CN1599929A - 光学系统场曲率的降低 - Google Patents

Abstract

一种用于扫描光学记录载体(2)的光学头(1)被提供有补偿器(16)，其用于补偿在不同场角处由光学头的操作所引起的物镜系统(18)的场曲率象差。所述补偿器(16)的表面包括以环形区域(52，53，54，55，56)形式的相位结构，所述区域形成不同长度光程的非周期图案。所述光程作为场角的函数而变化且形成场角相关的波前偏差，所述波前偏差补偿所述光学头的场曲率。

Description

光学系统场曲率的降低

技术领域

本发明涉及一种用于扫描具有信息层的光学记录载体的光学头，所述头包括用于产生辐射束的辐射源；用于将辐射束会聚到信息层上焦点的光学系统，所述光学系统将场角相关的第一波前偏差给予辐射束；以及被设置在辐射束中用于补偿第一波前偏差的补偿器。本发明还涉及一种包括光学系统和补偿器的光学设备，所述光学系统将场角相关的第一波前偏差给予穿过光学设备的辐射束，所述补偿器被设置用于补偿所述第一波前偏差。

发明背景

多轨光学头同时扫描光学记录载体信息层上面的几个轨道。这是通过借助于光学系统将具有不同场角的若干束聚焦到信息层上相同数量的光点上而实现，其中每个光点扫描一轨道。当光学系统展示出场曲率波前象差时，并不是所有的光点将同时聚焦于信息层上，从而导致其光点没有被正确聚焦的轨道的读出信号恶化。当光学系统包括单透镜时，场曲率以最低级与下述成比例：

$(c_1-c_2)(\frac{1}{n}-1)---\left(1\right)$

其中C1是透镜第一表面的曲率，C2是透镜第二表面的曲率且n是透镜材料的折射率。为了不具有场曲率，透镜表面的半径必须相同，这基本上是不实际的。这意味着必须求助于其它方法来降低物镜的场曲率。

不仅对于光学记录而且对于光学设计的其它区域如摄影透镜、动画投影物镜、显微平版印刷用的透镜，场曲率是主导的象差，为了透镜的良好性能其必须被加以校正。

补偿透镜场曲率的一方法是添加被称为“场致平器”(见例如W.J.Smith的Modern optical engineering，(McGraw-Hill，New York)，第13章)的附加负透镜。所述场致平器不得不接近于焦平面被放置，以为了使场致平器对系统的功率贡献保持低。虽然它导致显著得到降低的场曲率，但是将所述元件接近焦平面放置的缺陷是：它对灰尘和其它污染变得敏感。对于光学记录，因盘覆盖层的厚度原因，这样的解决方案并不实际。结果是，场致平器至少处在距焦平面等于盘覆盖层厚度的距离处，其显著地降低了场致平器的作用。

降低场曲率的另一方法已经在发表于Applied Optics vol.32，(1993)pp.60-66的文章中被提议，其中阶梯透镜被用来校正场曲率。所述阶梯透镜(或刻槽透镜)可以被视为折射基片和具有零组合功率的炫耀开诺全息照片的组合。虽然这样的炫耀开诺全息照片可以被加以设计以在一个特定的衍射级中产生100％的效率，但是实际的光栅从未取得这样高的效率。光学头的光程效率的这个降低在光学记录器中是不利的，其要求大量的辐射能量用于以高速在记录载体上写入信息或从记录载体中读取信息。这些周期性光栅结构的另一缺陷是它们总体上包含大量带(zone)，从而使它们难以制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学头，其中场曲率效应得到降低而没有上述提到的缺点。

