CN101667433B - 像差校正元件 - Google Patents

Abstract

一种像差校正装置，包括：衍射面，配置来通过透射从第一光源发射的第一光束来在第一记录介质上读取和写入数据，衍射从第二光源发射的第二光束来在第二记录介质上读取和写入数据，并且衍射从第三光源发射的第三光束来在第三记录介质上读取和写入数据，从而校正第一、第二和第三光学记录介质中的差异引起的球面像差；相移面，包括阶梯形状，阶梯的高度在室温下具有波长的整数倍，根据温度变化，相移面产生具有与针对第一光学记录介质优化的物镜产生的球面像差ΔSA的相反的方向的球面像差-ΔSA，像差校正装置满足下面的公式：

其中dn/dT表示基于温度变化，树脂材料的折射系数的变化；dh/dT表示基于温度变化，阶梯的高度的变化，而m表示多个阶梯的数量。

Description

像差校正元件

技术领域

本发明涉及校正像差来获得用于在具有不同记录密度的多种光学记录介质上读取和写入数据的兼容性的像差校正(光学)元件。

背景技术

诸如CD(具有0.65GB存储量)和DVD(具有4.7GB存储量)之类的光学记录介质已经广泛用作存储或保存计算机上的音频视频数据或数据的装置。近年来，迫切需要进一步增加记录密度和存储量(数据容量)。

例如，通过增加用于在光学记录介质上读取和写入数据的光拾取器(optical pickup)中的物镜的数值孔径(numeric aperture)的数值，或者通过缩短从光源发射的光的波长来减少通过物镜聚焦并形成在光学记录介质上的光点的大小来满足上述需要。

对于紧凑盘(CD)，物镜的数值孔径和光源的波长分别为0.50和780nm，而对于具有更高记录密度的DVD来说，物镜的数值孔径和光源的波长分别为0.65和660nm。

如上所述，目前需要具有更高记录密度和更大数据容量的光学介质，这意味着需要具有大于0.65的数值孔径的物镜和发射具有短于660nm的波长的光的光源。

提出了作为较大数据容量的光学记录介质和光学数据处理装置的蓝光盘(下面称为BD)的规范。

蓝光盘为通过使用具有0.85的数值孔径的物镜和发射具有在蓝色范围内的波长的光的光源来确保与22GB对应的数据容量的光学记录介质。

此外，还需要用于在诸如BD之类的高容量光学记录介质上读取和写入数据的光拾取器来确保在诸如市场上大量存在的CD或DVD之类的现有光学记录介质上读取和写入数据。

最好选择用于根据要读取和写入的光学记录介质的类型发射具有合适的波长的光的光源，并且对所选择的光束进行合适的光学处理来校正由光学记录介质的基片的厚度差异引起的球面像差。

使用单个光拾取器的技术描述了使用两个物镜来在不同类型的光学记录介质上读取和写入数据的方法和/或设备。另一技术描述了针对不同类型的光学记录介质使用单个物镜来减少不见的数量和尺寸的方法和/或设备。

又一技术描述使用用于补偿光拾取器中的温度变化引起的光学记录介质的数据记录表面的聚焦光点形成功率的劣化的衍射镜的方法和/或设备。

然而，首先描述的技术使用两个物镜，这导致部件数量的增加。这对于减少尺寸和成本降低来说是不利的。此外，根据光学记录介质的类型移动并切换物镜，这导致传动臂的机构复杂以及数据存取时间占用较长时间的问题。

在上述第二个技术中，物镜由玻璃制成。也就是，物镜的重量较重，这导致传动臂负担很重。此外，很难通过注射铸模制造由玻璃制成的物镜，并且与塑料制成的物镜相比相对昂贵。

当使用通过注射铸模制造的很轻且便宜的塑料物镜时，塑料透镜的形状和折射系数以及从光源发射的光束的振荡波长(oscillation wavelength)根据光拾取器内的温度变化而变化。该变化引起聚焦点的像差，这可能阻止精确地读取和写入。

上述第三个方法和/或装置使用单独的物镜，其在物镜的曲面上具有用于温度补偿的相结构(phase structure)。然而，在满足用于蓝色波长的0.85NA的物镜的非曲面上制造相结构是很难的。此外，由于在温度补偿机构中使用衍射结构，因此光利用效率降低。

还描述了不具有温度补偿结构的物镜，但是处理两个像差校正平面之外，还设置了温度补偿平面。因此，部件的数量增加，而这与尺寸减少和成本降低相矛盾。

发明内容

由于这些原因，根据部件数量、尺寸和成本的减少的目的，本发明的发明人认识到需要一种相差校正(光学)元件，该像差校正元件能够利用合适的数值孔径将光束聚焦在三种光学记录介质的记录面，校正由于温度变化引起的球面像差，而不损失光利用效率，并且通过使用由注射铸模制造的、单独的轻型且便宜的塑料透镜以及根据波长设置的多个光源来执行稳定的数据读取和写入。

因此，本发明的一个目的是根据部件数量、尺寸和成本的减少的目标，提供一种相差校正(光学)元件，该像差校正元件能够利用合适的数值孔径将光束聚焦在三种光学记录介质的记录面，校正由于温度变化引起的球面像差，而不损失光利用效率，并且通过使用由注射铸模制造的、单独的轻型且便宜的塑料透镜以及根据波长设置的多个光源来执行稳定的数据读取和写入。

通过在下面对像差校正装置描述，本发明的目的和其它目的将变得更加清楚。本发明的一个方面涉及一种相差校正装置，包括：衍射面，配置来通过透射从第一光源发射的具有波长λ1的第一光束来在包括具有t1的厚度的基片的第一记录介质上读取和写入数据，衍射从第二光源发射的具有波长λ2的第二光束来在包括具有t2的厚度的基片的第二记录介质上读取和写入数据，并且衍射从第三光源发射的具有波长λ3的第三光束来在包括具有t3的厚度的基片的第三记录介质上读取和写入数据，从而校正第一光学记录介质、第二光学记录介质和第三光学记录介质中的差异引起的球面像差；和相移面，包括沿光轴方向具有以轮带方式形成的多个阶梯的阶梯形状，所述阶梯的高度在室温下具有波长λ1、λ2和λ3的近似整数倍，根据温度变化，所述相移面产生具有与针对第一光学记录介质优化的物镜产生的球面像差ΔSA的相反的方向的球面像差-ΔSA，

