CN1299281C - 光学扫描设备 - Google Patents

Abstract

一种光学设备(1)，其用于借助于具有三个相应波长(λ₁、λ₂、λ₃)和偏振(p₁、p₂、p₃)的三个辐射束(4、4′、4”)来扫描三个信息层(2、2′、2”)，其中三个波长基本上彼此不同。所述设备包括用于发射所述三个辐射束的辐射源(7)、用于将所述三个辐射束会聚到所述三个相应信息层位置上面的物镜系统(8)，以及具有非周期性阶梯形轮廓的相位结构(24)。此外，所述结构包括对所述三个偏振敏感的双折射材料并且所述阶梯形轮廓被设计用于针对三个波长分别引入波前修改(ΔW₁、ΔW₂、ΔW₃)，其中所述波前修改之一是不同于其它的类型并且所述偏振之一不同于其它。

Description

光学扫描设备

本发明涉及一种光学扫描设备，其用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述设备包括：

用于连续地或同时地发射所述第一、第二和第三辐射束的辐射源，

用于将所述第一、第二和第三辐射束会聚到所述第一、第二和第三信息层位置上面的物镜系统，以及

具有非周期性阶梯形轮廓的相位结构，其被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中，所述结构包括用于形成所述非周期性阶梯形轮廓的具有不同高度的多个阶梯。

本发明一个特定的示例性实施例涉及一种能够从三种不同类型的光学记录载体，如致密盘(CD)、传统数字通用盘(DVD)及所谓的下一代HD-DVD中读取数据的光学扫描设备。

本发明还涉及一种用在光学扫描设备中的相位结构，所述光学扫描设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述结构被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中并且具有非周期性的阶梯形轮廓。

“扫描信息层”是指借助于辐射束进行扫描以用于读取信息层中的信息(“读取模式”)、在信息层中写入信息(“写模式”)以及/或在信息层中擦除信息(“擦除信息”)。“信息密度”是指信息层每单位面积所存储的信息量。尤其，它由通过扫描设备在待被扫描的信息层上面所形成的扫描光点的大小来确定。通过减少扫描光点的大小可以增加信息密度。由于光点的大小尤其还取决于形成光点的辐射束的波长λ和数值孔径NA，所以通过增加NA以及/或通过减少λ可以减少扫描光点的大小。

在下面具有光轴的第一光学元件，例如用于将物体变换到图像的物镜可通过引入“波前象差”W_abb而使图像恶化。波前象差具有以具有不同级的所谓泽尔尼克(Zernike)多项式格式所表达的不同类型。波前倾斜或失真是第一级波前象差的实例。象散和场曲率以及散焦是第二级波前象差的两个实例。慧形象差是第三级波前象差的实例。球面象差是第四级波前象差的实例。要注意到一些波前象差，如波前倾斜、象散和慧形象差相对于光轴是非对称的，即取决于在垂直于那个轴的平面内的方向。一些波前修改，如散焦和球面象差，相对于光轴是对称的，即独立于在垂直于那个轴的平面内的任何方向。有关表示上述所提波前象差的数字函数的更多信息见例如由M.Born和E.Wolf所写的题为“Principles of Optics”一书的第464至470页(PergamonPress 6^thED.)(ISBN 0-08-026482-4)。

沿着光学路径传播的辐射束具有带有预定形状的波前W，其由下述方程式给出：

$\frac{W}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π}}---\left(0a\right)$

其中“λ”和“φ”分别是辐射束的波长和相位。

在下面具有光轴的第二光学元件，例如非周期性相位结构可被设置在辐射束的光学路径中，用于在辐射束中引入“波前修改”ΔW。波前修改ΔW是对波前W形状的修改。如果说明波前修改ΔW的数字函数分别具有三、四等的径向级，则它可是在辐射束横断面中半径的第一、第二等的级。波前修改ΔW还可是“平的”；这意味着第二光学元件在辐射束中引入恒定的相位变化，以便于在选取了波前修改ΔW的模(modulo)2π之后，最后所得到的波前是恒定的。术语“平的”并没有必要意指波前W展示出零相位变化。此外，从方程式(0a)中导出波前修改ΔW可以辐射束的相位变化Δφ的形式加以表达，其由下述方程式给出：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔW}---\left(0b\right)$

在下面所谓的光程差OPD可针对波前象差W_abb或波前修改ΔW来加以计算。在其中波前修改或象差相对于光轴是对称的情况下，光程差的均方根值OPD_rms由下述方程式给出：

${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\∫f{\left(r\right)}^2\mathrm{rdr}}{\∫\mathrm{rdr}}-{\left(\frac{\∫f\left(r\right)\mathrm{rdr}}{\∫\mathrm{rdr}}\right)}^2}---\left(0c\right)$

其中“f”是说明波前象差W_abb或波前修改ΔW的数学函数且“r”是在正交于光轴的平面中极坐标系统(r，θ)的极坐标，使系统的原点成为那个平面和光轴的相交点并且延伸经过对应光学元件的入射光瞳。要注意到方程式(0b)适用于身为对称波前象差的球面象差和散焦。

在本说明中两个值OPD_rms，1和OPD_rms，2彼此“基本上相等”，其中|OPD_rms，1-OPD_rms，2|优选地小于或等于30mλ，其中值30mλ已经被任意地加以选择。同样，两个相位变化Δφ_a和Δφ_b值彼此“基本上相等”，其中相应值OPD_rms，1和OPD_rms，2彼此“基本上相等”(Δφ和ΔW之间的关系在方程式(0b)中被给出)。类似地，两个值OPD_rms，1和OPD_rms，2(或两个相位变化Δφa_和Δφ_b值)彼此“基本上不同”，其中|OPD_rms，1-OPD_rms，2|优选地大于或等于30mλ，其中值30mλ已经被任意地加以选择。

在下面术语“近似于”或“近似”在此被使用，即它旨在涵盖一系列可能的近似，所述定义包括这样的近似，其在任何情况下足以提供起到扫描不同类型光学记录载体目的的光学扫描设备的工作实施例。

目前在光学存储领域存在一种对用于提供具有一个光学物镜的光学扫描设备的需求，所述光学扫描设备通过使用激光辐射的不同波长用于扫描各种不同的光学载体，如所谓BD格式的第一盘(蓝光盘)、所谓DVD格式的第二盘及所谓CD格式的第三盘。

例如，典型的问题是：借助于具有等于785nm的第一波长的第一辐射束(来读取CD-R)、具有等于405nm的第二波长的第二辐射束、以及具有等于650nm的第三波长的第三辐射束(来读取双层DVD)，制造一种与所有目前现存的盘，即DVD格式盘和CD格式盘以及“HD-DVD“格式盘读出兼容的光学扫描设备。由于这多个波长，针对每个波长配置来设计产生预定波前的非周期性相位结构是困难的。此原因在于在设计非周期性相位结构(NPS)时，人们利用这样的事实，即当波长不同时则由阶梯高度所引入的相位不同。对于两个波长这样的结构允许相当简单的设计。要注意到用于设计NPS的方法从例如由B.H.W Hendriks，J.E.de Vries和H.P.Urbach所著文章“Application of non-periodic phase structures in optical systems”，Appl.Opt.40(2001)pp.6548-6560中得知，所述文章说明如何借助于NPS来制作适合于扫描DVD格式盘及CD格式盘的物镜。

从前已经在例如于05.04.200以申请号EP 01201255.5提交的欧洲专利申请中建议提供一种光学扫描设备，所述光学扫描设备能够利用不同波长的三个辐射束扫描来自HD-DVD、DVD和CD的数据，而只使用相同的物镜。此外，在EP 01201255.5中已知提供一种同时适应于三个波长的NPS。已知的NPS是具有非周期性阶梯形轮廓的相位结构，其被设置在三个辐射束的光学路径中，所述结构包括用于形成非周期性阶梯轮廓的具有不同高度的多个阶梯。

