專利名稱：帶相位補償板的激光頭物鏡及使用它的激光頭裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是使用多種單色光的多波長用光學系統(tǒng)，其涉及可用于能對應于例如CD(Compact Disc也包括CD-R等的CD)、DVD(Digital Versatile Disc)、藍光盤(ブル一レイ)、HD-DVD(High-Definition DVD)等種類不同的光記錄媒體的互換型記錄讀取裝置的帶相位補償板的激光頭物鏡及使用它的激光頭裝置。
背景技術：
一直以來，提出了可用一個裝置對CD和DVD等多種光盤進行記錄或讀取的互換型光盤裝置的方案。
在這種互換型光盤裝置中，為了記錄或讀取存儲在CD和DVD等(以下統(tǒng)稱為光盤)各自的光盤上的信息信號，需要將來自光源的激光束通過透明基板聚光到各自的光盤的信息記錄面上。但是，由于(1)CD在記錄或讀取時所使用的激光束的波長和DVD在記錄或讀取時所使用的激光束的波長不同，(2)相對于CD的透明基板的厚度為1.2mm，由于DVD的透明基板的厚度為0.6mm，所以將一直以來所用的聚光透鏡原封不動地在互換型光盤裝置中共用于CD和DVD時，由于以上述(1)和(2)為起因而產(chǎn)生的像差，因而直到衍射極限附近都不能將分別用于CD和DVD的激光束聚光到各光盤的信息記錄面上。
而且，與近年來提出的超高密度記錄相對應的光盤(藍光盤、HD-DVD對應的裝置將波長405nm的藍色激光用于信息的記錄或讀取。因此，就以后的互換型光盤裝置而言，期望不僅能記錄或讀取CD和DVD，也能記錄或讀取對應于超高密度記錄的光盤。即，雖然現(xiàn)有的互換型光盤裝置考慮了兩種光源波長和兩種厚度不同的透明基板，但以后的互換型光盤裝置則需要考慮三種光源波長和三種厚度不同的透明基板。
這種情況下，作為互換型光盤裝置可考慮在作為其構成部件的激光頭上設置對每種光盤都不產(chǎn)生像差的聚光透鏡，且根據(jù)所使用的光盤種類來更換聚光透鏡，或者對每種光盤設置激光頭，且根據(jù)所使用的光盤種類來更換激光頭。但是，為降低成本及實現(xiàn)裝置小型化，就聚光透鏡而言，期望可對每種光盤使用相同的透鏡。
專利文獻1-日本特開2004-6005號公報公開了該聚光透鏡的第一實例。根據(jù)該專利文獻1，其配備有在第二光媒體上記錄讀取信息的波長λ1的光源，在第一光媒體上記錄讀取信息的波長λ2(λ1＜λ2)的光源，在比第一光媒體及第二光媒體厚的基板的第三光媒體上記錄讀取信息的波長λ3(λ2＜λ3)的光源及將來自各光源的光束聚光到各光媒體上的聚光透鏡；其特征是，在第二光媒體上記錄讀取時將波長λ1的光束作為平行光入射到聚光透鏡1上，在第一光媒體上記錄讀取時將波長λ2的光束作為平行光入射到聚光透鏡上，在第三光媒體上記錄讀取時將波長λ3的光束作為平行光入射到聚光透鏡上。
該文獻所公開的聚光透鏡做成在具有正焦度的折射透鏡的一面上密集地設置環(huán)帶狀的細微臺階差而構成的衍射透鏡結構。該衍射透鏡結構設計成使作為平行光束而入射到聚光透鏡(以下稱無限系)的波長λ1的激光束聚光到具有厚度較薄的基板的第二光媒體的信息記錄面上，再使無限系的波長λ2的激光束聚光到具有相同厚度的基板的第一光媒體的信息記錄面上。
另一方面，由于聚光透鏡對波長λ3沒有任何考慮，所以在用波長λ3的激光束在第三光媒體上記錄讀取信息的情況下產(chǎn)生了波面像差。因此，不是將該激光束平行校準為平行光束，而是作為發(fā)散光使其入射到聚光透鏡(以下稱有限系)。使用的方法是，通過改變該入射光的發(fā)散程度，即改變幾何光學中所說的對聚光透鏡來說的物體距離來改變球差。
專利文獻2-日本特開2004-79146號公報公開了該聚光透鏡的第二實例。根據(jù)該專利文獻2，其配備有在第一光媒體上記錄讀取信息的波長λ1的光源，在第二光媒體上記錄讀取信息的波長λ2(λ1＜λ2)的光源，在第三光媒體上記錄讀取信息的波長λ3(λ2＜λ3)的光源及將來自各光源的光束聚光到各光媒體上的聚光透鏡；其特征是，在第一光媒體上記錄讀取時將波長λ1的光束作為平行光入射到聚光透鏡1上，在第二光媒體上記錄讀取時將波長λ2的光束作為發(fā)散光入射到聚光透鏡上，在第三光媒體上記錄讀取時將波長λ3的光束作為發(fā)散光入射到聚光透鏡上。
這種情況下的聚光透鏡做成在具有正焦度的折射透鏡的一面上密集地設置環(huán)帶狀的細微臺階差而構成的衍射透鏡結構。但是，該聚光透鏡被設計成對波長λ1為無限系，對波長λ2和λ3為有限系。這是因為，如文獻2中所公開的，對λ2和λ3為有限系，當對第二、第三光盤入射發(fā)散光束時，由于可減小源于衍射構造必須修正的不同種類的光盤的基板厚度的不同而產(chǎn)生的像差量，所以可擴大相鄰的環(huán)帶的間隔，可緩和因環(huán)帶形狀的制造誤差所引起的衍射效率的下降。
再有，根據(jù)該專利文獻2，其配備有在第一光媒體上記錄讀取信息的波長λ1的光源，在第二光媒體上記錄讀取信息的波長λ2(λ1＜λ2)的光源，在第三光媒體上記錄讀取信息的波長λ3(λ2＜λ3)的光源及將來自各光源的光束聚光到各光媒體上的聚光透鏡；其特征是，在第一光媒體上記錄讀取時將波長λ1的光束作為平行光入射到聚光透鏡1上，在第二光媒體上記錄讀取時將波長λ2的光束作為平行光入射到聚光透鏡上，在第三光媒體上記錄讀取時將波長λ3的光束作為平行光入射到聚光透鏡上。
這種情況下的聚光透鏡被設計成只相對于波長λ1和第一光媒體的基板厚度而使波面像差變小，而不做成在具有正焦度的折射透鏡的一面上密集地設置環(huán)帶狀的細微的臺階差構成的衍射透鏡結構。因此，雖然在用波長λ2在第二光媒體上記錄信息的情況下產(chǎn)生波面像差，但是將形成有由同心圓狀的多個環(huán)帶構成的衍射結構的耦合鏡頭用于只有波長λ2的光通過的光路中，則利用該耦合鏡頭修正波面像差。同樣地，雖然在用波長λ3在第三光媒體上記錄信息的情況下產(chǎn)生波面像差，但是將形成有由同心圓狀的多個環(huán)帶構成的衍射結構的耦合鏡頭用于只有波長λ3的光通過的光路中，則利用該耦合鏡頭修正波面像差。作為其它方法，還公開了使用由波長λ2和波長λ3構成的雙波長激光器，將形成有由上述同心圓狀的多個環(huán)帶帶構成的衍射結構的耦合鏡頭共用于波長λ2和波長λ3的方法。
上述現(xiàn)有技術例子中，由于可使用共用的聚光透鏡，所以對各種光盤不需要用來更換包含聚光透鏡的使用部件的手段，有利于降低成本及簡化結構。
但是，在上述專利文獻1中，在用波長λ3的激光束在第三光媒體上記錄讀取信息的情況下，雖然使用有限系修正了所發(fā)生的像差，但在用波長λ1的激光束在第二光媒體上記錄讀取信息的情況下，還有在用波長λ2的激光束在第一光媒體上記錄讀取信息的情況下，共同擁有無限系的光學系統(tǒng)和部件是困難的；另外，在使用作為一個元件具有λ1、λ2、λ3的波長的三波長激光的情況下，特別是只在用在用波長λ3的激光束在第三光媒體上記錄讀取信息的情況下做成有限系是困難的。因此，存在的問題是，由于這些理由而不能實現(xiàn)簡單的光學系統(tǒng)。這個問題在專利文獻2所公開的只在用波長λ1的激光束在第一光媒體上記錄讀取信息時做成有限系的情況下也是相同的。
再有，存在的問題是在將發(fā)散光入射到聚光透鏡，將該聚光透鏡搭載到驅動機構上并進行循跡伺服的情況下，產(chǎn)生了由聚光透鏡的光軸和入射光的光軸的偏移所引起的有限系特有的像差，并且不能使激光束充分地聚光于光盤的信息記錄面上。
另一方面，雖然專利文獻2還公開了全部由無限系構成的方法，但是在只有波長λ2或波長λ3的光通過的光路中，需要插入用于修正波面像差的耦合鏡頭，在使用上述三波長激光器的情況下，存在的問題是，光學系統(tǒng)的結構變得復雜。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于消除上述問題。即，提供一種帶相位補償板的激光頭物鏡及使用它的激光頭裝置，其對于使用波長不同的多種光盤中的每種而用簡單的光學系統(tǒng)盡可能地保證波面像差降低的狀態(tài)，而且，即使在用驅動機構進行循跡伺服的情況下也不會產(chǎn)生由聚光透鏡的光軸和入射光的光軸的偏移所引起的有限系特有的像差。
本發(fā)明的激光頭物鏡由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成，其特征是，該聚光透鏡的至少一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。根據(jù)這種結構，對于使用波長為λ1、λ2、λ3的不同的三種信息記錄媒體中的每種，用簡單的光學系統(tǒng)就能盡可能地保證波面像差降低的狀態(tài)。
而且，可將液晶像差修正元件作為相位補償板。因此，由于能夠以電學方式控制相位補償板的動作，所以相位補償板能可靠的地補償只與其對應的波長的波面像差。
