CN1416120A - 相位补偿器和使用该相位补偿器的兼容光拾取器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种兼容光拾取器，包括：发光单元，发射分别适合于对具有不同格式的第一、第二和第三光盘进行信息记录和/或再现的不同波长λ1、λ2和λ3的第一、第二和第三种光，并且对分别从第一、第二和第三光盘反射的光进行接收和检测；物镜，对从发光单元入射的第一、第二和第三种光进行聚焦，以在各自的第一、第二和第三光盘上形成光点；第一和第二相位补偿器，安置在物镜的入射光瞳处，并且分别使第二和第三种光产生相差变化。第一相位补偿器只对第二种光的相位进行补偿，并且只传递第一和第三种光。第二相位补偿器只对第三种光的相位进行补偿，并且只传递第一和第二种光。

Description

相位补偿器和使用该相位补偿器的兼容光拾取器
技术领域
本发明涉及一种用于只对三种波长光中的特定一种波长的相位进行补偿的相位补偿器，以及一种使用该相位补偿器的兼容光拾取器。
背景技术
在使用由物镜聚焦的光点来对光盘进行任意信息的记录和/或再现的光学记录和/或再现系统中，记录密度是由光点的大小来决定的。光点的大小(S)与光的波长(λ)成正比，并且与物镜的数值孔径(numerical aperture，NA)成反比，如下面的公式(1)所示：
S∝λ/NA                               ...(1)
因此，为减小在光盘上的聚焦光点的大小以获得更高记录密度，需要采用短波长的光源如蓝紫激光器以及NA大于或等于0.6的物镜。
用θ表示光盘倾斜角，用n表示光盘折射率，用d表示光盘厚度，并且用NA表示物镜数值孔径，由于光盘倾斜而导致的彗差W31如下面的公式(2)所示： W 31 = - d 2 · n 2 ( n 2 - 1 ) sin θ cos θ ( n 2 - sin 2 θ ) 5 / 2 N A 3 - - ( 2 )
在此，光盘的折射率和厚度是指从光学介质的光入射表面到信息记录表面的光学介质，即光盘基板(substrate)的折射率和厚度。
根据上面公式(2)，为保证容忍光盘的倾斜，当增大物镜NA以获得更高密度时，需要减小光盘厚度。光盘厚度从CD的1.2mm减小到DVD的0.6mm。而且，很可能下一代DVD的厚度(所谓的高清晰度(high-definition，HD)DVD)确定为0.1mm。物镜NA从CD的0.45增加到DVD的0.6，并且HD-DVD的NA预期大约为0.85。考虑到记录密度，HD-DVD很可能采用蓝紫光源。在开发新标准的光盘时，与现有光盘的兼容性是一个重要的考虑因素。
例如，在传统一次性记录光盘如DVD-R和CD-R中，反射率随光的波长增加而大大降低。从而，对于DVD-R和CD-R分别需要使用波长为650nm和780nm的光源。因此，考虑到与DVD-R和CD-R的兼容性，对于HD-DVD光拾取器，要求采用三种不同波长的光源。
考虑到尺寸、装配和成本的优点，对于使用多个不同波长光源的兼容光拾取器，最好采用单一物镜。当使用与不同厚度的光盘兼容的单一物镜来记录和/或再现信息时，会发生由于光盘厚度差异而导致的球面象差。因此，对于使用单一物镜的兼容光拾取器，需要采用象差补偿器，以允许对三种不同光盘进行令人满意的信息记录和/或再现。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于只对三种波长光中的一种波长入射光的相位进行补偿的相位补偿器，以及一种使用该相位补偿器的兼容光拾取器，能够对三种类型的光盘进行信息记录和/或再现。
一方面，本发明提供一种包括多个相位延迟区域并且满足如下公式的相位补偿器：
(a-b)＝mλ1
(a′-b′)＝nλ3
其中，λ1、λ2和λ3表示不同的入射光波长，a和a′分别对于波长λ1和λ3表示由一个相位延迟区域延迟的相位量，b和b′分别对于波长λ1和λ3表示由另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且m和n为整数值±0.07或更小。
最好，相位补偿器包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式(steppedpattern)，其中，每个阶梯模式的步距(step size)s满足如下公式：
(n1-n0)s＝mλ1
(n3-n0″)s＝nλ3
其中，n1和n3分别对于波长λ1和λ3表示相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0″分别对于波长λ1和λ3表示相位补偿器的空气区域折射率。
另一方面，本发明提供一种兼容光拾取器，包括：发光单元，发射分别适合于对具有不同格式的第一、第二和第三光盘进行信息记录和/或再现的不同波长λ1、λ2和λ3的第一、第二和第三种光，并且对分别从第一、第二和第三光盘反射的光进行接收和检测；物镜，对从发光单元入射的第一、第二和第三种光进行聚焦，以在各自的第一、第二和第三光盘上形成光点；第一和第二相位补偿器，安置在物镜的入射光瞳(entrance pupil)处，并且分别使第二和第三种光产生相差变化，并且每个相位补偿器均包括多个相位延迟区域，并且第一和第二相位补偿器分别满足下面公式：
(a-b)＝mλ1
(a′-b′)＝nλ3
