光学的再现方法

专利名称:光学的再现方法
本发明是关于用激光聚焦在光记录媒介(光盘)上，使记录信号再现的方法。
关于在光盘表面上敷设一层记录材料，用激光聚焦，记录並再现信号的研究，总是希望能实现大容量，高密度信息的存储。但是，记录密度受激光波长的限制。如图2所示，信息记录在光盘的U型槽1上，即使激光聚焦在折射界限内，为了充分减少邻近槽之间产生的串扰，两槽的间隔(轨迹间距)约为激光波长的2倍。图3是V型槽，以斜面2作为信息记录面的光盘。V型槽峰与峰之间的间隔也和U型槽一样，约为激光波长的2倍，才能减小邻近斜面的串扰。也就是说，V型槽比U型槽的轨迹间距可以缩小一半，记录密度可以增加一倍。(M.Nagashima;Applied Physics Letters Vol.42，P.144 1983年)光盘上记录並再现信息用的光源，是采用小型可直接调制的半导体激光器。为了保证记录用高功率激光器的实用寿命，如图4所示发光面3，及发光图形4为椭圆形，振荡波长为0.8μm，激光功率大约为25mw，为了在光盘上使光聚焦成圆形光点，需要扩大椭圆形的短轴(L)，使其整形略成圆形光束。图5为记录再现信息的光学系统。从半导体激光器5射出的激光，通过准直透镜6成为平行光;再通过由两个棱镜组成的光束放大器7，就成为略呈圆形光束。这一激光束再通过偏光光束分离器8， 1/4 波长片9，由物镜10聚焦在光盘记录面11上。而反射光，再一次通过物镜10， 1/4 波长片9，在偏光光束分离器8上被反射，而与入射光分开，通过透镜12而会聚，在反光镜13上被反射的激光束，在检测器K上形成焦点，用作焦点控制。而未经反光镜13反射的激光束，由检测器M接收，作为信息再现和跟踪控制。
反射光束形状和光检测器M的形状，如图6，图7所示。图2中U型槽光盘再现用图6的光检测器。在光检测器14，15上接收光束16的光量，以其光量相等进行跟踪，以其光量和作为信息再现。如图3所示V型槽光盘的再现，是用图7的光检测器17，18，在V型槽斜面跟踪时，V型槽有微小摆动，从17，18接收的光量差中去除摆动频率后，再控制跟踪。
由于光束需要整形，光学系统的光能传递效率不超过40%，而半导体激光器的激光功率为25mw，光盘上的功率就只有10mw。例如使用记录材料为TeOX(T.Ohta，et al.Journal of Applied Physics Vol53、P8497 1982年，和、M.Takenaga et.al.Journal of Applied Physics Vol 54 P5376 1983年)用波长为0.83μm的半导体激光器作记录再现光于以说明如下对于U型槽使用数值孔径(NA)为0.5的物镜，而V型槽用NA0.6物镜，相当于0.5物镜的中央部分射入光束。光盘转速每分钟1800转，在半径75mm处(线速度为14m/See)记录再现，记录功率为8mw，再现功率为1mw，可以使频率为10MHz的信号(记录位长为0.7μm)达到C/N比为50dB(带宽30KHz)在处理高质的情报(如MuSE式高质量电视信号)时，就需要能够记录再现较高频率的信号。
V型槽与U型槽相比较，轨迹间距缩小一半，而记录密度为U型槽的2倍，但在轨迹方向上的线密度，两者还是相同的，能够记录再现信息的性质不变。现在先理解一下由光盘反射光束的动作，再说明激光波长和物镜的数值孔径，对线密度是怎样限制的。
