光學拾取器的物鏡的製作方法
2023-09-09 23:06:15 3
專利名稱：光學拾取器的物鏡的製作方法
背景技術：
本發明涉及光學拾取器的物鏡，所述光學拾取器用於使用至少兩種具有不同數據密度光碟的光碟驅動器。傳統上，光碟具有不同的數據記錄密度是公知的。例如，DVD(數字通用盤)比CD(壓縮光碟)的數據密度高。
如果波長短而且光學系統的NA(數值孔徑)大，則光束點尺寸小。因此，對於DVD系統，要求光學系統具有大的NA而且使用波長相當短的光束。對於CD系統，要求光學系統具有相當小的NA而且使用波長相當長的光束。具體地，如果使用CD-R(可記錄CD)，鑑於CD-R的反射特性，光束的波長應該大約為780nm或更長。
因此，為了滿足關于波長的要求，能夠使用DVD和DC-R的光碟驅動器需要使用兩個光源，對於DVD能夠發射波長較短的光束(例如大約為650nm)，對於CD(或CD-R)能夠發射波長較長的光束(例如大約為780nm)。
為了滿足NA的要求，在傳統的CD-DVD兼容光學拾取器的光學系統中，利用孔徑控制機構實現需要的NA。為了控制NA，可以使用可變孔徑或波長選擇濾波器以便根據是使用CD還是使用DVD改變光束尺寸。然而，在這樣的結構中，即使用孔徑機構或者濾波器，由於部件的數目增加了，光學系統的重量和尺寸也增大了。
傳統上已經提出一種具有衍射透鏡結構的物鏡，用在適用於DVD-CD兼容光碟驅動器的光學拾取器。在這樣的物鏡中，通過衍射透鏡結構的光束波前與波長相關，以便根據兩種類型的光碟形成適當的波前，因為用於這些光碟的光束的波長不同。在該傳統技術中，衍射透鏡結構通常具有多個環帶，它們的邊界根據OPD函數獲得，以便在邊界處由於衍射透鏡結構增加的光路長度量等於閃耀波長的整數倍m。這樣物鏡的環帶邊界以如上所述方式確定，使用m級衍射光。
在傳統的形成有衍射透鏡結構的物鏡中，如果環帶的邊界以如上所述方式設計，當使用用於低數據密度光碟的光束時，形成在專用高NA區域內的衍射透鏡結構不能充分地將入射到上面的光束散射。因此，在一些情況下，當使用低數據密度光碟時，就會產生幹擾。
為了實現上述優點，根據本發明的一個方面，提供了一種用於光學拾取器的物鏡，包括折射透鏡元件，至少在折射透鏡元件的一個表面上具有衍射透鏡結構。該衍射透鏡結構具有多個環帶，各環帶彼此之間具有臺階。該物鏡能夠將至少兩種不同波長的光束分別會聚在具有不同數據記錄密度的至少兩種類型光碟上(例如DVD和CD)。該物鏡被劃分為通用區域和專用高NA區域，對應於低數據密度光碟的低NA光束通過所述通用區域，所述專用高NA區域是為了讓對應於高數據密度光碟的高NA光束會聚而設計的。專用高NA區域的基本曲線及光程差函數被定義成，使具有高數據密度光碟所需波長的光束充分地會聚在高數據密度光碟上。形成在專用高NA區域環帶的至少一部分邊界與從光程差函數獲得的邊界獨立設計同時基本保持基本曲線，以使高NA光束基本上會聚在某一點上，而低NA光束被散射。
通過上述結構，專用高NA區域實質上起限制對於低數據記錄密度光碟的光束直徑尺寸的作用。
為了得到限制光束直徑尺寸的作用，專用高NA區域所實用的衍射級不應被限定成為一個固定的級，如第二級或者第三級。相反地，光均衡貫穿整個專用高NA區域。值得注意的是，用於光碟驅動器的光源可認為是發射單色光束。因此，專用高NA區域可使用具有多個衍射級的元件。
對於與高數據密度光碟相對應的光束，形成在專用高NA區域的環帶應該設計成可使貫穿專用高NA區域的光基本上會聚在一點。值得注意的是，這種構造的設計具有一定自由度。因此，在保持上述條件的情況下，可單獨地確定每一環帶的寬度，可得到與低數據密度光碟相應的、使光束充分地散射的構造。一般，相對於設計波長，雷射光束的波長偏差大約在3％的範圍。因此，即使從OPD函數得到的臺階位置偏移了，如果該變化是在相對於基礎曲線的波長的整數倍內，也可取得所需的波長特性曲線。
