CN100444259C - 光学系统、拾取装置、记录和/或再现数据的装置 - Google Patents

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Abstract

一种在用来记录和/或再现光学记录介质上的信息的光学拾取装置中使用的光学系统，该光学系统具有光轴而且包括：用来把光源发出的光束会聚在光学记录介质上的物镜系统；包括安排在光源和物镜系统之间的光程上的两个透镜而且在光轴方向上具有可调的距离的光学象差校正元件，该光学象差校正元件包括在光学象差校正元件的至少一个透镜表面上形成的环状相位结构，而且该环状的相位结构是非周期性的并且包括许多同心的环形表面k(k＝1...N)，而且每个环形表面沿光轴方向都有在相邻的环形表面之间的一个阶梯。

Description

光学系统、拾取装置、记录和/或再现数据的装置
技术领域
本发明涉及光学系统、光学拾取装置以及记录和/或再现声音和/或图像的装置。
背景技术
通常，被称为光盘(CD)或通用数字盘(DVD)的光盘已被广泛用于记录数字数据，例如，积累音乐信息和视觉信息或记录计算机数据。
所以，最近随着信息科学的到来，强烈要求增加光盘的容量。
关于光盘，为了提高单位面积的数据记录容量(记录密度)，从光拾取器的光学系统获得的会聚光斑的光斑(converging spot)直径已被缩短。众所周知，光斑直径与λ/NA(在此，λ表示光源发出的光线的波长，而NA表示物镜的数值孔径)成比例。所以，为了缩短光斑直径，缩短在光学拾取装置中光源发出的光线的波长和增高对于光盘相对地安排的物镜的数值孔径是有效的。
为了缩短光源中的波长，关于发出波长大约为400纳米的激光束的蓝-紫色半导体激光器的研究已经展开，而且将在不久的将来被推向实际使用。
然而，在具有高数值孔径或缩短的波长的光学系统中，整个光学系统中的大量的象差容易由于光盘的保护层的厚度不一致或局部变化、光源发出的光线的波长变化、光源之间的差异和/或光学系统的温度变化而改变。所以，维持光斑具有小直径是困难的。
在光学拾取装置中，记录信息时的激光功率通常大于再现信息时的激光功率。所以，当再现模式被改变成记录模式的时候，发生模式跳跃(mode hopping)的情况。在这种模式跳跃中，光线的中心波长由于输出功率变化被立即改变几纳米。由于模式跳跃造成的焦点位置变化能通过使物镜聚焦得以消除。然而，因为物镜聚焦要花费几纳秒的时间，所以出现这样一个问题，即在这几纳秒的时间周期里由于焦点位置的变化不能正确地完成信息的记录。从光源发出的光线的波长越短，焦点位置的变化就越大。所以，光线的波长越短，归因于模式跳跃的光线的波前象差的恶化就越大。所以，使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学拾取装置要求校正随着光线的波长变化的会聚光斑的焦点位置。
另外，当具有高数值孔径的物镜用塑料透镜制成的时候，存在大量的球面象差由于温度变化而改变的可能性。在这种情况下，通过移动会聚光学系统的某个部分进行校正是可能的。然而，因为温度变化并非周期性地发生，所以需要始终观察会聚光斑、象差和温度本身。结果，装置的制造成本提高。
为了解决波长变化的问题，环状的衍射图在物镜的光学表面上形成，而轴向色差是通过使用衍射图的衍射功能进行校正的。所以，温度变化引起的焦点位置变化在使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学拾取装置中能被抑制到低的程度。这种光学拾取装置的物镜是在公开的未经审查的日本专利申请第H09-311271号中揭示。
此外，作为涉及对温度变化的校正的光学系统，通过利用衍射校正由温度变化引起的光源的光线的波长方面的变化的物镜是在公开的未经审查的日本专利申请第H11-337818号中揭示的。
然而，因为衍射图有非常精细的结构，制造具有衍射图的物镜的模子是困难的。另外，由于在衍射图的制造过程中制造误差的影响，光线在物镜中的透射率容易降低的问题业已出现。
进而，衍射图越精细，制造误差对光线的透射率的影响就越大。所以，因为透镜周边部分的衍射图比中心部分的更精细，因此物镜有周边部分透射率较低的透射率分布。因此，出现依照透射率分布会聚光斑变大的问题。
发明内容
本发明的目的是在考虑上述问题的同时提供一种用于光拾取器的、尤其适合使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学系统，其中，光线波长方面的变化引起的会聚光斑的焦点位置变化在简单的配置中得到校正，温度方面的变化引起的象差变化得到校正，在形状方面制造误差对光线透射率的影响是低的，而且光线透射率对光线波长的依存关系是低的。
进而，本发明的另一个目的是提供使用用于光拾取器的光学系统的光学拾取装置和利用光学拾取装置的记录和/或再现装置。
