CN1729519A - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描装置(1)，用于通过辐射光束(4)扫描信息层(2)。该装置包含用于提供所述辐射光束的辐射源(7)，用于将所述辐射光束转变为信息层位置处的扫描光点(19)的物镜(10)，以及光束强度修改器(8)，用于重新分布所述辐射光束的横截面上的强度(I₂)，以改变所述扫描光点的大小。光束强度修改器具有入射光瞳(8a)和出射光瞳(8b)。而且，将该光束强度修改器设置为使在与所述辐射光束中心光线相距r1的位置进入所述光束强度修改器的所述辐射光束的任何光线都在所述入射光瞳和出射光瞳之间反射至少两次，从而通过距离r1的递减函数来定义所述修改器的横向放大率M。

Description

光学扫描装置

本发明涉及一种光学扫描装置，用于通过预定波长的辐射光束扫描光学记录载体的信息层，该装置包含：

辐射源，用于提供所述辐射光束，

物镜，用于将所述辐射光束转变为信息层位置处的扫描光点，以及

光束强度修改器，具有设置在所述辐射源一侧的入射光瞳和设置在所述物镜一侧的出射光瞳，用于重新分布所述辐射光束的横截面上的强度，以改变所述扫描光点的大小。

本发明还涉及一种用在这种光学扫描装置中的光束强度修改器。

“扫描信息层”指的是通过辐射光束来扫描，用以读出该信息层中的信息(“读模式”)、在该信息层中写入信息(“写模式”)和/或擦除该信息层中的信息(“擦除模式”)。

辐射光束的“横截面”指的是在与光束的中心光线垂直的平面内该光束的横截面。

“波前像差”涉及下面的内容。用于将物变为像的具有光轴的光学元件，例如准直透镜，会引入“波前像差”W_abb，从而降低图像的质量。波前像差具有以不同阶的所谓Zernike多项式表示的不同类型。第一阶波前像差例如波前倾斜或畸变。第二阶波前像差例如场的像散和弯曲以及散焦。第三阶波前像差例如慧差。第四阶波前像差例如球面像差。关于代表上述波前像差的数学函数的更多信息参见例如由M.Born和E.Wolf撰写的题为“Principles of Optics”的书，pp.464-470(Pergamon Press 6^th Ed.)(ISBN 0-08-026482-4)。波前像差W_abb的“OPD”指的是该波前像差的光程差。该光程差OPD的均方根值OPD_rms由下面的方程式给出：

$\mathrm{OP}{D}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\∫\∫{g(r,\mathrm{\θ})}^2\mathrm{rdr}}{\∫\∫\mathrm{rdrd\θ}}-{\left(\frac{\∫\∫g(r,\mathrm{\θ})\mathrm{rdrd\θ}}{\∫\∫\mathrm{rdrd\θ}}\right)}^2}$

其中：“g”是描述波前像差W_abb的数学函数，“r”和“θ”是与光轴正交的平面内极坐标系的极坐标(r，θ)，该极坐标系的原点是该平面与光轴的交点，并且延续相应的光学元件的入射光瞳。

在光学存储器领域中通常所关心的是增大信息密度，即信息层的每单位面积上所存储的信息量。该信息密度尤其取决于该扫描装置在待扫描的信息层上形成的扫描光点的大小。增大信息密度的一种方法是通过增大辐射光束入射到物镜上的边缘强度来减小扫描光点的大小。

例如可以从Fumihiro Tawa，Shin-ya Hasegawa，Akio Futamata和Takashi Uchiyama撰写的论文“Flat Intensity Lens with HighOptical Efficiency and Small Spot Size for Use in OpticalDisc”，SPIE Vol.3864，pp.37-Joint International Symposium onOptical Memory and Optical Data Storage 1999，Koloa，Hawaii，July 1999)中获知一种光学扫描装置，用于通过预定波长的辐射光束扫描光学记录载体的信息层。这种已知的光学扫描装置包含辐射源，物镜和光束强度修改器。已知的辐射源提供辐射光束。已知的物镜将辐射光束转变为信息层位置处的扫描光点。已知的光束强度修改器重新分布辐射光束的强度，以改变扫描光点的大小。该光束强度修改器具有置于辐射源一侧的入射光瞳和置于物镜一侧的出射光瞳。

在本说明书中，“边缘光线”指的是在透镜入射光瞳的边缘或边界处进入物镜的辐射光束的光线。并且“边缘强度”指的是标准值，等于在物镜入射光瞳的边缘或边界处进入物镜的辐射光束的强度，除以强度的最大值，该强度的最大值即光束中心处的强度。在下文中，并且仅仅作为说明，“高边缘强度”指的是边缘强度等于或大于70％，“低边缘强度”指的是边缘强度小于70％。要注意，当辐射光束完全覆盖物镜的入射光瞳时，即当进入物镜的辐射光束的尺寸大于物镜的圆形入射光瞳的半径时，可以确定这种边缘光线和强度。

