ES2225949T3

ES2225949T3 - Lente objetivo y dispositivo de exploracion que utiliza una lente de objeto de este tipo.

Info

Publication number: ES2225949T3
Application number: ES97902551T
Authority: ES
Inventors: Willem Gerard Opheij; Josephus Johannes Maria Braat
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: EP0824753B1; CN1181833A; KR100491858B1; KR19990008376A; TW318234B; WO1997033277A1; JPH11506251A; US6052237A; DE69730281D1; DE69730281T2; JP3886151B2; CN100446097C; EP0824753A1; ATE274228T1

Abstract

SE PRESENTA UN DISPOSITIVO DE EXPLORACION PARA SOPORTES DE GRABACION OPTICA QUE ESTA PROVISTO DE UNA LENTE DE OBJETIVO (7) ADECUADA PARA EXPLORAR LOS SOPORTES DE GRABACION (1, 21) QUE TIENEN UN SUSTRATO TRANSPARENTE (2, 23) DE DIFERENTE GROSOR. LA LENTE COMPRENDE UNA PARTE EXTERNA, ANULAR (25) Y UNA PARTE INTERNA, CENTRAL (26), DENTRO DE LA PARTE ANULAR. SOLAMENTE LA PARTE CENTRAL DE LA LENTE SE UTILIZA PARA FORMAR UN FOCO A TRAVES DE UN PRIMER SUSTRATO (2) QUE TIENE UN PRIMER GROSOR. LA PARTE CENTRAL ESTA DISPUESTA PARA CORREGIR LA ABERRACION ESFERICA DEL PRIMER SUSTRATO. LAS PARTES ANULAR Y CENTRAL DE LA LENTE SON UTILIZADAS PARA FORMAR UN FOCO A TRAVES DEL SEGUNDO SUSTRATO (23) QUE TIENE UN SEGUNDO GROSOR DIFERENTE. LA PARTE ANULAR CORRIGE LA ABERRACION ESFERICA DEL SEGUNDO SUSTRATO.

Description

Lente objetivo y dispositivo de exploración que utiliza una lente de objeto de este tipo.

La invención se refiere a una lente objetivo para enfocar un haz de radiación en un primer foco a través de una primera capa transparente que tiene un primer grosor y en un segundo foco a través de una segunda capa transparente que tiene un segundo grosor diferente. La invención también se refiere a un dispositivo óptico de exploración para explorar un primer tipo de soporte de grabación que tiene un primer plano de información y una primera capa transparente de un primer grosor y para explorar un segundo tipo de soporte de grabación que tiene un segundo plano de información y una segunda capa transparente de un segundo grosor distinto del primer grosor, que comprende una fuente de radiación para generar un haz de radiación y una lente objetivo para hacer converger el haz de radiación a través de la primera capa transparente en un primer foco sobre la primera capa de información y para hacer converger el haz de radiación a través de la segunda capa transparente en un segundo foco sobre la segunda capa de información. La exploración incluye escribir, leer y/o borrar información en el soporte de grabación.

En general, la capa transparente en los soportes ópticos de grabación tiene la función de proteger la capa de información de las influencias ambientales y de proporcionar un soporte mecánico para el soporte de grabación, es decir, actúa como un sustrato para la capa de información. El grosor de la capa transparente es un equilibrio entre la rigidez deseada del soporte de grabación y la apertura numérica del haz de radiación utilizado para explorar la capa de información. Si se aumenta la apertura numérica para un nuevo tipo de soporte de grabación con el fin de aumentar la densidad de almacenamiento de la capa de información, a menudo es necesario reducir el grosor de la capa transparente con el fin de reducir la influencia de la inclinación del disco sobre la calidad del haz de radiación. Por consiguiente, existirán distintos tipos de soporte de grabación en el mercado que tengan distintos grosores de la capa transparente. Un reproductor de discos compatible debería ser capaz de explorar los distintos tipos de soporte de grabación independientemente del grosor de la capa transparente.

La capa transparente, a través de la cual un haz de radiación explora la capa de información, introduce una denominada aberración esférica en el haz de radiación. La aberración esférica se compensa en la lente objetivo, que deja el haz de radiación cerca de su foco sustancialmente libre de aberración esférica. Si se utiliza una lente objetivo compensada para un primer grosor de la capa transparente para explorar un soporte de grabación con una capa transparente de un segundo grosor distinto, la calidad del foco se verá deteriorada debido a la aberración esférica compensada en exceso o en defecto.

