CN102290069A - 光学拾波器透镜及光学拾波器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学拾波器透镜及光学拾波器装置。本发明提供对至少三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果的光学拾波器透镜及光学拾波器装置。本发明的光学拾波器透镜(104)用于使具有相互不同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对至少三种光盘进行汇聚。并且，在光学拾波器透镜(104)的至少一个面上形成有用于对以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差进行补偿的同心圆状的环带结构。并且，当以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。

Description

光学拾波器透镜及光学拾波器装置

技术领域

本发明涉及在光盘的记录和读取装置中所使用的光学拾波器透镜及光学拾波器装置，更详细说，涉及使用多种单色光的多波长用光学系统，例如能够处理CD(compact Disc：包括CD-R等的CD)、DVD(Digital Versatile Disc)、蓝光光盘、HD-DVD(High-Definition DVD)等不同种类的光盘的互换型光盘装置中所使用的光学拾波器透镜及光学拾波器装置。

背景技术

迄今为止，提出了用一个装置可以记录或读取CD或DVD等多种光盘的互换型光盘装置的方案。

在这种互换型光盘装置中，为了记录或读取分别储存在CD或DVD等(以下把它们统称为光盘)上的信息信号，需要使来自光源的激光光束通过透明衬底汇聚到各光盘的信息记录面上。然而，(i)记录或读取CD时所`使用的激光光束的波长与记录或读取DVD时所使用的激光光束的波长不同；(ii)CD的透明衬底的厚度为1.2mm，而DVD的透明衬底的厚度为0.6mm，透明衬底的厚度也不同。因此，迄今为止，不加改变地在互换型光盘装置中对CD和DVD共用为使激光光束通过透明衬底汇聚到光盘的信息记录面上而使用的光学拾波器透镜的话，因上述(i)以及(ii)而导致的色散，直到衍射极限附近不能将分别在CD和DVD中所使用的激光光束汇聚在各光盘的信息记录面上。

此外，近年来，提出了与适用于超高密度记录的光盘(蓝光光盘、HD-DVD)相应的光盘装置的方案。并且，还期待开发出不仅能记录或读取CD或DVD，还能够记录或读取适用于超高密度记录的光盘的互换型光盘装置。在原来的互换型光盘装置中，虽然只要适用于两种光源波长和两种厚度不同的透明衬底即可，但在期待开发的互换型光盘装置中，需要适用于最多三种光源波长和最多三种厚度不同的透明衬底。

为了适用于最多三种光源波长和最多三种厚度不同的透明衬底，考虑了在光学拾波器装置中，设置对每种光盘不产生色散的多个光学拾波器透镜，根据所使用的光盘的种类更换光学拾波器透镜。此外，还考虑了对每种光盘设置光学拾波器装置，根据所使用的光盘的种类更换光学拾波器装置。然而，为了降低成本，使装置小型化，作为光学拾波器透镜，希望使用对哪种光盘都通用的透镜。

专利文献1(日本特开平11-287948号公报)中公开了可适用于多种光盘的光学拾波器透镜的例子。专利文献1所公开的光学拾波器透镜通过形成多段环带状凹部或凸部而完全不牺牲读取DVD时的读取特性，就能抑制读取CD时的色散，可以用一个汇聚透镜适应DVD和CD两种光盘。在专利文献1多公开的光学拾波器透镜中，该环带状凹部或凸部的深度或高度(以下简称为阶梯差量)h，被设定成没有环带状凹部或凸部的部分与环带状凹部或凸部的部分的光程差大致为DVD用波长的整数倍。即，该环带状凹部或凸部的单位阶梯差量h用h≒m×λ1/(n1-1)表示。在此，m是自然数，λ1是DVD用的光源波长，n1是光学拾波器透镜的折射率。

上述专利文献1所公开的光学拾波器透镜由于能够记录或读取多种光盘，从而不需要用于对每个光盘更换光学拾波器透镜或光学拾波器装置的装置，有利于降低成本并简化结构。

然而，在该专利文献1中作为实施例具体地公开的光学拾波器透镜有两个问题。第一，在专利文献1的光学拾波器透镜中，为了减小对DVD和CD的波面像差而在光学拾波器透镜表面设置多段环带状凹部或凸部，对于DVD波面像差虽变得足够小，但对于CD则不一定能得到实用上足够的降低波面像差的效果。

第二，在专利文献1中，只考虑了DVD和CD，而没有考虑近年来提出的适用于超高密度记录的光盘(蓝光光盘、HD-DVD)。对于期待开发的互换型光盘装置，不仅能够记录或读取DVD或CD，还能够记录或读取适用于超高密度记录的光盘(蓝光光盘、HD-DVD)这一点，如上所述是今后的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供对至少三种光盘实用的，可发挥足够的减少波面像差效果的光学拾波器透镜及光学拾波器装置。更详细地说，本发明的目的在于，提供对例如DVD和CD都实用的、有充分的减少波面像差效果的，并且能适应蓝光光盘、HD-DVD之类适用于超高密度记录的光盘的光学拾波器透镜及使用了它的光学拾波器装置。

本发明的光学拾波器透镜，是用于使具有相互不同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对至少三种光盘进行汇聚的光学拾波器透镜，其特征是，在该光学拾波器透镜的至少一个面上形成有用于对以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差进行补偿的同心圆状的环带结构，在以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。采用这种结构，对三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果。