再有，也可將具有臺階狀的環(huán)帶構造的元件作為相位補償板。這時，當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，相位補償板的環(huán)帶構造的用于補償CD的相位的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，理想的是α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
優(yōu)選的是，波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。而且，也可以是波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。這樣，可對應于CD、DVD、藍光盤、HD-DVD等種類不同的光記錄媒體。
本發(fā)明的激光頭裝置是用波長λ1、λ2、λ3的光源在分別具有基板厚度為t1、t2、t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取的激光頭裝置，其特征是，所述激光頭裝置是使用由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成的帶相位補償板的激光頭物鏡在信息記錄媒體上進行信息的記錄讀取，并在該聚光透鏡的至少一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
而且，可將液晶像差修正元件作為相位補償板。因此，由于能夠以電學方式控制相位補償板動作，所以相位補償板能可靠地補償只與其對應的波長的波面像差。
再有，也可將具有臺階狀的環(huán)帶構造的元件作為相位補償板。這時，當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，相位補償板的環(huán)帶構造的用于補償CD的相位的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，理想的是α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
優(yōu)選的是，波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。而且，也可以是波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。這樣，可對應于CD、DVD、藍光盤、HD-DVD等種類不同的光記錄媒體。
本發(fā)明的激光頭物鏡由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板構成，其特征是，該聚光透鏡的兩面由連續(xù)的非球面形狀構成，并且該相位補償板的第一面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板第二個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
優(yōu)選的是，波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。而且，也可以是波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。這樣，可對應于CD、DVD、藍光盤、HD-DVD等種類不同的光記錄媒體。當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，相位補償板的環(huán)帶構造的用于補償CD的相位的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，理想的是α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
本發(fā)明的激光頭裝置是用波長λ1、λ2、λ3的光源在分別具有基板厚度為t1、t2、t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取的激光頭裝置，其特征是，所述激光頭物鏡使用由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成的帶相位補償板的激光頭物鏡在信息記錄媒體上進行信息的記錄讀取，并且該聚光透鏡的兩面由連續(xù)的非球面形狀構成，而且該相位補償板的第一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板的第二個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
優(yōu)選的是，波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。而且，也可以是波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。這樣，可對應于CD、DVD、藍光盤、HD-DVD等種類不同的光記錄媒體。當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，相位補償板的環(huán)帶構中的用于補償CD的相位的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，理想的是α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，對于用不同波長且不同種類的光盤，通過設定聚光透鏡的非球面形狀及像差修正板中的相位補償量，從而使其處于通過各任意光線高度的光路間呈像差少的狀態(tài)，可保證相對于各光盤的像差足夠減小的狀態(tài)。而且，具有的優(yōu)點是由于可將全部的激光束作為無限系來構成光學系統(tǒng)，所以就某些特定波長的激光束而言，沒有必要改變對于聚光透鏡的物體距離，即使在具有多個波長的多波長激光中也可用簡易的光學系統(tǒng)來實現(xiàn)，同時，即使是在用搭載了該透鏡的驅動機構來進行循跡伺服的情況下，由于不產(chǎn)生有限系特有的像差而能將激光束充分地聚光于光盤的信息記錄面上等。
圖1是本發(fā)明的激光頭的概要圖。
圖2是本發(fā)明的聚光透鏡及相位補償板的概要圖。
圖3是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取HD-DVD的情況下的波面像差的分布圖。
圖4是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取DVD的情況下的波面像差的分布圖。
圖5是表示在不使用本發(fā)明的相位補償板來記錄或讀取CD的情況下的波面像差的分布圖。
圖6是表示構成本發(fā)明的相位補償板的各相位修正要素所導致的相位差圖。
圖7是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取CD的情況下的波面像差的分布圖。
圖8是表示在光盤為HD-DVD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖9是表示在光盤為DVD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖10是表示在光盤為CD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖11是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖12是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖13是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖14是表示本發(fā)明的聚光透鏡的光程差的圖。
圖15是表示本發(fā)明的激光頭的概要圖。
圖16是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取HD-DVD的情況下的波面像差的分布圖。
圖17是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取DVD的情況下的波面像差的分布圖。
圖18是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取CD的情況下的波面像差的分布(限制孔徑內)圖。
圖19是表示在用本發(fā)明的激光頭來記錄或讀取CD的情況下的波面像差的分布圖。
