检测介质厚度变化和/或补偿其引起的球形像差的拾取器

摘要

提供了一种光学拾取器，包括光源、用于聚焦来自光源的入射光的物镜以及安置在光源和物镜之间的光学路径上的光学路径改变器，其特征在于包括：光束划分与检测装置，用于将反射后光束划分成光轴上的第一光束部分和在第一光束部分周围的第二和第三光束部分，并从第一、第二和第三光束部分检测第一、第二和第三检测信号；和厚度变化检测电路，用于通过从第一检测信号中减去第二和第三检测信号之和来检测记录介质的厚度变化。该光学拾取器允许检测记录介质的厚度变化，而无需在该光学拾取器的光接收侧安装散光镜。由记录介质的厚度变化引起的球形像差能够通过使用执行器根据检测的厚度变化信号驱动球形像差补偿单元或校准镜沿着光轴来校正。

说明书

本申请是2001年9月13日提交的中国专利申请号为No.01133018.X，题为“检测介质厚度变化和/或补偿其引起的球形像差的拾取器”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学拾取器，更具体地说，本发明涉及一种光学拾取器，它能够检测记录介质的厚度变化，和/或能够补偿由记录介质厚度变化引起的球形像差。

背景技术

通常，随着由光学拾取装置聚焦在记录介质上的光点的尺寸变小，信息记录/再现密度增加。使用的光波长(λ)越短，并且物镜的数值孔径(NA)越大，则光点的尺寸越小，这可由方程式(1)表达：

光点的尺寸∝λ/NA    ...(1)

为了更高的记录密度而减小聚焦在记录介质上的光点尺寸，就需要构建带有诸如蓝光半导体激光器的短波长光源和具有更大NA的物镜的光学拾取器。目前在本技术领域中能引起兴趣的是一种用于利用0.85NA的物镜将记录密度增加到22.5GB、并用于将记录介质的厚度减小到0.1mm以防止由记录介质倾斜造成的性能降级的格式。这里，记录介质厚度指的是从记录介质的光入射表面到信息记录表面的距离。

如下面的方程式(2)所示，球形像差W_40d与物镜NA的4次方和记录介质的厚度偏差成比例。因此，如果采用约0.85的NA的物镜，则记录介质必须有偏差小于±3μm的统一厚度。但是，制造在上述厚度偏差范围内的记录介质十分困难。

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图1表示当使用400nm光源和具有0.85NA的物镜时，记录介质的厚度偏差与由厚度偏差引起的波前像差(光学路径差(OPD))之间的关系。如图1所示，波前像差与厚度偏差按比例增加。因此，当采用具有高NA，如0.85NA的物镜时，就必须校正由记录介质的厚度偏差引起的球形像差。

图2表示了一种能够检测光盘厚度的偏差的常规光学拾取器，该装置在待审日本专利hei 12-57616中公开。参照图2，该常规光学拾取器包括：光源10，用于发射光束；偏振光束分离器11，用于根据其偏振状态发射或反射入射光束；四分之一波片15，用于改变入射光束的偏振状态；物镜17，用于聚焦入射光束以在光盘1的记录表面1a上形成光点；圆柱形散光镜21，用于将影响光束的散光在从光盘1的记录表面1a上反射后通过物镜17、四分之一波片15和偏振光束分离器11传送回去；以及光检测器25，用于从散光镜21接收光束。该常规光学拾取器还包括安置在偏振光束分离器11和四分之一波片15之间的校准镜，用于校准来自光源的入射偏向光束；和安置在偏振光束分离器11和散光镜21之间的聚光镜19。

因为常规光学拾取器具有引起散光以能够检测聚焦误差信号的散光镜21，所以根据光盘的厚度t’，在从光盘1的记录表面1a上反射后经过散光镜21的光的强度分布会变化，如图3A到3E所示。当采用的光盘1分别具有厚度0.70mm、0.65mm、0.60mm、0.55mm和0.50mm，并且图2的光学拾取器被设计成用于0.6mm厚的光盘时，图3A到3E说明经过散光镜21并射向光检测器25的光强度分布。

参照图3C，当光盘1具有厚度0.60mm时，即相对于其它厚度水平的基准水平(以下称为基准厚度)，由于没有发生球形像差，进入光检测器25的光强度分布是圆形的并且是中心点对称的。当光盘1的厚度从0.60mm偏离，由于厚度偏差而发生球形像差，并且经过散光镜21并由光检测器25接收的光强度分布是中心点不对称的，如图3A、3B、3D和3E所示。

