CN100474417C - 可兼容的光拾取器 - Google Patents

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Abstract

一种可兼容的光拾取器，它包括一光学部件，用于发出一个适于高密光盘的短波长光束和至少一个适于至少一种低密光盘的长波长光束，和用于接收和检测高密光盘和低密光盘反射的光束，一物镜，用于通过聚焦入射的短波长和长波长光束在高密光盘和低密光盘上形成光点，一衍射装置，用于通过衍射从光学部件输出的短波长光束，根据短波长光束的波长变化来校正色差，和一发散透镜，用于通过折射从光学部件向物镜发出的长波长光束，相对于至少一种低密光盘增加工作距离。因此衍射装置能够减小由于模式跳跃产生的短波长光束的散焦。而且，由于物镜设置在上述可兼容光拾取器中，就能够保证一个足够的工作距离，以使物镜相对于长波长光源发出的光束不会与低密光盘发生碰撞。

Description

可兼容的光拾取器
技术领域
本发明涉及一种可兼容的光拾取器，它通过使用具有多个波长的光束能够记录和/或重放多个具有不同格式的光盘，更具体的说，涉及一种能够校正色差的可兼容光拾取器，该色差是在对高密光盘进行记录和/或重放模式转换时，由于光源输出的变化在物镜中产生。
背景技术
在通过使用由物镜形成的光点对光盘进行信息记录或重放的光记录和/或重放装置中，记录容量是由光点的尺寸大小决定的。光点的尺寸S与光束的波长λ成正比，与物镜的数值孔径(NA)成反比，如下面不等式所示：
[方程1]
S∝λ/NA
因此，为了减小聚焦在光盘上的光点的尺寸以使光盘致密化，需要较短波长的光源如蓝紫色激光和具有0.6或更大NA的物镜。
因此，目前正在开发中的下一代DVD，所谓的HD-DVD(高清晰度-数字通用盘)用的光拾取器采用了一种发出蓝紫光束的光源和具有一个0.6或更大NA的物镜，通过减小在光盘上形成的光点的尺寸，而能获得比常用CD或DVD家族的光盘的信息记录密度更高信息记录密度。
但是，常用光拾取器的物镜所使用的光学材料，如玻璃和塑料，在波长小于650nm的范围内折射率显示出急剧的变化。
表1表示根据由Hoya制造的M-BaCD5N波长的折射率变化，该M-BaCD5N用作模制物镜的玻璃材料。
[表1]
 
波长的变化 Hoya的M-BaCD5N玻璃的折射率变化
650nm→651nm 0.000038
405nm→406nm 0.000154
从表1中可知，相对于大约1nm较小波长的变化来说，该光学材料与用于DVD光拾取器的红色波长相比，在蓝紫波长范围内显示了折射率大约四倍的巨大变化。
在较短波长中光学材料折射率的急剧变化主要会引起与可记录高密光拾取器中的散焦有关的性能衰退，其中，该高密光拾取器能够在记录和重放之间重复转换。即，光拾取器使用相互不同的记录光功率和重放光功率。通常，如果增加光源的输出，光源发出的光束波长就会被拉长。随记录和重放之间模式转换过程中的光功率变化的波长的变化使物镜中产生色差，该色差会引起散焦(散焦与模式跳跃对应)。这里，模式跳跃意味着一种在光源条件下，例如温度发生变化时波长会间歇地增大或减小的现象。增加输入电流以提高光功率时，光源的温度就会由于内部的热而升高。因此，上述模式跳跃就会产生。
虽然，由于波长变化而产生的散焦能够通过用调节器调节物镜进行校正，但是因为它花费相当长的时间通过驱动调节器来跟随波长的变化，因此在上述时间的过程中重放和记录信号的质量就会受到损坏。为了记录提高光功率时产生的散焦会引起记录光功率的不足，而为了重放降低光功率时产生的散焦就会增加信号的不稳定性。
也就是说，在增加光源的输出以将信息记录在光盘上时，光源发出的光束的波长就会被拉长，例如为406nm，这样就使光点散焦，在调节器跟随散焦前不能正确地执行记录。为了重放降低光源的输出时，光源的波长就会被缩短，例如为405nm。在此情况下，由于调节器处于跟随被拉长的波长的状态下，就会再次产生散焦。散焦产生时，根据重放信号，在重放信号中信号的不稳定性就会增加。
因此，记录和重放重复进行的可记录高密光拾取器必须具有一种光学系统结构，该结构即使是在光源发出光束的波长根据记录和重放的变化而变化时，也能够限制色差产生或补偿色差。
同时，假定光盘的倾斜角度为θ，光盘的折射率为n，光盘的厚度为d，物镜的NA为NA，光盘倾斜产生的彗形象差W31用下面的表达式表示。
[方程式2]
w 31 = - d 2 n 2 ( n 2 - 1 ) sin θ cos θ ( n 2 - sin 2 θ ) 5 / 2 NA 3
这里，光盘的折射率和厚度表示从每个光入射表面到记录表面的光介质的折射率和厚度。
考虑到方程式2，为了保证光盘倾斜的容差，当为了高密度增加了物镜的NA时，光盘的厚度就必须减小。因此，DVD厚度从CD的1.2mm减小至0.6mm。HD-DVD的厚度可减小至0.1mm。当然，DVD物镜的NA从CD的0.45mm增大至0.6mm。在HD-DVD的情况下，物镜的NA可增大至0.85mm。而且，考虑到HD-DVD的记录容量，很可能采用蓝紫色的光源。在开发具有这种新技术特性的光盘时，与常用光盘的兼容性是非常重要的。
例如，由于仅可记录一次的常用光盘的DVD-R或CD-R的反射率随波长会急剧地下降，就必须使用650nm和780nm波长的光源。因此，考虑到与DVD-R和/或CD-R的兼容性，用于记录和/或重放HD-DVD的可兼容光拾取器必须采用具有不同波长的两个或三个光源。
这里，考虑到各种优点如装置的体积，组装时的方便性和成本，采用具有不同波长的多个光源的可兼容光拾取器最好包括单一的物镜。
但是，将具有高达0.85NA的物镜设计和制造为一个部件，需要非常高的技术，并且在同时保持较高的NA时，很难设置象DVD的物镜那样长的工作距离。在目前技术领域中，相对于蓝紫色光源和厚度为0.1mm的HD-DVD来说，物镜通常设计具有一个0.6mm的工作距离。从DVD光源和CD光源发出的光束借助于距HD-DVD0.6mm工作距离的物镜进行聚焦，并在DVD和CD上形成一个光点时，工作距离分别为0.32mm和-0.03mm，这意味着CD与物镜发生碰撞。
当CD光源发出的光束通过减小CD光源和准直透镜之间的距离，以发散光束的形式输入给物镜时，就能保证其工作距离。但是，在此情况下，由于该光学系统是有限的光学系统，与调节器在径向移动相对应的象差特性就会急剧恶化，这是不可取的。
总之，借助于比红色波长更短的波长的光源来重复记录和重放的可记录高密光拾取器需要一种光学系统结构，该结构能够在记录和重放模式之间的转换过程中限制或补偿散焦。而且，考虑到与相对较低密度的DVD和/或CD的兼容性，高密光拾取器相对于DVD和/或CD的光束必须具有一个较长的工作距离。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可兼容的光拾取器，它能够根据短波长光源的模式跳跃采用一个短波长光源和至少一个长波长光源降低散焦，当具有相对较大厚度的高密和低密光盘相互兼容时，能够保证足够的工作距离以便物镜和低密光盘相对于长波长光源发出的光束不会相互发生碰撞。
为了实现上述目的，提供一种可兼容的光拾取器，它包括一光学部件，用于发出一个适于高密光盘的短波长光束和至少一个适于至少一种低密光盘的长波长光束，以及用于接收和检测高密光盘和低密光盘反射的光束，一物镜，用于通过聚焦入射的短波长和长波长光束，在高密光盘和低密光盘上形成光点，一衍射装置，用于通过衍射光学部件输出的短波长光束，从而根据短波长光束的波长变化来校正色差，和一发散透镜，用于通过折射从光学部件向物镜发出的长波长光束，从而相对于至少一种低密光盘增加工作距离。
在本发明中最好是短波长和长波长光束相互正交偏振，衍射装置是一种偏振的全息装置，它衍射具有一个偏振极的短波长光束，并按照其原状传输具有一个不同偏振极、并与短波长光束正交的长波长光束。
在本发明中偏振全息装置最好是一种能够相对于短波长光束提高第一衍射效率的炫耀(blazed)型设备。
