CN1143285C - 可记录和重放盘用的光学头 - Google Patents

Abstract

一光学头在可记录和可重放的盘上记录信息，并从盘上读取信息，其包括一激光源，用于在重放模式情况下发射第一激光，在记录模式情况下发射第二激光。一准直透镜准直激光源发射出的激光。一色差校正器包括具有各不相同材料性能的三棱镜，他们用于对由准直透镜准直过的激光实现整形和色散以使盘上形成的光束点的色差能被校正，其中色差是由第一和第二激光波长之间的差异而产生的。整形和色散过的激光经过物镜聚焦在盘上。

Description

可记录和重放盘用 的光学头

                        技术领域

本发明涉及一种可记录和重放盘用的光学头，特别是一种用于重放盘上信息所使用的激光波长不同于将信息记录在磁盘上所使用的激光的波长的光学头。

                        技术背景

为了提高记录媒体，例如光盘的实用性，人们已经提出多种能够随意地分别把信息记录在磁盘上和重放磁盘上信息的光学读取技术。在正在改进的可记录和重放数字视盘(DVD)RAM技术方案的情况中，光学头使用了一种具有30mW输出功率、能够发射波长大约为650nm激光的激光源。由于激光源发射的是截面大体上为椭圆型的激光，对于被发射的激光就需要进行整形。对于重放可记录和重放盘上信息的重放模式和在光盘上记录信息的记录模式，该光学头还使用各不相同的波长，以便得到用于在光盘上记录信息的足够光能。

传统的光学头，它能够对记录模式和重放模式所用的波长各不相同的激光实现光束整形。

图1中所示的光学头，激光二极管11发射截面大体上为椭圆型的激光。该激光二极管11在重放模式的情况下发射出波长大约为650nm的重放激光，而在记录模式的情况下前者发射出波长大约为652.5nm的记录激光。准直透镜12准直激光二极管11发射出的重放激光和记录激光。经过准直的激光入射到整形棱镜13上。整形棱镜13对准直透镜12射出的激光整形以使短光束直径与长光束直径大体上相同。实现整形的方向与短光束直径方向一致。在图1中，整形的方向平行于纸面的表面。经过整形棱镜13整形的激光入射至分束器14上。分束器14使整形棱镜13射出的激光传输给反射镜15。反射镜15以垂直的角度反射分束器14射出的激光。由反射镜15反射的激光通过物镜16聚焦在光盘17上。

由光盘17反射出的激光经过反射镜15再次被反射，然后入射至分束器14上。分束器14反射由反射镜15射出的激光，由分束器14反射的激光通过聚焦物镜18聚焦在光电检测器19上。

当使用具有上述光学***的图1的光学头时，光盘17上重放激光的光束点的位置与记录激光的光束点的位置不一致。例如，如果重放激光的波长与记录激光的波长相差大约为2.5nm时，记录激光的光束点就会在沿实现整形的方向从记录激光的光束点大约移动了0.2μm距离的位置上形成。光束点的位置移动是由于光学头的光学***中整形产生色差而形成的。色差是由整形和重放模式变化为记录模式时波长变化了几纳米而产生的。色差在较短的时间内发生变化以致于驱动器不能对此作出反应。因此，记录信息根据色差的大小和方向会记录在光盘不是所期望的位置上。

在常用的光学头中为了解决上述所存在的问题，激光二极管在光学头的高度方向上以一设定的角度倾斜地设置，也就是说，在垂直于盘表面的方向上。整形棱镜沿着盘的切线方向实现整形。这样在常用的光学头中，虽然波长发生变化，但盘上所形成的光束点也不会在盘的径向上移动。然而，虽然色差的问题能够通过调整激光二极管的设置得到解决，但是又产生一个难于制造紧凑的光学头的新问题。

                        发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种光学头，它在记录和重放的过程中使用各不相同波长的激光，通过色散校正色差。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种可记录和重放盘用的光学头，它包括：

一激光源，能够在重放盘上信息的重放模式的情况下发射第一激光，在向盘上记录信息的记录模式的情况下发射第二激光；一准直透镜，能够准直激光源发射出的激光；一物镜，能够使入射的激光聚焦在盘上；分别具有不同色散率的光学元件的色差校正器，用于通过光学元件使准直透镜准直过的激光整形，还使该激光产生色散以便盘上所形成的光束点的色差能够被校正，其中色差是由第一和第二激光波长之间的差而产生的，它还用于把经过光束整形和色散的激光传输给物镜。