虽然从前所建议的扫描装置针对下述情形提供方案，即其中三个不同的光学媒体通过使用相同的物镜被三个相联系的不同波长光照明，但是它们并不有助于针对波长的固定值提供易于设计且制造的NPS结构。结果是，已知的NPS变得复杂，从而要求制作相对高的阶梯。

发明内容

因而，对于具有单个光学物镜的光学扫描设备的目的是：其通过使用具有三个相互间不同波长的至少三个辐射束用于扫描各种不同的光学记录载体。

这个目的由在开始段落中所说明的光学扫描设备来实现，其中根据本发明，所述相位结构包括对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料，并且所述阶梯形轮廓被设计用于分别为所述第一、第二和第三波长引入第一波前修改、第二波前修改以及第三波前修改，其中至少所述第一、第二和第三波前修改之一是不同于其它的一个类型且所述第一、第二和第三偏振中的两个是相同的，并且所述偏振的第三个与所述两个偏振不同。

通过从对三个辐射束的不同偏振敏感的双折射材料形成相位结构，并且通过设计用于引入第一波前修改的阶梯形轮廓，则就有关第一波长的上述提到的兼容性问题得到解决。这将在下面进一步详细地加以解释。因而，通过与已知的NPS相比较，对于根据本发明的NPS存在设计时可以使用的附加参数(偏振)，由此导致更多的设计自由度。由阶梯高度h所引入的相位由下述给出，所述阶梯高度h由在波长λ具有折射率n的材料制成：

$\mathrm{\Φ}=2\mathrm{\π}\frac{h(n-1)}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

因而，当波长变化时由阶梯所引入的相位发生变化。此外，当改变偏振且因此改变折射率时，同样产生由阶梯所引入的相位变化。利用相对简单的阶梯形结构，则有可能组合三个波长系统的效果，为每个波长设计NPS所产生的预定波前。

因此，提供有根据本发明的相位结构的光学扫描设备的优点是：利用多个不同的辐射波长来扫描光学载体，即提供用于扫描众多不同类型光学记录载体的单个设备。

形成根据本发明的相位结构的另一优点是：制作出比在EP01201255.5中所说明的已知相位结构具有更小幅值的阶梯高度的相位结构。

要注意到：与其每个具有周期性阶梯形轮廓的衍射部件相反，这种相位结构具有非周期性的阶梯形轮廓。还要注意到：非周期性结构和衍射部件在结构和目的方面彼此不同。因此，NPS包括具有不同高度的多个阶梯，以便于NPS具有非周期性轮廓。后者被设计用于从入射到NPS的辐射束形成波前修改。通过对照，衍射部件包括其每个具有一个阶梯形轮廓的图案元件的图案。后者被设计用于从入射到所述部件的辐射束形成对于不同的衍射级具有不同透射效率的经衍射的辐射束(即，每个具有衍射级“m”的多个辐射束，即第零级(m＝0)，+1^st级(m＝1)等，-1^st级(m＝-1)等)。

在根据本发明的光学扫描设备的第一实施例中，所述阶梯形轮廓被设计用于引入：针对所述第二波长的第二平波前修改、以及针对所述第三波长的第三平波前修改，其中至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它的不同。

在根据本发明的光学扫描设备的第二实施例中，所述阶梯形轮廓被设计用于引入：针对所述第二波长的第二平波前修改、以及针对所述第三波长的基本上与所述第一波前修改是相同的类型的第三波前修改，其中至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它的不同。

根据本发明的另一方面，所述双折射率材料的非常折射率基本上等于

其中“n_o”是所述双折射材料的寻常折射率且“λ_b”和“λ_c”  是所述第一、第二和第三波长中的两个。

本发明的另一目的是提供一种适合于用在光学扫描设备中的相位结构，所述光学扫描设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同。

这个目的由在开始段落中所说明的相位结构来实现，其中根据本发明所述相位结构包括对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料并且所述阶梯形轮廓被设计用于分别为所述第一、第二和第三波长引入第一波前修改、第二波前修改以及第三波前修改，其中至少所述第一、第二和第三波前修改之一是不同于其它的一个类型且所述第一、第二和第三偏振中的两个是相同的，并且所述偏振的第三个与所述两个偏振不同。

根据本发明的另外方面，提供有一种用在光学扫描设备中的透镜，所述光学扫描设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述透镜被提供有根据本发明的相位结构。

附图说明

如在所附附图中所示例，从下述对本发明的更详细说明中，本发明的目的、优点和特征将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的光学扫描设备1的部件的示意性示例，

图2是用在图1中扫描设备中的物镜的示意性示例，

图3是图2中物镜的示意性前视图，

图4示出表示由图2和3中所示物镜所产生的波前象差的曲线，

图5示出表示图2和3中所示NPS的第一实施例的阶梯高度的曲线，

图6A示出表示由图5中所示NPS所引入的波前修改的曲线，

图6B示出表示图4中所示的波前象差与图6A所示的波前修改的组合的曲线，以及

图7示出表示图2和3所示NPS的第二实施例的阶梯高度的曲线。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的光学扫描设备1的光学部件的示意性示例，所述光学扫描设备1借助于第一辐射束4”用于扫描第一光学记录载体3”的第一信息层2”。

作为示例，光学记录载体3”包括透明层5”，在所述透明层5”的一侧上设置有信息层2”。背向透明层5”的信息层侧由保护层6”保护免受环境影响。通过为信息层2”提供机械支持，透明层5”充当光学记录载体3”的基片。作为选择地，透明层5”可具有保护信息层2”的唯一作用，而机械支持由信息层2”另一侧上的层，例如由保护层6”或由被连接到最外面信息层的透明层及附加的信息层来提供。要注意到信息层具有对应于(在这个实施例中如图1所示)透明层5”厚度的第一信息层深度27”。信息层2”是载体3”的表面。那个表面包含至少一个轨道，即由被聚焦辐射的光点所跟随的路径，在所述路径上光学上可读取的标记被加以设置以表示信息。所述标记可例如采取具有反射系数或磁化方向不同于环境的坑或区域的形式。在光学记录载体3”具有盘的形状的情况下，就有关给定轨道定义如下：“径向方向”是参考轴，即在轨道和盘中心之间的X轴的方向，以及“切向方向”是另一轴，即正切于轨道且垂直于X轴的Y轴的方向。

如图1中所示，光学扫描设备1包括辐射源7、准直透镜18、分束器9、具有光轴19的物镜系统8、相位结构或非周期性结构(NPS)24、以及检测系统10。此外，光学扫描设备1包括伺服电路11、焦点执行器12、径向执行器13、以及用于误差校正的信息处理单元14。

在下面“Z轴”对应于物镜系统8的光轴19。要注意到(X，Y，Z)是正交基。

辐射源7被设置用于连续地或同时地供应辐射束4”及两个其它辐射4和4’(在图1中未被示出)。例如，辐射源7可包括用于连续地供应辐射束4”、4和4’的可调谐半导体激光器或用于同时地供应这些辐射束的三个半导体激光器。此外，辐射束4”具有第一波长λ₃和第一偏振p₃、辐射束4具有第二波长λ₁和第二偏振p₁、以及辐射束4’具有第三波长λ₂和第三偏振p₂。波长λ₁、λ₂和λ₃以及偏振p₁、p₂和p₃的实例将被给出，其中波长λ₁、λ₂和λ₃基本上彼此不同且偏振p₃不同于至少p₁、p₂之一。要注意到在本说明中两个波长λ_a和λ_b基本上彼此不同，其中|λ_a-λ_b|优选地等于或大于10nm，更优选地等于或大于20nm，其中值10和20nm是纯粹任意选择的问题。

