CN1354875A - 光学拾取装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学拾取装置包括:发射具有不同波长的光束的光源,根据使用的光盘种类相互切换光源,将来自所述光源的所述光束会聚到所述光盘的记录层上的折射透镜元件;以及上面形成有同心相位光栅结构的球差矫正元件,该相位光栅结构响应波长的改变而改变其球差,以便矫正由于覆盖层的厚度变化引起的球差的变化。球差矫正元件具有波长相关性,使得随着入射光波长的增大,球差在欠矫正的方向上变化。

Description

光学拾取装置
本发明技术领域
本发明涉及一种光盘装置的光学拾取装置，所述光盘装置能记录/再现覆盖层厚度不同的多种光盘的数据。本发明尤其涉及具有折射透镜元件和衍射元件组合的光学拾取装置。
背景技术
光盘包括上面记录数字信息的信息层和覆盖信息层的透明覆盖层。来自光学拾取装置的激光束透过覆盖层在信息层上形成束斑。光学拾取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，从光学拾取装置到束斑的距离越长。例如，由于致密盘(CD)或CD-R的覆盖层的厚度为1.2mm，数字多用盘(DVD)的覆盖层的厚度为0.6mm，因此当用CD或CD-R代替DVD时，要求光学拾取装置移动束斑，使其在覆盖层上远离光学拾取装置0.6mm(在空气中为0.4m)。
尽管傍轴光束的光斑随着物镜的移动而移动，但覆盖层厚度的变化改变球差。如果在替换盘时光学拾取装置仅移动物镜，则使激光束的波阵面(wave front)像差变坏。这样，束斑的直径被增大，这防止光盘装置从CD上再现所记录的信息。例如，当设计成从DVD上再现所记录的信息时使球差最小的物镜用于从CD再现信息时，球差变得太大了，以致即使物镜移动到使束斑与信息层重合也不能再现该信息。
所以，在现有技术中，光学拾取装置根据覆盖层的厚度矫正激光束进入物镜的条件。
例如，日本特许专利公报No.7-98431公开了这样一种光学拾取装置。在该出版物中示出的光学系统，在物镜的激光光源侧上采用全息透镜，将来自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。零级衍射光束用于具有较薄覆盖层的光盘(即，DVD)，一级衍射光束用于较厚覆盖层的光盘(即CD和CD-R)。出版的光学拾取装置能在将全息透镜设计成根据覆盖层的厚度得到最合适的激光束时形成用于各光盘的受衍射限制的束斑。
但是，由于出版的光学拾取装置总是将来自激光源的激光束分成零级和一级衍射光束，每次仅将这些光束中的一束光束用于记录/再现信息，光量使用的最大效率不超过40％。
此外，当其中一个衍射光束用于记录/再现信息时，其他衍射光束都是不必要的光束，这增大了噪音。
更进一步，DVD的记录密度高于CD的记录密度，这要求DVD的光学拾取装置形成比为专用CD设计的光学拾取装置更小的束斑(下文成为专用CD拾取装置)。由于束斑的直径与激光束的波长正相关，DVD的光学拾取装置要求节骨眼的振荡波长为635-660nm，短于专用CD拾取装置的振荡波长(即780-830nm)。另一方面，CD-R的反射特性要求激光源的振荡波长约为780nm。
因此，当具有出版物所述的单一激光源的光学拾取装置采用发射具有较短振荡波长的激光束的激光源，它不能从CD-R再现信息。
发明简述
所以，本发明的目的是提供一种用于光学拾取装置的物镜，它能记录/再现多种光盘(例如CD，CD-R和DVD)上的信息，这些光盘的覆盖层厚度不同。而且，本发明旨在提供光量的利用率高于上述出版物中公开的传统光学拾取装置的复合物镜。
对于以上目的，根据本发明，提供一种改进的光学拾取装置，其包括：
多个光源，用于发射具有不同波长的光束，并根据所使用的光盘的种类相互切换这些光源；
一折射透镜元件，用于将来自光源的光束会聚到光盘的记录层上；以及
其上形成有同心相位光栅结构的球差矫正元件，该相位光栅结构响应波长的改变而改变其球差，以便矫正由于覆盖层的厚度变化引起的球差的变化。
根据这种结构，由于球差矫正元件对应激光束波长的改变而改变其球差，故激光光源的切换能补偿由于覆盖层厚度改变引起的球差的改变。
球差矫正元件最好没有傍轴光焦度，并且以同一衍射级例如以第一衍射级衍射该光束。
此外，具有较短发射波长的光源可以用于有较高记录密度的较薄覆盖层的光盘，而且具有较长发射波长的光源可以用于有较低记录密度的较厚覆盖层的光盘。在这种情况下，对于有较短波长的较薄覆盖层的光盘来说，最好优化该球差矫正元件的周边区域。该周边区域是对应于有较厚覆盖层的光盘所需要的数值孔径的有效直径的外部。换言之，周边区域是球差矫正元件的有效直径的85％线的外部。可以将周边区域形成作为连续表面或光栅表面。在后一情况下，周边区域的闪耀波长应该比中央区域的闪耀波长短。
