專利名稱：光學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學裝置，具體地涉及包括在掃描不同類型的光記錄載體中使用的光學元件的光學裝置，或涉及在諸如照相機那樣的光學系統(tǒng)中的光學元件。
在光學讀出和記錄的領域中的進步導致引入具有諸如更高的信息容量和密度那樣的擴展能力的越來越復雜的系統(tǒng)。不幸地，隨著這些擴展能力，系統(tǒng)的容差余量減小。
新的光學系統(tǒng)的一個例子是藍光盤(Blu-ray Disc)系統(tǒng)(BD)，它是一個新的光記錄協(xié)議。對于0.1mm基片厚度的記錄載體的BD系統(tǒng)使用具有約405nm的波長的輻射光束、0.85的數(shù)字孔徑(NA)和球形像差補償。當這個系統(tǒng)與使用具有650nm的波長的輻射光束、0.6的數(shù)字孔徑和0.6mm基片厚度的記錄載體的數(shù)字通用盤系統(tǒng)(DVD)相比較時，NA的增加和波長的減小使得BD的容差的余量比起DVD的要小得多。能夠很大地增加數(shù)據(jù)密度的BD系統(tǒng)(能夠記錄25GB的盤)在激光器溫度變化時，或激光器的波長隨不同的批次變化幾個nm時，可能引起的波長變化要敏感得多。
在另一個例子中，在光學記錄領域中，信息被存儲在諸如緊湊盤(CD)或數(shù)字通用盤(DVD)的光學記錄媒體的信息層上?？杀淮鎯υ谶@樣的光盤上的信息的密度的增加可以通過減小被使用來掃描光盤的信息層的輻射光束的聚焦光點的尺寸而達到。光點尺寸的這種減小可以通過使用輻射光束的較短的波長和較高的數(shù)字孔徑(NA)而達到。然而，增加的分辨率趨于減小施加到光學系統(tǒng)內的光學元件的容差。這些減小的容差使得用于掃描光盤的輻射光束的聚焦光點更易于使質量惡化。
光學系統(tǒng)可被設計成使其與不同的類型的光盤(例如CD和DVD)相兼容。在這樣的系統(tǒng)中，使用具有適當?shù)暮筒煌牟ㄩL的分開的輻射光束用于掃描各種類型的光盤。每個輻射光束通常沿著系統(tǒng)內的光路徑指向共同的部分，在該路徑上設有光學元件，用于把輻射光束聚焦到光盤的聚焦光點。在設計這些光學元件，例如物鏡透鏡期間，會有一個問題，因為需要保證用來掃描這種類型的光盤的輻射光束要聚焦到光盤上有足夠質量的光點。
這個問題部分是由用于掃描每種類型的光盤的輻射光束的不同的波長和數(shù)字孔徑造成的，但也是由于在輻射光束照射到的第一和第二類型的光盤的透明的覆蓋層的信息層的深度之間的差值。這個覆蓋層修正了傳送到該覆蓋層的輻射光束。這個修正在設計物鏡透鏡的精確的技術指標時被考慮，以使得波前偏差被引入到輻射光束，這補償了通過覆蓋層的修正并保證得到的聚焦光點是最高質量的。在CD和DVD的情形下，這個覆蓋層的厚度分別是大約1.2mm和0.6mm。結果，當設計用于掃描DVD的輻射光束聚焦成聚焦光點的物鏡透鏡被使用來掃描CD時，包括球形像差的波前偏差被引入到輻射光束，而這是用于補償由DVD的覆蓋層引入的波前偏差。因為CD的覆蓋層具有比起DVD的不同的深度，所以聚焦光點的質量有所降低。
如上所述，影響聚焦光點的質量的光學系統(tǒng)的參數(shù)包括對于光學系統(tǒng)的環(huán)境影響，例如溫度的改變。這種光學系統(tǒng)通常包括校直透鏡，用于修正掃描光盤的輻射光束的聚散度；和物鏡透鏡，用于把輻射光束聚焦到光盤上的聚焦光點。光學系統(tǒng)是設計成在標準工作溫度下使用的，以及包括校直儀和物鏡透鏡的光學系統(tǒng)的精確的技術規(guī)范是根據(jù)這個標準溫度來確定的。
隨著偏離這個標準溫度的變化，光學元件的特性受影響，導致輻射光束的聚焦光點的質量的降低。在物鏡透鏡的情形下，溫度的改變造成制做透鏡的材料的折射率、透鏡形狀、和透鏡尺寸變化。另外，溫度變化造成被使用來掃描光盤的輻射光束的波長發(fā)生輕微的改變。典型的聚焦光點質量隨之發(fā)生的降低的形式是波前偏離，包括輻射光束的球形像差。
