專利名稱：利用全息圖形的光學拾取裝置和全息圖形產生方法
技術領域：
本發明涉及本發明涉及一種用于從光盤和卡之類的記錄介質讀取數據和對其寫入數據的光學拾取裝置，更具體地講，涉及一種能夠同時在記錄介質的多個軌道上形成光點的多束光學拾取裝置。
2．相關技術的描述在一種同時讀取記錄在光盤之類的記錄介質的多個軌道上的數據的方法中，從一個光學拾取裝置發射出光，并聚焦在記錄介質的對應的軌道上，用對應的光檢測器檢測從軌道反射的光。圖7和8中所示的形成多個光點的方法是已知的。現在參考圖7和8說明這些方法的基礎，圖7和8中的與后面將要說明的實施例中相同的元件用相同的標號表示。在圖7中所示的方法中，使用了一個具有與需要光點相同數量的半導體激光器的半導體激光器陣60從半導體激光器的光源61a，61b，61c和61d發射光。在圖8所示的方法中，使用了一個單一半導體激光器10。從半導體激光器10的一個實激光源11(使用“實”以便與后面說明的的“虛”激光源12a，12b和12c區別)發射的光被衍射光柵64分成多個光束，這些光束具有與圖7中所示半導體激光器陣60的光源61a，61b，61c和61d發出的光束相同的作用。
但是，圖7中所示的利用半導體陣60的方法存在以下問題(a)由于把多個半導體激光器組裝在一個封裝或芯片中，這限制了減小半導體激光器陣的尺寸；(b)增加了連接端的數量；(c)由于需要較大的表面積來散發熱量，所以難于使激光器陣小型化和(d)由于需要使用多個具有統一特性的半導體激光器，所以生產率和成本不理想。
雖然利用衍射光柵64可以僅使用一個單一的半導體激光器，并且可以降低成本，但是為了使光學拾取裝置微型化，必須把衍射光柵安裝在盡可能靠近半導體激光器的位置。在這種情況下，如圖9中所示，衍射光柵安裝得越靠近半導體激光器，從實激光源11入射到衍射光柵64上的光束與從衍射光柵64發射的衍射光束之間的角度θ越大(θ1＞θ2)。因此，光點的象散和彗形象差變大，這使光點25a，25b和25c的直徑更大，并且增大了再生信號的抖動。
本發明的光學拾取裝置包括(a)一個單一實激光源；(b)一個用于衍射從實激光源發射的光以形成至少一個虛激光源的全息圖部件；和(c)一個用于接收來自全息圖部件的光并在記錄介質的軌道上形成多個光點的光點形成光學元件。在光學拾取裝置中，適當地確定全息圖部件的全息圖形，使得能夠給衍射光施加一個在從實激光源到記錄介質的光路中由光學元件造成的象差的反象差。
光點形成光學元件不僅包括一個在中心區和周圍區具有不同厚度的透鏡之類的光學元件，而且包括一個具有均勻厚度的平板型菲涅爾體之類的光學元件。記錄介質包括光盤，以及可以進行數據讀取／寫入的卡。象差包括象散和彗形象差。
其上形成多個光點的記錄介質軌道可以是離散軌道或一個連續軌道。即，記錄介質的軌道可以是由多個同心園軌道構成，或是一個螺旋軌道。
光學元件在從實激光源到記錄介質的光路中造成的象差可以是由全部或一些光學元件造成的象差。確定全息圖部件的全息圖形，從而給衍射光施加一個由光學元件在從實激光源到記錄介質的光路中造成的象差的反象差。并不總是需要全息圖形來完全消除光學元件造成的象差，但是存在適于數據讀取的光點具有某種象差的情況。在這種情況下，適當地設計全息圖形，從而能夠正向地保留預定量的固有象差而不全部消除，或有意地形成預定量的具有固有象差的反向象差的象差。顯然，對于給予衍射光由全部光學元件在從實激光源至記錄介質的光路中造成反向象差的全息圖部件的全息圖形，減小記錄介質上光點的象差的效果要大于給予由一些光學元件造成的反向象差的全息圖形。
全息圖形可以是具有明暗干涉條紋的幅度全息圖形，或帶有二元形(階梯形橫截面)或突發形(鋸齒形橫截面)槽的相位全息圖形。全息圖部件產生至少一個虛激光源。可以在實激光源的一側或兩側產生所有多個虛激光源。盡管形成在記錄介質軌道上的光點一般用于通過檢測反射光讀取軌道上的數據，但是也可以用于寫入數據。
全息圖部件的全息圖形部分或全部地消除了從實激光源到記錄介質之間的光路中的光學元件造成的象差(盡管最好是完全消除，但實際上部分消除也是可用的)。因此，能夠在記錄介質的軌道上形成光點，其光源具有減小的象差或沒有象差。
