專利名稱：光學(xué)拾像裝置的物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝在光盤裝置(optical disc apparatus)的光學(xué)拾像裝置(optical pick up)上的高數(shù)值孔徑(NA)的物鏡，該物鏡可以錄制/復(fù)制其覆蓋層具有不同厚度的多種光盤。本發(fā)明具體涉及在折射透鏡表面上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)的物鏡。
即，覆蓋層越厚，束點(diǎn)離光學(xué)拾像裝置越遠(yuǎn)。例如，因?yàn)榫o密盤(CD)的覆蓋層或CD-R的覆蓋層其厚度為1.2mm，而數(shù)字通用盤(DVD)覆蓋層的厚度為0.6mm，所以當(dāng)用CD或CD-R取代DVD時，要求光學(xué)拾像裝置將束點(diǎn)移離光學(xué)拾像裝置0.6mm(0.4mm室氣)。
雖然移動物鏡時近軸束點(diǎn)移點(diǎn)。但覆蓋層厚度的變化使球差發(fā)生變化。如果在替換光盤時光學(xué)拾像裝置只移動物鏡，則激光束的波前像差變壞，因此增大了束點(diǎn)直徑，這樣便妨礙光盤裝置復(fù)制CD上記錄的信息。例如，在從DVD上復(fù)制記錄的信息時物鏡被設(shè)計(jì)成盡量減小球差，而在用這種物鏡復(fù)制CD上的信息時，球差變得太大而不能復(fù)制信息，即使移動物鏡，使束點(diǎn)與信息層重合。
因此，作為現(xiàn)有技術(shù)已知一種光學(xué)拾像裝置，該裝置可根據(jù)覆蓋層的厚度調(diào)節(jié)激光束進(jìn)入物鏡的狀態(tài)。
例如，日本專利公告No.平7-98431公開這樣一光學(xué)拾像裝置。此公告所示的光學(xué)系統(tǒng)在物鏡的激光光源側(cè)應(yīng)用了全息透鏡，將激光光源的激光束分成零級平行衍射光束和一級發(fā)散衍射光束。該零級衍射光束用于覆蓋層較薄的光盤(即DVD)，而一級衍射光束用于覆蓋層較厚的光盤(即CD和CD-R)。當(dāng)全息透鏡被設(shè)計(jì)成可根據(jù)覆蓋層的厚度獲得最合適的激光束時，該公告的光學(xué)拾像裝置能對相應(yīng)的光盤形成有眼衍射的束點(diǎn)。
然而，因?yàn)樵摴娴墓鈱W(xué)拾像裝置總是將激光光源的激光分成零級和一級衍射光束，并且只能用其中一種光束來錄制/復(fù)制信息，所以使用光量的最大效率不超過40％。
另外，當(dāng)用其中一種衍射光束來錄制/復(fù)制信息時，另一衍射光束是不需要的光束，此光束增大了噪聲。
再則，DVD的記錄密度高于CD的密度，這要求DVD的光學(xué)拾像裝置形成比專用于CD的光學(xué)拾像裝置(以后稱作CD專用拾像裝置)更小的束點(diǎn)。因?yàn)槭c(diǎn)的直徑與激光束的波長正相關(guān)，所以DVD的光學(xué)拾像裝置要求激光光源的振蕩波長為635～665nm，此波長短于CD專用拾像裝置的振蕩波長(即780～830nm)。另一方面，CD-R的反射特性要求激光光源的振蕩波長約為780nm。
因此，如公告所述，具有單一激光源的光學(xué)拾像裝置在采用發(fā)射振蕩波長較短的激光束的激光光源時，它不能從CD-R復(fù)制信息。
發(fā)明的簡要說明因此，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)拾像裝置的物鏡，該物鏡能夠記錄/復(fù)制在覆蓋層厚度不同的許多種光盤(例如CD,CD-R和DVD)上的信息。另外，本發(fā)明的目的旨在提供這樣的物鏡，該物鏡的光量使用效率高于如上述公告中公開的常規(guī)光學(xué)拾像裝置的效率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種光學(xué)拾取裝置的改進(jìn)物鏡，該物鏡包括具有正折射能力的折射透鏡和具有許多同心環(huán)形階梯的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，該環(huán)形階梯形成在折射透鏡的至少一個透鏡表面上。該衍射透鏡的波長依從關(guān)系使得同一衍射級次的至少兩個波長不同的光束形成適合于至少兩種光盤的波前，這兩種光盤的覆蓋層厚度是不相同的。
即，預(yù)定級次的衍射光束在預(yù)定波長形成適合于具有預(yù)定覆蓋層厚度的光盤的波前，而在不同的波長形成適合于具有不同覆蓋層厚度的光盤的波前。
采用這種結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于光盤覆蓋層厚度改變激光束的波長可使預(yù)定級次的衍射光會聚在各個信息層上，形成適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。
另外，衍射透鏡結(jié)構(gòu)最好具有一種波長依賴關(guān)系，使得短波長衍射光形成適合于較薄覆蓋層光盤的波前，而長波長衍射光形成適合于較厚覆蓋層光盤的波前。尤其是，當(dāng)入射光波長增加時，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以改變欠校正方向的球差。
如上所述，當(dāng)覆蓋層厚度增加時，球差在過校正方向變化。因此在較長波長激光光源用于覆蓋層較厚光盤，而較短波長激光光源用于覆蓋層較薄光盤時，因覆蓋層厚度變化造成的球差變化可由上述波長與衍射透鏡結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系校正。
由衍射透鏡結(jié)構(gòu)增加的附加光程長度由以下光程差函數(shù)φ(h)表示Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ式中，P2、P4、P6是第二、第四和第六級衍射系數(shù)，h是距光軸的高度，而λ是入射光波長。
本發(fā)明的物鏡滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7式中，h45是一點(diǎn)距光軸的高度，在該點(diǎn)，NA為0.45的光線與衍射透鏡結(jié)構(gòu)相交。
另外，折射透鏡和衍射透鏡結(jié)構(gòu)其總的縱向色差最好使得入射光波長增加時后焦距增大。在這種情況下，最好滿足以下條件(2)(2)-0.8＜ΔCA/ΔSA＜-0.2式中，ΔCA是隨波長的改變近軸焦點(diǎn)的移動量，而ΔSA是隨波長的改變邊緣光線球差的變化。
本發(fā)明物鏡的衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有小的近軸放大率(paraxialpower)，最好滿足以下條件(3)(3)-0.020＜f/fD＜0.020式中，fD是衍射透鏡結(jié)構(gòu)的焦距，該焦距定義如下
fD=1/(-P2×2λ).
