專利名稱：一種用于不同厚度光盤的物鏡的制作方法
本申請是三星電子株式會社于1996年8月28日申請的發(fā)明名稱為“透鏡裝置及使用該透鏡裝置的光學(xué)頭設(shè)備”、申請?zhí)枮?6191002.X的發(fā)明專利申請的分案中請。
本發(fā)明涉及一種用于不同厚度光盤的物鏡。
光學(xué)頭在記錄介質(zhì)，例如光盤上，記錄和再現(xiàn)諸如視頻或聲頻信息。通過在基體上形成信息記錄表面構(gòu)成光盤。該基體可由塑料或玻璃制作。為了從高密度光盤讀或?qū)懶畔?，光斑直徑必須非常小。為此，通常都使用大?shù)值孔徑的物鏡和較短波長的光源。但在使用較短波長的光源時，就要減小光盤相對于光軸的傾斜允差。這種被減小的光盤傾斜允許可通過減小光盤厚度而增加。
假定光盤傾斜角是θ，則慧差系數(shù)W31的數(shù)值可由下式得出W31=-d2[n2(n2-1)sinθcosθ(n2-sin2θ)52]NA3]]>這里，d和n分別表示光盤的厚度和折射率。從上式可知，慧差系數(shù)與數(shù)值孔徑(NA)的三次方成正比。因此，鑒于傳統(tǒng)的小光盤(CD)所需的物鏡數(shù)值孔徑NA是0.45，而傳統(tǒng)數(shù)字視頻光盤或數(shù)字通用光盤(DVD)所需的物鏡數(shù)值孔徑是0.6(以適應(yīng)更高的信息密度)，對于給定的傾斜角，DVD的慧差系數(shù)是具有同樣厚度的CD的2.34倍。這樣，DVD的最大傾斜允差減小到傳統(tǒng)CD的一半。為使DVD的最大傾斜允差與CD一致，就需減小DVD的厚度。
然而，由于具有非標(biāo)準(zhǔn)厚度的光盤受球差影響的程度與該光盤厚度同標(biāo)準(zhǔn)光盤厚度的差異相對應(yīng)，因此，這種采用短波長(高密度)光源的、厚度減小的光盤，例如DVD，就不能用在采用長波長光源的例如光盤驅(qū)動器等傳統(tǒng)CD的記錄/再現(xiàn)裝置。如果球差增加過大，則形成在光盤上的光斑就不具有記錄信息所需的光強(qiáng)，這樣就會妨礙信息的準(zhǔn)確記錄。另外，信息再現(xiàn)時，信噪比(S/N)太低就不能準(zhǔn)確地再現(xiàn)記錄的信息。
因此，有必要采用可兼容CD或DVD等不同厚度光盤的、如650m的短波長光源的光學(xué)頭。
為此，已展開了對用單個光學(xué)頭裝置和較短波長光源在兩種具有不同厚度的光盤上均能記錄和再現(xiàn)信息的設(shè)備的研究。例如日本待公開專利申請平7-98431就提出了一種采用全息透鏡和折射透鏡組合成的透鏡裝置。


圖1和2分別表示零級和一級衍射光聚焦到具有不同厚度光盤3a和3b上的情形。在這兩幅圖中，帶有圖案11的全息透鏡1和折射物鏡2布置在光盤3a和3b前面的光路上。圖案11來自光源(未示出)并穿過全息透鏡1的光束4進(jìn)行衍射，將該透射光分成第一級衍射光41和零級衍射光40，兩束衍射光經(jīng)物鏡2以不同的強(qiáng)度聚焦到光軸的不同點。這兩個不同的焦點分別對應(yīng)厚光盤3b和薄光盤3a的焦點，因此可以對不同厚度的光盤進(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)的操作。
但是，在這種透鏡裝置的使用中，用全息透鏡1將光分成兩束(即零級和第一級光)會使實用光的使用效率(第一級光被反射和其中部分被兩次衍射)降低到15％。另外，在讀操作時，只有一束光攜帶信息、而另一束不攜帶信息，不攜帶信息的光束很可能被檢作噪聲。再者，制作這種全息透鏡要求蝕刻微細(xì)全息圖案時的高精度操作，因此增加了制作成本。
圖3是美國專利US 5,281,797中提出的另一傳統(tǒng)光學(xué)頭裝置的示意圖。這種光學(xué)頭裝置包括一個用來改變孔徑直徑的可變光闌1a，這樣，數(shù)據(jù)就可被記錄在具有相同厚度的長波長光盤及短波長光盤上，而且可從這些光盤上再現(xiàn)信息?？勺児怅@1a設(shè)置在物鏡2與準(zhǔn)直透鏡5之間。該可變光闌1a通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整光束通過區(qū)的面積，即數(shù)值孔徑(NA)，而控制來自光源9并經(jīng)分束器6傳輸?shù)墓馐?。根據(jù)所用光盤所需光斑尺寸調(diào)整可變光闌1a的孔徑闌直徑，使得中心區(qū)的環(huán)形光束能始終通過，而選擇通過或阻擋周圍區(qū)的光束4b。在圖3中，標(biāo)號7表示聚焦透鏡，標(biāo)號8表示光檢測器。
在具有上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)裝置中，如果可變光闌由機(jī)械光闌構(gòu)成，則其結(jié)構(gòu)諧振特性的變化取決于該光闌的有效孔徑。但在實踐中很難將該光闌裝到用于驅(qū)動物鏡的驅(qū)動器上。為了解決這個問題，可使用液晶構(gòu)成該光闌。不過這會極大地妨礙系統(tǒng)的小型化，降低熱阻和壽命，而且增加了制造成本。
