專利名稱：光學(xué)拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光盤裝置的光學(xué)拾取裝置，所述光盤裝置能記錄/再現(xiàn)覆蓋層厚度不同的多種光盤的數(shù)據(jù)。本發(fā)明尤其涉及具有折射透鏡元件和衍射元件組合的光學(xué)拾取裝置。
背景技術(shù)：
光盤包括上面記錄數(shù)字信息的信息層和覆蓋信息層的透明覆蓋層。來自光學(xué)拾取裝置的激光束透過覆蓋層在信息層上形成束斑。光學(xué)拾取裝置和信息層之間距離的變化取決于覆蓋層的厚度。
即，覆蓋層越厚，從光學(xué)拾取裝置到束斑的距離越長。例如，由于致密盤(CD)或CD-R的覆蓋層的厚度為1.2mm，數(shù)字多用盤(DVD)的覆蓋層的厚度為0.6mm，因此當用CD或CD-R代替DVD時，要求光學(xué)拾取裝置移動束斑，使其在覆蓋層上遠離光學(xué)拾取裝置0.6mm(在空氣中為0.4m)。
盡管傍軸光束的光斑隨著物鏡的移動而移動，但覆蓋層厚度的變化改變球差。如果在替換盤時光學(xué)拾取裝置僅移動物鏡，則使激光束的波陣面(wave front)像差變壞。這樣，束斑的直徑被增大，這防止光盤裝置從CD上再現(xiàn)所記錄的信息。例如，當設(shè)計成從DVD上再現(xiàn)所記錄的信息時使球差最小的物鏡用于從CD再現(xiàn)信息時，球差變得太大了，以致即使物鏡移動到使束斑與信息層重合也不能再現(xiàn)該信息。
所以，在現(xiàn)有技術(shù)中，光學(xué)拾取裝置根據(jù)覆蓋層的厚度矯正激光束進入物鏡的條件。
例如，日本特許專利公報No.7-98431公開了這樣一種光學(xué)拾取裝置。在該出版物中示出的光學(xué)系統(tǒng)，在物鏡的激光光源側(cè)上采用全息透鏡，將來自激光光源的激光束分成零級平行衍射光束和一級發(fā)散衍射光束。零級衍射光束用于具有較薄覆蓋層的光盤(即，DVD)，一級衍射光束用于較厚覆蓋層的光盤(即CD和CD-R)。出版的光學(xué)拾取裝置能在將全息透鏡設(shè)計成根據(jù)覆蓋層的厚度得到最合適的激光束時形成用于各光盤的受衍射限制的束斑。
但是，由于出版的光學(xué)拾取裝置總是將來自激光源的激光束分成零級和一級衍射光束，每次僅將這些光束中的一束光束用于記錄/再現(xiàn)信息，光量使用的最大效率不超過40％。
此外，當其中一個衍射光束用于記錄/再現(xiàn)信息時，其他衍射光束都是不必要的光束，這增大了噪音。
更進一步，DVD的記錄密度高于CD的記錄密度，這要求DVD的光學(xué)拾取裝置形成比為專用CD設(shè)計的光學(xué)拾取裝置更小的束斑(下文成為專用CD拾取裝置)。由于束斑的直徑與激光束的波長正相關(guān)，DVD的光學(xué)拾取裝置要求節(jié)骨眼的振蕩波長為635-660nm，短于專用CD拾取裝置的振蕩波長(即780-830nm)。另一方面，CD-R的反射特性要求激光源的振蕩波長約為780nm。
因此，當具有出版物所述的單一激光源的光學(xué)拾取裝置采用發(fā)射具有較短振蕩波長的激光束的激光源，它不能從CD-R再現(xiàn)信息。
發(fā)明簡述所以，本發(fā)明的目的是提供一種用于光學(xué)拾取裝置的物鏡，它能記錄/再現(xiàn)多種光盤(例如CD，CD-R和DVD)上的信息，這些光盤的覆蓋層厚度不同。而且，本發(fā)明旨在提供光量的利用率高于上述出版物中公開的傳統(tǒng)光學(xué)拾取裝置的復(fù)合物鏡。
對于以上目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種改進的光學(xué)拾取裝置，其包括多個光源，用于發(fā)射具有不同波長的光束，并根據(jù)所使用的光盤的種類相互切換這些光源；一折射透鏡元件，用于將來自光源的光束會聚到光盤的記錄層上；以及其上形成有同心相位光柵結(jié)構(gòu)的球差矯正元件，該相位光柵結(jié)構(gòu)響應(yīng)波長的改變而改變其球差，以便矯正由于覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由于球差矯正元件對應(yīng)激光束波長的改變而改變其球差，故激光光源的切換能補償由于覆蓋層厚度改變引起的球差的改變。
球差矯正元件最好沒有傍軸光焦度，并且以同一衍射級例如以第一衍射級衍射該光束。
此外，具有較短發(fā)射波長的光源可以用于有較高記錄密度的較薄覆蓋層的光盤，而且具有較長發(fā)射波長的光源可以用于有較低記錄密度的較厚覆蓋層的光盤。在這種情況下，對于有較短波長的較薄覆蓋層的光盤來說，最好優(yōu)化該球差矯正元件的周邊區(qū)域。該周邊區(qū)域是對應(yīng)于有較厚覆蓋層的光盤所需要的數(shù)值孔徑的有效直徑的外部。換言之，周邊區(qū)域是球差矯正元件的有效直徑的85％線的外部?？梢詫⒅苓厖^(qū)域形成作為連續(xù)表面或光柵表面。在后一情況下，周邊區(qū)域的閃耀波長應(yīng)該比中央?yún)^(qū)域的閃耀波長短。
球差矯正元件可以位于光源和折射透鏡元件之間。折射透鏡元件和球差矯正元件構(gòu)成一復(fù)合物鏡。該復(fù)合物鏡可以設(shè)計為無限遠系統(tǒng)或有限系統(tǒng)，在無限遠系統(tǒng)中，平行光束入射在透鏡上；在有限系統(tǒng)中，發(fā)象散束入射到透鏡上。在無限遠系統(tǒng)中，要求準直儀透鏡位于光源和復(fù)合物鏡之間。
