CN1708699A

CN1708699A - 光束整形光学元件及用于设计该元件的方法和程序

Info

Publication number: CN1708699A
Application number: CNA2003801024766A
Authority: CN
Inventors: K·哈塔德; P·T·朱特; J·M·A·范登伊伦比姆德
Original assignee: Nalux Co Ltd; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Nalux Co Ltd; Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2005-12-14
Also published as: JP2006515074A; US20060103907A1; WO2004040338A1; JP2004157170A; AU2003278423A1; TWI298395B; AU2003278423A8; US7292397B2; EP1561132A1; KR20050070105A; TW200426391A

Abstract

一种光束整形光学元件，采用使像差最小的非球面轮廓。根据本发明的光束整形光学元件包括入射面和出射面，这两个面在包括光轴的任意平面内都具有非圆形的横截面。根据本发明一个实施方案的光束整形光学元件，其光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，用数学方程式表示入射面和/或出射面，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项、至少一个仅包含变量X的函数的校正项以及至少一个仅包含变量Y的函数的校正项。

Description

光束整形光学元件及用于设计该元件的方法和程序

技术领域

本发明涉及一种光束整形光学元件，该元件用在光通信系统中以及其他领域中的光学存储用途的光学拾取系统中，所述光学存储用途如密致盘(CD)、数字通用盘(DVD)等。本发明具有很宽范围的光束整形用途，包括用于光束与光纤耦合的用途，以及在激光束打印机、扫描仪、用于激光加工的装置、用于二极管泵浦固态激光器的高效LD光学系统及采用光学系统的其他装置中的用途。

背景技术

图5示出一种光学拾取系统的示意图。准直器2将半导体激光器1发射的光变为平行光束。然后光由折叠式反射镜3反射，并引导至物镜4，该物镜将所述光聚焦到用于记录和再现信息的光学信息记录介质5上。

如图7中所示，半导体激光器1发射的光的场图是椭圆形的，其长轴垂直于层方向(接合面)。换句话说，该光束在其光束横截面上呈椭圆形分布的能量。在用于记录用途的常见半导体激光器的情况下，FWHM(半最大值全宽度)在层方向上约为8.5度，在与层方向垂直的方向上约为17度。在与层方向(接合面)垂直的方向上，半导体激光器1发射的光的外部可能没有与准直透镜2耦合，并且没有变为平行光束，因此导致进入光学系统的光损失。此外，变为平行光束的光的横截面具有椭圆形的能量分布。如果光以光点形式聚焦到光学信息记录介质5的表面上，那么该光点也是椭圆形的。

因此，到目前为止已经提出了对半导体激光器发射的光进行整形的各种技术，使具有椭圆形能量分布的光束变为基本上具有圆形能量分布的光束。

图6示出一种光学系统，其中结合多个棱镜以便将具有椭圆形横截面的光变为基本上具有圆形横截面的光。利用棱镜的光学系统具有以下缺点，其尺寸很大、昂贵且组装操作很麻烦。此外，该系统可能产生额外的像差。平行光束对于棱镜的工作是必须的，还需要大数值孔径的准直器。

已经提出了使用折叠式反射镜进行光束整形的另一种技术。例如，参考日本未审查的专利公开No.9-167375。在这种情况下，将用于光束整形的反射镜放置在准直透镜后面，从而使用于光束整形的反射镜和半导体激光器之间的距离更大。因此，需要大数值孔径的准直器。

还提出了另一种技术，其中使用在垂直于光轴的两个方向上具有不同焦距的非球面透镜进行光束整形。日本未审查的专利公开No.6-274931和No.6-294940公开了将超环面透镜用作非球面透镜的技术。此外，日本未审查的专利公开No.2001-6202和No.2001-160234公开了利用具有变形表面的透镜的技术，这种透镜在下面描述。在上述任一种技术中，为实现光束整形功能而将准直透镜的一个或两个表面制成非球面。

作为非球面的超环面可以通过下述过程获得，通过下面示出的方程式(1)定义轮廓，使该轮廓绕平行于X轴并通过Z轴上一点的轴旋转，所述点与原点相距R_y。该形状在Y-Z平面内是球面，在X-Z平面内是非球面。

