具有双镜移相器的光学读取单元的制作方法

专利名称：具有双镜移相器的光学读取单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学存储和阅读器设备的光学读取单元(optical pick-up unit),尤 其是涉及包括双镜移相器和光束偏转器的兼容多种格式的光学读取单元。
背景技术：
光盘(CD)和数字多用光盘(DVD)的使用在数据的光学存储和传输领域已 经司空见惯。音频CD和/或CD-ROM单元具有光学读:f又单元(OPU),该光学读取单 元使用近红外线(NIR,例如780nm、 785nm、 790nm)半导体激光器来读出被编码的 数字信息，和使用具有约0.45的数值孔径(NA)的物镜，该物镜可以适用测量值约为 lOOnm深、500nm宽和850nm到3500nm长的凹坑(pit,即在光盘上编码的一个单位)， 其取决于距离光盘中心的径向距离。通过使用红光波段的较短波长(与在音频CD单元 中的780nm NIR激光器相比较，例如650nm或660nm )的半导体(SC )激光器和具有 较大NA (例如0.6NA,其需要0.6mm厚DVD光盘)的透镜，DVD格式获得额外的存 储密度。向后兼容的DVD/CD OPU使用两个激光源，这两个激光源为单个器件封装或 分离封装，具有由偏振光束组合器(PBC)和/或分色光束组合器(DBC)耦合的读出 光束。DVD媒体格式的后继技术是蓝光光盘(BD),其中读/写半导体(SC)激光器 波长进一步降低到在蓝-紫光波段中的约405nm到410nm,且其中物镜的NA增加到约 0.85。在后向兼容DVD/CD格式的BD存取系统中，需要一个第三波长激光器(例如相 对于前两个激光器为共同封装或分离封装)来支持所有三种光盘媒体格式。传统的多通道OPU系统利用透射的四分之一波片(QWP)来将源/探测器部 分中的线偏振光转变成光盘读/写部分中的圓偏振，反之亦然。参考图1,传统的三波长BD/DVD/CDOPU 100包括被示为三个分离的激光器 二极管(LD)的半导体激光源的阵列U0，所述激光器二极管包括在X =780 nm的第一 LDlll、在？^660nm的第二LD112和在X-405 nm的第三LD113。所迷第一、第二 和第三LD 111、 112和113的输出分别通过偏振光束组合器立方体(PBC) 131、 132
5和133的阵列130在空间上多路传输，并被透镜系统160准直。该输出光束接着由泄漏 镜(leaky mirror) 140转向(该泄漏镜140还充当垂直折镜(vertical fold mirror)), 然 后通过QWP 145和物镜161被成像(聚焦)到旋转的光盘媒体150上的单个"凹坑" 区域上。泄漏镜140还使入射光束能量的一小部分(例如5%)能够通过其传递，且被 引出并通过另一透镜165聚焦到监视器光电二极管(PD) 175上。来自LD源的阵列110的输出相对于PBC 131、 132和133的斜边表面实质上 被线偏振，例如S偏振。在到达PBC立方体的阵列130之前，线偏振光束通过低规格 偏振器的阵列120传输，这些偏振器保护LD源111、 112和113免受有害的反馈，例 如P偏振光。通常，保护滤波器120是具有10:1偏振消光比的简单的分色吸收偏振器。来自LD源111、 112或113中的每个的主要光线沿着公共路径180被引导到 光盘媒体150。在到达四分之一波片(QWP) 145之前，该光实质上被线偏振。在穿过 QWP145之后，线偏振(LP)光被转变成圆偏振(CP)光。对于给定S或P偏振的输 入，CP光的旋向性取决于QWP 145的光轴方向。在所示例子中，对于输入QWP 145 的S偏振，如果QWP 145的慢轴相对于PBC 131的p平面以45。逆时针方向(CCW) 对准，则在QWP145的出口处产生左旋圆(LHC)偏振(LHC,具有琼斯矢量[l j]TA/2 且假定为直观的RH-XYZ坐标系，同时光束朝向观察者；上标"T"表示矩阵转置)。在存在被记录的凹坑的物理压痕的预录CD和DVD光盘中，在凹坑和周围"平 面(land)"之间的光路长度差(例如l/6到1/4波)提供至少部分的相消干涉，并减少 被反射回穿过OPU IOO的将被位于PBC立方体阵列130的输出口处的主光电二极管170 检测到的光。另一方面，无凹坑导致CP旋向性的变化，其光功率实质上与其回到PBC 立方体阵列130的返程中的相同。因此，两次通过QWP 145的光在其返回到PBC阵列 130时被有效地从初始S偏振光转变成P偏振光，使光能够通过PBS的131 、 132和133 中的每个传递到主光电二极管170。在图1示出的OPU系统100中，通过在第一次通过时将具有第一偏振态的线 偏振光转变成圆偏振光，以及在第二次通过时将圆偏振光转变成具有第二正交的偏振态 的线偏振光，QWP 145起偏振转换器的作用。通常，QWP由双折射元件形成，例如无 机晶体(如单晶石英、单晶MgF2,、 LiNb03);液晶；或延伸高分子膜(例如聚碳酸酉旨、 聚乙烯醇)。遗憾的是，传统的QWP仅在小范围波段内有效地起作用。因此，OPU系统(例如图1中示出的那些系统)常常使用消色差QWP( AQWP)，其在多个波段处和/或在相对宽的波段上提供四分之一波延迟。通常，AQWP通过将两 个或多个不同的波片层压(laminate)在一起制成，例如半波片层和四分之一波片层， 其由使用粘合剂粘合在一起的具有彼此正交的光轴的两种不同折射率的色散双折射材 料(如石英和MgF2)制成，或由与预定的方位角偏移对准的两层或多层类似的双折射 层组成。然而，虽然层压的AQWP结构确实提供增加的带宽，它们也关联有较差的耐 环境性能。此外，由于所需的厚度和方位角偏移容差，两个或多个波片层的使用增加了 AQWP的制造成本。使用当前的高密度光学存储系统(即，包括BD光盘读/写通道的系统)，QWP 元件的可靠性成为高功率蓝-紫激光器输出的关键因素，例如对于较快的读/写速度为 240mW或更高的功率。