专利名称：光扫描装置及其反射物镜和配有该装置的光学读和/或写设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对物体实施光学扫描的扫描装置，包括一个提供扫描光束的光源，一个将扫描光束会聚成扫描光点的反射物镜和一个接收被扫描物体反射光的光敏探测系统。本发明还涉及一个适用于该扫描装置的反射物镜和配备有该装置的光学读和/或写设备。
被扫描物体可以是一个光学记录载体的信息表面。这个信息表面可能已预先录制了通过扫描装置可读出的信息。也可能是用一个强度根据所存信息受调制的扫描光束将信息写入信息平面。被扫描物体可以是任意必须检测其结构的不同物体，例如用配备有扫描装置的扫描显微镜对物体进行检测。
上文所述的用作阅读光记录载体的扫描装置，从英国专利GB1，541，596中可得到。这份说明书描述了一个光学扫描装置，包含一物镜，该物镜由反射面彼此相对的两个反射镜组成。一个反射镜是凹面的其反射面对着记录载体;另一个是小得多的凸面反射镜并且其反射面向着光源。从光源发出的光线通过较大的凹面反射镜上的一个通道到达凸面镜、接着光线反射到凹面反光镜并在记录载体的信息平面上被这个反射镜会聚成光点。
已知的物镜构成了两级会聚系统的组成部分，该系统的整个反射系统悬浮在磁线圈中，借助于该磁线圈能控制物镜相对于记录载体的位置。小的反光镜装配在一块压电材料上并可随辅助装置上下移动，从而在信息平面上周期地产生一个小散斑，该散斑用一探测器检测并从中获得聚焦误差信号，据此误差信号通过磁线圈重新调整物镜的位置。
在彼此相互紧密配合工作的状态下使用两个分离的反光镜;已知的扫描装置就需要相当复杂的结构，并且装置对机械扰动敏感。
本发明的目的在于提供一种扫描装置，该装置不仅结构紧凑结实耐用，而且其反射物镜上有附加元件，使光束呈一合适形状，从而获得校正扫描操作所需的多种功能。
为此目的，本发明的特征在于反射物镜包括一个光透明体，其第一表面对着光源而第二表面远离光源;所述的第一表面上有第一透射窗对称地位于反射物镜光轴周围，还有第一反射镜环绕在该透射窗周围;所述的第二表面上有第二反射镜对称地位于光轴周围，还有第二透射窗环绕在该反射镜周围，在第一透射窗内有第一衍射元件用以将来自光源的光束分成扫描光束和两辅助光束;在第二反射镜内有第二衍射元件用以将被扫描物体反射并再次穿过反射物镜的光束部分地衍射到光敏探测系统，利用该探测系统可获得聚焦误差信号来改变衍射后的扫描光束。
这个扫描装置之所以结构紧凑结实耐用，不仅是由于光路在反射物镜内折迭和物镜为一体，而且也是因为这个物镜中的诸元件有综合的作用，而在迄今为止所知的装置中，它们都是使用分离的元件并且不得不分离装配。
由第一衍射元件形成的两辅助光束被反射物镜会聚成两辅助光点，落在信息平面内的被扫描记录槽的两个不同的边缘上。每个辅助光点被重现在控测系统的一个单个的探测器上。一个轨迹误差信号，例如是一个被扫描记录槽中心线与扫描光斑中心线偏差大小和方向的显示，可以从两个所述探测器输出信号的不同而获得。
第二衍射元件把被扫描物体反射的并再次通过反射物镜的光部分地衍射到探测系统且形成一象散光束或两辅助光束。通过所采用的探测系统，可以从象散光束或两辅助光束中获得一聚焦误差信号。聚焦误差信号是一个表明被扫描平面与反射物镜焦平面之间偏差大小和方向的信号。
要说明的是，一个衍射光栅用于光扫描装置以形成扫描光束之外的两束辅助光，并由此产生一个轨迹误差信号已经公知了，见美国专利US3，876，842。但是已知的装置中没有第二个衍射元件用来分离被投射和被反射的光束并形成一个聚焦误差信号，而且已知的装置不是由反射物镜提供第一光栅的。
尤其是在美国专利US4，665，310中，将一衍射光栅用于光扫描装置中以分离投射光束和反射光束并可把后者分为两辅助的光束从而产生一聚焦误差信号。但根据这份专利，没有附加的衍射元件用来获取两辅助光束以产生一轨迹误差信号。
