CN1130704C - 采用全息光栅的光学头的误差信号检测装置 - Google Patents

采用全息光栅的光学头的误差信号检测装置 Download PDF

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Abstract

光学头误差信号检测装置，包括传感透镜；具有第一到第四图形区的全息光栅，被第一和第三图形区衍射的+1级衍射光束的第一焦点比被第二和第四图形区衍射的+1级衍射光束的第二焦点更远离传感透镜；设置在第一和第二焦点之间并具有第一到第四光接收单元的光电探测器；和用于检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号的信号操作单元，其中，第一到第四光接收单元包括第一到第四二等分光接收部分，其分别位于x-y坐标系的第一和第四象限上，并平行x轴平分，第一和第三二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置，而第二和第四二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置。

Description

采用全息光栅的光学头 的误差信号检测装置
技术领域
本发明涉及一种光学头，特别涉及采用全息光栅的光学头的误差信号检测装置，用于抑制产生聚焦偏移和/或循迹误差信号。
背景技术
在高容量记录和/或再现光学头中，为完成稳定的伺服功能必须检测聚焦和/或循迹误差信号。一般情况下，在记录/再现光学头中，从光源发射的光路被光路改变装置如光束分离器改变，并且光被物镜转变成聚焦光，然后入射到盘片上。从盘片的记录平面反射的光含有信息信号，其路径被光路转换装置改变，然后经过传感透镜和/或像散透镜被光电探测器检测。
图1是表示传统光学头的误差信号检测装置的示意图，从盘片(未示出)反射的光经过传感透镜2和/或像散透镜4被接收在具有四个光接收区的光电探测器6中，其中这四个光接收区独立地进行光电转换。
当从光电探测器6的各光接收区检测的信号分别称为A、B、C和D时，聚焦误差信号FES等于(A+C)-(B+D)，而循迹误差信号TES即推挽信号等于(A+D)-(B+C)。
图2A-2C表示被接收在光电探测器6中的光点根据物镜(未示出)和盘片(未示出)之间的距离而变化。图2A表示在物镜和盘片之间的距离大于物镜的焦距的情况下形成在光电探测器6上的光点8。图2B表示在物镜和盘片之间的距离等于物镜的焦距即处于聚焦状态情况下形成在光电探测器6上的光点10。图2C表示在物镜和盘片之间的距离小于物镜的焦距的情况下形成在光电探测器6上的光点12。这里，图2A对应FES＜0的情况，图2B对应FES＝0的情况，而图2C对应FES＞0的情况。
在上述传统误差信号检测装置中，由于形成在光电探测器6上的光点的直径较小，即约为0.1mm，所以FES和TES信号对光电探测器6的偏离很敏感。因而即使在聚焦和在轨状态也可能发生FES和TES信号具有不是零的值的聚焦和/或循迹偏移。
当改变从光源发射的光的波长以便在盘片上记录信息信号时或波长根据温度改变时，在光学元件中会发生色差。实际上，在大部分光学元件中，波长的增长会减小折射率。这样，即使光电探测器6处于聚焦状态，光电探测器6也会接收到与聚焦状态的光点的不同的光点(图3中的14)，于是聚焦误差信号不是零。
如上所述，即使由于波长的改变而产生色差，伺服装置驱动物镜，使FES信号变为零，由此进行聚焦。因此在实际状态中，在盘片上形成散焦光点。如果在记录过程中发生散焦，则再现信号的特性变坏。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供采用全息光栅的光学头的误差信号检测装置，用于抑制由光源的波长改变引起的聚焦误差信号的偏移和由光电探测器的偏离引起的聚焦和/或循迹误差信号的偏移的产生。
