光学头、光检测器、记录和 再现装置和聚焦误差检测方法 本发明涉及光学头，至少用于通过光对记录介质记录或者再现信息；使用这样光学头的光信息记录和再现装置；和聚焦误差检测方法，用于检测会聚在记录介质上的光的聚焦误差。
近几年中，通过使用如光盘的光信息记录介质，至少用于光记录或者光再现信息的各种光信息记录和再现装置，已经在市场上销售。它们中，使用光盘作为记录介质的光盘驱动器范围大量扩展，并且它的记录密度越来越高。例如，作为只回放的光盘驱动器，适用于再现DVD的DVD驱动器也已经在市场上销售，DVD的记录容量已经增加到4.7GB，约CD-ROM(CompactDisk-Read Only Memory，即光盘只读存储器)容量的7倍。DVD具有与记录容量大约是650MB的CD-ROM相同的尺寸(直径120mm)。
一般地，在光盘中，记录表面形成在透明基底上，用于记录或再现的光通过物镜照射到光盘上，通过透明基底，并聚焦在记录表面上。例如，DVD驱动器采用差分相位差方法(DPD方法)，使用被交叉格子分割成四部分的光检测器。另一方面，为了使记录表面的光斑最小化，执行了聚焦误差检测。作为检测方法，经常使用像散方法，其中使用了与用于跟踪误差检测相同的光检测器。
在CD驱动器中，物镜的NA(Numerical Aperture，即数值孔径)被设置为0.45。在DVD驱动器中，为了使记录密度更高，物镜的NA增加到0.60。当NA增加时，一般地说，在光盘倾斜地情况下的失真(主要是彗形失真)随之增加，并且再现信号退化。由于失真通常与NA的立方和基底的厚度几乎成比例，在DVD中，为了抑制失真，光盘的厚度被设为0.6mm，是CD厚度(1.2mm)的一半。
人们期望DVD是继承CD的光盘。期望DVD驱动器用于再现CD中的信息。在使用包括了为再现高密度DVD优化的物镜的光系统再现CD的情况下，由于基底的厚度不同而发生球面像差。这样不能得到好的再现信号。
目前，还希望DVD驱动器也再现作为只写一次CD的CD-R(CDRecordable，即可记录CD)。但是，CD-R通常由包括对相对长波长的光敏感的着色剂的材料制成。结果，难以通过使用发出在DVD驱动器中使用的650nm光的光源再现CD-R。在也可以再现CD-R的每一种DVD-ROM再现装置和DVD-Video装置中，使用了发出650nm光的光源和发出780nm光的光源这样两种光源，并且采用了也被设计成抑制不同基底厚度产生的信号退化的光学头(光拾取器)。用于能够再现不仅DVD-ROM还有CD和CD-R的DVD-ROM装置的光学头将在下面描述。在下列的描述中，CD和CD-R将被简单地描述为CD，并且DVD-ROM和DVD-Video将被简单地描述为DVD。
图1是显示用于适于再现DVD和CD的DVD装置的光学头的光检测器的结构的平面图。
首先，描述光检测器。如图1所示，光检测器19包括：基底191；主光斑光接收部分192，主光斑位于基底191的中心区域；和两个侧光斑光接收部分193和194，侧光斑位于主光斑光接收部分192两侧相等间隔的位置上。主光斑光接收部分192整体上是矩形，并被交叉的分割线分割成形状几乎相等的四个光接收区192A、192B、192C和192D。侧光斑光接收部分193和194的每一个是没有被分割的单一区域。
在再现CD时，从用于CD的光源(未画出)发出的光束被衍射光系统(未画出)分成三束。三束光被物镜会聚到作为记录介质的CD的记录表面上。如图1所示，从CD的记录表面反射的三光束进入光检测器19的主光斑光接收部分192和侧光斑光接收部分193和194的中心区域，并各自形成束斑196、197和198。
另一方面，在再现DVD时，从用于DVD的光源(未画出)发出的光束被物镜聚焦到作为记录介质的DVD的记录表面上。从DVD的记录表面反射的光束通过预定的光系统，入射到光检测器19的主光斑光接收部分192的中心区域，并形成束斑196。束斑196的中心被调整到与主光斑光接收部分192的中心几乎一致(也就是，四个光接收区192A、192B、192C和192D的交点)。图1画出了主光斑光接收部分192上的束斑196几乎具有圆形的情况，也就是，光学头处在聚焦状态。聚焦状态代表光束被物镜聚焦到记录介质的记录表面，形成最小光斑的状态。当光学头离开聚焦位置时，主光斑光接收部分192的束斑196形状改变成椭圆形，或者如图2A所示其主轴的上部相对于垂直线向左倾斜45度并且下部相对于垂直线向右倾斜45度，或者如图2B所示其主轴的上部相对于垂直线向右倾斜45度并且下部相对于垂直线向左倾斜45度。图2A和图2B的每一个只局部放大地画出了光检测器19的主光斑光接收部分192。
从主光斑光接收部分192的四个光接收区192A、192B、192C和192D发出的光接收信号分别用参考字母a、b、c和d表示，并且从侧光斑光接收部分193和194发出的光接收信号分别用参考字母e和f表示，焦点牵引(pull-in)信号FPI、再现信号RF、聚焦误差信号FE和跟踪误差信号TE由下列等式(1)到(4)表达。焦点牵引信号FPI是用于调整范围的信号，其中聚焦控制根据聚焦误差信号FE来执行，并且通过例如使用预定低通滤波器(未画出)消除再现信号RF的高频部分得到。
焦点牵引信号FPI=再现信号RF=a+b+c+d …(1)
聚焦误差信号FE=(a+c)-(c+d) …(2)
跟踪误差信号TE=(a+c)和(b+d)之间的相位差 …(3)
或
跟踪误差信号TE=(e-f) …(4)
由等式(2)表达的聚焦误差信号FE通过像散方法用于检测聚焦误差。如上所述，在DVD再现信息的时候，在图1所示的光检测器19中，主光斑光接收部分192的束斑196的形状变成圆形，或其主轴取向随聚焦度不同而不同的各种椭圆。由等式(2)得到的聚焦误差信号FE由此改变。更具体地说，在聚焦状态，主光斑光接收部分192的光接收区192A、192B、192C和192D的输出信号几乎彼此相等。结果，聚焦误差信号FE几乎是0。当系统不在聚焦状态时，束斑196具有椭圆形。这样差异产生在主光斑光接收部分192的一个对角线方向上的光接收区192A和192C的输出信号之和(a+c)，与另一个对角线方向上的光接收区192B和192D的输出信号之和(b+d)之间。在这种情况下，它们之间的差值的符号依赖于散焦的方向，并且差值的绝对值依赖于散焦量。通过移动物镜使聚焦误差信号FE变为0，就可能保持最好的聚焦状态。
再现DVD情况下的跟踪伺服的方法与再现CD情况下的跟踪伺服的方法彼此不同。特别是，在再现DVD的情况下，由等式(3)表达的(a+c)与(b+d)之间的相位差，通过使用主光斑光接收部分192的光接收区192A、192B、192C和192D发出的信号得到，它们用于聚焦伺服的像散方法。相位差用作跟踪误差信号TE。另一方面，在再现CD的情况下，跟踪伺服通过所谓的三点方法进行。根据三点方法，用于光盘上的光被衍射光栅等分成第0级光线、第+1级光线和第-1级光线的三光束。三光束被主光斑光接收部分192和侧光斑光接收部分193与194的三个接收部分接收。作为跟踪误差信号TE，使用了由等式(4)表达的(e-f)。
用于这样的光学头的物镜具有例如图6所示的结构。为方便解释，图6在左半边画出了CD的剖面图，而在右半边画出了DVD的剖面图。如图所示，在具有大约0.38到0.44NA的区域中，物镜27具有周围区域凹进去的带状基底厚度纠正部分27A，在基底厚度纠正部分27A内侧的中心区域27B和在基底厚度纠正部分27A外侧的外围区域27C，以最适合于DVD-ROM基底的厚度(0.6mm)的表面形状形成。另一方面，基底厚度纠正部分27A被设计成最适合于CD基底的厚度(1.2mm)的表面形状，这样使再现CD时发生的失真得到纠正。这样结构的物镜27由具有驱动透镜的线圈的致动器(未画出)，沿着与光盘表面成直角的方向驱动。
在使用图6所示的物镜27再现CD的情况下的波前失真，例如如图7所示。图中，横轴指示物镜NA，而纵轴代表球面失真(单位：mm)。如图所示，通过球面失真相对小的旁轴区域与为CD设计的带状区域(基底厚度纠正部分27A)的合成，使在使用物镜27再现CD的情况下的波前失真减小到一定程度，在实际使用中是毫无问题的。由于在具有0.44或更大的NA的外围部分球面失真较大，光被散射，并不入射到小尺寸的主光斑光接收部分192(图1)上，像散方法通常用它来检测聚焦误差。
另一方面，在再现DVD的情况下，通过带状区(基底厚度纠正部分27A)的光被散射，并且不会聚到主光斑光接收部分192。结果，具有适于通过使用单一物镜和单一检测设备再现CD和DVD的高兼容性的光系统可以得到实现，而再现DVD的性能几乎没有退化。结果，可以实现用于DVD、CD和CD-R的结构简单成本低廉的光学头，它具有少量的部件。
