CN1047584A - 利用棱镜增强光斑尺寸监测法探测聚焦误差 - Google Patents

Abstract

本发明叙述了在光记录介质反射的返回光束的光路上放置一个棱镜，以探测光头聚焦误差的方法和装置。该棱镜在一个方向上将光束宽度压缩M倍，同时在所述方向上将与该光束聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，从而可望将聚焦误差信号增强M²倍、聚焦误差由一具有内外光敏区的分区光探测器探测。该光探测器由内外区光强差产生表示聚焦误差的电信号。光探测器最好以也能提供轨迹误差信号的方式分区。

Description

本发明涉及在光记录介质上读写数据的光头中聚焦误差的探测方法和装置，特别是改进的产生聚焦误差信号的装置，该聚焦误差信号用作伺服***的输入，其动作可保证光束在表面聚焦。

目前在光存储应用中所采用的散焦探测方法包括一个锐边，一个象散透镜或者一个临界角棱镜，这些技术需要对这些光学元件和对缝或分区光探测器做非常精细的校准。

已公布的欧洲专利EP0164687提出了一种探测方法，其中从光盘反射的激光束通过一物镜对准一棱镜，该棱镜将光束宽度在一个方向压缩M倍后，并将一椭圆截面光束传输到一锐边型聚焦误差探测***。根据公式（25），该应用据称可将聚焦误差信号增大M倍。

1985年10月15日至17日在美国华盛顿召开的光数据存储专题会议的文摘中有一篇Yamamoto等人的文章（THCC2-1），标题为“光刻尺度的设计构想”文章提出了一个探测与聚焦误差有关的远场光斑尺寸变化的六元件光探测器。

需要一种非常灵敏的聚焦误差探测方法，以相对较少的元件使聚焦误差信号明显增强并提供大的光束面积，使得只需在一个方向上对分区光探测器做不甚精确的校准。

为了达到这个目的，该发明提供了一套通过设置在从光记录介质反射回来的返回光束光路中的棱镜在光头中探测聚焦误差的装置和方法。该棱镜在一个方向上将光束压缩M倍，同时在所述方向上将与该光束的聚焦误差有关的发散/会聚角增大M倍，从而可望将聚焦误差信号增强M²倍。正如Yamamoto等人的文章中所示那样，聚焦误差差由包含内外光灵敏区的分区光探测器探测出来。光探测器从内外区光强之差中产生出指示聚焦误差的电信号。该光探测器的分区方式最好能使之可以提供轨迹误差信号。

图1，为表示该发明原理的示意图;

图2A和2B，表示了分区光探测器的两种优选的配置，它们都产生聚焦误差信号，其中图2B同时还可产生轨迹误差信号;

图3，表示按照本发明一个实施例用于只读、一次写入或相变光盘的光头;

图4，表示一个用于带有施臂传动装置的光盘驱动器的实施例;

图5，表示用于磁光盘的实施例。

本发明的原理由图1作了最好的说明，二极管激光器10的输出通过一个圆形扩束/准直***11产生一平行光束12。通过分束器13反射，光束12成为光束14。光束14通过透镜15聚焦到光记录介质的表面16上。当表面16处在透镜15的焦点时，由分束器13到透镜15的平行光束14向回反射后，并作为返回光束14，通过分束器13到达棱镜17，棱镜17将光束14折射成18，并对准光探测器19。光束18具有椭圆形的强度分布图形，其长轴为D短轴为A。棱镜17将光束14的宽度压缩M倍（M定义为D/A）成为折射光束18的宽度。

