CN1391119A - 光学拾取器的物镜 - Google Patents

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Abstract

一种用于光学拾取器的物镜，具有折射透镜元件，在其至少一个表面上设置有衍射透镜结构。衍射透镜结构具有多个环带。物镜至少能够将两种不同波长的光束分别会聚在至少两种类型具有不同数据记录密度的光盘上。物镜被划分为通用区域和专用高NA区域，低NA光束通过所述通用区域，所述专用高NA区域是为了会聚高NA光束而设计。形成在专用高NA区域的环带边界与从光程差函数获得的边界独立设计，以便高NA光束实质上会聚在某一点上，而低NA光束被散射。

Description

光学拾取器的物镜
背景技术
本发明涉及光学拾取器的物镜，所述光学拾取器用于使用至少两种具有不同数据密度光盘的光盘驱动器。传统上，光盘具有不同的数据记录密度是公知的。例如，DVD(数字通用盘)比CD(压缩光盘)的数据密度高。
背景技术
通常已知光盘的数据密度与在光盘上形成的光束点是密切相关的。要求光束点具有与光盘的数据记录面上的轨迹宽度相对应的预定尺寸。对于高数据密度光盘轨迹宽度较窄，而对于较低数据密度光盘轨迹宽度较宽。如果光束点尺寸相对于轨迹宽度过宽，记录在相邻轨迹上的信息可能被作为噪声读出。在如同CD系统中一样利用光衍射再现数据信号的光盘系统中，如果光束点尺寸过小，可能不能获得足够的衍射效果，可能不能正确读出记录数据。
如果波长短而且光学系统的NA(数值孔径)大，则光束点尺寸小。因此，对于DVD系统，要求光学系统具有大的NA而且使用波长相当短的光束。对于CD系统，要求光学系统具有相当小的NA而且使用波长相当长的光束。具体地，如果使用CD-R(可记录CD)，鉴于CD-R的反射特性，光束的波长应该大约为780nm或更长。
因此，为了满足关于波长的要求，能够使用DVD和DC-R的光盘驱动器需要使用两个光源，对于DVD能够发射波长较短的光束(例如大约为650nm)，对于CD(或CD-R)能够发射波长较长的光束(例如大约为780nm)。
为了满足NA的要求，在传统的CD-DVD兼容光学拾取器的光学系统中，利用孔径控制机构实现需要的NA。为了控制NA，可以使用可变孔径或波长选择滤波器以便根据是使用CD还是使用DVD改变光束尺寸。然而，在这样的结构中，即使用孔径机构或者滤波器，由于部件的数目增加了，光学系统的重量和尺寸也增大了。
传统上已经提出一种具有衍射透镜结构的物镜，用在适用于DVD-CD兼容光盘驱动器的光学拾取器。在这样的物镜中，通过衍射透镜结构的光束波前与波长相关，以便根据两种类型的光盘形成适当的波前，因为用于这些光盘的光束的波长不同。在该传统技术中，衍射透镜结构通常具有多个环带，它们的边界根据OPD函数获得，以便在边界处由于衍射透镜结构增加的光路长度量等于闪耀波长的整数倍m。这样物镜的环带边界以如上所述方式确定，使用m级衍射光。
在传统的形成有衍射透镜结构的物镜中，如果环带的边界以如上所述方式设计，当使用用于低数据密度光盘的光束时，形成在专用高NA区域内的衍射透镜结构不能充分地将入射到上面的光束散射。因此，在一些情况下，当使用低数据密度光盘时，就会产生干扰。
发明内容
本发明的优点在于提供了一种用于光学拾取器的物镜，不需要传统光学系统中所使用的孔径机构或者滤波器。
为了实现上述优点，根据本发明的一个方面，提供了一种用于光学拾取器的物镜，包括折射透镜元件，至少在折射透镜元件的一个表面上具有衍射透镜结构。该衍射透镜结构具有多个环带，各环带彼此之间具有台阶。该物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在具有不同数据记录密度的至少两种类型光盘上(例如DVD和CD)。该物镜被划分为通用区域和专用高NA区域，对应于低数据密度光盘的低NA光束通过所述通用区域，所述专用高NA区域是为了让对应于高数据密度光盘的高NA光束会聚而设计的。专用高NA区域的基本曲线及光程差函数被定义成，使具有高数据密度光盘所需波长的光束充分地会聚在高数据密度光盘上。形成在专用高NA区域环带的至少一部分边界与从光程差函数获得的边界独立设计同时基本保持基本曲线，以使高NA光束基本上会聚在某一点上，而低NA光束被散射。
通过上述结构，专用高NA区域实质上起限制对于低数据记录密度光盘的光束直径尺寸的作用。
为了得到限制光束直径尺寸的作用，专用高NA区域所实用的衍射级不应被限定成为一个固定的级，如第二级或者第三级。相反地，光均衡贯穿整个专用高NA区域。值得注意的是，用于光盘驱动器的光源可认为是发射单色光束。因此，专用高NA区域可使用具有多个衍射级的元件。
对于与高数据密度光盘相对应的光束，形成在专用高NA区域的环带应该设计成可使贯穿专用高NA区域的光基本上会聚在一点。值得注意的是，这种构造的设计具有一定自由度。因此，在保持上述条件的情况下，可单独地确定每一环带的宽度，可得到与低数据密度光盘相应的、使光束充分地散射的构造。一般，相对于设计波长，激光光束的波长偏差大约在3％的范围。因此，即使从OPD函数得到的台阶位置偏移了，如果该变化是在相对于基础曲线的波长的整数倍内，也可取得所需的波长特性曲线。
一般，低NA光束具有第一波长，高NA光束具有第二波长，第一波长大于第二波长。通常，两种类型光盘是CD(或者CD-R)和DVD。对于CD的光束波长大约为780nm，而对于DVD的光束波长大约为650nm。即，第一波长(即650nm)小于第二波长(即780nm)的90％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于光学拾取器的物镜，该物镜会聚至少两个不同波长的光束以便分别在具有不同数据记录密度的光盘上形成不同尺寸的光束点。这样的物镜具有正光焦度折射透镜和衍射透镜结构，所述衍射透镜结构具有形成在折射透镜的至少一个表面上的多个环带。该物镜被划分为通用区域和专用高NA区域，对应于低数据密度光盘的低NA光束通过所述通用区域，只有对应于高数据密度光盘的高NA光束通过所述专用高NA区域。
