CN1277140C - 物镜设计方法、透镜及使用该透镜的光学系统、光传感头和光盘装置 - Google Patents

物镜设计方法、透镜及使用该透镜的光学系统、光传感头和光盘装置 Download PDF

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Abstract

本发明是使用多种单色光的多波长用光学系统，对各个透明基板厚度不同的多种光记录媒体，能以高的光利用效率使光束聚焦在信息记录面上。在光盘装置中装进DVD基板2的厚度t1是0.6mm的DVD时，用波长λ1＝655nm的光束4作为数值孔径NA＝0.63的光束，聚焦在DVD基板2的信息记录面2a上。此外，在光盘装置中装进CD基板3的厚度t2是1.2mm的CD时，有效利用波长λ2＝790nm的光束5作为数值孔径大致是0.47的光束，聚焦在CD基板3的信息记录面3a上。虽然因DVD和CD的基板2和3的厚度差异而产生波面像差，但被因光束4和5的波长差异而产生的色像差所抵消，即使透明基板的厚度有差异，也能良好地聚焦在各个信息记录面2a和3a上。

Description

物镜设计方法、透镜及使用该透镜的光学系统、 光传感头和光盘装置
技术领域
本发明是使用多种单色光的多波长用光学系统，涉及能够应用于可与例如CD(高密度盘：也包含CD-R等CD)或DVD(数字通用光盘)等种类不同的光记录媒体对应的互换型录放装置的物镜的设计方法、物镜、通用的多波长用透镜、多波长用光学系统、光传感头和光盘装置。
背景技术
现有技术提出一种能同时播放CD或DVD等种类不同的光盘的互换型光盘装置。CD或DVD等(以下统称为光盘)都使用透明基板，在该透明基板的一个面上设置信息记录面。然后，用两张透明基板，将它们的信息记录面面对面贴合起来构成光盘，或者，将该透明基板与透明的保护基板贴合起来，使透明基板的信息记录面与保护基板面对面而构成。在播放该构成的光盘上存储的信息时，必须由光盘装置将来自光源的激光束通过透明基板聚焦在光盘的信息记录面上。如后所述，在CD中使用的情况下与在DVD中使用的的情况下激光束的波长不同。为了聚焦激光束，在光盘装置中使用物镜。在此，CD中用的透明基板的厚度是1.2mm，而DVD中用的透明基板的厚度是0.6mm，与光盘的种类(激光束的波长不同)对应，设置有信息记录面的透明基板的厚度不同。播放种类不同的光盘的光盘装置中，即使与光盘的种类对应，透明基板的厚度不同，也必须把激光束聚焦在信息记录面上。此外，近年提出的新的光盘装置提出使用波长400nm左右的蓝色激光来进行信息的播放。因而，期望在光盘装置中，除CD和现行的DVD之外，为了下位互换，也能同时利用那样的新的光盘。
作为这样的互换型光盘装置，考虑在拾波器上设置每种光盘的物镜，与使用的光盘种类对应交换物镜，或设置每种光盘的拾波器，与使用的光盘种类对应交换拾波器。但是，从成本方面考虑或实现装置的小型化，最好能对任何种类的光盘都使用相同的透镜作为物镜。
日本公开专利特开平9-145995号公报中记载了作为这样的物镜的代表例。该文献中记载的物镜在半径方向上划分成3个以上的环形透镜面，每隔一个的环形透镜面与其它的透镜面具有不同的折射能力。而且，对相同波长的激光束，每隔一个的环形透镜面使激光束聚焦在例如薄的透明基板(0.6mm)的光盘(DVD)的信息记录面上，其它的环形透镜面使激光束聚焦在例如厚的透明基板(1.2mm)的光盘(CD)的信息记录面上。
此外，日本公开专利特开2000-81566号公报(美国专利US 6118594号公报)中记载了另一个代表例。该文献中，记载了对薄透明基板的DVD使用短波长(635nm或650nm)的激光束，对厚基板的CD使用长波长(780nm)的激光束的光盘装置。该光盘装置具有对这些激光束通用的物镜。而且，该物镜形成了在具有正折射能力的折射透镜的一个面上密集地设置许多环形阶梯的衍射透镜结构。该衍射透镜结构设计成将对薄透明基板的DVD的短波长的激光束的衍射光和对厚透明基板CD的长波长的激光束的衍射光聚焦在信息记录面上。而且，任何衍射光都把同一次数的衍射光聚焦在信息记录面上。另外，对DVD使用短波长的激光束是因为与CD的情况相比，DVD的记录密度较高，因此，必须缩小束斑。如所周知的那样，光斑的大小与波长成正比，与数值孔径NA成反比。
也提出了在透镜面上设置环形相移器的环形相位补偿透镜方式的物镜(日本公开专利特开2001-51192号公报)。该物镜中，首先以使用于DVD的为了使因波长λ1640nm的激光束产生的波面像差消失的透镜面为基准。进而，在该物镜中，在半径方向上划分成多个环形的折射面，分别从该基准透镜面按规定阶梯(距透镜中心的第i个阶梯为di)形成这些折射面。利用该阶梯，各个折射面使DVD的激光束对基准透镜面相移其波长λ1的整数mi倍，由此来降低CD系统的波面像差。
上述任何现有例都能对DVD和CD一起使用通用的物镜，因此不需要用于交换每个包括物镜的DVD和CD的使用部件的装置，在成本方面或结构的简化方面有利。
但是，日本公开专利特开平9-145995号公报中，由于物镜中的每个对DVD和CD利用的环形透镜面不同，因此对入射激光束无效的部分多，光利用效率明显低。
此外，日本公开专利特开2000-81566号公报(美国特许6118594号公报)中，因为利用由衍射透镜结构生成的衍射光，因此对各个不同波长的衍射效率不能同时达到100％。再有，该衍射透镜中，对用于DVD的短波长(635nm或650nm)的激光束和用于CD的长波长(780nm)的激光束，其大致中间的波长的衍射效率为100％，对使用的激光束，衍射效率均衡。此外，由于在透镜面上设置衍射透镜结构，因此需要微小的阶梯，但容易受制造上的误差的影响，衍射结构脱离设计要求时，就导致衍射效率劣化。这样，所谓衍射效率的劣化或本来衍射效率就达不到100％，就意味着不能把全部入射光聚焦在光盘的透明基板上设置的信息记录面上，其相当于光量损失。
另外，日本公开专利特开2001-51192号公报中公开的环状相位补偿透镜方式中，虽然光利用效率高，但把对DVD激光束没有波面像差而设计的透镜面作为基准，因此，为了降低对CD的激光束的波面像差，从该基准面洼下仅DVD激光束波长λ1的整数mi倍的阶梯di作为折射面。当然，以DVD作基准仅设置阶梯，对CD激光束，就不能充分地降低波面像差。
发明内容
