專利名稱：光學掃描設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描多層光學記錄載體(如光盤)的光學掃描設(shè)備，和用在其中的光學元件，該設(shè)備適宜掃描位于該記錄載體中第一信息層深度的第一信息層，和位于該記錄載體中第二信息層深度的第二信息層。特別是，但不專門是，本發(fā)明涉及一種包括補償器的光學掃描設(shè)備，該補償器設(shè)置為補償由不同光路長度(這里稱作信息層深度)產(chǎn)生的球差，所述不同光路長度是指光束在光盤中傳播到達不同信息層以及離開不同信息層所行經(jīng)的光路長度。
需要生產(chǎn)大容量的光學記錄載體。因此，利用波長相對較短的輻射束(例如400nm的輻射束)、大數(shù)值孔徑(NA)的物鏡系統(tǒng)(NA至少為0.7，例如NA＝0.85)、和例如80μm厚的薄防護覆蓋層的光學掃描設(shè)備是理想的。而且，通過提供雙層盤可增大容量。在提及的波長和NA處，為了將相干串擾減小到可接受的程度，希望層間隔(layerseparation)至少為20-30μm。在不對測量進行補償?shù)那闆r下，從一層到另一層的重調(diào)焦距會導致球差，產(chǎn)生200-300mλ(rms)的波前誤差，這降低了所形成的光點的分辨率。
為了提供球差補償，已經(jīng)知道要機械地調(diào)整復合物鏡中的兩個或多個透鏡元件的間距。另一種補償方法是通過機械地調(diào)整準直透鏡相對于輻射源的位置，使輻射束以會聚或發(fā)散而不是準直光束入射到物鏡上。這些方法中的每一種方法都補償了在掃描設(shè)備的光學系統(tǒng)中產(chǎn)生的球差，從而至少大致地抵消了在被掃描的光盤中產(chǎn)生的球差。伴隨球差產(chǎn)生的是，當光點重聚焦在被切換到的那一層上時，利用聚焦致動器使物鏡軸向移動，從而改變物鏡的自由工作距離。
WO-A-124174中描述了另一種已知的光學掃描設(shè)備，其中輻射束穿過扭轉(zhuǎn)向列(TN)液晶盒，該液晶盒將入射光的偏振選擇性地旋轉(zhuǎn)90°。然后，當處于會聚狀態(tài)時，光束穿過雙折射板以在其中產(chǎn)生球差。雙折射板根據(jù)TN盒的狀態(tài)產(chǎn)生不同量的球差，以補償不同的信息層厚度。伴隨TN盒的切換的是，利用聚焦致動器使物鏡軸向移動，以改變其自由工作距離，并使光點重新聚焦在被切換到的那一層上。
本發(fā)明的一個目的是提供一種光學掃描設(shè)備中改進的球差補償系統(tǒng)，所述光學掃描設(shè)備能夠掃描多層光學記錄載體。
依照本發(fā)明的一個方面，提供一種光學掃描設(shè)備，用于在多層光學記錄載體位于該設(shè)備的掃描位置時掃描該多層光學記錄載體，該設(shè)備適宜掃描位于該記錄載體中第一信息層深度的第一信息層，和位于該記錄載體中第二信息層深度的第二信息層，該設(shè)備包括-用于產(chǎn)生輻射束的輻射源；-物鏡，位于輻射源和掃描位置之間的光路中，用于使輻射束在信息層上會聚于一點；以及-光學切換裝置，可在將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第一信息層的第一狀態(tài)和將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第二信息層的第二狀態(tài)之間切換，其中，該光學切換裝置包括補償器，該補償器設(shè)置為在其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時產(chǎn)生不同量的球差，其特征在于，進一步將該補償器設(shè)置為當其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的聚散度，-選擇不同量的球差和聚散度，從而當在所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換時，所述物鏡和所述光學記錄載體之間的自由工作距離基本上保持不變。
根據(jù)本發(fā)明，該補償器既引入球差，又改變光束的聚散度。在優(yōu)選實施例中，聚散度的變化使得不需要物鏡重新聚焦，而通過該補償器產(chǎn)生的球差量使得用由于聚散度變化而由補償器和物鏡產(chǎn)生的球差量來補償由覆蓋層變化產(chǎn)生的球差量。由該補償器產(chǎn)生的球差量優(yōu)選至少為10mλ，更優(yōu)選至少為30mλ。
所需的光束聚散度變化是根據(jù)旁軸計算得出的。然后獲知由物鏡產(chǎn)生的球差量。這樣，可相應地確定剩余的需要由該補償器產(chǎn)生的球差量。
這樣，可以在信息層之間切換時向位于光盤中不同深度的信息層提供球差補償，而不需要移動物鏡。因此，可以減少物鏡的移動范圍(“沖程”)，從而可以使用不太復雜的物鏡致動裝置。而且，與在層之間進行切換的過程中物鏡移動量的減少相對應，可減少所需電能。
