專利名稱：光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于可使用具有不同厚度覆蓋層的多種光盤的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)。
也就是說，覆蓋層越厚，從光學(xué)拾取裝置到束斑的距離越大。例如，由于致密盤(CD)或CD-R的覆蓋層厚度為1.2mm，數(shù)字通用盤(DVD)的覆蓋層厚度為0.6mm，當(dāng)用CD或CD-R代替DVD時，需要光學(xué)拾取裝置在覆蓋層中移動束斑遠(yuǎn)離光學(xué)拾取器大約0.6mm(在空氣中為0.4mm)。
有兩種沿光軸方向移動束斑的方法。第一種方法是改變?nèi)肷涞轿镧R上的激光束發(fā)散度，等價于改變物距。例如，改變激光源與準(zhǔn)直器透鏡之間的距離可改變物距。第二種方法為沿著光軸方向移動物鏡，同時保持入射激光束的平行。
按照第一種方法，隨著發(fā)散度變大(物距減小)，球差在欠校正的方向上急劇變化，其干擾了激光束的波前。從而，束斑的直徑增加，這妨礙光盤裝置從光盤中再現(xiàn)所記錄的信息。關(guān)于這一點，由于覆蓋層為設(shè)置在會聚激光束中的一個平面平行板，故隨著其厚度的增加它在過校正方向上改變球差。不過，由于發(fā)散度變化所導(dǎo)致的在欠校正方向上的球差的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于厚度變化所導(dǎo)致的在過校正方向上球差的變化，結(jié)果在欠校正方向上保留球差。
可使用一個調(diào)焦激勵器來實現(xiàn)第二種方法。配備調(diào)焦激勵器的光學(xué)拾取裝置沿光軸移動物鏡，以將激光束保持在焦點上。從而，如果該調(diào)焦激勵器具有一個大于0.4mm的行程，則此光學(xué)拾取裝置能夠相應(yīng)于覆蓋層厚度的改變而移動束斑。不過，由于大的行程趨向于增加物鏡光軸的傾斜角，故需要復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來防止傾斜，從而使成本增加。
發(fā)明簡述因而本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)，其能夠根據(jù)覆蓋層的厚度在不移動物鏡的條件下沿光軸移動束斑。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種光學(xué)拾取裝置的改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)，它能夠使用具有第一覆蓋層的第一光盤和具有厚度大于第一覆蓋層的第二覆蓋層的第二光盤，其包括一發(fā)射用于第一光盤的具有第一波長的第一激光束和用于第二光盤的具有大于第一波長的第二波長的第二激光束的光源部分，和一將光源部分所發(fā)射的第一激光束通過第一覆蓋層會聚到第一光盤的信息層上和將光源部分所發(fā)射的第二激光束通過第二覆蓋層會聚到第二光盤的信息層上的物鏡。該物鏡配備一具有多個同心環(huán)形臺階(ring-shaped step)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步滿足下面的要求(a)，(b)和(c)。
(a)光源部分發(fā)射激光束，使入射到物鏡上的第二激光束的發(fā)散度大于第一激光束的發(fā)散度。
(b)該衍射物鏡結(jié)構(gòu)具有對波長有依賴性的多個同心環(huán)形臺階，以使球差隨著入射光波長的增加在過校正方向上變化。
(c)該物鏡對相同衍射級的第一和第二激光束進(jìn)行會聚，同時保持物鏡與第一和第二覆蓋層表面之間距離恒定。
如要求(a)，入射激光束在物鏡上不同的發(fā)散度將根據(jù)覆蓋層厚度改變旁軸束斑大小。不過，對于具有較大發(fā)散度的第二光盤，只有當(dāng)發(fā)散變得更大時球差才在欠校正方向上變大。為了消除發(fā)散度變化所導(dǎo)致的球差，衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有如要求(b)所描述的波長依賴性。
按照這種結(jié)構(gòu)，從第一激光束到第二激光束的切換增加其發(fā)散度和波長。更大的發(fā)散度將移動旁軸束斑遠(yuǎn)離光源部分并在欠校正方向上改變球差。另一方面，更長的波長則通過該衍射透鏡結(jié)構(gòu)在過校正方向上改變球差。其結(jié)果是，激光束的切換將沿光軸移動束斑而不增加球差。
另外，如要求(c)，相同衍射級光束的使用允許該衍射透鏡結(jié)構(gòu)對單個衍射級最優(yōu)化，其通過對光量的有效利用而使衍射效率最大化。
該衍射透鏡結(jié)構(gòu)所增加的附加光程長度由下面的光程差函數(shù)Φ(h)表示Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ其中，P2，P4和P6為第二，第四和第六級衍射系數(shù)，h為距離光軸的高度，λ為入射光波長。
