TW594710B - Objective lens for high-density optical focusing, and optical pickup adopting the same - Google Patents

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594710 _____________________________案號89118179 年 月——曰 修正____________ 五、發明說明（1) 發明背景： 1 、發明範圍 本發明有關一種用於高密度光學聚焦而具有高精度數 值孔徑（numerial aperture，NA)之物鏡，以及接合此種 物鏡之光學讀取裝置，尤指，能以既有技術製造具有足夠 數值孔徑供高密度聚光之高密度光學聚焦物鏡，以及一光 學讀取裝置設有該物鏡作高密度記錄。 2 、相關技術說明 ，此一可在光碟 制數值孔徑最大 圖所示之傳統物 差（aberration) 之光學讀取裝置 密度。該光學讀 ，一用以繞射及 光器（Polarizat 光方向變換光之 偏（振）光至光碟 0. 85 第 及第一偏光分 則用以接收通 之資料訊號， 光器2 7之反 假設有單一物鏡使用於一光學系統中 上記錄及複製資料之物鏡因製造程序之限 值為0 · 6 。此一結果，如以第1圖及第2 鏡及光學讀取裝置為例，使其無法減少像 容自午疾差在0·07λ rms以下。 參第1圖，傳統用以記錄/複製資料 設為可在光碟1上記錄2〇 gigabytes之高 取裝置包括一含有4〇〇nm波長之光源11 傳送入射光束之光柵1 9 ，一第一偏光分 ion beam spl itter，PBS)2 1 則用以依偏 路徑’一 1 / 4波長板2 3則用以引導圓 1 ’ 一物鏡單元5 0則具有的數值孔徑為 光分光器2 7則用以傳送或反射由光碟i 器2 1所反射之光束，一第一光檢器3 1 第，偏光分光器2 7之光束，並偵測光束 二第二光檢器3 7則用以接收第二偏光分 光束’並由該處偵測一誤差訊號。 594710 五 發明說明 一準 案號 89118J1 (2) 年 月― 曰 修正 高 此一 直透鏡1 3則用以準直（或稱視準）入射光束， 向棱鏡1 5則用以定向射光，一 1 / 2波長板1 光源1 1及光栅1 9之間供延遲入射光束相位。 2波長板2 5則進一步設於第一偏光分光器2 1 光分光器2 7光路徑之間。同時，一第一聚光透 設於第二偏光分光器2 7及第一光檢器3 1之間 集平行光束。且用以聚集平行光束之第二聚光透 一用以形成像散之像散透鏡3 5 ，係設於第二偏 2 7及第二光檢器3 7之間，一第三聚光透鏡3 聚集f源1 1之光線及第一偏光分光器2 1之反 及一 &視用光檢器4 1則用以監測以第三聚光透 集之光源1 1功率。 單元5 0 ’包括一聚光之物鏡5 1及一設於物鏡 碟1間之半球面透鏡5 5 ，則用以增加物鏡單元 值孔徑。 具有如上述外形並接合半球面透鏡5 5之物鏡單 進一步使物鏡單元5 〇之數值孔徑增加超過物鏡 S數值孔徑。參第2圖，半球面透鏡5 5之數值 ΙΝ0之比例而產生，其中，0為進入半球面透 ^ N之最大的入射角度。因此，物鏡單元5 〇之 可增加至0. 85。 二為f如第1圖所示傳統光學讀取頭上具有如此 Hi碟上減小聚焦於其上之光點大小，其光碟 5間之距離吣，必需小於〇.1_。然而 ^_ ’可能阻止光磲1穩定的放置於一轉盤 _________________________________-¾¾ 89118179 g 五、發明說明（3) (圖未示）_L，及其轉動操控。 飼服控制必需精確控制在1〇nm範乍離dj 2使聚焦 1置之量產製造非常困難。 内因此使先學讀取裝 發明概述 密度明之目的即在提供-種用於高 。 雕以及一接合於該物鏡之光學讀取裝= 在本發明之可行實施例中，設 第一傳送部位於光軸之相對接近 ％ ^ 3 : _ ，用以發散地傳遞入射来圭，一 Λ ( near-axis)區域 則用以發散地反射該光束二；_月：傳送部之第-反射部 離軸線（far-axis)=二反射部則形成於相對遠 射由第-反射部所反=光”傳送部供聚焦及反 二反射部所聚焦之U第：：射：：用以折射及傳送由第 大角度上i:i:5通過第二傳送部周圍光束間之最 用以：中，設有—讀取裝置，包含：-徑改變裝置，一物二源，一用以改變射光行徑之光學路 光點，以及一光产Γ :70則用以聚焦光束供在光碟上形成 光學路徑改變裝=态甘、接收光碟反射光束，並透過物鏡及 以對光學路徑改變^中1 ^物鏡單元包含··第—物鏡用