在此，优选以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差的绝对值大致相等，正负符号相反。

另外，上述激光光束的波长λ1、λ2、λ3依次增加。

再有，优选在对上述光学拾波器透镜入射的激光光束之中，波长λ1的激光光束及波长λ2的激光光束是无限系统、波长λ3是有限系统。

在最佳实施例中，波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.1mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。或者，波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.6mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。

另外，优选在由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max，最小的波面像差为W_min时，在1≤Wmax/Wmin＜1.8条件下分别对衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘汇聚λ1的激光光束和λ2的激光光束。

再有，优选由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的RMS波面像差和由λ2的激光光束产生的RMS波面像差都在0.040λ以下。

本发明的其它光学拾波器透镜，是用于使具有相互不同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对至少三种光盘进行汇聚的光学拾波器透镜，其特征是，在该光学拾波器透镜的至少一个面上形成有同心圆状的环带结构，通过设置该同心圆状的环带结构，在由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max，最小的波面像差为W_min时，在1≤Wmax/Wmin＜1.8条件下分别对衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘汇聚λ1的激光光束和λ2的激光光束，并且，W_min以及W_max都在0.040λ以下，在以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。采用这种结构，对三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果。

在此，优选在以上述波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.10λ以下。

再有，优选以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差的绝对值大致相等，正负符号相反。

另外，优选上述激光光束的波长λ1、λ2、λ3具有λ1＜λ2＜λ3的关系。并且，优选在对上述光学拾波器透镜入射的激光光束之中，波长λ1的激光光束及波长λ2的激光光束是无限系统、波长λ3是有限系统。

在最佳实施例中，波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.1mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。或者，波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.6mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。

再有，优选使透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束和λ2的激光光束分别对衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘进行汇聚，使其RMS波面像差为{(W₁ ²+W₂ ²)/2}^1/2≤0.028(其中，对λ1的激光光束的波面像差为W₁、对λ2的激光光束的波面像差为W₂)。

本发明的光学拾波器装置，是用具有互不相同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对分别具有不同厚度t1、t2、t3的衬底的光盘进行信息的记录和读取的光学拾波器装置，其特征在于，具备：发出波长λ1、λ2、λ3的激光光束的光源；使从上述光源出射的波长λ1及λ2的激光光束成为平行光束入射，使波长λ3的激光光束成为发散光束入射，并且把各激光光束汇聚到上述光盘上的光学拾波器透镜；在上述光学拾波器透镜的至少一个面上形成有用于对以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上记录和读取时产生的波面像差，和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上记录和读取时产生的波面像差进行补偿的同心圆状的环带结构，当以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。采用这种结构，对三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果。

本发明的其它光学拾波器装置，是用具有互不相同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对分别具有不同厚度t1、t2、t3的衬底的光盘进行信息的记录和读取的光学拾波器装置，其特征在于，具备：发出波长λ1、λ2、λ3的激光光束的光源；使从上述光源出射的波长λ1、λ2、λ3的激光光束成为平行光束入射，使入射的激光光束汇聚到上述光盘上的光学拾波器透镜；

在该拾波器透镜的至少一个面上形成有同心圆状的环带结构；通过设置该同心圆状的环带结构，在由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max，最小的波面像差为W_min时，在1≤W_max/W_min＜1.8的条件下分别将λ1的激光光束和λ2的激光光束汇聚到衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘上；并且，W_min及W_max都在0.040λ以下；在以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该同心圆状的各环带结构给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。采用这种结构，对三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果。

本发明的其它光学拾波器装置，是用具有互不相同的波长λ1、λ2、λ3的激光光束对分别具有不同厚度t1、t2、t3的衬底的光盘进行信息的记录和读取的光学拾波器装置，其特征在于，具备：发出波长λ1、λ2、λ3的激光光束的光源；使从上述光源出射的波长λ1、λ2、λ3的激光光束成为平行光束入射，使入射的激光光束汇聚到上述光盘上的光学拾波器透镜；

在上述光学拾波器透镜的至少一个面上形成有用于对以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上记录和读取时产生的波面像差，和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上记录和读取时产生的波面像差进行补偿的同心圆状的环带结构；在波长λ3的光路上设置用于对波长λ3的激光光束附加具有预定的空间分布的相位差的相位补偿元件；当以波长λ3的激光光束在衬底厚度t3的光盘上进行记录和读取时，由该相位补偿元件的空间分布给与波长λ3的激光光束的相位差大致在0.15λ以下。采用这种结构，对三种光盘可发挥实用上足够的降低波面像差效果。

在此，优选以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的光盘上进行记录和读取时产生的波面像差的绝对值大致相等，正负符号相反。

另外，优选上述相位补偿元件由在平面板上设置同心圆状的环带结构形成。

另外，优选在由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max，最小的波面像差为W_min时，在1≤W_max/W_min＜1.8的条件下将λ1的激光光束和λ2的激光光束分别汇聚到衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘上。再有，优选由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的RMS波面像差和由λ2的激光光束产生的RMS波面像差都在0.040λ以下。并且，优选使透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束和λ2的激光光束分别对衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘进行汇聚，使其RMS波面像差为{(W₁ ²+W₂ ²)/2}^1/2≤0.028(其中，对λ1的激光光束的波面像差为W₁、对λ2的激光光束的波面像差为W₂)。