准直透镜18被设置在光轴19上用于将辐射束4”变换成第一基本上被准直的束20”。类似地，它将辐射束4和4’变换成第二基本上被准直的束20和第三基本上被准直的束20’(在图1中未被示出)。

分束器9被设置用于将经准直的辐射束20”、20和20’透射向物镜系统8。优选地，分束器9由相对于Z轴被倾斜角α的平面平行板形成，且更优选地α＝45°。

物镜系统8被设置用于将经准直的辐射束20”变换成第一被聚焦的辐射束15”，以便于在信息层2”的位置处形成第一扫描光点16”。类似地，物镜系统8如下所解释变换经准直的辐射束20和20’。

在这个实施例中，物镜系统8包括被提供NPS 24的物镜17。

NPS 24包括具有非常折射率n_e和寻常折射率n_o的双折射材料。在下面因波长差异导致的折射率变化被忽略不计且因此折射率n_e和n_o大约独立于波长。在这个实施例中，并且仅作为示例，双折射材料是具有n_o＝1.51且n_e＝1.70的C6M/E7 50/50(以重量的％)。作为选择地，例如双折射材料可是具有n_o＝1.55且n_e＝1.69的C6M/C3M/E740/10/50。所使用的代码是指下述物质：

E7：51％C5H11氰基联苯(cyanobiphenyl)，25％C5H15氰基联苯，16％C8H17氰基联苯，8％C5H11氰基三苯基(cyanotriphenyl)；

C3M：4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂(C3M：4-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy-2-methylphenyl4-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoate)；

C6M：4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂。

NPS 24被如此对准以便于双折射材料的光轴沿着Z轴。它还被如此对准以便于当它被具有沿着X轴偏振的辐射束横越时其折射率等于n_e以及当它被具有沿着Y轴偏振的辐射束横越时其折射率等于n_o。在下面辐射束的偏振被称为“p_e”和“p_o”，其分别与X轴和Y轴被对准。因此，当偏振p₁、p₂或p₃等于p_e时，双折射材料的折射率等于n_e并且，当偏振p₁、p₂或p₃等于p_o时，双折射率材料的折射率等于n_o。换句话说，被如此对准的NPS 24对偏振p₁、p₂和p₃敏感。NPS 24将被进一步详细地加以说明。

在扫描期间，记录载体3”在心轴(在图1中未示出)上旋转并且随后信息层2”通过透明层5被扫描。被聚焦的辐射束15”在信息层2”上反射，由此形成在前向会聚束15”的光学路径上返回的反射束21”。物镜系统8将经反射的辐射束21”变换成经反射的准直辐射束22”。通过将至少一部分经反射的辐射束22”透射向检测系统10，分束器9将前向辐射束20”从经反射的辐射束22”分开。

检测系统6包括会聚透镜25和象限检测器23，其被设置用于捕捉所述部分经反射的辐射束22”并且将它转换成一个或更多个电信号。信号之一是信息信号I_data，其值表示在信息层2”上被扫描的信息。信息信号I_data被信息处理单元14加以处理以用于误差校正。来自检测系统10的其它信号是焦点误差信号I_focus和径向跟踪误差信号I_radial。信号I_focus表示扫描光点16”和信息层2”的位置之间在沿着Z轴高度上的轴向差。优选地，这个信号由“象散方法”形成，所述方法特别地从由G.Bouwhuis、J.Braat，A.Huijser等人的被命名为“Principles ofOptical Disc Systems”的书籍中第75-80(Adam Hilger 1985)(ISBN0-85274-785-3)中可知。径向跟踪误差信号I_radial表示扫描光点16”与即将由扫描光点16”所跟随的信息层2”中轨道中心之间在信息层2”的XY平面上的距离。优选地，这个信号从“径向推-拉方法”形成，所述方法从特别地由G.Bouwhuis的书籍的第70-73页中得知。

伺服电路11被设置成用于响应于信号I_focus和I_radial来提供伺服控制信号I_control用于分别控制焦点执行器12和径向执行器13。焦点执行器12控制物镜17沿着Z轴的位置，由此控制扫描光点16”的位置，以便于它基本上与信息层2”的平面重合。径向执行器13控制物镜17沿着X轴的位置，由此控制扫描光点16”的径向位置，以便于它基本上与信息层2”内即将被跟随的轨道的中心线重合。

图2是用在上述所说明的扫描设备1中的物镜17的示意性示例。

物镜17被设置用于将经准直的辐射束20”变换到具有第一数值孔径NA₃的经聚焦的辐射束15”上，以便于形成扫描光点16”。换句话说，光学扫描设备1具有借助于具有波长λ₃、偏振p₃和数值孔径NA₃的辐射束15”来扫描第一信息层2”的能力。

此外，光学扫描设备1还具有这样的能力，即借助于辐射束4扫描第二光学记录载体3的第二信息层2以及借助于辐射束4’扫描第三光学记录载体3’的第三信息层2’。因此，物镜17将经准直的辐射束20变换成具有第二数值孔径NA₁的第二经聚焦的辐射束15，以便于在信息层2的位置处形成第二扫描光点16。物镜17还将经准直的辐射束20’变换成具有第三数值孔径NA₂的第三经聚焦的辐射束15’，以便于在信息层2’的位置处形成第三扫描光点16’。

类似于光学记录载体3”，光学记录载体3包括第二透明层5，在其一侧上信息层2被设置有第二信息层深度27，并且光学记录载体3’包括第三透明层5’，在其一侧上信息层2’被设置有第三信息层深度27’。

要注意到通过将物镜17形成为混合透镜，即用在无限共轭模式中的将NPS和折射元件加以组合的透镜，则获得对不同格式记录载体3、3’和3”的信息层进行扫描。这样的混合透镜可以通过在透镜17的进入表面上施加阶梯形轮廓，例如通过使用例如UV固化漆的光致聚合作用的平版印刷过程而形成，由此有利地导致容易地制造NPS 24。作为选择地，这样的混合透镜可以通过金刚石车削来制作。

在图1和2所示的这个实施例中，物镜17作为凸-凸透镜被形成，然而，可以使用其它透镜元件类型如平-凸或凸-凹透镜。在这个实施中，NPS 24被设置在面向辐射源7的第一物镜17的一侧(在此被称为“进入面”)上。

作为选择地，NPS 24被设置在透镜17的另一表面(在此被称为“离开面”)上。还作为选择地，物镜17例如是折射物镜元件，其被提供有形成NPS 24的平面透镜元件。同样作为选择地，NPS 24被提供在与物镜系统8分开的光学元件上，例如在分束器或四分之一波片上。

同样作为选择地，虽然在这个实施例中物镜17是单透镜，但它可以是包含两个或更多个透镜元件的复合透镜。

图3是图2所示物镜17的进入表面的示意性视图(也被称为“前视图)，从而示例出NPS 24。

NPS 24包括用于形成非周期性阶梯形轮廓的具有不同高度“h_j”的多个阶梯j。在下面“h”是阶梯形轮廓的阶梯高度，其是取决于x的函数。在阶梯形轮廓近似的情况下，阶梯高度由下述函数给出：

h(x)＝h_j    forj-1≤x≤j                 (2a)

其中“h_j”是阶梯j的阶梯高度，其为恒定参数。在下面“带”是沿着X轴的阶梯长度。

阶梯形轮廓被设计，即阶梯高度h_j被选择用于引入在波长λ₃的第一波前修改ΔW₃(且因此第一相位变化Δφ₃)、在波长λ₁的第二波前修改ΔW₁(且因此第二相位变化Δφ₁)以及在波长λ₂的第三波前修改ΔW₂(且因此第三相位变化Δφ₂)。换句话说，阶梯形轮廓被如此设计以便于在辐射束15、15′和15”中引入波前修改ΔW₁、ΔW₂和ΔW₃，其中这些波前修改的任何一个是对称象差类型的平式。

