专利名称：用于光学头的物镜的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种一般用于光盘驱动器中光学头的高NA物镜，该光盘驱动器使用诸如DVD(数字通用盘)，MO(磁光)盘之类的光盘。
近来，为了满足减小光盘驱动器的尺寸和重量的需要，已经将两个表面均为非球面的塑料物镜应用在这种光盘驱动器中。
虽然塑料透镜具有多种优点，但与玻璃透镜相比，塑料透镜的折射率和/或形状可以很容易地随温度变化而变化，并且由于这种可改变的特性，塑料透镜的特性可能发生变化。例如，当温度升高时，塑料透镜的折射率减小。于是，塑料透镜的球差在过校正方向上改变，波前像差增加。通常，塑料透镜折射率改变相对于温度变化的比值大约为-11×10-5/℃。因此，当光学头的物镜由塑料透镜制成时，上述特性可能会影响该光学头的性能。
表1表示焦距为3.0mm，工作波长为650nm的塑料透镜，当温度升高40℃(即折射率被改变了-440×10-5)时以NA(数值孔径)为参数的波前像差(rms值，其单位为波长λ)。表1
通常，设计用于CD驱动器的物镜，使得NA大约为0.45，波前像差允许范围的上限为0.04λ。因而，即使温度改变了90度，波前像差仍处于允许范围之内。因此，对用于CD驱动器的物镜来说，实际上波前像差的变化不影响物镜的性能。
通常将用于DVD的物镜设计成使得NA大约为0.60。设计用于MO盘驱动器的物镜，使得NA大约为0.55。对于这种透镜波前像差的允许范围的上限大约为0.03λ。从而，当温度改变40到50度时，波前像差超过了允许范围的上限，可能会影响数据记录/读出操作。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于光盘驱动器的单元件物镜。该物镜将激光源发射的激光束通过光盘的保护层会聚到光盘的数据记录表面上。该物镜的一个表面被分成一包括物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域。该中心区域被加工成为一个没有阶跃部分的连续表面，而该外围区域具有由多个包括微小台阶的同心环形区所形成的衍射透镜结构。另外，该衍射透镜结构被设计为可补偿由于温度改变所导致的物镜会聚特性的变化。
通过提供如上所述的衍射透镜结构，可以避免温度变化的影响。应该注意到，在实际使用中，可以仅在外围区域提供该衍射透镜结构，并且会聚特性的改变可以被抑制在允许范围之内。
最好是，外围区域的面积大于中心区域的面积。如果外围区域大于中心区域，则球差对波长依赖性可能太大，以至于由于激光源中波长个体之间的差别，物镜的性能可能被降低。
可供选择地是，该衍射透镜结构具有这样一种特性，使得当入射到物镜上的激光束的波长增加时，其球差在欠校正方向上变化。
应该注意到，当物镜可由塑料构成时，当温度升高时其折射率降低。另一方面，当温度升高时激光束的波长增加。因而，由温度改变所导致的折射透镜的球差的改变和由波长改变所导致的衍射透镜结构的球差的改变之间达到平衡，而波长的改变是温度改变所引起的，则由于温度变化所导致的物镜会聚特性的变化可以被补偿。
根据本发明的另一方面，提供一种用于光盘驱动器的单元件物镜，该物镜将激光源发射的激光束通过光盘的保护层会聚到光盘的数据记录表面上。该物镜的一个表面被分成一包括物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域。仅在外围区域形成有由多个包括微小台阶的同心环形区形成的衍射透镜结构。该衍射透镜结构被设计为可补偿由于温度改变所导致的物镜会聚特性的变化。
可供选择地是，该物镜由塑料制成，当温度升高时其折射率降低。另外，当温度升高时激光束的波长增加。
