CN1206642C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有下列特性的扫描装置：由于该系统对由写操作过程中的快速波长变化引起的球面像差进行了校正，所以可被用于在第一格式的记录介质上写数据。该装置具有带有锯齿状图案的一个衍射元件，这样它就能通过(例如)单步复制方法制造出来；该系统对第一光记录介质(例如DVD)具有高的扫描效率，并且对第二光记录介质(例如CD)具有能令人满意的扫描效率；并且其透镜提供有限的色球差，从而该系统可以应付波长的变化。

Description

光学扫描装置

技术领域

本发明涉及一种包括光学物镜的光学扫描装置。更具体地说，本发明涉及一种使用同一个光学物镜透镜系统，分别利用不同波长的激光照射，能够从两种不同类型的光记录载体，例如小型盘(CD)和数字化通用盘(DVD)上读写数据的光学扫描装置。

背景技术

理想的光学扫描装置应有对不同格式的光记录介质都能记录或复制的功能。特别是，有很多种CD盘，如CD-A(CD唱盘)，CD-ROM(CD只读存储)，CD-R(可记录CD)。CD盘被设计成可用大致为780nm的波长以及0.45的数值孔径(NA)对其扫描，DVD盘被设计成可用660nm左右的波长对其扫描。对读取DVD盘来说，通常使用的NA为0.6，然而，可写DVD盘一般使用0.65的NA。

DVD和CD盘有不同厚度的透明衬底，该衬底提供了不同的信息层深度。DVD盘的信息层深度大约是0.6mm，而CD盘的信息层深度大约为1.2mm。这样一来，如果用带有为DVD而优化了的物镜的光学扫描设备读取CD盘，就将在信息层上产生大量的球面像差。当使用同一个物镜系统和波长为660nm的激光束读CD-ROM和DVD盘时，可通过在读CD-ROM盘时将NA从大约为0.45减小到0.38的方法补偿这种影响。这样，球面像差将会限制在正确重构CD-ROM上存储的信息所需的限制范围内。然而，如果除此以外还要用同一光学扫描系统扫描CD-R盘，就必须使用波长为780nm的激光束，这是因为CD-R盘被设计成只能专门用这种波长读写。CD-R使用有机染料作为记录膜，该有机染料的反射特性会随波长发生明显的变化。很难对反射回来的660nm的辐射光进行足够的调节，以重构存储在CD-R上的信息。与DVD使用同一物镜，并用780nm的激光束和0.45的NA读取CD会产生大的球面像差。因此，必须使用某种方法补偿这种球面像差，以便获得这样一个光学存储设备，它可用660nm和780nm的激光辐射，用一个光学物镜系统在CD-R，CD-ROM，DVD上读和/或记录信息。

使用不同波长的激光辐射和同一个物镜系统可读取DVD和CD的系统在该领域中是已知的。WO99/57720描述了这样的一个系统，它使用一个模制的塑料透镜，该透镜或有两个非球面折射面，或有一个非球面折射面和一个包括衍射元件的球面折射面。该透镜可校正由于两种盘格式的厚度的不同而产生的球面像差以及色差。然而，用塑料透镜的主要缺点是它有很高的温度敏感性以及大的色散，或等同地说，低的色散系数(Abbe number)。作为温度函数的塑料的折射率大约比玻璃的大10倍。大的色散就意味着大的波长变化敏感性。在一个光学存储设备中，有几种波长变化的来源：大规模制造的激光器的激光波长的分散(Δλ≈±5到±10nm)，激光器的带宽(Δλ≈2nm)，以及输出放大率的波长相关性(Δλ/dp≈0.2nm/mW)。

特别是最后一个问题，使得在可重写的系统内应用折射塑料透镜，如果可能，那也是很难的。在写的过程中，激光在几微秒内从低放大率转换到高放大率，这可导致由于波长变化和色散产生的散焦。对于这种散焦，聚焦制动器的机械的带宽太低而不能给予补偿，结果就不能正确地写数据。为了避免这个问题，一般采用具有高色散系数的玻璃，它们通常较贵。

