专利名称：光扫描设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光扫描设备，该光扫描设备用于以第一种模式扫描具有第一厚度的第一信息层和第一透明层的第一类型记录载体，并用于以第二种模式扫描具有不同于第一厚度的第二厚度的第二信息层和第二透明层的第二类型记录载体，该设备包括用于产生至少一个射线束的一个射线源以及一个物镜系统，该物镜系统被设计用来工作于第一组共轭，从而在第一信息层上以第一模式形成一个聚焦，并且该物镜系统可以工作于不同的第二组共轭，从而在第二信息层上以第二模式形成一个聚焦。本发明还涉及一种用于扫描具有一个信息层记录载体的光扫描设备，该设备包括用于产生非准直射线束的一个射线源，用于将该非准直射线束会聚为该信息层上的一个焦点的一个物镜系统，以及控制该物镜移动使其与其光轴垂直的一个控制系统。
从美国专利no.5699341中可以了解到用于扫描具有不同透明层记录载体的光扫描设备。当该公知设备扫描具有0.6mm厚度透明层的DVD类型记录载体时，物镜将一束准直射线束经透明层聚焦在焦点上。当它扫描具有1.26mm厚度透明层的CD类型记录载体时，相同的物镜将一束发散射线束经透明层聚焦在焦点上。当从DVD变化到CD时，通过在准直射线束中插入一个负透镜从而将入射在该物镜上的射线束从准直状态变化为发散状态。一个伺服电路控制该物镜的位置使其相对于与其光轴垂直方向中的中心位置，以便于聚焦可以追随信息层的所需轨迹。这种公知设备的一个缺点是，当其扫描CD类型的记录载体时，由物镜所形成的聚焦质量变坏，而此时该物镜移开其跟踪期间的中心位置。此外，这种公知设备的设计不能适用于与所公开光路径不同的光路径。
本发明的一个目的是提供一种不具有上述缺点的扫描设备。
该目的是这样满足的一种光扫描设备，它用于以第一种模式扫描具有第一厚度的第一信息层和第一透明层的第一类型记录载体，并用于以第二种模式扫描具有不同于第一厚度的第二厚度的第二信息层和第二透明层的第二类型记录载体，该设备包括用于产生至少一个射线束的一个射线源以及一个物镜系统，该物镜系统被设计用来工作于第一组共轭，从而在第一信息层上以第一模式形成一个聚焦，并且该物镜系统可以工作于不同的第二组共轭，从而在第二信息层上以第二模式形成一个聚焦，根据本发明的这个设备其特征在于，该设备包括一个以第二模式被安排在从射线源到物镜系统的光线路径中的光元件，该光元件用于在射线束中引入球面象差。该光线路径是以特定方式跟随着射线束的光路径。通过将物镜远离光轴移动来实现光线跟踪。这种远离光轴位置在射线束中引入彗星象差，这样降低了聚焦的品质。由于将该物镜设计为以这种方式来进行适当成象，即，该物镜遵循正弦条件，由此给出了一个较大区域，因此第一模式中的彗星象差量相对小些。在第二模式中，物镜不遵循正弦条件，因此，彗星象差量相对大些。根据本发明，可以通过在入射到物镜上的射线束中引入不同于慧形象差的某种数量的象差，即球面象差，从而减少第二种模式中的彗星象差量。这种彗星象差量的减少可以增加第二种模式中的物镜区域。所引入的球面象差量最好大于25mλrms，并且，对于特定实施例而言，最好大于30mλ，其中，λ是该射线束的波长。
本发明可应用于射线源和记录载体之间不同的光路径，比如，仅带有一个射线束、光束分离器和物镜的一条光路，或是带有两个射线束、正或负透镜以及物镜的光路。其中使用一个射线束的情况中，可以这样获得共轭变化通过沿着光轴平移射线源或通过在射线源和物镜之间的光路中插入具有光学能力的一个元件例如一个透镜。通过一个分开的光学元件或通过一个修正过的光束分离器或透镜来引入球面象差。
