專利名稱：光學(xué)掃描信息平面用的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)掃描一個反射輻射的信息平面的裝置，該裝置包括一個輻射源，它提供掃描光束，一個物鏡系統(tǒng)將掃描光束在信息面處聚焦成掃描光點并使掃描光點在組合式靈敏輻射探測系統(tǒng)上重新成像，還包括第一衍射元件，該元件置于輻射源與物鏡系統(tǒng)之間的光通路中，該元件使一部分被信息平面反射的輻射偏轉(zhuǎn)到輻射探測系統(tǒng)，并以這樣方式改變被衍射的光束，即借助于組合探測系統(tǒng)來獲得聚焦誤差信號。
聚焦誤差信號是一種與物鏡系統(tǒng)聚焦平面和信息平面之間的偏差成正比的信號。
將光束分成譬如兩束次級光可使偏轉(zhuǎn)的次級光束變形，其中每束次級光都有一個組合式探測系統(tǒng)的單獨探測器對與之有關(guān)。另一種可能性是使光束變成象散的，這樣的光束與設(shè)置在探測系統(tǒng)中4個不同象限的4個探測器相配合。
一種原則上適于讀取記錄在光學(xué)記錄載體上的信息并適于光學(xué)記寫這種記錄載體的裝置已由4665310號美國專利公知。在該裝置中，以衍射光柵形式存在的衍射元件有兩個作用，為此必須使用兩個分離元件。在第一個位置，光柵確保由信息平面反射并通過物鏡系統(tǒng)的輻射光從由二極管激光器發(fā)出輻射的光路中偏轉(zhuǎn)，因而在反射輻射光路中可設(shè)置一個探測系統(tǒng)。在第二位置處，光柵將反射光分成兩束次級光，它們用來發(fā)生一個聚焦誤差信號，比如一個包括有關(guān)物鏡系統(tǒng)聚焦平面與信息平面間偏差的尺寸和方向的信息信號。一對獨立的探測器與每束次級光相關(guān)聯(lián)，與同一對探測器有關(guān)的各探測器輸出信號之間的差值信號是使掃描光束在信息平面上聚焦的量度單位。
除了聚焦誤差信號，所考慮的裝置中還應(yīng)發(fā)生一個跟蹤誤差信號。跟蹤誤差是掃描光點的輻射分布中心與被讀取的信息徑跡區(qū)段或者被寫入的徑跡區(qū)段中心之間的偏差。按照4665310號美國專利所描述的裝置，跟蹤誤差是由檢測聚焦誤差用的同一探測器進行檢測的。
為了這一目的，在已知的裝置中，衍射光柵以如下方式定向，使構(gòu)成光柵的兩個分光柵之間的分界線在掃描的范圍內(nèi)與徑跡方向平行。通過測定每個探測器對的總輸出信號，再使這些總信號彼此做減法運算來獲得跟蹤誤差信號。按照第4665310號美國專利所述，在通常所說的單光點系統(tǒng)中，特別是由于掃描光束中不對稱能量分布的結(jié)果，跟蹤誤差信號中可能發(fā)生偏差或通常所說的偏移。用來使掃描光點對準徑跡中心的跟蹤伺服系統(tǒng)可以是通常所說的兩級系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，通過移動與徑跡有關(guān)的滑動支承物，如輻射源和物鏡系統(tǒng)實現(xiàn)掃描光點的粗調(diào)，掃描光點的微調(diào)則通過移動譬如與滑動有關(guān)的物鏡系統(tǒng)來實現(xiàn)的。所說這個移動，可能對跟蹤誤差信號引起進一步的偏差。為防止這一偏差或?qū)λM行補償，實際上必須進行其它的測量。此外，當用同一個探測器產(chǎn)生聚焦誤差信號和跟蹤誤差信號時，聚焦誤差可能影響跟蹤誤差信號，或相反地，跟蹤誤差可能影響聚焦誤差信號。
本發(fā)明的目的在于提供一種上述類型的裝置，該裝置克服了上述缺點并由一種新的聚焦誤差探測系統(tǒng)和跟蹤誤差探測系統(tǒng)的組合組成。該裝置的特征在于在輻射源和第一衍射元件之間設(shè)置第二單獨的衍射元件，用于將來自輻射源的光束分成掃描光束及兩束輔助光，這些光束在信息平面內(nèi)分別形成掃描光點和兩個輔助光點，其中組合探測系統(tǒng)包括使輔助光點重新成象的附加探測器，而且第二衍射元件是如此之小并被置于使得被第一衍射元件衍射的光束不能到達該第二衍射元件的位置上。
通過使用與分離的探測器相配合的兩束輔助光，能從所產(chǎn)生聚焦誤差中消除跟蹤誤差信號的產(chǎn)生，從而減小了這些信號之間相互影響的危險，組合衍射元件之間的分界或常常無需平行于徑跡方向，從而使跟蹤誤差影響聚焦誤差信號的危險減小，這又為設(shè)計提供更多的自由度。
值得注意的是，美國第3876842號專利中描述了一種掃描裝置，其中使用衍射光柵來形成掃描光束和兩束輔助光，又用一個單獨的探測器與每一束輔助光關(guān)聯(lián)，輔助光束用來產(chǎn)生跟蹤誤差信號。然而這種公知的裝置沒有使用組合式衍射元件將來自記錄載體的光束與射向記錄載體的光束分開以及賦予反射光束一個適合于檢測聚焦誤差的形狀。
本發(fā)明的基本點在于單個衍射元件是如此之小并被置于輻射源和組合衍射元件之間的位置上，使來自最后提到的元件并射向探測系統(tǒng)的輻射通過單個衍射元件后不被分成更多的次級光束。其次，在探測系統(tǒng)上形成的輻射光點數(shù)目受到限制，以便使該系統(tǒng)的幾何形狀保持相對簡單。此外，產(chǎn)生差值信號所需的輻射光點的能量仍然是足夠大的。
按照本發(fā)明，存在兩類上述裝置的實施例。第一類的特征在于，一般來說兩個衍射元件是能透過輻射的。兩個衍射元件上下放置并與其它元件，如輻射源及探測系統(tǒng)等放在一起，它們可以被置于一個狹窄的管狀支持物中。
第二類實施例的特征在于，通常兩個衍射元件中至少有一個是反射元件。
第一個第二類實施例的特征在于第一衍射元件是反射元件，第二衍射元件是能透過輻射的。
這樣，第一衍射元件還起折疊式反射鏡的作用，因而可限制掃描裝置的高度。
第二個第二類實施例的特征在于第一衍射元件是能透過輻射的，第二衍射元件是反射的。
這樣，第二衍射元件可以形成大反射元件的一部分，所述的大反射元件反射由第一衍射元件偏轉(zhuǎn)的輻射光，越出第二衍射元件的范圍朝向靈敏輻射探測系統(tǒng)。
第三個第二類實施例的特征在于第一和第二衍射元件都是反射的。
這樣，兩個衍射元件都起折疊式反射鏡的作用，從而使掃描裝置的高度被限制到最小。
本發(fā)明所用的裝置中，輻射源最好是二極管激光器，而且靈敏輻射探測系統(tǒng)由光電二極管、激光二極管，及置于外殼一側(cè)的一個部件上的光電二極管組合而成，這個外殼相反的一側(cè)有一個輻射窗。如果第一和第二衍射元件是能透過輻射的，則這個裝置的特征就可以是，將第二衍射元件裝在外殼里面，而第一衍射元件被固定地連接到外殼的能透過輻射的一側(cè)。
第一衍射元件可以放在與外殼的輻射窗離開一段距離的位置上，也可以通過一個環(huán)形物與外殼相連。另一種可能性是將該衍射元件設(shè)置在輻射窗上。也可以使第一衍射元件成為輻射窗的一部分。所說的第一外殼可以被固定在第二外殼中，第二外殼的轉(zhuǎn)彎處有一個輻射窗。于是，第一衍射元件可以設(shè)置在這個窗上或成為該窗的一部分。
通過使用上述可能的結(jié)構(gòu)形式可以給出一種密集型掃描裝置。
就有利于裝配而言，這個裝置的實施例的更進一步的特征在于準直透鏡是與外殼固定相連的。
