与可读写光盘兼容的数字通用盘的光记录和拾取头

摘要

一种与DVD和CD－RW兼容的具有阶梯式衍射光栅结构的光记录和拾取头,包括:发射相对短波长的第一光的第一光源;发射相对长波长的第二光的第二光源;光检测器;把第一和二光聚焦在光盘的信息记录面上的物镜;把第一和二光传送给物镜、分别把从多个光盘的信息记录面上反射的第一和二光传送给光检测器的光路改变单元;把来自光路改变单元的第一光基本全透射到物镜、使来自光路改变单元的第二光朝物镜的光轴衍射的扁平透镜。

说明书

本发明涉及用于分别借助不同波长的光在其上记录和再现信息的至少两个光盘的光学记录和拾取头，特别是涉及用于在数字通用盘(DVD)或可读写致密盘(CD-RW)上记录信息和由这些盘再现信息的光学记录和拾取头。

光盘被广泛用作用于存储大容量信息的记录介质。在这些光盘中，CD和DVD正在被广泛应用。可记录CD(CD-R)和CD-RW为一种新型CD。众所周知，在DVD的情况下，信息的记录和再现是通过600nm的激光完成的。而在CD-RW的情况下，信息的记录和再现是通过790nm激光完成的。因此与DVD和CD-RW两者兼容的光记录和拾取头包括用来分别发射互不相同波长的激光的光源和用于这两个光的光学系统。

下面将参照图1和2描述与DVD和CD-R兼容的传统的光记录和拾取头。

图1示出了与DVD和CD-R兼容的传统的光记录和拾取头的构成。光记录和拾取头包括：为了对DVD 8进行信息记录和再现而发射660nm的第一光的光源1；为了对CD-R 9进行信息记录和再现而发射790nm的第二光的光源11；和用于把从光源1和光源11发射的第一和第二光分别聚焦在DVD 8和CD-R 9的信息记录面上的物镜7。准直透镜2将从光源1发射的第一光准直成平行的光，然后将该准直的光传递给分束镜3。分束镜3将来自准直透镜2入射的第一光反射到相干滤光棱镜4上。相干滤光棱镜4把从分束镜3入射的平行光传输给四分之一波片5。更具体地说，相干滤光棱镜4是按照波长全透射和全反射入射光的光学器件，其中660nm的第一光被全透射，从会聚透镜14入射的790nm的第二光被全反射。薄膜式可变孔径6把从四分之一波片5入射的第一光传输给物镜7。物镜7把平行入射的第一光聚焦在厚度为0.6mm的DVD 8的信息记录面上。结果，聚焦在DVD 8的信息记录面上然后又从该记录面上反射的第一光包含记录在该聚焦位置上的信息。从DVD 8的信息记录面反射的第一光透射过物镜7、可变孔径6和四分之一波片5，接着又入射到相干滤光棱镜4。相干滤光棱镜4把从四分之一波片5入射的第一光传输到分束镜3。分束镜3把从相干滤光棱镜4入射的第一光传输给光检测器10，光检测器10检测从分束镜3入射的第一光中的信息。

从光源11发射的790nm第二光通过准直透镜12和分束镜13，然后入射到会聚透镜14上。会聚透镜14把从分束镜13入射的第二光以会聚光的形式传输给相干滤光棱镜4。相干滤光棱镜4把从会聚透镜14入射的第二光以发散形式传输给四分之一波片5。四分之一波片5把从双干滤光棱镜4入射的第二光传输给可变孔径6。可变孔径6只透射一部分从四分之一波片5入射的第二光，并以发散的形式将透射的第二光传输给物镜7。把第二光以发散的形式入射到物镜7上的原因是为了使第二光在不产生球差的情况下聚焦在CD-R 9的信息记录面上。

图2是用于说明图1的薄膜式可变孔径6的视图。薄膜式可变孔径6具有可选择透射入射到数值孔径(NA)小于或等于0.6区域上的光的结构。区1是数值孔径小于或等于0.45的一个区，在该区790nm和660nm的入射光被全透射。区2是数值孔径在0.55至0.6范围内的一个区，在该区上涂有介电薄膜，660nm波长的光被全透射，而790nm波长的光被全反射。区1为消除涂有介电薄膜的区2产生的光学象差而由石英(SiO₂)薄膜制成。具有透射特性的可变孔径6全透射不管哪个区上的660nm波长的第一光，并全透射入射到数值孔径小于0.45的区1上的790nm波长的第二光，将之转输给物镜7，全反射入射到数值孔径大于或等于0.45的区2的第二光。这样，对于入射到物镜7的光来说，应根据其波长对数值孔径进行限制。