本发明的另一方面涉及用于扫描具有一个信息层记录载体的光扫描设备，该设备包括用于产生非准直射线束的一个射线源，用于将该非准直射线束会聚为该信息层上的一个焦点的一个物镜系统，其特征在于在该设备中包括被安排在从射线源到物镜光路中并用于在非准直射线束引入球面象差的一个光学元件，其中，该球面象差具有与正的平球面透镜的球面象差符号相反的一个符号。这个光学元件的球面象差减少了物镜的彗星象差，由此增加了其区域。球面象差量最好大于25mλrms，其中，λ是该射线束的波长。
该扫描设备可用于扫描这样的记录载体在该记录载体上，射线束在会聚在信息层上之前先经过透明层，通过在物镜中引入球面象差一般可以补偿在经过透明层时由射线束所导致的球面象差。该光学元件的球面象差最好具有与物镜球面象差符号相反的符号。该扫描设备还可以适用于扫描射线束直接照射在其上的信息层，即，第一或第二透明层具有等于零的厚度。
光学元件的球面象差的符号最好与由任何一种正平球面透镜所引入的球面象差的符号相反。
该光学元件最好是一个正透镜，例如，具有正光学能力的一个透镜，并且适用于会聚从射线源发出的射线束。这种透镜允许一个短光路，并因此而允许一个小型的光头。
现在，将借助于例子并参考附图来描述本发明，其中
图1示出了根据本发明的扫描设备，图2示出了作为物镜位移函数的象差的图形表示形式，以及图3和4示出了根据本发明的另一些实施例。
图1示出了根据本发明扫描设备的一个实施例。该设备具有以短波长从第一类型记录载体上读出和写入信息的高效能光路并具有以长波长读出第二类型记录载体上信息的光路。该高效能光路包括能发出第一波长的线性偏振发散射线束2的一个射线源1，该射线源例如可以是一个半导体激光，而第一波长例如可以是650nm。光束整形器3束用于跟踪目的。将光束2的椭圆形截面变得更为圆的截面。光栅4形成两条衍射光束和一条非衍射光束。衍射光为了清楚起见，该图仅示出了非衍射光束。简称为射线束的这三条射线束经过对于射线束而言具有高透射性的偏振光分束器5。准直透镜6将射线束2会聚到准直射线束7。二色性分束器8对第一波长具有高透射性并且能够低衰减地通过准直光束7。通过四分之一波板9将准直光束7的线偏振改变为圆偏振。二色性孔径10在其整个截面上透过准直光束7。在这里作为单个物镜11示出的光学系统将准直光束7改变为会聚光束12以便于扫描记录载体13。该物镜可以包括诸如图中所示透镜这样的单个光元件，但是，它还可以包括两个光元件。该记录载体是第一高密度类型的记录载体，它包括具有例如0.6nm厚度的一个透明层，以及一个信息层15，在该信息层上，会聚光束12变成一个焦点16。从信息层15反射的射线沿着光束12和7的光路返回。四分之一波板9将圆偏振光变为与向前准直光束7的线偏振垂直的线偏振。由准直透镜6会聚该反射光并且由偏振分束器5反射。柱面透镜17在该反射光中引入像散。光路中的负透镜18有助于焦点16位置的调整。可以将透镜17和18组合在一个单个光元件中。反射光照射在检测器系统19上，产生输出信号和表示存储在信息层15上信息的一个信息信号，从输出信号中可以导出用于定位焦点16的控制信号。
用于扫描第二类型记录载体的第二模式的光路包括发出第二波长的线性偏振发散射线束21的一个射线源20，该射线源例如可以是一个半导体激光，而第二波长例如可以是780nm。射线源1和20可以被认为是用于产生两条射线束的一个射线源。光栅22以与光栅4相同的方式形成三条光束。衍射光束分束器23透过所述光束。正透镜24将射线束21的聚散度减小为稍微发散的光束25。由二色性分束器8反射该发散光束25。四分之一波板9将该光束的线偏振变为圆偏振。由于光束波长不同，二色性孔径10将该光束在小于准直光束7截面的截面上传送。其结果，物镜11将发散光束25变为会聚光束26，该会聚光束26具有比会聚光束12数值孔径小的一个数值孔径。该会聚光束26适合于扫描第二类型的记录载体。该记录载体包括厚度为例如1.2nm的一个透明层28以及一个信息层29。将记录载体13和27描绘为单个、具有半透明信息层15的双层记录载体，但是，它们还可以是具有不同厚度透明层的可分的单层记录载体。会聚光束26入射到信息层29上的一个焦点30上。从信息层29反射的射线在光束26和25的光路上返回，并且通过衍射光束分束器23使其部分射线朝向检测系统30偏转，该检测系统的功能与检测系统19的相同。
