專(zhuān)利名稱(chēng)：衍射光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用高級(jí)衍射光的衍射光學(xué)元件，以及利用這種衍射光學(xué)元件的光學(xué)拾取器的物鏡。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，具有衍射透鏡結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件與折射透鏡一起使用以便補(bǔ)償色差或由于溫度變化導(dǎo)致的特性變化。衍射透鏡結(jié)構(gòu)通常包括多個(gè)環(huán)帶，彼此之間具有沿著光軸方向延伸的微小臺(tái)階。衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以形成在光學(xué)元件上，該光學(xué)元件可以是也可以不是折射透鏡。在光學(xué)拾取器物鏡領(lǐng)域，衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在物鏡的一個(gè)折射面上。特別是，商業(yè)制造的光學(xué)拾取器物鏡利用金屬模具由樹(shù)脂制成。
衍射透鏡結(jié)構(gòu)環(huán)帶之間的臺(tái)階根據(jù)衍射分量(component)級(jí)和光波長(zhǎng)確定。假設(shè)級(jí)別為m，波長(zhǎng)為λ，臺(tái)階確定為使每個(gè)臺(tái)階的內(nèi)側(cè)邊和外外側(cè)問(wèn)產(chǎn)生的光程差(后面將稱(chēng)為OPD)為m×λ。圖6示出利用第一級(jí)衍射光的傳統(tǒng)衍射透鏡結(jié)構(gòu)的剖面。光軸位于圖6的下方。如圖6所示，外部環(huán)帶的寬度較窄。在圖6中，間距較小的虛線表示相應(yīng)環(huán)帶的延長(zhǎng)線。相鄰兩個(gè)虛線之間的距離對(duì)應(yīng)于一個(gè)波長(zhǎng)的OPD，該OPD是由相鄰兩個(gè)環(huán)帶之間的臺(tái)階產(chǎn)生的。換句話說(shuō)，圖6中所示的衍射透鏡結(jié)構(gòu)通過(guò)在相鄰環(huán)帶之間的臺(tái)階產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD，提供第一級(jí)衍射光。具有較大間距的虛線表示上面形成有衍射透鏡結(jié)構(gòu)的折射透鏡的基本曲面。
圖7A示出利用高級(jí)衍射光的傳統(tǒng)衍射透鏡結(jié)構(gòu)的剖面。7B圖是7A中的圓圈部分A的放大圖?？拷廨S的臺(tái)階產(chǎn)生兩個(gè)波長(zhǎng)的OPD，邊緣部分的每?jī)蓚€(gè)臺(tái)階產(chǎn)生三個(gè)波長(zhǎng)的OPD。通過(guò)這一結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)的高級(jí)衍射分量。
如果衍射光學(xué)元件由樹(shù)脂模塑制成，由于模具的磨損和/或樹(shù)脂材料不能充分灌注，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可能變得模糊(dulled)。衍射結(jié)構(gòu)的這種模糊形狀對(duì)于較大臺(tái)階影響更大，因此衍射效率降低。如果臺(tái)階產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD，如圖6所示，衍射透鏡結(jié)構(gòu)的模糊形狀影響相對(duì)小，衍射效率可能降低不顯著。然而，如果臺(tái)階相對(duì)大，如圖7A所示，模糊狀況的程度與虛線所示的設(shè)計(jì)形狀比較相對(duì)大，如圖7B中的實(shí)線所示。如圖7B所示，如果平坦部分變得相對(duì)大，衍射效率顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種衍射光學(xué)元件，即使衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)成使用高級(jí)衍射光元件，對(duì)它的衍射效率影響也很小。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種衍射光學(xué)元件，包括一個(gè)基本元件，和包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞基本元件的光軸同心設(shè)置，形成在多個(gè)環(huán)帶之間沿著光軸方向延伸的微小臺(tái)階，該多該環(huán)帶形成在基本元件的表面上。多個(gè)環(huán)帶中包括至少一個(gè)滿足條件(1)的窄帶和至少一個(gè)滿足條件(2)的寬帶ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的內(nèi)側(cè)端部和外側(cè)端部所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面的OPD之差的絕對(duì)值。
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)為了使用相對(duì)高級(jí)衍射光而形成相對(duì)大的臺(tái)階時(shí)，通過(guò)形成窄帶，能夠抑制模糊形狀的影響，與傳統(tǒng)技術(shù)中的以沒(méi)有子臺(tái)階而形成大臺(tái)階的情況比較，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的衍射效率。
