CN1158476A - 光学拾取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学拾取装置，通过利用一个液晶快门(LCS)和一个衍射全息图控制物镜数值孔径，该光学拾取装置可以利用一个单一的光学拾取装置在各自具有不同记录密度和厚度的光盘上读取数据和写入数据。该装置包括一个用于改变来自一个激光二极管，射向一个光盘的光束的衍射方向的衍射方向转换元件，一个用于根据衍射状态有选择地衍射通过衍射方向转换元件的光束的衍射元件，和一个用于把来自衍射元件的光束在光盘上聚焦的物镜。

Description

光学拾取装置
本发明涉及一种光学拾取装置，特别是涉及一种改善的光学拾取装置，通过利用一个液晶快门(LCS)和一个衍射全息图控制物镜数值孔径，该光学拾取装置可以利用一个单一的光学拾取装置在各自具有不同记录密度和厚度的光盘上读取数据和写入数据。
图1显示了一种现有的光学拾取装置的结构。
如图所示，在产生激光束的激光二级管1的一侧放置着一个衍射光栅2，衍射光栅2把来自激光二级管1的光束分为一个主光束和两个用于跟踪伺服的子光束。
此外，在一个准直透镜3的一侧放置着一个用于使来自准直透镜3的平行光在光盘D上聚焦的物镜4。
分光棱镜5放置在衍射光栅2和准直透镜4之间，用于以预定的比率透射和反射根据写在光盘D上的信息反射的光束和来自衍射光栅2的入射光束。
在分光棱镜5的下方放置着一个传感器透镜6，用于汇聚分光棱镜5反射的光束，和一个光检测器7用于检测从传感器透镜6通过的数据信号。
利用上述的结构，来自激光二级管1的光束透过衍射光栅2和分光棱镜5，并由准直透镜3转变为平行光，然后利用物镜4使光束聚焦。此后，根据记录在光盘D表面上数据反射或衍射该光束。
此后，从光盘D的表面反射的光束通过物镜4和准直透镜3，并被分光棱镜5反射和通过传感器透镜6由光检测器7检测。
但是，在现有的光学拾取装置中，当使用象数字视频光盘(DVD)这样的高密度光盘时，与现有的CD型光盘相比记录密度增加了6-8倍。因此，为了重现其中记录的数据，物镜4的数值孔径必须大约为0.6。
此外，现有的光学拾取装置具有以下的，在重现记录在象具有0.6mm厚度的DVD这样的高密度光盘和象具有1.2mm厚度的CD光盘上的数据时产生的问题。
即，当利用具有数值孔径NA为0.6的物镜4--该物镜的设计使得光束可以在一个具有0.6mm的厚度的光盘D的表面上聚焦--使光束在一个厚度为0.6mm的光盘D的表面上聚焦时，图2中所示的实线指出了光束强度分布状态。
当用物镜4使光束在一个厚度为1.2mm的光盘D上聚焦时，在光束强度的分布状态中，与具有0.6mm厚度的DVD相比，主瓣的光束强度比大大地降低了，而旁瓣的光束强度则相对地增加，因此记录在相邻轨迹上的信号的串音增多了。
例如，当利用具有0.6的数值孔径的物镜4读取记录在厚度为1.2mm和轨迹间距为1.6μm的光盘(现有的CD型)上的数据时，串音将降低-20dB以上。
当利用具有数值孔径(NA)为0.6的物镜4以便使光束在具有0.6mm厚度的光盘D的表面上聚焦时，有关光盘的球面象差比重现厚度为1.2mm的光盘大大地增加了。
因此，利用现有的光学拾取装置不可能稳定地重现记录在厚度为1.2mm的光盘(CD)和厚度为0.6mm的DVD上的数据。
因而，本发明的目的是提供一种克服了现有技术中遇到的问题的光学拾取装置。
本发明的另一个目的是提供一种光学拾取装置，通过利用一个液晶快门(LCS)和一个衍射全息图控制物镜数值孔径，该光学拾取装置可以利用一个单一的光学拾取装置在各自具有不同记录密度和厚度的光盘上读取数据和写入数据。
为达到上述目的，提供了一种光学拾取装置，其包括一个用于改变来自一个激光二级管，射向一个光盘的光束的方向的衍射方向转换元件；一个用于根据衍射状态有选择地衍射从衍射方向转换元件通过的光束的衍射元件；和一个用于将来自衍射元件的光束在光盘上聚焦的物镜。
通过以下的说明，本发明的其它优点，目的和特征将更为清楚。
从以下的详细说明中可以更为充分地理解本发明，而且附图是以说明的方式给出的，因此它们并不限制本发明，其中：
图1显示了一种现有的光学拾取装置的结构；