形成在通用区域的衍射透镜结构产生与波长有关的球差，以便由于两种类型光盘的覆盖层不同导致的象差变化被光束的波长差补偿。
形成在专用高NA区域的衍射透镜结构具有多个环带，而且对于高数据记录密度光盘的光束会聚点、对于用于高数据记录密度光盘的光束不产生象差。
多个环带包括至少一个宽带，其设计成使得对于低记录密度光盘的光束会聚点，该至少一个宽带的里边与外边的光程长度差等于或大于用于低数据记录密度光盘的光束波长的0.6倍。
通过这样的结构，因为形成在专用高NA区域的衍射透镜结构对于较高数据记录密度光盘不产生象差，对于较低数据记录密度光盘产生波前差。因此，当使用低数据记录密度的光盘时，物镜的专用高NA区域散射所通过的光。最好，在这种情况下，波长较长而且通过专用高NA区域的光的相位不集中在某一方向上，而是均匀分布(即360°)。如果相位均匀分布，通过专用高NA区域的光能够很好地散射，而且能够基本上限定光束的直径。
任选地，形成在专用高NA区域的衍射透镜结构可以设计成在至少一个宽带和其他部分之间的每个边界上形成台阶，台阶对于高数据记录密度光盘产生为光束波长m倍的光程差，m是不小于2的整数。
进一步任选地，至少一个宽带可以包括m多个宽环带。m多个宽环带呈阶梯排列以便m多个宽环带中的每一个对于高数据记录密度光盘产生一个光束波长的光程长度差。
在这种情况下，至少一个窄环带设置在m多个宽环带之间，该窄环带对于高数据记录密度光盘可以产生小于光束波长0.6倍的光程差。
物镜可以设计成满足如下条件：
10λh/(n0-n1)＜Ww；以及
λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)
其中：λh表示低数据记录密度光盘的光束波长，n0表示空气的折射率，n1表示折射透镜元件的折射率，Ww表示m多个宽环带中每一个的宽度，Wn表示至少一个窄环带中每一个的宽度，所述窄环带对于高数据记录密度光盘产生小于0.6倍光束波长的光程差。
进一步任选地，所述多个环带中至少一个可以包括多个宽环带，其中每一个设计成对于低记录密度光盘的光束会聚点，该多个宽环带中的至少一个的里边与外边的光程长度差等于或大于用于低数据记录密度光盘的光束波长的0.75倍。
进一步任选地，至少一个多个宽环带中的每个的里边与外边的光程差之差ΔOPD可以满足如下条件：
0.75λ＜ΔOPD＜1.25λ
其中：λ表示低数据记录密度光盘的光束波长。
附图说明
下面结合实施例及附图对本发明进行说明：
图1A示出根据本发明的物镜的前视图，图1B示出剖面侧视图，图1C示出局部放大侧视图；
图2是示意图，简要示出使用本发明物镜的光学头的光学系统结构；
图3是曲线图，示出形成在比较物镜上的衍射透镜结构的弧矢量(sag amount)；
图4是曲线图，示出比较透镜会聚的光强度分布；
图5是曲线图，示出形成在根据本发明第一实施例的物镜上的衍射透镜结构的弧矢量；
图6是曲线图，示出根据本发明第一实施例的物镜会聚的光强度分布；
图7是曲线图，示出形成在根据本发明第二实施例的物镜上的衍射透镜结构的弧矢量；
图8是曲线图，示出根据本发明第一实施例的物镜会聚的光强度分布；
图9是曲线图，示出形成在根据本发明第三实施例的物镜上的衍射透镜结构的弧矢量；
图10是曲线图，示出根据本发明第三实施例的物镜会聚的光强度分布。
具体实施方式
下面参考附图描述根据本发明的实施例。
图1A-1C示出可以利用本发明的光学拾取器的物镜10的结构。图1A是物镜10的前视图，图1B是剖面侧视图，图1C是局部放大剖面侧视图。
物镜10用于DVD-CD(和CD-R)兼容光学数据记录/读出装置的光学拾取器中。在光学拾取器中，物镜10会聚由激光二极管发射的不同波长的激光束。被物镜10会聚的每个激光束在光盘(即DVD、CD或者CD-R)的数据记录面上形成光束点。
物镜10是由树脂制成的单元件双凹透镜。在一个表面11上，形成由多个围绕光轴同心排列的环带构成的衍射透镜结构。环带在彼此之间的边界具有台阶。台阶具有圆周壁，它们的母线沿着光轴延伸。
物镜10的表面被分成两个部分：中心部分(将称为通用区域)Rc，剩余的边缘区域(即通用区域Rc的外部)将称为专用高NA区域Rh。
在相对低记录密度的CD或者CD-R上记录/读出数据的光束通过通用区域Rc，并会聚在CD或CD-R上。在相对高记录密度的DVD上记录/读出数据的光束通过通用区域Rc和专用高NA区域Rh，并会聚在DVD上。衍射透镜结构形成在通用区域Rc和专用高NA区域Rh上。通用区域Rc设计成这样的区域，即在对应于NA数值在0.45至0.50范围内的边界内。
图2简要示出使用图1A-1C所示物镜10的光学拾取器的结构。
图2所述光学拾取器包括DVD光源组件21、CD光源组件22、光束合成器23、准直透镜24和物镜10。DVD光源组件21和CD光源组件22中的每一个是具有一体安装激光二极管和光传感器的组件。
如上所述，波长相对较长的光束用于CD或CD-R，而波长相对较短的光束用于DVD。根据实施例，DVD光源组件21具有发射波长为654nm激光束的激光二极管，CD光源组件22具有发射波长为788nm激光束的激光二极管。
当使用DVD时，就使用DVD光源组件21。在图2中，用实线示出DVD覆盖层。DVD光源组件21发射的激光束会聚在数据记录面上，该数据记录面对应于如图2中实线所示的DVD覆盖层的右手边。
