光學拾取裝置的製作方法
2023-06-10 02:27:21 4
專利名稱：光學拾取裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光碟裝置的光學拾取裝置，所述光碟裝置能記錄/再現覆蓋層厚度不同的多種光碟的數據。本發明尤其涉及具有折射透鏡元件和衍射元件組合的光學拾取裝置。
背景技術：
光碟包括上面記錄數字信息的信息層和覆蓋信息層的透明覆蓋層。來自光學拾取裝置的雷射束透過覆蓋層在信息層上形成束斑。光學拾取裝置和信息層之間距離的變化取決於覆蓋層的厚度。
即，覆蓋層越厚，從光學拾取裝置到束斑的距離越長。例如，由於緻密盤(CD)或CD-R的覆蓋層的厚度為1.2mm，數字多用盤(DVD)的覆蓋層的厚度為0.6mm，因此當用CD或CD-R代替DVD時，要求光學拾取裝置移動束斑，使其在覆蓋層上遠離光學拾取裝置0.6mm(在空氣中為0.4m)。
儘管傍軸光束的光斑隨著物鏡的移動而移動，但覆蓋層厚度的變化改變球差。如果在替換盤時光學拾取裝置僅移動物鏡，則使雷射束的波陣面(wave front)像差變壞。這樣，束斑的直徑被增大，這防止光碟裝置從CD上再現所記錄的信息。例如，當設計成從DVD上再現所記錄的信息時使球差最小的物鏡用於從CD再現信息時，球差變得太大了，以致即使物鏡移動到使束斑與信息層重合也不能再現該信息。
所以，在現有技術中，光學拾取裝置根據覆蓋層的厚度矯正雷射束進入物鏡的條件。
例如，日本特許專利公報No.7-98431公開了這樣一種光學拾取裝置。在該出版物中示出的光學系統，在物鏡的雷射光源側上採用全息透鏡，將來自雷射光源的雷射束分成零級平行衍射光束和一級發散衍射光束。零級衍射光束用於具有較薄覆蓋層的光碟(即，DVD)，一級衍射光束用於較厚覆蓋層的光碟(即CD和CD-R)。出版的光學拾取裝置能在將全息透鏡設計成根據覆蓋層的厚度得到最合適的雷射束時形成用於各光碟的受衍射限制的束斑。
但是，由於出版的光學拾取裝置總是將來自雷射源的雷射束分成零級和一級衍射光束，每次僅將這些光束中的一束光束用於記錄/再現信息，光量使用的最大效率不超過40％。
此外，當其中一個衍射光束用於記錄/再現信息時，其他衍射光束都是不必要的光束，這增大了噪音。
更進一步，DVD的記錄密度高於CD的記錄密度，這要求DVD的光學拾取裝置形成比為專用CD設計的光學拾取裝置更小的束斑(下文成為專用CD拾取裝置)。由於束斑的直徑與雷射束的波長正相關，DVD的光學拾取裝置要求節骨眼的振蕩波長為635-660nm，短於專用CD拾取裝置的振蕩波長(即780-830nm)。另一方面，CD-R的反射特性要求雷射源的振蕩波長約為780nm。
因此，當具有出版物所述的單一雷射源的光學拾取裝置採用發射具有較短振蕩波長的雷射束的雷射源，它不能從CD-R再現信息。
發明簡述所以，本發明的目的是提供一種用於光學拾取裝置的物鏡，它能記錄/再現多種光碟(例如CD，CD-R和DVD)上的信息，這些光碟的覆蓋層厚度不同。而且，本發明旨在提供光量的利用率高於上述出版物中公開的傳統光學拾取裝置的複合物鏡。
對於以上目的，根據本發明，提供一種改進的光學拾取裝置，其包括多個光源，用於發射具有不同波長的光束，並根據所使用的光碟的種類相互切換這些光源；一折射透鏡元件，用於將來自光源的光束會聚到光碟的記錄層上；以及其上形成有同心相位光柵結構的球差矯正元件，該相位光柵結構響應波長的改變而改變其球差，以便矯正由於覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
根據這種結構，由於球差矯正元件對應雷射束波長的改變而改變其球差，故雷射光源的切換能補償由於覆蓋層厚度改變引起的球差的改變。
球差矯正元件最好沒有傍軸光焦度，並且以同一衍射級例如以第一衍射級衍射該光束。
此外，具有較短髮射波長的光源可以用於有較高記錄密度的較薄覆蓋層的光碟，而且具有較長發射波長的光源可以用於有較低記錄密度的較厚覆蓋層的光碟。在這種情況下，對於有較短波長的較薄覆蓋層的光碟來說，最好優化該球差矯正元件的周邊區域。該周邊區域是對應於有較厚覆蓋層的光碟所需要的數值孔徑的有效直徑的外部。換言之，周邊區域是球差矯正元件的有效直徑的85％線的外部。可以將周邊區域形成作為連續表面或光柵表面。在後一情況下，周邊區域的閃耀波長應該比中央區域的閃耀波長短。
球差矯正元件可以位於光源和折射透鏡元件之間。折射透鏡元件和球差矯正元件構成一複合物鏡。該複合物鏡可以設計為無限遠系統或有限系統，在無限遠系統中，平行光束入射在透鏡上；在有限系統中，發象散束入射到透鏡上。在無限遠系統中，要求準直儀透鏡位於光源和複合物鏡之間。