如图8，物镜2将激光聚焦在光盘上，在它的入射光瞳上设一直角座标系(X-y)，激光光束的振幅分布用A(X，y)来表示。在光盘记录面11上设直角座标系(ξ-η)，ξ轴和η轴分别和X轴、y轴相平行。同时ξ轴为光盘半径方向，η轴为轨迹的切线方向，影响激光光点反射振幅的光盘上复数反射率的分布用R(ξ，η)表示，在光盘记录面11上设定一个周期，如令ξ方向为P，η方向为q，则R(ξ，η)可用傅里叶级数展开，如下式R(ξ，η)＝ΣlΣm]]>Rlmexp｛2πi( (l)/(p) ξ+ (m)/(q) η)｝……(1)从光盘上发出的反射光，在物镜10的出射光瞳上设一直角座标系(u-v)u，v轴与x，y轴相一致。光盘反射光在出射光瞳上振幅分布用下式表示，E(u，v)＝
Elm(u，v)Elm(u，v)＝RlmA(-u+ (λl)/(p) f，-v+ (λm)/(q) f)……(2)这个式子具有以下意义光盘反射的反射光，可分成许多折射光Elm，各折射光与入射光A(x，y)属于相似形。其振幅的绝对值和相位，由R(ξ，η)的傅里叶级数的系数Rlm来决定。另外，各折射光的中心，在u轴方向只间隔 (λlf)/(p) ，v轴方向间隔 (λmf)/(q) ，式中f为物镜2的焦距。这些反射折射光互相重叠(互相干涉)，而形成反射光的振幅分布E(u，v)。光强度为振幅绝对值的平方，反射光强度分布为I(u，v)＝｜E(u，v)｜2……(3)为了计算线密度，复数反射率分布R(ξ，η)在η方向只取一次分布，ξ方向为了简便也一样。因此，(1)式(2)式化简为R(η)＝∑mRmexp｛2πi (m)/(q) η｝……(4)E(u，v)＝Σm]]>Em(u，v) ……(5)Em(u，v)＝RmA(-u，-u+ (λmf)/(q) )在光盘记录面上，记录部分长度为 1/2 q(反射率r2)，未记录部分(反射率为r1)，以周期q而排列(如图9)。这时复数反射率R(η)用下式表示
(6)式的傅里叶级数的系数如下Rm＝r1Sinc(πm)+ (r2-r1)/2 Sinc( (πm)/2 )……(7)式中函数Sinc(X)为 (Sinc(X))/(X) 。光盘在+η方向上以Vt移动时，复数反射率分布以
(η)表示，用下式表示(如图10)
(η)＝Σm]]>
mexp｛2πi (m)/(q) η｝＝R(η-Vt)……(8)由(4)式和(8)式可以求出随时间变化的傅里叶级数的系数如下
m＝Rmexp(-2πi (m)/(q) Vt)……(9)以前的再现方法，如图6、图7所示，只接收反射光特定区域的光强度。现在用以前的方法说明线密度和再现信号的关系。
用图2U型槽方式说明如下将激光聚焦在光盘上的物镜(图8中10)的入射光瞳，出射光瞳和焦距f相等(NA＝0.5)，入射光由物镜射入，反射光如图6所示为半圆形，现在按园形考虑。图11上表示出射光瞳上的折射光E0(中心0)，E+1(中心0+1)，E-1(中心0-1)。图9、图10上的周期q只考虑小于激光波长入的2倍情况。这时在图11中，中心0和中心0+1的间隔，以及中心0和中心0-1的间隔比 1/2 f大。各折射光和入射光相似。因此各折射光的半径为 1/2 f。图11中E0的园和出射光瞳相同，其中B部分为E0和E+1相干涉，C部分为E0和E-1相干涉，A部分只有折射光E0存在。为简单起见，入射光振幅分布假定为A0B、C部分内各点的振幅EB和Ec可由(5)、(7)、(9)式求出如下EB＝｛ (r1+r2)/2 + (r2-r1)/(π) exp(-2πi (Vt)/(q) )｝A0Ec＝｛ (r1+r2)/2 + (r2-r1)/(π) exp(2πi (Vt)/(q) )｝A0…(10)这些光强度IBIc的时间变化成分，可由(3)式求出如下IB(t)＝Ic(t)＝｛ (r1-r2)/(π) Cos(2π (Vt)/(q) )｝｜A0｜2…(11)式中r1、r2为反射率，作为实数，可以说在记录材料TeOx的记录部分只有反射率的变化，而相位和不记录部分一样无变化。但是以下把r1，r2作为复数，也是一样。在A部分的光，没有时间变化成分。B、C部分的面积为a＝ 1/2 f2〔Cos-1(λ)/(q) - 1/2 Sin｛2Cos(-1(λ)/(q) )｝〕……(12)BC部分和的再现信号S(t)如下S(t)＝ 2/(π) a(△R)｜A0｜2Cos(2π (Vt)/(q) )……(13)