La solicitud de patente internacional no publicada previamente IB96/00182 describe un dispositivo para explorar soportes ópticos de grabación del primer y segundo tipos. Este dispositivo utiliza una lente objetivo diseñada para hacer converger un haz de radiación a través de la primera capa transparente en un foco óptimo sobre la primera capa de información. Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, la lente objetivo forma un foco paraxial sobre la segunda capa de información. El foco óptimo de un haz es el punto a lo largo del eje del haz que tiene la intensidad más alta. El foco paraxial de un haz es el punto a lo largo del eje del haz a través de o hacia el cual se hacen converger los rayos paraxiales del haz. Un sistema de detección sensible a la radiación detecta la radiación reflejada desde el soporte de grabación. Cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, el sistema de detección utiliza toda la radiación en el haz reflejado. Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, el sistema de detección detecta sólo la radiación procedente de una zona central de la sección transversal del haz de radiación. Dado que la lente objetivo no está diseñada para hacer converger un haz de radiación a través del grosor de la segunda capa transparente, el haz de radiación sufrirá una aberración esférica no corregida al pasar a través de la segunda capa transparente. Al restringir la detección a los rayos centrales del haz, los rayos muy aberrados en la zona anular exterior del haz tendrán entonces una influencia reducida sobre las señales de salida del sistema de detección.

Según la invención, la lente objetivo hace converger un haz de radiación en un foco óptimo único, teniendo la lente objetivo una parte anular exterior que introduce una primera aberración esférica en el haz de radiación que compensa el paso del haz de radiación a través de una primera capa transparente que tiene un primer grosor, y una parte central dentro de la parte anular que introduce una segunda aberración esférica en el haz de radiación que compensa el paso del haz de radiación a través de una segunda capa transparente que tiene un segundo grosor distinto. En general, la parte anular y la parte central son concéntricas; las partes pueden ser adyacentes o estar separadas por una zona intermedia de forma anular.

Cuando la lente objetivo hace converger un haz de radiación a través de la segunda capa transparente, los rayos del haz que pasan a través de la parte central forman un segundo foco, estando corregidos los rayos para la aberración esférica sufrida al pasar por la segunda capa transparente. Cuando la lente objetivo hace converger un haz de radiación a través de la primera capa transparente, el haz que pasa a través de la zona combinada de la parte anular y la parte central forma un primer foco. En ese caso, sólo se corrigen los rayos que pasan a través de la parte anular para la aberración esférica sufrida al pasar por la primera capa transparente, mientras que los rayos que pasan a través de la parte central se corrigen para la aberración esférica sufrida al pasar por la segunda capa transparente. La invención se basa en la intuición de que la corrección de la parte central de la lente objetivo para un grosor de la capa transparente distinto del grosor de la capa transparente para la que se corrige la parte anular sólo tiene una influencia relativamente pequeña sobre la calidad del primer foco.

Se destaca que la solicitud de patente europea nº 0 610 055 describe una lente objetivo combinada con un holograma o rejilla de difracción. La lente está corregida en toda su superficie para el paso de radiación a través del grosor de una primera capa transparente hacia un primer foco. La rejilla de difracción difracta parte de la radiación en una zona central del haz de radiación entrante en un sub-haz que, tras la refracción por la lente, se corrige para pasar a través del grosor de una segunda capa transparente hacia un segundo foco. La lente objetivo y la rejilla de difracción hacen converger el haz de radiación incidente en un haz saliente que comprende dos sub-haces que tienen distintas vergencias. Por tanto, la combinación de la lente objetivo y la rejilla de difracción forma dos focos óptimos. En comparación, la lente objetivo según la invención hace converger el haz de radiación en un haz que tiene una única vergencia y forma un foco óptimo único. Cuando la lente objetivo según la invención es de un tipo sólo de refracción, un tipo sólo de reflexión o un tipo sólo de refracción-reflexión, ésta pasa sustancialmente toda la energía del haz de radiación incidente al primer foco y no ramifica parte de la energía a un sub-haz que forma el segundo foco. La frase "sustancialmente toda la energía del haz de radiación" significa que sólo no se tienen en cuenta las pérdidas normales debidas a las reflexiones en las transiciones desde un medio a otro, debidas a la absorción dentro de los medios y debidas a las partes opacas de la lente.

En las reivindicaciones 2, 3 y 4 se dan realizaciones especiales de la lente objetivo.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a un dispositivo óptico de exploración que utiliza una lente objetivo según la invención. El dispositivo de exploración es apropiado para explorar un primer tipo de soporte de grabación que tiene un primer plano de información y una primera capa transparente de un primer grosor y para explorar un segundo tipo de soporte de grabación que tiene un segundo plano de información y una segunda capa transparente de un segundo grosor distinto del primer grosor. El dispositivo de exploración comprende una fuente de radiación para generar un haz de radiación y una lente objetivo para hacer converger el haz de radiación a través de una de las capas transparentes en un foco de haz único, y en el que una parte anular exterior de la lente objetivo introduce una primera aberración esférica que compensa el paso del haz de radiación a través de la primera capa transparente y una parte central dentro de la parte anular introduce una segunda aberración esférica que compensa el paso del haz de radiación a través de la segunda capa transparente.

Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, la parte del haz que pasa a través de la parte central está bien corregida para el grosor de la capa transparente del soporte de grabación. La corrección mejorada de los rayos centrales del haz reflejado resulta en una calidad mejorada de las señales de salida del sistema de detección cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. La invención se basa en la intuición de que, cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, el efecto de la corrección de la parte central de la lente objetivo para un grosor de la capa transparente distinto del de la capa que se está explorando actualmente tiene un efecto insignificante sobre las señales de salida del sistema de detección.

