光学头和光盘装置 【技术领域】
本发明涉及光学头，其通过记录表面上的透明基板在光盘的信息记录表面中聚焦光源照射的光束，以便在记录表面上记录信息信号并从记录表面上再现信息信号。背景技术
一般来说，在光盘系统中，光学头通过记录表面上的透明基板在光盘的信息记录表面中聚焦光源照射的光束，信息信号被记录在记录表面上，并从记录表面上再现信息信号。记录表面上光束的光点直径最好足够小，以便获得记录和再现的好的特性。
入射在物镜上的光束强度越均匀，聚合的光点直径越小。然而，用于光头的激光源的半导体激光器照射的光一般说来具有高斯分布强度。因此，如图1所示，增加了物镜的截断误差，并在物镜的有效半径上给出了靠近中心强度的光学强度，以至光束强度分布变得较为均匀。在图1中，水平线表示边缘强度，即，在物镜的有效半径上的光学强度与中心光学强度之比，垂直线表示光点直径，当边缘强度是0时，光点直径是1。参考图1，边缘强度越高，就是说，物镜地截断误差越大，聚合的光点直径越小。边缘强度取决于对物镜的有效半径的入射光束的尺寸。在这个光学系统中，光源的光束由准直透镜校准为平行光线，平行光线基本上入射在物镜上，入射光束的大小与准直透镜的聚焦长度成比例。因此，确定聚焦长度，以获得要求的物镜的边缘强度。
光点的横截面不能成为真正的圆，其中，边缘的强度在圆周方向改变，边缘强度和光点尺寸具有图1所示的关系。在平行于半导体激光器的接合面的水平方向照射线的强度分布不同于垂直方向正交的照射线的强度分布，所以考虑照射线的高斯分布。如果分别由θh1和θv1表示水平方向和垂直方向的半最大值全宽度(后面称为F.W.H.M.)的角度，则θh/θv的比一般在1/2到1/3内，因此，在垂直方向的光束横截面形状变为长椭圆。当椭圆光束由物镜汇聚时，水平方向的边缘强度比垂直方向的边缘强度低，光盘表面上的光束点的形状变为椭圆形，其在水平方向的光点直径大于垂直方向的光点直径。如果必须矫正椭圆光束点，使其变为真正圆的光束点，那么，使用光束成型系统把水平方向的光束尺寸和垂直方向的光束尺寸靠近。例如，使用两个棱镜作为图2所示的光束成型系统。参考图2，光束12从半导体激光器11照射，然后，在校正的光束12通过棱镜14和15被发射之前，由校正透镜13校正成为平行线。在平行于纸表面的平面上，棱镜14把光束尺寸从D1放大到D2，但是，不放大垂直于纸表面的平面上的光束。注意，如图2所示，棱镜15把光束尺寸从D2放大到D3，然而，棱镜15的放大比D3/D2于棱镜14的放大比D2/D1相同。因此，调整半导体激光器11的接合面的水平方向，使其与光束成型的纸表面平行。确定放大倍数，以便获得要求的光点形状。
如上所述，最好成型和延伸用于光学头的校正透镜的聚焦长度。但是，这样做增加了虚光光通量，因此，减小了光束的利用效率。考虑到边缘强度和光束的利用效率，应当选择校正透镜13的聚焦长度和棱镜的放大倍数的切实可行的平衡组合。这个结果将参考图3进行解释。在图3中，水平线表示光束成型的放大倍数，垂直线表示校正透镜的聚焦长度fCL。在图3所示的例子中，在水平方向和垂直方向的F.W.H.M.的角度分别是θh＝11°，θv＝27°。物镜的有效半径是3.4mm。参照图3，曲线A表示在水平方向的35％边缘强度的情况，曲线B表示在垂直方向的40％边缘强度的情况，曲线C表示光束利用效率η＝45％的情况。
按照上述原理，在曲线A和B的上部，在曲线C的下部的区域由图3的影线表示。如果从该区域选择聚焦长度fCL和光束成型的放大倍数M的组合，那么，该组合满足水平方向的35％边缘强度、垂直方向的45％边缘强度、45％的光束利用效率的条件。当光束成型的放大倍数M低于2.5时，校正射线的横截面的形状不是真正的圆。参考图1，但是，因为在大于20％或30％的边缘强度上，光点直径变化的很小，所以，可以获得很好特性的光学头。