关于上述已知的光学扫描装置，要注意的是，已知的光束强度修改器包含所谓的“强度平坦透镜”(flat intensty lens)，用于重新分布辐射光束的强度。强度平坦透镜是公知的，例如可以从B.RoyFrieden撰写的论文“Lossless Conversion of a Plane Laser Wayeto a Plane Wave of Uniform Irradiance”，Applied Optics vol.4pp 1400-1403，1965中获知。这种透镜重新分布辐射光束的强度，例如将以高斯型强度进入透镜的辐射光束转变为以强度平坦的从透镜射出的辐射光束。这样，在从Fumihiro Tawa等人的所述论文中获知的光学装置中，强度平坦透镜改变入射到物镜上的辐射光束的边缘强度，以改变扫描光点的大小。

具有这种强度平坦透镜的已知装置的缺点是对辐射光束的波长变化非常敏感。作为说明，用作辐射源的常规二极管激光器提供波长变化通常为5nm的辐射光束，例如波长从405nm变为410nm。表I示出在波长变化为5nm的情况下，由已知的光束强度修改器引起的所得像差W_abb和那些像差W_abb的量的OPD_rms值。根据光线跟踪模拟计算出这些OPD_rms值。

表I：

Wabb	OPDrms[Wabb]
		W40(第三阶球面像差)	44mλ
W60(第五阶球面像差)	13mλ

要注意，5nm的波长改变使已知光束强度修改器引起的球面像差的OPD_rms值相对较大，即等于或大于1mλ。

已知装置的另一个缺点是对于该扫描装置的其他光学部件的未对准敏感，由此使得在该辐射光束中引入了慧差。例如，如果辐射源和已知强度平坦透镜之间沿光轴有5μm的线性位移，那么对于第三阶球面像差来说，所引入的慧差量的OPD_rms值等于86mλ，对于第五阶球面像差来说，该OPD_rms值等于26mλ。又例如，如果强度平坦透镜的入射面和出射面的顶点之间沿光轴有1μm的线性位移，那么对于第三阶球面像差来说，所引入的慧差量的OPD_rms值等于106mλ，对于第五阶球面像差来说，该OPD_rms值等于39mλ。再例如，如果强度平坦透镜的入射面和出射面的法线之间有0.03°的角位移，那么对于第三阶球面像差来说，所引入的慧差量的OPD_rms值等于133mλ，对于第五阶球面像差来说，该OPD_rms值等于34mλ。

本发明的目的是提供一种光学扫描装置，该装置包含用于提供辐射光束的辐射源，用于将该辐射光束转变为扫描光点的物镜，和用于改变该扫描光点大小的光束强度修改器，同时该装置与已知的扫描装置相比，对于波长变化不太敏感。

所述目的通过如开篇段落中所描述的光学扫描装置来实现，其中根据本发明，将所述光束强度修改器设置为使在与所述辐射光束中心光线相距r₁的位置进入所述光束强度修改器的所述辐射光束的任何光线都在所述入射光瞳和出射光瞳之间反射至少两次，从而通过距离r₁的递减函数来定义所述强度修改器的横向放大率M。在本说明书中，“横向放大率M是距离r₁的递减函数”表示进入该光束强度修改器的辐射光束具有中心部分和边缘部分，且中心部分的任何光线的横向放大率M都大于边缘部分的任何光线的横向放大率M。并且，在本说明书中，辐射光束的“中心和边缘部分”表示辐射光束的横截面上两个不重叠的区域，其中中心部分的任何光线到该辐射光束的中心光线的距离比边缘部分的任何光线到该中心光线的距离小。并且，横向放大率M的第一值M₁“大于”该放大率的第二值M₂，在这种情况下，

优选大于0.1。

因此，由于反射该辐射光束使其通过该光束强度修改器(而不是如在已知光束强度修改器中折射)，导致该光束强度修改器与已知装置中的准直透镜相比，对波长的变化非常不敏感。

根据本发明的另一方面，所述光束强度修改器具有入射面和出射面，该入射面和出射面分别具有：第一部分和第二部分，这两个部分反射所述预定波长的辐射光束；第三部分和第四部分，使所述预定波长的辐射光束折射，其中，所述第一和第三部分彼此不重叠，所述第二和第四部分彼此不重叠。要注意的是，当将这种修改器设计为透镜时，可将其构造为Schwarzschild透镜。

要注意的是，可从PH NL010444和PH NL020076中可获知在光学扫描装置中作为物镜所使用的Schwarzschild透镜。这些已知的光学扫描装置中的每一个都在两种模式下工作，在第一种模式中(波长为405nm)，物镜起反折射透镜系统的作用，在第二种模式中(第二波长为660nm)，物镜起折射透镜系统的作用。然而，在已知的装置中，第一和第二波长基本上彼此不同，即相差大于10nm。相反，根据本发明的光学扫描装置可在波长为5nm的范围内变化的一种模式下工作。而且，尽管PH NL010444和PH NL020076教导了在扫描不同格式的记录载体时如何提供具有反折射布置的物镜，用以补偿因信息层厚度变化所引起的球面像差，但是这些现有技术既没有教导也没有建议如何使用Schwarzschild透镜来补偿因波长变化引起的球面像差。

