CN100592396C - 光学记录载体扫描设备 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描设备，其用于扫描具有位于该载体内不同信息层深度的信息层的光学记录载体，该光学记录载体包括具有位于第一信息层深度d₁的信息层(2’)的第一光学记录载体(3’)，具有位于第二信息层深度d₂的信息层(2”)的第二光学记录载体(3”)，以及具有位于第三信息层深度d₃的信息层(2”’)的第三光学记录载体(3”’)，其中d₃＜d₂＜d₁。该扫描设备包括用于生成第一、第二和第三辐射光束(4’；4”；4”’)以分别扫描所述第一、第二和第三记录载体(3’；3”；3”’)的辐射光源系统(7)，该设备包括将第一、第二和第三不同的波前修正分别引入第一、第二和第三辐射光束的至少部分中的衍射结构(48)。该衍射结构设置为对于第一、第二和第三辐射光束分别以选定的衍射级m₁、m₂和m₃工作，并且其特征在于将该衍射结构(48)设置为使得满足以下关系式：公式(I)-1＜((m₃-m₂)/(m₂-m₁))-((d₃-d₂)/(d₂-d₁))＜1 (I)。

Description

光学记录载体扫描设备

技术领域

本发明涉及一种光学扫描设备，其用于扫描具有位于不同信息层深度的信息层的光学记录载体。

背景技术

目前，利用光学记录载体的数据存储领域是一个重点研究的技术领域。现有的许多光学记录载体格式包括紧致盘(CD)、常规的数字通用盘(DVD)和蓝光盘(BD)。这些格式可以不同的类型来获得，包括只读类型(CD-ROM/DVD-ROW/BD-ROM)、可刻录类型(CD-R/DVD-R/BD-R)、可重写类型(CD-RW/DVD-RW/BD-RE)和音频类型(CD-A)。为了扫描不同格式的光学记录载体，必须使用具有不同波长的辐射光束。用于扫描CD的波长约为780nm，用于扫描DVD的波长约为650nm，用于扫描BD的波长约为405nm。

不同格式的光盘能够存储不同的最大数据量。该最大量与扫描该盘所必须的辐射光束的波长和物镜的数值孔径(NA)有关。扫描可以包括在盘上读取和/或写入数据。

光盘上的数据存储在信息层上。该盘的信息层受到具有预定厚度的覆盖层的保护。不同格式的光盘具有不同厚度的覆盖层，例如CD的覆盖层厚度约为1.2mm，DVD的覆盖层厚度约为0.6mm，而BD的覆盖层厚度约为0.1mm。当扫描某种格式的光盘时，辐射光束聚焦为信息层上的点。随着该辐射光束通过该盘的覆盖层，在辐射光束中引起了球差。所引起的球差量取决于覆盖层的厚度和辐射光束的波长。在到达该盘的覆盖层之前，辐射光束必须已经具有一定球差，使得与覆盖层引起的球差相结合，从而使该辐射光束能够正确地聚焦在该盘的信息层上。为了扫描具有不同覆盖层厚度的不同盘，该辐射光束必须在到达覆盖层之前具有不同的球差。这样，确保了辐射光束在信息层上的正确聚焦。

希望具有一种能够扫描许多不同格式的盘(例如CD、DVD和BD)的光学设备。这种设备通常较难以设计。这一部分是因为不同的覆盖层厚度需要适当的辐射光束在到达覆盖层之前具有不同的球差。这种多种光盘格式扫描设备通常包括许多不同光学元件的组件，这些光学元件分别仅是为了扫描一种光盘而特定的。从而通常使这种设备比较复杂，而且因此体积大且昂贵。

国际专利申请WO03/060891描述了一种光学扫描设备，其用于分别利用三种不同辐射光束来扫描三种不同光学记录载体的信息层。每种辐射光束具有偏振和不同波长。该设备包括具有衍射部分的物镜，该衍射部分包含双折射材料。该衍射部分使辐射光束衍射，使得具有最短波长的光束引起了对于该最短波长而言基本上为0的相变模2π。该衍射部分使其它辐射光束中的至少一个衍射为正第1级。

国际专利申请WO03/060892描述了一种光学扫描设备，其用于分别利用三种不同辐射光束来扫描三种不同光学记录载体的信息层。每种辐射光束具有偏振和不同波长。该设备包括物镜和用于补偿一种或两种辐射光束的波前像差的相位结构。该相位结构包括双折射材料并且具有非周期性台阶轮廓。

美国专利US6687037描述了一种光学扫描设备，其用于利用两种不同波长的辐射光束来扫描光学记录载体。该设备包括物镜和具有台阶轮廓的衍射元件，该衍射元件近似闪耀衍射光栅。该衍射元件为最短波长的辐射光束选择第0衍射级，并且为其它辐射光束选择第1级。

国际专利申请WO02/41307描述了一种用于光学扫描设备中的透镜系统。在该系统中，将辐射光束用于扫描光学记录载体的信息层。该系统的透镜既具有衍射光栅，又具有相位结构，该相位结构具有非周期性台阶轮廓。该透镜减少了透镜系统对于辐射光束波长变化和环境温度变化的敏感度。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效的光学扫描设备，其用于利用不同波长的辐射光束来扫描具有至少三种不同信息层深度的光学记录载体。

根据本发明的一个方面，提供了一种光学扫描设备，其用于扫描具有位于该光学记录载体内不同信息层深度的信息层的光学记录载体，该光学记录载体包括具有位于第一信息层深度d₁的信息层的第一光学记录载体，具有位于第二信息层深度d₂的信息层的第二光学记录载体，以及具有位于第三信息层深度d₃的信息层的第三光学记录载体，其中d₃＜d₂＜d₁，该扫描设备包括用于生成第一、第二和第三辐射光束以分别扫描所述第一、第二和第三记录载体的辐射光源系统，该设备包括将第一、第二和第三不同的波前修正分别引入第一、第二和第三辐射光束的至少部分中的衍射结构，该衍射结构设置为对于第一、第二和第三辐射光束分别以选定的衍射级m₁、m₂和m₃工作，其特征在于该衍射结构设置为满足以下关系：