物镜7把从薄膜式可变孔径6入射的第二光聚焦在厚度为1.2mm的CD-R 9的信息记录面上，借此形成一个光斑。从CD-R 9的信息记录面上反射的第二光通过物镜7、可变孔径6和四分之一波片5，接着又入射到相干滤光棱镜4。相干滤光棱镜4把从四分之一波片5入射的第二光反射到会聚透镜14上。会聚透镜14把第二光传输给分束镜13。分束镜13把从会聚透镜14入射的第二光传输给光检测器15。光检测器15接收来自分束镜13的第二光后，检测接收到的第二光中的信息。这样，图1的光记录和拾取头就可以对DVD 8和CD-R 9进行信息记录和再现。

然而，为了根据入射到物镜7上的入射光的波长有选择地限制数值孔径的范围，图1的光记录和拾取头必须包括特定的可变孔径6。因为在可变孔径6的区1上镀石英薄膜，而在其区2上形成微米量级厚度的多层介电薄膜，所以制造工艺复杂，而且生产成本提高。还因为入射到数值孔径大于或等于0.45的区上的供CD-R使用的第二光被全反射，所以它不适合用在需要大于约0.5或更大数值孔径和比较高的光学记录效率的CD-RW上的光记录和拾取头的光学系统中。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供用在DVD和CD-RW两者上的光记录和拾取头，所述记录和拾取头包括：用于根据其波长全透射入射光并使透射过的入射光朝物镜的光轴衍射的扁平透镜。

为了实现本发明的这个目的而提供一种用于以相应的不同波长在多个光盘上完成信息的记录和再现的光记录和拾取头，所述光记录和拾取头包括：用于发射具有相对短的波长的第一光的第一光源；用于发射具有相对长的波长的第二光的第二光源；光检测器；用于把从第一和第二光源发射的光分别聚焦在光盘的信息记录面上的物镜；用于把从第一和第二光源发射的光传输给物镜并分别把从多个光盘的信息面上反射的第一和第二光传输给光检测器的光路改变单元；以及用于把来自光路改变单元的第一光基本上全透射到物镜和使来自光路改变单元的第二光朝向物镜光轴衍射的扁平透镜。

                      附图的简短说明

通过参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，将使本发明的上述目的和其它的优点更加清楚，附图中：

图1示出了一种可以对DVD和CD-R进行信息记录和再现的传统的光记录和拾取头；

图2示出了图1的薄膜式可变孔径；

图3示出了本发明第一实施例的能够对DVD和CD-RW进行信息记录和再现的光记录和拾取头的示意图；

图4示出了阶梯式扁平透镜的构成；

图5示出了阶梯式扁平透镜的衍射光栅结构；

图6是表示阶梯式扁平透镜的衍射效率特性随衍射光栅的深度变化的曲线；

图7是用于说明阶梯式扁平透镜中的衍射光栅深度和衍射效率之间关系的示意图；

图8是表示阶梯式扁平透镜与物镜之间位置关系的示意图；

图9示出了与阶梯式扁平透镜形成一体的物镜；以及

图10示出了按照本发明第二实施例的能够对DVD和CD-RW进行信息记录和再现的光记录和拾取头的示意图。

下面参照附图描述本发明的优选实施例。

参看图3，在图3中示出了按照本发明第一实施例的能够对DVD和CD-RW进行信息记录和再现的光记录和拾取头，该光记录和拾取头包括：用于发射660nm波长的第一光的第一光源31；用于发射790nm波长的第二光的第二光源41；用于从被光盘8和90的反射的第一和第二光中检测信息的光检测器39；用于分别把第一和第二光聚焦在相应的光盘8和90的信息记录面上的物镜36；以及用于分别将从第一光源31和第二光源41发射的光传输给物镜36并把从多个光盘8和90的信息记录面上反射的第一和第二光传输给光检测器39的光学元件32、33、34和38及阶梯式扁平透镜35。

