CN1607402A - 用于dvd/cd兼容的光学拾取器的物镜 - Google Patents

Abstract

公开了用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜，其提高了光效率同时最小化由于不同光存储介质的不同盘厚度引起的像差。物镜具有第一和第二非球面透镜表面。

Description

用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜

技术领域

本发明涉及用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜，更具体地说，涉及用于能提高光效率同时最小化由于不同光学存储介质的不同盘厚度引起的像差的DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜。

背景技术

光盘用作用于记录信息的介质，其允许记录/再现信息而不使记录/再现头与记录介质接触同时提高记录密度。

为再现记录在这种光盘上的信息，从作为记录/再现头的光学拾取器输出的激光束被照射到光盘的信号记录层上，以及安装在光学拾取器上的光学检测器检测从信号记录层反射的激光束，从而读取信息。

作为允许再现/记录信息的光盘，有例如采用用激光束照射以便在晶体状态和非晶形状态间改变的相变记录层的光盘。

为将信息记录在这种光盘上，将根据将记录的信息的信号调制的激光束照射到信号记录层上。

存在作为使用相变记录层以允许记录/再现信息的一种光盘的DVD(数字视频盘或数字通用盘)。DVD具有大大高于广泛使用的光盘的CD(压缩盘)的记录密度。尽管CD具有1.6μm的记录轨道间距，而DVD具有0.74μm的记录轨道间距，从而实现高的记录密度。

为通过将激光束照射在允许高密度信息记录的这种光盘上来记录信息，需要在光盘的信号记录层上形成更小的射束点。

激光束的光点直径与激光束的设计波长成正比，并与聚焦激光束的物镜的数值孔径(NA)成反比。因此，为实现光盘的高记录密度，需要增加物镜的数值孔径以及减小激光束的波长。

同时，作为能形成高密度记录/再现的设备，DVDP和DVD-ROM在成象/声学领域正引起关注。为了兼容性，当其不仅采用DVD而且采用CD系列诸如CD、CD-R(可写CD)、CD-I和CD-G作为记录介质时，用在DVDP中的光学拾取器设备必须能记录和/或再现信息。

然而，由于用于盘倾斜和物镜的数值孔径的机械公差，在不同于CD系列的厚度方面，已经标准化DVD。传统的CD系列的厚度为1.2mm，而DVD的厚度为0.6mm。由于CD系列的厚度不同于DVD，如果将用于DVD的光学拾取设备应用于CD系列，厚度差引起球面像差。这一球面像差不能获得足够的光强度来记录信息信号，或降低再现信号的质量。

另外，关于用于再现的光源的波长，已经在不同于CD系列的波长范围中标准化DVD。即，用于传统CD系列的再现光源的波长为约780nm，而用于DVD的波长约为650nm。

由于不同标准，传统的CDP再现记录在DVD上的信息是不可能的。因此，需要开发用于DVD的光学拾取设备，其还必须与传统的CD系列兼容。

在现有技术中，已经提出了环形光盘设备，其能再现各种光盘诸如CD和DVD。

CD和DVD(在下文中，统称为“光盘”)采用在其一面具有信息记录面的透明衬底。通过使这种透明衬底彼此附着以便各个信息记录层彼此面对，或通过将这种透明衬底附着到保护衬底上以便其信息记录层面向保护衬底来形成光盘。

为再现存储在具有这种结构的光盘中的信息信号，需要光盘设备将来自光源的激光束经透明衬底聚焦在光盘的信息记录面上。

用于CD的激光束的波长不同于CD，如下所述。光盘设备使用物镜以便聚焦激光束。

如上所述，用于CD的透明衬底的厚度为1.2mm，而用于DVD的透明衬底的厚度为0.6mm。在其上形成信息记录面的透明衬底的厚度随光盘的种类或激光束的波长改变。

对用于再现不同种类的光盘的光盘设备，要求即使透明衬底的厚度随光盘的种类改变，也能将激光束聚焦在信息记录面上。

在最近建议的新的光盘设备中，已经提出了使用具有波长约400nm的蓝光以便执行信息再现。因此，期望光盘设备能使用CD以便向下兼容以及正使用的DVD，以及还能使用这种新光盘。