根据本发明若补偿器包括具有场角相关的性能的材料的相位结构，所述相位结构具有环形区域的形式，所述环形区域形成不同的场角相关的长度的光程的非周期图案，所述光程形成补偿场角相关的第一波前偏差的第二波前偏差，则取得这个目的。如果相位结构的材料和环形区域的光程被合适地加以选择，则环形区域的相位结构在辐射束中引入具有正确形状和场角依赖性的波前偏差，以补偿光学系统的波前偏差。所述补偿可是全部的或部分的。相位结构并不将约束强加到光学系统的元件上，由此使设计具有大的自由度。与这个自由度有关的另一方面是形成非周期图案的环形区域可以被做成相对宽，其以较弱的完善性但对波前偏差足够的补偿为代价，显著地改善了可制造性。如果相邻区域的光程相差一个波长以上，则可制造性将被进一步加以改善。本发明的进一步优点是补偿器可以被设计成没有光功率。结果是，与必须接近焦平面被放置的传统场致平器相反，补偿器可以被放置在透镜系统的任何地方。

应该注意到，根据本发明的相位结构具有非周期图案，且因此并不形成衍射级。因此，非周期相位结构并不具有光栅非使用衍射级的固有损失。因此补偿器非常适合于用在需要场角相关的波前变化的光学头中，因为相位结构可以引入所需要的场角相关的波前变化而没有辐射能量的明显损失。

在优选的实施例中光学头包括将作为第一波前偏差的场曲率象差给予辐射束的物镜系统。当入射到补偿器上面的波前具有不同于补偿器表面曲率半径的曲率半径时，补偿器可以被设计成不仅补偿场曲率而且补偿慧形波前象差。

优选地，非周期相位结构补偿至少50％的在相对于光学系统光轴方向上某场角处且由物镜所引起的均方根(rms)场曲率波前误差。更优选地，补偿为至少70％。

优选地，因在相对于轴向方向的最大所要求场角处由物镜所产生的场曲率而引起的且由非周期相位结构所补偿的rms波前误差小于40mλ。更优选地，波前误差小于20mλ。

本发明的另一方面涉及用于扫描带有信息层的光学记录载体的扫描设备，所述设备包括根据本发明的光学头。

本发明的进一步方面涉及一种包括光学系统和补偿器的光学设备，所述光学系统将场角相关的第一波前偏差给予穿过光学系统的辐射束，补偿器被设置在辐射束的路径中用于补偿第一波前偏差，其中补偿器包括具有场角相关的性能的相位结构，所述相位结构具有环形区域的形式，所述环形区域形成不同的、场角相关的长度光程的非周期图案，所述光程形成补偿场角相关的第一波前偏差的第二波前偏差。光学系统优选地是物镜系统。光学系统可是折射式和/或衍射式以及/或反射式系统。

在光学设备的优选实施例中，在零场角处光程之间的差是第一波长的倍数。在那种情况下相位结构将不影响在零场角的辐射束，然而它将在非零场角处在辐射束中引入波前偏差。

通过在光学系统中元件的一个表面上设置光栅，另一光学功能可以被结合到光学系统中。所述光栅可以被用来使光学系统消色差或使DVD物镜兼容用于扫描CD类型的记录载体。

通过在光学元件的一个表面上设置光栅，其它的光学功能可以被结合到补偿器中。所述光栅可以被用来使透镜系统消色差或使DVD物镜兼容用于扫描CD类型的记录载体。

在光学集合的特殊实施例中，波前偏差是场曲率。

附图说明

如在所附附图中所示例，从对本发明优选实施例的下面更特定的说明中，本发明的目的、优点和特点将显而易见，其中：

图1示出根据本发明的扫描设备；

图2示出补偿器的横断面。

图3示出在升高的场角下物镜的波前象差；以及

图4示出在升高的场角下物镜与补偿器的组合的波前象差。

具体实施方式

图1示出用于扫描光学记录载体2的设备1。记录载体包括透明层3，在所述透明层3的一侧上面设置有信息层4。面向离开透明层的信息层侧由保护层5加以保护防止环境影响。面向设备的透明层侧被称为进入面6。通过为信息层提供机械支撑，透明层3充当记录载体的基片。作为选择地，透明层可具有保护信息层的唯一作用，而机械支撑则由信息层另一侧上面的层，例如由被连接到信息层4上的透明层及进一步的信息层或由保护层5来提供。信息可以被设置在基本上平行、同心或螺旋轨道中的从光学上可检测的标志(在附图中未被指示)的形式被存储在记录载体的信息层4中。所述标志可以任何从光学上可读取的形式，例如以具有不同于其环境的反射系数或磁化方向的坑，或区域的形式，或这些形式的组合。

