CN1924631B - 物镜、光学头和光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以针对各个透明基片厚度不同的多种光盘，在尽可能减小像差的状态下，使激光束会聚到信息记录面上的物镜、光学头和光学系统以及物镜的设计方法。本发明的物镜(5)被用在将DVD激光器(1)和CD激光器(2)之间距离予以固定的光学头中。该物镜(5)通过0.6的数值孔径使从DVD激光器(1)射出的激光束会聚到DVD光盘(6)上，通过0.47的数值孔径使从CD激光器(2)射出的激光束会聚到CD光盘(7)上。这里，使关于CD光盘在设计上的波面像差(D2)比关于DVD光盘在设计上的波面像差(D1)大。

Description

物镜、光学头和光学系统

技术领域

本发明涉及可以对保护层厚度及记录密度不同的多种光盘进行记录/重放的光盘装置所使用的物镜、光学头和光学系统以及物镜的设计方法。

背景技术

现在，关于光盘，同时存在保护层厚度，即覆盖记录面的透明基片的厚度及记录密度不同的多种规格。例如，记录密度比较低的CD(微型光盘)、CD-R(可刻录光盘)的保护层的厚度为1.2mm，与此相对，记录密度比较高的DVD(数字多用光盘)的保护层的厚度为其一半即0.60mm。

对于记录密度高的DVD的记录、再生，为缩小光斑直径，有必要利用波长为635-660nm左右的短波长的激光。另一方面，对于CD-R的记录、再生，从其反射特性考虑，有必要利用波长为780nm左右的长波长的激光。

为了能使这些光盘混合存在并加以利用，希望光盘装置能使用任何一种规格的光盘。因此，为了能共用DVD和CD-R，光盘装置需要具备发出与各自的光盘特性相对应波长的激光的至少两种激光器。另外，为了实现光盘装置的小型化，希望光学头的光学系统也尽可能地小型化，希望物镜等光学元件对于两个波长可同时使用，并且对于光源部希望利用将二个激光器组装在一个封装件中的模块。

例如，在专利文献1-日本特许第3518684号公报中，提出了一种光盘装置的方案，作为物镜，对于任何一种光盘它都可以使用相同的透镜。

然而，在使用将两种激光器组装到一个封装件中的模块时，由于各激光器的发光点并排在与物镜的光轴垂直的方向上，因而，两个波长的激光对物镜的入射角存在预定的角度差，不能将两个波长的激光的入射角连同波面像差都作到为最小的0度。因此，对于两个光盘，必须使波面像差在允许范围内地取得平衡的同时设定入射角。

发明内容

本发明是为解决该问题而提出的，其目的在于提供一种物镜、光学头和光学系统以及物镜的设计方法，它可以针对各个透明基片厚度不同的多种光盘，在尽可能减小像差的状态下，使激光束会聚到信息记录面上。

本发明的物镜是被用在将射出波长为λ₁的激光束的第一激光器和射出比波长λ₁长的波长为λ₂的激光束的第二激光器之间的距离予以固定的光学头中，是由第一数值孔径使从上述第一激光器射出的激光束会聚到第一光盘上，由比上述第一数值孔径小的第二数值孔径使从上述第二激光器射出的激光束会聚到第二光盘上的物镜，其特征是，关于上述第二光盘在设计上的波面像差比关于上述第一光盘在设计上的波面像差大。

本发明另一方案的物镜是被用在将射出波长为λ₁的激光束的第一激光器和射出比波长λ₁长的波长为λ₂的激光束的第二激光器之间的距离予以固定的光学头中，是由第一数值孔径使从上述第一激光器射出的激光束会聚到第一光盘上，由比上述第一数值孔径小的第二数值孔径使从上述第二激光器射出的激光束会聚到第二光盘上的物镜，其特征是，关于上述第二光盘在设计上的彗差C2及像散成分AS2的合成像差(C2²+AS2²)^1/2比关于上述第一光盘在设计上的彗差C1及像散成分AS1的合成像差(C1²+AS1²)^1/2大。

这里，优选满足关系式：0.25＜(C1²+AS1²)^1/2/(C2²+AS2²)^1/2＜0.8。还可满足下式：0.12＜(C1/C2)＜0.70。另外，优选从光轴到上述第一激光器的距离t1与上述第一激光器和上述第二激光器之间的距离(t1+t2)的比t1/(t1+t2)小于0.8。

