本发明涉及一种对射线反射性信息平面进行光扫描用的设备，该设备包括一二极管激光器，提供着扫描光束;一物镜系统，用以聚焦扫描光束，在信息平面上形成扫描点，并用以将扫描点在复合式辐射敏感性检测系统上再成象;和一复合衍射元件，配置在二极管激光器与物镜系统之间的辐射路径上，用以将信息平面所反射的射线束偏转到辐射敏感性检查系统上，并用以将所述光束分裂成多个子光束，以便在复合检测系统相应的多个检测器对上形成多个相应的辐射点。 从美国专利4，665，310（PHN 11.531）可以了解到这种一般适宜读取预录制的光记录载体和以光学方式录制这类记录载体的设备。在这种设备中，复合衍射元件以衍射光栅的形式履行两种功能，而如果没有复合衍射元件就需要有两个分立的元件履行该两功能。首先，光栅确保着为信息表面所反射并横切物镜系统的射线从二极管激光器所发射辐射线的路径反射出来，从而可以在反射出来的辐射线的路径上配置一个检测系统。其次，光栅将反射光束分裂成两个产生聚焦误差信号所需要的子光束，这里聚焦误差信号是指含有有关物镜系统焦平面与信息平面之间偏差的大小和方向的信息的信号。各子光束与一分立的检测器对有关，表示同一对检测器输出信号之间的差别地信号是衡量扫描光束在信息平面上聚焦情况的尺度。
在所述的记录载体中，信息是按信息道配置的。若两子光栅之间的边界线平行于信息道的方向延伸，则有可能通过确定各检测器对各输出信号的和，再将这些和信号彼此相减，来形成含有有关扫描点中心与待扫描信息道的中心轴线之间偏差的大小和方向的信息的信号。
为使光束达到所希望的分裂情况，该已知设备的衍射光栅由两个光栅周期相同的子光栅组成，同时第一子光栅的光栅条纹相对于两子光栅的分隔线成第一角度延伸，第二子光栅的光栅条纹则相对于两子光栅的分隔线成第二角度延伸，第二角度与第一角度相等但方向相反。由于衍射光栅将一平面内的入射光束横向偏转到光栅线的方向，光束入射到其中一个子光栅的部分其方向会与光束入射到第二个子光栅的部分不同。
如美国专利4，665，310中所提出的那样，本专利所述的光栅设计是根据原先提出的复合衍射光栅的。这种光栅包含两个子光栅，其中，一个子光栅的光栅条纹与另一子光栅的光栅条纹同方向，但两子光栅的光栅周期不同。由于光栅偏转入射光束的角度取决于光栅周期，因此光束入射到其中一个子光栅上的部分的偏转角与光束入射到另一子光栅的部分的偏转角不同。
用设有这些光栅的扫描设备得出过令人满意的经验。但已经发现，采用光栅时会在所产生的聚焦误差信号中产生偏差，虽然这个误差仍然在为该信号规定的容差的范围内，但给其它可能产生的偏差却只留下不多的余地。后一种偏差可能是光学元件的相互运动和电子处理电路设定值的变化引起的。
大家都知道，经常使用的二极管激光器所发射出的辐射线束实际上其波长是可能会由于例如温度的变化而变化的。各二极管激光器是用同样的工艺在不同的时间制造的，因而其波长也会彼此不同。扫描线束波长的变化会使子光栅偏转子光束的角度发生变化，从而使辐射点在检测器对上的位置发生变化。
为避免这些位置的变化影响着所产生的聚焦误差信号，已经有人提出过如此配置各检测器对的分隔条纹，使得辐射点因波长的变化而产生的位移沿这些分隔条纹产生。但还没有把这些辐射点强度分布的变化考虑进去。
当扫描光束在信息平面上正确聚焦时且该光束处于正确或标称波长的情况下，衍射光栅的子光束在它们有关的检测器对上形成辐射点，该诸辐射点的强度分布对称于这些检测器对。改变扫描光束的波长时，不仅这些辐射点的位置发生变化，而且这些辐射点在横切分隔条纹的方向上的不对称性也变得更大，这是因为即使扫描光束在信息平面上的聚焦恒定、正确的情况下子光束相对于有关检测器对的聚焦也发生变化的缘故。于是由于各子光束起源于只覆盖物镜系统半个出射光瞳的光栅，因而这些子光束不对称这一事实开始起作用。辐射点因波长变化而产生的放大作用是不对称的，因而辐射点强度分布的中心产生运动，其一鲈硕至亢崆杏泄丶觳馄鞫缘姆指籼跷啤Ｒ虼嗽诓ǔし⑸浠保肽骋欢杂泄氐募觳馄鞯牟钪敌藕啪头⑸吮浠沟闼欧低辰帽浠斫馕韫馐喽杂谛畔⑵矫娴木劢刮蟛睢Ｓ谑墙沟闼欧低晨家哉庋姆绞浇小靶Ｕ保沟蒙璧悴辉僖宰罴逊绞皆谛畔⑵矫嫔暇劢埂?