扫描设备1是所谓的多轨道类型且包括可以发射辐射束9的辐射源11。辐射源可是半导体激光器。光栅10分别以七个不同的衍射级：-3，-2，-1，0，1，2，3对来自辐射源的束进行衍射，形成与光轴8的不同角。总体上，下述辐射束包括七个衍射子束。分束器13将发散辐射束12反射向准直透镜14，所述准直透镜将发散束12转换成准直束15。准直束15入射在透明补偿器16上，所述补偿器16依据于扫描设备的七个子束中每一个的场角来修改准直束的波前。来自补偿器16的束17入射在物镜系统18上。所述物镜系统可包括一个或更多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18将束17改变成入射在记录载体2进入面6上的会聚束20。物镜系统具有适应于通过透明层3厚度的辐射束通路的球面象差校正。会聚束20在信息层4上形成七个不同的光点21，其每个聚焦在不同的相邻或靠近的螺旋轨道上。由信息层4所反射的辐射形成发散束22，其由物镜系统18变换成基本上被准直的束23且随后由准直透镜14变换成发散束24。分束器13通过向检测系统25发射至少部分发散束24而分开前向和反射束。检测系统分开地捕捉七个子束的辐射，并且将它转换成电输出信号26。元件10、11、13、14、16、18和25形成光学设备中的光学头。元件16和18形成具有降低的场曲率的透镜系统。

信号处理器27将这些输出信号转换成各种其它信号。一个信号集合是信息信号28的集合，其值表示由来自信息层4的七个子束中的每个所读取的信息。来自信号处理器27的其它信号是从中央或零级子束中所检索的焦点误差信号和径向误差信号30。焦点误差信号表示光点21和信息层4之间在高度上的轴向差。径向误差信号表示在信息层4平面中在光点21和信息层中即将被光点所跟从的轨道中心之间的距离。焦点误差信号和径向误差信号被馈给进入伺服电路31，其将这些信号转换成伺服控制信号32用于分别控制焦点执行器和径向执行器。所述执行器并未被示于图中。焦点执行器控制物镜系统18在焦点方向33上的位置，由此控制光点21的实际位置，以便于中央子束的光点基本上与信息层4的平面重合。径向执行器控制物镜18在径向方向34上的位置，由此控制光点21的径向位置，以便于中央子束的光点基本上与在信息层4中即将被跟从的轨道的中央线重合。在图中的轨道沿着垂直于图平面的方向运行。因为中央子束与信息层是焦点对准的，所以当透镜系统展示出场曲率时其它子束可偏离焦点，从而显著地恶化了从这些子束所获得的信号质量。

可使图1中的设备适应于还扫描较记录载体2具有较厚的透明层的第二类型记录载体。所述设备可使用辐射束12或具有不同波长的辐射束用于扫描第二类型的记录载体。可使这个辐射束的NA适应于记录载体的类型。物镜系统的球面象差补偿必须被相应地加以适应。

被示于图1实施例中的物镜系统18是用于操作在650nm波长的具有NA为0.6的单透镜。入口光瞳直径为3.3mm。所述透镜具有一个非球面的和一个平面的表面。通过在玻璃透镜体的表面上面施加薄丙烯酸层，制成非球面表面。透镜具有在光轴上1.922mm的厚度。透镜体由具有折射率为n＝1.7767的SFL56 Schott玻璃制成。被导引向准直透镜的透镜体凸表面具有2.32mm的半径。丙烯酸层具有n＝1.5646的折射率。这个层在光轴上的厚度为22μm。非球面表面的旋转对称形状可以由方程式来说明

             z(r)＝B₂r²+B₄r⁴+B₆r⁶+.....

