用于扫描光学记录载体的光学设备.pdf

一种用于扫描光学记录载体(20)的光学设备具有可以沿着不同光学路径(28，29)发射不同波长的两个辐射束的辐射源(25)。经发射的辐射被聚焦到记录载体上并且被反射回到检测系统(40)。束组合器43被设置在辐射源和检测系统之间的光学路径中用于将两个辐射束组合在一个光学路径上面，从而对于两个辐射束允许使用单个检测系统。所述束组合器包括使束之一未受衍射而通过且对另一束主要在第一级进行衍射的光栅。光栅线的轮廓示出交替的倾斜凹槽和倾斜平台。

1.  一种用于扫描光学记录载体的光学设备，包括辐射源，其用于产生沿着第一路径传播的第一波长的第一辐射束及沿着不同的第二路径传播的不同的第二波长的第二辐射束；光检测系统；用于将所述辐射束经由光学记录载体导引到光检测系统的光学系统；以及用于将所述第一束和第二束组合以便于它们基本上在光检测系统上重合的光栅，其特征在于所述光栅具有交替的倾斜凹槽和倾斜平台。

2.  根据权利要求1的光学设备，其中所述凹槽具有基本上等于第一波长的整数倍且同时基本上等于第二波长一半的奇数倍的光学深度。

3.  根据权利要求1的光学设备，其中所述光栅是被提供在平面中的透射光栅并且凹槽和平台相对于所述平面以基本上等于来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。

4.  根据权利要求1的光学设备，其中所述光栅是被提供在平面中的反射光栅并且凹槽和平台相对于所述平面以大约等于1/4倍的来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。

5.  根据权利要求1的光学设备，其中所述光栅和辐射源以及/或光检测系统被相互间可调节地放置。

6.  一种光栅，用于将沿着第一路径入射的第一波长的第一辐射束与沿着不同的第二路径的不同的第二波长的第二辐射束组合以便于由所述光栅所形成的束基本上重合，其特征在于所述光栅具有交替的倾斜凹槽和倾斜平台以及所述凹槽具有基本上等于第一波长整数倍的光学深度。

7.  根据权利要求6的光栅，其中所述光栅是被提供在平面中的透射光栅并且凹槽和平台相对于所述平面以基本上等于来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。

8.  根据权利要求6的光栅，其中所述光栅是被提供在平面中的反射光栅并且凹槽和平台相对于所述平面以大约等于1/4倍的来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。