将物镜11设计为可以将第一波长的准直光束7以第一模式经透明层14会聚在信息层15的一个焦点16上。在物镜11中补偿在经过透明层14时由会聚光束12引起的球形象差。该物镜符合正弦条件。如果在记录载体的特定实施例中没有透明层14，则该物镜不需要补偿球形象差。在第二模式中，该射线束经过具有不同于透明层14厚度的透明层28。因此，在第二模式中，除了第一模式中球面象差之外，物镜11还必须补偿另一个球面象差。通过使入射光束25发散来获得不同的补偿，由此在该物镜中引入额外的球面象差，它补偿了由于透明层额外厚度所引起的球面象差。但是，在这种情况中，物镜不符合正弦条件。
物镜11可以在其平行和垂直其光轴方向中移动从而分别将焦点维持在信息层上以及将该焦点中心维持在要被跟踪的信息层轨迹的中心。由伺服电路32控制该物镜的移动，当以第一模式扫描时，该伺服电路接收来自检测系统19的焦点位置信息，当以第二模式扫描时，该伺服电路接收来自检测系统31的焦点位置信息。结果，位移意味着从垂直物镜光轴方向和垂直轨迹有效方向的中心位置开始的位移，除非有其它指示。所述的中心位置是其中物镜系统光轴与入射在该物镜系统上的光束7或25的中心射线一致的这个位置。在第一模式中，准直入射在物镜11上的光束7，因此，该物镜位移不会影响该物镜的光学性能。在第二模式中，不准直入射在物镜上的光束25，则由于该物镜不符合正弦条件，因此，该物镜位移会在会聚光束26中导致慧形象差。该慧形象差的量依赖于物镜的设计和位移幅度。该慧形象差减小了物镜的区域。
根据本发明，通过在发散光束25中引入球面象差可以增加物镜的区域。可以通过光板来引入球面象差而不需要光功率，这样，将相应的一个相位变化赋予经过光束上的球面象差。在一个最佳实施例中，该光路中的元件数不增加，通过已经位于射线束光路中的一个元件来引入球面象差，例如，通过光栅22或23或者通过透镜24。可将光栅适用于借助于具有依赖于位置的厚度的涂层来改变经过该光栅的光路。可以通过选择不同的设计例如通过使透镜称为非球面来改变透镜24。可以通过塑料压模或通过所谓的复制处理来制造这种透镜，其中可以在球面透镜上加上具有依赖于位置的厚度的一个薄涂层。由发散光束25引起的球面象差W40的数量依赖于物镜在垂直光轴方向中的位移以及所需的慧形相差的减少。可以以下列形式来表示它W40=W314xR]]>其中，W31是由物镜引起的慧形相差的所需减少量，x是该物镜的位移，R是物镜入射光瞳的半径。实际上，R大约等于物镜有效截面的半径。单透镜物镜系统的入射光瞳面通常可以采用垂直于透镜光轴并穿过该透镜中心的面。W40和W31是Seidel系数。当使用象差均方根值时，上述表达式变为W40(rms)=W31(rms)4xR72180]]>W40的符号与非校正正球面透镜的球面象差的符号相反。
可以如下所示的那样来理解用于减小慧形相差的球面象差的有效性。当将物镜11放置在距离x之外，则发散光束25的异常波前偏离物镜11一个量x。由于球面象差正比于r4，其中r是光瞳半径，则偏离导致该发散光束的波前依赖于(r-x)4。在这个依赖性中的项r3x是用于慧形相差的特性。因此，使具有球面象差的波前偏离将导致慧形相差。如果象差的符号间匹配，带有所赋予的球面象差并由偏离光束25所导致的慧形相差消除了由于在第二模式中是偏离光轴使用从而由物镜11所产生的部分或所有慧形相差。
