CN1910674A - 物镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双层光学信息载体的物镜。用作蓝光光盘(BD)的这种载体具有在载体顶表面下深度D1处的第一信息层和深度D2处的第二信息层，深度D2大于深度D1。依照本发明，所述物镜设计成从而当通过提供用于在深度D_opt处扫描的最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差，所述深度D_opt位于平均层深度D_av＝((D1+D2)/2)和深度(D1+D_av)/2之间。更特别地，最佳深度D_opt一般小于0.995D_av，最预选小于0.99D_av。

Description

物镜

技术领域

本发明涉及一种物镜，特别地但不排他地涉及一种在读取双层光盘中使用的物镜。

背景技术

双层光盘包括第一信息层上的第一覆盖层和下面的第二覆盖层和第二信息层。在通过任何给定的物镜读取/写入这种光盘时，第一和第二覆盖层的厚度引入了球面像差度。对于双层蓝光(blu-ray)光盘(BD)和小波形因数光学(small form factor optical)(SFFO)读出，使用蓝色激光器(405nm波长)和高数值孔径物镜(NA＝0.85)，这两个因数(短波长/高NA)容易使球面像差问题特别突出。

在现有技术中，优选的方式是依赖进入物镜的光束聚散度的改变来获得球面像差修正。聚散度的这种改变提高了由物镜产生的球面像差的量。通过适当选择聚散度变化，可通过在透镜处产生的额外像差来补偿(即消除)由于覆盖层厚度改变而在光盘中出现的最低级的球面像差。

然而，由于涉及两个不同的有效覆盖层厚度的事实，在双层光盘排列中，聚散度变化单独不能提供足够的球面像差补偿。考虑到上面的原因，寻求一种折衷，即其中设置物镜来提供最小量的均匀分布的球面像差，从而以相等的期限执行对第一和第二信息层的扫描。

在最接近的现有技术欧洲申请第756273号中这通过提供一种物镜来尝试，当扫描恰好位于第一和第二信息层之间深度处的假定(非存在的)层时，所述物镜设计成最佳性能。

发明内容

本发明优选实施方案的一个目的是确定使物镜设计方面最佳的物镜的设计参数和用于双层光盘的光学扫描装置。

依照本发明的第一个方面，提供了一种用于多层光学信息载体的物镜，所述多层光学信息载体至少具有在载体入射表面下深度D1处的第一信息顶层和深度D2处的第二信息底层，深度D2大于深度D1，其特征在于物镜被最佳化成当通过设计所述物镜以在位于平均层深度D_AV＝((D1+D2)/2)和深度(D1+D_AV)/2之间的深度D_opt处提供最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。优选地，其中物镜被最佳化成当通过设计所述物镜以在小于0.995D_AV优选小于0.99D_AV的深度D_opt处提供最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。

优选地，物镜在使用中如此设置以便当扫描第一信息层时来自光源的辐射光束在物镜的入口处会聚，而当扫描第二信息层时辐射光束在入口处发散。

本发明还包括一种用于光学扫描多层光学信息载体并使用第一方面物镜的光学扫描装置。

在从属权利要求中列出了物镜和扫描装置的优选特征。

附图说明

为了更好地理解本发明及显示其实施方案如何实现效果的，现在将通过例子的方式参照附图进行说明，其中：

图1显示了光学记录光路；

图2A-C显示了双层光盘，物镜和光束，其中图2A显示了聚焦在“平均”深度上，2B聚焦在深度D1的信息层上，2C聚焦在深度D2的信息层上。

图3显示了本发明被应用于其的第一种类型的物镜；和

图4显示了本发明被应用于其的第二种类型的物镜。

具体实施方式

作为本发明实施方案可以被应用于其的装置的例子，图1中描述了光学扫描装置。这种光学扫描装置包括用于产生光束102的辐射源101、准直器型透镜103、分束器104、伺服控制的物镜105、检测装置106、测量装置107和控制器108。该光学扫描装置用于扫描双层信息载体110。光学扫描装置进一步包括用于接收信息载体110的旋转转盘和轴120。

信息载体110包括最接近其入射表面113的第一信息层111和远离入口表面113的第二信息层112。第一信息层111由第一覆盖层C1保护，同时第一和第二信息层通过第二覆盖层C2彼此分离。

准直器型物镜103和物镜105的排列允许以两种不同的模式扫描。在第一种模式(图1中所示)中，轴向地定位准直器型物镜103，从而给物镜105的入口表面提供稍发散的光束，用于扫描第二信息层112。在第二种模式(没有示出)中，改变准直器型透镜103的轴向位置，从而给物镜105提供稍会聚的光束，用于扫描第一信息层111。

