CN1786760A - 物镜系统和使用该物镜系统的光学拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有利于实现非球面表面并能补偿色差的结构的物镜系统及使用该系统的光学拾取装置。物镜系统包括补偿入射光中色差和波前误差的衍射光学元件；设在衍射光学元件和介质间光路上以聚集入射光的半球透镜，其在面向衍射光学元件的一侧上具有一球面表面；及以薄非球面薄膜形式形成在半球透镜的球面表面上以补偿波前误差的非球面构件，该非球面构件用塑料材料或紫外光固化树脂制成。光学拾取装置包括生成和发射预定波长的光的光源；设在光源和介质间以转换入射光行进路径的光路转换器；具有上述结构并设在光路转换器和介质间的物镜系统；和接收已被介质反射并经过物镜系统和光路转换器的光并探测信息信号和误差信号的光电探测器。

Description

物镜系统和使用该物镜系统的光学拾取装置

技术领域

本发明涉及物镜系统和使用该物镜系统的光学拾取装置，具体而言，涉及具有有利于非球面表面的实现并能够进行色差补偿的结构的物镜系统以及使用该物镜系统的光学拾取装置。

背景技术

物镜系统被广泛应用于利用激光光束将信息记录到信息存贮介质上或从信息存贮介质再现信息的光学拾取装置中。随着工业的发展，愈加需要信息存储介质在有限的面积内记录更多信息。从而，作为信息存储介质，具有120mm直径的光盘已经从具有大约700MB容量的紧致光盘(CD)发展到具有大约4.7GB容量的数字多功能光盘(DVD)和具有大约20GB或更大容量的蓝盘(Blu-ray Disk，BD)。

为实施如同蓝盘的高密度信息存储介质，有必要去减小在信息存储介质上形成的光斑的大小。这里，光斑的大小正比于从光学拾取装置的光源发射的激光光束波长，而反比于物镜系统的数值孔径。然而，当物镜的数值孔径增加时，物镜相对侧面之间的偏心距或彼此之间距离上的误差也会增加，并由此包括球差和彗差的光学像差增加。另外，因为蓝光波长激光二极管根据温度变化会灵敏地改变波长，因此在设计物镜时必须考虑例如色差补偿的像差补偿。激光二极管的波长每一度温度变化增加0.07nm。例如，当温度从室温25℃增加到85℃时，波长变化4.2nm。这里，当激光二极管具有407nm的波长时，波长改变到411.2nm。此外，当进一步考虑由于光学拾取制动器不能跟随的激光二极管模式跳变而发生的1.5nm的波长变化时，波长变化到412.7nm，波长变化高达5.7nm。因此，当设计使用蓝光波长的光学拾取头的物镜时，需要考虑上面描述的特性和像差。这里，物镜的结构是非常重要的。

以下将参考图1A至1C描述具有高数值孔径的传统物镜系统。

参考图1A，为获得高数值孔径和像差补偿，一传统物镜系统包括平-凸型球面透镜11和在球面透镜11的一侧面上形成的衍射光学元件(DOE)13。该传统物镜系统具有短的曲率半径，由此增加了数值孔径，并且通过使用DOE 13减小了色差。然而，该传统物镜系统仅用球面透镜11不能补偿其他像差。

参考图1B，另一传统物镜系统包括具有球面入射表面21和非球面出射表面23的单透镜20。这里，通过缩短入射表面21的曲率半径能增加数值孔径，而且通过使出射表面23为非球面形能减少像差。然而，仅具有一个球形表面和一个非球面表面的物镜不能补偿在用于高数值孔径的光源的蓝色波长带内的色差。

参考图1C，又一传统物镜系统包括具有都是非球面的入射表面31和出射表面33的单非球面透镜30。当制作在相对侧面分别具有非球面入射表面和出射表面31和33的非球面透镜30时，需要制备两个要求高精度的芯模(core mold)，这要花大量的时间和劳力去对准芯模以便两个非球面表面的光轴重合。结果，批量生产率下降。另外，很难去制作超精度非球面表面，而且也不能实现希望的色差补偿。

