專利名稱：能夠讀取多種不同厚度盤片的光學頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光盤系統(tǒng)技術領域，特別涉及光盤讀取裝置的結構設計。
目前，高密度光盤系統(tǒng)使用具有大數值孔徑(NA)的物鏡和波長為635nm或635nm的短波長光源，以便提高記錄密度。高密度數字視盤(DVD)是高密度光存儲新型盤片規(guī)格，它與傳統(tǒng)的CD盤片相比，信跡的長度和間距都是CD盤片的一半左右，因此它的記錄密度更大，對光盤讀取系統(tǒng)的要求更高。為了減小盤片在讀取過程中由于傾斜而引起的像差，新型的DVD盤片統(tǒng)一使用了厚度為0.6mm的基板作為盤片標準。但是在利用這樣的系統(tǒng)讀取基板厚度為1.2mm的CD盤片時，會形成較大的球差，以至于不能完成讀取CD盤片的功能。同時與CD盤片信跡尺寸相同的一種可一次寫入的小型致密盤(CD-R)也被廣泛應用，這種盤片表面采用對780nm波長的光敏感的染料作為存儲介質。
由于光盤特性不同，會產生由于盤片厚度不同、波長的變化以及數值孔徑的變化而引起的光學像差。為此，可兼容不同規(guī)格盤片并能同時去除光學像差的光學頭的研究正在取得顯著的進展，研究的成果之一是，制造出了可兼容不同規(guī)格盤片的光學頭。下面參考

圖1描述一種已有的可兼容DVD、CD和CD-R的光學頭。
一種使用現有技術可變光闌的已有的光學頭的結構如圖1所示，該光學頭在重現DVD盤片信息時，使用635nm波長的激光，而在再現CD-R、CD盤片信息時使用780nm波長的光。從作為光源的激光二極管101中所發(fā)出的635nm波長的光入射到準直透鏡102。該光束以實線表示。準直透鏡102將入射光束轉化為平行光。已通過準直透鏡102的光被偏振分光棱鏡103反射并入射之干涉濾光鏡104。
同時，從作為光源111的激光器二極管發(fā)射出的780nm波長的光經過準直透鏡112，經偏振分光鏡113和聚焦透鏡114并隨后到達干涉濾光鏡104。該光束以虛線表示。干涉濾光鏡104完全透射從偏振分光鏡103反射的635nm波長的光并完全反射由聚焦透鏡114聚焦的780nm波長的光，其結果是，從光源101發(fā)射的光以由準直透鏡102形成的平行光的形式入射到波長板105上。由光源111發(fā)出的光以發(fā)散光的形式入射到波長板105上。透過波長板105的光穿過薄膜型可變光闌106并隨后入射到物鏡107。
物鏡107被設計成能使光線聚焦在厚度為0.6mm的DVD盤片108的信息記錄表面上，穿過可變光闌106的635nm波長的光聚焦在DVD盤108的信息記錄表面上。其結果是，自DVD盤片108的信息記錄表面反射的光包含了記錄在信息記錄表面上的信息。該反射廣穿過偏振分光鏡103并由光檢測器110檢測。
當用780nm波長的激光器作為光源在CD-R 109上再現信息時，由于CD-R具有1.2mm的盤片厚度，在此情況下，會因為DVD 108與CD-R109的信息記錄表面被覆蓋的基片的厚度不同而產生光學像差，這一像差主要由球差組成。當使用后面將要介紹的可變光闌106時，780nm波長的光在CD-R 109的信息記錄表面形成了一個對CD-R 109來說尺寸最佳的光斑。從CD-R 109表面反射回來的780nm波長的光被分光棱鏡113反射并由一光電檢測器115檢測。
圖1中的可變光闌106具有薄膜型的結構如圖2所示，該結構可以有選擇的透射入射到相對于物鏡107直徑的數值孔徑不大于0.6的光束。更詳細的說，可變光闌106包括兩個同心區(qū)域，第一區(qū)域21可以透射波長為780nm和635nm的光束；第二區(qū)域22只允許波長635nm的光束透過，而將波長為780nm的光束全部反射。第一區(qū)域具有相對于物鏡直徑的數值孔徑不大于0.45的區(qū)域，而第二區(qū)域為第一區(qū)域的外部區(qū)域。而且，第一區(qū)域由石英(SiO2)構成以便消除由介電薄膜形成的第二區(qū)域引起的光學像差。通過使用光闌106，780nm波長的光穿過數值孔徑不大于0.45的第一區(qū)域并在信息記錄表面上形成一個適宜于CD-R 109的光斑。其結果是，即使當光記錄介質由DVD 108換成CD-R 109時，圖1的光學系統(tǒng)也能以最佳光斑對其兼容。
