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CN1508783A - 光学元件、透镜、光头、光学信息装置及采用其的系统 - Google Patents

光学元件、透镜、光头、光学信息装置及采用其的系统 Download PDF

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CN1508783A
CN1508783A CNA2003101181237A CN200310118123A CN1508783A CN 1508783 A CN1508783 A CN 1508783A CN A2003101181237 A CNA2003101181237 A CN A2003101181237A CN 200310118123 A CN200310118123 A CN 200310118123A CN 1508783 A CN1508783 A CN 1508783A
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Abstract

本发明提供了光学元件、透镜、光头、光学信息装置及采用其的系统。该光学透镜包括一全息图、一折射透镜，和一相位级差。该全息图具有截面形状为锯齿形的锯齿形光栅，通过设定锯齿形光栅的高度，该全息图对于蓝光可最强产生+2级衍射光以及对于红光可最强产生+1级衍射光。蓝光的+2级衍射光被聚集穿过厚度为t1的基底，且红光的+1级衍射光被聚集穿过厚度为t2的基底(t1＜t2)。当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。

Description

光学元件、透镜、光头、光学信息装置及采用其的系统
技术领域
本发明涉及一种光头装置和一种用于记录/再现或者擦除记录在一光学信息介质例如光盘上的信息的光学信息装置、一种在光学信息装置中的记录/再现方法，以及采用上述装置和方法的系统。另外，本发明涉及在上述光头装置中使用的一种物镜(光学透镜)和一种衍射元件，以及一种相位差(phase difference)。
背景技术
使用具有凹槽型式(pit pattern)的光盘作为高密度大容量记录介质的光学存储技术被广泛应用于光学音频盘、视频盘、文档文件盘、数据文件等，并逐步实用化。常规的通过细微的聚集(condensed)光束以高可靠性向光盘记录/再现信息的功能可分为形成衍射限细微光点的聚集功能、光学系统的聚焦控制(聚焦伺服)和寻迹控制，以及凹槽信号(信息信号)检测。
近年来，由于光学系统设计技术的进步以及作为光源的半导体激光的波长的降低，具有比常规示例更大的高密度存储容量的光盘已被开发出来。作为实现更高密度的方法，在将光束细微地聚集在光盘上的聚光光学系统中，增大其光盘一侧上的数值孔径(NA)已被深入研究。
在这种情况下，存在着由于光轴的倾斜(所谓的倾角)导致象差的产生量增加的问题。当数值孔径增大时，相对于倾角产生的象差量增大。为了防止这种现象，可以降低光盘的基底的厚度(基底厚度)。
紧致盘(CD)可被称作第一代光盘，其使用红外光(波长λ3：780纳米至820纳米)以及数值孔径为0.45的物镜，基底厚度为1.2毫米。作为第二代光盘的DVD使用红外光(波长λ2：630纳米至680纳米；标准波长：650纳米)以及数值孔径为0.6的物镜，并具有厚度为0.6毫米的基底。而第三代光盘使用蓝光(波长λ1：390纳米至415纳米；标准波长：405纳米)和数值孔径为0.85的物镜，并具有厚度为0.1毫米的基底。
在本说明书中，基底厚度指的是从光盘(信息介质)的光束所入射的表面到信息记录表面的厚度。
这样，高密度光盘的基底被设计得越来越薄。鉴于成本效率和装置的占用空间，因此需要有一种光学信息装置，能够对基底厚度和记录密度不同的光盘进行信息的记录/再现。为此，需要一种光头装置，其具有能够将光束聚集成衍射限光束并聚集至具有不同厚度的光盘上的聚集光学系统。
另外，在对具有较厚基底的光盘进行信息记录/再现时，必须将光束聚集到位于光盘表面内侧的记录表面上。因此，必须能将焦距设定得较大。
鉴于上述问题，一种用于从不同种类的光盘以具有多个波长的光束兼容地再现信息的结构已被公开。下面参照图20说明该结构。
在图20中，参考标号10和11分别代表具有厚度为0.1毫米(t1)和0.6毫米(t2)的透明基底的光盘。为了提高硬度，透明基底的反面(与物镜40相反的一侧)附有保护衬底，图20中省略了该保护衬底。
物镜40包括折射透镜402，层401粘合至该折射透镜402，该层401以不同于折射透镜402的材料制成。物镜40利用该折射透镜402和该层401之间的折射率差异和色散差异。物镜40允许具有不同波长的光束入射。该物镜具有这样的球面象差特性，当来自光源的光通量的波长偏移向较长波长时，球面象差向下侧(underside)改变。由于光具有较长的波长，因此向上侧移动的球面象差被向下侧移动的球面象差抵消。这样，就可以实现对具有不同厚度的光盘的兼容的记录/再现(参见，例如，日本专利公开JP 2002-237078 A第6-7页，图1)。
作为第二个常规示例，一种波长选择相板与物镜结合的结构已被公开。下面参照图21和图22A-22B说明该示例。图21示出了该光头装置的示意性结构。从具有波长λ1为405纳米的蓝光光源的蓝光光学系统51输出的准直光穿过分束器161和波长选择相板205，并被物镜50聚集到基底厚度为0.1毫米的光盘9(第三代光盘)的信息记录表面上。
从光盘9反射的光沿一反向光路传递，被蓝光光学系统51的一检测器检测。从具有波长λ2为650纳米的红光光源的红光光学系统52输出的漫射光从分束器161反射并穿过波长选择相板205，然后被物镜50聚集到基底厚度为0.6毫米的光盘10(第二代光盘：DVD)的信息记录表面上。从光盘10反射的光沿一反向光路传递，被红光光学系统52的一检测器检测。
物镜50被设计成允许准直光穿过具有厚度为0.1毫米的基底的光盘9并被聚集，在记录/再现DVD期间当准直光入射时，由于基底厚度的不同将产生球面象差。为了校正该球面象差，由红光光学系统52输出并入射在物镜50上的光束形成为漫射光，并使用了波长选择相板205。当漫射光入射在物镜50上时，产生新的球面象差。因此，由于基底厚度不同而产生的球面象差就被该新的球面象差所抵消，且波阵面被该波长选择相板205校正。
图22A为显示波长选择相板205的平面视图，图22B为其侧视图。该波长选择相板205满足关系式：h＝λ1/(n1-1)(其中λ1为波长，n1为折射率，h为高度)，且具有h和3h的相位级差(phase leveldifference)205a。对于具有波长为λ1的光，高度h所引起的光程长度的差异为波长λ1，对应于2π弧度的相位差，与相位差为0相同。
因此，相位分布未被影响，且该光盘9的记录/再现也未被影响。另一方面，考虑具有波长λ2的光，假设波长为λ2时波长选择相板205的折射率为n2，h/λ2×(n2-1)约为0.6λ(即，产生了不是波长整数倍的光程差)。上述象差校正通过利用由光程长度差而产生的相位差来执行(参见，例如，日本专利公开JP 10(1998)-334504 A，第7-9页，图1-4，以及ISOM2001TECHNICAL DIGEST SessionWe-C-05，未定稿版第30页)。
另外，作为第三个示例，一种多个物镜进行机械切换的结构被公开(参见，例如，日本专利公开JP 11(1999)-296890 A，第4-6页，图1)。
此外，作为第四个示例，公开了一种结构，其中其反射面具有不同曲率半径的反射镜还充当允许光轴偏转的反射镜的作用(参见，例如，日本专利公开JP11(1999)-339307 A，第4-5页，图1)。
作为第五个示例，公开了一种结构，其中一折射物镜以与第一常规示例相同的方式与一全息图(hologram)结合，并利用因具有不同波长的且同级(the same order)的衍射光束所导致的色差来校正基底厚度之间的差异(参见，例如，日本专利公开JP 2000-81566 A，第4-6页，图1和图2)。
