專利名稱：利用棱鏡增強光斑尺寸監(jiān)測法探測聚焦誤差的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在光記錄介質上讀寫數(shù)據(jù)的光頭中聚焦誤差的探測方法和裝置，特別是改進的產(chǎn)生聚焦誤差信號的裝置，該聚焦誤差信號用作伺服系統(tǒng)的輸入，其動作可保證光束在表面聚焦。
目前在光存儲應用中所采用的散焦探測方法包括一個銳邊，一個象散透鏡或者一個臨界角棱鏡，這些技術需要對這些光學元件和對縫或分區(qū)光探測器做非常精細的校準。
已公布的歐洲專利EP0164687提出了一種探測方法，其中從光盤反射的激光束通過一物鏡對準一棱鏡，該棱鏡將光束寬度在一個方向壓縮M倍后，并將一橢圓截面光束傳輸?shù)揭讳J邊型聚焦誤差探測系統(tǒng)。根據(jù)公式(25)，該應用據(jù)稱可將聚焦誤差信號增大M倍。
1985年10月15日至17日在美國華盛頓召開的光數(shù)據(jù)存儲專題會議的文摘中有一篇Yamamoto等人的文章(THCC2-1)，標題為“光刻尺度的設計構想”文章提出了一個探測與聚焦誤差有關的遠場光斑尺寸變化的六元件光探測器。
需要一種非常靈敏的聚焦誤差探測方法，以相對較少的元件使聚焦誤差信號明顯增強并提供大的光束面積，使得只需在一個方向上對分區(qū)光探測器做不甚精確的校準。
為了達到這個目的，該發(fā)明提供了一套通過設置在從光記錄介質反射回來的返回光束光路中的棱鏡在光頭中探測聚焦誤差的裝置和方法。該棱鏡在一個方向上將光束壓縮M倍，同時在所述方向上將與該光束的聚焦誤差有關的發(fā)散/會聚角增大M倍，從而可望將聚焦誤差信號增強M2倍。正如Yamamoto等人的文章中所示那樣，聚焦誤差差由包含內(nèi)外光靈敏區(qū)的分區(qū)光探測器探測出來。光探測器從內(nèi)外區(qū)光強之差中產(chǎn)生出指示聚焦誤差的電信號。該光探測器的分區(qū)方式最好能使之可以提供軌跡誤差信號。


圖1，為表示該發(fā)明原理的示意圖;
圖2A和2B，表示了分區(qū)光探測器的兩種優(yōu)選的配置，它們都產(chǎn)生聚焦誤差信號，其中圖2B同時還可產(chǎn)生軌跡誤差信號;
圖3，表示按照本發(fā)明一個實施例用于只讀、一次寫入或相變光盤的光頭;
圖4，表示一個用于帶有施臂傳動裝置的光盤驅動器的實施例;
圖5，表示用于磁光盤的實施例。
本發(fā)明的原理由圖1作了最好的說明，二極管激光器10的輸出通過一個圓形擴束/準直系統(tǒng)11產(chǎn)生一平行光束12。通過分束器13反射，光束12成為光束14。光束14通過透鏡15聚焦到光記錄介質的表面16上。當表面16處在透鏡15的焦點時，由分束器13到透鏡15的平行光束14向回反射后，并作為返回光束14，通過分束器13到達棱鏡17，棱鏡17將光束14折射成18，并對準光探測器19。光束18具有橢圓形的強度分布圖形，其長軸為D短軸為A。棱鏡17將光束14的寬度壓縮M倍(M定義為D/A)成為折射光束18的寬度。
現(xiàn)假設表面16上的數(shù)據(jù)偏離焦點的量為δz。在該假設的條件下，由表面16反射的光束14′通過透鏡15以后以δv角發(fā)散，其中δv＝Dδz/f2其中f是透鏡15的焦距如果δz為負，則δv也為負，反束光束14′將會聚。以下分析考慮δz為正的情況下，但當δz較小時，對于發(fā)散或會聚光束14′，這一分析同樣適用。