本发明的又一个目的是提供用于光拾取器的光学系统，优选的是使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学拾取装置，该光学系统容易按低成本制造而且优选地校正由于光线波长方面的变化引起的光会聚光斑的焦点位置的变化或温度方面的变化引起的象差变化。
本发明的这些和其它目的借助下面的实施方案能够实现。
在本发明范围内作为第一实施方案的是在用来记录和/或再现光学记录介质上的信息的光学拾取装置中使用的光学系统。该光学系统具有光轴。此外，该光学系统包括用来把光源发出的光束会聚在光学记录介质上的物镜系统；包括安排在光源和物镜系统之间的光程上的两个透镜的光学象差校正元件，该光学象差校正元件具有在光轴方向上可调的距离。再进一步说，该光学象差校正元件包括在光学象差校正元件的至少一个透镜表面上形成的环状相位结构，其中该环状的相位结构是非周期性的而且包括多个同心的环形表面k(k＝1、...、N)，每个环形表面在光轴方向上都有介于相邻的环形表面之间的阶梯。
在本发明范围内第二实施方案是包括本发明的光源和光学系统的光学拾取装置。
本发明的第三实施方案是记录和/或再现声音和/或图像的装置，其中包括：
本发明的光学拾取装置；以及
用来支撑光学记录介质以使光学拾取装置能够记录和/或再现信息信号的支撑构件。
本发明本身，连同进一步的目的和附带益处一起，通过结合附图参照下面的详细描述将得到最好的理解。
附图说明
图1是展示光学拾取装置的配置的主元件的截面图。
图2是展示光学拾取装置的配置的主元件的截面图。
图3是展示光学拾取装置的配置的主元件的截面图。
图4是解释环状相位结构的配置的主元件的截面图。
图5是解释在环状相位结构中焦点位置变化的校正原理的曲线图。
图6是解释在环状相位结构中焦点位置变化的校正原理的曲线图。
图7是解释在环状相位结构中焦点位置变化的校正原理的曲线图。
图8是解释在环状相位结构中焦点位置变化的校正原理的曲线图。
具体实施方式
在本实施方案中的光学系统中，优选的是在环形表面k和k+1之间的阶梯距离是实质上满足下面的表达式的Δk：
Δk＝mkλ/(n-l)
其中mk是整数，λ是光源发出的光束的波长，n是环状相位结构的材料对波长为λ的光束的折射系数。
在本实施方案中光学系统优选包括用来准直光源发出的光束的准直透镜，该准直透镜被安排在光源和光学象差校正元件之间。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是光学象差校正元件的两个透镜包括正透镜和负透镜。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是环形表面的阶梯在同一方向中。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是环状相位结构是在光学象差校正元件中最靠近物镜的表面上提供的而且满足下面的表达式：
D/rL＜0.1
其中D是物镜系统的入射光瞳的直径，rL是最靠近物镜系统的表面的曲率半径的绝对值。
在本实施方案中光学系统优选满足下面的表达式：
0.2＜(R∑mk)/(N|f|)＜4                    (1)
其中R表示在它上面提供阶梯的透镜的有效半径；mk＝(n-l)Δk/λ；n表示环状相位结构的材料对于波长为λ的光束的折射系数；Δk表示在第k个环形表面和第k+1个环形表面之间的阶梯距离；λ表示光源发出的光束的波长；∑mk表示关于全部阶梯距离的总和；N表示在有效半径内环形表面的数目；而f表示在它上面提供阶梯的透镜的焦距。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是环形表面的数目N是4到30。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是从光源发出的光的波长不超过500纳米，而且阶梯是沿着透镜厚度作为离开光轴的距离的函数增加的方向偏移的。
在本实施方案中的光学系统中，优选的是物镜系统的数值孔径NA不小于0.7，而且该光学系统进一步包括透镜驱动装置，用来控制由于在光学拾取装置中光学象差校正元件的两个透镜之间距离的变化引起的大量的球面像差。
优选的是在本实施方案中光学系统是用塑料材料制成的，而且物镜系统的数值孔径NA不小于0.7，阶梯距离被设计用来校正因温度变化引起的大量的球面像差。
优选的是在本实施方案中光学系统是用塑料材料制成的，物镜系统的数值孔径NA不小于0.7，而且阶梯是沿着透镜厚度作为离开光轴的距离的函数减少的方向偏移的，以便减少温度变化引起的大量的球面像差。
优选的是在本实施方案中光学系统包括两个塑料透镜，物镜系统的数值孔径NA不小于0.7，而且阶梯是沿着透镜厚度作为离开光轴的距离的函数增加的方向偏移的，以便减少由温度变化引起的大量的球面像差。
在下文中，具有依照本发明用于光拾取器的光学系统OS的光学拾取装置的优选实施方案是参照附图2和3予以解释的。图2和3分别是依照这个实施方案的光学拾取装置PU的示意构成图。如图2或3所示，光学拾取装置PU包括作为光源的半导体激光器LD。
