專利名稱：光掃描裝置及其反射物鏡和配有該裝置的光學(xué)讀和/或?qū)懺O(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對物體實(shí)施光學(xué)掃描的掃描裝置，包括一個提供掃描光束的光源，一個將掃描光束會聚成掃描光點(diǎn)的反射物鏡和一個接收被掃描物體反射光的光敏探測系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一個適用于該掃描裝置的反射物鏡和配備有該裝置的光學(xué)讀和/或?qū)懺O(shè)備。
被掃描物體可以是一個光學(xué)記錄載體的信息表面。這個信息表面可能已預(yù)先錄制了通過掃描裝置可讀出的信息。也可能是用一個強(qiáng)度根據(jù)所存信息受調(diào)制的掃描光束將信息寫入信息平面。被掃描物體可以是任意必須檢測其結(jié)構(gòu)的不同物體，例如用配備有掃描裝置的掃描顯微鏡對物體進(jìn)行檢測。
上文所述的用作閱讀光記錄載體的掃描裝置，從英國專利GB1，541，596中可得到。這份說明書描述了一個光學(xué)掃描裝置，包含一物鏡，該物鏡由反射面彼此相對的兩個反射鏡組成。一個反射鏡是凹面的其反射面對著記錄載體;另一個是小得多的凸面反射鏡并且其反射面向著光源。從光源發(fā)出的光線通過較大的凹面反射鏡上的一個通道到達(dá)凸面鏡、接著光線反射到凹面反光鏡并在記錄載體的信息平面上被這個反射鏡會聚成光點(diǎn)。
已知的物鏡構(gòu)成了兩級會聚系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)的整個反射系統(tǒng)懸浮在磁線圈中，借助于該磁線圈能控制物鏡相對于記錄載體的位置。小的反光鏡裝配在一塊壓電材料上并可隨輔助裝置上下移動，從而在信息平面上周期地產(chǎn)生一個小散斑，該散斑用一探測器檢測并從中獲得聚焦誤差信號，據(jù)此誤差信號通過磁線圈重新調(diào)整物鏡的位置。
在彼此相互緊密配合工作的狀態(tài)下使用兩個分離的反光鏡;已知的掃描裝置就需要相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且裝置對機(jī)械擾動敏感。
本發(fā)明的目的在于提供一種掃描裝置，該裝置不僅結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)耐用，而且其反射物鏡上有附加元件，使光束呈一合適形狀，從而獲得校正掃描操作所需的多種功能。
為此目的，本發(fā)明的特征在于反射物鏡包括一個光透明體，其第一表面對著光源而第二表面遠(yuǎn)離光源;所述的第一表面上有第一透射窗對稱地位于反射物鏡光軸周圍，還有第一反射鏡環(huán)繞在該透射窗周圍;所述的第二表面上有第二反射鏡對稱地位于光軸周圍，還有第二透射窗環(huán)繞在該反射鏡周圍，在第一透射窗內(nèi)有第一衍射元件用以將來自光源的光束分成掃描光束和兩輔助光束;在第二反射鏡內(nèi)有第二衍射元件用以將被掃描物體反射并再次穿過反射物鏡的光束部分地衍射到光敏探測系統(tǒng)，利用該探測系統(tǒng)可獲得聚焦誤差信號來改變衍射后的掃描光束。
這個掃描裝置之所以結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)耐用，不僅是由于光路在反射物鏡內(nèi)折迭和物鏡為一體，而且也是因?yàn)檫@個物鏡中的諸元件有綜合的作用，而在迄今為止所知的裝置中，它們都是使用分離的元件并且不得不分離裝配。
由第一衍射元件形成的兩輔助光束被反射物鏡會聚成兩輔助光點(diǎn)，落在信息平面內(nèi)的被掃描記錄槽的兩個不同的邊緣上。每個輔助光點(diǎn)被重現(xiàn)在控測系統(tǒng)的一個單個的探測器上。一個軌跡誤差信號，例如是一個被掃描記錄槽中心線與掃描光斑中心線偏差大小和方向的顯示，可以從兩個所述探測器輸出信號的不同而獲得。
第二衍射元件把被掃描物體反射的并再次通過反射物鏡的光部分地衍射到探測系統(tǒng)且形成一象散光束或兩輔助光束。通過所采用的探測系統(tǒng)，可以從象散光束或兩輔助光束中獲得一聚焦誤差信號。聚焦誤差信號是一個表明被掃描平面與反射物鏡焦平面之間偏差大小和方向的信號。
要說明的是，一個衍射光柵用于光掃描裝置以形成掃描光束之外的兩束輔助光，并由此產(chǎn)生一個軌跡誤差信號已經(jīng)公知了，見美國專利US3，876，842。但是已知的裝置中沒有第二個衍射元件用來分離被投射和被反射的光束并形成一個聚焦誤差信號，而且已知的裝置不是由反射物鏡提供第一光柵的。
