CN101154405A - 高数值孔径的物镜装置和具有该物镜装置的光学拾取装置 - Google Patents

Abstract

一种物镜，布置在光传播路径上以将光源发出的光聚焦在记录介质上，所述物镜包括：第一面，作为入射面，光入射在所述入射面上；第二面，光从所述第二面出射并被聚焦在记录介质上；和衍射光学元件，其布置在所述第一和第二面两者至少之一上，并具有满足f_D/f＜5的折射率，f_D为衍射光学元件的焦距，f为物镜的焦距。其中，物镜具有0.75或更大的数值孔径。

Description

高数值孔径的物镜装置和具有该物镜装置的光学拾取装置

技术领域

本发明涉及一种数值孔径高且成本低的物镜以及采用该物镜的光学拾取装置。

背景技术

在将信息记录到光盘(这里光盘作为一种使用由物镜聚焦的光的光学信息存储介质)和/或从光盘再现信息的光学记录和/或再现装置中，光学信息存储介质的记录容量由光点的大小决定。光点S的大小由所使用的光的波长λ以及物镜的数值孔径(NA)决定，如公式1所示。

公式1：

$S=\frac{2}{\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

由此，为了减小光盘上形成的光点的大小以实现高密度地将信息记录到光盘和/或从光盘再现信息，使用短波光源和高数值孔径的物镜是必要的。

众所周知，数字通用光盘(DVD)使用波长为650nm(或635nm)的光和NA为0.6(可写类型的为0.65)的物镜。当盘的直径和记录轨距分别为120mm和0.74μm时，DVD单面具有大约4.7GB或更大的记录容量。由此，DVD还不足以用作记录高清晰度(HD)水平的移动图像信息的记录介质。当以HD水平记录135分钟的移动图像信息时，需要单面例如23GB或更大的记录容量。

为了满足高密度记录容量的需求，需要一种高密光盘(即，下一代DVD(下文称为HD-DVD(高清晰度DVD)))，其具有比DVD更窄的记录轨并且使用波长在大约405nm-408nm范围内的蓝光和NA为0.6或更大的物镜。另外，广泛研发了一种使用高NA(例如0.85)的物镜的蓝光光盘(BD)作为下一代高密度光学信息记录存储介质。这种BD使用短波(在大约405nm-408nm)蓝光作为光源，并且具有大约20GB或更高的记录密度。

图1显示了常规物镜的结构。参见图1，常规物镜10包括作为光入射面的第一面12和作为光出射面的第二面14。第一面12是具有大曲率的球面或非球面。第二面14是平面或者具有较小的曲率。从规模制造的角度(包括产量、加工能力和寿命)考虑，优选地，物镜10采用塑性材料而不是玻璃材料。然后，由于塑料的折射率通常低于玻璃的折射率，因此难以使用塑料制造具有高NA的单个透镜单元形式的物镜10。

特别地，由于下列制造局限难以使用塑料制造具有高NA的物镜同时满足光学像差的允许条件。为了物镜10具有短焦距和高NA，透镜表面12和14需要具有大曲率，从而增加了第一面12的倾斜角度。当倾斜角超出允许范围时，难以制造模具，因此，产量下降。因此，需要一种容易制造并且满足组装要求的高NA物镜。

另外，对于在适用蓝光光盘的光学拾取装置中使用的物镜而言，由于蓝光波长的激光二极管对于由于温度变化引起的波长变化比较敏感，因此需要一种可根据波长变化校正色差的物镜。

发明内容

为了解决上述和/或其他问题，本发明提供一种通过在透镜面上设置衍射光学元件而具有高NA和小透镜面倾斜角度的物镜，从而实现规模生产。

本发明的一方面提供一种可通过采用上述物镜而将信息记录到记录介质和/或从记录介质再现信息的光学拾取装置。

本发明的其他方面和/或优点将通过下面阐述澄清，或可从下面说明中显见，或可通过对本发明的实践习得。

根据本发明的一个方面，一种物镜，布置在光传播路径上以将光源发出的光聚焦在记录介质上，所述物镜包括：第一面，作为入射面，光入射在所述入射面上；第二面，光从所述第二面出射并被聚焦在记录介质上；和衍射光学元件，其布置在所述第一和第二面两者至少之一上，并具有满足f_D/f＜5的折射率，f_D为衍射光学元件的焦距，f为物镜的焦距，其中，物镜具有0.75或更大的数值孔径。