发明内容

本发明提供了具有有利于实现非球面表面和能够补偿色差和波前误差的结构的物镜系统，以及使用该物镜系统的光学拾取装置。

根据本发明的一个方面，提供了一物镜系统，该物镜系统设置在光路上以将光聚集到介质上，该物镜系统包括一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；一折射透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上，用于聚集入射光；和一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述折射透镜的一表面上，用于补偿波前误差。

根据本发明的另一方面，提供了一物镜系统，该物镜系统设置在光路上以将光聚集到介质上，该物镜系统包括一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；一半球透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上，用于聚集入射光，所述半球透镜包括位于面向所述衍射光学元件的一侧上的一球面表面；和一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述半球透镜的球面表面上，用于补偿波前误差，所述非球面构件使用塑料材料和紫外光固化树脂中的一种制成。

根据本发明又一方面，提供了用于将信息记录到信息存贮介质上或从信息存贮介质再现信息的光学拾取装置，该光学拾取装置包括一光源，其生成和发射具有预定波长的光；一光路转换器，其设置在所述光源和所述信息存储介质之间，用于转换入射光的行进路径；一物镜系统，其设置在所述光路转换器和所述信息存储介质之间，所述物镜系统包括一补偿入射光中的色差和波前误差的衍射光学元件、一设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上用于压缩入射光的折射透镜、以及一以薄非球面薄膜形式形成在所述折射透镜的一表面上用于补偿波前误差的非球面构件；和一光电探测器，其接收已经被所述信息存储介质反射并经过所述物镜系统和光路转换器的光，并探测信息信号和误差信号。

根据本发明又一方面，提供了用于将信息记录到蓝盘内和/或从蓝盘再现信息的光学拾取装置，该光学拾取装置包括一光源，其生成和发射具有大约405nm波长的光；一光路转换器，其设置在所述光源和所述蓝盘之间，用于转换入射光的行进路径；一物镜系统，其设置在所述光路转换器和所述蓝盘之间；和一光电探测器，其接收已经被所述信息存储介质反射并经过所述物镜系统和光路转换器的光，并探测信息信号和误差信号。其中，所述物镜系统包括一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；一半球透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述蓝盘之间的光路上用于聚集入射光，并且在面向所述衍射光学元件的一侧包括一球面表面；和一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述半球透镜的球面表面上，用于补偿波前误差，并且其使用塑料材料和紫外光固化树脂中的一种制成。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明以上以及其它特征和优点将变得更明显。

图1A至1C图示了传统物镜系统的光学布置。

图2和图3图示了根据本发明一实施例的物镜系统的光学布置。

图4图示了根据本发明一实施例的光学拾取装置的光学布置。

具体实施方式

图2是示出根据本发明一实施例的物镜系统的光学布置的截面视图。参考图2，物镜系统设置在光路上以将光聚集到例如蓝盘(BD)的介质100上，其包括衍射光学元件(DOE)50、折射透镜70和在折射透镜10的一表面上形成的用于补偿波前误差的非球面构件60。优选该物镜系统具有大约0.85或更大的数值孔径以最小化形成在介质100上的光斑的大小。

折射透镜70设置在DOE 50和介质100之间的光路上以聚集入射光。折射透镜70是在面向DOE 50的一侧具有球面表面71和在面向介质100的相对一侧具有平表面75的球面透镜，也就是说，折射透镜70是一半球透镜。折射透镜70可以实现为N-LASF44，对于波长405nm的入射光，N-LASF44具有1.83的折射率、96.1％的透射率和46.5的阿贝值。非球面构件60以薄非球面薄膜的形式形成在折射透镜70的球面表面71上，补偿在折射透镜70中产生的波前误差。

通过用非球面薄膜涂覆折射透镜70的球面表面71形成非球面构件60。可使用诸如光聚合物的塑料材料或紫外光固化聚合物制作非球面构件60。在这里，形成非球面构件60在折射透镜70上进行的涂覆处理是众所周知的，因此省略关于它的详细描述。

非球面构件60具有满足方程1的曲率。

$X\left(y\right)=\frac{C{y}^2}{1+{[1-(K+1)C^2{y}^2]}^{1/2}}+A_4{y}^4+A_6{y}^6+A_8{y}^8+\·\·\·$