考虑到已经将环状光盘设备分成下述两种。在一种中，对每种光盘，将单个物镜安装在拾取器中，以及根据将使用的光盘的种类，调换物镜。在其他类型中，安装用于每种光盘的单个拾取器，以及根据将使用的光盘的类型，调换拾取器。

然而，为实现低成本、小型设备，期望能使用用于各种光盘的相同的物镜。

能在日本专利公开号No.Hei9-145995中查看到这种物镜的一个典型的例子。在这一文献中描述的物镜具有分成三个或更多径向排列的同心环状透镜表面的透镜面，其中一种颜色的一个环状透镜面的折射能力(refractive power)不同于另一种颜色的另一环状透镜面的折射能力。

所述一种颜色的一个环状透镜面允许波长的激光束聚焦在0.6mm厚的薄光盘(例如，DVD)的信息记录面上。另一方面，所述另一颜色的另一环状透镜面允许相同波长的激光束聚焦在1.2mm的厚光盘的信息记录面上(例如，CD)。

能在日本专利公开号No.Hei2000-81566(或US专利No.6118594)中查看到另一典型的例子。这一文献已经公开了使用用于薄透明衬底(DVD)的短波长(635nm或650nm)的激光束，以及使用用于厚透明衬底(CD)的长波长(780nm)的激光束的光盘设备。这一光盘设备具有通常用于两种激光束的物镜。

这一物镜具有带正折射能力的折射透镜面，在其之上紧密地形成微小的同心环状分步(step)，从而获得衍射透镜结构。将这一衍射透镜结构设计成将短波长的衍射激光束聚焦在薄透明衬底(DVD)的信息记录面上，以及将长波长的衍射激光束聚焦在厚透明衬底(CD)的信息记录面上。

还将衍射透镜结构设计成将相同衍射级的衍射束聚焦在信息记录面上，无论其是何种衍射束。短波长的激光束用于DVD的原因在于DVD的记录密度高于CD，因此，要求将射束点调节到更小。众所周知，光点的大小与波长成比例，且与数值孔径(NA)成反比。

在日本专利公开号No.2001-51192中提出了不同环状物镜，其具有相位补偿的透镜结构，其中在透镜的表面上形成环状移相器。首先，在这一物镜中，将允许去除由于用于DVD的波长λ₁(640nm)的激光束的波前像差的透镜面定义为参考透镜面。将这一物镜的表面分成径向排列的多个环状折射面。从参考透镜面将每个环状折射面形成为具有预定分步深度(即，用“d_i”表示来自透镜中心的第i分步深度)。具有分步深度(d_i)的每个折射面允许用于DVD的激光束相对于参考透镜面相移波长(λ₁)的整数倍(m_i)，从而降低CD系列的波前像差。

由于其允许物镜共同用于DVD和CD，在前描述的所有现有技术不必提供用于调换用于DVD和CD的每一个的单个构件的装置，包括物镜，以便其在成本方面很有利并且具有更简单的结构。

然而，上述现有技术具有下述缺点。第一，日本专利公开号No.Hei9-145995的物镜使用用于DVD和CD的不同的环状透镜面，以致其具有对入射激光束无效的许多部分，从而具有很低的光学利用效率。

另外，日本专利公开号No.2000-81566(或US专利No.6118594)的物镜使用通过衍射透镜结构获得的衍射束，以致同时获得用于每个衍射波长的100％衍射效率。

将衍射透镜结构设计成向具有用于DVD的短波长(635nm或650nm)和用于CD的长波长(780nm)的约平均波长的激光束提供100％衍射效率，从而向所使用的激光束提供平衡的衍射效率。

