專利名稱：光學(xué)掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描設(shè)備，其用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層，借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射束來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一與其它偏振不同，所述設(shè)備包括
用于連續(xù)地或同時(shí)地供應(yīng)所述第一、第二和第三輻射束的輻射源，
用于將所述第一、第二和第三輻射束分別會(huì)聚到所述第一、第二和第三信息層的位置上面的物鏡系統(tǒng)，以及
被設(shè)置在所述第一、第二和第三輻射束的光學(xué)路徑中的衍射部件，所述部件包括圖案元件的圖案，所述圖案元件基本上具有用于分別從所述第一、第二和第三輻射束形成第一衍射輻射束、第二衍射輻射束和第三衍射輻射束的階梯形輪廓，所述部件包括對(duì)所述第一、第二和第三偏振敏感的雙折射材料。
更具體地，但不是排他地，本發(fā)明涉及一種與三種不同格式，如壓縮盤(CD)、也被稱為“紅色DVD”的傳統(tǒng)數(shù)字通用盤(DVD)以及也被稱為“藍(lán)色DVD”的所謂下一代DVD兼容的光學(xué)掃描設(shè)備。
本發(fā)明還涉及一種用在光學(xué)設(shè)備中的衍射部件，所述光學(xué)設(shè)備用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層、借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射束來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一與其它偏振不同，所述衍射部件
被設(shè)置在所述第一、第二和第三輻射束的光學(xué)路徑中，
包括圖案元件的圖案，所述圖案元件基本上具有用于分別從所述第一、第二和第三輻射束形成第一衍射輻射束、第二衍射輻射束和第三衍射輻射束的階梯形輪廓，
包括對(duì)所述第一、第二和第三偏振敏感的雙折射材料。
“掃描信息層”是指借助于輻射束進(jìn)行掃描以用于讀取信息層中的信息(“讀取模式”)、在信息層中寫入信息(“寫模式”)以及/或在信息層中擦除信息(“擦除信息”)。“信息密度”是指信息層每單位面積所存儲(chǔ)的信息量。尤其，它由通過掃描設(shè)備在待被掃描的信息層上面所形成的掃描光點(diǎn)的大小來確定。通過減少掃描光點(diǎn)的大小可以增加信息密度。由于光點(diǎn)的大小尤其還取決于形成光點(diǎn)的輻射束的波長λ和數(shù)值孔徑NA，所以通過增加NA以及/或通過減少λ可以減少掃描光點(diǎn)的大小。
“被衍射的輻射束”包括每個(gè)具有衍射級(jí)“m”，即第零級(jí)(m＝0)，+1st級(jí)(m＝1)，+2nd級(jí)(m＝2)等，-1st級(jí)(m＝-1)，-2nd級(jí)(m＝-2)等的多個(gè)輻射束。注意到在本說明中第零級(jí)輻射束被視為被衍射的輻射束。
所希望地是一種與不同格式的光學(xué)記錄載體兼容的光學(xué)掃描設(shè)備，即用于借助于具有不同波長的輻射束而同時(shí)使用一個(gè)物鏡系統(tǒng)來掃描不同格式的光學(xué)記錄載體。例如，CD可用，尤其作為CD-A(DC-音頻)、CD-ROM(CD只讀存儲(chǔ)器)以及CD-R(CD可記錄的)，并且被設(shè)計(jì)成要借助于具有約為780nm波長(λ)的輻射束被加以掃描。另一方面，紅色DVD被設(shè)計(jì)成要借助于具有波長約為660nm波長的輻射束被加以掃描，并且藍(lán)色DVD被設(shè)計(jì)成要借助于具有約為405nm波長的輻射束被加以掃描。顯著地，“藍(lán)色DVD”格式盤較“紅色DVD”格式盤具有較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，典型地可以獲得至少兩倍的存儲(chǔ)容量的增加。
這些格式的多樣性引起了下述困難。首先，被設(shè)計(jì)用于在某一波長正在被讀出的盤并不總是在另一波長可讀取。一實(shí)例是“CD-R”格式盤，其中特殊的染料必須被施加到記錄堆棧中以為了獲得針對(duì)λ＝780nm的高調(diào)制。在λ＝660nm，因染料的波長敏感性，來自盤的信號(hào)的調(diào)制變得很小，因此在這個(gè)波長的讀出是不可行的。其次，當(dāng)具有較高存儲(chǔ)容量的新光學(xué)掃描系統(tǒng)被引入時(shí)，對(duì)于新的光學(xué)掃描設(shè)備重要地是向后兼容，即能夠掃描已經(jīng)具有現(xiàn)存格式的光學(xué)記錄載體。第三，在具有不同格式的兩個(gè)盤之間存在厚度差，以致于在一種情況下產(chǎn)生球面象差而在另一情況下不產(chǎn)生。
作為這個(gè)多種格式的結(jié)果，問題是要設(shè)計(jì)且制作一種光學(xué)掃描設(shè)備，其能夠?yàn)榕c每個(gè)格式相聯(lián)系的波長產(chǎn)生預(yù)定的波前。
例如，已經(jīng)知道在日本專利申請JP-A-2001209966中提供一種光學(xué)掃描設(shè)備，其用于分別借助于第一輻射束、第二輻射束和第三輻射束來掃描“藍(lán)色DVD”格式盤、“紅色DVD”格式盤和CD格式盤。第一、第二和第三輻射束分別具有第一波長λ1、第二波長λ2和第三波長λ3以及分別具有第一偏振p1、第二偏振p2和第三偏振p3。波長λ1、λ2和λ3彼此不同。偏振p1、p2和p3至少之一與其它的不同。此外，已知的光學(xué)掃描設(shè)備包括用于供應(yīng)三個(gè)輻射束的輻射源、用于將三個(gè)輻射束分別會(huì)聚到三個(gè)光學(xué)記錄載體的信息層中的物鏡系統(tǒng)、以及被設(shè)置在三個(gè)輻射束的光學(xué)路徑中的衍射部件。所述物鏡系統(tǒng)具有光軸。衍射部件具有兩個(gè)平行的平面，在所述平面之間提供有由玻璃制成的第一層以及第二層。第一和第二層之間的界面是具有一個(gè)階梯形輪廓的圖案元件的圖案。第一和第二層材料的選擇以及階梯形輪廓的設(shè)計(jì)是如此這般，以便于衍射部件形成針對(duì)波長λ1的第零級(jí)第一衍射輻射束以及針對(duì)波長λ2和λ3中每個(gè)的較高(即非第零)級(jí)衍射輻射束。此外，第二層由對(duì)偏振p1、p2和p3敏感的雙折射材料制成。
所述日本專利申請JP-A-2001209966講授了用于制作衍射部件的第二層的兩個(gè)方案。
在第一已知的方案中，第二層由液晶(LC)材料制成，所述液晶材料從電上可調(diào)節(jié)(借助于電極)用于修改其折射率以便于形成三個(gè)衍射束。結(jié)果是，這樣的設(shè)備設(shè)計(jì)起來復(fù)雜并且要求制作設(shè)計(jì)和制作均困難且昂貴的可切換LC組件。
在第二已知的方案中，第二層由具有尋常折射率和非常折射率的固體雙折射率材料制成，所述折射率之一等于第一層(玻璃)的折射率。因此，當(dāng)?shù)谝黄癖慌c后述折射率相聯(lián)系的方向?qū)?zhǔn)時(shí)，來自衍射部件的第一衍射束具有平的波前則形成第一衍射束的第零級(jí)。換句話說，衍射部件則充當(dāng)?shù)谝徊ㄩL的透明平行板。
因而，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)掃描設(shè)備，其適合于借助于具有三個(gè)不同波長和具有不同偏振的輻射束來掃描光學(xué)記錄載體，所述設(shè)備是已知方案的替代方案。
這個(gè)目的由在開始段落中所說明的光學(xué)掃描設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其中根據(jù)本發(fā)明，所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化針對(duì)所述第一波長基本上等于至少兩個(gè)不同的倍數(shù)的2π以及針對(duì)所述第二波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π(modulo 2π)。將要注意到就所述第二波長的兩個(gè)基本上不同的相位變化值可以如下面進(jìn)一步詳細(xì)說明從至少三個(gè)的多個(gè)值當(dāng)中加以選擇。
對(duì)照于從所述日本專利申請JP-A-2001209966所已知的方案，根據(jù)本發(fā)明的衍射部件如下形成第一衍射束的第零級(jí)。因此，當(dāng)?shù)谝黄癖慌c尋常軸或非常軸的方向?qū)?zhǔn)時(shí)，由于階梯形輪廓圖案元件的階梯高度設(shè)計(jì)，所以在第一衍射束中引入基本上等于至少兩個(gè)不同倍數(shù)的2π的相位變化。因而，形成第一衍射束的第零級(jí)。換句話說，在根據(jù)本發(fā)明的衍射部件中，在第一衍射束中在垂直于物鏡光軸方向(下面被稱為“徑向方向”)上引入不相等的光學(xué)路徑。要注意到這個(gè)衍射部件并不充當(dāng)?shù)谝徊ㄩL的透明平行板，由于第一衍射束并不具有平的波前，這與已知的衍射部件相反。
根據(jù)本發(fā)明的階梯形輪廓的優(yōu)點(diǎn)是提供這樣的衍射部件，其形成具有預(yù)定值，例如針對(duì)這些束所希望級(jí)的高透射效率值的所述第一和第二衍射束。此外，所述衍射部件可形成具有相位變化近似于理想鋸齒形輪廓的第二衍射部件，如下面進(jìn)一步詳細(xì)說明。
顯著地，從于2000年9月4日提交的申請?zhí)?0203066.6下的歐洲專利申請中已知，提供一種具有衍射部件的光學(xué)掃描設(shè)備，所述光學(xué)衍射部件包括具有被如此設(shè)計(jì)的階梯形輪廓的圖案元件的圖案，以便于屬于所述圖案元件的階梯的光學(xué)路徑基本上等于所述波長的倍數(shù)。這樣的衍射部件是有利的，因?yàn)樗试S形成具有被加以選擇的衍射級(jí)(即高透射效率得到實(shí)現(xiàn)的級(jí))的衍射束，其否則因多個(gè)波長是困難的。然而，那個(gè)申請的示教并不提供用于提供根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備的足夠指導(dǎo)。
首先，該歐洲專利申請并不講授如何設(shè)計(jì)與三個(gè)不同格式的光學(xué)記錄載體兼容的光學(xué)掃描設(shè)備，而僅說明了借助于具有兩個(gè)波長的兩個(gè)輻射束用于掃描兩個(gè)不同格式的光學(xué)記錄載體。
