CN1290104C - 具有折叠式反射镜的复合物镜 - Google Patents

Abstract

一种复合透镜包括第一透镜元件和第二透镜元件，第一元件包括反射镜表面，用于在内部将通过第一元件的辐射光束重新定向，且其中该物镜的数值孔径大于0.65，其中第一元件的焦距F₁和该物镜的焦距F具有以下关系。

Description

具有折叠式反射镜的复合物镜

技术领域

本发明涉及包括组合物镜和折叠式反射镜的光学系统，特别但不排他地涉及一种用于光学扫描设备中的透镜，该光学扫描设备利用内置辐射光源来扫描光学记录载体。

背景技术

为了将光学扫描设备用于诸如便携设备中，需要减少光学扫描设备的尺寸。通过减少该光学系统的结构高度，可以减小该设备的尺寸。光学扫描设备中的一种典型光学系统包括物镜，其可以是单透镜或者复合透镜，即多个元件，透镜，以及折叠式反射镜。结构高度是由物镜的总高度和折叠式反射镜的高度决定的。在典型的光学扫描设备中，折叠式反射镜的高度大于入瞳直径。

美国专利NO.5,432,763号描述了一种组合的单透镜物镜和折叠式反射镜，其中减少了结构高度。在DE-A-19654388中描述了另一种这样的透镜。

对于较高数值孔径(NA)的系统，即NA＞0.65，需要两个元件的物镜以使制造公差降低到可接受的程度。

美国专利NO.6,058,095号描述了未使用组合折叠式反射镜的两元件高NA物镜的设计方案。该设计方案的一个特征在于面向辐射光源的第一元件的焦距F1和整个系统的总焦距F满足以下关系：

$1.7<\frac{F_1}{F}<2.5---\left(1\right)$

日本专利申请JP-A-08201698描述了一种组合的透镜元件和折叠式反射镜。该折叠式反射镜是曲面的形式，并且该元件补偿了场曲。该元件与NA＝0.55的物镜结合使用。

发明内容

依照本发明，提供了一种复合物镜，其包括第一透镜元件和第二透镜元件，第一元件包括反射镜表面，用于在内部将通过第一元件的辐射光束重新定向，其中该物镜的数值孔径大于0.65，并且其中第一元件的焦距F1和该物镜的焦距F具有以下关系：

$\frac{F_1}{F}>2.5---\left(2\right)$

本发明提供了多元件物镜，可以在一个元件内包含折叠式反射镜，从而减少了包含该物镜的光学扫描设备的结构高度，同时能够容许第二元件的偏离中心并具有良好的像场性能。

通过以下对附图所示的本发明优选实施例更加详细的描述，本发明的其它目的、优点和特征将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本发明实施例设置的光学扫描设备的组件示意图；

图2是根据本发明实施例的物镜系统的横截面图。

具体实施方式

图1表示了本发明实施例中的光学扫描设备的组件，其中将两元件复合透镜用于扫描光学记录载体2的光头中。

该记录载体2是光盘的形式，其包括透明层，在该透明层的一侧上设置了至少一个信息层。信息层背离透明层的侧面受到保护层的保护从而免受环境影响。透明层面向该设备的侧面称作入射面。该透明层起到该记录载体衬底的作用，为信息层提供机械支撑。可选择地，该透明层可以仅仅具有保护信息层的功能，而机械支撑可由信息层另一侧上的层来提供，例如由保护层来提供。信息可以以光学可检测标记的形式存储在记录载体的信息层中，并以基本上平行、同心或螺旋的轨迹设置在其中。该标记可以是光学可读取的形式，例如信息坑，或者反射率或磁化方向不同于其周围的区域，或者这些形式的组合。

该扫描设备包括线偏振辐射光源，其是半导体激光器4的形式，发出辐射光束6。该辐射光束用于扫描光学记录载体2的信息层。偏振分束镜8将光路上的发散辐射光束6传输到准直透镜10，其将发散光束6转变为准直光束12。光束12透过四分之一波延迟片14，该延迟片将辐射转变形成圆偏振光束。孔径光阑16确定了物镜系统18，22的入瞳D₁(参见图2)。该物镜系统可以包括两个或更多个透镜和/或光栅。在这个实例中，图1的物镜系统包括两个元件：第一透镜18，以及设置在第一透镜18和记录载体2位置之间的第二透镜22。第一透镜元件利用内部折叠式反射镜28使光束以90°反射，并且将准直光束12转变为入射到第二透镜元件22上的会聚光束20，其中内部折叠反射镜具有反射镜式的外表面，第二透镜元件22将光束转变为入射到记录载体2的入射面上的更加高度会聚的光束。该高度会聚的光束在当前正被扫描的信息层上形成光点24。

