CN1875411A - 多光束光学扫描设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从信息载体上读出或在信息载体上写入的光学扫描设备。所述光学扫描设备包括用于生成辐射光束的辐射源，用于将辐射光束分成多个辐射子光束的装置，用于将多个光点聚焦到所述信息载体上的聚焦装置，该信息载体用于将所述多个辐射子光束反射到检测支路，以及用于检测聚焦误差信号的聚焦误差检测装置。所述聚焦误差检测装置在所述检测支路上包括用于将反射辐射子光束聚焦到焦平面上的伺服透镜，用于将反射辐射子光束在焦平面处分离的空间滤光器，以及用于根据分离的辐射子光束检测聚焦误差信号的***检测器。该聚焦误差检测装置还包括用于确定是否能够将聚焦误差信号用于校正聚焦装置的位置的确定子装置。

Description

多光束光学扫描设备

技术领域

本发明涉及一种用于在信息载体上写入和/或从信息载体读出的多光束光学扫描设备。

本发明还涉及一种利用上述光学扫描设备在信息载体上写入和/或从信息载体读出的方法。

本发明尤其涉及在光盘上的多维数据存储。

背景技术

光盘由透明衬底制成，其中将串行位流形式的数据编码为该盘内的反射表面中的许多标记。这些标记沿着螺旋轨道设置。光学扫描设备从光盘读取数据，该光学扫描设备包括由聚焦装置聚焦到该盘上的轨道上的激光束，以及用于检测从该盘表面反射的光的检测装置。通过旋转该光盘，利用转入和转出(rotating in and out)激光照明场的坑的图案来调制从该盘表面反射的光。光学扫描设备检测经调制的反射激光，并且生成电信号，解码该电信号以恢复存储到光盘上的数字数据。该光学扫描设备包括拾取组件，可以定位并聚焦该拾取组件，从而读取任意盘轨道上的数据或者将数据写入任意盘轨道，而不管该盘是否存在翘曲或偏心。

为此，该光学扫描设备通常包括伺服机构，其包括聚焦误差检测装置，其测量由从光盘反射到检测器上的照明光束形成的光点的某些参数，还包括用于移动聚焦装置以便保持光盘焦点对准的致动器。该聚焦误差检测装置利用诸如像散或傅科(Foucault)方法之类的几种常规方法。

目前正在研发多光束光学扫描设备，其可以对常规的盘进行数据再现，其还允许读取具有多个同心螺旋或圆形轨道的光盘。这种多光束光学扫描设备造成聚焦误差检测和校正的困难，这是因为多个光束彼此非常接近，这就对检测器的尺寸施加了许多限制。如果检测器过大，则许多光点照射到检测器中。大直径的光点也会造成相邻光束之间的串扰。此外，当焦点未对准时，光点可能延伸到检测器上，或者相互重叠，从而难以获得精确的聚焦误差信号。

美国专利6229771公开了用于多光束光学扫描设备中的聚焦误差检测装置。所公开的聚焦误差检测装置实现了像散方法，其包括生成用于确定聚焦误差的一组独立光束的光学元件，其为全息元件或者衍射光栅。将这些光束引导到多元件聚焦检测器上，该检测器配置为解决光点之间的重叠。该聚焦检测器结合像散轴的旋转和利用光学元件在检测器上隔开光点的设计，允许生成聚焦误差信号，该信号补偿超过检测器尺寸的光点尺寸以及光点之间的重叠。

这种解决方案的缺点在于其没有避免在检测器上形成重叠的光点。而且，其不适用于具有实现傅科方法的聚焦误差检测装置的光学扫描设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在利用实现傅科方法的聚焦误差检测装置进行处理时避免多个光点的干扰和重叠的解决方案。

上述目的是由一种光学扫描设备实现的，其包括：

-用于生成辐射光束的辐射源，

-用于将辐射光束分成多个辐射子光束的装置，

-用于将多个辐射子光束聚焦到信息载体上的聚焦装置，该信息载体用于将所述多个辐射子光束反射到检测支路，

-聚焦误差检测装置，其在所述检测支路上包括用于将所述多个反射辐射子光束聚焦到焦平面上的伺服透镜，用于将反射辐射子光束与焦平面处的所述多个反射辐射子光束分离的空间滤光器，以及用于根据所述分离反射辐射子光束检测聚焦误差信号的检测器。