用于扫描光学记录载体的光学设备
技术领域
本发明涉及一种用于扫描光学记录载体的光学设备并且涉及一种用在这种设备上的光栅。更具体地，所述设备包括辐射源，其用于产生沿着第一路径传播的第一波长的第一辐射束及沿着不同的第二路径传播的不同的第二波长的第二辐射束；光检测系统；用于将所述辐射束经由光学记录载体导引到光检测系统的光学系统；以及用于将所述第一束和第二束组合以便于它们基本上重合在光检测系统上的光栅。扫描可指从记录载体读取，写入及擦除信息。
发明背景
日益增加的对存储容量的需求已经导致对新光学扫描设备及具有增加的存储容量的匹配记录载体的研制。因而，旧的低容量记录载体及新的高容量记录载体可同时在市场上得到。出于兼容性的原因，用于新记录载体的扫描设备应该能够扫描旧的和新的记录载体。这要求设备对处理不同格式记录载体的适应性。例如，被设计用于扫描较新的DVD类型记录载体和较旧的CD-R类型可写记录载体的扫描设备必须形成用于扫描DVD的650nm波长的辐射束以及用于扫描CD的780nm波长的辐射束。这样的播放器的光学系统包括两个二极管激光器，一个用于650nm辐射且一个用于780nm辐射。为了降低光学系统的成本，尽可能多的其部件应该被两个辐射束所横断。
这样的双波长扫描设备从专利US 5912868中可知并且在图1中被示意性地呈现。来自激光器3和4的两个辐射束的路径1和2相互地呈90°被取向，并且在进入将光束聚焦到记录载体7上面的物镜系统6之前在立方体分束器5中被组合。选择哪个辐射源被操作由正在被扫描的记录载体的类型加以确定。从记录载体返回的辐射经由分束器9被导引到光检测系统8。光检测器将入射的辐射变换成表示存储于记录载体中的信息以及指示辐射束在其上写有信息的记录载体轨迹上面聚焦的位置精度的跟踪信息的电信号。所述跟踪涉及在光轴方向上即聚焦的跟踪，以及在垂直于光轴以及记录载体中正在被扫描的轨迹方向的方向上的跟踪。后者类型的跟踪还指径向跟踪，其中它涉及到盘形状的光学记录载体。
鉴于辐射束必须以如此的精确度落在检测系统上，在两个激光器相互位置的容许偏差相对非常严格。检测系统上的位置误差可导致跟踪信息中的误差。图2示出从专利申请JP-A 10326428中已知的扫描设备，其中两个激光束被紧密地设置在一起，其被画为一单个部件10，从而较容易使它们的相互位置保持在容许偏差内。两个辐射束的路径呈锐角且所述束被光栅11加以组合。所述光栅衍射两个正在传输中的入射辐射束。辐射束之一的零级束从光栅通到物镜系统，而另一辐射束的第一级束沿着相同的路径通到物镜系统。
专利申请JP-A 10261241公开了用于将来自激光器的辐射束加以组合的光栅。所述光栅被优化用于传输处于零级的650nm波长的辐射及处于一级的780nm波长的辐射。光栅的划线处于一系列相邻锯齿轮廓地形式，每个锯齿被近似成梯级轮廓。
发明内容
由于光栅的高透射率对于以高数据速率读取尤其是写入记录载体中的信息是所需的，所以本发明的目的是提供一种双波长的扫描设备，其带有作为束组合器的具有较高透射比的光栅。还有一个目标是降低光栅划线的复杂性以便利于它的制造。
如果根据本发明扫描设备被提供有具有交替倾斜凹槽和倾斜平台的光栅，则取得这个目的。对于第一波长束的零级束以及第二波长束的一级束，可以使透射率大于80％。降低的划线复杂性简化了光栅的制造。由于所述划线较已知的光栅具有较少的边缘，所以它可以被更精确地制造。改善的精度降低了由光栅所引起的杂散光量，且因此增加了光栅的透射率。
当凹槽具有基本上等于第一波长的整数倍且同时等于第二波长一半的奇数倍的光学深度时，在零级束中光栅的透射焦度得到增加。“基本上等于”意味着等于在+/-0.2波长之内。
如果光栅是被提供在平面中的透射光栅，则优选地凹槽和平台相对于平面以基本上等于来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。“基本上等于”意味着等于在+/-50％之内，优选地在15％之内。凹槽和平台的倾斜角增加了从第二波长束所衍射的第一级束的透射率。
如果光栅是被提供在平面中的反射光栅，则优选地凹槽和平台相对于平面以大约等于1/4倍的来自第二辐射束的经选择衍射束与非衍射束之间角的角倾斜。
