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CN1641766A - 用于光盘的物镜 - Google Patents

用于光盘的物镜 Download PDF

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CN1641766A
CN1641766A CNA2005100020311A CN200510002031A CN1641766A CN 1641766 A CN1641766 A CN 1641766A CN A2005100020311 A CNA2005100020311 A CN A2005100020311A CN 200510002031 A CN200510002031 A CN 200510002031A CN 1641766 A CN1641766 A CN 1641766A
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Abstract

一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜。该物镜包括至少一个包括多个由台阶划分的环形带的表面。台阶具有相移通过多个环形带的光的波阵面的功能，使得在通过台阶相移的波阵面的平均波阵面的会聚点形成的光束斑用于第一和第二光盘。至少一个表面的多个环形带包括至少一个环形带结构，其包括第一和第二环形带组，每组各具有用于沿第一方向相移波阵面的至少三级台阶；和第一返回台阶，其是在第一和第二环形带组之间的边界形成的台阶。第一返回台阶沿与第一方向相反的第二方向相移波阵面。由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|满足条件：6π＜|Δψ1|＜ 14π …(1)。由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|小于由第一环形带组给定的总相移量绝对值和由第二环形带组给定的总相移量绝对值中较大的一个。

Description

用于光盘的物镜
技术领域
本发明涉及用于光盘驱动器器的物镜，其能够从具有不同覆盖层厚度和/或不同记录密度的两种类型光盘记录数据和/或再现数据。
背景技术
通常，用于光盘驱动器的光学拾取具有激光光源例如激光二极管；物镜，其将由激光光源发射的激光束会聚在光盘的记录表面上以在记录表面上形成光束斑；和接收从记录表面反射并透过物镜的激光束的信号检测系统。信号检测系统基于接收到的激光束产生各种信号。
有各种类型的具有不同覆盖层厚度和/或不同记录密度的光盘。例如，DVD(数字通用盘)具有比CD(压缩盘)或CD-R(CD可记录)更高的记录密度，并具有比CD或CD-R更薄的覆盖层。DVD-R，DVD-RW和DVD+RW归类于DVD标准，因为DVD-R，DVD-RW和DVD+RW基本上具有与DVD相同的覆盖层厚度和所需的数值孔径。同样，CD-R和CD-RW归类于CD标准，因为CD-R和CD-RW基本上具有与CD相同的覆盖层厚度和所需的数值孔径。
光盘驱动器需要校正由各种类型的光盘的覆盖层厚度之间的差引起的象差。各个日本专利临时公开No.HEI9-54973(在下文中称为文献1)，2000-81566(在下文中称为文献2)和2001-249273(在下文中称为文献3)公开了用于校正由光盘的覆盖层厚度之间的差引起的象差的光盘驱动器的光学系统。
根据这些公开，光学系统具有在物镜附近的光学元件上形成的或在物镜上形成的专用结构(称为相移表面，衍射表面，或全息表面)的光学表面，以便利用根据光束波长改变具有专用结构的光学表面中球差状况的现象来校正(消除)光盘覆盖层厚度变化引起的球差。
各个相移表面，衍射表面和全息表面表示在光学元件的基本形状上形成多个细小的台阶构成的表面结构。即，相移表面，衍射表面和全息表面具有在每级台阶上给定相移(光程差)的功能，这样透过位于每级台阶两侧附近区域的光束彼此干涉，由此不同于折射的光学效果作用于光束上。
更具体地说，在文献1中公开的光学系统设置成具有在位于物镜附近的光学元件上形成的全息表面。在文献1中还公开了通过蚀刻形成全息表面。为了简化全息表面的制造工艺并提高制造工艺的精度，全息表面设计成具有多级台阶状的结构，每个全息表面大约有四级台阶。但是，如果物镜由树脂制成，光学系统不能校正由于环境温度变化引起的球差变化。
在文献2中，形成具有这种表面的物镜，在该表面上衍射结构具有相移透过其的光束的功能。与文献1的光学系统相反，即使物镜由树脂制成，文献2的物镜可以校正由于环境温度变化引起的球差。文献2的物镜设置成根据透过衍射结构光束的波长，通过利用衍射结构改变球差状况的事实来校正所使用光盘覆盖层引起的球差。
但是，文献2的光学系统具有这样的缺陷，由于环境温度引起的球差变化被由物镜引起的球差变化过度校正。
如上所述，文献2的光学系统通过使用在物镜中球差变化的波长关系式来校正球差。出于这个原因，文献2的光学系统要求使用具有相当小个体差异(即，波长的变化)性能的光源。
文献3的光学系统包括具有在其上形成衍射结构表面的物镜，用于相移透过其的光束。文献3的物镜具有用于对各个相对低记录密度光盘(例如CD)的光束和相对高记录密度光盘(例如DVD)的光束形成光束斑的低NA(数值孔径)区，并具有用于仅对相对高密度光盘(例如DVD)的光束形成光束斑的高NA区。