本發明的光學拾取裝置的全息圖部件的全息圖形的縱列方向最好與實激光源的遠場圖形的長軸方向對準。遠場圖形是橢球形的，并表示在與半導體激光器發射點間隔大約10至20cm位置的光通量的橫截面強度分布。光的擴展角度在長軸方向上比在短軸方向上大，因而在長軸方向上可以獲得比短軸方向上強度更均勻的光輸出。利用與遠場圖形的長軸方向對準的全息圖形的縱列方向，可以使光以大致相同的強度照射到全息圖部件末端的全息圖形和其它全息圖形。因此，可以形成具有與實激光源大致相同強度的虛激光源，并減小施加到各全息圖形的光的強度差。由于可以把具有小強度差的多個光點施加到光盤上，因而可以抑制從光盤讀取的和光電轉換的數據信號中的變化。因此，可以防止數據信號質量下降。由于在能夠接收均勻強度的光的狀態下，全息圖部件設置在相對遠離實激光源的位置，可以使參考圖9描述的角度θ比較小，因而可以減小光點的象散和彗形象差。
本發明的光學拾取裝置的全息圖部件可以是一個相位全息圖部件。適當地確定用于對應于每個虛激光源的衍射光的全息圖形，從而可以減少不形成光點的衍射光量，并把減去的光量用作光點形成衍射光。
不形成光點的衍射光與光點形成衍射光有相反的概念。在衍射光中，向光點形成光學元件傳播的光成為光點形成衍射光，而傳播到光點形成光學元件之外的光成為不形成光點衍射光。相位全息圖部件可以減少在一特定方向上傳播的光量，并把減去的光量引導到不同的方向。因此，通過減少不形成光點的衍射光量并把減去的光量用作光點形成衍射光，可以形成具有高光強度的光點。
在本發明的光學拾取裝置中，將記錄介質上的一個由來自實激光源的非衍射光形成的光點用作伺服操作。全息圖部件具有一個在整個光點區提供均勻光強度的伺服光點的全息圖形。
伺服操作一般是跟蹤伺服，并包括聚焦伺服之類的其它操作。記錄介質上的由來自實激光源的非衍射光形成的光點不僅用作專門的伺服操作，而且用作與數據讀取等組合操作，后者是普遍使用的。
伺服光點即使在它具有跟蹤偏移等時，也需要具有小的光強度變化。但是，記錄介質上的光點一般在光點中心區具有高的光強度，并且在光點周邊區局域低的光強度。這樣的光點不能用作伺服光點。來自對應于伺服光源的實激光源的光通過全息圖部件而不發生衍射。如果這個光通過全息圖形，全息圖形減少在中心光點區的光強度，并在記錄介質上的整個光點區中提供了均勻光強度的光點，那么可以形成一個適用于伺服操作的光點。
本發明的光學拾取裝置包括(a)一個單一實激光源；和(b)一個用于經過全息圖部件接收來自實激光源的光，并在記錄介質上形成一個伺服光點的光點形成光學元件。全息圖部件具有一個在整個伺服光點區中提供均勻光強度的伺服光點的全息圖形。


圖1是顯示一個光學拾取裝置20的構造的示意圖，圖2是圖1中所示光學拾取裝置20的從半導體激光器10到全息圖模塊13部分的放大視圖。光學拾取裝置20具有一個從半導體激光器10到物鏡19范圍的光路。半導體激光器10具有一個單一激光器芯片。來自半導體激光器10的一個單一實激光源11(“實”用于與“虛”激光源12a，12b和12c區別)的光照射到全息圖模塊13。全息圖模塊13具有一個非衍射全息圖形14和三個衍射全息圖形15a，15b和15c。來自實激光源11的光通過非衍射全息圖形14無衍射地發射，衍射全息圖形15a，15b和15c衍射來自實激光源11的光，并射向準直透鏡18。來自每個衍射全息圖形15a，15b，15c的衍射光通量與從對應的一個虛激光源12a，12b和12c照射的光通量符合。實和虛激光源11，12a，12b和12c的縱列方向平行于非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c的縱列方向。實和虛激光源11，12a，12b和12c以相等的間距設置。在圖1中，盡管非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c在全息圖模塊13中設置在朝向半導體激光器10的一側，但它們可以設置在全息圖模塊的背向半導體激光器10的一側。此外，在圖1中，盡管非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c在縱列方向間隔設置，但也可以把它們在縱列方向上部分地重疊設置。從全息圖模塊13發射的光通過準直透鏡18，轉變為照向物鏡19的平行光通量。從物鏡19輸出的光在光盤23的對應軌道上形成光點24，25a，25b和25c，作為實和虛激光源11，12a，12b和12c的映像。形成有光點24，25a，25b和25c的軌道沿光盤23的徑向相繼定位。光點24，25a，25b和25c的每個反射光點沿入射光的相反方向通過物鏡19和準直透鏡18傳播，并經過分光器(未示出)到達一個光檢測器(未示出)，從而讀取每個軌道上的數據。