第一光源31为了对DVD 8进行记录和再现信息而发射660nm波长的第一光。反射式扁平板32把从第一光源31入射的第一光传输给分束镜33。分束镜33透射从反射式扁平板32入射的第一光的大部分，然后将其传送到第一准直透镜34，与此同时，分束镜33反射从反射式扁平板32入射的第一光的剩余的一部分，并将其传送到光量检测器37中。光量检测器37检测从反射式扁平板32入射的第一光的光量。准直透镜34把从分束镜33入射的第一光准直成平行光，然后将其传输给阶梯式扁平透镜35。阶梯式扁平透镜35在不产生任何失真和衍射的条件下基本上全透射从准直透镜34入射的平行光的第一光，并且将该透射过的光传输到物镜36上。物镜36具有预定的焦距，以便将从阶梯式扁平透镜35入射的第一光在DVD 8的信息记录面上形成为约0.9μm的光斑。结果，第一光包含记录在聚焦在DVD 8信息记录面上的位置上的信息。被DVD 8反射的光依次透射过物镜36、阶梯状扁平透镜35和准直透镜34，接着又传输给分束镜33。分束镜33把第一光传输给光接收透镜38。光接收透镜38把从分束镜33入射的第一光传输给光检测器39，以便使第一光以会聚形式在光检测器39被接收。光检测器39由从光接收透镜39入射的光中检测信息。

第二光源41把790nm波长的第二光发射给分束镜33，以便完成对CD-RW 90的信息记录和再现。分束镜33具有下述光学特性：反射从第二光源41入射的790nm的光，并透射大部分从第二光源41入射的第二光，然后传输给准直透镜34，分束镜33同时还把剩余的第二光的一部分反射给光量检测器37。光量检测器37检测从分束镜33入射的第二光的光量。准直透镜34把从分束镜33入射的第二光准直成平行光，然后传输给阶梯式扁平透镜35。下面将参看图4至7详细描述阶梯式扁平透镜35。

图4示出了阶梯式扁平透镜35的结构。如图所示，阶梯式扁平透臆35包括从351到353三个区。第一区351是数值孔径(NA)小于或等于0.3的区，第二区352是数值孔径为0.3至0.5的区，第三区353是数值孔径小于或等于0.6的区。第二区352包括一些衍射光栅，每条光栅都具有一个沿径向的阶梯式结构。第一区351具有相对于660nm和790nm两种光的零级衍射效率大致为100％的光学特性。零级衍射效率被定义为这样一个数值，该值为在保持入射光的进行方向的条件下透射光量相对入射光量的图片光量的百分比。第二区352具有下述的光学特性，其中相对于660nm的光的零级衍射效率约为100％，相对于790nm的光，零级衍射效率约为0％，一级衍射效率约为70％或70％以上。一级衍射效率被定义为这样一个数值，该值为第一衍射光的光量相对入射的光量的百分比。

再返回参看图3，图中示出了光记录和拾取头，阶梯式扁平透镜33在不产生任何衍射的条件下全透射从准直透镜34入射到第一区的660nm的第一光和790nm的第二光，然后传输给物镜36。另外，从准直透镜34入射到第二区的660nm的第一光在不引起任何衍射的同时被全透射，使790nm的第二光在第一衍射角以约70％入射光量衍射，以便接着传输给物镜36上。

图5示出了在阶梯式扁平透镜35的第二区上形成的衍射光栅结构。在图5中，上部的曲线图示出了在阶梯式扁平透镜35的光接收平面上沿径向形成衍射光栅的各个位置。在上部的曲线图中，垂直和水平的轴表示沿径向离开光学中心以微米(μm)为单位表示的距离。上面的图示出了图4中的阶梯式扁平透镜35的四分之一部分。不难看出，整个的阶梯式扁平透镜35包括环形光栅。图5的下面的图示出了从垂直于光接收平面的侧面看去的阶梯式扁平透镜35的光栅结构，图中示出了光栅的位置和深度。在下面的图中，左手侧的垂直轴表示阶梯式扁平透镜35的光轴。如图所示，在阶梯式扁平透镜35中的最大蚀刻深度为6.4μm。阶梯式扁平透镜35包括若干条阶梯式光栅，其中每个光栅的深度随着远离光接收平面的光学中心而逐渐变浅，宽度逐渐变窄。在阶梯式扁平透镜35中，这些阶梯式光栅重复排列。例如在图5的下图中，这些阶梯式光栅形成在半径从1000μm至1500μm之间的位置上，这些阶梯式光栅也形成在半径为1500μm至1700μm的位置上，这表明阶梯式光栅重复排列。阶梯式光栅朝向准直透镜34安装。因此可以消除使用第二光发生的球差。