顺便说一下，在图2所示的光束成型系统中，当入射在棱镜14和15上的光束不是平行光线时，会引起像散现象。当半导体激光器11偏离校正透镜13的焦点时，光束可能不是平行光线，那么，将引起像散。图4示出激光源的位移和像散之间关系的模拟。半导体激光源分别辐射具有波长650mm、在水平方向和垂直方向的F.W.H.M.的角度分别是θh＝11°，θv＝27°的激光。光束成型的放大倍数M是2.5，聚焦长度fCL＝8.0mm。参考图4，像散与激光源的位移成比例，比例系数是5.7mλ/μm。如果像散是30mλ，则对记录和再现信号没有影响，最大可允许的位移大约是5.3μm。
激光源和校正透镜之间的间隔随温度变化。假定支撑光学部件的基架由铝合金制成，保证光学头性能的温度范围ΔT＝±30度。间隔的位移ΔZ可以按下式估算：
ΔZ＝fCL*ΔT*α＝5.3μm
注意，α是铝合金的扩散系数，该系数是2.3×10-5/度。位移ΔZ可以等于最大可允许的位移，因此，我们认为由温度漂移引起的像散是允许的。
在波长约650nm的这个例子中，好的光点尺寸和好的波束利用效率是可以协调的，光束成型系统的像散在可允许的范围内。
近年来，发展了不长于500nm波长的短波长激光源，以实现高密度记录光盘。当短波长激光源使用在光学头系统中时，波前像差与波长成反比，那么，像散将比约650nm波长时的像散大。例如，当使用波长400nm的半导体紫外激光源时，像散将是650nm波长的1.6倍。因此，激光源和校正透镜之间间隔的最大可允许的位移ΔZ将比在650nm的波长时低0.6倍。当波束成型在相同的条件下进行时，像散由激光源和校正透镜之间间隔的位移引起，那么，由于温度漂移，纪录和再现特性将大大降低。
日本专利No.2933325公开了一种波束成型系统，该系统通过使用激光源和校正透镜之间间隔的位移调整校正透镜的位置，以便补偿像散。然而，这个系统只适用于稳定的像散，由于温度漂移引起的变化像散不能由这个系统除去。如果在光学轴中提供了校正透镜的驱动系统，那么，可以补偿温度漂移，但这不仅导致增加部件的数量，也必须增加控制透镜位置的伺服系统和调整透镜的控制程序。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提供一种使用不超过500nm波长的激光的光学头，该激光头保持纪录和再现特性和好的温度特性。
按照本发明的一方面，光学头包括激光源、校正透镜、光束成型系统、物镜。激光源辐射不长于500nm波长的激光光束。校正透镜把激光光束校正到具有平行光线的光束。此外，光束成型系统调整来自校正透镜光束的横截面形状。物镜在光学信息介质上汇聚光束。那么，光学头具有校正透镜的聚焦长度fCL和光束成型的放大倍数M之间的关系，并满足下述方程：ASO≥(CfCL)2arcsin[(M-1)(n2M-1)]]]>
注意，C是(λ*mm)1/2中的常数，ASO是从聚焦位置的校正透镜的每个位移的最大像散，n是光束成型系统部件的折射率。
常数C在(λ*mm)1/2中不小于29，不大于33。
光束成型系统可以包括棱镜。系统最好包括两个棱镜。
聚焦长度fCL和放大倍数M之间的关系满足下面三个方程A、B、C：M·fCL≥ROLsinθh2-In2In(Irim·h)--(A)]]>
注意，M是光束成型棱镜的放大倍数，fCL是校正透镜的聚焦长度，ROL是物镜的有效半径，θh是水平方向F.W.H.M.的角度，Irim-h是水平方向光束的边缘强度。fCL≥ROLsinθv2-In2In(1rim·v)--(B)]]>
注意，θv是垂直方向F.W.H.M.的角度，Irim-v是垂直方向光束的边缘强度。η≥2π·RhRv∫∫sexp[-2{[xRh]2+[yRv]2}]dxdy--(C)]]>
