專利名稱：物鏡以及采用這種物鏡的光學拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物鏡裝置以及采用該裝置的光學拾取裝置，更具體地說，涉及一種可有效補償物鏡所產(chǎn)生的象差的物鏡裝置，這種象差的產(chǎn)生是由于當工作模式轉(zhuǎn)換時，光源的輸出發(fā)生變化而引起的。同時本發(fā)明還涉及采用這種物鏡裝置的光學拾取裝置。
隨著光學存儲裝置存儲能力的提高，再現(xiàn)信號的質(zhì)量受再現(xiàn)條件的影響更大。在采用短波長藍色激光光源的光拾取裝置中，再現(xiàn)信號會因物鏡產(chǎn)生象差而受到損害。
通常，對于用作光學拾取裝置物鏡材料的玻璃和塑料而言，隨著光源波長的減小，折射率會上升。再者，隨波長而變化的折射率的變化率也加大，以致所產(chǎn)生的與波長變化量相對應(yīng)的象差量也變大。用于光學存儲裝置的光學拾取裝置中的物鏡常常是用玻璃或塑料制成的非球面單鏡片，在采用400nm藍光激光光源的光學拾取裝置中，因激光光源波長變化引起象差而造成的再現(xiàn)信號質(zhì)量的損害是無法避免的。


圖1示出了各種類型的鏡片材料在波長變化時折射率的變化情況。參照該圖可以看出，隨著波長的變短，各種材料的折射率有迅速改變。由波長變化而引起的折射率的變化對光學存儲裝置物鏡的性能影響很大。由于激光的振蕩波長變化引起的象差改變了光盤與物鏡間的工作距離，所以因波長變化引起的象差可被補償。
在可進行記錄與再現(xiàn)的光存儲裝置中，用于再現(xiàn)和記錄的激光的能量是變化的。參照激光的基準波長而言這種激光能量上的變化所導致的波長變化范圍為±2nm。相應(yīng)地，由于波長的變化而引起的象差產(chǎn)生于按基準波長設(shè)計的物鏡中。這種象差可以通過調(diào)節(jié)物鏡與光盤間的工作距離來加以補償。工作距離的調(diào)整是通過用聚焦伺服機構(gòu)對再現(xiàn)信號進行優(yōu)化來實現(xiàn)的。但是，在象差產(chǎn)生之后，由于需要一個數(shù)量級為幾十微秒的時間段來操作聚焦伺服機構(gòu)，因此在上述時段內(nèi)記錄或再現(xiàn)信號受到損害。
因此，在用于記錄和再現(xiàn)的光學存儲裝置中，當激光波長因模式轉(zhuǎn)換而在至少±2nm的范圍上發(fā)生變化時，需要一種能減小或補償此時所發(fā)生的象差的物鏡。
圖2示出了光學存儲裝置的現(xiàn)有技術(shù)光拾取裝置所采用的單物鏡結(jié)構(gòu)。圖3示出了在物鏡與盤面之間的工作距離固定的條件下物鏡針對各種波長條件的象差特征。這里，假定物鏡是用于DVD(數(shù)字多用途光盤)且具有650nm基準波長，NA(數(shù)值孔徑)為0.6的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，既使當波長相對于基準波長650nm有±2nm的波長變化時，由于RMS(均方根)象差在無聚焦調(diào)整情況下小于或等于0.04λ，所以對光拾取裝置不會產(chǎn)生特殊問題。
表1示出了關(guān)于物鏡與各光盤表面的數(shù)據(jù)，表2示出了各波長下的散焦量以及波陣面象差。
表1
表2
表2中的散焦量是相對于表1中的距離值(3.32mm)而調(diào)整的距離變化量，以使物鏡與光盤的間距為最小波陣面象差。
圖4示出了按波長405nm,NA0.6條件下設(shè)計的物鏡在各波長情況下的象差性質(zhì)。如圖中所示，在基準光波長為405nm時，大約±2nm的變化會增加RMS波陣面象差0.1λ。結(jié)果是，這種波陣面象差表明該物鏡不能應(yīng)用于光存儲裝置中的光拾取頭。下面表3中示出了根據(jù)上述光學設(shè)計得到的各表面的數(shù)據(jù)。表4示出了散焦量以及各波長條件下的波陣面象差。
表3
表4
做為一種補償因上述波長變化而引起的象差的方法，一種通過將不同材料制成的二個非球面透鏡單元組裝成一體而形成的現(xiàn)有技術(shù)物鏡現(xiàn)已被廣泛使用。然而，用對二個非球面透鏡單元分別注模并將二者合為一體的方法制造物鏡很困難。特別是，當利用二個非球面透鏡單元進行象差校正時，具有正放大倍數(shù)的低發(fā)散透鏡與具有負放大倍數(shù)的高發(fā)散透鏡分別用火石基玻璃和冕牌玻璃為材料制造。然后，所得到的鏡片被間隔一特定的空氣間隙組合到一起。然而，在物鏡裝置中，由于各非球面透鏡單元必須具有大于30的發(fā)散量，可以被注模的透鏡材料的種類相當有限，所以很難為各透鏡單元選擇材料。