圖20是表示在光盤為HD-DVD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖21是表示在光盤為DVD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖22是表示在光盤為CD的情況下的本發(fā)明的激光頭的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖23是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖24是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖25是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖26是表示本發(fā)明的光程差的圖。
圖27是表示本發(fā)明的相位補償板的結構圖。
圖28是本發(fā)明的聚光透鏡及相位補償板的概要圖。
圖29是表示透鏡坐標軸的圖。
圖30是表示本發(fā)明的藍光盤的波面像差分布的計算結果圖。
圖31是表示本發(fā)明的DVD的波面像差分布的計算結果圖。
圖32是表示本發(fā)明的CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果圖。
圖33是表示本發(fā)明的CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果圖。
圖34是表示本發(fā)明的透鏡模塊和光盤的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖35是表示本發(fā)明的透鏡模塊和光盤的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖36是表示本發(fā)明的透鏡模塊和光盤的透鏡數(shù)據(jù)圖。
圖37是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖38是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖39是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖40是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖41是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖42是用數(shù)表來表現(xiàn)本發(fā)明的相位補償板的非球面形狀的圖。
圖43是表示與本發(fā)明的藍光盤/DVD共用區(qū)域及藍光盤專用區(qū)域相當?shù)母乓獬痰钠茍D。
圖44是表示本發(fā)明的相位補償板的結構圖。
圖45是表示本發(fā)明的聚光透鏡的面形狀圖。
圖46是本發(fā)明的聚光透鏡及相位補償板的概要圖。
圖47是表示本發(fā)明的相位補償板的α取值范圍表。
圖48是表示本發(fā)明的相位補償板的α取值范圍表。
圖中100三波長激光器101激光102偏振光分光器103準直透鏡104透鏡模塊105限制孔徑106相位補償板 1071/4波長片 108聚光透鏡109光盤110檢測器 120透鏡模塊121限制孔徑122相位補償板 123聚光透鏡1251/4波長片
具體實施例方式
第一實施例下面，詳細說明本發(fā)明的第一實施例。圖1表示本發(fā)明的激光頭的一個實例。簡而言之，三波長激光器100配備有HD-DVD用光源(波長λ＝405nm)、DVD用光源(波長λ＝655nm)、CD用光源(波長λ＝790nm)。從三波長激光器100射出的激光101分別為具有一定發(fā)散角的發(fā)散光，且通過偏振光分光器102，并由準直透鏡103轉換成大體平行光。將該平行光供給作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊104，并直到衍射極限附近聚光到光盤109的信息記錄面上。由光盤109的信息記錄面所反射的激光束再通過透鏡模塊104供給偏振光分光器102，被偏振光分光器102反射后，通過檢測器110進行光電變換。光盤裝置根據(jù)通過該光電變換得到的電信號來生成對焦伺服信號、循跡伺服信號及讀取信號等。再有，HD-DVD用、DVD用、CD用光盤的透明基板厚度分別為0.6mm、0.6mm、1.2mm。
其次，詳細說明作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊104。本實施例中所示的透鏡模塊104由限制孔徑105、相位補償板106、1/4波長片107及聚光透鏡108構成。在對焦伺服及循跡伺服時，透鏡模塊104成為一體由未圖示的驅動機構操縱。
限制孔徑105是一直以來使用的元件，用于決定透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑。即，在光盤109是HD-DVD的情況下，操縱限制孔徑105以使透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑約為0.65，在光盤109是DVD的情況下，操縱限制孔徑105以使透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑約為0.60，在光盤109是CD的情況下，操縱限制孔徑105以使透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑約為0.44。作為限制孔徑105，可使用例如日本特開平9-54977號公報所公開的波長選擇濾光器。
相位補償板106是用來進行補償以降低不能用聚光透鏡108完全降低的波面像差成分的元件，在本實施例中，它是只在光盤為CD的情況下進行工作的元件。其詳述構造將于后述。
1/4波長片107是用于將激光的線性偏振光轉變?yōu)閳A偏振光的元件。聚光透鏡108是起到將激光束聚光到光盤109的信息記錄面上的作用的元件，如圖2所示，其單面具有不連續(xù)的非球面形狀。確定這種不連續(xù)的非球面形狀以盡量抑制HD-DVD和DVD的記錄或讀取時的波面像差。關于其具體確定方法，已在先前提出的日本特開2004-127510號公報中公開。
圖8、圖9、圖10是圖1中所示的透鏡模塊104和光盤109的透鏡數(shù)據(jù)，圖8相當于HD-DVD的情況，圖9相當于DVD的情況，圖10相當于CD的情況。作為本實施例的相位補償板106由于使用如后述的液晶像差修正元件，因而其材質為玻璃類。再有，聚光透鏡108的材質為塑料類，光盤109的透明基板為聚碳酸酯(PC)。這些材質的每個波長的折射率如圖8、圖9、圖10所示。此外，“空氣”是指面與面之間充滿空氣。
如圖1所示，雖然透鏡模塊104中包含1/4波長片107，但是1/4波長片107是只具有操作光的偏振光面的功能的平板元件，由于在確定構成透鏡模塊104的其它光學元件的面形狀時不產(chǎn)生影響，所以在圖8、圖9、圖10的各透鏡數(shù)據(jù)中，為了簡便而省略了其記載。
圖11、圖12、圖13是以數(shù)表表現(xiàn)了聚光透鏡108的非球面形狀的圖。通常，在圖29所表示的坐標系中，將透鏡的非球面形狀用所謂垂度z表示為下面的式(1)。其中，c＝1/R。
Z=cr2!+(1-(1+k)c2r2)+Σi=28A2ir2i+B]]>式(1)如果用該式(1)的參數(shù)來標明聚光透鏡108的物體側的面，則如圖11、圖12、圖13所示。即，如圖2所示，由于聚光透鏡108的物體側的面具有不連續(xù)的非球面形狀，所以在構成這種不連續(xù)非球面形狀的每個區(qū)域中標明該非球面形狀。圖11、圖12、圖13中的“區(qū)域范圍”表示在各區(qū)域中用式(1)表示的非球面形狀有效的透鏡半徑(單位為mm)。而且，圖11、圖12、圖13中的“B”表示光軸上的下垂量(單位為mm)。由連續(xù)的非球面形狀構成的像側的面由圖13表示。再有，圖11、圖12、圖13中表示的各參數(shù)的值是為了將HD-DVD和DVD的記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小而確定的結果。
如圖11、圖12、圖13所示，聚光透鏡108的物體側的面由10個環(huán)帶狀區(qū)域構成，由于從含光軸的區(qū)域向透鏡外側方向數(shù)到第七區(qū)域是在HD-DVD和DVD的記錄讀取時共用的區(qū)域，所以下面稱為HD-DVD/DVD共用區(qū)域，而從第八到第十區(qū)域有于是僅在HD-DVD時使用的區(qū)域，所以以下稱為HD-DVD專用區(qū)域。
圖14表示的是，在圖11、圖12、圖13所示的各非球面部分中，當以第一區(qū)間的大概光程為基準時，相當于HD-DVD/DVD共用區(qū)域和HD-DVD專用區(qū)域的第二到第十區(qū)間的大概光程分別偏移了波長λ的大致多少倍。