在本发明中最好是低密光盘包括具有不同记录密度和厚度的第一和第二低密光盘，长波长光束包括适于第一低密光盘的、波长为λ1的第一长波长光束和适于第二低密光盘的、波长为λ2的第二长波长光束。
在本发明中最好是低密光盘包括具有不同记录密度和厚度的第一和第二低密光盘，长波长光束包括适于第一低密光盘的、波长为λ1的第一长波长光束和适于第二低密光盘的、波长为λ2的第二长波长光束，衍射装置是一种形成有阶梯结构图案的全息装置，当形成全息装置的光介质的折射率相对于第一和第二长波长光束的波长λ1和λ2为n11和n22时，图案的步长尺寸d满足下面的方程式：
(n11-n0′)d＝gλ1，和
(n22-n0＂)d＝hλ2，
这里g和h是整数±0.07范围中的数值，n0′和n0＂是分别相对于波长λ1和λ2的空气部分的折射率。
在本发明中最好是炫耀型图案形成在衍射装置中。
在本发明中第一和第二低密光盘最好分别为DVD家族和CD家族，高密光盘的厚度比第一低密光盘的厚度薄，高密光盘的厚度大约为0.1mm。
在本发明中适于高密光盘的物镜的NA最好为0.7或更大。
在本发明中物镜的工作距离最好不超过0.7mm。
在本发明中可兼容的光拾取器最好还包括第一和第二相位校正器，用于通过相对于第一和第二长波长光束产生相位，来校正在采用第一和第二低密光盘时产生的像差。
在本发明中最好是每个第一和第二相位校正器具有多个相位延迟区，当波长为λ的短波长光束和波长为λ2的第二长波长光束穿过第一相位校正器的一个相位延迟区时，光程的延迟量是a和a′，当短波长光束和第二长波长光束穿过与一个相位延迟区相邻的第一相位校正器的其它相位延迟区时，光程的延迟量是b和b′，第一相位校正器满足下面的方程式：
(a-b)＝1λ，和
(a′-b′)＝mλ2，
这里，1和m是整数±0.07范围中的数值。
当波长为λ的短波长光束和波长为λ1的第一长波长光束穿过第二相位校正器的一个相位延迟区时，光程的延迟量分别是c和c′，当短波长光束和第一长波长光束穿过与一个相位延迟区相邻的第二相位校正器的其它相位延迟区时光程的延迟量分别是d和d′，第二相位校正器满足下面的方程式：
(c-d)＝pλ，和
(c′-d′)＝qλ1，
这里，p和q是整数±0.07范围中的数值。
在本发明中具有阶梯结构的图案最好形成在第一相位校正器中，图案的步长对应于相应的相位延迟区，并且当形成第一相位校正器的光介质相对于波长为λ和λ2的折射率分别是n和n2，图案的步长尺寸s1满足下面的方程式：
(n-n0)s1＝1λ，和
(n2-n0＂)s1＝mλ2，
这里，n0和n0＂分别是空气部分相对于波长λ和λ2的折射率。
在本发明中具有阶梯结构的图案最好形成在第二相位校正器中，图案的步长对应于相应的相位延迟区，并且当形成第二相位校正器的光介质相对于波长为λ和λ1的折射率分别是n′和n1′时，图案的步长尺寸s2满足下面的方程式：
(n′-n0)s2＝pλ，和
(n1′-n0′)s2＝qλ1，
这里，n0和n0′分别是空气部分相对于波长λ和λ1的折射率。
在本发明中可兼容的光拾取器最好还包括一孔径滤波器，用于相对于适于记录和/或重放第一和第二低密光盘其中之一的第一和第二长波长光束的其中一个，来改变物镜的有效NA。
在本发明中该孔径滤波器最好是波长选择涂层部件和全息衍射部件中的一种，形成波长选择涂层部件和全息衍射部件，能允许在孔径滤波器中心部位入射的光束按其原状继续前行，还能够根据入射光束的波长有选择地阻挡从中心部位的外侧入射的光束。
在本发明中最好是该孔径滤波器与第一和第二相位校正器中的一个一体形成。
在本发明中最好是短波长光束位于蓝紫色波长区，第一长波长光束位于红色波长区，第二长波长光束位于红外线波长区，λ的范围大致为400-410nm，λ1大致为635nm和650nm中的一个，λ2大致为780nm。
在本发明中最好是，当从光学部件输出和入射在衍射装置上的短波长光束是一种平行光束时，发散透镜补偿(offset)了衍射装置施加于短波长光束上的光功率，并使平行的短波长光束入射在物镜上。
在本发明中最好是衍射装置和发散透镜与物镜一起被整体驱动。
在本发明中可兼容的光拾取器最好还包括一波片，以便相对于短波长光束能提高光效率的。
附图说明
本发明的上述目的和效果通过参考附图详细描述其最佳实施例将会变得更加清楚，其中：
图1是说明根据本发明的可兼容光拾取器的视图；
图2是解释在根据本发明可兼容光拾取器中采用的非偏振型衍射装置的最佳实施例的视图；
图3示出当M-LaC130-HOYA用作图2中非极性衍射装置的光介质时，根据步长d尺寸在第一长波长光的波长λ1和第二长波长光的波长λ2之间的光程差的曲线图；
图4是解释在根据本发明可兼容光拾取器中采用第一和第二相位校正器的最佳实施例的视图；
图5示出当BK7用作第一相位校正器的光介质时，根据步长s1的尺寸在HD-DVD用的短波长光的波长λ和CD用的第二长波长光的波长λ2之间的光程差的曲线图；
图6是根据本发明的可兼容光拾取器的光学结构的第一最佳实施例的视图；
图7A，7B和7C示出了短波长光中的偏振变化，以及当第一及第二长波长光相互垂直偏振、偏振型衍射装置设置在图1中时，第一和第二长波长光中偏振的变化；
图8示出根据本发明可兼容光拾取器的光学结构的第二实施例；
图9A至9C示出了当图6和8中所示的可兼容光拾取器被用于HD-DVD，DVD和CD的记录和/或重放的光学系统分开时，短波长光，、第一及第二长波长光的光路；
图10A是当波长被模式跳跃延长1nm时，物镜自身色差的视图；
图10B是波长被模式跳跃延长1nm时，在第一光源、准直透镜、衍射装置和物镜用于根据本发明的可兼容光拾取器中的情况下色差的视图；
图11是当FCD1用作第一相位校正器的光介质时，根据步长尺寸s1在HD-DVD的短波长光束的波长λ和CD的第二长波长光束的波长λ2之间产生的光程差的曲线图；
图12是当M-NbFD83用作第二相位校正器的光介质时，根据步长尺寸s2在HD-DVD的短波长光束的波长λ和DVD的第一长波长光束的波长λ1之间产生的光程差的曲线图；
图13示出了在使用DVD时，在二维平面中对应于将被校正的球面像差的光程差；
图14示出了在二维平面中，在第一相位校正器中产生的相位差，其中在第一相位校正器中形成一具有5阶梯结构的图案以能校正图13中所示的光程差(像差)；
图15是通过重叠图13和图14获得的光程差的一维区段的视图；
图16A是在CD记录和/或重放过程中通过第一相位校正器保持的光程差的视图；
图16B是在HD-DVD记录和/或重放过程中通过第一相位校正器保持的光程差的视图；
图17示出了使用CD时，在二维平面中对应于将被校正的球面像差的光程差；
图18示出了在二维平面中，在第二相位校正器中产生的相位差视图，其中在第二相位校正器中形成一具有2阶梯结构的图案以能校正图17中所示的光程差(像差)；
图19是通过重叠图17和图18获得的光程差的一维区段的视图；
图20A是在DVD记录和/或重放过程中通过第二相位校正器保持的光程差的视图；
图20B是在HD-DVD记录和/或重放过程中通过第二相位校正器保持的光程差的视图。
具体实施方式
参考附图1，根据本发明的可兼容光拾取器包括一光学部件1，一物镜40，用于聚焦从光学部件1中发射出的短波长和长波长光束，并在高密光盘50a和低密光盘50b、50c上形成光点，一衍射装置15，用于衍射光学部件1发射的短波长光束，和一发散透镜17，用于通过折射从光学部件1射向物镜40的长波长光束，增加相对于低密光盘50b和50c中至少一个的工作距离。
该光学部件1发出一个适于高密光盘50a的短波长光束1a和长波长光束1b和1c中的至少一个，该长波长光束适于低密光盘50b和50c中的至少一种，以便能与高密光盘50a和低密光盘50b与50c中的至少一种兼容，执行记录和/或重放。该光学部件1接收高密光盘50a和低密光盘50b和50c反射的光束，以能检测信息信号和误差信号。