对于传统的由复制过程制造的玻璃透镜，激光波长的分散一般不是问题，因为透镜制动器一般可以补偿由此而引起的固定的散焦。另一方面，在衍射或混合透镜中，这种分散是个潜在的问题，这是因为它不仅引起散焦，而且还有色球差，这样就使透镜的性能受到限制。

出于物镜的数值孔径的原因，WO99/57720中也没有描述可在DVD格式的光记录介质上写数据的系统，这是因为为了以足够的密度正确的写数据以获得每张盘4.7G(4.7×10⁹)比特的容量，NA一般必须从0.6增加到0.65。数值孔径的增大使得能读写DVD数据并且能扫描CD的系统的物镜的设计要困难得多，因有球面像差，由于快速的波长变化而产生的散焦以及色球差，该透镜需要被校正。高NA的塑料透镜只能以具有小的曲率半径和多于一个非球面表面的形式获得，它们使得透镜本身更难制造而且也更贵。

US5349471中描述了一种用于一种光学数据存储系统的衍射/折射混合透镜，它是由具有低色散系数的高色散玻璃制成的。通过衍射透镜元件补偿所得到的增大的纵向色差。所述的物镜例如可校正在20nm范围内的波长变化以及激光二极管达10nm的带宽变化。然而，该透镜不具备从不同厚度的光记录介质上读取和写入数据的能力。

US5838496描述了一种多焦点衍射物镜。第一焦点由具有较低的衍射级的辐射光形成，而具有较高的衍射级的辐射光会聚在第二焦点上，该焦点在光轴上距透镜的距离比第一焦点距透镜的距离较近。另外，该透镜补偿了色差，从而可以从有不同厚度的透明衬底的光盘上读取和写入数据。然而该系统没有被设计成使用两种不同波长的辐射光的形式，这是因于需要其利用同一个物镜的光学扫描装置从DVD，CD-R和CD-ROM格式上扫描数据。

EP936604描述了一种光学拾取装置，它适用于用两种不同波长的激光辐射光在DVD，CD-R和CD-ROM上读取和写入数据。为此，除了一个物镜之外，还使用了一个在其中央区域有第一衍射元件以及在其外围区域有具有不同的光栅结构的第二衍射元件的光学元件。选择了一个阶梯状的光栅轮廓作为一个衍射元件。光学元件的中央区域允许第一波长的激光辐射光没有任何变化地通过，并增加第二波长的激光辐射光的直径。外围区域也同样允许第一波长的激光辐射光没有任何变化地通过，并且同时阻止第二波长的辐射光对光点的形成产生影响。利用这种方法，使得用于第二种波长的辐射光的NA被减小到所希望的值。

所述这种系统的一个缺点是其选用了一个通常用平板照相印刷方法制造的阶梯状的光栅轮廓。在复制过程中，很难制造小直径的阶梯状的光栅轮廓。所述系统的另一个缺点是，附加的光学元件包括两个有不同衍射特性的区域，这使得这种装置的制造更加复杂了。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的用于光记录介质扫描的光学扫描装置。

根据本发明的一个方面，提供一种光学扫描装置，该装置分别以第一波长λ₁的辐射光扫描具有第一信息层厚度的第一格式的光记录介质，和以第二波长λ₂的辐射光扫描具有第二信息层厚度的第二格式的光记录介质，这两种光记录介质分别具有第一和第二信息层深度，其中λ₁最好在620nm＜λ₁＜700nm，λ₂最好在700nm＜λ₂＜740nm，所述装置可对所述第一种格式的光记录介质进行读写，该装置包括一个物镜(10)，该物镜具有一折射元件以及一衍射元件(11)，并且对于所述第一波长λ₁具有大于NA＞0.60的NA，所述衍射元件包括基本上为锯齿状图形的元件；其中，对物镜的衍射和折射特性进行选择；以使得所述第一波长的辐射光可被通过，并且在所述的第一厚度的光记录介质上聚焦，所述第二波长的辐射光被通过并在所述第二厚度的光记录介质上聚焦；并且使得由波长λ₁的5nm的变化所导致的色球差低于0.03λ₁。