Z (x) = \frac{c_{x} x^{2}}{1 + \sqrt{(1 + k) {c_{x}}^{2} x^{2}}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i}

(X-Z平面)方程式(1)

c_x是在X-Z平面内的曲线的曲率，R_y是在Y-Z平面内的曲线(圆)的半径。第二项和随后各项是表示与第一项所示的表面的偏离的校正项。

下面示出由方程式(2)表示的变形表面。

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + AR {[(1 - AP) x^{2} + (1 + AP) y^{2}]}^{2}

+BR(1-BP)x²+(1+BP)y²]³+CR[1-CP)x²+(1+CP)y²]⁴+DR(1-DP)x²+(1+DP)y²]⁵

方程式(2)

其中，c_x是在X-Z平面内的曲线的曲率，等于1/R_x，c_y是在Y-Z平面内的曲线的曲率，等于1/R_y。第二项和随后各项是表示与第一项所示的表面的偏离的校正项。AR、BR、CR、DR、AP、BP、CP和DP是校正系数(常数)。

在紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)等的光学拾取系统中，为了精确和高速记录和再现必须使像差最小。因此，也必须使具有光束整形功能的上述透镜的像差最小。

此外，在利用半导体激光器的光通信系统中，为了将半导体激光器发射的光束有效耦合到光纤，则需要类似的光束整形元件，例如在日本公开但未审查的申请(KOKAI)No.11-218649中所描述的。

但是，利用用于非球面的上述方程式(1)和(2)的常规光束整形光学元件始终不能得到使像差最小化的满意结果。

因此，需要使用对透镜表面的不同描述来使利用非球面的光束整形光学元件的像差最小化。

发明概述

在根据本发明的光束整形光学元件中，入射面和出射面在包括光轴的任意平面内都具有非圆形的横截面。

在根据本发明的光束整形光学元件中，具有入射面、与其相对设置的出射面以及光轴，所述光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，并且用数学方程式表示入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数。因此，方程式不包括既是变量X又是变量Y的函数的校正项，而是包括仅包含变量X的函数的至少一个校正项以及仅包含变量Y的函数的至少一个校正项。光束整形光学元件可以具有根据该数学方程式设计的一个表面或两个表面。

因此，可以对该非球面轮廓独立地进行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，从而可以更灵活地设计该元件。

在一个特定实施方案中，光束整形光学元件的入射面和出射面中至少一个具有在包括光轴的任意平面内的非圆形横截面。

在根据本发明实施方案的光束整形光学元件中，仅包含变量X的函数的至少一个校正项包括X的幂与校正因子的乘积，仅包含变量Y的函数的至少一个校正项包括Y的幂与校正因子的乘积。因此，可以对该非球面轮廓独立地进行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，从而可以更容易地进行校正操作。

在特定实施方案中，具有X和Y的相同幂的校正项的校正因子相等。

在根据本发明另一个实施方案的光束整形光学元件中，入射面和出射面中的至少一个由下面的方程式表示

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} - x^{2}) - (1 + k_{2}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

方程式(3)

其中c_x和c_y是在X轴和Y轴方向上的表面曲率，k_x，k_y以及校正因子A_i和B_i是常数。通过调整表示非球面轮廓的第一项中的因子，可以实施光束整形功能。此外，通过独立地改变X和Y校正项的因子，可以使光束从光束整形元件的出射面射出时的像差最小。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，c_x和c_y的值基本上不同。因此，光束整形光学元件在X和Y方向上具有不同的非球面轮廓。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，A_i对于i的至少一个值为非零的，B_j对于j的至少一个值为非零的。可以独立地进行在X方向上的校正和在Y方向上的校正。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，入射面和出射面中的至少一个具有使来自辐射源并已经穿过光束整形光学元件的光束的波前像差最小的形状。可以对该非球面轮廓独立地进行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，从而与常规元件相比可以进一步减小像差。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，将半导体激光器发射的光束的椭圆形横截面变为近似圆形的横截面。