尤其是在美國專利US4，665，310中，將一衍射光柵用于光掃描裝置中以分離投射光束和反射光束并可把后者分為兩輔助的光束從而產(chǎn)生一聚焦誤差信號。但根據(jù)這份專利，沒有附加的衍射元件用來獲取兩輔助光束以產(chǎn)生一軌跡誤差信號。
重要的是本發(fā)明反射物鏡的兩個表面上兩衍射元件的設(shè)置，確保來自第二衍射元件并射到光敏探測系統(tǒng)的光束不會進(jìn)一步被第一衍射元件分成多束光，而物鏡必須有一定厚度是因?yàn)橐@得成象功能。因此落在探測系統(tǒng)上光點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)保持一定的限制，以使該系統(tǒng)的幾何形狀能相對簡單。此外，光點(diǎn)要產(chǎn)生不同的信號，故其能量應(yīng)足夠大。
衍射元件可以是振幅結(jié)構(gòu)的，如光透射或反射區(qū)與光吸收區(qū)交替地排列。然而掃描裝置的最佳實(shí)施例其特征是衍射元件為相位結(jié)構(gòu)的。
例如，在表面呈高與低交替排列的相位結(jié)構(gòu)從原理上來說比振幅結(jié)構(gòu)有更好的衍射效果。
因?yàn)檠苌湓窃O(shè)置在投影鏡頭的表面上的，所以所述相位結(jié)構(gòu)可采用一種相對簡單的方式用已知的模壓和復(fù)制技術(shù)制備。
各種聚焦誤差探測方法都可用于本發(fā)明的掃描裝置中。最好是用這樣一種裝置來實(shí)現(xiàn)，其特征是第二衍射元件是引起象散的元件，光敏探測系統(tǒng)由四個探測器組成，它們被分布在衍射掃描光束的主光線周圍的四個不同象限中。
所述的元件把衍射后的掃描光束變換成象散光束，并且再現(xiàn)的光斑形狀由信息平面內(nèi)掃描光束聚焦的程度確定。
在散焦的情況下，這個光點(diǎn)呈一橢園形光斑，其主軸在相互垂直的兩個方向中的一個方向上，這取決于散焦的狀況，下文稱之為象散方向。四分探測器的分界線相對于象散方向以大約45°角延伸。
光斑的形狀可通過求出每對對稱位置上探測器輸出信號之和以及將兩信號和的值相減來確定。
引起象散的元件是直線光柵，由于采用的是非平行光，所以會產(chǎn)生一定的象散。更大的象散可通過一個實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)，該實(shí)施例的特征在于產(chǎn)生象散的元件是一個有著直線柵紋且光柵周期是線性變化的光柵。裝置的最佳實(shí)施例其特征是衍射元件是一個稱為全息光柵的元件，具有曲線柵紋和非線性變化的光柵周期。這樣的全息光柵有可能校正光學(xué)系統(tǒng)的象差。
要說明的是，光柵周期線性變化的光柵與四分探測器聯(lián)用以產(chǎn)生聚焦誤差信號，這可以從US4，358，200中獲得。但是，這份專利的裝置沒有采用第二衍射光柵來獲得兩輔助光束。
就溫度敏感性和控制簡單性而言，優(yōu)于前述的所謂象散法的聚焦誤差探測的第二個可能性在一個實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，該實(shí)施例特征在于，第二衍射元件為一個衍射光柵，它由兩個子光柵組成并把衍射后的光束分為兩個次光束;第一和第二次光束分別與第一對和第二對探測器相對應(yīng)。
該裝置中，掃描光束在探測器對處呈現(xiàn)兩個光點(diǎn)。相應(yīng)探測器對的分界線上的每個光點(diǎn)隨著信息平面上掃描光束的聚焦誤差做橫向漂移。這個漂移可通過比較探測器的輸出信號測出。這種探測聚焦誤差的方法被稱之為雙Foucault法。
最后所述及的裝置的一個最佳實(shí)施例，其特征是子光柵有一個變化的光柵周期且子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，組成的光柵有透鏡效應(yīng)且通過沿子光柵分界線方向移動該光柵，特別是由于物鏡系統(tǒng)和光柵套配時的成像距離等于沿光軸方向激光二極管與控測器的距離，光斑在相應(yīng)探測器對上的能量分布可呈對稱的。尤為重要的是，光電二極管式的探測器與二極管激光器組合成一個部件且彼此相互固定下來。組成的光柵有變化的光柵周期和彎曲的光柵條紋，也稱之為全息光柵，它為校正諸如彗差和象散之類的由直線光柵所產(chǎn)生的象差提供了一種可能。
采用Foucault聚焦誤差探測法的掃描裝置，原則上可提供兩實(shí)施例。第一個實(shí)施例的特征是一個子光柵條紋與另一子光柵條紋的主方向相同;兩子光柵的平均光柵周期不同，探測器對在平行于兩子光柵分界線方向是并列分布的。此實(shí)施例中掃描光束的輔助光束在同一方向以不同角度被分開。
