CN1146596A - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种具有一全息光学单元的光学扫描装置的结构和方法，它接收已受记录介质影响的扫描波束并且克服了已知技术在获取信息信号方面和检测器件方面的缺点；其一个特点是采用光学空间滤光器来获取信息信号，其另一特点是仅在一个检测器上呈现扫描点全部区域的像和使用全部光成分从而提高了功率成分和降低了元件之间相互调整的需求，其第三个特点是全息光学单元结构简单；它特别适用于CD播放机和视盘播放机或相关记录设备。

Description

光学扫描装置

本发明涉及一种光学扫描装置的结构和方法，该光学扫描装置用于扫描存储在记录介质上的信息或用于将信息记录在记录介质上，它包括一提供扫描波束的辐射源或光源、一聚焦该扫描波束以形成一扫描点的装置和一具有一全息光学单元并用以接收受记录介质影响的扫描波束的检测系统。这种扫描装置可用于CD播放机和视盘播放机或相应的记录装置。

已知，全息光学单元可用于扫描光学记录介质，利用全息光学单元将扫描波束分解成寻道波束成分和/或聚焦波束成分以及用以产生信息信号的波束成分，参考：EP 0 373 699 B1，EP 0 357 323 B1和EP 0 305 169 B1。全息光学单元包含将从记录介质反射而来的扫描波束方向折射至一检测系统的光栅。在光学扫描装置中采用光栅和/或全息光学单元主要为了减少实现光学扫描装置所需光学元件的数目。使用光栅作为波束折射装置或波束分束装置，其结果是因波束的分束而使扫描波束强度降低，和因波束被光栅折射而产生高次模旁瓣。光检测要求有多个分立设置的光检测器，它们必须高准确度地设置，并且将多个检测器上获得的信号成分合成来形成信息信号，结果是包含被扫描的信息的扫描信号受到了不利影响。

本发明的目的在于克服已知方法和装置在获取信息信号方面和检测器件方面的缺点。此目的就是要解决被扫描单元的清晰度和干扰的抑制问题。

上述目的是由各独立权利要求所表述的装置和方法来实现的，其进一步的改进和扩展由各从属权利要求所表述。

本发明的一个方面是采用了光学空间滤光器来改善如数字视盘播放器等高清晰度扫描器件中获取的信息信号。采用光学空间滤光器不仅消除了信息信号中的干扰信号而且提高了如CD中的凹抗等要被扫描的单元的清晰度。为了这一目标，扫描系统的检测器最好被一狭缝覆盖或采用其尺寸与狭缝宽度相当的检测器，该狭缝宽度与要被扫描的单元的最小长度匹配。此匹配包括为一预定的数值孔径而确定的与最短凹坑长度所对应的狭缝宽度，所述数值孔径采用一归一化调制传递函数(normalized modulation transfer function)作为最佳调制的空间频率的函数。

该光学空间滤光器在扫描装置中所起的作用是这样的，即所说狭缝或栏缝平面上的焦点是记录介质上扫描点的共轭象，只是该焦点的尺寸由此图像光学系统的放大功能所决定，并且要被扫描的单元的结构在缝平面上重现。在缝平面上重现要被扫描的单元的结构，并分别采用狭缝或栏缝来选择和滤波它们的部分。由于狭缝宽度是这样选择的，即只允许要被扫描的单元的图像的一部分到达检测器，因此，超出此宽度的图像的单元和/或图像的剩余部分，它代表了干扰信号如码间干扰或基片杂质等，就被屏蔽掉了，于是要被扫描的单元的清晰度得以提高。另一方面也即在采用全息光学单元的扫描系统中将扫描点全部区域成象于一个检测器上，并且使用了全部光成分，其结果是提高了功率成分和降低了多个元件之间的调整的需求。应提到的第三个方面是全息光学单元应具有尽可能简单的结构。光学空间滤光器最好采用具有至少一个光栅的全息光学单元。此光栅对于全部检测波束是单维的，单维光栅是指其特性在其整个区域内是规范的或均匀的。于是，这样一种单维光栅最好在它的其中一个分区内增设另一个光栅以形成一双维光栅。

采用单维光栅是为了形成完全对应于扫描点或记录点的光点和获取信息信号，这样就仅需要一个检测器，由于它的形状与光点相匹配，所以可同时用于切除干扰光线。与光点尺寸的匹配可通过选择检测器合适的宽度或用一狭缝覆盖检测器来实现。原则上讲，也有可能将一不与光点匹配的检测器与全息光学单元相结合，然而，其结果是需用一电子均衡电路作为获取信息信号的滤波器。

