光学传感器和光磁信号再现装置 本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种用于光磁信号再现装置的光学传感器。
图1表示一种用于光磁盘装置的光学传感器，这种装置已于1995年12月26日公开在Ando等人提出的美国专利U.S.P.5,479,387中。其中光学传感器1由多个光学元件2-10组成。光学传感器1经由光栅元件3，分束器4，准直透镜5和物镜6会聚由激光二极管2发出的激光束和由光磁盘11反射的激光束，并经由渥拉斯顿(Wollastou)棱镜7和复合透镜8在光探测器9上成象。
然而，这类光学传感器的缺点在于难于使整个装置小型化。这种按排的另一个缺点是，由于多个光学部件必需分别组装，所以可靠性的改善也很困难。这就使所述装置不适合用于小型光磁盘类再现装置，其中小尺寸高可靠的光传感器是攸关重要的。
图2A和2B表示1989年10月10日公布的Kume等人的美国专利U.S.P.4,873,429中公开的一种结构。该结构被提出在小型光盘放演装置中用为光学传感器。所述的光学传感器21配用一个激光二极管LD，一个晶体元件23，一个在其上具有光探测器PD1和PD2的半导体基衬24，以及其它的部件。如图所示，这些部件被包容在一个外壳22内。
光学传感器21被设置在用透明件25封住的外壳22的开孔内，一个非偏振的半透光薄膜26设置在梯形截面的晶体分束元件23的倾斜表面上。第二粘合膜27设置在分束元件23和光探测器PD1之间，而第三反射膜28反射在晶体内所反射的激光，它被设置在晶体分束元件23的上表面。
然而，上述地光学传感器21不适用于光磁信号的再现，因为该光学传感器21是一种非偏振类型的光学系统。
本发明的目的在于提供一种光学传感器和光磁信号再现装置，它们与传统的相应设施相比体积小并且可靠性高。
可以由一种光学传感器来实现上述的和其它目的，这种传感器包括一个在其上形成一组光接收元件的半导体基衬；一个位于半导体基衬上的光发射元件，它发射一束光，这束光射向光磁信号记录介质；一个偏振分量分离元件，它由一个双折射材料部件组成，用于把从光磁信号记录介质反射的回程光进行分离，并用于将被分离的偏振光分量聚焦至预定的光接收元件上。
光磁信号记录介质上反射的回程光在由双折射材料的光轴决定的预定方向上受到分离。
本发明的实质、原理和实用性将从下述结合附图的详细说明变得更为明白，各附图中相类似的部件采用相同的参考数字或符号表示。
图1是表示传统的再现光磁信号所用光学传感器的示意侧视图，
图2A和2B是表示小型光盘再现所用光学传感器的示意侧视图；
图3是表示双折射效应的截面视图；
图4是表示从光线入射一侧看到的固有偏振方向的示意图；
图5是表示波法线方向和光能渐进方向之间相互关系的示意图；
图6A、6B和7A、7B是表示按照第一分离方法，在光经过偏振分量分离元件反射后的分离的光点组示意图；
图8A、8B和9A、9B是表示按照第二分离方法，在光经过偏振分量分离部件反射后的分离的光点组示意图；
图10是表示光学传感器结构的示意侧视图；
图11是表示光学传感器在光磁信号再现装置中安装位置的示意侧视图；
图12是表示根据本发明的光磁信号再现装置的电路布置方块图；
图13是表示用于在晶体内四次反射光线的偏振分量分离部件的示意图。
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行说明：
(1)光学传感器
(1-1)双折射
本发明的光学传感器的特征在于，使用呈现双折射的材料作为＂偏振分量分离元件＂，其中，根据入射光的偏振分量对入射光予以分开，被分开的光分量在分离元件内受到多次反射以便促进分离。本发明的其它特征在于，使用呈现双折射的双折射材料的单元部件或单片件形成分束棱镜或偏振分量分离元件。采用上述结构不需要依次按各自折射椭球的轴向叠置多片双折射材料，这种双折射椭球代表不同片的双折射材料的特性，也无需仔细地进行考虑。
需指出的是，在入射光通过偏振元件时，可以从入射光分离偏振光，而不用在偏振元件内受到反射。然而，在这种情形下，重要的是随着电场密度矢量D的不同(即：波法线方向K的不同)在元件的界面处各折射方向是不同的。这种现象表示在图3中，图中表示寻常光(0-光)和非常光(没有离散的e光)之间的分离。图3特别表示了在空气中的会聚光入射至一个单轴晶体YVO4(ne＝2.1893，no＝1.9734，λ＝780nm)上的情形。需指出的是，0光表示循从Snell定律的光线，而e光表示不服从该定律的光线。