在下面且仅作为示例波前修改ΔW₁是平的。因此，阶梯高度h_j被如此选择，以便于相位变化Δφ₁基本上等于2π的倍数，即基本上等于零模2π。在这个实施例中波长λ₁被称为设计波长λ_ref。换句话说，

λ_ref＝λ₁                              (2b)

ΔΦ₁≡0(2π).                          (2c)

当每个阶梯高度h_j是参考高度h_ref的倍数时这可实现，所述参考高度h_ref如下取决于设计波长λ_ref(即波长λ₁)：

$h_{\mathrm{ref}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}}{n-n_o}---\left(3\right)$

其中“n”是NPS 24的折射率且n_o是相邻介质的折射率，在下面且仅作为实例所述相邻介质为空气，即n_o＝1。

要注意到：在其中NPS 24被提供在平面表面上(即在平面平行板上)的情况下，参考高度href基本上是恒定的。此外，当NPS 24被提供在弯曲表面(例如透镜表面)上的情况下，NPS 24在阶梯的长度上可被加以调节以便于产生基本上等于2π倍数的相位变化。

由于NPS 24由双折射材料制成，所以当横穿NPS 24的辐射束的偏振等于p_e时其折射率n等于n_e且当横穿NPS 24的辐射束的偏振等于p_o时其折射率n等于n_o。因而，参考高度h_ref取决于参考波长λ_ref并且还取决于参考波长λ_ref的偏振p_ref，并且在下述它还被称为“h_ref(λ_ref，p_ref)”。类似地，相位变化Δφ₁、Δφ₂和Δφ₃还取决于相应的偏振p₁、p₂和p₃且在下面它们还被称为“Δφ₁(p₁)”、“Δφ₂(p₂)”和“Δφ₃(p₃)”。

因此，从方程式(2b)和(3)得出：

$h_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_e-n_0}---\left(4a\right)$

$h_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-n_0}---\left(4b\right)$

因而，在其中例如n_o＝1.50，n_e＝1.62及λ₁＝405nm的情况下，从方程式(4a)和(4b)获得下述：

h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p_e)＝0.653μm以及

h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p_o)＝0.810μm。

还要注意到：在针对辐射束15阶梯高度引入值Δφ₁(p₁)(基本上等于零模2π)的同时，它针对辐射束15′和15”分别如下引入值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2(p_2=p_e)=2\mathrm{\π}\frac{n_e{-n}_0}{{\mathrm{\λ}}_2}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_1)---\left(5a\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_2(p_2=p_o)=2\mathrm{\π}\frac{n_o{-n}_0}{{\mathrm{\λ}}_2}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_1)---\left(5b\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_3(p_3=p_e)=2\mathrm{\π}\frac{n_e{-n}_0}{{\mathrm{\λ}}_3}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_1)---\left(5c\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_3(p_3=p_o)=2\mathrm{\π}\frac{n_o{-n}_0}{{\mathrm{\λ}}_3}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_1)---\left(5d\right)$

表I示出在其中偏振p₂和p₃等于p_e和/或p_o情况下的值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)，其中辐射束15′和15”横穿等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p_e)或h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p_o)的阶梯高度h_j。利用例如n_o＝1.50、n_e＝1.62、λ₁＝405nm、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm已经从方程式(4a)、(4b)以及(5a)至(5d)计算出值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)。

表I

		ΔΦ2(p2)/2π(modulo 1)		ΔΦ3(p3)/2π(modulo 1)
						p2＝pe	p2＝po	p3＝pe	p3＝po
		hj＝href(λref＝λ1，pref＝p1)	p1＝pe	0.623	0.502					0.516	0.416
p1＝po	0.773					0.623	0.640	0.516

要进一步注意到等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)倍数的阶梯高度h_j引入对于衍射束15等于零模2π的值Δφ₁(p₁)，以及其每个等于有限数量的可能值当中的一个值的值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)。在下面“#Δφ₂”和“#Δφ₃”分别是相位变化值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)的如此有限数量。类似于相位变化Δφ₁、Δφ₂和Δφ₃，有限数量#Δφ₂和#Δφ₂也取决于相应的偏振p₂和p3，且在下面它们还被称为“#Δφ₂(p₂)”和“#Δφ₃(p₃)”。有限数量#Δφ₂(p₂)和#Δφ₃(p₃)已经基于Continued Fractions(连分数)理论得到计算，正如从例如在申请号01201255.5下于2001年4月5日提交的所述欧洲专利申请所知的那样。

仅作为示例，现在在其中偏振p₁和p₃相等，例如p₁＝p_o且p₃＝p_o的第一情况下，以及其中偏振p₁不同于偏振p₃，例如p₁＝p_o且p₃＝p_e的第二情况下，对有限数量#Δφ₃(p₃)的计算加以说明。参考申请号01201255.5下的所述欧洲专利申请，下述得到定义：

$a_0=\frac{H_1}{H_t}---\left(6a\right)$

b₀＝Int[a₀]                                      (6b)

a₁＝a₀-b₀                                        (6c)

$b_m=\mathrm{Int}\left[\frac{1}{a_m}\right]---\left(6d\right)$

$a_{m+1}=\frac{1}{a_m}-b_m---\left(6e\right)$

CF_m≡{b₀，b₁...b_m}                               (6f)

其中H₁＝h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)，H_i＝h_ref(λ_ref＝λ₃，p_ref＝p₃)且“m”是等于或大于1的整数。

在其中p₁＝p_o且p₃＝p_o以及其中例如n_o＝1.50、n_e＝1.62、λ₁＝405nm、和λ₃＝785nm的第一情况下，从方程式(6a)至(6e)得到如下：

${H_1=h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-n_0}=0.810\mathrm{\μm}$

${H_i=h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_3,p_{\mathrm{ref}}=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_o-n_0}=1.570\mathrm{\μm}$

a₀＝0.516

b₀＝0

a₁＝0.516

b₁＝1

a₂＝0.938

b₂＝1

${\mathrm{CF}}_2=0+\frac{1}{1+\frac{1}{1}}=\frac{1}{2}$

因此，CF₂基本上等于a₀，即下述得到满足：|CF₂-a₀|＝0.016＜0.02，其中0.02是纯粹被任意加以选择的值。结果是，经发现有限数量#Δφ₃(p₃＝p_o)等于2，其中p₁＝p_o。

在其中p₁＝p_o且p₃＝p_e以及其中例如n_o＝1.50、n_e＝1.62、λ₁＝405nm、和λ₃＝785nm的第二情况下，从方程式(6a)至(6e)得到如下：

${H_1=h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p_{\mathrm{ref}}=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-n_0}=0.810\mathrm{\μm}$

${H_i=h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_3,p_{\mathrm{ref}}=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_e-n_0}=1.266\mathrm{\μm}$

a₀＝0.640

b₀＝0

a₁＝0.640

b₁＝1

a₂＝0.563

b₂＝1

a₃＝0.776

b₃＝1

a₄＝0.288

b₄＝3

${\mathrm{CF}}_4=0+\frac{1}{1+\frac{1}{1+\frac{1}{1+\frac{1}{3}}}}=\frac{7}{11}$

因此CF₂基本上等于a₀，即下述得到满足：|CF₄-a₀|＝0.004＜0.02。结果是，经发现有限数量#Δφ₃(p₃＝p_o)等于11，其中p₁＝p_o。

表II示出就有关等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p_e)和h_ref(λ＝λ₁，p＝p_o)的阶梯高度h_j以及在其中偏振p₂和p₃等于p_e和/或p_o情况下的有限数量#Δφ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#Δφ(λ＝λ₃，p＝p₃)。这些限制数量已经如上所说明基于连分数理论被加以计算。

表II

		#ΔΦ2(p2)		#ΔΦ3(p3)
						p2＝pe	p2＝po	p3＝pe	p3＝po
		hj＝href(λref＝λ1，pref＝p1)	p1＝pe	8	2					2	5
p1＝po	9					8	11	2

