專利名稱：光束整形光學(xué)元件及用于設(shè)計(jì)該元件的方法和程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束整形光學(xué)元件，該元件用在光通信系統(tǒng)中以及其他領(lǐng)域中的光學(xué)存儲(chǔ)用途的光學(xué)拾取系統(tǒng)中，所述光學(xué)存儲(chǔ)用途如密致盤(CD)、數(shù)字通用盤(DVD)等。本發(fā)明具有很寬范圍的光束整形用途，包括用于光束與光纖耦合的用途，以及在激光束打印機(jī)、掃描儀、用于激光加工的裝置、用于二極管泵浦固態(tài)激光器的高效LD光學(xué)系統(tǒng)及采用光學(xué)系統(tǒng)的其他裝置中的用途。
背景技術(shù)：
圖5示出一種光學(xué)拾取系統(tǒng)的示意圖。準(zhǔn)直器2將半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的光變?yōu)槠叫泄馐?。然后光由折疊式反射鏡3反射，并引導(dǎo)至物鏡4，該物鏡將所述光聚焦到用于記錄和再現(xiàn)信息的光學(xué)信息記錄介質(zhì)5上。
如圖7中所示，半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的光的場(chǎng)圖是橢圓形的，其長(zhǎng)軸垂直于層方向(接合面)。換句話說，該光束在其光束橫截面上呈橢圓形分布的能量。在用于記錄用途的常見半導(dǎo)體激光器的情況下，F(xiàn)WHM(半最大值全寬度)在層方向上約為8.5度，在與層方向垂直的方向上約為17度。在與層方向(接合面)垂直的方向上，半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的光的外部可能沒有與準(zhǔn)直透鏡2耦合，并且沒有變?yōu)槠叫泄馐?，因此?dǎo)致進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光損失。此外，變?yōu)槠叫泄馐墓獾臋M截面具有橢圓形的能量分布。如果光以光點(diǎn)形式聚焦到光學(xué)信息記錄介質(zhì)5的表面上，那么該光點(diǎn)也是橢圓形的。
因此，到目前為止已經(jīng)提出了對(duì)半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光進(jìn)行整形的各種技術(shù)，使具有橢圓形能量分布的光束變?yōu)榛旧暇哂袌A形能量分布的光束。
圖6示出一種光學(xué)系統(tǒng)，其中結(jié)合多個(gè)棱鏡以便將具有橢圓形橫截面的光變?yōu)榛旧暇哂袌A形橫截面的光。利用棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)，其尺寸很大、昂貴且組裝操作很麻煩。此外，該系統(tǒng)可能產(chǎn)生額外的像差。平行光束對(duì)于棱鏡的工作是必須的，還需要大數(shù)值孔徑的準(zhǔn)直器。
已經(jīng)提出了使用折疊式反射鏡進(jìn)行光束整形的另一種技術(shù)。例如，參考日本未審查的專利公開No.9-167375。在這種情況下，將用于光束整形的反射鏡放置在準(zhǔn)直透鏡后面，從而使用于光束整形的反射鏡和半導(dǎo)體激光器之間的距離更大。因此，需要大數(shù)值孔徑的準(zhǔn)直器。
還提出了另一種技術(shù)，其中使用在垂直于光軸的兩個(gè)方向上具有不同焦距的非球面透鏡進(jìn)行光束整形。日本未審查的專利公開No.6-274931和No.6-294940公開了將超環(huán)面透鏡用作非球面透鏡的技術(shù)。此外，日本未審查的專利公開No.2001-6202和No.2001-160234公開了利用具有變形表面的透鏡的技術(shù)，這種透鏡在下面描述。在上述任一種技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)光束整形功能而將準(zhǔn)直透鏡的一個(gè)或兩個(gè)表面制成非球面。
作為非球面的超環(huán)面可以通過下述過程獲得，通過下面示出的方程式(1)定義輪廓，使該輪廓繞平行于X軸并通過Z軸上一點(diǎn)的軸旋轉(zhuǎn)，所述點(diǎn)與原點(diǎn)相距Ry。該形狀在Y-Z平面內(nèi)是球面，在X-Z平面內(nèi)是非球面。
Z(x)=cxx21+(1+k)cx2x2+Σi=1mAix2i]]>(X-Z平面)方程式(1)cx是在X-Z平面內(nèi)的曲線的曲率，Ry是在Y-Z平面內(nèi)的曲線(圓)的半徑。第二項(xiàng)和隨后各項(xiàng)是表示與第一項(xiàng)所示的表面的偏離的校正項(xiàng)。
下面示出由方程式(2)表示的變形表面。
Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+AR[(1-AP)x2+(1+AP)y2]2]]>+BR(1-BP)x2+(1+BP)y2]3+CR[1-CP)x2+(1+CP)y2]4+DR(1-DP)x2+(1+DP)y2]5方程式(2)其中，cx是在X-Z平面內(nèi)的曲線的曲率，等于1/Rx，cy是在Y-Z平面內(nèi)的曲線的曲率，等于1/Ry。第二項(xiàng)和隨后各項(xiàng)是表示與第一項(xiàng)所示的表面的偏離的校正項(xiàng)。AR、BR、CR、DR、AP、BP、CP和DP是校正系數(shù)(常數(shù))。
在緊致盤(CD)、數(shù)字通用盤(DVD)等的光學(xué)拾取系統(tǒng)中，為了精確和高速記錄和再現(xiàn)必須使像差最小。因此，也必須使具有光束整形功能的上述透鏡的像差最小。