其中，a和a′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ3的第三种光，表示由第一相位补偿器的一个相位延迟区域延迟的相位量，b和b′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ3的第三种光，表示由第一相位补偿器的另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且m和n为整数值±0.07或更小，以及
(c-d)＝pλ1
(c′-d′)＝qλ2
其中，c和c′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ2的第二种光，表示由第二相位补偿器的一个相位延迟区域延迟的相位量，d和d′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ2的第二种光，表示由第二相位补偿器的另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且p和q为整数值±0.07或更小。
在本发明的兼容光拾取器中，最好，第一相位补偿器包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式，并且每个阶梯模式的步距s1满足如下公式：
(n1-n0)s1＝mλ1
(n3-n0″)s1＝nλ3
其中，n1和n3分别对于波长λ1和λ3表示第一相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0″分别对于波长λ1和λ3表示该相位补偿器的空气区域折射率。
最好，第二相位补偿器包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式，并且每个阶梯模式的步距s1满足如下公式：
(n1′-n0)s2＝pλ1
(n2′-n0′)s2＝qλ2
其中，n1′和n2′分别对于波长λ1和λ2表示第二相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0′分别对于波长λ1和λ2表示第二相位补偿器的空气区域折射率。
在本发明的兼容光拾取器中，第二光盘是DVD家族的光盘，第三光盘是CD家族的光盘，并且第一光盘具有比第二光盘更高的密度。最好，第一光盘具有比第二光盘更薄的厚度，例如大约为0.1mm。
最好，物镜的数值孔径大于或等于0.7，以适合于第一光盘。最好，物镜的工作距离大于或等于0.7mm。
最好，本发明的兼容光拾取器进一步包括孔径滤波器，用于为第二和第三种光中的至少一种改变物镜的有效数值孔径，以适合于对第二和第三光盘中的至少一种进行记录和/或再现。在这种情况下，与第一和第二相位补偿器中的至少一个集成在一起形成孔径滤波器。
在本发明的兼容光拾取器中，第一种光是蓝紫波长区域的光，第二种光是红波长区域的光，并且第三种光是红外线波长区域的光。最好，波长λ1大约为400-410nm，波长λ2大约为635或650nm，并且波长λ3大约为780nm。
附图说明
通过参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出本发明的兼容光拾取器；
图2示出在本发明的兼容光拾取器中使用的第一和第二相位补偿器的优选实施例；
图3是其中使用BK7作为第一相位补偿器光学介质的图1的第一相位补偿器使得用于HD-DVD的波长为λ1的第一种光和用于CD的波长为λ3的第三种光产生的相对于步距s1的相差图；
图4示出根据本发明优选实施例的兼容光拾取器的光学结构；
图5A、5B和5C示出图1的第一、第二和第三种光由根据表2的设计数据进行制造的物镜在HD-DVD、DVD和CD上进行聚焦时的光线路径；
图6是其中使用EFD4 HOYA作为第一相位补偿器光学介质的图1的第一相位补偿器使得用于HD-DVD的波长为λ1的第一种光和用于CD的波长为λ3的第三种光产生的相对于步距s1的相差图；
图7是其中使用EFD8 HOYA作为第二相位补偿器光学介质的图1的第二相位补偿器使得用于HD-DVD的波长为λ1的第一种光和用于DVD的波长为λ2的第二种光产生的相对于步距s2的相差图；
图8示出与载入DVD时发生的球面象差对应的相差的二维分布；
图9示出由具有4阶梯模式的第一相位补偿器产生的相差变化的二维分布，以补偿图8的相差(象差)；
图10示出通过相互叠加图8和9而获得的一维相位分布；
图11A示出当对CD进行信息记录和/或再现时通过第一相位补偿器之后的剩余相差；
图11B示出当对HD-DVD进行信息记录和/或再现时通过第一相位补偿器之后的剩余相差；
图12示出与载入CD时发生的球面象差对应的相差的二维分布；
图13示出由3阶梯模式的第二相位补偿器产生的相差变化的二维分布，以补偿图12的相差(象差)；
图14示出通过相互叠加图12和13而获得的一维相位分布；
图15A示出当对DVD进行信息记录和/或再现时通过第二相位补偿器之后的剩余相差；以及
图15B示出当对HD-DVD进行信息记录和/或再现时通过第二相位补偿器之后的剩余相差。
具体实施方式
参照图1，本发明的兼容光拾取器，包括：发光单元10，用于发射分别适合于对第一、第二和第三光盘50a、50b和50c进行信息记录和/或再现的不同波长的第一、第二和第三种光10a、10b和10c，并且通过接收从各自的第一、第二和第三光盘50a、50b和50c反射的光，检测信息信号和误差信号；物镜40，用于对从发光单元10入射的第一、第二和第三种光10a、10b和10c进行聚焦，以在各自的第一、第二和第三光盘50a、50b和50c上形成光点；以及第一和第二相位补偿器20和30，安置在物镜40的入射光瞳处，并且分别使第二和第三种光10b和10c产生相位变化。