其中色差校正器包括：

一能够对第一激光实现整形和横向色差校正的第一三棱镜，它包含由准直透镜准直过的激光入射到的第一表面，和入射到第一表面的激光再由此发射出的第二表面；一能够对第二激光实现整形和横向色差校正的第二三棱镜，它包含与第一三棱镜的第二表面相接触的第一表面，

与第一三棱镜顶点相对的第一三棱镜的第三表面和第二三棱镜的顶点相接触，由第一三棱镜的第一表面和第三表面形成的角是一个钝角。这些棱镜能够通过整形和色散校正色差。

                        附图说明

本发明的上述目的和优点通过参考附图详细地描述其结构和工作原理将会更清楚，其中：

图1表示传统可记录和重放盘用的光学头示意图；

图2表示本发明的一个实施例的可记录和重放盘用的光学头的一个光学***图；

图3A是说明图2的光学头工作在重放模式时，穿过棱镜的激光的光路示意图；

图3B是说明图2的光学头工作在记录模式时，穿过棱镜的激光的光路示意图；

图4表示本发明的另一个实施例的可记录和重放盘用的光学头的一个光学***图；

图5A是说明图4的光学头工作在重放模式时，穿过棱镜的激光的光路示意图；

图5B是说明图4的光学头工作在记录模式时，穿过棱镜的激光的光路示意图；

图6表示本发明的又一个实施例的可记录和重放盘用的光学头的一个光学***图。

                       具体实施方式

下面参考附图将描述本发明的最佳实施例。

由于下面所描述实施例中具有和图1中相同标号的部件能够与图1中的那些部件实现相同的光学功能，在此就不作详细地描述了。

根据本发明的一个实施例，一种具有图2所示的光学***的光学头包括一激光二极管21，一包含三棱镜23的色差校正器，一直角三棱镜24，一具有偏振光分束功能的光分束器25，一四分之一波片26，以及参考图1中所描述的构成部件。

激光二极管21经过线偏振，发射横截面大体上为椭圆型的激光。本发明不局限于激光的具体波长。因此，在本实施例中，假定激光二极管21在重放模式过程中发射适于读取光盘17上信息的第一激光，在记录模式的过程中发射适于在光盘17上记录信息的第二激光。

由激光二极管21发射的激光经过准直透镜12准直，然后入射至三棱镜23上。三棱镜23和直角三棱镜24对准直透镜12发射出的激光实现整形和色散。三棱镜23和直角三棱镜24设置成能够实现整形以便激光二极管21发射出的激光中的短光束直径等于长光束直径。三棱镜23和直角三棱镜24还沿与物镜16的光轴相垂直的方向设置。

三棱镜23包括一个由准直透镜12准直过的激光入射到的表面231，一入射到表面231上的激光穿过的表面233和与三棱镜23的顶点相对的表面235。直角三棱镜24设置成其长侧表面241与三棱镜23的表面233相邻接，其间***分束器25。激光穿过表面243后射向表面241，表面243与从表面243射出的激光所构成的角大体上相互垂直。三棱镜23具有一个α+45°的顶角。更具体地说，由垂直于与三棱镜23的顶点相对的表面235的法线和表面233构成的角是45°。由准直透镜12发射出的绝大多数激光通过三棱镜23的表面231能够实现整形。三棱镜23对入射的激光整形和色散。由三棱镜23整形和色散过的激光束入射到分束器25上。分束器25是由涂在任一表面233和241上的偏振光束分离涂层材料形成的，其透射由三棱镜23向直角三棱镜24传播的激光。直角三棱镜24对经分束器25入射的激光整形和色散。因此，由于第一激光和第二激光波长之间的差而产生的色差由三棱镜23和直角三棱镜24校正。在三棱镜23与直角三棱镜24中经过整形和色散而产生的色差将参考图3A和3B描述之。

图3A表示重放模式中穿过三棱镜23和直角三棱镜24的第一激光的光路图。图3B表示记录模式中穿过三棱镜23和直角三棱镜24的第二激光的光路图。在图3A和3B中，为了便于解释省略了分束器25。

参见图3A，它表示重放模式中的第一激光的光路图，顶角为α+45°的三棱镜23相对于由准直透镜12入射到三棱镜23的表面231上的第一激光具有一个折射率n₁，三棱镜23的表面231具有一个入射角θ₀和一个折射角θ₁。直角三棱镜24具有一个折射率n₂，直角三棱镜24的表面241具有一个入射角θ₂和一个折射角θ₃。根据斯涅耳折射定律，表面231满足下面的方程式(1)，而表面241满足下面的方程式(2)。

         sinθ₀＝n₁sinθ₁     …(1)

         n₁sinθ₂＝n₂sinθ₃  …(2)