當(dāng)光盤包括至少兩種其覆蓋層厚度為1.2mm和0.6mm的光盤時，最好滿足以下條件(4)(4)0.75＜λ1/λ2＜0.87式中，λ1是覆蓋層厚度為0.6mm光盤的光波長，而λ2是覆蓋層厚度為1.2mm光盤的光波長。
再則，該衍射透鏡結(jié)構(gòu)在光軸附近的中心區(qū)域的閃耀波長λB滿足條件λ1＜λB＜λ2，而且滿足以下條件(5)和(6)(5)0.87＜λB/λ2，(6)λB/λ1＜1.13.
衍射透鏡結(jié)構(gòu)在外周內(nèi)域的閃耀波長比衍射透鏡結(jié)構(gòu)在中心區(qū)域的閃耀波長λB短。或者換一種方式說，其上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)的透鏡表面的外周區(qū)域可以是沒有階梯的連續(xù)表面。外周區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在此區(qū)域中距光軸的高度位于折射透鏡有效半徑的約85％～100％的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意到，可以在外周區(qū)域內(nèi)形成閃耀較短波長的衍射透鏡結(jié)構(gòu)或形成對較短波長區(qū)域補(bǔ)償球差的連續(xù)表面。
圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出薄覆蓋層光盤的覆蓋層；圖8A、8B和8C是曲線圖，示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤時第二實(shí)施例物鏡的各種像差；圖9是第二實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出厚覆蓋層光盤的覆蓋層；

圖10A、10B和10C是曲線圖，示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤時第二實(shí)施例物鏡的各種像差；圖11是第三實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出薄覆蓋層光盤的覆蓋層；圖12A、12B和12C是曲線圖，示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤時第三實(shí)施例物鏡的各種像差；圖13是第三實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出厚覆蓋層光盤的覆蓋層；圖14A、14B和14C是曲線圖，示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤時第三實(shí)施例物鏡的各種像差；圖15是第四實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出薄覆蓋層光盤的覆蓋層；圖16A、16B和16C是曲線圖，示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤時第四實(shí)施例物鏡的各種像差；圖17是第四實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出厚覆蓋層光盤的覆蓋層；圖18A、18B和18C是曲線圖，示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤時第四實(shí)施例物鏡的各種像差；圖19是第五實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出薄覆蓋層光盤的覆蓋層；圖20A、20B和20C是曲線圖，示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤時第五實(shí)施例物鏡的各種像差；圖21是第五實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出厚覆蓋層光盤的覆蓋層；圖22A、22B和22C是曲線圖，示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤時第五實(shí)施例物鏡的各種像差；圖23是第六實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出薄覆蓋層光盤的覆蓋層；圖24A、24B和24C是曲線圖，示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤時第五實(shí)施例物鏡的各種像差；圖25是第六實(shí)施例物鏡的透鏡示意圖，示出厚覆蓋層光盤的覆蓋層；圖26A、26B和26C是曲線圖，示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤時第六實(shí)施例物鏡的各種像差。
圖27是曲線圖，示出衍射效率和波長之間的關(guān)系。
物鏡10是雙凸塑料透鏡，具有第一和第二球面11和12。在物鏡10的第一球面上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)。該衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成為極大數(shù)目的同心環(huán)，各個環(huán)具有楔形截面形狀，很類似于菲涅爾透鏡。相鄰環(huán)之間的邊界形成為階梯，產(chǎn)生預(yù)定光程差。