第8頁 594710 (4) 路徑上之第二物 光線；該第二物 以發散地傳送光 以發散地反射光 遠離轴線區域， ;以及一第二傳 區域’供繞射及 明上述目的及特 明而趨於明瞭， 細說明 第3圖，本發明 包括一用以發散 5 6 ’ 一第一反射部1 5 供發散地反射入射光線， 送部1 5 6附近，供聚集 ，以及一第二傳送部1 5 8所反射之光。 五、發明說明 光碟射光 所聚光之 傳送部， 傳送部， 送部相對 射光聚焦 遠離軸線 本發 之詳細說 發明之詳 請參 佳實施例 身正 鏡，用以進一步中* ^ X t焦由第一物鏡 ;2一接近光轴區域之第- 束，_ =反射部設為朝向第一 以對：匕ϊ ί部則㈣第-傳 第一反射部朝向光碟之反 运部位於第一只备 你1 ， 弟 反射部周圍之相對 第二反射部聚焦之光線。 园、於配合所附圖式較佳實施例 圖式中： 用於兩從度聚焦之物鏡1 5 5較 地傳送入射光線之第一傳送部1 7，為朝向第一傳送部1 5 6 ， 了第二反射部1 5 8設於第一傳 被第一反射部1 5 7所反射之光 9供折射及傳送第二反射部1 5 第二傳送部159位於朝向光碟1〇〇 ，第一及第二 反射部157及158 ，及第一及第二傳送部丄5 6及工 5 9 ，並没為使第二傳送部1 5 9及光碟1 〇 〇間之工作 間距d2大於傳統光學讀取裝置之工作間距d丨（參第2圖） 用以移動光場像差範圍（optical field aberration )之第一傳送部1 5 6最好設為凹弧狀。同時，第一傳送 1 5 6设為球面或非球面以極小化像差。第一反射部1 …年—i 曰 修正 594710 MMl 89118179 五、發明說明（5) 5 7具有凸反f面供以最大角度反射入射光束，其 0 · 6以上之鬲數值孔徑，第一反射部1 5 7之反 突朝向第一傳送部1 5 6 ;第二反射部i 5 8則具 射面而供極小化光的像差由第一反射部反射向第二 1 5 9 之光束之球差（spherical aberration)及 差（coma aberrati〇n)。另方面，當射光由光碟： 反射之回程經過透镑8主 咕 Α, Μ 1 f 心規時，第二反射部1 5 8反射第 部1 5 9射向第一反鉍却]口 ▽ τ ^ 久射部1 5 7之入射光束，第二 159具有平的表面而可輕易的執行此-過程。藉 送部1 5 6 ，第二反鼾邱τ R 0 咕 狂 褙 ^ , , Q夂射部1 5 8 ，第一反射部j 5 一專t - 9之圍封空間最好填滿具有折 空氣之光學材料，苴可#筮—c ^ 外耵手η 、』使第一反射部1 5 6及射# 二傳送部159朝向朵雄q 丄 3b反射九 切阿九碟1 〇 〇加以聚焦。 第3圖顯示用以將平行入 物鏡1 5 5實施例，在此一营",士 碟1