最好該衍射透鏡結(jié)構(gòu)滿足下面的條件(1)(1)7＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜15其中h45為NA為0.45的光線與該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的交點處距離光軸的高度。
當(dāng)?shù)谝桓采w層的厚度為0.6mm且第二覆蓋層的厚度為1.2mm時，第一波長λ1和第二波長λ2最好滿足下面的條件(2)(2)0.81＜λ1/λ2＜0.85另外，至少在接近光軸的中心區(qū)域該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB滿足λ1＜λB＜λ2。最好是在中心區(qū)域該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB滿足下面的條件(3)和(4)(3)0.87＜λB/λ2(4)λB/λ1＜1.13另外，在外圍區(qū)域該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的環(huán)形臺階所增加的附加光程長度可能小于在中心區(qū)域所附加的光程長度。在特殊情形下，僅在該物鏡透鏡表面的中心區(qū)域內(nèi)形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)，其外圍區(qū)域被形成為連續(xù)表面。至少將物鏡的有效直徑的85％線之外的區(qū)域定義為外圍區(qū)域。中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間的邊界為有效直徑的80％線。
光源部分最好發(fā)射出激光束，使第一激光束作為平行光束入射到物鏡上，第二激光束作為發(fā)散光束入射到物鏡上。


圖1和2表示根據(jù)該實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)拾取裝置應(yīng)用于光盤裝置中，它能使用具有第一覆蓋層的第一光盤和具有比第一覆蓋層厚的第二覆蓋層的第二光盤。在該實施例中，第一光盤諸如DVD(數(shù)字通用盤)的覆蓋層厚度為0.6mm，第二光盤諸如CD(致密盤)或CD-R(可記錄CD)的覆蓋層厚度為1.2mm。圖1和2分別表示使用第一光盤D1和第二光盤D2的光學(xué)系統(tǒng)。另外，圖3A，3B和3C表示應(yīng)用于圖1和2光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡的示意圖。
如圖1和2所示，該光學(xué)系統(tǒng)包括一光源部分10，一準(zhǔn)直透鏡20，一物鏡30和一信號檢測部分40。該光源部分10具有在使用第一光盤D1時發(fā)射具有第一波長λ1的第一激光束的第一半導(dǎo)體激光器11，和在使用第二光盤D2時發(fā)射具有大于第一波長的第二波長λ2的第二激光束的第二半導(dǎo)體激光器12，以及將半導(dǎo)體激光器11和12所發(fā)射的第一和第二激光束向物鏡30反射的第一和第二分束器13和14。相位光柵板15設(shè)置在第二半導(dǎo)體激光器12與第二分束器14之間，以將第二激光束分成三部分，用于通過三光束法進(jìn)行跟蹤誤差探測。
準(zhǔn)直透鏡20為單一正透鏡，它的折射光焦度被確定為，第一半導(dǎo)體激光器11所發(fā)射的第一激光束當(dāng)入射到物鏡30上時成為平行光束，如圖1所示。第二半導(dǎo)體激光器12與準(zhǔn)直透鏡20之間的距離小于第一半導(dǎo)體激光器11與準(zhǔn)直透鏡20之間的距離。從而，第二半導(dǎo)體激光器12所發(fā)射的第二激光束作為發(fā)散光束入射到物鏡30上，如圖2所示。當(dāng)激光束的發(fā)散度(即物距)被改變時，旁軸束斑在覆蓋層中沿光軸移動，而沒有移動物鏡30。
實際上，由于光盤的厚度變化和變形可能使信息層移動幾十μm，故在某些情況下物鏡要跟隨這種運動。具有短行程的通用調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠?qū)@種移動做出反應(yīng)。
由于第一光盤D1的記錄密度大于第二光盤D2的記錄密度，故第一光盤D1上的束斑應(yīng)該小于第二光盤D2上的束斑。波長越短，光斑直徑越小。從而，第一激光束的波長λ1最好在600nm波段內(nèi)，形成相當(dāng)小的束斑。另一方面，CD-R的反射特性要求波長大約為780nm的激光束?；谒枋龅挠涗浢芏群头瓷涮匦缘牟顒e而使用具有不同波長的兩個半導(dǎo)體激光器。
物鏡30將平行的第一激光束會聚到第一光盤D1的信息層上，并將發(fā)散的第二激光束會聚到第二光盤D2的信息層上而沒有改變物鏡的位置。
由光盤反射并通過分束器14和13的激光束入射到信號檢測部分40上。信號檢測部分40包括一平凹透鏡41，一分束器42，一對柱面透鏡43和45以及一對探測器44和46。平凹透鏡41減弱了從光盤反射光束的會聚。通過分束器42的透射光通過柱面透鏡43進(jìn)入第一探測器44。另一方面，被分束器42所反射的光束通過柱面透鏡45進(jìn)入第二探測器46。