該準直透鏡可以通過一個環(huán)形物固定地連接到第一外殼，在第一外殼上或第一外殼中設(shè)有第一衍射元件。對準直透鏡來說，還有另一種可能性，即可構(gòu)成第二外殼輻射透射的終結(jié);第一外殼固定在第二外殼中。如果第一衍射元件成為第二外殼的一部分，則準直透鏡可以作為第三外殼輻射透射的終止;第二外殼固定在第三外殼中。
在這個裝置中，物鏡系統(tǒng)被設(shè)置在輻射光路中準直透鏡后面。如美國第4668056號專利中所描述的那樣，該物鏡系統(tǒng)可以是具有至少一個球形表面的單透鏡，該單透鏡也能起準直透鏡的作用。美國第4668056號專利中所描述的這種技術(shù)可以用來改進本發(fā)明所述裝置裝配的密集化和簡易性。該裝置的特征在于物鏡系統(tǒng)以單獨物鏡透鏡的方式固定地與外殼相連。
該單獨物鏡透鏡可以上述準直透鏡相同的方式與外殼相連。
按照本發(fā)明所述的裝置可以使用不同的聚焦誤差檢測方法。在實施例中采用的第一種可能的檢測方法的特征在于，第二衍射元件是具有常數(shù)光柵周期的衍射光柵，該光柵的光的柵條紋實際上垂直于有效徑跡方向，而其中的第一衍射元件是具有不同光柵周期的衍射光柵，其中的組合探測系統(tǒng)由4個探測器組成，這些探測器圍繞著由第一衍射光柵偏轉(zhuǎn)的掃描光束的主光線安置在4個不同的象限中，再成象的掃描光點形狀由所述的探測器確定。
本說明書所用的與衍射光柵以及組合探測系統(tǒng)有關(guān)的術(shù)語“有效徑跡方向”，可以理解為是指徑跡在與掃描光點范圍內(nèi)的徑跡部分有關(guān)的元件上的投影方向。由于第二衍射光柵的光柵條紋以與有效徑跡方向幾乎成90°的角度延伸，所以由該光柵形成的輔助光束在信息平面上的輔助光點依次定位在徑跡方向上。因所說的角度與90°偏離幾度，就可做到將一個輔助光點定位在徑跡的第一邊沿而另一輔助光點定位在徑跡的第二邊沿上。
具有不同光柵周期的光柵將衍射的掃描光束變換成象散光束，并根據(jù)掃描光束在信息平面上的聚焦程度來確定重新成象的掃描光點的形狀。
就聚焦誤差而言，該掃描光點被變形成橢園光點，它的主軸取決于散焦符號，被定在兩個相互垂直的，以下稱之為象散方向之一。在四象限探測器中分離的光柵條紋與象散方向成大約45°的角度方向延伸。
帶有象散第一光柵的掃描裝置的第一個實施例的特征在于，第一光柵具有直線光柵條紋和線性變化的光柵周期。
在該實施例中，象散方向與第一光柵的光柵條紋方向平行或者垂直。如果光柵條紋平行于或垂直于有效徑跡方向，分離的條紋則以相對于有效徑跡方向成45°的角度延伸。這樣，跟蹤誤差就會影響聚焦誤差信號。
上述現(xiàn)象在掃描裝置中被避免，所述掃描裝置的特征在于，第一光柵的各個條紋是彎曲的;而且四象限探測器的4個探測器之間的分離條紋分別與有效徑跡方向行或垂直。
將這種不僅具有彎曲條紋而且也有非線性變化周期的，通常也被稱作綜合衍射圖(全息照相)的特殊光柵置于象散方向，以便使四象限探測器中的分離條紋分別平行、垂直于有效徑跡方向，從而避免了跟蹤誤差對聚焦誤差信號的干擾。
可以注意到，將具有線性變化光柵周期的光柵與生成聚焦誤差信號的四象限探測器結(jié)合起來使用的技術(shù)已由第4358200號美國專利公開。然而，該專利的裝置沒有包括用于形成兩束輔助光的第二衍射光柵。
就溫度敏感和容易控制而言，比上述被稱為象散法優(yōu)越的第二種檢測聚焦誤差的可能性，可通過實施例來了解它。所說實施例的特點在于第一衍射元件是一個組合光柵，它由兩個分光柵組成，將被偏轉(zhuǎn)的掃描光束分成兩束次級光束，其中的組合探測系統(tǒng)包括兩個探測器對，第一和第二次級光束分別與第一和第二探測器對相配合。
在該裝置中，掃描光點在探測器對上重新成象為兩個輻射光點。每個輻射光點在與探測器對相關(guān)聯(lián)的分離條紋的橫向移動，與掃描光束相對于信息平面的聚焦誤差有關(guān)。所述的位移可通過比較各探測器的輸出信號進行檢測。這種聚焦誤差檢測法被稱之為雙傅科法。
上述裝置的最佳實施例的特點在于各分光柵具有變化的光柵周期，并且各分光柵的光柵條紋是彎曲的。
由于變化的光柵周期和彎曲的光柵條紋，特別是由于物鏡系統(tǒng)及光柵的組件成象距離與二極管激光器和探測器之間沿光軸方向的距離相適應(yīng)，使得組合光柵具有透鏡的作用，而且通過沿分光柵分界線的方向上移動光柵，使得輻射光點的能量分布關(guān)于相關(guān)探測器對對稱。如果光電二極管形式的探測器和二極管激光器結(jié)合成一個部件并相互固定的話，這一點就特別重要了。具有變化的光柵周期和彎曲的光柵條紋的組合光柵通常也稱之為綜合衍射(全息照相)光柵，它使校正諸如彗形象差和象散等成象誤差成為可能;使用有直線光柵條紋的光柵時，可能發(fā)生這種誤差。
原則上講有兩個使用傅科聚焦誤差檢測法的掃描裝置的實施例。第一個實施例的特征在于一個分光柵的光柵條紋和另一個分光柵的光柵條紋一樣具有相同的主方向;各分光柵的平均光柵周期是不同的;此外其中的探測器對沿與各分光柵之間的分界線相平行的方向上并列設(shè)置。在該實施例中，掃描光束的次級光束沿同一方向但不同的角度衍射。
第二個實施例的特征在于各分光柵具有相同的平均光柵周期，當一個分光柵的光柵條紋主方向以第一角度延伸時，另一個分光柵的條紋主方向以第二角度向兩個分光柵的分光柵的分界線延伸;此外其中的探測器對沿與所述分界線方向相垂直的方向并排設(shè)置。這里掃描光束的次級光束優(yōu)先以相同的角度但沿不同的方向上被衍射。由于該實施例具有更好的裝配公差，調(diào)節(jié)方便而且穩(wěn)定性也好，因而它優(yōu)于前面的實施例。
第三個使用傅科聚焦誤差檢測方法的掃描裝置實施例的特征在于，第一分光柵的光柵條紋主方向以第二角度向各分光柵之間的分界線延伸;此外兩個分光柵的平均光柵周期是不同的，還有其中的探測器對在與所述分界線的方向相平行及垂直的方向上占有不同的位置。
這個實施例可以看作是上述第一及第二實施例的結(jié)合。
就組合探測系統(tǒng)的探測器相互位置而言，用傅科聚焦誤差檢測方法的掃描裝置可以得到各種實施例。所述的位置取決于第一和第二衍射光柵的光柵條紋方向和光柵使光束偏轉(zhuǎn)的角度。
第一實施例的特征在于，沿與有效徑跡方向垂直的方向上看到的組合系統(tǒng)中，用來接收第一和第二輔助光束的第一和第二探測器分別固定在兩個并排放置的探測器對的第一和第二側(cè)面。
在該實施例中，第一衍射光柵使次級掃描光束偏轉(zhuǎn)的角度小于第二衍射光柵使輔助光束偏轉(zhuǎn)的角度。
一個上述情況以外的實施例中，第一衍射光柵的衍射角度具有更大選擇自由度，這個實施例的特征在于組合式靈敏輻射探測系統(tǒng)中，分別為第一和第二輔助光束設(shè)置了第一和第二以及第三和第四探測器，每束輔助光被第一衍射光柵分成兩束次級光，而且沿垂直于有效徑跡方向所看到的四個探測器和兩個探測器對依次并排設(shè)置，其順序為第一探測器，第一探測器對，第三探測器、第二探測器，第二探測器對和第四探測器。
就第一衍射光柵的衍射角度的選擇自由度而言，一個經(jīng)過變形的實施例，其特征在于第一衍射光柵的光柵條紋實際上平行于第二衍射光柵的光柵條紋，而且沿著有效徑跡方向所看到的用于第一輔助光束的第一探測器和用于第二輔助光束的第二探測器固定在兩個探測器對的不同側(cè)面，沿與徑跡方向垂直的方向上看，探測器對是并排設(shè)置的。