根据本发明的另一方面，提供一种用于光盘驱动器的光学头的光学系统，该光学系统包括一发射激光束的激光源单元和一将该激光源单元发射的激光束通过一光盘的保护层会聚到该光盘的数据记录表面上的单元件物镜。该物镜的一个表面被分成一包括物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域。该外围区域具有由多个包括微小台阶的同心环形区形成的衍射透镜结构。该衍射透镜结构被设计为可补偿由于温度改变所导致的物镜会聚特性的变化。
可供选择地是，该激光源单元被设计为有选择地发射第一激光束和第二激光束其中之一，且第二激光束的波长长于第一激光束的波长。第一激光束作为发散光束入射到该物镜上，第二激光束则作为其发散度小于第一激光束发散度的光束入射到该物镜上。该物镜将第一激光束通过第一光盘的第一保护层会聚到第一光盘的数据记录表面上。另外，该物镜将第二激光束通过第二光盘的第二保护层会聚到第二光盘的数据记录表面上。第一光盘的数据密度大于第二光盘的数据密度，而第一保护层的厚度小于第二保护层的厚度。
应该注意，当温度升高时激光源单元所发射激光束的波长可能增加，而由塑料构成的物镜当温度升高时折射率减小。
在这种情形下，依据球差设计衍射透镜结构，使得当入射在所述物镜上的激光束的波长增加时，球差在欠校正方向上改变。
首先，将描述光学系统的整体结构，然后将描述根据各个实施例的物镜。
图1表示根据本发明第一实施例的光学头的光学系统100。该光学系统100用于光盘驱动器中，在具有相当高密度的光盘(在下文中称为第一光盘)如DVD上执行数据记录/读出。
该光学系统100包括一激光微型组件21，一准直透镜24和一物镜10。
激光微型组件21是一种激光二极管与光探测器集成在一起的装置。
物镜10被设计为可沿其光轴方向移动，具有众所周知的聚焦机制。另外，物镜10也可以沿光盘的半径方向移动，具有众所周知的跟踪机制。
该物镜用在光盘驱动器(图中没有给出)的光学头(图中没有给出)中，在具有相当高数据记录密度和相当薄保护层(0.6mm)的第一光盘D1(例如DVD)上实现数据记录/读出。
为了使用第一光盘D1，为了在第一光盘D1的数据记录表面上形成相当小的束斑，要求波长在635nm到665nm范围内的红光。从而，激光微型组件21中设置有可发射650nm波长激光束的激光二极管。
将激光微型组件21设置为，使得准直透镜24所发出的第一激光束作为平行光通量入射到物镜10上，即其光发射点与准直透镜24的前焦点重合，使物镜10的物距为无限大。
第一激光微型组件21的激光二极管所发射的第一激光束(波长650nm)入射到物镜10上，并被物镜10会聚，在第一光盘D1的数据记录表面上形成一个束斑。
第一光盘D1所反射的激光束被第一激光微型组件21中的光探测器接收。基于光探测器的输出，探测聚焦误差信号，跟踪误差信号和数据被读出时的数据再现信号。
图2A～2C表示物镜10的结构。图2A为前视图，图2B为物镜10的剖面图，图2C为物镜10的局部放大侧视剖面图。
物镜10是具有第一和第二非球面11和12的双凸塑料透镜。第一表面11被分为一包括光轴的中心区域RC和一在中心区域RC外部(即外围)的外围区域RE。外围区域RE与中心区域RC的面积比小于1。即，外围区域的面积小于中心区域RC的面积。
在第一表面11上，在外围区域RE以内，形成包括多个阶梯形同心环形区的衍射透镜结构，如图2A和2C所示。阶梯部分(即相邻环形区之间的边界)沿平行于光轴的方向延伸。第一表面11的中心区域RC和第二表面12分别为连续表面，不形成具有阶梯部分的这种衍射透镜结构。
将形成在外围区域RE的衍射透镜结构设计成使得温度变化所导致的会聚特性的变化被补偿。特别是，将衍射透镜结构设计成使得当入射光波长增加时，其球差被改变到欠校正的方向。
当温度升高时折射透镜的球差在过校正方向上改变。另外，激光二极管所发射的激光束的波长以大约0.2mm/℃的比率改变。因而，如果温度增加40度，则激光束的波长增加8nm。
因此，通过形成具有上述特性的衍射透镜结构，即当波长增加时球差在欠校正方向上改变，折射透镜在过校正方向上的球差的改变，可以被由于温度升高导致的波长改变所引起的衍射透镜结构在过校正方向的改变补偿。