你此 貫^例中，光蹲1 η η 小於0· 4mnL·莩度，伸f祕盔η ! %米丄ϋ U 更好為0 · 1 m m，關於用古 值孔徑的物鏡1 5 5所遙座* h 仏用以克服具 f料带成一# 之彗形像差及像散。 最好形成一適於由光碟丄〇 〇 送部1 5 7之直徑盥第-值$加，炎表之光點 件式α )其用為遮K:m59外徑滿足如

<眠退八弟一反射部1 R 使球差作用影響可被驟然削減， 5工之中央 公式（i^ 並極小化光點大小 可保持 射而為 有凹反 傳送部 彗形像 L 〇 〇 二傳送 傳送部 第一傳 7及第 不同於 束經第 0 0之 最好為 有南數 第一傳 下列條 光束， 第4及5圖顯示一設為適送入。:外 結構，揭示於第4及5圖之I、Λ '、 士光束之物鏡光學 ----------------------------------------- 、一物鏡155，具有第一及

594710 _______案號89118179__年月日_______ 丨五、發明說明（6) 丨第二傳送部1 56及1 59 ，與第一及第二反射部1 57 及1 5 8如圖3描述般，但其設計數據則不同於第3圖之 丨物鏡。 ； 如第4圖所示，一設定之聚集光進入第一傳送部1 5 |6係由第一反射部1 5 7發散地反射，並以第二反射部1 5 8聚焦，供於光碟1 0 0上形成高密度光點。

至於以較大射角進入第一傳送部1 5 6之聚集光束， 參第5圖，該入射光束通過第一傳送部1 5 6時再次聚集 及分散，然後以第一反射部1 5 7發散地反射，該發散光 束則以第二反射部1 5 8反射及聚焦供於光碟1 0 0上形 成高密度光點。 為極小化聚焦於光碟1 0 0之光點尺寸及加大工作距 離d 2 ，較佳的是參第3至5圖所述之物鏡1 5 5 ，光軸 及由第二傳送部1 5 9發出通過第一傳送部1 5 6 ，並以 第一及第二反射部1 5 7及1 5 8反射之周邊光束間最大 角度α最好滿足下列條件式（2 )。 公式（2) 30° S α $ 65° 具有上述結構物鏡1 5 5之兩個光學數據列示於表1 及表2。

表1及表2顯示物鏡1 5 5適於工作距離分別為1. 1 mm及0 . 2mm之設計數據。表3則顯示列於表1及表2上非 球面（aspher i ca 1)之非球面係數。

第11頁 594710 _案號89118179_年月日____ I五、發明說明（7) 半摱（imp 厚度（腦V 折射率， 色散 苐一傳送表面 ®4J (非球狀表面1) 2.586105^» 1.52 心 50^ 第一反肘表面 0.38706^ -2.586105. 1.526^ 50^ 苐二反財表面^ 3.42277‘· (非球狀表面2) 2.655523^- 1.526^ 50^ 苐二傳送表面< »43 1.100000^ -«3 光碟θ »43 0.100000^ 1.583^ 50^ 表2- π 半检（mmp 厚度（舰）-·1 折射率1 色散 第一傳送表面，· 0.574577^ 1.526^ 50^ 第一反射表面< 0.08600^ -0.574577^ 1.526,， 50令， 苐二反財表面4 0.76177‘· (扑球狀表面3) 0.590000- 1.526^ 50^ 苐二傳送表面〆 cop 0.198714^ 〇〇♦， 0.100000.， 1.583«， 50^ 表： 非球面係數 K， A., B, C, D, 私涑狄未由1 0.000000, 0.281823E+01., -0.244324E+03. 0.757918E+04, -0.962123E+05 扑球狄表面2 -0.257566., 0.341730E-03, -0.232088E-04 0.7359S4E-05, -0.176553E.05 扑疎狄永ώ 3 -0.086297, •0.782050E-02. •0.147428+00, 0.646999E+00, -0.3478S8E+01 本發明使用具有上述結構之物鏡1 5 5保持工作間距 d 2分別為〇. 2Π1Π1及1. 1mm，同時具有較高之數值孔徑0. 6 I或者更高，其可解決透鏡至光碟之干擾問題。本發明具有 高數值孔徑物鏡可運用顯微鏡之小型光學系統，使用於半 i導體設備之曝光裝置及製造光碟之主要設備。