此外，球差矯正元件最好具有波長相關性，使得隨著入射光波長的增加，球差在欠矯正的方向上變化。
如上所述，隨著覆蓋層厚度的增加，球差在過矯正的方向上變化。所以，當將較長波長的雷射源用於具有較厚覆蓋層的光碟，且將較短波長的雷射源用於具有較薄覆蓋層的光碟時，通過球差矯正元件的上述波長相關性來矯正由於覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
通過相位光柵結構增加的附加光路長度，用下面的光程差函數Φ(h)來表達Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次項的係數，h是距離光軸的高度，λ是入射光的波長。
球差矯正元件的相位光柵結構可以滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與相位光柵結構相交點距離光軸的高度。
最好，球差矯正元件的一個表面是連續表面，且其他表面是光柵表面。光柵表面的基礎曲線可以是平面或旋轉對稱的非球面。將基礎曲線定義為不包括相位光柵結構的表面的形狀。
附圖簡述
圖1表示根據第一實施例的光學拾取裝置的光學系統；圖2A是在圖1的光學系統中使用的球差矯正元件的前視圖；圖2B是圖2A中的球差矯正元件的橫截面圖；圖3A是另一個球差矯正元件的前視圖；圖3B是圖3A中的球差矯正元件的橫截面圖；圖4是在各種閃耀波長中相位光柵的衍射效率曲線；圖5A是根據第二實施例的光學拾取裝置的光學系統；圖5B是在圖5A的光學拾取裝置中使用的雷射組件的前視圖；圖6是根據第一例子的具有薄覆蓋型光碟例如DVD的覆蓋層的複合物鏡的透鏡圖；圖7A和7B是當使用薄覆蓋類型光碟時根據第一例子的複合物鏡的各種像差曲線；圖8是根據第一例子的具有厚覆蓋型光碟例如CD或CD-R的覆蓋層的複合物鏡的透鏡圖；圖9A和9B是當使用厚覆蓋類型光碟時根據第一例子的複合物鏡的各種像差曲線；圖10是根據第二例子的具有薄覆蓋類型光碟的複合物鏡的透鏡圖；圖11A和11B是當使用薄覆蓋類型光碟時根據第二例子的複合物鏡的各種像差曲線；圖12是根據第二例子的具有厚覆蓋型光碟的覆蓋層的複合物鏡的透鏡圖；圖13A和13B是當使用厚覆蓋類型光碟時根據第二例子的複合物鏡的各種像差曲線；圖14是根據第三例子的具有薄覆蓋類型光碟的複合物鏡的透鏡圖；圖15A和15B是當使用薄覆蓋類型光碟時根據第三例子的複合物鏡的各種像差曲線；圖16是根據第三例子的具有厚覆蓋型光碟的覆蓋層的複合物鏡的透鏡圖；圖17A和17B是當使用厚覆蓋類型光碟時根據第三例子的複合物鏡的各種像差曲線。
實施例描述第一實施例圖1表示一根據第一實施例的光學拾取裝置的光學系統。該光學拾取裝置被應用於能記錄/再現多種設有不同厚度的覆蓋層的光碟(例如CD，CD-R，和DVD)的光碟設備。
該光學拾取裝置的光學系統包括一DVD組件11，一CD組件12，一光束組合器13，一準直儀透鏡14和一複合物鏡20。組件11和12中每個組件都配備有半導體雷射器和安裝在共用基片上的傳感器。在組件11和12中的半導體雷射器發射具有不同波長的雷射束並根據光碟的種類對它們進行切換。
第一實施例的光學系統是無限遠系統。來自每個組件的雷射束通過準直儀透鏡14被轉換為平行雷射束併入射到複合物鏡20上。無限遠系統允許準直儀透鏡14和複合物鏡20之間的距離變化，這使能確定一種分離配置，其中僅複合物鏡20沿包括組件11和12、光束組合器13和準直儀透鏡14的光碟和光源部分的徑向移動。
複合物鏡20由折射透鏡元件21和球差矯正元件22組成。複合物鏡20安裝在調焦機構上，以便相對於光碟信息層的位置調整透鏡位置。
折射透鏡元件21是兩面凸的塑料透鏡，具有非球面211和212。折射透鏡元件21具有正折射光焦度，以便將來自組件11和12的光束會聚到光碟的記錄層上。
球差矯正元件22在第二表面222上設有同心相位光柵結構。第一表面221是連續表面。相位光柵結構響應波長變化改變球差，矯正由於覆蓋層厚度變化引起的球差的改變。相位光柵的形狀如下所述。
DVD是薄覆蓋型光碟，具有較高的記錄密度，其覆蓋層的厚度為0.6mm。為了在DVD上形成精細的束斑，要求雷射束的波長下於635nm-660nm的範圍內。另一方面，CD-R和CD是厚覆蓋型光碟，具有較低的記錄密度。CD-R或CD的覆蓋層的厚度是1.2mm。CD-R由於其光譜反射要求雷射束波長約為780nm。
所以，DVD組件11的半導體雷射發射657nm波長的雷射束，CD組件12的半導體雷射發射780nm或785nm波長的雷射束。
