CN101258545A - 用于光扫描设备的光学补偿器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于扫描光学记录载体的光扫描设备中的光学补偿器(30)，在所述载体中的两个不同载体内部存在着至少两种不同的信息层深度，所述光学记录载体包括第一光学记录载体(3′)、第二光学记录载体和第三光学记录载体，所述扫描设备包括辐射源系统(7)，用于产生分别扫描所述第一、第二和第三记录载体的第一、第二和第三辐射束，所述第一、第二和第三辐射束具有不同的预定波长。所述光学补偿器具有非周期相位结构，所述第一、第二和第三辐射束中的每个辐射束被设置成通过该非周期相位结构，所述非周期相位结构包括多个由阶梯分离的阶梯状环形区域，所述环形区域形成非周期径向图案，所述阶梯状环形区域将第一、第二和第三不同波前修正分别引入到所述第一、第二和第三辐射束中的至少一部分中。光学补偿器包括在多个阶梯状环形区域中的径向高度变化，径向高度变化被设置得使得在多个阶梯状环形区域中的每个环形区域中，由所述光学补偿器向所述第一、第二和第三波前修正中的每种波前修正提供非零贡献。

Description

用于光扫描设备的光学补偿器
技术领域
本发明涉及一种用于光扫描设备的光学补偿器，该光扫描设备用以扫描具有多个信息层的光学记录载体，在两种不同的记录载体内具有至少两种不同的信息层深度。
背景技术
使用光学记录载体进行数据存储的领域是当前热门的技术研究领域。存在着很多种光学记录载体格式，包括：光盘(CD)、通用数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘(BD)和高清晰度数字多功能光盘(HDDVD)。这些格式可用于不同的类型，这些类型包括：只读规格(例如，CD-ROM/DVD-ROM/BD-ROM)、可记录规格(例如，CD-R/DVD-R/BD-R)、可擦写规格(例如，CD-RW、DVD-RW、BD-RE)和音频规格(例如，CD-A)。为了扫描光学记录载体的不同格式，必须使用具有不同波长的辐射束(radiation beam)。扫描CD的波长约为785纳米，扫描DVD的波长约为660纳米(注意，官方指定波长为650纳米，但实际上常接近于660纳米)，而扫描BD的波长约为405纳米。
不同格式的光盘能够存储的最大数据量不同。该最大数据量与扫描光盘所必需的辐射束波长以及物镜的数值孔径(NA)有关。本文提及的扫描可包括在光盘上读数据和/或写数据。
光盘上的数据存储在信息层上。光盘的信息层由具有预定厚度的覆盖层(cover layer)保护。光盘格式不同，覆盖层的厚度也不同，比如，CD的覆盖层厚度约为1.2毫米，DVD的覆盖层厚度约为0.6毫米，而BD的覆盖层厚度约为0.1毫米。扫描某种格式的光盘时，辐射束聚焦于信息层上的一个点。当辐射束穿过光盘的覆盖层时，在辐射束中引入了球面像差。所引入的球面像差的大小取决于覆盖层厚度和辐射束波长。在辐射束到达光盘覆盖层之前，辐射束需要已经具有一定的球面像差，以便结合由覆盖层引入的球面像差，可以使辐射束可以恰好聚焦于光盘信息层上。为了扫描具有不同覆盖层厚度的不同光盘，辐射束需要在到达覆盖层之前具有不同的球面像差。这确保辐射束恰好聚焦在信息层上。
结果，当使用单个物镜扫描全部光盘时，物镜必须对每种光盘产生不同大小的球面像差，以便应对覆盖层厚度的差异。
B.H.W.Hendriks、J.E.de Vries和H.P.Urbach的标题为“Application of non-periodic phase structures in opticalsystems”、发表于Applied Optics，第40卷，第6548-6560页(2001)的论文，描述了一种非周期相位结构(NPS)，该结构能够提供一种与CD扫描兼容的DVD物镜。
国际专利申请WO 03/060891描述了一种光扫描设备，其分别使用三种不同辐射束来扫描三种不同的光学记录载体的信息层。每种辐射束都具有偏振和不同的波长。这种设备包括具有衍射部分的物镜，该衍射部分包括双折射材料。衍射部分衍射辐射束，使得具有最短波长的辐射束具有对于最短波长而言基本上为0的引入的相变模数2π。衍射部分将其他辐射束中的至少一种辐射束衍射到正的第一级。
国际专利申请WO 03/060892描述了一种光扫描设备，其分别使用三种不同辐射束扫描三种不同光学记录载体的信息层。每种辐射束都具有偏振和不同的波长。这种设备包括物镜和非周期相位结构(NPS)，用于补偿这些辐射束中一种或两种辐射束的波前像差。所述相位结构包括双折射材料，并且具有非周期阶梯轮廓(non-periodic stepprofile)。
美国专利US 6687037描述了一种用于用两种不同波长的辐射束扫描光学记录载体的光扫描设备。这种设备包括物镜和近似于闪耀衍射光栅(blazed diffraction grating)的具有阶梯状轮廓的衍射元件。衍射元件为最短波长的辐射束选择第零级衍射，并为另一种辐射束选择第一级衍射。
对于类似DVD/CD兼容镜头的双模式物镜而言，NPS或衍射结构可与为一种模式而设计的镜头一起使用，以校正另一模式中的球面像差。在三模式物镜的情况下，因为NPS或衍射结构必须补偿两种模式中不同的球面像差大小而且同时不影响第三种模式，所以对这种NPS或衍射结构的要求非常严格。此外，其中三种模式包括785纳米的辐射波长和405纳米的辐射波长，这些波长之间的比率使得在大多数光学材料中因NPS阶梯而引入的相位变化相差约为2的系数(factor)，这导致要么对其中一种波长传输效果差，要么相当高的NPS阶梯，这造成制造工艺成本高昂。