图2是现有技术的具有不同厚度的各个光盘的光束强度的分布图；
图3是显示根据本发明的第一实施例的一个光学拾取装置的透视图；
图4是根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的全部结构的显示图；
图5A是显示用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的液晶快门(LCS)的结构的分解图；
图5B是显示用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的另一种LCS的结构的分解图；
图6显示了向根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的LCS提供电压的一个例子；
图7A显示了在没有给用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的液晶层的液晶提供电压的状态下，在一个TN液晶中的衍射方向的改变；
图7B显示了在给用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的液晶层的液晶提供电压的状态下，在一个TN液晶中的衍射方向的改变；
图8A显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的圆形衍射全息图的前视图；
图8B显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的正方形衍射全息图的前视图；
图9A显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的在标准白(NW)模式中的提供了电压的LCS的一个电极：
图9B显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的在标准黑(NB)模式中的提供了电压的LCS的一个电极；
图10是显示用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的根据一个衍射全息图的光栅形状的衍射效率的表；
图11是用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的一个衍射全息图的衍射状态的衍射效率的曲线图；
图12A显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的没有向一个LCS的透明电极提供电压的状态的示意图，以便解释数值孔径变化的原理；
图12B显示了用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的向一个LCS的透明电极提供了电压的状态的示意图，以便解释数值孔径变化的原理；
图13显示了由于根据本发明的第一实施例的光学传感器装置的一种衍射全息图而使衍射光束向前远离物镜的状态；
图14A显示了由于一个其中液晶片的透明电极是环形的衍射全息图而使衍射光束相对于物镜侧向射出的状态；
图14B显示了由于一个其中液晶片的透明电极是环形的衍射全息图而使衍射光束从物镜向后返回的状态；
图15A显示了由于一个其中液晶片的透明电极是圆形或正方形的衍射全息图而使衍射光束向物镜侧面射出的状态；
图15B显示了由于一个其中液晶片的透明电极是圆形的或正方形的衍射全息图而使衍射光束从物镜向后返回的状态；
图16A显示了根据本发明的第一实施例当用一个指数调制代替光学拾取装置的衍射全息图时的一个光栅；
图16B是用于说明根据图16A的光栅位置的衍射效率的曲线图；
图17显示了根据本发明的第二实施例的一个光学拾取装置的一种结构；
图18显示了根据本发明的第二实施例的图17一个光学拾取装置的另一种结构；
图19显示了根据本发明的第三实施例的一个光学拾取装置的一种结构；
图20显示了根据本发明的第三实施例的图19的一个光学拾取装置的另一种结构；
图21显示了根据本发明的第四实施例的一个光学拾取装置的一种结构；
图22A显示了一个衍射全息图，其中形成了一个用于根据本发明的第四实施例的光学拾取装置的环形阻挡膜；