使z为单位为mm的在光轴方向上的表面位置，r为单位为mm的到光轴的径向距离，以及B_k为r的第k次幂系数。面对辐射源的物镜表面的B₂至B₁₀的值分别是0.24137393，0.0046535966，-0.00014987079，-4.0957635 10^-5，-8.3283927 10^-6。物镜和盘之间的距离是1.290mm。盘的覆盖层为0.6mm厚且由具有折射率为n＝1.5803的聚碳酸脂制成。对应于七光点光栅的第三级衍射束的子束具有在物镜上0.73度的场角。由于物镜的场曲率，这个子束将在信息层前0.42μm聚焦。因为这个散焦，外部束的象差不可以由执行器进行补偿而不影响中央束，场曲率象差将降低其它非中央子束的焦光点21的质量。使补偿器16适应于补偿场角相关的物镜象差。

图2示出补偿器16的示意性横断面。补偿器包括透明板50，其一个表面是相位结构，其绕着光轴19旋转性地对称。相位结构具有中央区域51和五个同心环形区域52，53，54，55和56。环形区域52，53，54，55和56是具有高出中央区域51高度的高度为h₁，h₂，h₃，h₄和h₅的圈。所述区域的高度相对于板50的厚度和径向范围被夸张。所述圈由具有折射率为n的材料制成。板50还可由与圈相同的材料制成。

每个高度h_j均等于m_jh，其中m_j为整数且h等于

$h=\frac{\mathrm{\λ}}{n-1}---\left(2\right)$

其中λ是波长且n是在所述波长处圈材料的折射率。在这个特定的实例中补偿器由具有折射率为n＝1.5312的材料COC制成。结果是，高度h等于1.224μm。因为具有高度h_j的每个环形区域在零场角在辐射束中引入(m_j 2π)弧度的相位变化，所以在这个角相位结构并不改变辐射束的波前。当入射束在场角θ进入所述结构时，高度h_j不再引入(m_j 2π)的相位变化。由圈j所引入到辐射束中的相差ΔΦ_j□等于：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_j=2\mathrm{\π}{m}_j[\frac{1}{n-1}(n\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{n^2}}-\cos \mathrm{\θ})-1]---\left(3\right)$

对于小场角θ这个方程式可以被简化成

${\mathrm{\Δ\Φ}}_j=\frac{\mathrm{\π}{m}_j}{n}{\mathrm{\θ}}^2---\left(4\right)$

使场角□θ以弧度加以表达。因此，当束以非零场角θ，□进入补偿器时，补偿器导致呈梯级的波前偏差。通过区域宽度和高度的适当设计，非周期相位结构可以补偿与θ²成比例的物镜场曲率。如果束在0.73度(12.74mrad)的场角进入光学头，则物镜引入因场曲率象差导致的37.5mλ RMS场角诱发的散焦。图3示出作为辐射束半径r函数的贡献于波前W的散焦的横断面。由非周期相位结构的高度为m_jh的圈j在12.74mrad场角所引入的相位变化ΔΦ_j目前是0.000333m_j弧度。相位结构中每个圈的整数mj值必须被加以选择以便于相位结构将引入这样的波前偏差，其近似于贡献于因图3所示的场曲率所导致的波前的散焦，但具有相反的符号。表I示出对图2中所示的四个环形区域的半径进行优化的结果，即每个区域的高度和针对12.74mrad场角辐射束在通过每个区域后的相对相位。

开始区域(mm)	结束区域(mm)	高度mj*h(μm)	mj	ΔΦj(θ＝12.74mrad)(弧度)
					0.0	0.2	0	0	0
0.2	0.5	115.06	94	0.0312
					0.5	0.8	358.63	293	0.0976
0.8	1.1	779.69	637	0.2121
					1.1	1.4	1527.55	1248	0.4155
1.4	1.65	2476.15	2023	0.6737

