对于表面进行光学扫描用的装置.pdf

图1表示具有光反射信息平面2及透明基片3的很小一部分光学记录载体1。该图还表示出许多为中间区域5（例如凹槽）分开或未被其分开的轨迹4。这些轨迹沿图中表示的XYZ轴坐标系的X方向伸展，图中的信息平面是和X-Y平面平行的。该信息按照轨迹顺序及具有宽度等于或小于轨迹的宽度，被记录在光学可读出区域形式的记录载体上。图1表示这样一些区域。该区域可以具有例如凹坑或者隆起的形状，或者该区域具有与其周围不同的反射，或者所具有的磁畴的磁化方向与其周围不同。此信息平面由光源7（例如其中心与XYZ轴坐标系的原点O重合的激光二极管）发出的扫描光束6进行扫描。该光束由以单块透镜概略表示的物镜系统8在信息平面上聚集成很小的扫描点Sa。也可在物镜系统之前采用单独的准直透镜。假
如记录载体是圆盘形状的，则可通过绕平行于Z轴的轴线旋转记录载体来对轨迹进行扫描。整个信息平面的扫描，则可沿径向（即Y方向）让记录载体和光源的光学系统、透镜及检测系统10彼此相对运动来完成。

必须能对信息平面反射并受该信息和轨迹的结构调制的光束进行检测，为此目的，必须将该光束同射向信息平面的扫描光束分开。为此，该装置可以配备光栅形式的衍射元件12，以使反射的光束偏离投影光束6光路。为了进行Foucault调焦误差检测，必须将反射光束分成两个扫描的子光束13和14，而且检测系统10必须分别包括例如两对检测元件20、21及23、24，并且第一对元件20、21与第一个子光束13相配合，第二对元件与第二个子光束14相配合。

如在上述美国专利No.4，665，310中描述的那样，光束的分开和光束的分成两束可以由一个衍射元件来完成。此元件12可以将信息平面反射并通过物镜系统8的光束，分光为无衍射的零级子光束以及多个第一级和更高级的子光束。最好是让第一级子光束被衍射给检测系统10。由光源7发出并入射在检测系统10上面的这部分光束，可以通过选择光栅的参数特别是光栅凹槽宽度比、光栅凹槽面积比以及凹槽的深度和形状来进行调整。

图1中表示的已知光栅12，包括位于平行于X轴的分界线17两侧的两块子光栅15及16。图中表示的每块子光栅中的光栅线是相互平行的，然而第一块子光栅的光栅线以与分界线17成第一角度伸展，第二块子光栅以与分界线17成同样大但相反的第二角度伸展。实际使用的光栅上的光栅线，经常具有基本上为双曲线的形状，而且
大体上平行。这样的光栅还可以带有光焦度，例如假使光源和检测系统之间存在着高度差。为子光栅15和16衍射的子光束13和14，每一个所具有的方向基本上与相关子光栅的光栅线垂直。在X-Y平面内由子光束13和14形成的光点S₁和S₂是沿Y方向彼此偏移的，并且相对于X轴对称性定位。用于检测这些子光束的检测系统10包括两个检测器，一个检测器包括位于边界线22两侧的检测元件20及21，一个检测器包括位于边界线25两侧的检测元件23及24。这些检测元件按照这样一种方式安置，使得当信息平面2上的扫描光束6正确聚集时，光点S₁和S₂的重心位于相应的边界线22及25上。当产生聚集误差时，光点S₁和S₂的光分布重心或者彼此相向或者彼此相背移位，这要取决于聚焦误差的方向。假如检测元件20、21、23及24的输出信号分别用S₂₀，S₂₁，S₂₃及S₂₄表示，则调焦误差信号S_f可由下式给出：

