光学头器件和使用该光学头器件的光学信息装置 【发明领域】
本发明涉及用于将信息记录到光学信息媒体上以及再现或擦除记录在光学信息媒体上的信息的光学头器件，该光学信息媒体例如光盘或光卡，还涉及利用了这些光学头器件的光学信息装置以及应用这些光学信息装置的各种系统。
技术背景
将具有坑状图案的光盘用作高密度、大容量存储媒体的光学存储技术正逐渐广泛应用并通用于数字音频盘、视盘、文档文件盘以及数据文件盘中。因此，以高度可靠性利用微细狭窄的光束成功地将信息记录到光盘上或从光盘中再现信息的功能被分成了三个主要功能，即聚焦功能，其在光盘上以衍射极限形成微小的光点；光学系统的聚焦控制(“聚焦伺服”)和寻轨(tracking)控制；以及坑信号(“信息信号”)检测。
随着近来光学系统设计技术的进步以及用作光源的半导体激光器波长的缩短，正在发展大于常规密度地包含大存储量的光盘。随着向更高密度的发展，当研究增加聚焦光学系统的光盘侧数值孔径(NA)时，就发现诸如光轴倾斜(称作“倾斜”)而引起的像差增加之类的问题，其中该聚焦光学系统用于将光束聚焦到光盘上。也就是说，当NA增加时，相对于倾斜而出现的像差量增加。可以通过使光盘透明衬底的厚度(衬底厚度)变薄来防止这个问题的出现。
紧致光盘(CD)的衬底厚度约为1.2mm，该光盘可认为是第一代光盘，用于CD的光学头器件使用发射红外光的光源(其波长λ3为780nm到820nm，标准波长为800nm)和NA为0.45的物镜。此外，数字多用途光盘(DVD)的衬底厚度约为0.6nm，该光盘可认为是第二代光盘，用于DVD的光学头器件使用发射红光的光源(其波长λ2为630nm到680nm，标准波长为650nm)和NA为0.6的物镜。另外，第三代光盘的衬底厚度约为0.1mm，用于这种光盘的光学头器件使用发射蓝光的光源(其波长λ1为390nm到415nm，标准波长为405nm)和NA为0.85的物镜。
应当注意，在本说明书中，“衬底厚度”是指从光束入射的光盘(或光学记录媒体)表面到信息记录表面之间的厚度。如上所述，将高密度光盘的透明衬底的衬底厚度设为很薄。出于经济和该设备所占空间的考虑，光学信息装置最好能够记录并再现来自具有不同衬底厚度和记录密度的多个光盘的信息。然而为了这一点，必须具有设有聚焦光学系统的光学头器件，该聚焦光学系统能够在具有不同衬底厚度的多个光盘上将光束聚焦到衍射极限。
此外，如果将衍射光学元件作为构成光学头器件的光学元件使用，而不使用通常所用的诸如透镜和棱镜之类的折射光学元件，则可以使该光学头器件更小、更薄、更轻。
衍射光学元件是能够有效地利用光的衍射现象的光学元件，并且其特征在于深度的波纹度(corrugation of a depth)在波长的量级内，或者其特征在于具有周期性或者准周期性地形成在表面上的折射率分布或者振幅分布。根据本领域的常识，如果衍射光学元件的周期相对于波长足够大，则通过将横截面制成锯齿形可以将衍射效率提高到基本上为100％。
然而，如果频率相对于波长足够大，则该衍射光学元件只对于设计波长的衍射效率才达到100％。通常，随着波长偏离其设计值，衍射效率平稳降低。因此，如果将衍射光学元件用在为了处理多种光盘而安装了多个波长光源的光学头器件中，则该衍射光学元件需要为各个波长而优化设计，并且仅仅置于该波长的光路中，以提高光的利用率。
JP2001-60336A中公开了一种结构，其目的在于提供一种具有高的光利用率的光学头，其具有多个波长的光源以及衍射光学元件，该元件能够处理多种不同的信息记录媒体。以下将参照图10描述第一常规例子。
图10是根据第一常规例子的光学头器件的基本结构的侧视图和光传输状态。如图10所示，在第一常规例子的光学头器件中，准直器透镜71和物镜18置于从激光光源105到信息记录媒体的光路中，该媒体诸如高密度光盘9或者例如CD的光盘11。激光光源105是一种能够有选择地发射第一波长λ1的第一光束和第三波长λ3的第三光束的光源，其中第三波长基本上为第一波长的两倍。应当注意，在以下的说明中，也考虑660nm区域内的波长，因此这些波长称作“第二波长”。从半导体激光光源105发出的激光205被准直透镜71转变为基本上平行的光，然后，反射镜20将其光轴弯折。由物镜18将光轴被反射镜20弯折的光束205聚焦到光盘9或11上。激光光源105发出的第一光束的第一波长λ1满足例如350nm≤λ1≤440nm的关系，并且通过构造发出第一波长λ1的第一光束的激光光源105，可以将其焦斑变为微小的点。此外，激光光源105发出的第三光束的第三波长λ3满足例如760nm≤λ3≤880nm的关系，并且通过提供发出第三波长λ3的第三光束的激光光源105，可以读取诸如CD和CD-R的光盘。这样，第一常规例子的光学头器件中，根据所要读取的光盘类型确定所发出的光的波长，并且有选择地发出该波长的光束。
