專利名稱：光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)拾取裝置、記錄和/或再現(xiàn)聲音和/或圖像的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)拾取裝置以及記錄和/或再現(xiàn)聲音和/或圖像的裝置。
背景技術(shù)：
通常，被稱為光盤(CD)或通用數(shù)字盤(DVD)的光盤已被廣泛用于記錄數(shù)字數(shù)據(jù)，例如，積累音樂信息和視覺信息或記錄計算機數(shù)據(jù)。
所以，最近隨著信息科學(xué)的到來，強烈要求增加光盤的容量。
關(guān)于光盤，為了提高單位面積的數(shù)據(jù)記錄容量(記錄密度)，從光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)獲得的會聚光斑的光斑(converging spot)直徑已被縮短。眾所周知，光斑直徑與λ/NA(在此，λ表示光源發(fā)出的光線的波長，而NA表示物鏡的數(shù)值孔徑)成比例。所以，為了縮短光斑直徑，縮短在光學(xué)拾取裝置中光源發(fā)出的光線的波長和增高對于光盤相對地安排的物鏡的數(shù)值孔徑是有效的。
為了縮短光源中的波長，關(guān)于發(fā)出波長大約為400納米的激光束的藍-紫色半導(dǎo)體激光器的研究已經(jīng)展開，而且將在不久的將來被推向?qū)嶋H使用。
然而，在具有高數(shù)值孔徑或縮短的波長的光學(xué)系統(tǒng)中，整個光學(xué)系統(tǒng)中的大量的象差容易由于光盤的保護層的厚度不一致或局部變化、光源發(fā)出的光線的波長變化、光源之間的差異和/或光學(xué)系統(tǒng)的溫度變化而改變。所以，維持光斑具有小直徑是困難的。
在光學(xué)拾取裝置中，記錄信息時的激光功率通常大于再現(xiàn)信息時的激光功率。所以，當再現(xiàn)模式被改變成記錄模式的時候，發(fā)生模式跳躍(mode hopping)的情況。在這種模式跳躍中，光線的中心波長由于輸出功率變化被立即改變幾納米。由于模式跳躍造成的焦點位置變化能通過使物鏡聚焦得以消除。然而，因為物鏡聚焦要花費幾納秒的時間，所以出現(xiàn)這樣一個問題，即在這幾納秒的時間周期里由于焦點位置的變化不能正確地完成信息的記錄。從光源發(fā)出的光線的波長越短，焦點位置的變化就越大。所以，光線的波長越短，歸因于模式跳躍的光線的波前象差的惡化就越大。所以，使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)拾取裝置要求校正隨著光線的波長變化的會聚光斑的焦點位置。
另外，當具有高數(shù)值孔徑的物鏡用塑料透鏡制成的時候，存在大量的球面象差由于溫度變化而改變的可能性。在這種情況下，通過移動會聚光學(xué)系統(tǒng)的某個部分進行校正是可能的。然而，因為溫度變化并非周期性地發(fā)生，所以需要始終觀察會聚光斑、象差和溫度本身。結(jié)果，裝置的制造成本提高。
為了解決波長變化的問題，環(huán)狀的衍射圖在物鏡的光學(xué)表面上形成，而軸向色差是通過使用衍射圖的衍射功能進行校正的。所以，溫度變化引起的焦點位置變化在使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)拾取裝置中能被抑制到低的程度。這種光學(xué)拾取裝置的物鏡是在公開的未經(jīng)審查的日本專利申請第H09-311271號中揭示。
此外，作為涉及對溫度變化的校正的光學(xué)系統(tǒng)，通過利用衍射校正由溫度變化引起的光源的光線的波長方面的變化的物鏡是在公開的未經(jīng)審查的日本專利申請第H11-337818號中揭示的。
然而，因為衍射圖有非常精細的結(jié)構(gòu)，制造具有衍射圖的物鏡的模子是困難的。另外，由于在衍射圖的制造過程中制造誤差的影響，光線在物鏡中的透射率容易降低的問題業(yè)已出現(xiàn)。
進而，衍射圖越精細，制造誤差對光線的透射率的影響就越大。所以，因為透鏡周邊部分的衍射圖比中心部分的更精細，因此物鏡有周邊部分透射率較低的透射率分布。因此，出現(xiàn)依照透射率分布會聚光斑變大的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在考慮上述問題的同時提供一種用于光拾取器的、尤其適合使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)系統(tǒng)，其中，光線波長方面的變化引起的會聚光斑的焦點位置變化在簡單的配置中得到校正，溫度方面的變化引起的象差變化得到校正，在形狀方面制造誤差對光線透射率的影響是低的，而且光線透射率對光線波長的依存關(guān)系是低的。
進而，本發(fā)明的另一個目的是提供使用用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)拾取裝置和利用光學(xué)拾取裝置的記錄和/或再現(xiàn)裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)選的是使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)拾取裝置，該光學(xué)系統(tǒng)容易按低成本制造而且優(yōu)選地校正由于光線波長方面的變化引起的光會聚光斑的焦點位置的變化或溫度方面的變化引起的象差變化。
