专利名称：光学扫描装置及决定焦点位置的方法
技术领域：
本发明涉及光学扫描装置以及在该扫描装置中决定焦点位置的方法。
背景技术：
国际专利申请案W02006/018749揭示一近场光学扫描装置，用以扫描一记录载体。在近场光学扫描装置中，放射光束使用消散波耦合而穿过一目标系统的出射面与该记录载体的外表面之间的间隙。在扫描时，间隙伺服用来保持间隙的尺寸在大约25nm的距离。装置中的倾斜伺服则用来控制目标系统与记录载体之间的一倾斜角，使其保持在相对紧密的倾斜公差之内。该公差可小至1.2mrad。该倾斜信号由消散波耦合穿过目标系统的出射面效率的变化来决定。焦点相对于出射面的位置可由改变放置在放射光束的光学路径上的望远镜系统透镜的位置而改变。
该已知扫描装置的缺点在于沿着光学轴的焦点位置并没有信号可作为代表或依据。
发明内容
本发明的一目的是提供--种光学扫描装置，提供光学轴的焦点位置的信号。
该目的可由一种光学扫描装置达成，用以扫描一记录载体，该记录
载体具有一外表面，其中该光学扫描装置包括 一放射源，用以产生放射光束； 一目标系统，具有一出射面，以在该出射面与该外表面之间对该放射光束进行消散波耦合，且将该放射光束聚焦至一焦点；以及一倾斜测量系统，用以提供代表该目标系统与该记录载体之间的倾斜角的一倾斜信号；其中该光学扫描装置包括一控制单元，用以由该倾斜信号决定一距离信号，且代表该出射面与该焦点之间的一距离。目标系统的出射面与放射光束的焦点之间的距离可由倾斜信号导出，因为倾斜信号的特性与该距离相关。由于倾斜信号是非常稳定的信号，可提供距离的可信赖值。
在该扫描装置的一实施例中，倾斜信号是由消散波耦合穿过出射面的效率变化决定。
如此的倾斜信号主要根据当倾斜角改变时消散波耦合的改变，且只对应于扫描装置的光学系统与记录载体的参数的一部分内容。因此，倾斜信号是与扫描装置相对独立的参数，且适合于决定距离。
在一实施例中，距离相关于该倾斜信号对于该倾斜角变化的感应度。倾斜信号对于该倾斜角变化的感应度是根据目标系统的出射面与焦点之间的距离。较大的距离产生较大的感应度。因此，'感应度的决定提供距离测量。
在此必须注意，国际专利申请案W0 2007/122538揭示一种光学扫描装置，其倾斜信号的感应度是根据出射面与焦点之间的距离。感应度变化对倾斜伺服的操作有不利效应。为了降低这个效应，倾斜伺服的增益在操作中随该距离而调整。该距离是使用目标系统与记录载体之间的间隙高度而决定。由于间隙高度的限制，距离的变化限制在数十nm。该专利申请案并未揭示使用倾斜信号的感应度变化做为代表在数毫米范围距离的新测量信号。
在扫描系统的一实施例中，控制单元由改变该倾斜角并测量对应的
该倾斜信号而决定该感应度。
较佳地，倾斜角标准化以使其和放射源的放射能源独立。当焦点放置在目标系统的光学轴上时，距离信号可用以控制焦点的
位置。距离信号也可用以核对焦点的位置，例如核对间隙伺服是否正确操作。
扫描系统可包括一球面像差补偿器，以引入该放射光束中的球面像差量，其中球面像差量由距离信号控制。由于球面像差量决定于放射光束传送至记录载体的距离，当焦点位于光学轴上时，距离信号可用以前馈式修正球面像差量的变化。
本发明的另一形态有关于一种决定焦点位置的方法，用于扫描一光
5学记录载体的光学扫描装置的一放射光束，该方法包括下列步骤以一目标系统将一放射光束聚焦至一焦点，该放射光束在该目标系统的一出射面与该记录载体的一外表面之间进行消散波耦合；改变该目标系统与该记录载体之间的一倾斜角；测量代表该倾斜角的一倾斜信号；以及使用该倾斜
信号决定该出射面与该焦点之间的一距离做为该焦点的位置。
在一实施例中，该方法还包括改变该倾斜角；决定该倾斜信号对于该倾斜角变化的感应度；以及由该感应度决定该距离。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图1显示本发明一实施例的记录载体与光学扫描装置的示意图；图2显示扫描装置的目标系统的放大图；图3显示引导部分的检测系统。