La invención se describirá a continuación con mayor detalle, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1A muestra un dispositivo de exploración según la invención que explora un soporte de grabación del primer tipo;

la figura 1B muestra un soporte de grabación del segundo tipo;

la figura 2A muestra una vista de la lente objetivo según la invención a lo largo de su eje óptico;

la figura 2B muestra una lente objetivo según la invención dotada de un anillo opaco;

la figura 3A muestra un corte transversal de una primera realización de la lente objetivo;

La figura 3B muestra un corte transversal de una tercera realización de la lente objetivo; y

La figura 4 muestra un sistema de detección del dispositivo de exploración.

La figura 1A muestra un dispositivo para explorar un soporte 1 óptico de grabación. El soporte de grabación comprende una capa 2 transparente, en un lado de la cual está dispuesta una capa 3 de información. El lado de la capa de información que no da a la capa transparente está protegido de las influencias ambientales por una capa 4 de protección. La capa 2 transparente actúa como un sustrato para el soporte de grabación al proporcionar un soporte mecánico para la capa de información. Alternativamente, la capa transparente puede tener la única función de proteger la capa de información, mientras que el soporte mecánico lo proporciona una capa en el otro lado de la capa de información, por ejemplo, la capa 4 de protección o una capa transparente y una capa de información adicionales conectadas a la capa 3 de información. Puede almacenarse información en el soporte de grabación en forma de marcas detectables ópticamente dispuestas en pistas concéntricas o espirales sustancialmente paralelas en la capa 3 de información, no indicadas en la figura. Las marcas pueden ser de cualquier forma legible ópticamente, por ejemplo en forma de pozos, zonas con un coeficiente de reflexión o una dirección de magnetización distintos de sus alrededores, o una combinación de estas formas.

El dispositivo de exploración comprende una fuente 5 de radiación, por ejemplo un láser semiconductor, que emite un haz 6 de radiación divergente. Un divisor 12 de haz, por ejemplo, una placa semitransparente, refleja la radiación hacia una lente 7' colimadora que forma un haz colimado, el cual es incidente sobre una lente 7 objetivo de foco único. La lente colimadora y la lente objetivo pueden combinarse en una única lente objetivo. La lente 7'-7 objetivo-colimadora combinada, que tiene un eje 8 óptico, transforma el haz 6 de radiación en un haz 9 convergente, que tiene una única vergencia, que forma un foco 10 sobre la capa 3 de información. Aunque la lente objetivo se indica en la figura como un solo elemento de lente, también puede comprender un holograma que funcione en transmisión o reflexión, o una rejilla de difracción para acoplar la radiación procedente de un guíaondas que lleva el haz de radiación. La radiación del haz 9 convergente reflejado por la capa 3 de información y que forma un haz 11 reflejado, retorna por el camino óptico del haz 9 convergente de ida. Tras la lente 7 objetivo y la lente 7' colimadora, el divisor 12 de haz separa los haces de ida y reflejados transmitiendo al menos parte del haz 11 reflejado hacia un sistema 14 de detección. El sistema de detección capta la radiación y la convierte en una o más señales eléctricas. Una de estas señales es una señal 15 de información, cuyo valor representa la información leída de la capa 3 de información. Otra señal es una señal 16 de error de enfoque, cuyo valor representa la diferencia axial en altura entre el foco 10 y la capa 3 de información. La señal de error de enfoque se utiliza como entrada para un servocontrolador 17 de foco, que controla la posición axial de la lente 7 objetivo, controlando de este modo la posición axial del foco 10 para que el foco coincida sustancialmente con el plano de la capa 3 de información. La parte del sistema de detección, que incluye uno o más elementos de detección sensibles a la radiación y un circuito electrónico que procesa la señal de salida de los elementos de detección, utilizada para generar el error de enfoque se denomina el sistema de detección del error de enfoque. El servosistema de enfoque para colocar la lente objetivo comprende el sistema de detección del error de enfoque, el servocontrolador de foco y un actuador para mover la lente objetivo.

La figura 2A muestra una vista de la lente 7 objetivo a lo largo de su eje óptico. La lente comprende una parte 25 anular exterior y una parte 26 central dentro de la parte anular. La parte central y la parte anular exterior pueden tener una línea 27 divisoria común, tal como se muestra en la figura, o pueden estar separadas por un anillo intermedio.

La lente 7 objetivo se ha diseñado para formar un foco óptimo sobre la capa 3 de información, es decir, un foco con un cociente de Strehl que se aproxima a 1. Por esta razón, la lente 7 objetivo se ha corregido para la aberración esférica producida por el haz 9 convergente cuando pasa por la capa 2 transparente del soporte 1 de grabación. El frente de onda del haz convergente próximo al foco 10 es sustancialmente esférico. La figura 1B muestra un soporte 21 de grabación de otro tipo que tiene una capa 23 de información y una capa 22 transparente de un grosor distinto al grosor de la capa 2 transparente. La capa 23 de información puede explorarse apropiadamente por medio del haz 9 convergente cuando la capa de información está dispuesta axialmente, no en la posición del foco óptimo sino próxima a o en la posición del foco paraxial del haz 9 convergente.