重要的是本发明反射物镜的两个表面上两衍射元件的设置，确保来自第二衍射元件并射到光敏探测系统的光束不会进一步被第一衍射元件分成多束光，而物镜必须有一定厚度是因为要获得成象功能。因此落在探测系统上光点的数量应保持一定的限制，以使该系统的几何形状能相对简单。此外，光点要产生不同的信号，故其能量应足够大。
衍射元件可以是振幅结构的，如光透射或反射区与光吸收区交替地排列。然而扫描装置的最佳实施例其特征是衍射元件为相位结构的。
例如，在表面呈高与低交替排列的相位结构从原理上来说比振幅结构有更好的衍射效果。
因为衍射元件是设置在投影镜头的表面上的，所以所述相位结构可采用一种相对简单的方式用已知的模压和复制技术制备。
各种聚焦误差探测方法都可用于本发明的扫描装置中。最好是用这样一种装置来实现，其特征是第二衍射元件是引起象散的元件，光敏探测系统由四个探测器组成，它们被分布在衍射扫描光束的主光线周围的四个不同象限中。
所述的元件把衍射后的扫描光束变换成象散光束，并且再现的光斑形状由信息平面内扫描光束聚焦的程度确定。
在散焦的情况下，这个光点呈一椭园形光斑，其主轴在相互垂直的两个方向中的一个方向上，这取决于散焦的状况，下文称之为象散方向。四分探测器的分界线相对于象散方向以大约45°角延伸。
光斑的形状可通过求出每对对称位置上探测器输出信号之和以及将两信号和的值相减来确定。
引起象散的元件是直线光栅，由于采用的是非平行光，所以会产生一定的象散。更大的象散可通过一个实施例来实现，该实施例的特征在于产生象散的元件是一个有着直线栅纹且光栅周期是线性变化的光栅。装置的最佳实施例其特征是衍射元件是一个称为全息光栅的元件，具有曲线栅纹和非线性变化的光栅周期。这样的全息光栅有可能校正光学系统的象差。
要说明的是，光栅周期线性变化的光栅与四分探测器联用以产生聚焦误差信号，这可以从US4，358，200中获得。但是，这份专利的装置没有采用第二衍射光栅来获得两辅助光束。
就温度敏感性和控制简单性而言，优于前述的所谓象散法的聚焦误差探测的第二个可能性在一个实施例中实现，该实施例特征在于，第二衍射元件为一个衍射光栅，它由两个子光栅组成并把衍射后的光束分为两个次光束;第一和第二次光束分别与第一对和第二对探测器相对应。
该装置中，扫描光束在探测器对处呈现两个光点。相应探测器对的分界线上的每个光点随着信息平面上扫描光束的聚焦误差做横向漂移。这个漂移可通过比较探测器的输出信号测出。这种探测聚焦误差的方法被称之为双Foucault法。
最后所述及的装置的一个最佳实施例，其特征是子光栅有一个变化的光栅周期且子光栅的光栅条纹是弯曲的。
由于变化的光栅周期和弯曲的光栅条纹，组成的光栅有透镜效应且通过沿子光栅分界线方向移动该光栅，特别是由于物镜系统和光栅套配时的成像距离等于沿光轴方向激光二极管与控测器的距离，光斑在相应探测器对上的能量分布可呈对称的。尤为重要的是，光电二极管式的探测器与二极管激光器组合成一个部件且彼此相互固定下来。组成的光栅有变化的光栅周期和弯曲的光栅条纹，也称之为全息光栅，它为校正诸如彗差和象散之类的由直线光栅所产生的象差提供了一种可能。
采用Foucault聚焦误差探测法的扫描装置，原则上可提供两实施例。第一个实施例的特征是一个子光栅条纹与另一子光栅条纹的主方向相同;两子光栅的平均光栅周期不同，探测器对在平行于两子光栅分界线方向是并列分布的。此实施例中扫描光束的辅助光束在同一方向以不同角度被分开。
第二个实施例的特征在于，两子光栅具有相同的平均光栅周期，其中一个光栅条纹的主方向以第一角度延伸，另一子光栅条纹的主方向以第二角度延伸，两子光栅条纹都是向它们之间的分界线延伸的，该实施例的特征还在于探测器对在所述的分界线的横向上是并列分布的。扫描光束的辅助光束最好是以同一角度沿不同方向被分开。这个实施例是最先采用的，这是因为它有较好的装配公差且调整简易和稳定。
