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CN1280363A - 光学拾取装置、记录/再现装置以及聚光系统和耦合透镜 - Google Patents

光学拾取装置、记录/再现装置以及聚光系统和耦合透镜 Download PDF

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CN1280363A CN00120420A CN00120420A CN1280363A CN 1280363 A CN1280363 A CN 1280363A CN 00120420 A CN00120420 A CN 00120420A CN 00120420 A CN00120420 A CN 00120420A CN 1280363 A CN1280363 A CN 1280363A
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Abstract

一种用于对光学信息记录介质进行记录/再现的光学拾取装置,设置有光源;耦合光学系统,用于改变光源所发出光束的发散角;物镜光学系统,用于将通过耦合光学系统的光束会聚在信息记录表面上;和光电探测器,用于探测来自信息记录表面的反射光。物镜光学系统包括至少一由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜;耦合光学系统包括至少一由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜,并且还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。

Description

光学拾取装置、记录／再现装置 以及聚光系统和耦合透镜
本发明涉及用于对光学信息记录介质进行记录和／或再现的光学拾取装置、用于光学信息记录介质的记录／再现装置、聚光光学系统和耦合透镜。具体地说，涉及其中尽管物镜光学系统含有由树脂材料制的透镜但是具有大数值孔径并且温度特性优越的光学拾取装置、用于光学信息记录介质的记录／再现装置、聚光光学系统和耦合透镜。
近年来，已经研制出尺寸与代表传统光学信息记录介质的CD基本相同的DVD，其记录密度增大，并且正在迅速普及。当须要对DVD再现时，采用光源波长为635nm－660nm的激光器，由该激光器发出的发散光束被准直透镜一次准直为平行光束，然后入射至在光学信息记录介质一侧数值孔径(NA)为0．6的物镜上，并透过光学信息记录介质的透明基片会聚在信息记录表面上。
用于DVD再现的光学拾取装置缺乏现实意义，除非它也能够再现CD和CD－R。DVD与CD彼此不同之处在于透明基片的厚度以及物镜在光学信息记录一侧的数值孔径NA方面。除此之外，CD－R吸收波长为635nm－660nm的光，从而使得光学拾取装置必须设有两个激光器，包括波长635nm－660nm的激光器和波长780nm的激光器。
即使在用于DVD和CD的可互换再现装置的情况下，也已经开发出其中可以采用单个物镜用于DVD再现以及CD和CD－R再现的多种技术，并已投入实际应用，以降低成本和缩小体积(例如参见TOKKAIHEI的No．11－96585专利中请)。
在CD再现装置的情况下，普遍采用由树脂制成的物镜，在DVD再现装置的情况下，如同CD情况下一样，树脂制成的物镜也已实用化以降低成本。
顺便指出，在物镜由树脂制成的情况下，由于温度变化所导致的折射率变化引起的象差要大于物镜由玻璃材料制成的情况，并且树脂材料的这种折射率变化一般比玻璃材料要大一个量级以上。
于是，如果假定实际使用环境温度与标准设计温度之间的温差由ΔT表示，其中由该温差ΔT所致的波前象差的变化量主要为球差成分，波前象差中球差成分的变化量由ΔWo表示，物镜在光学信息记录介质一侧(图象一侧)的数值孔径由NA表示，焦距由f表示，横向放大率由M表示，以及比例系数由β表示，则下式成立：
ΔWo=β·{NA·(1－M)}4·f·ΔT    (1)
另外，大容量双层DVD盘正在普及，并且其两层之间设置成彼此离开大约0．05mm的距离。相应地，尽管在再现一侧的层时球差为零，但是对于另一侧的层仍然存在由于离基片表面距离的差别而引起的球差。
因此在这种双层盘中，对于距离基片表面较远的层的球差比对于距离基片表面较近的层的球差要大。
因此当采用树脂制成的物镜对这种双层盘进行再现时，温度的影响和成象位置的影响叠加，并且在较高温度下对距离基片表面较远的层进行再现时，其球差最大，而当对距离基片表面较近的层进行再现时，其球差最小。
当考虑到双层DVD盘时，最好使温度变化所引起的球差变化尽可能地小。在DVD的光学系统中，如上所述采用准直透镜。
在TOKKAIHEI的No．9－185836专利申请中，公开了一种通过使物镜光学系统的横向放大率M满足关系式0＜M＜1来改善温度特性的技术。然而，当M较大时，用于转换光源所发出发散光的发散角的耦合光学系统的直径需要增大，这增大了光学拾取装置的尺寸。
在TOKKAIHEI的No．9－138344专利申请中，公开了一种包括由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜的耦合光学系统。也就是说，该耦合光学系统在一种情况下是由一片树脂材料制成的具有正折射光焦度的耦合透镜，在另一种情况下是包括玻璃制成的负折射光焦度透镜和树脂制成的正折射光焦度透镜的耦合光学系统。
然而，当DVD再现装置装配在环境温度变化较大的汽车上时，上述前一种结构不能充分改善球差的温度特性。