目前提出的解决方法的另一种不足在于，它们依赖于对每种波长使用不同衍射级的光栅。这样增强了需要校正的像差之间的联系。例如，通过分别使用衍射光栅的第零级、第一级和第二级衍射，可以使BD物镜系统与DVD和CD兼容。如果用于CD的相位阶梯的光相位差(OPD)具有完全相同的形状，那么这将是一种理想的解决方案，但是用于CD的相位阶梯的光相位差(OPD)是用于DVD的OPD的两倍。因为这对于这种系统而言并不是千真万确的，所以必须增加其他的微小校正，以解决这个问题。对于HDDVD三模式物镜而言，这更困难得多，因为相比于使用NPS阶梯可以产生的DVD和CD之间的OPD差异，或者HDDVD和CD之间的OPD差异而言，使用NPS阶梯可以产生的HDDVD和DVD之间的OPD差异非常小。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于扫描具有信息层的光学记录载体的光扫描设备中的光学补偿器，在其中两种不同载体内存在着至少两种不同的信息层深度，光学记录载体包括：第一光学记录载体、第二光学记录载体和第三光学记录载体，扫描设备包括辐射源系统，用于产生分别扫描所述第一、第二和第三记录载体的第一、第二和第三辐射束，所述第一、第二和第三辐射束具有不同的预定波长，光学补偿器具有非周期相位结构，使所述第一、第二和第三辐射束中的每种辐射束被设置成穿过该非周期相位结构，所述非周期相位结构包括多个由阶梯分离的阶梯状环形区域，这些区域形成一种非周期的径向图案(radial pattern)，阶梯状环形区域分别将不同的第一、第二和第三波前修正引入到第一、第二和第三辐射束中的至少一部分中，其特征在于，所述光学补偿器包括与所述多个阶梯状环形区域中至少一些环形区域对应的径向高度变化，所述径向高度变化被设置成使得在与所述多个阶梯状环形区域中至少一些阶梯状环形区域对应的波前的部分中，由所述光学补偿器将非零贡献提供给所述第一、第二和第三波前修正中的每一个。
根据本发明更进一步的方面，提供一种光扫描设备，它包括根据本发明设置的光学补偿器。
本发明提供使用加入相位(模为2π)的NPS结构的三种或更多种模式兼容的物镜系统，模为2π的相位对于任何模式都不等于0。通过允许相位阶梯对全部模式变得可见，可以减少对于每种模式的剩余像差(remaining aberration)，也就是，辐射束经过物镜系统和覆盖层之后，即在聚焦点上，在整个波前上的OPD均方根(RMS)平均值(rootmean sqruare average OPD)，并因此可以全面改进传输和光斑形状。因为这种解决方案不依赖于为每种模式使用不同级数的衍射光栅，所以待校正的不同像差之间没有产生联系。
在本发明的优选实施例中，通过一个或多个径向高度变化来提供一种非球面表面。这可用来提供一种在全部模式中被优化的光学补偿效果。
本发明提供一种解决方案，用于结合了蓝光、DVD和CD的Blu-RayTM三模式物镜系统。
本发明还提供一种解决方案，用于结合了HDDVD、DVD和CD的HDDVD三模式物镜系统。
附图说明
通过参考附图，从仅作为例子给出的本发明的优选实施例的下述说明中，可以清楚地看到本发明的更多特征和优点。
图1示意性地显示根据本发明实施例的光扫描设备。
图2示意性地显示根据本发明实施例的光扫描设备的光学系统。
图3a、3b和3c示意性地图示说明了根据现有技术的待校正的OPD径向轮廓、NPS结构径向轮廓和剩余OPD径向轮廓。
图4a、4b和4c示意性地图示说明了根据本发明第一实施例的待校正的OPD径向轮廓、NPS结构径向轮廓和剩余OPD径向轮廓。
图5a、5b和5c示意性地图示说明了根据本发明第二实施例的待校正的OPD径向轮廓、NPS结构径向轮廓和剩余OPD径向轮廓。
图6、7和8的每一幅图显示通过根据本发明第三实施例的光学补偿器，对三种不同辐射束的待校正的波前像差。
图9显示根据本发明第三实施例的NPS的径向表面轮廓。
图10、11和12的每一幅图显示通过根据本发明第三实施例的光学补偿器补偿之后，三种不同辐射束中的剩余OPD的径向轮廓。
图13、14和15的每一幅图显示通过根据本发明第四实施例的光学补偿器，对三种不同辐射束的待校正的波前像差。
图16显示根据本发明第四实施例的NPS的径向表面轮廓。
图17、18和19的每一幅图显示通过根据本发明第四实施例的光学补偿器补偿之后，三种不同辐射束中的剩余OPD的径向轮廓。
具体实施方式