從半導體雷射發射的雷射束通過覆蓋層D1(實線所示)或D2(虛線所示)會聚到信息層上。
當使用具有薄覆蓋層D1的薄覆蓋型光碟時，操作DVD組件11，發射雷射束L1(實線所示)。複合物鏡20位於實線所示位置。雷射束L1通過薄覆蓋層D1會聚到薄覆蓋型光碟的信息層上。
當使用具有厚覆蓋層D2的厚覆蓋型光碟時，操作CD組件12，發射雷射束L2(虛線所示)。複合物鏡20移動到虛線所示位置以跟隨記錄層的位移。雷射束L2通過厚覆蓋層D2會聚到厚覆蓋型光碟的信息層上。
圖2A是從折射透鏡元件21看的球差矯正元件22的前視圖，圖2B是其截面圖。球差矯正元件22的第一表面221是連續表面，即平面或具有極小曲率的曲面。第二表面222是光柵表面，在光柵表面上，形成相位光柵結構。第二表面222的基礎曲線是平面。類似於菲涅耳透鏡，形成相位光柵結構作為大量同心環，每個同心環具有楔形截面形狀。相鄰環之間的每個邊界形成為在光軸方向上給出預定光程差的間距。
圖3A是另一個球差矯正元件23的前視圖，圖3B是其橫截面圖。球差矯正元件23的第一表面231是連續表面，即平面或具有極小曲率的曲面。第二表面232是光柵表面，在光柵表面上，形成相位光柵結構。第二表面232的基礎曲線是旋轉對稱的非球面的凹面。形成相位光柵結構作為大量同心環，每個同心環具有垂直於光軸的平面。相鄰環之間的每個邊界形成為在光軸方向上給出預定光程差的間距。
圖2A、2B、3A和3B強調相位光柵結構的環的大小。實際上，間距的高度等於λB/(n-1)，即約1μm，環的數量變成幾十。ΛB是閃耀波長，n是折射率。
當光柵表面的基礎曲線是圖2B所示的平面時，適於用光刻法形成相位光柵結構。或者，當光柵表面的基礎曲線是圖3B所示的曲面時，可以通過使用車床的機械方法形成相位光柵結構。
在任何情況下，相位光柵結構具有波長相關性，使得隨著入射光波長的增大球差在欠矯正的方向上變化。
隨著覆蓋層厚度的增大，球差在過矯正的方向上變化。而且，隨著入射雷射束波長的增大，相位光柵結構在欠矯正方向上改變球差。因此，由於將較長的波長雷射束用於厚覆蓋型光碟，將較短波長的雷射束用於薄覆蓋型光碟，所以通過由於相位光柵結構的波長相關性引起的球差的變化矯正覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
通過相位光柵結構增加的附加光程長度用下面的光程差函數Φ(h)來表達Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次項的衍射係數。h是距離光軸的高度，λ是入射光的波長。函數Φ(h)代表在距離光軸為h的高度的相位光柵結構上的一點上，假設未被光柵衍射的虛光線和被光柵衍射的光線之間的光程差。在這個表達式中，第二次項係數P2的負值代表相位光柵結構的正傍軸光焦度。而且，當第四次項係數P4大於零時，負光焦度隨距離光軸的距離的增加而增加。
對相位光柵結構的實際微觀形狀的定義如同具有大量同心環的菲涅耳透鏡一樣。通過從Φ(h)中減去λ×m(m整數)將實際形狀Φ′(h)定義如下。
Φ′(h)＝(MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)-C)×λB符號λB是給出一個波長的光程差的光柵間距的閃耀波長，衍射效率變成在閃耀波長λB處最大。符號C是常數，定義在相鄰環之間邊界上的相位(0＜C＜1)。函數MOD(x，y)代表當x被y除時的餘項。MOD(P2h2+P4h4+...+C，1)在邊界處等於零。在作為折射透鏡的透鏡表面的基礎曲線上形成相位光柵結構。環形區域的斜線和間距被設計成使光程差由Φ′(h)定義。
形成在球差矯正元件22上的相位光柵滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與相位光柵結構相交點距離光軸的高度。
當滿足條件(1)時，可以通過改變由于波長改變引起的相位光柵結構的球差有效地相抵消由於覆蓋層厚度變化引起的球差變化。如果條件(1)的中間項變成低於-15時，由于波長變化引起的球差的變化變得太大。另一方面，當條件(1)的中間項超過-7時，由于波長變化引起的球差的變化變得太小，這不能相抵消由於覆蓋層厚度變化引起得球差的變化。
由於溫度變化引起的雷射波長變化導致複合物鏡20的後焦點變化，這導致聚焦誤差。由於溫度變化引起的後焦點的變化非常慢，因此能通過光學失去裝置中的調焦結構來矯正聚焦誤差。