三棱镜23和24具有一个满足下面方程式(3)的光束整形比(D₁/D₂)。

$\frac{D_2}{D_0}=\frac{D_1}{D_0}\frac{D_2}{D_1}=\frac{{\cos \mathrm{\θ}}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_3}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}----\left(3\right)$

这里，D₀表示入射到表面231上的激光所具有的短光束直径。D₁和D₂分别表示不同于光束直径D₀的由三棱镜23和直角三棱镜24整形的光束直径。

参见图3B，它表示激光二极管21中通过增加光输出而产生的第二激光的光路图，在第二激光从准直透镜12相对于表面231以入射角θ₀入射到三棱镜23上时，三棱镜23具有一个折射率n₁′和折射角θ₁′。此外，直角三棱镜24还具有一个折射率n₂′和表面241具有一个入射角θ₂′和折射角θ₃′。因此，在入射第二激光的情况下，表面231满足下面的方程式(4)，而表面241满足下面的方程式(5)。

            sinθ₀＝n₁′sinθ₁′         …(4)

            n₁′sinθ₂＝n₂′sinθ₃′    …(5)

因此，在三棱镜23和直角三棱镜24的色散被适当地选取时，校正色差的条件，即θ₃＝θ₃′就能满足。如果根据激光波长的变化对应于折射率的变化Δn₁′时，n₁′＝n₁+Δn₁和n₂′＝n₂+Δn₂，并且三棱镜23的顶角α+45°定义为β时，表面231和241根据平行于第三表面的方向以相互相反的方向旋转的形式而成倾斜的情况下，由波长的变化而产生的色差通过三棱镜23和直角三棱镜24而校正，它还满足下面的方程式(6)。

$\sin {\mathrm{\θ}}_1=\sin \mathrm{\β}\sqrt{{(n_1+{\mathrm{\Δn}}_1)}^2-\frac{{(n_2+{\mathrm{\Δ}}_2)}^2}{2}}-\cos \mathrm{\β}\frac{n_2+{\mathrm{\Δn}}_2}{\sqrt{2}}----\left(6\right)$

由三棱镜23和直角三棱镜24整形和色散过的激光通过四分之一波片26进行圆偏振，然后入射到反射镜15上。反射镜15反射入射的激光以使由四分之一波片26发射出的激光继续到达物镜16上。物镜16使反射镜15反射出的激光聚焦在可重放/可记录的盘17上。聚焦在光盘17上的光束点是由通过三棱镜23和直角三棱镜24校正横向色差的结果而形成的。虽然激光的波长发生变化，但是光束点能够在盘17大致相同的位置形成。

从光盘17反射回来并穿过物镜16的激光由反射镜15反射后，到达四分之一波片26上。四分之一波片26改变了由反射镜15反射的激光的偏振状态，即从圆偏振光变化为线偏振光。线偏振激光入射到直角三棱镜24上。分束器25反射从四分之一波片26发射出并经过直角三棱镜24的激光。被反射的激光通过聚焦物镜18聚焦在光电二极管19上。

根据实验结果，当对于DVD-RAM使用具有30mW输出功率的激光源，发射出波长为650nm的激光时，入射到三棱镜23表面231上的激光和平行于表面235的方向之间所形成的角为24.856°。在三棱镜23的顶角为86°的条件下，图2的光学头相对于变化了2.5nm的波长在盘17上移动光束点的距离大约为0.0025μm。

图4表示本发明另一个实施例的光学头的光学***图。图4所示的光学***具有较强的色差校正能力，它的优点是：与图2所示的光学***相比使该光学***小型化了。

根据图4所示的本发明另一个实施例的光学头，它包括一另外的三棱镜41，用它代替图2中的直角三棱镜24以校正色差；一三棱镜43和直角三棱镜44，他们由相同的材料组成具有相同的折射率。三棱镜41，43和44设置成进行整形后，对于激光二极管21发射出的第一和第二激光中的短光束直径要与长光束直径相同。三棱镜41，43和44还沿垂直于物镜16的光轴方向并行设置。棱镜41包括准直透镜12所射出的激光入射到的表面411和入射激光能够射出的表面413。三棱镜43包括与棱镜41的表面413相接触的表面431和入射到表面431上的激光射出的表面433。由表面431和433构成的三棱镜43的顶角为钝角。直角三棱镜44设置成其长侧与三棱镜43相接触，他们之中***分束器25。分束器25是由涂在三棱镜43和直角三棱镜44的任一表面233和241上的偏振光束涂层材料而形成的。三棱镜43长边侧表面的法线与表面433之间的角度为45°。