但是最近，除了上述记录介质，可重写的DVD-RAM(Random AccessMemory，即随机存取存储器)已开始商业应用。人们需要也可以再现DVD-RAM的用于DVD的再现光学头，和也可以再现DVD和CD的用于DVD-RAM的记录或再现光学头。
传统的只再现DVD或CD采用在平台上或者在凹槽上记录信息的系统。适于记录并再现信息的DVD-RAM采用平台/凹槽记录系统，为了增加记录密度，既在平台上也在凹槽上记录信息。与传统的DVD或CD不同，其中用于记录的平台或者凹槽变宽了，而另一个变窄了，在平台/凹槽记录系统中，平台和凹槽两者都被设计成变宽到适当的程度。
但是，在平台/凹槽记录系统中，通过使用像散方法检测聚焦误差的情况下，发生了一种被称为“跟踪干涉”的现象，它将在下列描述。已经确定此现象产生了被称为“轨道交叉噪声”的噪声。“跟踪干涉”是这样一种现象，当束斑跨过轨道时聚焦误差信号发生很大改变。“轨道交叉噪声”是聚焦误差信号值变化产生的噪声，它依赖于束斑落在记录介质的平台上还是在凹槽上而产生。
图3画出了“跟踪干涉”现象。图中，横轴画出了物镜在与光盘成直角方向上的位置，而纵轴指示了聚焦误差信号的输出电平。实曲线FEL是显示束斑在平台的情况下，物镜位置与聚焦误差信号FE之间的关系的聚焦误差曲线。虚曲线FEG是显示束斑在凹槽上的情况下，物镜位置与聚焦误差信号FE之间的关系的聚焦误差曲线。
如图所示，聚焦误差曲线FEL(FEG)的尖峰之间的范围被指定为聚焦牵引范围SPP。聚焦伺服只在这一范围内进行。只在这一区域提供聚焦牵引区域SPP并且执行聚焦伺服的原因是，当物镜的位置与聚焦位置偏离很大程度的情况下聚焦误差信号FE也可以变为0，有必要去除这样的散焦状态被检测为聚焦状态的情况。
如图3所示，聚焦牵引范围SPP中的聚焦误差信号FE的值依赖于束斑是在记录介质的平台上还是凹槽上而改变。结果，在两个位置上聚焦误差信号FE变为0；当束斑在平台上的情况下的物镜位置XL，和当束斑在凹槽上的情况下的物镜位置XG。另一方面，用于控制光学头操作的控制器(未画出)控制通过用于驱动物镜(未画出)的线圈的电流，以在与光盘成直角的方向上驱动物镜使聚焦误差信号FE变为0。每当束斑从平台移动到凹槽和从凹槽移动到平台时，物镜在位置XL和位置XG之间移动，并且表现为轨道交叉噪声。噪声产生各种麻烦，如散焦、聚焦伺服和跟踪伺服的传输特点的退化、和驱动透镜的线圈烧坏或毁坏。引起参考图3解释的跟踪干涉现象的机制还没有被完全分析清楚。
为了避免轨道交叉噪声产生的麻烦，可以考虑使用所谓光斑尺寸方法执行聚焦误差检测。根据上述像散方法，使用了分割的主光斑光接收部分192(图1)，并且分割区域的输出信号根据等式(2)对角线相加和相减，这样得到相应于光接收光斑形状的信号。相反，根据光斑尺寸方法，光斑尺寸从光接收部分的输出信号中检测，并且根据光斑尺寸执行聚焦控制。
但是，在光斑尺寸方法中，由于需要具有相对大光接收区的主光斑光接收部分，因此会伴随着下列的麻烦。特别是，如上所述，在根据光斑尺寸方法使用具有带状基底厚度纠正部分27A(图6)执行聚焦误差检测，通过共享物镜和光接收部分实现低成本光学头的情况下，由于主光斑光接收部分太大，通过外围区域27C的散射光在再现CD时被主光斑光接收部分接收。另一方面，在再现DVD时，通过带状基底厚度纠正区域27A的散射光被主光斑光接收部分接收。结果，在再现CD或DVD时，再现信号RF退化，并且伺服信号如聚焦误差信号也退化。
本发明是在考虑上述问题之后作出的，本发明的目的是提供一种光学头，光检测器，光记录和再现装置和聚焦误差检测装置及聚焦误差检测方法，可以适用于各种记录介质，也可以适用于其中平台和凹槽都用作信息记录区域的平台/凹槽记录系统。
根据本发明，提供了一种光学头，包括：光源，用于发出光束；物镜，用于将光源发出的光束聚焦到具有预定轨道引导结构的记录介质的记录表面；分光装置，用于将从光源发出的光束和从记录介质的记录表面反射的光束彼此分开；光检测装置，用于接收从记录介质反射并由分光装置分开的光束；和像散产生装置，用于在记录介质的记录表面反射并通过分光装置到达光检测装置的光束中产生的像散，其中光检测装置包括：四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴。
根据本发明，提供了一种光检测器，用于检测聚焦误差，当从光源发出的光束被物镜聚焦在具有预定轨道引导结构的记录介质上时，产生该聚焦误差，光检测器包括：四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴；输入端，用于输入转换信号；和转换装置，用于响应输入端提供的转换信号，转换四个外围光接收部分和中间光接收部分的输出信号。
根据本发明，提供了一种光信息记录和再现装置，包括：记录介质驱动装置，用于驱动记录介质；光学头，用于从记录介质驱动装置驱动的记录介质上读取信号；光学头驱动装置，用于沿记录介质移动光学头；信号处理装置，用于根据光学头读出的信号产生再现信号；和伺服控制装置，用于根据光学头读出的信号控制记录介质驱动装置、光学头驱动装置和光学头的操作，其中光学头具有：光源，用于发出光束；物镜，用于将光源发出的光束聚焦到具有预定轨道引导结构的记录介质的记录表面；分光装置，用于将从光源发出的光束和从记录介质的记录表面反射的光束彼此分开；光检测装置，用于接收从记录介质反射并由分光装置分开的光束，它具有四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向，和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴；和像散产生装置，用于在记录介质的记录表面反射并通过分光装置到达光检测装置的光束中产生像散。
根据本发明，提供了一种用于光学头的聚焦误差检测方法，光学头具有：光源，用于发出光束；物镜，用于将光源发出的光束聚焦到具有预定轨道引导结构的记录介质的记录表面；分光装置，用于将从光源发出的光束和从记录介质的记录表面反射的光束彼此分开；光检测装置，用于接收从记录介质反射并由分光装置分开的光束；像散产生装置，用于在记录介质的记录表面反射并通过分光装置到达光检测装置的光束中产生像散，其中光检测装置装备有：四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴，并且聚焦误差信号通过将根据四个外围光接收部分输出的信号得到的检测信号，与根据中间光接收部分输出的信号得到的检测信号的常数倍相加得到的。在这种情况下，常数倍中的常数不仅可以是正数，而且可以是负数，甚至可以是0。
在本发明的光学头或光信息记录和再现装置中，从光源发出的光束被物镜聚焦到具有预定轨道引导结构的记录介质的记录表面上，并被记录表面反射。从记录介质的记录表面反射的光束，被分光装置与光源发出的光束分开，并进入到光检测装置。此时，像散产生装置使来自记录介质的记录表面的光束产生像散。光检测装置包括：四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴。四个外围光接收部分和中间光接收部分被光束斑照射。
在本发明的光检测器中，四个外围光接收部分的输出信号和中间光接收部分的输出信号响应输入端提供的转换信号来转换，四个外围光接收部分关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向，中间光接收部分位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴。根据输出信号，检测当从光源发出的光束被物镜聚焦在具有预定轨道引导结构的记录介质的记录表面时发生的聚焦误差。
在本发明的聚焦误差检测方法中，首先，光检测装置装备有：四个外围光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴。然后，聚焦误差信号通过将根据从四个外围光接收部分输出的信号得到的检测信号，与根据从中间光接收部分输出的信号得到的检测信号的常数倍相加得到的。
本发明的这些和其它目的和特征，从下列结合附图的优选实施例的描述中变得更清楚，其中：
图1是平面图，画出用于根据相关技术的光学头的光检测器的光接收部分的结构图；
图2A和2B是解释图1所示光检测器的动作的示意图；
图3是特性曲线图，画出了传统光学头的聚焦误差曲线；
图4是方块图，画出了根据本发明实施例的光信息记录和再现装置的示意性结构。
图5是画出了根据本发明实施例的光学头的完整结构的示意图；
图6是剖面图，画出了图5的物镜的结构；
图7是特性曲线图，画出了图6所示的物镜的波前失真特征；
