光学扫描设备 本发明涉及一种光学扫描设备，以及其中所使用的一种光学元件，该光学扫描设备用于扫描包含信息层的光记录载体，如光盘。该设备包含用于生成辐射束的辐射源，以及放置在辐射源与信息层之间的光路中的物镜，其用于将辐射束会聚到信息层上的一点。本发明特别地，但不排他地涉及一种光学扫描设备，其包含一个光学元件，用于补偿由于光束在到达信息层之前在光盘中经过的不同光程长度(在此是指信息层深度)所产生的球差。
由于对于大容量的光记录载体产品的需求，因此，所希望的光学扫描设备应采用较短波长(例如400nm)的辐射束，以及大数值孔径(NA)的物镜系统，NA至少为0.7，例如NA＝0.85。此外，可以通过提供双层盘增加容量。在上述的波长和NA情况下，理想的层间距至少为20-30μm，以将相干串扰减少至可接受的水平。如果没有补偿措施，从一层到另一层的再聚焦会导致球差，产生波前误差，该波前误差是光程差的均方根(OPD(rms))，大小为200-300mλ，这会降低所形成地光点的分辨率。
已知的方法是通过机械地调整复合物镜的两个或者更多个透镜元件之间的间距来提供球差补偿。补偿的另一种方法是通过机械地调整准直透镜相对于辐射源的位置，从而使辐射束以会聚光束或发散光束入射到物镜上，而不是以准直光束入射到物镜上。这些方法中的每一种都补偿了扫描设备的光学系统中产生的球差，从而至少近似地抵偿了被扫描光盘中所产生的球差。
然而，采用机械传动机构来提供球差补偿是比较复杂的，特别是将独立的机械传动机构用于提供焦点控制的时候，因此这增加了生产该扫描设备的成本。
在WO-A-124174中描述了另一种公知的光学扫描设备，在该光学扫描设备中，使辐射束通过扭曲向列(TN)液晶单元，其有选择地将入射光的偏振态旋转90°。接着使光束在会聚状态时通过双折射板，从而在其中产生了球差。双折射板根据TN单元的状态产生不同量的球差来补偿不同信息层的厚度。
EP-A-08605037 A1和R.Katayama发表于《应用光学》第38卷(1999)，3778-3786页的论文描述了一种用于制作物镜的相位结构，该物镜被设计用于扫描DVD记录载体，同样也适用于扫描CD记录载体。通常，设计用于扫描DVD记录载体的辐射束所具有的波长和数值孔径与用于扫描前代的记录载体(如CD)的辐射束是不同的。相位结构包含非周期性阶梯环状区域，这样对于DVD波长(660nm)来说，每一个区域所导致的相位阶梯为2π的倍数，所以该相位结构对这个波长没有影响。而对于CD读取来说，采用了不同的波长(785nm)。因此，此时的阶梯相位轮廓导致了相位阶梯不再是2π的倍数。通过适当地设计阶梯高度和区域宽度，在载体为CD的情况下，该相位结构所引入的相位把由于信息层深度差异导致的波前像差降低到衍射极限以下。该结构能够减小两个分立波长的波前像差。
JP-A-2000-163791描述了一种衍射光栅，其用于能够工作在两个不同波长上的光学扫描设备的光头上。该扫描设备采用了两个不同的辐射源，并将光栅放置在二色反射镜之后形成折叠式反射镜，从而将辐射导向物镜系统。该衍射光栅具有周期性结构，即有规律地反复通过该元件的结构。对于一个波长，二色反射镜反射辐射束而不产生衍射；而对于另一个波长，二色反射镜透射该辐射束，并且光栅衍射该辐射。这样，虽然从两个辐射源发出的辐射束的光轴最初并不对应，但是光束却同轴地通过了物镜系统。由于衍射，一定量的入射光被浪费了，这是不希望的。
本发明的目的是提供一种改进了的光学扫描设备中的波前像差补偿系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于与第一辐射束和第二辐射束共同使用的光学元件，该光学元件包括：
第一反射表面，所述第一表面可以有选择地反射，并且能够反射所述第一辐射束以及能够透射所述第二辐射束；以及
第二反射表面，将其安排成接收被所述第一表面透射的所述第二辐射束，并且将所述第二辐射束反射通过所述第一表面，
其中所述第二表面与所述第一表面被可变间距分开，所述可变间距与所述第一和第二光束之间所产生的相位轮廓差异相对应。
