CN100407313C - 光学拾波器的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学拾波器的光学系统，用来将数据记录到多个光盘上/或从多个光盘复制数据，其中的两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘。该光学系统带有：一个用于第一和第二光盘的光源单元；一个物镜；以及一个光电检测器。该光学系统还进一步包括一个光学表面以便满足至少两类光盘间的兼容性，该光学表面位于光源单元和两个光盘其中的一个之间。该光学表面具有：一个中心区域，用来满足第一光盘的数字孔径；一个外围区域，其数字孔径适用于第二光盘；以及一个中间区域，位于外围区域中并且在中心区域的外围。具有适用于第一光盘的波长的光束的透射率在中间区域要低于中心区域的透射率。

Description

光学拾波器的光学系统

技术领域

本发明涉及一种用于光盘设备的光学拾波器的光学系统，用来从覆膜厚度不同的多种光盘中，将数据记录到多个光盘上/或从多个光盘复制数据。

背景技术

以不同的记录密度记录有数字信息和以及覆膜厚度上均不相同的各种光盘已经得到广泛应用。例如，DVD(数字化多媒体盘)的记录密度要高于CD(光盘)和CD-R(可记录式光盘)，其覆膜厚度要薄于CD或CD-R的覆膜厚度。

在光学拾波器的光学系统中，球面象差会随着所用光盘覆膜厚度的变化而变化。因此，当系统换成另一张覆膜厚度和记录密度不同的光盘时，用来记录/复制的光线的数字孔径(numerical aperture--NA)也需要相应于记录密度的不同而改变，同时对覆膜厚度不同所带来的球面象差进行校正。

例如，对于记录密度相对较高的光盘来说，需要较高的NA以便减少射束点的直径。射束点直径随着光线波长的减少而降低。因此，总的说来CD所用波长为780-830nm，DVD所用波长为635-665nm。为了支持CD和DVD，最近的光盘设备均采用能发射出不同波长激光束的光源单元。

日本专利临时公开文献JP2000-81566中公开了一种兼容CD/DVD的物镜(也就是说，该光学拾波器的物镜能同时用于DVD和CD)。该CD/DVD兼容的物镜在其镜头的一个表面上带有一个衍射结构。该衍射结构具有多个同心的环台，无论光盘覆膜的厚度如何，其均能将入射的光束恰当地汇聚在光盘的数据记录层上。

也就是说，该衍射结构具有波长依赖性，球面象差会随着入射光束的波长变化而变化。结果，这种能够兼容CD/DVD的物镜就能支持覆膜厚度不同的各类光盘。

更具体地是，这种具有衍射结构的镜头表面被分成了一个包括有光轴的中心区域以及中心区域外围的外围区域。形成在中心区域内的衍射结构能够将波长适用于CD的光束汇聚到CD的记录层上，同时能够将波长适用于DVD的光束汇聚到DVD的数据记录层上。

形成在外围区域的衍射结构能将波长适用于DVD的光束汇聚到DVD的数据记录层上，同时将波长适用于CD的光束扩散成耀光，以便使射束点的直径在CD数据记录层上不会减少过多。

对于上述提及的这种结构来说，当使用的光盘为CD时，只有那些通过中心区域的光束才能汇聚到数据记录层上，因此形成在CD数据记录层上的射束点直径相对较大。

另一方面，当使用的光盘为DVD时，那些通过中心区域和外围区域的光束均能汇聚到DVD数据记录层上，由此增加NA。直径减少了的射束点形成在DVD数据记录层上。

当使用的光盘为CD时，由数据记录层反射的耀光会被光盘设备中的信号检测单元检测到，伺服信号如FE(聚焦误差)信号和TE(循迹误差)信号上可能会形成干扰。

日本专利临时文献2002-333576公开一种物镜，该物镜的镜头表面带有一种衍射结构。该镜头表面被分成中心区域和外围区域。文献2002-333576中公开的衍射结构能将那些入射到外围区域的光线衍射成多级衍射光束。

对于这种结构来说，那些用于CD的、入射到外围区域的光线会扩散到CD数据记录层上的一个较宽的区域中，因此CD数据记录层上的耀光强度会降低。伺服信号上引起的干扰水平得以降低。

然而，这种将CD光线衍射成多极衍射光线的优点只有在CD处于一个其表面上准确地垂直于物镜光轴的位置上时才能实现。如果CD的位置有所偏斜，那么从CD表面反射的、强度较高的光线可能会入射到外围区域上。

假定CD相对于准确位置存在一个很小的斜角(如，小于1°)，在这种情况下从CD表面反射出来的强度较高的光线中只有一部分会入射到外围区域上。也就是说，从CD表面反射出来的强度较高的光线中会有一小部分射到外围区域中与中心区域相邻的部分上。

如果这种情况发生时，射到外围区域中与中心区域相邻部分上的高强度光线很难被镜头表面上的衍射结构衍射，因为外围区域中与中心区域相邻的部分中的衍射环形区域的数目较少，高强度光线入射到该中心区域中。结果，穿过外围区域中与中心区域相邻的部分的高强度光线就作为不需要的光线入射到信号检测单元的受光部分上。

入射到信号检测单元受光部分上的不需要的光线会在TE信号或FE信号上产生干扰，特别是根据三波束方法所产生的TE信号。

发明内容

本发明的优点在于其提供了一种光学拾波器的光学系统，该系统能在光盘相对于正确位置偏斜时有效地抑制不需要的光线。

本发明的一个方面是提供一种光学拾波器的光学系统，该拾波器用来将数据记录到至少两类光盘上并且/或从至少两类光盘复制数据，其中的两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘。该光学系统带有：一个光源单元，其至少能发射出波长分别对应于第一和第二光盘的两种光束；一个物镜，其分别将所述至少的两种光束汇聚到至少两类光盘的数据记录面上；以及一个光电检测器，其具有一个主传感器和一个子传感器，主传感器用来接收来自光盘侧面的返回光线中的主光束，子传感器用来接收来自光盘侧面的返回光线中的子光束。