$-1<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<1$

以及所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

通过依照上述关系设置该衍射结构，提供了一种能够利用不同波长的辐射光束有效地扫描第一、第二和第三光学记录载体的信息层的光学扫描设备。

与用于扫描三种不同光盘格式的现有技术的光学扫描设备不同，本发明的衍射结构不需要由双折射材料制造。这样就提供了比较简单而且相对低成本的光学扫描设备制造。

辐射光束中的一个或多个不必具有预定的偏振。这样有助于制造的简易性和较低成本。此外，利用不需要辐射光束的偏振来扫描不同光学记录载体的光学扫描设备，可以将辐射光束的偏振用于不同特征的光学扫描设备中。因此该光学扫描设备具有更多的设计自由度。

优选的是，该光学扫描设备包括设置为将非衍射适应成分引入每个辐射光束中的适应结构，其中该非衍射适应成分设置为至少部分地补偿球差。

优选的是，该光学扫描设备具有光轴并且包括设置为将非周期性相位成分引入每个辐射光束中的非周期性相位结构，其中所述非周期性相位结构包括围绕所述光轴同心设置并且具有非周期性轮廓的多个径向区域。

利用设置为将非周期性相位成分引入每个辐射光束而不是仅引入某些辐射光束中的非周期性相位结构，该光学扫描设备的设计进一步简化。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将第一、第二和第三不同的波前修正分别引入第一、第二和第三辐射光束的至少部分中的光学系统，每个所述的辐射光束具有不同的预定波长，所述第三辐射光束的波长小于所述第一和所述第二辐射光束的波长，其中所述光学系统包括轮廓按照台阶状变化的衍射结构，其设置为在所述波前修正中提供选定的衍射成分，所述第一波前修正的该选定衍射成分为非0级衍射成分，其特征在于：

i)该衍射结构设置为使得所述第三波前修正的选定衍射成分是非0级衍射成分；以及

ii)该衍射结构的轮廓的台阶设置为将每一个相变模2π引入所述第二辐射光束相变中，每个相变基本上等于每个其它相变；

iii)以及所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

对于第二辐射光束而言，通过计算衍射结构所有台阶上相变的平均值，能够确定平均相变值模2π。每个相变与平均相变值模2π之差基本上为0。应当理解，优选的是，每个差的值小于0.2(2π)，更优选的是该差的值小于0.1(2π)，再优选的是该差的值小于0.05(2π)。按照这种方式，该衍射结构设置为该衍射结构对于第二辐射光束基本上为“不可见的”。

典型的是，在已知的适合利用具有台阶轮廓的衍射结构与多种不同波长的光束一起使用的光学系统中，该光学系统设计为对于最短波长的光束而言是最优的，并且使得衍射结构对于最短波长的光束基本上为“不可见的”，这是因为在该波长时适用最严格的公差。然而，在本发明中不是这种情况，并且在本发明的实施例中，仍然提供了一种有效的衍射结构，其具有较简单的设计并因此较容易制造。这样就提供了一种比较有效且成本较低的光学扫描设备。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将第一、第二和第三不同的波前修正分别引入第一、第二和第三辐射光束的至少部分中的光学系统，每种所述辐射光束具有不同的预定波长，所述第三辐射光束的波长小于所述第一辐射光束和所述第二辐射光束的波长，其中所述光学系统包括轮廓按照台阶状变化的衍射结构，其设置为在所述波前修正中提供选定的衍射成分，所述第一波前修正的该选定衍射成分为非0级衍射成分，其特征在于：

i)该衍射结构设置为使得所述第三波前修正的选定衍射成分是非0级衍射成分；以及

ii)该衍射结构的轮廓的台阶设置为使得所述第二波前修正的选定衍射成分为0级的不同成分；

iii)以及所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

典型的是，在已知的适合利用具有台阶轮廓的衍射结构与多种不同波长的光束一起使用的光学系统中，该光学系统设计为对于最短波长的光束而言是最优的，并且使得衍射结构对于最短波长的光束基本上为“不可见的”，并且因此0级的衍射成分用于最短波长，这是因为在该波长时适用最严格的公差。然而，在本发明中不是这种情况，并且在本发明的实施例中，仍然提供了一种有效的衍射结构，其具有较简单的设计并因此较容易制造。这样就提供了一种比较有效且成本较低的光学扫描设备。

根据以下参照附图对仅作为举例的本发明优选实施例的描述，将理解本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1示意表示了根据本发明实施例的光学扫描设备；