球差矫正元件可以位于光源和折射透镜元件之间。折射透镜元件和球差矫正元件构成一复合物镜。该复合物镜可以设计为无限远系统或有限系统，在无限远系统中，平行光束入射在透镜上；在有限系统中，发象散束入射到透镜上。在无限远系统中，要求准直仪透镜位于光源和复合物镜之间。
此外，球差矫正元件最好具有波长相关性，使得随着入射光波长的增加，球差在欠矫正的方向上变化。
如上所述，随着覆盖层厚度的增加，球差在过矫正的方向上变化。所以，当将较长波长的激光源用于具有较厚覆盖层的光盘，且将较短波长的激光源用于具有较薄覆盖层的光盘时，通过球差矫正元件的上述波长相关性来矫正由于覆盖层厚度变化引起的球差的变化。
通过相位光栅结构增加的附加光路长度，用下面的光程差函数Φ(h)来表达：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次项的系数，h是距离光轴的高度，λ是入射光的波长。
球差矫正元件的相位光栅结构可以满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
其中，h45是NA为0.45的光线与相位光栅结构相交点距离光轴的高度。
最好，球差矫正元件的一个表面是连续表面，且其他表面是光栅表面。光栅表面的基础曲线可以是平面或旋转对称的非球面。将基础曲线定义为不包括相位光栅结构的表面的形状。
附图简述
图1表示根据第一实施例的光学拾取装置的光学系统；
图2A是在图1的光学系统中使用的球差矫正元件的前视图；
图2B是图2A中的球差矫正元件的横截面图；
图3A是另一个球差矫正元件的前视图；
图3B是图3A中的球差矫正元件的横截面图；
图4是在各种闪耀波长中相位光栅的衍射效率曲线；
图5A是根据第二实施例的光学拾取装置的光学系统；
图5B是在图5A的光学拾取装置中使用的激光组件的前视图；
图6是根据第一例子的具有薄覆盖型光盘例如DVD的覆盖层的复合物镜的透镜图；
图7A和7B是当使用薄覆盖类型光盘时根据第一例子的复合物镜的各种像差曲线；
图8是根据第一例子的具有厚覆盖型光盘例如CD或CD-R的覆盖层的复合物镜的透镜图；
图9A和9B是当使用厚覆盖类型光盘时根据第一例子的复合物镜的各种像差曲线；
图10是根据第二例子的具有薄覆盖类型光盘的复合物镜的透镜图；
图11A和11B是当使用薄覆盖类型光盘时根据第二例子的复合物镜的各种像差曲线；
图12是根据第二例子的具有厚覆盖型光盘的覆盖层的复合物镜的透镜图；
图13A和13B是当使用厚覆盖类型光盘时根据第二例子的复合物镜的各种像差曲线；
图14是根据第三例子的具有薄覆盖类型光盘的复合物镜的透镜图；
图15A和15B是当使用薄覆盖类型光盘时根据第三例子的复合物镜的各种像差曲线；
图16是根据第三例子的具有厚覆盖型光盘的覆盖层的复合物镜的透镜图；
图17A和17B是当使用厚覆盖类型光盘时根据第三例子的复合物镜的各种像差曲线。
实施例描述
第一实施例
图1表示一根据第一实施例的光学拾取装置的光学系统。该光学拾取装置被应用于能记录/再现多种设有不同厚度的覆盖层的光盘(例如CD，CD-R，和DVD)的光盘设备。
该光学拾取装置的光学系统包括一DVD组件11，一CD组件12，一光束组合器13，一准直仪透镜14和一复合物镜20。组件11和12中每个组件都配备有半导体激光器和安装在共用基片上的传感器。在组件11和12中的半导体激光器发射具有不同波长的激光束并根据光盘的种类对它们进行切换。
第一实施例的光学系统是无限远系统。来自每个组件的激光束通过准直仪透镜14被转换为平行激光束并入射到复合物镜20上。无限远系统允许准直仪透镜14和复合物镜20之间的距离变化，这使能确定一种分离配置，其中仅复合物镜20沿包括组件11和12、光束组合器13和准直仪透镜14的光盘和光源部分的径向移动。
复合物镜20由折射透镜元件21和球差矫正元件22组成。复合物镜20安装在调焦机构上，以便相对于光盘信息层的位置调整透镜位置。
折射透镜元件21是两面凸的塑料透镜，具有非球面211和212。折射透镜元件21具有正折射光焦度，以便将来自组件11和12的光束会聚到光盘的记录层上。
球差矫正元件22在第二表面222上设有同心相位光栅结构。第一表面221是连续表面。相位光栅结构响应波长变化改变球差，矫正由于覆盖层厚度变化引起的球差的改变。相位光栅的形状如下所述。
DVD是薄覆盖型光盘，具有较高的记录密度，其覆盖层的厚度为0.6mm。为了在DVD上形成精细的束斑，要求激光束的波长下于635nm-660nm的范围内。另一方面，CD-R和CD是厚覆盖型光盘，具有较低的记录密度。CD-R或CD的覆盖层的厚度是1.2mm。CD-R由于其光谱反射要求激光束波长约为780nm。
所以，DVD组件11的半导体激光发射657nm波长的激光束，CD组件12的半导体激光发射780nm或785nm波长的激光束。