扫描装置的一个较好实施例其特征在于第二透射窗表面为非球面，在该扫描装置中其反射物镜很好地校正了球差且能满意地制造出来。
透镜系统中的非球表面应理解为这样的一个透镜表面，其基准形状是球面，而为了校正当采用球面透镜时可能产生的球差，其实际形状有一个小偏差。球状基准形面可以具有一个无限大的曲率半径，这意味着所述的非球面是平面。透射窗为非球面的好处是非球面的精度比反射表面为非球面所要求的形面精度要小得多，比如小一个系数6。
扫描装置采用反射物镜可以对光源和探测系统的定位更有益。
例如，该扫描装置的一个实施例的进一步特征在于光源与第一透射窗相连。光源可以是出光面对着第一透射窗的半导体激光器。光源也可以通过光纤与第一透射窗相连。
扫描装置的另一个实施例其特征在于光敏探测系统与第一透射窗相连。
光源、光导纤维或光敏探测系统可以用透明的粘合剂固定在第一透射窗。这样可使结构简单紧凑并且结实，形成能安置下整个光学组件的组合部件。
扫描装置可以包括不同类型的光源，诸如简单的二极管激光器，二极管激光器组或是其它可以直接或通过光纤与反射物镜相连的光源。
本发明的实施例将参考下列附图更详细地加以说明。
图1是本发明扫描装置一个实施例的示意图，图2是产生聚焦误差信号的组合探测系统与衍射光栅第一个实施例的透视示意图，图3a和图3b表示聚焦误差产生时探测系统上光斑的变化，图4a和图4b分别是为形成辅助光束的光栅和部分记录槽结构的平面图，图5表示衍射光栅组如何衍射和分扫描光束及辅助光束且组合探测器上形成光斑位置的原理图，图6给出配有图2光栅的组合探测系统的第一个实施例，图7和图8表示配有图2光栅的组合探测系统的第二和第三个实施例，图9表示用以产生聚焦误差信号的衍射光栅的第二个实施例，图10给出配有图9光栅的组合探测系统的一个实施例;
图11表示用以产生聚焦误差信号的象散光栅的第一个实施例和图12表示配有图11光栅的组合探测的组合探测系统。
图1表示记录载体，例如圆盘形记录载体1的切向断面的一部分。此记录载体有一透明的基板2和反光信息表面3。在该表面上备有信息槽，图1仅示出一个信息槽，若记录载体已写入信息，则每个记录槽都包含许多信息区6，这些区域沿槽方向看去是与中介区域7交替地排列的，信息存入信息区与中介区的序列中。如图1所示，信息结构可以是相位结构，当然也可以是振幅式的。信息结构上可涂一层保护层8。
信息平面由扫描光束b1扫描，光束b1由诸如二极管激光器的光源9提供。在信息平面上这束光被物镜系统10会聚成扫描光点v1。当以垂直于记录载体且平行于光轴AA′，也平行于坐标系xyz的Z方向的轴转动记录载体时，光点v1扫出一条轨迹。通过扫描光点与记录载体在径向相对位移来完成整个信息平面的扫描。
物镜系统为一反射物镜由光透明体11构成，其第一折射表面12在光源一侧，第二折射面13在记录载体一侧。第一表面包括第一透射窗14对称地分布在光轴周围。该窗周围环绕着反射面15。第二表面包括对称地围绕光轴的第二反射镜16和环绕在该镜周围的透射窗17。
扫描光束b1经第一窗14进入反射物镜10并被第二反射镜16反射，进而使已发射的扫描光束进一步地发散。因此这束光实际上覆盖了第一反射镜15的整个镜面，第一反射镜反射并会聚这束光并经过第一窗口17和透明基板2在信息平面3上聚成扫描光点v1。
信息平面反射出来的光被物镜系统接收并反向穿过反射物镜会聚成光点v1.1，若不采取进一步的措施，光点v1.1会落到光源9的出射面上。下文将解释反射光束b′1是从投射光束b1中分出来的。光敏探测系统20被放在光束b′1的光路中。在读一个已定入信息的记录载体的过程中，反射扫描光束b′1是根据读出信息进行了强度调制的且光敏探测系统把该强度调制光束变成电信号进行进一步处理。