图1示意性地显示了一种光扫描设备，其用于采用不同的第一、第二和第三辐射束分别扫描第一、第二和第三光学记录载体。第一光学记录载体3’被图示说明，并且具有第一信息层2’，利用第一辐射束4’扫描第一信息层2’。第一光学记录载体3’包括覆盖层5’，覆盖层5’设置于第一信息层2’的一侧上。通过保护层6’使信息层远离覆盖层5’的那一侧免受环境影响。覆盖层5’作为第一光学记录载体3’的基底，为第一信息层2’提供机械支撑。可选地，覆盖层5’可以具有保护第一信息层2’的单独功能，而由第一信息层2’另一侧上的层提供机械支撑，比如，通过保护层6’或通过附加信息层及连接于最上面信息层的覆盖层以提供机械支撑。第一信息层2’具有第一信息层深度d1，第一信息层深度d1对应于覆盖层5’的厚度。第二以及第三光学记录载体(未显示)分别具有不同的第二信息层深度d2和第三信息层深度d3，这两个深度分别对应于第二、第三光学记录载体的覆盖层(未显示)厚度。第三信息层深度d3小于第二信息层深度d2，后者小于第一信息层深度d1，即，d3＜d2＜d1。第一信息层2’是第一光学记录载体3’的表面。同样地，第二以及第三信息层(未显示)是第二及第三光学记录载体的表面。该表面包含至少一条轨道，即，聚焦辐射光斑所遵循的路径，在该路径上设置有表示信息的光学可读标记。比如，这些标记可以是反射系数或磁化方向不同于周围区域的凹坑或平地(area)。在第一光学记录载体3’为圆盘形状的情况下，相对于给定轨道定义以下内容：“径向”是参考轴即X轴在轨道和光盘中心之间的方向，而“切线方向”是另一轴即Y轴的方向，该方向与轨道相切并且垂直于X轴。在本实施例中，第一光学记录载体3’是光盘(CD)，第一信息层深度d1约为1.2毫米，第二光学记录载体是普通的数字多功能光盘(DVD)，第二信息层深度d2约为0.6毫米，而第三光学记录载体是蓝光光盘(BD)，第三信息层深度d3约为0.1毫米。
如图1所示，光扫描设备1具有光轴OA，并且包括辐射源系统7、准直透镜18、分束器9、物镜系统8和检测系统10。此外，光扫描设备1包括伺服电路11、聚焦致动器(focus actuator)12、径向致动器(radial actuator)13、和用于误差校正的信息处理单元14。
辐射源7被设置成用于连续地或者同时地产生不同的第一辐射束4’、第二辐射束和/或第三辐射束(图1中未示出)。例如，辐射源7可以包括用于连续地提供这些辐射束的可调谐半导体激光器，或者用于同时地或者连续地提供这些辐射束的三种半导体激光器。第一辐射束4’具有第一预定波长λ1，第二辐射束4”具有不同的第二预定波长λ2，而第三辐射束4”’具有不同的第三预定波长λ3。在这个实施例中，第三波长λ3比第二波长λ2短。第二波长λ2比第一波长λ1短。在这个实施例中，第一波长λ1的范围在大约770纳米-810纳米之间，优选约为785纳米；第二波长λ2的范围在640纳米-680纳米之间，优选约为660纳米；第三波长λ3的范围在400纳米-420纳米之间，优选约为405纳米。第一、第二和第三辐射束分别具有的数值孔径(NA)约为0.5、0.65和0.85。
准直透镜18设置在光轴OA上，用于将第一辐射束4’转换为基本上准直的第一准直光束20’。同样地，它将第二和第三辐射束转换成基本上准直的第二者准直光束20”和基本上准直的第三准直光束20”’(如图2中所图示说明的)。
分束器9被设置成用于将第一、第二和第三准直辐射束向物镜系统8传输。优选地，分束器9由相对于光轴OA倾斜成α角的平面平行板形成，并且优选α等于45度。
物镜系统8被设置成将第一、第二和第三准直辐射束分别聚焦到第一、第二和第三光学记录载体上所需的焦点。用于第一辐射束的所需焦点是第一扫描光斑16’。用于第二和第三辐射束的所需焦点分别是第二和第三扫描光斑16”、16”’(如图2所示)。每个扫描光斑对应于合适的光学记录载体的信息层上的一个位置。优选地，每个扫描点基本上受衍射限制，并具有小于70mλ的波前像差。
在扫描期间，第一光学记录载体3’绕转轴(spindle)(未显示)旋转，然后经第一信息层2’扫描覆盖层5’。聚焦的第一辐射束20’在第一信息层2’上进行反射，因此形成反射的第一辐射束，反射的第一辐射束沿着物镜系统8提供的前向会聚聚焦的第一辐射束的光路返回。物镜系统8将反射的第一辐射束转变成反射的、准直的第一辐射束22’。分束器9通过向检测系统10传输至少一部分反射的第一辐射束22’，将前向的第一辐射束20’从反射的第一辐射束22’中分离出来。
检测系统10包括会聚透镜25和象限检测器23，它们被设置用于捕获反射的第一辐射束22’的所述一部分，并将所述一部分转换成一个或多个电信号。其中一个信号是信息信号Idata，其值表示在信息层2’上扫描的信息。信息信号Idata由用于误差校正的信息处理单元14进行处理。来自检测系统10的其他信号是聚焦误差信号Ifocus和径向循轨误差信号Iradial。信号Ifocus表示第一扫描光斑16’和第一信息层2’位置之间沿光轴OA的轴向高度差。优选地，由“像散法(astigmatic method)”形成此信号，其中这种像散法从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijser等写的题为“Principles of OpticalDisc Systems”一书，第75-80页(Adam Hilger，1985)(ISBN0-85274-785-3)可知。对依据这种聚焦法创建像散的设备不作说明。径向循轨误差信号Iradial表示在第一信息层2’的XY平面中第一扫描光斑16’与第一扫描光斑16’所遵循的信息层2’中的轨道的中心之间的距离。优选地，由“径向推挽方法(radial push-pull method)”形成此信号，其中径向推挽方法由G.Bouwhuis所写那本书的70-73页可知。