可以由具有这样结构的物镜构成光学头，进而使用该光学头可以构成光学系统。

本发明的物镜的设计方法被应用在将射出波长为λ₁的激光束的第一激光器和射出比波长λ₁长的波长为λ₂的激光束的第二激光器之间的距离予以固定的光学头中，是由第一数值孔径使从上述第一激光器射出的激光束会聚到第一光盘上，由比上述第一数值孔径小的第二数值孔径使从上述第二激光器射出的激光束会聚到第二光盘上的物镜的设计方法，其特征是，将关于上述第二光盘在设计上的波面像差设计得比关于上述第一光盘在设计上的波面像差大。

这里，将关于上述第一光盘在设计上的彗差设为C1、像散成分设为AS1，将关于上述第二光盘在设计上的彗差设为C2、像散成分设为AS2时，希望设定该C1、AS1、C2、AS2以便满足下式：

0.25＜(C1²+AS1²)^1/2/(C2²+AS2²)^1/2＜0.8。

优选从光轴到上述第一激光器的距离t1与上述第一激光器和上述第二激光器之间的距离(t1+t2)的比t1/(t1+t2)小于0.8。

根据本发明，可以提供一种针对各个透明基片厚度不同的多种光盘，在尽可能减小像差的状态下，使激光束会聚到信息记录面上的物镜、光学头和光学系统以及物镜的设计方法。

附图说明

图1是表示本发明光学头结构的图。

图2是表示本发明物镜的透镜面形状的图。

图3是表示本发明实施例1的物镜的设计结果的表。

图4是表示本发明实施例1的物镜对DVD波长的视场角特性的曲线图。

图5是表示本发明实施例1的物镜对CD波长的视场角特性的曲线图。

图6是表示有关本发明实施例1的物镜的DVD和CD的波面像差的t1特性的曲线图。

图7是表示有关本发明实施例1的物镜的DVD和CD的波面像差比的t1特性的曲线图。

图8是表示有关本发明实施例1的物镜的DVD和CD的彗差比的t1特性的曲线图。

图9是表示本发明实施例2的物镜的设计结果的表。

图10是表示本发明实施例2的物镜对DVD波长的视场角特性的曲线图。

图11是表示本发明实施例2的物镜对CD波长的视场角特性的曲线图。

图12是表示有关本发明实施例2的物镜的DVD和CD的波面像差的t1特性的曲线图。

图13是表示有关本发明实施例2的物镜的DVD和CD的波面像差比的t1特性的曲线图。

图14是表示有关本发明实施例2的物镜的DVD和CD的彗差比的t1特性的曲线图。

图中：

1 DVD激光器，2 CD激光器，3半透半反镜或半透半棱镜、4准直透镜，

5物镜，6 DVD光盘，7 CD光盘，8检测透镜，9光检测器

具体实施方式

下面，以透明基片厚度不同的两种光盘(光记录媒体)，即DVD和CD为例，使用附图说明本发明的实施例。此外，本发明实施例1的透镜虽然是用玻璃材料的折射率设计而成的，但使用塑料材料也无问题。

实施例1

图1是表示本发明光学头的实施例1的结构图。标号1是DVD激光器，标号2是CD激光器，标号3是半透半反镜或半透半棱镜，标号4是准直透镜，标号5是物镜，标号6是DVD光盘，标号7是CD光盘，标号8是检测透镜，标号9是光检测器。DVD激光器1和CD激光器2做成模块。

物镜5是例如上述专利文献1中所公开的DVD/CD互换的物镜。该物镜5是利用因光束的波长不同而产生的色像差消除了因光记录媒体的透明基片的厚度不同而产生的波面像差的透镜。

图1中，用实线表示从DVD激光器1射出的激光束的光路。从DVD激光器1射出波长为655nm的激光束。从DVD激光器1射出的激光束透过半透半反镜3入射到准直透镜4。透过了准直透镜4的激光束变成平行光后，入射在物镜5上经其会聚，在DVD光盘6的信息记录面上形成光斑。

图1中，用虚线表示从CD激光器2射出的激光束的光路。从CD激光器2射出波长为790nm的激光束。从CD激光器2射出的激光束透过半透半反镜3入射到准直透镜4。透过了准直透镜4的激光束变成平行光后，入射在物镜5上经其会聚，在CD光盘7的信息记录面上形成光斑。