此外，在第一常规例子的光学头器件中，出于校正物镜18的色差的目的，将衍射光学元件85置于反射镜20和物镜18之间的光路中，其中该反射镜20使光轴弯折。此处的物镜18和准直透镜71是非球面透镜。
如上所述，衍射光学元件相对于设计波长通常表现出高衍射效率，但是随着偏离设计波长，衍射效率逐渐降低。因此，当设计波长的光束和其它波长的光束通过置于光路中的衍射光学元件时，对于其中一种波长的衍射效率将降低。
然而，如果衍射光学光栅的周期相对于波长足够大，那么当波长约为设计波长一半时，第一级衍射效率基本上为0，而第二级衍射效率特别高，基本上为100％。
在第一常规例子所公开的光学头器件中，在能够利用蓝光源处理高密度光盘以及能够处理诸如CD和CD-R的光盘的两波长光学头器件中，将两个波长的波长大小关系设定为大约两倍(实际情况中，其在1.8到2.1范围内)，当处理高密度光盘时(当使用第一波长λ1的第一光束时)，从衍射光学元件85主要发出第二级衍射光，当处理诸如CD和CD-R之类的光盘时(当使用第三波长λ3的第三光束时)，从衍射光学元件85主要发出第一级衍射光，因而即使将衍射光学元件85置于同一光路中，相对于任何一个波长也可以获得高衍射效率，因此获得了能够实现极好光学特性的光学头器件。
此外，该衍射光学元件的衍射角由波长、频率和衍射级所决定，然而在第一常规例子中，通过主要利用第一波长λ1的第二级衍射光以及主要利用第三波长λ3的第一级衍射光，即使波长不同，也可以设定相同的衍射角，其中第一级衍射光的波长基本上为第二级衍射光波长的两倍。
该衍射光学元件的横截面基本上为锯齿形。在第一常规例子的透明型元件情况下，设定锯齿形状的深度h，使其相对于第一波长λ1、第三波长λ3和衍射光学元件85的材料的折射率n实际处于h1＝2λ1/(n-1)到h3＝λ3/(n-1)的范围内，从而使衍射效率对于全部波长都很大。例如，如果λ1＝400nm、λ3＝800nm和n＝1.5，则因为h1＝h3，所以该透明型元件的h＝1.6μm。
此外，在第一常规例子中，还公开了一种情况，其中通过也提供一种发射第二波长λ2的光束的激光光源，可以可互换地记录和再现比CD密度高的DVD光盘，该光束的波长λ2基本上是第一波长λ1的光束波长的1.5倍。在这种情况下，将单个或者多个衍射光学元件置于三种波长光束的光路中。该衍射光学元件相对于第一波长λ1的光束主要发出第六级衍射光，相对于第三波长λ3的光束主要发出第三级衍射光，相对于第二波长λ2的光束主要发出第四级衍射光。
在第一常规例子中，能够记录并再现DVD的第二波长λ2似乎满足570nm≤λ2≤680nm的关系式。然而，出于便于制造半导体激光光源的目的，第二波长λ2最好设为650nm到680nm，并且在实际商业上可得的DVD光学信息装置中，使用了650nm到680nm的波长，其中660nm作为标准。
此外，出于便于制造半导体激光器的目的，最好还将用于密度比下一代DVD更高的光盘的第一波长λ1设为400nm到410nm，其中405nm作为标准。
使用具有第一波长λ1和第二波长λ2的激光光源，即使在记录和再现DVD以及密度高于下一代DVD的光盘的光学系统中，将衍射光学元件用于校正色差等也是有益的。
BK7玻璃被广泛用作衍射光学元件的材料。BK7相对于第一波长λ1＝405nm的第一光束的折射率n1约为1.5302。
为了获得第二级衍射效率基本上为100％的衍射光栅，如第一常规例子中一样，将该衍射光学元件的横截面光栅形状设定为锯齿形的，锯齿形的深度h(锯齿的高度)为：
h＝2λ1/(n1-1)＝1530nm。
此外，BK7相对于第二波长λ2＝660nm的第二光束的折射率n2约为1.5142。因此，锯齿形深度(锯齿的高度)h作用于第二波长λ2的第二光束的光程差是：
h(n2-1)
＝786nm
＝1.19λ2
因此，因为锯齿形深度(锯齿的高度)h作用于第二波长λ2的第二光束的光程差不是第二波长λ2的整数倍，所以第二级衍射效率降低，第一级衍射效率甚至为约80％。
为了获得第六级衍射效率基本上为100％的衍射光栅，如根据第一常规例子公开的另一实施方式中一样，将该衍射光学元件的横截面光栅形状设定为锯齿形，锯齿形的深度h(锯齿的高度)为：
h＝6λ1/(n1-1)＝4580nm。