當波長在一定的范圍內變化時引起的不想要的像差可以通過使用周期性有凹槽的透鏡結構而被減小，正如在A.Tudorovskii，“AnObjective with a Phase Plate”，Optics and Spectroscopy，Vol.6(1959)，pp.126-133中描述的。在這篇文章中描述的帶凹槽的透鏡可被看作為正常的透鏡與一種衍射結構的組合。透鏡中每個臺階引起在等于多個波長的發(fā)射的光束的波前的相位臺階。在文章中全面地討論了可以用以減小不想要的像差的精確的方法。然而，在上述的光學系統(tǒng)中使用這種方法具有重大的缺點，即，雖然帶凹槽的透鏡結構可以使得光學系統(tǒng)是消色差的，但它們通常導致數(shù)量相當多的小區(qū)域。這可使得該結構很難制造，因為需要高精度來保持結構中精細的周期性區(qū)域。
非周期性相位結構(NPS)的使用可以減小與上述的凹槽透鏡裝置有關的某些問題。NPS具有一種相位結構，它包括形成不同長度的光路的非周期圖案的環(huán)形區(qū)域。NPS通常把波前偏差引入到經(jīng)過NPS傳送的輻射光束中，以及可用來通過引入另一個波前偏差而修正或校正輻射光束的波前偏差。
國際專利申請WO 01/48745描述了用于掃描一種類型的光學記錄載體的光學頭。在某一設計溫度下，物鏡透鏡被安排成把輻射光束聚焦成在光學記錄載體上的光點。在與設計溫度不同的溫度下，物鏡透鏡把波前偏差引入到輻射光束。NPS被安排成把另一個波前偏差引入到輻射光束，以便減小由物鏡透鏡引入的波前偏差。
國際專利申請WO 02/082437描述用于分別用第一、第二或第三個不同的波長的輻射光束掃描第一、第二或第三個不同類型的光學記錄載體的光學掃描裝置。物鏡系統(tǒng)被提供用于把在這種光學記錄載體上掃描的輻射光束聚焦。另外，在輻射光束的路徑上提供NPS。NPS近似于對第一輻射光束的平的波前、在第二輻射光束處的球形像差波前、和在第三輻射光束處的平的或球形像差波前。
國際專利申請WO 02/29798描述用于分別用第一和第二輻射光束掃描第一和第二種光學記錄載體的光學裝置。每個輻射光束具有不同的數(shù)字孔徑。兩種裝置都包括NPS，它不影響第一輻射光束，但把球形像差引入到第二輻射光束。這個引入的球形像差是用于補償在掃描通過第一和第二光學記錄媒體的覆蓋層的厚度的差別時造成的球形像差。
國際專利申請WO 01/48746描述了在通常由來自不同批次的激光二極管之間的輕微的差別造成的、由激光器二極管發(fā)射的波長的輕微變化的場合下通過使用單個NPS來補償掃描光學記錄載體的光學裝置。使用具有與光學裝置對于其是最佳的波長不同的波長的輻射，通常引起一定量的色球差，因此一定量的球形像差正比于波長的差別，它將由NPS校正。
NPS裝置的缺點在于，雖然NPS可以校正給定的參數(shù)的一個變化，但透鏡和NPS一起對于另外的參數(shù)的變化卻是敏感的。例如，如果NPS被使用來補償物鏡系統(tǒng)中的熱變化，這可引起光學裝置對于波長變化是敏感的。這種波長變化可以起源于這樣的事實，在光學系統(tǒng)中使用的激光器的波長隨不同的樣本而變化幾個nm。
在用于光記錄的光拾取頭中，通過NPS使得物鏡透鏡成為非熱的，可以引起取決于所使用的激光器的波長的不想要的波前像差。這種對波長的依賴性是不希望的，它會限制NPS對于熱校正的應用。
另外，NPS裝置的另一個缺點在于，雖然NPS可以使得物鏡透鏡對于零視場角是消色差的，但在非零視場角，波長變?yōu)橐蕾囉谝晥鼋堑?。結果，在較大的視場角處的補償不再是最佳的，以及通過使用NPS被做成消色的照相機透鏡或變焦透鏡對于觀看系統(tǒng)的大的視場不是最佳的。
本發(fā)明的一個目的是提供在光學系統(tǒng)中物鏡透鏡的性能的改進，以便克服上述的限制。