第二個實(shí)施例的特征在于，兩子光柵具有相同的平均光柵周期，其中一個光柵條紋的主方向以第一角度延伸，另一子光柵條紋的主方向以第二角度延伸，兩子光柵條紋都是向它們之間的分界線延伸的，該實(shí)施例的特征還在于探測器對在所述的分界線的橫向上是并列分布的。掃描光束的輔助光束最好是以同一角度沿不同方向被分開。這個實(shí)施例是最先采用的，這是因?yàn)樗休^好的裝配公差且調(diào)整簡易和穩(wěn)定。
掃描裝置的一個較好實(shí)施例其特征在于第二透射窗表面為非球面，在該掃描裝置中其反射物鏡很好地校正了球差且能滿意地制造出來。
透鏡系統(tǒng)中的非球表面應(yīng)理解為這樣的一個透鏡表面，其基準(zhǔn)形狀是球面，而為了校正當(dāng)采用球面透鏡時可能產(chǎn)生的球差，其實(shí)際形狀有一個小偏差。球狀基準(zhǔn)形面可以具有一個無限大的曲率半徑，這意味著所述的非球面是平面。透射窗為非球面的好處是非球面的精度比反射表面為非球面所要求的形面精度要小得多，比如小一個系數(shù)6。
掃描裝置采用反射物鏡可以對光源和探測系統(tǒng)的定位更有益。
例如，該掃描裝置的一個實(shí)施例的進(jìn)一步特征在于光源與第一透射窗相連。光源可以是出光面對著第一透射窗的半導(dǎo)體激光器。光源也可以通過光纖與第一透射窗相連。
掃描裝置的另一個實(shí)施例其特征在于光敏探測系統(tǒng)與第一透射窗相連。
光源、光導(dǎo)纖維或光敏探測系統(tǒng)可以用透明的粘合劑固定在第一透射窗。這樣可使結(jié)構(gòu)簡單緊湊并且結(jié)實(shí)，形成能安置下整個光學(xué)組件的組合部件。
掃描裝置可以包括不同類型的光源，諸如簡單的二極管激光器，二極管激光器組或是其它可以直接或通過光纖與反射物鏡相連的光源。
本發(fā)明的實(shí)施例將參考下列附圖更詳細(xì)地加以說明。


圖1是本發(fā)明掃描裝置一個實(shí)施例的示意圖，圖2是產(chǎn)生聚焦誤差信號的組合探測系統(tǒng)與衍射光柵第一個實(shí)施例的透視示意圖，圖3a和圖3b表示聚焦誤差產(chǎn)生時探測系統(tǒng)上光斑的變化，圖4a和圖4b分別是為形成輔助光束的光柵和部分記錄槽結(jié)構(gòu)的平面圖，圖5表示衍射光柵組如何衍射和分掃描光束及輔助光束且組合探測器上形成光斑位置的原理圖，圖6給出配有圖2光柵的組合探測系統(tǒng)的第一個實(shí)施例，圖7和圖8表示配有圖2光柵的組合探測系統(tǒng)的第二和第三個實(shí)施例，圖9表示用以產(chǎn)生聚焦誤差信號的衍射光柵的第二個實(shí)施例，圖10給出配有圖9光柵的組合探測系統(tǒng)的一個實(shí)施例;
圖11表示用以產(chǎn)生聚焦誤差信號的象散光柵的第一個實(shí)施例和圖12表示配有圖11光柵的組合探測的組合探測系統(tǒng)。
圖1表示記錄載體，例如圓盤形記錄載體1的切向斷面的一部分。此記錄載體有一透明的基板2和反光信息表面3。在該表面上備有信息槽，圖1僅示出一個信息槽，若記錄載體已寫入信息，則每個記錄槽都包含許多信息區(qū)6，這些區(qū)域沿槽方向看去是與中介區(qū)域7交替地排列的，信息存入信息區(qū)與中介區(qū)的序列中。如圖1所示，信息結(jié)構(gòu)可以是相位結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可以是振幅式的。信息結(jié)構(gòu)上可涂一層保護(hù)層8。
信息平面由掃描光束b1掃描，光束b1由諸如二極管激光器的光源9提供。在信息平面上這束光被物鏡系統(tǒng)10會聚成掃描光點(diǎn)v1。當(dāng)以垂直于記錄載體且平行于光軸AA′，也平行于坐標(biāo)系xyz的Z方向的軸轉(zhuǎn)動記錄載體時，光點(diǎn)v1掃出一條軌跡。通過掃描光點(diǎn)與記錄載體在徑向相對位移來完成整個信息平面的掃描。
物鏡系統(tǒng)為一反射物鏡由光透明體11構(gòu)成，其第一折射表面12在光源一側(cè)，第二折射面13在記錄載體一側(cè)。第一表面包括第一透射窗14對稱地分布在光軸周圍。該窗周圍環(huán)繞著反射面15。第二表面包括對稱地圍繞光軸的第二反射鏡16和環(huán)繞在該鏡周圍的透射窗17。
掃描光束b1經(jīng)第一窗14進(jìn)入反射物鏡10并被第二反射鏡16反射，進(jìn)而使已發(fā)射的掃描光束進(jìn)一步地發(fā)散。因此這束光實(shí)際上覆蓋了第一反射鏡15的整個鏡面，第一反射鏡反射并會聚這束光并經(jīng)過第一窗口17和透明基板2在信息平面3上聚成掃描光點(diǎn)v1。