因此，锯齿形深度(锯齿的高度)h作用于第二波长λ2的第二光束的光程差是：
h(n2-1)
＝2357nm
＝3.57λ2。
在这种方式中，因为锯齿形深度(锯齿的高度)h作用于第二波长λ2的第二光束的光程差不是第二波长λ2的整数倍，所以第六级衍射效率降低，并且第三级衍射效率和第四级衍射效率甚至低于60％。此外，损失变成了散射光成分，不能否认这就是信号质量降低的原因。此外，即使改变了材料，在散射特性方面也没有大的差异，因此即使选择不同的材料，也不能期望将会有显著的改进。
因此，如上所述，第一常规例子的问题在于当互换DVD时使用了第二波长λ2的第二光束时，光的利用效率较低。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决常规技术的问题，并且提供光学头器件和利用这种光学头器件的光学信息装置，它能够对于多种不同类型光学信息媒体实现可互换的记录和可互换的再现，并提供了应用该光学信息装置的不同系统。
为了实现上述目的，根据本发明的一种光学头器件的结构，装备了一个或多个激光光源，用于发射第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束和第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束，用于将激光光源发出的该第一和第二光束分别聚焦到第一和第二光学信息媒体上的物镜，以及设置在第一和第二光束光路中的衍射光学元件，其中该衍射光学元件相对于第一光束主要发射第5N级的衍射光(N是自然数)，相对于第二光束主要发射第3N级的衍射光。
此外，在根据本发明的光学头器件的结构中，该激光光源最好还发射第三波长λ3(780nm到810nm)的第三光束，由物镜将该第三光束聚焦到第三光学信息媒体上，并且该衍射光学元件相对于第三光束主要发射第5M级的衍射光(2M＝N)。
此外，在根据本发明的光学头器件的结构中，该衍射光学元件最好起到凸透镜的作用。
此外，在根据本发明的光学头器件的结构中，该衍射光学元件最好接近于该物镜放置，并且将衍射光学元件和物镜固定为单一部件。
此外，根据本发明的一种光学信息装置的结构，装备有根据本发明的光学头器件；光学信息媒体驱动部分，用于驱动光学信息媒体；以及控制部分，用于接收从光学头器件获得的信号，并根据该信号控制光学信息媒体驱动部分以及光学头器件中的激光光源和物镜。
此外，根据本发明的一种计算机的结构，装备有根据本发明的光学信息装置；输入设备，用于输入信息；处理单元，用于根据从输入设备输入的信息和/或由光学信息装置读取的信息进行处理；以及输出设备，用于显示或输出由输入设备输入的信息、由光学信息装置读取的信息、或者处理单元的处理结果。
此外，根据本发明的一种光盘播放器的结构，装备了根据本发明的光学信息装置，以及信息-图像转换装置，用于将从光学信息装置获得的信息信号转变为图像。
此外，根据本发明的一种汽车导航系统的结构，装备了根据本发明的光盘播放器。
此外，根据本发明的一种光盘记录器的结构，装备了根据本发明的光学信息装置，以及图像-信息转换装置，用于将图像信息转变为由光学信息装置记录到光学信息媒体上的信息。
此外，根据本发明的一种光盘服务器的结构，装备了根据本发明的光学信息装置，以及无线输入/输出终端，用于在光学信息装置和外部部分之间交换信息。
附图简述
图1是结构概观图，表示根据本发明第一实施例的光学头器件；
图2是根据本发明第一实施例的衍射光学元件的放大部分的横截面图；
图3是根据本发明第二实施例的光学头器件的结构概观图；
图4是根据本发明实施例的另一光学头器件的结构图；
图5是根据本发明第三实施例的光学信息装置的结构概观图；
图6是透视概观图，表示根据本发明第四实施例的计算机；
图7是透视概观图，表示根据本发明第五实施例的光盘播放器；
图8是透视概观图，表示根据本发明第六实施例的光盘记录器；
图9是透视概观图，表示根据本发明第七实施例的光盘服务器；
图10是横截面概观图，表示根据第一常规例子的光学头器件的基本结构和光传输状态。
发明详述
以下将利用实施例更详细地进一步描述本发明。
第一实施例
图1是结构概观图，表示根据本发明第一实施例的光学头器件。在图1中，附图标记1表示发射第一波长λ1的第一光束的第一激光光源，附图标记2表示发射第二波长λ2的第二光束的第二激光光源。附图标记7表示准直透镜(第一凸透镜)，附图标记20表示用于使光轴弯折的反射镜，附图标记18表示物镜。附图标记8表示衍射光学元件，其补偿了当输出强度变化时第一激光光源1出现的波长波动，并且减少由物镜18引起的焦点位置偏移(色差)的量。该衍射光学元件8起到凸透镜的作用。附图标记9和10表示光学信息媒体，例如光盘或光卡，然而在以下给出的说明中，将使用光盘作为光学信息媒体的实例。