                                 表I

图4示出当物镜和补偿器两者均被设置在辐射束中时，在θ＝12.74mrad时的散焦波前误差。波前误差现在是9.3mλ。因此，补偿器将由场角变化所引起的物镜场曲率波前象差从37.5mλ散焦波前误差降低到9.3mλ，因此降低了4倍。虽然已经示出仅针对一个场角值的降低，但是大约四倍的降低系数还将适用于被用于这个实施例中的零场角附近的整个场角范围，因为由物镜及由补偿器所引入的两项场曲率波前偏差与场角呈二次比例。

表I表明梯级高度分布很清楚地是非周期的。此外，通过使m_j相继值之间的差大于1，则可以使环形区域变宽且结果是环形区域的数量可以变小(在这个实施例中为6)，其使结构容易得以制造。有限数量的环形区域的结果是：场角效应的补偿并不完善，正如在图4中所看到，其示出在补偿后剩余的波前象差。增加环形区域的数量导致较低的剩余波前象差，但仍然更难以制作结构。制作非周期结构的优点是设计者可以在结构的复杂性与剩余的波前象差之间进行平衡。

此外，表I示出梯级高度的绝对值作为每个区域中央半径的函数被单调地增加。在场曲率具有相反符号的情况下，即由此外部子束聚焦在信息层之外，则m_j的值变为负的，但是m_j的绝对值仍然作为每个区域中央半径的函数而增加。梯级高度绝对值的另一特征是它们作为每个区域中央半径的函数更加线性地增加。如果入射中央束的波前处于这样的表面处，在所述表面上非周期结构具有基本上与所述表面形状相同的形状，则相位结构的改善操作被获得。更具体地，如果波前基本上为球面的，则表面优选地也基本上为球面的；换句话说，波前和表面的曲率半径应该基本上相同，优选地差别小于20％。例如，当相位结构被设置在平表面上时，入射束应该基本上是平的。当两个半径基本上并不相同时，除了场曲率以外，非周期相位结构还将导致慧形波前象差，如欧洲专利申请00304997.2(PHNL000659 EP-P)所公开的。由于所引入的慧形象差可以被波前和表面的曲率半径之差所控制，因此非周期相位结构的面积和高度可以被如此设计，以便于针对不同于零的场角，由物镜18的实施例所引入的场曲率和慧形象差两者可以由补偿器16加以降低。

虽然在所说明的实施例中非周期相位结构的区域数量等于6，但是其可是任何数量。优选地，区域的数量大于2以便于对波前象差具有足够的补偿。优选地，出于可制造性的原因所述数量小于10。

通过将相位结构51至56设置在物镜系统的透镜表面上，在图1中被示为分开的元件的补偿器16和物镜系统18可被加以结合。优选地，相位结构被设置在非球面的透镜表面上。补偿器的设计可被加以修改以同样补偿由准直透镜14所引入的任何场曲率。

要理解为就有关上面所说明的实施例可应用众多的变型和修改，而不偏离在所附权利要求中被加以定义的本发明范围。在所说明的实施例中，处在不同场角的多个辐射束同时穿过物镜系统。补偿还可与其中单束穿过物镜系统的物镜系统相结合而使用。物镜系统被示为平凸透镜；然而其它透镜元件类型如凸凸、凸凹或凹凹透镜也可被使用。虽然在所说明实施例中的物镜系统是单透镜，但是它可是包含两个或更多个透镜元件的复合透镜，其中的任一个或两者可包含本发明的部分非周期相位结构。物镜可例如包括折射物镜元件及/或衍射透镜元件。根据本发明的非周期相位结构的应用并不被局限于光学记录的领域。相位结构可用在任何光学领域，例如摄影，动画投影物镜及用于显微平版印刷的透镜中。在这些区域中场曲率是主导象差，为了透镜的优良性能其必须被加以校正。