S_f＝（S₂₀-S₂₁）+（S₂₄-S₂₃）

这种产生出调焦误差信号的已知方法，称之为双Foucault方法，因为每个子光束的检测均借助于一对检测元件。与读出的信息成正比的信号即信息信号Si，可由下式给出：

Si＝S₂₀+S₂₁+S₂₃+S₂₄

可以发现，调焦误差信号S_f的大小，不但取决于调焦误差的大小，而且取决于扫描点的径向位置即Y方向上的位置。这种对于调焦
的径向串扰的起因，将参照图2加以阐明。入射在信息平面2上的扫描光束6，不但能被信息平面上的轨迹反射，而且能被其衍射。沿Y方向即垂直于轨迹的方向上的衍射，随后将被考虑进去。此衍射将造成一个零级、两个一级以及微弱的更高级光束从信息平面上反射。零级光束沿入射光束的光路返回。第一级以及更高级的光束，将沿着垂直于在X方向上伸展的轨迹的Y方向上偏移。这些衍射光束偏移的角度是由轨迹的周期决定的，而其强度通常要由轨迹4和中间过渡区5的几何形状以及被记录信息区域的几何形状来决定。图2借助于编号27、28及29，分别表示物镜系统8的平面内零级、正一级和负一级光束的截面。图2中的装置具有这样一种光学结构，使得正一级和负一级的光束在物镜中心彼此相切。落在物镜系统8外部的那部分反射光束将损失掉。在零级和一级光束重叠区内的辐射光强，取决于每一单独光束的强度以及这两光束间的相位差。此相位差则取决于扫描光点Sa相对轨迹的位置。当此扫描光点沿Y方向横过轨迹进行扫描时，零级和正一级光束间以及零级和负一级光束间的相位差连续发生变化。因此在重叠的两区域之间产生出强度差异。这些强度变化被用来产生出跟踪误差信号，指示出扫描光点是远离被扫描轨迹的中心线如何远。

在光栅12的位置上两重叠区域的位置是用线18和19表示的。于是跟踪误差可以按推挽的方法由检测元件20、21、23及24来产生。此跟踪误差信号St随后由下式给出：

S_t＝（S₂₀+S₂₁）-（S₂₃+S₂₄）

当光栅12的分界线17如图2所示平行于轨迹4时，此跟踪误差信号为最大。在这种情况下，由圆15和圆弧18以及19限定的零级和一级光束重叠区域内的所有光辐射，都射向一个检测器。假如分界线的角度即分界线17和有效跟踪方向之间的角度大于0°，那么每个检测器将接收来自两个重叠区域的光辐射。如果分界线的角度增大，则跟踪误差信号St的值将减小，直到分界线的角度为90°时每个检测器均可接收来自每一重叠区的光辐射之半而跟踪误差信号变成零。在分界线的角度为80°或者更小时，有用的跟踪误差信号仍可以产生。

在由光栅12分光为两条子光束13和14的光束中存在有零级及一级衍射光束，为产生调焦误差提供可能，但是还能引起对调焦的径向串扰。在与跟踪误差有关的重叠区中上述相位差当其存在时，将引起入射在光栅上的正一级和负一级光束波前的倾斜或者弯曲，从而引起子光束13及14被光栅衍射角度方面的变化。因此，光点S₁及S₂将对边界线22及24横向偏移，然而扫描光束是正确聚集在信息平面上的。这种偏移被解释为调焦误差信号，尽管实际上并不存在调焦误差。这种伪调焦误差信号（又被称作调焦偏移）值，取决于轨迹的几何形状以及扫描点在X方向上的位置。此外，这些衍射光束还会对调焦误差信号值和调焦误差（即调焦误差检测灵敏度）值的比产生影响。上面指出的衍射光束作用于调焦误差信号的影响被称之为调焦的径向串扰，因为重叠区域中光辐射的强度和相位取决于扫描光点的径向位置。

在所表示的分界线17平行于轨迹4的结构中，这种串扰为最大。假如此分界线的角度大于0℃，那么每个检测器都接收到来自两个重
叠区的光辐射，并且发现这种串扰要小一些。随着分界线从0°少量增大，这种串扰即已迅速减小，以至于当分界线角度为15°时，调焦误差信号的性能早已优于0℃时，对照这种总的前提可以发现，在分界线的角度为90°时此串扰并非最小，而是在更小的角度时。在存在着最小串扰时的角度的大小，取决于轨迹的几何形状以及所发射的扫描光束的光学参数。根据本发明，分界线的角度选择在15°和80°之间的范围内，其额外的优点在于借助推挽方法能在整个角度范围内产生出跟踪误差信号。