在这种结构中，该光学系统还进一步包括一个光学表面以便满足至少两类光盘之间的兼容性，该光学表面布置在光源单元和其中一个光盘之间。该光学表面具有：一个包含有物镜光轴的中心区域，其用来满足第一光盘的数字孔径；一个外围区域，其位于中心区域的外侧以满足第二光盘的数字孔径；以及一个中间区域，其位于外围区域中并且在中心区域的外围。

此外，波长适用于第一光盘的光束在中间区域的透射率要低于中心区域的透射率。

如果采用这种结构的光学系统，当第一光盘相对于准确位置偏斜时所产生的不需要的光线就能得到有效地抑制。结果，第一光盘给TE信号带来的干扰水平就能被充分抑制。

在一个特殊情况下，当第一光盘正在进行复制操作过程中，如果第一光盘相对于垂直于物镜光轴的平面偏斜一定的微小角度，那么穿过中间区域的一部分返回光线在光电检测器的子传感器上的强度会降低，因此这部分返回光线不会对子传感器的光检测操作产生干扰。

作为选择，波长适用于至少两类光盘中的非第一光盘的光束在中间区域中的透射率基本上与中心区域和外围区域的透射率相同。此外，当采用至少两类光盘中的非第一光盘时，可利用那些适用于所述至少两类光盘中的非第一光盘并穿过中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

还有，波长适用于第一光盘的光束在中间区域的透射率可以是波长适用于第一光盘的光束在中心区域的透射率的一半或少于一半。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学拾波器的光学系统，该拾波器用来将数据记录到至少两类光盘上并且/或从至少两类光盘复制数据，其中的两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘。该光学系统带有：一个光源单元，其至少能发射出波长分别对应于第一和第二光盘的两种光束；一个物镜，其分别将所述至少的两种光束汇聚到至少两类光盘的数据记录面上；以及一光电检测器，其具有一个主传感器和一个子传感器，主传感器用来接收来自光盘侧面的返回光线中的主光束，子传感器用来接收来自光盘侧面的返回光线中的子光束。

在这种结构中，该光学系统还进一步包括一个光学表面以便满足至少两类光盘之间的兼容性，该光学表面布置在光源单元和其中一的个光盘之间。该光学表面具有：一个包含有物镜光轴的中心区域，其用来满足第一光盘的数字孔径；一个外围区域，其位于中心区域的外侧以满足第二光盘的数字孔径；以及一个中间区域，其位于外围区域中并且在中心区域的外围。

此外，中间区域具有多个细小的环形区域以便使入射光束形成光程差。在多个细小的环形区域中，相邻两个环形区域之间光程差的绝对值为适用于第一光盘光束的波长的N(自然数)+0.5倍。

如果采用这种结构的光学系统，当第一光盘相对于准确位置偏斜时所产生的不需要的光线能得到有效地抑制。结果，第一光盘给TE信号带来的干扰水平就能被充分抑制。

在一特殊的情况下，当第一光盘正在进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直于物镜光轴的平面偏斜一定的微小角度，那么穿过中间区域的一部分返回光线在光电检测器子传感器上的强度会降低，因此这部分返回光线不会对子传感器的光检测操作产生干扰。

在一特定情况下，N可小于或等于5。

作为选择，在多个细小的环形区域中，相邻两个环形区域之间光程差可以是适用于至少两类光盘中非第一类光盘的光束波长的整数倍，并且该整数不为零。此外，当采用至少两类光盘中的非第一光盘时，可利用那些适用于所述至少两类光盘中的非第一光盘并穿过中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

还有，许多细小的环形区域重复着这样的一对区域，其形成的光程差的符号彼此不同。

在一种特定的情况下，多个细小的环形区域的每一个凸面的尺寸均可以大于许多这些细小环形区域的每一个凹面的尺寸。

作为选择，当多个细小的环形区域投影到垂直于光学系统参考轴的一个平面上时，其中每一个细小环形区域的宽度Wz均可满足以下的条件：0.005mm≤Wz≤0.020mm。

作为选择，该光学系统可满足以下条件：

0.0035＜{W·(φ₂/φ₁)}/{(1-M)·f}＜0.0350      (1)

其中W(mm)表示中间区域投影到垂直于光学系统参考轴的一个平面上时该中间区域的宽度；f(mm)表示光线波长适用于第一光盘的物镜的焦距；M表示物镜在使用第一光盘时的放大倍率；φ₁(mm)表示中心区域的直径；φ₂(mm)表示入射到中心区域的光束的直径，该直径是在物镜的光源侧表面测得的。

在一特定的情况下，满足兼容性的光学表面可在物镜的一个表面上形成。

在一特定的情况下，该中间区域可与中心区域邻接。

本发明的另一个方面是提供一种物镜，其适用于一种光学拾波器的光学系统，该拾波器用来将数据记录到至少两类光盘上并且/或从至少两类光盘复制数据，其中的两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘。该物镜的一个表面包括：一个包含有物镜光轴的中心区域，其用来满足第一光盘数字孔径的需要；一个外围区域，其位于中心区域的外侧以满足第二光盘数字孔径的需要；以及一个中间区域，其位于外围区域中并且在中心区域的外围。

在这种结构中，波长适用于第一光盘的光束在中间区域的透射率要低于中心区域的透射率。

如果采用这种结构的物镜，那么当第一光盘相对于光学系统中的准确位置偏斜时所产生的不需要的光线就能得到有效地抑制。结果，第一光盘给TE信号带来的干扰水平就能被充分抑制。

在以特殊的情况下，当第一光盘进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直于物镜光轴的平面偏斜一个细小的角度，那么从光盘侧面返回的一部分光线会入射到中间区域，并且几乎所有入射到中间区域的返回光线均会被中间区域屏蔽。