而且，用于所有三个光通道(蓝-紫光450nm、红光660nm和 NIR 780nm)的AQWP需要产生约为100nm、 165nm和200nm的延迟量。从高度可靠 性双折射器件和以电子消费品集成的低成本获得的这些完全不同的延迟量要求，推动了 对单晶材料和延伸有机箔以外的其他替换性QWP技术的研究。 一个解决方案包括在传 统OPU中将短波长蓝-紫光通道分成具有遗留(legacy)红光/NIR DVD/CD通道的分离 的OPU，包括延伸箔AQWP。然而，由于需要多个冗余的光学器件(例如折叠式镜、 透镜等)，此方法增加了成本。在2008年2月28日以Tan等人的名义公布的、在这里通过引用被并入的共 同未决的美国专利公开文献2008/0049584中，详迷了实现线偏振到圆偏振转变和圆偏 振到线偏振转变的一种可替换方法。在Tan等人的参考文献中的OPU系统结合有薄膜 反射QWP (也称为QWP镜)以取代传统的透射QWP。在图2中示出了在光源部分和 光盘媒体读/写部分之间具有±45度方位角偏斜的OPU系统。具有类似于图1中所示的 系统100的结构的OPU系统200包括包含至少一个光源211、 212和213的光源阵列 210、保护滤波器的阵列220、偏振光束组合器(PBC) 231、 232和233的阵列230、 反射器240、旋转光盘250、准直透镜260、物镜261、聚焦透镜265、主光电二极管270 和监视器光电二极管275。光源的阵列210提供了分别在一个或多个不同的波长(例如在780nm、 660nm 和405nm)的线偏振光。可替换地，光源的阵列210包括三个共同封装的LD。可替换 地，光源的阵列210包括多个或少于三个的LD。包括第一PBC231、笫二PBC232和第三PBC233的PBC的阵列230用于在空间上多路传输来自LD的阵列210的输出，并将其沿着公共光路280进行引导。与总 是反射一个偏振(例如S偏振)并传输正交的偏振(例如P偏振)的传统MacNeille型 PBC相对照，偏振光束组合器的阵列230是波长相关的。例如，在前向传播方向上， 第一 PBC 231通过反射在^的S偏振光而将光、从第一 LD 211耦合到公共路径280。 在后向传播方向上，第一PBC 231传输在？^的P偏振光，以及传输在^2和人3的P偏 振光，光X2和？^分别与LD212和213相关。类似地，PBC232通过反射在h的S偏 振光并传输在人i 、 X 2和人3的P偏振光以及传输在X,的S偏振光而将在X 2的光耦合到 公共路径280，而PBC 233通过反射在X3的S偏振光并传输在X卜X2和人3的P偏振光 以及传输在X!和人2的S偏振光而将在X3的光耦合到公共路径280。反射器240将传输自PBC的阵列230的光转向，通过90。光束折叠到旋转光 盘250。反射器240包括薄膜涂层292,其为至少一个波长通道(例如，对于图3所示 的OPU系统，约为405nm、 660nm和780nm的三个波长)提供实质上四分之一波延迟。 根据一个实施方式，薄膜涂层292包括具有对比的折射率的多个交替的层，这些层结合 成为一个滤波器(例如短波通或长波通、带通、高反射滤波器等)，并沉积在透明基底 上。该透明基底可为平行板或接近45。的棱镜，例如薄膜涂层292可沉积在棱镜的成角 度的面上。在该实施方式中，滤波器292起泄漏镜的作用并使入射光束能量的一小部分 (例如5%)能够穿过反射器240传递，且被引出并聚焦到监视器光电二极管275上。 在另一实施方式中，高反射器240实质上使所有的入射光(S偏振光和P偏振光)转向 到垂直的光束路径而朝向光盘250。包括准直透镜260、物镜261、聚焦透镜265和光电二极管(PD) 270、 275 的其余的光学器件类似于在现有技术中使用的那些器件。值得注意的是，为了举例说明 的目的，在图3中示出的系统200在某种程度上被简化。例如，在商业OPU中，LD输 出 一般被散开到多个(例如3 )点以追踪凹坑道，且辅助光电二极管元件被安装在探测 器平面以确定正确的追踪。此外，可使用光电二极管阵列来代替主PD 270，以便连同 在探测器平面处的圓柱形聚焦透镜来帮助物镜聚焦。在工作中，来自每个LD211、 212、 213的线偏振光被作为偏振光(例如S偏 振光)传输，穿过保护滤波器的阵列220，在空间上通过PBC的阵列230多路传输， 并沿着公共光路280被引导。该线偏振光接着由准直透镜260准直，并被传输到具有C 板(C-plate ) QWP涂层292的泄漏镜240。泄漏镜240将线偏振光转变成圆偏振光，并通过物镜261将其转向到光盘250。由光盘250反射的光穿过物镜261被再次传输并 从反射器240被反射向准直透镜260。在从泄漏镜240两次通过/反射之后，该圆偏振光 再次被转变成具有与入射光正交的偏振态的线偏振光，例如P偏振光。PBC的阵列230 传递在多个波长中的每个波长处的P偏振光，并将该光引导到主光电二极管270。值得注意的是，该光学系统200的性能依赖于反射器240的上游组成部分和 反射器240的下游组成部分之间的角偏移。为了便于随后的关于各种系统器件的方位定 向的讨论，光学系统100/200被示意性地分成提供光束多路传输和读出光束探测的源/ 探测器部分，和将多路传输的光束准直并传递到光盘媒体的光盘读/写部分。再次参考 图1和图2,源/探测器部分可包括在PBC阵列130/230的输出口左边(即，在公共路 径标号180/280左边)的光学器件，而光盘读/写部分可包括在公共路径标号180/280右 边的光学器件。准直透镜160/260可属于任一部分，取决于其位置。通常，光盘读/写部 分包括反射器240和/或实质上圆偏振的光束。在Tan等人的发明的一个实施方式中，源/探测器部分必须关于公共光束轴旋 转±45度。该方位角倾斜允许QWP镜的相等的S偏振和P偏振照明。之后，由QWP 镜产生的90。相位延迟将线偏振输入转变成圓偏振输出，用于访问光盘媒体上的被编码 的数据。实际上不需要旋转棱镜阵列，即，偏振光束组合器和分离器、PBC、组件和 相关的LD阵列。该LD和PBC阵列的合并的横向尺寸延伸达数十毫米。由于±45°倾斜 角所需的，关于公共光束轴的任何平面外(out-of-plane)的旋转都导致封装的OPU系 统的增加的垂直高度。在计算机笔记本应用的薄光盘托架中，该增加的体积是不容许的， 例如， 一般需要小于10mm的OPU高度。因此，希望有可替换的方法，用以强加在 反射性QWP处的非正交入射(例如45°)和在进入的线偏振和QWP镜的P平面之间 所需的±45度方位角差。