上述第一个常规示例具有当来自光源的光通量的波长偏移向较长波长时，球面象差向下侧改变的球面象差特性。由于光具有较长的波长，因此向上侧移动的球面象差被向下侧移动的球面象差抵消。
例如，当对具有厚度为t1的透明基底的光盘的信息再现被切换为信息记录时，光量需要增加10倍。相应地波长将变得更长。由于波长变长，球面象差向下侧改变。但是，光盘的厚度并未改变。因此，产生了不希望出现的球面象差，光的聚集能力劣化。
另外，因光量改变而导致的波长改变同样将使焦距改变。在第一个常规示例(日本专利公开JP 2002-237078 A)的图3中，当蓝光的波长改变10纳米时，焦距变化约10微米。在该第一示例的图4中，当红光的波长改变10纳米时，焦距将改变约3微米。特别是，当蓝光的焦距改变较大时，紧随着光量改变之后，当物镜通过聚焦控制移动时光的聚集特性将劣化。
在上述第二个常规示例中，使用了一波长选择相板作为兼容元件。当对具有较大基底厚度的光盘进行信息记录/再现时，记录表面被定位远离物镜达基底厚度。因此，必须增大焦距。焦距可以通过使兼容元件具有透镜光学能力(lens power)来增大。而该波长选择相板并不具备透镜光学能力。
另外，在如第二常规示例那样，通过将红光形成为漫射光来试图实现上述透镜光学能力的情况下，当物镜通过寻迹等被移动时将产生较大的象差，进而，记录/再现特性将劣化。
此外，从光盘反射并返回穿过物镜的光的准直程度根据光盘基底厚度而不同。因此，不能将检测透镜和光电检测器配置成一个单元，而必须根据光的准直程度分开准备这两个部件。
在上述第三个常规示例中，物镜被切换。因此，需要多个物镜，于是增加了部件的数量。另外，光头装置的小型化将非常困难。而由于需要一个切换机构，装置的小型化将更加困难。
在上述第四个常规示例中，物镜独立于反射镜而被驱动(参见日本专利公开JP 11(1999)-339307 A图4-图6)。但是，光束通过如上所述的具有曲率半径的反射镜由准直光会聚而成。因此，当物镜通过寻迹控制被移动时，改变了物镜相对于入射光波阵面的相对位置并产生象差，该象差使光的聚集特性劣化。
另外，反射镜的反射表面由具有曲率半径的表面、即球面构成。但是，该球面并不足以校正基底厚度的差异和波长的差异，因此不能充分地减小较高级的(5级以上)象差。
发明内容
因此，考虑到上述问题，本发明的目的之一是提供一种光学元件、一种光学透镜，和采用该光学元件和光学透镜的一种装置及系统，其中利用一单独的物镜实现不同种类光盘的兼容的再现和记录，抑制在光量切换期间波长改变时球面象差的产生，并稳定地再现/记录信息。另外，本发明的目的是提供一种光学元件、一种光学透镜，和采用该光学元件和光学透镜的装置及系统，用于对一单独的光盘记录/再现信息。
为了实现上述目的，本发明的光学元件被设计用于至少两种红光和蓝光的波长，并包括一相位级差，其中当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
本发明的第一个光学元件包括一相位级差，其中蓝光被光学透镜聚集穿过具有厚度为t1的基底，红光被光学透镜聚集穿过具有厚度为t2的基底，t1＜t2，且当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
本发明的第二个光学透镜包括一全息图、一折射透镜，和一相位级差，其中该全息图包括截面为锯齿形的锯齿形光栅，并且通过设定该锯齿形光栅的高度，相对于蓝光最强产生+2级衍射光且相对于红光最强产生+1级衍射光，且当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
本发明的第三个光学透镜包括一全息图、一折射透镜，和一相位级差，其中该全息图相对于蓝光最强产生+2级衍射光且相对于红光最强产生+1级衍射光，该全息图的全息光栅形成在内圆周部分内至少包括一个与该全息图的光轴的交点，该蓝光的+2级衍射光被聚集穿过一厚度为t1的基底，通过该内圆周部分的红光的+1级衍射光被聚集穿过一厚度为t2的基底，t1＜t2，且当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
本发明的第一个光头装置包括：上述光学透镜中的每一个；第一激光光源，用于发出波长为λ1的蓝光；第二激光光源，用于发出波长为λ2的红光；和光电检测器，用于接收从光学信息介质的记录表面反射的光束并根据该光束的光量输出电信号，该光学透镜将来自该第一激光光源的第一光束穿过一厚度为t1的基底聚集在第一光学信息介质的记录表面上，并将来自该第二激光光源的第二光束穿过一厚度为t2的基底聚集在第二光学信息介质的记录表面上，且t1＜t2。
本发明的一种光学信息装置包括：光头装置，其包括上述光学透镜中的任何一个和一激光源；马达，用于旋转光学信息介质；和一电路，用于接收从该光头装置获得的信号，并用于根据该信号控制和驱动该马达、该光学透镜，和该激光光源中至少任何一个。
本发明的一种计算机包括：上述光学信息装置中的任何一个；用于根据输入信息和通过该光学信息装置再现的信息中的至少一个执行计算；以及输出装置，用于输出该输入信息、该通过该光学信息装置再现的信息中，以及由该计算装置中的计算获得的结果中的至少一个。
本发明的一种光学信息介质播放器包括上述光学信息装置中的任何一个，和一解码器，用于将由该光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
本发明的一总汽车导航系统包括上述光学信息装置中的任何一个，和一解码器，用于将由该光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
本发明的一种光学信息介质记录器包括上述光学信息装置中的任何一个，和一个编码器，用于将图像信息转换成将被这些光学信息装置记录的信息。
本发明的一种光学信息介质服务器包括上述光学信息装置中的任何一个，和一个输入/输出终端，用于和外界交换信息。
本发明的第四个光学透镜被设计用于具有一个波长的光，且包括一相位级差，其中当光穿过该相位级差时产生的光程长度差为该光波长的整数倍。
本发明的第二个光头装置包括该第四个光学透镜；激光光源，用于发出光束；以及光电检测器，用于接收从光学信息介质的记录表面反射的光束并用于根据该光束的光量输出电信号，其中该光学透镜将来自该激光光源的光束穿过一基底聚集在该光学信息介质的记录表面上。
本发明的上述及其它优点在阅读并理解了下文中参照附图的详细说明后，对本领域的技术人员将是非常明显的。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的光头装置的截面示意图。
图2是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图3A是根据本发明的一实施例的全息图的平面视图，图3B是其截面图。
图4A是显示根据本发明一实施例的衍射光栅的主要部分的截面示意图，图4B和图4C显示了一相位变化。
图5是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图6是显示图5所示相位级差的放大的主要部分的截面示意图。
图7是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图8是显示根据本发明一实施例的相位级差的放大的主要部分的截面示意图。
图9A是显示根据本发明一实施例的衍射光栅的主要部分的截面示意图，图9B和图9C显示了一相位变化。
图10是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图11A是根据本发明的一实施例的全息图的平面视图，图11B是其截面图。
图12A是显示根据本发明一实施例的衍射光栅的主要部分的截面示意图，图12B和图12C显示了一相位变化。
图13是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图14是显示根据本发明一实施例的光头装置的主要部分的截面示意图。
图15是显示根据本发明一实施例的光学信息装置的截面示意图。
图16是根据本发明一实施例的计算机的透视示意图。
图17是根据本发明一实施例的光盘播放器的透视示意图。