图4a、图4b、图4c显示在三个不同的焦点位置标准化倾斜信号做为倾斜角的函数。
主要元件符号说明
1、 30记录载体
2、 3信息层
4间隔层
5保护层
6基底
7外表面
10扫描装置
11放射源
12放射光束
13准直透镜
14准直光束
15光束成形器16 非极化光束分光镜
17 极化光束分光镜
18 四分之一波长板
20 第一焦点调整透镜
21 第二焦点调整透镜
22 放射光束
23 致动器25 目标系统27 焦点
31 第一信息层
32 第二信息层
33 第三信息层
34 外表面
35 保护层
38 透镜
39 固态浸没透镜(SIL)
40 出射面
41 间隙
45 回射光束
46 第一检测光束
47 半波长板
48 极化光束分光镜
49 非极化光束分光镜50、 51 检测透镜
52 第一检测系统
53 第二检测系统
54 检测信号
55 信'4处理器
56 信总信3
57 检测信号58 信号处理器
59 横向控制信号
60 致动器
65 第二检测光束
66 检测透镜
67 第三检测系统
68 检测信号70 73 检测器74、 75垂直分隔线
77 信号处理器
78 标准化加成信号
80 检测透镜
81 第四检测系统
82 第三检测光束
83 第一能源信号
85 间隙伺服控制器
86 间隙高度控制信号
87 第一倾斜信号
88 第二倾斜信号
89 第一倾斜伺服控制器
90 第二倾斜伺服控制器91、 92倾斜控制信号
95 控制单元
96 误差信号
97 轴向焦点移动伺服控制器100控制信号
具体实施例方式
图1显示本发明一实施例的记录载体与光学扫描装置的示意图。记录载体1是由光学扫描装置进行扫描。记录载体是多层型，具有由间隔层4分隔的两个信息层2、3。信息层2可由保护层5防止环境影响。信息层配置在基底6上，为各层提供机构支撑。记录载体的外表面7面对扫描装置。
使用者信息可配置在记录载体的信息层轨道上。对盘状记录载体，每一轨道形成一个36(T的螺旋。轨道可包括突出与凹陷部分。信息是利用编码产生与周围区域特性不同的信息区域的形式，使信息区域可以光学检测。特性可以是例如反射性或磁性。信息也可安排在没有突出与凹陷部分的轨道，由数据区域本身定义轨道。
扫描装置IO包括放射源11，其可以是半导体激光，以产生放射光束12，具有例如405nm的波长。准直透镜13将从放射源发散的放射光束转换成准直光束14。光束成形器15可放置在放射光束的路径中用以使放射光束形成一圆形截面。准直光束14通过非极化光束分光镜16以及极化光束分光镜17。扫描装置10还可包括一非必须的四分之一波长板18，用来将放射光的输入线性偏振改化为圆形偏振。准直光束通过第一焦点调整透镜20与第二焦点调整透镜21构成的望远镜系统。当两个透镜在正常位置时，离开望远镜系统的放射光束22是准直的。第一透镜20的轴向位置可由一致动器23改变进而改变放射光束22的聚散度。
放射光束22入射至目标系统25，将放射光束聚集至焦点27以扫描记录载体1的信息层2、 3。虽然目标系统在图1中显示为单一透镜，但通常包括至少两个透镜。当放射光束22的聚散度改变时，将使得焦点的轴向位置改变。
图2显示目标系统25的放大图，目标系统25可将放射光束22聚集至在具有三个信息层31、 32、 33的记录载体30上的焦点27。记录载体30具有面对目标系统的外表面34。信息层31、 32、 33分别配置成在外表面下深度为3、 5、 8毫米。最上层的信息层31被保护层35保护。目标系统25包括透镜38以及所谓的固态浸没透镜(SIL) 39。图中显示的固态浸没透镜是超半球型。固态浸没透镜39有一平面出射面40，面对记录载体的外表面34，在目标系统25与记录载体30之间留下小间隙41。在扫描记录载体30时，间隙41的高度一般保持在放射光束波长的十分之一的值。在本实施例中间隙41的高度大约为40nm。出射面40与外表面34之间的短距离使放射光可在目标系统25与记录载体30之间进行消散波耦合，使放射光束进入记录载体的数值孔径(NA)大于l。