從圖14可知，第二到第十區(qū)間對于波長405nm的HD-DVD而言其差為2mλ，對于波長655nm的DVD及波長790nm的CD而言其差為mλ(m為整數(shù))。這是因為，由于短波長λ1在380-430nm之間，長波長λ2在630-680之間，λ3在波長790nm附近，所以易于滿足上述大概光程差的關系。
圖3表示進行不連續(xù)的非球面形狀的最優(yōu)化時的HD-DVD的波面像差分布的計算結果，圖4表示DVD的波面像差分布的計算結果。圖3和圖4都是將在信息記錄面上產(chǎn)生的波面像差通過光線追蹤換算成在聚光透鏡108的瞳面上的波面像差的結果，橫軸是表示以聚光透鏡的半徑進行了標準化的聚光透鏡的標準化半徑。HD-DVD的波面像差的rms值為0.034，DVD的波面像差的rms值為0.035，在任何情況下直到衍射極限附近都可將激光束聚光到光盤的信息記錄面上。
另一方面，CD的波面像差分布的同樣的計算結果則如圖5的實線所示。該波面像差的rms值為0.177，與HD-DVD和DVD的情況比較非常大，在CD的情況下直到衍射極限附近不能將激光束聚光到光盤的信息記錄面上。這是因為，聚光透鏡108的不連續(xù)非球面形狀的確定始終對CD的波面像差沒有做任何考慮，而只不過是為了盡量抑制HD-DVD和DVD的記錄或讀取時的波面像差。但是，通過聚光透鏡108的面形狀可以控制波面像差的波長的數(shù)量最大為兩個，對于兩種以上的波長，為了降低波面像差還需要采用其它手段。再有，圖5的實線所示的波面像差分布含有不連續(xù)點是由于為了盡可能抑制在聚光透鏡108的單面上進行HD-DVD和DVD的記錄或讀取時的波面像差而存在不連續(xù)的非球面形狀。
相位補償板106起到了降低CD在記錄或讀取時利用聚光透鏡108沒有完全降低的、由圖5的實線所示的波面像差成分的作用。即，相位補償板106對其通過的激光束加上與圖5中的虛線所示的相位差符號相反的相位差，作為結果進行達到如圖7所示的波面像差那樣的操作。下面，詳細說明相位補償板106的動作。
圖2表示相位補償板106的實例。相位補償板106由多個同心圓狀的相位修正要素構成，由各相位修正要素激光束分別形成的相位差量不同。如圖2所示，當將同心圓狀的相位修正要素從相位補償板106的中心方向設為p1、p2、…、pn，并將其各外延設為b1、b2、…、bn時，則在本實施例中，在使由各相位修正要素所形成的相位差為p1＝0λ、p2＝-0.12λ、p3＝一0.24λ、p4＝-0.36λ、p5＝-0.48λ、p6＝-0.36λ、p7＝-0.24λ、p8＝-0.12λ、p9＝0λ的情況下，各相位修正要素的外延如果以CD在記錄或讀取時的限制孔徑105的半徑進行了標準化的標準化半徑來說為b1＝0.204、b2＝0.262、b3＝0.363、b4＝0.507、b5＝0.549、b6＝0.601、b7＝0.651、b8＝0.674、b9＝1(參照圖5、圖6)。
圖7表示使用相位補償板106來降低CD在記錄或讀取時利用聚光透鏡108沒有完全降低的以圖5的實線所示的波面像差成分的情況的波面像差的計算結果。相對于補償前的波面像差的rms值為0.177，補償后的波面像差的rms值為0.040，可見有大幅度地改善。這次，雖然使由各相位修正要素所形成的相位差設為-0.12λ的倍數(shù)，但是，如果取例如-0.10λ的倍數(shù)，則可進一步降低波面像差的rms值。但是，必須用更多的各相位修正要素來構成相位補償板106。再有，這次，雖將由各相位修正要素所形成的相位差取某個值的倍數(shù)，但并不是必須將各相位修正要素所形成的相位差取某個值的倍數(shù)。例如，也有如下設定的方法，即將各相位修正要素的外延b1、b2、…、bn設定成與聚光透鏡108的不連續(xù)點a1、a2、…、am(參照圖2)極不一致。這種情況下，即使對于相位補償板106和聚光透鏡108的位置偏移也有利于增加容許度。
此外，相位補償板106必須只在光盤為CD的情況下產(chǎn)生上述相位差。對于HD-DVD和DVD，由于設計成由聚光透鏡108的不連續(xù)的非球面形狀減小波面像差，所以這種情況下，相位補償板106反而增大波面像差。因此，相位補償板106必須是能以機械方法插入到光路中，或者能以電學方法控制其運轉或停止。作為后者的實例，可使用日本特開平10-269611號公報所公開的液晶像差修正元件。
再有，也可以考慮如下的方法，即，使聚光透鏡108只對一個波長具有降低波面像差的作用，而對于對其它兩個波長不能降低的波面像差則使用兩個最優(yōu)化的上述相位補償板106分別對兩個波長補償波面像差的方法。但是，由于相位補償板具有有限的透射率，所以在使用兩個的情況下，與使用一個的情況相比在透射率方面是不利的。
第二實施例下面，詳細說明本發(fā)明的第二實施例。在第一實施例中，作為相位補償板，需要能以機械方法插入到光路中，或者能以電學方法控制其運轉或停止的元件，作為其實例可使用液晶補償板作為相位補償板。另一方面，第二實施例的特征是，不必將相位補償板以機械方法插入到光路中，或以電學方法控制其動作，而且，與第一實施例比較，本發(fā)明的透鏡模塊的結構變得非常簡單。
圖15表示本發(fā)明的激光頭的一個實例。簡而言之，三波長激光器100配備有HD-DVD用光源(波長λ＝405nm)、DVD用光源(波長λ＝655nm)、CD用光源(波長λ＝790nm)。從三波長激光器100射出的激光101分別為具有一定發(fā)散角的發(fā)散光，且通過偏振光分光器102，并由準直透鏡103轉換成大體平行光。該平行光由1/4波長片125將激光101的線性偏振光轉變成圓偏振光后，供給到作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊120，并直到衍射極限附近聚光到光盤109的信息記錄面上。由光盤109的信息記錄面所反射的激光束再次通過透鏡模塊120，并由1/4波長片125使光的偏振光從圓偏振光變換成相對于入射光的偏光面旋轉90度的線性偏振光。其后，將其供給偏振光分光器102，由偏振光分光器102反射后，通過檢測器110進行光電變換。光盤裝置根據(jù)經(jīng)該光電變換所得到的電信號來生成對焦伺服信號、循跡伺服信號及讀取信號等。再有，HD-DVD用、DVD用、CD用光盤的透明基板厚度分別為0.6mm、0.6mm、1.2mm。
其次，詳細說明作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊120。本實施例中所示的透鏡模塊120由限制孔徑121、相位補償板122、聚光透鏡123構成。在對焦伺服及循跡伺服時，透鏡模塊120成為一體由未圖示的驅動機構操縱。
再有，與第一實施例不同，透鏡模塊120不包含1/4波長片125。這是因為第一實施例中作為相位補償板106使用的液晶像差修正元件具有偏光特性，與需要將1/4波長片107配置于相位補償板106的后段相反，第二實施例中作為相位補償板122使用的元件沒有偏光特性，1/4波長片125在光路上的配置位置不受相位補償板122的限制。另一方面，由于透鏡模塊120成為一體由未圖示的驅動機構操縱，所以透鏡模塊120因體積小重量輕量而提高了對焦伺服及循跡伺服的特性。因此，在第二實施例中，將1/4波長片125配置于透鏡模塊120之外且比透鏡模塊120更靠前，與第一實施例比較，還可簡化透鏡模塊120的結構。
限制孔徑121確定了透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑NA。但是，與第一實施例不同，限制孔徑121的孔徑所使用的物體不是活動的而是固定的，其孔徑直徑確定為，在光盤109為HD-DVD的情況下其有效數(shù)值孔徑NA＝約0.65。具體地，根據(jù)孔徑直徑＝2×NA×透鏡焦距的關系，由于透鏡焦距＝3.102mm，因而限制孔徑121的孔徑直徑＝4.032mm。
另一方面，在光盤109為DVD或CD的情況下，如第一實施例中所述，由于通常需要變?yōu)楦黝A定孔徑直徑，所以其孔徑控制方法成為問題。為解決該問題，首先在光盤109為DVD的情況下，將透鏡模塊120的有效數(shù)值孔徑NA設計成約為0.629。這樣，通過與透鏡焦距＝3.205mm的關系，則與HD-DVD所必須的限制孔徑121的孔徑直徑＝4.032mm相同。因此，由于可將孔徑直徑＝4.032mm的固定孔徑的限制孔徑121共用于HD-DVD和DVD，所以在DVD的情況下孔徑控制不成問題。另一方面，在光盤109為CD的情況下，使后面詳述的相位補償板122也同時具有CD用孔徑限制功能，從而解決了該孔徑控制問題。對于CD情況下的孔徑控制將在相位補償板122的說明中詳述。
相位補償板122進行補償以降低利用聚光透鏡123沒有完全降低的CD的波面像差成分，在本實施例中，與第一實施例不同，不需要將相位補償板122以機械方法插入到光路中或以電學方法進行動作控制，即使光盤109為HD-DVD、DVD、CD中任一種，也可在光路中固定放置并使用。這里只是描述了概要，其詳情將在后面與CD情況下的孔徑控制一起敘述。