美國專利US 5,496,995中公開了另一種方案。其方案是在物鏡的光路中設(shè)置一個相位板。該相位板產(chǎn)生不同相位的第一和第二光源，第一光源影像主波瓣橫向振幅通過重疊被第二光源影像主波瓣的振幅抵消。在一個實施例中，環(huán)形不透明圈分隔出不同深度的槽，這些槽能產(chǎn)生相位差。此方案的問題是必須仔細(xì)控制槽的深度和光的振幅，以便產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)南辔蛔兓筒ò甑窒?br> 另外，要為每個光盤配置相應(yīng)的物鏡以使特定的物鏡用于特定的光盤。在這種情況下，因為需要驅(qū)動設(shè)備來更換透鏡，所以這一方案會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化且增加了制造成本。
本發(fā)明的一個目的是提供一種透鏡裝置，其成本低且易于制造，并能夠用于多種規(guī)格的光盤。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學(xué)頭設(shè)備，其結(jié)構(gòu)緊湊，能夠增加光使用效率并減小像差，并能夠讀寫多種規(guī)格的光盤。
為達(dá)到上述目的而提供的透鏡裝置具有預(yù)定大小的有效直徑并將光聚焦到聚焦區(qū)，所述透鏡包含近軸區(qū)、中間軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)，而被中間軸區(qū)區(qū)分并相鄰于該中間軸區(qū)的近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)具有同一光軸，并且到達(dá)所述聚焦區(qū)的用于記錄或/和讀取光盤信息的光斑至少包含由所述透鏡近軸區(qū)聚焦的光。
其中，所述的光盤為0.6mm薄光盤時，聚焦于該光盤信息記錄區(qū)的光斑包含由所述透鏡近軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)聚焦的光。所述的光盤為1.2mm厚光盤時，聚焦于該光盤信息記錄區(qū)的光斑包含由所述透鏡近軸區(qū)聚焦的光。用于區(qū)分近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的中間軸區(qū)設(shè)置于該物鏡的一側(cè)表面，并且該中間軸區(qū)為一凹進(jìn)的環(huán)形溝槽，或者為一凸出的環(huán)形凸起，或者為一環(huán)形不平表面，該不平表面可為粗糙的、方齒形的或鋸齒形的表面之一。所述中間軸區(qū)為至少使用阻擋、散射、衍射、折射、吸收、透射或反射中的一種方式控制位于近、遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間軸區(qū)入射光。
為實現(xiàn)本發(fā)明的另一個目的，提供了一種用于記錄或/和讀取不同厚度光盤信息的光學(xué)頭設(shè)備，該設(shè)備包括用于發(fā)射光的光源；用于將由所述光源發(fā)出的光聚焦于光盤聚焦區(qū)的透鏡，該透鏡包含近軸區(qū)、中間軸區(qū)、遠(yuǎn)軸區(qū)，而被中間軸區(qū)區(qū)分并相鄰于該中間軸區(qū)的近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)具有同一光軸，并且到達(dá)所述聚焦區(qū)的用于記錄或/和讀取光盤信息的光斑至少包含由所述透鏡近軸區(qū)聚焦的光；用于檢測由所述光盤聚焦區(qū)反射的反射光的光電檢測器。
其中，由所述光盤聚焦區(qū)反射的反射光透過所述透鏡并經(jīng)過設(shè)置于透鏡一側(cè)的分束器后入射于所述光電檢測器的受光區(qū)。當(dāng)所述光盤為薄光盤時，入射于光電檢測器的受光區(qū)的反射光為包含由所述透鏡近軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)發(fā)出的光。當(dāng)所述光盤為厚光盤時，入射于光電檢測器的受光區(qū)的反射光為包含由所述透鏡近軸區(qū)發(fā)出的光。
圖1和2是具有全息透鏡的傳統(tǒng)光學(xué)頭裝置的示意圖，圖中分別示出光束被聚焦到薄光盤和厚光盤的情況；圖3是另一傳統(tǒng)光學(xué)頭裝置的示意圖；圖4和5表示用普通透鏡而不用全息透鏡分別將光束聚焦到薄光盤和厚光盤上的情況；圖6A表示當(dāng)采用和不采用本發(fā)明物鏡時，光斑大小的變化圖，圖6B是圖6A中的部分“A”的放大視圖；圖7A是本發(fā)明的光學(xué)頭裝置的示意圖，該圖表示光束被聚焦到兩個不同厚度的光盤上，圖7B和7C分別是圖7A中薄光盤和厚光盤的焦點放大圖；圖8是示于圖7A的本發(fā)明光學(xué)頭裝置的物鏡的透視圖；圖9是用于圖7A所示的本發(fā)明光學(xué)頭裝置的一個實施例中的一個物鏡的示意圖，該圖表示光束被聚焦到一個光盤上；圖10A是根據(jù)本發(fā)明另一實施例、在其表面具有光控制膜的物鏡的剖視圖；圖10B是本發(fā)明又一實施例的物鏡的剖視圖；圖11是本發(fā)明另一實施例的具有方形光控制槽的物鏡的俯視圖；圖12A是本發(fā)明又一實施例的物鏡的示意圖，該圖表示光被聚焦到一個光盤上，圖12B是本發(fā)明再一實施例的物鏡的示意圖；圖13是示于圖12A中物鏡的透視圖；圖14A和14B分別是示于圖12A中的物鏡的俯視圖和局部放大圖；圖15A是用于制造本發(fā)明一個實施例物鏡的模具的側(cè)視圖，圖15B是示于圖15A