发明内容
本发明的目的是，通过在传统OPU系统中维持PBC阵列、LD阵列和相关的 光学器件沿着第一器件平面(例如水平面)的布置，和通过与第一器件平面正交(例如 垂直方向)的光束耦合元件的布置，用于克服现有技术的缺点，以便访问光盘媒体，同 时实现以反射性QWP取代透射性QWP。在传统OPU布局中，90。垂直折叠式镜用作源/探测器部分和光盘读/写部分的分界线。垂直折叠式镜一般相对于水平面以45。角倾斜。 在本发明中，垂直折叠式镜以非45。角倾斜。透射性QWP被移除，并用反射性QWP 代替，将其放置在垂直折叠式镜之前。QWP镜相对于公共光束路径以标称45。入射角布 置，且QWP镜的入射面被布置成与输入线偏振相差士45。方位角。使用QWP镜和垂直 折叠式镜的两级光束折叠的组合将沿着水平面入射的线偏振入射光束转变成圆偏振的 输出光束，并将光束从水平面偏转到垂直方向，以便访问光盘媒体。这样的OPU布局 利用高度可靠的QWP反射器，而不需要使OPU中的主要光学器件的方位布置倾斜离 开第一器件平面。因此，本发明涉及用于访问光盘的光学读取单元，该光学读取单元包括多个光源，每个光源产生第一偏振态的在不同波长的光束；至少一个光束组合器，用于沿着公共路径引导每个光束；第一透镜，用于准直沿着所述公共路径传播的所迷光束；第一反射器，用于使沿着所述公共路径传播的所述光束转向，所述第一反射 器被布置为，关于公共光束路径成标称45。入射角，和在所述第一偏振态和所述第一反 射器的入射面之间实质上相差±45°方位角；第二反射器，用于使来自所述第一反射器的光束转向到所述光盘；第二透镜，用于将所述光束聚焦到所述光盘上；以及其中，所述第一反射器和第二反射器中的至少一个包括薄膜介质延迟器堆叠 (stack),由此离开所述第一反射器和第二反射器的反射在所述光束中产生实质上 80°-100°的相位延迟，用于将所述第一偏振态转变成第二偏振态。


将参考代表其中的优选实施例的附图对本发明进行更详细的描述，其中图1是传统多波长光学读取单元的侧视图；图2是可替换的传统多波长光学读取单元的侧视图；图3是本发明的多波长光学读取单元的等轴测视图；图4a和4b是图3的光学读取单元的可替换的实施例的示意性横截面视图；[35]图5a是图3的双镜光束偏转子系统的等轴测视图；图5b是图3的双镜光束偏转子系统的可替换的实施例的等轴测视图；图6a和6b分别是图4和5的双镜光束偏转子系统的横截面视图；图7是本发明的多波长光学读取单元的可替换的实施例的等轴测视图；图8是铝镜在不同入射角处的波长与线性延迟的关系曲线；图9到11是在不同波长处的两个镜之间的线性延迟的差异的曲线。
具体实施例参考图3,根据本发明，以500大体上表示的光学读取(OPU)系统包括LD 光源511 、 512和513的阵列510，这些光源的输出被多路传输并从偏振光束组合器(PBC ) 531、 532和533的阵列530被引导到公共路径580。 LD源阵列510包括相应于多个分 立的固态光源的至少两个构件，每个光源为不同的光盘媒体格式(例如BD、 DVD和/ 或CD)产生在不同波长的光束，如本领域中已知的。每个LD源输出线偏振光，例如 被对准到PBC 531到533中的每一个的斜边平面的S偏振。在所示实施例中，对于具 有第一线(垂直)偏振591的三波长OPU系统的情况，示出了三个分别自LD光源511、 512和513延伸的光路581、 581和583。第一线偏振由PBC阵列530反射，并被引导 向反射波片341和光束偏转子组件。与在宽带上反射一种偏振(例如S偏振)并传输正交的偏振(例如P偏振) 的传统宽带MacNeille型偏振光束分离器立方体相对照，偏振光束组合器的阵列530是 波长相关的。例如，在前向传播方向上，第一PBC 531通过反射在？w的S偏振光而将 光^从第一LD511耦合到公共路径580。在后向传播方向上，第一PBC531传输在M 的P偏振光，以及传输在X2和X3的P偏振光，光^2和\3分别与LD512和513相关。 类似地，第二 PBC 532通过反射在X2的S偏振光以及传输在？m的P偏振光而将在X2 的光耦合到公共路径580。为了使光返回，第二PBC 532传输在、、人2和^的P偏振 光。第三PBC 533通过反射在X3的S偏振光以及传输在X ,和X 2的S偏振光同时传输 在M、人2和人3返回的P偏振光而将在人3的光耦合到公共路径580。接着通过双镜子系统300以净90。延迟调制多路传输的LD源，该双镜子系统 300也将该光束偏转向输出处的正交轴。多路传输的第一线偏振在离开双镜子系统300时被转变成第一圆偏振并被引导向光盘媒体350。实际上，净延迟在80°和100°之间。参考图5a和5b,其示出双镜光束偏转器子系统300和400，多个LD输出光 束中的一个被多路传输到公共路径380中并指向Z轴的方向。在示意图中，第一器件平 面平行于XZ平面，该XZ平面一般也是水平面。相对于沿着公共路径从偏振光束组合 器530传播到双镜光束偏转器子系统300的第一次通过的光束，XYZ是右旋坐标系。 公共路径380以复合角倾斜地与第一延迟器镜341/441相交。该复合角是通过以下方法 获得的相对于公共路径380将第一延迟器镜341/441以正交入射进行对准，关于+X 轴将延迟器镜341/441旋转第一欧拉角9 ( 一般为±45° )并关于全局+Z轴将倾斜的延迟 器镜341/441旋转第二欧拉角(p到±135°或±45°。在图4和5中的光束偏转的示意图， 对于相同的45。的第一欧拉角旋转，分别相应于+135。和+45。的第二欧拉角。