半导体激光器LD是发出波长为400纳米左右的光束的GaN系统蓝-紫色半导体激光器或SHG蓝-紫色半导体激光器。从半导体激光器LD发出的发散的光束是通过偏振光束分光镜BS传输的，而且在四分之一波长板WP中被变成圆形偏振的光束。其后，平行光束在准直透镜CL中获得。
平行光束通过包括正透镜和负透镜而且呈光束扩展器形式的光学象差校正元件BF，而后通过光阑STO。其后，光束经过光盘(光学记录介质)OD的保护层DP借助物镜(物镜系统)OBJ在信息记录平面DR上形成会聚光斑。
单轴执行机构ACE被安排在光学象差校正元件BE的一组凹透镜附近。当该组凹透镜在光轴方向上移动的时候，物镜上的入射光束变成与平行光束相比略微会聚或发散的会聚或发散光束。因此，因保护层厚度变化、激光器LD发出的光线的波长变化、光学系统的温度变化和/或双层盘各层之间间隔产生的球面像差都能得到校正。
物镜OBJ在聚焦方向和跟踪方向上被安排在物镜周围的双轴致动器AC驱动。在光盘OD一侧的物镜OBJ的数值孔径被设定在0.85左右，而物镜OBJ的边缘部分FL能被非常精确地装配到光学拾取装置PU上。在此，没有环状相位结构在物镜OBJ上形成。
在信息记录平面DR的信息坑(pit)中调制的反射光束被再一次经过物镜OBJ、光阑STO和光学象差校正元件BE传输而且被准直透镜CL变成会聚光束。该会聚光束被四分之一波长板WP改变成线性偏振光束，经过偏振光束分光镜BS的反射，然后通过圆柱透镜CY和凹透镜NL以便具有象散。其后，光束入射在光电探测器PD的光线接收平面上。其后，信息的记录和/或再现是通过使用依照光电探测器PD的输出信号产生的聚焦误差信号、跟踪误差信号和射频信号在光盘OD上完成的。
另外，依照本发明的光学信息记录和再现装置包括光学拾取装置PU和用来支撑光盘OD以使光学拾取装置PU能够在光盘OD上记录信息和再现来自光盘OD的信息的光学记录介质支撑装置(未展示)。光学记录介质支撑装置包括用来在支撑光盘OD的中心的同时完成光盘OD的旋转操作的旋转操作装置。
在光学拾取装置PU和光学信息记录/再现装置中，在构成光学象差校正元件BE的各透镜中至少一个透镜的光学表面具有许多通过精细的阶梯彼此分开的环形表面。在由内侧环形表面(靠近光轴的)和外侧环形表面(远离光轴的)组成的每对相邻的环形表面中，在光轴方向上的偏移量(或阶梯)是在环形表面之间的边界提供的，以使外侧环形表面中的光程长度比内侧环形表面中的光程长或短以及形成用作相位相加结构的环状相位结构。在这种环状相位结构中，近似等于2π的整数倍的规定的相位差是在通过外侧环形表面的规定波长的入射光束和通过内侧环形表面的入射光束之间产生的。
详细地说，当使用规定的波长λ、具有环状结构的透镜对波长λ的折射系数n、在彼此相邻的环形表面之间的阶梯距离Δk、以及由于偏移量Δk产生的相位差Фk时，所有的偏移量Δk都被这样设定以满足下面的使用整数mk的公式(2)。
Figure C20041006176800111
               (2)
所以，当波长λ的光束通过环形表面的时候，在环形表面的边界处的光束的波前方面的差异变小，而且高阶波前象差能被抑制。这个原理能以同样的方式应用在考虑由于环境温度变化引起透镜折射系数变化的情况中。换言之，最经常发生的高温设定为参考温度，而环状相位结构的偏移量Δk是这样设定的，即，把使用参考温度下的折射系数和波长计算的Фk设定到2π的整数倍。
在图2所示的光拾取器的光学系统的情况下，环状相位结构是在光学象差校正元件中最靠近物镜OBJ的透镜表面上提供的。主要由物镜OBJ产生的色差由于环状相位结构的作用能被抑制。当波长比规定的波长λ长的光束入射到物镜OBJ上的时候，因为那些透镜的折射系数降低，所以光束的焦点在某一方向上移动以便远离透镜。反之，当波长比规定的波长λ长的光束入射到环状相位结构上的时候，通过每个环形表面的光线的每个波前都沿光轴方向略微偏移，以便靠近物镜OBJ。所以，当偏移量忽略不计的时候，整个光束在环状相位结构中有近似会聚的球面波，当光束入射到物镜OBJ上的时候，光束的焦点沿某个方向移动，以便接近物镜OBJ。当使用波长方面的变化Δλ的时候，在光线的相位方面的变化ΔФ是用下面的公式F1表达的。
ΔΦ = 2 πm ( ∂ n ∂ λ Δλ n - 1 - Δλ λ ) ≅ - 2 πm Δλ λ - - - F 1
所以，通过透镜在光轴方向比较厚的部分的光线的波前被这样偏移，以便根据偏移量更接近物镜OBJ。因为环状相位结构的效应抵消物镜OBJ的效应，所以在整个光学系统中色差能被抑制。
另外，当考虑温度变化ΔT的时候，温度变化引起的相位变化是用下面的公式F2表达的。
ΔΦ = 2 πm ( α + ∂ n ∂ T n - 1 ) ΔT - - - F 2