经反射物镜聚焦的光束带有球差。尤其从专利US 4，668，056中可知，采用非球面是可以校正这一象差的。显然，为了获得较大的衍射限象场，反射表面15要求是非球面的。但根据本发明，透射窗14和17中的一个或两个表面是非球面的。虽然象场有所减小，但是用衍射限光点扫描一个表面对被成象的物体来说是足够大了。透射窗是非球面的很大优点在于非球面的精度要求比反射面的精度要求宽松的多。透射用的非球表面其形状公差系数是(n1-n1)/2n1比反射面误差系数大，其中n1是透镜材料的折射率，n2是周围介质的折射率。
为确定反射物镜透射窗14和17中的一个或两个非球面的形状。
可以采用美国专利US4，688，056所提供的确定常规透镜非球面形状的方法。因此可通过在透射窗球面上制备一层透明的外表为非球面的合成材料来构成非球面透射窗而获得反射物镜。这种合成材料可以是可聚合的合成材料，例如一种紫外光固化的材料在液态状态下涂敷在窗上并用模具给出所要求的形状。
根据图1的实施例，较大的窗17有非球表面18。这个实施例比第二个较小窗14为非球面的实施例更好，因为第一实施中衍射象场比第二实施例的大。
当扫描一个表面时，必须确保扫描光束总是准确地聚焦在这个表面上。为此，扫描装置必须包含一些探测偏差的装置，这个偏差是物镜焦平面与被扫平面之间的偏差。这些装置提供的信号就是聚焦误差信号，它能用于聚焦的校正，例如通过使反射物镜和被扫描的表面沿光轴做相对的移动来校正聚焦。进一步地，从被扫描表面出来的并由物镜接收的光，必须与光源发出的光束分离开来。最后，当扫描有信息记录槽的信息面时，必须确保扫描光点的中心总是与被扫描记录槽的中心线重合。为此扫描装置必须包含用来探测扫描光斑中心与记录槽中心线之间偏差的装置，即产生扫描误差信号的装置。扫描光点相对于记录槽中心线的位置便可由这个信号进行校正，例如在图1中的x方向即径向上，通过信息平面和含有光源9，反射物镜10及探测系统20的光学阅读单元两者做相对的移动来校正。
要完成如上述的功能，本发明中的反射物镜由一个位于第一透射窗14上的第一透射光栅30和一个位于第二反射镜16上的第二反射光栅40组成。在这种情况下，反射物镜需要有一定的厚度，以使两个光栅相互分开一个比最小的要求距离大一些的距离，而且因第一衍射元件30靠近光源，故可采用小尺寸。
衍射元件40，例如一个衍射光栅，可以采用已有的形式，象美国专利US4，665，310所述的那样，用它来实现光束的分离，并且获得一种其形状适于产生聚焦误差信号的反射光束。这个光栅把从信息平面3反射并通过物镜系统10的扫描光束分为无衍射的0级次光束和多束一级和更高级次光束，投射到光敏探测系统20上，进而产生一个聚焦误差信号。可以通过选择一组该光栅的参数特别是栅纹宽度与栅纹间距的比率和栅纹深度及形状使探测系统最大限度地接收光能量值。
图2表示一个光敏探测系统20和组合光栅40的正面透视图。b1光束呈现的是它在光栅40处的截面。光栅40由两个以直线41分界的子光栅42和43组成。子光栅的条纹分别用数字44和45表示。这些条纹被中介条纹46和47分开。此实施例中两子光栅的光栅周期相同，但是子光栅42的弯曲条纹44其主方向向分界线41以第一角度延伸，子光栅43的弯曲条纹45其主方向以第二角度，但最好是同样大小的角度以相反的张角向分界线41延伸。从子光栅来的次光束实际上是在其传输主方向上被衍射的。由于主方向不同，次光束b1.1和b1.2以不同的角度在YZ平面上衍射。这意味着在探测器平面内即XY平面内，光点v1.1和v1.2在Y方向相对移开。在本图和其它附图中X，Y和Z符号是坐标原点O在二极管激光器出光表面中心的坐标系坐标轴。