为使透镜面具有衍射透镜结构，要求在透镜面上形成细微分步。但，这易于受制造误差影响。在设计衍射透镜结构时的误差也会引起降低衍射效率。

由于这种衍射效率降低或本来不可能获得100％衍射效率，不可能将每个入射光束聚焦在光盘的透明衬底上形成的信息记录面上，这会引起光损失。

另外，如上所述，在日本专利公开号No.2001-51192中公开的环状透镜具有用于提供高的光利用效率的相位补偿透镜结构。允许去除由于用于DVD的激光束的波前像差的透镜面被定义为参考透镜面，以及将透镜的表面分成径向排列的多个环状折射面。为降低用于CD的激光束的波前像差，形成从参考透镜面凹进分步深度(d_i)的环状衍射面，该分步深度(d_i)对应于用于DVD的激光束的波长(λ_i)的整数倍(m_i)。然而，由于其本来基于DVD，仅形成分步是不可能足以降低用于CD的激光束的波前像差。

发明内容

因此，鉴于上述问题，做出了本发明，以及本发明的目的是提供用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜，其能提高光学效率，同时最小化由于不同光学存储介质的不同盘厚引起的像差。

根据本发明，通过提供用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜，能实现上述和其他目的，包括：第一透镜面，在其上入射具有用于分别包括不同厚度的透明衬底的多个光记录介质的每一个的不同波长的光束，所述第一透镜面具有用于折射光束，从而将其聚焦在形成在光记录介质的透明衬底上的信息记录面上的正折射能力，所述第一透镜面包括在其整个表面上形成的衍射栅；以及第二透镜面为具有用于折射光束，然后将其聚焦在形成在光记录介质的透明衬底上的信息记录面上的正折射能力的非球面。

附图说明

从下述结合附图的详细描述，将更容易理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1表示应用本发明的兼容的光学拾取设备的结构；以及

图2a和2b是表示根据本发明，图1中所示的兼容的光学拾取器的物镜的前和侧视图。

具体实施方式

现在，将参考附图来详细地描述根据本发明的优选实施例。

图1表示应用本发明的兼容的光学拾取设备的结构。

如图1所示，两种波长的光源10生成两个光束，一个具有用于DVD系列的650nm的波长，以及另一个具有用于CD系列的780nm的波长。由两种波长光源10生成的用于DVD/CD系列的光束的每一个入射在波长选择的衍射栅(diffractive grating)20上，其衍射入射光束以便将其分成三个光束，以便执行跟踪/聚焦控制。

在通过波长选择的衍射栅20分成的三个光束属于具有用于CD系列的波长780nm的光束的情况下，它们在经受用于如下所述，通过光轴校正全息图30，在物镜80中引起的彗形象差的补偿后入射在分光器50上。此时，光轴校正全息图30允许所分开的光束的各个光轴彼此重合以便基于光轴偏差，执行用于彗形象差的补偿。

在通过波长选择的衍射栅20分开的三个光束属于具有用于DVD系列的650nm波长的光束的情况下，它们被入射在分光器50上，而不经受用于彗形象差的补偿，因为它们不会在物镜80中引起彗形象差。

在通过分光器50分开后，通过反射器60以适当的角度全部反射光束。然后，所反射的光束被入射在准直透镜70上，通过该准直透镜70，将入射光束改变成平面波形光束。在通过准直透镜70后，将光束入射在物镜80上，通过该物镜80，将光束聚焦在存储数据的光盘的信息坑上。

此时，致动器90用来基于外部控制信号，在物镜80上执行聚焦/跟踪控制。

通过光束分离器50分开从光盘100反射的光束以便对准光学检测器130，如下所述。在通过光束分离器50分开后，经传感器透镜120，将射束入射在具有预定PDIC图形的光学检测器130上。传感器透镜120引起散光，用于检测光束的聚焦误差以便在光学检测器130上执行聚焦控制。