图18是根据本发明一实施例的光盘记录器(或汽车导航系统)的透视示意图。
图19是根据本发明一实施例的光盘服务器的透视示意图。
图20是示例性显示常规的光头装置的主要部分的截面示意图。
图21是常规的示例性光头装置的截面示意图。
图22A是一常规示例性全息图的平面视图，图22B是其截面图。
具体实施方式
根据本发明的光学元件和第一光学透镜，因色差导致的球面象差可以通过引起等于蓝光波长五倍的光程长度差的相位级差来校正。因此，即使波长变化时信息也能被稳定地记录/再现。根据本发明，相位级差是指在光学元件中形成以便提供高/低级(levels)的阶梯(steps)，且这些阶梯可使穿过其中的光产生相位差。这一点同样适用于下文描述的每一发明。
根据第二光学透镜，相对于蓝光最强产生+2级衍射光，而相对于红光最强产生+1级衍射光，因此焦点和因基底厚度不同导致的球面象差可以被校正。另外，因色差导致的球面象差可以通过引起等于蓝光波长五倍的光程长度差的相位级差来校正。因此，即使波长变化时信息也能被稳定地记录/再现。
根据本发明的第三光学透镜，全息图的内圆周部分被设计成使得相对于蓝光最强产生+2级衍射光，而相对于红光最强产生+1级衍射光。其结果是，红光光束的衍射光的强度能够最大化，且可以防止蓝光光束对于一聚集光点的光使用效率降低。另外，因色差导致的球面象差可以通过引起等于蓝光波长五倍的光程长度差的相位级差来校正。因此，即使波长变化时信息也能被稳定地记录/再现。
根据本发明的第四光学透镜，色差能够被校正，且可以粗略设置衍射透镜的光栅栅距，因此可以提高光的使用效率。
根据本发明的第一光头装置，一单独的光头装置能够处理多个具有不同记录密度的光盘。
本发明的第二光头装置可被用于对一单独的光盘记录/再现信息的装置。
根据本发明的计算机、光盘播放器、光盘记录器、光盘服务器，和汽车导航系统，可以对不同种类的光盘稳定地进行信息记录/再现。因此，这些装置可用于广泛的领域。
优选地，上述第一光学透镜还包括一液晶相位调制元件，其中通过电切换该液晶相位调制元件，蓝光聚集穿过厚度为t1的基底而红光聚集穿过厚度为t2的基底，且因基底厚度的差异导致的象差，通过切换已分配给透射波阵面的相位调制量而被校正。根据这一结构，因基底厚度差异导致的象差可以通过该液晶相位调制元件被校正，而无需使用全息图。
另外，优选地，上述光学透镜为两种不同材料形成的折射透镜。根据该结构，折射透镜具有色差校正功能，且该校正功能不会引起因衍射导致的光量损失，并能达到高的光使用效率和色差校正。
在第二光学透镜中，优选地，锯齿形光栅的高度为h1，且h1对于蓝光提供约为波长两倍的光程长度差。根据这一结构，对于蓝光+2级衍射光的强度变为最高，而对于红光，+1级衍射光的强度变为最高。
另外，优选地，在全息图中，形成为内部圆周部分包括与该全息图的光轴的交点的锯齿形光栅的高度为h2，且h2对于红光提供约为一个波长的光程长度差。根据这一结构，红光的衍射光的强度能够最大化，并可以防止蓝光光束对于一聚集光点的光使用效率降低。
在第三光学透镜中，优选地，在内部圆周部分之外的外部圆周部分中进一步形成一全息光栅，该外部圆周部分中的全息光栅为截面形状是锯齿形的锯齿形光栅。该外部圆周部分中的锯齿形光栅的高度为h3，h3对于蓝光提供约为一个波长的光程长度差，在该外部圆周部分中，相对于蓝光最强产生+1级衍射光且相对于红光也是最强产生+1级衍射光。根据这一结构，可将用蓝光光束对一较薄光盘进行信息记录/再现时的数值孔径NAb设置为大于用红光光束对一DVD等类似光盘进行信息记录/再现时的数值孔径NAr(NAb＞NAr)。
另外，在上述光学透镜的每一个中，优选地，蓝光聚集穿过厚度为t1的基底，且将全息图形成为凸透镜的类型以便减小蓝光波长λ1变化时焦距的变化，由此蓝光将受到该全息图的凸透镜的作用。
另外，优选地，蓝光通过物镜聚集穿过厚度为t1的基底，红光聚集穿过厚度为t2的基底，t1＜t2，且当蓝光聚集穿过厚度为t1的基底时，与红光聚集穿过厚度为t2的基底的情况相比，全息图的凸透镜作用增强，且与蓝光在基底一侧的焦点位置相比，红光在基底一侧的焦点位置距离物镜更远。
另外，优选地，全息图的光栅截面形状为锯齿形，该锯齿形在该全息图所形成的基底的外部圆周一侧具有斜面。
另外，全息图、折射透镜和相位级差最好被整体地固定。此外，全息图最好整体形成在折射透镜的一个表面上。另外，相位级差最好整体形成在折射透镜的一个表面上。根据这些结构，可利用一共用驱动装置来执行用于聚焦控制和寻迹控制的整体驱动，由此可以防止全息图和物镜之间相对位置的偏移所导致的象差增大。
另外，优选地，因波长改变引起的在折射透镜中、或在折射透镜和全息图中产生的象差可以通过相位级差中产生的象差而被减小。
另外，假设用蓝光聚集穿过厚度为t1的基底时的数值孔径为NAb，红光聚集穿过厚度为t2的基底时的数值孔径为NAr，则最好t1＜t2且NAb＞NAr。
在上述光头装置中，优选地，当第二光束聚集在第二光学信息介质的记录表面上时，将用于基本上准直该第二光束的准直透镜放置在靠近第二激光光源的位置，由此使形成为漫射光的该第二光束可以入射在光学透镜上，并使第二光学信息介质一侧的焦点位置远离光学透镜。
另外，优选地，将第一激光光源和第二激光光源的光发射点都放置成相对于光学透镜的光学信息介质一侧的焦点位置具有成像关系，由此检测来自共用光电检测器的伺服信号。
在光学信息装置中，优选地，激光光源包括用于发出波长为λ1的蓝光的第一激光光源和用于发出波长为λ2的红光的第二激光光源，光学信息介质的类型被确定，且一准直透镜相对于具有厚度为0.6毫米的基底的光学信息介质被移向第二激光光源。
下面，将通过参照附图，图示说明实施例来描述本发明。
实施例1
图1为本发明实施例1的光头装置的截面示意图。在图1中，参考标号1代表发出波长为λ1(390纳米至415纳米：通常波长λ1为约405纳米，因此将390纳米至415纳米范围内的波长统一看作是约405纳米)的蓝色激光的蓝色激光光源。
参考标号20代表发出波长为λ2(630纳米至680纳米：通常波长λ2为约660纳米，因此将630纳米至680纳米范围内的波长统一看作是约660纳米)的红色激光的红色激光光源。参考标号8代表准直透镜(第一凸透镜)，12代表可使光轴偏转的反射镜，14代表物镜(光学透镜)。
参考标号9代表对应于光学信息介质的第三代光盘，其具有厚度t1为约0.1毫米或更小(在下文中，0.06毫米至0.11毫米范围内的基底厚度将被看作是约0.1毫米)的基底，且通过波长为λ1的光束对该光盘进行信息记录/再现。参考标号10代表例如DVD的第二代光盘，其具有厚度t2为约0.6毫米(0.54毫米至0.65毫米范围内的基底厚度将被看作是约0.6毫米)的基底，且通过波长为λ2的光束对该光盘进行信息记录/再现。
关于光盘9和10，仅显示了从光的入射表面至记录表面的盘基部分。实际上，光盘9和10还各自附有保护板以提高机械强度并使外部尺寸被设定为1.2毫米，以与CD相同。光盘10上附有厚度为0.6毫米的保护板。光盘9上附有厚度为1.1毫米的保护板。在本发明的附图中，为简化省略了这些保护板。
蓝色激光光源1和红色激光光源20最好由半导体激光器光源构成。使用半导体激光器光源的光头装置和光学信息装置可以实现小型化、减轻重量，以及节省能源。
当对具有最高记录密度的光盘9进行信息记录/再现时，从蓝色激光光源1发出的波长为λ1的蓝色光束61被分束器4反射，并通过1/4波长板5实现圆偏振。该1/4波长板5被设计成相对于波长λ1和λ2均可起到1/4波长板的作用。
该圆偏振光被准直透镜8基本上准直，且其光轴被反射镜12偏转。然后，该准直光通过全息图(衍射型光学元件)13和折射物镜14穿过光盘9的厚度为约0.1毫米的基底聚集在信息记录表面上。
从光盘9的该信息记录表面上反射的蓝色光束61沿一反向光程(返回光程)传递并通过1/4波长板5成为与初始方向正交的一方向上的线偏振光。该线偏振光基本上完全穿过分束器4。随后，该线偏振光被分束器16完全反射，并被检测全息图31衍射。进一步，该线偏振光的焦距通过检测透镜32而增大并入射在光电检测器33上。
