CN1514266A - 复合消色差光学透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高数值孔径、色差得以消除的复合消色差光学透镜及其制造方法。该复合消色差光学透镜包括：低折射率的第一光学组件和高折射率的第二光学组件。第二光学组件形成在第一光学组件凹陷部分并具有衍射表面，上述衍射表面是第二光学组件与第一光学组件的接触表面并有多个形成在折射表面上的纹槽。制造此复合消色差光学透镜的方法包括：在表面形状与折射表面形状相同的模具中形成具有多个纹槽的衍射表面；用上述模具在低折射率的第一光学组件上形成具有衍射表面的凹陷区；在凹陷区涂覆高折射率材料，研磨上述材料表面，并形成高折射率的第二光学组件。

Description

复合消色差光学透镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学透镜，更具体地讲，涉及一种为了用于光学数据存储系统而校正色差的复合消色差光学透镜。

背景技术

光数据媒体已经从直径为12cm、基底厚度为1.1mm的CD盘发展到直径为12cm、基底厚度为0.66mm的DVD盘。近来，比DVD更薄的蓝色涂覆盘(blu-lay discs)已经开发出来。为和光数据媒体同步发展，已经开发出了用于在光数据媒体上记录数据和再现所记录数据的光数据存储系统，它可以在光数据媒体上形成高能小光斑，并获得高的记录密度。例如，用于CD的光数据存储系统采用的是780nm波长的光源和数值孔径(NA)为0.45的透镜，而用于DVD的光数据存储系统采用的是波长为680nm的光源和数值孔径为0.6的透镜。

通过用伺服机构根据光数据媒体的运动对光数据媒体与透镜之间的距离变化进行自动调整，光数据存储系统可以平稳地记录和再现数据。但是，该伺服机构不能补偿激光波长(单位为纳米)随工作温度变化而产生漂移的激光束的模式跳跃现象。在上述模式跳跃现象中，随着工作温度的变化光谱瞬间地跳到另一种模式。此外，当发生模式跳跃时，多种模式相互重叠，使得模式的方向瞬间前后改变，因而导致激光波长随输出功率和产生的噪声迅速改变。

为了解决上述问题，可以采取利用发射频率稳定激光束的光源的方法，和补偿激光束频带纵向色差和消除噪声的方法。其中，色差反映了透过折射透镜的光波长随温度变化而改变以及光束聚焦在光轴方向的不同位置的情况。

通常，发射频率稳定激光的光源较为昂贵，因此主要是采用透镜补偿色差的方法。补偿色差的方法包括采用传统凸透镜和传统凹透镜组合而成的镜头的第一种方法；采用折射率在光轴方向和/或径向变化的梯度折射率(GRIN，gradient index)透镜的第二种方法；以及采用衍射元件与折射元件组合而成的透镜的第三种方法。由于组合透镜的重量和尺寸均较大，因此第一种方法的光数据存储系统不稳定。第二种方法的缺点是，制造格林(GRIN)透镜的方法复杂。

图1表示了美国专利US.5349471号公开的一种用于补偿色差的复合透镜10。用于光数据存储系统的衍射/折射的复合透镜10包括用透明塑料如聚碳酸酯制成的光盘基底14。透镜10是一个平凸单透镜，具有曲面1和与曲面1相对的平面3，并有菲涅耳环带图案。曲面1与平面3垂直于透镜10的光轴。折射透镜由折射率至少为1.65的高折射率材料制成。

但是，由于图1中所示的复合透镜是由低折射率低色散的材料制成的，所以，该透镜的尺寸和重量都较大。而且，由于衍射表面形成在透镜10的与光盘相对的表面上，因此，这类透镜10因接触光盘而易于磨损，且透镜10的性能也因存在污染源而降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有用于消除色差的衍射表面和折射表面的复合消色差光学透镜。

根据本发明的一个方面，本发明所提供的复合消色差光学透镜包括：具有低折射率的第一光学组件；和形成在第一光学组件凹陷部分、具有衍射表面的高折射率第二光学组件，上述衍射表面是第二光学组件与第一光学组件的接触表面，其具有多个形成在折射表面上的纹槽(pitches)。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造复合消色差光学透镜的方法。该方法包括：在一个表面形状与折射表面形状相同的模具中形成具有多个纹槽的衍射表面；用上述模具在低折射率的第一光学组件上形成具有衍射表面的凹陷区；在凹陷区涂覆高折射率材料，研磨该材料表面并形成高折射率的第二光学组件。