根据本发明的另一个方面，一种用于将信息记录到记录介质和/或从记录介质再现信息的光学拾取装置，所述装置包括：发光的光源；布置在光源和记录介质之间并改变光传播路径的光路变化元件；布置在光传播路径上以将光源发出的光聚焦在记录介质上的物镜，所述物镜包括：作为光入射的入射面的第一面、第二面和衍射光学元件，光从所述第二面出射并被聚焦在记录介质上，衍射光学元件布置在所述第一和第二面两者至少之一上，并具有满足f_D/f＜5的折射率，f_D为衍射光学元件的焦距，f为物镜的焦距；以及在光被记录介质反射并通过物镜和光路变化元件后接收光并从接收的光中检测信息信号和错误信号的光电探测器。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点将通过下面结合附图对实施例的说明而显见。

图1是常规物镜10的视图。

图2是根据本发明一实施例的物镜100的视图。

图3是显示表示非球面的方法的视图。

图4是根据本发明一实施例的光学拾取装置300的视图。

具体实施方式

现在参考本发明的具体实施例，在附图中示出其实例形式，所有附图中，相同的参考标记指代相同的元件。下面结合附图对实施例进行说明，以便阐明本发明。在附图中，层厚度被夸大以清楚显示。

图2是根据本发明一实施例的物镜100。参考图2，物镜100包括作为光入射其上的入射面的第一面120，以及输出朝向记录介质200聚焦的光的第二面140。衍射光学元件(DOE)设置在第一和第二透镜面120和140中至少一个上。作为示出的实例，衍射光学元件125设置在作为入射面的第一面120上。应理解，DOE可通过各种方式设置在物镜上。例如，DOE可永久固定到物镜100上。或者，DOE可可拆卸地安装到物镜100上，以便可容易地移除和/或更换DOE。

参考标记a、d和WD分别表示有效直径、中心厚度和工作距离。不是所有情况都必须的，优选地，物镜100具有尽可能短的工作距离WD以便实现小型化，并且WD小于中心厚度D。然而，应理解，宽范围的工作距离可用于本发明的实施例中，并且WD不需要小于中心厚度D。

从规模制造的角度(包括产量、加工能力和寿命)考虑，优选地，聚合物材料用于物镜100。这种聚合物材料是一种塑料，然而，也可以是其他聚合物。另外，应理解，物镜100不需要由聚合物材料制成。另外，有效直径a是作为光入射通路的入射光瞳的直径，优选地，有效直径小于或等于中心厚度D的1.5倍。第一和第二面120和140可为非球面，非球面公式如下。

公式2

$z\left(h\right)=\frac{\frac{h^2}{R}}{1+\sqrt{1-(1+K)\frac{h^2}{R}}}+A{h}^2+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+...$

在公式2中，h是距光轴的高度，z是图3所示的距表面顶点的深度，R是曲率半径，k是二次常数，A、B、C、D、E、F...是非球面系数。

衍射光学元件125减小第一透镜面120的倾斜角度并且校正色差。衍射光学元件125的具体形式由下面的公式限定，该公式示出了衍射结构的光程差。

公式3

Φ(h)＝∑C_nh²ⁿ＝C₁h²+C₂h⁴+C₃h⁶+...