即使在后一种结构中，因为具有负折射光焦度的玻璃透镜用作耦合光学系统的多透镜之一所以会导致成本增加，并且因为采用了包括树脂制透镜和玻璃制透镜的多透镜，所以可能会由于温度变化而导致光轴偏移，尽管其温度特性的改善要好于前一种情况。
本发明的目的在于实现一种廉价的光学系统，可以保持充分的克服所使用环境温度变化的能力，而无须使光学系统尺寸变大，用于采用树脂制物镜以记录和／或再现光学信息记录介质的光学系统中。
通过根据本发明的下列结构可以达到上述目的。
(1－1)一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学拾取装置，包括：
一光源；
一耦合光学系统，用于改变光源所发出光束的发散角；
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；和
一光电探测器，用于探测来自光学信息记录介质的信息记录表面的反射光；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
(1－2)在(1－1)所述的光学拾取装置中，所述环形带状衍射表面设置在所述耦合光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜的表面之一上。
(1－3)在(1－1)所述的光学拾取装置中，所述耦合光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜是耦合透镜，并且耦合光学系统由该耦合透镜构成。
(1－4)在(1－1)所述的光学拾取装置中，所述耦合光学系统为准直光学系统，用于使光源发出的光束成为平行于光轴的光束。
(1－5)在(1－1)所述的光学拾取装置中，所述物镜光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜是物镜，并且物镜光学系统由该物镜构成。
(1－6)在(1－4)所述的光学拾取装置中，所述准直光学系统包括一个准直透镜，并且通过光学拾取装置调整该准直透镜或光源沿光轴移动，使得光源发出的光束变成平行于光轴的光束。
(1－7)在(1－1)所述的光学拾取装置中，该光学拾取装置包括所述光源作为第一光源，并且还包括一第二光源。
(1－8)在(1－7)所述的光学拾取装置中，第一光源发出波长为λ1的光束，第二光源发出比波长λ1长的波长为λ2的光束。
(1－9)在(1－7)所述的光学拾取装置中，第一光源发出的光束用于记录／再现第一光学信息记录介质的信息，第二光源发出的光束用于记录／再现第二光学信息记录介质的信息，其中第二光学信息记录介质需要物镜的数值孔径小于第一光学信息记录介质所需要物镜的数值孔径。
(1－10)在(1－7)所述的光学拾取装置中，该光学拾取装置包括所述光电探测器作为第一光电探测器，用于探测第一光源发出的光束被第一光学信息记录介质的信息记录表面反射时的反射光束；并且还包括一第二光电探测器，用于探测第二光源发出的光束被第二光学信息记录介质的信息记录表面反射时的反射光束。
(1－11)在(1－7)所述的光学拾取装置中，该光学拾取装置包括所述耦合光学系统作为第一耦合光学系统，用于改变第一光源发出的光束的发散角；并且还包括一第二耦合光学系统，用于改变第二光源发出的光束的发散角；并且包括一光学合成装置，用于使通过第一耦合光学系统的光束和通过第二耦合光学系统的光束沿基本相同的方向传播。
(1－12)在(1－7)所述的光学拾取装置中，该光学拾取装置还包括一光学合成装置，用于使第一光源发出的光束和第二光源发出的光束沿基本相同的方向传播；并且包括所述耦合光学系统，用于改变通过该光学合成装置的光束的发散角。
(1－13)在(1－7)所述的光学拾取装置中，该光学拾取装置还包括一孔径限制装置，以允许第一光源发出的光束通过，但是不允许第二光源所发出光束中离轴射向一予定区域的部分光束通过。
(1－14)在(1－13)所述的光学拾取装置中，所述孔径限制装置是一个环形带状滤波片，其允许第一光源发出的光束通过，但是反射或吸收第二光源所发出光束中离轴射向所述予定区域的部分光束。
(1－15)在(1－13)所述的光学拾取装置中，所述孔径限制装置是一个环形带状滤波片，其允许第一光源发出的光束通过，但是衍射第二光源所发出光束中离轴射向所述予定区域的部分光束。
(1－16)在(1－10)所述的光学拾取装置中，第一光源与第一光电探测器或者第二光源与第二光电探测器被制作成一个单元。
(1－17)一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学信息记录介质记录和／或再现装置，包括：
一光学拾取装置，其包括
一光源，
一耦合光学系统，用于改变光源所发出光束的发散角，
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；和
一光电探测器，用于探测来自光学信息记录介质的信息记录表面的反射光；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
(1－18)一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学拾取装置的会聚光学系统，包括：
一耦合光学系统，用于改变一光源所发出光束的发散角；和
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
(1－19)一种耦合透镜，包括：