作为选择，波长适用于至少两类光盘中的非第一光盘的光束在中间区域中的透射率基本上与中心区域和外围区域的透射率相同。此外，当采用至少两类光盘中的非第一光盘时，可利用那些适用于所述至少两类光盘中的非第一光盘并穿过中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

还有，波长适用于第一光盘的光束在中间区域的透射率可以是波长适用于第一光盘的光束在中心区域的透射率的一半或少于一半。

本发明的另一方面提供一种物镜，其适用于一种光学拾波器的光学系统，该拾波器用来将数据记录到至少两类光盘上并且/或从至少两类光盘复制数据，其中的两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘。该物镜的一个表面包括：一个包含有物镜光轴的中心区域，其用来满足第一光盘数字孔径的需要；一个外围区域，其位于中心区域的外侧以满足第二光盘数字孔径的需要；以及一个中间区域，其位于外围区域中并且在中心区域的外围。

在这种结构中，中间区域具有多个细小的环形区域以便使入射光束形成光程差。在多个细小的环形区域中，相邻两个环形区域之间光程差的绝对值为适用于第一光盘的光束的波长的N(自然数)+0.5倍。

如果采用这种结构的物镜，当第一光盘相对于光学系统的准确位置偏斜时所产生的不需要的光线能得到有效地抑制。结果，第一光盘给TE信号带来的干扰水平就能被充分抑制。

在以特殊情况下，当第一光盘正在进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直于物镜光轴的平面偏斜一个细小的角度，那么从光盘侧面返回的一部分光线会入射到中间区域，并且这部分入射到中间区域的返回光线会被中间区域大量散射。

在一特定情况下，N可小于或等于5。

作为选择，在多个细小的环形区域中，相邻两个环形区域之间光程差可以是适用于至少两类光盘中非第一类光盘的光束波长的整数倍，并且该整数不为零。此外，当采用至少两类光盘中的非第一光盘时，可利用那些适用于所述至少两类光盘中的非第一光盘并穿过中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

还有，许多细小的环形区域重复着这样的一对区域，所述这对区域形成的光程差的符号彼此不同。

在一种特定的情况下，多个细小的环形区域的每一个凸面的尺寸均可大于许多这些细小环形区域的每一个凹面的尺寸。

在某一特定的情况下，当多个细小的环形区域投影到垂直于物镜光轴的一个平面上时，其中每一个许多细小环形区域的每一个宽度Wz均可满足以下的条件：0.005mm≤Wz≤0.020mm。

作为选择，该物镜可满足以下条件：

0.0035＜{W/{(1-M)·f}＜0.0350                    (2)

其中W(mm)表示中间区域投影到垂直于系统光轴的一个平面上时该中间区域的宽度；f(mm)表示光线波长适用于第一光盘的物镜的焦距；M表示物镜在使用第一光盘时的放大倍率。

在一特定的情况下，该中间区域可与中心区域邻接。

附图说明

图1所示为根据本发明的一个实施例的光学拾波器的一个光学系统的结构图；

图2所示为光学系统中物镜被一个包括有光轴的平面切割时，该物镜的一个剖视图；

图3为从物镜侧看去，第一接收部分表面上的一个射束点图；

图4所示为根据第一实施例，光盘相对于垂直于光轴的平面的倾斜角度与光学系统中TE信号干扰水平的关系曲线；

图5所示根据第二实施例，光盘相对于垂直于光轴的平面的倾斜角度与光学系统中TE信号干扰水平的关系曲线。

具体实施方式

下面参考所附的附图来描述本发明的实施例。

图1所示为根据本发明的一个实施例的光学拾波器的光学系统的一个结构图。该光学系统100至少支持两类光盘20A和20B。也就是说，光学系统100可将数据记录到多种光盘20A和20B中并/或从多种光盘20A和20B复制数据。

光盘20A具有相对较厚的覆膜厚度以及相对较低的记录密度。例如，光盘20A可以是CD或者是CD-R。光盘20B则具有相对较簿的覆膜厚度以及相对较高的记录密度。例如，光盘20B是DVD。

如图1所示，光学系统100包括有光源30A和30B、半反射镜40、校准镜50、物镜10以及光检测单元60。光盘20A(或者光盘20B)放置在转台(图中未示出)上并通过一个驱动装置(图中未示出)旋转。

在图1，光学系统100的参考轴由点划线表示。尽管图1中光学系统100的参考轴与光轴重合，但光学系统100的光轴也可能会因循迹操作而偏离光学系统100的参考轴。

当使用的光盘为光盘20A(比如CD)时，光源30A发出波长较长的激光，这样光盘20A数据记录层上的射束点直径相对较大。当使用的光盘为光盘20B(比如DVD)时，光源30B发出波长较短的激光(比用于光盘20A的光束的波长较短)，这样光盘20B数据记录层上的射束点直径相对较小。

下面来描述光盘20A(光盘20B)处于适当位置也就是说相对于准确位置没有偏斜时光学系统100的记录和复制操作。光源30A或30B发出的激光束经半反射镜40反射后入射到校准镜50上，该校准镜50用来校准该入射的激光束。

然后，经校准镜50校准的激光束入射到物镜10上从而在光盘20A(光盘20B)的数据记录层上形成射束点。在图1中，光源30A发出的激光束由虚线表示，同时从光源30B发出的激光束由实线表示。

物镜10具有第一表面10a和第二表面10b，并且第一表面10a位于光源侧，第二表面10a位于光盘侧。第一表面10a和第二表面10b为非球面。第一表面10a为塑料制成的双面凸单元透镜。

如上所述，光盘20A和20B的覆膜厚度不同。因此，当光盘由一种变成另一种时，球面象差会有所变化。为了校正覆膜厚度不同所引起的球面象差，物镜10至少在第一和第二表面中的一个表面上具有一个衍射结构。

