专利名称：衍射光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用高级衍射光的衍射光学元件，以及利用这种衍射光学元件的光学拾取器的物镜。
背景技术：
传统上，具有衍射透镜结构的衍射光学元件与折射透镜一起使用以便补偿色差或由于温度变化导致的特性变化。衍射透镜结构通常包括多个环带，彼此之间具有沿着光轴方向延伸的微小台阶。衍射透镜结构可以形成在光学元件上，该光学元件可以是也可以不是折射透镜。在光学拾取器物镜领域，衍射透镜结构形成在物镜的一个折射面上。特别是，商业制造的光学拾取器物镜利用金属模具由树脂制成。
衍射透镜结构环带之间的台阶根据衍射分量(component)级和光波长确定。假设级别为m，波长为λ，台阶确定为使每个台阶的内侧边和外外侧问产生的光程差(后面将称为OPD)为m×λ。图6示出利用第一级衍射光的传统衍射透镜结构的剖面。光轴位于图6的下方。如图6所示，外部环带的宽度较窄。在图6中，间距较小的虚线表示相应环带的延长线。相邻两个虚线之间的距离对应于一个波长的OPD，该OPD是由相邻两个环带之间的台阶产生的。换句话说，图6中所示的衍射透镜结构通过在相邻环带之间的台阶产生一个波长的OPD，提供第一级衍射光。具有较大间距的虚线表示上面形成有衍射透镜结构的折射透镜的基本曲面。
图7A示出利用高级衍射光的传统衍射透镜结构的剖面。7B图是7A中的圆圈部分A的放大图。靠近光轴的台阶产生两个波长的OPD，边缘部分的每两个台阶产生三个波长的OPD。通过这一结构，实现相对强的高级衍射分量。
如果衍射光学元件由树脂模塑制成，由于模具的磨损和/或树脂材料不能充分灌注，衍射透镜结构可能变得模糊(dulled)。衍射结构的这种模糊形状对于较大台阶影响更大，因此衍射效率降低。如果台阶产生一个波长的OPD，如图6所示，衍射透镜结构的模糊形状影响相对小，衍射效率可能降低不显著。然而，如果台阶相对大，如图7A所示，模糊状况的程度与虚线所示的设计形状比较相对大，如图7B中的实线所示。如图7B所示，如果平坦部分变得相对大，衍射效率显著下降。
发明内容
本发明的优点在于提供了一种衍射光学元件，即使衍射光学元件设计成使用高级衍射光元件，对它的衍射效率影响也很小。
根据本发明的一个方面，提供了一种衍射光学元件，包括一个基本元件，和包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕基本元件的光轴同心设置，形成在多个环带之间沿着光轴方向延伸的微小台阶，该多该环带形成在基本元件的表面上。多个环带中包括至少一个满足条件(1)的窄带和至少一个满足条件(2)的宽带ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的内侧端部和外侧端部所产生的相对于基本曲面的OPD之差的绝对值。
通过上述结构，当为了使用相对高级衍射光而形成相对大的台阶时，通过形成窄带，能够抑制模糊形状的影响，与传统技术中的以没有子台阶而形成大台阶的情况比较，能够实现更高的衍射效率。
最好，衍射光学元件包括多个宽带和多个窄带，如果使用多个波长，最好ΔE(i)的值基本上等于所使用的最短波长。如果使用三级或更高的衍射分量，最好多个窄带设置在一对宽带之间。
任选地，基本元件可以由透光材料形成。在这种情况下，衍射透镜结构可以设计成起透射衍射透镜的作用。
任选地或替代地，基本元件可以是具有非球面的透镜。在这种情况下，光学元件可以用作光学拾取器的物镜，所述物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在具有不同数据记录密度的至少两种类型光盘上。该透镜表面可以被划分为低NA光束通过的通用区域和高NA光束通过的专用高NA区域，所述低NA光束对于低数据记录密度光盘是必须和足够的；所述高NA光束只是对于高数据记录密度光盘是必须的。形成在专用高NA区域的衍射透镜结构的至少一部分可以包括具有宽带和窄带的多个环带。
根据本发明的另一个方面，提供了一种衍射光学元件，它包括一个基本元件，和包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕基本元件的光轴同心设置，在多个环带之间形成沿着光轴方向延伸的微小台阶，多个环带形成在基本元件的表面上。衍射透镜结构可以设计成利用第m级衍射分量，m是大于1的整数。在这种情况下，衍射透镜结构可以包括这样的台阶，即每个台阶主要产生m倍工作波长的光程差，每个台阶细微上具有多个子台阶，所述多个子台阶由多个窄宽度环带形成，每个窄带产生一个波长的光程差。