专利名称：波长耦合器和装有该耦合器的光学拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及波长耦合器和适用于向具有20GB以上的大容量存储介质写入信息和从其中读取信息的装有这种耦合器的光学拾取装置，特别涉及适用于与各种写入和读出装置、光学拾取器、光学拾取元件以及向具有不同存储密度或不同的厚度的光透射保护层(保护层)的诸如密致盘、数字通用盘和下一代大容量光盘(高密度数字通用盘)的三种类型的光信息存储介质写入信息或从中读取信息的类似的装置结合使用的波长耦合器，以及装有该耦合器的光学拾取装置。
蓝紫(蓝色或紫色)激光二极管(LD)具有405nm的波长，采用了具有数值孔径(NA)为0.85的物镜和具有0.1mm厚度的光透射保护层，从而实现具有大容量的光盘，因此产生了HD-DVD。
对于用于这种HD-DVD的写入和读取装置，有一种如图5所示的应用了刀刃(knife edge)方法的光束扩展器型光学拾取装置。在该图中，参数1指发射具有405nm波长的蓝色光的半导体LD，参数2指准直透镜，参数3指光束成形棱镜，其中在相反方向上放置一组棱镜，参数4指半波长片(half-wavelength plate)，参数5指衍射光栅，参数6指偏振光束分光器，参数7指四分之一波长片，参数8指包括两个透镜的光束扩展器，参数9指包括两组光学元件的物镜，参数10指刀刃，参数11指用于监测的光电二极管，参数12指用于伺服的光电二极管，参数13指用于射频(RF)和伺服的光电二极管，参数14指HD-DVD。
在光学拾取装置中，HD-DVD14的厚度通过改变组成光束扩展器8的两个透镜之间的距离来控制。
但是，尽管这种HD-DVD以及写入和读出装置已经商业化了，仍旧需要使用用于HD-DVD的读出和写入装置的用于向密致盘(CD)和/或数字通用盘(DVD)写入或从其读出信息的技术，因为仍旧存在向传统的CD和/或传统的DVD写入或从其读出信息的需要。
在此，为了获得在传统的CD、传统的DVD和HD-DVD之间的兼容性，需要将HD-DVD的尺寸与传统的CD和传统的DVD相同。此时，他们的纹轨间距减小到0.32um的一半，从而能够在其上写入27GB的信息。
在下表中列出了CD、DVD和HD-DVD的光学条件。此外，物镜的NA是通过“有效直径/2/焦距”的等式得出的无量纲数。
光盘 信息存储容量保护层厚度 物镜的NA(GB)(mm)CD 0.651.2 0.45DVD 4.7 0.6 0.60HD-DVD 大于20 0.1 0.85如表中所示，不可能使用相同的写入和读取装置向CD、DVD和HD-DVD写入和读取信息，因为HD-DVD在激光的波长和保护层的厚度上与CD和DVD不同。
在此，将采用三种具有405um、650um和780um波长的激光和具有NA为0.85的物镜来分别说明用于三种保护层厚度(0.1mm、0.6mm和1.2mm)的光学系统。
图16示出了用于具有不同厚度的保护层的三种类型的光盘的光学系统的示意图。如图16所示，21表示具有0.85的NA值的物镜，22表示DVD，23表示CD，λ1表示具有405nm波长的激光，λ2表示具有650nm波长的激光，而λ3表示具有780nm波长的激光。为了从HD-DVD14中读出光信号，采用了具有NA为0.85的物镜21。
此时，如果物镜21和HD-DVD14的表面之间的距离L被设计为，例如0.6mm，则使得物镜在有效的光学特性范围内移动的物镜的焦点距离WD对于保护层的厚度为0.1mm的HD-DVD14来说为0.6mm，对于保护层的厚度为0.6mm的DVD22来说为0.6mm，对于保护层的厚度为1.2mm的CD23来说为0.3mm。
例如，如图17a所示，当CD23的WD1为0.3mm时，发射波长为780nm的激光的半导体激光器24和物镜21之间的距离L1为20mm。
由于考虑到CD的规格，CD23的最大的表面偏差为0.6mm，WD1是不够的。此外，由于安置诸如准直透镜、平面镜和其他类似的多个光学元件来组成实际的光学拾取装置，所以距离L1不足以安置这些元件。
