A7 B7 5871 〇423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（I ) 本發明是有關於一種光學讀取頭（Optical Pick-up Head)之物鏡，且特別是有關於一種除能應用在高密度數位 影音光碟機（DVD)之光學讀取頭中，又能和傳統 CD(Compact Disc)光碟片相容外，亦可應用於顯微鏡、攝 影機，及其他以光學原理讀取資料之場合的雙焦點（Dual Focus)物鏡(Objective Lens)。 按本案申請人曾於85年3月8日以第851〇2902 號發明專利提出申請，且其已於85年11月9日獲准專利( 以下簡稱原案）。 在原案的發明技術背景中，由於要製作更高密度的光 碟片意味著須有超高的光學解析度，而解析度與光波的長 短以及物鏡的數値孔徑(Numerical Aperture簡稱NA)有關 係，也就是愈短的波長及愈大的數値孔徑，其解析度愈好 。但是愈大的數値孔徑，容易因光碟片輕微傾斜而造成讀 取的像差，解決的辦法就是光碟片基底（Substrate)的厚度 必須盡量的薄。
因此在新一代的高密度數位影音光碟機中，其光碟片 的規格有 MMCD(Multi-Media Compact Disk)光碟片和 SD 光碟片兩種，目前初步整合規格的結果，光碟片的物理規 格將採用SD光碟片的規格，亦即光碟片基底的厚度爲 0.6mm，使用物鏡的數値孔徑爲0.6，使用雷射光的波長 爲65Onm或635nm。但是傳統CD光碟片，其光碟片基底 的厚度爲1.2mm，使用物鏡的數値孔徑爲〇·45 ’使用雷射 光的波長爲780nm，故必須發展出一種既能讀取SD光碟 3 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I.-------^ —装------訂-----厂線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本X) 經濟部中央樣準局員工消費合作杜印裝 0473TWFAD.d〇c/CH〇U/002 A7 B7 五、發明説明（Z ) 片，又能讀取CD光碟片的雙焦點光學讀取頭，才能使高 密度數位影音光碟機也能和已佔有廣大市場之CD光碟片 相容。 因此原案的主要目的是在提供一種光碟機光學讀取 頭之物鏡，使新一代數位影音光碟機’具有雙焦點的功能 ，能讀取SD光碟片也能和現存之CD光碟片相容。 原案的另一主要目的就是在提供一種光碟機光學讀取 頭之物鏡，能夠簡化數位影音光碟機之雙焦點光學讀取頭 的機械結構，以利實際組裝，並提高組裝容許誤差。 原案的再另一主要目的就是在提供一種光碟機光學 讀取頭之物鏡，能夠簡化數位影音光碟機之雙焦點光學讀 取頭內的元件設計，使之生產容易，並降低成本。 原案的再另一主要目的就是在提供一種光碟機光學 讀取頭之物鏡，能夠避免習知HOE分焦法之能量損失問題 ，使光路之能量效率充分發揮。 據此，原案之主要實施例如下所述，請參閱第1圖， 其繪示一種具有凸透鏡及平凹透鏡的雙焦點物鏡之光學 聚焦示意圖。該物鏡由一凸透鏡40以及一平凹透鏡42組 成，凸透鏡40之表面乃是一非球面，其依照上述原理設計 成當一預定波長的光射入時，會有較短的焦距，聚焦在只 有0_6mm厚的SD光碟片表面。當該預定波長的光束通過 平凹透鏡42的平面部份44時，光束將循原方向前進，經 過凸透鏡40聚焦後，仍然聚焦在SD光碟片表面；當該預 定波長的光束通過平凹透鏡42的凹下部份46時，光束將 4 --------•—裝------訂-----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 0423TWFAD.doc/CHOU/002 ^ 0423TWFAD.doc/CHOU/002 ^ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 — 1 五、發明説明（> ) 略爲發散，再經過凸透鏡40聚焦後’焦距會略爲拉長，適 當地設計凹下部份46表面之非球面’可改變其焦距’使其 聚焦在1.2mm厚的CD光碟片表面。 請參照第2圖，其繪示一種具有二非球面的雙焦點物 鏡之光學聚焦示意圖。該物鏡50在光入射之表面由一非球 面部份52以及另一非球面部份54組成，非球面部份52乃 是依照前述原理來設計，當一預定波長的光射入時，會聚 焦在只有〇.6mm厚的SD光碟片表面；當該預定波長的光 束通過非球面部份54時，依照前述原理適當地設計非球面 部份54，使焦距略爲拉長，而聚焦在1.2mm厚的CD光碟 片表面上。 第3a圖是單一焦點非球面物鏡之正視圖，其焦點設計 在短焦距SD光碟片表面；第3b圖是一種具有二非球面的 雙焦點物鏡之正視圖；第3c圖是依照原案之一種雙焦點非 球面物鏡之正視圖。