本發(fā)明的這些和其它目的借助下面的實施方案能夠?qū)崿F(xiàn)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)作為第一實施方案的是在用來記錄和/或再現(xiàn)光學(xué)記錄介質(zhì)上的信息的光學(xué)拾取裝置中使用的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)具有光軸。此外，該光學(xué)系統(tǒng)包括用來把光源發(fā)出的光束會聚在光學(xué)記錄介質(zhì)上的物鏡系統(tǒng)；包括安排在光源和物鏡系統(tǒng)之間的光程上的兩個透鏡的光學(xué)象差校正元件，該光學(xué)象差校正元件具有在光軸方向上可調(diào)的距離。再進一步說，該光學(xué)象差校正元件包括在光學(xué)象差校正元件的至少一個透鏡表面上形成的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)，其中該環(huán)狀的相位結(jié)構(gòu)是非周期性的而且包括多個同心的環(huán)形表面k(k＝1、…、N)，每個環(huán)形表面在光軸方向上都有介于相鄰的環(huán)形表面之間的階梯。
在本發(fā)明范圍內(nèi)第二實施方案是包括本發(fā)明的光源和光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)拾取裝置。
本發(fā)明的第三實施方案是記錄和/或再現(xiàn)聲音和/或圖像的裝置，其中包括本發(fā)明的光學(xué)拾取裝置；以及用來支撐光學(xué)記錄介質(zhì)以使光學(xué)拾取裝置能夠記錄和/或再現(xiàn)信息信號的支撐構(gòu)件。
本發(fā)明本身，連同進一步的目的和附帶益處一起，通過結(jié)合附圖參照下面的詳細描述將得到最好的理解。
圖1是展示光學(xué)拾取裝置的配置的主元件的截面圖。
圖2是展示光學(xué)拾取裝置的配置的主元件的截面圖。
圖3是展示光學(xué)拾取裝置的配置的主元件的截面圖。
圖4是解釋環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的配置的主元件的截面圖。
圖5是解釋在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中焦點位置變化的校正原理的曲線圖。
圖6是解釋在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中焦點位置變化的校正原理的曲線圖。
圖7是解釋在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中焦點位置變化的校正原理的曲線圖。
圖8是解釋在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中焦點位置變化的校正原理的曲線圖。
具體實施例方式
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是在環(huán)形表面k和k+1之間的階梯距離是實質(zhì)上滿足下面的表達式的hkhk＝mkλ/(n-l)其中mk是整數(shù)，λ是光源發(fā)出的光束的波長，n是環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的材料對波長為λ的光束的折射系數(shù)。
在本實施方案中光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選包括用來準直光源發(fā)出的光束的準直透鏡，該準直透鏡被安排在光源和光學(xué)象差校正元件之間。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是光學(xué)象差校正元件的兩個透鏡包括正透鏡和負透鏡。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是環(huán)形表面的階梯在同一方向中。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是在光學(xué)象差校正元件中最靠近物鏡的表面上提供的而且滿足下面的表達式D/rL＜0.1其中D是物鏡系統(tǒng)的入射光瞳的直徑，rL是最靠近物鏡系統(tǒng)的表面的曲率半徑的絕對值。
在本實施方案中光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選滿足下面的表達式0.2＜(RΣmk)/(N|f|)＜4 (1)其中R表示在它上面提供階梯的透鏡的有效半徑；mk＝(n-l)hk/λ；n表示環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的材料對于波長為λ的光束的折射系數(shù)；hk表示在第k個環(huán)形表面和第k+1個環(huán)形表面之間的階梯距離；λ表示光源發(fā)出的光束的波長；Σmk表示關(guān)于全部階梯距離的總和；N表示在有效半徑內(nèi)環(huán)形表面的數(shù)目；而f表示在它上面提供階梯的透鏡的焦距。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是環(huán)形表面的數(shù)目N是4到30。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是從光源發(fā)出的光的波長不超過500納米，而且階梯是沿著透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)增加的方向偏移的。
在本實施方案中的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選的是物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA不小于0.7，而且該光學(xué)系統(tǒng)進一步包括透鏡驅(qū)動裝置，用來控制由于在光學(xué)拾取裝置中光學(xué)象差校正元件的兩個透鏡之間距離的變化引起的大量的球面像差。