的模具的下座內(nèi)側(cè)的俯視圖，圖15C是用于制造本發(fā)明另一實施例物鏡的模具的側(cè)視圖，圖15D是示于圖15C的模具的下座內(nèi)側(cè)的俯視圖，圖15E至15G是示于圖15C的部分K的放大圖、它們表示本發(fā)明的多種實施例，圖15H和15I表示本發(fā)明物鏡的制造方法，圖15J是用示于圖15H和15I的方法制造出物鏡的側(cè)視圖，圖15K是經(jīng)圖15H、15I、15J所示的制造過程后所形成的物鏡的側(cè)視圖；圖16是本發(fā)明又一實施例物鏡的俯視圖；圖17和18是本發(fā)明再一實施例物鏡的示意圖，該圖分別表示用平面透鏡將光束聚焦到兩個不同厚度的光盤上；圖19和20分別表示用本發(fā)明的透鏡裝置將光束聚焦到一個厚光盤和一個薄光盤時的三維曲線圖；圖21和22是在本發(fā)明的光學(xué)頭裝置中，使用厚光盤和薄光盤時、每個光檢測器的俯視圖，這兩幅圖分別表示光從1.2mm盤和0.6mm盤入射到光電檢測器的情況；圖23是用于本發(fā)明的光學(xué)頭裝置的八段式光電檢測器的俯視圖；圖24-26和27-29分別表示根據(jù)相對薄光盤和厚光盤的物鏡位置，在八段式光電檢測器上形成的受光區(qū)的俯視圖；圖30表示從示于圖23的八段區(qū)光電檢測器中獲得的聚焦信號；圖31是由用于兩種不同厚度光盤的本發(fā)明光學(xué)頭裝置中的光電檢測器檢測到的聚焦信號的變化比較曲線；圖32是表示驅(qū)動本發(fā)明光學(xué)頭裝置的順序的流程圖；圖33表示在圖32的流程圖中，產(chǎn)自基于聚焦電流變化的電流-時間曲線的聚焦信號的位置；圖34和35是聚焦信號分別與用于圖32的流程圖中的第一和第二參考值相比較的電流-時間曲線；圖36是用于本發(fā)明光學(xué)頭的數(shù)字均衡器的框圖。
在本發(fā)明中，位于光傳輸通道中心軸線周圍的中間區(qū)內(nèi)的光被阻擋或遮蔽。該中間區(qū)位于接近軸線的區(qū)域(“近軸區(qū)”)與距該軸線較遠(yuǎn)的區(qū)域(“遠(yuǎn)軸區(qū)”)之間。阻攔該中間區(qū)內(nèi)的光使得來自近軸和遠(yuǎn)軸區(qū)的光形成一個小光斑，同時通過抑制該中間區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的其它光的干擾而使在該鏡頭聚焦區(qū)內(nèi)光斑周圍的側(cè)瓣變得最小。
這里，近軸區(qū)是指圍繞透鏡軸線(即光軸)、具有可忽略不計的像差且聚焦在接近傍軸焦點附近的區(qū)域。遠(yuǎn)軸區(qū)是指比近軸區(qū)更遠(yuǎn)離光軸的區(qū)域并能在邊緣焦點附近形成聚焦區(qū)域。中間區(qū)是指位于近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的區(qū)域。
另外，近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)可由厚光盤中的光學(xué)像差量定義。物鏡的光學(xué)像差(如，球差，彗差，畸變等)必須很小。一般來說，物鏡的像差小于約0.04λ(其中λ表示傳輸?shù)皆撐镧R的光波長)才能用于光學(xué)頭裝置。物鏡的光學(xué)像差大于0.07λ時就不能用于光學(xué)頭裝置。隨著光盤的厚度增加，光學(xué)像差增加。因此，若光學(xué)像差小于0.04λ的物鏡用于預(yù)先確定的或薄光盤(例如，DVD)，則當(dāng)使用較厚的光盤(例如，CD)時該物鏡會產(chǎn)生很大的光學(xué)像差(主要是球差)。
另外，當(dāng)光學(xué)像差在0.04λ和0.07λ之間時就會產(chǎn)生圖5所示的不希望的邊緣光(B)。為了補(bǔ)償厚光盤中產(chǎn)生的大光學(xué)像差，近軸區(qū)的光學(xué)像差被限定在0.04λ以下。遠(yuǎn)軸區(qū)的光學(xué)像差被限定為大于0.07λ。于是中間區(qū)的像差被限定在0.04λ與0.07λ之間以便抑制由球差產(chǎn)生的干擾。對圖5的更詳細(xì)說明將在后面敘述。
為此目的，沿著入射光路在近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間區(qū)內(nèi)設(shè)置一個環(huán)形或多邊形例如方形的用于阻擋或散射光的控制裝置。本發(fā)明利用的事實是，遠(yuǎn)軸區(qū)的光不影響光斑的中間光部分、而近軸和遠(yuǎn)軸之間的中間區(qū)的光影響光斑的中間光部分。
圖4表示波長為650nm的光被折射率為1305的物鏡聚焦到厚度為0.6±0.1mm、折射率為1.5的光盤上的情況。如圖所示，該光斑在1/e2(～13％的光強(qiáng))點處的直徑是0.85μm。
圖5表示在與上述同樣的條件下，光被聚焦到厚1.2±0.1mm的光盤上的情況。參閱圖5，直徑2μm的光斑被相對地聚焦在中間部分(A)，也被聚焦在其它部分(B)。此時，其它部分(B)的光強(qiáng)是中間部分(A)光強(qiáng)的5～10％。這是由于入射到遠(yuǎn)離光軸區(qū)域的光受到球差的影響，其影響程度依光盤厚度不等。