图8是平面图，画出了图5的光检测器的结构；
图9是电路图，画出了光检测器的算术电路的结构；
图10A和10B是解释凹槽记录系统的示意图；
图11A和11B是解释平台/凹槽记录系统的示意图；
图12A和12B画出了在通过无像散地用于DVD的光学头再现DVD-RAM的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的相位分布的例子的图形；
图13A和13B画出了在通过无像散地用于DVD的光学头再现DVD-RAM的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的密度分布的例子的图形；
图14A和14B画出了在通过无像散地用于DVD的光学头再现DVD-RAM的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的相位分布的另一个例子的图形；
图15A和15B是解释在像散方法中光斑的状态改变的示意图；
图16A和16B画出了通过使用像散方法再现平台/凹槽记录介质的情况下，光接收部分上的衍射图样的例子的示意图；
图17是定义失真方向的示意图；
图18A和18B是解释图5所示的光检测器的光接收部分的结构、会聚光斑的形状和位置与方向之间的关系的示意图；
图19是特性曲线图，画出了实施例中适当得到的聚焦误差曲线；
图20A和20B画出了在通过有像散地用于DVD的光学头再现DVD-RAM的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的相位分布的例子的图形；
图21A和21B画出了在通过有像散地用于DVD的光学头再现DVD-RAM的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的密度分布的例子的图形；
图22A和22B是通过使用轮廓线画出了图21A和21B中密度分布的示意图；
图23是解释当光斑在平台上时聚焦误差信号的增益，与当光斑在凹槽上时聚焦误差信号的增益彼此不一样的情况的示意图；
图24A和24B画出了在再现DVD-RAM的用于DVD的光学头处在散焦状态的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的密度分布的例子的图形；
图25A和25B画出了在再现DVD-RAM的用于DVD的光学头处在散焦状态的情况下，计算光盘衍射光在物镜光瞳上的密度分布的另一个例子的图形；
图26A和26B是平面图，画出了光检测器的一种变型。
本发明的实施例将在下列参考附图具体描述。
图4画出了作为根据本发明实施例的光信息记录和再现装置的光盘驱动器的示意性结构。由于根据本发明实施例的光学头、光检测器和聚焦误差检测方法是通过根据实施例的光信息记录和再现装置实现的，它们也将在下面描述。
光盘驱动器1包括：主轴电机11，用于旋转光盘30；光学头12；光学头定位电机13，用于在光盘30的径向移动光学头12，将光学头12载到预定记录轨道位置；和伺服控制电路14，用于控制主轴电机11、光学头定位电机13和光学头12的双轴致动器29(未在图4中画出)。光学头定位电机13对应于本发明的“光学头驱动装置”的例子，伺服控制电路14对应于本发明的“伺服控制装置”的例子，并且双轴致动器29对应于本发明的“物镜驱动装置”的例子。
光盘驱动器1还包括：前置放大器15，连接到光学头12上；信号调制/解调和误差纠正单元16，连接到前置放大器15的输出端；RAM(random accessmemory，即随机存取存储器)17，作为工作内存，连接到信号调制/解调和误差纠正单元16；和系统控制器18，用于控制伺服控制电路14和信号调制/解调和误差纠正单元16。信号调制/解调和误差纠正单元16对应于本发明的“信号处理装置”的例子。
当光盘驱动器1被用于，例如数据存储时，光盘驱动器1还包括接口42，用于连接信号调制/解调和误差纠正单元16和外部计算机41。当光盘驱动器1被用于，例如音频视频时，它还包括：音频视频输入/输出单元43，用于输入和输出音频视频信号；和D/A和A/D转换器44。D/A和A/D转换器44具有对信号调制/解调和误差纠正单元16的输出信号执行数字-模拟(其后被描述为D/A)转换，并将所得的模拟信号发送给音频视频输入/输出单元43的功能。D/A和A/D转换器44还具有对音频视频输入/输出单元43接收的音频视频信号执行模拟-数字(其后被描述为A/D)转换，并将所得的数字信号传输给信号调制/解调和误差纠正单元16的功能。
作为光盘30，多种形式的光盘可以被使用。具体地说，除了只在平台或者在凹槽记录信息的记录系统的记录介质，如CD、CD-R和DVD，在平台和在凹槽都记录信息的平台/凹槽记录系统的DVD-RAM或类似物也可以被使用。选择多种形式的光盘中的一种，并且信息可以对光盘至少或者记录或者再现。平台和凹槽对应于本发明的“轨道引导结构”的例子。
主轴电机11由伺服控制电路14根据系统控制器18的指令来控制，并以预定的转速旋转。
信号调制/解调和误差纠正单元16具有：信号调制单元(未画出)，调制外部提供的信号，以便记录在光盘30上；信号解调单元(未画出)，将从光盘30再现的信号解调；和误差纠正单元(未画出)，用于将误差纠正码与将被记录在光盘30上的信号相加，并且通过使用误差纠正码纠正从光盘30上再现的信号的误差。
光学头12根据信号调制/解调和误差纠正单元16的指令利用记录信号调制的光束照射在旋转光盘30的信号记录表面来记录信息。光学头12发出光到光盘30，检测被信号记录表面调制的反射光束，并将相应于反射光束的信号提供给前置放大器15。
前置放大器15根据光学头12的信号产生RF信号作为再现信号，还根据将再现的光盘的种类产生伺服信号。RF信号提供给信号调制/解调和误差纠正单元16，并根据该信号受到预定的处理，如解调和误差纠正处理。伺服信号至少包括聚焦牵引信号、聚焦误差信号和跟踪误差信号，并提供给伺服控制电路14。伺服控制电路14根据伺服信号控制光学头12的操作。具体地说，根据聚焦牵引信号和聚焦误差信号，执行在光轴方向移动光学头12的物镜27(图5)的聚焦伺服控制。通过控制，保持这样的状态，使得被物镜27聚焦的光束总是聚焦在光盘30的信号记录表面上，根据跟踪误差信号，执行在光盘30的径向移动光学头12的物镜27的跟踪伺服控制。通过控制，保持这样的状态，使得被物镜27聚焦的光束总是定位在光盘30的平台或凹槽上。
被信号调制/解调和误差纠正单元16调制的再现信号，如果用于计算机中的数据存储，那么通过接口42传输给外部计算机41。
图5画出了图4说明的光学头12的结构。如图5所示，光学头12包括：物镜27，面对DVD 30a或CD 30b放置(其后，共同被称为光盘30)；双轴致动器29，适于在聚焦方向F(与光盘30的表面垂直的方向，也就是，物镜27的光轴21的方向)和跟踪方向T(轨道交叉方向，也就是，光盘30的径向或与图纸垂直的方向)驱动物镜27；准直镜26；650nm的5/4波片25；棱形分光器24；透镜组28；和光检测器9。准直镜26、5/4波片、分光器24、透镜组28和光检测器9，从光盘30侧沿光学头12的光轴21顺序排列。
光检测器9对应于本发明的“光检测装置”的例子，分光器24对应于本发明的“分光装置”的例子，而透镜组28对应于本发明的“像散产生装置”的例子。
在分光器24中，形成两个分光面，每一个都与光轴21形成大约45度角。650nm的偏振分光膜24a形成在位置靠近光盘30的分光面上，而波长选择膜24b形成在位置远离光盘30的分光面上。分光器24可以由，例如一组光学棱镜和由气相沉积或溅射形成在光学棱镜之间的绝缘复层构成。
光学头12还具有两个半导体激光器22a和22b，它们在与光轴21几乎成直角的方向上发出光。半导体激光器22a放置在与偏振分光膜24a在上面形成的分光面相对应的位置，并发出具有650nm波长的激光束。半导体激光器22b放置在与波长选择膜24a在上面形成的分光面相对应的位置，并发出具有780nm波长的激光束。在半导体激光器22a与分光器24之间，放置了用于衍射从半导体激光器22a发出的650nm激光束的衍射光栅23a。在半导体激光器22b与分光器24之间，放置了用于衍射从半导体激光器22b发出的780nm激光束的衍射光栅23b。
半导体激光器22a和22b是使用半导体的复合光(recombination light)的发光设备。半导体激光器22a发出的激光束几乎变成关于分光器24的偏振分光膜24a形成其上的分光面的S偏振光(线偏振光，其中偏振方向与入射面垂直)。偏振分光膜24a反射几乎所有S偏振光部分，并传输几乎所有P偏振光部分。相应于波长选择膜24b反射的数量的、从半导体激光器22发出的具有780nm波长的光，被波长选择膜24b反射，并且相应于波长选择膜24b传输的数量的光，被允许通过波长选择膜24b。从半导体激光器22a发出并被光盘30反射的具有650nm波长的几乎所有光，被允许通过波长选择膜24b。