在低NA区形成的衍射结构基本上具有与文献2中所示的衍射结构相同的结构。形成高NA区，使得既使环境温度变化相当大的量，球差的变化降到低水平，以便降低由于温度变化造成的整个光学系统的球差变化。
通常需要增加NA(数值孔径)来进一步提高具有相对低记录密度光盘的记录效率。因此，为了增加具有相对低记录密度光盘的NA，需要扩大低NA区，但是，如果扩大物镜的低NA区，就会增加物镜的缺陷(即，过量校正球差)。
发明内容
本发明的优点在于提供设计成充分地抑制在宽范围环境温度内球差的变化的物镜，并且既使物镜由树脂制成，对光源波长的各个变化具有足够的公差。
根据本发明法的一个方面，提供一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜。第一光盘具有高于第二光盘的记录密度。第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘。第二光束具有长于第一光束的波长。该物镜具有至少一个包括多个由台阶划分的环形带的表面。台阶具有相移通过多个环形带的光的波阵面(wavefront)的功能，使得在通过台阶相移的波阵面的平均波阵面的会聚点形成的光束斑用于第一和第二光盘的记录和/或再现。
而且至少一个表面的多个环形带包括至少一个环形带结构。至少一个环形带结构包括：第一和第二环形带组，每组具有用于沿第一方向相移波阵面的至少三级台阶，和第一返回台阶，第一返回台阶是在第一和第二环形带组之间的边界形成的台阶。第一返回台阶沿与第一方向相反的第二方向相移波阵面。由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|满足条件：
6π＜|Δψ1|＜14π               ...(1)
由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|小于由第一环形带组给定的总相移量绝对值和由第二环形带组给定的总相移量绝对值中较大的一个。
由于形成第一返回台阶，有可能避免由于温度变化对球差变化的校正的影响变得非常大的现象。即，既使物镜由树脂制成，也有可能分别将第一和第二光束合适地会聚到第一和第二光盘上。
而且，通过满足条件(1)，基于可以充分地抑制物镜性能变化的波长，由此可以提高单个波长变化的公差。而且，有可能有效地防止出现由于温度变化对球差变化校正不足的现象。
优选地，至少一个表面可以包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区。在这种情况下，在内区之内形成第一返回台阶。
还优选地，由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|可满足条件：
9.4π＜|Δψ1|＜10.6π                      ...(2)
其中第一光盘适应DVD标准，第二光盘适应CD标准。
还优选地，至少一个表面可以包括第二返回台阶，第二返回台阶是在内区和外区之间的边界形成的台阶，第二返回台阶沿与第一方向相反的第二方向相移波阵面。
根据本发明的另一方面，提供一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜。第一光盘具有高于第二光盘的记录密度。第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘。第二光束具有长于第一光束的波长。该物镜具有至少一个包括多个由台阶划分的环形带的表面。台阶具有对通过多个环形带的光给定光程差的功能，使得由通过至少一个表面的光形成的光束斑用于第一和第二光盘的记录和/或再现。
而且，至少一个表面的多个环形带包括至少一个环形带结构。至少一个环形带结构包括：第一和第二环形带组，每组各具有用于沿第一方向给定光程差的至少三级台阶；和第一返回台阶，第一返回台阶是在第一和第二环形带组之间的边界形成的台阶。第一返回台阶沿与第一方向相反的第二方向给定光程差。由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|满足条件：
3 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 7 - - - ( 3 )
其中λ1表示第一光束的波长。由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|小于由第一环形带组给定的总光程差绝对值和由第二环形带组给定的总光程差绝对值中较大的一个。
通过形成第一返回台阶，有可能避免由于温度变化对球差变化的校正的影响变得非常大的现象。即，既使物镜由树脂制成，有可能分别将第一和第二光束适当地会聚到第一和第二光盘上。
而且，通过满足条件(3)，基于可以充分地抑制物镜性能变化的波长，由此可以提高单个波长变化的公差。而且，有可能有效地防止出现由于温度变化对球差变化校正不足的现象。
优选地，至少一个表面可以包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区。在这种情况下，在内区之内形成第一返回台阶。
