包括部分塑料的高數值孔徑物鏡系統的掃描裝置的製作方法
2023-06-22 09:52:56
專利名稱：包括部分塑料的高數值孔徑物鏡系統的掃描裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於掃描光學記錄載體的光學掃描裝置，一種用於這種掃描裝置中的物鏡系統和一種用於製造這種物鏡系統的方法。
在光學記錄載體上實現較高信息密度的光學記錄時必須採用較小照射光點來掃描信息。可以通過使用較高數值孔徑(NA)的物鏡系統來實現較小的光點，該物鏡系統用於在掃描裝置中將照射光束聚焦在記錄載體上。用於如所謂數字視頻記錄器(DVR)的高NA的物鏡系統的一個實施例包括兩個安裝在圓柱形安裝件上的平面-非球面透鏡。兩個透鏡由所謂玻璃-2p過程製造。物鏡系統可以容易的裝配，並允許不影響兩個透鏡的離中條件下的傾斜對中和物鏡之間距離的調整(參見專利申請WO EP01/02156(PHNL000132)和WOEP01/02348(PHNL000269))。面對發射源的第一透鏡具有與用於單透鏡物鏡系統的傳統透鏡相同的尺寸，該單透鏡物鏡系統用於所謂DVD和CD-RW掃描裝置中。面對記錄載體的第二透鏡具有更小的尺寸。已知物鏡系統的缺點是難於使用玻璃-2p過程製造第二透鏡。另一個缺點是將三個元件，兩個透鏡和一個安裝件裝配為一個物鏡系統相對昂貴。
本發明的一個目的在於降低高數值孔徑的物鏡系統的造價。本發明的另一個目的在於在不影響透鏡的離中的條件下保持傾斜對中和簡單透鏡安裝的可能性。
根據本發明，第一目的通過下述方式實現物鏡系統的第一透鏡包括玻璃主體，第二透鏡由塑料製成，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同。第一透鏡可以以傳統方式製造，如玻璃模壓或玻璃-2p過程。第二透鏡可以通過相對低成本的塑料注塑模壓法形成。
由塑料元件的使用產生的問題是物鏡系統的溫度穩定性，其要求隨著數值孔徑的增加而提高。本發明部分基於這種認識透鏡的溫度相對於設計溫度的偏離產生了作為主要象差的球差或改變了透鏡已經存在的球差。為了控制球差，作了進一步的考慮，即透鏡的球差的溫度相關性(即球差相對於溫度的導數)可以為正或負。換句話說，當物鏡系統的溫度改變時，物鏡系統的一個透鏡的球差的增加伴隨有其他透鏡的球差的降低。兩個透鏡的球差的抵消變化至少部分補償了作為一個整體的物鏡系統的球差的溫度相關性。
這種補償特別有益於具有高於0.65的NA的物鏡系統，該系統對溫度改變相對敏感。第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的幅值最好基本相等，以使作為一個整體的物鏡系統由30度的溫度改變引起的溫度相關的球差最好在補償後低於30mλ，從而使透鏡適用於很多要求的應用。
本發明的優點在於溫度補償不需要掃描裝置中的附加的光學元件，而是體現在物鏡系統的兩個透鏡中，這兩個透鏡由於製造原因已經存在。此外，物鏡系統內的補償最好超過另一光學元件如準直透鏡的補償。由於物鏡系統的溫度由靠近物鏡系統的致動器的發熱部分決定，因此，準直器和物鏡系統的溫度不需要相等，從而導致了由準直器實現的物鏡系統的錯誤溫度補償。當物鏡系統自身的透鏡相互補償溫度改變時，上述問題不會發生。
在最佳實施方式中，第二透鏡與用於第一透鏡的安裝件整體形成，從而第二透鏡和安裝件可以在一個注塑模壓過程中形成。相對小的第二透鏡和安裝件的集成便利於第二透鏡的處理過程。如果安裝件是圓柱形的，那麼，在該圓柱形安裝件內的第一透鏡的安裝可以以與專利申請WO EP01/02156中所述的相同的方式進行。這種方法在第一透鏡(玻璃-2P透鏡)的玻璃主體具有高於所述玻璃主體的半徑的厚度的情況下是可行的(參見WO EP01/02348)。由於第二透鏡可以以注塑模壓技術更容易的製造和當兩個透鏡都是玻璃-2P產品時只有兩個元件而不是三個元件需要裝配，因此實現了顯著的成本降低。這實現了本發明的第二目的。
考慮到由透鏡產生的球面波前像差的量的溫度相關性為透鏡的放大率的函數這個規律可以用於適應透鏡的放大率，以將希望的跡象提供給其球差的溫度相關性。
本發明還涉及一種用於掃描光學記錄載體的信息層的光學掃描裝置，該裝置包括用於產生照射光束的發射源和用於將照射光束會聚到信息層上的物鏡系統，物鏡系統包括第一和第二透鏡，其中，根據本發明，第一透鏡包括玻璃主體，第二透鏡由塑料製成，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同。