本发明的目的是提供解决这个新问题的方法。本发明设备的特征在于，对各检测器对来说，若扫描光束以最佳方式聚焦在信息平面上，则两检测器之间的分隔条纹与将二极管激光器辐射线发射表面的中心和在有关检测器对上形成的辐射点的强度分布中心所假定的位置连接起来的线成锐角延伸。
于是各检测器对的分隔条纹就处在这样的位置，使得有关辐射点的强度分布中心因波长变化而产生的位移沿该分隔条纹进行，因而使该位移不致使整个检测器的强度分布发生变化，从而不影响聚焦误差信号。
本发明可用于衍射元件由多个子光栅组成的光栅构成的扫描设备。
子光栅可以含有直线光栅条纹，而且其光栅周期可以是恒定的。
但该设备最好有这样的特征，即子光栅的光栅周期是变化着的，且光栅条纹呈曲线。
采用光栅周期变化着的衍射光栅时，对二极管激光器和呈光电二极管形式的检测器相互位置的精确性要求得不怎么严，这一点当必须降低沿物镜系统的光轴测出的高度时特别重要。此外当使用光栅条纹为曲线的光栅时，通过在制造复合光栅时修改曲线的曲率，有可能校正象彗差和象散现象之类的成象误差，而这些误差在采用光栅条纹为直线的衍射光栅时是可能产生的。
在设备的第一个实施例中，复合光栅含有两个子光栅，一子光栅的光栅条纹的方向与另一子光栅的光栅条纹的方向相同，但各子光栅的光栅周期不同，此外各检测器对平行于各子光栅间的分隔线并置，该设备的特征在于，各检测器对的分隔线与所述连接线成相反角延伸。
设备的第二个实施例采用两个光栅周期相同的子光栅，同时第一个子光栅的光栅条纹与两子光栅的分隔线成第一角度延伸，第二个子光栅的光栅条纹与两子光栅的分隔线成第二角度延伸，第二角度与第一角度大小相等但方向相反，此外各检测器对横切所述分隔线的方向并置，该设备的特征在于，各检测器对的分隔条纹与所述连接线成大小相等但方向相反的角度延伸。
现在参照附图以举例的方式更详细说明本发明的内容。
附图中，图1是一个带衍射光栅的读出装置一个实施例的示意图;
图2是衍射光栅及其有关检测系统的第一个实施例的示意透视图;
图3a和3b是出现聚焦误差时检测器上辐射点变化情况的示意图;
图4a、4b、4c是扫描光束波长发生变化时子光束的变化情况示意图;
图5是辐射点因这些变化而在光电二极管对上产生的变化;
图6是本发明的辐射敏感性检测系统的示意图，与衍射光栅的第一个实施例有关;
图7是衍射光栅及其有关辐射敏感性检测系统的第二个实施例的示意图;
图8a和8b是产生聚焦误差时辐射点在光电二极管上的变化情况示意图;
图9是辐射点因扫描光束波长变化而在光电二极管对上形成的变化情况示意图;
图10是本发明的辐射敏感性检测系统的示意图，与衍射光栅第二个实施例有关。
图1是具有一射线反射性信息平面2的光记录载体1的一小部分的切向剖面图。从图中可以看到位于信息平面2上的其中一个信息道3。这种信息道包含与中间区3b交替着的信息区3a，同时，举例说，区3a系安置在与中间区3b不同的高度上。二极管激光器4产生的光束b扫描着信息表面。该光束经示意画成单个透镜的物镜系统6聚焦，在信息平面上形成小小的扫描点V。物镜系统前面可以设置一分立的准直透镜。成象系统也可以由一个准直仪-物镜的组合系统构成，如图1中的所示。由于记录载迦破叫杏诠庵?0′的轴线8转动，因而扫描出信息道3，该信息道中的信息调制着所读取的光束。读出单元包括光源4、物镜系统6和检测系统10。通过使记录载体与读出单元彼此在径向上移动，就可以扫描整个信息表面。
对信息表面所反射和调制的光束应加以检测，这就是说，该光束应从光源4所发射的光束中分离出来。因此该设备应包括一光束分离元件。