高密光盘50a的厚度比DVD的薄，例如，在下一代DVD家族中具有20GB或更大容量的光盘(下文称之为“HD-DVD”)。具有不同记录密度和厚度的第一和第二低密光盘50b和50c可设置为低密光盘50b和50c。当高密光盘50a是HD-DVD时，第一低密光盘是DVD家族(此下文称之为“DVD”)中的一种光盘，第二低密光盘50c是CD家族(此下文称之为“CD”)中一种光盘。
当根据本发明的可兼容光拾取器记录和/或重放三种具有不同记录密度的光盘，即高密光盘50a、第一和第二低密光盘50b和50c时，长波长光束1b和1c是具有适合于第一低密度光盘50b的波长λ1的第一长波长光束1b以及具有适合于第二低密度光盘50c的波长λ2的第二长波长光束1c。
当设置根据本发明的可兼容光拾取器记录和/重放CD、DVD和HD-DVD时，最好短波长光束1a的波长在蓝紫色波长区的一个范围内，例如，波长在400-410nm范围内，第一长波长光束1b波长在红色波长区的一个范围内，例如，波长为635或650nm，第二长波长光束1c的波长在一个红外区的范围中，例如，波长大约为780nm。
物镜40具有一个0.7或更大的NA，最好为0.85，以便能记录和/或重放高密光盘50a。该物镜40可具有不超过0.7mm的工作距离。这是因为在采用厚度大于高密光盘50a的第一和/或第二低密光盘50b和50c时，该工作距离会由于发散透镜17增加，这样就能防止物镜40与第一和第二低密光盘50b和50c发生碰撞。
光学部件1能够发出被垂直偏振的短波长光束1a和第一和第二长波长光束1b和1c。这里，例如，短波长光束1a具有一个P偏振极，而第一和第二长波长光束1b和1c具有一个S偏振极。
作为一种偏振型衍射装置，衍射装置15可包括一偏振全息装置，它能够衍射具有一偏振极的短波长光束1a，并能传输第一和第二长波长光束1b和1c，该光束具有与上述偏振极垂直的另一个偏振极。
正如公知，如果该全息装置是传输型的，就能够衍射具有特殊偏振极的光束，并能传输具有一个与上述偏振极垂直的偏振极的光束，同时不会衍射该光束。
在本发明的最佳实施例中，偏振全息装置最好是炫耀型，以便能够提高相对于第一衍射光束的衍射效率，该第一衍射光束用作短波长光束1a的有效光束。这里，炫耀型偏振全息装置与后面所述、图2所示的炫耀型非偏振全息装置具有相同的结构。该炫耀型偏振全息装置根据偏振的性质，可由具有不同折射率的各向异性的材料形成。
可选择地，衍射装置15是由多个相位延迟区而形成，提供上述相位延迟区以便能够仅对短波长光束产生相位变化，而不管入射光束的偏振。衍射装置15最好具有一种相位延迟区可周期性地重复从而仅衍射短波长光束1a的结构。这里，衍射装置15最好是一种炫耀型的装置，能够提高相应于短波长光束1a的第一衍射光束的光效率。
该相位延迟区的最佳设置是能使相应于第一和第二长波长光束1b和1c对应的一个相位延迟区和相邻相位延迟区之间的光程差大致为第一长波长光束1b的波长λ1和第二长波长光束1c的波长λ2的整数倍。
也就是说，假定第一和第二长波长光束1b和1c穿过衍射装置15的一个相位延迟区时的光程延迟量是i和i′，当第一和第二长波长光束1b和1c穿过衍射装置15的另一个相位延迟区时光程延迟量是j和j′，相邻相位延迟区之间的光程差最好满足下面的方程式3。
[方程式3]
(i-j)＝gλ1
(i′-j′)＝hλ2，
这里，g和h在整数±0.07范围内，最好是整数±0.05范围内的数值。
在此情况下，由于第一和第二长波长光束1b和1c能够透过衍射装置15而不会产生相位变化，第一和第二长波长光束1b和1c就不会被衍射。与此对比，相对于短波长光束1a相位变化就会在衍射装置15中产生，该相位延迟区由于其具有周期重复的结构能够衍射短波长光束1a。
在一个详细的最佳实施例中，作为一种非偏振型衍射装置，如图2所示，衍射装置15具有一种全息装置，该装置设有阶梯结构的图案，能使短波长光束1a被衍射，该图案至少在板型光介质的一侧周期性形成。图2表示炫耀型全息装置的一个实例，其中，衍射装置15具有4阶梯结构。在图2中，参考标号15a表示一种光介质部，如用于制造衍射装置15的玻璃，参考标号16表示空气部，在那里光介质被去除以形成具有阶梯结构图案。而且，参考字母d表示步长的尺寸。
这里，衍射装置15的图案的步长尺寸最好形成大致与满足方程式3条件的第一和第二长波长光束1b和1c的波长λ1和λ2的整数倍相对应的尺寸，其中第一和第二长波长光束1b和1c能够按照其原状被传输。这里图案的步长对应于上述相位延迟区。
对应于方程式3，衍射装置15的图案的步长尺寸d最好满足方程式4。
[方程式4]
(n11-n0′)d＝gλ1
(n22-n0＂)d＝hλ2，
这里，n11和n22分别是相对于波长λ1和λ2，第一和第二长波长光束1b和1c在形成衍射装置15的光介质中的折射率。n0′和n0＂分别是相对于波长λ1和λ2，第一和第二长波长光束1b和1c在空气部中的折射率。
图3是表示将M-LaC130-HOYA用作衍射装置15的光介质时，根据步长尺寸d，在第一长波长光束1b的波长λ1和第二长波长光束1c的波长λ2之间的光程差的曲线图。图3的曲线图是高密光盘50a和第一及第二低密光盘50b和50c分别为HD-DVD，DVD和CD时，短波长光束1a的波长λ为400nm，第一和第二长波长光束1b和1c的波长λ1和λ2分别为650nm和780nm时而获得的。这里，对于400nm，650nm，780nm的波长，M-LaC130-HOYA的折射率分别为1.715566，1.689858和1.684657。
参考图3，具有步长d为5.66μm的阶梯图案是通过使用M-LaC130-HOYA作为光介质而形成时，就能够相对于DVD，第一长波长光束1b的波长λ1产生一个接近于整数倍的0.007λ的光程差，相对于CD，第二长波长光束1c的波长λ2产生一个接近于整数倍的0.032λ的光程差，相对于HD-DVD，短波长光束1a的波长λ产生一个0.14λ的光程差。
因此，满足方程式4的衍射装置15能够通过用M-LaC130-HOYA作为光介质周期性形成具有步长d为5.66μm的多个阶梯的图案而获得。
偏振或非偏振衍射装置15，可从光栅方程中可知，由于相同序数的衍射光束的衍射角是随着入射光的波长增加而增加，焦距就会随着入射光的波长增加而减小。
因此，当设置了衍射装置15时，短波长光束1a的波长增加，这样物镜40的焦距增大而衍射装置15中的焦距减小。因此，焦距的增加和减小是可补偿的，从而能够降低由于对高密光盘50a在记录和/或重放模式转换过程中模式跳跃而产生的散焦。
而且，当设置了衍射装置15时，能够降低由于对光波长光束1a在记录和/或重放模式转换过程中模式跳跃而产生的散焦。长波长光束1b和1c能够继续传输而不会受到衍射装置15的影响。
发散透镜17能够设置在衍射装置15和物镜40之间的光路径上。发散透镜17折射从光学部件1向物镜40行进的第一和第二长波长光束1b和1c，以能作为发散光束照射在物镜40上。本发明人确信，当采用发散透镜17，将第二长波长光束1c通过具有0.85NA的物镜聚焦，且该透镜相对于高密光盘50a，即HD-DVD具有0.6mm的工作距离时，对第二低密光盘50c，即CD能够获得0.23mm的工作距离。这里，使用工作距离为0.6mm的物镜40时，相对于DVD来说就不会产生问题。
发散透镜17位于物镜40的入射光瞳侧时，即使是当具有正常工作距离(例如，为0.6mm)的物镜40用于HD-DVD时，不仅对DVD而且对CD也能够获得足够的工作距离。因此，在CD的记录和/或重放过程中，物镜40能够避免与光盘发生碰撞。
同时，在不设置发散透镜17时，通过衍射装置15衍射的短波长光束1a就作为会聚光束以一定衍射角入射在物镜40上。但是，发散透镜17位于物镜40的入射光瞳侧时，通过衍射装置15衍射的短波长光束1a就经过发散透镜17折射作为大致平行的光束入射在物镜40上。这是因为，如图1所示，入射在衍射装置15上的短波长光束1a是一种平行光束时，发散透镜17就补偿由衍射装置15作用在短波长光束1a上的光功率。
