专利名称：具有高数值孔径的塑料物镜的扫描仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描仪，该扫描仪包括一个用于产生具有波长λ的发光束的发光源和一个具有大于0.65的数值孔径(NA)的并用于把发光束会聚在信息层上的物镜系统，所述物镜系统包括都由塑料制成的第一透镜和第二透镜。本发明还涉及用在这样的扫描仪中的物镜系统以及制造该物镜系统的方法。
背景技术：
高密光学信息存储装置如数字视频记录仪(DVR)在较高的数值孔径如0.85和较短波长如405纳米下工作。如果用于这样的装置的物镜系统包括一个单个透镜，则该透镜将具有很小的公差，这使得其制造比较昂贵。如果物镜系统包括两个透镜，则公差范围更宽松一些，这有助于透镜的批量生产。目前，这些物镜通常都是采用玻璃模压法或所谓的玻璃2P方法而由玻璃制成的，以便保持在仍然小的公差范围内。使用玻璃似的生产成本处于较高的水平。为了降低生产成本，物镜系统的透镜优选地由塑性材料构成。
美国专利5880893描述了一种高数值孔径的双透镜物镜系统，其中的两个透镜都由聚甲基丙烯酸甲酯制成。这种物镜系统的一个缺点是，其性能对温度变化太敏感。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括塑料双透镜物镜系统的扫描仪，它具有更高的温度稳定性。
根据本发明，如果根据前序部分所述的扫描仪配备有这样一个物镜系统，则实现了本发明的目的，即它的第一透镜和第二透镜分别具有发光束的球面像差对温度的依赖性，第一透镜和第二透镜的依赖性正负号是不同的并且第一透镜和第二透镜的依赖程度基本上是一样的，从而物镜系统的球面像差对温度的依赖性整体上被减小到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
对美国专利5880893所述的现有技术的物镜系统的分析表明，30K的温度变化造成47mλOPDrms的波前偏差。DVR系统可接受的波前偏差对温度依赖性的允许程度为在30K物镜系统温度变化下的30mλOPDrms。由于扫描仪光学系统的质量与波前偏差rms的平方成反比，所以现有技术的物镜系统将不适用于许多高密光学记录工具。物镜系统的设计看起来集中在物镜系统中的两个透镜的偏心公差。
本发明部分基于这样的认识，即透镜温度与设计温度的偏差引起了作为主像差的球面像差，或者改变了透镜的已有球面像差。为了控制球面像差，我们进一步认识到，透镜球面像差对温度的依赖性(即球面像差关于温度的导数)可以被调节为正或负。物镜系统被设计成，第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖性的正负号是不同的。换句话说，当物镜系统的温度变化时，物镜系统的其中一个透镜的球面像差的增大伴随着另一个透镜的球面像差的减小。通过适当设计，每个透镜的球面像差对温度的依赖程度应该被调节成等于这样的程度，即两个透镜的球面像差的抵消变化从整体上把物镜系统的球面像差对温度的依赖性降低到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
这两个透镜的一个明智的设计方案应该不仅象在现有技术的物镜系统中那样增大这两个透镜的偏心公差，而且应该适当地确定每个透镜的球面像差对温度依赖性的正负号及其依赖程度。物镜的综合温度稳定性适用于许多要求苛刻的应用场合。本发明的另一个优点是，温度补偿不要求在扫描仪中填加光学元件，而是可以被合并到物镜系统的两个透镜中，这两个透镜因制造原因而早已存在。而且，与用其它光学元件如准直镜进行补偿相比，最好在物镜系统中进行补偿。因为物镜系统的温度部分由接近物镜系统的致动器的升温决定，所以准直镜和物镜系统的温度不需要是一样的，这导致了通过准直镜不准确地补偿物镜系统的温度。在物镜系统的透镜本身对温度变化相互进行补偿时，没有产生这个问题。
我们认识到由透镜引起的球面像差对温度依赖性的正负号和程度是透镜放大倍率的函数并可由此调节透镜放大倍率，以便赋予透镜球面像差对温度的依赖性以所需的正负号。在一个优选实施例中，第一透镜的放大倍率小于0.2，第二透镜的放大倍率大于0.2。