聚光透鏡123是起將激光束聚光到光盤109的信息記錄面上的作用的元件，如圖28所示，在其單面上具有不連續(xù)的非球面形狀。確定該不連續(xù)非球面形狀以盡量抑制HD-DVD和DVD在記錄或讀取時的波面像差。
圖20、圖21、圖22是圖15中所示的透鏡模塊120和光盤109的透鏡數(shù)據(jù)，圖20相當于HD-DVD的情況，圖21相當于DVD的情況，圖22相當于CD的情況。本實施例的相位補償板122的材質為塑料類，聚光透鏡123的材質為塑料類，光盤109的透明基板為聚彈酸酯(PC)。這些材質的每個波長的折射率如圖20、圖21、圖22所示。此外，“空氣”是指面與面之間充滿空氣。
圖23、圖24、圖25以數(shù)表表現(xiàn)了聚光透鏡123的非球面形狀。如果用該式(1)的參數(shù)來標明聚光透鏡123的物體側的面，則如圖23、圖24、圖25所示。即，如圖28所示，由于聚光透鏡123的物體側的面具有不連續(xù)的非球面形狀，所以在構成這種不連續(xù)的非球面形狀的每個區(qū)域中都標明該非球面形狀。圖23、圖24、圖25中的“區(qū)域范圍”表示在各區(qū)域中用式(1)表示的非球面形狀有效的透鏡半徑(單位為mm)。而且，圖23、圖24、圖25中的“B”表示光軸上的下垂量(單位為mm)。由連續(xù)的非球面形狀構成的像側的面由圖25表示。再有，圖23、圖24、圖25中表示的各參數(shù)的值是為了將HD-DVD和DVD在記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小而確定的結果。
如圖23、圖24、圖25所示，聚光透鏡123的物體側的面由9個環(huán)帶狀區(qū)域構成，在第二實施例中，由于全部區(qū)域都是在HD-DVD和DVD的記錄讀取時一起使用的區(qū)域，所以全部都為HD-DVD/DVD的共用區(qū)域，。
圖26表示的是，在圖23、圖24、圖25所示的各非球面部分中，當以第一區(qū)間的大概光程為基準時，相當于HD-DVD/DVD共用區(qū)域的第二到第九區(qū)間的大概光程分別偏移了波長λ的大概多少倍。
從圖26可知，第二到第九區(qū)間相對于波長405nm的HD-DVD的差為2mλ，相對于波長655nm的DVD及波長790nm的CD的差為mλ(m為整數(shù))。這是因為，由于短的波長λ1在380-430nm之間，長波長λ2在630-680之間，λ3在波長790nm附近，所以易于滿足上述大概光程差的關系。
相位補償板122的特征如圖28所示，具有以光軸為中心的環(huán)帶構造，且由各環(huán)帶對光形成的相位差不同。該效果通過在相位補償板122上設置臺階狀的環(huán)帶構造，且對每個環(huán)帶在光軸方向上具有各不相同的深度D來實現(xiàn)。但是，以λ1＝405nm的波長的光為基準光，并根據(jù)與對應于該基準光的相位補償板122的材料的折射率n1的關系來確定環(huán)帶深度D以滿足D＝α×λ1/(n1-1)式。上式中的α為整數(shù)。這就是將環(huán)帶深帶度D設定為，無論在λ1＝405nm的基準光通過和不通過某個環(huán)帶的情況下，實質上波面的相位都不偏移。即，滿足該式的相位補償板122對HD-DVD的波長的光變得不靈敏。再有，由深度D所產(chǎn)生的DVD的波長λ2中的相位差 為Φ2＝D/λ2、Φ2’＝n2.D/λ2時，可由下式表示。
＝(n2-1)D/λ2＝α(λ1/λ2)(n2-1)/(n1-1)ΔΦ2=Φ2-Φ2′]]>=(n2-1)D/λ2]]>=a(λ1/λ2)(n2-1)/(n1-1)]]>如果選擇α以使該 的值接近整數(shù)，則相位補償板122處于對DVD的波長的光接近于不靈敏的狀態(tài)。
而且，由深度D所產(chǎn)生的CD的波長λ3中的相位差 可由下式表示。
ΔΦ3=Φ3-Φ3′]]>=(n3-1)D/λ3]]>=a(λ1/λ3)(n3-1)/(n1-1)]]>這時，對于CD的波長的光，由于相位差可以用相位補償板122進行補償，所以 不必接近于整數(shù)，要求經(jīng)驗上滿足下式。
ΔΦ3≤0.20]]>為了分別滿足這些條件地，改變參數(shù)值反復計算以求出最佳值。在本實施例中，整數(shù)α被確認為10的倍數(shù)，即10、20、30…滿足這些條件。
再有，根據(jù)λ2＝655nm的波長和其對應的相位補償板122的材料的折射率n2的關系，將深度D設定為，無論λ2＝655nm的波長的光通過和不通過某個環(huán)帶的情況下，波面的相位都盡可能沒有偏移。
上述條件下，在本實施例中，將整數(shù)α設定為10的倍數(shù)。再有，由于整數(shù)α是由上述λ1、n1、λ2、n2的關系確定的值，所以根據(jù)使用的光源的波長和透鏡材料等而不必限定于10的倍數(shù)，此外，即使在本實施例中，除10的倍數(shù)以外也可以取例如20的倍數(shù)。再有，深度D也可將λ2＝655nm的波長作為基準光來進行設定。
在本實施例中，整數(shù)α雖從10的倍數(shù)中選擇，但各環(huán)帶的具體的整數(shù)α的值，在滿足上述條件的范圍內最終可設定為，將CD中所用的波長λ3＝790nm的激光以平行光入射到上述聚光透鏡123的情況下，將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡可能小。
再有，在上述實例中，在D＝α×λ1/(n1-1)式中，雖然將α取為整數(shù)，但并不限于此。圖47、圖48是在α分別為10和20的情況下，當以α＝10、20為中心取其左右的值時列表表示相位偏移的值。如圖47所示，在α＝10的情況下，當以相位偏移(Errorλn)的值小于0.1為條件時，則可知α的值為9.9-10.1滿足該條件。此外，如圖48所示，在α＝20的情況下，當以相位偏移(Errorλn)的值以小于0.1為條件時，則可知α的值為19.94-20.1滿足該條件。只要α的值大約為整數(shù)值±10％，則可將相位偏移控制在期望的范圍內。
圖27是表示利用上述方法最優(yōu)化的相位補償板122的構造的圖。環(huán)帶數(shù)為18個，各環(huán)帶的深度D如圖27所示。但是，如圖27所示，相位補償板122的面形狀和深度D如下確定在從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第十七個的環(huán)帶(b17＝1.5162mm)中，都將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小，在其外側的第十八個環(huán)帶中，則敢于增大CD在記錄或讀取時的波面像差。第十八個環(huán)帶用于使CD在記錄或讀取時具有孔徑限制功能。在本實施例中，使第十八個環(huán)帶的D為0。再有，構成相位補償板122的各環(huán)帶的面做成與光軸垂直的平面。
在如上最優(yōu)化的圖15的光學系統(tǒng)中，圖16表示HD-DVD的波面像差分布的計算結果，圖17表示DVD的波面像差分布的計算結果。圖16和圖17都通過光線追蹤將在信息記錄面上產(chǎn)生的波面像差換算成聚光透鏡123的瞳面上的波面像差，其橫軸表示以聚光透鏡的半徑經(jīng)標準化的聚光透鏡的標準化半徑。HD-DVD的波面像差的rms值為0.036，DVD的波面像差的rms值為0.034，任何情況下直到衍射極限附近都能將激光束聚光到光盤的信息記錄面上。
圖19表示CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果。另一方面，圖18表示將直到相當于第十七個環(huán)帶的部分挑出的、CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果。由圖18和圖19可知，雖然在相當于相位補償板122的第十七個環(huán)帶的范圍內顯示出大體良好的波面像差特性，但在相當于最外側的第十八個環(huán)帶的范圍內的波面像差則增大。這是因為，如圖27所示，如上所述的相位補償板122的面形狀和深度D如下確定從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第十七個環(huán)帶中都設計成將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小，與之相反，在設計其外側的第十八個環(huán)帶時，則將CD在記錄或讀取時的波面像差增大。這時，在通過了相當于波面像差增大的第十八個環(huán)帶的區(qū)域的CD中所使用的波長λ3＝790nm的激光，由于因其像差大而成為所謂雜散光(フレア光)而漫射，所以直到衍射極限附近都不能聚光到光盤109的信息記錄面上。另一方面，在通過了從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第十七個環(huán)帶的CD中所使用的波長λ3＝790nm的激光，由于其像差非常小，所以直到衍射極限附近都能聚光到光盤109的信息記錄面上。