要读出带微细信息细节的信息结构，举例说，在1微米的数量级，需要有一个具有大数值孔径的物镜系统。这样一种物镜系统，其焦点的深度是很小的。由于信息平面2与物镜系统6之间的距离可能发生变化，而这个变化的幅度是大于焦点的深度的，因此必须采取措施，以便检测出这些变化，并根据这些变化校正聚焦情况。为此，设备可配备以一个将反射光束分裂成两个子光束的光束分裂器以及例如两检测器对，其中第一对检测器配合第一个子光束工作，第二对检测器配合第二个子光束工作。各检测器的输出信号经处理，使其特别是形成焦点伺服信号。
如1980年12月15日第6期第3页的“新技术”（Neues aus der Technik）中题为“光学聚焦误差的检测”（Optische Fokusfehlerde-tektion）的一篇文章中所介绍的那样，光束的分离和光束的分裂可借助单个元件，即透明光栅来完成。此光栅将信息表面2所反射的且横切物镜系统6的光束分裂成一不偏转的零级子光束和多个一级和更高级子光束。光栅参数，具体地说光栅条纹宽度与中间条纹宽度的比值以及光栅槽的深度和形状，可以这样选取，使得最大量的射线入射到检测系统上。
图2是光栅9和辐射敏感性检测系统10的第一个实施例的透视立面图。光束b用其在光栅区的横截面表示。光栅9包含两子光栅12和13，两者为线11彼此隔开。子光栅12和13的光栅条纹分别以14和15表示。中间条纹16和17将这些光栅条纹隔开。在此实施例中，在分隔线11区的光栅条纹方向都相同，例如，垂直于边界线。但子光栅12的平均光栅周期P1与子光栅13的平均光栅周期P2不同。因此子光束b2的偏转角与子光束b1的偏转角不同。这就是说，在诸检测器的平面中，辐射点V1和V2在Y方向上彼此相互偏离。
以分别为窄条纹22和23所隔开的光电二极管18、19和20、21的形式出现的辐射敏感检测器与各子光束b1和b2有关。这些检测器是这样配置，使得在光束b在信息表面2上正确聚焦的情况下子光束b1和b2所形成的辐射点V1和V2的强度分布分别对称于检测器18、19和20、21。出现聚焦误差时，辐射点V1和V2变得不对称地加宽，如图3a和3b所示。图3a是光束b聚焦在信息表面2前面的平面上的情况，图3b则是光束b聚焦在信息表面后面的平面上的情况。
若分别以S18、S19、S20和S21表示检测器18、19、20和21的输出信号，则聚焦误差信号为：
Sf＝（S18+S21）-（S19+S20）
读出与信息成比例的信号，或以下式表示信息信号Si：
Si＝S18+S19+S20+S21
若两子光栅12和13的边界线11平行于在读取的信息道3的方向延伸，则还有可能从检测器信号产生跟踪误差信号Sr。该信号为：
Sr＝（S18+S19）-（S20+S21）
设备的尺寸可这样取，且复合光栅的几何条件与扫描光束的波长可这样彼此相互适应，使得扫描光束b聚焦所在的平面与信息平面2吻合，子光束b1和b2聚焦在光电二极管对18、19、20和21的分隔条纹上。这时辐射点V1和V2的大小最小，且各辐射点的强度分布对称于有关的检测器对。
改变扫描光束的波长时会改变子光栅偏转子光束的角度。对各子光束来说，这意味着，不仅是该子光束主光线入射在有关的光电二极管对上的位置位移了，而且该子光束系聚焦在位于光电二极管对的辐射敏感表面的下方或上方的平面内。
