专利名称：光栅物镜和光栅光束整形器及含上述元件的光学扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含第一和第二衍射光栅的光栅物镜，所述第一和第二衍射光栅一个接一个地排列在从物体侧到象侧延展的光路上，将这些光栅进行这样的适配和排列，即使得一个光栅的轴向光线或边界光线分别为另一光栅的边界光线或轴向光线。本发明还涉及用于对辐射光束的横截面进行整形的光束整形器。本发明还涉及包含所述光栅物镜和(或)光束整形器的光学扫描装置。
从“应用光学”(Applied Optics)(第28卷，第4号，1989年，682-686页)中的文章“波长无关光栅透镜系统”中可了解上述类型的光栅物镜。和普通物镜透镜相比，光栅或全息形式的物镜的优点在于较小、较轻并较易于用已有的重复技术进行大规模生产。光栅用作透镜的缺点是比普通透镜有更大的波长相关性。在光束波长有微小变化的情况下，衍射光束部分的角度会发生变化，从而产生象差。
要减小波长相关性，“应用光学”(1989年682-686页)中的所述文章提出了用前后排列的两光栅组成光栅透镜。以这样方式适配光栅使每一光束射线被第二光栅以与该光线被第一光栅衍射的第一角度相反的第二角度进行衍射。结果，波长变化引起的第一衍射角度的偏差，可由第二衍射角度的相反偏差所补偿。
在“应用光字”(1989年，682-686页)所述文章中所述光栅透镜足以消色差，即波长不变，但该光栅只有一很小的例如1μm量级直径的象场。因此，该透镜不适合于某些应用。这些应用之一是在用于对光记录载体的信息平面进行扫描的装置中用作物镜。该物镜必须将来自辐射源(例如，诸如AlGaAs激光器的二极管激光器)聚焦到信息平面上信息经迹上衍射极限的光点上。该物镜必须有一相当大的衍射极限象场，该象场具有100μm数量级的直径或1°数量级的场角度。较大象场是必须的以便在组装时调整扫描装置，即，使各元件彼此安置适当、使得在使用该装置时扫描光束倾斜于物镜以便相对于信息平面上待扫描经迹图案校正扫描光点位置。如已在“应用光学”(1989年682-686页)中所述文章提及，该文章所述物镜产生一种具有不均匀的即高斯(Gaussian)强度分布的光束。
按照本发明的第一方面，提供一光栅物镜，该光栅物镜足以消色差，具有足够大象场并产生具有可满足要求的均匀强度分布的光束。该光栅物镜的特征在于在由第一和第二光栅形成的光路上至少排列有一个第三光栅，使穿过光栅物镜的光束的轴向光线和边界光线至少互换三次。
借助于第三光栅，以及可能的附加光栅，可对在双光栅的光栅物镜的较大象场时出现的诸如球差及彗差之类的光象差加以补偿，从而获得相当大的衍射极限的象场。而且，以这样方式对三个或更多光栅进行适配，以便对光束的各光线来说，所述光线被相继光栅衍射的角度之和基本上等于零，使由波长变化引起的该和的变化也可忽略不计。鉴于边界线和轴向线至少互换三次的事实，可实现充分均匀的强度分布。
大体上，光栅物镜只需包含一个附加光栅、即第三光栅便可满足上述要求可充分校正的足够大的象场和均匀的强度分布。也可将第四光栅加到这种光栅物镜上以校正三个其它光栅的剩余误差。如果物镜必须满足的规格说明是必须对光栅有更严格要求因而使实际更难实现，那么可使用第五光栅和可能的其它光栅以便于全部光栅的制造。
应注意到，在光记录载体的读装置中，除了用于在记录载体上形成扫描光点的光栅对以外还使用第三光栅，这种读装置实质上是已知的。然而，在已知的读装置中，没有将第三光栅和用于将扫描光束聚焦到衍射极限光点上的光栅对一起使用。