另一方面，在記錄操作期間通過在高低等級之間切換雷射輸出來快速改變雷射波長。波長的快速變化也導致聚焦誤差，它不能有效地通過調焦結構得到矯正。因此，希望複合物鏡20的構造能減小焦點的移動。
通常，通過矯正軸向像差可以減小焦點的移動。但是，由於本實施例的複合物鏡20具有球差的波長相關性，相反，完美矯正軸向像差增大了最佳焦點位置的運動。因此，可以用由于波長變化引起的球差的變化來平衡像差的矯正。
用於薄覆蓋型光碟的雷射束的波長λ1的長度最好約為用於厚覆蓋型光碟的雷射束的波長λ2的長度的80％。當波長差太小時，相位光柵結構要求大量間距以便充分廣播兩個波長之間的球差。由於大量間距增加了光量的損耗，波長應該具有預定差。此外，相位光柵對波長的變化太敏感了，這縮小了對半導體雷射波長的公差。
另一方面，波長差太大，平均衍射效率變小。相位光柵結構的衍射效率在閃耀波長λB處為100％，而與閃耀波長的差越大，衍射效率越小。由於本實施例的光學拾取裝置使用兩個波長，至少一個波長必須離開閃耀波長。這樣，使用波長之間的大差值減小了平均衍射效率。
圖4是當閃耀波長λB設為650nm、700nm或780nm時的衍射效率曲線。在任何情況下，在665nm-785nm的範圍內，衍射效率大於約90％。所以，當波長λ1和λ2分別是665nm和785nm時(λ1/λ2＝0.84)，衍射效率大於90％，即使閃耀波長λB具有665nm-785nm範圍內的任何值。
DVD要求0.60的NA，而0.50的NA對於CD或CD-R就足夠了。相反，在0.50NA外面的雷射束對CD或CD-R的再現有不好的影響。具有0.6NA的雷射束形成的束斑對於CD或CD-R來說太小了。所以，周邊區域最好為DVD專用。
為此，對於為薄覆蓋型光碟的DVD來說，球差矯正元件22的周邊區域應當優化。周邊區域是對應於NA0.45或NA0.50的有效直徑的外部。換言之，周邊區域是球差矯正元件22的有效直徑的85％線的外部。光柵表面的中央區域是DVD，CD和CD-R的公共區域，光柵表面的周邊區域是DVD的專用區域。
中央區域形成作為光柵表面。周邊區域可以形成為連續表面或光柵表面。在前一種情況下，應該對DVD矯正周邊區域的像差。在後一種情況下，周邊區域的閃耀波長應該比中央區域的短。當周邊區域的閃耀波長比中央區域短時，CD或CD-R的衍射效率降低，DVD的衍射效率升高。
在進一步，正折射透鏡的球差隨著折射率降低引起的溫度升高在過矯正的方向上變化，半導體雷射具有溫度關係式使得發射的雷射的波長隨著溫度升高而增大。當溫度升高時，折射透鏡在過矯正方向上廣播球差，相位光柵結構在欠矯正的方向上球差，原因是從半導體雷射發射的光的波長增大。因此，能彼此相抵消折射透鏡和相位光柵結構造成的球差的變化。
所以，當折射透鏡元件21由折射率隨溫度升高而減小的樹脂製成時，希望在周邊區域和中央區域中形成相位光柵結構。在這種情況下，希望在周邊區域中的相位光柵結構的閃耀波長比中間區域中的短，目的是增大用於DVD的雷射束的衍射效率。
第二實施例圖5A表示第二實施例的光學拾取裝置的光學系統。光學系統包括雷射組件30和複合物鏡20。第二實施例的光學系統是有限系統，在所述有限系統中，發散的光束入射到複合物鏡20上。
如圖5B所示，雷射組件30在矽基片31上設有單片半導體雷射32、稜鏡33和一對傳感器34a和34b。半導體雷射32包括共用晶片上的一對不同活動層，以便形成一對發射波長彼此不同的發光點32a和32b。發光點之間的距離約為100μm。從發光點32a和32b發出的雷射束鏡稜鏡33的45度斜面的反射作為發象散束入射到複合物鏡上。
複合物鏡20與第一實施例的相類似，它由折射透鏡元件21和球差矯正元件22組成。
當使用具有薄覆蓋層D1的薄覆蓋型光碟時，操作發光點32a，發射具有較短波長的雷射束L1(實線所示)。複合物鏡20位於實線所示位置。雷射束L1通過薄覆蓋層D1會聚到薄覆蓋型光碟的信息層上。
當使用具有厚覆蓋層D2的厚覆蓋型光碟時，操作發光點32b，發射具有較長波長的雷射束L2(虛線所示)。複合物鏡20移動到虛線所示位置以跟隨記錄層的位移。雷射束L2通過厚覆蓋層D2會聚到厚覆蓋型光碟的信息層上。
下面將描述根據第一實施例的複合物鏡20的三個具體例子。這些例子的複合物鏡20為可兼容的光學拾取裝置設計的，既適用於具有0.6mm厚度覆蓋層的薄覆蓋型光碟例如DVD，又適用於具有1.2mm厚度覆蓋層的後覆蓋型光碟例如CD或CD-R。在球差矯正元件22的第二表面222上形成相位光柵結構。
第一個例子圖6表示第一個例子的複合物鏡20和薄覆蓋型光碟的覆蓋層D1。圖8表示具有後覆蓋型光碟的覆蓋層D2的複合物鏡20。其數值結構在表1中描述。表面#1和#2代表球差矯正元件22，表面#3和#4代表折射透鏡元件21，表面#5和#6代表光碟的覆蓋層。
