CN1194346C - 光学头 - Google Patents

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Abstract

提供一种薄型光学头，包括设置在光源1与信息记录媒体11之间的光路中的衍射光学元件5和折射光学装置9，它具有一个从光源1出射的光2的光轴对角地进入的光学平面，将它们配置成使产生的从衍射光学元件5出射的衍射光因出射光2波长波动所造成的衍射角变化和从折射光学装置9出射的折射光的折射角变化相抵消。

Description

光学头
技术领域
本发明涉及光学记录/重现装置的光学头，尤其涉及具有较佳光学特性的薄型光学头。
背景技术
光学头被用作从诸如光盘或光卡存储器(即只读光盘(CD)或DVD)的光学记录媒体读取信号的一个重要部件。给光学头提供一个诸如聚焦伺服或循迹伺服的不仅具有信号检测功能而且具有控制功能的机构以便从光学记录媒介读取信号是较佳的。
图19示出传统的典型光学头。如图19所示，从用作光源的半导体激光器1出射的激光束2被准直透镜3变为平行光，穿过由全息光学元件构成的聚焦/循迹误差信号检测光学元件8，然后，光的光轴弯转90°，光进入物镜4。被物镜4会聚在光盘11上的激光束2被反射并通过原光路返回，物镜4将其变为平行光，经反射镜20反射后进入聚焦/循迹误差信号检测光学元件8。进入聚焦/循迹误差信号检测光学元件8的激光束2在元件8中分束并会聚在光电检测器上。因此，读出重现信号和用作伺服信号的聚焦和循迹误差信号。
如图19所示，图中示出的光学头的高度是WD(工作距离)、物镜4的厚度、从物镜4底面到反射镜20顶部的间隔和反射镜20的高度之和。
为了减小光学头的高度，WD、透镜厚度和间隔之和的最小值主要是由光盘11的类型确定的。在DVD的情况下，即使将WD、透镜厚度和间隔分别设定为1.1mm最小值，但是，必须将反射镜20的高度设定为大于光束直径的值，即必须将该高度设定为至少3mm。因此，在这种情况中，光学头的高度估计为至少6.3mm，因而难以进一步减小光学头的高度。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种能够减小厚度的和具有较佳光学特性的光学头。
本发明的第一方面是一种光学头，它包括：
设置在光源与信息记录媒体之间的光路中的衍射光学元件，用于使从所述光源出射的光弯转；和设置在所述光路中的折射光学装置，从光源出射的光的光轴斜向地进入所述折射光学装置，所述折射光学装置使从所述光源出射的光弯转；其中所述衍射光学元件和所述折射光学装置是这样定位的，使从所述衍射光学元件出射的衍射光相对于从所述光源出射的光的方向弯转的方向变为与从所述折射光学装置出射的折射光相对于从所述光源出射的光的方向弯转的方向相同，由此从所述衍射光学元件出射的衍射光因出射光波长波动所造成的衍射角变化和从所述折射光学装置出射的折射光因出射光波长波动所造成的折射角变化是在衍射角变化与折射角变化相抵消的方向上产生的。
例如，在利用半导体激光束使构成薄型光学头成为可能和作为从光源出射的光时，即使由于高频重叠模或者环境温度变化造成波段扩展约2nm，出射光的中心波长产生变化，也能够在光盘表面上获得较佳会聚光点。
本发明的第二方面是按照第一方面的光学头，这里：所述衍射光学元件与所述折射光学装置合为一体。
由此，例如，能够使结构稳定且易于进行准直。
本发明的第三方面是按照第一方面的光学头，这里，包括使从光源出射的光基本变为平行光线并使平行光线进入衍射光学元件的准直器装置。
由此，例如使进入衍射光学元件的光的衍射效率和衍射角变化值在整个表面上变为相等的。
本发明的第四方面是按照第一方面的光学头，这里：在光源与折射光学装置之间设置一个聚焦/循迹误差信号检测光学元件和将衍射光学元件与聚焦/循迹误差信号检测光学元件合为一体。
由此，例如使结构稳定和易于进行准直。
本发明的第五方面是按照第一方面的光学头，这里：衍射光学元件为一种均匀周期的光栅。
由此，例如易于准直和制备衍射光学元件。
本发明的第六方面是按照第一方面的光学头，这里：
衍射光学元件设置在会聚光的光路或者发散光的光路中，以及
按照进入衍射光学元件中的光的会聚度或发散度，衍射光学元件的周期随不同位置而不同。
本发明的第七方面是按照第六方面的光学头，这里：所述周期是这样调节的，实际上从衍射光学元件的中心部位到周边部位所述周期进一步变长。
由此，例如能够使从衍射光学元件出射的衍射光的衍射角变化值在整个表面上实际上是均匀的。
本发明的第八方面是按照第一方面的光学头，这里：衍射光学元件设置在数值孔径为0.39的会聚光的光路或者发散光的光路中，衍射光学元件的周期是均匀的。
由此，例如易于准直和制备衍射光学元件。
本发明的第九方面是按照第八方面的光学头，这里：衍射光学元件设置在靠近光源的光路中。
由此，例如能够减小衍射光学元件的面积和成本。
本发明的第十方面是按照第一方面的光学头，这里：折射光学装置是一种具有三个接收或反射光的平面的光学元件，衍射光学元件形成在折射光学装置的三个平面中的至少一个平面上。
由此，例如能够使结构稳定和易于进行准直。
本发明的第十一方面是按照第十方面的光学头，这里：衍射光学元件是反射型的并形成在折射光学装置的反射平面上。
由此，例如能够提高衍射光学元件的衍射效率。
本发明的第十二方面是按照第一方面的光学头，这里：折射光学装置是一个由低色散透明材料制成的具有三个接收或反射光的平面的棱镜。
本发明第十三方面是按照第十二方面的光学头，这里：透明材料具有50或更高的阿贝数。
由此，例如由于衍射光学元件的周期变长，易于制备衍射光学元件，获得高的衍射效率，以及能够消除宽的波长区中的波长波动的影响。
本发明的第十四方面是按照第一方面的光学头，这里：
折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