本發明的另一方面還涉及一種用於製造具有大於0.65的數值孔徑的物鏡系統的方法，該物鏡系統用於會聚波長為λ的照射光束，其包括由玻璃製成的第一透鏡和由塑料製成的第二透鏡，該方法包括步驟通過使第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同，且使第一和第二透鏡的溫度相關性的大小基本相等，來設計物鏡系統，使其對於30K的溫度改變具有小於30mλOPDrms的球差的溫度相關性，根據設計製造第一和第二透鏡，和將第一和第二透鏡安裝到物鏡系統中。
現在將通過參考附圖的實施例對本發明進行詳細描述，其中
圖1示出了由兩個元件構成的物鏡系統；圖2示出了作為第二透鏡的放大率β的函數的由30K的溫度升高引起的物鏡系統的OPDrms波前像差；圖3、4和5示出了當第二透鏡分別由PMMA、COC和PC構成時，作為第二透鏡的放大率β的函數的物鏡系統的波前像差；和圖6示出了包括物鏡系統的用於掃描光學記錄載體的裝置。
圖1示出了根據本發明的物鏡系統的一個實施例，其可以在不影響透鏡的離中的條件下實現傾斜對中和簡單的透鏡裝配。物鏡系統具有第一透鏡，其包括圍起來大半個球面透鏡主體的基本球面的透鏡主體，還具有由塑料製成的第二透鏡和圓柱形的塑料安裝件。第一透鏡的光學有效直徑大於第二透鏡的光學有效直徑。附圖中所示的實施例的第一透鏡為玻璃-2P透鏡1，由玻璃主體2和由固化漆形成的薄非球面層3構成。第二透鏡4與由相同的塑料材料製成的圓柱形安裝件5一體形成，以構成一個單獨構造單元。第一透鏡1的球面玻璃主體的厚度d和半徑r遵循d＞r的規律。元件6為以裝配有第一透鏡、安裝件和第二透鏡的形式存在的物鏡系統。在附圖中，照射光束從頂端進入物鏡系統，出射光束聚焦在物鏡系統之下的位置。光學記錄載體的信息層可以設置在該位置，以通過由出射光束形成的光點掃描該層。
圖1所示的物鏡系統的實施例具有1.5mm的入射光瞳直徑，記錄載體側數值孔徑NA＝0.85，設計波長為405nm，透鏡和盤之間的自由工作距離(FWD)為0.15mm，由PC形成的記錄載體的透明層具有0.1mm的厚度。
圖2示出了當第二透鏡的溫度改變時其性能的變化。該圖示出了當第二透鏡的溫度僅僅增加了30K時整個物鏡系統的波前像差的變化。像差是作為第二透鏡的放大率β的函數的曲線。當改變第二透鏡的放大率時，作為一個整體的物鏡系統的成像特性通過相應的對第一透鏡的特性及第一和第二透鏡之間的距離的改變而保持。波前象差作為已知的光程差的均方根(OPDrms)存在。圖中OPDrms的負值意味著球差的Zernike係數A40為負。圖中的三條線示出了第二透鏡分別由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯烴共聚物(COC)和聚碳酸脂(PC)構成的情況下的像差特性。PMMA、COC和PC的熱性質由表I給出。球面波前像差的變化為正，並相對具有無限共軛(β＝0)的透鏡較大。對於大於約0.3的放大率β，波前相差為負。對於0.2＜β＜0.8，由於溫度上升導致的波前像差相對較小。其原因在於放大率接近由相應於惠更斯消球差條件(β～1/n2，n為第二透鏡的折射率)的放大率和相應於曲率中心條件(β ～1/n)的放大率所確定的範圍。由於玻璃-2P透鏡相對於塑料透鏡具有低溫度相關性，因此，高數值孔徑的物鏡設計中的塑料透鏡的放大率應當在02＜β＜0.8的範圍內，以實現玻璃-2P透鏡與塑料製成的第二透鏡所形成的組合的低溫度相關性。
表IPMMA、COC和PC的熱性質本發明使得玻璃—塑料的高數值孔徑的物鏡的溫度容差可以相對於光學記錄目的做得足夠寬，從下面的更加詳細的實施例的描述中，這將變得明顯。
用於DVR掃描裝置中的物鏡系統的實施例執行無限共軛第一透鏡面對掃描系統的發射源，第二透鏡面對記錄載體。設計具有405nm波長的準直的照射光束穿過厚度為0.1mm的PC透明層(n＝1.6223)會聚在光學記錄載體的信息層上，並位於信息層上。入射光瞳直徑為3.0mm，物鏡的數值孔徑NA＝0.85。自由工作距離FWD＝0.15mm。物鏡系統由跟隨有由塑料製成的平面—非球面的第二透鏡的平面—非球面玻璃—2P的第一透鏡組成。第一透鏡的玻璃主體由其表面上具有薄非球面漆層的FK5 Schott玻璃(n＝1.4989)構成並且由Diacryl(n＝1.5987)製成。第一透鏡的光軸的厚度固定為2.3mm。或者，第一透鏡可以利用如玻璃模壓法全部由玻璃構成。物鏡系統的設計最好採用多種材料，並且最好使用以所需相關區域的容差、兩個透鏡的離中容差、隨所允許的共軛調節改變的盤厚度的容差和溫度容差為基礎的優質函數得到第二透鏡的放大率。