在公式3中，可适当地选择光路函数的系数和衍射级。衍射光学元件125的最小栅距优选为2μm或更小。应理解，最小栅距可大于2μm。

下面对衍射光学元件125校正色差的原理进行说明。对于未形成有衍射光学元件125的物镜10而言，入射在物镜10上的光的波长越短，折射角越大。因此，由于光的波长减小，透过物镜10的光更靠近物镜10被聚焦。另外，对于入射在衍射光学元件125上的光，随着波长增加，衍射角增加。因此，具有更长波长的光更靠近衍射光学元件125被聚焦。由于取决于波长的色差性质在具有衍射光学元件125的物镜100和不具有衍射光学元件125的物镜10之间相反，因此当衍射光学元件125设置在物镜100的面120和140上时，色差抵消并减小。

表1示出从根据本发明的物镜100的第一设计获得的数据，表2示出从第一设计数据计算得到的第一面120的倾斜角。倾斜角为由第一面120和垂直于光轴的面形成的角度θ。

表1

表面	曲率半径	厚度	材料
				物体面	∞	∞
第一面120	1.50588	D＝2.1	n＝1.524037
				K：-0.594402A：0.201658E-01 B：0.308932E-02 C：0.541844E-02D：-.566968E-02 E：0.182870E-02 F：0.369368E-02G：-.432136E-02 H：0.183528E-02 J：-.290991E-03DOE C1：-4.0000E-02衍射级：2
	第二面140	-2.68405	WD＝0.476
K：-77.786543A：0.157763E+00 B：-.320055E+00 C：0.370457E+00D：-.322595E+00 E：0.167692E+00 F：-.367441E-01
			光盘面	∞	0.0875	n＝1.621210
记录面	∞	0
			有效直径(mm)	3	f(mm)	1.765
NA	0.85	fD(mm)					6.25
			色差(μm/nm)	0.4	fD/f	3.54

表2

光线高度(h)	非球面SAG(z)	角度(度、分、秒)
			0.000000	0.000000	000
0.061000	0.001511	25011
			0.122000	0.006049	54018
0.183000	0.013636	83013
			.....
1.098000	0.558408	493721
			1.403000	1.017861	62221
1.464000	1.136538	631914
			1.525000	1.256518	62315

表3示出从根据本发明的物镜100的第二设计获得的数据，表4示出从第二设计数据计算得到的第一面120的倾斜角。

表3

面	曲率半径	厚度	材料
				物体面	∞	∞
第一面120	1.42398	D＝2.1	n＝1.524037
				K：-0.613626A：0.168879E-01 B：0.296671E-02 C：0.514082E-02D：-.638958E-02 E：0.214154E-02 F：0.384683E-02G：-.439901E-02 H：0.177746E-02 J：-.261805E-03DOE C1：-2.7000E-02衍射级：2
	第二面140	-2.76020	WD＝0.582048
K：-54.159462A：0.149905E+00 B：-.312869E+00 C：0.415648E+00D：-.327140E+00 E：0.114403E+00 F：-.830868E-02
			光盘面	∞	0.0875	n＝1.621210
记录面	∞	0
			有效直径(mm)	3	f(mm)	1.848
NA	0.85	fD(mm)					9.26
			色差(μm/nm)	0.3	fD/f	5.0

表4

光线高度(h)	非球面SAG(z)	角度(度、分、秒)
			0.000000	0.000000	0 0 0
0.061000	0.001307	2 27 16
			0.122000	0.005234	4 54 38
1.403000	0.881951	58 33 35
			1.464000	0.985883	60 27 42
1.525000	1.095182	60 45 56

表5示出从根据本发明的物镜100的第三设计获得的数据，表6示出从第三设计数据计算得到的第一面120的倾斜角。

表5

面	曲率半径	厚度	材料
				物体面	∞	∞
第一面120	1.36777	D＝2.2	n＝1.524037
				K：-0.613626A：0.188225E-01B：0.231601E-02C：0.637960E-02D：-.634742E-02E：0.195236E-02F：0.385430E-02G：-.434228E-02H：0.179845E-02J：-.278102E-03DOE    C1：-2.7000 E-02衍射级：2
	第二面140	-1.93867	WD＝0.456855
K：-51.863458A：0.175692E+00 B：-.320377E+00 C：0.363445E+00D：-.306373E+00 E：0.149953E+00 F：-.285943E-01
			光盘面	∞	0.0875	n＝1.621210
记录面	∞	0
			有效直径(mm)	3	f(mm)	1.755
NA	0.85	fD(mm)					9.26
			色差(μm/nm)	0.2	fD/f	5.27