本发明实施例的特征是，入射光线在分离元件内受到一次或多次的反射，这种双折射构成了一个非常重要的特性。双折射是指一种现象，其中，在电场密度矢量D的振动方向不同时，即使在晶体内的波法线矢量k是相同时，光线的矢量S(等于光波的电场矢量E乘上光波的磁场矢量H)也是不同的。下面将更详细地说明双折射。
可以利用折射率椭球的二个轴向的长度来表示通过双折射材料行进的给定光线的折射，这种椭球的双轴是在用一个通过原点的面表面切割椭球时形成的，光束的波矢量k互相垂直。此时，轴方向是相应于折射方向(见图4)的电场密度矢量D的方向。在偏振光以45°角入射时，该偏振光受到分离，矢量D1和D2之间的差(见图4)可用于导出光磁信号。
折射的不同是波法线矢量k的不同(见图5)。然而，由于折射率是随着波法线矢量k的不同而改变，所以折射率的改变需予以考虑。
随折射方向不同所产生的波法线矢量k可由下述方式确定，即用一组折射率和固有偏振矢量D，依据波法线矢量服从Snell定律的事实来确定。
显然，波法线矢量k的差仅用于分离偏振分量是足够的。然而，在需要确认分离的光线是如何行进时，就需要考虑波法线矢量k移开光线矢量S或者从光线矢量S的离散。
利用下述公式来计算光线矢量S。首先，利用在双折射材料中的电场矢量E满足等式D＝∈E的事实，得到电场矢量E＝∈-1D，而D和∈是已经知道的(因为折射率椭球已经知道，所以从∈2＝∈/∈o式也可知道∈)。
还有，对于磁场矢量H和磁通量密度矢量B，如图5所见，等式H//B//KXD成立。由于磁场矢量H的方向是已知的，所以可以由先前确定的电场矢量E，利用式S＝EXH来确定光线矢量S。
反射时此等式也成立。通常，双折射材料以类似于上面提到的方式在界面沿两个方向分离，这是由于双折射材料相对于光波表面矢量k和固有矢量D呈现不同折射率的原因。
有关上述的论点，在图3中的e光线(具有离散的)表现出一种光线受到移动的情况。参见图3，它表示在晶体内不发生反射的情况。
(1-2)偏振分量分离元件(Y方向分离型)
下面将对根据本发明这一方面说明偏振分量分离元件的结构。所述的偏振分量分离元件其单轴晶体的光轴位于垂直于如图6A所示的反射表面法线的表面上。采用使入射光在晶体内至少受到一次反射的方式来使用偏振分量分离元件。在这些条件下，P偏振分量和S偏振分量沿图6B所示的Y轴方向受到分离。图7A和7B表示，在上述情况下，光点是如何聚焦到光电探测器PD1，PD2和PD3上的，下面将预详细公开的聚焦光点＂ooo＂和＂eee＂，以一种倾斜的分离方式会聚在以系列安置的光电探测器PD2和PD3上。在本实施例中，例如＂oeo＂表示受到二次反射分离的＂寻常光→非常光→寻常光＂的光线成分。
在所述的偏振分量分离元件的情况下，晶体的光学特性受到抑制，致使反射前后在P-偏振分量和S-偏振分量中既不发生相位差，也不产生反射率之差。在光学性能受到抑制时，固有的偏振分量矢量D和S偏振分量之间的关系，以及固有的偏振分量矢量D和P偏振分量之间的关系在反射前后保持不变。此外，固有折射率在反射前后是一致的。于是，不能实现光线在反射表面上的分离，只有两个光点＂ooo＂和＂eee＂受到完全地分离，并分别聚焦到光电探测器PD2和PD3上。
即使在产生相位差和反射率之差，以及反射前后光点受到分离时，由于反射过程使第一分离的光点稍微受到扩展，但是第二光点清晰地被分离成两个点群。当对这两个光点所得的差分输出预以测定时，就可以得到光磁信号。
需要指出的是，上述偏振分量分离元件具有单轴晶体结构。在晶体具有双轴晶体结构的情况下，一个相应于与偏离晶体的折射光向的中间折射率具有较大折射率差的折射率的方向建立在垂直于反射面的法线的表面内。在这种情况下，入射光线在晶体内至少还受到一次反射。作为参考，三个中的两个近似的折射率被置定为＂no＂，而其余一个被置定为＂ne＂，致使折射率很容易设定。
还有，在这种结构中，如果相应于晶体的三个折射率之外的中间折射率的一个方向设定为平行于反射面的法线的方向，则＂no＂和＂ne＂之间的差显然变大(即光线的分离角可能变大)，从而可以取得可实用的分束功能。
在双轴晶体的情况下，所能获得的效果类似于在单轴晶体中所获得的效果。由此，可以从大量的晶体材料选择中来选取偏振分量分离元件，增加设计的自由度。
(1-3)偏振分量分离元件(x方向分离型)
需指出的是，上面已给出有关偏振分量分离元件中光点受到在Y方向内分离的说明。然而，根据本发明，第二种分离可以出现在X方向上。
如图8A所示，采用这种偏振分量分离元件，将单轴晶体的光轴设定在与入射到晶体上的初始光线的入射面之法线和反射面的法线平行的表面内，入射光线在晶体内至少受到一次反射。同时，在图8B和图9A和9B所示的X轴方向P偏振分量和S偏振分量受到分离。