其中，所述像差校正装置由树脂材料形成，并且满足下面的公式1：

$-3.6\×{10}^{-10}\≤\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\right)\×\left(\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dT}}\right)\×m\≤-2.1\×{10}^{-10}$

公式1

其中dn/dT表示基于1℃变化，树脂材料的折射系数的变化，dh/dT表示基于1℃变化，阶梯的高度的变化，而m表示多个阶梯的数量，并且是大于1的整数。

通过结合附图参考本发明的优选实施例的描述，本发明的这些和其他目标、特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

参照下面对附图详细的说明可以更快、更好地理解对公开技术及其特征的完整描述。其中，

图1是图解本发明的实施例中使用的光拾取器的结构；

图2是图解本发明的实施例的像差校正装置和物镜的放大图；

图3是图解本发明的实施例的像差校正装置的放大图；

图4是图解本发明的实施例的像差校正装置的衍射面的图；

图5是图解在光作为-1次衍射光通过衍射结构之前，进入具有4阶梯形状的衍射结构的光的波阵面的状态的图；

图6是图解在光作为±2次衍射光通过衍射结构之前，进入具有4阶梯形状的衍射结构的光的波阵面的状态的图；

图7是图解衍射面的高度(槽深)的图；

图8是图解图8A中的蓝光盘、图8B中的数字多功能盘和图8C中的紧凑盘的4阶梯形状的衍射效率与槽深之间的关系的组图；

图9是图解图9A中的蓝光盘、图9B中的数字多功能盘和图9C中的紧凑盘的5阶梯形状的衍射效率与槽深之间的关系的组图。

图10A是图解在紧凑盘上聚焦的光束的图；

图10B是图解在紧凑盘上形成的光束分布的图；

图11是图解根据温度变化，蓝光盘、数字多功能盘和紧凑盘的球面像差的增加量的图；

图12是图解用于说明与有效半径位置相关的相位分布的光路差像差特性的图；

图13是图解本发明的实施例的相移面的截面图；

图14是图解本发明的实施例的相移面的图；

图15是图解本发明的实施例的像差校正的原理的图；

图16是图解当温度上升了55℃的量时，在校正所产生的量ΔX之后的球面像差的量；

图17是在相关于温度变化的校正后球面像差的增加量ΔSA的图；

图18是图解在室温下和比室温高55℃的温度的情况下，蓝光盘、数字多功能盘和紧凑盘的相差的对应波阵面像差的组图；

图19是图解相移面关于温度特性的校正效果的图；和

图20是图解光轴移动引起的慧形像差的图。

具体实施方式

将参照数个实施例和附图在下面详细描述本发明的实施例。

图1是图解本发明的实施例的光拾取器的示意性结构的图。如图1所示，光拾取器是使用单独的物镜106的兼容型光拾取器，其中使用不同的光源波长利用不同的瞳孔半径(pupil radii)从三种光学记录介质(蓝光盘、紧凑盘和数字多功能盘)读取数据并向其写入数据。

蓝光盘(BD)107、数字多功能盘(DVD)117和紧凑盘(CD)127的基片厚度分别是0.1mm、0.6mm和1.2mm。其数值孔径是0.85、0.65和0.45。第一、第二和第三光源分别发射具有波长λ1(405nm)、λ2(660nm)和λ3(785nm)的光。

图1所示的光拾取器包括半导体101、准直镜(collimate lens)102、棱镜104、1/4波长板105、物镜106、偏振光分束器(polarization beamsplitter)103、检测透镜108、光接收元件110和像差校正装置501。

用作第一光源的半导体101的中心波长是405nm，并且物镜106的数值孔径(NA)是0.85。蓝光盘107的基片厚度是0.1mm。

由准直镜102将半导体激光器101的发射光转换为平行光。通过准直镜102的光进入偏振光分束器103，然后在棱镜104偏转。然后经由1/4波长板105、像差校正装置501和物镜106聚焦。来自蓝光盘107的反射光通过物镜106和1/4波长板105，并且与入射光分离并被偏振光分束器103偏转。然后，检测透镜108将反射光引导到光接收元件110，在其中检测播放(读取)信号、聚焦误差信号和轨道误差信号。

此外，半导体激光器130a将具有660nm的中心波长的光发射到数字多功能盘117。光通过发散角转换透镜(divergence angle conversion lens)132和波长选择分束器133，并且被棱镜104偏转。然后，经由1/4波长板105、像差校正装置501和物镜106，光聚焦在数字多功能盘117上。数字多功能盘117具有0.6mm厚度的基片，并且物镜106的数值孔径为0.65。像差校正装置501切换数值孔径。来自数字多功能盘117的反射光通过物镜106和1/4波长板105，并且被波长选择分束器133偏转。然后，全息元件130b将反射光与入射光分离，并且将其引导到光接收元件130c，在其中检测播放(读取)信号、聚焦误差信号和轨道误差信号。

此外，半导体激光140a将具有785nm的中心波长的光发射到紧凑盘127。光通过发散角转换透镜142和波长选择分束器143，并且被棱镜104偏转。然后，经由1/4波长板105、像差校正装置501和物镜106，光聚焦在紧凑盘127上。紧凑盘127具有1.2mm厚度的基片，并且物镜106的数值孔径为0.45。像差校正装置501切换数值孔径。来自紧凑盘127的反射光通过物镜106和1/4波长板105，并且被波长选择分束器143偏转。然后，全息元件140b将反射光与入射光分离，并且将其引导到光接收元件140c，在其中检测播放(读取)信号、聚焦误差信号和轨道误差信号。