從入射物鏡30上激光束的物點到物鏡30的前主點的物距s，從后主點到像點的像距s’，和物鏡30的焦距f，滿足下列公式-1s+1f=1s′]]>例如，當(dāng)f＝3.6mm時，第一激光束的像距s’為s’＝3.6mm因為平行的第一激光束的物距s為無窮大。第一激光束被用于覆蓋層厚度為0.6mm的第一光盤D1，第二激光束被用于覆蓋層厚度為1.2mm的第二光盤D2。因此，第二激光束應(yīng)該在遠(yuǎn)離第一激光束的束斑0.4mm的位置處形成束斑(即在覆蓋層中等效于0.6mm)，第二激光束的像距s’應(yīng)該為4.0mm。假設(shè)焦距f不變-1s+13.6=14.0]]>1s=13.6-14.0=136]]>第二激光束的物距s變?yōu)?6mm。將第一和第二半導(dǎo)體激光器與準(zhǔn)直透鏡之間的位置關(guān)系確定為滿足所描述的物距條件。
不過，球差和彗差被校正的物鏡，諸如光學(xué)拾取裝置中所使用的物鏡，將根據(jù)物距的變化而改變球差。當(dāng)對于平行的第一激光束該球差被校正時，則對于發(fā)散的第二激光束該球差在欠校正方向上變大。為了補償該欠校正的球差，在物鏡30的第一表面30a上形成一種衍射透鏡結(jié)構(gòu)。由于該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的像差校正作用正比于波長，故可能產(chǎn)生球差對波長的依賴性，以消除發(fā)散度變化所導(dǎo)致的球差。
將參照附圖3A，3B和3C詳細(xì)描述物鏡30。圖3A為物鏡30的前視圖，圖3B為垂直剖面圖，圖3C為第一表面30a的放大視圖。
由諸如PMMA塑料制成的物鏡30為雙凸透鏡，具有第一和第二非球面30a和30b。僅在第一表面30a的中心區(qū)域31中形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)。如圖3A所示，所形成的衍射透鏡結(jié)構(gòu)類似于菲涅爾透鏡，對于大量同心環(huán)，每一個都具有楔形截面形狀。每個相鄰環(huán)之間的邊界形成為一個臺階，具有預(yù)定大小的光程差。第一表面30a的外圍區(qū)域32形成一個連續(xù)的非球面。
由于諸如DVD的第一光盤D1要求0.60的NA值，而對于諸如CD或CD-R的第二光盤D2來說，0.45的NA大小就足夠了，對應(yīng)于0.45NA的有效直徑內(nèi)部的中心區(qū)域31是第一和第二光盤D1和D2的公共區(qū)域。從而，在該中心區(qū)域形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)，以減小對于第一和第二光盤D1和D2的像差。
另一方面，對第二光盤D2來說由于0.45NA的外部的激光束形成一個非常小的束斑，故對于第一光盤D1來說相應(yīng)于0.45NA的有效直徑外部的外圍區(qū)域32應(yīng)該是獨占的區(qū)域。在這個實施例中，外圍區(qū)域32形成為沒有臺階的連續(xù)的非球面。不管是多么精確地制造，實際的衍射透鏡結(jié)構(gòu)必然包含形狀誤差，從而損失光量。外圍區(qū)域32的連續(xù)表面抑制了由于形狀誤差所導(dǎo)致的光量損失。
相應(yīng)于0.45NA的有效直徑幾乎等于物鏡30的最大有效直徑的85％。
該衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有波長依賴性，使得球差隨波長增加而在過校正方向變化。另外，隨著入射光束發(fā)散的增大，該折射透鏡在欠校正方向上改變其球差。從而，當(dāng)波長相當(dāng)長的激光束具有相當(dāng)大的發(fā)散時，則由折射透鏡所引起的球差的改變可以被衍射透鏡結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的球差的改變所消除。
使用下面的光程差Φ(h)函數(shù)來表示衍射透鏡結(jié)構(gòu)所增加的附加光程長度Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ其中，P2，P4和P6為第二，第四和第六級衍射系數(shù)，h為距離光軸的高度，λ為入射光波長。函數(shù)Φ(h)表示假設(shè)沒有被光柵衍射的理想光線與被光柵衍射的光線之間在衍射透鏡結(jié)構(gòu)上距離光軸高度為h的一點處的光程差。在該表達(dá)式中，第二級系數(shù)P2的負(fù)值表示該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的正旁軸光焦度。另外，當(dāng)?shù)谒募壪禂?shù)p4大于0時，隨著到光軸距離的增大負(fù)光焦度增加。
衍射透鏡結(jié)構(gòu)的實際微觀形狀類似于具有大量同心環(huán)的菲涅爾透鏡。實際的形狀Φ’(h)被定義為從Φ(h)中減去λ×m(m為整數(shù))，如下式Φ(h)＝[MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)-C]×λB符號λB為閃耀波長，對于該波長光柵的臺階表示一個波長的光程差。在閃耀波長λB處衍射效率最大。符號C為一個常數(shù)，定義了相鄰環(huán)之間邊界處的位相(0≤C＜1)。函數(shù)MOD(x，y)表示當(dāng)x被y除時的余數(shù)。在相鄰環(huán)的邊界處MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)等于0。衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在該折射透鏡的透鏡表面上。設(shè)計環(huán)形區(qū)域的斜度和臺階，使光程差限定為Φ’(h)。