注意，η是光束利用效率，Rh和Rv分别是水平方向和垂直方向高斯分布的1/e2有效半径，并由下述方程表示：Rh=2In2M·fCLsinθh2]]>Rv=2In2fCLsinθv2]]>
水平方向的光束边缘强度最好是0.35，垂直方向的光束边缘强度最好是0.40，光束利用效率最好是0.45。
在本发明的另一方面，光盘装置包括激光源、校正透镜、光束成型系统、物镜、光学检测器、信号处理器。激光源辐射不长于500nm波长的激光光束。校正透镜把激光光束校正为具有平行光线的光束。然后，光束成型系统调整来自校正透镜光束的横截面形状。此外，物镜在光学信息介质上汇聚光束。光学检测器输出由信息介质表面反射的光束的电流。信号处理器处理光学检测器的电流并从该信号获得要求的信号。那么，光盘装置具有校正透镜的聚焦长度fCL和光束成型的放大倍数M之间的关系，并满足下述方程：ASO≥[CfCL]2arcsin[(M-1)(n2m-1)]]]>
注意，C是(λ*mm)1/2中的常数，ASO是从聚焦位置的校正透镜的每个位移的最大像散，n是光束成型系统部件的折射率。
按照本发明的光学头，除边缘强度条件和利用效率条件之外，使用限制光束成型系统引起像散的新方程选择光束成型放大倍数和校正透镜的聚焦长度的组合。因此，提供了一种在不长于500nm波长的在纪录和再现中具有良好特性的光学头，并限制了像散。
【附图说明】
图1是光学头边缘强度和光点直径之间关系的曲线图；
图2是具有棱镜的光束成型系统的示意图；
图3是光束成型的放大倍数和校正透镜的聚焦长度之间关系的曲线图；
图4是像散和光源及校正透镜之间间隔的位移之间关系的曲线图；
图5是通过校正透镜的光线轨迹的示意图；
图6是常数C的值和光束成型放大倍数之间关系的曲线图；
图7是选择一对光束成型的放大倍数和校正透镜的聚焦长度的方法的曲线图；
图8是再现光学信号装置的示意图。
发明的具体实施方式
在现有技术的光学头中，光束成型放大倍数和校正透镜的聚焦长度的组合是根据边缘强度和利用效率选择的，以获得良好的光点尺寸。
在本发明的第一实施例中，当激光源具有不长于500nm的波长时，用于限制像散的新方程被加到上面的三个方程。新方程表示光束成型的放大倍数M、校正透镜的聚焦长度和像散之间的关系。放大倍数和聚焦长度的组合从该区域选择，其中，方程A和B与边缘强度有关，方程C与利用效率有关，新方程是可以协调的，所以，在500nm的波长上可以协调纪录和再现的良好特性。
光学头的光学系统的像散是由入射在棱镜上的非平行光束引起的。当没有进行光束成型时，即，光束成型的放大倍数变为1，那么，没有像散被引起，因此，像散是随着光束成型的放大倍数增加。那么，有关像散的新方程可由上述关系获得。
图5示出光源和校正透镜之间的间隔的位移之间的关系，以及聚焦光束的平行程度。图5示出透镜的成像规则的示意图。在图5中，校正透镜23的原点的位置是在坐标的原点O，激光照射方向是在坐标的Z轴。那么，坐标S表示半导体激光源21，坐标S’表示交叉点，在该交叉点，z轴和通过校正透镜23的有效半径(a)的外边缘的光线相交。因此，成像规则按方程(1)。1S'-1S=1fCL--(1)]]>
现在，半导体激光器21的位移可以在几微米的量级上，并只可在校正透镜23的聚焦长度的1/1000倍的量级上，那么，方程(1)所示的坐标S’远离原点O，以至光线26和z轴之间的角度φ可近似由方程(2)表示。φ=aS'--(2)]]>
然后，把方程(2)代入方程(1)，对变量S进行微分，然后，整理该式，获得方程(3)。dφdS=-aS2--(3)]]>
通过校正透镜23发射之后，通过光束成型系统的光束引起了像散Wa。像散与角度φ成比例，并且使用常数k，然后，像散Wa可由方程(4)表示。d(Wa)dS=k·dφdS=-ka·S2--(4)]]>