光学头12让底部部分支持着(未画出)，使之可以在光盘30的径向沿导轨(未画出)移动。光学头12除了物镜27之外的部件被固定在底部部分上。
物镜27具有图6所示的带状基底厚度纠正部分27A，并具有图7所示的关于半导体激光器22b发出的具有650nm波长的光的波前失真。物镜27被双轴致动器29在聚焦方向F和跟踪方向T上驱动。由于物镜27的结构和波前失真特征已经在相关技术中描述，它们的描述在这里被省略。
衍射设备23a衍射半导体激光器22a的光线，主要产生第0级衍射光和第±1级衍射光的三衍射光。衍射设备23b的衍射半导体激光器22b的光线，主要产生第0级衍射光和第±1级衍射光的三衍射光。
准直镜26将分光器24的光转换成平行光通量。物镜27将准直镜26的光聚焦并将光会聚在信号记录表面。从光盘30返回的光顺序通过物镜27、准直镜26、分光器24和透镜组28，并入射到光检测器9。
透镜组28是具有柱面和凹面的复合物镜，并具有柱面透镜和凹透镜的功能。放置透镜组28使柱面母线的方向与轨道(平台或凹槽)的衍射图样的排列方向成45度。通过柱面透镜功能，使用于得到聚焦误差信号的像散发生在分光器24出射光中。通过凹透镜功能，光束的光路长度可以延伸到光检测器9。
650nm的5/4波片将5/4波长的相位差给予半导体激光器22a的650nm光，并且将几乎一个波长的相位差给予半导体激光器22b的780nm光。
图8是平面图，画出了光检测器9的结构。在本实施例的光检测器9中，相关技术(图1)所示的光检测器19中主光斑光接收部分192的中心区域，在跟踪方向被分割成中间区域。四个光接收部分重新位于中间区域中。接收侧光斑的每一个光接收部分在相应于轨道的切线方向上被分开，来适应推挽跟踪伺服控制。平面图中光检测器9的结构将在下列作更具体描述。
在图8中，假设通过光检测器9中心的横轴是X轴，而通过光检测器9中心的纵轴是Y轴。Y轴方向相应于光盘30上与跟踪方向T成直角的方向(也就是轨道的切线方向)，并且也与反射光束由光盘30的平台和凹槽产生的一组衍射图样(笫0级光线和第±1级光线等)在刚被反射后位置上的排列方向成直角。
如图8所示，光检测器9包括：基底91；主光斑光接收部分92，整体具有矩形形状，放置在基底91的中心区域；和两个侧光斑光接收部分93和94，具有几乎相同的形状和尺寸，在Y轴方向上以几乎相等的间隔放置在主光斑光接收部分92的两侧。
主光斑中心光接收部分92包括：四个外围光接收部分92A、92B、92C和92D，关于Y轴和X轴几乎对称，并具有几乎相等形状和尺寸；和中间光接收部分92M，放置在夹在与X轴平行的两行(一行由光接收部分92A和92D组成，另一行由光接收部分92B和29C组成)之间的中间区域。中间光接收部分92M还被Y轴和X轴分割成四个小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz。
侧光斑光接收部分93被X轴分割成具有几乎相等形状和尺寸的两个光接收部分93E和93F。侧光斑光接收部分94被Y轴分割成具有几乎相等形状和尺寸的两个光接收部分94G和94H。
来自主光斑光接收部分92中的分光接收部分和侧光斑光接收部分93和94中的分光接收部分的检测信号，被例如在光检测器9的基底91上形成的放大器(未画出)进行电流电压转换，然后被基底91上提供的算术电路40(图9)处理，这样不仅作为再现信号的RF信号而且如聚焦牵引信号FPI、聚焦误差信号FCS和跟踪误差信号TRK用于控制的伺服信号都得到计算。
在实施例中，聚焦误差信号FCS按下列等式(5)计算，FCS={(a+c)-(b+d)}
-K1×{(mw+my)-(mx+mz)}
-K2×{(mw+my)+(mx+mz)} …(5)
其中，a、b、c和d各自代表外围光接收部分92A到92D的输出信号，mw、mx、my和mz各自代表中间光接收部分92M的小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号，并且K1和K2是系数，可以是正或负值或0。如后所述，K1是纠正系数，用于消除光学头12的光系统本身的像散的影响。K2是纠正系数，用于消除当光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下聚焦伺服控制的增益彼此不同时的影响。
当假设K1=0且K2=0时，聚焦误差信号FCS1由下列等式(6)给出，FCS1=(a+c)-(b+d) …(6)
当假设K1≠0且K2=0时，聚焦误差信号FCS2由下列等式(7)给出，FCS2={(a+c)-(b+d)}-K1×{(mw+my)-(mx+mz)} …(7)
当假设K1=0且K2≠0时，聚焦误差信号FCS3由下列等式(8)给出，FCS3={(a+c)-(b+d)}-K2×{(mw+my)-(mx+mz)} …(8)
当假设K1≠0且K2≠0时，聚焦误差信号FCS4由下列与等式(5)相同的等式(9)给出，FCS4={(a+C)-(b+d)}
-K1×{(mw+my)-(mx+mz)}
-K2×{(mw+my)+(mx+mz)} …(9)
如上所述，通过系数K1和K2的组合，由等式(6)到(9)表达的四种聚焦误差信号FCS1、FCS2、FCS3和FCS4之一可以由图9所示的算术电路40有选择地计算。
具体地说，例如当光盘30是CD或DVD时，通过设置K1=-1且K2=0，聚焦误差信号FCS2可以被使用。在这种情况下的聚焦误差信号FCS2与传统像散方法中的聚焦误差信号FE相同。例如当光盘30是DVD-RAM时，通过设置K1=0且K2=0，聚焦误差信号FCS1可以被使用。另一种组合也是可以的。
另一方面，算术电路40可以选择计算四种跟踪误差信号TRK1、TRK2、TRK3和TRK4之一作为跟踪误差检测信号。跟踪误差信号由下列等式(10)到(14)计算。K3是系数，可以是正或负值或0，TRK1=(a+c)与(b+d)之间的相位差信号 …(10)TRK2=(a+mw+c+my)与(b+mx+d+mz)之间的相位差信号 …(11)TRK3={(a+d)-(b+c)}-K3×{(e-f)+(g-h)} …(12)TRK4={(a+d+mw+mz)-(b+c+mx+my)}-K3×{(e-f)+(g-h)} …(13)TRK5=(e+f)-(g+h) …(14)
TRK2代表通过使用与传统技术相同的差分相位差方法执行检测的跟踪误差信号。TRK4代表通过使用差分推挽方法执行检测的情况下的跟踪误差信号。TRK1是通过从TRK2中去除小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号mw、mx、my和mz得到。TRK3通过从TRK4中去除小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号mw、mx、my和mz得到。TRK5是通过使用三束方法(三光斑方法)执行检测的情况下的跟踪误差信号。
更具体地说，最好，TRK1或TRK2用于DVD的情况，TRK3或TRK4用于DVD-ROM的情况，TRK5用于CD。
RF信号通过例如下列等式(15)计算。这实质上与传统技术相同，RF=a+b+c+d+mw+mx+my+mz …(15)
聚焦牵引信号FPI通过使用低通滤波器消除RF信号的高频部分得到。
图9画出了用于将光检测器9的每一个分光接收部分输出的检测信号进行信号处理的算术电路的例子。如图所示，算术电路40包括：加法器41，用于将外围光接收部分92A和92C的输出信号相加；加法器42，用于将外围光接收部分92B和92D的输出信号相加；和差分设备43，用于得到加法器41和42的输出信号之间的差值。算术电路40对应于本发明的“聚焦检测装置”或“算术装置”的例子。
算术电路40还包括：加法器44，用于将中间光接收部分92M中的小光接收部分92Mw和92My的输出信号相加；加法器45，用于将中间光接收部分92M中的小光接收部分92Mx和92Mz的输出信号相加；和差分设备46，用于得到加法器44和45的输出信号之间的差值。