物鏡30滿足下面的條件(1)(1)7＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜15其中h45為NA為0.45的光線與衍射透鏡結(jié)構(gòu)的交點處距離光軸的高度。
條件(1)限定了衍射透鏡結(jié)構(gòu)的球差校正函數(shù)，其通過從總的光學(xué)函數(shù)Φ(h45)/λ中減去冪函數(shù)P2×(h45)2而得到。由于對于第二光盤D2來說并不使用其NA大于0.45的外圍光束，故條件(1)使用NA為0.45處的值作為標(biāo)準(zhǔn)。如果條件(1)的中間一項小于7，則衍射透鏡結(jié)構(gòu)所提供的球差校正能力變得非常低，以至于不能消除由發(fā)散變化所產(chǎn)生的球差變化，而在欠校正方向上留下了球差。另一方面，當(dāng)條件(1)的中間一項超過15時，衍射透鏡結(jié)構(gòu)所提供的球差校正能力變得太大，將在過校正方向上產(chǎn)生球差。
當(dāng)?shù)谝还獗PD1的覆蓋層厚度為0.6mm，第二光盤D2的覆蓋層厚度為1.2mm時，第一激光束的波長λ1和第二激光束的波長λ2滿足下面的條件(2)(2)0.81＜λ1/λ2＜0.85條件(2)限定了對于第一級衍射光在保持高衍射效率的同時獲得足夠的球差校正能力的范圍。如果條件(2)的比值小于0.81，則波長λ1與λ2之間的差值太大，以至于不能保持較高的平均衍射效率。如果該比值大于0.85，則波長λ1與λ2之間相差太小，為了保持預(yù)定的球差校正能力而增加同心環(huán)的數(shù)量，增加了制造難度并降低了衍射效率。
另外，為了保持較高的平均衍射效率，在中心區(qū)域31衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB滿足λ1＜λB＜λ2。如果閃耀波長λB處于波長λ1與λ2之間的范圍之外，則在距離閃耀波長λB較遠(yuǎn)波長處的衍射效率被極大地減小。例如，當(dāng)λ1為650nm，λ2為780nm時，閃耀波長λB為650nm時在λ1和λ2下的衍射效率分別為100％和91％，而閃耀波長λB為600nm時在λ1和λ2下的衍射效率分別為98％和83％。
另外，本實施例的物鏡30在中心區(qū)域31滿足下面的條件(3)和(4)(3)0.87＜λB/λ2(4)λB/λ1＜1.13當(dāng)條件(3)和(4)被滿足時，對于第一和第二激光束可以將第一級衍射光的衍射效率保持得很高。如果條件(3)沒有被滿足，第二激光束的衍射效率下降到小于95％。如果條件(4)沒有被滿足，第一激光束的衍射效率下降到小于95％。
如上所述，在本實施例中外圍區(qū)域32形成為連續(xù)的非球面。不過，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以形成在外圍區(qū)域32中。在這種情形下，在外圍區(qū)域32中的衍射透鏡結(jié)構(gòu)應(yīng)該對于使用第一激光束的第一光盤D1最優(yōu)化。在外圍區(qū)域32中該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的第二級衍射系數(shù)P2應(yīng)該為負(fù)值。這賦于該衍射透鏡結(jié)構(gòu)以正折射光焦度，以補償軸向色差。
另外，在外圍區(qū)域32中該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長應(yīng)該小于中心區(qū)域31中衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長，接近于第一激光束的波長λ1。當(dāng)外圍區(qū)域32的閃耀波長小于中心區(qū)域31時，對于第一激光束來說增加了衍射效率，對于第二激光束減小了衍射效率。因而，外圍區(qū)域32對于第二激光束具有孔徑光闌的作用，防止第二光盤D2上的束斑太小。當(dāng)外圍區(qū)域32的閃耀波長小于第一激光束的波長λ1時，光闌效應(yīng)變大。
另外，當(dāng)限定外圍區(qū)域32中衍射透鏡結(jié)構(gòu)的高級系數(shù)P4或P6為負(fù)值時，熱膨脹和由于溫度變化所產(chǎn)生的物鏡30的折射率變化所導(dǎo)致的像差變化，可以被溫度變化所產(chǎn)生的半導(dǎo)體激光器的波長漂移所導(dǎo)致的球差變化所消除。在這種情況下，由于外圍區(qū)域32對于第二激光束具有很大的像差，故其限制了第二激光束的NA。