在这里示出 的示意图中没有描绘具有-135。/-45°的第二欧拉角的光束偏转。三步对准过程的效果是产生沿着第二器件平面被对角地引导的第 一偏转光束 381/481。 一般为垂直面的第二器件平面与第一器件平面正交。第二器件平面在图5(a) 和5(b)中由具有虛轮廓线的矩形示出。以复合倾角的第一延迟器镜341/441相对于全局 Z轴成入射角e 370。如果0为±45°,则第一偏转光束381/481也与公共路径380正交。 在一般情况下，入射角不需要被限制为±45°。在该一般情况下，与第一器件平面正交的 第二器件平面不与全局Z轴正交。除了第一延迟器镜341/441关于X轴的土45。第一欧拉旋转以外，由于第一延迟 器镜341/441关于Z轴的士45。或士135。的第二欧拉旋转，第一延迟器镜341/441的入射面 从平行/垂直于多路传输的LD输出的第一线偏振偏斜±45°。该第一线偏振可平行或垂直 于第一器件平面。结果，在公共路径380中的LD输出提供一半S偏振和一半P偏振分 量，其照亮以复合角倾斜的第一延迟器镜341/441。该公共光束最初是线偏振的。因此， 在射到第一延迟器镜341/441上之前，在S偏振和P偏振光束分量之间没有相差。根据 第一镜341/441的延迟，沿着第二器件平面传播的输出光束381/481使其偏振态更改。 该镜面反射的输出381/481分别以+1357+45°的方位角372/472从第一器件平面倾斜。 该第一偏转光束还相对于以复合角倾斜布置的第一延迟器镜341/441的器件平面成角 371。在图4和5中，必须分别校正第一偏转光束381/481的传播方向，以便访问光 盘媒体350,该光盘^(某体被设置成平行于第一器件平面。这可通过用第二镜342/442拦
12截第一偏转光束来实现。第二镜342/442相对于第一器件平面以预定的倾角倾斜，使得第二偏转光束382被引导而正交于第一器件平面(即，被垂直地引导)。第二偏转光束382随后以轴上锥形(on-axis cone )聚焦到光盘媒体350上。为了简洁而省略了用于聚焦的物镜。第二镜342/442沿着第二器件平面被倾斜。第二器件平面与第二镜342/442的入射面重合。对于+1357+45°的第二欧拉角旋转，第一偏转光束381/481和第二偏转光束382的方向角差分别为45°和135°。为了利用第二镜342/442来垂直地引导第二偏转光束382，第二4竟342/442必须以一半的角差对准(即，第二镜的器件法线平分第一和第二偏转光束方向)。因此，对于图5a示出的示意图，第二镜342相对于第一器件平面以22.5°倾斜。类似地，对于图5b示出的示意图，第二镜442相对于第一器件平面以67.5°倾斜。作为两个光束偏转的结果，读/写光束被向外耦合与所述第一器件平面成正交方向，并被引导向光盘媒体350。因此，达到了使用双镜偏转子系统布置有效的90。光束折叠的目的。通过在图4和5中示出的双镜光束偏转子系统的布局可以明显看出，第一和第二镜341/441和342/442的S平面(其与入射面正交)和P平面(入射面)被相反地布置。第一镜341/441的P平面相应于第二镜342/442的S平面，反之亦然。已经示出，第一镜341/441的S平面和P平面相对于第一线偏振输入成士45。方位角差。因此，第二镜342/442的P平面和S平面也相对于第一线偏振输入成士45。方位角差。进一步地，已经表明，第一镜341/441被设计成在反射中产生延迟，这也意味着被设计到第二镜342/442中的任何延迟特性可通过第一偏转光束381/481获得。因此，双镜偏转子系统300/400布置的另 一 目的是提供净四分之一波延迟(即，90。)，以将第一线偏振输入转变成第一圆偏振输出。通过使用介质C-板延迟器，该几何结构必须容许非正入射，且在入射第一线偏振390和延迟器镜341/441和342/442上的入射面之间存在角差。在一个实施例中，所需的90。偏转延迟在预定的波长窗口上从第一镜341/441获得，而第二镜342/442在预定的波长窗口上不产生延迟。因此，线偏振的公共光束被转变成第一偏转光束381/481中的圆偏振(左旋或右旋)。反射薄膜的设计不受强度和相位特性的交叉耦合限制。因此，可减轻組成的薄膜材料的色散，使得可在宽带波长范围上获得真正的消色差反射延迟，同时维持高反射。例如，第一镜341/441可裙 没计成产生越过每个波长窗口的消色差士90。延迟，相应于BD、 DVD和CD
13激光器线，所述波长窗口分别在405nm、 660nm和780rnn处( 一般相对于中心波长具有±2%的带宽)。因此，实现了将线偏振的公共光束380转变成右旋或左旋圆偏振光382的目的。当从光盘媒体350反射时，反射的光线383以相反的方向从光盘媒体350向双镜光束偏转器子系统300/400传播，且其圓偏振被转变成相反旋向性的圆偏振。实际上，净延迟在80°和100°之间。注意，虽然在反射在镜上时，该圆偏振的旋向性被认为反转，入射和反射光线的电矢量的轨迹在空间上具有相同的旋转方向。在图5a和5b中，示出了具有相反的旋向性的到光盘媒体350的入射光束382的圆偏振392和来自光盘媒体350的反射光束383的圆偏振393。事实上，反转的是坐标系，而不是在空间上或随着时间的电矢量旋转的方向。由392和393示出的相反的箭头清楚地表示旋向性反转，而它们并不是入射和反射光束在空间上的电矢量旋转的严格正确的描绘。来自光盘^f某体350的偏转光束383接着分别作为光线384和385横穿过第二镜342/442和第 一镜341/441 。双镜光束偏转器子系统300/400的输出再次平行于公共路径380,但沿着返回路径585相反地传播。类似于第一次通过，双镜移相器和光束偏转器300/400对圆偏振的第二次通过的光线383强加90°延迟。该延迟将该圓偏振转变成第二线(水平)偏振395。第二线偏振395与第一线偏振390正交，因为公共光束在一次往返中经过了 180°延迟。实际上，净延迟在160°和200°之间。