一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，和
一个设在该透镜至少表面之一上的具有负衍射光焦度的环形带状衍射部分。
(1－20)在(1－19)所述的耦合透镜中，满足下式，
0．12＜dr／f＜1．2
其中dr为所述环形带状衍射部分的直径，f为透镜的焦距。
(1－21)在(1－19)所述的耦合透镜中，所述耦合透镜是准直透镜。
另外，通过根据本发明的下列优选结构可以达到上述目的。
(2－1)本发明的用于对光学信息记录介质进行记录和／或再现的聚光光学系统表现为，具有至少一个耦合光学系统，用于转换光源发出的发散光的发散角；和一个物镜光学系统，用于将来自耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上，其中物镜光学系统包括至少一个由一种树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由一种树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜，并且具有负衍射光焦度的带状衍射表面。
(2－2)或者，本发明的用于对光学信息记录介质进行记录和／或再现的聚光光学系统表现为，具有至少一个耦合光学系统，用于转换光源发出的发散光的发散角；和一个物镜光学系统，用于将来自耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上，其中物镜光学系统包括至少一个由一种树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜；耦合光学系统包括至少一个由一种树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜，并且在该透镜至少一侧的表面具有负衍射光焦度的带状衍射表面。
(2－3)在所述用于对光学信息记录介质进行记录和／或再现的聚光光学系统中，所述耦合光学系统可由单透镜构成。
(2－4)上述耦合光学系统可以是准直光学系统，用于将入射的发散光束转换成基本上平行于光轴的光束。
(2－5)另外，上述物镜光学系统也可以是由单透镜构成的物镜，用于将来自耦合透镜光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上。
(2－6)本发明的光学拾取装置其特征在于配备上述用于对光学信息记录介质进行记录和／或再现的聚光光学系统。
(2－7)也就是说，本发明的光学拾取装置表现为，配备有一个光源；一个耦合透镜，用于改变光源发出的发散光的发散角；一个物镜光学系统，用于将来自所述耦合透镜的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；和一个光学探测单元，用于接收光学信息记录介质反射的光，其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜；上述耦合透镜是一具有正折射光焦度的透镜，并且在该透镜至少一侧的表面具有负衍射光焦度的带状衍射表面。
(2－8)所述耦合透镜可以是准直透镜，用于使入射的发散光束成为基本上平行于光轴的光束。
(2－9)所述光源或准直透镜可以沿光轴方向移动调节，以使来自准直透镜的出射光束基本准直。
(2－10)本发明的光学拾取装置配备有一个第一光源，用于在第一光学信息记录介质上进行记录和／或从该第一光学信息记录介质进行再现；一个第二光源，其波长不同于第一光源，用于在第二光学信息记录介质上进行记录和／或从该第二光学信息记录介质进行再现；两个耦合透镜，各用于将各光源的发出的发散光束的发散角转换成为所需的发散角；一个光合成装置，用于合成来自各耦合透镜的各光束，使得所有光束沿基本一个方向传播；一个物镜光学系统，用于将来自所述光合成装置的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；并且设有一个光学探测单元，用于接收光学信息记录介质反射的光，而且上述物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜；上述两个耦合透镜至少其一制作成具有正折射光焦度的透镜，并且在该透镜至少一侧的表面具有负衍射光焦度的带状衍射表面。
(2－11)在一光学拾取装置中，配备有一个第一光源，用于在第一光学信息记录介质上进行记录和／或从该第一光学信息记录介质进行再现；一个第二光源，其波长不同于第一光源，用于在第二光学信息记录介质上进行记录和／或从该第二光学信息记录介质进行再现；一个光合成装置，用于将来自第一光源的光束和来自第二光源的光束合成为使其沿基本一个方向传播；一个耦合透镜，用于转换各光源所发出的发散光束的发散角；一个物镜光学系统，用于将来自所述耦合透镜的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；并且设有一个光学探测单元，用于接收光学信息记录介质反射的光，而且上述物镜光学系统可以含有至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜；上述耦合透镜是由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且在该透镜的至少一侧具有负衍射光焦度的带状衍射表面。
(2－12)上述光学探测单元可以具有用于探测第一光源发出的光束的第一光学探测单元，和用于探测第二光源发出的光束的第二光学探测单元。