此外，球差矯正元件最好具有波長相關(guān)性，使得隨著入射光波長的增加，球差在欠矯正的方向上變化。
如上所述，隨著覆蓋層厚度的增加，球差在過矯正的方向上變化。所以，當將較長波長的激光源用于具有較厚覆蓋層的光盤，且將較短波長的激光源用于具有較薄覆蓋層的光盤時，通過球差矯正元件的上述波長相關(guān)性來矯正由于覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
通過相位光柵結(jié)構(gòu)增加的附加光路長度，用下面的光程差函數(shù)Φ(h)來表達Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次項的系數(shù)，h是距離光軸的高度，λ是入射光的波長。
球差矯正元件的相位光柵結(jié)構(gòu)可以滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度。
最好，球差矯正元件的一個表面是連續(xù)表面，且其他表面是光柵表面。光柵表面的基礎(chǔ)曲線可以是平面或旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。將基礎(chǔ)曲線定義為不包括相位光柵結(jié)構(gòu)的表面的形狀。
附圖簡述
圖1表示根據(jù)第一實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)；圖2A是在圖1的光學(xué)系統(tǒng)中使用的球差矯正元件的前視圖；圖2B是圖2A中的球差矯正元件的橫截面圖；圖3A是另一個球差矯正元件的前視圖；圖3B是圖3A中的球差矯正元件的橫截面圖；圖4是在各種閃耀波長中相位光柵的衍射效率曲線；圖5A是根據(jù)第二實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)；圖5B是在圖5A的光學(xué)拾取裝置中使用的激光組件的前視圖；圖6是根據(jù)第一例子的具有薄覆蓋型光盤例如DVD的覆蓋層的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖7A和7B是當使用薄覆蓋類型光盤時根據(jù)第一例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線；圖8是根據(jù)第一例子的具有厚覆蓋型光盤例如CD或CD-R的覆蓋層的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖9A和9B是當使用厚覆蓋類型光盤時根據(jù)第一例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線；圖10是根據(jù)第二例子的具有薄覆蓋類型光盤的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖11A和11B是當使用薄覆蓋類型光盤時根據(jù)第二例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線；圖12是根據(jù)第二例子的具有厚覆蓋型光盤的覆蓋層的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖13A和13B是當使用厚覆蓋類型光盤時根據(jù)第二例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線；圖14是根據(jù)第三例子的具有薄覆蓋類型光盤的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖15A和15B是當使用薄覆蓋類型光盤時根據(jù)第三例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線；圖16是根據(jù)第三例子的具有厚覆蓋型光盤的覆蓋層的復(fù)合物鏡的透鏡圖；圖17A和17B是當使用厚覆蓋類型光盤時根據(jù)第三例子的復(fù)合物鏡的各種像差曲線。
實施例描述第一實施例圖1表示一根據(jù)第一實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)拾取裝置被應(yīng)用于能記錄/再現(xiàn)多種設(shè)有不同厚度的覆蓋層的光盤(例如CD，CD-R，和DVD)的光盤設(shè)備。
該光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括一DVD組件11，一CD組件12，一光束組合器13，一準直儀透鏡14和一復(fù)合物鏡20。組件11和12中每個組件都配備有半導(dǎo)體激光器和安裝在共用基片上的傳感器。在組件11和12中的半導(dǎo)體激光器發(fā)射具有不同波長的激光束并根據(jù)光盤的種類對它們進行切換。
第一實施例的光學(xué)系統(tǒng)是無限遠系統(tǒng)。來自每個組件的激光束通過準直儀透鏡14被轉(zhuǎn)換為平行激光束并入射到復(fù)合物鏡20上。無限遠系統(tǒng)允許準直儀透鏡14和復(fù)合物鏡20之間的距離變化，這使能確定一種分離配置，其中僅復(fù)合物鏡20沿包括組件11和12、光束組合器13和準直儀透鏡14的光盤和光源部分的徑向移動。
復(fù)合物鏡20由折射透鏡元件21和球差矯正元件22組成。復(fù)合物鏡20安裝在調(diào)焦機構(gòu)上，以便相對于光盤信息層的位置調(diào)整透鏡位置。