如果第一线偏振被用于将多个LD输出多路传输到公共路径580中，则第二线偏振可被用于沿着返回路径585将返回的第二次通过的光束从第 一次通过的光束中分离。该返回光束因此^L引导穿过偏振光束分离器的阵列530而朝向沿着返回路径585布置的一个或多个光电探测器570。可替换地，如图4a和4b所示，附加的光束分离器538/539可被用于将第一光束、(例如在405nm的蓝光束)引导到第一光电探测器571,并将第一和第三光束入2和、(例如在660nm的DVD光束和在780nm的CD光束)引导到第二光电探测器572。该附加的光束分离器538可为偏振和波长相关的，并位于双镜光束偏转器子系统300/400和偏振光束组合器的阵列530之间，如图4a所示。可替换地，附加的光束分离器539可为波长相关的(例如分色的)光束分离器，并可位于偏振光束组合器的阵列530和光电探测器571和572之间，如图4b所示。图5a和5b中的双镜光束偏转器子系统300和400的布局达到了几个目的 1)在第一镜341/441上为沿着公共路径的在空间上多路传输的光束(被称为
14公共光束)提供非正入射，以便在反射中利用介质薄膜的延迟， 2 )提供该公共光束的第一线偏振轴390与双镜偏转器子系统300/400的s平 面和p平面之间的±45°方位角差，以便向第一镜341/441提供一半s偏振和一半p偏振 的输入光， 3 )在双镜偏转器子系统300/400的出口处将该公共光束的第一线偏振390转 变成第一圆偏振392,4)使沿着z轴被引导的并平行于第一器件平面的公共光束转向，以相对于第 一器件平面正交地向外耦合并访问光盘媒体350，以及 5 )通过离开光盘媒体的反射而提供相反的路径，以重新捕获沿着公共路径的 光束轴，但对于已经两次穿越双镜光束偏转器子系统300/400的相反方向的返回光束， 相反地传播第一线偏振390并将第一线偏振390转变为第二正交的线偏振395。在图6a和6b中通过横截面视图示出符合+135/+45°第二欧拉旋转的光束偏 转。在图6a中，关于Z轴的第二欧拉旋转角是+135。，而在图6b中，关于Z轴的第二 欧拉旋转角是+45°。在这两个图中，最初垂直于公共光束380而对准的第一镜341/441 的第一欧拉旋转角是45。。作为第一和第二欧拉旋转的结果，第一偏转光束被包含在xy 平面内并沿着对角轴被对准。在这里没有示出相对于rh-xyz坐标系关于z轴的 -135/-45°第二欧拉旋转的两种其它情况。从在第一次通过时沿着+z轴传播的公共光束 380开始，观察者看到在图6(a)和6(b)中由符号0表示的光束的尾端。公共光束380平 行于第一器件平面(即，水平面xz)被对准。第一镜341/441相对于公共光束380以 45°倾斜。因此，第一反射光束381/481与入射光束380正交。第一镜341/441也关于z 轴旋转+135/+45°。结果，子系统300对角向下地(如381 )引导第一偏转光束，而子系 统400对角向上地(如481 )引导第一偏转光束380。在这两种情况下，第一偏转光束 381/481相对于第一器件平面产生±45。的角差。随后，必须调节第二镜342/344的位置， 使得第二偏转平行于垂直轴(即，y轴)被引导，这分别需要子系统300和400中的第 二镜342和442相对于第一器件平面分别以22.5° 373和67.5° 473被对准。在第二镜342 上的入射角标称为22.5°，而在第二镜442上的入射角标称为67.5°。这两个光束偏转方 案都沿着y轴引导双镜子系统300/400的输出光束，以访问光盘350。光盘350 —般平 行于第一器件平面(即，xz平面)被对准。公共光束380从第一镜341/441反射之后的对角光束偏转占据了 opu组件500的额外高度。对于在公共路径部分380处的2mm到3mm之间的最大光束直径以及 4mm的第一和第二镜直径，对于如图6a所示的子系统300的情况，可按如下方法估算 额外的垂直走离角(walk-off):到第二镜342的垂直高度374=4mm,具有2mm厚度的第二镜342的垂直距离-2/cos(22.5。)，以及从光束380的中心到封装底部的总垂直距离375=4 + 2/cos(22.5。) + 2*sin(22.5°)，其大约为7mm。注意，在具有大约10mm的封装高度的传统OPU组件中，公共路径380已经 位于离封装底部的大约5mm处。该两次偏转的光束引导方案仅增加2mm的额外高度要 求。上面已描迷了允许用双镜净QWP子系统300或400代替垂直折叠式镜和透 射QWP子系统的光束偏转方案。第一镜341/441可被设计为反射性QWP,而第二镜 342/442可被设计为常规金属反射器。全无机的第一镜341/441对于强光照射是柔性、 耐用和高度可靠的，且对于偏振转变应用可能是低成本的。第二金属镜342/442可为对 反射光产生零到非常低的相位变化的传统低成本反射器。参考图7,根据本发明的OPU系统600的另一实施例包括集成源/探测器单元 的阵列610、分色光束组合器的阵列630、双镜移相器和光束偏转器300'、偏振全息图 645和旋转的光盘350。主要的光学器件(例如集成源/探测器单元的阵列610和分色光 束组合器的阵列630)被布置在第一器件平面。光盘350也平行于第一器件平面被对准。 在合并有共同封装的LD/PD、 DBC阵列、偏振全息图和反射性QWP和折叠式镜的OPU 布局的共同未决的美国专利公开文献2008/0049584中，LD阵列的线偏振输出必须相对 于器件平面在±45度处被对准。虽然这可能被实现，但是所产生的问题在于，LD/PD集 成单元的封装既要兼容于使用透射性消色差QWP的传统OPU系统，又要兼容于使用 反射性四分之一波延迟器的可替换的OPU系统。在传统OPU布局中，封装的LD/PD 单元以其面平行或垂直于第一器件平面而被对准。每个激光发射器输出也被布置成平行 或垂直于第一器件平面。本发明提供一种效用，以允许协同或平行或垂直于第一器件平 面而被对准的LD输出偏振的阵列来使用介质反射性四分之一波延迟器。集成源/探测器单元的阵列610包括第一构件611、第二构件612和第三构件 613。