可以将波前像差补偿用于光盘内或光盘之间的不同深度的信息层，甚至是用于较大数值孔径设备中的不同深度的信息层，同时不需要机械系统来提供这样的波前像差补偿。
该第二表面优选地具有非周期性的阶梯环状区域图案，即该图案在径向不能有规律地重复，因此不能形成衍射级。因此，该相位结构不具有光栅的固有损耗。光学元件引起了所需的波前改变，同时辐射能量的损失却较小。设置具有平面平行反射表面的阶梯状结构，其优点在于减少了像散。
在另一可选实施例中，采用可连续改变的反射透镜化表面取代了阶梯状结构，但是透镜化表面通常会导致像散波前像差，这是因为光线的传播并未与光轴平行。
现在仅通过举例的方式，参照附图描述本发明的优选实施例，本发明不同实施例的特征和优点通过以下的描述将是显而易见的，其中：
图1和图2是本发明实施例中使用的光学元件的示意图；
图3是根据本发明实施例的光学元件的横截面图；
图4表示了补偿前和补偿后的波前像差；
图5是根据本发明实施例所设置的光学扫描设备的示意图；以及
图6是图5所示装置的光路示意图。
图1表示了根据本发明一实施例的光学扫描设备中设置的相位改变折叠式反射镜32。该折叠式反射镜32包括由薄膜层状结构形成的第一反射表面4，该结构与用于偏振分束器中的结构相似并具有偏振特性。第一表面34使以45°角入射到其上的、具有第一偏振态的辐射反射，并且使以相同角度入射到其上的、具有正交偏振态的辐射透射。
第二反射表面36设置在折叠式反射镜32的反面。如图1(A)所示，第二反射表面被涂敷了一种反射材料，例如薄金属膜39，并且该表面36包括阶梯环状区域形式的非平面相位结构，这些区域形成不同高度的非周期性图案，该图案与具有第二偏振态的辐射入射到相位改变反射镜32上所产生的波前像差相对应。
光学各向同性基片材料38，例如经机械加工的玻璃板或模压塑料板，将第一表面34与第二表面36分离。由于在第二表面36上出现了非周期性相位结构(NPS)，第一表面34与第二表面36之间的间距被基片38占据，并且间距的变化与两次通过折叠式反射镜32的基片38时所产生的相位轮廓差异相对应。
如图1所示，在这个实施例中，折叠式反射镜32被应用在用于扫描光盘OD的光学扫描设备中，该扫描设备利用了具有较短波长的辐射束，例如400nm(±10nm)的辐射束，并利用了具有较大数值孔径(NA)的物镜系统，如NA＝0.85。在这种情况下，物镜系统是一个复合物镜，包含第一透镜元件40和第二透镜元件42，第一透镜元件40用于将光束从准直状态转换为第一个会聚状态，第二透镜元件42用于将光束从第一个会聚状态转换为第二个更加会聚的状态。
在图1所示的装置中，入射到相位改变反射镜32上的光束主要包含具有所述第一偏振态的线性偏振辐射，这样入射的准直光束被第一表面34反射。由于第一表面34是平面，因此波前未被改变。复合物镜40，42优选用于读取信息层深度为D1的光盘中的信息层，其在信息层上生成一个理想的衍射限光点，本例中，D1为100μm(±30μm)。
现参考图2，采用了与图1所示相同的装置，用来读取信息层深度为D2的光盘中的信息层。D2小于D1，在本例中为80μm(±30μm)。在这种情况下，准直线性偏振辐射束入射到相位改变反射镜32上，该辐射束主要包含上述第二偏振态。在这种情况下该光束被透射通过第一反射表面34，传播通过基片层38，被第二反射表面36反射并再次通过基片层38以及第一反射表面34，向着第一透镜元件40传播。由于第二反射表面36被安排成与第一反射表面34大体上平面平行，因此光束仍保持准直状态；但是第二表面36上的NPS带来的波前偏差约等于层间距(D1-D2在本例中为20μm(±10μm))所引起的球差，因此要再次考虑到在被扫描的信息层上所要产生的受衍射限制的光点。