按照本發(fā)明，提供了用于與輻射光束互動的光學裝置，光學裝置包括光學系統(tǒng)和補償器，補償器包括第一光學元件，第一光學元件具有一種相位結構，該相位結構包括形成具有不同長度的光學路徑的非周期圖案的帶臺階的環(huán)形區(qū)域，補償器被安排成生成-由在輻射光束與補償器互動期間第一參數(shù)的變化引起的第一波前偏差，第一波前偏差被安排成抵銷由在輻射光束與光學系統(tǒng)互動期間第一參數(shù)的變化引起的波前偏差；以及-由在輻射光束與補償器互動期間第二個不同的參數(shù)的變化引起的第二波前偏差，其特征在于，補償器還包括第二光學元件，該第二光學元件具有一種相位結構，該相位結構包括形成不同長度的光學路徑的非周期圖案的帶臺階的環(huán)形區(qū)域，第二光學元件被安排來減小所述第二波前偏差。
第一和第二波前偏差的影響，在每種情形下，根據(jù)輻射光束的均方根光路徑差(RMS OPD)，是可量化的。通過在RMS OPD方面減小第二偏差，補償器具有在變化條件下當光束被聚焦到光點時增加光束分辨率的效果，因此增加了系統(tǒng)的容差。
通過使用本發(fā)明，利用補償器有可能補償?shù)谝粎?shù)的變化的影響，第一參數(shù)可以是諸如溫度、入射角、輻射的極化和波長，而當作為以上列出的參數(shù)中的另一個參數(shù)的第二參數(shù)發(fā)生變化時，不會引起很大的第二波前的偏差(不然的話這將由第一光學元件所造成)。
優(yōu)選地，與當不存在補償器時的情形相比較，補償器基本補償在輻射光束與光學系統(tǒng)互動期間由第一參數(shù)的變化引入的波前偏差，而不增加在輻射光束與光學裝置互動期間由第二參數(shù)的變化引入的波前偏差。所謂“基本補償”，我們是指在補償器的工作范圍內，最終得到的波前偏差的RMS OPD被減小到低于衍射極限值，也就是說，低于70mλ，以及更優(yōu)選地低于40mλ。
優(yōu)選地，兩種光學元件由不同的材料制成，由此補償器的各種優(yōu)選特性可以通過形成光學元件的臺階高度之間的適當?shù)南嗷リP系而被實現(xiàn)。
通過參照附圖作出的、僅僅作為例子給出的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下的說明，將明白本發(fā)明的另外的特性和優(yōu)點，其中

圖1顯示包括按照本發(fā)明的一個形式的光學元件的掃描光學裝置；以及圖2顯示圖1的光學元件的放大的截面圖。
圖1顯示用于掃描光學記錄載體2的裝置1。記錄載體包括透明層3，在它的一側上安排有信息層4。信息層4的遠離透明層3的一側由保護層5保護免受環(huán)境影響。透明層3的面向該裝置的一側被稱為進入面6。透明層3通過為信息層4提供機械支撐而起到記錄載體的基片的作用。替換地，透明層3可以具有保護信息層4的唯一的功能，而機械支撐由信息層4的另一面上的層，例如保護層5提供，或由另一個信息層和被連接到信息層的透明層提供。信息可以以被排列成基本上平行的同圓心的或螺旋形的軌道(圖上未示出)的可用光學檢測的標記的形式而被存儲在記錄載體的信息層4上。標記可以具有任何光可讀出的形式，例如凹點或區(qū)域的形式，它們的反射系數(shù)或磁化方向與周圍不同，或這些形式的任何組合。
掃描裝置1包括發(fā)射輻射光束7的輻射源。圖1所示的輻射源包括發(fā)射輻射光束7的半導體激光器9。輻射光束7用來掃描光學記錄載體2的信息層4。光束分離器13把光路徑上的發(fā)散的輻射光束12反射到校直透鏡14，該透鏡把發(fā)散光束12變換成校直光束15。校直光束15入射到透明的補償器16，補償器修正校直光束的波前。來自補償器16的光束17入射到物鏡系統(tǒng)18。