其次，該歐洲專利申請并沒有講授用于制作具有階梯形輪廓的衍射部件的簡單方法。當(dāng)使用那個(gè)申請中所解釋的方法來設(shè)計(jì)衍射部件時(shí)，三個(gè)波長的固定值是嚴(yán)格的約束。更具體地，當(dāng)具有波長λ的輻射束橫穿由具有階梯高度h的材料制成的階梯時(shí)，在來自所述階梯的衍射束中引入相位變化φ(相對(duì)于其中輻射束沿著相同方向橫穿空氣的情況)。相位變化φ由下述方程式給出
<math> <mrow> <mi>Φ</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>π</mi> <mfrac> <mrow> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>λ</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
其中“n”是衍射部件的折射率且“n0”是相鄰介質(zhì)的折射率。從方程式(0)中看出，當(dāng)波長λ變化時(shí)，相位變化φ相應(yīng)地變化。因此，設(shè)計(jì)兼容于以三個(gè)波長工作于階梯形輪廓的衍射部件將要求設(shè)計(jì)一具有相對(duì)高的階梯的非常復(fù)雜的階梯形輪廓，以便于對(duì)于三個(gè)波長中的每個(gè)具有高效率。這導(dǎo)致難以制作的衍射部件。
第三，歐洲專利申請并不講授如何設(shè)計(jì)對(duì)偏振敏感的衍射部件以便于光學(xué)掃描設(shè)備可以利用具有不同偏振的輻射束來工作。
從日本專利申請JP 2001-174614中還已知制作一種包括由雙折射材料制成的衍射部件的光學(xué)掃描設(shè)備，其被設(shè)計(jì)成對(duì)偏振敏感且對(duì)波長敏感，以便于形成具有第一波長和第一偏振的第一第零級(jí)輻射束、具有第一波長和第二不同偏振的第二非第零級(jí)輻射束、以及具有第二不同波長及第一或第二偏振的第三輻射束。然而，日本專利申請并沒有講授如何設(shè)計(jì)衍射部件以便于光學(xué)掃描設(shè)備可以利用三個(gè)不同波長來工作。
從日本專利申請JP 2001-174614中還已知制作一種包括由雙折射材料制成的衍射部件的光學(xué)掃描設(shè)備，其被設(shè)計(jì)成對(duì)偏振敏感且對(duì)波長敏感，以便于形成具有第一波長和第一偏振的第一第零級(jí)輻射束、具有第一波長和第二不同偏振的第二非第零級(jí)輻射束、以及具有第二不同波長及第一或第二偏振的第三輻射束。然而，日本專利申請并沒有講授如何設(shè)計(jì)衍射部件以便于光學(xué)掃描設(shè)備可以利用三個(gè)不同波長來操作。
從日本專利申請JP 2001-195769中還已知制作一種光學(xué)掃描設(shè)備，其適合于借助于具有三個(gè)不同波長的三個(gè)輻射束來掃描光學(xué)記錄載體，所述設(shè)備包括衍射部件。然而，日本專利申請并沒有講授如何提供借助于具有不同偏振的輻射束用于掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)掃描設(shè)備。特別地，日本專利申請并沒有說明或建議如何制作對(duì)偏振敏感的衍射部件，并且更具體地，它并沒有提及用于制作衍射部件的雙折射材料的使用。
此外，從眾多專利文件，例如JP-2001043559中已知提供一種光學(xué)掃描設(shè)備，其包括操作具有兩個(gè)不同波長的輻射束的衍射部件。然而，這些文件都沒有提及使用雙折射材料來制作對(duì)偏振敏感的衍射部件，以便于光學(xué)掃描設(shè)備可以利用具有不同偏振的輻射束來操作。
在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備的第一實(shí)施例中，所述階梯形輪廓被進(jìn)一步如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第三波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π。類似于第二波長，要注意到就所述第三波長的兩個(gè)基本上不同的相位變化值可以從多個(gè)至少三值當(dāng)中加以選擇。在這個(gè)第一實(shí)施例的特定情況下，所述階梯形輪廓被進(jìn)一步如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度對(duì)于所述第二和第三波長引入基本上相同的相位變化，其中所述第三偏振不同于所述第二偏振。
在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備的第二實(shí)施例中，所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第三波長基本上等于至少兩個(gè)不同的倍數(shù)的2π。在這個(gè)第二實(shí)施例的特定情況中，所述階梯形輪廓被進(jìn)一步如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度對(duì)于所述第一和第三波長引入基本上相同的相位變化，其中所述第三偏振不同于所述第一偏振。
在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備的第三實(shí)施例中，所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第三波長基本上等于至少兩個(gè)不同的π的奇數(shù)倍。在第三實(shí)施例的特定情況下，所述階梯形輪廓被進(jìn)一步加以設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，其對(duì)于所述第二波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化。將要注意到對(duì)于所述第二波長的兩個(gè)基本上不同的相位變化被從基本上不同的相位變化的奇數(shù)當(dāng)中加以選擇。
將要注意到如果第一、第二和第三偏振是相同的，則僅兩個(gè)不同值(零和π模2π)可以被選擇用于有關(guān)第二或第三衍射束的相位變化。因此，階梯形輪廓不可能被設(shè)計(jì)成具有預(yù)定值，例如對(duì)于第一、第二和第三衍射束中每個(gè)所希望級(jí)的高透射效率值。通過對(duì)照，將要注意到如果第一、第二和第三偏振至少之一與其它不同，則至少三個(gè)不同值可以被選擇用于第二和第三衍射束中的每個(gè)，由此導(dǎo)致允許具有相對(duì)低數(shù)目的階梯，典型地小于40階梯的階梯形輪廓設(shè)計(jì)，由于具有高數(shù)目階梯(典型地50或更多的階梯)的階梯形輪廓是較不實(shí)用。
本發(fā)明的另一目的是提供用在光學(xué)掃描設(shè)備中的衍射部件，所述光學(xué)設(shè)備用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層，借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同并且所述第一、第二和第三偏振至少之一與其它的不同，所述衍射部件是對(duì)已知部件的替換部件。
這個(gè)目的由在開始段落中所說明的衍射部件來實(shí)現(xiàn)，其中根據(jù)本發(fā)明其特征在于所述階梯輪廓被如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第一波長基本上等于至少兩個(gè)不同的2π倍數(shù)，對(duì)于所述第二波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π，對(duì)于所述第三波長，為下述之一至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π；至少兩個(gè)不同的2π倍數(shù)；或至少兩個(gè)不同的π的奇數(shù)倍數(shù)。
本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)及特征將從如在所附附圖中所示例的下述對(duì)本發(fā)明的更詳細(xì)說明中顯而易見，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備1的部件的示意性示例，
圖2是用于圖1中掃描設(shè)備的物鏡的示意性示例，
圖3是圖2中物鏡的示意性前視圖，
圖4示出表示由圖2和3中所示的衍射部件所引入的相位變化的曲線，以鋸齒形函數(shù)的形式(理想情況)，
圖5示出表示由圖2和3中的衍射部件所引入的相位變化的曲線，以階梯形函數(shù)的形式(近似情況)，
圖6示出表示圖2和3中所示的衍射部件第一實(shí)施例的第一實(shí)例的階梯高度的曲線，
圖7示出表示圖2和3中所示的衍射部件第一實(shí)施例的第二實(shí)例的階梯高度的曲線，
圖8示出表示圖2和3中所示的衍射部件第一實(shí)施例的第三實(shí)例的階梯高度的曲線，
圖9示出表示圖2和3中所示的衍射部件第二實(shí)施例的階梯高度的曲線，
圖10示出表示圖2和3中所示的衍射部件第三實(shí)施例的階梯高度的曲線。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)掃描設(shè)備1的光學(xué)組件的示意性示例，其用于借助于第一輻射束4來掃描第一光學(xué)記錄載體3的第一信息層2。
作為示例，光學(xué)記錄載體3包括在其一個(gè)側(cè)面上設(shè)置有信息層2的透明層5。背向透明層5的信息層側(cè)由保護(hù)層6保護(hù)免受環(huán)境影響。通過為信息層2提供機(jī)械支持，透明層5充當(dāng)光學(xué)記錄載體3的基片。作為選擇地，透明層5可具有保護(hù)信息層2的唯一作用，而機(jī)械支持由信息層2另一側(cè)上的層，例如由保護(hù)層6或由被連接到最外面信息層的透明層及附加的信息層來提供。要注意到信息層具有對(duì)應(yīng)于(在這個(gè)實(shí)施例中如圖1所示)透明層5厚度的第一信息層深度27。信息層2是載體3的表面。那個(gè)表面包含至少一個(gè)軌道，即由被聚焦輻射的光點(diǎn)所跟隨的路徑，在所述路徑上光學(xué)上可讀取的標(biāo)記被加以設(shè)置以表示信息。所述標(biāo)記可例如采取具有反射系數(shù)或磁化方向不同于環(huán)境的坑或區(qū)域的形式。在光學(xué)記錄載體3具有盤的形狀的情況下，就給定軌道定義如下“徑向方向”是參考軸，即在軌道和盤中心之間的X軸的方向，以及“切向方向”是另一軸，即正切于軌道且垂直于X軸的Y軸的方向。
如圖1中所示，光學(xué)掃描設(shè)備1包括輻射源7、準(zhǔn)直透鏡18、分束器9、具有光軸19的物鏡系統(tǒng)8、衍射部件24、以及檢測系統(tǒng)10。此外，光學(xué)掃描設(shè)備1包括伺服電路11、焦點(diǎn)執(zhí)行器12、徑向執(zhí)行器13和用于誤差校正的信息處理單元14。