在表1中，NA表示數值孔徑，f(單位mm)表示總焦距，ω(單位度)表示視場的半角，λ1(單位nm)表示薄覆蓋型光碟的波長，λ2(單位nm)表示厚覆蓋型光碟的波長，λB(單位nm)表示中央區域的閃耀波長，h45(單位nm)表示NA為0.45的光線與相位光柵結構相交點距離光軸的高度，r(單位mm)表示表面的曲率半徑(非球面頂點處的值)，d1(單位mm)表示沿薄覆蓋型光碟的光軸的表面之間的距離，d2(單位mm)表示厚覆蓋型光碟的距離，nλ表示在波長λnm處的折射率，νd表示阿貝係數。
球差矯正元件22的表面222(表面#2)的基礎曲線是平面。折射透鏡元件21的表面211和212也都是旋轉對稱的非球面。該旋轉對稱的非球面由以下等式表示X(h)=h2c1+1-(1+K)h2c2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>X(h)是SAG，即，距離離光軸的高度為h的表面上的點處的切面的曲線距離。符號c是表面的頂點的曲率(1/r)，K是圓錐常數，A4，A6，A8，A10和A12分別是第四、第六、第八、第十和第十二級的非球面係數。常數K和係數A4-A12如表2所示。
此外，表2表示光程差函數Φ(h)的第二、第四、第六、第八和第十次項的各個係數P2，P4，P6，P8，P10，以限定形成在球差矯正元件22上的第二表面222上的相位光柵結構。[表1]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.50mm ω＝1.0° h45＝1.60mmλ2＝785nm NA 0.45 f＝3.52mm ω＝1.0°λB＝700nm表面號 r d1d2n657 n785νd#1 ∞1.000 1.000 1.54056 1.53665 55.6#2 ∞0.200 0.200#3 2.084 2.400 2.400 1.54056 1.53665 55.6#4 -12.230 1.706 1.344#5∞ 0.600 1.200#6∞[表2]表面#2表面#3表面#4K - -0.44000.0000A4- -1.2400×10-31.9840×10-2A6- -2.2800×10-4-5.8000×10-3A8- -8.6000×10-54.7300×10-4A10- 2.3300×10-51.0200×10-5A12- -6.3900×10-60.0000P20.0000P4-1.3200P6-2.1400×10-1P82.5100×10-2P100.0000圖7A和7B表示當在657nm波長下使用薄覆蓋型光碟時根據第一個例子的物鏡的三級像差圖7A表示在波長649nm、657nm和665nm下的球差SA；圖7B表示象散(S弧矢象散，M子午象散)。
圖7A中的垂直軸表示數值孔徑NA，圖7B中的垂直軸表示象高Y。在圖7A和7B中水平軸的單位是「mm」。圖9A和9B是在785nm波長下使用厚覆蓋型光碟時類似於圖7A和7B的曲線。
如圖7A和9A所示，在657nm和785nm下被充分矯正球差。
在第一個例子中，在有效半徑中的整個區域內，在球差矯正元件22的第二表面222上形成該相位光柵結構。在環之間的邊界的高度如表3所示。在第一個例子中，表面222的基礎曲線是圖2B所示的平面，表面222的實際形狀Δx(h)直接由光程差函數表達如下Δx(h)＝MOD(P2h2+P4h4+…，1)×λB/(n-1)[表3]環號 h(mm) 環號 h(mm) 環號 h(mm)1 0.907131.658251.9392 1.069141.688261.9573 1.176151.715271.9754 1.258161.742281.9935 1.326171.767292.0116 1.384181.791302.0277 1.434191.815312.0448 1.480201.837322.0609 1.521211.859332.07610 1.559221.880342.09211 1.594231.90012 1.627241.920處於h45(＝1.600mm)的內部的中央區域覆蓋1-11號環，處於h45外部的周邊區域覆蓋12-34號環。在中央區域中的閃耀波長等於700nm，周邊區域的閃耀波長等於657nm。即，對DVD進行周邊區域優化。