物鏡系統(tǒng)18可包括一個或多個透鏡和/或光柵。物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。物鏡系統(tǒng)18把光束17改變成會聚的光束20，入射到記錄載體2的進入面6。物鏡系統(tǒng)18具有球形像差校正，適配于把輻射光束傳送通過透明層3的厚度。會聚的光束20形成在信息層4上的光點21。由信息層反射的輻射形成發(fā)散的光束22，由物鏡系統(tǒng)18變換成基本上校直的光束23，以及然后由校直器透鏡14變換成會聚的光束24。光束分離器13通過向檢測系統(tǒng)25發(fā)送至少一部分會聚的光束24而分離成向前的和反射的光束。
檢測系統(tǒng)25獲取輻射和把它變換成電的輸出信號26。信號處理器27把這些輸出信號變換成各種其它信號。其一個信號是信息信號28，它的數(shù)值代表從信息層4讀出的信息。信息信號由信息處理單元處理以便糾錯。來自信號處理器27的其它信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號30。
聚焦誤差信號代表在光點21與信息層4之間的在高度上的軸向差值。徑向誤差信號代表在光點21與該光點21應該跟蹤的在信息層4上的該軌道的中心之間的在信息層4的平面上的距離。聚焦誤差信號和徑向誤差信號被饋送到伺服電路31，伺服電路31把這些信號變換成伺服控制信號32，用于分別控制聚焦執(zhí)行器和徑向執(zhí)行器。執(zhí)行器在圖1上未示出。聚焦執(zhí)行器控制在聚焦方向33上物鏡系統(tǒng)18的位置，由此控制光點21的實際位置以使得它與信息層4的平面基本上一致。徑向執(zhí)行器控制在徑向方向34上物鏡系統(tǒng)18的位置，由此控制光點21的徑向位置以使得它與信息層4中要跟蹤的軌道的中心線基本上一致。在圖上的軌道沿垂直于圖的平面的方向延伸。
圖2顯示按照本發(fā)明的實施例安排的示例性補償器16的截面圖。補償器16包括兩個互補的NPS單元NPS1，NPS2。每個NPS單元包括透明板50，60，它的一個表面包括圍繞光軸19旋轉對稱的相位結構。在本例中，NPS1的相位結構具有中心區(qū)域51和兩個同心的環(huán)形區(qū)域52，53。環(huán)形區(qū)域52，53是具有低于中心區(qū)域51的高度的高度hj的環(huán)。類似地，NPS2的相位結構具有中心區(qū)域54和兩個同心的環(huán)形區(qū)域55，56。環(huán)形區(qū)域55，56是具有高于中心區(qū)域54的高度的高度bj的環(huán)。應當指出，圖2的區(qū)域的高度相對于片50，60的厚度和徑向尺寸是夸大了的。而且，應當指出，雖然在這個具體的例子中區(qū)域的數(shù)量是三個，但通常它可以有任何數(shù)量的區(qū)域。對于補償應該起作用的區(qū)域的數(shù)量和它們的相應的尺寸，對于兩個NPS單元優(yōu)選地應是相同的。
考慮圖2的NPS結構，令hj(NPS1的臺階j的高度)等于hj=mjλn1-1---(1)]]>其中mj是整數(shù)，λ是波長，并且n1是制成NPS的材料的折射率。
類似地，令bj(NPS2的臺階j的高度)等于bj=qjλn2-1---(2)]]>其中qj是整數(shù)，λ是波長以及n2是制成NPS的材料的折射率。
應當指出，當具有零入射角的平面波前傳播通過NPS時，每個臺階引起2π的整數(shù)倍的相位臺階。
當光束的波長改變時，NPS結構的臺階引起等于下式的相位改變(模2π)ΔΦ(λ)=-2πmj(1λ-dn1dλn1-1)Δλ-2πqj(1λ-dn2dλn2-1)Δλ---(3)]]>其中 是每個各種材料的色散。
類似地，當光學系統(tǒng)的溫度改變時，NPS結構的臺階引起等于下式的相位改變(模2π)ΔΦ(T)=2πmj(α1+dn1dTn1-1)ΔT+2πqj(α2+dn2dTn2-1)ΔT---(4)]]>其中α是熱膨脹系數(shù)，以及 是每個各種材料的折射率的溫度系數(shù)。
