具有高數值孔徑的混合透鏡的製作方法

2023-12-11 20:45:27 5

專利名稱：具有高數值孔徑的混合透鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種組合衍射透鏡和折射透鏡的混合透鏡，更具體地說，涉及用於光信息記錄/再現裝置中的具有高數值孔徑的混合透鏡。
背景技術：
光信息媒體的發展趨勢已經從直徑為12cm、襯底厚度為1.1mm的CDs發展成直徑為12cm、襯底厚度為0.6mm的DVDs(數字通用盤)，並且還將朝比DVDs更薄的藍光碟(blue-ray disc)發展。還從這些光信息媒體出發研究和開發了記錄和再現信息的光學裝置，從而通過形成高能小光斑獲得高的記錄密度。例如，CDs的光記錄/再現裝置採用波長為780nm的光源和數值孔徑(NA)為0.45的透鏡。而DVDs的光記錄/再現裝置採用波長為680nm的光源和數值孔徑為0.6的透鏡。目前仍積極研究的藍光碟被設計用于波長約為405nm的光源和數值孔徑約為0.85的透鏡。但是，用現有技術製造具有如此高數值孔徑的透鏡仍然很困難。
圖1是普通透鏡11的數值孔徑(NA)、光點大小(spot size)和焦深(depth offocus)Δz之間的關係圖。
在圖1中，D表示透鏡11的孔徑，f表示焦距，θ表示透過透鏡的光線的折射角。下列等式1限定數值孔徑(NA)，其中n表示透鏡的折射率，θ表示其折射角。當入射光束平行時，下列等式2給出光點大小ω0、數值孔徑NA和波長λ之間的關係。下列等式3給出焦深Δz、數值孔徑NA和波長λ之間的關係。
NA＝nsinθ .... (1)0=2NA---....(2)]]>z=2NA2---....(3)]]>
為了增加信息記錄密度，應該減小光點尺寸，且根據等式2，為了減小光點尺寸ω0，應減短波長λ並應提高數值孔徑NA。因此，為了在藍光碟上記錄和再現信息，需要具有短波長的藍色雷射器和具有高數值孔徑的透鏡。
當然，還有必要增大焦深Δz，以實現穩定地記錄和再現，且根據等式3，欲增大焦深Δz，就需要增加波長λ和減小數值孔徑(NA)。
為滿足等式2和3，在藍光碟的情況中，優選使製造出的盤的塗覆層(cover layer)的有效厚度約為0.1mm，這樣，可防止由於數值孔徑的提高和波長的減少所引起的焦深縮短，從而增加了信息記錄密度。然而，出現的問題是，數值孔徑的提高引起記錄表面和光軸的允許偏斜範圍(即傾斜裕度)變小。通過形成約0.1mm厚的較薄的塗覆層，可使允許偏斜範圍擴展至現有DVD水平，也可使盤偏斜範圍和藍光碟傾斜以及裝置組裝誤差等維持在DVDs中的同一水平。
光記錄/再現媒體中所用的折射透鏡的入射雷射波長隨溫度而變。當不同波長的光透過折射透鏡時，它們沿光軸方向以不同焦距聚焦。這是所謂的色差(Chromatic aberration)。
在現有技術中，為了減小色差和色散並獲得高數值孔徑，有人曾推薦採用大曲率半徑、低折射率和高阿貝數(Abbe number)的厚透鏡。然而，這樣的透鏡難以製造，且它大而重，不適於用在小且輕的信息記錄/再現裝置中。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種小而輕的混合透鏡，其具有高數值孔徑且沒有色差。
為了解決上述問題，本發明一方面提供一種混合透鏡，該透鏡包括使入射光折射的折射表面和使從透鏡出射的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有滿足下式的弛垂度(sag)sag=fD+m-fD2+r2n-1---....(4)]]>其中，fD是從透鏡的中心最高點到焦點間的距離；r是從透鏡的中軸到每個最高點的高度；n是透鏡的折射率；λ是入射光的波長；而m是一整數。
具有低階非球面形狀z的折射表面滿足下式5