光电二极管式光敏探测器21，22和23，24被窄带25和26分开，并且每一对分别对应于次光束b1.1和b1.2。这些探测器依据这样的条件来固定在对信息平面3校正聚焦的情况下，次光束b1.1和b1.2所形成光斑v1.1和v1.2的光强分布应该分别相对于探测器21，22和23，24对称。当产生聚焦误差时，光斑v1.1和v1.2不对称地增大，如图3a和3b所示。此图示出一个组合操作探测器，它们的分割线25和26分别向在点O与组合探测器20的中心M之间的连接CL以+和-角延伸，连线CL与在图2和3中的探测器对21，22和23，24之间的分离带27重合。在图3a中所示的，是光束b的焦点落在信息平面3前面的平面内，图3b表示光束b的焦点落在信息平面3后面的平面内。
如果探测器21，22，23和24的输出信号分别用S21，S22，S23和S24表示，则聚焦误差信号Sf由下式给出Sf＝(S21+S24)-(S22+S23)正比于读出信息的信号或信息信号Si由下式给出Si＝S21+S22+S23+S24图1中的光栅30是用来产生轨迹误差信号的。如图所示，此光栅将来自光源9的光束b分成一个非衍射O级光束b1，+1级衍射光束b2，-1级衍射光束b3和一些更高级的衍射光。最后所述的光束对本发明来说是不重要的，因为它们已衍射到物镜系统10之外去了且光强很低。光栅30是一个光栅构成的，没有分开的部分，它有直线性的栅纹且光栅周期不变。这个光栅的参数，特别是栅纹宽度与栅纹间距的比率，栅槽的形状和深度可以选择成使入射光b几乎全部都分布在光束b1，b2和b3上。而且可以保证光束b1的光强比光束b2和b3的每一个大几倍，如6倍。
光束b1是主光束或称扫描光束，并在信息平面3内形成扫描光点v1。光束b2和b3为辅助光束，经物镜系统10在信息平面3内会聚成辅助光点v2和v3。由于辅助光点v2和v3是经光栅30以相反的角度衍射而得，因此从记录槽的方向看去，辅助光点v2和v3落在扫描光点的两边。
光栅30的条纹其方向与实际轨迹方向的夹角为90-α，其中α为一小角度，如图4a所示。该图表示光栅30的一部分，它有光栅条纹31和中介条纹32，4′是扫描轨迹中心线在光栅30平面内的投影，这条线表示了实际轨迹方向。如果扫描光斑点v1的中心落在被扫描记录槽中心线上，则通过选择适当的α角，可使辅助光点v2的中心落在该记录槽的一个沿上，辅助光斑点v3的中心落在该槽的另一个沿上，如图4b所示。在光敏探测器20中，一个离散的探测器可用于每一束辅助光。在图4b所示的情况下，辅助光束v2和v3覆盖了与槽相等的范围，所述的探测器其输出信号也相同。当扫描误差产生时，一个辅助光斑的中心移向槽的中心线，而另一辅助光斑则远离槽的中心线，且所述探测器的输出信号不相等。探测器输出信号的差就代表扫描误差信号。从信息平面反射回来的，在图1中仅表示为几条轮廓线的扫描光束和两辅助光束投射在光栅40上。该光栅以图2所示的对待光束b1同样的方式处置每束光。每束光在探测系统20的方向上更强地衍射并分成两束次光束。造成这种分离是为了清楚起见，如图5所示的y方向上的分离。这幅图也表示光栅40是由两子光栅42和43构成的，这里的光栅相对图2的旋转了90°。在光栅40上，被反射的扫描光束和两辅助光束的截面分别由实线圆b1和半实线半虚线圆b2和b3表示。光栅40把光束b1，b2和b3分别分为次光束b1.1;b1.2，b2.1;b2.2和b3.1;b3.2。子光栅42将次光束b1.1，b2.1和b3.1衍射到右边，将其聚焦在组合探测器20上形成光点v1.1，v2.1和v3.1。子光栅43将次光束b1.2，b2.2，b3.2衍射到左边，会聚成光点v1.1，v2.2和v3.2。包含两对探测器21，22和23，24的组合探测器分别用以探测光点v1.1和v1.2，还有用于光点v2.1和v2.2的探测器50和用于光点v3.1和v3.2的探测器51。