信息平面反射出來的光被物鏡系統(tǒng)接收并反向穿過反射物鏡會聚成光點(diǎn)v1.1，若不采取進(jìn)一步的措施，光點(diǎn)v1.1會落到光源9的出射面上。下文將解釋反射光束b′1是從投射光束b1中分出來的。光敏探測系統(tǒng)20被放在光束b′1的光路中。在讀一個已定入信息的記錄載體的過程中，反射掃描光束b′1是根據(jù)讀出信息進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)制的且光敏探測系統(tǒng)把該強(qiáng)度調(diào)制光束變成電信號進(jìn)行進(jìn)一步處理。
經(jīng)反射物鏡聚焦的光束帶有球差。尤其從專利US 4，668，056中可知，采用非球面是可以校正這一象差的。顯然，為了獲得較大的衍射限象場，反射表面15要求是非球面的。但根據(jù)本發(fā)明，透射窗14和17中的一個或兩個表面是非球面的。雖然象場有所減小，但是用衍射限光點(diǎn)掃描一個表面對被成象的物體來說是足夠大了。透射窗是非球面的很大優(yōu)點(diǎn)在于非球面的精度要求比反射面的精度要求寬松的多。透射用的非球表面其形狀公差系數(shù)是(n1-n1)/2n1比反射面誤差系數(shù)大，其中n1是透鏡材料的折射率，n2是周圍介質(zhì)的折射率。
為確定反射物鏡透射窗14和17中的一個或兩個非球面的形狀。
可以采用美國專利US4，688，056所提供的確定常規(guī)透鏡非球面形狀的方法。因此可通過在透射窗球面上制備一層透明的外表為非球面的合成材料來構(gòu)成非球面透射窗而獲得反射物鏡。這種合成材料可以是可聚合的合成材料，例如一種紫外光固化的材料在液態(tài)狀態(tài)下涂敷在窗上并用模具給出所要求的形狀。
根據(jù)圖1的實(shí)施例，較大的窗17有非球表面18。這個實(shí)施例比第二個較小窗14為非球面的實(shí)施例更好，因?yàn)榈谝粚?shí)施中衍射象場比第二實(shí)施例的大。
當(dāng)掃描一個表面時，必須確保掃描光束總是準(zhǔn)確地聚焦在這個表面上。為此，掃描裝置必須包含一些探測偏差的裝置，這個偏差是物鏡焦平面與被掃平面之間的偏差。這些裝置提供的信號就是聚焦誤差信號，它能用于聚焦的校正，例如通過使反射物鏡和被掃描的表面沿光軸做相對的移動來校正聚焦。進(jìn)一步地，從被掃描表面出來的并由物鏡接收的光，必須與光源發(fā)出的光束分離開來。最后，當(dāng)掃描有信息記錄槽的信息面時，必須確保掃描光點(diǎn)的中心總是與被掃描記錄槽的中心線重合。為此掃描裝置必須包含用來探測掃描光斑中心與記錄槽中心線之間偏差的裝置，即產(chǎn)生掃描誤差信號的裝置。掃描光點(diǎn)相對于記錄槽中心線的位置便可由這個信號進(jìn)行校正，例如在圖1中的x方向即徑向上，通過信息平面和含有光源9，反射物鏡10及探測系統(tǒng)20的光學(xué)閱讀單元兩者做相對的移動來校正。
要完成如上述的功能，本發(fā)明中的反射物鏡由一個位于第一透射窗14上的第一透射光柵30和一個位于第二反射鏡16上的第二反射光柵40組成。在這種情況下，反射物鏡需要有一定的厚度，以使兩個光柵相互分開一個比最小的要求距離大一些的距離，而且因第一衍射元件30靠近光源，故可采用小尺寸。
衍射元件40，例如一個衍射光柵，可以采用已有的形式，象美國專利US4，665，310所述的那樣，用它來實(shí)現(xiàn)光束的分離，并且獲得一種其形狀適于產(chǎn)生聚焦誤差信號的反射光束。這個光柵把從信息平面3反射并通過物鏡系統(tǒng)10的掃描光束分為無衍射的0級次光束和多束一級和更高級次光束，投射到光敏探測系統(tǒng)20上，進(jìn)而產(chǎn)生一個聚焦誤差信號。可以通過選擇一組該光柵的參數(shù)特別是柵紋寬度與柵紋間距的比率和柵紋深度及形狀使探測系統(tǒng)最大限度地接收光能量值。
圖2表示一個光敏探測系統(tǒng)20和組合光柵40的正面透視圖。b1光束呈現(xiàn)的是它在光柵40處的截面。光柵40由兩個以直線41分界的子光柵42和43組成。子光柵的條紋分別用數(shù)字44和45表示。這些條紋被中介條紋46和47分開。此實(shí)施例中兩子光柵的光柵周期相同，但是子光柵42的彎曲條紋44其主方向向分界線41以第一角度延伸，子光柵43的彎曲條紋45其主方向以第二角度，但最好是同樣大小的角度以相反的張角向分界線41延伸。從子光柵來的次光束實(shí)際上是在其傳輸主方向上被衍射的。由于主方向不同，次光束b1.1和b1.2以不同的角度在YZ平面上衍射。這意味著在探測器平面內(nèi)即XY平面內(nèi)，光點(diǎn)v1.1和v1.2在Y方向相對移開。在本圖和其它附圖中X，Y和Z符號是坐標(biāo)原點(diǎn)O在二極管激光器出光表面中心的坐標(biāo)系坐標(biāo)軸。
