CN1399260A - 球面像差补偿器以及利用其的光学拾取头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够有效补偿由于记录介质的厚度偏差导致的球面像差同时设置在光学拾取头的物镜之后的球面像差补偿器，该球面像差补偿器包括：与物镜同轴设置的中心补偿部分，该部分提供了对于补偿记录介质厚度偏差所导致的球面像差有效的相位分布；以及围绕中心部分的四周补偿部分，该部分提供了对于减小由物镜从中心补偿部分轴向偏移所导致的球面像差恶化有效的相位分布。球面像差补偿器可以有效地缓解在具有NA为0.7或更大的透镜的光学拾取头中由记录介质厚度偏差所导致的球面像差的恶化。

Description

球面像差补偿器以及 利用其的光学拾取头

                         技术领域

本发明涉及一种能够有效补偿由记录介质的厚度偏差而造成的球面像差的球面像差补偿器，以及利用这种球面像差补偿器的光学拾取头。

                         背景技术

记录介质的记录/再现密度随着由光学拾取头聚焦在记录介质上的光点的尺寸减小而增大，光点的尺寸正比于所用的光线的波长(λ)，并且反比于物镜的数值孔径(NA)。因此，为了实现高密度的记录介质，需要构造具有短波长光源，如蓝光半导体激光器，的光学拾取头和具有较大NA的透镜。最近，日益关注以0.85NA物镜将记录容量增达到22.5G并且将记录介质的厚度减小到0.1mm以防止由记录介质的倾斜造成的性能下降的格式。在此，记录介质的厚度指从记录介质的光接收表面到信息记录表面的距离。

如从下面方程(1)中得知的，球面像差W_40d正比于物镜NA的四次方和记录介质的厚度偏差Δd。为此，如果使用NA约为0.85的物镜，记录介质必须具有偏差小于±3μm的均匀厚度。然而，难于制造在上述厚度偏差范围内的记录介质。 $W_{40d}=\frac{n^2-1}{8n^3}{\left(\mathrm{NA}\right)}^4\mathrm{\Δd}----\left(1\right)$

图1是示出当使用400nm光源和0.85NA物镜时的记录介质厚度偏差与厚度偏差所导致的波前像差(光相位偏差(OPD))之间的关系的曲线。如图1所示，波前像差与厚度偏差正比地增大，因而，如果使用0.85那么大NA的物镜，需要补偿由记录介质的厚度偏差导致的球面像差。

日本专利公开hei 12-57616公开了一种能够探测记录介质的厚度偏差的光学拾取头。日本专利公开hei 12-30281教导了一种利用液晶补偿器补偿记录介质相对于光轴倾斜时发生的波前像差的技术。

图2示出补偿由传统光学拾取头中的记录介质厚度偏差所导致的球面像差的原理。参照图2，物镜组件20(以下简称为物镜)设计成具有一组三个透镜元件21、22和23，以具有较大的NA。三个透镜元件21、22和23容纳在单个线圈架24中，并在相同的光轴x-x′上成一条直线，用于补偿球面像差的相位差补偿器30设置在物镜20后的光轴x-x′上。

在图2中，靠近物镜20的曲线A表示由于记录介质10和/或物镜21、22和23中的制造误差而导致的球面像差造成的波阵面。这种类型的球面像差将被称为来自物镜的球面像差。绘成与相位差校正器30重叠的曲线B表示在由相位差补偿器30补偿球面像差后的波阵面。靠近物镜20的另一条曲线A′表示当物镜20从相位差补偿器30径向平移(或偏离)时的波阵面。

相位差补偿器30产生反向球面像差，该反向球面像差抵消由于记录介质10和/或透镜元件21、22和23中的制造误差引起的来自物镜的球面像差。相位差补偿器30利用液晶作为介质以调节相位延迟的程度，并通过局部使用液晶介质差动延迟光线相位，以产生反向球面像差。通过驱动液晶而产生的局部相位延迟由先锋公司(日本)教导。上述的日本专利公开hei12-30281合并在此作为参考。