在一个优选实施例中，第二透镜具有0.3-0.6的放大倍率β。β的上限由两个透镜的偏心公差决定，这产生最大为30mλOPDrms的波前偏差，而下限由温度公差决定，因30K温度变化而把球面像差限定到30mλOPDrms波前偏差。
在物镜系统的一个优选实施例中，第二透镜与第一透镜的镜座合成一体，从而第二透镜和镜座可以在一次性注塑过程中制成。较小的第二透镜与镜座的组合简化了第二透镜的处理。如果镜座成圆柱形，则可以按照与WO EP01/-2348(PHNL000269)所述相同的方式把第一透镜装入该圆柱形镜座内。当第一透镜的镜体的厚度大于该镜体半径时(也参见WO EP01/-2348(PHNL000269))，该方法是可行的。结果，明显降低了成本，这是因为第二透镜可以通过注塑技术更容易地制成并且现在只有两个要装配起来的部件，而不象在两个透镜和镜座是独立部件时那样要组装三个部件。
本发明的另一方面涉及一个具有大于0.65的数值孔径的、用于聚焦一个具有波长λ的发光束并包括都由塑料制成的第一透镜和第二透镜的物镜系统，其中根据本发明，第一透镜和第二透镜分别具有施加于发光束的球面像差对温度的依赖性，第一透镜和第二透镜的依赖性正负号是不同的并且第一透镜和第二透镜的依赖程度基本上相同，从而物镜系统的球面像差对温度的依赖性从整体上被降低到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
本发明的又一个方面涉及制造一个物镜系统的方法，该物镜系统具有大于0.65的数值孔径并聚焦一个具有波长λ的发光束并包括都由塑料制成的第一透镜和第二透镜，该方法包括通过使第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖性的正负号互不相同并使第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖的程度基本上相同而把物镜系统设计成具有小于在30K温度变化下的30mλOPDrms的球面像差对温度的依赖性的第一步骤，以及根据设计来制造第一透镜和第二透镜的第二步骤以及把第一透镜和第二透镜组装成一个物镜系统的第三步骤。
现在，参见附图来举例具体描述本发明，其中图1表示一个由两个部件构成的物镜系统；图2表示由30K升温引起的并成第二透镜放大倍率β的函数形式的物镜系统的波前像差OPDrms；图3、4、5表示当第一透镜和第二透镜分别由PMMA、COC、PC制成时的且成第二透镜放大倍率β的函数形式的物镜系统的波前像差；图6表示当由PMMA、COC或PC制成时的物镜系统的波前像差，其中两个透镜可以是不同材料制成的，水平轴上的数字对应于1-第一透镜由PC制成且第二透镜由COC制成，2-第一透镜由PC制成且第二透镜由PMMA制成，3-第一透镜由COC制成且第二透镜由PMMA制成，4-第一透镜由PC制成且第二透镜由PC制成，5-第一透镜和第二透镜由COC制成，6-第一透镜和第二透镜由PMMA制成，7-第一透镜由COC制成且第二透镜由PC制成，8-第一透镜由PMMA制成且第二透镜由PC制成，9-第一透镜由PMMA制成且第二透镜由COC制成；图7表示在物镜系统的第一透镜由COC制成且第二透镜由PMMA制成时的且成第二透镜放大倍率β的函数形式的物镜系统的波前像差；图8表示包括一个物镜系统的并用于扫描光学记录载体的仪器。
具体实施形式图1示出了根据本发明的物镜系统的一个实施例，它允许不影响透镜偏心情况地倾斜校准并且简单组装透镜。该物镜系统包括一个由塑料制成的第一透镜1，第一透镜包括一个大致成球形的透镜镜体，物镜系统还围绕大半个该透镜镜体地包括一个由塑料制成的第二透镜2以及一个成圆柱形的塑料镜座3。第一透镜的光学有效直径大于第二透镜的光学有效直径。第二透镜和圆柱形镜座3由相同塑料构成并且形成单个结构单元。第一透镜1的球形玻璃镜体的厚度d和半径r遵照d＞r。元件4是成第一透镜、第二透镜和镜座组装状态的物镜系统。在图中，发光束从顶面入射物镜系统，射出光束聚集在一个在物镜系统下方的位置上。一个光学记录载体的信息层可以被安置在该位置上，以便通过由射出光束形成的光斑来扫描该信息层。
图1的物镜系统的实施例具有3.0毫米的入射光孔直径、NA＝0.85的记录载体侧数值孔径、405纳米的设计波长、0.15毫米的在第二透镜和光盘之间的自由工作间隙(FWD)以及记录载体的0.1毫米厚PC透明层。
