CN1027402C - 探测光头中聚焦误差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明叙述了在光记录介质反射的返回光束的光路上放置一个棱镜，以探测光头聚焦误差的方法和装置。该棱镜在一个方向上将光束宽度压缩M倍，同时在所述方向上将与该光束聚焦误差相关的发散/会聚角增加M倍，从而可望将聚焦误差信号增强M²倍、聚焦误差由一具有内外光敏区的分区光探测器探测。该光探测器由内外区光强差产生表示聚焦误差的电信号。光探测器最好以也能提供轨迹误差信号的方式分区。

Description

本发明涉及在光记录介质上读写数据的光头中聚焦误差的探测方法和装置，特别是改进的产生聚焦误差信号的装置，该聚焦误差信号用作伺服系统的输入，其动作可保证光束在表面聚焦。

目前在光存储应用中所采用的散焦探测方法包括一个锐边，一个象散透镜或者一个临界角棱镜，这些技术需要对这些光学元件和对缝或分区光探测器做非常精细的校准。

已公布的欧洲专利申请EP0164687提出了一种探测方法，其中从光盘反射的激光束通过一物镜 对准一棱镜，该棱镜将光速宽度在一个方向压缩M倍后，并将一椭圆截面光束传输到一锐边型聚焦误差探测系统。根据公式（25），该申请据称会将聚焦误差信号增大M倍。

1985年10月15日至17日在美国华盛顿召开的光数据存储专题会议的文摘中有一篇Yamamoto等人的文章（THCC2-1），标题为“光刻尺度的设计构想”文章提出了一个探测与聚焦误差有关的远场光斑尺寸变化的六元件光探测器。

需要一种非常灵敏的聚焦误差探测方法，以相对较少的元件使聚焦误差信号明显增强并提供大的光束面积，使得只需在一个方向上对分区光探测器做不甚精确的校准。

为了达到这个目的，该发明提供了一套通过设置在从光记录介质反射回来的返回光束光路中的棱镜在光头中探测聚焦误差的装置和方法。该棱镜在一个方向上将光束压缩M倍，同时在所述方向上将与该光束的聚焦误差有关的发散/会聚角增大M倍，从而可望将聚焦误差信号增强M²倍。正如Yamamoto等人的文章中所示那样，聚焦误差由包含内外光灵敏区的分区光探测器探测出来。光探测器从内外区光强之差中产生出指示聚焦误差的电信号。该光探测器的分区方式最好能使之可以提供轨迹误差信号。

图1，为表示该发明原理的示意图;

图2A和2B，表示了分区光探测器的两种优选的配置，它们都产生聚焦误差信号，其中图2B同时还可产生轨迹误差信号;

图3，表示按照本发明一个实施例用于只读、一次写入或相变光盘的光头;

图4，表示一个用于带有施臂传动装置的光盘驱动器的实施例;

图5，表示用于磁光盘的实施例。

本发明的原理由图1作了最好的说明，二极管激光器10的输出通过一个圆形扩束/准直系统11产生一平行光束12。通过分束器13反射，光束12成为光束14。光束14通过透镜15聚焦到光记录介质的表面16上。当表面16处在透镜15的焦点时，由分束器13到透镜15的平行光束14返回反射后，并作为返回光束14，通过分束器13到达棱镜17，棱镜17将光束14折射成18，并对准光探测器19。光束18具有椭圆形的强度分布图形，其长轴为D短轴为A。棱镜17将光束14的宽度压缩M倍（M定义为D/A）成为折射光束18的宽度。

现假设表面16上的数据偏离焦点的量为δz。在该假设的条件下，由表面16反射的光束14′通过透镜15以后以δθ角发散，其中：

δθ＝Dδz/f²

其中f是透镜15的焦距

如果δz为负，则δθ也为负，反束光束14′将会聚。以下分析考虑δz为正的情况下，但当δz较小时，对于发散或会聚光束14′，这一分析同样适用。

由棱镜17产生的折射光束18′具有发散角Mδθ，而在探测器19处的所述光束宽度A′由下式给出：

A′≈A+2lMδθ    （2）

其中l是棱镜17到光探测器19的距离，

利用公式1，可得：

A′≈A+2lMDδz/f²

≈A+2lM²Aδz/f²

或

A′/A≈1+2lM²δz/f²（3）

由此可见，通过在从表面16反射的返回光束14′的光路中设置棱镜17，表征聚焦误差δz的波束宽度A的变化增强了M²倍。M由棱镜17的顶角和棱镜材料的折射率决定。M可以做的任意大;但随着M增加，系统校准的容差将越来越小。单一棱镜17的实际最大值大约为M＝5;但几个棱镜可以串联起来使用，则最终的因子M就是每个棱镜M值的乘积。

如图2A所示，光探测器19由三个条形光敏区1，2，3组成，设I₁，I₂，I₃，分别为进入这些光敏区1，2，3的光所产生的电信号，对于图2A的配置，令S₁＝I₁+I₃，S₂＝I₂。令KA为中心光敏区2的宽度，这里K（≈0.25）选择得使得当光束14聚焦时S₁＝S₂。如果S₁′和S₂′是对应聚焦误差δz的信号，可以得出：

(S1′)/(S1) ≈ (2(A′-KA))/(A′+A-2KA)

(S₂′)/(S₂) ≈ (2(1-K)A)/(A′+A-2KA)

和

FES= (S₁′-S₂′)/(S₁+S₂) = (A′-A)/(A′+A-2KA)

当A′≈A和K＝0.25时

FES0.67（A′/A-1）≈1.31M²δz/f²

因而，作为例子，如果M＝5、l＝50mm并且f＝4mm，则一个小的聚焦误差δz＝0.5μm可产生聚焦误差信号FES＝0.05。这样大的误差信号使得能够以高信噪比探测很小的聚焦误差。

信号I₁和I₂由20求和并加以放大，提供输出信号S₁，同时信号I₂由21放大提供输出信号S₂。信号S₁和S₂送往差分放大器22和求和放大器26，其输出送往除法电路28。除法电路28的输出就是聚焦误差信号FES。聚焦误差信号加在聚焦伺服控制系统23（图1）上。如图所示，系统23包含了用于调节线圈24中的电流从而可调整透镜15相对于表面16的位置的常规装置（未示出）。

光探测器的一个优选的配置如图2B所示，光探测器25包含6个光敏区1-6，可分别产生电信号I₁-I₆。聚焦误差信号为：

FES＝S′-S₂′/S₁+S₂

并且轨迹误差信号为：

TES＝S₃-S₄/S₃+S₄

其中：S₁＝I₁+I₃+I₄+I₆

S₂＝I₂+I₅

S₃＝I₁+I₂+I₃

S₄＝I₄+I₅+I₆

利用轨迹误差信号调整轨迹误差的方式已是常用的，不构成本发明的一个部分。图2B包含在这里只是为了说明申请人的探测及校正聚焦误差的方法和装置可以适应象25那样能产生聚焦误差和轨迹误差两种信号的光探测器并可与之结合使用。

如图3所示，根据这一实施例该发明包含一特别适用于只读、一次写入或相变光盘的光头。激光器30的发射光通过透镜32成为平等光束，并通过棱镜46的表面34折射后变成圆形光截面。表面34有起偏分束（PBS）的涂层。光束35通过一1/4波片36到光束弯头机透镜40，它将所述光束聚焦到光盘42的选定轨迹上。由光盘42反射回来的光束35′通过波片36返回并由棱镜表面34反射为光束37到达棱镜46的表面44。光束37在表面44的折射将所述光束的宽度由D到A压缩了M倍并将该椭圆光束47引向光探测器48，光探测器最好按图2A或2B分区。

如图3所示，如果在光盘42轨迹上的数据处于焦点上，则反射光束35′将和光束35重合，并且在光探测器48处的光束宽度为A。然而，如果光盘42上的数据不在焦点上，则反射光束35′相对于光束35发散，并且如图1所示，使得在光探测器48处的光束宽度大于A。由图2的说明，光探测器48这时将产生一个FES;用适当的伺服装置（未画出）可根据这个FES调整棱镜40相对于光盘42上轨迹的位置，以满足将数据置于焦点上的要求。

这个实施例所需元件数可望较少。

图4A和4B表示另一种用于只读，一次写入或相变光盘的光头的实施例。根据这个实施例，光头的大致指向平行于光盘50上的轨迹。这种光头因而很容易用在具有旋臂传动装置的光盘驱动器上。激光器52（图4A）发射出经透镜5A准直的光束，并被引向和通过一个无折射或反射的PBS56。通过PBS56的光束58具有椭圆截面，其一个方向宽度为D而另一正交方向宽度为A。该光束58通过一1/4波片60并对准一组合棱镜62。在组合棱镜62的第一表面64，光束58变为圆形截面，而后经棱镜另一表面66内全反射（TIR）而反射至反射表面68再出射到物镜70，物镜70将形成的光束72聚焦在光盘50上。光束72经过光盘轨迹反射为光束58′。光束58′的截面再次成为椭圆的，通过PBS56的表面74反射并引向光探测器76，光探测器76最好按图2A或2B分区。

如图4所示，如果光盘50轨迹上的数据处于焦点上，则反向光束58′和光束58重合，在光探测器76处的光束宽度为A。然而，如果在光盘50上的数据不在焦点上，则反射光束相对于入射光束58发散，并且如图1所示，使得在光探测器76处的光束宽大于A。由与图2相关的讨论，光探测器76给出FER;根据这个FES用适当的伺服装置（未画出）调整透镜70相对于光盘上轨迹的位 置，以满足将数据置于焦点上的要求。

这个实施例要求棱镜62的展宽/压缩比M和激光器52的出射光斑形状匹配。

图5显示了另一种用于磁光盘光头的实施例。激光器80出射光束由透镜82准直，通过棱镜86的表面84折射后成为圆斑光束，然后对准光束弯头88和物镜90。表面84是部分起偏分束表面，它将光盘94上选定轨迹所反射的光束92′中的P偏振成分的一部分和所述光束几乎所有的S偏振成分反射到棱镜96的表面98成为光束100。表面98也是部分起偏分束表面。表面98将一光束100的P偏振成分的一部分折射一个伺服光探测器102成为光束101，该探测器最好按图2A或2B分区。这个折射使得光束100任一个方向上的宽度从D到A被压缩M倍。表面98还将光束100的P偏振成分的一部分和光束100的几乎全部S偏振成分引向Wollaston（渥拉斯顿）棱镜104、会聚棱镜106和数据探测器108，形成光束103。Wollaston棱镜探测磁光盘数据的性能已为本行业周知并不构成此发明的一个部分。

如图5所示，如果光盘94轨迹上的数据是处于焦点上，则返回光束92′和原光束92重合，在光探测器102处光束宽度为A。然而如果光盘94上的数据不在焦点上，返回光束92′将相对于原光束92发散，并且如图1所示，使得在光探测器102处的光束宽度大于A。由关于图2的说明，光探测器102将产生FES;并根据该信号用一适当的伺服装置（未画出）调整透镜90相对于光盘94上轨迹的位置以满足将数据置于焦点上的要求。

可以看出，在图3-5所示的每一种配置中，和以前的方法不同，聚焦误差信号可望增强M²倍。

尽管本发明是参照其优选实施例作，展示和叙述的精于本行业的人应当明白的形式和细节上可以做出多种变化，而并未超出本发明的思路和范围，因此除了权利要求中指明，本发明是不受它们局限的。

Claims (8)

1、一种用于探测光头中聚焦误差的方法，所述光头被导入一束光用以在光记录介质上读取或写入数据，该方法的特征在于以下步骤：

在由所述介质反射的返回光束的光路上放置一棱镜，用以在一个方向上将所述光束宽度压缩为M倍，同时在该方向上把所述光束与聚焦误差相关的发散/汇聚角增加为M倍，从而表示所述光头的光聚焦误差的所述返回光束在所述方向上以变化增强为M²倍；

在所述光路上提供一个光探测器，用以接收来自棱镜的未经阻挡的返回光束，光探测器在所述返回光束的上述方向上一个挨一个地设置有第一、第二及第三光敏区；和

将第一和第三光敏区的光的量值之和与第二光敏区光的量值相比较产生相对应的聚焦误差信号。

2、权利要求1的方法，其特征在于所述第二光敏区位于第一和第三光敏区的正中间，从而当第一和第三光敏区的光量值之和等于第二光敏区的光量值时，所生成的聚焦误差信号为零。

3、权利要求2的方法，其特征在于所述第一与第三光敏区之间的第二光敏区为条形，第一、第二及第三光敏区在与该条形垂直的方向进一步划分出三个上光敏区和三个下光敏区。

4、权利要求1的方法，其特征在于根据所述聚焦误差信号调节光路中聚焦透镜的位置，使第一和第三光敏区的光的量值等于第二光敏区的光的量值的步骤。

5、用于在光记录介质上读和/或写数据的光头中探测聚焦误差的装置，包括一个光源，用以向介质提供初始光束、一个位于初始光束的光路上的聚焦透镜，用以将初始光束引向介质、以及一个与聚焦透镜连接的伺服装置，用以根据聚焦误差来调节聚焦透镜头，其特征在于：

在从所述介质反射回来的返回光束的光路上安放的一个棱镜用以使所述返回光束在一个方向上缩小为M倍同时在该方向上使所述返回光束的发散/汇聚角增大为M倍，因此表示所述头的所述聚焦误差的所述返回光束在该方向的变化增大为M²倍;

位于所述光径上的一个光探测器，用以接收来自棱镜的未经阻挡的返回光束，该光探测器在所述返回光束的上述方向上一个挨一个地设置有第一、第二及第三光敏区;和

一个与该光探测器连接的电路，用以将第一和第三光敏区的光的量值之和与第二光敏区的光的量值相比较并产生相对应的聚焦误差信号。

6、权利要求5的装置，其特征在于：

所述第二光敏区位于第一和第三光敏区的正中间，从而当第一和第三光敏区的光量值之和等于第二光敏区的光的量值时所生成的聚焦误差信号的零。

7、权利要求6的装置，其特征在于：

位于所述第一与第三光敏区之间的第二光敏区为条形，并且所述第一、第二及第三光敏区在与该条形垂直的方向上进一步划分出三个上光敏区和三个下光敏区。

8、权利要求5的装置，其特征在于：

所述棱镜包括一个第一棱镜和一个第二棱镜，所述第一棱镜位于从介质上反射回来的返回光束的光路之中，第一棱镜具有一个部分偏振的分束表面，用以将所述返回光束的P偏振成分的一部分和所述返回光束的几乎所有S偏振成分对准到所述第二棱镜上;

所述第二棱镜有一个部分起偏分束表面，用以将来自第一棱镜的所述返回光束的P偏振成分的一部分折射，所述的第二棱镜将所述的返回光束在一个方向上压缩为M倍，同时使所述返回光束在所述方向上的发散/汇聚角增大为M倍，从而表示所述头的所述聚焦误差的所述返回光束在该方向上变化为M²倍。

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