所述棱镜的一个底角基本上为直角，另一个底角的角度θ基本满足sinθ＝n·sin(3θ-90°)。
由此，例如能够使进入折射光学元件的光的光轴几乎垂直于从折射光学元件出射的光的光轴。
本发明的第十五方面是按照第一方面的光学头，这里：
折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
所述棱镜的一个底角θ基本上满足sin(2θ-45°)＝1/n·sinθ，另一个底角θ1满足θ+85°≤θ1≤θ+95°。
由此，例如，能够使进入折射光学装置的光的光束直径几乎等于从折射光学装置出射的光的光束直径以及使前者或后者的光轴几乎相互垂直。
本发明的第十六方面是按照第一方面的光学头，这里：所述光源具有多个发射互不相同波长的光源部分。
由此，例如，能够对应于多种类型的信息记录媒体。
本发明的第十七方面是按照第十六方面的光学头，这里：衍射光学元件仅设置于多个光源部分当中靠近发射最小波长的光的一个光源部分的光路上。
由此，例如能够降低成本和使，最易遭波长波动影响的短波长的光学特性最优化。
本发明的第十八方面是按照第十六方面的光学头，这里：
衍射光学元件具有闪耀截面形状，以及
假设不同波长中的最小值为λ1，最大值为λ2，衍射光学元件的折射率为n时，所述衍射光学元件的槽深L满足λ1/(n-1)≤L≤λ2/(n-1)的关系。
由此，例如，能够提高衍射光学元件对多个波长的衍射效率。
本发明的第十九方面是按照第十八方面的光学头，这里：衍射光学元件的槽深L基本上等于(λ1+λ2)/[2(n-1)]。
由此，例如，能够以最佳平衡提高衍射光学元件对多个波长的衍射效率。
本发明的第二十方面是按照第十六方面的光学头，这里：
衍射光学元件的截面形状为具有p级的多级形状，以及
假设不同波长中的最小值为λ1，最大值为λ2，衍射光学元件的折射率为n时，衍射光学元件的槽深L满足(p-1)·λ1/[p·(n-1)]≤L≤(p-1)·λ2/[p·(n-1)]的关系。
由此，例如，能够提高衍射光学元件对多个波长的衍射效率。
本发明的第二十一方面是按照第二十方面的光学头，这里：衍射光学元件的槽深L基本上等于(p-1)·(λ1+λ2)/[2p(n-1)]。
由此，例如，能够以最佳平衡提高衍射光学元件对多个波长的衍射效率。
本发明的第二十二方面是按照第一方面的光学头，这里：
折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
假设折射光学装置的底面与设定参考平面之间形成的设定角为θb，从光源进入折射光学装置的光与设定参考平面之间形成的角度为θp时，棱镜的一个底角的角度θ基本上满足sin(θ-θb)＝n·sin(4θ-2θb-θp-90°-θ′)和n·sinθ′＝sin(θ-θb)，另一个底角的角度θ1基本上满足θ1＝θ+90°-2θb-θp。
本发明的第二十三方面是按照第二十二方面的光学头，这里：θb基本上满足2°≤θb≤10°。
由此，例如，能够进一步减小光学头的高度。
本发明的第二十四方面是按照第一方面的光学头，这里：
折射光学装置是一个具有三个光学平面的棱镜，以及
假设三个平面中位于信息记录媒体一侧的一个平面为第一平面，位于光源一侧的一个平面为第二平面，其余一个平面为第三平面时，从光源出射的光穿过第二平面，依次在第一和第三平面上反射，再穿过第一平面。
由此，例如，按照棱镜中锯齿形传播光路，能够减小光学头的高度。
本发明的第二十五方面是一种包括折射光学装置的光学头，在光源与信息记录媒体之间的光路中提供一个具有三个光学平面的棱镜，这里：
假设三个平面中位于信息记录媒体一侧的一个平面为第一平面，位于光源一侧的一个平面为第二平面，其余一个平面为第三平面时，从光源出射的光穿过第二平面，依次在第一和第三平面上反射，再穿过第一平面。
由此，例如，能够在厚度上缩小光学头。
本发明的第二十六方面是按照第一方面的光学头，这里：出射光的波长λ满足0.35μm≤λ≤0.5μm。
本发明的第二十七方面是按照第二十五方面的光学头，这里：第三平面平行于折射光学装置的设定参考平面。
本发明的第二十八方面是按照第二十四或第二十五方面的光学头，这里：
在信息记录媒体与折射光学装置之间的光路中设置一个物镜，以及
从折射光学装置的设定参考平面起穿过第二平面的出射光的最上部的高度高于从设定参考平面起物镜的最下部的高度。
附图简述
图1(a)是表明本发明第一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图。
图1(b)是表明本发明第一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图2(a)是表明当具有不同波长的光线进入本发明第一实施例的光学头的衍射光学元件时产生衍射光的情况。
图2(b)是表明当具有不同波长的光线进入本发明第一实施例的光学头的折射光学元件时产生折射光的情况。
图3是表明本发明第二实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图4是表明本发明第三实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图5是表明本发明第四实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图6是表明本发明第五实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图7是表明本发明第六实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图8表明本发明第六实施例的光学头的衍射光学元件(反射光栅)的一阶衍射效率和本发明第五实施例的光学头的衍射光学元件(透射光栅)的一阶衍射效率。
