CN1136562C - 光学拾取装置的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种能够使用薄覆盖型和厚覆盖型光盘(D1)的光学拾取装置的光学系统。该系统包括一个光源部分，其发射用于薄覆盖型光盘的短波长激光束(11)和用于厚覆盖型光盘的长波长激光束(12)；以及一个物镜(30)，该物镜用于将激光束通过覆盖层会聚到光盘的信息层上。物镜具有一对波长有依赖性的衍射透镜结构(30a)，使得球差随着入射波长的增加而在过校正方向上变化。该光源部分发射激光束，使得入射到物镜上的长波长激光束的发散度大于短波长激光束的发散度。该物镜对相同衍射级的激光束进行会聚而不改变其位置。

Description

光学拾取装置的光学系统

本发明技术领域

本发明涉及一种用于可使用具有不同厚度覆盖层的多种光盘的光学拾取装置的光学系统。

发明背景

光盘包括在其上记录数字信息的一信息层和覆盖该信息层的一透明覆盖层。光学拾取装置所发出的激光束被会聚，穿过覆盖层在信息层上形成一个束斑。可转动光盘的装置旋转固定在其上的光盘，沿光盘径向运动的光学拾取装置从该光盘再现所记录的信号，或将信息记录到该光盘上。覆盖层的厚度差别改变了信息层相对可旋转部件的位置，改变了光学拾取装置与信息层之间的距离。

也就是说，覆盖层越厚，从光学拾取装置到束斑的距离越大。例如，由于致密盘(CD)或CD-R的覆盖层厚度为1.2mm，数字通用盘(DVD)的覆盖层厚度为0.6mm，当用CD或CD-R代替DVD时，需要光学拾取装置在覆盖层中移动束斑远离光学拾取器大约0.6mm(在空气中为0.4mm)。

有两种沿光轴方向移动束斑的方法。第一种方法是改变入射到物镜上的激光束发散度，等价于改变物距。例如，改变激光源与准直器透镜之间的距离可改变物距。第二种方法为沿着光轴方向移动物镜，同时保持入射激光束的平行。

按照第一种方法，随着发散度变大(物距减小)，球差在欠校正的方向上急剧变化，其干扰了激光束的波前。从而，束斑的直径增加，这妨碍光盘装置从光盘中再现所记录的信息。关于这一点，由于覆盖层为设置在会聚激光束中的一个平面平行板，故随着其厚度的增加它在过校正方向上改变球差。不过，由于发散度变化所导致的在欠校正方向上的球差的变化远远大于由于厚度变化所导致的在过校正方向上球差的变化，结果在欠校正方向上保留球差。

可使用一个调焦激励器来实现第二种方法。配备调焦激励器的光学拾取装置沿光轴移动物镜，以将激光束保持在焦点上。从而，如果该调焦激励器具有一个大于0.4mm的行程，则此光学拾取装置能够相应于覆盖层厚度的改变而移动束斑。不过，由于大的行程趋向于增加物镜光轴的倾斜角，故需要复杂的机构来防止倾斜，从而使成本增加。

发明简述

因而本发明的目的是提供一种光学拾取装置的光学系统，其能够根据覆盖层的厚度在不移动物镜的条件下沿光轴移动束斑。

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种能够使用具有第一覆盖层的第一光盘和具有厚度大于所述第一覆盖层的第二覆盖层的第二光盘的光学拾取装置的光学系统，所述光学系统包括：一光源部分，其发射用于该第一光盘的具有第一波长的第一激光束和用于该第二光盘的具有长度大于该第一波长的第二波长的第二激光束；以及一物镜，其将所述光源部分发出的该第一激光束通过所述第一覆盖层会聚到该第一光盘的信息层上，并将所述光源部分发出的该第二激光束通过所述第二覆盖层会聚到该第二光盘的信息层上，所述物镜具有一衍射透镜结构，该衍射透镜结构具有多个对波长有依赖性的同心环形台阶，使得球差随着入射光波长的增加而在过校正方向上改变，其中入射到该物镜上的所述第二激光束的发散度大于所述第一激光束的发散度，以及其中该物镜对具有相同衍射级的所述第一和第二激光束进行会聚，而所述物镜与所述第一和第二覆盖层表面之间的距离保持恒定；并且满足下面的条件(1)：(1)7＜Φ(h₄₅)/λ-P₂×(h₄₅)²＜15其中h₄₅为NA为0.45的光线与该衍射透镜结构的交点处距离光轴的高度，λ为所述光的波长，P₂为当所述衍射透镜结构所增加的附加光程长度由下面的光程差函数Φ(h)表示时的第二级衍射系数：Φ(h)＝(P₂h²+P₄h⁴+P₆h⁶+...)×λ其中，P₄和P₆为第四和第六级衍射系数，h为物镜的衍射透镜结构上的点距离光轴的高度。