该串扰还取决于检测器和光栅之间的距离。曾经发现，如果分界线的角度在30°和60°之间，则这种相关性是最小的。这一范围所具有的附加好处在于串扰本身在该范围内是小的。对于不同装置和记录载体来说。最小的串扰是在分界线为45°角附近。具有分界线角度为45°的本发明装置的实施例，表示在图3中。作为扫描光束的检测系统10，被表示为一个由四个并列的检测元件构成的单元。

类似于由图1和2表示以及由欧洲专利申请No.0372629中了解到的装置中那样，边界线22和25基本上是指向光源7的。之所以这样做目的在于激光二极管产生的光辐射波长可能改变，这种改变例如可以由于温度或者经过该激光二极管的电流的变化而引起。由于光栅12与波长相关的特性存在，故当波长改变时，光点S₁和S₂将偏移向光栅的零级光束所会聚的点或者离开该点。在所示的结构中，零级光束的会聚点与光源7的中心重合，辐射波长改变的第二影响是使物镜系统的工作受到影响。在调焦误差检测方面的总偏差，可以通过赋于边界线以略微不同于经过光源中心线的方向来进行补偿。在某些装置中，当边界线22及25两者都平行于由检测系统10中
心延长至光源的直线时，可以得到令人满意的补偿。由于对边界线22及25方向的上述选择，故当波长变化时光点S₁及S₂将沿这些边界线移动，从而使这些检测器中产生的信号因而也就是调焦误差和跟踪误差信号，在波长变化时不会改变。如果检测系统和激光二极管并不共面但具有不同的高，那么边界线可以指向衍射元件12的零级光束的光轴，即图3中的Z轴。

图4A为带有检测系统10的X-Y平面以及光栅12在该平面上的投影的平面图，其中的检测系统和光栅具有图3中表示装置中同样的结构。重叠区域的位置用线18及19表示，而有效跟踪方向33以虚线表示。分界线的角度为有效跟踪方向和分界线17之间的小于90°的角度。图4B表示图4A结构的变形，其中的检测元件20及21被单个检测器26来取代。调焦误差信号仅由两个检测元件23及24的差分信号产生，从而就是按照单Foucault方法产生。图4B的结构对于图4A结构的优越性在于，组装该装置时光栅12的定位比较简单，因为只有一个光点要在边界线上中心定位，而不是两个光点要在两条不同的边界线上中心定位。产生调焦误差信号的这种单Foucault方法适合于带有稳定光学系统的装置。

根据本发明的光栅12的取向，也可被应用在扫描点的跟踪是由两条附加的光束来实现的装置中。这样的装置本身尤其从前面提到的欧洲专利申请No.0372629中可知，表示在图5中。在该装置中，两条附加的光束是由包括单块光栅30在内的第二块衍射元件形成的，该光栅被安排在由光源7提供的光束中。此单块光栅基本上为平行的直光栅线，是以很小的角度相对Y轴伸展的。此光栅将正一级光束大致衍射在+X方向上，负一级光束大致衍射在-X方向上。
此正一级和负一级光束构成了两条辅助光束31及32，被附加在用作扫描光束6的零级光束上。这些辅助光束31及32被物镜系统8在信息平面2上聚焦成两个光点Sb和Sc。这两个光点沿X方向即轨迹方向在由扫描光束6形成的光点Sa两侧伸展。由于此单块光栅的光栅线和Y轴之间所形成的角度很小，所以光点Sb和Sc在-Y及+Y方向上相对光点Sa仅有很小的位移。在图5表示的装置中，光点Sa和光点Sb及Sc中每一光点间在Y方向上的距离为轨迹周期的四分之一。由信息平面反射的三条光束中的一部分，被光栅12从投影光束中衍射出来。为了防止被衍射的光束再一次被单块光栅30分光，最好将光栅12及30彼此按这样一种距离安排并按这样一种方式限制它们的尺寸，以使在检测系统方向上由光栅12衍射的光束不会穿过光栅30。

