CN1448750A - 光学读取设备的物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种光学读取设备的物镜，当第一激光二极管发射的波长较短的激光束汇聚于第一光盘时该物镜对应于波阵面像差为0.01λ(rms)或更大时提供轴向像散，并形成慧差，因此，当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时的符号与第二激光二极管发射的波长较长的激光束汇聚于第二光盘上的符号相反。

Description

光学读取设备的物镜
技术领域
本发明涉及一种从两种或多种不同膜厚(cover layer)和数据密度的光盘读取或写入数据的光盘设备中所使用的光学读取器(pick-up)的物镜。
背景技术
现有的各类标准光盘的膜层(覆盖记录表面的透明基质)厚度不同，数据密度也不同。例如，数据密度较低的CD(光盘)和CD-R(可记录式光盘)的膜层厚度为1.2mm，而数据密度较高的DVD(数字化多媒体盘)则为0.6mm(相当于CD/CD-R的1/2)。
为了对高数据密度的DVD进行读写，必须采用波长相对较短(635-660nm)的激光束来形成较小的光束点径。另一方面，由于CD-R的反射特性，必须采用波长相对较长(大约780nm)的激光束来实现CD-R的读写。
由于这些光盘通常都用在相同的光处理设备中，因此光盘设备(CD播放机、DVD记录机等)最好能支持所有光盘格式。为了同时能够使用DVD和CD-R，光盘设备至少需要具有两个激光器二极管来发射波长适于这些光盘的激光束。同时，为了减小光盘设备，光学读取设备的光学系统越小越好。因此，光学读取设备的光学元件(物镜等)应能为两个波长的光束所共用，同时采用内含两个激光二极管的模块作为光源单元。
然而，如果上述具有不同膜层厚度的两类光盘使用一个物镜，并且同时对两类光盘的球面像差进行校正，此时将不能校正两类光盘的慧形像差。因此，当激光束相对于物镜的入射角为0度时，波阵面像差为最小值，并且该波阵面像差随着入射角从0度的偏移而增加。同时，由于高数据密度的DVD要求较大的NA(数字孔径)，因此像散(astigmatism)会随着入射角的变化而发生很大的变化，由此DVD所允许的入射角范围(能够实现性能的范围)要小于CD的。因此，能使DVD波阵面像差落在允许范围之内的入射角范围就落在CD所允许的入射角范围之内，并与其中点重叠。
当内含两个激光二极管的模块如上所述用作光源时，两个激光二极管的发光点应当垂直于物镜的光轴。因此在具有不同波长的两激光束(相对于物镜)的入射角存在一确定的差值，从而不能将(不同波长的两束激光束的)两个入射角设定为0度而使波阵面像差降到最小。基于上述原因，必须适当地平衡两激光束的入射角从而使两种光盘的波阵面像差落在允许的范围之内。然而，由于每束激光入射角的允许范围(在该范围内波阵面像差保持在允许的范围之内)均在0度附近，因此为了保持两激光束之间预定的入射角差，DVD和CD的入射角通常具有相反的符号(+/-)，并且每个入射角在设定时均靠近入射角允许范围的边缘。因此，由于每个激光束可设定的入射角范围都很窄，因此要对光学读取装置的部件进行精确设定，这一点非常麻烦并耗费时间。此外，即使部件做得与设计完全一致，但由于波阵面像差非常靠近限定值，因此整个光学系统都必须保持很高的精度。
发明内容
本发明正是基于上述问题而提出。本发明提供一种用于光盘驱动装置的光学读取设备的光盘设备，该设备可减少像差，甚至在光源采用一个内含两个激光二极管的模块并且两波长光束共用一些光学元件(物镜等)的情况下，该设备能够实现不同标准多种类型光盘的信号读写。
本发明的第一方面是提供一种光学读取设备的物镜，其将波长较短的激光束汇聚于膜层薄且数据密度高的第一光盘，将波长较长的激光束汇聚于膜层厚且数据密度低的第二光盘。当波长较短的激光束汇聚于第一光盘时，该物镜对应于波阵面像差的轴向像散为0.01λ(rms)或更大，并形成离轴的第三级慧差，因此，当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时其符号与波长较长的激光束汇聚于第二光盘时其符号在虚拟状态下相反，在虚拟状态下物镜的光轴与光盘的法线重合。
由于物镜构造成以提供轴向像散(光轴上的像散)，因此即使波阵面像差只增加极小的值，各光盘的入射角允许范围(激光束相对于光盘的入射角范围，在该范围内波阵面像差保持在限定值之内的)均可加大。此外，由于物镜在结构上会使第一光盘(此时采用波长较短的激光束)和第二光盘(此时采用波长较长的激光束)形成符号相反的慧差，因此只要使物镜光轴相对于光盘法线倾斜就能在第一和第二光盘的不同入射角校正第一、第二光盘的波阵面像差。换句话来说，(第一和第二光盘)两个入射角能使第一和第二光盘波阵面像差相对于0度在相反方向上偏移减到最小，并且第一和第二光盘入射角的允许范围(在该范围内，波阵面像差保持在限定值之内)也相对于0度向相反方向偏移。
因此，第一光盘入射角的允许范围和第二光盘入射角的允许范围可设定在不同的范围内(即使其中的部分相互重叠)，这一点与常规情况不同，在常规情况第一光盘入射角的允许范围完全包含在第二光盘入射角的允许范围内。由此，即使采用的是内含两个发光点的激光模块(即，即使两个发光点发出两束激光，两束激光以不同的入射角射入物镜)，在没有传统光学读取设备中所必需的高精度装配的条件下，也可将每种光盘的入射角设定在较宽的范围之内，这样可减少第一和第二光盘的像差并在两个光盘上形成很好的光点。
作为优选，这种物镜可以是一种无级变化的透镜，其可将波长较短/较长的激光束作为平行光入射在物镜上并汇聚于第一/第二光盘上。