要注意到在表I和II中如果偏振p₁、p₂和p₃相等，则有限数量#Δφ₂(p₂)和#Δφ₃(p₃)之一等于2，即仅两个不同的值(零和π模2π)可以被选择用于对应的相位变化。这并不允许就有关对应的辐射束用来设计NPS 24的基本自由度。

通过对照，在还要注意到在表I和表II中如果至少偏振p₁、p₂和p₃之一与其它的不同，则至少三个不同的值可以被选择用于#Δφ₂(p₂)和#Δφ₃(p₃)。从至少三个可能值中选择相位变化的可能性允许为辐射束15、15′和15”中的每个制造高效的NPS。此外，这有利地允许设计具有相对低数量阶梯，典型地小于40个阶梯的阶梯形轮廓，因为具有高数量阶梯(典型地，50或更多阶梯)的阶梯形轮廓很少实际使用。

现在说明阶梯形轮廓的两个实施例，其中在第一实施例中波前修改ΔW3是对称象差类型的且波前修改ΔW2是平的以及在第二实施例中是对称象差类型的。

在第一实施例中且作为示例，光学记录载体3、3’和3”分别是“HD-DVD”格式盘、“DVD”格式盘及CD格式盘。首先，波长λ₁被包括在365和445nm之间的范围内，并且优选地为405nm。波长λ₂被包括在620和700nm之间的范围内，并且优选地为650nm。波长λ₃被包括在740和820nm之间的范围内，并且优选地为785nm。其次，数值孔径NA₁在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。数值孔径NA₂在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。数值孔径NA₃低于0.5，优选地为0.45。第三，偏振p₁、p₂和p₃如下：p₁＝p_e、p₂＝p_o且p₃＝p_o。

在第一实施例中，物镜17是平面-非球面元件(如图2中所示)。物镜17沿着Z轴(即其光轴的方向)上具有2.412mm的厚度以及具有直径为3.3mm的入射光瞳。物镜17的数值孔径在波长λ₁(＝405nm)等于0.6、在波长λ₂(＝650nm)等于0.6且在波长λ₃(＝785nm)等于0.45。物镜的透镜体由LAFN28 Schott玻璃制成，其具有在波长λ₁(＝405nm)等于1.7998、在波长λ₂(＝650nm)等于1.7688且在波长λ₃(＝785nm)等于1.7625的折射率。被导引向准直透镜18的透镜体的凸表面具有2.28mm的半径。面向记录载体的物镜17的表面是平的。在玻璃体顶上的薄丙烯层中实现非球面表面。涂漆具有在波长λ₁(＝405nm)等于1.5945、在波长λ₂(＝650nm)等于1.5646且在波长λ₃(＝785nm)等于1.5588的折射率。这个层在光轴上的厚度为17μm。旋转对称的非球面形状由函数H(r)定义如下：

$H\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2i}{r}^{2i}---\left(7\right)$

其中“H(r)”是沿着透镜17光轴的表面位置(以mm为单位)，“r”是到光轴的距离(以mm为单位)，并且“B_k”是H(r)的第k次幂。系数B₂至B₁₀的值分别是0.238864、0.0050434889、7.3344175 10^-5、-7.0483109 10^-5、-4.7795094 10^-6。自由工作距离，即物镜17与光学记录载体之间的距离：对于具有0.6mm覆盖层厚度的DHD-DVD格式盘在波长λ₁(＝405nm)等于0.9676mm，对于具有0.6mm覆盖层厚度的DVD格式盘在波长λ₂(＝650nm)等于1.044mm，以及对于具有1.2mm覆盖层厚度的CD格式盘在波长λ₃(＝785nm)等于0.6917mm。盘的覆盖层厚度由其折射率在波长λ₁(＝405nm)等于1.6188、在波长λ₂(＝650nm)等于1.5806和在波长λ₃(＝785nm)等于1.5731的聚碳酸酯制成。物镜17被以如此方法设计，以便于当在波长λ₁(＝405nm)扫描HD-DVD格式盘且在波长λ₂(＝650nm)扫描DVD格式盘时，没有引入球面色散。要注意到物镜17与“HD-DVD”格式及DVD格式兼容。为了使物镜适合于扫描CD格式盘，因覆盖层厚度差引起的球面象差W_abb及球面色散的量必须得到补偿。球面象差可以以泽尔尼克(Zernike)多项式的形式加以表达。关于进一步的信息，见例如由M.Born和E.Wolf所写的题为“Principles of Optics”一书的第469至470页(6^th ED.)(Pergamon Press)(ISBN 0-08-09482-4)。要注意到：从方程式(7)已知了物镜17的形状后，球面象差W_abb的量可以由射线跟踪仿真来加以确定。图4示出曲线81，其表示根据方程式(7)由物镜17所产生的波前象差W_abb。要注意到在图4中“r_o”是被提供有NPS 24的物镜17的面的光瞳半径。

因此，在第一实施例中，阶梯形轮廓被设计用于补偿在波长λ₃的波前象差W_abb。因而阶梯高度h_j被如此选择以便于波前修改ΔW₁和ΔW₂基本上是平的并且以便于波前修改满足下述：

ΔW₃≈-W_abb                                   (8)

要注意到波前修改ΔW₁和ΔW₂基本上彼此不同，其相差恒定的相位差。

因而，阶梯高度h_j被如此选择，以便于相位变化Δφ₁(p₁)和Δφ₂(p₂)两者基本上等于常数(例如零)模2π，其中相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₁(p₁)可基本上彼此不同，并且以便于波前修改ΔW₃和波前象差W_abb之和基本上等于零。仅作为示例，阶梯形轮廓的第一实施例的实例在下面被加以说明，其中阶梯形轮廓包括五个阶梯。

首先，表III示出由等于qh_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的阶梯高度所引入的值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)，其中p₁＝p_e且“q”是整数。这些值从表I中可以发现，其中Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)值是已知的等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的阶梯高度，其中p₁＝p_e，即针对q＝1。

表III：

q	ΔΦ2(p2)/2π(modulo 1)p2＝po	ΔΦ3(p3)/2π(modulo 1)p3＝po
			1	0.502	0.416
2	0.004	0.832
			3	0.506	0.248
4	0.008	0.664
			5	0.510	0.080
6	0.012	0.496
			7	0.514	0.912
8	0.016	0.328
			9	0.518	0.744
10	0.020	0.160
			11	0.522	0.576
12	0.026	0.992

要注意到在表III中相位变化Δφ₂(p₂)基本上等于零或π模2π并且相位变化Δφ₃(p₃)基本上具有5个基本上不同的值模2π。这与表II是一致的，其中对于p₁＝p_e，#Δφ₂(p₂)＝2且对于p₃＝p_o，#Δφ₃(p₃)＝5。

还要注意到：由于偏振p₃不同于偏振p₁，所以可以选择至少三个不同的相位变化Δφ₃(p₃)值，由此导致允许设计具有相对低数量阶梯，典型地小于40个阶梯的阶梯形轮廓，因为具有高数量阶梯(典型地，50或更多阶梯)的阶梯形轮廓很少实际使用。

其次，表IV示出其中p₁＝p_e的阶梯高度h_j(＝q_href(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁))的“优化带”，以及相位变化Δφ₃(p₃)/2π的值，所述值由表III中针对p₂＝p_o以及根据从由B.H.W.Hendriks等人所述文章中已知的方法的波前象差W_abb(见图4)所决定。表IV还示出：对于阶梯高度h_j的相位变化Δφ₂(p₂)的值，其用于根据其中p₂＝p_o的表III来近似于平的波前修改ΔW₂。

