um(x)dx...(45)]]>類似地,從式(36)和(44)得到ixqTq=-ΣnJq,m(D1ma‾m-D2mb‾m)...(47)]]>
式(40),(40),(45)和(47)用聯(lián)立方程求解,其中包含4個(gè)未知數(shù)。
為了解有關(guān)Rn和Tn的方程,需使他們簡(jiǎn)化Rn+Tn=Rn,Rn-Tn=Mn…(48)把式(40)加對(duì)式(41),并從式(40)減式(41)得到a‾i=12IiΣnkin(Mn+δn,0)...(49)]]>b‾i=12IiΣnkin(Pn+δn,0)...(50)]]>把式(45)加至式(47),并從式(45)減至(47),給出ixq(Pq-δq,0)=ΣmJq,m·2D2mb‾m....(51)]]>ixq(Mq-δq,0)=ΣmJq,m·2Dima‾m...(52)]]>把式(49)和(50)代入式(51)和(52),得到ixq(Pq-δq,0)=ΣmJq,mD2mImΣnKm,n(Pn+δn,0)....(53)]]>ixq(Mq-δq,0)=ΣmJq,mDImImΣnKm,n(Mn+δn,0)....(54)]]>用矩陣表示上述表達(dá)式
將矩陣簡(jiǎn)略為ix(p-δ)=J(D/I)αK(p+δ)…(56)于是,p=[ix-J(D/I)2K]-1[ix+J(D/I)αK]δ…(57)類似地,M=[ix-J(D/I)1K]-1[ix+J(D/I)1K]δ…(58)以上述同樣方式,對(duì)P偏振波可獲下述表式P=[J(1/DI)2Kix-E]-1[(J(1/DI)2Kix+E]δ…(59)M=[J(1/DI)1Kix-E]-1[(J(1/DI)21Kix+E]δ…(60)(5)其它實(shí)施例在本發(fā)明已介紹的實(shí)施例中,一維金屬光柵采用的是良導(dǎo)體,須知本發(fā)明并不局限于此,只要導(dǎo)體對(duì)光柵肯定能提供滿意的檢偏器性能,也可以采用非良導(dǎo)體制作的一維金屬光柵。
盡管本發(fā)明已在實(shí)施例中作出說(shuō)明,其中分束膜放置在波矢的入射光照射表面上,但是需知本發(fā)明不局限于此,也可將偏振分束器放在一維金屬光柵的前面,例如,具有100%透過(guò)率TP的P波和25%透過(guò)率TS的S波的分束器具有增強(qiáng)的功能。
在實(shí)施例中介紹本發(fā)明時(shí),其中在磁光盤(pán)上的光學(xué)傳感器記錄信息,并把所記錄信息重現(xiàn)。對(duì)此,需知本發(fā)明不限于此,還可用光傳感在光卡上記錄信息,并把它重現(xiàn)。
在結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明時(shí),顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)此可作各種改變和改進(jìn),所以他們均落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)傳感器,它包括一個(gè)發(fā)射光束的激光源;一個(gè)物鏡,用于把從激光源發(fā)出的光聚焦到光記錄介質(zhì)的數(shù)據(jù)記錄表面上;光接收裝置,用于接收從光記錄介質(zhì)上返回的光;光分束裝置,用于使從光記錄介質(zhì)返回的光與從激光源發(fā)射的光分束開(kāi)來(lái);一個(gè)線光柵單元,放置在至少部分所述光接收裝置和所述光分束裝置之間,用于透過(guò)光束中的偏振分量,其中,所述的線光柵單元其線距"d"與構(gòu)成柵線的金屬導(dǎo)體厚度"h"的比值h/d近似為0.1或大于此值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器,其特征是,一個(gè)1/2波片放置在所述光學(xué)分束器和線光柵單元之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)傳感器,其特征是,所述的線光柵單元設(shè)置成,使主入射光入射至由垂直于線表面內(nèi)的柵線方向和所述的柵線表面的法線形成的平面上,所述的線距"d"滿足下述條件d≤λ0·1/(1+sinθ),其中,θ是經(jīng)過(guò)1/2波片入射至所述柵線的光的入射角,λ0是入射光波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)傳感器,其特征是,所述線光柵單元被設(shè)置成,使主入射光入射由所述柵線方向和所述柵線表面的法線形成的平面上,所述的線距"d"滿足下述條件d≤λ0·1/cosθ其中,θ是經(jīng)由1/2波片入射至所述柵線表面的光的入射角,λ0是入射光波長(zhǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器,其特征是,在所述的線光柵單元中,線距"d"滿足下述條件d≤λ0·(1+cos2θ)/[cosθ(2+sinθ)]]]>其中,θ是入射至所述柵線表面的光入射角,λ0是入射光波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器,其特征是,所述的分束裝置具有偏振光分束膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)傳感器,其特征是,所述的線光柵設(shè)置成,主入射光的入射角是60°或大于此角。
8.一種光學(xué)記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置,它包括一個(gè)發(fā)射激光束的激光源;一個(gè)物鏡,用于把激光源發(fā)射的光束聚焦至光記錄介質(zhì)的數(shù)據(jù)記錄表面上;光接收裝置,用于接收從光記錄介質(zhì)返回的光,它具有多個(gè)光接收單元;光分束裝置,用于把從激光源發(fā)出的光和從光記錄介質(zhì)返回的光分束開(kāi)來(lái);一個(gè)線光柵單元,它設(shè)置在至少部分所述光接收裝置和所述光分束裝置之間,用于透射光束中的預(yù)定偏振分量,所述的線光柵單元其線距"d"與構(gòu)成柵線的金屬導(dǎo)體的厚度"h"之比h/d近似為0.1或大于此值;用于檢測(cè)所述光記錄介質(zhì)上信息信號(hào)的裝置,它是依據(jù)用于接收通過(guò)線光柵單元透過(guò)光束的偏振分量的光接收單元所給出的輸出,以及接收所述線光柵單元反射光的偏振分量的光接收單元所給出的輸出,來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。
全文摘要
一種光學(xué)傳感器和光記錄介質(zhì)的重現(xiàn)裝置,它比傳統(tǒng)的光傳感器和光記錄介質(zhì)重現(xiàn)裝置體積小而且更可靠。他們具有一維金屬光柵,其柵線距“d”和構(gòu)成該線距的金屬導(dǎo)體的厚度“h”的比值h/d約為0.1或大于此值,還提供一組光接收單元,用于接收器一維金屬光柵分開(kāi)的光束。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1162814SQ9610578
公開(kāi)日1997年10月22日 申請(qǐng)日期1996年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月4日
發(fā)明者豐田清, 齊藤公博, 西紀(jì)彰, 玉田仁志, 松本秀一 申請(qǐng)人:索尼公司