图6进一步表示出形成的光斑点和组合探测器。该图也表示二极管激光器9出光表面相对于组合探测器的位置。如果探制器50和51的输出信号用S50和S51表示，则扫描误差信号Sr可得Sr＝S50-S51聚焦误差信号为Sf＝(S21+S24)-(S22+S23)信息信号Si为Si＝S21+S22+S23+S24根据本发明，该装置的特征为探测器上光点的数目限制在为完成所需功能的必要的最小数目。因此探测系统可以相对地简单一些，并且该系统上光点的强度可足够大使探测器的输出信号足够强。
为使Foucault聚焦误差探测方法能实现，反射的扫描光束b1必须分成两次光束。因为反射的辅助光束b2和b3也要通过组合光栅40，这些光束不可避免地被分为两次光束，故总共产生六束光。根据本发明，尽管有两个光栅一前一后放置在光路上，可采用特殊的步骤使光束数目仍限制在这个最小数目上。
原则上光栅30可放在第一光栅40的上方。由光栅30分成的3束光b1，b2和b3经记录载体反射后再次经过该光栅并进一步被分成9束光。这些光束随后将通过光栅40，产生总共18束光。光束的数目可采用光栅30放在光栅40下面的方法加以限制。但如没进一步的措施;光束的数目在这种布置的情况仍然会太大。实际上，来自光栅40的光束通过光栅30，会进一步分裂出多于六束的光束投射到探测系统。这种情况可过通光栅30和40放置在有一给定厚度的反射物镜的表面12和13上加以避免和通过将光栅30做小并放置在靠近光源处加以避免。因此，来自光栅40的光束直接投向探测系统20可不再穿过光栅30。
所采取的措施不可防止激光束在自光源到信息平面投射过程中分裂得太利害。如上所述，光栅30将尽可能多地把发出的光集中在扫描光束和两辅助光束上。组合光栅40将以这样的方式构成即在这些光束的投射光路中，由该光栅所衍射的第一级或更高级的光与光点v1以相对大的距离落在信息平面上和以这样的方式构成即所述的更高级的光对被信息平面反射并第二次穿过光栅40之后所要求的信号的影响可忽略不计。
上述的有关采用Foucault聚焦误差探测法扫描装置的考虑，当然也适用于采用象散聚焦误差探测的装置，应当理解，光点的数目在最后所述的那种装置中原则上是较小的，因为光栅40没有被分成子光栅。
图5和图6所示的实施例，其中的“Faucault光点”v1.1和v1.2落在辅助光点之间一侧是辅助光点v2.1和v2.2，另一侧是v3.1和v3.2，且有一对辅助光点只需一个探测器的优点，次光束b1.1与b1.2之间的夹角因而光栅条纹44与45之间的夹角的选择受到限制。就这方面而言，图7表示一选择自由度较大的实施例的组合探测系统几何结构。该实施例中，探测系统20平面上由光栅40造成的光点分离比由光栅30造成的分离要大。因此光点v1.1和v1.2之间的距离分别比v1.2和v2.2和v3.2之间距离大，或比v1.1和v2.1和v3.1之间的距离大。分离的探测器分别对应于光点v2.2及v2.1和光点v3.2及v3.1。
一个只需一个探测器来探测光点v2.2及v2.1和光点v3.2及v3.1的实施例，仍然有足够的自由度来选择次光束b1.1和b1.2的夹角，而且此实施例中，光栅30对光束的分离与光栅40对光束的分离在方向上不相同。这个实施例对应于图1与图2的结合。图8表示这个实施例探测器的位置关系，不需进一步说明。
不仅图2的组合光栅可以产生聚焦误差信号，图9的光栅40也可以。在这幅图中，仅用其次光束b1.1和b1.2在光栅平面上的截面表示该扫描光束。两子光栅42和43弯曲条纹的主方向没有以同以角度相对分界线41延伸，平均光栅周期也不同。因此次光束b1.2被衍射的角度不同次光束b1.1的衍射角。这意味着，探测器21，22，23和24上的光点v1.1和v1.2在分界线的方向上是彼此移开的。
根据本发明，图9所示的光栅也是采用光栅组合来形成两束辅助光的。若前面最后述及的光栅是在Y方向产生衍射的，而图9的光栅是在X方向产生衍射，那么探测系统有如图10所示的几何图象。