具有COC的第二透鏡和0.4的放大率β的物鏡系統的實施例具有下述設計參數。第一透鏡具有面對發射源的凸面，並具有2.4mm的曲率半徑Rbase。凸面上的漆層的旋轉對稱非球面形狀由下述方程式給出s(N)=i=18a2lN2i]]>其中N=RbaserA]]>s是漆層的局部厚度對光軸處的厚度的偏離值，其沿凸面的點上的表面的法線以毫米計量，θ是光軸和從凸面的曲率中心到所述凸面上的點的半徑之間的角度，以弧度計量，ra是以毫米計量的凸面的半直徑，a2i是2i次冪或θ的係數。光軸方向上的漆層的厚度為0.015mm。係數a2到a16的數值分別為0.10705588、-0.22546373、0.087850329、0.079496556、-0.14937823、-0.21393161、-0.5056136和1.2663043。與凸面相對的第一透鏡的邊界面具有無限的曲率半徑。物鏡系統的第二透鏡由COC構成，其在光軸方向上具有1.363mm的厚度，並距離第一透鏡0.100mm。直接指向第一透鏡的第二透鏡的凸面具有下述方程式給出的旋轉對稱非球面形狀z(r)=i=18b2ir2i]]>其中，z是光軸方向上表面的位置，以毫米計量，r是以毫米計量的距離光軸的距離，b2i是r的2i次冪的係數。係數b2到b16的數值分別為0.49982075、0.12648361、-0.015903608、0.27317405、-0.47765099、0.39496049、-0.0085041792和-0.10275875。在第二透鏡的另一側上的邊界面具有無限的曲率半徑。
當分析物鏡系統的光學特性的溫度相關性時，應當考慮由與第二元件相同的材料製成的安裝件的膨脹。圖3、4和5示出了當第二透鏡分別由PMMA、COC和PC構成時作為第二透鏡元件的放大率β的函數的物鏡系統的波前像差的改變。將30mλOPDrms作為像差的上限，在任何情況下，由於溫度感應球差和離中容差的合成影響，β最好都小於0.5。在PMMA的情況下，區域容差限制放大率為β＞0.26，而在COC和PC的情況下，沒有進一步的限制。
為了容易的製造，第二透鏡單元的放大率β必須不能太小，因為對於小β，系統的大部分光功率將出現在第二透鏡中，而第一透鏡僅具有少量光功率。結果放大率β一定大於0.3。當結合上述的上限時，可以獲得最佳範圍0.3到0.5。
此外，附圖示出了當使用COC作為用於第二透鏡的塑料材料時可以獲得最佳性能。在這種情況下，當β在0.35到0.45的範圍內，並且最好基本等於0.4時，可以獲得良好的設計。
雖然上述實施例中示出物鏡系統中具有較小放大率的透鏡比具有較大放大率的透鏡更加靠近發射源，但是具有較大放大率的透鏡還可以設置為比具有較小放大率的透鏡更加靠近發射源。
物鏡系統可以用於光學記錄系統的掃描裝置中，如所謂DVR光學系統。
圖6示出了用於掃描DVR型的光學記錄載體102的裝置101。記錄載體具有透明層103、其一側設置有信息層104。背離透明層的信息層的一側由保護層105保護其不受環境影響。透明層面對裝置的一側被稱為入射面106。透明層103用作為信息層提供機械支撐的記錄載體的基底。或者，透明層可以具有保護信息層的唯一功能，而機械支撐由信息層另一側的層提供，如保護層105或其他與信息層104相連的信息層和透明層。信息可以以排布在基本平行的同心圓或螺旋形的軌道上的光學可檢測的標記的形式存儲在記錄載體的信息層104上，圖中未示出。標記為任意光學可讀取的形式，如凹坑形式，或具有與其周圍環境不同的反射係數或磁化強度方向的區域，或這些形式的組合。
掃描裝置101具有可以發射照射光束108的發射源。圖中所示的發射源具有半導體雷射器110。分束器113將光徑中的發散的照射光束108反射向準直透鏡114，其將發散光束108轉換為準直光束115。準直光束115入射到第一透鏡116，然後入射到物鏡系統118的第二透鏡117。物鏡系統可以具有兩個或更多透鏡和/或光柵。物鏡系統118具有光軸119。物鏡系統118將光束115轉變為會聚光束120，其入射到記錄載體102的入射面106上。物鏡系統具有適於使照射光束通過透明層103的厚度的球差校正。會聚光束120在信息層104上形成光點121。由信息層104反射的發光形成發散光，由物鏡系統118轉換為基本準直的光束123，然後由準直透鏡114轉換為會聚光束124。