图2表示第二透镜在其温度变化时的光学性能行为。该图示出了当只有第二透镜的温度升高30K时的整个物镜系统的波前像差的变化。像差如图所示地是第二透镜放大倍率β的函数。当第二透镜的放大倍率改变时，通过相应地改变第一透镜的性能以及第一透镜与第二透镜之间的距离而从整体上保持物镜系统的成像性能。波前像差表现为中众所周知的光路差(OPDrms)的均方根值。在图中的OPDrms的负值意味着球面像差的Zernike系数A40为负。图中的三条线表示第二透镜由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯共聚物(COC)和聚碳酸酯(PC)构成时的像差行为。表I列出了PMMA、COC和PC的热性能。球面波前像差的变化为正并且对一个具有无限共轭(β＝0)的透镜来说是大的。对于大于0.2的放大倍率β来说，波前像差的变化为负。注意，当塑性材料的折射率增大时，在此发生零交叉的β值减小。
表I PMMA、COC和PC的热性能
可以利用以上认识来减弱高数值孔径的塑料物镜系统对温度的依赖性。考虑一个在无限共轭条件下工作的双元塑料DVR物镜系统，第一透镜面对扫描仪的发光源，第二透镜面对记录载体。当这两个透镜的放大倍率被选择成能够赋予第一透镜和第二透镜的球面像差对温度的依赖性以不同正负号时，其中一个透镜的球面像差对温度的依赖性至少部分通过另一个透镜的球面像差对温度的依赖性来补偿。这样一来，明显减弱了高数值孔径的塑料物镜系统的球面像差对温度的依赖性。在图1的例子中，第二透镜2的放大倍率大于0.2。
本发明允许使高数值孔径的塑料物镜的温度公差对光学记录来说足够宽，这将从以下的具体例子中变得一清二楚。
物镜系统的一个实施例被设计用于使一个具有405纳米波长的平行光束穿透一个0.1毫米厚的PC透明层(n＝1.6223)地聚焦到一个在一光学记录载体的信息层上的焦点上，其中该透明层设置在该信息层上。入射光孔直径为3.0毫米，在物镜侧的物镜系统的数值孔径为NA＝0.85。自由工作间隙为FWD＝0.15毫米。该物镜系统包括一个双消球差第一透镜，后面是一个平消球差第二透镜。利用基于关于场公差、两个透镜的偏心公差、双消球差透镜的非球面的偏心公差以及温度公差的性能函数来优化物镜系统设计。在以下实施例中，第一透镜的厚度被固定在2.5毫米，第二透镜的厚度被固定在0.85毫米。
具有由COC制成的第一透镜和第二透镜的并且其第二透镜具有0.5放大倍率β的物镜系统的实施例具有以下设计参数。
第一透镜具有一个面对发光源的并具有旋转对称的非球面形状的凸面，所述非球面形状由以下公式设定z(r)=Σi=1βb21r21]]>其中，z是该凸面在光轴方向上的并以毫米计的位置，r是与光轴的距离(毫米)，b2i是r的第2i次方的系数。b2-b16的系数分别是0.27152628、0.0094409894、0.0044407999、-0.0079739895、0.0078782292、-0.0043791379、0.0012874114和-0.00015939048。在第一透镜另一侧的凸面也是非球面，它具有分别等于0.027369439、0.022047913、-0.045429955、0.061344633、-0.071559255、0.085540565、-0.076476945、0.026949936的b2-b16的系数值。第一透镜的放大倍率为零，因为其物共轭之一位于无限远。物镜系统的第二透镜与第一透镜间隔0.310毫米。指向第一透镜的第二透镜凸面具有非球面形状，b2-b16的系数分别为0.59812098、0.25015439、-0.72194864、7.6081286、-37.847569、105.36375、-153.4902、90.242243。在第二透镜另一侧的界面具有无限曲率半径。
