專利名稱：光透鏡、光拾取器以及采用此透鏡的光盤裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種物鏡，此物鏡使用在記錄和重放微型光盤(MD)、磁力光盤(MO)、激光唱盤(CD)、光盤隨機存儲器(CD-ROM)等(以下稱“光盤”)中的信號的光拾取器上，本發(fā)明還涉及光拾取器和裝備有這種物鏡的光盤裝置。
根據(jù)有關技術，為光盤裝置而設計的光拾取器的一個例子具有如圖6所示的結構。
圖6中，光拾取器1包括半導體激光元件2、光柵3、分光器4、物鏡5和光檢測器6。
光柵3是衍射型的，它將半導體激光元件2發(fā)出的入射光束分成零階主光束和正負一階側光束。
分光器4設置成使其反射面與光軸間有45°的傾角，它將回程光分開，回程光是半導體激光元件2發(fā)射的光束經(jīng)光盤D的信號記錄平面而得到的。更具體地，半導體激光元件2發(fā)射的光束由分光器4的反射表面4a反射，而從光盤D得到的回程光是穿過分光器4的。
物鏡5是一凸透鏡，它使分光器4反射的光束在受驅動旋轉的光盤D的信號記錄平面的預期軌跡上成象。而且，物鏡5由未示出的雙向作動器支撐，即，它可以在聚焦方向和軌跡跟蹤方向雙向地移動。
光檢測器6具有光接收部分，以接收穿過分光器4之后所入射的回程光。
根據(jù)上述結構的光拾取器1，半導體激光元件2發(fā)射的光束被光柵3分為一個主光束和兩個側光束，經(jīng)分光器4的反射表面4a反射后，光束經(jīng)物鏡5在光盤D的信號記錄平面的一個確定點成象。
由光盤D的信號記錄平面所反射的回程光再經(jīng)物鏡5入射在分光器4上。在此，回程光束穿過分光器4并入射在光檢測器6的光接收部分上。
之后，根據(jù)光檢測器5的光接收部分輸出的檢測信號，記錄于光盤D的信號記錄平面上信息得以重現(xiàn)，與此同時，可檢測出聚焦誤差信號FE和跟蹤誤差信號TE。
為了精確檢測重現(xiàn)信號，半導體激光元件2發(fā)射的光束應在光盤的信號記錄平面的正確位置形成一個點，由未示出的雙向作動器根據(jù)聚焦誤差信號FE和跟蹤誤差信號TE精密地移動物鏡5，使得已記錄的信號可準確地重現(xiàn)。
在上述結構的光拾取器1中，物鏡5通常由塑料或玻璃材料制成，并成形為一個具有非球面的單透鏡。如圖7A和7B所示，光圈光闌設置得靠近物鏡5，用以調(diào)整經(jīng)物鏡5照射在光盤D的信號記錄平面上光束的數(shù)值孔徑NA(numerical aperture)。
圖7A示出一種舉例性的結構，其中用于調(diào)整光束的數(shù)值孔徑的光圈光闌7由與物鏡5分開的獨立部件組成，設置得靠近透鏡5。圖7B示出另一種結構，其中光圈光闌7安裝在支撐物鏡5的一個透鏡支架8上。
繼而，入射在物鏡5的光學有效表面以外的光束部分地受到如圖7所示的光圈光闌的阻擋，在該處，任何不需要部分的光束被去掉，以便不對在光盤上記錄的信息或從光盤重現(xiàn)的同樣信息造成有害的影響。
然而，由于圖7A和7B分別示出的光圈光闌是與物鏡5分開的獨立組件，組件的總數(shù)就會增加；并且，在組裝設備時，將其光軸與物鏡連成一線的工作終究會為組件和組裝這兩方面的成本帶來問題。
另一個存在的問題是，當光圈光闌7不能準確地與物鏡5連成一線時，物鏡5的光學有效表面以外的表面形狀會產(chǎn)生非對稱象差。
在另一種所建議的現(xiàn)有技術中，物鏡5的面向光源的表面的形狀有所改變，如圖9所示，不是采用上述的光圈光闌7，而是在光學有效表面以外形成一個凹進部分，以使物鏡5本身具有光圈光闌的功能。