图2示意表示了根据本发明实施例的光学扫描设备的光学系统；

图3示意表示了根据本发明实施例的适应结构；

图4示意表示了根据本发明实施例的衍射结构；

图5表示了根据本发明实施例的衍射结构的相位函数的曲线图；

图6示意表示了由根据本发明实施例的衍射结构对不同辐射光束提供的相位延迟；

图7、8和9分别表示了由根据本发明实施例的光学系统的结构为部分不同辐射光束提供的波前像差；

图10示意表示了根据本发明实施例的与非周期性相位结构相结合的适应结构的轮廓；

图11示意表示了根据本发明实施例的与非周期性相位结构相结合的、与衍射结构相结合的适应结构的轮廓；

图12、13和14分别表示了由根据本发明实施例的光学系统的结构为部分不同辐射光束提供的波前像差；

图15、16和17分别表示了由根据本发明实施例的光学系统的元件提供的不同辐射光束的波前像差。

具体实施方式

图1示意表示了利用第一、第二和第三不同的辐射光束分别扫描第一、第二和第三光学记录载体的光学扫描设备。表示了第一光学记录载体3’，其具有利用第一辐射光束4’进行扫描的第一信息层2’。该第一光学记录载体3’包括覆盖层5’，在其一侧上设置了第一信息层2’。该信息层面向离开覆盖层5’的一侧受到保护层6’的保护以免受环境的影响。该覆盖层5’通过为第一信息层2’提供机械支撑而起到第一光学记录载体3’的衬底的作用。可选的是，该覆盖层5’可以仅具有保护第一信息层2’的作用，而由位于第一信息层2’另一侧的层、例如由保护层6’或者与最上面的信息层相连的附加信息层和覆盖层来提供机械支撑。该第一信息层2’具有对应于覆盖层5’厚度的第一信息层深度d₁。该第二和第三光学记录载体3”、3”’分别具有分别对应于第二和第三光学记录载体3”、3”’的覆盖层5”、5”’厚度的第二和第三不同的信息层深度d₂、d₃。第三信息层深度d₃小于第二信息层深度d₂，而第二信息层深度d₂小于第一信息层深度d₁，即d₃＜d₂＜d₁。第一信息层2’为第一光学记录载体3’的表面。类似的是第二和第三信息层2”、2”’为第二和第三光学记录载体3”、3”’的表面。该表面包含至少一个轨道，即聚焦辐射的光点所遵循的路径，在该路径上设置了表示信息的可光学读取的标记。该标记可以是例如信息坑的形式，或者反射系数或磁化方向与其周围不同的区域的形式。如果第一光学记录载体3’具有盘的形状，则相对于给定轨道定义了以下内容：“径向方向”是轨道与盘中心之间的基准轴、X轴的方向，“切向方向”是沿轨道切线方向并且垂直于X轴的另一条轴、Y轴的方向。在本实施例中，第一光学记录载体3’是紧致盘(CD)，并且第一信息层深度d₁约为1.2mm，第二光学记录载体3”是常规的数字通用盘(DVD)，并且第二信息层深度d₂约为0.6mm，第三光学记录载体3”’是蓝光^TM盘(BD)，并且第三信息层深度d₃约为0.1mm。

如图1所示，该光学扫描设备1具有光轴OA，并且包括辐射光源系统7、准直透镜18、分束器9、光学系统8和探测系统10。此外，该光学扫描设备1包括伺服电路11、聚焦致动器12、径向致动器13和用于错误校正的信息处理单元14。

该辐射光源系统7设置为连续地或者同时地生成第一辐射光束4’、第二辐射光束4”和/或第三不同的辐射光束4”’(图1中未示出)。例如，辐射光源7可以包括用于连续地提供辐射光束4’、4”、4”’的可调谐半导体激光器，或者用于同时地或连续地提供这些辐射光束的三个半导体激光器。第一辐射光束4’具有第一预定波长λ₁，第二辐射光束4”具有第二不同的预定波长λ₂，以及第三辐射光束4”’具有第三不同的预定波长λ₃。在本实施例中，该第三波长λ₃小于第二波长λ₂。第二波长λ₂小于第一波长λ₁。在本实施例中，第一、第二和第三波长λ₁、λ₂、λ₃分别位于λ₁约为770到810nm、λ₂约为640到680nm、λ₃约为400到420的范围内。第一、第二和第三辐射光束分别具有约为0.5、0.65和0.85的数值孔径(NA)。

准直透镜18设置在在光轴OA上，以用于将第一辐射光束4’变为第一基本上准直的光束20’。类似的是，其将第二和第三辐射光束4”、4”’变为第二基本上准直的光束20”和第三基本上准直的光束20”’(图1中未示出)。

分束器9设置为将第一、第二和第三准直辐射光束20’、20”、20”’朝光学系统8发送。优选的是，利用平面平行板形成该分束器9，其相对于光轴OA以角度α倾斜，优选的是α＝45°。

光学系统8设置为将第一、第二和第三准直辐射光束20’、20”、20”’分别聚焦到第一、第二和第三光学记录载体3’、3”、3”’上希望的焦点处。第一、第二和第三辐射光束20’、20”、20”’的希望的焦点分别是第一、第二和第三扫描光点16’、16”、16”’。每个扫描光点对应于适当的光学记录载体的信息层2’、2”、2”’上的位置。每个扫描光点优选基本上是衍射受限的，并且具有小于70mλ的波前像差。

在扫描过程中，第一光学记录载体3’在轴(图1中未示出)上旋转，然后通过覆盖层5’扫描第一信息层2’。聚焦第一辐射光束20’在第一信息层2’上反射，由此形成反射第一辐射光束，其沿着光学系统8提供的正向会聚聚焦第一辐射光束的光路返回。该光学系统8将反射第一辐射光束变为反射准直第一辐射光束22’。分束器9通过将至少一部分反射第一辐射光束22’朝探测系统10发送，从而使正向第一辐射光束20’与反射第一辐射光束22’分开。

该探测系统10包括会聚透镜25和象限探测器23，它们设置为捕获所述部分反射第一辐射光束22’，并且将其转变为一个或多个电信号。其中一个信号是信息信号I_data，其值表示在信息层2’上扫描的信息。用于错误校正的信息处理单元14处理该信息信号I_data。来自探测系统10的其它信号是聚焦错误信号I_focus和径向跟踪错误信号I_radial。该信号I_focus表示在第一扫描光点16’与第一信息层2’的位置之间沿光轴OA的轴向高度差。优选的是，由本身从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijser等人撰写的名称为“Principles of Optical Disc Systems(光盘系统的原理)”一书第75-80页(Adam Hilger 1985)(ISBN0-85274-785-3)中获知的“像散方法”来形成该信号。没有示出用于根据该聚焦方法生成像散的设备。径向跟踪错误信号I_radial表示在第一信息层2’的XY平面上在第一扫描光点16’与该第一扫描光点16’所遵循的信息层2’中轨道中心之间的距离。优选的是，由本身从G.Bouwhuis撰写的书第70-73页中获知的“径向推拉方法”形成该信号。