现假设表面16上的数据偏离焦点的量为δz。在该假设的条件下，由表面16反射的光束14′通过透镜15以后以δv角发散，其中：

δv＝Dδz/f²

其中f是透镜15的焦距

如果δz为负，则δv也为负，反束光束14′将会聚。以下分析考虑δz为正的情况下，但当δz较小时，对于发散或会聚光束14′，这一分析同样适用。

由棱镜17产生的折射光束18′具有发散角Mδv，而在探测器19处的所述光束宽度A′由下式给出：

A′≈A+2lMδv    （2）

其中l是棱镜17到光探测器19的距离，

利用公式1，可得：

A′≈A+2lMDδz/f²

≈A+2lM²Aδz/f²

或

A′/A≈1+2lM²δz/f²（3）

由此可见，通过在从表面16反射的返回光束14′的光路中设置棱镜17，表征聚焦误差δz的波束宽度A的变化增强了M²倍。M由棱镜17的顶角和棱镜材料的折射率决定。M可以做的任意大;但随着M增加，***校准的容差将越来越小。单一棱镜17的实际最大值大约为M＝5;但几个棱镜可以串联起来使用，则最终的因子M就是每个棱镜M值的乘积。

如图2A所示，光探测器19由三个条形光敏区1，2，3组成，设I₁，I₂，I₃，分别为进入这些光敏区1，2，3的光所产生的电信号，对于图2A的配置，令S₁＝I₁+I₃，S₂＝I₂。令KA为中心光敏区2的宽度，这里K（≈0.25）选择得使得当光束14聚焦时S₁＝S₂。如果S₁′和S₂′是对应聚焦误差δz的信号，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)

当A′≈A和K＝0.25时

FES 0.67（A′/A-1）≈1.31M²δz/f²

因而，作为例子，如果M＝5、l＝50mm并且f＝4mm，则一个小的聚焦误差δz＝0.5μm可产生聚焦误差信号FES＝0.05。这样大的误差信号使得能够以高信噪比探测很小的聚焦误差。

信号I₁和I₂由20求和并加以放大，提供输出信号S₁，同时信号I₂由21放大提供输出信号S₂。信号S₁和S₂送往差分放大器22和求和放大器26，其输出送往除法电路28。除法电路28的输出就是聚焦误差信号FES。聚焦误差信号加在聚焦伺服控制***23（图1）上。如图所示，***23包含了用于调节线圈24中的电流从而可调整透镜15相对于表面16的位置的常规装置（未示出）。

光探测器的一个优选的配置如图2B所示，光探测器25包含6个光敏区1-6，可分别产生电信号I₁-I₆。聚焦误差信号为：

FES = (S′ - S₂′)/(S₁+ S₂)

并且轨迹误差信号为;

TES = (S₃- S₄)/(S₃+ S₄)

其中：S₁＝I₁+I₃+I₄+I₆

S₂＝I₂+I₅

S₃＝I₁+I₂+I₃

S₄＝I₄+I₅+I₆

利用轨迹误差信号调整轨迹误差的方式已是常用的，不构成本发明的一个部份。图2B包含在这里只是为了说明申请人的探测及校正聚焦误差的方法和装置可以适应象25那样能产生聚焦误差和轨迹误差两种信号的光探测器并可与之结合使用。

如图3所示，根据这一实施例该发明包含一特别适用于只读、一次写入或相变光盘的光头。激光器30的发射光通过透镜32成为平行光束，并通过棱镜46的表面34折射后变成圆形光截面。表面34有起偏分束（PBS）的涂层。光束35通过一1/4波片36到光束弯头机透镜40，它将所述光束聚焦到光盘42的选定轨迹上。由光盘42反射回来的光束35′通过波片36返回并由棱镜表面34反射为光束37到达棱镜46的表面44。光束37在表面44的折射将所述光束的宽度由D到A压缩了M倍并将该椭圆光束47引向光探测器48，光探测器最好按图2A或2B分区。

如图3所示，如果在光盘42轨迹上的数据处于焦点上，则反射光束35′将和光束35重合，并且在光探测器48处的光束宽度为A。然而，如果光盘42上的数据不在焦点上，则反射光束35′相对于光束35发散，并且如图1所示，使得在光探测器48处的光束宽度大于A。由图2的说明，光探测器48这时将产生一个FES;用适当的伺服装置（未画出）可根据这个FES调整棱镜40相对于光盘42上轨迹的位置，以满足将数据置于焦点上的要求。