图6是表示阶梯式扁平透镜35衍射效率特性随着衍射光栅的深度变化的曲线图。在图中，水平轴表示以纳米(nm)为单位的衍射光栅的深度，而垂直轴表示衍射效率。在图中，虚线表示660nm的光的零级衍射效率值随着光栅深度变化的关系。由小圆连线组成的曲线表示790nm的光的一级衍射效率值。在框上的字符和数字分别表示有关入射光的方向和波长的衍射级数。衍射级数为负号(-)表示光朝向物镜36的光轴衍射。反之表示衍射沿远离物镜36的光轴的方向。如图所示，阶梯式扁平透镜35的深度为6400nm，即6.4μm时，阶梯式扁平板透镜35相对于660nm的第一光的零级衍射效率为1，而阶梯式扁平透镜相对于790nm的第二光的负(-)第一级衍射效率是0.75。因此，在图3的光拾取头中，相对于660nm的光的零级衍射效率接近于100％，而相对于790nm的光不能发生零级衍射。另外，为了最大限度地提高用于对CD-RW 90进行信息记录和再现的790nm的第二光的光效率，阶梯式扁平透镜35最深的衍射光栅深度最好为约6.4μm。

图7是用于说明在阶梯式扁平透镜35中衍射光栅深度与衍射效率之间关系的图。在图7中，右手例的垂直轴表示阶梯式扁平透镜35的光轴，其水平轴表示在光接收平面上的半径方向。如图所示，T代表阶梯式衍射光栅的一个周期，在图7的阶梯式扁平透镜35中，三个衍射光栅构成一个周期T。在图中，α、β和γ是大于0并小于1的系数，并且确立α＜β＜γ的关系式。另外，用n代表阶梯式扁平透镜35的折射率，n₀是空气的折射率，通常为1。假设沿阶梯式扁平透镜35中的径向方向的任一位置为χ，阶梯式扁平透镜35的透射效率系数Tm满足下面的方程(1)：$$ >>>T>m>>=>>1>T>sup>>\int >0>Tsup>>exp>>(>>>2>\pi im>>T>>\chi >)>>>T>j>>>(>\chi >)>>d\chi >->->->>(>1>)>>>$$

式中T代表相应于一个周期的阶梯式衍射结构的宽度，m代表衍射级数，π代表圆周率，i代表虚数单位，T(χ)表示在χ处的透射效率系数。光学效率由具有透射效率系数的复数的平方确定。

更具体地说，阶梯式扁平透镜35的定位在间隔αT＜x＜βT的第一衍射光栅的透射效率系数T(χ)满足下面的方程(2)：$$ >>T>>(>\chi >)>>=>exp>>(>>>2>\pi i>>(>n>->>n>0>>)>>d>>>3>\lambda >>>)>>->->->>(>2>)>>>$$

式中，n代表扁平透镜的折射率，n₀代表空气的折射率，d表示衍射光栅的最大深度，3是在衍射光栅结构的一个周期内建立的衍射光栅数目，λ代表入射光的波长。光学效率由具有透射率的复数平方确定。

位于βT＜χ＜γT间隔内的阶梯式扁平透镜35的第二衍射光栅的透射率系数T(χ)满足下面的方程(3)：$$ >>T>>(>\chi >)>>=>exp>>(>>>4>\pi i>>(>n>->>n>0>>)>>d>>>3>\lambda >>>)>>->->->>(>3>)>>>$$

位于γT＜χ＜T间隔内的阶梯式扁平透镜35的第三衍射光栅的透射率系数T(χ)满足下面的方程(4)：$$ >>T>>(>\chi >)>>=>exp>>(>>>6>\pi i>>(>n>->>n>0>>)>>d>>>3>\lambda >>>)>>->->->>(>4>)>>>$$

另外，位于0＜χ＜αT间隔内的阶梯式扁平透镜35的零级衍射光栅的透射率系数T(χ)＝1.0。

与此同时，如果设阶梯式扁平透镜35在衍射光栅结构的一个周期内的衍射光栅数为N，则N满足下面的方程(5)：

N≈λ₁/(λ₂-λ₁)…………(5)

式中N是表示在阶梯式衍射结构中的衍射光栅数目的整数，λ₁表示第一光的波长，λ₂表示第二光的波长。

另外，在阶梯式扁平透镜35中的各射光栅之间的步距(step difference)完全相同。对波长790nm的第二光来说，队级差产生一个满足下面方程(6)的相位差。结果使在入射到数值孔径为0.3或更小的那个区的第二入射光与入射到数值孔径为0.3至0.5范围内的那个区的第二光之间根本没有相位差。因此，消除了球差。$$ >>>\delta >j>>=>>>2>\pi i>>(>n>->>n>0>>)>>>d>j>>>\lambda >>->->->>(>6>)>>>$$