在半导体激光器24和物镜21之间的距离F1(＝L1)与物镜21和CD23的信号表面之间的距离F2(＝WD+保护层的厚度)之间，可以建立下面的关系。
F1∶F2＝C(常数)因此，当WD1伸长到WD2(WD2＞WD1)时，半导体激光器24和物镜21之间的距离L2变短(L2＜L1)，如图17b所示。相反，当半导体激光器24和物镜21之间的距离伸长到L3(L1＜L3)时，WD1短于WD3(WD1＞WD3)，如图17C所示。
如上所述，通过只控制半导体24、物镜21和CD23之间的相对位置间的关系是不可能确保0.3mm的WD1和20mm的L1的。因此，很难向具有0.85NA值的物镜21的CD23写入或从中读出信息。
在此，提出了一种用于光盘的写入和读出装置，它是将向HD-DVD写入和读出信息的光学拾取器和向CD和DVD写入和读出信息的另一种光学拾取器相结合。
图18示出了传统的用于分别具有不同保护层厚度的三种光盘的写入和读出装置的主要部分的俯视图。如图所示，该读出装置是通过在圆盘37上围绕圆盘电机的轴36的相对位置上放置具有NA值为0.85的物镜31的用于向HD-DVD写入和从其读出信息的光学拾取器32，以及另外的在变换用于向DVD写入和从其读出信息的具有0.6的NA值的物镜33和用于向CD写入和从其读出信息的具有0.45的NA值的物镜34的同时向CD或DVD写入和从其读出信息的光学拾取器35而构成。
在传统的光盘写入和读出装置中，信息是通过由转换的机械装置来旋转定位的物镜33和34中对应的一个向DVD或CD写入或从中读出的，其中使用物镜31向HD-DVD写入信息或从其中读出信息。
然后，在传统的光盘写入和读出装置中，需要向HD-DVD写入和从其中读出信息的一个光学拾取器32和另一个向DVD或CD写入或从其中读出信息的光学拾取器35、包括用于改变物镜31，33和34的圆盘电机的驱动机构以及控制上述部件的控制机构和控制电路，所以装置的结构及其控制都很复杂。结果产生了装置成本变高的问题。此外，向HD-DVD写入和从其中读出信息的光学拾取器32和向DVD或CD写入或从其中读出信息的光学拾取器35在圆盘37上围绕圆盘电机的轴36的相对位置上放置，这样就产生了驱动机构和控制机构的尺寸增加以及其自身的尺寸也增加的问题。
在此，为了防止增大驱动机构和控制机构的尺寸，考虑了这样一种用于光盘的写入和读出装置，它结合了只用于向HD-DVD写入和从中读出信息的光学拾取器的HD-DVD专用的驱动机构和控制机构以及用于向CD和DVD写入和从中读出信息的光学拾取器的用于CD和DVD的驱动机构和控制机构。但是，在传统的光盘写入和读出装置中，尽管可以降低只用于HD-DVD的驱动机构和控制机构的尺寸，但是仍旧没有解决装置的高制造成本的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种波长耦合器和装有该耦合器的光学拾取装置，并在下面进行说明。
即，在权利要求1中说明的波长耦合器是一种光透射介质，用于透射三种具有三种不同波长的光，其特征为至少入射到光透射介质的三种光中的一种以不同于其入射角的角度发射，而其他类型的光分别以与入射角相同的角度发射。
在波长耦合器中，至少一种传输的光的焦距能够通过发射以不同于其入射角的角度入射到光透射介质的三种光中的至少一种光并且分别以等于其入射角的角度发射其他种类的光而改变。此外，波长耦合器不需要驱动机构和控制机构而具有简单的结构，所以与这种器件结合的装置可以低成本制造。
权利要求2中描述的波长耦合器具有这样的特征，在权利要求1中的波长耦合器中，一种光以这样的角度发射，该角度使得一种光沿着所述的一种光的传输方向从光透射介质扩展。
权利要求3中描述的波长耦合器具有这样的特征，在权利要求1中的波长耦合器中，光透射介质为全息器件。
权利要求4中描述的波长耦合器具有这样的特征，在权利要求2中的波长耦合器中，光透射介质为全息器件。