图9(a)是表明本发明第七实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图9(b)是表明本发明第七实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图。
图10(a)是表明当利用具有锯齿截面的闪耀光栅作为本发明第七实施例的光学头的衍射光学元件时衍射效率与槽深之间关系的曲线图。
图10(b)是表明当利用具有八阶截面的八级光栅作为本发明第七实施例的光学头的衍射光学元件时衍射效率与槽深之间关系的曲线图。
图11是表明本发明第八实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图12表明当两个相互不同的波长(2nm)在相同入射角下进入本发明第八实施例的光学头的衍射光学元件时，一阶衍射光的衍射角差与入射角之间的关系。
图13(a)是表明本发明第九实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图13(b)是表明本发明第九实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图。
图14表明透明材料(BK7玻璃)的折射率与波长的依赖关系。
图15是表明本发明第十实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图16是表明本发明第十实施例的光学头的衍射光学元件(光栅)周期与衍射角差之间关系的曲线图(垂直入射，波长宽度Δλ＝2nm)。
图17是表明本发明第十一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图18是表明本发明一个实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图19是表明传统的光学头的结构的侧视图。
(符号的描述)
1光源
2出射光
3准直器装置
4物镜
5衍射光学元件
6入射光
7基板
8聚焦/循迹误差信号检测光学元件
9折射光学装置
10衍射光
11信息记录媒体
12折射光
13光电检测器
14折射光学装置的底面(第三平面)
15折射光学装置的侧面(第二平面)
16反射薄型膜
17光源和光电检测器
18分束器
19信号光
20反射镜
21折射光学装置的斜面(第一平面)
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)
以下将参考图1(a)至2(b)详细描述本发明第一实施例的光学头，设定的坐标轴如图1(a)至2(b)所示。
图1(a)是表明本发明第一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图，而图1(b)是表明本发明第一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。图2(a)是表明当具有互不相同波长的光线进入第一实施例的光学头的衍射光学元件时产生衍射光的情况，图2(b)是表明当具有互不相同波长的光线进入第一实施例的光学头的折射光学元件时产生折射光的情况，它们是为了说明校正色差的工作原理而示出的。
如图1(a)至1(b)所示，对于本实施例的光学头，具有光学平面21(对应于本发明的折射光学装置的第一平面，从光源1出射的光2的光轴倾斜地进入该平面)的衍射光学元件5和折射光学元件9排列在光源1与用作记录媒体的诸如DVD或CD的光盘11之间的光路中。光源1和光电检测器13a和13b集成在一个光源-光电检测器单元17中。
在y轴方向上从半导体激光器(起光源1的作用)出射的波长例如为λ＝0.658μm的激光束2被准直透镜3变为完全平行光线，其z轴方向的光束直径为3.25mm，穿过(利用零阶衍射光的)聚焦/循迹误差信号检测光学元件8后，进入用作均匀周期Λ例如为60.7μm的平行光栅的衍射光学元件5。衍射光学元件5一体化地形成在折射光学元件的侧面15(对应于本发明的折射光学装置的第二平面)上，折射光学元件具有三个入射或反射平面，起一个底角θ等于38°、另一个底角几乎等于直角的棱镜的作用，如图1(a)至1(b)所示。光束2被光栅5所衍射，仅在z轴方向上偏离y轴的角度q＝0.4°，和被棱镜9的斜面21全反射。光束2进一步被具有反射层16的底面14(对应于本发明的折射光学装置的第三平面)反射，以偏离斜面21法线24.4°的角度倾斜地进入斜面21并被折射，以y轴方向光束直径2.8mm在垂直方向(z轴方向)出射，被物镜4会聚在光盘11上。
被光盘11反射的激光束2在相反方向上返回，依次穿过物镜4、棱镜9和光栅5后，被聚焦/循迹误差信号检测光学元件8分束(利用一阶衍射光的信号光线19a和19b)，被光电检测器13a和13b检测。
本实施例采用由透明材料(例如玻璃、树脂等)BK7玻璃制成的高3.7mm、深4mm和宽4.7mm的三角形棱镜作为折射光学装置9。此外，采用棱镜9中斜面21和底面14反射光和从从斜面21出射光(这里光轴变为斜线)的结构，从棱镜9(折射光学装置)的设定参考平面101起穿过侧面15的出射光的最上部的高度(在图1(b)中采用符号102给出)高于从设定参考平面101起物镜4的最下部的高度103。因此，大大降低光学头的高度(例如高达5.3mm)，同时保持一般光学头的反射镜的功能是可能的。
具有地说，本发明的发明人等发现，假设透明材料的折射率为n、一个底角几乎为直角、另一个底角θ满足sinθ＝n·sin(3θ-90°)时，进入棱镜9中的光的光轴几乎垂直于从棱镜9出射的光的光轴。根据上述结构，能够获得的好处有：易于安排光学元件和简化其准直。然而，利用光栅5与棱镜9的垂直平面15一体化的结构，能够使该结构稳定和进一步简化准直，因为棱镜9和光栅5能够被处理为一个元件。