由棱鏡17產(chǎn)生的折射光束18′具有發(fā)散角Mδv，而在探測器19處的所述光束寬度A′由下式給出A′≈A+2lMδv(2)其中l(wèi)是棱鏡17到光探測器19的距離，利用公式1，可得A′≈A+2lMDδz/f2≈A+2lM2Aδz/f2或A′/A≈1+2lM2δz/f2(3)由此可見，通過在從表面16反射的返回光束14′的光路中設置棱鏡17，表征聚焦誤差δz的波束寬度A的變化增強了M2倍。M由棱鏡17的頂角和棱鏡材料的折射率決定。M可以做的任意大;但隨著M增加，系統(tǒng)校準的容差將越來越小。單一棱鏡17的實際最大值大約為M＝5;但幾個棱鏡可以串聯(lián)起來使用，則最終的因子M就是每個棱鏡M值的乘積。
如圖2A所示，光探測器19由三個條形光敏區(qū)1，2，3組成，設I1，I2，I3，分別為進入這些光敏區(qū)1，2，3的光所產(chǎn)生的電信號，對于圖2A的配置，令S1＝I1+I3，S2＝I2。令KA為中心光敏區(qū)2的寬度，這里K(≈0.25)選擇得使得當光束14聚焦時S1＝S2。如果S1′和S2′是對應聚焦誤差δz的信號，可以得出(S1′)/(S1) ≈ (2(A′ - KA))/(A′+ A - 2KA)(S2′)/(S2) ≈ (2(1 - K))/(A′+ A - 2KA)和FFS = (S1′- S2′)/(S1+ S2) = (A′- A)/(A′ + A - 2KA)當A′≈A和K＝0.25時FES 0.67(A′/A-1)≈1.31M2δz/f2因而，作為例子，如果M＝5、l＝50mm并且f＝4mm，則一個小的聚焦誤差δz＝0.5μm可產(chǎn)生聚焦誤差信號FES＝0.05。這樣大的誤差信號使得能夠以高信噪比探測很小的聚焦誤差。
信號I1和I2由20求和并加以放大，提供輸出信號S1，同時信號I2由21放大提供輸出信號S2。信號S1和S2送往差分放大器22和求和放大器26，其輸出送往除法電路28。除法電路28的輸出就是聚焦誤差信號FES。聚焦誤差信號加在聚焦伺服控制系統(tǒng)23(圖1)上。如圖所示，系統(tǒng)23包含了用于調(diào)節(jié)線圈24中的電流從而可調(diào)整透鏡15相對于表面16的位置的常規(guī)裝置(未示出)。
光探測器的一個優(yōu)選的配置如圖2B所示，光探測器25包含6個光敏區(qū)1-6，可分別產(chǎn)生電信號I1-I6。聚焦誤差信號為FES = (S′ - S2′)/(S1+ S2)并且軌跡誤差信號為;
TES = (S3- S4)/(S3+ S4)其中S1＝I1+I3+I4+I6S2＝I2+I5S3＝I1+I2+I3S4＝I4+I5+I6利用軌跡誤差信號調(diào)整軌跡誤差的方式已是常用的，不構成本發(fā)明的一個部份。圖2B包含在這里只是為了說明申請人的探測及校正聚焦誤差的方法和裝置可以適應象25那樣能產(chǎn)生聚焦誤差和軌跡誤差兩種信號的光探測器并可與之結合使用。
如圖3所示，根據(jù)這一實施例該發(fā)明包含一特別適用于只讀、一次寫入或相變光盤的光頭。激光器30的發(fā)射光通過透鏡32成為平行光束，并通過棱鏡46的表面34折射后變成圓形光截面。表面34有起偏分束(PBS)的涂層。光束35通過一1/4波片36到光束彎頭機透鏡40，它將所述光束聚焦到光盤42的選定軌跡上。由光盤42反射回來的光束35′通過波片36返回并由棱鏡表面34反射為光束37到達棱鏡46的表面44。光束37在表面44的折射將所述光束的寬度由D到A壓縮了M倍并將該橢圓光束47引向光探測器48，光探測器最好按圖2A或2B分區(qū)。