折射透鏡元件21是兩面凸的塑料透鏡，具有非球面211和212。折射透鏡元件21具有正折射光焦度，以便將來自組件11和12的光束會聚到光盤的記錄層上。
球差矯正元件22在第二表面222上設(shè)有同心相位光柵結(jié)構(gòu)。第一表面221是連續(xù)表面。相位光柵結(jié)構(gòu)響應(yīng)波長變化改變球差，矯正由于覆蓋層厚度變化引起的球差的改變。相位光柵的形狀如下所述。
DVD是薄覆蓋型光盤，具有較高的記錄密度，其覆蓋層的厚度為0.6mm。為了在DVD上形成精細的束斑，要求激光束的波長下于635nm-660nm的范圍內(nèi)。另一方面，CD-R和CD是厚覆蓋型光盤，具有較低的記錄密度。CD-R或CD的覆蓋層的厚度是1.2mm。CD-R由于其光譜反射要求激光束波長約為780nm。
所以，DVD組件11的半導(dǎo)體激光發(fā)射657nm波長的激光束，CD組件12的半導(dǎo)體激光發(fā)射780nm或785nm波長的激光束。
從半導(dǎo)體激光發(fā)射的激光束通過覆蓋層D1(實線所示)或D2(虛線所示)會聚到信息層上。
當使用具有薄覆蓋層D1的薄覆蓋型光盤時，操作DVD組件11，發(fā)射激光束L1(實線所示)。復(fù)合物鏡20位于實線所示位置。激光束L1通過薄覆蓋層D1會聚到薄覆蓋型光盤的信息層上。
當使用具有厚覆蓋層D2的厚覆蓋型光盤時，操作CD組件12，發(fā)射激光束L2(虛線所示)。復(fù)合物鏡20移動到虛線所示位置以跟隨記錄層的位移。激光束L2通過厚覆蓋層D2會聚到厚覆蓋型光盤的信息層上。
圖2A是從折射透鏡元件21看的球差矯正元件22的前視圖，圖2B是其截面圖。球差矯正元件22的第一表面221是連續(xù)表面，即平面或具有極小曲率的曲面。第二表面222是光柵表面，在光柵表面上，形成相位光柵結(jié)構(gòu)。第二表面222的基礎(chǔ)曲線是平面。類似于菲涅耳透鏡，形成相位光柵結(jié)構(gòu)作為大量同心環(huán)，每個同心環(huán)具有楔形截面形狀。相鄰環(huán)之間的每個邊界形成為在光軸方向上給出預(yù)定光程差的間距。
圖3A是另一個球差矯正元件23的前視圖，圖3B是其橫截面圖。球差矯正元件23的第一表面231是連續(xù)表面，即平面或具有極小曲率的曲面。第二表面232是光柵表面，在光柵表面上，形成相位光柵結(jié)構(gòu)。第二表面232的基礎(chǔ)曲線是旋轉(zhuǎn)對稱的非球面的凹面。形成相位光柵結(jié)構(gòu)作為大量同心環(huán)，每個同心環(huán)具有垂直于光軸的平面。相鄰環(huán)之間的每個邊界形成為在光軸方向上給出預(yù)定光程差的間距。
圖2A、2B、3A和3B強調(diào)相位光柵結(jié)構(gòu)的環(huán)的大小。實際上，間距的高度等于λB/(n-1)，即約1μm，環(huán)的數(shù)量變成幾十。ΛB是閃耀波長，n是折射率。
當光柵表面的基礎(chǔ)曲線是圖2B所示的平面時，適于用光刻法形成相位光柵結(jié)構(gòu)?；蛘?，當光柵表面的基礎(chǔ)曲線是圖3B所示的曲面時，可以通過使用車床的機械方法形成相位光柵結(jié)構(gòu)。
在任何情況下，相位光柵結(jié)構(gòu)具有波長相關(guān)性，使得隨著入射光波長的增大球差在欠矯正的方向上變化。
隨著覆蓋層厚度的增大，球差在過矯正的方向上變化。而且，隨著入射激光束波長的增大，相位光柵結(jié)構(gòu)在欠矯正方向上改變球差。因此，由于將較長的波長激光束用于厚覆蓋型光盤，將較短波長的激光束用于薄覆蓋型光盤，所以通過由于相位光柵結(jié)構(gòu)的波長相關(guān)性引起的球差的變化矯正覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
通過相位光柵結(jié)構(gòu)增加的附加光程長度用下面的光程差函數(shù)Φ(h)來表達Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次項的衍射系數(shù)。h是距離光軸的高度，λ是入射光的波長。函數(shù)Φ(h)代表在距離光軸為h的高度的相位光柵結(jié)構(gòu)上的一點上，假設(shè)未被光柵衍射的虛光線和被光柵衍射的光線之間的光程差。在這個表達式中，第二次項系數(shù)P2的負值代表相位光柵結(jié)構(gòu)的正傍軸光焦度。而且，當?shù)谒拇雾椣禂?shù)P4大于零時，負光焦度隨距離光軸的距離的增加而增加。
對相位光柵結(jié)構(gòu)的實際微觀形狀的定義如同具有大量同心環(huán)的菲涅耳透鏡一樣。通過從Φ(h)中減去λ×m(m整數(shù))將實際形狀Φ′(h)定義如下。
Φ′(h)＝(MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)-C)×λB符號λB是給出一個波長的光程差的光柵間距的閃耀波長，衍射效率變成在閃耀波長λB處最大。符號C是常數(shù)，定義在相鄰環(huán)之間邊界上的相位(0＜C＜1)。函數(shù)MOD(x，y)代表當x被y除時的余項。MOD(P2h2+P4h4+...+C，1)在邊界處等于零。在作為折射透鏡的透鏡表面的基礎(chǔ)曲線上形成相位光柵結(jié)構(gòu)。環(huán)形區(qū)域的斜線和間距被設(shè)計成使光程差由Φ′(h)定義。