最好，衍射光學(xué)元件包括多個(gè)寬帶和多個(gè)窄帶，如果使用多個(gè)波長(zhǎng)，最好ΔE(i)的值基本上等于所使用的最短波長(zhǎng)。如果使用三級(jí)或更高的衍射分量，最好多個(gè)窄帶設(shè)置在一對(duì)寬帶之間。
任選地，基本元件可以由透光材料形成。在這種情況下，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成起透射衍射透鏡的作用。
任選地或替代地，基本元件可以是具有非球面的透鏡。在這種情況下，光學(xué)元件可以用作光學(xué)拾取器的物鏡，所述物鏡能夠?qū)⒅辽賰煞N不同波長(zhǎng)的光束分別會(huì)聚在具有不同數(shù)據(jù)記錄密度的至少兩種類(lèi)型光盤(pán)上。該透鏡表面可以被劃分為低NA光束通過(guò)的通用區(qū)域和高NA光束通過(guò)的專(zhuān)用高NA區(qū)域，所述低NA光束對(duì)于低數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須和足夠的；所述高NA光束只是對(duì)于高數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的。形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的至少一部分可以包括具有寬帶和窄帶的多個(gè)環(huán)帶。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種衍射光學(xué)元件，它包括一個(gè)基本元件，和包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞基本元件的光軸同心設(shè)置，在多個(gè)環(huán)帶之間形成沿著光軸方向延伸的微小臺(tái)階，多個(gè)環(huán)帶形成在基本元件的表面上。衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成利用第m級(jí)衍射分量，m是大于1的整數(shù)。在這種情況下，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以包括這樣的臺(tái)階，即每個(gè)臺(tái)階主要產(chǎn)生m倍工作波長(zhǎng)的光程差，每個(gè)臺(tái)階細(xì)微上具有多個(gè)子臺(tái)階，所述多個(gè)子臺(tái)階由多個(gè)窄寬度環(huán)帶形成，每個(gè)窄帶產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的光程差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于光學(xué)拾取器的物鏡，所述物鏡能夠?qū)⒅辽賰煞N不同波長(zhǎng)的光束分別會(huì)聚在具有不同數(shù)據(jù)記錄密度的至少兩種類(lèi)型光盤(pán)上。這種物鏡可以設(shè)計(jì)成包括正光焦度折射透鏡和包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞折射透鏡的光軸同心設(shè)置，在多個(gè)環(huán)帶之間形成沿著光軸方向延伸的微小臺(tái)階，多個(gè)環(huán)帶形成在折射透鏡的表面上。透鏡的折射面可以被劃分為低NA光束通過(guò)的通用區(qū)域和高NA光束通過(guò)的專(zhuān)用高NA區(qū)域，所述低NA光束對(duì)于低數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的，而且足夠；所述高NA光束只是對(duì)于高數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的。形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域的環(huán)帶包括至少一個(gè)滿足條件(1)的窄帶和至少一個(gè)滿足條件(2)的寬帶ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊部分和外邊部分所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面的OPD之差的絕對(duì)值。
任選地，ΔE(i)的數(shù)值基本上等于所使用的最短波長(zhǎng)。


圖1A示出根據(jù)實(shí)施例的衍射光學(xué)元件的形狀；圖1B是圖1A中的圓圈部分的放大圖；圖2A和2B分別是根據(jù)實(shí)施例的物鏡的前視圖和剖面?zhèn)纫晥D；圖3簡(jiǎn)示出使用根據(jù)實(shí)施例的物鏡的光學(xué)拾取器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖4示出形成在根據(jù)實(shí)施例的物鏡上的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的弧矢量曲線；圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的物鏡會(huì)聚的波長(zhǎng)對(duì)于CD的光強(qiáng)度分布的曲線；圖6示出傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)；以及圖7A示出傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件的形狀；圖7B是圖7A中圓圈部分的放大圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，光學(xué)元件描述為光學(xué)拾取器的物鏡。