请再参见图1，由记录载体1与目标系统25反射的放射光形成的回射光束45沿入射光束22的路径回射。如果从放射源具有第一状态偏振的放射光束12通过四分之一波长板18被做为完全反射镜的目标系统与记录载体反射，再次通过四分之一波长板，会具有垂直于第一状态的偏振状态。极化光束分光镜17设置成将具有这个垂直偏振状态的回射光束部分分光而成为第一检测光束46。这部分主要是由放射光束22在记录载体1的反射造成。具有第一状态偏振的回射光束45部分通过极化光束分光镜17而朝向非极化光束分光镜16。
第-检测光束46在第一检测部分析，第一检测部包括半波长板47、极化光束分光镜48、非极化光束分光镜49、两个检测透镜50与51、第--检测系统52以及第二检测系统53。半波长板47与极化光束分光镜48用来调整放射能源在检测系统52以及53的分布。极化光束分光镜48耦合于第一检测光束的部分，由检测透镜50聚集至第一检测系统52。由第一检测系统产生的检测信号54也叫做中央孔径信号，代表由放射光束从记录载体1读出的信息。检测信号54在信号处理器55中处理，以解碼与修正误差。信号处理器55以数字形态提供代表从记录载体读出信息的信息信号56做为输出。
第一检测光束46未被极化光束分光镜48转向的部分，被非极化光束分光镜49转向而由检测透镜51聚集至检测系统53。非极化光束分光镜49可为一镜面；或者，检测透镜51与检测系统53可直接配置在从极化光束分光镜48的放射光束的路径中。由检测系统53产生的检测信号57在信号处理器58中处理，以形成横向误差信号。横向误差信号代表焦点27与被扫描的记录载体轨道中央的横向距离。横向误差信号可由任何已知方法形成，例如所谓的推挽法(push-pull)或所谓DPD法。横向伺服控制器58输出横向控制信号59控制致动器60在横向方向移动目标系统25，若是使用盘状记录载体则是径向。这个移动在信息层的平面在垂直于轨道的方向上改变焦点17的位置。检测系统、信号处理器、横向伺服控制器与致动器构成横向伺服。当横向伺服在回路操作时，将在扫描信息层时保
10持焦点在轨道中间。
非极化光束分光镜16将从极化光束分光镜17传送的具有第一状态偏振的回射光束45部分分光而成为第二检测光束65。这部分主要是由放射光束22在目标系统25的出射面26的反射造成。这个所谓的引导部分在从目标系统25离开时，具有垂直于入射至目标系统的放射光束22的偏振状态。引导部分的振幅决定于固态浸没透镜39与记录载体1、 30之间消散波耦合的量。第二检测光束65使用在第二检测部中，其包括用以聚集第二检测光束65的检测透镜66和第三检测系统67。第二检测部产生间隙误差信号与一或多个倾斜信号，如后所述。
图3显示引导部分的第三检测系统67。该检测系统是象限型，具有如图所示由垂直分隔线74与75分隔的四个检测器70 73。第二检测光束65在检测系统上形成一点76。每一检测器形成一检测信号，检测信号68输入节信号处理器77。信号处理器形成四个检测信号的加成信号S70+S71+S72+S73,其中SX是检测器X的检测信号。加成信号是测量放射光在引导部分的总量。由于放射光的总量也是测量消散波耦合的量，且其又和间隙41的高度相关，因此总量可测量间隙高度，亦可用以控制间隙高度。如果放射源的放射能源没有维持在固定等级，总量可由代表放射源所发出放射能源的信号标准化。图1的扫描装置由前感测部(forward-sense)产生这个信号，前感测部包括检测透镜80以及第四检测系统81。非极化光束分光镜16耦合于从放射源11的放射光束12的一部分做为第三检测光束82。检测透镜80聚集第三检测光束82至第四检测系统81。检测系统产生代表放射源11发出能源的第一能源信号83。由第--能源信号标准化的加成信号由信号处理器77输出做为标准化加成信号78。