優(yōu)選的是在本實施方案中光學(xué)系統(tǒng)是用塑料材料制成的，而且物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA不小于0.7，階梯距離被設(shè)計用來校正因溫度變化引起的大量的球面像差。
優(yōu)選的是在本實施方案中光學(xué)系統(tǒng)是用塑料材料制成的，物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA不小于0.7，而且階梯是沿著透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)減少的方向偏移的，以便減少溫度變化引起的大量的球面像差。
優(yōu)選的是在本實施方案中光學(xué)系統(tǒng)包括兩個塑料透鏡，物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA不小于0.7，而且階梯是沿著透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)增加的方向偏移的，以便減少由溫度變化引起的大量的球面像差。
在下文中，具有依照本發(fā)明用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)OS的光學(xué)拾取裝置的優(yōu)選實施方案是參照附圖2和3予以解釋的。圖2和3分別是依照這個實施方案的光學(xué)拾取裝置PU的示意構(gòu)成圖。如圖2或3所示，光學(xué)拾取裝置PU包括作為光源的半導(dǎo)體激光器LD。
半導(dǎo)體激光器LD是發(fā)出波長為400納米左右的光束的GaN系統(tǒng)藍-紫色半導(dǎo)體激光器或SHG藍-紫色半導(dǎo)體激光器。從半導(dǎo)體激光器LD發(fā)出的發(fā)散的光束是通過偏振光束分光鏡BS傳輸?shù)模以谒姆种徊ㄩL板WP中被變成圓形偏振的光束。其后，平行光束在準直透鏡CL中獲得。
平行光束通過包括正透鏡和負透鏡而且呈光束擴展器形式的光學(xué)象差校正元件BF，而后通過光闌STO。其后，光束經(jīng)過光盤(光學(xué)記錄介質(zhì))OD的保護層DP借助物鏡(物鏡系統(tǒng))OBJ在信息記錄平面DR上形成會聚光斑。
單軸執(zhí)行機構(gòu)ACE被安排在光學(xué)象差校正元件BE的一組凹透鏡附近。當該組凹透鏡在光軸方向上移動的時候，物鏡上的入射光束變成與平行光束相比略微會聚或發(fā)散的會聚或發(fā)散光束。因此，因保護層厚度變化、激光器LD發(fā)出的光線的波長變化、光學(xué)系統(tǒng)的溫度變化和/或雙層盤各層之間間隔產(chǎn)生的球面像差都能得到校正。
物鏡OBJ在聚焦方向和跟蹤方向上被安排在物鏡周圍的雙軸致動器AC驅(qū)動。在光盤OD一側(cè)的物鏡OBJ的數(shù)值孔徑被設(shè)定在0.85左右，而物鏡OBJ的邊緣部分FL能被非常精確地裝配到光學(xué)拾取裝置PU上。在此，沒有環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)在物鏡OBJ上形成。
在信息記錄平面DR的信息坑(pit)中調(diào)制的反射光束被再一次經(jīng)過物鏡OBJ、光闌STO和光學(xué)象差校正元件BE傳輸而且被準直透鏡CL變成會聚光束。該會聚光束被四分之一波長板WP改變成線性偏振光束，經(jīng)過偏振光束分光鏡BS的反射，然后通過圓柱透鏡CY和凹透鏡NL以便具有象散。其后，光束入射在光電探測器PD的光線接收平面上。其后，信息的記錄和/或再現(xiàn)是通過使用依照光電探測器PD的輸出信號產(chǎn)生的聚焦誤差信號、跟蹤誤差信號和射頻信號在光盤OD上完成的。
另外，依照本發(fā)明的光學(xué)信息記錄和再現(xiàn)裝置包括光學(xué)拾取裝置PU和用來支撐光盤OD以使光學(xué)拾取裝置PU能夠在光盤OD上記錄信息和再現(xiàn)來自光盤OD的信息的光學(xué)記錄介質(zhì)支撐裝置(未展示)。光學(xué)記錄介質(zhì)支撐裝置包括用來在支撐光盤OD的中心的同時完成光盤OD的旋轉(zhuǎn)操作的旋轉(zhuǎn)操作裝置。
在光學(xué)拾取裝置PU和光學(xué)信息記錄/再現(xiàn)裝置中，在構(gòu)成光學(xué)象差校正元件BE的各透鏡中至少一個透鏡的光學(xué)表面具有許多通過精細的階梯彼此分開的環(huán)形表面。在由內(nèi)側(cè)環(huán)形表面(靠近光軸的)和外側(cè)環(huán)形表面(遠離光軸的)組成的每對相鄰的環(huán)形表面中，在光軸方向上的偏移量(或階梯)是在環(huán)形表面之間的邊界提供的，以使外側(cè)環(huán)形表面中的光程長度比內(nèi)側(cè)環(huán)形表面中的光程長或短以及形成用作相位相加結(jié)構(gòu)的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)。在這種環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中，近似等于2π的整數(shù)倍的規(guī)定的相位差是在通過外側(cè)環(huán)形表面的規(guī)定波長的入射光束和通過內(nèi)側(cè)環(huán)形表面的入射光束之間產(chǎn)生的。
詳細地說，當使用規(guī)定的波長λ、具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的透鏡對波長λ的折射系數(shù)n、在彼此相鄰的環(huán)形表面之間的階梯距離Δk、以及由于偏移量Δk產(chǎn)生的相位差Φk時，所有的偏移量Δk都被這樣設(shè)定以滿足下面的使用整數(shù)mk的公式(2)。