从半导体激光发射的激光束通过覆盖层D1(实线所示)或D2(虚线所示)会聚到信息层上。
当使用具有薄覆盖层D1的薄覆盖型光盘时，操作DVD组件11，发射激光束L1(实线所示)。复合物镜20位于实线所示位置。激光束L1通过薄覆盖层D1会聚到薄覆盖型光盘的信息层上。
当使用具有厚覆盖层D2的厚覆盖型光盘时，操作CD组件12，发射激光束L2(虚线所示)。复合物镜20移动到虚线所示位置以跟随记录层的位移。激光束L2通过厚覆盖层D2会聚到厚覆盖型光盘的信息层上。
图2A是从折射透镜元件21看的球差矫正元件22的前视图，图2B是其截面图。球差矫正元件22的第一表面221是连续表面，即平面或具有极小曲率的曲面。第二表面222是光栅表面，在光栅表面上，形成相位光栅结构。第二表面222的基础曲线是平面。类似于菲涅耳透镜，形成相位光栅结构作为大量同心环，每个同心环具有楔形截面形状。相邻环之间的每个边界形成为在光轴方向上给出预定光程差的间距。
图3A是另一个球差矫正元件23的前视图，图3B是其横截面图。球差矫正元件23的第一表面231是连续表面，即平面或具有极小曲率的曲面。第二表面232是光栅表面，在光栅表面上，形成相位光栅结构。第二表面232的基础曲线是旋转对称的非球面的凹面。形成相位光栅结构作为大量同心环，每个同心环具有垂直于光轴的平面。相邻环之间的每个边界形成为在光轴方向上给出预定光程差的间距。
图2A、2B、3A和3B强调相位光栅结构的环的大小。实际上，间距的高度等于λB/(n-1)，即约1μm，环的数量变成几十。ΛB是闪耀波长，n是折射率。
当光栅表面的基础曲线是图2B所示的平面时，适于用光刻法形成相位光栅结构。或者，当光栅表面的基础曲线是图3B所示的曲面时，可以通过使用车床的机械方法形成相位光栅结构。
在任何情况下，相位光栅结构具有波长相关性，使得随着入射光波长的增大球差在欠矫正的方向上变化。
随着覆盖层厚度的增大，球差在过矫正的方向上变化。而且，随着入射激光束波长的增大，相位光栅结构在欠矫正方向上改变球差。因此，由于将较长的波长激光束用于厚覆盖型光盘，将较短波长的激光束用于薄覆盖型光盘，所以通过由于相位光栅结构的波长相关性引起的球差的变化矫正覆盖层厚度变化引起的球差的变化。
通过相位光栅结构增加的附加光程长度用下面的光程差函数Φ(h)来表达：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P2、P4和P6是第二、第四和第六次项的衍射系数。h是距离光轴的高度，λ是入射光的波长。函数Φ(h)代表在距离光轴为h的高度的相位光栅结构上的一点上，假设未被光栅衍射的虚光线和被光栅衍射的光线之间的光程差。在这个表达式中，第二次项系数P2的负值代表相位光栅结构的正傍轴光焦度。而且，当第四次项系数P4大于零时，负光焦度随距离光轴的距离的增加而增加。
对相位光栅结构的实际微观形状的定义如同具有大量同心环的菲涅耳透镜一样。通过从Φ(h)中减去λ×m(m：整数)将实际形状Φ′(h)定义如下。
Φ′(h)＝(MOD(P2h2+P4h4+…+C，1)-C)×λB
符号λB是给出一个波长的光程差的光栅间距的闪耀波长，衍射效率变成在闪耀波长λB处最大。符号C是常数，定义在相邻环之间边界上的相位(0＜C＜1)。函数MOD(x，y)代表当x被y除时的余项。MOD(P2h2+P4h4+...+C，1)在边界处等于零。在作为折射透镜的透镜表面的基础曲线上形成相位光栅结构。环形区域的斜线和间距被设计成使光程差由Φ′(h)定义。
形成在球差矫正元件22上的相位光栅满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
其中，h45是NA为0.45的光线与相位光栅结构相交点距离光轴的高度。
当满足条件(1)时，可以通过改变由于波长改变引起的相位光栅结构的球差有效地相抵消由于覆盖层厚度变化引起的球差变化。如果条件(1)的中间项变成低于-15时，由于波长变化引起的球差的变化变得太大。另一方面，当条件(1)的中间项超过-7时，由于波长变化引起的球差的变化变得太小，这不能相抵消由于覆盖层厚度变化引起得球差的变化。
由于温度变化引起的激光波长变化导致复合物镜20的后焦点变化，这导致聚焦误差。由于温度变化引起的后焦点的变化非常慢，因此能通过光学失去装置中的调焦结构来矫正聚焦误差。
另一方面，在记录操作期间通过在高低等级之间切换激光输出来快速改变激光波长。波长的快速变化也导致聚焦误差，它不能有效地通过调焦结构得到矫正。因此，希望复合物镜20的构造能减小焦点的移动。
通常，通过矫正轴向像差可以减小焦点的移动。但是，由于本实施例的复合物镜20具有球差的波长相关性，相反，完美矫正轴向像差增大了最佳焦点位置的运动。因此，可以用由于波长变化引起的球差的变化来平衡像差的矫正。