第一光盘50a可以具有比DVD更薄的厚度，例如为HD-DVD家族的光盘(以下为HD-DVD)。当第一光盘50a为HD-DVD时，第二光盘50b可以是DVD家族的光盘(以下为DVD)，并且第三光盘50c可以是CD家族的光盘(以下为CD)。
当本发明的光拾取器能够以兼容CD、DVD和HD-DVD的方式记录和/或再现信息时，最好，第一种光10a是蓝紫波长区域的光，例如范围大约为400nm到410nm，第二种光10b是红波长区域的光，例如范围大约为635nm到650nm，并且第三种光10c是红外线波长区域的光，例如范围大约为780nm。
物镜40设计为适合于对高密度第一光盘50a进行记录和/或再现，并且它的NA大于或等于0.7，最好NA为0.85。在这种情况下，由于第二和第三光盘50b和50c比第一光盘50a更厚，为了避免在采用第二和第三光盘50b和50c时物镜与它们发生碰撞，最好，物镜40具有大的工作距离，例如大于或等于0.7mm。
由于第二和第三光盘50b和50c具有不同于第一光盘50a的厚度，因此当第二种光10b通过物镜40聚焦在第二光盘50b上形成光点时，由于第一和第二光盘50a和50b的厚度不同而导致产生球面象差。同样，当第三种光10c通过物镜40聚焦在第三光盘50c上形成光点时，由于第一和第三光盘50a和50c的厚度不同而导致产生球面象差。另外，当第二和第三种光10b和10c通过物镜40进行聚焦时，由于波长不同于第一种光10a而导致发生色差。
第一相位补偿器20用于补偿当在第二光盘50b上进行记录和/或再现时对于第二种光10b所发生的球面象差和/或色差。第二相位补偿器30用于补偿当在第三光盘50c上进行记录和/或再现时对于第三种光10c所发生的球面象差和/或色差。
为了补偿当在第二光盘50b上进行记录和/或再现时发生的象差，第一相位补偿器20包括仅使第二种光10b产生相差变化的多个相位延迟区域。最好，该多个相位延迟区域设计为，对于第一和第三种光10a和10c，在通过一个相位延迟区域和另一个相邻相位延迟区域之后，各自的相差分别大约为第一和第三种光10a和10c的反射波长λ1和λ3的整数倍，如下面的公式(3)所示。
换句话说，对于第一和第三种光10a和10c，分别用a和a′表示由第一相位补偿器20的一个相位延迟区域延迟的相位量，并且分别用b和b′表示由第一相位补偿器20的另一个相位延迟区域延迟的相位量，最好，第一和第三种光10a和10c在通过相邻相位延迟区域之后的相差满足下列关系式(3)：
(a-b)＝mλ1
(a′-b′)＝nλ3     ...(3)
其中，m和n为整数值±0.07或更小，并且最好为整数值±0.05或更小。
在此，第一相位补偿器20使第二种光10b产生相位变化，而在通过第一和第三种光10a和10c时不产生相位变化。
同样，为了补偿当在第三光盘50c上进行记录和/或再现时发生的象差，第二相位补偿器30包括仅使第三种光10c产生相差变化的多个相位延迟区域。最好，该多个相位延迟区域设计为，对于第一和第二种光10a和10b，在通过一个相位延迟区域和另一个相邻相位延迟区域之后，各自的相差分别大约为第一和第二种光10a和10b的反射波长λ1和λ2的整数倍。换句话说，对于第一和第二种光10a和10b，分别用c和c′表示由第二相位补偿器30的一个相位延迟区域延迟的相位量，并且分别用d和d′表示由第二相位补偿器30的另一个相位延迟区域延迟的相位量，最好，第一和第二种光10a和10b在通过相邻相位延迟区域之后的相差满足下列关系式(4)：
            (c-d)＝pλ1
            (c′-d′)＝qλ2      ...(4)其中，p和q为整数值±0.07或更小，并且最好为整数值±0.05或更小。
在此，第二相位补偿器30使第三种光10c产生相位变化，而在通过第一和第二种光10a和10b时不产生相位变化。
在一个详细实施例中，第一和第二相位补偿器20和30可以在平板型光学介质的至少一个表面中具有阶梯模式，能够产生相差变化以补偿当兼容采用第一和第三光盘50a和50c时发生的象差，如图2所示。在图2中，标号25表示由例如用于制造第一和第二相位补偿器20和30的玻璃制成的光学介质区域，并且标号27表示去除光学介质而产生的具有阶梯模式的空气区域。另外，图2中的″s″表示步距。
第一和第二相位补偿器20和30的阶梯模式步距确定为分别满足上述关系式(3)和(4)。最好，第一和第二相位补偿器20和30的步距分别确定为，对于仅通过第一和第二相位补偿器20和30的光，大约是其波长的整数倍，并且仅使相应记录介质的一种波长的光产生相差变化。在此，阶梯模式的阶梯分别对应于相位延迟区域。
最好，第一相位补偿器20的阶梯模式步距s1满足关系式(5)，以遵循关系式(3)：
              (n1-n0)s1＝mλ1
              (n3-n0″)s1＝nλ3     ...(5)
其中，对于第一和第三种光10a和10c的波长λ1和λ3，n1和n3分别表示第一相位补偿器20的光学介质区域折射率，并且n0和n0″分别表示空气区域折射率。
最好，第二相位补偿器30的阶梯模式步距s2满足关系式(6)，以遵循关系式(4)：