表6

光线高度(h)	非球面SAG(z)	角度(度、分、秒)
			0.000000	0.000000	0 0 0
0.061000	0.001361	2 33 20
			.......
1.403000	0.950131	61 28 46
			1.464000	1.067096	63 13 23
1.525000	1.188500	62 50 10

表7示出从根据本发明的物镜100的第四设计获得的数据，表8示出从第四设计数据计算得到的第一面120的倾斜角。

表7

面	曲率半径	厚度	材料
				物体面	∞	∞
第一面120	1.36777	D＝1.701	n＝1.524037
				K：-0.621883A：0.355344E-01 B：0.809609E-02 C：0.203121E-01D：-.391596E-01 E：0.188977E-01 F：0.571164E-01G：-.102500E+00 H：0.655183E-01 J：-.159189E-01DOE C1：-4.938E-02衍射级：2
	第二面140	-1.93867	WD＝0.343
K：-51.863458A：0.175692E+00 B：-.320377E+00 C：0.363445E+00D：-.306373E+00 E：0.149953E+00 F：-.285943E-01
			光盘面	∞	0.0875	N＝1.621210
记录面	∞	0
			有效直径(mm)	3	f(mm)	1.4286
NA	0.81	fD(mm)					5.06
			色差(μm/nm)	0.58	fD/f	3.2

表8

光线高度(h)	非球面SAG(z)	角度(度、分、秒)
			0.000000	0.000000	0 0 0
0.047000	0.000886	2 9 33
			.......
1.081000	0.573766	51 35 3
			1.128000	0.634023	52 16 44
1.175000	0.693684	50 38 10

表9示出从根据本发明的物镜100的第五设计获得的数据，表10示出从第五设计数据计算得到的第一面120的倾斜角。

表9

面	曲率半径	厚度	材料
				物体面	∞	∞
第一面120	1.78756	D＝2.1500	n＝1.524037
				K：-0.600214A：0.203789E-01 B：0.319915E-02 C：0.600509E-02D：-.720879E-02 E：0.242878E-02 F：0.397296E-02G：-.443816E-02 H：0.174151E-02 J：-.248781E-03DOE C1：-5.8814E-02衍射级：2
	第二面140	-4.11230	WD＝0.4
K：-51.863458A：0.175692E+00 B：-.320377E+00 C：0.363445E+00D：-.306373E+00 E：0.149953E+00 F：-.285943E-01
			光盘面	∞	0.0875	N＝1.621210
记录面	∞	0
			有效直径(mm)	1.5	f(mm)	1.783
NA	0.84	fD(mm)					4.25
			色差(μm/nm)	1.0	fD/f	2.38

表10

光线高度(h)	非球面SAG(z)	角度(度、分、秒)
			0.000000	0.000000	0 0 0
0.060000	0.001007	1 55 25
			.......
1.320000	0.613914	50 15 58
			1.380000	0.689927	53 07 03
1.440000	0.773958	55 43 30
			1.500000	0.865350	57 26 38

在用于产生上面的数据的五个设计的任一个中，使用具有407.7nm的波长的蓝光，而f_D/f是表面衍射光学元件125的折射率。f是整个物镜的焦距。f_D单独表示衍射光学元件的焦距的大小，其由公式3表示的光程差函数中的系数C₁，C₂，C₃...决定。根据上述设计的五个物镜中任一个都具有高于0.8的NA。衍射光学元件125的衍射级被设定为第2级。F_D/f的取值范围在大约2.38-5.27，并且可通过适当选择全息常数(hologram Constant)C₁而被调整以具有小于5的数值。另外，根据上述设计的五个物镜的色差具有不大于1.0μm/nm的数值，这意味着相对于1nm的波长变化，焦点偏移不大于1μm。透镜表面的倾斜角具有不大于63°的最大值。

图4示出了根据本发明一实施例的光学拾取装置的结构。参见图4，光学拾取装置300是将信息记录到光学记录介质200和/或从光学记录介质200再现信息的装置，并且包括：光源310、光路变化元件330、物镜100和光电探测器350。DVD、HD-DVD或者蓝光光盘可用作记录介质200。应理解，其他类型的光盘可用作记录介质200，例如CD等。