当该物镜由单一透镜构成时，该物镜的一个表面优选带有一个具有环形区域的衍射透镜结构，从而使衍射透镜结构形成的球面像差与波长有关，并且波长越长，该球面像差越向着欠校正的方向变化。
本发明的第二方面是提供一种光学读取设备，其包括有：发射波长较短的激光光束的第一激光二极管；发射波长较长的激光光束的第二激光二极管；并且第二激光二极管的发光点布置在第一激光二极管发光点的附近；和上述物镜，其将第一激光二极管发射的波长较短的激光束汇聚于第一光盘，将第二激光二极管发射的波长较长的激光束汇聚于第二光盘。在该光学读取设备中，当平行光沿着光学读取设备光学系统的光轴方向射到物镜上，并且物镜光轴相对于光盘法线在一个包括有下述这条靠近物镜的焦线的平面内倾斜时，第一和第二激光二极管的发光点在布置上可使第一和第二激光二极管发射的激光光束形成的焦点对准平行于两个焦线中靠近物镜的一条焦线。
由于该物镜构造成具有前述慧差，并且物镜的光轴相对于光盘的法线倾斜，因此第一和第二光盘的慧差能够得到校正。物镜光轴相对于光盘法线的倾斜可通过以下两种方式来实现：(A)使整个光学系统的光轴相对于光盘的法线从第一和第二激光二极管倾斜到物镜；以及(B)使物镜的光轴相对于光盘的法线倾斜并与物镜之外的光学系统的光轴重合。
在情况(A)中，第一和第二光盘之间膜层厚度不同所产生的影响被第一和第二光盘间所必需的不同NA(其由数据密度不同而产生)所抵消。例如，当第一光盘为DVD，第二光盘为CD时，上述影响几乎可被完全抵消，倾斜所引起的慧差变化对于第一和第二光盘来说几乎相同。
在情况(B)中，由于所必需的不同NA的影响，倾斜使第一光盘产生的慧差变化大于第二光盘的。
对于第一光盘和第二光盘来说，使像散最小的入射角几乎相同，因此最好将第一和第二光盘慧差最小的入射角设定为相同，然而，对于情况(A)和(B)来说，倾斜产生的慧差变化是不同的。因此，物镜慧差量优选随设定值而变化。
在情况(A)中，第一光盘的离轴慧差最好是第二光盘的-1倍，并且在物镜光轴与光盘法线重合的情况下满足下面的公式：
-2.0＜SC1/SC2＜-0.5         (1)其中，SC1表示在波长较短的激光束汇聚在第一光盘上时有效区域的外径处正弦条件SC的偏差值(OFFENSE)，SC2表示在波长较长的激光束汇聚在第二光盘上时共用区域的外径处正弦条件SC的偏差值。
在情况(B)中，第一光盘的离轴慧差最好是第二光盘的-2倍，并且满足下面的公式：
-4.0＜SC1/SC2＜-1.0          (2)
正弦条件SC的偏差值定义为：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大倍率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。共用区域是指对应于第二光盘所必需的足够NA的光线穿过的物镜的区域。
使物镜表面根据方向的不同而具有不同的屈光度如环面的物镜，就可使物镜具有上述的轴向像散。当采用注塑造型来制造物镜时，可用一个模具来实现上述像散，其中该模具的表面随方向的不同而具有不同的屈度，也可通过适当调整造型条件的方式来实现。
本发明的第三方面是一种光盘设备，该设备具有：一个转轴电机，其用来旋转光盘；上述的光学读取设备；以及驱动机构，该机构至少在一部分光学读取设备上沿光盘的径向滑动。在该光盘设备中，沿着物镜光轴的方向看去，光学读取设备相对于光盘的位置应设置成使上述靠近物镜的焦线平行于光盘的轨迹。
附图说明
图1为本发明一实施例光盘设备一部分的透视图；
图2为图1中光盘设备的光学读取设备中光路的示意图；
图3A到3C为光盘设备物镜的前视图、剖视图(从侧面看)以及部分放大的剖视图；
图4是物镜形成的像散的方向性特征的透视图，并且激光二极管相对于光盘对齐；
图5A和5B的示意图所示出的是相对于光盘法线倾斜物镜光轴的具体方法，其中图5A的示例中，光盘法线相对于整个光学系统的光轴倾斜，而在图5B的示例中，只有物镜的光轴相对于光学系统的光轴倾斜(光学系统的光轴与光盘的法线重合)；
图6是一透镜的示意图，其中示出了第一实施例的物镜和光盘；
图7A和7B的曲线示出的是用于第一光盘的第一实施例物镜在相应的第一波长处(较短波长：657nm)的像差；
图8的曲线示出的是在采用第一光盘时，波长较短的波束相对于第一实施例物镜的入射角与波阵面像差之间的关系；
图9类似于图8，其示出的是第一实施例物镜消除轴向像散和慧差时的情况以及第一实施例物镜仅消除慧差时的情况；
图10A和10B的曲线示出的是第一实施例物镜在用于第二光盘时在相应第二波长(较长波长：788nm)下的像差；
图11的曲线示出的是在采用第二光盘时，波长较长的激光波束相对于第一实施例物镜的入射角与波阵面像差之间的关系；
图12类似于图11，其示出的是第一实施例物镜消除轴向像散和慧差时的情况以及第一实施例物镜仅消除慧差时的情况；
图13的示意图示出的是第一实施例物镜和对比实施例物镜之间入射角允许范围(在该范围内，波阵面像差保持在允许范围之内)之间的不同；
图14是镜头的示意图，其示出了第二实施例的物镜和光盘：
图15A和15B的曲线示出的是第二实施例物镜用于第一光盘时在相应的第一波长处(较短波长：657nm)的像差；
图16的曲线示出的是在采用第一光盘时，波长较短的波束相对于第二实施例物镜的入射角与波阵面像差之间的关系；
图17类似于图16，其示出的是第二实施例物镜消除轴向像散和慧差时的情况以及第二实施例物镜仅消除慧差时的情况；
图18A和18B的曲线展示的是第二实施例物镜在用于第二光盘时在相应第二波长(较长波长：788nm)下的像差；
图19的曲线示出的是在采用第二光盘时，波长较长的激光波束相对于第二实施例物镜的入射角与波阵面像差之间的关系；