為解決上述問題，本發(fā)明的目的之一是提供一種易于制造和組裝的光拾取裝置，且因波長變化而引起的象差可以得到補償。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種光學拾取裝置，其中用于校正因波長變化而引起的象差的透鏡單元的材料易于選擇。
因此，為達到上述目的，提供了一種物鏡裝置，其包括一個面向光盤并具有預(yù)定的第一焦距和預(yù)定的數(shù)值孔徑的非球面透鏡，以及一個與非球面透鏡單元相鄰安裝且具有長于第一焦距的第二焦距的全息透鏡，該全息透鏡還具有一個衍射柵，用來補償因波長為670nm或更小的激光波長的變化所引起的象差。
還有，為達到上述目的，還提供了一種光學拾取裝置包括產(chǎn)生射向光盤的激光束的光源，一包含面向光盤、具有一預(yù)定的第一焦距和預(yù)定的數(shù)值孔徑的非球面鏡，和一與上述非球面鏡單元相鄰近安裝并具有長于第一焦距的第二焦距的全息透鏡的物鏡。該全息透鏡還具有一衍射柵用來補償因波長為670nm或更短的激光的波長變化而引起的象差。該光學拾取裝置還包括設(shè)置在光源與物鏡裝置之間的分光器，以及用來接收自光盤反射并透過分光器的光的光探測器。
再者，為了達到上述目的，還提供一種光拾取裝置，該裝置包括，用來產(chǎn)生不同波長的、射向從二種不同的光盤中選擇出的一種光盤的第一和第二光源；以及一個物鏡裝置，該物鏡裝置包括一面向光盤并具有一預(yù)定的第一焦距和預(yù)定的數(shù)值孔徑的非球面透鏡單元，和與非球面透鏡相鄰近安裝的，具有大于第一焦距的第二焦距的全息透鏡。該全息透鏡還具有一個衍射柵，用來補償由于波長為670nm或更短的激光因發(fā)生波長改變而引起的象差。本發(fā)明的光拾取裝置還包括一第一分光器，一第二分光器和一光探測器。第一分光器設(shè)置在第一光源與物鏡裝置之間，以便自第一和第二光源發(fā)出射至光盤的激光等通過；第二分光器設(shè)置在第一分光器與第一光源之間，以便自第二光源發(fā)出的光由此穿過射至光盤；光探測器用于接收自光盤反射并透過第一分光器的光。
最好是，在本發(fā)明中的光盤是DVD和HD-DVD中的一種。
還有，最好是在本發(fā)明中的非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
還有，最好是在本發(fā)明中的非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
通過結(jié)合以下附圖對實施例所做的詳細描述，本發(fā)明的目的和優(yōu)點將會變的更加清楚，其中圖1示出了在各種常用的鏡片材料情況下折射率隨波長的變化而變化的情況；圖2示出了應(yīng)用于光存儲裝置中現(xiàn)有技術(shù)光拾取裝置的單物鏡結(jié)構(gòu)；圖3示出了在現(xiàn)有技術(shù)物鏡與光盤之間距離固定的條件下物鏡在各種波長下所產(chǎn)生的象差的特性；圖4示出在波長為405nm,NA為0.6條件下設(shè)計出的現(xiàn)有技術(shù)物鏡針對各種波長所產(chǎn)生的象差的特性；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例的物鏡結(jié)構(gòu)；圖6示出了圖5中所示的本發(fā)明物鏡的象差特性；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的，應(yīng)用了本發(fā)明物鏡裝置的光學拾取裝置的結(jié)構(gòu)；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的，應(yīng)用了本發(fā)明物鏡裝置的光學拾取裝置的結(jié)構(gòu)；圖9示出了當根據(jù)本發(fā)明的物鏡與光盤之間的工作距離被調(diào)整至對HD-DVD而言最佳時象差特性情況；圖10示出了當根據(jù)本發(fā)明的物鏡與光盤之間的工作距離被調(diào)整至對DVD而言象差情況最佳時的象差特性。