因此，当在光学拾取系统中使用该元件时，半导体激光器的能量更有效地传递到记录介质，从而可以实现光学信息记录介质的更高速记录和再现。

根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件设置在半导体激光器和用于将半导体激光器发射的光变为平行、发散或会聚光的光学元件之间。因此，有利的是，将该光束整形光学元件设置在半导体激光器附近，以获得更高的能量效率和更好的像差校正。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，从半导体激光器的发射点到该元件入射面的距离小于由光束整形光学元件形成的发射点的像到入射面的距离，并且其中该像位于物空间中。

在根据本发明另一实施方案的光束整形光学元件中，满足下面的数学方程式

(NA_out/2)(1/NA_inx+1/NA_iny)＜1

其中NA_out是出射面处的数值孔径，NA_inx和NA_iny分别是入射面在X-Z平面内和Y-Z平面内的数值孔径。

当满足上面的条件时，光束整形光学元件具有前置准直器功能，该功能减小光在这种分束器等的反射镜上的入射角差。将该前置准直器功能结合到光束整形光学元件中减少了光路中的部件数量。将准直功能分给两个元件，即前置准直器和后置准直器的优点是可将前置准直器与光束整形器结合为具有良好热稳定性的组合元件。如果使整个准直功能整合到光束整形器中，那么元件的较高光学强度会降低其热稳定性。准直功能的分割具有以下附加的优点，后置准直器能够具有较大的焦距，从而使具有前置准直器功能的光束整形器与后置准直器之间的距离增大。距离增大可用于将耦合元件放置在光束整形器与后置准直器之间，用于耦入来自另一个光源的辐射，或者将从记录介质返回的光引出到检测系统。

这种光学拾取系统可以有利地用在扫描光学记录介质的光学扫描设备中。该拾取系统包括光电检测器，用于将来自光学记录介质的光变为电信号，所述电信号表示存储在记录载体上的信息。该扫描设备包括与该电信号相连的错误校正电路。该电路设置为校正来自光电检测器的电信号的错误。

用于设计根据本发明的光束整形光学元件的方法涉及一种光束整形光学元件，其中光束整形光学元件的光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，用数学方程式表示光束整形光学元件的入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数。在设计根据本发明的光束整形光学元件的方法中，按照使像差最小的方式进行设计。用于设计根据本发明的光束整形光学元件的方法包括以下步骤：确定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的约束，并获得至少波前像差的优质函数。用于设计根据本发明的光束整形光学元件的方法，包括以下步骤：获得上述约束下的优质函数的值，确定该优质函数的值是否达到所需的值，以及调整至少一个校正项的值以使该优质函数接近该所需的值。

因此，可以独立地调整仅包含变量X的函数的校正项和仅包含变量Y的函数的校正项，从而与常规元件相比可进一步减小像差。

用于设计根据本发明的光束整形光学元件的计算机程序涉及一种光束整形光学元件，其中光束整形光学元件的光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，用数学方程式表示光束整形光学元件的入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数。通过用于设计根据本发明的光束整形光学元件的方法，按照使像差最小的方式进行设计。用于设计根据本发明的光束整形光学元件的计算机程序使计算机执行以下步骤：确定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的约束，并获得至少波前像差的优质函数。用于设计根据本发明的光束整形光学元件的计算机程序使计算机执行以下步骤：获得在上述约束下的优质函数的值，确定该优质函数的值是否达到所需的值，以及调整至少一个校正项的值以使该优质函数接近该所需的值。

因此，可以独立地调整仅包含变量X的函数的至少一个校正项和仅包含变量Y的函数的至少一个校正项，从而与常规元件相比可进一步减小像差。

在根据本发明一个实施方案的设计方法和设计程序中，仅包含变量X的函数的至少一个校正项包括X的幂与校正因子的乘积，仅包含变量Y的函数的至少一个校正项包括Y的幂与校正因子的乘积。因此，可以对非球面轮廓独立地进行在X方向上的校正和在Y方向上的校正，从而可以更容易地进行校正操作。

根据本发明另一实施方案的设计方法和设计程序，涉及一种光束整形光学元件，其中入射面和出射面中的至少一个由下面的方程式表示

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

方程式(3)

其中c_x和c_y是在X轴和Y轴方向上的表面曲率，k_x，k_y以及校正因子A_i和B_i是常数。因此，通过调整表示非球面轮廓的第一项中的因子，可以实施光束整形功能。此外，通过独立地改变X和Y校正项的因子，可以实现使波像差等最小的功能。

