CN1606703A - 用于扫描光盘(dvd)的物镜 - Google Patents

Abstract

一种用于扫描DVD和HD－DVD光盘的物镜，包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n1的材料所形成，其中第一部分的阿贝数V₁及第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式(方程式1)：

1.16≤V₁/V₀≤1.74 (1)。

Description

用于扫描光盘(DVD)的物镜

技术领域

这个发明涉及一种光学元件和光学扫描设备，且具体地但是非排他地涉及不同格式光学记录载体的扫描。

发明背景

通常，将希望提供一种光学扫描设备，以及为此的物镜，其能够从两个不同的相对高密度格式，即比CD格式较高的密度中进行读出。

由于蓝色半导体激光器(波长，λ＝405nm)的引入，则出现同传统的数字通用盘(DVD)(其使用红色激光器，λ＝660nm)相比较进一步增加光盘上面密度的新选择。一个选择是高密度DVD(HD-DVD)系统，其中波长被从660nm降低到405nm但是盘的覆盖层厚度与DVD系统相同，即0.6mm。双层DVD使用蓝色激光器不可能容易被读取。其原因是双层DVD的半反射层由金、硅和碳化硅制成。对于650nm两个层的反射率是～30％。对于405nm金的吸收率变成＞50％且其反射率＜10％。

将希望提供一种包括红色激光器和蓝色激光器的光学扫描设备。然而，通过改变正在被用于读出的辐射的波长，因球色差(spherochromatism)由物镜所产生的球面象差量总体上发生变化而且由盘的覆盖层所引入的球面象差量也发生变化。

由N.Murao等人在proceedings of ODF2000 conference(ODF2000大会会议文集)页321-324中的文章“Objective lenses for red and bluelasers”说明了用于DVD和HD-DVD兼容的三种可能的透镜：(1)玻璃二重透镜，(2)光聚合物二重透镜以及(3)衍射光学元件。玻璃二重透镜制造昂贵且因此不是用于大规模生产的实际方案。衍射光学元件方案导致效率的损失，因为总体上对于DVD配置及HSD-DVD配置它不并可能使这样的元件在所设计的衍射级上实现100％的效率。此外，由于制造公差导致效率损失增加。所建议的光聚合物二重透镜包括玻璃的模制非球面透镜，其面对盘的侧面上带有附加的光聚合物材料。这个方案的缺陷是首先人们必须制作一非球面透镜且然后作为第二步骤添加光聚合物材料，从而使透镜更加昂贵。

将希望提供一种与两个相对高密度格式，如DVD和HD-DVD兼容的物镜，而不引入不希望的成本或不希望的效率损失。

发明内容

根据本发明，提供一种包括第一部分和第二部分的光学元件，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度(lens power)主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n₁的材料所形成，其中第一部分的阿贝数(Abbe number)V₁及第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：

$1.16\≤\frac{V_1}{V_0}\≤1.74.$

本发明提供一种物镜，通过使用不同波长的辐射同时为物镜提供能够校正光学记录载体中球面色差的材料选择，所述物镜能够被用来从不同光学记录载体格式，如DVD和HD-DVD中读出数据。由于仅折射表面被涉及，所以物镜并不像在衍射光学元件情况下遭受效率损失。此外，由于需要相对较少的步骤来制造双兼容透镜，所以它是成本高效的方案。

将有可能地是使用由一种材料制成的折射单元件物镜，以便由物镜所产生的球面象差量来补偿由盘的覆盖层所产生的球面象差量，而同时物镜还满足阿贝正弦(Abbe Sine)条件。然而，于是透镜材料的折射率将需要大于2。具有折射率大于2的材料趋向于昂贵且具有低的阿贝数，因此对于小波长变化敏感。

附图说明

正如在所附的附图中所示例，从下述对本发明优选实施例的特定说明中，本发明的目的、优点及特征将变得显而易见，其中

图1示出根据本发明实施例的物镜的示意性横断面；以及

图2示出根据本发明实施例的光学扫描设备的示意性横断面。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施例的物镜OL。非球面物镜OL由带有由合成树脂材料制成的薄非球面校正层的平-球形玻璃体A形成，所述薄非球面校正层被如此成型以适合且粘合到玻璃体的凸表面上。所述透镜可以类似于在US-A-4623496中所讨论的方式被制作，所述专利内容在此引入作为参考。