式中△R＝r22-r21其振幅随周期q的变化如图12。
信号的再现是0次折射光E0和+1或-1次折射光E+1，E-1相互干涉而产生，在不产生干涉时(q≤λ)(图11中没有B、C部分)。再现光没有时间变化。当记录材料为TeOx，激光波长为0.83μm时，如前所述，能够充分产生记录位长为0.7μm，(q＝1.4μm)的信号(C/N比50dB)。这时再现信号的振幅，当入射光量为I0(I0＝π( (f)/2 )2｜A0｜2)，由(13)式可知等于0.186(△R)I0。
以下简单叙述V型槽的再现，物镜(图8中10)的入射光瞳，出射光瞳的直径为焦距的1.2倍(NA＝0.6)。如图13入射光束20为椭园形，在光盘半径方向(X轴)的直径与焦距相等。在V型槽再现时，需要有效地利用光盘半径方向(X，ξ，u，轴方向)偏向的折射光(特开昭57-105828)如图9图10图11所示，取一次项是不充分的，需要像(1)，(2)式那样用两个附加字l，m，函数进行计算。在出射光瞳面上如图14按二次项来考虑。但是信号的再现是依靠折射光相互干涉而产生，其原理相同。V型槽再现的部分是在图14中直线9的外侧(斜线部分)。如图14中的E00，E10为中心在V轴上排列的折射光。而中心在V轴方向移动的折射光为E01，E11在这区域中产生干涉而得到再现的信号。为了避开复杂情况，不记算l＝-1 m＝-1的折射光，如果线密度过高，就不产生干涉，也就不使信号再现，这同U型槽是一样的。
即使线密度受到限制，如果提高光盘的转速，也能拾取高频信号。也就是说，相同的记录位长，如加快轨迹的线速度，频率也能提高。但是记录材料的度是有限度的，即使加快了轨迹的线速度，为了记录还需要较高的激光功率，如前所述半导体激光器的激光功率也是有限度的。为了提高光盘上的激光功率，就需要提高光学系统的传输效率。因此就要缩小入射激光束的扩大率，图15即表示这时物镜入射光瞳面上的情况。入射光束21是光轴上光强度1/e的部分。被聚焦在光盘上的激光光点如图16，在轨迹方向(η方向)完全变成长形椭园形，使线密度降低。没有显出线速度提高的效果，也不可能再现高频信号。以下根据上述情况，仍然以物镜上出射光瞳上折射光情况加以说明。
在图15中椭园光束其短轴长是物镜焦距f的0.5倍。为简单起见，只在椭园形内有均匀的光强分布｜A1｜2。这时光学系统的光传输效率可达到60%左右。如果半导体激光器的输出为25mw，在光盘上最多能集中15mw。如果使用记录材料TeOx直径为20Cm的光盘，转速为3600转/分。即可充分记录。在物镜的出射光瞳上，各折射光同入射光是相似形，具有相同的放大率。如图11采用一次项处理，在记录位长0.7μm(q＝1.4μm)，激光波长0.83μm时，折射光的形状如图17。相邻折射光中心间隔约为0.6f。没有干涉的区域，再现信号也没有时间变化。为了能够充分再现，就要求记录位长尽量大于1.4μm，在半径75mm处不超过10MHz(3600r.p.m)。也就是说即使提高传输效率，加快光盘转速，然而由于线密度降低不能记录再现高频信号。
在已有的技术中，记录位的长度被缩小，因此在物镜的出射光瞳面上，折射光中心互相离开而不产生干涉，也就不可能再现高频信号。
本发明采用了使轨迹切线方向的+1次或-1次折射光，同0次折射光强行干涉的方法，用检测器来接收干涉后的光。因此，解决了已有技术的缺点，提供了能够记录再现高频信号的方法。从而能处理高质量的信息。
