CN1116712A - 光盘记录器的光束成形棱镜 - Google Patents

Abstract

一种用于一光盘记录器的光束成形棱镜，设计成具有一入射面，用于接收一倾斜入射光束并将该入射光束反射，从而使该光束形状扩张，一全反射面，用于将入射光全反射，和一出射面，用于将该全反射光束折射成垂直于入射光束的光束，出射面相对于入射光束的方向呈45°角倾斜。以这种结构，检测光束的元件可相对于其它光学元件水平布置。从而使该光学系统结构简单。由于透镜的出射面涂以部分偏振分离涂层，无需采用单独的部分偏振光束分离器。

Description

光盘记录器的光束成形棱镜

本发明涉及光记录器的光头的光束成形棱镜，特别是一种棱镜，其设计成具有一入射面和一出射面，在入射面处，入射光束被成形，以使其直径扩张，出射面处的出射光束垂直于入射光束，与出射面成45°角。

一般说，用作光记录器的光源的半导体激光器在垂直和水平方向具有不同的光束发射角。典型的发射角比率为2∶1至3∶1。由于这种不同的光束发射角比率，光束受到一次准直以后在垂直和水平方向具有不同的强度分布。换句话说，准直后射出的是椭圆光束。这种椭圆光束用于减小整个光学系统的信噪比。为此，通常的光学记录器的光学系统使用一棱镜或圆柱形透镜，将从一半导体激光器发射的光束成形为一圆形。参考图1作详细的描述。

图1示出了一个通常的光学拾取系统。一光束从一激光二极管1以不同的水平和垂直发射角射出，如图1所示。来自激光二极管1的光束再穿过一准直仪透镜2，变成一平行光束。由于因不同的水平和垂直出射角所引起的垂直和水平方向内的不同光强分布，该平行光束呈椭圆形。然后，这束从准直仪透镜2射出的光入射到一成形棱镜3上。由于光束倾斜入射到成形棱镜3上，因此光强均匀分布，例如呈圆形。穿过成形棱镜3后，光束可沿一垂直或平行于其它光学元件的光轴的一个光轴发射。从成形棱镜3出射的光束入射到一部分偏振光分离器4上。穿过该部分偏振光分离器4后，光束由一反射镜5反射。反射光又经过一物镜6入射到一光盘7上，从而将数据写在光盘7上，或者，当光在盘7所记录的数据相应的方向上偏振时，被反馈。从光盘7反馈的光束又被部分偏振光分离器4反射以穿过一检测透镜8。从检测透镜8出射的光束进入一偏振光分离器9，结果，该偏振光分离器将该光束分离成具有不同偏振方向的光束。由偏振光分离器9分离的光束分别被聚焦在光学探测器10上。

但是，具有上述装置的光学系统由于激光二极管1和准直仪透镜2的光轴既不垂直也不平行于其它光学元件的光轴，而是与其倾斜，这就造成了制造这种光学系统的元件的支撑机构和组装及调整光学元件的困难。而且，这种光学系统的元件占据很大的空间，使整个光学拾取系统的重量增加。

为克服这种倾斜装置的缺点，有人建议了一种包括两个棱镜或圆柱形透镜的光束成形结构。这种结构如图2A和图2B所示。

图2A示出了一光束成形系统，其使用了一对直立棱镜。一椭圆形光束从一激光二极管1射出，进入一准直仪透镜2，其将光束转变成一平行光束。该平行光束又穿过一对直立棱镜11，由于其折射作用，光束被成形为圆形。在这种结构中，由于从光学系统出射光束的光轴偏离了激光二极管1的光轴，虽然二者互相平行，也还是给组装工作带来了困难。而且直立棱镜需精确定位在所需角度。这使得支撑光学系统元件的机构轮廓复杂。

另一方面，图2B示出了一光束成形光学系统，其采用了一对圆柱形透镜。一束从激光二极管1发出的椭圆形光束进入一准直仪透镜2，其将该光束转变成一平行光束。平行光束又进入一对圆柱形透镜12，各圆柱形透镜只在水平方向有弧度。圆柱形透镜12用于水平地扩张光束直径，从而将光束成形为圆形。虽然在此光学系统中出射光的光轴对准入射光的光轴，但这需要圆柱形透镜高度精确才能达到这种对准。而且这种结构有一缺点，由于用于光束成形的光学元件为水平或垂直布置，因而整个结构庞大。

综上所述，采用一单独棱镜的普通结构的光轴互相倾斜，而采用两个棱镜的通常结构的光轴平行，但互相偏移。另一方面，采用两个圆柱形透镜的通常的结构，虽然光轴完全对正，但结构庞大，元件难制造。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于一光盘记录器的光束成形棱镜，设计成有一个入射面和一个出射面，在入射面处入射光被成形以使光束直径扩张，在出射面处出射光垂直于入射光，且与出射面呈45°角，从而，光盘反射的光束全部反射到出射面上的垂直方向上，因此使出射光平行于入射光，从而使光盘记录器的光学拾取系统的元件支撑机构易于制造，并使光学拾取系统的结构减小。