为达到上述目的，提供用于接收从光源发射的光和从记录介质反射的光的光学头的误差信号检测装置，该光学头还检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号，以便记录/再现信息信号，同时跟踪记录介质的正确轨迹位置，该误差信号检测装置的特征在于包括：用于聚焦从记录介质反射的光的传感透镜；具有以顺时针排列成2×2矩阵的第一到第四图形区的全息光栅，用于衍射在不同方向从传感透镜入射的光，其中第一到第四图形区a，b，c和d如此形成，即被第一和第三图形区衍射的+1级衍射光束的第一焦点比被第二和第四图形区衍射的+1级衍射光束的第二焦点更远离传感透镜；设置在第一和第二焦点之间的光电探测器，其具有第一到第四光接收单元，用于接收被第一到第四图形区衍射的光束并独立地进行光电转换；和用于检测来自光接收部分的检测信号的聚焦误差信号和/或循迹误差信号的信号操作单元。
这里，第一到第四光接收单元包括第一到第四二等分光接收部分，各用于接收被第一和第四图形区衍射的±1级衍射光束间的衍射光束。
第一到第四二等分光接收部分最好基本上设置在x-y坐标系的第一和第四象限上，并分别平行于x轴而被二等分，第一和第三二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置，第二和第四二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置。
最好是，信号操作单元获得各二等分光接收部分的检测信号之间的差值，并将检测信号之间的差值加起来以检测聚焦误差信号。
最好是，第一到第四光接收部分还包括第一到第四单光接收部分，用于接收被第一到第四图形区衍射的其它衍射光束。
这里，信号操作单元获得第一和第四单光接收部分的总和信号和第二和第三单光接收部分的总和信号之间的差值以检测循迹误差信号。
附图说明
通过下面参照附图详细介绍优选实施例而使本发明的上述目的和优点更加清楚，其中：
图1示意性地表示传统光学头的误差信号检测装置；
图2A到2C表示根据物镜和盘片之间的距离形成在光电探测器上的光点的改变；
图3表示在聚焦状态时根据波长的改变在图1中所示的光电探测器上形成的光点；
图4示意性地表示根据本发明的采用全息光栅的光学头的误差信号检测装置；
图5是示意性地表示根据本发明的全息光栅的平面图；
图6是示意性地表示根据本发明的光电探测器的平面图；
图7A和7B分别表示在物镜和盘片之间的距离小于物镜的焦距时和在物镜和盘片之间的距离大于物镜的焦距时在根据本发明的误差信号检测装置中形成在光电探测器上的光点的变化；
图8A和8B是用于解释抑制循迹误差信号的偏移产生的本发明误差信号检测装置的原理的示意图；
图9是用于解释抑制由光电探测器的偏离引起的聚焦误差信号产生的本发明误差信号检测装置的原理的示意图；
图10表示由于记录操作或温度变化而使衍射光根据从光源发射的光的波长的改变而变化；和
图11和12是用于解释抑制根据波长的变化产生聚焦误差信号偏移的本发明误差信号检测装置的原理的示意图。
具体实施方式
根据本发明的误差信号检测装置接收从光源(未示出)发出的光和从盘片反射的光并检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号，从而光学头记录/再现信息信号，同时跟踪记录介质即盘片(未示出)的正确轨迹位置。而且，该误差信号检测装置可以检测该信息信号。
参见图4和5，根据本发明的误差信号检测装置包括：用于聚焦从盘片(未示出)反射的光的传感透镜20，用于衍射从不同方向从传感透镜20入射的光的全息光栅30，用于接收被全息光栅30衍射的光的光电探测器50，和用于检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号的信号操作单元60。
全息光栅30包括按顺时针排列成2×2矩阵的第一到第四图形区a，b，c和d。这些图形区a，b，c和d将入射光分成四部分，然后衍射象限光点71，72，73和74，从而分别产生±1级衍射光束。
图形区a，b，c和d以互相预定的角度排列，以便在不同方向衍射象限光点71，72，73和74。在图形区a，b，c和d的至少一些中，图形间隔彼此不同，以便在不同衍射角度衍射相同级别的衍射光。
这里，图形区a，b，c和d的图形方向和图形间隔的设计应考虑后面介绍的光电探测器50的光接收区的设置。换言之，第一和第四图形区a和d衍射入射光点71和74，使他们的+1级衍射光束基本上位于图6中所示的直角坐标的第一象限上，而它们的-1级衍射光束基本上位于第三象限上。第二和第三图形区b和c衍射入射光点72和73，使它们的+1级衍射光束基本上位于图6中所示的直角坐标的第四象限上，而它们的-1级衍射光束基本上位于第二象限上。