权利要求5中公开了一种光学拾取装置，其特征为，具有用于发射具有三种不同波长的三种光发射元件、带有用于聚焦光发射元件发射到光信息存储介质上的光并聚焦并传输从光信息存储介质发射的折射的反馈光的物镜的透镜系统、以及用于检测传输的、反射的反馈光的光接收元件的光学拾取装置，它包括在物镜的光发射器件侧的旁边的根据权利要求1，2，3或4的波长耦合器。
在该波长耦合器中，波长耦合器放置在物镜的光发射器件侧的旁边，所以可以保证足够长度的WD以在诸如物镜和光信息存储介质之间的距离和色差(aberration)等对三种具有不同波长的三种光有效的光学特性范围内驱动物镜。其结果为，通过使用单一的物镜，信息可以由对应于具有三种不同波长的三种光的光信息存储介质的三种光盘来写入或读出。
此外，本发明的光学拾取装置不需要驱动机构和控制机构，所以可以在低成本下制造光学拾取装置。
权利要求6中的光学拾取装置的特征为，在权利要求5中的光学拾取装置中，反射的反馈光具有对应于发射的光的偏振方向(polarization direction)。
权利要求7中的光学拾取装置的特征为，在权利要求5中的光学拾取装置中，波长片位于波长耦合器和物镜之间。
权利要求8中的光学拾取装置的特征为，在权利要求6中的光学拾取装置中，波长片位于波长耦合器和物镜之间。
图8示出了第一实施例的光学拾取装置的主要部分的示意图；图9示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的反射的反馈光上的入射光的偏振状态的示意图；图10示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的反射的反馈光上的入射光的偏振状态的示意图；图11示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的反射的反馈光上的入射光的偏振状态的示意图；图13示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的反射的反馈光上的入射光的偏振状态的示意图；图14示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的反射的反馈光上的入射光的偏振状态的示意图；图15示出了传统的光束扩展器型光学拾取装置；图16分别示出了用于具有不同的保护层厚度的三种光盘的光学系统图；图17示出了在半导体激光器和物镜之间的距离L和WD在向传统的CD写入和从中读出信息中的关系的示意图；图18示出了传统的光学拾取装置的主要部分的示意图。
这些实施例是本发明的示例，并不限制本发明，但是在本发明的发明理念的范围内可以做出任意的修改。第一实施例图1示出了根据本发明的第一实施例的光学拾取器的主要部分的示意图。该光学拾取装置采用了具有三种不同波长的三种激光和具有0.85NA值的物镜，并且是对应于分别具有例如0.1mm、0.6mm和1.2mm厚度的不同保护层的光盘(光信息存储介质)的示例。
如图1所示，参数41为波长耦合器，放置在组成透镜系统的一部分的物镜21的半导体激光器(光发射器件)侧的旁边，该波长耦合器41只对分别具有三种不同的405nm、650nm和780nm的波长λ1、λ2和λ3的三种激光λ1、λ2和λ3中的激光λ3起作用，所以激光λ3以大于其入射角的角度入射，并且其他的激光λ1和λ2分别以等于其入射角的角度入射。
如图2所示，在波长耦合器41中，组成波长耦合器41的重要部分的光透射介质包括全息器件，并且传输具有三种不同波长(405nm、650nm和780nm)的三种激光。在波长耦合器41中，多个凹槽43密集地形成在平面玻璃板42的上表面上，从而能够用这些凹槽43衍射入射光。
当激光λ进入波长耦合器41时，通过凹槽43的结构的衍射作用，激光λ被分成多个具有不同色差数的衍射的光，例如0色差光λ-0，+1色差光λ+1和-1色差光λ-1。
尽管分出的0色差光、+1色差光和-1色差光的比例以及这些衍射的各种光的角度取决于切割方式(cutting method)，0色差光(λ-0)直线传输，+1色差光(λ+1)和-1色差光(λ-1)相对于0色差光(λ-0)扩展。结果，通过使用除了0色差光(λ-0)外的光，即+1色差光(λ+1)和-1色差光(λ-1)能够相对于入射光来使发射的光变形。