光栅12以参照图4描述的同样方式处理每一条反射的光束。在检测系统10的方向上每条光束的一部分被衍射且又分成两条子光束。在图5表示的光栅12中，分成子光束的这种分光是沿着垂直于该光栅的分界线17的方向实现的。按照这种方式，被反射的扫描光束6被分成两条子光束以在检测系统10上形成两个光点S₁和S₂。图5中的检测系统10，类似图4表示的装置被细分为四个检测元件20、21、23及24，以便根据双Foucault方法产生出调焦误差信号。被反射的辅助光束31也由光栅12分成两条子光束，并由该子光束在检测系统35上形成两个光点S₃和S₄。这些光点S₃和S₄是在垂直于分界线17的方向上相互移位的，然而相对于光点S₁及S₂来说，这些光点大致平行于X轴方向偏移。与此类似，光栅12又由被反射的辅助光束32分成两条子光束，并由该子光束在检
测系统40上形成光点S₅和S₆，两个检测系统35及40均被表示为单个的检测器，每个检测器检测位于其上的两个光点上的总辐射光。检测系统35的检测信号和检测系统40的检测信号间的差，是扫描光点Sa跟踪误差的量度。可被用来使扫描光点保持在被扫描轨迹的中心线上。

光栅12中分界线17以与轨迹方向成锐角取向，可导致径向调焦串扰的减小，如在图4所示装置中那样。光栅12的这种取向的进一步好处，将参照图6加以阐明。图6A为带有检测系统10、35及40的X-Y平面以及光栅12及30在该平面内投影的平面图，其中的检测系统和光栅具有如从上述欧洲专利申请No.0372629中了解到的结构。单块光栅线30上面的光栅线还是大致平行于Y轴的，以使光点Sb及Sc在X方向上相对光点Sa移动，在已知的装置中，光栅12的分界线17是与轨迹平行的。由光栅12衍射的子光束产生出沿X方向一个位于另一个后面的三对光点S₁～S₅。用于检测相应的一对光点S₁及S₂、S₃及S₄、S₅及S₆和检测系统10、35和40，在X方向上也是一个位于另一个后面的。

当由激光二极管7发出的辐射光波长变化时，这些光点S₁～S₆将在X方向上移动。于是光点S₁及S₂沿着大致平行于X轴的边界线22及25移动。当把不同的光学元件安装在该装置中去，这些子光束的焦点可能相对于检测系统较之设计高度位于不同的高度。如果光栅12具有的光焦度如从欧洲专利说明书No.0300570中了解到的那样，则这些子光束随后仍能聚焦在正确的高度。通过在光栅平面内移动光栅12，可以改变子光束的聚焦。在此这些光点再一次沿边界线移动。然而这种移动在X方向上受到检测系统10长度的
局限。这个长度是由检测系统内三对光点间的距离决定的，依次又被施加在信号平面2上的光点Sa，Sb和Sc之间的距离要求来限定。由于这些要求，所以检测系统的长度不能自由选择，而且对波长的变化的检测器的定向有很小的容限。在本发明的装置中，由于光栅的分界线17相对轨迹具有上述取向，故此容限可以大大放宽。

图6B表示根据本发明的光栅12及30以及检测系统10、35和40的结构。由于光栅12和30采用图中表示的相互取向。所以光点S₁～S₅的相互取向可按这样一种方式改变，使得检测系统35及40沿着垂直于检测系统10中心至光栅12的零级光束会聚点（即图6B中光栅12的中心）间连线的方向被安排在紧挨着检测系统10。现在就可以对由于波长变化移动光点，按照所需要的那样大的检测系统及光栅定位限差来与该连线平行地选择检测系统的长度。这些检测系统还可进一步安置为不同于大的分界线角度的情况。在分界线角度为45°附近时，各检测系统间的距离大到足以使用细长的检测元件，然而存在着小的串扰，而且有用的跟踪误差信号还可由推挽方法产生。在图6B中的检测系统带有两条边界线22及25，以使调焦误差信号可由采用双Foucault方法产生。在这种结构中，借助于单Foucault方法也能够产生出调焦误差信号。于是如图6C中表示的那样，两条边界线22及25之一也可以取消。由于在进行光学系统对准时只需让一个光点中心定位在一条边界线上，故该装置的制造简化。