一般，低NA光束具有第一波長，高NA光束具有第二波長，第一波長大於第二波長。通常，兩種類型光碟是CD(或者CD-R)和DVD。對於CD的光束波長大約為780nm，而對於DVD的光束波長大約為650nm。即，第一波長(即650nm)小於第二波長(即780nm)的90％。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用於光學拾取器的物鏡，該物鏡會聚至少兩個不同波長的光束以便分別在具有不同數據記錄密度的光碟上形成不同尺寸的光束點。這樣的物鏡具有正光焦度折射透鏡和衍射透鏡結構，所述衍射透鏡結構具有形成在折射透鏡的至少一個表面上的多個環帶。該物鏡被劃分為通用區域和專用高NA區域，對應於低數據密度光碟的低NA光束通過所述通用區域，只有對應於高數據密度光碟的高NA光束通過所述專用高NA區域。
形成在通用區域的衍射透鏡結構產生與波長有關的球差，以便由於兩種類型光碟的覆蓋層不同導致的象差變化被光束的波長差補償。
形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構具有多個環帶，而且對於高數據記錄密度光碟的光束會聚點、對於用於高數據記錄密度光碟的光束不產生象差。
多個環帶包括至少一個寬帶，其設計成使得對於低記錄密度光碟的光束會聚點，該至少一個寬帶的裡邊與外邊的光程長度差等於或大於用於低數據記錄密度光碟的光束波長的0.6倍。
通過這樣的結構，因為形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構對於較高數據記錄密度光碟不產生象差，對於較低數據記錄密度光碟產生波前差。因此，當使用低數據記錄密度的光碟時，物鏡的專用高NA區域散射所通過的光。最好，在這種情況下，波長較長而且通過專用高NA區域的光的相位不集中在某一方向上，而是均勻分布(即360°)。如果相位均勻分布，通過專用高NA區域的光能夠很好地散射，而且能夠基本上限定光束的直徑。
任選地，形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構可以設計成在至少一個寬帶和其他部分之間的每個邊界上形成臺階，臺階對於高數據記錄密度光碟產生為光束波長m倍的光程差，m是不小於2的整數。
進一步任選地，至少一個寬帶可以包括m多個寬環帶。m多個寬環帶呈階梯排列以便m多個寬環帶中的每一個對於高數據記錄密度光碟產生一個光束波長的光程長度差。
在這種情況下，至少一個窄環帶設置在m多個寬環帶之間，該窄環帶對於高數據記錄密度光碟可以產生小於光束波長0.6倍的光程差。
物鏡可以設計成滿足如下條件10λh/(n0-n1)＜Ww；以及λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)其中λh表示低數據記錄密度光碟的光束波長，n0表示空氣的折射率，n1表示折射透鏡元件的折射率，Ww表示m多個寬環帶中每一個的寬度，Wn表示至少一個窄環帶中每一個的寬度，所述窄環帶對於高數據記錄密度光碟產生小於0.6倍光束波長的光程差。
進一步任選地，所述多個環帶中至少一個可以包括多個寬環帶，其中每一個設計成對於低記錄密度光碟的光束會聚點，該多個寬環帶中的至少一個的裡邊與外邊的光程長度差等於或大於用於低數據記錄密度光碟的光束波長的0.75倍。
進一步任選地，至少一個多個寬環帶中的每個的裡邊與外邊的光程差之差ΔOPD可以滿足如下條件0.75λ＜ΔOPD＜1.25λ其中λ表示低數據記錄密度光碟的光束波長。
下面結合實施例及附圖對本發明進行說明圖1A示出根據本發明的物鏡的前視圖，圖1B示出剖面側視圖，圖1C示出局部放大側視圖；圖2是示意圖，簡要示出使用本發明物鏡的光學頭的光學系統結構；圖3是曲線圖，示出形成在比較物鏡上的衍射透鏡結構的弧矢量(sag amount)；圖4是曲線圖，示出比較透鏡會聚的光強度分布；圖5是曲線圖，示出形成在根據本發明第一實施例的物鏡上的衍射透鏡結構的弧矢量；圖6是曲線圖，示出根據本發明第一實施例的物鏡會聚的光強度分布；圖7是曲線圖，示出形成在根據本發明第二實施例的物鏡上的衍射透鏡結構的弧矢量；圖8是曲線圖，示出根據本發明第一實施例的物鏡會聚的光強度分布；圖9是曲線圖，示出形成在根據本發明第三實施例的物鏡上的衍射透鏡結構的弧矢量；圖10是曲線圖，示出根據本發明第三實施例的物鏡會聚的光強度分布。