在任意给定的扫描操作过程中，其可以是写入操作、擦去操作或读取操作，通过以第一或第二模式操作的准直器型透镜103和物镜105转变光束102，由所得到的光束扫描信息载体110。由信息载体110反射回的辐射光束通过分束器104传到检测装置106。

除了从载体110读出的任意信息内容之外，从传到检测装置106的辐射光束，还可以导出聚焦误差信号和跟踪误差信号。

聚焦误差信号的幅度对应于信息层上扫描光束轴向定位中的误差。该聚焦误差信号用于修正物镜105的轴向位置。通过给控制器108发送信号来实现这种修正，控制器108驱动激励器(没有示出)，从而轴向地移动物镜105。

跟踪误差信号用于修正物镜105的横向位置，从而将焦点保持在信息轨道上。

准直器型透镜103是放置在辐射源101和物镜105之间的光学元件。如上面已经讨论过的，在第一扫描模式(图1中所示的)中，准直器型透镜103将辐射光束102转换成发散的入射光束，其到达物镜105，而在第二模式中，其将辐射光束102转换成会聚的入射光束。当准直器型透镜103位于这样一个位置以便辐射源101在其焦点处时，其用作真正的准直器并将辐射光束102转换成平行的入射光束。为了获得用于第一模式的发散的入射光束，与真正校准位置相比，准直器型透镜103被向着辐射源102移动。为了获得用于第二模式的会聚的入射光束，与真正校准位置相比，准直器型透镜103被远离辐射源102移动。通过由控制器108控制的激励器控制准直器103的位置。控制器108是多目的控制器，其可以独立地控制用于移动物镜105的激励器和用于移动准直器103的激励器。根据扫描模式，控制器108控制准直器103的位置。

以这样的方式设计物镜105，以便当其在位于信息载体110第一和第二信息层之间的特定平面上聚焦平行入射光束时，在光束焦点的平面内不存在球面像差。因而，如果用平行的入射光束扫描第一信息层111，则将会发生球面像差。通过在第一信息层111的扫描过程中改变共轭距离，即使用发散的入射光束，则物镜105可设置成自身产生一定量的球面像差，其基本补偿了由第一和第二信息层之间的覆盖层厚度变化导致的上述球面像差。

一般地，用于光学记录的物镜基本符合阿贝正弦(Abbe Sine)条件。当改变与距离变化相关并还和数值孔径相关的图像共轭距离时，这种透镜导致了一定量的球面像差W_conj。由于覆盖层厚度变化导致在光盘处引入的球面像差的量W_disk还与厚度和数值孔径相关。通过改变物体共轭，图像共轭距离也发生变化。通过适当选择图像共轭距离变化，当从一个信息层切换到另一个时导致的球面像差的额外量可通过共轭变化在物镜中产生的球面像差量来补偿。

根据上面所述，可用由共轭图像距离变化导致的球面像差量消除由覆盖层厚度的变化Δd导致的最低级的球面像差。留下了特定量的较高级的球面波前像差。

从上面可以注意到，当覆盖层厚度根据预定标准固定在双层光盘上时，通过根据给定光盘参数选择的共轭物距适当的变化可实现这种球面像差最佳化。

根据物体共轭变化的方向，NA将升高或降低。当NA升高时，系统误差变得更加灵敏，且较高级的球面像差增加。这里注意到，由于覆盖层厚度在一个方向上变化导致的较低级的球面像差将大于覆盖层厚度在相反方向上的相同变化导致的较低级的球面像差。

现在参照图2A-C，这里更加详细地示出了物镜105和光盘110，所述光盘110具有在载体110入射表面之下深度D1处的第一层111 L1和在入口表面下深度D2处的第二层112 L2。

在图2A中，显示出平行光束进入物镜105，假定所述物镜已经对于深度D_av(其中D_av＝0.5(D1+D2))处的假定层Lav 113的最小(优选为零)球面像差和平行入射光束被最佳化。物体共轭距离是无穷大。

现在考虑图2B的透镜设置，为了聚焦在深度D1处的最近的第一信息层L1 111上，入射到物镜105的光束必须稍微会聚(而不是平行)。鉴于此，图像侧上的光束的数值孔径升高了。