(2－13)在(2－10)至(2－12)所述的光学拾取装置中，可以在光合成装置与光学信息记录介质之间提供一孔径限制装置，用于透射第一光源发出的光束，但是不透射第二光源发出的光束中离轴通过一予定区域的光束。
(2－14)该孔径限制装置可以是一个透射第一光源发出的光束，但是反射或吸收第二光源发出的光束中离轴通过一予定区域的光束的带状滤波片。
(2－15)或者，该孔径限制装置也可以是一个透射第一光源发出的光束，但是衍射第二光源发出的光束中离轴通过上述予定区域的光束的带状滤波片。
(2－16)在(2－12)所述光学拾取装置中，可以采用至少一个第一光源与第一光学探测单元配对，或者一个第二光源与第二光学探测单元配对。
在本发明中，“具有负衍射光焦度的带状衍射表面”指的是当沿光轴方向看时形成为同心带状图纹的的衍射表面，并且当光源发出的光束直接入射或者通过其它光学元件(透镜、棱镜和滤波片)入射至该衍射表面时，该衍射表面对入射光束具有负的衍射光焦度，换句话说，该衍射表面用于使光束更加发散。这里，同心带状图纹指看起来象围绕光轴或其邻近部分的同心带状的图纹。
当该衍射表面设在具有折射光焦度的表面上时，它意味着由衍射本身的微细结构(例如锯齿形凹凸形状)所产生的衍射光对于入射光束具有如前所述的发散作用。通过假定(例如通过模拟来假定)一个光学表面代表衍射微细结构的包络，并将其与由该假定光学表面折射所产生的光束相比较可以证实这一点，并且当具有折射光焦度的带状衍射表面产生的光束由前述假定光学表面加以发散以扩束，如同在折射表面上形成有微细衍射结构时，这包含在本发明中。例如，由带状衍射表面将会聚光束发散成为发散光束的情形，以及由带状衍射表面将会聚光束发散成为会聚度极小的光束的情形，都包含在本发明中。附带指出，具有折射光焦度的表面指的是在其表面至少一部分上具有改变光束发散角部分的表面，它包括例如下列情形，其中光轴及其邻近部分形成有基本垂直于光轴的表面图纹，且其折射光焦度符号与所需折射光焦度符号相反。
在本发明中，“物镜光学系统”狭义上指的是相对设置在最靠近光学信息记录介质的位置的具有聚光作用的透镜系统，广义上指的是设置在面对光学信息记录介质的位置并且可以由驱动器至少沿光轴方向移动的透镜系统。
另外，“耦合光学系统”指的是与物镜光学系统结构上分离的透镜系统，在光源发出的发散光束直接或间接入射至该耦合光学系统时具有改变光束发散角的作用，例如它包括所谓的准直光学系统，其将光源发出的发散光束转换成基本上平行于光轴的准直光束。
在本发明中，具有负衍射光焦度(具有发散光源所发出光束的作用)的带状衍射表面可以是包含在前述耦合光学系统中的具有正折射光焦度的树脂制透镜一侧的表面，由于可以通过减少包括透镜在内的光学元件的数目来实现低成本而成为优选。
耦合光学系统还可以是用于将入射的发散光束转换成基本上平行于光轴的光束的准直光学系统。上述物镜光学系统和／或耦合光学系统可以是单透镜，且在此情况下，可以实现前述的低成本并且可以使聚光光学系统尺寸变小，从而成为优选。
下面说明本发明的基本作用。
在用于对光学信息记录介质记录和／或再现的整个聚光光学系统中，当用于树脂材料制成的物镜的耦合透镜由树脂材料制成时，其球差波动比耦合透镜由玻璃材料制成的情况下要小(例如参见TOKKAIHEI的No．9－138344专利申请)。
假定设计和制造的进行使得在标准设计温度下入射的准直光束在物镜上不产生象差。相应地，采用准直透镜作为耦合透镜，它将光源发出的光束转换成没有象差的准直光束。
在该光学系统中，标准设计温度下光源的发光点与准直透镜在光源一侧的焦点相一致，并且由准直透镜出射的是准直光束。当准直透镜由树脂材料制成时，准直透镜的焦距在温度升高时变长。也就是说，所述焦点沿光轴移动至比所述发光点离准直透镜更远的位置。其结果是，由准直透镜出射的光束变为发散光。在设计和制造成当准直光束入射至非球面物镜时没有象差的树脂制单透镜构成的非球面物镜中，当发散光束入射至该非球面物镜时其球差向较低的水平移动。
当物镜成象放大率的变化由ΔM表示时，在前述情况下ΔM＜0成立，并且当前述作用引起的波前象差的球差成分的变化量由ΔWco表示时，则下式成立：
ΔWco=γΔM    (2)
其中，γ为比例系数，由NA、M和f决定，并且取正值。
根据式(1)和(2)，整个聚光光学系统波前象差的球差成分中的变化量ΔWt由下式表示：
ΔWt=ΔWo+ΔWco=β·{NA·(1－M)}4·f·ΔT+γ·ΔM    (3)
其中，由于β、NA、M和f都是基本固定的值，所以为使ΔWt减小，需要使ΔM的绝对值增大。
当比例常数μ小于0，并且准直透镜的后焦点fbc的温度变化率由dfbc／dT表示时，ΔM可以由下式表示。
ΔM=μ·dfbc／dT·ΔT    (4)
也就是说，通过使得dfbc／dT变大从而使ΔM的绝对值变大，可以使ΔWt变小。
下面，当使整个准直透镜成为具有正焦距fc的衍射光学元件时，则下式成立。
准直透镜的光焦度(折射光焦度)φc由下式表示。
φc=1／fc                (5)
如果为简化说明假定该准直透镜是薄透镜，并且折射光焦度由φcr表示，衍射光焦度由φcd表示，则可以进一步由下式表示。
φc=φcr+φcd            (6)
当由折射作用产生的焦距由fcr表示，而由衍射作用产生的焦距由fcd表示时，则下式成立。
φcr=1／fcr              (7)
φcd=1／fcd                    (8)
对于薄透镜，此式如下。
fbc=fc=1／φc                  (9)
因此下式成立。