采用如图1(a)和1(b)所示的具有闪耀截面的均匀周期光栅或者如图2(a)所示的形成在由玻璃等制成的基板7上的台阶(多级)均匀周期光栅作为衍射光学元件5，将槽的深度L设定为例如1.29μm(对于闪耀截面光栅)或1.13μm(对于八级光栅)，使得第一阶衍射效率达到最大。通过采用均匀周期的光栅，能够便于制备元件和简化光学系统的准直。
此外，聚焦/循迹误差信号检测光学元件8是一个形成在树脂基板、玻璃基板或LiNbO3晶体上的全息光学元件。具体地说，在采用LiNbO3晶体时，能够获得的好处是在聚焦/循迹误差信号检测光学元件8与光盘11之间的光路中通过利用一个四分之一波板能够改善光的利用效率。
此外，通过采用准直透镜3和让完全平行的光线进入衍射光学元件5中，能够使入射到衍射光学元件5的光的衍射效率和衍射角变化值在整个光入射区上均等。
然后，将参考图2(a)和2(b)描述在出现波长波动时光波的特性的原理。
如图2(a)所示，当波长为λ1的光6进入衍射光学元件5时，假设以衍射角θda产生第一阶衍射光10a。当出现波长波动和波长减小为λ2时，以衍射角θab产生衍射光10b。结果，出现出射光的方向随波长波动而不同的现象。这一现象称为色散。
此外，如图2(b)所示，当波长为λ1的光6’从斜向以的入射角θi进入折射光学元件的棱镜9时，以折射角θra产生折射光12a。当出现波长波动和例如波长缩短为λ2时，以较大的折射角θrb产生折射光12b。这是因为构成棱镜的透明材料的折射率造成的。结果，出现出射光的方向不同的色散现象。
换句话说，正如图2(a)和2(b)所示，当入射光6进入衍射光学元件5时所产生的第一阶衍射光10a(或10b)相对于入射光6方向弯转的方向(如图2(a)中所示的逆时针方向A)等于当入射光6’进入折射光学元件9时所产生的折射光12a(或12b)相对于入射光6’方向弯转的方向(如图2(b)中所示的逆时针方向B)，在这种情况下，能够消除波长波动的影响。
因此，现已发现，通过把衍射光学元件与具有一个光斜向地进入的光学平面的折射光学元件相组合，存在这样一种条件，其中可以消除色散现象以及能够使出射光的方向不随波长波动而变化，因为出射光波动的方向对于两个元件中的波长波动是相互相反的。
在本实施例的情况中，由于在棱镜中θi等于24.4°，折射角增大0.001888°，因为当波长λ从0.558μm缩短2nm时，棱镜的折射率从1.514264955变为1.514327214。然而，当光6进入周期Λ为60.7μm的衍射光学元件时，当波长减小2nm时衍射角减小0.001888°。因此，发现通过将二者组合能够抵消波长波动的影响。因此，射向物镜4的光的光轴不随波长波动而变化，能够获得在光盘11上形成无色差的较好光点的好处。
此外，在以上描述的情况中，波长λ从0.658μm缩短2nm。然而，即使不存在温度变化，由于高频重叠，光源通常偏离中心波长扩展约±1nm(波长带宽2nm)。即使存在以上的波长扩展，如上所述通过将棱镜9与光栅5相组合，抵消色散是可能的。
然而，在这种情况下，即使在波长等于λ＝0.658μm中心波长(设计波长)时能够完全抵消色散，但是，还发现，在进一步出现由于温度变化引起的波长波动时(偏离中心波长时)会缓慢地出现色散。
本发明的发明人等发现，当构成棱镜9的透明材料具有更低的色散特性时，可以降低由上述温度变化造成的色散出现率。此外，此时还发现，当构成棱镜9的透明材料具有更低的色散特性时，校正色差的衍射光学元件5的周期可以更大。在这种情况下，存在易于制备衍射光学元件5和能够获得高的衍射效率的好处。
更详细研究的结果发现，因为由温度变化造成的波长波动实际上保持在±20nm的范围内，由色差造成的物镜会聚光点的横向扩展保持在实际使用中没有问题的水平上，因为当棱镜9的透明材料的阿贝数为50或更大时，波前象差变为70mλ或者更小，从光盘11能够较好地重现信号。因此，采用BK7玻璃(阿贝数为64.2)、FC5、FK5、FCD1、FCD10、FCD100、VC79(阿贝数为57)和P-BK40(阿贝数为64)之一作为棱镜9的透明材料是较佳的。
(第二实施例)
下面将参考图3描述本发明的第二实施例的光学头，主要描述不同于第一实施例的这些方面。
图3是表明本发明第二实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
如图3所示，在本实施例的情况中，衍射光学元件5设置在准直透镜3与折射光学元件9之间的光路中，它与聚焦/循迹误差信号检测光学元件8合为一体。通过把聚焦/循迹误差信号检测光学元件8与衍射光学元件5合为一体，结构稳定，由此能够把它们当作一个元件，易于进行准直。
如图3所示，也能够把衍射光学元件5设置在聚焦/循迹误差信号检测光学元件8的正面或背面上。此外，能够将形成有衍射光学元件5的基板与聚焦/循迹误差信号检测光学元件8合为一体。另外，能够在聚焦/循迹误差信号检测光学元件8的表面上形成衍射光学元件5。
(第三实施例)
下面将参考图4描述本发明的第三实施例的光学头，主要描述不同于第一实施例的这些方面。
图4是表明本发明第三实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
如图4所示，在本实施例的情况中，衍射光学元件5a设置在折射光学元件9与物镜4之间的完全平行光线的光路中。通过按照如上所述设置衍射光学元件5a，增大了衍射光学元件5a与光源-光电检测器单元17之间的距离，有可能作出这样的排列，使得第一阶衍射光以外的衍射光(无用光)不进入光电检测器，由此能够获得提高检测光S/N的好处。
此外，有可能使衍射光学元件5a的凹凸形状向着物镜4或者与物镜4相反的方向。
(第四实施例)
下面将参考图5描述本发明的第四实施例的光学头，主要描述不同于第一实施例的这些方面。