由于光栅40的两子光栅42和43的光栅周期和弯曲条纹的主方向也是可以不同的，可以假定这样的光栅其作用是图2和图9光栅的联合作用。因此次光束b1.1以不同的角度与次光束b1.2相互垂直地分开。组合探测器20的平面上，光点v1.1和v1.2在相互垂直的方向上彼此错开。
要说明的是，图2所示的组合光栅优于图9的光栅，这是因为前者有较大制造公差，调整简单且稳定。
子光栅42和43可采用直线条纹和不变的光栅周期。但是，最好采用典型的光栅，也称之为全息的，这种光栅具有变化的光栅周期，比如周期的变化量具有平均光栅周期百分之几的量级。此外，两子光栅的栅纹是弯曲的，如图2和图9所示。这样子光栅就有变化透镜的作用。由于光栅周期的变化，光点v1.1和v1.2的位置可通过在光栅40的平面内位移光栅来加以改变。垂直于分界线41方向的象差可通过栅纹的弯曲使其达到最小。如果采用组合的激光-光电二极管单元即在Z方向以一定距离彼此固定安排在同一支撑物上的二极管激光器与光电探测器的一组件，则移动光点位置的可能性特别重要。这个间距要遵守制造公差的条件，并且在扫描装置的装配过程中不可通过的Z方向光电二极管对激光二极管做移动来校正这个间距。
根据图9，在本实施例中，尽管次光束特别是b1.1和b1.2由于子光栅42和43不同的平均光栅周期，以不同角度被衍射，次光束有焦点在同一个平行于组合探测器平面的平面上，即通过给定光栅周期和子光栅相应部分的栅纹曲率一个不同的变化量。
曲线条纹的衍射光栅比直线条纹的光栅有一更大的优点，就是采用后一种光栅可能会产生诸如彗差和象散之类的象差，可在制作第一种光栅过程中通过采用弯曲栅纹和考虑上述那些象差因素的影响得到避免。
图11表示光栅70把反射的扫描光束b1会聚成一个象散光束b′1。该光栅具有直线条纹71和线性变化的光栅周期。光栅的规格根据使光束b在某一级衍射强烈来确定，例如在+1级。第一级光束b′1不再聚焦成一点，而是会聚成两条相互垂直的焦线75和76，若光栅非象散则线75位于光束b′1所聚焦的位置。当有聚焦误差产生时，焦线75和76同时在同一方向上移动同一距离，一种称为四分探测器的装置80放置在两象散焦线之间近似中点处的平面上，条件是扫描光束能很好地聚焦在信息平面上。如图12所示该探测器包括四个探测器81，82，83和84，围绕着衍射光束b′1的主光线周围分布在四个不同象限中。若扫描光束很好地聚焦在信息平面3上，光束b′1在周围的探测器平面上会形成一个光点v′1;如图12中实线圆所示。如果有聚焦误差产生，光点v′1则变成一椭圆光斑如图12中的虚线椭圆所示。椭圆的主轴相对于分界线85和86成45°角，角度的符号由聚焦误差的符号来定。如果探测器81，82，83和84的信号由S81，S82，S83和S84表示，则聚焦误差信号Sf为Sf＝(S81+S83)-(S82+S84)如果在带有象散光栅70的扫描装置中安置第二光栅30(图1)以形成两辅助光束b2和b3，则组合探测器系统应该具有如图12所示的几何图象。一个不可分的探测器87，88分别用于反射辅助光束b2和b3形成的光点v′2和v′3。已假定光栅30的条纹相对于记录槽方向是横向的，因而是沿X方向延伸的，并已假定光栅70的条纹是沿Y方向延伸的。或者光栅30和光栅70的条纹对于实际轨迹扫描方向都可能是横向的或基本横向的。
在图11和图12所示的装置中分界线85和86相对实际扫描方向成45°角伸展。当产生扫描误差时，光点S′1的光强分布重心沿X方向或向左或向右移动。结果扫描轨迹误差会影响聚焦误差信号。
这种情况可通过定位来防止，如通过使经过象散光栅70的扫描光束b′1的象散焦线相对于图11中的这些线转动45°角的方式来确定象散光栅70的方位。四分探测器的分界线85和86也可相对图12中的这些分界线旋转45°，并分别平行和垂直于记录槽的方向。扫描误差导致落在探测器81和84上的光能量相对于落在82和83上的有所增加或减小。因来自探测器81和84的信号与来自探测器82和83的不一样，在确定聚焦误差时彼此相减，所以扫描误差对聚焦误差信息毫不影响。