在本实施例中，该衍射结构在第一表面10a上形成。该衍射结构具有多个环形台阶，这些环形台阶绕物镜10的光轴同心布置。

图2所示为物镜被一个包括有光轴的平面切割时，该物镜10的剖视图。如图2所示，物镜10的第一表面10a被分成包括有光轴(Ax)的一个中心区域11以及位于中心区域11外侧的一个外围区域12。

在中心区域11的周围外围区域12内形成了一个中间区域13。中心区域11、中间区域13以及外围区域12中的每一个都具有多个环形台阶。如图2所示，在每一个台阶处，外围区域都从中心区域凸出。

中心区域11有一个数字孔径(NA)，该数字孔径足以满足光盘20A的记录和复制需要，并且在中心区域11中形成的衍射结构在一定的波长处形成炫光。中心区域11的炫光波长可设定在不同的数值上。该炫光波长可以为光源30A和30B所发出激光束的波长之间的中间值。

从光源30A和30B发出并入射到中心区域11上的激光束分别被恰当地汇聚到光盘20A和20B的各自数据记录层上。也就是说，光盘20A的光束以及光盘20B的光束均入射到中心区域上并有助于形成射束点。

第一表面10a外围区域12上的衍射结构具有多个环形台阶C1、C2、C3...Cn(n：自然数)。区域C1、C2、C3...Cn是彼此不同的非球表面，并且这些非球表面由不同的非球面系数定义。

当散射光盘20A的激光束时，外围区域12中的衍射结构能将光盘20B的激光束恰当地汇聚在光盘20B的数据记录层上。也就是说，用于光盘20B并入射到外围区域12的激光束有助于形成射束点，而用于光盘20A并入射到外围区域12的激光束则不有助于形成射束点。

更具体地是，外围区域12在结构上应使来自光源30B并穿过外围区域12以及中间区域13的激光束的波阵面基本上与来自光源30B并穿过中心区域11的激光束的波阵面重合。

在采用上述结构时，来自光源30A并且仅穿过中心区域11的激光束会形成直径相对较大、适用于光盘20A的射束点，同时来自光源30B并且穿过中心区域11，中间区域13和外围区域12的激光束会形成直径相对较小、适用于光盘20B的射束点，

来自光源30A并被外围区域12散射的激光束在光盘20A的数据记录层上形成炫光。

从光盘20A数据记录层上反射过来的、用于光盘20A的激光束依序地穿过物镜10、校准镜50以及半反射镜40，然后入射到光检测单元60的第一接收部分60A上。

图3为从物镜侧看去，第一接收部分60A表面上的光(也就是说，光盘20A的激光束)点图。如图3所示，第一接收部分60A具有主传感器61以及主传感器61两侧的子传感器62和63。

如图3所示，有助于在光盘20A上形成射束点的激光束作为高强度光线再次穿过物镜的中心区域11，然后入射到第一接收部分60A的主传感器61上。另一方面，炫光(在穿过外围区域12以及中间区域13之后散射到光盘20A数据记录层上的光线)穿过中心区域11，中间区域13和外围区域12，并入射到子传感器62和63上。

密集聚集在主传感器61中的光射束点表示高强度光线。分散在密集聚集点外围的射束点表示从光盘20A反射过来的炫光。

第一接收部分60A的主传感器61接收经光盘20A的记录信息调制的光线(高强度光线)。然后由第一接收部分60A，例如，根据散光法形成FE信号。

实际上，有一部分激光束被分成了两种子光束(图中未示出)，其经光盘20A反射后入射到子传感器62和63上。通过这些入射到子传感器62和63上的子光束，就能根据三波束方法生成TE信号。

同时，从光盘20B反射过来并用于光盘20B的激光束入射到光检测单元60的第二接收部分60B上。该第二接收部分60B例如根据推挽法生成TE信号。

如果物镜10在外部区域12内没有中间区域13(也就是说一个传统的物镜)，将发生下面的非期望的现象。当光盘20A倾斜时，可能会有一部分入射到主传感器61上的高强度光线穿过物镜10的外围区域12并入射到子传感器62和63。如果这种情况出现，TE信号上会形成干扰，从而恶化跟踪伺服系统操作的精确性。

为了防止这种情况出现，根据实施例的光学系统100的结构如下。如图2所示，第一表面10a上形成中间区域13。该中间区域13具有多个环形部分(S1、S2、S3...)以便能对波长进行选择。对波长进行选择意味着光学性能可随着入射激光束的波长变化而改变。

尽管在图2中，中间区域13具有三个环形区域S1、S2和S3，但中间区域13中也可形成三个以上或以下的环形区域以具有波长选择性。

如图2所示，中间区域13位于中心区域11的最外侧11a和区域C1，C2和C3的最内侧12a之间。

中间区域13在结构上满足下面的条件(1)：

0.0035＜{W·(φ₂/φ₁)}/{(1-M)·f}＜0.0350   -----(1)

其中W(mm)表示中间区域13投影到垂直于光学系统100的参考轴上(也就是说，物镜10的光轴)的一个平面时，该中间区域13的宽度；f(mm)表示激光波长适用于光盘20A的物镜10的焦距；M表示物镜10在使用光盘20A时的放大倍率；φ₁(mm)表示中心区域11的直径；φ₂(mm)表示入射到中心区域11并适用于光盘20A的光束的直径，该直径是在物镜10的光源侧表面测得的。

当能够满足光盘20A和20B的兼容性的光学结构形成在第一表面10a上时，φ₁和φ₂保持相等。在这种情况下，条件变为下面的条件(2)。

0.0035＜W/{(1-M)·f}＜0.0350               (2)

当{W·(φ₂/φ₁)}/{1-M)·f}或{W/{(1-M)·f}远远大于条件(1)和(2)的上限时，中间区域13的宽度变得太大。在这种情况下，物镜10对于光盘20B的光学性能，例如光线波长偏差的性能会受到恶化。