伺服电路11设置为响应信号I_focus和I_radial，提供分别用于控制聚焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号I_control。该聚焦致动器12控制光学系统8的透镜沿光轴OA的位置，从而控制第一扫描光点16’的位置，使其基本上与第一信息层2’的平面重合。径向致动器13控制光学系统8的透镜沿X轴的位置，从而控制第一扫描光点16’的径向位置，使其基本上与第一信息层2’中所要遵循的轨道中心线重合。

图2示意表示了光学扫描设备的光学系统8。根据本发明实施例的光学系统8设置为将第一、第二和第三不同的波前修正WM₁、WM₂、WM₃分别引入第一、第二和第三辐射光束20’、20”、20”’的至少部分中。每个波前修正WM₁、WM₂、WM₃包括衍射成分和非衍射适应成分、非周期性相位成分和第二非周期性相位成分中的至少一种的波前修正成分。

该光学系统8包括兼容板30和透镜32，在本实例中该兼容板由COC(环状链烯烃共聚物)构成，并且与该透镜均设置在光轴OA上。该透镜32是物镜，并且在面向离开光学记录载体方向上具有非球面表面。在本实例中该透镜32由玻璃构成。当透镜在没有兼容板30的情况下工作时，其设置为将大约具有第三波长λ₃和约0.85数值孔径(NA)的准直辐射光束通过具有约为0.1mm的第三信息层深度d₃的覆盖层聚焦为第三扫描光点16”’。

图3示意表示了兼容板30，其具有第一NA34、第二NA36和不同的第三NA38。该第一、第二和第三NA34、36、38分别约为0.5、0.65和0.85，并且对应于第一、第二和第三辐射光束4’、4”、4”’的NA。从光轴OA算起，该第一、第二和第三NA34、36、38分别具有约为1.18mm、1.5mm和2.0mm的径向范围。该兼容板30具有沿着光轴OA的方向面朝光学记录载体的平面表面。在沿着光轴OA的方向面向离开光学记录载体的、与所述平面表面相对的一侧上，该兼容板30包括适应结构40。环形区域42位于第三NA38与第二NA36之间，并且是平面的。该适应结构40具有第二NA36，并且相对于环形区域42位于兼容板30的不同高度上。在环形区域42与适应结构40之间的边界处是壁44。在由壁44限定的区域内，适应结构40提供了基本上为非球面的表面46。表面46的曲率设置为将非衍射适应成分引入第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂和WM₃中。该非衍射适应成分设置为至少部分地补偿由各个覆盖层引入每个辐射光束的球差。该适应结构40设置为，利用适应结构40和透镜32使得大约具有第二波长λ2和第二NA36的准直辐射光束通过具有约为0.6mm的第二信息层深度d₂的覆盖层聚焦为基本上最佳的第二扫描光点16”。

图4示意表示了该光学扫描设备的衍射结构。该衍射结构为具有第一NA34的数值孔径的衍射光栅48。该衍射光栅48包括围绕光轴OA同心设置的多个环形凸起50。边界51位于每个环形凸起50之间。每个环形凸起50具有台阶轮廓，并且包括具有不同高度h的多个台阶。每个凸起50具有第一台阶52，其具有第一台阶高度h₁，还具有第二台阶54，其具有第二台阶高度h₂，以及第三台阶56，其具有第三台阶高度h₃。该第一台阶52、第二台阶54和第三台阶56具有第一、第二和第三宽度w₁、w₂和w₃。该第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃设置为将衍射成分引入第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂、WM₃中。相位函数φ(r)描述了由衍射光栅48引起的衍射成分，其中r是沿着垂直于光轴OA的方向截取的该衍射光栅48的以mm为单位的半径。多项式关系式给出了由衍射光栅48引起的相位函数φ(r)：

φ(r)＝Ar²+Gr⁴+Hr⁶……            (1)

在以上关系式中，A是衍射成分的聚焦系数，G是衍射成分的球差系数，H是衍射成分的高阶球差的系数。该多项式关系式可以包括衍射成分的高阶球差的其它系数。在本实施例中，该系数A、G、H分别具有约40.000、-2.941、-1.925的值。注意，在本发明设想的不同实施例中，其中物镜32可以是不同的，系数A、G、H可以具有不同的值。在等式1中，该多项式关系式具有偶数值，这是因为半径r增加的幂²、⁴、⁶……为偶数。这确保了衍射光栅48补偿聚焦、球差和高阶球差。该相位函数φ(r)可以近似为以下关系式：

φ(r)＝Ar²+Gr⁴                 (2)

图5表示了衍射光栅48的相位函数φ(r)的曲线图。曲线57表示了相位函数φ(r)，该曲线是按照第一轴58上的相位φ(以弧度为单位)相对于第二轴60上的半径r(以mm为单位)的函数绘制的，其中该第二轴60垂直于第一轴58。该相位函数φ(r)为非线性函数。参照图4和5，并且将该相位函数φ(r)应用到如图4示意表示的衍射光栅48，凸起50之间的每个主边界51位于半径r处，其对应于相位函数φ(r)中自前一主边界相位φ已经改变了约2π的点。第一台阶52与第二台阶54之间的边界位于半径r处，其对应于该相位函数φ(r)中自前一主边界51相位φ已经改变了约2/3π的点，并且第二台阶54与第三台阶56之间的边界位于半径r处，其对应于相位函数φ(r)中自前一主边界51相位φ已经改变了约4/3π的点。这些台阶边界的位置确定了第一、第二和第三宽度w₁、w₂、w₃。

由以下关系式给出第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂、WM₃的具有衍射级m的衍射成分：

$W\left(r\right)=\frac{\mathrm{m\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&phi;}\left(r\right)---\left(3\right)$