每个集成单元包括光源(例如LD)和共同封装的光电探测器(例如光电二极管(PD ))。集成单元的阵列610提供了在每个OPU波长(例如分别在780nm、 660nrn和 405nm)的线偏振光束。可替换地，阵列610包括多于或少于三个的集成单元。包括第一构件631、第二构件632和第三构件633的分色光束组合器(DBC) 的阵列630被用于在空间上多路传输来自集成阵列610的输出，并沿着公共光路680对 它进行引导。每个DBC 631/632/633使用夹在两个棱镜之间的分色界面，以传输或反射 来自集成阵列610的光。注意，DBC 630不是偏振光束分离立方体，而是起一种分色带 通滤波器的作用，以根据波长传输和/或反射入射光。双^;移相器和光束偏转器300'将传输自DBC 630的光转向到旋转的光盘350。 双镜子系统300，类似于如300和400所描述的那些系统；然而，在图7中只示出300 的方案。双镜子系统300，包括提供在三个OPU波长处(例如405nm、 660nm和780nm 处)的实质上四分之一波延迟的薄膜涂层。根据一个实施例，该薄膜涂层包括具有对比 的折射率的多个交替的层，这些层结合成滤波器(例如短波通或长波通、带通、高反射 滤波器等)，并沉积在透明基底上。在另一实施例中，该高反射器实质上将所有的入射 光(S偏振光和P偏振光)转向到正交的光束路径，朝向光盘350。偏振全息图645被设计成将在一个或多个不同的波长处(例如780nm、 660nm 和405nm处)从光盘350反射的光进行衍射，以便返回光束被引导到集成单元611、 612 和613的PD部分而不是LD部分。偏振全息图(例如可包括在双折射基底上形成的衍 射光栅)在本领域中是已知的，且对其不进行进一步的详细讨论。注意，偏振全息图 645的偏振选择性的线性方向在第一次通过时平行于非衍射的第一线偏振而被对准，而 在第二次通过时平行于衍射的第二线偏振而被对准。通常，偏振全息图645的衍射平面 (也是光栅矢量)可被配置成任何任意方位的平面。有利地，该衍射平面平行或垂直(如 图7所示)于第一器件平面被对准。在这种情况下，偏振选择性的方向垂直或平行于偏 振全息图645的光栅线而被对准。该衍射平面配置使共同封装的LD和PD集成单元611 、 612和613能够相对于OPU封装矩形横截面而被规则地安装在OPU系统600中。在工作中，来自第一集成单元611的第一波长人,的第一线偏振光通过DBC 的阵列630传输，并沿着公共光路680被引导。类似地，来自第二集成单元612的第二 波长X2的第一线偏振光从第一 DBC 632反射，穿过第二 DBC 633,并沿着公共光路680 被引导。最后，来自第三集成单元613的第三波长、的第一线偏振光从第二 DBC 633 反射，并沿着公共光路680被引导。沿着公共路径680多路传输的线偏振光接着被透镜
17(未示出)准直，穿过不衍射的偏振全息图645,并被具有消色差QWP涂层的双镜移 相器300，偏转。双镜子系统300，将第一线偏振光转变成第一圆偏振光并通过物镜(未 示出)将它转向到光盘350。由光盘350反射的光穿过物镜(未示出)再次传输并从双 镜子系统300，偏转，穿过偏振全息图645,朝向准直透镜(未示出)。因为消色差QWP 涂层将二次穿过那里的第 一线偏振光的偏振态转变成第二正交的线偏振光，偏振全息图 645使返回光衍射，以便其光路稍微偏移。偏离的第二线偏振光被成像在相应的集成单 元611、 612或613的光电二极管部分上。DBC 632和633是低通和高通滤波器，其在 前向和反向的光通过时均作为波长的函数传输或反射S偏振光和P偏振光。在一般情况下，要求双镜子系统300，的合并的净延迟为90°,且其延迟轴相 对于第一线偏振被定向在士45。方位角偏移处。该延迟轴可采取在不同的波长窗口上的角 方位的不同符号。然而，各个镜延迟不必为90°或0°延迟。例如，众所周知，如果第二 镜被制造为金属反射器，来自金属镜的离轴反射具有P偏振和S偏振之间的相差，即， 具有延迟。在图8中示出了在铝镜上的22.5°和67.5°AOI的反射延迟的示例性计算结果。 这两个入射角分别相应于在双镜子系统300和400中的第二镜的对准。示出了较浅的入 射角在反射时积累几度的延迟。延迟约定(convention )在这里指e波(也是P偏振) 相对于o波(也是S偏振)的差，且采用Abeles的相位约定。根据Abeles相位约定， 理想的镜在正入射处在两个正交线偏振之间具有零度的相差。现在参考在美国专利公开 文献2008/0049584的图15中的3波长反射性QWP设计，e波和o波之间的延迟值在 三个OPU波长(405、 660和780nm)处分别为+90/-90/+90。双镜子系统300/400的设计可允许所需的士90。相位延迟分布在双镜涂层上。因 此，在一般情况下，第一和第二镜341/441和342/442的反射延迟不必分别为士90。和0°， 反之亦然。当对适当的光束偏转以所需的入射角反射后，第一和第二镜341/441和 342/442也不必分别实现+45。和-45。延迟。在这两个镜的所需入射角处产生士90。的净延 迟的两个组分延迟值的任何组合就是将第 一线偏振转变成第 一 圆输出偏振的充分要求。 该圆输出偏振可为左旋或右旋。该圓偏振的旋向性对二次通过系统不是问题。当通过双 镜子系统300/400两次后，产生第二线偏振。第二线偏振与第一线偏振正交。根据在图 3中的OPU系统布局500,第二线偏振通过偏振光束分离器的阵列530与第一线偏振分 离。根据在图7中的OPU系统布局500,第二线偏振引起偏振全息图645在第二次通 过中使光束衍射。该衍射将返回光束引导离开第一次通过时的光束路径。在空间上分离 的返回光束接着被引导到光电探测器。[75]作为使用才艮据本发明的双镜子系统300/400来移相并使公共光束380偏转到光 盘媒体350的例子，第二镜342/442可被设计为常规铝反射器，而第一镜341/441可被 重新最优化以引起第二镜342/442的偏移延迟。