物镜106被优化设计来在具有0.1mm厚度的蓝光盘107上高精度地读取和写入数据。

设计波长是405nm，并且将在405nm上的波阵面像差设计为足够小，即0.01λ或更小。

在该实施例中，针对具有0.1mm厚度的蓝光盘107优化设计物镜106，但本发明不限于此。

例如，相对于光入射侧，具有两个数据记录面(层)的双层蓝光盘具有0.075mm的一个记录层以及0.1mm的另一个记录层。因此，可以优化设计物镜106来具有两层的中间值作为设计中间值，即0.0875mm。

在该实施例中，物镜106具有双面非球面形状，基于平面的光轴方向上的距离x和垂直坐标中的半径R，由下面的方程(i)表示该非球面形状，其中原点被设置为平面的顶点，而x轴被设置为从光源到光学记录介质的光轴：

$x=\frac{\frac{1}{r}{R}^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{\κ})\frac{1}{r^2}{R}^2}}+A{R}^4+B{R}^6+C{R}^8+D{R}^{10}+E{R}^{12}+F{R}^{14}+G{R}^{16}+H{R}^{18}+J{R}^{20}+\·\·\·\·$

$R=\sqrt{y^2+z^2}$

方程(i)

其中r表示近轴(paraxial)曲面半径，k表示圆锥常熟，A、B、C、D、E、F、G、H、J……表示非球面系数。在表1中显示每个平面和每个区域的平面数据。

表1

	面类型	曲率半径(mm)	面间隔(mm)	材质
					第一面	非球面	1.1273	2.1	ZEONE×340R
第二面	非球面	-1.8362

非球面系数	第一平面	第二平面
			K	-0.6064768	-55..991970
A	0.0160514	0.0048479
			B	-0.0023946	0.0892046
C	0.0019634	-0.0862992
			D	0.0021548	0.0499731
E	-0.0026116	0.0210649
			F	0.0004982	-0.0496325
G	0.0008154	-0.0228506
			H	-0.0004757	0.0578083
J	0.0000975	-0.0210895

物镜106的有效瞳孔半径为3.0mm。

物镜106由树脂(如，由瑞翁(ZEON)公司制造的

ZEONEX340R)制成。

图2到4是图解本实施例的像差校正装置501的图。图2和3是放大的截面图，而图4是图解像差校正元件的衍射面的图。

像差校正装置501的一侧是用于校正从半导体激光器130a发射到数字多功能盘117的光(具有660nm的中心波长)以及从半导体激光140a发射到紧凑盘127的光(具有780nm的中心波长)的光的球面像差的兼容元件，其中球面像差是通过数字多功能盘117和紧凑盘127的基片厚度的差异造成。

此外，像差校正装置501具有限制孔径来针对相应的光学记录介质切换物镜的孔径的功能。

图2是图解本实施例的像差校正装置501和物镜106的示意性结构的截面图。

如图2所示，像差校正装置501和物镜106由镜管(mirror tube)121同中心地合并在一起。

具体讲，像差校正装置501被固定到具有圆柱形形状的镜管121的一端，而物镜106被固定到其另一端。沿光轴同轴地将它们合并在一起。

物镜106主要具有透镜平面，该透镜平面具有向镜管121的内侧凸起的形状。

通过寻轨控制，物镜106在与光轴垂直的方向上，在大约+0.5mm到大约-0.5mm的范围内移动，以在蓝光盘107、数字多功能盘117和紧凑盘127上读取和写入数据。

然而，当只有物镜106移动，同时像差校正装置501不移动时，像差出现，由于数字多功能盘117和紧凑盘127经受像差校正装置501的衍射，因此这使得聚焦点质量变差。

因此，像差校正装置501和物镜106被合并来通过寻轨控制整体移动，以获得良好的聚焦点。

此外，将凸缘(flange)设置在像差校正装置501和/或物镜106来经由凸缘直接整合它们的结构也是可以的。

在该实施例中，第一、第二和第三光束作为平行光进入像差校正装置501。

也就是，当在光学记录介质上读取和写入数据时，光束既非发散光也非汇聚光的情况在通过寻轨控制合并的物镜106和像差校正装置501的偏移(dencentering)中不引起彗形像差方面是有利的。

图3是本实施例的像差校正装置501的截面图。

像差校正装置501包括具有衍射结构的衍射面502以及具有相阶结构的相移面503。

在图3中，衍射面502设置在物镜106侧，而相移面503设置在光源侧，但是该位置可以相反。

此外，不需要在像差校正装置501的全部表面上形成衍射结构和相移结构。像差校正装置501可以具有未形成衍射结构和相移结构的区域。

衍射面502是具有垂直横截面形状的平面，其具有周期凹凸结构来根据光的波长衍射光。

相移面503是具有垂直横截面的形状的平面，其具有非周期的凹凸结构，在其上形成相阶结构来引起相差，其中由于凹凸结构引起的光路差来引起像差。

像差校正装置501由树脂制成。

树脂比玻璃更轻，容易铸模处理，并且适于大量生产

在该实施例中，像差校正装置501被安装到物镜106的可移动部分120上，并且与物镜106一起整体驱动。因此，像差校正装置501最好重量较轻。这种树脂之一是

(由瑞翁(ZEON)公司制造)，其吸收较少的水汽，并且对于蓝光波长来说很耐久。

接下来参照图4描述衍射面502。

如图4所示，在光束范围内，衍射面502具有三个同轴划分的区域，即第一区域502a(位于中心)、第二区域502b(从中心算起的第二个区域)和第三区域502c(从中心算起的第三个区域)。

在本实施例中，第一区域502a是具有用于紧凑盘127的0.45数值孔径的区域，并且具有0.82mm的半径。

第一区域502a使具有波长λ1(405nm)的第一光束通过，并且具有衍射具有波长λ2(660nm)的第二光束和具有波长λ3(785nm)的第三光束来校正由数字多功能盘117和紧凑盘127的波长和基片厚度的差异引起的球面像差的衍射结构。

在本实施例中，第二区域502b是具有用于数字多功能盘117的0.65数值孔径的区域，并且位于0.82mm的半径和1.08mm的半径之间。

第二区域502b使具有波长405nm的第一光束通过，并且具有衍射第二光束来校正由数字多功能盘117的波长和基片厚度的差异引起的球面像差并且防止第三光束聚焦在紧凑盘127的记录面的衍射结构。