用这种方式实现一种光学扫描装置，其可分别以第一和第二波长对有第一和第二厚度的光记录介质进行数据扫描。物镜被设计成将波长为λ₁的平行光束变成NA大于0.60的会聚光束，这保证了该系统可以高密度写数据。

本发明可提供具有下列特征的扫描装置：

因为对由写操作中产生的快速的波长变化而引起的色差进行了校正，该系统可将数据写入第一格式的记录介质中；

它具有一个基本上为锯齿形图形的衍射元件，这样它就可用例如单步的复制方法制造；

该系统可高效地扫描第一光记录介质(例如DVD)并且可以可接受的效率扫描第二光记录介质(例如CD)；并且

透镜提供有限的色球差，这样系统就能处理波长的变化。

最好，对衍射和折射特性进一步选择，以使得由波长λ₁的变化Δλ＝2nm引起的散焦量小于0.03λ₁。

这样就确保了因在写操作中的放大率变化而产生的快速波长变化所导致的散焦量被限制，因为由快速波长变化而产生的散焦不能通过聚焦制动器给以补偿。

最好，该锯齿形图案元件有至少10μm的宽度。

这将使得单步复制方法中的制造简单化。光栅结构可通过一个有限尺寸的调节工具被包括在模型中。

根据本发明的另一个方面，提供一种光学扫描装置，其特征在于，所述锯齿状图案元件具有至少为50μm的宽度，并且适合于以下列衍射级m₁，m₂的组合之一并且分别使用波长为λ₁和λ₂的辐射光扫描所述的第一和第二格式的光记录介质，

(m₁，m₂)＝(-3，-2)，(-4，-3)。

根据本发明的另一个方面，提供一种分别以第一和第二波长λ₁和λ₂的辐射光扫描第一和第二格式的光记录介质的光学扫描装置，该装置包括一个光学物镜，其至少具有一个折射元件和一个衍射元件，其中，折射和衍射特性被适当地选择，以便用波长λ₁和λ₂的衍射级m₁和m₂分别扫描所述第一和第二格式的光记录介质，(m₁，m₂)为下列组合之一：

(m₁，m₂)＝(-2，-2)，(-3，-2)，(-3，-3)，(-4，-3)。

通过这种方法，可获得一个非常合适的装置，它能够以第一和第二波长λ₁和λ₂的辐射光分别读写具有第一和第二厚度的光记录介质，而使(-1，-1)的现有技术的解决方案被排除。

附图说明

作为例子，下面参考附图说明一个本发明的实施例，其中：

图1是按照本发明的一个实施例的用于光记录介质的扫描装置的元件的示意图；

图2a是用于扫描装置中的单个物镜的示意图，该扫描装置可以第一波长的辐射光并用第一数值孔径扫描第一厚度的光记录介质，并且可以第二波长的辐射光并用第二数值孔径扫描第二格式的光记录介质；以及

图2b是物镜的前视图，表示出了环形的衍射结构。

具体实施方式

图1是按照本实施例的用于扫描光记录介质1的装置的通用部件的示意图，下面将对它进行说明。本实施例中的光记录介质1，举例来说，是如下所述的一个光盘。

光盘1包括一个透明层2，在其一边上至少布置有一个信息层3。通过保护层4保护信息层的背向透明层的面，使它不受环境的影响。面向装置的透明层的一面是盘的进入面5。透明层2为信息层提供机械支撑，起到光盘衬底的作用。可选择的是，透明层2也可只起保护信息层3的作用，而由在信息层的另一侧的一个层提供机械支撑，例如，通过保护层4提供，或通过其它信息层以及和最上层信息层相接触的透明层提供。

信息可存储在光盘信息层3中或多个信息层中，其存储形式是可以光学方法检测到的标记，该标记可位于基本上平行的，同心的或螺旋的轨迹上，这在图1中未示出。标记可以是任何光学方法可读的形式，例如，以凹坑的形式，或是以具有反射系数或磁化方向与其周围有不同的区域的形式，或是这些方式的组合。