形成在球差矯正元件22上的相位光柵滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度。
當滿足條件(1)時，可以通過改變由于波長改變引起的相位光柵結(jié)構(gòu)的球差有效地相抵消由于覆蓋層厚度變化引起的球差變化。如果條件(1)的中間項變成低于-15時，由于波長變化引起的球差的變化變得太大。另一方面，當條件(1)的中間項超過-7時，由于波長變化引起的球差的變化變得太小，這不能相抵消由于覆蓋層厚度變化引起得球差的變化。
由于溫度變化引起的激光波長變化導(dǎo)致復(fù)合物鏡20的后焦點變化，這導(dǎo)致聚焦誤差。由于溫度變化引起的后焦點的變化非常慢，因此能通過光學(xué)失去裝置中的調(diào)焦結(jié)構(gòu)來矯正聚焦誤差。
另一方面，在記錄操作期間通過在高低等級之間切換激光輸出來快速改變激光波長。波長的快速變化也導(dǎo)致聚焦誤差，它不能有效地通過調(diào)焦結(jié)構(gòu)得到矯正。因此，希望復(fù)合物鏡20的構(gòu)造能減小焦點的移動。
通常，通過矯正軸向像差可以減小焦點的移動。但是，由于本實施例的復(fù)合物鏡20具有球差的波長相關(guān)性，相反，完美矯正軸向像差增大了最佳焦點位置的運動。因此，可以用由于波長變化引起的球差的變化來平衡像差的矯正。
用于薄覆蓋型光盤的激光束的波長λ1的長度最好約為用于厚覆蓋型光盤的激光束的波長λ2的長度的80％。當波長差太小時，相位光柵結(jié)構(gòu)要求大量間距以便充分廣播兩個波長之間的球差。由于大量間距增加了光量的損耗，波長應(yīng)該具有預(yù)定差。此外，相位光柵對波長的變化太敏感了，這縮小了對半導(dǎo)體激光波長的公差。
另一方面，波長差太大，平均衍射效率變小。相位光柵結(jié)構(gòu)的衍射效率在閃耀波長λB處為100％，而與閃耀波長的差越大，衍射效率越小。由于本實施例的光學(xué)拾取裝置使用兩個波長，至少一個波長必須離開閃耀波長。這樣，使用波長之間的大差值減小了平均衍射效率。
圖4是當閃耀波長λB設(shè)為650nm、700nm或780nm時的衍射效率曲線。在任何情況下，在665nm-785nm的范圍內(nèi)，衍射效率大于約90％。所以，當波長λ1和λ2分別是665nm和785nm時(λ1/λ2＝0.84)，衍射效率大于90％，即使閃耀波長λB具有665nm-785nm范圍內(nèi)的任何值。
DVD要求0.60的NA，而0.50的NA對于CD或CD-R就足夠了。相反，在0.50NA外面的激光束對CD或CD-R的再現(xiàn)有不好的影響。具有0.6NA的激光束形成的束斑對于CD或CD-R來說太小了。所以，周邊區(qū)域最好為DVD專用。
為此，對于為薄覆蓋型光盤的DVD來說，球差矯正元件22的周邊區(qū)域應(yīng)當優(yōu)化。周邊區(qū)域是對應(yīng)于NA0.45或NA0.50的有效直徑的外部。換言之，周邊區(qū)域是球差矯正元件22的有效直徑的85％線的外部。光柵表面的中央?yún)^(qū)域是DVD，CD和CD-R的公共區(qū)域，光柵表面的周邊區(qū)域是DVD的專用區(qū)域。
中央?yún)^(qū)域形成作為光柵表面。周邊區(qū)域可以形成為連續(xù)表面或光柵表面。在前一種情況下，應(yīng)該對DVD矯正周邊區(qū)域的像差。在后一種情況下，周邊區(qū)域的閃耀波長應(yīng)該比中央?yún)^(qū)域的短。當周邊區(qū)域的閃耀波長比中央?yún)^(qū)域短時，CD或CD-R的衍射效率降低，DVD的衍射效率升高。
在進一步，正折射透鏡的球差隨著折射率降低引起的溫度升高在過矯正的方向上變化，半導(dǎo)體激光具有溫度關(guān)系式使得發(fā)射的激光的波長隨著溫度升高而增大。當溫度升高時，折射透鏡在過矯正方向上廣播球差，相位光柵結(jié)構(gòu)在欠矯正的方向上球差，原因是從半導(dǎo)體激光發(fā)射的光的波長增大。因此，能彼此相抵消折射透鏡和相位光柵結(jié)構(gòu)造成的球差的變化。
所以，當折射透鏡元件21由折射率隨溫度升高而減小的樹脂制成時，希望在周邊區(qū)域和中央?yún)^(qū)域中形成相位光柵結(jié)構(gòu)。在這種情況下，希望在周邊區(qū)域中的相位光柵結(jié)構(gòu)的閃耀波長比中間區(qū)域中的短，目的是增大用于DVD的激光束的衍射效率。
第二實施例圖5A表示第二實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括激光組件30和復(fù)合物鏡20。第二實施例的光學(xué)系統(tǒng)是有限系統(tǒng)，在所述有限系統(tǒng)中，發(fā)散的光束入射到復(fù)合物鏡20上。
如圖5B所示，激光組件30在硅基片31上設(shè)有單片半導(dǎo)體激光32、棱鏡33和一對傳感器34a和34b。半導(dǎo)體激光32包括共用芯片上的一對不同活動層，以便形成一對發(fā)射波長彼此不同的發(fā)光點32a和32b。發(fā)光點之間的距離約為100μm。從發(fā)光點32a和32b發(fā)出的激光束鏡棱鏡33的45度斜面的反射作為發(fā)象散束入射到復(fù)合物鏡上。
復(fù)合物鏡20與第一實施例的相類似，它由折射透鏡元件21和球差矯正元件22組成。
當使用具有薄覆蓋層D1的薄覆蓋型光盤時，操作發(fā)光點32a，發(fā)射具有較短波長的激光束L1(實線所示)。復(fù)合物鏡20位于實線所示位置。激光束L1通過薄覆蓋層D1會聚到薄覆蓋型光盤的信息層上。