在图4的光学头中，由于除了棱镜41，43和44之外的部件与图2中的光学头的部件具有相同的光学特征和设置，在此对他们就不作详细地描述了。

棱镜41对准直透镜12射出的激光整形并色散。通过棱镜41的表面411对绝大多数入射的激光实现波束整形。棱镜41射出的激光再次由三棱镜43整形和色散。根据平行于第三表面433的方向，表面411和431以相同方向旋转而形成倾斜，例如，在与棱镜41的顶点相对的表面和表面411所形成的角为钝角的情况下，棱镜41和三棱镜43具有满足下面方程式(7)的材料特性。因此，由于激光波长的变化而产生的色差就能被校正。

${\sin \mathrm{\θ}}_1=-\sin {\mathrm{\β}}_1\sqrt{{(n_3+{\mathrm{\Δn}}_3)}^2-\frac{{(n_4+{\mathrm{\Δn}}_4)}^2}{2}}+\cos {\mathrm{\β}}_1\frac{n_4+{\mathrm{\Δn}}_4}{\sqrt{2}}----\left(7\right)$

这里，β₁为棱镜41的顶角，n₃为棱镜41对第一激光的折射率，n₃′＝(n₃+Δn₃)为棱镜41对第二激光的折射率，n₄为三棱镜43对第一激光的折射率，n₄′＝(n₄+Δn₄)为三棱镜43对第二激光的折射率。直角三棱镜44是使用与三棱镜43相同的材料制造的，具有相同的折射率。在图4的光学头工作在重放模式时，棱镜41，43和44形成图5A所示的光路图，而图4的光学头工作在记录模式时形成图5B所示的光路图。

根据实验结果，当对于DVD-RAM使用具有30mW输出功率的激光源，发射出波长为650nm的激光时，入射到与三棱镜43的顶点相对的表面上和入射到入射表面431上的激光的入射角为27.618°。在三棱镜43的顶角为98.965°的条件下，图4的光学头相对于变化了2.5nm的波长在盘17上移动光束点的距离大约为0.0025μm。

图6表示本发明又一实施例的光学头的光学***图。图6所示的光学头包括代替图4中的三棱镜43的两个棱镜45和46。直角三棱镜45的长侧表面与棱镜41相接触，直角三棱镜46与直角三棱镜44相接触，他们中间***分束器25。直角三棱镜44和46以他们的长侧表面相对的方式而形成相互接触。分束器25是由涂在相互接触的三棱镜45和46的表面上的偏振光束涂层材料而形成的，与图4的情况相同。除了结构的差异之外，图6的光学头能够实现和图4光学头一样的设置和功能。由于图6的光学头使用相同形状的直角三棱镜44，45和46，因此便于制造。

如上所述，根据本发明的光学头，它能够校正从可记录/可重放的盘上读取信息和在光盘上记录信息所使用的激光的波长发生变化的过程中而产生的色差。而且，通过实现色差的校正，它能够提供一种径向整形光束以便于制造紧凑的光学头。常规光学头使用的棱镜能够被本发明的形成光束和校正色差的棱镜所代替。因此，虽然本发明使用了光学头的常规光学***，但由于激光波长的变化而产生的色差能够被校正。

上面仅对本发明的特定实施例作了描述，很明显，在没有脱离本发明的精神和保护范围的情况下，可以对此作各种修改。

Claims (11)

1.一种可记录和可重放盘用的光学头，它包括：

一激光源，能够在重放盘上信息的重放模式的情况下发射第一激光，在向盘上记录信息的记录模式的情况下发射第二激光；

一准直透镜，能够准直激光源发射出的激光；

一物镜，能够使入射的激光聚焦在盘上；

具有不同色散率的光学元件的色差校正器，用于通过光学元件对准直透镜准直过的激光来整形和色散，以使盘上所形成的光束点的色差能够被校正，其中色差是由第一和第二激光波长之间的差而产生的，该色差校正器还用于把经过整形和色散的激光传输给物镜，

其中，上述的色差校正器包括：

一能够对入射激光进行整形和色散的第一三棱镜，它包含由准直透镜准直过的激光入射到的第一表面，和入射到第一表面的激光由此发射出的第二表面；

一能够对入射激光进行整形和色散的第二三棱镜，它包含与第一三棱镜的第二表面相接触的第一表面，

与第一三棱镜顶点相对的第一三棱镜的第三表面和第二三棱镜的顶点相接触，由第一三棱镜的第一表面和第三表面形成的角是一个钝角。

2.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：上述的激光源发射出第一和第二激光，他们的横截面为椭圆形。