当{W·(φ₂/φ₁)}/{(1-M)·f}或{W/{(1-M)·f}小于条件(1)和(2)的下限时，中间区域13的宽度变得太小。在这种情况下，物镜10对减小TE信号上的干扰的有效性会有所降低。

在中间区域13中形成的衍射结构，能通过干涉具有散射光源30A(用于光盘20A)的激光束的能力，但很难散射光源30B(用于光盘20B)的激光束。

更为特别的是，中间区域13中相邻环形区域之间的每一个台阶均形成一个光程差，其绝对值为(N+0.5)倍来自光源30A的激光束的波长(其中N：自然数)。结果，用于光源30A的激光束就被中间区域13完全散射，从而防止上述高强度光线入射到第一接收部分60A的子传感器62和63上。

通过对比，对于光源30B(用于光盘30B)的激光束来说，中间区域13中相邻两个环形区域之间每一个台阶均会形成一个光程差，其绝对值几乎等于该激光束波长的整数倍。结果，用于光盘20B的激光束很难被中间区域13散射，同时穿过物镜10。

一般说来，具有衍射结构的透镜是通过喷射模塑法做出来的。在喷射模塑法过程中需要用到一个结构与衍射结构相对应的模具。这种采用模具的喷射模塑法在工艺上存在一个问题，也就是说环形区域中各个凸面的精度要小于环形区域各个凹面的精度。

为了避免这个问题，中间区域13的环形区域在结构上应使各个凸面大于各个凹面。由此可降低中间区域13的加工误差。可根据加工误差来确定各个凸面和各个凹面之间的差。例如，在下面的例子中，各个凸面均比各个凹面大20％。

下面来描述本发明实施例的两个具体实例。在各个实例中，光盘20A均为可写光盘，并且其覆膜厚度为1.2mm。光盘20B的覆膜厚度为0.6mm。物镜10就是所谓能够支持光盘20A和光盘20B的兼容透镜。图1-3中所用的附图标记同样适用于下面的说明。

第一例

表1所示为根据第一例物镜10的数字结构。表2所示为根据第一例的光学系统100的数字结构。

表1

	20A	20B
			M	-0.0009	0.0000
f(mm)	3.02	3.00
			设计波长(nm)	785	660
NA	0.53	0.65

在表1中，M和f分别表示物镜10的放大倍率和焦距。设计波长是指适用于光盘20A和20B进行记录和复制操作的波长。在本例中，光盘20A的设计波长为785nm，光盘20B的设计波长为660nm。NA是指图像侧的数字孔径。

表2

表2中，r表示每一个透镜表面的曲率半径(mm)，d表示透镜的厚度或者镜面之间的间距(也就是说，d表示一个镜面到另一个镜面的距离)，n表示在d射线处(588nm)的折射系数，v表示d射线处的阿贝数，h表示到光轴的高度。在表2中，距离“d”在使用光盘20A或者光盘20B时会因盘面到物镜10之间的工作距离的变化而变化，因此其取决于所用光盘的类型。

在表2中，面号#0～#6表示光学系统100中光学元件的光学表面。#0表面表示光源，#1和#2表面分别表示校准镜50的光源侧面和物镜侧面。#3和#4表面分别表示物镜10的第一表面10a和第二表面10b。#5表面表示光盘的覆膜，#6表面表示光盘的数据记录层。

在第一例中，物镜10具有中心区域11、中间区域13以及外围区域12。中间区域13具有三个环形区域S1～S3。外围区域12具有六个环形区域C1～C6。

在表2中，有中心区域11、中间区域13和外围区域12中衍射结构的详细结构表示为。

高度范围h＝0～1.600表示中心区域11，高度范围h＝1.600～1.610表示环形区域S1，高度范围h＝1.610～1.622表示环形区域S2，

高度范围h＝1.622～1.632表示环形区域S3，

高度范围h＝1.632～1.702表示环形区域C1，

高度范围h＝1.702～1.761表示环形区域C2，

高度范围h＝1.761～1.816表示环形区域C3，

高度范围h＝1.816～1.866表示环形区域C4，

高度范围h＝1.866～1.914表示环形区域C5，以及

高度范围h＝1.914～1.950表示环形区域C6。

校准镜50的#1和#2表面为球面。物镜10的第一表面10a(#3)和第二表面10b(#4)为非球面。

该非球面由下式表示：

$X\left(h\right)=\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{\κ})C^2{h}^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}+A_{12}{h}^{12}$

其中X(h)表示SAG量，也就是说距离光轴h高度处非球表面上的一点到在光轴处和非球表面相切的平面之间的距离；κ表示锥面系数；A₄、A₆、A₈、A₁₀以及A₁₂分别为第4、6、8、10、12级非球面系数；C为非球面在光轴处的曲率。

表3为校准镜50中的#1和#2表面以及物镜10中的第一表面10a(#3)和的第二表面10b(#4)的非球面系数和圆锥系数。

表3

如表3所示，所有的环形区域S1、S2、S3、C1、C2、C3、C4、C5和C6均具有不同的非球面形状。如图2所示，光轴与第一表面10a上环形区域的延伸交点由P1、P2、P3...表示，表3中的d-偏移表示点P0到各个交点P1、P2、P3...的距离，其中P0为光轴与第一表面10a的交点。

表3中所表示数值以幂次系数来表示，其基数E＝10，基数E右侧的为指数。中间区域13和外围区域12中的衍射结构均由表2和3定义。对于光盘20A的激光束，中间区域13的透射率对内部区域11的透射率比率是0.4％。

中心区域11中的衍射结构由下面的光程差函数来定义：

φ(h)＝(P₂h²+P₄h⁴+P₆h⁶⁺...)×m×λ

其中，P₂、P₄、P₆为二阶、四阶和六阶系数，h为从光轴的高度，m为衍射级数，λ为工作波长。光程差Ф(h)为距离光轴高度h处一束假想的没有穿过衍射透镜结构的光线的光程和经衍射透镜结构衍射的光线的光程之间的差。换句话说，光程差Ф(h)表示光线经衍射透镜结构衍射后所带来的附加光程长度。