當使用具有厚覆蓋層D2的厚覆蓋型光盤時，操作發(fā)光點32b，發(fā)射具有較長波長的激光束L2(虛線所示)。復(fù)合物鏡20移動到虛線所示位置以跟隨記錄層的位移。激光束L2通過厚覆蓋層D2會聚到厚覆蓋型光盤的信息層上。
下面將描述根據(jù)第一實施例的復(fù)合物鏡20的三個具體例子。這些例子的復(fù)合物鏡20為可兼容的光學(xué)拾取裝置設(shè)計的，既適用于具有0.6mm厚度覆蓋層的薄覆蓋型光盤例如DVD，又適用于具有1.2mm厚度覆蓋層的后覆蓋型光盤例如CD或CD-R。在球差矯正元件22的第二表面222上形成相位光柵結(jié)構(gòu)。
第一個例子圖6表示第一個例子的復(fù)合物鏡20和薄覆蓋型光盤的覆蓋層D1。圖8表示具有后覆蓋型光盤的覆蓋層D2的復(fù)合物鏡20。其數(shù)值結(jié)構(gòu)在表1中描述。表面#1和#2代表球差矯正元件22，表面#3和#4代表折射透鏡元件21，表面#5和#6代表光盤的覆蓋層。
在表1中，NA表示數(shù)值孔徑，f(單位mm)表示總焦距，ω(單位度)表示視場的半角，λ1(單位nm)表示薄覆蓋型光盤的波長，λ2(單位nm)表示厚覆蓋型光盤的波長，λB(單位nm)表示中央?yún)^(qū)域的閃耀波長，h45(單位nm)表示NA為0.45的光線與相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度，r(單位mm)表示表面的曲率半徑(非球面頂點處的值)，d1(單位mm)表示沿薄覆蓋型光盤的光軸的表面之間的距離，d2(單位mm)表示厚覆蓋型光盤的距離，nλ表示在波長λnm處的折射率，νd表示阿貝系數(shù)。
球差矯正元件22的表面222(表面#2)的基礎(chǔ)曲線是平面。折射透鏡元件21的表面211和212也都是旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。該旋轉(zhuǎn)對稱的非球面由以下等式表示X(h)=h2c1+1-(1+K)h2c2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>X(h)是SAG，即，距離離光軸的高度為h的表面上的點處的切面的曲線距離。符號c是表面的頂點的曲率(1/r)，K是圓錐常數(shù)，A4，A6，A8，A10和A12分別是第四、第六、第八、第十和第十二級的非球面系數(shù)。常數(shù)K和系數(shù)A4-A12如表2所示。
此外，表2表示光程差函數(shù)Φ(h)的第二、第四、第六、第八和第十次項的各個系數(shù)P2，P4，P6，P8，P10，以限定形成在球差矯正元件22上的第二表面222上的相位光柵結(jié)構(gòu)。[表1]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.50mm ω＝1.0° h45＝1.60mmλ2＝785nm NA 0.45 f＝3.52mm ω＝1.0°λB＝700nm表面號 r d1d2n657 n785νd#1 ∞1.000 1.000 1.54056 1.53665 55.6#2 ∞0.200 0.200#3 2.084 2.400 2.400 1.54056 1.53665 55.6#4 -12.230 1.706 1.344#5∞ 0.600 1.200#6∞[表2]表面#2表面#3表面#4K - -0.44000.0000A4- -1.2400×10-31.9840×10-2A6- -2.2800×10-4-5.8000×10-3A8- -8.6000×10-54.7300×10-4A10- 2.3300×10-51.0200×10-5A12- -6.3900×10-60.0000P20.0000P4-1.3200P6-2.1400×10-1P82.5100×10-2P100.0000圖7A和7B表示當在657nm波長下使用薄覆蓋型光盤時根據(jù)第一個例子的物鏡的三級像差圖7A表示在波長649nm、657nm和665nm下的球差SA；圖7B表示象散(S弧矢象散，M子午象散)。
圖7A中的垂直軸表示數(shù)值孔徑NA，圖7B中的垂直軸表示象高Y。在圖7A和7B中水平軸的單位是“mm”。圖9A和9B是在785nm波長下使用厚覆蓋型光盤時類似于圖7A和7B的曲線。
如圖7A和9A所示，在657nm和785nm下被充分矯正球差。
在第一個例子中，在有效半徑中的整個區(qū)域內(nèi)，在球差矯正元件22的第二表面222上形成該相位光柵結(jié)構(gòu)。在環(huán)之間的邊界的高度如表3所示。在第一個例子中，表面222的基礎(chǔ)曲線是圖2B所示的平面，表面222的實際形狀Δx(h)直接由光程差函數(shù)表達如下Δx(h)＝MOD(P2h2+P4h4+…，1)×λB/(n-1)[表3]環(huán)號 h(mm) 環(huán)號 h(mm) 環(huán)號 h(mm)1 0.907131.658251.9392 1.069141.688261.9573 1.176151.715271.9754 1.258161.742281.9935 1.326171.767292.0116 1.384181.791302.0277 1.434191.815312.0448 1.480201.837322.0609 1.521211.859332.07610 1.559221.880342.09211 1.594231.90012 1.627241.920處于h45(＝1.600mm)的內(nèi)部的中央?yún)^(qū)域覆蓋1-11號環(huán)，處于h45外部的周邊區(qū)域覆蓋12-34號環(huán)。在中央?yún)^(qū)域中的閃耀波長等于700nm，周邊區(qū)域的閃耀波長等于657nm。即，對DVD進行周邊區(qū)域優(yōu)化。