圖1A-1C示出可以利用本發明的光學拾取器的物鏡10的結構。圖1A是物鏡10的前視圖，圖1B是剖面側視圖，圖1C是局部放大剖面側視圖。
物鏡10用於DVD-CD(和CD-R)兼容光學數據記錄/讀出裝置的光學拾取器中。在光學拾取器中，物鏡10會聚由雷射二極體發射的不同波長的雷射束。被物鏡10會聚的每個雷射束在光碟(即DVD、CD或者CD-R)的數據記錄面上形成光束點。
物鏡10是由樹脂製成的單元件雙凹透鏡。在一個表面11上，形成由多個圍繞光軸同心排列的環帶構成的衍射透鏡結構。環帶在彼此之間的邊界具有臺階。臺階具有圓周壁，它們的母線沿著光軸延伸。
物鏡10的表面被分成兩個部分中心部分(將稱為通用區域)Rc，剩餘的邊緣區域(即通用區域Rc的外部)將稱為專用高NA區域Rh。
在相對低記錄密度的CD或者CD-R上記錄/讀出數據的光束通過通用區域Rc，並會聚在CD或CD-R上。在相對高記錄密度的DVD上記錄/讀出數據的光束通過通用區域Rc和專用高NA區域Rh，並會聚在DVD上。衍射透鏡結構形成在通用區域Rc和專用高NA區域Rh上。通用區域Rc設計成這樣的區域，即在對應於NA數值在0.45至0.50範圍內的邊界內。
圖2簡要示出使用圖1A-1C所示物鏡10的光學拾取器的結構。
圖2所述光學拾取器包括DVD光源組件21、CD光源組件22、光束合成器23、準直透鏡24和物鏡10。DVD光源組件21和CD光源組件22中的每一個是具有一體安裝雷射二極體和光傳感器的組件。
如上所述，波長相對較長的光束用於CD或CD-R，而波長相對較短的光束用於DVD。根據實施例，DVD光源組件21具有發射波長為654nm雷射束的雷射二極體，CD光源組件22具有發射波長為788nm雷射束的雷射二極體。
當使用DVD時，就使用DVD光源組件21。在圖2中，用實線示出DVD覆蓋層。DVD光源組件21發射的雷射束會聚在數據記錄面上，該數據記錄面對應於如圖2中實線所示的DVD覆蓋層的右手邊。
當使用CD(或CD-R)時，就使用CD光源組件22。在圖2中，用虛線示出CD(或CD-R)覆蓋層。CD光源組件22發射的雷射束會聚在數據記錄面上，該數據記錄面對應於如圖2中虛線所示的CD(或CD-R)覆蓋層的右手邊。應該注意在圖2中只表示出用於在光碟上記錄/讀出數據的光束。
形成在通用區域Rc內的衍射透鏡結構設計成使得第一級衍射光的衍射效率對於多個波長都最高(在該實施例中是兩個波長，即654nm和788nm)。
而且，通用區域Rc內的衍射透鏡結構設計成使得由於DVD(厚度為0.6mm)和CD(或CD-R)(厚度為1.2mm)覆蓋層厚度之差導致的球差變化可通過在654nm和788nm之間切換所使用光束的波長來補償。
通常已知整個光學系統(包括光碟的覆蓋層)的球差隨著覆蓋層厚度變厚而向過校正方向變化。當使用具有較薄覆蓋層的DVD時，使用波長較短的光束，而當使用具有較厚覆蓋層的CD時，使用波長較長的光束。鑑於這一情況，衍射透鏡結構設計成球差與波長有關，即當波長增大時球差向校正不足方向變化。利用這一結構，通過適當設計衍射透鏡結構，隨著覆蓋層厚度增加向過校正方向變化的球差能夠被隨著波長從654nm增大到788nm而向校正不足方向變化的衍射透鏡結構的球差補償。
形成在專用高NA區域Rh內的衍射透鏡結構設計成具有會聚波長為654nm的光束、並散射波長為788nm的光束的作用。專用高NA區域Rh的基礎曲線和OPD函數被設計成使654nm波長的光束充分地聚焦在DVD上。具體地，根據本發明，形成在專用高NA區域Rh內的衍射透鏡結構具有多個環帶，它們的邊界與由限定衍射透鏡結構的OPD函數獲得的邊界獨立確定，同時基本保持專用高NA區域曲線。即，邊界確定為使得波長為654nm的光束實質上會聚在一點，而充分衍射波長為788nm的光束。通過這樣的結構，入射到專用高NA區域Rh上的波長為788nm的光束對於形成光束點不起作用。因此，對于波長為788nm的光束，專用高NA區域Rh實質上起把光束直徑限制在通用區域Rc內的作用。