第一图是本发明的一个实施例子的光学系统结构的截面图。第二图是U型槽光盘的侧视截面图，第三图是V型槽光盘的侧视截面图，第四图是半导体激光器的发光图形的说明图，第五图是已有的光学系统的结构截面图，第六图以及第七图是已有各种方式中U型槽、V型槽光盘再生用光检测器的设置图，第八图是光盘再生原理的说明图，第九图以及第10图是记录面复数反射率分布的说明图，第11图依据已有方式而在物镜出射光瞳面上产生的折射光设置图，第12图，依据已有方式而产生的再生信号振幅频率特性的图表，第13图，V型槽再生用的入射光光束形状说明图，第14图，V型槽再生时物镜出射光瞳面上折射光设置图，第15图，高传输效率的入射光光束形状说明图，第16图，高传输效率时激光光点的形状图，第17图，高传输效率时的物镜出射光瞳面上的折射光设置图，第18图以及第19图，本发明实施例1中U型槽，V型槽光盘再生用光检测器的结构图，
第20图说明折射光方向的截面图，第21图，本发明实施例1中棱镜结构图，第22图是本发明实施例1的干涉领域的说明图，第23图，在本发明实施例1中，由强行干涉而得到的再生信号振幅频率特性的图表，第24图，本发明实施例1的再生信号振幅特性的图表，第25图，在本发明实施例1中，集中物镜外面光线镜头的其它实施例子的结构图，第26图，本发明实施例2的重要部分的结构图的截面图，第27图，本发明实施例2的再生信号振幅频率特性的图表，第28图，本发明实施例3重要部分结构的截面图，第29图，本发明实施例4的光学系统的截面图，第30图，本发明实施例4的物镜出射光瞳面的干涉领域说明图，第31图，本发明实施例4中的物镜出射光瞳面上折射光布置图，第32图，本发明实施例4的强行干涉领域的说明图，第33图，本发明实施例4中，由强行干涉而得到的再生信号振幅频率特性的图表，第34图，本发明实施例4的再生信号振幅的频率特性的图表，第35图，MUSE方式的高质量电视调频(FM)信号的说明图。
8-偏光光束分离器9- 1/4 波长片10-物镜11-光盘记录面
23-镜头24-棱镜25-反光镜26-半透半反镜27-透镜28-反光镜F.G.K-光检测器以下用实际例子说明本发明。
〔实施例1〕图1是本发明第一个实例中的再现光学系统。激光从X方向射入，其入射光学系统同图5中的例子相同，所以将偏光束分离器8以前的部分省略了。图中重要部分，同以前例中相同部分均使用统一编号。而略去说明，图1表示由光盘记录面11的反射光，箭头1为轨迹的切线方向。没有反射到物镜10的反射光，由透镜23会聚，形成平行光，经过棱镜24与物镜10的光轴平行。也就是说用凸透镜和棱镜可以维持物镜以外的反射光的可干涉性。物镜10内外的反射光，均通过 1/4 波长片9，在偏光光束分离器8上被反射同入射光分离。通过物镜10的反射光的一部分，在反光镜25上被反射，通过半透半反镜26，和物镜以外的反射光相干涉。用检测器F和G接收。通过物镜10反射光的残留部分通过透镜27以及反光镜28，会聚在检测器K上，与已有技术一样，被用作焦点控制。检测器F和G形状相同，对U型槽如图18，对V型槽如图19，跟踪控制同图6，图7一样。物镜10，透镜23，棱镜24，被装在一个镜筒中，可以同时进行焦点和跟踪控制。
再一次说明折射光的方向是如何表示的。记录面上周期为q，激光波长为λ时。则1次反射光的方向θ满足下式的关系Sinθ＝ (λ)/(q) ……(14)如图20所示，物镜10可以形成平行光，同光轴的距离被设计为
ob＝fSinθ(
bc=f)……(15)一次折射光和在出射光瞳面上的光轴的距离为λf/q已由(2)式说明。
以U型槽为例，说明此实例中线密度的提高。透镜23的焦距和物镜10的焦距f相同，收集光盘半径方向0.75f，和轨迹切线方向上0.25f的矩形内的反射光，棱镜24有如图21所示的结构，光盘半径方向仍为0.75f，经两个棱镜后，反射光束直径被放大2倍，图1中若α＝50°，由(14)式记录位长是激光波长的0.65倍(q＝1.3λ)，一次反射光的中心，沿透镜23的光轴方向射入。
