CN1959457A - 蓝光存储用非球面物镜 - Google Patents

Abstract

一种蓝光存储用非球面物镜，其构成含有大小两块非球面透镜，两块透镜都是弯月形结构，都含有一个非球面和球面。其数值孔径能达0.85，采用405nm蓝光激光器，工作距离为0.6～0.9mm，能很好的消球差，且波像差控制在0.033λ以内。本发明能构成一种蓝光光学头，实现蓝光光盘的读取，不仅结构新颖、紧凑，而且稳定性好，性能优良，具有实用价值。

Description

蓝光存储用非球面物镜

技术领域

本发明涉及光盘机，特别是一种适用于蓝光存储光学头的非球面物镜。它由两块非球面透镜组成，可以与激光器，准直镜，分束棱镜等构成光学读取系统。它能用于下一代光存储技术中，主要是读取蓝光光盘。

背景技术

信息时代需要有高度先进的信息存储技术。随着数码产品和高清电视时代的到来，存储容量更大的高密度数字多用途光盘(以下简称为HD DVD)及蓝光光盘(以下简称为BD)系列下一代光盘技术将成为主流。尤其是BD，它的存储容量可达25G，它采用405nm蓝光激光器和数值孔径为0.85的物镜，盘片保护层厚度为0.1mm。由瑞利衍射公式 $d=1.22\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$ 知，在光的衍射极限下，光线的聚焦直径d与光波长λ成正比而与镜头的数值孔径NA成反比。可见BD的光斑大小比DVD，HD DVD要小得多，因而控制精度更高，寻址难度更大，对象差和伺服控制要求更高。另外，蓝光光盘BD采用基盘厚度是0.1mm，远远小于DVD的0.6mm，这是为了使光盘在高密度存储条件下有足够的倾斜容限，但这样一来对像差和抖晃提出更苛刻的要求。BD还要求透镜有较大的数值孔径NA，因为从理论上讲，光点的大小与透镜的NA成反比，但NA的增大很困难，它要牺牲很多其它参数，如使物镜到光盘间工作距离减小，增加伺服难度，增大消像差的难度，对光盘质量要求更高；还可能使非球面透镜更复杂精密，增加制造难度等等。所以，这些都是蓝光存储技术最近才问世的根本原因。

由于采用非球面物镜能大大简化光学系统的尺寸和重量，而且用现代精密模压技术能低成本的大量生产非球面物镜，因而非球面物镜被广泛应用于光盘机、光纤耦合装置和数码相机等许多光电仪器中。从光盘上读取信息时，激光束必须会聚到一点，这就要求聚焦透镜的像质达到衍射极限。如果存在球差、像散或彗差，就会使聚光点模糊且变大，使从光盘返回的信息包含很多噪声。由于光学头结构空间的限制，聚焦透镜的尺寸也受到限制，透镜的直径一般为3.5～5.0mm。要满足以上要求，可以采用由多个球面透镜组成的光学系统，但这必然会使系统的尺寸与重量增大，不仅增加伺服难度，还造成像质下降。所以采用非球面物镜是必然选择，它已经成为先进光盘播放系统的核心元件之一。

发明内容

本发明的目的是为新一代光盘存储技术提供一种蓝光存储用非球面物镜，它是一款基于蓝光波长的非球面物镜。它除了能满足像差要求、聚焦光点要求和数值孔径NA要求，还具有成像质量好、宽视场、结构简单轻便、组装方便和成本低廉等特点。

本发明技术解决方案如下：

一种蓝光存储用非球面物镜，其特征在于它由主非球面透镜和从非球面透镜构成，两块透镜都是弯月形结构，所述的主非球面透镜的前表面是非球面，该非球面曲率半径为3.1～4.5mm，后表面是球面，该球面的曲率半径为15～18mm，透镜的中心厚度为0.8～1.5mm；所述的从非球面透镜的前表面是非球面，其曲率半径为1.1～2.0mm；后表面是球面，其曲率半径为4.5～5.3mm，该透镜的中心厚度为0.8～1.3mm；所述的主非球面透镜和从非球面透镜之间的轴向距离为1.1～1.5mm。

所述的透镜材料均采用M-BACD5N，所述的主非球面透镜的直径为4.2～5.1mm，与常用光学头物镜的尺寸一致，所述的从非球面透镜的直径为2.8～3.3mm，其数值孔径为0.85，工作距离为0.90～1.21mm，有效焦长为FL＝2.745，波像差控制在0.033λ以内。