表IV：

	Zones(mm)	q	hj(μm)	ΔΦ2(p2)(mod.2π)p2＝po	ΔΦ3(p3)(mod.2π)p3＝po
						j＝1	0.00-0.40	0	0.000	0.0000	0.000
j＝2	0.40-0.59	10	6.530	0.1256	1.005
						j＝3	0.59-1.10	8	5.224	0.1005	2.061
j＝4	1.10-1.20	10	6.530	0.1256	1.005
						j＝5	1.20-1.26	0	0.000	0.0000	0.000

还要注意到在表IV中，因基于辐射束的偏振来选择折射率的可能性，导致NPS具有仅6.53μm的阶梯高度差的有利阶梯形轮廓。通过对照，从所述专利申请EP 01201255.5中所知的NPS具有大于16μm的阶梯高度差，由此导致难以制造的已知NPS。

图5示出曲线80，其表示根据表IV的NPS 24的阶梯高度h(x)。要注意到就有关曲线80，阶梯形轮廓被如此设计以便于相邻阶梯之间的相对阶梯高度h_j+1-h_j包括具有光学路径基本上等于αλ₁的相对阶梯高度，其中α是整数且α＞1以及λ₁是设计波长。换句话说，这样的相对阶梯高度比参考高度h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)高。

图6A示出曲线82，其表示由图5中所示的NPS所引入的用于补偿波前象差W_abb的波前修改ΔW₃。要注意到在图6A中参考“j”对应于与图5有关所定义的阶梯。

通过比较，图6B示出曲线83，其表示图4中所示的波前象差与图6A中所示的波前修改的组合。

通过再次参考表IV，还要注意到相位变化Δφ₂(p₂)基本上等于零，由此引入平的波前修改ΔW₂，以及与对应的优化带相联系的相位变化Δφ₃(p₃)近似于波前象差W_abb(在此，球面象差)。

表V示出针对波前修改ΔW₁、ΔW₂和ΔW₃的值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]，其中辐射束15、15′和15”(在相应的波长和偏振处)横穿根据表IV用于补偿波前象差W_abb的NPS(以及在图4中所示)。表V还示出与波前象差W_abb相联系的值OPD_rms[W_abb](即根据表IV没有对NPS 24的校正)。值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]以及OPD_rms[W_abb]已经根据射线跟踪仿真被加以计算。

表V：

	OPDrms[Wabb+ΔWi]	OPDrms[Wabb]
			i＝1(p1＝pe)	17.9mλ	17.9mλ
i＝2(p2＝po)	8.6mλ	3.2mλ
			i＝3(p3＝po)	43.8mλ	134.1mλ

要注意到在表V中，对于根据表IV的NPS 24，三个值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]低于衍射极限，即小于70mλ，由此允许任何格式的光学记录载体将被扫描。

作为阶梯形轮廓第一实施例的替代选择，相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₁(p₁)的值基本上彼此相等，其中偏振p₁不同于偏振p₂，即：

ΔΦ₂(p₂)＝ΔΦ₁(p₁)                          (9)

在其中p₁＝p_o、p₂＝p_e以及p₃＝p_e的情况下从方程式(0c)、(5b)、(5c)和(9)中导出：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{n_e-1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-1}---\left(10\right)$

从方程式(10)中紧接着：

$n_e=1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}(n_o-1)---\left(11\right)$

因此，例如，在其中n_o＝1.50，λ₁＝405nm及λ₂＝650nm的情况下，从方程式(11)导出n_e＝1.802。因而，双折射材料可被加以选择，其中其折射率n_e和n_o基本上分别等于1.802和1.5。

在本说明中，两个折射率n_a和n_b基本上相等，其中|n_a-n_b|优选地等于或小于0.01，且更优选地小于或等于0.005，其中值0.01和0.005是纯粹任意选择的问题。

在第二实施例中且仅作为实例，光学记录载体3、3’和3”分别是BD格式盘、DVD格式盘及CD格式盘。首先，波长λ₁被包括在365和445nm之间的范围内，并且优选地为405nm。波长λ₂被包括在620和700nm之间的范围内，并且优选地为650nm。波长λ₃被包括在740和820nm之间的范围内，并且优选地为785nm。其次，数值孔径NA₁在读取模式和在写入模式等于大约0.85。数值孔径NA₁在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。数值孔径NA₂在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。数值孔径NA₃低于0.5，优选地为0.45。第三，偏振p₁、p₂和p₃为如下：p₁＝p_e、p₂＝p_e且p₃＝p_o。

在第二实施例中，物镜17是双非球面元件。物镜17沿着Z轴(即其光轴的方向)具有2.120mm的厚度以及具有直径为4.0mm的入射光瞳。物镜17的数值孔径在波长λ₁(＝405nm)等于0.85、在波长λ₂(＝650nm)等于0.6且在波长λ₃(＝785nm)等于0.45。物镜17的透镜体由LASFN31 Schott玻璃制成，其具有在波长λ₁(＝405nm)等于1.9181、在波长λ₂(＝650nm)等于1.8748且在波长λ₃(＝785nm)等于1.8664的折射率。物镜17第一和第二表面的旋转对称的非球面形状由下述方程式给出：

$H\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2i}{r}^{2i}---\left(12\right)$

其中“H(r)”是沿着透镜17光轴的表面位置(以mm为单位)，“r”是到光轴的距离(以mm为单位)，并且“B_k”是H(r)的第k次幂。面向激光器的第一表面的系数B₂至B₁₄的值分别是0.27025467、0.013621503、0.0010887228、0.00025122383、-5.8150037 10^-5、2.191196410^-5、-1.965101 10^-6。对于面向光学记录载体的第二表面，面向激光器的第一表面的系数B₂至B₁₄的值分别是0.085615362、0.029034441、-0.031174254、0.02322335、-0.012032137、0.0035665564、-0.00044658898。自由工作距离，即物镜17与光学记录载体之间的距离：对于具有0.1mm覆盖层厚度的BD格式盘在波长λ₁(＝405nm)等于1.000mm，对于具有0.6mm覆盖层厚度的DVD格式盘在波长λ₂(＝650nm)等于0.7961mm，以及对于具有1.2mm覆盖层厚度的CD格式盘在波长λ₃(＝785nm)等于0.4446mm。盘的覆盖层厚度由其折射率在波长λ₁(＝405nm)等于1.6188、在波长λ₂(＝650nm)等于1.5806和在波长λ₃(＝785nm)等于1.5731的聚碳酸酯制成。要注意到物镜17与BD格式兼容。为了使物镜适合于扫描DVD格式盘和CD格式盘，因覆盖层厚度差引起的球面象差和球面色散必须得到补偿。球面象差可以以泽尔尼克(Zernike)多项式的形式加以表达。关于进一步的信息，见例如由M.Born和E.Wolf所写的题为“Principles of Optics”一书的第469至470页(6^th ED.)(Pergamon Press)(ISBN 0-08-09482-4)。因来自根据方程式(12)所设计的物镜17的球面象差W_abb量可以通过射线跟踪仿真被加以确定，如上面参考图4所解释的那样。

因此，在第二实施例中，阶梯形轮廓被进一步设计用于补偿在波长λ₂和λ₃的波前象差W_abb。因而阶梯高度h_j被如此选择以便于波前修改ΔW₁是平的以及以便于波前修改ΔW₂补偿波长λ₂的波前象差W_abb，2且波前修改ΔW₃补偿波长λ₃的波前象差W_abb，3。

因而，阶梯高度h_j被如此选择，以便于相位变化Δφ₁(p₁)两者基本上等于零模2π，并且以便于分别在波长λ₂和λ₃处波前修改ΔW₂和ΔW₃以及波前像差W_abb之和基本上等于零，其中相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)可基本上彼此不同。仅作为示例，阶梯形轮廓的第二实施例的实例在下面被加以说明，其中阶梯形轮廓包括23个阶梯。