通過說明，現(xiàn)在將本發(fā)明與用于在信息層之間切換的兩種常規(guī)方法進行比較。這里，我們考慮例如在US6,510,011(第8欄)中描述的物鏡，該物鏡與覆蓋層厚度為0.07mm和層之間的間隔(Δd)為0.03mm的雙層盤一起使用。
一種已知的球差補償方法是改變共軛物距。通過改變物距，進入物鏡的光束的聚散度改變。由于聚散度改變，物鏡產(chǎn)生額外的球差量。在某一聚散度下，球差量恰好足以補償由覆蓋層厚度差產(chǎn)生的球差。對于上面這種透鏡，這發(fā)生在共軛距離L＝+88.9mm時(“正”共軛距離表示進入物鏡的光束是會聚的)。為了使光點在新的層上聚焦，將物鏡移動0.0027mm的距離。因此，通過移動物鏡來增大自由工作距離，即物鏡的背面與盤的正面之間的距離，從而產(chǎn)生自由工作距離的變化Δfwd。注意ΔfwdΔd=2.730=0.09]]>因此，物鏡的軸向運動是覆蓋層厚度變化的9％。
另一種已知的方法是如上面引用的WO-A-124174中所述通過波前調(diào)節(jié)器來增加球差。在這種情況下，位于物鏡前面的波前調(diào)節(jié)器直接引入一些球差，同時保持光束的聚散度基本上不變。在這種情況下，該透鏡必須移動0.0205mm的距離。因此，必須增大自由工作距離。注意ΔfwdΔd=20.530=0.68]]>因此，物鏡的軸向運動是覆蓋層厚度變化的68％。
在本發(fā)明中，將光學切換裝置設(shè)計為使其引入光束的聚散度變化，并引入球差，從而在從第一層切換到第二層時，自由工作距離，以及因此物鏡的軸向位置基本上保持恒定。自由工作距離的變化Δfwd優(yōu)選小于覆蓋層厚度變化Δd的5％。在更優(yōu)選的情況下，Δfwd小于1％，并且在甚至更優(yōu)選的情況下，其小于0.5％。
而且，將聚焦容差Δz(當盤上的光點保持受衍射限制時物鏡能夠移動的距離)(參見Born和Wolf的《光學原理》第441頁(Principlesof Optics，p441))定義為Δz=0.5λNA2----(1)]]>其中，λ是光束的波長，NA是物鏡的數(shù)值孔徑。自由工作距離的變化應優(yōu)選小于Δz，因此Δfwd＜Δz (2)根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種方法，包括在一個信息層上進行掃描操作的過程中從記錄載體讀取數(shù)據(jù)，并且在另一個層上進行下一個掃描操作，例如寫入操作時，改變光學切換裝置的光學特性，以便補償在記錄載體中產(chǎn)生的波前像差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種方法，包括在一個信息層上進行掃描操作的過程中向記錄載體寫入數(shù)據(jù)，并且在另一個信息層上進行下一個掃描操作，例如讀取操作時，改變光學切換裝置的光學特性，以便補償在記錄載體中產(chǎn)生的波前像差。
這樣，例如在層之間切換以交替進行讀取和寫入操作時，可以使用該方法，該方法也能夠在同時進行延時記錄和重放的錄像機形式的光學掃描設(shè)備中進行。
本發(fā)明的各個實施例的其他方面、特征和優(yōu)點將從下面參考附圖并僅僅作為例子給出的本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述中變得顯而易見，其中

圖1是依照本發(fā)明實施例的光學掃描設(shè)備的示意圖；以及圖2和3是用在類似于圖1的設(shè)備中的光學部件的示意圖。
圖1是依照下面作為例子描述的本發(fā)明每個實施例的用于掃描光學記錄載體的設(shè)備所共有的部件的示意圖。該記錄載體例如是下面將要作為例子描述的光盤。
光盤OD包括基底1和透明層2，兩個信息層3、4置于透明層2后面，位于該光盤中的不同深度，相隔30μm(±10μm)。另一個透明層5分開這兩個信息層。透明層2的厚度大約為70μm(±30μm)，具有保護最上面的信息層3的功能，而基底1提供機械支撐。
可以將信息以基本上平行、同心或螺旋軌道排列的光學可檢測標記的形式存儲在光盤的信息層3、4中，圖1中未示出。這些標記可以是任何光學可讀的形式，例如反射系數(shù)或磁化方向不同于其周圍環(huán)境的多個凹坑或多個區(qū)域的形式，或這些形式的組合。
該掃描設(shè)備包括安裝在徑向可動臂上的光學拾取單元(OPU)。該OPU包括圖1中示出的除了盤OD之外的所有部件。輻射源6例如是單個半導體激光器，發(fā)射波長為400nm(±10nm)的發(fā)散的輻射束7。分束器8反射透鏡系統(tǒng)中的輻射，在該例子中，分束器8是偏振分束器。透鏡系統(tǒng)包括準直透鏡9、物鏡12和聚光透鏡11。物鏡12剛性地安裝在固定在機械致動器(未示出)中的可動架13上，該機械致動器用于對物鏡12的位置進行徑向跟蹤伺服和聚焦伺服調(diào)整。該設(shè)備還包括下面將要進一步詳細討論的光學切換裝置，該光學切換裝置包括補償器10，在該實施例中，補償器10是可切換的流體盒(fluid cell)。