制造根据本发明的光束整形光学元件的方法利用了设计根据本发明的光束整形光学元件的方法。因此，可以制成比常规光束整形光学元件的像差更小的光束整形光学元件。

根据本发明的计算机程序产品与计算机一起使用，以实现根据本发明的设计方法。因此，利用根据本发明的计算机程序产品，可以设计出比常规光束整形光学元件的像差更少的光束整形光学元件。

附图简述

图1示出根据本发明一个实施方案的光束整形光学元件；

图2示出包括根据本发明一个实施方案的光束整形光学元件的光学拾取系统；

图3示出包括覆有涂层的分束器的光学拾取系统；

图4示出覆有涂层的分束器；

图5示出典型的光学拾取系统；

图6示出通过棱镜组合将光束的椭圆形横截面变为圆形横截面的系统；

图7示出半导体激光器的横截面；

图8示出光束整形光学元件的入射面和出射面的数值孔径之间的关系；

图9示出仅由方程式(3)的第一项表示的表面形状的实施例；

图10示出用方程式(3)表示的表面形状的实施例；

图11示出用y＝0的平面截取图9的表面而得到的横截面；

图12示出图11的横截面轮廓的微分曲线；

图13示出用y＝0的平面截取图10的表面而得到的横截面；

图14示出图13的横截面轮廓的微分曲线；以及

图15示出根据本发明的用于设计光束整形光学元件的方法。

发明详述

参考图2描述了利用根据本发明的光束整形光学元件的光学拾取系统的实施方案。根据本发明的光束整形光学元件9置于半导体激光器10和用于将半导体激光器10发出的光变为平行光或会聚光的元件11(例如，准直器)之间。当半导体激光器10发出的光束穿过该光束整形光学元件时，光束的椭圆形横截面整形为基本上圆形的横截面。光束整形光学元件9传递具有发散角的光，该发散角与将光变为平行光或会聚光的元件11的数值孔径相对应。光束整形光学元件9作为前置准直器而工作，元件11作为后置准直器而工作。折叠式反射镜12上反射的光穿过将光变为平行光或会聚光的元件11，通过物镜系统聚焦到光学信息记录介质14上。物镜系统可以具有一个或多个光学元件；该图示出了具有一个透镜形式的光学元件13的物镜系统。光束整形光学元件优选是单个元件。

在图2所示的实施方案中，分别提供光束整形光学元件9和用于将光变为平行光或会聚光的元件11(例如，准直透镜)。分别提供这些元件的这种结构具有以下优点。第一，使用准直透镜可以减少因物镜在垂直于光轴的方向上移动而引起的像差变化。为了减少因物镜移动而引起的像差变化，准直透镜的尺寸与物镜的尺寸相比必须足够大。这样，准直透镜必须位于与半导体激光器10相隔预定距离处。第二，即使准直透镜必须位于与半导体激光器相隔预定距离处，但为了更好地校正像差，有利的是，光束整形光学元件可位于半导体激光器附近。

这样，在本实施方案的这种结构中，光束整形光学元件9和用于将光变为平行光或会聚光的元件11是分别提供的。但是，本发明同样可应用于整体型元件，所述整体型元件可提供整形功能和将光变为平行光或会聚光的功能。

根据本发明的光束整形光学元件可以具有前置准直器功能，这一功能减小了从该元件射出的光的发散角。当这样的光束入射到设置在该元件之后的分束器上时，该光束入射到分束器的反射镜涂层和抗反射涂层上的角度更小，这就简化了涂层的设计。