Φk＝2π(n-1)Δk/λ2πmk(2)所以，當波長λ的光束通過環(huán)形表面的時候，在環(huán)形表面的邊界處的光束的波前方面的差異變小，而且高階波前象差能被抑制。這個原理能以同樣的方式應(yīng)用在考慮由于環(huán)境溫度變化引起透鏡折射系數(shù)變化的情況中。換言之，最經(jīng)常發(fā)生的高溫設(shè)定為參考溫度，而環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的偏移量Δk是這樣設(shè)定的，即，把使用參考溫度下的折射系數(shù)和波長計算的Φk設(shè)定到2π的整數(shù)倍。
在圖2所示的光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是在光學(xué)象差校正元件中最靠近物鏡OBJ的透鏡表面上提供的。主要由物鏡OBJ產(chǎn)生的色差由于環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的作用能被抑制。當波長比規(guī)定的波長λ長的光束入射到物鏡OBJ上的時候，因為那些透鏡的折射系數(shù)降低，所以光束的焦點在某一方向上移動以便遠離透鏡。反之，當波長比規(guī)定的波長λ長的光束入射到環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)上的時候，通過每個環(huán)形表面的光線的每個波前都沿光軸方向略微偏移，以便靠近物鏡OBJ。所以，當偏移量忽略不計的時候，整個光束在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中有近似會聚的球面波，當光束入射到物鏡OBJ上的時候，光束的焦點沿某個方向移動，以便接近物鏡OBJ。當使用波長方面的變化Δλ的時候，在光線的相位方面的變化ΔΦ是用下面的公式F1表達的。
ΔΦ=2πm(∂n∂λΔλn-1-Δλλ)≅-2πmΔλλ----F1]]>所以，通過透鏡在光軸方向比較厚的部分的光線的波前被這樣偏移，以便根據(jù)偏移量更接近物鏡OBJ。因為環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的效應(yīng)抵消物鏡OBJ的效應(yīng)，所以在整個光學(xué)系統(tǒng)中色差能被抑制。
另外，當考慮溫度變化ΔT的時候，溫度變化引起的相位變化是用下面的公式F2表達的。
ΔΦ=2πm(α+∂n∂Tn-1)ΔT----F2]]>在此，α表示線膨脹系數(shù)。因為括號中的項在用塑料加工透鏡的情況下是負值，當溫度被增高的時候，近似會聚的球面波以同樣的方式產(chǎn)生。所以，過校正(over-corrected)的球面像差在物鏡OBJ中產(chǎn)生。當物鏡OBJ包括兩個分別具有正折射能力的塑料透鏡的時候，欠校正(under-corrected)的球面像差在溫度升高的情況下有可能在物鏡OBJ中產(chǎn)生。所以，這些效應(yīng)被抵消，而且由光學(xué)系統(tǒng)的溫度變化引起的象差變化能被抑制。
依照本發(fā)明的用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)OS的另一個實施方案被展示在圖3中。物鏡OBJ包括單一的塑料透鏡。光學(xué)象差校正元件BE在最接近物鏡OBJ放置的透鏡的光學(xué)表面上有許多通過精細的階梯彼此分開的環(huán)形表面。然而，在這個例子中，這些階梯是這樣提供的，即，使在外側(cè)環(huán)形表面(遠離光軸的)中的光程長度比在內(nèi)側(cè)環(huán)形表面(接近光軸的)中的光程短。
另外，用作相位相加結(jié)構(gòu)的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是這樣形成的，以便在通過外側(cè)環(huán)形表面的、在參考溫度下具有規(guī)定波長的入射光束以及通過內(nèi)側(cè)環(huán)形表面的入射光束之間產(chǎn)生近似等于2π的整數(shù)倍的規(guī)定的相位差。所以，環(huán)形表面所有的偏移量Δk都被設(shè)定為滿足公式(2)。
所以，在參考溫度下通過環(huán)形表面的光束的波前的差異在環(huán)形表面的邊界變小，而且高階波前象差能被抑制。另外，在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的溫度下光線相位的變化是用公式(F2)表達的。另外，近似發(fā)散的球面波是在溫度升高的情況下產(chǎn)生的。在包括單一的塑料透鏡的物鏡OBJ中，過校正的球面像差是在溫度升高的情況下產(chǎn)生的。所以，這些效應(yīng)被抵消，而且由于光學(xué)系統(tǒng)的溫度變化引起的象差變化能被抑制。
如上所述，為了校正球面像差，提供一種用來在環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中從入射到物鏡OBJ上的光線的波前產(chǎn)生近似的球面波的方法。作為替代，提供一種用來產(chǎn)生在透鏡的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中將被直接校正的球面像差的方法。在這種情況下，環(huán)形表面之間的階梯的方向在透鏡的光軸和邊緣之間被顛倒。然而，當物鏡OBJ中產(chǎn)生的球面像差用這種方法校正的時候，物鏡OBJ和光學(xué)象差校正元件的每一偏移的效果是大的。因此，物鏡OBJ的跟蹤特性惡化。