圖2示出其上裝有物鏡10的光學(xué)拾像裝置的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)包括DVD模件、CD模件、光束聯(lián)合器23、準(zhǔn)直透鏡24和物鏡10。各個模件21和22具有裝在共同基片上的半導(dǎo)體激光器和傳感器。物鏡10裝在焦點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，從而可調(diào)節(jié)對應(yīng)于光盤信息層位置的透鏡位置。
DVD是薄覆蓋層光盤。DVD覆蓋層的厚度為0.6mm。為在DVD上形成極細(xì)的束點(diǎn)，需要其波長在635～665nm范圍內(nèi)的激光束。另一方面，CD-R和CD是厚覆蓋層光盤。CD～R或CD覆蓋層的厚度是1.2mm。CD-R由于其光譜反射率而要求約780nm的激光束。
因此DVD模件21的半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長為635nm或650nm的激光光束，而CD模件22的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長為780nm的激光光束。
由半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)覆蓋層D1(實(shí)線)或D2(虛線)會聚在信息層上。
當(dāng)應(yīng)用具有薄覆蓋層D1的薄覆蓋層光盤時，使DVD模件操作，發(fā)射激光束L1(實(shí)線)。該激光束經(jīng)薄覆蓋層D1會聚在薄覆蓋層光盤的信息層上。在使用具有厚覆蓋層D2的厚覆蓋層光盤時，使CD模件22操作，發(fā)射激光束L2(虛線)。該激光束L2經(jīng)厚覆蓋層D2會聚在厚覆蓋層光盤的信息層上。
衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有這樣的波長依賴關(guān)系，使得預(yù)定級次的衍射光(在實(shí)施例中為第一級衍射光)在波長635nm或650nm處形成適合于薄覆蓋層光盤的波前，而在波長780nm處形成適合于厚覆蓋層光盤的波前。在實(shí)施例中，衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有一種波長依賴關(guān)系，使得當(dāng)入射光的波長增加時球差在欠校正方向發(fā)生變化。
球差在過校正方向隨覆蓋層厚度的增加而變化。另外，衍射透鏡結(jié)構(gòu)使得在欠校正方向的球差隨入射激光束波長的增加而變化。因?yàn)檩^長波長激光束用于厚覆蓋層光盤，而較短波長激光束用薄覆蓋層光盤，所以由覆蓋層變化引起的球差變化可由因衍射透鏡結(jié)構(gòu)的波長依從關(guān)系引起的球差變化補(bǔ)償。
由衍射透鏡結(jié)構(gòu)增加的附加光程長度由以下光程差函數(shù)φ(h)表示Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ式中，P2、P4和P6是第二、第四和第六級的系數(shù)，h是離光軸的高度，λ是入射光波長。函數(shù)φ(h)代表一根未由光柵衍射的想像光線和一根由光柵衍射的經(jīng)衍射透鏡結(jié)構(gòu)上一個點(diǎn)的光線之間的光程差，該點(diǎn)距光軸的高度為h。在這一表達(dá)式中，二級系數(shù)P2的負(fù)值代表衍射透鏡結(jié)構(gòu)的正的近軸放大率(positive paraxial power)。當(dāng)?shù)谒募壪禂?shù)大于零時負(fù)放大率(negative power)隨離光軸距離的增加而增加。
衍射透鏡結(jié)構(gòu)的真實(shí)宏觀形狀像菲涅爾透鏡，具有許多同心環(huán)。真實(shí)的形狀由φ(h)減去λ×m(m是整數(shù))確定Φ′(h)=(MOD(P2h2+P4h4+…+C,1)-C)×λ3符號λB是閃耀波長，在該波長，光柵階梯給出一個波長的光程差，衍射效率在閃耀波長λB達(dá)到最大。符號C是常數(shù)，確定相鄰環(huán)(0≤C＜1)之間邊界的相位。函數(shù)MOD(x,y)代表x由y除得到的余數(shù)。
MOD(p2h2+P4h4+…+C,1)在邊界等于零。衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在構(gòu)成折射透鏡的透鏡表面的底曲面上。環(huán)區(qū)域的傾斜和階梯被設(shè)計(jì)成光程差由φ’(h)確定。
物鏡10滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7式中,h45是NA為0.45的光線相交于衍射透鏡結(jié)構(gòu)的點(diǎn)距離光軸的高度。
滿足條件(1)時，由于覆蓋層厚度變化造成的球差變化可以有效地由波長變化形成的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的球差變化抵消。如果條件(1)的中間項(xiàng)小于-15，則由波長改變造成的球差變化太大。因?yàn)橛砂雽?dǎo)體激光器發(fā)射的激光束波長因個性差別而有約±5nm的允許差，所以如果球差的變化相對于波長的變化相當(dāng)大，則不能應(yīng)用其發(fā)射的激光束波長不同于標(biāo)準(zhǔn)波長的半導(dǎo)體激光器。這要求選擇半導(dǎo)體激光器，從而降低了生產(chǎn)效率。為避免上述情況，要求由衍射透鏡結(jié)構(gòu)補(bǔ)償球差的補(bǔ)償效果稍欠充分。