虽然在上述所说明的实施例中用于扫描所谓的DVD格式的记录载体的扫描设备被加以说明，但是要理解到扫描设备可以作为选择地或附加地被用于任何其它类型的要被扫描的光学记录载体。还要理解到可以使用除650nm以外的其它波长的辐射用于扫描光学记录载体。

Claims (19)

1.一种用于扫描具有信息层的光学记录载体的光学头，所述头包括用于产生辐射束的辐射源；用于将辐射束会聚到信息层上的焦点的光学系统，所述光学系统将场角相关的第一波前偏差给予辐射束；以及被设置在辐射束中用于补偿所述第一波前偏差的补偿器，其特征在于补偿器包括具有场角相关的性能的材料的相位结构，所述相位结构具有环形区域形式，所述环形结构形成不同的场角相关的长度的光程的非周期图案，所述光程形成补偿场角相关的第一波前偏差的第二波前偏差，其中所述第一波前偏差是场曲率。

2.根据权利要求1的光学头，其中所述非周期相位结构补偿至少50％的在相对于光学系统光轴方向的某一场角处的且由物镜所引起的均方根(rms)场曲率波前误差。

3.根据权利要求1的光学头，其中因在相对于轴向方向的最大所要求场角处由物镜所产生的场曲率而引起的且由非周期相位结构所补偿的rms波前误差小于40mλ。

4.根据权利要求1的光学头，其中所述非周期相位结构包括多个环形区域，每个所述区域包括相对于所述物镜的表面形状基本上为恒定高度的梯级，在所述物镜表面上相位结构被加以设置。

5.根据权利要求1的光学头，其中对于至少一个场角，光程之间的差基本上是辐射束波长的倍数。

6.根据权利要求4或5的光学头，其中所述区域的径向宽度取决于要被补偿的场曲率量而被加以选择。

7.根据权利要求6的光学头，其中所述区域之一(a)具有非零的高度H_a，其相对于所述表面的所述形状被加以测量，其位于其中归一化的光瞳坐标ρ在0.2至0.7变动范围的区域。

8.根据权利要求7的光学头，其中所述区域的最大半径具有小于0.7的归一化光瞳坐标ρ。

9.根据权利要求6，7或8的光学头，其中所述区域之一(b)具有非零的高度H_b，其相对于所述表面的所述形状被加以测量，其位于其中归一化的光瞳坐标ρ在0.7至1.0变动范围的区域。

10.根据权利要求9的光学头，其中区域(b)的所述高度H_b与区域(a)的所述高度H_a的比率大于1。

11.根据权利要求4的光学头，其中所述区域的高度基本上是相对于要被补偿的场曲率象差被优化地加以选择。

12.根据权利要求4的光学头，其中所述区域的数量大于4。

13.根据权利要求4的光学头，其中所述区域的数量小于10。

14.一种用于扫描带有信息层的光学记录载体的设备，所述设备包括根据权利要求1的光学头。

15.根据权利要求14的设备，包括用于误差校正的信息处理单元。

16.一种包括光学系统和补偿器的光学设备，所述光学系统将场角相关的第一波前偏差给予穿过所述系统的辐射束，所述补偿器被设置在辐射束的路径中用于补偿第一波前偏差，其特征在于所述补偿器包括具有场角相关的性能的材料的相位结构，所述相位结构具有环形区域形式，所述环形区域形成不同的场角相关的长度的光程的非周期图案，所述光程形成补偿场角相关的第一波前偏差的第二波前偏差，其中所述第一波前偏差场曲率。

17.根据权利要求16的光学元件集合，其中针对至少一个场角光程之间的差是辐射束波长的倍数。

18.根据权利要求16的光学元件集合，其中所述光学元件是透镜。

19.根据权利要求16的光学元件集合，其中所述光学元件和补偿器被结合在单个元件中。

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