在DVD光盘6及CD光盘7上反射后的激光束分别透过物镜5、准直透镜4后入射到半透半反镜3，再在半透半反镜3反射后由检测透镜8会聚后入射到光检测器9。

如图1所示，DVD激光器1和CD激光器2中的任一个都未配置在光轴上，设定DVD激光器1距光轴的距离为t1，CD激光器2距光轴的距离为t2。

因此，各光路入射到物镜5的角度与光轴不平行，DVD光路与光轴的倾斜角度为θ1，CD光路与光轴的倾斜角度为θ2。即，分别由DVD激光器1和CD激光器2射出的激光束相对于物镜5倾斜入射。

这时，若准直透镜4的焦距设为fc，则下式成立。

θ1＝tan(t1/fc)

θ2＝tan(t2/fc)

另外，在该例中，由于DVD激光器1和CD激光器2的发光点间的距离为0.11mm，因而下式成立。

t1+t2＝0.11

在本实施例中，由于物镜的DVD的焦距ft＝3.36mm，光学系统的放大率是-1/5，因而，准直透镜的焦距fc＝3.36×5＝16.8mm。

分别从DVD激光器1和CD激光器2射出的激光束中相对于物镜5的入射角小者其波面像差也小。如本实施例那样，在DVD激光器1和CD激光器2的相对位置已固定的情况下，若一方的入射角减小，则另一方的入射角增大。即，若减小对一方的激光的波面像差，则对另一方的激光的波面像差便增大。因此，通常，希望将物镜设计成对于多个光盘具有相同程度的波面像差。

在本发明中，不仅考虑了设计中的像差，还考虑了制造时所产生的像差。这里，DVD的产品像差设为Pd，其设计像差设为Dd，该制造像差设为Md；CD的产品像差设为Pc，其设计像差设为Dc，该制造像差设为Mc。

一般，DVD和CD的产品像差Pd、Pc可分别表示如下：

Pd＝(Dd²+Md²)^1/2              (1)

Pc＝(Dc²+Mc²)^1/2              (2)

进而，若DVD在制造时所产生的彗差设为Cd，其像散设为Asd；CD在制造时所产生的彗差设为Cc，其像散设为Asc；则制造像差Md、Mc可分别表示如下：

Md＝(Cd²+ASd²+α)^1/2          (3)

Mc＝(Cc²+ASc²+α)^1/2          (4)

其中，α为其它像差。

这里，若DVD的NA设为NAd，CD的NA设为NAc，则由于DVD和CD的彗差比为NA的三次方比，DVD和CD的像散比为NA的平方比，因而下式成立。

Cd/Cc＝NAd³/NAc³

∴Cc＝Cd/(NAd³/NAc³)          (5)

ASd/Asc＝(NAd²/NAc²)

∴ASc＝ASd/(NAd²/NAc²)        (6)

若将(5)式及(6)式代入(4)式，则得到如下(7)式：

Mc＝{Cd²/(NAd³/NAc³)²+ASd²/(NAd²+NAc²)²+α}^1/2   (7)

由(3)式和(7)式，Md/Mc可以表示如下：

Md/Mc＝(Cd²+ASd²+α)^1/2/{Cd²/(NAd³/NAc³)²+ASd²/(NAd²/NAc²)²+α}^1/2

                                                 (8)

根据该(8)式，可以判别Md和Mc的大小。这里，若要使两光盘的产品像差大致相等，则由于Dd²+Md²＝Dc²+Mc²成立，所以当Md比Mc大时，必须使Dd比Dc小，当Md比Mc小时，必须使Dd比Dc大。

在本实施例中，由于DVD的NA为0.6，CD的NA为0.47，则Cd∶Cc＝0.6³∶0.47³＝1∶0.48，ASd∶ASc＝0.6²∶0.47²＝1∶0.61。另外，根据(8)式，Mc可以表示如下：

Mc＝(Cd²+ASd²+α)^1/2/{Cd²·0.23+ASd²·0.37+α}^1/2

∴Mc

0.5·Md

根据该结果可知，Md的制造像差约为Mc的2倍。

于是，可知：要想使制品像差Pd、Pc大体相等，由于制造像差中的Md比Mc大，所以设计像差中的Dd则应比Dc小。因此，只要使Dd/Dc在如下范围内，就可以使制品像差Pd、Pc大体相等。即：