第二個例子圖10表示第二個例子的復(fù)合物鏡20和薄覆蓋型光盤的覆蓋層D1。圖12表示具有厚覆蓋型光盤的覆蓋層D2的復(fù)合物鏡20。其數(shù)值結(jié)構(gòu)如表4所示。表5表示圓錐常數(shù)、非球面系數(shù)和光程差函數(shù)的系數(shù)。[表4]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.80mm ω＝0.9° h45＝1.72mmλ2＝780nm NA 0.50 f＝3.82mm ω＝0.9°λB＝700nm表面號 r d1d2n657 n780 νd#1 ∞1.500 1.500 1.54056 1.53677 55.6#2 ∞0.250 0.250#3 2.434 2.840 2.840 1.54056 1.53677 55.6#4-7.826 1.862 1.500#5 ∞0.600 1.200#6 ∞[表5]表面#2 表面#3 表面#4K 0.0000 -0.4400 0.0000A41.500×10-3-4.2045×10-41.4000×10-2A60.0000 -9.6210×10-5-3.1400×10-3A81.500×10-54.2851×10-63.0500×10-4A100.0000 -4.6156×10-6-8.0000×10-6A120.0000 -4.0000×10-70.0000P20.0000P4-1.1551P60.0000P8-1.1550×10-2P100.0000
圖11A和11B表示在657nm波長下使用薄覆蓋型光盤時的球差和象散。圖13A和13B表示在780nm處使用厚覆蓋型光盤時的球差和象散。
在第二個例子中，在非球面基礎(chǔ)曲線上形成該相位光柵結(jié)構(gòu)。因此，該相位光柵結(jié)構(gòu)的球差能與非球面基礎(chǔ)曲線的球差相抵消，保持球差矯正元件22的波長相關(guān)性。這就使球差矯正元件22上光線的彎曲最小，從而減小了由于折射透鏡元件21和球差矯正元件22之間距離變化引起的各種像差變化。
該光柵表面的實際形狀被限定為將以上描述的光程差函數(shù)表示的相位光柵結(jié)構(gòu)疊加在該基礎(chǔ)曲線上。其結(jié)果是，每個環(huán)的表面是一與圖3B所示光軸垂直的平面。間距(step)T等于λB/(n-1)＝0.0007/(1.53906-1)＝0.0013(mm)。即，間距為1.3μm。
第三個例子圖14表示第三個例子的復(fù)合物鏡20和薄覆蓋型光盤的覆蓋層D1。圖16表示具有厚覆蓋型光盤的覆蓋層D2的復(fù)合物鏡20。其數(shù)值結(jié)構(gòu)在表6中描述。表7表示圓錐常數(shù)、非球面系數(shù)和光程差函數(shù)的系數(shù)。[表6]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.06mm ω＝1.1°h45＝1.38mmλ2＝780nm NA 0.50 f＝3.08mm ω＝1.1°λB＝657nm表面號 r d1d2n657 n780νd#1 ∞ 1.500 1.500 1.540561.53677 55.6#2 ∞ 0.200 0.200#3 1.954 2.287 2.287 1.540561.53677 55.6#4 -6.293 1.421 1.500#5 ∞ 0.600 1.200#6 ∞[表7]表面#2 表面#3 表面#4K 0.0000 -0.4430 0.0000A43.200×10-3-8.800×10-42.6900×10-2A62.300×10-4-1.5100×10-4-9.3440×10-3A83.800×10-5-8.5000×10-51.4050×10-3A100.0000 3.0000×10-7-5.7000×10-5A120.0000-8.0200×10-60.0000P20.0000P4-2.6326P6-1.8917×10-1P8-3.1279×10-2P100.0000圖15A和15B表示在657nm波長下使用薄覆蓋型光盤時的球差和象散。圖17A和17B表示在780nm波長下使用厚覆蓋型光盤時的球差和象散。
在第三個例子中，與第二個例子一樣在非球面基礎(chǔ)曲線上形成相位光柵結(jié)構(gòu)。因此，該相位光柵結(jié)構(gòu)的球差能與非球面基礎(chǔ)曲線的球差相抵消，保持球差矯正元件22的波長相關(guān)性。
該光柵表面的實際形狀被限定為將以上描述的光程差函數(shù)表示的相位光柵結(jié)構(gòu)疊加在該基礎(chǔ)曲線上。其結(jié)果是，每個環(huán)的表面是一與圖3B所示光軸垂直的平面。間距T等于λB/(n-1)＝0.000657/(1.54056-1)＝0.00122(mm)。即，間距為1.22μm。
在這種情況下，球差矯正元件22在657nm下沒有球差。所以，在NA0.60下沒有像差的折射透鏡元件21與球差矯正元件22一起使用。球差矯正元件22的光柵表面的周邊區(qū)域被形成作為連續(xù)表面。周邊區(qū)域有助于在657nm下利用光束形成束斑而不會由于相位光柵結(jié)構(gòu)造成光損失。另一方面，周邊部分無助于在780nm下利用光束形成束斑，這能避免形成對于CD或CD-R來說太小的束斑。