这个实施例所需元件数可望较少。

图4A和4B表示另一种用于只读，一次写入或相变光盘的光头的实施例。根据这个实施例，光头的大致指向平行于光盘50上的轨迹。这种光头因而很容易用在具有旋臂传动装置的光盘驱动器上。激光器52（图4A）发射出经透镜5A准直的光束，并被引向和通过一个无折射或反射的PBS56。通过PBS56的光束58具有椭圆截面，其一个方向宽度为D而另一正交方向宽度为A。该光束58通过一1/4波片60并对准一组合棱镜62。在组合棱镜62的第一表面64，光束58变为圆形截面，而后经棱镜另一表面66内全反射（TIR）而反射至反射表面68再出射到物镜70，物镜70将形成的光束72聚焦在光盘50上。光束72经过光盘轨迹反射为光束58′。光束58′的截面再次成为椭圆的，通过PBS56的表面74反射并引向光探测器76，光探测器76最好按图2A或2B分区。

如图4所示，如果光盘50轨迹上的数据处于焦点上，则反射光束58′和光束58重合，在光探测器76处的光束宽度为A。然而，如果在光盘50上的数据不在焦点上，则反射光束相对于入射光束58发散，并且如图1所示，使得在光探测器76处的光束宽大于A。由与图2相关的讨论，光探测器76给出FER;根据这个FES用适当的伺服装置（未画出）调整透镜70相对于光盘上轨迹的位置，以满足将数据置于焦点上的要求。

这个实施例要求棱镜62的展宽/压缩比M和激光器52的出射光斑形状匹配。

图5显示了另一种用于磁光盘光头的实施例。激光器80出射光束由透镜82准直，通过棱镜86的表面84折射后成为圆斑光束，然后对准光束弯头88和物镜90。表面84是部分起偏分束表面，它将光盘94上选定轨迹所反射的光束92′中的P偏振成分的一部分和所述光束几乎所有的S偏振成分反射到棱镜96的表面98成为光束100。表面98也是部分起偏分束表面。表面98将一光束100的P偏振成分的一部分折射到一个伺服光探测器102成为光束101，该探测器最好按图2A或2B分区。这个折射使得光束100任一个方向上的宽度从D到A被压缩M倍。表面98还将光束100的P偏振成分的一部分和光束100的几乎全部S偏振成分引向Wollaston（渥拉斯顿）棱镜104、会聚棱镜106和数据探测器108，形成光束103。Wollaston棱镜探测磁光盘数据的性能已为本行业周知并不构成此发明的一个部分。

如图5所示，如果光盘94轨迹上的数据是处于焦点上，则返回光束92′和原光束92重合，在光探测器102处光束宽度为A。然而如果光盘94上的数据不在焦点上，返回光束92′将相对于原光束92发散，并且如图1所示，使得在光探测器102处的光束宽度大于A。由关于图2的说明，光探测器102将产生FES;并根据该信号用一适当的伺服装置（未画出）调整透镜90相对于光盘94上轨迹的位置以满足将数据置于焦点上的要求。

可以看出，在图3-5所示的每一种配置中，和以前的方法不同，聚焦误差信号可望增强M²倍。

尽管本发明是参照其优选实施例作展示和叙述的，精于本行业的人应当明白在形式和细节上可以做出多种变化，而并未超出本发明的思路和范围，因此除了权利要求中指明，本发明是不受它们局限的。

Claims (14)

1、适用于在光学记录介质上读和/或写数据光头中的聚焦误差探测装置，其特征在于：

产生对应于聚焦误差的电信号的光探测器，和

置于经所述介质反射的返回光束光路中的棱镜，用以将光束截面在一个方向上压缩M倍，同时在所述方向上将与所述光束聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，因而把聚焦误差信号增强M²倍。

2、权利要求1中的装置，其特征在于：所述光探测器包含内、外光敏区，并根据所述内、外光敏区光强差产生电信号。

3、权利要求2中的装置，其特征在于一个内区处于二个外光敏区之间，使得当在内区探测到的光强等于在二个外区探测到的光强之和时，所产生的聚焦误差信号为零。

4、权利要求2中的装置，其特征在于光探测器具有一个条形内光敏区，它处在二个外光敏区之间，而所述各区在垂直于条形的方向上分割成三个上光敏区和三个下光敏区，由此另一个表示轨迹误差的电信号可由所述上、下区光强之差产生。