如上面所提到的，NPS是环状阶梯区域的形式。图3示意性地图解了相位改变反射镜32，更为详细地表示了NPS的阶梯区域Z1-Z11的横截面。出于举例的目的，所示的各区域之间的高度变化不合比例；实际上，高度变化与相位改变反射镜32的宽度相比要小得多。根据下面表1中所列出的相位结构组来设置各区域的高度变化，以便能够产生与信息层深度差异所引起的球差近似对应的波前偏差。注意，虽然本例中使用了11个区域，但也可以使用其它数量的区域，优选地，区域的数量在5到25之间，以提供足够的波前校正效率，同时出于生产效率考虑，应保持较小的区域数量。
表1 区域 rbegin区域[mm] rend区域[mm]Φ[弧度] Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 0.00 0.30 0.50 0.68 0.85 1.20 1.28 1.34 1.38 1.43 1.47 0.30 0.50 0.68 0.85 1.20 1.28 1.34 1.38 1.43 1.47 1.500.000-0.4822-1.2497-2.0739-2.5988-2.0367-1.3963-0.58420.33371.64312.9497
图4(A)表示了由于信息层差异而产生的球差，由于存在波前误差，光程差(W)应在光束的宽度上得到补偿。这个波前误差的光程差(OPD(rms))的均方根是230mλ。图4(B)表示了利用相位改变反射镜32进行补偿后的剩余波前误差。注意，这个波前误差的OPD(rms)是34mλ，远小于衍射界限，从而使得两层都得到成功扫描。我们定义的衍射界限为70mλ，在这一点上，使得波前误差所产生的点的位置要超出单独衍射所产生的点的位置。
注意，当对比图3和图4(A)时，NPS的横截面形状通常与球差波前误差的形状相对应。同时在这个实施例中，第二表面36上所形成的相位结构是阶梯环状NPS的形式。在可选实施例中，该相位结构通常采用具有与被补偿的波前误差相对应的形状的非平面连续表面的形式；在这种情况下，该表面的形状与图4(A)所示的波前误差曲线相似，但是更浅一些，即所包含的高度变化和倾斜度并不同样大。
图3所示的NPS的每个区域包含一个椭圆环状平面平行的表面，但是除了最里面的环状区域Z1，其包含一个椭圆形的平面平行的圆盘。每个区域通过垂直的阶梯与相邻的区域相分离，阶梯高度相互之间没有几何联系。阶梯高度安排成相等的，或者是彼此的倍数，这都是有可能的，但却不是优选的，这是由于利用给定数量的环状区域，这样的限制将有可能减少波前误差校正的数量。
如所述的，环状区域是椭圆形的；这是因为光束以45°角入射到相位改变反射镜32上。当以相对于元件为45°的角被投射到平面表面上时，该环状区域形成基本为圆形的对称环状区域。此外，通常将该环状区域设置成与辐射束的光轴共轴，以及与物镜的光轴共轴。因此，相位改变反射镜32能够在被扫描信息层上的光点形成之前校正辐射束中的对称波前像差。
图5是根据本发明的用于扫描双层光盘OD的设备中常用组成元件的示意图。光盘OD包含基片1和透明层2，在两者之间至少设置了一个信息层3。如果是采用了双层光盘，如图所示，在透明层2的后面设置了两个信息层3、4，它们位于盘中不同的深度处，间隔为20μm(±10μm)。另一透明层5将这两个信息层分开。透明层2的厚度约为80μm(±30μm)，其作用是保护最上面的信息层3，而机械支承由基片1提供。
信息可以被存储在光盘的信息层3、4中，其存储形式是设置在基本平行、同心或螺旋轨道上的光学可探测标记，在图1中没有示出。标记可以是任何光学可读的形式，如坑的形式，或是平台的形式，该区域的反射系数或磁化方向与周围不同，或是这些形式的组合。
该扫描设备包括一个安置在径向可移动臂上的光学拾取单元(OPU)。该OPU包括图1所示的除盘OD外的全部组成元件。辐射源6(例如单个半导体激光器)发出一束发散的线性偏振辐射束7，该辐射束波长为400nm(±10nm)。分束器8，在本例中是一个偏振分束器，以依赖于偏振的方式透射和反射透镜系统内的辐射。该透镜系统包括准直透镜9，NA为0.85的物镜12和会聚透镜11。物镜12严格地安置在机械传动器中(未示出)，该传动器用于对物镜12的位置实施径向寻轨伺服调整和聚焦伺服调整。