图20类似于图19，其示出的是第二实施例物镜消除轴向像散和慧差时的情况以及第二实施例物镜仅消除慧差时的情况。
具体实施方式
现在参见附图来详细说明本发明的实施例。在下面的说明中，将首先描述一个光盘设备，其包括有一个具有本发明物镜的光学读取设备，然后再详细描述具体设计的实施例。
图1为本发明一实施例光盘设备一部分的透视图。图2为图1中光盘设备的光学读取设备中光路的示意图。
光盘设备1可用于第一光盘D1如膜层厚度为0.6mm的高数据密度DVD盘和第二光盘D2如膜层厚度为1.2mm的低数据密度CD或CD-R盘。如图1所示，光盘设备1包括有一个光学读取设备10和一个用来使光盘(D1，D2)旋转的转轴电机2。光学读取设备10经驱动机构3的驱动可沿光盘(D1，D2)的径向R滑动。
光学读取设备10包括：一个内含第一激光二极管11a和第二激光二极管11b的激光模块11；一个用来校正激光二极管发出光束的校准镜头12；一个波束成形/分离棱镜13，其用来使激光束的剖面成形同时分离激光光束以获得监测用的激光光束(监测光束)；一个监测传感器14，其用来接收并检测分离的监测光束；一反射镜15，其用来将那些穿过波束成形/分离棱镜13的激光光束反射到光盘(D1，D2)中；以及一个物镜20，其用来将反射的激光光束汇聚到光盘(D1，D2)的记录表面上。
激光二极管11a和11b紧紧封装在一模块如激光模块11内。激光模块11在位置上应使激光二极管11a和11b发光点分布在光学系统的光轴Ax两侧，该光轴与物镜20的光轴重合。因此，第一激光二极管11a和第二激光二极管11b的发光点均不在光轴Ax上。这两个激光二极管布置成对齐，从而使激光二极管11a和11b发出的激光光束所形成焦点处于光盘(D1，D2)的切线方向。
(如图2中实线所示)当采用第一光盘D1时，第一激光二极管11a发出波长较短的激光束L1(657nm)。同时，(如图2中虚线所示)当采用第二光盘D2时，第二激光二极管11b发出波长较长的激光束L2(790nm)。激光二极管所发出的激光光束作为散射光束经校准镜头12校正成平行光。校正后的激光光束经波束成形/分离棱镜13和反射镜15射到物镜20上，并由物镜20汇聚在光盘的记录表面上(在膜层的后面)形成一束点。
顺便说一下，有时为了清楚起见，并不将波束成形/分离棱镜13和反射镜15在图2中表示出来。尽管图2中示出有第一激光二极管11a和第二激光二极管11b发出的激光束L1和L2，并且第一光盘D1和第二光盘D2彼此交叠，但实际上在采用第一光盘D1时只有第一激光二极管11a发出的一束激光(波长较短的激光束L1)，而在采用第二光盘D2时则只有第二激光二极管11b发出的一束激光(波长较长的激光束L2)。
从光盘反射的光束经物镜20校正成平行光，并经校准镜头12汇聚导向激光模块11。激光模块11带有多个光束接收元件(图中未示出)以便接收反射光束生成焦差信号、迹差信号以及回放信号。此外，为了分离反射光束并将各分离光束导向各个光束接收元件，需要在波束成形/分离棱镜13和物镜20之间的光路上布置一个复杂光学元件(该元件在图中未示出，例如其用来将光束的圆形部分平均分成四个区域，并将所分离的四个光束沿不同的方向输出)。由此，可采用双切口法来检测焦差，采用相差法或者推拉法来检测迹差，这样就能兼容使用DVD、CD-R、CD等。这些方法例如在日本的专利文献HEI11-53759中均有描述。
此外，光学读取设备10还配备有一个图中未示出的执行器，其根据所检测的焦差信号和迹差信号来驱动物镜20使光点能跟随光盘上的信息轨迹前进。
下面参见图3A至3C来详细说明物镜20。图3A到3C为物镜的前视图、剖视图以及部分放大的剖视图。如图3B所示，物镜20为双凸镜头。物镜20面向校准镜头12的第一表面21在结构上为衍射镜头结构，并且是一个旋转对称的非球面，物镜20面向光盘(D1，D2)的第二表面22在结构上为环形非球面，其屈光度随着方向的不同而不同。该环形非球面的曲面绕光轴并不旋转对称，并且沿主子午线为非圆结构。
图3A所示为物镜20的第一表面21上的衍射透镜结构，其具有环形图案。在该衍射透镜结构中，就像在菲涅耳镜头中一样，环形区域之间沿光轴方向均存在一个高差。第一表面21可分为以下区域：共用区域Rc，低NA光束或者高NA光束均要通过该区域；专用的高NA区域Rh，只有高NA光束才能通过该区域。特别是，共用区域Rc为第二光盘D2(CD，CD-R等低数据密度盘)形成了一个所需足够的NA，同时专用的高NA区域Rh为第一光盘D1(DVD等高数据密度盘)形成了一个所需的NA。包括共用区域Rc和专用高NA区域Rh的第一表面21的整个区域均为衍射结构。偶然，第二光盘D2的光束也入射到专用高NA区域Rh之外。然而只有一部分通过共同区Rc有助于在第二光盘D2上形成一光束点。术语低NA光束指的是有助于在第二光盘D2上形成一光束点的那部分。
物镜20的第一表面21上的衍射透镜结构应构造成使衍射结构产生的球面像差与波长有关，其中球面像差会随着激光光束波长的增加而朝着欠校正的方向变化。光学读取设备的球面像差通常会随着膜层厚度的增加而朝着过校正的方向(沿该方向，球面像差的欠校正变小，过校正变大)变化。同时，波长较短的激光光束用于膜层较薄的第一光盘D1(DVD等)，而波长较长的激光光束用于膜层较厚的第二光盘D2(CD，CD-R等)。因此，在采用第一光盘D1的情况下校正球面像差同时使用具有上述特性(当激光束的波长转换到长波长时，球面像差朝“欠校正”方向(沿着该方向球面像差的过校正变小，欠校正变大)变化)的衍射镜头结构，光学读取设备的球面像差，其通常在由DVD变到CD时会过校正，会因衍射透镜结构球面像差在变到长波长光束时朝欠校正方向变化而得到补偿或消除。