应该注意，在上述结构中，衍射透镜结构仅形成在第一表面11上的外围区域中。不过，本发明不限于这种结构，可以进行多种变型。例如，如果物镜10用于DVD和CD，可以在中心区域RC形成另一种衍射透镜结构，以补偿色差。或者，衍射透镜结构可以形成在第二表面12上而不形成在第一表面11上。数字实施例下文中，将描述四个用数字实施例。
第一实施例图3示意性地表示根据第一数字实施例的物镜。在图3中，表示物镜10和第一光盘D1。激光束作为平行光通量入射到物镜10上(即物距为无限大)，并被会聚到第一光盘D1的数据记录表面上。表2表示数值。
在第一实施例中，第一表面11被分为一中心区域RC和一外围区域RE。中心区域RC被限定为0≤h＜1.50(mm)的区域，外围区域RE被限定为1.50≤h的区域，其中h表示相对于物镜10光轴的高度。中心区域RC是没有阶跃部分的连续表面，外围区域RE具有衍射透镜结构，其改变了球差对通过其中的光波长的依赖性。
中心区域RC的曲率和外围区域RE的基础曲线(不具有衍射透镜结构的折射透镜的形状)是由不同系数分别限定的不同非球面。第二表面12是旋转对称非球面，其中不具有衍射透镜结构。
第一表面11的中心区域RC和外围区域RE也是旋转对称非球面。通常，旋转对称非球面由下式表示X(h)=ch21+1-(1+K)c2h2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>其中，X(h)为SAG，即表面上距离光轴高度为h的一点相对于光轴处切面的距离；符号c表示该表面的顶点的曲率(1/r)；K为锥形常数；以及A4，A6，A8，A10和A12分别为第四，第六，第八，第十和第十二级非球面系数。
衍射透镜结构所附加的光程长度φ(h)由下面的光程差函数表示φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×m×λ其中P2，P4和P6为第二，第四和第六级系数；h表示到光轴的高度；m表示衍射级；以及
λ表示工作波长。光程差φ(h)表示距离光轴高度为h处不通过衍射透镜结构的假想光线的光程长度与被衍射透镜结构所衍射的光线的光程长度的差。换句话说，光程差φ(h)表示被衍射透镜结构所衍射的每束光线的附加光程长度。所附加的长度为正号表示相对于光轴上的光程长度光轴上的光程长度被延长。
衍射透镜结构的实际微观形状通过从光程差φ(h)中减掉整数倍的波长λ×m(m是整数)来确定，即整数个λ，得到与菲涅尔透镜相似的阶跃式的附加光程长度φ′(h)。特别是，附加光程长度φ′(h)由下式表示φ′(h)＝(MOD(P2h2+P4h4+P6h6+...+CONST，1)-CONST)×λB其中MOD为模殊余数函数，λB为闪耀波长，在闪耀波长处衍射透镜结构的微小阶跃所产生的光程差等于一个波长，即衍射效率最大。常数CONST定义了环形区之间边界处的相位，并且可以是满足条件0≤CONST＜1的任意值。应该注意，模殊余数函数MOD(x，y)表示x被y除时的余数。
当MOD(P2h2+P4h4+P6h6+...+CONST，1)等于零时，距离光轴高度为h的位置表示两环形区之间边界的位置。
在表2中，表示限定中心区域RC的系数，外围区域RE的基础曲线，衍射透镜结构，表面之间的距离，d-线的折射率，阿贝数vd，限定第二表面12的非球面形状的系数。
在表中，NA1，f1，λ1，WD1和OD1分别为使用第一光盘D1时的数值孔径，物镜10的焦距(单位mm)，波长(单位nm)，工作距离(单位mm)和物距(单位mm)。
表2
图4A表示根据第一实施例的对于第一光盘D1的波长为650nm时物镜的球差SA和正弦条件SC。图4B表示在650nm、645nm和655nm波长处由球差所表示的色差。每个图中水平轴表示存在的像差(单位mm)，竖轴表示数值孔径NA。