采用本发明的话，即使用一个光学拾波器，对于使用波长不同的多种光盘，也能够确保尽可能减少波面像差的状态。

附图说明

图1是本发明的实施例1的光学拾波器装置的示意图。

图2是本发明的光学拾波器透镜及相位补偿元件的示意图。

图3是表示现有例子的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD的波面像差的图。

图4是表示本发明的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD的波面像差的图。

图5是说明本发明的光学拾波器透镜的环带结构的图。

图6是表示本发明的光学拾波器透镜的设计方法的流程图。

图7是表示本发明的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD及CD的波面像差的图。

图8是表示本发明的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD及CD的波面像差的图。

图9是表示本发明的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD及CD的波面像差的图。

图10是本发明的实施例2的光学拾波器装置的示意图。

图11是表示没有使用本发明的相位补偿元件来记录或读取CD时的波面像差的图。

图12是本发明的相位补偿元件的示意图。

图13是表示构成本发明的相位补偿元件的各相位补偿元件得到的相位差的图。

图14是使用了本发明的相位补偿元件和光学拾波器透镜时的HD-DVD和DVD及CD的波面像差的图。

图15是本发明的光学拾波器透镜的透镜数据。

图16是本发明的光学拾波器透镜的透镜数据。

图17是本发明的光学拾波器透镜的透镜数据。

图18是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图19是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图20是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图21是表示本发明的光学拾波器透镜的通用区域和专用区域的光程差的表。

图22是表示本发明的光学拾波器透镜的坐标系的图。

图23是表示本发明的光学拾波器透镜的透镜数据。

图24是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图25是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图26是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图27是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图28是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图29是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图30是表示以数学式表现的本发明的光学拾波器透镜的非球面形状的数据表。

图31是表示本发明的光学拾波器透镜的通用区域和专用区域的光程差的表。

图32是表示本发明的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD及CD的波面像差的图。

具体实施方式

实施例1

图1表示本发明的实施例1的光学拾波器装置的一例。该光学拾波器装置具备HD-DVD用光源100、DVD用光源101、CD用光源102。光源100发出波长λ1＝405nm的激光光束，光源101发出波长λ2＝655nm的激光光束，光源102发出波长λ3＝790nm的激光光束。

在分别从光源100和光源101出射的激光光束的光路上设有分束器107。分束器107使从光源100出射的激光光束透过，并且反射从光源101出射的激光光束，把两束光都导向光盘侧。

在从分束器107出射的激光光束和从光源102出射的激光光束的光路上设有分束器108。分束器108使从分束器107出射的激光光束透过，并且反射从光源102出射的激光光束，把两束光都导向光盘侧。

在从分束器108出射的激光光束的光路上设有准直透镜103。从各光源101、102、103出射的激光光束在入射到准直透镜103的阶段都是发散光。准直透镜103把从光源100出射的激光光束和从光源101出射的激光光束从发散光转换成大致平行的光。此外，准直透镜103转换从光源102出射的激光光束使其发散角变小并输出。但是，从光源102出射的激光光束被准直透镜103转换了发散角后，仍维持发散光的状态。

在透过了准直透镜103的激光光束的光路上设有光阑105。光阑105是决定光学拾波器透镜104的有效数值孔径的元件。具体地说，在光盘106为HD-DVD时，光阑105动作使得光学拾波器透镜104的有效数值孔径约为0.65。此外，在光盘106为DVD时，光阑105动作使得光学拾波器透镜104的有效数值孔径约为0.60。再有，在光盘106为CD时，光阑105动作使得光学拾波器透镜104的有效数值孔径约为0.47。作为光阑105，能够使用例如日本特开平9-54977号公报所述的波长选择滤波器。

在透过了光阑105的激光光束的光路上设有光学拾波器透镜104。光学拾波器透镜104具有使入射的光在光盘106的信息记录面上汇聚直到接近衍射极限。光学拾波器透镜104还具有把在光盘106的信息记录面反射的激光光束导入检测系统(未图示)的作用。对于该光学拾波器透镜104将在后述。

在聚焦伺服时及寻迹伺服时，光学拾波器透镜104和光阑105成为一体，利用未图示的传动装置动作。

还有，在本实施例中，HD-DVD用、DVD用、CD用光盘106的透明衬底为聚碳酸脂，HD-DVD用、DVD用、CD用光盘106的透明衬底的厚度分别为0.6mm、0.6mm、1.2mm。在图1中，光盘106a为HD-DVD用、DVD用光盘，光盘106b为CD用光盘。

其次，对从各光源100、101、102出射的激光光束在光盘106的信息记录面反射直到被检测系统检测出的工作过程进行说明。

从光源100出射的激光光束透过分束器107及分束器108入射到准直透镜103。从光源101出射的激光光束在分束器107被反射，透过分束器108后入射到准直透镜103。从光源102出射的激光光束在分束器108被反射并入射到准直透镜103。

准直透镜103把从光源100出射的激光光束和从光源101出射的激光光束从发散光变换成大致平行的光。此外，准直透镜103转换从光源102出射的激光光束使其发散角变小并输出。