Cuando la capa 23 de información está colocada en una ubicación axial lejos del foco paraxial, la calidad del punto focal disminuye rápidamente, lo que lleva a una calidad reducida de las señales generadas en el sistema 14 de detección. En un pequeño alcance alrededor de la posición del foco paraxial, el frente de onda del haz convergente aberrado es sustancialmente esférico en una parte central de la apertura. El foco comprende una pequeña zona central de alta intensidad resultante de los rayos en la parte central de la apertura, y una zona grande de baja intensidad que rodea la zona pequeña y resultante de los rayos fuera de la parte central. La calidad de la zona central del foco es entonces suficiente para explorar apropiadamente la capa 23 de información, mientras que la zona exterior puede estar hecha para no afectar a la exploración.

Cuando se explora la capa 23 de información del soporte 21 de grabación con el foco paraxial, la parte central del frente de onda es relativamente plana, pero la parte exterior del frente de onda está muy desviada. La desviación cambia la dirección de los rayos marginales, haciendo posible la interceptación de los rayos marginales antes de la detección, y por tanto eliminando una parte importante de la influencia perturbadora de la aberración esférica no compensada de las señales generadas por el sistema de detección.

Los tamaños de la parte central y de la parte anular dependen, entre otras cosas, de la apertura numérica de la lente 7 objetivo, de la diferencia entre los primer y segundo grosores de las capas 2 y 22 transparentes, respectivamente, y de sus índices de refracción. La determinación del tamaño óptimo de la parte central y su tolerancia se han descrito en dicha solicitud de patente internacional IB96/00182, más específicamente en los párrafos que explican la ecuación (1) de esa solicitud y la ecuación (2b) que da una realización preferida. Como un ejemplo, un dispositivo está diseñado para explorar un soporte de grabación del primer tipo, que tiene un grosor de capa transparente de 0,6 mm, con un haz de radiación de longitud de onda \lambda = 635 nm y NA_{0}=0,60, siendo NA_{0} la apertura numérica de todo el haz 9 de radiación. El dispositivo también debe ser capaz de explorar un soporte de grabación del segundo tipo que tenga un grosor de capa transparente de 1,2 mm (\Deltad = 0,6 mm), un índice de refracción de 1,58 y detalles más pequeños en forma de una distancia entre pistas que es p = 1,6 \mum. El valor óptimo de NA_{c} es decir, la apertura numérica relativa a la parte central, es de 0,33. Dado que el valor de NA_{c} sobre NA_{0} es igual a 0,33/0,60 = 0,55, el diámetro de la parte 26 central también es igual a 0,55 veces el diámetro de todo la sección transversal del haz 11 reflejado en la posición de la lente objetivo. La tolerancia en el valor de NA_{c} y el tamaño de la parte central son relativamente grandes debido a los efectos de contrarresto de la aberración esférica, por una parte, que aumenta el tamaño de punto con el aumento de la apertura, y de la difracción, por otra parte, que disminuye el tamaño de punto con el aumento de la apertura numérica. Para dispositivos de bajo rendimiento, la tolerancia es de \pm25%, y para dispositivos de alto rendimiento, la tolerancia es preferiblemente igual a \pm10%.

La figura 3A muestra una realización de la lente 7 objetivo según la invención, diseñada para hacer converger un haz colimado de radiación con un NA de 0,6 en un foco a través de la capa 2 transparente hecha de Policarbonato (PC) que tiene un grosor de 0,6 mm y un índice de refracción de 1,58 en la longitud de onda de diseño de 650 nm. La lente objetivo comprende un cuerpo 28 de vidrio plano y esférico y una capa 29 transparente de Diacryl que tiene un índice de refracción de 1,566 que dan tanto a la parte anular como a la parte central de la lente una superficie 30 exterior esférica. La capa 29 transparente puede aplicarse al cuerpo 28 de vidrio mediante la técnica de replicación conocida por, entre otras, la Patente Europea nº 0 156 430. La parte anular, que tiene un radio interno de 1,089 mm, introduce una cantidad de aberración esférica que compensa un paso del haz 9 de radiación convergente a través de la capa transparente de PC de 0,6 mm. La parte central de la lente, dentro de la parte anular, introduce una aberración esférica en el haz de radiación que compensa un paso a través de una capa transparente de PC de 1,2 mm. La calidad de la lente objetivo se mejora adicionalmente haciendo que las longitudes focales efectivas de la parte central y de la parte anular sean sustancialmente iguales, de manera que la radiación que pasa a través de la parte central contribuya de manera constructiva a la radiación que pasa a través de la parte anular, formando conjuntamente el primer foco. La exploración a través de la capa de 0,6 mm se mejora seleccionando el grosor de la parte central de manera que la desviación del frente de onda de valor eficaz del haz de radiación próximo al primer foco, es decir, tras pasar a través de la capa de 0,6 mm, tenga un valor mínimo. Esto supone hacer que la desviación media del frente de onda en la parte central sea igual a la desviación media del frente de onda en la parte anular. La corrección del frente de onda debida a la corrección del grosor es del orden de 0,1\lambda con respecto a una parte central que sólo tiene una compensación de 4º grado para la aberración esférica y una compensación de 2º grado para el foco. La corrección del grosor asciende a aproximadamente 0,2 \lambda en términos del grosor del material de la lente. La corrección del grosor es una medida adicional sin la que también es posible la exploración a través de la capa de 0,6 mm.