在本發(fā)明中，物鏡與一非球面透鏡單元和一全息透鏡單元構(gòu)成，在根據(jù)本發(fā)明的物鏡裝置中，全息透鏡單元具有一3.5的負發(fā)散量，且非球面透鏡由發(fā)散量為60的玻璃材料如日本透鏡制造商HOYA公司的BACO5制成。
在本發(fā)明的物鏡裝置中，制造透鏡單元的材料可以很容易地被選到，且可以有效地糾正波長為670nm或更小，具體地說是400nm左右的激光形成的象差。
光學部分各方面以及圖5中所示的當前物鏡裝置中的全息透鏡的光學數(shù)據(jù)被列于下面的表5當中。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的采用具有正放大倍數(shù)的非球面透鏡和具有負放大倍數(shù)的全息透鏡單元的物鏡裝置的象差特性。表5是基于基準波長λ為405nm且NA為0.6的光學設(shè)計標準而做的。
表5
下面的表6指出了根據(jù)表5的物鏡裝置的表面象差以及散焦量。
表6
對全息透鏡裝置的光學系數(shù)的定義由等式1表達，其中波表面的相位在以全息表面中心為原點的直角座標系(X和Y)中變化。φ()=2πλΣmΣnCNXmYn-------(1)]]>這里，N=0.5[(m+n)2+m+3n]物鏡的散焦量應(yīng)在物鏡的焦深(Fd)范圍之內(nèi)，焦深是光學存儲裝置所允許的散焦量。
當根據(jù)本發(fā)明的物鏡具有0.6的數(shù)值孔徑和405nm的波長，焦深為0.56μm時，如表6所示，可獲得一個在波長變化為±2nm條件下的位于焦深以內(nèi)的小于0.01λ的超級波陣面象差。Fd=λ2NA2------(2)]]>
如上所述，由于根據(jù)本發(fā)明的物鏡裝置，也即具有一個非球面透鏡單元和一全息透鏡單元的物鏡裝置在波長變化為±2nm情況下具有小于0.01λ的波陣面象差。這對于使用波長約400nm的激光的光學拾取裝置而言是合適的。
圖7中示出了采用根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例的物鏡裝置的光學拾取裝置。參照該圖，根據(jù)本發(fā)明的物鏡裝置20設(shè)置在光盤10的附近。一準直透鏡30和一分光器40設(shè)置在物鏡裝置20與光源50之間的光軸上。一光接收部透鏡60和一光探測器70設(shè)置在被分光器40反射回的光的光軸之上。
這里，物鏡裝置20具有一非球面透鏡單元21，一全息透鏡22，以及表5中所列的光學結(jié)構(gòu)。具有上述結(jié)構(gòu)的光拾取裝置可用于光盤如DVD或目前正在研發(fā)的HD-DVD(高清晰度DVD)。然而，除特殊情況外，本光學拾取裝置對使用波長為780nm激光的CD光學拾取裝置不太有效。
適用于DVD的激光的波長為650nm，而適用于HD-DVD的激光具有相當短的約為400nm的波長，因此，本發(fā)明的光學拾取裝置的光源可以產(chǎn)生與所述光盤類型相適應(yīng)的波長的激光，同時分光器與準直透鏡的光學特征應(yīng)當與上述波長相適應(yīng)。
然而，根據(jù)本發(fā)明的物鏡裝置與使用該裝置的光學拾取裝置最好是應(yīng)用于DVD和HD-DVD。此外，結(jié)構(gòu)最好是設(shè)計成可以兼容DVD和HD-DVD。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的具有兼容二種類形光盤如DVD和HD-DVD的結(jié)構(gòu)的光學拾取裝置。參照該圖，一種根據(jù)本發(fā)明的物鏡20放置于靠近光盤10的位置上。一準直透鏡30，一第一分光器41和一第二分光器42被設(shè)置在物鏡30與第一光源51之間的直線光軸上。一光接收部透鏡60和光探測器70被設(shè)置在被第一分光器41反射回的光的光軸上。用于經(jīng)第二分光器42向光盤10發(fā)射激光的第二光源52被放置在第二分光器42的一側(cè)。
第一分光器41將從第一和第二光源51和52發(fā)出的激光傳輸?shù)轿镧R60并將自光盤10反射回的激光經(jīng)光接收部透鏡60反射到光接收器70。