例如，在公开号为63(1989)-209029和1(1989)-30036的日本特许公报中，用第三光栅将由记录载体反射的光束与导向记录载体的光束相分离以及将该反射光束分离成导向各自检测器的两个子光束。
公开号为63(1988)-291226的日本特许公报中，描述了一种光学读出装置，在该装置中，三个光栅既从光源到记录载体的扫描光束的前进路径又从记录载体到检测器的扫描光束的返回路径进行排列。只有两个光栅用于作为光束正向路径的物镜透镜，而第三个光栅用作准直仪并且该光栅不改变轴向光线光束进入边界光线以及从边界光线光束进入轴向光线。
按照本发明的光栅物镜的特征还在于，所有光栅是透射光栅。
然而，按照本发明的光栅物镜，包含在物体侧有第一表面、在象侧有第二表面、其光轴线垂直于第一和第二表面的透明平行平面板，该光栅物镜的特征最好在于第一表面有一环绕光轴的辐射窗口，第一光栅是反射光栅并置于环绕光轴的第二表面上;第二光栅是反射光栅并置于第一表面辐射窗口周围;第三光栅是辐射透射的并置于第一光栅周围的第二表面上。
这种光栅物镜极为紧凑，非常适合用于小而轻的使用光记录载体的装置中。
在目前的光扫描装置中一般将半导体激光器用作辐射源，该激光器具有矩形输出孔径并发射光束，在通过光束轴线并平行于有源pn过渡层的平面上的孔径角度比通过光束轴线并垂直于过渡层的平面上的孔径角度要小，例如3倍。该激光束具有椭圆形横截面代替圆形对称横截面。要将这种光束聚焦到具有所要求圆形的扫描光点上，可在该光学系统中使用第一或拍摄透镜，例如准直透镜，该准直透镜具有非常小的数值孔径使之正好被光束椭圆截面的短轴方向上的光束所通过。该透镜在另一方向上只接受辐射能的一小部分。的确拍摄透镜辐射出的光束具有圆形对称光束截面，但光束强度比由二极管激光器所发射光束的强度要小得多。如该扫描装置用于写信息，由于该装置比用于读信息需要更高的辐射强度，所以这种辐射损耗是特别不能接受的。同样问题可能出现在例如将一个或多个二极管激光器用作辐射源的光学打印机中。
已知可用棱镜系统形式的光束整形器取代有限孔径以便将椭圆截面的光束整形为有圆形截面的光束。由于对这种系统的棱镜有严格要求，因此这种棱镜十分昂贵。而且，实际上要连续使用多个棱镜，这使系统又大又笨重。
按照本发明的第二方面，提供一光束整形器，该光束整形器小而轻，而且大体上与波长变化无关，该光束整形器使用和光栅物镜同样的原理。该整形器的特征在于，至少有三个光栅在光束路径上一个接一个地进行排列，在该系统中以这样方式适配光栅使光束的轴向光线和边界光线至少互换三次，而光栅为一维光栅。
一维光栅是原则上具有基本上严格按一个方向延伸的直光栅线的光栅。这种光栅只在垂直于光栅线方向的一个方向上呈现光栅效果。以这样方式适配光栅系统使得在垂直于光栅线并通过光束主轴的平面上离开上一光栅的光束宽度和平行于光栅线并通过主轴的平面上的宽度相等，而在光束穿过光栅系统时上面提及的宽度不会发生变化。
原则上将光束整形器中光栅个数限定为3，但如果对光束整形器有更严格要求，可选更多光栅数。与光栅物镜相类似，对光栅整形器来说，也最好是使边界光线和轴向光线至少互换三次以获得均匀的强度分布。
光束整形器中所有光栅可以是透射光栅。作为选择，偶数号光栅也可能是反射光栅。和光栅物镜相似，可获得小型的光束整形器。
也可组合光栅物镜和光束整形器以获得具有内部光束整形器的光栅物镜。这种光栅物镜的特征在于它包含二维光栅，在两个彼此垂直方向上各具不同的光栅周期。