Los datos de la primera realización de la lente son:

Longitud focal	3,30 mm
Grosor en el eje óptico	1,85 mm
Índice de refracción del cuerpo 28	1,6991 mm
Diámetro óptico	3,96 mm
Radio (R) de curvatura del cuerpo	2,516 mm
Distancia útil libre	1,82 mm
Variación del grosor de la capa 29	24 \mum en y = 0,00 mm
	0,6 \mum en y = 1,30 mm
	44 \mum en y = 1,98 mm

La forma de la superficie 30 exterior de la parte 25 anular viene dada por el polinomio

(1)z \ = \ \sum\limits^{n=5}_{n=1} \ a_{2n} \ y ^{2n}

donde a_{2} = 0,22111850, a_{4} = 0,00406762, a_{6} = -0,00001517, a_{8} = -0,00000514 y a_{10} = -0,00000348. La parte 25 anular se extiende desde y = 0,55*1,98 = 1,089 mm hasta y = 1,98 mm.

La forma de la superficie 30 exterior de la parte 26 central viene dada por z+\Deltaz, donde z viene dada por la ecuación (1) y \Deltaz por

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donde y_{max} = 1,089 mm. El término \Deltaz comprende un polinomio de Zernike que da una corrección del enfoque apropiada para la aberración esférica que el término introduce en el haz de radiación. El término cuadrático en el polinomio es la corrección de la longitud focal y el término constante es la corrección del grosor.

Cuando la lente objetivo comprende únicamente la compensación de la aberración esférica en su parte central, la posición preferida de la capa 23 de información está en el foco paraxial de la lente. Cuando la lente objetivo comprende tanto la compensación de la aberración esférica como la corrección del enfoque, la posición preferida de la capa 23 de información está a una corta distancia lejos del foco paraxial hacia el foco óptimo para minimizar la desviación del frente de onda. La corta distancia es de aproximadamente dos profundidades focales del haz que pasa a través de la parte 26 central, es decir, de un haz que tiene una apertura numérica de NA_{c}. La profundidad focal es igual a
\lambda /[2(NA_{c})^{2}]. Cuando, por ejemplo, la longitud \lambda de onda es igual a 650 nm y NA_{c} es igual a 0,33, la corta distancia es igual a 6 \mum. Cualquier referencia a la posición del foco paraxial en lo que sigue en el presente documento se supone que es una referencia a la posición preferida.

En general, un foco está colocado correctamente sobre un plano de información si la señal 16 de error de enfoque tiene un valor cero. Cuando el servosistema de enfoque en un dispositivo de exploración que tiene una lente objetivo según la primera realización anterior se ha ajustado de manera que el primer foco situado sobre la primera capa 3 de información está en un cruce cero de la señal de error de enfoque, el segundo foco generalmente no está situado con precisión sobre la capa 23 de información en el cruce cero de la señal de error de enfoque. Esto puede solucionarse añadiendo una tensión constante de desplazamiento de foco a la señal 16 de error de enfoque cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. El inconveniente de una tensión de desplazamiento dependiente del tipo de soporte de grabación que se está explorando puede solucionarse modificando la lente objetivo. Para esto, se añade una corrección del enfoque a la parte central de la lente objetivo, lo que da la parte central de una corrección del enfoque distinta de la corrección apropiada para la aberración esférica que introduce en el haz. La corrección adicional del enfoque cuida de que el segundo foco esté situado sobre la segunda capa de información en un cruce cero de la señal de error de enfoque. La magnitud de la corrección adicional del enfoque es del orden de una profundidad focal de la lente objetivo, es decir, del orden de 1 \mum, y puede depender de la geometría del sistema de detección del error de enfoque. De este modo, la tensión adicional de desplazamiento del foco, dependiente del soporte de grabación, ya no es necesaria.

Una segunda realización de la lente objetivo según la invención, que incorpora la corrección adicional del enfoque anteriormente mencionada, tiene una sección transversal similar a la sección transversal de la primera realización mostrada en la figura 3A, y también puede realizarse utilizando la técnica de replicación. La forma de la superficie exterior de la parte anular es la misma que en la primera realización y viene dada por la ecuación (1) anterior y los valores de las constantes dadas directamente debajo de la ecuación. La forma de la superficie exterior de la parte central viene dada por z+\Deltaz', donde z viene dada por la ecuación (1) y \Deltaz' por

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Una tercera realización de la lente objetivo según la invención es una lente 32 biesférica hecha de un único material de plástico, por ejemplo, mediante moldeo por inyección. La figura 3B muestra un corte transversal de la lente 32. El material de la lente es Polimetilmetacrilato (PMMA) que tiene un índice de refracción de 1,4885 en la longitud de onda de diseño de 650 nm.