光電二極管式光敏探測器21，22和23，24被窄帶25和26分開，并且每一對分別對應(yīng)于次光束b1.1和b1.2。這些探測器依據(jù)這樣的條件來固定在對信息平面3校正聚焦的情況下，次光束b1.1和b1.2所形成光斑v1.1和v1.2的光強(qiáng)分布應(yīng)該分別相對于探測器21，22和23，24對稱。當(dāng)產(chǎn)生聚焦誤差時，光斑v1.1和v1.2不對稱地增大，如圖3a和3b所示。此圖示出一個組合操作探測器，它們的分割線25和26分別向在點(diǎn)O與組合探測器20的中心M之間的連接CL以+和-角延伸，連線CL與在圖2和3中的探測器對21，22和23，24之間的分離帶27重合。在圖3a中所示的，是光束b的焦點(diǎn)落在信息平面3前面的平面內(nèi)，圖3b表示光束b的焦點(diǎn)落在信息平面3后面的平面內(nèi)。
如果探測器21，22，23和24的輸出信號分別用S21，S22，S23和S24表示，則聚焦誤差信號Sf由下式給出Sf＝(S21+S24)-(S22+S23)正比于讀出信息的信號或信息信號Si由下式給出Si＝S21+S22+S23+S24圖1中的光柵30是用來產(chǎn)生軌跡誤差信號的。如圖所示，此光柵將來自光源9的光束b分成一個非衍射O級光束b1，+1級衍射光束b2，-1級衍射光束b3和一些更高級的衍射光。最后所述的光束對本發(fā)明來說是不重要的，因?yàn)樗鼈円蜒苌涞轿镧R系統(tǒng)10之外去了且光強(qiáng)很低。光柵30是一個光柵構(gòu)成的，沒有分開的部分，它有直線性的柵紋且光柵周期不變。這個光柵的參數(shù)，特別是柵紋寬度與柵紋間距的比率，柵槽的形狀和深度可以選擇成使入射光b幾乎全部都分布在光束b1，b2和b3上。而且可以保證光束b1的光強(qiáng)比光束b2和b3的每一個大幾倍，如6倍。
光束b1是主光束或稱掃描光束，并在信息平面3內(nèi)形成掃描光點(diǎn)v1。光束b2和b3為輔助光束，經(jīng)物鏡系統(tǒng)10在信息平面3內(nèi)會聚成輔助光點(diǎn)v2和v3。由于輔助光點(diǎn)v2和v3是經(jīng)光柵30以相反的角度衍射而得，因此從記錄槽的方向看去，輔助光點(diǎn)v2和v3落在掃描光點(diǎn)的兩邊。
光柵30的條紋其方向與實(shí)際軌跡方向的夾角為90-α，其中α為一小角度，如圖4a所示。該圖表示光柵30的一部分，它有光柵條紋31和中介條紋32，4′是掃描軌跡中心線在光柵30平面內(nèi)的投影，這條線表示了實(shí)際軌跡方向。如果掃描光斑點(diǎn)v1的中心落在被掃描記錄槽中心線上，則通過選擇適當(dāng)?shù)摩两?，可使輔助光點(diǎn)v2的中心落在該記錄槽的一個沿上，輔助光斑點(diǎn)v3的中心落在該槽的另一個沿上，如圖4b所示。在光敏探測器20中，一個離散的探測器可用于每一束輔助光。在圖4b所示的情況下，輔助光束v2和v3覆蓋了與槽相等的范圍，所述的探測器其輸出信號也相同。當(dāng)掃描誤差產(chǎn)生時，一個輔助光斑的中心移向槽的中心線，而另一輔助光斑則遠(yuǎn)離槽的中心線，且所述探測器的輸出信號不相等。探測器輸出信號的差就代表掃描誤差信號。從信息平面反射回來的，在圖1中僅表示為幾條輪廓線的掃描光束和兩輔助光束投射在光柵40上。該光柵以圖2所示的對待光束b1同樣的方式處置每束光。每束光在探測系統(tǒng)20的方向上更強(qiáng)地衍射并分成兩束次光束。造成這種分離是為了清楚起見，如圖5所示的y方向上的分離。這幅圖也表示光柵40是由兩子光柵42和43構(gòu)成的，這里的光柵相對圖2的旋轉(zhuǎn)了90°。在光柵40上，被反射的掃描光束和兩輔助光束的截面分別由實(shí)線圓b1和半實(shí)線半虛線圓b2和b3表示。光柵40把光束b1，b2和b3分別分為次光束b1.1;b1.2，b2.1;b2.2和b3.1;b3.2。子光柵42將次光束b1.1，b2.1和b3.1衍射到右邊，將其聚焦在組合探測器20上形成光點(diǎn)v1.1，v2.1和v3.1。子光柵43將次光束b1.2，b2.2，b3.2衍射到左邊，會聚成光點(diǎn)v1.1，v2.2和v3.2。包含兩對探測器21，22和23，24的組合探測器分別用以探測光點(diǎn)v1.1和v1.2，還有用于光點(diǎn)v2.1和v2.2的探測器50和用于光點(diǎn)v3.1和v3.2的探測器51。
