CN1214376C - 光学拾像装置的物镜 - Google Patents

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CN1214376C CNB998073989A CN99807398A CN1214376C CN 1214376 C CN1214376 C CN 1214376C CN B998073989 A CNB998073989 A CN B998073989A CN 99807398 A CN99807398 A CN 99807398A CN 1214376 C CN1214376 C CN 1214376C
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Abstract

物镜包括具有正折射能力的折射透镜和在折射透镜的至少一个透镜表面上形成的具有许多同心环形阶梯的衍射透镜结构。该物镜是双凸塑料透镜，具有第一和第二消球差表面。衍射透镜结构形成在物镜的第一表面上。该衍射透镜结构类似于菲涅尔透镜，它被形成为许多同心环，各个环具有楔形截面形状。相邻环的边界形成为得到预定光程差的阶梯。衍射透镜结构的波长依从关系使得同一衍射级次的具有不同波长的至少两个光束可以形成适合于至少两种光盘的波前，这两种光盘的覆盖层分别具有不同厚度。

Description

光学拾像装置的物镜
发明的技术领域
本发明涉及装在光盘装置(optical disc apparatus)的光学拾像装置(optical pick up)上的高数值孔径(NA)的物镜，该物镜可以录制/复制其覆盖层具有不同厚度的多种光盘。本发明具体涉及在折射透镜表面上形成衍射透镜结构的物镜。
发明背景
光盘包括其上记录数字信息的信息层和覆盖该信息层的透明覆盖层。光学拾像装置的激光束通过覆盖层会聚，而在信息层上形成束点。光学拾像装置和信息层之间距离的变化取决于覆盖层的厚度。
即，覆盖层越厚，束点离光学拾像装置越远。例如，因为紧密盘(CD)的覆盖层或CD-R的覆盖层其厚度为1.2mm，而数字通用盘(DVD)覆盖层的厚度为0.6mm，所以当用CD或CD-R取代DVD时，要求光学拾像装置将束点移离光学拾像装置0.6mm(0.4mm室气)。
虽然移动物镜时近轴束点移点。但覆盖层厚度的变化使球差发生变化。如果在替换光盘时光学拾像装置只移动物镜，则激光束的波前像差变坏，因此增大了束点直径，这样便妨碍光盘装置复制CD上记录的信息。例如，在从DVD上复制记录的信息时物镜被设计成尽量减小球差，而在用这种物镜复制CD上的信息时，球差变得太大而不能复制信息，即使移动物镜，使束点与信息层重合。
因此，作为现有技术已知一种光学拾像装置，该装置可根据覆盖层的厚度调节激光束进入物镜的状态。
例如，日本专利公告No.平7-98431公开这样一光学拾像装置。此公告所示的光学系统在物镜的激光光源侧应用了全息透镜，将激光光源的激光束分成零级平行衍射光束和一级发散衍射光束。该零级衍射光束用于覆盖层较薄的光盘(即DVD)，而一级衍射光束用于覆盖层较厚的光盘(即CD和CD-R)。当全息透镜被设计成可根据覆盖层的厚度获得最合适的激光束时，该公告的光学拾像装置能对相应的光盘形成有眼衍射的束点。
然而，因为该公告的光学拾像装置总是将激光光源的激光分成零级和一级衍射光束，并且只能用其中一种光束来录制/复制信息，所以使用光量的最大效率不超过40％。
另外，当用其中一种衍射光束来录制/复制信息时，另一衍射光束是不需要的光束，此光束增大了噪声。
再则，DVD的记录密度高于CD的密度，这要求DVD的光学拾像装置形成比专用于CD的光学拾像装置(以后称作CD专用拾像装置)更小的束点。因为束点的直径与激光束的波长正相关，所以DVD的光学拾像装置要求激光光源的振荡波长为635～665nm，此波长短于CD专用拾像装置的振荡波长(即780～830nm)。另一方面，CD-R的反射特性要求激光光源的振荡波长约为780nm。
因此，如公告所述，具有单一激光源的光学拾像装置在采用发射振荡波长较短的激光束的激光光源时，它不能从CD-R复制信息。
发明的简要说明
因此，本发明的目的是提供一种光学拾像装置的物镜，该物镜能够记录/复制在覆盖层厚度不同的许多种光盘(例如CD，CD-R和DVD)上的信息。另外，本发明的目的旨在提供这样的物镜，该物镜的光量使用效率高于如上述公告中公开的常规光学拾像装置的效率。
为达到上述目的，本发明提供一种光学拾取装置的改进物镜，该物镜包括具有正折射能力的折射透镜和具有许多同心环形阶梯的衍射透镜结构，该环形阶梯形成在折射透镜的至少一个透镜表面上。该衍射透镜的波长依从关系使得同一衍射级次的至少两个波长不同的光束形成适合于至少两种光盘的波前，这两种光盘的覆盖层厚度是不相同的。
即，预定级次的衍射光束在预定波长形成适合于具有预定覆盖层厚度的光盘的波前，而在不同的波长形成适合于具有不同覆盖层厚度的光盘的波前。
采用这种结构，对应于光盘覆盖层厚度改变激光束的波长可使预定级次的衍射光会聚在各个信息层上，形成适当的点。
另外，衍射透镜结构最好具有一种波长依赖关系，使得短波长衍射光形成适合于较薄覆盖层光盘的波前，而长波长衍射光形成适合于较厚覆盖层光盘的波前。尤其是，当入射光波长增加时，衍射透镜结构可以改变欠校正方向的球差。
如上所述，当覆盖层厚度增加时，球差在过校正方向变化。因此在较长波长激光光源用于覆盖层较厚光盘，而较短波长激光光源用于覆盖层较薄光盘时，因覆盖层厚度变化造成的球差变化可由上述波长与衍射透镜结构的依赖关系校正。
由衍射透镜结构增加的附加光程长度由以下光程差函数φ(h)表示：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
式中，P2、P4、P6是第二、第四和第六级衍射系数，h是距光轴的高度，而λ是入射光波长。
本发明的物镜满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
式中，h45是一点距光轴的高度，在该点，NA为0.45的光线与衍射透镜结构相交。