根据本发明，上述折射表面可以具有球面或非球面形状。

如果折射表面为非球面，则优选为满足下式的非球面形状：

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}$

其中，c表示折射表面的曲率；k表示确定折射表面形状的圆锥曲线系数；r表示第二光学组件中心轴到其表面的距离；A、B、C和D表示四次项，六次项，八次项和十次项的非球面系数。

优选的是，上述衍射表面具有满足下式的形状：

$S\left(r_m\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Σ}{c}_n{r_m}^{2n}$

$r_m=\sqrt{2m{\mathrm{\λ}}_0{f}_0+{\left({\mathrm{m\λ}}_0\right)}^2}$

其中m是一个整数；λ₀表示波长；f₀表示焦距长度；而r_m表示第二光学组件中心到第二光学组件的第m道纹槽的距离。第二光学组件中心到第二光学组件第m道纹槽距离越大，第二光学组件的上述纹槽间距越小。

第一光学组件由1.5或更低的低折射率材料如玻璃板制成。

第二光学组件具有2.0或更高的折射率，它由高透明度的材料制成，如由选自下列一组材料：TiO₂、ZrO₂、HfO₂、SrTiO₃、BaTio₃、PZT或PLZT中的任何一种材料制成。

优选用溶胶-凝胶法形成第二光学组件。

由于本发明的复合消色差光学透镜包括低折射率的折射光学组件和形成在折射光学组件凹陷部分上的高折射率衍射光学组件，可以消除光学透镜的色差，且光学透镜可以用做微光学数据存储系统的物镜。尤其是，本发明的复合消色差光学透镜，可以解决在设计传统的用于制造微物镜的复合透镜时所产生的问题，该透镜能透过微光学拾取器中所用的蓝光波段，并且具有0.85的数值孔径和1mm的直径。

附图说明

本发明的上述和其他方面及优点将通过结合附图对实施方式的详细描述而更为清楚，其中：

图1是美国专利第5349471号中所公开的复合折射/衍射消色差透镜的截面图；

图2是根据本发明一实施方式的光学透镜的截面示意图；

图3是图2所示光学透镜的衍射表面形状与折射表面形状坐标图；

图4A至4D示意性地表示了图2所示光学透镜的制造方法；和

图5表示本发明光学透镜的模拟结果。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的一实施方式的光学透镜。

参考图2，光学透镜30包括具有低折射率的第一板型光学组件31，和形成在该第一光学组件31的凹陷部分上的第二光学组件33。第二光学组件33具有一衍射表面34，该表面是第一光学组件31与第二光学组件33相接触的表面，而且该衍射表面34具有形成在折射表面32上的多个凹凸部分。标号36表示第一光学组件31的入射表面，D表示光盘。

第一光学组件31由低色散玻璃如氟玻璃制成，其具有1.5或更低的折射率。第二光学组件33由具有2.0或更高折射率并能够透射405nm附近波长的蓝光波段的光的材料构成，如由TiO₂，ZrO₂，HfO₂，SrTiO₃，BaTiO₃，PZT或PLZT中的任一种材料制成。

图3是图2所示的光学透镜30的折射表面32的形状Z(r)和衍射表面34的形状S(r)的坐标图。

折射表面32可以是球面或非球面。优选折射表面32是非球面，其形状Z(r)满足下列公式1。

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+B{r}^6+C{r}^8+D{r}^{10}-----\left(1\right)$

在公式1中，c表示折射表面32的曲率；k表示确定折射表面32形状的圆锥曲线系数，例如当k的范围从-1到0时，折射表面32为椭圆。此外，r表示从第二光学组件33的中心轴到第二光学组件33各表面的距离；而A、B、C和D表示四次项，六次项，八次项和十次项的非球面系数。

衍射表面34沿折射表面32形成。该衍射表面34具有公式2给出的形状S(r)。

$S\left(r_m\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Σ}{c}_n{r_m}^{2n}$

$r_m=\sqrt{2m{\mathrm{\λ}}_0{f}_0+{\left(m{\mathrm{\λ}}_0\right)}^2}------\left(2\right)$

在公式2中，m是一个整数；λ₀表示波长；f₀表示焦距长度；而r_m表示第二光学组件从中心到第m道纹槽的距离。此外，c_n表示确定衍射表面34形状的系数，并用于校正单色光的像差。从公式2中可以看出，第二光学组件33的中心到第m道纹槽距离越大，第二光学组件33的上述纹槽间距越小。