在下面更詳細地描述的本發(fā)明的例子中，第一個NPS，NPS1是由PMMA(聚合(甲基丙烯酸酯))制成的，以及第二個NPS，NPS2是由BK7 SchottTM玻璃制成的。在表1中列表顯示在405nm波長時PMMA和BK7 SchottTM玻璃的特性。
表1
考慮其中只存在一個NPS單元的現(xiàn)有技術的情形，以及其中該單元由PMMA制成，可以發(fā)現(xiàn)ΔΦ(λ)＝-0.01693mjΔλΔΦ(T)＝-0.001163mjΔT因此 (5)ΔΦ(T)/ΔTΔΦ(λ)/Δλ=0.0687]]>在BHW Hendriks，JE de Vries和HP Urbach，“Application ofnonperiodic phase stfuctures in optical systems”，Appl.Opt.40(2001)，pp.6548-6560，section 2A的文章中描述了對于一個NPS單元，可以如何顯著地減小包括物鏡透鏡和補償器(NPS)的光學裝置的溫度依賴性。從以上的公式(5)中的第三式可以看到，這個NPS對于波長移位1nm產生與對于溫度改變14.6℃相同的波前像差。結果，所描述的補償了熱效應的NPS對于波前變化也是相對較敏感的。
在本發(fā)明的第一實施例中，補償器具有改進了的對于波長變化的非敏感性。在這個實施例中，補償器由如圖2所示的那樣的兩個NPS單元NPS1，NPS2組成，其中該兩個單元由具有不同的折射率和不同的折射率溫度系數(shù)的不同材料制成。在一個例子中，第一單元NPS1由PMMA制成和第二單元NPS2由BK7 Schott玻璃制成。
為了使得補償器基本上與波長變化無關，公式(3)的右端被安排成基本上等于零。因此，比值mj/qj，在這里被稱為K，滿足以下要求K=mjqj=-1λ-dn2dλn2-11λ-dn1dλn1-1---(6)]]>由于公式(6)的右端通常是實數(shù)，提供具有改進了的操作主模式的NPS結構，K的數(shù)值優(yōu)選地被舍入成有理數(shù)，以允許它被寫為兩個整數(shù)相除。對于表1上列出的材料，可以看到K約等于-1。這例如可以用有理數(shù)-1/1來近似，因此可以選擇K＝-1。NPS結構因此優(yōu)選地被安排成使得mj＝-qj，因此比值K＝mj/qj＝-1，從而它對于兩種結構的每個區(qū)域j是恒定的。于是對于表1上列出的材料可以看到ΔΦ(λ)＝0.0000894mjΔλΔΦ(T)＝-0.001249mjΔT因此 (7)ΔΦ(T)/ΔTΔΦ(λ)/Δλ=-14.0]]>從這個公式可以看到，與單個NPS情形相比較，包括兩個互補的NPS單元的光學系統(tǒng)的波長依賴性被大大地減小(在本例中減小200倍以上)。
雖然以上的情形是其中光學系統(tǒng)可以通過補償器的存在而做成為非熱的因而不顯著地增加光學裝置的波長依賴性的情形，但通過使用本發(fā)明有可能達到其它效果。
在本發(fā)明的第二實施例中，光學系統(tǒng)可被做成消色差的而不增加系統(tǒng)的溫度依賴性。在BHW Hendriks，JE de Vries和HPUrbach，“Application of nonperiodic phase structures inoptical systems”，Appl.Opt.40(2001)，pp.6548-6560，section2B的文章中描述了對于一個NPS單元，可以如何顯著地減小包括物鏡透鏡和補償器(NPS)的光學裝置的色度依賴性。從以上的公式(5)中的第三式可以看到，這個NPS對于14.6℃溫度改變與對于1nm波長移位產生相同的波前像差。結果，所描述的補償色度效應的NPS對于溫度變化也是相對較敏感的。