在此，α表示线膨胀系数。因为括号中的项在用塑料加工透镜的情况下是负值，当温度被增高的时候，近似会聚的球面波以同样的方式产生。所以，过校正(over-corrected)的球面像差在物镜OBJ中产生。当物镜OBJ包括两个分别具有正折射能力的塑料透镜的时候，欠校正(under-corrected)的球面像差在温度升高的情况下有可能在物镜OBJ中产生。所以，这些效应被抵消，而且由光学系统的温度变化引起的象差变化能被抑制。
依照本发明的用于光拾取器的光学系统OS的另一个实施方案被展示在图3中。物镜OBJ包括单一的塑料透镜。光学象差校正元件BE在最接近物镜OBJ放置的透镜的光学表面上有许多通过精细的阶梯彼此分开的环形表面。然而，在这个例子中，这些阶梯是这样提供的，即，使在外侧环形表面(远离光轴的)中的光程长度比在内侧环形表面(接近光轴的)中的光程短。
另外，用作相位相加结构的环状相位结构是这样形成的，以便在通过外侧环形表面的、在参考温度下具有规定波长的入射光束以及通过内侧环形表面的入射光束之间产生近似等于2π的整数倍的规定的相位差。所以，环形表面所有的偏移量Δk都被设定为满足公式(2)。
所以，在参考温度下通过环形表面的光束的波前的差异在环形表面的边界变小，而且高阶波前象差能被抑制。另外，在环状相位结构的温度下光线相位的变化是用公式(F2)表达的。另外，近似发散的球面波是在温度升高的情况下产生的。在包括单一的塑料透镜的物镜OBJ中，过校正的球面像差是在温度升高的情况下产生的。所以，这些效应被抵消，而且由于光学系统的温度变化引起的象差变化能被抑制。
如上所述，为了校正球面像差，提供一种用来在环状相位结构中从入射到物镜OBJ上的光线的波前产生近似的球面波的方法。作为替代，提供一种用来产生在透镜的环状相位结构中将被直接校正的球面像差的方法。在这种情况下，环形表面之间的阶梯的方向在透镜的光轴和边缘之间被颠倒。然而，当物镜OBJ中产生的球面像差用这种方法校正的时候，物镜OBJ和光学象差校正元件的每一偏移的效果是大的。因此，物镜OBJ的跟踪特性恶化。
另外，环状相位结构优选地被形成为满足表达式(1)。当(R∑mk)/(N|f|)低于表达式(1)的下限时，环形表面的数目过大，该结构的加工非常困难，或者校正性能太小以致无法充分获得环状相位结构的效应。反之，当(R∑mk)/(N|f|)高于表达式(1)的上限时，在每对环形表面之间的阶梯过大，而且如同在图4中用阴影部分表示的那样，许多环状的显著的光不通过区域在透射光束中不希望地产生。在这种情况下，当光盘反射的光入射到传感器上时，不连续的透射光线的光瞳分布(pupil distribution)影响光线的检测，以致妨碍传感器对反射光线的正确检测。
为了减少光不通过区域，环状相位结构被安排在光学象差校正元件中最接近物镜OBJ的表面上，而且最接近物镜OBJ的表面的曲率半径的绝对值rL被设定为对于物镜的入射光瞳直径D而言满足D/rL＜0.1。在这种情况下，通过环状相位结构透射的光线大体上是彼此平行的，而且光线几乎不入射到环状相位结构的阶梯的侧表面上。所以，光线不通过区域被减少。
另外，环状相位结构的校正性能和阶梯的阶梯距离是这样设定的，以便将环形表面的数目设定在4到30范围内。在这种情况下，环状相位结构容易加工，而且能够获得用于光拾取器的、光不通过区域对传感器的影响小的光学系统。
另外，当光源发出的光的波长低于或等于500纳米时，色差在物镜中增加。然而，当具有阶梯的环状相位结构被安排在光学象差校正元件的透镜的一个表面上以便沿着从光轴到透镜的边缘的方向透镜的厚度逐渐增大时，色差引起的波前象差的恶化能被抑制。
此外，当物镜的数值孔径NA等于或高于0.7时，由于基于保护层的厚度变化的对光的干扰造成的球面像差的变化将变大。然而，当光学象差校正元件中的一组透镜被设定成可沿光轴方向移动时，球面像差方面的变化能被校正。
另外，高密度地记录和/或再现信息能在具有用于光拾取器的光学系统的光学拾取装置中完成。
例子
现在提交作为上述的用于光拾取器的光学系统OS的优选实施例。透镜数据被展示在表1中。
表1
例1
Figure C20041006176800151
非球形表面的系数
  第一表面   第四表面   第五表面   第七表面   第八表面   第九表面
  κ   +1.4455×10<sup>-1</sup>   -2.1586×10<sup>-1</sup>   -5.6860×10<sup>-1</sup>   -1.2962×10<sup>-1</sup>   +4.2122×10<sup>+1</sup>   -7.5278×10<sup>-1</sup>
  A4   -9.6010×10<sup>-4</sup>   -6.0124×10<sup>-4</sup>   -2.6386×10<sup>-3</sup>   -3.3246×10<sup>-3</sup>   +7.0525×10<sup>-3</sup>   +1.3349×10<sup>-1</sup>
  A6   0.0   +4.1482×10<sup>-6</sup>   +1.8361×10<sup>-6</sup>   -6.2010×10<sup>-5</sup>   -1.8316×10<sup>-2</sup>   +8.6490×10<sup>-3</sup>