用于薄覆盖型光盘的激光束的波长λ1的长度最好约为用于厚覆盖型光盘的激光束的波长λ2的长度的80％。当波长差太小时，相位光栅结构要求大量间距以便充分广播两个波长之间的球差。由于大量间距增加了光量的损耗，波长应该具有预定差。此外，相位光栅对波长的变化太敏感了，这缩小了对半导体激光波长的公差。
另一方面，波长差太大，平均衍射效率变小。相位光栅结构的衍射效率在闪耀波长λB处为100％，而与闪耀波长的差越大，衍射效率越小。由于本实施例的光学拾取装置使用两个波长，至少一个波长必须离开闪耀波长。这样，使用波长之间的大差值减小了平均衍射效率。
图4是当闪耀波长λB设为650nm、700nm或780nm时的衍射效率曲线。在任何情况下，在665nm-785nm的范围内，衍射效率大于约90％。所以，当波长λ1和λ2分别是665nm和785nm时(λ1/λ2＝0.84)，衍射效率大于90％，即使闪耀波长λB具有665nm-785nm范围内的任何值。
DVD要求0.60的NA，而0.50的NA对于CD或CD-R就足够了。相反，在0.50NA外面的激光束对CD或CD-R的再现有不好的影响。具有0.6NA的激光束形成的束斑对于CD或CD-R来说太小了。所以，周边区域最好为DVD专用。
为此，对于为薄覆盖型光盘的DVD来说，球差矫正元件22的周边区域应当优化。周边区域是对应于NA0.45或NA0.50的有效直径的外部。换言之，周边区域是球差矫正元件22的有效直径的85％线的外部。光栅表面的中央区域是DVD，CD和CD-R的公共区域，光栅表面的周边区域是DVD的专用区域。
中央区域形成作为光栅表面。周边区域可以形成为连续表面或光栅表面。在前一种情况下，应该对DVD矫正周边区域的像差。在后一种情况下，周边区域的闪耀波长应该比中央区域的短。当周边区域的闪耀波长比中央区域短时，CD或CD-R的衍射效率降低，DVD的衍射效率升高。
在进一步，正折射透镜的球差随着折射率降低引起的温度升高在过矫正的方向上变化，半导体激光具有温度关系式使得发射的激光的波长随着温度升高而增大。当温度升高时，折射透镜在过矫正方向上广播球差，相位光栅结构在欠矫正的方向上球差，原因是从半导体激光发射的光的波长增大。因此，能彼此相抵消折射透镜和相位光栅结构造成的球差的变化。
所以，当折射透镜元件21由折射率随温度升高而减小的树脂制成时，希望在周边区域和中央区域中形成相位光栅结构。在这种情况下，希望在周边区域中的相位光栅结构的闪耀波长比中间区域中的短，目的是增大用于DVD的激光束的衍射效率。
第二实施例
图5A表示第二实施例的光学拾取装置的光学系统。光学系统包括激光组件30和复合物镜20。第二实施例的光学系统是有限系统，在所述有限系统中，发散的光束入射到复合物镜20上。
如图5B所示，激光组件30在硅基片31上设有单片半导体激光32、棱镜33和一对传感器34a和34b。半导体激光32包括共用芯片上的一对不同活动层，以便形成一对发射波长彼此不同的发光点32a和32b。发光点之间的距离约为100μm。从发光点32a和32b发出的激光束镜棱镜33的45度斜面的反射作为发象散束入射到复合物镜上。
复合物镜20与第一实施例的相类似，它由折射透镜元件21和球差矫正元件22组成。
当使用具有薄覆盖层D1的薄覆盖型光盘时，操作发光点32a，发射具有较短波长的激光束L1(实线所示)。复合物镜20位于实线所示位置。激光束L1通过薄覆盖层D1会聚到薄覆盖型光盘的信息层上。
当使用具有厚覆盖层D2的厚覆盖型光盘时，操作发光点32b，发射具有较长波长的激光束L2(虚线所示)。复合物镜20移动到虚线所示位置以跟随记录层的位移。激光束L2通过厚覆盖层D2会聚到厚覆盖型光盘的信息层上。
下面将描述根据第一实施例的复合物镜20的三个具体例子。这些例子的复合物镜20为可兼容的光学拾取装置设计的，既适用于具有0.6mm厚度覆盖层的薄覆盖型光盘例如DVD，又适用于具有1.2mm厚度覆盖层的后覆盖型光盘例如CD或CD-R。在球差矫正元件22的第二表面222上形成相位光栅结构。
第一个例子
图6表示第一个例子的复合物镜20和薄覆盖型光盘的覆盖层D1。图8表示具有后覆盖型光盘的覆盖层D2的复合物镜20。其数值结构在表1中描述。表面#1和#2代表球差矫正元件22，表面#3和#4代表折射透镜元件21，表面#5和#6代表光盘的覆盖层。
在表1中，NA表示数值孔径，f(单位：mm)表示总焦距，ω(单位：度)表示视场的半角，λ1(单位：nm)表示薄覆盖型光盘的波长，λ2(单位：nm)表示厚覆盖型光盘的波长，λB(单位：nm)表示中央区域的闪耀波长，h45(单位：nm)表示NA为0.45的光线与相位光栅结构相交点距离光轴的高度，r(单位：mm)表示表面的曲率半径(非球面顶点处的值)，d1(单位：mm)表示沿薄覆盖型光盘的光轴的表面之间的距离，d2(单位：mm)表示厚覆盖型光盘的距离，nλ表示在波长λnm处的折射率，νd表示阿贝系数。