第一和第二激光光源1和2中的某个或全部最好是半导体激光光源，从而实现了更加紧凑、更轻并且具有更高能量效率的光学头器件，以及利用这种器件的光学信息装置。此处，第一激光光源1的波长最短，第二激光光源2的波长大于第一激光光源1的波长。当记录和再现最高记录密度的光盘9时，使用第一激光光源1，而当记录和再现较低记录密度的光盘10时，使用第二激光光源2。在这种情况下，因为第一和第二激光光源1和2的波长规定为λ1＝400nm到415nm，以及λ2＝650nm到680nm，因此可以互换地记录和再现目前市场上可以买到的DVD和比DVD密度更高的光盘。
如下所述，通过将第一激光光源1发出的第一光束聚焦到光盘9的信息记录表面(未示出)，对具有最高记录密度的光盘9进行记录和再现。也就是说，从第一激光光源中发出的第一波长λ1的第一光束通过波长选择膜(分色膜)5，基本上完全通过分束镜膜6，然后由1/4波片37将其转变为圆偏振光。准直透镜7将被1/4波片37转变为圆偏振光的第一光束转变为基本上平行的光，然后被衍射光学元件8衍射。反射镜20将由衍射光学元件8衍射的第一光束的光轴弯折，此后其通过光盘9的透明衬底，该衬底厚度约为0.1mm，并由物镜18将该光束聚焦到信息记录表面上。
由光盘9的信息记录表面反射的第一光束沿光路(返回路径)返回，再次由衍射元件8衍射，然后1/4波片37将其转变为线偏振光，偏振方向垂直于其最初的偏振方向。分束镜膜6基本上完全反射第一光束，将该第一光束转变为偏振方向垂直于其最初偏振方向的线偏振光，并且该光束通过检测透镜12而入射到光电检测器13上。因此，通过计算光电检测器13的输出强度，就可以获得用于聚焦控制和寻轨的伺服信号以及信息信号。如上所述，相对于第一波长λ1的第一光束和第二波长λ2的第二光束，该分束镜膜6是偏振分离膜，它允许以预定方向偏振的线偏振光完全通过，并且完全反射所有线偏振方向垂直于该方向的光。
应该注意，通过在从第一激光光源1到分束镜膜6的光路中还放置衍射光栅4，就可以利用本领域公知的方法检测寻轨误差信号，例如差分推挽(DPP)法。
此外，取代利用准直透镜7将第一光束转变为基本上平行的光，还可以提供一种结构，其中由第一凸透镜7将第一光束转变为渐发散光，然后由第二凸透镜22将该第一光束(渐发散光)转变为基本上平行的光。从而在这种情况下，通过利用驱动装置23在光轴方向上(图1中为水平地)移动第二凸透镜22，可以改变第一光束的平行度。顺便指出，当透明衬底厚度的偏差引起了衬底厚度不均匀时，或者如果光盘9是双层盘，而由中间层厚度引起了衬底厚度的差异时，随之就出现球差。然而如上所述，通过在光轴方向上移动第二凸透镜22，可以补偿该球差。通过以诸如以上给出的方式移动第二凸透镜22，如果聚焦光相对于光盘9的数值孔径(NA)为0.85，可以大约补偿球差几百mλ，由此补偿±30μm的衬底厚度差异。
此处，通过在准直透镜(第一凸透镜)7的表面上或者第二凸透镜22上形成衍射光学元件8，也可以实现部件数量的减少。
此外，如果弯折光轴的反射镜20的构成使得它不是全反射反射镜，而是半透明膜，其至多使第一光束20％的光量通过，从而其将通过了反射镜20的部分第一光束由聚焦透镜(凸透镜)19引导到光电检测器21，那么通过将从光电检测器21获得的信号用于反馈发出的光量变化，就可以监测第一激光光源1发出的光量变化，并且可以使第一激光光源1发出的光量保持恒定。
需要注意，在上述描述中，使用了术语“聚焦”，然而在本说明书中，“聚焦”表示“将光束以衍射极限会聚为微小光点”。
如下所述，通过将第二激光光源2发出的第二光束聚焦到光盘10的信息记录表面(未示出)上，来进行第二最高记录密度光盘10的记录和再现。也就是说，从第二激光光源2中发出的第二波长λ2的基本上线偏振的第二光束，被波长选择膜(分色膜)5反射，进而通过分束镜膜6。1/4波片37将通过分束镜膜6的第二光束转变为圆偏振光，准直透镜7将其转变为基本上平行的光，然后被衍射光学元件8衍射。反射镜20使被衍射光学元件8衍射的第二光束的光轴弯折，此后其通过光盘10的透明衬底，该衬底厚度约为0.6mm，物镜18将该光束聚焦到信息记录表面上。
由光盘10的信息记录表面反射的第二光束沿原光路(返回路径)返回，再次受到衍射元件8衍射，然后被分光镜膜6反射，通过检测透镜12入射到光电检测器13上。因此，通过计算光电检测器13的输出功率，就可以获得用于焦点控制和寻轨控制的伺服信号以及信息信号。