第二分光器42將來自第一光源51的激光傳輸至第一分光器41并將自第二光源52發(fā)射出的激光反射至第一分光器41。
第一光源51振蕩發(fā)射與HD-DVD相適應(yīng)的波長的激光，例如波長為405nm，第二光源52振蕩發(fā)出與DVD相適應(yīng)的650nm波長的激光。這樣，當對HD-DVD進行信息的記錄和再現(xiàn)時，可以使用由第一光源51發(fā)出的激光，而當記錄和再現(xiàn)DVD時，可使用從第二光源52發(fā)出的激光。
DVD/HD-DVD兼容的光拾取裝置的特征在于，該裝置包括二個光源和一個光探測器，應(yīng)用于DVD/HD-DVD兼容的光拾取裝置的物鏡裝置的光學數(shù)據(jù)列于表7當中。表8示出了根據(jù)所用波長不同而得到的一系列散焦量和波陣面象差。
表7
表8
當DVD信息被DVD/HD-DVD兼容的光拾取裝置再現(xiàn)時，物鏡裝置的非球面透鏡單元與光盤之間的距離被一聚焦伺服機構(gòu)所調(diào)整，例如，在DVD中，該距離比HD-DVD的情況小15μm。在對HD-DVD的信息記錄與再現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的激光二極管產(chǎn)生的激光波長有±2nm變化的情況下，在物鏡裝置的焦深之內(nèi)可以執(zhí)行可靠的記錄/再現(xiàn)操作而無需特別的調(diào)整。圖9示出了在根據(jù)本發(fā)明的兼容型光拾取裝置的物鏡裝置與光盤之間的距離被調(diào)整為對HD-DVD而言最佳后的象差特性。在圖中，可以看到405nm HD-DVD的象差為0.01λ或更小，而650nm DVD的象差則很高。圖10示出了在工作距離調(diào)整到使DVD象差為最優(yōu)后的象差特性。此時，HD-DVD的象差多達0.1λ或更多。因此，在使用HD-DVD以及對DVD進行記錄/再現(xiàn)時，可以通過調(diào)整工作距離分別獲得象差小于0.01λ的超級性能。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在DVD或HD-DVD的記錄與再現(xiàn)之間進行轉(zhuǎn)移的過程，由于激光能量的變化而引起的波長的變化以及由波長變化而引起的象差可以被有效地糾正。而且，由于物鏡由一非球面透鏡單元和一全息透鏡單元構(gòu)成，所以用于制造各透鏡單元的材料可以很容易地選到且采用這種本發(fā)明的物鏡裝置的光拾取裝置的結(jié)構(gòu)可得到簡化。
應(yīng)當注意本發(fā)明并不局限于上述最佳實施例，同時在不脫離本發(fā)明精神實質(zhì)和后附權(quán)利要求書的限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明做出變化和修改。
權(quán)利要求
1．一種物鏡裝置包括一非球面透鏡單元，其面向光盤，并具有一預(yù)定的第一焦距和一預(yù)定的數(shù)值孔徑；和一全息透鏡，安裝在非球面透鏡單元附近并具有一大于第一焦距的第二焦距，還具有一衍射柵，用來補償因波長為670nm或更小的激光的波長的變化而引起的象差。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中光盤為DVD和HD-DVD中的一種。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡具有正的或負的放大倍數(shù)。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)且全息透鏡具有正的或負的放大倍數(shù)。
5．一種光拾取裝置包括一光源，用于產(chǎn)生射向光盤的激光；一物鏡裝置，包括一面向光盤并具有一預(yù)定的第一焦距和預(yù)定的數(shù)值孔徑的非球面透鏡，和一安裝在非球面透鏡單元附近并具有一大于第一焦距的第二焦距的全息透鏡，同時全息透鏡還具有一衍射柵，用來補償因波長為670nm或更小的激光因波長變化而造成的象差；一分光器，設(shè)置在光源與物鏡裝置之間，和一光檢測器，用來接收被光盤反射且透過分光器的光束。