算术电路40还包括：乘法器47，用于将差分设备46的输出信号与系数K1相乘；加法器49，用于将加法器44和45的输出信号相加；乘法器50，用于将加法器49的输出信号与系数K2相乘；加法器52，用于将乘法器47和50的输出信号相加；和差分设备51，用于得到加法器52的输出信号与差分设备43的输出信号的差值，来计算由等式(5)表达的聚焦误差信号FCS。差分设备46的输出信号[(mw+my)-(mx+mz)]对应于本发明的“中间差分信号”的例子。加法器49的输出信号[(mw+y)+(mx+mz)]对应于本发明的“中间总和信号”的例子。
算术电路40还包括：加法器53，用于将加法器41和42的输出信号相加；加法器56，通过将加法器49和53的输出信号相加，得到RF信号；低通滤波器(LPF)57，通过从加法器56的输出信号中消除高频部分，得到聚焦牵引信号FPI；和相位差检测器55，用于检测加法器41和42的输出信号之间的相位差，并将其作为跟踪误差信号TRK1输出。
而且，算术电路40包括系数调整/设置单元58，根据系统控制器18(图4)提供的设置信号SET，将系数K1和K2设置为预定值，或将系数K1和K2调整为优化值，并输出结果值。通过调整系数K1和K2的值，可以选择由等式(6)到(9)表达的聚焦误差信号FCS1到FCS4之一，或与根据等式(2)所示的传统像差方法的聚焦误差信号FE相同的信号。
聚焦误差信号FCS对应于本发明的“聚焦误差信号”的例子。系数调整/设置单元58对应于本发明的“转换装置”的例子。
以与聚焦误差信号相似的方式，除了跟踪误差信号TRK1之外的跟踪误差信号TRK2到TRK4通过使用图9中省略的加法器、乘法器、差分设备等产生。
现在将描述具有上述结构的光学头12和包括光学头12的光盘驱动器1的操作和动作。
首先，描述光盘驱动器1的整个操作。主轴电机11由系统控制器18和伺服控制电路14控制，并以预定的转速旋转。光学头12通过将用于再现的激光束照射到光盘30的信号记录表面，并检测返回的光来再现信息。从光学头12输出的再现信号被前置放大器15放大，通过误差纠正单元进行误差纠正处理，并被信号调制/解调和误差纠正单元16中的信号解调单元解调。所得信号通过接口42传输到外部计算机42，或通过D/A和A/D转换器44进行D/A转换，并从音频视频输入/输出单元43输出。另一方面，伺服控制电路14根据系统控制器18的指令，控制主轴电机11和光学头定位电机13，并根据光学头12通过前置放大器15提供的伺服信号，控制光学头12的物镜27的聚焦操作和跟踪操作。
现在参考图5，描述光学头12的操作和动作。[DVD的再现]
首先，描述再现记录在DVD30a上的信息的情况。在这种情况下，DVD30a可以是只有平台或者凹槽用作记录区域的只再现DVD30a，如DVD-ROM或DVD-video，或平台和凹槽都用作记录区域的DVD-RAM。
对于DVD30a的再现，使用了从半导体激光器22a发出的具有650nm波长的光束。从半导体激光器22a发出的具有650nm波长的光束，被衍射光栅23a分离成第0级光和第±1级光的三光束。然后，三光束进入分光器24的偏振分光膜24a。由于入射光几乎是关于偏振分光膜24a的S偏振光，几乎所有光量的光都被偏振分光膜24a反射，并入射到650nm的5/4波片25。650nm的5/4波片25在入射光束的普通光和非常光之间产生5/4波长的相位差，这样，将入射到650nm的5/4波片25的线偏振光转换成几乎圆偏振光。从650nm的5/4波片25发出的圆偏振光还进入准直镜26，并被转换成入射到物镜27的平行光束。
物镜27使三入射光的每一束在DVD30a的信号记录表面会聚成点。图5所示的物镜27被双轴致动器29根据伺服控制电路(图4)的指令，在聚焦方向F和跟踪方向T上驱动。
来自DVD30a的信号记录表面的三反射光通过物镜27和准直镜26再次入射到650nm的5/4波片25。650nm的5/4波片25将普通光和非常光之间的5/4波长的相位差给予入射的反射光(圆偏振光)。此光被转换成线偏振光，它的偏振方向在入射时改变90度，并且线偏振光入射到分光器24上。由于此光是关于分光器24的偏振分光膜24a的P偏振光，此光被允许通过偏振分光膜24a，从入射光中分离出，并进入波长选择膜24b。波长选择膜24b只反射780nm的光，并允许具有650nm波长的几乎所有光通过其中。结果，来自DVD30a的反射光按原样通过波长选择膜24b并进入透镜组28。
由实施例的聚焦误差检测方法得到聚焦误差信号的像散(像散差)附加到从DVD30a进入透镜组28的三反射光中。所得的光进入光检测器9。
在光检测器9中，由透镜组28将像散附加其中的三束光入射到主光斑光接收部分92和侧光斑光接收部分93和94，并形成束斑。主光斑光接收部分92的外围光接收部分92A到92D，小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz和侧光斑光接收部分93和94的光接收部分93E、93F、94G和94H，每个都根据照射光量产生信号，它们被提供给图9所示的算术电路40。
算术电路40根据光盘30的类型等，通过等式(5)所示的算术处理，计算并输出聚焦误差信号FCS。在计算聚焦误差信号FCS时，使用了系数调整/设置单元58输出的系数K1和K2。具体地说，例如在光盘30是DVD的情况下，通过设置K1=-1且K2=0，等式(7)表达的FCS2作为聚焦误差信号FCS输出。例如在光盘30是DVD-RAM的情况下，通过设置K1=0且K2=0，等式(6)表达的FCS1作为聚焦误差信号FCS输出。系数K1和K2可以是其它值。
算术电路40也根据光盘30的类型等，通过相应于等式(10)到(14)之一的算术处理，计算信号TRK1到TRK5的任意一个，并输出所得的信号作为跟踪误差信号TRK。具体地说，例如在光盘30是DVD的情况下，TRK1或TRK2用作跟踪误差信号。在光盘30是DVD-RAM的情况下，使用了TRK3或TRK4。也可以使用其它选择式样。
算术电路40还通过等式(15)所示的算术处理产生RF信号。RF信号通过低通滤波器57，变成聚焦牵引信号FPI。
束斑96的中心被调整成与主光斑光接收部分92的中心(也就是四个小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的交点)基本一致。束斑97和98的每一个的中心被调整成几乎与侧光斑光接收部分93和94的每一个的中心一致。
图8画出了束斑96、97和98的每一个几乎是圆形的状态，也就是，光学头处在聚焦状态。例如当物镜27不在聚焦状态时，以与参考图2A和2B解释的情况相似的方式，主光斑光接收部分92的束斑96改变它的形状成椭圆形，它的主轴的上半部分相对于垂直线向左倾斜45度，而它的主轴的下半部分相对于垂直线向右倾斜45度，或者它的主轴的上半部分相对垂直线向右倾斜45度，而它的主轴的下半部分相对于垂直线向左倾斜45度。从外围光接收部分92A到92D和小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz输出的信号的每一个的尺寸依赖于物镜27是否聚焦而改变。
聚焦误差信号FCS与跟踪误差信号TRK1到TRK5的任何一个、聚焦牵引信号FPI和RF信号一起提供给前置放大器15，并且输入信号被放大。放大的聚焦信号、跟踪误差信号和聚焦牵引信号FPI提供给伺服控制电路14，并且放大的RF信号提供给信号调制/解调和误差纠正单元16。信号调制/解调和误差纠正单元16的后随操作如上所述，这里省略其描述。
在聚焦牵引信号FPI被定位于相应于聚焦牵引范围SPP(图3)的范围中的条件下，伺服控制电路14通过双轴致动器29在聚焦方向F上控制驱动物镜27，使聚焦误差信号FCS变为0。伺服控制电路14也通过双轴致动器29在跟踪方向T上驱动物镜27，使跟踪误差信号TRK变为0。在该实施例中，与作为例子的图3所示的情况不同，聚焦误差信号FCS的值不依赖于施加到DVD30a的信号记录表面的光束斑是在平台上还是在凹槽上而改变。原因将在其后详细描述。[CD的再现]
现在描述再现记录在CD30b上的信息的情况。CD30b可以是用于音频的普通CD或CD-ROM或CD-R。
对于CD30b的再现，使用了从半导体激光器22b发出的具有780nm波长的光束。从半导体激光器22b发出的具有780nm波长的光束，被衍射光栅23b分离成第0级光和第±1级光的三光束。然后，三光束进入波长选择膜24b。三光束通过使用三光斑方法得到跟踪误差信号。
光量依赖于波长选择膜24b的反射、已经进入波长选择膜24b的三光束的每一个被反射，并且结果进入偏振分光膜24a。偏振分光膜24a传输具有780nm波长的几乎所有光束。通过偏振分光膜24a的三光束入射到650nm的5/4波片25。由于650nm的5/4波片25用作对780nm波长光的单波片，入射光的偏振状态没有改变。这样，光按原样通过5/4波片25，并进入准直镜26。准直镜26将三入射光束的每一个转换成入射到物镜27的平行光。