dfbc／dT=－φc－2·dφc／dT    (10)
由于温度变化所引起的衍射光焦度变化与由于温度变化所引起的折射光焦度变化相比较小，所以如果将其忽略，则由式(4)和(10)导出下式。
由式(11)可以看出，φcr越大，校正效果越高。
另外，由式(6)可以看出，可以通过使φcd为负值而使φcr变大。
也就是说，准直透镜是由树脂材料制成的透镜并且具有正折射光焦度，且其至少一侧的表面需要是具有负衍射光焦度(对光源发出的光束具有发散作用)的带状衍射表面。
附带指出，在衍射光学元件中，其焦距高度依赖于波长。当光源是半导体激光器时，其谐振波长依赖于温度，温度越高，其波长越长。
当dλ／dT表示谐振波长的温度相关性时，其典型值如下。
dλ／dT=0．2nm／℃
下面验证该影响。
当波长变化Δλ时所引起的准直透镜光焦度的变化如下所示。
Figure 0012042000172
同理，由式(4)、(10)和(12)推导如下。
ΔM=μ·dfbc／dT·ΔT
Figure 0012042000181
由于上式中有μ＜0，φc－2＞0并且dλ／dT＞0，所以如果括号“{}”中的值为负，则在ΔT＞0的情况下有ΔM＜0，从而可以对温度变化进行进一步的补偿。
由于(n－1)＞0，φcr＞0并且dn／dλ＜0，所以第一项(n－1)－1·φcr·dn／dλ为负。
由于λo＞0并且φcd＜0，所以第二项λo－1·φcd为负。
因此，第一项和第二项的和也为负，半导体激光器的波长依赖性进一步提高了本发明的效果。
图1为表示本发明中光学拾取装置实施例的一例结构的光路图。
图2为表示本发明中光学拾取装置实施例的另一例结构的光路图。
图3为表示本发明中光学拾取装置用的光学系统的温度特性曲线图。
图4为表示本发明中光学拾取装置用的光学系统一例结构的光路图。
图5为表示本发明中光学拾取装置用的光学系统的另一例结构的光路图。
图6为表示一例光学系统的局部示意图，其中在本发明光学拾取装置的耦合光学系统中设置具有带状衍射表面的元件。
图7为表示一例光学系统的局部示意图，其中在本发明光学拾取装置的耦合光学系统中分束器的倾斜表面上设有带状衍射表面。
下面参照图1说明上述设有聚光光学系统的光学拾取装置实施例。图1中的光学拾取装置设有代表光源的半导体激光器1，用于转换光源所发出的发散光束的发散角的耦合透镜2，用于将来自耦合透镜的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上的物镜光学系统3，以及用于接收来自光学信息记录介质的反射光的光学探测单元4。数字5表示光学信息记录介质的信息记录表面，6表示用于分离反射光的分束器，7表示1／4波片，8表示光阑，9表示柱面透镜，以及10表示用于对焦的驱动器。
其特征在于物镜光学系统3含有由至少一片树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合透镜2由树脂材料制成并且是具有正折射光焦度的透镜，且其至少一侧的表面具有负衍射光焦度(对光源发出的光束具有发散作用)的带状衍射表面。
耦合透镜2也可以是准直透镜，使入射的发散光束成为基本平行于光轴的光束，在此情况下，光源或准直透镜最好沿光轴方向移动调节以使准直透镜出射的光束成为基本准直光束。
在本实施例中，耦合光学系统仅由耦合透镜2构成，物镜光学系统仅由物镜3构成。然而，本发明并不限于此实施例。耦合光学系统也可以具有多个透镜和分束器，物镜光学系统也可以具有多个透镜。
下面参照图2说明另一个实施例。在此实施例中，与图1光学拾取装置中相同的部件以同样的符号表示。在图2所示的光学拾取装置中，设有第一光源11，用于对第一光学信息记录介质进行记录和／或再现；第二光源12，其波长不同于第一光源11，用于对第二光学信息记录介质进行记录和／或再现；两个耦合透镜21和22，各用于将每个光源发出的发散光束的发散角转换成所需的发散角；分束器62，代表用于将光束合成使其沿同一方向前进的光束合成装置；物镜光学系统3，用于将来自分束器62的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面5上；以及光学探测单元41和42，各用于接收来自光学信息记录介质的反射光束。顺便指出，在附图中，数字8表示光阑，71和72表示1／4波片，15表示用于使光源11所发出的发散光束的发散度减小的耦合透镜，16表示凹透镜，以及17表示用于分束反射光束的全息片。在该图中，省略了用于对焦的驱动器。
物镜光学系统3包括由至少一片树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合透镜21和22至少其一，比如耦合透镜21是由树脂材料制成并且具有正折射光焦度的透镜，且其至少一个表面具有负衍射光焦度(对光源发出的光束具有进一步发散作用)的带状衍射表面。
顺便指出，当设有多个耦合光学系统时，优选在具有较大必要数值孔径的耦合光学系统中的用于光学信息记录介质的光束入射处设置带状衍射表面。更优选的是所有耦合光学系统都具有带状衍射表面。
最好在代表光束合成装置的分束器62与光学信息记录介质5之间设置一个孔径限制装置，用于透射从第一光源发出的光束，但是透射从第二光源所发出的光束中离轴通过予定区域的光束。
在此情况下，所述不透射通过予定区域的光束的孔径限制装置，是使通过该予定区域的光束至少不会在普通成象位置形成图象的装置，并且能够大致限制孔径的装置也是可接受的，下面给出其
实施例。