当使用CD(或CD-R)时，就使用CD光源组件22。在图2中，用虚线示出CD(或CD-R)覆盖层。CD光源组件22发射的激光束会聚在数据记录面上，该数据记录面对应于如图2中虚线所示的CD(或CD-R)覆盖层的右手边。应该注意在图2中只表示出用于在光盘上记录/读出数据的光束。
形成在通用区域Rc内的衍射透镜结构设计成使得第一级衍射光的衍射效率对于多个波长都最高(在该实施例中是两个波长，即654nm和788nm)。
而且，通用区域Rc内的衍射透镜结构设计成使得由于DVD(厚度为0.6mm)和CD(或CD-R)(厚度为1.2mm)覆盖层厚度之差导致的球差变化可通过在654nm和788nm之间切换所使用光束的波长来补偿。
通常已知整个光学系统(包括光盘的覆盖层)的球差随着覆盖层厚度变厚而向过校正方向变化。当使用具有较薄覆盖层的DVD时，使用波长较短的光束，而当使用具有较厚覆盖层的CD时，使用波长较长的光束。鉴于这一情况，衍射透镜结构设计成球差与波长有关，即当波长增大时球差向校正不足方向变化。利用这一结构，通过适当设计衍射透镜结构，随着覆盖层厚度增加向过校正方向变化的球差能够被随着波长从654nm增大到788nm而向校正不足方向变化的衍射透镜结构的球差补偿。
形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构设计成具有会聚波长为654nm的光束、并散射波长为788nm的光束的作用。专用高NA区域Rh的基础曲线和OPD函数被设计成使654nm波长的光束充分地聚焦在DVD上。具体地，根据本发明，形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构具有多个环带，它们的边界与由限定衍射透镜结构的OPD函数获得的边界独立确定，同时基本保持专用高NA区域曲线。即，边界确定为使得波长为654nm的光束实质上会聚在一点，而充分衍射波长为788nm的光束。通过这样的结构，入射到专用高NA区域Rh上的波长为788nm的光束对于形成光束点不起作用。因此，对于波长为788nm的光束，专用高NA区域Rh实质上起把光束直径限制在通用区域Rc内的作用。
应该注意对于DVD和CD(或CD-R)中每一个的光源组件可以认为是单色光源。因此，当形成衍射透镜结构时，衍射级是可以变化的。对于较高记录密度的光盘，最好入射到所有环带上的光实质上会聚在单一点上。设计这样的结构是相当灵活的，因为衍射级不受限制。因此，在保持上述结构情况下分别确定环带的边界，对于较低记录密度光盘能够具有限制光束直径的作用。
具体地，形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构设计成对于较高数据记录密度光盘不产生球差，而对于较低数据记录密度光盘产生波前差。这样，当使用低数据记录密度的光盘时，物镜的专用高NA区域Rh散射所通过的光。最好，在这种情况下，波长较长而且通过专用高NA区域的光的相位不在某一方向上偏振，而是均匀分布(即360°)。如果相位均匀分布，通过专用高NA区域的光能够很好地散射，而且能够基本上限制光束直径。
在某一参考点上通过透镜预定部分的光强度利用对通过预定部分的光波前差进行衍射积分求出。如果波前差在一个方向上偏离(即相位不是均匀分布的)，积分产生相当大数值。在这种情况下，认为光会聚在参考点上。相反，如果波前差在一个波长范围内没有偏离地分布，积分结果可能接近于零。在这种情况下，认为光没有会聚在参考点上。
波前差确定为相对于参考光程长度的光程长度差。如果每个环带的宽度相当窄，通过环带的光程差变化相当小，在这种情况下，波前差的波动相当小，光被会聚。相反，如果环带的宽度足够宽，光程差变化大约为一个波长，波前差根据环带的位置在一个波长范围内波动，在这种情况下，光不会聚在参考点上。
具体地，形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构设计成具有多个环带，而且至少一个环带设计成对于波长为788nm的光束，通过里边(即光轴一边)的光束的光程长度与通过外边(即周边)的光束的光程长度的光程差(后面将称为OPD)为0.6λ或更大。
数字实施例
后面，将描述三个数字实施例和比较例。每个实施例和比较例提供一个用于光学拾取器的物镜，所述光学拾取器用于具有厚度为0.6mm覆盖层的DVD和具有厚度为1.2mm覆盖层的CD(或者CD-R)。
根据三个实施例和比较例的物镜包括结构相同的部分，这些部分是：
通用区域Rc的结构；
专用高NA区域Rh的基本曲线，是非球面形状；
限定衍射透镜结构的OPD函数；以及
形成在通用区域Rc内的衍射透镜结构的实际形状。
换句话说，三个实施例和比较例只是形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构的具体结构不同。
比较例
根据比较例的物镜设计成使得形成在专用高NA区域Rh内的每个环带中，通过环带里边的光束的光程长度与通过环带外边的光束的光程长度之差等于DVD光束波长(即654nm)。而且，在比较例中，相邻环带之间的间隙(即剖面差)设计成使得通过边界相邻环带的光束的光程长度之差等于DVD光束波长(即654nm)。对于波长为788nm的CD(CD-R)光束，通过环带里边的光束的光程长度与通过环带外边的光束的光程长度之差小于0.6λ(λ表示波长)。
相反，根据每个实施例的物镜包括至少一个环带，设计成使得对于CD(CD-R)光束(788nm)，通过环带里边的光束的光程长度与通过环带外边的光束的光程长度之差为0.6λ或更大。
下面的表1示出根据比较例的物镜数据。