z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10---....(5)]]>其中，c表示折射表面的曲率；k表示折射表面形狀的圓錐曲線係數；A、B、C和D分別表示四次項、六次項、八次項和十次項的非球面係數。其中衍射表面的最小衍射紋槽(pitch)優選是3μm，折射表面的數值孔徑優選約為0.85，且衍射表面的深度Lm滿足下式6Lm=n-1---....(6)]]>根據本發明的另一方面，提供一種高數值孔徑的小而輕的混合透鏡，通過包括低階折射表面和按等式4簡單確定的形狀的衍射表面，能夠消除色差。


下面參照附圖詳細描述本發明的具體實施方式
，通過描述，本發明的上述和其它特徵及優點將更加明顯。附圖中圖1是普通透鏡的數值孔徑(NA)、光點大小ω0和焦深Δz之間的關係圖；圖2是本發明優選實施方式的混合透鏡結構的剖面圖；圖3A～3C分別是折射器件、衍射器件和混合器件的色差示意圖；圖4是本發明優選實施方式的混合透鏡的衍射表面結構和形狀的示意圖；以及圖5是本發明優選實施方式的混合透鏡的模擬結果示意圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細描述本發明優選實施方式的混合透鏡。
圖2是本發明優選實施方式的混合透鏡結構的剖面圖。
參照圖2，本發明優選實施方式的混合透鏡31包括折射表面31a和衍射表面31b，折射表面31a具有按等式5確定的低階非球面形狀z，衍射表面31b具有按等式4確定的形狀弛垂度(profile sag)。下面將參照圖4詳細描述得到等式4的過程。通過從關於折射表面的通用公式諸如下式7中僅選擇低於第十階的項而得到等式5的公式。在下式7中，k是圓錐係數，當k值在-1和0之間時，上述折射表面是橢球面z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+Fr14+---...(7)]]>
例如，在使用由SCHOTT公司製造的、具有中等範圍折射率的LASFN30作為形成混合透鏡材料的情況下，透鏡的折射率約為1.83，且在408nm波長處出現中量色散(dispersion)。其中，透鏡材料的折射率或色散取決于波長，因此應當根據光源的波長選擇合適的材料。
下面將參照圖3A～3C描述本發明優選實施方式的混合透鏡中校正色差的原理。
參照圖3A，由于波長減少時折射角增大，被折射器件22折射的藍(B)、綠(G)和紅(R)光順序地聚焦在離折射器件22越來越遠的地方。這種焦距隨波長增加而變長的現象稱為色差。
另一方面，參考圖3B，由于波長增加時衍射角增大，被衍射器件24衍射的紅(R)、綠(G)和藍(B)光順序地聚焦在離衍射器件24越來越遠的地方。即，衍射器件24產生色差，其中隨波長減少焦距變長，這與折射器件的色差相反。這裡，衍射器件24是在玻璃透鏡的一個表面上形成相位型衍射格子的部分側面型(fault-type)衍射器件。衍射器件24所具有的、與折射器件相反的、使入射光按照增大的角度衍射的特性是一重要性能。
因此，為了消除由折射器件22和衍射器件24產生的相反類型的色差，構造了圖3C所示的組合兩種光學器件的混合器件26。
在傳統光學系統中，為了校正色差，凸透鏡和凹透鏡配合布置，而且為了提高凸透鏡的折射率要適當選擇凸透鏡的形狀或材料。但是，在高折射率的光學系統中採用這類方法時，存在球差、色差等像差將增大的問題。然而，通過採用上述部分側面型衍射器件(fault type diffractive device)，可以減小光學器件的折射率並減小色差，而不會增加其它類型的像差。
由於現有技術中使用的折射器件具有高阿貝數，為了校正色差，需要顯著提高光學器件的折光本領。但是，因為阿貝數小的光學器件的色差可以通過稍稍改變該光學器件的折光本領而大幅度地改變，因此，可以通過採用阿貝數小的光學器件抑制球差、彗差等像差，而不必提高光學器件的折光本領。
當將上述衍射器件轉變為普通光學器件時，作為表示折射率與光波長的比數，其阿貝數的絕對值為3.45。這個值小於普通光學元件的阿貝數一個數量級。在設計光學系統時，阿貝數小的衍射元件不僅有利於校正色差，而且有利於校正各種其它類型的像差。如果採用非球面透鏡，可以通過調節衍射器件的紋槽間距(pitch)來減小球差。