第3b圖其動作原理已以第2圖說明’ 而第3c圖之雙焦點非球面物鏡比第3b圖增加了兩個部份 ，亦即該物鏡表面具有4個非球面部份’且由該物鏡正視 圖來看，以近似同心圓的分佈形狀，由外至內依序爲第一 部份60、第二部份62、第三部份64、以及第四部份66 。適當地設計各部份之非球面特性係數、中心厚度及數値 孔徑等，使第一部份60和第三部份64、第二部份62和第 四部份66之非球面特性係數及中心厚度相同’且該第一部 份決定該第三部份之數値孔徑’即數値孔徑爲光束最大收 斂角所決定，該第二部份決定該第四部份之數値孔徑，則 5 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Μ規格（21〇><297公釐） -------ι-ί 裝------訂------.線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 3TWFAD.d〇c/CHOU/002 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（if ) 該物鏡內之各部份焦點就只有兩種，且由外至內依序變換 焦點，亦即第一部份60和第三部份64之焦點相同，其數 値孔徑皆爲〇·6，焦距較短，會聚焦在只有0.6mm厚的SD 光碟片表面；而第二部份62和第四部份66之焦點相同， 其數値孔徑皆爲〇·35到0.43之間擇一，焦距較長，會聚焦 在1.2mm厚的CD光碟片表面，本實施例所選用的數値孔 徑較ΝΑ=0.45小的原因乃是使用了較短波長的光，其效果 較好的緣故。 請參照第4圖，其繪示依照原案一較佳實施例的一種 光碟機光學讀取頭之示意圖。首先光由雷射二極體1〇〇發 出’經過光柵101產生三光束，預備作爲尋軌訊號用，再 經BS分光鏡102分光反射後，通過準CL直透鏡103產生 平行光，再經FM轉折稜鏡104，進入具有4非球面部份 &雙焦點物鏡105，經長焦距非球面部份的光聚焦在厚基 底的CD光碟片上，經短焦距非球面部份的光聚焦在薄基 底的SD光碟片上，然後光循原路徑反射回來，當再度通 過BS分光鏡102時，直接將光碟片上〇與i資料忠實反映 在光感應器106，由系統接收。 原案之物鏡雖已解決光碟機光學讀取頭之諸多問題 ’然而，原案之物鏡並不應只限於光碟機，凡是有須利用 不同焦點來作光學讀取資料之產品，如攝影機、相機等， 皆可以本發明之具有非球面部份物鏡爲技術特徵，以避免 習知HOE分焦法之能量損失問題，並使光路之能量效率充 分發揮。 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· ,ιτ 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 X ^^i3TWFAD.doc/CHOU/002 A7 B7 五、發明説明（f ) 再者，有鑑於目前顯微鏡的應用亦十分廣泛，因此， 本發明之另一目的即在於以具雙焦點特性物鏡的顯微鏡 來對一些樣本進行觀察，或對半導體晶片進行光罩圖案的 對準。 爲達成本發明之上述和其他目的，一種光學讀取頭之 物鏡包括：一第一部份，具有一第一非球面，用以使通過 該第一部份之一預定波長之光，聚焦在一第一焦點上；一 第二部份，具有一第二非球面，用以使通過該第二部份之 該預定波長之光，聚焦在一第二焦點上；一第三部份，具 有一第三非球面，該第三非球面和該第一非球面具有相同 之非球面特性係數及中心厚度，且該第一部份決定該第三 部份之數値孔徑，即數値孔徑爲光束最大收斂角所決定， 用以使通過該第三部份之該預定波長之光，聚焦在該第一 焦點上；以及一第四部份，具有一第四非球面，該第四非 球面和該第二非球面具有相同之非球面特性係數及中心 厚度，且該第二部份決定該第四部份之數値孔徑，用以使 通過該第四部份之該預定波長之光，聚焦在該第二焦點上 〇 爲達成本發明之上述和其他目的，另一種光學讀取頭 之物鏡包括一凸透鏡以及一區域發散透鏡，該區域發散透 鏡包括：一第一部份，具有一第一非球面，用以使通過該 第一部份和該凸透鏡之一預定波長之光，聚焦在一第一焦 點上；以及一第二部份，具有一第二非球面，用以使通過 該第二部份和該凸透鏡之該預定波長之光，聚焦在一第二 7 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 A7 B7 0423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（b) 焦點上；一第三部份，具有一第三非球面，該第三非球面 和該第一非球面具有相同之非球面特性係數及中心厚度 ，且該第一部份決定該第三部份之數値孔徑，即數値孔徑 爲光束最大收斂角所決定，該第一部份和第三部份典型的 例子就是一平面，用以使通過該第三部份和該凸透鏡之該 預定波長之光，聚焦在該第一焦點上；以及一第四部份， 具有一第四非球面，該第四非球面和該第二非球面具有相 同之非球面特性係數及中心厚度’且該第二部份決定該第 四部份之數値孔徑，用以使通過該第四部份和該凸透鏡之 該預定波長之光，聚焦在該第二焦點上。