在本实施例中，第三区域502c是具有用于蓝光盘107的0.85数值孔径的区域，并且位于1.08mm的半径和1.50mm的半径之间。

第三区域502c是不具有衍射结构的平面，其中第一光束、第二光束和第三光束通过。因此，物镜106聚焦用于蓝光盘107的第一光束的物镜106不聚焦用于数字多功能盘117和紧凑盘127的第二和第三光束。

因此，衍射面502具有校正第二和第三光束产生的像差以及针对数字多功能盘117和紧凑盘127切换孔径的结构，使得在记录面上形成良好的光点。

像差校正装置501通过衍射在发散方向上作为平行光进入的入射光束来校正像差。

当发散光进入物镜106时产生像差以及由波长和基片厚度的差异产生的像差具有相反的符号来相互抵消。

当发散光进入到物镜106时，物镜106和光学记录介质之间的距离(即，工作距离)长。当物镜106具有小直径和高数值孔径时，该系统对于通过物镜106将光聚焦在具有厚基片的光学记录介质(诸如紧凑盘127)上是有利的。

如图3所示，像差校正装置501的第一区域502a的截面部分由同轴形成的轮带状凹凸部分形成。每个轮带状凹凸部分具有4阶梯的形状。基阶梯(basestep)被计入在4个阶梯中。轮带状凹凸部分的间距(pitch)向衍射机构的外侧逐渐变窄来获得透镜效果。

轮带状凹凸部分的间距针对数字多功能盘117使用-1次衍射光，并且针对紧凑盘127使用-2次衍射光来矫正所产生的对应相差。

参照图5描述-1次衍射光。

图5是图解当入射光210a通过4阶梯形状的衍射结构时的波阵面的状态的图。

当入射光201a通过4阶梯形状的衍射结构时，根据各个阶梯的形状，相差出现在入射光201a的波阵面。结果，入射光201a被衍射为-1次衍射光，即，出射光201b。每个阶梯形状的高度被确定为0.75λ的相差。

参照图6描述-2次衍射光。

图6是图解当入射光202a通过4阶梯形状的衍射结构时的波阵面的状态的图。

当入射光202a通过4阶梯形状的衍射结构时，根据各个阶梯的形状，相差出现在入射光202a的波阵面。结果，入射光202a被衍射为-2次衍射光(即，出射光201b)和+2次衍射光(即，出射光202c)。确定每个阶梯形状的高度使得提供0.5λ的相差。

以通过物镜106将-1次衍射光合适地聚焦在数字多功能盘117，而将-2次光合适地聚焦在紧凑盘127的方式设置间距。

衍射面的光路差函数被定义为如下函数：

方程(ii)

φ＝C₁R²+C₂R⁴+C₃R⁶+C₄R⁸+C₅R¹⁰+C₆R¹²+....

$R=\sqrt{y^2+z^2}$

方程(ii)

在方程(ii)中，在其中圆点是衍射面502和与该面垂直的光轴的交点、且该光轴被设置为X轴的正交坐标系中，φ是光路差函数，R表示半径(离光轴的距离)，而C1、C2……表示光路差系数。在表2中示出第一区域502a的光路差系数。

第一区域502a的间距的最小值是20μm，并且轮带的数量是21。轮带的数量是衍射结构的一周期(图5所示的间距200)的数量。

表2

制造波长	660nm
		光束差函数
C1	-2.087E-02
		C2	1.431E-03
C3	1.073E-02
		C4	-5.579E-02
C5	9.199E-02
		C6	-6.476E-02
C7	1.688E-02

如图5和图6的比较所示，对于相同的间距，衍射光的次数(degree level)的较高绝对值具有较大的衍射角。关于紧凑盘127和数字多功能盘117发生的球面像差量，紧凑盘127具有大于数字多功能盘117的球面像差量。这是因为紧凑盘127具有大基片厚度差和波长差。

因此，当用于紧凑盘127(具有比数字多功能盘117更大的像差校正量)的衍射光的次数被设置为比数字多功能盘117的次数更大时，可以同时针对紧凑盘127和数字多功能盘117校正相差。

也就是，当在第一、第二和第三光束中最强的衍射光的次数被设置为N11、N12和N13时，需要满足下列关系：|N11|＜|N12|＜|N13]。

在该实施例中，N11＝0，N12＝-1，N13＝-2。这是因为具有小次数的衍射光具有高衍射效率。

如图3所示，像差校正装置501的第二区域502b的截面部分由同轴形成的轮带状凹凸部分形成。每个轮带状凹凸部分具有5阶梯的形状。轮带状凹凸部分的间距(pitch)向衍射机构的外侧逐渐变窄来获得透镜效果。

针对数字多功能盘117设置轮带状凹凸部分来矫正相差。也就是，当第一和第二光束中最强的衍射光的次数被设置为N21和N22时，需要满足下列关系：|N21|＜|N22|。

在该实施例中，N21＝0，N22＝+1。

将阶梯形状的槽深设置在第二区域502b来防止-2次衍射光的出现，使得第二区域502b具有针对紧凑盘127限制孔径的功能。在后面描述其细节。

在本实施例中，在第二区域502b中的间距的最小值是17μm，并且轮带数是14。

接下来，参照图7描述衍射面502的每一阶梯的高度。在衍射光学系统中，由称作衍射效率的效率变换入射光的能量。

如图7的虚线所示，当具有锯齿形状的相息图(kinoform)形状被特定波长照耀(blaze)时，在薄型近似的情况下，在该波长的衍射效率理论上是100％。

衍射面502用于针对405nm的第一光束获得0次衍射光以及针对660nm和785nm的第二和第三光束获得±1次或更高次衍射光，并且具有图7所示的近似阶梯的形状。

阶梯形状是接近于具有锯齿形状的相息图形状的形状，并且阶梯形状的倾斜方向是锯齿形状的倾斜方向。

此外，制作阶梯形状比理想的相息图形状更加容易。

0次衍射光是保持入射光进入的方向的透射光。

在衍射面502上的第一区域502a需要满足关系|N12|＜|N13|，其中N12表示相对于第二光束，衍射效率最大的次数，而N13表示相对于第三光束，衍射效率最大的次数。此外，0次衍射光用于第一光束。因此，确定衍射结构的高度来使每个光束的衍射光的效率变大。