由信息层反射的辐射形成发散的圆偏振光束，物镜系统18，22将其转变为基本上准直的光束。四分之一波延迟片14将该光束转变形成线偏振光束，其偏振方向与原先发出的光束的偏振方向垂直。准直透镜使该光束折射从而形成会聚光束。分束镜18通过将大部分会聚光束传输到检测系统26而使正向的和反射的光束分开。该检测系统捕获辐射并将其转变为电输出信号26，该信号由信号处理电路来处理。信号之一将形成信息信号、聚焦误差信号以及径向误差信号，其中信息信号的值表示从信息层读取的信息。

图2表示了两元件物镜18，22的详细横截面图。复合透镜18，22具有较高的数值孔径，即数值孔径大于0.65。更为优选的是，复合透镜18，22的数值孔径大于0.8。

第一透镜元件18可以由整体模制的塑料材料构成。该元件18包括第一透镜表面30，其以光轴31为中心，以及第二透镜表面32，其以第二光轴33为中心。第一和第二光轴设置为彼此垂直。平面反射镜表面28设置为与第一和第二光轴中的每个光轴呈45°角，并且和两条光轴的交叉点重合。第一透镜元件18的折射率为n₁，第一元件内的光束的数值孔径为NA₁。

图2中的入瞳表示为距离D₁。从第一元件18的第二透镜表面32出射的光束半径在图2中表示为距离D₂。第一透镜表面30的顶点和两条光轴的交叉点之间的轴向距离在图2中表示为距离d₁。第二透镜表面32的顶点和两条光轴的交叉点之间的距离在图2中表示为距离d₂。平行于第一光轴31测得的，第一透镜表面30和盘2位置的入射面之间的最短距离在图2中表示为距离d₃。平行于第二光轴33测得的，第二透镜表面32和盘的入射面之间的最远距离在图2中表示为d₄。第一透镜表面30围绕第一光轴旋转对称，并且曲率半径为R₁。该第一透镜表面30优选包括一种限定透镜18的入瞳D₁的物理特征，例如横截面的不连续性和/或用作孔径光阑16的不透明环形遮蔽物。

第一透镜表面在入瞳处的驰垂度(sag)为sag₁，即在辐射光源发出的光线进入该透镜的方向上，从透镜顶点测得的，第一透镜表面30的顶点和该透镜的入瞳之间的轴向距离，该驰垂度通常为正值，但可以是零或负值。

第二透镜表面32围绕第二光轴旋转对称，并且曲率半径为R₂。第二表面在出射光束半径处的驰垂度为sag₂，即在与辐射光源发出的通过该透镜的光线相反的方向上，从透镜的顶点测得的，该顶点到最远离中心的光线离开该透镜元件18时所在的点的轴向距离，该光线与透镜的入瞳相符，该驰垂度通常为正值，但可以是零或者负值。

第二透镜元件22是平凸透镜元件，其可以由模制塑料材料构成。然而要注意，第二透镜元件可以具有凸-凸或凸-凹设计。第二透镜元件22的折射率为n₂，该第二透镜元件内的第二透镜内的光束的数值孔径为NA₂。

两元件物镜18，22，可以在第一元件中包括折叠式反射镜，其容许该面对盘的物镜的第二元件偏心，并具有良好的像场性能，其特征在于面对辐射光源的第一元件的焦距F₁和整个系统的焦距F满足关系：

$\frac{F_1}{F}>2.5---\left(3\right)$

优选的是，为了利用第一元件来提供改善制造公差的优点，以下关系同样适用：

$\frac{F_1}{F}<4---\left(4\right)$

对于改善的性能，第一元件18的厚度d₁和d₂符合以下关系：

d₁＞sag₁+D₁≡Q₁                           (5)