表4为物镜10中第一表面10a上中心区域11所带来的光程差函数Ф(h)的系数值。在本实施例中，m为1。

表4

表5所示为光源30A和30B所发出的激光束在中心区域11中相邻环形区域之间的光程差、在中间区域13中相邻环形区域之间的光程差以及在外围区域12中相邻环形区域之间的光程差。也就是说，对于衍射结构中的相连的两个环形区域来说，表5中的每一个数值均表示外面的环形区域相对于内环形区域所增加的光程。

表5

如表5所示，中间区域13在结构上应使由每一个环形区域引起的光源30A发出的激光束所带来的光程差等于光源30A所发出激光束波长的1.5倍。也就是说，当标度1.5由N+0.5表示时，其中的N为1。采用这种结构能够很好地散射来自光源30A的激光束。

还有，将光程差设定为光源30A发出激光束波长的1.5倍，可以降低每一环形区域的d_-偏移。

如表2所示，中间区域13中每一条环形区域的宽度为0.010mm或者是0.012mm。因此，也就是说使整个中间区域13的尺寸相对较小，也能使中间区域13获得满意的干涉效果，这是因为激光束分布在中间区域13的多条环形区域上。

在本例中，也就是说用来满足光盘20A和20B之间的兼容性的光学结构(也就是说，衍射结构)形成在第一表面10a上。此外，中间区域13的宽度W为0.032mm(W＝0.032mm)，焦距f在适用于光盘20A的波长下为3.02mm(f＝3.02mm)，物镜10对光盘20A的放大倍率为-0.0009(M＝-0.0009)。在这种情况下，W/{(1-M)f}为0.0106，因此第一例满足条件(2)。

如果采用根据第一例的物镜10，也就是说使光盘20A相对于垂直光轴的平面存在一个相对较小的倾斜，上述高强度光线中也会有一部分未穿过中心区域11的光线因其穿过中间区域13而不是外围区域12而被充分散射。

因此，根据第一例能够防止该部分高强度光线入射到第一接收部分60A的子传感器62和63上。因此，光盘20A给TE信号带来的干扰水平被大大降低。

图4所示为光盘20A相对于垂直光轴的表面的倾斜角度θ与TE信号上干扰水平的关系曲线。在图4中，实线所指示的曲线表示第一例中物镜10所形成的关系曲线。为了进行对比，图4中还显示了由虚线所表示的由常规物镜所形成的曲线。

从图4可以看出，如果采用第一实施例的物镜10，那么当倾斜角度θ在0°到约0.5°(也就是说，0°＜θ＜约0.5°)之间时，TE上的干扰水平相对于常规物镜可以被减小。

如表5所示，中间区域13所形成的每一个光程差基本上都等于光源30B发出激光束波长的整数倍。因此，从光源30B发出的激光束不会被中间区域13散射，其会穿过中间区域13，并有助于在光盘20B上形成射束点。

第二例

表6所示为根据第二例物镜10的数字结构。表7所示为根据第二例光学系统100的数字结构。

表6

	20A	20B
			M	-0.0009	0.0000
f(mm)	2.52	2.50
			设计波长(nm)	790	655
NA	0.48	0.60

表6中的符号与表1中所示的意思相同。本例中，光盘20A的设计波长为790nm，光盘20B的设计波长为655nm。

表7

表7中的符号与表2中所示的意思相同。在第二例中，物镜10具有中心区域11、中间区域13以及外围区域12。外围区域12具有四个环形区域C1～C4。中间区域13具有七个环形区域S1～S7。

在表7中，有中心区域11、中间区域13和外围区域12中衍射结构的详细结构。

高度范围h＝0～1.200表示中心区域11，

高度范围h＝1.200～1.209表示环形区域S1，

高度范围h＝1.209～1.220表示环形区域S2，

高度范围h＝1.220～1.229表示环形区域S3，

高度范围h＝1.229～1.240表示环形区域S4，

高度范围h＝1.240～1.249表示环形区域S5，

高度范围h＝1.249～1.260表示环形区域S6，

高度范围h＝1.260～1.269表示环形区域S7，

高度范围h＝1.269～1.326表示环形区域C1，

高度范围h＝1.326～1.390表示环形区域C2，

高度范围h＝1.390～1.445表示环形区域C3，

高度范围h＝1.445～1.500表示环形区域C4。

在第二例中，校准镜50的#1和#2表面以及物镜10的第一表面10a(#3)和第二表面10b(#4)为非球面。

表8为校准镜50中#1和#2表面以及物镜10中第一表面10a(#3)和第二表面10b(#4)的非球面系数和圆锥系数。

表8

如表8所示，所有的环形区域S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、C1、C2、C3和C4均具有不同的非球面形状。中间区域13以及外围区域12中的衍射结构由表7中的高度H以及表8中的d_-偏移来表示。对于光盘20A的激光束，中间区域13的透射率对内部区域11的透射率比率是6.8％。

表9为物镜10中第一表面10a上中心区域11所带来的光程差函数Ф(h)的系数值。

表9

表10所示为光源30A和30B所发出的每个激光束在中心区域11中相邻环形区域之间的光程差、在中间区域13中相邻环形区域之间的光程差以及在外围区域12中相邻环形区域之间的光程差。也就是说，对于衍射结构中的相连的两个环形区域来说，表10中的每一个数值均表示外面的环形区域相对于中心环形区域所增加的光程长度。

表10

如表10所示，中间区域13在结构上应使每一个环形区域给光源30A发出的激光束所带来的光程差等于光源30A所发出激光束波长的2.5倍。也就是说，当标度2.5由N+0.5表示时，其中的N为2。采用这种结构能够得到很强的散射来自光源30A的激光束的效果。