按照本发明，该目的可以这样达到，即提供一光束成形棱镜，用于在一光盘记录器的光学拾取系统内成形入射光束，该棱镜有一多面体结构，包括：成形装置，用于在水平方向和垂直方向改变入射光束的非均匀的强度分布，使光强分布均匀，并产生一垂直于入射光轴的出射光束，因此该光学拾取系统为垂直/水平布置。

按照本发明，成形装置包括：一用于倾斜地接收入射光束并反射该入射光束从而对该光束成型以使其扩张的入射面；一用于将入射光束全反射的全反射面，和一用于折射上述全反射光束，使从其射出的光束垂直于入射光束的出射面，该出射面与入射光束的方向倾斜成45°角。

通过下面结合附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的目的和其它方面是显而易见的。

图1为一表示通常的光盘记录器的光学拾取系统的示意图；

图2A为一表示通常的采用一对直立棱镜的光束成形光学系统的示意图；

图2B为一表示通常的采用一对圆透镜的光束成形光学系统的示意图；

图3为一说明按照本发明的光盘记录器的光束成形棱镜的设计示意图；

图4为一表示一采用限按照本发明的光束成形棱镜的光盘记录器的光学系统的示意图；

图3是一示意图，说明了按照本发明的光盘记录器的光束成形棱镜的设计。

如图3所示，本发明的光束成形棱镜有一入射面a，用于折射在其上倾斜入射的光束，对该光束成形以使其扩张。该光束成形棱镜还有一全反射面b，用于全反射入射光，和一出射面c，用于折射该全反射光，使从其出射的光束垂直于原入射光束。出射面c相对于原入射光的方向倾斜45°。

该光束成形棱镜的出射面c涂以部分偏振光分离涂层，使其起到一个部分偏振光分离器的作用。

具有上述结构的光束成形棱镜工作如下。

从激光二极管射出的一束光倾斜入射到棱镜的入射面a上。然后该入射光束投在棱镜的全反射面b。入射光束在从入射面a穿过棱镜向全反射面b时被成形以扩张。这样形成的光束到达全反射面b，又被全反射面b全反射到出射面c。该入射光束从全反射面b穿过棱镜到出射面c时被成形以收缩。虽然光束在出射面c处成形收缩，但与原入射光比较，总的还是扩张了。由于出射面c的结构使其与原入射光的方向成45°角，它用于使从光盘反馈的光束在与该光束入射到出射面c的方向相垂直的方向上反射。结果，光检测器前的出射光束的光轴平行于从激光二极管射出的光束的光轴。由于出射面c上涂有部分偏振光束分离涂层，该棱镜可用作部分偏振光分离器。

在图3中，标号α1表示入射面a和出射面c之间的夹角，α2为入射面a与全反射面b之间的夹角，α3表示出射光束相对于入射面a的一夹角，α4表示出射光束与出射面c之间的一夹角，θ1为入射面a处的光束入射角，θ2为入射面a处的光束折射角。θ3为全反光束在全反射面b处的全反射角，θ4为光束在出射面c处的入射角，θ5为光束在出射面c处的折射角，δ1为一由入射面a折射的入射光与出射光之间的夹角，δ2为一在由全反射面b全反射的光束与出射光之间限定的夹角，δ3为全反射面b处的入射光与全反射面b之间的夹角。

出射光与出射面c间的夹角α4定为45°，因为出射面c的设置使其与原入射光的方向形成45°角。与其类似，出射面c处的折射角θ5定为45°。

在本发明的光束成形棱镜中，折射率N、入射面a的放大倍率M1、出射面c的放大倍率M2和总放大倍率M彼此间有特定关系。后面将对此说明。

出射面c处的入射角θ4和放大倍率M2可通过关于折射的斯涅耳定律导出如下：

            SINθ5＝NSINθ4

            M2 COSθ4＝COSθ5从上面等式可导出下面的等式(1)和(2) $\mathrm{\θ}4={\mathrm{SIN}}^{-1}(\mathrm{SIN\θ}5/N)={\mathrm{SIN}}^{-1}\{1/\sqrt{2}N\}----\left(1\right)$ $M2=\mathrm{COS\θ}5/\mathrm{COS\θ}4=1/\left(\sqrt{2}\mathrm{COS\θ}4\right)---\left(2\right)$

同时，入射面a的放大倍率M1与总放大倍率M和出射面c的放大倍率M2有如下关系：

        M1＝M/M2           (3)

利用斯涅耳定律也可将入射面a处的入射角θ1与折射角θ2导出如下：

          SINθ2＝NSINθ2

         M1COSθ1＝COSθ2

从上面的等式可导出下面的等式(4)和(5)：

θ1＝COS^-1{(N²－1)/N²M1²－1}^1/2        (4)

θ1＝SIN^-1(SINθ1/N)＝COS^-1(M1COSθ1)  (5)

在制造和组装该光束成形棱镜时要用到的角α1至α4与入射角θ1和θ4、折射角θ2和θ5，全反射角θ3及经角δ1至δ3具有如下关系：

关于入射面a和全反射面b之间的夹角α2

δ1＝90－(θ1－θ2)，

δ2＝θ5－θ＝45－θ4，

                                        (6)