應該注意對於DVD和CD(或CD-R)中每一個的光源組件可以認為是單色光源。因此，當形成衍射透鏡結構時，衍射級是可以變化的。對於較高記錄密度的光碟，最好入射到所有環帶上的光實質上會聚在單一點上。設計這樣的結構是相當靈活的，因為衍射級不受限制。因此，在保持上述結構情況下分別確定環帶的邊界，對於較低記錄密度光碟能夠具有限制光束直徑的作用。
具體地，形成在專用高NA區域Rh內的衍射透鏡結構設計成對於較高數據記錄密度光碟不產生球差，而對於較低數據記錄密度光碟產生波前差。這樣，當使用低數據記錄密度的光碟時，物鏡的專用高NA區域Rh散射所通過的光。最好，在這種情況下，波長較長而且通過專用高NA區域的光的相位不在某一方向上偏振，而是均勻分布(即360°)。如果相位均勻分布，通過專用高NA區域的光能夠很好地散射，而且能夠基本上限制光束直徑。
在某一參考點上通過透鏡預定部分的光強度利用對通過預定部分的光波前差進行衍射積分求出。如果波前差在一個方向上偏離(即相位不是均勻分布的)，積分產生相當大數值。在這種情況下，認為光會聚在參考點上。相反，如果波前差在一個波長範圍內沒有偏離地分布，積分結果可能接近於零。在這種情況下，認為光沒有會聚在參考點上。
波前差確定為相對於參考光程長度的光程長度差。如果每個環帶的寬度相當窄，通過環帶的光程差變化相當小，在這種情況下，波前差的波動相當小，光被會聚。相反，如果環帶的寬度足夠寬，光程差變化大約為一個波長，波前差根據環帶的位置在一個波長範圍內波動，在這種情況下，光不會聚在參考點上。
具體地，形成在專用高NA區域Rh內的衍射透鏡結構設計成具有多個環帶，而且至少一個環帶設計成對于波長為788nm的光束，通過裡邊(即光軸一邊)的光束的光程長度與通過外邊(即周邊)的光束的光程長度的光程差(後面將稱為OPD)為0.6λ或更大。
數字實施例後面，將描述三個數字實施例和比較例。每個實施例和比較例提供一個用於光學拾取器的物鏡，所述光學拾取器用於具有厚度為0.6mm覆蓋層的DVD和具有厚度為1.2mm覆蓋層的CD(或者CD-R)。
根據三個實施例和比較例的物鏡包括結構相同的部分，這些部分是通用區域Rc的結構；專用高NA區域Rh的基本曲線，是非球面形狀；限定衍射透鏡結構的OPD函數；以及形成在通用區域Rc內的衍射透鏡結構的實際形狀。
換句話說，三個實施例和比較例只是形成在專用高NA區域Rh內的衍射透鏡結構的具體結構不同。
比較例根據比較例的物鏡設計成使得形成在專用高NA區域Rh內的每個環帶中，通過環帶裡邊的光束的光程長度與通過環帶外邊的光束的光程長度之差等於DVD光束波長(即654nm)。而且，在比較例中，相鄰環帶之間的間隙(即剖面差)設計成使得通過邊界相鄰環帶的光束的光程長度之差等於DVD光束波長(即654nm)。對于波長為788nm的CD(CD-R)光束，通過環帶裡邊的光束的光程長度與通過環帶外邊的光束的光程長度之差小於0.6λ(λ表示波長)。
相反，根據每個實施例的物鏡包括至少一個環帶，設計成使得對於CD(CD-R)光束(788nm)，通過環帶裡邊的光束的光程長度與通過環帶外邊的光束的光程長度之差為0.6λ或更大。
下面的表1示出根據比較例的物鏡數據。
物鏡的第一表面(光源一側表面)被劃分為通用區域Rc和專用高NA區域Rh，前者從光軸算起的高度h為0≤h＜1.538(mm)，後者從光軸算起的高度h為1.538h＜2.023(mm)。在通用區域Rc和專用高NA區域Rh，分別形成有不同OPD函數表示的衍射透鏡結構。通用區域Rc和專用高NA區域Rh的基本曲線(即不包括衍射透鏡結構的透鏡表面形狀)也不相同，二者是由不同係數定義的非球面表面。