另外，折射透镜和衍射透镜结构其总的纵向色差最好使得入射光波长增加时后焦距增大。在这种情况下，最好满足以下条件(2)：
(2)-0.8＜ΔCA/ΔSA＜-0.2
式中，ΔCA是随波长的改变近轴焦点的移动量，而ΔSA是随波长的改变边缘光线球差的变化。
本发明物镜的衍射透镜结构具有小的近轴放大率(paraxialpower)，最好满足以下条件(3)：
(3)-0.020＜f/fD＜0.020
式中，fD是衍射透镜结构的焦距，该焦距定义如下：
fD＝1/(-P2×2λ).
当光盘包括至少两种其覆盖层厚度为1.2mm和0.6mm的光盘时，最好满足以下条件(4)：
(4)0.75＜λ1/λ2＜0.87
式中，λ1是覆盖层厚度为0.6mm光盘的光波长，而λ2是覆盖层厚度为1.2mm光盘的光波长。
再则，该衍射透镜结构在光轴附近的中心区域的闪耀波长λB满足条件λ1＜λB＜λ2，而且满足以下条件(5)和(6)：
(5)0.87＜λB/λ2，
(6)λB/λ1＜1.13.
衍射透镜结构在外周内域的闪耀波长比衍射透镜结构在中心区域的闪耀波长λB短。或者换一种方式说，其上形成衍射透镜结构的透镜表面的外周区域可以是没有阶梯的连续表面。外周区域被定义为一个区域，在此区域中距光轴的高度位于折射透镜有效半径的约85％～100％的范围内。应当注意到，可以在外周区域内形成闪耀较短波长的衍射透镜结构或形成对较短波长区域补偿球差的连续表面。
附图的简要说明
图1A是本发明实施例物镜的前视图；
图1B是本发明实施例物镜的垂直横截面图；
图1C是图1B的放大图；
图2示出其上装有上述实施例物镜的光学拾像装置的光学系统；
图3是第一实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘例如DVD的覆盖层；
图4A、4B和4C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第一实施例物镜的各种像差；
图5是第一实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘例如CD、CD-R的覆盖层；
图6A、6B和6C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第一实施例物镜的各种像差；
图7是本发明第二实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘的覆盖层；
图8A、8B和8C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第二实施例物镜的各种像差；
图9是第二实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘的覆盖层；
图10A、10B和10C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第二实施例物镜的各种像差；
图11是第三实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘的覆盖层；
图12A、12B和12C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第三实施例物镜的各种像差；
图13是第三实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘的覆盖层；
图14A、14B和14C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第三实施例物镜的各种像差；
图15是第四实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘的覆盖层；
图16A、16B和16C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第四实施例物镜的各种像差；
图17是第四实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘的覆盖层；
图18A、18B和18C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第四实施例物镜的各种像差；
图19是第五实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘的覆盖层；
图20A、20B和20C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第五实施例物镜的各种像差；
图21是第五实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘的覆盖层；
图22A、22B和22C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第五实施例物镜的各种像差；
图23是第六实施例物镜的透镜示意图，示出薄覆盖层光盘的覆盖层；
图24A、24B和24C是曲线图，示出应用薄覆盖层光盘时第五实施例物镜的各种像差；
图25是第六实施例物镜的透镜示意图，示出厚覆盖层光盘的覆盖层；
图26A、26B和26C是曲线图，示出应用厚覆盖层光盘时第六实施例物镜的各种像差。
图27是曲线图，示出衍射效率和波长之间的关系。
实施例的说明
图1A、1B和1C示出实施例的物镜10，图1A是前视图，图1B是垂直截面图，而图1C是图1B的放大侧视图。物镜10可应用于光盘装置的光学拾像装置上，该光学拾像装置可录制/复制许多种其覆盖层具有不同厚度的光盘(例如CD、CD-R和DVD)。物镜10可将光源(即半导体激光器)发射的入射光经光盘的覆盖层会聚在信息层上。
物镜10是双凸塑料透镜，具有第一和第二球面11和12。在物镜10的第一球面上形成衍射透镜结构。该衍射透镜结构形成为极大数目的同心环，各个环具有楔形截面形状，很类似于菲涅尔透镜。相邻环之间的边界形成为阶梯，产生预定光程差。