伺服电路11被设置成响应于信号Ifocus和Iradial而提供用于分别控制聚焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号Icontrol。聚焦致动器12控制物镜系统8的镜头沿光轴OA的位置，由此控制第一扫描光斑16’的位置，以使之与第一信息层2’的平面基本上相符合。径向致动器13控制物镜系统8的镜头沿X轴的位置，由此控制第一扫描光斑16’的径向位置，以使之与在第一信息层2’中所要遵循的轨道的中心线基本上相符合。
图2示意性地显示光扫描设备的物镜系统8。根据本发明的一个实施例的物镜系统8被设置成将不同的第一、第二和第三波前修正WM1、WM2、WM3分别引入到第一、第二和第三辐射束20’、20”、20”’的至少一部分中。每种波前修正WM1、WM2、WM3都包括非周期相位成分，这将在下文进行更进一步地描述。
物镜系统8包括光学补偿器，在这个实施例中，光学补偿器由设置在光轴OA上的校正板30和物镜32构成。物镜32具有非球面表面，该非球面表面不面对光学记录载体。在这个实施例中，镜头32由玻璃构成。
校正板30包括平面基面基底，在该平面基底上形成NPS。NPS包括一系列不同高度的环形区域，每个环形区域由受控高度的离散阶梯进行分离。
通常，NPS的那些区域在所述整个区域中引入一恒定相位，并选定NPS的那些区域使得在阶梯的位置处，该区域对于从第一、第二和第三辐射束20’、20”、20”’中所选定的一种辐射束的波长而言基本上不可见。就是说，可以找到增加以2π为模的相位的阶梯，该相位对于其中一种波长而言等于0。选择区域宽度和阶梯高度，以对其他两种波长提供所需的像差补偿。
在普通的NPS中，区域高度hj(区域j位于基面表面(basesurface)之上的高度)设计成等于：
h j = m j λ n - 1 - - - ( 1 )
其中mj是整数，λ是波长，而n1是制造NPS的材料在该波长下的折射率。在NPS与空气交界的地方上述等式有效；该交界面还可以是在两种不同材料之间，在这种情况下分母变成(n1-n2)。
因此，区域高度差异是基本阶梯高度的整倍数(1倍、2倍、3倍等)。本发明的实施例可以利用基本阶梯高度hBD、hDVD、hCD和hHDDVD。这些是根据上述等式(1)所选择的基本阶梯高度，其中mj＝1，并且采用了合适的波长λ，即分别约为405纳米、660纳米、785纳米和405纳米。
上面提到的问题之一是，CD辐射和BD辐射的波长使得在最通用的光学材料中，由NPS阶梯引起的相位变化相差大约系数2。正如上述引用的论文“Application of non-periodic phase structures inoptical systems”中已指出的那样，可以利用连分数来计算有效用于NPS中的基本上不同的相位阶梯的数量。这种情况下的基本上不同的相位阶梯的数量为2。这意味着通过对405纳米的辐射使用整数个2π相位阶梯，在785纳米可以仅仅产生约为0和π的相位阶梯。
图3a图示说明用于CD的待校正波前OPD的径向轮廓300，以及用于BD的待校正波前OPD的径向轮廓302。在这种情况下，物镜对于BD被最优化，因此没有待校正的OPD，而对于CD的待校正的波前轮廓是线性的。
在图3b中显示了不是根据本发明的普通NPS结构的一个实例，其径向截面显示了由不连续的阶梯所分离的多个环形NPS区域中的每个区域的轮廓。在图3b中，NPS区域由高度为基本阶梯高度hBD的倍数的阶梯进行分离。
在图3c中，显示了在利用图3b中所示NPS结构补偿之后，对于CD所产生的剩余OPD的径向轮廓306和对于BD所产生的剩余OPD的径向轮廓308。对于BD的剩余OPD仍然是完美的，但是CD剩余OPD显示0.5个波的峰-峰值。尽管看到对于CD有改进，但是剩余OPD的这样高的剩余峰-峰值将引起向光盘的光斑的非常高的传输损失。
在本发明的实施例中，提供的NPS结构在第一数量级(其使大小的数量级对应于基本阶梯高度)上类似于普通的NPS结构，其中根据本发明实施例的NPS结构的每个区域包括基本径向区域轮廓，可以如普通NPS结构那样取成是平直的，即，在其整个宽度上引入恒定相位。然而，根据本发明的实施例，附加径向表面轮廓叠加在NPS的每个区域或至少一些区域内的基本区域轮廓上，以增加可变相位。一个区域的这个附加的区域径向表面轮廓在该区域内在其整个径向宽度上提供高度变化。附加径向表面轮廓是非衍射的。区域内的每个高度变化远小于区域之间的高度变化，区域之间的高度变化可以取为该区域的平均高度和其相邻区域的平均高度之间的高度变化。区域内的每个高度变化通常至多是该区域的平均高度和其相邻区域的平均高度之间的高度变化的一半。注意，NPS结构形成在曲面透镜表面上的情况下(根据下文提及的可选实施例)，在此论述的区域内的高度变化大于由透镜的基本轮廓所提供的基本高度变化。附加径向表面轮廓具有这样的效果：进一步降低多种波长中至少一种(更优选两种)波长的剩余像差(通常是球面像差)，同时对最优化镜头设计所相对的那个波长引入可接收的像差。可选地，镜头设计可以不用为任何波长进行最优化。
附加径向表面轮廓可以在每个区域中相同。然而，附加径向表面轮廓优选在不同区域中不同，因为待校正的像差通常在不同区域中不同。优选地，用于各个区域中的附加径向表面轮廓在各个区域中不同。因此，对于每种波长的峰-峰值剩余OPD优选少于0.5个波，更优选地小于0.4个波，甚至更优选地小于0.333个波。另外，对于多种波长中至少两种波长的最大剩余OPD优选小于0.333个波，更优选小于0.2个波。然而，存在对于每种波长的剩余高阶像差。因此，对于每种波长的峰-峰剩余OPD通常小于0.05个波，并且可以是至少0.1个波或者甚至至少0.2个波。