物镜的第一表面(光源一侧表面)被划分为通用区域Rc和专用高NA区域Rh，前者从光轴算起的高度h为0≤h＜1.538(mm)，后者从光轴算起的高度h为1.538h＜2.023(mm)。在通用区域Rc和专用高NA区域Rh，分别形成有不同OPD函数表示的衍射透镜结构。通用区域Rc和专用高NA区域Rh的基本曲线(即不包括衍射透镜结构的透镜表面形状)也不相同，二者是由不同系数定义的非球面表面。
物镜的第二表面(光盘一侧表面)是没有形成衍射透镜结构的非球面表面。
由衍射透镜结构增加的附加光程由如下所示的ODP(光程差)函数φ(h)表示：
φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×m×λ
其中，Pn表示n次(n是偶数)OPD函数系数，m表示衍射级，λ表示波长。
OPD函数φ(h)表示在物镜上对于光轴的高度为h的点上，不被衍射透镜结构衍射的光束的光程与被衍射透镜结构衍射的光束的光程之差。
非球面由如下所示的多项式表示： X ( h ) = Ch 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 h 2 + A 4 h 4 + A 6 h 6 + A 8 h 8 + A 10 h 10 + A 12 h 12
其中，X(h)是表示一平面和一点之间距离的SAG量，该平面是在光轴和非球面的交点与非球面相切的平面，该点是非球面上相对光轴的高度为h的点；C表示非球面在光轴上的曲率(＝1/r)，k是二次曲线系数，A4、A6、A8、A10和A12是四次、六次、八次、十次和十二次非球面系数。
在表1中，示出限定物镜第一面(即光源一侧表面)的基本曲线、通用区域Rc的衍射透镜结构的系数、限定专用高NA区域的衍射透镜结构的系数、相邻表面之间在光轴上的距离、折射率、以及限定第二面的系数，第二面是非球面。
表1
    通用区域(0≤h≤1.538)
    基本曲线     衍射透镜结构
    近轴曲率半径2.131mm     闪耀波长720nm
    非球面系数     OPD函数系数
    k     -0.500     P2     -1.50000
    A4 -2.07000×10-3     P4     -1.63000
    A6 -1.05600×10-4     P6     -0.160000
    A8 -1.32300×10-4     P8     0.00000
    A10  4.63600×10-5     P10     0.00000
    A12 -1.00000×10-5     P12     0.00000
    专用高NA区域Rh(1.538≤h≤2.023)
    基本曲线     衍射透镜结构
    近轴曲率半径2.148mm     闪耀波长654nm
    非球面系数     OPD函数系数
    k     -0.500     P2     -3.03517
    A4 -9.83900×10-4     P4     -0.74300
    A6  8.70200×10-5     P6     -0.14100
    A8 -2.02200×10-5     P8     0.00000
    A10  6.60440×10-5     P10     0.00000
    A12 -1.16640×10-5     P12     0.00000
    第二面
    近轴曲率半径-8.185mm
    非球面系数
    k     0.000
    A4   1.42800×10-2
    A6   -2.04300×10-3
    A8   -9.30800×10-5
    A10   -1.64700×10-5
    A12   6.74500×10-6
    第一面与第二面距离     2.200mm
    折射率 在645nm处     1.54067
在788nm处     1.53657
工作距离(即从第二面到光盘的距离)   使用DVD     1.754mm
  使用CD     1.387mm
表2示出从光轴到每个环带的里边的高度hin和从光轴到每个环带的外边的高度hout，从光轴一侧开始给每个环带一个环带编号N，包括光轴的圆形带表示为环带#1。而且，在表2中示出在每个环带外边的OPD函数φ(hout)的数值。在表2中，hin和hout的数值单位为mm，OPD函数φ(hout)的数值用波长单位表示。环带1-15形成在通用区域Rc内，环带16-35(见表3)形成在专用高NA区域Rh内。
表2
    N     hin     hout   φ(hout)
    #1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#1 5     0.0000.5090.7710.9160.0201.1010.1690.2270.2781.3241.3651.4031.4381.4711.501     0.5090.7710.9161.0201.1011.1691.2271.2781.3241.3651.4031.4381.4711.5011.538     -0.500-1.500-2.500-3.500-4.500-5.500-6.500-7.500-8.500-9.500-10.500-11.500-12.500-13.500-14.786