按照这种方式，偏振分量的分离方向只能通过改变光轴的位置，甚至在使用单轴晶体时，才能得到改变，由此可将伺服误差的检测方法和PD分离方法用在光学系统的设计中。
顺便提到，如果把双轴晶体用于偏振分量分离元件中，则将一个偏离晶体的折射率方向的相应于具有较大折射率差的折射率的方向设定在平行于初始光线入射在晶体上的入射表面的法线，以及平行于反射表面的法线的平面内。与这样的步骤一样，可以得到上述的类似效果。
此外，在该结构中，把不同于晶体的三个折射率的反映中间折射率的方向设定成，该方向既平行于入射到晶体上的初始光线的入射面，又平行于它的反射面的法线方向。于是，＂no＂和＂ne＂之间的差明显地增大，致使光线的分离角加大，其结果是，可以得到实用的偏振分束器。
另外，在所述双轴晶体情况中，可以获得类似于用单轴晶体所获取的效果。因此，对偏振分量分离元件可能有晶体材料的宽的选择和设计的自由度。
由于对进行的叠合不需要很精密，所以可以很容易加工高精度的偏振分量分离元件。
此外，在偏振分量分离元件由单片双折射材料组成时，这种偏振分量分离元件随着时间的进程不会出现任何改变。
(2)光磁信号再现装置
图10表示一种光学传感器，它采用上述偏振分量分离元件。还有，图11表示一种利用所述光学传感器的光磁信号记录和再现装置的光学系统。图12表示适用于本发明偏振分量分离元件实施例的电路布置方块图。
如图10所示，光学传感器41包括，一个激光二极管LD，一个位于半导体基衬42上的偏振分量分离元件43，在基衬上集成有光电探测器PD1至PD3。图中的偏振分量分离元件43是一个上述类型的晶体元件，在光线晶体内受到两次反射。这里，所述偏振分量分离元件43具有梯形的截面，将其设置成，由偏振分束膜44反射激光束，该分束膜位于正对着激光二极管LD的分离元件43的倾斜表面上，反射的光入射到光磁盘的记录表面上。作为参考，偏振分束膜44其Ts＝35％，Tp＝70％。
从光磁盘记录面反射的回程光经由偏振分束膜44进入晶体43，使一部分回程光经过半透膜45射向位于偏振分量分离元件43底部的光电探测器PD1上。另一方面，从偏振分量分离元件43底部反射的激光被射向位于偏振分量分离元件43上表面的反射膜46上，使光再次受到反射，并会聚到位于偏振分量分离元件43的底部的光电探测器PD2和PD3上。
从光电探测器PD1-PD3输出电信号经过一个I/V放大器53进行电流-电压变换，然后加至矩阵放大器54(见图12)。
同时，矩阵放大器54在由光电探测器PD2和PD3所得的输出信号中输出一个差值信号作为光磁信号S3，同样也输出一个和值信号，或者至少一个输出信号作为凹痕信号S4。矩阵放大器54通过运算，并从光电探测器PD2和PD3至少一个的输出信号中输出一个聚焦误差信号S2，用于计算，并从光电探测器PD1-PD3中的至少一个输出一个寻轨误差信号S1。
根据输入的光磁信号S3和凹痕信号S4，由解调和释码电路55再现记录在光磁盘54内的信息，并把信号输入到后阶段的处理电路中。在该实施例中，偏振分量分离元件43可以是，LN(LiNbO3，单轴晶体)或是KTP(KTiOPO4，双轴晶体)。
根据上述结构，采用满足上述条件偏振分量分离元件43和光发射元件，可以使光学传感器小型化和结构紧凑。而采用这种类型的光学传感器可以使调节过程简化，并提高可靠性。还有，利用这样一种小尺寸的光学传感器可以实现与惯用的装置相比具有小尺寸光磁信号再现的装置。
(3)另一种实施例
在上述的实施例中，入射到偏振分量分离元件上的光线在双折射晶体内只受到两次反射。然而，反射的次数不限于两次，还可以是三次或更多次。当反射次数增加时，光点的分离和加工容限一起均可得到改善。还有，在这种情况下，可把偏振分量分离元件做得薄一些，仍旧可以取得足够的光点分离。例如，图13表示一个偏振分量分离元件43′，光在晶体内的反射次数是四次，如图所示在面a、b、c、d上的反射。增加反射次数对分离分辨率的效果可以从该图的下部图示中一目了然。
上面介绍了采用一种用于光磁盘中的光学传感器的实施例。然而，本发明不限于这种使用，本发明也能用在从再写袖珍光盘(MD-CD)或诸如光带的光记录介质读出信息的光学传感器上。同样，本发明不限于光磁盘再现装置的使用，也可以用在诸如光带记录器的光记录装置上。
如上所述，按照本发明，通过利用单片(块)双折射材料形成一种偏振分量分离元件，使得不再需要多个元件的精确叠合。
本发明已结合优选实施例作出了描述，显然本领域的普通技术人员可以在不偏离权利要求书限制的基本精神和范围内作出多种改变和改进。