在本發(fā)明的第二實施例中，補償器由如圖2所示的那樣的兩個NPS單元NPS1，NPS2組成，其中該兩個單元由具有不同的折射率和不同的折射率溫度系數(shù)的不同材料制成。在這個實施例中，比值K＝mj/qj被安排成使公式(4)的右端基本上等于零。因此，這個比值被給出為K=-(n2-1)α2+dn2dT(n1-1)α1+dn1dT---(8)]]>對于表1上列出的材料，可以看到公式(8)的右端等于0.074。同樣，K的數(shù)值優(yōu)選地被舍入成為有理數(shù)，以允許它被寫成兩個整數(shù)相除。在本例中，K例如可以用有理數(shù)1/13來近似，因此可以選擇K＝1/13。NPS結構因此優(yōu)選地被安排成使得mj＝1和qj＝13，因此比值K＝mj/qj＝1/13，從而它對于兩種NPS結構的每個區(qū)域j是恒定的。
另外，按照第三實施例，通過適當?shù)剡x擇NPS單元的材料和數(shù)值K，有可能使得光學裝置同時為消色差的和無熱的。例如，當光學系統(tǒng)是消色差的但不是無熱的時，如在第一實施例中描述的補償器可被安排成生產出基本上消色差的和非熱的光學裝置。
在本發(fā)明的第四實施例中，補償器具有改進了的、對視場角變化的非敏感性。
對于輻射光束的非零視場角度θ，NPS結構的臺階引起等于下式的相位改變(模2π)ΔΦ(θ)=2πmjn1-1(n1[1-sin2θn12]1/2-cosθ-n1+1)+2πqjn2-1(n2[1-sin2θn22]1/2-cosθ-n2+1)---(9)]]>其中θ是視場角度。
公式(9)可被近似為ΔΦ(θ)=πθ2(mjn1+qjn2)---(10)]]>在下面更詳細地描述的本發(fā)明的例子中，第一個NPS，NPS1由PMMA制成，以及第二個NPS，NPS2由聚碳酸酯制成。在表2中列表顯示在550nm波長時PMMA和聚碳酸酯的特性。
表2
考慮其中只存在一個由PMMA制成的NPS單元的現(xiàn)有技術的情形ΔΦ(λ)＝-0.012107mjΔλΔΦ(θ＝28°)＝0.5022mj因此(11)
在BHW Hendriks，JE de Vries和HP Urbach，“Application ofnonperiodic phase structures in optical systems”，Appl.Opt.40(2001)，pp.6548-6560，section 2B和2C的文章中描述了對于一個NPS單元，可以如何顯著地減小包括物鏡透鏡和補償器(NPS)的光學裝置的色度依賴性。從以上的公式(11)中的第三式可以看到，所描述的補償色度影響的NPS對視場角度變化也是相對較敏感的。
在本發(fā)明的第四實施例中，補償器由諸如圖2所示的那樣的兩個NPS單元NPS1，NPS2組成，其中該兩個單元由具有不同的折射率的不同材料制成。在一個例子中，NPS1由PMMA制成和NPS2由聚碳酸酯制成。為了使得補償器基本上與視場角度無關，公式(8)的右端被安排成基本上等于零。因此，比值K＝mj/qj滿足以下要求K=-n1n2---(12)]]>對于表2上列出的材料，可以看到這個公式的右端等于-0.9396。同樣，K的數(shù)值優(yōu)選地被舍入成為有理數(shù)，以允許它被寫成為兩個整數(shù)相除。在本例中，K例如可以用有理數(shù)-15/16來近似。NPS結構因此優(yōu)選地被安排成使得16mj＝-qj，因此比值K＝mj/qj＝-15/16，從而它對于兩種NPS結構的每個區(qū)域j是恒定的。從表2可以得到ΔΦ(λ)＝0.02207mjΔλΔΦ(θ＝28°)＝-0.01706mj因此 (13) 從這些公式可以看到，與單個NPS情形相比較，包括兩個互補的NPS單元的光學系統(tǒng)的視場角度依賴性被顯著地減小(在本例中縮減因子達50倍以上)。
在本發(fā)明的第五實施例中，提供了一個減小系統(tǒng)的視場依賴性而不影響系統(tǒng)的色度特性的補償器。為了使得補償器基本上與波長變化無關，公式(3)的右端被安排成基本上等于零。因此，比值K＝mj/qj滿足以上公式(6)中提出的要求。