光检测器25从所接收的光强度分布的变化检测光盘1的厚度变化。为此目的，光检测器25包括第一到第四内侧部分A₁、B₁、C₁和D₁，及围绕第一到第四内侧部分A₁、B₁、C₁和D₁的第一到第四外侧部分A₂、B₂、C₂和D₂。

在具有上述结构的常规光学拾取器中，光盘1的厚度变化信号是通过从在光检测器25的一个对角线方向上的第一和第三内侧部分A₁和C₁的检测信号a1和c1与在另一个对角线方向上的第二和第四外侧部分B₂和D₂的检测信号b2和d2之和(a1+c1+b2+d2)，减去在光检测器25的一个对角线方向上的第一和第三外侧部分A₂和C₂的检测信号a2和c2与在另一个对角线方向上的第二和第四内侧部分B₁和D₁的检测信号b1和d1之和(a2+c2+b1+d1)而检测的。换言之，光盘的厚度变化信号St’能够通过利用下面的方程式，从光检测器25的第一到第四内侧部分A₁、B₁、C₁和D₁的检测信号a1、b1、c1和d1与第一到第四外侧部分A₂、B₂、C₂和D₂的检测信号a2、b2、c2和d2来检测：

St′＝(a1+c1+b2+d2)-(a2+c2+b1+d1)...(3)

但是，这个检测光盘厚度变化的机理仅能够被应用于采用散光镜的光学拾取器。换言之，如果光学拾取器不包括散光镜，与光学拾取器一同使用的光盘的厚度变化就不能被检测到。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光学拾取器，它在光接收侧不包括形成散光的散光镜的情况下，能够检测记录介质的厚度变化，和/或能够补偿由记录介质厚度变化引起的球形像差。

根据本发明的目的，提供了一种光学拾取器，包括：光源，用于产生和发射光束；物镜，用于聚焦来自光源的入射光以在记录介质上形成光点；和安置在光源和物镜之间的光学路径上的光学路径改变器，用于改变入射光束的行进路径，该光学拾取器的特征在于包括：光束划分与检测装置，用于将从记录介质反射后经过物镜和光学路径改变器的光束划分成光轴上的第一光束部分和在第一光束部分周围的第二和第三光束部分，并从第一、第二和第三光束部分检测第一、第二和第三检测信号；和厚度变化检测电路，用于通过从第一检测信号中减去第二和第三检测信号之和来检测记录介质的厚度变化。

最好，光束划分与检测装置是具有第一、第二和第三光接收部分的光检测器，用于将入射光束划分成第一、第二和第三光束部分，接收第一、第二和第三光束部分，并分别光电转换第一、第二和第三光束部分。

最好，光束划分与检测装置包括：光束划分器，用于将入射光束划分成第一、第二和第三光束部分；以及第一、第二和第三光检测器，用于从光束划分器接收第一、第二和第三光束部分，并分别光电转换第一、第二和第三光束部分。

根据本发明的光学拾取器在光学路径改变器和物镜之间的光学路径上还可以包括球形像差补偿单元，用于根据由厚度变化检测电路产生的厚度变化信号通过驱动补偿由记录介质厚度变化引起的球形像差。

根据本发明的光学拾取器还可以包括：在光源和物镜之间的光学路径上的校准镜，用于校准来自光源的偏向光束；以及执行器，用于根据由厚度变化检测电路检测的厚度变化信号驱动校准镜，从而补偿由记录介质厚度变化引起的球形像差。

附图说明

通过下面结合附图详细描述优选实施例，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1的图表表示记录介质的厚度偏差与由厚度偏差引起的波前像差(光学路径差(OPD))之间的关系；

图2说明一种能够检测光盘厚度的偏差的常规光学拾取器，该装置是在待审日本专利hei 12-57616中公开的；

图3A到3E说明当光盘分别具有厚度0.70mm、0.65mm、0.60mm、0.55mm和0.50mm时，进入图2的光学拾取器的光检测器的光强度分布，该光学拾取器被设计成用于0.6mm厚的光盘；

图4的平面图说明图2中所示的光检测器的结构；

图5表示根据本发明的光学拾取器的一个优选实施例；

图6A到6C，和图7A到7C分别说明当图5的光学拾取器被设计成用于0.1mm厚的记录介质，物镜具有0.85NA并且光源发射400nm的光束时，对应记录介质的厚度变化，从记录介质反射后经过物镜和光学路径改变器传回的光束的密度分布和相位分布；