表3示出从光轴到每个环带的里边的高度hin和从光轴到每个环带的外边的高度hout。而且，在表3中示出对于通过每个环带外边的光束OPD函数φ(hout)的数值、每个环带宽度W、对于以CD光束的会聚点作为参考球面中心环带里边的波前差WFin、环带外边的波前差WFout、环带里边和外边的波前差之差ΔWF。
 表3
  N   hin   hout   φ(hout)   W   WFin  WFout  ΔWF
  #16   1.538  1.616   -15.500  0.078  0.094 -0.442  0.54
  #17   1.616  1.647   -16.500  0.031 -0.264 -0.501  0.24
  #18   1.647  1.676   -17.500  0.029 -0.322 -0.561  0.24
  #19   1.676  1.703   -18.500  0.028 -0.382 -0.623  0.24
  #20   1.703  1.730   -19.500  0.026 -0.444 -0.686  0.24
  #21   1.730  1.775   -20.500  0.025 -0.507 -0.750  0.24
  #22   1.775  1.779   -21.500  0.024 -0.570 -0.815  0.24
  #23   1.779  1.802   -22.500  0.023 -0.635 -0.880  0.25
  #24   1.802  1.824   -23.500  0.022 -0.700 -0.947  0.25
  #25   1.824  1.845   -24.500  0.021 -0.767 -1.014  0.25
  #26  1.845  1.865 -25.500  0.020 -0.833 -1.081  0.25
  #27  1.865  1.885 -26.500  0.020 -0.901 -1.149  0.25
  #28  1.885  1.904 -27.500  0.019 -0.969 -1.218  0.25
  #29  1.904  1.923 -28.500  0.018 -1.037 -1.287  0.25
  #30  1.923  1.941 -29.500  0.018 -1.105 -1.356  0.25
  #31  1.941  1.958 -30.500  0.017 -1.174 -1.425  0.25
  #32  1.958  1.975 -31.500  0.017 -1.243 -1.494  0.25
  #33  1.975  1.991 -32.500  0.016 -1.312 -1.563  0.25
  #34  1.991  2.007 -33.500  0.016 -1.381 -1.633  0.25
  #35  2.007  2.023 -34.500  0.015 -1.450 -1.702  0.25
图3是示出在h＝1.40mm至h＝2.00mm范围内比较例的衍射透镜结构相对于基本曲线的SAG量曲线，即在通用区域Rc周边大致到专用高NA区域Rh的外边。在h＝hB＝1.538处的大台阶表示通用区域Rc与专用高NA区域Rh之间的边界。
如图3所示，从表3中也可以得出，专用高NA区域Rh的最里面的环带设计成使差ΔWF为0.54λ，外部环带设计成使差ΔWF为0.24λ或0.25λ。这样，比较例的衍射透镜结构不包括差ΔWF大于等于0.6λ的环带。
应该注意形成在专用高NA区域的衍射透镜结构设计成补偿由于激光束波长变化产生的色差，和补偿由于折射率变化和温度变化引起透镜变形所产生的象差，以便当使用DVD时能够达到足够的光学特性。
图4是示出当使用根据比较例的物镜会聚波长为788nm的光时CD上的光强度分布曲线。在垂直轴上，强度被归一化以便光轴上的光强度表示为1。水平轴表示相对于光轴的距离。为了示出对于CD光束点边界附近的强度，垂直轴只示出0.005的上限，因此，曲线中没有示出靠近光轴部分的光强度，因为该强度比上限大得多。
根据比较例的结构，每个环带设计成使差ΔWF小于0.6λ，因而，在一个环带内光程长度偏差相当小。因此，当使用CD时，波前差偏离不够大。因此，当使用CD时，通过专用高NA区域Rh的部分光束散射不够充分。因此，根据比较例，如图4所示，对于CD光束点边界附近(即h＝5μm至h＝10μm)的强度相当大。即，形成在专用高NA区域Rh的衍射透镜结构在使用DVD时(即波长为654nm)从补偿象差角度看很好地起作用，但是当使用CD(CD-R)(即波长为788nm)时不能充分限制光束尺寸。
因此，如果比较例用于光学拾取器中，在光学拾取器中用于接收次级光束的跟踪传感器设置在非常靠近用于接收被CD反射的主光束的主传感器的位置上，如同三光束法用于跟踪操作的情况一样，对应于通过专用高NA区域的成分的主光束光斑的强度相当强，入射在跟踪传感器上，在跟踪误差信号中可能产生噪声。
第一实施例
表4示出形成在根据第一实施例的物镜10的专用高NA区域上的衍射透镜结构数据。
根据第一实施例，形成在专用高NA区域Rh内的五个环带(即环带#16至#20)(不包括最外边的环带#21)设计成每个环带的里边与外边的光程长度差基本上等于一个波长，该波长是对于CD(或CD-R)的波长。在第一实施例中，环带之间的台阶设计成对于DVD产生一个波长的光程长度差，如同比较例一样。
表4
  N   hin   hout   φ(hout)   W   WFin   WFout   ΔWF
  #16   1.538   1.674   -17.443   0.136   0.094   -0.905   1.00