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例’並配合所附圖式’作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖是原案一種具有凸透鏡及平凹透鏡的雙焦點物 鏡之光學聚焦示意圖。 第2圖是原案一種具有二非球面的雙焦點物鏡之光學 聚焦示意圖。 第3a圖是原案一種單一焦點非球面物鏡之正視圖。 第3b圖是原案一種具有二非球面的雙焦點物鏡之正 視圖。 第3c圖是原案一種雙焦點非球面物鏡之正視圖。 第4圖是依照原案一較佳實施例的一種光碟機光學讀 取頭之示意圖。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉Α4規格（210X297公爱） I n n^— i ml I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 、τ 衫：
A7 B7 0423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（1) 第5圖是本發明一較佳實施例中，雙焦點顯微鏡之示 意圖。 第6圖是本發明另一較佳實施例中，雙焦點顯微 示意圖。 第7圖是依照本發明另一較佳實施例中，雙焦點顯微 鏡之示意圖。 第8圖是依照本發明另一較佳實施例中，一具有雙焦 點顯微鏡對準裝置之示意圖。 實施例 以下說明利用本發明光學讀取頭之各較佳實施例，其 主要是以一雙焦點物鏡來達成在不同平面成像聚焦之功 能，其中，具相同編號者，因係代表具等效元件之群組， 因此在不同的實施例中，將不再予以贅述。 請參閱第5圖，其爲本發明一較佳實施例中，雙焦點 顯微鏡之示意圖。依據該圖，雙焦點顯微鏡191係用來同 時觀察置放在一第一聚焦面PL1之樣本SP1的影像以及置 放在一第二聚焦面PL2之樣本SP2的影像，其包括一具有 非球面部份的雙焦點接物鏡192，該雙焦點接物鏡192由 一短焦距非球面部份A(F1)及一長焦距非球面部份A(F2) 組成，而短焦距非球面部份A(F1)係用來折射一來自樣本 SP1影像的光束L17，長焦距非球面部份A(F2)則用來折射 一來自樣本SP2影像的光束L18，進而使該兩光束L17、 L18沿一光軸OA前進。隨之，該兩光束L17、L18透過 一內鏡193而聚焦於一聚焦點PF，並形成一自該聚焦點 I------」I裝------訂-----r~"線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央樣準局員工消費合作杜印製 ^ ^^(/43TWFAD.doc/CHOU/002 ^ 五、發明説明（客） PF發散之重疊光束L19，最後該重疊光束L19由一接目鏡 194聚焦形成該樣本SP1及樣本SP2的影像。 其中，光軸〇A係平行接物鏡192、內鏡193、及接 目鏡194之中心，而沿著光軸0A，第一聚焦面PL1及第 二聚焦面PL2係處在不同的位置上。至於內鏡管195係用 來沿該光軸OA移動該內鏡193，以調整該內鏡193與接 目鏡194之距離，同理，一外鏡管196係用來沿該光軸OA 移動該接物鏡192,以調整該接物鏡192與第一聚焦面PL1 之距離，進而設定非球面部份A(F1)之短焦距F1，另在此 情形下，該接物鏡192與第二聚焦面PL2之距離亦被調整 ，以設定非球面部份A(F2)之長焦距F2。因此，藉由調整 內鏡管195及外鏡管196，將可使操作者的眼睛收到樣本 SP1及樣本SP2之淸晰的影像，且因該兩光束L17、L18 沿一光軸OA前進後，即透過一內鏡193而聚焦於一聚焦 點PF，並形成一重疊光束L19，最後該重疊光束L19自 該聚焦點PF發散時，會由一接目鏡194聚焦而放大該樣本 SP1及樣本SP2的重疊影像至操作者的眼睛。 據此，藉一由短焦距非球面部份A(F1)及一長焦距非 球面部份A(F2)組成之雙焦點接物鏡192，因可產生一重 疊光束L19，故雙焦點顯微鏡191能用來同時觀察置放在 —第一聚焦面PL1之樣本SP1的影像以及置放在一第二聚 焦面PL2之樣本SP2的影像。 請參閱第6圖，其爲本發明另一較佳實施例中，雙焦 點顯微鏡之示意圖。在此實施例中，樣本SP1係被放置於 10 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I.------J-—裝------訂-----：線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 0423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（1 ) 一第一樣本容器197的底部，樣本SP2則被放置於一第二 樣本容器198的底部，另樣本容器198是位於樣本容器197 之下，因此，如同第5圖之實施例，藉由移動該外鏡管196 而造成之接物鏡192與樣本容器197、198距離的變化， 能改變短焦距F1及長焦距F2的差距，因此即使樣本容器 197、W8的厚度Thl、Th2改變，該操作者的眼睛仍能 收到樣本SP1及樣本SP2之淸晰的影像。 