物鏡的第二表面(光碟一側表面)是沒有形成衍射透鏡結構的非球面表面。
由衍射透鏡結構增加的附加光程由如下所示的ODP(光程差)函數φ(h)表示φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×m×λ其中，Pn表示n次(n是偶數)OPD函數係數，m表示衍射級，λ表示波長。
OPD函數φ(h)表示在物鏡上對於光軸的高度為h的點上，不被衍射透鏡結構衍射的光束的光程與被衍射透鏡結構衍射的光束的光程之差。
非球面由如下所示的多項式表示X(h)=Ch21+1-(1+K)C2h2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>其中，X(h)是表示一平面和一點之間距離的SAG量，該平面是在光軸和非球面的交點與非球面相切的平面，該點是非球面上相對光軸的高度為h的點；C表示非球面在光軸上的曲率(＝1/r)，k是二次曲線係數，A4、A6、A8、A10和A12是四次、六次、八次、十次和十二次非球面係數。
在表1中，示出限定物鏡第一面(即光源一側表面)的基本曲線、通用區域Rc的衍射透鏡結構的係數、限定專用高NA區域的衍射透鏡結構的係數、相鄰表面之間在光軸上的距離、折射率、以及限定第二面的係數，第二面是非球面。
表1
表2示出從光軸到每個環帶的裡邊的高度hin和從光軸到每個環帶的外邊的高度hout，從光軸一側開始給每個環帶一個環帶編號N，包括光軸的圓形帶表示為環帶#1。而且，在表2中示出在每個環帶外邊的OPD函數φ(hout)的數值。在表2中，hin和hout的數值單位為mm，OPD函數φ(hout)的數值用波長單位表示。環帶1-15形成在通用區域Rc內，環帶16-35(見表3)形成在專用高NA區域Rh內。
表2
表3示出從光軸到每個環帶的裡邊的高度hin和從光軸到每個環帶的外邊的高度hout。而且，在表3中示出對於通過每個環帶外邊的光束OPD函數φ(hout)的數值、每個環帶寬度W、對於以CD光束的會聚點作為參考球面中心環帶裡邊的波前差WFin、環帶外邊的波前差WFout、環帶裡邊和外邊的波前差之差ΔWF。
表3
圖3是示出在h＝1.40mm至h＝2.00mm範圍內比較例的衍射透鏡結構相對於基本曲線的SAG量曲線，即在通用區域Rc周邊大致到專用高NA區域Rh的外邊。在h＝hB＝1.538處的大臺階表示通用區域Rc與專用高NA區域Rh之間的邊界。
如圖3所示，從表3中也可以得出，專用高NA區域Rh的最裡面的環帶設計成使差ΔWF為0.54λ，外部環帶設計成使差ΔWF為0.24λ或0.25λ。這樣，比較例的衍射透鏡結構不包括差ΔWF大於等於0.6λ的環帶。
應該注意形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構設計成補償由於雷射束波長變化產生的色差，和補償由於折射率變化和溫度變化引起透鏡變形所產生的象差，以便當使用DVD時能夠達到足夠的光學特性。
圖4是示出當使用根據比較例的物鏡會聚波長為788nm的光時CD上的光強度分布曲線。在垂直軸上，強度被歸一化以便光軸上的光強度表示為1。水平軸表示相對於光軸的距離。為了示出對於CD光束點邊界附近的強度，垂直軸只示出0.005的上限，因此，曲線中沒有示出靠近光軸部分的光強度，因為該強度比上限大得多。
根據比較例的結構，每個環帶設計成使差ΔWF小於0.6λ，因而，在一個環帶內光程長度偏差相當小。因此，當使用CD時，波前差偏離不夠大。因此，當使用CD時，通過專用高NA區域Rh的部分光束散射不夠充分。因此，根據比較例，如圖4所示，對於CD光束點邊界附近(即h＝5μm至h＝10μm)的強度相當大。即，形成在專用高NA區域Rh的衍射透鏡結構在使用DVD時(即波長為654nm)從補償象差角度看很好地起作用，但是當使用CD(CD-R)(即波長為788nm)時不能充分限制光束尺寸。