由于在第一镜341/441和第二镜342/442 处在连续入射时入射面反转，净反射延迟是第一反射延迟和第二反射延迟之间的差。由 第 一镜341/441产生的第 一反射延迟和由第二镜342/442产生的第二反射延迟都通过相 对于局部入射面获得e波与o波的相差来定义。采用美国专利公开文献2008/0049584 的如图15所示的基本设计和铝反射器延迟，需要新的第一镜设计，以便在如图9所示 的所有三个波长中产生延迟目标。在第一波长窗口(、)中，第一镜341/441产生r" w)延 迟，而第二镜342/442产生r2( w)延迟；在第二波长窗口(人2)中，第一镜341/441产生r"、) 延迟，而第二镜342/442产生r2(入2)延迟，且在第三波长窗口(^)中，第一镜341/441产 生H(X3)延迟，而第二镜342/442产生「2(^)延迟。该设计和制造目标是在每个波长窗口 内产生等于土90。的第一镜341/443和第二镜342/442的延迟差实际上，净延迟在80° 和100°之间。 ^(^)-]^(^) = ±90°; r,(入2) - r2(x2) = ±90o,以及 ^(入3)-厂2(人3) = ±90°。跨越三个波长窗口的每一个的第一和第二镜341/441和342/442的延迟差在图 9中由垂直值差异701 、 702和703示出。参考局部入射面，每个镜延迟由P偏振光(也 是e波)的Abeles相位减去S偏振光(也是o波)的Abeles相位获得。每个镜的相差 产生延迟。在双镜移相器和光束偏转器子系统300/400中，局部入射面从第一镜341/441 反转到第二镜342/442。因此，两个镜的延迟差产生子系统300/400的净延迟。获得±90°净延迟的上面的例子适合于仅产生微小量的反射延迟的第二镜 342/442。这样的器件特征的获得可通过如下的方式例如根据双镜子系统300以22.5° 倾斜来对准金属反射器。其中双镜方案400对产生相移和光束偏转更有利，在这两个镜 中提供相反的延迟符号的涂层设计更合适。该设计方法在图IO中由单独的镜延迟和延 迟差示出。例如,根据在图8中示出的计算结果，铝反射器在405nm波长处使用67.5°AOI 产生约47.5。的延迟。因此，第一介质镜仅需要在405nm波长处以所需的AOI(例如45°) 提供-42.5°的反射延迟。在本例中，在第一和第二镜的连续反射时入射面的反转产生-90° 的净延迟。类似地，第一镜341/441的涂层设计也产生与跨越两个其它波段的第二镜
19342/442中的延迟符号相反的延迟。对于第一、第二和第三波长窗口，所需的±卯°净延 迟分别由器件延迟差711、 712和713示出。两个金属镜可级联在一起以提供净士90。相 移和光束偏转功能是不大可能的。在没有利用介质反射器膜堆叠的干涉特性的情况下， 不能有效地减轻延迟色散。因此，两个延迟器镜341/441或342/442中的至少一个，需 要在透明/不透明基底上或在另一金属反射器上施加无机介质膜堆叠。以这种方式，可 实现四分之一波延迟的消色差。使两个镜的作用相反也是可能的。例如，第 一镜341/441可以复合角方式倾斜， 以便产生第一线偏振轴和局部镜入射面之间的士45。方位角差。该镜对反射光束仅产生微 小量的延迟。与第一镜341/441协同工作的第二镜342/442将光束偏转到光盘媒体350, 并提供大部分±90°延迟。在图11中示出各个镜延迟值。在三个OPU波长窗口的每一个 中的延迟差由721、 722和723描绘。双镜移相和光束偏转子系统300/400已被描述为可以实现线偏振到圆偏振的 转变，反之亦然，并将公共光束380以正交方向引导出传统OPU布局的单个器件平面， 以便访问光盘。两个镜341/441和342/442中的至少一个被涂有介质堆叠，其在两个或 多个OPU照明波长处产生延迟特性。可替换地，相移和光束偏转子系统300/400包括 两个或多个镜，至少一个镜使用介质薄膜堆叠制造。双镜子系统300/400以复合角倾斜 而对准，以便在镜341/441和342/442中的每一个处的线偏振输入和局部入射面之间有 ±45。角差。第一镜341/441的平面和公共光束轴380的极角差标称为45°;然而，为了 得到第一镜341/441的延迟，第一镜341/441的任何适当的离轴照明就足够了。参考示 意图描绘了第一镜341/441关于公共光束轴的+135。和+45。的两个第二欧拉旋转。可以 预料，其它的第二欧拉旋转(例如-135°和-45°)也适用于本发明。进一步地，第一镜元 件341/441的第二欧拉旋转在第一镜入射处导致大致相等的S偏振和P偏振波。应理解， 根据光学布局以及S偏振和P偏振输入部分的期望分布，第二欧拉旋转可在穿过第一镜 之后导致稍微不对角的光束偏转。换句话说，第一镜341/441的第二欧拉角可能/Ai45。 和±135旋转稍微偏离，这可例如用于补偿镜涂层的S偏振和P偏振反射率的轻微的衰 减。应进一步认识到，双镜相移和光束偏转布置同样适用于对双波长OPU系统(例 如包括遗留DVD和CD光盘格式的OUP系统)产生净90°延迟。虽然本发明是可适用 的，但本发明对于单波长系统过于复杂。在单波长系统中，多种技术(例如双折射晶片和形成双折射光栅)可用作透射性四分之一波延迟器。这些器件以单波段90。延迟为目 标，且即使对短波长405nrn照明也可靠。本发明特别涉及双镜子系统300/400和实现有效的士90。相位延迟同时使公共 光束380偏转以访问光盘350的方法，以及结合有双镜移相器和光束偏转器子系统 300/400的OPU系统。该OPU系统可包括阵列或偏振光束组合器、分色光束组合器或 偏振和分色光束组合器的组合。在该OPU系统中，器件平面被布置成平行于光盘，所 迷器件平面是通过将传播轴从LD的阵列连接到光束组合器的阵列而形成的。用于输入 到双镜移相器和光束偏转器子系统中的所需的大致一半S偏振和一半P偏振的功率分 布，通过以复合角方式使第一延迟器镜倾斜来实现，且第二镜被协调地布置在第一镜之 后以校正光束偏转和反射延迟特性。该OPU系统依赖于LD和光束组合器阵列的传统 布置，同时可以使用高度可靠性和耐用性的无机反射性四分之一波延迟器，以转变在源 /探测器部分中的线偏振和在光盘读/写部分中的圓偏振。根据本发明的光学读取系统可专门用于读光盘媒体，用于写到光盘媒体上， 或用于读和写(即，访问)光盘媒体。仅用于写的OPU中可省略光电探测器。