另外，按照本發(fā)明的第六實施例，通過適當?shù)剡x擇NPS單元的材料和K的數(shù)值，有可能使得光學裝置是消色差的并且同時具有減小的視場依賴性。例如，當光學系統(tǒng)是消色差的但對于視場變化是敏感的時，如在第五實施例中描述的補償器導致基本上消色差的并且具有減小了的視場依賴性的光學裝置。
在本發(fā)明的第七實施例中，提供了包括一個以上的互補的NPS單元并且可被使用來補償系統(tǒng)中極化改變所致影響的補償器。在這個實施例中，補償器由諸如圖2所示的那樣的兩個NPS單元NPS1，NPS2組成，其中該兩個單元由具有不同的折射率和不同的折射率的極化系數(shù)的不同材料制成。
光束極化p的改變典型地導致折射率改變。對于輻射光束的極化的改變Δp，NPS結構的臺階引起等于下式的相位改變(模2π)ΔΦ(p)=2πmj(dn1dpn1-1)Δp+2πqj(dn2dpn2-1)Δp---(14)]]>其中 是每個各種材料的折射率的極化系數(shù)。
在補償器被安排成基本上與極化改變無關地工作的情形下，公式(4)的右端被安排成基本上等于零。因此，K的數(shù)值被給出為K=-(n1-1)dn2dp(n2-1)dn1dp---(15)]]>再次地，K的數(shù)值優(yōu)選地被舍入為有理數(shù)，以允許它被寫成為兩個整數(shù)相除。
從上述的實施例，有可能推斷出，輻射的波前可以通過使用一個以上的NPS來修正，其中臺階高度hj與bj的比值，等于基本上恒定的參數(shù)K而不管j的數(shù)值是什么。常數(shù)K的數(shù)值可以根據(jù)波前修正器的光學功能被適當?shù)剡x擇。
有許多其它模式，它們都可以通過適當?shù)夭倏囟鄠€NPS單元的安排而得到補償。
將會看到，上述的實施例僅僅作為例子被給出，并且本發(fā)明不限于這里的具體的細節(jié)。
應當指出，關于上述的實施例和在如圖1所示的光數(shù)據(jù)拾取的情形下，第一NPS，NPS1例如可以被形成在校直器透鏡14上或在一個分開的板上。第二NPS，NPS2例如可以被形成在物鏡透鏡18的透鏡之一上或在一個分開的板上。
還將會看到，NPS單元可以由具有能補償上述的某些或全部影響的適當特性的任何適當透明的材料制成。本發(fā)明不限于PMMA、聚碳酸酯或BK7玻璃。
另外，將會看到，兩個以上的NPS單元的使用將使得光學裝置能夠工作在多種模式下。例如，補償器可被包括在具有兩種或多種模式的光數(shù)據(jù)拾取裝置或記錄裝置中，例如用于補償在第一模式下波長改變的影響和補償在第二模式下溫度改變的影響。這需要在光學裝置中使用兩個另外的NPS單元。同樣，可以預期有替代的組合，其中兩種工作模式能補償波長、溫度、入射角和極化改變的影響。
而且，有可能設想一些光學系統(tǒng)，其中可補償兩種以上的影響，每個附加影響由相繼附加的NPS元件進行補償。
再者，在NPS1和NPS2中，臺階高度分別是正的和負的(相對于外部區(qū)域而言)。應當看到，NPS1或NPS2的臺階高度可以是正的或負的，取決于由各獨立的單元要執(zhí)行的功能或補償。
應當看到，對于任何一個實施例描述的任何特性可以單獨地或與描述的其它特性相組合地使用，并且也可以與任何其它實施例的一個或多個特性相組合地或與任何其它實施例的任何相組合地使用。再者，也可以采用以上未描述的等價物或修正方案，而不背離在所附權利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于與輻射光束(7)互動的光學裝置，該光學裝置包括光學系統(tǒng)和補償器，補償器包括第一光學元件(NPS 1)，第一光學元件具有一種相位結構，該相位結構包括形成不同長度的光學路徑的非周期圖案的帶臺階的環(huán)形區(qū)域(51，52，53)，補償器被安排成生成-由在輻射光束(7)與補償器互動期間第一參數(shù)的變化引起的第一波前偏差，第一波前偏差被安排成抵銷由在輻射光束(7)與光學系統(tǒng)互動期間第一參數(shù)的變化引起的波前偏差；以及-由在輻射光束(7)與補償器互動期間第二個不同的參數(shù)的變化引起的第二波前偏差，其特征在于，補償器還包括第二光學元件(NPS2)，該第二光學元件具有一種相位結構，該相位結構包括形成不同長度的光學路徑的非周期圖案的帶臺階的環(huán)形區(qū)域(54，55，56)，第二光學元件被安排來減小所述第二波前偏差。