$d_2>D_1+{\mathrm{sag}}_2-\frac{{\mathrm{NA}}_1}{\sqrt{n_1^2-{\mathrm{NA}}_1^2}}[d_1-D_2-{\mathrm{sag}}_1]\&equiv;Q_2---\left(6\right)$

此外，对于改进的构造高度的下降，与第一元件18有关的距离d₃和d₄符合以下关系：

                  d₃＜d₄    (7)

第一透镜元件的焦距F₁与第一和第二透镜表面30，32的曲率半径R₁，R₂具有以下关系：

$\frac{1}{F_1}=(n_1-1)[\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}+\frac{(n_1-1)(d_1+d_2)}{n_1{R}_1{R}_2}]---\left(8\right)$

所选择的符号规则是这样的，即当两个表面是凸面时(按照图2所示的每一实施例)，第一表面30的半径R₁是正的，而第二表面32的半径R₂是负的。

整个系统的焦距F由以下关系给出：

          F＝D₁/NA    (9)

其中NA是整个物镜18，22的数值孔径。

以下的表1列出了依照本发明的第一透镜元件的9种不同实施例的特性。这些实例的数值孔径是0.85，辐射光束的波长为405nm。盘的覆盖层的厚度为0.1mm，其是由聚碳酸酯(折射率1.622)制成的。同时，以下的表2列出了与这些实例有关的其它详细特性。

在方案1到8中，第一元件18由PMMA(折射率1.506)制成，第二元件22由聚碳酸酯(折射率1.622)制成。在方案9中，两个元件都是由COC制成的(折射率1.550)。第二元件22的入射面是非球面，而在所有实例中出射面是平面。在所有实例中，这个平面前表面和盘之间的距离是0.075mm。对于所有实例来讲，第一元件18具有非球面的第一透镜表面30。对于实例1到3，第一元件的第二透镜表面32是平面，而对于其它实例来讲，该表面是非球面。

            表1：所有距离规定为[mm]：

实施例#	D1	R1	R2	F1	F	F1/F
							1	0.75	1.128	无穷	2.229	0.882	2.527
2	0.65	1.247	无穷	2.464	0.765	3.220
							3	0.50	1.010	无穷	1.996	0.588	3.395
4	0.50	1.077	-2.452	1.684	0.588	2.864
							5	0.45	1.087	-1.747	1.540	0.529	2.911
6	0.40	1.405	-0.955	1.350	0.471	2.866
							7	0.35	2.495	-0.674	1.199	0.412	2.910
8	0.30	15.769	-0.529	1.037	0.353	2.938
							9	0.65	1.093	无穷	1.987	0.765	2.597

                                    表2：所有厚度规定为[mm]：

实施例#	d1	d2	D1	D2	sag1	sag2	n1	NA1	d1/Q1	d2/Q2
											1	1.20	0.80	0.75	0.358	0.259	0	1.506	0.331	1.189	1.293
2	0.98	0.62	0.65	0.407	0.169	0	1.506	0.253	1.197	1.067
											3	0.78	0.50	0.50	0.330	0.112	0	1.506	0.217	1.275	1.109
4	0.73	0.55	0.50	0.368	0.104	0.033	1.506	0.173	1.209	1.093
											5	0.68	0.50	0.45	0.348	0.084	0.040	1.506	0.145	1.273	1.073
6	0.60	0.58	0.40	0.359	0.045	0.072	1.506	0.057	1.348	1.249
											7	0.60	0.58	0.35	0.375	0.011	0.106	1.506	-0.035	1.662	1.258
8	0.60	0.58	0.30	0.387	-0.011	0.142	1.506	-0.123	2.076	1.260
											9	1.00	0.70	0.65	0.353	0.193	0.004	1.550	0.301	1.186	1.240

根据上面的表，关于本发明优选实施例的上述实例，以下的其它关系适用：

1mm＜F₁＜2.5mm                            (10)

F＜1mm                                     (11)

在上述实施例中，出于说明使用本发明实施例中其它特征的目的，将更加详细地说明实例4。第一元件18上的两个非球面表面30，32以及第二元件22入射面上的非球面表面的旋转对称形状，可以由以下等式进行描述：