另一方面，當(dāng)條件(1)的中間項(xiàng)超過-7時，則波長變化引起的球差變化太小，不能補(bǔ)償由覆蓋層厚度的變化引起的球差變化。另外，當(dāng)對于薄覆蓋層光盤應(yīng)用635～665nm波長的激光束，而對于厚覆蓋層光盤應(yīng)用780nm波長的激光束時，條件(1)的中間項(xiàng)的最合適值約為-11。
由于溫度變化引起的激光波長的改變使物鏡的后焦距發(fā)生變化，這造成聚焦誤差。因?yàn)橛蓽囟茸兓斐傻暮蠼咕嘧兓呛苈模钥刹捎霉鈱W(xué)拾像裝置上的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置來校正聚焦誤差。
另一方面，激光波長在錄制期間隨激光輸出在高、低量之間的切換而快速改變。波長的快速改變也造成聚焦誤差，這種誤差不能由焦點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完全校正。因此要求物鏡10被作成可以減小焦點(diǎn)的移動。
通過校正總的縱向色差可以減小焦點(diǎn)的移動。但是因?yàn)閷?shí)施例的物鏡具有球差方面的波長依從關(guān)系，所以縱向色差的完全校正則正好相反增加了最佳焦點(diǎn)位置的移動。因此應(yīng)當(dāng)使色差的校正與由于波長改變引起的球差變化相平衡。
為此，實(shí)施例的折射透鏡和衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有的總的縱向色差應(yīng)使得入射光波長增加時后焦距增大，并滿足以下條件(2)(2)-0.8＜ΔCA/△SA＜-0.2式中，ΔCA是隨波長的改變近軸焦點(diǎn)的移動，而ΔSA是外周光線隨波長改變其球差的變化。
當(dāng)滿足條件(2)時，波長的增加使近軸焦點(diǎn)移離透鏡，并使外周光線的焦點(diǎn)移近透鏡。如果在標(biāo)準(zhǔn)波長λ0幾乎校正球差，則增大的波長λ3(＞λ0)的近軸焦點(diǎn)距透鏡的距離大于標(biāo)準(zhǔn)波長λ0的近軸焦點(diǎn)的距離，并且增大波長λ3外周光線的焦點(diǎn)比標(biāo)準(zhǔn)波長λ0的近軸焦點(diǎn)更靠近透鏡。因此可以減小最佳焦點(diǎn)位置的移動，該最佳焦點(diǎn)位置是從近軸焦點(diǎn)到外周光線焦點(diǎn)的平均焦點(diǎn)位置。
另外，使物鏡10滿足以下條件(3)可以減小因波長快速變化引起的最佳焦點(diǎn)位置的移動(3)-0.020＜f/fD＜0.020式中，fD是衍射透鏡結(jié)構(gòu)的焦距，它被定義為下式fD=1/(-P2×2λ).
條件(3)確定縱向色差的補(bǔ)償效果。眾所周知，對應(yīng)于衍射透鏡Abbe數(shù)的值等于-3.453。與折射透鏡的值的比較，該值的負(fù)號表示色散的相反方向(opposite sense of dispersion)，其低的數(shù)值表示大色散。因此應(yīng)用放大率小的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，使其與折射透鏡結(jié)合，便可以補(bǔ)償色差。
當(dāng)滿足條件(3)時，可以在保持補(bǔ)償覆蓋層厚度變化引起的球差的補(bǔ)償效果的同時減小因快速波長變化引起的最佳焦點(diǎn)位置的移動。
選擇激光波長，使得滿足以下條件(4)(4)0.75＜λ1/λ2＜0.87式中，λ1是薄覆蓋層光盤的激光束波長，而λ2是厚覆蓋層光盤的激光束波長。
在滿足條件(4)時，衍射透鏡結(jié)構(gòu)可以充分地改變由波長變化引起的球差。波長λ1和λ2之比代表由衍射透鏡結(jié)構(gòu)一個階梯引起的波前緣差量。例如，當(dāng)λ1為650nm,λ2為780nm，并將波長650nm的波前緣差量定作為標(biāo)準(zhǔn)值時，則在波長780nm處，在每一個階梯的標(biāo)準(zhǔn)值上加上波前像差(780-650)/780=0.1666λ。如果條件(4)的比大于0.87，則增加衍射透鏡結(jié)構(gòu)階梯的數(shù)目，以獲得預(yù)定的波前差，但在邊緣階梯損失光量，另外，由波長變化引起的球差變化太大，這樣便不能使用其波長不同于標(biāo)準(zhǔn)波長的半導(dǎo)體激光器。
在另一方面，如果比λ1/λ2小于0.75，則這些波長之差變得太大，平均衍射效率則太小。
在設(shè)計(jì)衍射透鏡結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)時可以選擇獲得最大衍射效率的閃耀波長λB。衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB在光軸附近的中心區(qū)域滿足λ1＜λB＜λ2，以保持較高的衍射效率。按照這種條件，例如當(dāng)λ1是635nm，λ2是780nm時，可將衍射的閃耀波長設(shè)定在λ1和λ2之間的任何波長。
圖27是曲線圖，示出將閃耀波長設(shè)定在635nm、690nm或710nm時的衍射效率。在任何情況下，在635nm和780nm的衍射效率均大于90％。這與日本專利申請No.平7-98431所公開的光學(xué)系統(tǒng)的40％相比是相當(dāng)大的值。
實(shí)施例的物鏡10還滿足以下條件(5)和(6)，以進(jìn)一步增加衍射效率 (5)0.87＜λ1/λ2.
(6)λ3/λ1＜1.13.