图2示出其上装有物镜10的光学拾像装置的光学系统。该光学系统包括DVD模件、CD模件、光束联合器23、准直透镜24和物镜10。各个模件21和22具有装在共同基片上的半导体激光器和传感器。物镜10装在焦点调节机构上，从而可调节对应于光盘信息层位置的透镜位置。
DVD是薄覆盖层光盘。DVD覆盖层的厚度为0.6mm。为在DVD上形成极细的束点，需要其波长在635～665nm范围内的激光束。另一方面，CD-R和CD是厚覆盖层光盘。CD-R或CD覆盖层的厚度是1.2mm。CD-R由于其光谱反射率而要求约780nm的激光束。
因此DVD模件21的半导体激光器发射波长为635nm或650nm的激光光束，而CD模件22的半导体激光器的发射波长为780nm的激光光束。
由半导体激光器发射的激光光束经覆盖层D1(实线)或D2(虚线)会聚在信息层上。
当应用具有薄覆盖层D1的薄覆盖层光盘时，使DVD模件操作，发射激光束L1(实线)。该激光束经薄覆盖层D1会聚在薄覆盖层光盘的信息层上。在使用具有厚覆盖层D2的厚覆盖层光盘时，使CD模件22操作，发射激光束L2(虚线)。该激光束L2经厚覆盖层D2会聚在厚覆盖层光盘的信息层上。
衍射透镜结构具有这样的波长依赖关系，使得预定级次的衍射光(在实施例中为第一级衍射光)在波长635nm或650nm处形成适合于薄覆盖层光盘的波前，而在波长780nm处形成适合于厚覆盖层光盘的波前。在实施例中，衍射透镜结构所具有一种波长依赖关系，使得当入射光的波长增加时球差在欠校正方向发生变化。
球差在过校正方向随覆盖层厚度的增加而变化。另外，衍射透镜结构使得在欠校正方向的球差随入射激光束波长的增加而变化。因为较长波长激光束用于厚覆盖层光盘，而较短波长激光束用薄覆盖层光盘，所以由覆盖层变化引起的球差变化可由因衍射透镜结构的波长依从关系引起的球差变化补偿。
由衍射透镜结构增加的附加光程长度由以下光程差函数φ(h)表示：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
式中，P2、P4和P6是第二、第四和第六级的系数，h是离光轴的高度，λ是入射光波长。函数φ(h)代表一根未由光栅衍射的想像光线和一根由光栅衍射的经衍射透镜结构上一个点的光线之间的光程差，该点距光轴的高度为h。在这一表达式中，二级系数P2的负值代表衍射透镜结构的正的近轴放大率(positive paraxial power)。当第四级系数大于零时负放大率(negative power)随离光轴距离的增加而增加。
衍射透镜结构的真实宏观形状像菲涅尔透镜，具有许多同心环。真实的形状由φ(h)减去λ×m(m是整数)确定：
Φ′(h)＝(MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)-C)×λ3
符号λB是闪耀波长，在该波长，光栅阶梯给出一个波长的光程差，衍射效率在闪耀波长λB达到最大。符号C是常数，确定相邻环(0≤C＜1)之间边界的相位。函数MOD(x，y)代表x由y除得到的余数。
MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)在边界等于零。衍射透镜结构形成在构成折射透镜的透镜表面的底曲面上。环区域的倾斜和阶梯被设计成光程差由φ’(h)确定。
物镜10满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
式中，h45是NA为0.45的光线相交于衍射透镜结构的点距离光轴的高度。
满足条件(1)时，由于覆盖层厚度变化造成的球差变化可以有效地由波长变化形成的衍射透镜结构的球差变化抵消。如果条件(1)的中间项小于-15，则由波长改变造成的球差变化太大。因为由半导体激光器发射的激光束波长因个性差别而有约±5nm的允许差，所以如果球差的变化相对于波长的变化相当大，则不能应用其发射的激光束波长不同于标准波长的半导体激光器。这要求选择半导体激光器，从而降低了生产效率。为避免上述情况，要求由衍射透镜结构补偿球差的补偿效果稍欠充分。
另一方面，当条件(1)的中间项超过-7时，则波长变化引起的球差变化太小，不能补偿由覆盖层厚度的变化引起的球差变化。另外，当对于薄覆盖层光盘应用635～665nm波长的激光束，而对于厚覆盖层光盘应用780nm波长的激光束时，条件(1)的中间项的最合适值约为-11。
由于温度变化引起的激光波长的改变使物镜的后焦距发生变化，这造成聚焦误差。因为由温度变化造成的后焦距变化是很慢的，所以可采用光学拾像装置上的焦点调节装置来校正聚焦误差。
另一方面，激光波长在录制期间随激光输出在高、低量之间的切换而快速改变。波长的快速改变也造成聚焦误差，这种误差不能由焦点调节机构完全校正。因此要求物镜10被作成可以减小焦点的移动。
通过校正总的纵向色差可以减小焦点的移动。但是因为实施例的物镜具有球差方面的波长依从关系，所以纵向色差的完全校正则正好相反增加了最佳焦点位置的移动。因此应当使色差的校正与由于波长改变引起的球差变化相平衡。
为此，实施例的折射透镜和衍射透镜结构所具有的总的纵向色差应使得入射光波长增加时后焦距增大，并满足以下条件(2)：
(2)-0.8＜ΔCA/ΔSA＜-0.2
式中，ΔCA是随波长的改变近轴焦点的移动，而ΔSA是外周光线随波长改变其球差的变化。
当满足条件(2)时，波长的增加使近轴焦点移离透镜，并使外周光线的焦点移近透镜。如果在标准波长λ0几乎校正球差，则增大的波长λ3(＞λ0)的近轴焦点距透镜的距离大于标准波长λ0的近轴焦点的距离，并且增大波长λ3外周光线的焦点比标准波长λ0的近轴焦点更靠近透镜。因此可以减小最佳焦点位置的移动，该最佳焦点位置是从近轴焦点到外周光线焦点的平均焦点位置。
另外，使物镜10满足以下条件(3)可以减小因波长快速变化引起的最佳焦点位置的移动：
(3)-0.020＜f/fD＜0.020
式中，fD是衍射透镜结构的焦距，它被定义为下式：
fD＝1/(-P2×2λ).
