專利名稱：利用棱鏡增強(qiáng)光斑尺寸監(jiān)測(cè)法探測(cè)聚焦誤差的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在光記錄介質(zhì)上讀寫數(shù)據(jù)的光頭中聚焦誤差的探測(cè)方法和裝置，特別是改進(jìn)的產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)的裝置，該聚焦誤差信號(hào)用作伺服系統(tǒng)的輸入，其動(dòng)作可保證光束在表面聚焦。
目前在光存儲(chǔ)應(yīng)用中所采用的散焦探測(cè)方法包括一個(gè)銳邊，一個(gè)象散透鏡或者一個(gè)臨界角棱鏡，這些技術(shù)需要對(duì)這些光學(xué)元件和對(duì)縫或分區(qū)光探測(cè)器做非常精細(xì)的校準(zhǔn)。
已公布的歐洲專利EP0164687提出了一種探測(cè)方法，其中從光盤反射的激光束通過(guò)一物鏡對(duì)準(zhǔn)一棱鏡，該棱鏡將光束寬度在一個(gè)方向壓縮M倍后，并將一橢圓截面光束傳輸?shù)揭讳J邊型聚焦誤差探測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)公式(25)，該應(yīng)用據(jù)稱可將聚焦誤差信號(hào)增大M倍。
1985年10月15日至17日在美國(guó)華盛頓召開的光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)專題會(huì)議的文摘中有一篇Yamamoto等人的文章(THCC2-1)，標(biāo)題為“光刻尺度的設(shè)計(jì)構(gòu)想”文章提出了一個(gè)探測(cè)與聚焦誤差有關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑尺寸變化的六元件光探測(cè)器。
需要一種非常靈敏的聚焦誤差探測(cè)方法，以相對(duì)較少的元件使聚焦誤差信號(hào)明顯增強(qiáng)并提供大的光束面積，使得只需在一個(gè)方向上對(duì)分區(qū)光探測(cè)器做不甚精確的校準(zhǔn)。
為了達(dá)到這個(gè)目的，該發(fā)明提供了一套通過(guò)設(shè)置在從光記錄介質(zhì)反射回來(lái)的返回光束光路中的棱鏡在光頭中探測(cè)聚焦誤差的裝置和方法。該棱鏡在一個(gè)方向上將光束壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上將與該光束的聚焦誤差有關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增大M倍，從而可望將聚焦誤差信號(hào)增強(qiáng)M2倍。正如Yamamoto等人的文章中所示那樣，聚焦誤差差由包含內(nèi)外光靈敏區(qū)的分區(qū)光探測(cè)器探測(cè)出來(lái)。光探測(cè)器從內(nèi)外區(qū)光強(qiáng)之差中產(chǎn)生出指示聚焦誤差的電信號(hào)。該光探測(cè)器的分區(qū)方式最好能使之可以提供軌跡誤差信號(hào)。


圖1，為表示該發(fā)明原理的示意圖;
圖2A和2B，表示了分區(qū)光探測(cè)器的兩種優(yōu)選的配置，它們都產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)，其中圖2B同時(shí)還可產(chǎn)生軌跡誤差信號(hào);
圖3，表示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用于只讀、一次寫入或相變光盤的光頭;
圖4，表示一個(gè)用于帶有施臂傳動(dòng)裝置的光盤驅(qū)動(dòng)器的實(shí)施例;
圖5，表示用于磁光盤的實(shí)施例。
本發(fā)明的原理由圖1作了最好的說(shuō)明，二極管激光器10的輸出通過(guò)一個(gè)圓形擴(kuò)束/準(zhǔn)直系統(tǒng)11產(chǎn)生一平行光束12。通過(guò)分束器13反射，光束12成為光束14。光束14通過(guò)透鏡15聚焦到光記錄介質(zhì)的表面16上。當(dāng)表面16處在透鏡15的焦點(diǎn)時(shí)，由分束器13到透鏡15的平行光束14向回反射后，并作為返回光束14，通過(guò)分束器13到達(dá)棱鏡17，棱鏡17將光束14折射成18，并對(duì)準(zhǔn)光探測(cè)器19。光束18具有橢圓形的強(qiáng)度分布圖形，其長(zhǎng)軸為D短軸為A。棱鏡17將光束14的寬度壓縮M倍(M定義為D/A)成為折射光束18的寬度。