通过计算光电检测器33的输出，可获得用于聚焦控制和寻迹控制的伺服信号以及信息信号。如上所述，分束器4为偏振光分离膜，其对于波长为λ1的光束，完全反射一个方向上的线偏振光并完全透射与上述方向正交的一方向上的线偏振光。另外，如下文中将描述的，对于波长为λ2的光束，分束器4完全透射从红色激光光源20发出的红色光束62。这样，该分束器4为一具有偏振特性和波长选择特性的光程分离元件。
接下来，当对光盘10进行信息记录/再现时，从红色激光光源20发出的波长为λ2的实质上的线偏振光穿过分束器16和4，并被准直透镜8基本上准直。进一步，该准直光的光轴被反射镜12偏转。所得到的准直光通过全息图13和物镜14穿过厚度为约0.6毫米的基底聚集在光盘10的信息记录表面上。
从光盘10的信息记录表面上反射的光束沿一原始光程(返回光程)传递并基本上完全穿过分束器4。随后，该光束被分束器16完全反射，并被检测全息图31衍射。进一步，该光束的焦距通过检测透镜32而增大并入射在光电检测器33上。
通过计算光电检测器33的输出，可获得用于聚焦控制和寻迹控制的伺服信号以及信息信号。这样，为了从共用光电检测器33获得光盘9和10的伺服信号，放置蓝色激光光源1和红色激光光源20，使得它们的光发射点相对于物镜14一侧的共用位置具有成像关系。这能够减少检测器和导线的数量。
分束器16为偏振光分离膜，其对于波长为λ2的光束，完全透射一个方向上的线偏振光并完全反射与上述方向正交的一方向上的线偏振光。另外，对于波长为λ1的光束，分束器16完全反射蓝色光束61。这样，分束器16也是一具有偏振特性和波长选择特性的光程分离元件。
下面将参照附图2、3A-3B和4A-4C说明全息图134和物镜144的功能和结构。在图2中，参考标号134代表全息图。如下文将描述的，该全息图134衍射波长为λ1的光束61，起到凸透镜的作用，并衍射波长为λ2的光束，起到一相对蓝色光束而言较弱的凸透镜的作用。
这里，表现出凸透镜作用的最低级的衍射被定义为+1级衍射。随着级次从+1级增加，衍射角度也增加。本实施例被设计成使得对于蓝色光束最强产生+2级衍射。此时，对于红色光束最强产生+1级衍射。在这种情况下，虽然红色光束的波长大于蓝色光束的波长，但是全息图134的每个点处的衍射角度都被减小。
更具体地，在全息图134衍射波长为λ1的蓝色光束61时所获得的凸透镜作用，比相对于波长为λ2的光束时的凸透镜作用更强。换句话说，红色光束通过该全息图134受到凸透镜的作用；但是，基于对蓝色光束所产生的作用，红色光束通过衍射相对来说受到凹透镜的作用。
物镜144被设计成使得波长为λ1的蓝色光束受到全息图134的+2级衍射并受到凸透镜的作用，且随后，蓝色光束穿过光盘9的厚度为t1的基底进一步聚集在记录表面上。
下面，将详细说明全息图134利用红光对光盘10进行信息记录/再现的功能。该全息图134对波长为λ2的光(虚线：红色光束62)产生+1级衍射，表现出凸透镜的作用。随后，物镜144将红色光束62聚集穿过光盘10的厚度t2为约0.6毫米的基底至信息记录表面101上。
这里，光盘10较厚(从光入射面到信息记录表面101的基底厚度为0.6毫米)。因此，和对基底厚度为0.1毫米的光盘9记录/再现信息的情况相比，焦点位置必须远离物镜144。蓝色光束61通过波阵面转换而被聚集，且红色光束62的聚集程度比蓝色光束的程度缓，如图2所示，由此因焦点位置校正和基底厚度差异而产生的球面象差可以被校正。波长为λ1的蓝色光束61和波长为λ2的红色光束62受到全息图134的波阵面转换的作用。
这样，如果全息图134和物镜144之间的相对位置出现误差，则所设计的波阵面并不入射到物镜144上，且在入射到光盘9或10上的波阵面中产生象差，这将劣化光的聚集特性。理想的是全息图134与物镜144集成在一起，且它们由一共用驱动装置15(图1)一起驱动，进行聚焦控制和寻迹控制。
图3A和图3B示出了全息图134。图3A是平面视图，图3B是类似于图2的从与平面视图垂直的方向看过去的截面图。在该全息图134中，内部/外部圆周边界134A的内部一侧(内部圆周部分134C)，和其外部一侧(在该内部/外部圆周边界134A和有效范围134D之间的外部圆周部分134B)彼此不同。
内部圆周部分134C为包括全息图134和光轴(即，中心)交点的区域。该区域用于利用蓝光光束对光盘9记录/再现信息，以及利用红光光束对光盘10记录/再现信息。
这样，内部圆周部分134C的衍射光栅和物镜144中红光光束从中被该衍射光栅衍射的那一部分被设计成，使得蓝光光束的+2级衍射光被聚集在光盘9上，而红光光束的+1级衍射光被聚集在光盘10上。在外部圆周部分134B中，需要使利用蓝光光束61对光盘9进行信息记录/再现的数值孔径NAb大于利用红光光束62对光盘10进行信息记录/再现的数值孔径NAr(NAb＞NAr)。
因此，在内部圆周部分的外围，必须提供一外部圆周部分134B，用于将红光光束62和蓝光光束61聚集到对应的光盘9和10上，且必须提供与该外部圆周部分134B相对应的物镜144的外部圆周部分，使得蓝光光束61的例如仅+2级衍射光被聚集在光盘9上，而红光光束62的+1级衍射光对光盘10具有象差。
更具体地，虽然图中未示出，但比较理想的是物镜144也被设计成与全息图134相同的方式，在其内部圆周和外部圆周之间是变化的。这可实现优化的数值孔径，即，NAb＞NAr。
图4A-4C示出了全息图134的全息光栅在一个周期(p4)中的截面。图4A示出了物理形状。如图4A-4C中所示的类似锯齿的形状被称作锯齿形。另外，为了表示一倾斜表面的方向，将图4A中所示的形状表现为基底具有一向左倾斜的表面的形状。
根据上述定名方法，图3所示的全息图134的截面形状被表示为基底具有向外部圆周一侧倾斜的表面的锯齿形。
在图4A中，垂直方向表示锯齿形光栅的高度。假设全息图材料为例如BK7，则对于蓝光光束该全息图材料的折射率nb为nb＝1.5302。
将锯齿形光栅的高度设定为使得对于蓝光光束61，光程长度差为波长的2倍，即，相位差为4π弧度。这里，光程长度差指的是由阶梯的有/无所引起的光程长度(也被称作光学距离，是指介质长度乘以折射率所得到的值)的差异。
光程长度差L通过阶梯的高度h1和介质与空气之间的折射率差(nb-1)的乘积表示为下式：
L＝h1×(nb-1)
在光程长度差为波长的2倍时，L＝2×λ1，且高度h1可表示为下面的表达式。将λ1＝405纳米和nb＝1.5302代入该式，则由此可获得h1的值。
h1＝2×λ1/(nb-1)＝1.53微米
在光栅的一个周期中因这样的形状而产生的对于蓝光的相位调制量被改变了4π(＝2π×2)弧度。因此，+2级衍射光的强度变为最高，对应于就标量计算(scalar calculation)而言的100％的衍射效率。
另一方面，假设全息图材料对于红光光束62的折射率为nr，在该全息图材料为BK7时，nr为1.5142。高度为h1时由于级差在红光光束中产生的光程长度差可表示为h1×(nr-1)。这样，将λ1＝405纳米和nr＝1.5142代入该式，则光程长度差对于红光光束的波长λ2的倍数为：
h1×(nr-1)/λ2＝1.19
更具体地，光程长度差为波长λ2的约1.2倍，且相位调制量为约2.4π(1.2×2π)弧度。这样，+1级衍射光的强度变为最高，而就计算而言的衍射效率为约80％。
因此，当一个周期中的光栅的形状被设定为图4A所示的高度为h1的锯齿形横截面形状时，由于如上所述在蓝光光束61中+2级衍射成为最高，因此确定衍射角的光栅周期基本上为 p4/2，且相位改变与图4B所示情况相等。由于在红光光束62中+1级衍射成为最高，因此确定衍射角的光栅周期基本上为p4。
根据上述结构，由于基底厚度的差异得到校正，因此可以兼容地使用不同种类的光盘，且对于标准波长例如405纳米和660纳米附近的波长变化(几纳米之内)，色差，特别是焦距的波长依赖性可以被抵消和减小。但是，球面象差因波长不同而改变，因此对于标准波长附近的波长变化(几纳米之内)，色差中的球面象差发生变化。下面将参照图5至图6说明用于校正球面象差变化的结构。
在图5中，参考标号144代表物镜，1441代表物镜144的并不直接与光盘表面相对的一个表面(第一表面)，1442代表在第一表面1441上形成的相位级差。该相位级差1442也可能形成于和第一表面1441相对的一侧的表面(第二表面)上，或者在全息图134的任何表面上。