条件(3)确定纵向色差的补偿效果。众所周知，对应于衍射透镜Abbe数的值等于-3.453。与折射透镜的值的比较，该值的负号表示色散的相反方向(opposite sense of dispersion)，其低的数值表示大色散。因此应用放大率小的衍射透镜结构，使其与折射透镜结合，便可以补偿色差。
当满足条件(3)时，可以在保持补偿覆盖层厚度变化引起的球差的补偿效果的同时减小因快速波长变化引起的最佳焦点位置的移动。
选择激光波长，使得满足以下条件(4)：
(4)0.75＜λ1/λ2＜0.87
式中，λ1是薄覆盖层光盘的激光束波长，而λ2是厚覆盖层光盘的激光束波长。
在满足条件(4)时，衍射透镜结构可以充分地改变由波长变化引起的球差。波长λ1和λ2之比代表由衍射透镜结构一个阶梯引起的波前缘差量。例如，当λ1为650nm，λ2为780nm，并将波长650nm的波前缘差量定作为标准值时，则在波长780nm处，在每一个阶梯的标准值上加上波前像差(780-650)/780＝0.1666λ。如果条件(4)的比大于0.87，则增加衍射透镜结构阶梯的数目，以获得预定的波前差，但在边缘阶梯损失光量，另外，由波长变化引起的球差变化太大，这样便不能使用其波长不同于标准波长的半导体激光器。
在另一方面，如果比λ1/λ2小于0.75，则这些波长之差变得太大，平均衍射效率则太小。
在设计衍射透镜结构的微观结构时可以选择获得最大衍射效率的闪耀波长λB。衍射透镜结构的闪耀波长λB在光轴附近的中心区域满足λ1＜λB＜λ2，以保持较高的衍射效率。按照这种条件，例如当λ1是635nm，λ2是780nm时，可将衍射的闪耀波长设定在λ1和λ2之间的任何波长。
图27是曲线图，示出将闪耀波长设定在635nm、690nm或710nm时的衍射效率。在任何情况下，在635nm和780nm的衍射效率均大于90％。这与日本专利申请No.平7-98431所公开的光学系统的40％相比是相当大的值。
实施例的物镜10还满足以下条件(5)和(6)，以进一步增加衍射效率：
(5)0.87＜λB/λ2，
(6)λB/λ1＜1.13.