图22B显示了一个衍射全息图，其中形成了多个用于根据本发明的第四实施例的光学拾取装置的环形阻挡膜；
图23显示了根据本发明的第四实施例的一个光学拾取装置的另一种结构。
图3是显示根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的透视图，图4显示了根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的完整结构。
如图中所示，在激光二级管11的一侧放置了一个分光器12，用于使来自激光二级管11的光束中的一种特定波长的光束通过，和反射一种特定波长的光束。
在分光器12的一侧安置着一个用于将分光器12反射的光束转变为平行光束的准直透镜13，准直透镜13垂直于激光二级管11。
在准直透镜13的一侧有一个直角三棱镜14，用于向预定的方向反射来自准直透镜13的平行光束。
在直角三棱镜14的上方有一个液晶快门(LCS)(此后称为“液晶片”)，用于将直角三棱镜14反射的平行光束的S-波转变为P-波，和把P-波转变为S-波。
在液晶片15的上方有一个衍射全息图16，用于根据衍射状态有选择地衍射来自液晶片15的光束。物镜17和光盘D(在本例中D12代表CD光盘，D6代表DVD光盘)依次放置在衍射全息图16的上方，因此，物镜17可以使来自衍射全息图16的光束在光盘D上聚焦。
此外，在分光器12的一侧还安置着一个光检测器18，用于把对应于光盘D反射的光束的光学信号转变为电信号，从而输出视频或音频信号。
以下对根据本发明的液晶片15的结构进行详细的说明。
如图5至7中所示，依照要控制的光束的大小和形状在透明片21和22上形成透明的电极图样23A和24。
在这里透明电极23A是环形的，因此液晶层25最好制成环形的。此外，如图8A所示，衍射全息图是圆形的，并且具有干涉图样。
但是衍射全息图16并不限于圆形。最好其形状可以是正方形的，如图8B中所示。此外，液晶层的透明电极的形状可以是圆形的。
衍射全息图16使用KB7这类的玻璃作为介质，LiNbO3作为非线性介质，和一种液晶。
透明电极23A，23B和24形成在透明基底21和22上，并且相互间隔，如图6中所示。
以下说明它们之间的距离“d”的计算方法，其中对于波长λ的寻常光束的衍射率是No，异常光束的衍射率是Ne。即，可以用下式表示m-级最小条件。
d＝√(2m)2-1λ2δn    --------  (1)
式中λ代表波长，δn代表两种衍射率之间的差。
如果确定了距离“d”，那么在对应于计算出的距离“d”的区域中形成的液晶层25上提供液晶。
图7B显示了当向液晶片15的透明电极23A，23B和24提供了电压时，在YN液晶中衍射方向没有改变。
此外，如图9A所示，TN液晶层25包括施加了电压的25a和25c两个部分，部分25a和25c是由形成的透明电极23A的环形图样限定的，其中部分25a被施加了电压。
当施加了电压的时候，施加了电压的液晶层的衍射方向保持不变，使得入射光束(S-波)通过液晶层；但是，在没有施加电压的液晶层中，衍射方向改变了90°，使得入射波(S-波)转变为P-波，并通过液晶层。
也就是说，在液晶层25上形成环形透明电极23A的图样之后，在液晶层25中提供液晶。此后，对透明电极23A和24施加电压。入射到未施加电压的液晶层25a的S-波被转变为P-波，通过施加了电压的液晶的S-波保持不变。
详细地讲，把通过液晶的光束入射到作为衍射元件的衍射全息图，由于衍射全息图对于S-波的旋转效率是0(零)，因此衍射全息图允许S-波通过，并随后将相应于DVD的光束送到物镜，和在光盘上聚焦。此外，衍射全息图衍射P-波，因此阻挡了P-波射向光盘。
另外，如图10和11所示，适用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的衍射全息图16可以根据光栅的形状和深度以及衍射状态控制衍射效率。
例如，当形成的光栅具有d0的深度，如图11中间虚线处所示，S-波没有衍射效率，因此光栅对其不起作用。对于P-波来讲，由于衍射效率很高，所以在P-波中产生了许多的衍射。因此，P-波不被入射到物镜，从而减小了物镜的数值孔径NA。