另外，如图5所示，通过将相位级差1442与物镜144集合，即使当物镜144通过寻迹等被移动时，相位级差1442和物镜144之间的相对位置也不会改变，因此光学性能不会劣化。
另外，在因相位级差1442和物镜144之间的相对位置改变所导致的性能劣化足够小的情况下，物镜144可不与相位级差1442集合在一起，其也可以在如图1所示的准直透镜8的表面上形成。此外，虽然图中未示出，但全息图134和相位级差1442可以在折射物镜的表面上集合在一起形成。
图6是显示放大的相位级差1442的示意图。形成了每一阶梯高度为ha的至少一个阶梯。假设形成相位级差1442的基材对于波长λ1(例如，405纳米)的折射率为nb，则高度ha满足下列表达式(1)：
ha＝5×λ1/(nb-1)                          (1)
表达式(1)可简化为：
5×λ1＝ha×(nb-1)                       (2)
表达式(2)的右边为因具有高度ha的阶梯而产生的光程长度差。就是说，设置相位级差1442的一个阶梯，使得其可产生等于波长λ1的5倍的光程长度差，即，对于波长为λ1的光的10π(5×2π)弧度的相位差。
例如，当形成相位级差1442的材料是被称为BK7的玻璃时，nb＝1.5302，则由表达式(1)可知当λ1＝405纳米时ha＝3819纳米。当波长为λ2＝655纳米的红光入射到这些阶梯上时，BK7对于λ2＝655纳米的折射率nr为1.5144。因此，产生的光程长度差L为：
L＝ha×(nr-1)＝1964.5
该计算值基本上等于3×λ2。更具体地，对于蓝光产生等于波长5倍的光程长度差的阶梯，对红光产生的光程长度差为波长的三倍。产生等于波长整数倍的光程长度差的相位变化量是2π弧度的整数倍(对于λ1＝405纳米是10π弧度；对于λ2＝655纳米是6π弧度)。因此，基本上不会引起相位差。
这样，波阵面对于标准波长λ1和λ2没有改变。当波长由标准波长变化了例如几纳米时，光程长度差将偏离波长的整数倍。因此，相位将发生改变。阶梯可以被雕刻在图6所示的基底一侧上，或者可以被安装在其上面。因此，可以自由地设定相位改变对于波长偏移的方向。例如，在蓝光的情况下，对于波长改变1纳米的相位改变量ΔφB为ΔφB＝10π/405＝0.024π(弧度)。通过在由透镜或全息图所引起的波长每改变1纳米色差为0.024π弧度的每一个位置处叠加高度为ha的阶梯，象差能够被校正。另外，对于红光来说，波长改变1纳米的相位改变量ΔφR为ΔφR＝6π/655＝0.009π(弧度)。红光中的相位改变量比蓝光中的更小。但是，由透镜或全息图所引起的波长每改变1纳米的色差也较小。因此没有问题。
在上述说明中，分别选择405纳米和655纳米作为蓝光和红光的标准波长。作为蓝光的标准波长，也可以选择其它波长例如408纳米和410纳米。高度ha和红光的标准波长可以相应地改变。它们的关系可表示为下列表达式：
ha＝3×λ2/(n2-1)＝5×λ1/(n1-1)           (3)
相位级差的一个单元是ha；但是，即使将其整数倍(两倍、三倍，……)用作为一个单元，波阵面对于红光和蓝光的标准波长也没有改变，而只有对于波长分别偏离红光和蓝光时波阵面才可能改变。
另外，对于蓝光引起等于波长5倍的光程长度差的阶梯可应用于第一个常规示例，由此可以校正因波长变化而导致的色差。在该结构中，相位阶梯在由两种材料形成的物镜上形成。根据该结构，由于折射透镜而产生的色差校正功能并不会引起因衍射导致的光量损失，且能够实现较高的光使用效率及色差校正。
另外，波长改变所导致的焦点的改变，从原理上说能够被校正。但是，这将增加阶梯的数量并缩短每一阶梯的平坦部分的长度(在沿光通量方向上具有相同高度的部分。例如，图6中的长度c)，使得这些阶梯难以按照设计进行生产。这样，如图5所示，因基底厚度和色差导致的焦距的变化通过参照图2至图4A-C所描述的全息图而被校正，且因色差导致的球面象差可通过对蓝光产生等于波长5倍的光程长度差的阶梯而被校正。这一结构将使得生产变得简单，并可实现设计所希望实现的性能。
上述任何常规示例均未公开本实施例中所描述的概念：通过使用具有锯齿形截面(该锯齿形截面的高度对于蓝光产生等于波长两倍的光程长度差并引起+2级衍射)的全息图，利用红光光束的+1级衍射光可兼容地使用不同种类的光盘，而且因色差导致的球面象差通过对蓝光产生等于波长5倍的光程长度差的阶梯而被校正。
在该实施例中，由于上述新颖的结构，可以兼容地使用不同种类的光盘。另外，全息图134对于蓝光和红光均具有凸透镜的作用。此外，由于衍射作用的颜色扩散(color diffusion)处于折射作用的相反方向，因此，当全息图134与作为折射凸透镜的物镜144结合时，对于波长改变几纳米，色象差的、特别是焦距的波长依赖性可以被抵消和减小。另外，因色象差导致的球面象差也可以被校正，因此，即使当波长变化时也可以稳定地进行信息记录/再现。
这样，只有利用全息图134和相位级差，才能解决在不同种类光盘的兼容性和色差校正方面的问题。更具体地，无需使用并不适用于瞬时响应的物镜的聚焦控制，就能够快速处理因从再现到记录的瞬时转换而导致的波长的改变。
在图5和图6中，相位级差1442形成于物镜(折射透镜)144的表面上。但是，也可以如图7所示在全息图136的基底表面上形成相位级差1462。该相位级差部分的放大视图在图8中示出。图8与图6的相同之处在于相位级差的阶梯被设定为对蓝光可引起等于波长五倍的光程长度差的高度ha的整数倍。根据本实施例的该相位级差可被添加至光学元件或光学透镜，例如物镜和全息图，且相位级差本身也可以形成为独立的光学元件。这一点同样适用于随后的实施例。
另外，作为光头装置的完整结构，下面将附加说明一有效的示例性结构。下文中的说明对于整个的实施例均有效。应该注意的是本申请的重点在于对蓝光可引起等于波长五倍的光程长度差的阶梯，以及结合这些阶梯使用的物镜和全息图。因此，已被描述的分束器、检测透镜，和检测全息图，以及下列配置，并不是必不可少的。这些部件中的每一个在优选配置中有其作用；但是，也可适当地使用其它结构。
在图1中，光盘9的寻迹误差信号也可以通过公知的差分推挽(DPP)法，通过将3射束光栅(3-beam grating)(衍射元件)3放置于蓝色激光光源1和分束器4之间来检测。
另外，假设与光轴正交的两个方向为x方向和y方向，则可将例如仅放大x方向的光束成形元件2放置在蓝色激光光源1和分束器4之间，从而蓝光光束61的远场图(far-field pattern)能够逼近靠近相对于光轴点对称的点的强度分布，因此，可以提高光的使用效率。该光束成形原件可以利用双面柱面镜等构成。
光盘10的寻迹误差信号同样可能通过公知的差分推挽(DPP)法，通过将3射束光栅(衍射元件)22放置于红色激光光源20和分束器16之间来检测。
通过在光轴方向(图1中的水平方向)移动准直透镜8改变光束的平行程度同样也是有效的。如果存在基底厚度误差以及在光盘9为双层光盘时存在由中间层厚度产生的基底厚度时，就会发生球面象差。但是，该球面象差可通过在光轴方向移动准直透镜8而被校正。这样，通过移动准直透镜8，在聚集光对于光盘的数值孔径为0.85时球面象差可被校正约几百mλ，且可修改±30微米的基底厚度。但是，当利用为0.1毫米的基底厚度而设计的物镜14对DVD进行信息记录/再现时，必须补偿0.5毫米或更多的基底厚度差。此时，仅移动准直透镜8并不足够，需要利用全息图13(例如，134)的波阵面转换。通过向图1中的左侧(即，向靠近红色激光光源20一侧)移动准直透镜8，在利用红光光束对光盘10进行信息记录/再现的情况下，向物镜14传递的红光光束形成发散光，对于光盘10的聚集光点远离物镜14，因基底厚度导致的部分象差被校正，通过减小全息图13中所需的象差校正量，全息图节距被放大，且可以容易地制作全息图13。
另外，通过使分束器4透射过部分(例如，约10％)由蓝色激光光源1发出的线偏振光，并使聚集透镜6将这一部分透射光引导向光电检测器7，可以利用从光电检测器7获得的信号来监控从蓝色激光光源1发出的光量的变化，而光量的变化被反馈回去，从而控制从蓝色激光光源1发出的光量保持恒定。