本发明的光学系统进一步满足下面的要求(a)，(b)和(c)。

(a)光源部分发射激光束，使入射到物镜上的第二激光束的发散度大于第一激光束的发散度。

(b)该衍射物镜结构具有对波长有依赖性的多个同心环形台阶，以使球差随着入射光波长的增加在过校正方向上变化。

(c)该物镜对相同衍射级的第一和第二激光束进行会聚，同时保持物镜与第一和第二覆盖层表面之间距离恒定。

如要求(a)，入射激光束在物镜上不同的发散度将根据覆盖层厚度改变旁轴束斑大小。不过，对于具有较大发散度的第二光盘，只有当发散变得更大时球差才在欠校正方向上变大。为了消除发散度变化所导致的球差，衍射透镜结构具有如要求(b)所描述的波长依赖性。

按照这种结构，从第一激光束到第二激光束的切换增加其发散度和波长。更大的发散度将移动旁轴束斑远离光源部分并在欠校正方向上改变球差。另一方面，更长的波长则通过该衍射透镜结构在过校正方向上改变球差。其结果是，激光束的切换将沿光轴移动束斑而不增加球差。

另外，如要求(c)，相同衍射级光束的使用允许该衍射透镜结构对单个衍射级最优化，其通过对光量的有效利用而使衍射效率最大化。

该衍射透镜结构所增加的附加光程长度由下面的光程差函数Φ(h)表示：

Φ(h)＝(P₂h²+P₄h⁴+P₆h⁶+...)×λ

其中，P₂，P₄和P₆为第二，第四和第六级衍射系数，h为距离光轴的高度，λ为入射光波长。

最好该衍射透镜结构满足下面的条件(1)：

(1) 7＜Φ(h₄₅)/λ-P₂×(h₄₅)²＜15

其中h₄₅为NA为0.45的光线与该衍射透镜结构的交点处距离光轴的

高度。

当第一覆盖层的厚度为0.6mm且第二覆盖层的厚度为1.2mm时，第一波长λ₁和第二波长λ₂最好满足下面的条件(2)：

(2) 0.81＜λ₁/λ₂＜0.85

另外，至少在接近光轴的中心区域该衍射透镜结构的闪耀波长λ_B满足λ₁＜λ_B＜λ₂。最好是在中心区域该衍射透镜结构的闪耀波长λ_B满足下面的条件(3)和(4)：

(3)0.87＜λ_B/λ₂

(4)λ_B/λ₁＜1.13

另外，在外围区域该衍射透镜结构的环形台阶所增加的附加光程长度可能小于在中心区域所附加的光程长度。在特殊情形下，仅在该物镜透镜表面的中心区域内形成衍射透镜结构，其外围区域被形成为连续表面。至少将物镜的有效直径的85％线之外的区域定义为外围区域。中心区域与外围区域之间的边界为有效直径的80％线。

光源部分最好发射出激光束，使第一激光束作为平行光束入射到物镜上，第二激光束作为发散光束入射到物镜上。

附图简要说明

图1表示一根据使用薄覆盖型光盘(第一光盘)实施例的光学拾取装置的光学系统；

图2表示一根据使用厚覆盖型光盘(第二光盘)实施例的光学拾取装置的光学系统；

图3A为图1光学系统中物镜的前视图；

图3B为图3A物镜的垂直横截面视图；

图3C为图3B的放大视图；

图4为第一实例光学系统的透镜示意图(lens diagram)；

图5A和5B为分别表示根据使用第一光盘的第一实例的光学系统的球差和像散曲线图；

图6A和6B为分别表示根据使用第二光盘的第一实例的光学系统的球差和像散曲线图；

图7为根据第二实例的光学系统的透镜示意图；

图8A和8B为分别表示根据使用第一光盘的第二实例的光学系统的球差和像散曲线图；

图9A和9B为分别表示根据使用第二光盘的第二实例的光学系统的球差和像散曲线图；

图10是根据第三实例的光学系统的透镜示意图；

图11A和11B为分别表示根据使用第一光盘的第三实例的光学系统的球差和像散曲线图；

图12A和12B为分别表示根据使用第二光盘的第三实例的光学系统的球差和像散曲线图。

实施例描述

下面将描述本发明的一个实施例。在下面的说明中，首先描述该实施例的整个光学系统，然后将描述三个用数字表示的例子。

图1和2表示根据该实施例的光学拾取装置的光学系统。该光学拾取装置应用于光盘装置中，它能使用具有第一覆盖层的第一光盘和具有比第一覆盖层厚的第二覆盖层的第二光盘。在该实施例中，第一光盘诸如DVD(数字通用盘)的覆盖层厚度为0.6mm，第二光盘诸如CD(致密盘)或CD-R(可记录CD)的覆盖层厚度为1.2mm。图1和2分别表示使用第一光盘D1和第二光盘D2的光学系统。另外，图3A，3B和3C表示应用于图1和2光学系统中的物镜的示意图。