首先，类似于表III，表VI示出由等于qh_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的阶梯高度所引入的值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)，其中p₁＝p_e且“q”是整数。这些值从表I中可以发现，其中值Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)是已知的等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的阶梯高度，其中p₁＝p_o，即针对q＝1。

表VI：

q	ΔΦ2(p2)/2πp2＝po	ΔΦ3(p3)/2πp3＝pe
			-1	0.377	0.360
0	0.000	0.000
			1	0.623	0.640
2	0.246	0.280
			3	0.869	0.920
4	0.492	0.560
			5	0.115	0.200
6	0.738	0.840
			7	0.361	0.480
8	0.984	0.120
			9	0.607	0.760

要注意到在表VI中相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)分别具有8和11个基本上不同的值模2π。这与表II是一致的，其中对于p₂＝p_o，#Δφ₂(p₂)＝8且对于p₃＝p_e，#Δφ₃(p₃)＝11。

还要注意到：由于偏振p₃不同于偏振p₁和p₂，所以可以选择至少三个不同的相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)的值，由此导致允许设计具有相对低数量阶梯，典型地小于40个阶梯的阶梯形轮廓，因为具有高数量阶梯(典型地，50或更多阶梯)的阶梯形轮廓很少实际使用。

其次，类似于表IV，表VII示出其中p₁＝p_e的阶梯高度h_j(＝qh_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁))的“优化带”，以及相位变化Δφ₂(p₂)/2π和Δφ₃(p₃)/2π的值，所述值由表III中针对p₂＝p_e和p₃＝p_o以及根据从由B.H.W.Hendriks等人所述文章中已知的方法的波前象差W_abb(见图4)所决定。

表VII还示出：针于其中p₁＝p_o的阶梯高度qh_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的相位变化Δφ₂(p₂)值，其用于根据表VI其中的p₂＝p_o近似于球面象差类型的波前ΔW₂。表VII还示出，针对阶梯高度qh_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)的相位变化Δφ₃(p₃)值，其用于根据表VI其中的p₃＝p_e来近似于优化的带。表VII还示出对应的高度h_j(从方程式(4a)中计算出，其中p₁＝p_o)。

表VII

	Zones[mm]	q	hj(μm)	ΔΦ2(p2)p2＝po	ΔΦ3(p3)p3＝pe
						j＝1	0.000-0.230	0	0.000	0.000	0.000
j＝2	0.230-0.320	5	4.050	0.723	1.257
						j＝3	0.320-0.400	2	1.620	1.546	1.759
j＝4	0.400-0.470	7	5.670	2.268	3.016
						j＝5	0.470-0.530	4	3.240	3.091	3.519
j＝6	0.530-0.580	1	0.810	3.914	4.021
						j＝7	0.580-0.640	6	4.860	4.637	5.278
j＝8	0.640-0.690	3	2.430	5.460	5.781
						j＝9	0.690-0.750	8	6.480	6.183	7.037
j＝10	0.750-0.820	5	4.050	7.006	7.540
						j＝11	0.820-0.900	2	1.620	7.829	8.042
j＝12	0.900-1.150	-1	-0.810	8.652	8.545
						j＝13	1.150-1.205	2	1.620	7.829	-
j＝14	1.205-1.240	5	4.050	7.006	-
						j＝15	1.240-1.270	8	6.480	6.183	-
j＝16	1.270-1.295	3	2.430	5.460	-
						j＝17	1.295-1.315	6	4.860	4.637	-
j＝18	1.315-1.335	1	0.810	3.914	-
						j＝19	1.335-1.352	4	3.240	3.091	-
j＝20	1.352-1.368	7	5.670	2.268	-
						j＝21	1.368-1.380	2	1.620	1.546	-
j＝22	1.380-1.395	5	4.050	0.723	-
						j＝23	1.395-1.325	3	0.000	-0.823	-

要注意到在表VII中与对应的“优化带”相联系的相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)近似于球面象差和散焦类型的波前修改。换句话说，被提供有根据表VII的NPS的光学扫描设备有利地与BD格式、DVD格式和CD格式兼容，因为它需要仅一个物镜。

还要注意到：偏振p₃不同于偏振p₁，可以选择至少三个不同的相位变化Δφ₂(p₂)和Δφ₃(p₃)的值，由此导致允许设计具有相对低数量阶梯，典型地小于40个阶梯的阶梯形轮廓，因为具有高数量阶梯(典型地，50或更多阶梯)的阶梯形轮廓很少实际使用。

图7示出曲线83，其表示根据表VII的NPS 24的阶梯高度h(x)。要注意到就有关曲线83，阶梯形轮廓被如此设计以便于相邻阶梯之间的相对阶梯高度h_j+1-h_j包括具有光学路径基本上等于αλ₁的相对阶梯高度，其中α是整数且α＞1以及λ₁是设计波长。换句话说，这样的相对阶梯高度比参考高度h_ref(λ_ref＝λ₁，p_ref＝p₁)高。

类似于表V，表VIII示出针对波前修改ΔW₁、ΔW₂和ΔW₃的值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]，其中辐射束15、15′和15”(在相应的波长和偏振处)横穿根据表VII(以及在图7中所示)的NPS。表VIII还示出与波前象差W_abb相联系的值OPD_rms[W_abb](即根据表VII没有对NPS24的校正)。值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]以及OPD_rms[W_abb]已经根据射线跟踪仿真被加以计算。

表VIII：

	OPDrms[Wabb+ΔWi]	OPDrms[Wabb]
			i＝1(p1＝po)	1.1mλ	1.1mλ
i＝2(p2＝p)	41.3mλ	466.8mλ
			i＝3(p3＝pe)	64.4mλ	202.5mλ

要注意到在表VIII中，对于根据表VII的NPS 24，三个值OPD_rms[W_abb+ΔW_i]低于衍射极限，即小于70mλ，由此允许任何格式的光学记录载体将被扫描。

作为阶梯形轮廓第二实施例的替代选择，值Δφ₂(p₂)基本上等于值Δφ₃(p₃)，其中偏振p₂不同于偏振p₃，即：

ΔΦ₂(p₂)＝ΔΦ₃(p₃)                     (13)

在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o以及p₃＝p_e的情况下从方程式(0c)、(5b)、(5c)和(13)中导出：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{n_o-1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_e-1}---\left(14\right)$

从方程式(14)中紧接着：

$n_e=1+\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{{\mathrm{\λ}}_2}(n_o-1)---\left(15\right)$

因此，例如，在其中n_o＝1.50，λ₃＝785nm及λ₂＝650nm的情况下，从方程式(15)导出n_e＝1.603。因而，双折射材料可被加以选择，其中其折射率n_e和n_o基本上分别等于1.603和1.5。

虽然在上述所说明的实施例中与CD格式盘、DVD格式盘和BD格式盘兼容的光学记录设备被加以说明，但是要理解为根据本发明的光学扫描设备可以作为选择地用于要被扫描的任何其它类型的光学记录载体。

上面所说明的阶梯形轮廓的替代选择被设计用于引入非球面象差类型，例如散焦类型的对称波前修改。有关表示这种波前修改的数学函数，见例如由M.Born和E.Wolf所写的题为“Principles of Optics”一书的第464至470页(6^th ED.)(Pergamon Press)(ISBN 0-08-026482-4)。

在上面所说明的阶梯形轮廓的其它替代选择中，波长λ₂或λ₃被选择成设计波长λ_ref。表IX示出在其中波长λ_ref等于λ₂或λ₃和偏振p_ref等于p_o或p_e以及其中n_o＝1.5、n_e＝1.62、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm情况下参考高度h_ref(λ，p)的值。

表IX：

	href(λref，pref)
			λref＝λ2	λref＝λ3
	pref＝po	1.300μm			1.570μm
pref＝pe			1.048μm	1.266μm