2.按照權利要求1的光學裝置，其中第一光學元件(NPS1)和第二光學元件(NPS2)由不同的材料制成。
3.按照權利要求1或2的光學裝置，其中第一光學元件(NPS1)的環(huán)形區(qū)域用hj的臺階高度做成臺階以及第二光學元件(NPS2)的環(huán)形區(qū)域用bj的臺階高度做成臺階，并且其中第一光學元件(NPS1)被安排成使得對于每個環(huán)形區(qū)域，臺階高度hj基本上等于hj=mjλn1-1]]>其中mj是整數(shù)，λ是波長，并且n1是制成第一光學元件(NPS1)的材料的折射率，以及其中第二光學元件(NPS2)被安排成使得對于每個環(huán)形區(qū)域，臺階高度bj基本上等于bj=qjλn2-1]]>其中qj是整數(shù)，λ是波長，并且n2是制成第二光學元件(NPS2)的材料的折射率。
4.按照權利要求3的光學裝置，其中第一光學元件和第二光學元件具有相應地安排的環(huán)形區(qū)域，以及其中臺階高度hj，bj是互相有關的。
5.按照權利要求4的光學裝置，其中臺階高度hj，bj通過基本上恒定的參數(shù)K互相聯(lián)系，恒定的參數(shù)K的數(shù)值取決于各相應的光學元件的補償功能。
6.按照權利要求5的光學裝置，其中K=mjqj]]>
7.按照權利要求5或6的光學裝置，其中K≈-1λ-dn2dλn2-11λ-dn1dλn1-1,]]>以及其中第二參數(shù)是輻射光束(7)的波長。
8.按照權利要求5或6的光學裝置，其中K=-(n2-1)α2+dn2dT(n1-1)α1+dn1dT]]>其中α1和α2是熱膨脹系數(shù)，以及 和 是形成第一和第二光學元件的材料的折射率的溫度系數(shù)，以及其中第二參數(shù)是光學裝置的溫度。
9.按照權利要求5或6的光學裝置，其中K≈-n1n2,]]>以及其中第二參數(shù)是輻射光束(7)的入射角。
10.按照權利要求5或6的光學裝置，其中K≈-(n1-1)dn2dp(n2-1)dn1dp]]>其中 和 是形成第一和第二光學元件的材料的折射率的極化系數(shù)，以及其中第二參數(shù)是輻射光束(7)的極化強度。
11.包括按照任何前述權利要求的光學裝置的光學掃描設備，該設備被安排用來通過使用輻射源(9)掃描具有信息層(2)的光學記錄媒體。
全文摘要
描述了用于掃描不同的類型的光學記錄載體的光學系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)包括具有多個光學元件(NPS1，NPS2)的補償器。光學元件(NPS1，NPS2)是具有由臺階分開的環(huán)形區(qū)域的非周期性相位結構(NPS)，形成不同的長度的光學路徑的非周期性圖案。通過把具有NPS表面的這些多個光學元件(NPS1，NPS2)包括在光學系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)中，有可能補償諸如溫度、入射角、入射在系統(tǒng)上的輻射的極化和輻射的波長的參數(shù)的變化的影響，而不引起對于另一個這樣的參數(shù)的變化的靈敏度。
文檔編號G11B7/135GK1816855SQ200480019313
公開日2006年8月9日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權日2003年7月9日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司