在下面“Z軸”對(duì)應(yīng)于物鏡系統(tǒng)8的光軸19。要注意到(X，Y，Z)是一正交基。
輻射源7被設(shè)置用于連續(xù)地或同時(shí)地供應(yīng)輻射束4、第二輻射4’(在圖1中未被示出)及第三輻射束4”(在圖1中未被示出)。例如，輻射源7可包括用于連續(xù)地供應(yīng)輻射束4、4’和4”的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器或用于同時(shí)地供應(yīng)這些輻射束的三個(gè)半導(dǎo)體激光器。此外，輻射束4具有波長λ1和偏振p1、輻射束4’具有波長λ2和偏振p2、以及輻射束4”具有波長λ3和偏振p3。波長λ1、λ2和λ3基本上彼此不同且偏振p1、p2和p3中至少兩個(gè)彼此不同。將在下面給出波長λ1、λ2和λ3以及偏振p1、p2和p3的實(shí)例。
準(zhǔn)直透鏡18被設(shè)置在光軸19上用于將輻射束4變換成基本上準(zhǔn)直的束20。類似地，它將輻射束4’和4”變換成兩個(gè)分別的基本上被準(zhǔn)直的束20’和20”(在圖1中未被示出)。
分束器9被設(shè)置用于將經(jīng)準(zhǔn)直的輻射束20透射向物鏡系統(tǒng)8。優(yōu)選地，分束器9由相對(duì)于Z軸被傾斜角α的平面平行板形成，更優(yōu)選地α＝45°。
物鏡系統(tǒng)8被設(shè)置用于將經(jīng)準(zhǔn)直的輻射束20變換成第一被聚焦的輻射束15，以便于在信息層2的位置處形成第一掃描光點(diǎn)16。在這個(gè)實(shí)施例中，物鏡系統(tǒng)8包括被提供有衍射部件24的物鏡17。
衍射部件24包括具有非常折射率ne和尋常折射率no的雙折射材料。在下面因波長差異導(dǎo)致的折射率變化被忽略不計(jì)且因此折射率ne和no大約獨(dú)立于波長。在這個(gè)實(shí)施例中，并且僅作為示例，雙折射材料是具有no＝1.51且ne＝1.70的C6M/E7 50/50(以重量的％)。作為選擇地，例如雙折射材料可是具有no＝1.55且ne＝1.69的C6M/C3M/E740/10/50。所使用的代碼是指下述物質(zhì)
E751％C5H11氰基聯(lián)苯(cyanobiphenyl)，25％C5H15氰基聯(lián)苯，16％C8H17氰基聯(lián)苯，8％C5H11氰基三苯基(cyanotriphenyl)；
C3M4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂(C3M4-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy-2-methylpheny14-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoate)；
C6M4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂。
衍射部件24被如此對(duì)準(zhǔn)以便于雙折射材料的光軸沿著Z軸。它還被如此對(duì)準(zhǔn)以便于當(dāng)它被具有沿著X軸偏振的輻射束穿過時(shí)其折射率等于ne以及當(dāng)它被具有沿著Y軸偏振的輻射束橫越時(shí)其折射率等于no。在下面輻射束的偏振被稱為“pe”和“po”，其分別與X軸和Y軸被對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)偏振p1、p2或p3等于pe時(shí)，雙折射材料的折射率等于ne并且，當(dāng)偏振p1、p2或p3等于po時(shí)，雙折射率材料的折射率等于no。換句話說，被如此對(duì)準(zhǔn)的雙射衍射部件24對(duì)偏振p1、p2和p3敏感。衍射部件24將被進(jìn)一步詳細(xì)地加以說明。
在掃描期間，記錄載體3在心軸(在圖1中未示出)上旋轉(zhuǎn)并且隨后信息層2通過透明層5被掃描。被聚焦的輻射束15在信息層2上反射，由此形成在前向會(huì)聚束15的光學(xué)路徑上返回的反射束21。物鏡系統(tǒng)8將經(jīng)反射的輻射束21變換成經(jīng)反射的準(zhǔn)直輻射束22。通過將至少一部分經(jīng)反射的輻射束22透射向檢測系統(tǒng)10，分束器將前向輻射束20從經(jīng)反射的輻射束22分開。
檢測系統(tǒng)6包括會(huì)聚透鏡25和象限檢測器23，其被設(shè)置用于捕捉所述部分經(jīng)反射的輻射束22并且將它轉(zhuǎn)換成一個(gè)或更多個(gè)電信號(hào)。信號(hào)之一是信息信號(hào)Idata，其值表示在信息層2上被掃描的信息。信息信號(hào)Idata被信息處理單元14加以處理以用于誤差校正。來自檢測系統(tǒng)10的其它信號(hào)是焦點(diǎn)誤差信號(hào)Ifocus和徑向跟蹤誤差信號(hào)Iradial。信號(hào)Ifocus表示掃描光點(diǎn)16和信息層2的位置之間在沿著Z軸高度上的軸向差。優(yōu)選地，這個(gè)信號(hào)由“象散方法”形成，所述方法特別地從由G.Bouwhuis、J.Braat，A.Huijser等人的被命名為“Principles ofOptical Disc Systems”的書籍中第75-80(Adam Hilger 1985)(ISBN0-85274-785-3)中可知。徑向跟蹤誤差信號(hào)Iradial表示掃描光點(diǎn)16與即將由掃描光點(diǎn)16所跟隨的信息層2中軌道中心之間在信息層2的XY平面上的距離。優(yōu)選地，這個(gè)信號(hào)從“徑向推-拉方法”形成，所述方法從特別地由G.Bouwhuis的書籍的第70-73頁中已知。
伺服電路11被設(shè)置成用于響應(yīng)于信號(hào)Ifocus和Iradial來提供伺服控制信號(hào)Icontrol用于分別控制焦點(diǎn)執(zhí)行器12和徑向執(zhí)行器13。焦點(diǎn)執(zhí)行器12控制物鏡17沿著Z軸的位置，由此控制掃描光點(diǎn)16的位置，以便于它基本上與信息層2的平面重合。徑向執(zhí)行器13控制物鏡17沿著X軸的位置，由此控制掃描光點(diǎn)16的徑向位置，以便于它基本上與信息層2內(nèi)即將被跟隨的軌道的中心線重合。
圖2是用在上述所說明的掃描設(shè)備1中的物鏡17的示意性示例。
物鏡17被設(shè)置用于將經(jīng)準(zhǔn)直的輻射束20變換到具有第一數(shù)值孔徑NA1的經(jīng)聚焦的輻射束15上，以便于形成掃描光點(diǎn)16。換句話說，光學(xué)掃描設(shè)備1具有借助于具有波長λ1、偏振p1和數(shù)值孔徑NA1的輻射束15掃描第一信息層2的能力。
此外，光學(xué)掃描設(shè)備1還具有這樣的能力，即借助于輻射束4’掃描第二光學(xué)記錄載體3’的第二信息層2’以及借助于輻射束4”掃描第三光學(xué)記錄載體3”的第三信息層2”。因此，物鏡17將經(jīng)準(zhǔn)直的輻射束20’變換成具有第二數(shù)值孔徑NA2的第二經(jīng)聚焦的輻射束15’，以便于在信息層2’的位置處形成第二掃描光點(diǎn)16’。物鏡17還將經(jīng)準(zhǔn)直的輻射束20”變換到具有第三數(shù)值孔徑NA3的第三經(jīng)聚焦的輻射束15”，以便于在信息層2”的位置處形成第三掃描光點(diǎn)16”。
類似于光學(xué)記錄載體3，光學(xué)記錄載體3’包括第二透明層5’，在其一側(cè)上信息層2’被設(shè)置有第二信息層深度27’，并且光學(xué)記錄載體3”包括第三透明層5”，在其一側(cè)上信息層2”被設(shè)置有第三信息層深度27”。在這個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)記錄載體3、3’和3”僅作為實(shí)例分別是“藍(lán)色DVD”格式盤、“紅色DVD”格式盤及CD格式盤。因此，波長λ1被包括在365和445nm之間的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地為405nm。數(shù)值孔徑NA1在讀取模式等于大約0.6且在寫入模式大于0.6，優(yōu)選地為0.65。波長λ2被包括在620和700nm之間的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地為660nm。數(shù)值孔徑NA2在讀取模式等于大約0.6且在寫入模式大于0.6，優(yōu)選地為0.65。波長λ3被包括在740和820nm之間的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地為785nm。數(shù)值孔徑NA3低于0.5，優(yōu)選地0.45。
要注意到在本說明中兩個(gè)波長λa和λb基本上彼此不同，其中|λa-λb|等于或大于，優(yōu)選地，20nm，更優(yōu)選地50nm，其中值20和50nm是純粹任意的選擇問題。
還要注意到通過形成作為混合透鏡，即用在無限共軛模式中的組合衍射和折射元件的物鏡17，則獲得不同格式記錄載體3、3’和3”的掃描信息層。這樣的混合透鏡可以通過在透鏡17的進(jìn)入表面上施加光柵輪廓，例如通過使用例如UV固化漆的光致聚合作用的平版印刷過程而形成，由此有利地導(dǎo)致容易地制造衍射部件24。作為選擇地，這樣的混合透鏡可以通過金剛石車削來制作。
在圖1和2所示的這個(gè)實(shí)施例中，物鏡17作為凸-凸透鏡被形成，然而，可以使用其它透鏡元件類型如平-凸或凸-凹透鏡。在這個(gè)實(shí)施中，衍射部件24被設(shè)置在面向輻射源7的第一物鏡17的一側(cè)(在此被稱為“進(jìn)入面”)上。
作為選擇地，衍射部件24被設(shè)置在透鏡17的另一表面(在此被稱為“離開面”)上。還作為選擇地，物鏡10例如是折射物鏡元件，其被提供有形成衍射部件24的平面透鏡衍射元件。同樣作為選擇地，衍射部件24被提供在與物鏡系統(tǒng)8分開的光學(xué)元件上，例如在分束器或四分之一波片上。
作為選擇地，雖然在這個(gè)實(shí)施例中物鏡10是單透鏡，但它可以包含兩個(gè)或更多個(gè)透鏡元件的復(fù)合透鏡。例如，物鏡系統(tǒng)8可包括附加的物鏡，其與物鏡17配合形成二重透鏡系統(tǒng)。附加的物鏡可是具有凸表面面向物鏡17且平表面面向信息層2的位置的平凸式。這個(gè)二重透鏡系統(tǒng)較單透鏡系統(tǒng)有利地對(duì)光學(xué)元件的相互位置有較大的容許偏差。在其中NA＞0.45時(shí)，附加的物鏡優(yōu)選地由非球面透鏡形成。
圖3是圖2中所示物鏡17的進(jìn)入表面的示意性視圖(也被稱為“前視圖”)，其示例出衍射部件24。