透过了准直透镜103的激光光束被光阑105限制其实际的数值孔径。通过了光阑105的激光光束入射到光学拾波器透镜104。光学拾波器透镜104使入射的激光光束在光盘106的信息记录面上汇聚直到衍射极限附近。由光盘106的信息记录面反射的激光光束通过光学拾波器透镜104入射到检测系统(未图示)，并被检测出。检测系统(未图示)检测该激光光束，通过光电转换，产生聚焦伺服信号、寻迹伺服信号、读取信号等。

其次，对在本发明实施例1的光学拾波器装置中所使用的光学拾波器透镜104进行详细的说明。

光学拾波器透镜104如上所述是起使激光光束汇聚到光盘106的信息记录面上的作用的元件。图2表示该光学拾波器透镜104的正视图及侧视图。本实施例1的光学拾波器透镜104如图2所示，其一个面具有不连续的非球面形状。即，在激光光束的入射面，产生相位差的多个环带状凹部或凸部相对于相邻的环带状凹部或凸部具有预定的阶梯差量h并形成同心圆状。在此，将构成该环带状凹部或凸部的各非球面最优化，使其形状的HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差很小。

该场合，环带状凹部或凸部的单位阶梯差h以h≒m×λ1/(n1-1)表示。此处，m是自然数，λ1是HD-DVD用光源的波长、n1是汇聚透镜的折射率。

在本发明实施例1的光学拾波器中，特别地，根据上述单位阶梯差h在环带状凹部或凸部形成阶梯差后，使构成各环带的非球面的形状最优化，从而使HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差都很小。

在此，对专利文献1中所述的光学拾波器透镜中产生的波面像差作为比较例进行说明。图3表示计算在基于该专利文献1所记载的数据设计光学拾波器透镜的场合、在信息记录面上产生的波面像差的结果。图3中，横轴是光学拾波器透镜的标准化半径，“0”表示光学拾波器透镜的中心轴，“1”表示光学拾波器透镜的边缘。该图的纵轴表示波面像差。由于光学拾波器透镜的环带结构的形状定为相对于其中心轴(光轴)成同心圆状，从而实际的波面像差分布相当于使图3的分布以该曲线图的纵轴为中心旋转。图3中的虚线表示相对于具有HD-DVD用的波长λ1的激光光束的波面像差，实线表示相对于具有DVD用的波长λ2的激光光束的波面像差。

根据图3的曲线图可知，HD-DVD用的波长λ1的波面像差虽几乎为0，但DVD用的波长λ2的波面像差却约为60mλrms。这小于能将激光光束缩小到衍射极限附近的极限的波面像差值，即Marshall评估的基准值70mλrms。但是，还考虑到基于制造透镜时透镜面的偏心的产生和组装到光学读取头时的安装误差导致的透镜倾斜的产生而在制造阶段产生的波面像差不会带来妨碍的话，约60mλrms之类的波面像差的值不一定在实用上是足够的值。

对于专利文献1所公开的光学拾波器透镜，可以推测，它是根据波面像差的计算结果进行设计的，以减小对于在DVD和CD使用的光源波长的波面像差。与此相应，对于本发明的实施例1的光学拾波器透镜，它是考虑适用于蓝光光盘、HD-DVD之类应用超高密度记录的光盘来设计光学拾波器透镜的，从而首先减小对HD-DVD和DVD所使用的光源波长的波面像差。还有，为了便于理解，利用光线追踪换算成在光学拾波器透镜的光瞳面的波面像差。

图4表示本发明的实施例1的光学拾波器透镜的HD-DVD和DVD的波面像差。在该光学拾波器透镜中，同心圆状的环带结构形成于光学拾波器透镜的激光光束入射面侧，如前所述的以h≒m×λ1/(n1-1)表示的环带状凹部或凸部的单位阶梯差h是以m＝2得到的值。此外，图5表示与环带边缘位置和其环带深度相关的数据。图5中所谓的环带边缘位置表示各环带的边缘相对于光学拾波器透镜的标准化半径位于哪里(参照图2)。此外，图5中所谓的阶梯差，表示以各环带的透镜的激光光束入射面中心位置为基准，各环带向光轴方向具有多少阶梯差量，并以上述h的倍数表示。阶梯差为正时，形成向透镜厚度增加的方向的环带，阶梯差为负时，形成向透镜厚度减小的方向的环带。

对于本发明的实施例1的光学拾波器透镜，按照图6所示的流程图进行设计。最初，决定阶梯差量h，对环带状凹部或凸部给与阶梯差量h(S101)。在该步骤S101，预先准备不仅是以一个波长，而是以两个波长λ1、λ2、透镜对波长λ1的激光光束的折射率n1、透镜对波长λ2的激光光束的折射率n2、以变量为因子的计数学式。并且，将变量设定在预定的范围内，基于该数学式决定阶梯差量。

其次，对构成各环带的非球面的形状进行最优化，使HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差都很小(S102)。

具体地说，例如，最好是如同一申请人的日本特开2003-270528号(美国专利6,678,096)所公开的那样，在由透过同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，当设最大的波面像差为W_max、最小的波面像差为W_min时，分别以1≤W_max/W_min＜1.8将λ1的激光光束和λ2的激光光束汇聚到衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘上。优选的范围是1≤W_max/W_min＜1.6，更优选的范围是1≤W_max/W_min＜1.4。此外，希望由透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束产生的RMS波面像差和由λ2的激光光束产生的RMS波面像差都在0.040λ以下。优选的范围是在0.035λ以下。或者，最好是将透过上述同心圆状的环带结构的λ1的激光光束和λ2的激光光束汇聚到各衬底厚度t1的光盘和衬底厚度t2的光盘上，从而使RMS波面像差为{(W₁ ²+W₂ ²)/2}^1/2≤0.028(其中，相对于λ1的激光光束的波面像差为W₁、相对于λ2的激光光束的波面像差为W₂)。优选该RMS波面像差为0.026，更优选0.025或0.023。