此外，在利用半導(dǎo)體激光器的光通信系統(tǒng)中，為了將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光束有效耦合到光纖，則需要類似的光束整形元件，例如在日本公開但未審查的申請(qǐng)(KOKAI)No.11-218649中所描述的。
但是，利用用于非球面的上述方程式(1)和(2)的常規(guī)光束整形光學(xué)元件始終不能得到使像差最小化的滿意結(jié)果。
因此，需要使用對(duì)透鏡表面的不同描述來使利用非球面的光束整形光學(xué)元件的像差最小化。
發(fā)明概述在根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件中，入射面和出射面在包括光軸的任意平面內(nèi)都具有非圓形的橫截面。
在根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件中，具有入射面、與其相對(duì)設(shè)置的出射面以及光軸，所述光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，并且用數(shù)學(xué)方程式表示入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)。因此，方程式不包括既是變量X又是變量Y的函數(shù)的校正項(xiàng)，而是包括僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)以及僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)。光束整形光學(xué)元件可以具有根據(jù)該數(shù)學(xué)方程式設(shè)計(jì)的一個(gè)表面或兩個(gè)表面。
因此，可以對(duì)該非球面輪廓獨(dú)立地進(jìn)行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，從而可以更靈活地設(shè)計(jì)該元件。
在一個(gè)特定實(shí)施方案中，光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面中至少一個(gè)具有在包括光軸的任意平面內(nèi)的非圓形橫截面。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括X的冪與校正因子的乘積，僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括Y的冪與校正因子的乘積。因此，可以對(duì)該非球面輪廓獨(dú)立地進(jìn)行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，從而可以更容易地進(jìn)行校正操作。
在特定實(shí)施方案中，具有X和Y的相同冪的校正項(xiàng)的校正因子相等。
在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，入射面和出射面中的至少一個(gè)由下面的方程式表示Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2-x2)-(1+k2)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>方程式(3)其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx，ky以及校正因子Ai和Bi是常數(shù)。通過調(diào)整表示非球面輪廓的第一項(xiàng)中的因子，可以實(shí)施光束整形功能。此外，通過獨(dú)立地改變X和Y校正項(xiàng)的因子，可以使光束從光束整形元件的出射面射出時(shí)的像差最小。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，cx和cy的值基本上不同。因此，光束整形光學(xué)元件在X和Y方向上具有不同的非球面輪廓。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，Ai對(duì)于i的至少一個(gè)值為非零的，Bj對(duì)于j的至少一個(gè)值為非零的?？梢元?dú)立地進(jìn)行在X方向上的校正和在Y方向上的校正。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，入射面和出射面中的至少一個(gè)具有使來自輻射源并已經(jīng)穿過光束整形光學(xué)元件的光束的波前像差最小的形狀?？梢詫?duì)該非球面輪廓獨(dú)立地進(jìn)行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，從而與常規(guī)元件相比可以進(jìn)一步減小像差。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光束的橢圓形橫截面變?yōu)榻茍A形的橫截面。
因此，當(dāng)在光學(xué)拾取系統(tǒng)中使用該元件時(shí)，半導(dǎo)體激光器的能量更有效地傳遞到記錄介質(zhì)，從而可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息記錄介質(zhì)的更高速記錄和再現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件設(shè)置在半導(dǎo)體激光器和用于將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光變?yōu)槠叫小l(fā)散或會(huì)聚光的光學(xué)元件之間。因此，有利的是，將該光束整形光學(xué)元件設(shè)置在半導(dǎo)體激光器附近，以獲得更高的能量效率和更好的像差校正。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，從半導(dǎo)體激光器的發(fā)射點(diǎn)到該元件入射面的距離小于由光束整形光學(xué)元件形成的發(fā)射點(diǎn)的像到入射面的距離，并且其中該像位于物空間中。