在传统光学系统中，为了校正色差，凸透镜和凹透镜配合布置，而且为了防止透过凹透镜的光发生色散要增大凸透镜的折射率。为提高凸透镜的折射率要适当选择凸透镜的形状和材料。但是，在高折射率的光学系统中采用传统的校正色差方法时，存在光学透镜的球差、色差等像差将增大的问题。在此情况下，如果光学系统采用的是单层型的衍射元件，则可以降低光学透镜的折射率，并可以在例如不增大球差等像差的情况下减小色差。单层型衍射元件是指形成在光学元件表面上的相位型衍射光栅。入射光波长越长，单层型衍射元件的衍射角越大。另一方面，折射元件有一个与单层型衍射元件相反的特性，即入射光波长越短，折射元件的折射角越大。于是，可以通过将单层型衍射元件与折射元件组合起来校正色差。

由于传统折射元件的阿贝数较大，光学系统的折光本领必须大幅提高。但是，阿贝数小的折射元件的色差，可以通过稍稍改变光学系统的折光本领而大幅改变，所述的折光本领是焦距长度的倒数。因此，可以通过采用阿贝数小的光学系统和减小光学系统的折光本领，抑制球差、慧差等像差。

阿贝数表示光波长的折射率，当把衍射元件与普通光学元件的阿贝数进行比较时，衍射元件的阿贝数绝对值是3.45，小于普通光学元件的阿贝数一个数量级。由于光学系统被设计成阿贝数小的衍射元件可以与除了色差之外的其他像差分开地校正色差，因此可以矫正各种类型的像差。如果采用非球面透镜，衍射元件可以通过调节衍射元件的纹槽间距来减小球差。

再次参考图2，如果光源发出的激光入射到光学透镜30上，激光束首先被第一光学组件31的入射表面36折射，然后有预定折射角的激光束透过第一光学组件31。上述激光束再次被衍射表面34折射，在光盘D上形成接近于衍射极限的小光斑。其中，衍射表面34聚焦激光束，并校正光学透镜30的色差。

图4A至4D示意性地表示了图2所示的光学透镜的制造方法。

现在参考图4A，准备硬质金属，通过高速转动硬质金属用金刚石刀头53精密地制作模具51。模具51的表面形状与接触表面形状相同，即与图2所示的第一光学组件31和第二光学组件33的衍射表面34形状相同。然后如图4B所示，沿X和Y方向移动制成的模具51，靠模具51的运动在第一光学组件31上形成凹陷38。凹陷38的形状与模具51的表面形状相同。

接着如图4C所示，用熔胶-凝胶法，将具有2.0或更高折射率的材料33a涂覆在凹陷38上。与旋涂法相比较，熔胶-凝胶法可以在短时间内形成较为均匀的厚膜层。因为涂覆到凹陷38上的高折射率材料33a的表面不均匀，故需要对该材料33a的表面进行机械研磨，从而形成第二光学组件33，如图4D所示。由此得到包含低折射率的第一光学组件31和高折射率的第二光学组件33的光学透镜30。

图5表示了本发明光学透镜的模拟结果。

制造出来的光学透镜总长度2.73mm，最小纹槽宽度为1.966μm，刻蚀深度为160μm。采用商标为NDHV310ACA的激光二极管，且激光束的发散角设定为14.7°。在上述条件下试验的结果显示，波面误差为0.0053λrms(均方根)，小于0.025λrms的标准误差；衍射效率为90.84％；光学透镜表面的偏心容差为6μm，大于标准的5μm容差；相对于1nm的波长变化色差为34nm，小于80nm的标准值。从试验结果可以看出，得到的复合光学透镜性能极好。

综上所述，由于复合消色差光学透镜包含低折射率的折射光学组件，高折射率的衍射光学组件形成在上述折射光学组件的凹陷部分上，且上述折射光学组件与衍射光学组件的接触表面有预定的形状，因此，所得到的小而轻的复合消色差光学透镜具有高的数值孔径、极佳的性能和小的色差。

由于采用本发明的复合消色差光学透镜的物镜具有一个由形成玻璃板上的凹陷部分构成的整体，而且是板形的，不同于用注模法形成的普通物镜，因此易于对物镜进行处理和组装，并能够获得一种薄的物镜。而且当在晶片的平面上制作物镜时，易于与安装有其他光学元件的晶片一起排布物镜。