另外，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)優(yōu)選地被形成為滿足表達式(1)。當(RΣmk)/(N|f|)低于表達式(1)的下限時，環(huán)形表面的數(shù)目過大，該結(jié)構(gòu)的加工非常困難，或者校正性能太小以致無法充分獲得環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。反之，當(R∑mk)/(N|f|)高于表達式(1)的上限時，在每對環(huán)形表面之間的階梯過大，而且如同在圖4中用陰影部分表示的那樣，許多環(huán)狀的顯著的光不通過區(qū)域在透射光束中不希望地產(chǎn)生。在這種情況下，當光盤反射的光入射到傳感器上時，不連續(xù)的透射光線的光瞳分布(pupil distribution)影響光線的檢測，以致妨礙傳感器對反射光線的正確檢測。
為了減少光不通過區(qū)域，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被安排在光學(xué)象差校正元件中最接近物鏡OBJ的表面上，而且最接近物鏡OBJ的表面的曲率半徑的絕對值rL被設(shè)定為對于物鏡的入射光瞳直徑D而言滿足D/rL＜0.1。在這種情況下，通過環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)透射的光線大體上是彼此平行的，而且光線幾乎不入射到環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的階梯的側(cè)表面上。所以，光線不通過區(qū)域被減少。
另外，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的校正性能和階梯的階梯距離是這樣設(shè)定的，以便將環(huán)形表面的數(shù)目設(shè)定在4到30范圍內(nèi)。在這種情況下，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)容易加工，而且能夠獲得用于光拾取器的、光不通過區(qū)域?qū)鞲衅鞯挠绊懶〉墓鈱W(xué)系統(tǒng)。
另外，當光源發(fā)出的光的波長低于或等于500納米時，色差在物鏡中增加。然而，當具有階梯的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被安排在光學(xué)象差校正元件的透鏡的一個表面上以便沿著從光軸到透鏡的邊緣的方向透鏡的厚度逐漸增大時，色差引起的波前象差的惡化能被抑制。
此外，當物鏡的數(shù)值孔徑NA等于或高于0.7時，由于基于保護層的厚度變化的對光的干擾造成的球面像差的變化將變大。然而，當光學(xué)象差校正元件中的一組透鏡被設(shè)定成可沿光軸方向移動時，球面像差方面的變化能被校正。
另外，高密度地記錄和/或再現(xiàn)信息能在具有用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)拾取裝置中完成。
例子現(xiàn)在提交作為上述的用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)OS的優(yōu)選實施例。透鏡數(shù)據(jù)被展示在表1中。
表1例1
非球形表面的系數(shù)
在實施例1中，405納米的設(shè)計波長、物鏡OBJ的1.76mm的焦距、物鏡OBJ的0.85的數(shù)值孔徑和物鏡OBJ的入射光瞳3.0mm的直徑被設(shè)定。準直透鏡CL的13.03mm的焦距被設(shè)定。另外，光學(xué)象差校正元件BE是用1.25倍的光束擴展器形成的。
每個光學(xué)表面中非球形表面的系數(shù)是通過使用離開外切非球形表面的頂點的平面表面的位移X(mm)、垂直于光軸的方向上的高度h(mm)、曲率半徑r(mm)、二次曲線常數(shù)κ和非球形表面的系數(shù)A2i用下面的公式F3表達的。
X=h2/r1+1-(1+κ)h2/r2+Σi=210A2ih2i----F3]]>另外，在表1中，r(mm)表示每個光學(xué)表面的曲率半徑，d(mm)表示在光軸上的間隔，n(405納米)表示在405納米的設(shè)計波長下的折射系數(shù)，n(406納米)表示在406納米的設(shè)計波長下的折射系數(shù)，而νd表示在d-線(d-line)的色散系數(shù)。
在例1中，在光學(xué)象差校正元件BE中面向光源的正透鏡的光學(xué)表面(表1中的第五表面)被設(shè)定到平面表面，而環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是在光學(xué)表面上形成的。每個階梯的階梯距離Δk(μm)、離開每個階梯的光軸的距離hk(mm)和在垂直于光軸的方向上環(huán)形表面的寬度Pk(mm)(參照圖1)被展示在表2中。在這里，具有階梯的表面的有效半徑等于最后的環(huán)形表面的距離hk。
表2
軸向色差保持在物鏡OBJ中。假設(shè)由模式跳躍引起的藍-紫色半導(dǎo)體激光器的波長變化是1納米，因為波長從405納米改變到406納米，所以焦點位置被改變以便遠離物鏡OBJ 0.26μm(ΔFOBJ＝0.26μm)。因此，由于焦點位置從0.001λrms變化到0.083λrms，波前象差惡化。
反之，當光束入射到如同圖2所示那樣安排的光學(xué)象差校正元件BE上時，該光學(xué)象差校正元件BE具有在表2中展示的基于環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的作用的波長依存關(guān)系，其中，隨著入射光束的波長被加長，焦點位置接近物鏡OBJ。在波長從405納米變化到406納米的情況下，焦點位置向物鏡OBJ靠近11.15μm(ΔF＝-11.15μm)。