本发明的目的是提供一种物镜的设计方法、透镜和用该透镜的光学系统、光传感头、光盘装置，以解决上述问题，对透明基板厚度不同的多种光学信息记录媒体各种媒体，在可及地降低波面像差的状态下，能将高光利用效率的光束聚焦在信息记录面上。
为了达到上述目的，本发明中提出了一种具有正折射能力的物镜的设计方法，该物镜对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种射入不同波长的光束，能够通过折射作用把光束聚焦在光记录媒体侧；该设计方法把透镜面设计得使由光束的波长差异引起的色像差大致抵消由光记录媒体的透明基板的厚度差异引起的球面像差。
这样，本发明提供一种物镜，是具有正折射能力的物镜，对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种射入不同波长的光束，能够通过折射作用把光束聚焦在设置于光记录媒体的该透明基板上的信息记录面上；其特征在于由光束的波长差异引起的色像差大致抵消由光记录媒体的透明基板的厚度差异引起的球面像差，因此，对任何种类的光记录媒体，都能够把光束聚焦在该信息记录面上，而RMS波面像差都在0.035λ以下，最好是0.033λ以下，更好是0.030λ以下。
或者，设第i个光束的波长为λi(i＝1，2，¨¨)，把该多个光束聚焦在该信息记录面上，RMS波面像差满足公式1。
【公式1】
( Σ W i 2 ) / i ≤ 0.028
(其中，设第i个光束的波长为λi(i＝1，2，¨¨)，全部波长的各个RMS波面像差的平方和为∑Wi 2，波长λi的光束的RMS波面像差为Wi·λi)
上述公式左边的值是0.026以下为好，最好是0.025以下，更好是0.023以下。或者，设该光束的RMS波面像差中的最大RMS波面像差为Wmax，最小RMS波面像差为Wmin，该各光束聚焦在该信息记录面上，RMS波面像差的比满足Wmax/Wmin≤1.8，最好是Wmax/Wmin≤1.6，更好是Wmax/Wmin≤1.4，或者，该具有正折射能力的物镜对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种射入不同波长的光束，能够通过折射作用把光束聚焦在设置于光记录媒体的该透明基板上的信息记录面上；其特征在于对任何种类的光记录媒体，把光束聚焦在该信息记录面上，RMS波面像差都在0.035λ以下。
此外，本发明初次提供一种多波长用光学系统，包含利用每个单色光焦点位置不同，通过折射作用分别聚焦多种单色光的多波长用透镜的多波长用光学系统，作为用来得到良好的RMS波面像差的方法，上述透镜的至少一个透镜面在全部单色光通用区域中分割成折射能力不同的多个非球面部，分割的任一非球面部都具有与各单色光的固有波长对应的单一焦点，同时与上述各单色光的固有波长对应的焦点配置在各个不同的位置上，另外，设任意上述非球面部的光路长度与其它非球面部的光路长度相差该各单色光的波长λi的大致整数倍，上述各非球面部中的上述各单色光的波面像差的最大值与最小值的差为ΔVd(λi)(d是用1，2，……的整数，表示各非球面部，i是1，2，……的整数)时，任意非球面部中，各单色光的上述差的比都在0.4以上，2.5以下。
此外，上述多波长用光学系统的各单色光的波面像差中，上述各非球面部的波长λi的单色光的波面像差的差最好在0.14λi以下。而且，上述多个波长是二波长的情况下，例如，长波长是CD中的790nm附近，短波长是655nm附近的二波长用光学系统；或者，长波长是655nm附近，短波长是405nm附近的二波长用光学系统；短波长是405nm附近，长波长是790nm附近的二波长用光学系统。另外，对使用这3个波长的三波长用光学系统也能适用，特别是，二波长系统的情况下，这些波面像差的形状可以大致呈对称形。
附图说明
图1是按照本发明的物镜的第一实施例的示图。
图2是图1所示的第一实施例的透镜面形状的一个具体例子的示图。
图3是说明由物镜和光盘的透明基板构成的光学系统中的光路长度的示图。
图4是图1所示的第一实施例的波面像差的测定结果的一个具体例子的图表。
图5是对使用图1所示的第一实施例的光盘装置中的种类不同的光盘的光斑的计算结果的示图。
图6是按照本发明的物镜的第二实施例的波面像差的测定结果的一个具体例子的图表。
图7是对使用按照本发明的物镜的第二实施例的光盘装置中的种类不同的光盘的光斑的计算结果的示图。
图8是按照本发明的光传感头的一个实施例的示图。
图9是按照本发明的光盘装置的一个实施例的示图。
图10是对光线高度的各波长的波面像差的模式图。
图11是对实施例二中的光线高度的各波长的波面像差的示图。
图12是对使用日本公开专利特开2001-51192号公报中记载的透镜的情况下的光线高度的各波长的波面像差的示图。
具体实施方式
现在，对使用厚度为t1的透明基板的第1光盘，假设使用第1光盘的光盘装置中的物镜能良好地进行像差校正，激光束良好地聚焦在设置在该基板上的信息记录面上。在该光盘装置上使用与该透明基板厚度不同厚度t2的透明基板的第2光盘的情况下，由于该透明基板的厚度t2与厚度t1不同，由该物镜和厚度为t2的透明基板产生球面像差，激光束就不能良好地聚焦在设置在该厚度为t2的透明基板上的信息记录面上。
另一方面，在由该物镜和透明基板构成的光学系统中，若用不同波长的激光束会产生色像差。在此，所谓色像差，就是向物镜照射波长不同的激光束的情况下，对应于各个激光束产生的球面像差的差。例如，向物镜照射波长655nm的激光束和波长790nm的激光束时的色像差，就是向物镜照射波长655nm的激光束时产生的球面像差与向物镜照射波长790nm的激光束时产生的球面像差之差。本发明利用该色像差来降低由上述基板的厚度差异产生的球面像差。即，每个基板厚度不同的光盘使用不同波长的激光束，用由激光束的波长差异产生的色像差来抵消由基板的厚度不同而产生的球面像差，对于任何厚度的基板，综合的像差都在容许范围内。
即，设厚度为t1的情况下的球面像差为SA(t1)，厚度为t2的情况下的球面像差为SA(t2)，此外，设对波长λ1的激光束产生的球面像差为SA(λ1)，对波长λ2的激光束产生的球面像差为SA(λ2)，因波长不同而产生的色像差用上述球面像差的差(SA(λ2)-SA(λ1))表示。这时，本发明中，设计透镜面成尽量使下面的数学公式成立。
【公式2】
SA(t2)-SA(t1)＝-(SA(λ2)-SA(λ1))
这样，即使对任何基板厚度不同的光盘，使用与其基板厚度对应的波长的激光束的情况下，都经过该激光束的通过物镜和基板的全部光线良好地聚焦在该基板的信息记录面上的光路长度。