根據(jù)這種方法，入射到光學有效表面以外的光束實際上入射在物鏡5的凹進部分5a，于是可防止此光束到達光盤D的信號記錄平面上的光點位置。因此，對于光盤D的信號記錄平面上的光點位置來說，入射在光學有效表面以外部分的光受到阻擋，從而可達到光圈光闌7同樣的功能。
然而，在具有這種凹進部分5a的物鏡5中，當不采用塑料或類似材料而模制同樣的透鏡并保持準確的表面形狀是很困難的，因為模制后會收縮，還可能存在外形輪廓的改變，例如出現(xiàn)階梯狀的區(qū)域5b，在該區(qū)域曲面在凹進部分5a內(nèi)會出現(xiàn)非連續(xù)的狀況。例如，圖9中由標號A所指示的轉角處，會出現(xiàn)因模制過程而導致的畸變所產(chǎn)生的球差，因此會帶來物鏡5光學特性變差的問題。
另一個如

圖10所示的例子，其中由單一物鏡5沿光軸形成了兩個光點，以便從標準互不相同的多個光盤重現(xiàn)信號。然而，在采用這種形成兩個光點的物鏡5進行聚焦控制時，光點中無用的S信號作為假信號也被檢測到，最終會出現(xiàn)產(chǎn)生兩個S信號的問題。緣此，認為進行準確的聚焦誤差檢測是困難的。
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一種改進的光透鏡，它具有光圈光闌功能并且能夠消除其光學有效表面以外的部分入射光束而不降低其光學性能。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種光拾取器和一種采用此光透鏡作為物鏡的光盤裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種由透明材料制成的光透鏡，其面向光源的一個表面是由一個距光軸的徑向距離的函數(shù)所限定的旋轉對稱的非球面形的凸表面，所述非球面表面成形為在其限定區(qū)域中的徑向沒有任何階梯狀區(qū)域的曲面，并具有其所述函數(shù)的導數(shù)在一個預定徑向位置處是不連續(xù)的部分。
在這種光透鏡中，函數(shù)在預定徑向位置的導數(shù)的差小于0.3。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種光拾取器，它包括一個發(fā)射光束的光源；一個由上述光透鏡構成的物鏡，用于將光源發(fā)射的光束聚焦于光盤的信號記錄平面；一個置于光源和物鏡之間的分光裝置；和一個具有光接收部分的光檢測器，用于接收由分光裝置分出的并由光盤的信號記錄平面反射的回程光。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一種光盤裝置，它包括一個由上述光透鏡構成的物鏡，用于將光源發(fā)射的光束聚焦于光盤的信號記錄平面；一個具有光接收部分的光檢測裝置，用于接收由光盤的信號記錄平面反射的回程光；一個能夠雙向地移動物鏡的物鏡驅動裝置；一個計算器，用于根據(jù)來自光檢測裝置的光接收部分的信號而得出一個伺服信號；和一個伺服裝置，用于向物鏡驅動裝置提供伺服誤差信號。
在這種結構中，當光源發(fā)射的光束入射到透鏡的面向光源的表面時，由于非球面的形狀，處于距離光軸的預定徑向位置以內(nèi)的入射光聚焦于光軸方向上的一個固定距離處(即光盤的信號記錄平面上)，在該處形成一個光點。
與此同時，處于距離光軸的預定徑向位置以外的部分入射光并不聚焦于光軸方向上的一個固定距離處(即光盤的信號記錄平面上)，因為對于非球面表面的形狀與內(nèi)表面的形狀來說，導數(shù)是互不連續(xù)的，因此外部入射光所到達之處在垂直于光軸的方向上稍偏離于固定距離處。
結果，除了入射至光透鏡的全部光之外，在面向光源的表面上的距光軸預定半徑處以外的部分入射光束并不聚焦于預定徑向位置以內(nèi)的內(nèi)光束的聚焦之處，因此預定徑向位置以外的表面部分在其形狀與非球面一致的情況下用作光圈光闌。
