CN1150296A - 物镜和使用该物镜的光度头投影器 - Google Patents

Abstract

在用于读出或写入记录介质(如光盘)上信息的光度头投影器的物镜中，象散被加在轴向波前象差之上，以使离轴象散能被轴向象散消除。该物镜的至少一个表面为复曲面或圆柱面，而且被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差的Wa，限定在0＜Wa＜0.07λ的范围内，其中λ为所使用的光的波长。当此物镜沿光盘半径方向移动时，光束在离轴区内进入物镜，是这场合下的象差为轴向象散所补偿。

Description

物镜和使用该物镜的光度头投影器

本发明涉及一种物镜，可被用作数字式声盘、视盘、计算机用光学存储器之类的光学拾波器，并且涉及使用该物镜的光度头投影器。

在光盘用的光学拾波器中，受到衍射限制的点象被聚焦在记录介质表面上，以便在其上读出或者写入信息。带有至少一个非球面的单透镜，已被广泛用作使点象聚焦的物镜。由半导体激光器发出的光束，受到半透明反射镜的反射，并被该物镜聚焦在光盘的记录介质表面上。受到记录介质反射的光束将通过该物镜和半透明反射镜，并且被检测透镜会聚在光检测器上面。此物镜受到循迹误差信号的控制，而且总是沿着光盘的半径方向运动(参考文献可见《光盘系统的原理》，Adam Hilger，1985，p.70～85)。

一般说来，物镜的轴上象差在设计阶段是作为最佳性能加以补偿的，且当象点在离轴区内偏离光轴时，此象差增大。另一方面，光盘用的光学拾波器物镜总是沿径向移动以循迹，而使该物镜的离轴区用于使点象在大多数情况下聚焦。因此，该物镜是被应用在象差未能很好补偿的很坏条件下。

本发明的目的在于提供一种离轴区光学性能提高了的改进型物镜，并且提供使用该物镜的光度头投影器。

本发明的物镜至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足条件0＜Wa＜0.07λ，其中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

在上述物镜中，最好是使该物镜的至少一个表面为非球面。此外，最好使该物镜为单透镜。此外，最好使该物镜为有限共轭系统。此外，该物镜最好由玻璃或塑料模压制成。而且，该物镜最好为双非球面单透镜，其中一个表面为旋转对称型；另一表面为旋转非对称型，且以式C₅R²COS(2θ)给定其形状，式中C₅为非对称型非球面的系数，R和θ为绕光轴周围，旋转非对称表面上与旋转对称表面上的极坐标(R、θ)对应的坐标。

或者换一种方式，本发明的物镜至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足条件0.02λ＜Wa＜0.04λ，其中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

另一方面，本发明的光度头投影器，包括有光源、用于将该光源发出的光束聚焦在记录介质上的物镜、用于将受到记录介质调制的光束进行分束的分束镜，以及用于接收受到记录介质调制的光束的光接收装置，其中该物镜选自上述物镜之一。

在上述光度头投影器中，最好是使物镜绕光轴转动的位置按一定方式设置，以便减小该物镜对记录介质跟踪移动时产生的象散。

如上所述，本发明所述物镜的至少一个表面为复曲面或圆柱面。该物镜能够满足条件0＜Wa＜0.07λ，或者最好满足条件0.02λ＜Wa＜0.04λ，其中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。因此，象散可被叠加在轴向波前象差之上而不会降低该物镜的光学性能，从而使设计阶段在离轴区内可能产生的象散能够被消除。其结果是物镜具有良好的性能，其中的波前象差能够在离轴区内得到补偿。物镜的至少一个表面被加工成非球面，从而使其轴上球差能被充分校正。此外，该物镜为单透镜，从而使其重量可以减小，且其尺寸可下降。其结果是当该物镜用在光度头投影器中时，投影器的尺寸可以减小，光度头的驱动力可以降低。当该物镜为有限共轭系统时，可以取消准直透镜，从而使该物镜作为光盘的光度头投影器更加有效。当该物镜是通过模压玻璃工艺加工而成，或者通过压铸或注模法由塑料制成时，该物镜能够廉价地大批量生产。