如上所述，由于球差的緣故在厚光盤上的光斑大于在薄光盤上的光斑。另外，既然入射到遠(yuǎn)軸區(qū)即距光軸較遠(yuǎn)的區(qū)域的光被聚焦到光軸之外(周圍的)區(qū)域并被散射，遠(yuǎn)軸區(qū)的光不影響中間部分(A)光斑的聚焦。然而，如上所述，由于存在于近軸和遠(yuǎn)軸之間的光干擾的近軸光的聚焦，被聚焦的光的邊緣光(B)的量變得較大。換言之，當(dāng)不使用本發(fā)明時，位于近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間區(qū)內(nèi)的光會產(chǎn)生干擾，如圖5所示，使得在中間光束(A)的周圍產(chǎn)生出邊緣光束(B)，這種邊緣光束一般具有中間光束強(qiáng)度的約6～7％，因而對光進(jìn)行檢測時增加了跳動并給準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄和再現(xiàn)造成困難。
圖6A所示曲線(a)至(d)表示當(dāng)使用和不使用本發(fā)明的光控制裝置時光斑尺寸的變化。在圖6A中，曲線(b)和(c)是使用光控制裝置時得到的曲線，曲線(a)和(d)是不使用光控制裝置時得到的曲線。此時，物鏡的數(shù)值孔徑是0.6，有效半徑是2mm。作為遮光或散射光的光控制裝置的一個例子，所使用的環(huán)形光控制膜自光軸起的中心高為1.4mm、寬為0.25mm。
在以上條件下，曲線(c)和(d)是表示使用0.6mm光盤時光斑尺寸變化曲線，曲線(a)和(b)表示使用1.2mm光盤時光斑尺寸變化曲線。這里，曲線(b)和(c)表示使用本發(fā)明時光斑的情況。
顯然，當(dāng)使用0.6mm光盤時，依使用或不使用光控制膜，圖5中間部分“A”處的光斑尺寸的變化在3％以內(nèi)。然而，在使用1.2mm光盤時，使用光控制膜可明顯減小圖5所示部分“B”的大小。
因此，如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過近軸和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間區(qū)的光受到控制。為此目的，沿光路設(shè)置一個用于控制(例如，阻擋、散射、衍射、吸收或折射)中間區(qū)的光的光控制裝置，以便阻止該光斑邊緣光尺寸的增加并減小可能以其它形式產(chǎn)生的球差。
圖7A是采用本發(fā)明第一實施例的物鏡的光學(xué)頭裝置的示意圖，其中對將光聚焦在薄光盤和厚光盤的情況進(jìn)行了比較。圖7B和7C分別表示圖7A所示的薄光盤和厚光盤的焦點的放大圖。如圖7B和7C所示，移動物鏡200以使光聚焦在薄光盤或厚光盤上。
圖8是物鏡200和作為光控制裝置的光控制器100的透視圖。
在圖7A中，標(biāo)號300a表示比較薄的信息記錄介質(zhì)，例如0.6mm的薄光盤；標(biāo)號300b表示比較厚的光盤，例如1.2mm的厚光盤。應(yīng)注意，薄厚光盤的直徑可以是相同的。另外，根據(jù)在操作時支承旋轉(zhuǎn)光盤300a和300b的光盤座機(jī)構(gòu)(未示出)的情況，光盤的底面既可處在不同平面也可處在同一平面。該圖進(jìn)行了變更以顯示不同的厚度。如傳統(tǒng)的那樣，激光穿過光盤座上的開口。
一個總物鏡200位于光盤300a或300b的前面。具有預(yù)定有效直徑的物鏡200對來自光源900的入射光聚焦并接受從光盤300a或300b的反射回來的光。如圖9所示，作為本發(fā)明一個特征，光控制器100設(shè)置在物鏡200的后面。光控制器100是透明的并具有抑制，例如阻擋或散射入射到其表面的光的環(huán)形光控制膜101。光控制膜101的外徑小于物鏡200的有效直徑。光控制器由玻璃或塑料構(gòu)成。Cr、CrO2或Ni等可用以制作光控制膜101。另外，參照圖12～17在下文中討論的任何表面不平度結(jié)構(gòu)將也能用在光控制器上。
如圖7A所示，唯直透鏡500和分束器600設(shè)置在光控制器100和光源900之間。沿著被分束器600反射的光的傳輸路徑設(shè)有聚焦透鏡700和光電檢測器800。這里，光檢測器800基本是一扇形結(jié)構(gòu)。
在具有本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)頭裝置中，如圖9所示，光控制膜101抑制入射光束400中的穿過近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間區(qū)內(nèi)的光束402，而僅傳輸穿過近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的光束401和403。例如，鉻(Cr)制光控制膜101阻擋穿過光控制器100的光束402。另外，依據(jù)光控制膜101的表面粗糙度，光束402可被散射、反射、衍射或折射。
如圖10所示，具有上述功能的光控制膜101直接鍍在物鏡200的一個表面。如圖11所示，光控制器101＇可以改制成如圖16所示的多邊形、例如，正方形或五邊形，而不是園形。再有，可根據(jù)光盤厚度設(shè)置附加光控制膜101或101＇以限定近軸區(qū)。例如，針對一薄光盤優(yōu)化物鏡并應(yīng)限定相應(yīng)的近軸區(qū)。這樣，可根據(jù)薄光盤厚度設(shè)置附加光控制膜或槽的限定適當(dāng)?shù)闹虚g區(qū)。在圖10B中，相應(yīng)于經(jīng)優(yōu)化的、光盤厚度為0.9mm可增加一個附加環(huán)形光控制槽102＇。這樣，物鏡200就可用于厚度為0.6mm、0.9mm或1.2mm的光盤。