如图7所示，其中D表示阶梯形状的槽深，H表示锯齿形状的槽深，而m表示阶梯形状的阶梯的数量，在表3中显示在四个阶梯的情况下，使0次衍射光、±1次衍射光和±2衍射光的衍射效率最大的槽深引起的相差。

表3

N为整数

此外，在表4中显示了针对m个阶梯的情况总结的每一阶梯的相差。

通过设置表4所示的一个阶梯的高度来最有效地获得所期望的衍射次数。

表4

N是整数

在本实施例中，在4个阶梯的情况下，与一个阶梯的量对应的相差被设置为第一光束的405nm波长的整数倍N1来使0次衍射光的效率最大化。对于660nm的波长，与一个阶梯的量对应的相差被设置为该波长的0.75倍与波长的整数倍N2之和来使-1次衍射光的效率最大化。此外，波长的0.25倍与其整数倍N2之和适于使+1次衍射光最大化。

对于785nm的波长，与一个阶梯对应的相差被设置为该波长的0.5倍与波长的整数倍N3之和来使±2次衍射光的效率最大化。

如图5和6所示，该原理在于通过根据衍射结构的阶梯数确定一个阶梯的高度来获得理想的相差，衍射效率很大。

选择高度和材料来针对每个光束获得所期望的衍射光的高效率。在4阶梯形状中，-1次衍射光和-2次衍射光分别用于第二光束和第三光束。

图8A、8B和8C图解阶梯形状的槽深D和衍射效率之间的关系。图8A表示关于第一光束的关系，图8B表示关于第二光束的关系，而图8C表示关于第三光束的关系。这些是基于严格耦合波分析(RCWA)方法的向量计算结果。在效率计算时的间距是20μm。

当聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用作材料，并且所有阶梯的槽深被设置为7.2μm时，对于任意波长获得很高的效率。

第一、第二和第三光束的衍射效率分别是86％、67％和39％。当槽深D是7.2μm时，一个阶梯的槽深是2.4μm。

在该槽间隔中，产生与具有405nm的波长的光的波长的整数倍对应的相差、与具有660nm的波长的光的波长的0.75倍与其整数倍之和对应的相差以及与具有780nm的波长的光的波长的0.5倍与其整数倍之和对应的相差。

如上所述，满足关系|N12|＜|N13|且具有高衍射效率、以及对于透射过衍射结构的第一光束的0次衍射光具有高衍射效率的条件的衍射光的次数是N12＝-1和N13＝-2。

此外，第二区域502b针对第二光束校正相差，并且防止第三光束在紧凑盘127上聚焦。例如，在表5中显示了获得0次衍射光、±1次衍射光和±2次衍射光的最大衍射效率的槽深的相差。

表5

N是整数

在5个阶梯的情况下，针对具有的405nm波长的第一光束，与一个阶梯的量对应的相差被设置为的该波长整数倍来使0次衍射光的效率最大化。

对于具有660nm的波长的第二光束，与一个阶梯的量对应的相差被设置为该波长的0.2倍与波长的整数倍之和来使+1次衍射光的效率最大化。

对于具有785nm的波长的第三光束，与一个阶梯的量对应的相差被设置为该波长的整数倍来不产生±2次衍射光。

图9A、9B和9C是图解阶梯形状的槽深和衍射效率之间的关系的图，其中阶梯数为5。图9A表示关于第一光束的关系，图9B表示关于第二光束的关系，而图9C表示关于第三光束的关系。这些是基于严格耦合波分析(RCWA)方法的向量计算结果。在效率计算时的间距是20μm。

当聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用作材料，并且所有阶梯的槽深D被设置为6.4μm时，对于任意波长获得很高的效率。第一光束的0次衍射光的衍射效率、第二光束的+1次衍射光的衍射效率和第三光束的-2次衍射光的衍射效率分别是84％、73％和0％。此外，针对第三光束来说，0次衍射光的效率良好，即，78％。

图10A是在紧凑盘127上聚焦的光束的图，而图10B是图解在紧凑盘127上形成的光束分布的图。

通过第一区域502a的光束(作为-2次衍射光)被聚焦在紧凑盘127上。

另一方面，通过第二区域502b的光束作为0次衍射光通过，使得光束不聚焦在紧凑盘127上，并且作为闪光发散到周围，这不影响在紧凑盘127上读取和写入数据。

此外，其它结构也是合适的，例如，其中在4个阶梯和PMMA的情况下，槽深是4.8μm(针对第一光束，一个阶梯的相差：2λ)；其中在3个阶梯和PMMA的情况下，槽深是3.2μm(针对第一光束，一个阶梯的相差：2λ)；或其中在3个阶梯和PMMA的情况下，槽深是6.4μm(针对第一光束，一个阶梯的相差：4λ)。

第三区域502C是不具有衍射结构的平面部分。如图3所示，针对衍射结构的基阶梯，第三区域502C的平面部分的高度被设置为第一光束的波长的整数倍。在该实施例中，高度被设置为4.0μm，其对应于波长的5倍。

通过第三区域502C的光束在第二和第三光束的有效直径外，因此是点形成所不需要的光。

如图10B所示，这些光束作为闪光发散在数字多功能盘117和紧凑盘127上。

另一方面，相对于第一区域502a和第二区域502b的基阶梯，将槽深设置为第一光束的波长的整数倍。在该实施例，高度被设置为4.0μm，其对应于波长的5倍，但是本发明不限于此。

阶梯形状的衍射面的衍射效率随着阶梯数的增加而增加，这是因为衍射面更接近于图7的虚线所示的具有锯齿形状的相息图。然而，大量的阶梯使每一阶梯的间距200变窄。制造这样的阶梯形状变得很难。这样的制造问题导致制造误差，而这引起效率的降低。