此外，通过环形非球面的第二表面22，物镜20会使沿法向(平行于光轴Ax)入射到物镜20上的光束形成一定的像散。换句话说，当来自第一激光二极管11a激光光束经物镜20汇聚到第一光盘D1上时，物镜20对应于0.01λ(rms)以上的波阵面像差会形成轴向像散(光轴方向上的像散)，籍此，由预设的离轴入射角所引起的像散就得到了校正。
图4示出的是像散的方向特征和激光二极管11a和11b相对于光盘(D1，D2)对齐。在图4中，Y轴和Z轴在垂直于光轴Ax的平面内彼此正交。物镜20的结构使得Z向的正向屈光度大于Y向。因此，沿法向(平行于光轴Ax)射到物镜20上的波束经物镜20汇聚并在靠近物镜20的位置处在Y向形成第一焦线F1，然后在远离物镜20的位置处在Z向形成第一焦线F2。
第一激光二极管11a和第二激光二极管11b发出的激光光束的焦点必须在第一焦线F1(Y向)的方向上对齐，因此第一激光二极管11a和第二激光二极管11b也必须沿Y向对齐。当从物镜20的光轴方向看去时，光学读取设备10相对于光盘(D1，D2)的位置应使第一焦线F1平行于光盘(D1，D2)的切线。
当我们通过上述方法利用衍射镜头结构来调节球面像差大小从而校正第一光盘D1和第二光盘D2的球面像差时，并不能校正两个光盘的慧差。因此，物镜20在设计上应使从第一激光二极管11a发出的波长较短激光束L1在汇聚到第一光盘D1上时所形成离轴三级慧差的符号与第二激光二极管11b虚拟发出的波长较长激光束L2在汇聚到第二光盘D2上时所形成离轴三级慧差的符号相反，其中物镜20的光轴与光盘(D1，D2)的法向(法线)重合。
当采用上述设置时，在上述虚拟状态中，采用第一光盘D1的慧差为负慧差，采用第二光盘D2的慧差为正慧差。从该虚拟状态可以看出，如果物镜20的光轴相对于光盘(D1，D2)的法向倾斜，那么光盘D1和D2的慧差在不同的入射角得到校正，籍此，即使不同波长的两激光束之间存在一定的入射角的不同，也能将(激光束L1和L2到光盘D1和D2的)入射角设定到允许范围内(在该范围内，慧差足够的小)。
图5A和5B所示出的是相对于光盘(D1，D2)法线倾斜物镜20光轴的具体方法，其中为了清楚起见只画出了第一光盘D1。在图5A的示例中，第一光盘D1法线Ax1相对于整个光学系统(从第一激光二极管11a和第二激光二极管11b到物镜20)的光轴Ax倾斜，而在图5B的示例中，只有物镜20的光轴Ax2相对于光学系统的光轴Ax倾斜(光学系统的光轴与第一光盘D1的法线重合)。
在图5A的情况中，通过倾斜光盘来校正慧差，物镜20可满足以下条件(1)：
-2.0＜SC1/SC2＜-0.5        (1)其中，SC1表示在波长较短的激光束L1汇聚在第一光盘D1上时专用高NA区域Rh的外周区域处正弦条件(SC)的偏差值，SC2表示在波长较长的激光束L2汇聚在第二光盘D2上时共用区域Rc外周处正弦条件(SC)的偏差值。
在图5B的情况中，仅通过物镜20的倾斜来校正慧差，物镜20满足以下条件(2)：
-4.0＜SC1/SC2＜-1.0          (2)
正弦条件SC的偏差值由下式定义：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。
如上所述，像散仅在第一焦线F1的方向得到了校正，因此如果光学读取设备是一个有限(级)的光学系统并且入射角在物镜由跟踪伺服系统控制而沿光盘径向(Z向)移动时随着变化，那么会出现较大的像散并且波阵面像差会超过允许的界限，由此就无法保证跟踪伺服系统所要求的物镜行程。为了解决这个问题，本实施例的光学读取设备10在结构上应使平行光进入物镜20，并将物镜20设计成无级变化的透镜。这样，即使在物镜20由跟踪伺服系统控制而沿光盘径向移动时，入射角就不会变化并且也不会出现像散，由此就能将跟踪伺服系统的行程固定在一个范围中，在该范围内波阵面像差不会超过允许的界限，
下面是上述实施例中物镜20的两个具体实例。
例1
图6是一透镜的示图，其中示出了第一实施例的物镜20和光盘(D1，D2)。在图6中物镜20的第一表面21上，共用区域Rc满足条件0≤h＜1.678(h：起始于光轴的高度mm)，专用高NA区域Rh满足条件1.678≤h，由此形成的衍射透镜结构由不同光路形成不同的功能。此外，共用区域Rc的基线(即衍射透镜结构之外的折射镜头的形状)以及专用高NA区域Rh的基线形成独立的、具有不同系数的非球面。物镜20的第二表面22是不带有衍射透镜结构的环形非球面。
第一表面21(旋转对称的非球面)的基线形状可由下式表示： 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)表示非球面上离轴高度为h的一点和非球面在光轴处的切面之间的距离(SAG量)，C表示非球面在光轴处的曲率(1/r)，K表示圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12表示第四、第六、第八、第10、第12级非球面系数。
第二表面22(环形非球面)的形状可由下式表示： X ( Y , Z ) = ( CyY 2 + Cz Z 2 ) 1 - ( 1 + K ) Cy 2 Y 2 + Cz 2 Z 2 + A 4 h 4 + A 6 h 6 + A 8 h 8 + A 10 h 10 + A 12 h 12
其中，X(Y，Z)表示环形非球面上坐标为(Y，Z)的一点(原点设在光轴)和非球面在光轴处的切面之间的距离(SAG量)，Cy表示非球面在光轴处沿Y向的曲率，Cz表示非球面在光轴处沿Z向的曲率，K表示圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12表示第四、第六、第八、第10、第12级非球面系数， h = Y 2 + Z 2 .