下面的表8表示對于條件(1)的第一至第三例子的值。由于所有的實施例都滿足條件(1)，故能減小由于覆蓋層厚度的變化引起的波陣面像差的變壞。[表8]例子第一例 第二例第三例條件(1)-11.2-10.9-11.2φ(h45)/λ-P2×(h45)權(quán)利要求
1.一種光學(xué)拾取裝置，用于至少兩種分別設(shè)置了具有不同厚度的覆蓋層的光盤，所述光學(xué)拾取裝置包括多個光源，用于發(fā)射具有不同波長的光束，并根據(jù)所使用的光盤種類相互切換所述多個光源；一折射透鏡元件，用于將來自所述光源的所述光束會聚到所述光盤的記錄層上；以及其上形成有同心相位光柵結(jié)構(gòu)的球差矯正元件，所述相位光柵結(jié)構(gòu)響應(yīng)波長的改變而改變其球差，以便矯正由于所述覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述球差矯正元件沒有傍軸光焦度，并且按同一衍射級衍射所述光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述多個光源的其中一個具有較短發(fā)射波長的光源，被用于其中一種具有較高記錄密度的較薄覆蓋層的光盤；其中，另一個具有較長發(fā)射波長的所述光源，被用于另一種具有較低記錄密度的較厚覆蓋層的光盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述球差矯正元件的光柵表面的周邊區(qū)域，被形成作為最適于其中一種有較短波長的較薄覆蓋層的光盤的連續(xù)表面，所述周邊區(qū)域是對應(yīng)于有較厚覆蓋層的另一種光盤所需要的數(shù)值孔徑的有效直徑的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述球差矯正元件的光柵表面的周邊區(qū)域的相位光柵結(jié)構(gòu)與中央?yún)^(qū)域的相位光柵結(jié)構(gòu)不同，所述周邊區(qū)域的相位光柵結(jié)構(gòu)最適于其中一種具有較短波長的有較薄覆蓋層的光盤；其中，所述周邊區(qū)域是對應(yīng)于有較厚覆蓋層的另一種光盤所需要的數(shù)值孔徑的有效直徑的外部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述球差矯正元件位于所述光源和所述折射透鏡元件之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述相位光柵結(jié)構(gòu)具有波長相關(guān)性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)拾取裝置，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度，λ是設(shè)計波長，P2是當通過所述相位光柵結(jié)構(gòu)增加的附加光路長度由以下光程差函數(shù)Φ(h)來表達時的第二次項系數(shù)Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的系數(shù)，h是距離光軸的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)拾取裝置，還包括位于所述多個光源和所述球差矯正元件之間以便將發(fā)象散束轉(zhuǎn)換為平行光束的準直儀透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)拾取裝置，其中，從所述多個光源發(fā)出的發(fā)象散束被入射在所述球差矯正元件上。
11.一種光學(xué)拾取裝置的復(fù)合物鏡，所述光學(xué)拾取裝置用于至少兩種分別設(shè)置了具有不同厚度的覆蓋層的光盤，所述復(fù)合物鏡包括一具有正光焦度的折射透鏡元件；以及一其上形成有同心相位光柵結(jié)構(gòu)的球差矯正元件，所述相位光柵結(jié)構(gòu)響應(yīng)波長的改變而改變其球差，以便矯正由于所述覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述球差矯正元件沒有傍軸光焦度，并且按同一衍射級中衍射具有不同波長的光束。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述折射透鏡元件是一雙非球面的單片透鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述球差矯正元件的一個表面是連續(xù)表面，另一個表面是光柵表面，其中光柵表面的基礎(chǔ)曲線是平面。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述球差矯正元件的一個表面是連續(xù)表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎(chǔ)曲線是旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述相位光柵結(jié)構(gòu)形成在所述球差矯正元件的光柵表面的中央?yún)^(qū)域內(nèi)，而且所述光柵表面的周邊區(qū)域形成為連續(xù)表面；其中所述周邊區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域以所述球差矯正元件的有效直徑的85％線劃分。