因此，不再需要前述的與光透鏡分開的光圈光闌，從而減低了組件和安裝兩方面的成本。此外，由于有非球面表面這種形狀而獲得光圈光闌的功能，就不需要在預定徑向位置改變形狀。相應地，因光透鏡的模制過程而帶來的畸變就會減小，從而可防止透鏡的光學特性受到損害。
本發(fā)明的上述和其它特征將通過參照附圖的說明而變得清晰。
圖1是示出包含本發(fā)明的光拾取器的一個實施例在內(nèi)的光盤裝置的整體結構的框圖；圖2是圖1的光盤裝置所采用的光拾取器的結構的正視圖；圖3A和3B是圖2的光拾取器中的物鏡的剖視圖；圖4是詳細示出圖3的物鏡的對著光源一側的形狀的局部放大的剖視圖；圖5示出本發(fā)明中的聚焦控制信號；圖6是示出一個慣常的光拾取器的舉例結構的正視圖7A和7B是舉例示出圖6的光拾取器的物鏡和光圈光闌的結構舉例的剖視圖；圖8是由圖7的物鏡和光圈光闌所形成的來自光源的光路的剖視圖；圖9是示出圖6的光拾取器中的具有光圈光闌功能的物鏡的舉例結構的剖視圖；圖10示出根據(jù)相關技術的舉例光拾取器中的聚焦控制信號。
以下參照附圖中的圖1至圖5詳細說明本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例。
因為以下說明的實施例是本發(fā)明的優(yōu)選的具體例子，在技術上有各種可預見的限制。然而，可以理解到，本發(fā)明的范圍并不只局限于這些實施例，除非在以下的解釋中具體說明對本發(fā)明的限制。
圖1是示出包含本發(fā)明的光拾取器的一個實施例在內(nèi)的光盤裝置的整體結構的總框圖。
圖1中，光盤裝置10包括一個用作使光盤11旋轉的驅動裝置的主軸電動機12；一個通過向旋轉中的光盤11發(fā)射光束而在其信號記錄平面上記錄信號的光拾取器20，它還用于根據(jù)來自信號記錄平面的回程光再現(xiàn)記錄信號；一個控制單元13，用于控制此裝置的這些組件。
控制單元13包括光盤驅動控制器14、信號解調(diào)器15、誤差校正器16、接口17、光頭伸縮控制器18和伺服電路19。
光盤驅動控制器14驅動主軸電動機12按照一個不變的預定速度轉動。信號解調(diào)器15對從光拾取器20得到的記錄信號進行解調(diào)，經(jīng)過誤差校正，將校正后的信號通過接口17輸送至外部計算機或類似設備，使得外部計算機或類似設備將記錄在光盤11上的信號作為再現(xiàn)信號接收下來。
光頭伸縮控制器18使光拾取器20通過例如跟蹤跳移或類似動作移動至光盤上的預期的記錄軌跡。伺服電路19使物鏡在聚焦和軌跡跟蹤兩個方向移動，物鏡由光拾取器20的雙向作動器支撐，從而移至預期的位置。
圖2示出上述光盤裝置10中的光拾取器20的結構。
圖2中，光拾取器20包括作為光區(qū)分裝置的光柵22、作為分光裝置的光束分光器23和作為光聚焦裝置的物鏡24，所有這些部件順序地設置在從作為光源的半導體激光元件21發(fā)射的光束的光路上。光拾取器20還包括設置在由光束分光器23所形成的分光光路上的光檢測器25。
除物鏡24之外，上述所有的光學元件，即，半導體激光元件21、光柵22、光束分光器23和光檢測器25都固定在一個光學基座上，此基座安裝得可以在光盤11的徑向沿著光拾取器上的一個導件(未示出)而移動。
半導體激光元件21由一個光發(fā)射元件構成，它運用半導體的重組輻射發(fā)射出預定的激光。
光柵22是衍射型的，它使入射光衍射。此光柵22將半導體激光元件21發(fā)出的光束分成至少三個光束，即，由零階衍射光構成的一個主光束和由正負一階衍射光構成的兩個側光束。因此，在將入射光束要區(qū)分成至少三個光束的條件下，也可采用例如全息元件的任何其它分光元件。