第二模式中在发散光束25中所引入的球面象差可以在物镜11中得到补偿。不需要为此目的而修改该物镜设计，这是因为通过第一模式中正确的映射需要所固定了。补偿这种球面象差的一种最佳方法是以这种方式改变光束25的聚散度，这种方式是，由物镜11产生对于这种球面象差的校正量。这种补偿是除对经过记录载体透明层的球面象差的补偿之外的一种补偿。通常，用于补偿经过透明层的球面象差具有与用于补偿在发散光束25中所引起的球面象差所用的球面象差的符号相同。用实验方法可以确定发散度中的实际变化或者可以从射线跟踪中可以推导出。改变发散度的一种简单方法是改变射线源20和物镜11间距离。
作为一个例子，物镜具有1.3mm的光瞳半径，0.3mm的最大位移以及在第二模式中具有0.45的数值孔径。在第一模式中，该物镜工作于一组共扼状态(-∞，f)，其中f是该物镜的焦距。从距离物镜51mm的一个点光源发出的并且位移0.3mm的通用物镜的慧形相差是34mλrms。希望该慧形相差从34mλrms减小到16mλrms。必须由进入该物镜的发散光束所引起的球面象差来提供对于18mλrms慧形相差的所需补偿。这种补偿应该多3mλ，即为21mλrms，其理由将在下面解释。根据上述方程，对于21mλrms慧形相差的补偿需要14mλrms的球面象差。在该物镜中，通过将距离点光源的距离从51mm减小到47mm来补偿发散光束中引起的球面象差。距离点光源的距离的减小使物镜的慧形相差增加了3mλ。因此，慧形相差从34+3＝37mλrms增加到16mλrms。在第二模式中，该物镜工作于一组共扼(v，b)状态，其中，物镜距离v等于-47mm，映射距离b略微大于f。
对于其半径等于1.3mm光瞳半径的发散光束而言，已经计算了所需球面象差的量。但是，该发散光束的半径最好大于光瞳半径R，以便于光束可以适应于光瞳和行程(stroke)。由于球面象差增加了光束半径的第四功率，因此，带有R1半径的发散光束的球面象差应该等于W40(rms,R1)=(R1R)4W40(rms,R)]]>其中，W40(rms，R)是对于具有半径R的波前的球面象差rms值。如果发散光束的半径R1基本等于物镜系统的光瞳半径R加上行程X的话，则就有效地使用了射线源1的射线功率。对于光束半径为1.3mm而言，14mλrms球面象差变为W40(rms,R+x)=(R+xR)4W40(rms,R)]]>=(1.3+0.31.3)414=32mλrms]]>
在一个最佳实施例中，该发散光束是椭圆的，在垂直实际跟踪方向的方向中，其入射光瞳中的截面具有R+x的一个长轴，而在垂直于它的方向中具有一个短轴R。
应该可以理解，对于球面象差而言，表达式W40和W40(rms)是接近的。通过射线跟踪可以获得更为精确的球面象差值。在上述情况中，需要用15mλrms的发散光束的球面象差来代替14mλrms的球面象差，并且对于全孔径而言，用30mλrms替代32mλrms。W40(rms)表达式精确度比具有相对长焦距f和低数值孔径(f＝2.75mm和NA＝0.45)情况中的精确度好10％，并且比相对短焦距和高数值孔径(f＝1.8mm和NA＝0.50)情况中的大约好30％。通常，该表达式所提供的值低于通过射线跟踪所获得的值。
通过由光栅22形成的衍射光束中的所允许增加的象差来确定消除慧形相差的上限。衍射光束跟随经过透镜24和物镜11的光路，该光路不同于发散光束25的光路。其结果，当发散光束25的慧形相差减小时，可以增加衍射光束中的慧形相差。在没有形成衍射光束的设备中，可以将慧形相差补偿为一个较大范围，例如，四倍或八倍。在该情况中，将通过增加其它高阶象差来限制慧形相差的消除。如果在上述例子中，慧形相差应该从34mλrms减小到7mλrms，则必须在发散光束25的全孔径中引入85mλrms的球面象差。在这种情况中，会聚光束26中的总象差为15mλrms。还可以进一步减小慧形相差。但是，通过增加像散和更高阶慧形相差来加强慧形相差的减少，其结果会导致会聚光束总象差更高。