在本发明中，衍射装置15和发散透镜17最好相对于高密光盘50a的短波长光束1a几乎没有光功率。为此，衍射装置15和发散透镜17最好是与物镜40被整体驱动。即，衍射装置15和发散透镜17最好安装在调节器(未图示)的线轴上，而物镜也安装在其上。
根据本发明的可兼容光拾取器最好包括一波片19，用于提高高密光盘50a的短波长光束1a的效率。当波片19位于衍射装置15和物镜40之间时，如图1所示，波片19最好相对于短波长光束1a作为四分之一波片工作，而相对于第一和第二长波长光束1b和1c作为大约一半的波片工作。
这里，在偏振全息设置为衍射装置15时，波片19最好位于衍射装置15和物镜40之间，如图1所示。当非偏振衍射装置设置为衍射装置15时，如图8所示，将在下面描述，波片(图8的69)的位置可改变。
同时，在第一和第二低密光盘50b和50c与高密光盘50a具有不同厚度的情况下，通过用物镜40聚焦第一长波长光束1b将光点形成在第一低密光盘50b上时，由于高密光盘50a和第一低密光盘50b之间的厚度差就会产生球面像差。同样，通过用物镜40聚焦第二长波长光束1c将光点形成在第二低密光盘50c上时，由于高密光盘50a和第二低密光盘50c之间的厚度差就会产生球面像差。而且，当第一和第二长波长光束1b和1c经过物镜40聚焦时，由于来自短波长光束1a的波长差就会产生色差。
因此，高密光盘50a和第一及第二低密光盘50b和50c可被兼容地记录和/或重放时，根据本发明的可兼容光拾取器最好提供第一和第二相位校正器20和30，以能校正使用第一和第二低密光盘50b和50c时所产生的像差。
第一相位校正器20校正在第一低密光盘50b记录和/或重放过程中对第一长波长光束1b产生的球面相差和/或色差。第二相位校正器30校正在第二低密光盘50c记录和/或重放过程中对第二长波长光束1c产生的球面相差和/或色差。
第一相位校正器20具有多个相位延迟区，该多个相位延迟区的设置能够仅对第一长波长光束1b产生相位差，以能校正在第一低密光盘50b记录和/或重放过程中产生的像差。该多个相位延迟区最好设置成能使一个相位延迟区和相邻相位延迟区之间的光程差相对于短波长光束1a和第二长波长光束1c大致为短波长光束1a的波长λ和第二长波长光束1c的波长λ2的整数倍，如方程式5所示，通过一个与参考图2所描述的非偏振衍射装置15情况相似的原理，仅对具有特定波长的光束来产生相位差。
也就是说，假定当短波长光束1a和第二长波长光束1c穿过第一相位校正器20的一个相位延迟区时光程延迟量是a和a′，短波长光束1a和第二长波长光束1c穿过第一相位校正器20的另一个相位延迟区时光程延迟量是b和b′。相邻相位延迟区之间的光程差最好满足下面的方程式5。
[方程式5]
(a-b)＝1λ
(a′-b′)＝mλ2
这里，1和m在整数±0.07范围内，最好是整数±0.05范围内的数值。
在此情况下，第一相位校正器20相对于第一长波长光束1b产生相位变化，传输短波长光束1a和第二长波长光束1c而不会产生相位变化。
同样，第二相位校正器30具有多个相位延迟区，相位延迟区的设置能够仅对第二长波长光束1c产生相位差以能校正在第二低密光盘50c记录和/或重放过程中产生的像差。该多个相位延迟区最好设置成能使一个相位延迟区和相邻相位延迟区之间的光程差相对于短波长光束1a和第一长波长光束1b大致为短波长光束1a的波长λ和第一长波长光束1b的波长λ1的整数倍。也就是说，假定短波长光束1a和第一长波长光束1b穿过第二相位校正器30的一个相位延迟区时光程延迟量是c和c′，短波长光束1a和第一长波长光束1b穿过第二相位校正器30的另一个相位延迟区时光程延迟量是d和d′。相邻相位延迟区之间的光程差最好满足下面的方程式6。
[方程式6]
(c-d)＝pλ
(c′-d′)＝qλ1
这里，p和q在整数±0.07范围内，最好是整数±0.05范围内的数值。
在此情况下，第二相位校正器30相对于第二长波长光束1c产生相位变化，传输短波长光束1a和第一长波长光束1b而不会产生相位变化。
如图4所示，第一和第二相位校正器20和30可具有一种能产生相位差来校正采用第一和第二低密光盘50b和50c过程中产生的像差的结构，在该结构中，有阶梯的图案在板型光介质至少一侧形成。在图4中，参考标号21表示用于制造第一和第二相位校正器20和30的光介质部，如玻璃，参考标号23表示空气部，通过形成具有阶梯图案而去除光介质，参考字母s表示步长尺寸。
这里，为了满足方程式5和6的条件，每个第一和第二相位校正器20和30的图案步长尺寸最好能大致与两个波长的整数倍相对应，以便第一和第二相位校正器20和30能够仅对具有一个波长的光束产生相位差，并几乎按照它们的原状传输具有其它两个波长的光束。这里，图案的每个步长与上述相位延迟区相对应。
也就是说，第一相位校正器20的图案步长尺寸s1最好满足对应于方程式5的方程式7。
[方程式7]
(n-n0)s1＝1λ
(n2-n0＂)s1＝mλ2
这里，n和n2分别是形成第一相位校正器20的光介质中相对于波长λ和λ2的短波长光束1a和第二长波长光束1c的折射率。n0和n0＂分别是空气部中相对于波长λ和λ2的短波长光束1a和第二长波长光束1c的折射率。
而且，第二相位校正器30的图案步长尺寸s2最好满足对应于方程式6的方程式8。
[方程式8]
(n′-n0)s2＝pλ
(n1′-n0′)s2＝qλ1
这里，n′和n1′分别是相对于波长λ和λ1形成第二相位校正器30的光介质中短波长光束1a和第一长波长光束1b的折射率。n0和n0′分别是相对于波长λ和λ1空气部中短波长光束1a和第一长波长光束1b的折射率。
图5是表示将BK7用作第一相位校正器20的光介质时，根据步长s1的尺寸，用于HD-DVD的短波长光的波长λ和CD用的第二长波长光的波长λ2之间的光程差的曲线图。当高密度光盘50a和第一以及第二低密度光盘50b和50c分别是HD-DVD、DVD和CD，短波长光束1a的波长为400nm、第一以及第二长波长光束1b和1c的波长λ1、λ2分别为650nm和780nm时获得图5的曲线图。这里，作为玻璃的BK7的折射率相对于波长400nm、650nm、780nm分别为1.530849、1.514520和1.511183。
参考图5，当具有步长s1为1.5μm的图案通过使用BK7作为光介质形成时，就能够相对于HD-DVD的短波长光束1a的波长λ产生一个接近于0.99λ整数倍的光程差，相对于CD的第二长波长光束1c的波长λ2产生一个接近于整数倍的0.98λ2的光程差，相对于DVD的第一长波长光束1b的波长λ1产生一个0.20λ1的光程差。这里，对具有预定波长的光束，在相位校正器中形成的图案步长尺寸为整数倍意味着，当具有预定波长的光束穿过相位校正器时，不会产生与图案形状有关的相位差。
因此，满足方程式5和7的第一相位校正器20能够通过使用BK7作为光介质形成步长s1为1.5μm的图案而获得。
而且，当满足方程式8条件、具有阶梯结构的图案是在与第一相位校正器20相同的预定介质中形成时，能够获得第二相位校正器30，该第二相位矫正器30几乎按照其原状传输短波长光束1a和第一长波长光束1b，并仅对第二长波长光束1c产生相位差。下面将详细地描述第二相位校正器30的最佳实施例。
当满足方程式7、步长为s1的图案在第一相位校正器20中形成时，短波长光束1a和第二长波长光束1c几乎按照其原状穿过第一相位校正器20，但是根据图案形状的相位差就会在第一长波长光束1b穿过第一相位校正器20时，在第一长波长光束1b中产生。而且，当满足方程式8、步长为s2的图案在第二相位校正器30中形成时，短波长光束1a和第一长波长光束1b几乎按照其原状穿过第二相位校正器30，但是根据图案形状的相位差就会在第二长波长光束1c穿过第二相位校正器30时，在第二长波长光束1c中产生。
