CN101859017A - 物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光盘的物镜，该物镜可以包括非球面透镜表面，而用于形成该非球面透镜表面的非球面公式可以包括两个2次函数项。从而，提供了具有高数值孔径(NA)且也具有小的透镜表面弯曲或像差的透镜。

Description

物镜

技术领域

本发明涉及一种物镜，更具体地，涉及一种用于光学信息记录介质且像差被修正的物镜。

背景技术

在采用光盘介质的光学记录/再现装置的光学系统中，通常采用非球面的单个物镜。通过物镜形成在记录介质上的光斑的尺寸需要较小，从而实现高密度的记录信息信号，且已经开展了对如何增加物镜的数值孔径(NA)及如何利用短波长光源的研究。

在设计非球面的单个物镜时，利用非球面公式。通常，即使利用现有的非球面公式，物镜的最大倾斜角也在70°以上。然而，物镜的最大倾斜角较大使得难以估计透镜表面的几何精度。这是因为利用非球面几何形状鉴别器(evaluator)可测量的最大倾斜角约为65°。而且，物镜的最大倾斜角较大使得难以形成用于减反射涂覆层的膜且劣化偏振特性。特别地，如果NA在0.85以上，则这些问题变得更加严重。

而且，如果利用现有的非球面公式设计物镜，则会产生透镜表面的弯曲的问题。透镜表面的弯曲会降低当机械加工透镜的模子时的加工精度，并且会增加球差弯曲。

发明内容

本发明总的发明构思的示范性实施例提供一种具有高的NA且具有小的透镜表面弯曲或像差的透镜。

将在接下来的说明书中部分阐述本发明总的发明构思的附加的示范性实施例，且根据说明书本发明总的发明构思的附加示范性实施例将部分明显，或者可以通过对本发明总的发明构思的实践而知悉。

本发明总的发明构思可以通过提供一种包括非球面透镜表面的物镜而实现，其中用于形成非球面透镜表面的非球面公式包括两个2次函数项。

非球面公式可以包括次数高于2次的函数项。

次数高于2次的函数项可以包括以下公式1：

[公式1]

Z₁(h)＝Ah⁴+Bh⁶+Ch⁸+Dh¹⁰

其中‘Z₁(h)’表示从垂直于光轴的通过物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从物镜的轴到垂直于该轴的特定点的距离，‘A’、‘B’、‘C’和‘D’表示非球面系数。

次数高于2次的函数项可以包括以下公式2：

[公式2]

Z₂(h)＝Ah⁴+Bh⁶+Ch⁸+Dh¹⁰+Eh¹²+Fh¹⁴+Gh¹⁶

其中‘Z₂(h)’表示从垂直于光轴的通过物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从物镜的轴到垂直于该轴的特定点的距离，‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘E’、‘F’和‘G’表示非球面系数。

16次函数项的系数‘G’可以是负数。

16次函数项的系数‘G’可以满足以下公式3：

[公式3]

$-0.022\≤\frac{G}{f}\≤-0.009$

其中‘f’表示焦距。

两个2次函数项的第一2次函数项可以表示球面、双曲面、椭球面、抛物面以及除了圆锥面的二次曲面中的一个。

第一2次函数项可以包括以下公式4：

[公式4]

$Z_3\left(h\right)=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{h}^2}}$

其中‘Z₃(h)’表示从垂直于光轴的通过物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从物镜的轴到垂直于该轴的特定点的距离，‘c’表示作为基准的用于确定非球面几何形状的曲率，‘K’表示二次曲面常数。

两个2次函数项的第二2次函数项可以是抛物面。

第二2次函数项可以包括以下公式5：

[公式5]

Z₄(h)＝Lh²

其中‘Z₄(h)’表示从垂直于光轴的通过物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从物镜的轴到垂直于该轴的特定点的距离，‘L’表示非球面系数。

第二2次函数项的系数‘L’可以与第一2次函数项的‘c’的符号相反。

第二2次函数项的系数‘L’可以是负数。

第二2次函数项的系数‘L’可以满足以下公式6：

[公式6]