根据图4所示的计算结果，HD-DVD用的波长λ1的波面像差的r m s值约为34mλrms，DVD用的波长λ2的波面像差的r m s值约为35mλrms。如图4所示可知，对波长λ1的波面像差的曲线图和对波长λ2的波面像差的曲线图以波面像差值为0的轴为中心基本上呈线对称。即，设计成波长λ1的波面像差和波长λ2的波面像差其绝对值相等，而正负符号相反。对于任何一个光盘，即使考虑到制造时产生的波面像差，也能将激光光束汇聚直到光盘的信息记录面上直到衍射极限附近。

这样，对于在决定阶梯差量h，对环带状凹部或凸部给与决定的台阶量h后，对于构成各环带的非球面的形状进行最优化的本发明的光学拾波器透镜，使用两种光盘所使用的两种波长能够把各波面像差降低到实用上足够小的水准。这对于上述专利文献1中所公开的光学拾波器透镜来说是得不到的效果。

采用以上的方法，可以用一个光学拾波器透镜记录和读取HD-DVD和DVD。下面，对用一个光学拾波器透镜不仅可记录和读取HD-DVD和DVD，还可记录和读取CD的方法进行说明。

图7表示把CD的激光光束准直成平行光束并入射到采用上述方法设计成同时减小HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差的光学拾波器透镜104的情况下的波面像差。图7中的虚线表示HD-DVD用的波长λ1的波面像差，实线表示DVD用的波长λ2的波面像差。另外，粗线表示CD用的波长λ3的波面像差。由于对CD的波面像差没有作任何补偿，所以，CD用的波长λ3的波面像差很大，约为261mλrms。还有，CD的数值孔径为0.47，此时的标准化半径约为0.72。

相对于此，图8表示对CD为有限系统时的波面像差。所谓有限系统是指，不是把CD用的波长λ3的激光光束准直为平行光束入射到光学拾波器透镜(以下，称为无限系统)，而是作为发散光入射，利用球面色散通过改变该入射光的发散程度，即几何光学上所谓的光学拾波器透镜的物像间距离而变化的性质，补偿如图7所示的CD的波面像差。

图8的CD用的波长λ3的波面像差约为27mλrms，即使考虑到光学拾波器透镜制造时产生的波面像差，也能将激光光束汇聚到光盘的信息记录面上直到衍射极限附近。还有，这种场合的物体间距离约为49.8mm。

这样，本发明实施例1的光学拾波器装置相对于设计成同时减小HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差的光学拾波器透镜104，由于HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的激光光束以无限系统入射，CD用的波长λ3的激光光束以预定的有限系统入射，所以，用一个光学拾波器透镜104就能够确保HD-DVD、DVD以及CD的互换。

但是，在设计构筑于光学拾波器透镜104上的同心圆状的环带结构，以同时减小HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差时，希望做成CD用的波长λ3的激光光束难以因其环带结构而给与相位差的那样的同心圆状的环带结构。具体地说，因环带结构给与CD光源的光的相位差尽可能接近于CD波长的整数倍即可。

图9是计算了上述的以h≒m×λ1/(n1-1)表示的单位阶梯差h中，m＝3时的HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2及CD用的波长λ3的波面像差的结果。HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差，相对于为了获得与以m＝2得到的图8所示的波面像差几乎相等的结果，对于CD用的波长λ3的激光光束，即使采用有限系统也不能充分地减小波面像差。这是由于，虽然在CD用的波长λ3的激光光束的波面像差中呈现几个地方的大的不连续点，但在其半径位置形成有环带的阶梯差，因环带的阶梯差而对CD用的波长λ3的激光光束给与大的相位差。在该CD用的波长λ3的激光光束中源于所产生的环带的阶梯差的波面像差，即使采用有限系统也难以充分地减小。另一方面，在图8所示的CD用的波长λ3的激光光束的波面像差中，虽然也与图9所示同样地呈现几个地方的不连续点，但都小到0.1λ以下。这是因为，对CD用的波长λ3的激光光束形成难以附加大的相位差的单位阶梯差h。

难以对CD用的波长λ3的激光光束附加大的相位差的单位阶梯差h，在本实施例中虽在例如m＝2的情况下得到，但这是因为，单位阶梯差h是由h≒m×λ1/(n1-1)所规定，是由λ1的值和n1的值所决定的，在所有的情况下，并不限于m＝2是最佳的。在本实施例中，由于使λ1＝405nm，作为透镜材料使用了塑料系列材料，所以n1＝1.52。还有，与m＝2的情况完全相同，即使在m＝8、m＝10的情况下，也能得到同时减小HD-DVD用的波长λ1和DVD用的波长λ2的波面像差，并对CD用的波长λ3的激光光束难以附加大的相位差的效果。此外，对CD用的波长λ3的激光光束难以附加大的相位差的的阶梯差量，从得到CD的实用的波面像差的观点来看，希望选择CD用的波长λ3的激光光束的波面像差的不连续点的相位差使其大致在0.15λ以下，进而，优选在0.10λ以下。但是，由于即使局部地超过0.15λ总体上对波面像差的影响很小，因而即使在该点应当注意的是选择阶梯差量。