衍射部件2 4包括也被稱為“帶”的圖案元件圖案。每個(gè)帶具有階梯形輪廓。帶的階梯形輪廓基本上是相同的。那個(gè)階梯形輪廓包括多個(gè)“子帶”或“階梯”，其每個(gè)具有階梯高度。在下面階梯形輪廓被設(shè)計(jì)用于引入近似于鋸齒形函數(shù)的預(yù)定相位變化φ。圖4示出表示以鋸齒形函數(shù)形式(其是理想情況)的相位變化φ。要注意到圖4僅示出由衍射部件24的一個(gè)圖案元件所引入的相位變化φ，其中相位變化φ是“x”，即沿著X軸(在徑向方向上)的坐標(biāo)的線性函數(shù)。例如從在申請?zhí)?0203066.6下提交的所述歐洲專利申請中可知，相位變化φ的鋸齒形函數(shù)可由下述階梯函數(shù)來加以近似
<math> <mrow> <mi>Φ</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>π</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>P</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mi>for</mi> <mfrac> <mrow> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>P</mi> </mfrac> <mo>≤</mo> <mi>x</mi> <mo>≤</mo> <mfrac> <mi>j</mi> <mi>P</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
其中“P”是表示階梯或“子帶”數(shù)量的整數(shù)，“j”是被包括在1和P之間的整數(shù)，其表示每個(gè)階梯的階梯號(hào)。
圖5示出表示由衍射部件24所引入的處于階梯函數(shù)近似格式的相位變化φ的曲線。要注意到圖5僅示出由衍射部件24的一個(gè)圖案元件所引入的相位變化φ。
在下面“h”是階梯形輪廓的階梯的階梯高度，其是取決于x的函數(shù)。在根據(jù)方程式(1)的相位變化φ的近似情況中，階梯高度h由下面的函數(shù)給出
<math> <mrow> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mi>for</mi> <mfrac> <mrow> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>P</mi> </mfrac> <mo>≤</mo> <mi>x</mi> <mo>≤</mo> <mfrac> <mi>j</mi> <mi>P</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
其中“hj”是階梯j的階梯高度，其為恒定參數(shù)。
當(dāng)設(shè)計(jì)衍射部件24的階梯輪廓時(shí)，階梯高度hj被如此選擇以便于取決于來自衍射部件24的衍射束的波長λ和偏振p，階梯形輪廓引入相位變化φ的預(yù)定值。因此，在下面相位變化φ還被標(biāo)注為φ(λ，p)并且階梯高度hj被如此選擇，以便于階梯形輪廓針對(duì)衍射束15引入第一值φ(λ＝λ1，p＝p1)，針對(duì)衍射束15’引入第二值φ(λ＝λ2，p＝p2)，以及針對(duì)衍射束15”引入第三值φ(λ＝λ3，p＝p3)。
在下面以及參考在申請?zhí)?0203066.6下提交的所述歐洲專利申請，波長λ1被選擇成設(shè)計(jì)波長λref。換句話說，
λref＝λ1(2b)
因而，階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于衍射束15的相位變化φ(λ＝λ1，p＝p1)基本上等于2π的倍數(shù)，即基本上等于零模2π。因此φ(λ＝λ1，p＝p1)≡0(2π)。
當(dāng)每個(gè)階梯高度hj是參考高度href的倍數(shù)時(shí)這可實(shí)現(xiàn)，所述參考高度href如下取決于設(shè)計(jì)波長λref
<math> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
其中“n”是衍射部件24的折射率且no是相鄰介質(zhì)的折射率，在下面且僅作為實(shí)例所述相鄰介質(zhì)為空氣，即no＝1。
由于衍射部件24由雙折射材料制成，所以當(dāng)橫穿衍射部件24的輻射束的偏振等于pe時(shí)其折射率n等于ne且當(dāng)橫穿衍射部件24的輻射束的偏振等于po時(shí)其折射率n等于no。因而，參考高度href也取決于偏振p。因此，下面相位變化href也被標(biāo)記為href(λ，p)且從方程式(2b)和(3)接著是
<math> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
<math> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
因而，在其中例如no＝1.50，ne＝1.60及λ1＝405nm的情況下，從方程式(4a)和(4b)獲得下述
href(λ＝λ1，p＝po)＝0.810μm以及
href(λ＝λ1，p＝pe)＝0.675μm。
還要注意到雖然階梯高度hj對(duì)于輻射束15引入值φ(λ＝λ1，p＝p1)(基本上等于零模2π)，但是對(duì)于輻射束15′和15”它分別引入值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)如下
<math> <mrow> <mi>Φ</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>π</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
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表I示出在偏振p2和p3等于pe及/或po情況下的理想值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中輻射束15′和15”橫穿等于href(λref＝λ1，p1＝pe)或href(λref＝λ1，p1＝po)的階梯高度hj。利用例如no＝1.50、ne＝1.60、λ1＝405nm、λ2＝650nm和λ3＝785nm已經(jīng)從方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)計(jì)算出值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。
表IΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)Φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1) p2＝pe p2＝po p3＝pe p3＝po hj＝href(λref＝λ1，p＝p1) p1＝pe 0.623 0.519 0.516 0.430 p1＝po 0.748 0.623 0.619 0.516
要進(jìn)一步注意到等于href(λ＝λ1，p＝p1)倍數(shù)的階梯高度hj引入對(duì)于衍射束15等于零模2π的值φ(λ＝λ1，p＝p1)，以及其每個(gè)等于有限數(shù)量的可能值當(dāng)中的一個(gè)值的值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。在下面“#φ(λ＝λ2，p＝p2)”和“#φ(λ＝λ3，p＝p3)”分別是值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)的這樣有限數(shù)量。有限數(shù)量“#φ(λ＝λ2，p＝p2)”和“#φ(λ＝λ3，p＝p3)”已經(jīng)基于Continued Fractions(連分?jǐn)?shù))理論得到計(jì)算，正如從例如在申請?zhí)?1201255.5下于05.04.2001提交的所述歐洲專利申請所知的那樣。
僅作為示例，現(xiàn)在在其中偏振p1和p3相等，例如p1＝pe且p3＝pe的第一情況下，以及其中偏振p1不同于偏振p3，例如p1＝pe且p3＝po的第二情況下，對(duì)有限數(shù)量#φ(λ＝λ3，p＝p3)的計(jì)算加以說明。參考申請?zhí)?1201255.5下的所述歐洲專利申請，下述得到定義
<math> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
b0＝Int[ao] (6b)
a1＝a0-b0 (6c)
<math> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>Int</mi> <mo>[</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>]</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
<math> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mi>e</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
CFm≡{b0，b1...bm} (6f)
其中H1＝href(λ＝λ1，p＝p1)，Hi＝href(λ＝λ3，p＝p3)且“m”是等于或大于1的整數(shù)。
在其中p1＝pe且p3＝pe以及其中例如no＝1.50、ne＝1.60、λ1＝405nm、和λ3＝785nm的第一情況下，從方程式(6a)至(6e)得到如下
<math> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0.675</mn> <mi>μm</mi> </mrow> </math>
<math> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>1.308</mn> <mi>μm</mi> </mrow> </math>
a0＝0.516
b0＝0
a1＝0.516
b1＝1
a2＝0.937
b2＝1
<math> <mrow> <msub> <mi>CF</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>1</mn> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </math>
因此，CF2基本上等于a0，即下述得到滿足
|CF2-α0|＝0.016＜0.02
其中0.02是純粹被任意加以選擇的值。結(jié)果是，經(jīng)發(fā)現(xiàn)有限數(shù)量#φ(λ＝λ3，p＝p3)等于2。