  A8   0.0   0.0   0.0   -5.1594×10<sup>-4</sup>   +9.1215×10<sup>-3</sup>   +2.1567×10<sup>-1</sup>
  A10   0.0   0.0   0.0   -1.1806×10<sup>-4</sup>   -6.4308×10<sup>-3</sup>   -1.0997×10<sup>-1</sup>
  A12   0.0   0.0   0.0   -6.6480×10<sup>-5</sup>   -7.4409×10<sup>-3</sup>   0.0
  A14   0.0   0.0   0.0   +1.2115×10<sup>-4</sup>   0.0   0.0
  A16   0.0   0.0   0.0   -3.9441×10<sup>-5</sup>   0.0   0.0
  A18   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0
  A20   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0
在实施例1中，405纳米的设计波长、物镜OBJ的1.76mm的焦距、物镜OBJ的0.85的数值孔径和物镜OBJ的入射光瞳3.0mm的直径被设定。准直透镜CL的13.03mm的焦距被设定。另外，光学象差校正元件BE是用1.25倍的光束扩展器形成的。
每个光学表面中非球形表面的系数是通过使用离开外切非球形表面的顶点的平面表面的位移X(mm)、垂直于光轴的方向上的高度h(mm)、曲率半径r(mm)、二次曲线常数κ和非球形表面的系数A2i用下面的公式F3表达的。
X = h 2 / r 1 + 1 - ( 1 + &kappa; ) h 2 / r 2 + &Sigma; i = 2 10 A 2 i h 2 i - - - F 3
另外，在表1中，r(mm)表示每个光学表面的曲率半径，d(mm)表示在光轴上的间隔，n(405纳米)表示在405纳米的设计波长下的折射系数，n(406纳米)表示在406纳米的设计波长下的折射系数，而vd表示在d-线(d-line)的色散系数。
在例1中，在光学象差校正元件BE中面向光源的正透镜的光学表面(表1中的第五表面)被设定到平面表面，而环状相位结构是在光学表面上形成的。每个阶梯的阶梯距离Δk(μm)、离开每个阶梯的光轴的距离hk(mm)和在垂直于光轴的方向上环形表面的宽度Pk(mm)(参照图1)被展示在表2中。在这里，具有阶梯的表面的有效半径等于最后的环形表面的距离hk。
表2
  环形表面编号   h<sub>k-1</sub>   h<sub>k</sub>   Δ<sub>k</sub>   m<sub>k</sub>   P<sub>k</sub>(mm)
  1   0.00   0.75   0.00   0   0.75
  2   0.75   1.05   12.35   16   0.3
  3   1.05   1.25   15.43   20   0.2
  4   1.25   1.40   15.45   20   0.15
  5   1.40   1.49   13.89   18   0.09
  6   1.49   1.55   16.98   22   0.06
轴向色差保持在物镜OBJ中。假设由模式跳跃引起的蓝-紫色半导体激光器的波长变化是1纳米，因为波长从405纳米改变到406纳米，所以焦点位置被改变以便远离物镜OBJ 0.26μm(ΔFOBJ＝0.26μm)。因此，由于焦点位置从0.001λrms变化到0.083λrms，波前象差恶化。
反之，当光束入射到如同图2所示那样安排的光学象差校正元件BE上时，该光学象差校正元件BE具有在表2中展示的基于环状相位结构的作用的波长依存关系，其中，随着入射光束的波长被加长，焦点位置接近物镜OBJ。在波长从405纳米变化到406纳米的情况下，焦点位置向物镜OBJ靠近11.15μm(ΔF＝-11.15μm)。
所以，在波长从405纳米变化到406纳米的情况下，焦点位置的位移能通过把光学象差校正元件BE和物镜OBJ合并而被抑制到0.1μm(ΔFos＝0.1um)。在这种情况下，包括散焦分量在内的波前象差是0.036λrms。如上所述，可以优选地改变波长变化引起的会聚光斑的焦点位置的变化。
按照在光学象差校正元件BE中形成的环状相位结构校正由波长变化引起的会聚光斑的焦点位置的变化的原理将参照各附图予以描述。图5是展示当光束入射到物镜OBJ上时具有设计波长λ(纳米)的光束的透射波前和波长比设计波长λ(纳米)长规定的波长Δλ(纳米)的光束的透射波前的曲线图。X轴表示光瞳半径，Y轴表示光程差。当波长为λ+Δλ(纳米)的光束入射到物镜OBJ上的时候，光的波前因为物镜OBJ的轴向色差引起的焦点位置的变化而被改变，如图5(b)所示。