下面將描述根據(jù)該實施例的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)的三個具體例子。第一個例子圖4為使用第一光盤D1的第一個例子的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡示意圖。該光學(xué)系統(tǒng)包括由一個單元所表示的分束器13和14，準(zhǔn)直透鏡20和物鏡30。在第一例中僅在物鏡30的第一表面30a的中心區(qū)域上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，在透鏡示意圖中沒有給出相位光柵。在下面的描述中，將外圍區(qū)域描述為一具有衍射透鏡結(jié)構(gòu)的表面。不過，該外圍區(qū)域包括一個環(huán)，基本上可以認(rèn)為是一個連續(xù)表面。
表1中描述了第一例的基本結(jié)構(gòu)。表面#1和#2代表分束器13和14，表面#3和#4代表準(zhǔn)直透鏡20，表面#5和#6代表物鏡30，表面#7和#8代表光盤D1和D2的覆蓋層。
在表1中，λ1表示用于第一光盤D1的第一激光束的波長，λ2表示用于第二光盤D2的第二激光束的波長，fc1和fo1(單位mm)分別表示在波長λ1下準(zhǔn)直透鏡和物鏡的焦距，fc2和fo2(單位mm)分別表示在波長λ2下準(zhǔn)直透鏡和物鏡的焦距，M1表示在波長λ1時的放大率，M2表示在波長λ2時的放大率，do1(單位mm)表示第一半導(dǎo)體激光器到分束器的距離，do2(單位mm)表示第二半導(dǎo)體激光器到分束器的距離，ht表示第一表面30a的最大有效直徑，h45表示NA為0.45的光線與衍射透鏡結(jié)構(gòu)相交的一點距離光軸的高度。
另外，r(單位mm)表示透鏡表面的曲率半徑(對于非球面為頂點處的值)，d(單位mm)表示沿光軸方向表面之間的距離，nλ表示在波長λnm下的折射率。對于d7，當(dāng)使用第一光盤D1時左邊的數(shù)據(jù)是有效的，當(dāng)使用第二光盤D2時右邊的數(shù)據(jù)是有效的。表1λ1＝650nm fc1＝12.00 fo1＝4.000 M1＝-0.333 do1＝4.000 NA1＝0.60λ2＝785nm fc2＝12.08 fo2＝4.031 M2＝-0.335 do2＝1.219 NA2＝0.45ht＝2.40mm h45＝1.98mm表面編號 rd n650 n785#1∞ 6.000 1.514051.51062#2∞ 2.928#353.056 2.000 1.586421.58240#4-8.000 10.000#52.5112.400 1.540821.53665#6-10.401 2.279#7∞ 0.600/1.2001.580301.57326#8∞在第一例中，準(zhǔn)直透鏡20的第二表面(表面#4)，第一表面30a的基礎(chǔ)曲線(表面#5)和物鏡30的第二表面30b(表面#6)為旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。該基礎(chǔ)曲線是不具有衍射透鏡結(jié)構(gòu)的表面的宏觀形狀。用下式表示該旋轉(zhuǎn)對稱的非球面X(h)=h2c1+1-(1+κ)h2c2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>X(h)為SAG，即一曲線的距離光軸高度為h的表面上一點處切面的距離。符號C為該表面的頂點的曲率(1/r)，K為錐形常數(shù)，A4，A6，A8，A10，A12和Δ分別為第四，第六，第八，第十和第十二級非球面系數(shù)。在下面的表2中表示常數(shù)K和系數(shù)A4到A12。在物鏡30的第一表面30a上，中心區(qū)域(0≤h＜1.98)的基礎(chǔ)曲線不同于外圍區(qū)域(1.98≤h)的基礎(chǔ)曲線，表2分別表示這些區(qū)域的系數(shù)。表2準(zhǔn)直透鏡的第二表面(#4)κ -0.7360A4 0.0000A6 5.2000×10-7A8 0.000A10 0.000A12 0.000物鏡的第一表面(#5)中心區(qū)域外圍區(qū)域(0≤h＜198) (1.98≤h)r 2.511 2.511κ -0.470 -0.470A4 2.270×10-4-1.400×10-4A6 4.900×10-54.400×10-5A8 4.100×10-6-4.600×10-6A10 9.270×10-61.900×10-6A12 -1.244×10-6-6.000×10-7物鏡的第二表面(#6)κ 0.000A4 8.607×10-3A6 -7.203×10-4
A8 -4.525×10-5A10 7.031×10-6A12 0.000中心區(qū)域中的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長為710nm，而在外圍區(qū)域為650nm。表3表示對于中心區(qū)域和外圍區(qū)域的系數(shù)P0，P2，P4，P6和P8。該衍射透鏡結(jié)構(gòu)包括10個環(huán)形臺階。第0個環(huán)為包括光軸的圓形區(qū)域，第1到第9環(huán)為環(huán)形區(qū)域。第0到8環(huán)屬于中心區(qū)域，第9環(huán)屬于外圍區(qū)域。每個環(huán)由距離光軸高度為hL的內(nèi)邊界和距離光軸高度為hH的外邊界所限定，如表4所示。表3中心區(qū)域 外圍區(qū)域(0≤h＜1.98)(1.98≤h)P00.0000 9.0P20.0000 0.0P40.31034 0.0P6-0.023604 0.0P80.0242580.0表4環(huán)編號hLhH環(huán)編號 hLhH0 0.0001.3075 1.784 1.8381 1.3071.5086 1.838 1.8862 1.5081.6287 1.886 1.9273 1.6281.7158 1.927 1.9774 1.7151.7849 1.977 2.400從表3中可以得到條件(1)中所包含各項的數(shù)值，如下φ(h45)/λ＝9.0774