圖6進(jìn)一步表示出形成的光斑點(diǎn)和組合探測器。該圖也表示二極管激光器9出光表面相對于組合探測器的位置。如果探制器50和51的輸出信號用S50和S51表示，則掃描誤差信號Sr可得Sr＝S50-S51聚焦誤差信號為Sf＝(S21+S24)-(S22+S23)信息信號Si為Si＝S21+S22+S23+S24根據(jù)本發(fā)明，該裝置的特征為探測器上光點(diǎn)的數(shù)目限制在為完成所需功能的必要的最小數(shù)目。因此探測系統(tǒng)可以相對地簡單一些，并且該系統(tǒng)上光點(diǎn)的強(qiáng)度可足夠大使探測器的輸出信號足夠強(qiáng)。
為使Foucault聚焦誤差探測方法能實(shí)現(xiàn)，反射的掃描光束b1必須分成兩次光束。因?yàn)榉瓷涞妮o助光束b2和b3也要通過組合光柵40，這些光束不可避免地被分為兩次光束，故總共產(chǎn)生六束光。根據(jù)本發(fā)明，盡管有兩個光柵一前一后放置在光路上，可采用特殊的步驟使光束數(shù)目仍限制在這個最小數(shù)目上。
原則上光柵30可放在第一光柵40的上方。由光柵30分成的3束光b1，b2和b3經(jīng)記錄載體反射后再次經(jīng)過該光柵并進(jìn)一步被分成9束光。這些光束隨后將通過光柵40，產(chǎn)生總共18束光。光束的數(shù)目可采用光柵30放在光柵40下面的方法加以限制。但如沒進(jìn)一步的措施;光束的數(shù)目在這種布置的情況仍然會太大。實(shí)際上，來自光柵40的光束通過光柵30，會進(jìn)一步分裂出多于六束的光束投射到探測系統(tǒng)。這種情況可過通光柵30和40放置在有一給定厚度的反射物鏡的表面12和13上加以避免和通過將光柵30做小并放置在靠近光源處加以避免。因此，來自光柵40的光束直接投向探測系統(tǒng)20可不再穿過光柵30。
所采取的措施不可防止激光束在自光源到信息平面投射過程中分裂得太利害。如上所述，光柵30將盡可能多地把發(fā)出的光集中在掃描光束和兩輔助光束上。組合光柵40將以這樣的方式構(gòu)成即在這些光束的投射光路中，由該光柵所衍射的第一級或更高級的光與光點(diǎn)v1以相對大的距離落在信息平面上和以這樣的方式構(gòu)成即所述的更高級的光對被信息平面反射并第二次穿過光柵40之后所要求的信號的影響可忽略不計(jì)。
上述的有關(guān)采用Foucault聚焦誤差探測法掃描裝置的考慮，當(dāng)然也適用于采用象散聚焦誤差探測的裝置，應(yīng)當(dāng)理解，光點(diǎn)的數(shù)目在最后所述的那種裝置中原則上是較小的，因?yàn)楣鈻?0沒有被分成子光柵。
圖5和圖6所示的實(shí)施例，其中的“Faucault光點(diǎn)”v1.1和v1.2落在輔助光點(diǎn)之間一側(cè)是輔助光點(diǎn)v2.1和v2.2，另一側(cè)是v3.1和v3.2，且有一對輔助光點(diǎn)只需一個探測器的優(yōu)點(diǎn)，次光束b1.1與b1.2之間的夾角因而光柵條紋44與45之間的夾角的選擇受到限制。就這方面而言，圖7表示一選擇自由度較大的實(shí)施例的組合探測系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例中，探測系統(tǒng)20平面上由光柵40造成的光點(diǎn)分離比由光柵30造成的分離要大。因此光點(diǎn)v1.1和v1.2之間的距離分別比v1.2和v2.2和v3.2之間距離大，或比v1.1和v2.1和v3.1之間的距離大。分離的探測器分別對應(yīng)于光點(diǎn)v2.2及v2.1和光點(diǎn)v3.2及v3.1。
一個只需一個探測器來探測光點(diǎn)v2.2及v2.1和光點(diǎn)v3.2及v3.1的實(shí)施例，仍然有足夠的自由度來選擇次光束b1.1和b1.2的夾角，而且此實(shí)施例中，光柵30對光束的分離與光柵40對光束的分離在方向上不相同。這個實(shí)施例對應(yīng)于圖1與圖2的結(jié)合。圖8表示這個實(shí)施例探測器的位置關(guān)系，不需進(jìn)一步說明。
不僅圖2的組合光柵可以產(chǎn)生聚焦誤差信號，圖9的光柵40也可以。在這幅圖中，僅用其次光束b1.1和b1.2在光柵平面上的截面表示該掃描光束。兩子光柵42和43彎曲條紋的主方向沒有以同以角度相對分界線41延伸，平均光柵周期也不同。因此次光束b1.2被衍射的角度不同次光束b1.1的衍射角。這意味著，探測器21，22，23和24上的光點(diǎn)v1.1和v1.2在分界線的方向上是彼此移開的。