当闪耀波长λB接近波长λ1和λ2之一时，离闪耀波长λB更远的波长其衍射效率降低。当满足条件(5)和(6)时，在两个波长λ1和λ2的衍射效率在约95％以上。
在外周区域的衍射透镜结构其闪耀波长短于在中心区的衍射透镜结构的闪耀波长λB。换言之，可使其上形成衍射透镜结构的透镜表面的外周区域形成为没有阶梯的连续表面。外周区域被定义为一个区域，该区域距光轴的高度位于折射透镜有效半径的85％～100％的范围内。
DVD要求0.60的NA，而对于CD或CD-R，0.5的NA已足够。0.5NA以外的激光束对复制CD或CD-R产生坏的影响。NA为0.6的激光束对CD或CD-R形成太小的束点。因此要求外周区域专用于DVD。当外周区域的闪耀波长短于中心区域时，CD或CD-R的衍射效率降低，而DVD的衍射效率增加。当外周区域是对DVD校正像差的连续表面时，该外周区域可起会聚DVD激光束的作用。
另外，折射凸透镜在过校正方向的球差随温度的升高而改变，因为温度升高折射率下降，而且半导体激光器具有一种温度依赖关系，使得发射激光的波长随温度上升而增加。当温度上升时，折射透镜改变过校正方向的球差，而衍射透镜结构改变欠校正方向的球差，因为半导体激光器发射的光波长增加。因此由折射透镜和衍射透镜结构引起的球差变化可以彼此抵消。
因此，当用其折射率随温度上升而减小的树脂制作物镜10时，需要在外周区域以及中心区域上形成衍射透镜结构。在这种情况下，要求外周区域的衍射透镜结构其闪耀波长短于中心区域的闪耀波长，以便增加DVD所用激光束的衍射效率。
下面说明上述结构的六个实施例。为兼容的光学拾像装置设计实施例的物镜10，使物镜10既可用于薄覆盖层光盘又可用于厚覆盖层光盘，前者例如为DVD，其覆盖层厚度为0.6mm，而后者例如为CD或CD-R，其覆盖层厚度为1.2mm。衍射透镜结构在第一、第二、第三和第四实施例中形成在第一表面上，而在第五和第六实施例中形成在第二表面上。
实施例1
图3示出第一实施例的物镜10以及薄覆盖层光盘的覆盖层D1。图5示出物镜10以及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第一实施例的设计数值示于表1。表面#1和#2表示物镜10，表面#3和#4表示光盘的覆盖层。
在表1中，NA表示数值孔径；f表示总的焦距(单位mm)；fD表示衍射透镜结构的焦距(单位mm)；ω表示半视角(单位为度)；λ1表示用于薄覆盖层光盘的波长(单位nm)；λ2表示用于厚覆盖层光盘的波长(单位nm)；λB表示闪耀波长(单位nm)；h45表示一个点距光轴的高度(单位mm)，在该点数值孔径为0.45的光线相交于衍射透镜结构；r表示表面的曲率半径(单位mm)(消球差面(asphericalsurface)顶点的值)；d1表示薄覆盖层光盘沿光轴的表面之间的距离(单位mm)；d2表示厚覆盖层光盘的距离(单位mm)；nλ表示波长λnm的折射率；Vd表示Abbe数。
第一表面11(表面#1)的底曲面是消球差的。该底曲面被定义为不包括衍射透镜结构的折射透镜的形状。第二表面12(表面#2)也是消球差的。消球差表面由以下方程表示：
X ( h ) = h 2 c 1 + 1 - ( 1 + K ) 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)是SAG(下陷值)，即一个曲线离表面上一个点的切平面的距离，该点距光轴的高度为h。符号C代表表面顶点的曲率(1/r)，K是二次曲线常数，A4、A6、A8、A10和A12是第四、第六、第八、第十和第十二级的消球差表面系数。常数K及物镜10的第一和第二表面的系数A4～A12示于下面的表2。
另外，表2还示出确定衍射透镜结构的光程差函数φ(h)的第二、第四、第六、第八和第十级的系数P2、P4、P6、P8和P10。
表1  λ1＝650nm  NA 0.60  f＝3.30mm  fD＝330.53mm ω＝1.0° h45＝1.49mm(#1)
     λ2＝780nm  NA 0.45  f＝3.32mm                ω＝1.0°
     λB＝710nm
表面号  r       d1       d2     n550     n780     νd
#1      2.117   2.400    2.400  1.54082  1.53677  55.6
#2      -7.254  1.592    1.222
#3      ∞      0.600    1.200
#4      ∞
表2     表面#1             表面#2
K       -0.4400            0.0000
A4    -0.2560×10-2      0.1882×10-1
A6    -0.8470×10-3     -0.5235×10-2
A8     0.8800×10-4      0.3275×10-3
A10   -0.7500×10-5      0.3235×10-4
A12   -0.6200×10-5      0.0000
P2    -2.3272
P4    -1.5289
P6    -5.5184×10-1
P8     1.5292×10-1
P10   -1.6178×10-2
图4A～4C示出用薄覆盖层光盘及波长650nm时第一实施例物镜的第三级像差。图4A示出波长650nm的球差SA和正弦条件SC；图4B示出用波长650nm、645nm和655nm的球差表示的色差；图4C示出像散(S为径向像散(Sagittal)，M为子午线像散(Meridional))。
图4A和4B的垂直轴代表数值孔径NA，图4C的垂直轴代表像高度Y。在图4A～4C的各个图中，水平轴的单位是“mm”。图6A、6B和6C是应用厚覆盖层光盘及波长780nm时类似于图4A、4B和4C的曲线图。
如图4A和6A所示，在650nm和780nm两个波长球差已得到充分校正。
当入射光波长增加时，近轴焦点移动，使得后焦距增加。波长改变+5nm造成的后焦点的移动量ΔCA由图4B中650nm和655nm的两条曲线的下端点之间的宽度表示。波长改变+5nm造成的边界光线球差的变化量ΔSA由650nm曲线上端点和655nm曲线的平移曲线的上端点之间的宽度表示，将655nm曲线的下端点平移到650nm曲线的下端点上便形成该平移曲线。因为这些值的比满足条件2，所以图4B中650nm和655nm的两条曲线相交于垂直轴，这表示，由波长快速改变引起的最佳焦点位置的移动量相当小。
在上述第一实施例的数值设计中，在第一表面的有效半径整个区域内形成在710nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对于薄覆盖层光盘优化外周区域。第一实施例物镜的有效半径为1.98nm，NA为0.6时的焦距为3.3mm。厚覆盖层光盘要求的半径为1.49mm，NA为0.45时的焦距为3.32mm。因此外周区域定义为这样一个区域，在此区域中距光轴的高度位于第一实施例有效半径的75.5％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，外围区域可形成为在650nm闪耀的衍射透镜结构，或形成为补偿650nm像差的连续表面。当外围区域形成为连续表面时，可以在中心区域形成在710nm闪耀的衍射透镜结构。中心区域包括中央的圆形部分以及第一至第十五环形阶梯。第16环覆盖外周区域，该外周区域是由下面表3中的系数确定的转动对称的消球差表面。符号D是光轴上的透镜表面和沿光轴方向的外围区域表面之间的位移量。