通过将辐射源及光栅设置成相互间可调节，可便利于来自记录载体和入射到检测系统上的辐射束的对准。此外，可使光栅和光检测系统相互间可调节。合适的对准(proper alignment)所需要的2度的自由度是光栅绕光轴的旋转以及光栅沿着光轴的位置变化。
当光栅被设置在紧接着辐射束之后时，两个光束沿着从光栅到光检测系统的相同路径。作为选择地，当光栅被设置在光检测系统前面时，光束在光检测系统的光敏区域上的相同位置处形成光点；在辐射源和光栅之间光束沿着不同的光学路径，虽然基本上平行。
在本发明的另一方面，一种光栅，用于使沿着第一路径入射的第一波长的第一辐射束的路径与沿着不同的第二路径的不同的第二波长的第二辐射束的路径合成一体以便于来自第一辐射束的非衍射束与来自第二辐射束的衍射束基本上重合，其特征在于所述光栅具有交替的倾斜凹槽和倾斜平台。优选地凹槽具有基本上等于第一波长整数倍的光学深度。更优选地光栅与此同时具有基本上等于第二波长一半的奇数倍的光学深度。这个条件优化了两个波长在所要求方向上的衍射效率。
附图说明
参考所附附图，从仅借助于所优选实施例的实例给出的下述说明中，本发明的特征和优点将变得显而易见，其中：
图1和2示意性示出现有技术的扫描设备；
图3示出根据本发明的扫描设备；
图4示出根据本发明的束组合光栅的轮廓；以及
图5示出扫描设备的进一步实施例。
具体实施方式
图3示出根据本发明的用于扫描光学记录载体20的扫描设备。记录载体包括透明层21，在所述透明层21的一侧设置有信息层22。背向透明层的信息层侧由保护层23保护免受环境影响。面向所述设备的透明层侧被称为进入面24。通过为信息层提供机械支持，透明层21充当记录载体的基片。作为选择地，透明层可具有保护信息层的唯一功能，而机械支持由信息层另一侧上面的层，例如由保护层23或由被连接到信息层22上的另外信息层及透明层来提供。信息可以被设置在基本上平行，同心或螺旋轨迹中的从光学上可检测的标志(在图中未被指示)形式被存储在记录载体的信息层22内。所述标志可处于任何从光学上可读取的形式，例如以反射系数或磁化方向不同于其环境的坑，或区域的形式或者这些形式的组合。
扫描设备包括辐射源25，其可以发射具有第一波长的第一辐射束26和具有第二波长的第二辐射束27。虚线28和29分别指示辐射束26和27的主光线。虽然这些辐射束从辐射源传播经过相同的光学元件30，31，34，35，43到达检测系统，但是据说它们沿着不同的路径，因为它们的主光线并不重合。辐射束26沿着第一路径且辐射束27沿着第二路径穿过光学元件。
辐射源可包括分别发射额定波长650和780nm的第一和第二半导体激光器。当正在被扫描的记录载体是DVD类型时第一激光器将被操作且当记录载体是CD类型时第二激光器将被操作。两个激光器可被结合在一个半导体芯片上，从而允许激光器发射点的距离在100μm的数量级。
分束器30将发散的辐射束26和27反射向准直透镜31，所述准直透镜31将发散束26和27转换成准直束32和33。在镜34上反射之后，准直束入射在物镜系统35上面。物镜系统可包括一个或更多个透镜和/或光栅。物镜系统35将束32和33变成入射到记录载体20的进入面24上面的会聚束。物镜系统具有适应于通过透明层21厚度的辐射束通路的球面象差校正。会聚束形成信息层22上面的光点36和37。被信息层22反射的辐射形成发散束，其被物镜系统35变换成基本上准直的束以及随后被准直透镜31变换成会聚束38和39。通过将来自记录载体的至少部分会聚束透射向检测系统40，分束器30将前向和反射束分开。检测系统捕捉辐射且将它转换成电输出信号41。
信号处理器42将这些输出信号转换成各种其它信号。信号之一是信息信号，其值表示从信息层22所读取的信息。信息信号被信息处理单元处理用于误差校正。信号处理器42还提供其它信号如焦点误差信号和径向误差信号。焦点误差信号表示在光点36或37以及信息层22之间高度上的轴向差。径向误差信号表示在信息层22平面中光点36或37与即将由光点所跟随的信息层内轨迹中心之间的距离。焦点误差信号及径向误差信号被馈给到伺服电路用于分别控制焦点执行器和径向执行器。所述执行器在图中未被示出。焦点执行器控制物镜系统35在焦点方向上的位置，由此控制光点36或37的实际位置以便于它基本上与信息层22的平面重合。径向执行器控制物镜35在径向方向上的位置，由此控制光点36或37的径向位置以便于它基本上与在信息层中即将被跟随的轨迹中央线重合。图中的轨迹在垂直于图平面的方向伸展。