因此，如果比較例用於光學拾取器中，在光學拾取器中用於接收次級光束的跟蹤傳感器設置在非常靠近用於接收被CD反射的主光束的主傳感器的位置上，如同三光束法用於跟蹤操作的情況一樣，對應於通過專用高NA區域的成分的主光束光斑的強度相當強，入射在跟蹤傳感器上，在跟蹤誤差信號中可能產生噪聲。
第一實施例表4示出形成在根據第一實施例的物鏡10的專用高NA區域上的衍射透鏡結構數據。
根據第一實施例，形成在專用高NA區域Rh內的五個環帶(即環帶#16至#20)(不包括最外邊的環帶#21)設計成每個環帶的裡邊與外邊的光程長度差基本上等於一個波長，該波長是對於CD(或CD-R)的波長。在第一實施例中，環帶之間的臺階設計成對於DVD產生一個波長的光程長度差，如同比較例一樣。
表4
圖5是示出根據第一實施例形成在物鏡上的衍射透鏡結構的SAG量與從光軸算起的高度之間的關係曲線。在h＝hB＝1.538處的大臺階表示通用區域Rc與專用高NA區域Rh之間的邊界。
如圖5所示，從表4中也可以得出，位於專用高NA區域Rh內裡邊的五個環帶#16-#20中的每個環帶設計成裡邊與外邊的波前差之差ΔWF大約為1.00λ，而最外邊的環帶#21的差ΔWF為0.27λ。這樣，第一實施例的衍射透鏡結構包括五個差ΔWF大於等於0.6λ的環帶。因為產生差ΔWF大於0.6λ的環帶寬度與產生差ΔWF小於0.6λ的環帶比較寬很多，在本說明書中前者將稱為寬帶，後者將稱為窄帶。
圖6是示出當使用根據第一實施例的物鏡時CD(即使用波長為788nm的光束)上的光強度分布曲線。在垂直軸上，強度被歸一化以便光軸上的光強度表示為1。水平軸表示相對於光軸的距離。根據比較例的分布用虛線表示，根據第一實施例的分布用實線表示。
根據第一實施例的結構，一個環帶裡邊和外邊的波前差之差ΔWF對於CD的波長(即788nm)為1λ，因而，波前差在這一範圍內變化。結果，如圖6所示，能夠把入射到CD光束點邊界附近部分(即在高度h從5μm至10μm範圍內的區域)的光強度分布抑制在比比較例低的水平。
然而，在第一實施例中，由於環帶之間的臺階等於一個波長，所以衍射透鏡結構具有直徑尺寸限制作用，當使用DVD時(即當使用波長為654nm的光束時)不能夠充分補償象差。
如上所述，形成在專用高NA區域Rh的衍射透鏡結構能夠很好地起限制入射光束尺寸的作用，但是當使用波長為654nm的光束時不能充分起到補償象差的作用。因此，當使用DVD時，溫度變化和光束波長的允許範圍相當窄。
第二實施例表5示出形成在根據第二實施例的物鏡10的專用高NA區域上的衍射透鏡結構數據。
根據第二實施例，形成在專用高NA區域Rh最裡面的環帶#16設計成由裡邊和外邊增加的光程長度相差量大於0.6λ，λ是對於CD(或CD-R)的波長，是788nm。最裡面環帶#16外部的其他環帶#17-#31設計成與比較例的類似。這樣，環帶#16是寬帶，而其他環帶#17-#31是窄帶。而且，最裡面的環帶#16與位於外邊並與最裡面的環帶#16相鄰的環帶#17之間的臺階設計成臺階長度等於DVD波長(即654nm)的整數倍m。具體地，根據第二實施例，m是5。
表5
圖7是示出根據第二實施例形成在物鏡上的衍射透鏡結構的SAG量與從光軸算起的高度h之間的關係曲線。在h＝hB＝1.538處的大臺階表示通用區域Rc與專用高NA區域Rh之間的邊界。
如圖7所示，從表5中也可以得出，位於專用高NA區域Rh內最裡邊的環帶#16設計成裡邊與外邊的波前差之差ΔWF為1.49λ，而最裡面的環帶#16外部的其他環帶#17-#31的差ΔWF為0.24λ或0.25λ。這樣，第二實施例的衍射透鏡結構包括一個差ΔWF大於等於0.6λ的環帶。
圖8是示出當使用根據第二實施例的物鏡時CD(即使用波長為788nm的光束)上的光強度分布曲線。在垂直軸上，強度被歸一化以便光軸上的光強度表示為1。水平軸表示相對於光軸的距離。根據比較例的分布用虛線表示，根據第二實施例的分布用實線表示。