第12頁 594710 五、發明說明 參第 射光束之 改變裝置 碟1 0 〇 光檢器1 光學讀取 之兩記錄 (DVD)，^ 光源 光束。光 供依其偏 設於偏光 延遲入射 可進一步 〇 如第 1時，設 一及第二 上形成光 時，第二 由第一物 處，將第 動式或圓 動馬達時 後轉盤之 --^年月 __佟庀 (8) —~ " 6圖，一光學讀取裝置實施例包括一用以投射雷 光源1 1 0 ，一用以改變入射光路徑之光學路徑 ，/物鏡單το 1 5 0則用以對入射光束聚焦在光 上形成光點，及一供接收光碟i 〇 〇反射的光之 2 5 ，以偵測貢料及誤差訊號。如第6圖所示之 裝置忐相容於具有〇.4mm^度或約2〇gigabyte s 密度光碟1 0 1 ，〇· 6mn#度之多用途數位光碟 L 1 · 2mm厚度之光碟（cd)。 1 1 〇可為一半導體雷射供發出約4〇〇mm短波長 學路徑改變裝置包括一偏光分光器（pBS)1工5 光傳，或反射入射光束。一 1 / 4波長板1 1 7 分光器115及光碟1〇〇間之光路徑上，用以 光之相位，供準直入射光束之準直透鏡1 1 3 設於光源1 1 0及偏光分光器1 1 5之光路徑間

7圖所示，當接合一相對較薄之高密度光碟 於光學路徑上之物鏡單元1 5 0設為同時包括 物鏡1 5 1及1 55 ’，供於高密度光碟工〇 點。另方面，若接合相對較厚之D v D 1 〇 q 物鏡1 5 5 ’則由物鏡單元1 5 〇中排除，而僅 鏡1 5 1將入射光束聚焦於DVD1 HQ υ ύ上。此 -一物鏡1 5 5 轉入或移出光學路經可使用 筒式（Sole no id-type)驅動馬達。徒用錘心， ^ π得動式驅 ，第二物鏡1 5 5 ’設於由馬達驅轉之轉般 缺 轉動則受控將第二物鏡1 5 5 ’轉入或轉^光= 594710 千 η J务正 MM 89118179 丨五、發明說明（9) ! i徑，此類可滑動式馬達驅動技術為此—熟習此技藝者所孰 ΐ知，不贅述。 if有數值孔徑為〇.6及適於在〇.6匪厚度dvd 上t成光點之第一物鏡151最好含有環狀遮蔽外 ，其揭示於美國專利5,6 65,9 57號、58,822，135號 丨:m尸=5,987,924號。至於此—環狀遮蔽形物鏡 |相二；轴及遠軸區域分別調整，使該物鏡亦可 |相令於厚度1 · 2 mm之C D (圖未示）。 | 第二物鏡155’且有盘第qg国/ lal ^ ^ ^ ^ 八有”第3至5圖所示鏡頭1 5 5 y之外硯、、Ό構，亦即，第二物鏡i 5 5，包括第一 1 5 6供發散地傳送入射光束。第 、 向第-傳送部…供發：：反 ^ 8形成於第一傳送部i 5 6周圍 ：部： 以及第二傳送部159:反 hrm之反射光，光軸，光軸及經第-傳送部 丨邛1 R Q Ϊί 一反射部1 5 7及1 5 8，及第二傳送 二uy) 100周圍光束之間最大角度符合上 第一及第二傳送部15 6及 射部157及158具有第3至5圖所示 同外觀結構及功能，不贅述。 、兄1 5 5之相 第二物鏡1 5 5 ,置入光學路徑將使甩物鏡單元丄 3有高數值孔徑0 · 8 ’及第-物鏡丄5丄具有數值孔 |: ^ 0 . 6，如此能使光點以高密度準確地形成於高密度 先碟1 0 1上，為慮及彗形像差及像散，該高密度光碟工