第二個例子圖10表示第二個例子的複合物鏡20和薄覆蓋型光碟的覆蓋層D1。圖12表示具有厚覆蓋型光碟的覆蓋層D2的複合物鏡20。其數值結構如表4所示。表5表示圓錐常數、非球面係數和光程差函數的係數。[表4]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.80mm ω＝0.9° h45＝1.72mmλ2＝780nm NA 0.50 f＝3.82mm ω＝0.9°λB＝700nm表面號 r d1d2n657 n780 νd#1 ∞1.500 1.500 1.54056 1.53677 55.6#2 ∞0.250 0.250#3 2.434 2.840 2.840 1.54056 1.53677 55.6#4-7.826 1.862 1.500#5 ∞0.600 1.200#6 ∞[表5]表面#2 表面#3 表面#4K 0.0000 -0.4400 0.0000A41.500×10-3-4.2045×10-41.4000×10-2A60.0000 -9.6210×10-5-3.1400×10-3A81.500×10-54.2851×10-63.0500×10-4A100.0000 -4.6156×10-6-8.0000×10-6A120.0000 -4.0000×10-70.0000P20.0000P4-1.1551P60.0000P8-1.1550×10-2P100.0000
圖11A和11B表示在657nm波長下使用薄覆蓋型光碟時的球差和象散。圖13A和13B表示在780nm處使用厚覆蓋型光碟時的球差和象散。
在第二個例子中，在非球面基礎曲線上形成該相位光柵結構。因此，該相位光柵結構的球差能與非球面基礎曲線的球差相抵消，保持球差矯正元件22的波長相關性。這就使球差矯正元件22上光線的彎曲最小，從而減小了由於折射透鏡元件21和球差矯正元件22之間距離變化引起的各種像差變化。
該光柵表面的實際形狀被限定為將以上描述的光程差函數表示的相位光柵結構疊加在該基礎曲線上。其結果是，每個環的表面是一與圖3B所示光軸垂直的平面。間距(step)T等於λB/(n-1)＝0.0007/(1.53906-1)＝0.0013(mm)。即，間距為1.3μm。
第三個例子圖14表示第三個例子的複合物鏡20和薄覆蓋型光碟的覆蓋層D1。圖16表示具有厚覆蓋型光碟的覆蓋層D2的複合物鏡20。其數值結構在表6中描述。表7表示圓錐常數、非球面係數和光程差函數的係數。[表6]λ1＝657nm NA 0.60 f＝3.06mm ω＝1.1°h45＝1.38mmλ2＝780nm NA 0.50 f＝3.08mm ω＝1.1°λB＝657nm表面號 r d1d2n657 n780νd#1 ∞ 1.500 1.500 1.540561.53677 55.6#2 ∞ 0.200 0.200#3 1.954 2.287 2.287 1.540561.53677 55.6#4 -6.293 1.421 1.500#5 ∞ 0.600 1.200#6 ∞[表7]表面#2 表面#3 表面#4K 0.0000 -0.4430 0.0000A43.200×10-3-8.800×10-42.6900×10-2A62.300×10-4-1.5100×10-4-9.3440×10-3A83.800×10-5-8.5000×10-51.4050×10-3A100.0000 3.0000×10-7-5.7000×10-5A120.0000-8.0200×10-60.0000P20.0000P4-2.6326P6-1.8917×10-1P8-3.1279×10-2P100.0000圖15A和15B表示在657nm波長下使用薄覆蓋型光碟時的球差和象散。圖17A和17B表示在780nm波長下使用厚覆蓋型光碟時的球差和象散。
在第三個例子中，與第二個例子一樣在非球面基礎曲線上形成相位光柵結構。因此，該相位光柵結構的球差能與非球面基礎曲線的球差相抵消，保持球差矯正元件22的波長相關性。
該光柵表面的實際形狀被限定為將以上描述的光程差函數表示的相位光柵結構疊加在該基礎曲線上。其結果是，每個環的表面是一與圖3B所示光軸垂直的平面。間距T等於λB/(n-1)＝0.000657/(1.54056-1)＝0.00122(mm)。即，間距為1.22μm。
在這種情況下，球差矯正元件22在657nm下沒有球差。所以，在NA0.60下沒有像差的折射透鏡元件21與球差矯正元件22一起使用。球差矯正元件22的光柵表面的周邊區域被形成作為連續表面。周邊區域有助於在657nm下利用光束形成束斑而不會由於相位光柵結構造成光損失。另一方面，周邊部分無助於在780nm下利用光束形成束斑，這能避免形成對於CD或CD-R來說太小的束斑。