因此，根据本发明的可兼容光拾取器具有两种相位校正器，即第一和第二相位校正器20和30，将它们制造具有一图案步长，该步长与两个波长整数倍对应，仅在一个波长中产生相位差，当兼容采用具有不同厚度的三种类型的光盘50a，50b和50c时，该可兼容光拾取器能够充分地减少像差的产生。
再参考图1，根据本发明的光拾取器最好还包括第一孔径滤波器25，用于相对于第一长波长光束1b改变物镜40的有效NA，和第二孔径滤波器35，用于相对于第二长波长光束1c改变物镜40的有效NA。
第一和第二孔径滤波器25和35最好是波长选择涂层部件或全息衍射部件，在使入射在其中心部位上的光束按照其原状行进时，这些部件能够根据其波长通过有选择性地避免入射在外环部分25a和35a上的光束继续行进来改变物镜40的有效NA。
第一和第二孔径滤波器25和35可以这样形成，即环部25a和35a的内侧是开口的，如图1所示，最好分别与第一和第二相位校正器20和30一体形成。
第一孔径滤波器25的环部25a仅阻挡第一长波长光束1b，并按照其原状传输短波长光束1a和第二长波长光束1c。这里，第一孔径滤波器25的环部25a的内径最好形成为具有足够的尺寸，以能获得适于记录和/或重放第一低密光盘50b的物镜40的有效NA。例如，第一低密光盘50b是DVD时，第一孔径滤波器25的环部25a的内径最好形成为具有足够的尺寸，以能获得物镜40的有效NA为0.6。
第二孔径滤波器35的环部35a仅阻挡第二长波长光束1c，并按照其原状传输短波长光束1a和第一长波长光束1b。这里，第二孔径滤波器35的环部35a的内径最好形成为具有足够的尺寸，以能获得适于记录和/或重放第二低密光盘50c的物镜40的有效NA。例如，第二低密光盘50c是CD时，第二孔径滤波器35的环部35a的内径最好形成为具有足够的尺寸，以能获得物镜40的有效NA为0.45。
同时，图6表示一种根据本发明一最佳实施例的可兼容光拾取器的光学结构。参考图6，光学部件1包括一第一光源2，用于发出适于记录和/或重放高密光盘50a的具有波长λ的短波长光束1a，一第一光检测器13，用于接收和检测经过高密光盘50a反射过的光束，第一和第二光模块7和8，用于发出适于记录和/或重放第一和第二低密光盘50b和50c的具有波长λ1和λ2的第一和第二长波长光束1b和1c，和第一至第三光路变换器3，6和4，用于改变分别由第一光源2、第一及第二光模块7和8发出的短波长光束1a、第一及第二长波长光束1b和1c的行进路径。
当HD-DVD用在高密光盘50a中时，可将发出短波长光束1a、具有波长例如为400nm的蓝紫色半导体激光设置为第一光源2。
第一光模块7具有一种结构，其中，发出第一长波长光束1b的光源和接收经第一低密光盘50b反射的第一长波长光束1b的光检测器共同组合在一起。同样，第二光模块8具有一种结构，其中，发出第二长波长光束1c的光源和接收经第二低密光盘50c反射的第二长波长光束1c的光检测器共同组合在一起。第一和第二低密光盘50b和50c是DVD和CD时，发出第一长波长光束1b、具有波长例如为650nm的红色半导体激光和发出第二长波长光束1c、具有波长例如为780nm的红外半导体激光可分别设置为第一和第二光模块7和8中的光源。
这里，由于第一和第二光模块7和8的结构在本技术的有关领域中是众所周知的，在此将省略详细的说明和图解。
图6中所示的可兼容光拾取器具有一种与偏振全息装置设置为衍射装置15的情况相适应的光学结构。最好是，第一光源2发出例如为P偏振的短波长光束1a，第一和第二光模块7和8发出例如为S偏振的第一和第二长波长光束1b和1c。
一偏振光束分离器最好设置为第一光路变换器3，以能提高相对于短波长光束1a的光效率。将一光束分离器设置为第二光路变换器6，该光束分离器对S偏振的透射率和反射率之比为50:50，例如能以相同的比率传输和反射从第一和第二光模块7和8发出的第一和第二长波长光束1b和1c。将一光束分离器设置为第三光路变换器4，该光束分离器对短波长光束1a具有90％或更大的透射率，而相对于S偏振，例如第一和第二长波长光束1b和1c具有90％或更大的反射率。
同时，一用于聚焦从第一光源2、第一及第二光模块7和8发出的短波长光束1a、第一及第二长波长光束1b和1c，并将它们大致转换为平行光束的准直透镜5最好设置在第三光路变换器4和物镜40之间的光路径上。
当一偏振全息设置为衍射装置15时，如图6所示，波片19最好位于衍射装置15和物镜40之间。在本最佳实施例中，如前述的波片19相对于短波长光束1a可作为四分之一波片使用，相对长波长光束1b和1c可作为二分之一波片使用。
在此情况下，如图7A所示，其中图示的是短波长光束1a的偏振变化，从光学部件1发出的具有P偏振的短波长光束1a被偏振全息装置衍射，而短波长光束1a在经过高密光盘50a反射后被输入时，它就具有一个S偏振极，不会被偏振全息装置衍射。而且，如图7B和7C所示，其中图示的是第一和第二长波长光束1b和1c的偏振变化，由于第一和第二长波长光束1b和1c在它从光学部件1发出和经过第一和第二低密光盘50b和50c反射过后被输入的两种情况下具有S偏振极，它们就不会被偏振全息装置衍射。
同时，如图6所示，由于经过高密光盘50a反射和穿过衍射装置15的短波长光束1a不会被衍射装置15衍射，行进返回到准直透镜5的短波长光束1a就变为发散光束。该发散光束经过准直透镜5大致转换为一平行光束，并经过第三和第一光路变换器4和3，向第一光检测器13行进。这里，由于向第一光检测器13行进的短波长光束1a几乎是一种平行光束的形式，聚光平行光束的聚光透镜9最好设置在第一光路变换器3和第一光检测器13之间。而且，一传感透镜11最好设置在聚光透镜9和第一光检测器13之间。在本技术领域中公知，该传感透镜11沿光轴进行调节，以能匹配聚焦误差信号S曲线的零位置和高密光盘50a信息表面的位置。
图8表示一种根据本发明另一个最佳实施例的可兼容光学拾取器的光学结构。由于与图6中相同的参考标号表示具有相同或相似功能的相同部件，这里就将省略对其详细的说明。
参考图8，根据本发明另一个最佳实施例的可兼容电脑包括的衍射装置15，该装置能够有选择地衍射具有特定波长的光束，而不管偏振(参考图4和5所述)。在此情况下，与图6所示的情况不同，波片69不需要位于衍射装置15和物镜40之间。图8表示偏振光束分离器设置为第一光路变换器3，波片69设置在第一和第三光路变换器3和4之间以能提高相对于短波长光束1a的光效率的一种实例。这里，波片69相对于短波长光束1a最好是一种四分之一波片。
同时，设置一种能够有选择地仅衍射具有特定波长的光束而不管偏振的衍射装置15时，经过高密光盘50a反射的短波长光束1a在它穿过衍射装置15时被衍射。因此，经过高密光盘50a反射的短波长光束1a能够沿着与它从光学部件1发出的相同路径回返，以会聚光束的形式向第一光检测器13行进。因此，与图6中所示的情况不同，该聚光透镜不必设置在第一光路变换器3和第一光检测器13之间。
由于图6和8表示了根据本发明可兼容光拾取器的光学结构的实例，除了上述结构之外还可将各种光学结构用于根据本发明的可兼容光拾取器上。
此外，虽然图6和8表示的是设置了立体光束分离器型光路变换器的实例，但是本发明并不局限于此，对第一至第三光路变换器3、6、4的各种修改都是可适用的。
现在根据图6所示的光学结构，将说明根据本发明的可兼容光拾取器中的光束行进过程。