该孔径限制装置既可以是透射从第一光源发出的光束但是反射或吸收从第二光源所发出的光束中离轴通过一定区域的光束的带状滤波片，或者也可以是透射从第一光源发出的光束但是衍射从第二光源所发出的光束中离开衍射图纹光轴区域通过的光束的带状滤波片。
在图2中，第二半导体激光器12一体组装有光学探测单元42和全息片17。“单元”或“一体化”指的是一体化部件和装置设置成整体安装于光学拾取装置中，它们被设置成处于可以在组装一装置过程中作为一个部件安装的状态。
第一光源和第一光学探测单元当然也可以一体化制作。
顺便指出，在图2中，可以构造成使得在光束合成装置(光学合成装置)62的物镜一侧设置单个耦合光学系统而不设置耦合光学系统21、22，从而使来自光源的通过光束合成装置的光束入射在该耦合光学系统上。在此情况下，在耦合透镜上设有衍射表面。
在对DVD记录和再现的光学系统中，如上所述，已发现通过采用树脂制物镜并且结合具有负衍射光焦度的带状衍射表面的树脂制准直透镜，可以在不使光学系统增大的情况下以低成本保持克服环境温度波动的充分效率。
顺便指出，由式(1)可以看出，ΔWo正比于{NA·(1－M)}4而增大。也就是说，对于NA较大且密度较高的光学信息记录介质记录和再现的光学系统会有效，并且对于M为负值即使得耦合透镜较小也会有效。
另外，由于ΔWo反比于波长而增大，所以对于采用蓝色半导体激光的光学信息记录介质记录和再现的光学系统也很有效。
例如，本发明的效果在应用于优选的NA为0．6以上的光学信息记录介质时更加显著。NA为0．65以上更加优选。
本发明适用的光学信息记录介质并不限于特例，但是优选适用各种CD例如CD、CD－R、CD－Video和CD－ROM，各种DVD例如DVD、DVE－ROM、DVE－RAM、DVD－R和DVD－RW，以及MD和MO等。特别优选的是各种DVD例如DVD、DVD－ROM、DVD－RAM、DVD－R和DVD－RW。
另外，当光源波长为700nm或以下时，其效果更为显著，因而也是优选的。波长不大于500nm例如紫色激光和蓝色激光更为优选。
从小尺寸方面来看，耦合透镜的直径不大于物镜直径加上2mm是进一步优选的。在本发明中，即使在会聚光进入物镜的情况下，也可以满足前述范围，从而是优选的。
顺便指出，优选采用饱和水含量百分比不大于0．4％的树脂制成的透镜作为耦合透镜或物镜，进一步，采用(链)烯烃树脂或降冰片(norbornane)烷树脂作为制作耦合透镜和物镜的优选树脂材料。
另外，除了TOKKAIHEI的No．9－138344专利申请中公开的树脂材料制成的具有正折射光焦度的透镜之外，也可以在含有负折射光焦度玻璃透镜的耦合透镜光学系统中使其至少一个光学表面为具有负衍射光焦度的带状衍射表面，并且也可以实现如下的耦合光学系统，其中具有负衍射光焦度的带状衍射表面设在一个平行平板的一侧的表面上或者设在一个分束器的倾斜表面上，如图6和7所示。在此情况下，其上设有带状衍射表面的平行平板或分束器也包含在该耦合光学系统中。
另外，近年来，已经研制出采用近场记录技术的记录和再现装置，其透镜光学系统具有两或多个正折射光焦度的透镜。同样在NA为0．8或以上的光学系统中，而且即使在正折射光焦度的两个透镜之一或之二由树脂透镜制成的情况下，通过采用本发明，可以构成低成本的对克服环境温度波动具有充分效率的记录和再现光学信息记录介质的光学系统，而不必使光学系统增大。
本发明的记录和／或再现光学信息记录介质的装置用于记录／再现光学信息记录介质，其中具有本发明的光学拾取装置，并且进一步优选具有旋转电机。
本发明的耦合透镜为具有正折射光焦度的树脂制透镜，并且在该树脂制透镜的至少一侧设有负衍射光焦度的带状衍射部分。优选地，满足下述条件表达式；
0．12＜dr／f＜1．2
其中dr表示前述带状衍射部分的直径，f表示其焦距。
附带指出，该耦合透镜也可以是准直透镜。
实例
图3表示根据本发明设计有聚光光学系统之后进行的对温度波动引起的波前象差变化的模拟结果。
在此情况下采用的聚光光学系统是一个其两个表面都是非球面的树脂制单透镜，其中光源波长为635nm，物镜光学系统的焦距为3．36mm。耦合透镜光学系统是一个树脂制准直透镜，其焦距为25．2mm，即fc=25．2mm，φc=0．040mm－1。
图3所示曲线的纵坐标轴表示该光学系统波前象差中球差成分的变化量ΔWt，横坐标轴表示折射产生的光焦度φcr，温度变化设定为30℃。
可以看出，当光焦度φcr增大至比准直透镜的光焦度φc大时(也即，当衍射产生的光焦度φcd符号为负，并且其绝对值较大时)，变化量ΔWt就较小。
附带指出，图中曲线A表示在光源波长为635nm并且即使在温度上升时仍然保持不变的情况下的模拟值，曲线B表示在考虑谐振波长的温度相关性且采用其典型值dλ／dT=0．2nm／℃，并且谐振波长在温度升高30℃时由635nm变长为641nm的情况下的模拟值。
由其结果可知，当考虑半导体激光器谐振波长的温度相关性时，波前象差的温度相关性会进一步减小。
下面说明一例实际聚光光学系统的设计参数。
实例1中光学系统的结构表示在图4中，其中准直透镜折射产生的焦距fr为15mm。实例2中光学系统的结构表示在图5中，其中准直透镜折射产生的焦距fr为10mm。
顺便指出，在图4和图5中，从光源L开始的描述顺序为护罩玻璃、耦合透镜(准直透镜)、光阑、物镜以及光学信息记录介质的透明基片。在耦合透镜(准直透镜)靠近物镜的一侧设有带状衍射表面。
在表中，ri表示折射表面的曲率半径，di表示表面之间的距离，以及ni表示在基本波长下的折射率。表面形式的表达式如下： X = h 2 / r 1 + 1 - ( 1 + k ) ( h / r ) 2 + Σ j A j h Pj - - - - - - ( 14 )