在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件中，滿足下面的數(shù)學(xué)方程式(NAout/2)(1/NAinx+1/NAiny)＜1其中NAout是出射面處的數(shù)值孔徑，NAinx和NAiny分別是入射面在X-Z平面內(nèi)和Y-Z平面內(nèi)的數(shù)值孔徑。
當(dāng)滿足上面的條件時(shí)，光束整形光學(xué)元件具有前置準(zhǔn)直器功能，該功能減小光在這種分束器等的反射鏡上的入射角差。將該前置準(zhǔn)直器功能結(jié)合到光束整形光學(xué)元件中減少了光路中的部件數(shù)量。將準(zhǔn)直功能分給兩個(gè)元件，即前置準(zhǔn)直器和后置準(zhǔn)直器的優(yōu)點(diǎn)是可將前置準(zhǔn)直器與光束整形器結(jié)合為具有良好熱穩(wěn)定性的組合元件。如果使整個(gè)準(zhǔn)直功能整合到光束整形器中，那么元件的較高光學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低其熱穩(wěn)定性。準(zhǔn)直功能的分割具有以下附加的優(yōu)點(diǎn)，后置準(zhǔn)直器能夠具有較大的焦距，從而使具有前置準(zhǔn)直器功能的光束整形器與后置準(zhǔn)直器之間的距離增大。距離增大可用于將耦合元件放置在光束整形器與后置準(zhǔn)直器之間，用于耦入來自另一個(gè)光源的輻射，或者將從記錄介質(zhì)返回的光引出到檢測(cè)系統(tǒng)。
這種光學(xué)拾取系統(tǒng)可以有利地用在掃描光學(xué)記錄介質(zhì)的光學(xué)掃描設(shè)備中。該拾取系統(tǒng)包括光電檢測(cè)器，用于將來自光學(xué)記錄介質(zhì)的光變?yōu)殡娦盘?hào)，所述電信號(hào)表示存儲(chǔ)在記錄載體上的信息。該掃描設(shè)備包括與該電信號(hào)相連的錯(cuò)誤校正電路。該電路設(shè)置為校正來自光電檢測(cè)器的電信號(hào)的錯(cuò)誤。
用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法涉及一種光束整形光學(xué)元件，其中光束整形光學(xué)元件的光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，用數(shù)學(xué)方程式表示光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)。在設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法中，按照使像差最小的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法包括以下步驟確定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的約束，并獲得至少波前像差的優(yōu)質(zhì)函數(shù)。用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法，包括以下步驟獲得上述約束下的優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值，確定該優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值是否達(dá)到所需的值，以及調(diào)整至少一個(gè)校正項(xiàng)的值以使該優(yōu)質(zhì)函數(shù)接近該所需的值。
因此，可以獨(dú)立地調(diào)整僅包含變量X的函數(shù)的校正項(xiàng)和僅包含變量Y的函數(shù)的校正項(xiàng)，從而與常規(guī)元件相比可進(jìn)一步減小像差。
用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序涉及一種光束整形光學(xué)元件，其中光束整形光學(xué)元件的光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，用數(shù)學(xué)方程式表示光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)。通過用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法，按照使像差最小的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟確定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的約束，并獲得至少波前像差的優(yōu)質(zhì)函數(shù)。用于設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟獲得在上述約束下的優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值，確定該優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值是否達(dá)到所需的值，以及調(diào)整至少一個(gè)校正項(xiàng)的值以使該優(yōu)質(zhì)函數(shù)接近該所需的值。