方程式(4)的左边表示每个激光源和校正透镜之间间隔的位移的像散As。像散As是每个位置的位移的像差，在该位置，半导体激光源21被放置在校正透镜23的焦点，那么，关系S＝-fCL可以被代入方程(4)。
然后，获得方程(5)。注意，C1是常数。As=d(Wa)dS=C1fCL2--(5)]]>
下面解释光束成型的放大倍数和像散之间的关系。在图2中，按照斯涅耳定理和几何关系，输入到棱镜的光束半径D1、棱镜输出的光束半径D2和棱镜的垂直角度θ0之间的关系可由方程(6)表示。sinθ0={[D2D1]2-1}{n2[D2D1]2-1}--(6)]]>
在这个例子中，两个相同的棱镜14、15耦合在一起，棱镜14的放大倍数大约是D2/D1，棱镜15的放大倍数是D3/D2，其与D2/D1相等，那么，如图2所示，总的放大倍数M是(D2/D1)*(D3/D2)。因此，光束成型的总放大倍数M是(D2/D1)2，反之，(D2/D1)2可以代替放大倍数M。棱镜引起的像散As与垂直角度θ0成比例，那么，方程(6)可以使用常数垂直角度C2。As=C2arcsin[(M-1)n2(M-1)]--(7)]]>
合并方程(5)和方程(7)，获得具有常数C的方程(8)。As=(CfCL)2arcsin[(M-1)n2(M-1)]--(8)]]>
方程(8)表示每个激光源和透镜之间间隔位移的像散As，该像散是由光束成型的放大倍数N和校正透镜的聚焦长度fCL的特殊组合引起的。
因此，应当选择光束成型的放大倍数N和校正透镜的聚焦长度fCL的组合以满足方程(9)，以至，像散不超过要求的像散AsO。ASO≥(CfCL)2arcsin[(M-1)n2(M-1)]--(9)]]>
方程(9)表示必要的条件，通过该条件，可以控制激光源和校正透镜之间间隔的位移引起的像散不超过要求的值。关于像散的新限制方程被加到现有技术的边缘强度条件和利用效率条件，那么用波长不超过500nm的激光源，可以获得具有良好特性的纪录和再现的光学系统。
在校正透镜的聚焦长度6-9mm和光束成型的放大倍数1.5-3.0的实际情况中，使用光线跟踪方法获得激光源和透镜之间间隔的每个位移的像散，那么，可由方程(8)获得常数C。例如，在具有波长405nm和棱镜的反射率是1.5297的情况中，图6示出了结果。参考图6，常数C的范围是在(λ*mm)1/2中的29到33。因此，在上述范围确定常数C，然后，应选择放大倍数M和聚焦长度fCL的组合。
图7示出可选择的区域。图7与图3的曲线相同，但增加了曲线D。图7所示的曲线D表示方程(8)，C是31(λ*mm)1/2，像散As是6mλ/μm以及波长是65nm。此外，源波长是405nm，棱镜的反射率n是1.5297。参考图7，方程(9)表示可选择的区域是在曲线D的上部区域。此外，参考图7，曲线A是在水平方向的35％的边缘强度的情况下，曲线B是在垂直方向的40％的边缘强度的情况下，曲线C是光束利用效率η＝45％的情况。例如，曲线A由下列方程表示。M·fCL≥ROLsinθh2-In2In(Irim·h)---(A)]]>
注意，M是用于光束成型的棱镜的放大倍数，fCL是校正透镜的聚焦长度，ROL是物镜的有效半径，θh是在水平方向F.W.H.M.的角度。Irim-h是水平方向的光束边缘强度。
曲线B由下列方程表示。fCL≥ROLsinθv2-In2In(Irim·v)---(B)]]>
注意，θv是垂直方向的F.W.H.M.的角度，Irim-v是垂直方向的光束边缘强度。
曲线C由下列方程表示。η≥2π·RhRv∫∫sexp[-2{[xRh]2+[yRv]2}]dxdy---(C)]]>