图5是表明本发明第四实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
如图5所示，在本实施例的情况中，衍射光学元件5b设置在折射光学元件9与物镜4之间的完全平行光线的光路中，它与用作折射光学元件9的直角棱镜的斜面一体化。通过按照如上所述设置衍射光学元件5b，能够获得增大衍射光学元件5b与设置有光电检测器的光源-光电检测器单元17之间的距离，能够这样设置光电检测器，使得由衍射光学元件5b产生的第一阶衍射光以外的衍射光(无用光)不进入光电检测器，提高检测光的S/N。此外，通过将衍射光学元件5b与折射光学装置9合为一体，使结构稳定，并能够把它们当作一个元件，因此易于进行准直。
(第五实施例)
下面将参考图6描述本发明的第五实施例的光学头，主要描述不同于第一实施例的这些方面。
图6是表明本发明第五实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
第一至第四实施例的光学头采用这样一种光学系统，其中被准直器透镜3准直为完全平行光的光线，仅仅z轴光束的直径减小为0.86倍(x轴光束的直径不变化)，进入物镜4。
本实施例的光学系统是这样一种光学系统，其中被准直器透镜3准直为平行光的光线的光束直径进入物镜4，而光线的光束直径在z轴和x轴方向上几乎相等。
在图6中，折射光学元件9a为例如由BK7玻璃制成的棱镜，其中在底面14’与斜面21’之间形成的底角θ等于例如33°，在底面14‘与侧面15’之间形成的底角θ1等于121.6°。衍射光学元件5c例如形成在玻璃基板7上，与棱镜9a的侧面15’合为一体，该结构是稳定的，能够把它们当作一个元件。因此，易于进行准直。
本发明的发明人等发现，在利用折射率为n的透明材料制成的棱镜作为折射光学装置时，在底面14’与斜面21’之间形成的一个底角等于θ，它几乎满足sin(2θ-45°)＝1/n·sinθ的方程式，在底面14’与侧面15’之间形成的另一个底角等于θ1，它满足θ+85°≤θ1≤θ+95°的不等式，能够使光轴几乎相互垂直，而进入棱镜9a的光和从棱镜9a出射的光的光束直径保持相互基本相等(没有光束变形)。根据以上结构，可获得易于排列光学元件和能够简化准直的好处。
在本实施例的情况中，光的光轴斜向进入的光学平面包括斜面21’和侧面15’，与实施例1-5的情况相比，由折射引起的色散综合起来增大了。因此，对于本实施例，校正折射的色散的衍射光学元件5c采用周期为39.7μm的均匀周期光栅。因此，通过使本实施例的周期比以上实施例所述的衍射光学元件的周期(60.7μm)小，能够增大衍射的色散。因而，能够抵消由折射引起的色散。
(第六实施例)
下面将参考图7描述本发明的第六实施例的光学头，主要描述不同于第五实施例的这些方面。
图7是表明本发明第六实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图，图8表明本发明第六实施例的光学头的衍射光学元件(反射光栅)的第一阶衍射效率(虚线)的图和本发明第五实施例的光学头的衍射光学元件(透射光栅)的第一阶衍射效率(实线)的图。
如图7所示，在本实施例的情况中，在用作棱镜的折射光学装置9a的底面上提供一个反射光栅，它具有在表面上形成反射层16的结构。通过将光栅与折射光学装置9a合为一体，能够使结构稳定。尤其是因为反射层形成在凹凸表面上，获得的好处是该反射层还能起保护层的作用。
反射光栅5d具有闪耀形状或阶梯形状(多级)，其槽深例如约为0.22μm，与透射型衍射光学元件相比，可使最佳槽深减小到约1/6。因此，可以缩短制备时的蚀刻时间，减小截面的凹陷量，以及便于制备。此外，如图8所示，与透射型光栅的情况相比，能够提高第一阶衍射效率的值。
(第七实施例)
下面将参考图9(a)和9(b)和图10(a)和10(b)描述本发明的第七实施例的光学头，主要描述不同于第五实施例的这些方面。
图9(a)是表明本发明第七实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图，图9(b)是表明本发明第七实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图。图10(a)是表明当利用锯齿截面的闪耀光栅作为本发明第七实施例的光学头的衍射光学元件时衍射效率与槽深之间关系的曲线图，图10(b)是表明当利用八阶截面(参考图2(b))的八阶光栅作为本发明第七实施例的光学头的衍射光学元件时衍射效率与槽深之间关系的曲线图。
本实施例的光学头具有双波长结构。即该结构包括一个用于DVD 11a的半导体激光器光源1a，它具有例如波长λ1＝0.658μm，和一个用于CD-R或CD 11b的半导体激光器光源1b，它具有例如波长λ2＝0.80μm，其中两个波长被分束器18复合或分离。分束器18可以采用任何一种分束器，只要它是一个能够复合或分离波长的元件，如楔形棱镜。光源1a和1b分别设置在光源-光电检测器组件17a和17b中。
与用作棱镜的折射光学装置9a的侧面合为一体的衍射光学元件5c受两个波长λ1和λ2的光照射。
当采用闪耀光栅作为衍射光学元件5c，波长等于λ1，槽深L等于λ1/(n-1)时，第一阶衍射效率具有如图10(a)中实线表示的最大值。此外，当波长等于λ2，槽深L等于λ2/(n-1)时，第一阶衍射效率具有如图10(a)中虚线表示的最大值。本发明的发明人等发现，当槽深满足不等式λ1/(n-1)≤L≤λ2/(n-1)时，对于波长λ1和λ2能够实现80％甚至更高的高衍射效率。此外，还发现，当L近似等于(λ1+λ2)/[2(n-1)]时，对于两个波长，衍射效率的值几乎相等，效率平衡变为最佳的。