而且，如后述的实施例中具体说明，此时本发明的一个实施例的透镜的透镜面被分割成多个非球面，分割后的任一非球面都具有与各单色光的固有波长对应的单一焦点，同时与上述各单色光的固有波长对应的焦点被设计成配置在各自不同的位置上。
现在，图3中，对用物镜1使激光束聚焦在基板2的信息记录面2a上的情况进行说明。在此，物镜1的面A是光入射面，面B是光射出面，基板2的信息记录面2a在与物镜1侧的相反侧上。
设入射到物镜1的激光束为平行光(因而，图3示出的光学系统是所谓的无限光学系统)，图3模式地示出从物镜1的光轴OA到通过与它垂直的方向距离(光线高度)h的位置P1的光线到达横切光轴OA的点(聚焦点)P5的光路。在此，设该光路中的对物镜1的入射点为P2，从物镜1出来的出射点为P3，对透明基板2的入射点为P4；
    点P1～入射点P2：空间距离＝S1h  折射率＝n1
入射点P2～出射点P3：空间距离＝S2h  折射率＝n2
出射点P3～入射点P4：空间距离＝S3h  折射率＝n3
入射点P4～聚焦点P5：空间距离＝S4h  折射率＝n4
从点P1到聚焦点P5的光路长度为Lh，用公式
【公式3】
Lh＝n1×S1h+n2×S2h+n3×S3h+n4×S4h表示。再者，光轴OA上的光路长度Lh是该公式3中的h＝0的情况。
该公式3是对任意的光线高度h的，在像差校正的情况下，各个光线高度h的聚焦点P5在各自容许范围内位于信息记录面2a上。即，由于本发明对每个例如厚度不同的多个基板用不同波长的激光束，因此色像差与球面像差相抵消，对各个光线高度h的聚焦点P5就在各自容许范围内位于信息记录面2a上。
例如，用CD中的790nm的单色光(λ1)和DVD中的655nm的单色光(λ2)的情况下，在将这两个波长通用的区域定为分割成多个非球面部的透镜面的方法中，使任意上述非球面部的光路长度与另外非球面部的光路长度相差大致成该各单色光的波长λi的整数倍，并且设上述各非球面部中的上述各单色光的波面像差的最大值和最小值的差为ΔVd(λ1)和ΔVd(λ2)(d是1，2……的整数，表示各非球面部)时，使任何非球面部的各单色光的上述差的比都在0.4以上，2.5以下，最好为0.5以上，2.0以下，因此，作为透镜整体，能确保两个波长的RMS波面像差在容许范围内。再者，在此所说的波面像差用公式4表示，设光线高度(h)在h＝0时的光路长度为L0，各光线高度中的光路长度为Lh，波面像差为Vh。
【公式4】
Vh＝(Lh-L0)/λi
图10示出对比CD与DVD的波长的透镜的波面像差的模式图，横轴是光线高度，纵轴是波面像差，上侧表示CD的各非球面部的波面像差，下侧表示用上述公式求得的DVD的各非球面部的波面像差。例如，非球面部的第1区域中的其非球面部内的波面像差的最大值与最小值的差用ΔV1(λ1)和ΔV1(λ2)定义。本发明中，如后述的实施例说明的那样，任何非球面部的各波长的波面像差的最大值与最小值的差的比都在0.4以上，2.5以下。即，本发明任何波长中各非球面部上的波面像差都具有一定的分布，这一点与以现有的一个波长为基准构成透镜面，仅利用其他波长的相移进行校正波面像差的方式不同。再者，虽然也依据分割的非球面数来作为上述整数倍，但最好取为0倍～±10倍，0倍～±5倍最好。
此外，本发明的多波长用透镜中，任何非球面部的各区域中的各波长的上述波面像差的最大值与最小值的差也在0.14λi以下(例如，波长是790nm的情况下为±110.6nm以下，波长是655nm的情况下为±91.7nm以下)，最好在0.12λi以下，更好是0.10λi以下，因此对各波长更能确保良好的光学特性。
另外，本发明中，由于在二波长用光学系统中使用各波长的波面像差大致呈对称形的多波长用透镜，因此，能取得二波长的均衡，更能降低RMS波面像差。
再者，若从降低RMS波面像差的方面考虑，在CD的情况下，RMS波面像差仅由到图10中光线高度1.58mm的DVD和CD的通用区域的波面像差决定，但DVD的情况下，在上述通用区域的外侧有DVD专用区域(图10中光线高度在1.58～2.02mm的范围)，RMS(均方根)波面像差值由上述通用区域与上述DVD专用区域的波面像差求得。因此，DVD的情况下，即使上述通用区域的波面像差不太好，但对于DVD专用区域，若全部忽视CD而仅使DVD的波面像差好，就能把DVD的RMS波面像差充分降低到容许值内。例如，在图10的模式图中，DVD和CD的通用区域中，DVD的波面像差是0～-0.106λ，CD的波面像差是0～+0.088，CD的波面像差小于DVD的波面像差。此外，DVD专用区域的波面像差是-0.052λ。其结果，作为RMS波面像差，DVD是0.0212λRMS，CD是0.0222λRMS，DVD和CD的RMS波面像差值大致相等。这样，作为RMS波面像差，DVD和CD等于相同值的情况下，在DVD和CD通用区域中，CD的波面像差比DVD的波面像差好，对于DVD的RMS波面像差，用DVD的专用区域来补偿通用区域上的劣化部分，这样做比较有效。在想改变DVD与CD的RSM波面像差的比率时，同样也可以考虑，对于DVD，即使通用区域的波面像差不太好，但可以用专用区域进行补偿。
根据本发明的实施例，即使对例如基板的厚度不同的任何光盘，都能在信息记录面上形成良好的光斑。这样，即使在不是盘基板的厚度不同，即，厚度相同而波长不同的情况下，也能通过使上述聚焦点P5在各自容许范围内而应用。此外，不限于光记录媒体，在光通信等中，使不同波长的激光束经过同一透镜或光学系统这样的情况下也可以应用。
下面，以透明基板的厚度不同的两种光盘，即DVD和CD为例，利用附图对本发明的实施例进行说明。本发明的第一实施例的透镜是从制造上的难易程度出发，将由非晶质聚烯构成的树脂注塑成形来制作的。第二实施例的透镜是按玻璃的折射率设计的，在想用塑料树脂作透镜材料的情况下，可以按塑料树脂的折射率进行设计。
图1是按照本发明的物镜的第一实施例的工作简图，其中图1(a)是针对DVD的，图1(b)是针对CD的。图中，1是本实施例的物镜，2是DVD的透明基板(以下称为DVD基板)，3是CD的透明基板(以下称为CD基板)，4和5是激光束。
首先，图1(a)中，物镜1设置在图中没有示出的光盘装置的光传感头上。然后，在该光盘装置中装进DVD，由物镜1聚焦作为平行光射入的激光束4进行录放。在此，DVD基板2的厚度t1是0.6mm，作为这时的激光束4，用波长λ1＝655nm的激光束作为数值孔径NA＝0.63的光束。在这样的条件下，该激光束被聚焦在位于与DVD基板2的物镜1侧相对侧的面的信息记录面2a上。