在以上关系式中，W是衍射成分的相位量，λ是辐射光束的波长。在给定半径r处的衍射成分的相位量与选定的衍射成分的级m成正比。当利用第一辐射光束20’扫描第一光学记录载体3’时，该衍射光栅48设置为以第一选定衍射级m₁工作。当利用第二辐射光束20”扫描第二光学记录载体3”时，该衍射光栅48设置为以第二选定衍射级m₂工作。当利用第三辐射光束20”’扫描第三光学记录载体3”’时，该衍射光栅48设置为以第三选定衍射级m₃工作。该衍射光栅48设置为满足以下关系式：

$-1<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<1---\left(4\right)$

更为优选的是，该衍射光栅48设置为满足以下关系式：

$-\frac{1}{2}<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<\frac{1}{2}---\left(5\right)$

进一步优选的是，该衍射光栅48设置为满足以下关系式：

$-\frac{1}{4}<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<\frac{1}{4}---\left(6\right)$

在等式4、5和6的关系中，项：

为第二和第三选定衍射级m₂、m₃的差与第一和第二选定衍射级m₂、m₁的差之间的第一比例。项：

为第二和第三信息层深度d₂、d₃的差与第一和第二信息层深度d₂、d₁的差之间的第二比例。该第一和第二比例优选近似相等，以便使该光栅能够将球差补偿成分引入对其基本上没有另外优化该光学系统的两束辐射光束中的每一束中。根据等式4，第一比例和第二比例之差的值大于-1并且小于+1。更为优选的是，根据等式5，该差的值大于-1/2并且小于+1/2，再优选的是，根据等式6，该差的值大于-1/4并且小于+1/4。

在本实施例中，衍射成分的第一选定衍射级m₁为非零的正级+1。衍射成分的第二选定衍射级m₂为零级，这是因为在本实施例中该光学系统基本上对于第二波长λ₂进行了优化，而无需对衍射成分进行优化。衍射成分的第三选定衍射级m₃为非零负级，其优选具有与第一选定衍射级相等的数量，在本实例中为-1。

将根据本实施例的第一、第二和第三衍射级m₁、m₂、m₃的值和第一、第二和第三信息层深度d₁、d₂、d₃的值代入等式(4)、(5)和(6)的关系式的中间项，得到：

$\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}=\frac{(-1-0)}{(0-1)}-\frac{(0.1-0.6)}{(0.6-1.2)}=0.167$

衍射光栅48提供的每个波前修正的衍射成分包括多个不同的衍射级。选择第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃，使得该衍射光栅48优先于多个不同衍射级中的其它衍射级而选择该第一、第二和第三选定的衍射级m₁、m₂、m₃。

以下的表1表示了第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃中每个的近似高度。每个台阶高度h，包括第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃是对第二波长λ₂根据以下关系式而算得的：

$h=z\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{n_2-1}---\left(7\right)$

在以上关系式中，z为整数，n₂为衍射光栅48的材料对于第二波长λ₂的折射率，该材料在本实例中为COC。衍射光栅48的每个台阶在第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂、WM₃中提供的相变φ能够由第一、第二和第三相变φ₁、φ₂、φ₃表示。根据以下关系式计算由包括第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃的台阶高度h分别对于第一和第三波长λ₁、λ₃提供的第一和第三相变φ₁、φ₃：

${\mathrm{\&phi;}}_k=2\mathrm{\&pi;}\frac{h(n_k-1)}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}---\left(8\right)$

在以上关系式中，k对于第一或第三波长λ₁、λ₃分别具有1或3的值，n_k为衍射光栅48的材料对于第一或第三波长λ₁、λ₃的折射率，在本实例中该材料为COC。

表1给出了由第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃提供的第一、第二和第三相变φ₁、φ₂、φ₃，模2π，除以2π的近似值。

表1

台阶高度	h[μm]	(φ<sub>1</sub>模2π)/2π	(φ<sub>2</sub>模2π)/2π	(φ<sub>3</sub>模2π)/2π
					h<sub>1</sub>	0.000	1.000	0	0.000
h<sub>2</sub>	2.487	0.660	0	0.349
					h<sub>3</sub>	4.973	0.321	0	0.699

第一相变φ₁约为(1-a+n_λ1)×2π，其中a为值在0.0到1.0之间的实数，n_λ1为整数。第二相变φ₂约为(n_λ2)×2π，并且第三相变φ₃约为(a+n_λ3)×2π。第二相变φ₂模2π的值基本上为0。第二相变φ₂的值在减去(n_λ2)×2π之后基本上为0，其中n_λ2为整数。衍射光栅48在透射第一、第二和第三辐射光束20’、20”、20”’时的最大效率约为至少60％、优选约为65％，更优选约为68％。每个凸起50的台阶轮廓设置为接近“闪耀”型衍射光栅的凸起。

图6示意表示了衍射光栅48对于第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂、WM₃分别提供的第一、第二和第三衍射成分相位延迟，模2π，轮廓62、64、66。第一、第二和第三参考箭头68、70、72表示了分别相对于第一、第二和第三相位延迟轮廓62、64、66，分别对于第一、第二和第三波长λ₁、λ₂、λ₃的2π相位长度。对于第一相位延迟轮廓62而言，该衍射光栅48的第一、第二和第三台阶52、54、56为第一辐射光束20’分别提供第一、第二和第三相位台阶74、76、78。第一闪耀角线80表示了“闪耀”型衍射光栅的每个凸起对于第一辐射光束20’的闪耀角，由本发明的衍射光栅48的每个凸起50近似该角度。由每个凸起的台阶估计的该角度能够使衍射光栅48为第一辐射光束20’选择第一衍射级m₁。

对于第二相位延迟轮廓64而言，该衍射光栅48的第一、第二和第三台阶52、54、56为第二辐射光束20”分别提供第一、第二和第三相位台阶82、84、86。该第一、第二和第三台阶高度h₁、h₂、h₃能够使该衍射光栅48为第二辐射光束20”选择第二衍射级m₂。