在此，如结合上述的现有技术所述，当具有708nm波长的激光λ3，例如，0色差光，直接进入物镜21时，对于保护层厚度为1.2mm的光盘，可以确保具有只为例如0.3mm的WD。当只用具有708nm波长的激光λ3时，可以校正激光λ3在物镜21上的入射角，通过在半导体激光器24和物镜21之间的光轴上放置准直透镜45和凹透镜46来延长焦距以及延长WD，如图3所示。
但是，当使用λ1、λ2和λ3三种激光时，通过凹透镜46改变了λ1、λ2三种激光在物镜21上的入射角，并且随后WD也改变了。在此，需要一种光学系统，其中只校正激光λ3在物镜21上的入射角以延长WD，而其他的λ1、λ2激光的入射角则不改变从而保持WD常数。
在这一实施例中，波长耦合器41放置在组成透镜系统的一部分的物镜21的半导体激光器侧的旁边，而且由波长耦合器衍射的±色差光进入到物镜21，从而能够延长WD到0.6mm。
例如，当具有波长为780nm的激光λ3被首先施加到光盘上并且光盘通过光接收元件输出的信号而有别于CD时，可以尝试在物镜21和半导体激光器之间放置凹透镜46。但是，这样的缺点是需要驱动凹透镜46的驱动机构或驱动电路。
下面，参照图3到图7说明三种激光λ1、λ2和λ3的入射光和反射的反馈光的偏振状态。
(1)激光λ1(405nm)如图4所示，平行激光λ1以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ1，并且只有处于线性偏振状态的0色差光通过物镜21传输并成像在具有0.1mm厚度的保护层的HD-DVD14的存储表面上。此外，图中示出的圆形黑点为在垂直于光轴的平面上的线性偏振状态。
HD-DVD14的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输并以线性偏振状态进入波长耦合器41，并随后通过波长耦合器41衍射。结果，只有在线性偏振状态的0色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测到。
(2)激光λ2(650nm)如图5所示，平行激光λ2以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ2，并且只有处于线性偏振状态的0色差光通过物镜21传输并成像在具有0.6mm厚度的保护层的DVD22的存储表面上。此外，图中所示的圆形黑点为在垂直于光轴的平面上的线性偏振状态。
DVD14的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输并以线性偏振状态进入波长耦合器41，并随后通过波长耦合器41衍射。结果，只有在线性偏振状态的0色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测到。
(3)激光λ3(780nm)如图6所示，准直透镜平行产生的激光λ3被旋转90度并以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ3，并且处于旋转90度的线性偏振状态的+1色差光通过物镜21传输并成像在具有1.2mm厚度的保护层的CD23的存储表面上。此外，图中所示的圆形黑点为在垂直于光轴的平面上的旋转90度的线性偏振状态。
如图7所示，CD23的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输并以旋转90度的线性偏振状态进入波长耦合器41，并随后通过波长耦合器41衍射。结果，只有在旋转90的线性偏振状态的平行光的+1色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测到。