图1(b)示出在与上述相同的光盘装置中装进CD，用相同物镜1进行录放的情况。在此，CD基板3的厚度t2是1.2mm，作为这时的激光束5用波长λ2＝790nm的激光束作大致数值孔径NA＝0.63的光束，但实质上，数值孔径NA＝0.47的光束在CD基板3的信息记录面3a上聚焦，经过用剖面线示出的大致NA＝0.47～0.63的物镜1的远离光轴OA的部分的光束不聚焦在该信息记录面3a上。这样，数值孔径NA大致到0.47的上述的透镜区域就成为DVD和CD的通用区域。
这样，该第一实施例中，虽然能对DVD与CD同时良好地降低像差，在信息记录面2a和3a上得到良好的光斑，但因此，设定物镜1的透镜面形状，以使对任意光线高度h的上述公式3示出的光路长度Lh成为使DVD和CD两者同时把像差降低在容许值内。下面，用图2对该透镜面形状的一个具体例进行说明。
图2中，关于物镜1的光射出面B，设光线高度h的点为c，从该点c到与光轴OA平行方向上的光射出面B上的点为d，该光射出面B的面形状用对任意光线高度h的点c与d间的距离ZB表示。
【公式5】
Z B = ch 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c 2 · h 2 + A 4 · h 4 + A 6 · h 6 + A 8 · h 8 + A 10 · h 10
其中，C＝-0.12301    K＝3.312138    A4＝0.01628151
A6＝-0.004311717    A8＝0.000682316    A10＝-0.00004157469
公式5中，代入上述系数C，K，A4，A6，A8，A10的值，求出对任意光线高度h(≠0)的距离ZB，其值等于负值，但它示出光射出面B上的点d位于使点c在该光射出面B的光轴OA经过的面顶点e的射出面侧(图2中的左侧)。距离ZB是正值时表示位于相反的右侧。
下面，关于物镜1的光入射面A，设光线高度h的点为a，从该点a到与光轴OA平行的方向上的光入射面A面上的点为b，光入射面A的面形状设定成光线高度h(mm)与对该光线高度h的点a和b间的距离ZA(mm)有下表1示出的关系的透镜面形状。
【表1】
  h(mm)   ZA(mm)   h(mm)   ZA(mm)   h(mm)   ZA(mm)   h(mm)   ZA(mm)
  0.00   0.000000   0.54   0.070725   1.08   0.287733   1.62   0.670934
  0.02   0.000095   0.56   0.076008   1.10   0.298787   1.64   0.688969
  0.04   0.000378   0.58   0.081490   1.12   0.310076   1.66   0.707293
  0.06   0.000851   0.60   0.087172   1.14   0.321601   1.68   0.725908
  0.08   0.001513   0.62   0.093056   1.16   0.333364   1.70   0.744816
  0.10   0.002365   0.64   0.099141   1.18   0.345367   1.72   0.764020
  0.12   0.003405   0.66   0.105429   1.20   0.357611   1.74   0.783521
  0.14   0.004635   0.68   0.111921   1.22   0.370098   1.76   0.803322
  0.16   0.006055   0.70   0.118619   1.24   0.382830   1.78   0.823424
  0.18   0.007644   0.72   0.125522   1.26   0.395809   1.80   0.843830
  0.20   0.009462   0.74   0.132634   1.28   0.409037   1.82   0.864540
  0.22   0.011451   0.76   0.139954   1.30   0.422515   1.84   0.885559
  0.24   0.013629   0.78   0.148855   1.32   0.436245   1.86   0.906886
  0.26   0.015998   0.80   0.156597   1.34   0.450229   1.88   0.928525
  0.28   0.018557   0.82   0.164550   1.36   0.463024   1.90   0.950477
  0.30   0.021308   0.84   0.172714   1.38   0.477531   1.92   0.972744
  0.32   0.024249   0.86   0.181092   1.40   0.492299   1.94   0.995329
  0.34   0.027382   0.88   0.189684   1.42   0.507330   1.96   1.018233
  0.36   0.030707   0.90   0.198492   1.44   0.522625   1.98   1.041459
  0.38   0.034224   0.92   0.207517   1.46   0.538186   2.00   1.065009
  0.40   0.037934   0.94   0.216760   1.48   0.552559   2.02   1.088887
  0.42   0.041838   0.96   0.226225   1.50   0.568667   2.04   1.113094
  0.44   0.045936   0.98   0.235911   1.52   0.585050   2.06   1.137635