优选地，由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|满足条件：
4.7 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 5.3 - - - ( 4 )
其中第一光盘适应DVD标准，第二光盘适应CD标准。
优选地，至少一个表面包括第二返回台阶，其是在内区和外区之间的边界形成的台阶，第二返回台阶沿与第一方向相反的第二方向给定光程差。
根据本发明的另一实施例，提供一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜。第一光盘具有高于第二光盘的记录密度。第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘。第二光束具有长于第一光束的波长。该物镜具有至少一个包括衍射结构的表面。衍射结构包括多个由台阶划分的环形带，以至于具有将第一和第二光束分别适当地会聚到第一和第二光盘的记录表面上的功能。衍射结构包括至少第一和第二环形带组，第一环形带组和第二环形带组按照从物镜光轴的顺序定位。
而且，衍射结构设置成满足条件(5)至(7)或满足条件(5)，(8)和(9)：
4＜|φi+1(hi)-φi(hi)|＜8                               ...(5)
|φi(hi)-φi(hi-1)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)|          ...(6)
{фi(hi)-фi(hi-1)}/{фi+1(hi)-фi(hi)}＜0         ...(7)
|φi+1(hi+1)-φi+1(hi)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)|        ...(8)
{фi+1(hi+1)-фi+1(hi)}/{фi+1(hi)-фi(hi)}＜0      ...(9)
其中фi(h)表示在第i个环形带组中由衍射结构给定的附加光程差，hi表示在第i个环形带组和第i+1个环形带组之间边界位置的高度。фi(h)用下面的方程表示：
фi(h)＝(P0i+P2ih2+P4ih4+P6ih6+...)×m
其中，P0i、P2i、P4i和P6i是关于第i个环形带组附加光程差的第零级，第二级，第四级和第六级的系数，h表示从光轴的高度，m表示用于记录/再现操作的衍射级，并且如果i为0，则hi-1为0。
由于这种结构，有可能避免由于温度变化对球差变化的校正的影响变得非常大的现象。即，既使物镜由树脂制成，有可能分别将第一和第二光束适当地会聚到第一和第二光盘上。
基于可以充分地抑制物镜性能变化的波长，由此可以提高单个波长变化的公差。而且，有可能有效地防止出现由于温度变化对球差变化校正不足的现象。
优选地，至少一个表面包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区。在这种情况下，在内区之内形成边界位置。
优选地，物镜满足条件：
5.7＜|φi+1(hi)-φi(hi)|＜6.3              ...(10)
其中第一光盘适应DVD标准，第二光盘适应CD标准。
优选地，至少一个表面具有在内区和外区之间的边界形成的第一台阶，第一台阶给定光程差的方向等于由第i环形带组和第i+1环形带组之间的边界位置给定的光程差的方向。
关于本发明上述三个方面，在第一光盘的记录表面附近，通过内区的第一光束波阵面象差低于或等于±0.1λ。
优选地，物镜是单片透镜。
附图说明
图1是根据本发明实施例包括物镜的光学系统的光学框图；和
图2是包括光轴的物镜横截面图，详细给出了在物镜表面上形成的环形带结构。
具体实施方式
在下文中，参照附图描述根据本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例的包括物镜10的光学系统100的光学框图。光学系统100用于从两种类型的光盘D1和D2记录数据和/或再现数据。光盘D1(例如DVD)具有高于光盘D2(例如CD)的记录密度，并具有薄于光盘D2的覆盖层。在图1中，光盘D1用实线表示，光盘D2用虚线表示。
如图1所示，光学系统100包括第一和第二光源21和22、分束器23、耦合透镜24和物镜10。在图1中，光学系统100的参考轴用点划线表示。各个光盘D1和D2设置在旋转台(未示出)上并用于记录/再现操作旋转。
对于具有相对高记录密度的光盘D1的记录/再现操作，发射短于光源22发射的激光束L2波长的激光束L1的光源21用于在光盘D1的记录表面上形成相对小的光束斑。对于具有相对低记录密度的光盘D2的记录/再现操作，发射相对长波长激光束L2的光源22用于形成直径大于光源21的激光束L1形成的直径的光束斑。在图1中，激光束L1用实线表示，激光束L2用虚线表示。
由光源21(22)发射的激光束L1(L2)通过分束器23入射到耦合透镜24上。因为各个光源21和22位于耦合透镜24的焦点处，激光束L1(L2)通过耦合透镜24准直。即，耦合透镜24在本实施例中起到准直透镜的作用。然后，通过耦合透镜24准直的激光束L1(L2)入射到物镜10上。