光学拾取系统需要前置准直器功能的原因将参考图3和4来说明。在图3中，半透明的折叠式反射镜用作分束器，并设置在覆有涂层的分束器以及准直器之间。根据光的偏振方向，覆有涂层的分束器反射光或者使光穿过。光在覆有涂层的分束器上反射，然后在聚焦到光学信息记录介质上之前穿过准直器、1/4波片和物镜。在光学信息记录介质上反射的光穿过物镜，然后穿过1/4波片，因此光的偏振方向旋转90度。然后光穿过分束器，引向光电探测器(PD)。当光沿着其朝向光学信息记录介质的路径在分束器上反射，并且沿着其来自光学信息记录介质的路径穿过分束器时，覆有涂层的分束器的特性取决于光束在覆有涂层的分束器上的入射角。入射角的大差值产生相位的较大变化，以及涂层反射率的变化。例如，如图4所示，当使光在覆有涂层的分束器上反射时，较大的发散角导致来自半导体激光器的“上方光”和“下方光”之间在覆有涂层的分束器上的入射角的较大差值。这种入射角的较大差值产生这样一个问题，即在束斑中光的相位和能量不均匀。为了避免这一问题，必须将前置准直器放置在半导体激光器和分束器之间，该前置准直器用于减小发散角，因此减小光在覆有涂层的分束器上的入射角差。

为了向根据本发明的光束整形光学元件提供前置准直器功能，应该使半导体激光器的发射点和该元件的入射面之间的距离小于该元件的虚点和该元件的入射面之间的距离。为此，在设计该元件时加入下面的条件。更具体的是，在下面参考图15描述的设计过程中，增加下述条件。

(NA_out/2)(1/A_inx+1/N_iny)＜1

其中NA_out是出射面的数值孔径，NA_inx和NA_iny是入射面沿X和Y轴的数值孔径，X轴和Y轴彼此正交，并与光轴正交。如图8所示，半导体激光器的发射点和元件的入射面之间的距离S₁小于元件的虚点和元件的入射面之间的距离S₂。

通过调整物镜13的数值孔径值将聚焦在光学信息记录介质上的光点设置为具有所需的尺寸，从而在光学信息记录介质14上适当地进行记录和再现。由于按照使光束横截面基本上为圆形的方式对光束进行整形，因此也使该光点基本上为圆形。此外，由于在光束入射到用于将半导体激光器10发射的光变为平行光或会聚光的元件11之前已经使该光束的横截面成为基本上圆形的形状，因此使得直到光束形成光点时引起的光束能量损失减到最小。此外，得到具有最小像差的光束。这样，最后得到的光束的较高能量效率能够在光学信息记录介质14的记录和再现中得到较高的记录密度和较高的速度。

下面描述根据本发明的光束整形光学元件9。根据本发明的光束整形光学元件9具有由下面的方程式(3)表示的至少一个表面。尽管方程式(3)的第一项与方程式(2)的第一项相同，但是第二项和随后的校正项与方程式(2)的不同。方程式(3)的各校正项的特征在于通过独立因子来修正包括X的项和包括Y的项。

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

方程式(3)

其中c_x和c_y是在X轴和Y轴方向上的表面曲率，k_x、k_y以及校正因子A_i和B_i是常数。

参考图9至14描述方程式(3)的各校正项的功能。图9示出仅由方程式(3)的第一项表示的双锥形表面的实例。图10示出由方程式(3)表示的表面。在图9中，在X和Y方向上的曲率互不相同。在图10中，在X方向上的表面形状很复杂。图11示出由y＝0的平面截取图9的表面而得到的横截面。此外，图12示出表示图11中横截面轮廓的微分函数的曲线。图13示出由y＝0的平面截取图10的表面而得到的横截面。此外，图14示出图13中横截面轮廓的微分曲线。

从上述图中可以看出，由于可通过独立因子来修正包括X的各校正项和包括Y的各校正项，因此可以更加灵活地设计表面。因此，在光束的横截面成为基本上圆形时可以设计出产生较少像差的元件。另一方面，由于不能通过用于X和Y的独立因子来修正方程式(2)的第二项和随后的各项，因此设计的灵活性逊于方程式(3)。

下面参考图15说明根据本发明的设计光束整形光学元件的方法的概要。在设计中，可以使用模拟光束整形光学元件的光学特性的商业软件(例如Focus Software有限公司的Zemax)。在步骤S10中，确定光束整形光学元件的初始形状。根据半导体激光器10发射的光束的横截面形状、用于将半导体激光器10发射的光变为平行光或会聚光的元件11的数值孔径等等来确定光束整形光学元件的初始形状。在步骤S20中，确定约束和优质函数。所述约束包括光束在光束整形光学元件的入射面和出射面的状态等等。优质函数例如是对于光束像差的函数。在步骤S30中，在约束下得到优质函数的值。在步骤S40中，确定该优质函数的值是否达到所需的值。如果该函数已经达到所需的值，那么过程结束。如果该值没有达到所需的值，那么在步骤S50中调整方程式(3)的一个或多个参数。根据本发明，通过独立因子可以修正包括X的各校正项和包括Y的各校正项，因此有利的是可以更灵活地调整这些参数。此外，在步骤S60中，如果需要可以调整所述约束。程序回到步骤S30，重复这些步骤，直到优质函数达到所需的值。