对于第三相位延迟轮廓66而言，该衍射光栅48的第一、第二和第三台阶52、54、56为第三辐射光束20”’分别提供第一、第二和第三相位台阶88、90、92。不同的闪耀角线94表示了“闪耀”型衍射光栅的每个凸起对于第三辐射光束20”’的闪耀角，由本发明的衍射光栅48的每个凸起50估计该角度。由每个凸起的台阶估计的该角度能够使衍射光栅48为第三辐射光束20”’选择第三衍射级m3。

将该衍射光栅48与适应结构40相结合。图7表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分相组合的衍射成分形成的第三辐射光束20”’的第一合成波前像差96。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第三辐射光束20”’的第一合成波前像差96，其中第二轴垂直于第一轴98。该第一轴98表示波的波前像差光路差，第二轴100表示沿着垂直于光轴OA的方向截取的半径r(以mm为单位)。在本实例中，将该光路差OPD定义为在半径r为0时入射到光学系统光瞳中的辐射光束光线的光路与在半径r的值不为0时入射到该光瞳中的辐射光束光线的光路之差。第三辐射光束20”’的第一合成波前像差96的最大光路差约为-55mλ。

图8表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分相组合的衍射成分形成的第二辐射光束20”的第一合成波前像差104。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第二辐射光束20”的第一合成波前像差104。第二辐射光束20”的第一合成波前像差104的最大光路差约为+138mλ。

图9表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分相组合的衍射成分形成的第一辐射光束20’的第一合成波前像差106。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第一辐射光束20’的第一合成波前像差106。第一辐射光束20’的第一合成波前像差106的最大光路差约为-55mλ。

图10示意表示了当与根据本实施例的非周期性相位结构相结合时适应结构40的轮廓107。该非周期性相位结构设置在非球面表面46上。在第四轴110上相对于垂直于该第四轴110的第五轴112绘制了该轮廓。在图10中表示了相对于光轴OA具有不同径向范围的第一和第二NA34、36。第四轴110表示了组合的非周期性相位结构与适应结构40的下垂(sag)(以mm为单位)。第五轴112表示了组合的非周期性相位结构与适应结构40的半径r(以mm为单位)。表示了适应结构40的壁44。该非周期性相位结构具有第一NA34的数值孔径。

该非周期性相位结构包括多个围绕光轴OA同心设置的径向区域。该多个径向区域包括第一径向区域114、第二径向区域116和第三径向区域118。第一径向区域114与第二径向区域116之间的边界位于约0.60mm的半径r处。第二半径区域116与第三半径区域118之间的边界位于约1.03mm的半径r处。非周期性相位结构的第二半径区域116包括与光轴OA同轴的环形凸起120，并且具有约-1.4μm的下垂。

该非周期性相位结构设置为将不同的非周期性相位成分引入第一、第二和第三波前修正WM₁、WM₂、WM₃中。该非周期性相位成分设置为从每个辐射光束中减去相位φ。对于第一辐射光束20’而言，该相位φ模2π除以2π得到约0.93的值。对于第二辐射光束20”而言，该相位φ模2π除以2π得到约0.12的值。对于第三辐射光束20”’而言，该相位φ模2π除以2π得到约0.88的值。

将该衍射光栅48与非周期性相位结构相组合。图11示意表示了当与非周期性相位结构和衍射光栅48相组合时适应结构40的轮廓128。在第四轴110上相对于第五轴112绘制轮廓128。表示了相对于光轴OA具有不同径向范围的第一、第二和第三NA34、36、38。表示了非周期性相位结构的第一、第二和第三径向区域114、116、118。图11中使用适当的附图标记表示了衍射光栅48、适应结构40和非周期性相位结构的元件。

图12表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分和非周期性相位成分相组合的衍射成分形成的第三辐射光束20”’的第二合成波前像差122。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第三辐射光束20”’的第二合成波前像差122。第三辐射光束20”’的第二合成波前像差122的均方根波前像差约为37mλ。

图13表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分和非周期性相位成分相组合的衍射成分形成的第二辐射光束20”的第二合成波前像差124。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第二辐射光束20”的第二合成波前像差124。第二辐射光束20”的第二合成波前像差124的均方根波前像差约为25mλ。

图14表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分和非周期性相位成分相结合的衍射成分形成的第一辐射光束20’的第二合成波前像差126。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第一辐射光束20’的第二合成波前像差126。第一辐射光束20’的第二合成波前像差126的均方根波前像差约为13mλ。

参照图11，位于第一NA34和第二NA36的边界与第二NA36和第三NA38的边界之间的适应结构40的区域包括与适应结构40相组合的第二不同的非周期性相位结构。图11中表示了该第二非周期性相位结构的轮廓129。该第二非周期性相位结构包括围绕光轴OA同心设置的第四、第五和第六径向区域。第三径向区域118和第四径向区域之间的边界位于约1.18mm的半径r处。第四径向区域和第五径向区域之间的边界位于约1.425mm的半径r处。第五径向区域和第六径向区域之间的边界位于约1.478mm的半径r处。

该第二非周期性相位结构设置为将第二非周期性相位成分引入第二和第三波前修正WM₂、WM₃中。该第二非周期性相位成分设置为将相变φ引入第二和第三辐射光束20”、20”’中。

第四、第五和第六径向区域每一个分别包括与光轴OA同轴的环形凸起，并且分别具有第四、第五和第六高度h₄、h₅、h₆。表2给出了这些台阶高度为第三辐射光束20”’提供的这些高度的近似值和相变φ₃模2π除以2π的近似值。第四、第五和第六台阶高度h₄、h₅、h₆为第二辐射光束20”提供了基本上为0的相变φ₂模2π除以2π。

表2

台阶高度	h[μm]	(φ<sub>2</sub>模2π)/2π	(φ<sub>3</sub>模2π)/2π
				h<sub>4</sub>	1.243	0	0.675
h<sub>5</sub>	2.487	0	0.349
				h<sub>6</sub>	0.000	0	0