當(dāng)閃耀波長λB接近波長λ1和λ2之一時，離閃耀波長λB更遠(yuǎn)的波長其衍射效率降低。當(dāng)滿足條件(5)和(6)時，在兩個波長λ1和λ2的衍射效率在約95％以上。
在外周區(qū)域的衍射透鏡結(jié)構(gòu)其閃耀波長短于在中心區(qū)的衍射透鏡結(jié)構(gòu)的閃耀波長λB。換言之，可使其上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)的透鏡表面的外周區(qū)域形成為沒有階梯的連續(xù)表面。外周區(qū)域被定義為一個區(qū)域，該區(qū)域距光軸的高度位于折射透鏡有效半徑的85％～100％的范圍內(nèi)。
DVD要求0.60的NA，而對于CD或CD-R,0.5的NA已足夠。0.5NA以外的激光束對復(fù)制CD或CD-R產(chǎn)生壞的影響。NA為0.6的激光束對CD或CD-R形成太小的束點(diǎn)。因此要求外周區(qū)域?qū)Ｓ糜贒VD。當(dāng)外周區(qū)域的閃耀波長短于中心區(qū)域時，CD或CD-R的衍射效率降低，而DVD的衍射效率增加。當(dāng)外周區(qū)域是對DVD校正像差的連續(xù)表面時，該外周區(qū)域可起會聚DVD激光束的作用。
另外，折射凸透鏡在過校正方向的球差隨溫度的升高而改變，因?yàn)闇囟壬哒凵渎氏陆?，而且半?dǎo)體激光器具有一種溫度依賴關(guān)系，使得發(fā)射激光的波長隨溫度上升而增加。當(dāng)溫度上升時，折射透鏡改變過校正方向的球差，而衍射透鏡結(jié)構(gòu)改變欠校正方向的球差，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器發(fā)射的光波長增加。因此由折射透鏡和衍射透鏡結(jié)構(gòu)引起的球差變化可以彼此抵消。
因此，當(dāng)用其折射率隨溫度上升而減小的樹脂制作物鏡10時，需要在外周區(qū)域以及中心區(qū)域上形成衍射透鏡結(jié)構(gòu)。在這種情況下，要求外周區(qū)域的衍射透鏡結(jié)構(gòu)其閃耀波長短于中心區(qū)域的閃耀波長，以便增加DVD所用激光束的衍射效率。
下面說明上述結(jié)構(gòu)的六個實(shí)施例。為兼容的光學(xué)拾像裝置設(shè)計(jì)實(shí)施例的物鏡10，使物鏡10既可用于薄覆蓋層光盤又可用于厚覆蓋層光盤，前者例如為DVD，其覆蓋層厚度為0.6mm，而后者例如為CD或CD-R，其覆蓋層厚度為1.2mm。衍射透鏡結(jié)構(gòu)在第一、第二、第三和第四實(shí)施例中形成在第一表面上，而在第五和第六實(shí)施例中形成在第二表面上。實(shí)施例1圖3示出第一實(shí)施例的物鏡10以及薄覆蓋層光盤的覆蓋層D1。圖5示出物鏡10以及厚覆蓋層光盤的覆蓋層D2。第一實(shí)施例的設(shè)計(jì)數(shù)值示于表1。表面#1和#2表示物鏡10，表面#3和#4表示光盤的覆蓋層。
在表1中，NA表示數(shù)值孔徑；f表示總的焦距(單位mm)；fD表示衍射透鏡結(jié)構(gòu)的焦距(單位mm)；ω表示半視角(單位為度)；λ1表示用于薄覆蓋層光盤的波長(單位nm)；λ2表示用于厚覆蓋層光盤的波長(單位nm)；λB表示閃耀波長(單位nm)；h45表示一個點(diǎn)距光軸的高度(單位mm)，在該點(diǎn)數(shù)值孔徑為0.45的光線相交于衍射透鏡結(jié)構(gòu)；r表示表面的曲率半徑(單位mm)(消球差面(asphericalsurface)頂點(diǎn)的值)；d1表示薄覆蓋層光盤沿光軸的表面之間的距離(單位mm)；d2表示厚覆蓋層光盤的距離(單位mm)；nλ表示波長λnm的折射率；Vd表示Abbe數(shù)。
第一表面11(表面#1)的底曲面是消球差的。該底曲面被定義為不包括衍射透鏡結(jié)構(gòu)的折射透鏡的形狀。第二表面12(表面#2)也是消球差的。消球差表面由以下方程表示X(h)=h2c1+1-(1+K)h2c2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>X(h)是SAG(下陷值)，即一個曲線離表面上一個點(diǎn)的切平面的距離，該點(diǎn)距光軸的高度為h。符號C代表表面頂點(diǎn)的曲率(1/r)，K是二次曲線常數(shù)，A4、A6、A8、A10和A12是第四、第六、第八、第十和第十二級的消球差表面系數(shù)。常數(shù)K及物鏡10的第一和第二表面的系數(shù)A4～A12示于下面的表2。
另外，表2還示出確定衍射透鏡結(jié)構(gòu)的光程差函數(shù)φ(h)的第二、第四、第六、第八和第十級的系數(shù)P2、P4、P6、P8和P10。表1λ1=650nm NA 0.60 f=3.30mm fD=330.53mm ω=1.0°h45=l.49mm(#1)λ2=780mm NA 0.45 f=3.32mm ω=1.0°λ3=710nm
表面號r d1 d2 n650 n780 νd#1 2.1172.4002.4001.54082 1.5367755.6#2 -7.254 1.5921.222#3 ∞ 0.6001.200#4 ∞表2表面#1 表面#2K -0.44000.0000A4-0.2560×10-20.1882×10-1A6-0.8470×10-3-0.5235×10-2A90.8800×10-40.3275×10-3A10-0.7500×10-50.3235×10-4A12-0.6200×10-50.0000P2-2.3272P4-1.5289P6-5.5184×10-1P81.5292×10-1P10-1.6178×10-2圖4A～4C示出用薄覆蓋層光盤及波長650nm時第一實(shí)施例物鏡的第三級像差。圖4A示出波長650nm的球差SA和正弦條件SC；圖4B示出用波長650nm、645nm和655nm的球差表示的色差；圖4C示出像散(S為徑向像散(Sagittal)，M為子午線像散(Meridional))。
圖4A和4B的垂直軸代表數(shù)值孔徑NA，圖4C的垂直軸代表像高度Y。在圖4A～4C的各個圖中，水平軸的單位是“mm”。圖6A、6B和6C是應(yīng)用厚覆蓋層光盤及波長780nm時類似于圖4A、4B和4C的曲線圖。
如圖4A和6A所示，在650nm和780nm兩個波長球差已得到充分校正。
當(dāng)入射光波長增加時，近軸焦點(diǎn)移動，使得后焦距增加。波長改變+5nm造成的后焦點(diǎn)的移動量ΔCA由圖4B中650nm和655nm的兩條曲線的下端點(diǎn)之間的寬度表示。波長改變+5nm造成的邊界光線球差的變化量△SA由650nm曲線上端點(diǎn)和655nm曲線的平移曲線的上端點(diǎn)之間的寬度表示，將655nm曲線的下端點(diǎn)平移到650nm曲線的下端點(diǎn)上便形成該平移曲線。因?yàn)檫@些值的比滿足條件2，所以圖4B中650nm和655nm的兩條曲線相交于垂直軸，這表示，由波長快速改變引起的最佳焦點(diǎn)位置的移動量相當(dāng)小。