現(xiàn)假設(shè)表面16上的數(shù)據(jù)偏離焦點(diǎn)的量為δz。在該假設(shè)的條件下，由表面16反射的光束14′通過(guò)透鏡15以后以δv角發(fā)散，其中δv＝Dδz/f2其中f是透鏡15的焦距如果δz為負(fù)，則δv也為負(fù)，反束光束14′將會(huì)聚。以下分析考慮δz為正的情況下，但當(dāng)δz較小時(shí)，對(duì)于發(fā)散或會(huì)聚光束14′，這一分析同樣適用。
由棱鏡17產(chǎn)生的折射光束18′具有發(fā)散角Mδv，而在探測(cè)器19處的所述光束寬度A′由下式給出A′≈A+2lMδv(2)其中l(wèi)是棱鏡17到光探測(cè)器19的距離，利用公式1，可得A′≈A+2lMDδz/f2≈A+2lM2Aδz/f2或A′/A≈1+2lM2δz/f2(3)由此可見(jiàn)，通過(guò)在從表面16反射的返回光束14′的光路中設(shè)置棱鏡17，表征聚焦誤差δz的波束寬度A的變化增強(qiáng)了M2倍。M由棱鏡17的頂角和棱鏡材料的折射率決定。M可以做的任意大;但隨著M增加，系統(tǒng)校準(zhǔn)的容差將越來(lái)越小。單一棱鏡17的實(shí)際最大值大約為M＝5;但幾個(gè)棱鏡可以串聯(lián)起來(lái)使用，則最終的因子M就是每個(gè)棱鏡M值的乘積。
如圖2A所示，光探測(cè)器19由三個(gè)條形光敏區(qū)1，2，3組成，設(shè)I1，I2，I3，分別為進(jìn)入這些光敏區(qū)1，2，3的光所產(chǎn)生的電信號(hào)，對(duì)于圖2A的配置，令S1＝I1+I3，S2＝I2。令KA為中心光敏區(qū)2的寬度，這里K(≈0.25)選擇得使得當(dāng)光束14聚焦時(shí)S1＝S2。如果S1′和S2′是對(duì)應(yīng)聚焦誤差δz的信號(hào)，可以得出(S1′)/(S1) ≈ (2(A′ - KA))/(A′+ A - 2KA)(S2′)/(S2) ≈ (2(1 - K))/(A′+ A - 2KA)和FFS = (S1′- S2′)/(S1+ S2) = (A′- A)/(A′ + A - 2KA)當(dāng)A′≈A和K＝0.25時(shí)FES 0.67(A′/A-1)≈1.31M2δz/f2因而，作為例子，如果M＝5、l＝50mm并且f＝4mm，則一個(gè)小的聚焦誤差δz＝0.5μm可產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)FES＝0.05。這樣大的誤差信號(hào)使得能夠以高信噪比探測(cè)很小的聚焦誤差。
信號(hào)I1和I2由20求和并加以放大，提供輸出信號(hào)S1，同時(shí)信號(hào)I2由21放大提供輸出信號(hào)S2。信號(hào)S1和S2送往差分放大器22和求和放大器26，其輸出送往除法電路28。除法電路28的輸出就是聚焦誤差信號(hào)FES。聚焦誤差信號(hào)加在聚焦伺服控制系統(tǒng)23(圖1)上。如圖所示，系統(tǒng)23包含了用于調(diào)節(jié)線圈24中的電流從而可調(diào)整透鏡15相對(duì)于表面16的位置的常規(guī)裝置(未示出)。
光探測(cè)器的一個(gè)優(yōu)選的配置如圖2B所示，光探測(cè)器25包含6個(gè)光敏區(qū)1-6，可分別產(chǎn)生電信號(hào)I1-I6。聚焦誤差信號(hào)為FES = (S′ - S2′)/(S1+ S2)并且軌跡誤差信號(hào)為;
TES = (S3- S4)/(S3+ S4)其中S1＝I1+I3+I4+I6S2＝I2+I5S3＝I1+I2+I3S4＝I4+I5+I6利用軌跡誤差信號(hào)調(diào)整軌跡誤差的方式已是常用的，不構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)部份。圖2B包含在這里只是為了說(shuō)明申請(qǐng)人的探測(cè)及校正聚焦誤差的方法和裝置可以適應(yīng)象25那樣能產(chǎn)生聚焦誤差和軌跡誤差兩種信號(hào)的光探測(cè)器并可與之結(jié)合使用。
如圖3所示，根據(jù)這一實(shí)施例該發(fā)明包含一特別適用于只讀、一次寫入或相變光盤的光頭。激光器30的發(fā)射光通過(guò)透鏡32成為平行光束，并通過(guò)棱鏡46的表面34折射后變成圓形光截面。表面34有起偏分束(PBS)的涂層。光束35通過(guò)一1/4波片36到光束彎頭機(jī)透鏡40，它將所述光束聚焦到光盤42的選定軌跡上。由光盤42反射回來(lái)的光束35′通過(guò)波片36返回并由棱鏡表面34反射為光束37到達(dá)棱鏡46的表面44。光束37在表面44的折射將所述光束的寬度由D到A壓縮了M倍并將該橢圓光束47引向光探測(cè)器48，光探測(cè)器最好按圖2A或2B分區(qū)。