图15表示了由与第三NA38内的非衍射适应成分、非周期性相位成分、第二非周期性相位成分和平面环形区域42引起的波前修正成分相组合的衍射成分形成的第三辐射光束20”’的第三合成波前像差130。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第三辐射光束20”’的第三合成波前像差130。第三辐射光束20”’的第三合成波前像差130的均方根波前像差约为15mλ。

图16表示了由与第二NA36内的非衍射适应成分、非周期性相位成分和第二非周期性相位成分相组合的衍射成分形成的第二辐射光束20”的第三合成波前像差132。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第二辐射光束20”的第三合成波前像差132。第二辐射光束20”的第三合成波前像差132的均方根波前像差约为18mλ。

图17表示了由与第一NA34内的非衍射适应成分和非周期性相位成分相组合的衍射成分形成的第一辐射光束20’的第三合成波前像差134。在第一轴98上相对于第二轴100绘制了第一辐射光束20’的第三合成波前像差134。第一辐射光束20’的第三合成波前像差1346的均方根波前像差约为13mλ。

以上的实施例应当理解为本发明的说明性实例。可以设想本发明的其它实施例。

例如，利用注模技术由COC材料形成适合性盘，其具有与衍射光栅、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构相组合的适应结构。可以设想，可选择的是光学系统的适合性盘可以由不同材料构成，这样可以实现对衍射光栅、适应性结构、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构的必要设计。可以设想，可选择的是该适合性盘可以由大雅固丽(Diacryl)构成。还可以设想，可以利用复制处理，由希望的材料构成透镜或者适合性盘。在该处理中，以可固化形式将希望的材料放置在玻璃表面与模具之间，该模具具有与希望的适合性盘形状相对应的形状。然后利用例如紫外辐射固化已经通过模具而采用希望的形状的材料。

在所述实施例中，将衍射光栅与作为适合性盘一部分的适应性结构、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构相组合。还可以设想，可选择的是将衍射结构、适应性结构、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构中的至少一个与透镜相组合。还可以设想，可以将衍射结构、适应性结构、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构全部与透镜组合，使得该光学系统不需要适合性盘。

在本实施例中，该衍射光栅设置为使得第一选定衍射级m₁为+1的非零正级，第二选定衍射级m₂为第0级，第三选定衍射级m₃为-1的非零负级。还可以设想，衍射光栅可以设置为选择不同的衍射级，同时确保等式4、5和6的关系成立。表3表示了对于所述实施例的覆盖层厚度具有不同选定衍射级的不同可设想实施例。

表3

覆盖层厚度[mm]	1.2	0.6	0.1
				当前实施例选定的级	+1	0	-1
设想实施例1选定的级	-2	-1	0
				设想实施例2选定的级	0	+1	+2
设想实施例3选定的级	0	+2	+4

在本发明的所述实施例中，该衍射光栅设置为将基本上彼此相等的相变模2π引入第二辐射光束中。可以设想，该衍射结构可选择设置为将基本上彼此相等的类似相变模2π引入第一或第三辐射光束中。

所述实施例的不同辐射光束分别具有预定波长和一定的NA。可以设想，可使用具有不同预定波长或不同NA的辐射光束。还可以设想，衍射结构、适应性结构、非周期性相位结构和/或第二非周期性相位结构可以具有不同的NA。

在所述实施例中，该光学扫描设备设置成扫描具有不同覆盖层厚度的光学记录载体。可以设想，该光学扫描设备可选择设置成扫描具有与所述实施例不同的覆盖层厚度的不同光学记录载体格式，同时保持等式4、5或6的关系。

在所述实施例中，该光学系统包括第二非周期性相位结构。在其它可设想实施例中，该第二非周期性相位结构可选择为一种衍射结构，其设置为将第二衍射成分引入第二和第三波前修正WM₂、WM₃。在所述实施例中，该光学系统包括平面环形区域42。还可以设想，该区域还可以包括适应性结构、衍射结构或者非周期性相位结构。

在所述实施例中，给出了某些尺寸，包括衍射光栅、适应性结构、非周期性相位结构和第二非周期性相位结构中至少一个的台阶高度、宽度和曲率。还可以设想，在本发明的进一步的实施例中这些尺寸中的任意一个可以是不同的。

应当理解，涉及任意一个实施例描述的任意特征可以单独使用，或者与所述的其它特征组合使用，并且还可以与任何其它实施例的一个或多个特征组合使用，或者与任何其它实施例的任意组合结合使用。此外，在不背离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，还可以采用以上未描述的等价物和修改。

Claims (28)

1.一种光学扫描设备，其用于扫描具有位于光学记录载体内不同信息层深度的信息层的光学记录载体，该光学记录载体包括具有位于第一信息层深度d₁的信息层(2’)的第一光学记录载体(3’)，具有位于第二信息层深度d₂的信息层的第二光学记录载体，以及具有位于第三信息层深度d₃的信息层的第三光学记录载体，其中d₃＜d₂＜d₁，

该扫描设备包括用于生成第一、第二和第三辐射光束(4’)以分别扫描所述第一、第二和第三记录载体(3’)的辐射光源系统(7)，该设备包括衍射结构(48)，其分别地将第一波前修正引入第一辐射光束的至少部分中以及将第二波前修正引入第二辐射光束的至少部分中和将第三波前修正引入第三辐射光束的至少部分中，

该衍射结构设置为对于第一、第二和第三辐射光束分别以选定的衍射级m₁、m₂和m₃工作，

其特征在于该衍射结构设置为满足以下关系：

$-1<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<1$

以及其中所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

2.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中该衍射结构(48)设置为满足以下关系式：

$-\frac{1}{2}<\frac{(m_3-m_2)}{(m_2-m_1)}-\frac{(d_3-d_2)}{(d_2-d_1)}<\frac{1}{2}.$