此外，当间距200相同时，具有浅的深度的槽深D具有良好的衍射效率。

此外，很难因为波长变化温度变化引起效率的劣化。因此，具有浅的槽深D和大量阶梯的衍射结构是最佳的。

在该实施例中，可以通过逆转第一区域502a和第二区域502b的衍射光的次数的符号来明显地改变在第一、第二和第三光束的衍射效率、凹凸形状和槽深之间的关系。

因此，可以通过单一的平面提供用作有效的像差校正装置和几乎不影响读取和写入数据的孔径限制元件的、具有浅的槽深和大量阶梯的结构。

此外，已知随着间距变窄，衍射面502的效率变差。因此，效率在具有狭窄间距的部分周围变差。

关于光源的强度分布，在第一区域502a中，向外部部分光量显著降低。此外，第二区域502b具有比第一区域502a更窄的间距。然而，在本实施例中，由于第二区域502b具有5个阶梯以及比第一区域502a更浅的槽深，因此限制了效率的变差，因此改善了光利用效率。

阶梯数和槽深不限于上述的情况。通过逆转衍射光的次数的符号，很容易限制孔径，这防止用于点的不必要的光的产生。

由上述衍射面502形成的像差校正装置与物镜106一起使用来校正上述基片厚度和波长的差异引起的球面像差。在树脂形成的物镜的情况下，图11所示的球面像差ΔSA在光拾取器的操作期间由于传动臂排出的热量和环境温度变化而增加。

根据温度变化的球面像差主要来源于塑料材料的折射指数的变化、透镜形状的膨胀和收缩或光源的波长变化。

例如，当光拾取器中的温度上升时，半导体激光的振荡波长移动到长波长侧。在光源发射第一光束(λ1＝405nm)的情况下，变化量大概是0.06nm/℃。此外，由于波长变化和温度变化，树脂的折射指数变低。因此，物镜106聚焦的点产生三维球面像差。

该球面像差与物镜光学系统的数值孔径的4次方成正比地增加，因此由于蓝光盘的数值孔径很大(即，0.85)，因此，特别对于蓝光盘107来说是很严重的问题。

在图11中显示第一、第二和第三光束的球面像差的增加量对温度变化的图。图11的X轴(℃)表示光拾取器中的温度变化，而Y轴表示根据温度变化的球面像差的量。室温被确定为25℃。

在计算中，振荡波长λ1根据温度变化的变化量(dλ/dT)为6.0×10^-2(nm/℃)，振荡波长λ2和λ3的变化量(dλ/dT)为2.0×10^-1(nm/℃)，而折射系数的变化量(dn/dT)为1.3×10^-4(l/℃)。材料的线性膨胀系数是7.6×10^-5。

在蓝光盘中的增加量大约是0.05λrms/10℃，并且与紧凑盘和数字多功能盘相比相对较大。关于紧凑盘和数字多功能盘的计算结果，在其中通过上述衍射面校正了球面像差的状态下计算其温度依赖性。

图12是图解关于有效半径位置表示相位分布的光路差(OPD)像差特性的图。

接下来，描述上述的相移面503的结构。

在该实施例中，与物镜的情况相同，相移面503由树脂制成，并且针对第一光束(405nm)具有1.525的折射系数，针对第二光束(660nm)具有1.507的折射系数，并且针对第三光束(780nm)具有1.503的折射系数。

如图13和14所示，在光轴周围，相移面503被划分为多个轮带状区域，同时每个轮带状区域相互相邻，并且具有段差，该相移面503形成在平行平面的一侧。相移面503被划分为7个轮带状区域(r1到r7)，并且轮带状区域的厚度向外部部分(离开光轴)变薄，直到直径d2为止。从具有直径d2的位置向具有直径d1的位置(离开光轴)，轮带状区域变厚。

此外，在相邻两个轮带状区域之间的边界上的阶梯被设计来在室温下促使光路差为设计波长(在本实施例中为405nm)的整数倍。

同时，还将阶梯设计来促使光路差为λ2和λ3的约整数倍。

在该实施例中，一个阶梯的大小是9.26μm。

各个阶梯离光轴的距离(r1到r7)是0.50mm、0.71mm、0.90mm、1.29mm、1.37mm、1.42mm和1.5mm。

d1与用于0.85的数值孔径的直径对应，d2与用于数值孔径0.65的直径对应。

此外，轮带状区域r3和r5、轮带状区域r2和r6以及轮带状区域r1和r7中的每一对关于轮带状区域r4形成相同的段差。

阶梯的大小以及每一阶梯之间的距离以及相移面503的光轴不限于本实施例，并且根据物镜106的形状、设计波长、形成相移面503的材料和数值孔径变化。

在该实施例中，如图2所示，对于蓝光盘107，来自作为第一光源的半导体激光器1的光束(作为基本平行的光La)进入相移面503。

相移面503形成用于提供具有蓝光盘107的波长λ1的整数倍的相差的阶梯，并且将每一阶梯的厚度Δh表示为如下：k1×λ1/(n1-1)，其中k1是整数。

在该实施例中，每一阶梯的厚度Δh是λ1的12倍，并且设置高度来满足Δh{＝12×λ1/(n1-1)，即9.26μm}。

λ1表示在室温下蓝光盘107的405nm的波长，而n1是在室温下对于405nm的波长，ZEONEX340R的折射系数1.525。

关于轮带状区域r4，轮带状区域r3和r5引起λ1的12倍的光路差，轮带状区域r2和r6引起λ1的24倍的光路差，而轮带状区域r1和r7引起λ1的36倍的光路差。

因此，当温度变化很小时，相移面503不对光束(λ1＝405nm)给予实际的相差，使得光束仅仅透射过相移面503。

关于数字多功能盘117，由于衍射面502的孔径限制功能，从第二光源(半导体激光器130a)发射的第二光束中的基本平行的光Lb(作为示例在图2中显示)进入相移面503，并且在数字多功能盘117的记录面上形成点。