图8说明图5的光检测器和厚度变化检测电路的优选实施例；

图9说明图8的厚度变化检测电路的另一个实施例；

图10说明图5的光检测器和厚度变化检测电路的其它实施例；

图11是当根据本发明的光学拾取器的光检测器具有图8的结构时，厚度变化信号和光检测器的第一与第二光接收部分的第一与第二检测信号之和的图表；

图12是当根据本发明的光学拾取器的光检测器具有图10的结构时，记录介质的厚度变化信号和光检测器的第一、第二和第三光接收部分的第一、第二和第三检测信号之和的图表；

图13表示根据本发明的光学拾取器的另一个优选实施例；

图14表示根据本发明的光学拾取器的另一个优选实施例；

图15的平面图表示图14的光束划分器的结构；

图16表示根据本发明的光学拾取器的另一个优选实施例；以及

图17的平面图表示图16的光束划分器的结构。

具体实施方式

在图5中说明了根据本发明的光学拾取器的优选实施例。参照图5，该光学拾取器包括：光源51，用于产生和发射光束；物镜57，用于聚焦来自光源51的入射光以在记录介质50的信息记录表面50a上形成光点；安置在光源51和物镜57之间的光学路径上的光学路径改变器，用于改变入射光束的行进路径；光检测器65，用于划分和检测从记录介质50反射后经过物镜57和光学路径改变器传回的光束；以及厚度变化检测电路70，用于从自光检测器65输出的多个检测信号中检测记录介质50的厚度变化。这里，记录介质50的厚度t指的是从记录介质50的光入射表面50b到信息记录表面50a的距离。厚度变化指参照一个记录介质上的位置的厚度偏差、和不同光盘之间的厚度差两者。

光源51可以是半导体激光器，例如边缘发射激光器或垂直空穴表面发射激光器(VCSEL)。用于以预定比率发送和反射入射光束的光束分离器55能够被采用作为光学路径改变器。或者，光学路径改变器可以包括：偏振光束分离器(未示出)，用于根据其偏振情况有选择地发送或反射入射光束；以及安置在偏振光束分离器和物镜57之间的光学路径上的四分之一波片(未示出)，用于改变入射光束的相位。

为了使用根据本发明的光学拾取器用于记录和再现下一代数字通用盘(DVD)，所谓的“高清晰度(HD)DVD”家族系列的记录介质，最好光源51采用蓝光半导体激光器，该激光器发射大约400-420nm波长的光束，最好是大约405nm波长的光束，而物镜57采用具有0.7或更大数值孔径(NA)的透镜，NA最好是0.85。

根据本发明的光学拾取器最好还包括：在光源51和光束分离器55之间的光学路径上的校准镜53，用于校准从光源51发射的偏向光束；以及在光束分离器55和光检测器65之间的光学路径上的感测(sensing)镜59，用于会聚入射光束。感测镜59与光检测器65之间的距离是确定的，以使被光检测器接收的光点具有适当的尺寸，例如，具有直径约100μm。

考虑到基于记录介质50的厚度变化的光束强度分布的变化，光检测器65作为光束划分与检测装置被构建成能够划分和检测从记录介质反射后经过物镜57和光学路径改变器传回的光束。

例如，假设物镜57具有0.85的NA，光学拾取器被设计成用于具有厚度0.1mm的记录介质50，而且光源51发射400nm的光束。在这种情况下，对应记录介质50的厚度变化，从记录介质50反射后经过物镜57和光学路径改变器传回的光束LB的强度和相位分布在图6A到6C中和图7A到图7C中示出。更具体地说，图6A说明了从记录介质50反射后经过光学路径改变器传回的光的强度分布，其中记录介质50的厚度比设计用于光学拾取器的厚度0.1mm(以下称为基准厚度)薄10μm，而图7A说明了图6A的光束的相位分布。图6B说明了具有基准厚度0.1mm的记录介质50的光分布，而图7B说明了图6B的光束的相位分布。图6C说明了具有比基准厚度厚10μm的记录介质50的光分布，而图7C说明了图6C的光束的相位分布。

参照图6A和7A，当记录介质50上光束聚焦的部分比基准厚度薄时，光束的强度分布在中心轴比较弱，并且从中心轴随着距离增加而增强。而且，光束的相位分布出现类似对应中心轴的双峰对称。参照图6B和7B，当记录介质50上光束聚焦的部分具有基准厚度时，光束的强度分布贯穿光束是相同的，而且光束的相位分布是相同的。参照图6C和7C，当记录介质50上光束聚焦的部分比基准厚度厚时，光束的强度分布和相位分布与图6A和7A的情况相反。