在該裝置的另一個變形的實施例中，探測器對在與有效徑跡方向平行及垂直的方向上占據(jù)不同的位置，該實施例的特征在于在組合探測系統(tǒng)中，分別為第一和第二輔助光束設(shè)置了第一和第二，第三和第四探測器，每束輔助光被第一衍射光柵分成兩束次級輔助光束，沿與有效徑跡方向垂直的方向上看，其中第一和第三探測器固定在第一探測器對的兩個側(cè)面，而第二和第四探測器固定在第二探測器對的兩個側(cè)面。
在該裝置的另一個實施例中，探測器對沿與有效徑跡平行的方向并排設(shè)置。該實施例的特征在于，在組合探測系統(tǒng)中，分別為第一和第二輔助光束設(shè)置了第一和第二，第三和第四探測器，每束輔助光由第一衍射光柵分成兩束次級輔助光，沿與有效徑跡方向相垂直的方向上看，其中第一和第三探測器固定在第一探測器對的兩個側(cè)面而第二和第四探測器固定在第二探測器對的兩個側(cè)面。
實踐過程中，在利用由衍射光柵組成掃描裝置來產(chǎn)生掃描光束和兩束輔助光，以及由衍射光柵組成掃描裝置用于光束分離和聚焦誤差檢測的方面取得了滿意的經(jīng)驗。不過，已發(fā)現(xiàn)使用光柵可能產(chǎn)生偏差，特別是在已產(chǎn)生的聚焦誤差信號中，該偏差實際上保持在為上述信號而規(guī)定的公差范圍內(nèi)，其它可能出現(xiàn)的偏差的公差范圍則很小。上述偏差不僅可以是靜態(tài)誤差，特別是由于安裝誤差引起的，而且也可以是動態(tài)誤差，后者可以因光學(xué)部件的相對移動也可因電子處理線路中的變化調(diào)節(jié)而產(chǎn)生。
眾所周知，由實踐中常用的二極管激光器所發(fā)射光的波長可因諸如溫度變化而變化。此外，用同樣工序在不同情況下生產(chǎn)的二極管激光器的波長可能是互不相同的。掃描光波長的變化導(dǎo)致了由分柵衍射的次級光束角度的改變，同時導(dǎo)致輻射光點在探測器對上的位置改變。
為防止這些位置變化影響已產(chǎn)生的聚焦誤差信號，掃描裝置進一步特點在于，對于每個探測器對而言，如果掃描光束在信息平面上聚焦達到最佳程度，則兩個探測器之間的分離條紋以一銳角延伸到連接二極管激光器的發(fā)射輻射的表面中心與相關(guān)的探測器對上形成的輻射點的密度分布中心所占位置的連線上。
每個探測器對的分離條紋以這樣一種方式來安排沿著分離條紋的方向發(fā)生輻射光點的密度分布中心的位移，該位移與引起波長變化有關(guān)，所以這個位移不會導(dǎo)致在各探測器的那邊密度分布的變化，因而不會影響聚焦誤差信號。
當使用的探測器對中帶有斜分離條紋的組合探測系統(tǒng)時，沿所說的分界線測得的兩個探測器對的中心與二極管激光器的發(fā)射輻射的表面的中心之間的距離應(yīng)非常精確地校正，所以最好使用另一種可能性來修正波長的變化。這種可能的掃描裝置的特征在于兩個探測器對的分離條紋原則上平行于連接二極管激光器的發(fā)射輻射表面的中心與組合式靈敏輻射探測系統(tǒng)中心的連接線。在探測器對中帶有直線分離條紋的上述系統(tǒng)為光學(xué)元件在掃描裝置中的位置提供了較寬的公差范圍。
下面將參照附圖對本發(fā)明的實施例進行更為詳細的描述。


圖1表示按照本發(fā)明的裝置的示意圖;
圖2是用來產(chǎn)生聚焦誤差信號的第一衍射光柵和相關(guān)的組合探測系統(tǒng)的第一實施例透視圖;
圖3a和圖3b表示當出現(xiàn)聚焦誤差時，探測系統(tǒng)中輻射光點的變化;
圖4a和圖4b分別是用來形成輔助光束的光柵和部分徑跡結(jié)構(gòu)的平面視圖;
圖5示意的方式表示用組合式衍射光柵怎樣衍射和分離掃描光束及輔助光束，以及在組合探測器上形成的輻射光點的位置;
圖6表示與圖2的光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng)的第一實施例;
圖7、8和9表示按照本發(fā)明的整體掃描裝置的第一、第二和第三實施例;
圖10和11表示與圖2的光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng)的第二和第三實施例;
圖12表示用于產(chǎn)生聚焦誤差信號的衍射光柵的第二實施例;
圖13表示與圖12光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng)的實施例;
圖14表示用于產(chǎn)生聚焦誤差信號的衍射光柵的第三實施例;
圖15表示與圖14光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng)的實施例;
圖16表示當出現(xiàn)聚焦誤差時輻射光點中心位置的變化;
圖17表示就圖16的變化做了校正的兩個探測器對的組件;
圖18表示兩個探測器對的校正組件的第二個優(yōu)選實施例;
圖19表示產(chǎn)生聚焦誤差信號的象散光柵的第一實施例;
圖20表示與圖19光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng);
圖21表示象散光柵的第二實施例;
圖22表示與圖21光柵相關(guān)的組合探測系統(tǒng);
圖23表示具有反射第一光柵的掃描裝置的實施例;
圖24表示具有反射第二光柵的掃描裝置的實施例;
圖25表示具有反射第一和第二光柵的掃描裝置的實施例;
圖26表示由二極管激光器、復(fù)合光電二極管和控器光電二極管組成的組合半導(dǎo)體元件的透視圖;
圖27是圖26元件及第一光柵、第二光柵的截面圖;
圖28表示按照本發(fā)明的整體掃描裝置的一部分的更進一步的實施例。
圖1表示帶有反射輻射的信息平面2的一小段光學(xué)載體1的橫切面。該圖表示一條信息徑跡3，它交替地隨著底留4帶下痕跡，這點圖中未示出。信息徑跡3沿著徑跡方向由中間區(qū)段3b相間的多個信息區(qū)段3a組成。沿著徑跡方向以信息區(qū)段和中間區(qū)段連續(xù)地記錄信息。信息平面由自輻射光源7，比如一個二極管激光器發(fā)射的光束b所掃描。這束光由物鏡系統(tǒng)8在信息平面中聚焦一個小掃描光點S1，物鏡系統(tǒng)8被示意地表示成一個單個透鏡。物鏡系統(tǒng)前可有一個單獨的準直透鏡。成象系統(tǒng)可用組合式準直儀-物鏡系統(tǒng)替換而成，如圖1所示。隨著記錄載體繞著與光學(xué)軸AA′平行的軸5旋轉(zhuǎn)，徑跡3被掃描，同時讀出光束被該徑跡所包含的信息調(diào)制。通過沿徑向彼此相對地移動記錄載體和讀出頭來掃描整個信息平面，讀出頭由光源7，物鏡系統(tǒng)8及檢測系統(tǒng)11組成。
被反射并由信息表面調(diào)制的光束應(yīng)當被檢測，因而這束光須從投射光束分離開。所以，這個裝置應(yīng)當包括一個分離光束的元件。