衍射透镜结构的附加光路长度可由光路差的函数φ(h)表示：
φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×m×λ其中，h表示起始于光轴的高度，Pn表示n级(n：偶数)光路的不同函数系数，m表示衍射级，λ表示波长。光路差函数φ(h)表示衍射平面上距离光轴的高度为h的一点，经由衍射透镜结构衍射的光线的光路长度和虚拟为不经衍射透镜结构衍射的光线的光路长度之间的差。光路差函数是用光轴高度h处光路的附加量表示的衍射透镜函数的表达式。当衍射透镜具有光漫射函数时光路差函数的值为正值。
从光路长度中删去那些与波长整倍数对应的部分后就能确定衍射透镜结构的实际精确结构，其中的光路长度由上述的光路差函数表示。特别是，在去掉第一级衍射部分后，每一环形区域的宽度都应使环形区域内半径处的光路差函数与外半径处的光路差函数相差一个波长，并且相邻环形区域之间的高差应使入射光线具有一个波长的光路差。
第一例物镜20的参数见下面的表1，其中有定义第一表面21共用区域Rc基线和衍射透镜结构的系数、定义第一表面21专用高NA区域Rh基线和衍射透镜结构的系数、表面间距、工作波长(657nm，788nm)的折射系数以及定义第二表面22非球面形状的系数。在表1中，NA1、f1和λ1表示在使用第一光盘D1时的数字孔径、内含衍射透镜结构的物镜20的焦长以及波长(mm)，NA2、f2和λ2表示在使用第二光盘D2时的数字光圈、内含衍射透镜结构的物镜20的焦长以及波长(mm)。附带说明的是，r表示近轴曲率半径(mm)，d表示第一表面21和第二表面22之间的间距，ry和rz表示主子午方向上环形非球面的近轴曲率半径(mm)。
表1
 NA1＝0.60  f1＝3.341 λ1＝657nm
 NA2＝0.50  f2＝3.358 λ2＝788nm
第一表面
共用区域(0＜h＜1.678)
基线
r  2.107
非球面系数
K -0.500
A4 -2.35000×10-3
A6 -1.88100×10-4
A8 -9.74300×10-5
A10  2.98800×10-5
A12 -6.50300×10-6
衍射透镜结构
ODF系数
 P2   0.00000
 P4  -1.77500
 P6  -1.31100×10-1
 P8   0.00000
 P10   0.00000
 P12   0.00000
专用高NA区域(1.678＜h)
基线
r  2.158
非球面系数
 K -0.500
 A4 -3.88500×10-5
 A6  4.21200×10-5
 A8 -8.70600×10-5
 A10  2.37600×10-5
 A12 -4.64600×10-6
衍射透镜结构
 ODF系数
 P2 -4.61421
 P4 -6.62900×10-2
 P6 -5.25500×10-2
 P8  0.00000
 P10  0.00000
 P12  0.00000
 d  2.210
折射系数  n657   1.54056
 n788   1.53657
第二表面
ry -7.876
rz -7.873
非球面系数
K  0.00000
A4  1.50200×10-2
A6 -2.82500×10-3
A8  1.94200×10-4
A10 -7.93000×10-7
 A12 -1.54700×10-7
在第一实例的组成中，轴向像散的取值对应于波阵面像差0.012λ(rms)，并且慧差采用图5A的方法使光盘相对于整个光学系统的光轴倾斜0.16度来校正。在本例中，在波长较短的激光束L1(657nm)汇聚在第一光盘D1上时有效区域(专用高NA区域Rh)外径处的正弦条件偏差值SC1为0.0177mm，在波长较长的激光束L2(788nm)汇聚在第二光盘D2上时共用区域Rc外径处的正弦条件偏差值SC2为-0.0173mm。此时，SC1/SC2＝-1.02，并且上述的条件(1)和(2)均得到满足，但该比值接近于条件(1)的中点。因此，这种设计适用于图5A中使光盘法线相对于整个光学系统的光轴倾斜的校正方法。
图7A和7B的曲线示出的是用于第一光盘D1的第一实例物镜20在657nm波长处的像差，其中图7A示出的是球面像差SA和正弦条件SC的偏差值，图7B则是没有轴向像散和慧差时的像散(DS：径向，DM：子午线方向)。两曲线图的横轴是单位为mm的像差。图7A的纵轴是NA，图7B的纵轴是Y向的图像高度Y。
图8的曲线示出的是在引入轴向像散和离轴慧差时，波长较短的波束L1(共由第一激光二极管11a发出，用于第一光盘D1)相对于第一实施例物镜的入射角与波阵面像差(rms)之间的关系。该波阵面像差在入射角为+0.5度时最小。当允许界限为0.020λ时，入射角在0.0度到+0.77度的波阵面像差可保持在允许的界限之内。
另一方面，当物镜20没有像散和慧差时，第一光盘D1的波阵面像差会沿着图9中的实线变化，其中波阵面像差在±0.48度时达到边界0.020λ(入射角的允许范围为-0.48度到+0.48度)。当仅仅引入像散时，波阵面像差沿着图9中虚线变化，籍此入射角的范围(在该范围内，波阵面像差可保持在允许限值之内)就加大到-0.55度到+0.55度，尽管此时波阵面像差的最小值有所增加。
如上所述，(通过引入轴向像散来)加大入射角的允许范围并引入慧差，该范围相对于0度的入射角会朝着一个方向转移(本例中朝着正向移动)。
图10A和10B的曲线示出的是用于第二光盘D2的第一实施例物镜20在788nm波长处的像差，其中图10A展示的是球面像差SA和正弦条件SC的偏差值，图10B则是没有轴向像散和慧差时的像散(DS：径向，DM：子午线方向)。图10A中第二光盘D2正弦条件SC的偏差值的符号与图7A中第一光盘D1正弦条件SC的偏差值的符号相反。
图11的曲线展示的是在引入轴向像散和离轴慧差时，波长较长的波束L2(其由第二激光二极管11b发出，用于第二光盘D2)相对于物镜20的入射角与波阵面像差(rms)之间的关系。该波阵面像差在入射角为-0.6度时最小。当允许界限为0.020λ时，入射角在-1.1度到+0.18度的波阵面像差可保持在允许的界限之内。