根據第二實施例的結構，如圖8所示，能夠把位於CD光束點外部部分及其附近(即5μm-10μm)處的光強度抑制成比比較例低。而且，環帶#16產生的臺階高度是DVD波長的五倍，當使用DVD時能夠很好地抑制由於溫度和/或波長變化產生的波前差變化，如同比較例一樣。因此，形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構起限制波長為788nm的光束直徑尺寸的作用，當使用DVD光束(即波長為654nm的光束)時起補償象差的作用。
第三實施例表6示出形成在根據第三實施例的物鏡10的專用高NA區域上的衍射透鏡結構數據。
根據第三實施例，四個寬帶#16、#21、#26和#31形成在專用高NA區域Rh內，在寬帶中相鄰的寬帶之間布置有4個窄帶。具體地說，在每個環帶之間，有高度為1個DVD波長(即654nm)的臺階，因此，寬帶#16、#21、#26和#31整體產生為五倍DVD波長的波長差。應該注意的是，每一個窄帶僅有相當小的差ΔWF。
表6
圖9是示出根據第三實施例形成在物鏡上的衍射透鏡結構相對於基本曲線的SAG量與從光軸算起的高度h之間的關係曲線。在h＝hB＝1.538處的大臺階表示通用區域Rc與專用高NA區域Rh之間的邊界。
如圖9所示，從表6中也可以得出，環帶#16、#21、#26和#31是寬帶，每一個設計成裡邊與外邊的波前差之差ΔWF大約等於一個λ，設置在寬帶之間的窄帶設計成使差ΔWF在0.03λ至0.06λ範圍內。
如果環帶之間的臺階相對大，模具可以形成為具有深凹陷部分。在這種情況下，取決於模塑條件，透鏡材料(即樹脂)可能不能填充在模具凹陷部分的縱深端。那麼，這樣形成的衍射透鏡可能已緩慢地形成有凸起部分，可能不能實現希望的衍射效果。
如果相當高的臺階(例如長5λ)被劃分為小高度，而且通過整個透鏡結構實現希望的臺階，如同在第三實施例中一樣，就能夠避免上述問題，而且獲得希望的效果，並能夠抑制光損失。
當窄帶形成在光程長度差為預定波長整數倍的臺階部分時，窄帶設計成滿足如下條件10λh/(n0-n1)＜Ww …(1)λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)…(2)其中λh表示對於CD的光束波長，n0和n1分別表示空氣和物鏡的折射率，Ww和Wn分別表示寬帶和窄帶的寬度。
具體地，條件(2)限定的寬度Wn在大約0.0016至0.0158mm的範圍內。根據第三實施例所有窄帶滿足該條件。在窄帶中，由於它的寬度窄，波前差變化相對小，因此通過窄帶的光會聚在CD光束點的外部及附近。然而，寬度Wn受條件(2)的上限限制，因此通過窄帶的光強度受條件(2)的上限限制。因此，很好地抑制波長對於CD並會聚在CD光束點外部及附近部分的光的影響。
圖10是示出當使用根據第三實施例的物鏡時CD上的光強度分布曲線。在垂直軸上，強度被歸一化以便光軸上的光強度表示為1。水平軸表示相對於光軸的距離。根據比較例的分布用虛線表示，根據第三實施例的分布用實線表示。
根據第三實施例的結構，如圖10所示，能夠把CD光束點外部部分及其附近(即5μm-10μm)的光強度抑制成比比較例低。而且，寬帶產生的臺階是DVD波長(即654nm)的五倍，因此，當使用DVD時能夠很好地抑制由於溫度和/或波長變化產生的波前差變化，如同比較例一樣。因此，形成在專用高NA區域的衍射透鏡結構在使用CD光束時(即當波長為788nm時)起限制光束直徑尺寸的作用，當使用DVD光束(即當波長為654nm)時起補償象差的作用。
權利要求
1.一種用於光學拾取器的物鏡，其特徵在於該物鏡包括折射透鏡元件，在該折射透鏡元件的至少一個表面上具有衍射透鏡結構，該衍射透鏡結構具有多個環帶，各環帶彼此之間具有臺階，該物鏡能夠將至少兩種不同波長的光束分別會聚在至少兩種類型具有不同數據記錄密度的光碟上，該物鏡被劃分為通用區域和專用高NA區域，對應於低數據密度光碟的低NA光束通過所述通用區域，所述專用高NA區域是為了讓對應於高數據密度光碟的高NA光束會聚而設計的，所述專用高NA區域的基本曲線及光程差函數被限定成以使具有高密度光碟波長的光束基本上會聚在高密度光碟上，形成在所述專用高NA區域的至少一部分環帶的邊界與從光程差函數獲得的邊界獨立設計，以便高NA光束基本上會聚在一點上，而低NA光束被散射。