下面，详细说明透镜参数的设计。

可以进行透镜的波前象差的第三阶塞德尔(Seidel)分析。使树脂具有折射率n₀，阿贝数V₀，在光轴上的厚度d₀，曲率c₀(焦度K₀)以及确定来自所述层球面形状的偏差的第四阶系数G。平-球形玻璃体(平表面面向盘)具有折射率n₁，阿贝数V₁，厚度d₁和曲率c₁(焦度K₁)而盘具有折射率n₃，阿贝数V₃及厚度d₃。自由工作距离，由此透镜与盘之间的距离是d₂。

由于非球面层是薄的，所以可以进行下述近似：

d₀≈0

c₀≈c₁＝c

K＝K₀+K₁≈(n₁-1)c

通过使用这些近似，发现球面象差的第三阶塞德尔项S_I变成：

$S_I=\frac{{\mathrm{NA}}^4}{{(n_1-1)}^{4}c}(\frac{8G(n_0-1)}{c^3}+(n_1-1)(n_1-{2n}_1+\frac{2}{n_1}))+{\mathrm{NA}}^4\frac{d_1}{n_1}(\frac{1}{n_1^2}-1)...$

$...+{\mathrm{NA}}^4\frac{d_3}{n_3}(\frac{1}{n_3^2}-1)$

而慧形象差项由下述给出：

$S_{\mathrm{II}}={\mathrm{NA}}^3\mathrm{\η}[\frac{1-n_1(n_1-1)}{n_1(n_1-1)}+(n_1-1)c(\frac{d_1}{n_1}(1-\frac{1}{n_1^2})+\frac{d_3}{n_3}(1-\frac{1}{n_3^2}))]$

其中焦距关系由下述给出：

$\frac{d_1}{n_1}+d_2+\frac{d_3}{n_3}=\frac{1}{K}$

为了使透镜方案针对DVD情况或针对HD-DVD情况不引入球面象差并且遵从阿贝正弦条件，慧形象差项的条件对于DVD情况应该为零。因此解应该满足下述条件：

S_I(660nm)＝0

S_I(405nm)＝0

S_II(660nm)＝0

从S_II(660nm)＝0它遵循，为了具有d1＞0，折射率n1应该满足下述关系式：

$n_1=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\sqrt{1+\frac{4}{1-\frac{d_3}{n_3}(1-\frac{1}{n_3^2})K}}$

通过为盘插入值：d₃＝0.6mm，n₃＝1.58并且使用典型的值K～0.35mm^-1，我们发现n₁＞1.65。

注意当求解S_I(660nm)＝0，S_I(405nm)＝0以及S_II(660nm)＝0而同时取n₀＝n₁且V₀＝V₁时，我们发现n₁＞2.0，这并不是实际的解。

下述涉及这样的情况，其中根据本发明非球面层和玻璃体具有不同的性能。阿贝数与在660nm和405nm下折射率之间实际差的下述近似关系式成立：

$\mathrm{\Δn}\≡n\left(405\mathrm{nm}\right)-n\left(660\mathrm{nm}\right)\≈2\frac{n-1}{V}$

通过使用上述关系式，在消除G和d₁之后，我们从S_I(660nm)＝0，S_I(405nm)＝0以及S_II(660nm)＝0发现n₁的下述关系式：

$\frac{F}{V_0{(n_1-1)}^2{n}_1}=\frac{d_3(n_3-1)}{n_3^2{V}_3}(1-\frac{3}{n_3^2})...$

$...-\frac{[(1+{2n}_1-{5n}_1^2-n_1^3+n_1^4)F+\frac{d_3}{n_3}(1-\frac{1}{n_3^2})n_1{(n_1-1)}^2(n_1^2-3)]}{{(n_1-1)}^2{n}_1^2(n_1+1)V_3}$