此外，本发明所述的光度头投影器，所使用的是象散能被叠加在轴向波前象差上的物镜。因此，在设计阶段离轴区内可能产生的象散，将会被跟踪记录介质(如光盘)而移动物镜使光束倾斜进入物镜时产生的上述象散所抵消。所以，对于跟踪造成的光学性能偏差大为减小的光度头投影器，能被提供出来。通过按一定方式设置该物镜绕光轴转动的位置，可以减小物镜跟踪记录介质移动时产生的象散，使物镜在离轴区内具有最小象差的方向，能够同物镜的运动方向重合。因此，物镜中光学性能最稳定的部分能够被利用。

图1为表示本发明所述物镜第一实施例的透视图；

图2为表示上述实施例中物镜的轴向波前象差特性的特性曲线图；

图3为表示本发明所述光度头投影器结构的透视图，而且

图4为表示光度头投影器用普通传统物镜的轴向波前象差特性的特性曲线图。

本发明物镜的实施例表示在图1中。物镜1为单透镜。物镜1的一个表面为旋转对称的非球面。另一表面为具有竖直隆起线2和水平隆起线3的旋转非对称的非球面。坚直方向上的曲率半径不同于水平方向上的曲率半径。因此，隆起线2和3分别聚焦在互不相同的两点之上。这些非球面的形状被设计成使隆起线2和3的相应焦点处的球差能被补偿。因此，物镜1沿其隆起线2和3方向的球差完全被校正。然而该物镜1在其光轴上具有象散。

普通传统物镜从光轴到离轴区总的波前象差、象散、彗差、球差以及高于六级的更高级象差，通过将波前象差展开成Zernike级数进行分析，表示在图4中。如从图4看到的那样，当相对视场从光轴增大到离轴区时，总的波前象差将会增大。然而此象差的最大部分是象散分量。因此，离轴区中的象散可以通过加上光轴上的象散来消除。所以，物镜离轴区中的光学性能可以提高。提高物镜离轴性能的方法，表示在图2中。

在图2中，特性曲线A表示传统物镜的离轴性能。特性曲线B和C则表示大约30mλ(其中mλ为所使用的光的波长的1/1000)的轴上象散加在同一物镜上时的离轴性能。如从图2中能够看到的那样，加上30mλ的象散能够影响其离轴性能。特性曲线B表示对于沿一定方向通过加入的象散消除离轴象散而计算出来的离轴性能。对于相对视场约大于0.57的离轴区来说，其波前象差小于特性曲线A表示的波前象差。另一方面，特性曲线C表示沿与特性曲线B方向垂直的方向增加轴上象散，将30mλ的象散直接加在特性曲线A表示的象差之上的离轴性能。

用于光盘的光度头投影器物镜，受到跟踪伺服控制系统的控制以遵循光盘的轨迹。在伺服跟踪运行中，物镜的运动方向只是光盘的半径方向。即物镜只能按一维运动。因此，当具有特性曲线B所示离轴性能的物镜按一定方式使用，以使其具有良好离轴性能的方向能同光盘的半径方向重合时，该物镜在离轴区内的象差能够减小。在图2中，注意到相对视场为1.0处的象差，由特性曲线A表示的传统物镜的象差约为50mλ。另一方面，由特性曲线B表示的本发明物镜的象差约为25mλ。因而象差可以削减一半。

光度头投影器的物镜需要有衍射极限条件下的光学性能。作为满足衍射极限条件下光学性能的判据，Marèchal判据是公知的。由此判据可知，波前象差必须小于0.07λ。因此，当Wa被定义为轴上波前象差中象散分量的标准偏差时，最好使物镜能够满足0＜Wa＜0.07λ的条件，或者满足条件0.02λ＜Wa＜0.04λ更好，因为并无象差，而象差Wa产生在光轴上。假如此象散大于上限，那么轴上象散要满足光盘用光度头投影器物镜所需要的轴上光学性能就变得太大。此外，物镜最广泛使用区域中的象差将变得非常大，以致于光学镜头的总体性能将要降低。另一方面，假如此象散小于下限，那么轴上象散对于补偿离轴区的象散就变得太小。