因此，通過組合具有高阿貝數的折射器件和具有低阿貝數的衍射器件，根據本發明優選實施方式的混合透鏡可消除色差，同時通過合理調節衍射器件的紋槽間距(pitch)可消除其它類型的像差。
圖4是本發明優選實施方式的混合透鏡的衍射表面結構和形狀弛垂度的示意圖。
參照圖4，當從點O至點F的光程與從點C至點F的光程之間的光程差是波長的整數時，產生結構幹涉並且寫表面上的焦點F的密度最大。點C和點F間的光程是點C和點A間的光程(＝sag·n)、點A和點D間的光程(＝(Lm-sag)·1)以及點D和點F間的光程(=r2+fD21)]]>的總和。點O和點F間的光程是點O和點B間的光程(＝Lm·n)以及點B和點F間的光程(＝FD·1)之和。因此，下式8給出了結構幹涉的條件r2+fD21+sagn+(Lm-sag)1-fD1-Lmn=m---...(8)]]>等式8中的混合透鏡的衍射表面的深度Lm滿足上述等式6，因此結合等式6和8得到確定本發明優選實施方式的混合透鏡的衍射表面的公式，重新排列可得到表示弛垂度(sag)的等式，見下式9sag=fD+(m+1)-fD2+r2n-1=fD+m-fD2+r2n-1---...(9)]]>其中，m′是任意整數。於是，可用m替代m′+1。
圖5顯示本發明優選實施方式的混合透鏡的模擬結果。在該模擬結果中，最小紋槽間距(pitch)設為2.943μm，透鏡蝕刻深度被加工成220μm。在這些條件下，發現波陣面誤差是0.0053μm，小於0.07λrms(均方根)，衍射效率是92.11％，透鏡偏心容差是22μm，小於0.07λrms，表面偏心容差是12μm，表面傾斜容差是0.55deg，小於標準的0.75deg，且1nm波長變化的散焦是36nm，小於1nmλ變化的標準的80nm。因此，有可能設計各方面性能優良的混合透鏡。
本發明優選實施方式的混合透鏡的優點是大於0.85的高數值孔徑、沒有色差、具有小的容差、尺寸緊湊、重量輕、且易於製造。
上面已結合本發明的優選實施方式對本發明作了具體描繪和敘述，但不難理解，在不脫離由權利要求書所限定的本發明的構思和保護範圍的前提下，本領域的普通技術人員可作出各種型式和細節的改變。例如，可調節上述紋槽間距。
權利要求
1.一種混合透鏡，包括使入射光折射的折射表面和使出射透鏡的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有滿足下式的弛垂度(sag)sag=fD+m-fD2+r2n-1]]>其中，fD是從混合透鏡的中心最高點到焦點間的距離；r是從混合透鏡的中軸到每個最高點的高度；n是混合透鏡的折射率；λ是入射光的波長；而m是一整數。
2.如權利要求1所述的混合透鏡，其中上述折射表面具有滿足下式的低階非球面形狀zz(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10]]>其中，c表示折射表面的曲率；k表示折射表面形狀的圓錐曲線係數；A、B、C和D分別表示四次項、六次項、八次項和十次項的非球面係數。
3.如權利要求1所述的混合透鏡，其中上述衍射表面的最小衍射紋槽是3μm。
4.如權利要求1所述的混合透鏡，其中上述折射表面的數值孔徑大於0.85。
5.如權利要求1所述的混合透鏡，其中上述衍射表面的深度Lm滿足下式Lm=n-1]]>
全文摘要
本發明公開了一種具有高數值孔徑的混合透鏡，該混合透鏡包括使入射光折射的折射表面和使出射透鏡的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有滿足下式的弛垂度(sag)其中f
文檔編號G02B5/18GK1499235SQ0314763
公開日2004年5月26日 申請日期2003年7月15日 優先權日2002年11月11日
發明者趙恩亨, 孫鎮升, 李明馥, 樸寧弼 申請人:三星電子株式會社