光栅12的子光栅15及16上的光栅线，并不需要一定是相对分界线17对称的。图6D表示一种结构的光栅12′，其中两块子光栅中的光栅线是彼此平行的，而且子光栅15′中光栅线的周期大
于子光栅16′中的周期。由子光栅15′形成的子光束，将以比由子光栅16′形成的子光束更小的角度进行衍射。由来自子光栅16′的扫描子光束形成的光点S₂，因而比由来自子光栅15′的扫描子光束形成的光点S₁位于更远离光栅12′的中心。沿X方向由单块光栅30产生的辅助光束的位移，确保沿X方向上偏移的光点S₃和S₄以及S₅和S₆位于光点S₁及S₂的两侧，因此检测系统10、35和40，在沿着光栅12′的零级光束会聚点的方向上可以具有大的长度，以便能对检测系统的定位及波长变化获得更宽的限差。光点的最大位移是由光点S₁和S₂之间的距离决定的，此距离可以适合由于改变两子光栅15′及16′中的光栅线周期所要求的限差。

图6D中的检测系统10只有一对检测元件23、24及一个未分开的检测器，因而适用于单Foucault方法，当然，换一种方式将该检测器用一对检测元件取代，还能使图6D的结构适用于双Foucault方法。

为对某些类型的信息平面进行扫描，借助于参照图5描述的两条辅助光束6产生的跟踪误差信号，对于实现满意的跟踪太小。于是通过将推挽法应用于两条辅助光束31及32和扫描光束6中的每一条，往往可能产生出满意的跟踪误差信号。这种三光束推挽法又称之为差分推挽法，其本身可由欧洲专利申请No.0409469中了解到。图7表示根据本发明的装置，其中的跟踪误差信号是用三光束推挽法产生的。在本装置中，单块光栅30的光栅线对Y轴的伸展角度，被选择为略大于图5表示的装置中，以使信息平面2上的光点Sb及Sc沿Y方向所处至光点Sa的距离，等于轨迹周期的一半。在光点之间为这个距离下，可以产生最大的跟踪误差信号。为了能够单独地
检测每一光点S₃，S₄，S₅和S₆，每一检测系统35及40分别又被分成两个检测器，即检测器36、37及检测器41、42。于是跟踪误差信号可由下式给出：

St′＝（S₃₆-S₃₇）+（S₄₁-S₄₂）-C^＊（S₂₀+S₂₁-S₂₃-S₂₄）

其中C为一个常数，取决于扫描光束和辅助光束之间的强度差。

在图7的检测系统10、35和40中，只有检测器之间的边界线必须精确取向，由于波长变化情况下的光点位移是检测系统10的边界线22及25中的每一条将光点分成两半并以其产生出调焦误差信号。如果这些边界线之一取消，则调焦误差信号可由单Foucault方法产生。图7中表示的装置具有的上述优点是径向调焦串扰较少，而且对由波长变化产生光点偏移的限差宽。

为了进行满意地跟踪，在某些装置中需要让信息平面上的光点Sa，Sb和Sc比较靠近在一起。因此图7中检测系统上面的光点S₃，S₁和S₅以及S₄，S₂和S₆，位置比较靠在一起。其结果必须将检测器分开很窄，以致于光学系统的对准受到妨碍。因此如图8所示的检测器结构，最好用在这种装置中。由于光栅15″衍射的子光束形成的三个光点S₃，S₁和S₅，位于并置的检测器36、43和41上面。与此类似，由子光栅16″衍射的子光束形成的光点S₄，S₂和S₅，位于并置的检测器37、34和42上面。这种结构中的光点，可比图7表示的检测器结构中处在更靠近的位置。光点Sb，Sa和Sc之间因而还有光点S₃，S₁和S₅以及S₄，S₂和S₆之间较短的距离，是靠对子光栅30采用大的光栅周期来
实现的。由同一束光中产生出光点之间更大的距离，是通过增大每一子光栅15″和16″上光栅线对分界线17″的伸展角度来实现的。从图6B表示的光栅与图7表示的光栅的比较中，这无疑是明显的。