  0.46   0.050229   1.00   0.245821   1.54   0.600234   2.08   1.162512
  0.48   0.054718   1.02   0.255956   1.56   0.617173   2.10   1.187732
  0.50   0.059403   1.04   0.266319   1.58   0.634395   2.12   1.213298
  0.52   0.065640   1.06   0.276910   1.60   0.653186
物镜1的用上述公式5表示的光射出面B，和用上述表1的点列数据表示的光入射面A都形成连续的非球面。此外，物镜1的光轴上的面顶点f和e间的距离，即中心厚度t0是2.2mm，波长λ1＝655nm(DVD)下的折射率n是1.54014，波长λ2＝790nm(CD)下的折射率n是1.5365。
(i)在此，作为用于评估像差的上述像差容许值，对于向物镜1射入的激光束在入射角是0°的情况下(即，与光轴OA平行的平行光)，规定DVD(波长λ1＝655nm)与CD(波长λ2＝790nm)的RMS波面像差同时为0.035λ，最好是0.033λ，更好是0.030λ。本发明的第一实施例中，为了使DVD和CD的波面像差等于该容许值以下，将光射出面B和光入射面A设定成上述的面形状。
本发明的第一实施例中，示出了用两种不同波长λ1和λ2的情况，但一般地，用n种(其中n是2以上的整数)不同波长λi(其中i＝1，2，¨¨，n)的情况也一样。
(ii)此外，对于象这样用n种波长λi的情况，若将这些波长λi的入射激光束的入射角是0°时的各个RMS波面像差设为Wi·λi，则这些像差满足公式6，
【公式6】
( Σ W i 2 ) / i ≤ W 0
(其中，设第i个光束的波长为λi(i＝1，2，¨¨)，全部波长的各个RMS波面像差的平方和是∑Wi 2，波长λi光束的RMS波面像差为Wi·λi)作为这时的容许值W0，规定为0.028，最好是0.026，更好是0.025，0.023更好。上述第一实施例中，设DVD的RMS波面像差为W1，CD的RMS波面像差为W2，并且i＝1，2，上述公式6就变为：
【公式7】
( W 1 2 + W 2 2 ) / 2 ≤ W 0
(iii)或者，用不同的n种波长λi的激光束的情况下，在各个波长λi中，设最大的RMS波面像差为Wmax，最小的RMS波面像差为Wmix，则
1≤Wmax/Wmin＜Wth
作为这时的容许值Wth，取为1.8，最好是1.6，更好是1.4。在上述第一实施例的情况下，DVD的RMS波面像差W1与CD的RMS波面像差W2中的某一个是最大的RMS波面像差Wmax，另一个就是最小的RMS波面像差Wmin。
图4示出该第一实施例中的RMS波面像差的计算结果，横轴取像高(mm)，纵轴取RMS波面像差。
图4(a)示出对DVD(波长λ1＝655nm)的RMS波面像差，在像高＝0mm时，RMS波面像差＝0.02130λ1。此外，图4(b)示出对CD(波长λ2＝790nm)的RMS波面像差，像高＝0mm时，RMS波面像差＝0.02410λ2。
为了评估该数值，若插入到上述各条件式中，
(i)首先，对于DVD和CD，RMS波面像差是0.02130λ和0.02410λ，上述的容许值是0.035λ，最好是0.033λ，最好是0.030λ，DVD和CD的RMS波面像差比上述的容许值小。
(ii)对于DVD和CD，根据上述公式7，则
【公式8】
W 1 2 + W 2 2 / 2 = ( 0.02130 2 + 0.02410 2 ) / 2 = 0.0227
上述容许值是0.028，最好是0.026，更好是0.025，0.023为最好，因此其值在上述容许值以下。
(iii)对于DVD和CD，Wmax/Wmin为
Wmax/Wmin＝0.02410/0.02130＝1.1315
上述容许值是1.8，最好是1.6，更好是1.4，因此在上述容许值以下。
图5是用具有上述公式5所示的面形状的光射出面B和上述表1所示的面形状的入射面A的物镜1的DVD和CD的信息记录面上的光斑的计算结果图，横轴是用距离(mm)表示以信息记录面上的光轴为基准点的光轴上垂直方向的位置，纵轴表示将该基准点(＝0mm)上的光强度设为1时的各位置的相对光强度。
图5(a)示出对DVD的光斑，相对光强度等于1/e2(＝13.5％)的光斑直径φD是0.85μm。图5(b)示出对CD的光斑，相对光强度等于1/e2的光斑直径φC是1.37μm。这样，能同时对DVD和CD在信息记录面上得到良好的光斑。
下面，说明按照本发明的物镜的第二实施例。
该第二实施例的基本构成与上述第一实施例相同，但将光入射面A在半径方向上划分成多个区间，设定各个区间的面形状，以使能同时对DVD和CD把像差良好地降低到容许值内。
用图2对该第二实施例的光入射面A的面形状进行说明。在此，将从该光入射面A的光线高度h方向(半径方向)的光轴OA侧到第j个区间上的点a和b间的距离用下面的函数ZAJ表示，即用公式9表示。
【公式9】
Z AJ = B + ch 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c 2 · h 2 + A 4 · h 4 + A 6 · h 6 + A 8 · h 8
+ A 10 · h 10 + A 12 · h 12 + A 14 · h 14 + A 16 · h 16
再有，公式9中的光线高度h是第j个区间上的光线高度。
每个用于DVD和CD同时良好地把像差降低到容许值内的公式9中的区间，其范围(h的范围)和各常数B，C，K，A4，A6，A8，A10，A12，A14，A16如下表2所示。
【表2】
 区间j   h的范围   B   C   K   A4
 1   0～0.464667   0   4.45390E-01   -6.67483   0.030017
 2   0.464667～0.687967   0.00108409   4.46999E-01   -8.52884E-01   -1.11390E-03
 3   0.687967～0.904685   0.00216818   4.45826E-01   -5.85171E-01   2.36910E-03
 4   0.904685～1.414529   0.00325226   4.46759E-01   -6.51167E-01   9.59140E-04