物镜10由树脂制成并且具有是球面的耦合透镜侧面10a和光盘侧面10b。物镜10通过驱动机构(未示出)沿其光轴方向(即，聚焦方向)移动。在图1中，用于光盘D1的记录/再现操作的物镜10的位置用实线表示，用于光盘D2的记录/再现操作的物镜10的位置用虚线表示。
通过物镜10会聚激光束L1以在光盘D1的记录表面上形成(即，在光盘D1的记录表面附近形成光束斑)光束斑。通过物镜10会聚激光束L2以在光盘D2的记录表面上形成(即，在光盘D2的记录表面附近形成光束斑)光束斑。如上所述，光盘D1和D2覆盖层的厚度彼此不同。因此，球差的状况根据所用的光盘变化。
在本实施例中，物镜10的至少一个表面具有由围绕物镜10的光轴同心形成的台阶划分的多个环形带(在下文中，这种结构称为环形带结构)。具有这种结构，物镜10充分抑制激光束L1的球差以在光盘D1的记录表面上形成适于光盘D1的记录/再现操作的光束斑，并且充分抑制激光束L2的球差以在光盘D2的记录表面上形成适于光盘D2的记录/再现操作的光束斑。
图2是包括物镜10的光轴AX的物镜10的横截面图，详细给出了在表面10a上形成的环形带结构。在图2中，三个方向X1，X2和h限定如下。平行于光轴AX并且从表面10b朝向表面10a的方向限定为方向X1，平行于光轴AX并且从表面10a朝向表面10b的方向限定为方向X2。垂直于光轴AX并朝向图2的上侧的方向限定为方向h(物镜10的高度增加的方向)。
如图2所示，表面10a分成内区11和外区12。在内区11和外区12中形成环形带结构。在内区11中构成环形带结构，使得激光束L1和L2分别会聚到光盘D1和D2的记录表面上。
在外区12中构成环形带结构，使得激光束L1合适地会聚到光盘D1的记录表面上。即，外区12不是用于形成激光束L2的光束斑。外区12起激光束L2的孔径光阑作用。
而且，内区11分成第一环形带组111和第二环形带组112。各个第一和第二环形带组111和112具有至少三级台阶，每级台阶用于沿方向X1相移激光束的波阵面。
在第一环形带组111和第二环形带组112之间形成返回台阶BS1，以沿方向X2相移激光束的波阵面。通过在内区11中形成返回台阶BS1，就有可能避免由于温度变化对球差变化的校正的影响变得非常大的现象。为了增加由返回台阶BS1提供的这种优点的效果，返回台阶BS1设计成满足条件(1)：
6π＜|Δψ1|＜14π                       ...(1)
其中|Δψ1|表示由返回台阶BS1给定的激光束L1的相移量的绝对值。
通过满足条件(1)，基于可以充分地抑制物镜10性能变化的波长，由此可以提高单个波长变化的公差。如果|Δψ1|低于条件(1)的下限，就不可能避免由于温度变化对球差变化的校正的影响变得非常大的现象。如果|Δψ1|高于条件(1)的上限，各个台阶的尺寸变大，由此物镜的制造工艺变得太困难。而且，在这种情况下，相对波长轻微变化，象差的变化变大。
如果光盘D1和D2分别是CD和DVD，使用波长大约为660nm的激光束L1和波长大约为780nm的激光束L2。应该注意激光束L1的波长与激光束L2的波长比率大约是5∶6。如果物镜10使用这种条件，物镜10设计成相移量|Δψ1|大约是10π。为了更精确，物镜10设计成满足条件(2)。
9.4π＜|Δψ1|＜10.6π               ...(2)
通过满足条件(2)，通过返回台阶BS1的激光束L2的相位彼此相同。因此，设计成满足条件(2)的通过返回台阶BS1的两束激光束L1和L2被分别合适地会聚到光盘D1和D2的记录表面上。
物镜10可以设计成这样，相移量|Δψ1|小于由环形带组111和112给予激光束L1的两个相移量的较大一个。通过这种结构，就有可能有效地防止出现由于温度变化对球差变化校正不足的现象。
对于如上所述通过环形带组111和112以及返回台阶BS1获得的功能，有可能考虑环形带组111和112以及返回台阶BS1将光程差给予通过它们的激光束。因此，条件(1)和(2)可以分别用下列的条件(3)和(4)表示。
3 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 7 - - - ( 3 )
4.7 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 5.3 - - - ( 4 )
在上述条件(3)和(4)中，ΔOPD表示由返回台阶BS1给予激光束L1的光程差，λ1表示激光束L1的波长。
考虑到是衍射结构的环形带结构，下面解释关于返回台阶BS1和环形带组111和112的结构。
由第i个环形带组给定的附加光程用下面的方程表示：
     фi(h)＝(P0i+P2ih2+P4ih4+P6ih6+...)×m
其中，P0i、P2i、P4i和P6i是对于第i个环形带组的第零级，第二级，第四级和第六级的系数，h表示从光轴的高度，m表示用于记录/再现操作的衍射级。
如果在第i个环形带组和第i+1个环形带组之间的边界位置高度用hi表示，下面解释衍射结构的构成。即，衍射结构设计成满足条件(5)至(7)或满足条件(5)，(8)和(9)。
4＜|φi+1(hi)-φi(hi)|＜8                               ...(5)
|φi(hi)-φi(hi-1)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)|            ...(6)