0.25＜Dd/Dc＜0.8

另外，设计上的像差虽然由彗差、像散、球面像差、高次像差构成，但其中基于二波长激光单元所使用的像差是彗差和像散，其值也比其它像差大。

因此，当设计上的DVD的彗差为Cdd，设计上的CD的彗差为Ccd，设计上的DVD的像散为ASdd，设计上的CD的像散为AScd时，Dd和Dc可以用下式表示：

Dd＝(Cdd²+ASdd²)^1/2

Dc＝(Ccd²+AScd²)^1/2

另外，从(5)式可明确，由于制造上的DVD的彗差比CD的彗差大，因而，希望设计上的DVD的彗差Cdd和设计上的CD的彗差Ccd满足下式。即：

0.12＜(Cdd/Ccd)＜0.70

利用图2说明本实施例的物镜的光入射面A的面形状。现在，以如下函数Z_Aj表示从该光入射面A的光线高度h方向(半径方向)的光轴OA侧至第j号区间的点a、b之间的距离。

数学式1

$Z_{\mathrm{Aj}}=B+\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)C^2\·h^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}+A_{12}{h}^{12}+A_{14}{h}^{14}+A_{16}{h}^{16}$

该式的光源高度h是在第j号区间的高度值。

并且，在用于将DVD、CD的像差都很好地降低到允许值内的上述式中的每个区间，若要表示其范围(h的范围)及其各参数B、C、K、A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆，则可将如图3所示。

另外，该实施例1中的光出射面B的面形状Z_B可用下式表示。

数学式2

$Z_B=\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)C^2\·h^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}$

其中，C＝-0.0747792，K＝15.7398，A₄＝0.012308，A₆＝-0.0037652，A₈＝0.00068571，A₁₀＝-0.000048284。

另外，物镜100在光轴上的面顶点f、e之间的距离，即中心厚度to为2.2mm，波长λ1＝655nm(DVD)时的折射率n为1.604194，波长λ2＝790nm(CD)时的折射率n为1.599906。

这里，对DVD激光器1波长的数值孔径NA为0.60，对DVD光盘6的焦距ft为3.36mm；对CD激光器2波长的数值孔径NA为0.47，对CD光盘7的焦距ft为3.38mm。

图4表示图3所示的设计结果的DVD的波面像差视场角特性，图5表示的是CD波面像差视场角特性。如图4、5所示可知，随着视场角的增大，DVD、CD的波面像差都增大。尤其是对于像散，这种倾向很大。很明显，若要重视DVD的波面像差视场角特性，只要减小t1增大t2即可，若要重视CD的波面像差视场角特性，只要增大t1，减小t2即可。

图6是表示图3所示的设计结果的DVD和CD的波面像差与t1关系的曲线图。随着从光轴到DVD激光器发光点的距离t1的增加，由于视场角增大，所以DVD的波面像差增加。另一方面，随着该距离t1增加，由于从光轴到CD激光器发光点的距离t2减小，CD的视场角变小，所以CD的波面像差减小。在图6所示的曲线图中，有关DVD的波面像差曲线与有关CD的波面像差曲线的交点的t1值(约为0.088)是在设计上使两者的波面像差相等的最佳值。然而，如上所述可知，由于DVD的设计像差应比CD小，t1的值应取为比交点的值(约为0.088)更小的值。即，从光轴到DVD激光器的距离t1与DVD激光器和CD激光器间的距离(t1+t2)的比t1/(t1+t2)应取为比0.8要小的值。

在本实施例中，t1＝0.075，t2＝0.035。在这种情况下，可取得DVD和CD两者的平衡，可以确保在两个光盘中的良好的记录/再生性能。

图7是表示图3所示的设计结果的DVD和CD的波面像差比与t1关系的曲线图。根据图7的曲线，随着t1的增加，其比值增加，当t1约为0.088时，其比值为1。由于所谓比值为1是指DVD和CD的波面像差相同，因而相当于图6中曲线的交点。

图8是表示图3所示的设计结果的DVD的彗差和CD的彗差比与t1的关系的曲线图。根据图8的曲线可知，随着t1的增加，其比值增加，t1的值在0.1附近急剧增加。

实施例2

本发明实施例2的光拾波器装置的光学系统，除了激光器的配置位置外，其余与本发明的实施例1相同。

利用图2说明本实施例物镜的光入射面A的面形状。现在，以如下函数Z_Aj表示从该光入射面A的光线高度h方向(半径方向)的光轴OA侧至第j号区间的点a、b之间的距离。