為了讀出具有詳細信息細節(jié)的信息結(jié)構(gòu)，譬如1μm量級的細節(jié)，就需要一個具有大數(shù)值孔徑的物鏡系統(tǒng)。這樣的物鏡系統(tǒng)的焦深很小。由于信息平面2與物鏡系統(tǒng)8之間的距離可能發(fā)生變化，而且這一變化比焦深大，所以要采取一些步驟來檢測這些變化并相應(yīng)地校正聚焦。為此，這種裝置可帶有分束器，將反射的光束分成兩束次級光束，還帶有譬如兩個探測器對，其中第一對與第一次級光束配合，第二對與第二次級光束配合。這些探測器的輸出信源被加工成形，特別被加工成聚焦伺服信號。
正如美國專利4，665，301所述那樣，光束的分離與分裂可借助一個單獨的元件，也即透明光柵來實現(xiàn)。這個光柵把由信息平面2反射并通過物鏡系統(tǒng)8的光束分成未被衍射的零級光束和許多一級光束及更高的次級光束。這些光束之一，最好是一級光束入射到靈敏輻射探測系統(tǒng)11上并用來產(chǎn)生特別是聚焦誤差信號。光柵參數(shù)，其中值得注意的是光柵條紋寬度與中間光柵條紋寬之比，以及光柵刻槽的深度和形狀，它們可以選成使輻射量的最大值到達探測系統(tǒng)。
從圖2所示的透視圖中可看到一個公知的靈敏輻射探測系統(tǒng)11及相關(guān)的光柵9。光束b通過它在光柵9范圍內(nèi)的截面的方法來表示。光柵9由兩個分光柵12和13組成，分光柵由界線25彼此隔開。各分光柵的光柵條紋分別由參考數(shù)碼14和15指示。這些光柵條紋由中間條紋16和17分開。在這個實施例中，各分光柵具有相同的光柵周期，不過分光柵12的彎曲光柵條紋14的主方向以第一角度延伸到分界線25，而第二個分光柵13的彎曲光柵條紋15的主方向以最好是同樣大小但相反的第二角度延伸到分界線。次級光束基本上沿著與這些主方向橫切的方向被衍射。由于這些主方向不同，次級光束ba和bb以不同的角度在YZ平面上被衍射。這意味著在探測器平面，即XY面內(nèi)，輻射光點Sa和Sb沿著Y方向彼此相對地移動。在這幅圖以及別的圖中，參考符號X、Y和Z是座標系的軸，座標原點O與二極管激光器7的發(fā)射輻射面的中心重合。
由光電二極管18、19和20、21形成的靈敏輻射探測器以窄條紋22和23相分隔，它們分別與每條次級光束ba和bb相聯(lián)系。這些探測器是這樣安置的在校正光束b在信息平面2上聚焦特情況下，由次級光束ba和bb所形成的輻射光點Sa和Sb的強度分布分別相對于探測器18、19和20、21為對稱的。當存在聚焦誤差時，輻射光點Sa和Sb會非對稱地變大，恰如圖3a和3b所示的那樣。這些圖表示一個公知的組合式探測器，即其分離條紋22和23分別以角度+φ和-φ向點O與組合式探測器11的中心M間的連線CL延伸，這條連線與圖2和3中的探測器對18、19及20、21間的隔離條紋24重合。在圖3a中，光束b的焦點位于信息平面2前面的一個平面中，而圖3b表示光束b的焦點位于信息平面后面的一個平而中。
如果用S18、S19、S20和S21分別表示探測器18、19、20和21的輸出信號，則聚焦誤差信號Sf由下式給出Sf＝(S18+S21)-(S19+S20)。
與讀出的信息成正比的信號，或者信息信號Si由下式給出Si＝S18+S19+S20+S21。
除了掃描光束聚焦的偏差之外，還應(yīng)檢測掃描光點中心和掃描徑跡中心線之間的偏差。上述偏差引起已讀出的信息信號幅值的縮減，并造成并列的徑跡之間相互影響。這樣的偏差也稱的跟蹤誤差，可通過沿著徑向，即X方向移動整個讀出頭或只移動物鏡系統(tǒng)來校正。
按照本發(fā)明，這個信號，即跟蹤誤差信號可借助第二衍射元件(最好是一個衍射光柵)和一個適宜的靈敏輻射探測系統(tǒng)而獲得。圖1中用參考標碼10表示第二光柵。正如該圖所示的，這個光柵將光束b分成一個未衍射的零級光束b1，一個衍射成+1級的光束b2，一個衍射成-1級的光束b3，還分成多個衍射成更高級的光束。最后提到那些光束對于本發(fā)明而言并不重要，因為大部分被衍射到物鏡系統(tǒng)8的外面，而且強度很低。光柵10是整個的，也即完整的光柵，它具有直的光柵劃線和常數(shù)光柵周期。這個光柵的參數(shù)，值得注意的是光柵條紋的寬度與中間光柵條紋的寬度之比，還有光柵刻槽的深度和形狀，基本上可以這樣來選擇入射光束b的全部輻射都轉(zhuǎn)移給光束b1、b2和b3。不過，應(yīng)該保證光束b1的強度比光束b2和b3大數(shù)倍，比如大6倍。
光束b1是主光束或者是掃描光束并在信息平面2內(nèi)形成掃描光點S1。光束b2及b3為輔助光束，它們被物鏡系統(tǒng)8聚焦成信息平面里的兩個輔助光點S2和S3。由于輔助光束b2和b3以相反的角被光柵10所衍射，所以沿徑跡方向看到的輔助光點S2和S2位于掃描光點S1的兩側(cè)。
光柵10的光柵條紋的方向與有效的跟蹤方向間的夾角為90-α，其中α就像圖4a所表示的那樣小。這幅圖表示帶光柵條紋101和中間條紋102的光柵10的一部分的平面視圖。3′線是掃描徑跡中心線在光柵10平面內(nèi)的投影。這條線代表有效徑跡方向。適當選擇α角，則如圖4b所示那樣，如果掃描光點S1和中心位于掃描徑跡的中心線上，那么輔助光點S2的中心位于該徑跡的一個邊緣上，而輔助光點S3的中心位于該徑跡的另一邊緣上。在靈敏輻射探測系統(tǒng)11中對每束輔助光束都存在一個分立的探測器。在圖4b所示的情況中，輔助光點S2和S3以同樣的程度蓋住徑跡，所說探測器的輸出信號相等。發(fā)生跟蹤誤差時，一個輔助光點的中心就朝徑跡的中心線位移，而另一個輔助光點的中心自該中心線移開，所說的分離探測器的輸出信號變得不相等。于是，這些探測器輸出信號之間的差代表跟蹤誤差信號。
由信息平面反射的掃描光束及兩束輔助光束都投射到第一光柵9上，圖1中僅表示出輔助光束邊緣的光線。這個光柵以有如圖2關(guān)于光束b所描述的那種方式對這些光線的每一束進行同樣的處理。每束光大部分沿探測器的方向被衍射，同時再被分成兩束次級光束。為清楚起見，圖5中分別表示了這種沿著Y方向?qū)崿F(xiàn)的分裂。這幅圖表明光柵9由兩個分光柵12和13組成，光柵12和13相對于圖2所示的情況轉(zhuǎn)過90°。在光柵9的范圍內(nèi)，被反射的掃描光束及兩條輔助光束的截面分別用實線園圈b1、半實線園圈b2和半虛線圓圈b3表示。光柵9分別將光束b1、b2、b3分裂成兩個次級光束b1.1，b1.2;b2.1，b2.2和b3.1，b3.2。分光柵12將次級光束b1.1，b2.1和b3.1偏向右邊，各次級光束在組合探測器11上聚焦成輻射光點S1.1，S2.1和S3.1。分光柵13將次級光束b1.2，b2.2和b3.2偏向左邊，各次級光束被聚焦成輻射光點S1.2，S2.2和S3.2。這個組合探測器包括關(guān)于輻射光點S1.1和S1.2的兩個探測器對18，19和20，21，以及一個關(guān)于輻射光點S2.1和S2.2的探測器30。還有一個關(guān)于輻射光點S3.1和S3.2的探測器。
圖6也表示所形成的輻射光點及相關(guān)的探測器。這幅圖還表示二極管激光器7的發(fā)射輻射的表面相對于組合探測器是怎樣安排的。如果用S30和S31分別代表探測器30和31的輸出信號，那么跟蹤誤差信號Sr就由下式給出
Sr＝S30-S31。
聚焦誤差信號仍然是Sf＝(S18+S21)-(S19+S20)這時信息信號Si就由下式給出Si＝S18+S19+S20+S21.