{фi(hi)-фi(hi-1)}/{фi+1(hi)-фi(hi)}＜0          ...(7)
|φi+1(hi+1)-φi+1(hi)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)          ...(8)
{фi+1(hi+1)-фi+1(hi)}/{фi+1(hi)-фi(hi)}＜0       ...(9)
在上述条件(5)至(9)中，如果i为0，则hi-1为0。
对于返回台阶BS1和环形带组111和112的结构，i＝1赋予条件(5)至(9)。对于条件(5)至(9)，|φi+1(hi)-φi(hi)|表示返回台阶BS1的长度Δ1，|φi(hi)-|φi(hi-1)|表示沿光轴AX的平行线、从在环形带组111中最外的折射面的端部111e到在环形带组111中最内折射面的沿长线E1(在图2中用点划线表示)测量的长度Δ2，|φi+1(hi+1)-φi+1(hi)|表示沿光轴AX的平行线、从环形带组112中的最外折射面的端部112e到环形带组112中的最内折射面的延长线E2(在图2中用双点划线表示)测量的长度Δ3。
应该注意，在这个实施例中尽管考虑每个台阶给定的光程差(相移量)与光轴方向每个台阶的尺寸成比例，实际上每个台阶给定的光程差根据折射表面的法线相对光轴的倾斜和/或在入射光线和光轴之间形成的角度来变化。
而且条件(4)可以变为下面的条件(10)。
5.7＜|φi+1(hi)-φi(hi)＜6.3           ...(10)
如图2所示，在内区11和外区12之间形成返回台阶BS2。返回台阶BS2基本上具有与返回台阶BS1相同的功能。通过对返回台阶BS1另外又形成返回台阶BS2，就有可能适当地避免由于温度变化(和/或无意的波长移动)对球差变化的校正的影响变得相当大的现象。
此后，解释根据本发明实施例的一个具体的示例(第一实施例)。在第一示例中，光盘D1是具有覆盖层厚度为0.6mm的DVD，光盘D2是具有覆盖层厚度为1.2mm的CD。
第一示例
下面参照图1来解释根据本实施例的第一示例的光学系统。图1也示出根据第一实施例的光学系统100。在第一实例中，物镜10是单片物镜，并且表面10a包括具有多个台阶的细微台阶结构。物镜10的表面10b是旋转对称球面。表1示出物镜10的光学性能。表2示出根据第一示例的光学系统100的数值构成。
表1
DVD  CD
 M 0.00  0.00
 F(mm) 3.00  3.02
 设计波长(nm) 660  785
设计NA   0.65   0.53
在表1中，M和f分别表示物镜10的放大率和焦距。设计波长意指适于对各个光盘记录/再现的光波长。在这个示例中，盘D1(DVD)的设计波长是660nm，盘D2(CD)的设计波长是785nm。设计NA意指在适于对各个光盘记录/再现操作的图像侧的数值孔径。
物镜10用作限定的光学系统(即，准直光束入射在物镜上)。
表2
 表面号 r  d(DVD)  d(CD)  n  V
 1(h＜1.600) 1.874  2.00  2.00  1.544  55.7
 1(h≥1.600) 1.880  2.00  2.00  1.544  55.7
 2 -7.530  1.50  1.13
 3  0.60  1.20  1.585  29.9
 4  -  -
在表2中，r表示各个透镜表面的曲率半径(mm)，“d(DVD)”表示在使用DVD时透镜的厚度或透镜之间的间隔(即，d表示从一个透镜表面到下一个透镜表面的距离)，“d(CD)”表示在使用CD时透镜的厚度或透镜之间的间隔(即，d表示从一个透镜表面到下一个透镜表面的距离)，n表示d射线(588nm)的折射率，v表示d射线的阿贝数，h表示从光轴的高度。
在表2中，表面号#1-#4表示在光学系统100中光学元件的光学表面。表面#1和#2分别表示物镜10的表面10a和表面10b。表面#3表示光盘的覆盖层，表面#4表示光盘的记录表面。
如表2所示，物镜10的表面10a包括在从光轴的高度小于或等于1.600mm的区域内形成的内区11，在从光轴的高度大于或等于1.600mm的区域内形成的外区12。
构成内区11，使得激光束L1和L2分别合适地会聚到光盘D1和D2的记录表面。更具体地说，构成内区11，使得通过它的各个激光束L1和L2的波阵面象差减小到小于或等于0.1λ的值。
构成外区12，使得通过它的激光束L1合适地会聚到光盘D1的记录表面上。更具体地说，构成外区12，使得通过它的激光束L1的波阵面象差减小到基本上为零，并且对通过它的激光束L2产生大量的波阵面象差。用这种结构，外区12对激光束L2起孔径光阑的作用。外区12具有不同于内区11的结构。
表面10a和10b是由列方程表示的非球面：
X ( h ) = Ch 2 1 + 1 - ( 1 + k ) C 2 h 2 + A 4 h 4 + A 6 h 6 + A 8 h 8 + A 10 h 10 + A 12 h 12
其中X(h)表示SAG量，其是在从光轴高度为h的非球面表面上的点和在光轴处与非球面表面正切的平面之间的距离，k表示圆锥系数，A4，A6，A8，A10和A12分别是第四级，第六级，第八级，第十级和第十二级的非球面系数。C是在它的光轴上的非球面的曲率。
表3示出物镜10的表面#1和#2的非球面系数和圆锥系数。