球差矫正元件22的表面222(表面#2)的基础曲线是平面。折射透镜元件21的表面211和212也都是旋转对称的非球面。该旋转对称的非球面由以下等式表示： 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，即，距离离光轴的高度为h的表面上的点处的切面的曲线距离。符号c是表面的顶点的曲率(1/r)，K是圆锥常数，A4，A6，A8，A10和A12分别是第四、第六、第八、第十和第十二级的非球面系数。常数K和系数A4-A12如表2所示。
此外，表2表示光程差函数Φ(h)的第二、第四、第六、第八和第十次项的各个系数P2，P4，P6，P8，P10，以限定形成在球差矫正元件22上的第二表面222上的相位光栅结构。[表1]
λ1＝657nm  NA 0.60  f＝3.50mm ω＝1.0° h45＝1.60mm
λ2＝785nm  NA 0.45  f＝3.52mm ω＝1.0°
λB＝700nm
表面号   r     d1   d2   n657     n785    νd
  #1     ∞    1.000 1.000 1.54056  1.53665 55.6
  #2     ∞    0.200 0.200
  #3     2.084 2.400 2.400 1.54056  1.53665 55.6
  #4   -12.230 1.706 1.344
  #5    ∞     0.600 1.200
  #6    ∞[表2]
   表面#2            表面#3        表面#4K         -             -0.4400        0.0000A4       -         -1.2400×10-3   1.9840×10-2A6       -         -2.2800×10-4   -5.8000×10-3A8       -         -8.6000×10-5   4.7300×10-4A10      -          2.3300×10-5   1.0200×10-5A12      -         -6.3900×10-6      0.0000P2    0.0000P4   -1.3200P6   -2.1400×10-1P8   2.5100×10-2P10  0.0000
图7A和7B表示当在657nm波长下使用薄覆盖型光盘时根据第一个例子的物镜的三级像差：图7A表示在波长649nm、657nm和665nm下的球差SA；图7B表示象散(S：弧矢象散，M：子午象散)。
图7A中的垂直轴表示数值孔径NA，图7B中的垂直轴表示象高Y。在图7A和7B中水平轴的单位是“mm”。图9A和9B是在785nm波长下使用厚覆盖型光盘时类似于图7A和7B的曲线。
如图7A和9A所示，在657nm和785nm下被充分矫正球差。
在第一个例子中，在有效半径中的整个区域内，在球差矫正元件22的第二表面222上形成该相位光栅结构。在环之间的边界的高度如表3所示。在第一个例子中，表面222的基础曲线是图2B所示的平面，表面222的实际形状Δx(h)直接由光程差函数表达如下：
Δx(h)＝MOD(P2h2+P4h4+…，1)×λB/(n-1)[表3]
环号       h(mm)   环号   h(mm)   环号   h(mm)
1          0.907    13    1.658    25    1.939
2          1.069    14    1.688    26    1.957
3          1.176    15    1.715    27    1.975
4          1.258    16    1.742    28    1.993
5          1.326    17    1.767    29    2.011
6          1.384    18    1.791    30    2.027
7          1.434    19    1.815    31    2.044
8          1.480    20    1.837    32    2.060
9          1.521    21    1.859    33    2.076
10         1.559    22    1.880    34    2.092
11         1.594    23    1.900
12         1.627    24    1.920
处于h45(＝1.600mm)的内部的中央区域覆盖1-11号环，处于h45外部的周边区域覆盖12-34号环。在中央区域中的闪耀波长等于700nm，周边区域的闪耀波长等于657nm。即，对DVD进行周边区域优化。