本发明所述物镜的数学实例表示如下。在本数学实例中

f-物镜焦距；

NA-物镜的数值孔径；

R1-物镜第一表面的曲率半径；

R2-物镜第二表面的曲率半径；

d-物镜的厚度；

n-物镜材料的折射率；

dc-光盘的厚度；

nc-光盘材料的折射率；

WD-物镜的工作距离；

S-由物镜第一表面至光源的距离；

m-图象的放大倍率；

λ-设计阶段使用的光的波长，以及

oh-物镜高度。

每个非球面的形状是由下式确定的： $\mathrm{Xi}=\frac{{\mathrm{Cih}}^2}{1+[1-(\mathrm{CCi}+1){\mathrm{Ci}}^2{h}^2{]}^{1/2}}+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_{\mathrm{in}}{h}^n$

对于i＝1，2来说

Xi-在具有距光轴高度为h点处，距第i个非球面顶点处切面的距离；

h-距光轴的高度；

Ci-物镜第一表面的非球面顶点的曲率(Ci＝1/Ri)；

CCi-物镜第i个表面的锥形常数，而且

A_in-物镜第i个表面的第n阶非球面系数。

其数值如下：

f＝3.3141

NA＝0.45

R1＝2.3500

R2＝-3.8689

d＝2.75

n＝1.51974

dc＝1.2

nc＝1.571

WD＝1.813

S＝23.2043

m＝-0.1778

λ＝780(nm)

oh＝0.700

CC1＝-3.00555×10^-1

CC2＝-6.59668

A14＝-5.00518×10^-3

A16＝-4.59093×10^-4

A18＝-3.87734×10^-5

A110＝-1.17422×10^-5

A24＝5.27110×10^-3

A26＝-1.61964×10^-3

A28＝1.33220×10^-4

A210＝2.08278×10^-6

此外，当第一个表面围绕光轴的极坐标为(R、θ)时，由C₅R²COS(2θ)表示的形状被加在第一个表面上，它是一个旋转非对称的非球面。此旋转非对称面的非球面系数C₅＝1.4678282×10^-4。

在上述数字实例中，物镜的波前象差与图2中由特性曲线B和C表示的相同。因此，即使物镜为跟踪光盘而运动，波前象差的变化也非常小。例如该数字实例中物体的高度为0.7mm，0.8的相对视场则对应于物体的高度为0.56mm。如从图2中可以看到的那样，在具有高度大于0.56mm的区域内，本发明所述物镜的波前象差小于特性曲线A表示的传统物镜的波前象差。

为了加工出这种复曲表面，可以通过模压加工玻璃或塑料或者注模塑料来形成物镜。通过将复曲面形状提供在模具上面，便可以加工出基本上具有相同的轴向象散的物镜。

接下去，使用上述物镜的本发明光度头投影器，表示在图3中。如图所示，由半导体激光器4发出的光束，由半透明反射镜5反射。被半透明反射镜5反射出来的光束，进一步由反射镜6反射。此光束通过物镜7聚焦在光盘8的记录介质表面9上。被聚焦光束的光点，受到记录介质表面9上形成的凹和凸的图案的衍射。受到记录介质表面9反射和衍射的光束，随后将通过半透明反射镜5，并被检测透镜10聚焦在光检测器11上。受到记录介质表面9调制的光量大小变化，通过来自光检测器11的电信号检测出来。因而记录在光盘8上的数据能够被读出来。此处的物镜7为有限共轭系统，而且物镜7是沿光盘8的径向移动的，以对记录介质表面9进行跟踪。于是光束将倾斜地进入物镜7。因此，最好是使物镜7相对其运动具有基本上不变的光学性能。将带有轴向象散的物镜7按一定方式配置，使其作为消除轴向象散的方向能同光盘8的径向重合。结果就能在离轴区内得到物镜7良好的光学性能。

在上述实施例中，单透镜被用作物镜。然而由许多单透镜构成的组合透镜，也可用作物镜。在后一种情况下，可能只在这些透镜的一个表面上提供旋转非对称的形状。或者换一种方式，可在这些透镜的许多表面上提供旋转非对称表面。此外，也可将具有低折射本领的柱面透镜与旋转非对称表面组合在一起。

此外，在上述实施例中，物镜为有限共轭系统。然而即使该物镜为无限共轭系统，半导体激光器的象散差异、由准透镜产生的象散以及由对椭圆形光束进行补偿的光学系统产生的象散，也可被补偿。而且，当物镜的一个表面为平的时，其另一个表面不仅能加工成复曲面，而且能加工成圆柱面。此外，本发明的光度头投影器，不仅能用来读取数据，而且能将数据写在光盘上。