  #17   1.674   1.780   -21.560   0.106   -0.726   -1.725   1.00
  #18   1.780   1.876   -25.579   0.087   -1.546   -2.546   1.00
  #19   1.876   1.942   -29.578   0.075   -2.366   -3.368   1.00
  #20   1.942   2.007   -33.496   0.065   -3.186   -4.185   1.00
  #21   2.007   2.023   -34.500   0.016   -4.002   -4.276   0.27
图5是示出根据第一实施例形成在物镜上的衍射透镜结构的SAG量与从光轴算起的高度之间的关系曲线。在h＝hB＝1.538处的大台阶表示通用区域Rc与专用高NA区域Rh之间的边界。
如图5所示，从表4中也可以得出，位于专用高NA区域Rh内里边的五个环带#16-#20中的每个环带设计成里边与外边的波前差之差ΔWF大约为1.00λ，而最外边的环带#21的差ΔWF为0.27λ。这样，第一实施例的衍射透镜结构包括五个差ΔWF大于等于0.6λ的环带。因为产生差ΔWF大于0.6λ的环带宽度与产生差ΔWF小于0.6λ的环带比较宽很多，在本说明书中前者将称为宽带，后者将称为窄带。
图6是示出当使用根据第一实施例的物镜时CD(即使用波长为788nm的光束)上的光强度分布曲线。在垂直轴上，强度被归一化以便光轴上的光强度表示为1。水平轴表示相对于光轴的距离。根据比较例的分布用虚线表示，根据第一实施例的分布用实线表示。
根据第一实施例的结构，一个环带里边和外边的波前差之差ΔWF对于CD的波长(即788nm)为1λ，因而，波前差在这一范围内变化。结果，如图6所示，能够把入射到CD光束点边界附近部分(即在高度h从5μm至10μm范围内的区域)的光强度分布抑制在比比较例低的水平。
然而，在第一实施例中，由于环带之间的台阶等于一个波长，所以衍射透镜结构具有直径尺寸限制作用，当使用DVD时(即当使用波长为654nm的光束时)不能够充分补偿象差。
如上所述，形成在专用高NA区域Rh的衍射透镜结构能够很好地起限制入射光束尺寸的作用，但是当使用波长为654nm的光束时不能充分起到补偿象差的作用。因此，当使用DVD时，温度变化和光束波长的允许范围相当窄。
第二实施例
表5示出形成在根据第二实施例的物镜10的专用高NA区域上的衍射透镜结构数据。
根据第二实施例，形成在专用高NA区域Rh最里面的环带#16设计成由里边和外边增加的光程长度相差量大于0.6λ，λ是对于CD(或CD-R)的波长，是788nm。最里面环带#16外部的其他环带#17-#31设计成与比较例的类似。这样，环带#16是宽带，而其他环带#17-#31是窄带。而且，最里面的环带#16与位于外边并与最里面的环带#16相邻的环带#17之间的台阶设计成台阶长度等于DVD波长(即654nm)的整数倍m。具体地，根据第二实施例，m是5。
表5
   N    hin    hout  φ(hout)     W   WFin   WFout   ΔWF
  #16   1.538   1.730   -19.500   0.192   0.450   -1.044   1.49
  #17   1.730   1.755   -20.500   0.025   -0.507   -0.750   0.24
  #18   1.755   1.779   -21.500   0.024   -0.570   -0.851   0.24
  #19   1.779   1.802   -22.500   0.023   -0.635   -0.880   0.25
  #20   1.802   1.824   -23.500   0.022   -0.700   -0.947   0.25
  #21   1.824   1.845   -24.500   0.021   -0.767   -1.014   0.25
  #22   1.845   1.865   -25.500   0.020   -0.833   -1.081   0.25
  #23   1.865   1.885   -26.500   0.020   -0.901   -1.149   0.25
  #24   1.885   1.904   -27.500   0.019   -0.969   -1.218   0.25
  #25   1.904   1.923   -28.500   0.018   -1.037   -1.287   0.24
  #26   1.923   1.941   -29.500   0.018   -1.105   -1.356   0.24
  #27   1.941   1.958   -30.500   0.017   -1.174   -1.425   0.25
  #28   1.958   1.975   -31.500   0.017   -1.243   -1.494   0.25
  #29   1.975   1.991   -32.500   0.016   -1.312   -1.563   0.25
  #30   1.991   2.007   -33.500   0.016   -1.381   -1.633   0.25
  #31   2.007   2.023   -34.500   0.015   -1.450   -1.702   0.25