圖12A和12B表示本發(fā)明又一實施例的物鏡。圖13和14A分別是圖12A所示物鏡的透視圖和前視圖。在這些實施例中，物鏡200＇中的光偏轉(zhuǎn)裝置102用作光控制裝置。換言之，一種結(jié)構(gòu)模式即用于部分地阻擋、衍射、折射或散射入射光的環(huán)形光控制槽102被設(shè)置在物鏡200＇的原始光接受側(cè)(圖12A)或光發(fā)射側(cè)(圖12B)。槽102也可設(shè)置在物鏡200＇的兩則。另外，光偏轉(zhuǎn)裝置102可采用如圖15K所示的凸起或楔形肋102的形式。楔形肋102既可位于物鏡200＇的單側(cè)也可位于其雙則。光控制槽或光控制楔形脅102的外徑小于物鏡200＇的有效直徑。
與上述的光控制膜101相似，光控制槽或楔形肋102設(shè)置在近軸與遠(yuǎn)軸之間的光區(qū)內(nèi)，其功能是不影響光聚焦或抑制(例如，阻擋)入射光的方向改變(例如，反射、折射或散射)該入射光的方向。
物鏡200可用常規(guī)高壓壓注模法(未示出)制造或用圖15H～15K所示的使用具有與楔形脅102相應(yīng)形狀的模子的壓模法制造。
下模1002a上有一個或多個槽103a與圖15A和15B所示的用于散射該中間區(qū)內(nèi)光的光控制肋102相對應(yīng)，這樣就使制成的透鏡表面帶有向外凸出的階梯形或楔形光控制裝置，但加工如圖12A所示的上述槽或具有衍射格柵的光控制裝置就要取掉上述的槽103a。槽103a形成在近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間區(qū)。光控制裝置102也可經(jīng)在鏡頭表面雕刻、蝕刻或劃刻而成。如圖15C和15D所示，在部分K上經(jīng)腐蝕或蝕刻處理而形成的不平表面構(gòu)成本發(fā)明又一實施例的鏡頭的光控制裝置102。
圖15E至15G示出幾種用于形成光控制裝置102的不平表面(粗糙的、方齒形的、鋸齒形的表面)，該光控制裝置102可以由一種不平面構(gòu)成或由幾種不平面組合成。
在圖15F中，光控制裝置102可具有形成格柵的均勻的階梯形、以對中間區(qū)的入射光衍射。當(dāng)激光波長為650nm時，該格柵節(jié)距S小于約200μm。
圖15H表示將諸如玻璃或塑料等透鏡材料200m放在上模1001與下模1002a之間。如圖151所示，上模1001與下模1002a被緊密壓合后模壓透鏡材料200m。然后，如圖15J所示，分開上模1001和下模1002a，就可得到物鏡200m。
如圖14B所示，光控制槽102最好加工在物鏡200＇的底面上并與垂直于光軸的直線相交成預(yù)定角θ。在中間區(qū)從光控制槽102反射回來的光最好沿不平行光軸的方向進(jìn)行散射或反射。
圖16是光控制裝置是光控制槽的物鏡的前視圖，其中正方形的光控制槽102＇加工在本發(fā)明又一個實施例的物鏡200′中。
光控制槽102＇的形狀可以是諸如正方形的多邊形。另外，物鏡可改制成不只具有一個光控制槽的形式以控制入射光。也可在諸如光控制件100的分離的透明件上使用這些表面不平度結(jié)構(gòu)(例如槽、肋、粗糙的、方齒形和鋸齒形)中任何一種。
在上述實施例中，物鏡200或200＇是凸透鏡，也可用基于衍射原理的平面透鏡，例如全息透鏡或菲涅耳透鏡取代凸透鏡。具體地說，當(dāng)透鏡設(shè)置光控制裝置時，在平面透鏡上加工出一個環(huán)形或正方形的光控制槽102＂，如圖17所示；或?qū)⒁粋€獨立制成的環(huán)形或正方形的光控制膜101固定或鍍在平面透鏡上，如圖18所示。光控制槽102＂只傳輸中間區(qū)光402，而不對其衍射。另外，光控制槽102＂沿與光的聚焦無關(guān)的方向?qū)χ虚g區(qū)內(nèi)光進(jìn)行反射。這樣，中間區(qū)的光402就不能到達(dá)光盤的光斑。
圖18所示的光控制膜101吸收、散射和/或反射入射到平面透鏡200＂的中間區(qū)的光402，防止中間區(qū)的光402到達(dá)光盤的光斑。例如當(dāng)用黑色涂料作光控制膜時，該膜將吸收光。圖17和18所示的光控制槽或光控制膜也可根據(jù)光盤厚度改制成不只具有一個環(huán)形槽或膜的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)當(dāng)注意，上述的透鏡結(jié)構(gòu)并不限制用于光學(xué)頭裝置的物鏡。
圖19表示從上述實施例得出的、1.2mm厚光盤上的光斑大小。這里所用物鏡的有效直徑是4mm、近軸區(qū)直徑是2mm、遠(yuǎn)軸區(qū)直徑是2.4～4.0mm。這樣，光控制裝置阻擋直徑范圍在2.0～2.4mm之間的光束。環(huán)形的光控制裝置的內(nèi)徑可在2.0～3.0mm之間變化以優(yōu)化光盤上的聚焦光斑。光控制裝置的內(nèi)徑和厚度也可分別在1.1～1.4mm(如，1.2mm)之間和0.1～0.25mm(如0.15mm)之間。其它范圍可根據(jù)系統(tǒng)情況確定。