5、权利要求1中的装置，其特征为：

提供初始平行光束的装置，和

一聚焦透镜将所述初始光束对准在介质上，使得反射光束当所述透镜聚焦在介质上时与初始光束重合。

6、权利要求5中的装置，其特征为：

包括伺服装置在内的各装置，能响应返回光束相对于初始光束的发射或会聚所产生的表示聚焦误差的聚焦误差信号，用于调整透镜和介质的相对位置以消除聚焦误差。

7、一个用于包含大量轨迹以存储数据的光盘的光头，其特征在于：

提供平行光束的装置，

包含起偏分束器并能使光通过折射成为圆形截面的棱镜装置和

包含1/4波片、光束弯头和透镜用以把圆截面光束聚焦在选定轨迹上的装置。

所述棱镜装置放在由光盘反射的返回光束的光路中，用以在一个方向上将光束宽度压缩M倍，并且同时在所述方向上将与所述光束聚焦误差相联系的发散/会聚角增加M倍，因而将表示聚焦误差的电信号增强M²倍。

8、一个用于包含大量轨迹以存储数据的光盘的光头，其特征在于：

提供平行光束的装置。

一个1/4波片。

包含一个把通过1/4波片的光束截面变为圆形的表面，把圆形截面光束内部全反射的第二个表面和做为反射面的第三个表面的棱镜装置。

将所述第三表面反射的光束聚焦在光盘上的透镜装置。

产生一个相应于所述光束聚焦误差的信号的光探测器。

所述棱镜装置放置在由光盘反射的返回光束的光路上，用以在一个个方向上将光束宽度压缩M倍同时在所述方向将所述光束与聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，因而使所述信号增强M²倍。

一个起偏分束器用以将所述棱镜装置出射的所述返回光束对准光探测器。

9、用光束在光记录介质上读和/或写数据的光头中探测聚焦误差的方法，其特征步骤是

在由所述介质反射的返回光束的光路上放置一棱镜，用以将光束在一个方向上压缩M倍，同时在所述方向上把所述光束与聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，从而将表示聚焦误差的电信号增强M²倍。

10、权利要求9中的方法，进一步的特征步骤为：

提供一个具有内外光敏区以根据所述内外光敏区的光强差产生所述信号的光探测器。

11、用于在光记录介质上读和/或写数据的光头上的探测聚焦误差的方法，特征步骤是

在由所述介质反射的返回光束的光路上放置一棱镜，用以在一个方向上将光束宽度压缩M倍，同时在所述方向上把所述光束与聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，从而将聚焦误差信号增强M²倍;并且

由具有一处在两个外光敏区中间的一个条形内光敏区的光探测器产生所述信号，所述信号的幅值正比于所述内外光敏区光强之差。

12、权利要求11中的方法，特征在于所述区域在垂直于条形方向分割，以产生三个上光敏区和三个下光敏区，相互之间电绝缘，另一表示轨迹误差的电信号由所述上下区域光强差产生。

13、权利要求11中的方法，其特征是进一步调整聚焦透镜在光路中位置，以响应所述信号，保证在所述内区  探测到的光强等于在所述外区探测到的光强之和，从而消除所述聚焦误差。

14、一个用在有大量轨迹以存储数据的光盘上的光头，特征为提供平行光束的装置。

第一棱镜装置用以通过折射使光束成为圆截面。

包括一光束弯头和透镜装置的装置，通过它把圆截面光束对准在光盘上选定轨迹上。

第二棱镜装置。

所述第一棱镜装置有一个部分偏振分束表面，用以将光盘反射的返回光束的P偏振成分的一部分和所述返回光束的几乎所有S偏振成分对准到所述第二棱镜装置;并且

有一光探测器用以产生一响应所述返回光束聚焦误差的信号。

所述第二棱棱装置有一个部分起偏分束表面，用以将刚说过的光束的P偏振成分的一部分折射到所述光探测器，从而使得刚提到的部分导致返回光束在一个方向上压缩M倍，同时在所述方向上将与聚焦误差相关的所述光束的发散/会聚角增加M倍，从而将所述信号增强M²倍。

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