其中X表示沿光轴方向的轴坐标，h表示垂直于光轴方向的轴坐标，光束的前进方向为正，r表示傍轴曲率半径，k表示圆锥常数，Aj表示非球面系数，以及Pj(Pj=0)表示非球面光焦度数。
衍射表面由下式表示，其单位是mm，为光程差的函数。 Φ = Σ i = 1 B 2 i h 2 i - - - - - - ( 15 )
实例1
衍射准直器(fr=15mm)
f=3．3608     fcol=25．2717    mt=－1／7．5
U=43．0062    NA=0．6          λ=635nm
表1
表面序号     ri     di     ni
    1   ∞     6．25  1．51455
    2   ∞     3．00
    3   84．461     2．00  1．49810
    4   －8．13204     10．0
    5   2．039     2．60  1．49810
    6   －5．387     1．56
    7   ∞     0．6  1．58000
    8   ∞
非球面数据
第四表面
非球面系数    k=－8．70×10－1
              A1=0    P1=4．0
              A2=0    P2=6．0
              A3=0    P3=8．0
              A4=0    P4=10．0
光程差函数  B2=1．37×10－2
            B4=4．18×10－7
            B6=8．55×10－9
            B8=0
第五表面
非球面系数    k=－4．13830×10－1
              A1=－1．40430×10－3    P1=4．0
              A2=－2．46290×10－4    P2=6．0
              A3=－2．74020×10-5    P3=8．0
              A4=－9．04900×10－6    P4=10．0
第六表面
非球面系数    k=－2．25790×10
              A1=9．89000×10－3      P1=4．0
              A2=－3．43850×10－3    P2=6．0
              A3=8．07870×10－4      P3=8．0
              A4=－6．87940×10－5    P4=10．0
实例2
衍射准直器(fr=10mm)
f=3．3608    fcol=25．2717    mt=－1／7．5
U=43．0062   NA=0．6         λ=635nm
表2
表面序号     ri     di     ni
    1     ∞     6．25  1．51455
    2     ∞     3．00
    3     84．461     2．00  1．49810
    4     －5．251     10．0
    5     2．039     2．60  1．49810
    6     －5．387     1．56
    7     ∞     0．6  1．58000
    8     ∞
非球面数据
第四表面
非球面系数  k=－7．12310×10－1
            A1=0    P1=4．0
            A2=0    P2=6．0
            A3=0    P3=8．0
            A4=0    P4=10．0
光程差函数 B2=3．04550×10－2
           B4=9．59590×10－5
           B6=5．86260×10－7
           B8=0
第五表面
非球面系数    k=－4．13830×10－1
              A1=－1．40430×10－3    P1=4．0
              A2=－2．46290×10－4    P2=6．0
              A3=－2．74020×10－5    P3=8．0
              A4=－9．04900×10－6    P4=10．0
第六表面
非球面系数    k=－2．25790×10
              A1=9．89000×10－3      P1=4．0
              A2=－3．43850×10－3    P2=6．0
              A3=8．07870×10－4      P3=8．0
              A4=－6．87940×10－5    P4=10．0
在上述实例中，已经表示了其中在整个光学表面上设有带状衍射表面的例子，但是本发明并不局限于此。
例如，光轴上以及光轴附近的位置不是必须设置带状衍射表面，因为这些位置上的深度很大。带状衍射表面的面积最好是光学表面整个面积的70％或以上。
对于本发明的光学拾取装置及其光学系统，在采用树脂制物镜和耦合光学系统的光学系统中，通过在耦合光学系统所包含的树脂制光学系统中设置负衍射光焦度带状衍射表面的简单结构，已经可以实现能够保持充分的克服所使用环境温度波动能力的廉价光学系统。
此处所公开的实施例可以由技术熟练人员在不偏离本发明精神和范围的情况下加以改动。

Claims (21)