如圖3所示，如果在光盤42軌跡上的數(shù)據(jù)處于焦點(diǎn)上，則反射光束35′將和光束35重合，并且在光探測(cè)器48處的光束寬度為A。然而，如果光盤42上的數(shù)據(jù)不在焦點(diǎn)上，則反射光束35′相對(duì)于光束35發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測(cè)器48處的光束寬度大于A。由圖2的說(shuō)明，光探測(cè)器48這時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)FES;用適當(dāng)?shù)乃欧b置(未畫出)可根據(jù)這個(gè)FES調(diào)整棱鏡40相對(duì)于光盤42上軌跡的位置，以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點(diǎn)上的要求。
這個(gè)實(shí)施例所需元件數(shù)可望較少。
圖4A和4B表示另一種用于只讀，一次寫入或相變光盤的光頭的實(shí)施例。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，光頭的大致指向平行于光盤50上的軌跡。這種光頭因而很容易用在具有旋臂傳動(dòng)裝置的光盤驅(qū)動(dòng)器上。激光器52(圖4A)發(fā)射出經(jīng)透鏡5A準(zhǔn)直的光束，并被引向和通過(guò)一個(gè)無(wú)折射或反射的PBS56。通過(guò)PBS56的光束58具有橢圓截面，其一個(gè)方向?qū)挾葹镈而另一正交方向?qū)挾葹锳。該光束58通過(guò)一1/4波片60并對(duì)準(zhǔn)一組合棱鏡62。在組合棱鏡62的第一表面64，光束58變?yōu)閳A形截面，而后經(jīng)棱鏡另一表面66內(nèi)全反射(TIR)而反射至反射表面68再出射到物鏡70，物鏡70將形成的光束72聚焦在光盤50上。光束72經(jīng)過(guò)光盤軌跡反射為光束58′。光束58′的截面再次成為橢圓的，通過(guò)PBS56的表面74反射并引向光探測(cè)器76，光探測(cè)器76最好按圖2A或2B分區(qū)。
如圖4所示，如果光盤50軌跡上的數(shù)據(jù)處于焦點(diǎn)上，則反射光束58′和光束58重合，在光探測(cè)器76處的光束寬度為A。然而，如果在光盤50上的數(shù)據(jù)不在焦點(diǎn)上，則反射光束相對(duì)于入射光束58發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測(cè)器76處的光束寬大于A。由與圖2相關(guān)的討論，光探測(cè)器76給出FER;根據(jù)這個(gè)FES用適當(dāng)?shù)乃欧b置(未畫出)調(diào)整透鏡70相對(duì)于光盤上軌跡的位置，以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點(diǎn)上的要求。
這個(gè)實(shí)施例要求棱鏡62的展寬/壓縮比M和激光器52的出射光斑形狀匹配。
圖5顯示了另一種用于磁光盤光頭的實(shí)施例。激光器80出射光束由透鏡82準(zhǔn)直，通過(guò)棱鏡86的表面84折射后成為圓斑光束，然后對(duì)準(zhǔn)光束彎頭88和物鏡90。表面84是部分起偏分束表面，它將光盤94上選定軌跡所反射的光束92′中的P偏振成分的一部分和所述光束幾乎所有的S偏振成分反射到棱鏡96的表面98成為光束100。表面98也是部分起偏分束表面。表面98將一光束100的P偏振成分的一部分折射到一個(gè)伺服光探測(cè)器102成為光束101，該探測(cè)器最好按圖2A或2B分區(qū)。這個(gè)折射使得光束100任一個(gè)方向上的寬度從D到A被壓縮M倍。表面98還將光束100的P偏振成分的一部分和光束100的幾乎全部S偏振成分引向Wollaston(渥拉斯頓)棱鏡104、會(huì)聚棱鏡106和數(shù)據(jù)探測(cè)器108，形成光束103。Wollaston棱鏡探測(cè)磁光盤數(shù)據(jù)的性能已為本行業(yè)周知并不構(gòu)成此發(fā)明的一個(gè)部分。
如圖5所示，如果光盤94軌跡上的數(shù)據(jù)是處于焦點(diǎn)上，則返回光束92′和原光束92重合，在光探測(cè)器102處光束寬度為A。然而如果光盤94上的數(shù)據(jù)不在焦點(diǎn)上，返回光束92′將相對(duì)于原光束92發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測(cè)器102處的光束寬度大于A。由關(guān)于圖2的說(shuō)明，光探測(cè)器102將產(chǎn)生FES;并根據(jù)該信號(hào)用一適當(dāng)?shù)乃欧b置(未畫出)調(diào)整透鏡90相對(duì)于光盤94上軌跡的位置以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點(diǎn)上的要求。