光束分光器23設置得使其反射表面23a與光軸間有45°的傾角，使來自光柵22的光束和來自光盤11的信號記錄平面的回程光偏振并分開。更具體地，半導體激光元件21發(fā)射的光束由光束分光器23的反射表面23a反射，而回程光束穿過光束分光器23。
在本實施例中，光束分光器23由平面玻璃制成，當來自光盤11的回程光穿過光束分光器23時，會產(chǎn)生象散。
物鏡24由例如塑料或玻璃的透明材料構成，如后所述，它是一個凸透鏡，其面向光源的表面是非球面形的。此透鏡24使來自光束分光器23的光束聚焦于旋轉中的光盤11的信號記錄平面的預期的記錄軌跡上。
物鏡24被支撐得使其可由未示出的雙向作動器在兩個軸向移動，即在聚焦和軌跡跟蹤兩個方向移動。
光檢測器25具有光接收部分，以檢測穿過光束分光器23的回程光。
上述物鏡24具有如圖3A和3B所示的結構。圖3A解釋光如何穿過物鏡24而到達光盤11，圖3B示出由透鏡支架30所支撐的物鏡24的結構，它沒有用以調(diào)節(jié)透鏡的數(shù)值孔徑的光圈光闌。
圖3A中，物鏡24的對著光源一側的表面24a為凸型非球面旋轉對稱的，其距光軸的距離(半徑)的函數(shù)由表達為z＝asp(y)的等式3給出，其中y是沿半徑方向的與光軸之間的距離，z是沿光軸方向的距離。
函數(shù)的導數(shù)在定義域內(nèi)是連續(xù)的，但在預定半徑位置y0處是非連續(xù)的。這里，物鏡24的限定區(qū)域表示出光傳輸?shù)姆秶?，如果物鏡24是由玻璃制成的話，則面向光源的玻璃材料就位于此范圍。
因為通過定義域的光線是邊界光線，圖3A中所示的預定半徑位置y0就這樣定出，即透鏡的數(shù)值孔徑為預定數(shù)值(所需的數(shù)值孔徑)。
導數(shù)的非連續(xù)性這樣計得，即位置y0之前的導數(shù)與其后的導數(shù)的差的絕對值，即，v＝|[dasp(y)/dy]y--y0-[dasp(y)/dy]y-+y0| …(式4)為v≤0.3 …(式5)接下來，如圖4所示，物鏡24的面向光源的表面在預定半徑位置y0以外的地方是偏離的，如標號24a所示偏離于使得其內(nèi)的光束聚焦于同一點的表面24b，在偏離部分入射光并不聚焦在光盤11的信號記錄平面上。
在預定半徑位置y0以外的地方，物鏡24的面向光源的表面最好是按下述等式構成z＝asp(y)+f(y-y0) …(式6)更具體地，物鏡24的面向光源的表面由以下函數(shù)限定；z＝asp(y)+q(y-y0)+p(y-y0)2…(式7)(其中p和q為小的常數(shù))上式中，小的常數(shù)p和q表示與原非球面表面的距離是小的。
因此，預定半徑位置y0以外的入射光束并不聚焦于光盤11的信號記錄平面之外的任何地方，而是入射至偏離于與信號記錄平面的光軸相垂直方向的光軸的中心位置。
已說明的由具有上述結構的實施例所表示的光盤裝置10，其工作情況如下。
首先，光盤裝置10的主軸電動機12轉動以驅動光盤11。然后，光拾取器20沿未示出的導件在光盤11的半徑方向移動，因而物鏡26的光軸移至光盤11的預期軌跡位置以在該處進行一次伸縮。
在這種狀態(tài)下，半導體激光元件21發(fā)射的光束由光拾取器20中的光柵22區(qū)分成三個光束。這些光束隨后由光束分光器23的反射表面反射，并經(jīng)物鏡24聚焦在光盤11的信號記錄平面上。
來自光盤11的回程光再經(jīng)物鏡24后穿過光束分光器23，在光檢測器25上成象。從而，根據(jù)光檢測器25的輸出信號，來自光盤11的記錄信號得以重現(xiàn)。