Los datos de la tercera realización de la lente son:

Longitud focal	3,30 mm
Grosor en el eje óptico	2,95 mm
Diámetro óptico	3,96 mm
Distancia útil libre	1,5 mm

La lente tiene dos superficies 33 y 34, la primera en frente de la fuente de radiación, la segunda en frente del soporte 1 de grabación. La forma de la superficie 33 en la parte anular de la lente viene dada por el polinomio para z en la ecuación (1), en la que las constantes tienen los valores: a_{2} = 0,25317630, a_{4} = 0,00671352, a_{6} = 0,00045753,
a_{8} = -0,00010526 y a_{10} = 0,00000860. La parte anular se extiende desde y = 1,089 mm hasta y = 1,98 mm. La forma de la superficie 33 en la parte central viene dada por z+\Deltaz, donde z viene dada por la ecuación (1) y las constantes dadas en la frase anterior, y \Deltaz viene dada por la ecuación (2) con el factor 0,63 sustituido por 0,73.

La forma de la superficie 34 sobre la anchura del haz de radiación viene dada por la ecuación (1), en la que las constantes tienen los valores: a_{2} = -0,10009614, a_{4} = 0,02163729, a_{6} = -0,00788082, a_{8} = 0,00205921 y a_{10} = -0,00023477.

Una cuarta realización de la lente objetivo según la invención es una lente, tal como se muestra en la figura 3B, que tiene la misma forma de las superficies 33 y 34, pero donde la forma de la parte central no viene dada por z+\Deltaz sino por z+\Deltaz', en la que \Deltaz' viene dada por la ecuación (3) con el factor 0,63 sustituido por 0,73. Esta lente tiene la corrección adicional del enfoque comparable a la de la segunda realización.

Resultará evidente que son posibles realizaciones similares de la lente objetivo cuando la lente 7 objetivo y la lente 7' colimadora están combinadas en un único elemento óptico. Mientras que las realizaciones anteriores tienen un conjugado finito, un elemento óptico único de este tipo tiene dos conjugados finitos.

Tal como se ha expuesto anteriormente, los rayos marginales del haz 11 de radiación deben interceptarse antes de la detección cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. Los rayos en la zona central del haz 11 de radiación se harán converger apropiadamente hacia el sistema 14 de detección, mientras que los rayos marginales del haz 11 de radiación tienen una desviación angular tan grande debido a la aberración esférica que no serán interceptados por el sistema 14 de detección. Sin embargo, los rayos en una zona intermedia entre la zona central del haz y los rayos marginales todavía serán incidentes sobre el sistema de detección aunque estos rayos no tengan la corrección apropiada de la aberración esférica para el primer tipo de soporte de grabación, reduciendo de este modo la calidad de las señales de detección formadas por el sistema de detección.

Este problema puede solucionarse dotando al dispositivo de exploración con un anillo opaco, que puede disponerse sobre la lente objetivo. La palabra "opaco" significa que la luz incidente sobre el anillo no sigue el camino que habría seguido en ausencia del anillo, es decir, dicha luz ya no cae sobre el sistema de detección. El anillo constituye una solución para el mismo problema que la corrección adicional del enfoque de las segunda y cuarta realizaciones de la lente objetivo. Por tanto, un dispositivo de exploración que tiene un anillo no requiere una tensión adicional de desplazamiento dependiente del soporte de grabación en el servosistema de enfoque.

La figura 2B muestra un sistema 35 objetivo que tiene un anillo opaco de este tipo. Una parte 36 anular y una parte 37 central están separadas por un anillo 38 intermedio. La forma de la parte anular y de la parte central pueden ser según la primera o tercera realizaciones anteriormente descritas. El círculo interno del anillo 35 está preferiblemente situado en la posición de la línea 27 divisoria de la realización de la lente mostrada en la figura 2A, con una tolerancia de \pm10% del radio de todo el corte transversal del haz de radiación en la ubicación del anillo. La anchura del anillo depende, entre otras cosas, de la geometría del sistema 14 de detección. Un anillo ancho elimina de forma eficaz rayos no deseados del sistema de detección, mientras que un anillo pequeño tiene un rendimiento superior de radiación. Como equilibrio, un anillo dispuesto en el haz de radiación de ida y reflejado tiene preferiblemente una anchura entre el 5% y el 25% del radio mencionado, y tiene una anchura óptima del 10%.

El anillo puede tener varias realizaciones. Puede comprender una o más ranuras profundas o montículos en "V" que refracten la luz incidente sobre el anillo en direcciones en las que ya no afecta prácticamente nada o nada a las señales de detección. El anillo también puede comprender una serie de ranuras o pozos pequeños, profundos, que funcionen como una rejilla de difracción que difracta la luz incidente lejos del haz en curso. Tal rejilla de difracción puede aplicarse fácilmente a una lente compuesta de un cuerpo de vidrio y de una capa transparente que cubre uno o más lados del cuerpo, y a una lente de plástico. El anillo puede comprender un recubrimiento reflectante de película delgada para reflejar la luz incidente sobre el anillo. El anillo también puede comprender una capa absorbente, tal como tinta, para absorber la luz incidente. El anillo puede comprender 2(2n+1) secciones de igual longitud, donde
n = 0, 1, 2, ..., y las secciones son alternativamente transparentes y opacas. Tal anillo, que funciona en el camino de ida y el de venida, forma una obstrucción eficaz para la radiación incidente sobre el anillo, y al mismo tiempo tiene la ventaja de que deja pasar más radiación difractada en órdenes superiores por el soporte de grabación que un anillo uniformemente opaco.