表3
r＝2.09903
K＝-0.44
A4＝-8.73_10-4
A6＝-1.26_10-4
A8＝-6.17_10-5
A10＝6.67_10-6
A12＝-6.20_10-6
Δ＝-0.01923
实施例2
图7示出第二实施例的物镜10以及薄覆盖导光盘的覆盖层D1。图9示出物镜10以及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第二实施例的数值设计示于表4。表5示出二次曲线常数、第一和第二表面的消球差表面系数以及形成在第一表面上的衍射透镜结构的衍射系数。
图8A～8C示出应用薄覆盖层光盘及635nm波长时第二实施例物镜的各种像差。图10A～10C示出应用厚覆盖层光盘及波长780nm时的各种像差。
表4 λ1＝635nm  NA 0.60  f＝3.50mm  fD＝350.00mm  ω＝1.0°  h45＝1.58mm(#)
    λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.52mm                 ω＝1.0°
    λB＝690nm
表面号  r       d1     d2     n650     n780     νd
#1      2.278   2.928  2.928  1.54142  1.53677  55.6
#2     -6.508   1.521  1.153
#3      ∞      0.600  1.200
#4      ∞
表5    表面#1               表面#2
K      -0.4400              0.0000
A4    -0.1890×10-2       0.2349×10-1
A6    -0.3510×10-3      -0.7437×10-2
A8     0.8300×10-5       0.8432×10-3
A10   -0.1250×10-5       0.1949×10-4
A12   -0.3860×10-5       0.0000
P2    -2.2497
P4    -1.1709
P6    -3.3665×10-1
P8     1.1948×10-1
P10   -1.9838×10-2在第二实施例的上述数值设计中，在第一表面的整个有效半径区域内形成在690nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对薄覆盖层光盘优化外围区域。第二实施例的有效半径为2.1mm，而NA为0.6的焦距为3.5mm。厚覆盖层光盘要求的半径为1.76mm，NA为0.50的焦距为3.52mm。因此外围区域被定义为一个区域，在此区域中，距光轴的高度落在第二实施例有效半径的83.8％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，该外围区域可形成为在635nm闪耀的衍射透镜结构或形成为补偿635nm像差的连续表面。
实施例3
图11示出第三实施例的物镜10以及薄覆盖层光盘的覆盖层D1。图13示出该物镜10及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第三实施例的数值设计示于表6。表7示出二次曲线常数、第一和第二表面的消球差表面以及形成在第一表面上的衍射透镜结构的衍射系数。
图12A～12C示出应用薄覆盖层光盘及波长635nm时第三实施例物镜的各种像差。图14A～14C示出应用厚覆盖层光盘及780nm波长时的各种像差。
表6
λ1＝635nm  NA 0.60  f＝3.50mm  fD＝∞  ω＝1.0°  h45＝1.58mm(#1)
λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.53mm           ω＝1.0°
λB＝690nm
表面号   r       d1     d2     n650     n780    νd
#1       2.203.  2.400  2.400  1.54142  1.53677  55.6
#2      -8.367   1.781  1.423
#3       ∞      0.600  1.200
#4       ∞
表7      表面#1                  表面#2
K        -0.4400                 0.0000
A4      -0.1800×10-2          0.1746×10-1
A6      -0.1500×10-3         -0.4844×10-2
A8      -0.9100×10-4          0.5863×10-3
A10      0.1150×10-4         -0.2529×10-4
A12     -0.3860×10-5          0.0000
P2       0.0
P4      -1.2621
P6      -1.4187×10-1
P8        2.7738×10-2
P10      -5.6149×10-3
在上述第三实施例的数值设计中。在第一表面的整个有效半径区域内形成在波长690nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对薄覆盖层光盘优化外围区域。第三实施例物镜的有效半径为2.1mm，NA为0.6的焦距为3.5mm。厚覆盖层光盘要求的半径为1.765mm，NA为0.50的焦距为3.55mm。因此外围区域被定义为这样一个区域，在此区域中，距光轴的高度落在第三实施例有效半径的84.0％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，该外围区域可形成为对635nm闪耀的衍射透镜结构，或形成对635nm补偿像差的连续表面。
实施例4
图15示出第四实施例的物镜10以及薄覆盖层光盘的覆盖层D1。图17示出该物镜10以及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第四实施例的数值设计示于表8。表9示出二次曲线常数、第一和第二表面的消球差表面以及形成在第一表面上的衍射透镜结构的衍射系数。
图16A～16C示出应用薄覆盖层光盘及波长650nm时第四实施例物镜的各种像差。图18A～18C示出应用厚覆盖层光盘及波长780nm时的各种像差。