本发明的目的、优点和特征将从下面如附图中显示的本发明的更详细的描述中显而易见，其中：

图1是根据本发明的光学扫描装置的各个部件的示意性说明图，

图2示出图1中光束强度修改器的第一实施例的横截面，

图3和4分别示出代表辐射光束在图2中所示光束强度修改器的入射光瞳和出射光瞳处强度的两条曲线，

图5示出图1中所示的光束强度修改器的第二实施例的横截面，

图6和7分别示出代表辐射光束在图5中所示光束强度修改器的入射光瞳和出射光瞳处强度的两条曲线，以及

图8示出图1中光束强度修改器的第三实施例的横截面。

图1是根据本发明的光学扫描装置的各个部件的示意图，该光学扫描装置用附图标记1来表示。光学扫描装置1能够用辐射光束4扫描至少一个光学记录载体3的至少一个信息层2。

通脱图释说明，光学记录载体3包含透明层5，信息层2置于该透明层的一侧。通过保护层6来保护该信息层上与透明层5相反的一侧，使其不受环境影响。透明层5通过对信息层2提供机械支撑而作为光学记录载体3的基底。可替换的是，透明层5可以仅具有保护信息层2的作用，而通过位于信息层2另一侧上的一层来提供机械支撑，例如通过保护层6，或者通过附加的信息层和连接到最上面信息层的透明层来提供机械支撑。要注意的是，该信息层具有与透明层5相对应的信息层厚度。信息层2是载体3的一个表面。该表面包含至少一个轨道，即聚焦辐射的光点所遵循的路径，光学可读的标记设置在该路径上以表示信息。所述标记可以是例如反射系数或磁化方向不同于周围的多个凹坑或多个区域的形式。

光学扫描装置1包含辐射源7，分束器9，具有光轴11的物镜10和检测系统12。并且，该光学扫描装置包含光束强度修改器，在该实施例中，所设置的该光束强度修改器用作准直透镜。在下文中，该光束强度修改器和准直透镜用同一个附图标记8来表示。可替换的是，该光束强度修改器和准直透镜可以形成为两个独立的元件。此外，光学扫描装置1包含伺服电路13、聚焦致动器14、径向致动器15和用于校正误差的信息处理单元16。

在下文中，“Z轴”与物镜10的光轴11一致。“0”是光轴11和信息平面2之间的交点。在光学记录载体3是圆盘形状的情况下，相对于给定的轨道定义下面的术语：“径向”是该轨道和该圆盘中心之间的参考轴的方向，即X轴的方向，“切向”是与该轨道正切且垂直于X轴的另一轴的方向，即Y轴的方向。要注意的是，(O，X，Y，Z)形成与信息平面2的位置相关联的正交基础。

辐射源7提供所需波长λ的辐射光束4。例如，辐射源7包括用于提供辐射光束4的半导体激光器。要注意的是，由辐射源7提供的辐射光束4的实际波长在λ-Δλ和λ+Δλ之间变化。通常，该变化2Δλ等于5nm。在下文中并且仅仅作为说明，从辐射源7发射的辐射光束4具有圆形横截面。可替换的是，辐射光束4具有椭圆形横截面。

沿着辐射光束4的光路设置准直透镜8，在该实施例中，该准直透镜位于辐射源7和分束器9之间。准直透镜8将辐射光束4变为基本上准直的光束17。准直透镜8的光轴与物镜10的光轴11相同。

在该实施例中，在准直透镜8和物镜10之间设置分束器9。分束器9朝物镜10透射准直的辐射光束17。

物镜10将辐射光束25变为聚焦辐射光束18，从而在信息层2的位置上形成扫描光点19。在图1所示的实施例中，物镜10具有入射光瞳10a和出射光瞳10b，该入射光瞳和出射光瞳关于光轴11旋转对称：入射光瞳10a具有圆形的边缘或边界。在下文中，“R₀”是入射光瞳10a的半径(正值)，并且仅仅作为说明，R₀等于1.5mm。要注意的是，物镜可形成为用在无限共轭模式下的复合透镜，如组合多个折射元件的透镜。可利用如UV固化漆的光致聚合作用通过金刚石车削工艺或光刻工艺来形成这种复合透镜。还要注意的是，图1中所示的物镜10形成为双凸透镜；但是，可以使用其他透镜元件类型，如平凸透镜或凹凸的透镜。可替换的是，该光学扫描装置可包含设置在准直透镜和物镜之间的一个或多个前置物镜，从而形成复合的物镜系统。