此时，在入射在光学检测器130上的光束为具有用于CD系列的780nm的波长的光束时，通过CD检测衍射栅110，以特定的角度衍射以便允许其射束点正确地与光学检测器130的PDIC图形重合。

当将从光源10生成的光束在由光盘100反射后入射在光学检测器130上时，光学检测器130将入射光束转换成电信号，以便将数据记录在光盘100上或再现来自盘100的记录数据。

图2a和2b是表示根据本发明的实施例，用于光学拾取器的物镜的前和侧视图。

现在，将参考图2a和2b，更详细地描述物镜的结构。物镜包括具有正折射能力的第一非球面透镜面210和具有负折射能力的第二非球面透镜面211。将物镜放置成第一非球面透镜面211面向光源，以及第二非球面透镜面211与光源相对。第一非球面透镜面210具有锯齿形衍射栅结构以便提高光学效率同时最小化由于光盘的不同厚度引起的像差。

当第一透镜210的垂度量Z定义其非球面，其通过到光轴的高“h”的参数，用下述等式表示。

[表达式1]

$z=\frac{{r_i}^{-1}{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){r_i}^{-1}{h}^2}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}+E{h}^{12}+F{h}^{14}+G{h}^{16}+H{h}^{18}+J{h}^{20}$

在这里，“i”表示到光源的表面的序号，“r_i”表示第i个表面的曲率半径，“k”表示二次曲线常数，“h”表示从光轴到透镜面的距离，以及A、B、C、...J分别表示第四、第六、第八...第二十非球面系数。

通过下述相位函数，定义衍射透镜中的光学相位差Φ(h)。

[表达式2]

Φ(h)＝(C₁h²+C₂h⁴+C₃h⁶+C₄h⁸+C₅h¹⁰...)×λ

在这里，“h”表示从光轴到透镜面的距离，“C₁、C₂、C₃...”分别表示第二、第四、第六衍射系数，以及“λ”表示入射光的波长。

象具有大量同心环的菲涅耳透镜一样，定义衍射透镜结构的实际微观形状。通过从Φ(h)减去λ×m(m：整数)，定义实际形状Φ′(h)如下。

Φ′(h)＝(mod(C₁h²+C₂h⁴+......+C，1)×λ_B

符号λ_B是强光波长(blaze wavelength)，对该强光波长，该光栅的分步给出了一波长的光程差，以及衍射效率在强光波长λ_B变为最大。符号C为定义相邻环间的边界的相位的常数(0＜C≤1)。函数MOD(x，y)表示用y除以x时的余数。在折射透镜的透镜面的基线上形成衍射透镜结构。

透镜具有2.20mm的中心厚度，并在波长655nm和785nm分别具有1.54065和1.53713的折射率，并具有715nm的强光波长。当距离“h”在0至1.6mm的范围内时，C₁、C₂和C₃分别为0、-1.731035和-0.139774。

在这种情况下，k为-5.66134E-01，A为0，B为-6.33910E-04，C为3.79512E-05，D为1.58394E-05，E为-1.08464E-05，以及F为1.00884E-06。

另外，当距离“h”在1.6至2.0mm范围内时，C₁、C₂和C₃分别为-6.993007、-0.097902和-0.001399。

在这种情况下，k为-9.31672E-01，A为6.80832E-03，B为-1.55240E-04，C为2.05226E-04，D为-5.13685E-05，E为1.28641E-06，以及F为3.13362E-07。

另一方面，关于第二非球面透镜面211，r₂为-8.125557，k为-104.216960，A为-0.1317125E-02，B为0.167540E-02，C为-0.6788669E-03，D为-0.4133680E-04，E为0.5953331E-04，以及F为-0.778703-05。