圖1A示出根據(jù)實(shí)施例的衍射光學(xué)元件的形狀，圖1B是圖1A中的圓圈部分的放大圖。圖2A和2B分別是根據(jù)實(shí)施例的物鏡10的前視圖和剖面?zhèn)纫晥D。圖1A是圖2B點(diǎn)劃線圓圈F1處的放大圖。
物鏡10是由樹(shù)脂制成的雙凸透鏡，如圖2B所示。物鏡的兩個(gè)折射面11和12是非球面。在表面11上，形成具有多個(gè)同心環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，如圖2A所示。每個(gè)環(huán)帶的中心為物鏡10的光軸。即，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在基本曲面上，該基本曲面是物鏡10的折射面11。
物鏡10的表面被分成兩個(gè)部分中心部分(將稱(chēng)為通用區(qū)域)Rc，剩余的邊緣區(qū)域(即通用區(qū)域Rc的外部)將稱(chēng)為專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh。
在相對(duì)低記錄密度的CD或者CD-R上記錄/讀出數(shù)據(jù)的光束通過(guò)通用區(qū)域Rc，并會(huì)聚在CD或CD-R上。在相對(duì)高記錄密度的DVD上記錄/讀出數(shù)據(jù)的光束通過(guò)通用區(qū)域Rc和專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh，并會(huì)聚在DVD上。衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在通用區(qū)域Rc和專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh上。通用區(qū)域Rc設(shè)計(jì)成這樣的區(qū)域，即在其邊界內(nèi)對(duì)應(yīng)于NA數(shù)值在0.45至0.50范圍內(nèi)。
形成在通用區(qū)域Rc內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)利用一級(jí)衍射分量。因此，與圖6所示結(jié)構(gòu)類(lèi)似，每個(gè)環(huán)帶之間的臺(tái)階產(chǎn)生大約為一個(gè)波長(zhǎng)的OPD。
形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)利用第m級(jí)衍射分量(m是大于一的整數(shù))。因此，每個(gè)臺(tái)階主要產(chǎn)生m倍波長(zhǎng)的OPD，如同圖1A所示范性示出一樣。具體說(shuō)，在圖1A中，在圖下部示出的一個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生兩個(gè)波長(zhǎng)的OPD，其他兩個(gè)臺(tái)階分別產(chǎn)生三個(gè)波長(zhǎng)的OPD。
形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)包括多個(gè)寬帶Rw和多個(gè)窄帶Rn，所述多個(gè)窄帶設(shè)置在寬帶Rw之間。細(xì)微上，如圖1B所示，一個(gè)臺(tái)階形成為具有三個(gè)子臺(tái)階，所述子臺(tái)階由窄帶Rn形成，每個(gè)子臺(tái)階產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD。
窄帶Rn和寬帶Rw分別形成為滿足如下條件(1)和(2)ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊部分和外邊部分所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面(在圖1A中由間距較長(zhǎng)的虛線表示)的OPD之差的絕對(duì)值。
在如圖6所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，第一和第二臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊和外邊產(chǎn)生的OPD分別是+0.5λ和-0.5λ。因此，對(duì)于該環(huán)帶，可以與外部環(huán)帶類(lèi)似計(jì)算ΔZ(1)＝1λ·ΔZ。然而，所有臺(tái)階產(chǎn)生的ΔE(i)都是1λ。因此，在圖6所示例子中，與i的值無(wú)關(guān)，ΔZ(i)＝ΔE(i)，而且數(shù)值為1λ，沒(méi)有環(huán)帶滿足條件(1)和(2)。
在圖7A所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第一和第二臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊和外邊產(chǎn)生的OPD分別是+1.5λ和-1.5λ。因此，對(duì)于該環(huán)帶，可以與外部環(huán)帶類(lèi)似計(jì)算ΔZ(1)＝3λ·ΔZ。然而，臺(tái)階產(chǎn)生的ΔE(i)當(dāng)i＝1時(shí)為2λ；當(dāng)I≥2時(shí)為3λ。因此，在圖7A所示例子中，沒(méi)有環(huán)帶滿足條件(1)和(2)。