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于光学拾取器的物镜，所述物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在具有不同数据记录密度的至少两种类型光盘上。这种物镜可以设计成包括正光焦度折射透镜和包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕折射透镜的光轴同心设置，在多个环带之间形成沿着光轴方向延伸的微小台阶，多个环带形成在折射透镜的表面上。透镜的折射面可以被划分为低NA光束通过的通用区域和高NA光束通过的专用高NA区域，所述低NA光束对于低数据记录密度光盘是必须的，而且足够；所述高NA光束只是对于高数据记录密度光盘是必须的。形成在专用高NA区域的环带包括至少一个满足条件(1)的窄带和至少一个满足条件(2)的宽带ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的里边部分和外边部分所产生的相对于基本曲面的OPD之差的绝对值。
任选地，ΔE(i)的数值基本上等于所使用的最短波长。
图1A示出根据实施例的衍射光学元件的形状；图1B是图1A中的圆圈部分的放大图；图2A和2B分别是根据实施例的物镜的前视图和剖面侧视图；图3简示出使用根据实施例的物镜的光学拾取器的光学系统结构；图4示出形成在根据实施例的物镜上的衍射透镜结构的弧矢量曲线；图5示出根据本发明实施例的物镜会聚的波长对于CD的光强度分布的曲线；图6示出传统衍射光学元件的结构；以及图7A示出传统衍射光学元件的形状；图7B是图7A中圆圈部分的放大图。
具体实施例方式
下面参考附图描述根据本发明的实施例。在该实施例中，光学元件描述为光学拾取器的物镜。
图1A示出根据实施例的衍射光学元件的形状，图1B是图1A中的圆圈部分的放大图。图2A和2B分别是根据实施例的物镜10的前视图和剖面侧视图。图1A是图2B点划线圆圈F1处的放大图。
物镜10是由树脂制成的双凸透镜，如图2B所示。物镜的两个折射面11和12是非球面。在表面11上，形成具有多个同心环带的衍射透镜结构，如图2A所示。每个环带的中心为物镜10的光轴。即，上述衍射透镜结构形成在基本曲面上，该基本曲面是物镜10的折射面11。
物镜10的表面被分成两个部分中心部分(将称为通用区域)Rc，剩余的边缘区域(即通用区域Rc的外部)将称为专用高NA区域Rh。
在相对低记录密度的CD或者CD-R上记录/读出数据的光束通过通用区域Rc，并会聚在CD或CD-R上。在相对高记录密度的DVD上记录/读出数据的光束通过通用区域Rc和专用高NA区域Rh，并会聚在DVD上。衍射透镜结构形成在通用区域Rc和专用高NA区域Rh上。通用区域Rc设计成这样的区域，即在其边界内对应于NA数值在0.45至0.50范围内。
形成在通用区域Rc内的衍射透镜结构利用一级衍射分量。因此，与图6所示结构类似，每个环带之间的台阶产生大约为一个波长的OPD。
形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构利用第m级衍射分量(m是大于一的整数)。因此，每个台阶主要产生m倍波长的OPD，如同图1A所示范性示出一样。具体说，在图1A中，在图下部示出的一个台阶产生两个波长的OPD，其他两个台阶分别产生三个波长的OPD。
形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构包括多个宽带Rw和多个窄带Rn，所述多个窄带设置在宽带Rw之间。细微上，如图1B所示，一个台阶形成为具有三个子台阶，所述子台阶由窄带Rn形成，每个子台阶产生一个波长的OPD。
窄带Rn和宽带Rw分别形成为满足如下条件(1)和(2)ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的里边部分和外边部分所产生的相对于基本曲面(在图1A中由间距较长的虚线表示)的OPD之差的绝对值。
在如图6所示的传统结构中，第一和第二台阶之间的环带的里边和外边产生的OPD分别是+0.5λ和-0.5λ。因此，对于该环带，可以与外部环带类似计算ΔZ(1)＝1λ·ΔZ。然而，所有台阶产生的ΔE(i)都是1λ。因此，在图6所示例子中，与i的值无关，ΔZ(i)＝ΔE(i)，而且数值为1λ，没有环带满足条件(1)和(2)。
在图7A所示传统结构，第一和第二台阶之间的环带的里边和外边产生的OPD分别是+1.5λ和-1.5λ。因此，对于该环带，可以与外部环带类似计算ΔZ(1)＝3λ·ΔZ。然而，台阶产生的ΔE(i)当i＝1时为2λ；当I≥2时为3λ。因此，在图7A所示例子中，没有环带满足条件(1)和(2)。