在其中p1＝pe且p3＝po以及其中例如no＝1.50、ne＝1.60、λ1＝405nm、和λ3＝785nm的第二情況下，從方程式(6a)至(6e)得到如下
<math> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0.675</mn> <mi>μm</mi> </mrow> </math>
<math> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>1.570</mn> <mi>μm</mi> </mrow> </math>
a0＝0.430
b0＝0
a1＝0.430
b1＝2
a2＝0.326
b2＝3
<math> <mrow> <msub> <mi>CF</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>7</mn> </mfrac> </mrow> </math>
于是，CF2基本上等于a0，即下述得到滿足
|CF2-αo|＝0.001＜0.02.
結(jié)果是，經(jīng)發(fā)現(xiàn)有限數(shù)量#φ(λ＝λ3，p＝p3)等于7。
表II示出就有關(guān)等于href(λ＝λ1，p＝pe)和href(λ＝λ1，p＝po)的階梯高度hj以及在其中偏振p2和p3等于pe和/或po情況下的有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)。這些有限數(shù)量量已經(jīng)如上所說明基于連分?jǐn)?shù)理論被加以計(jì)算。
表II#Φ(λ＝λ2，p＝p2)#Φ(λ＝λ3，p＝p3) p2＝pe p2＝po p3＝pe p3＝pohj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝pe 8 2 2 7p1＝po 4 8 3 2
要注意到在表I和II中如果偏振p1、p2和p3相等，則有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)之一等于2，即僅兩個(gè)不同的值(零和π模2π)可以被選擇用于對(duì)應(yīng)的相位變化。這并不允許設(shè)計(jì)一種用于對(duì)應(yīng)衍射束非第零級(jí)的高效衍射部件。
通過對(duì)照，在還要注意到在表I和表II中如果至少偏振p1、p2和p3之一與其它不同，則至少三個(gè)不同的值可以被選擇用于φ(λ＝λ2，p＝p2)和/或φ(λ＝λ3，p＝p3)。從至少三個(gè)可能值中選擇相位變化的可能性允許為輻射束15、15′和15”中的每個(gè)制造高效的衍射部件。此外，這有利地允許設(shè)計(jì)具有相對(duì)低數(shù)量階梯，典型地小于40個(gè)階梯的階梯形輪廓，因?yàn)榫哂懈邤?shù)量階梯(典型地，50或更多階梯)的階梯形輪廓很少實(shí)際使用。
此外，相位變化值φ(λ＝λ1，p＝p1)、φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)被如此選擇，以便于衍射部件24針對(duì)每個(gè)衍射束15、15′和15”的每個(gè)衍射級(jí)m具有預(yù)定的透射效率effm。例如從所述日本專利申請JP-A-2001209966中得知衍射部件24針對(duì)衍射級(jí)m的透射效率“effm”被給出如下
<math> <mrow> <msub> <mi>eff</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <munderover> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mi>T</mi> </munderover> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>exp</mi> <mo>{</mo> <mi>iΦ</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>πmx</mi> </mrow> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>dx</mi> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
其中“A(x)”是透明度幅值分布且“T”是衍射部件24的光柵節(jié)距。在由方程式(1)給出的階梯形輪廓情況下，對(duì)于第一級(jí)(m-1)方程式(7)可以被簡化
<math> <mrow> <msub> <mi>eff</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>π</mi> <mo>/</mo> <mi>P</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>π</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
從方程式(8)要注意到數(shù)量P被選擇得越高，則取得越高的效率eff1。然而，也要注意到可希望地是在每個(gè)帶中使用盡可能最低的階梯數(shù)量，以為了取得物鏡17的較高制造效率。
在下面，并且僅作為示例，說明了如何選擇階梯形輪廓的階梯高度hj以便于形成具有一個(gè)主衍射級(jí)的每個(gè)衍射束15、15′和15”。下面“m1”、“m2”和“m3”分別是衍射束15、15′和15”的主衍射級(jí)。
現(xiàn)在說明階梯形輪廓的三個(gè)實(shí)施例。
階梯形輪廓的第一實(shí)施例被如此設(shè)計(jì)，以便于m1＝0、m2＝1和m3＝1。因而，值φ(λ＝λ1，p＝p1)基本上等于零模2π且φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)兩個(gè)值中的每個(gè)從至少三個(gè)不同的可能相位變化值當(dāng)中加以選擇。要注意到φ(λ＝λ2，p＝p2)的三個(gè)不同的可能值可不同于φ(λ＝λ3，p＝p3)的三個(gè)不同的可能值。
僅作為示例，在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下，從表II中已知對(duì)于p2＝po，φ(λ＝λ2，p＝p2)＝8以及對(duì)于p3＝pe，φ(λ＝λ3，p＝p3)＝3。
表III示出由等于qhref(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度所引入的值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中p1＝po且“q”是整數(shù)。這些值從表I中被發(fā)現(xiàn)，其中值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)是已知的，等于href(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度，其中p1＝po，即對(duì)于q＝1。
表III q Φ(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1 p2＝po Φ(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1 p3＝pe 1 0.623 0.619 2 0.246 0.238 3 0.869 0.857 4 0.492 0.476 5 0.115 0.095 6 0.738 0.714 7 0.361 0.333 8 0.984 0.952
僅作為示例，現(xiàn)在說明階梯輪廓的第一實(shí)施例的兩個(gè)實(shí)例，其中在第一實(shí)施例中P＝4，且在第二實(shí)例中P＝6。
關(guān)于第一實(shí)例(P＝4)，表IV示出根據(jù)方程式(1)的相位變化“φ/2π理想”的理想值，以及根據(jù)方程式(8)的第一級(jí)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。表IV還示出針對(duì)階梯高度qhref(λ＝λ1，p＝p1)，根據(jù)表III近似于“φ/2π理想”的兩個(gè)相位變化值“φ(λ＝λ2，p＝p2)/2π”和“φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π”，以及根據(jù)方程式(7)針對(duì)第一級(jí)(m＝1)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1，在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下。
表IVΦ/2πideal qΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1 p2＝poФ(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1 p3＝pe j＝1 0.125 5 0.115 0.095 j＝2 0.375 7 0.361 0.333 j＝3 0.625 1 0.623 0.619 j＝4 0.875 3 0.869 0.857 eff1 81.1％81.0％ 80.5％
在表IV中要注意到如初始所希望地，對(duì)于兩個(gè)衍射束15′和15”的第一級(jí)，透射效率eff1具有高的值(大于75％)。圖6示出曲線80，其表示衍射部件24第一實(shí)施例(m1＝0、m2＝1和m3＝1)的第一實(shí)例(P＝4)的階梯高度h(x)。要注意到就有關(guān)的曲線80，圖案元件被如此設(shè)計(jì)以便于所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對(duì)階梯高度hj+1-hj包括具有光學(xué)路徑基本上等于αλ1的相對(duì)階梯高度，其中α是整數(shù)且α＞1以及λ1是所述第一波長。換句話說，這樣的相對(duì)階梯高度比參考高度href(λ＝λ1，p＝p1)大。
有關(guān)第二實(shí)例(P＝6)，表V示出根據(jù)方程式(1)的相位變化“φ/2π理想”的理想值，以及根據(jù)方程式(8)的第一級(jí)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。表V還示出針對(duì)階梯高度qhref(λ＝λ1，p1＝po)，根據(jù)表III近似于“φ/2π理想”的兩個(gè)相位變化值“φ(λ＝λ2，p＝p2)/2π”和“φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π”，以及根據(jù)方程式(7)針對(duì)第一級(jí)(m＝1)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1，在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下。