式中，δ_i代表由距扁平透镜35的光学中心的第i步距产生的光学相位差。π是圆周率，d_i表示所述第i步距的深度。

再回过来参见图3，图中所示的光记录和拾取头利用了阶梯式扁平透镜35。阶梯式扁平透射35全透射入射到数值孔径0.3或更小的那个区的第二光，接着将其传输给物镜36；而负第一级使入射到数值孔径为0.3至0.5的那个区的第二光的大部分朝向物镜36的光轴衍射，随后传送给物镜36。被物镜36聚焦在CD-RW 90信息记录面上，然后又从该记录面上反射的第二光透射过物镜36、阶梯式扁平透镜35、准直透镜34和分束镜33，再入射到反射式扁平片32。反射式扁平片32把从分束镜33入射的第二光传输给光接收透镜38。光接收透镜38将来自反射式扁平片32的第二光传输给光检测器39。光检测器39从来自反射式扁平片32的第二光中检测信息。

图8是表示阶梯式扁平透镜与物镜之间的位置关系的示意图。图9示出了一个与阶梯式扁平透镜制成一体的物镜。如图所示，可以通过在物镜的任何一个光接收面上形成衍射光栅的方法使阶梯式扁平透镜与物镜形成一体。

图10示出了根据本发明第二实施例可以对DVD 8和CD-RW 90进行信息记录和再现的光记录和拾取头的示意图。如图中所示，第一光源31把660nm的第一光发射给第一分束镜330。第一分束镜330把从第一光源31入射的第一光的大部分透射给第一准直透镜340，并把一部分剩余的第一光传输给光量检测器37。光量检测器37检测从第一分束镜330入射的第一光的光量。第一准直透镜34把从第一分束镜330入射的光准直成平行光，以便随后传输给第二分束镜331。第二分束镜331是一种具有能根据波长透射或反射入射光的特性的光学元件，其中对660nm的光全透射，对790nm的光全反射。第二分束镜331把从第一分束镜330入射的光传输给反射镜320。与此同时，第二光源和光检测器410把790nm的第二光发射给第二全息式光检测透镜381。第二全息式光检测透镜381把从第二光源410入射的第二光传输给第二准直透镜341。第二准直透镜341对从第二全息式光检测透镜381入射的第二光进行准直，以便接着传输给第二分束镜331。第二分束镜331反射从第二准直透镜341入射的第二光，并在其后传送给反射镜320。反射镜320将从第二分束镜331入射的第一和第二光反射至四分之一波片51上。四分之一波片51改变入射光的偏振方向。从反射镜320入射到四分之一波片51的第一和第二光通过扁平透镜后，被物镜36聚焦在光盘8和90的各自的信息记录面上。从光盘8和90反射的第一和第二光经过物镜36、扁平透镜35、四分之一波片51和反射镜320入射在第二分束镜331上。第二分束镜331把从反射镜320入射的第一光透射到第一准直透镜340上，并把从反射镜320入射的第二光反射到第二准透镜341。从第一准直透镜340入射到第一分束镜330的第一光被传输给第一全息式光检测透镜380和第一光检测器390。第一光检测器390从入射的第一光中检测信息。与此同时，从反射镜320入射到第二分束镜331的第二光透射过第二准直透镜341和第二全息式光检测透镜381后，入射到第二光检测器410。第二光检测器410从入射的第二光中检测信息。在图10的光拾取头中，由反射镜320、四分之一波片51、扁平透镜35和物镜36组成的光学单元是可移动的，而由除上述光学元件之外的其余光学元件组成的另一光学单元是固定的。

尽管本发明的实施例描述的是具有阶梯式结构的扁平透镜的衍射光栅或衍射凹槽(groove)，但也可以采用具有锯齿结构的扁平透镜的衍射光栅或衍射凹槽。

如上所述，按照本发明的光记录和拾取头是与DVD 8和CD-RW 90两者兼容的。具体地说，在对CD-RW 90和CD-RW 90进行信息记录和再现的情况下，从0.3至0.5的数值孔径入射的790nm的光不被全反射(例如在图1可变孔径中)，而光量的大部分向物镜36的中心进行负第一级衍射，从而提供比较高的光效率。