本发明另一目的是提供用于光学扫描信息平面的扫描装置，该装置包含提供扫描光束的辐射源和将扫描光束聚焦于信息平面上扫描光点上的物镜系统，该装置小而轻并具有相当大的象场，基本上和波长变动无关。该装置的特征在于物镜系统是由前文所述的光栅物镜构成的。
可将扫描信息平面理解为读出预记录信息平面的扫描和通过其强度按照待写信息加以调制的光束将信息写在该平面的扫描。在写磁光记录载体的场合下，光束也可具有恒定的强度而磁场可按该待写信息加以调制。信息平面可以是光记录载体的平面，但也可以是待测试物体的表面或面，那么该扫描装置便成为例如显微镜的一部分。
最后，由于本发明的目的是提供包含有产生椭圆截面扫描光束的辐射源、用于将光束截面整形为圆形光束截面的光束整形器以及将扫描光束聚焦到信息平面扫描点的物镜系统的扫描装置，该装置可产生具有相当大强度的扫描光点。该装置的特征在于光束整形器和光栅是如前文所述构成的。
另一方面，该装置还可具有光栅物镜包括如前文所述的内部光束整形器的特征。
下面，参考附图，通过实例将更详细地描述本发明的实施例，在附图中
图1和图2示出按照本发明光学扫描装置的两个实施例，图3示出具有由透射光栅构成的光栅物镜的这种装置的实施例，图4示出发射具有不对称截面的光束的二极管激光器，
图5示出用于将该光束整形为具有圆形对称截面光束的光束整形器，图6是包含二极管激光器、光栅物镜和光二极管的集成光学读出单元的截面图。
图1是部分具有反射信息平面11的光记录截体10的截面图。将包含光栅物镜30和辐射源40的扫描装置安置于记录载体附近。辐射源40发射由光栅物镜30聚焦于信息平面11上的扫描光点41的扫描光束20。由于扫描装置和记录载体可彼此相对移动，例如由于记录载体可绕垂直于记录载体平面的轴(未示出)旋转而扫描装置可相对于同一轴而径向移动，因此扫描光点可覆盖整个信息平面。
光栅物镜30由透明平行平面板31构成，该板具有朝向辐射源40的第一表面32和在记录载体侧的第二表面33。第一表面在光轴AA′处中央定位有光束20通过其进入的辐射窗口34。在该图中只示出由轴向光线22和边界光线21限定的该光束的一半。
该光束通过板31并入射到具有圆形对称图案的光栅槽口的第一反射衍射光栅35上。该光栅的参数，例如光栅周期，光栅条纹宽度与中间条纹宽度之比、光栅槽口深度和形状可这样进行选择以便使该辐射主要以一个衍射级，例如-1数量级进行反射。光栅35及以后的光栅36和37可具有各不相同的光栅周期。
由于边界光线21和轴向光线22入射在光栅35上的不同角度以及由于可能有各不相同的光栅周期，这些射线可以不同角度为光栅35所衍射，并象光线211和221一样导向也是反射的而且包围窗口34的第二光栅36。光线211入射于光栅36的内部边缘使该光线如希望的那样是环形光栅36的轴向光线。光线221入射于光栅36的外部边缘并且是该光栅的边界光线。也可以这样方式形成光栅36使之主要反射一种数量级，例如+1数量级的辐射。光线212和222为光栅36反射并入射于环形且包围第一光栅35的第三透射光栅37。光线212入射于光栅37的外部边缘而光线222入射于该光栅的内部边缘以便从光栅36传送到光栅37，轴向光线和边界光线再次互换。光栅37对一种数量级，例如-1数量级的较大部分辐射再次进行衍射，以使光线213和223及中间光线射向光轴AA′，在那里这种光线彼此相遇于41处。
未示出的一半光束通过光栅物镜遍历相似路径，其光线也相遇于41处。
以这样方式构造图1中光栅系统35、36和37使得对通过该系统光束的第一光线来说，衍射角正弦之和(考虑这些角度的符号)近似为0。由于波长变化这些衍射角的偏差之和也基本为为0，从而使整个光栅系统和波长无关。