如图6A到6C和图7A到图7C所示，光束的强度分布和相位分布根据记录介质50的厚度变化围绕中心轴对称地变化，并对应相反的厚度变化而相反变化。而且，由增加大于基准厚度的记录介质的厚度引起的光束的分布和相位谱的变化，与由减小小于基准厚度的记录介质的厚度引起的光束的分布和相位谱的变化相反。

因此，光检测器65最好被构建成可以将入射光束分成光轴上的LB部分和外围部分分别检测。例如，如图8所示，光检测器65可以包括第一和第二光接收部分A和B，用于将入射光束LB划分成对应中心光轴的第一光束部分，和在第一光束部分周围的第二光束部分，并用于光电转换第一和第二光束部分。在这种情况下，光检测器65的第一光接收部分A可以是圆形或矩形的，从而将入射光束LB划分成对应中心光轴的第一光束部分和在第一光束部分周围的第二光束部分，并分别检测这两部分。

如图8所示，当光检测器65包括第一和第二光接收部分A和B时，厚度变化检测电路70与减法器71构建在一起，用于从第一光接收部分A的第一检测信号a中减去第二光接收部分B的第二检测信号b、并输出相减的结果作为对应记录介质50的厚度变化信号St。在这种情况下，如图9所示，厚度变化检测电路70还可以包括增益控制器73，用于在减法器71做减法之前，利用预定的增益因子k放大第一和第二检测信号a和b中的至少一个信号，从而能够调整厚度变化信号St的偏移量。

或者，如图10所示，光检测器65可以包括第一、第二和第三光接收部分D、E和F，用于分别将入射光束LB划分成在中心光轴上排列的第一光束部分、和在入射光束LB的第一光束部分周围的第二和第三光束部分，并用于分别光电转换这些光束部分。第一、第二和第三光接收部分D、E和F既可以按对应记录介质50的切线方向排列，也可以按对应记录介质50的径线方向排列。

当光检测器65以如图10所示的方式构建时，厚度变化检测电路70通过从第一光接收部分D的第一检测信号d中减去第二和第三光接收部分E和F的第二和第三检测信号e和f之和来检测记录介质50的厚度变化。如图9所示，厚度变化检测电路70可以如此构建，从而能够利用预定的增益因子k放大第一、第二和第三检测信号d、e和f中的至少一个信号，然后处理检测信号，从而能够调整厚度变化信号的偏移量。

对于图8和图10示出的光检测器65，第一光检测部分A和D的尺寸是确定的，从而它们可接收全部入射光束的10-90％。

回到图5，根据本发明的光学拾取器在光学路径改变器和物镜57之间的光学路径上还可以包括球形像差补偿单元75，其中该单元是根据由厚度变化检测电路70产生的厚度变化信号St驱动的，因此补偿了由记录介质50的厚度变化引起的球形像差。

通过在两层具有电极图案的透明基片之间注入液晶制造而成的液晶板能够用作球形像差补偿单元75。由于对于折射率液晶具有各向异性，经过液晶板的光束的相位发生改变。更具体地说，液晶板是根据厚度变化信号St驱动的，从而，经过液晶板的光束的波前形状变成由记录介质50的厚度变化引起的球形像差的相反形状，因此补偿了由记录介质50的厚度变化引起的球形像差。在这种情况下，用于驱动球形像差补偿单元75的驱动电路可以包含于或者独立于厚度变化检测电路70。

图11是当本发明的光学拾取器的光检测器65具有图8的结构时，厚度变化信号St与光检测器65的第一和第二光接收部分A和B的第一和第二检测信号a和b之和Ssum相对于记录介质50的厚度变化的图表。图12是当本发明的光学拾取器的光检测器65具有图10的结构时，厚度变化信号St和光检测器65的第一、第二和第三光接收部分E、D和F的第一、第二和第三检测信号e、d和f之和Ssum相对于记录介质50的厚度变化的图表。如图11和12所示，相对于记录介质50的厚度变化，由厚度检测电路70检测的厚度变化信号St的变化，相对而言大于由光检测器65检测的检测信号之和Ssum的变化。