反之，图6是展示当光束入射到光学象差校正元件BE上时具有设计波长λ(纳米)光束的透射波前和波长比设计波长λ(纳米)长规定的波长Δλ(纳米)的光束的透射波前的曲线图。当具有设计波长λ(纳米)的光束入射到光学象差校正元件BE上时候，因为在彼此相邻的环形表面之间的光程差等于设计波长的整数倍，所以通过光学象差校正元件BE透射的光线的透射波前没有象差。反之，当波长为λ+Δλ(纳米)的光束入射到光学象差校正元件BE上时，因为在彼此相邻的环形表面之间的光程差由于波长的变化和由波长变化引起的折射系数的变化而不等于波长λ+Δλ(纳米)的整数倍，所以该光程差如图6(b)所示被逐步加到通过光学象差校正元件BE的环形表面透射的光线的波前上。如图2所示，外侧环形表面(远离光轴)在外侧环形表面和内侧环形表面(接近光轴)之间的边界处沿光轴的方向偏移，以便外侧环形表面的光程长度比内侧环形表面的光程长度长。所以，当波长为λ+Δλ(纳米)的光束入射到光学象差校正元件BE上时，加到通过光学象差校正元件BE透射的光的透射波前上的光程差的符号与加到通过物镜OBJ透射的光线的透射波前上的光程差的符号是相反的。
因此，当波长为λ+Δλ(纳米)的光束入射到光学象差校正元件BE上的时候，通过光学象差校正元件BE透射的光的透射波前的光程差能抵消掉通过物镜OBJ透射的光的透射波前的光程差。所以，如图7所示，透射通过光学象差校正元件BE和物镜OBJ两者的光总的来说具有不包括光程差的波前。因为上述的原理，当物镜OBJ把通过光学象差校正元件BE的透射光会聚在会聚光斑上的时候，由光波长变化引起的会聚光斑的焦点位置的变化能借助光学象差校正元件BE的环状相位结构被抑制到很小的程度。
在这里，在这份说明书中，“焦点位置”表示在考虑整个光瞳中的波前形状的同时把实测的或计算的波前象差减到最小的成像位置，而且不同于依据诸如“后焦点”或“轴向色差”之类的近轴数据计算的成像位置。
另外，如上所述，因为光的透射率被阴影(shading)大幅度降低，所以在为了实现高数值孔径倾向于把它的曲率半径缩短的物镜OBJ的光学表面上形成用于校正由波长变化导致的会聚光斑的焦点位置的变化的环状相位结构并非是优选的。反之，在按照本发明用于光拾取器的光学系统OS中，用于校正由波长变化引起的会聚光斑的焦点位置变化的环状相位结构是在不要求高数值孔径而且能保证光学表面的大曲率半径的光学象差校正元件BE中形成的。所以，光透射率不被阴影降低那么多。
另外，在光学象差校正元件BE中形成的环状相位结构中，从靠近光轴的一侧数起的任意的第k个阶梯的距离Δk(μm)(参照图1)是这样确定的，即，当具有设计波长λ(纳米)的光束入射到光学象差校正元件BE上时把相邻的环形表面之间的光程差设定为该设计波长的整数倍。这个确定等价于环状相位结构的阶梯满足下述条件的情况。即，当在设计波长λ(纳米)下光学象差校正元件BE的折射系数n被设定的时候，mk是用公式mk＝INT(X)和X＝Δk×(n-1)/(λ×10-3)表达的自然数。在这里，INT(X)表示通过圆整X获得的整数。
与图3所示的光学拾取装置相对应的实施例的数值被展示在表3和表4中。
表3
例2
Figure C20041006176800201
非球形表面的系数
  第一表面   第四表面   第五表面   第七表面   第八表面
  κ   +1.4455×10<sup>-1</sup>   -2.1586×10<sup>-1</sup>   -5.6860×10<sup>-1</sup>   -6.9846×10<sup>-1</sup>   -4.4660×10<sup>+1</sup>
  A4   -9.6010×10<sup>-4</sup>   -6.0124×10<sup>-4</sup>   -2.6386×10<sup>-3</sup>   +1.7884×10<sup>-2</sup>   +1.7063×10<sup>-1</sup>
  A6   0.0   +4.1482×10<sup>-6</sup>   +1.8361×10<sup>-6</sup>   +6.4131×10<sup>-3</sup>   -2.7548×10<sup>-1</sup>
  A8   0.0   0.0   0.0   -3.5779×10<sup>-3</sup>   +3.1965×10<sup>-1</sup>
  A10   0.0   0.0   0.0   +4.4492×10<sup>-3</sup>   -2.6980×10<sup>-1</sup>
  A12   0.0   0.0   0.0   -6.1774×10<sup>-4</sup>   +1.6620×10<sup>-1</sup>