图22为物镜10的出射的光瞳面，由透镜23集中，经棱镜24所放大的Q区域的反射光，与物镜10内R区域的反射光，在半透半反镜26上互相干涉，干涉区面积为0.33f2。
为简单起见，设入射光为均匀分布(振幅A0)，Q区的反射光束直径增加2倍，所以振幅为12= 0.71]]>倍，Q区折射光振幅也是均匀地为0.71A0，与(10)(11)式相同，在半透半反镜26上干涉后的振幅EQR和光强度IQR分别如下式
EQR＝｛ (r1+r2)/2 +0.71 (r2-r1)/(π) exp(-2πi (Vt)/(q) )｝A0…(16)IQR＝｛ 0.71/(π) (△R)Cos(2π (Vt)/(q) )｝｜A0｜2……(17)信号振幅为0.095(△R)I0，因为R区的面积是0.33f2。一次折射光是半径为 1/2 f的园，与中心成α＝50°角。而形成在轨迹切线方向为0.25f，光盘半径方向为0.75f的矩形。如果考虑R区的形状，在一次折射光与中心角大于33°，小于62°时，则R区的折射光，和0次折射光产生干涉。这个角度适用记录位长为0.56λ～0.91λ之间。在此范围以外，R区的0次和1次折射光不产生干涉，图23表示R区及Q区相干涉而再现的信号的振幅频率特性。
在图1的实施例中，出射光瞳面上V正区域用已有的方式。如图11，B区域光由检测器K接收。另外，出射光瞳面上V负区域光，采用图22所用的R和Q的相干涉方法。因而，图1例中所得到的再现信号的振幅，是图12的一半信号振幅和图23信号振幅的和。在图24中以实线表示，图中的虚线为已有方法的振幅(如图12)。在此例中当记录位长为0.87λ以上时比已有方式再生信号有所缩小，在以下时振幅加大频率特性有所改良。
图1中的透镜23，在轨迹切线方向l上，接收0.25f宽的反射光，相当于NA＝0.125，这时使用一片透镜可以不计像差，而在光盘半径方向上需要接收0.75f宽的反射光，当NA＝0.375时，恐怕要产生像差。因而，用3个边长为0.25f的正方形透镜排列起来，作为透镜用，如图25，就可不计像差。
对于V型槽光盘，用同样的方法可以达到提高线密度的目的。
〔实施例2〕图26是实例2中的物镜部分。在轨迹切线方向上，物镜10的两侧，将物镜外的反射光维持其可干涉性而引出。增加透镜29和棱镜30。在物镜10的出射面上，在V轴的正负两侧设置如实例1一样装置。因此，再现信号的振幅为图23的两倍，其频率特性如图27所示。
现在来探讨采用图26透镜系统时的控制方法。跟踪控制与图1相同，利用半透半反镜26上的干涉光，焦点控制是在物镜的出射光瞳上使V轴方向正侧反射光同图1一样，在半反半透镜上产生干涉，将干涉光用透镜聚焦，由图1，图5中分为两半的检测器接收而实现。
记录位长达到0.55λ时，便能充分再现，激光波长为0.83μm，在半径75mm处，每分钟1800转情况下，15.5MHz的信号可以得到高质的记录和再现。
〔实施例3〕前两例中，为了将物镜外的反射光维持其可干涉性而导出，需要用透镜和棱镜的组合。用单一模式光缆传送波形也可维持可干涉性。因此，在图28中是采用单一模式光缆31，引导到再现光学系统的例子。使用方式与实例2相同。