因此，可以獨(dú)立地調(diào)整僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)和僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)，從而與常規(guī)元件相比可進(jìn)一步減小像差。
在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)程序中，僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括X的冪與校正因子的乘積，僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括Y的冪與校正因子的乘積。因此，可以對(duì)非球面輪廓獨(dú)立地進(jìn)行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，從而可以更容易地進(jìn)行校正操作。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)程序，涉及一種光束整形光學(xué)元件，其中入射面和出射面中的至少一個(gè)由下面的方程式表示Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>方程式(3)其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx，ky以及校正因子Ai和Bi是常數(shù)。因此，通過調(diào)整表示非球面輪廓的第一項(xiàng)中的因子，可以實(shí)施光束整形功能。此外，通過獨(dú)立地改變X和Y校正項(xiàng)的因子，可以實(shí)現(xiàn)使波像差等最小的功能。
制造根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法利用了設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的方法。因此，可以制成比常規(guī)光束整形光學(xué)元件的像差更小的光束整形光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)一起使用，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法。因此，利用根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，可以設(shè)計(jì)出比常規(guī)光束整形光學(xué)元件的像差更少的光束整形光學(xué)元件。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件；圖2示出包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件的光學(xué)拾取系統(tǒng)；圖3示出包括覆有涂層的分束器的光學(xué)拾取系統(tǒng)；圖4示出覆有涂層的分束器；圖5示出典型的光學(xué)拾取系統(tǒng)；圖6示出通過棱鏡組合將光束的橢圓形橫截面變?yōu)閳A形橫截面的系統(tǒng)；圖7示出半導(dǎo)體激光器的橫截面；圖8示出光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面的數(shù)值孔徑之間的關(guān)系；
圖9示出僅由方程式(3)的第一項(xiàng)表示的表面形狀的實(shí)施例；圖10示出用方程式(3)表示的表面形狀的實(shí)施例；圖11示出用y＝0的平面截取圖9的表面而得到的橫截面；圖12示出圖11的橫截面輪廓的微分曲線；圖13示出用y＝0的平面截取圖10的表面而得到的橫截面；圖14示出圖13的橫截面輪廓的微分曲線；以及圖15示出根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的方法。
發(fā)明詳述參考圖2描述了利用根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件的光學(xué)拾取系統(tǒng)的實(shí)施方案。根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件9置于半導(dǎo)體激光器10和用于將半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11(例如，準(zhǔn)直器)之間。當(dāng)半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的光束穿過該光束整形光學(xué)元件時(shí)，光束的橢圓形橫截面整形為基本上圓形的橫截面。光束整形光學(xué)元件9傳遞具有發(fā)散角的光，該發(fā)散角與將光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11的數(shù)值孔徑相對(duì)應(yīng)。光束整形光學(xué)元件9作為前置準(zhǔn)直器而工作，元件11作為后置準(zhǔn)直器而工作。折疊式反射鏡12上反射的光穿過將光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11，通過物鏡系統(tǒng)聚焦到光學(xué)信息記錄介質(zhì)14上。物鏡系統(tǒng)可以具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件；該圖示出了具有一個(gè)透鏡形式的光學(xué)元件13的物鏡系統(tǒng)。光束整形光學(xué)元件優(yōu)選是單個(gè)元件。