设置光束强度修改器8，用于重新分布辐射光束17的强度，以便改变扫描光点19的尺寸。光束强度修改器8具有位于辐射源7一侧的入射光瞳和位于物镜10一侧的出射光瞳。在图1所示的实施例中，“O₁”是光轴11和入射光瞳8a之间的交点，“X₁轴”和“Y₁轴”是入射光瞳8a的彼此正交的两个轴，“Z₁轴”是与入射光瞳8a正交并通过点O₁的轴。要注意的是，(O₁，X₁，Y₁，Z₁)形成与入射光瞳8a的位置相关联的正交基础。还要注意的是，在图1所示的实施例中，入射光瞳8a的中心位于物镜10的光轴11上：因此，X_1-、Y_1-和Z_1-轴分别平行于X-、Y-和Z-轴。同样，“O₂”是光轴11和出射光瞳8b之间的交点，“X₂轴”和“Y₂轴”是出射光瞳8b的彼此正交的两个轴，“Z₂轴”是与出射光瞳8b正交并通过点O₂的轴。要注意的是，(O₂，X₂，Y₂，Z₂)形成与出射光瞳8b的位置相关联的正交基础。还要注意的是，在图1所示的实施例中，出射光瞳8b的中心位于物镜10的光轴11上：因此，X_2-、Y_2-和Z_2-轴分别平行于X-、Y-和Z-轴。

而且，将光束强度修改器8设置为使在与所述辐射光束4中心光线相距r₁的位置进入所述光束强度修改器8的所述辐射光束的任何光线都在光束强度修改器8的所述入射光瞳和出射光瞳8a和8b之间反射至少两次，从而使该强度修改器的横向放大率M是距离r₁的递减函数。要注意的是，在该实施例中，辐射光束4具有圆形横截面，且距离r₁等于在入射光瞳8a中的该光线与光轴11之间的距离；换句话说，r₁是与笛卡儿坐标系(O₁，X₁，Y₁)相关的第一极坐标。

从B.Roy Frieden撰写的所述论文中已经知道，通过辐射源7提供的辐射光束4是高斯型光束、并且利用近轴近似法的情况下，用下面的方程式给出以距离r1进入光束强度修改器8的入射光瞳8a中的辐射光束4的光线的横向放大率M：

$M=\frac{R_{\mathrm{exit}}}{r_1}\sqrt{\frac{1-e^{-{\left(\frac{r_1}{\mathrm{\α}}\right)}^{2}4\ln 2}}{{1-e}^{-{\left(\frac{R_{\mathrm{entrance}}}{\mathrm{\α}}\right)}^{2}4\ln 2}}}\·\·\·\left(1\right)$

其中“R_entrance”是光束强度修改器8的入射光瞳8a的半径，“R_exit”是光束强度修改器8的出射光瞳8b的半径，“α”是尤其取决于辐射光源7的参数(在辐射光束4是高斯型光束的情况下，参数α是所谓的半最大值全宽度(F.W.H.M.))。在下文中，并且仅仅作为说明，参数α等于5.73mm(在辐射光束4具有圆形横截面的情况下)。可替换的是，在辐射光束4具有椭圆形横截面的情况下，参数α具有分别关于该横截面的短轴和长轴的不同的两个值。进一步，详细地描述光束强度修改器8。

在扫描过程中，记录载体3在一轴(图1中未示出)上旋转，然后通过透明层5扫描信息层2。聚焦辐射光束18在信息层2上反射，由此形成反射光束21，该反射光束沿前进的会聚光束18的光路返回。物镜10将所反射的辐射光束21转变为反射的基本上准直的辐射光束22。分束器9通过向检测系统12透射至少一部分反射的辐射光束22而使前进的辐射光束17与反射的辐射光束22分开。

检测系统12包含会聚透镜23和象限检测器24，该象限检测器用于捕获反射的辐射光束22的所述部分。象限检测器24将这一部分反射的辐射光束22转变为一个或多个电信号。这些电信号中之一是信息信号I_data，其值代表在信息层2上扫描的信息。通过信息处理单元16来处理信息信号I_data以便进行误差校正。来自检测系统12的其他信号是聚焦误差信号I_focus和径向跟踪误差信号I_radial。信号I_focus代表在Z轴上的扫描光点19和信息层2的位置之间的轴向高度差。优选的是，通过“像散法”形成信号I_focus特别是从G.Bouwhuis，J.Braat，A.Huijser等人撰写的题为“Principles of Optical Disc Systems”一书中第75-80页(Adam Hilger 1985)(ISBN 0-85274-785-3)获知所述方法。径向跟踪误差信号I_radial代表在信息层2的XY平面内，位于扫描光点19和信息层2的轨道中心之间的距离，扫描光点19遵循信息层2的所述轨道。优选的是，根据“径向推挽法”形成信号I_radial，特别是从G.Bouwhuis撰写的一书中第70-73页获知所述方法。

设置伺服电路13以便为响应于信号I_ficus和I_radia1提供分别控制聚焦致动器14和径向致动器15的伺服控制信号I_control。聚焦致动器14控制物镜10沿Z轴的位置，由此控制扫描光点19的位置，从而使其与信息层2的平面基本上重合。径向致动器14控制物镜10沿X轴的位置，由此控制扫描光点19的径向位置，从而使其与信息层2中遵循的轨道的中心线基本上重合。