相位差补偿器30通过单独的驱动电路40操纵，而驱动电路40根据动态测量的记录介质厚度变化信号而工作。记录介质的厚度偏差可以从设置在光路上的象散透镜探测的聚焦误差信号而计算出来。作为示例，在日本专利公开sho 12-57616中公开的技术可以用于计算厚度偏差。

图3是来自物镜的球面像差与抵消来自物镜的球面像差的反向球面像差之间的关系曲线。图3示出物镜20和相位差补偿器30同轴定位情况下的理论数据。于是，由相位差补偿器30产生的像差B与相应的物镜20的球面像差A具有相同的大小，而符号相反。因此，物镜20的像差被相位差补偿器30的像差完全抵消，由此消除了球面像差，如图3中C所表示的。

在光学拾取头中，物镜2相对于相位差补偿器30的相对位置在物镜2被致动器(未示出)驱动以跟踪记录介质10的轨迹的同时而变化，由于物镜2从相位差补偿器30的相对平移，如图4所示，发生波阵面失配。尤其是，当物镜20的光轴x-x′从相位差补偿器30偏移预定距离1时，由于波阵面匹配，像差不正常地补偿，导致波阵面恶化，而不是像差补偿。如图4所示，由于物镜20的光轴x′-x′与相位差补偿器30的光轴x-x分离，球面像差不完全被补偿，导致在物镜20周围更严重的球面像差。

球面像差由于物镜和相位差补偿器之间的相对位移而恶化是设计成只应付记录介质的厚度偏差而没有考虑物镜的偏移的传统补偿器中的问题。

                         发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效补偿由物镜和相位差补偿器之间的相对位移导致的球面像差的球面像差补偿器以及一种利用这种球面像差补偿器的光学拾取头。

为了实现本发明的目的，提供了一种用于补偿光学拾取头中发生的球面像差的球面像差补偿器，该球面像差补偿器包括：与物镜同轴设置的中心补偿部分，该部分提供了有效补偿记录介质厚度偏差所导致的球面像差的相位分布；以及围绕中心部分的四周补偿部分，该部分提供了对于减小由物镜从中心补偿部分轴向偏移所导致的球面像差恶化有效的相位分布。

为了实现本发明的第一目的，也提供了一种光学拾取头，其包括：面对记录介质设置的物镜；将光线通过物镜发射到记录介质上的光源；以及在光源和物镜之间的球面像差补偿器，其中，球面像差补偿器包括：与物镜同轴设置的中心补偿部分，该部分提供对于补偿记录介质厚度偏差所导致的球面像差有效的相位分布；以及围绕中心补偿部分的四周补偿部分，该部分提供了对于减小由物镜从中心补偿部分轴向偏移所导致的球面像差恶化有效的相位分布。

在根据本发明的球面像差补偿器和光学拾取头中，优选地是，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布与中心补偿部分内透射的光线的相位分布不连续，从而中心和四周补偿部分响应不同的补偿要求而单独延迟光线的相位。

优选地是，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布是平坦的，换句话说，由四周补偿部分延迟的相位大小在遍及四周补偿部分上相等，优选地是，由四周补偿部分延迟的相位大小大致与由中心补偿部分在其光轴处延迟的相位大小一致。

优选地是，球面像差补偿器还包括液晶和局部驱动液晶的多个电极，以通过相位延迟补偿球面像差。

                         附图说明

本发明的上述目的和优点将通过参照附图对其优选实施例的详细描述而得以明白，图中：

图1是示出光线相位分布(OPD)相对于记录介质厚度偏差的曲线；

图2示出了带有传统球面像差补偿器的光学拾取器的主要元件的光学结构；

图3是示出传统球面像差补偿器产生的球面像差正常补偿的相位分布曲线；

图4是示出由于物镜与球面像差补偿器偏离使传统球面像差补偿器产生的球面像差异常补偿的相位分布曲线；

图5示出根据本发明的球面像差补偿器的光学结构和球面像差补偿器内的相位分布；

图6是示出物镜与球面像差补偿器偏离时，根据本发明的有效的球面像差补偿相对于记录介质厚度偏差的相位分布的曲线；

图7示出由根据本发明的球面像差补偿器产生的相位补偿的一个示例；(A)是在球面像差补偿器中多个电极的同心布置的平面图，(B)是沿着(A)中的线H-H截取的剖面图；(C)示出由电极施加到液晶上的电压分布，而(D)示出根据(C)的电压分布的球面像差补偿器内的相位分布。