首先，采用高密光盘50a时，从第一光源2发出的P偏振短波长光束1a依次穿过第一和第三光路变换器3和4，通过准直透镜5转换为平行光束，从光学部件1输出。从光学部件1发出的P偏振的短波长光束1a通过衍射装置15衍射，经过发散透镜17转换为近于平行的光束，通过波片19变为圆偏振，继续向第一和第二相位校正器20和30行进。短波长光束1a按照其原状穿过第一和第二相位校正器20和30及第一和第二孔径滤波器25和35，经过物镜40聚焦，在高密光盘50a的记录表面形成光点。具有另一个正交圆偏振的短波长光束1a经过高密光盘50a反射，能够依次地穿过物镜50a和第一及第二相位校正器20和30，然后该偏振在它穿过波片19时改变为S偏振。S偏振的短波长光束1a入射在发散透镜17上，由此变为发散光束，按照其原状穿过衍射装置15而入射在光学部件1上。输入给光学部件1的短波长光束1a经过准直透镜5形成为近于平行的光束，穿过第三光路变换器4后输入给第一光路变换器。短波长光束1a经过第一光路变换器3反射，入射在聚光透镜9上，然后，经过聚光透镜9和传感透镜11聚焦而被第一光检测器13接收。
采用第一低密光盘50b时，从第一光模块7发出的、具有S偏振的第一长波长光束1b穿过第二光路变换器6，入射在第三光路变换器4上。第一长波长光束1b经过第三光路变换器4反射，入射在准直透镜5上，通过准直透镜5改变为近于平行的光束。S偏振的第一长波长光束1b按照其原状穿过衍射装置15，经过发散透镜17改变为发散光束。S偏振的第一长波长光束1b穿过波片19，在它穿过波片19时被大致改变为具有P偏振的光束，入射在第一相位校正器20上。对第一长波长光束1b产生相位差，以便第一相位校正器20能够校正球面像差和/或色差，第一长波长光束1b入射在第一孔径滤波器25上。第一长波长光束1b部分被第一孔径滤波器25阻挡，其向环部25a内侧继续行进的部分仅穿过第一孔径滤波器25，从而具有一种尺寸，以便获得适于记录和/或重放第一低密光盘50b的有效NA，例如为0.6。第一长波长光束1b按照其原状穿过第二相位校正器30和第二孔径滤波器35而入射在物镜40上，经过物镜40的聚焦在第一低密光盘50b的记录表面上形成光点。经过第一低密光盘50b反射的第一长波长光束1b在它穿过波片19时转换为S偏振光束，沿相反的路径返回至第一光模块7。
采用第二低密光盘50c时，从第二光模块8发出的具有S偏振的第二长波长光束1c依次地经过第二和第三光路变换器6和4反射，通过准直透镜5改变为近于平行的光束。S偏振的第二长波长光束1c按照其原状穿过衍射装置15，经过发散透镜17改变为发散光束。S偏振的第二长波长光束1c在穿过波片19时被大致改变为P偏振的光束，入射在第一相位校正器20上。第二长波长光束1c按照其原状穿过第一相位校正器20和第一孔径变换器25，入射在第二相位校正器30上。对第二长波长光束1c产生相位差，以便第二相位校正器30能够校正球面像差和/或色差。第二长波长光束1c部分被第二孔径滤波器35阻挡。向环部35a内侧继续行进的部分第二长波长光束1c穿过第二孔径滤波器35，它具有一种足够的尺寸，以能获得适于记录和/或重放第二低密光盘50c的有效NA，例如为0.45。第二长波长光束1c经过物镜40聚焦，以便在第二低密光盘50c的记录表面上形成光点。经过第二低密光盘50c反射的具有P偏振的第二长波长光束1c在它穿过波片19时转换为具有S偏振，沿相反的路径返回至第二光模块8。
现在将描述根据本发明的可兼容光拾取器的光学设计。
图9A至9C是表示图6和8中所示的可兼容光拾取器被分为有助于HD-DVD，DVD和CD的记录和/或重放的光学系统时，短波长光束1a，、第一及第二长波长光束1b和1c的光路径视图。表2表示设计实例，通过该例可获得图9a至9c的光路径。在表2中，短波长光束1a、第一及第二长波长光束1b和1c的波长分别为400nm，650nm和780nm。
[表2]
Figure C02151453D00271
在表2中，从上述可知，表面S2，S3，S13和S14的厚度/间距数据分别对应于HD-DVD，DVD和CD。表面S2和S3之间的厚度是相对于400nm的第一光源2窗口的厚度，和相对于650nm和780nm的第一和第二光模块7和8的透光件厚度。
在表2中，K表示非球面S2和S3的圆锥曲线常数，A，B，C，D，E，F，G，H和J表示非球面系数。当非球面顶点的深度是Z时，非球面S2和S3的方程式用方程式5表示。
[方程式5]
z = ch 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 h 2 + Ah 4 + B h 6 + C h 8 + D h 10 + Eh 12 + F h 14 + G h 16 + H h 18 + J h 20
这里，h表示光轴的高度，c表示曲率，A-J表示非球面系数。
在表2中，表面S10表示衍射装置(全息装置)15的衍射表面，C1代表指示功率的系数。全息装置的相位系数以旋转对称形的形式用方程式6表示。
[方程式6]
φ = 2 π λ 0 Σ n C n r 2 n
这里，φ、Cn、和r分别表示相位差，系数和极坐标，λ0表示光束在空气中的波长。
[表3]
Figure C02151453D00282
表3表示由玻璃材料形成、用作光介质的BK7-HOYA，M-BaCD5N-HOYA和M-LaC130-HOYA及作为光盘光介质的’CG’相对于在表2的设计实例中400nm，650nm和780nm波长的折射率，和入射在图9A至9C中物镜40上的波长为400nm的短波长光束1a，波长为650nm的第一长波长光束1b和波长为780nm的第二长波长光束1c的入射光瞳的直径。
在表2和表3的光学数据情况下，从图9A可知，对于厚度为0.1mm的HD-DVD可获得大约为0.6mm的工作距离。从图9B可知，对于厚度为0.6mm的DVD可获得大约为0.57mm的工作距离。而且，从图9C可知，对于厚度为1.2mm的CD可获得大约为0.23mm的工作距离。这里，在图9A至9C中，由于物镜的形状，通过从表2中所示、与HD-DVD，DVD和CD对应的物镜40的0.641810mm，0.61492mm和0.26732mm工作距离中减去0.04mm可获得与HD-DVD，DVD和CD对应的物镜40的0.6mm，0.57mm和0.23mm工作距离。
因此，可从表2，表3和图9A至9C中所示详细的最佳实施例中可知，由于根据本发明的可兼容光拾取器能够相对于第一和第二长波长光束1b和1c，通过发散透镜17增加工作距离，即使采用相对于高密光盘50a设计成具有不超过0.7mm的短工作距离的物镜40时，在采用厚度大于高密光盘50a的第二低密光盘50c时也能保证足够大的工作距离，以防止物镜40和第二低密光盘50c之间发生碰撞。
而且，当根据本发明的可兼容光拾取器具有光学数据如参考表2，表3和图9A至9C所述的最佳实施例，还具有衍射装置15时，从表4和图10A及10B中可知短波长光束1a的波长变化的像差能被显著地减少。
表4表示在波长没有变化的正常情况下，由于物镜40自身的散焦和像差量，还表示在波长通过模式跳跃(仅有OL)增加1nm时，由于物镜40自身的散焦和像差量，以及第一光源(LD：2)，准直透镜(CL：5)，衍射装置(例如衍射表面：15)和物镜(OL：40)都用于根据本发明的可兼容光拾取器(LD+CL+衍射表面+OL)中时的散焦和像差量。波长通过模式跳跃增加1nm时，图10A表示由于物镜40自身的色差，图10B表示第一光源2，准直透镜5，衍射装置15和物镜40都使用的情况下的色差。
[表4]
 
变化 仅有OL LD+CL+“衍射表面”+OL
色差(正常情况下) 0.0013λ 0.0060λ
色差(模式跳跃+1nm)(散焦) 0.1657λ(510nm) 0.0353λ(103nm)
从表4和图10A及10B中可知，在根据本发明的可兼容光拾取器中，设置衍射装置15时，可看出在根据模式跳跃的波长变化过程中像差量和散焦能被显著地减小。在表4中，在模式跳跃过程中相对于“LD+CL+衍射表面+OL”的像差量是0.0353λ。考虑到标准像差容差为0.035λ，大约为0.0353λ的像差量是可接受的。
表4表示考虑到实际使用条件，第一光源(LD：2)，准直透镜(CL：5)，衍射装置(衍射表面：15)和物镜(OL：40)都使用情况下(LD+CL+衍射表面+OL)的像差和散焦量。