现在进一步详细地描述光束强度修改器8。如已经提到的，该修改器用于改变扫描光点19的光功率，从而使该扫描光点具有所需的尺寸。由此，光束强度修改器8将以进入入射面8a的在辐射光束4横截面具有强度I₁的辐射光束4转变为从出射面8b射出的在辐射光束17横截面具有强度I₂的辐射光束17。

图2示出图1中所示的光束强度修改器(和准直透镜)8的第一实施例的横截面。如图2中所示，光束强度修改器8具有入射面8a和出射面8b。在该实施例中，入射面8c具有第一部分81，出射面8d具有第二部分82。第一和第二部分81和82反射(辐射光束4的)所述预定波长。在图2中所示的实施例中，第一部分81是相对于光束强度修改器8的光轴的中心部分，所述光轴在该实施例中即为光轴11，第二部分82是相对于该光轴的边缘部分。要注意的是，部分81和82的设置减小了辐射光束17的横截面尺寸。在本说明书中，相对于光轴的“中心部分”表示以光轴为中心的区域。“边缘部分”表示在中心部分周围的环形区域。

而且，入射面8c具有第三部分83，而出射面8d具有第四部分84。第三和第四部分83和84折射(辐射光束4的)所述预定波长。在图2中所示的实施例中，第三部分83是相对于光束强度修改器8的光轴的边缘部分，所述光轴在该实施例中即为光轴11，第四部分84是相对于该光轴的中心部分。同时，第一和第三部分81和83彼此不重叠，第二和第四部分82和84彼此不重叠。因此，辐射光束4在入射光瞳8a中的横截面具有受部分83的光学性能(即透射)影响的区域，以及受部分81的光学性能(即反射)影响的与其他区域不重叠的另一区域。类似地，辐射光束17在出射光瞳8b中的横截面具有受部分84的光学性能(即透射)影响的区域，以及受部分82的光学性能(即反射)影响的与其他区域不重叠的另一区域。

图3示出了表示图2中所示光束强度修改器的入射光瞳8a处的强度I₁的曲线31。如图3中所示，该强度I₁具有类似高斯的分布：

$I_1\left(r_1\right)=I_{1o}{e}^{-{\left(\frac{r_1}{\mathrm{\α}}\right)}^{2}4\ln 2}\·\·\·\left(2\right)$

其中“I₁(r₁)”是在笛卡儿坐标系(O₁，X₁，Y₁)中极坐标为(r₁，θ₁)点的强度I₁的值，“I_1o”是强度I₁的最大值(即，辐射光束4的中心光线的强度)。

图4示出了表示图2中所示光束强度修改器8的出射光瞳8b处的强度I₂的曲线32。如图3中所示，在该实施例中，该强度I₂是平坦的：

I₂(r₂)＝I_2o        当    R_a＜|r₂|＜R_b              (3)

            0          当    0≤|r₂|≤R_a且R_b＜|r₂|

其中“I₂(r₂)”是在笛卡儿坐标系(O₂，X₂，Y₂)中极坐标为(r₂，θ₂)点的强度I₂的值，“I_2o”是强度I₂的最大值(即，辐射光束17的任意环形光线的强度)，“R_a”和“R_b”是取决于光束强度修改器8的设计参数的两个常数参数。在本说明书中，“环形光线”是在光束强度修改器8的出射光瞳中与辐射光束17的横截面相交的光线，该光线与光轴11相距距离r₂，包含在R_a和R_b之间。在下文中，并且仅仅作为说明，参数R_a和R_b分别等于1.00和1.75mm。要注意的是，在辐射光束4具有椭圆形横截面的情况下，参数R_a和R_b中的每一个可以具有分别关于该横截面的短轴和长轴的两个不同值。要注意的是，在该实施例中，辐射光束17的边缘强度等于100％。

现在详细描述光束强度修改器8的设计。

首先，已知表示该光束修改器的横向放大率M的函数(即，方程式(1))，这样就能够确定代表沿光束强度修改器8的入射面和出射面8c和8d的光轴11的位置的函数。所述进一步记载在J.J.M.Braat和P.F.Greve撰写的论文“Aplanatic optical system containingtwo aspheric surfaces”中，Applied Optics vol.18，No.13 p.2187et seq.，1979。这样，对于入射面和出射面8c和8d的每一个旋转对称非球面形状，都可以通过下面的方程式给出弯曲的面积：

$H\left(r\right)=\underset{l=1}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2l}{r}^{2l}$