在圖1A所示結(jié)構(gòu)中，窄帶Rn形成為使得里邊和外邊產(chǎn)生的OPD基本相同，因此，ΔZ(i)基本上等于零。寬帶Rw形成為使得第一和第二臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊和外邊產(chǎn)生的OPD分別是+1.5λ和-1.5λ，例如在圖1A中的第二和第三臺(tái)階之間的寬帶。因此，對(duì)于該環(huán)帶，可以與其他寬帶類(lèi)似計(jì)算ΔZ(2)＝3λ·ΔZ。因此，對(duì)于i＝1、3、4、6、7，…，ΔZ(i)基本上等于零，而對(duì)于i＝2、5，…，ΔZ(i)等于3λ，然而，每個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的ΔE(i)為λ，與i值無(wú)關(guān)。因此，在圖1A所示結(jié)構(gòu)中，窄帶Rn滿足條件(1)，而寬帶Rw滿足條件(2)。應(yīng)該注意在上面的描述中，為了簡(jiǎn)化描述，在圖最下部所示的臺(tái)階表示為第一臺(tái)階(即i＝1)。例如圖1A所示，因?yàn)樗静糠质菍?zhuān)用高NA區(qū)域的一部分，因此，i的實(shí)際數(shù)值是包括通用區(qū)域Rc內(nèi)的臺(tái)階數(shù)的較大值。
應(yīng)該注意ΔZ(i)和ΔE(i)的數(shù)值是利用對(duì)于高數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)的波長(zhǎng)計(jì)算的。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)為了使用相對(duì)高級(jí)衍射光而形成相對(duì)大的臺(tái)階時(shí)，通過(guò)形成窄帶Rn，能夠抑制如圖1B中實(shí)線所示模糊形狀的影響，與圖7A所示的沒(méi)有次臺(tái)階而形成大臺(tái)階的情況比較，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的衍射效率。
例如，如果專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成為如圖6所示形式，產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD，整個(gè)物鏡的光利用率(包括膜層損失和類(lèi)似損失)為87.8％。還有，如果專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成為如圖7A所示形式，即，如果臺(tái)階產(chǎn)生三倍波長(zhǎng)的OPD，而沒(méi)有次臺(tái)階，光利用率為85.6％。如果采用次臺(tái)階，如圖1A所示，光利用率為87.7％。因此，在這種情況下，甚至當(dāng)使用高級(jí)衍射分量時(shí)，也能夠保持基本上與使用第一級(jí)衍射分量相同的光利用率。
圖3簡(jiǎn)要示出使用圖2A-2B所示物鏡10的光學(xué)拾取器的結(jié)構(gòu)。
圖3所述光學(xué)拾取器包括DVD光源組件21、CD光源組件22、光束合成器23、準(zhǔn)直透鏡24和物鏡10。DVD光源組件21和CD光源組件22中的每一個(gè)是具有一體安裝的激光二極管和光傳感器的組件。
波長(zhǎng)相對(duì)長(zhǎng)的光束用于CD或CD-R，而波長(zhǎng)相對(duì)短的光束用于DVD。根據(jù)實(shí)施例，DVD光源組件21具有發(fā)射波長(zhǎng)為654nm激光束的激光二極管，CD光源組件22具有發(fā)射波長(zhǎng)為654nm和790nm之間的激光束的激光二極管。
當(dāng)使用DVD時(shí)，就使用DVD光源組件21。在圖3中，用實(shí)線示出DVD覆蓋層。DVD光源組件21發(fā)射的激光束會(huì)聚在數(shù)據(jù)記錄面上，該數(shù)據(jù)記錄面對(duì)應(yīng)于如圖3中實(shí)線所示的DVD覆蓋層的右手邊。
當(dāng)使用CD(或CD-R)時(shí)，就使用CD光源組件22。在圖3中，用虛線示出CD(或CD-R)覆蓋層。CD光源組件22發(fā)射的激光束會(huì)聚在數(shù)據(jù)記錄面上，該數(shù)據(jù)記錄面對(duì)應(yīng)于如圖3中虛線所示的CD(或CD-R)覆蓋層的右手邊。應(yīng)該注意在圖3中只表示出用于在光盤(pán)上記錄/讀出數(shù)據(jù)的光束。
形成在通用區(qū)域Rc內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成使得第一級(jí)衍射光的衍射效率對(duì)于多個(gè)波長(zhǎng)都最高(在該實(shí)施例中是兩個(gè)波長(zhǎng)，即654nm和790nm)。
而且，通用區(qū)域Rc內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成使得由于DVD(厚度為0.6mm)和CD(或CD-R)(厚度為1.2mm)覆蓋層厚度之差導(dǎo)致的球差變化通過(guò)在654nm和790nm之間切換所使用光束的波長(zhǎng)補(bǔ)償。
通常已知整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(包括光盤(pán)的覆蓋層)的球差隨著覆蓋層厚度變厚而向過(guò)校正方向變化。當(dāng)使用具有較薄覆蓋層的DVD時(shí)，使用較短波長(zhǎng)的光束，而當(dāng)使用具有較厚覆蓋層的CD時(shí)，使用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光束。鑒于這一情況，衍射透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成球差與波長(zhǎng)有關(guān)，即當(dāng)波長(zhǎng)增大時(shí)球差向校正不足方向變化。利用這一結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)衍射透鏡結(jié)構(gòu)，隨著覆蓋層厚度增加向過(guò)校正方向變化的球差能夠被隨著波長(zhǎng)從654nm增大到790nm而向校正不足方向變化的衍射透鏡結(jié)構(gòu)球差補(bǔ)償。