应该注意，通过在从第二激光光源2到分束镜膜6的光路中还放置衍射光栅15，就可以利用本领域公知的方法检测寻轨误差信号，例如差分推挽(DPP)法。
此外，如上所述，取代利用准直透镜7将第二光束转变为基本上平行的光，还可以提供一种结构，其中由第一凸透镜7将第二光束转变为渐发散光，然后由第二凸透镜22将该第二光束(渐发散光)进一步转变为基本上平行的光。因此，在这种情况中，通过利用驱动装置23在光轴方向上(图1中为水平地)移动第二凸透镜22，就可以改变第二光束的平行度。顺便提及，当透明衬底厚度的偏差引起了衬底厚度不均匀时，或者如果光盘10是双层盘，而由中间层厚度引起了衬底厚度的差异时，随之出现了球差，然而如上所述，通过采用在光轴方向上移动第二凸透镜22的机构，就可以用最少的附加部件补偿该球差。
此外，如果光轴弯曲反射镜22的构成方式使得它不是全部反射的反射镜，而是半透明膜，至多使第二光束光量的20％通过，从而其将通过反射镜20的部分第二光束由聚焦透镜(凸透镜)19引导到光电检测器21，然后通过将从光电检测器21中获得的信号用于反馈发出的光量变化，就可以监测第二激光光源2发出的光量变化，并且可以将第二激光光源2发出的光量保持恒定。
此外，在本实施例中，第一和第二激光光源1和2是分开的设备，并设定为分别发出第一波长λ1的第一光束和第二波长λ2的第二光束，然而也可以利用单片激光光源发出第一和第二光束，从而实现部件数量的减少。
接着，将参照图2描述衍射光学元件8的栅格形状。图2是根据本发明第一实施例的衍射光学元件的放大部分的横截面图。如图2所示，当将透射形衍射光学元件8的格距设定为p(常量)并且将锯齿形刻痕形状(blaze shape)的高度设定为h(常量)时，通常，相对于波长λ的入射光(平行光)16，所生成的衍射光17在其方向上的波程差L是波长λ的整数倍。在这种情况下，当由锯齿形刻痕形状的高度h造成的波程差等于光程差L时，衍射效率最大，并且这是主衍射级。当构成该衍射光学元件8的材料的折射率是n时，这个条件可以表达为：
L＝h(n-1)。
本发明的发明人已经发现，和第一常规例子相比，通过将锯齿形刻痕全息(衍射光学元件8)设计成如图2所示，就使得第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束主要以第5N级衍射光发射(其中N是自然数)，第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束主要以第3N级衍射光发射，相对于这两种波长的光束，可以同时获得高衍射效率。例如，通过将该衍射光学元件设置为使得第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束主要以第5级衍射光发射，第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束主要以第3级衍射光发射，相对于这两种波长的光束，可以同时获得高衍射效率。以下将对此进行描述。
如果图2所示的锯齿形刻痕全息图由玻璃(BK7)制成，则为了使第一波长λ1(标准值405nm)的第一光束的第五级衍射效率最大化，依赖于锯齿形刻痕形状的高度h的光程差最好设定为第一波长λ1的五倍，从而锯齿形刻痕形状的高度h最好设定为：
h＝5λ1/(n1-1)
＝3820nm。
此处，n1是BK7相对于第一波长λ1＝405nm的折射率，约为1.5302。
此外，通过假设波长λ是第一波长λ1的五倍，可以设计衍射图案。
这时，高度为h的锯齿形刻痕形状作用于记录和再现DVD的第二波长λ2(标准波长660nm)的第二光束的光程差是：
h(n2-1)
＝1964nm
＝2.98λ2。
在这种方式中，因为高度为h的锯齿形刻痕形状作用于第二波长λ2的第二光束的光程差基本上是第二波长λ2的三倍，其中该第二波长的第二光束用于记录和再现DVD，所以可以将第3级衍射效率设定为基本上100％。此处，n2是BK7相对于第二波长λ2＝660nm的折射率，约为1.5142。
关于散射特性，因为即使改变了材料也没有大变化，所以即使选择了另一种材料用于衍射光学元件8，也可以获得相同的效果，例如选用塑料(树脂)。