在图1A所示结构中，窄带Rn形成为使得里边和外边产生的OPD基本相同，因此，ΔZ(i)基本上等于零。宽带Rw形成为使得第一和第二台阶之间的环带的里边和外边产生的OPD分别是+1.5λ和-1.5λ，例如在图1A中的第二和第三台阶之间的宽带。因此，对于该环带，可以与其他宽带类似计算ΔZ(2)＝3λ·ΔZ。因此，对于i＝1、3、4、6、7，…，ΔZ(i)基本上等于零，而对于i＝2、5，…，ΔZ(i)等于3λ，然而，每个台阶产生的ΔE(i)为λ，与i值无关。因此，在图1A所示结构中，窄带Rn满足条件(1)，而宽带Rw满足条件(2)。应该注意在上面的描述中，为了简化描述，在图最下部所示的台阶表示为第一台阶(即i＝1)。例如图1A所示，因为所示部分是专用高NA区域的一部分，因此，i的实际数值是包括通用区域Rc内的台阶数的较大值。
应该注意ΔZ(i)和ΔE(i)的数值是利用对于高数据记录密度光盘的波长计算的。
根据上述结构，当为了使用相对高级衍射光而形成相对大的台阶时，通过形成窄带Rn，能够抑制如图1B中实线所示模糊形状的影响，与图7A所示的没有次台阶而形成大台阶的情况比较，能够实现更高的衍射效率。
例如，如果专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构形成为如图6所示形式，产生一个波长的OPD，整个物镜的光利用率(包括膜层损失和类似损失)为87.8％。还有，如果专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构形成为如图7A所示形式，即，如果台阶产生三倍波长的OPD，而没有次台阶，光利用率为85.6％。如果采用次台阶，如图1A所示，光利用率为87.7％。因此，在这种情况下，甚至当使用高级衍射分量时，也能够保持基本上与使用第一级衍射分量相同的光利用率。
图3简要示出使用图2A-2B所示物镜10的光学拾取器的结构。
图3所述光学拾取器包括DVD光源组件21、CD光源组件22、光束合成器23、准直透镜24和物镜10。DVD光源组件21和CD光源组件22中的每一个是具有一体安装的激光二极管和光传感器的组件。
波长相对长的光束用于CD或CD-R，而波长相对短的光束用于DVD。根据实施例，DVD光源组件21具有发射波长为654nm激光束的激光二极管，CD光源组件22具有发射波长为654nm和790nm之间的激光束的激光二极管。
当使用DVD时，就使用DVD光源组件21。在图3中，用实线示出DVD覆盖层。DVD光源组件21发射的激光束会聚在数据记录面上，该数据记录面对应于如图3中实线所示的DVD覆盖层的右手边。
当使用CD(或CD-R)时，就使用CD光源组件22。在图3中，用虚线示出CD(或CD-R)覆盖层。CD光源组件22发射的激光束会聚在数据记录面上，该数据记录面对应于如图3中虚线所示的CD(或CD-R)覆盖层的右手边。应该注意在图3中只表示出用于在光盘上记录/读出数据的光束。
形成在通用区域Rc内的衍射透镜结构设计成使得第一级衍射光的衍射效率对于多个波长都最高(在该实施例中是两个波长，即654nm和790nm)。
而且，通用区域Rc内的衍射透镜结构设计成使得由于DVD(厚度为0.6mm)和CD(或CD-R)(厚度为1.2mm)覆盖层厚度之差导致的球差变化通过在654nm和790nm之间切换所使用光束的波长补偿。
通常已知整个光学系统(包括光盘的覆盖层)的球差随着覆盖层厚度变厚而向过校正方向变化。当使用具有较薄覆盖层的DVD时，使用较短波长的光束，而当使用具有较厚覆盖层的CD时，使用较长波长的光束。鉴于这一情况，衍射透镜结构设计成球差与波长有关，即当波长增大时球差向校正不足方向变化。利用这一结构，通过适当设计衍射透镜结构，随着覆盖层厚度增加向过校正方向变化的球差能够被随着波长从654nm增大到790nm而向校正不足方向变化的衍射透镜结构球差补偿。
形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构设计成具有会聚波长为654nm的光束、并散射波长为790nm的光束的作用。专用高NA区域Rh的基本曲面和OPD函数确定为使得波长为654nm的光束充分会聚在DVD上。而且，根据本发明，形成在专用高NA区域Rh内的衍射透镜结构设计成补偿当激光束的波长变化时可能产生的色差，以及基于由于温度变化导致折射率和/或形状变化的像差。为了使用衍射透镜结构实现像差补偿作用和限制直径大小的作用，必须使用高级衍射分量。在根据该实施例的物镜中，衍射透镜结构主要产生多倍波长的OPD，以便实现上述作用，同时细微上使用子台阶，以便防止衍射效率降低。
数据实施例后面，将描述根据该实施例的物镜的数据。根据实施例的物镜用于光学拾取器，所述光学拾取器用于具有厚度为0.6mm覆盖层的DVD和具有厚度为1.2mm覆盖层的CD(或者CD-R)。