如表7所示，在中间区域13中的每一条环形区域的宽度为0.009mm或者是0.010mm。因此，也就是说使整个中间区域13的尺寸是相对较小的，也能使中间区域13获得足够的干涉效果，这是因为激光束分布在中间区域13中的多条环形区域上。

在本例中，用来满足光盘20A和20B之间的兼容性的光学结构(也就是说，衍射结构)形成在第一表面10a上。此外，中间区域13的宽度W为0.069mm(W＝0.069mm)，焦距f在适用于光盘20A的波长下为2.52mm(f＝2.52mm)，物镜10对光盘20A的放大倍率为-0.0009(M＝-0.0009)。在这种情况下，W/{(1-M)f}为0.0274，因此第二例满足条件(2)。

如果根据第二例采用的物镜10，也就是说使光盘20A相对于垂直光轴的平面存在一个相对较小的倾斜，上述高强度光线中也会有一部分未穿过中心区域11的光线因其穿过中间区域13而不是外围区域12，而被充分散射。

因此，根据第二例，防止部分高强度光线入射到第一接收部分60A的子传感器62和63上变得可能。因此，当使用光盘20A的时候，TE信号上的干扰水平可以被充分地降低。

图5所示为光盘20A相对于垂直于光轴的表面的倾斜角度θ与TE信号上干扰水平的关系曲线。在图5中，实线所指示的曲线表示根据第二例当物镜10使用的时候所形成的关系曲线。为了进行对比，图5中还显示了由虚线所表示的当使用常规物镜的时候所形成的曲线。

从图5可以看出，通过根据第二例使用物镜10，那么TE信号上的干扰水平相对于常规物镜可以被充分地减少。

如表10所示，中间区域13产生光程差，所形成的每一个光程差基本上都等于光源30B发出激光束波长的整数倍。因此，从光源30B发出的激光束不会被中间区域13散射，其会穿过中间区域13，并有助于在光盘20B上形成射束点。

如上所述，根据本发明的实施例，当记录密度相对较低的光盘相对于准确位置有所偏斜时所引起的不需要的光线能够有效地得到抑制。因此，当使用记录密度相对较低的光盘时候，对TE信号所产生的干扰可以被充分的压缩。

尽管本发明参考一定的优选实施例进行了详细的描述，但本发明还可以存在其它的实施例。

例如，在上述实施例中，用来满足光盘20A和20B之间兼容性的光学结构(也就是说，衍射结构)是在物镜10的第一表面10a上形成的。实际上，这个用来满足兼容性需要的光学结构也能在物镜10的第二表面10b上形成。

作为选择，用来满足兼容性需要的光学结构也可形成在校准镜50的一个表面上。此外，用来满足兼容性需要的光学结构还可形成在光学系统的另一个光学元件上。

上述实施例以举例的方式列出了焦距、设计波长以及NA这些光学参数的数值。在没有脱离本发明构思的范围的情况下，还可采用光学参数的其它数值。

例如，物镜在结构上可以具有相对高一些的数字孔径如0.50或更高以便用于可写光盘20A。还有，物镜在结构上还可以具有更高一些的数字孔径如0.62或更高以便用于光盘20B。

在本实施例中，衍射结构是直接形成于物镜10的第一表面10a上的。然而，也可采用其它的结构形式。如，物镜中对应于本实施例中间区域的区域上可覆上一层膜，该覆膜具有上述中间区域13中衍射结构的功能(也就是说，波长的选择性)。

Claims (27)

1.一种光学拾波器的光学系统，用来将数据记录到至少两类光盘上和/或从至少两类光盘复制数据，其中所述至少两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘，该光学系统包括：

一个光源单元，能发射出具有不同波长的至少两种光束，其中两种光束分别对应于第一和第二光盘；

一个物镜，用来分别将所述至少两种光束汇聚到至少两类光盘的数据记录面上；以及

一个光电检测器，具有一个主传感器和子传感器，主传感器用来接收从光盘表面返回的光线中的主光束，子传感器用来接收从光盘表面返回的光线中的子光束；

其中所述光学系统还进一步包括一个光学表面以便满足至少两类光盘之间的兼容性，所述光学表面布置在光源单元和所述至少两类光盘中的一个之间；

其中所述光学表面包括：

一个包含有所述物镜光轴的中心区域，用来满足第一光盘的数值孔径；

一个外围区域，位于中心区域的外侧，以满足第二光盘的数值孔径；以及

一个中间区域，位于外围区域中并且在中心区域的外围；

其中，波长适用于第一光盘的光束在所述中间区域的透射率要低于所述中心区域的透射率。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：当第一光盘正在进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直于所述物镜光轴的一个平面偏斜一定微小角度，那么穿过所述中间区域的一部分返回光线在所述光电检测器的子传感器上的强度会降低，从而这部分返回光线不会对子传感器的光接收操作产生干扰。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：波长适用于第二光盘的光束在所述中间区域中的透射率与所述中心区域和所述外围区域的透射率相同；

当采用第二光盘时，利用那些适用于所述第二光盘并穿过所有所述中心区域、所述中间区域以及所述外围区域的光束。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：波长适用于第一光盘的光束在所述中间区域的透射率是波长适用于第一光盘的光束在所述中心区域的透射率的一半或少于一半。

5.一种光学拾波器的光学系统，用来将数据记录到至少两类光盘上和/或从至少两类光盘复制数据，其中所述至少两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘；该光学系统包括：