θ3＝(180－δ1－δ)/2，

δ3＝90－θ3

α2＝180－(90－θ2)－δ3＝90＋θ2－δ3  (7)

关于α1、α3和α4

下面举一例说明，用一块折射率为2的玻璃制造一光束成形棱镜，按上述关系，总放大倍率为2。

在此例中，利用等式(1)至(5)可导出入射面a处的入射角θ1，出射面c处的入射角θ4，入射面a处的折射角θ2，出射面c处的折射角θ5，入射面a处的放大倍率M1和出射面c处的放大倍率M2，如下： $M2=\mathrm{COS\θ}5/\mathrm{COS\θ}4=1/\left(\sqrt{2}\mathrm{COS\θ}4\right)=0.8018,$ M1＝M/M2＝2.4944θ1＝COS^-1{(N²－1)/(N²M1²－1)}^1/2＝71.9355，θ1＝SIN^-1(SINθ1/N)＝COS^-1(M1COSθ1)＝39.3314°

用(7)和(8)式可导出制造和组装该光束形成棱镜时所需的角α1至α4，如下：

δ1＝90－(θ1－θ2)＝57.3959°，

δ2＝θ5－θ4＝45－θ4＝16.8745°，

θ3＝(180－δ1－δ2)/2＝52.8648°

δ3＝90－θ3＝37.1352°

因此，

α2＝1890－(90－θ2)－δ3＝90＋θ2－δ3＝92.1962°

对于角α1、α2和α4

α4＝450°

α3＝θ1＝71.9355°

α1＝180－α3－α4＝135－θ1＝63.0645°

用上面的因数，可制造一所需的光束成形棱柱。

图4简要地示出了采用本发明光束成形棱镜的光记录器的光学系统。图4中所用的对应于图1中的元件用与图1中相同的标号。

在本光学系统中，一光束以不同的水平和垂直发射角从一激光二极管1中射出。来自激光二极管1的光束再穿过一准直仪透镜2，该准直仪透镜2将该光束变成平行光束，该平行光束为椭圆形，因为不同的水平和垂直发射角使其在垂直和水平方向有不同的光强分布。从准直仪透镜2射出的光束入射到具有本发明结构的光束成形棱镜上。该光束成形棱镜以标号20标出。由于光束倾斜入射到光束成形棱镜20的入射面a上，它向光束成形棱镜20的全反射面b折射。当入射光束从入射面a穿过棱镜20到全反射面b时被成形以扩张。这样形成的光束到达全反射面b，被全反射面b全反射到出射面c。当该光束从棱镜20的出射面c射出时，在出射面c又一次被折射。结果出射光束的光强分布被改变。换句话说，出射光束垂直于原入射光的方向，与出射面c成45°角，因此具有一均匀的圆形强度分布。从棱镜20出射的出射光束又被一反射镜5反射，光束传布方向转过90°。反射的光束又经过一物镜6入射到一光盘7上，从而将其数据写在光盘7上，或者在相应于记录在光盘7上的数据的一方向上产生偏振而被反馈。从光盘7返回的光束又被反射镜5反射到棱镜20的出射面c。由于棱镜20的出射面c涂以部分偏振光束分离涂层，它垂直反射光束。从棱镜20反射的光束穿过一检测透镜到达一偏振光分离器9，该偏振光分离器9又把该光束分离成具有不同偏振方向的光束。从偏振光分离器9分离出的光束又分别被聚焦在光检测器10上。

由上述显而易见，本发明提供了一用于光学拾取系统的光束成形透镜，其结构能够将光学拾取系统的元件布置成使其光轴平行于或垂直于所成形的光束，从而使支撑光学元件的机构易于制造，并得到密实布置的光学拾取系统。

按照本发明，棱镜的出射面与从其上射出的光束的方向倾斜成45°，因此，从出射面反射的光束垂直于光束入射到出射面的方向。以这种结构，检测光束的元件可相对于其它光学元件水平布置，从而得到一简单的光学系统装置。由于棱镜的出射面涂以部分偏振光束分离涂层，不需任何单独的偏振光束分离器。

虽然为举例说明，公开了本发明的优先例，熟悉本领域的人知道，在不脱离权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下可作出各种改进，附加和替代。

Claims (3)

1.一种用于在一光盘记录器的光学拾取系统内成形一入射光束的光束成形棱镜，该棱镜具有一多面体结构，包括：成形装置，用于将在水平和垂直方向上非均匀强度分布的入射光改变成均匀的强度分布，并产生一垂直于入射光束的光轴的出射光束，从而使该光学拾取系统有一垂直/水平的布置。

2.一种如权利要求1的光束成形棱镜，其特征在于，该成形装置包括：

一接收倾斜入射的光束并将该入射光束反射，从而使该光束形状扩张的入射面；

一用于将该入射光束全反射的全反射面；

和一用于将该全反射光束折射成一垂直于该入射光束的光束的出射面，出射面与入射光束的方向呈45°角倾斜。

3.一种如权利要求2的光束成形棱镜，其特征在于，该出射面涂以一层部分偏振光分离涂层，从而可用作部分光偏振器。

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