           (n1′-n0)s2＝pλ1
           (n2′-n0′)s2＝qλ2      ...(6)其中，对于第一和第二种光10a和10b的波长λ1和λ2，n1′和n2′分别表示第二相位补偿器30的光学介质区域折射率，并且n0和n0′分别表示空气区域折射率。
如表1所示，当第一、第二和第三光盘50a、50b和50c分别为HD-DVD、DVD和CD，并且用于对第一、第二和第三光盘50a、50b和50c进行记录和/或再现的第一、第二和第三种光10a、10b和10c的波长λ1、λ2和λ3分别为400nm、650nm、780nm时，玻璃BK7的折射率对于400nm为1.530849，对于650nm为1.514520并且对于780nm为1.511183。
                          表1
 HD-DVD  DVD  CD
波长 400nm(λ1) 650nm(λ2) 780nm(λ3)
BK7的折射率 1.530849 1.514520 1.511183
图3是当BK7用作第一相位补偿器20的光学介质时用于HD-DVD的第一种光10a的波长λ1和用于CD的第三种光10c的波长λ3相对于第一相位补偿器20的步距s1的相差图。图3的图是根据上面表1中所列出的第一、第二和第三光盘50a、50b和50c类型以及这些光的波长而获得的。
参照图3，当在BK7光学介质中形成步距s1为1.5μm的阶梯模式时，对于用于HD-DVD的第一种光10a的波长λ1，发生0.99λ1的相差，近似于波长λ1的整数倍，对于用于CD的第三种光10c的波长λ3，发生0.98λ3的相差，近似于波长λ3的整数倍，而对于用于DVD的第二种光10b的波长λ2，发生0.2λ2的相差。在此，在相位补偿器中形成的阶梯模式的步距对于预定波长的光等于相差的整数倍是表示当预定波长的光通过相位补偿器时不会由该模式引起相差变化。
因此，可以通过在BK7光学介质中形成步距s1为1.5μm的阶梯模式来获得满足上述关系式(3)和(5)的第一相位补偿器20。
类似于第一相位补偿器20，可以通过在预定光学介质中形成阶梯模式来获得只是传递第一和第二种光10a和10b并且只使第三种光10c产生相差变化的第二相位补偿器30，以遵循上述关系式(6)，如参照第一相位补偿器20所述。后面将描述第二相位补偿器30的详细实施例。
如上所述，当在第一相位补偿器20中形成满足上述关系式(5)的具有步距s1的模式时，允许第一和第三种光10a和10c穿过第一相位补偿器20但是第二种光10b在通过第一相位补偿器10时发生根据模式的相差变化。并且，当在第二相位补偿器30中形成满足上述关系式(6)的具有步距s2的模式时，允许第一和第二种光10a和10b穿过第二相位补偿器30但是第三种光10c在通过第二相位补偿器20时发生根据模式的相差变化。
因此，本发明的光拾取器包括两种类型的相位补偿器，即第一和第二相位补偿器20和30，它们是采用等于两种光波长整数倍的不同模式步距而构成的，从而仅使相应光盘的一种波长光产生相差变化，因而与三种具有不同厚度的光盘兼容。
参照图1，本发明的兼容光拾取器，最好进一步包括：第一孔径滤波器25，用于为第二种光10b改变物镜的有效NA；以及第二孔径滤波器35，用于为第三种光10c改变物镜40的有效NA。
最好，第一和第二孔径滤波器25和35是波长选择性覆盖层成分或全息衍射成分，能够通过传递通过其中心部分的入射光来改变物镜40的有效NA，并且，根据入射光的波长选择性地阻碍通过它们各自的外环部分25a和35a的入射光的前进。
如图1所示，第一和第二孔径滤波器25和35可以是分别具有环绕内孔径的外环部分25a和35a的结构。最好，分别与第一和第二相位补偿器20和30集成在一起形成第一和第二孔径滤波器25和35。
第一孔径滤波器25的外环部分25a设计为，只阻止第二种光10b的前进，并且传递其余波长的光，即第一和第三种光10a和10c。最好，第一孔径滤波器25的外环部分25a的内径使物镜40的有效NA适合于对第二光盘50b进行记录和/或再现。例如，当第二光盘50b为DVD时，第一孔径滤波器25的外环部分25a的内径可以确定为使物镜40的有效NA为0.6。
第二孔径滤波器35的外环部分35a设计为，只阻止第三种光10c的前进，并且传递其余波长的光，即，第一和第二种光10a和10b。最好，第二孔径滤波器35的外环部分35a的内径使物镜40的有效NA适合于对第三光盘50c进行记录或再现。例如，当第三光盘50c为CD时，第二孔径滤波器35的外环部分35a的内径确定为使物镜40的有效NA为0.45。
图4示出根据本发明优选实施例的兼容光拾取器的光学结构。参照图4，发光单元10包括：第一光源11，用于发射适合于对第一光盘50a进行记录或再现的波长为λ1的第一种光10a；第一光检测器15，用于接收并检测从第一光盘50a发射的光；第一发光模块17，用于发射适合于对第二光盘50b进行记录或再现的波长为λ2的第二种光10b；第二发光模块18，用于发射适合于对第三光盘50c进行记录或再现的波长为λ3的第三种光10c；以及第一、第二和第三光径改变器12、16和13，用于分别改变从第一光源11、第一发光模块17和18发射的第一、第二和第三种光10a、10b和10c的传播路径。
当第一光盘50a为HD-DVD时，可以使用用于发射例如波长为400nm的第一种光10a的蓝紫半导体激光器作为第一光源11。