另外，如图10(b)所示，发现，当截面形状具有p级的多级形状以及槽深满足不等式(p-1)·λ1/[p·(n-1)]≤L≤(p-1)·λ2/[p·(n-1)]时，能够实现高衍射效率，尤其是当L近似等于(p-1)·(λ1+λ2)/[2p(n-1)]时，能够获得最佳的平衡。
图10(b)是表明在采用截面为8级结构的光栅时衍射效率与槽深之间的关系图。在图10(b)中，当波长等于λ1以及槽深L等于7λ1/8(n-1)时，第一阶衍射效率具有实线所示的最大值。此外，当波长等于λ2以及槽深L等于7λ2/8(n-1)时，第一阶衍射效率具有虚线所示的最大值。
对于本实施例，描述了两个波长的情况。然而，可以采用对应于三个波长或更多个波长的结构。例如，在增加0.35至0.50μm的蓝和绿波长时，在对应于三个波长或更多个波长的情况中，也能够应用上述结果。即，通过假设波长的最小值为λ1和波长的最大值为λ2，由此应用以上表达式，能够提高衍射光学元件对多个波长的第一阶衍射效率。例如，构成能够更好地从诸如10兆字节或更高的DVD、DVD-R、CD和CD-R高密度光盘的各种光盘中读取数据的光学头是可能的。
(第八实施例)
下面将参考图11描述本发明的第八实施例的光学头，主要描述不同于第五
实施例的这些方面。
图11是表明本发明第八实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图，图12表明当两个相互不同(相差2nm)的波长以相同入射角下进入本发明第八实施例的光学头的衍射光学元件5d(周期A＝39.7μm的光栅)时，第一阶衍射光的衍射角差与入射角之间的关系。
如图11所示，本实施例的光学头采用θ＝33°和θ1＝123°的棱镜9b作为折射光学元件和周期为39.7μm的均匀周期光栅5d作为衍射光学元件5d。光栅5d与聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a合为一体，将作为发散光光路的光源-光电检测器单元17c的密封窗口设置在光源1附近。如图所示，将光栅5d设置成槽面向光源1，以致于防止槽受损伤。然而，即使倒转光栅设置，也能够进行工作。聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a采用一块由紫外固化的液晶制成的偏振全息光学元件，四分之一波板与全息光学元件的表面合为一体。通过使光栅5d与聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a一体化，能够使结构稳定，把它们当作一个元件，易于进行准直。此外，通过把光栅5d设置在靠近光源1的光路上，能够大大减小衍射光学元件5d的面积和降低成本。
由高频重叠造成的光源1的波长扩展宽度通常约为2nm。如图12所示，本发明的发明人等发现，当进入光栅5d的光(通常具有2nm的波长扩展)的入射角从0°(垂直入射)偏转(斜入射)时，第一阶衍射光的衍射角差增大。即，当平行光线进入均匀周期的光栅时，对于整个光束区域，色差校正效果是相同的。然而，当发散光或者会聚光进入均匀周期的光栅时，随光线倾角的增大，色散进一步增强。即，在光轴垂直入射的情况中，色差校正效果边缘部分要比中心部分强。
更详细研究的结果表明，产生0.001°衍射角差的事实对应于采用焦距为2.14mm的物镜时在光盘11上y轴距离分开37nm(色差)的事实。由于对色差无关紧要的y轴距离约等于10nm，发现衍射角差相当于0.27毫度，因此，入射角必须保持在22.9°或者更小。这个值相当于数值孔径NA为0.39。
在本实施例的情况中，由于发散光2的NA(准直透镜3的NA)等于0.3，不存在色差问题，因此，可获得较好的光点。
(第九实施例)
下面将参考图13(a)和(b)描述本发明的第九实施例的光学头，主要描述不同于第八实施例的这些方面。
图13(a)是表明本发明第九实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图，图13(b)是表明本发明第九实施例的光学头的基本结构和光传播情况的俯视图。
本实施例的光学头采用双波长结构。即，该结构包括一个用于DVD的例如具有波长λ1＝0.658μm的半导体激光光源1a和一个用于CD-R和CD的例如具有波长λ2＝0.80μm的半导体激光光源1b。光源1a和1b分别设置在光源-光电检测器组件17c和17d中。
本发明的发明人等发现，由于光盘11是的凹坑尺寸减小，具有较短波长的光源进一步经受会聚光点的色差。因此，在本实施例的情况中，衍射光学元件5d仅设置于靠近较短波长λ1的光源1a附近的光路中，在波长λ1上可获得无色差的会聚光点。至于较长的波长λ2，采用不包含色差校正光栅的结构。然而，对于波长λ2，即使出现少许色差，光学头的工作也没有问题，通过上述结构可降低成本。
此外，聚焦/循迹误差信号检测光学元件8b设置于靠近较长波长光源1b附近的光路中的光源-光电检测器17d的密封窗口上。
然而，下面将参考图14描述利用蓝色波长光源的本实施例的另一个例子。
图14表明透明材料(BK7玻璃)的折射率与波长的依赖关系。
如图14所示，当波长接近于0.5μm或更小时，表明折射光学装置9a透明材料的折射率变化值(图14中折射率曲线的微分值)的色散突然增大。例如，在波长λ＝0.4μm的情况中，发现色散比λ＝0.658μm的色散大四倍。例如，在λ＝0.4μm的情况中，光栅5d的周期是λ＝0.658μm的周期的1/4，即约为10μm。
对于0.5μm或更小区域中的波长，如上所述色散较大，对于较小的波长波动，从折射光学装置9a出射的折射光的折射角变化变得很大，因此，光学特性大大劣化。因此，本发明的优点，即从衍射光学元件5d出射的衍射光可抵消折射角的变化是显然的。
此外，如上所述的不仅对双波长而且对单波长都是有效的，只要包括一个λ＝0.5μm或更小的光源(例如参考图18)。然而，当波长进一步减小时，由于吸收造成透明材料的透射率减小。因此，波长范围为0.35μm≤λ≤0.5μm是较佳的。