上述光學系統(tǒng)的主要缺點有，由于通過數值孔徑NA不大于0.45的第一區(qū)域的光與穿過數值孔徑NA不小于0.45區(qū)域的光束之間存在的光程差，所以第一區(qū)域需要由一個特殊的光學薄膜(SiO2)形成。所以第一區(qū)域由SiO2薄膜形成而第二區(qū)域由多層薄膜形成以保證對780nm波長的光全部反射同時對635nm波長的光全部透射。然而，由于加工過程復雜而且薄膜厚度的調整是以“um”為單位的高精度進行的，因此不適合于大規(guī)模生產。此外，在圖1所示的系統(tǒng)中使用了一對635nm波長的光全部透射、對780nm波長的光全部反射的干涉濾光鏡104，這種棱鏡的加工面較多，形狀計算復雜，安裝調整困難，因此實際可生產性較差。
此外上述光路系統(tǒng)的結構比較復雜，且尺寸較大，不利于安裝在趨于小型化的光學頭系統(tǒng)中。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種能夠讀取多種不同厚度盤片的光學頭，通過采用一種新的衍射元件，用于控制光束的傳播并實現控制較長波長光波的光束口徑，可消除在讀取CD、CD-R盤片時由于盤片厚度的變化而引起的球差；并使整個光路系統(tǒng)具有結構簡單，體積較小，光學元件數目較少，系統(tǒng)可靠性高的特點。
本發(fā)明提出一種能夠讀取多種不同厚度盤片的光學頭，包括兩個激光器，分別發(fā)出較短波長和較長波長的光波；光波耦合元件，用于將所說的光波耦合入后續(xù)光路中；物鏡，將所說的激光匯聚在不同記錄介質表面，形成讀取信息的最佳大小和形狀的光斑；光電檢測裝置，用于檢測從所說的光盤記錄介質表面反射回的光波，形成信息信號和各種伺服信號；其特征在于，還包括一光束耦合及口徑控制元件，用于控制耦合入光路的兩個光束的傳播方向及控制較長波長激光束的口徑。
所述的光束耦合及口徑控制元件可采用一個衍射元件，該衍射元件設置成其衍射表面與光源、光盤記錄介質以及光電探測器的表面形成一空間角度，以將不同波長的光波的衍射光導入如物鏡后聚焦到記錄介質表面，還將由記錄介質表面反射回的光波再次衍射，部分衍射的光波進入光電探測器，形成各種信號。
所述的光束耦合及口徑控制元件可具有環(huán)狀衍射表面的多層結構。
本發(fā)明的工作原理本發(fā)明根據衍射定律，當入射光束與經過設計的具有一定截面形狀的衍射表面形成一空間角度時，其衍射光線將沿一球面進行空間分布，利用這一基本理論進行光路設計和計算，從而使衍射光波在某一方向為最強，達到利用一片元件實現光路控制的作用。
本發(fā)明的特點本發(fā)明通過采用一種新的衍射元件，將該衍射元件放置于光盤拾取光路當中，用于控制光束的傳播并實現控制較長波長光波的光束口徑，消除在讀取CD、CD-R盤片時由于盤片厚度的變化而引起的球差。并使整個光路系統(tǒng)具有結構簡單，體積較小，光學元件數目較少，系統(tǒng)可靠性高的特點。
附圖簡要說明圖1為已有的具有可變光闌的光學頭光路結構示意圖。
圖2是圖1中可變光闌的示意圖。
圖3為本發(fā)明一種優(yōu)選實施例的光路結構示意圖。
圖4為本實施例中的衍射元件的衍射表面示意圖。
本發(fā)明的組成及工作原理結合附圖及實施例詳細說明如下本發(fā)明根據衍射定律，當一束光波斜入射到衍射元件的衍射表面時，會被衍射表面衍射成至少兩束一定角度的空間光波，經過一定的設計和計算，可以設定較為合適的光波入射方向和衍射表面的參數尺寸以及放置方向，從而使衍射光波在某一方向為最強。本發(fā)明正是利用這一原理對衍射表面的參數以及入射方位進行合理設計，從而達到利用一片元件實現光路控制的作用。
本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例的光路結構如圖3所示。包括分別置于光路耦合裝置302的兩側的能發(fā)出波長為780nm的激光器309和能發(fā)出波長為635nm的激光器301，接收通過光路耦合裝置302的780nm和635nm兩束激光光束的全息衍射元件303，對經過全息衍射元件303衍射后的780nm和635nm兩束激光光束進行準直的準直透鏡304，用以將光波聚焦在光盤記錄表面形成所要求的光斑的物鏡305，用于對被光盤記錄介質表面反射回的衍射光提取出聚焦、尋跡和記錄信息信號的光電探測器308。
衍射元件303表面的空間方向滿足使從激光器301入射到全息衍射元件303的光束1與被303衍射到光記錄介質表面的光束2基本垂直；從光記錄表面反射到全息衍射元件303的光束2與被303衍射到探測器表面的光束3基本垂直；光束1與光束3成一定的角度。