  A14   0.0   0.0   0.0   -8.0581×10<sup>-4</sup>   -3.9257×10<sup>-2</sup>
  A16   0.0   0.0   0.0   +1.6547×10<sup>-4</sup>   0.0
  A18   0.0   0.0   0.0   +2.1142×10<sup>-4</sup>   0.0
  A20   0.0   0.0   0.0   -7.2030×10<sup>-5</sup>   0.0
表4
  环形表面编号   hk<sub>-1</sub>   h<sub>k</sub>   Δ<sub>k</sub>   m<sub>k</sub>   P<sub>k</sub>(mm)
  1   0.00   0.38   0.00   0   0.38
  2   0.38   0.56   32.41   42   0.28
  3   0.56   0.68   37.03   48   0.12
  4   0.68   0.78   33.18   43   0.10
  5   0.78   0.86   32.41   42   0.09
  6   0.86   0.94   29.32   38   0.08
  7   0.94   1.02   31.63   41   0.08
  8   1.02   1.1   34.72   45   0.08
  9   1.1   1.18   37.81   49   0.08
  10   1.18   1.25   40.89   53   0.07
  11   1.25   1.32   37.81   49   0.07
  12   1.32   1.38   37.81   49   0.06
  13   1.38   1.44   36.26   47   0.06
  14   1.44   1.5   37.81   49   0.06
在例2中，物镜OBJ是用具有入射光瞳的直径Ф＝3mm而数值孔径NA为0.85的单一的塑料球制成的。以与例1相同的方式安排准直透镜CL和光学象差校正元件BE。环状相位结构被安排在光学象差校正元件中最靠近物镜的透镜表面上。环形表面的阶梯是这样设定的，即，使透镜沿着从光轴到透镜边缘的方向变薄。透镜的表面全部是具有大曲率半径的凸表面。另外，环状相位结构被分成14个表面部分，而且每个表面部分都垂直于光轴。
环状相位结构的作用将参照图8予以描述。在没有环状相位结构的情况下，构成光学系统的塑料透镜的折射系数随着温度升高而降低。因此，被过校正的球面像差主要是在物镜中产生的。在例2中，0.12λRMS的象差是由于温度升高30℃产生的。虽然能通过沿着光轴移动一部份光学象差校正元件来略微改变正在使用的物镜的放大倍数来校正象差，需要检测温度或在光斑中产生的球面像差。
在例2中，如表4所示，因为环状相位结构被安排成减少透镜在透镜边缘的厚度，所以温度变化引起的球面像差能在不移动光学象差校正元件的情况下得到校正。
在参考状态下通过光学象差校正元件透射的光的透射波前和温度升高30℃时光的透射波前被展示在图8中。在参考温度下，通过每个环形表面的波前都有等于波长的整数倍的光程差，如(a)所示，而且这些波前形成均匀的平面波。反之，当温度升高30℃的时候，从环形表面发出的波前的光程差由于温度变化引起的透镜折射系数降低而偏离波长的整数倍。所以，如图8(b)所示，从光学象差校正元件发出的波前全部变成发散的球面波。
光学象差校正元件的这种作用实质上与移动光学象差校正元件的一部分透镜相同，并且略微改变正在使用的物镜的放大倍数。因此，整个光学系统中的波前象差被校正到0.01λRMS左右，而且因为温度变化在塑料物镜中产生的球面像差能够在不检测温度或球面像差的情况下得到校正。虽然整个光学系统中的校正能通过增加环状相位结构阶梯的阶梯距离的总和得到改善，但是每个阶梯距离变得过大将使光线不通过区域变宽，而且环形表面的数目增加使环状相位结构的加工变得困难。
在本发明中，在用于光拾取器的使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学系统中，对由光的波长变化引起的会聚光斑的焦点位置变化的校正和对由温度变化引起的象差的变化的校正能在简单的配置中完成。另外，用于光拾取器的光学系统能被这样获得，即，降低系统形状方面的制造误差对光线的透射率的影响和减少光线透射率对波长的依存性。另外，使用用于光拾取器的光学系统的光学拾取装置和具有该光学拾取装置的记录和再现装置能被获得。
另外，在优选地使用蓝-紫色半导体激光器作为光源的光学拾取装置的用于光拾取器的光学系统中，用于光拾取器的光学系统能在光学系统容易以低成本制造而且优选地能校正由光波长变化引起的会聚光斑焦点位置变化或由温度变化引起的象差变化的条件下获得。

Claims (14)

1.一种在用来记录和/或再现在光学记录介质上的信息的光学拾取装置中使用的光学系统，所述光学系统包括用于发射光束的光源，该光学系统具有光轴并且包括：