$R=\frac{1}{\frac{1}{r}+2\×L}$

其中‘R’表示物镜的基本曲率，‘r’表示‘c’的倒数。

第二2次函数项的系数‘L’可以满足以下公式7：

[公式7]

$0.40\≤\frac{1}{\mathrm{fn}}\×\frac{1}{\frac{1}{r}+2L}\≤0.45$

其中‘f’表示物镜的焦距，‘n’表示用于光盘的物镜的折射率，以及‘r’表示‘c’的倒数。

通过物镜内部的最外情况的光束与光轴之间的角可以满足以下公式8：

[公式8]

36°≤θ≤40°

物镜可以是用于光盘的物镜。

应用非球面公式的透镜表面可以是面对光源的透镜表面。

本发明总的发明构思的实施例还提供了非球面公式，该非球面公式用于形成物镜上的表面，其中非球面公式包括两个2次函数项且被实现用以增加数值孔径和最小化透镜弯曲。

附图说明

根据以下结合附图对示范性实施例的描述，本发明总的发明构思的这些和/或其他示范性实施例将变得更加明显且更容易理解，附图中：

图1是示出根据本发明总的发明构思的示范性实施例的物镜的图；

图2是示出根据本发明总的发明构思的示范性实施例如果非球面公式采用10次以下项而应用于该非球面公式的系数的图；

图3是示出根据图2的非球面系数的最大倾斜角的结果值的图；

图4A和4B是示出根据本发明总的发明构思的示范性实施例而设计的物镜的像差改变的图；

图5是示出根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例应用于包括16次以下函数项的非球面公式的非球面系数的图；

图6是示出如果采用图5的非球面系数关于物镜的性能数据和最大倾斜角的模拟结果的图；

图7A到7D是示出通过应用图5的非球面系数而设计的物镜的像差改变的图；

图8是示出当根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例而设计物镜时非球面系数的示例的图；

图9是示出基于图8的‘c’和2次函数项系数‘L’而计算的基本曲率半径‘R’的图；

图10是示出根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例就制造或装配容限而计算的像差的图；以及

图11是示出根据最外情况的光束的倾斜度关于偏心特性和图像高度的模拟结果的图。

具体实施方式

现将详细描述本发明总的发明构思的示范性实施例，示范性实施例的示例示出在附图中，附图中相同的附图标记通篇表示相同的元件。下面通过参考附图描述示范性实施例，从而解释本发明总的发明构思。

图1示出根据本发明总的发明构思的物镜。如图1所示，物镜100可以包括面对光源的第一表面110和与第一表面110相对布置的第二表面120。如果非球面公式用于配置物镜100，则不需要额外的像差校正。

下面的公式9是用于形成根据本发明总的发明构思示范性实施例的物镜的非球面表面的非球面公式。

[公式9]

$Z\left(h\right)=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{h}^2}}+{\mathrm{Lh}}^2+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}+{\mathrm{Hh}}^{18}+{\mathrm{Jh}}^{20}$

其中‘Z(h)’表示从垂直于光轴的通过物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从物镜的轴到垂直于该轴的特定点的距离，‘c’表示作为基准的用于确定非球面几何形状的曲率，‘K’表示二次曲面常数，‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘E’、‘G’、‘H’、‘J’和‘L’表示非球面系数。

上述非球面公式可以用于实现物镜的第一表面和第二表面。

通过详细解释非球面公式的第一项，物镜的透镜表面根据二次曲面常数‘K’而大致被确定。更具体地，如果‘K’是0，则透镜表面是球面，如果‘K’大于-1而小于0，则透镜表面是椭球面，如果‘K’是-1，则透镜表面是抛物面，如果‘K’小于-1，则透镜表面是双曲面。如果‘K’大于1，则透镜表面是除了上述曲面之外的其他曲面。公式9的第一项被称为“第一2次函数项”。