                       具体实施方式

将参照附图描述球面像差补偿器和利用其的光学拾取头的优选实施例。以下描述将集中于球面像差补偿器，而其他光学拾取头的公知构成元件将简单指出而不详细描述。

图5示出根据本发明的球面像差补偿器100的平面图和在球面像差补偿器100不同位置的相位分布，后者在平面图之下示出。

根据本发明的球面像差补偿器100包括中心补偿部分101和作为中心补偿部分101边界的四周补偿部分102，他们同轴设置在光轴x-x上。通过中心补偿部分101透射的光线的相位分布围绕光轴x-x对称，并在围绕光轴x-x的部分内具有峰值。中心补偿部分101内的相位分布在光轴x-x上为零。在围绕中心补偿部分101的四周补偿部分102内的相位分布与中心补偿部分101内的相位分布不连续，并为平坦的。优选地是，四周补偿部分102和中心补偿部分101在光轴上的相位分布重合。四周补偿部分102内的相位分布在其整个上不均匀(平坦)，并根据位置不同而可以增大或减小。四周补偿部分102内的相位分布根据物镜光轴与中心补偿部分101的光轴的偏移而动态控制。中心补偿部分101内的相位分布根据光介质的厚度偏差而动态控制。

优选地是，中心补偿部分101的直径R1等于光拾取头的物镜的有效区域的有效直径。优选地是，四周补偿部分102的宽度ΔR被确定成等于或大于物镜的偏移，即物镜光轴从中心补偿部分101的光轴的平移量。

图6示出在光拾取头的物镜的光轴x′-x′从球面像差补偿器101的光轴x-x偏移、同时物镜在其有效直径R1内被致动器驱动以跟踪记录介质的轨迹的情况下相位补偿的一个示例。在图6中，A标示由记录介质的厚度偏差所导致的相位分布，B标示球面像差补偿器101内的相位分布，而D标示在相位补偿后的相位分布。

如图6所示，由于物镜的光轴x′-x′从球面像差补偿器100的光轴x-x偏移，其四周部分由于记录介质的厚度偏差而具有一个阶越的相位变化的相位分布与四周补偿部分102内的反向相位分布重叠，为零。结果，在四周相位分布部分中没有由记录介质的厚度偏差所导致的进一步的相位变化。

当物镜和球面像差补偿器100同轴设置而没有相对偏移时，由于球面像差补偿器100的四周补偿部分102基本上被设计成超过物镜的有效区域，因此不会对光学拾取头中使用的光线产生相位变化。由根据本发明的球面像差补偿器产生的相位补偿(最终，球面像差补偿)与参照图4描述的传统球面像差补偿器的有所区别，当物镜偏移到一侧时，利用传统球面像差补偿器，在物镜四周的急剧的相位变化会变差，而不是正常地补偿。相反，根据本发明的球面像差补偿器解决了这个问题。

根据本发明的球面像差补偿器100特征在于包括中心补偿部分101和四周补偿部分102，其中，中心补偿部分101的尺寸确定为与物镜的有效区域相同，而四周补偿部分102围绕中心补偿部分101超过物镜的有效区域，但是当物镜从球面像差补偿器100相对偏移时可以定位在物镜的有效区域之内。根据本发明，由中心补偿部分101产生的相位补偿为记录介质厚度偏差的函数，而由四周补偿部分102产生的相位补偿是物镜的偏移的函数。