标准化加成信号78输入至间隙伺服控制器85。间隙伺服控制器85从标准化加成信号减掉一既定信号，而形成间隙误差信号，如美国专利US6716896中所揭示。间隙伺服控制器使用间隙误差信号形成间隙高度控制信号86。间隙高度控制信号86控制致动器60移动目标系统25在轴向移动。检测系统67、间隙伺服控制器85以及致动器60构成间隙高度伺服。当间隙高度伺服在回路操作时，其将保持间隙41的高度在一固定值。信号处理器也由检测信号68形成第一倾斜信号87与第二倾斜信号88。固态浸没透镜的出射面40与记录载体的外表面34之间的倾斜会使间隙41增加一侧而减少另一侧的间隙高度。间隙消散波耦合的变化导致光点76在检测系统67的强度变化。当检测系统的分隔线74对应于扫描轨道的切线方向时，第一倾斜信号(S70+S73)-(S71+S72),其中SX是检测器X的检测信号，代表切线方向的倾斜。同样地，第二倾斜信号(S70+S71)-(S72+S73)代表横向方向的倾斜。第一与第二倾斜信号都由加成信号(S70+S71+S72+S73)标准化以使倾斜信号独立于入射至检测系统67的总放射能源。检测系统67与信号处理器77构成倾斜测量系统。
第一倾斜信号87与第二倾斜信号88分别输入至第一倾斜伺服控制器89与第二倾斜伺服控制器90。控制器分别形成倾斜控制信号91与92以控制致动器60。致动器可由压电式或电机机械式机构控制目标系统的倾斜。当倾斜伺服在回路操作时，其会使目标系统与记录载体之间两个方向的倾斜角最小化。对倾斜测量与致动的详细说明揭示于专利申请案W02007/004141。
图4显示倾斜信号做为倾斜角函数的三个图形。图4a、图4b、图4c分别显示焦点27在三个不同的信息层31、 32与33上位置，也就是在记录载体30的外表面34下深度3、 5、 8毫米。无倾斜的斜率在焦点深度增加时增加。斜率或感应度是在某种程度上和焦点位置成比例。这可由当焦点的深度从3增加至8毫米时，放射光束在间隙中的直径由15增加至45毫米来解释。使内部分射发生的出射面41面积增加影响回射光束中的引导部分，并随着影响倾斜测量。
倾斜信号的感应度可用以决定轴向焦点位置，可表示为目标系统的出射面40与焦点27之间的距离。斜率的变化是由测量倾斜信号做为施加在倾斜伺服的干扰函数。该干扰是正弦变化，且在控制单元95产生。干扰送至第一或第二倾斜伺服控制器，根据何者伺服用来测量距离。测量可在具有最小倾斜误差信号的倾斜伺服进行，因而更可提供干扰而不会有出射面与记录载体发生接触的风险。倾斜公差的一般值在1与2mrad之间。本实施例的干扰具有0. 5mmd的振幅。较小的值较佳，因为倾斜信号的SNR相对较高。
12倾斜伺服控制器将干扰输入至伺服回路，使得致动器60对目标系统25施加周期性改变的倾斜。倾斜信号的大小在控制单元95测量，例如以同步检测或窄频滤波器。该信号检测波少所需的倾斜变化。
斜率的值可由测量较佳定义的焦点距离斜率决定，例如对于信息层31，外表面34以下的距离相等于保护层35的厚度。这可由离线进行，例如在扫描装置研发或制造时，将结果储存于控制单元95的韧体或内存，例如以査表方式，当输入对应于出射面与焦点之间距离的干扰时相关于倾斜信号的大小。
当焦点位置改变，例如从第一信息层34至第二信息层35时，焦点的轴向位置必须以前馈式方法改变，因为通常在光学记录使用的代表信息层和焦点之间距离的焦点误差信号在使用消散波耦合的扫描装置并不存在。根据本发明的距离信号可使用于前馈式焦点位置。
本实施例中使用出射面与焦点之间的距离来决定目标系统25在轴向扫描时的位置。代表出射面与焦点之间距离的距离信号，由控制单元95形成，可用于轴向焦点移动伺服。轴向焦点移动伺服包括倾斜伺服控制器89与90之一、控制单元95以及轴向焦点移动伺服控制器97。距离信号与较佳焦点距离比较，并将误差信号96送至伺服控制器97。由伺服控制器97输出的焦点移动控制信号98送至致动器23，以控制焦点调整透镜20的轴向位置。焦点调整透镜的位置决定出射面41与焦点27之间的距离。