图4a对应于图3a，即显示待校正OPD的径向轮廓。图4b显示根据本发明第一实施例的NPS结构，其径向轮廓表示由不连续阶梯所分离的多个环形NPS区域中每个区域的表面轮廓404。图4b表示具有高度为基本阶梯高度hBD的倍数的NPS区域和附加子阶梯高度1/3hBD的子区域。在此，每个NPS区域内的表面包括子区域，以便更进一步降低多波长中的至少一种(更优选两种)波长的剩余像差，同时对于最优化镜头设计所相对的那个波长引入可接受的像差。对于每个区域的基本区域轮廓406a、406b以虚线表示。每个区域中的附加径向表面轮廓408a、408b以实线表示。在这种情况下，由附加径向表面轮廓所提供的径向高度变化包括具有恒定高度的子区域的离散子阶梯。离散子阶梯的大小是用于基本区域轮廓中的阶梯高度的0.33倍。在这个实施例中，通过允许对于BD情况也引入相位的相位阶梯，该结构对于CD波长减少了像差，但这些相位阶梯限于可接受像差。在每个相位阶梯内，放置由离散的子阶梯形成的NPS子区域，离散的子阶梯从CD OPD中减去大约165mλ的相位，其代价是在BD情况下剩余OPD大约为(2×165＝)330mλ。
图4c显示在利用图4b中所示的NPS结构补偿之后，用于CD的剩余OPD的径向轮廓410和用于BD的剩余OPD的径向轮廓412。这里，对于CD，剩余OPD峰-峰值减小到330mλ内，对于BD引入了在330mλ范围内的剩余OPD的峰-峰值。
图5a对应于图3a，即显示待校正的OPD的径向轮廓。图5b显示根据本发明第二实施例的NPS结构，其径向轮廓表示由不连续的阶梯所分离的多个环形NPS区域中每个区域的表面轮廓504。这里，每个NPS区域内的表面制成非球面，以便更进一步降低对于多波长中的至少一种(更优选两种)波长的剩余像差，同时对于最优化镜头设计所相对的波长引入可接受的像差。对于每个区域的基本区域轮廓506a、506b以虚线表示。每个区域中的附加径向表面轮廓508a、508b以实线表示。在这种情况下，由附加径向表面轮廓所提供的径向高度变化包括逐步变化的高度变化，始于区域最内部，即开始为零，而终止于区域最外部，即在最外部具有最大的高度变化量。最大高度变化的大小是用于基本区域轮廓中的阶梯高度的0.33倍。对于这种简化情况，其中待校正OPD与光瞳位置成线性关系，非球面表面也将是线性的，然而应当理解，一般而言，非球面表面可以包括具有变化曲率的连续表面。
图5c显示在利用图5b中所示的NPS结构补偿之后，对于CD的剩余OPD的径向轮廓510和对于BD的剩余OPD的径向轮廓512。在这种情况下，由于剩余OPD峰-峰变化而引起的损失在两种模式之间得到较好的均衡。
上面显示的对于该BD/CD系统的剩余OPD实际上是最差的情况，因为假设了2的连分数(CF)。如果CF更高，那么峰-峰剩余OPD将更进一步地降低。如上所述，向相位结构增加高度为基本阶梯高度hCD倍数的相位阶梯，将不会影响剩余OPD，因为用于CD波长的2π相位等于用于BD波长的大约4π的相位阶梯。利用这种特点，多个阶梯构成的NPS是基本阶梯高度hCD的多倍，这对于DVD波长引入了不同的相位阶梯。用于CD DVD系统的CF通常高得多。在上述引用的论文“Application ofnon-periodic phase structures in opticalsystems”中，给出的例子是在DVD波长使用2π相位阶梯，产生(因为hDVD/hCD＝0.8356)若干基本上不同的6的相位阶梯。然而，在这种情况下，相位阶梯将由在CD波长时的2π相位阶梯构成，因此产生(因为hDVD/hCD＝1.1967)若干基本上不同的5的相位阶梯，这也足以校正DVD的剩余OPD。
在本发明的第三实施例中，呈现了一种设计，用于BD/DVD/CD兼容物镜的三种波长部分。在下表1中列出了对于这个实施例的用于不同模式的参数。
表1
  基底[毫米]   NA   λ纳米
  BD   0.0875   0.85   405
  DVD   0.6   0.65   660
  CD   1.2   0.5   785
对于这个镜头，采用对于BD最优化的镜头体，其由SumitaK-VC89玻璃制成。在这个镜头之前，放置一种如图2所示的校正板，在该校正板上放置用于兼容DVD和CD的NPS结构。对于全部模式，兼容镜头将在无限系(infinite conjugate)使用。本实施例中的NPS由光聚合物(2P)复制材料(replica material)制成，这种材料通过在由具有平坦侧面的平面玻璃基底所提供的平面基本轮廓上的模塑工艺而形成。
在图6、7和8中，绘制了用于光瞳的三种波长部分的不同工作模式的、没有NPS校正的剩余OPD。在图6中，绘制了在光瞳的三种波长部分内用于BD模式的剩余OPD。在图7中，绘制了在光瞳的三种波长部分内用于DVD模式的剩余OPD。在图8中，绘制了在光瞳的三种波长部分内用于CD模式的剩余OPD。在前2个绘图(BD和DVD)中，OPD绘图比例相同(1个波)，而在最后的绘图中OPD绘图比例为5个波。很明显看出，所述镜头被设计成BD最优化镜头。在DVD情况下，一些0.93倍的球面像差波峰需要被校正，而在CD情况下，必须校正大约5个像差波峰。对于CD，为了增加工作距离，在这种模式中已经加入了散焦。