 5   1.414529～1.519145   0.00216818   4.28660E-01   -3.27869E-01   6.74850E-03
 6   1.519145～1.589366   0.00108409   4.42061E-01   -5.75461E-01   2.50970E-03
 7   1.589366～1.847991   0.00103073   4.45481E-01   -6.24870E-01   1.77360E-03
 8   1.847991～2.2   -0.00113744   4.45319E-01   -6.13552E-01   1.64620E-03
  A6   A8   A10   A12   A14   A16
  1.026695   -14.364412   106.233381   -431.806672   895.812958   -725.25403
  8.21580E-03   9.75070E-03   -3.03780E-02   -4.03770E-02   1.80080E-01   -1.49931E-01
  -5.00360E-03   4.59410E-03   3.04280E-03   -8.16540E-03   6.55040E-03   -2.40830E-03
  4.83750E-04   2.53240E-04   -1.24670E-04   -1.01670E-04   7.59740E-05   -1.37590E-05
  3.92010E-04   -1.18360E-03   -4.24370E-04   7.93880E-05   1.45720E-04   -3.75090E-05
  1.75070E-04   -2.24990E-04   -1.73810E-05   6.71230E-07   1.64740E-05   -3.96660E-06
  1.24130E-04   -7.34610E-05   2.76610E-05   -9.44330E-06   1.32750E-06   -6.17570E-08
  1.15930E-04   -7.50480E-05   2.80220E-05   -9.53270E-06   1.33720E-06   -6.23130E-08
此外，该第二实施例中的光射出面B的面形状ZB用下面公式10表示。
【公式10】
Z B = ch 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c 2 · h 2 + A 4 · h 4 + A 6 · h 6 + A 8 · h 8 + A 10 · h 10
其中，C＝-0.0747792    K＝15.7398    A4＝0.012308
A6＝-0.0037652    A8＝0.00068571    A10＝-0.000048284
此外，物镜1的光轴上的面顶点f和e间的距离，即中心厚度t0是2.2mm，波长λ1＝655nm(DVD)下的折射率n是1.604194，波长λ2＝790nm(CD)下的折射率n是1.599906。
在此，作为用于评估像差的上述像差的容许值，与上述第一实施例相同。
图6示出该第二实施例中的RMS波面像差的计算结果，横轴和纵轴表示的与图4一样。
图6(a)示出对DVD(波长λ1＝655nm)的RMS波面像差，在像高＝0mm时，RMS波面像差＝0.01945λ1。图6(b)示出对CD(波长λ2＝790nm)的RMS波面像差，像高＝0mm时，RMS波面像差＝0.02525λ2。
利用所计算的图11中上述透镜的通用区域的波面像差的结果，用表3示出各非球面部中的波面像差的差及其比值。
【表3】
  区域1   区域2   区域3   区域4   区域5   区域6
  ΔVd(λ655)(λ)   0.0955   0.0960   0.0963   0.0692   0.0939   0.0937
  ΔVd(λ790)(λ)   0.0977   0.0973   0.0967   0.0701   0.0974   0.0976
  ΔVd(λ790)/ΔVd(λ655)   1.02   1.01   1.00   1.01   1.04   1.04
  ΔVd(λ655)/ΔVd(λ790)   0.98   0.99   1.00   0.99   0.96   0.96
如表3所示，790nm和655nm的通用区域中，各波面像差的差的比ΔVd(λ790)/ΔVd(λ655)进入1.00～1.04间。此外，ΔVd(λ655)/ΔVd(λ790)进入0.96～1.00间。其各区域的波面像差自身两波长也在0.14λ以下。此外，该透镜中，波面像差出现在790nm波长中的+侧，655nm波长中的一侧，两波面像差大致呈对称。
再有，在中心分割光轴的邻接的各非球面部上产生光路长度的差，但该差被设计成与各波长对应的大致成整数倍，此外，本实施例中，由偶数分割的非球面部构成。
为了评估该数值，与第一实施例一样，若插入到上述各条件式中，
(i)首先，对于DVD和CD，RMS波面像差是0.01945λ1和0.02525λ2，上述的容许值是0.035λ，最好是0.033λ，最好是0.030λ，DVD和CD的RMS波面像差比上述的容许值小。
(ii)关于DVD和CD，根据上述公式7，因为是
【公式11】
( W 1 2 + W 2 2 ) / 2 = ( 0.01945 2 + 0.02525 2 ) / 2 = 0.02254
上述容许值是0.028，最好是0.026，更好是0.025，0.023为最好，因此其值在上述容许值以下。
(iii)关于DVD和CD，Wmax/Wmin为
Wmax/Wmin＝0.02525/0.02130＝1.298
上述容许值是1.8，最好是1.6，更好是1.4，因此其值在上述容许值以下。
图7是示出用具有上述公式10示出的面形状的光射出面B和上述公式9和上述表2示出的面形状的入射面A的物镜1的DVD和CD的信息记录面上的光斑的计算结果的图，横轴和纵轴表示的与图5相同。
图7(a)示出对DVD的光斑，相对光强度等于1/e2(＝13.5％)的光斑直径φD是0.89μm。图7(b)示出对CD的光斑，相对光强度等于1/e2的光斑直径φC是1.30μm。这样，能同时对DVD与CD在信息记录面上得到良好的光斑。