具體地，根據(jù)圖18，當計算直到與有利于在光盤109上形成光斑的第十七個環(huán)帶(b17＝1.5162mm，參照圖28)相當?shù)牟糠值牟嫦癫顣r，其rms值為0.031。即在CD中，相位補償板122的最外側的第十八個環(huán)帶起到了孔徑限制的作用，并可利用通過了從第一到第十七個環(huán)帶的光直到衍射極限附近將激光束聚光到光盤的信息記錄面上。這種情況下，根據(jù)CD有效孔徑直徑＝2×b17＝3.032mm和透鏡焦距＝3.226mm的關系，CD的NA則為0.47。
這樣便可知，相位補償板122的最外側的第十八個環(huán)帶在CD時起到了孔徑限制的作用。
另一方面，如上所述，相位補償板122的環(huán)帶構造，也包含第十八個環(huán)帶的最佳設計是，對于波長λ1＝405nm的光，做成不由相位補償板122的環(huán)帶構造產(chǎn)生相位差，而對于波長λ2＝655nm的光，做成盡可能不由相位補償板122的環(huán)帶構造產(chǎn)生相位差。因此，對于波長λ1＝405nm的光和波長λ2＝655nm的光，即使原樣地使用相位補償板122，也不會顯著增大HD-DVD和CD在記錄或讀取時的波面像差。
具體地，雖然圖16表示HD-DVD的波面像差分布的計算結果，圖17表示DVD的波面像差分布的計算結果，但這些結果是也包含相位補償板122的結果，顯示出在聚光透鏡123的瞳面的整個面上可得到非常小的波面像差值。
即，最外側的第十八個環(huán)帶也包含在內的相位補償板122的全部環(huán)帶對波長λ1＝405nm的光和波長λ2＝655nm的光沒有孔徑限制之類的作用，而相位補償板122的最外側環(huán)帶僅在CD時起到了孔徑限制的作用。
再有，對于只在CD時具有孔徑限制功能的相位補償板122的最外側環(huán)帶，為了提高其雜散光特性，也可由多個環(huán)帶構成。
這樣，根據(jù)第二實施例，其具有以下三點優(yōu)點(1)不必使用對應于各光盤的可變孔徑，(2)即使就相位補償板而言，也不需要將其以機械方法插入到光路中或以電學方法進行動作控制，(3)由于可將1/4波長片配置在靜態(tài)的相位板的靠前位置，因而無需與透鏡模塊做成一體，所以與第一實施例相比，本發(fā)明的透鏡模塊的結構變得非常簡單。
再有，上述第一實施例和上述第二實施例雖考慮了作為與超高密度記錄對應的光盤的HD-DVD，但即使在考慮藍光盤的情況下，也可通過同樣的設計來實現(xiàn)。但是，在這種情況下，根據(jù)必要的有效數(shù)值孔徑的關系，由于在聚光透鏡上必須存在藍光盤專用區(qū)域，所以使藍光盤專用區(qū)域具有DVD孔徑限制功能是有效的。這是因為，如第二實施例所述，通過使相位補償板具有CD的孔徑限制功能，從而不需要使用可變的限制孔徑。再有，關于在專用區(qū)域中設置DVD的孔徑限制功能的方法，可以按照已有的設計方法，設計成具有只將DVD的波長作為雜散光并使之漫射的作用的結構等來實現(xiàn)。
第三實施例下面，詳細說明本發(fā)明的第三實施例。在上述第一和第二實施例中，聚光透鏡的物體側的面具有不連續(xù)的非球面形狀。如上所述，這是以將HD-DVD和DVD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡可能小為目的而設計的形狀。另一方面，在本第三實施例的聚光透鏡的物體側和像側的面具有連續(xù)的非球面形狀；在相位補償板的一個面上為將HD-DVD和DVD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小而設計成不連續(xù)的非球面形狀，而在另一個面上為將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小而設計成以光軸為中心的環(huán)帶構造，并由各環(huán)帶形成的相位差不同。
本第三實施例在聚光透鏡的面上難以形成不連續(xù)的非球面形狀的情況下特別有效。例如，在藍光盤的記錄或讀取中，由相位補償板和聚光透鏡構成的透鏡模塊的有效數(shù)值孔徑必須為約0.85左右的值時。這種情況下，從透鏡曲率的觀點等出發(fā)，理想的是聚光透鏡的材質使用折射率盡可能大的材料，玻璃類材料是合適的。但是，玻璃類的材料的折射率雖大，但由于其熔點通常高達600度以上，作為能耐該溫度的透鏡成型的金屬模具，必須使用在金屬模具表面上難以刻上細微構造的硬質合金的金屬模具。
于是，本第三實施例說明的是在藍光盤的記錄或讀取中，使用難以形成不連續(xù)的非球面形狀的玻璃透鏡的情況。
圖15表示本發(fā)明的激光頭的一個實例。簡而言之，三波長激光器100配備有藍光盤用光源(波長λ＝405nm)、DVD用光源(波長λ＝655nm)、CD用光源(波長λ＝790nm)。從三波長激光器100射出的激光101分別為具有一定發(fā)散角的發(fā)散光，并通過偏振光分光器102后由準直透鏡103轉換成大體平行光。該平行光由1/4波長片125將激光101的線性偏振光轉變成圓偏振光后，供給到作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊120，直到衍射極限附近聚光到光盤109的信息記錄面上。由光盤109的信息記錄面所反射的激光束再通過透鏡模塊120，并由1/4波長片125使光的偏振光從圓偏振光轉換成為相對入射光的偏光面旋轉90度的線性偏振光。其后，將其供給到偏振光分光器102，并由偏振光分光器102反射后，通過檢測器110進行光電變換。光盤裝置根據(jù)由該光電變換所得的電信號生成對焦伺服信號、循跡伺服信號及讀取信號等。再有，藍光盤用、DVD用、CD用光盤的透明基板厚度分別為0.1mm、0.6mm、1.2mm。
其次，詳細說明作為本發(fā)明的特征的透鏡模塊120。本實施例中所示的透鏡模塊120由限制孔徑121、相位補償板122和聚光透鏡123構成。在對焦伺服及循跡伺服時，透鏡模塊120成為一體并由未圖示的驅動機構操縱。
再有，與第一實施例不同，透鏡模塊120不包含1/4波長片125，這與第二實施例相同。這是因為，第三實施例中作為相位補償板122使用的元件與第二實施例同樣沒有偏光特性，1/4波長片125在光路上的配置位置不受相位補償板122的限制。這樣，與第一實施例比較，也可簡化透鏡模塊120的結構。
限制孔徑121確定了透鏡模塊104的有效數(shù)值孔徑NA。但是，與第一實施例不同，限制孔徑121的孔徑使用的不是可動的而是固定的物體，其孔徑直徑確定為在光盤109為藍光盤的情況下其有效數(shù)值孔徑NA＝約0.85。具體地，根據(jù)孔徑直徑＝2×NA×透鏡焦距的關系，由于透鏡焦距＝2.06mm，因而限制孔徑121的孔徑直徑＝3.5mm。
另一方面，在光盤109為DVD或CD的情況下，如第一實施例中所述，由于通常需要分別改變?yōu)楦黝A定孔徑，所以其孔徑控制方法成為問題。為解決該問題，可使相位補償板122同時具有DVD用孔徑限制功能和CD用孔徑限制功能以解決該孔徑控制問題。對于孔徑控制將在相位補償板122的說明中詳述。
相位補償板122進行補償以降低藍光盤、DVD、CD的波面像差成分，在本實施例中，與第一實施例不同，不需要將相位補償板122以機械方法插入到光路中或以電學方法進行動作控制，即使光盤109為藍光盤、DVD、CD中任一種，也可在光路中固定放置并使用。這里只是描述了概要，其詳細情況將在后面與DVD和CD場合的孔徑控制一起詳述。
聚光透鏡123是起將激光束聚光到光盤109的信息記錄面上的作用的元件，如圖46所示，其兩面具有連續(xù)的非球面形狀。
圖34、圖35、圖36是圖15中所示的透鏡模塊120和光盤109的透鏡數(shù)據(jù)，圖34相當于藍光盤的情況，圖35相當于DVD的情況，圖36相當于CD的情況。本實施例的相位補償板122的材質為塑料類，聚光透鏡108的材質為玻璃類，光盤109的透明基板為聚彈酸酯(PC)。這些材質的每個波長的折射率如圖34、圖35、圖36所示。此外，“空氣”是指面與面之間充滿空氣。再有，藍光盤用的光盤的透明基板厚度考慮到兩層記錄媒體取為0.0875mm。
圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42以數(shù)表表現(xiàn)了相位補償板122的非球面形狀。當用式(1)的參數(shù)來標明聚光透鏡123的物體側的面時，則如圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42所示。相位補償板122的物體側的面由三十一個環(huán)帶狀區(qū)域構成，在第三實施例中，只有圖42所表示的最外周的環(huán)帶區(qū)域為藍光盤專用區(qū)域，其內側的由圖37、圖38、圖39、圖40、圖41表示的區(qū)域是藍光盤和DVD在記錄讀取時共同使用的區(qū)域，所以成為藍光盤/DVD共用區(qū)域。如圖46所示，由于相位補償板122的物體側的面具有不連續(xù)的非球面形狀，所以在構成該不連續(xù)的非球面形狀的每個區(qū)域中標明其非球面形狀。圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42中的“區(qū)域范圍”表示在各區(qū)域中用式(1)表示的非球面形狀的有效透鏡半徑(單位為mm)。而且，圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42中的“B”表示光軸上的下垂量(單位為mm)。
圖37、圖38、圖39、圖40、圖41中表示的藍光盤/DVD共用區(qū)域的各參數(shù)的值是為了將藍光盤和DVD在記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小而確定的結果。另一方面，圖42中表示的藍光盤專用區(qū)域的各參數(shù)的值是為了將藍光盤在記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小而確定的結果，并且設計成敢于使DVD和CD在記錄和讀取時的波面像差增大。藍光盤專用區(qū)域的環(huán)帶用于使DVD在記錄或讀取時具有孔徑限制的功能。
圖43表示在圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42所示的各非球面部分中，當以第一區(qū)間的大概光程為基準時，相當于藍光盤/DVD共用區(qū)域和藍光盤專用區(qū)域的第二到第三十一區(qū)間的大概光程分別偏移波長λ的大致多少倍。
從圖43可知，第二到第三十一區(qū)間相對于波長405nm的藍光盤之差為2mλ，相對于波長655nm的DVD及波長790nm的CD之差為mλ(m為整數(shù))。這是因為，由于短波長λ1在380-430nm之間，長波長λ2在630-680之間，λ3在波長790nm附近，所以易于滿足上述大概光程差的關系。
相位補償板122的特征是其另一個面具有如圖46所示的以光軸為中心的環(huán)帶構造，由各環(huán)帶對光形成的相位差不同。該效果可通過在相位補償板122上設置臺階狀的環(huán)帶構造，并使每個環(huán)帶在光軸方向上具有各不相同的深度D來實現(xiàn)。但是，以λ1＝405nm的波長的光為基準光，根據(jù)與對應于該基準光的相位補償板122的材料的折射率n1的關系來確定環(huán)帶深度D以滿足D＝α×λ1/(n1-1)式。上式中的α為整數(shù)。這樣設定環(huán)帶深度D，使得λ1＝405nm的基準光在通過和不通過某個環(huán)帶的情況下，實質上波面的相位都不偏移。
深度D還設定成，根據(jù)λ2＝655nm的波長和與其對應的相位補償板122的材料的折射率n2的關系，λ2＝655nm的波長的光在通過和不通過某個環(huán)帶的情況下，波面相位盡可能沒有偏移。
上述條件下，在本實施例中，將整數(shù)α設定為10的倍數(shù)。再有，整數(shù)α由于是由上述λ1、n1、λ2、n2的關系確定的值，所以根據(jù)使用的光源的波長和透鏡材料等可不必限定于10的倍數(shù)，此外，即使在本實施例中，除10的倍數(shù)以外也可以取例如20的倍數(shù)。再有，深度D也可將λ2＝655nm的波長作為基準光來進行設定。
在本實施例中，整數(shù)α雖從10的倍數(shù)中選擇，但各環(huán)帶的具體整數(shù)α的值的確定，使得在滿足上述條件的范圍內，最終將CD中所用的波長λ3＝790nm的激光以平行光入射到上述聚光透鏡123的情況下，將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡可能小。
再有，對于整數(shù)α的確定，可與本發(fā)明的第二實施例中所說明的同樣地進行，所以省略其說明。此外，α與本發(fā)明的第二實施例中所說明的同樣，并不限定于整數(shù)。
圖44是表示由上述方法最優(yōu)化的相位補償板122的結構圖。環(huán)帶數(shù)為24，各環(huán)帶的深度D如圖44所示。但是，如圖44所示，相位補償板122的面形狀和環(huán)帶的深度如下確定在從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第二十三個環(huán)帶(b23＝1.118119mm)中都做成將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小，而在其外側的第二十四個環(huán)帶中，則敢于將CD在記錄或讀取時的波面像差增大。第二十四個環(huán)帶用于使CD在記錄或讀取時具有孔徑限制功能。在本實施例中，將第二十四個環(huán)帶的D取為0。再有，構成相位補償板122的各環(huán)帶的面相對于光軸做成垂直的平面。
圖45用數(shù)表表現(xiàn)了聚光透鏡123的非球面形狀。如上所述，構成聚光透鏡123的面由連續(xù)的非球面形狀構成。
就如上的最優(yōu)化的圖15的光學系統(tǒng)而言，圖30表示藍光盤的波面像差分布的計算結果，圖31表示DVD的波面像差分布的計算結果。圖30和圖31都將在信息記錄面上產(chǎn)生的波面像差通過光線追蹤換算成在聚光透鏡123的瞳面上的波面像差，橫軸表示以聚光透鏡的半徑已標準化的聚光透鏡的標準化半徑。藍光盤的波面像差的rms值為0.034，DVD的波面像差的rms值為0.036，任一情況下直到衍射極限附近都能將激光束聚光到光盤的信息記錄面上。再有，在DVD的情況下，在相當于最外側的藍光盤專用區(qū)域的范圍中則增大波面像差。這是因為，如上所述，藍光盤/DVD共用區(qū)域的確定的結果是為了將藍光盤和DVD在記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小，與之相反，藍光盤專用區(qū)域的參數(shù)值則設計成雖然將藍光盤在記錄和讀取時的波面像差抑制得盡量小，但卻敢于將DVD和CD在記錄和讀取時的波面像差增大。藍光盤專用區(qū)域的環(huán)帶用于使DVD在記錄或讀取時具有孔徑限制的功能。
圖33表示CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果。另一方面，圖32表示直到將相當于第二十三個環(huán)帶的部分挑出的、CD的瞳面上的波面像差分布的計算結果。從圖32和圖33可知，在相當于相位補償板122的第二十三個環(huán)帶的范圍內雖顯示出大體良好的波面像差特性，但相當于最外側的第二十四個環(huán)帶的范圍內的波面像差則增大。這是因為，如圖44所示，如上所述的相位補償板122的面形狀和深度D的確定是，從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第二十三個環(huán)帶中設計成將CD在記錄或讀取時的波面像差抑制得盡量小，與之相反，在設計其外側的第二十四個環(huán)帶時，則增大CD在記錄或讀取時的波面像差。這時，在通過了相當于波面像差增大的第二十四個環(huán)帶的區(qū)域的CD中使用的波長λ3＝790nm的激光由于因其像差大而成為所謂雜散光并漫射，所以直到衍射極限附近不能聚光到光盤109的信息記錄面上。另一方面，通過了從含光軸的環(huán)帶數(shù)起直到第二十三個環(huán)帶的CD中使用的波長λ3＝790nm的激光由于其像差非常小，所以直到衍射極限附近可聚光到光盤109的信息記錄面上。
具體地，根據(jù)圖32，當計算直到相當于有助于在光盤109上形成光斑的第二十三個環(huán)帶(b23＝1.118119mm，參照圖44)的部分的波面像差時，則其rms值為0.041。即在CD中，相位補償板122的最外側的第二十四個環(huán)帶起到了孔徑限制的作用，利用通過了從第一到第二十三個環(huán)帶的光直到衍射極限附近可將激光束聚光到光盤109的信息記錄面上。這種情況下，由CD有效孔徑直徑＝2b23＝2.236mm和透鏡焦距＝2.29283mm的關系，CD的NA為0.51。
這樣，可知相位補償板122的最外側的第二十四個環(huán)帶在CD時起到了孔徑限制的作用。
另一方面，如上所述，相位補償板122的環(huán)帶構造，也包含第二十四個環(huán)帶的最佳方案是，對于波長λ1＝405nm的光，不因相位補償板122的環(huán)帶構造產(chǎn)生相位差，而對于波長λ2＝655nm的光，盡可能地不因相位補償板122的環(huán)帶構造產(chǎn)生相位差。因此，在波長λ1＝405nm的光和波長λ2＝655nm的光中，即使原樣使用了相位補償板122，也不會顯著增大藍光盤和CD在記錄或讀取時的波面像差。