根據(jù)本發(fā)明，圖9所示的光柵也是采用光柵組合來形成兩束輔助光的。若前面最后述及的光柵是在Y方向產(chǎn)生衍射的，而圖9的光柵是在X方向產(chǎn)生衍射，那么探測系統(tǒng)有如圖10所示的幾何圖象。
由于光柵40的兩子光柵42和43的光柵周期和彎曲條紋的主方向也是可以不同的，可以假定這樣的光柵其作用是圖2和圖9光柵的聯(lián)合作用。因此次光束b1.1以不同的角度與次光束b1.2相互垂直地分開。組合探測器20的平面上，光點(diǎn)v1.1和v1.2在相互垂直的方向上彼此錯開。
要說明的是，圖2所示的組合光柵優(yōu)于圖9的光柵，這是因?yàn)榍罢哂休^大制造公差，調(diào)整簡單且穩(wěn)定。
子光柵42和43可采用直線條紋和不變的光柵周期。但是，最好采用典型的光柵，也稱之為全息的，這種光柵具有變化的光柵周期，比如周期的變化量具有平均光柵周期百分之幾的量級。此外，兩子光柵的柵紋是彎曲的，如圖2和圖9所示。這樣子光柵就有變化透鏡的作用。由于光柵周期的變化，光點(diǎn)v1.1和v1.2的位置可通過在光柵40的平面內(nèi)位移光柵來加以改變。垂直于分界線41方向的象差可通過柵紋的彎曲使其達(dá)到最小。如果采用組合的激光-光電二極管單元即在Z方向以一定距離彼此固定安排在同一支撐物上的二極管激光器與光電探測器的一組件，則移動光點(diǎn)位置的可能性特別重要。這個間距要遵守制造公差的條件，并且在掃描裝置的裝配過程中不可通過的Z方向光電二極管對激光二極管做移動來校正這個間距。
根據(jù)圖9，在本實(shí)施例中，盡管次光束特別是b1.1和b1.2由于子光柵42和43不同的平均光柵周期，以不同角度被衍射，次光束有焦點(diǎn)在同一個平行于組合探測器平面的平面上，即通過給定光柵周期和子光柵相應(yīng)部分的柵紋曲率一個不同的變化量。
曲線條紋的衍射光柵比直線條紋的光柵有一更大的優(yōu)點(diǎn)，就是采用后一種光柵可能會產(chǎn)生諸如彗差和象散之類的象差，可在制作第一種光柵過程中通過采用彎曲柵紋和考慮上述那些象差因素的影響得到避免。
圖11表示光柵70把反射的掃描光束b1會聚成一個象散光束b′1。該光柵具有直線條紋71和線性變化的光柵周期。光柵的規(guī)格根據(jù)使光束b在某一級衍射強(qiáng)烈來確定，例如在+1級。第一級光束b′1不再聚焦成一點(diǎn)，而是會聚成兩條相互垂直的焦線75和76，若光柵非象散則線75位于光束b′1所聚焦的位置。當(dāng)有聚焦誤差產(chǎn)生時，焦線75和76同時在同一方向上移動同一距離，一種稱為四分探測器的裝置80放置在兩象散焦線之間近似中點(diǎn)處的平面上，條件是掃描光束能很好地聚焦在信息平面上。如圖12所示該探測器包括四個探測器81，82，83和84，圍繞著衍射光束b′1的主光線周圍分布在四個不同象限中。若掃描光束很好地聚焦在信息平面3上，光束b′1在周圍的探測器平面上會形成一個光點(diǎn)v′1;如圖12中實(shí)線圓所示。如果有聚焦誤差產(chǎn)生，光點(diǎn)v′1則變成一橢圓光斑如圖12中的虛線橢圓所示。橢圓的主軸相對于分界線85和86成45°角，角度的符號由聚焦誤差的符號來定。如果探測器81，82，83和84的信號由S81，S82，S83和S84表示，則聚焦誤差信號Sf為Sf＝(S81+S83)-(S82+S84)如果在帶有象散光柵70的掃描裝置中安置第二光柵30(圖1)以形成兩輔助光束b2和b3，則組合探測器系統(tǒng)應(yīng)該具有如圖12所示的幾何圖象。一個不可分的探測器87，88分別用于反射輔助光束b2和b3形成的光點(diǎn)v′2和v′3。已假定光柵30的條紋相對于記錄槽方向是橫向的，因而是沿X方向延伸的，并已假定光柵70的條紋是沿Y方向延伸的?；蛘吖鈻?0和光柵70的條紋對于實(shí)際軌跡掃描方向都可能是橫向的或基本橫向的。
在圖11和圖12所示的裝置中分界線85和86相對實(shí)際掃描方向成45°角伸展。當(dāng)產(chǎn)生掃描誤差時，光點(diǎn)S′1的光強(qiáng)分布重心沿X方向或向左或向右移動。結(jié)果掃描軌跡誤差會影響聚焦誤差信號。