准直透镜9使发散的辐射束7折射，从而形成要被透射到相位改变折叠式反射镜32的准直光束15。通过准直，我们期望得到基本上平行的光束，对于该光束来说，复合物镜的横向放大率基本上等于零。如在本实施例中，当准直光束光路中的折叠式反射镜32和其它光学元件被设计成了利用理想的准直(平行)光束时，就产生了对准直光束的需求。但是当光路中的元件被设计成了利用发散或会聚光束时，准直光束就是不必要的了。即使使用被设计成了利用理想准直光束的元件，根据该光学系统所需的功效，某些关于光束聚散度的公差也是可以接受的。为了获得本光学系统所期望的功效，准直光束所具有的聚散度优选地使得物镜的绝对放大率小于0.02。
在到达反射镜32之前，光束通过可开关的扭曲向列(TN)液晶单元10，从而形成具有希望的偏振态的准直光束13。在被反射镜32反射之后，该光束通过四分之一波相位延迟片，该相位延迟片用于将线偏振光束转变为圆偏振光束。
物镜12将圆偏振辐射束15转变为具有大数值孔径(NA)的会聚光束16，在本例中NA为0.85，该会聚光束在被扫描的信息层3或4上形成光点18。
被信息层3或4反射的会聚光束16的辐射形成了发散的反射光束20，其沿着向前的会聚光束的光路返回。物镜12将反射光束20转变为基本上准直的反射光束21，分束器8将至少一部分反射光束21传输至会聚透镜11，从而将向前的光束和反射的光束分开。
会聚透镜11将入射光束转变为会聚的反射光束22，其聚焦在探测系统上，虽然使用的是多个探测器元件，但是通常只以一个元件23来表示。探测系统采集到该辐射，并将其转变为多个电信号，这些信号之一就是信息信号24，它的值表示从被扫描的信息层中读取的信息。另一个信号是聚焦误差信号25，它的值表示光点18和相应的被扫描的信息层3、4之间高度上的轴向差异。另一个信号是寻轨误差信号26，它的值表示光点与被扫描轨道之间的径向偏差。信号25、26中的每一个都被输入到用于在扫描过程中控制安置位置13的聚焦伺服和寻轨伺服机械传动器中。
另一个输入到TN单元10中的信号是球差控制信号30。球差控制信号30表示当前被扫描的光盘中所选择的信息层3或4，该控制信号30可以从探测系统23中获得，所设置的该探测系统能够探测返回光束中的球差。
图6(A)和6(B)示意性地表示了本发明的实施例，包括TN单元10和折叠式反射镜32形成的球差补偿光学子系统。
TN单元10是一个平面单元，包含插入两个透明平板之间的液晶层，该透明平板具有在其内表面上形成的传导透明层，其形成TN液晶单元10的电极。正如所知的TN液晶单元技术那样，除了电极层外，邻近液晶层的电极表面涂敷了对准材料。在液晶单元10一侧的该材料使液晶分子按照一定方向对准，该方向与液晶单元10另一侧的该材料使液晶分子对准的方向相垂直。相应地，当单元10处于关闭状态时，在液晶单元两侧之间的液晶层主体中形成90°的扭曲。将液晶单元10与受球差控制信号30控制的电压电源相连接。当开关打开时，电压电源将液晶单元10切换为打开状态，在该状态下，液晶分子通常被排列成与物镜12的光轴平行。在液晶单元10的关闭状态下，当入射辐射通过液晶单元10时，其偏振态旋转90°。相反地在打开状态下，液晶单元10对于通过单元10的辐射的偏振态没有影响。
TN液晶单元10中的液晶层是比较薄的，为4-6μm。球差补偿光学子系统的响应速度与单元在打开与关闭状态之间的切换一样迅速，该切换在10-50ms之内。
球差补偿光学子系统的另一组成部分是相位改变反射镜32，其根据TN单元10的状态，将预定的波前误差补偿相位改变传递给光束。
四分之一波长延迟片14被插入在反射镜32与光盘OD之间，该延迟片通过使偏振分束器8处的反射光束与入射光束之间的偏振态产生90°的旋转，从而提高结合了偏振分束器8的该设备的光学效率。