3.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中所述光学扫描设备具有光轴(OA)，并且所述衍射结构(48)包括围绕所述光轴同心设置的多个环形凸起(50)。

4.根据权利要求3所述的光学扫描设备，其中每个凸起(50)具有台阶轮廓，每个凸起包括具有不同高度(h₂、h₃)的多个台阶。

5.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述光学扫描设备包括设置为将非衍射适应成分引入每个辐射光束中的适应结构(40)，其中所述非衍射适应成分设置为引起球差。

6.根据权利要求5所述的光学扫描设备，其中所述适应结构提供了基本上为非球面的表面(46)。

7.根据权利要求5或6所述的光学扫描设备，其中将所述衍射结构(48)与所述适应结构(40)相组合。

8.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中所述光学扫描设备具有光轴(OA)，并且包括设置为将非周期性相位成分引入每个辐射光束中的非周期性相位结构，其中所述非周期性相位结构包括围绕所述光轴(OA)同心设置并且具有非周期性径向轮廓(107)的多个径向区域(114；116；118)。

9.根据权利要求8所述的光学扫描设备，其中将所述非周期性相位结构与所述衍射结构(48)相组合。

10.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中为第二辐射光束选定的衍射级m₂为0级。

11.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中每个辐射光束具有预定的波长，其中所述第三辐射光束的波长小于所述第二辐射光束的波长，并且所述第二辐射光束的波长小于所述第一辐射光束的波长。

12.根据权利要求11所述的光学扫描设备，其中所述第一、第二和第三辐射光束的所述预定波长分别约为785、650和405纳米。

13.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中所述第一、第二和第三信息层深度d₁、d₂、d₃分别约为1.2、0.6和0.1毫米。

14.一种光学系统，用于分别地将第一波前修正引入第一辐射光束的至少部分中以及将第二波前修正引入第二辐射光束的至少部分中和将第三波前修正引入第三辐射光束的至少部分中，

每个所述的辐射光束具有不同的预定波长，所述第三辐射光束的波长小于所述第一和所述第二辐射光束的波长，其中所述光学系统包括轮廓按照台阶状变化的衍射结构(48)，其设置为在所述波前修正中提供选定的衍射成分，所述第一波前修正的该选定衍射成分为非0级衍射成分，其特征在于：

i)该衍射结构设置为使得所述第三波前修正的选定衍射成分是非0级衍射成分；以及

ii)该衍射结构的轮廓的台阶设置为将相变引入所述第二辐射光束中，每个相变在2π模运算下与其它相变基本上相等；

iii)以及所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述系统包括用于聚焦所述第一、第二和第三辐射光束(4’)中的每个光束的透镜(32)。

16.根据权利要求14或15所述的光学系统，其中所述光学系统具有光轴(OA)，并且所述衍射结构(48)包括围绕所述光轴同心设置的多个环形凸起(50)。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其中每个所述凸起(50)具有台阶轮廓，每个凸起包括具有不同高度(h₂、h₃)的多个台阶(52；54；56)。

18.根据权利要求14所述的光学系统，其中每个波前修正包括非衍射适应性成分，并且所述光学系统包括设置为提供所述非衍射适应性成分的适应结构(40)，其中所述非衍射适应性成分设置为引起球差。

19.根据权利要求18所述的光学系统，其中所述适应结构(40)提供了基本上为非球面的表面(46)。

20.根据权利要求18或19所述的光学系统，其中将所述衍射结构(48)与所述适应结构(40)相组合。

21.根据权利要求14所述的光学系统，其中每个波前修正包括非周期性相位成分，并且所述光学系统包括设置为提供所述非周期性相位成分的非周期性相位结构，其中所述非周期性相位结构包括围绕所述光轴(OA)同心设置并且具有非周期性径向轮廓(107)的多个径向区域(114；116；118)。

22.根据权利要求21所述的光学系统，其中将所述非周期性相位结构与所述衍射结构(48)相组合。

23.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述第二辐射光束的波长小于所述第一辐射光束的波长。

24.根据权利要求23所述的光学系统，其中所述第一、第二和第三辐射光束的所述预定波长分别约为785、650和405纳米。

25。一种利用第一、第二和第三不同的辐射光束(4’)分别扫描第一、第二和第三不同的光学记录载体(3’)的光学扫描设备，

所述光学扫描设备包括根据权利要求14的光学系统(8)。

26.根据权利要求25所述的光学扫描设备，其中所述光学系统设置为将所述第一、第二和第三辐射光束(4’)分别聚焦到所述第一、第二和第三光学记录载体(3’)上的希望焦点处。

27.根据权利要求25或26所述的光学扫描设备，其中所述第一、第二和第三光学记录载体(3’)中的每一个具有一个信息层，所述信息层分别位于第一、第二和第三光学记录载体上的约1.2、0.6和0.1毫米的第一、第二和第三信息层深度d₁、d₂、d₃。

28.一种光学系统，用于分别地将第一波前修正引入第一辐射光束的至少部分中以及将第二波前修正引入第二辐射光束的至少部分中和将第三波前修正引入第三辐射光束的至少部分中，

每个所述的辐射光束具有不同的预定波长，所述第三辐射光束的波长小于所述第一和所述第二辐射光束的波长，

其中所述光学系统包括轮廓按照台阶状变化的衍射结构(48)，其设置为在所述波前修正中提供选定的衍射成分，所述第一波前修正的该选定衍射成分为非0级衍射成分，其特征在于：

i)该衍射结构设置为使得所述第三波前修正的选定衍射成分是非0级衍射成分；以及

ii)该衍射结构的轮廓的台阶设置为使得所述第二波前修正的选定衍射成分为0级的衍射成分；

iii)以及所述第一波前修正的所述衍射成分为正级的衍射成分，并且所述第三波前修正的所述衍射成分为负级的衍射成分。

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