形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有會(huì)聚波長(zhǎng)為654nm的光束、并散射波長(zhǎng)為790nm的光束的作用。專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh的基本曲面和OPD函數(shù)確定為使得波長(zhǎng)為654nm的光束充分會(huì)聚在DVD上。而且，根據(jù)本發(fā)明，形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成補(bǔ)償當(dāng)激光束的波長(zhǎng)變化時(shí)可能產(chǎn)生的色差，以及基于由于溫度變化導(dǎo)致折射率和/或形狀變化的像差。為了使用衍射透鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)像差補(bǔ)償作用和限制直徑大小的作用，必須使用高級(jí)衍射分量。在根據(jù)該實(shí)施例的物鏡中，衍射透鏡結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生多倍波長(zhǎng)的OPD，以便實(shí)現(xiàn)上述作用，同時(shí)細(xì)微上使用子臺(tái)階，以便防止衍射效率降低。
數(shù)據(jù)實(shí)施例后面，將描述根據(jù)該實(shí)施例的物鏡的數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)施例的物鏡用于光學(xué)拾取器，所述光學(xué)拾取器用于具有厚度為0.6mm覆蓋層的DVD和具有厚度為1.2mm覆蓋層的CD(或者CD-R)。
下面的表1示出根據(jù)該實(shí)施例的物鏡數(shù)據(jù)。
物鏡的第一表面(光源一側(cè)表面)被劃分為通用區(qū)域Rc和專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh，前者從光軸算起的高度h為0≤h＜1.538(mm)，后者從光軸算起的高度h為1.538≤h≤2.023(mm)。在通用區(qū)域Rc和專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh，分別形成有不同OPD函數(shù)表示的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。通用區(qū)域Rc和專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh的基本曲面(即不包括衍射透鏡結(jié)構(gòu)的透鏡表面形狀)也不相同，二者是由不同系數(shù)定義的非球面。
物鏡的第二表面(光盤(pán)一側(cè)表面)是沒(méi)有形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)的非球面。
在該實(shí)施例中，在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)設(shè)置有四個(gè)寬帶。寬帶宏觀上產(chǎn)生的臺(tái)階是波長(zhǎng)的五倍。每個(gè)臺(tái)階被劃分為由窄帶形成的次臺(tái)階，每個(gè)窄帶產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD。因此，在相鄰寬帶之間，設(shè)置有四個(gè)窄帶。
由衍射透鏡結(jié)構(gòu)增加的附加光程由如下所示的OPD(光程差)函數(shù)φ(h)表示φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×m×λ其中，Pn表示第n次(n是偶數(shù))OPD函數(shù)系數(shù)，m表示衍射級(jí)，λ表示波長(zhǎng)。
OPD函數(shù)φ(h)表示在物鏡上對(duì)于光軸的高度為h的點(diǎn)上，不被衍射透鏡結(jié)構(gòu)衍射的光束的光程與被衍射透鏡結(jié)構(gòu)衍射的光束的光程之差。
非球面由如下所示的多項(xiàng)式表示X(h)=Ch21+1-(1+K)C2h2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>其中，X(h)是表示在光軸和非球面的交點(diǎn)與非球面相切的平面與非球面上相對(duì)光軸的高度為h的點(diǎn)之間距離的SAG量；C表示非球面在光軸上的曲率(＝1/r)，k是二次曲線系數(shù)，A4、A6、A8、A10和A12是四次、六次、八次、十次和十二次非球面系數(shù)。
在表1中，示出限定物鏡第一面(即光源一側(cè)表面)的基本曲面、通用區(qū)域Rc的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的系數(shù)、限定專(zhuān)用高NA區(qū)域的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的系數(shù)、相鄰表面之間在光軸上的距離、折射率、以及限定第二面的系數(shù)，第二面是非球面。
表1第一面