该扫描装置包括一个辐射光源6，包括一个可调的半导体激光器或两个单独的半导体激光器，其向透镜系统以分开的光束7的形式辐射光具有第一波长和第二波长的光束。透镜系统包括沿光轴13分布的一个准直器透镜9和一个物镜10。准直器透镜3将从辐射光源6发出的分开的光束7转变成基本上准直的光束15。物镜10包括一个衍射元件，其在图中以图形111表示，并将在下面详细描述。物镜10将入射的准直光束15转变成具有一个选定的NA的会聚光束14，它将到达在信息层3上的一个点18。提供一个检测系统16，第二个准直器透镜19以及一个光束分离器8，用于检测数据信号，并用于聚焦误差信号，该信号用于以机械方式调整物镜10的轴向位置。

图1和2a所示的衍射光栅11被按面向辐射光源的方式布置在物镜10的一侧上。然而，它也可选择布置在透镜10的另一表面上。

图2a是用于上述扫描装置的物镜10的示意图。该扫描装置可以第一波长λ₁的激光辐射光21和第一数值孔径NA₁扫描具有第一透明基底厚度的光记录介质。该装置还可用同一物镜10，以第二波长λ₂的激光辐射光23和第二数值孔径NA₂扫描具有第二透明层厚度的光记录介质。DVD格式的光盘可以使用第一波长λ₁在620到700nm之间的激光辐射光扫描，λ₁最好为660nm。大约为0.6的数值孔径被用于读取DVD，并且一个大于0.6的NA被用于写DVD盘，最好大约为0.65。CD格式的记录介质可用在740到820nm之间的第二波长λ₂的激光辐射光和低于0.5的数值孔径扫描，最好λ₂为780nm，数值孔径最好为0.45。物镜10校正分别由DVD和CD介质的透明层31和33厚度的不同而产生的球面像差。类似的，该透镜也校正色球差和色差，下面将详细说明。

在本发明的实施例中，通过使用混合透镜，达到使用单个物镜元件对不同格式(通过波长λ₁和λ₂的辐射光)的盘的读写，即，通过衍射和折射元件以无限共轭的模式组合的透镜。这样的一个混合透镜可通过在一个折射透镜的一个表面加上一个光栅轮廓的方式形成。通过用金刚石车削将衍射结构结合进模型的方法，就可获得一个容易制造的耐用的并且廉价的解决方案。用这种方法，该透镜可用一个单独步骤的复制方法制造出来。金刚石车削设备的尖端尺寸一般为约5μm。小于10μm的结构很难制造，将物镜设计成带有大于10μm或者最好为20μm的图样元件是有利的。在最佳实施例中，使用了一个不贵的高色散玻璃透镜。

图2b是透镜10的正视图，图示了本发明的最佳实施例的衍射结构。可以看出，它采用了一个具有同心圆环图案元件的环状光栅结构，该图案元件沿着向透镜中心的方向逐渐加宽。每一个图案元素限定了一个被称为衍射元件的区域。

使用同一个物镜，以λ₁波长和λ₂波长光束扫描数据的目的例如可以这样达到，以这样的方式设计物镜的衍射元件，使得用所选的第一衍射级的λ₁辐射光和所选的第二衍射级的λ₂辐射光形成光点。

通过使用阶梯状的光栅结构，具有一定波长的辐射光可理想地透过衍射元件而不衍射，因此完全透过的零衍射级可用于以这种波长扫描数据。然而，这样的阶梯状光栅轮廓的结构与锯齿状的光栅轮廓相比小得多。该阶梯状光栅结构的制造，例如在一个单独的复制过程中，由于存在由有限的金刚石车削工具的尖端尺寸而引起的结构的磨圆，所以将导致光线透过率的减少。因此下面描述的实施例选用一个以锯齿状的炫耀光栅结构。在此例中，采用较大的衍射级m₁和m₂(m₁，m₂＞0)用于以波长λ₁和波长λ₂的辐射光进行扫描。下面将描述本发明中的透镜设计。

对于一个刻有标记的高度为h的衍射元件，在波长为L，衍射级为m时的衍射效率为：

$\mathrm{eff}=\sin c(\frac{\mathrm{\πh}[n\left(\mathrm{\λ}\right)-1]}{\mathrm{\λ}}-\mathrm{\πm}),---\left(1\right)$