另外，通过使分束器4反射部分(例如，约10％)由红色激光光源20发出的线偏振光，并使聚集透镜6将这部分反射光引导向光电检测器7，可以利用从光电检测器7获得的信号来监控从红色激光光源20发出的光量的变化，而光量的变化被反馈回去，从而控制从红色激光光源20发出的光量保持恒定。
实施例2
下面，将说明本发明的实施例2。除全息图134的内部圆周部分134C的光栅截面形状改变之外，该实施例2与实施例1相同。图9A-9C示出了实施例1中所描述的全息图134的内部圆周部分134C中光栅在一个周期中的截面形状。图9A示出了物理形状。图9B示出了对于蓝光的相位调制量。图9C示出了对于红光的相位调制量。
在图9A中，垂直方向表示锯齿形光栅的高度。与图4A-4C不同，该高度基于红光光束而确定。假设全息图材料为例如BK7，则对于660纳米的波长λ2，该全息图材料对于红光光束的折射率nr为1.5142。
设定锯齿形光栅的高度，使得对于红光光束，光程长度差约为一个波长(即，相位差为约2π弧度)。这时，高度h2可表示为下式：
h2＝λ2/(nr-1)＝1.28微米。
另一方面，假设全息图材料对于蓝光光束的折射率为nb，在该全息图材料为BK7时，nb＝1.5302。因锯齿形光栅的高度h2在红光光束中产生的光程长度差可表示为h1×(nr-1)。这样，将λ1＝405纳米和nb＝1.5302代入下列表达式，则光程长度差对于蓝光光束的波长λ1的倍数为：
h2×(nb-1)/λ1＝1.68
更具体地，光程长度差变为波长λ1的约1.7倍，且相位调制量变为约3.35π弧度。因此，+2级衍射光的强度变为最高，这对应于就标量计算而言约80％的衍射效率。
如图9A中所示，当将光栅在一个周期中的形状设定为高度为h2的锯齿形截面形状时，如上所述在蓝光中+2级衍射成为最高，确定衍射角的光栅周期基本上为p4/2，且相位改变与图9B中所示的情况相等。由于红光光束中+1级衍射为最高，对应着就计算而言的100％的光栅效率，因此提高了光的使用效率。
另外，蓝色衍射光的衍射效率降低至约80％。但是，当中心部分处的光量减少时，外部圆周部分的光量相对增加。半导体激光源的远场图的强度在外部圆周部分中较低，且仅利用了其一部分。但是，当内部圆周部分中的光量减少时，能够使用远场图的更广泛的区域，因此可以提高光的使用效率。这可通过缩短准直透镜8的焦距来实现，缩短准直透镜8的焦距可以补偿内部圆周部分中的光量的减少。这样，可按如下方式获得本发明的效果：如参照图9所述，将内部圆周部分设定为具有高度h2，由此红光光束的衍射光的强度被最大化，而此时，蓝光光束对于聚集光点的光使用效率并未降低。
与实施例1的方式相同，因色差而导致的球面象差可以通过结合对蓝光可引起等于波长五倍的光程长度差的阶梯而被校正。
在本实施例中，全息图134对于蓝光光束和红光光束同样具有凸透镜的作用。衍射作用的色散(color dispersion)与折射作用的色散相反。因此，当该全息图134与作为折射凸透镜的物镜144结合时，对于几纳米内的波长变化，色差的、特别是焦距的波长依赖性可以被抵消和减小。
当全息图134与对蓝光可引起等于波长五倍的光程长度差的阶梯结合时，就能够解决不同种类光盘的兼容性以及色差校正的问题。
另外，高数值孔径的透镜非常难于制造。但是，通过使全息图具有凸透镜的功能，可以使将要结合的折射物镜144的制造变得更容易。
此外，作为光头装置的整个结构，还可以结合实施例1中已经附加说明的结构。
实施例3
下面将描述本发明的实施例3。与实施例1及2的方式相同，实施例3的光头装置的示例性整体结构也在图1中示出。实施例3中的全息、图的结构与图1中所示的不同，因此下面将参照图10、11A-11B和12A-12C说明作为实施例3中的特征元件的全息图的作用与结构。
在图10和11A-11B中，参考标号135代表全息图。内部圆周部分135与例如实施例1中所示的全息图134的内部圆周部分134C相同。图12A-12C示出了全息图135的外部圆周部分135B中全息光栅在一个周期(p7)中的截面。图12A显示的是物理形状。图12B显示的是对于蓝光的相位调制量。图12C显示的是对于红光的相位调制量。
在图12A中，垂直方向表示锯齿形的高度。设定该锯齿形的高度h3，使得对于蓝光光束，光程长度差约为一个波长(即，相位差为约2π弧度)。假设全息图材料对于蓝光光束的折射率为nb，在该全息图材料为BK7时，nb＝1.5302。且锯齿形光栅的高度h3可表示为下式：
h3＝λ1/(nb-1)＝0.764微米。
另一方面，假设全息图材料对于红光光束的折射率为nr，在该全息图材料为BK7时，nr等于1.5142。因高度h3的级差在红光光束中产生的光程长度差可表示为h3×(nr-1)。这样，将λ2＝660纳米和nr＝1.5142代入该表达式，则光程长度差对于红光光束的波长λ2的倍数为：
h3×(nr-1)/λ2＝0.595
更具体地，光程长度差为波长λ2的约0.6倍，且相位调制量为约1.2π弧度。这样，+1级衍射光的强度变为最高，而就计算而言衍射效率约为60％。
因此如图12A中所示，当将光栅在一个周期中的形状设定为具有高度h3的锯齿形截面形状时，由于在蓝光中+1级衍射成为最高(在实施例1和2中，与本实施例不同，在外部圆周部分中+2级衍射光的强度最高)，因此确定衍射角的光栅周期基本上为p7，且相位改变与图12B中所示的情况相等。由于红光光束中+1级衍射为最高，因此确定衍射角的光栅周期也基本上为p7。
全息图135的外部圆周部分135B被设计为使得蓝光光束聚集穿过厚度为约0.1毫米的基底。此时，红光光束也受到与蓝光光束相同级次的衍射作用(即，+1级衍射)，而红光光束的波长λ2大于蓝光光束的波长λ1，因此红光光束的衍射角增大。
该全息图的焊接方向(brazing direction)被设计为以与内部圆周部分相同的方式具有凸透镜的作用。此时，红光光束的衍射角大于蓝光光束的衍射角，因此红光光束受到更强的凸透镜的作用。这与在内部圆周部分中(例如，134C)红光光束受到与蓝光光束相比更弱的凸透镜的作用，或者受到凹透镜的作用(131C等)是不同的。
因此，在外部圆周部分135B中衍射的红光光束与穿过内部圆周部分的红光光束并未聚集在相同的位置上。这样，采用蓝光光束对光盘9进行信息记录/再现的数值孔径NAb大于采用红光光束对光盘10进行信息记录/再现的数值孔径NAr(NAb＞NAr)。
与实施例1的方式相同，因色差而导致的球面象差可以通过结合对蓝光可引起等于波长五倍的光程长度差的阶梯而被校正。
另外，作为光头装置的整个结构，还可以结合实施例1中已经附加说明的结构。
实施例4
图13为显示根据本发明实施例4的光头装置的主要部分的截面示意图。图13中所示的光头装置与图5中所示结构相对应，其中用一液晶相位调制元件取代了全息图134。
该液晶相位调制元件137可以切换施加电压的开/关。更具体地，通过对液晶相位调制元件137进行电切换，可切换将被给予透射波阵面的相位调制量，以校正因基底厚度差异导致的象差。
在这种情况下，在液晶相位调制元件137中，由波长变化所引起的象差(包括轴向色差和球面象差)不能被校正。因此，通过将相位级差1442与液晶相位调制元件137结合，包括轴向色差和球面象差的色差被校正。
相位级差1442具有与图5所示的相位级差1442相同的结构，其中一单元阶梯(unit step)对波长为λ1的蓝光可引起5λ1的光程长度差，而对波长为λ2的红光可引起3λ2的光程长度差。
例如，如果每次物镜144引起等于蓝光波长1纳米波动的五倍的5纳米的象差时，形成一个相位阶梯，则对于蓝光的色差就能够被校正。至于红光，色差在相同的方向上产生，因此这样的象差同样可以被校正。
实施例5
图14显示了根据本发明实施例5的光头装置的主要部分的截面示意图。在实施例1至4中，将那些可引起等于蓝光波长λ1五倍的相位差的阶梯作为单元阶梯使用的相位级差，与衍射全息图或液晶相位调制元件结合。本实施例以单一光盘的记录/再现为前提。因此，相位级差的一个阶梯并不限于可引起等于波长五倍的相位差的阶梯，而是被设定为可引起等于波长整数倍的相位差的阶梯。