在焦平面处，期望该多个反射辐射子光束聚焦或接近聚焦。根据本发明的空间滤光器用于遮挡除一个辐射子光束之外的所有辐射子光束。因此，检测器仅检测一个辐射光点，这样能够测量精确的聚焦误差信号。因此，利用本发明能获得有价值的S曲线，根据该曲线得到了给出散焦量的误差信号。

有利的是，该光学扫描设备包括用于根据所述检测聚焦误差信号确定聚焦误差校正类型的确定装置。

当辐射光点接近聚焦时，该空间滤光器有效地屏蔽除一个辐射子光束之外的所有辐射子光束。然而，当反射辐射子光束距离聚焦过远时，一些反射辐射子光束会在空间滤光器平面处干涉，部分通过空间滤光器并且在检测器处形成重叠的辐射光点。在这种情况下，该检测器检测一些重叠的辐射光点。因此，所获得的聚焦误差信号包括来自一些辐射光点的成分，并且不能产生有价值的S曲线。

根据本发明的确定装置确定了拍摄范围，在该范围内检测的聚焦误差信号有影响有价值的S曲线。当检测的聚焦误差信号位于该拍摄范围内时，根据该S曲线计算位置误差，并且该位置误差用于校正聚焦装置的位置。获得了闭环校正。相反，当检测的聚焦误差信号超出该拍摄范围时，根据该S曲线未算得位置误差，预定位移单元改变聚焦装置位置。直到检测的聚焦误差信号进入该拍摄范围，才获得开环校正。

本发明的优点是使校正的类型适于散焦量。

在本发明的第一实施例中，该空间滤光器包括狭缝。在一维中遮挡光的狭缝恰好适于一维光点阵列。狭缝的优点在于沿着一条轴的对准不是关键的。

在本发明的第二实施例中，该空间滤光器包括孔。在两维中遮挡光的孔恰好适于使用二维读出光点阵列。

参照下文中描述的实施例描述本发明的这些和其它方面，使它们显而易见。

附图说明

现在参照附图，通过举例的方式更详细地描述本发明，其中：

图1a是包括多个同心螺旋数据轨道的光盘的示意图；

图1b是2D轨道上的数据布置的示意图；

图2是表示用于多光束读取的光学扫描设备中的光路的示意图；

图3a、3b和3c表示了傅科刀口方法(knife edge Foucault method)的原理；

图4a表示了由聚焦误差信号获得的S曲线；

图4b和4c表示了具有两个可能的焦平面位置的情况下，根据本发明的检测支路中的光路；

图5是表示根据本发明的光学扫描设备中光路的示意图；

图6a和6b表示了根据本发明实施例的检测器的示意图；

图7a和7b表示了利用和未利用本发明获得的S曲线。

具体实施方式

以下，将描述用于允许进行二维数据存储的光盘的本发明。然而，应当注意，本发明更普遍地涉及利用紧密间隔、但不同的聚焦光束的应用，为此必须获得聚焦误差信号。这样能够对光学存储信息载体进行多光束存取，该载体例如常规格式，如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)、蓝光盘(BD)、二维或多维格式。本发明还能够涉及除数据存储之外的表面构图应用，例如在表面上进行光学写入、表面清洁、光学镊子概念。

图1a是包括多个同心螺旋轨道的光盘的示意图，这些轨道构成了宽螺旋轨道BS。如图1b所示，该宽螺旋轨道BS具有2D存储容量，其中具有多个连续的线性数据轨道。光学扫描设备读取该宽螺旋轨道，该设备将辐射光束分成与宽螺旋BS中的线性数据轨道一样多的子光束。