图2示出了由物镜11产生的作为物镜位移函数的慧形相差的图形表示。线35给出了在发散光束25中没有引入额外球面象差情况中的物镜的慧形相差量。线36类似于线35，但是，根据本发明，现在已经引入了球面象差。线37表示在没有额外球面象差情况中会聚光束26中的光学象差总量，线38表示带有额外球面象差的光学象差总量。
表1示出了四种不同情况，第一种情况是在上述段落中讨论过的情况。
表1该表的第一列、即最左列给出了处于第二模式的物镜焦距f以及数值孔径NA的四种情况，该第二模式即是扫描经过厚度为1.2mm的透明层时的情况。第二列给出了当物镜位移0.3mm时由该物镜所导致的慧形相差量。第三列也给出慧形相差量，但是射线源和物镜间的距离减少从而补偿了由准直透镜所引起的球面象差。已经通过射线跟踪确定了第二和第三列中的值。对于所有这四种情况，第三列中给出的慧形相差量要被减少大约两倍。第四列给出了由位于射线源和物镜之间的准直透镜所引起的球面象差W40的量。已经通过上述W40(rms)表达式确定了第四列中的值。最后一列给出了由准直透镜引入的球面象差的量，此时，入射在物镜上的光束具有足够的宽度使物镜开始位移。表1中第四种情况的射线跟踪表明从79mλrms的慧形象差减少为39mλrms需要用35mλrms W40来替代27mλrms，如同W40(rms)表达式所确定的那样。
图3示出了根据本发明的扫描设备的一个实施例。该图中与图1中相同的元件具有相同的参考标记。可以将该实施例设计得比图1所示的实施例简单。在扫描第一类型的记录载体的第一模式中所用的光路包括能发射发散射线束51的一个射线源50，该射线源例如可以是半导体激光。在穿过光栅52之后，由二向性分束器53反射该发散光束并由准直透镜55将其会聚。将物镜11设计为可以将准直后的光束54变换为信息层15上的一个焦点16。从信息层15上反射的射线在光束54和51的光路上返回，并由光栅52部分衍射从而构成入射在检测系统56上的一条子光束。该检测系统产生用于控制焦点16位置的输出信号和表示存储在信息层15上信息的一个信息信号。使用所谓的一光点或两光点Foucault方法来形成聚焦误差信号。
在扫描第二类型记录载体的第二模式中所用的光路包括能发射发散射线束59的一个射线源58，该射线源例如可以是半导体激光。安排靠近该射线源的准直透镜60聚集大部分由该射线源发出的射线量，由此而形成发散光束61。准直透镜60还可具有光束整形器的功能，它将发散光束59的截面从椭圆形变化为圆形并减小了光束中的像散。由于准直透镜60的准直和光束整形功能而改进的对于从射线源58发出射线的汇集可以使图3中所示实施例非常适合于以第二种模式读出和记录信息。排列在发散光束61光路中的光栅62形成三条光束，其形成方式类似于图1中的光栅4。偏振分束器63将发散光束61反射到二向性分束器53上，该二向性分束器53能够基本上不衰减地通过光束。可以将准直透镜60、光栅62以及分束器63集成在一个单个元件中。准直透镜55将入射发散光束61会聚在具有比入射光束小的发散度的另一个发散光束64上。在第二模式中，物镜11不工作于设计的共扼状态，并且可以引入球面象差以补偿记录载体27的透明层28的额外厚度。由信息层29反射的射线沿着入射光束的光路返回并且经偏振分束器63和在该光束中引入像散的透镜65穿过检测系统64。
必须在仅用于第二模式的部分光路中引入本发明的球面象差。因此，由于准直透镜55既用于第一模式也用于第二模式，所以准直透镜55不是很合适。更合适的元件是准直器60。因为由于上述的光束整形功能因此该元件最好是非球面的，所以，在不增加成本的情况下，可以容易地在该元件中加入本发明的球面象差。