表3
 表面 k A4 A6 A8
 1(h＜1.600) -0.6050 -8.6510E-04 -3.6860E-04 -2.9360E-05
 1(h≥1.600) -0.6050 -8.5590E-04 2.0170E-04 -4.9510E-05
 2 0.0000 2.3180E-02 -7.7700E-03 1.5870E-03
 表面 A10 A12
 1(h＜1.600) -1.5560E-05 -2.6420E-06
 1(h≥1.600) 4.3410E-06 -4.7770E-06
 2 -1.9370E-04 1.0540E-05
表4示出在物镜10的表面10a的内区11和外区12中形成的微型台阶结构的详细结构。在表4中，微型台阶结构包括由围绕光轴同心形成的台阶分成的多个环形带。在表4中，各个环形带的高度范围用hmin和hmax表示(即，在hmin到hmax的高度范围内形成各个环形带)，对于各个环形带，还表示由各个环形带对通过它们的激光束给定的附加光程。
表4
 hmin  hmax 附加光程
内区11 环形带组111  0.000  0.649 -1.10
 0.649  0.847 -1.09
 0.847  0.957 -1.09
 0.957  1.036 -1.09
 1.036  1.099 -1.09
 1.099  1.152 -1.09
 1.152  1.198 -1.09
 1.198  1.238 -1.09
 1.238  1.274 -1.09
 1.274  1.307 -1.09
 1.307  1.337 -1.09
 1.337  1.366 -1.09
 1.366  1.392 -1.09
返回台阶BS1  1.392  1.416  4.95
环形带组112  1.416  1.439 -1.00
 1.439  1.461 -1.00
 1.461  1.482 -1.00
 1.482  1.502 -1.00
 1.502  1.520 -1.00
 1.520  1.539 -1.00
 1.539  1.556 -1.00
 1.556  1.572 -1.00
 1.572  1.588 -1.00
返回台阶BS2  1.588  1.600  1.00
 1.600  1.613 -1.00
 1.613  1.637 -1.00
 1.637  1.659 -1.00
 1.659  1.681 -1.00
 1.681  1.702 -1.00
 1.702  1.722 -1.00
 1.722  1.742 -1.00
外区12  1.742  1.761 -1.00
 1.761  1.780 -1.00
 1.780  1.798 -1.00
 1.798  1.816 -1.00
 1.816  1.833 -1.00
 1.833  1.850 -1.00
 1.850  1.866 -1.00
 1.866  1.883 -1.00
 1.883  1.898 -1.00
 1.898  1.914 -1.00
 1.914  1.929 -1.00
 1.929  1.944 -1.00
 1.944  1.950 -1.00
如表4所示，内区11被分成在高度达到1.416mm区域中形成的环形带组111和在高度从1.416mm到1.600mm范围区域中形成的环形带组112。环形带组111包括13个环形带，环形带组112包括9个环形带。在环形带组111和112之间形成返回台阶BS1。
环形带组111用于将-14.23λ1的光程差(即，-28.46π的相移量)给激光束L1。环形带组112用于将-9.00λ1的光程差(即，-18.00π的相移量)给激光束L2。
在内区11和外区12之间形成返回台阶BS2，使得返回台阶BS2将1.00λ1的光程差(即，2.00π的相移量)给激光束L1。
表4示出的微型台阶结构(环形带结构)可以认为是衍射结构，其通过光程差函数Ф(h)来限定，Ф(h)表示为：
Ф(h)＝(P0+P2h2+P4h4+P6h6+...)×m×λ
其中P0、P2、P4、和P6是第零级、第二级、第四级和第六级的系数，h表示从光轴的高度，m表示衍射级，λ表示用于记录/再现操作的工作波长。对于内区11，m表示激光束L1和L2的衍射级。对于外区12，m表示激光束L1的衍射级。
光程差Ф(h)表示在从光轴的高度为h时，没有通过衍射透镜结构的假设光线的光程与被衍射透镜结构衍射的光线的光程的差。换句话说，光程差Ф(h)表示被衍射透镜结构衍射的各个光线的附加光程。在各个区形成的台阶(即，附加光程)设计成尺寸等于闪耀波长(blazedwavelength)的一个波长。
表5示出应用于在物镜10的表面10a上形成的衍射结构的光程差函数Ф(h)的系数值。如表5所示，以720nm的波长传播环形带组111，以660nm的波长传播环形带阻112，以660nm的波长传播外区12。
表5
表面 P0  P2  P4  P6  传播波长
1(h＜1.416) 0.0000E+00  0.0000E+00  -2.6660E+00  -3.4400E-01  720nm
1(h＜1.600) 6.0000E+00  0.0000E+00  -2.6660E+00  -3.4400E-01  660nm