原则上讲也有可能在没有全息光学单元的扫描装置中采用光学空间滤光器，然而，这种系统的热稳定性具有特殊的要求，以在一较宽温度范围上满足必须符合的准确度要求。

采用没有被分隔的整体设计的单个检测器，其结果是以一种更优的方式减少了必须互相准直的元件的数目。不仅如此，由于对如信息信号检测器与聚焦误差检测器之间的调整这种检测器之间的调整的要求，最好在这些检测器之间互成一角度地-安排以便于在一平面内移动它们来进行调节。

在所述光学全息单元中采用光学空间滤光器的优点主要是考虑到已知扫描装置的热稳定问题。

采用光学空间滤光器原则上并不限于携带记录介质上信息的光束。

下面将参照附图更详细地说明本发明，其中：

图1示出了实施本方法的一种结构布局示意图。

图2示出了一检测器布局的示意图。

图3示出了一已知扫描系统的示意图。

图4示出了一验证布局的示意图。

图5示出了没有光学空间滤光器的示波器显示输出图。

图6示出了有光学空间滤光器的示波器显示输出图。

图7示出了没有光学空间滤光器的示波器显示输出的振幅/时间图。

图8示出了有光学空间滤光器的示波器显示输出的振幅/时间图。

图1中，扫描系统相应地有一全息光学单元HOE，在全息光学单元HOE的全部区域内具有一第一单维光栅G₁。仅在全息光学单元HOE的一个分区内设置的第二光栅G₂最好也作为第二单维光栅G₂来设置，并且构成一双维光栅，它包括光栅G₁和光栅G₂，并在此区域内单维光栅G₁覆盖了全部全息光学单元HOE。光栅G₁和G₂最好是相位光栅，但也可以是振幅光栅。单维光栅G₁可形成一完全再现扫描点的波束b₂，该波束代表信息信号并仅由单一检测器d₃检测。经过整个单元的光束在图1中由波束b₂的路径上的圆圈表示。由旁瓣或相邻扫描单元而引起的干扰通过使光检测器d₃的宽度与由波束b₂形成的光点直径和要被扫描的单元相匹配而被切断。这一原理也称为空间滤波。提供一信息信号的空间滤光器的具体应用，带来的结果是：尽管由于光栅而引起衍射或分束损耗等不利因素，还是由波束b₂形成了完全代表扫描位置的光点，并可通过匹配检测器d₃与光点的尺寸和要被扫描的单元使该光点有利地利用以消除旁侧效应的干扰。由于只使用单一检测器d₃而不需要对检测器进行专门调整。

为了产生一聚焦误差信号，全息光学单元HOE的一半具有一第二光栅G₂，它与第一单维光栅G₁一起在此区域上形成一双维光栅。所以，从全息光学单元HOE的这半部分经过的光束或波束b₂也就仅代表扫描波束的一半。这在图1中在波束路径b₁中由一半圆圈表示，这一光束路径指向聚焦误差检测器，该检测器包括两个检测器d₁和d₂。最好将聚焦误差检测器和信息信号检测器设置在一个平面上。不仅如此，为了有可能以最佳方式去把检测器d₃的宽度和由波束b₂形成的光点相匹配来获取信息信号，参考图2，可采取将检测器d₂设置成与聚焦误差检测器成一角度α，或与由检测器d₁和d₂之间的中线有一定距离并成一角度α的方式。这样做可使在平面上以一种有利的方式进行调整，即使光点大小的变化主要由与全息光学单元HOE的距离来决定。与这一点相对照，如果考虑到如图3所示的结构，本发明的构思将显得特别清楚。图3中包括一个全息光学单元HOE，它具有两个半部分的单维光栅，然而，该光栅的光栅结构与现有技术相映，其不同之处在于两个半部的方向和形状彼此不同。因此，将产生两束检测波束b₃和b₄，然而，它们的每一个仅代表扫描波束的一半。这在图3中在检测波束b₃和b₄上用半圆圈表示。为了能够在信息信号之外提供一聚焦误差信号，又给检测波束b₃设置一个光栅G₃，利用光栅G₃来与全息光学单元HOE的光栅一起形成一双维光栅，采用与具有双维光栅的图1的类似的方法来形成一代表聚焦误差的光点。然后参考已知双傅科方法(double-Foucault method)通过检测器d1和d2提供聚焦误差信号。与现有方法相比，事实是没有设置覆盖着全息光学单元HOE整个区域的单维光栅G1，由全息光学单元HOE的一半形成的检测波束b4仅能代表扫描波束的一半，从而使扫描点没有被完全再现，并且可观察到一减弱的光功率。另外，由圆环光分布形成的光点具有比由半圆环光分布形成的光点更小的最大旁瓣数。

如图4所示，一采用光学空间滤光器的验证布局清楚地说明光学空间滤光器的使用并不限于与采用全息光学单元的扫描装置相关的应用。如图4说明这种布局原则上也可用于具有高存储密度的记录介质的光学扫描。然而，这种布局的缺点是它的热不稳定性，所以更倾向于采用具有全息光学单元的扫描装置。虽然如此，采用如图4所示的布局验证了由于使用一光学空间滤光器而带来的惊人的效果。