在上述第一實(shí)施例的數(shù)值設(shè)計(jì)中，在第一表面的有效半徑整個區(qū)域內(nèi)形成在710nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對于薄覆蓋層光盤優(yōu)化外周區(qū)域。第一實(shí)施例物鏡的有效半徑為1.98nm,NA為0.6時的焦距為3.3mm。厚覆蓋層光盤要求的半徑為1.49mm,NA為0.45時的焦距為3.32mm。因此外周區(qū)域定義為這樣一個區(qū)域，在此區(qū)域中距光軸的高度位于第一實(shí)施例有效半徑的75.5％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，外圍區(qū)域可形成為在650nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，或形成為補(bǔ)償650nm像差的連續(xù)表面。當(dāng)外圍區(qū)域形成為連續(xù)表面時，可以在中心區(qū)域形成在710nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。中心區(qū)域包括中央的圓形部分以及第一至第十五環(huán)形階梯。第16環(huán)覆蓋外周區(qū)域，該外周區(qū)域是由下面表3中的系數(shù)確定的轉(zhuǎn)動對稱的消球差表面。符號D是光軸上的透鏡表面和沿光軸方向的外圍區(qū)域表面之間的位移量。
表3 r=2.09903K=-0.44A4=-8.73_10-4A6=-1.26_10-4A8=-6.17_10-5A10=6.67_10-6A12=-6.20_10-6△=-0.01923
圖8A～8C示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤及635nm波長時第二實(shí)施例物鏡的各種像差。圖10A～10C示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤及波長780nm時的各種像差。
表4λ1=635nm NA 0.60 f=3.50mm fD=350.00mm ω=1.0°h45=1.58mm(#1)λ2=780nmNA 0.50 f=3.52mm ω=1.0°λB=690nm表面號 r d1 d2 n650 n780νd#1 2.278 2.928 2.928 1.54142 1.53677 55.6#2 -6.508 1.521 1.153#3∞0.600 1.200#4∞表5 表面#1表面#2K -0.4400 0.0000A4-0.1890×10-20.2349×10-1A6-0.3510×10-3-0.7437×10-2A80.8300×10-50.8432×10-3A10-0.1250×10-50.1949×10-4A12-0.3860×10-50.0000P2-2.2497P4-1.1709P6-3.3665×10-1P81.1948×10-1P10-1.9838×10-2在第二實(shí)施例的上述數(shù)值設(shè)計(jì)中，在第一表面的整個有效半徑區(qū)域內(nèi)形成在690nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域。第二實(shí)施例的有效半徑為2.1mm，而NA為0.6的焦距為3.5mm。厚覆蓋層光盤要求的半徑為1.76mm，NA為0.50的焦距為3.52mm。因此外圍區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在此區(qū)域中，距光軸的高度落在第二實(shí)施例有效半徑的83.8％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，該外圍區(qū)域可形成為在635nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)或形成為補(bǔ)償635nm像差的連續(xù)表面。
圖12A～12C示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤及波長635nm時第三實(shí)施例物鏡的各種像差。圖14A～14C示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤及780nm波長時的各種像差。
表6λ1=635nm NA 0.60f=3.50mmfD=∞ω=1.0°h45=1.58mm(#1)λ2=780nm NA 0.50f=3.53mm ω=1.0°λB=690nm表面號 r d1 d2 n650 n780νd#12.203 2.400 2.400 1.54142 1.53677 55.6#2-8.367 1.781 1.423#3∞ 0.600 1.200#4∞表7 表面#1 表面#2K -0.4400 0.0000A4-0.1800×10-20.1746×10-1A6-0.1500×10-3-0.4844×10-2A6-0.9100×10-40.5863×10-3A100.1150×10-4-0.2529×10-4A12-0.3860×10-50.0000p20.0P4-1.2621P5-1.4187×10-1
P82.7738×10-2P10-5.6149×10-3在上述第三實(shí)施例的數(shù)值設(shè)計(jì)中。在第一表面的整個有效半徑區(qū)域內(nèi)形成在波長690nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域。第三實(shí)施例物鏡的有效半徑為2.1mm，NA為0.6的焦距為3.5mm。厚覆蓋層光盤要求的半徑為1.765mm，NA為0.50的焦距為3.55mm。因此外圍區(qū)域被定義為這樣一個區(qū)域，在此區(qū)域中，距光軸的高度落在第三實(shí)施例有效半徑的84.0％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，該外圍區(qū)域可形成為對635nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，或形成對635nm補(bǔ)償像差的連續(xù)表面。
圖16A～16C示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤及波長650nm時第四實(shí)施例物鏡的各種像差。圖18A～18C示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤及波長780nm時的各種像差。