第一发光模块17具有用于发射第二种光10b的光源和用于接收从第二光盘50b反射的第二种光10b的光检测器的组合结构。同样，第二发光模块18具有用于发射第三种光10c的光源和用于接收从第三光盘50c反射的第三种光10c的光检测器的组合结构。当第二和第三光盘50b和50c分别为DVD和CD时，可以使用用于发射例如波长为650nm的第二种光10b的红半导体激光器作为第一发光模块17的光源，并且可以使用用于发射例如波长为780nm的第三种光10c的红外线半导体激光器作为第二发光模块18的光源。
第一发光模块17和18的结构在本领域中是众所周知的，因此，在此略去其详细描述和图解。
最好，发光单元10在第三光径改变器13和物镜40之间的光径上进一步包括校准透镜14，用于聚集并近似校准分别从第一光源11以及第一和第二发光模块17和18发射的第一、第二和第三种光10a、10b和10c。
图4所示的发光单元10的结构是一个可用于本发明兼容光拾取器的例子。因此，具有不同结构的各种发光单元可以应用于本发明的兼容光拾取器。另外，虽然在图4的实施例中第一、第二和第三光径改变器12、16和13示出为采用光束分裂器进行构造，但是本发明不局限于这种结构，并且可以对第一、第二和第三光径改变器12、16和13进行各种改变。
上述本发明的兼容光拾取器以如下方式进行工作：
首先，当载入第一光盘50a时，从发光单元10发射的第一种光10a向第一和第二相位补偿器20和30前进。第一种光10顺序通过第一相位补偿器20、第一孔径滤波器25、第二相位补偿器30和第二孔径滤波器35，并且通过物镜40聚焦在第一光盘50a的记录表面上形成光点。从第一光盘50a反射的第一种光10通过与上面相反的路径返回到发光单元10。
当载入第二光盘50b时，从发光单元10发射的第二种光10b进入第一相位补偿器20，并且在其中使第二种光10b产生相差变化以补偿球面象差和/或色差。下一步，第二种光10b进入第一孔径滤波器25。由第一孔径滤波器25的外环部分25a阻挡一部分的第二种光10b，并且，只有通过由外环部分25a环绕的第一孔径滤波器25的内孔径的仅仅一部分的第二种光10b穿过第一孔径滤波器25。结果，改变第二种光10b的光束大小，以使物镜40的有效NA适合于对第二光盘50b进行记录或再现，例如为0.6。第二种光10b顺序通过第二相位补偿器30、第二孔径滤波器35，并且通过物镜40聚焦在第二光盘50b的记录表面上形成光点。从第二光盘50b反射的第二种光10b通过与上面相反的路径返回到发光单元10。
当载入第三光盘50c时，从发光单元10发射的第三种光10b通过第一相位补偿器20和第一孔径滤波器25，并且进入第二相位补偿器30。在第二相位补偿器30中使第三种光10c产生相差变化以补偿球面象差和/或色差。下一步，第三种光10c进入第二孔径滤波器35。由第二孔径滤波器35的外环部分35a阻挡一部分的第三种光10c，并且，只有通过由外环部分35a环绕的第二孔径滤波器35内孔径的仅仅一部分的第三种光10c穿过第二孔径滤波器35。结果，改变第三种光10c的光束大小，以使物镜40的有效NA适合于对第三光盘50c进行记录或再现，例如为0.45。第三种光10c通过物镜40聚焦在第三光盘50c的记录表面上形成光点。从第三光盘50c反射的第三种光10c通过与上面相反的路径返回到发光单元10。
下面将参照下面情况对适用于本发明兼容光拾取器的物镜40以及第一和第二相位补偿器20和30的详细实施例进行描述，其中，第一、第二和第三光盘50a、50b和50c分别为HD-DVD、DVD和CD，并且第一、第二和第三种光10a、10b和10c分别具有400nm的波长λ1、650nm的波长λ2和780nm的波长λ3。
表2列出适用于本发明兼容光拾取器的物镜40的一个实施例的设计数据。在此，本发明的物镜40设计为，使用BaCD5 HOYA(对于400nm，折射率大约为1.606048)作为光学介质，对于具有0.1mm厚度的HD-DVD(即第一光盘10a)，在400nm，入射光瞳直径大约为3.886mm，焦距大约为2.286nm，并且NA为0.85。另外，假定第一光盘50a在波长为400nm时折射率大约为1.623343。作为参考，光盘的折射率表示光前进的范围从光入射面到记录面的介质有效折射率。
                          表2
表面 曲率半径(mm) 厚度/间距(mm) 材料(玻璃)
对象表面 无穷大 无穷大
S1 无穷大 0.000000
S2 1.482974 1.963318 BaCD5_HOYA
K：-0.830113A：0.121087E-01  B：0.141346E-02  C：0.257098E-03D：0.249301E-04  E：0.102134E-04  F：0.312166E-05
S3 -10.53984  1.082337
K：9.901398A：0.267356E-01  B：-0.403555E-02  C：0.220095E-03D：0.933479E-05
S4 无穷大 0.100000 ‘CG’
S5 无穷大 0.000000
图像表面 无穷大 0.000000
在表2中，‘CG’表示第一光盘50a的介质，K为第一和第二非球面S2和S3的二次曲线系数，并且A、B、C、D、E和F为非球面系数。表1的非球面S1到S5如图5A所示，以作参考。