其中“H(r)”是该表面沿光轴11的位置，以毫米为单位；“r”是到光轴11的距离，以毫米为单位；“B_K”是H(r)的第k次幂的系数。对于入射面8c来说，系数B₂，B₄，B₆，B₈，B₁₀，B₁₂，B₁₄，B₁₆，B₁₈，B₂₀，B₂₂，B₂₄，B₂₆，B₂₈，和B₃₀的系数值分别是0.057391202，0.0035993029，0.00032386288，3.797974e-005，1.4115487e-005，-1.6826926e-005，2.6819208e-005，-2.815484e-005，2.1416509e-005，-1.1731386e-005，4.6012333e-006，-1.2604342e-006，2.2942757e-007，-2.4974661e-008，和1.23594976-009。对于出射面8d来说，系数B₂，B₄，B₆，B₈，B₁₀，B₁₂，B₁₄，B₁₆，B₁₈，B₂₀，B₂₂，B₂₄，B₂₆，B₂₈，和B₃₀的系数值分别是0.036587557，0.00028055283，-1.1993417e-006，1.0252619e-008，-7.0401158e-011，7.0719251e-013，-6.1560444e-015，4.646542e-017，-2.2015109e-019，0，0，0，0，0，和0。光束修改器8沿Z轴(其光轴方向)的厚度为4.00mm，入射光瞳8a的直径为8.16mm。光束修改器8的数值孔径在405nm波长处等于0.2。光束修改器8的主体由405nm波长处折射率等于1.55的COC制成。

第二，要注意的是，在该实施例中，辐射光束4经第三折射边缘部分83进入光束修改器8。在该实施例中，部分83是平面，并且其在入射光瞳8a中的横截面具有第一(中心)半径和等于入射面8c的半径的第二(边缘)半径。在下文中，并仅仅作为说明，部分83的第一和第二半径分别等于1.75mm和4.08mm。第一反射部分81在入射光瞳8a中的横截面的半径等于部分83的第一(中心)半径。第二中心反射部分82在出射光瞳8b中的横截面具有第一(中心)半径和等于出射面8d的半径的第二(边缘)半径。在下文中，并仅仅作为说明，部分82的第一和第二半径分别等于1.75mm和4.53mm。第四折射部分84的横截面的半径等于部分82的横截面的所述第一(中心)半径。要注意的是，入射面和出射面8c和8d的半径取决于这两个面的两个顶点之间的距离(在该实施例中等于4.00mm)。

表II示出了在辐射光束的波长变化等于5nm的情况下，由图2中所示并且如上所述设计的光束强度修改器8引起的所得像差W_abb的OPD_rms值。根据光线跟踪模拟可计算得到OPD_rms值。

表II：

Wabb	OPDrms[Wabb]
		W40(第三阶球面像差)	0.6mλ
W60(第五阶球面像差)	0.08mλ

通过表I和II之间的比较，要注意的是，由于波长改变5nm而由光束强度修改器8引起的球面像差的OPD_rms值明显小于由于波长改变5nm而由已知的光束强度修改器引起的球面像差的OPD_rms值。由此，提供这种第一和第二光学部分的优点在于波长的变化较小，例如从405nm变为410nm，使得产生的第三阶球面像差等于0.6mλ，产生的第五阶球面像差等于0.08mλ。因此，与已知扫描装置相比，光学扫描装置1扫描光学记录载体3时对波长变化不太敏感。

现在描述图2中所示的第一实施例的可替换方案。图5示出图1中所示光束强度修改器(和准直透镜)的第二实施例的横截面，在下文中，该光束强度修改器用附图标记8′表示。与第一实施例类似，光束强度修改器8′具有入射光瞳8a′和出射光瞳8b′；光束强度修改器8′将以进入入射光瞳8a′的在辐射光束4横截面中的强度I₁′的辐射光束4转变为从出射面8b′射出的在辐射光束17横截面具有强度I₂′的辐射光束17。

如图5中所示，光束强度修改器8′具有入射面8c′和出射面8d′。与第一实施例类似，入射面8c′具有第一部分81′，出射面8d′具有第二部分82′，第一和第二部分81′和82′反射(辐射光束4的)所述预定波长。在图5中所示的实施例中，第一部分81′是相对于光束强度修改器8′的光轴的边缘部分，如该实施例中的光轴11，第二部分82′是相对于该光轴的中心部分。要注意的是，部分81′和82′的设置增大了辐射光束17的横截面尺寸。

此外，类似于第一实施例，入射面8c′具有第三部分83′，而出射面8d′具有第四部分84′，第三和第四部分83′和84′折射(辐射光束4的)所述预定波长。在图5中所示的实施例中，第三部分83′是相对于光束强度修改器8′的光轴的中心部分，如该实施例中的光轴11，第四部分84′是相对于该光轴的边缘部分。同时，第一和第三部分81′和83′彼此不重叠，第二和第四部分82′和84′彼此不重叠。

图6示出了表示图5中所示光束强度修改器8′的入射光瞳8a′处的强度I₁′的曲线33。如图6中所示，该强度I₁′具有类高斯分布：

${I_1}^{\′}\left(r_1\right)={I_{1o}}^{\′}{e}^{-{\left(\frac{r_1}{{\mathrm{\α}}^{\′}}\right)}^{2}4\ln 2}\·\·\·\left(7\right)$

其中“I₁′(r₁)”是在笛卡儿坐标系(O₁，X₁，Y₁)中极坐标为(r₁，θ₁)点的强度I₁′的值，“I_1o′”是强度I₁′的最大值(即，辐射光束4的中心光线的强度)，“α′”是常数参数，尤其取决于辐射源7。在下文中，并且仅仅作为说明，从辐射源7发射的辐射光束4具有圆形横截面。仅仅作为示例，参数α′等于0.257mm。可替换的是，辐射光束4可以具有椭圆形横截面，因此参数α′具有分别关于该横截面的短轴和长轴的两个不同值。