为了校正对于DVD和CD模式的剩余OPD，设计了一系列NPS区域，这些NPS区域在每个区域内也是非球面的，这补偿了至少一些对于DVD和CD的剩余OPD，而且对BD模式增加了少量像差。在这种情况下(对BD来说最优化的镜头)，阶梯高度处于以下范围：
h = m * h BD + &Delta; * &lambda; BD n BD - 1 , where - 0.4 < &Delta; < 0.4 - - - ( 2 )
在图9中，根据本实施例，绘制出用于校正板的NPS结构。在图9中，根据本发明这个实施例，NPS结构被显示成其径向截面表明通过不连续的阶梯所分离的多个环形NPS区域中的每个区域的轮廓，所述轮廓形成在这个校正板之上。每个阶梯内的表面都是非球面的，尽管不能直接从图9中辨别出来，但是可以分别从示图10、11和12中得以理解。这里，每个NPS区域内的表面制成非球面，以便更进一步降低对于多波长中的至少一种(更优选两种)波长的剩余像差，同时对于最优化镜头设计所相对的波长引入可接受像差。
在这个实施例中，利用效益函数(merit function)生成用于每个区域的附加径向表面轮廓。单独地为每个径向位置确定最佳局部区域高度。为了实现这个目的，改变局部区域高度，并且确定用于每个局部区域高度的效益函数。具有最低效益的局部区域高度具有最高的质量，并且被选作用于那个半径的最佳局部区域高度。对于一种波长(CD、DVD或BD)的高质量是在剩余OPD最接近于0时，然而效益函数考虑了每种波长的质量，并且平衡这些质量，以提供如由效益函数所测量得到的最高综合质量。从必须校正的OPD减去因区域高度而产生的OPD，并且取该值的小数部分来计算剩余OPD，从而全部剩余OPD处于正负0.5个波之间。
可以采用的效益函数的实例如下：
Merit = ( W BD * ROP D BD 4 ) + ( W DVD * ROPD DVD 4 ) + ( W CD * ROPD CD 4 ) - - - ( 3 )
在等式(3)中，ROPDBD、ROPDDVD和ROPDCD是用于不同工作模式的剩余OPD。所述剩余OPD被提升到给定的正偶数幂(在这个实例中为4次方)，以便确保在该结构中的光损失方面在一种波长的高剩余OPD比在另一种波长的低剩余OPD坏的多。采用权重系数Wxx，可以加权每种模式的贡献。
效益函数选择最优解，以便用于每种波长或多种波长中至少两种波长的峰-峰剩余OPD优选少于0.5个波，更优选地小于0.4个波，甚至更优选地小于0.333个波。
在图10、11和12中，绘制了分别用于BD模式、DVD模式和CD模式的光瞳的三种波长区域内的剩余OPD。
对于BD模式的OPD已经恶化，并且现在处于0.240个波长的峰-峰范围内。在DVD模式下，峰-峰剩余OPD是0.219个波，而在CD模式下，剩余OPD是0.301个波峰-峰。在每种情况下，剩余像差是更高阶像差。一般而言，如图10、11、12所示的高阶像差导致在向聚焦光斑传输时发生损失，而低阶像差趋向于恶化斑点形状，因此更不合需要。
在本发明的第四实施例中，提供一种设计，用于HDDVD/DVD/CD兼容物镜的三种波长部分。应当理解的是，上述关于图1和2的说明可应用于这里，并将涉及BD的标记全部替换成HDDVD的标记。在本实施例中，第一光学记录载体3’是光盘(CD)，第一信息层深度d1约为1.2毫米，第二光学记录载体3”是普通的数字多功能光盘(DVD)，第二信息层深度d2约为0.6毫米，而第三光学记录载体3”’是高清晰度数字多功能光盘(HDDVD)，第三信息层深度d3约为0.6mm。
在下表2中列出对于这个实施例中用于不同模式的参数。
表2
  覆盖层厚度[毫米]   NA   λ纳米
  HDDVD   0.6   0.65   405
  DVD   0.6   0.65   660
  CD   1.2   0.5   785
对于该镜头，采用对于DVD最优化的镜头体，其由SumitaK-VC89玻璃制成。在这个镜头之前，放置如图2所示的校正板，在该校正板上放置用于兼容HDDVD和CD的NPS结构。对于全部模式，将在无限系使用兼容镜头。在这个实施例中，NPS由光聚合物(2P)复制材料构成，该材料通过在平坦的玻璃基底上的模塑工艺而形成的。
在图13、14和15中，绘制了对于光瞳的三种波长部分的不同工作模式的、没有NPS校正的剩余OPD。在图13中，绘制了光瞳的三种波长部分内用于HDDVD模式的剩余OPD。在图14中，绘制了光瞳的三种波长部分内用于DVD模式的剩余OPD。在图15中，绘制了光瞳的三种波长部分内用于CD模式的剩余OPD。在全部绘图中的比例相同(1个波)。很明显看出，所述镜头被设计成DVD镜头。在HDDVD情况下，物镜的色球差和光盘基底的色球差引起大约0.2个波峰的球面像差。在CD情况下，必须校正大约1个波峰的球面像差。
为了校正用于HDDVD和CD模式的剩余OPD，设计了一系列NPS阶梯，这些阶梯在每阶梯内部也是非球面的，这校正了对于HDDVD和CD的剩余OPD，而且向DVD模式增加了少量像差。在这种情况下(对于DVD的最优化的镜头)阶梯高度在下列范围内：
h = m * h DVD + &Delta; * &lambda; DVD n DVD - 1 , where - 0.4 < &Delta; < 0.4 - - - ( 4 )