$=\frac{C{y}^2}{1+{[1-(K+1)C^2{y}^2]}^{1/2}}+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2n}{y}^{2n}---\left(1\right)$

其中，X(y)是说明在光轴方向上非球面构件60距其顶点的距离的非球面方程，y是在垂直光轴的方向上非球面构件60距其顶点的距离，C是在非球面构件60顶点处的曲率半径的倒数，K是一圆锥常数，而A₄、A₆、A₈和A_2n是非球面系数。

制作半球透镜和在半球透镜的球面表面上制作薄非球面薄膜比制作传统的单非球面透镜更容易而且花费更少。

DOE 50是在一侧上包括菲涅尔透镜51而在相对侧上包括平表面55的平面光学元件。平表面55也可面向折射透镜70设置。

DOE 50主要用于当从光源发射的光的波长改变时补偿色差。另外，因为DOE 50具有一些衍射级，它也与折射透镜70和非球面构件60一起补偿波前误差。换句话说，折射透镜是一种典型透镜而且具有正比于入射光波长的焦距f_ref。折射透镜70的折射率n当光波长增加时减少。从而，由于光源的波长公差，当入射光具有比用于蓝盘的405nm标准波长更长波长时，折射透镜70的焦距比当入射光具有用于蓝盘的405nm标准波长时更长。结果，产生了色差，也就是说，依据从光源发射并入射到折射透镜70上的光的波长的改变成像位置也发生改变。在这里，色差(即由于波长改变而造成的聚焦位置差异)的程度由折射透镜70的阿贝值v_ref(＝(n-1)/Δn)决定。

不同于折射透镜70，DOE 50具有与入射光波长成反比的焦距f_doe。例如，当入射光具有大于405nm的例如410nm的波长时DOE 50的焦距比当入射光具有405nm的波长时短。这里，由于波长改变而造成的焦距上的改变由DOE 50的v_doe(＝^λ/_Δλ)决定。

物镜系统的整体焦距f由等式2表示。

$\frac{1}{f}=\frac{1}{f_{\mathrm{ref}}}+\frac{1}{f_{\mathrm{doe}}}---\left(2\right)$

因此，通过设定阿贝值v_ref和v_doe以满足方程3能补偿折射透镜70的色差。结果，由于从光源发射的光的波长公差，根据本发明一实施例的物镜系统即使当光有不同波长时也能使成像形成在相同位置。

$\frac{1}{f_{\mathrm{ref}}{v}_{\mathrm{ref}}}+\frac{1}{f_{\mathrm{doe}}{v}_{\mathrm{doe}}}=0---\left(3\right)$

通过形成不同的衍射图案可实现菲涅尔透镜51。衍射图案的例子可以是用钻石加工技术形成的开诺全息照片(kinoform)、波带片、用光刻技术形成的二元光学元件、以及用光刻技术形成的多级DOE。在下面阐述的本发明实施例中，菲涅尔透镜51具有多级图案，即8相位级的图案，其可表示为如等式4中所示的关于波前的半径对称函数Φ(r)。

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}(C_1{r}^2+C_2{r}^4+C_3{r}^6+\·\·\·)$

$=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{r}^{2n}---\left(4\right)$

其中，λ₀是参考波长；C₁、C₂、C₃和C_n是DOE系数，r是距离光轴的半径。

同时，DOE 50可在面向折射透镜70的一侧具有菲涅尔透镜51而在相对侧具有平表面55。

根据在图2中图示的实施例的物镜系统的详细资料在表1和表2以及图3中示出。

                                表1

元件	曲率半径(mm)	厚度或距离(mm)	材料
				物体	∞	4.0191
DOE	R1＝∞	d1＝0.0100	PMMA
				R2＝∞	d2＝0.1000	熔融硅
	截止面	R3＝∞	d3＝0.0500
非球面构件				R4＝0.3133	d4＝0.0550	光聚合物
	物镜	R5＝0.4495	d5＝0.4495				N-LASF44
R6＝∞				d6＝0.1000
		介质	R7＝∞		d7＝0.1000	聚碳酸酯
像	R8＝∞