例如第一和第二非球面S2和S3的非球面方程用如下公式(5)表示： z = ch 2 1 + 1 - ( 1 + K ) c 2 h 2 + Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 + Eh 12 + Fh 14 + Gh 16 + Hh 18 + J h 20 - - - - ( 5 ) 其中，z为非球面顶点的深度，h为光轴高度，c为曲率半径，并且A到J为非球面系数。
采用上述设计数据形成的物镜40具有1.082337的大工作距离，该距离大得足以防止在记录和/和再现的过程中，物镜40与包括分别在图5A、5B和5C中所示的HD-DVD、DVD和CD的任何光盘发生碰撞。
图5A、5B和5C示出当第一、第二和第三种光10a、10b和10c通过采用表2的数据进行设计的物镜40分别聚焦在HD-DVD、DVD和CD上时的光径。当如图5A、5B和5C所示分别载入HD-DVD、DVD和CD时，物镜40的焦距对于第一种光10a约为2.286mm，对于第二种光10b约为2.359mm，并且对于第三种光10c约为2.375mm，如表3所示。另外，物镜40的有效直径(NA)对于第一种光10a约为3.9mm(NA＝0.85)，对于第二种光10b约为2.8mm(NA＝0.60)，并且对于第三种光10c约为2.1mm(NA＝0.45)。
                                    表3
    HD-DVD     DVD     CD
波长     400nm(λ1)     650nm(λ2)     780nm(λ3)
光盘厚度     0.1mm     0.6mm     1.2mm
物镜焦距     2.286     2.359     2.375
物镜有效直径(NA)     3.9mm(0.85)     2.8mm(0.60)     2.1mm(0.45)
OPDrms     0.00λ1     0.64λ2     0.28λ3
对于当采用表2的设计数据进行制造的物镜40应用于DVD和CD时所发生的象差量(OPDrms)，当波长为400nm的第一种光10a通过物镜40聚焦在厚度为0.1mm的HD-DVD 50a上形成光点时，几乎不发生象差，如表3和图5A所示。然而，当波长为650nm的第二种光10b通过物镜40聚焦在厚度为0.6mm的DVD 50b上形成光点时，发生大约0.64λ2的象差，如表3和图5B所示。当波长为780nm的第三种光10c通过物镜40聚焦在厚度为1.2mm的CD 50c上形成光点时，发生大约0.28λ3的象差，如表3和图5C所示。换句话说，当物镜40应用于DVD和CD时，所发生的象差大大超过一般象差容忍范围0.035λ。
然而，通过将第一和第二相位补偿器20和30安置在物镜20入射光瞳处，能够减小在载入DVD和CD时发生的象差，如下所述。
下面将描述本发明的第一和第二相位补偿器20和30的实施例以及它们减小在载入DVD和CD时发生的象差的效果。
表4示出根据本发明实施例的第一和第二相位补偿器20和30的特征以及使用第一和第二相位补偿器20和30之后的剩余象差量。图6是其光学介质由EFD4 HOYA形成的第一相位补偿器20使用于HD-DVD的波长为λ1的第一种光10a和用于CD的波长为λ3的第三种光10c发生的相对于步距s1的相差图。图6是其光学介质由EFD8 HOYA形成的第二相位补偿器30使用于HD-DVD的波长为λ1的第一种光10a和用于DVD的波长为λ2的第二种光10b发生的相对于步距s2的相差图。为获得表4中的数据以及图6和图7，用于HD-DVD的第一种光10a的波长λ1设为400nm，用于CD的第三种光10c的波长λ3设为780nm，并且用于DVD的第二种光10b的波长λ2设为650nm。
                                      表4
  HD-DVD   DVD   CD
用于DVD的第一相位补偿器   玻璃材料步距阶梯数目                   EFD4_HOYA7.41μm4阶梯
  每阶梯的相差   0.99λ1   0.53λ2   0.01λ3
  拆射率   1.809201   1.747905   1.738138
  补偿后的剩余相差(OPDrms)   0.012λ1   0.026λ2   0.016λ3
用于CD的第二相位补偿器   玻璃材料步距阶梯数目                   EFD8_HOYA3.83μm3阶梯
  每阶梯的相差   0.01λ1   0.02λ2   0.31λ3
  折射率   1.731744   1.683005   1.674996
  补偿后的剩余相差(OPDrms)   0.00λ1   0.024λ2   0.029λ3
参照表4和图6，当使用EFD4_HOYA作为第一相位补偿器20的光学介质并且步距s1为7.41μm时，对于用于HD-DVD的第一种光10a，所产生的相差大约为0.99λ1，近似于波长λ1的整数倍，对于用于CD的第三种光10c，所产生的相差大约为0.01λ3，近似于波长λ3的整数倍，而对于用于DVD的第二种光10b，所产生的相差大约为0.53λ2。