子光束b1如图4a、4b和4c所示。子光束b2也产生类似的效果。在这些图中，编号9也表示复合光栅，编号4表示二极管激光器，编号10表示复合光电二极管表面。图4a是波长具有正确值或标称值的情况。在图4b的情况下，波长小于标称值，且子光束聚焦在光电二极管的辐射敏感表面10下方的平面上。若波长大于标称值，则子光束聚焦在光电二极管的辐射敏感表面上方的平面上，如图4c所示。子光束b1散焦时不仅使在光电二极管的辐射敏感表面上形成的辐射点V1变大，而且还使此辐射点形状不对称。事实上，子光束b1发源于位于图2分隔线11上方的子光栅12。该分隔线与物镜系统6的出射光瞳因而也与信息平面2所反射的扫描光束b相交，从而使子光束b1的横截面呈半圆形。因此辐射点V1不圆，而在子光束b1散焦时，此辐射点大致呈半圆形。
图5显示扫描光束的波长变化时辐射点V1的位置、形状和大小的变化情况。可以认为该光束系准确地聚焦在信息平面上。V1，0是波长为标称值且子光束b1准确聚焦在检测器18和19的辐射敏感性表面上时形成的辐射点。增长波长时，此辐射点往右移，且越来越大，如点V1，1、V1，2、所示。波长变得小于标称值时，辐射点往左移，而且变得越来越大，如点V1，3和V1，4所示。点V1，0、V1，1、V1，2、V1，3和V1，4强度分布的中心点用M1，0、M1，1、M1，2、M1，3和M1，4表示。这些中心点位于线22′上，线22′与检测器18和19的原分隔条纹22成约若干度数的小角α1延伸。辐射点V2也有类似效果，强度分布中心点位移所沿的线与分隔条纹23成为一个角度延伸，该角与角α1的方向相反，且与角α1的值不同。
因此波长变化的结果是辐射点V1和V2的强度分布中心分别横切分隔条纹22和23位移，从而使检测器18、19和20、21分别收到不同的辐射强度。这时检测器18、19和20、21的输出信号再也不相等了，但尽管如此，扫描光束还是准确地聚焦在信息平面上。于是焦点伺服系统开始校正扫描光束的聚焦过程，举例说，通过沿光轴移动物镜系统，直到这些输出信号再次相等为止。但这时扫描光束再也不是名义上聚焦在信息平面上。
我们发现，在该设备的实施例中，在785毫微米标称波长下波长产生20毫微米的变化时引起大约0.7至0.8微米的散焦，而容许的总聚焦误差为，例如，1微米。
为大致上消除波长变化对聚焦误差信号的影响，本发明确保将各光电二极管的分隔条纹这样安置，使得有关辐射点强度分布中心的位移是沿该条纹进行的。图6中，按本发明进行修改的光电二极管对分别以18、19和20、21表示。新的分隔条纹用实线22′和23′表示。与原来用虚线表示的条纹22和23相比，条纹22′和23′系分别绕点M1，0和M2，0转动一个小角α1和α2。
图7是复合衍射光栅及其有关光电二极管结构的第二个实施例的示意图。现在各子光栅的光栅周期都相同，但子光栅12呈曲线的光栅条纹14的主方向与分隔线11成第一角度延伸，第二子光栅13呈曲线的光栅条纹15的主方向则与分隔线成第二角度延伸，第二角度最好与第一角度大小相同但方向相反。子光束主要在横切主方向的方向上偏转，因而光电二极管必须与图2配置得不同。现在检测器对在XY平面上的边界条纹22和23系在X方向上一个接一个地配置。聚焦误差信号、信息信号和跟踪误差信号系按参照图2所述的同一方式得出的。
由于衍射光栅的效率，即在所希望的方向上偏转的辐射量与入射到光栅上的辐射总量的商，特别取决于光栅周期，因而图7中所示的复合衍射光栅比图2中所示的更为理想。事实上，由于上述后者的光栅中子光栅的光栅周期不同，因而子光束可能获得不相等的强度，从而可能会产生跟踪误差信号的偏移。这种偏移在含图7所示衍射光栅的设备中是不会发生的。