非球面公式的第二项可以贡献于物镜的抛物面透镜表面的形成，更具体地，其可以使利用第一2次函数项形成的物镜的透镜表面更平缓或者更陡峭。因此，对物镜的有效半径的像差校正可以简单地通过低次项而实现。非球面公式的第二项被称为“第二2次函数项”。

非球面公式的第二2次函数项的系数‘L’与曲率‘c’的符号相反。应用于具有大的曲率的物镜的第一表面的第二2次函数项的系数‘L’可以是负数。

利用非球面公式设计的物镜的基本曲率半径‘R’满足以下公式10：

[公式10]

$R=\frac{1}{\frac{1}{r}+2\×L}$

其中‘r’表示曲率‘c’的倒数。

物镜可以利用公式10而容易地设计。

而且，应用于物镜的第一表面的系数和应用于物镜的第二表面的系数可以满足正弦条件。正弦条件是指如下的最佳条件，在该最佳条件下，自工作距离的透镜的中心厚度可以基于透镜给定的NA和焦距而确定以减小透镜的像差或者增加制造或装配容限，而且透镜的第二表面的基本曲率半径可以基于透镜的第一表面的基本曲率半径而确定。

如果应用于物镜的第一表面的曲率‘c’利用透镜的焦距‘f’和折射率‘n’被归一化，则透镜可以被设计为如以下公式11的范围：

[公式11]

$0.40\≤\frac{1}{\mathrm{fn}}\×\frac{1}{\frac{1}{r}+2L}\≤0.45$

其中‘f’表示物镜的焦距，‘n’表示物镜的折射率。

如果

小于0.4，则用以满足正弦条件的校正可能不够，而如果

大于0.45，则用以满足正弦条件的校正可能是过度的。因此，如果‘f’、‘n’、‘r’和‘L’不满足公式11，则彗差或其他像差在透镜的中心附近较大。

非球面公式的余下项被称为‘4次以上函数项’且可以贡献于物镜的像差校正。具体地，4次以上且10次以下的函数项可以贡献于有效半径范围内物镜的形成和像差校正，而12次以上函数项可以贡献于有效半径范围之外物镜的形成和像差校正。

应用本发明总的发明构思的物镜的中心厚度‘d’是1.75mm，折射率‘n’为1.52322，设计波长‘λ’为405nm，焦距‘f’为1.41mm。此外，有效半径为1.20mm，NA为0.85。

图2是示出如果非球面公式采用10次以下项而应用于该非球面公式的系数的图。图3是示出根据图2的非球面系数的最大倾斜角的结果值的图。

图2示出的非球面系数满足正弦条件，并且第二2次函数项的系数‘L’满足公式10和11。

如图3所示，即使仅采用非球面公式的10次以下函数项，在应用本发明总的发明构思的物镜的最大倾斜角与现有物镜的最大倾斜角之间也不会发现差异。如果采用现有非球面公式的20次以下项，则物镜的最大倾斜角可以约为72°。然而，即使仅采用根据本发明总的发明构思的非球面公式的10次以下函数项，物镜的最大倾斜角也可以约为71°。因此，因为如果采用本发明总的发明构思的非球面公式则仅利用10次以下函数项便可以获得足够的最大倾斜角，所以容易设计物镜。这里所述的最大倾斜角是指透镜表面的切线与光轴之间的最大角。

图4A和4B示出根据本发明总的发明构思的示范性实施例而设计的物镜的像差改变。如图4A和4B所示，可以仅利用具有10次以下项的非球面公式来校正物镜的像差。更具体地，即使像差产生在透镜的中心附近，则像差的程度也是非常小的，而且，可以看到甚至在透镜的有效半径之外的像差也可以被校正。

如果非球面公式进一步包括10次以上项，则物镜的最大倾斜角会变得更小而有效半径会变得更大。

图5是示出根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例应用于包括16次以下函数项的非球面公式的非球面系数的图。

图5中，非球面系数可以贡献于物镜的形成，具体地，10次以下项的非球面系数可以贡献于有效半径内的物镜的形成，10次项以上的较高次项的非球面系数可以贡献于有效半径外的物镜的形成。