在本例中，第一到第四图形区a，b，c和d如此形成，使得被第一和第三图形区a和c衍射的+1级衍射光束的第一焦点f1比被第二和第四图形区b和d衍射的+1级衍射光束的第二焦点f2更远离传感透镜20。
这里，光电探测器50最好设置在第一和第二焦点f1和f2之间，并且设置在其中间则更好。
在这种情况下，被第一和第三图形区a和c衍射的+1级衍射光束71a和73a聚焦在光电探测器50后面的焦点f1上，而被第二和第四图形区b和d衍射的+1级衍射光束72a和74a聚焦在光电探测器50前面的焦点f2上。
同样，被第一和第三图形区a和c衍射的-1级衍射光束71b和73b聚焦在光电探测器50前面的焦点f2上，而被第二和第四图形区b和d衍射的-1级衍射光束72b和74b聚焦在光电探测器50后面的焦点f1上。
因此，在聚焦状态时，被第一到第四图形区a，b，c和d接收在光电探测器59中的±1级衍射光束的光点的尺寸基本相同。
这里，第一到第四图形区a，b，c和d将入射光点分割并只衍射入射到其上的光束。这样，±1级衍射光束的光点是倒置图像，如图6所示，图5中的O是倒置图像的原点。
同时，还可以在全息光栅30和光电探测器50之间设置调焦透镜40。这里，调焦透镜40最好设置在全息光栅30和第二焦点f2之间。
如图6所示，光电探测器50包括第一到第四光接收部分，用于接收被第一到第四图形区a，b，c和d衍射的光束并独立地将它们光电转换。
第一到第四光接收部分包括分别用于接收被第一到第四图形区a，b，c和d衍射的-1级衍射光束71b，72b，73b和73b的单光接收部分A，B，C和D和二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2。
从图形区a，b，c和d的设计方面考虑，二等分光接收部分A1/A2和D1/D2、单光接收部分B和C、单光接收部分A和D、和二等分光接收部分B1/B2和C1/C2基本上沿着x轴方向分别设置在第一、第二、第三和第四象限上。
另外，二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2被分割，使分割线平行于x轴。部分光接收部分A2，C2，B1和D1比部分光接收部分A1，C1，B2，和D2更接近于x轴。换言之，部分光接收部分A2和C2相对于部分光接收部分A1和C1向内设置，部分光接收部分B1和D1相对于部分光接收部分B2和D2向内设置。
单光接收部分D和部分光接收部分D1设置成使其部分穿过x轴设置，以便接收被第四图形区d衍射的±1级衍射光束74a和74b，其中第四图形区d具有如此形成的图形，以便平行于x轴方向衍射光束(见图5)。
如果光电探测器50基本上设置在焦点f1和f2的中间，则被第一到第四图形区a，b，c和d接收在光电探测器50中的±1级衍射光束的光点的尺寸在聚焦状态时基本上相同，如图6所示。
信号操作单元60检测来自从光接收部分检测的信号的聚焦和/或循迹误差信号。信号操作单元60获得各二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2的检测信号之间的差值并将这些检测信号之间的差值加起来以检测聚焦误差信号。
在被第一和第三图形区a和c衍射的光束的情况下，接近于x轴的部分光接收部分A2和C2的检测信号从远离x轴的部分光接收部分A1和C1的检测信号中减去。在被第二和第四图形区b和d衍射的光束的情况下，远离x轴的部分光接收部分B2和D2的检测信号从接近于x轴的部分光接收部分B1和D1的检测信号中减去。然后，各相减的结果再加起来。则从下面的公式中可获得聚焦误差信号FES作为明显的差别信号：
FES＝(A1-A2)+(B1-B2)+(C1-C2)+(D1-D2)
   ＝(A1+B1+C1+D1)-(A2+B2+C2+D2)                (1)
其中，在聚焦状态下，A1＝A2，B1＝B2，C1＝C2，D1＝D2，因此聚焦误差信号FES为零。考虑到全息光栅30，这个结果可以通过适当设计二等分光接收部分的分界线的位置来获得，或者通过适当放大信号操作单元60中的部分光接收部分的检测信号来获得。