1(h≥1.600) 2.0000E+00  -6.9700E-01  -2.6640E+00  7.7000E-02  660nm
对于上述条件，光学系统(物镜10)用于提供下列值。
Δψ1＝9.90π
&Delta;OPD &lambda; 1 = 4.95
фi+1(hi)-фi(hi)＝ф2(1.416)-ф1(1.416)＝6.0
фi(hi)-фi(hi-1)＝ф1(1.416)-ф1(0)＝-13.5
фi+1(hi+1)-фi+1(hi)＝ф2(1.600)-ф1(1.416)＝-9.8
从上述列出的关于条件(1)至(10)的值应该理解，根据第一示例的物镜10满足所有的条件(1)至(10)。通过满足条件(1)至(10)(即，通过在物镜10上形成满足条件(1)至(10)的返回台阶BS1)，根据第一示例的物镜10适于将激光束L1和L2分别会聚到光盘D1和D2的记录表面上，同时抑制由温度变化引起的球差变化。应该注意既使物镜10由树脂制成，也可以获得物镜10的这种优点。
表6和表7示出当使用DVD时，通过根据该示例的物镜10和根据相当示例的物镜在DVD的记录表面上形成的光束斑形状的模拟结果。根据相当示例的物镜基本上与第一示例有相同的结构，但没有构成返回台阶BS1和BS2。
表6示出当光源发射的激光束波长比设计波长变化10nm时光束斑的模拟结果。表7示出当环境温度变化比设计温度变化50℃时光束斑的模拟结果。环境温度50℃的变化一般认为是对应大约10nm的波长移动。
表6
斑直径 光量变化[％]
[μm] 变化率[％]
设计值 0.834 - 100.0
第一示例 0.834 0.00 97.1
相当示例 0.832 -0.20 97.6
表7
斑直径 光量变化[％]
[μm] 变化率[％]
设计值 0.834 - 100.0
第一示例 0.836 0.23 96.7
相当示例 0.843 1.07 92.9
从表6和表7中可以看出，对于根据第一示例的物镜10，设计值的光束斑尺寸与温度变化后或波长变化后的光束斑尺寸之间的差可以忽略不计。即，表6和7中的模拟结果表示既使环境温度或波长变化，根据第一示例的物镜10能够形成合适的光束斑。
相反，由根据相当示例的物镜形成的斑尺寸随温度变化和波长变化而变化。即，根据相当示例的物镜不能获得根据该第一示例的物镜10具有的优点。
虽然参照本发明的一些优选实施例相当详细地描述本发明，但还可以有其它实施例。
在上述实施例中，内区11包括具有两个环形带组(111和112)和在两个环形带组之间的返回台阶(BS1)的一个环形带结构。但是，物镜可以具有多个环形带结构，各个环形带结构具有两个环形带组和在两个环形带组之间形成的返回台阶。
应该注意在各个内区11和外区12中环形带的数量在上述实施例中通过示例的方式表示。在内区11或外区12中的环形带数量不限于
实施例中示出的数量。
如果外区12正确地设置成将激光束L1会聚到球差被充分地抑制的光盘D1的记录表面上，则物镜10可以不设置返回台阶BS2。
在上述实施例中，外区12设置为激光束L2的孔径光阑。还可能这样设置外区12，外区12具有提高光束斑质量(例如，减少旁瓣)的功能和作为激光束L2的孔径光阑的功能。通过设计外区12适当地控制在使用激光束L2期间在外区12中造成的波阵面象差量可以获得外区12的这些功能。

Claims (18)

1.一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜，第一光盘具有高于第二光盘的记录密度，第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘，第二光束具有长于第一光束的波长，
物镜包括至少一个包括多个由台阶划分的环形带的表面，台阶具有相移通过多个环形带的光的波阵面的功能，使得在通过台阶相移的波阵面的平均波阵面的会聚点形成的光束斑用于第一和第二光盘的记录和/或再现，
至少一个表面的多个环形带包括至少一个环形带结构，
至少一个环形带结构包括：
第一和第二环形带组，每组各具有用于沿第一方向相移波阵面的至少三级台阶；和
第一返回台阶，其是在第一和第二环形带组之间的边界形成的台阶，第一返回台阶沿与第一方向相反的第二方向相移波阵面，
其中由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|满足条件：
6π＜|Δψ1|＜14π              ...(1)
其中由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|小于由第一环形带组给定的总相移量绝对值和由第二环形带组给定的总相移量绝对值中较大的一个。
2.如权利要求1所述的物镜，
其中至少一个表面包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区，以及
其中在内区之内形成第一返回台阶。
3.如权利要求2所述的物镜，
其中第一光盘适应DVD标准，
其中第二光盘适应CD标准，以及
其中由第一返回台阶给定的第一光束的相移量的绝对值|Δψ1|满足条件：
9.4π＜|Δψ1|＜10.6π           ...(2)。
4.如权利要求2所述的物镜，其中至少一个表面包括第二返回台阶，其是在内区和外区之间的边界形成的台阶，第二返回台阶沿与第一方向相反的第二方向相移波阵面。