物镜27将三入射光束的每一个在CD30b的信号记录表面上会聚成点。来自CD30b的信号记录表面的三反射光束，通过物镜27的准直镜26再次进入650nm的5/4波片25，并且按原样通过5/4波片25而不改变偏振状态。
通过650nm的5/4波片25的三光束进入分光器24，通过偏振分光膜24a并且入射到波长选择膜24b。波长选择膜24b只传输根据其透射比的光量的光，将此光与来自半导体激光器22b的入射光分开所得。通过波长选择膜24b的三光束进入透镜组28，在那里像散被附加到光束上，并且所得光束入射到光检测器9上。
在像散被透镜组28加入的三光束中作为中心光的第0级光，入射到主光斑光接收部分92，并形成束斑。两边的第±1级光各自入射到侧光斑光接收部分93和94，并形成束斑。
主光斑光接收部分92的外围光接收部分92A到92D和小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz，每个都根据照射光量输出信号，并且信号被提供给图9所示的算术电路40。算术电路40根据等式(5)计算并输出聚焦误差信号FCS。在计算聚焦误差信号FCS时，使用了系数调整/设置单元58输出的系数K1和K2。具体地说，例如通过设置K1=-1且K2=0，由等式(7)表达的FCS2作为聚焦误差信号输出。这与传统像散方法得到的聚焦误差信号FE相同。系数K1和K2可以是其它值。
算术电路40也通过相应于等式(10)到(14)之一的算术处理计算跟踪误差信号TRK1到TRK5的任意一个，并输出所得信号作为跟踪误差信号TRK。具体地说，例如TRK5被用作跟踪误差信号。也可以使用其它信号，例如也使用侧光斑光接收部分93和94的光接收部分93E、93F、94G和94H的输出信号的等式(12)的信号TRK3。
算术电路40还通过等式(15)所示的算术处理产生RF信号。RF信号通过低通滤波器57，并变成聚焦牵引信号FPI。随后的聚焦误差检测和聚焦控制与DVD30a情况中的相似。<聚焦误差检测的原理>
通过比较传统技术的像散方法描述实施例中使用的聚焦误差检测的原理。
如上所述，当使用具有图1所示结构的光检测器19的传统像散方法，在平台/凹槽记录系统，如DVD-RAM的记录媒本上执行聚焦误差检测时，在聚焦误差信号中产生“轨道交叉噪声”。这主要有下述两个原因。
第一个原因涉及平台/凹槽记录系统特有的光盘结构。“轨道交叉噪声”总是在平台/凹槽记录系统的普通光盘与传统像散方法联系在一起时产生。发生的程度根据轨道间距、物镜NA和聚焦误差牵引范围之间的关系而改变。
第二个原因是被光学头会聚并发出到光盘上的光束已经包括像散。发生的程度根据像散的幅度和方向而改变很大。<轨道交叉噪声的第一个原因>
首先描述第一个原因。一般地，被物镜会聚的光束落在光盘的平台或凹槽上，并被反射衍射。在平台/凹槽记录系统的情况下，信息被记录在平台和凹槽两者上，轨道间距(平台间的距离或凹槽间的距离)相对于被物镜会聚的光束斑的直径变得相对较大。结果，如图10A、10B、11A和11B所示，光盘衍射光在物镜光瞳上的重叠方式，与平台记录系统或凹槽记录系统(其后，为了解释简便，称之为凹槽记录系统)的重叠方式非常不同。
图10A画出了凹槽记录系统中光盘的信号记录表面与每个衍射光之间的关系。图10B画出了凹槽记录系统中衍射光在物镜的光瞳上的重叠状态。图11A画出了平台/凹槽记录系统中光盘的信号记录表面与每个衍射光之间的关系。图11B画出了平台/凹槽记录系统中衍射光在物镜的光瞳上的叠加状态。在说明中，在图10A和11A中，当从光照射侧来看时，信号记录表面的凸出部分被称为凹槽G而凹进部分被称为平台L。
在再现凹槽记录系统的光盘如MD(Mini Disc，即小型盘)时，如图10A和10B所示，通常，第+1级光S(+1)和第-1级光S(-1)彼此不重叠。相反，在再现平台/凹槽记录系统的光盘如DVD-RAM时，如图11A和11B所示，产生笫0级光(0)、第+1级光S(+1)和第-1级光S(-1)的所有三衍射光彼此重叠的干涉区51。而且在这种情况下，还产生第0级光(0)与第+2级光S(+2)彼此重叠的干涉区52和第0级光(0)与第-2级光S(-2)彼此重叠的干涉区53。
图12A和12B到图14A和14B画出了在通过用于DVD的光学头再现例如具有4.7GB记录容量的DVD-RAM的情况下，光盘衍射光在物镜的光瞳上的密度分布和相位分布的计算结果。具体地说，图12A和12B三维地画出了在物镜的光瞳上的相位分布。图13A和13B三维地画出了在物镜的光瞳上的密度分布。图14A和14B三维地画出了在同一位置通过第三级像散(和散焦和瓣状畸变(piston))来拟合密度分布得到的相位分布。图12A、13A和14A画出了会聚光斑在平台上的情况，而图12B、13B和14B画出了会聚光斑在凹槽上的情况。
使用如下值作为计算条件。为了简化，在平台和凹槽具有相同宽度的矩形形状的条件下进行计算。下列条件中的“边缘密度”代表物镜上光瞳边缘上的光密度与光瞳中心上的光密度的比例。光学头：
光源波长=660nm。
物镜的NA=0.60
轨道切向上的边缘密度=0.55
光盘径向上的边缘密度=0.45光盘：
轨道间隔=1.239μm=(0.165×2)
全程(round-trip)相位深度=λ/6
从如图12A和14A和图12B和14B可明显得知，相反信号的像散由于被平台和凹槽衍射的光通量的干涉而发生。
从如图13A和13B得知，在会聚光斑在平台上的情况下和会聚光斑在凹槽上的情况下的光密度分布彼此相等。其中三衍射光重叠的干涉区51具有特别高的密度分布。
拟合的像散量用下列等式(16)表达。当考虑NA后在光盘上转换成像散差时，在光在平台上与光在凹槽上每一个情况下的像散量由等式(17)估计，
WL,G=±0.046[λrms] ... (16)
ΔL,G=W×λ×4×61/2/NA2=0.83[μm] ... (17)
另一方面，当假设像散方法的牵引范围是SPP，而返回系统的放大倍数是β时，在返回系统中，透镜组产生的像散差由下列等式(18)表达。返回系统的NA(被称为NAback)由下列等式(19)表达，
Δback=SPP×2×β2 ... (18)
NAback=NA/β ... (19)
由返回系统的透镜组产生的像散量由下列等式(20)表达。
Wback=Δback×NAback2/λ/4/61/2
=SPP×NA2/λ/2/61/2[λrms] ... (20)
例如，当假设牵引范围SPP=6[μm]时，Wback=0.67[λrms]
一般地，在像散方法中，如图15A所示，在返回光路中位置P1上的透镜组28的柱面的母线方向D1，被设置为与光盘的轨道(平台或凹槽)形成的衍射图样的排列方向D2成45度。这样透镜组28在与母线方向D1成直角的方向D0上产生像散。假设光检测器9的主光斑光接收部分92(以下简称为光接收部分)被放置在产生像散的方向D0上的聚焦位置F2和没有产生像散且与方向D0成直角的方向D1(与透镜组28的柱面的母线平行)上的聚焦位置F1的几乎中间位置P2中。在这种情况下，光接收部分上的光斑在聚焦时几乎变成圆形。光斑在相应于聚焦牵引范围SPP的两端变成线(图3)。结果，从光检测器9得到的聚焦误差信号画出关于物镜位置的S型曲线。
当考虑聚焦时物镜光瞳上的衍射图样和光接收部分上的衍射图样时，在与透镜组28的柱面的母线相平行的方向和成直角的方向中，只有在聚焦的方向正好在光接收面之前，图样才颠倒。结果，如图15B所示光斑形成在光接收部分上。
如图13A和14B所示，光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下在光接收部分表面上的光密度分布彼此几乎相等。当光接收部分表面上的光斑如图15B所示时，即使进行像散方法的计算，光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下的计算结果之间没有差异。
但是，如上所述，实际上，由于平台和凹槽产生的衍射，可以通过像散估计的相位分布发生在反射光中。通过综合透镜组28产生的像散和平台凹槽衍射产生的像散得到的像散的方向，不形成关于光接收部分的分割线的45度角。在平台情况下的方向和在凹槽情况下的方向在与彼此相反的方向上偏离几度。结果，如图16A和16B所示，三衍射光彼此重叠的干涉区51相应于光斑196在平台上的状态和光斑196在凹槽上的状态，在分界线DL1和DL2上旋转几度。干涉区51的密度，如图13A和13B所示，与其他区域相比非常高。它的行为使得根据光检测器9的输出通过像散计算的结果剧烈波动。具体地说，在光斑在平台上的情况和光斑在凹槽上的情况之间聚焦误差信号FE产生很大差异。