当“f”表示物镜的有效焦距，以及“Sr”表示沿光轴从通过物镜的最后一个表面上的光轴的光束与透镜面相接的一个点到通过上面的有效光束与透镜面相接的另一点的距离，物镜必须满足下述条件。

[表达式3]

当“f”表示物镜的有效焦距，以及“t”表示沿光轴，物镜的前后表面间的间隔，物镜必须满足下述条件。

[表达式4]

在第一透镜面210上形成锯齿形衍射栅。从图2a的前视图可以看出在第一透镜面210上，在其整个表面上形成光栅。

仅用上述表达式2中所示的偶次函数(even order function)定义第一透镜210的衍射光栅的相位分布Φ(h)。

因此，由于将折射率(n)的媒介中的光程与大气中的光程间的光程差定义为(n-1)，当设计波长为λnm表示时，用下述等式表示构成衍射透镜的环(衍射元件)的每一个的分步深度d。

[表达式5]

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{(n-1)\·{10}^{-3}}$

另外，分步深度d为上述值的整数倍。根据本发明，两个波长655nm和785nm的平均波长715nm用作计算分步深度d中的波长λ。

根据本发明的物镜最小化由不同光存储介质间的不同光盘厚度引起的像差，以致大大地提高物镜的性能，并增加其光效率，以及还最小化由于温度的变化引起的性能恶化。这些提高的结果如下表1所示。

[表1]

环形类型             部分衍射型        全部衍射型

DVD光效率：74        DVD光效率：97     DVD光效率：100

CD光效率： 56        CD光效率： 70     CD光效率： 100

为在不同衍射类型的光效率间容易比较，该表示出了比较结果，假定根据本发明的全衍射型具有100的光效率。从该表可以看出，本发明非常有利。

从上述描述可以看出，根据本发明的用于DVD/CD兼容的光学拾取器的物镜最小化由不同光存储介质的不同盘厚度引起的像差，从而大大地提高其性能。

另外，根据本发明的物镜提高了其光效率并最小化由于温度变化而引起的性能恶化。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员将意识到在不背离在附加权利要求书中公开的本发明的范围和精神和情况下，各种改进、增加和取代是可能的。

Claims (9)

1.一种用于DVD/CD兼容光学拾取器的物镜，所述物镜为具有正折射能力的折射透镜，所述折射透镜包括：

第一透镜面，在其上入射具有用于分别包括不同厚度的透明衬底的多个光记录介质的每一个的不同波长的光束，所述第一透镜面具有用于折射光束，从而将其聚焦在形成在光记录介质的透明衬底上的信息记录面上的正折射能力，所述第一透镜面包括在其整个表面上形成的衍射栅，所述第一透镜面为满足下述条件的非球面：

其中“f”表示物镜的有效焦距，以及“Sr”表示沿透镜的光轴、从通过物镜的最后一个表面上的光轴的光束与透镜面相接的一个点到通过上面的有效光束与透镜面相接的另一点的距离；以及

第二透镜面，具有用于折射光束，并因此将其聚焦在形成在光记录介质的透明衬底上的信息记录面上的正折射能力的非球面。

2.如权利要求1所述的物镜，满足下述条件：

其中，“f”表示物镜的有效焦距，以及“t”表示沿光轴，物镜的前后表面间的间隔。

3.如权利要求1所述的物镜，其中，在第一透镜面的整个表面上形成的衍射栅为锯齿形衍射栅。

4.如权利要求3所述的物镜，其中，

构成第一透镜面的锯齿形衍射栅的每一环的分步深度d用下述等式表示：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{(n-1)\·{10}^{-3}}$

其中，折射率为n，并且设计波长为λnm。

5.如权利要求4所述的物镜，其中，将两个波长655nm和785nm的平均波长715nm用作计算第一透镜面的锯齿形衍射栅的分步深度中的波长λnm。

6.如权利要求1所述的物镜，其中，由沿光轴，第一和第二透镜面间的距离定义的物镜的厚度为2.20mm或更大。

7.如权利要求1至6的任何一个所述的物镜，其中，第一和第二透镜面的非球面满足下述两个等式：

$z=\frac{{r_i}^{-1}{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){r_i}^{-1}{h}^2}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}+E{h}^{12}+F{h}^{14}+G{h}^{16}+H{h}^{18}+J{h}^{20}$