从而，在设有用于发出第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束和第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束的单个或多个激光光源、以及用于将从激光光源发出的第一和第二光束分别聚焦到第一和第二光学信息媒体上的物镜的光学头器件中，通过在第一和第二光束的光路中进一步提供相对于第一光束主要以第5N级衍射光发射(N是自然数)，并且相对于第二光束主要以第3N级衍射光发射的衍射光学元件，对于这两种光束都可以同时实现基本上100％的高衍射效率。因此，当记录或再现DVD时，以及当记录或再现具有更高记录和再现密度的光盘时，可以获得很高的光利用效率。此外，获得的光学头器件还可以没有由不必要衍射光的杂散光生成的噪声，并具有低功耗和低发热性。
第二实施例
图3是根据本发明第二实施例的光学头器件的结构概观图；
如图3所示，通过进一步提供第三波长λ3＝770nm到810nm的第三激光光源3，可以记录或再现诸如CD之类的光盘，其具有衬底厚度约为1.2mm的透明衬底材料。应当注意，在图3中，附图标记11表示诸如CD之类具有最低记录密度的光盘。此外，附图标记14表示波长选择膜(分色膜)，用于使第二波长λ2的第二光束通过并反射第三波长λ3的第三光束。因为其它结构与上述第一实施例中(参见图1)的相同，所以相同的结构部件附上了相同的附图标记，因此省略了对其进一步的描述。
如下所述，通过将第三激光光源3发出的第三光束聚焦到光盘11的信息记录表面(未示出)上，以记录和再现该具有最低记录密度的光盘11。也就是说，如图3所示，从第三激光光源3中发出的第三波长λ3(＝770nm到810nm，标准为780nm)的基本上为线偏振光的第三光束，被波长选择膜(分色膜)14反射，此后其还被波长选择膜(分色膜)5反射并通过分束镜膜6。准直透镜7将通过分束镜膜6的第三光束转变为基本上平行的光，然后由衍射光学元件8衍射。反射镜20使被衍射光学元件8衍射的第三光束的光轴弯折，此后其通过光盘11的透明衬底，该衬底厚度约为1.2mm，通过物镜18将该光束聚焦到信息记录表面上。
经过光盘11信息记录表面反射的第三光束沿原光路(返回路径)返回，再次受到衍射元件8衍射，然后被分光镜膜6反射，通过检测透镜12入射到光电检测器13上。因此，通过计算光电检测器13的功率输出，就可以获得用于焦点控制和寻轨控制的伺服信号以及信息信号。
此外，在本实施例中，第一到第三激光光源1到3是分开的设备，设置为分别发出第一波长λ1的第一光束、第二波长λ2的第二光束和第三波长λ3的第三光束，然而，也可以利用单片激光光源发出第一到第三光束，从而实现部件数量的减少。
本发明的发明人已经发现，如果以本实施例的方式进一步利用第三波长λ3的第三光束，和第一常规例子相比，通过将锯齿形刻痕全息图(衍射光学元件8)配置成如图2所示，使得第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束主要以第5N级衍射光发射(其中N是自然数)，第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束主要以第3N级衍射光发射，第三波长λ3(780nm到810nm)的第三光束主要以第5M级衍射光发射(2M＝N，其中M为自然数)，则对于该三种波长的光束，可以同时获得高衍射效率。例如，通过设置该衍射光学元件，使得第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束主要以第10级衍射光发射，第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束主要以第6级衍射光发射，第三波长λ3(780nm到810nm)的第三光束主要以第5级衍射光发射，相对于这三种波长的光束，可以同时获得高衍射效率。以下将对此进行描述。
如果图2所示的锯齿形刻痕全息图是由玻璃(BK7)制成的，则为了使第一波长λ1(标准值405nm)的第一光束的第十级衍射效率最大化，最好将依赖于锯齿形刻痕形状高度h的光程差设定为第一波长λ1的十倍，从而最好将锯齿形刻痕形状的高度h设定为：
h＝10λ1/(n1-1)
＝7640nm。
此处，n1是BK7相对于第一波长λ1＝405nm的折射率，约为1.5302。
此外，通过假设波长λ是第一波长λ1的十倍，可以设计衍射图案。
这时，高度为h的锯齿形刻痕形状作用于记录和再现DVD的第二波长λ2的第二光束的光程差是：
h(n2-1)
＝3928nm
＝5.95λ2。