本實施例的工作原理
當具有較厚基片的CD或CD-R盤片307被放入光盤系統(tǒng)中時，由發(fā)出較長波長780nm激光的光源309作為工作光源，其發(fā)出的光波經過光路耦合裝置302后入射到全息衍射元件303的全息衍射表面后，其光束的中央部分被衍射，衍射光的一部分被導向準直鏡304，并被物鏡305聚焦在較厚的光盤記錄介質的記錄表面；其光束的邊緣部分被303的全息衍射表面的外環(huán)部分散射并不再進入后面的光路系統(tǒng)。在較厚的光盤記錄介質表面光斑被記錄表面反射回物鏡，經過準直鏡后入射到衍射元件303的衍射表面并被衍射，其衍射光中的一部分被導向光電探測器308并從中提取出聚焦、尋跡和記錄信息信號。
當較薄的記錄盤片如DVD盤片306被放入此光路系統(tǒng)中時，由能發(fā)出較短波長的635nm激光器301進行工作，其發(fā)出的較短波長的光波經過光路耦合元件302進入光路系統(tǒng)，照射到衍射元件303的衍射表面，其衍射表面將635nm光波的全部口徑的光束進行衍射，其衍射光中的一部分進入準直鏡，并經過物鏡聚焦在較薄厚度的DVD盤片的信息記錄表面上；自DVD6表面反射的光波經過物鏡305和準直鏡304后被衍射元件303的衍射表面衍射后部分光波入射到光電探測器308形成聚焦、尋跡和信息信號。
本實施例的全息衍射元件3的衍射表面結構如圖4所示，衍射元件303包括四個部分，具有環(huán)狀的第一部分3031，其外徑的數值孔徑應大于所述物鏡的數值孔徑(一般為0.6)，對較長波長的780nm光波全部散射或反射，對635nm光波全部透射；中心區(qū)域的第二部分3032，其外徑的數值孔徑等于物鏡在讀取CD-R或CD時的最佳數值孔徑(一般為0.45)，是為補償由于較短波長635nm經第一部分3031透射后所引入的光程差所進行的補償結構，并對兩種波長的光全部透射。3032一般為具有SiO2薄膜結構；在第一、第二部分下面為第三部分3033和第四部分3034，3034的折射率大于3033部分的折射率，這兩部分具有光柵形狀的界面，使得入射到3033和3034兩部分界面處的光波被衍射。
根據上述實施例可以看到，記錄介質的盤片厚度為1.2mm的CD或CD-R還是厚度為0.6mm的DVD，此系統(tǒng)均能夠形成最佳的讀取條件，從而再現記錄介質的記錄信息。
本發(fā)明中的衍射元件主要利用了錐角入射的光柵的衍射原理，在本實施例的基礎上可有多種變換形式均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種能夠讀取多種不同厚度盤片的光學頭，包括分別發(fā)出較短波長和較長波長的光波的兩個激光器，用于將所說的光波耦合入后續(xù)光路中的光波耦合元件，將所說的激光匯聚在不同記錄介質表面，形成讀取信息的最佳大小和形狀的光斑的物鏡，用于檢測從所說的光盤記錄介質表面反射回的光波，形成信息信號和各種伺服信號的光電檢測裝置，其特征在于，還包括用于控制耦合入光路的兩個光束的傳播方向及控制較長波長激光束的口徑的一光束耦合及口徑控制元件。
2.如權利要求1所述的光學頭，其特征在于，所述的光束耦合及口徑控制元件是一個衍射元件，該衍射元件設置為其衍射表面與光源、光盤記錄介質以及光電探測器的表面形成一空間角度，以將不同波長的光波的衍射光導入如物鏡后聚焦到記錄介質表面，還將由記錄介質表面反射回的光波再次衍射，部分衍射的光波進入光電探測器。
3.如權利要求2所述的光學頭，所述的光束耦合及口徑控制元件具有環(huán)狀衍射表面的多層結構。
全文摘要
本發(fā)明屬于光盤系統(tǒng)技術領域,包括:兩個激光器、光波耦合元件、物鏡、光電檢測裝置、光束耦合及口徑控制元件,該光束耦合及口徑控制元件控制耦合入光路的兩個光束的傳播方向及控制較長波長激光束的口徑。本發(fā)明可消除在讀取CD、CD－R盤片時由于盤片厚度的變化而引起的球差,并使整個光路系統(tǒng)具有結構簡單,體積較小,光學元件數目較少,系統(tǒng)可靠性高的特點。
文檔編號G11B7/12GK1337681SQ0112921
公開日2002年2月27日 申請日期2001年6月15日 優(yōu)先權日2001年6月15日
發(fā)明者鞏馬理, 王宇興, 閻平, 崔瑞禎, 賈維溥, 張海濤 申請人:清華大學