P2(h45)2＝0.0對于外圍區(qū)域，光程差函數(shù)Φ(h)的系數(shù)表明外圍區(qū)域的實際形狀為基礎(chǔ)曲線增加了9倍的光程。具體地說，外圍區(qū)域是由表5所限定的非球面區(qū)域，其沿光軸偏離中心區(qū)域基礎(chǔ)曲線以10.8169μm。由下式得到偏移量。
-9.0×650nm/(1-1.54082)＝10.8169μm表5r 2.5072κ -0.470A4 -1.400×10-4A6 4.400×10-5A8 -4.600×10-6A10 1.900×10-6A12 -6.070×10-7圖5A和5B表示當(dāng)使用第一光盤D1時在650nm波長下根據(jù)第一例的物鏡30的三級像差。圖5A表示球差SA和正弦條件SC，圖5B表示像散(S弧矢，M子午)。圖5A中的豎軸表示數(shù)值孔徑NA，圖5B中的豎軸表示圖象高度Y。另外，橫軸表示像差量。圖5A的縱軸和橫軸的單位為“mm”。圖6A和6B表示使用第二光盤D2時在波長785nm處物鏡30的球差和像散。第二個例子圖7為使用第一光盤D1的第二例的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡示意圖。在圖7中，僅表示準(zhǔn)直透鏡20、物鏡30和第一光盤D1。在第二例中物鏡30的第一表面30a的中心和外圍區(qū)域均形成有衍射透鏡結(jié)構(gòu)。
表6表示第二例的基本結(jié)構(gòu)。在表6中，表面#1和#2表示準(zhǔn)直透鏡20，表面#3和#4表示物鏡30，表面#5和#6表示光盤D1和D2的覆蓋層。表6λ1＝650nm fc1＝10.00 fo1＝3.300 M1＝-0.330 d01＝9.101 NA1＝0.60λ2＝780nm fc2＝10.07 fo2＝3.311 M2＝-0.362 d02＝6.009 NA2＝0.45ht＝2.00mm h45＝1.67mm表面編號 rdn650 n780#1107.677 1.5001.586421.58252#2-6.170 10.000#32.1522.3001.540821.53677#4-7.294 1.653#5∞ 0.600/1.200 1.580301.57346#6∞在第二例中，準(zhǔn)直透鏡20的第二表面(表面#2)，第一表面30a的基礎(chǔ)曲線(表面#3)和物鏡30的第二表面30b(表面#4)是旋轉(zhuǎn)對稱非球面。表7中表示每個非球面的常數(shù)K和系數(shù)A4到A12。表7準(zhǔn)直透鏡的第二表面(#2)κ -0.4000A4 1.4060×10-4A6 2.6000×10-6A8 3.7000×10-8物鏡的第一表面(#3)中心區(qū)域外圍區(qū)域(0≤h＜1.67)(1.67≤h)r 2.152 2.144κ -0.560 -0.560A4 2.149×10-31.600×10-3A6 -2.345×10-4-5.400×10-4A8 3.550×10-42.200×10-4A10 -3.310×10-5-2.390×10-5A12 8.300×10-71.520×10-6物鏡的第二表面(#4)κ 0.000A4 1.760×10A6 -1.900×10-5A8 -1.940×10-3A10 6.780×10-4A12 -7.970×10-5在中心區(qū)域衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長為710nm，在外圍區(qū)域為650nm。表8表示中心和外圍區(qū)域的系數(shù)P0，P2，P4，P6和P8。該衍射透鏡結(jié)構(gòu)包括15個環(huán)形臺階。第0環(huán)為包括光軸的圓形區(qū)域，第1到第14環(huán)為環(huán)形區(qū)域。第0到7環(huán)屬于中心區(qū)域，第8到第14環(huán)屬于外圍區(qū)域。每個環(huán)由表9所限定。表8中心區(qū)域 外圍區(qū)域(0≤h＜1.67)(1.67≤h)P00.0 0.0P2-4.66295-3.94187P40.90257 0.45269P6-0.20873-0.50432