此外，对形成透镜表面上有效半径附近的部分贡献最大的函数项的系数可以是正数。因为在该实施例中有效半径为1.2mm，所以对形成有效半径贡献最大的函数项的系数可以是10次函数项的系数‘D’。因此，可以采用其中D被设置为正数的非球面公式。

为了将物镜的最大倾斜角设计为小的，非球面公式的最高次函数项可以是负数。

在此示范性实施例中，作为最高次函数项的16次函数项的系数‘G’满足以下公式12：

[公式12]

$-0.022\≤\frac{G}{f}\≤-0.009$

如果G/f小于-0.022，则图像高度特性会产生问题，如果G/f大于-0.009，则16次函数项的效果会减弱，使得透镜表面的倾斜角不会改变很多。

图6是示出如果采用图5的非球面系数关于物镜的性能数据和最大倾斜角的模拟结果的图。

如图6所示，即使采用16次以下项的非球面公式，物镜的性能仍会是有效的且物镜的最大倾斜角会变得小于68°。可以看到在透镜表面的特定点处存在污染点(infection point)使得透镜表面平缓。

透镜的平缓的倾斜角使得容易形成透镜，而增加了产品的成品率。此外，因为像差校正在有效半径外是有效的，所以装配容限可以被设定为较大，并且还因为利用一般的非球面几何形状鉴别器可测量的最大倾斜角约为65°，所以可以利用一般的非球面几何形状鉴别器测量透镜的倾斜角。此外，因为形成用于减反射涂覆层的膜的要求放宽，所以增加了减反射涂覆层的成品率。

此外，16次函数项的系数‘L’满足公式12。

图7A到7D是示出可以通过应用图5的非球面系数而设计的物镜的像差改变的图。如图7A到7D所示，如果采用具有16次以下项的非球面公式，则可以校正有效半径外的像差。

在以上描述的图7A到7D中，利用非球面公式的16次以下函数项可以校正像差且可以降低最大倾斜角。然而，这不应该被认为是限制。可以利用非球面公式的18次函数项或者20次函数项或者利用16次函数项和18次函数项的结合或者更高次函数项的结合确定透镜附近的几何形状。但是，即使在该情况中，如果最高次函数项被设置为是负函数，则透镜附近的部分的倾斜角也会变得平缓。

此外，为了设计具有良好的图像高度特性和偏心特性的透镜，通过物镜内部的最外情况的光束(the beam of an outmost circumstance)与光轴之间的角θ可以满足以下公式13：

[公式13]

36°≤θ≤40°

如果θ小于36°或者大于40°，则透镜附近的彗差或者其他像差会较大。

图8是示出根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例的物镜的非球面系数的示例的图。

如图8所示，在第八示范性实施例中，可以应用包括16次以下项的非球面公式，在第九示范性示例中，可以应用包括10次以下项的非球面公式，以及在第十示范性实施例中，可以应用包括20次以下项的非球面公式到透镜的第一表面，而包括14次以下项的非球面公式可以应用到透镜的第二表面。

图9是示出基于‘c’和图8的2次函数项的系数‘L’而计算的基本曲率半径R的图。

如图9所示，即使‘c’(‘r’的倒数)或2次函数项的系数‘L’存在偏差，利用公式10获得的基本曲率半径‘R’也保持不变。此外，焦距‘f’利用下面的公式14而获得。

[公式14]

$\frac{1}{f}=(n-1)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})+\frac{{(n-1)}^{2}d}{n{R}_1{R}_2}$

利用公式14获得的焦距‘f’为1.41mm，其可以应用于蓝光光盘。

此外，最外情况的光束的倾斜度θ可以是37°到38°，其均匀地分布。

图10是示出根据本发明总的发明构思的其他示范性实施例就制造或装配容限而计算的像差的图。

如图10所示，即使采用本发明总的发明构思的非球面公式，根据每个偏差的总像差也落在可容许范围内。

图11是示出根据最外情况的光束的倾斜度关于偏心特性和图像高度的模拟结果的图。如果最外情况的光束的倾斜度θ是37°到38°，则可以获得良好的偏心特性和图像高度像差。