(第十实施例)
下面将参考图15描述本发明的第十实施例的光学头，主要描述不同于第一
实施例的这些方面。
图15是表明本发明第十实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
图16是表明本发明第十实施例的衍射光学元件(光栅)周期与第一阶衍射光的衍射角差之间关系的曲线图(垂直入射，波长宽度Δλ＝2nm)。
在本实施例的光学头的情况中，衍射光学元件5c设置在光源1与准直透镜3之间的发散光路中(或者说设置在准直透镜3与光电检测器之间的会聚光路中)，以便按照入射光的会聚度或发散度改变z轴周期分布。由于出射光2的光轴垂直于衍射光学元件5c，本实施例是这样构成的，即其周期在中心部分较小而向周边靠近时增大。当光轴倾斜时，允许按照进入每个区域中的光线的倾角改变周期。
由于本发明人已经发现，衍射角差随光栅周期变小而增大，如图16所示，色差校正效果在光以更大的斜角进入时而强化，如图12所示，从上述结果发现，在光发生倾斜时通过朝周边方向上使周期变长，能够使从衍射光学元件出射的衍射光的衍射角改变值准确地均分在整个表面上。
(第十一实施例)
下面将参考图17描述本发明的第十一实施例的光学头，主要描述不同于第一实施例的这些方面。
图17是表明本发明第十一实施例的光学头的基本结构和光传播情况的侧视图。
本实施例的光学头的构成不含第一实施例的衍射光学元件。即光学头在光源1与光盘11之间的光路中有一个折射光学装置9，它由具有三个光学平面的棱镜组成。折射光学装置9是这样构成的，即假设光盘一侧为第一平面，光源一侧为第二平面，底面一侧为第三平面时，从光源1出射的光穿过第二平面，依次经第一平面和第三平面反射，通过第一平面出射。因此，能够大大减小光学的高度(例如最高达5.3mm)同时使折射光学装置9起一般光学头的反射镜的作用。
由于本实施例不包括色差校正光栅，因此色差成为诸如DVD的小凹坑光盘的一个问题。然而，通过采用具有较大阿贝数的低色散玻璃作为棱镜9的透明材料能够大大减小色差。此外，由于在诸如CD或CD-R的大凹坑光盘中，色差的问题可忽略不计，因此，能够实现薄型光学头。
以上描述了本发明的第一至第十一实施例。然而，除了实施例的光学头之外，通过对实施例光学头结构的组合能够构成光学头，不用说能够获得同样的好处。为了方便起见，采用物镜或准直透镜来描述实施例，它们可以是一般的透镜。
对于上述实施例，描述了折射光学装置底面与y轴之间形成的角度为0°的情况。然而，也可以采用从折射光学装置9c的设定参考平面1701起倾斜角度θb的结构，如图18所示。在这种情况中，假设折射光学装置采用由折射率为n的透明材料制成的棱镜，从光源进入折射光学装置的光轴与设定参考平面1701之间形成的角度等于θp，折射光学装置9c的底面的设定角度等于θb时，假设棱镜的底角中一个底角的角度θ基本上满足sin(θ-θb)＝n·sin(4θ-2θb-θp-90°-θ′)和n·sinθ′＝sin(θ-θb)，另一个底角的角度θ1基本上满足θ1＝θ+90°-2θb-θp。图18中所示的结构表明衍射光学元件仅设置在光源1与准直透镜3之间的发散光路中的一个例子。
因此，由于在图18中物镜4的左侧底端与棱镜9c之间的间隔中产生一个余量，能够进一步减小物镜4与棱镜9c之间的间隔的优点是显然的。
在图18中，棱镜9c的技术指标表明θb＝5.0°、θ＝34.8°和θ1＝113.8°，底边长度＝4.4mm，采用BK7玻璃作为透明材料。此外，使用的衍射光学元件5e是通过在玻璃基板上形成周期为42.8μm的均匀周期光栅5e，在玻璃基板的背面上一体化地形成一个用作聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a的全息光学元件(即，光栅5e与聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a合为一体)，设置在光源-光电检测器单元17c的密封窗口上，作为光源1附近的发散光光路。将光栅设置为槽面向准直透镜3，如图所示。然而，对于与上述情况相反的排列也能够进行操作。通过把光栅5e和聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a合为一个单元，能够使结构稳定，可以把它们当作一个元件，便于进行准直。此外，通过将光栅5e设置于光源1附近的光路上，能够大大减小衍射光学元件5e的面积以及降低成本。
另外，由于从光源1出射的光被光源5e在z轴方向衍射例如0.88°，光源1的设定角倾斜θq＝1.88°，它是0.88°与θp的之和。与此同时，准直透镜3、光栅5e和聚焦/循迹误差信号检测光学元件8a倾斜θp＝1.0°。
此外，尽管棱镜9c的设定角设定为例5°，但是，发现2°至10°之间的角度范围是较佳的，因为，在物镜4的左侧底端与棱镜9c之间产生足够的余量。
即使从图18的结构中除去色差校正光栅5e，如果色差不象图17中所示的第十一实施例光学头的情况那样成为一个非常严重的问题，也能够构成一个非常薄的光学头。在这种情况下，θq变为等于θp。
如上所述，，本发明能够实现具有较佳光学特性的薄型光学头。

Claims (24)

1.一种光学头，所述光学头包括：
设置在光源与信息记录媒体之间的光路中的衍射光学元件，用于使从所述光源出射的光弯转；和
设置在所述光路中的折射光学装置，从光源出射的光的光轴斜向地进入所述折射光学装置，所述折射光学装置使从所述光源出射的光弯转；其特征在于：
所述衍射光学元件和所述折射光学装置是这样定位的，使从所述衍射光学元件出射的衍射光相对于从所述光源出射的光的方向弯转的方向变为与从所述折射光学装置出射的折射光相对于从所述光源出射的光的方向弯转的方向相同，由此从所述衍射光学元件出射的衍射光因出射光波长波动所造成的衍射角变化和从所述折射光学装置出射的折射光因出射光波长波动所造成的折射角变化是在衍射角变化与折射角变化相抵消的方向上产生的。