图2示意描述了用于读取图1a的光盘的光学扫描设备。该光学扫描设备包括：用于生成辐射光束RB的辐射源1；用于将辐射光束RB分成多个辐射子光束RSB₁到RSB_N的光栅2，其中N是整数；用于将辐射子光束RSB₁到RSB_N沿光路聚焦到光盘OD上的聚焦装置。该聚焦装置尤其包括准直透镜3和物镜4。辐射子光束RSB₁到RSB_N被光盘OD反射，并且分束器5将其方向变为朝聚焦检测支路。所述聚焦检测支路包括聚焦误差检测装置，其实现了检测聚焦误差信号的傅科方法。该聚焦误差检测装置包括用于将反射辐射子光束聚焦到焦平面FP上的伺服透镜6、用于将反射辐射子光束分成两半的***装置7，以及用于检测由反射辐射子光束的两半形成的光点的***检测器8。该***检测器根据检测光点计算聚焦误差信号FES，并且按照物镜4的位移的函数绘制聚焦误差信号的S曲线。该光学扫描设备还包括校正装置9，其包括用于驱动致动器10的伺服电子设备，所述致动器驱动物镜4，从而校正聚焦误差。该聚焦误差检测装置和校正装置通常形成封闭伺服回路，其中改变物镜4的位置，以便使聚焦误差信号的值尽可能地接近零。

该光学扫描设备还包括用于再现在光盘OD上读取的数据的高频检测支路。分束器30将反射子光束RSB₁到RSB_N的方向改变到高频检测支路上，并且第二伺服透镜31将其聚焦到高频检测器32上，其中它们构成了读出光点。该高频检测器独立地测量读出光点。

应当注意，该检测支路通常利用类似于***装置7的光栅或者全息元件与聚焦检测支路集成。

图3a到3c表示了傅科方法的原理。该***装置7例如为刀口，但它们可以是楔形物、***光栅或者***全息图。该傅科方法基于以下原理，即焦点的纵向移动产生辐射光束质心在***检测器8处的位移。伺服透镜6将辐射光束的焦点成像到***装置7处。当该盘未聚焦时，辐射源的辐射光束传播的距离更长，光束的焦点位于***装置7之前或之后。图3a表示了焦点对准的辐射光束，图3b表示了在焦平面之后聚焦的辐射光束，图3c表示了在焦平面之前聚焦的辐射光束。

如图3a所示，当辐射光束聚焦时，在***检测器8的检测区域D₁和D₂上形成光点的对称两半。如图1b和1c所示，当辐射光束散焦时，光点的两半不再对称。

图4a表示了由***检测器上形成的光点获得的S曲线。测量在***检测器的检测区域D₁和D₂上接收的信号S₁和S₂。它们按照以下方式对聚焦误差信号FES起作用：

$\mathrm{FES}=\frac{S1-S2}{S1+S2}$

使用所获得的聚焦误差信号来绘制作为物镜3的位移z的函数的S曲线。

S曲线的零点对应于焦点对准位置。

图4b和4c表示了根据本发明的聚焦误差检测装置。所述聚焦误差检测装置包括空间滤光器20，其置于焦平面FP处，以便过滤辐射子光束，并且仅允许一束辐射子光束通过。

有利的是，该空间滤光器的直径等于光点在伺服透镜焦点处的间隔。这样，该空间滤光器恰好足够大，使得一个光点透射，并且恰好足够小，以遮挡其它光点，从而具有最大的S曲线长度。

可以按照两种方式实现傅科方法：伺服透镜6能够将反射辐射子光束聚焦到如图4b所示的***装置上，或者聚焦到如图4c所示的***检测器上。在第一种情况下，根据本发明的空间滤光器20恰好置于***装置之前。在这种情况下，应当注意，通过利用透光材料制造对应于空间滤光器透光区域的楔形物的部分并将该部分嵌入非透光固定器中，能够实现该空间滤光器。这种可选方案的优点是排除了空间滤光器相对于楔形物的位移的任何问题。

在第二种情况下，根据本发明的空间滤光器21恰好置于***检测器之前。还能够通过相应限制检测元件的尺寸，将该空间滤光器功能集成到检测器中。

有利的是，该空间滤光器20的直径等于辐射子光束在伺服透镜焦点处的间隔。对于图1a和1b所示的光盘而言，辐射子光束的间隔等于2.8λ/NA，其中λ表示波长，NA表示辐射子光束的数值孔径。