尽管上面已经参考优选实施方式具体地展示和描述了本发明，但是所属领域的普通技术人员不难理解，各种形式和细节的改变均没有脱离权利要求书所限定的本发明的构思和保护范围。

Claims (17)

1.一种复合消色差光学透镜，包括：

具有低折射率的第一光学组件；以及

具有高折射率的第二光学组件，它形成于上述第一光学组件的一凹陷部分并具有一衍射表面，该衍射表面是第二光学组件与第一光学组件的接触表面并具有形成在一折射表面上的多个纹槽。

2.如权利要求1所述的复合消色差光学透镜，其中上述第一光学组件的折射率是1.5或更低。

3.如权利要求1所述的的复合消色差光学透镜，其中上述第一光学组件包括玻璃板。

4.如权利要求1所述的的复合消色差光学透镜，其中上述折射表面包括球面或非球面。

5.如权利要求4所述的的复合消色差光学透镜，其中如果上述折射表面是非球面形状，则该非球面满足下列公式：

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}$

其中，c表示折射表面的曲率；k表示确定折射表面形状的圆锥曲线系数；r表示第二光学组件中心轴到其表面的距离；A、B、C和D表示四次项，六次项，八次项和十次项的非球面系数。

6.如权利要求5所述的的复合消色差光学透镜，其中上述衍射表面具有满足下列公式的形状：

$S\left(r_m\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Σ}{c}_n{r_m}^{2n}$

$r_m=\sqrt{2m{\mathrm{\λ}}_0{f}_0+{\left({\mathrm{m\λ}}_0\right)}^2}$

其中，m是一个整数；λ₀表示波长；f₀表示焦距长度；而r_m表示第二光学组件中心到第二光学组件的第m道纹槽的距离；

其中，第二光学组件中心到第二光学组件第m道纹槽距离越大，第二光学组件的上述纹槽间距越小。

7.如权利要求1所述的的复合消色差光学透镜，其中上述第二光学组件由高透光率的材料制成，且第二光学组件的折射率为2.0或更高。

8.如权利要求7所述的的复合消色差光学透镜，其中第二光学组件由从下列一组材料：TiO₂、ZrO₂、HfO₂、SrTiO₃、BaTiO₃、PZT或PLZT中选出的一种材料制成。

9.一种制造复合消色差光学透镜的方法。包括：

在一个表面形状与一折射表面形状相同的模具中形成具有多个纹槽的衍射表面的形状；

用上述模具在低折射率的第一光学组件上形成具有衍射表面的凹陷区；

在上述凹陷区涂覆高折射率材料，研磨该材料表面，并形成高折射率的第二光学组件。

10.如权利要求9所述的方法，其中上述折射表面包括球面或非球面。

11.如权利要求10所述的方法，其中如果上述折射表面是非球面，则该非球面满足下列公式：

$Z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+B{r}^6+C{r}^8+D{r}^{10}$

其中，c表示折射表面的曲率；k表示确定折射表面形状的圆锥曲线系数；r表示第二光学组件中心轴到其表面的距离；A、B、C和D表示四次项，六次项，八次项和十次项的非球面系数。

12.如权利要求11所述的方法，其中上述折射表面具有满足下列公式的形状：

$S\left(r_m\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Σ}{c}_n{r_m}^{2n}$

$r_m=\sqrt{2m{\mathrm{\λ}}_0{f}_0+{\left({\mathrm{m\λ}}_0\right)}^2}$

其中，m是一个整数；λ₀表示波长；f₀表示焦距长度；而r_m表示第二光学组件中心到第二光学组件的第m道纹槽的距离；

其中，第二光学组件中心到第二光学组件第m道纹槽距离越大，第二光学组件的上述纹槽间距越小。

13.如权利要求11所述的方法，其中上述第一光学组件的折射率为1.5或更低。

14.如权利要求13所述的方法，其中上述第一光学组件包括一玻璃板。

15.如权利要求11所述的方法，其中上述第二光学组件由高透光率的材料制成，且第二光学组件的折射率为2.0或更高。

16.如权利要求15所述的方法，其中上述第二光学组件由从下列一组材料：TiO₂、ZrO₂、HfO₂、SrTiO₃、BaTio₃、BaTio₃、PZT或PLZT中选出的一种材料制成。

17.如权利要求15所述的方法，其中上述第二光学组件用熔胶-凝胶法形成。

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