2.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：
所述衍射光学元件与所述折射光学装置合为一体。
3.如权利要求1所述的光学头，其特征在于包括准直器装置，它使从光源出射的光基本变为平行光线并使所述平行光线进入所述衍射光学元件。
4.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：在所述光源与所述折射光学装置之间设置一个聚焦/循迹误差信号检测光学元件，所述衍射光学元件与所述聚焦/循迹误差信号检测光学元件合为一体。
5.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件为一种均匀周期的光栅。
6.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：
所述衍射光学元件设置在会聚光的光路或者发散光的光路中，以及
按照进入衍射光学元件中的光的会聚度或发散度，所述衍射光学元件的周期随不同位置而不同。
7.如权利要求6所述的光学头，其特征在于：所述周期是这样调节的，从所述衍射光学元件的中心部位到周边部位所述周期进一步变长。
8.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件设置在数值孔径为0.39的会聚光的光路或者发散光的光路中，所述衍射光学元件的周期是均匀的。
9.如权利要求8所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件设置在靠近光源的光路中。
10.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述折射光学装置是一种具有三个接收或反射光的平面的光学元件，所述衍射光学元件形成在所述折射光学装置的三个平面中的一个平面上。
11.如权利要求10所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件是反射型的并形成在所述折射光学装置的反射平面上。
12.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述折射光学装置是一个由低色散透明材料制成的具有三个接收或反射光的平面的棱镜，以及所述的透明材料的阿贝数大于等于50且小于等于64.2。
13.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
所述棱镜的一个底角基本上为直角，另一个底角θ的角度基本满足sinθ＝n·sin(3θ-90°)。
14.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
所述棱镜的一个底角θ基本上满足sin(2θ-45°)＝1/n·sinθ，另一个底角θ1满足θ+85°≤θ1≤θ+95°。
15.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述光源具有多个发射互不相同波长的光源部分。
16.如权利要求15所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件仅设置于多个光源部分当中靠近发射最小波长的光的一个光源部分的光路上。
17.如权利要求15所述的光学头，其特征在于：
所述衍射光学元件具有闪耀截面形状，以及
假设不同波长中的最小值为λ1，最大值为λ2，衍射光学元件的折射率为n时，所述衍射光学元件的槽深L满足λ1/(n-1)≤L≤λ2/(n-1)的关系。
18.如权利要求17所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件的槽深L基本上等于(λ1+λ2)/[2(n-1)]。
19.如权利要求15所述的光学头，其特征在于：
所述衍射光学元件的截面形状为具有p级的多级形状，以及
假设不同波长中的最小值为λ1，最大值为λ2，衍射光学元件的折射率为n时，所述衍射光学元件的槽深L满足(p-1)·λ1/[p·(n-1)]≤L≤(p-1)·λ2/[p·(n-1)]的关系。
20.如权利要求19所述的光学头，其特征在于：所述衍射光学元件的槽深L基本上等于(p-1)·(λ1+λ2)/[2p(n-1)]。
21.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：
所述折射光学装置是一个由折射率为n的透明材料制成的棱镜，以及
假设所述折射光学装置的底面与设定参考平面之间形成的设定角为θb，从光源进入所述折射光学装置的光与设定参考平面之间形成的角度为θp时，棱镜的一个底角的角度θ基本上满足sin(θ-θb)＝n·sin(4θ-2θb-θp-90°-θ′)和n·sinθ′＝sin(θ-θb)，另一个底角的角度θ1基本上满足θ1＝θ+90°-2θb-θp。
22.如权利要求21所述的光学头，其特征在于：θb满足2°≤θb≤10°。
23.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：
所述折射光学装置是一个具有三个光学平面的棱镜，以及
假设三个平面中位于信息记录媒体一侧的一个平面为第一平面，位于光源一侧的一个平面为第二平面，其余一个平面为第三平面时，从光源出射的光穿过第二平面，依次在第一和第三平面上反射，再穿过第一平面。
24.如权利要求1所述的光学头，其特征在于：所述出射光的波长λ满足0.35μm≤λ≤0.5μm。
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