如图1和2所示，该光学系统包括一光源部分10，一准直透镜20，一物镜30和一信号检测部分40。该光源部分10具有在使用第一光盘D1时发射具有第一波长λ₁的第一激光束的第一半导体激光器11，和在使用第二光盘D2时发射具有大于第一波长的第二波长λ2的第二激光束的第二半导体激光器12，以及将半导体激光器11和12所发射的第一和第二激光束向物镜30反射的第一和第二分束器13和14。相位光栅板15设置在第二半导体激光器12与第二分束器14之间，以将第二激光束分成三部分，用于通过三光束法进行跟踪误差探测。

准直透镜20为单一正透镜，它的折射光焦度被确定为，第一半导体激光器11所发射的第一激光束当入射到物镜30上时成为平行光束，如图1所示。第二半导体激光器12与准直透镜20之间的距离小于第一半导体激光器11与准直透镜20之间的距离。从而，第二半导体激光器12所发射的第二激光束作为发散光束入射到物镜30上，如图2所示。当激光束的发散度(即物距)被改变时，旁轴束斑在覆盖层中沿光轴移动，而没有移动物镜30。

实际上，由于光盘的厚度变化和变形可能使信息层移动几十μm，故在某些情况下物镜要跟随这种运动。具有短行程的通用调焦机构能够对这种移动做出反应。

由于第一光盘D1的记录密度大于第二光盘D2的记录密度，故第一光盘D1上的束斑应该小于第二光盘D2上的束斑。波长越短，光斑直径越小。从而，第一激光束的波长λ1最好在600nm波段内，形成相当小的束斑。另一方面，CD-R的反射特性要求波长大约为780nm的激光束。基于所描述的记录密度和反射特性的差别而使用具有不同波长的两个半导体激光器。

物镜30将平行的第一激光束会聚到第一光盘D1的信息层上，并将发散的第二激光束会聚到第二光盘D2的信息层上而没有改变物镜的位置。

由光盘反射并通过分束器14和13的激光束入射到信号检测部分40上。信号检测部分40包括一平凹透镜41，一分束器42，一对柱面透镜43和45以及一对探测器44和46。平凹透镜41减弱了从光盘反射光束的会聚。通过分束器42的透射光通过柱面透镜43进入第一探测器44。另一方面，被分束器42所反射的光束通过柱面透镜45进入第二探测器46。

从入射物镜30上激光束的物点到物镜30的前主点的物距s，从后主点到像点的像距s’，和物镜30的焦距f，满足下列公式： $-\frac{1}{s}+\frac{1}{f}=\frac{1}{s^{\′}}$

例如，当f＝3.6mm时，第一激光束的像距s’为：

s＇＝3.6mm

因为平行的第一激光束的物距s为无穷大。第一激光束被用于覆盖层厚度为0.6mm的第一光盘D1，第二激光束被用于覆盖层厚度为1.2mm的第二光盘D2。因此，第二激光束应该在远离第一激光束的束斑0.4mm的位置处形成束斑(即在覆盖层中等效于0.6mm)，第二激光束的像距s’应该为4.0mm。假设焦距f不变： $-\frac{1}{s}+\frac{1}{3.6}=\frac{1}{4.0}$ $\frac{1}{s}=\frac{1}{3.6}-\frac{1}{4.0}=\frac{1}{36}$

第二激光束的物距s变为36mm。将第一和第二半导体激光器与准直透镜之间的位置关系确定为满足所描述的物距条件。

不过，球差和彗差被校正的物镜，诸如光学拾取装置中所使用的物镜，将根据物距的变化而改变球差。当对于平行的第一激光束该球差被校正时，则对于发散的第二激光束该球差在欠校正方向上变大。为了补偿该欠校正的球差，在物镜30的第一表面30a上形成一种衍射透镜结构。由于该衍射透镜结构的像差校正作用正比于波长，故可能产生球差对波长的依赖性，以消除发散度变化所导致的球差。

将参照附图3A，3B和3C详细描述物镜30。图3A为物镜30的前视图，图3B为垂直剖面图，图3C为第一表面30a的放大视图。

由诸如PMMA塑料制成的物镜30为双凸透镜，具有第一和第二非球面30a和30b。仅在第一表面30a的中心区域31中形成衍射透镜结构。如图3A所示，所形成的衍射透镜结构类似于菲涅尔透镜，对于大量同心环，每一个都具有楔形截面形状。每个相邻环之间的边界形成为一个台阶，具有预定大小的光程差。第一表面30a的外围区域32形成一个连续的非球面。