在下述條件下形成的光斑中，根據(jù)測量結(jié)果，在中心光強(qiáng)為1/e2(～13％)的點處的光斑直徑是1.3 μm。與圖5所示的不采用光控制膜的裝置相比，當(dāng)采用光控制膜的本發(fā)明的裝置時圖5所示的部分“B”的光量減少了大于70％。
圖20表示，在上述條件下較薄光盤上的(例如0.6mm光盤)光斑尺寸。根據(jù)測量結(jié)果，在中心光強(qiáng)為1/e2(～13％)的點處的光斑直徑是0.83μm。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在光盤上形成的光斑可處在最佳狀態(tài)。如圖7A所示，從光盤反射的光透過物鏡200、光控制件100和準(zhǔn)直透鏡500，由分束器600反射后聚焦透鏡700傳輸?shù)焦怆姍z測器800，由光電檢測器光檢測并轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測器800通常是一個象限檢測器，并利用像散像差獲得聚焦誤差信號。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明光學(xué)頭裝置的光電檢測器800。
如圖21和22所示，在光電檢測器800中心形成的園斑包括與近軸光對應(yīng)的中心區(qū)901a和901b，和與遠(yuǎn)軸區(qū)對應(yīng)的邊緣區(qū)902a和902b。標(biāo)號“a”和“b”分別表示厚光盤和薄光盤上的光斑。具體地，圖21表示較厚光盤，例如1.2mm光盤，的情況，圖22表示較薄光盤，例如0.6mm光盤，的情況。在不考慮光盤厚度的情況下，近軸區(qū)的光形成的中心區(qū)901a的直徑變化很小。然而，在光被光控制件100阻擋的中間區(qū)903a中，直徑變化明顯。
首先參閱圖21，與近軸區(qū)相對應(yīng)的中心區(qū)901a處在光電檢測器800的中央，而邊緣區(qū)902a環(huán)繞光電檢測器800。位于中心區(qū)901a和邊緣區(qū)902a之間的中間區(qū)903a中的光被光控制件消除。在本實施例中，光盤反射面接近傍軸焦點，由于邊緣區(qū)902a和中間區(qū)903a實際上由于球差而被放大，因此，只利用近軸光從1.2mm的厚光盤再現(xiàn)信息。
參閱圖22，在這個實施例中由于薄光盤的反射表面接近最小的光束焦點圓，故中心(即近軸)區(qū)901b和邊緣(即遠(yuǎn)軸)區(qū)902b均形成在光電檢測800的檢測表面。換句話說，除了被光控制件消除的中間區(qū)的光，近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的光均用來從薄光盤(0.6mm)上再現(xiàn)信息。這里，不論何種光盤，傍軸的近軸區(qū)901b的直徑都保持一個較穩(wěn)定的數(shù)值。
如上所述，為從不同厚度的光盤讀信息，本發(fā)明的光學(xué)頭裝置采用一個從原光盤讀信息時只接受近軸區(qū)的光而從薄光盤讀信息時接受近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的光電檢測器800。因而，使用厚光盤時得到與近軸光相應(yīng)的信號；使用薄光盤時，得到一個與近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的光相應(yīng)的強(qiáng)度更大一些的信號。
圖23表示另一種形式的光電檢測器810，該檢測器具有八面體或八段結(jié)構(gòu)，其中第二檢測區(qū)812圍繞著處在中央且與圖21所示的四象限光檢測器相當(dāng)?shù)牡谝粰z測區(qū)811。這里，第一檢測區(qū)811包括四個正方形的第一受光元件A1、B1、C1和D1，第二檢測區(qū)812包括四個L形的第二受光元件A2、B2、C2和D2。
當(dāng)從厚光盤讀信息時，由八面體光檢測器810獲取的聚焦誤差信號示于圖30中。這里，僅以第一受光區(qū)811得到的信號用實線A表示，從第一和二第受光區(qū)811和812得到的信號用虛線B表示。
圖24～26和27～29分別表示使用薄光盤(數(shù)字視頻光盤)和使用厚光盤(小光盤)時，光電檢測器的受光情況。
第一檢測區(qū)811的尺寸經(jīng)過優(yōu)化，使得當(dāng)從厚光盤讀信息時，能無損地接受來自近軸區(qū)的光而不接受來自遠(yuǎn)軸區(qū)的光。如圖24所示，第一檢測區(qū)811和第二檢測區(qū)812的尺寸能保證當(dāng)從薄光盤讀信息時接受近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的全部光束。如圖27所示，當(dāng)從厚光盤讀信息時，遠(yuǎn)軸區(qū)的光照射到第二受光區(qū)812。
圖24、25和26分別表示當(dāng)物鏡對薄光盤聚焦、物鏡距該光盤太遠(yuǎn)以及物鏡距該光盤太近時的受光情況。類似地，圖27～29分別表示當(dāng)物鏡對厚光盤聚焦、物鏡距該光盤太遠(yuǎn)以及物鏡距該光盤太近時的受光情況。
在具有上述結(jié)構(gòu)的光電檢測器810中，用來自第一和第二受光區(qū)811和812的總信號，信號從薄光盤讀信息，而僅用來自第一受光區(qū)811的信號從厚光盤讀信息。