在圖2所示的實(shí)施方案中，分別提供光束整形光學(xué)元件9和用于將光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11(例如，準(zhǔn)直透鏡)。分別提供這些元件的這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。第一，使用準(zhǔn)直透鏡可以減少因物鏡在垂直于光軸的方向上移動(dòng)而引起的像差變化。為了減少因物鏡移動(dòng)而引起的像差變化，準(zhǔn)直透鏡的尺寸與物鏡的尺寸相比必須足夠大。這樣，準(zhǔn)直透鏡必須位于與半導(dǎo)體激光器10相隔預(yù)定距離處。第二，即使準(zhǔn)直透鏡必須位于與半導(dǎo)體激光器相隔預(yù)定距離處，但為了更好地校正像差，有利的是，光束整形光學(xué)元件可位于半導(dǎo)體激光器附近。
這樣，在本實(shí)施方案的這種結(jié)構(gòu)中，光束整形光學(xué)元件9和用于將光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11是分別提供的。但是，本發(fā)明同樣可應(yīng)用于整體型元件，所述整體型元件可提供整形功能和將光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的功能。
根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件可以具有前置準(zhǔn)直器功能，這一功能減小了從該元件射出的光的發(fā)散角。當(dāng)這樣的光束入射到設(shè)置在該元件之后的分束器上時(shí)，該光束入射到分束器的反射鏡涂層和抗反射涂層上的角度更小，這就簡(jiǎn)化了涂層的設(shè)計(jì)。
光學(xué)拾取系統(tǒng)需要前置準(zhǔn)直器功能的原因?qū)⒖紙D3和4來說明。在圖3中，半透明的折疊式反射鏡用作分束器，并設(shè)置在覆有涂層的分束器以及準(zhǔn)直器之間。根據(jù)光的偏振方向，覆有涂層的分束器反射光或者使光穿過。光在覆有涂層的分束器上反射，然后在聚焦到光學(xué)信息記錄介質(zhì)上之前穿過準(zhǔn)直器、1/4波片和物鏡。在光學(xué)信息記錄介質(zhì)上反射的光穿過物鏡，然后穿過1/4波片，因此光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。然后光穿過分束器，引向光電探測(cè)器(PD)。當(dāng)光沿著其朝向光學(xué)信息記錄介質(zhì)的路徑在分束器上反射，并且沿著其來自光學(xué)信息記錄介質(zhì)的路徑穿過分束器時(shí)，覆有涂層的分束器的特性取決于光束在覆有涂層的分束器上的入射角。入射角的大差值產(chǎn)生相位的較大變化，以及涂層反射率的變化。例如，如圖4所示，當(dāng)使光在覆有涂層的分束器上反射時(shí)，較大的發(fā)散角導(dǎo)致來自半導(dǎo)體激光器的“上方光”和“下方光”之間在覆有涂層的分束器上的入射角的較大差值。這種入射角的較大差值產(chǎn)生這樣一個(gè)問題，即在束斑中光的相位和能量不均勻。為了避免這一問題，必須將前置準(zhǔn)直器放置在半導(dǎo)體激光器和分束器之間，該前置準(zhǔn)直器用于減小發(fā)散角，因此減小光在覆有涂層的分束器上的入射角差。
為了向根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件提供前置準(zhǔn)直器功能，應(yīng)該使半導(dǎo)體激光器的發(fā)射點(diǎn)和該元件的入射面之間的距離小于該元件的虛點(diǎn)和該元件的入射面之間的距離。為此，在設(shè)計(jì)該元件時(shí)加入下面的條件。更具體的是，在下面參考圖15描述的設(shè)計(jì)過程中，增加下述條件。
(NAout/2)(1/Ainx+1/Niny)＜1其中NAout是出射面的數(shù)值孔徑，NAinx和NAiny是入射面沿X和Y軸的數(shù)值孔徑，X軸和Y軸彼此正交，并與光軸正交。如圖8所示，半導(dǎo)體激光器的發(fā)射點(diǎn)和元件的入射面之間的距離S1小于元件的虛點(diǎn)和元件的入射面之間的距離S2。
通過調(diào)整物鏡13的數(shù)值孔徑值將聚焦在光學(xué)信息記錄介質(zhì)上的光點(diǎn)設(shè)置為具有所需的尺寸，從而在光學(xué)信息記錄介質(zhì)14上適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行記錄和再現(xiàn)。由于按照使光束橫截面基本上為圓形的方式對(duì)光束進(jìn)行整形，因此也使該光點(diǎn)基本上為圓形。此外，由于在光束入射到用于將半導(dǎo)體激光器10發(fā)射的光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11之前已經(jīng)使該光束的橫截面成為基本上圓形的形狀，因此使得直到光束形成光點(diǎn)時(shí)引起的光束能量損失減到最小。此外，得到具有最小像差的光束。這樣，最后得到的光束的較高能量效率能夠在光學(xué)信息記錄介質(zhì)14的記錄和再現(xiàn)中得到較高的記錄密度和較高的速度。