图10是基于用于根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的衍射全息图的光栅形状的衍射效率的表。
其中显示了基于各种光栅的形状的第一级的最大传输效率(ηmax)。在本例中，S-波的入射角度满足Bragg条件(θ＝30°)，其中d代表光栅的深度，Λ代表光栅的周期，λ为780nm。
因此，根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的基本目的是要在各自具有不同的记录密度和不同的厚度的不同光盘D12和D6上记录和重现数据，这个目的是通过利用液晶片15和用于改变光束的衍射状态的衍射全息图16适当地改变物镜17的数值孔径NA而完成的。
此外，被准直透镜13转变为平行光束的光束凭借物镜17在光盘D的表面上聚焦，因而获得了适当的光束尺寸。这个光束尺寸是根据入射到物镜17的光束的尺寸而改变的。
因此，通过适当地改变数值孔径NA可以在各自具有不同的记录密度和不同的厚度的不同光盘D12和D6上记录和重现数据。
更具体地讲，如图12A所示，如果入射到液晶片15的光束是P-波，当没有对液晶片15施加电压时，P-波通过液晶片15。在P-波光束通过的过程中，P-波光束的衍射方向改变了90°，转变为S-波。此外，由于衍射全息图16对于S-波的衍射效率为0(零)，因此衍射全息图16允许S-波光束通过，并凭借物镜17在DVD光盘上形成聚焦点。
与此相反，如图12B所示，当对液晶片15施加了电压时，如上所述，入射到液晶片15的P-波从液晶片15通过。由于衍射全息图16对P-波具有高的衍射效率，因此光束向外衍射远离物镜17，从而缩小了数值孔径NA，并利用物镜17在CD的光盘D12上形成聚焦点。
光束被汇聚在DVD的光盘D6或CD的光盘D12的聚焦点上。此外，简单反射的0-级光束和被衍射并反射的±1-级光束以相反的方向前进，通过分光器12，入射到光检测器18上，检测信号。
如图12B中所示，光束可以由衍射全息图16的光栅部分衍射，和可以向外远离物镜17。在这里控制光束不要影响光检测器18十分重要。有几种控制光束远离物镜17的方法。
1)使衍射光束向外远离衍射全息图16的方法。
2)使衍射光束相对于衍射全息图16向侧面衍射的方法。
3)使衍射光束相对于衍射全息图16向后衍射的方法。
更详细地讲，如图13中所示，如果入射到衍射全息图16并通过其衍射的光束的衍射角(θd)小于全反射角θc，即当θd＜θc时，如图12B中所示，衍射光束在衍射全息图16的前方向侧面射出。
另外，如果衍射角θd大于全反射角θc，即如果θd＞θc时，如图14A所示，S-波全部通过，而P-波则被衍射不能通过。也就是说，P-波在衍射全息图16中反射多次，并以“a”的方向向侧面射出。
此外，如图14B所示，如果在满足θd＞θc条件的状态下，使光栅的尺寸横向延长一个预定的大于通过衍射元件的光束的尺寸的宽度“d”，S-波全部通过，而P-波则被衍射不能通过，并从衍射全息图16向后射出。
如图12B所示，如果光栅是在衍射全息图16的前表面上形成的，衍射光束在衍射全息图16的前面向外射出。也就是说，光束不可能相对于物镜17向侧面和后面射出。
此外，如图14A和14B所示，如果光栅是在衍射全息图16的另一侧形成的，衍射光束可以相对于物镜17向侧面和向后面射出。但是，衍射光束不能在物镜17的前面向外射出。
另外，实验的结果表明，如果衍射角θd大于0.5°，可以使衍射光束远离物镜17，而不影响光检测器18。
如上所述，根据本发明的第一实施例的光学拾取装置的目的是要形成一个液晶片15的环形透明电极23A，以便使液晶层25弯曲成环形，和提供一个圆形或正方形的衍射全息图16。
其次，在根据本发明的另一个实施例的光学拾取装置中，提供了一个圆形或正方形的透明电极23A，以便形成一个圆形或正方形的液晶层25，和一个环形的衍射全息图16，因此可以形成一个环形的衍射全息图16，使得可以通过适当地改变物镜17的数值孔径NA在各自具有不同的记录密度和不同的厚度的不同的光盘D12和D6上记录和重现数据。