从而，因为高度为h的锯齿形刻痕形状作用于第二波长λ2的第二光束的光程差基本上是第二波长λ2的六倍，其中该第二波长的第二光束用于记录和再现DVD，所以可以将第6级衍射效率设定为基本上为100％。此处，n2是BK7相对于第二波长λ2＝660nm的折射率，约为1.5142。
此外，高度为h的锯齿形刻痕形状作用于记录和再现DVD的第三波长λ3(标准值780nm)的第三光束的光程差是：
h(n3-1)
＝3903nm
＝4.94λ3。
从而，因为高度为h的锯齿形刻痕形状作用于第三波长λ3的第三光束的光程差基本上是第三波长λ3的五倍，其中该第三波长的第三光束用于记录或再现CD，所以可以将第5级衍射效率设定为基本上为100％。此处，n3是BK7相对于第三波长λ3＝780nm的折射率，约为1.5110。
关于散射特性，因为即使改变材料也没有大变化，所以即使选择了另一种材料用于衍射光学元件8，也可以获得相同的效果，例如选用塑料(树脂)。
从而，在设有用于发出第一波长λ1(400nm到415nm)的第一光束、第二波长λ2(650nm到680nm)的第二光束和第三波长λ3(780nm到810nm)的第三光束的单个或多个激光光源、以及用于将从该激光光源发出的第一到第三光束分别聚焦到第一到第三光学信息媒体上的物镜的光学头器件中，通过在第一到第三光束的光路中进一步提供衍射光学元件，用于相对于第一光束主要发射第5N级衍射光(N是自然数)，相对于第二光束主要发射第3N级衍射光，以及相对于第三光束主要发射第5M级衍射光(2M＝N，其中M是自然数)，那么对于这三种光束都可以同时实现基本上为100％的高衍射效率。因此，当记录或再现CD、DVD以及具有更高记录和再现密度的光盘时，可以获得很高的光利用效率。此外，还可以获得没有由不必要衍射光的杂散光生成的噪声的光学头器件，并且其具有低功耗和低发热性。
应当注意，根据上述第一和第二实施例的衍射光学元件8是一种允许第一波长λ1＝400nm到415nm的第一光束透过的元件。通常，光的波长越短，光子能量越高，因此就存在材料性质变化的趋势以及损害透射率和机械强度的趋势。因此，最好利用对于第一波长λ1＝400nm到415nm的第一光束具有低吸收率的材料构成该衍射光学元件8。例如，可以利用一种厚度约为5mm，相对于第一波长λ1的第一光束的透射率高而吸收率不超过5％的材料，防止由于吸收光子能量而引起的材料退化(degradation)。此外，利用厚度约为5mm，相对于第一波长λ1的第一光束的吸收率不超过3％的材料，可以获得高可靠性。因此，最好利用一种无机玻璃材料作为用于构成衍射光学元件8的材料，例如石英。此外，也可以利用树脂材料作为构成衍射光学元件8的材料，其优点在于出色的加工性能和轻重量，然而在这种情况下，最好使用诸如非结晶聚烯烃(amorphous polyolefins)的材料，其对于第一波长λ1的第一光束具有低吸收率。
此外，如图4所示，通过设置根据第一和第二实施例所述的衍射光学元件8，从而将该光学元件8置于物镜18附近并固定到物镜18上成为单一部件，在聚焦控制和寻轨控制过程中，由驱动装置36将该衍射光学元件8和物镜18作为单一部件进行驱动，并且可以实现以下效果。也就是说，即使在记录或再现光盘9至11的过程中由于寻轨而使物镜18移动，也可以抑制像差的出现，这是因为可以防止衍射光学元件8和物镜18的轴向位移。此外，尽管衍射光学元件8的栅距向外圆周部分变得更细，但如果采用了如上所述的结构，就因为没有必要多余地制作该衍射光学光栅的外圆周部分，而简化该衍射光学元件的制造。
此外，上述第一和第二实施例中所示的衍射光学元件8不限于用于校正色差的光学元件，而也可以用作与检测透镜12结合使用的光学元件，以形成用于检测伺服信号的光，在这种情况下，可以获得如上所述的相似效果。
第三实施例
图5是根据本发明第三实施例的光学信息装置的结构概观图。如图5所示，光盘10(或9或11，下同)受到光盘驱动部分52的可旋转驱动，该驱动部分设有马达或类似装置(如果利用光卡代替光盘10，那么该卡受到可转移地(translatably)驱动)。附图标记55表示第一和第二实施例中所示的光学头器件，光学头器件驱动装置51将该光学头器件55粗调到光盘10上包含所需信息的轨道处。
此外，根据与光盘10的位置关系，该光学头器件55将聚焦误差信号和寻轨误差信号发送到电路53，该电路起到控制部分的作用。根据这些信号，电路53将用于精确控制物镜10的信号发送到光学头器件55。因此，根据这些信号，光学头器件55执行光盘10的聚焦控制和寻轨控制，然后读取、记录或删除信息。此外，根据从光学头器件55中获得的信号，该电路53还控制光盘驱动部分52和光学头器件55内的激光光源。应当注意，在图5中，附图标记54表示电源或者连接到外部电源的连接部分。