图15～图17是上述最优化的结果得到的、图1中所示的光学拾波器透镜104和光盘106的透镜数据，图15对应于HD-DVD，图16对应于DVD，图17对应于CD。光学拾波器透镜104的材质为塑料类，光盘109的透明衬底为聚碳酸酯(PC)。这些材质对每种波长的折射率如图15～图17所示。此外，“空气”是指面与面之间充满了空气。

图18～图20是以数学式表现的光学拾波器透镜104的非球面形状的数据。一般来说，在图22表示的坐标系中，透镜的非球面的形状以所谓的垂度z的形式表示成下述(1)式。其中，c＝1/R。

【式1】

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{(1-(1+k)c^2{r}^2)}}+\underset{i=2}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2i}{r}^{2i}+B---\left(1\right)$

用该(1)式的参数表示光学拾波器透镜104的物侧的面的话，则如图18、图19所示。即，如图2所示，由于光学拾波器透镜104的物侧的面具有不连续的非球面形状，因而在构成其不连续的非球面形状的每个区域都表示该非球面形状。由连续的非球面形状组成的像侧的面以图20表示。图18～图20中的所谓的“区域的范围”表示在各区域中以(1)式表示的非球面形状为有效的透镜半径(单位为mm)。此外，图18～图20中的“B”表示光轴上的垂度量(单位为mm)。还有，在图18～图20中表示的各参数的值是在记录或读取HD-DVD和DVD时将波面像差抑制得尽可能小来决定的结果。

如图18、图19所示，光学拾波器透镜104的物侧的面由9个环带状的区域组成，由于从含有光轴的区域向透镜外侧方向数直到第7个环带状的区域，是在记录和读取HD-DVD和DVD时共同使用的区域，所以，以下称之为HD-DVD/DVD通用区域。同样地，由于第8个和第9个环带状的区域是仅在记录和读取HD-DVD时使用，在记录和读取DVD时不使用的区域，因而称之为HD-DVD专用区域。

图21表示在图18～图20所示的各非球面部，以第一区间的大致的光程差为基准时，相当于HD-DVD/DVD通用区域和HD-DVD专用区域的第二～第九区间的大致光程差分别大致是波长λ的多少倍。

如图21所表明的，第二～第九区间相对于波长405nm的HD-DVD是2mλ的差，相对于波长655nm的DVD及波长790nm的CD为mλ之差(m为整数)。这是因为，由于短的波长λ1在380～430nm之间，长的波长λ2在630～680nm之间，λ3在波长790nm附近，因而易于满足上述大致光程差的关系。

实施例2

图10是表示本发明的实施例2的光学拾波器装置的结构例子。该光学拾波器装置的基本结构与图1所示的本发明的实施例1的光学拾波器装置相同，作为特征的结构要素的光学拾波器透镜104也可以使用相同的透镜。相对于在本发明的实施例1中，通过使CD用的波长λ3的激光光束以预定的有限系统相对于光学拾波器透镜104入射，以便减小对CD用的激光光束的波面像差，在本发明的实施例2中，则是通过将相位补偿元件110插入到CD用光源102和偏光分束器108的光路中来降低对CD用的激光光束的波面像差。

在本发明的实施例2中，所有的光源100、101、102的激光光束都被准直透镜103转换成大致平行的光，并相对于光学拾波器透镜104入射。在这种状态下，对CD用的激光光束的波面像差则如图7所示那样变大，已如本发明的实施例1中所述。

因此，在本发明的实施例2中，将相位补偿元件110插入到CD用光源102和偏光分数器108的光路中，用以代替对CD不使用有限系统，来降低对CD用的激光光束的波面像差。以下，对相位补偿元件110进行说明。

图11表示CD也采用了无限系统时的波面像差的计算结果。如图11所示，该场合的波面像差最大为0.5λ以上。图12表示的是用于减小这种波面像差的相位补偿元件110的例子。图12的上侧表示该相位补偿元件110的正视图，该图下侧表示该相位补偿元件110的侧视图。如图12所示，相位补偿元件110由多个同心圆状的相位补偿要素组成，各相位补偿要素对各激光光束给与的相位差量不同。当从相位补偿元件110的中心起设同心圆状的相位补偿要素为p1、p2、...、pn，设其各相位补偿要素的外延为b1、b2、...、bn时，在本实施例2中，当将由各相位补偿要素给与的相位差为p1＝0λ、p2＝-0.12λ、p3＝-0.24λ、p4＝-0.36λ、p5＝-0.48λ、p6＝-0.36λ、p7＝-0.24λ、p8＝-0.12λ、p9＝0λ时，各相位补偿要素的外延为从光学拾波器透镜的HD-DVD或DVD的最大的有效半径以逆算得到的相位补偿元件110的插入位置的最大有效半径标准化了的值，其值为：b1＝0.204、b2＝0.262、b3＝0.363、b4＝0.507、b5＝0.549、b6＝0.601、b7＝0.651、b8＝0.674、b9＝1(参照图11、图13)。