在双光栅系统较大象场时出现的象差可通过将双光栅系统延展为如图1所示三光栅系统而加以校正。在这种情形下，也可满足从光学手册中得知的阿贝(Abbe)正弦条件，从而使象场足够大。该正弦条件意指对距离光学图象系统轴线某距离Y′的满意图象，须满足ysinα＝y′sinα′，其中α和α′分别为物体侧和象侧的成象光束的孔径角度，而y是成象点与光轴间的距离。
使用光栅物镜时，会出现第一光栅将中央光束部分扩散到第二光栅上相当大环形区、而将光束边界部分集中于第二光栅上小的环形区中的效果。在双光栅系统中，第二光栅并不互换中央光束部分和边界光束部分使得所形成光束的强度分布不均匀。在按照图1使用三光栅的光栅系统中，由于中央光束部分和边界光束部分的额处互换而消除了所述效应，从而获得满意的均匀的强度分布。
图1的光栅物镜如果处于因对物镜的严格要求而使光栅可能显得难以实现的环境下时可用其它光栅加以扩展。使用多光栅时，对分开的光栅所提要求可能不太严格，因此可简化这些光栅的制造。例如，可将第四光栅置于图1光栅物镜之后。另一可能的选择是用反射光栅替代光栅37并在光栅36周围放置第四反射环形光栅。这时该第四光栅将来自光栅37的辐射反射到点41。也可环绕光栅37安置辐射透透射并呈环形的第五光栅。在某些场合下，最好可使边界光线和轴向光线互换5次或更大的奇数次。而由于额外增加的第四、第五等光栅比前三个光栅要薄弱得多，实际上互换次数往往可能是偶数次。
因为相位光栅比幅度光栅有较高效率，所以光栅最好是相位光栅。相位光栅可以是包含与中间条纹交替的光栅槽口的轮廓光栅。另一可能的选择是所谓体积光栅的相位光栅，该体积光栅是由具有交替的第一和第二反射指数的条纹组成的层形成的。
也可用这样方式形成光栅使得辐射主要以二级或更大偶数级而取代参考图1所述一级方式来进行衍射。由于光栅周期保持不变，因而可加大衍射角，或者，如果衍射角保持相同，那么就可增大光栅周期。
在扫描例如称为“小型光盘”光学可读数字声盘上的反射信息表面时，光点41所反射光束被光栅物镜所捕获并通过其中通向辐射窗口34的反向路径。该反射光束可进入辐射源，而在将半导体激光器用作辐射源时，该光束可被此激光器所检测。例如在德国专利说明书1，584，664号中已说明了这种所谓反馈读出。然而，发射及反射光束的共同辐射路径最好装有光束分离元件，例如用于将部分反射光与扫描光束20分离并投射到光敏检测系统60上的分裂立方体50。由于信息平面11上的反射光是由所述修复平面存储的信息所调制的并为光点所扫描，因此系统60将信息流转换为适合于进一步处理的电信号。
不但可用分离元件而且可用物镜本身来进行光束分离，只要将耦合输出衍射光栅38如图2所示置于进和出窗口34上。
该衍射光栅是例如具有直光栅条纹的衍射光栅。该光栅将入射光束分裂为无衍射零级子光束和正一极、负一级的两个衍射子光束以及多个在较高级衍射的子光束。光栅参数，例如光栅条纹宽度与中间光栅条纹宽度之比，在相位光栅场合下，可选择光栅槽口的形状和深度使通过光栅38第一通道形成的零级子光束和通过该光栅第二通道上形成的一级子光束的强度乘积为最大。也可保证通过光栅38第一通道上形成的一级子光束通过这样的角度衍射使这些光束的辐射在被信息平面11反射之后不会达到检测系统60。