表8 λ1=650nm NA 0.60 f=3.50mm fd=∞ ω=1.0°h45=1.58mm(#1)λ2=780nm NA 0.50 f=3.53mmω=1.0°λB=710nm表面號r d1 d2 n650 n780νd#1 2.193 2.300 2.300 1.54082 1.53677 55.6#2 -8.740 1.831 1.471#3∞ 0.600 1.200#4∞表9 表面#1 表面#2K -0.4400 0.0000
A4-0.2530×10-20.1316×10-1A60.2110×10-30.3070×10-2A8-0.6630×10-4-0.3534×10-2A100.8400×10-50.9045×10-3A12-0.5800×10-50.0000P20.0P4-1.3766P6-2.0032×10-1P83.7560×10-2P10 -1.0539×10-3在上述第四實(shí)施例的數(shù)值設(shè)計(jì)中，可以在第一表面的整個有效半徑區(qū)域內(nèi)形成在710nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域。外圍區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，距光軸的高度落在與第三實(shí)施例一樣的第四實(shí)施例的有效半徑的84.0％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，該外圍區(qū)域可以形成為對650nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，或形成為可補(bǔ)償650nm像差的連續(xù)表面。
圖20A～20C示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤及波長635nm時第五實(shí)施例物鏡的各種像差。圖21A～21C示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤及波長780nm時的各種像差。
表10 λ1=635nm NA0.60 f=3.50mmfD=∞ω=1.0°h45=1.23mm(#2)λ2=780nm NA0.50 f=3.53mm ω=1.0°λB=690nm
表面號r d1 d2 n650n780νd#1 2.199 1.930 1.930 1.54142 1.53677 55.6#2-9.484 2.042 1.685#3 ∞ 0.600 1.200#4 ∞表11 表面#1表面#2K -0.4400 0.0000A4-0.9330×10-30.1600×10-1A6-0.3370×10-4-0.2886×10-2A8-0.5210×10-40.1721×10-3A100.7400×10-50.2300×10-6A12-0.3100×10-50.0000P20.0P4-5.2894P69.3630×10-1P8-5.9940×10-2P101.8211×10-4在上述第五實(shí)施例的數(shù)值設(shè)計(jì)中，在第二表面的整個有效半徑區(qū)域內(nèi)形成在690nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域。該外圍區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在該區(qū)域中，距光軸的高度落在第五實(shí)施例的和第三實(shí)施例一樣的有效半徑的84.0％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，該外圍區(qū)域可以形成為在635nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)或形成為可補(bǔ)償635nm像差的連續(xù)表面。
圖24A～24C示出應(yīng)用薄覆蓋層光盤及波長650nm時第六實(shí)施例的各種像差。圖25A～25C示出應(yīng)用厚覆蓋層光盤及波長780nm時的各種像差。表12λ1=650nm NA 0.60 f=3.50mm fD=202.10mm ω=1.0°h45=1.23mm(#2)λ2=780nm NA 0.50 f=3.53mm ω=1.0°λB=710nm表面號 r d1 d2 n650 n780 νd#1 2.207 1.930 1.930 1.54082 1.53677 55.6#2 -10.066 2.042 1.685#3 ∞0.600 1.200#4 ∞表13表面#1表面#2K -0.4400 0.0000A4-0.8170×10-30.1600×10-1A6-0.3070×10-4-0.2930×10-2A8-0.4850×10-40.1875×10-3A100.6320×10-5-0.1225×10-5A12-0.2820×10-50.0000P2-3.8063P4-5.3042P69.2234×10-1P8-5.7284×10-2P10-3.4616×10-4在上述第六實(shí)施例的數(shù)值設(shè)計(jì)中，在第二表面的整個有效半徑區(qū)域內(nèi)形成在710nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。另一方面，對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域。該外圍區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在該區(qū)域中，距光軸的高度落在第六實(shí)施例的與第三實(shí)施例一樣的有效半徑的84.0％～100％的范圍內(nèi)。
為對薄覆蓋層光盤優(yōu)化外圍區(qū)域，該外圍區(qū)域可形成為在650nm閃耀的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，或形成為可補(bǔ)償650nm像差的連續(xù)表面。
以下的表14示出第一到第六實(shí)施例的條件(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)的值。因?yàn)樗袑?shí)施例滿足條件(1)，所以可以減小由覆蓋層厚度變化引起的波前差的變壞。所有實(shí)施例滿足條件(2)和(3)，這減小了因波長快速改變造成的最佳焦點(diǎn)位置的移動。因?yàn)樗袑?shí)施例滿足條件(4)、(5)和(6)，所以可以很好地平衡因波長改變引起的縱向色差和球差的變化，這些實(shí)施例的物鏡還可減少最佳焦點(diǎn)位置的移動。