图7示出了表示图5中所示光束强度修改器8′的出射光瞳8b′处的强度I₂′的曲线34。如图7中所示，在该实施例中，该强度I₂′不变：

I₂’(r₂)＝I_2o’    当    R_a’＜|r₂|＜R_b’               (8)

          0        当    0≤|r₂|≤R_a’且R_b’＜|r₂|

其中“I₂′(r₂)”是在笛卡儿坐标系(O₂，X₂，Y₂)中极坐标为(r₂，θ₂)点的强度I₂′的值，“I₂₀′”是强度I₂′的最大值(即，辐射光束17的任意环形光线的强度)，“R_a”和“R_b”是取决于光束强度修改器8′的设计参数的两个常数参数。在下文中，并且仅仅作为说明，参数R_a′和R_b′分别等于0.46和1.75mm。要注意的是，在辐射光束4具有椭圆形横截面的情况下，参数R_a′和R_b′中的每一个可以具有分别关于该横截面的短轴和长轴的不同的两个值。

按照与如上所述的第一实施例类似的方式来设计第二实施例的光束强度修改器8′。这样，对于入射面和出射面8c′和8d′的每一个旋转对称非球面形状，都可以通过下面的方程式给出弯曲的面积：

$H\left(r\right)=\underset{l=1}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2l}{r}^{2l}$

其中“H(r)”是该表面沿光轴11的位置，以毫米为单位；“r”是到光轴11的距离，以毫米为单位；而“B_K”是H(r)的第k次幂的系数。对于入射面8c′来说，系数B₂，B₄，B₆，B₈，B₁₀，B₁₂，B₁₄，B₁₆，B₁₈，B₂₀，B₂₂，B₂₄，B₂₆，B₂₈，和B₃₀的系数值分别是-0.10563042，0.00075405216，6.9109148e-005，8.1029703e-006，3.3510049e-006，-4.267808e-006，6.7411641e-006，-7.0777688e-006，5.3786095e-006，-2.9438623e-006，1.1535577e-006，-3.1568701e-007，5.7397869e-008，-6.2401306e-009，和3.0830821e-010。对于出射面8d′来说，系数B₂，B₄，B₆，B₈，B₁₀，B₁₂，B₁₄，B₁₆，B₁₈，B₂₀，B₂₂，B₂₄，B₂₆，B₂₈，和B₃₀的系数值分别是-0.48671506，0.66841815，-0.90723145，1.3257115，-2.1018858，3.5430975，-5.9788675，9.0431458，-10.160921，5.9287541，0，0，0，0，和0。光束修改器8′沿Z轴(其光轴方向)的厚度为2.00mm，入射光瞳8a′的直径为3.5mm。光束修改器8′的数值孔径在405nm波长处等于0.2。光束修改器8′的主体由405nm波长处折射率等于1.55的COC制成。

第二，要注意的是，在该实施例中，辐射光束4′经第三折射中心部分83′进入光束修改器8′。在该实施例中，部分83′是平面，并且其在入射光瞳8a′中的横截面具有等于NA.f.f.1.的半径，其中“NA”是辐射光束4′的数值孔径，且“f.f.1.”是光束强度修改器8′的前焦距。在下文中，并且仅仅作为说明，部分83′的半径等于0.20mm。第一反射部分81′在入射光瞳8a′的横截面具有等于部分83′的半径的第一(中心)半径和等于入射面8c′的半径的第二(边缘)半径。在该实施例中，第一和第二半径分别等于0.20和1.75mm。第四边缘折射部分84′在出射光瞳8b′的横截面具有第一(中心)半径和等于出射面8d′的半径的第二(边缘)半径。在该实施例中，第一和第二半径分别等于0.46和1.75mm。第二(中心)反射部分82′的横截面的半径等于部分84′的所述第一(中心)半径。要注意的是，入射面和出射面8c′和8d′的半径取决于这两个面的两个顶点之间的距离。

表III示出在辐射光束的波长变化等于5nm的情况下，由图5中所示并且如上所述设计的光束强度修改器8′引起的所得像差W_abb的OPD_rms值。根据光线跟踪模拟计算可得到OPD_rms值。

表III：

Wabb	OPDrms[Wabb]
		W40(第三阶球面像差)	0.02mλ
W60(第五阶球面像差)	0.01mλ

通过表I和III之间的比较，要注意的是，由于波长改变5nm而由光束强度修改器8′引起的球面像差的OPD_rms值明显小于由于波长改变5nm而由已知的光束强度修改器引起的球面像差的OPD_rms值。由此，提供这种第一和第二光学结构的优点在于波长的变化较小，例如从405nm变为410nm，使得产生的第三阶球面像差等于0.02mλ，而产生的第五阶球面像差等于0.01mλ。因此，与已知的扫描装置相比，光学扫描装置1扫描光学记录载体3时对波长变化不太敏感。