圖30表示，當(dāng)從厚光盤讀信息時，由來自第一受光區(qū)的信號(實線A)和來自第一和第二受光區(qū)的總信號(虛線B)產(chǎn)生的聚焦誤差信號變化。實線A與虛線B在形狀上差別在于厚光盤中散射光的量的不同。在八面體光電檢測器810中，因厚光盤大的球差產(chǎn)生的散射光主要被外光電檢測器812檢測。這些被外檢測器812檢測的散射光使聚焦誤差信號的幅度增大，使虛線B所示的聚焦誤差信號不穩(wěn)定。但當(dāng)只使用照射到內(nèi)光檢測器811上的檢測光時，則可減小散射光對實線A所示的S形曲線的影響。在實際使用中，A表示的聚焦誤差信號優(yōu)于B所示的聚焦誤差信號，這是因為它只有一個聚焦誤差信號過零點；而信號在該過零點處對稱性是確定物鏡聚焦位置的重要特性。
從上述中可知，當(dāng)從一個厚光盤讀信息時，僅使用近軸區(qū)的光獲得聚焦誤差信號分量，因此能得到如圖30所示的穩(wěn)定的聚焦誤差信號。
如上所述，在物鏡裝置的聚焦控制方法中以及采用該物鏡裝置的本發(fā)明的光學(xué)頭裝置中，可使光斑尺寸即圖5中的部分“B”的光量減小，并使聚焦信號穩(wěn)定，既然不計光盤厚度而只生成單一的聚焦誤差信號，因此，在使用不同厚度的光盤時不需要附加的聚焦控制裝置。
檢測到的聚焦誤差信號的幅值依光盤厚度的不同而不同。換言之，如圖31所示，在使用薄光盤時，近、遠(yuǎn)軸區(qū)的所有光線均到達(dá)光電檢測器；而在使用厚光盤時，只有近軸區(qū)的光到達(dá)光電檢測器，因此很容易區(qū)別光盤類型。
參閱圖32所示的流程圖具體說明區(qū)別光盤類型的操作。
如果插入一片薄光盤或厚光盤(步驟100)，聚焦電流(控制物鏡與光盤相對位置的電流)增加或減小以區(qū)別物鏡范圍，即光盤類型，如圖33所示。物鏡在其調(diào)焦范圍內(nèi)上、下移動m次(m＝1，2，3，…)，從而從光電檢測器得到一個總信號(八象限中各檢測區(qū)的所有信號加在一起)和一個聚焦誤差信號(Sf)(步101)。由于使用象限型光電檢測器，因此使用授與Kotaka等人的美國專利US 4,695,158中所述的傳統(tǒng)像散方法即可得到聚焦誤差信號。通常，不對其作過多說明。實驗表明，用于薄光盤再現(xiàn)的聚焦誤差信號的強(qiáng)度是用于厚光盤再現(xiàn)的聚焦誤差信號強(qiáng)度的四倍，這樣的光強(qiáng)度足以兼容兩類光盤并能實現(xiàn)聚焦誤差信號的穩(wěn)定。
用上述方法可減少球差量以便再現(xiàn)記錄在光盤上的信號。不過，該球差大于傳統(tǒng)CD播放機(jī)中的光學(xué)頭裝置的球差，因而使再現(xiàn)信號質(zhì)量下降。所以最好使用圖36所示的數(shù)字波形均衡器，假定該均衡器的輸入信號是fi(t)，則其產(chǎn)生的輸出信號fo(t)為fo(t)＝fi(t＋T)-K[fi(t)＋fi(t＋2T)]式中，T是預(yù)定的延遲時間，K是預(yù)定的幅值除數(shù)(amplitude divider)，如圖32所示(步106和106)。
一旦得到聚焦誤差信號Sf和總信號(步101)，就要確認(rèn)該聚焦誤差信號Sf是否大于用于薄光盤的第一參考信號(步102)。此時，根據(jù)要求的條件，總信號也可與第一參考信號進(jìn)行比較。
如圖34所示，如果第一參考信號值小于聚焦信號Sf或總信號，則確認(rèn)該光盤是薄光盤(步103)并依據(jù)確認(rèn)的結(jié)果連續(xù)地聚焦和尋跡(步104)，從而得到一個再現(xiàn)信號(步105)。該再現(xiàn)信號通過用于薄光盤的波形均衡器(步106)而得到一個波形均衡信號(步107)。但如果第一參考值大于聚焦誤差信號Sf或總信號，則需確認(rèn)該聚焦誤差信號是否大于與厚光盤對應(yīng)的第二參考值(步113)。
如圖35所示，如果第一參考值大于聚焦誤差信號Sf或總信號，而聚焦誤差信號Sf或總信號大于第二參考值(步113)，則確認(rèn)光盤為厚光盤(步114)，并進(jìn)行連續(xù)的聚焦和尋跡(步115)，從而得到再現(xiàn)信號(步116)。該再現(xiàn)信號通過厚光盤的波形均衡器得到一個波形均衡信號(步118)。
如果聚焦誤差信號Sf或總信號小于第二參考信號，就會產(chǎn)生一個誤差信號(步123)。聚焦誤差信號和總信號可用來準(zhǔn)確地區(qū)分光盤類型，并且本方法使用這兩個信號減小了區(qū)分誤差。
如上所述，本發(fā)明的透鏡裝置具有下列多種優(yōu)點。
本發(fā)明的透鏡裝置采用結(jié)構(gòu)簡單且易于制造的遮光或散光裝置取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價格昂貴的全息透鏡。由于無需全息透鏡分光，因此該透鏡裝置比傳統(tǒng)裝置具有更高光使用效率。另外，由于形成的光斑很小，故記錄和再現(xiàn)信息的性能增強(qiáng)。由于帶有遮光、衍射、折射或散射裝置的透鏡裝置只使用單個物鏡，因此裝配和調(diào)整采用該透鏡裝置的光學(xué)頭裝置時非常簡便。還由于區(qū)分光盤類型的信號獲取與光盤厚度無關(guān)，故可省去區(qū)分光盤厚度的附加裝置。與之相反，由于常規(guī)裝置產(chǎn)生多個信號，因此使用全息透鏡的傳統(tǒng)裝置必須采用附加裝置的區(qū)分某些信號。在這些信號中，一個用于薄光盤而另一個用于厚光盤。