再有，本第二实施例中，上述表3中的上述比是0.96～1.04，作为RMS波面像差，DVD是0.01945λ1，CD是0.02525λ2，但如上述图10的说明所述，若使通用区域中的DVD的波面像差再稍稍劣化，使CD波面像差良好，作为RMS波面像差，也就能同时使DVD和CD为0.022～0.023λ范围的同等的RMS波面像差。
作为一例，列举现有的日本公开专利特开2001-51192号公报中记载的DVD和CD的RMS波面像差的两个例子，
例1)  DVD：0.001λ1    CD：0.047λ2
例2)  DVD：0.019λ1    CD：0.037λ2
其中，λ1＝640nm    λ2＝780nm
即使任何一个例子中，对于CD，都超过上述容许值0.035λ。
此外，用公报记载的透镜数据计算该例2)的透镜的各波长中的波面像差所求得的值，如下表4和图12所示，其比在0.03～33.44，在本发明的范围之外，因此偏离两者的均衡状态。再者，DVD方面的波面像差在0.14λ以下，但CD方面的波面像差变大，透镜整体的RMS波面像差也就变大了。
【表4】
  区域1   区域2   区域3   区域4   区域5
  ΔVd(λ655)(λ)   0.0415   0.0518   0.0242   0.1012   0.1906
  ΔVd(λ790)(λ)   0.1489   0.1635   0.1142   0.1039   0.0057
  ΔVd(λ655)/ΔVd(λ790)   0.28   0.32   0.21   0.97   33.44
  ΔVd(λ790)/ΔVd(λ655)   3.59   3.16   4.72   1.03   0.03
此外，公式12的这些值
【公式12】
( W 1 2 + W 2 2 ) /2
分别为0.0332和0.0294，上述容许值是0.028，最好是0.026，更好是0.025，更好是0.023，哪一个都超过了上述容许值，再者，这些Wmax/Wmin也分别为47和1.947，上述容许值是1.8，最好是1.6，更好是1.4，哪一个都超过上述容许值。
这样，上述第一和第二实施例都能把像差抑制在上述容许值内，但是，这就要设计透镜面形状，使像差利用由基板厚度的差产生的球面像差与色像差相抵消，而归到该容许值内。对此，现有的日本公开专利特开2001-51192号公报中，利用仅将入射激光束进行相移DVD激光束的波长的整数倍，从而实现CD的像差降低，因此，对于任一个波长，能充分小地抑制像差，但对于全部波长，就不能同时使像差归到如上所述小的容许值内。
以上实施例中，DVD和CD中因基板厚度分别为0.6mm和1.2mm的不同产生的球面像差，利用因655nm和790nm的波长差产生的色像差进行抵消，综合的像差就降低，但从图5和图7示出的光斑及图4和图6示出的波面像差的图表可知。此外，以上实施例中，物镜1的光入射面A的面形状由上述表1示出的点列数据和公式9及表2给定，光射出面B的面形状由上述公式5和公式10中示出的非球面公式给定，因此不用现有实施例那样的衍射透镜结构，此外，对记录或播放必要的数值孔径(NA)能聚焦大致全部光束，因此能得到高光利用效率。
再有，以上实施例中，如图1所示，大致从数值孔径NA＝0.47到数值孔径NA＝0.63的物镜1的外侧区域仅用于DVD，CD上不使用，因此，实施对该外侧区域上的光入射面A和光射出面B中任一方或两方透射DVD时的波长655nm光，不透射CD时的波长790nm的光的薄膜处理，或者，也可以形成衍射光栅，对该外侧区域上的光入射面A和光射出面B中任一方或两方二波长655nm的光不作用，但作用于波长790nm的光，不丧失波长655nm的光利用效率，而丧失二波长790nm的光利用效率。
即，通过以上实施例，在不同的数值孔径的系统中通用时，在不能设定与数值孔径对应的光圈的情况下，在数值孔径小的光学系统中，就收容多余光束，因此，与数值孔径大的光学系统一致，经过已设计的透镜外侧区域部分的光最好不能对数值孔径小的光学系统造成影响。例如，为了使通过了透镜外侧区域的光不在盘面上聚焦，横向像差量最好在0.015mm以上。
此外，以上实施例中，以DVD和CD的两种光盘为例，但本发明不限于此，也可以是除此之外的种类不同的光盘，此外，对于基板厚度不同的3种以上的光盘也能应用，可以使每个使用的激光束的波长分别不同，与此对应，为使色像差抵消波面像差而设定透镜面形状。
此外，即使基板厚度相同，由于使用的波长不同，因此现有的通常的透镜上产生了大的像差的情况下，也能应用本发明降低像差。
图8是示出用按照本发明的物镜的光传感头的一个实施例的结构图，11是DVD激光器，12是CD激光器，13和14是半棱镜，15是准直透镜，16是检测透镜，17是光检测器，18是衍射光栅，19是致动器，与图1对应的部分使用相同的符号。
图中，记录或播放DVD盘2时，驱动DVD激光器11。从DVD激光器11产生的波长655nm的激光束用半棱镜13反射，透射半棱镜14，射入准直透镜15。经过准直透镜15变为平行光的激光束射到物镜1聚焦，在DVD盘2的信息记录面上形成光斑。然后，用DVD盘2反射的反射光由物镜1变为平行光，射入到准直透镜15。准直透镜15使该平行光成为会聚光，该会聚光透射半棱镜14和13，经过检测透镜16，到达光检测器17。光检测器17的检测输出信号被送到信号处理电路(图中没有示出)，得到信息录放信号和聚焦误差信号及跟踪误差信号。图中没有示出的系统控制电路基于聚焦误差信号和跟踪误差信号控制致动器驱动电路(图中没有示出)，驱动致动器19，以使物镜1位于最佳的聚焦位置和跟踪位置上。
在记录或播放CD盘3时，驱动CD激光器12。从CD激光器12产生的波长790nm的激光束经过衍射光栅18，用半棱镜14反射，射入到准直透镜15。经过准直透镜15变为平行光的激光束射到物镜1聚焦，在CD盘3的信息记录面上形成光斑。然后，由CD盘3反射的反射光由物镜1变为平行光，射入到准直透镜15。准直透镜15使该平行光成为会聚光，该会聚光透射半棱镜14和13，经过检测透镜16，到达光检测器17。光检测器17的检测输出信号被送到图中没有示出的信号处理电路，得到信息录放信号和聚焦误差信号及跟踪误差信号。
再有，CD盘3情况下，由衍射光栅18分支来自CD激光器12的激光束成0次光和±1次光，由这些±1次光得到跟踪误差信号。