在本实施例的光学信息装置50中，当记录或再现DVD以及具有更高记录和再现密度的光盘时，利用上述第一和第二实施例中所述的光学头器件55，可以获得很高的光利用效率。此外，因为本发明的光学头器件没有由不必要的衍射光的杂散光生成的噪声，而且具有低功耗和低发热性，所以使用该光学头器件可以获得能够精确并稳定地再现信息的光学信息装置，并且其具有低功耗和低发热性。
第四实施例
图6是透射图，示意性地表示了根据本发明第四实施例的计算机。
如图6所示，根据本实施例的计算机60包括：上述第三实施例的光学信息装置50；输入设备65，用于输入信息，例如键盘、鼠标或触板；处理单元64，例如中央处理单元(CPU)，用于处理从输入设备65经由输入电缆63输入的信息或者从光学信息装置50中读取的信息；输出设备61，例如阴极射线管、液晶显示器或者打印机，用于显示或者输出从输入设备65输入的信息、从光学信息装置50中读取的信息或者处理单元64计算结果的信息。应当注意，在图6中，附图标记62表示输出电缆，用于将诸如处理单元64计算结果的信息输出到输出设备61。
第五实施例
图7是透视图，示意性地表示了根据本发明第五实施例的光盘播放器。
如图7所示，根据本实施例的光盘播放器67设有：根据第三实施例的光学信息装置50；信息到图像转换设备(例如解码器66)，用于将从光学信息装置50中获得的信息转变为图像。
应当注意，也可以将本结构用作汽车导航系统。通过将本结构的汽车导航系统安装到汽车中，在汽车内可以稳定地记录和再现多个各种类型的光盘。此外，因为功耗低，所以其不限于仅仅是汽车导航系统，还可以获益于该导航系统的广泛用途，例如用于听音乐或看电影。此外，还可以将这种结构设定为经由输出电缆62连接输出设备61，例如阴极射线管、液晶设备和打印机。
第六实施例
图8是透视图，示意性地表示了根据本发明第六实施例的光盘记录器。
如图8所示，根据本实施例的光盘记录器71设有：根据第三实施例的光学信息装置50；图像到信息转换器(例如编码器68)，用于将图像信息转变为用于由光学信息装置50记录到光盘上的信息。
应当注意，可以具有一种结构，其中包括信息到图像转换设备(例如解码器66)，其将从光学信息装置50中获得的信息信号转变为图像，因此在记录到光盘的过程中，可以同时显示在显示器上，或者可以再现已经记录的部分。
此外，也可以设置该光盘记录器，从而使之经由输出电缆62连接输出设备61，例如阴极射线设备、液晶设备或者打印机。
设有根据第三实施例所述的光学信息装置50的计算机、光盘播放器和光盘记录器，或者采用上述用于记录和再现的方法，能够稳定地记录或者再现多个不同类型的光盘，并且因为功耗低，所以可以将它们用于广泛的用途中。
第七实施例
图9是透视图，示意性地表示了根据本发明第七实施例的光盘服务器。
如图9所示，本实施例的光盘服务器70设有：根据第三实施例所述的光学信息装置50；输入/输出无线终端(无线输入/输出终端)69，其为无线接收设备和发射设备，用于读取外部部分的信息以记录到光学信息装置50，并且将光学信息装置50读取的信息输出到外部部分(即用于在光学信息装置50和外部部分之间交换信息)。
利用上述结构，可以将该光盘服务器用作共享信息服务器，以用于与包含多个无线收发终端的设备来回交换信息，该设备例如计算机、电话和电视调谐器。此外，由于该光盘服务器70可以稳定地记录和再现多个不同类型的光盘，因此其可用于广泛用途中。
应当注意，还可以有一种结构，其中加入图像到信息转换设备(例如编码器68)，从而将图像信息转变为用于由光学信息装置50记录到光盘上的信息。
此外，还可以有一种结构，其中加入信息到图像转换设备(例如解码器66)，从而将从光学信息装置50中获得的信号转变为图像，因此在记录光盘的期间可以同时在显示器上显示，或者再现已经记录的部分。
此外，还可以设置该光盘服务器，从而使之经由输出电缆62连接输出设备61，例如阴极射线设备、液晶设备或者打印机。
此外，根据第四至第七实施例，在图6到9中示出了输出设备61，但是通过简单地提供一种不具有输出设备61的输出终端，也可以是一种商品的样式，其中该输出终端是分开销售的。此外，在图7到9中没有示出输入设备，然而在一种商品的样式中，也可以提供该输入设备，例如键盘、鼠标或者触板。
此外，根据本发明，即使将光卡取代光盘用作光学信息媒体，也可以获得和光盘类似的效果。也就是说，本发明可以用于通过形成微小聚焦光点进行记录或再现的所有光学信息媒体。