在本实施例中，形成在相移面503的具有直径d2的区域内的轮带状区域(r1到r4)的阶梯在光Lb进入的区域中引起相差。通过阶梯厚度Δh添加到第二光束(在该实施例中，λ2＝660nm)的相差是7.1×λ2。因此，轮带状区域r3到轮带状区域r4的光路差大约是λ2的7倍，轮带状区域r2的光路差大约是λ2的14倍，而轮带状区域r1的光路差大约是λ2的21倍。

因此，相移面503仅对第二光束和透射光具有很小的影响。

关于紧凑盘127，由于衍射面502的孔径限制的功能，从第二光源(半导体激光140a)发射的第二光束中的、如图2中所示的基本平行的光Lc(作为示例)进入相移面503，并且在紧凑盘127的记录面上形成点。

在本实施例中，形成在相移面503的具有直径d3的区域内的轮带状区域(r1到r3)的阶梯在光Lc进入的区域中引起相差。

通过阶梯厚度Δh添加到第三光束(在该实施例中，λ3＝785nm)的相差是5.9×λ3。

因此，轮带状区域r3到轮带状区域r4的光路差大约是λ3的6倍，轮带状区域r2的光路差大约是λ3的12倍，而轮带状区域r1的光路差大约是λ3的18倍。

因此，相移面503仅对第三光束和透射光具有很小的影响。

在表6中显示了添加到用于蓝光盘107的透射光的相差以及相移面503的结构。

表6

	轮带半径位置	高度(mm)	相差(λ)
					(mm)
r1	0.000≤r≤0.500	0.02777	36
				r2	0.500≤r≤0.708	0.01851	24
r3	0.708≤r≤0.897	0.00926	12
				r4	0.897≤r≤1.285	0.00000	0
r5	1.285≤r≤1.366	0.00926	12
				r6	1.366≤r≤1.416	0.01851	24
r7	1.416≤r≤1.500	0.02777	36

如上所述，每一阶梯形成段差h，该段差h赋予具有λ1、λ2和λ3的大致整数倍的相差。

最好，段差h被设计来满足方程(iii)、(iv)和(v)。

在设计温度下，相差对第一光束的振荡波长λ1大约是2π弧度的整数倍。

方程(iii)

(n1-1)×h＝k1×λ1

方程(iii)

此外，在设计温度下，关于相差对第二光束的振荡波长λ2，段差h被设计来满足下面的方程(iv)：

方程(iv)

(k2-0.15)×λ2≤(n2-1)×h≤(k2+0.15)×λ2

方程(iv)

此外，在设计温度下，关于相差对第三光束的振荡波长λ3，段差h被设计来满足下面的方程(v)：

方程(v)

(k3-0.15)×λ3≤(n3-1)×h≤(k3+0.15)×λ3

方程(v)

在方程(iii)、(iv)和(v)中，n1、n2和n3表示校正光学元件材料对于波长λ1、λ2和λ3的折射系数，而k1、k2和k3表示整数。

因此，在恒定的室温环境下，由于实际相差大致是波长的整数倍，因此像差校正装置501的相移面503实际上不对每个波长产生相差。因此，光束照原样通过像差校正装置501。

接下来，参照图15描述在本实施例中，关于光拾取器中的温度变化引起的点特性的劣化进行像差校正的原理。

当温度上升时，光源的振荡波长向长波长侧移动，并且树脂的折射系数降低，由于温度升高，阶梯形状膨胀，这自然增加阶梯的尺寸。

该膨胀促使相差偏离波长的整数倍，这对元件透射光产生波阵面相差。

由温度变化引起的物镜106的所产生的球面像差的方向与相移面503的球面像差的方向相反。根据该情况，通过合适地设置阶梯形状的高度，提供与物镜的球面像差的相位相反的球面像差。因此，可以减少由温度变化引起的点特性的劣化。

图15是图解由环境温度变化引起的相差的波阵面形状的图。X轴表示瞳孔半径位置，而Y轴表示相位。

如图15所示，提供由赋予的相差402显示的、具有阶梯形状的相差(近似于-ΔSA)来校正所产生的相差401(ΔSA)的波阵面形状。结果，相对于光轴在其之前或之后的波阵面被校正到与具有光轴作为中心的相位(剩余相差403所示)大致相同的相位。

合适地设计相移面503的材料特性和相位阶梯形状来通过相移面503获得合适的球面像差量。

由相差(阶梯)赋予的、所产生的相差量由通过下列数学表达式获得的值ΔX表示：

$\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\right)\×\left(\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dT}}\right)\×m$

在数学表达式中，dλ/dT表示由于温度变化导致的光源的振荡波长的变化量，而dn/dT表示像差校正元件的折射系数的变化。此外，沿相移面的光轴方向，段差h的膨胀率为dh/dT，而阶梯数为m。

当满足下面的方程(1)时，在相移面产生合适量的球面像差。由此，针对蓝光盘107合适地聚焦记录面上的点。

$-3.6\×{10}^{-10}\≤\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\right)\×\left(\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dT}}\right)\×m\≤-2.1\×{10}^{-10}$

方程(1)

图16是图解当温度上升55℃时，在校正后，球面像差的量对所产生的量ΔX的图。当满足方程(1)时，球面像差不大于0.07λrms。

此外，图17是图解关于温度变化，校正后的球面像差的增加量ΔSA的图。

在图17中显示了当使用物镜时的温度特性、当图16所示的ΔX引起最佳量相差的温度特性以及当球面像差是0.07λrms时的温度特性。

如图所示，可以减少通过温度变化引起的球面像差的增加量ΔSA。只要满足上述范围，当与仅使用物镜的情况相比时，可以将增加量ΔSA减少到一半以下。

在该实施例中，如图13所示，对于蓝光盘107，相移面503具有三阶梯形状。

在该结构中，通过温度变化引起的光源的振荡波长的变化量(dλ/dT)是0.06nm/℃，像差校正装置501的折射系数(dn/dT)的变化量是-1.3×10^-4。

当作为从25℃(基准温度)升高55℃的结果，温度为80℃时，第一光源的波长(λ1＝405nm)为408.3(405+3.3)nm。像差校正装置501的折射系数是1.5176。相差(阶梯)的厚度Δh膨胀到9.30μm。