適當設置實激光源11，使得其遠場圖形的長軸方向與全息圖模塊13的非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c的縱列方向重合。實激光源11的遠場圖形是橢球形。遠場圖形的光強度保持在一個預定值，或在沿橢球形長軸方向的較長范圍內保持較高的強度。因此，利用如上設定的長軸方向，可以使沿長軸方向的虛激光源12a，12b和12c的光強度均勻。非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c可以是帶有明暗干涉條紋的幅度全息圖形，或帶有形成在玻璃之類物質上的二元形或突發形槽的相位全息圖形。
由于在全息圖模塊13的衍射和在準直透鏡18和物鏡19的偏轉，來自實激光源11的光接收象散和彗形象差，從而使光盤23上的光點25a，25b和25c的質量降低。為了避免這種情況，適當地設計衍射全息圖形15a，15b和15c，從而能夠給從這些圖形外出的光通量施加從實激光源11到光點25a，25b和25c的光路中的總象散和彗形象差的反向象差。使這種反向象差重疊在固有總象散和彗形象差上，從而減少光點25a，25b和25c的象差，或使它們的象差為零(盡管零象差是最好的，但實際上減少的象差也可以)。反向象差可以是僅由衍射造成的象散和彗形象差的象差，而不是從實激光源11到光點25a，25b和25c的光路中的總象散和彗形象差的反向象差，衍射造成的象散和彗形象差的象差是象差的重要因素。在這種情況下，消除了光點25a，25b和25c的象散和彗形象差中的僅由衍射造成的部分象差。
圖3是每個衍射全息圖形15a，15b和15c的示意圖。圖8中所示常規光學拾取裝置的衍射光柵64的衍射光柵圖形65是一個由多個平行直線構成的圖形，因為對于總象差的消除僅考慮衍射。與此相反，提供衍射功能和象差消除功能的每個衍射全息圖形15a，15b和15c是由取代平行直線的弧線構成的。
以下說明確定全息圖形的方法，該圖形給從每個衍射全息圖形15a，15b和15c輸出的衍射光施加從實激光源11到每個光點25a，25b和25c的光路中的總象差的反向象差，以便消除每個光點25a，25b和25c的象散和彗形象差。第一種方法中，通過把感光膜置于全息圖模塊13上，并且通過施加來自實激光源11和放置在虛激光源位置上的具有與實激光源11相同波長的光源的光把干涉條紋記錄其上而確定全息圖形。用這種方法確定的全息圖形理論上不形成衍射的象差(象散和彗形象差)。第二種方法使用了計算機分析軟件。這種計算機分析軟件已經在市場上銷售，并且是已知的。例如，美國光學研究協會(Optica1Research Associates in USA)的軟件“code V”提供了一個計算兩個光源(在上述例子中，實激光源11和虛光源12a，12b和12c中的一個)的全息圖形的公式(一個多項式的系數)。根據獲得的多項式確定理論上不形成衍射象差(象散和彗形象差)的全息圖形。如果利用這個軟件將準直透鏡18和物鏡19的象差考慮進來，那么輸入諸如曲率半徑，透鏡厚度，和非球面系數之類的準直透鏡18和物鏡19的數據，以模擬光學拾取裝置的光學構造。利用這種模擬，獲得一個公式，這個公式代表一個要通過來自實激光源11和放置在光盤23上的光點25a，25b和25c位置上的沒有象差的光源的光通量在全息圖模塊13上形成的全息圖形。從這個公式確定的全息圖形可以消除準直透鏡18和物鏡19的象差和衍射象差。
圖4是說明利用光學元件確定每個衍射全息圖形15a，15b和15c的方法的示意圖。一個半反射鏡35a設置在從實激光源11到非衍射全息圖形14的光路的中間位置，以向下部分地反射光。半反射鏡35b，35c，……也設置在反射光的光路的中間位置，以向衍射全息圖形15a，15b，……部分地反射光，并向下傳輸剩余的光。半反射鏡35a，35b，35c，……中的最下方的一個(未示出)用一個全反射鏡代替，以反射光而不向下傳輸之。用這種方式，可以形成多個具有與實激光源11相同特性的虛激光源12a，12b和12c。把來自實激光源11和虛激光源12a的光通量在衍射全息圖形15a的位置形成的干涉條紋用作衍射全息圖形15a。例如，為了記錄衍射全息圖形15a，將感光材料涂覆在全息圖模塊13上，并用干涉條紋圖形曝光。這樣獲得的衍射全息圖形可以消除并使衍射的象散和彗形象差為零。