在图16中，根据本发明的这个实施例，NPS结构被显示成其径向截面表明通过不连续的阶梯所分离的多个环形NPS区域中的每个区域的轮廓，所述轮廓形成在所述校正板上。每个阶梯内的表面都是非球面的，尽管不能直接从图16中辨别出来，但是可以从示图17、18和19中得以理解。这里，在每个NPS区域内的表面被制成非球面，这具有如下的效果：更进一步地降低对于多波长中的至少一种(更优选两种)波长的剩余像差，同时对于最优化所述镜头所相对的那个波长引入可接受的像差。
在这个实施例中，利用上述效益函数(3)，用HDDVD的标记替代BD的标记，生成用于每个区域的附加径向表面轮廓。效益函数选择最优解，使得对于每种波长或对于多个波长中至少两种波长的峰-峰剩余OPD优选少于0.5个波，更优选地小于0.4个波，甚至更优选地小于0.333个波。
在图17、18和19中，分别绘制了用于HDDVD模式、DVD模式和CD模式的光瞳的三种波长区域内的剩余OPD。
用于HDDVD的剩余OPD现在处于0.26个波的峰-峰范围之内，并且剩余像差已经转移到更高阶像差。在DVD情况下，为了最优化总体性能，剩余OPD已经恶化。用于这种情况的峰-峰剩余OPD是具有主要高阶像差的0.184个波。用于CD情况的剩余OPD现在处于0.245个波的峰-峰范围之内，并且剩余像差是更高阶像差。
注意，就图9和16中所示的上述实施例而言，通过除去小于预定宽度的全部区域中的阶梯可以提高NPS的可制造性，然后让表面的径向轮廓在正被除去阶梯所在的区域中沿着其中一个相邻区域的轨迹而行。例如，用这种方法可以除去小于5微米的全部区域。
本发明的实施例提供用于光扫描设备的物镜系统，其中，辐射束路径的中心部分对于三种波长进行校正，所述物镜系统与使用NPS结构的光盘格式兼容，所述光盘格式要求使用全部NA(包括最高NA(通常其具有最小辐射波长))扫描。上述讨论限于镜头的中心部分，被称为三种波长部分。然而，应当理解的是，所述实施例包括使物镜的各相应部分与要求利用物镜的外部进行扫描的光盘格式兼容的结构和/或透镜面。
对于紧靠镜头中心部分的外侧区域，这个问题归纳为要么是仅仅两种波长的问题(如在上述HDDVD/DVD/CD兼容物镜实施例中那样)，仅仅通过使用中央三种波长部分之外的两种波长部分即来解决；要么是两种波长问题伴随着一种波长的问题(如在上述BD/DVD/CD兼容物镜的实施例中那样)，通过使用三种波长部分之外的两种波长部分以及两种波长部分之外的一种波长部分来解决。通常已知的解决方案用于两种波长部分和一种波长部分。对于两种波长部分，校正板可以设计成在两种波长部分中包括NPS，如上述参考的论文“Application ofnon-periodic phase structures in optical systems”中所述，其相关内容通过引用结合于此，从而提供对两种相关波长的适当的补偿。对于一种波长部分，物镜本身或者校正板可设计成利用在所述一种波长部分中的连续的非球面的透镜表面来补偿剩余波长。
上述实施例应理解为本发明的示例性实例。可以设想本发明另外实施例。
在上述实施例中，光学补偿器是以与物镜分离的校正板上的NPS结构形式提供的。应当注意，NPS结构还可以直接放置在镜头体上。在这种情况下，基底的基面遵循镜头表面形状(通常是非球面表面形状)，并且NPS结构被形成为参考作为基本轮廓的镜头表面形状的高度变化。具有这种NPS的镜头可以例如由光聚合物(2P)复制材料构成，这种材料通过在玻璃基底的球面上的模塑而形成。复制材料既可以提供来自球面玻璃表面的表面变化，从而形成非球面透镜基面轮廓(base profile)，又可以提供形成在基面轮廓顶部的NPS结构。
此外，根据本发明的光学补偿器可以按照两个分离的元件的形式提供，比如，在沿着光学系统光轴间隔的两个分离的校正板上的两个不同的NPS结构，或者在单个校正板的相对两侧上提供的两个NPS结构，在两种情况下的这两个NPS结构都具有类似于上述单个NPS结构的综合效果。
还需注意，同时在上述实施例中，附加径向轮廓提供于NPS的每个区域中。然而，附加径向表面轮廓可仅用于NPS的某些区域中，这根据每个区域各自所需的最优化量选定。在一些区域中，可以不需要任何最优化，或者甚至必须最优化。然而，优选地，附加径向表面轮廓提供在NPS的至少两个区域中。
更进一步地，虽然上述实施例描述仅以NPS结构形式提供的补偿，但是光学补偿器也可以包括一个或多个提供聚焦和/或像差补偿功能的衍射结构。
上述实施例涉及BD、CD和DVD兼容物镜系统和HDDVD、CD和DVD兼容物镜系统；然而，本发明可用于其他多波长系统。更进一步地，本发明不限于三种波长系统，而是还可以用于采用更多波长的系统。
应当理解，关于任何一种实施例所描述的任何特征可以单独使用，或者与所述其他特征结合使用，并且也可以与任何其他实施例中的一个或多个特征结合使用，或者与任何其他实施例的任意组合。此外，可以在不脱离本发明范围的情况下使用未在上文中描述的等效方式和改进，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (21)