权利要求
1. 一种用于访问光盘的光学读取单元，包括多个光源，每个光源产生第一偏振态的在不同波长的光束；至少一个光束组合器，用于沿着公共路径引导每个光束；第一透镜，用于准直沿着所述公共路径传播的所述光束；第一反射器，用于使沿着所述公共路径传播的所述光束转向，所述第一反射器被布置为，关于公共光束路径成标称45°入射角，和在所述第一偏振态和所述第一反射器的入射面之间实质上相差±45°方位角；第二反射器，用于使来自所述第一反射器的光束转向到所述光盘；第二透镜，用于将所述光束聚焦到所述光盘上；以及其中，所述第一反射器和第二反射器中的至少一个包括薄膜介质延迟器堆叠，由此离开所述第一反射器和第二反射器的反射在所述光束中产生实质上80°-100°的相位延迟，用于将所述第一偏振态转变成第二偏振态。
2. 如权利要求1所述的光学读取单元，其中所述分离的路径和所述公共路径界定第一平面；其中所述第 一反射器将所述光束从所述第 一平面向下而转向到所述第二反射器；以及其中所述第二反射器将所述光束向上垂直于所述第一平面而转向到所述光盘。
3. 如权利要求1所述的光学读取单元，进一步包括至少一个光电探测器，所述光电探测器用于接收通过所述第一反射器和第二反射器反射回的返回光束。
4. 如权利要求3所述的光学读取单元，其中来自所述光盘的反射将所述第二偏振转变成第三偏振；其中来自所述第一反射器和第二反射器的反射第二次以相反的方向将所述第三偏振转变成第四偏振，所述第四偏振与所述第一偏振正交；其中所述多个光源包括在第 一 波长的第 一光源和在第二波长的第二光源；其中所述至少一个光束组合器包括与第一波长相关的偏振光束組合器(532),所述与第一波长相关的偏振光束组合器(532 )用于沿着所述公共路径传输在所述第一偏振和第四偏振的所述第一波长和在所述第四偏振的所述第二波长，并用于将来自所述第二光源的在所述第 一偏振的所述第二波长反射到所述公共路径。
5. 如权利要求4所述的光学读取单元，其中所述多个光源还包括在第三波长的第三光源；以及其中所述至少一个光束组合器还包括与第二波长相关的偏振光束组合器(533 )，所述与第二波长相关的偏振光束组合器(533 )用于沿着所述公共路径传输在所述第一偏振和第四偏振的所述第一波长和第二波长以及在所述第四偏振的所述第三波长，并用于将来自所述第三光源的在所述第一偏振的所述第三波长反射到所述公共路径。
6. 如权利要求5所述的光学读取单元，其中所述至少一个光电探测器包括沿着所述公共路径布置的第一光电探测器；以及其中所述至少一个光束组合器还包括第三偏振光束组合器(531),所述第三偏振光束组合器(531)用于沿着所述公共路径将在所述第四偏振的所述第一波长、第二波长和第三波长传输到单个光电探测器，并用于沿着所述公共路径反射来自所述第一光源的所述第一波长。
7. 如权利要求6所述的光学读取单元，进一步包括第二光电探测器，用于接收在所述第四偏振的所述第一波长、第二波长和第三波长中的至少一个；以及附加的光束分离器，用于将在所述第四偏振的所述返回光的所述第一波长、第二波长和第三波长中的至少一个引导到所述第二光电探测器，同时将在所述第四偏振的所述第 一波长、第二波长和第三波长中的另 一个传输到所述第 一光电探测器。
8. 如权利要求3所述的光学读取单元，其中来自所述光盘的反射将所述第二偏振转变成第三偏振；其中来自所述第一反射器和第二反射器的反射第二次以相反的方向将所述第三偏转转变成第四偏振，所述第四偏振与所述第一偏振正交；其中所述多个光源包括在第 一波长的第 一光源和在第二波长的第二光源；其中所述至少 一个光电探测器包括被布置成与所述第 一光源相邻的第 一光电探测器和被布置成与所述第二光源相邻的第二光电探测器；其中所述至少一个光束组合器包括第 一分色光束组合器(632 ),所述第一分色光束组合器(632 )用于沿着所述公共路径传输在所述第一偏振和第四偏振的所述第一波长，并用于在所述第二光源、所述公共路径和所述第二光电探测器之间反射在所述第一偏振和第四偏振的所述笫二波长。
9. 如权利要求8所述的光学读取单元，其中所述多个光源还包括在第三波长的第三光源；其中所述至少 一个光电探测器包括被布置成与所述第三光源相邻的第三光电探测器；以及其中所述至少一个光束组合器也包括第二分色光束组合器(633 )，所述第二分色光束组合器(633 )用于沿着所述公共路径传输在所述第一偏振和第四偏振的所述第一波长和第二波长，并用于在所述第三光源、所述公共路径和所述第三光电探测器之间反射在所述第一偏振和第四偏振的所述第三波长。
10. 如权利要求9所述的光学读取单元，进一步包括与偏振相关的衍射元件，所述与偏振相关的衍射元件用于将在所述第四偏振的返回光的所述第一波长、第二波长或第三波长分别转向所述第二光电探测器或第三光电探测器。
全文摘要
本发明提供一种光学读取单元(OPU)，其需要用于读取较新的格式(例如蓝光线)和遗留格式(例如DVD和CD)的多个光源，其需要一系列光束分离器/组合器，所述光束分离器/组合器用于沿着公共路径引导来自光源的各种源光束。使用双镜反射器子单元，以将沿着公共路径传播的光束转向到光盘媒体，同时将90°的延迟强加到偏振入射光上，由此自光盘媒体返回的光经历从一个线偏振到另一正交的偏振的偏振态的90°方位变化，所述双镜反射器子单元中，至少一个镜包括薄膜介质延迟器元件。
文档编号G11B7/135GK101499295SQ20091000843
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月1日 优先权日2008年1月30日
发明者卡伦·丹尼斯·亨德里克斯, 柯蒂斯·R.·胡斯卡, 谭金龙 申请人:Jds尤尼弗思公司