关于聚焦牵引范围是6μm的情况，作为透镜组28产生的像散与平台/凹槽衍射引起的像散综合的结果产生的第±1级光的旋转角估算如下。
当假设失真方向已确定，并且第一聚焦的方向是方向轴D3时，如图17所示，透镜组的像散MAS、平台产生的像散LAS和凹槽产生的像散GAS分别由下列等式(21)到(23)表达。其中A、B代表常数，θ代表当光盘的径向被用作参考时光通量在光瞳横截面上的方向角，而ρ代表距光轴作为中心的光瞳坐标系统中原点的距离(其中光瞳的半径是1)。MAS=A×ρ2×Sin2θ …(21)LAS=-B×ρ2×Cos2θ …(22)GAS=+B×ρ2×Cos2θ …(23)
根据等式(21)到(23)，光斑在平台上的情况下的合成像散TAS由下列等式(24)表达。光斑在凹槽上的情况下的合成像散TAS由下列等式(25)表达，TAS=(A2+B2)1/2×ρ2×Sin2(θ-α/2)…(24)TAS=(A2+B2)1/2×ρ2×Sin2(θ+α/2)…(25)
角α是满足下列等式(26)和(27)的值，Cosα=A/(A2+B2)1/2 …(26)Sinα=B/(A2+B2)1/2 …(27)
由于衍射图样关于作为光接收部分中心的、图17中靠近方向轴D4的区域发生颠倒，衍射图样的排列方向从原始方向转动了90度。光斑在平台上的情况下倒置轴的方向只偏离方向轴D4(+α/2)。光斑在凹槽上的情况下倒置轴的方向只偏离方向轴D4(-α/2)。结果，如图18A和18B所示，在光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下，三衍射光重叠的干涉区51各自偏离分界线DX(+α)和(-α)。
通过实际使用值进行计算。根据A∝0.67[λrms]和B∝0.046[λrms]，得到α=3.9[度]。
上述考虑是在光学头会聚在光盘上的光束的失真(主要是像散)不是很大的前提下作出的。<对于第一个原因的测量>
根据上述考虑，在实施例中，在光学头包括小失真的前提下，光检测器9的主光斑光接收部分92被分成图8和图18A和18B所示的图样。例如，使用了由等式(6)计算的聚焦误差信号FCS1，等式(6)不使用中间光接收部分92M的输出信号，中间光接收部分92M包括三衍射光重叠的干涉区51，但只使用外围光接收部分92A到92D的输出信号。也就是，在图9中，通过设置信号SET来设置K1=0且K2=0，得到聚焦误差信号FCS1。
聚焦误差信号FCS1几乎不受干涉区15的密度分布改变的影响，在干涉区51中三衍射光在光斑在平台上的情况和光斑在凹槽的情况之间重叠。结果，可以执行没有“轨道交叉噪声”的极好聚焦控制。也就是，如图19所示，在聚焦误差信号电平变为0的位置附近的区域(圆200内)内，光斑在平台上的情况下的聚焦误差信号FEL与光斑在凹槽上情况下的聚焦误差信号FEG之间没有差异。因此，无条件地确定聚焦牵引范围SPP内信号电平变为0的物镜位置。这样，每当光束斑在平台和凹槽之间移动时，物镜都要一点一点移动的现象得到抑制。<轨道交叉噪声的第二个原因>
现在解释“轨道交叉噪声”的第二个原因。考虑光学头的出射光束包括像散的情况。在这种情况下，由于像散产生的相位分布的不对称，衍射光的合成相位分布变得不对称，使密度分布发生不对称。
图20A和20B到图22A和22B画出了在光学头本身具有像散的情况下，物镜的光瞳上的相位分布与密度分布的计算结果。具体地说，图20A和20B三维地画出了相位分布。图21A和21B三维地画出了密度分布。图22A和22B用轮廓线二维地画出了图21A和12B所示的密度分布。图20A、21A和22A画出了会聚光斑在平台上的情况。图20B、21B和22B画出了会聚光斑在凹槽上的情况。每个图形都画出了像散方向与轨道切向形成45度的情况。在这种情况下，密度分布的不对称是最显著的。假设光学头本身的像散量是0.03[λrms]。
从图21A和21B和图22A和22B中得知，当光学头本身具有像散时，光接收部分上的密度分布是非对称的，不同于图13A和13B的情况。由此产生的“轨道交叉噪声”根据光学头发出的光束的像散的辐度和方向而改变。这样，在这种情况下，即使使用算术算式(6)得到的聚焦误差信号FCS1，“轨道交叉噪声”也以与传统像散方法相似的方式产生。<对付第二个原因的措施>
根据上述考虑，在实施例中，注意这样的事实，轨道交叉产生的、干涉区51的密度改变信息是从小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号中得到，小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz通过将主光斑光接收部分92中的中间光接收部分92M分割成四部分得到。包括在聚焦误差信号FCS1中的、由光学头的像散产生的“轨道交叉噪声”被小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号抵消。更具体地说，聚聚控制通过使用由等式(7)计算的聚焦误差信号FCS2来执行。在这种情况下，通过图9中的设置信号SET设置K2=0，来使用信号FCS2作为聚焦误差信号FCS是足够的。
在这种情况下，即使光学头本身包括像散，聚焦误差信号FCS2几乎不受第±1级光的影响。结果，可以实现极好的聚焦控制，而没有第二个原因产生的“跟踪误差信号”。在等式(7)中，系数K1可能是预定固定值(例如“-1”)。也可以如此设置，使得在聚焦状态时对每种类型光学头、每种类型光盘或每个光学头“轨道交叉噪声”变得最小。系数K1可以通过从一组不同的预备值(离散值)中选择适当的一个来设置，或以模拟方式设置为可调整的任意值。<聚焦伺服中增益差产生的问题和对付此问题的措施>
也在使用聚焦误差信号FSC1的情况下，和在调整常数K1使在聚焦时“轨道交叉噪声”在FCS2计算中变为最小值的情况下，例如如图23所示，当在光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下聚焦误差信号的增益彼此不同时，可能发生聚焦控制受到妨碍的情况。在图23中，尽管使聚焦误差信号电平变为0的物镜位置被无条件确定，但光斑在平台上情况的聚焦误差信号FEL与光斑在凹槽上情况的聚焦误差信号FEG之间倾斜角存在很大差异。因此，在这种状态下，在移动物镜的控制中控制增益的优化值发生改变。改变增益变得必要了。
根据上述考虑，在实施例中，通过将聚焦误差信号FCS1或FCS2加上或减去中间光接收部分92M中小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号之和(中间总和信号)，得到由等式(8)和(9)表达的聚焦误差信号FCS3和FCS4，从而可以解决光斑在平台上的情况和光斑在凹槽上情况之间的增益差异。下列将描述其原理。
图24A和24B和图25A和25B画出了当散焦量是例如±0.5μm时，在光斑在平台上的情况下和光斑在凹槽上的情况下物镜光瞳上密度分布的计算结果。具体地说，图24A和24B画出了散焦量是-0.5μm的情况。图25A和25B画出了散焦量是+0.5μm的情况。图24A和25A画出了光斑在平台上的情况，而图24B和25B画出了光斑在凹槽上的情况。
如图13A和13B所示，当散焦量是0时，在光斑在平台上和光斑在凹槽上情况下的密度分布彼此没有差异。相反，当存在散焦时，如图24A和24B和图25A和25B所示，密度分布根据散焦方向而改变，具体地说，干涉区51的密度的改变方向变得相反。通过使用将相应于干涉区51的中间光接收部分92M的输出信号的和乘以系数K2，并从FCS1或FCS2中减去相乘结果得到的信号FCS3和FCS4，可以消除在光斑在平台上的情况和光斑在凹槽上的情况下的聚焦伺服增益之间的差异。这样，可以得到极好的聚焦伺服特性。在等式(8)和(9)中，最好对每一个光学头调整和设置系数K2，使散焦时的聚焦误差信号FCS3或FCS4在光斑在平台上时的情况与光斑在凹槽时的情况一致。
实施例中使用的光检测器9的光接收部分的图样，与传统光学头的光检测器19(图1)的图样相似，除了分割光接收部分的数量增加的点以外传统光学头的光检测器19使用像散进行聚焦误差检测，并使用差分相位差方法和三束方法进行跟踪误差检测。结果，通过在图9的算术电路40中简单设置K1=0且K2=0，可以产生传统聚焦误差信号FE，可以容易地保证与传统系统的兼容性。还可以初步计算聚焦误差信号FE和根据实施例的所有聚焦误差信号FCS1到FCS4，并根据光盘的类型等通过预定模式转换信号选择和输出这些信号之一。