图14所示的光头装置的结构中，其上形成有相位级差1472的物镜147与全息图134结合在一起。与图5中所示光头装置相同的部件用与图5相同的参考标号表示。图5所示的光头装置在波长为蓝光的波长λ1时对光盘9进行信息记录/再现，而物镜147的表面1471上形成的相位级差1472的单元阶梯可引起等于波长λ1整数倍的相位差。
在这一结构中，色差能够被校正。另外，色差的校正可以被全息图134和相位级差1472共享。因此，全息图134的光栅节距可以较粗略，这提高了光的使用效率。
实施例6
图15示出了使用本发明的光头装置的光学信息装置的一个实施例。在图15中，光盘9被放置在转盘82上，并通过马达64旋转。如实施例1至4中所描述的光头装置55通过光头装置55的驱动装置51，被粗略地移动至光盘9上存在所需信息的迹道处。
光头装置55响应于和光盘9的位置关系，向电路53发送聚焦误差信号和寻迹误差信号。响应于这些信号，电路53向光头装置55发送用于细微移动物镜的信号。根据这些信号，光头装置55执行相对于光盘9的聚焦控制和寻迹控制，光头装置55还读取、写入(记录)，或者擦除信息。
上述描述同样适用于光盘9被基底厚度更大的光盘10所替代的情况。本实施例的光学信息装置使用本发明的光头装置。因此，本发明的光学信息装置能够利用一单独的光头装置，处理具有不同记录密度的多个光盘。
光头装置55可以如实施例5那样，被设计为专门用于单独的光盘。这同样适用于下列实施例7至10。
实施例7
实施例7是关于具有实施例6所描述的光学信息装置的计算机。图16为本实施例的计算机的透视图。
图16所示的计算机100包括实施例6的光学信息装置67、用于输入信息的诸如键盘鼠标或触摸屏的输入装置65、用于根据从输入装置65输入的信息以及从光学信息装置67读取的信息执行计算的诸如中央处理单元(CPU)的计算装置64，以及信息输出装置81，例如阴极射线管、液晶显示装置，或者打印机，用于显示诸如通过计算装置64中的计算获得的结果等信息。
根据本实施例的计算机包括实施例6的光学信息装置67，并能够对不同种类的光盘进行稳定的信息记录/再现。因此，根据本实施例的计算机能够应用于广泛领域。
实施例8
实施例8是关于具有实施例6的光学信息装置67的光学信息介质(光盘)播放器。图17为显示本实施例的光学信息介质播放器的透视图。
图17中所示的光盘播放器121包括实施例6的光学信息装置67和用于将由光学信息装置67获得的信息信号转换成图像的转换器(例如，解码器)。这一结构还能被用作汽车导航系统。另外，还可以添加诸如液晶监视器等显示装置120。
根据本实施例的光学信息介质播放器包括实施例6的光学信息装置67，并能够对不同种类的光盘进行稳定的信息记录/再现。因此，根据本实施例的光学信息介质播放器能够应用于广泛领域。
实施例9
实施例9是关于具有实施例6的光学信息装置67的光学信息介质(光盘)记录器。图18为显示根据本实施例的光盘记录器的透视图。
图18中所示的光盘记录器110包括实施例6的光学信息装置67，和用于将图像信息转换成将由光学信息装置67记录在光盘上的信息的转换器68(例如，编码器)。
优选地，还可以包括用于将由光学信息装置67获得的信息信号转换成图像的转换器66(解码器)。根据这一结构，已经被记录的一个部分可以被再现。该光盘记录器110还可以具有输出装置61，例如阴极射线管、液晶显示装置，或者打印机，用于显示信息。
根据本实施例的光盘记录器包括实施例6的光学信息装置67，并能够对不同种类的光盘进行稳定的信息记录/再现。因此，根据本实施例的光盘记录器能够应用于广泛领域。
实施例10
实施例10是关于具有实施例6的光学信息装置67的光学信息装置。图19为显示根据本实施例的光学信息装置的透视图。
图19中所示的该光学信息装置包括实施例6的光学信息装置67。参考标号69代表一有线或无线输入/输出终端，用于获得将在光学信息装置67中被记录的信息以及将由光学信息装置67读取的信息输出至外界。由于这样的结构，该光学信息装置能够与网络，即若干诸如计算机、电话、电视机等装置进行信息通信，并能被这些若干装置用作共用信息服务器(光学信息介质(光盘)服务器)。该光学信息装置可以具有输出装置81，例如阴极射线管、液晶显示装置，或者打印机，用于输出信息。
根据本实施例的该光学信息装置包括实施例6的光学信息装置67，并能够对不同种类的光盘进行稳定的信息记录/再现。因此，根据本实施例的光学信息装置能够应用于广泛领域。
另外，当该光学信息装置包括用于对光学信息装置67加载/卸载多个光盘的变换器131时，该光学信息装置可以记录/存储更多的信息。
在实施例7至10中，图16-19中示出了输出装置81和液晶装置120。但是，可以提供一输出终端而不是提供输出装置81和液晶装置120，因此，这两个装置为可选配置(optionally available)。
另外，尽管图17和18中并未示出输入装置，但其也可以具有诸如键盘、触摸屏、鼠标、遥控装置等输入装置。另一方面，在实施例7至10中，输入装置可以为可选配置，且也可以只具有输入终端。
如上所述，根据本发明，可以利用一单独的物镜实现不同种类光盘的兼容的再现/记录，且能够进行稳定的信息再现或记录，同时在因光量切换导致波长改变时焦距的变化和球面象差的产生可以被抑制。因此，本发明对于光头装置、光学信息装置、计算机、光学信息介质播放器、汽车导航系统、光学信息介质记录器，以及光学信息介质服务器都是有益的。
本发明可以其它形式实现，而并不背离其精神与实质特征。本说明书中公开的实施例应仅被视为用于说明而非限制性。本发明的范围由权利要求书而不是前述描述指明，且包括所有落在权利要求的等效物的意义和范围内的改变。

Claims (41)

1、一种用于红光和蓝光的至少两种波长的光学元件，包括一相位级差，其中当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
2、一种光学透镜包括一相位级差，其中蓝光被该光学透镜聚集穿过厚度为t1的基底，红光被该光学透镜聚集穿过厚度为t2的基底，t1＜t2，且当蓝光穿过该相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
3、根据权利要求2的光学透镜，该光学透镜为由两种不同材料形成的折射透镜。
4、根据权利要求2的光学透镜，进一步包括一液晶相位调制元件，其中通过对该液晶相位调制元件进行电开关，蓝光被聚集穿过厚度为t1的基底且红光被聚集穿过厚度为t2的基底，且因基底厚度差而导致的象差通过切换给予透射波阵面的相位调制量而被校正。
5、根据权利要求2的光学透镜，进一步包括一全息图，其中通过设定该全息图的衍射光栅的高度，对于蓝光最强产生+2级衍射光，且对于红光最强产生+1级衍射光，由此因基底厚度差导致的象差被校正。
6、一种光头装置，包括：
权利要求2的光学透镜；
第一激光光源，用于发出波长为λ1的蓝光；
第二激光光源，用于发出波长为λ2的红光；和
光电检测器，用于接收从一光学信息介质的记录表面反射的光束并根据该光束的光量输出电信号，
所述光学透镜使来自所述第一激光光源的第一光束穿过一厚度为t1的基底聚集在第一光学信息介质的记录表面上，并使来自所述第二激光光源的第二光束穿过一厚度为t2的基底聚集在第二光学信息介质的记录表面上。
7、根据权利要求6的光头装置，其中当所述第二光束被聚集在第二光学信息介质的记录表面上时，将用于使该第二光束基本上准直的准直透镜靠近所述第二激光光源放置，由此允许形成为发散光的第二光束入射在所述光学透镜上，且所述第二光学信息介质一侧的焦点远离所述光学透镜。
8、根据权利要求6的光头装置，其中所述第一激光光源和所述第二激光光源的光发射点均被放置为相对于所述光学透镜的光学信息介质一侧的焦点具有成像关系，由此检测来自一共用光电检测器的伺服信号。
9、一种光学信息装置，包括：
一光头装置，包括权利要求2的光学透镜和一激光光源；
一马达，用于旋转一光学信息介质；和
一电路，用于接收从该光头装置获得的信号，并根据该信号控制和驱动该马达、所述光学透镜，和所述激光光源中的至少任何一个。
10、根据权利要求9的光学信息装置，其中所述激光光源包括用于发出波长为λ1的蓝光的第一激光光源和用于发出波长为λ2的红光的第二激光光源，以及