表V Φ/2πideal q Φ(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1 p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1 p3＝pe J＝1 0.0833 5 0.115 0.095 J＝2 0.2500 2 0.246 0.238 J＝3 0.4167 4 0.492 0.476 J＝4 0.5833 1 0.623 0.619 J＝5 0.7500 6 0.738 0.714 J＝6 0.9166 8 0.984 0.952 eff1 91.2％ 87.4％ 87.6％
要注意到如初始所希望地，在表V中對(duì)于兩個(gè)衍射束15′和15”的第一級(jí)，透射效率eff1具有高的值(大于75％)。圖7示出曲線81，其表示衍射部件24第一實(shí)施例(m1＝0、m2＝1和m3＝1)的第一實(shí)例(P＝4)的階梯高度h(x)。
在階梯形輪廓的第一實(shí)施例的特定情況下，值φ(λ＝λ2，p＝p2)基本上等于值φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中偏振p3不同于偏振p2，即
Φ(λ＝λ2，p＝p2)＝Ф(λ＝λ3，p＝p3) (9)
在本說明中，值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)基本上相等，其中|φ(λ＝λ3，p＝p3)-φ(λ＝λ2，p＝p2)|優(yōu)選地小于或等于0.04π，其中值0.04π純粹地任意選擇的問題。
在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下，從方程式(0)、(5b)、(5c)和(9)導(dǎo)出
<math> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
從方程式(10)它接著
<math> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
因此，例如，在其中ne＝1.604、λ2＝650nm和λ3＝785nm的情況下，從方程式(11)導(dǎo)出no＝1.5。因此，雙折射材料可以被選擇，其中其折射率ne和no基本上分別等于1.604和1.5。
在本說明中，兩個(gè)折射率na和nb基本上相等，其中|na-nb|優(yōu)選地等于或小于0.01，更優(yōu)選地小于或等于0.005，其中值0.01和0.005是純粹任意選擇的問題。
類似于表I，表VI示出在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe情況下的理想值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中輻射束15′和15”橫穿等于href(λref＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj。利用例如no＝1.50、ne＝1.604、λ1＝405nm、λ2＝650nm和λ3＝785nm已經(jīng)從方程式(4a)、(4b)以及(5a)至(5d)計(jì)算出值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。
表VIΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pehj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝po 0.6230.623
類似于表II，表VII示出在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe情況下就有關(guān)等于href(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj的有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)。這些有限數(shù)量量已經(jīng)如上所說明基于連分?jǐn)?shù)被加以計(jì)算。
表VII#Φ(λ＝λ2，p＝p2)p2＝po#Φ(λ＝λ3，p＝p3)p3＝pehj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝po 8 8
類似于表III，表VIII示出在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe情況下由等于qhref(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度所引入的相位變化值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中“q”是整數(shù)。這些值從表VI中被發(fā)現(xiàn)，其中值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)已知為其中階梯高度等于href(λ＝λ1，p＝p1)，即對(duì)于q＝1。
表VIII qΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1) p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe 1 0.623 0.623 2 0.246 0.246 3 0.869 0.869 4 0.492 0.492 5 0.115 0.115 6 0.738 0.738 7 0.361 0.361 8 0.984 0.984
從表VI、VII和VIII要注意到在其中當(dāng)p1＝po、p2＝po且p3＝pe第一實(shí)施例的情況下，有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)等于8，即八不不同的值可以被選擇用于每個(gè)φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。
僅作為示例，現(xiàn)在在其中P＝4的情況下說明階梯形輪廓第一實(shí)施例的第三實(shí)例。
類似于表IV，表IX示出根據(jù)方程式(2)的相位變化“φ/2π理想”的理想值，以及根據(jù)方程式(8)的第一級(jí)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。表IX還示出在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下，針對(duì)階梯高度qhref(λ＝λ1，p＝p1)，根據(jù)表VIII近似于“φ/2π理想”的兩個(gè)相位變化值“φ(λ＝λ2，p＝p2)/2π”和“φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π”，以及根據(jù)方程式(7)針對(duì)第一級(jí)(m＝1)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。
表IX Φ/2πideal qΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pej＝1 0.125 5 0.115 0.115j＝2 0.375 7 0.361 0.361j＝3 0.625 1 0.623 0.623j＝4 0.875 3 0.869 0.869eff1 81.1％ 81.0％ 81.0％
在表IX中要注意到如初始所希望地，對(duì)于兩個(gè)衍射束15′和15”的第一級(jí)，透射效率eff1具有高的值(大于75％)。圖8示出曲線82，其表示衍射部件24第一實(shí)施例(m1＝0、m2＝1和m3＝1)的第三實(shí)例(P＝4)的階梯高度h(x)。
階梯形輪廓的第二實(shí)施例被如此設(shè)計(jì)，以便于m1＝0、m2＝1和m3＝0。因而，兩個(gè)值φ(λ＝λ1，p＝p1)和φ(λ＝λ3，p＝p3)基本上等于零模2π且值φ(λ＝λ2，p＝p2)被從至少三個(gè)不同的相位變化中加以選擇。要注意到然而值φ(λ＝λ1，p＝p1)和φ(λ＝λ3，p＝p3)(兩者基本上等于零模2π)可彼此不同。
在階梯形輪廓的第二實(shí)施例的特定情況下，值φ(λ＝λ1，p＝p1)基本上等于值φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中偏振p1不同于偏振p3，即
Φ(λ＝λ1，p＝p1)＝Φ(λ＝λ3，p＝p3) (12)
在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下，從方程式(0)、(4b)、(5c)和(12)導(dǎo)出
<math> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>13</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
從方程式(13)緊接著
<math> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>λ</mi> <mn>3</mn> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>
因此，例如，在其中ne＝1.722、λ1＝405nm和λ3＝650nm的情況下，從方程式(14)導(dǎo)出no＝1.45。因而，雙折射材料可被加以選擇，其中其折射率ne和no基本上分別等于1.722和1.45。
類似于表I，表X示出其中p1＝po、p2＝pe且p3＝pe情況下的理想值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中輻射束15′和15”橫穿等于href(λref＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj。利用例如no＝1.45、ne＝1.722、λ1＝405nm、λ2＝785nm和λ3＝650nm已經(jīng)從方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)計(jì)算出值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。
表XΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝peΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pehj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝po0.828 0