虽然在四周补偿部分102内的相位分布被描述为零，四周补偿部分102内的相位分布可以如下方式动态调节，即，在物镜偏移后，入射到四周补偿部分102上的光线的相位可以被补偿。

将描述根据本发明的球面像差补偿器的结构的实施例，根据本发明的球面像差补偿器可以利用液晶作为相位延迟介质。

图7与根据本发明的球面像差补偿器相关。在图7中，(A)是电极同心布置的平面图，(B)是沿(A)中的线H-H截取的剖面图，(C)示出由电极施加到液晶上的电压的分布，而(D)示出球面像差补偿器上不同位置处的相位分布。

参照图7中的(A)和(B)，根据本发明的球面像差补偿器100包括两个基片，上基片100和下基片120，他们相对于光线来说透明，还包括两个基片100和120之间的液晶(LC)。多个环形电极E1、E2、E3、和E4同心地布置在上基片100上，上电极130例如由氧化铟锡(ITO)形成，以覆盖环形电极E1、E2、E3、和E4。环形电极E1、E2、E3、和E4由电阻低的金属材料形成，上电极130具有比环形电极E1、E2、E3、和E4相对高的电阻。公共电极140形成在下基片120上。如果需要的话，能够防止这些电极与液晶接触并驱动液晶所需要的至少一层，如介电层或定向层插在上基片110和下基片120之间。这种层的淀积广泛用于液晶显示器中。根据本发明的球面像差补偿器不受淀积技术或这种层结构的应用的限制。

预定的外部电压施加到上基片100的第一到第四环形电极E1、E2、E3、和E4上，第一环形电极E1最靠近光轴，而第二、第三和第四环形电极E2、E3、和E4依次围绕第一环形电极E1，并且第四环形电极E4在最外侧。下基片120的公共电极140接地。最高电压施加到第二环形电极E2上，而可能彼此相同的低电压施加到内和外环形电极上，即，第一、第三和第四环形电极E1、E3和E4上，通过电压的如此施加，电连接到第一到第四环形电极E1、E2、E3、和E4上的上电极130的电压下降，产生如图7中(C)所示的电压分布，尤其是，图7的(C)示出了相等电压施加到第一、第三和第四环形电极E1、E3、和E4上时液晶内的电压分布，在图7中，(D)示出具有(C)的电压分布的液晶中的相位分布(用于球面像差补偿)。如从图7的(D)中看出的，超过物镜有效区域的相位分布恒为零。

第一、第二和第三环形电极E1、E2和E3形成根据本发明的球面像差补偿器100的中心补偿部分101，而第三和第四环形电极E3和E4形成四周补偿部分102。

虽然四周补偿部分102内的相位分布为零，四周补偿部分102内的相位分布可以以如下方式动态调节，即，在物镜偏移后，入射到四周补偿部分102上的光线的相位可以被补偿。在这种情况下，四周补偿部分102内的液晶的折射率可以由第三和第四环形电极E3和E4之间施加的电压差动态控制，四周补偿部分102将通过其透射的光线的相位改变的大小可以调节为与球面像差补偿器100的中心补偿部分101的芯部的相同。

可以理解到根据本发明的球面像差补偿器可以应用于光拾取器，并尤其是可以应用于具有0.85NA的所谓的高清晰度数字多用途盘(HD-DVD)装置中。

为了确定根据本发明的球面像差补偿器的特性，在下面表1中的条件下利用无向绕射原理计算抖动(jitter)。相对于物镜径向位移量计算的抖动针对传统球面像差补偿器和根据本发明的具有图5结构的球面像差补偿器进行，结果示于表2中。

表1

光源波长(λ，nm)	400
		RIM-密度(在切向/径向)	0.92/0.60
物镜的NA	0.85
		物镜的焦距(mm)	1.760
入射光的有效直径(mm)	5
		记录介质的纹宽(μm)	0.30
记录介质的最小印记(mark)长度(μm)	0.185
		记录介质的纹深(μm)	-λ/6
调制方案	EFM+