Cada uno de estos anillos puede estar dispuesto en cualquiera de los lados de una lente objetivo que tenga un conjugado finito o de una lente objetivo que tenga dos conjugados finitos. El anillo también puede disponerse sobre el divisor 12 de haz en la figura 1, de manera que no interactúe con el haz 6 de radiación procedente del láser 5, sino sólo con el haz 11 de radiación reflejado. Cuando se utiliza una placa semitransparente como divisor de haz, tal como se muestra en la figura 1, el anillo puede aplicarse al lado de la placa orientado hacia el sistema 14 de detección. Cuando el anillo está dispuesto sólo en el haz 11 reflejado, el anillo es preferiblemente más ancho que el anillo dispuesto sobre la lente, y comprende preferiblemente entre el 55% y el 75% del radio del haz reflejado en la ubicación del anillo, con una tolerancia del \pm5% del radio mencionado. Esta disposición produce una lectura más sólida de información cuando se inclina un soporte de grabación del primer tipo.

La figura 4 muestra una realización del sistema 14 de detección. El sistema de detección comprende un detector de cuadrantes que tiene cuatro elementos 39, 40, 41 y 42 de detección sensibles a la radiación. El haz 11 de radiación incidente sobre estos elementos se ha hecho astigmático, por ejemplo, por el paso a través de la placa 12 oblicua mostrada en la figura 1. Las cuatro señales eléctricas de salida de los elementos de detección pueden utilizarse para formar una señal de error de enfoque según el denominado método astigmático, conocido por, entre otros, el documento US 4 358 200. Por otra parte, el tamaño de los elementos debe ser lo suficientemente grande como para capturar la mayor parte del haz de radiación cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo. Por otra parte, el tamaño debe ser lo suficientemente pequeño como para no interceptar los rayos marginales cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. El tamaño de compromiso de los elementos depende de la longitud de onda de la radiación, de la apertura NA_{D} numérica de la lente objetivo en el lado del sistema de detección y de la cantidad de astigmatismo introducida en el haz 11 de radiación. La longitud k de un lado del cuadrado del sistema de detección se encuentra preferiblemente en un intervalo de 0,6 veces k_{opt} a 1,4 veces k_{opt}, donde el valor óptimo para k, k_{opt}, viene dado por

(4)K _{opt}= \frac{2(W_{22} + 1 \text{.} 5) \lambda}{N_{AD}}

donde W_{22} es la deformación astigmática de pico-valle del frente de onda, expresada en unidades de la longitud de onda, introducida en el haz 11 reflejado y medida sobre todo la sección transversal del haz. La tolerancia en k implica que la forma del detector no está limitada a un cuadrado sino que puede ser rectangular dentro del intervalo de tolerancia. Una cantidad común de astigmatismo introducida en el haz 11 es 5\lambda. Cuando NA_{D} es igual a 0,1 y la longitud de onda es igual a 650 nm, la longitud k se encuentra preferiblemente entre 118 \mum y 51 \mum, con un valor óptimo en 85 \mum.

Cuando no se introduce astigmatismo en el haz 11 de radiación, el valor superior del intervalo preferido para el tamaño k del sistema de detección viene dado por

(5)K_{max} \ = 16 \ W_{40} \left[ \frac{NA_{1}}{NA_{0}} \right] ^{3} \frac{ \lambda}{NA _{D}}

donde W_{40} es la aberración esférica debida a un único paso a través de la diferencia de grosor en el diámetro más grande del haz 11 de radiación, es decir, en la apertura NA_{0} numérica, y NA_{1} es la apertura numérica en el círculo interno de la parte anular del haz 9 de radiación. El término W_{40}, en unidades de una longitud de onda, viene dado por

(6)W_{40} = \frac{(n^{2}-1)}{8n^{3}} \ \frac{\Delta d}{\lambda} \ (NA_{0})^{4}

donde n es el índice de refracción de la capa transparente, y \Deltad, la diferencia de grosor entre las capas 2 y 22. El valor inferior del intervalo preferido para k_{max} es 0,6 veces k_{max}. En una de las realizaciones de la lente objetivo sin anillo opaco y que tiene una parte anular que se extiende desde 0,55 a 1 vez el diámetro del haz de radiación, el valor de NA_{1}/NA_{0} es 0,55 y el tamaño máximo del sistema de detección viene dado por k_{max} = 15\lambda /NA_{D}. Con los valores anteriores de \lambda y NA_{D}, esto produce k_{max} = 98 \mum y un límite inferior de 59 \mum. En una de las realizaciones que tiene un anillo 38 que se extiende desde 0,55 a 0,65 veces el diámetro del haz de radiación, el valor de NA_{1} / NA_{0} es 0,65 y el tamaño máximo del sistema de detección viene dado por k_{max} = 25\lambda / NA_{D}. Con los valores anteriores de \lambda y NA_{D}, esto produce k_{max} = 162 \mum y un límite inferior de 97 \mum. El tamaño más grande permitido del sistema de detección cuando se utiliza un anillo opaco se debe a la supresión por el anillo de rayos en la transición desde la parte central a la parte anular.