如圖3所示，如果在光盤42軌跡上的數(shù)據(jù)處于焦點上，則反射光束35′將和光束35重合，并且在光探測器48處的光束寬度為A。然而，如果光盤42上的數(shù)據(jù)不在焦點上，則反射光束35′相對于光束35發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測器48處的光束寬度大于A。由圖2的說明，光探測器48這時將產(chǎn)生一個FES;用適當?shù)乃欧b置(未畫出)可根據(jù)這個FES調(diào)整棱鏡40相對于光盤42上軌跡的位置，以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點上的要求。
這個實施例所需元件數(shù)可望較少。
圖4A和4B表示另一種用于只讀，一次寫入或相變光盤的光頭的實施例。根據(jù)這個實施例，光頭的大致指向平行于光盤50上的軌跡。這種光頭因而很容易用在具有旋臂傳動裝置的光盤驅動器上。激光器52(圖4A)發(fā)射出經(jīng)透鏡5A準直的光束，并被引向和通過一個無折射或反射的PBS56。通過PBS56的光束58具有橢圓截面，其一個方向寬度為D而另一正交方向寬度為A。該光束58通過一1/4波片60并對準一組合棱鏡62。在組合棱鏡62的第一表面64，光束58變?yōu)閳A形截面，而后經(jīng)棱鏡另一表面66內(nèi)全反射(TIR)而反射至反射表面68再出射到物鏡70，物鏡70將形成的光束72聚焦在光盤50上。光束72經(jīng)過光盤軌跡反射為光束58′。光束58′的截面再次成為橢圓的，通過PBS56的表面74反射并引向光探測器76，光探測器76最好按圖2A或2B分區(qū)。
如圖4所示，如果光盤50軌跡上的數(shù)據(jù)處于焦點上，則反射光束58′和光束58重合，在光探測器76處的光束寬度為A。然而，如果在光盤50上的數(shù)據(jù)不在焦點上，則反射光束相對于入射光束58發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測器76處的光束寬大于A。由與圖2相關的討論，光探測器76給出FER;根據(jù)這個FES用適當?shù)乃欧b置(未畫出)調(diào)整透鏡70相對于光盤上軌跡的位置，以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點上的要求。
這個實施例要求棱鏡62的展寬/壓縮比M和激光器52的出射光斑形狀匹配。
圖5顯示了另一種用于磁光盤光頭的實施例。激光器80出射光束由透鏡82準直，通過棱鏡86的表面84折射后成為圓斑光束，然后對準光束彎頭88和物鏡90。表面84是部分起偏分束表面，它將光盤94上選定軌跡所反射的光束92′中的P偏振成分的一部分和所述光束幾乎所有的S偏振成分反射到棱鏡96的表面98成為光束100。表面98也是部分起偏分束表面。表面98將一光束100的P偏振成分的一部分折射到一個伺服光探測器102成為光束101，該探測器最好按圖2A或2B分區(qū)。這個折射使得光束100任一個方向上的寬度從D到A被壓縮M倍。表面98還將光束100的P偏振成分的一部分和光束100的幾乎全部S偏振成分引向Wollaston(渥拉斯頓)棱鏡104、會聚棱鏡106和數(shù)據(jù)探測器108，形成光束103。Wollaston棱鏡探測磁光盤數(shù)據(jù)的性能已為本行業(yè)周知并不構成此發(fā)明的一個部分。