如参照图11和12所描述的，记录介质50的厚度变化能够由本发明的光学拾取器检测。因此，由记录介质50的厚度变化引起的球形像差能够通过根据厚度变化信号St驱动球形像差补偿单元75来校正。

此外，为了补偿由记录介质50的厚度变化引起的球形像差，根据本发明的光学拾取器可以包括执行器80，它能够根据由厚度变化检测电路70产生的厚度变化信号St沿着光轴驱动校准镜53，如图13所示，以取代图5的球形像差校正单元75。

图14表示了根据本发明的光学拾取器的另一个优选实施例。在本实施例中，代替具有图8中所示的分结构的检测器65，将光束划分器160、第一和第二光检测器165a和165b用作光束划分与检测装置。在图14中，与图5中相同的部件由相同的参考标号表示，并且这里将不再描述。

如图15所示，光束划分器160包括第一和第二部分A’和B’，用于将入射光束LB划分成在光轴上的第一光束部分和在第一光束周围的第二光束部分。例如，第一部分A’例如直接发送入射光束LB的第一光束部分，或将该部分衍射成第0级光束，从而发送的或衍射的光束由第一光检测器165a接收。第二部分B’例如衍射入射光束LB的第二光束部分，从而第+1级或第-1级光束由第二光检测器165b接收。全息光学单元(HOE)作为光束划分器160，该HOE在第一部分A’中具有通孔、直接发送部分或全息图案，用于衍射入射光束并发送产生的第0级光束；而且它在第二部分B’中具有全息图案，用于衍射入射光束并发送产生的第+1级和第-1级光束。

在根据图14中所示的本发明的实施例的光学拾取器中，从第一和第二光检测器165a和165b的第一和第二检测信号a和b中检测记录介质50的厚度变化信号St，以及根据厚度变化信号St通过驱动球形像差补偿单元75校正由记录介质50的厚度变化引起的球形像差，其原理与前面实施例的原理相同。另外，图14的光学拾取器可以包括执行器80，用于沿着光轴驱动校准镜53，如图13所示，从而补偿了由记录介质50的厚度变化引起的球形像差。

图16表示了根据本发明的光学拾取器的另一个优选实施例。在本实施例中，代替具有图10中所示的分结构的检测器65，将光束划分器260及第一、第二和第三光检测器265d、265e和165f用作光束划分与检测装置。在图16中，与图5中相同的部件由相同的参考标号表示，并且这里将不再描述。

在图16所示的实施例中，如图17所示，光束划分器260包括第一、第二和第三部分D’、E’和F’，用于根据与图15的光束划分器160相同的原理，将入射光束LB划分成在光轴上的第一光束部分和在第一光束周围的第二和第三光束部分。第一部分D’例如直接发送入射光束LB的第一光束部分，或衍射该部分并发送产生的第0级光束，从而发送的或衍射的光束由第一光检测器265d接收。第二部分E’例如衍射入射光束LB的第二光束部分，从而第+1级或第-1级衍射的光束由第二光检测器265e接收。第三部分F’例如衍射入射光束LB的第三光束部分，从而第+1级或第-1级衍射的光束由第三光检测器265f接收。HOE能够用作光束划分器160，该HOE在第一部分D’中具有通孔、直接发送部分或全息图案，用于衍射入射光束；而且它在第二部分E’和第三部分F’中都具有全息图案，用于衍射入射光束。

在根据图16中所示的本发明的实施例的光学拾取器中，从第一、第二和第三光检测器265d、265e和265f的第一、第二和第三检测信号d、e和f中检测记录介质50的厚度变化信号St，以及根据检测的厚度变化信号St通过驱动球形像差补偿单元75或校准镜53补偿由记录介质50的厚度变化引起的球形像差，其原理与前面实施例的原理相同。

如上所述，在根据本发明的光学拾取器中，具有分结构的单个光检测器，或光束划分器和多个光检测器被用作光束划分与检测装置，从而，考虑到由记录介质的厚度变化引起的光强度分布的变化，从记录介质反射后经过物镜和光学路径改变器的光束是由光束划分与检测装置划分并检测的。厚度变化信号是通过处理从光检测器输出的检测信号而检测的。因此记录介质的厚度变化能够利用在光学拾取器的光接收侧不包括产生散光的散光镜的光学系统来检测。由记录介质的厚度变化引起的球形像差能够通过根据检测的厚度变化信号驱动球形像差补偿单元或校准镜沿着光轴来校正。

尽管本发明是参照特定的优选实施例来描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由本发明所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。