所述的M-BACD5N材料是日本HOYA公司的光学材料的一种，其折射率为1.589，阿贝数为61.3。

所述的主非球面透镜和所述的从非球面透镜的非球面参数分别为：

c＝1/R        k             α₁          α₂          α₃

0.269234      -0.383013     0.001926       -0.000003     0

0.668128      -0.240009     -0.003493      0.002026      0。

所述的主非球面透镜和所述的从非球面透镜的非球面参数分别为：

c＝1/R       k             α₁           α₂         α₃

0.269234     -0.486872     0.001345        -0.000323    0.000024

0.668128     -0.331574     -0.001888       0.006291     0.000483。

本发明的技术效果：

两块非球面透镜的第1面均设计为非球面。单面非球面透镜的加工较双面非球面透镜容易，故能降低很多制造成本；另外两块非球面透镜的第1面均设计为非球面，有利于透镜像差的校正。透镜材料均采用M-BACD5N(HOYA光学材料的一种，折射率为1.589，阿贝数为61.3)。主非球面透镜的直径为4.2～5.1mm，与常用光学头物镜的尺寸一致，从非球面透镜的直径为2.8～3.3mm。其数值孔径能达0.85，采用405nm蓝光激光器，工作距离为0.90～1.21mm，有效焦长(FL)为2.474～2.745mm，能很好的消球差，波像差控制在0.033λ以内。

本发明经ZEMAX模拟分析，具有成像质量好、视场宽、结构简单(两片式)和易于加工等特点，对半导体激光器的波长波动范围容限较宽，对光盘抖晃也有一定的容限，能很好的适应蓝光存储技术的要求。

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围：

附图说明

图1为本发明非球面物镜光路示意图。

图2是本发明实施例应用于BD光学头的结构示意图。

图3是用ZEMAX对图1光路进行光学设计所得到的横向像差分析图(Ray Fan)。

图4是用ZEMAX对图1光路进行光学设计所得到的焦点前后各视场波像差分析图(RMS & Focus)。

图5是用ZEMAX对图1光路进行光学设计所得到的焦点前后成像光斑分析图(Spot Diagram & Focus)。

图6是用ZEMAX对图1光路进行光学设计所得到的点扩散函数图。

图7是用ZEMAX对图1光路进行光学设计所得到的色散焦移图(主波长附近随波长变化的焦移量)。

图中：

101-主非球面物镜；102-从非球面物镜；103-蓝光光盘，总厚度为1.2mm，覆盖层厚度为0.1mm。

201-405nm半导体激光器LD；202-分束棱镜BS；203-光探测器PDIC；204-准直透镜CL；205-反射镜FM；206-主非球面物镜；207-从非球面物镜；208-物镜夹持器；209-蓝光光盘。

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本发明非球面物镜光路示意图。由图可见，本发明非球面物镜的结构是：由主非球面透镜101和从非球面透镜102构成，含有大小两块非球面透镜，可以与激光器、准直镜、分束棱镜等构成光学读取系统(见图2)。两块物镜都是弯月形结构，都含有一个非球面和球面。透镜材料均采用M-BACD5N(属于HOYA系列，折射率为1.589，阿贝数为61.3)。主透镜的直径为4.2～5.1mm，与常用光学头物镜的尺寸一致，从透镜的直径为2.8～3.3mm。其数值孔径为0.85，工作距离为0.9～1.2mm，有效焦长为2.474～2.745mm，波像差控制在0.033λ以内。

由相关文献可知，非球面物镜的工作表面由以下方程和参数决定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{r}^{16}$

其中：c为曲率半径R的倒数；r为非球面物镜表面上任一点到Z轴的最小距离，对应X轴和Y轴上数值确定，r²＝X²+Y²。k为圆锥系数，它能确定非球面是椭球面还是双曲面，k为0时则为球面。α₁、α₂等是高阶非球面系数，它们表征物镜的表面形貌，能很好的修正表面弯曲程度，利于消像差。

具有上述结构的主非球面透镜101和从非球面透镜102的光学数据的实施例示于表1和表2。表1和表2表示当工作距离分别是1.2mm和0.9mm时，适用于平行入射光的物镜的设计参数。表3表示表1和表2中用所列非球面的非球面系数。

                       表1

面数	面型	厚度(mm)	曲率半径	半径
					1	非球面1	1.0	3.714238	2.3
2	球面	1.300255	16.258045	2.1
					3	非球面2	1.0	1.496720	1.5
4	球面	1.2014	4.829843	1.3

                       表2

面数	面型	厚度(mm)	曲率半径	半径
					1	非球面1’	1.0	2.8	2.2
2	球面	1.1	12.0	2.0
					3	非球面2’	1.0	1.5	1.4
4	球面	0.9145	6.0	1.2

                                     表3

面数	c＝1/R	k	α1	α2	α3
						1	0.269234	-0.383013	0.001926	-0.000003	0
2	0.668128	-0.240009	-0.003493	0.002026	0
						1’	0.269234	-0.486872	0.001345	-0.000323	0.000024
2’	0.668128	-0.331574	-0.001888	0.006291	0.000483