在分析温度依赖性时，两个透镜的镜座被认为是用和第二透镜一样的材料制成的。图3、4、5示出了当它分别由PMMA、COC和PC制成时的并且成第二透镜放大倍率β的函数形式的物镜系统波前像差的变化。在所有这三种情况下，温度公差随β增大而增大。另一方面，这两个透镜的偏心公差随β增大而减小。以30mλOPDrms为像差上限，第二透镜的放大倍率β因偏心公差而最好小于0.6。放大倍率的下限由球面像差对温度的依赖性来决定，在β较小时，这种球面像差是主要像差并且它随着放大倍率在有关β值范围内的减小而增大。于是，以30mλOPDrms为球面像差对温度依赖性的上限，在由PMMA构成的情况下，温度公差把放大倍率限制在β＞0.45，而在由COC构成的情况下，该公差意味着β＞0.3。在PC的情况下，没有进一步的限制。最后，为了便于制造，第二透镜的放大倍率β应该不大小，因为对于β小的情况来说，物镜系统的屈光力的大部分将位于第一透镜中，而第二透镜只有很小的屈光力。因此，放大倍率β最好大于0.3。
当物镜系统的这两个透镜都由同一种塑性材料构成时，系统公差随着材料折射率的提高而改善了。
图6表示物镜系统的波前像差，在该物镜系统中，两个透镜由PMMA、COC或PC制成。这两个透镜可以是用同一种材料或不同材料制成的。如该图所示，最佳组合方案在于，第一透镜由COC制成，后面是由PMMA构成的第二透镜。次佳的方案是，第一透镜由PC制成，后面是由PMMA构成的第二透镜。总的来说，对于其中第一透镜的折射率高于第二透镜的组合形式来说，物镜系统的性能更好。
图7示出了其中第一透镜由COC制成且第二透镜由PMMA构成的物镜系统的、成第二透镜的放大倍率β的函数形式的波前像差变化。如该图所示，当放大倍率β满足0.4＜β＜0.5的条件时，获得了最佳性能。
尽管以上实施例示出了物镜系统中的具有较小放大倍率的透镜要比具有较大放大倍率的透镜更接近发光源，但具有较大放大倍率的透镜也可以被布置成比具有较小放大倍率的透镜更接近发光源。
物镜系统可被用在光学记录系统如所谓的DVR光学系统的扫描仪中。
图8示出了扫描一个光学记录载体102的DVR型仪器101。记录载体包括一个透明层103，在透明层的一侧上设有一个信息层104。通过一个保护层105使背对透明层的信息层侧不受环境影响。面对仪器的透明层侧被称为入射面106。透明层103通过给信息层提供机械支承而起到了记录载体底层的作用。或者，透明层可能具有保护信息层的唯一功能，而机械支承通过在信息层另一侧上的一层如保护层105来完成，或者通过另一个信息层和一个与该信息层104相连的透明层。信息可以以可光学探测的标记的形式被存储在记录载体的信息层104中，这些标记是按照大致平行的同心或螺旋的轨迹而排列的，这在图中未示出。所述标记可以成任何可光读取的形式，例如成凹点形式，或者具有不同于其周围环境的磁化方向或反射率的区域的形式，或者是这些形式的组合方式。
扫描仪101包括一个可以发出发光束108的发光源110。如图所示的发光源包括一个半导体激光器110。一个分光器113在光路上把发散发光束108反射向一个准直镜114，该准直镜将发散光束108转换成平行光束115。平行光束115入射到一个物镜系统118的一个第一透镜116中并随后入射到其第二透镜117中。该物镜系统可能包括两个或多个透镜和/或一个光栅。物镜系统118具有一个光轴119。物镜系统118把光束115转变成会聚光束120并使其入射到记录载体102的入射面106中。该物镜系统具有适于使发光光束穿透透明层103厚度的球面像差修正。会聚光束120在信息层104上形成一个光点121。由信息层104凡是的射线形成一发散光束，该发散光束通过物镜系统118被转变成基本平行的光束123并随后通过准直镜114被转变成一会聚光束124。分光器113通过使至少部分会聚光束124透射向一个反射系统125而分离出向前的反射光束。检测系统捕捉到射线并将其转换成电输出信号126。一个信号处理器127把这些输出信号转换成各种其它信号。其中一个信号就是一个信息信号128，其值代表从信息层104上读到的信息。该信息信号经过一个用于修正误差的信息处理单元129的处理。来自信号处理器127的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号130。聚焦误差信号代表光点121和信息层104之间的高度轴向差。径向误差信号代表在信息层104平面内的在光点121与信息层内的一个光点要跟踪的轨迹的中心之间的距离。聚焦误差信号和径向误差信号被送如一条伺服电路131，它将这些信号转换成用于分别控制一聚焦致动器和一径向致动器的伺服控制信号132。在图中没有示出这些致动器。聚焦致动器控制着物镜系统118在聚焦方向133上的位置，由此如此控制光点121的实际位置，即该实际位置基本上与信息层104的平面重合。径向致动器控制着物镜系统118在径向134上的位置，由此如此控制光点121的径向位置，即它基本上与信息层104内的一要跟踪的轨迹的中心线重合。图中的该轨迹在垂直于图面的方向上延伸。