所以，在波長從405納米變化到406納米的情況下，焦點位置的位移能通過把光學(xué)象差校正元件BE和物鏡OBJ合并而被抑制到0.1μm(ΔFos＝0.1um)。在這種情況下，包括散焦分量在內(nèi)的波前象差是0.036λrms。如上所述，可以優(yōu)選地改變波長變化引起的會聚光斑的焦點位置的變化。
按照在光學(xué)象差校正元件BE中形成的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)校正由波長變化引起的會聚光斑的焦點位置的變化的原理將參照各附圖予以描述。圖5是展示當光束入射到物鏡OBJ上時具有設(shè)計波長λ(納米)的光束的透射波前和波長比設(shè)計波長λ(納米)長規(guī)定的波長Δλ(納米)的光束的透射波前的曲線圖。X軸表示光瞳半徑，Y軸表示光程差。當波長為λ+Δλ(納米)的光束入射到物鏡OBJ上的時候，光的波前因為物鏡OBJ的軸向色差引起的焦點位置的變化而被改變，如圖5(b)所示。
反之，圖6是展示當光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上時具有設(shè)計波長λ(納米)光束的透射波前和波長比設(shè)計波長λ(納米)長規(guī)定的波長Δλ(納米)的光束的透射波前的曲線圖。當具有設(shè)計波長λ(納米)的光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上時候，因為在彼此相鄰的環(huán)形表面之間的光程差等于設(shè)計波長的整數(shù)倍，所以通過光學(xué)象差校正元件BE透射的光線的透射波前沒有象差。反之，當波長為λ+Δλ(納米)的光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上時，因為在彼此相鄰的環(huán)形表面之間的光程差由于波長的變化和由波長變化引起的折射系數(shù)的變化而不等于波長λ+Δλ(納米)的整數(shù)倍，所以該光程差如圖6(b)所示被逐步加到通過光學(xué)象差校正元件BE的環(huán)形表面透射的光線的波前上。如圖2所示，外側(cè)環(huán)形表面(遠離光軸)在外側(cè)環(huán)形表面和內(nèi)側(cè)環(huán)形表面(接近光軸)之間的邊界處沿光軸的方向偏移，以便外側(cè)環(huán)形表面的光程長度比內(nèi)側(cè)環(huán)形表面的光程長度長。所以，當波長為λ+Δλ(納米)的光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上時，加到通過光學(xué)象差校正元件BE透射的光的透射波前上的光程差的符號與加到通過物鏡OBJ透射的光線的透射波前上的光程差的符號是相反的。
因此，當波長為λ+Δλ(納米)的光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上的時候，通過光學(xué)象差校正元件BE透射的光的透射波前的光程差能抵消掉通過物鏡OBJ透射的光的透射波前的光程差。所以，如圖7所示，透射通過光學(xué)象差校正元件BE和物鏡OBJ兩者的光總的來說具有不包括光程差的波前。因為上述的原理，當物鏡OBJ把通過光學(xué)象差校正元件BE的透射光會聚在會聚光斑上的時候，由光波長變化引起的會聚光斑的焦點位置的變化能借助光學(xué)象差校正元件BE的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被抑制到很小的程度。
在這里，在這份說明書中，“焦點位置”表示在考慮整個光瞳中的波前形狀的同時把實測的或計算的波前象差減到最小的成像位置，而且不同于依據(jù)諸如“后焦點”或“軸向色差”之類的近軸數(shù)據(jù)計算的成像位置。
另外，如上所述，因為光的透射率被陰影(shading)大幅度降低，所以在為了實現(xiàn)高數(shù)值孔徑傾向于把它的曲率半徑縮短的物鏡OBJ的光學(xué)表面上形成用于校正由波長變化導(dǎo)致的會聚光斑的焦點位置的變化的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)并非是優(yōu)選的。反之，在按照本發(fā)明用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)OS中，用于校正由波長變化引起的會聚光斑的焦點位置變化的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是在不要求高數(shù)值孔徑而且能保證光學(xué)表面的大曲率半徑的光學(xué)象差校正元件BE中形成的。所以，光透射率不被陰影降低那么多。
另外，在光學(xué)象差校正元件BE中形成的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)中，從靠近光軸的一側(cè)數(shù)起的任意的第k個階梯的距離Δk(μm)(參照圖1)是這樣確定的，即，當具有設(shè)計波長λ(納米)的光束入射到光學(xué)象差校正元件BE上時把相鄰的環(huán)形表面之間的光程差設(shè)定為該設(shè)計波長的整數(shù)倍。這個確定等價于環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的階梯滿足下述條件的情況。即，當在設(shè)計波長λ(納米)下光學(xué)象差校正元件BE的折射系數(shù)n被設(shè)定的時候，mk是用公式mk＝INT(X)和X＝Δk×(n-1)/(λ×10-3)表達的自然數(shù)。在這里，INT(X)表示通過圓整X獲得的整數(shù)。
與圖3所示的光學(xué)拾取裝置相對應(yīng)的實施例的數(shù)值被展示在表3和表4中。
表3例2
非球形表面的系數(shù)
表4