数学式3

$Z_{\mathrm{Aj}}=B+\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)C^2\·h^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}+A_{12}{h}^{12}+A_{14}{h}^{14}+A_{16}{h}^{16}$

该式的光源高度h是在第j号区间的高度值。

并且，在用于将DVD、CD的像差都很好地降低到允许值内的上述式中的每个区间，若要表示其范围(h的范围)及其各参数B、C、K、A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆，则可将如图9所示。

另外，该实施例2中的光出射面B的面形状Z_B可用下式表示。

数学式4

$Z_B=\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)C^2\·h^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}$

其中，C＝-0.06903378，K＝15.276111，A₄＝0.01217283，A₆＝-0.0031354542，A₈＝0.0005626051，A₁₀＝-0.000052581419。

另外，物镜100在光轴上的面顶点f、e之间的距离，即中心厚度to为2.2mm，波长λ1＝655nm(DVD)时的折射率n为1.604194，波长λ2＝790nm(CD)时的折射率n为1.599906。

这里，对DVD激光器1波长的数值孔径NA为0.60，对DVD光盘6的焦距ft为3.36mm；对CD激光器2波长的数值孔径NA为0.47，对CD光盘7的焦距ft为3.38mm。

图10表示图9所示的设计结果的DVD的波面像差视场角特性，图11表示的是CD波面像差视场角特性。如图10、11所示可知，随着视场角的增大，DVD、CD的波面像差都增大。

图12是表示图9所示的设计结果的DVD和CD的波面像差与t1的关系的曲线图。随着从光轴到DVD激光器的发光点的距离t1的增加，由于视场角增大，因而，有关DVD的波面像差增加。另一方面，随着该距离t1增加，由于从光轴到CD激光器的发光点的距离t2减小，有关CD的视场角变小，因而，有关CD的波面像差减小。在图12所示的曲线图中，有关DVD的波面像差的曲线与有关CD的波面像差的曲线的交点的t1值(约为0.078)是在设计上使两者的波面像差相等的最佳值。然而，如上所述可知，由于在设计像差中的DVD者应比CD的小，t1的值应取比交点的值(约为0.078)更小的值。

在本实施例中，取t1＝0.065，t2＝0.045。在这种情况下，可以达到DVD和CD两者的平衡，可以确保在两者的光盘中的良好的记录/重放性能。

图13是表示图9所示的设计结果的DVD和CD的波面像差比与t1的关系的曲线图。根据图13的曲线，随着t1的增加，其比值增加，当t1约为0.078时，其比值为1。由于所谓比值为1是指DVD和CD的波面像差相同，因而，相当于图12的曲线的交点。

图14是表示图9所示的设计结果的DVD的彗差和CD的彗差比与t1的关系的曲线图。根据图14的曲线可知，随着t1的增加，其比值增加。

其它实施例

上述实施例虽是有关DVD和CD的例子，但也可以适用于使用波长为405nm附近的激光束的蓝光光盘和CD光盘。

Claims (6)

1.一种物镜，其被用在将射出波长为λ₁的激光束的第一激光器和射出比波长λ₁长的波长为λ₂的激光束的第二激光器之间的距离予以固定的将二波长激光单元作为光源的光学头中，通过第一数值孔径使从上述第一激光器射出的激光束会聚到第一光盘上，通过比上述第一数值孔径小的第二数值孔径使从上述第二激光器射出的激光束会聚到第二光盘上，其特征在于：

关于上述第二光盘在设计上的彗差C2及像散成分AS2的合成像差(C2²+AS2²)^1/2比关于上述第一光盘在设计上的彗差C1及像散成分AS1的合成像差(C1²+AS1²)^1/2大。

2.根据权利要求1所述的物镜，其特征在于：

满足关系式：0.25＜(C1²+AS1²)^1/2/(C2²+AS2²)^1/2＜0.8。

3.根据权利要求2所述的物镜，其特征在于：

还满足下式：0.12＜(C1/C2)＜0.70。

4.根据权利要求3所述的物镜，其特征在于：

从光轴到上述第一激光器的距离t1与上述第一激光器和上述第二激光器之间距离(t1+t2)的比t1/(t1+t2)小于0.8。

5.一种光学头，其特征在于：

具有根据权利要求1～4中任何一项所述的物镜。

6.一种光学系统，其特征在于：

使用了根据权利要求5所述的光学头。

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