现在考虑图2C的透镜设置，为了聚焦在深度D2处的最远的第二信息层L2 112上，入射到物镜105的光束必须发散。鉴于此，图像侧上的光束的数值孔径降低了。

我们定义一最佳(假想)层L_opt，对于该最佳层，物镜和光盘组合在深度D_opt处具有零像差。熟练技术人员相当期盼该假想层L_opt正好位于层L1和L2之间，即在深度D_av处。然而发明人惊奇地非直观地发现其靠L1比靠L2近。

鉴于上面的考虑，很显然对于具有延伸到正好在双层光盘的两层中间的位置的覆盖层深度的光盘来说，设计成具有零球面像差的物镜与违反直觉地不会导致用于读取双层光盘的最佳折衷设计。从两层中的第一(上)层到第二(下)层，NA将会减小，导致较低值的残余较高级像差，而从第二(下)层到第一(上)层，NA增加，并导致了较高值的残余较高级像差。

依照上面的内容，本发明人已经发现，由于较高级像差更与NA成线性比例，所以为了提供读取给定双层光盘的最佳折衷而将物镜需要被设计的最佳名义(nominal)层深度从位于两层中心的深度偏离且应更适合地位于稍微更靠近最上面的信息层的平均深度的一侧。

已经发现对应于将物镜设计成得到零球面像差的覆盖层深度的覆盖层深度D_opt应与对应于双层光盘两个信息层的两个覆盖层厚度的平均厚度D_av不同，并应满足下面的关系

$\frac{|D_{\mathrm{opt}}-D_{\mathrm{av}}|}{D_{\mathrm{av}}}>0.005---\left(1\right)$

更优选其满足：

$\frac{|D_{\mathrm{opt}}-D_{\mathrm{av}}|}{D_{\mathrm{av}}}>0.01---\left(2\right)$

从上面的不等式可以看出，D_opt与对应于双层光盘两个信息层位置的两个覆盖层厚度的平均厚度D_av不同。优选地该厚度与该平均厚度差D_av的0.5％以上。更优选地，该厚度与该平均厚度差D_av的1.0％以上。

下面给出了一对实施例，图解了上面惊奇的结果：

实施例

实施例1

在第一个实施方案中，用于在405nm波长光学记录的物镜305具有0.85的数值孔径NA。入口光瞳直径EP测量1.0mm。自由工作距离(FWD)是在透镜305的前端和信息载体的入口表面之间的0.141mm。

图3中所示的物镜305由截短的玻璃球体307形成，由S-LAH66Ohara玻璃制成，在球面侧上具有二丙烯酸(diacryl)形成的薄的非球面层309。二丙烯酸的折射率是1.5987，S-LAH66的是1.7991。截短的球体的厚度是0.694mm，半径是0.54mm。该二丙烯酸层沿着光轴的厚度是0.0165mm。面对准直器透镜(没有示出)的透镜305表面的旋转对称的非球面形状由下面的方程给出：

$z\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2i}{r}^{2i}$

z为以毫米表示的在光轴方向上表面的位置，r为以毫米表示的距光轴的距离，B_k是r的第k级功率的系数。系数B₂到B₁₂的值分别是1.094507，0.64448149，0.064744348，2.3410448，-12.999302，-6.8309113。光盘的最佳层L_opt的设计厚度为0.1mm。光盘310由具有折射率1.6223的聚碳酸酯制成。

在表1中，列出了大于和小于该最佳100μm厚度的双层光盘的覆盖层厚度，发现大致导致了相同量的残余较高级波前像差(光程差(OPD)的均方根)。还给出了对应的共轭物距L(正值表示发散光束进入物镜)以及NA变化。

D[微米]	L[mm]	NA	OPD[mλ]
				110.0	54.95	0.848	29.9
91.4	-66.21	0.851	29.7

表1

从表1可以得出D_av＝100.7微米，而最佳层深度为100微米。因而，D_opt是0.993D_av。

实施例2

考虑图4的单个塑料SFFO透镜405，其对于100μm的覆盖层厚度最佳。

在第二个实施方案中，用于在405nm波长光学记录的物镜405具有0.85的数值孔径NA。入口光瞳直径EP测量1.0mm。自由工作距离(FWD)是在透镜305的前端和记录载体之间的0.15mm。

图4中所示的物镜由COC(环烯烃共聚物)形成。COC的折射率是1.5499。该透镜沿着光轴的厚度是0.915mm。面对准直器透镜的表面407的旋转对称的非球面形状由下面的方程给出：