利用这样得到的跟踪误差信号和聚焦误差信号，与DVD盘2同样，驱动致动器19，以使物镜1位于最佳的聚焦位置和跟踪位置上。
本发明中，取代物镜1，对准直透镜15或半棱镜14等两盘通用的光学系统，也能光学设计出具有与本发明的物镜相同的功能。此外，图中没有示出，但也可以将具有与本发明的物镜相同功能的其他的光学元件配置在从半棱镜14到盘2或盘3的光路上。
再有，不一定必须要准直透镜15，只要是所谓有限系的光学系统，本发明都能适用。
图9是示出用按照本发明的物镜的光盘装置的一个实施例的结构图，20是致动器驱动电路，21是信号处理电路，22是激光器驱动电路，23是系统控制电路，24是盘判别装置，与图8对应部分用同一符号。
该图中，对于光拾波装置部分，与图8示出的结构相同。
首先，由盘判别装置24判别装进的盘的种类。作为该盘判别方法，可以考虑用光学的或机械的方法检测盘基板的厚度的方法、检测赋予记录在盘或盘的卡盘上的识别标记的方法等。或者，也可以是假定盘的厚度和种类，播放盘的信号，若得不到正常的信号，就判断是另外的厚度和种类的盘的方法。盘判别结果被从盘判别装置24传达到系统控制电路23。
在判别为是DVD盘的情况下，由系统控制电路23对激光器驱动电路22传达使DVD激光器11启动的信号，由激光器驱动电路22启动DVD激光器11。这样，在光传感头中，与图8示出的实施方式同样的二波长655nm的激光束到达光检测器17。来自该光检测器17的检测信号被送到信号处理电路21，生成信息录放信号和聚焦误差信号及跟踪误差信号，被送到系统控制电路23。系统控制电路23中，基于这些聚焦误差信号和跟踪误差信号，控制致动器驱动电路20，基于该控制，致动器驱动电路20驱动致动器19，使物镜1向聚焦方向和跟踪方向移动，利用所谓伺服电路的运作，正常地进行聚焦控制和跟踪控制，为了使物镜1位于对盘2的正确位置上，上述各电路和致动器19动作，其结果，能良好地得到信息录放信号。
在判别为装进的盘是CD盘3的情况下，系统控制电路23对激光器驱动电路22传达使CD激光器12启动的信号。这样，从CD激光器12产生波长790nm的激光束。这以后的工作与图8中的光传感头的情况相同，该激光束到达光检测器17，与上述的DVD盘2的情况相同，各电路和致动器19动作，进行伺服操作，良好地得到信息录放信号。
如以上说明的那样，根据本发明，对透明基板厚度不同的2种以上的光盘，不用衍射透镜结构，而能利用折射作用按记录或播放必要的数值孔径(NA)，将全部光束可及地具有少量像差地聚焦在期望的位置上，能进一步提高光利用效率。此外，从上述说明可以知道，本发明在用多个单色光的多波长用光学系统中，分割的任何一个非球面部都具有与各单色光的固有波长对应的单一焦点，同时与上述各单色光的固有波长对应的焦点能分别配置在不同的位置上，在光通信等中的光学系统中也能够应用。

Claims (8)

1.一种物镜，具有正折射能力，对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种记录媒体通过该透明基板射入不同波长的单色光的光束，把光束聚焦在光记录媒体的该透明基板上设置的信息记录面上；
其特征在于：使光束聚焦在不同种类的光记录媒体的信息记录面上的不同波长的光束通过的透镜面区域，从光轴至半径方向被分割成多个非球面部，在该非球面部上分别设定该光束波长λ的差异产生的色像差与因为光记录媒体的透明基板的厚度差异产生的球面像差互相抵消的透镜面形状，以对任何种类的光记录媒体，都能相应地使光束在RMS波面像差满足下面公式1的条件下聚焦，
公式1
( Σ W i 2 ) / i ≤ 0.028
其中，设第i个光束的波长为λi，i＝1，2，…，波长λi的光束的RMS波面像差为Wi时全部波长的各个RMS波面像差的平方和为∑Wi 2。
2.如权利要求1所述的物镜，其特征在于：设定该非球面部的透镜面形状，使在满足 ( Σ W i 2 ) / i ≤ 0.023 的条件下将光束聚焦。
3.一种物镜，具有正折射能力，对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种记录媒体通过该透明基板射入不同波长的光束，把光束聚焦在光记录媒体的该透明基板上设置的信息记录面上；
其特征在于，使光束聚焦在不同种类的光记录媒体的信息记录面上的不同波长的光束通过的透镜面区域，从光轴至半径方向被分割成多个非球面部，在该非球面部上分别设定该光束波长λ的差异产生的色像差与因为光记录媒体的透明基板的厚度差异产生的球面像差互相抵消的透镜面形状，以对任何种类的光记录媒体，都能相应地使光束在RMS波面像差的比都满足1≤Wmax/Wmin＜1.8的条件下聚焦，其中设该光束的RMS波面像差中的最大RMS波面像差为Wmax，最小RMS波面像差为Wmin。
4.如权利要求3所述的物镜，其特征在于：设定该非球面部的透镜面形状，以在满足1≤Wmax/Wmin＜1.6的条件下使光束聚焦。
5.如权利要求3所述的物镜，其特征在于：设定该非球面部的透镜面形状，以在满足1≤Wmax/Wmin＜1.4的条件下使光束聚焦。
6.如权利要求3所述的物镜，其特征在于：设定该非球面部的透镜面形状，以对于任何种类的光记录媒体，都能够在满足RMS波面像差在0.035λ以下的条件下相应地使光束聚焦。
7.一种物镜，具有正折射能力，对透明基板厚度不同的多种光记录媒体的每一种记录媒体通过该透明基板射入不同波长的光束，把光束聚焦在光记录媒体的该透明基板上设置的信息记录面上；
其特征在于：使光束聚焦在不同种类的光记录媒体的信息记录面上的不同波长的光束通过的透镜面区域，从光轴至半径方向被分割成多个非球面部，在该非球面部上分别设定该光束波长λ的差异产生的色像差与因为光记录媒体的透明基板的厚度差异产生的球面像差互相抵消的透镜面形状，以在所述各非球面部中的该光记录媒体上相应地聚焦的各单色光的波面像差的最大值与最小值的差为ΔVd(λi)时，其中d是1，2，…的整数，表示各非球面部，i是1，2，…的整数，在任意非球面部中，在各单色光的所述差的比都是0.4以上，2.5以下的条件下聚焦。
8.如权利要求7所述的透镜，其特征在于，设定该非球面部的透镜面形状，使在所述各非球面部中的所述各单色光的波面像差的最大值与最小值的差ΔVd(λi)为0.14λi以下的条件下将光束聚焦，其中i是1，2，…的整数。
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