6．如權(quán)利要求5所述的裝置，其中光盤是DVD和HD-DVD中任意之一。
7．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中光源發(fā)射出的激光的波長在390nm和420nm之間。
8．如權(quán)利要求5所述的裝置，其中光源發(fā)射出的激光具有的波長在390nm和420nm之間。
9．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中非球面透鏡元件具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
10．如權(quán)利要求5所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
11．如權(quán)利要求6所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
12．一種光拾取裝置，包括第一和第二光源，用于產(chǎn)生具有不同波長的激光，射向從二種不同的光盤中選定的光盤；一物鏡裝置包括一非球面透鏡單元，其面向光盤并具有一預(yù)定的第一焦距和一預(yù)定的數(shù)值孔徑；一全息透鏡，安裝在非球面透鏡單元鄰近處并具有一大于第一焦距的第二焦距，還具有一衍射柵，用來補償因波長為670nm或更小的激光的波長變化而引起的象差；一第一分光器，設(shè)置在第一光源和物鏡裝置之間，用來透過從第一和第二光源發(fā)出并射向光盤的激光；一第二分光器，設(shè)置在第一分光器與第一光源之間，用來使自第二光源發(fā)出的光穿過并射向光盤；和一光探測器，用來接收被光盤反射并通過第一分光器的光。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中不同類型的光盤是DVD和HD-DVD。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中第一光源發(fā)射的激光具有范圍在390nm到420nm之間(含390nm和420nm)的波長且第二光源發(fā)射的激光具有范圍在630nm到670nm(含630nm和670nm)之間的波長。
15．如權(quán)利要求13所述的裝置，其中第一光源發(fā)射的激光具有范圍在390nm到420nm之間(含390nm和420nm)的波長且第二光源發(fā)射的激光具有范圍在630nm到670nm(含630nm和670nm)之間的波長。
16．如權(quán)利要求14所述的裝置，其中第一光源發(fā)射的激光具有405nm的波長，且第二光源發(fā)射的激光具有650nm的波長。
17．如權(quán)利要求12所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
18．如權(quán)利要求13所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
19．如權(quán)利要求16所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
20．如權(quán)利要求14所述的裝置，其中非球面透鏡單元具有正的放大倍數(shù)，且全息透鏡單元具有正的或負的放大倍數(shù)。
全文摘要
一種物鏡裝置包括一非球面透鏡單元和一全息透鏡單元,非球面透鏡單元面向光盤并具有一預(yù)定的第一焦距和預(yù)定的數(shù)值孔徑,全息透鏡安裝在非球面透鏡單元鄰近處并具有一大于第一焦距的第二焦距和一衍射柵,該衍射柵用于補償具有670nm或更小波長的激光因波長變化而引起的象差。這樣在對DVD或HD－DVD做記錄和再現(xiàn)轉(zhuǎn)換期間,由于激光能量變化引起的波長改變以及因這一變化引起的象差可被有效糾正。且各單元的材料易找,光拾取裝置的結(jié)構(gòu)得以簡化。
文檔編號G02B13/00GK1318831SQ00137169
公開日2001年10月24日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月17日
發(fā)明者鄭鐘三, 金泰敬, 安榮萬, 徐偕貞 申請人:三星電子株式會社