在此過程中，信號解調(diào)器15從光檢測器25的輸出信號中檢測出軌跡誤差信號和聚焦誤差信號。在本實施例中，軌跡誤差信號是根據(jù)光盤11反射的、由光柵22所區(qū)分的三個光束之中的正一階光和負一階光組成的回程光來檢測的，而聚焦誤差信號是根據(jù)傳輸通過光束分光器23所產(chǎn)生的象差來檢測的。伺服電路19通過光盤驅動控制器14對聚焦和軌跡跟蹤執(zhí)行伺服控制。
當半導體激光元件21發(fā)射的光束入射至物鏡24的面向光源的表面24a時，距光軸預定半徑位置y0以內(nèi)(即，光學有效表面之內(nèi))的入射光聚焦成沿光軸向外一固定距離處(即位于光盤11的信號記錄平面上)的一個光點，如圖3A所示，符合非球面表面的形狀性質。
同時，距光軸預定半徑位置y0以外的入射光并不聚焦于沿光軸向外一固定距離處(即位于光盤11的信號記錄平面上)，因為非球面表面的導數(shù)與內(nèi)表面的導數(shù)是互不連續(xù)的，因此外部入射光到達在垂直于光軸的方向上稍有偏離的另外位置。
結果，除了入射至物鏡24的全部光之外，在面向光源的表面上的距光軸預定半徑位置y0以外的部分入射光束并不聚焦于內(nèi)光束的聚焦之處，因此預定半徑位置以外的外表面部分在其形狀與非球面一致的情況下可用作光圈光闌，從而可調(diào)整物鏡的數(shù)值孔徑至一個適當?shù)臄?shù)值。
因此，不再需要圖6的慣常光拾取器1中的與物鏡5分開的光圈光闌7，從而減低了組件和安裝兩方面的成本。
此外，由于有物鏡24的面向光源的非球面表面24a這種形狀而獲得的光圈光闌的功能，就不需要在預定半徑位置y0改變形狀，因此物鏡24的模制過程所帶來的畸變就會減小。
特別是當預定徑向位置處的導數(shù)之差小于0.3時，可以更有效地減小模制過程中產(chǎn)生的畸變。
當導數(shù)之差大于0.3時，預定徑向位置非球面表面形狀的變化較大，在模制過程中會產(chǎn)生輕微的畸變。
而且，因為光圈光闌的功能是由物鏡24本身獲得的，因而可防止由于任何光圈光闌的光軸偏移而可能造成的非對稱象差。
在預定徑向位置以外的非球面表面是由式6給出的情況下，入射在預定徑向位置以外的外光束因通過相關的表面部分而不聚焦。因此，不同于圖10所示的情況，此外光束不會在沿光軸的不同于由入射在預定徑向位置以內(nèi)的內(nèi)光束的聚焦之處聚焦而形成另一個光點，如圖5所示，不會根據(jù)聚焦控制中檢測到的S信號而產(chǎn)生假信號，因此可防止出現(xiàn)某些缺陷，例如在光盤裝置10中由于聚焦搜索可能產(chǎn)生的假信號等等。
上述實施例示出一個例子，其中物鏡24在用于光盤的光拾取器20中以及也在光盤裝置10中用作光透鏡。然而，本發(fā)明并不僅局限于此實施例，很明顯，本發(fā)明也適用于某些其它裝置中采用的任何光拾取器，條件是此光透鏡與光圈光闌合用。
再有，在上述光盤裝置10和光拾取器20的實施例中，提到光盤裝置的結構和用于光盤的再現(xiàn)的光拾取器。然而，很明顯，本發(fā)明也適用于某些其它的光盤裝置和光拾取器，它們是用于磁力光盤、光盤讀取器(CD-R)和光盤讀寫器(CD-RW)等等的記錄和/或重放的。
至此，根據(jù)本發(fā)明，有可能提供一種改進的帶光圈光闌的光透鏡，和采用此透鏡的光拾取器和光盤裝置，此透鏡能夠消除其光學有效表面以外的光束而并不損害其光學特性。
權利要求
1.一種由透明材料制成的光透鏡，其面向光源的一個表面是由一個距光軸的徑向距離的函數(shù)所限定的旋轉對稱的非球面形的凸表面，所述非球面表面成形為在其限定區(qū)域中的徑向沒有任何階梯狀區(qū)域的曲面，并具有其所述函數(shù)的導數(shù)在一個預定徑向位置處是不連續(xù)的部分。
2.根據(jù)權利要求1的光透鏡，其特征在于，所述預定徑向位置處的導數(shù)之間的差小于0.3。