5.如权利要求2所述的物镜，其中在第一光盘的记录表面附近，通过内区的第一光束的波阵面象差低于或等于±0.1λ。
6.如权利要求1所述的物镜，其中物镜是单片透镜。
7.一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜，第一光盘具有高于第二光盘的记录密度，第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘，第二光束具有长于第一光束的波长，
物镜包括至少一个包括多个由台阶划分的环形带的表面，台阶具有对通过多个环形带的光给定光程差的功能，使得由通过至少一个表面的光形成的光束斑用于第一和第二光盘的记录和/或再现，
至少一个表面的多个环形带包括至少一个环形带结构，
至少一个环形带结构包括：
第一和第二环形带组，每组各具有用于沿第一方向给定光程差的至少三级台阶；和
第一返回台阶，其是在第一和第二环形带组之间的边界形成的台阶，第一返回台阶沿与第一方向相反的第二方向给定光程差，
其中由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|满足条件：
3 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 7 . . . ( 3 )
其中λ1表示第一光束的波长，
其中由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|小于由第一环形带组给定的总光程差绝对值和由第二环形带组给定的总光程差绝对值中较大的一个。
8.如权利要求7所述的物镜，
其中至少一个表面包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区，和
其中在内区之内形成第一返回台阶。
9.如权利要求8所述的物镜，
其中第一光盘适应DVD标准，
其中第二光盘适应CD标准，和
其中由第一返回台阶给予第一光束的光程差的绝对值|ΔOPD|满足条件：
4.7 < | &Delta;OPD &lambda; 1 | < 5.3 . . . ( 4 ) .
10.如权利要求8所述的物镜，其中至少一个表面包括第二返回台阶，其是在内区和外区之间的边界形成的台阶，第二返回台阶沿与第一方向相反的第二方向给定光程差。
11.如权利要求8所述的物镜，其中在第一光盘的记录表面附近，通过内区的第一光束的波阵面象差低于或等于±0.1λ。
12.如权利要求7所述的物镜，其中物镜是单片透镜。
13.一种用于从第一和第二光盘记录数据和/或再现数据的物镜，第一光盘具有高于第二光盘的记录密度，第一光束用于第一光盘，第二光束用于第二光盘，第二光束具有长于第一光束的波长，
物镜包括至少一个包括衍射结构的表面，
衍射结构包括多个由台阶划分的环形带，以至于提供适于将第一和第二光束分别会聚到第一和第二光盘的记录表面上的功能，
衍射结构包括至少第一和第二环形带组，第一环形带组和第二环形带组按照从物镜光轴的顺序定位，
其中衍射结构设置成满足条件(5)至(7)或满足条件(5)，(8)和(9)：
4＜|φi+1(hi)-φi(hi)|＜8                             ...(5)
|φi(hi)-φi(hi-1)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)|          ...(6)
{φi(hi)-φi(hi-1)}/{φi+1(hi)-φi(hi)}＜0        ...(7)
|φi+1(hi+1)-φi+1(hi)|＞|φi+1(hi)-φi(hi)|       ...(8)
{φi+1(hi+1)-φi+1(hi)}/{φi+1(hi)-φi(hi)}＜0     ...(9)
其中φi(h)表示在第i个环形带组中由衍射结构给定的附加光程差，hi表示在第i个环形带组和第i+1个环形带组之间边界位置的高度，
其中φi(h)用下面的方程表示：
φi(h)＝(P0i+P2ih2+P4ih4+P6ih6+...)×m
其中，P0i、P2i、P4i和P6i是关于第i个环形带组的附加光程差的第零级，第二级，第四级和第六级的系数，h表示从光轴的高度，m表示用于记录/再现操作的衍射级，并且如果i为0，则hi-1为0。
14.如权利要求13所述的物镜，
其中至少一个表面包括用于会聚第一和第二光束的内区和仅用于会聚第一光束的外区，和
其中在内区之内形成边界位置。
15.如权利要求14所述的物镜，
其中第一光盘适应DVD标准，
其中第二光盘适应CD标准，和
其中物镜满足条件：
5.7＜|φi+1(hi)-φi(hi)|＜6.3              ...(10)。
16.如权利要求15所述的物镜，其中至少一个表面具有在内区和外区之间的边界形成的第一台阶，第一台阶给定光程差的方向等于由第i环形带组和第i+1环形带组之间的边界位置给定的光程差的方向。
17.如权利要求14所述的物镜，其中在第一光盘的记录表面附近，通过内区的第一光束的波阵面象差低于或等于±0.1λ。
18.如权利要求13所述的物镜，其中物镜是单片透镜。
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