準直透鏡9將發(fā)散的輻射束7折射以形成準直光束15。我們意在通過準直來表示基本上平行的光束，為此，該復合物鏡的橫向放大率基本上等于零。
物鏡12將準直的輻射束15轉(zhuǎn)變成大數(shù)值孔徑(NA)的會聚光束16，在該例子中，數(shù)值孔徑為0.85，該會聚光束16成為被掃描的信息層3或4上的光點18。注意，盡管用單透鏡表示物鏡，但是該物鏡也可以是包括兩個或多個透鏡元件的復合透鏡。
由信息層3或4反射的會聚光束16的輻射形成發(fā)散的反射光束20，該反射光束20沿著前面的會聚光束的光路返回。物鏡12將該反射光束20轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧蠝手钡姆瓷涔馐?1，分束器8通過朝聚光透鏡11透射至少一部分反射光束21而將前進的光束與該反射光束分開。
聚光透鏡11將入射光束轉(zhuǎn)變?yōu)榫劢乖跈z測系統(tǒng)上的會聚的反射光束22，盡管檢測系統(tǒng)使用多個檢測器元件，但是一般由單個元件23來表示。檢測系統(tǒng)捕獲該輻射，并將其變?yōu)殡娦盘?。這些信號之一是信息信號24，其值代表從被掃描的信息層讀取的信息。另一個信號是聚焦誤差信號25，其值代表光點18和被掃描的各個信息層3、4之間的軸向高度差。再一個信號是跟蹤誤差信號26，其值代表光點與被掃描的軌道的徑向偏差。將信號25、26中的每一個輸入到在掃描過程中控制架13的位置的聚焦伺服和跟蹤伺服機械致動器。
輸入到補償器10中的另一個信號是層切換信號30。該層切換信號30代表當前被掃描的光盤中選擇的信息層3或4。
圖2和3示出與圖1中所示裝置類似設(shè)置的光學掃描設(shè)備的一些元件。在該實施例中，該設(shè)備用于從雙層光盤OD記錄和/或重放，該雙層光盤OD例如是雙層Blu-rayTM盤(例如參見K.Schep，B.Stek，R.van Woudenberg，M.Blum，S.Kobayashi，T Narahara，T.Yamagami，H.Ogawa撰寫的文章“Format description andevaluation of the 22.5GB DVR disc”，Technical Digest，ISOM2000，Chitose，Japan，Sept.5-8，2000)。該設(shè)備包括復合物鏡，例如，其數(shù)值孔徑為0.85，包括剛性前透鏡102和剛性后透鏡104，例如在國際專利申請WO 01/73775中所描述的，用于將例如波長為405nm且由基本上平行的光線組成的入射準直光束聚焦為當前被掃描的信息層的平面中的光點。
在該實施例中，這兩個信息層位于0.1mm和0.08mm的深度處；因此它們相隔Δd＝0.02mm。當從一層到另一層重新聚焦時，由于信息層深度差，出現(xiàn)大約200mλ的不需要的球面波前像差，需要補償該球面波前像差。
由于盤和物鏡保持在同一位置，因此光束離開物鏡的聚焦位置必須改變Δl的量，該Δl由下式給出Δl=Δdn----(3)]]>其中Δd是覆蓋層的厚度變化，n是覆蓋層的折射率。在聚碳酸酯的情況下，該折射率n＝1.622。那么根據(jù)該透鏡方程式得出該光束的聚散度變化。設(shè)F是物鏡的焦距。設(shè)對位于信息層深度0.1mm的信息層來說共軛距離是無限大。為了切換到0.08mm的信息層深度，為保持焦點對準，利用薄透鏡近似，新的共軛距離L成為L=(1F+Δl-1F)-1----(4)]]>利用上面的參數(shù)，L＝+250mm。L為正值表示進入物鏡的光束是會聚的，而L為負值表示該光束是發(fā)散的。根據(jù)光線跟蹤計算，由此得出，為了在切換到位于0.08mm深度的信息層時避免對物鏡移動的需要，改變該光束的聚散度使得，至少近似地L＝+235mm。通過這種聚散度變化而產(chǎn)生的球差的量是-243mλOPDrms。因此，單獨通過聚散度變化使球差被過校正。因此，在該實施例中，補償器也直接產(chǎn)生至少大約+43mλOPDrms的球差。
在一個實施例中，利用可切換的流體盒110作為補償器。該盒110包括第一和第二不混溶流體，通過曲率可變的彎月面將這兩種流體分開，該彎月面接觸圓柱形疏水側(cè)壁，并具有通過電潤濕切換的結(jié)構(gòu)。這種流體盒在我們先前的專利申請歐洲專利申請第02075649.0中描述，該申請的內(nèi)容在此引入作為參考。可以使用如聚二甲基(8-12％)一苯基甲基硅氧烷共聚物的油作為一種流體，，可以使用導電的鹽水溶液作為另一種流體。