下面描述根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件9。根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件9具有由下面的方程式(3)表示的至少一個(gè)表面。盡管方程式(3)的第一項(xiàng)與方程式(2)的第一項(xiàng)相同，但是第二項(xiàng)和隨后的校正項(xiàng)與方程式(2)的不同。方程式(3)的各校正項(xiàng)的特征在于通過獨(dú)立因子來修正包括X的項(xiàng)和包括Y的項(xiàng)。
Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>方程式(3)其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx、ky以及校正因子Ai和Bi是常數(shù)。
參考圖9至14描述方程式(3)的各校正項(xiàng)的功能。圖9示出僅由方程式(3)的第一項(xiàng)表示的雙錐形表面的實(shí)例。圖10示出由方程式(3)表示的表面。在圖9中，在X和Y方向上的曲率互不相同。在圖10中，在X方向上的表面形狀很復(fù)雜。圖11示出由y＝0的平面截取圖9的表面而得到的橫截面。此外，圖12示出表示圖11中橫截面輪廓的微分函數(shù)的曲線。圖13示出由y＝0的平面截取圖10的表面而得到的橫截面。此外，圖14示出圖13中橫截面輪廓的微分曲線。
從上述圖中可以看出，由于可通過獨(dú)立因子來修正包括X的各校正項(xiàng)和包括Y的各校正項(xiàng)，因此可以更加靈活地設(shè)計(jì)表面。因此，在光束的橫截面成為基本上圓形時(shí)可以設(shè)計(jì)出產(chǎn)生較少像差的元件。另一方面，由于不能通過用于X和Y的獨(dú)立因子來修正方程式(2)的第二項(xiàng)和隨后的各項(xiàng)，因此設(shè)計(jì)的靈活性遜于方程式(3)。
下面參考圖15說明根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的方法的概要。在設(shè)計(jì)中，可以使用模擬光束整形光學(xué)元件的光學(xué)特性的商業(yè)軟件(例如Focus Software有限公司的Zemax)。在步驟S10中，確定光束整形光學(xué)元件的初始形狀。根據(jù)半導(dǎo)體激光器10發(fā)射的光束的橫截面形狀、用于將半導(dǎo)體激光器10發(fā)射的光變?yōu)槠叫泄饣驎?huì)聚光的元件11的數(shù)值孔徑等等來確定光束整形光學(xué)元件的初始形狀。在步驟S20中，確定約束和優(yōu)質(zhì)函數(shù)。所述約束包括光束在光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面的狀態(tài)等等。優(yōu)質(zhì)函數(shù)例如是對(duì)于光束像差的函數(shù)。在步驟S30中，在約束下得到優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值。在步驟S40中，確定該優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值是否達(dá)到所需的值。如果該函數(shù)已經(jīng)達(dá)到所需的值，那么過程結(jié)束。如果該值沒有達(dá)到所需的值，那么在步驟S50中調(diào)整方程式(3)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，通過獨(dú)立因子可以修正包括X的各校正項(xiàng)和包括Y的各校正項(xiàng)，因此有利的是可以更靈活地調(diào)整這些參數(shù)。此外，在步驟S60中，如果需要可以調(diào)整所述約束。程序回到步驟S30，重復(fù)這些步驟，直到優(yōu)質(zhì)函數(shù)達(dá)到所需的值。
此外，可以建立用于實(shí)施上述設(shè)計(jì)過程的程序。該設(shè)計(jì)程序可以包括模擬光束整形光學(xué)元件的光學(xué)特性的程序。該設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)為具有實(shí)施圖15中示出的每個(gè)步驟的計(jì)算機(jī)。此外，該設(shè)計(jì)程序可以具有交互功能，因此可以通過與設(shè)計(jì)者的交互作用來執(zhí)行步驟S20中約束和優(yōu)質(zhì)函數(shù)的確定，步驟S50中參數(shù)的調(diào)整，以及步驟S60中約束的調(diào)整。在這種情況下，可以將各種約束和優(yōu)質(zhì)函數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備中，并向設(shè)計(jì)者展示，因此設(shè)計(jì)者可以選擇它們中的任意一個(gè)。此外，可以將步驟S50中調(diào)整參數(shù)的方法和步驟S60中調(diào)整約束的方法以各種方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備中，并向設(shè)計(jì)者展示，因此設(shè)計(jì)者可以選擇它們中的任意一個(gè)。
表1中描述了通過上述過程得到的光束整形光學(xué)元件的形狀的實(shí)例。在該實(shí)例中，入射和出射面都用方程式(3)來表示。這樣，表1示出方程式(3)的各個(gè)因數(shù)的值。
表1表面1(入射面)

表面2(出射面)

中心厚度2.7mm此外，圖1中示出了具有表1表示的表面的光束整形光學(xué)元件在包括光軸的YZ橫截面中的形狀，以及在包括光軸的XZ橫截面中的形狀。YZ橫截面中的入射面7a的形狀具有負(fù)曲率，而XZ橫截面中的入射面7b的形狀具有正曲率。這些曲率使光束從橢圓形橫截面整形為基本上圓形的橫截面。