本发明已通过一个读出装置进行了说明，而另一方面还可用作写入装置或一个读-写结合的装置，该装置在记录过程中记录中记录光束的聚焦和轨迹可控。所述聚焦误差的扫描误差的探测系统不要求信息平面3具备特殊的性质。仅要求该表面是反射光的且具有记录槽结构就足够了。因此本发明可应用于需要一个精确显示信号设备的各种装置，例如用于显微镜。
权利要求
1.一种用于对物体施行光扫描的扫描装置，包括一个提供扫描光束的光源，一个用于使扫描光束聚焦成扫描光点的反射物镜和一个接收被扫描物体反射光的光敏探测系统，其特征在于反射物镜由一个具有对着光源的第一表面和远离光源的第二表面的光透明体组成，所述的第一表面有一个对称地分布于反射物镜光轴周围的第一透射窗和环绕在所述窗周围的第一反射镜，所述的第二表面有一个对称地分布在光轴周围的第二反射镜和环绕在所述反射镜周转周围的第二透射穿，其特征还在于第一透射窗上有一个第一衍射元件用以使光源所提供的光束分成扫描光束和两辅助光束，第二反射镜上有一个第二衍射元件用以使一部分自被扫描物体反射来并再次通过反射物镜的光衍射到光敏探测系统并用通过探测系统可获得的聚焦误差信号的方式改变被衍射的扫描光束。
2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于至少有一个衍射元件是相位结构的。
3.如权利要求1或2所述扫描装置，其特征在于第二衍射元件是一个导致象散的元件，并且光敏探测系统由四个探测器组成，围绕衍射扫描光束的主光线分布在四个不同的象限内。
4.如权利要求3所述的扫描装置，其特征在于第二衍射元件是一个具有直线条纹和线性变化光栅周期的光栅。
5.如权利要求3所述的扫描装置，其特征在于第二衍射元件为一个具有曲线条纹和非线性变化光栅周期的全息光栅。
6.如权利要求1或2所述的扫描装置，其特征在于第二衍射元件是一个包含有两个子光栅并将被衍射的光束分为两束次光束的衍射光栅，而且其探测系统包括两对探测器，第一和第二次光束分别对应于第一对和第二对探测器。
7.如权利要求6所述的扫描装置，其特征在于子光栅有一个变化的光栅周期;子光栅的栅纹是弯曲的。
8.如权利要求6或7所述的扫描装置，其特征在于一个子光栅的栅纹与另一子光栅的栅纹有相同的主方向，而子光栅的光栅周期不同，探测器对在平行于子光栅分界线的方向上并列放置。
9.如权利要求6或7所述的扫描装置，其特征在于子光栅有相同的平均光栅周期，一个子光栅的栅纹主方向以第一角度和另一子光栅的栅纹主方向以第二角度向两子光栅的分界线延伸，探测器对在所述分界线的横向上并列放置。
10.如权利要求1-9中任意一个所述的扫描装置，其特征在于第二透射窗有一非球表面。
11.如权利要求1-10中任意一个所述的扫描装置，其特征在于光源与第一透射窗相连接。
12.如权利要求1-11中任意一个所述的扫描装置，其特征在于光敏探测系统与第一透射窗相连接。
13.一种配有两个衍射元件的反射物镜，适用于上述任意一个权利要求所述的扫描装置。
14.配有一个上述任意一个权利要求所述的扫描装置的光学读和/或写设备。
全文摘要
一种光扫描装置，包括光源9，反射物镜10和光敏探测系统20，其中的反射物镜包含有第一和第二透镜窗(14，17)及第一和第二反射镜(15，16)。第一和第二衍射元件(30，40)分别在第一窗14和第二反射镜16上，以使探测在带有记录槽的信息平面3上扫描光点V1的扫描轨迹误差和相对于信息平面3而言扫描光束b1的聚焦误差成为可能。
文档编号G11B7/135GK1043794SQ89109790
公开日1990年7月11日 申请日期1989年12月11日 优先权日1988年12月13日
发明者威廉·杰拉德·奥费治, 约瑟夫斯·约翰内斯·玛丽亚·布拉特 申请人:菲利浦光灯制造公司