類似于表II，表XI示出在其中p1＝po、p2＝pe且p3＝pe情況下就有關(guān)等于href(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj的有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)。這些有限數(shù)量量已經(jīng)如上所說明基于連分?jǐn)?shù)被加以計(jì)算。
表XI#Φ(λ＝λ2，p＝p2)p2＝pe#Φ(λ＝λ3，p＝p3)p2＝pehj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝po6 1
類似于表III，表XII示出由等于qhref(λ＝λ1，p＝po)的階梯高度所引入的值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中“q”是整數(shù)。這些值從表X中被發(fā)現(xiàn)，其中值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)是已知的階梯高度等于href(λ＝λ1，p＝p1)，即對(duì)于q＝1。
表XII qΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝peΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe 1 0.828 0.0 2 0.656 0.0 3 0.484 0.0 4 0.312 0.0 5 0.140 0.0 6 0.968 0.0 7 0.796 0.0
從表X、XI和XII要注意到在其中p1＝po、p2＝pe且p3＝pe的第二實(shí)施例情況下，有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)等于6，即六個(gè)不同值可以被選擇用于φ(λ＝λ2，p＝p2)。
僅作為示例，現(xiàn)在說明其中P＝4時(shí)的階梯形輪廓的第二實(shí)施例的實(shí)例。
類似于表IV，表XIII示出根據(jù)方程式(1)的相位變化“φ/2π理想”的理想值，以及根據(jù)方程式(8)的第一級(jí)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。表XIII還示出在其中p1＝po、p2＝po且p3＝pe的情況下，針對(duì)階梯高度qhref(λ＝λ1，p＝p1)，根據(jù)表XII近似于“φ/2π理想”的兩個(gè)相位變化值“φ(λ＝λ2，p＝p2)/2π”和“φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π”，以及根據(jù)方程式(7)針對(duì)第一級(jí)(m＝1)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。
表XIII Φ/2πideal qΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1) j＝1 0.125 5 0.140 j＝2 0.375 4 0.312 j＝3 0.625 2 0.656 j＝4 0.875 1 0.828 eff1 81.1％ 76.1％
在表XIII中要注意到如初始所希望地，對(duì)于衍射束15′的第一級(jí)，透射效率eff1具有高的值(大于75％)。圖9示出曲線83，其表示衍射部件24第二實(shí)施例(m1＝0、m2＝1和m3＝0)的第三實(shí)例(P＝4)的階梯高度h(x)。
階梯形輪廓的第三實(shí)施例被如此設(shè)計(jì)，以便于m1＝0、m2＝1和m3＝0。因而，值φ(λ＝λ1，p＝p1)基本上等于零模2π、值φ(λ＝λ2，p＝p2)被從至少三個(gè)不同的相位變化中加以選擇且值φ(λ＝λ3，p＝p3)基本上等于π模2π。
類似于表I，表XIV示出其中p1＝pe、p2＝po且p3＝po情況下的理想值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中輻射束15′和15”橫穿等于href(λref＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj。利用例如no＝1.50、ne＝1.60、λ1＝405nm、λ2＝785nm和λ3＝650nm已經(jīng)從方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)計(jì)算出值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)。
表XIVΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pohj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝pe0.4300.519
類似于表II，表XV示出在其中p1＝pe、p2＝po且p3＝po情況下就有關(guān)等于href(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度hj的有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)和#φ(λ＝λ3，p＝p3)。這些有限數(shù)量已經(jīng)如上所說明基于連分?jǐn)?shù)理論被加以計(jì)算。
表XV#Φ(λ＝λ2，p＝p2)p2＝po#Φ(λ＝λ3，p＝p3)p3＝pohj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝pe 7 2
類似于表III，表XVI示出由等于qhref(λ＝λ1，p＝p1)的階梯高度所引入的值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)，其中p1＝pe且“q”是整數(shù)。這些值從表XIV中被發(fā)現(xiàn)，其中值φ(λ＝λ2，p＝p2)和φ(λ＝λ3，p＝p3)是已知的階梯高度等于href(λ＝λ1，p＝p1)，即對(duì)于q＝1。
表XVI mΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1) p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1) p3＝po 1 0.430 0.519 2 0.860 0.038 3 0.290 0.557 4 0.720 0.076 5 0.150 0.595 6 0.580 0.114 7 0.010 0.633 8 0.440 0.152 9 0.870 0.671 10 0.300 0.190 11 0.730 0.709 12 0.160 0.228
從表XIV、XV和XVI要注意到在其中p1＝pe、p2＝po且p3＝po的第三實(shí)施例情況下，有限數(shù)量#φ(λ＝λ3，p＝p3)等于2，即二個(gè)不同值可以被選擇用于φ(λ＝λ3，p＝p3)，并且有限數(shù)量#φ(λ＝λ2，p＝p2)等于7，即七個(gè)不同值可以被選擇用于φ(λ＝λ2，p＝p2)。
僅作為示例，現(xiàn)在說明其中P＝4時(shí)的階梯形輪廓的第三實(shí)施例的實(shí)例。
類似于表IV，表XVII示出在其中p1＝pe、p2＝po且p3＝po的情況下，針對(duì)階梯高度qhref(λ＝λ1，p＝p1)，根據(jù)表XVI近似于“φ/2π理想”的兩個(gè)相位變化值“φ(λ＝λ2，p＝p2)/2π”和“φ(λ＝λ3，p＝p3)/2π”，以及根據(jù)方程式(7)針對(duì)第一級(jí)(m＝1)的對(duì)應(yīng)透射效率eff1。
表XVII mΦ(λ＝λ2，p＝p2)/2(modulo 1) p2＝poΦ(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1) p3＝po j＝1 5 0.150 0.595 j＝2 1 0.430 0.519 j＝3 11 0.730 0.709 j＝4 9 0.870 0.671 eff0 1.8％ 80.6％ eff1 75.9％ 4.5％
在表XVII中要注意到四個(gè)相位階梯對(duì)于波長λ3引入基本上具有相同值的相位變化。
在表XVII中還要注意到，如初始所希望地，對(duì)于衍射束15”的第一級(jí)，透射效率eff1具有低的值(小于5％)并且對(duì)于衍射束15′的第一級(jí)，透射效率eff1具有高的值(大于75％)。圖10示出曲線84，其表示衍射部件24第三實(shí)施例(m1＝0、m2＝1和m3＝0)的那個(gè)實(shí)例(P＝4)的階梯高度h(x)。
一旦每個(gè)圖案元件的階梯形輪廓已經(jīng)如上面有關(guān)任何第一、第二和第三實(shí)施例所說明被加以設(shè)計(jì)，則衍射部件24的圖案元件的圖案被如此設(shè)計(jì)以便于物鏡系統(tǒng)8和衍射部件24的組合對(duì)于輻射束4具有第一聚焦特征，對(duì)于輻射束4′具有第二聚焦特征，以及對(duì)于輻射束4”具有第三聚焦特征。
在這個(gè)實(shí)施例中，圖案被如此設(shè)計(jì)以便于物鏡17和衍射部件24的組合校正由信息層深度27和27′之間的差(由于透明層5和5′的厚度差)和信息層深度27和27”之間的差(由于透明層5和5”的厚度差)所導(dǎo)致的球面象差。
更具體地，衍射部件24的圖案被設(shè)計(jì)成圓形光柵結(jié)構(gòu)，其具有朝向物鏡17中心逐漸增加寬度(如圖3中所示)的同心環(huán)形圖案元件。結(jié)果是，衍射部件24與物鏡17的組合將輻射束15聚焦在具有第一信息層深度27的信息層2中，并且當(dāng)輻射束15自物鏡17出現(xiàn)時(shí)沒有產(chǎn)生球面象差(第一聚焦特征)。
此外，衍射部件24的圖案被如此設(shè)計(jì)，以便于與物鏡17組合以產(chǎn)生與m1λ1-m2λ2(即，在這個(gè)實(shí)施例中為-λ2，由于m1＝0且m2＝1)成比例的球面象差量。結(jié)果是，衍射部件24和物鏡17的組合將光輻射束15′聚焦在具有信息層深度27′的信息層2′中并且因透明層厚度差所產(chǎn)生的球面象差被加以補(bǔ)償(第二聚焦特征)。
類似地，衍射部件24的圖案被如此設(shè)計(jì)，以便于與物鏡17組合以產(chǎn)生與m1λ1-m3λ3(即，在這個(gè)實(shí)施例中為-λ3，由于m1＝0且m3＝1)成比例的另一球面象差量。結(jié)果是，衍射部件24和物鏡17的組合將光輻射束15”聚焦在具有信息層深度27”的信息層2”中并且因透明層厚度差所產(chǎn)生的球面象差被加以補(bǔ)償(第三聚焦特征)。要注意到在這個(gè)實(shí)施例中第二和第三聚焦特征兩者不同于第一聚焦特征，如圖2中所示。