迄今描述的装置带有的光栅12都是透射式的。然而本发明也可应用在带有反射式光栅的装置中。这种装置的实施例表示在图9中，该装置包括可与图3所示装置中比较的光学系统。光源7提供一条以其主光线平行于X轴的发散光束。该光束入射在以与X轴成45°角安置的光栅45上面。该光束被光栅反射随后沿Z方向穿过物镜系统8并由该系统将其聚焦在信息平面2上。由该信息平面反射的光束随后由光栅45以零级、正一级和负一级进行衍射。零级光束返回到激光器7，而且两条一级子光束被衍射向检测系统10。检测系统10的光敏表面以及光源7的发光表面位于与Y-Z面平行的平面内，在X方向上偏移。检测系统中心和激光二极管中心间的连线50，以与Y轴和Z轴两者均成45°角伸展。该检测系统被分成四个检测元件20、21、23和24，以使调焦误差信号可由双Foucault方法产生。光栅45可由分界线46分成两块子光栅47和48。分界线的取向可借助于指示有效跟踪方向的虚线51来表示。分界线46和虚线51之间的角度，根据本发明应在15°和80°之间，而且在图中约等于45°。该反射光栅45为该装置非常紧凑的结构提供可能性。本发明还可应用在带有反射式光栅30的装置中，或者应用在两块光栅12和30均为反射光栅的装置中。显然，对使用一和两块透射光栅及一或多个检测系统的装置中光学系统全部描述的结构，也可由一或两块反射光栅构成。

尽管图中表示的实施例中光栅12及45的子光栅都带有直的光
栅线，然而弯曲的光栅线也是可能的，以便赋予子光栅例如光焦度。

在迄今描述的本发明装置的实施例中，子光束都是由光栅作为分光元件产生的，然而本发明并不局限于此，并可应用在来自信息平面的光束被分界线分成两条子光束的所有装置中。例如可以使用略带棱形的分光平板作为分光元件。于是这种分光元件的两块子表面中的每一个都包括一块棱镜表面。这种分光平板被安置在通向检测系统的光束中。该分光平板的优点在于，子光束的方向几乎与光的波长无关。

在所表示的装置中的调焦误差信号，是由单或者双Foucault方法产生的。本发明还可应用在调焦误差信号是由光束定量法产生的装置中，该方法本身可由美国专利No.4，724，533中了解到。通过赋于表面15及16以不同的光焦度，可将扫描的子光束13和14聚集在离分光元件不同的距离上。

图10A表示棱形分光平板55形式的分光元件。该分光平板带有为分界线58分开的两块棱镜面56和57。按照本发明，分界线58和有效跟踪方向51之间的角度在15°和80°之间，表面56及57上面的法线中的每一条，都与入射在该分光平板上的光束的光轴成很小的相反角度伸展。由此两表面形成的子光束，同样也以很小的偏角偏离光轴，取决于上述角度的大小。此偏角仅与辐射光波长有微弱的关系。由棱镜面56形成的子光束被聚集在检测系统10平面的上方，而由棱镜面57形成的子光束则聚焦在该平面的下方。这种焦点高度方面的差异可以通过赋予棱镜面56及57以不同的光焦度来实现，例如让这些表面具有不同的曲率。由面56形成的子光束，在包括三个检测元件61、62及63的检测器60上面形成光点59。由面57形成的子光束，在包括三个检测元件66、67及
68的检测器65上面形成光点64，如果光点64或69被聚焦在此检测系统的平面上，那么处在中央的检测元件62和67的宽度将具有与该光点直径相同的数量级。图中表示的情况为扫描光束6被聚焦在信息平面2上，因而光点59和64是同样大的，一般说来，分光平板55将被安置在分束器和检测系统之间的光束中，分束器则使记录载体反射的一部分光偏向检测系统，并且分光平板和检测系统的中心将位于这条光束的光轴上。为清楚起见，图10中检测系统和分光平板彼此靠近表示以取代彼此在上部。于是调焦误差信号S_f′可由下式给出：

S_f′＝（S₆₂+S₆₆+S₆₈）-（S₆₇+S₆₁+S₆₃）

图10B表示衍射元件形式的分光元件及相关的检测系统，作为光束定量方法应用在图3所示的装置中。该衍射元件70包括位于边界线73两侧的两块子光栅71及72。每一块子光栅都带有弯曲的光栅线和不同的光焦度。由子光栅71形成的子光束被聚焦在检测系统10平面的下方，并在包括两个检测元件76及77的检测器60上面形成光点75。由子光栅72形成的子光束被聚焦在检测系统10平面上方，并在包括两个检测元件79及80的检测器65上面形成光点78。调焦误差信号S_f″则由下式给出：

S_f″＝（S₇₇+S₇₉）-（S₇₆+S₈₀）

显然，调焦误差信号由光束定量法产生的装置的上述实施例，也可与根据推挽方法或者借助两条辅助光束产生跟踪误差信号相结合。