由于诸如DVD的第一光盘D1要求0.60的NA值，而对于诸如CD或CD-R的第二光盘D2来说，0.45的NA大小就足够了，对应于0.45NA的有效直径内部的中心区域31是第一和第二光盘D1和D2的公共区域。从而，在该中心区域形成衍射透镜结构，以减小对于第一和第二光盘D1和D2的像差。

另一方面，对第二光盘D2来说由于0.45NA的外部的激光束形成一个非常小的束斑，故对于第一光盘D1来说相应于0.45NA的有效直径外部的外围区域32应该是独占的区域。在这个实施例中，外围区域32形成为没有台阶的连续的非球面。不管是多么精确地制造，实际的衍射透镜结构必然包含形状误差，从而损失光量。外围区域32的连续表面抑制了由于形状误差所导致的光量损失。

相应于0.45NA的有效直径几乎等于物镜30的最大有效直径的85％。

该衍射透镜结构具有波长依赖性，使得球差随波长增加而在过校正方向变化。另外，随着入射光束发散的增大，该折射透镜在欠校正方向上改变其球差。从而，当波长相当长的激光束具有相当大的发散时，则由折射透镜所引起的球差的改变可以被衍射透镜结构所产生的球差的改变所消除。

使用下面的光程差Φ(h)函数来表示衍射透镜结构所增加的附加光程长度：

Φ(h))＝(P₂h²+P₄h⁴+P₆h⁶+...)×λ

其中，P₂，P₄和P₆为第二，第四和第六级衍射系数，h为距离光轴的高度，λ为入射光波长。函数Φ(h)表示假设没有被光栅衍射的理想光线与被光栅衍射的光线之间在衍射透镜结构上距离光轴高度为h的一点处的光程差。在该表达式中，第二级系数P₂的负值表示该衍射透镜结构的正旁轴光焦度。另外，当第四级系数p₄大于0时，随着到光轴距离的增大负光焦度增加。

衍射透镜结构的实际微观形状类似于具有大量同心环的菲涅尔透镜。实际的形状Φ’(h)被定义为从Φ(h)中减去λ×m(m为整数)，如下式：

Φ(h)＝[MOD(P₂h²+P₄h⁴+…+C，1)-C]×λ_B

符号λ_B为闪耀波长，对于该波长光栅的台阶表示一个波长的光程差。在闪耀波长λ_B处衍射效率最大。符号C为一个常数，定义了相邻环之间边界处的位相(0≤C＜1)。函数MOD(x，y)表示当x被y除时的余数。在相邻环的边界处MOD(P₂h²+P₄h⁴+…+C，1)等于0。衍射透镜结构形成在该折射透镜的透镜表面上。设计环形区域的斜度和台阶，使光程差限定为Φ’(h)。

物镜30满足下面的条件(1)：

(1)7＜Φ(h₄₅)/λ-P₂×(h₄₅)²＜15

其中h₄₅为NA为0.45的光线与衍射透镜结构的交点处距离光轴的高

度。

条件(1)限定了衍射透镜结构的球差校正函数，其通过从总的光学函数Φ(h₄₅)/λ中减去幂函数P₂×(h₄₅)²而得到。由于对于第二光盘D2来说并不使用其NA大于0.45的外围光束，故条件(1)使用NA为0.45处的值作为标准。如果条件(1)的中间一项小于7，则衍射透镜结构所提供的球差校正能力变得非常低，以至于不能消除由发散变化所产生的球差变化，而在欠校正方向上留下了球差。另一方面，当条件(1)的中间一项超过15时，衍射透镜结构所提供的球差校正能力变得太大，将在过校正方向上产生球差。

当第一光盘D1的覆盖层厚度为0.6mm，第二光盘D2的覆盖层厚度为1.2mm时，第一激光束的波长λ₁和第二激光束的波长λ₂满足下面的条件(2)：

(2)0.81＜λ₁/λ₂＜0.85

条件(2)限定了对于第一级衍射光在保持高衍射效率的同时获得足够的球差校正能力的范围。如果条件(2)的比值小于0.81，则波长λ₁与λ₂之间的差值太大，以至于不能保持较高的平均衍射效率。如果该比值大于0.85，则波长λ₁与λ₂之间相差太小，为了保持预定的球差校正能力而增加同心环的数量，增加了制造难度并降低了衍射效率。

另外，为了保持较高的平均衍射效率，在中心区域31衍射透镜结构的闪耀波长λ_B满足λ₁＜λ_B＜λ₂。如果闪耀波长λ_B处于波长λ₁与λ₂之间的范围之外，则在距离闪耀波长λ_B较远波长处的衍射效率被极大地减小。例如，当λ₁为650nm，λ₂为780nm时，闪耀波长λ_B为650nm时在λ₁和λ₂下的衍射效率分别为100％和91％，而闪耀波长λ_B为600nm时在λ₁和λ₂下的衍射效率分别为98％和83％。