被设置在物镜进入面上面的NPS的另外替代选择可是像平面的任何形状。

作为被说明的使用有波长785nm、660nm和405nm的光学扫描设备的替代选择，要理解为可使用适合于扫描光学记录载体的任何其它波长组合的辐射束。

作为被说明的具有上述数值孔径值的光学扫描设备的替代选择，要理解为可使用适合于扫描光学记录载体的任何其它数值孔径组合的辐射束。

作为上述所说明的光学扫描设备的另外替代选择，至少偏振p₁、p₂和p₃之一在第一和第二状态之间被切换，以便于当那个偏振处于第一状态时NPS引入平的波前修改以及当那个偏振处于第二状态时NPS引入球面象差或散焦类型的波前修改。要注意到每个偏振p₁、p₂和p₃的切换，例如从提交于2001年12月7日的具有申请号EP 01204786.6的欧洲专利申请中可知。

作为选择地，至少偏振p₁、p₂和p₃之一在第一和第二状态之间被切换，以便于当那个偏振处于第一状态时NPS引入球面象差和/或散焦类型的第一波前修改量以及当那个偏振处于第二状态时NPS引入球面象差和/或散焦类型的第二不同的波前修改量。

在特定的情况下，每个偏振p₁、p₂和p₃在第一和第二状态下切换，以便于当偏振p₁、p₂和p₃处于第一状态时NPS引入平的波前修改以及当偏振p₁、p₂和p₃处于第二状态时NPS引入球面象差和/或散焦类型的波前修改。这有利地允许设计如此的NPS，就有关波长λ₁、λ₂和λ₃：当偏振p₁、p₂和p₃分别处于第一状态时，NPS引入三个相应的平波前修改，以及当偏振p₁、p₂和p₃分别处于第二状态时，NPS引入三个相应的球面象差和/或散焦类型的三个波前修改。因而，在其中偏振p₁、p₂和p₃处于第一状态时NPS没有光学效应，以及在其中偏振p₁、p₂和p₃处于第二状态时NPS具有光学效应(通过产生球面象差和/或散焦类型的波前修改)。

要注意到就有关上述内容偏振p₁、p₂和p₃可以被独立地切换以便于被提供有如此NPS的光学扫描设备具有八个不同的配置。

Claims (17)

1.一种光学扫描设备(1)，其用于借助于具有第一波长λ₃和第一偏振p₃的第一辐射束(4”)来扫描第一信息层(2”)，借助于具有第二波长λ₁和第二偏振p₁的第二辐射束(4)来扫描第二信息层(2)，以及借助于具有第三波长λ₂和第三偏振p₂的第三辐射束(4′)来扫描第三信息层(2′)，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述设备包括：

用于连续地或同时地发射所述第一、第二和第三辐射束的辐射源(7)，

用于将所述第一、第二和第三辐射束会聚到所述第一、第二和第三信息层位置上的物镜系统(8)，以及

具有非周期性阶梯形轮廓的相位结构(24)，其被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中，所述结构包括用于形成所述非周期性阶梯形轮廓的具有不同高度h_j的多个阶梯j，其特征在于：

所述相位结构(24)包括对所述第一、第二和第三偏振p₃、p₁、p₂敏感的双折射材料以及

所述阶梯形轮廓被设计用于分别针对所述第一、第二和第三波长λ₃、λ₁、λ₂引入第一波前修改ΔW₃、第二波前修改ΔW₁以及第三波前修改ΔW₂，其中所述第一、第二和第三波前修改至少之一是不同于其它的一个类型且所述第一、第二和第三偏振p3、p1、p2中的两个是相同的，所述偏振的第三个与所述两个偏转不同。

2.根据权利要求1的光学扫描设备(1)，其中所述第一、第二和第三偏振中的两个垂直于所述偏振的第三个。

3.根据权利要求1或2的光学扫描设备(1)，其中所述第一波前修改ΔW₃基本上是球面象差和/或散焦类型。

4.根据权利要求1、2或3的光学扫描设备(1)，其中所述第二波前修改ΔW₁基本上是平的。

5.根据权利要求4的光学扫描设备(1)，其中所述第三波前修改ΔW₂基本上是平的。

6.根据权利要求5的光学扫描设备(1)，其中所述阶梯形轮廓被进一步设计用于针对所述第二和第三波长λ₁、λ₂两者引入基本上相同的相位变化Δφ₁、Δφ₂，并且其中所述第三偏振p₂不同于所述第二偏振p₁。

7.根据权利要求6的光学扫描设备(1)，其中所述双折射率材料的非常折射率n_e基本上等于

其中“n_o”是所述双折射材料的寻常折射率且“λ_b”和“λ_c”或者分别是所述第二和第三波长λ₁、λ₂，或者分别是所述第三和第二波长λ₂、λ₁。

8.根据权利要求4的光学扫描设备(1)，其中所述第三波前修改ΔW₂与所述第一波前修改ΔW₃基本上是相同类型。

9.根据权利要求8的光学扫描设备(1)，其中所述阶梯形轮廓被进一步设计用于针对所述第一和第三波长λ₃、λ₂两者引入基本上相同的相位变化Δφ₂、Δφ₃并且其中所述第三偏振p₂不同于所述第一偏振p₃。

10.根据权利要求9的光学扫描设备(1)，其中所述双折射率材料的非常折射率n_e基本上等于

其中“n_o”是所述双折射材料的寻常折射率且“λ_b”和“λ_c”或者分别是所述第一和第三波长λ₃、λ₂，或者分别是所述第三和第一波长λ₂、λ₃。

11.根据权利要求1的光学扫描设备(1)，其中所述高度h_j被进一步如此设计，以便于相邻阶梯(j，j+1)之间的相对阶梯高度(h_j+1-h_j)包括具有光学路径基本上等于αλ₁的相对阶梯高度，其中α是整数且α＞1以及λ₁是所述第二波长。

12.根据权利要求1的光学扫描设备(1)，其中所述相位结构(24)是圆形并且所述阶梯j是环形。

13.根据权利要求1的光学扫描设备(1)，其中所述相位结构(24)被形成在所述物镜系统(8)的透镜面上。

14.根据权利要求1的光学扫描设备(1)，其中所述相位结构(24)被形成在提供在所述辐射源(7)和所述物镜系统(8)之间的光学板上。

15.根据权利要求14的光学扫描设备，其中所述光学板包括四分之一波长板或分束器。

16.一种用在光学扫描设备(1)中的相位结构(24)，所述光学扫描设备用于借助于具有第一波长λ₃和第一偏振p₃的第一辐射束(4”)来扫描第一信息层(2”)，借助于具有第二波长λ₁和第二偏振p₁的第二辐射束(4)来扫描第二信息层(2)，以及借助于具有第三波长λ₂和第三偏振p₂的第三辐射束(4′)来扫描第三信息层(2′)，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述结构被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中并且具有非周期性的阶梯形轮廓，其特征在于：

所述相位结构(24)包括对所述第一、第二和第三偏振p₃、p₁、p₂敏感的双折射材料以及

所述阶梯形轮廓被设计用于分别针对所述第一、第二和第三波长λ₃、λ₁、λ₂引入第一波前修改ΔW₃、第二波前修改ΔW₁以及第三波前修改ΔW₂，其中所述第一、第二和第三波前修改至少之一是不同于其它的一个类型并且所述第一、第二和第三偏振p3、p1、p2中的两个是相同的，且所述偏振的第三个与所述两个偏振不同。

17.一种用在光学扫描设备(1)中的透镜(17)，所述光学扫描设备用于借助于具有第一波长λ3和第一偏振p3的第一辐射束(4”)来扫描第一信息层(2”)，借助于具有第二波长λ1和第二偏振p1的第二辐射束(4)来扫描第二信息层(2)，以及借助于具有第三波长λ2和第三偏振p2的第三辐射束(4′)来扫描第三信息层(2′)，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同，所述透镜被提供有根据权利要求16的相位结构。

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