盒110包括電壓控制電路122，用于根據(jù)當前被掃描的信息層而分別向圓柱電極124和環(huán)形電極126施加兩個選定電壓之一。在一種狀態(tài)下，在掃描位于較小信息層深度的信息層的過程中，施加相對較低的選定電壓，以產(chǎn)生如圖3中所示的球形彎月面曲率。在另一種狀態(tài)中，在掃描位于較大信息層深度的信息層的過程中，施加相對較高的選定電壓，以產(chǎn)生如圖2中所示基本上平坦的彎月面。
在一個實施例中，該雙層盤具有0.07mm的覆蓋層，層間隔Δd是0.03mm。在該實施例中，在圖2和3的左側(cè)示出的液體是選定具有折射率n＝1.372的油。在圖2和3的右側(cè)示出的液體是折射率n＝1.350的水。對于信息層深度為0.1mm的盤的第一層來說，該彎月面如圖2所示基本上是平坦的。對于信息層深度為0.07mm的第二層來說，彎月面的曲率如圖3中所示是-4.283mm。由于兩種液體的折射率的選擇，流體盒110引入球差，并引入聚散度變化，從而使自由工作距離在兩種情況下保持相等，同時補償因覆蓋層厚度不同而引起的球差。
在一個例子中，λ＝400nm，NA＝0.85，因此，利用上面的方程式(1)和(2)，Δfwd＜0.27微米。因此，與上面的實施例相比，自由工作距離的變化(Δfwd)優(yōu)選小于信息層深度變化Δd的0.9％。
注意，電潤濕切換幾乎是無動力的，因此，與現(xiàn)有技術(shù)的裝置中利用聚焦致動器移動物鏡相比，本發(fā)明使用更少的動力。
此外，由于少量的聚散度變化以及由補償器產(chǎn)生的少量球差，元件的偏心容差大于100微米。
上面的各個實施例理解為本發(fā)明的說明性實施例。此外，可以拓展本發(fā)明的實施例。在一個可替換的實施例中，提供雙折射光柵形式的補償器，利用偏振切換裝置進行切換。
在另一個實施例中，也利用偏振切換裝置，提供具有非周期(即沿徑向方向無規(guī)則地重復)圖案的雙折射相結(jié)構(gòu)形式的補償器，因此不形成衍射級。因此，該相結(jié)構(gòu)不具有光柵的固有損耗。這樣，補償器引入所需的波前變化而沒有輻射能的明顯損失。在我們早期的歐洲專利申請第01204786.6中描述了一種包括具有非周期圖案的相結(jié)構(gòu)的可切換光學元件，其能夠改變聚散度并增加球差。
應當理解，關(guān)于一個實施例描述的任何特征也可以用在其他實施例中。而且，也可以采用不背離本發(fā)明范圍的上面未記載的等效方案和修改，本發(fā)明的范圍在隨附的權(quán)利要求書中限定。
權(quán)利要求
1.一種光學掃描設(shè)備，用于在多層光學記錄載體位于該設(shè)備的掃描位置時掃描該多層光學記錄載體，該設(shè)備適宜掃描位于該記錄載體中第一信息層深度的第一信息層，和位于該記錄載體中第二信息層深度的第二信息層，該設(shè)備包括-用于產(chǎn)生輻射束的輻射源；-物鏡，位于輻射源和掃描位置之間的光路中，用于使輻射束會聚于信息層上的一點；以及-光學切換裝置，可在將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第一信息層的第一狀態(tài)和將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第二信息層的第二狀態(tài)之間切換，其中，該光學切換裝置包括補償器，該補償器設(shè)置為當其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的球差，其特征在于，進一步將該補償器設(shè)置為當其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的聚散度，選擇不同量的球差和聚散度，從而使得當在所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換時，所述物鏡和所述光學記錄載體之間的自由工作距離基本上保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學掃描設(shè)備，其中當在所述第一和第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，自由工作距離的變化(Δfwd)小于第一和第二信息層深度之差(Δd)的5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光學掃描設(shè)備，其中自由工作距離的變化(Δfwd)小于第一和第二信息層深度之差(Δd)的1％。
4.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的光學掃描設(shè)備，其中，當在所述第一和第二狀態(tài)之間切換時，自由工作距離的變化(Δfwd)小于聚焦容差ΔzΔz=0.5λNA2]]>其中λ是所述輻射束的波長，NA是物鏡的數(shù)值孔徑。