在一個(gè)實(shí)例中，光束整形光學(xué)元件由烯烴共聚物制成，但是也可以由其他塑料制成。
表2中示出了利用方程式(3)設(shè)計(jì)的光束整形光學(xué)元件實(shí)例的像差與具有方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光學(xué)元件的像差之間的比較。具有通過方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光學(xué)元件按照與圖15中所示類似的過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。
表2

在表2中，“SA”表示球面像差，“AS”表示像散?！岸蜛S”表示二次像散?！翱傆?jì)”表示波像差。任何像差都以單位為λ的均方根值給出。與具有方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光學(xué)元件產(chǎn)生的像差相比，根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件產(chǎn)生的像差顯著減小。
方程式(3)的各校正項(xiàng)可以更靈活地設(shè)計(jì)表面，因此可以實(shí)現(xiàn)具有最小像差的光束整形光學(xué)元件。
權(quán)利要求
1.一種光束整形光學(xué)元件，具有入射面，與其相對(duì)設(shè)置的出射面，以及光軸，其中光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，并且用數(shù)學(xué)方程式表示入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束整形光學(xué)元件，其中僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括X的冪與校正因子的乘積，僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括Y的冪與校正因子的乘積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束整形光學(xué)元件，其中入射面和出射面中的至少一個(gè)由下面的數(shù)學(xué)方程式表示Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx、ky以及校正因子，Ai和Bi是常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光束整形光學(xué)元件，其中cx和cy的值基本上不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光束整形光學(xué)元件，其中Ai對(duì)于i的至少一個(gè)值為非零的，Bj對(duì)于j的至少一個(gè)值為非零的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的光束整形光學(xué)元件，其中入射面和出射面中的至少一個(gè)具有使來自輻射源并已經(jīng)穿過光束整形光學(xué)元件的光束的波前像差最小的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的光束整形光學(xué)元件，其中將輻射源提供的光束的橢圓形橫截面轉(zhuǎn)換為基本為圓形的橫截面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的光束整形光學(xué)元件，其中該光束整形光學(xué)元件設(shè)置在半導(dǎo)體激光器和用于將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光束變?yōu)槠叫?、發(fā)散或會(huì)聚光束的光學(xué)元件之間。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的光束整形光學(xué)元件，其中從半導(dǎo)體激光器的發(fā)射點(diǎn)到該元件的入射面的距離小于由光束整形光學(xué)元件形成的發(fā)射點(diǎn)的像到入射面的距離，并且其中該像位于物空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光束整形光學(xué)元件，其中滿足下面的數(shù)學(xué)方程式(NAout/2)(1/NAinx+1/NAiny)＜1其中NAout是出射面處的數(shù)值孔徑，NAinx和NAiny分別是入射面在X-Z平面內(nèi)和Y-Z平面內(nèi)的數(shù)值孔徑。
11.一種光學(xué)拾取系統(tǒng)，用于掃描光學(xué)記錄介質(zhì)并具有光源和用于將光源發(fā)射的光束會(huì)聚到記錄介質(zhì)上的物鏡，其中將根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光束整形元件設(shè)置在光源和物鏡系統(tǒng)之間的光路中。
12.一種光學(xué)掃描設(shè)備，用于掃描光學(xué)記錄介質(zhì)并具有權(quán)利要求11的光學(xué)拾取系統(tǒng)，其中該拾取系統(tǒng)包括光電檢測(cè)器，用于將來自光學(xué)記錄介質(zhì)的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)表示存儲(chǔ)在記錄載體上的信息，該掃描設(shè)備包括與該電信號(hào)相連的錯(cuò)誤校正電路。