图2是应用本实施例于BD光学头的结构示意图。该光学头采用波长为405nm半导体激光器，激光经过分束棱镜202后，被准直镜204准直，再经反射镜205进入物镜部分。物镜部分由本实施例的两块主非球面透镜206和次非球面透镜207及物镜夹持器208共同组成，最后激光聚焦于光盘209的信息记录层上。可以将光盘的信息记录层当反射膜，因而会聚光束沿原路返回，依次经过光盘209、从非球面透镜207、主非球面透镜206、反射镜205、准直镜204、分束棱镜202，被分束棱镜202反射后到达PDIC203，被接收并得到读取信息。其中分束棱镜202对入射光完全透射，对从光盘的返回光完全反射。

图3、4、5、6、7分别是用光学设计软件ZEMAX在405nm波长下工作距离为1.2mm时对本光学头的模拟结果。图3是横向像差分析图(Ray Fan)。它显示了本实施例的像差优化情况。图4是图焦点前后波像差分析(RMS &Focus)。BD系统的波相差RMS容许值在0.033λ以下，而本发明的焦点处最小波相差RMS的值为0.019λ，符合系统要求。该图计算了3个视场下的RMS曲线，分别是：0°，0.35°，0.7°。由图可见随着光盘倾角的增大，焦点处RMS将增大并会超出容限，所以对光盘的jitter值有一限制，这需要伺服机构来控制。

图5是焦点前后成像光斑分析图(Spot Diagram & Focus)。焦点处焦斑尺寸是越小越好，但它又受到球差和物镜孔径衍射极限的制约。图6是点扩散函数PSF图。它显示的是聚焦光束的束腰面上中心峰值强度，也即光能利用率的大小。其峰值为0.9，故本实施例的光能效率较高。图7色散焦移图(主波长附近随波长变化的焦移量)。因为半导体激光器的出射波长有一个频谱范围，不可能只是405nm，所以主波长的波动对光学头的成像也有影响，本图反映了主波长变化+/-5nm对聚焦平面位置的影响。由图可见焦移量基本上是线性变化的，且在0.5μm范围之内，故而对成像质量影响不大。

具有本发明上述结构的物镜的优点是可以在大的0.85的NA值下，有1.2mm的工作距离d，足以消除物镜与光盘之间的干扰。本发明的物镜可用作显微镜的透镜、制造半导体装置的曝光装置的透镜、制造高NA光盘所用的原版盘制作设备的透镜。虽然已结合优选实施例说明了本发明，但显然本领域的技术人员在不脱离所附的权利要求书所限定的构思和范围的前提下，能对本发明的具体细节做出各种改变。

综上所述，本发明有以下优越性：首先是视场宽，光能利用率高。然后是它对半导体激光器的波长波动范围容限较宽，对光盘抖晃也有一定的容限，当然这要建立在较高的伺服精度之上。本发明还具有成像质量好，结构简单，易于加工等特点，能很好的适应蓝光存储技术的要求。更重要的是具有商业化价值。

Claims (5)

1、一种蓝光存储用非球面物镜，其特征在于它由主非球面透镜(101)和从非球面透镜(102)构成，两块透镜都是弯月形结构，所述的主非球面透镜(101)的前表面是非球面，该非球面曲率半径为3.1～4.5mm，后表面是球面，该球面的曲率半径为15～18mm，透镜的中心厚度为0.8～1.5mm；所述的从非球面透镜(102)的前表面是非球面，其曲率半径为1.1～2.0mm；后表面是球面，其曲率半径为4.5～5.3mm，该透镜的中心厚度为0.8～1.3mm；所述的主非球面透镜(101)和从非球面透镜(102)之间的轴向距离为1.1～1.5mm。

2、根据权利要求1所述的蓝光存储用非球面物镜，其特征在于所述的透镜材料均采用M-BACD5N，所述的主非球面透镜(101)的直径为4.2～5.1mm，与常用光学头物镜的尺寸一致，所述的从非球面透镜(102)的直径为2.8～3.3mm，其数值孔径为0.85，工作距离为0.90～1.21mm，有效焦长为FL＝2.745，波像差控制在0.033λ以内。

3、根据权利要求1所述的蓝光存储用非球面物镜，其特征在于所述的M-BACD5N材料是日本HOYA公司的光学材料的一种，其折射率为1.589，阿贝数为61.3。

4、根据权利要求1至3任一项所述的蓝光存储用非球面物镜，其特征在于所述的主非球面透镜(101)和所述的从非球面透镜(102)的非球面参数分别为：

c＝1/R        k            α₁         α₂       α₃

0.269234      -0.383013    0.001926     -0.000003   0

0.668128      -0.240009    -0.003493    0.002026    0。

5、根据权利要求1至3任一项所述的蓝光存储用非球面物镜，其特征在于所述的主非球面透镜(101)和所述的从非球面透镜(102)的非球面参数分别为：

c＝1/R        k            α₁         α₂       α₃

0.269234      -0.486872    0.001345     -0.000323   0.000024

0.668128      -0.331574    -0.001888    0.006291    0.000483。

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