雖然在上述所說明的實(shí)施例中與CD格式盤、“紅色DVD”格式盤和“藍(lán)色DVD”格式盤兼容的光學(xué)掃描設(shè)備被加以說明，但是要理解到根據(jù)本發(fā)明的掃描設(shè)備可以作為選擇地用于要被掃描的任何其它類型的光學(xué)記錄載體。
上述所說明的作為選擇的階梯形輪廓可被設(shè)計(jì)用于形成除第零級(jí)和第一級(jí)以外衍射級(jí)的，或具有主要的被選擇級(jí)和至少另一被選擇級(jí)的級(jí)組合的衍射輻射束。
在上面所說明的另一作為選擇的階梯形輪廓中，波長λ2或λ3被選擇成設(shè)計(jì)波長。表XVIII示出在其中波長λ等于λ2或λ3及偏振p等于po或pe以及其中例如no＝1.5、ne＝1.6、λ2＝650nm和λ3＝785nm情況下的參考高度href(λ，p)值。
表XVIII href(λ，p) λ＝λ2 λ＝λ3 p＝pe 1.083μm 1.308μm p＝po 1.300μm 1.570μm
作為上面所說明的用于校正球面象差的圖案元件圖案的另外選擇，圖案被加以設(shè)計(jì)，用于校正球面色差和色象差或通過從具有透射效率等于例如80％的第一衍射束形成主光點(diǎn)以及從具有針對(duì)每個(gè)束透射效率等于例如10％的第二和第三衍射束形成兩個(gè)伴線(satellite)光點(diǎn)，用于執(zhí)行三光點(diǎn)推拉方法。
作為被設(shè)置在物鏡進(jìn)入面上的衍射部件的另外選擇可是任何形狀的光柵，像平面光柵，因?yàn)椴还芄鈻判螤钊绾危陀嘘P(guān)每個(gè)級(jí)每個(gè)圖案元件的階梯形輪廓對(duì)于透射效率是決定性的。
作為所說明的使用785nm、660nm和405nm波長的光學(xué)掃描設(shè)備的另外選擇，要理解到可使用適合于掃描光學(xué)記錄載體的任何其它波長組合的輻射束。
作為所說明的有關(guān)第一、第二和第三衍射束具有上述數(shù)值孔徑值的光學(xué)掃描設(shè)備，要理解到可使用適合于掃描光學(xué)記錄載體的任何其它數(shù)值孔徑組合的輻射束。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)掃描裝置，其用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層，借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射束來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一與其它的偏振不同，所述設(shè)備包括
用于連續(xù)地或同時(shí)地供應(yīng)所述第一、第二和第三輻射束的輻射源，
用于將所述第一、第二和第三輻射束分別會(huì)聚到所述第一、第二和第三信息層的位置上面的物鏡系統(tǒng)，以及
被設(shè)置在所述第一、第二和第三輻射束的光學(xué)路徑中的衍射部件，所述部件包括圖案元件的圖案，所述圖案元件具有基本上用于分別從所述第一、第二和第三輻射束形成第一衍射輻射束、第二衍射輻射束和第三衍射輻射束的階梯形輪廓，所述部件包括對(duì)所述第一、第二和第三偏振敏感的雙折射材料，
其特征在于所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化針對(duì)所述第一波長基本上等于至少兩個(gè)不同倍的2π以及針對(duì)所述第二波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被進(jìn)一步如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第三波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被進(jìn)一步如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入對(duì)于所述第二和第三波長兩者基本上相同的相位變化，其中所述第三偏振不同于所述第二偏振。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述雙折射材料的非常折射率基本上等于<math> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>λ</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </math> 其中“no”是所述雙折射材料的尋常折射率且“λb”和“λc”或者分別是所述第二波長和第三波長，或者分別是所述第三和第二波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度針對(duì)所述第三波長引入基本上等于至少兩個(gè)不同的2π的倍數(shù)的相位變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度針對(duì)所述第一以及第三波長兩者引入基本上相同的相位變化，其中所述第三偏振不同于所述第一偏振。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述雙折射材料的非常折射率基本上等于<math> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>λ</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>λ</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </math> 其中“no”是所述雙折射材料的尋常折射率且“λb”和“λc”或者分別是所述第一波長和第三波長，或者分別是所述第三和第一波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度針對(duì)所述第三波長引入基本上等于至少兩個(gè)不同的奇數(shù)倍的π的相位變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)以便于圖案元件的階梯高度針對(duì)所述第二波長引入基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化奇數(shù)的相位變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述圖案元件被如此設(shè)計(jì)以便于所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對(duì)階梯高度包括具有光學(xué)路徑基本上等于αλ1的相對(duì)階梯高度，其中α是整數(shù)且α＞1以及λ1是所述第一波長。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述衍射部件的形狀總體上是圓形并且所述圖案元件的階梯總體上是環(huán)形。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述衍射部件被形成在物鏡系統(tǒng)的透鏡面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述衍射部件被形成在所述輻射源和所述物鏡系統(tǒng)之間所提供的光學(xué)板上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述光學(xué)板包括四分之一波長板或分束器。
15.一種用在光學(xué)掃描設(shè)備中的衍射部件，所述光學(xué)設(shè)備用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層，借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同并且至少所述第一、第二和第三偏振之一與其它不同，所述衍射部件
被設(shè)置在所述第一、第二和第三輻射束的光學(xué)路徑中，
包括圖案元件的圖案，所述圖案元件具有基本上用于分別從所述第一、第二和第三輻射束形成第一衍射輻射束、第二衍射輻射束和第三衍射輻射束的一個(gè)階梯形輪廓，
包括對(duì)所述第一、第二和第三偏振敏感的雙折射材料。
其特征在于所述階梯輪廓被如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度引入相位變化，所述相位變化對(duì)于所述第一波長基本上等于至少兩個(gè)不同的倍數(shù)的2π，對(duì)于所述第二波長基本上等于至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π，對(duì)于所述第三波長，為下述之一至少兩個(gè)基本上不同的相位變化模2π；至少兩個(gè)不同的倍數(shù)的2π；或至少兩個(gè)不同的奇數(shù)倍數(shù)的π。
16.一種用在光學(xué)掃描設(shè)備中的透鏡，所述光學(xué)掃描設(shè)備用于借助于具有第一波長和第一偏振的第一輻射束來掃描第一信息層，借助于具有第二波長和第二偏振的第二輻射束來掃描第二信息層，以及借助于具有第三波長和第三偏振的第三輻射來掃描第三信息層，其中所述第一、第二和第三波長基本上彼此不同并且至少所述第一、第二和第三偏振之一與其它的不同，所述透鏡被提供有根據(jù)權(quán)利要求15的衍射部件。
全文摘要
一種光學(xué)掃描設(shè)備(1)，其用于利用具有三個(gè)相應(yīng)波長(λ1、λ2、λ3)和偏置(p1、p2、p3)的三個(gè)相應(yīng)的輻射束(4、4′、4″)來掃描三個(gè)信息層(2、2′、2″)。三個(gè)波長彼此不同。至少三個(gè)偏振之一與其它不同。所述設(shè)備包括衍射部件(24)，所述衍射部件(24)包括具有用于從三個(gè)輻射束形成三個(gè)衍射束(15、15′、15″)的一個(gè)階梯形輪廓的圖案元件的圖案，所述部件包括對(duì)三個(gè)偏振敏感的雙折射材料。所述階梯形輪廓被如此設(shè)計(jì)，以便于圖案元件的階梯高度(hj)引入這樣的相位變化，所述相位變化對(duì)于三個(gè)波長之一(λ1)等于至少兩個(gè)不同的2π倍數(shù)且對(duì)于兩個(gè)其它波長之一(λ2)等于至少兩個(gè)不同的相位變化模2π。
文檔編號(hào)G11B7/135GK1623195SQ0282725
公開日2005年6月1日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月17日
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