另外，本实施例的物镜30在中心区域31满足下面的条件(3)和(4)：

(3)0.87＜λ_B/λ₂

(4)λ_B/λ₁＜1.13

当条件(3)和(4)被满足时，对于第一和第二激光束可以将第一级衍射光的衍射效率保持得很高。如果条件(3)没有被满足，第二激光束的衍射效率下降到小于95％。如果条件(4)没有被满足，第一激光束的衍射效率下降到小于95％。

如上所述，在本实施例中外围区域32形成为连续的非球面。不过，衍射透镜结构可以形成在外围区域32中。在这种情形下，在外围区域32中的衍射透镜结构应该对于使用第一激光束的第一光盘D1最优化。在外围区域32中该衍射透镜结构的第二级衍射系数P₂应该为负值。这赋于该衍射透镜结构以正折射光焦度，以补偿轴向色差。

另外，在外围区域32中该衍射透镜结构的闪耀波长应该小于中心区域31中衍射透镜结构的闪耀波长，接近于第一激光束的波长λ₁。当外围区域32的闪耀波长小于中心区域31时，对于第一激光束来说增加了衍射效率，对于第二激光束减小了衍射效率。因而，外围区域32对于第二激光束具有孔径光阑的作用，防止第二光盘D2上的束斑太小。当外围区域32的闪耀波长小于第一激光束的波长λ₁时，光阑效应变大。

另外，当限定外围区域32中衍射透镜结构的高级系数P₄或P₆为负值时，热膨胀和由于温度变化所产生的物镜30的折射率变化所导致的像差变化，可以被温度变化所产生的半导体激光器的波长漂移所导致的球差变化所消除。在这种情况下，由于外围区域32对于第二激光束具有很大的像差，故其限制了第二激光束的NA。

下面将描述根据该实施例的光学拾取装置的光学系统的三个具体例子。第一个例子

图4为使用第一光盘D1的第一个例子的光学系统的透镜示意图。该光学系统包括由一个单元所表示的分束器13和14，准直透镜20和物镜30。在第一例中仅在物镜30的第一表面30a的中心区域上形成衍射透镜结构。应该注意，在透镜示意图中没有给出相位光栅。在下面的描述中，将外围区域描述为一具有衍射透镜结构的表面。不过，该外围区域包括一个环，基本上可以认为是一个连续表面。

表1中描述了第一例的基本结构。表面#1和#2代表分束器13和14，表面#3和#4代表准直透镜20，表面#5和#6代表物镜30，表面#7和#8代表光盘D1和D2的覆盖层。

在表1中，λ₁表示用于第一光盘D1的第一激光束的波长，λ₂表示用于第二光盘D2的第二激光束的波长，f_c1和f_o1(单位：mm)分别表示在波长λ₁下准直透镜和物镜的焦距，f_c2和f_o2(单位：mm)分别表示在波长λ₂下准直透镜和物镜的焦距，M₁表示在波长λ₁时的放大率，M₂表示在波长λ₂时的放大率，d_o1(单位：mm)表示第一半导体激光器到分束器的距离，d_o2(单位：mm)表示第二半导体激光器到分束器的距离，ht表示第一表面30a的最大有效直径，h₄₅表示NA为0.45的光线与衍射透镜结构相交的一点距离光轴的高度。

另外，r(单位：mm)表示透镜表面的曲率半径(对于非球面为顶点处的值)，d(单位：mm)表示沿光轴方向表面之间的距离，nλ表示在波长λnm下的折射率。对于d7，当使用第一光盘D1时左边的数据是有效的，当使用第二光盘D2时右边的数据是有效的。表1λ₁＝650nm f_c1＝12.00 f_o1＝4.000 M₁＝-0.333 d_o1＝4.000 NA₁＝0.60λ₂＝785nm f_c2＝12.08 f_o2＝4.031 M₂＝-0.335 d_o2＝1.219 NA₂＝0.45ht＝2.40mm h₄₅＝1.98mm表面编号   r         d            n650        n785#1     ∞        6.000        1.51405     1.51062#2     ∞        2.928#3     53.056    2.000        1.58642     1.58240#4     -8.000    10.000#5     2.511     2.400        1.54082     1.53665#6     -10.401   2.279#7     ∞        70.600/1.200 1.58030     1.57326#8     ∞

在第一例中，准直透镜20的第二表面(表面#4)，第一表面30a的基础曲线(表面#5)和物镜30的第二表面30b(表面#6)为旋转对称的非球面。该基础曲线是不具有衍射透镜结构的表面的宏观形状。用下式表示该旋转对称的非球面： $X\left(h\right)=\frac{h^{2}c}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{\κ})h^2{c}^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}+A_{12}{h}^{12}$