可以看出，在圖3-5所示的每一種配置中，和以前的方法不同，聚焦誤差信號(hào)可望增強(qiáng)M2倍。
盡管本發(fā)明是參照其優(yōu)選實(shí)施例作展示和敘述的，精于本行業(yè)的人應(yīng)當(dāng)明白在形式和細(xì)節(jié)上可以做出多種變化，而并未超出本發(fā)明的思路和范圍，因此除了權(quán)利要求中指明，本發(fā)明是不受它們局限的。
權(quán)利要求
1.適用于在光學(xué)記錄介質(zhì)上讀和/或?qū)憯?shù)據(jù)光頭中的聚焦誤差探測(cè)裝置，其特征在于產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于聚焦誤差的電信號(hào)的光探測(cè)器，和置于經(jīng)所述介質(zhì)反射的返回光束光路中的棱鏡，用以將光束截面在一個(gè)方向上壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上將與所述光束聚焦誤差相關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，因而把聚焦誤差信號(hào)增強(qiáng)M2倍。
2.權(quán)利要求1中的裝置，其特征在于所述光探測(cè)器包含內(nèi)、外光敏區(qū)，并根據(jù)所述內(nèi)、外光敏區(qū)光強(qiáng)差產(chǎn)生電信號(hào)。
3.權(quán)利要求2中的裝置，其特征在于一個(gè)內(nèi)區(qū)處于二個(gè)外光敏區(qū)之間，使得當(dāng)在內(nèi)區(qū)探測(cè)到的光強(qiáng)等于在二個(gè)外區(qū)探測(cè)到的光強(qiáng)之和時(shí)，所產(chǎn)生的聚焦誤差信號(hào)為零。
4.權(quán)利要求2中的裝置，其特征在于光探測(cè)器具有一個(gè)條形內(nèi)光敏區(qū)，它處在二個(gè)外光敏區(qū)之間，而所述各區(qū)在垂直于條形的方向上分割成三個(gè)上光敏區(qū)和三個(gè)下光敏區(qū)，由此另一個(gè)表示軌跡誤差的電信號(hào)可由所述上、下區(qū)光強(qiáng)之差產(chǎn)生。
5.權(quán)利要求1中的裝置，其特征為提供初始平行光束的裝置，和一聚焦透鏡將所述初始光束對(duì)準(zhǔn)在介質(zhì)上，使得反射光束當(dāng)所述透鏡聚焦在介質(zhì)上時(shí)與初始光束重合。
6.權(quán)利要求5中的裝置，其特征為包括伺服裝置在內(nèi)的各裝置，能響應(yīng)返回光束相對(duì)于初始光束的發(fā)射或會(huì)聚所產(chǎn)生的表示聚焦誤差的聚焦誤差信號(hào)，用于調(diào)整透鏡和介質(zhì)的相對(duì)位置以消除聚焦誤差。
7.一個(gè)用于包含大量軌跡以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的光盤的光頭，其特征在于提供平行光束的裝置，包含起偏分束器并能使光通過(guò)折射成為圓形截面的棱鏡裝置和包含1/4波片、光束彎頭和透鏡用以把圓截面光束聚焦在選定軌跡上的裝置。所述棱鏡裝置放在由光盤反射的返回光束的光路中，用以在一個(gè)方向上將光束寬度壓縮M倍，并且同時(shí)在所述方向上將與所述光束聚焦誤差相聯(lián)系的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，因而將表示聚焦誤差的電信號(hào)增強(qiáng)M2倍。
8.一個(gè)用于包含大量軌跡以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的光盤的光頭，其特征在于提供平行光束的裝置。一個(gè)1/4波片。包含一個(gè)把通過(guò)1/4波片的光束截面變?yōu)閳A形的表面，把圓形截面光束內(nèi)部全反射的第二個(gè)表面和做為反射面的第三個(gè)表面的棱鏡裝置。將所述第三表面反射的光束聚焦在光盤上的透鏡裝置。產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于所述光束聚焦誤差的信號(hào)的光探測(cè)器。所述棱鏡裝置放置在由光盤反射的返回光束的光路上，用以在一個(gè)個(gè)方向上將光束寬度壓縮M倍同時(shí)在所述方向?qū)⑺龉馐c聚焦誤差相關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，因而使所述信號(hào)增強(qiáng)M2倍。一個(gè)起偏分束器用以將所述棱鏡裝置出射的所述返回光束對(duì)準(zhǔn)光探測(cè)器。