第14頁 594710 __案號 89118179_年上修·^ ___— 五、發明說明（10) 〇 1最好具有0 · 4mm厚度或更小’最好是〇 · 1_或更 小 0 為在高密度光碟1 0 1上記錄或複製資訊，可變光闌 1 1 9經由其中央狹窄區域將入射光束聚焦於第一傳送部 1 5 6上。同時，為在D V D上記錄或複製資料，入射光 束通過可變光闌1 1 9供給D V D 1 〇 3上形成光點。 用以接收由光碟1 0 〇反射及通過偏光分光器i 1 5 入射光束之光檢器1 2 5則分為多數部份供獨立進行光電 轉換’此種光檢器1 2 5已為此一熟習此技藝者，不贅述 用以折 資料訊 1 5及 2 1之 依 之干擾 距d 2 微鏡之 數值孔 依 d2保持 學讀取 同時， 資訊時

相術（holograpnic)光學元件（h〇e)i 2 1則 送入射光束供給分解光束為—誤差訊號及一 及一聚光鏡頭1 2 3則進一步設於p B s 1 器1 2 5間之光學路徑，用以聚集η〇£ 1 除物鏡及 時，增加 鏡亦可被 備，用於 學系統之 鏡可在工 如此能使 增加至〇 光碟記錄 讀取裝置 射及傳 號，以 光感測 射光。 本發明 ’因其 為0 · 透鏡， 徑光碟 本發明 〇 · 2 裝置第 在厚度 ’可消 所述物 在數值 2 mm或 使用於 之主要 之光學 mm時選 一物鏡 鏡結構 孔徑為 1 · 1 製造半 設備， 讀取裝 擇設於 之物鏡 4 mm或 碟之干 之優點 0 · 6 mm。本 導體之 而可極 置，一

為可消 或更高 發明物 曝光設 小化光 第二物 徑上， 值孔徑 高密度 光學 光碟間 工作間 採為顯 製造高 A小。 作間雖 包括光 • 8。 或複製 另~ 594710 _____案號89118179_年月日 修正 五、發明說明（11) 點為透過再光學路徑上選擇置入或轉出第二物鏡能與DVD 或CD相容。 本發明係依較佳實施例加以揭示内容及說明，熟習此 一技藝人士在不離本發明精神及範疇所可作之各種型式改 變及細部修飾，均仍應含括予以下申請專利範圍。 594710 ___案號89118179____年月日 修正_ 圖式簡單說明 圖式摘要說明 第1圖顯示接合半球形鏡頭供高密度聚焦物鏡單元之 傳統光學讀取裝置； 第2圖顯示第1圖物鏡單元之光學結構圖； 第3圖顯示本發明較佳實施例用於高密度聚焦物鏡之 光學結構圖，其設為適用於平行射光； 第4及5圖顯示本發明用於高密度聚焦之物鏡光學結 構另一實施例，其設為適用於對射光聚焦； 第6圖顯示本發明接合高密度聚焦物鏡之光學讀取裝 置較佳實施例； 第7圖顯示接合一薄光碟之第6圖光學讀取裝置主要 部份光學結構圖；以及 第8圖顯示接合一較厚光碟之第6圖光學讀取裝置主 要部份光學結構圖。 圖示元件符號對照表 1光碟 1 0 0光碟 1 0 1光碟 1 0 2 D V D 1 0 3 D V D 1 1光源 1 1 0光源 1 1 3準直透鏡 1 1 5偏光分光器 1 1 7波長板

594710 案號89118179 年月日 修正

I ί圖式簡單說明

I I 1 1 9可變光闌 121全像光學元件Η〇Ε 1 2 3聚光透鏡 1 2 5光檢器 13 準直透鏡 1 5稜鏡 1 5 0物鏡單元 1 5 1第一物鏡 1 5 5物鏡

1 5 5 ’第二物鏡 1 5 6第一傳送部 1 5 7第一反射部 1 5 8第二反射部 1 5 9第二傳送部 17 1 / 2波長板 1 9光柵 21第一偏光分光器 2 3 1 / 4波長板 2 5 1 / 2波長板