X(h)为SAG，即一曲线的距离光轴高度为h的表面上一点处切面的距离。符号C为该表面的顶点的曲率(1/r)，K为锥形常数，A₄，A₆，A₈，A₁₀，A₁₂和Δ分别为第四，第六，第八，第十和第十二级非球面系数。在下面的表2中表示常数K和系数A₄到A₁₂。在物镜30的第一表面30a上，中心区域(0≤h＜1.98)的基础曲线不同于外围区域(1.98≤h)的基础曲线，表2分别表示这些区域的系数。表2准直透镜的第二表面(#4)

κ      -0.7360

A4  0.0000

A6  5.2000×10^-7

A8  0.000

A10 0.000

A12 0.000物镜的第一表面(#5)

中心区域            外围区域(0≤h＜1.98)         (1.98≤h)

r    2.511           2.511

κ        -0.470          -0.470

A4   2.270×10^-4    -1.400×10^-4

A6   4.900×10^-5    4.400×10^-5

A8   4.100×10^-6    -4.600×10^-6

A10  9.270×10^-6    1.900×10^-6

A12  -1.244×10^-6   -6.000×10^-7 物镜的第二表面(#6)κ        0.000A4   8.607×10^-3A6   -7.203×10^-4

A8   -4.525×10^-5

A10  7.031×10^-6

A12  0.000

中心区域中的衍射透镜结构的闪耀波长为710nm，而在外围区域为650nm。表3表示对于中心区域和外围区域的系数P₀，P₂，P₄，P₆和P₈。该衍射透镜结构包括10个环形台阶。第0个环为包括光轴的圆形区域，第1到第9环为环形区域。第0到8环属于中心区域，第9环属于外围区域。每个环由距离光轴高度为h_L的内边界和距离光轴高度为h_H的外边界所限定，如表4所示。表3

中心区域        外围区域

(0≤h＜1.98)    (1.98≤h)

P₀  0.0000      9.0

P₂  0.0000      0.0

P₄  0.31034     0.0

P₆  -0.023604   0.0

P₈  0.024258    0.0表4

环编号    h_L    h_H  环编号   h_L    h_H

0       0.000   1.307    5    1.784   1.838

1       1.307   1.508    6    1.838   1.886

2       1.508   1.628    7    1.886   -1.927

3       1.628   1.715    8    1.927   1.977

4       1.715   1.784    9    1.977   2.400

从表3中可以得到条件(1)中所包含各项的数值，如下：

φ(h₄₅)/λ＝9.0774

P₂(H₄₅)²＝0.0

对于外围区域，光程差函数Φ(h)的系数表明外围区域的实际形状为基础曲线增加了9倍的光程。具体地说，外围区域是由表5所限定的非球面区域，其沿光轴偏离中心区域基础曲线以10.8169μm。由下式得到偏移量。

 -9.0×650nm/(1-1.54082)＝10.8169μm表5

r   2.5072

κ      -0.470

A4  -1.400×10^-4

A6  4.400×10^-5

A8  -4.600×10^-6

A10 1.900×10^-6

A12 -6.070×10^-7

图5A和5B表示当使用第一光盘D1时在650nm波长下根据第一例的物镜30的三级像差。图5A表示球差SA和正弦条件SC，图5B表示像散(S：弧矢，M：子午)。图5A中的竖轴表示数值孔径NA，图5B中的竖轴表示图象高度Y。另外，横轴表示像差量。图5A的纵轴和横轴的单位为“mm”。图6A和6B表示使用第二光盘D2时在波长785nm处物镜30的球差和像散。第二个例子

图7为使用第一光盘D1的第二例的光学系统的透镜示意图。在图7中，仅表示准直透镜20、物镜30和第一光盘D1。在第二例中物镜30的第一表面30a的中心和外围区域均形成有衍射透镜结构。

表6表示第二例的基本结构。在表6中，表面#1和#2表示准直透镜20，表面#3和#4表示物镜30，表面#5和#6表示光盘D1和D2的覆盖层。表6λ₁＝650nm f_c1＝10.00 f_o1＝3.300 M₁＝-0.330 d_o1＝9.101 NA₁＝0.60λ₂＝780nm f_c2＝10.07 f_o2＝3.311 M₂＝-0.362 d_o2＝6.009 NA₂＝0.45ht＝2.00mm h₄₅＝1.67mm表面编号         r            d        n650       n780#1         107.677      1.500    1.58642    1.58252#2         -6.170       10.000#3         2.152        2.300    1.54082    1.53677#4         -7.294       1.653#5         ∞       0.600/1.200  1.58030    1.57346#6         ∞