耦合输出光栅38可由两个其彼此区别在于具有不同光栅周期或不同光栅线方向的光栅部分组成，如美国专利4，665，310中所述。然后将通过光栅物镜返回的光束分裂为两个子光束。如果这些子光束入射于两检测器时，便能产生聚焦误差信号及可能的跟踪误差信号。另一可能的选择是这样构造耦合输出光栅38以使返回光束散射。将这种光束与四象限单元形式的检测器相组合，也可产生聚焦误差信号，如美国专利4，023，033所述。
虽然图1和图2的反射光栅物镜由于其体积小而最优，但是也可用透射光栅形成光栅物镜，例如用三个透射光栅，如图3所示。
在该物镜中，轴向光线22被光栅35向外衍射以便作为边界光线221到达光栅36。该边界光线被光栅36向内衍射以色作为轴向光线222到达光栅37。光栅37衍射该光线一次以上使该光线作为光线223沿光轴延续到点41。边界光线21被光栅35向内衍射，接着由光栅36向外衍射，最后由光栅37再次向里衍射到点41。
在现代光记录载体扫描装置中，而且在例如激光打印机中，最好将二极管激光器，例如AlGaAs二极管激光器用作辐射源。图4以透视图形式示出这样的激光器40。该激光器包含多个P型和n型半导体层，尤其是所谓的有源层43，只要有足够功率的电流I以穿过这些层的方向流过二极管激光器便会产生激光辐射。在有源层前侧或前面44出现激光辐射，而激光束的主轴线23平行于该层。该二极管激光器的辐射发射表面45是矩形的，并在其平行于有源层方向即所谓侧向上的长度大于穿过该有源层方向即所谓横向上的长度。而且，侧向平面激光器光束的孔径角度α小于横向平面的孔径角度β。所以该光束具有椭圆形截面。
以光记录载体上所要求的高信息密度的观点来看，信息平面上形成的扫描光点必须是圆形的，必须具有最小直径且是有限衍射的。如果进入物镜的光束具有这样直径的圆形截面正好使该物镜光瞳被精确地充满，才能获得这样的光点。另外对激光打印机来说，要求在记录媒介上形成的光点是圆形的。要得到具有圆菜截面的二极管激光器光束，必须将所谓的光束整形器置于该光束路径上。
这种光束整形器可包含衍射光栅，从而按照本发明例如可使用三个一维光栅。该光束整形器的操作基本上不受激光束20波长变化的影响。图5a示出在垂直于光栅线的平面上这种光束整形器70的截面图，而图5b示出相同光束整形器平面图。光栅线以Z方向延伸，即垂直于图5a的图平面，并平行于图5b的图平面和平行于图4二极管激光器的侧平面。
如图5a所示，所需的加宽是通过第一光栅71将入射光束20的轴向光线26的一半光束衍射离开该轴而获得的。第二光栅72将这些光线衍射到光轴而第三光栅73使这些光线在要求方向上。边界光线24和25首先由光栅71衍射到光轴，接着由光栅72将其衍射偏离该轴使之最后由光栅73按要求方向衍射。
当光束穿过光束整形器，光束在侧面或X-Y平面(图5a)上的宽度增大使该宽度等于在横截面或Y-Z平面(图5b)上的宽度，而光束穿过光束整形器时，后者宽度不变。
如光束整形器内设于光栅物镜中，则包含二极管激光器的扫描装置可进一步微型化。这可通过使用衍射角表示的光栅的光功率在彼此垂直的方向X和Y上各不相同而实现。然后，这些光栅不再旋转对称但在X和Y方向上具有不同光栅周期，而导致这些方向上不同衍射角。可将具有内部光束整形器的光栅物镜的光栅认为是将图1和图2光栅物镜30的光栅35，36和37叠加在图5a和图5b的光栅71，72和73上。通常，也可能将其它光栅叠加于图1和图2光栅35、36和37(例如耦合输出光栅、光束分裂光栅，引导散射光栅等)上。
此外，可将光栅物镜和光束整形器的衍射元件用全息光栅代替狭义上的光栅来构造。这些全息光栅是借助于全息方法制成或借助计算机产生的光栅。这样，光栅概念可从广义上理解并包含所有这些变化。