其中，sinc(x)被定义为sinc(x)＝sin(x)/x，并且n是透镜材料的折射率。衍射效率eff被定义为由于有衍射过程，辐射光强度的透过率。光学扫描装置应能在第一格式的光记录介质上读写数据，因此对于波长为λ₁的辐射光，需要一个很高的衍射效率。为了能从第二格式的记录介质上读数据，对波长λ₂的辐射光，获得一个适当高的衍射效率就够了。因此，我们在衍射级为m₁，波长为λ₁时需要一个大于95％的衍射效率eff，在衍射级为m₂，波长为λ₂时需要一个大于35％的eff。这样，结合等式(1)，我们得到关系式：

$|\frac{m_1{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}\frac{n\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)-1}{n({\mathrm{\&lambda;}}_1-1)}-m_2|<1.7/\mathrm{\&pi;}.---\left(2\right)$

因为n(λ₁)约等于n(λ₂)，等式(2)可以被近似为：

$|\frac{m_1{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}-m_2|<0.55.---\left(3\right)$

衍射元件的色散比折射元件的色散要大许多，并且符号相反。因此，可通过组合折射和衍射元件，设计一个消色差的混合透镜。设K₀为衍射透镜的放大率，K₁为折射透镜的放大率。对于具有一个衍射和一个折射元件的消色差混合透镜，满足下式：

$\frac{K_0}{V_0}+\frac{K_1}{V_1}=0,---\left(4\right)$

其中V_i为色散系数。由于折射和衍射色散的符号相反，对用于λ₁的辐射光，光栅轮廓应延伸至整个光圈，对于较小的λ₂的光圈，则不应当有这个限制。在传统透镜中，可能出现的波长的变化范围带来了大量的散焦，其可被透镜致动器机械地校正。然而，在混合透镜中，总的色散要大得多。一个具有被限制于λ₂光圈中心区域的衍射元件的透镜将会在该中心区域和其周边区域有不同量的散焦。为了用λ₁的辐射光扫描数据，中心区域和周边区域将都被使用，并且为了避免光点的劣化，这样衍射元件就将遍布整个λ₁的光圈。

为了对波长λ₁和波长λ₂都以一种无限共轭的方式操作透镜，由盘厚度不同引起的球面像差应通过使用波长λ₁和λ₂以及衍射级m₁和m₂而得到的衍射元件所引入的球面像差加以补偿。

一个循环的对称的衍射元件可通过这样一个相位函数描述：

             φ(r)＝Ar²+Gr⁴+...，(5)

其中，r代表半径，A和G分别是相对于球面像差和色差的衍射放大率系数。每一个区域的开始位置ri为：

             φ(r_i)＝2πi，      (6)

由衍射元件(具有弱的放大率)产生的，对球面像差有所贡献的主要的一项为：

$W=\frac{\mathrm{\&lambda;mG}}{\mathrm{\&pi;}}{F}^4{\mathrm{NA}}^4,---\left(7\right)$

其中F为焦距，NA为混合透镜的数值孔径。下式给出在使用λ₁和m₁以及λ₂和m₂时球面像差的差值：

$\mathrm{\&delta;W}=({\mathrm{\&lambda;}}_2{m}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1{m}_1)\frac{{\mathrm{GF}}^4{\mathrm{NA}}^4}{\mathrm{\&pi;}}.---\left(8\right)$

在第一格式和第二格式的盘之间的盘厚度差Δd引起的球面像差为：

${\mathrm{\&Delta;W}}_{\mathrm{disc}}=\frac{n_p^2-1}{{8n}_p^3}{\mathrm{\&Delta;dNA}}^4,---\left(9\right)$

其中n_p为盘的折射率，为了补偿这个色差，我们的目标是δW+ΔW_disc＝0，因此，根据等式(8)和(9)，

$\left|G\right|=\left|\frac{(n_p^2-1)\mathrm{\&pi;\&Delta;d}}{{8n}_p^3{F}^4({\mathrm{\&lambda;}}_2{m}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1{m}_1)}\right|.---\left(10\right)$