其中F＝1/K。注意这个等式不再包含n₀。通过使用d₃＝0.6mm和典型地n₃＝1.58及V₃＝30而同时取F～3mm，我们发现为了使1.65＜n₁＜2.0，则

$1.16\≤\frac{V_1}{V_0}\≤1.74$

$2.7\≤n_1+0.7\frac{V_1}{V_0}\≤2.9$

由于这仅是第三阶计算，所以结果仅是第一估算。因此，光线跟踪可被使用以为了改善这些结果。我们调查其中对于DVD系统F＝2.75mm和系统的数值孔径为NA＝0.65的情况。在建立优质函数时，对于DVD和HD-DVD配置我们使用了在轴上和在0.5°场的波前象差。表I示出在一个实施例中的材料性能，由所述材料制成非球面层(Diacryl)及盘(聚碳酸酯)。

	n(660nm)	n(405nm)	V
				Diacryl	1.5640	1.5945	34.5
聚碳酸酯	1.5798	1.6188	29.9

                    表I

表II以四种不同示范性玻璃类型示出定义物镜的参数被列出，而表III示出对于所述四个实例的对应波前象差。

旋转对称形状可以由等式加以说明：

$z\left(r\right)=\frac{c_0{r}^2}{1+\sqrt{1-c_0^2{r}^2}}+B_4+B_6+B_8+B_{10}+B_{12}+B_{14}$

z为光轴方向上的表面位置(单位mm)，r为到光轴的距离(单位mm)，以及B_k为r的第k幂系数。针对所有的四种情况，面对辐射源的物镜表面的值B₄至B₁₄被列于表II。

实例	1	2	3	4
					玻璃类型	LAK10(Schott)	LAFN28(Schott)	S-LAH59(Ohara)	LASFN31(Schott)
n1(660nm)	1.71548	1.76822	1.81051	1.87400
					n1(405nm)	1.74436	1.79976	1.84608	1.91811
V1	50.4	49.6	46.6	41.0
					d0(mm)	0.027	0.019	0.021	0.020
d1(mm)	1.911	2.281	2.6528	3.1158
					c0(mm-1)	0.5089	0.4804	0.4577	0.4258
c1(mm-1)	0.4545	0.4367	0.4132	0.3861
					B4(mm-3)	-0.0038692065	-0.0077669621	-0.007358103	-0.0061609467
B6(mm-5)	-0.013928053	-0.0034012771	-0.0015370307	-0.00077627718
					B8(mm-7)	0.011563615	0.0015918806	0.000077327348	-0.0002798011
B10(mm-9)	-0.0064570315	-0.0010955801	-0.0002126324	0.00004604568
					B12(mm-11)	0.0017295657	0.00029753255	0.000057256433	-0.000013221979
B14(mm-13)	-0.0001972081	-0.00003802723	-9.3622897 10-6	8.9758754 10-8

                                        表II

实例	1	2	3	4
					轴上(660nm)	23.8mλ	18.9mλ	17.9mλ	18.5mλ
0.5°场(660nm)	38.3mλ	30.4mλ	30.7mλ	31.6mλ
					轴上(405nm)	26.7mλ	11.8mλ	11.1mλ	11.2mλ
0.5°场(405nm)	51.2mλ	48.0mλ	39.8mλ	35.2mλ

                         表III

从光线跟踪结果得出：适合于读取/写入DVD(660nm)及读取/写入HD-DVD(405nm)的平-球形玻璃复制透镜应该优选地遵从下述关系式：

n₁＞1.65

$1.16\≤\frac{V_1}{V_0}\≤1.74$

$2.46\≤n_1+0.55\frac{V_1}{V_0}\≤2.66$

9.96≤6.99n₁-d₁≤10.32

使d1以mm来表示

由于较高阶项，所述结果略微偏离从第三阶分析所得到的结果。

现在参考图2。根据包括在DVD和HD-DVD情况的第一具体实施例的本发明实施例，借助于如所示的光学检拾单元(OPU)，光盘的不同格式可被写入和/或读出。OPU的光学部件被容纳在由模制的铝等形成的坚固外壳内。OPU被设置在光学记录和/或回放设备中，以便于在扫描盘期间OPU沿着盘的被径向设置的线性轴承行进。即将被扫描的每个盘位于相邻于OPU的平面扫描区域内，OPU被安装在回放和/或记录设备内的电动旋转轴承上，借此在回放和/或读取期间所述盘相对于OPU被移动。

即将由设备进行扫描的每个不同格式的盘包括至少一个信息层。信息可以被设置在基本上平行，同心或螺旋轨迹上的从光学上可检测的标志形式被存储于信息层中。所述标志可以任何从光学上可读取的形式，例如以具有反射系数不同于其环境的坑或区域的形式。