圖5示出了用針孔元件50代替圖4中所示半反射鏡35a，35b和35c形成多個具有與實激光源相同特征的光源的另一種方法。用一個準直透鏡47把從實激光源11發射的光轉變為施加到針孔元件50的平行光通量，并從針孔51a，51b，51c和51d輸出。從每個針孔輸出的光等價于從虛激光源輸出的光。利用從每個針孔輸出的光，確定全息圖模塊13的衍射全息圖形。
圖6A至6C是說明改進跟蹤伺服光點的方法的曲線和示意圖。將通過圖2中所示非衍射全息圖形14傳輸的光用于讀取光盤軌道上的數據，以及用于跟蹤伺服。作為跟蹤伺服光點的光點24需要在整個光點區上具有均勻的強度。但是，如圖6A中所示，從實激光源11投射到全息圖模塊13的非衍射全息圖形14上的光的強度分布為山形，最高點在其中央。利用相位全息圖形可以改進這種強度分布。即，相位全息圖形的槽越深，可以減少越多的非衍射光量(第零級光)，并且通過利用減少的非衍射光量作為衍射光可以增加更多的衍射光量。此外，山谷(槽)的寬度越是等于山峰(非槽)的寬度，可以減小越多的第0級光的量，并且通過利用減少的量作為衍射光，可以增加更多的衍射光量。如圖6B中所示，使離開光軸中心越遠位置的槽54的深度越淺，從而減少第0級光的量，并把減少的光量引導向不同的方向。不是調節槽54的深度，而是使各槽54的深度相等，并且把每個非槽寬度與每對相鄰的槽54和非槽的總寬度的比設定為a1＞a2＞a3＞a4＞a5＞a6＞，…，＞an，其中a1，a2，a3，a4，a5，a6，…，an是在從靠近光軸中心位置到遠離中心的位置這樣的順序的位置上的比率。以上述方式，如圖6c中所示，可以使從光軸中心沿徑向的一定范圍內的光強度分布均勻。通過利用具有如圖6B中所示的槽54的衍射全息圖形14，可以使入射光的強度分布曲線平坦。如果跟蹤伺服信號是從由這種均勻強度光形成的光點的反射光產生的，那么即使物鏡經受跟蹤偏移，這個跟蹤伺服信號也是穩定的。
圖1和2中所示的光學拾取裝置20的虛激光源12a，12b和12c僅設置在實激光源11的一側。也可以把它們設置在實激光源11的兩側。在這種情況下，虛激光源12a，12b和12c一般設置在對稱于實激光源11的實激光源11的兩側。此外，盡管圖1和2中所示的光學拾取裝置20的非衍射和衍射全息圖形14，15a，15b和15c僅設置在朝向半導體激光器10一側的全息圖模塊13上，但也可以把它們僅設置在朝向準直透鏡18一側的全息圖模塊13上，或設置在全息圖模塊13的兩側(衍射全息圖形15a在朝向半導體激光器10一側，衍射全息圖形15b在朝向準直透鏡18一側，等等)。此外，盡管圖1和2中所示的光學拾取裝置20的全息圖模塊13的衍射全息圖形15a，15b和15c沿縱列方向間隔設置，但它們可以沿縱列方向部分重疊地設置。
本發明的光學拾取裝置具有至少減小了在從實激光源到記錄介質的光路中由光學元件造成的象差的全息圖部件。因此，能夠在記錄介質上形成多個光點，光點具有適合于記錄介質的數據讀取／寫入的光強度和形狀。
本發明的光學拾取裝置具有提供均勻強度的光點的全息圖部件，所述光點的光強度否則將會是從中心區到周邊區逐漸降低。因此，可以在記錄介質上形成光點，光點具有小的光強度變化，并且適用于伺服操作。
權利要求
1．一種光學拾取裝置(20)包括一個單一實激光源(11)；一個用于衍射從所述實激光源(11)發射的光以形成至少一個虛激光源的全息圖部件(13)；和一個用于接收來自所述全息圖部件(13)的光并在記錄介質(23)的軌道上形成多個光點(24，25a-25c)的光點形成光學元件(19)，其中適當地確定所述全息圖部件(13)的全息圖形(15a-15c)，使得能夠給衍射光施加一個在從所述實激光源(11)到記錄介質(23)的光路中由光學元件(13，18，19)造成的象差的反向象差。
2．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中所述全息圖部件(13)的全息圖形(15a-15c)的縱列方向與所述實激光源(11)的遠場圖形的長軸方向對準。
3．根據權利要求1或2所述的光學拾取裝置，其中所述全息圖部件(13)是一個相位全息圖部件，并且適當地確定用于對應于每個虛激光源(12a-12c)的衍射的全息圖形(15a-15c)，使得能夠減小沒有用于形成光點的衍射光的強度，并把減少的光量用作光點形成的衍射光。
4．根據權利要求1至3中任何一個所述的光學拾取裝置，其中把由來自所述實激光源(11)的非衍射光形成的記錄介質(23)上的光點(24)用于伺服操作，并且所述全息圖部件(13)具有一個在整個光點區提供均勻強度的伺服光點(24)的全息圖形(14)。
5．一種光學拾取裝置包括一個單一實激光源(11)；和一個用于經過一個全息圖部件(13)接收來自所述實激光源(11)的光，并且在記錄介質(23)上形成一個伺服光點的光點形成光學元件(19)，其中全息圖部件(13)具有一個在整個伺服光點區提供均勻強度的伺服光點的全息圖形(14)。
6．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中全息圖形是一個帶有明暗干涉條紋的幅度全息圖形，或一個帶有二元形或突發形槽的相位全息圖形。
7．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中全息圖形記錄在朝向所述實激光源一側的全息圖部件上。
8．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中全息圖形記錄在背向所述實激光源一側的全息圖形上。
9．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中全息圖形以所述實激光源和虛激光源的縱列方向中的預定間隔設置。
10．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中全息圖形在所述實激光源和虛激光源的縱列方向上部分重疊地設置。
11．根據權利要求3所述的光學拾取裝置，其中用于衍射的全息圖形具有弧線圖形。
12．根據權利要求4所述的光學拾取裝置，其中用于衍射的全息圖形具有多個槽，并且根據槽(54)的深度調節不被衍射的光量。
13．根據權利要求4所述的光學拾取裝置，其中用于衍射的全息圖形具有多個槽(54)，并且根據槽寬度與非槽寬度的比率調節不被衍射的光量。
14．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中所述實激光源是一個具有一個集成在其中的單一激光器芯片的半導體激光器(10)。
15．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中每個全息圖形給衍射光施加一個不同的象差。
16．根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中每個全息圖形給衍射光施加一個相同的象差。
17．一種通過利用來自光學元件的光在一全息圖部件上形成衍射全息圖形而形成多個虛激光源(12a，12b，12c…)的方法，該方法包括步驟將一個第一光學元件(35a)設置在從一個實激光源(11)到一個非衍射全息圖形(14)的光路中，第一光學元件部分地向下反射來自實激光源的光；將n(n是一個正整數)個光學元件(35b，35c…)設置在部分反射光的光路中，n個光學元件向全息圖部件部分地反射部分反射的光，并向下反射剩余的光；和設置一個用于向全息圖部件反射剩余光的光學元件。
18．根據權利要求17所述的方法，其中第一和第n個光學元件是半反射鏡，并且在所述最后步驟的光學元件是一個全反射鏡。
19．一種通過利用從針孔發射的光在一全息圖部件上形成衍射全息圖形而形成多個虛激光源(12a，12b，12c…)的方法，該方法包括步驟用一個準直透鏡(47)將來自一實激光源(11)的光轉變為平行光；和在平行光的光路中設置一個具有至少一個針孔(51a-51d)的部件(50)。
全文摘要
在一種類型的光學拾取裝置中抑制象散和彗形象差,這種類型的光學拾取裝置用一個全息圖模塊(13)衍射和并分割來自一個單一實激光源(11)的光,成為多個光點,將多個光點聚焦在一個光盤的多個軌道上以同時讀取軌道上的數據。適當地確定全息圖模塊(13)的非衍射全息圖形(14)和衍射全息圖形(15a,15b,15c),使得能夠給全息圖模塊衍射的光施加在從實激光源(11)到光盤的光路中由光學元件造成的象差的反向象差。另一個全息圖形(14)提供光學元件形成的一個均勻強度的激光光點。
文檔編號G11B7/09GK1290392SQ99802941
公開日2001年4月4日 申請日期1999年2月12日 優先權日1998年2月19日
發明者平賀孝喜, 宮澤寬, 新造徹 申請人:株式會社建伍