雖然結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了具體地描繪和說明，很顯然，在不脫離本發(fā)明的宗旨和范圍的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可從形式和具體結(jié)構(gòu)上對本發(fā)明作出種種其他的改進(jìn)。例如，可改變光路中光盤的相對位置，從而改變光斑圖形，進(jìn)而要改變將光斑圖形變成電信號的各種方法的細(xì)節(jié)。
本發(fā)明可應(yīng)用于采用記錄介質(zhì)以記錄/再現(xiàn)視頻或音頻數(shù)據(jù)的光學(xué)系統(tǒng)的領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種用于記錄或/和讀取不同厚度光盤信息的物鏡，該物鏡將由光源發(fā)出的入射光聚焦于所述光盤的聚焦區(qū)，其特征在于所述物鏡包含近軸區(qū)、中間軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)，該中間軸區(qū)位于近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間并控制入射該區(qū)的光，而且所述物鏡依據(jù)不同厚度的光盤具有同一光軸上的不同焦點。
2.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于用于區(qū)分近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的中間軸區(qū)設(shè)置于該物鏡的一側(cè)表面，并且該中間軸區(qū)為一凹進(jìn)的環(huán)形溝槽。
3.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于用于區(qū)分近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的中間軸區(qū)設(shè)置于該物鏡的一側(cè)表面，并且該中間軸區(qū)為一凸出的環(huán)形凸起。
4.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于用于區(qū)分近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)的中間軸區(qū)設(shè)置于該物鏡的一側(cè)表面，并且該中間軸區(qū)為一環(huán)形不平表面，該不平表面可為粗糙的、方齒形的或鋸齒形的表面之一。
5.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于所述中間軸區(qū)為至少使用阻擋、散射、衍射、折射、吸收、透射或反射中的一種方式控制位于近、遠(yuǎn)軸區(qū)之間的中間軸區(qū)入射光。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的物鏡，其特征在于當(dāng)所述的光盤為薄光盤時，聚焦于該光盤聚焦區(qū)的光斑包含由所述近軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)入射的光。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的物鏡，其特征在于當(dāng)所述的光盤為厚光盤時，聚焦于該光盤聚焦區(qū)的光斑包含由所述近軸區(qū)入射的光，而入射于所述遠(yuǎn)軸區(qū)的光在到達(dá)光盤聚焦區(qū)時被散射。
8.如權(quán)利要求6所述的物鏡，其特征在于所述的薄光盤為0.6mm厚的盤。
9.如權(quán)利要求6所述的物鏡，其特征在于所述的薄光盤為DVD盤。
10.如權(quán)利要求7所述的物鏡，其特征在于所述的厚光盤為1.2mm厚的盤。
11.如權(quán)利要求7所述的物鏡，其特征在于所述的厚光盤為CD盤。
全文摘要
一種用于記錄或/和讀取不同厚度光盤信息的物鏡,包含近軸區(qū)、中間軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū),該中間軸區(qū)位于近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)之間并控制入射該區(qū)的光,所述物鏡依據(jù)不同厚度的光盤具有同一光軸上的不同焦點。當(dāng)所述的光盤為薄光盤時,聚焦于該光盤聚焦區(qū)的光斑包含由所述近軸區(qū)及遠(yuǎn)軸區(qū)入射的光。當(dāng)所述的光盤為厚光盤時,聚焦于該光盤聚焦區(qū)的光斑包含由所述近軸區(qū)入射的光,而入射于所述遠(yuǎn)軸區(qū)的光在到達(dá)光盤聚焦區(qū)時被散射。
文檔編號G11B7/005GK1332383SQ0111900
公開日2002年1月23日 申請日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月30日
發(fā)明者李哲雨, 申東鎬, 林慶和, 鄭鐘三, 趙虔皓, 成平庸, 劉長勛, 李庸勛 申請人:三星電子株式會社