如上所述，当第一相位补偿器20是通过使用EFD4_HOYA作为其光学介质而形成的，并且具有步距s1为7.41μm的4阶梯模式时，在用于HD-DVD的第一种光10a和用于CD的第三种光10c通过第一相位补偿器20的时候，几乎不发生相差变化，但是在用于DVD的第二种光10b通过第一相位补偿器20的时候，发生相差变化。因此，通过在第一相位补偿器20中形成模式，以产生相差变化来抵销用于DVD的第二种光10b的象差，从而能够对用于DVD的第二种光10b的象差进行补偿。
参照表4和图7，当使用EFD8_HOYA作为第二相位补偿器30的光学介质并且步距s2为3.83μm时，对于用于HD-DVD的第一种光10a，所产生的相差大约为0.01λ1，近似于波长λ1的整数倍，对于用于DVD的第二种光10b，所产生的相差大约为0.02λ2，近似于波长λ2的整数倍，而对于用于CD的第三种光10c，所产生的相差大约为0.31λ3。
如上所述，当第二相位补偿器30是通过使用EFD8_HOYA作为其光学介质而形成的，并且具有步距s2为3.83μm的3阶梯模式时，在用于HD-DVD的第一种光10a和用于DVD的第二种光10b通过第二相位补偿器30的时候，几乎不发生相差变化，但是在用于CD的第三种光10c通过第二相位补偿器30的时候，发生相差变化。因此，通过在第二相位补偿器30中形成模式，以产生相差变化来抵销用于CD的第三种光10c的象差，从而能够对用于CD的第三种光10c的象差进行补偿。
图8示出与载入DVD时发生的球面像差对应的相差的二维分布。图9示出由具有4阶梯模式的第一相位补偿器20产生的相差变化的二维分布，以补偿图8的相差(象差)。图10示出通过相互叠加图8和9而获得的一维分布。要补偿的图8和10的相差与载入DVD时发生的象差的相差相反。在图10中，横轴在比例上与图8和9相同，并且纵轴表示相对于用于DVD的波长为λ2的第二种光10b的相差。
如图10所示，通过使用如上所述的本发明第一相位补偿器20，能够对载入DVD时发生的象差进行足够的补偿。
在此，在第一相位补偿器20中形成的模式的步距s1在用于HD-DVD的第一种光10a的波长λ1和用于CD的第三种光10c的波长λ3的整数倍的上述误差范围内存在轻微的偏离。因此，当对CD和HD-DVD进行信息记录和/或再现时，在通过第一相位补偿器20之后，可能还存在相差，分别如图11A和11B所示。虽然第一相位补偿器20保持如图11A和11B所示的第一和第三种光10a和10c的相差，但是对应于剩余相差的象差量是完全可容忍的，因为它们远小于0.035λ，如表4所示。在图11A和11B中，横轴在比例上与图10相同，并且纵轴分别表示用于CD的波长λ3和用于HD-DVD的波长λ1的相差。
图12示出与载入CD时发生的球面象差对应的相差的二维分布。图13示出由具有3阶梯模式的第二相位补偿器30产生的相差变化的二维分布，以补偿图12的相差(象差)。图14示出通过相互叠加图12和13而获得的一维分布。在图14中，横轴在比例上与图12和13相同，并且纵轴表示用于CD的波长λ3的相差。
如图14所示，通过使用如上所述的本发明第二相位补偿器30，能够对载入CD时发生的象差进行足够的补偿。
在此，类似于第一相位补偿器20，在第二相位补偿器30中形成的模式的步距s2在用于HD-DVD的第一种光10a的波长λ1和用于DVD的第二种光10b的波长λ2的整数倍的上述误差范围内存在轻微的偏离。因此，当对DVD和HD-DVD进行信息记录和/或再现时，在通过第二相位补偿器30之后，可能还存在相差，分别如图15A和15B所示。虽然第二相位补偿器30保持如图15A和15B所示的第一和第二种光10a和10b的相差，但是对应于剩余相差的象差量是完全可容忍的，如表4所示。在图15A和15B中，横轴在比例上与图14相同，并且纵轴分别表示用于DVD的波长λ2和用于HD-DVD的波长λ1的相差。
虽然本发明的相位补偿器在上面描述为，采用光学介质中的阶梯模式进行形成，但是只要相位补偿器满足上述公式(3)和(4)的要求，就可以对其进行各种改变。例如，本发明的相位补偿器可以采用液体面板进行实现，其中，该面板是遵循上述公式(3)和(4)的要求而进行制造的，并且用来补偿特定波长光的相差并仅传递大部分的其它两种波长光。
另外，虽然本发明的相位补偿器在上面描述为，适用于使用三种波长光的光拾取器，以对具有不同厚度的第一、第二和第三光盘进行兼容，但是本发明的相位补偿器不局限于兼容光拾取器，并且适用于使用三种波长光并且因此要求根据波长进行选择性象差补偿的各种光学系统。
如上所述，根据本发明，相位补偿器对三种波长光中的特定波长入射光的相位进行补偿，并且仅传递大部分的其它两种波长光。
本发明的兼容光拾取器包括一对相位补偿器，其中每个相位补偿器对不同波长光的相位进行补偿，以校正由于光盘之间厚度不同而引起的球面像差和/或由于光源之间波长不同而引起的色差。因此，本发明的兼容光拾取器能够使用同一物镜对三种具有不同厚度的光盘进行信息记录和/或再现。
尽管本发明是参照其优选实施例来具体描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims (18)

1.一种相位补偿器，包括多个相位延迟区域并且满足如下公式：
          (a-b)＝mλ1
          (a′-b′)＝nλ3其中，λ1、λ2和λ3表示不同的入射光波长，a和a′分别对于波长λ1和λ3表示由一个相位延迟区域延迟的相位量，b和b′分别对于波长λ1和λ3表示由另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且m和n为整数值±0.07或更小。