在第二例中，准直透镜20的第二表面(表面#2)，第一表面30a的基础曲线(表面#3)和物镜30的第二表面30b(表面#4)是旋转对称非球面。表7中表示每个非球面的常数K和系数A₄到A₁₂。表7准直透镜的第二表面(#2)κ      -0.4000A4  1.4060×10^-4A6  2.6000×10^-6A8  3.7000×10^-8 物镜的第一表面(#3)中心区域          外围区域(0≤h＜167)       (167≤h)

r    2.152           2.144

κ        -0.560          -0.560

A4   2.149×10^-3    1.600×10^-3

A6   -2.345×10^-4   -5.400×10^-4

A8   3.550×10^-4    2.200×10^-4

A10  -3.310×10^-5   -2.390×10^-5

A12  8.300×10^-7    1.520×10^-6物镜的第二表面(#4)

κ        0.000

A4   1.760×10

A6   -1.900×10^-5

A8   -1.940×10^-3

A10  6.780×10^-4

A12  -7.970×10^-5

在中心区域衍射透镜结构的闪耀波长为710nm，在外围区域为650nm。表8表示中心和外围区域的系数P₀，P₂，P₄，P₆和P₈。该衍射透镜结构包括15个环形台阶。第0环为包括光轴的圆形区域，第1到第14环为环形区域。第0到7环属于中心区域，第8到第14环属于外围区域。每个环由表9所限定。表8中心区域         外围区域(0≤h＜1.67)     (1.67≤h)

P₀  0.0         0.0

P₂  -4.66295    -3.94187

P₄  0.90257     0.45269

P₆  -0.20873    -0.50432

P₈ 0.12198     0.08305表9

环编号    h_L     h_H   环编号    h_L     h_H

0       0.000    0.473    8     1.670    1.700

1       0.473    0.684    9     1.700    1.750

2       0.684    0.860    10    1.750    1.799

3       0.860    1.026    11    1.799    1.849

4       1.026    1.213    12    1.850    1.903

5       1.213    1.528    13    1.903    1.962

6       1.528    1.621    14    1.962    2.000

7       1.621    1.670

从表8中可以得到条件(1)中所包含各项的值如下：

φ(h₄₅)/λ＝-3.1365

P₂(h₄₅)²＝-13.0045

中心区域最外侧的环(第7环)与外围区域最内侧的环(第8环)之间的边界具有一个台阶，以致于沿光轴方向该最外侧的环的厚度增加了15μm。

图8A和8B表示当使用第一光盘D1时在650nm波长下根据第二例的物镜30的球差和像散。图9A和9B表示当使用第二光盘D2时在780nm波长下根据第二例的物镜30的球差和像散。第三例

图10为使用第一光盘D1的第三例的光学系统的透镜示意图。在图10中仅表示物镜30和第一光盘D1。在第三例中衍射透镜结构仅形成在物镜30的第一表面30a的中心区域上。

表10中描述了第三例的基本结构。在表10中，表面#1和#2表示物镜30，表面#3和#4表示光盘D1和D2的覆盖层。另外，仅在第三例中d_o1和d_o2分别表示在波长λ₁和λ₂下物镜30的物距。表10λ₁＝650nm f_o1＝3.201 M₁＝-0.000  d_o1＝∞     NA₁＝0.60λ₂＝780nm f_o2＝3.223 M₂＝-0.1117 d_o2＝31.385 NA₂＝0.45 A₂＝0.45ht＝1.92mm h₄₅＝1.63mm表面编号      r            d            n650        n7801        2.111        2.400        1.54082     1.536772        -6.170       1.5443        ∞           0.600/1.200  1.58030     1.573464        ∞

在第三例中，第一表面30a(表面#1)的基础曲线和物镜30的第二表面30b(表面#2)是旋转对称的非球面。表11表示对于每个非球面的常数K和系数A₄到A₁₂。表11 物镜的第一表面(#1)

中心区域                外围区域

(0≤h＜1.63)           (1.63≤h)

κ      -0.560             -0.560

A4  2.5600×10^-3      -1.025×10^-3

A6  -2.5070×10^-3     4.166×10^-4

A8  1.1363×10^-3      8.809×10^-5

A10 -1.0568×10^-4     -3.198×10^-5

A12 -6.2000×10^-6     -5.100×10^-6

物镜的第二表面(#2)

κ      0.000

A4  1.198×10^-2

A6  1.174×10^-2

A8  -1.088×10^-2

A10 3.381×10^-3

A12 -3.943×10^-4

在中心区域衍射透镜结构的闪耀波长为710nm，在外围区域为650nm。表12表示中心和外围区域的系数P₀，P₂，P₄，P₆和P₈。该衍射透镜结构包括9个环形台阶。第0环为包括光轴的圆形区域，第1到第8环为环形区域。第0到7环属于中心区域，第8环属于外围区域。每个环由表13所限定。表12