9.用光束在光記錄介質(zhì)上讀和/或?qū)憯?shù)據(jù)的光頭中探測(cè)聚焦誤差的方法，其特征步驟是在由所述介質(zhì)反射的返回光束的光路上放置一棱鏡，用以將光束在一個(gè)方向上壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上把所述光束與聚焦誤差相關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，從而將表示聚焦誤差的電信號(hào)增強(qiáng)M2倍。
10.權(quán)利要求9中的方法，進(jìn)一步的特征步驟為提供一個(gè)具有內(nèi)外光敏區(qū)以根據(jù)所述內(nèi)外光敏區(qū)的光強(qiáng)差產(chǎn)生所述信號(hào)的光探測(cè)器。
11.用于在光記錄介質(zhì)上讀和/或?qū)憯?shù)據(jù)的光頭上的探測(cè)聚焦誤差的方法，特征步驟是在由所述介質(zhì)反射的返回光束的光路上放置一棱鏡，用以在一個(gè)方向上將光束寬度壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上把所述光束與聚焦誤差相關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，從而將聚焦誤差信號(hào)增強(qiáng)M2倍;并且由具有一處在兩個(gè)外光敏區(qū)中間的一個(gè)條形內(nèi)光敏區(qū)的光探測(cè)器產(chǎn)生所述信號(hào)，所述信號(hào)的幅值正比于所述內(nèi)外光敏區(qū)光強(qiáng)之差。
12.權(quán)利要求11中的方法，特征在于所述區(qū)域在垂直于條形方向分割，以產(chǎn)生三個(gè)上光敏區(qū)和三個(gè)下光敏區(qū)，相互之間電絕緣，另一表示軌跡誤差的電信號(hào)由所述上下區(qū)域光強(qiáng)差產(chǎn)生。
13.權(quán)利要求11中的方法，其特征是進(jìn)一步調(diào)整聚焦透鏡在光路中位置，以響應(yīng)所述信號(hào)，保證在所述內(nèi)區(qū) 探測(cè)到的光強(qiáng)等于在所述外區(qū)探測(cè)到的光強(qiáng)之和，從而消除所述聚焦誤差。
14.一個(gè)用在有大量軌跡以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的光盤上的光頭，特征為提供平行光束的裝置。第一棱鏡裝置用以通過(guò)折射使光束成為圓截面。包括一光束彎頭和透鏡裝置的裝置，通過(guò)它把圓截面光束對(duì)準(zhǔn)在光盤上選定軌跡上。第二棱鏡裝置。所述第一棱鏡裝置有一個(gè)部分偏振分束表面，用以將光盤反射的返回光束的P偏振成分的一部分和所述返回光束的幾乎所有S偏振成分對(duì)準(zhǔn)到所述第二棱鏡裝置;并且有一光探測(cè)器用以產(chǎn)生一響應(yīng)所述返回光束聚焦誤差的信號(hào)。所述第二棱棱裝置有一個(gè)部分起偏分束表面，用以將剛說(shuō)過(guò)的光束的P偏振成分的一部分折射到所述光探測(cè)器，從而使得剛提到的部分導(dǎo)致返回光束在一個(gè)方向上壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上將與聚焦誤差相關(guān)的所述光束的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，從而將所述信號(hào)增強(qiáng)M2倍。
全文摘要
本發(fā)明敘述了在光記錄介質(zhì)反射的返回光束的光路上放置一個(gè)棱鏡，以探測(cè)光頭聚焦誤差的方法和裝置。該棱鏡在一個(gè)方向上將光束寬度壓縮M倍，同時(shí)在所述方向上將與該光束聚焦誤差相關(guān)的發(fā)散/會(huì)聚角增加M倍，從而可望將聚焦誤差信號(hào)增強(qiáng)M
文檔編號(hào)G11B7/135GK1047584SQ90102759
公開日1990年12月5日 申請(qǐng)日期1990年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月26日
發(fā)明者安東尼·喬治·杜威, 威爾弗雷德·林思, 丹尼爾·魯加爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司