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述相位光柵結(jié)構(gòu)形成在所述球差矯正元件的光柵表面的整個區(qū)域內(nèi)，在所述光柵表面的周邊區(qū)域中所述相位光柵結(jié)構(gòu)的閃耀波長比所述光柵表面的中央?yún)^(qū)域的閃耀波長短；其中所述周邊區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域以所述球差矯正元件的有效直徑的85％線劃分。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合物鏡，其中，所述相位光柵結(jié)構(gòu)具有波長相關(guān)性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的復(fù)合物鏡，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度，λ是設(shè)計波長，P2是當通過所述相位光柵結(jié)構(gòu)增加的附加光路長度由以下光程差函數(shù)Φ(h)來表達時的第二次項系數(shù)Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的系數(shù)，h是距離光軸的高度。
20.一種與光學(xué)拾取裝置中的折射透鏡元件組合使用的球差矯正元件，所述光學(xué)拾取裝置用于至少兩種分別設(shè)置了具有不同厚度的覆蓋層的光盤，所述矯正元件包括一同心相位光柵結(jié)構(gòu)，用于響應(yīng)波長變化改變其球差，以便矯正由于所述覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中不提供傍軸光焦度，并且以同一衍射級衍射具有不同波長的光束。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中一個表面是連續(xù)表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎(chǔ)曲線是平面。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中一個表面是連續(xù)表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎(chǔ)曲線是旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結(jié)構(gòu)形成在光柵表面的中央?yún)^(qū)域內(nèi)，而且所述光柵表面的周邊區(qū)域形成為連續(xù)表面，其中所述周邊區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域以有效直徑的85％線劃分。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結(jié)構(gòu)形成在光柵表面的整個區(qū)域內(nèi)，在所述光柵表面的周邊區(qū)域中所述相位光柵結(jié)構(gòu)的閃耀波長比所述光柵表面的中央?yún)^(qū)域的閃耀波長短，其中所述周邊區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域以有效直徑的85％線劃分。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結(jié)構(gòu)具有波長相關(guān)性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的球差矯正元件，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結(jié)構(gòu)相交點距離光軸的高度，λ是設(shè)計波長，P2是當通過所述相位光柵結(jié)構(gòu)增加的附加光路長度由以下光程差函數(shù)Φ(h)來表達時的第二次項系數(shù)Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的系數(shù)，h是距離光軸的高度。
全文摘要
一種光學(xué)拾取裝置包括:發(fā)射具有不同波長的光束的光源,根據(jù)使用的光盤種類相互切換光源,將來自所述光源的所述光束會聚到所述光盤的記錄層上的折射透鏡元件;以及上面形成有同心相位光柵結(jié)構(gòu)的球差矯正元件,該相位光柵結(jié)構(gòu)響應(yīng)波長的改變而改變其球差,以便矯正由于覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。球差矯正元件具有波長相關(guān)性,使得隨著入射光波長的增大,球差在欠矯正的方向上變化。
文檔編號G11B7/135GK1354875SQ00803536
公開日2002年6月19日 申請日期2000年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月8日
發(fā)明者丸山晃一 申請人:旭光學(xué)工業(yè)株式會社