3.根據(jù)權利要求1的光透鏡，其特征在于，所述非球表面由下式給出z＝asp(y) …(式1)其中y是所述透鏡的距光軸的徑向的距離，z是在光軸方向的距離。
4.根據(jù)權利要求3的光透鏡，其特征在于，所述非球面由下式給出z＝asp(y)+f(y-y0)…(式2)其中y0是預定的半徑，且y＞y0。
5.根據(jù)權利要求1的光透鏡，其特征在于，入射至所述預定徑向位置以內(nèi)的內(nèi)區(qū)域的光聚焦于所述透鏡的光軸上的一個預定位置，而入射至外區(qū)域的光不聚焦。
6.一種光拾取器，包括一個發(fā)射光束的光源；一個將所述光源發(fā)射的光束聚焦于光盤的信號記錄平面的物鏡；一個置于所述光源和所述物鏡之間的分光裝置；和一個具有用以接收由所述分光裝置分出的并由所述光盤的信號記錄平面反射的回程光的光接收部分的光檢測器；其中所述物鏡是一種由透明材料制成的光透鏡，其面向光源的一個表面是由一個距光軸的徑向距離的函數(shù)所限定的旋轉對稱的非球面形的凸表面，所述非球面成形為在其限定區(qū)域中的徑向沒有任何階梯狀區(qū)域的曲面，并具有其所述函數(shù)的導數(shù)在一個預定徑向位置處是不連續(xù)的部分。
7.根據(jù)權利要求6的光拾取器，其特征在于，所述預定徑向位置處的導數(shù)之間的差小于0.3。
8.根據(jù)權利要求6的光拾取器，其特征在于，所述非球面由下式給出z＝asp(y)…(式1)其中y是所述透鏡的距光軸的徑向距離，z是在光軸方向的距離。
9.根據(jù)權利要求8的光拾取器，其特征在于，所述非球面由下式給出z＝asp(y)+f(y-y0) …(式2)其中y0是預定的半徑，且y＞y0。
10.根據(jù)權利要求6的光拾取器，其特征在于，入射至所述預定徑向位置以內(nèi)的內(nèi)區(qū)域的光聚焦于所述透鏡的光軸上的一個預定位置，而入射至外區(qū)域的光不聚焦。
11.一種光盤裝置，包括一個用于將一光源發(fā)射的光束聚焦于光盤的信號記錄平面的物鏡；一個具有用以接收由所述光盤的信號記錄平面反射的回程光的光接收部分的光檢測裝置；一個能夠雙向移動所述物鏡的物鏡驅動裝置；一個用于根據(jù)所述光檢測裝置的光接收部分的信號而得出一伺服信號的計算器；和一個用于向所述物鏡驅動裝置提供伺服誤差信號的伺服裝置；其中所述物鏡是一種由透明材料制成的光透鏡，其面向光源的表面是由一個距光軸的徑向距離的函數(shù)所限定的旋轉對稱的非球面形的凸表面，所述非球面成形為在其限定區(qū)域中的徑向沒有任何階梯狀區(qū)域的曲面，并具有其所述函數(shù)的導數(shù)在一個預定徑向位置處是不連續(xù)的部分。
12.根據(jù)權利要求11的光盤裝置，其特征在于，所述光透鏡成形得使入射至所述預定徑向位置以內(nèi)的內(nèi)區(qū)域的光聚焦在處于所述透鏡的光軸上的所述光盤的信號記錄平面上，而入射至外區(qū)域的光射向離開所述信號記錄平面上的聚焦點的一個位置。
全文摘要
一種由透明材料制成的光透鏡,其面向光源的一個表面是由一個距光軸的徑向距離的函數(shù)所限定的旋轉對稱的非球面形的凸表面,所述非球面表面成形為在其限定區(qū)域中的徑向沒有任何階梯狀區(qū)域的曲面,并具有其所述函數(shù)的導數(shù)在一個預定徑向位置是不連續(xù)的部分。雖然并沒有配備光圈光闌,此光透鏡卻能夠消除其光學有效表面以外的入射光,而不損害其光學特性。
文檔編號G11B7/135GK1244007SQ9911044
公開日2000年2月9日 申請日期1999年7月9日 優(yōu)先權日1998年7月9日
發(fā)明者山田隆俊, 深澤宣雄 申請人:索尼公司