如圖5所示，如果光盤94軌跡上的數(shù)據(jù)是處于焦點上，則返回光束92′和原光束92重合，在光探測器102處光束寬度為A。然而如果光盤94上的數(shù)據(jù)不在焦點上，返回光束92′將相對于原光束92發(fā)散，并且如圖1所示，使得在光探測器102處的光束寬度大于A。由關于圖2的說明，光探測器102將產(chǎn)生FES;并根據(jù)該信號用一適當?shù)乃欧b置(未畫出)調(diào)整透鏡90相對于光盤94上軌跡的位置以滿足將數(shù)據(jù)置于焦點上的要求。
可以看出，在圖3-5所示的每一種配置中，和以前的方法不同，聚焦誤差信號可望增強M2倍。
盡管本發(fā)明是參照其優(yōu)選實施例作展示和敘述的，精于本行業(yè)的人應當明白在形式和細節(jié)上可以做出多種變化，而并未超出本發(fā)明的思路和范圍，因此除了權利要求中指明，本發(fā)明是不受它們局限的。
權利要求
1.適用于在光學記錄介質上讀和/或寫數(shù)據(jù)光頭中的聚焦誤差探測裝置，其特征在于產(chǎn)生對應于聚焦誤差的電信號的光探測器，和置于經(jīng)所述介質反射的返回光束光路中的棱鏡，用以將光束截面在一個方向上壓縮M倍，同時在所述方向上將與所述光束聚焦誤差相關的發(fā)散/會聚角增加M倍，因而把聚焦誤差信號增強M2倍。
2.權利要求1中的裝置，其特征在于所述光探測器包含內(nèi)、外光敏區(qū)，并根據(jù)所述內(nèi)、外光敏區(qū)光強差產(chǎn)生電信號。
3.權利要求2中的裝置，其特征在于一個內(nèi)區(qū)處于二個外光敏區(qū)之間，使得當在內(nèi)區(qū)探測到的光強等于在二個外區(qū)探測到的光強之和時，所產(chǎn)生的聚焦誤差信號為零。
4.權利要求2中的裝置，其特征在于光探測器具有一個條形內(nèi)光敏區(qū)，它處在二個外光敏區(qū)之間，而所述各區(qū)在垂直于條形的方向上分割成三個上光敏區(qū)和三個下光敏區(qū)，由此另一個表示軌跡誤差的電信號可由所述上、下區(qū)光強之差產(chǎn)生。
5.權利要求1中的裝置，其特征為提供初始平行光束的裝置，和一聚焦透鏡將所述初始光束對準在介質上，使得反射光束當所述透鏡聚焦在介質上時與初始光束重合。
6.權利要求5中的裝置，其特征為包括伺服裝置在內(nèi)的各裝置，能響應返回光束相對于初始光束的發(fā)射或會聚所產(chǎn)生的表示聚焦誤差的聚焦誤差信號，用于調(diào)整透鏡和介質的相對位置以消除聚焦誤差。
7.一個用于包含大量軌跡以存儲數(shù)據(jù)的光盤的光頭，其特征在于提供平行光束的裝置，包含起偏分束器并能使光通過折射成為圓形截面的棱鏡裝置和包含1/4波片、光束彎頭和透鏡用以把圓截面光束聚焦在選定軌跡上的裝置。所述棱鏡裝置放在由光盤反射的返回光束的光路中，用以在一個方向上將光束寬度壓縮M倍，并且同時在所述方向上將與所述光束聚焦誤差相聯(lián)系的發(fā)散/會聚角增加M倍，因而將表示聚焦誤差的電信號增強M2倍。