当盘片和物镜之间的距离小于物镜的焦距时，被全息光栅30衍射的光的焦点远离传感透镜20移动。因此，如图7A所示，光点71a和73a变得比图6中所示的大，而光点72a和74a变得比图6中所示的小。这样聚焦误差信号就大于零。
当盘片和物镜之间的距离大于物镜的焦距时，如图7B所示，光点71a和73a变小，而光点72a和74a变大，因此聚焦误差信号小于零。
信号操作单元60获得单光接收部分A和D的总和信号(A+D)和单光接收部分B和C的总和信号(B+D)之间的差值，从而通过推挽方法检测循迹误差信号TES，用下面的公式(2)表示。
TES＝(A+D)-(B+C)         (2)
或者，可以通过用于检测单光接收部分A和D的总和信号(A+D)和单光接收部分B和C的总和信号(B+C)之间的相位差的差分相位检测(DPD)方法来检测TES。这种方法特别适用于DVD-ROMs。
同时，信号操作单元60可以通过将单光接收部分A，B，C和D的检测信号加起来或者将单光接收部分A，B，C和D和二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2的检测信号加起来来检测信息信号。
则该信息信号可定义如下：
信息信号＝(A+B+C+D)或(A+B+C+D+A1+A2+B1+B2+C1+C2+D1+D2)
这里，根据本发明的光电探测器50可只由二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2组成，而信号操作单元60可使用二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2的检测信号检测循迹误差信号和信息信号。
在这种情况下，循迹误差信号TES用下面的关系式确定：
TES＝(A1+A2+D1+D2)-(B1+B2+C1+C2)
现在参照图8-12介绍用于抑制产生聚焦误差信号和/或循迹误差信号偏移的本发明误差信号检测装置的原理。
图8A表示根据本发明从盘片反射并入射到全息光栅30上的光点，用于解释抑制产生循迹误差信号偏移的本发明误差信号检测装置的原理。
根据常规误差信号检测装置，由于通过将接收在光电探测器6中且直径为约0.1mm的光点10分割而检测误差信号，如图8B所示，产生反应光电探测器6偏离的偏移，特别是循迹误差信号(T1-T2)的大量偏移。这里T1是第一和第四光接收区A和D的检测信号的总和，T2是第二和第三光接收区B和C的检测信号的总和。但是，根据本发明，如图8A所示，由于通过分割和衍射入射到全息光栅30上且直径为约4.1mm的光点70来检测误差信号，所以可以抑制由光电探测器50的偏离引起的偏移的产生。在本发明中，这种偏移可能是由全息光栅30的位移引起的。但是，由于光点70的直径很大，即约4.1mm，即使全息光栅30有些位移，穿过区域T1(图形区a+图形区d)和区域T2(图形区b+图形区c)的光点70的变化即光量的变化很小。因此产生的偏移可以忽略不计。
图9是解释抑制由光电探测器50的偏离引起的聚焦误差信号的偏移的产生的本发明误差信号检测装置的原理的示意图。
根据本发明的误差信号检测装置，由于二等分光接收部分在y轴方向被分割，所以不会由于光电探测器50在x轴方向偏离而产生偏移。
在聚焦状态下，对于光电探测器50在y轴方向的偏离，例如在+y轴方向，二等分光接收部分A1/A2和C1/C2之间的检测信号的差为A1-A2＝-S，C1-C2＝S。而二等分光接收部分B1/B2和D1/D2之间的检测信号的差为B1-B2＝-T，D1-D2＝T。因此聚焦误差信号为零，即(A1-A2)+(C1-C2)+(B1-B2)+(D1-D2)＝-S+S-T+T＝0，因此没有产生偏移。
图10是解释用于抑制由于记录操作和温度变化从光源发射的光的波长的改变而引起的聚焦误差信号偏移产生的本发明误差信号检测装置的原理。
如果与调节光学元件组件过程中相比波长增大，则光学元件的折射率改变。鉴于包括光源和光电探测器50的整个光学***，被全息光栅30衍射的光束的第一和第二焦点f1和f2在聚焦状态时向传感透镜20移动即为焦点f1′和f2′，这是由物镜的效应引起的。