图7是示出根据第二实施例形成在物镜上的衍射透镜结构的SAG量与从光轴算起的高度h之间的关系曲线。在h＝hB＝1.538处的大台阶表示通用区域Rc与专用高NA区域Rh之间的边界。
如图7所示，从表5中也可以得出，位于专用高NA区域Rh内最里边的环带#16设计成里边与外边的波前差之差ΔWF为1.49λ，而最里面的环带#16外部的其他环带#17-#31的差ΔWF为0.24λ或0.25λ。这样，第二实施例的衍射透镜结构包括一个差ΔWF大于等于0.6λ的环带。
图8是示出当使用根据第二实施例的物镜时CD(即使用波长为788nm的光束)上的光强度分布曲线。在垂直轴上，强度被归一化以便光轴上的光强度表示为1。水平轴表示相对于光轴的距离。根据比较例的分布用虚线表示，根据第二实施例的分布用实线表示。
根据第二实施例的结构，如图8所示，能够把位于CD光束点外部部分及其附近(即5μm-10μm)处的光强度抑制成比比较例低。而且，环带#16产生的台阶高度是DVD波长的五倍，当使用DVD时能够很好地抑制由于温度和/或波长变化产生的波前差变化，如同比较例一样。因此，形成在专用高NA区域的衍射透镜结构起限制波长为788nm的光束直径尺寸的作用，当使用DVD光束(即波长为654nm的光束)时起补偿象差的作用。
第三实施例
表6示出形成在根据第三实施例的物镜10的专用高NA区域上的衍射透镜结构数据。
根据第三实施例，四个宽带#16、#21、#26和#31形成在专用高NA区域Rh内，在宽带中相邻的宽带之间布置有4个窄带。具体地说，在每个环带之间，有高度为1个DVD波长(即654nm)的台阶，因此，宽带#16、#21、#26和#31整体产生为五倍DVD波长的波长差。应该注意的是，每一个窄带仅有相当小的差ΔWF。
表6
   N    hin    hout   φ(hout)     W   WFin   WFout   ΔWF
  #16   1.538   1.668   -17.219   0.130   0.094   -0.851   0.95
  #17   1.668   1.672   -17.359   0.004   -0.673   -0.706   0.03
  #18   1.672   1.676   -17.500   0.004   -0.527   -0.561   0.03
  #19   1.676   1.680   -17.642   0.004   -0.382   -0.416   0.03
  #20   1.680   1.684   -17.785   0.004   -0.238   -0.272   0.03
  #21   1.684   1.794   -22.148   0.110   -0.093   -1.153   1.06
  #22   1.794   1.798   -22.323   0.004   -0.973   -1.017   0.04
  #23   1.798   1.802   -22.500   0.004   -0.837   -0.880   0.04
  #24   1.802   1.806   -22.678   0.004   -0.700   -0.744   0.04
  #25   1.806   1.810   -22.858   0.004   -0.564   -0.608   0.04
  #26   1.810   1.896   -27.077   0.087   -0.428   -1.474   1.05
  #27   1.896   1.900   -27.288   0.004   -1.293   -1.346   0.05
  #28   1.900   1.904   -27.500   0.004   -1.165   -1.218   0.05
  #29   1.904   1.908   -27.714   0.004   -1.037   -1.090   0.05
  #30   1.908   1.912   -27.929   0.004   -0.909   -0.963   0.05
  #31   1.912   1.983   -32.007   0.071   -0.781   -1.804   1.02
  #32   1.983   1.987   -32.253   0.004   -1.622   -1.684   0.06
  #33   1.987   1.991   -32.500   0.004   -1.501   -1.563   0.06
  #34   1.991   1.995   -32.749   0.004   -1.381   -1.443   0.06
    #35     1.995     2.023     -34.500     0.027     -1.261     -1.702   0.44
图9是示出根据第三实施例形成在物镜上的衍射透镜结构相对于基本曲线的SAG量与从光轴算起的高度h之间的关系曲线。在h＝hB＝1.538处的大台阶表示通用区域Rc与专用高NA区域Rh之间的边界。
如图9所示，从表6中也可以得出，环带#16、#21、#26和#31是宽带，每一个设计成里边与外边的波前差之差ΔWF大约等于一个λ，设置在宽带之间的窄带设计成使差ΔWF在0.03λ至0.06λ范围内。
如果环带之间的台阶相对大，模具可以形成为具有深凹陷部分。在这种情况下，取决于模塑条件，透镜材料(即树脂)可能不能填充在模具凹陷部分的纵深端。那么，这样形成的衍射透镜可能已缓慢地形成有凸起部分，可能不能实现希望的衍射效果。