在例2中，物鏡OBJ是用具有入射光瞳的直徑Φ＝3mm而數(shù)值孔徑NA為0.85的單一的塑料球制成的。以與例1相同的方式安排準直透鏡CL和光學(xué)象差校正元件BE。環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被安排在光學(xué)象差校正元件中最靠近物鏡的透鏡表面上。環(huán)形表面的階梯是這樣設(shè)定的，即，使透鏡沿著從光軸到透鏡邊緣的方向變薄。透鏡的表面全部是具有大曲率半徑的凸表面。另外，環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被分成14個表面部分，而且每個表面部分都垂直于光軸。
環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的作用將參照圖8予以描述。在沒有環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的情況下，構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的塑料透鏡的折射系數(shù)隨著溫度升高而降低。因此，被過校正的球面像差主要是在物鏡中產(chǎn)生的。在例2中，0.12λRMS的象差是由于溫度升高30℃產(chǎn)生的。雖然能通過沿著光軸移動一部份光學(xué)象差校正元件來略微改變正在使用的物鏡的放大倍數(shù)來校正象差，需要檢測溫度或在光斑中產(chǎn)生的球面像差。
在例2中，如表4所示，因為環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)被安排成減少透鏡在透鏡邊緣的厚度，所以溫度變化引起的球面像差能在不移動光學(xué)象差校正元件的情況下得到校正。
在參考狀態(tài)下通過光學(xué)象差校正元件透射的光的透射波前和溫度升高30℃時光的透射波前被展示在圖8中。在參考溫度下，通過每個環(huán)形表面的波前都有等于波長的整數(shù)倍的光程差，如(a)所示，而且這些波前形成均勻的平面波。反之，當溫度升高30℃的時候，從環(huán)形表面發(fā)出的波前的光程差由于溫度變化引起的透鏡折射系數(shù)降低而偏離波長的整數(shù)倍。所以，如圖8(b)所示，從光學(xué)象差校正元件發(fā)出的波前全部變成發(fā)散的球面波。
光學(xué)象差校正元件的這種作用實質(zhì)上與移動光學(xué)象差校正元件的一部分透鏡相同，并且略微改變正在使用的物鏡的放大倍數(shù)。因此，整個光學(xué)系統(tǒng)中的波前象差被校正到0.01λRMS左右，而且因為溫度變化在塑料物鏡中產(chǎn)生的球面像差能夠在不檢測溫度或球面像差的情況下得到校正。雖然整個光學(xué)系統(tǒng)中的校正能通過增加環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)階梯的階梯距離的總和得到改善，但是每個階梯距離變得過大將使光線不通過區(qū)域變寬，而且環(huán)形表面的數(shù)目增加使環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的加工變得困難。
在本發(fā)明中，在用于光拾取器的使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)系統(tǒng)中，對由光的波長變化引起的會聚光斑的焦點位置變化的校正和對由溫度變化引起的象差的變化的校正能在簡單的配置中完成。另外，用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)能被這樣獲得，即，降低系統(tǒng)形狀方面的制造誤差對光線的透射率的影響和減少光線透射率對波長的依存性。另外，使用用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)拾取裝置和具有該光學(xué)拾取裝置的記錄和再現(xiàn)裝置能被獲得。
另外，在優(yōu)選地使用藍-紫色半導(dǎo)體激光器作為光源的光學(xué)拾取裝置的用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)中，用于光拾取器的光學(xué)系統(tǒng)能在光學(xué)系統(tǒng)容易以低成本制造而且優(yōu)選地能校正由光波長變化引起的會聚光斑焦點位置變化或由溫度變化引起的象差變化的條件下獲得。
權(quán)利要求
1.一種在用來記錄和/或再現(xiàn)在光學(xué)記錄介質(zhì)上的信息的光學(xué)拾取裝置中使用的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)具有光軸而且包括物鏡系統(tǒng)，用來把從光源發(fā)出的光束會聚在光學(xué)記錄介質(zhì)上；光學(xué)象差校正元件，其包括安排在光源和物鏡系統(tǒng)之間的光程上的兩個透鏡，并且該光學(xué)象差校正元件沿光軸方向具有可調(diào)的距離；其中，該光學(xué)象差校正元件包括在該光學(xué)象差校正元件的至少一個透鏡表面上形成的環(huán)狀的相位結(jié)構(gòu)，而且其中，該環(huán)狀的相位結(jié)構(gòu)是非周期性的并且包括許多同心的環(huán)形表面k(k＝1...N)，而且每個環(huán)形表面沿光軸方向都具有在相鄰的環(huán)形表面之間的一個階梯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，在環(huán)形表面k和k+1之間的階梯距離是實質(zhì)上滿足下面的表達式的hkhk＝mkλ/(n-1)其中mk表示整數(shù)，λ表示從光源發(fā)出的光束的波長，