這種情況可通過定位來防止，如通過使經(jīng)過象散光柵70的掃描光束b′1的象散焦線相對于圖11中的這些線轉(zhuǎn)動45°角的方式來確定象散光柵70的方位。四分探測器的分界線85和86也可相對圖12中的這些分界線旋轉(zhuǎn)45°，并分別平行和垂直于記錄槽的方向。掃描誤差導(dǎo)致落在探測器81和84上的光能量相對于落在82和83上的有所增加或減小。因來自探測器81和84的信號與來自探測器82和83的不一樣，在確定聚焦誤差時彼此相減，所以掃描誤差對聚焦誤差信息毫不影響。
本發(fā)明已通過一個讀出裝置進(jìn)行了說明，而另一方面還可用作寫入裝置或一個讀-寫結(jié)合的裝置，該裝置在記錄過程中記錄中記錄光束的聚焦和軌跡可控。所述聚焦誤差的掃描誤差的探測系統(tǒng)不要求信息平面3具備特殊的性質(zhì)。僅要求該表面是反射光的且具有記錄槽結(jié)構(gòu)就足夠了。因此本發(fā)明可應(yīng)用于需要一個精確顯示信號設(shè)備的各種裝置，例如用于顯微鏡。
權(quán)利要求
1.一種用于對物體施行光掃描的掃描裝置，包括一個提供掃描光束的光源，一個用于使掃描光束聚焦成掃描光點(diǎn)的反射物鏡和一個接收被掃描物體反射光的光敏探測系統(tǒng)，其特征在于反射物鏡由一個具有對著光源的第一表面和遠(yuǎn)離光源的第二表面的光透明體組成，所述的第一表面有一個對稱地分布于反射物鏡光軸周圍的第一透射窗和環(huán)繞在所述窗周圍的第一反射鏡，所述的第二表面有一個對稱地分布在光軸周圍的第二反射鏡和環(huán)繞在所述反射鏡周轉(zhuǎn)周圍的第二透射穿，其特征還在于第一透射窗上有一個第一衍射元件用以使光源所提供的光束分成掃描光束和兩輔助光束，第二反射鏡上有一個第二衍射元件用以使一部分自被掃描物體反射來并再次通過反射物鏡的光衍射到光敏探測系統(tǒng)并用通過探測系統(tǒng)可獲得的聚焦誤差信號的方式改變被衍射的掃描光束。
2.如權(quán)利要求1所述的掃描裝置，其特征在于至少有一個衍射元件是相位結(jié)構(gòu)的。
3.如權(quán)利要求1或2所述掃描裝置，其特征在于第二衍射元件是一個導(dǎo)致象散的元件，并且光敏探測系統(tǒng)由四個探測器組成，圍繞衍射掃描光束的主光線分布在四個不同的象限內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的掃描裝置，其特征在于第二衍射元件是一個具有直線條紋和線性變化光柵周期的光柵。
5.如權(quán)利要求3所述的掃描裝置，其特征在于第二衍射元件為一個具有曲線條紋和非線性變化光柵周期的全息光柵。
6.如權(quán)利要求1或2所述的掃描裝置，其特征在于第二衍射元件是一個包含有兩個子光柵并將被衍射的光束分為兩束次光束的衍射光柵，而且其探測系統(tǒng)包括兩對探測器，第一和第二次光束分別對應(yīng)于第一對和第二對探測器。
7.如權(quán)利要求6所述的掃描裝置，其特征在于子光柵有一個變化的光柵周期;子光柵的柵紋是彎曲的。
8.如權(quán)利要求6或7所述的掃描裝置，其特征在于一個子光柵的柵紋與另一子光柵的柵紋有相同的主方向，而子光柵的光柵周期不同，探測器對在平行于子光柵分界線的方向上并列放置。
9.如權(quán)利要求6或7所述的掃描裝置，其特征在于子光柵有相同的平均光柵周期，一個子光柵的柵紋主方向以第一角度和另一子光柵的柵紋主方向以第二角度向兩子光柵的分界線延伸，探測器對在所述分界線的橫向上并列放置。
10.如權(quán)利要求1-9中任意一個所述的掃描裝置，其特征在于第二透射窗有一非球表面。
11.如權(quán)利要求1-10中任意一個所述的掃描裝置，其特征在于光源與第一透射窗相連接。
12.如權(quán)利要求1-11中任意一個所述的掃描裝置，其特征在于光敏探測系統(tǒng)與第一透射窗相連接。
13.一種配有兩個衍射元件的反射物鏡，適用于上述任意一個權(quán)利要求所述的掃描裝置。
14.配有一個上述任意一個權(quán)利要求所述的掃描裝置的光學(xué)讀和/或?qū)懺O(shè)備。
全文摘要
一種光掃描裝置，包括光源9，反射物鏡10和光敏探測系統(tǒng)20，其中的反射物鏡包含有第一和第二透鏡窗(14，17)及第一和第二反射鏡(15，16)。第一和第二衍射元件(30，40)分別在第一窗14和第二反射鏡16上，以使探測在帶有記錄槽的信息平面3上掃描光點(diǎn)V1的掃描軌跡誤差和相對于信息平面3而言掃描光束b1的聚焦誤差成為可能。
文檔編號G11B7/135GK1043794SQ89109790
公開日1990年7月11日 申請日期1989年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月13日
發(fā)明者威廉·杰拉德·奧費(fèi)治, 約瑟夫斯·約翰內(nèi)斯·瑪麗亞·布拉特 申請人:菲利浦光燈制造公司