另一方面，当物镜20没有像散和慧差时，第二光盘D2的波阵面像差会沿着图12中的实线变化，其中波阵面像差在±0.75度时达到允许的极限0.020λ(入射角的允许范围为-0.75度到+0.75度)。当仅仅引入像散时，波阵面像差沿着图12中虚线变化，籍此入射角的范围(在该范围内，波阵面像差可保持在允许限值之内)就加大到-0.80度到+0.80度，尽管此时波阵面像差的最小值有所增加。
如上所述，(通过引入轴向像散来)加大入射角的允许范围并引入慧差，该范围相对于0度的入射角会朝着一个方向转移(本例中朝着负向移动)。
这里在发光点之间的距离为400um并且校准镜头12的焦长为23mm的条件下来讨论物镜20入射角的可用范围。在这种设定条件下，不同波长的两束激光束相对于物镜20的入射角的变化接近1度，也就是说，两束激光束之间入射角的差接近1度。图13的示意图展示的是第一实施例物镜和对比实施例物镜之间入射角允许范围的不同，其中的对比例除了没有像散和慧差外与第一实施例相同。
在图13上部的对比实例中，第一光盘D1的入射角允许范围为-0.48度到+0.48度，第二光盘D2的入射角允许范围为-0.75度到+0.75度。为了将每一光盘的波阵面像差都保持在允许的范围内，同时保持两激光束的上述入射角差(1度)，该入射角必须按照下表的设定条件进行设定。
表2
设定条件#1 设定条件#2
第一光盘 -0.25-+0.48 -0.48-+0.25
第二光盘 -0.75--0.52 +0.52-+0.75
在这两个设定条件下，每一入射角都必须设定到一个很窄的可用范围0.23度内，这样就可实现激光模块11所要求的高精度定位/固定。此外，设定条件#1和#2中的每一个可用的范围都位于入射角允许范围的边缘，这里波阵面像差相对较大，因此环境条件或光学系统条件的少许变化或误差都会使激光光束无法以预定的点径聚焦在光盘上。
另一方面，在图13下部的第一例中，第一光盘D1入射角的允许范围为0.00度到+0.77度，第二光盘D2入射角的允许范围为-1.1度到+0.18度。在入射角差为1度的情况下，即使第一光盘D1的入射角在其允许范围任意设定，第二光盘D2的入射角都能很好地设定在其允许范围之内。因此，第一光盘D1的可用入射角范围为0.00度到+0.77度，第二光盘D2入射角的可用范围为-1.0度到-0.23度。第一例中每一可用范围的宽度都是对比实例宽度的三倍以上，因此激光模块11就不必在精确定位的情况下进行设定。此外，每一光盘的入射角都可设定在入射角允许范围的中心部分，这样可提高其它光学元件加工误差、组装误差等的兼容性。
例2
图14是一透镜的示图，其中示出了第二实例的物镜20和光盘(D1，D2)。表3为第二实例物镜20的参数。在图14中物镜20的第一表面21上，共用区域Rc满足条件0≤h＜1.68(h：起始于光轴的高度mm)，专用高NA区域Rh满足条件1.68≤h，由此形成的衍射透镜结构由不同光路形成不同的功能。此外，共用区域Rc的基线(即衍射透镜结构之外的折射透镜的形状)以及专用高NA区域Rh的基线形成独立的、具有不同系数的非球面。另一方面，物镜20的第二表面22是不带有衍射透镜结构的环形非球面。
在表3中有：定义第一表面21共用区域Rc基线和衍射透镜结构的系数、定义第一表面21专用高NA区域Rh基线和衍射镜头结构的系数、表面间距、工作波长(657nm，788nm)下的折射系数以及定义第二表面22非球面形状的系数。表3
 NA1＝0.60  f1＝3.334 λ1＝657nm
 NA2＝0.50  f2＝3.358 λ2＝788nm
第一表面
共用区域(0＜h＜1.680)
基线
r  2.112
非球面系数
 K -0.500
 A4 -2.34600×10-3
 A6 -1.48900×10-4
 A8 -1.04500×10-4
 A10  3.16400×10-5
 A12 -6.78000×10-6
衍射透镜结构
ODF系数
P2  0.00000
P4 -1.74000
P6 -1.40400×10-1
P8  0.00000
P10  0.00000
P12  0.00000
专用高NA区域(1.680＜h)
基线
r  2.130
非球面系数
 K -0.500
 A4 -1.58000×10-3
 A6  1.48000×10-4
 A8 -2.35000×10-4
 A10  6.25700×10-5
 A12 -9.08500×10-6
衍射透镜结构
ODF系数
 P2 -1.664562
 P4 -1.06400
 P6 -1.28040×10-1
 P8  0.00000
 P10  0.00000
 P12  0.00000
 d  2.220
折射系数  n657  1.54056
 n788  1.53657
第二表面
ry -7.760
rz -7.757
非球面系数
K  0.00000
A4  1.51900×10-2
A6 -2.59200×10-3
A8  1.23900×10-4
A10 -1.03700×10-5
A12  1.53600×10-6
在第二实例的组成中，轴向像散的取值对应于波阵面像差0.012λ(rms)，并且慧差采用图5B的方法使物镜20的光轴相对于光学系统的光轴(其与第一光盘D1的法线重合)倾斜0.16度来校正。在本例中，在波长较短的激光束L1(657nm)汇聚在第一光盘D1上时有效区域外径处的正弦条件偏差值SC1为0.0243mm，在波长较长的激光束L2(788nm)汇聚在第二光盘D2上时共用区域Rc外径处的正弦条件偏差值SC2为-0.0132mm。此时，SC1/SC2＝-1.84，并且上述的条件(1)和(2)均得到满足，但该比值接近于条件(2)的中点。因此，这种设计适用于图5B中使物镜20的光轴相对于光学系统的光轴(其与第一光盘D1的法线重合)倾斜0.16度来校正。
图15A和15B的曲线示出的是第二实施例物镜20用于第一光盘D1时在657nm波长处的像差，其中图15A示出的是球面像差SA和正弦条件SC的偏差值，图15B则是没有轴向像散和慧差时的像散(DS：径向，DM：子午线方向)。