下面的表1示出根据该实施例的物镜数据。
物镜的第一表面(光源一侧表面)被划分为通用区域Rc和专用高NA区域Rh，前者从光轴算起的高度h为0≤h＜1.538(mm)，后者从光轴算起的高度h为1.538≤h≤2.023(mm)。在通用区域Rc和专用高NA区域Rh，分别形成有不同OPD函数表示的衍射透镜结构。通用区域Rc和专用高NA区域Rh的基本曲面(即不包括衍射透镜结构的透镜表面形状)也不相同，二者是由不同系数定义的非球面。
物镜的第二表面(光盘一侧表面)是没有形成衍射透镜结构的非球面。
在该实施例中，在专用高NA区域Rh内设置有四个宽带。宽带宏观上产生的台阶是波长的五倍。每个台阶被划分为由窄带形成的次台阶，每个窄带产生一个波长的OPD。因此，在相邻宽带之间，设置有四个窄带。
由衍射透镜结构增加的附加光程由如下所示的OPD(光程差)函数φ(h)表示φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+…)×m×λ其中，Pn表示第n次(n是偶数)OPD函数系数，m表示衍射级，λ表示波长。
OPD函数φ(h)表示在物镜上对于光轴的高度为h的点上，不被衍射透镜结构衍射的光束的光程与被衍射透镜结构衍射的光束的光程之差。
非球面由如下所示的多项式表示X(h)=Ch21+1-(1+K)C2h2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>其中，X(h)是表示在光轴和非球面的交点与非球面相切的平面与非球面上相对光轴的高度为h的点之间距离的SAG量；C表示非球面在光轴上的曲率(＝1/r)，k是二次曲线系数，A4、A6、A8、A10和A12是四次、六次、八次、十次和十二次非球面系数。
在表1中，示出限定物镜第一面(即光源一侧表面)的基本曲面、通用区域Rc的衍射透镜结构的系数、限定专用高NA区域的衍射透镜结构的系数、相邻表面之间在光轴上的距离、折射率、以及限定第二面的系数，第二面是非球面。
表1第一面
表2示出从光轴到每个环带的里边的高度hin和从光轴到每个环带的外边的高度hout，从光轴一侧开始给每个环带一个环带编号N，包括光轴的圆形带表示为环带#0。这样，第i个台阶外部的环带为第i个环带。而且，在表2中示出在每个环带外边的OPD函数φ(hout)值。在表2中，hin和hout的数值单位为mm，OPD函数φ(hout)值用波长单位表示。环带0-14形成在通用区域Rc内，环带15-35(见表3)形成在专用高NA区域Rh内。
表2
表3示出从光轴到每个环带的里边的高度hin和从光轴到每个环带的外边的高度hout。而且，在表3中示出相对于通过每个环带外边的光束的OPD函数φ(hout)的数值、每个环带投影在切平面上的宽度W。
表3
图4是示出在h＝1.40mm至h＝2.00mm范围内衍射透镜结构相对于基本曲面的SAG量曲线，即在通用区域Rc周边大致到专用高NA区域Rh的外边。在h＝hB＝1.538处的大台阶表示通用区域Rc与专用高NA区域Rh之间的边界。
如表3所示，环带#15、#20、#25和#30是宽带Rw，而环带#16-19、#21-24和#26-29是窄带Rn。如图4所示，ΔE(i)是常数(即等于1λ)，与i值无关；当i＝16-19、21-24和26-29时，ΔZ(i)基本上等于零，而当i＝15、20、25和30时，ΔZ(i)实质上等于5λ。因此，窄带Rn满足条件(1)，宽带Rw满足条件(2)。
图5是示出当使用根据比较例的物镜(用虚线表示)和根据实施例的物镜(用实线表示)时CD上的光强度分布曲线。在垂直轴上，强度被归一化以便光轴上的光强度表示为1。水平轴表示相对于光轴的距离。为了示出对于CD光束点边界附近的强度，垂直轴只示出0.005的上限，因此，曲线中没有示出靠近光轴部分的光强度，因为该强度比上限大得多。
比较例设计成形成在专用高NA区域Rh内的环带之间的台阶产生一个波长的OPD，其他结构与实施例相同。根据比较例，如果很好地补偿了像差，当使用CD(或CD-R)时不能充分限制光束尺寸。因此，入射在CD光束点边界附近区域(即在高度h从5μm至10μm范围内的区域)的光强度分布变得相当大。
根据实施例，如图5所示，能够把入射在CD光束点边界附近区域(即在高度h从5μm至10μm范围内的区域)的光强度分布抑制在比比较例低的水平。而且，当使用DVD时也能够很好地抑制由于温度和/或波长变化产生的波前差变化。
权利要求