注意，η是光束的利用效率，Rh和Rv分别是水平方向和垂直方向的高斯分布的1/e2有效半径，并由下列方程表示。Rh=2In2M·fCLsinθh2]]>Rv=2In2fCLsinθv2]]>
因此，放大倍数M和聚焦长度fCL的组合可从图7所示的四条曲线A到D所附的区域选择，以至提供的光学系统在水平方向的边缘强度不低于35％，垂直方向的边缘强度不低于40％，利用效率不低于45％，像散不超过6mλ/μm。因此，即使像散在波长650nm上被维持，所要求的边缘强度和利用效率是可协调的。
注意，曲线A(方程A)和曲线B按下列步骤获得。水平方向的边缘强度Irim-h和垂直方向的边缘强度Irim-v分别由下式表示。Irim·h=exp[-2(ROLRh)2]---(Pre-A)]]>Irim·v=exp[-2(ROLRv)2]---(Pre-B)]]>
注意，Rh和Rv分别是水平方向和垂直方向高斯分布的1/e2有效半径，其由下列方程表示。Rh=2In2M·fCLsinθh2]]>Rv=2In2fCLsinθv2]]>
然后，变换上面方程pre-A和pre-B，导出放大倍数M和聚焦长度fCL之间的关系，然后，得到方程A和B。
此外，按下列步骤得到Rh和Rv。在这种情况中，光束具有水平方向的F.W.H.M.的角度θh，垂直方向的F.W.H.M.的角度θv。在光束成型之前，水平方向的F.W.H.M.的半径rh，垂直方向的F.W.H.M.的半径rv分别由下列方程表示。rh=fCLsinθh2]]>rv=fCLsinθv2]]>
那么，在水平方向用放大倍数M进行光束成型之后，水平方向的F.W.H.M.的半径rh’和垂直方向的F.W.H.M.的半径rv’分别由下列方程表示。rh'=M·rh=M·fCLsinθh2]]>rv'=rv]]>
在高斯分布中，把F.W.H.M.的半径rh’、rv’与(2/ln2)1/2相乘，那么，水平方向和垂直方向的1/e2有效半径Rh、Rv由下列方程获得。Rh=2In2·rh'=2In2M·fCLsinθh2]]>Rv=2In2·rv'=2In2fCLsinθv2]]>
顺便说一下，参考图6，考虑到常数C由放大倍数M决定。由放大倍数M的变化引起的常数C的变化是很小的，因此，常数C的变化在图7的选择中实际上没有影响。当需要精确时，常数C最好表示为放大倍数M的函数，然后，将该函数代入方程(9)，以便获得结果。下述方程可用作上述函数。
C＝33{1-exp(-1.5M)} (10)
C＝32.5-0.6(M-3)4 (11)
在上述光学系统中，如图2所示，使用两个棱镜作为光束成型系统，然而，可以使用一个棱镜作为光束成型系统。由光线跟踪方法获得的像散可以等于包括一个棱镜或两个棱镜的光学系统，所以，上述条件可以用作为具有一个棱镜的光学系统。一般说来，在水平方向和垂直方向区别折射影响，那么，获得了光束成型效果，因此，像散的结构是类似的而不管光束成型的方法。从而，本发明可以适用于除棱镜之外的一般光束成型系统。
图8示出具有上述光学头的光盘装置。例如，光盘装置可以是再现CD或数字通用盘的光学信息系统。在这个光学头中，激光光束从半导体激光源11射出。激光光束由校正透镜13校正成平行光线，通过棱镜14、15，通过分光器17，由圆盘18反射，并通过四分之一波长平板19，然后，由物镜16在光盘40上形成小光点。由光盘40反射的激光光束通过四分之一波长平板19和物镜16，并由圆盘18反射，然后，由分光器17反射，并通过检测透镜20和柱面透镜21，然后，由光学检测器22检测。控制电路41控制照射激光的激光源11，并按照光学检测器22的电信号驱动主轴电机42旋转光盘40，并驱动制动器控制物镜16的焦点，然后，驱动制动器控制光盘40上的轨迹跟踪。
然后，电信号从记录在光盘40上的信号被输出到外部。注意，控制系统可以类似于现有技术的光盘装置，因此，不重复解释细节。