第二个例子
图10表示第二个例子的复合物镜20和薄覆盖型光盘的覆盖层D1。图12表示具有厚覆盖型光盘的覆盖层D2的复合物镜20。其数值结构如表4所示。表5表示圆锥常数、非球面系数和光程差函数的系数。[表4]
λ1＝657nm  NA 0.60  f＝3.80mm ω＝0.9° h45＝1.72mm
λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.82mm ω＝0.9°
λB＝700nm
表面号     r      d1     d2     n657     n780     νd
  #1      ∞    1.500   1.500   1.54056   1.53677   55.6
  #2      ∞    0.250   0.250
  #3     2.434  2.840   2.840   1.54056   1.53677   55.6
  #4    -7.826  1.862   1.500
  #5      ∞    0.600   1.200
  #6      ∞[表5]
         表面#2          表面#3         表面#4K           0.0000         -0.4400         0.0000A4       1.500×10-3   -4.2045×10-4   1.4000×10-2A6          0.0000      -9.6210×10-5   -3.1400×10-3A8       1.500×10-5   4.2851×10-6    3.0500×10-4A10         0.0000      -4.6156×10-6   -8.0000×10-6A12         0.0000      -4.0000×10-7      0.0000P2          0.0000P4         -1.1551P6          0.0000P8     -1.1550×10-2P10         0.0000
图11A和11B表示在657nm波长下使用薄覆盖型光盘时的球差和象散。图13A和13B表示在780nm处使用厚覆盖型光盘时的球差和象散。
在第二个例子中，在非球面基础曲线上形成该相位光栅结构。因此，该相位光栅结构的球差能与非球面基础曲线的球差相抵消，保持球差矫正元件22的波长相关性。这就使球差矫正元件22上光线的弯曲最小，从而减小了由于折射透镜元件21和球差矫正元件22之间距离变化引起的各种像差变化。
该光栅表面的实际形状被限定为将以上描述的光程差函数表示的相位光栅结构叠加在该基础曲线上。其结果是，每个环的表面是一与图3B所示光轴垂直的平面。间距(step)T等于λB/(n-1)＝0.0007/(1.53906-1)＝0.0013(mm)。即，间距为1.3μm。
第三个例子
图14表示第三个例子的复合物镜20和薄覆盖型光盘的覆盖层D1。图16表示具有厚覆盖型光盘的覆盖层D2的复合物镜20。其数值结构在表6中描述。表7表示圆锥常数、非球面系数和光程差函数的系数。[表6]
λ1＝657nm  NA 0.60  f＝3.06mm ω＝1.1°h45＝1.38mm
λ2＝780nm  NA 0.50  f＝3.08mm ω＝1.1°
λB＝657nm
表面号      r       d1        d2      n657       n780    νd
  #1       ∞     1.500      1.500     1.54056    1.53677  55.6
  #2       ∞     0.200      0.200
  #3      1.954   2.287      2.287     1.54056    1.53677  55.6
  #4      -6.293  1.421      1.500
  #5       ∞     0.600      1.200
  #6       ∞[表7]
   表面#2           表面#3          表面#4K     0.0000           -0.4430          0.0000A4 3.200×10-3     -8.800×10-4     2.6900×10-2A6 2.300×10-4     -1.5100×10-4   -9.3440×10-3A8 3.800×10-5     -8.5000×10-5    1.4050×10-3A10  0.0000         3.0000×10-7    -5.7000×10-5A12  0.0000        -8.0200×10-6      0.0000P2   0.0000P4   -2.6326P6   -1.8917×10-1P8   -3.1279×10-2P10   0.0000