物镜系统，用来把从光源发出的光束会聚在光学记录介质上；
光学象差校正元件，其包括安排在光源和物镜系统之间的光程上的两个透镜，并且该光学象差校正元件沿光轴方向具有可调的距离；
其中，该光学象差校正元件包括在该光学象差校正元件的至少一个透镜表面上形成的环状的相位结构，而且其中，该环状的相位结构是非周期性的并且包括从该环状的相位结构的中心开始的许多同心的环形表面k，k＝1...N，以及N是正整数，而且每个环形表面沿光轴方向都具有在相邻的环形表面之间的一个阶梯，以及
在环形表面k和k+1之间的阶梯距离是满足下面的表达式的Δk：
Δk＝mkλ/(n-1)
其中mk表示整数，λ表示从光源发出的光束的波长，而n表示环状相位结构的材料对于波长为λ的光束的折射系数。
2.一种在用来记录和/或再现在光学记录介质上的信息的光学拾取装置中使用的光学系统，所述光学系统包括用于发射光束的光源，该光学系统具有光轴并且包括：
物镜系统，用来把从光源发出的光束会聚在光学记录介质上；
光学象差校正元件，其包括安排在光源和物镜系统之间的光程上的两个透镜，并且该光学象差校正元件沿光轴方向具有可调的距离；
其中，该光学象差校正元件包括在该光学象差校正元件的至少一个透镜表面上形成的环状的相位结构，而且其中，该环状的相位结构是非周期性的并且包括从该环状的相位结构的中心开始的许多同心的环形表面k，k＝1...N，以及N是正整数，而且每个环形表面沿光轴方向都具有在相邻的环形表面之间的一个阶梯，以及
其中，该环状相位结构是在该光学象差校正元件中最靠近物镜系统的表面上提供的，而且满足下面的表达式：
D/rL＜0.1
其中D表示物镜系统的入射光瞳的直径，rL表示最靠近物镜系统的表面的曲率半径的绝对值。
3.一种在用来记录和/或再现在光学记录介质上的信息的光学拾取装置中使用的光学系统，所述光学系统包括用于发射光束的光源，该光学系统具有光轴并且包括：
物镜系统，用来把从光源发出的光束会聚在光学记录介质上；
光学象差校正元件，其包括安排在光源和物镜系统之间的光程上的两个透镜，并且该光学象差校正元件沿光轴方向具有可调的距离；
其中，该光学象差校正元件包括在该光学象差校正元件的至少一个透镜表面上形成的环状的相位结构，而且其中，该环状的相位结构是非周期性的并且包括从该环状的相位结构的中心开始的许多同心的环形表面k，k＝1...N，以及N是正整数，而且每个环形表面沿光轴方向都具有在相邻的环形表面之间的一个阶梯，以及
其中，该光学系统满足下面的表达式：
0.2＜(R∑mk)/(N|f|)＜4
其中R表示下述透镜的有效半径，其中，在所述透镜的上面提供阶梯；mk表示(n-1)Δk/λ；n表示环状相位结构的材料对于波长为λ的光束的折射系数；Δk表示第k个环形表面和第k+1个环形表面之间的阶梯距离；λ表示从光源发出的光束的波长；∑mk表示关于全部阶梯距离的mk总和；N表示在有效半径内环形表面的数目；f表示下述透镜的焦距，其中，在所述透镜的上面提供阶梯。
4.根据权利要求1至3中任何一个所述的光学系统，包括用来使从光源发出的光束准直的准直透镜，其中该准直透镜被安排在光源和光学象差校正元件之间。
5.根据权利要求1至3中任何一个所述的光学系统，其中，该光学象差校正元件的两个透镜包括正透镜和负透镜。
6.根据权利要求1至3中任何一个所述的光学系统，其中，该环形表面的各阶梯在同一方向上。
7.根据权利要求1至3中任何一个所述的光学系统，其中，环形表面的数目N在4到30的范围内。
8.根据权利要求1的光学系统，其中，从光源发出的光束的波长小于或等于500纳米，而且各阶梯沿透镜厚度随离开光轴的距离增加而增加的方向被提供。
9.根据权利要求1的光学系统，其中，物镜系统的数值孔径NA大于或等于0.7，而且进一步包括透镜驱动装置，用来控制在光学拾取装置中由于改变光学象差校正元件的两个透镜之间的距离而引起的球面象差量。
10.根据权利要求1的光学系统，其中，物镜系统用塑料制成，而且物镜系统的数值孔径NA大于或等于0.7，以及其中，为了减少由温度变化引起的球面象差量，各阶梯沿着透镜厚度随离开光轴的距离增加而增加的方向被提供。
11.根据权利要求1的光学系统，其中，物镜系统包括两个塑料透镜而且该物镜系统的数值孔径NA大于或等于0.7，其中，为了减少由温度变化引起的球面象差量，各阶梯沿着透镜厚度随离开光轴的距离增加而增加的方向被提供。
12.一种光学拾取装置，其包括：
光源；以及
如权利要求1中描述的光学系统。
13.一种用于声音和/或图像的记录装置，其包括：
如权利要求12中描述的光学拾取装置；以及
支撑构件，用来支撑光学记录介质以使光学拾取装置能够记录信息信号。
14.一种用于声音和/或图像的再现装置，其包括：
如权利要求12中描述的光学拾取装置；以及
支撑构件，用来支撑光学记录介质以使光学拾取装置能够再现信息信号。
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