按照本發(fā)明的裝置的特點在于探測器上輻射光點的數(shù)目被限制在對于所需要的作用講大體上是最小的必需數(shù)目。因此，就做到探測系統(tǒng)可保持相對簡單而該系統(tǒng)上的輻射光點的強度足夠大，致使探測器的輸出信號足夠強。
為了檢測聚焦誤差，按照傅科法，被反射的掃描光束(b1)應(yīng)被分成兩束次級光束。由于被反射的輔助光束(b2，b3)也必須通過組合光柵9，這些光束也不可避免地被分成兩束次級光束，所以最終產(chǎn)生六束光束。按照本發(fā)明采用特殊的步驟來達到光束的數(shù)目被限制在這個最小的數(shù)目，而不管有兩個衍射光柵沿輻射途徑前后排列著這樣的事實。
原則上講，第二光柵(10)可放在第一光柵(9)上面。于是，由光柵10形成的三束光b1、b2、b3經(jīng)記錄載體反射之后重新通過這個光柵，進而被分裂成九束光束。繼而，這些光束通過光柵9產(chǎn)生總數(shù)為18條光束。將光柵10放在光柵9的下面，光束的這個數(shù)目可受到限制。沒有進一步的措施，以這種配置光束的數(shù)目會還要變得很大。事實上，從光柵9來的光束后來通過光柵10并進一步被分裂，結(jié)果入射到探測系統(tǒng)的光束多于六束。通過將光柵10放在一個隔絕輻射光源7的位置上并使它小到從光柵9來并指向探測系統(tǒng)11的光束不更長地穿過光柵10，就可以防止這一點。
已采取措施來防止激光光束在其自輻射光源到達信息平面的投射過程中分裂得太多。正如已經(jīng)指出的，要保證光柵10將輻射盡可能多地集中于掃描光束及兩條輔助光束中。組合光柵9具有這樣的結(jié)構(gòu)，使得這個光柵在這些光束到達信息平面的途中將輻射衍射成第一級和更高級別的輻射，所說的信息平面離開輻射光點S1在相對地較大的距離處;此外，在經(jīng)信息平面反射并第二次通過光柵9之后，所說的較高級別的輻射對于所需要的信號的影響是微不足道的。
上面所提到的有關(guān)利用傅科聚焦誤差檢測法的裝置當然也可應(yīng)用到使用象散聚焦誤差檢測的裝置上，在此理解基礎(chǔ)上，最后提到的裝置里的探測系統(tǒng)上的輻射光點數(shù)目原則上是更小的，因為第一光柵不被細分。
圖7表示不同的部件，如二極光激光器7，第一光柵9，第二光柵10以及組合探測器是怎樣在空間彼此相對配置的。元件7、10和11可被排布在一個支承物40中，支承物40帶有外殼41及基板42。頂部有透明窗53將支承物封閉，透明窗上可布置第一光柵9。支承物底部的插腳43～52用來給二極管激光器7供電和控制它，以及接收來自不同探測器的信號。支承物40可為壓塑的，其高度約為10～15mm量級，直徑可為9～10mm量級。代替窗53上的布置，可將光柵9與這個窗合為一體。
也可以只把部件7和11排布于外殼中，而將光柵10置于這個外殼的一個透明窗上或者里面。之后，光柵9與這個外殼用一根環(huán)圈相連接。
為將掃描元件不同部件進一步整體化，圖7的支承物40可被安置在第二支承物55里面，如同圖8所示的那樣。這個帶有外殼56和底環(huán)57的支承物的頂部由一個準直透鏡59封閉。這種結(jié)構(gòu)保證了準直透鏡62相對于部件7、9、10和11的穩(wěn)定性。
準直透鏡不僅可借助于支承物連到支承物40的頂部，也可借助一個圓圈實現(xiàn)。
圖8的實施例中，物鏡系統(tǒng)61安排在準直透鏡與記錄載體之間。如果準直透鏡與物鏡系統(tǒng)的作用可結(jié)合到一個單獨的透鏡中，就像是美國專利4，668，056中所描述的，而且這個單獨的透鏡被安排在圖8所示的支承物55中準直透鏡59的位置，那就可以實現(xiàn)進一步的整體化。圖9便表示這樣一個完全整體化的掃描裝置，其中組合的準直-透鏡用參考標碼62指示。這個透鏡也可以借助一個圓圈與支承物40相連接。
在圖5和6所表示的實施例中，“傅科輻射光點”S1.1和S1.2一邊是輔助光點S2.1和S2.2，另一邊是輔助光點S3.1和S3.2，這樣安排的優(yōu)點在于對于一對輔助光點只需要一個探測器，次級光束b1.1和b1.2之間夾角的選擇以及因此光柵條紋14和15之間夾角的選擇都被限定。圖10為一個實施例的組合探測系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，就方位而言它給出較大的自由選擇度。在這個實施例中，由光柵9在探測系統(tǒng)11的平面中所造成的分離比由光柵10所造成的分離大。因此，輻射光點S1.2和S1.1彼此間距離比輻射光點S1.2，S2.2，和S3.2彼此間的距離大，或者比輻射點S1.1、S2.1和S3.1彼此間的距離大，或者比輻射點S1.1、S2.1和S3.1彼此間的距離大。對每一個輻射點S2.2、S2.1和輻射點S3.2及S3.1都應(yīng)當提供單獨的探測器。
一個實施例，其中對于輻射光點S2.2和S2.1和輻射光點S3.2及S3.1只需要一個探測器，而次級光束b1.1和b1.2之間夾角的選擇還要有足夠的自由度，這樣的實施例中光柵10再由光柵9造成不同方向的光束分離。這個實施例相應(yīng)于圖1與圖2相結(jié)合所表示的。圖11表示這個實施例的探測器的幾何結(jié)構(gòu)而無需任何更多的說明。
不止圖2的組合光柵，還有圖12所示的光柵9都可用于產(chǎn)生聚焦誤差信號。這幅圖只以其在光柵平面中的截面方式表示了掃描光束b1，這束光帶有次級光束b1.1和b1.2。這時，兩個分光柵12和13的彎曲光柵條紋的主方向最好以同一角度向分界線25伸展，但兩個分光柵的平均光柵周期是不相同的。因此，次級光束b1.2的被衍射角度與次級光束b1.1被衍射的角度不相同。這意味著輻射光點S1.1和S1.2在探測器18、19、20及21的平面中沿著分界線25的方向彼此相對地位移。
按照本發(fā)明，圖12所示的光柵也可以與形成兩束輔助光束的光柵相組合。假若由最后所說的光柵引起Y方向的衍射，而圖12所示的光柵引起X方向的衍射，則探測系統(tǒng)具有如圖13所示的幾何結(jié)構(gòu)。
圖14表示用來產(chǎn)生傅科聚焦誤差信號的組合光柵9的第三個實施例。對于這個光柵，兩個分光柵12和13的光柵周期以及最佳彎曲光柵條紋的主方向都是不同的。假設(shè)這個光柵的作用是按照圖2和12光柵作用的結(jié)合。因此，圖14的光柵沿兩具互相垂直的方向，通過與分光來b1.2不同的角度衍射分光來b1.1。輻射光點S1.1和S1.2在組合探測器11的平面里沿著兩個互相垂直的方面彼此相對位移。如果一個帶有照圖14的光柵的掃描裝置具有按照本發(fā)明的第二光柵用以形成兩個輔助光束，其中最后提到的光柵引起沿Y方向的衍射，那么探測系統(tǒng)就應(yīng)當具有圖15所示的幾何結(jié)構(gòu)。
應(yīng)當指出，最好選用圖2的組合衍射光柵而不用圖12或14的，因為它有較寬的允許制造編差，調(diào)整較為方便以及較好的穩(wěn)定性。
分光柵12和13可具有直線光柵條紋以及常量光柵周期。不過，優(yōu)先使用一類也被稱之為全息照相的光柵，它具有變化的光柵周期，其周期的變化達到平均光柵周期的百分之幾的量級。此外，就像圖2、12和14所示的那樣，它的兩個分光柵的光柵條紋是彎曲的。因而，這些分光柵具有可變透鏡的作用。由于變化的光柵周期，輻射光點S1.1和S1.2的位置可通過光柵9在它自身的平面內(nèi)的位移而改變。利用光柵條紋的彎曲可使沿與分界線25方向垂直的方向上的光行差成為最小。如果使用集成激光器光電二極管單元，也就是這樣一個元件，其中二極管激光器與光電探測器布置在一個支架上，彼此相對地固定，而且沿Z方向具有固定的相互距離，那么輻射光點位置可能移動這一點就尤其重要了。這個距離屬于制造允許誤差，而且在裝配本裝置期間可以不必通過沿著Z方向相對于激光器二極管移動光電二極管以校正之。
在圖12和14的實施例中，盡管由于分光柵12和13的平均光柵周期不同，使得次級光束，特別是b1.1和b1.2沿著不同的角度被衍射，仍可以保證這些次級光束的焦點位于一個與組合探測系統(tǒng)的平面平行的平面里，更準確地說給光柵周期和各分光柵相應(yīng)部分光柵條紋的曲率以一個不同的變化即可確保這一點。
具有彎曲光柵條紋的衍射光柵與帶有直線光柵條紋的光柵相比的一個重要優(yōu)點在于在先提到的光柵中可以避免各種光學(xué)象差，比如慧差以及象散現(xiàn)象，它們是使用后一種光柵時所可能發(fā)生的，因為在制造前一種光柵時已考慮這些象差而且考慮了相應(yīng)的光柵條紋的曲率。