图4示出了本发明扫描设备的另一个实施例。该图中与图1中相同的元件具有相同的参考标记。该扫描设备通过会聚光束12扫描记录载体39。记录载体39包括基底40以及沉积其上的信息层15。可以通过带有波长级厚度的透明层来保护信息层。将物镜11设计成可以将射线束2聚焦在信息层15上。由于该物镜符合正弦条件，因此它具有一个大的区域。如果在发散光束25中引入球面象差并且在该物镜中补偿带有相反符号的等量球面象差，则可以进一步增加物镜区域。借助于分束器5上的一个薄层41可以在发散光束中引入球面象差，所述薄层具有其变化作为该层上位置的函数的一条光路。最好通过在物镜设计中加入球面象差从而引入物镜的球面象差。
权利要求
1.一种光扫描设备，它用于以第一种模式扫描具有第一厚度的第一信息层和第一透明层的第一类型记录载体，并用于以第二种模式扫描具有不同于第一厚度的第二厚度的第二信息层和第二透明层的第二类型记录载体，该设备包括用于产生至少一个射线束的一个射线源以及一个物镜系统，该物镜系统被设计用来工作于第一组共轭，从而在第一信息层上以第一模式形成一个聚焦，并且该物镜系统可以工作于不同的第二组共轭，从而在第二信息层上以第二模式形成一个聚焦，其特征在于，该设备包括以第二模式被安排在从射线源到物镜系统的光路中的一个光元件，该光元件用于在射线束中引入球面象差。
2.用于扫描具有一个信息层记录载体的光扫描设备，该设备包括用于产生非准直射线束的一个射线源，用于将该非准直射线束会聚为该信息层上的一个焦点的一个物镜系统，其特征在于在该设备中包括被安排在从射线源到物镜光路中并用于在非准直射线束引入球面象差的一个光学元件，其中，该球面象差具有与正的平球面透镜的球面象差符号相反的一个符号。
3.根据权利要求1或2的光扫描设备，其中该物镜引入球面象差，并且该物镜球面象差和该光学元件具有相反的符号。
4.根据权利要求1或3的光扫描设备，其中该光学元件具有与正平面球形透镜的球面象差符号相反的符号。
5.根据权利要求1、2或3的光扫描设备，其中该光学元件是一个正透镜、光栅或带有依赖于位置的光路的一个薄层。
6.根据权利要求1的光扫描设备，其中以第一和第二模式在射线源和物镜系统之间的光路中安排第一准直透镜，而用于引入球面象差的光学元件是作为仅以第二模式安排在射线源和物镜系统之间的光路中的第二准直透镜。
7.根据权利要求1或2的光扫描设备，其中该光学元件引入的球面象差量W40(rms)基本等于W40(rms)=W31(rms)4xR72180]]>其中，W31(rms)是当在第二模式中物镜系统位移x的距离时由该物镜系统所引入的慧形象差减少时的预定量，x是物镜系统从垂直于该物镜系统光轴方向中的中心位置开始的位移，R是该物镜入射光瞳的半径。
8.根据权利要求7的光扫描设备，其中射线束在入射光瞳平面中具有大于R的半径R1，而光学元件在射线束中引入的球面象差量基本等于(R1R)4W40(rms)]]>
全文摘要
一种光扫描设备,适用于扫描具有不同厚度透明层(14,28)的记录载体(13,27),而这些透明层是一束会聚光束(12,26)所必须经过的。该设备的一个物镜(11)被设计用来形成扫描第一透明层(14)的会聚光束(14)。当扫描第二透明层(28)时,将该物镜工作于不同的共轭距离,其导致一个小的区域。通过在入射到该物镜上的射线束(25)中引入球面象差并且在该物镜中对这个球面象差进行补偿从而增加这个区域。
文档编号G11B7/135GK1322352SQ00802074
公开日2001年11月14日 申请日期2000年7月17日 优先权日1999年7月28日
发明者P·T·朱特 申请人:皇家菲利浦电子有限公司