〔实施例4〕本发明的实例4的光学系统如图29所示。在此例中，与以前三例有所不同，而由物镜内的不同折射光相干涉。激光束由X方向射入，入射光学系统同图5，所以在偏光光束分离器8以前部分被省略。图中重要部分，与以前例中相同的仍用同一编号，而将说明省略。图29是表示由记录面11出射的反射光，由偏光光束分离器8反射，从入射光路中分离出来的反射光中间，一半(半园形)经透镜32及棱镜33，聚焦在分为两半的检测器K上，用作焦点控制。检测器K上信号在以前是用于信号再现。残留的反射光(也是半园形)，即图30中物镜出射光瞳面上的S区，T区，用三个反光镜34a，34b，34c在半反半透镜上相干涉，而由检测器F，G，(图18图19)接收。被用于跟踪控制，並作为本发明的再现信号的第二手段。
在记录面11上，为了会聚高功率激光束，而不扩大光束，像图15所示以椭园形射入，可以提高光学系统的传输效率。设入射光在图15中光束21内为均匀分布(振幅A1)。如果图5中光束直径增大2倍，光强密度为2倍，可得A1＝2AO]]>的关系。以U型槽为例，研究此例中的线密度。记录位长为入时(q＝2λ)，物镜出射光瞳上反射光，如图31所示相互不重合，再现信号为零。但是在此例中能够让折射光E0E1相干涉，其图形如图32，干涉区W(斜线部分)的面积约为0.15f2，W区的振幅EW，光强度IW和(10)(11)式同样表示如下EW＝｛ (r1+r2)/2 +2]]>(r2-r1)/(π) exp(-2πi (Vt)/(q) )｝A0……(18)IW＝ 2/(π) △RCos(2π (Vt)/(q) )｜A0｜2……(19)
可以算出再现信号振幅为0.086(△R)I0，记录位长比λ短时，折射光E1中心远离E0中心，W区变小，使再现信号振幅变小。记录位长小于0.63λ时，一次折射光不射到物镜上，也不能再现，图33表示图32的W区上再现信号的振幅频率特性，实施例4的再现信号振幅频率特性是图12的一半和图33之和，如图34所示。
线密度与已有方式比较，没有多大变化，光盘记录面11的激光功率可提高，转速也可以加快。在以前得到C/N50dB，再现信号振幅为0.186(△R)I0的情况下，相当此例中q＝1.87λ，转速为3600转/分，于75mm半径处(线速度为28m/Soc)用激光波长0.83μm时，可以记录再现高质量的18MHz的信号。
用图35所表示的频带信号，为MuSE方式高质量电视信号，轨迹间隔为1.67μm的光盘以23m/Soc等线速度转动，直径20Cm，(记录半径5～10Cm)，能够记录再现10分钟，对V型槽光盘同样可以提高线密度。
根据本发明，将轨迹切线方向的1次或-1次折射光与0次折射光强行干涉，从而可以记录再现高频信号。
权利要求
1.将激光束聚焦在光盘上的光学记录信号再现方法，其特征是把轨迹切线方向反射折射的1次或-1次折射光，与0次折射光进行强制干涉，将干涉后的光于以接收，以实现再现。
2.根据权利要求
1所述的光学记录信号再现方法，其特征是光盘上激光束不能反射到物镜时，使1次或-1次折射光维持可干涉性，而设置引导光路与通过物镜的0次折射光相干涉。
3.根据权利要求
2所述的光学记录信号再现方法，其特征是在维持干涉性，将折射光导出的光路由透镜和棱镜组成。
4.根据权利要求
2所述的光学记录信号再现方法，其特征是在维持干涉性，导出折射光的光路由单一模式的光导纤维束组成。
5.根据权利要求
1所述的光学记录信号再现方法，其特征是在通过物镜的反射光中，将其中心附近的0次，物镜周围的一次或-1次折射光强制干涉。
专利摘要
将激光聚焦在光盘上，使记录的信号再现。这种方法是让沿轨迹切线方向的+1次，或-1次的反射折射光，同0次反射折射光经过强制干涉，再检测干涉后的光，这样就能再现记录的高频信号。
文档编号G11B7/00GK86100753SQ86100753
公开日1986年8月27日 申请日期1986年1月30日
发明者永岛道芳, 竹村佳也, 小原和昭 申请人:松下电器产业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan