光學掃描裝置和方法

專利名稱：光學掃描裝置和方法
技術領域：
本發明涉及光學掃描裝置的光學元件，該光學掃描裝置使用相應的不同波長的激光輻射對至少三種不同格式的光學記錄載體進行再現和可選擇進行記錄的。
光數據存儲系統提供在光學記錄載體(例如，光盤)上存儲大量數據的手段。通過將激光束會聚到盤的數據層上，然后檢測反射的光束來存取數據。在一個已知的系統中，數據被永久地內嵌為盤中的標記，例如凹坑，并且數據以激光束經過標記時反射率變化的形式被檢測到。
利用帶有凹坑圖案的光盤作為高密度、大容量記錄介質的光盤存儲技術已經進入實際應用，其應用已擴展至數字通用盤(DVD)、視頻盤、文檔文件盤和數據文件。
為了進一步提高光盤的記錄密度，近來一直考慮提高物鏡的數值孔徑(NA)。物鏡將光束會聚在光盤上以形成受衍射限制光斑。然而，由用于保護光盤的數據記錄層的基底材料的厚度誤差引起的球面像差隨著NA會極大的增加。因此，隨著光存儲盤密度的增加和物鏡的NA變得更大，由球面像差產生的影響將相應增加，從而在讀出信號中將會有失真，所述球面像差的影響在由于在盤的制造過程中的小變化引起盤的覆蓋層偏離設計值時或當使用雙層盤時出現。
換句話說，對于高NA讀出系統，需要對球面像差進行補償，以便對覆蓋層厚度變化或在使用雙層盤時提高容差，其中球面像差是與光軸成較小角度的掃描盤的會聚光錐中光線的焦點不同于與光軸成較大角度的會聚光錐中光線的焦點的現象。這在讀出比特流的過程中會導致光斑模糊和逼真度損失。需要補償的球面像差的量與其聚焦在上面的數據層的深度成比例，雖然通過產生光錐的物鏡補償固定量的球面像差。
為了便攜應用，盤和驅動器都應當盡可能的小。為了在小盤上獲得足夠大的數據容量，雙層盤的使用對于這種類型的應用是非常有利的。參照附圖中的圖1，在這種盤中，第一數據層L0位于盤入射表面S下的深度d處，第二層L1位于深度d+s處。厚度為d的頂層稱作覆蓋層，厚度為s的中間層稱作間隔層。
對于只具有一個層的盤來說，可通過產生會聚光錐的物鏡補償固定量的球面像差，但這對于多層盤來說是不夠的。后面類型的盤需要補償與通過間隔層進行會聚相關的球面像差。這可通過使用兩個物鏡來實現，其中每一個分別針對L0和L1補償球面像差。因此，在該情況下，典型的光學掃描裝置可包括兩個物鏡OL0和OL1，分別用于針對層L0和L1補償球面像差，所述物鏡安裝在致動器中。
參照附圖中的圖2，兩個物鏡OL0和OL1可由通過塑料注模制造的單片部件代替，其中所述模具包含兩個相鄰物鏡形狀OL0和OL1的形狀，所述兩個物鏡的形狀對于雙層盤的層L0和L1的讀出被最佳化。將兩個透鏡的組件(圖1)或具有兩個透鏡形狀的單片部件(圖2)安裝在致動器AC上，所述致動器是可在徑向和聚焦方向上移動以便將掃描光斑保持在軌道上并保持聚焦的驅動器的一部分。
對于光學掃描裝置，一個期望的特性是兼容性，即再現和(在某些情況下)記錄不同格式的光學記錄載體的能力。致密盤(CD)是適合的，尤其是用作CD(CD-音頻)、CD-ROM(CD-只讀存儲器)、CD-R(可記錄的CD)和CD-RWS(可重寫的CD)。CD被設計成采用波長約為780納米和數值孔徑(NA)為0.45的激光輻射進行掃描。另一方面，DVD(數字通用盤)被設計成以660納米范圍的波長進行掃描。為了讀取DVD，通常使用0.6的NA，而為了寫入DVD，通常需要0.65的NA。
盡管如此，已知DVD驅動器還能讀取CD。例如，WO 99/57720披露了一種能夠通過使用不同波長的激光輻射、借助相同的物鏡讀取DVD和CD的系統。所述物鏡包括一個模制塑料透鏡，其或者具有兩個折射非球面，或者一個非球面和一個包括衍射元件的折射非球面。所述透鏡能夠為兩種盤格式校正厚度差異引起的球面像差，也可以校正色差。
然而，這種已知系統并不能與多層盤(例如，雙層藍光盤(BD)或便攜式藍光盤(PB))額外兼容，很顯然期望能夠提供一種不但能讀出雙層BD/PB，而且還能讀出DVD和CD的光學掃描裝置。這三種格式分別工作于405nm、655nm和785nm波長，0.85、0.60-0.65和0.45-0.55的數值孔徑(NA)值，以及覆蓋層的厚度分別為70和100:m(BD/PB系統的兩個深度)、600:m和1200:m。參照附圖中的圖3，其結果是影響透鏡設計的主要參數對于三種格式是不同的。這對于三兼容單透鏡的設計提出了更嚴格的要求。此外，單透鏡需要額外的球面像差補償裝置以使雙(多)層讀出成為可能。
因此，本發明的目的是提供一種一方面能夠與多層高NA存儲系統(例如，雙層BD或PB)、另一方面能夠與一不同格式的盤(例如CD和DVD)兼容的改進的光學掃描設備。
根據本發明，提供一種用于讀取和/或寫入至少第一、第二和第三種格式中任意一種格式的光學記錄載體的光學掃描設備的光學元件，至少所述第一格式包括多層載體格式，所述光學元件包括至少兩個物鏡，所述物鏡中的第一個被設置和配置成在對所述第二格式和所述多層載體格式的第一層進行讀取和/或寫入期間對球面像差提供基本上最佳的補償，而所述物鏡中的第二個被設置和配置成在對所述第三格式和所述多層載體格式的第二層進行讀取和/或寫入期間對球面像差提供基本上最佳的補償。
當然，應該意識到每種格式都需要不同的相應波長的電磁輻射來讀取或寫入，事實上，對于多層格式的每一層來說通常都需要一不同的波長。
所述物鏡可包括分立的元件，但更加優選的是以單片、多透鏡部件的形式提供，例如借助于塑料注模技術來制造。事實上，本發明擴展至一種制造如上所定義的光學元件的方法，優選借助于塑料注模技術來制造。
本發明還可進一步擴展至一種用于對至少三種格式中的任意一種格式的光學記錄載體進行讀取和/或寫入的光學掃描設備，所述設備包括電磁輻射源，并包括如上所定義的光學元件，由此所述物鏡中的一個用于根據正被讀取和/或寫入的光學記錄載體的格式將電磁輻射束聚焦在數據記錄層上，所述設備還包括一致動器，用于相對所述光學記錄載體移動所述光學元件以便保持所述電磁輻射束聚焦在所述數據記錄層上。
在一個實施例中，所述多層光學記錄載體格式例如可以包括一第一雙層格式，例如藍光盤(BD)或便攜式藍光盤(PB)，而所述第二和第三種格式例如可以分別包括不同格式的盤，如單層和/或單或雙層CD DVD。
每個物鏡優選配置有一個相位結構(例如一衍射結構或一非周期性相位結構)和一折射元件。例如，每個物鏡可配置有一個衍射光柵，更加優選的為閃耀光柵，其中選擇每個閃耀(blaze)的高度以使得對于各種格式都能有益地以單個衍射級實現高效率。對于各個格式，閃耀高度優選通過h＝λ/(n-1)來確定，其中h是閃耀高度，n是(形成物鏡的)介質的折射率，而λ是特定讀出模式的光的波長。
本發明的這些和其它方面通過此處所述的具體實施方式
將是顯而易見的，并將參照這些具體實施方式
對其進行闡釋。
現在將僅僅通過舉例的方式參照


本發明的具體實施方式
，其中圖1表示根據現有技術使用雙透鏡進行雙層讀出的光學掃描設備的示意圖；圖2表示在根據現有技術用于雙層讀出的光學掃描設備中使用的單片雙透鏡的示意圖；圖3表示透鏡設計中的主要參數的示意圖，其中λ＝波長，NA＝數值孔徑，d＝覆蓋層厚度，fwd＝自由工作距離，a＝光瞳直徑；圖4表示用在根據本發明一示例性實施例的光學掃描設備中的單片雙透鏡部件的示意圖，所述雙透鏡部件具有透鏡部分OL0和OL1，由此透鏡部分OL1可與PB/BD系統的層L1的讀出以及與DVD兼容，而透鏡部分OL0可與PB/BD系統的層L0的讀出以及與CD兼容；和圖5表示根據現有技術的光學記錄系統的主要部件的示意圖。
因此，如上所述，本發明提供一種能夠與多層和單層盤格式都兼容的光學掃描設備，并且通過使用雙透鏡系統(例如上述的雙透鏡系統)，降低透鏡的設計要求，例如就雙層BD/PB的讀出而言，使透鏡OL0與DVD(以及雙層BD/PD格式的層L0)兼容以及使透鏡OL1與CD(以及雙層BD/PD格式的層L1)兼容，如附圖4示意性表示。因此，兩個透鏡的設計只需工作在兩個不同的波長下，這大大簡化了問題。
本領域技術人員應該意識到有大量的技術能夠用于使單個透鏡與兩種不同的盤格式兼容。實現所期望的兼容性的一種方法是利用光柵，例如，如在WO 02/41303中所述的。該文獻披露了一種光學掃描設備，因為在寫入操作期間校正了由快速波長變化引起的色差，所以其能夠以高效率將數據寫入第一種格式的光學記錄載體(例如DVD)，并且能夠以可接受的效率將數據寫入第二種格式的光學記錄載體(例如，CD)。這可借助于包括衍射元件的物鏡來實現，所述衍射元件承載有優選為鋸齒形閃耀光柵結構的衍射光柵，由此提供了在無限共軛模式下結合了衍射和折射元件的混合透鏡。將物鏡的衍射和折射性質選擇成，使得與第一厚度(即，格式)的光學記錄載體兼容的第一波長的輻射透射并聚焦在所述第一格式的光學記錄載體上，而與第二厚度(即，格式)的光學記錄載體兼容的第二波長的輻射透射并聚焦在所述第二格式的光學記錄載體上，其中色球差(spherochromatism)水平相對較低。將物鏡的衍射和折射性質選擇成，使得分別使用波長λ1和λ2的衍射級m1和m2掃描第一種和第二種格式的光學記錄載體。
再回頭參照圖4和本發明的該示例性實施例，每個透鏡部分L0和L1都可以配備有衍射光柵，優選基于閃耀光柵(概念與WO 02/41303中所述的相同)，選擇每個閃耀的高度，使得對于各種讀出波長，在單個衍射級實現高效率。通過適當設計光柵，可將在不同讀出模式中產生的不同數量的球面像差用于補償由于覆蓋層厚度引起的球面像差。因此，問題是找出對于每個讀出模式，在一個特殊的衍射級獲得高效率的適當的閃耀高度，現在將更加詳細解釋這一點。
當我們作出以下定義時hCD=λCDn-1]]>hDVD=λDVDn-1]]>hBD=λBDn-1]]>其中n是介質的折射率，λ是在特定讀出模式下的波長，找出適于CD/DVD/BD的閃耀高度需要h≈mCDhCD≈mDVDhDVD≈mBDhBD
或類似地mCDλCD≈mDVDλDVD≈mBDλBD其中m是整數值。對于CD和BD，我們發現2mCD＝mBD而對于DVD和BD，我們發現3mDVD＝2mBD第一個解是mCD＝3mDVD＝4mBD＝6尤其是對于BD，高衍射級的缺陷是物鏡對色球差變得敏感(即，球面像差隨著波長變化而發生變化)。由于這個原因，較低的衍射級是優選的。根據本發明的這一典型實施例，例如，只需對于透鏡OL0使mCD＝1和mBD＝2，以組合CD/BD，而對于透鏡OL1使mDVD＝2和mBD＝3，以組合DVD/BD。這樣得到一個更高容限的設計。
參照附圖中的圖5，傳統的光學記錄系統的光路包括輻射源1、由輻射源1發射的電磁輻射束、分束器3、準直透鏡4、安裝在致動器6上使得其能夠在聚焦和徑向方向上移動的物鏡5、具有前表面7a和后表面7b的盤7、以及探測器8。根據現有技術，數據層可位于7b，并且只使用單個物鏡。在根據本發明的光學記錄系統中，可用上述的雙物鏡替換單物鏡5。
因此本發明實現了與三種不同光學記錄載體格式的兼容性，但每個透鏡部分的球面像差量只需要以多種已知方式中的一種(例如，如WO 02/41303中所詳述的)與兩種格式精確匹配，然而如果試圖針對三種格式匹配球面像差，則使用具有任何精度的現有技術通常都是不能實現的，從而需要折衷。因此，在該情況下，必須接受球面像差的殘余量，這導致性能降低。
雖然此處所給出的實施例是由閃耀光柵構成相位結構的例子，但例如也可以是由如在US6687037中所述的二進制型構成。所述相位結構也可以是非周期性的相位結構類型，例如由B.H.W.Hendriks，J.E.deVries和H.P.Urback在Appl.Opt(應用光學)(卷40(2001)，第6548頁)中發表的“Application of nonpriodic phase structures in opticalsystems(非周期性的相位結構在光學系統中的應用)”中所述的。
上面僅借助實施例已經說明了本發明的一個具體實施方式
，并且對于本領域技術人員來說很明顯，在不脫離后附權利要求所定義的本發明的范圍的情況下，可對所述的具體實施方式
作出各種修改和變化。另外，在權利要求中，置于括號之間的任何參考符號都不應解釋為對權利要求的限制。術語“包括”并不排除出現權利要求中所列舉之外的其它元件或步驟。術語“一”或“一個”并不排除多個。本發明可借助包括若干個不同的元件的硬件和借助適當編程的計算機來實行。在列舉了若干個裝置的設備權利要求中，若干個這些裝置可由同一項硬件來實行。在互不相同的從屬權利要求中敘述了某些措施這一純粹事實，并不表示不能有利的使用這些措施的結合。還應意識到此處所涉及的各種盤格式僅僅是例子，而其它盤格式不管是單層還是多層，對于本領域技術人員都將是顯而易見的。
權利要求
1.一種用于光學掃描設備的光學元件，該光學掃描設備用于讀取和/或寫入至少第一、第二和第三種格式中的任意一種格式的光學記錄載體，至少所述第一格式包括多層載體格式，所述光學元件包括至少兩個物鏡，所述物鏡中的第一個被設置和配置成在對所述第二格式和所述多層載體格式的第一層進行讀取和/或寫入期間對球面像差提供基本上最佳的補償，而所述物鏡中的第二個被設置和配置成在對所述第三格式和所述多層載體格式的第二層進行讀取和/或寫入期間對球面像差提供基本上最佳的補償。
2.根據權利要求1所述的光學元件，其中所述物鏡包括分立元件。
3.根據權利要求1所述的光學元件，其中以單片、多透鏡部件的形式提供所述物鏡。
4.根據權利要求3所述的光學元件，其中所述單片部件是利用塑料注模技術制造的。
5.根據前述任何一個權利要求所述的光學元件，其中每個物鏡都配備有衍射和折射元件。
6.根據權利要求5所述的光學元件，其中每個物鏡配備有衍射光柵。
7.根據權利要求6所述的光學元件，其中所述衍射光柵是閃耀光柵，其中選擇每個閃耀的高度，使得對于各種格式，在單個衍射級實現高效率。
8.根據權利要求7所述的光學元件，其中對于每種格式，閃耀高度是由h＝λ/(n-1)確定，其中h是閃耀高度，n是(形成物鏡的)介質的折射率。
9.一種制造如權利要求1到8中任意一個所述的光學元件的方法。
10.根據權利要求9所述的方法，包括塑料注模工藝。
11.一種用于對至少三種格式中的任何一種格式的光學記錄載體進行讀取和/或寫入的光學掃描設備，所述設備包括電磁輻射源，并包括如權利要求1到8中任意一個所述的光學元件，由此所述物鏡中的一個用于根據正被讀取和/或寫入的光學記錄載體的格式將電磁輻射束聚焦在數據記錄層上，所述設備還包括致動器，用于相對于所述光學記錄載體移動所述光學元件以便使所述電磁射束保持聚焦在所述數據記錄層上。
12.根據權利要求1到11中任意一個所述的光學掃描設備，其中所述多層格式包括藍光盤或便攜式藍光盤。
13.根據權利要求12所述的光學掃描設備，其中所述第二和第三格式可分別包括CD和DVD。
全文摘要
一種能夠與多層和單層盤格式都兼容的光學掃描設備，并且通過提供雙透鏡系統，以及通過例如使透鏡OL0與DVD(以及雙層格式的層L0)兼容和使透鏡OL1與CD(以及雙層格式的層L1)兼容，所述光學掃描設備降低了透鏡設計要求。因此，兩個透鏡的設計只需工作在兩個不同的波長下，并且所述設備實現了與三種不同光學記錄載體格式的兼容性，但對每個透鏡部分而言球面像差量只需要以多個已知方式中的一種與兩種格式精確匹配。
文檔編號G11B7/135GK1934631SQ200580009343
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月11日 優先權日2004年3月24日
發明者S·斯塔林加, B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司