在激光器光束b的波長改變時，光束b2和b3以及次級光束b1.1，b1.2，b3.1和b3.2被不同光柵所衍射的角度也將改變。對于每束次級光束而言，這意味著該次級光束的主光線入射到探測系統(tǒng)上的位置改變。既然輻射光點的強度是對照于得到的跟蹤誤差信號的，所以只要探測器30，31;65，66以及67，68足夠大，則波長的變化對這個信號不會有任何影響。然而，聚焦誤差信號是通過檢測輻射光點S1.1和S1.2相對于與探測器對18，19和20，21相關(guān)的單獨光柵22及23的位移而得到的。這樣，這些輻射光點相對于所說的單獨光柵的附加位移就可能影響聚焦誤差信號。為防止這個，在公知的裝置中，各分離條紋具有這樣一個方向，以致輻射光點S1.1和S1.2因波長變化的位移沿著這些分離條紋而發(fā)生。分離條紋22和23以角度+φ和-φ向M點與O點連線延伸，O點是各分離條紋的延長線與光軸AA'的交點，就像圖3a和3b所示的那樣。為明了起見，圖中的φ角都被夸大。如果組合探測系統(tǒng)的平面恰好與二極管激光器7發(fā)射輻射的表面重合，這些延長線將交于O點。但是，這樣的現(xiàn)象是不允許出現(xiàn)的，即波長變化不僅導(dǎo)致輻射光點S1.1和S1.2位置的變化，也還導(dǎo)致次級光束b1.1和b1.2的散焦以及輻射點的不對稱放大。
圖16說明了在掃描光束波長變化的情況下，輻射光點S1.1的位置，形狀和數(shù)量如何變化。已經(jīng)假設(shè)掃描光束清晰地聚焦于信息平面上。如果波長具有標稱值而且次級光束b1.1清晰地聚焦于探測器18和19的輻射敏感表面上，那么S1，1，0就是所形成的輻射光點。當波長增大時，輻射光點向右移動并且變得越來越大，這由光點S1，1，1和S1，1，2表示。如果波長變得小于標稱值，輻射光點向左移動并且也將變得越來越大，這由光點S1，1，3和S1，1，4表示。光點S1，1，0，S1.1.1，S1.1.2，S1，1，3和S1，1，4的強度分布中心分別由M1，1，0，M1，1，1，M1，1，2，M1，1，3和M1，1，4表示。這些中心位于線22'上，這條線以很小的角度α1(只有幾度的量級)向探測器18和19的原始分離條紋22延伸。類似的效果也發(fā)生在輻射光點S1.2上，強度分布中心沿其移動的線以一個角度向分離條紋23延伸，該角度與角α1相反，大小也不一樣。
波長變化的結(jié)果是，輻射光點S1.1和S1.2的強度分布中心分別橫截于分離條紋22和23移動，這表明探測器18，19和20，21接收到不同的輻射強度。當掃描光束仍清晰地聚焦于信息平面上時，檢測器18，19和20，21的輸出信號并不始終相等。聚焦伺服系統(tǒng)將校正掃描束的聚焦，比如通過沿著光軸移動物鏡系統(tǒng)直至輸出信號重又相等。但是，這之后，掃描光束不再聚焦于信息平面上。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在這個裝置的一個實施例中，當標稱波長為785nm時，20nm的波長變化引起0.7至0.8μm量級的散焦;而允許的總的散焦誤差為1μm。
為了最大限度地消除波長的變化對聚焦誤差的影響，每個探測器對的分離條紋以這樣的方式來確定即相關(guān)的輻射光點強度分布中心的移動是沿著這個條紋發(fā)生的。在圖17中，18、19和20、21表示改進的光電二極管對;實線22'和23'表示新的分離條紋。與虛線22和23所表示的原始分離條紋相比，條紋22'和23'繞著M1.1.0點和M1，2，0點轉(zhuǎn)過一個很小的角度α1和α2。
現(xiàn)在參照圖16和17描述第二種校正波長變化可能性。
如果在圖2所示的裝置中，分離條紋以φ角延伸至連線CL，就應(yīng)當準確地調(diào)整探測器對在邊界線25方向上的位置。當改變M點和O點間的距離時(圖2中的Xd)，分離條紋相對于輻射光點S1.1和S1.2的位置也將改變從而影響聚焦誤差信號。當使用帶有彎曲光柵條紋的組合光柵9時，利用移動光柵可校正輻射光點S1.1和S1.2的位置，但這種校正只能在有限的程度上實行。
更進一步，當使用帶有斜的分離條紋的探測器對18，19;20，21時，該裝置里由偽反射所可能產(chǎn)生的散射光將以不同的方式影響不同的探測器信號，以致所得到的聚焦誤差信號會受到這種散射光的影響。事實上，這樣一束散射光將投射于組合探測器11的一部分上，例如左半部分上;正像圖3a中SL虛線園弧線所表示的那樣。分立的探測器18，19;20，21的處在這個園弧線以內(nèi)的那部分大小不同，因而散射光對探測器輸出信號的影響因探測器而異。
更進一步，如果分離條紋22，23在探測器對18，19;20，21中是這樣安排的，即一對中的探測器尺寸不同，那么不僅可表示聚焦誤差信號隨聚焦誤差變化的函數(shù)曲線上產(chǎn)生第一零點，它對應(yīng)于所希望的聚焦，而且也可產(chǎn)生第二零點，它與所希望的聚焦不相應(yīng)。該裝置的聚焦伺服系統(tǒng)還須將掃描光束的焦點調(diào)在信息平面2的上面或下面。
因此，最好使用圖2，5，10和11所示幾何結(jié)構(gòu)的探測器。圖18表示的也是這些探測器對。這里，角φ等于或基本上等于零;換句話說，分離條紋22和23彼此平行，并且平行于分離條紋24以及連線CL。還應(yīng)當在M點與O點之間的距離上加上一個不太嚴格的要求，其中M點是沿著與分界線25平行的方向被測量的。此外該裝置對于組合探測器11關(guān)于這個方向的傾角靈敏度不高。
在圖18中，符號W代表組合探測器10的總體寬度，S代表輻射光點S1.1和S1.2間在探測器10平面上的標稱距離。如果掃描光束清晰地聚焦于信息平面2上，則標稱距離S就是輻射光點S1.1和S1.2所在位置之間的距離。兩個探測器對18，19和20，21可以按彼此反向地離開一點距離來排布，如圖2所示。下面的考慮對探測器對的設(shè)計起作用。
為了觀察到最佳探測器信號，就希望不同的探測器具有同樣尺寸。如果探測器對彼此反向布置，則意味著W＝2S。W和S為折衰的結(jié)果。一方面，探測器對的整體寬度應(yīng)盡量地小，為的是使散射光的最小可能量能到達這些探測器對。另一方面，W應(yīng)盡可能地大，為的是聚焦誤差探測系統(tǒng)具胡最大可能的記錄范圍。由于輻射光點S1.1和S1.2的輻射之間可能發(fā)生干涉現(xiàn)象，應(yīng)保持S值不能太小。實際上，這些光點并不是邊界清晰的斑點狀，而是其強度自中心略有減弱地向外擴張。另一方面，S不應(yīng)太大，因為在下面對本裝置的進一步設(shè)計中看來應(yīng)當完成沿著光柵9為例的光學(xué)元件的X、Y方向的位移;也會發(fā)生象差，同時導(dǎo)致聚焦誤差信號曲線的斜率在零附近變得很小。
帶有平行的分離條紋的探測器對的一個優(yōu)點在于，與帶有斜的分離條紋的探測器對相比可以很容易地按所要求的精確度制造，特別是就距離S而論。
在如圖12和14所示的由組合光柵組成的掃描裝置中，如果探測器對的分離條紋22和23(分別位于圖13和15)彼此平行(φ＝0)，實際上在很大程度上可以認為聚焦誤差信號與激光束波長變化無關(guān)。如果期望盡一步減少這種相關(guān)性，可關(guān)于點M和O之間的連線CL以一個非常小的角度φ(一般為0.10的數(shù)量級)安置分離線22和23，而且在已知的裝置中還要遠小于這個角φ。
圖19表示光柵70，它將反射的掃描光束b1轉(zhuǎn)換為象散光束b1'。這個光柵具有直線光柵條紋71和線性變化的光柵周期。該光柵尺寸是這樣選定的即使得光束b的大部分輻射被衍射成一級，如+1級。一級光束b1'并非總是聚焦成一點而是聚焦成兩條相互垂直的焦線75和76。如果這個光柵是非象散的，焦線75將位于光束b′1的聚焦位置。當產(chǎn)生聚焦誤差時，焦線75和76同時沿著同一方向移過相同的距離。如果掃描光束清晰地聚焦于信息平面上，就可把一個所謂四象探測器80置于一個位于兩個象散焦線之間且靠近其中間的平面上，這個探測器如圖20所示，由四個探測器81，82，83，84組成，它們排布在衍射光束b′1的主光線h周圍的四個象限中。如果掃描光束清晰地聚焦于信息平面上，由光束b′1在探測器平面內(nèi)形成的輻射光點S′1是園形的，正如圖20中的實線園環(huán)所示。如果發(fā)生聚焦誤差，輻射光點S′1變形為橢園光點，正如圖20中的虛線橢園所示。橢園的主軸以45°角延伸至分離條紋85和86，角度的符號由聚焦誤差符號確定。如果用S81、S82、S83和S84表示探測器81、82、83和84的信號，聚焦誤差信號將由下式給出Sf＝(S81+S83)-(S82+S84)如果在一個帶有這樣的象散光柵70的掃描裝置中，設(shè)置第二光柵(圖1中10)，用來形成兩條輔助光束b2和b3，則組合探測系統(tǒng)應(yīng)當具有圖20所示的幾何結(jié)構(gòu)。一個完整的探測器87、88分別與每一個輻射光點S′2和S′3相聯(lián)系，S′2、S′3分別由被反射的輔助光束b2和b3所形成?？梢约僭O(shè)第二光柵10的光柵條紋基本上橫截于跡徑方向，因而沿著X方向延伸;也可以假設(shè)光柵70的光柵條紋沿著Y方向延伸。光柵9和光柵10的光柵條紋也可能是橫截于或基本橫截于有效徑跡方向的。