图14表示使用相位补偿元件110将在记录或读取CD时用光拾波器透镜104不能减小的图11的以实线表示的波面像差成分减小了的情况的波面像差的计算结果。从图可知，补偿后的波面像差约为40mλrms，得到大幅地改善。这里，虽将由各相位补偿元件给与的相位差取为-0.12λ的倍数，但若取为例如-0.10λ的倍数的话，还可以进一步减小波面像差的r m s值。但是，必须用更多的相位补偿要素构成相位补偿元件110。再有，这里，虽将由各相位补偿要素给与的相位差取为某个值的倍数，但并不是必须将由各相位补偿要素给与的相位差取为某个值的倍数。例如，也有将各相位补偿要素的外延b1、b2、...、bn与光学拾波器透镜104的不连续点a1、a2、...、am(参照图2)尽可能设定为不一致的方法。在这种情况下，还有利于增加对相位补偿元件110与光学拾波器透镜104的位置偏离的容许度。

此外，相位补偿元件110能够通过例如在光透过特性优良的平面板上设置同心圆状的环带结构来实现。例如，对于本实施例2，只要设计环带结构，使得相邻的环带之间的单位阶梯差产生的相位差大致在-0.2λ以内，优选为-0.12λ的相位差即可。

还有，图10中的光学拾波器透镜104和光盘106的透镜数据与图15～图17及图18～图20所示的相同。

实施例3

上述实施例1和实施例2作为适用于超高密度记录的光盘虽考虑了HD-DVD，但即使在考虑了蓝光光盘的情况下，通过同样的设计也能够实现。本实施例3就是考虑了蓝光光盘的例子。

图23是上述最优化的结果得到的、图1中所示的光学拾波器透镜104和光盘106的透镜数据，图23(a)对应于蓝光光盘，图23(b)对应于DVD，图23(c)对应于CD的场合。光学拾波器透镜104的材质为玻璃类，光盘109的透明衬底为聚碳酸酯(PC)。这些材质对每种波长的折射率如图23(a)～图23(c)所示。此外，“空气”是指面与面之间充满了空气。

图24～图29是以数学式表现的光学拾波器透镜104的非球面形状的数据。一般来说，在图22表示的坐标系中，透镜的非球面的形状以所谓的垂度z的形式表示成上述的(1)式。其中，c＝1/R。

用(1)式的参数表示光学拾波器透镜104的物侧的面时，成为图24～图29所示那样。即，如图2所示，由于光学拾波器透镜104的物侧的面具有不连续的非球面形状，因而在构成其不连续的非球面形状的每个区域表示其非球面形状。由连续的非球面形状组成的像侧面以图30表示。图24～图30中的所谓的“h的范围”表示在各区域中以(1)式表示的非球面形状为有效的透镜半径(单位为mm)。此外，图24～图30中的“B”表示光轴上的垂度量(单位为mm)。还有，在图24～图30中表示的各参数的值，是将记录或读取蓝光光盘和DVD时的波面像差抑制得尽可能小所决定的结果。

如图24～图29所示，光学拾波器透镜104的物侧的面由31个环带状的区域组成，由于从含有光轴的区域向透镜外侧方向数直到第29个的区域都是在记录和读取蓝光光盘和DVD的时共同使用的区域，所以，以下称之为蓝光光盘/DVD通用区域。同样地，由于第30个和第31个区域仅在记录和读取蓝光光盘时使用，在记录和读取DVD时不使用的区域，因而称之为蓝光光盘专用区域。

图31表示在图24～图29中所示的各非球面部中，以第一区间的大致的光程差为基准时，相当于蓝光光盘/DVD通用区域和蓝光光盘专用区域的第2～31区间的大致光程差分别大致是波长λ的多少倍。

如图31所表明的，第2～29区间相对于波长405nm的蓝光光盘是2mλ的差，相对于波长655nm的DVD及波长790nm的CD为mλ之差(m为整数)。这是因为，由于短的波长λ1在380～430nm之间，长的波长λ2在630～680nm之间，λ3在波长790nm附近，因而易于满足上述大致光程差的关系。此外，图32是表示蓝光光盘、DVD以及CD的波面像差图。

Claims (10)

1.一种蓝光光盘、DVD、CD用的拾波器透镜，其用于使用波长不同的三个激光光束，以来自无限远的波长λ1的蓝光光盘激光光束以数值孔径NA1在衬底厚度t1的信息记录介质上进行汇聚，以来自无限远的波长λ2的DVD激光光束以数值孔径NA2在衬底厚度t2的信息记录介质上进行汇聚，以波长λ3的CD激光光束以数值孔径NA3在衬底厚度t3的信息记录介质上进行汇聚，所述拾波器透镜的特征在于，

所述拾波器透镜由单片透镜构成，

在所述拾波器透镜的至少一个面上存在同心圆状的多个环带，

在将形成有所述环带的面分成含有光轴的同心圆状的第一区域、与所述第一区域的外侧相邻的同心圆状的第二区域、与所述第二区域的外侧相邻的同心圆状的第三区域的情况下，

在所述第一区域存在两个以上的环带，与所述第一区域相当的范围的波长λ1、λ2、λ3的激光光束分别汇聚到衬底厚度t1、t2、t3的信息记录介质，

在所述第二区域存在两个以上的环带，与所述第二区域相当的范围的波长λ1、λ2的激光光束分别汇聚到衬底厚度t1、t2的信息记录介质，而与所述第二区域相当的范围的波长λ3的激光光束不汇聚到衬底厚度t3的信息记录介质，