P80.12198 0.08305表9環(huán)編號hLhH環(huán)編號hLhH00.0000.473 81.6701.70010.4730.684 91.7001.75020.6840.860101.7501.79930.8601.026111.7991.84941.0261.213121.8501.90351.2131.528131.9031.96261.528 1.621 141.9622.00071.6211.670從表8中可以得到條件(1)中所包含各項的值如下φ(h45)/λ＝-3.1365P2(h45)2＝-13.0045中心區(qū)域最外側(cè)的環(huán)(第7環(huán))與外圍區(qū)域最內(nèi)側(cè)的環(huán)(第8環(huán))之間的邊界具有一個臺階，以致于沿光軸方向該最外側(cè)的環(huán)的厚度增加了15μm。
圖8A和8B表示當(dāng)使用第一光盤D1時在650nm波長下根據(jù)第二例的物鏡30的球差和像散。圖9A和9B表示當(dāng)使用第二光盤D2時在780nm波長下根據(jù)第二例的物鏡30的球差和像散。第三例圖10為使用第一光盤D1的第三例的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡示意圖。在圖10中僅表示物鏡30和第一光盤D1。在第三例中衍射透鏡結(jié)構(gòu)僅形成在物鏡30的第一表面30a的中心區(qū)域上。
表10中描述了第三例的基本結(jié)構(gòu)。在表10中，表面#1和#2表示物鏡30，表面#3和#4表示光盤D1和D2的覆蓋層。另外，僅在第三例中d01和d02分別表示在波長λ1和λ2下物鏡30的物距。表10λ1＝650nm fo1＝3.201 M1＝-0.000 d01＝∞ NA1＝0.60λ2＝780nm fo2＝3.223 M2＝-0.1117 d02＝31.385 NA2＝0.45 A2＝0.45ht＝1.92mm h45＝1.63mm表面編號rd n650 n7801 2.1112.400 1.540821.536772 -6.170 1.5443 ∞ 0.600/1.2001.580301.573464 ∞在第三例中，第一表面30a(表面#1)的基礎(chǔ)曲線和物鏡30的第二表面30b(表面#2)是旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。表11表示對于每個非球面的常數(shù)K和系數(shù)A4到A12。表11物鏡的第一表面(#1)中心區(qū)域外圍區(qū)域(0≤h＜1.63) (1.63≤h)κ -0.560 -0.560A4 2.5600×10-3-1.025×10-3A6 -2.5070×10-34.166×10-4A8 1.1363×10-38.809×10-5A10 -1.0568×10-4-3.198×10-5A12 -6.2000×10-6-5.100×10-6物鏡的第二表面(#2)κ 0.000A4 1.198×10-2A6 1.174×10-2A8 -1.088×10-2A10 3.381×10-3A12 -3.943×10-4在中心區(qū)域衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長為710nm，在外圍區(qū)域為650nm。表12表示中心和外圍區(qū)域的系數(shù)P0，P2，P4，P6和P8。該衍射透鏡結(jié)構(gòu)包括9個環(huán)形臺階。第0環(huán)為包括光軸的圓形區(qū)域，第1到第8環(huán)為環(huán)形區(qū)域。第0到7環(huán)屬于中心區(qū)域，第8環(huán)屬于外圍區(qū)域。每個環(huán)由表13所限定。表12中心區(qū)域外圍區(qū)域(0≤h＜1.63) (1.63≤h)P00.0-20.000P20.00.0P42.955800.0P6-2.49050 0.0P80.921080.0P10-0.08143 0.0表13環(huán)編號hLhH環(huán)編號 hLhH0 0.0000.9055 1.4741.5221 0.9051.1716 1.5221.5162 1.1711.3227 1.5161.5943 1.3221.4128 1.5941.623
41.4121.474從表12中可以得到條件(1)中所包含各項的值如下φ(h45)/λ＝9.301P2(h45)2＝0.000圖11A和11B表示當(dāng)使用第一光盤D1時在650nm波長下根據(jù)第三例的物鏡30的球差和像散。圖12A和12B表示當(dāng)使用第二光盤D2時在780nm波長下根據(jù)第三例的物鏡30的球差和像散。
第三例中的物鏡要求用于第一光盤的無像差平行激光束和用于第二光盤的無像差發(fā)散激光束。因此，最好為兩個半導(dǎo)體激光器中的每一個都設(shè)置一個準(zhǔn)直透鏡。另外，在設(shè)計準(zhǔn)直透鏡的非球面時應(yīng)該考慮到諸如半導(dǎo)體激光器的覆蓋玻璃、對光束進(jìn)行合束或分束的棱鏡的平行平板的作用。
表14表示條件(1)到(4)與第一，第二和第三例之間的關(guān)系。所有這些例子均滿足所有的條件。表14第一例 第二例 第三例(1)φ(h45)/λ-P2(h45)29.0779.8689.301(2)λ1/λ20.8280.8330.833(3)φB/λ20.9040.9100.910(4)φB/λ11.0921.0921.09權(quán)利要求