分束器113通過將會聚光束124的至少一部分傳輸向檢測系統125而分離向前的和反射的光束。檢測系統捕獲發光並將其轉換為電輸出信號126。信號處理器127將這些輸出信號轉換為各種其他的信號。其中的一個信號為信息信號128，其數值代表從信息層104讀取出來的信息。信息信號被用於誤差校正的信息處理單元129處理。從信號處理器127得到的其他信號為聚焦誤差信號和徑向誤差信號130。聚焦誤差信號代表光點121和信息層104之間在高度上的軸向差。徑向誤差信號代表信息層104的平面上光點121和跟隨有光點的信息層上的軌道的中心之間的距離。聚焦誤差信號和徑向誤差信號被提供到伺服電路131，其將這些信號轉換為分別用於控制聚焦致動器和徑向致動器的伺服控制信號132。致動器在圖中未示出。聚焦致動器控制物鏡系統118在聚焦方向133上的位置，從而控制光點121的實際位置，以使其基本符合信息層104的平面。徑向致動器控制物鏡118在徑向134的位置，從而控制光點121的徑向位置，從而使其基本符合信息層104上的跟隨的軌道的中心線。附圖中的軌道沿垂直於附圖平面的方向延伸。
權利要求
1.一種用於掃描光學記錄載體的信息層的光學掃描裝置，該裝置包括用於產生照射光束的發射源和用於將照射光束會聚到信息層上的物鏡系統，物鏡系統包括第一和第二透鏡，其特徵在於第一透鏡包括玻璃主體，第二透鏡由塑料製成，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同。
2.根據權利要求1所述的光學掃描裝置，其中，物鏡系統具有大於0.65的數值孔徑，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的大小基本相等，以使物鏡系統的球差的溫度相關性對於30K的溫度改變小於30mλOPDrms。
3.根據權利要求1所述的光學掃描裝置，包括用於將從信息層發出的光照射轉換為信息信號的檢測系統，和用於信息信號的誤差校正的信息處理單元。
4.一種包括用於聚焦照射光束的第一和第二透鏡的物鏡系統，其特徵在於第一透鏡包括玻璃主體，第二透鏡由塑料製成，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同。
5.根據權利要求4所述的物鏡系統，其中，物鏡系統具有大於0.65的數值孔徑，第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的大小基本相等，以使物鏡系統的球差的溫度相關性對於30K的溫度改變小於30mλOPDrms。
6.根據權利要求4所述的物鏡系統，包括第一透鏡的安裝件，安裝件和第二透鏡形成一個單獨構造單元。
7.根據權利要求4所述的物鏡系統，其中，第一透鏡具有小於0.2的放大率β，第二透鏡具有大於0.2的放大率β。
8.根據權利要求4所述的物鏡系統，其中，第二透鏡具有小於0.6的放大率β。
9.根據權利要求4所述的物鏡系統，其中，第二透鏡由COC構成。
10.根據權利要求9所述的物鏡系統，其中，第二透鏡具有0.35＜β＜0.45範圍的放大率β。
11.一種用於製造具有大於0.65的數值孔徑的物鏡系統的方法，該物鏡系統用於聚焦波長為λ的照射光束，並包括由玻璃製成的第一透鏡和由塑料製成的第二透鏡，該方法包括以下步驟設計物鏡系統，以使其對於30K的溫度改變具有小於30mλOPDrms的球差的溫度相關性，其是通過使第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同，並使第一和第二透鏡的溫度相關性的大小基本相等而得到的，根據該設計製造第一和第二透鏡，和將第一和第二透鏡安裝到物鏡系統中。
全文摘要
一種用於掃描光學記錄載體(102)的信息層(104)的光學掃描裝置，包括用於產生照射光束(108)的發射源(110)和用於將照射光束會聚到信息層上的高NA物鏡系統(118)。物鏡系統包括第一透鏡(116)和第二透鏡(117)。第一透鏡包括玻璃主體，第二透鏡由塑料製成。第一和第二透鏡的球差的溫度相關性的跡象不同，從而降低了作為一個整體的物鏡系統的球差的溫度相關性。
文檔編號G11B7/135GK1462434SQ02801342
公開日2003年12月17日 申請日期2002年4月25日 優先權日2001年4月25日
發明者B·H·W·亨德裡克斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司