表8 λ1＝650nm  NA 0.60  f＝3.50mm  fD＝∞  ω＝1.0°  h45＝1.58mm(#1)
    λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.53mm           ω＝1.0°
    λB＝710nm
表面号  r      d1     d2     n650     n780     νd
#1      2.193  2.300  2.300  1.54082  1.53677  55.6
#2     -8.740  1.831  1.471
#3      ∞     0.600  1.200
#4      ∞
表9
         表面#1            表面#2
K        -0.4400           0.0000
A4   -0.2530×10-2          0.1316×10-1
A6    0.2110×10-3          0.3070×10-2
A8   -0.6630×10-4         -0.3534×10-2
A10   0.8400×10-5          0.9045×10-3
A12  -0.5800×10-5          0.0000
P2    0.0
P4   -1.3766
P6   -2.0032×10-1
P8    3.7560×10-2
P10  -1.0539×10-3
在上述第四实施例的数值设计中，可以在第一表面的整个有效半径区域内形成在710nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对薄覆盖层光盘优化外围区域。外围区域被定义为一个区域，在该区域内，距光轴的高度落在与第三实施例一样的第四实施例的有效半径的84.0％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，该外围区域可以形成为对650nm闪耀的衍射透镜结构，或形成为可补偿650nm像差的连续表面。
实施例5
图19示出第五实施例的物镜10以及薄覆盖层光盘的覆盖层D1。图21示出该物镜10及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第五实施例的数值设计示于表10。表11示出二次曲线常数、第一和第二表面的消球差表面以及形成在第二表面上的衍射透镜结构的衍射系数。
图20A～20C示出应用薄覆盖层光盘及波长635nm时第五实施例物镜的各种像差。图21A～21C示出应用厚覆盖层光盘及波长780nm时的各种像差。
表10 λ1＝635nm  NA 0.60  f＝3.50mm  fD＝∞  ω＝1.0°  h45＝1.23mm(#2)
     λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.53mm           ω＝1.0°
     λB＝690nm
表面号  r      d1     d2     n650     n780     νd
#1      2.199  1.930  1.930  1.54142  1.53677  55.6
#2     -9.484  2.042  1.685
#3      ∞     0.600  1.200
#4      ∞
表11    表面#1               表面#2
K       -0.4400              0.0000
A4    -0.9330×10-3        0.1600×10-1
A6    -0.3370×10-4       -0.2886×10-2
A8    -0.5210×10-4        0.1721×10-3
A10    0.7400×10-5        0.2300×10-6
A12   -0.3100×10-5        0.0000
P2                          0.0
P4                         -5.2894
P6                          9.3630×10-1
P8                         -5.9940×10-2
P10                         1.8211×10-4
在上述第五实施例的数值设计中，在第二表面的整个有效半径区域内形成在690nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对薄覆盖层光盘优化外围区域。该外围区域被定义为一个区域，在该区域中，距光轴的高度落在第五实施例的和第三实施例一样的有效半径的84.0％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，该外围区域可以形成为在635nm闪耀的衍射透镜结构或形成为可补偿635nm像差的连续表面。
实施例6
图23示出第六实施例的物镜10以及薄覆盖层光盘的覆盖层D1。图25示出该物镜10以及厚覆盖层光盘的覆盖层D2。第六实施例的数值设计示于表12。表13示出二次曲线常数、第一和第二表面的消球差表面系数以及形成在第二表面上的衍射透镜结构的衍射系数。
图24A～24C示出应用薄覆盖层光盘及波长650nm时第六实施例的各种像差。图25A～25C示出应用厚覆盖层光盘及波长780nm时的各种像差。
表12 λ1＝650nm  NA 0.60  f＝3.50mm  fD＝202.10mm  ω＝1.0°  h45＝1.23mm
(#2)
    λ2＝780nm   NA 0.50  f＝3.53mm                ω＝1.0°
    λB＝710nm
表面号  r       d1     d2     n650     n780     νd
#1      2.207   1.930  1.930  1.54082  1.53677  55.6
#2     -10.066  2.042  1.685
#3      ∞      0.600  1.200
#4      ∞
表13
          表面#1               表面#2
K         -0.4400              0.0000
A4       -0.8170×10-3       0.1600×10-1
A6       -0.3070×10-4      -0.2930×10-2
A8       -0.4850×10-4       0.1875×10-3
A10       0.6320×10-5      -0.1225×10-5
A12      -0.2820×10-5        0.0000
P2                           -3.8063
P4                           -5.3042