当使用第一光盘D1时，第一激光束(波长650nm)作为平行光(物距∞)入射到物镜10上。在这种情形下，高NA专有区域RE用于补偿像差。从而，通过公共区域RC的激光束部分和通过高NA专有区域RE的激光束部分会聚到一点，形成一个束斑，该束斑对于在第一光盘D1上的数据记录/读出来说足够小。
图5A表示与表2所示物镜10相似的物镜的球差SA和正弦条件SC，不过折射率减小了0.0044。这种折射率的改变相当于温度增加40度。当折射率由于温度升高而减小时，随着NA的增加球差SA在过校正方向上改变。不过在中心区域和外围区域之间的边界处在欠校正方向特性得到恢复，可以抑制外围区域中球差的产生。应该注意，如果不提供衍射透镜结构，则随着NA的增加球差在过校正方向上单调地变化，因而外围区域RE中所产生的球差非常大。
第二实施例表3表示物镜10的用数值表示的结构。第二实施例的结构与第一实施例基本相同，除了外围区域RE中的结构不同以外。
表3
图6A表示根据第二实施例的对于第一光盘D1的波长为650nm时物镜的球差SA和正弦条件SC。图6B表示在650nm、645nm和655nm处由球差所表示的色差。
图7A和7B分别表示与图6A和6B所示相似的像差，不过形成物镜的树脂的折射率被减小了0.0044。当温度升高从而折射率减小时，随着NA的增加，在中心区域RC中球差SA在过校正一方如图7A所示发生改变。不过在中心区域RC和外围区域RE之间的边界附近，球差SA在欠校正一方发生改变，从而随着NA的增加，在外围区域中球差在欠校正方向发生改变。结果，由于具有这种结构，可以抑制在外围区域RE中球差的出现。
第三实施例图8表示根据第三实施例的物镜10的前视图。与第一和第二实施例相似，物镜10的第一表面11被分为一中心区域RC(0≤h＜1.50)和一外围区域RE(1.50≤h)。在外围区域RE中，形成可改变球差对通过其中的光的波长依赖性的衍射透镜结构。另外根据第三实施例，在中心区域RC中形成另一衍射透镜结构，以补偿色差。物镜10的第二表面12为不具有衍射透镜结构的旋转对称非球面。
表4表示根据第三实施例的物镜10的用数值表示的结构。
表4
图9A表示根据第三实施例的对于第一光盘D1的波长为650nm时物镜的球差SA和正弦条件SC。图9B表示在650nm、645nm和655nm处由球差所表示的色差。
图10A和10B分别表示与图9A和9B所示相似的像差，不过形成物镜的树脂的折射率被减小了0.0044。当温度升高从而折射率减小时，随着NA的增加，在中心区域RC中球差SA在过校正一方发生改变，如图10A所示。不过，在中心区域RC和外围区域RE之间的边界附近，球差SA在欠校正一方发生改变，从而随着NA的增加，在外围区域中在见校正方向球差发生改变。结果，由于具有这种结构，可以抑制在外围区域RE中球差的出现。
第四实施例图11表示根据第四实施例的物镜10C的后视图。在第四实施例中，物镜10C的第二表面12分为中心区域RC(0≤h＜1.20)和外围区域RE(1.20≤h)。在外围区域RE中，形成可改变球差对通过其中的光的波长依赖性的衍射透镜结构。物镜10C的第一表面11为不具有衍射透镜结构的旋转对称非球面。
表5表示根据第四实施例的物镜的用数值所表示的结构。
表5
图12A表示根据第四实施例的对于第一光盘D1的波长为650nm时物镜的球差SA和正弦条件SC。图12B表示在650nm、645nm和655nm波长处由球差所表示的色差。
图13A和13B分别表示与图12A和12B所示相似的像差，不过形成物镜的树脂的折射率被减小了0.0044。当温度升高从而折射率减小时，随着NA的增加，在中心区域RC中球差SA在过校正一方发生改变，如图12A所示。不过，在中心区域RC和外围区域RE之间的边界附近，球差SA在欠校正一方发生改变，从而随着NA的增加，在外围区域中在欠校正方向球差发生改变。结果，由于具有这种结构，可以抑制在外围区域RE中球差的出现。