图15A显示了由于其中液晶片的透明电极是圆形或正方形的衍射全息图，而使衍射光束向物镜侧面射出的状态，图15B显示了由于其中液晶片的透明电极是圆形或正方形的衍射全息图，而使衍射光束从物镜向后方射出的状态。
如图中所示，直线代表S-波，阴影线部分代表衍射的P-波，间断线代表部分衍射的P-波。
在本发明的另一个实施例中，可以用一种具有指数调制的，其衍射效率在***中是可以改变的光栅16A代替衍射全息图16。
现在参考附图对根据本发明的第二实施例的光学拾取装置进行说明。
如图17所示，除了没有衍射全息图以外，根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的结构与本发明的第一实施例十分相似。即，衍射全息图217′a与物镜217′形成一个整体，以便简化***的结构。
更详细地讲，衍射全息图217′a整体地形成在物镜217′一侧表面上，并把来自液晶片215的光束聚焦在光盘D的凹陷处。
此外，根据本发明的第二实施例的光学拾取装置的基本目的是要形成一个液晶片215的环形透明电极，以便形成一个环形的液晶层。因此而形成一个物镜217′的圆形或正方形的衍射全息图217′a。在如图18中所示的，与本发明的第二实施例不同的另一个本发明的实施例中，形成了一个液晶片225的圆形或正方形的透明电极，以便形成一个圆形或正方形的液晶层，因此可以形成一个物镜227′的环形衍射全息图227′a。
与本发明的第一实施例相同，通过根据液晶片215和225以及物镜217′和227′的衍射全息图217′a和227′a适当地改变物镜217′和227′的数值孔径NA，可以在具有不同的记录密度和厚度的不同的光盘D12和D6上记录和重现数据。
在附图中，参考号211代表激光二级管，212代表分光器，213代表准直透镜，214代表直角三棱镜，218代表光检测器。
接下来参考附图说明根据本发明的第三实施例的光学拾取装置。
首先，如图19所示，在本实施例中没有使用衍射全息图。也就是说，衍射全息图315′a直接地和整体地形成于一个液晶片315′内，以简化***的结构。
这就是说，衍射全息图315′a整体地形成在液晶片315′的一侧，用于把直角三棱镜314反射的S-波平行光束转变为P-波光束，和把直角三棱镜314反射的P-波光束转变为S-波光束。
如图19所示，在本发明的这个实施例中，形成了一个液晶片315′的环形透明电极，以便形成一个环形的液晶层。此外，在液晶片315′的透明基底中形成一个圆形或正方形的衍射全息图315′a。如图20中所示，在本发明的另一个实施例中，可以形成液晶片325′的一个圆形或正方形的透明电极，并且可以在液晶片325′的透明基底中形成一个环形的衍射全息图325′a。
与本发明的第一实施例相同，通过根据液晶片315′和325′以及物镜217′和227′的衍射全息图315′a和325′a适当地改变物镜317的数值孔径NA，可以在具有不同的记录密度和厚度的不同的光盘D12和D6上记录和重现数据。
在附图中，参考号311代表激光二级管，312代表分光器，313代表准直透镜，318代表光检测器。
根据本发明的第四实施例的光学拾取装置的基本目的是要象图22A和22B中所示的那样在衍射全息图416′上形成多于至少一个环形阻挡膜416′a，衍射全息图416′上可能如图21所示的那样产生球面象差。
如图23中所示，在本发明的另一个实施例中，可以在物镜427″的一部分中形成多于至少一个环形阻挡膜427″a，在物镜427″中可能产生球面象差。
在根据本发明的第四实施例的光学拾取装置中，通过根据形成于衍射全息图416′和427″中的环形阻挡膜416′a和427″a以及形成于物镜417和427″中的多于至少一个阻挡膜427″a适当地控制光束的尺寸，以阻止相应于球面象差的光束前进，可以在具有不同的记录密度和厚度的不同的光盘D12和D6上记录和重现数据。
在附图中，参考号411代表激光二级管，412代表分光器，413代表准直透镜，414代表直角三棱镜，415代表液晶快门，418代表光检测器。
如上所述，根据本发明的光学拾取装置的基本目的是要利用一个液晶快门和一个衍射全息图作为控制物镜的数值孔径的数值孔径控制元件，而凭借一个光学读出传感装置在各自具有不同的记录密度利不同的厚度的不同光盘上记录和读出数据。
尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，熟悉本领域的技术入员将理解，可以对公开的实施例进行各种修改，增加和替换，而不脱离权利要求中所述的本发明的范围和精神。

Claims (18)

1.一种光学拾取装置，包括：
一个用于改变来自一个激光二级管并射向一个光盘的光束的衍射方向的衍射方向转换元件；
一个用于根据衍射状态有选择地衍射通过衍射方向转换元件的光束的衍射元件；和
一个用于把来自衍射元件的光束在光盘上聚焦的物镜。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述的衍射元件整体地形成在物镜的一侧。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述的衍射元件整体地形成在衍射方向转换元件的一侧。
4.如权利要求2所述的装置，其中在物镜的一部分中形成多于至少一个环形阻挡膜，以减小球面象差。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述的衍射方向转换元件包括：
一对透明的基底；
分别形成在透明基底上的透明电极；和
一个具有提供在形成有透明电极的基底上的液晶层的液晶片，其中衍射元件是一个衍射全息图。
6.如权利要求2所述的装置，其中所述的衍射方向转换元件包括：
一对透明基底；
分别形成在透明基底上的透明电极；和
一个具有提供在形成有透明电极的透明基底上的液晶层的液晶片，其中衍射元件是一个形成在物镜的一部分中的衍射全息图。
7.如权利要求3所述的装置，其中所述的衍射方向转换元件包括：
一对透明基底；
分别形成在透明基底上的透明电极；和
一个具有提供在形成有透明电极的透明基底上的液晶层的液晶片，其中衍射元件是一个形成在透明基底上液晶层的一侧的衍射全息图。
8.如权利要求5所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为环形，以便形成一个环形的液晶片，使得衍射全息图的衍射图样形成为正方形或圆形。
9.如权利要求5所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为正方形或圆形，并且衍射全息图的衍射图样形成为环形。
10.如权利要求6所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为环形，以便形成环形的液晶层，并且把衍射全息图的衍射图样形成为正方形或圆形。
11.如权利要求6所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为正方形或圆形，以便形成一个正方形或圆形的液晶层，并且把衍射全息图的衍射图样形成为环形。
12.如权利要求7所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为环形，以便形成环形的液晶层，并且把衍射全息图的衍射图样形成为正方形或圆形。
13.如权利要求7所述的装置，其中液晶片的所述透明电极形成为正方形或圆形，以便形成一个正方形或圆形的液晶层，并且把衍射全息图的衍射图样形成为环形。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述的衍射元件是一个具有一种可变指数调制的光栅。
15.如权利要求1所述的装置，其中入射到衍射元件并且被衍射的光束的衍射角度θd小于全反射条件的角度θc。
16.如权利要求1所述的装置，其中入射到衍射元件并且被衍射的光束的衍射角度θd大于全反射条件的角度θc。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述的衍射元件包括一个具有大于从衍射元件向外以预定的宽度通过衍射元件的光束尺寸的尺寸的衍射图样。
18.如权利要求1所述的装置，其中衍射的所述衍射角度大于0.5。
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