系统对波长变化的敏感性最好也加以限制。如上所述，由激光器的大规模产生中的制造公差产生的波长散布大约为5到10nm。对于一个混合透镜来说，这不仅产生由于透镜放大率的变化而带来的散焦，而且还有色球差。下式给出光径差(OPD)的均方根，该光径差是由衍射级为m₁的辐射光的波长变化Δλ引起的色球差所引入的。

$\mathrm{OPD}\&ap;\frac{F^4{\mathrm{NA}}^4}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{180}}\left|G{m}_1\mathrm{\&Delta;\&lambda;}\right|.---\left(11\right)$

我们需要一个有限的OPD＜0.03λ的色球差，以便以波长λ₁扫描数据。因为用λ₂扫描的数值孔径NA基本上比用λ₁扫描的数值孔径小，波长λ₂的色球差就小许多。利用等式(10)和(11)我们得到：

$\left|\frac{{\mathrm{NA}}^4(n_p^2-1){\mathrm{\&Delta;dm}}_1\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{8\sqrt{{180n}_p^3({\mathrm{\&lambda;}}_2{m}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1{m}_1)}}\right|<0.03\mathrm{\&lambda;},---\left(12\right)$

并且还有：

$\left|\frac{N{A}^4(n_p^2-1)\mathrm{\&Delta;d}{m}_1\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{3.22n_p^3{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&lambda;}}_2}\right|<|m_2-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{m}_1|.---\left(13\right)$

对于λ₁＝660nm，λ₂＝780nm，Δλ＝5nm，Δd＝0.6mm，n_p＝1.58以及NA＝0.65，我们最后得到下列关系式(用于|m₁|＞0)：

           0.12|m₁|＜|m₂-0.84m₁|.         (14)

将它和等式(3)的衍射效率需求结合起来，我们得到(用于|m₁|＞0)：

           0.12|m₁|＜|m₂-0.84m₁|＜0.55.   (15)

为了得到正的区域间隔(r_i＞0)，系数A必须为正。此外衍射元件的放大率K₀为：

$K_0=-\frac{\mathrm{\&lambda;mA}}{\mathrm{\&pi;}}.---\left(16\right)$

为了使该透镜设计为消色差的，K₀应为正值。因此，m应为负，这样，满足条件(15)的衍射级的组合就只是：

(m₁，m₂)＝(-1，-1)，(-2，-2)，(-3，-2)，(-3，-3)和(-4，-3)  (17)

最后，我们注意到，当

$\frac{m_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1{m}_1/{\mathrm{\&lambda;}}_2}{m_2}<0---\left(18\right)$

那么A/G＜0。A/G＜0时的区域间隔大于A/G＞0时的区域间隔。大的区域间隔更有利，因为它可使元件的制造更加有效。

可借助商用的透镜设计软件设计光学物镜，例如ZEMAX^TM，以波长λ₁和λ₂扫描时的衍射级m₁和m₂可根据等式(17)所给出的解决方案选择。一组参数，例如波长λ₁，λ₂，焦距F，透镜的尺寸等等要被指定，透镜的设计通过一个使用一个推导出的优化函数的程序进行优化，以使得由快速波长变化，球面像差，色球差引起的散焦量最小。

下面，将描述5个不同的透镜设计例子，每一个对应于等式(17)给出的五种(m₁，m₂)方案中的一项。

对于下面将要说明的5个实施例，分别使用波长λ₁＝660nm，波长λ₂＝780nm的辐射光扫描DVD和CD格式的光盘。DVD和CD格式的光盘是由聚碳酸酯制成的，并且在λ₁时的折射率为1.5796，在λ₂时的折射率为1.5733。这些例子中的光学系统将波长为λ₁和λ₂的平行辐射光束分别变成NA为0.65和0.45的会聚光束。5个实施例的物镜都有一个非球面的和一个平面的表面。该非球面表面是通过在带凸面的玻璃透镜体的顶部上涂覆一个薄的丙烯酸层而实现的。5个例子的λ₁-配置中的自由工作距离fdw₁列于表2中。透镜在光轴上的厚度为2.53nm，入射光瞳的直径为3.58mm。透镜体是用SFT56 Schott玻璃制成，对于λ₁具有n＝1.7757的折射率，并且数值孔径为26。直接面向准直器透镜的透镜体的凸面具有2.43mm的半径。丙烯酸层对于λ₁具有n＝1.5640的折射率，并且数值孔径为30。该层在光轴上的厚度为19μm。转动对称的非球面图形可用下式描述：