现参照图6(A)，该图表示了处于关闭状态的TN液晶单元10，表示为104的入射光束由辐射源6生成，首先具有P-型偏振态的光束通过偏振分束器8，在通过TN液晶单元10时，入射光束的偏振状态被旋转为S-型偏振态。折叠式反射镜32在其第一表面34反射该光束。接着在光束通过四分之一波片14时，入射光束的偏振态被改变为右旋的圆偏振态，并且入射光由光盘1中被扫描的信息层3或4反射。反射光束的偏振态因此被改变为左旋圆偏振态，该反射光束在通过四分之一波片14时被改变为P-型偏振态。
折叠式反射镜32在其具有NPS图案的第二表面36将返回光束反射，并且在通过关闭状态的TN液晶单元10时，由于TN液晶单元10的90°旋转作用而使得P-型偏振态变为S-型偏振态。偏振分束器8将大部分S-型偏振态的反射光束(由106表示)反射至探测器23。
现参照图6(B)，应用涉及图6(A)的讨论，但是在这种情况下，TN液晶单元10由球差控制信号30切换为打开状态。因此，入射到TN液晶单元10上的辐射的偏振态不会受到其通过单元10的影响。相应地，当光束入射到折叠式反射镜32上时仍保持P-型偏振态，因此在通过第一表面34时不发生反射而被第二表面36反射，从而产生与第二表面36上的NPS图案相对应的波前校正图案。相反地，当返回光束入射到反射镜32上时，该光束为S-型偏振态，其被第一平面表面34反射，当反射光束到达偏振分束器8时，该反射光束为S-型偏振态，并且偏振分束器8将光束106的大部分反射至探测器系统23。
因此，开关TN液晶单元10会使入射到光盘上的光束的波前形状产生差异。在折叠式反射镜32中产生的波前校正被用于补偿在光束通过透明层2、5中的一个或两个时所产生的球差。这样在光盘的每个信息层3、4处都能获得改善的分辨率，即使该扫描设备所需要读取的是两个不同深度的信息层，在本例中所要读取的是双层光盘中的信息层。
可以理解，本发明考虑到了对高容量光盘的读取或写入，利用了较短波长的辐射束，例如波长约为400nm的辐射束，在光盘上使用了大数值孔径的光束，并且未使用机械调节传动器或双折射透镜来实现球差补偿，以及考虑到了被读取光盘中信息层的不同深度。
同时在上述实施例中，使用了一个单独的辐射源，并且利用TN液晶单元有选择地使入射辐射的偏振态旋转90°，通过去掉该偏振态旋转元件，改为使用单独辐射源或两个独立的辐射源也可以实现相似的功能(但在光学系统的复杂性和效率方面稍逊一筹)，该单独辐射源发出的辐射与双折射和/或分束器的轴成45°角，而两个独立的辐射源发出每一种所需要的偏振态的正交偏振辐射。然后可以根据选择控制信号对所需要的球差补偿进行选择，例如通过探测器上的可切换偏振选择滤光器进行选择。可选择地，在提供两个这样的独立的辐射源的情况下，可以根据选择信号有选择地激励这两个辐射源。
此外，在可选实施例中，可以将扫描设备用于为不同格式光盘的兼容性提供波前像差补偿，如CD和DVD的兼容性。可以将对偏振敏感的第一表面用于在两束光之间提供选择的波前像差补偿。
在另一可选实施例中，第一表面可以包括二色薄膜反射层，该反射层取代了偏振-选择层，从而提供对两束不同波长的光束的选择，其中该层对一种波长的光束是透明的，对另一种波长的光束是反射的。
在另一实施例中，第一表面对两束光的选择可以是角度选择。在这个实施例中，两束光以不同的角度到达第一表面，一束光被透射，而另一束光被反射(这例如是由于全内反射)。
在上述实施例中，波前误差校正元件与折叠式反射镜集成在一起，该反射镜设置在主光路中并与光束光轴成45°角。在可选实施例中，波前误差校正元件与所描述的相类似，其被安排成用于该光学扫描设备的独立的光束光路支路中。在这个实施例中，该元件可以垂直于光轴设置。
虽然图5所示的物镜具有一个平凸透镜元件，但是它可以包含更多的元件，其它的类型的透镜如凸凸透镜或凸凹透镜都可以被采用。物镜还可以包含透射或反射中的全息操作，或包含光栅用以耦合在传送辐射束的波导之外的辐射。
可以理解，以上的实施例是作为本发明示范性的例子。还可以预想到本发明的其他实施例。应当理解，关于一个实施例所描述的任何特征均可以用于其他实施例中。此外，也可以使用以上未进行描述的等同物或改进，而都不偏离本发明的范围，这些等同物或改进在所附的权利要求中进行限定。