1.一种衍射光学元件，包括基本元件，和包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕所述基本元件的光轴同心设置，在所述多个环带之间形成沿着所述光轴方向延伸的微小台阶，所述多个环带形成在所述基本元件的表面上；其中所述多个环带中包括至少一个满足条件(1)的窄带和至少一个满足条件(2)的宽带ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i)…(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i)…(2)，其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的里边部分和外边部分所产生的相对于基本曲面的OPD之差的绝对值。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中包括多个宽带和多个窄带。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中ΔE(i)的值基本上等于所使用的最短波长。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中多个窄带设置在一对宽带之间。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的衍射光学元件，其中所述基本元件由透光材料形成；以及所述衍射透镜结构起透射衍射透镜的作用。
6.根据权利要求5所述的衍射光学元件，其中所述基本元件是具有非球面的透镜。
7.根据权利要求6所述的衍射光学元件，该光学元件可以用作光学拾取器的物镜，所述物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在至少两种类型具有不同数据记录密度的光盘上；所述透镜具有非球面，该表面具有低NA光束通过的通用区域和高NA光束通过的专用高NA区域，所述低NA光束对于低数据记录密度光盘是必须的，而且足够；所述高NA光束只是对于高数据记录密度光盘是必须的；形成在所述专用高NA区域的所述衍射透镜结构的至少一部分可以包括具有所述至少一个宽带和所述至少一个窄带的多个环带。
8.一种衍射光学元件，包括基本元件，和包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕所述基本元件的光轴同心设置，在所述多个环带之间形成沿着所述光轴方向延伸的微小台阶，所述多个环带形成在所述基本元件的表面上；其中所述衍射透镜结构利用第m级衍射分量，m是大于1的整数；所述衍射透镜结构包括这样的台阶，每个所述台阶主要产生m倍工作波长的光程差，细微地每个所述台阶具有多个子台阶，所述多个子台阶由多个窄宽度环带形成，每个窄宽度环带产生一个波长的光程差。
9.一种用于光学拾取器的物镜，所述物镜能够将至少两种不同波长的光束分别会聚在具有不同数据记录密度的至少两种类型光盘上，所述物镜包括正光焦度折射透镜；包括多个环带的衍射透镜结构，这些环带围绕所述折射透镜的光轴同心设置，在所述多个环带之间形成沿着所述光轴方向延伸的微小台阶，所述多个环带形成在所述折射透镜的表面上；所述透镜的折射面被划分为低NA光束通过的通用区域和高NA光束通过的专用高NA区域，所述低NA光束对于低数据记录密度光盘是必须的，而且足够；所述高NA光束只是对于高数据记录密度光盘是必须的；形成在专用高NA区域的环带包括至少一个满足条件(1)的窄带和至少一个满足条件(2)的宽带ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i) …(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i) …(2)，其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的里边部分和外边部分所产生的相对于基本曲面的OPD之差的绝对值。
10.根据权利要求9所述的物镜，其中ΔE(i)的数值基本上等于所使用的最短波长。
全文摘要
一种衍射光学元件设计成多个环带形成在基本元件上，多个环带彼此之间具有沿着光轴方向延伸的微小台阶。多个环带形成在基本元件的表面上。多个环带中包括分别满足条件(1)和(2)的窄带和宽带ΔZ(i)＜(1/2)·ΔE(i)…(1)，以及ΔZ(i)＞(3/2)·ΔE(i)…(2)，其中i表示从光轴开始数的台阶序号，ΔE(i)表示第i个台阶产生的OPD的绝对值，ΔZ(i)表示第i个台阶和第(i+1)个台阶之间的环带的里边部分和外边部分所产生的相对于基本曲面的OPD之差的绝对值。
文档编号G02B5/18GK1391120SQ02123230
公开日2003年1月15日 申请日期2002年6月13日 优先权日2001年6月13日
发明者竹内修一, 丸山晃一 申请人:旭光学工业株式会社