              z(r)＝B₂r²+B₄r⁴+B₆r⁶+...，

其中z是其表面在光轴方向上的位置，以mm为单位，r是距光轴的距离，单位为mm，B_k是r的K次放大率的系数。这5个实施例的从B₂到B₁₆的系数列于表1中。

由衍射结构引入的相位φ(r)为：

              φ(r)＝m(Ar²+Gr⁴+Hr⁶+...)，

其中，m是衍射级，r是以mm为单位的到光轴的距离，并且表2中列出了这5个实施例所用的系数A，G和H。

由衍射元件引入的相位函数可近似为：

              φ(r)＝|Ar²+Gr⁴|m

在本发明的实施例中，系数A和G最好满足下面的条件：

        10/(F·mm)＜|A|＜1000/(F·mm)；和

        50/F⁴＜|G·(m₂-λ₁m₁/λ₂，|＜5000/F⁴，

其中F是焦距。

更好的是，系数A和G在下面的范围内：

        50/(F·mm)＜|A|＜500/(F·mm)和

        200/F⁴＜|G·(m₂-λ₁m₁/λ₂|＜1000/F⁴.

对于波长是λ₂的辐射光，这5个不同例子的入射光瞳直径epd₂和自由工作距离fwd₂列于表2内。对于λ₂，透镜体的折射率n＝1.7658，丙烯酸层的折射率为n＝1.5588。

例子	(m1，m2)	折射表面
												B2[1/mm2]	B4[1/mm4]	B6[1/mm6]	B8[1/mm8]	B10[1/mm10]	B12[1/mm12]	B14[1/mm14]	B16[1/mm16]
12345	(-1，-1)(-2，-2)(-3，-2)(-3，-3)(-4，-3)	0.23980.23250.21660.23159.2022	-3.265E-3-4.217E-31.192E-2-2.240E-31.863E-2	-1.641E-46.694E-4-1.421E-3-4.862E-4-2.431E-3	1.011E-34.836E-42.678E-49.219E-44.926E-4	-3.322E-4-2.369E-4-9.543E-5-3.879E-4-3.571E-4	2.129E-56.016E-58.476E-69.973E-51.121E-4	1.224E-5-6.795E-60-1.567E-5-1.922E-5	-2.075E-61.714E-701.163E-61.351E-6

表1：折射表面的系数表

例子	(m1，m2)	衍射表面			fwd1	fwd2	epd2
								A[1/mm2]	G[1/mm4]	H[1/mm6]
		12345	(-1，-1)(-2，-2)(-3，-2)(-3，-3)(-4，-3)	29.93534.57254.68124.64858.449							53.29127.877-12.14716.304-19.027	-8.374-3.9941.903-1.9483.286	0.9450.7751.0380.7720.941	0.5740.3900.7310.3880.619	2.4462.4952.4952.4952.495

表2：描述衍射表面的系数以及在入射光瞳直径下的自由工作距离

表3列出了这5个例子的最终特性：

	λ1			λ2
								(m1，m2)	Δλ＝2nm的散焦	Δλ＝5nm的色球差	衍射率eff	由于厚度不同而产生的高阶色差	衍射率eff	#区	最小区
(-1，-1)(-2，-2)(-3，-2)(-3，-3)(-4，-3)	6.2mλ27.5mλ12.4mλ28.3mλ8.9mλ	8.1mλ8.7mλ16.8mλ12.0mλ23.3mλ	97％95％95％95％95％	22.2mλ24.2mλ20.0mλ27.8mλ23.0mλ	91％78％45％60％68％	5942182916	14μm20μm52μm25μm50μm