此外，可以建立用于实施上述设计过程的程序。该设计程序可以包括模拟光束整形光学元件的光学特性的程序。该设计程序设计为具有实施图15中示出的每个步骤的计算机。此外，该设计程序可以具有交互功能，因此可以通过与设计者的交互作用来执行步骤S20中约束和优质函数的确定，步骤S50中参数的调整，以及步骤S60中约束的调整。在这种情况下，可以将各种约束和优质函数存储在计算机的存储设备中，并向设计者展示，因此设计者可以选择它们中的任意一个。此外，可以将步骤S50中调整参数的方法和步骤S60中调整约束的方法以各种方式存储在计算机的存储设备中，并向设计者展示，因此设计者可以选择它们中的任意一个。

表1中描述了通过上述过程得到的光束整形光学元件的形状的实例。在该实例中，入射和出射面都用方程式(3)来表示。这样，表1示出方程式(3)的各个因数的值。

表1

表面1(入射面)

R_x	R_y	k_x	k_y	A₄	A₆	B₄	B₆
R_x	R_y	k_x	k_y	A₄	A₆	B₄	B₆	6.03	-0.60	0.000	1.710	-0.0084	-0.0010	1.0289	6.5073

表面2(出射面)

R_x	R_y	k_x	k_y	A₄	A₆	B₄	B₆
R_x	R_y	k_x	k_y	A₄	A₆	B₄	B₆	-7.60	-2.37	0.809	0.044	0.0033	-0.0002	0.0006	-0.0007

中心厚度：2.7mm

此外，图1中示出了具有表1表示的表面的光束整形光学元件在包括光轴的YZ横截面中的形状，以及在包括光轴的XZ横截面中的形状。YZ横截面中的入射面7a的形状具有负曲率，而XZ横截面中的入射面7b的形状具有正曲率。这些曲率使光束从椭圆形横截面整形为基本上圆形的横截面。

在一个实例中，光束整形光学元件由烯烃共聚物制成，但是也可以由其他塑料制成。

表2中示出了利用方程式(3)设计的光束整形光学元件实例的像差与具有方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光学元件的像差之间的比较。具有通过方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光学元件按照与图15中所示类似的过程进行设计。

表2

λRMS	SA	6^thSA	8^thSA	AS	4^thAS	4^thAS	二次AS	总计
λRMS	SA	6^thSA	8^thSA	AS	4^thAS	4^thAS	二次AS	总计	方程式(3)	0.0000	0.0003	0.0001	0.0002	0.0000	0.0000	0.0000	0.0004
方程式(1)	0.0090	0.0001	0.0028	0.0020	0.0002	0.0005	0.0100	0.0142	方程式(3)	0.0000	0.0003	0.0001	0.0002	0.0000	0.0000	0.0000	0.0004
方程式(1)	0.0090	0.0001	0.0028	0.0020	0.0002	0.0005	0.0100	0.0142	方程式(2)	0.0013	0.0012	0.0006	0.0013	0.0008	0.0000	0.0004	0.0029

在表2中，“SA”表示球面像差，“AS”表示像散。“二次AS”表示二次像散。“总计”表示波像差。任何像差都以单位为λ的均方根值给出。与具有方程式(1)和(2)表示的表面的光束整形光学元件产生的像差相比，根据本发明的光束整形光学元件产生的像差显著减小。

方程式(3)的各校正项可以更灵活地设计表面，因此可以实现具有最小像差的光束整形光学元件。

Claims

1.一种光束整形光学元件，具有入射面，与其相对设置的出射面，以及光轴，其中光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，并且用数学方程式表示入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数。