结果，如果在设计非球面透镜时应用包括两个2次函数项的非球面公式，则制造或装配容限会变得较大。因此，产品成品率会增加，并且对透镜注塑成形装置的要求会放宽，且模子的加工精度会增加。

尽管已经示出和描述了本发明总的发明构思的各种示范性实施例，但是本领域的技术人员应该理解的是，可以在不脱离本发明总的发明构思的原则和精神的前提下对这些示范性实施例进行改变，本发明的范围由所附权利要求和其等同物所限定。

本申请要求于2009年4月7日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2009-29954的优先权，其全部内容以参考方式整体合并在此。

Claims (15)

1.一种物镜，包括：

非球面透镜表面，其中用于形成所述非球面透镜表面的非球面公式包括两个2次函数项。

2.根据权利要求1所述的物镜，其中所述非球面公式包括次数高于2次的函数项。

3.根据权利要求2所述的物镜，其中所述次数高于2次的函数项包括以下公式：

Z₁(h)＝Ah⁴+Bh⁶+Ch⁸+Dh¹⁰

其中‘Z₁(h)’表示从垂直于光轴的通过所述物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从所述物镜的轴到垂直于所述轴的特定点的距离，‘A’、‘B’、‘C’和‘D’表示非球面系数。

4.根据权利要求2所述的物镜，其中所述次数高于2次的函数项包括以下公式：

Z₂(h)＝Ah⁴+Bh⁶+Ch⁸+Dh¹⁰+Eh¹²+Fh¹⁴+Gh¹⁶

其中‘Z₂(h)’表示从垂直于光轴的通过所述物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从所述物镜的轴到垂直于所述轴的特定点的距离，‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘E’、‘F’和‘G’表示非球面系数。

5.根据权利要求4所述的物镜，其中16次函数项的系数‘G’是负数。

6.根据权利要求4所述的物镜，其中16次函数项的系数‘G’满足以下公式：

$-0.022\≤\frac{G}{f}\≤-0.009$

其中‘f’表示焦距。

7.根据权利要求4所述的物镜，其中所述物镜的最大倾斜角小于或等于68°。

8.根据权利要求1所述的物镜，其中所述两个2次函数项的第一2次函数项表示球面、双曲面、椭球面、抛物面以及除了圆锥面的二次曲面中的一个。

9.根据权利要求8所述的物镜，其中所述第一2次函数项包括以下公式：

$Z_3\left(h\right)=\frac{c{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{h}^2}}$

其中‘Z₃(h)’表示从垂直于光轴的通过所述物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从所述物镜的轴到垂直于所述轴的特定点的距离，‘c’表示作为基准的用于确定非球面几何形状的曲率，‘K’表示二次曲面常数。

10.根据权利要求9所述的物镜，其中所述两个2次函数项的第二2次函数项是抛物面。

11.根据权利要求10所述的物镜，其中所述第二2次函数项包括以下公式：

Z₄(h)＝Lh²

其中‘Z₄(h)’表示从垂直于光轴的通过所述物镜顶点的表面到面对光源的透镜表面的距离，‘h’表示从所述物镜的轴到垂直于所述轴的特定点的距离，‘L’表示非球面系数。

12.根据权利要求11所述的物镜，其中所述第二2次函数项的系数‘L’与所述第一2次函数项的‘c’的符号相反。

13.根据权利要求11所述的物镜，其中所述第二2次函数项的系数‘L’是负数。

14.根据权利要求11所述的物镜，其中所述第二2次函数项的系数‘L’满足以下公式：

$R=\frac{1}{\frac{1}{r}+2\×L}$

其中‘R’表示所述物镜的基本曲率，‘r’表示‘c’的倒数。

15.根据权利要求1所述的物镜，其中通过所述物镜内部的最外情况的光束与光轴之间的角满足以下公式：

36°≤θ≤40°。

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