根据实施例，如上所述，代替传统光检测器19，光检测器9用作光学头的光检测装置，其中主光斑光接收部分92的分割图样与传统的不同。不用使用主光斑光接收部分92的中间光接收部分92M的输出信号，通过只使用外围光接收部分92A到92D的输出信号执行预定的算术处理。通过使用算术处理得到的聚焦误差信号FCS1，可以执行聚焦控制。结果，在以与传统像散方法的情况相似的方式构成光学头的各个部分而不是光检测器9来保持兼容性的同时，也可以对平台和凹槽记录介质执行不产生大量“轨道交叉噪声”的极好聚焦控制。
根据实施例，当失真包括在光学头本身中是，包括在聚焦误差信号FCS1中的光学头的像散产生的“轨道交叉噪声”，可以通过来自小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号消除，这样得到聚焦误差信号FCS2。聚焦控制通过使用聚焦误差信号FCS2执行。结果，可以抑制光学头本身的失真产生的“轨道交叉噪声”，并且可以实现极好的聚焦控制。
而且，根据实施例，当聚焦控制由于在光斑在平台上的情况和光斑在凹槽上的情况下聚焦误差信号的增益彼此不同而被中断时，通过将聚焦误差信号FCS1或FCS2与中间光接收部分92M的小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号之和相加或相减，得到聚焦误差信号FCS3或FCS4。通过使用聚焦误差信号FCS3或FCS4执行聚焦控制。结果可消除在光斑在平台上的情况和光斑在凹槽上的情况下聚焦误差信号的增益之间的差异，并且可以实现极好的聚焦控制。
根据实施例，光检测器9的光接收部分图样，与只关于分割数量增加的点的传统光学头的光检测器的图样不同。结果，通过算术电路40可以非常简单地产生传统聚焦误差信号FE。这样，可以确保与传统系统的兼容性。
如上所述，在实施例中，算术电路可以产生一组聚焦误差信号FCS1到FCS4的任意一个。根据各种情况，如光学头的光学性能(失真特性)和光学头的输出增益特性，聚焦控制可以通过使用优化聚焦误差信号执行。
根据实施例，可以通过使用与像散方法的情况中的光接收部分一样小的光接收部分(主光斑光接收部分92)实现聚焦误差检测。结果，例如，甚至当光学头由具有带状基底厚度纠正部分的物镜27(图6)构成以确保DVD和CD之间的兼容性时，如光接收部分接收不必要的散射光这样的麻烦也可以有效地避免，并且可以抑制信号退化。
尽管通过上述实施例已经对本发明作了描述，但本发明并不限于此实施例，而可以进行各种改进和应用，而这些改进和应用都未脱离本发明的要点。例如，尽管在前面的实施例中，中间光接收部分92M被分成四个小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz，但本发明不限于这样的排列。例如，当由等式(6)和(8)表达的信号FCS1和FCS3之一用作聚焦误差检测信号，并且由等式(10)和(12)表达的信号TRK1和TRK3之一用作跟踪误差检测信号时，中间光接收部分92M的四个小光接收部分92Mw、92Mx、92My和92Mz的输出信号是不必要的。这样，在这种情况下，主光斑光接收部分92的中间光接收部分92M不必被分成四个部分，而只用作单一的中间光接收部分92M，如图26所示，并且通过使用中间光接收部分92M的输出信号，足以进行等式(6)、(8)、(10)或(12)的计算。
尽管在实施例中常数K1到K3被设置为预定值，但本发明不限于上述情况。例如，常数K1到K3可以根据要再现的光盘的类型、光盘驱动器中使用的光学头的规格等设置为任意值。
尽管在前面的实施例中算术电路40被包括在光检测器9中，但算术电路40也可以构造成为与光检测器9分开的外部电路。
尽管实施例中描述了光学部分分开配置的光学头，但本发明不限于那样的光学头。本发明也可以应用于整体配置光学系统所构成的光学头。
本发明应用的对象不仅限于DVD-RAM，本发明通常可以应用于信息被记录在平台和凹槽两者上的平台/凹槽记录系统的记录介质上。而且，本发明还可以应用于信息被记录在平台或凹槽上的记录介质，只要介质是第0级光和第±1级光的三衍射光在记录表面上彼此重叠的系统的介质。而且，本发明不仅可以应用于旋转的盘形记录介质，而且可以应用于直线传输的带形记录介质等，只要介质是这样系统的光记录介质。
如上所述，根据本实施例的光学头或光信息记录和再现装置，光学头这样构成，使得用于接收记录介质的反射光的光检测装置包括：四个光接收部分，关于第一轴和第二轴几乎对称排列，第一轴平行于记录介质的轨道引导结构产生的一组衍射图样的排列方向，而第二轴垂直于该排列方向；和中间光接收部分，位于夹在两条排列线之间的中间区域中，两条排列线平行于四个外围光接收部分的排列中的第二轴。结果，可以从四个外围光接收部分和中间光接收部分得到分开的输出信号。通过分离或有选择地使用输出信号，可以执行光学头的操作控制(如聚焦控制)。特别是，也在从平台/凹槽记录系统的记录介质中再现信息的情况下，通过消除在非优选状态下从光检测装置的光接收部分中的一些区域中接收的信号，可以消除所谓“轨道交叉噪声”的影响，并且可以实现极好的聚焦误差控制。可以只通过改变光检测装置的光接收部分的图样和从传统光学头中的光接收部分得到的信号的处理模式，得到光学头。这样不需要准备新的特别部件，而稍微改动传统部件就足够了。不用徒劳地使传统结构复杂化，可以以相对简单的结构提供便宜的光学头和光信息记录和再现装置。
特别是，根据本实施例一个方面的光学头，由于光接收部分被第一和第二轴分割成四个小光接收部分，可以使用四个小光接收部分的每一个的输出信号。
根据实施例另一方面的光学头，计算作为在四个外围光接收部分的排列中沿一条对角线的两个外围光接收部分输出的信号之和，与沿另一条对角线的两个外围光接收部分输出的信号之和之间的差值的外围差分信号。根据计算结果，检测光被物镜会聚在记录介质上的聚焦状态。结果，没有受到中间光接收部分的输出信号的影响，可以通过像散方法实现聚焦控制。
根据本实施例另一方面的光学头，根据至少从四个外围光接收部分输出的信号和从中间光接收部分的四个小光接收部分输出的信号，检测聚焦状态。这样，大量光接收信息可以从几个输出信号中得到。例如，通过适当地组合信号，这样可以实现高精确聚焦控制。
根据本实施例另一方面的光学头，计算作为在四个外围光接收部分的排列中沿一条对角线的两个外围光接收部分输出的信号之和，与沿另一条对角线的两个外围光接收部分输出的信号之和之间差值的外围差分信号。至少计算作为在中间光接收部分的四个小光接收部分排列中沿一条对角线的两个小光接收部分输出的信号之和，与沿另一条对角线的两个小光接收部分输出的信号之和之间的差值的中间差分信号，或者作为从中间光接收部分的四个小光接收部分输出的信号之和的中间总和信号。根据至少将中间差分信号的常数倍或中间总和信号的常数倍之一，与外围差分信号相加得到的相加结果，检测聚焦状态。因此，可以执行这样的聚焦控制，其中也考虑作为除外围差分信号之外的要素的中间差分信号和中间总和信号，通过适当地设置与中间差分信号和中间总和信号相乘的常数，可以实现更精确的聚焦控制。
根据本实施例另一方面的光学头，由于可以任意设置算术装置中与中间光接收部分输出的检测信号相乘的常数，可以便于聚焦控制的优化。
根据本实施例另一方面的光学头，算术装置中与中间光接收部分输出的检测信号相乘的常数，可以从至少相应于记录介质的类型或光学头的类型的一组预定值中选择，或调整为使物镜会聚的光束跨越轨道引导结构时产生的聚焦误差信号的波动几乎最小的值。这样，适当的聚焦控制总可以根据记录介质的类型、光学头的类型等来实现。
根据实施例的光检测器，它包括四个外围光接收部分和中间光接收部分，并且四个外围光接收部分和中间光接收部分的输出信号，根据提供的转换信号转换。这样，可以适当地改变检测聚焦误差信号的方法，聚焦误差是当光源发出的光被物镜会聚到具有预定轨道引导结构的记录介质上时产生的。
根据本实施例的聚焦误差检测方法，光检测装置配置有四个外围光接收部分和中间光接收部分，并且聚焦误差信号通过将根据四个外围光接收部分输出的信号得到的检测信号，与根据中间光接收部分输出的信号得到的检测信号的常数倍相加得到。因此光接收信息不仅可以从四个外围光接收部分，而且可以从中间光接收部分中得到。例如，这样通过适当地组合信号或适当地设置常数，可以实现更精确的聚焦控制。
特别是，根据实施例一个方面的聚焦误差检测方法，中间光接收部分被第一和第二轴分割成四个小光接收部分，并且与常数相乘的检测信号根据从中间光接收部分的四个小光接收部分输出的信号得到。这样可以更具体地知道中间光接收部分的光接收状态。
虽然本发明已经参考为说明目的所选的特定实施例进行了描述，但很明显，本领域的普通技术人员可以据此作出大量未脱离本发明的基本概念和范围的改进。