13.一種按照使像差最小的方式來設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的方法，該光束整形光學(xué)元件的光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，用數(shù)學(xué)方程式表示光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)，該方法包括以下步驟確定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的約束；獲得至少對(duì)于波前像差的優(yōu)質(zhì)函數(shù)；獲得上述約束下的優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值；確定該優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值是否達(dá)到所需的值，以及調(diào)整至少一個(gè)校正項(xiàng)以使該優(yōu)質(zhì)函數(shù)接近該所需的值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的方法，其中該元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)由下面的數(shù)學(xué)方程式表示Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx、ky以及校正因子Ai和Bi是常數(shù)。
15.一種用于制造光束整形光學(xué)元件的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的步驟，以及根據(jù)該設(shè)計(jì)制造該光學(xué)元件的步驟。
16.一種按照使像差最小的方式來設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序，該光束整形光學(xué)元件的光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，用數(shù)學(xué)方程式表示光束整形光學(xué)元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)和多個(gè)校正項(xiàng)，每個(gè)校正項(xiàng)都是變量X或Y的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量X的函數(shù)，至少一個(gè)校正項(xiàng)是變量Y的函數(shù)，程序使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟確定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的約束；獲得至少對(duì)于波前像差的優(yōu)質(zhì)函數(shù)；獲得在上述約束下的優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值；確定該優(yōu)質(zhì)函數(shù)的值是否達(dá)到所需的值，以及調(diào)整至少一個(gè)校正項(xiàng)以使該優(yōu)質(zhì)函數(shù)接近該所需的值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序，其中僅包含變量X的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括X的冪與校正因子的乘積，僅包含變量Y的函數(shù)的至少一個(gè)校正項(xiàng)包括Y的冪與校正因子的乘積。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于設(shè)計(jì)光束整形光學(xué)元件的計(jì)算機(jī)程序，其中該元件的入射面和出射面中的至少一個(gè)由下面的方程式表示Z=cxx2+cyy21+1-(1+kx)(cx2x2)-(1+ky)(cy2y2)+Σi=1mAix2i+Σi=1mBiy2i]]>其中cx和cy是在X軸和Y軸方向上的表面曲率，kx、ky以及校正因子Ai和Bi是常數(shù)。
19.一種包含在有形介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于操縱計(jì)算機(jī)實(shí)施如權(quán)利要求13所述的方法。
全文摘要
一種光束整形光學(xué)元件，采用使像差最小的非球面輪廓。根據(jù)本發(fā)明的光束整形光學(xué)元件包括入射面和出射面，這兩個(gè)面在包括光軸的任意平面內(nèi)都具有非圓形的橫截面。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的光束整形光學(xué)元件，其光軸與三軸直角坐標(biāo)系XYZ的Z軸重合，用數(shù)學(xué)方程式表示入射面和/或出射面，所述數(shù)學(xué)方程式包括表示非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面輪廓的項(xiàng)、至少一個(gè)僅包含變量X的函數(shù)的校正項(xiàng)以及至少一個(gè)僅包含變量Y的函數(shù)的校正項(xiàng)。
文檔編號(hào)G11B7/125GK1708699SQ200380102476
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
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