表2

偏移(μm)	0	50	100	150	200	250	300	350
									本发明(％)	5.28	5.54	5.90	6.71	8.09	9.94	12.46	15.67
现有技术(％)	5.28	5.40	5.82	7.07	9.48	13.07	17.28	＞20

从表2中可以看出，当物镜从球面像差补偿器的位移(平移)较小时，尤其是50μm和100μm时，对于根据本发明的球面像差补偿器来说，抖动分别为5.54％和5.90％，这稍大于传统球面像差补偿器的，但是在光学拾取器中是微不足道的。通过根据本发明的球面像差补偿器减小抖动的效果在偏移大于150μm是更明显，这个效果随着物镜相对于球面像差补偿器偏移增大而更明显。

本发明中显著的抖动减小效果是由于球面像差补偿器的结构而产生的，该球面像差补偿器被设计成作用为能够减小透镜与透镜轴向位移而产生的球面像差恶化以及能够校正在透镜NA为0.7或更大的情况下由光拾取头中的记录介质的厚度偏差导致的球面像差的相位变化器。

虽然传统球面像差补偿器仅考虑记录介质厚度偏差而构造，并且在物镜从补偿器偏移时使记录介质厚度偏差导致的球面像差恶化，但是本发明人在此建议一种新的球面像差补偿器，其免于物镜偏移所造成的球面像差恶化的问题。

虽然本发明已经参照其优选实施例具体地图示并描述，本领域技术人员应理解的是在不背离所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围前提下可以在形式和细节上作出各种变动。

Claims (12)

1.一种用于补偿光学拾取头中出现的球面像差的球面像差补偿器，该球面像差补偿器包括：

与物镜同轴设置的中心补偿部分，该部分提供了对于补偿记录介质厚度偏差所导致的球面像差有效的相位分布；以及

围绕中心部分的四周补偿部分，该部分提供了对于减小由物镜从中心补偿部分轴向偏移所导致的球面像差恶化有效的相位分布。

2.如权利要求1所述的球面像差补偿器，其特征在于，中心补偿部分和四周补偿部分由记录介质的厚度偏差动态控制。

3.如权利要求1所述的球面像差补偿器，其特征在于，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布与中心补偿部分内透射的光线的相位分布不连续。

4.如权利要求1所述的球面像差补偿器，其特征在于，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布是平坦的。

5.如权利要求1到4中任一项所述的球面像差补偿器，其特征在于，由四周补偿部分延迟的相位大小基本与中心补偿部分在其光轴处延迟的相位大小一致。

6.如权利要求1到4中任一项所述的球面像差补偿器，还包括液晶和局部驱动液晶的多个电极，以通过相位延迟补偿球面像差。

7.一种光学拾取头，包括：

面对记录介质设置的物镜；

将光线通过物镜发射到记录介质上的光源；以及

在光源和物镜之间的球面像差补偿器，该球面像差补偿器包括：

与物镜同轴设置的中心补偿部分，该部分提供对于补偿记录介质厚度偏差所导致的球面像差有效的相位分布；以及

围绕中心补偿部分的四周补偿部分，该部分提供了对于减小由物镜从中心补偿部分轴向偏移所导致的球面像差恶化有效的相位分布。

8.如权利要求7所述的光学拾取头，其特征在于，中心补偿部分和四周补偿部分由记录介质的厚度偏差动态控制。

9.如权利要求7所述的光学拾取头，其特征在于，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布与中心补偿部分内透射的光线的相位分布不连续。

10.如权利要求7所述的光学拾取头，其特征在于，通过四周补偿部分透射的光线的相位分布是平坦的。

11.如权利要求7到10中任一项所述的光学拾取头，其特征在于，由四周补偿部分延迟的相位大小基本与中心补偿部分在其光轴处延迟的相位大小一致。

12.如权利要求7到10中任一项所述的光学拾取头，其特征在于，球面像差补偿器还包括液晶和局部驱动液晶的多个电极，以通过相位延迟补偿球面像差。

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