被设置在检测系统40之前的束光学路径中的处于光栅形式的束组合器43，形成来自束38的非衍射束44及来自束39的第一级衍射束45。束44和45会聚在检测系统40的光敏表面上面的基本同一位置。因此，对于两个不同的辐射束要求仅单个检测系统和伴随的电子装置。
虽然图3中所示的扫描设备使用从束39被衍射的第一级束及来自束38的非衍射束，但是衍射级的其它组合是可能的，例如来自两个束38和39的第一级束。在可以在记录载体上写入信息的设备中非衍射束的使用具有优点。当半导体激光器被用作辐射源时，当辐射焦度从读取水平变化到较高的写入水平时，辐射的波长示出几纳米数量级的小移位。如果这种辐射束被光栅如束组合器43以第一级衍射，则将发生衍射角的变化，从而导致在记录载体和/或检测系统上光点的位置变化。因此，焦度在读取和写入水平之间被切换的束优选地被束组合器光栅无衍射地透射或反射。因此，在能够在CD格式中读取和写入且在DVD格式中仅读取的扫描设备中，用于CD的785nm应该不被衍射而用于DVD的650nm应该被衍射，优选地在第一级。
图4示出在垂直于光栅线方向通过根据本发明光栅43实施例的轮廓的横断面。光栅线具有凹槽50和平台51的锯齿状轮廓。凹槽和平台的平坦底相对于光栅被设置其中的束组合器43平面倾斜角α。角α被加以选择以使衍射束和非衍射束的强度相等。对于透射光栅角α被选择成基本上等于角θ，其为衍射束与非衍射束之间的角。在透射中被衍射的第一级束的角θ的正弦等于λ/2(n-1)p，其中λ是束的波长，n是光栅材料的折射率且p是光栅节距。对于具有n≈1.5的大多数玻璃和塑料，这降低到sinθ≈λ/p。光栅线具有图中所指示的节距“p”和深度“d”。通过选择深度“d”以便于对于辐射束38波长它对应于等于2π倍数的相位深度，从而使非衍射束43光栅的透射被优化。空气入射透射光栅的相位深度基本上等于2πd(n-1)/λ，其中n是光栅材料的折射率且λ是入射辐射的波长。代替透射光栅，反射光栅可用在所述设备中。空气入射反射光栅具有基本上等于4πd/λ的相位深度。在那种情况下角α应该被选择成基本上等于θ/4，对于第一级衍射束其等于λ/(4p)。
在扫描设备的特定实施例中，参数具有下述值：第一波长，即辐射束38的波长为650nm，第二波长，即辐射束39的波长为785nm，光栅材料的折射率为1.5，第二波长的衍射角θ为1.7°且在没有光栅43的检测系统40上面辐射束44和45的光点之间的间隔等于120μm。等于λ₂/sinθ的节距“p”现在为26.5μm。对于第一波长光栅的相位深度被取成等于6π，其对应于等于3.9μm的深度“d”。对于第二波长光栅的相位深度为4.95π。由于这对应于大约反相位(anti-phase)，所以第二波长的辐射将形成低强度的非衍射束和高强度的衍射束。
图5示出根据本发明的扫描设备的进一步实施例，其中束接近于辐射源而不是如图3中所示接近于检测系统被组合。辐射源60可以发射不同波长的两个辐射束61和62。两个束入射到根据本发明的束组合器63上。束组合器包括具有图4中所示轮廓的光栅。来自束组合器的束64是来自入射束61的非衍射束及/或来自入射束62的第一级衍射束。束64经由分束器65和物镜系统66被聚焦在记录载体20的信息层22上。由记录载体所反射的辐射被分束器透射且被检测系统67截取。图5中所示扫描设备的光学系统同图3中所示的光学系统相比较是有利的，因为前者对于不同波长的辐射束具有通过物镜的单个光学路径，由此降低了物镜场的使用。
如在国际专利申请号EP01/10737中所说明，根据本发明的光栅可有利地被使用在光学扫描设备中。这个设备使用具有两个光栅的束组合器，其中在板的每侧上有一个光栅。一个或两个光栅可具有倾斜的凹槽和倾斜的平台。