按照圖19和圖20所示的裝置中，分離條紋85和86以45°角向有效徑跡方向延伸。當產(chǎn)生跟蹤誤差時，輻射光點S′1的強度分布重心沿X方向向左或向右移動。結(jié)果，跟蹤誤差可能影響聚焦誤差信號。
使用圖21平面視圖所示的象散光柵9的各種綜合衍射(全息)裝置，可防止這一點。該光柵具有非線性變化的光柵周期和彎曲的光柵條紋71。光柵參數(shù)，特別是光柵條紋的曲率，可以這樣選擇通過這個光柵時掃描光束b′1的象散焦線相對于圖19這種焦線轉(zhuǎn)過45°。如圖22所示的，四象限探測器的分離條紋85和86可隨之相對于圖20中這些分離條紋轉(zhuǎn)過45°，從而可能與徑跡方向平行或垂直。跟蹤誤差引起輻照在探測器81和84上的量相對于輻照在探測器82和83上的量的增加或減少。
由于為確定聚焦誤差，探測器81和84的信號以及探測器82和83的信號要彼此相減，所以跟蹤誤差對聚焦誤差信號無任何影響。
本說明書中至今已假設(shè)光柵9和10是輻射透明的。然而，可任選這兩種光柵中的一個或兩個為反射的。由于輻射路徑被折疊，就有可能使掃描裝置有更高的緊密度。就聚焦誤差的檢測方法，光柵結(jié)構(gòu)，光柵條紋的取向，光柵彼此間的相對定位和探測器的幾何結(jié)構(gòu)而言，參考上面描述的各種使用輻射透明光柵的實施例，可類似地構(gòu)成使用一個或兩個反射光柵的掃描裝置。
圖23，24和25表示第一衍射光柵9與第二衍射光柵10在輻射光源7與記錄載體1之間的輻射路徑上是怎樣安排的，其中光柵9造成象散或光束分裂，光柵10形成輔助光束。在這些圖中參考數(shù)碼11仍然表示靈敏輻射探測系統(tǒng)，8仍然表示物鏡系統(tǒng)。為簡單起見，只表示了從光柵發(fā)出的掃描光束b1和唯一一束來自光柵9的光束b′1。另兩條來自光柵9的輔助光束未被表示，它們相對于已表示的光束b1和b′1有相同的取向，正如上面參考使用輻射透明光柵的實施例所描述的那樣。
按照圖23的裝置，第一光柵9是反射光柵，第二光柵10是能透過輻射的光柵?，F(xiàn)在輻射光源7和光柵9之間的輻射路程區(qū)段是沿水平方向延伸的，因此降低了掃描裝置的高度。
圖24中，第二光柵10是反射光柵，而光柵9是能透過輻射的光柵。光柵10置于底片90上，靠近光柵10的區(qū)段91也是反射的。由記錄載體反射并由光柵9衍射的光束b′1，由反射區(qū)段91反射到靈敏輻射探測系統(tǒng)11。原則上講，按照圖24的裝置與使用透過輻射的光柵的掃描裝置相比也具有較小的高度。
圖25所示的掃描裝置中，光柵9和光柵10都反射輻射，以致輻射路程被加倍地折疊，所以該裝置的高度遠遠小于圖23和24裝置的高度。這里也是在底片90上裝有第二光柵10，靠近這個光柵有反射區(qū)段91，它反由記錄載體反射并由光柵9衍射的光束b′1反射到探測系統(tǒng)11。
已描述的本發(fā)明供讀出裝置用，然而它可以被用于記錄裝置或讀出-記錄組合裝置，在所說的組合裝置中，記錄光束的聚焦和跟蹤受到監(jiān)控。所述聚焦誤差檢測系統(tǒng)及跟蹤誤差檢測系統(tǒng)，并未利用信息表面2的特殊性能;這個表面是反射的，并且具有一個徑跡結(jié)構(gòu)恰恰已是必要和充分的。因此本發(fā)明可用于各種裝置中，如顯微鏡中，這些裝置里需要有一個非常準確的讀出。
正如圖7已經(jīng)表示的，二極管激光器7和復(fù)合光電二極管11可被容納在一個外殼里。在一個優(yōu)選的實施例中，元件7和11排布在一個基底上，例如一個硅基底上。正如圖26所示，利用公知的光刻技術(shù)在基底101上形成復(fù)合光電二極管11?；咨嫌兄T如陶瓷材料的部件102，二極管激光器就在這個部件的一個側(cè)面上。部件102有金屬導(dǎo)電性(未示出)，用于與二極管激光器電氣聯(lián)接。由該激光器提供的掃描光束b指向上方，而其它光學(xué)元件，例如各個光柵和物鏡系統(tǒng)在組合半導(dǎo)體元件100的上方。
正如已知的，二極管激光器在它的正面及它的背面發(fā)射輻射光束，背面的輻射可以用來校正二極管激光器。為此目的，在二極管激光器下面放一個取光電二極管形式的附加探測器，做為監(jiān)控光電二極管。這個監(jiān)控光電二極管是用公知的光刻技術(shù)形成在基底101上的，用參考數(shù)碼103表示它?？蓪⑦@個光電二極管103做成防反射的，例如使它帶有一個光柵(未示出)，以避免二極管激光器在其背面所發(fā)射的輻射光被監(jiān)控光電二極管再反射給二極管激光器，那將會影響它從正面發(fā)射的輻射光束的強度。
由于復(fù)合光電二極管11大部件102后面，就可以防止激光器的輻射光束直接入射到該光電二極管上。
圖27表示組合半導(dǎo)體元件的橫截面，還表示了第一光柵9和第二光柵10，這些光柵可以布置在透明板105的兩個相對的表面上。正如圖27所述的，最好用一個印刷電路板(PCB)，將元件7，11和103與外部電氣連接。這個電路板可利用通稱為熱壓裝工藝直接壓在基底101的接點(未畫出)上。所述的聯(lián)接不常使用導(dǎo)線焊接方式。
圖28表示一個組合半導(dǎo)體元件的實施例，其中一個部件110上排布著二極管激光器7和復(fù)合光電二極管11。這個實例中，對激光輻射部分做了有益的利用，激光輻射并不是由形成掃描光束的光學(xué)系統(tǒng)所占有，例如可將一個環(huán)形反射器115安裝在所說的輻射部分的光路中，如圖28中的陰影區(qū)域所示。反射器115將輻射向著監(jiān)控光電二極管103反射，監(jiān)控光電二極管103像元件7和11一樣，可裝在同一部件110上。這個反射器包含一個光柵，例如光柵9，而且可以裝在外殼40的出射窗口上。另一種可能是，把光柵和反射器裝在一個獨立的支承物114上，該支承物在外殼40的上方。當對反射器115和光柵使用獨立的支承物時，它的直徑確定掃描光束b1的孔徑角，比起把光柵裝在激光器外殼中的情況來，在設(shè)計光學(xué)掃描頭時就有較大的自由度。在后一種的情況下，光束的孔徑角被元件7，11及103的外殼的加工者所確定。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)掃描一個反射輻射的信息平面的裝置，該裝置包括一個輻射源，它提供掃描光束；一個物鏡系統(tǒng)將掃描光束在信息平面處聚焦成掃描光點并使掃描光點在組合式靈敏輻射探測系統(tǒng)上重新成像；還包括第一衍射元件，該元件置于輻射源與物鏡系統(tǒng)之間的光通路中，該元件使一部分被信息平面反射的輻射偏轉(zhuǎn)到靈敏輻射探測系統(tǒng)，并以這樣的方式改變被衍射的光束，即借助于組合探測系統(tǒng)來獲得聚焦誤差信號，其特征在于在輻射源和第一衍射元件之間設(shè)置第二單獨的衍射元件，用于使來自輻射源的光束分成掃描光束和兩束輔助光，這些光束在信息平面內(nèi)分別形成掃描光點和兩個輔助光點；組合探測系統(tǒng)包括使輔助光點重新成象的附加探測器，而且第二衍射元件是如此之小并被置于使得被第一衍射元件衍射的光束不能到達該第二衍射元件的位置上。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于兩個衍射元件都是能透過輻射的。
3.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于兩個衍射元件中至少有一個是反射元件。
4.一種按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于第一衍射元件是反射的而第二衍射元件是能透過輻射的。
5.一種按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于第一衍射元件是能透過輻射的而第二衍射元件是反射的。
6.一種按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于第一和第二衍射元件都是反射的。