如果相当高的台阶(例如长5λ)被划分为小高度，而且通过整个透镜结构实现希望的台阶，如同在第三实施例中一样，就能够避免上述问题，而且获得希望的效果，并能够抑制光损失。
当窄带形成在光程长度差为预定波长整数倍的台阶部分时，窄带设计成满足如下条件：
10λh/(n0-n1)＜Ww  …(1)
λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)    …(2)
其中：λh表示对于CD的光束波长，n0和n1分别表示空气和物镜的折射率，Ww和Wn分别表示宽带和窄带的宽度。
具体地，条件(2)限定的宽度Wn在大约0.0016至0.0158mm的范围内。根据第三实施例所有窄带满足该条件。在窄带中，由于它的宽度窄，波前差变化相对小，因此通过窄带的光会聚在CD光束点的外部及附近。然而，宽度Wn受条件(2)的上限限制，因此通过窄带的光强度受条件(2)的上限限制。因此，很好地抑制波长对于CD并会聚在CD光束点外部及附近部分的光的影响。
图10是示出当使用根据第三实施例的物镜时CD上的光强度分布曲线。在垂直轴上，强度被归一化以便光轴上的光强度表示为1。水平轴表示相对于光轴的距离。根据比较例的分布用虚线表示，根据第三实施例的分布用实线表示。
根据第三实施例的结构，如图10所示，能够把CD光束点外部部分及其附近(即5μm-10μm)的光强度抑制成比比较例低。而且，宽带产生的台阶是DVD波长(即654nm)的五倍，因此，当使用DVD时能够很好地抑制由于温度和/或波长变化产生的波前差变化，如同比较例一样。因此，形成在专用高NA区域的衍射透镜结构在使用CD光束时(即当波长为788nm时)起限制光束直径尺寸的作用，当使用DVD光束(即当波长为654nm)时起补偿象差的作用。

Claims (10)

1、一种用于光学拾取器的物镜，其特征在于：该物镜包括折射透镜元件，在该折射透镜元件的至少一个表面上具有衍射透镜结构，该衍射透镜结构具有多个环带，各环带彼此之间具有台阶，该物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在至少两种类型具有不同数据记录密度的光盘上，该物镜被划分为通用区域和专用高NA区域，对应于低数据密度光盘的低NA光束通过所述通用区域，所述专用高NA区域是为了让对应于高数据密度光盘的高NA光束会聚而设计的，所述专用高NA区域的基本曲线及光程差函数被限定成以使具有高密度光盘波长的光束基本上会聚在高密度光盘上，形成在所述专用高NA区域的至少一部分环带的边界与从光程差函数获得的边界独立设计，以便高NA光束基本上会聚在一点上，而低NA光束被散射。
2、根据权利要求1所述的物镜，其特征在于：低NA光束具有第一波长，高NA光束具有第二波长，第一波长大于第二波长。
3、根据权利要求2所述的物镜，其特征在于：第二波长小于第一波长的90％。
4、一种用于光学拾取器的物镜，其特征在于：该物镜会聚至少两个不同波长的光束以便分别在具有不同数据记录密度的光盘上形成不同尺寸的光束点，该物镜包括：
正光焦度折射透镜；和
衍射透镜结构，该衍射透镜结构具有形成在所述折射透镜的至少一个表面上的多个环带；
该物镜被划分为通用区域和专用高NA区域，对应于低数据密度光盘的低NA光束通过所述通用区域，只有对应于高数据密度光盘的高NA光束通过所述专用高NA区域；
形成在所述通用区域的所述衍射透镜结构产生与波长有关的球差，以便由于两种类型光盘的覆盖层不同产生的象差变化被光束的波长差补偿；
形成在所述专用高NA区域的所述衍射透镜结构具有多个环带；
对于高数据记录密度光盘的光束会聚点、对于用于高数据记录密度光盘的光束，形成在所述专用高NA区域的所述衍射透镜结构不产生象差；
所述多个环带包括至少一个宽带，设计成使得对于低记录密度光盘的光束会聚点，该至少一个宽带的里边与外边的光程长度差等于或大于用于低数据记录密度光盘的光束波长的0.6倍。
5、根据权利要求4所述的物镜，其特征在于：形成在所述专用高NA区域的所述衍射透镜结构设计成在至少一个宽带和其他部分之间的每个边界上形成台阶，该台阶对于高数据记录密度光盘产生光束波长m倍的光程差，m是不小于2的整数。
6、根据权利要求4所述的物镜，其特征在于：所述至少一个宽带包括m多个所述宽带，所述m多个所述宽带呈阶梯排列以便所述m多个宽带中的每一个对于高数据记录密度光盘产生一个光束波长的光程长度差。
7、根据权利要求6所述的物镜，其中至少一个窄带设置在所述m多个宽带之间，该窄带对于高数据记录密度光盘产生小于光束波长0.6倍的光程差。
8、根据权利要求7所述的物镜，其特征在于：其设计成满足如下条件：
10λh/(n0-n1)＜Ww；以及
λh/(n0-n1)＜Wn＜10λh/(n0-n1)，
其中：λh表示低数据记录密度光盘的光束波长，n0表示空气的折射率，n1表示所述折射透镜元件的折射率，Ww表示所述m多个宽带中每一个的宽度，Wn表示至少一个窄带中每一个的宽度，所述窄带对于高数据记录密度光盘产生小于0.6倍光束波长的光程差。
9、根据权利要求4所述的物镜，其特征在于：所述所述多个环带中至少一个包括多个宽带，所述多个宽带中的每一个设计成对于低记录密度光盘的光束会聚点，所述多个宽带中至少一个的里边与外边的光程长度差等于或大于用于低数据记录密度光盘的光束波长的0.75倍。
10、根据权利要求4所述的物镜，其特征在于：所述至少一个所述多个宽带中的每个的里边与外边的光程差之差ΔOPD可以满足如下条件：
0.75λ＜ΔOPD＜1.25λ，
其中：λ表示低数据记录密度光盘的光束波长。
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