2.根據權利要求1所述的物鏡，其特徵在於低NA光束具有第一波長，高NA光束具有第二波長，第一波長大於第二波長。
3.根據權利要求2所述的物鏡，其特徵在於第二波長小於第一波長的90％。
4.一種用於光學拾取器的物鏡，其特徵在於該物鏡會聚至少兩個不同波長的光束以便分別在具有不同數據記錄密度的光碟上形成不同尺寸的光束點，該物鏡包括正光焦度折射透鏡；和衍射透鏡結構，該衍射透鏡結構具有形成在所述折射透鏡的至少一個表面上的多個環帶；該物鏡被劃分為通用區域和專用高NA區域，對應於低數據密度光碟的低NA光束通過所述通用區域，只有對應於高數據密度光碟的高NA光束通過所述專用高NA區域；形成在所述通用區域的所述衍射透鏡結構產生與波長有關的球差，以便由於兩種類型光碟的覆蓋層不同產生的象差變化被光束的波長差補償；形成在所述專用高NA區域的所述衍射透鏡結構具有多個環帶；對於高數據記錄密度光碟的光束會聚點、對於用於高數據記錄密度光碟的光束，形成在所述專用高NA區域的所述衍射透鏡結構不產生象差；所述多個環帶包括至少一個寬帶，設計成使得對於低記錄密度光碟的光束會聚點，該至少一個寬帶的裡邊與外邊的光程長度差等於或大於用於低數據記錄密度光碟的光束波長的0.6倍。
5.根據權利要求4所述的物鏡，其特徵在於形成在所述專用高NA區域的所述衍射透鏡結構設計成在至少一個寬帶和其他部分之間的每個邊界上形成臺階，該臺階對於高數據記錄密度光碟產生光束波長m倍的光程差，m是不小於2的整數。
6.根據權利要求4所述的物鏡，其特徵在於所述至少一個寬帶包括m多個所述寬帶，所述m多個所述寬帶呈階梯排列以便所述m多個寬帶中的每一個對於高數據記錄密度光碟產生一個光束波長的光程長度差。
7.根據權利要求6所述的物鏡，其中至少一個窄帶設置在所述m多個寬帶之間，該窄帶對於高數據記錄密度光碟產生小於光束波長0.6倍的光程差。
8.根據權利要求7所述的物鏡，其特徵在於其設計成滿足如下條件10λh/(n0-n1)＜Ww；以及λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)，其中λh表示低數據記錄密度光碟的光束波長，n0表示空氣的折射率，n1表示所述折射透鏡元件的折射率，Ww表示所述m多個寬帶中每一個的寬度，Wn表示至少一個窄帶中每一個的寬度，所述窄帶對於高數據記錄密度光碟產生小於0.6倍光束波長的光程差。
9.根據權利要求4所述的物鏡，其特徵在於所述所述多個環帶中至少一個包括多個寬帶，所述多個寬帶中的每一個設計成對於低記錄密度光碟的光束會聚點，所述多個寬帶中至少一個的裡邊與外邊的光程長度差等於或大於用於低數據記錄密度光碟的光束波長的0.75倍。
10.根據權利要求4所述的物鏡，其特徵在於所述至少一個所述多個寬帶中的每個的裡邊與外邊的光程差之差ΔOPD可以滿足如下條件0.75λ＜ΔOPD＜1.25λ，其中λ表示低數據記錄密度光碟的光束波長。
全文摘要
一種用於光學拾取器的物鏡，具有折射透鏡元件，在其至少一個表面上設置有衍射透鏡結構。衍射透鏡結構具有多個環帶。物鏡至少能夠將兩種不同波長的光束分別會聚在至少兩種類型具有不同數據記錄密度的光碟上。物鏡被劃分為通用區域和專用高NA區域，低NA光束通過所述通用區域，所述專用高NA區域是為了會聚高NA光束而設計。形成在專用高NA區域的環帶邊界與從光程差函數獲得的邊界獨立設計，以便高NA光束實質上會聚在某一點上，而低NA光束被散射。
文檔編號G02B5/18GK1391119SQ02123229
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月13日 優先權日2001年6月13日
發明者丸山晃一, 竹內修一 申請人:旭光學工業株式會社