表2

DOE		非球面表面
				参数	数值	参数	数值
衍射级次	1	半径	0.3133mm
				波长	405.0nm	K	-0.5617
C1	-0.1200	A4	-0.0555
				C2	-0.0763	A6	-4.3806
C3	0.4163	A8	33.6234
				C4	-1.8117	A10	-454.1661
C5	5.6598	A12	0.0000
				C6	0.0000	A14	0.0000

当如表1和表2中所示实现物镜系统时，对于具有405nm波长的入射光，其具有0.0149λ的轴上波前误差，0.0169λ的轴外波前误差以及0.00247的色差。这些波前误差和色差如此小以致于可以忽略。

参考图4，根据本发明一实施例的光学拾取装置将信息记录到信息存储介质D内和/或从信息存储介质D再现信息，并且包括光源111、光路转换器115、物镜系统120和光电探测器135。

光源111产生并发射具有预定波长的光。光源111可包括发射具有大约405nm波长的光的激光二极管(LD)以便即使当使用蓝盘作为信息存储介质D时也能记录和/或再现信息。光路转换器115设置在光源111和物镜系统120之间的光路上，用于转换入射光的行进路径。光路转换器115可包括偏振全息光学元件(HOE)116和1/4波片117。

偏振HOE 116线性透射具有某一偏振的光而衍射具有另一偏振的光，从而转换了光的行进路径。换句话说，偏振HOE 116线性透射从光源111入射的具有一线偏振的光而衍射从信息存储介质D入射的具有其他线偏振的光。在偏振HOE 116的一侧上设置1/4波片117。该1/4波片117延迟了入射光的相位，以将线偏振光转换为圆偏振光以及将圆偏振光转换为线偏振光。这里，已经从光源111发射出并随后从信息存储介质D反射的光通过1/4波片117两次，因此，光的相位改变1/2波长。结果，从1/4波片117入射的光具有不同于从光源111入射的光的线偏振。

物镜系统120设置在光源111和信息存储介质D之间。物镜系统120包括可补偿入射光中的色差和波前误差的DOE 121、设置在DOE 121和信息存储介质D之间以聚集入射光的折射透镜125，以及在折射透镜125的一表面上形成的非球面构件123。

折射透镜125是在面向DOE 121的一侧具有球面表面的半球透镜。非球面构件123以薄非球面薄膜形式形成在半球透镜的球面表面上，用于补偿波前误差。物镜系统120与参考图2和图3描述的物镜系统基本相同。因此，关于它的详细描述将被省略。

光电探测器135接收已经从信息存储介质D反射并经过物镜系统120和光路转换器115的光，并且探测信息信号和误差信号。另外，考虑到光电探测器135的光学偏移，光学拾取装置可进一步包括第一反射镜113和第二反射镜131，它们变换了入射光的行进路径。

如上面所述，根据本发明的物镜系统包括折射透镜、非球面构件和DOE，它们从介质开始顺序设置，因此有利于光学元件的光学布置。另外，折射透镜实现为半球透镜，该半球透镜在其一表面上具有实现为薄非球面薄膜的非球面构件，由此补偿了波前误差，有利于批量生产并降低了制作成本。此外，使用DOE能补偿色差而且使用DOE和折射透镜能补偿波前误差。

根据本发明的光学拾取装置包括根据本发明的物镜系统，因此保持了高数值孔径并补偿了色差和波前误差。因此，该光学拾取装置能将信息记录到甚至具有大约20GB或更多容量的蓝盘内，和/或从甚至具有大约20GB或更多容量的蓝盘再现信息。

尽管这里参照示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离在所附权利要求中限定的本发明精神和范围的情况下，在本发明中可以做出很多形式和细节上的改变。

Claims (17)