請參閱第7圖，其爲本發明另一較佳實施例中，雙焦 點顯微鏡之示意圖。在之前的實施例中，接目鏡194被運 用在雙焦點顯微鏡191之中，然而，該接目鏡194亦可以 一攝影機199取代，如一電耦合裝置(CCD)攝影機。依第7 圖所示，CCD攝影機199係安裝於原接目鏡194之位置， 因此最後該光束L17、L18自內鏡193聚焦至該聚焦點PF 而重疊時，將由該CCD攝影機199攝影並錄製下該樣本 SP1及樣本SP2的放大重疊影像。 請參閱第8圖，其爲本發明另一較佳實施例中，一具 有雙焦點顯微鏡對準裝置之示意圖。在習知形成一微電路 於一半導體晶圓的例子中，光阻物質係經塗佈以覆蓋於該 半導體晶圓表面上，其藉由曝光程序，即利用一具有罩幕 圖案之光罩而經紫外線曝光後，成功的將該光罩之罩幕圖 案移轉至光阻物質上。在此例中，半導體晶圓必須以一極 精確之對準製程來執行光罩對準步驟，進而完成前述之曝 光程序。因此，半導體晶圓之參考影像與光罩之罩幕圖案 必須以一具深焦距之傳統顯微鏡來同時觀察。然而此種傳 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） —.-------^—裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T ——線 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 0423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（川） 統顯微鏡其放大倍率並不高，所以不可能非常精確的對準 該參考影像與罩幕圖案。 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 —-------* —裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ‘線 本實施例即在於解決前述問題’如第8圖所示’一對 準裝置201，係針對一印製在光罩202底表面之罩幕圖案 的第一參考影像1^^及一樣本如半導體基底203底表面之 第二參考影像RF2進行對準。該對準裝置201包括一用來 放射一對準光束之光源204，其具有一既定波長以照明該 第一參考影像RF1及第二參考影像RF2’雙焦點接物鏡192 則用以接收一自第一參考影像RF1發散的第一對準光束 L20,以及一自第二參考影像RF2發散的第二對準光束L21 ，該雙焦點接物鏡192由一短焦距非球面部份A(F1)及一 長焦距非球面部份A(F2)組成，而短焦距非球面部份A(F1) 係用來折射第一對準光束L20 ’長焦距非球面部份A(F2) 則用來折第二對準光束L21，進而使該兩光束L2〇、L21 沿一光軸〇A前進。隨之，該兩光束L20、L21透過一內 鏡193而聚焦於一聚焦點PF，並形成一自該聚焦點PF發 散之重疊光束，最後該重疊光束由一攝影機，如一電耦合 裝置（CCD)攝影機205攝影並錄製下由該第一參考影像 RF1以及第二參考影像RF2構成之放大重疊影像。 移動裝置206係用來以一垂直於光軸OA之水平方向 ，來移動該光罩202以沿光軸OA對準第一參考影像RF1 以及第二參考影像RF2，控制裝置207則係依據該攝影機 205攝製之第一參考影像RF1及第二參考影像rF2來決定 光罩202的移動量。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 0423TWFAD.doc/CHOU/002 五、發明説明（u) 由是，透過攝影機205來檢査第一參考影像RF1及第 二參考影像RF2的相對位置，再由控制裝置207控制該移 動裝置206以水平移動光罩202，進而可達成對準該第一 參考影像RF1及第二參考影像RF2之功效。 至於其他元件結構如內鏡管195、外鏡管196則與前 述實施例相同，於此不再贅述。 如熟習此技藝者可瞭解的，本發明並非限定只用於上 述較佳實施例之一種表面具有4個非球面部份的物鏡，或 是限定於由該物鏡正視圖來看，以近似同$圓的形狀分佈 ’其他具有更多非球面部份，或是不依照同心圓形狀來分 佈’只要所有組成的非球面部份，其焦點只有兩種，就都 不脫離本發明之精神。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 — ·-------^—裝------訂-------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本炅) 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）