图16的曲线示出的是在引入轴向像散和离轴慧差时，波长较短的波束L1(由第一激光二极管11a发出并用于第一光盘D1)相对于物镜20的入射角与波阵面像差(rms)之间的关系。该波阵面像差在入射角为-0.55度时最小。当允许界限为0.020λ时，入射角在-0.80度到-0.20度的波阵面像差可保持在允许的界限之内。
另一方面，当物镜20没有像散和慧差时，第一光盘D1的波阵面像差会沿着图17中的实线变化，其中波阵面像差在±0.38度时达到边界0.020λ(入射角的允许范围为-0.38度到+0.38度)。当仅仅引入像散时，波阵面像差沿着图17中虚线变化，籍此入射角的范围(在该范围内，波阵面像差可保持在允许限值之内)就加大到-0.40度到+0.40度，尽管此时波阵面像差的最小值有所增加。
如上所述，(通过引入轴向像散来)加大入射角的允许范围以及引入慧差，该范围相对于0度的入射角会朝着一个方向转移(本例中朝着负向移动)。
图18A和18B的曲线展示的是第二实施例物镜20用于第二光盘D2时在788nm波长处的像差，其中图18A展示的是球面像差SA和正弦条件SC的偏差值，图18B则是没有轴向像散和慧差时的像散(DS：径向，DM：子午线方向)。图18A中第二光盘D2的正弦条件SC的偏差值符号与图15A中第一光盘D1的正弦条件SC的偏差值符号相反。
图19的曲线展示的是在引入轴向像散和离轴慧差时，波长较长的波束L2(其由第二激光二极管11b发出，用于第二光盘D2)相对于物镜20的入射角与波阵面像差(rms)之间的关系。该波阵面像差在入射角为+0.48度时最小。当允许界限为0.020λ时，入射角在-0.70度到+1.1度的波阵面像差可保持在允许的界限之内。
另一方面，当物镜20没有像散和慧差时，第二光盘D2的波阵面像差会沿着图20中的实线变化，其中波阵面像差在±0.96度时达到边界0.020λ(入射角的允许范围为-0.96度到+0.96度)。当仅仅引入像散时，波阵面像差沿着图20中虚线变化，籍此入射角的范围(在该范围内，波阵面像差可保持在允许限值之内)就加大到-1.1度到+1.1度，尽管此时波阵面像差的最小值有所增加。
如上所述，(通过引入轴向像散来)加大入射角的允许范围以及引入慧差，该范围相对于0度的入射角会朝着一个方向转移(本例中朝着正向移动)。
同样在第二实施例的情况下，当不同波长两个激光束之间与第一实施例一样具有一个入射角差时，入射角的允许范围较宽，因此激光模块11的定位不必非常精确。将每一光盘的入射角都设定在入射角允许范围的中心部分，可提高其它光学元件加工误差、组装误差等的兼容性。
顺便说明的是，如果在上例中将物镜20的第二表面22设计成环形非球面而存在像散时，当采用注塑成型的方法加工物镜20时，可通过成型条件的调整来适当形成像散，同时该表面设计上为旋转对称结构。例如调整成型温度的分布、树脂温度等可使物镜20加入像散。
尽管本发明是参考特定的实施例进行的描述，但本发明并非由这些实施例进行限定，而是由权利要求书形成保护范围。显然本领域的普通技术人员在不脱离本发明构思的条件下可对这些实施例进行一些修改或改动。

Claims (19)

1.一种光学读取设备的物镜，其将波长较短的激光束汇聚于膜层薄、数据密度高的第一光盘上，将波长较长的激光束汇聚于膜层厚、数据密度低的第二光盘上，其中所述物镜构造成当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时对应于波阵面像差为0.01λ(rms)或更大时提供轴向像散，并提供离轴的第三级慧差，以便在虚拟状态下当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时其符号与波长较长的激光束汇聚于第二光盘时其符号相反，在虚拟状态所述物镜的光轴与光盘的法线重合。
2.如权利要求1所述的物镜，其特征在于，所述的物镜在结构上为无级变化的透镜，其分别将平行入射到所述物镜上的波长较长和波长较短的激光光束汇聚于第一和第二光盘上。
3.权利要求1所述的物镜，其特征在于，所述物镜由一个单个透镜元件构成时，该透镜的一个表面有一个具有环形区域的衍射透镜结构，所述衍射透镜结构构造成使由所述衍射透镜结构提供的球面像差与波长有关，并且波长越长，该球面像差越向着欠校正的方向变化。
4.一种光学读取设备，其包括有：
一个发射波长较短的激光束的第一激光二极管；
一个发射波长较长的激光束的第二激光二极管，其发光点布置在所述第一激光二极管发光点的附近；以及
一个物镜，其将所述第一激光二极管发射的波长较短的激光束汇聚于膜层薄、数据密度高的第一光盘上，将所述第二激光二极管发射的波长较长的激光束汇聚于膜层厚、数据密度低的第二光盘上，
其中当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时所述物镜在结构上对应于波阵面像差为0.01λ(rms)或更大时提供轴向像散，并提供离轴的第三级慧差，因此，在虚拟状态下当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时其符号与波长较长的激光束汇聚于第二光盘上时其符号相反，虚拟状态下所述物镜的光轴与光盘的法线重合，
其中所述物镜是一个变形透镜，当第一和第二激光束入射到所述物镜上时形成两个焦线，
其中当平行光沿着所述光学读取设备光学系统的光轴方向射到所述物镜上，所述第一和第二激光二极管的发光点布置成可使第一和第二激光二极管发射的激光束汇聚点对准两条焦线中靠近物镜的一条焦线，并且
其中所述物镜光轴相对于光盘法线在一个包括有所述这条靠近所述物镜焦线的平面内倾斜。
5.如权利要求4所述的光学读取设备，其特征在于，所述的物镜在结构上为无级变化的镜头，其分别将平行入射到所述物镜镜头上的波长较长和波长较短的激光光束汇聚于第一和第二光盘上。
6.如权利要求4所述的光学读取设备，其特征在于，所述物镜由一个单一的透镜元件构成时，该透镜的一个表面有一个具有环形区域的衍射透镜结构，该衍射透镜结构使由所述衍射透镜结构形成的球面像差与波长有关，并且波长越长，该球面像差越向着欠校正的方向变化。
7.如权利要求4所述的光学读取设备，其特征在于，将整个光学系统的光轴相对于光盘的法线从第一和第二激光二极管斜到所述物镜从而能够校正慧差。