1.一種能夠使用具有第一覆蓋層的第一光盤和具有厚度大于所述第一覆蓋層的第二覆蓋層的第二光盤的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一光源部分，其發(fā)射用于該第一光盤的具有第一波長的第一激光束和用于該第二光盤的具有長度大于該第一波長的第二波長的第二激光束；以及一物鏡，其將所述光源部分發(fā)出的該第一激光束通過所述第一覆蓋層會聚到該第一光盤的信息層上，并將所述光源部分發(fā)出的該第二激光束通過所述第二覆蓋層會聚到該第二光盤的信息層上，所述物鏡具有一衍射透鏡結(jié)構(gòu)，該衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有多個對波長有依賴性的同心環(huán)形臺階，使得球差隨著入射光波長的增加而在過校正方向上改變，其中入射到該物鏡上的所述第二激光束的發(fā)散度大于所述第一激光束的發(fā)散度，以及其中該物鏡對具有相同衍射級的所述第一和第二激光束進(jìn)行會聚，同時保持所述物鏡與所述第一和第二覆蓋層表面之間為恒定距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中滿足下面的條件(1)(1)7＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜15其中h45為NA為0.45的光線與該衍射透鏡結(jié)構(gòu)的交點處距離光軸的高度，λ為所述光的波長，P2為當(dāng)所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)所增加的附加光程長度由下面的光程差函數(shù)Φ(h)表示時的第二級衍射系數(shù)Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+)×λ其中，P4和P6為第四和第六級衍射系數(shù)，h為距離光軸的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述第一覆蓋層的厚度為0.6mm，所述第二覆蓋層的厚度為1.2mm，其中所述第一波長λ1與第二波長λ2滿足下面的條件(2)(2)0.81＜λ1/λ2＜0.85
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB至少在接近光軸的中心區(qū)域中滿足λ1＜λB＜λ2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光學(xué)系統(tǒng)，其中在所述中心區(qū)域中所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的該閃耀波長λB滿足下面的條件(3)和(4)(3)0.87＜λB/λ2(4)λB/λ1＜1.13
6.根據(jù)權(quán)利要求4的光學(xué)系統(tǒng)，其中在外圍區(qū)域中由所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的所述環(huán)形臺階所增加的附加光程長度小于在所述中心區(qū)域中的附加光程長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在所述物鏡的透鏡表面的中心區(qū)域內(nèi)，所述透鏡表面的外圍區(qū)域被形成為一個連續(xù)表面，其中至少將所述物鏡的有效直徑85％線之外的區(qū)域定義為所述外圍區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光源部分發(fā)射所述激光束，以使所述第一激光束作為平行光入射到所述物鏡上，所述第二激光束作為發(fā)散光入射到所述物鏡上。
9.一種用于光學(xué)拾取裝置的物鏡，包括一具有正折射光焦度的折射透鏡；以及一具有形成在所述折射透鏡至少一個透鏡表面上的多個同心環(huán)形臺階的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，其中所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有波長依賴性，使得球差隨著入射光波長的增加而在過校正方向上變化。
全文摘要
一種能夠使用薄覆蓋型和厚覆蓋型光盤(D1)的光學(xué)拾取裝置的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個光源部分,其發(fā)射用于薄覆蓋型光盤的短波長激光束(11)和用于厚覆蓋型光盤的長波長激光束(12);以及一個物鏡(30),該物鏡用于將激光束通過覆蓋層會聚到光盤的信息層上。物鏡具有一對波長有依賴性的衍射透鏡結(jié)構(gòu)(30a),使得球差隨著入射波長的增加而在過校正方向上變化。該光源部分發(fā)射激光束,使得入射到物鏡上的長波長激光束的發(fā)散度大于短波長激光束的發(fā)散度。該物鏡對相同衍射級的激光束進(jìn)行會聚而不改變其位置。
文檔編號G02B13/00GK1347555SQ00806538
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月23日
發(fā)明者丸山晃一 申請人:旭光學(xué)工業(yè)株式會社