$z\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2i}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{2i}$

z为以毫米表示的在光轴方向上表面的位置，r为以毫米表示的距光轴的距离，r₀是以毫米表示的常规(normalisation)半径，B_k是r的第k级功率的系数。面对准直器的表面的常规半径为r₀＝0.5mm。系数B₂到B₁₆的值分别是0.25，0.029450632，0.015158439，-0.30922007，1.356098，-2.5402456，2.2389527和-0.7750968。面对光盘410的表面409由相同的公式给出，但现在r₀＝0.25mm。系数B₂到B₁₆的值分别是-0.088581439，0.081735809，-0.063652986，0.022340965，0.00054096427，-0.0033723519，0.0011206103和-0.00012497701。光盘最佳层L_opt的设计厚度为0.1mm。光盘由具有折射率1.6223的聚碳酸酯制成。

表2中列出的特性

D[微米]	L[mm]	NA	OPD[mλ]
				115.0	53.39	0.848	20.4
87.7	-63.45	0.853	205

表2

从表12以得出D_av＝101.4微米，而最佳层深度为100μm。因而，D_opt是0.986D_av。

上面设计的实施例指出，对于在双层光盘信息层之间的给定的覆盖层厚度，通过选择下述物镜可发现最佳的透镜设计，所述物镜被最佳化，从而在靠近上信息层和下信息层之间平均距离的深度D_opt处提供最小的球面像差，但深度D_opt偏离该平均距离向着上层设置。在高NA系统中用于读取蓝光型光盘或类似物的物镜设计的Dopt通常使用的值位于该平均深度附近和深度(D1+D_av)/2之间。

本发明用在使用多层光盘，需要球面像差修正的光学记录系统中，但并不单单限于双层光盘。然而已经发现本发明对于BD和SFFO结构特别有用。特别地，本发明对于具有高NA和较小焦距的系统，如SFFO物镜尤其相关。

尽管物镜显示为单个元件，但其也可以由多于一个的元件组成。此外，透镜包括光栅和相位结构。

Claims (10)

1.一种用于多层光学信息载体(110，310，410)的物镜(105，305，405)，所述多层光学信息载体至少具有在载体入射表面下深度D1处的第一信息顶层和深度D2处的第二信息底层，深度D2大于深度D1，其特征在于物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在位于平均层深度D_AV＝((D1+D2)/2)和深度(D1+D_AV)/2之间的深度D_opt处扫描的最小球面像差来读取第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。

2.根据权利要求1所述的物镜，其中物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在小于0.995D_AV的深度D_opt处扫描的最小球面像差来读取第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。

3.根据权利要求1所述的物镜，其中物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在小于0.99D_AV的深度D_opt处扫描的最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。

4.根据权利要求1到3任意一个所述的物镜，其中物镜(105，305，405)在使用中被如此设置以便当扫描第一信息层时来自光源(101)的辐射光束在物镜(105，305，405)的入口处会聚，而当扫描第二信息层时辐射光束在入口处发散。

5.一种用于光学扫描多层光学信息载体(110)的光学扫描装置，所述多层光学信息载体至少具有在载体入射表面下深度D1处的第一信息顶层和深度D2处的第二信息底层，深度D2大于深度D1，其特征在于所述装置的物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在位于平均层深度D_AV＝((D1+D2)/2)和深度(D1+D_AV)/2之间的深度D_opt处扫描的最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面波前像差。

6.根据权利要求5所述的装置，其中物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在小于0.995D_AV的深度D_opt处扫描层的最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面像差。

7.根据权利要求5所述的装置，其中物镜(105，305，405)被最佳化成当通过设计所述物镜以提供用于在小于0.99D_AV的深度D_opt处扫描的最小球面像差来扫描第一和第二信息层时产生大致相等量的较高级球面像差。

8.根据权利要求5到7任意一个所述的装置，其中所述装置进一步包括光源(101)，准直器型透镜(103)，分束器(104)和控制器(108)，其中光源(101)设置成发射通过准直器型透镜(103)并被物镜(105)聚焦的光束，从而根据准直器型透镜(103)相对于被控制器(108)控制的物镜(105)的位置选择性地入射到第一或第二信息层上，其中来自信息载体(110)的反射光被分束器(104)接收并发送到光电探测器(106)。

9.根据权利要求8所述的装置，其中当扫描第一信息层(111)时，准直器型透镜(103)设置成将辐射光束(102)转换成在物镜(105)的入口处会聚的光束，而当扫描第二信息层(112)时，准直器型透镜设置成将辐射光束转换成在物镜(105)的入口处发散的光束。

10.根据权利要求1到4任意一个所述的物镜或权利要求5到9任意一个所述的光学扫描装置，其中多层信息载体是蓝光型光盘。

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