27 1/2第二偏光分光器 29第一聚光透鏡 3 1第一光檢器 3 3第二聚光透鏡 3 5像散透鏡 3 7第二光檢器

第18頁 594710 案號 89118179 修正 曰 圖式簡單說明

Claims (1)

1. 594710

   曰 六、申請專利範圍 1. 一種物鏡，包含·· 一第一傳送部設於光軸 散傳送入射光束，· 目對接近轴線區域，供發 一第一反射部用以發散傳送入 傳送部； “束，並朝向第一 一第二反射部_形成於第_ 線區域，用以對從第一反射部二f圍之相對遠離軸 ;以及 汉射光進行聚焦及反射 一第二傳送部形成於第一 域，用以折射及傳送第二反射;目$遠離軸線區 其中，光軸及射光在通過第一線。、 及第二反射及通過第二傳送部 =α之後並以第一 角度α符合3。。“以？先軸與周圍光束之最大 2. 如申請專利範圍第i項所述之物 傳送部及第-及第二反射部圍中 二 3. 如申請專利範圍第i或2項所述之物真予材料。 射部直徑及第二反射部外徑滿足下式：”中，第一反 〇 · 1〈第一反射部直徑/第二反 〆 以遮蔽中央射光進入第—及鼾却/p卜住< 0 ·5 4·-種光學讀取頭，反射部供降低球差。 用以發出雷射光束之光源； 一用以改變入射光束路徑之光路徑改 一用以對入射光爽聚隹之物锫g 一 、 ’ 成光點；以& 尤束U物鏡早疋，供於光碟上形

   第20頁 _奪1 虎 89118179 曰 六、申請專利範圍 並通過物鏡及光路 一光檢器供接收光碟之 徑改變裝置； #光， 其中’就物鏡單元包含· 用以對從光學路徑改變, 物 鏡；及 、置入射 一設於第一物鏡及光碟 對第一物鏡之聚光進一步聚隹光路徑間之第二物鏡，供 一形成於相對接近♦綠二，就第二物鏡包括；” 傳送入射光束； 、、區域之第一傳送部，供發散 一第一反射部設Α 射光束； 朝向第-傳送部，供發散傳送反 一第二反射部形成 域，用以從對第—+ 、第一傳送部周圍之相對遠軸區 一第二傳送部來朝向光碟之反射光加以聚焦； 域，用以繞射及傳，於第一反射部周圍之相對遠軸區 5·如申請專利範園第=第二反射部之所聚集之光。 及射光通過第一傳^，所述之光學讀取頭，其中，光軸 後通過第二傳送邻k °卩，並由以第一及第一反射部反射 a S 65。之條件°。之周圍光束之最大角度α符合30。$ 6 ·如申请專利範園 及第二傳送部及第—項所述之光學讀取頭’其中，第一 材料。 —及第二反射部之圍封空間填滿光學 7.如申請專利範園第 蔽中央光束進入第一項所述之光學讀取頭，其中，為遮 一反射部以減少球差，第一反射部與

   第21頁 594710 _________________________案號89118179___________________年月曰__修正___ 六、申請專利範圍 第二反射部之直徑滿足下式： 0 . 1<第一反射部直徑/第二傳送部外徑 < 丨 8. 如申請專利範圍第4或5或6或7項所述之光學 ，其中，第二物鏡選擇性置入第一物鏡及光碟之 第一及第二物鏡兩者皆可接合而於一高密度相對 碟上形成光點，或僅使第一物鏡用於在相對較厚 形成光點。 9. 如申請專利範圍第4或5或6或7項所述之光學 ，其中，物鏡單元進一步設有可隨入射光束波長 變大小之可變光闌之光孔。 1 0.如申請專利範圍第8項所述之光學讀取頭，其t 鏡單元進一步設有可隨入射光束波長而改變大小 光闌之光孔。 讀取頭 間，使 較薄光 光碟上 讀取頭 而改 7 ，物 之可變