2.如权利要求1所述的相位补偿器，包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式，其中，每个阶梯模式的步距s满足如下公式：
          (n1-n0)s＝mλ1
          (n3-n0″)s＝nλ3其中，n1和n3分别对于波长λ1和λ3表示相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0″分别对于波长λ1和λ3表示相位补偿器的空气区域折射率。
3.如权利要求1或2所述的相位补偿器，其中，波长λ1为蓝紫光区域的波长，波长λ2和λ3中的一种为红光区域的波长，并且波长λ2和λ3中的另一种为红外线光区域的波长。
4.如权利要求3所述的相位补偿器，其中，波长λ1大约为400-410nm，波长λ2和λ3中的一种大约为635或650nm，并且波长λ2和λ3中的另一种大约为780nm。
5.一种兼容光拾取器，包括：
发光单元，发射分别适合于对具有不同格式的第一、第二和第三光盘进行信息记录和/或再现的不同波长λ1、λ2和λ3的第一、第二和第三种光，并且对分别从第一、第二和第三光盘反射的光进行接收和检测；
物镜，对从发光单元入射的第一、第二和第三种光进行聚焦，以在各自的第一、第二和第三光盘上形成光点；
第一和第二相位补偿器，安置在物镜的入射光瞳处，并且分别使第二和第三种光产生相差变化，并且每个相位补偿器均包括多个相位延迟区域，并且第一和第二相位补偿器分别满足下面公式(1)和(2)：
           (a-b)＝mλ1
           (a′-b′)＝nλ3其中，a和a′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ3的第三种光，表示由第一相位补偿器的一个相位延迟区域延迟的相位量，b和b′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ3的第三种光，表示由第一相位补偿器的另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且m和n为整数值±0.07或更小，以及
        (c-d)＝pλ1
        (c′-d′)＝qλ2其中，c和c′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ2的第二种光，表示由第二相位补偿器的一个相位延迟区域延迟的相位量，d和d′分别对于波长为λ1的第一种光和波长为λ2的第二种光，表示由第二相位补偿器的另一个相邻相位延迟区域延迟的相位量，并且p和q为整数值±0.07或更小。
6.如权利要求5所述的兼容光拾取器，其中，第一相位补偿器包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式，并且每个阶梯模式的步距s1满足如下公式：
           (n1-n0)s1＝mλ1
           (n3-n0″)s1＝nλ3
其中，n1和n3分别对于波长λ1和λ3表示第一相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0″分别对于波长λ1和λ3表示该相位补偿器的空气区域折射率。
7.如权利要求5所述的兼容光拾取器，其中，第二相位补偿器包括对应于多个相位延迟区域的多个阶梯模式，并且每个阶梯模式的步距s1满足如下公式：
        (n1′-n0)s2＝pλ1
        (n2′-n0′)s2＝qλ2其中，n1′和n2′分别对于波长λ1和λ2表示第二相位补偿器的光学介质折射率，并且n0和n0′分别对于波长λ1和λ2表示第二相位补偿器的空气区域折射率。
8.如权利要求5至7中的任一项所述的兼容光拾取器，其中，第二光盘是DVD家族的光盘，第三光盘是CD家族的光盘，并且第一光盘具有比第二光盘更高的密度。
9.如权利要求8所述的兼容光拾取器，其中，第一光盘具有比第二光盘更薄的厚度。
10.如权利要求9所述的兼容光拾取器，其中，第一光盘的厚度大约为0.1mm。
11.如权利要求9所述的兼容光拾取器，其中，物镜的数值孔径大于或等于0.7，以适合于第一光盘。
12.如权利要求11所述的兼容光拾取器，其中，物镜的工作距离大于或等于0.7mm。
13.如权利要求11所述的兼容光拾取器，其中，物镜的数值孔径为0.85。
14.如权利要求11所述的兼容光拾取器，进一步包括孔径滤波器，用于为第二和第三种光中的至少一种改变物镜的有效数值孔径，以适合于对第二和第三光盘中的至少一种进行记录和/或再现。
15.如权利要求14所述的兼容光拾取器，其中，孔径滤波器与第一和第二相位补偿器中的至少一个集成形成在一起。
16.如权利要求14所述的兼容光拾取器，其中，孔径滤波器是波长选择性覆盖层成分或全息衍射成分，仅传递通过其中心部分的入射光，并且，根据入射光的波长选择性地阻碍通过其外面部分的入射光的前进。
17.如权利要求5至7中的任一项所述的兼容光拾取器，其中，第一种光是蓝紫波长区域的光，第二种光是红波长区域的光，并且第三种光是红外线波长区域的光。
18.如权利要求17所述的兼容光拾取器，其中，波长λ1大约为400-410nm，波长λ2大约为635或650nm，并且波长λ3大约为780nm。
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