表14 實(shí)施例1 2 34 5 6條件(1)-10.6 -0.36 0.010 0.833 0.910 1.092Φ(h45)/λ-P2×(h45)2條件(2)-9.7-0.26 0.010 0.814 0.885 1.087ΔCA/ΔSA條件(3)-9.4-0.50 0.000 0.814 0.885 1.087f/fD條件(4)-10.2 -0.43 0.000 0.833 0.910 1.092λ1/λ2條件(5)-9.2-0.78 0.000 0.814 0.885 1.087條件(6)-9.3-0.47 0.017 0.833 0.910 1.092雖然已參考實(shí)施例說明本發(fā)明，但這些實(shí)施例不能解釋為對本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書規(guī)定。
權(quán)利要求
1．一種光盤頭的物鏡，包括具有正折射能力的折散透鏡；具有許多同心環(huán)形階梯的衍射透鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形成在上述折散透鏡的至少一個透鏡表面上；其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有一種波長依從關(guān)系，使得同一衍射級次的不同波長的至少兩束光線可以形成適合于至少兩種光盤的波前，這些光盤分別具有厚度不同的覆蓋層。
2．如權(quán)利要求2所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有的波長依從關(guān)系使得第一波長衍射光可形成適合于較薄覆蓋層光盤的波長，而第二波長衍射光可形成適合于較厚覆蓋層光盤的波前，上述第一波長短于上述第二波長。
3．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有的上述波長依從關(guān)系使得在欠校正方向的球差隨入射光波長的增加而變化。
4．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7式中，h45是一個點(diǎn)距光軸的高度，在該點(diǎn)，NA為0.45的光線相交于上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)；λ是上述光的波長；P2是在上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)增加的附加光程長度由以下光程差函數(shù)φ(h)表示時的第二級系數(shù)φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ上式中，P4和P6是第四和第六級系數(shù)，h是離光軸的高度。
5．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，上述折射透鏡和衍射透鏡結(jié)構(gòu)所具有的總的縱向色差使得入射光波長增加時焦距增加；并滿足以下條件(2)(2)-0.8＜ΔCA/ΔSA＜-0.2式中ΔCA是隨波長的改變近軸焦點(diǎn)的移動量，而ΔSA是邊界光線的球差隨波長的上述改變而發(fā)生的變化。
6．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)具有小的近軸放大率；而且滿足以下條件(3)(3)-0.020＜f/fD＜0.020式中，f是在上述較短波長時上述物鏡的總的焦距，而fD是在上述較短波長時上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的焦距，該焦距由下式確定fD=1/(-P2×2λ)式中，P2是在上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)增加的附加光程長度由以下光程差函數(shù)φ(h)表示時的第二級系數(shù)Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ式中，P4和P6是第四和第六級系數(shù)，h是離光軸的高度，而λ是入射光的波長。
7．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成滿足以下條件(4)(4)0.75＜λ1/λ2＜0.87式中，λ1是用于其覆蓋層厚度為0.6mm的上述光盤的上述光波長，而λ2是用于其覆蓋層厚度為1.2mm的光盤的上述光波長。
8．如權(quán)利要求7所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)在光軸附近中心區(qū)的閃耀波長λB滿足條件λ1＜λB＜λ2。
9．如權(quán)利要求8所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)在上述中心區(qū)域的閃耀波長λB滿足以下條件(5)和(6)(5)0.87＜λB/λ2，(6)λB/λ1＜1.13.
10．如權(quán)利要求8所述的物鏡，其特征在于，上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)在外圍區(qū)域的閃耀波長短于上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)在上述中心區(qū)域的閃耀波長λB。
11．如權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，其上形成上述衍射透鏡結(jié)構(gòu)的透鏡表面外周區(qū)域是無階梯的連續(xù)表面，上述外周區(qū)域被定義為一個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，離光軸的高度位于上述折射透鏡有效半徑的85％～100％的范圍內(nèi)。
全文摘要
物鏡包括具有正折射能力的折射透鏡和在折射透鏡的至少一個透鏡表面上形成的具有許多同心環(huán)形階梯的衍射透鏡結(jié)構(gòu)。該物鏡是雙凸塑料透鏡,具有第一和第二消球差表面。衍射透鏡結(jié)構(gòu)形成在物鏡的第一表面上。該衍射透鏡結(jié)構(gòu)類似于菲涅爾透鏡,它被形成為許多同心環(huán),各個環(huán)具有楔形截面形狀。相鄰環(huán)的邊界形成為得到預(yù)定光程差的階梯。衍射透鏡結(jié)構(gòu)的波長依從關(guān)系使得同一衍射級次的具有不同波長的至少兩個光束可以形成適合于至少兩種光盤的波前,這兩種光盤的覆差層分別具有不同厚度。
文檔編號G11B7/135GK1305630SQ99807398
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者丸山晃一 申請人:旭光學(xué)工業(yè)株式會社