表2示出從光軸到每個(gè)環(huán)帶的里邊的高度hin和從光軸到每個(gè)環(huán)帶的外邊的高度hout，從光軸一側(cè)開(kāi)始給每個(gè)環(huán)帶一個(gè)環(huán)帶編號(hào)N，包括光軸的圓形帶表示為環(huán)帶#0。這樣，第i個(gè)臺(tái)階外部的環(huán)帶為第i個(gè)環(huán)帶。而且，在表2中示出在每個(gè)環(huán)帶外邊的OPD函數(shù)φ(hout)值。在表2中，hin和hout的數(shù)值單位為mm，OPD函數(shù)φ(hout)值用波長(zhǎng)單位表示。環(huán)帶0-14形成在通用區(qū)域Rc內(nèi)，環(huán)帶15-35(見(jiàn)表3)形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)。
表2

表3示出從光軸到每個(gè)環(huán)帶的里邊的高度hin和從光軸到每個(gè)環(huán)帶的外邊的高度hout。而且，在表3中示出相對(duì)于通過(guò)每個(gè)環(huán)帶外邊的光束的OPD函數(shù)φ(hout)的數(shù)值、每個(gè)環(huán)帶投影在切平面上的寬度W。
表3

圖4是示出在h＝1.40mm至h＝2.00mm范圍內(nèi)衍射透鏡結(jié)構(gòu)相對(duì)于基本曲面的SAG量曲線，即在通用區(qū)域Rc周邊大致到專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh的外邊。在h＝hB＝1.538處的大臺(tái)階表示通用區(qū)域Rc與專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh之間的邊界。
如表3所示，環(huán)帶#15、#20、#25和#30是寬帶Rw，而環(huán)帶#16-19、#21-24和#26-29是窄帶Rn。如圖4所示，ΔE(i)是常數(shù)(即等于1λ)，與i值無(wú)關(guān)；當(dāng)i＝16-19、21-24和26-29時(shí)，ΔZ(i)基本上等于零，而當(dāng)i＝15、20、25和30時(shí)，ΔZ(i)實(shí)質(zhì)上等于5λ。因此，窄帶Rn滿足條件(1)，寬帶Rw滿足條件(2)。
圖5是示出當(dāng)使用根據(jù)比較例的物鏡(用虛線表示)和根據(jù)實(shí)施例的物鏡(用實(shí)線表示)時(shí)CD上的光強(qiáng)度分布曲線。在垂直軸上，強(qiáng)度被歸一化以便光軸上的光強(qiáng)度表示為1。水平軸表示相對(duì)于光軸的距離。為了示出對(duì)于CD光束點(diǎn)邊界附近的強(qiáng)度，垂直軸只示出0.005的上限，因此，曲線中沒(méi)有示出靠近光軸部分的光強(qiáng)度，因?yàn)樵搹?qiáng)度比上限大得多。
比較例設(shè)計(jì)成形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域Rh內(nèi)的環(huán)帶之間的臺(tái)階產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的OPD，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例相同。根據(jù)比較例，如果很好地補(bǔ)償了像差，當(dāng)使用CD(或CD-R)時(shí)不能充分限制光束尺寸。因此，入射在CD光束點(diǎn)邊界附近區(qū)域(即在高度h從5μm至10μm范圍內(nèi)的區(qū)域)的光強(qiáng)度分布變得相當(dāng)大。
根據(jù)實(shí)施例，如圖5所示，能夠把入射在CD光束點(diǎn)邊界附近區(qū)域(即在高度h從5μm至10μm范圍內(nèi)的區(qū)域)的光強(qiáng)度分布抑制在比比較例低的水平。而且，當(dāng)使用DVD時(shí)也能夠很好地抑制由于溫度和/或波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的波前差變化。
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)元件，包括基本元件，和包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞所述基本元件的光軸同心設(shè)置，在所述多個(gè)環(huán)帶之間形成沿著所述光軸方向延伸的微小臺(tái)階，所述多個(gè)環(huán)帶形成在所述基本元件的表面上；其中所述多個(gè)環(huán)帶中包括至少一個(gè)滿足條件(1)的窄帶和至少一個(gè)滿足條件(2)的寬帶ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i)…(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i)…(2)，其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊部分和外邊部分所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面的OPD之差的絕對(duì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中包括多個(gè)寬帶和多個(gè)窄帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中ΔE(i)的值基本上等于所使用的最短波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中多個(gè)窄帶設(shè)置在一對(duì)寬帶之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的衍射光學(xué)元件，其中所述基本元件由透光材料形成；以及所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