7.一種按照權(quán)利要求6所述的裝置，其中輻射源是一個二極管激光器，靈敏輻射探測系統(tǒng)包括一個復(fù)合光電二極管，其中二極管激光器和光電二極管排布在位于外殼一側(cè)的一個部件上，外殼的相對的另一側(cè)有一輻射窗，其特征在于第二衍射元件裝在外殼里，而第一衍射元件固定連接到外殼的能透過輻射的一側(cè)。
8.一種按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于將一準直透鏡固定地與外殼相連接。
9.一種按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于物鏡系統(tǒng)以單個物鏡的形式固定地與外殼相連接。
10.一種按照權(quán)利要求1至9中任一項所述的裝置，其特征在于第二衍射元件是一個具有常數(shù)光柵周期的衍射光柵，其光柵條紋基本上橫截于有效徑跡方向;第一衍射元件是一個具有變化周期的衍射光柵;組合探測系統(tǒng)由四個探測器組成，它們排布于被第一衍射光柵反射的掃描光束主光線周圍的四個不同的象限中，重新成象的掃描光點的形狀由這些探測器確定。
11.一種按照權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于第一光柵具有直線光柵條紋和線性變化的光柵周期。
12.一種按照權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于第一光柵的光柵條紋是彎曲的;四象限探測器的分離條紋分別平行或垂直于有效徑跡方向。
13.一種按照權(quán)利要求1至9中任一項所述的裝置，其特征在于第二衍射元件是一個具有常數(shù)光柵周期的衍射光柵，它的光柵條紋基本上橫截于有效徑跡方向;第一衍射元件是一個組合光柵，由兩個分光柵組成，將被偏轉(zhuǎn)的掃描光束分成兩束次級光束;組合探測系統(tǒng)由兩個探測器對組成，第一和第二次級光束分別與第一和第二探測器對相配合。
14.一種按照權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于各分光柵具有變化的光柵周期;各分光柵的光柵條紋是彎曲的。
15.一種按照權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于一個分光柵的光柵條紋具有和另一分光柵的光柵條紋相同的主方向;各分光柵的平均光柵周期是不相同的;各探測器對沿著與分光柵之間的分界線平行的方向并排設(shè)置。
16.一種按照權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于各個分光柵有相同的平均光柵周期;一個分光柵的光柵條紋主方向以第一角度，而另一分光柵的光柵條紋主方向以第二角度向兩個分光柵的分界線延伸;各探測器對沿著與所說的分界線方向橫截的方向并排設(shè)置。
17.一種按照權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于第一分光柵的光柵條紋主方向以第一角度，而第二分光柵的光柵條紋主方向以第二角度向各分光柵間的分界線延伸;兩個分光柵的平均光柵周期是不同的;各探測器對沿著與所說的分界線平行的方向和垂直的方向占據(jù)不同位置。
18.一種按照權(quán)利要求11或12所述的裝置，其中對每束被偏轉(zhuǎn)的輔助光束提供一個探測器，其特征在于沿著與有效徑跡方向橫截的方向看，兩個探測器置于四象限探測器的兩側(cè)。
19.一種按照權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于在組合探測系統(tǒng)中，沿著與有效徑跡方向橫截的方向看，用來接收第一和第二輔助光束的第一和第二探測器分別置于兩個并排放置的探測器對的第一側(cè)和第二側(cè)。
20.一種按照權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于在組合探測系統(tǒng)中，分別對第一和第二輔助光束提供第一和第二，以及第三和第四探測器，所說的每條輔助光束都被第一衍射光柵分成兩束次級光束，其中沿著與有效徑跡方向橫截的方向看，四個探測器和兩個探測器對以下列順序并排，即第一探測器，第一探測器對，第三探測器，第二探測器，第二探測器對和第四探測器。
21.一種按照權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于第一衍射光柵的光柵條紋基本上平行于第二衍射光柵的光柵條紋;沿著有效徑跡方向看，用于第一輔助光束的第一探測器和用于第二輔助光束的第二探測器放在兩個探測器對的不同側(cè)面;沿與有效徑跡方向橫截的方向看，兩個探測器對并排放置。
22.一種按照權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于在組合探測系統(tǒng)中，分別對第一和第二輔助光束提供第一和第二，以及第三和第四探測器，所說的每條輔助光束都被第一衍射光柵分成兩束輔助次級光束;沿著與有效徑跡方向橫截的方向看，第一和第三探測器置于第一探測器對的兩側(cè)，第二和第四探測器置于第二探測器對的兩側(cè)。
23.一種按照權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于在組合探測系統(tǒng)中，分別對第一和第二輔助光束提供第一和第二，以及第三和第四探測器;所說的每條輔助光束被第一衍射光柵分成兩束輔助次級光束;沿著與有效徑跡方向橫截的方向看，第一和第三探測器置于第一探測器對的兩側(cè)，第二和第四探測器置于第二探測器對的兩側(cè)。
24.一種按照權(quán)利要求18至23所述的裝置，其特征在于如果掃描光束在信息平面上聚焦達到最佳程度，則對于每個探測器對來說，兩個探測器之間的分離條紋以一銳角延伸到這樣的線上，這條線是二極管激光器的發(fā)射輻射的表面中心與在相應(yīng)探測器對上形成的輻射光點的強度分布中心的連線。
25.一種按照權(quán)利要求18至23所述的裝置，其特征在于兩個探測器對的分離條紋原則上平行于二極管激光器發(fā)射輻射的表面中心與組合靈敏輻射探測系統(tǒng)的中心的連線。
26.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中靈敏輻射探測系統(tǒng)是一個復(fù)合光電二極管，該二極管設(shè)在一個基底上，其特征在于所說的基底由一個具有第一表面和第二表面的部件提供，所說的第一表面朝向復(fù)合光電二極管，所說的第二表面與第一表面相對;二極管激光器布置在第二表面上，該激光器發(fā)射一束輻射光束，光束的主軸垂直指向基底平面;部件的第二表面這一側(cè)的基底中有一個監(jiān)控光電二極管。
27.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中輻射源是一個二極管激光器，靈敏輻射探測系統(tǒng)包括一個復(fù)合光電二極管，所說的二極管激光器和光電二極管裝在外殼中的一側(cè)，其特征在于外殼的第二側(cè)有一個反射器，該反射器將二極管激光器的一部分輻射向監(jiān)控光電二極管反射，監(jiān)控光電二極管裝在外殼內(nèi)靠近二極管激光器。
28.一種按照權(quán)利要求27所述的裝置，其中反射器是環(huán)形的，其特征在于反射器的孔內(nèi)設(shè)有光柵。
29.一種按照權(quán)利要求27或28所述的裝置，其特征在于二極管激光器，復(fù)合光電二極管和監(jiān)控電二極管排布在一個支承物上。
全文摘要
一種光學(xué)掃描裝置。該裝置包括一個提供掃描光束(b1)的輻射源(7)，一個物鏡系統(tǒng)(8)用于將掃描光束在被掃描的信息平面(2)處聚焦成掃描光點(S1)，還包括第一衍射元件(9)，該元件使得由信息平面(2)反射的光產(chǎn)生變形，從中獲得聚焦誤差信號。本裝置進一步包括第二衍射元件，以形成兩束輔助光(b2、b3)借助于該元件可以獲得跟蹤誤差信號，第二衍射元件具有這樣的尺寸以及置于這樣的位置，以致從第一衍射元件(9)發(fā)出的光束不通過第二衍射元件。
文檔編號G11B7/135GK1043217SQ8910976
公開日1990年6月20日 申請日期1989年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月5日
發(fā)明者威廉·杰勒德·奧普海, 彼得·庫普斯, 艾德里安斯·約翰尼斯·杜伊韋斯蒂恩, 德克·科尼利斯·范?？? 彼得·迪佐埃滕 申請人:菲利浦光燈制造公司