光源310产生并发出具有预定波长的光，并且优选地可形成为激光二极管LD。当蓝光光盘被用作记录介质200时，使用波长为大约405nm-408nm的蓝光，从而可将信息记录到蓝光光盘和/或从蓝光光盘再现信息。

光路变化元件330被布置在光源310和物镜100之间的光路上，以便改变入射光的传播方向。光路变化元件330可为各种类型的部件，例如反射一种偏振光而透射另一种偏振光的偏振分束器。光路变化元件330将光源310输出的光反射到记录介质200上，并且随后使从记录介质200反射回来的光透射到光电探测器350。

物镜100被布置在光源310和记录介质200之间，并且包括作为光入射其上的入射面的第一面120和用于光出射以便聚焦在记录介质200上的第二面140。衍射光学元件(DOE)125设置在第一和第二透镜面120和140两者至少之一上。对于所示的实例，衍射光学元件125可形成在作为入射面的第一面120上。物镜100具有衍射光学元件125以校正色差并且减小最大倾斜角度，另外还具有高NA。物镜100的结构和操作大致与上述物镜100(图2)以及产生上述设计数据的这些设计相同。

光电探测器350接收被记录介质200反射并通过物镜100和光路变化元件330后的光，以便从接收到的光获取信息信号和错误信号。应理解，光电探测器350不限于如图4所示的结构，可设置在其他位置处。

准直透镜340设置在物镜100和光路变化元件330之间的光路上，以便将入射的发射光会聚成平行光。四分之一波片360设置在光路变化元件330和物镜100之间的光路上，以便将圆偏振光透射到记录介质200上。另外，还在光源310和光路变化元件330之间的光路上设置了光栅370，以便衍射地透射入射光。在与光路变化元件330的倾斜方向相反的方向上，可校正彗形象差的像散透镜380设置在光路变化元件330和光电探测器350之间的光路上。应理解，如图4所示的光学拾取装置300的结构可有各种变化，并且可仍与物镜100一起适当地工作。例如，可另外设置、组合或移去四分之一波片360、准直透镜340、光栅370和/或像散透镜380。

如上所述，由于根据本发明的物镜包括设置在透镜面上的衍射光学元件，因此，物镜具有高NA和低入射角，从而可以低成本大规模制造物镜。另外，根据本发明各方面的光学拾取装置使用具有上述结构的物镜，从而可保持高NA并且改善色差性质。根据本发明各方面的光学拾取装置可用在各种类型的光学记录和/或再现装置中。由此，可在各种类型的高密度光盘(例如具有大约20GB或更高记录密度的蓝光光盘(BD))上记录信息和/或再现信息。以蓝光为例进行了说明，然后应理解本发明可用于其他波长。另外，虽然以再现HD-DVD和/或蓝光光盘的装置进行了描述，应理解该装置可用于除了或包括HD-DVD和/或蓝光光盘的其他介质上。

虽然已经示出并说明了本发明的几个实施例，但本领域技术人员应理解，可以在不背离由所附权利要求和等价物限定的本发明的范围的情况下，对这些实施例作出各种变型和修改。

本申请要求于2006年9月27日在韩国专利局申请的韩国专利No.2006-94338的优先权，其全部内容在此引作结合。

Claims (28)