确定所述光学信息介质的类型，且一准直透镜相对于具有厚度为约0.6毫米的基底的光学信息介质被移向所述第二激光光源。
11.一种计算机，包括：
权利要求9的光学信息装置；
一计算装置，用于根据输入信息和通过所述光学信息装置再现的信息中的至少一个执行计算；和
一输出装置，用于输出该输入信息、该通过所述光学信息装置再现的信息，以及通过在所述计算装置中的计算获得的结果中的至少一个。
12、一种光学信息介质播放器，包括权利要求9的光学信息装置，和一解码器，该解码器用于将由所述光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
13、一种汽车导航系统，包括权利要求9的光学信息装置，和一解码器，该解码器用于将由所述光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
14、一种光学信息介质记录器，包括权利要求9的光学信息装置，和一个编码器，该编码器用于将图像信息转换成将由所述光学信息装置记录的信息。
15、一种光学信息介质服务器，包括权利要求9的光学信息装置，和一个输入/输出终端，该终端用于和外界交换信息。
16、一种光学透镜，包括一全息图、一折射透镜，和一相位级差，
其中所述全息图包括具有锯齿形截面形状的锯齿形光栅，且通过设定该锯齿形光栅的高度，该全息图对于蓝光最强产生+2级衍射光，对于红光最强产生+1级衍射光，以及
当蓝光穿过所述相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
17、根据权利要求16的光学透镜，其中，所述锯齿形光栅的高度为h1，且对于蓝光h1提供约为波长两倍的光程长度差。
18、根据权利要求16的光学透镜，其中，在所述全息图中，在包括与所述全息图的光轴的交点的一内部圆周部分中形成的所述锯齿形光栅的高度为h2，且对于红光，h2提供约为一个波长的光程长度差。
19、根据权利要求16的光学透镜，其中所述锯齿形光栅在至少包括与所述全息图的光轴的一交点的一内部圆周部分中形成，蓝光的+2级衍射光被聚集穿过厚度为t1的基底，红光的+1级衍射光穿过该内部圆周部分被聚集穿过厚度为t2的基底，且t1＜t2。
20、根据权利要求19的光学透镜，其中在所述内部圆周部分外侧的一外部圆周部分中进一步形成一锯齿形光栅，该外部圆周部分中的该锯齿形光栅的高度为h3，对于蓝光h3提供约为一个波长的光程长度差，在该外部圆周部分中，对于蓝光最强产生+1级衍射光且对于红光最强也产生+1级衍射光。
21、根据权利要求16的光学透镜，其中蓝光被聚集穿过厚度为t1的基底，且所述全息图形成为凸透镜的类型以便减小蓝光波长λ1变化时的焦距变化，由此蓝光受到所述全息图的凸透镜的作用。
22、根据权利要求16的光学透镜，其中蓝光通过所述光学透镜被聚集穿过厚度为t1的基底，红光被聚集穿过厚度为t2的基底，t1＜t2，以及
当蓝光被聚集穿过厚度为t1的基底时，与红光被聚集穿过厚度为t2的基底的情况相比，所述全息图的凸透镜作用增大，且与蓝光在基底一侧的焦点相比，红光在基底一侧的焦点更远离所述光学透镜。
23、根据权利要求16的光学透镜，其中蓝光通过所述光学透镜被聚集穿过厚度为t1的基底，红光被聚集穿过厚度为t2的基底，t1＜t2，以及
当红光被聚集穿过厚度为t2的基底时，与蓝光被聚集穿过厚度为t1的基底的情况相比，所述全息图的凸透镜作用减小，且与蓝光在基底一侧的焦点相比，红光在基底一侧的焦点更远离所述光学透镜。
24、根据权利要求16的光学透镜，其中所述全息图的光栅的截面形状为在一基底的外部圆周一侧具有倾斜表面的锯齿形，其中所述全息图在该基底上形成。
25、根据权利要求16的光学透镜，其中所述全息图、所述折射透镜和所述相位级差被整体固定。
26、根据权利要求16的光学透镜，其中所述全息图被整体地形成在所述折射透镜的表面上。
27、根据权利要求16的光学透镜，其中所述相位级差被整体地形成在所述折射透镜的表面上。
28、根据权利要求16的光学透镜，其中因波长变化而在折射透镜、或者折射透镜和全息图中产生的象差，通过在所述相位级差中产生的象差而被减小。
29、根据权利要求16的光学透镜，其中假定蓝光被聚集穿过厚度为t1的基底时的数值孔径为NAb，且红光被聚集穿过厚度为t2的基底时的数值孔径为NAr，则t1＜t2且NAb＞NAr。
30、一种光头装置，包括：
权利要求16的光学透镜；
第一激光光源，用于发出波长为λ1的蓝光；
第二激光光源，用于发出波长为λ2的红光；和
光电检测器，用于接收从一光学信息介质的记录表面反射的光束并根据该光束的光量输出电信号，
所述光学透镜使来自所述第一激光光源的第一光束穿过一厚度为t1的基底聚集在第一光学信息介质的记录表面上，并使来自所述第二激光光源的第二光束穿过一厚度为t2的基底聚集在第二光学信息介质的记录表面上，且t1＜t2。
31、一种光学信息装置，包括：
一光头装置，包括权利要求16的光学透镜和一激光光源；
一马达，用于旋转一光学信息介质；和
一电路，用于接收从所述光头装置获得的信号，并根据该信号控制和驱动该马达、所述光学透镜，和所述激光光源中的至少任何一个。
32、一种计算机，包括：
权利要求31的光学信息装置；
一计算装置，用于根据输入信息和通过所述光学信息装置再现的信息中的至少一个执行计算；和
一输出装置，用于输出该输入信息、该通过所述光学信息装置再现的信息，以及通过在所述计算装置中的计算获得的结果中的至少一个。
33、一种光学信息介质播放器，包括权利要求31的光学信息装置，和一解码器，该解码器用于将由所述光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
34、一种汽车导航系统，包括权利要求31的光学信息装置，和一解码器，该解码器用于将由所述光学信息装置获得的信息信号转换成图像。
35、一种光学信息介质记录器，包括权利要求31的光学信息装置，和一个编码器，该编码器用于将图像信息转换成将利用所述光学信息装置记录的信息。
36、一种光学信息介质服务器，包括权利要求31的光学信息装置，和一个输入/输出终端，该终端用于和外界交换信息。
37、一种光学透镜，包括一全息图、一折射透镜，和一相位级差，
其中所述全息图对于蓝光最强产生+2级衍射光，对于红光最强产生+1级衍射光，
在至少包括与所述全息图的光轴的一交点的一内部圆周部分中形成全息图的全息光栅，
蓝光的+2级衍射光被聚集穿过厚度为t1的基底，且红光的+1级衍射光穿过该内部圆周部分被聚集穿过厚度为t2的基底，且t1＜t2，以及
当蓝光穿过所述相位级差时产生的光程长度差为蓝光波长的五倍。
38、根据权利要求9的光学透镜，其中在所述内部圆周部分外侧的一外部圆周部分中进一步形成一全息光栅，
该外部圆周部分中的该全息光栅为具有锯齿形截面形状的锯齿形光栅，该外部圆周部分中的该锯齿形光栅的高度为h3，且对于蓝光h3提供约为一个波长的光程长度差，以及
在该外部圆周部分中，对于蓝光最强产生+1级衍射光，且对于红光最强也产生+1级衍射光。
39、一种光头装置，包括：
权利要求37的光学透镜；
第一激光光源，用于发出波长为λ1的蓝光；
第二激光光源，用于发出波长为λ2的红光；和
一光电检测器，用于接收从一光学信息介质的记录表面反射的光束并根据该光束的光量输出电信号，
其中所述光学透镜使来自所述第一激光光源的第一光束穿过一厚度为t1的基底聚集在第一光学信息介质的记录表面上，并使来自所述第二激光光源的第二光束穿过一厚度为t2的基底聚集在第二光学信息介质的记录表面上。
40、一种光学透镜，用于具有一个波长的光，该光学透镜包括一相位级差，其中当光通过该相位级差时产生的光程长度差为该光的波长的整数倍。
41、一种光头装置，包括：
权利要求40的光学透镜；
一激光光源，用于发出光束；和
一光电检测器，用于接收从一光学信息介质的记录表面反射的光束并根据该光束的光量输出电信号，
其中所述光学透镜使来自所述激光光源的光束穿过一基底聚集在该光学信息介质的记录表面上。
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