在不考虑被接收在光电探测器50中的±1级衍射光束的衍射角的变化时，在聚焦状态这些焦点向着传感透镜20移动，如图11所示，因此形成在二等分光接收部分A1/A2和C1/C2上的光点的尺寸在箭头方向变小。这样，检测信号为A1＜A2和C1＜C2。形成在二等分光接收部分B1/B2和D1/D2上的光点的尺寸在箭头方向变大。这样检测信号为B1＜B2和D1＜D2。因此聚焦误差信号小于零，即(A1+B1+C1+D1)-(A2+B2+C2+D2)＜0。
然而，被接收在光电探测器50中的光是被全息光栅30衍射的±1级衍射光束，并且该衍射光束衍射角θ与波长的关系为sinθ＝λ/p(这里p是全息光栅30的间距)。因此如果波长λ变长，则衍射角θ增大。换言之，如图12所示，被接收在二等分光接收部分A1/A2，B1/B2，C1/C2和D1/D2中的+1级衍射光束71a、72a、73a和74a远离原点。这里虽然未示出，但-1级衍射光束也远离原点。
因而，如图12中的箭头所示，被接收在二等分光接收部分A1/A2和C1/C2中的+1级衍射光束71a和73a从部分光接收部分A2和C2向部分光接收部分A1和C1位移，即在由于焦点向传感透镜20的位移而产生的偏移减小的方向。
另外，被接收在二等分光接收部分B1/B2的+1级衍射光束72a从部分光接收部分B1向部分光接收部分B2位移，即在由于焦点位移产生的偏移增加的方向上。被接收在二等分光接收部分D1/D2的+1级衍射光束74a平行于二等分光接收部分D1/D2的分界线位移。这种情况下，由焦点位移产生的偏移没有改变。因此聚焦误差信号的总偏移减小了。
结果，根据本发明采用全息光栅30和光电探测器50可以基本上消除由于从光源发出的光的波长的改变产生的聚焦误差信号的偏移。
如上所述，在根据本发明的误差信号检测装置中，使用具有用于在不同方向衍射入射光的第一到第四图形区的全息光栅和具有用于接收被全息光栅衍射的±1级衍射光束的单和二等分光接收部分的光电探测器检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号。因此可以抑制由光源波长的改变引起的聚焦误差信号的偏移和由光电探测器的偏离引起的聚焦误差信号和循迹误差信号的偏移的产生。

Claims (4)

1.一种光学头的误差信号检测装置，用于接收从光源发射和从记录介质反射的光并检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号以便记录/再现信息信号同时跟踪记录介质的正确轨迹位置，该误差信号检测装置的特征在于包括：
用于聚焦从记录介质反射的光的传感透镜；
具有按顺时针排列成2×2矩阵的第一到第四图形区的全息光栅，用于衍射从不同方向从传感透镜入射的光，其中第一到第四图形区a，b，c和d如此形成，使得被第一和第三图形区衍射的+1级衍射光束的第一焦点比被第二和第四图形区衍射的+1级衍射光束的第二焦点更远离传感透镜；
设置在第一和第二焦点之间并具有第一到第四光接收单元的光电探测器，用于接收被第一到第四图形区衍射的光束并独立地将它们光电转换；和
用于从来自光接收单元的检测信号检测聚焦误差信号和/或循迹误差信号的信号操作单元，
其中，第一到第四光接收单元包括第一到第四二等分光接收部分，它们分别位于x-y坐标系的第一和第四象限上，并平行于x轴被平分，第一和第三二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置，而第二和第四二等分光接收部分的一侧部分光接收部分相对于其另一侧部分光接收部分向内设置。
2.根据权利要求1的误差信号检测装置，其特征在于，信号操作单元获得各二等分光接收部分的检测信号之间的差值并将检测信号之间的差值加起来以检测聚焦误差信号。
3.根据权利要求1的误差信号检测装置，其特征在于第一到第四光接收部分还包括第一到第四单光接收部分，用于接收被第一到第四图形区衍射的其它衍射光束。
4.根据权利要求3的误差信号检测装置，其特征在于信号操作单元获得第一和第四单光接收部分的总和信号和第二和第三单光接收部分的总和信号之间的差值以检测循迹误差信号。
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