下面的表6表示相对于温度改变AT度球差的变化(rms，单位λ)。在此表中，对比物镜是未形成有衍射透镜结构的透镜。图14为相应于表6的曲线。表6
如表6和图14所示，通过在外围区域RE中形成衍射透镜结构，由于温度变化所导致的波前像差被抑制到不到一半。即，通过在外围区域RE中形成用于温度补偿的衍射透镜结构，可以抑制波前像差的产生。另外，该物镜适用于根据不同标准的多种类型光盘的光学头，对于多种类型光盘来说中心区域是公用的。
如果在中心区域RC也形成用于温度补偿的衍射透镜结构，可以很好地抑制诸如DVD的第一光盘D1中温度改变所导致的波前像差。不过，这种透镜具有相当大的波长依赖性，从而不能被用于要求不同工作波长的另一种光盘中。相反，如果仅在外围区域RE中形成用于温度补偿的衍射透镜结构，尽管外围区域RE仅对第一光盘D1起作用，中心区域RC可以对要求不同工作波长的另一种光盘起作用。
特别是，当使用数据密度相当低、保护层相当厚并且要求具有相当长波长的激光束的光盘(将被称为第二光盘D2)，诸如CD，进行数据记录/读出时，通过外围区域RE的激光束部分被漫反射，对形成束斑没有贡献，仅仅通过中心区域RC的光束部分对形成束斑有贡献。即，对于第二光盘D2可以得到相当小的NA，从而通过在外围区域RE中形成上述衍射透镜结构，在数据记录表面上所形成的束斑不会变小。
图15示意性地表示可使用第一光盘D1(DVD)或第二光盘D2(CD，CD-R)的光学驱动器的光学头的光学系统100。可以使用根据上述第一到第四实施例中任何一个的物镜作为图15所示光学系统100的物镜。该光学系统100包括第一激光微型组件21，第二激光微型组件22，分束器23，准直透镜24和物镜10。
激光微型组件21与22中的每一个均为一激光二极管和一光探测器集成在一起的装置。
第一光盘D1(例如DVD)具有高数据记录密度和相当薄的保护层(0.6mm)。第二光盘D2(例如CD或CD-R)具有低数据记录密度和相当厚的保护层(1.2mm)。
第一激光微型组件21与图1所示激光微型组件21相似，包括一发射波长为650nm激光束的激光二极管。为了实现第二光盘D2特别是CD-R的数据记录/读出，由于它的光谱反射率，应该使用近红外光束。因此，第二激光微型组件22具有一发射波长为780nm激光束的激光二极管。
当使用第一光盘D1时(在图15中用实线表示)，第一激光微型组件21被激励。在这种情形下，物镜10设置在图15中实线所表示的位置处。第一激光微型组件21的激光二极管所发射的第一激光束(波长650nm)照射到图15中由实线所表示的物镜10上，被物镜10会聚，在第一光盘D1的数据记录表面上形成一个束斑。
当使用第二光盘D2时(在图15中用虚线表示)，第二激光微型组件22被激励。在这种情形下，物镜10设置在图15中虚线所表示的位置处，与实线所表示的位置相比更接近于光盘。第二激光微型组件22的激光二极管所发射的第二激光束(波长780nm)作为发散光束照射到物镜10上，被物镜10会聚，在第二光盘D2的数据记录表面上形成一个束斑。
形成在外围区域RE中的衍射透镜结构抑制了第一激光束被会聚在第一光盘D1上时的波前像差，并且当第二激光束会聚在第二光盘D2上时产生球差。从而，当使用第一光盘D1时，通过中心区域RC和外围区域RE的激光束部分会聚到相同位置。由于得到了大NA，可以在第一光盘D1上形成足够小的束斑。另外，温度改变对物镜光会聚特性的影响很小。
当使用第二光盘D2时，通过外围区域RE的激光束部分被漫反射，仅仅通过中心区域RC的激光束部分对束斑的形成有贡献。从而，得到相当大的NA，在第二光盘D2上所形成的束斑尺寸大于在第一光盘D1上所形成的束斑尺寸。应该注意到，当使用第二光盘D2时由于NA相当小，温度改变对波前像差的影响很小。
当根据第一到第四实施例的物镜用于图15所示的光学系统时，最好是第二激光微型组件22所发射的激光束(波长780nm)作为发散光束入射到物镜10上，使物距为-52.0mm。由于这种结构，可以在第二光盘D2的数据记录表面上形成最适宜的束斑。