1．一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学拾取装置，包括：
一光源；
一耦合光学系统，用于改变光源所发出光束的发散角；
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；和
一光电探测器，用于探测来自光学信息记录介质的信息记录表面的反射光；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
2．如权利要求1所述的光学拾取装置，其中所述环形带状衍射表面设置在所述耦合光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜的表面之一上。
3．如权利要求1所述的光学拾取装置，其中所述耦合光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜是耦合透镜，并且耦合光学系统由该耦合透镜构成。
4．如权利要求1所述的光学拾取装置，其中所述耦合光学系统为准直光学系统，用于使光源发出的光束成为平行于光轴的光束。
5．如权利要求1所述的光学拾取装置，其中所述物镜光学系统中由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜是物镜，并且物镜光学系统由该物镜构成。
6．如权利要求4所述的光学拾取装置，其中所述准直光学系统包括一个准直透镜，并且通过光学拾取装置调整该准直透镜或光源沿光轴移动，使得光源发出的光束变成平行于光轴的光束。
7．如权利要求1所述的光学拾取装置，其中该光学拾取装置包括所述光源作为第一光源，并且还包括一第二光源。
8．如权利要求7所述的光学拾取装置，其中第一光源发出波长为λ1的光束，第二光源发出比波长λ1长的波长为λ2的光束。
9．如权利要求7所述的光学拾取装置，其中第一光源发出的光束用于记录／再现第一光学信息记录介质的信息，第二光源发出的光束用于记录／再现第二光学信息记录介质的信息，其中第二光学信息记录介质需要物镜的数值孔径小于第一光学信息记录介质所需要物镜的数值孔径。
10．如权利要求7所述的光学拾取装置，其中该光学拾取装置包括所述光电探测器作为第一光电探测器，用于探测第一光源发出的光束被第一光学信息记录介质的信息记录表面反射时的反射光束；并且还包括一第二光电探测器，用于探测第二光源发出的光束被第二光学信息记录介质的信息记录表面反射时的反射光束。
11．如权利要求7所述的光学拾取装置，其中该光学拾取装置包括所述耦合光学系统作为第一耦合光学系统，用于改变第一光源发出的光束的发散角；并且还包括一第二耦合光学系统，用于改变第二光源发出的光束的发散角；并且包括一光学合成装置，用于使通过第一耦合光学系统的光束和通过第二耦合光学系统的光束沿基本相同的方向传播。
12．如权利要求7所述的光学拾取装置，还包括一光学合成装置，用于使第一光源发出的光束和第二光源发出的光束沿基本相同的方向传播；并且包括所述耦合光学系统，用于改变通过该光学合成装置的光束的发散角。
13．如权利要求7所述的光学拾取装置，还包括一孔径限制装置，以允许第一光源发出的光束通过，但是不允许第二光源所发出光束中离轴射向一予定区域的部分光束通过。
14．如权利要求13所述的光学拾取装置，其中所述孔径限制装置是一个环形带状滤波片，其允许第一光源发出的光束通过，但是反射或吸收第二光源所发出光束中离轴射向所述予定区域的部分光束。
15．如权利要求13所述的光学拾取装置，其中所述孔径限制装置是一个环形带状滤波片，其允许第一光源发出的光束通过，但是衍射第二光源所发出光束中离轴射向所述予定区域的部分光束。
16．如权利要求10所述的光学拾取装置，其中第一光源与第一光电探测器或者第二光源与第二光电探测器被制作成一个单元。
17．一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学信息记录介质记录和／或再现装置，包括：
一光学拾取装置，其包括
一光源，
一耦合光学系统，用于改变光源所发出光束的发散角，
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；和
一光电探测器，用于探测来自光学信息记录介质的信息记录表面的反射光；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
18．一种用于对光学信息记录介质进行记录／再现的光学拾取装置的会聚光学系统，包括：
一耦合光学系统，用于改变一光源所发出光束的发散角；和
一物镜光学系统，用于将通过耦合光学系统的光束会聚在光学信息记录介质的信息记录表面上；
其中物镜光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，耦合光学系统包括至少一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，并且耦合光学系统还包括一个具有负衍射光焦度的环形带状衍射表面。
19．一种耦合透镜，包括：
一个由树脂制成的具有正折射光焦度的透镜，和
一个设在该透镜至少表面之一上的具有负衍射光焦度的环形带状衍射部分。
20．如权利要求19所述的耦合透镜，其中满足下式，
0．12＜dr／f＜1．2
其中dr为所述环形带状衍射部分的直径，f为透镜的焦距。
21．如权利要求19所述的耦合透镜，其中所述耦合透镜是准直透镜。
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