下面的表8表示對於條件(1)的第一至第三例子的值。由於所有的實施例都滿足條件(1)，故能減小由於覆蓋層厚度的變化引起的波陣面像差的變壞。[表8]例子第一例 第二例第三例條件(1)-11.2-10.9-11.2φ(h45)/λ-P2×(h45)權利要求
1.一種光學拾取裝置，用於至少兩種分別設置了具有不同厚度的覆蓋層的光碟，所述光學拾取裝置包括多個光源，用於發射具有不同波長的光束，並根據所使用的光碟種類相互切換所述多個光源；一折射透鏡元件，用於將來自所述光源的所述光束會聚到所述光碟的記錄層上；以及其上形成有同心相位光柵結構的球差矯正元件，所述相位光柵結構響應波長的改變而改變其球差，以便矯正由於所述覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
2.根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中，所述球差矯正元件沒有傍軸光焦度，並且按同一衍射級衍射所述光束。
3.根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中，所述多個光源的其中一個具有較短髮射波長的光源，被用於其中一種具有較高記錄密度的較薄覆蓋層的光碟；其中，另一個具有較長發射波長的所述光源，被用於另一種具有較低記錄密度的較厚覆蓋層的光碟。
4.根據權利要求3所述的光學拾取裝置，其中，所述球差矯正元件的光柵表面的周邊區域，被形成作為最適於其中一種有較短波長的較薄覆蓋層的光碟的連續表面，所述周邊區域是對應於有較厚覆蓋層的另一種光碟所需要的數值孔徑的有效直徑的外部。
5.根據權利要求3所述的光學拾取裝置，其中，所述球差矯正元件的光柵表面的周邊區域的相位光柵結構與中央區域的相位光柵結構不同，所述周邊區域的相位光柵結構最適於其中一種具有較短波長的有較薄覆蓋層的光碟；其中，所述周邊區域是對應於有較厚覆蓋層的另一種光碟所需要的數值孔徑的有效直徑的外部。
6.根據權利要求1所述的光學拾取裝置，其中，所述球差矯正元件位於所述光源和所述折射透鏡元件之間。
7.根據權利要求6所述的光學拾取裝置，其中，所述相位光柵結構具有波長相關性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
8.根據權利要求7所述的光學拾取裝置，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結構相交點距離光軸的高度，λ是設計波長，P2是當通過所述相位光柵結構增加的附加光路長度由以下光程差函數Φ(h)來表達時的第二次項係數Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的係數，h是距離光軸的高度。
9.根據權利要求6所述的光學拾取裝置，還包括位於所述多個光源和所述球差矯正元件之間以便將發象散束轉換為平行光束的準直儀透鏡。
10.根據權利要求6所述的光學拾取裝置，其中，從所述多個光源發出的發象散束被入射在所述球差矯正元件上。
11.一種光學拾取裝置的複合物鏡，所述光學拾取裝置用於至少兩種分別設置了具有不同厚度的覆蓋層的光碟，所述複合物鏡包括一具有正光焦度的折射透鏡元件；以及一其上形成有同心相位光柵結構的球差矯正元件，所述相位光柵結構響應波長的改變而改變其球差，以便矯正由於所述覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。
12.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述球差矯正元件沒有傍軸光焦度，並且按同一衍射級中衍射具有不同波長的光束。
13.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述折射透鏡元件是一雙非球面的單片透鏡。
14.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述球差矯正元件的一個表面是連續表面，另一個表面是光柵表面，其中光柵表面的基礎曲線是平面。
15.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述球差矯正元件的一個表面是連續表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎曲線是旋轉對稱的非球面。