1.一物镜系统，其设置在一光路上，用于将光聚集到一介质上，所述物镜系统包括：

一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；

一折射透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上，用于聚集入射光；和

一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述折射透镜的一表面上，用于补偿波前误差。

2.根据权利要求1所述的物镜系统，其中，所述折射透镜是在面向所述介质的一侧具有一平表面，而在面向所述衍射光学元件的相对一侧具有一球面表面的半球透镜。

3.根据权利要求2所述的折射透镜，其中，所述非球面构件是在所述半球透镜的球面表面上形成的薄非球面薄膜。

4.根据权利要求1所述的物镜系统，其中，所述非球面构件使用塑料材料制成。

5.根据权利要求4所述的物镜系统，其中，所述非球面构件使用光聚合物制成。

6.根据权利要求1所述的物镜系统，其中，所述非球面构件使用紫外光固化树脂制成。

7.根据权利要求1所述的物镜系统，其中，所述衍射光学元件包括位于面向所述折射透镜的一侧上的一平表面和位于相对侧上的一菲涅尔透镜。

8.根据权利要求1所述的物镜系统，其中，所述衍射光学元件包括位于面向所述折射透镜的一侧上的一菲涅尔透镜和位于相对侧上的一平表面。

9.一物镜系统，其设置在一光路上，用于将光聚集到一介质上，所述物镜系统包括：

一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；

一半球透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上，用于聚集入射光，所述半球透镜包括位于面向所述衍射光学元件的一侧上的一球面表面；和

一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述半球透镜的球面表面上，用于补偿波前误差，所述非球面构件使用塑料材料和紫外光固化树脂中的一种制成。

10.一种用于将信息记录到信息存储介质内和/或从信息存储介质再现信息的光学拾取装置，所述光学拾取装置包括：

一光源，其生成和发射具有预定波长的光；

一光路转换器，其设置在所述光源和所述信息存储介质之间，用于转换入射光的行进路径；

一物镜系统，其设置在所述光路转换器和所述信息存储介质之间，所述物镜系统包括一补偿入射光中的色差和波前误差的衍射光学元件、一设置在所述衍射光学元件和所述介质之间的光路上用于压缩入射光的折射透镜、以及一以薄非球面薄膜形式形成在所述折射透镜的一表面上用于补偿波前误差的非球面构件；和

一光电探测器，其接收已经被所述信息存储介质反射并经过所述物镜系统和光路转换器的光，并探测信息信号和误差信号。

11.根据权利要求10所述的光学拾取装置，其中，所述折射透镜是在面向所述信息存储介质的一侧具有一平表面并且在面向所述衍射光学元件的相对侧具有一球面表面的半球透镜。

12.根据权利要求10所述的光学拾取装置，其中，所述非球面构件使用塑料材料制成。

13.根据权利要求12所述的光学拾取装置，其中，所述非球面构件使用光聚合物制成。

14.根据权利要求10所述的光学拾取装置，其中，所述非球面构件使用紫外光固化树脂制成。

15.根据权利要求10所述的光学拾取装置，其中，所述衍射光学元件包括位于面向所述折射透镜的一侧上的一平表面和位于相对侧上的一菲涅尔透镜。

16.根据权利要求10所述的光学拾取装置，其中，所述衍射光学元件包括位于面向所述折射透镜的一侧上的一菲涅尔透镜和位于相对侧上的一平表面。

17.一种用于将信息记录到蓝盘内和/或从蓝盘再现信息的光学拾取装置，所述光学拾取装置包括：

一光源，其生成和发射具有大约405nm波长的光；

一光路转换器，其设置在所述光源和所述蓝盘之间，用于转换入射光的行进路径；

一物镜系统，其设置在所述光路转换器和所述蓝盘之间，所述物镜系统包括：

一衍射光学元件，其补偿入射光中的色差和波前误差；

一半球透镜，其设置在所述衍射光学元件和所述蓝盘之间的光路上用于聚集入射光，并且在面向所述衍射光学元件的一侧包括一球面表面；和

一非球面构件，其以薄非球面薄膜形式形成在所述半球透镜的球面表面上，用于补偿波前误差，并且其使用塑料材料和紫外光固化树脂中的一种制成；

一光电探测器，其接收已经被所述信息存储介质反射并经过所述物镜系统和光路转换器的光，并探测信息信号和误差信号。