中心区域           外围区域

(0≤h＜1.63)      (1.63≤h)

P₀  0.0          -20.000

P₂  0.0          0.0

P₄  2.95580      0.0

P₆  -2.49050     0.0

P₈  0.92108      0.0

P₁₀ -0.08143     0.0表13

环编号     h_L     h_H   环编号   h_L     h_H

0        0.000    0.905    5     1.474   1.522

1        0.905    1.171    6     1.522   1.516

2        1.171    1.322    7     1.516   1.594

3        1.322    1.412    8     1.594   1.623

4         1.412    1.474

从表12中可以得到条件(1)中所包含各项的值如下：

φ(h₄₅)/λ＝9.301

P₂(h₄₅)²＝0.000

图11A和11B表示当使用第一光盘D1时在650nm波长下根据第三例的物镜30的球差和像散。图12A和12B表示当使用第二光盘D2时在780nm波长下根据第三例的物镜30的球差和像散。

第三例中的物镜要求用于第一光盘的无像差平行激光束和用于第二光盘的无像差发散激光束。因此，最好为两个半导体激光器中的每一个都设置一个准直透镜。另外，在设计准直透镜的非球面时应该考虑到诸如半导体激光器的覆盖玻璃、对光束进行合束或分束的棱镜的平行平板的作用。

表14表示条件(1)到(4)与第一，第二和第三例之间的关系。所有这些例子均满足所有的条件。表14

                           第一例        第二例        第三例

(1)φ(h₄₅)/λ-P₂(h₄₅)²9.077          9.868         9.301

(2)λ₁/λ₂              0.828          0.8 33        0.833

(3)φ_B/λ₂              0.904          0.910         0.910

(4)φ_B/λ₁              1.092          1.092         1.092

Claims (7)

1.一种能够使用具有第一覆盖层的第一光盘和具有厚度大于所述第一覆盖层的第二覆盖层的第二光盘的光学拾取装置的光学系统，所述光学系统包括：

一光源部分，其发射用于该第一光盘的具有第一波长的第一激光束和用于该第二光盘的具有长度大于该第一波长的第二波长的第二激光束；以及

一物镜，其将所述光源部分发出的该第一激光束通过所述第一覆盖层会聚到该第一光盘的信息层上，并将所述光源部分发出的该第二激光束通过所述第二覆盖层会聚到该第二光盘的信息层上，所述物镜具有一衍射透镜结构，该衍射透镜结构具有多个对波长有依赖性的同心环形台阶，使得球差随着入射光波长的增加而在过校正方向上改变，

其中入射到该物镜上的所述第二激光束的发散度大于所述第一激光束的发散度，以及

其中该物镜对具有相同衍射级的所述第一和第二激光束进行会聚，而所述物镜与所述第一和第二覆盖层表面之间的距离保持恒定；

并且满足下面的条件(1)：

(1)7＜Φ(h₄₅)/λ-P₂×(h₄₅)²＜15

其中h₄₅为NA为0.45的光线与该衍射透镜结构的交点处距离光轴的高度，λ为所述光的波长，P₂为当所述衍射透镜结构所增加的附加光程长度由下面的光程差函数Φ(h)表示时的第二级衍射系数：

Φ(h)＝(P₂h²+P₄h⁴+P₆h⁶+...)×λ

其中，P₄和P₆为第四和第六级衍射系数，h为物镜的衍射透镜结构上的点距离光轴的高度。

2.根据权利要求1的光学系统，其中所述第一覆盖层的厚度为0.6mm，所述第二覆盖层的厚度为1.2mm，其中所述第一波长λ₁与第二波长λ₂满足下面的条件(2)：

(2)0.81＜λ₁/λ₂＜0.85

3.根据权利要求2的光学系统，其中所述衍射透镜结构的闪耀波长λ_B至少在接近光轴的中心区域中满足λ₁＜λ_B＜λ₂。

4.根据权利要求3的光学系统，其中在所述中心区域中所述衍射透镜结构的该闪耀波长λ_B满足下面的条件(3)和(4)：

0.87＜λ_B/λ₂

λ_B/λ₁＜1.13

5.根据权利要求3的光学系统，其中在外围区域中由所述衍射透镜结构的所述环形台阶所增加的附加光程长度小于在所述中心区域中的附加光程长度。

6.根据权利要求1的光学系统，其中所述衍射透镜结构形成在所述物镜的透镜表面的中心区域内，所述透镜表面的外围区域被形成为一个连续表面，其中至少将所述物镜的有效直径85％线之外的区域定义为所述外围区域。

7.根据权利要求1的光学系统，其中所述光源部分发射所述激光束，以使所述第一激光束作为平行光入射到所述物镜上，所述第二激光束作为发散光入射到所述物镜上。

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