具體地，雖然圖30表示藍光盤的波面像差分布的計算結果，圖31表示DVD的波面像差分布的計算結果，但是這些結果是也包含相位補償板122的結果，顯示出在聚光透鏡123的瞳面的整個面上可得到非常小的波面像差值。
即，最外側的第二十四個環(huán)帶也包含在內的相位補償板122的全部環(huán)帶對波長λ1＝405nm的光和波長λ2＝655nm的光不起孔徑限制之類的作用，而相位補償板122的最外側環(huán)帶則只在CD時起孔徑限制的作用。
再有，對于只在CD時起孔徑限制功能的相位補償板122的最外側環(huán)帶，為了提高其雜散光特性，也可由多個環(huán)帶構成。
這樣，根據(jù)第三實施例，其具有以下三個優(yōu)點(1)不必使用對應于各光盤的可變孔徑，(2)即使就相位補償板而言，不需要將其以機械方法插入到光路中或以電學方法進行動作控制，(3)由于可將1/4波長片配置在靜態(tài)相位板的靠前位置，因而不必與透鏡模塊做成一體，所以與第一實施例相比，本發(fā)明的透鏡模塊的結構變得非常簡單；并且，由于在聚光透鏡上不無需形成不連續(xù)的形狀，所以在作為聚光透鏡的材質可使用具有高折射率的玻璃類材料這點上具有特點。
再有，就圖46所示的相位補償板122而言，雖做成在一個相位補償板的兩面分別設有不連續(xù)的非球面形狀和環(huán)帶構造，但也可做成在兩個相位補償板中的一個相位補償板上設置不連續(xù)的非球面形狀，且在另一個相位補償板上設置環(huán)帶構造。
權利要求
1.一種帶相位補償板的激光頭物鏡，其由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成，其特征在于該聚光透鏡的至少一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
2.根據(jù)權利要求1所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于相位補償板為液晶像差修正元件。
3.根據(jù)權利要求1所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于相位補償板為具有臺階狀的環(huán)帶構造的元件。
4.根據(jù)權利要求3所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，所述相位補償板的環(huán)帶構造的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
5.根據(jù)權利要求1-4中任何一項所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
6.根據(jù)權利要求1-4中任何一項所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
7.一種激光頭裝置，其是用波長λ1、λ2、λ3的光源在分別具有基板厚度為t1、t2、t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取的激光頭裝置，其特征在于所述激光頭裝置是使用由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成的帶相位補償板的激光頭物鏡在信息記錄媒體上進行信息的記錄讀取，并在該聚光透鏡的至少一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
8.根據(jù)權利要求7所述的激光頭裝置，其特征在于相位補償板為液晶像差修正元件。
9.根據(jù)權利要求7所述的激光頭裝置，其特征在于相位補償板為具有臺階狀的環(huán)帶構造的元件。
10.根據(jù)權利要求9所述的激光頭裝置，其特征在于當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，所述相位補償板的環(huán)帶構造的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
11.根據(jù)權利要求7到10中任一項所述的激光頭裝置，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
12.根據(jù)權利要求7到10中任一項所述的激光頭裝置，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
13.一種帶相位補償板的激光頭物鏡，其由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板構成，其特征在于該聚光透鏡的兩面由連續(xù)的非球面形狀構成，并且該相位補償板的第一面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板第二個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
14.根據(jù)權利要求13所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
15.根據(jù)權利要求13所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
16.根據(jù)權利要求13所述的帶相位補償板的激光頭物鏡，其特征在于當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，所述相位補償板的第一面上所形成的環(huán)帶構造的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
17.一種激光頭裝置，其是用波長λ1、λ2、λ3的光源在分別具有基板厚度為t1、t2、t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取的激光頭裝置，其特征在于所述激光頭物鏡使用由至少一個聚光透鏡和至少一個相位補償板所構成的帶相位補償板的激光頭物鏡在信息記錄媒體上進行信息的記錄讀取，并且該聚光透鏡的兩面由連續(xù)的非球面形狀構成，而且該相位補償板的第一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板的第二個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。
18.根據(jù)權利要求17所述的激光頭裝置，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.1mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
19.根據(jù)權利要求17所述的激光頭裝置，其特征在于波長λ1約為405nm、波長λ2約為655nm、波長λ3約為790nm、基板厚度t1約為0.6mm、基板厚度t2約為0.6mm、基板厚度t3約為1.2mm。
20.根據(jù)權利要求17所述的激光頭裝置，其特征在于當設相位補償板相對于波長λ1的激光束的折射率為n1時，所述相位補償板的第一面上所形成的環(huán)帶構造的臺階差D可由D＝α×λ1/(n1-1)表示，在該式中，α為整數(shù)或整數(shù)±10％的范圍。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種激光頭物鏡，它能保證波面像差降低的狀態(tài)，且不會產(chǎn)生由聚光透鏡的光軸和入射光的光軸的偏移所引起的像差。本發(fā)明的激光頭物鏡是由聚光透鏡和相位補償板構成的帶相位補償板的激光頭物鏡，該聚光透鏡的至少一個面上形成有臺階狀的環(huán)帶構造以補償用波長λ1的激光束在基板厚度t1的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差及用波長λ2的激光束在基板厚度t2的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差，并且該相位補償板補償用波長λ3的激光束在基板厚度t3的信息記錄媒體上進行記錄讀取時所產(chǎn)生的波面像差。根據(jù)這種結構，對于使用波長不同的三種信息記錄媒體中的每種都能盡可能地保證波面像差降低的狀態(tài)。
文檔編號G11B7/135GK1782747SQ20051011289
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權日2004年10月20日
發(fā)明者若林康一郎, 平尾惠子, 宮內充佑, 牧野由多可, 杉靖幸, 三井良和 申請人:日立麥克賽爾株式會社