8.如权利要求7所述的光学读取设备，其特征在于，在所述物镜光轴与光盘法线重合的虚拟条件下满足下面的公式：
-2.0＜SC1/SC2＜-0.5
其中，SC1表示在波长较短的激光束汇聚在第一光盘上时有效区域外径处正弦条件SC的偏差值，SC2表示在波长较长的激光束汇聚在第二光盘上时共用区域外径处正弦条件SC的偏差值，其中的共用区域是指在波长较长光束汇聚在第二光盘上时，对应于第二光盘所需足够NA的光线穿过所述物镜的区域，正弦条件SC的偏差值定义为：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)
其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。
9.如权利要求4所述的光学读取设备，其特征在于，将所述物镜的光轴相对于光盘的法线倾斜来校正慧差，光盘的法线与所述物镜之外的光学系统的光轴重合。
10.如权利要求9所述的光学读取设备，其特征在于，在所述物镜光轴与光盘法线重合的虚拟条件下满足下面的公式，：
-4.0＜SC1/SC2＜-1.0
其中，SC1表示在波长较短的激光束汇聚在第一光盘上时有效区域外径处正弦条件SC的偏差值，SC2表示在波长较长的激光束汇聚在第二光盘上时共用区域外径处正弦条件SC的偏差值，其中的共用区域是指在波长较长光束汇聚在第二光盘上时，对应于第二光盘所需足够NA的光线穿过所述物镜的区域，正弦条件SC的偏差值定义为：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)
其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大倍率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。
11.如权利要求4所述的光学读取设备，其特征在于，所述的第一和第二激光二极管构成在一个模块中。
12.一种光盘设备，包括：
一个转轴电机，其用来旋转光盘；
一个光学读取设备；以及
一驱动机构，该机构至少在所述一部分光学读取设备上沿光盘的径向滑动；
所述光学读取设备包括：
发射波长较短的激光光束的第一激光二极管；
发射波长较长的激光光束的第二激光二极管，其发光点布置在所述第一激光二极管发光点的附近；以及
一个物镜，其将所述第一激光二极管发射的波长较短的激光光束汇聚于膜层较簿、数据密度较高的第一光盘上，将所述第二激光二极管发射的波长较长的激光光束汇聚于膜层较厚、数据密度较低的第二光盘上，
其中所述物镜构造成当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时对应于波阵面像差为0.01λ(rms)或更大时提供轴向像散，并提供离轴的第三级慧差，因此，在虚拟状态下当波长较短的激光束汇聚于第一光盘上时其符号与波长较长的激光束汇聚于第二光盘上时其符号相反，在该虚拟状态中所述物镜的光轴与光盘的法线重合，
其中所述物镜是一个变形透镜，其形成两条焦线，
其中当平行光沿着所述光学读取设备光学系统的光轴方向射到所述物镜上时，所述第一和第二激光二极管的发光点在布置成可使第一和第二激光二极管发射的激光束形成的焦点对准两条焦线中靠近物镜的一条焦线，并且
其中所述物镜光轴相对于光盘法线在一个平面内倾斜，该平面包括有所述这条靠近所述物镜的焦线，
在该光盘设备中，沿着所述物镜光轴的方向看去，光学读取设备相对于光盘的位置设置成使上述靠近物镜的焦线平行于光盘的切线。
13.如权利要求12所述的光盘设备，其特征在于，所述的物镜在结构上为无级变化的透镜，其分别将平行入射到所述物镜上的波长较短和波长较长的激光光束汇聚于第一和第二光盘上。
14.如权利要求12所述的光盘设备，其特征在于，所述物镜由一个单一的透镜构成时，该透镜的一个表面有一个具有环形区域的衍射透镜结构，该衍射透镜结构使由所述衍射透镜结构形成的球面像差与波长有关，并且波长越长，该球面像差越向着欠校正的方向变化。
15.如权利要求12所述的光盘设备，其特征在于，将整个光学系统的光轴相对于光盘的法线从第一和第二激光二极管斜到所述物镜能够校正慧差。
16.如权利要求15所述的光盘设备，其特征在于，在所述物镜光轴与光盘法线重合的虚拟条件下，满足下面的公式：
-2.0＜SC1/SC2＜-0.5
其中，SC1表示在波长较短的激光束汇聚在第一光盘上时有效区域外径处正弦条件SC的偏差值，SC2表示在波长较长的激光束汇聚在第二光盘上时共用区域外径处正弦条件SC的偏差值，其中的共用区域是指在波长较长光束汇聚在第二光盘上时，对应于第二光盘所需足够NA的光线穿过所述物镜的区域，正弦条件SC的偏差值定义为：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)
其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大倍率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。
17.如权利要求12所述的光盘设备，其特征在于，将所述物镜的光轴相对于光盘的法线倾斜来校正慧差，光盘的法线与所述物镜之外的光学系统的光轴重合。
18.如权利要求17所述的光盘设备，其特征在于，在所述物镜光轴与光盘法线重合的虚拟条件下，满足下面的公式：
-4.0＜SC1/SC2＜-1.0
其中，SC1表示在波长较短的激光束汇聚在第一光盘上时有效区域外径处正弦条件SC的偏差值，SC2表示在波长较长的激光束汇聚在第二光盘上时共用区域外径处正弦条件SC的偏差值，其中的共用区域是指在波长较长光束汇聚在第二光盘上时，对应于第二光盘所需足够NA的光线，其穿过所述物镜的区域，正弦条件SC的偏差值定义为：
SC＝nH1/(n’sinU’)-f(1-m)
其中，n表示入射侧的折射系数，n’表示出射侧的折射系数，U’表示出射光束与光轴之间的夹角，m表示近轴放大率，H1表示主平面上的射线高度，f表示焦长。
19.如权利要求12所述的光盘设备，其特征在于，所述的第一和第二激光二极管构成在一个模块中。
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