一个光源单元，其能发射出具有不同波长的至少两种光束，其中两种光束分别对应于第一和第二光盘；

一个物镜，其分别将所述至少两种光束汇聚到至少两类光盘的数据记录面上；以及

一个光电检测器，具有一个主传感器和子传感器，主传感器用来接收来自光盘表面的返回光线中的主光束，子传感器用来接收来自光盘表面的返回光线中的子光束；

其中所述光学系统还进一步包括一个光学表面以便满足至少两类光盘之间的兼容性，所述光学表面布置在所述光源单元和所述至少两类光盘中的一个之间：

其中所述光学表面包括：

一个包含有所述物镜光轴的中心区域，用来满足第一光盘的数值孔径；

一个外围区域，位于所述中心区域的外侧以满足第二光盘的数值孔径；以及

一个中间区域，位于所述外围区域中并且在中心区域的外围；

其中所述中间区域具有多个细小的环形区域以便使入射光束形成光程差，产生在多个细小的环形区域中相邻环形区域之间的每个光程差的绝对值为适用于第一光盘的光束的波长的N+0.5倍，N为自然数。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：当第一光盘正在进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直于所述物镜光轴的平面偏斜一个微小角度，那么穿过所述中间区域的一部分返回光线的强度在所述光电检测器的子传感器上会降低，这样这部分返回光线不会对子传感器的光接收操作产生干扰。

7.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：N小于或等于5。

8.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：产生在多个细小的环形区域中的相邻环形区域之间的光程差是适用于第二光盘的光束波长的整数倍，并且该整数不为零；

当使用第二光盘时，利用那些适用于所述第二光盘并穿过中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

9.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述多个细小的环形区域中重复着这样的一对区域，该对区域所形成的光程差的符号彼此不同。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于：所述多个细小的环形区域的每一个凸面的尺寸均大于所述多个细小环形区域的每一个凹面的尺寸。

11.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：当多个细小的环形区域投影到垂直于所述光学系统参考轴的一个平面上时，其中每一个细小环形区域的宽度W_Z均满足以下的条件0.005mm≤W_Z≤0.020mm。

12.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：光学系统满足以下条件：

0.0035＜{W·(φ₂/φ₁)}/{(1-M)·f}＜0.0350

其中W表示所述中间区域投影到垂直于所述光学系统参考轴的一个平面时所述中间区域的宽度；f表示所述物镜对适用于第一光盘的光线波长的焦距；M表示所述物镜在使用第一光盘时的放大倍率；φ₁表示所述中心区域的直径；φ₂表示入射到所述中心区域的光束的直径，该直径φ₂是在所述物镜的光源侧表面测得的。

13.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：用来满足兼容性的所述光学表面在所述物镜的一个表面上形成。

14.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述中间区域与所述中心区域邻接。

15.一种物镜，适用于一种光学拾波器的光学系统，该光学系统用来将数据记录到至少两类光盘上和/或从至少两类光盘复制数据，其中所述至少两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘；所述物镜的一个表面包括：

一个包含有所述物镜光轴的中心区域，用来满足第一光盘数值孔径的需要；

一个外围区域，位于所述中心区域的外侧，以满足第二光盘数值孔径的需要；以及

一个中间区域，位于所述外围区域中并且在所述中心区域的外围；

其中，具有适用于第一光盘的波长的光束在所述中间区域的透射率比所述中心区域的透射率要低。

16.根据权利要求15所述的物镜，其特征在于：当第一光盘进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直所述物镜光轴的一个平面偏斜一个细小的角度，那么从光盘表面返回的一部分光线会入射到所述中间区域，并且几乎所有入射到所述中间区域的返回光线均会被所述中间区域屏蔽。

17.根据权利要求15所述的物镜，其特征在于：具有适用于第二光盘的波长的光束，在所述中间区域中的透射率与所述中心区域和所述外围区域的透射率相同；

当使用第二光盘时，利用那些适用于所述第二光盘并穿过所述中心区域、所述中间区域以及所述外围区域的光束。

18.根据权利要求15所述的物镜，其特征在于：具有适用于第一光盘的波长的光束在所述中间区域的透射率，是具有适用于第一光盘的波长的光束在所述中心区域的透射率的一半。

19.一种物镜，适用于一种光学拾波器的光学系统，该光学系统用来将数据记录到至少两类光盘上和/或从至少两类光盘复制数据，其中所述至少两类光盘包括第一光盘以及记录密度高于第一光盘的第二光盘，所述物镜的一个表面包括：

一个包含有所述物镜光轴的中心区域，用来满足第一光盘数值孔径的需要；

一个外围区域，位于所述中心区域的外侧，以满足第二光盘数值孔径的需要；以及

一个中间区域，位于所述外围区域中并且在所述中心区域的外围；

其中所述中间区域具有多个细小的环形区域以便使入射光束形成光程差，在多个细小的环形区域中的相邻两个环形区域之间光程差的绝对值为波长适用于第一光盘的光束的波长的N+0.5倍，其中N为自然数。

20.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：当第一光盘正在进行复制操作时，如果第一光盘相对于垂直所述物镜光轴的一个平面偏斜一个细小的角度，那么从光盘表面返回的一部分光线会入射到所述中间区域，并且这部分入射到所述中间区域的返回光线会被所述中间区域大量散射。

21.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：N小于或等于5。

22.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：在多个细小的环形区域中，相邻环形区域之间光程差是适用于第二光盘的光束波长的整数倍，并且该整数不为零；

当采用第二光盘时，利用那些适用于所述第二光盘并穿过所述中心区域、中间区域以及外围区域的光束。

23.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：所述多个细小的环形区域中重复着这样的一对区域，所述一对区域形成的光程差的符号彼此不同。

24.根据权利要求23所述的物镜，其特征在于：所述多个细小的环形区域的每一个凸面的尺寸均大于所述多个细小环形区域的每一个凹面的尺寸。

25.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：当多个细小的环形区域投影到垂直于物镜光轴的一个平面上时，其中每一个细小环形区域的宽度W_Z均满足以下的条件：0.005mm≤W_Z≤0.020mm。

26.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：所述物镜满足以下条件：

0.0035＜W/{(1-M)·f}＜0.0350

其中W表示所述中间区域投影到垂直所述物镜光轴的一个平面时该中间区域的宽度；f表示所述物镜对适用于第一光盘的光线波长的焦距；M表示物镜在使用第一光盘时的放大倍率。

27.根据权利要求19所述的物镜，其特征在于：所述中间区域与所述中心区域邻接。

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