5.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的光學掃描設(shè)備，其中所述補償器包括具有可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的一組流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光學掃描設(shè)備，其中所述流體組提供流體彎月面，當在所述第一和第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，該彎月面的形狀改變，從而提供不同量的球差和聚散度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項權(quán)利要求的光學掃描設(shè)備，其中所述補償器包括光柵元件，該光柵元件設(shè)置為提供不同量的球差和聚散度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項權(quán)利要求的光學掃描設(shè)備，其中所述補償器包括具有非周期圖案的相結(jié)構(gòu)，所述圖案在補償器上沿徑向方向不規(guī)則地重復，該相結(jié)構(gòu)設(shè)置為提供不同量的球差和聚散度。
9.一種操作前面任一項權(quán)利要求的光學掃描設(shè)備的方法，包括在一個信息層上進行掃描操作的過程中從記錄載體讀取數(shù)據(jù)，并且在另一個層上進行下一個掃描操作時改變光學切換裝置的光學特性，以便補償在記錄載體中產(chǎn)生的波前像差。
10.一種操作權(quán)利要求1至8中任一項的光學掃描設(shè)備的方法，包括在一個信息層上進行掃描操作的過程中向記錄載體寫入數(shù)據(jù)，并且在另一個信息層上進行下一個掃描操作時改變光學切換裝置的光學特性，以便補償在記錄載體中產(chǎn)生的波前像差。
11.一種適合于用在光學掃描設(shè)備中的光學元件，該掃描設(shè)備用于在多層光學記錄載體位于該設(shè)備的掃描位置時掃描該多層光學記錄載體，該設(shè)備適宜掃描位于該記錄載體中第一信息層深度的第一信息層，和位于該記錄載體中第二信息層深度的第二信息層，該設(shè)備包括-用于產(chǎn)生輻射束的輻射源；-物鏡，位于輻射源和掃描位置之間的光路中，用于使輻射束會聚于信息層上的一點；以及一光學切換裝置，可在將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第一信息層的第一狀態(tài)和將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第二信息層的第二狀態(tài)之間切換，其中，該光學元件設(shè)置為包括在所述切換裝置中，并且設(shè)置為當光學切換裝置處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的球差，其特征在于，進一步將該光學元件設(shè)置為當處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的聚散度，選擇不同量的球差和聚散度，從而使得當在所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換時，所述物鏡和所述光學記錄載體之間的自由工作距離基本上保持不變。
全文摘要
一種光學掃描設(shè)備，用于在多層光學記錄載體位于該設(shè)備的掃描位置時掃描該多層光學記錄載體，該設(shè)備適宜掃描位于該記錄載體中第一信息層深度的第一信息層，和位于該記錄載體中第二信息層深度的第二信息層。該設(shè)備包括用于產(chǎn)生輻射束的輻射源；物鏡，位于輻射源和掃描位置之間的光路中，用于使輻射束會聚于信息層上的一點；光學切換裝置，可在將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第一信息層的第一狀態(tài)和將該設(shè)備設(shè)置為掃描所述第二信息層的第二狀態(tài)之間切換。該光學切換裝置包括補償器，該補償器設(shè)置為當其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的球差。該補償器進一步設(shè)置為當其處于所述第一狀態(tài)時和處于所述第二狀態(tài)時在輻射束中產(chǎn)生不同量的聚散度。選擇不同量的球差和聚散度，從而當在所述第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換時，所述物鏡和所述光學記錄載體之間的自由工作距離基本上保持不變。
文檔編號G11B7/135GK1762008SQ200480007346
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司