如上所述，在根据本发明的光学拾取装置中，波长耦合器41包括放置在组成透镜系统的一部分的物镜21的半导体激光器侧的旁边的全息器件，所以可以通过只校正物镜21上的三种激光λ1、λ2和λ3中的激光λ3的入射角来延长WD，而不改变其他的λ1、λ2激光在物镜21上的入射角而保持WD恒定。结果，对于这三种激光λ1、λ2和λ3，物镜21和光盘表面之间的距离L，以及WD能够得到充分地保证，从而能够使用一个物镜从具有不同的保护层的厚度的光盘中读出信息或向它们写入信息。
此外，全息器件能够被优选地用作波长耦合器41，所以光学拾取器可以在低成本下制造并且结构简单。第二实施例图8示出了根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的主要部分的示意图。该第二实施例的光学拾取装置与第一实施例的装置不同点在于，λ/4波长片51被放置在物镜21和波长耦合器41之间的光轴上。
λ/4波长片51作为具有405nm波长的激光λ1的λ/4波长片，作为具有650nm波长的激光λ2和具有780nm波长的激光λ3的λ/2的波长片。
此外，参照图9到图14说明三种激光λ1、λ2和λ3的入射光和反射的反馈光的偏振状态。
(1)激光λ1(405nm)如图8所示，平行激光λ1以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ1，并且只有处于线性偏振状态的0色差光进入λ/4波长片51。0色差光通过λ/4波长片51由线性偏振状态变为圆形偏振状态，通过物镜21传输并成像在具有0.1mm厚度的保护层的HD-DVD14的存储表面上。此外，图9中的圆形黑点为在垂直于光轴的平面上的线性偏振状态，而图9中的圆环为在垂直于光轴的平面上的圆形偏振状态。
如图10所示，从HD-DVD14的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输并以圆形偏振状态进入到λ/4波长片51。入射到λ/4波长片51上的反射的反馈光由于λ/4波长片51而从圆形偏振状态变成旋转90度的线性偏振状态，以旋转90度的线性偏振状态进入λ/4波长片51，并随后通过波长耦合器41衍射。结果，只有在线性偏振状态的0色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测。
(2)激光λ2(650nm)如图11所示，平行激光λ2以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ2，并且只有处于线性偏振状态的0色差光进入λ/4波长片51。由于λ/4波长片51作为具有650nm波长的激光λ2的λ/2波长片，激光λ2被旋转一个角度，例如10度，通过物镜21以旋转10度的线性偏振状态传输并成像在具有0.6mm厚度的保护层的DVD22的存储表面上。
如图12所示，DVD22的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输，并进入到λ/4波长片51。由于λ/4波长片51作为具有650nm波长的激光λ2的λ/2波长片，入射到λ/4波长片51的光以具有返回到初始状态的入射光的旋转部分的线性偏振状态进入到波长耦合器41。入射到波长耦合器41的光被波长耦合器41衍射。结果，线性偏振状态的0色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测。
(3)激光λ3(780nm)如图13所示，准直透镜产生的平行激光λ3被旋转90度并以线性偏振状态进入到波长耦合器41。通过波长耦合器41衍射激光λ3，并且以旋转90度的线性偏振状态发射的光的+1色差光进入λ/4波长片51。由于λ/4波长片51作为具有780nm波长的激光λ3的λ/2波长片，激光λ3，例如以旋转90度的线性偏振状态被旋转一个10度的角度，通过物镜21以旋转80度的线性偏振状态传输并成像在具有1.2mm厚度的保护层的CD23的存储表面上。