16.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述相位光柵結構形成在所述球差矯正元件的光柵表面的中央區域內，而且所述光柵表面的周邊區域形成為連續表面；其中所述周邊區域和所述中央區域以所述球差矯正元件的有效直徑的85％線劃分。
17.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述相位光柵結構形成在所述球差矯正元件的光柵表面的整個區域內，在所述光柵表面的周邊區域中所述相位光柵結構的閃耀波長比所述光柵表面的中央區域的閃耀波長短；其中所述周邊區域和所述中央區域以所述球差矯正元件的有效直徑的85％線劃分。
18.根據權利要求11所述的複合物鏡，其中，所述相位光柵結構具有波長相關性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
19.根據權利要求18所述的複合物鏡，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結構相交點距離光軸的高度，λ是設計波長，P2是當通過所述相位光柵結構增加的附加光路長度由以下光程差函數Φ(h)來表達時的第二次項係數Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的係數，h是距離光軸的高度。
20.一種與光學拾取裝置中的折射透鏡元件組合使用的球差矯正元件，所述光學拾取裝置用於至少兩種分別設置了具有不同厚度的覆蓋層的光碟，所述矯正元件包括一同心相位光柵結構，用於響應波長變化改變其球差，以便矯正由於所述覆蓋層厚度變化引起的球差的變化。
21.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中不提供傍軸光焦度，並且以同一衍射級衍射具有不同波長的光束。
22.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中一個表面是連續表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎曲線是平面。
23.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中一個表面是連續表面，另一個表面是光柵表面，其中所述光柵表面的基礎曲線是旋轉對稱的非球面。
24.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結構形成在光柵表面的中央區域內，而且所述光柵表面的周邊區域形成為連續表面，其中所述周邊區域和所述中央區域以有效直徑的85％線劃分。
25.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結構形成在光柵表面的整個區域內，在所述光柵表面的周邊區域中所述相位光柵結構的閃耀波長比所述光柵表面的中央區域的閃耀波長短，其中所述周邊區域和所述中央區域以有效直徑的85％線劃分。
26.根據權利要求20所述的球差矯正元件，其中所述相位光柵結構具有波長相關性，使得隨著入射光波長的增大，球差在欠矯正的方向上變化。
27.根據權利要求26所述的球差矯正元件，其中，滿足以下條件(1)(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7其中，h45是NA為0.45的光線與所述相位光柵結構相交點距離光軸的高度，λ是設計波長，P2是當通過所述相位光柵結構增加的附加光路長度由以下光程差函數Φ(h)來表達時的第二次項係數Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ其中，P4和P6是第四和第六次項的係數，h是距離光軸的高度。
全文摘要
一種光學拾取裝置包括:發射具有不同波長的光束的光源,根據使用的光碟種類相互切換光源,將來自所述光源的所述光束會聚到所述光碟的記錄層上的折射透鏡元件;以及上面形成有同心相位光柵結構的球差矯正元件,該相位光柵結構響應波長的改變而改變其球差,以便矯正由於覆蓋層的厚度變化引起的球差的變化。球差矯正元件具有波長相關性,使得隨著入射光波長的增大,球差在欠矯正的方向上變化。
文檔編號G11B7/135GK1354875SQ00803536
公開日2002年6月19日 申請日期2000年1月4日 優先權日1999年1月8日
發明者丸山晃一 申請人:旭光學工業株式會社