La magnitud del astigmatismo W_{22} es preferiblemente tal que 1,4 k_{opt} \leq k_{max}.

Se ha realizado una serie de experimentos para mostrar la calidad de diversas señales derivadas del sistema de detección cuando se utilizan distintas lentes objetivo en un dispositivo óptico de exploración. El grosor de la primera capa 2 transparente del primer tipo de soporte de grabación fue 0,66 mm y el de la segunda capa 22 transparente del segundo tipo de soporte de grabación fue 1,2 mm. La apertura numérica de toda la lente fue de 0,6. La señal de información derivada de las cuatro señales de salida de los cuatro elementos 37-40 de detección cuando se exploró un soporte de grabación del segundo tipo tuvieron aproximadamente la misma calidad cuando se utilizó una lente objetivo sin la compensación de la aberración esférica según la invención y cuando se utilizó una lente objetivo según la invención. Esto muestra que la presencia de la parte central en la lente objetivo que tiene una compensación de la aberración esférica para un grosor distinto del sustrato no influye perceptiblemente en la calidad de la señal de información cuando se leen soportes de grabación del primer tipo.

Cuando se leyó un soporte de grabación del segundo tipo utilizando una lente objetivo sin la compensación de la aberración esférica según la invención, la inestabilidad en la señal de información fue de aproximadamente el 8%. Cuando se utilizó una lente objetivo que tiene una corrección de la aberración esférica en la parte central según la invención, la inestabilidad se redujo al 6%. La adición de la corrección adicional del enfoque según la segunda realización de la lente objetivo redujo la inestabilidad al 5%. La inestabilidad también fue del 5% cuando se sustituyó la corrección adicional del enfoque por un anillo opaco. Se destaca que también se alcanza una reducción ventajosa cuando se aplica el anillo a un sistema de lente que, tanto sobre la parte central como sobre la parte anular, se corrige para la aberración esférica que compensa el paso del haz de radiación a través de la primera capa transparente.

La calidad de la señal de error de enfoque depende mucho de la calidad de las líneas focales astigmáticas formadas por el haz 11 de radiación cerca del sistema de detección. La primera realización de la lente objetivo cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo da una mejora sustancial de la calidad de las líneas focales en comparación con las líneas focales al utilizar una lente objetivo no corregida. La calidad mejorada aumenta el intervalo de captura del servosistema de enfoque y permite el uso de elementos de detección más grandes, mejorando de este modo la detección cuando se leen los soportes de grabación del segundo tipo. También aumenta la tolerancia de colocación del sistema 14 de detección. En un dispositivo de exploración específico que utiliza una lente objetivo conocida, no corregida, un error de posición de 10 \mum del sistema de detección dio como resultado un desplazamiento del foco de 2 \mum. Cuando se utiliza una lente objetivo corregida en el mismo dispositivo que tiene el error de posición de 10 \mum, el desplazamiento del foco fue inferior a 0,2 \mum.

Claims

1. Lente objetivo para hacer converger un haz de radiación en un único foco óptimo, teniendo la lente objetivo una parte anular que introduce una primera aberración esférica en el haz de radiación que compensa el paso del haz de radiación a través de una primera capa transparente que tiene un primer grosor, y una parte central dentro de la parte anular que introduce una segunda aberración esférica en el haz de radiación que compensa el paso del haz de radiación a través de una segunda capa transparente que tiene un segundo grosor distinto.

2. Lente objetivo según la reivindicación 1, en la que la parte central y la parte anular de la lente objetivo tienen longitudes focales eficaces que son sustancialmente iguales.

3. Lente objetivo según la reivindicación 1, en el que el grosor medio de la parte central de la lente objetivo es tal que la desviación del frente de onda de valor eficaz tras pasar a través de la primera capa transparente tiene un valor mínimo.

4. Lente objetivo según la reivindicación 1, en el que la lente objetivo comprende un anillo intermedio opaco dispuesto entre la parte central y la parte anular.

5. Dispositivo óptico de exploración para explorar un primer tipo de soporte de grabación que tiene un primer plano de información y una primera capa transparente de un primer grosor y para explorar un segundo tipo de soporte de grabación que tiene un segundo plano de información y una segunda capa transparente de un segundo grosor distinto del primer grosor, que comprende una fuente de radiación para generar un haz de radiación y una lente objetivo según la reivindicación 1.

6. Dispositivo óptico de exploración según la reivindicación 5, en el que el dispositivo comprende medios para colocar el foco óptimo del haz de radiación sustancialmente sobre la primera capa de información y el foco paraxial de dicho haz de radiación sustancialmente sobre la segunda capa de información.