图15A和15B表示在657nm波长下使用薄覆盖型光盘时的球差和象散。图17A和17B表示在780nm波长下使用厚覆盖型光盘时的球差和象散。
在第三个例子中，与第二个例子一样在非球面基础曲线上形成相位光栅结构。因此，该相位光栅结构的球差能与非球面基础曲线的球差相抵消，保持球差矫正元件22的波长相关性。
该光栅表面的实际形状被限定为将以上描述的光程差函数表示的相位光栅结构叠加在该基础曲线上。其结果是，每个环的表面是一与图3B所示光轴垂直的平面。间距T等于λB/(n-1)＝0.000657/(1.54056-1)＝0.00122(mm)。即，间距为1.22μm。
在这种情况下，球差矫正元件22在657nm下没有球差。所以，在NA0.60下没有像差的折射透镜元件21与球差矫正元件22一起使用。球差矫正元件22的光栅表面的周边区域被形成作为连续表面。周边区域有助于在657nm下利用光束形成束斑而不会由于相位光栅结构造成光损失。另一方面，周边部分无助于在780nm下利用光束形成束斑，这能避免形成对于CD或CD-R来说太小的束斑。
下面的表8表示对于条件(1)的第一至第三例子的值。由于所有的实施例都满足条件(1)，故能减小由于覆盖层厚度的变化引起的波阵面像差的变坏。[表8]
                            例子
                  第一例   第二例    第三例条件(1)                -11.2    -10.9    -11.2φ(h45)/λ-P2×(h45)2

Claims (27)

1.一种光学拾取装置，用于至少两种分别设置了具有不同厚度的覆盖层的光盘，所述光学拾取装置包括：
多个光源，用于发射具有不同波长的光束，并根据所使用的光盘种类相互切换所述多个光源；
一折射透镜元件，用于将来自所述光源的所述光束会聚到所述光盘的记录层上；以及
其上形成有同心相位光栅结构的球差矫正元件，所述相位光栅结构响应波长的改变而改变其球差，以便矫正由于所述覆盖层的厚度变化引起的球差的变化。
2.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中，所述球差矫正元件没有傍轴光焦度，并且按同一衍射级衍射所述光束。
3.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中，所述多个光源的其中一个具有较短发射波长的光源，被用于其中一种具有较高记录密度的较薄覆盖层的光盘；其中，另一个具有较长发射波长的所述光源，被用于另一种具有较低记录密度的较厚覆盖层的光盘。
4.根据权利要求3所述的光学拾取装置，其中，所述球差矫正元件的光栅表面的周边区域，被形成作为最适于其中一种有较短波长的较薄覆盖层的光盘的连续表面，所述周边区域是对应于有较厚覆盖层的另一种光盘所需要的数值孔径的有效直径的外部。
5.根据权利要求3所述的光学拾取装置，其中，所述球差矫正元件的光栅表面的周边区域的相位光栅结构与中央区域的相位光栅结构不同，所述周边区域的相位光栅结构最适于其中一种具有较短波长的有较薄覆盖层的光盘；其中，所述周边区域是对应于有较厚覆盖层的另一种光盘所需要的数值孔径的有效直径的外部。
6.根据权利要求1所述的光学拾取装置，其中，所述球差矫正元件位于所述光源和所述折射透镜元件之间。
7.根据权利要求6所述的光学拾取装置，其中，所述相位光栅结构具有波长相关性，使得随着入射光波长的增大，球差在欠矫正的方向上变化。
8.根据权利要求7所述的光学拾取装置，其中，满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
其中，h45是NA为0.45的光线与所述相位光栅结构相交点距离光轴的高度，λ是设计波长，P2是当通过所述相位光栅结构增加的附加光路长度由以下光程差函数Φ(h)来表达时的第二次项系数：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P4和P6是第四和第六次项的系数，h是距离光轴的高度。
9.根据权利要求6所述的光学拾取装置，还包括位于所述多个光源和所述球差矫正元件之间以便将发象散束转换为平行光束的准直仪透镜。
10.根据权利要求6所述的光学拾取装置，其中，从所述多个光源发出的发象散束被入射在所述球差矫正元件上。
11.一种光学拾取装置的复合物镜，所述光学拾取装置用于至少两种分别设置了具有不同厚度的覆盖层的光盘，所述复合物镜包括：
一具有正光焦度的折射透镜元件；以及
一其上形成有同心相位光栅结构的球差矫正元件，所述相位光栅结构响应波长的改变而改变其球差，以便矫正由于所述覆盖层的厚度变化引起的球差的变化。