这里，在“衍射表面+OL”耦合过程中的像差和散焦量可在下面查阅，可以看见在本发明中设置衍射装置15时的像差和散焦的变化。在标准状态下“衍射表面+OL”像差为0.00651λ，波长由于模式跳跃增加1nm时像差量和散焦分别为0.02171λ和56nm。
参考表5，采用HD-DVD，DVD和CD时，具有表2设计数据的物镜相对于短波长光束1a，和第一及第二长波长光束1b和1c的焦距分别大约为2.286mm，2.359mm和2.375mm，物镜40相对于短波长光束1a，和第一及第二长波长光束1b和1c的有效直径(NA)大约为3.9mm(NA＝0.85)，2.8mm(NA＝0.60)和2.1mm(NA＝0.45)。
[表5]
 
HD-DVD DVD CD
波长 400nm(λ1) 650nm(λ2) 780nm(λ3)
光盘的厚度 0.1mm 0.6mm 1.2mm
物镜的焦距 2.286 2.359 2.375
物镜的有效直径(NA) 3.9mm(0.85) 2.8mm(0.60) 2.1mm(0.45)
OPDrms 0.00λ 0.30λ1 0.18λ2
如表5所示，在用表2设计数据制造的物镜40可兼容地用于DVD和CD时产生的像差尺寸(OPDrms)中，在物镜40通过聚焦具有400nm波长的短波长光束1a在厚度为0.1mm的HD-DVD50a上形成光点时几乎不会产生像差。与此相比，物镜40通过聚焦具有650nm波长的第一长波长光束1b在厚度为0.6mm的DVD50b上形成光点时，就会产生0.30λ1的像差。物镜40通过聚焦具有780nm波长的第二长波长光束1c在厚度为1.2mm的CD50c上形成光点时，就会产生0.18λ2的像差。即，物镜40可兼容用于DVD和CD时，球面像差部分是通过由发散透镜17的作用产生的发散光束来校正，但是远超过通常承认的可容许像差值0.0351λ的像差仍然会在光拾取器中产生。
但是，第一和第二相位校正器20和30位于物镜40的入射光瞳侧时，如下所述在可兼容使用DVD和CD过程中产生的像差能被显著地减小。
下面将说明能够用于根据本发明的可兼容光拾取器的第一和第二相位校正器20和30的最佳实施例，和通过使用第一和第二相位校正器20和30显著地减小可兼容使用DVD和CD的过程中产生像差的效果。对于其中短波长光束1a、第一及第二长波长光束1b和1c的波长λ，λ1和λ2分别为400nm，650nm和780nm的情况下，对第一和第二相位校正器20和30的最佳实施例进行了说明。
表6表示第一和第二相位校正器20和30的最佳实施例以及使用第一和第二相位校正器20和30时的剩余像差。图11是表示在FCD1用作第一相位校正器20的光介质时，根据步长尺寸s1对HD-DVD的短波长光束1a的波长λ和CD的第二长波长光束1c的波长λ2产生的光程差的曲线图。图12是表示在M-NbFD83用作第二相位校正器30的光介质时，根据步长尺寸s2对HD-DVD的短波长光束1a的波长λ和DVD的第一长波长光束1b的波长λ1产生的光程差的曲线图。表6和图11及12的曲线图是在HD-DVD的短波长光束1a的波长λ为400nm，CD的第二长波长光束1c的波长λ2为780nm，和DVD的第一长波长光束1b的波长λ1为650nm时获得的。
[表6]
Figure C02151453D00311
参考表6和图11，当FCD1用作第一相位校正器20并且步长尺寸S1为1.57μm时，就能够相对于HD-DVD的短波长光束1a的波长λ产生一个接近于整数倍的0.99λ的光程差，相对于CD的第二长波长光束1c的波长λ2产生一个接近于整数倍的0.99λ2的光程差，相对于DVD的第一长波长光束1b的波长λ1产生一个0.20λ1的光程差。
当FCD1用作第一相位校正器20的光介质，并且步长的尺寸S1为1.57μm，图案具有5个阶梯结构时，HD-DVD的短波长光束1a和CD的第二长波长光束1c穿过第一相位校正器20时几乎不会产生相位差。但是，DVD的第一长波长光束1b穿过第一相位校正器20时产生相位差。因此，通过在第一相位校正器20中形成图案以产生能够补偿DVD的第一长波长光束1b像差的相位差，就能够校正DVD的第一长波长光束1b的像差。
参考表6和图12，当M-NbFD83用作第二相位校正器30，并且步长尺寸S2为3.2μm时，就能够相对于HD-DVD的短波长光束1a的波长λ产生一个接近于整数倍的0.99λ的光程差，相对于DVD的第一长波长光束1b的波长λ1产生一个接近于整数倍的0.00λ1的光程差，相对于CD的第二长波长光束1c的波长λ2产生一个0.29λ2的光程差。
当M-NbFD83用作第二相位校正器30的光介质，并且步长的深度S2为3.2μm，图案具有2个阶梯结构时，HD-DVD的短波长光束1a和DVD的第一长波长光束1b穿过第二相位校正器30时几乎不会产生相位差。但是，CD的第二长波长光束1c穿过第二相位校正器30时产生相位差。因此，通过在第二相位校正器30中形成图案以产生能够补偿CD的第二长波长光束1c像差的相位差，就能够校正CD的第二长波长光束1c的像差。
图13示出在二维平面中，当使用DVD时，采用了对应于将被校正的球面像差的光程差。图14示出在二维平面中，在第一相位校正器20中产生的相位差，其中在第一相位校正器20中形成一具有5阶梯结构的图案，以能校正图13中所示的光程差(像差)。图15示出了通过重叠图13和图14获得的光程差的一维区段的视图。图13和15中所示的被校正的光程差与对应于采用DVD时产生像差的光程差相反。图15中的水平轴与图13和14的水平轴具有相同的刻度，而垂直轴表示波长单位的光程差。
从图15可知，根据本发明的第一相位校正器20，采用DVD时产生的像差能被充分地校正。
这里，在第一相位校正器20中形成的图案步长S1的尺寸在上述误差范围内稍微不同于HD-DVD短波长光束1a波长λ的整数倍和CD第二长波长光束1c波长λ2的整数倍。因此，如图16A所示，在CD的记录和/或重放过程中由第一相位校正器20得到的光程差可保持。而且，如图16B所示，在HD-DVD的记录和/或重放过程中通过第一相位校正器20得到的光程差可保持。如图16A和16B所示，虽然相对于短波长光束1a和第二长波长光束1c由第一相位校正器20得到的光程差可保持，但是从表6中可知，由于剩余光程差的像差量远小于0.035λ，这也是充分允许的。这里，图16A和16B是水平轴与图15的水平轴具有相同的刻度，而垂直轴表示波长单位的光程差。
图17示出在二维平面中，使用CD时，对应于将被校正的球面像差光程差，图18示出在二维平面中，在第二相位校正器30中产生的相位差，其中在第二相位校正器30中形成一具有2阶梯结构的图案，以能校正图17中所示的光程差(像差)。图19是表示通过重叠图17和图18获得的光程差的一维区段的视图。图19中的水平轴与图17和18的水平轴具有相同的刻度，而垂直轴表示波长单位的光程差。
从图19可知，根据本发明的第二相位校正器30，采用CD时产生的像差能被充分地校正。
这里，与第一相位校正器20的情况相同，在第二相位校正器30中形成的图案步长S2的尺寸在上述误差范围内稍微不同于HD-DVD短波长光束1a波长λ的整数倍和DVD第一长波长光束1b波长λ1的整数倍。因此，如图20A所示，在DVD的记录和/或重放过程中通过第二相位校正器30得到的光程差可保持。而且，如图20B所示，在HD-DVD的记录和/或重放过程中通过第二相位校正器30得到的光程差可保持。如图20A和20B所示，虽然相对于短波长光束1a和第一长波长光束1b通过第二相位校正器30得到的光程差可保持，但是从表6中可知，由于剩余光程差的像差量处在容差的范围内，这也是充分允许的。这里，图20A和20B是水平轴与图19的水平轴具有相同的刻度，而垂直轴表示波长单位的光程差。
虽然参考图2和4将衍射装置15的阶梯图案、第一及第二相位校正器20和30说明和图解成具有物理的阶梯结构，但是根据本发明的衍射装置15、第一及第二相位校正器20和30能够形成具有一个折射率变化的结构以便对应于该物理的阶梯结构产生一个相位差。