8.一個用于包含大量軌跡以存儲數(shù)據(jù)的光盤的光頭，其特征在于提供平行光束的裝置。一個1/4波片。包含一個把通過1/4波片的光束截面變?yōu)閳A形的表面，把圓形截面光束內(nèi)部全反射的第二個表面和做為反射面的第三個表面的棱鏡裝置。將所述第三表面反射的光束聚焦在光盤上的透鏡裝置。產(chǎn)生一個相應于所述光束聚焦誤差的信號的光探測器。所述棱鏡裝置放置在由光盤反射的返回光束的光路上，用以在一個個方向上將光束寬度壓縮M倍同時在所述方向將所述光束與聚焦誤差相關的發(fā)散/會聚角增加M倍，因而使所述信號增強M2倍。一個起偏分束器用以將所述棱鏡裝置出射的所述返回光束對準光探測器。
9.用光束在光記錄介質上讀和/或寫數(shù)據(jù)的光頭中探測聚焦誤差的方法，其特征步驟是在由所述介質反射的返回光束的光路上放置一棱鏡，用以將光束在一個方向上壓縮M倍，同時在所述方向上把所述光束與聚焦誤差相關的發(fā)散/會聚角增加M倍，從而將表示聚焦誤差的電信號增強M2倍。
10.權利要求9中的方法，進一步的特征步驟為提供一個具有內(nèi)外光敏區(qū)以根據(jù)所述內(nèi)外光敏區(qū)的光強差產(chǎn)生所述信號的光探測器。
11.用于在光記錄介質上讀和/或寫數(shù)據(jù)的光頭上的探測聚焦誤差的方法，特征步驟是在由所述介質反射的返回光束的光路上放置一棱鏡，用以在一個方向上將光束寬度壓縮M倍，同時在所述方向上把所述光束與聚焦誤差相關的發(fā)散/會聚角增加M倍，從而將聚焦誤差信號增強M2倍;并且由具有一處在兩個外光敏區(qū)中間的一個條形內(nèi)光敏區(qū)的光探測器產(chǎn)生所述信號，所述信號的幅值正比于所述內(nèi)外光敏區(qū)光強之差。
12.權利要求11中的方法，特征在于所述區(qū)域在垂直于條形方向分割，以產(chǎn)生三個上光敏區(qū)和三個下光敏區(qū)，相互之間電絕緣，另一表示軌跡誤差的電信號由所述上下區(qū)域光強差產(chǎn)生。
13.權利要求11中的方法，其特征是進一步調(diào)整聚焦透鏡在光路中位置，以響應所述信號，保證在所述內(nèi)區(qū) 探測到的光強等于在所述外區(qū)探測到的光強之和，從而消除所述聚焦誤差。
14.一個用在有大量軌跡以存儲數(shù)據(jù)的光盤上的光頭，特征為提供平行光束的裝置。第一棱鏡裝置用以通過折射使光束成為圓截面。包括一光束彎頭和透鏡裝置的裝置，通過它把圓截面光束對準在光盤上選定軌跡上。第二棱鏡裝置。所述第一棱鏡裝置有一個部分偏振分束表面，用以將光盤反射的返回光束的P偏振成分的一部分和所述返回光束的幾乎所有S偏振成分對準到所述第二棱鏡裝置;并且有一光探測器用以產(chǎn)生一響應所述返回光束聚焦誤差的信號。所述第二棱棱裝置有一個部分起偏分束表面，用以將剛說過的光束的P偏振成分的一部分折射到所述光探測器，從而使得剛提到的部分導致返回光束在一個方向上壓縮M倍，同時在所述方向上將與聚焦誤差相關的所述光束的發(fā)散/會聚角增加M倍，從而將所述信號增強M2倍。
全文摘要
本發(fā)明敘述了在光記錄介質反射的返回光束的光路上放置一個棱鏡，以探測光頭聚焦誤差的方法和裝置。該棱鏡在一個方向上將光束寬度壓縮M倍，同時在所述方向上將與該光束聚焦誤差相關的發(fā)散/會聚角增加M倍，從而可望將聚焦誤差信號增強M
文檔編號G11B7/135GK1047584SQ90102759
公開日1990年12月5日 申請日期1990年5月14日 優(yōu)先權日1989年5月26日
發(fā)明者安東尼·喬治·杜威, 威爾弗雷德·林思, 丹尼爾·魯加爾 申請人:國際商業(yè)機器公司