在显示图7光电二极管对的平面图的图8a和8b中，可以看到辐射点V1和V2相对于分隔条纹22和23配置的情况。在扫描光束在信息平面上正确聚焦和子光束在检测器表嫔险肪劢沟那榭鱿拢涞鉜1和V2最小，且位于分隔条纹22和23上。图8a显示辐射点V1′和V2′，它们是在扫描光束聚焦在信息表面前面的平面上时产生的，图8b显示辐射点V1″和V2″，它们是在扫描光束聚焦在信息表面后面的平面上时产生的。
与图5类似，图9显示了改变扫描光束的波长时辐射点V1的位置、形状和大小变化的情况。在说明了图5之后，图9就无需进一步说明。
图10是图7装置所使用并按本发明修改了的光电二极管对18、19和20、21的示意图。相对于原条纹22和23来说，新分隔条纹22′和23′系绕点M1，0和M2，0转动一个小角度β的，点M1，0和M2，0在扫描光束在信息平面上正确聚焦和波长为标称波长的情况下是辐射点V1和V2强度分布的中心点。应该指出的是，β角的符号取决于设备的几何条件，特别是在二极管激光器与光栅的相互位置以及二极管激光器与各检测器的相互位置。线22′和23′也可以不象图10中那样分别相对于线22和23顺时针和逆时针转动，而是分别相对于线22和23逆时针和顺时针转动。
本发明可用于任何衍射元件用以分离信息平面所反射的光束和二极管激光器所发射的光束和用以将反射光束分裂成多个子光束的聚焦误差检测系统中。在实用中，通常采用藉两子光栅形成的两子光束。在这种情况下，可能希望使用具有两个以上子光栅的复合光栅，以便形成两个以上的子光束。对与这些子光束有关的各检测器对可采取本发明的措施。子光栅的光栅线可以是直线且光栅周期可以是恒定的。但最好采用一种也叫做全息图其实施例如图2和7所示的光栅。这些实施例中的子光栅其光栅周期变化着，周期变化的大小，举例说，约为平均光栅周期的若干%。此外如图2和7所示的那样，两子光栅的光栅条纹是个曲线。因此这些子光栅的透镜作用是可变的。由于光栅周期是变化着的，因而辐射点V和V的位置可通过令光栅9在其自己的平面上位移来加以改变。光栅条纹的曲率可以使在垂直于分隔线11方向的方向上的象差减少到最小程度。若采用集成式激光-光电二极管单元，即采用二极管激光器和光电二极管配置在一个支架上因而彼此固定从而在Z方向上的相互距离固定的一个元件，则位移辐射点V1和V2的位置的可能性就特别重要。该距离是受制造容差的支配，且不能在组装设备的过程中通过使光电二极管在Z方向上相对于激光二极管位移来加以校正。
二极管激光器和检测器对的中心之间在Y方向上的距离也是受制造容差的支配。因此也可通过令光栅9在线11的方向上位移加以补偿。
在根据图2的实施例中，可以保证，尽管子光束b1和b2因子光栅12和13在平均光栅周期上有差别而在YZ平面上偏转的角度不同，子光束的焦点却在XY平面上，即通过使子光栅各相应部分的光栅条纹的曲率和光栅周期具有不同的变化来加以保证。
光栅条纹为曲线的衍射光栅与光栅条纹为直线的光栅比较时其一个重要的优点在于，可以在前者的光栅中避免诸如彗差和象散之类的光学象差（这在采用后者的光栅时是会产生的），方法是在制造该光栅时把这些象差考虑进去，并使光栅条纹的曲率适应它。
这里是就本发明作为读取设备进行了叙述，但本发明也可用于书写设备或写/读组合设备中，在记录过程中在该设备中监控书写光束的聚焦和跟踪情况。所述的聚焦误差检测系统没有利用信息表面2的特殊性能。只要求该表面具反射性就足够了。因此本发明可用于各种聚焦要求非常精确的设备中，举例说可用于显微镜中，在这种情况下可以不用检测跟踪误差。