)起透射衍射透鏡的作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的衍射光學(xué)元件，其中所述基本元件是具有非球面的透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的衍射光學(xué)元件，該光學(xué)元件可以用作光學(xué)拾取器的物鏡，所述物鏡能夠?qū)⒅辽賰煞N不同波長(zhǎng)的光束分別會(huì)聚在至少兩種類(lèi)型具有不同數(shù)據(jù)記錄密度的光盤(pán)上；所述透鏡具有非球面，該表面具有低NA光束通過(guò)的通用區(qū)域和高NA光束通過(guò)的專(zhuān)用高NA區(qū)域，所述低NA光束對(duì)于低數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的，而且足夠；所述高NA光束只是對(duì)于高數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的；形成在所述專(zhuān)用高NA區(qū)域的所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的至少一部分可以包括具有所述至少一個(gè)寬帶和所述至少一個(gè)窄帶的多個(gè)環(huán)帶。
8.一種衍射光學(xué)元件，包括基本元件，和包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞所述基本元件的光軸同心設(shè)置，在所述多個(gè)環(huán)帶之間形成沿著所述光軸方向延伸的微小臺(tái)階，所述多個(gè)環(huán)帶形成在所述基本元件的表面上；其中所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)利用第m級(jí)衍射分量，m是大于1的整數(shù)；所述衍射透鏡結(jié)構(gòu)包括這樣的臺(tái)階，每個(gè)所述臺(tái)階主要產(chǎn)生m倍工作波長(zhǎng)的光程差，細(xì)微地每個(gè)所述臺(tái)階具有多個(gè)子臺(tái)階，所述多個(gè)子臺(tái)階由多個(gè)窄寬度環(huán)帶形成，每個(gè)窄寬度環(huán)帶產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的光程差。
9.一種用于光學(xué)拾取器的物鏡，所述物鏡能夠?qū)⒅辽賰煞N不同波長(zhǎng)的光束分別會(huì)聚在具有不同數(shù)據(jù)記錄密度的至少兩種類(lèi)型光盤(pán)上，所述物鏡包括正光焦度折射透鏡；包括多個(gè)環(huán)帶的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，這些環(huán)帶圍繞所述折射透鏡的光軸同心設(shè)置，在所述多個(gè)環(huán)帶之間形成沿著所述光軸方向延伸的微小臺(tái)階，所述多個(gè)環(huán)帶形成在所述折射透鏡的表面上；所述透鏡的折射面被劃分為低NA光束通過(guò)的通用區(qū)域和高NA光束通過(guò)的專(zhuān)用高NA區(qū)域，所述低NA光束對(duì)于低數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的，而且足夠；所述高NA光束只是對(duì)于高數(shù)據(jù)記錄密度光盤(pán)是必須的；形成在專(zhuān)用高NA區(qū)域的環(huán)帶包括至少一個(gè)滿足條件(1)的窄帶和至少一個(gè)滿足條件(2)的寬帶ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊部分和外邊部分所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面的OPD之差的絕對(duì)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的物鏡，其中ΔE(i)的數(shù)值基本上等于所使用的最短波長(zhǎng)。
全文摘要
一種衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)成多個(gè)環(huán)帶形成在基本元件上，多個(gè)環(huán)帶彼此之間具有沿著光軸方向延伸的微小臺(tái)階。多個(gè)環(huán)帶形成在基本元件的表面上。多個(gè)環(huán)帶中包括分別滿足條件(1)和(2)的窄帶和寬帶ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i)…(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i)…(2)，其中i表示從光軸開(kāi)始數(shù)的臺(tái)階序號(hào)，ΔE(i)表示第i個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生的OPD的絕對(duì)值，ΔZ(i)表示第i個(gè)臺(tái)階和第(i+1)個(gè)臺(tái)階之間的環(huán)帶的里邊部分和外邊部分所產(chǎn)生的相對(duì)于基本曲面的OPD之差的絕對(duì)值。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1391120SQ02123230
公開(kāi)日2003年1月15日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月13日
發(fā)明者竹內(nèi)修一, 丸山晃一 申請(qǐng)人:旭光學(xué)工業(yè)株式會(huì)社