例如，可将被制造和驱动以满足方程式5和6条件的LCD屏设置为第一和第二相位校正器20和30，该LCD屏能够对一具有特定波长的光束实现相位校正功能，并能够几乎按照原状传输具有其它两种波长的光束。
在上述说明中，说明和图解的是一种根据本发明的可兼容光拾取器，该拾取器能够可兼容地使用高密光盘50a、第一及第二低密光盘50b和50c。但是，本发明并不局限于此。例如，根据本发明的可兼容光拾取器可设置成兼容使用高密光盘50a和第一低密光盘50b。在此情况下，当形成衍射装置的光介质相对于第一长波长光束1b的波长λ1的折射率是n11时，非偏振衍射装置的图案步长最好形成相对于第一长波长光束1b的波长λ1能够满足(n11-n0’)d＝gλ1。这里，g是整数±0.07范围中的数值，n0’是空气部相对于波长λ1的折射率。
由于根据本发明可兼容使用两种不同格式光盘的可兼容光拾取器的光学结构能够通过适当地改变光学结构而获得，在此将省略其详细的描述。
本发明人确信使用上述光学材料(光介质)的指示可从HOYA印制的目录中按照其原状进行复制。
如上所述，在根据本发明的可兼容光拾取器中，由于设置了衍射装置，就能够减小由于模式跳跃产生的短波长光束的散焦。由于物镜设置在上述可兼容光拾取器中，就能够保证一个足够的工作距离，以便物镜相对于长波长光源发出的长波长光束，不会与低密光盘发生碰撞。
而且，当高密光盘、第一及第二低密光盘，如HD-DVD，DVD和CD通过使用具有不同波长的三种光束可被兼容记录和/或重放时，由于根据本发明的可兼容光拾取器包括一对用于相对于一具有特定波长的光束产生相位差，并能按照其原状传输具有其它两种波长光束的相位校正器，就能够充分校正第一和第二低密光盘在记录和/或重放过程中产生的像差。

Claims (20)

1.一种可兼容的光拾取器，它包括：
一光学部件，用于发出一个适于高密光盘的短波长光束和至少一个适于至少一种低密光盘的长波长光束，和用于接收和检测高密光盘和低密光盘反射的光束，
一物镜，用于通过聚焦入射的短波长和长波长光束，在高密光盘和低密光盘上形成光点，
一衍射装置，用于通过衍射光学部件输出的短波长光束，校正由于短波长光束的波长变化引起的色差，
一发散透镜，用于通过折射从光学部件输出并经过衍射装置的长波长光束，从而相对于至少一种低密光盘增加工作距离，
其中所述低密光盘包括第一低密光盘，所述至少一个长波长光束包括适于第一低密光盘的、波长为λ1的第一长波长光束，所述衍射装置是一种形成有阶梯结构图案的全息装置，当形成全息装置的光介质的折射率相对于第一长波长光束的波长λ1为n11时，图案的步长尺寸d满足下面的方程式：
(n11-n0′)d＝gλ1，
其中g是整数±0.07范围中的数值，n0′是相对于波长λ1的空气部分的折射率。
2.如权利要求1所述的可兼容光拾取器，其中，短波长和长波长光束相互正交偏振，衍射装置是一种偏振全息装置，它衍射具有一个偏振极的短波长光束，并按照其原状传输具有一个与短波长光束正交的不同偏振极的长波长光束。
3.如权利要求2所述的可兼容光拾取器，其中，偏振全息装置是一种炫耀型装置，从而能够提高短波长光束的第一衍射光束的衍射效率。
4.如权利要求1所述的可兼容光拾取器，其中，低密光盘还包括与第一低密光盘相比具有不同记录密度和厚度的第二低密光盘，长波长光束还包括适于第二低密光盘的、波长为λ2的第二长波长光束，当形成全息装置的光介质的折射率相对于第二长波长光束的波长λ2为n22时，图案的步长尺寸d满足下面的方程式：
(n22-n0＂)d＝hλ2，
这里h是整数±0.07范围中的数值，n0＂是相对于波长λ2的空气部分的折射率。
5.如权利要求4所述的可兼容光拾取器，其中，第一和第二低密光盘分别为DVD家族和CD家族。
6.如权利要求5所述的可兼容光拾取器，其中，高密光盘的厚度比第一低密光盘的厚度薄。
7.如权利要求6所述的可兼容光拾取器，其中，高密光盘的厚度为0.1mm。
8.如权利要求6所述的可兼容光拾取器，其中，适于高密光盘的物镜的NA为0.7或更大。
9.如权利要求8所述的可兼容光拾取器，其中，物镜的工作距离不超过0.7mm。
10.如权利要求8所述的可兼容光拾取器，其中，物镜的NA为0.85。
11.如权利要求4所述的可兼容光拾取器，其中，还包括设置在所述衍射装置和物镜之间的第一和第二相位校正器，用于通过相对于第一和第二长波长光束产生相位差，来校正采用第一和第二低密光盘时所产生的像差，
其中，每个第一和第二相位校正器具有多个相位延迟区，当具有波长为λ的短波长光束和具有波长为λ2的第二长波长光束穿过第一相位校正器的一个相位延迟区时，光程的延迟量是a和a′，当短波长光束和第二长波长光束穿过与一个相位延迟区相邻的第一相位校正器的其它相位延迟区时，光程的延迟量是b和b′，第一相位校正器满足下面的方程式：
(a-b)＝1λ，和
(a′-b′)＝mλ2，
这里，1和m是整数±0.07范围中的数值，并且
当具有波长为λ的短波长光束和具有波长为λ1的第一长波长光束穿过第二相位校正器的一个相位延迟区时，光程的延迟量分别是c和c′，当短波长光束和第一长波长光束穿过与一个相位延迟区相邻的第二相位校正器的其它相位延迟区时，光程的延迟量分别是d和d′，第二相位校正器满足下面的方程式：
(c-d)＝pλ，和
(c′-d′)＝qλ1，
这里，p和q是整数±0.07范围中的数值，
其中，具有阶梯结构的图案形成在第一相位校正器中，图案的步长对应于相应的相位延迟区，当形成第一相位校正器的光介质相对于波长λ和λ2的折射率分别是n和n2时，图案的步长尺寸s1满足下面的方程式：
(n-n0)s1＝1λ，和
(n2-n0＂)s1＝mλ2，
这里，n0和n0＂分别是空气部分相对于波长λ和λ2的折射率，
并且其中，具有阶梯结构的图案形成在第二相位校正器中，图案的步长对应于相应的相位延迟区，当形成第二相位校正器的光介质相对于波长λ和λ1的折射率分别是n′和n1′时，图案的步长尺寸s2满足下面的方程式：
(n′-n0)s2＝pλ，和
(n1′-n0′)s2＝qλ1，
这里，n0和n0′分别是空气部分相对于波长λ和λ1的折射率。
12.如权利要求4或11所述的可兼容光拾取器，其中，还包括一孔径滤波器，用于相对于适于记录和/或重放第一和第二低密光盘中的一个的第一和第二长波长光束中的一个，来改变物镜的有效NA，
其中，该孔径滤波器是波长选择涂层部件和全息衍射部件中的一种，波长选择涂层部件和全息衍射部件的形成能够允许在孔径滤波器中心部位入射的光束按其原状继续前行，还能够根据入射光束的波长有选择地阻挡从中心部位的外侧入射的光束。
13.如权利要求12所述的可兼容光拾取器，其中，该孔径滤波器与第一和第二相位校正器中的一个一体形成。
14.如权利要求4所述的可兼容光拾取器，其中，短波长光束位于蓝紫色波长区，第一长波长光束位于红色波长区，第二长波长光束位于红外波长区。
15.如权利要求14所述的可兼容光拾取器，其中，λ的范围为400-410nm，λ1为635nm和650nm中的一个，λ2为780nm。
16.如权利要求4所述的可兼容光拾取器，其中，炫耀型图案在全息装置中形成。
17.如权利要求1或4所述的可兼容光拾取器，其中，当从光学部件输出并入射在衍射装置上的短波长光束是一种平行光束时，发散透镜补偿由衍射装置施加在短波长光束上的光功率，使平行的短波长光束入射在物镜上。
18.如权利要求17所述的可兼容光拾取器，其中，衍射装置和发散透镜与物镜一起被整体驱动。
19.如权利要求1至3中任一所述的可兼容光拾取器，其中，还包括一个位于衍射装置和物镜之间、能够相对于短波长光束提高光效率的波片。
20.如权利要求19所述的可兼容光拾取器，其中，该波片相对于短波长光束实现四分之一波片的功能，相对于长波长光束实现二分之一波片的功能。
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