而n表示環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的材料對于波長為λ的光束的折射系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，包括用來使從光源發(fā)出的光束準直的準直儀透鏡，其中該準直儀透鏡被安排在光源和光學(xué)象差校正元件之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該光學(xué)象差校正元件的兩個透鏡包括正透鏡和負透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該環(huán)形表面的各階梯在同一方向上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)是在該光學(xué)象差校正元件中最靠近物鏡系統(tǒng)的表面上提供的，而且滿足下面的表達式D/rL＜0.1其中D表示物鏡系統(tǒng)的入射光瞳的直徑，rL表示最靠近物鏡系統(tǒng)的表面的曲率半徑的絕對值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該光學(xué)系統(tǒng)滿足下面的表達式0.2＜(R∑mk)/(N|f|)＜4其中R表示在其上面提供階梯的透鏡的有效半徑；mk表示(n-1)hk/λ；n表示環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)的材料對于波長為λ的光束的折射系數(shù)；hk表示第k個環(huán)形表面和第k+1個環(huán)形表面之間的階梯距離；λ表示從光源發(fā)出的光束的波長；∑mk表示全部階梯距離的總和；N表示在有效半徑內(nèi)環(huán)形表面的數(shù)目；f表示在其上面提供階梯的透鏡的焦距。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)系統(tǒng)，其中，環(huán)形表面的數(shù)目N在4到30的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，從光源發(fā)出的光束的波長小于或等于500納米，而且各階梯沿透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)增加的方向改變偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA大于或等于0.7，而且進一步包括透鏡驅(qū)動裝置，用來控制在光學(xué)拾取裝置中由于改變光學(xué)象差校正元件的兩個透鏡之間的距離而引起的大量的球面象差。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，物鏡系統(tǒng)用塑料制成，而且物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA大于或等于0.7，以及其中，各階梯距離被設(shè)計成校正由溫度變化引起的大量的球面象差。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，物鏡系統(tǒng)用塑料制成，而且物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA大于或等于0.7，以及其中，為了減少由溫度變化引起的大量的球面象差，各階梯沿著透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)增加的方向偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中，物鏡系統(tǒng)包括兩個塑料透鏡而且該物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA大于或等于0.7，其中，為了減少由溫度變化引起的大量的球面象差，各階梯沿著透鏡厚度作為離開光軸的距離的函數(shù)增加的方向離散地偏移。
14.一種光學(xué)拾取裝置，其包括光源；以及如權(quán)利要求1中描述的光學(xué)系統(tǒng)。
15.一種用于聲音和/或圖像的記錄和/或再現(xiàn)裝置，其包括如權(quán)利要求14中描述的光學(xué)拾取裝置；以及支撐構(gòu)件，用來支撐光學(xué)記錄介質(zhì)以使光學(xué)拾取裝置能夠記錄和/或再現(xiàn)信息信號。
全文摘要
一種在用來記錄和/或再現(xiàn)光學(xué)記錄介質(zhì)上的信息的光學(xué)拾取裝置中使用的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)具有光軸而且包括用來把光源發(fā)出的光束會聚在光學(xué)記錄介質(zhì)上的物鏡系統(tǒng)；包括安排在光源和物鏡系統(tǒng)之間的光程上的兩個透鏡而且在光軸方向上具有可調(diào)的距離的光學(xué)象差校正元件，該光學(xué)象差校正元件包括在光學(xué)象差校正元件的至少一個透鏡表面上形成的環(huán)狀相位結(jié)構(gòu)，而且該環(huán)狀的相位結(jié)構(gòu)是非周期性的并且包括許多同心的環(huán)形表面k(k＝1...N)，而且每個環(huán)形表面沿光軸方向都有在相鄰的環(huán)形表面之間的一個階梯。
文檔編號G11B7/09GK1577542SQ200410061768
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者伯納德斯·H·W·荷得理克, 森伸芳, 木村徹 申請人:皇家飛利浦電子有限公司, 柯尼卡美能達精密光學(xué)株式會社