权利要求
1.一种用于扫描一个光学记录载体的信息层的光学扫描仪，它包括一个用于产生一具有波长λ的发光束的发光源和一个具有大于0.65的数值孔径并用于把所述发光束会聚在信息层上的物镜系统，该物镜系统包括都由塑料制成的一个第一透镜和一个第二透镜，其特征在于，所述的第一透镜和第二透镜分别具有施加于该发光束上的球面像差对温度的依赖性，所述的第一透镜和第二透镜的依赖性的正负号是不同的并且所述的第一透镜和第二透镜的依赖程度基本上相同，从而该物镜系统的球面像差对温度的依赖性被降低到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
2.如权利要求1所述的光学扫描仪，它包括一个用于把来自该信息层的光线转换成信息信号的检测装置和一个用于所述信息信号的误差修正的信息处理器。
3.一种物镜系统，它具有大于0.65的数值孔径并聚焦一具有波长λ的发光束并且包括都由塑料制成的一个第一透镜和一个第二透镜，其特征在于，所述的第一透镜和第二透镜分别具有施加于该发光束上的球面像差对温度的依赖性，所述的第一透镜和第二透镜的依赖性的正负号是不同的并且所述的第一透镜和第二透镜的依赖程度基本上相同，从而该物镜系统的球面像差对温度的依赖性被降低到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
4.如权利要求3所述的物镜系统，其特征在于，所述第一透镜具有小于0.2的放大倍率β并且所述第二透镜具有大于0.2的放大倍率β。
5.如权利要求4所述的物镜系统，其特征在于，所述第二透镜具有大于0.3-0.6的放大倍率β。
6.如权利要求4所述的物镜系统，其特征在于，第一透镜由一种其折射率大于所述第二透镜的制造材料的材料制成。
7.如权利要求4所述的物镜系统，其特征在于，所述第一透镜由COC制成，所述第二透镜由PMMA制成，所述第二透镜的放大倍率为0.4-0.5。
8.一种制造具有大于0.65的数值孔径的并聚焦一具有波长λ的发光束并且包括都由塑料制成的一个第一透镜和一个第二透镜的物镜系统的方法，它包括以下步骤-通过使第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖性的正负号互不相同并使第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖的程度基本上相同而把物镜系统设计成具有小于在30K温度变化下的30mλOPDrms的球面像差对温度的依赖性；-根据上述设计来制造所述的第一透镜和第二透镜；-把所述的第一透镜和第二透镜组装成一个物镜系统。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一透镜和第二透镜的球面像差对温度依赖性的正负号是通过赋予该第一透镜一小于0.2的放大倍率β并赋予该第二透镜一大于0.2的放大倍率而设定的。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一透镜和第二透镜是用注塑法制成的。
全文摘要
扫描光学记录载体(102)的信息层(104)的光学扫描仪包括一个用于产生发光束(108)的发光源(110)和一个用于把发光束会聚在信息层上的高数值孔径的物镜系统(118)。该物镜系统包括一第一透镜(116)和一第二透镜(117)，它们由塑料制成。第一透镜和第二透镜的球面像差对温度的依赖性的正负号是不同的并且这两个透镜的球面像差对温度依赖的程度基本上相同，从而该物镜系统的球面像差对温度的依赖性从整体上被降低到小于在30K温度变化下的30mλOPDrms。
文档编号G11B7/1374GK1701361SQ02801372
公开日2005年11月23日 申请日期2002年3月25日 优先权日2001年4月25日
发明者B·H·W·亨德里克斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司