1.一种物镜，布置在光传播路径上以将光源发出的光聚焦在记录介质上，所述物镜包括：

第一面，所述第一面作为光入射其上的入射面；

第二面，光从所述第二面出射并被聚焦在记录介质上；和

衍射光学元件，其布置在所述第一和第二面两者至少之一上，并具有满足f_D/f＜5的折射率，f_D为衍射光学元件的焦距，f为物镜的焦距，

其中，物镜具有0.75或更大的数值孔径。

2.如权利要求1所述的物镜，其中，衍射光学元件布置在所述第一面上。

3.如权利要求1所述的物镜，其中，第一面和垂直于光轴的面之间的倾斜角以及第二面和垂直于光轴的面之间的倾斜角为63°或更小。

4.如权利要求1所述的物镜，其中，色差为1μm/nm或更小，因而当光波长偏移1nm时，光的焦点偏移不超过1μm。

5.如权利要求1所述的物镜，其中，衍射光学元件的衍射级为2。

6.如权利要求1所述的物镜，其中，衍射光学元件的最小栅距为2μm或更大。

7.如权利要求1所述的物镜，其中，光所通过的物镜的有效直径不超过物镜的中心厚度的1.5倍。

8.如权利要求1所述的物镜，其中，物镜由聚合物材料制成。

9.如权利要求1所述的物镜，其中，物镜由塑料制成。

10.如权利要求1所述的物镜，其中，从光源发出的光在大约405nm-408nm的范围内。

11.如权利要求1所述的物镜，其中，记录介质的记录容量在至少20GB。

12.如权利要求1所述的物镜，其中，记录介质为蓝光光盘或高清晰度DVD。

13.如权利要求1所述的物镜，其中，所述第一和第二面两者至少之一具有由下面的公式限定的非球面：

$z\left(h\right)=\frac{\frac{h^2}{R}}{1+\sqrt{1-(1+K)\frac{h^2}{R}}}+{\mathrm{Ah}}^2+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+...$

h为距光轴的高度，z为距顶点的深度，R为曲率半径，K为二次常数，A，B，C，D，E，F...为非球面系数。

14.如权利要求1所述的物镜，其中，衍射光学元件具有由下式限定的光程差：

Φ(h)＝∑C_nh²ⁿ＝C₁h²+C₂h⁴+C₃h⁶+...

n为整数，Cn为衍射系数，h为距光轴的高度。

15.一种用于将信息记录到记录介质和/或从记录介质再现信息的光学拾取装置，所述装置包括：

发光的光源；

布置在光源和记录介质之间并改变光传播路径的光路变化元件；

布置在光传播路径上以将光源发出的光聚焦在记录介质上的物镜，所述物镜包括：第一面，所述第一面作为光入射其上的入射面；第二面，光从所述第二面出射并被聚焦在记录介质上；和衍射光学元件，其布置在所述第一和第二面两者至少之一上，并具有满足f_D/f＜5的折射率以及0.75或更大的数值孔径，f_D为衍射光学元件的焦距，f为物镜的焦距；以及

在光被记录介质反射并通过物镜和光路变化元件后接收光并从接收的光中检测信息信号和错误信号的光电探测器。

16.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，光源发出波长在大约405nm-408nm范围内的蓝光。

17.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，物镜的衍射光学元件设置在第一面上。

18.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，第一面和垂直于光轴的面之间的倾斜角以及第二面和垂直于光轴的面之间的倾斜角为63°或更小。

19.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，色差为1μm/nm或更小，因而当光波长偏移1nm时，光的焦点偏移不超过1μm。

20.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，衍射光学元件的衍射级为2。

21.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，衍射光学元件的最小栅距为2μm或更大。

22.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，光所通过的物镜的有效直径不超过物镜的中心厚度的1.5倍。

23.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，物镜由聚合物材料制成。

24.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，物镜由塑料制成。

25.如权利要求15所述的光学拾取装置，记录介质的记录容量在至少20GB。

26.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，记录介质为蓝光光盘或高清晰度DVD。

27.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，所述第一和第二面两者至少之一具有由下面的公式限定的非球面：

$z\left(h\right)=\frac{\frac{h^2}{R}}{1+\sqrt{1-(1+K)\frac{h^2}{R}}}+{\mathrm{Ah}}^2+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+...$

h为距光轴的高度，z为距顶点的深度，R为曲率半径，K为二次常数，A，B，C，D，E，F...为非球面系数。

28.如权利要求15所述的光学拾取装置，其中，衍射光学元件具有由下式限定的光程差：

Φ(h)＝∑C_nh²ⁿ＝C₁h²+C₂h⁴+C₃h⁶+...

n为整数，C_n为衍射系数，h为距光轴的高度。

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