权利要求
1.一种用于光盘驱动器的单元件物镜，该物镜将激光源所发射的激光束通过一光盘的保护层会聚到该光盘的数据记录表面上，其中所述物镜的一个表面被分为一包括所述物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域，所述中心区域被形成为一个没有阶跃部分的连续表面，所述外围区域具有由多个包括微小台阶的同心环形区所形成的衍射透镜结构，所述衍射透镜结构被设计来补偿由于温度改变导致的所述物镜的会聚特性的改变。
2.根据权利要求1所述的物镜，其中所述外围区域的面积大于所述中心区域的面积。
3.根据权利要求1或2所述的物镜，其中所述衍射透镜结构被设计为具有依据球差的特性，使当入射到所述物镜上的激光束的波长增加时，其球差在欠校正方向上改变。
4.根据权利要求1、2或3所述的物镜，由塑料制成，当温度升高时其折射率减小，当温度升高时激光束的波长增加。
5.一种用于光盘驱动器的单元件物镜，所述物镜将激光源所发射的激光束通过一光盘的保护层会聚到该光盘的数据记录表面上，其中该物镜的一个表面被分为一包括所述物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域，仅在所述外围区域中由多个包括微小台阶的同心环形区形成衍射透镜结构，所述衍射透镜结构被设计成补偿由于温度改变导致的所述物镜的会聚特性的改变。
6.根据权利要求5所述的物镜，由塑料制成，当温度升高时其折射率降低，当温度升高时激光束的波长增加。
7.一种用于光盘驱动器的光学头的光学系统，包括一发射激光束的激光源单元；以及一将该激光源单元所发射的激光束通过一光盘的保护层会聚在该光盘的数据记录表面上的单一元件物镜，其中所述物镜的一个表面被分为一包括所述物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域，所述外围区域具有由多个包括微小台阶的同心环形区所形成的衍射透镜结构，所述衍射透镜结构被设计为补偿由于温度改变导致的所述物镜的会聚特性的改变。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述中心区域形成为一没有阶跃部分的连续表面。
9.根据权利要求7或8所述的光学系统，其中所述激光源单元有选择地发射第一激光束和第二激光束其中之一，且所述第二激光束的波长大于所述第一激光束的波长，所述第一激光束作为发散光束入射到所述物镜上，所述第二激光束作为其发散度小于所述第一激光束的光束入射到所述物镜上，所述物镜将第一激光束通过第一光盘的第一保护层会聚到第一光盘的数据记录表面上，所述物镜将第二激光束通过第二光盘的第二保护层会聚到第二光盘的数据记录表面上，第一光盘的数据密度大于第二光盘的数据密度，第一保护层的厚度小于第二保护层的厚度。
10.根据权利要求7、8或9所述的光学系统，其中当温度升高时所述激光源单元所发射的激光束的波长增加，其中所述物镜由塑料制成，当温度升高时其折射率减小。
11.根据权利要求10所述的物镜，其中所述衍射透镜结构具有依据球差的特性，使当入射到所述物镜上的激光束的波长增加时，所述物镜的球差在欠校正方向上改变。
全文摘要
一种用于光盘驱动器的单元件物镜,将激光源所发射的激光束通过一光盘的保护层会聚到该光盘的数据记录表面上。该物镜的一个表面被分为一包括物镜光轴的中心区域和一环绕该中心区域的外围区域。外围区域设置有由多个包括微小台阶的同心环形区所形成的衍射透镜结构。中心区域是不具有阶跃部分的连续表面。该衍射透镜结构可补偿由于温度变化所导致的物镜的会聚特性的改变。
文档编号G02B27/00GK1348110SQ01135419
公开日2002年5月8日 申请日期2001年10月12日 优先权日2000年10月12日
发明者竹内修一, 丸山晃一 申请人:旭光学工业株式会社