其中，“i”表示距光源的表面的序号，“r_i”表示第i个表面的曲率半径，“k”表示二次曲线常数，“h”表示从光轴到透镜面的距离，以及A、B、C、...J分别表示第四、第六、第八...第二十非球面系数，以及

Φ′(h)＝(mod(C₁h²+c₂h⁴+......+C，1)×λ_B

其中，“Φ’(h)”表示衍射透镜结构的实际微观形状；“h”表示从光轴到透镜面的距离；“C₁、C₂、C₃...”分别表示第二、第四、第六、...衍射系数；符号λ_B是强光波长，对该强光波长，该光栅的分步给出了一波长的光程差，以及衍射效率在强光波长λ_B变为最大；符号C为定义相邻环间的边界的相位的常数(0＜C≤1)；函数MOD(x，y)表示用y除以x时的余数；并且在作为折射透镜的透镜面的基线上形成衍射透镜结构。

8.如权利要求7所述的物镜，其中，透镜具有2.20nm的中心厚度，并在波长655nm和785nm分别具有1.54065和1.53713的折射率，并进一步具有715nm的强光波长，

其中，当第一透镜面的距离h在0至1.6nm的范围内时，曲率半径为2.117248mm，衍射系数C₁、C₂和C₃分别为0、-1.731035和-0.139774；二次曲线常数k为-5.66134E-01；以及非球面系数A为0，B为-6.33910E-04，C为3.79512E-05，D为1.58394E-05，E为-1.08464E-05，以及F为1.00884E-06，

其中，当距离h在1.6至2.0mm范围内时，曲率半径为2.212176mm，衍射系数C₁、C₂和C₃分别为-6.993007、-0.097902和-0.001399；二次曲线常数k为-9.31672E-01以及非球面系数A为6.80832E-03，B为-1.55240E-04，C为2.05226E-04，D为-5.13685E-05，E为1.28641E-06，以及F为3.13362E-07，以及

其中，关于第二透镜表面，r₂为-8.125557mm，二次曲线常数k为-104.216960，非球面系数A为-0.1317125E-02，B为0.167540E-02，C为-0.6788669E-03，D为-0.4133680E-04，E为0.5953331E-04，以及F为-0.778703E-05。

9.如权利要求7所述的物镜，其中，透镜具有2.20mm的中心厚度，并在波长655nm和785nm分别具有1.54065和1.53713的折射率，并进一步具有730nm的强光波长，

其中，当第一透镜面的距离h在0至1.725mm的范围内时，曲率半径为2.11934mm，衍射系数C₁、C₂和C₃分别为0、-1.666027和-0.15174；二次曲线常数k为-5.0383E-01；以及非球面系数A为0，B为-1.3753E-03，C为4.4796E-04，D为-1.6852E-04，E为3.3886E-05，以及F为-3.3274E-06，

其中，当距离h在1.725至2.0mm范围内时，曲率半径为2.20774mm，衍射系数C₁、C₂和C₃分别为-6.849315、-0.291205和0.045885；二次曲线常数k为-8.9335E-01以及非球面系数A为7.3426E-03，B为-8.7808E-04，C为3.5403E-04，D为-5.7016E-05，E为2.8499E-06，以及F为-1.1360E-07，以及

其中，关于第二透镜表面，r₂为-8.04999mm，二次曲线常数k为-126.498813，非球面系数A为-0.305015E-02，B为0.208136E-02，C为-0.49320E-03，D为-0.119581E-03，E为0.637377E-04，以及F为-0.724295E-05。

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