这样，该空间滤光器恰好足够大，从而透射一个辐射子光束，并且恰好足够小，从而遮挡其它辐射子光束。因此，在***检测器8处仅形成了一个光点，这样可以计算精确的聚焦误差信号，并且绘制具有最大S曲线长度的S曲线。应当注意，该S曲线长度对应于物镜4的一定范围的位置，因此读出的光点是焦点未对准的，但仍然产生了校正位置误差信号。

在本发明的第一实施例中，该空间滤光器包括狭缝。在一维上遮挡光的狭缝恰好适于一维光点阵列。狭缝的优点在于其在一维上的对准是非关键的。

在本发明的第二实施例中，该空间滤光器包括孔。在两维上遮挡光的孔恰好适于二维光点阵列。

有利的是，如图5所示，根据本发明的聚焦误差检测装置还包括用于根据所述检测聚焦误差信号确定聚焦误差校正类型的确定装置11。实际上，当辐射子光束接近聚焦时，该空间滤光器有效地屏蔽除一个反射辐射子光束之外的所有反射辐射子光束。因此，该S曲线是可靠的，并且能够有效地用于驱动透镜致动器10。然而，当辐射子光束距离聚焦过远时，一些辐射子光束会在空间滤光器平面干涉，部分通过空间滤光器并且在***检测器8处形成重叠辐射光点。在这种情况下，该***检测器8检测一些重叠辐射光点。因此，所获得的聚焦误差信号包括来自一些辐射光点的成分，并且不能产生有价值的S曲线。为了防止封闭伺服回路错误地校正物镜位置，根据本发明的确定装置确定聚焦误差信号FES何时能够有效地用于校正物镜位置。为此，该确定装置11有利地按照以下方式分别根据在检测区域D₁和D₂上测得的信号S₁和S₂计算中央孔径(CA)信号：CA＝S₁+S₂。然后，如果该CA信号包含在拍摄范围内，则该确定装置确定使用聚焦误差信号FES来校正物镜位置。

有利的是，该确定装置11确定如果CA信号大于第一预定阈值，则能够有效地利用该聚焦误差信号FES。实际上，强烈散焦的辐射子光束在两半***检测器上形成重叠光点，这比辐射子光束接近焦点时产生小得多的CA信号。

应当注意，该阈值取决于用途。

当CA信号小于第一预定阈值时，该确定装置11确定根据S曲线不能有效地校正物镜位置，并且获得了开环校正：例如，该致动器10将物镜3移动了预定的步长。聚焦误差检测装置对CA信号进行新的测量。如果CA信号增大，则意味着已经在正确的方向上施加了位移。重复该操作，直到确定装置能够确定了再次激励封闭伺服回路为止，即在CA信号在拍摄范围内时。

在图6a和6b所示的本发明可选方案中，该***检测器8包括两个附加的检测半区D₃和D₄，从而与两个检测半区D₁和D₂形成了用于检测延伸到检测区域D₁和D₂之上的光点强度的延伸检测区域EDA。图6a表示了包含在该检测器的两个半区D₁和D₂内的光点。相反，图6b表示了直径大于两个半区D₁和D₂并且覆盖了两个附加半区D₃和D₄的光点。利用本发明的所述可选方案，在两个半区D₁和D₂中对第一CA信号进行第一测量，在附加半区D₃和D₄中对第二CA信号进行第二测量。根据第一测量获得聚焦误差信号。按照以下方式，根据在两个半区D₁和D₂上测得的信号与在两个附加半区D₃和D₄上测得的信号之比计算标准化CA信号CA_N：

${\mathrm{CA}}_N=\frac{S_1+S_2}{S_3+S_4}$

如果所述标准化CA信号CA_N大于第二预定阈值，则该确定装置确定将聚焦误差信号用于校正物镜位置。所述可选方案的优点在于测量由分离的反射子光束形成的光点超出检测器8的检测区域D₁和D₂多远。在确定时考虑这种测量。因此，利用本发明的所述可选方案，将该聚焦误差信号用于具有足够大强度的不太远的光点。

图7a表示了由光学扫描设备获得的实验性聚焦误差信号FES₁和矩形波信号SWS₁，该光学扫描设备包括用于读出如图1b所示的2D同心螺旋轨道的多个辐射子光束。根据分离检测器的CA信号获得该矩形波信号SWS₁。多个S曲线是可见的，并且存在大偏移，使得S曲线不会穿过零电压线。