2.根据权利要求1所述的光束整形光学元件，其中仅包含变量X的函数的至少一个校正项包括X的幂与校正因子的乘积，仅包含变量Y的函数的至少一个校正项包括Y的幂与校正因子的乘积。

3.根据权利要求1所述的光束整形光学元件，其中入射面和出射面中的至少一个由下面的数学方程式表示

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

其中c_x和c_y是在X轴和Y轴方向上的表面曲率，k_x、k_y以及校正因子，A_i和B_i是常数。

4.根据权利要求3所述的光束整形光学元件，其中c_x和c_y的值基本上不同。

5.根据权利要求3所述的光束整形光学元件，其中A_i对于i的至少一个值为非零的，B_j对于j的至少一个值为非零的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光束整形光学元件，其中入射面和出射面中的至少一个具有使来自辐射源并已经穿过光束整形光学元件的光束的波前像差最小的形状。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光束整形光学元件，其中将辐射源提供的光束的椭圆形横截面转换为基本为圆形的横截面。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光束整形光学元件，其中该光束整形光学元件设置在半导体激光器和用于将半导体激光器发射的光束变为平行、发散或会聚光束的光学元件之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光束整形光学元件，其中从半导体激光器的发射点到该元件的入射面的距离小于由光束整形光学元件形成的发射点的像到入射面的距离，并且其中该像位于物空间。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光束整形光学元件，其中满足下面的数学方程式

(NA_out/2)(1/NA_inx+1/NA_iny)＜1

11.一种光学拾取系统，用于扫描光学记录介质并具有光源和用于将光源发射的光束会聚到记录介质上的物镜，其中将根据前面权利要求中任一项所述的光束整形元件设置在光源和物镜系统之间的光路中。

12.一种光学扫描设备，用于扫描光学记录介质并具有权利要求11的光学拾取系统，其中该拾取系统包括光电检测器，用于将来自光学记录介质的光转换为电信号，所述电信号表示存储在记录载体上的信息，该扫描设备包括与该电信号相连的错误校正电路。

13.一种按照使像差最小的方式来设计光束整形光学元件的方法，该光束整形光学元件的光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，用数学方程式表示光束整形光学元件的入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数，该方法包括以下步骤：

确定包括光束在入射面的聚散度和光束在出射面的聚散度的约束；

获得至少对于波前像差的优质函数；

获得上述约束下的优质函数的值；

确定该优质函数的值是否达到所需的值，以及

调整至少一个校正项以使该优质函数接近该所需的值。

14.根据权利要求13所述的用于设计光束整形光学元件的方法，其中该元件的入射面和出射面中的至少一个由下面的数学方程式表示

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

15.一种用于制造光束整形光学元件的方法，包括根据权利要求13或14所述的设计光束整形光学元件的步骤，以及根据该设计制造该光学元件的步骤。

16.一种按照使像差最小的方式来设计光束整形光学元件的计算机程序，该光束整形光学元件的光轴与三轴直角坐标系XYZ的Z轴重合，用数学方程式表示光束整形光学元件的入射面和出射面中的至少一个，所述数学方程式包括表示非旋转对称的非球面轮廓的项和多个校正项，每个校正项都是变量X或Y的函数，至少一个校正项是变量X的函数，至少一个校正项是变量Y的函数，程序使计算机执行以下步骤：

获得至少对于波前像差的优质函数；

获得在上述约束下的优质函数的值；

确定该优质函数的值是否达到所需的值，以及

调整至少一个校正项以使该优质函数接近该所需的值。

17.根据权利要求16所述的用于设计光束整形光学元件的计算机程序，其中仅包含变量X的函数的至少一个校正项包括X的幂与校正因子的乘积，仅包含变量Y的函数的至少一个校正项包括Y的幂与校正因子的乘积。

18.根据权利要求16所述的用于设计光束整形光学元件的计算机程序，其中该元件的入射面和出射面中的至少一个由下面的方程式表示

Z = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) ({c_{x}}^{2} x^{2}) - (1 + k_{y}) ({c_{y}}^{2} y^{2})}} + Σ_{i = 1}^{m} A_{i} x^{2 i} + Σ_{i = 1}^{m} B_{i} y^{2 i}

19.一种包含在有形介质中的计算机程序产品，用于操纵计算机实施如权利要求13所述的方法。