12.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述球差矫正元件没有傍轴光焦度，并且按同一衍射级中衍射具有不同波长的光束。
13.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述折射透镜元件是一双非球面的单片透镜。
14.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述球差矫正元件的一个表面是连续表面，另一个表面是光栅表面，其中光栅表面的基础曲线是平面。
15.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述球差矫正元件的一个表面是连续表面，另一个表面是光栅表面，其中所述光栅表面的基础曲线是旋转对称的非球面。
16.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述相位光栅结构形成在所述球差矫正元件的光栅表面的中央区域内，而且所述光栅表面的周边区域形成为连续表面；其中所述周边区域和所述中央区域以所述球差矫正元件的有效直径的85％线划分。
17.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述相位光栅结构形成在所述球差矫正元件的光栅表面的整个区域内，在所述光栅表面的周边区域中所述相位光栅结构的闪耀波长比所述光栅表面的中央区域的闪耀波长短；其中所述周边区域和所述中央区域以所述球差矫正元件的有效直径的85％线划分。
18.根据权利要求11所述的复合物镜，其中，所述相位光栅结构具有波长相关性，使得随着入射光波长的增大，球差在欠矫正的方向上变化。
19.根据权利要求18所述的复合物镜，其中，满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
其中，h45是NA为0.45的光线与所述相位光栅结构相交点距离光轴的高度，λ是设计波长，P2是当通过所述相位光栅结构增加的附加光路长度由以下光程差函数Φ(h)来表达时的第二次项系数：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P4和P6是第四和第六次项的系数，h是距离光轴的高度。
20.一种与光学拾取装置中的折射透镜元件组合使用的球差矫正元件，所述光学拾取装置用于至少两种分别设置了具有不同厚度的覆盖层的光盘，所述矫正元件包括：
一同心相位光栅结构，用于响应波长变化改变其球差，以便矫正由于所述覆盖层厚度变化引起的球差的变化。
21.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中不提供傍轴光焦度，并且以同一衍射级衍射具有不同波长的光束。
22.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中一个表面是连续表面，另一个表面是光栅表面，其中所述光栅表面的基础曲线是平面。
23.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中一个表面是连续表面，另一个表面是光栅表面，其中所述光栅表面的基础曲线是旋转对称的非球面。
24.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中所述相位光栅结构形成在光栅表面的中央区域内，而且所述光栅表面的周边区域形成为连续表面，其中所述周边区域和所述中央区域以有效直径的85％线划分。
25.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中所述相位光栅结构形成在光栅表面的整个区域内，在所述光栅表面的周边区域中所述相位光栅结构的闪耀波长比所述光栅表面的中央区域的闪耀波长短，其中所述周边区域和所述中央区域以有效直径的85％线划分。
26.根据权利要求20所述的球差矫正元件，其中所述相位光栅结构具有波长相关性，使得随着入射光波长的增大，球差在欠矫正的方向上变化。
27.根据权利要求26所述的球差矫正元件，其中，满足以下条件(1)：
(1)-15＜Φ(h45)/λ-P2×(h45)2＜-7
其中，h45是NA为0.45的光线与所述相位光栅结构相交点距离光轴的高度，λ是设计波长，P2是当通过所述相位光栅结构增加的附加光路长度由以下光程差函数Φ(h)来表达时的第二次项系数：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×λ
其中，P4和P6是第四和第六次项的系数，h是距离光轴的高度。
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