$z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+{(1-r^2/R^2)}^{1/2}}$

$...+B_4\frac{r^4}{r_0^4}+B_6\frac{r^6}{r_0^6}+B_8\frac{r^8}{r_0^8}+B_{10}\frac{r^{10}}{r_0^{10}}+B_{12}\frac{r^{12}}{r_0^{12}}+B_{14}\frac{r^{14}}{r_0^{14}}+B_{16}\frac{r^{16}}{r_0^{16}}---\left(12\right)$

z是该表面在光轴方向上的位置以毫米记，r是到光轴的距离以毫米记，R是该表面的半径，r₀是归一化半径，B_k是r的k次方的系数。

对于第一透镜表面30，R的值为1.077mm，同时归一化半径r₀为1.0mm。对于这个表面，B₄到B₁₆的值分别是-1.2272049，25.404755，-322.03916，2344.2049，-9920.327，22580.5，-21393.565。

对于第二透镜表面32，R的值为-2.452mm，同时归一化半径r₀为0.8mm。对于这个表面，B₄到B₁₆的值分别是0.30668874，-5.3977186，46.80716，-102.58899，-645.43643，3792.223，-5471.5526。第一元件18和第二元件22之间的轴上距离为0.05mm。第二元件22的轴上厚度是0.342mm。

对于第二元件22的入射表面，R的值为0.338mm，同时归一化半径r₀为0.35mm。对于这个表面，B₄到B₁₆的值分别是-0.09902575，0.90152635，-4.0445013，10.373491，-14.93898，11.348149和-3.465529。

尽管以上参数都是涉及实例4的实施例的具体透镜设计的结果，应当注意，也可以将近似的处理方法用于其它实例。

还应当注意，本发明不限于以上所述的本发明实施例；可以设想本发明的其它实施例，并且这些均落在如权利要求中所述的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种复合物镜，包括第一透镜元件和第二透镜元件，该第一元件包括反射镜表面，用于在内部将通过第一元件的辐射光束重新定向，其中该物镜的数值孔径大于0.65，并且其中第一元件的焦距F₁和该物镜的焦距F具有以下关系：

$\frac{F_1}{F}>2.5$

2.根据权利要求1所述的复合物镜，其中该反射镜表面是平面反射镜表面。

3.根据权利要求1或2所述的复合物镜，其中物镜的焦距F小于1mm。

4.根据权利要求1或2所述的复合物镜，其中：

$\frac{F_1}{F}<4$

5.根据权利要求1或2所述的复合物镜，其中第一元件包括沿第一光轴设置的第一透镜表面，和沿第二光轴设置的第二透镜表面，第二光轴与第一光轴垂直，并且其中第一和第二光轴重合在沿反射镜表面的一点。

6.根据权利要求5所述的复合物镜，其中：

d₁＞sag₁+D₁

其中d₁是第一透镜表面的顶点和两条光轴重合点之间的距离，且sag₁是第一透镜表面在入瞳D₁处的驰垂度。

7.根据权利要求5所述的复合物镜，其中：

$d_2>D_1+{\mathrm{sag}}_2-\frac{{\mathrm{NA}}_1}{\sqrt{n_1^2-{\mathrm{NA}}_1^2}}[d_1-D_2-{\mathrm{sag}}_1]$

其中d₂是第二透镜表面的顶点和两条光轴重合点之间的距离，sag₁是第一透镜表面在入瞳D₁处的驰垂度，NA₁是第一元件中光束的数值孔径，n₁是第一元件的折射率，D₂是对应于在入瞳D₁处入射到第一表面上的准直光线在第二表面上的出射点的第二表面半径，sag₂是第二表面在半径D₂处的对应驰垂度。

8.一种包括权利要求1到7中任一项所述的包括物镜的光学扫描设备，该扫描设备包括用于生成辐射光束的辐射光源，该辐射光束通过物镜来扫描光学记录载体。

9.一种光学扫描设备，包括根据权利要求5所述的复合物镜，和用于生成辐射光束的辐射光源，该辐射光束通过物镜来扫描光学记录载体，其中：

d₃＜d₄

其中d₃是平行于第一光轴测得的、第一透镜表面的最近点和记录载体位置之间的最短距离，且d₄是平行于第二光轴测得的、第二透镜表面与记录载体位置之间的最远距离。

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