该膨胀导致光路长度偏离波长的整数倍，其对于元件透射光产生相差。对于轮带状区域r4，轮带状区域r3和r5产生0.21λ的相差，轮带状区域r2和r6产生0.43λ的相差，而轮带状区域r1和r7产生0.64λ的相差。在通过轮带状区域r4的波阵面之后的相位由+号表示，而在通过轮带状区域r4的波阵面之前的相位由-号表示。

关于紧凑盘127和数字多功能盘117，由于温度变化引起的球面像差的增加量在点中很小，其中由上述衍射面502校正球面像差。

因此，当温度改变时，相移面503仅具有有限的影响。

图18是图解在室温下和在高于室温的55℃的情况下，蓝光盘107、数字多功能盘117和紧凑盘127的每个点波阵面相差的组图。

在图18中，图解记录面上的点的波阵面形状。X轴表示瞳孔半径位置，而Y轴表示相位(λ)。

图18所示的波阵面像差是在室温下针对衍射结构的波阵面相差、在高于室温的温度55℃的情况下针对衍射结构的波阵面相差以及在高于室温的温度55℃的情况下针对包括衍射结构和相移结构的结构的波阵面相差。

对于紧凑盘127和数字多功能盘117，所产生的相差是衍射面的剩余像差。

关于蓝光盘107，发现通过相移面合适地补偿球面像差。

关于数字多功能盘117和紧凑盘127，具有满足上述方程(iii)、(iv)和(v)的阶梯形状的相移面不产生球面像差。

在图18中可以发现由相差(阶梯)引起的轻微相差。然而，通过阶梯不连续移动的波阵面很难对点性能产生影响。此外，球面像差的增加可以被限制到很小的水平。

在相移面503中，阶梯的大小以及光轴与每一阶梯之间的距离不限于本实施例，并且根据物镜106的形状、设计波长、形成相移面503的材料和数值孔径变化。

此外，在室温下，可以通过合适地设计相移面503的阶梯形状来降低衍射面502的剩余像差。

图19是图解在上述实施例中通过相移面校正温度特性的效果的图。

图中的ΔT(℃)表示从室温开始的温度变化量，而Y轴表示根据温度变化的球面像差量。

接下来，描述其中关于光学透镜的光轴，出现像差校正装置的光轴移动的情况。

对于通过衍射面发散光的数字多功能盘117和紧凑盘127，图20所示的慧形像差根据光轴偏移出现。

通常地，使用该慧形像差作为指示来执行光轴移动调节组装。例如，通过利用(例如)显微镜观察聚焦在数字多功能盘117的记录面上的光点来确定最佳组装点，以最小化点的慧形像差。

在室温下，上述的慧形像差不发生在透射光的相移面，而在温度变化时引起相差。因此，很难确定用于指示光轴移动的像差。对于单独的温度校正相移面，应该考虑关于需要大组装公差的设计的限制。

然而，在该实施例中，由于如上所述，合并了兼容的衍射面，因此可以采用典型的调节和组装方法，由此减少制造方面的问题所带来的影响。

如上所述，当由于光拾取器的温度变化，物镜的形状和折射系数发生改变时，或者当从光源发射的光束的波长改变时，本发明的包括像差校正装置的光拾取器通过像差校正装置保持稳定的波阵面。结果，本发明提供一种像差校正装置，该像差校正装置用于对波长变化宽容度很高的高精度光拾取。

此外，在本发明中，单一的塑料透镜在蓝光盘107、数字多功能盘117和紧凑盘127的记录面上形成良好的光点，这使得装置的尺寸变小并且成本降低。

已经完整地描述了本发明，本领域技术人员应该理解，可以在不背离这里阐述的本发明的宗旨和范围的情况下，对本发明的实施例进行各种改变和修改。

本申请要求于2008年9月5日向日本专利局提交的日本专利申请No.2008-228188的优先权，并且包含其主题，通过引用将其全部内容合并在此。

Claims (1)

1.一种像差校正装置，包括：

衍射面，配置来通过透射从第一光源发射的具有波长λ1的第一光束来在包括具有t1的厚度的基片的第一光学记录介质上读取和写入数据，衍射从第二光源发射的具有波长λ2的第二光束来在包括具有t2厚度的基片的第二光学记录介质上读取和写入数据，并且衍射从第三光源发射的具有波长λ3的第三光束来在包括具有t3的厚度的基片的第三光学记录介质上读取和写入数据，从而校正所述第一光学记录介质、所述第二光学记录介质和所述第三光学记录介质中的差异引起的球面像差，该衍射面是具有垂直横截面形状的平面，具有周期凹凸结构，且该衍射面具有三个同轴划分的区域，即位于中心的第一区域、作为从中心算起的第二个区域的第二区域和作为从中心算起的第三个区域的第三区域，其中，第一区域使所述第一光束通过，并且衍射所述第二光束和所述第三光束来校正由所述第二光学记录介质和第三光学记录介质的波长和基片厚度的差异引起的球面像差；第二区域使所述第一光束通过，并且衍射所述第二光束来校正第二光学记录介质的波长和基片厚度的差异引起的球面像差并且防止第三光束聚焦在第一光学记录介质的记录面上；第三区域是不具有衍射结构的平面，使所述第一光束、第二光束和第三光束通过；

相移面，包括沿光轴方向具有以轮带方式形成的多个阶梯的阶梯形状，所述阶梯的高度在室温下具有波长λ1、λ2和λ3的整数倍，根据温度变化，所述相移面产生具有与针对所述第一光学记录介质优化的物镜产生的球面像差ΔSA的相反的方向的球面像差-ΔSA，

其中，所述像差校正装置由树脂材料形成，并且满足下面的公式：

${-3.6\×10}^{-10}\≤\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\right)\×\left(\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dT}}\right)\×m\≤{-2.1\×10}^{-10}$

其中dn/dT表示基于1℃变化，所述树脂材料的折射系数的变化，dh/dT表示基于1℃变化，所述阶梯的高度的变化，而m表示多个阶梯的数量，并且是大于1的整数。

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