本发明还可以其它特定形式实施，而不离开其精神和范围。这些实施例被看作是从各个方面进行说明，而且不是限制性的。本发明的范围是由所附权利要求书表明的，而不是前面的叙述；而且包括在权利要求等效性含义和范围内的所有变化，被确定为包含在内。

Claims (26)

1.一种物镜，至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足以下条件：

              0＜Wa＜0.07λ式中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

2.根据权利要求1的物镜，其中所述物镜的至少一个表面为非球面。

3.根据权利要求1的物镜，其中所述物镜为单透镜。

4.根据权利要求1的物镜，其中所述物镜为有限共轭系统。

5.根据权利要求1的物镜，其中所述物镜是由玻璃或者树脂模压制成。

6.根据权利要求1的物镜，其中所述物镜为双非球面的单透镜，且其表面之一为绕光轴旋转对称的；另一表面为绕光轴旋转非对称的，而且具有由下式确定的形状：

        C₅R²COS(2θ)式中C₅为非对称型非球面的系数，R和θ为在上述旋转非对称表面上，与旋转对称表面上的极坐标(R、θ)对应的坐标。

7.一种物镜，至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足以下条件：

        0.02λ＜Wa＜0.04λ式中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

8.根据权利要求7的物镜，其中所述物镜的至少一个表面为非球面。

9.根据权利要求7的物镜，其中所述物镜为单透镜。

10.根据权利要求7的物镜，其中所述物镜为有限共轭系统。

11.根据权利要求7的物镜，其中所述物镜是由玻璃或者树脂模压制成。

12.根据权利要求7的物镜，其中所述物镜为双非球面的单透镜，且其表面之一为绕光轴旋转对称的；另一表面为绕光轴旋转非对称的，而且具有由下式确定的形状：

        C₅R²COS(2θ)式中C₅为非对称型非球面的系数，R和θ为在上述旋转非对称表面上，与旋转对称表面上的极坐标(R、θ)对应的坐标。

13.一种光度头投影器，包括有光源、用于将该光源发出的光束聚焦在记录介质上的物镜、用于将受到记录介质调制的光束进行分束的分束镜，以及用于接收受到记录介质调制的光束的光接收装置，其中所述物镜至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足以下条件：

                0＜Wa＜0.07λ式中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

14.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜的至少一个表面为非球面。

15.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜为单透镜。

16.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜为有限共轭系统。

17.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜是由玻璃或者树脂模压制成。

18.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜为双非球面的单透镜，且其表面之一为绕光轴旋转对称的；另一表面为绕光轴旋转非对称的，而且具有由下式确定的形状：

        C₅R²COS(2θ)式中C₅为非对称型非球面的系数，R和θ为在上述旋转非对称表面上，与旋转对称表面上的极坐标(R、θ)对应的坐标。

19.根据权利要求13的光度头投影器，其中所述物镜绕光轴旋转的位置按一定方式设置，以使该物镜为跟踪上述记录介质运动时的象散能够减小。

20.一种光度头投影器，包括有光源、用于将该光源发出的光束聚焦在记录介质上的物镜、用于将受到记录介质调制的光束进行分束的分束镜，以及用于接收受到记录介质调制的光束的光接收装置，其中所述物镜至少包括一个复曲面或圆柱面，并且满足以下条件：

            0.02λ＜Wa＜0.04λ式中Wa被定义为轴向波前象差中象散分量的标准偏差，λ被定义为所使用的光的波长。

21.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜的至少一个表面为非球面。

22.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜为单透镜。

23.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜为有限共轭系统。

24.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜是由玻璃或者树脂模压制成。

25.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜为双非球面的单透镜，且其表面之一为绕光轴旋转对称的；另一表面为绕光轴旋转非对称的，而且具有由下式确定的形状：

        C₅R²COS(2θ)式中C₅为非对称型非球面的系数，R和θ为在上述旋转非对称表面上，与旋转对称表面上的极坐标(R、θ)对应的坐标。

26.根据权利要求20的光度头投影器，其中所述物镜绕光轴旋转的位置按一定方式设置，以使该物镜为跟踪上述记录介质运动时的象散能够减小。

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