如图14所示，CD23的存储表面发射的反射的反馈光通过物镜21传输，并以旋转80度的线性偏振状态进入到λ/4波长片51。由于λ/4波长片51作为λ/2波长片，入射光以具有返回到初始状态的入射光的旋转部分的旋转90度的线性偏振状态进入到波长耦合器41。入射到波长耦合器41的光被波长耦合器41衍射。最终，线性偏振状态的+1色差光进入到光接收元件(未示出)并被检测。
如上所述，第二实施例的光学拾取装置能够产生如同本发明的第一实施例的相同的效果。
此外，作为具有405nm波长的激光λ1的λ/4波长片并作为具有650nm波长的激光λ2和具有780nm波长的激光λ3的λ/2的波长片的λ/4波长片51被放置在物镜21和波长耦合器41之间的光轴上。所以只有三种激光λ1、λ2和λ3中的激光λ3以不同于其他种类的光的偏振状态进入到波长耦合器41并被衍射，从而使得除了0色差光以外的色差光能够被使用。结果，可以确保在物镜21和光盘的表面之间的足够的距离L和WD，并且也提供了干扰一种激光的反馈光。
此外，尽管在本发明的第二实施例中，在物镜21和波长耦合器41之间的光轴上放置了λ/4波长片51，如果三种激光λ1、λ2和λ3中的至少一种除了0色散光之外的其他色散光被变形，并且改变了其偏振状态，则这一实施例并不局限于λ/4波长片51。
如上所述，根据本发明的波长耦合器，至少一种传输的光的焦距能够通过发射以不同于其入射角的角度入射到光透射介质的三种光中的至少一种，并且分别以等于其入射角的角度发射其他的光来改变。此外，本发明的波长耦合器不需要驱动机构和控制机构，所以可以在低成本下制造结合了该器件的装置。
根据本发明的光学拾取装置，波长耦合器放置在物镜的光发射器件侧的旁边，所以可以保证足够长度的WD来在诸如物镜和光信息存储介质之间的距离L以及色差的光学特性对于具有三种不同波长的三种光有效的范围内驱动物镜。结果，通过使用单一的物镜，信息能够从对应于具有三种不同的波长的三种光的三种光信息存储介质中读出和向其写入信息。此外，本发明的光学拾取装置不需要驱动机构和控制机构，所以能够在低成本下制造光学拾取装置。
如上所述，可以提供一种波长耦合器和装有该耦合器的光学拾取装置，它能够被制造成小尺寸、低成本，并能够通过使用单一的物镜，将信息从对应于具有三种不同的波长的三种光的三种光信息存储介质中读出和向其写入信息。
权利要求
1.一种波长耦合器，包括光透射介质，用于传输三种具有三种不同波长的光，其中以不同于其入射角的角度入射到光透射介质的三种光中的至少一种被发射，并且分别以等于其入射角的角度发射其他的光。
2.根据权利要求1所述的波长耦合器，其中一种光以这样的角度发射，该角度使得一种光沿着所述的一种光的传输方向从光透射介质扩展。
3.根据权利要求1所述的波长耦合器，其中光透射介质为全息器件。
4.根据权利要求2所述的波长耦合器，其中光透射介质为全息器件。
5.一种具有用于发射具有三种不同波长的三种光发射元件、用于聚焦光发射元件发射到光信息存储介质上的光并聚焦和传输从光信息存储介质发射的折射的反馈光的物镜的透镜系统、以及用于检测传输的、反射的反馈光的光接收元件的光学拾取装置，包括在物镜的光发射器件侧的旁边的根据权利要求1，2，3或4的波长耦合器。
6.根据权利要求5所述的光学拾取器，其中，反射的反馈光具有对应于发射的光的偏振方向。
7.根据权利要求5所述的光学拾取器，还包括位于波长耦合器和物镜之间的波长片。
8.根据权利要求6所述的光学拾取器，还包括位于波长耦合器和物镜之间的波长片。
全文摘要
在此公开了一种波长耦合器和装有该耦合器的光学拾取装置，它不需要驱动机构和控制机构，能够被制造成小尺寸、低成本，并能够通过使用单一的物镜，将信息从对应于具有三种不同的波长的三种光的三种光信息存储介质中读出和向其写入信息。本发明的传输具有三种不同波长的三种光的波长耦合器41包括全息器件，特征为以不同于其入射角的角度入射到光透射介质的三种光中的至少一种被发射，并且分别以等于其入射角的角度发射其他的光。
文档编号G11B7/135GK1447321SQ0310193
公开日2003年10月8日 申请日期2003年1月23日 优先权日2002年3月26日
发明者海保直树, 森下一郎, 竹谷智良 申请人:三星电机株式会社