1. 一种用于扫描光学记录载体的光扫描设备中的光学补偿器(30)，在所述载体中的两种不同载体内部存在着至少两种不同的信息层深度，所述光学记录载体包括第一光学记录载体、第二光学记录载体和第三光学记录载体，所述扫描设备包括辐射源系统(7)，用于产生分别扫描所述第一、第二和第三记录载体的第一、第二和第三辐射束，所述第一、第二和第三辐射束具有不同的预定波长，所述光学补偿器具有非周期相位结构，所述第一、第二和第三辐射束中的每种辐射束被设置成使得穿过该非周期相位结构，所述非周期相位结构包括多个通过阶梯分离的阶梯状环形区域，所述环形区域形成非周期径向图案，所述阶梯状环形区域将不同的第一、第二和第三波前修正分别引入到所述第一、第二和第三辐射束中的至少一部分中，其特征在于，所述光学补偿器包括与所述多个阶梯状环形区域中至少一些环形区域对应的径向高度变化，所述径向高度变化被设置得使得在与所述多个阶梯状环形区域的所述至少一些阶梯状环形区域对应的所述波前的部分中，由所述光学补偿器将非零贡献提供给所述第一、第二和第三波前修正中的每种波前修正。
2. 根据权利要求1的光学补偿器，其中所述非周期相位结构的所述区域包括基本径向区域轮廓，该基本径向区域轮廓在所述第一、第二和第三辐射束中的每种辐射束中提供基本上恒定的相位变化，并且其中所述补偿器包括与所述区域中至少一些区域的每一区域对应的附加径向表面轮廓，一个区域的所述附加径向表面轮廓在该区域内提供所述高度变化。
3. 根据权利要求2的光学补偿器，其中所述附加径向表面轮廓叠加在一个区域内的基本区域轮廓之上。
4. 根据权利要求1、2或3的光学补偿器，其中一个区域内的每种高度变化明显小于所述区域平均高度与其相邻区域平均高度之间的高度变化。
5. 根据权利要求4的光学补偿器，其中一个区域内的每种高度变化至多为该区域平均高度与其相邻区域平均高度之间的高度变化的一半。
6. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中光学补偿器与最优化所述第一、第二和第三辐射束之一的物镜一起使用，其中所述非周期相位结构适合于减少所述第一、第二和第三辐射束至少之一的剩余像差，并且其中所述径向高度变化具有更进一步减少所述第一、第二和第三辐射束的所述至少之一的剩余像差，同时引入最优化透镜设计所相对于的辐射束的可接受像差的作用。
7. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中所述径向高度变化在不同区域不同。
8. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中在每种所述第一、第二和第三辐射束中的所述峰-峰剩余光程差作为所述径向高度变化的结果，小于每种相应辐射束的0.5倍波长。
9. 根据权利要求8的光学补偿器，其中在所述第一、第二和第三辐射束的每种辐射束中，所述峰-峰剩余光程差作为所述径向高度变化的结果，小于每种相应辐射束的0.4倍波长。
10. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中在所述第一、第二和第三辐射束的每种辐射束中，所述峰-峰剩余光程差作为所述径向高度变化的结果，至少为每种相应辐射束的0.05倍波长。
11. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中在所述第一、第二和第三辐射束的每种辐射束中，所述峰-峰剩余光程差作为所述径向高度变化的结果，至少为每种相应辐射束的0.1倍波长。
12. 根据上述任意权利要求的光学补偿器，其中所述径向高度变化中的至少一种径向高度变化在各个区域内提供一个基本上是非球面的表面。
13. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中所述第三辐射束的波长(λ3)比所述第二辐射束的波长(λ2)短，并且所述第二辐射束的波长比所述第一辐射束的波长(λ1)短。
14. 根据权利要求13的光学补偿器，其中所述第一、第二和第三辐射束的所述预定波长分别约为785纳米、660纳米和405纳米。
15. 根据上述任意权利要求的光学补偿器，其中所述第一、第二和第三记录载体的每一种记录载体都具有基本上不同的信息层深度。
16. 根据权利要求15的光学补偿器，其中所述第一、第二和第三记录载体具有的信息层深度分别约为1.2毫米、0.6毫米和0.1毫米。
17. 根据权利要求1到4的任意一项的光学补偿器，其中所述第一、第二和第三记录载体具有各自的信息层深度，其中两个信息层深度基本上是相同的。
18. 根据权利要求17的光学补偿器，其中所述第一、第二和第三记录载体具有的信息层深度分别约为1.2毫米、0.6毫米和0.6毫米。
19. 根据上述任意一项权利要求的光学补偿器，其中所述光学补偿器以光学校正板的形式提供，该光学校正板与用于所述光扫描设备的物镜分离。
20. 根据权利要求1-18中的任意一项光学补偿器，其中所述光学补偿器设置于用于所述光扫描设备的物镜表面上。
21. 一种包括根据上述任意一项权利要求的光学补偿器(30)的光扫描设备，光扫描设备用于扫描光学记录载体，所述载体中的两个不同载体内存在至少两种不同的信息层深度，所述光学记录载体包括第一光学记录载体、第二光学记录载体和第三光学记录载体，所述扫描设备包括辐射源系统(7)，用于产生分别扫描所述第一、第二和第三记录载体的第一、第二和第三辐射束，所述第一、第二和第三辐射束具有不同的预定波长。
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