在所述第三区域存在两个以上的环带，与所述第三区域相当的范围的波长λ1的激光光束汇聚到衬底厚度t1的信息记录介质，而与所述第三区域相当的范围的波长λ2、λ3的激光光束分别不汇聚到衬底厚度t2、t3的信息记录介质，

对于将来自所述无限远的波长λ1的激光光束汇聚到衬底厚度t1的信息记录介质、将来自所述无限远的波长λ2的激光光束汇聚到衬底厚度t2的信息记录介质的第一区域和第二区域，单独设定存在于区域的两个以上的环带的面形状。

2.根据权利要求1所述的拾波器透镜，其特征在于，

在由λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max、最小的波面像差为W_min时，在1≤W_max/W_min＜1.8条件下分别对衬底厚度t1的信息记录介质和衬底厚度t2的信息记录介质汇聚λ1的激光光束和λ2的激光光束。

3.根据权利要求1所述的拾波器透镜，其特征在于，

以波长λ3的激光光束对衬底厚度t3的信息记录介质给与的相位差大致在0.15λ3以下。

4.根据权利要求1所述的拾波器透镜，其特征在于，

以波长λ1的激光光束在衬底厚度t1的信息记录介质上进行汇聚时产生的波面像差和以波长λ2的激光光束在衬底厚度t2的信息记录介质上进行汇聚时产生的波面像差的绝对值大致相等，正负符号相反。

5.根据权利要求1所述的拾波器透镜，其特征在于，

波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.1mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。

6.根据权利要求1所述的拾波器透镜，其特征在于，

在对所述拾波器透镜入射的激光光束之中，波长λ3的激光光束是有限系统。

7.一种拾波器装置，其特征在于，

所述拾波器装置使用了蓝光光盘、DVD、CD用的拾波器透镜，该拾波器透镜用于使用波长不同的三个激光光束，以来自无限远的波长λ1的蓝光光盘激光光束以数值孔径NA1在衬底厚度t1的信息记录介质上进行汇聚，以来自无限远的波长λ2的DVD激光光束以数值孔径NA2在衬底厚度t2的信息记录介质上进行汇聚，以波长λ3的CD激光光束以数值孔径NA3在衬底厚度t3的信息记录介质上进行汇聚，

所述拾波器装置至少具备：

发出波长λ1、λ2、λ3的激光光束的光源；

用于将从所述光源出射的激光光束导向信息记录介质的分束器；

对从所述光源出射的激光光束的发散角进行变换的准直透镜；和

使所述波长λ1、λ2、λ3的激光光束分别汇聚到所述衬底厚度t1、t2、t3的信息记录介质的拾波器透镜，

所述分束器设置于所述光源与所述拾波器透镜之间的光路上，并且，所述准直透镜设置于所述分束器与所述拾波器透镜之间的光路上，

所述拾波器透镜由单片透镜构成，

在所述拾波器透镜的至少一个面上存在同心圆状的多个环带，

在将形成有所述环带的面分成含有光轴的同心圆状的第一区域、与所述第一区域的外侧相邻的同心圆状的第二区域、与所述第二区域的外侧相邻的同心圆状的第三区域的情况下，

在所述第一区域存在两个以上的环带，与所述第一区域相当的范围的波长λ1、λ2、λ3的激光光束分别汇聚到衬底厚度t1、t2、t3的信息记录介质，

在所述第二区域存在两个以上的环带，与所述第二区域相当的范围的波长λ1、λ2的激光光束分别汇聚到衬底厚度t1、t2的信息记录介质，而与所述第二区域相当的范围的波长λ3的激光光束不汇聚到衬底厚度t3的信息记录介质，

在所述第三区域存在两个以上的环带，与所述第三区域相当的范围的波长λ1的激光光束汇聚到衬底厚度t1的信息记录介质，而与所述第三区域相当的范围的波长λ2、λ3的激光光束分别不汇聚到衬底厚度t2、t3的信息记录介质，

对于将来自所述无限远的波长λ1的激光光束汇聚到衬底厚度t1的信息记录介质、将来自所述无限远的波长λ2的激光光束汇聚到衬底厚度t2的信息记录介质的第一区域和第二区域，单独设定存在于区域的两个以上的环带的面形状。

8.根据权利要求7所述的拾波器装置，其特征在于，

波长λ1约为405nm，波长λ2约为650nm，波长λ3约为790nm，衬底厚度t1约为0.1mm，衬底厚度t2约为0.6mm，衬底厚度t3约为1.2mm。

9.根据权利要求7所述的拾波器装置，其特征在于，

在对所述拾波器透镜入射的激光光束之中，波长λ1的激光光束和波长λ2的激光光束是无限系统，波长λ3的激光光束是有限系统。

10.根据权利要求7所述的拾波器装置，其特征在于，

在由λ1的激光光束产生的波面像差和由λ2的激光光束产生的波面像差之中，设最大的波面像差为W_max、最小的波面像差为W_min时，在1≤W_max/W_min＜1.8条件下分别对衬底厚度t1的信息记录介质和衬底厚度t2的信息记录介质汇聚λ1的激光光束和λ2的激光光束。

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