P6                            9.2234×10-1
P8                           -5.7284×10-2
P10                          -3.4616×10-4
在上述第六实施例的数值设计中，在第二表面的整个有效半径区域内形成在710nm闪耀的衍射透镜结构。另一方面，对薄覆盖层光盘优化外围区域。该外围区域被定义为一个区域，在该区域中，距光轴的高度落在第六实施例的与第三实施例一样的有效半径的84.0％～100％的范围内。
为对薄覆盖层光盘优化外围区域，该外围区域可形成为在650nm闪耀的衍射透镜结构，或形成为可补偿650nm像差的连续表面。
以下的表14示出第一到第六实施例的条件(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)的值。因为所有实施例满足条件(1)，所以可以减小由覆盖层厚度变化引起的波前差的变坏。所有实施例满足条件(2)和(3)，这减小了因波长快速改变造成的最佳焦点位置的移动。因为所有实施例满足条件(4)、(5)和(6)，所以可以很好地平衡因波长改变引起的纵向色差和球差的变化，这些实施例的物镜还可减少最佳焦点位置的移动。
表14                      实施例
              1      2      3      4      5      6
条件(1)       -10.6  -0.36  0.010  0.833  0.910  1.092
Φ(h45)/λ-P2×(h45)2
条件(2)       -9.7   -0.26  0.010  0.814  0.885  1.087
ΔCA/ΔSA
条件(3)       -9.4   -0.50  0.000  0.814  0.885  1.087
f/fD
条件(4)       -10.2  -0.43  0.000  0.833  0.910  1.092
λ1/λ2
条件(5)       -9.2   -0.78  0.000  0.814  0.885  1.087
λB/λ2
条件(6)       -9.3   -0.47  0.017  0.833  0.910  1.092
λB/λ1
虽然已参考实施例说明本发明，但这些实施例不能解释为对本发明范围的限制。本发明的范围由所附权利要求书规定。

Claims (11)

1.一种光盘头的物镜，包括：
具有正折射率的折射透镜(10)；
具有许多同心环形阶梯的衍射透镜结构(11)，所述同心环形阶梯形成在上述折射透镜的至少一个透镜表面上，所述衍射透镜结构具有球差；
其特征在于，上述衍射透镜结构被设计成其所具有的球差随波长变化而改变，使得至少两束同一衍射级次的不同波长的光束(L1，L2)形成其球差被校正的波前，该波前适合于至少两种分别具有不同厚度覆盖层的光盘(D1，D2)。
2.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构具有波长依从性，使得第一波长衍射光束可以形成其球差被校正的适合于较薄覆盖层光盘的波前，第二波长衍射光束可以形成其球差被校正的适合于较厚覆盖层光盘的波前，上述第一波长短于上述第二波长。
3.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构所具有的上述波长依从关系使得当入射光波长增加时球差在欠校正方向发生变化。
4.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，满足以下条件(1)：
          (1)-15＜φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
式中，h45是一个点距光轴的高度，在该点，NA为0.45的光线相交于上述衍射透镜结构；λ是上述光的波长；P2是在上述衍射透镜结构增加的附加光程长度由以下光程差函数φ(h)表示时的第二级系数；
          φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
上式中，P4和P6是第四和第六级系数，h是离光轴的高度。
5.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，上述折射透镜和衍射透镜结构所具有的总的纵向色差使得入射光波长增加时焦距增加；并满足以下条件(2)：
           (2)-0.8＜ΔCA/ΔSA＜-0.2
式中ΔCA是随波长的改变近轴焦点的移动量，而ΔSA是边界光线的球差随波长的上述改变而发生的变化。
6.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构具有小的近轴放大率；而且满足以下条件(3)：
           (3)-0.020＜f/fD＜0.020
式中，f是在上述较短波长时上述物镜的总的焦距，而fD是在上述较短波长时上述衍射透镜结构的焦距，该焦距由下式确定：
           fD＝1/(-P2×2λ)
式中，P2是在上述衍射透镜结构增加的附加光程长度由以下光程差函数φ(h)表示时的第二级系数：
           φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
式中，P4和P6是第四和第六级系数，h是离光轴的高度，而λ是入射光的波长。
7.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构被设计成满足以下条件(4)：
           (4)0.75＜λ1/λ2＜0.87
式中，λ1是用于其覆盖层厚度为0.6mm的上述光盘的上述光波长，而λ2是用于其覆盖层厚度为1.2mm的光盘的上述光波长。
8.如权利要求7所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构在光轴附近中心区的闪耀波长λB满足条件λ1＜λB＜λ2。
9.如权利要求8所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构在上述中心区域的闪耀波长λB满足以下条件(5)和(6)：
           (5)0.87＜λB/λ2，
           (6)λB/λ1＜1.13。
10.如权利要求8所述的物镜，其特征在于，上述衍射透镜结构在外围区域的闪耀波长短于上述衍射透镜结构在上述中心区域的闪耀波长λB。
11.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，其上形成上述衍射透镜结构的透镜表面外周区域是无阶梯的连续表面，上述外周区域被形成为一个区域，在该区域内，离光轴的高度位于上述折射透镜有效半径的85％～100％的范围内。
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