由于图1和图2中反射光栅物镜小型化，所以有可能将该物镜30和二极管激光器40及光敏检测系统60一起整体化装在一个机壳内。图6示出这样整体化的光读入装置的截面。将具有光栅35、36和37以及耦合输出和光束分裂光栅38的光栅物镜30置于支架80，该支架也构成部分外壳。该外壳用底板81封闭其下边。将冷却块82置于该底板以便将二极管激光器40和组合光二极管60形式的光敏检测系统紧固在该块上。元件83有若干输入和输出管针、用于将激励电流供给二极管激光器，以及从光二极管中导出信号。
权利要求
1.一种包含第一和第二衍射光栅的光栅物镜，所述第一和第二衍射光栅一个接一个地排列在从物体侧到象侧延展的光路上，这样适配和排列这些光栅使一个光栅的轴向光线或边界光线光束分别为另一光栅的边界光线或轴向光线，该光栅物镜的特征在于，至少将第三光栅排列于第一和第二光栅形成的辐射路径上，以使穿过光栅物镜的光束的轴向光线和边界光线至少互换三次。
2.如权利要求1所述光栅物镜，其特征在于所有光栅为透射光栅。
3.如权利要求1所述光栅物镜，包含其第一表面在物体侧、第二表面在象侧、其光轴垂直于第一和第二表面的透明的平行平面板，该光栅物镜的特征在于，第一表面有一环绕光轴的辐射窗口，第一光栅是反射的并排列于环绕着光轴的第二表面上，第二光栅是反射的并安排在第一表面上的辐射窗口周围，第三光栅是辐射透射的并安排在第一光栅周围的第二表面上。
4.用于将椭圆形截面的光束整形为圆形的对称截面的光束的光束整形器，其特征在于，至少三个光栅的系统，所述三个光栅一个接一个地安排在光束路径上，这样来适配光栅使光束的轴向光线和边界光线至少互换三次，而光栅为一维光栅。
5.如权利要求4所述光栅整形器，其特征在于，所有光栅为透射光栅。
6.如权利要求4所述光栅整形器，其特征在于第偶数个光栅为反射的。
7.如权利要求1、2或3所述光栅物镜，包含一内部光束整形器，该光栅物镜的特征在于，包含有在两个彼此正交方向上各有不同光栅周期的二维光栅。
8.用于光学扫描信息平面的装置，该装置包括提供扫描光束的辐射源和用于将扫描光束聚焦成信息平面上光点的物镜系统，所述装置的特征在于该物镜系统是由如权利要求1、2或3所述光栅物镜构造的。
9.用于光学扫描信息平面的装置，该装置包括提供椭圆形截面扫描光束的辐射源，用于将椭圆形光束截面整形为圆形截面的光束整形器以及用于将扫描光束聚焦在信息平面的扫描点上的物镜系统，所述装置的特征在于，光束整形器如权利要求4、5或6所述。
10.用于光学扫描信息平面的装置，该装置包括提供椭圆形截面扫描光束的辐射源，用于将椭圆形光束截面整形为圆形截面的光束整形器以及用于将扫描光束聚焦于信息平面上扫描点的物镜系统，该装置的特征在于光栅物镜包含如权利要求7所述内部光束整形器。
11.如权利要求8或10所述的装置，其特征在于将耦合输出光栅各置于光栅物镜的入口窗口以将通过物镜返回的辐射偏离源辐射路径。
12.如权利要求8、10或11所述的装置，其特征在于，将光栅物镜和光敏检测系统置于辐射源外壳内。
全文摘要
描述了包含至少三个光栅、其中辐射光束的轴向光线和边界光线至少互换三次以使其具有波长无关特性、相当大的象场和令人满意的均匀的强度分布的光栅物镜。也描述了根据同样原理的光束整形器及带有内部光束整形器的光栅物镜。
文档编号G11B7/12GK1051430SQ90108900
公开日1991年5月15日 申请日期1990年10月30日 优先权日1989年11月2日
发明者约瑟夫斯·J·M·布拉特, 威廉·杰拉德·奥费 申请人:菲利浦光灯制造公司