表3：符合(17)式中所列该组方案的例子的特性

第一列给出了分别用于第一和第二波长λ₁，λ₂的衍射级m₁，m₂。第二列中给出了波长变化Δλ＝2nm时的散焦量。在写操作过程中，激光放大率的改变可以产生Δλ＝2nm的快速的波长变化。这5个实施例的最终的散焦量都小于0.03λ₁。这确保了在由于变化太快，透镜聚焦制动器本身不能补偿最终的散焦的情况下可以用波长为λ₁的辐射光正确的写记录介质。第三列给出了色球差的数量，该色球差是由(例如)激光器的制造公差产生的Δλ＝5nm的波长变化而引起的。其最终值都低于0.03λ₁。在第四和第六列中给出了波长为λ₁和λ₂的辐射光的衍射效率。第五列给出了以波长λ₂扫描时由于盘厚度差值引起的高阶的色差。其最终结果也低于0.03λ₂，这保证了能以λ₂波长的辐射光正确地扫描记录介质。在第七和第八列中给出了物镜区域的总数量和最小区域的区域间隔。

在上述实施例的描述中，描述了一个用于扫描DVD和CD格式的介质的扫描装置，可以理解，该扫描装置也可选择用于其它类型的光记录介质。在所述实施例中，使用了660nm和780nm的激光辐射光，可以理解，也可使用任何其它适合于扫描光记录介质波长的辐射光的组合。

Claims (10)

1.一种光学扫描装置，该装置分别以第一波长λ₁的辐射光扫描具有第一信息层厚度的第一格式的光记录介质，和以第二波长λ₂的辐射光扫描具有第二信息层厚度的第二格式的光记录介质，

所述装置可对所述第一格式的光记录介质进行读写，

所述装置包括一个物镜(10)，该物镜包括具有一折射元件和一衍射元件(11)，并且对于所述第一波长λ₁还具有NA＞0.6的数值孔径NA，

所述衍射元件包括基本上为锯齿状图形的元件，

其中，这样选择物镜的衍射和折射特性，以使得：

所述第一波长的辐射光可被透过，并在所述第一厚度的光记录介质上聚焦；

所述第二波长的辐射光可被透过，并在所述第二厚度的光记录介质上聚焦；以及

由5nm的波长λ₁的变化引起的色球差低于0.03λ₁。

2.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，620nm＜λ₁＜700nm，740nm＜λ₂＜820nm。

3.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，进一步选择衍射和折射特性，以使得由λ₁的波长变化Δλ＝2nm而引起的散焦量低于0.03λ₁。

4.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，所述的锯齿状图案元件具有至少为10μm的宽度。

5.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，所述光记录介质的信息层厚度差值Δd在0.5和0.7mm之间，并且进一步选择衍射和折射特性，以使得由Δd引起的球面像差基本上可被由衍射元件引起的球面像差所补偿，该衍射元件的球面像差是由分别以波长λ₁，λ₂和衍射级m₁，m₂扫描所述第一和第二格式的光记录介质产生的，由此，可以在对所述第二格式的记录介质以λ₂进行扫描时获得多于0.03λ₂的补偿精度。

6.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，衍射和折射性能被进一步选择，以使得在以波长λ₁和λ₂的辐射光对第一和第二格式的记录介质进行扫描时，可分别获得至少95％和35％的衍射效率。

7.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，对于所述的第一波长λ₁和第二波长λ₂的辐射光，下面所列的衍射级m₁和m₂中的一个被用来分别扫描所述的第一和第二格式的光记录介质：

(m₁，m₂)＝(-1，-1)，(-2，-2)，(-3，-2)，(-3，-3)和(-4，-3)。

8.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，所述锯齿状图案元件具有至少为50μm的宽度，并且适合于以下列衍射级m₁，m₂的组合之一并且分别使用波长为λ₁和λ₂的辐射光扫描所述的第一和第二格式的光记录介质，

(m₁，m₂)＝(-3，-2)，(-4，-3)。

9.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，所述的物镜包括高色散的玻璃材料。

10.如权利要求1所述的一种光学扫描装置，其特征在于，所述物镜以一种无限共轭的模式来扫描所述第一和第二格式的记录介质。

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