OPU包括两个光学分支用于扫描具有两个不同波长，在这个实施例中大约650nm波长(在此被称为“红色波长”)和大约405nm波长(在此被称为“蓝色波长”)的辐射的盘。然而，应该理解根据本发明不同实施例的光学扫描设备可工作在其它波长，并且使用多于两个的波长。

第一光学分支包括被偏振的辐射源2，例如操作在预定波长，在这个实例中为产生第一束4的的半导体激光器。第一分支进一步包括用于将返回束反射向检测器系统8的偏振束分束器6，以及用于产生更加被准直的束的准直透镜10。

二向色分束器(dichroic beam spiltter)12将第一束4反射向光盘OD。在分束器12和光盘OD之间的由设备的两个辐射束所共享的光学路径部分中，放着操作在红色波长和蓝色波长的四分之一波长板，可操作用来在离光轴预定径向距离之外区域内反射处于红色波长的辐射的二向色孔隙，以及根据本发明的双束物镜OL。双束物镜适用于以有限的球面象差将准直的红色波长束正确地聚焦到操作在红色波长的盘如双层DVD盘中信息层上面的光点上，以及将准直的蓝色波长束聚焦到操作在蓝色波长的盘如HD-DVD盘中信息层上面的光点上。

第一束靠四分之一波片14将偏振从线性改变到圆偏振并且被物镜OL聚焦到盘OD的光点上。反射束顺着返回路径，通过四分之一波片14被变换回到展示垂直于入射束的线性偏振，并且被分束器6反射向被设置在检测器系统8中的光电二极管检测器阵列，其中数据，焦点误差和跟踪误差信号得到检测。物镜OL由源自焦点误差信号用以维持光盘OD上面光点的被聚焦状态的伺服信号，以及由源自跟踪误差信号用以维持与目前正在读取的盘OD上面的轨迹对准的伺服信号驱动。

在这个实施例中的第二光学分支包括偏振的辐射源16，例如操作在不同于第一束波长的预定波长，在这个实例中为蓝色波长的半导体激光器，以产生第二束18。第二束的光学路径包括用于重新导引返回束以用于在检测器阵列系统22产生焦点和径向跟踪误差信号的偏振分束器20，以及用于基本上准直第二束的准直透镜24。第二束基本上完全被二向色镜12透射，靠四分之一波片14将偏振从线性改变成圆偏振，并且被聚焦到盘OD中信息层上面的光点上。反射束顺着返回路径，通过四分之一波片14被变换回到展示垂直于入射束的线性偏振，并且被分束器20反射向被设置在检测器系统22中的光电二极管检测器阵列，在此数据信号和跟踪以及焦点误差信号得到检测。物镜OL由源自焦点误差信号以维持光盘10以及检测器阵列上面光点的被聚焦状态以及由源自跟踪误差信号以维持与目前正在被扫描的轨迹对准的伺服信号所驱动。

物镜OL的数值孔径(NA)，如用在红色和蓝色波长情况下那样，大于0.5，并且更优选地大于0.55。在一个实施例中，0.6的NA被使用。在不同的实施例中，0.65的NA被使用。

上述实施例被理解为本发明的示例性实例。本发明的进一步实施例被设想。要理解到就一个实施例所说明的任何特征还可用在其它实施例中。此外，上面未被说明的等效物和修改还可被采用而不偏离本发明的范围，其在所附的权利要求中被加以定义。

Claims (8)

1.一种包括第一部分和第二部分的光学元件，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n1的材料所形成，其中第一部分的阿贝数V₁及第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：

$1.16\≤\frac{V_1}{V_0}\≤1.74.$

2.根据权利要求1的光学元件，其中所述第一部分是平-凸部分。

3.根据权利要求1或2的光学元件，其中所述第一表面是通常的球面形状。

4.根据权利要求1，2或3的光学元件，其中所述第一部分由玻璃材料形成。

5.根据任何一个前述权利要求的光学元件，其中第一部分的折射率n₁和阿贝数V₁与第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：

$2.46\≤n_1+0.55\frac{V_1}{V_0}\≤2.66.$

6.根据任何一个前述权利要求的光学元件，其中第一部分的折射率n₁和厚度d₁遵从下述关系式：

9.96≤6.99n₁-d₁≤10.32，使d1以mm来表达。

7.一种包括根据任何一个前述权利要求的光学元件的光学扫描设备。

8.根据权利要求7的光学扫描设备，其中所述元件是具有数值孔径大于0.5的透镜。

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