3.如权利要求2所述的光学头，其特征在于：上述的第一和第二三棱镜对准直透镜射出的激光整形，使短光束直径与长光束直径相同，校正沿准直透镜射出的激光的短光束直径方向产生的横向色差。

4.如权利要求3所述的光学头，其特征在于：上述的第一和第二三棱镜设置成使经过第二三棱镜传输的激光能够在平行于与第二三棱镜顶点相对的第二三棱镜的第二表面的方向传播。

5.如权利要求4所述的光学头，其特征在于：上述的第一和第二三棱镜具有满足下面方程式的材料性能，同时第一三棱镜的第一表面和第二三棱镜的第一表面根据平行于第二三棱镜的第三表面的方向以相同的方向旋转而形成倾斜，入射到第二三棱镜的第一表面上的激光穿过第二三棱镜的第三表面，

${\sin \mathrm{\θ}}_1=-\sin \mathrm{\β}\sqrt{{(n_1+{\mathrm{\Δn}}_1)}^2-\frac{{(n_2+{\mathrm{\Δn}}_2)}^2}{2}}+\cos \mathrm{\β}\frac{n_2+{\mathrm{\Δn}}_2}{\sqrt{2}}$

这里，θ₁为入射到第一三棱镜第一表面上的激光的折射角，β为第一三棱镜的顶角，n₁为第一三棱镜对第一激光的折射率，n₂为第二三棱镜对第一激光的折射率，n₁+Δn₁为第一三棱镜对第二激光的折射率，n₂+Δn₂为第二三棱镜对第二激光的折射率。

6.如权利要求4所述的光学头，其特征在于：所述光学头包括：

一光电检测器；

一聚焦物镜，用于使入射激光聚焦在上述的光电检测器上；

一直角三棱镜型的第三三棱镜，其长侧表面与第二三棱镜的第三表面相接触；

一位于上述第三三棱镜和上述物镜之间的光路上的四分之一波片；

一偏振分束器，位于第二三棱镜的第三表面和第三三棱镜的长侧表面之间，用于传输激光源射出的激光至四分之一波片上，并反射物镜射出的激光，把被反射的激光传输给聚焦物镜；

其中，入射到第二三棱镜的第一表面上的激光穿过第二三棱镜的第三表面，与第二三棱镜的顶点相对的第二三棱镜的第二表面的法线和第二三棱镜的第三表面之间所形成的角度为45°。

7.如权利要求6所述的光学头，其特征在于：上述的偏振分束器是由涂在第二三棱镜的第三表面和第三三棱镜的长侧表面二者之一上的偏振光束分离涂层材料而形成的。

8.如权利要求6所述的光学头，其特征在于：上述的第一，第二和第三三棱镜沿垂直于物镜的光轴方向上设置，还包括一反射镜，用于传输第三三棱镜射出的激光至物镜上，并把物镜射出的激光传输给第三三棱镜。

9.如权利要求4所述的光学头，其特征在于：所述光学头包括：

一光电检测器；

一聚焦物镜，用于使入射激光聚焦在上述的光电检测器上；

一位于上述第二三棱镜和上述物镜之间的光路上的四分之一波片；

一偏振分束器，位于第二三棱镜和上述四分之一波片之间的光路上，用于传输激光源射出的激光至四分之一波片上，并反射物镜射出的激光，把被反射的激光传输给聚焦物镜；其中入射到第二三棱镜的第一表面上的激光穿过第二三棱镜的第三表面，与第二三棱镜的顶点相对的第二三棱镜的第二表面的法线和第三表面之间所形成的角度为45°。

10.如权利要求9所述的光学头，其特征在于：所述光学头还包括一个第三三棱镜，该第三三棱镜为直角三棱镜，所述第二三棱镜包括两个直角三棱镜，一个直角三棱镜的长侧表面与所述第一三棱镜的第二表面接触，另一个直角三棱镜的长侧表面与第三三棱镜的长侧表面相互面对，并在二者之间形成有偏振光束分离涂层材料。

11.如权利要求10所述的光学头，其特征在于：上述的第一，第二和第三三棱镜及上述的偏振分束器沿垂直于物镜的光轴方向设置，还包括一反射镜，用于把第三三棱镜射出的激光传输至物镜上，并把物镜射出的激光传输给第二三棱镜。

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