根据图4，由激光器LD发出的光，被盘体D反射，它经过一偏振光分束器PBS到达一聚焦透镜FL并且被一分束器BSP分成二部分。第一部分经过一柱透镜CL在一象限检测器QD上聚焦以获得伺服信号。第二部分被一单个检测器SD折射，这个检测器上覆盖了一光阑或狭缝S来形成一空间滤光器。为了比较含有和没有空间滤光器的扫描装置的特性，采用了一个与图4相同的但却不含光阑或狭缝S的布局。从检测器SD可得到扫描或信息信号，并且如图4的布局还有其他的扫描装置的部件，比如光栅G、准直透镜C、四分之一波片λ/4、折射镜M和物镜OL。

光阑或狭缝S与盘体D上的信息轨道成直角地设置，并且其宽度与最小凹坑长度相匹配。若最小凹坑长度为0.48μm，则最好采用15μm宽的狭缝。采用归一化调制传递函数作为最佳调制的空间频率的函数来决定对于物镜OL和聚焦透镜FL的预定数值孔径的最佳狭缝宽度。

图5至8示出了在一折射装置采用一光学空间滤光器带来的好处和惊人的效果。由图5和图6的比较可以看出具有光学空间滤光器所生成的信号能看得更清楚。这意味着由于空间滤光器而更加增强了高频率段信号。图7和图8所示的振幅A对时间t的关系表明了脉宽分布。而未经滤光的目视信号(eye signal)仅显示出了不完全分立的脉冲，这会导致出错率的升高和误解码，经过滤光的目视信号具有尖锐而分立的脉冲或所谓尖峰。标准偏差约被降低了一半并且振幅实际上升高了3％。这意味着，在检测器SD的前面设置光学空间滤光器或光阑或狭缝S，不仅屏蔽掉了干扰信号和干扰成分也大大改善了扫描信号。因此，这种光学空间滤光器可特别有利地用于描扫高存储密度记录介质的光学扫描装置中，比如用于数字视盘播放机。由于信息的记录也要求高质量的信号，则应用领域并不限于播放机，并且当然也包括记录设备。

Claims (8)

1、一种光学扫描装置的结构，该光学扫描装置用于扫描存储在一记录介质上的信息或在一记录介质上记录信息，并且包含一提供扫描波束的辐射源或光源、一用于聚焦该扫描波束以形成一扫描光点的装置和一具有一全息光学单元用于接收已受所述记录介质影响的扫描波束的检测系统，其特征在于，包括：一单维光栅(G₁)，它覆盖所述全息光学单元(HOE)的整个区域，并设置在检测系统前的波束路径中。

2、如权利要求1所述的结构，其特征在于，包括：所述检测系统具有一检测器d₃，它的宽度与一光点直径相匹配，该光点直径是利用覆盖所述全息光学单元(HOE)整个区域的所述单维光栅(G₁)形成的。

3、如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述全息光学单元(HOE)具有一覆盖所述全息光学单元(HOE)整个区域的一第一单维光栅(G₁)和覆盖该全息光学单元(HOE)一半区域的一第二单维光栅(G₂)，该第一单维光栅(G₁)是用来得到一代表所述记录介质上的信息的光点，并且该第二单维光栅与该第一单维光栅一起构成一双维光栅，该双维光栅是用来形成一代表一聚焦误差的光点。

4、一种光学扫描装置的方法，该光学扫描装置用于扫描存储在一记录介质上的信息或在一记录介质上记录信息，包含一提供扫描波束的辐射源、一用于聚焦该扫描波束以形成一扫描光点的装置和一用于接收已受记录介质影响的扫描波束的检测系统，其特征在于，采用一光学空间滤光器来获取所述信息信号。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，利用一单维光栅(G₁)和一检测器d₃构成所述光学空间滤光器，该单维光栅(G₁)覆盖全息光学单元(HOE)的整个区域，该检测器d₃的宽度与一光点直径或要被扫描单元的最短长度相匹配，该光点直径是由覆盖所述全息光学单元(HOE)的整个区域的所述单维光栅(G₁)形成的。

6、一种扫描装置的结构，该扫描装置用于扫描存储在一记录介质上的信息或在一记录介质上记录信息，包含一提供一扫描波束的辐射源、一用于聚焦该扫描波束以形成一扫描光点的装置和一用于接收已收该记录介质影响的扫描波束的检测系统，其特征在于，在该扫描装置中设置一光学空间滤光器。

7、如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述空间滤光器由一检测器(SD，S)构成，该检测器的宽度与要被扫描单元的最短长度相匹配，且作为一调制的函数。

8、如权利要求7所述的结构，其特征在于，该检测器(SD)的宽度由一设置在所述检测器(SD)前的狭缝(S)形成。

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