光束强度修改器8′的另一个优点在于其基本上摆脱了散焦。实际上，该实施例中的准直透镜产生一些散焦，通过比较，其OPD_rms值等于4.56mλ，已知强度平坦透镜产生一些散焦，其OPD_rms值等于99mλ。并且，要注意的是，图5中示出的光束强度修改器8′比图2中的光束强度修改器8有利地引入更少的散焦。

应该理解，在没有背离在随附的权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，关于上述实施例，可以进行许多变化和修改。

作为图2和5中所示光束强度修改器的第一和第二实施例的另一种可替换方案，反射部分都可以是边缘部分。这样，图8示出了在图1中所示光束强度修改器的第三实施例8″的横截面。如图8中所示，光束强度修改器8″具有入射面8c″和出射面8b″。与第一实施例类似，入射面8c″具有第一部分81″，出射面8d″具有第二部分82″，且第一81″和第二部分82″反射(辐射光束4的)所述预定波长。在图8中所示的实施例中，第一和第二部分81″和82″是相对于光束强度修改器8″的光轴(即该实施例中的光轴11)的边缘部分。而且，与第一实施例类似，入射面8c″具有第三部分83″，出射面8d″具有第四部分84″且第三和第四部分83″和84″折射(辐射光束4″的)所述预定波长。在图8中所示的实施例中，第三和第四部分83″和84″是相对于光轴11的中心部分。并且，第一和第三部分81″和83″彼此不重叠，第二和第四部分82″和84″彼此不重叠。

作为如上所述的光束强度修改器的一种可替换的方案，从该修改器发出的辐射的横截面的强度可以具有非平坦的强度轮廓，如在C.W.Lee和D.H.Shin撰写的论文“Objective lenses for DVD &Near-Field Optical Disk Pick-up”，pp.59 et seq.(ODF的一部分，Tokyo，Japan，1998)中所记载的。

作为上述光束强度修改器的一种可替换的方案，该辐射光束是Lorentzian型光束而不是高斯型光束。

Claims (10)

1.一种光学扫描装置，用于通过预定波长的辐射光束扫描光学记录载体的信息层，该装置包含：

辐射源，用于提供所述辐射光束，

物镜，用于将所述辐射光束转变为信息层位置处的扫描光点，以及

光束强度修改器，具有设置在所述辐射源一侧的入射光瞳和设置在所述物镜一侧的出射光瞳，用于重新分布所述辐射光束的横截面上的强度，以便改变所述扫描光点的大小，

其特征在于将所述光束强度修改器设置为：使在与所述辐射光束中心光线相距r₁的位置进入所述光束强度修改器的所述辐射光束的任何光线都在所述入射光瞳和出射光瞳之间反射至少两次，从而通过距离r₁的递减函数来定义所述强度修改器的横向放大率M。

2.根据权利要求1的光学扫描装置，其中所述光束强度修改器具有入射面和出射面，该入射面和出射面分别具有第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分反射所述预定波长。

3.根据权利要求2的光学扫描装置，其特征在于所述第一部分是相对于所述光束强度修改器的光轴的中心部分，而所述第二部分是相对于所述光束强度修改器的光轴的边缘部分。

4.根据权利要求2的光学扫描装置，其特征在于所述第一部分是相对于所述光束强度修改器的光轴的边缘部分，而所述第二部分是相对于所述光束强度修改器的光轴的中心部分。

5.根据权利要求2的光学扫描装置，其特征在于所述第一和第二部分都是相对于所述光束强度修改器的光轴的边缘部分。

6.根据权利要求2至5中任一项的光学扫描装置，其中所述入射面和出射面还分别具有第三部分和第四部分，该第三部分和第四部分折射所述预定波长，且其中所述第一和第三部分彼此不重叠，所述第二和第四部分彼此不重叠。

7.根据前面任一项权利要求的光学扫描装置，其中将所述光束强度修改器进一步设置为用作准直透镜或所述的物镜。

8.根据前面任一项权利要求的光学扫描装置，进一步包含检测系统，设置该系统以便提供聚焦误差信号和/或径向跟踪误差信号，其中该光学扫描装置进一步包含伺服电路和响应于所述聚焦误差信号和/或所述径向跟踪误差信号的致动器，以便控制相对于所述信息层的位置和/或相对于所述信息层的待扫描的轨道的所述扫描光点的位置。

9.根据权利要求8的光学扫描装置，进一步包含用于误差校正的信息处理单元。

10.一种用于光学扫描装置中的光束强度修改器，该光学扫描装置用于通过预定波长的辐射光束扫描光学记录载体的信息层，该修改器具有入射光瞳和出射光瞳，用于重新分布在所述辐射光束的横截面上的强度，

其特征在于，将所述光束强度修改器设置为：使在与所述辐射光束中心光线相距r₁的位置进入所述光束强度修改器的所述辐射光束的任何光线都在所述入射光瞳和出射光瞳之间反射至少两次，从而通过距离r₁的递减函数来定义所述强度修改器的横向放大率M。

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