图7b表示了由光学扫描设备获得的CA信号CAS、矩形波信号SWS₂和实验性聚焦误差信号FES₂，该光学扫描设备包括用于读出根据本发明的2D同心螺旋轨道的多个辐射子光束。根据***检测器的CA信号CAS获得矩形波信号SWS₂，并且该信号表示所使用的阈值TH。当CA信号超过阈值时，该聚焦误差信号FES₂表示明显的聚焦S曲线。

前文中的附图及其说明阐述了本发明，而非限制本发明。显而易见的是存在许多落入随附的权利要求范围内的可选方案。在这方面，提出了如下结束注解：存在利用软件或硬件、或者这二者实现功能的许多方式。在这方面，附图是十分概略的，每个附图仅表示本发明的一种可能的实施例。因此，尽管附图将不同功能表示为不同的功能块，但是这决不排除单独的硬件或软件实现几种功能，也不排除由软件或硬件、或这二者的组合实现单一的功能。

权利要求中的附图标记不应构成对权利要求的限制。使用动词“包括”及其动词变化不排除不同于权利要求中所述元件或步骤的存在。在元件或步骤前使用冠词“一个”或“一种”不排除多个这种元件或步骤的存在。

Claims (12)

1.一种光学扫描设备，包括：

-用于生成辐射光束的辐射源，

-用于将辐射光束分成多个辐射子光束的装置，

-用于将多个辐射子光束聚焦到信息载体上的聚焦装置，该信息载体用于将所述多个辐射子光束反射到聚焦检测支路，

-聚焦误差检测装置，其在所述聚焦检测支路上包括用于将所述多个反射辐射子光束聚焦到焦平面上的伺服透镜，用于将反射辐射子光束与焦平面处的所述多个反射辐射子光束分离的空间滤光器，以及用于根据所述分离的反射辐射子光束检测聚焦误差信号的检测器。

2.根据权利要求1所述的光学扫描设备，包括聚焦误差校正装置以及用于根据所述检测的聚焦误差信号确定聚焦误差校正类型的确定装置。

3.根据权利要求2所述的光学扫描设备，其中所述确定装置计算中央孔径信号，并且如果所述中央孔径信号大于第一预定阈值，则确定将该聚焦误差信号用于校正所述聚焦装置的位置。

4.根据权利要求2所述的光学扫描设备，其中所述检测器包括用于计算标准化中央孔径信号的扩展检测区域，并且如果所述标准化中央孔径信号大于第二预定阈值，则所述确定装置确定将聚焦误差信号用于校正所述聚焦装置的位置。

5.根据权利要求3或4所述的光学扫描设备，其中当所述确定装置确定不使用所述聚焦误差信号时，将所述聚焦装置的位置校正预定的单位步长。

6.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述空间滤光器的直径等于光点在所述焦平面处的间隔。

7.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述空间滤光器包括狭缝。

8.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述空间滤光器包括孔。

9.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中通过限制一个楔形物的透光区域来获得空间滤光器。

10.一种读出信息载体的方法，包括以下步骤：

-生成辐射光束，

-将辐射光束分成多个辐射子光束，

-将多个辐射子光束聚焦到信息载体上，该信息载体用于将所述多个辐射子光束反射到聚焦检测支路，

-在所述聚焦检测支路上根据所述反射辐射子光束检测聚焦误差，包括以下子步骤：

-将反射辐射子光束聚焦到焦平面上，

-对所述反射辐射子光束进行空间滤光，

-将经滤光的辐射子光束分成两半，

-在***检测器上，根据由所述经滤光的辐射子光束形成的光点测量聚焦误差信号。

11.根据权利要求10所述的读出信息载体的方法，包括校正所述辐射子光束聚焦到所述信息载体上的步骤，其中聚焦误差检测步骤还包括用于根据所述聚焦误差信号确定聚焦误差校正类型的确定子步骤。

12.根据权利要求11所述的读出信息载体的方法，其中所述确定子步骤根据所述光点测量中央孔径信号，并且如果所述中央孔径信号大于第一预定阈值，则确定使用所述聚焦误差信号。

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