焦点的前馈移动可用以将焦点移至接近第二信息层35的位置。检测信号54的大小最佳化可用以微调焦点在第二信息层35上的轴向位置。
在焦点从信息层34移至信息层35的轴向移动时，放射光束在经过材料厚度改变而发生的球面像差降低焦点的质量。质量降低可能使得检测信号54无法用以决定信息层35的存在。这可以使用可调整式球面像差补偿器99配置于放射光束22，将球面像差带入放射光束以补偿在记录载体发生的球面像差。由于放射光束的球面像差量和记录载体的材料厚度成线性相关，代表目标透镜的出射面与焦点之间距离的距离信号可用以控制由球面像差补偿器带入的球面像差量。因此，控制单元95使用距离信号在轴向移动时指示焦点27的位置而形成控制信号100。控制信号100以前馈式控制球面像差补偿器99，因而维持焦点27的质量在一定程度，足以检测记录载体信息层的信息。距离信号与球面像差量之间的关系可储存于控 制单元95的内存中。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以 限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的 精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后 附的申请专利范围所界定的为准。
权利要求
1.一种光学扫描装置，用以扫描一记录载体，该记录载体具有一外表面，该光学扫描装置包括一放射源，用以产生放射光束；一目标系统，具有一出射面，以在该出射面与该外表面之间对该放射光束进行消散波耦合，且将该放射光束聚焦至一焦点；以及一倾斜测量系统，用以提供代表该目标系统与该记录载体之间的倾斜角的一倾斜信号；其特征在于，该光学扫描装置包括一控制单元，用以由该倾斜信号决定一距离信号，代表该出射面与该焦点之间的一距离。
2. 如权利要求l所述的光学扫描装置，其特征在于，该倾斜信号是 由该消散波耦合穿过该出射面的效率变化决定。
3. 如权利要求l所述的光学扫描装置，其特征在于，该距离相关于 该倾斜信号对于该倾斜角变化的感应度。
4. 如权利要求3所述的光学扫描装置，其特征在于，该控制单元由改变该倾斜角并测量对应的该倾斜信号而决定该感应度。
5. 如权利要求4所述的光学扫描装置，其特征在于，该倾斜信号为 标准化。
6. 如权利要求l所述的光学扫描装置，其特征在于，该距离信号用 以控制或核对该焦点的位置。
7. 如权利要求l所述的光学扫描装置，其特征在于，还包括一球面 像差补偿器，以引入该放射光束中的球面像差量，其中该球面像差量由该 距离信号控制。
8. —种决定焦点位置的方法，用于扫描一光学记录载体的光学扫描 装置的一放射光束，其特征在于，该方法包括下列步骤以一目标系统将一放射光束聚焦至一焦点，该放射光束在该目标系 统的一出射面与该记录载体的一外表面之间进行消散波耦合； 改变该目标系统与该记录载体之间的一倾斜角； 测量代表该倾斜角的一倾斜信号；以及使用该倾斜信号决定该出射面与该焦点之间的一距离做为该焦点之位置。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤 改变该倾斜角；决定该倾斜信号对于该倾斜角变化的感应度；以及 由该感应度决定该距离。
全文摘要
本发明一种光学扫描装置，用以扫描一记录载体。该记录载体具有一外表面。该光学扫描装置包括一放射源，用以产生放射光束，以及一目标系统，具有一出射面，以在该出射面与该外表面之间对该放射光束进行消散波耦合，且将该放射光束聚焦至一焦点。一倾斜测量系统提供代表该目标系统与该记录载体之间的倾斜角的一倾斜信号。控制单元由该倾斜信号决定一距离信号，代表该出射面与该焦点之间的一距离。
文档编号G11B7/09GK101625876SQ20091014267
公开日2010年1月13日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月6日
发明者杰·贝克 申请人:建兴电子科技股份有限公司