專利名稱：包括由兩種材料構(gòu)成的物鏡的掃描設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)掃描設(shè)備，還涉及一種透鏡系統(tǒng)，其適合于、但不限于用作這種掃描設(shè)備中的物鏡，以及涉及用于制造這種設(shè)備和這種系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
在光學(xué)記錄中，光學(xué)記錄載體和用于掃描(例如寫入和/或讀取)該載體的設(shè)備的小型化趨勢與日俱增。光學(xué)記錄載體的實(shí)例包括CD(密致盤)和DVD(數(shù)字通用盤)。
為了使光學(xué)記錄載體更小，同時(shí)不降低信息存儲容量，必須提高該載體上的信息密度。信息密度的這種增加一定會(huì)伴有用于掃描信息的更小的輻射光點(diǎn)。通過提高用于將掃描設(shè)備中的輻射光束聚焦到記錄載體上的物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)能實(shí)現(xiàn)更小的光點(diǎn)。因此，需要具有高數(shù)值孔徑(例如NA＝0.85)的透鏡。
常規(guī)的高NA物鏡包括兩個(gè)元件，以便減少制造容差，這樣做的代價(jià)是引入了對準(zhǔn)組成物鏡的各個(gè)元件的額外裝配步驟。
由M Itonga、F Ito、K Matsuzaki、S Chaen、K Oishi、T Ueno和A Nishizawa在2002年3月的Jpn.J.App1.Phys.No.3B、Part 1的Vol.41(2002)pp.1798-1803中發(fā)表的日本論文“SingleObjective Lens Having Numerical Aperture 0.85 for a HighDensity Optical Disk System(用于高密度光盤系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為0.85的單物鏡)”描述了具有兩個(gè)非球面的單個(gè)物鏡，其NA相對高，為0.85。該透鏡由玻璃制成。透鏡直徑是4.5mm，并且該透鏡的孔徑直徑為3.886mm。這種單元件透鏡不需要雙元件物鏡所需的額外對準(zhǔn)裝配步驟。因?yàn)镹A值大，所以該物鏡更容易受到制造過程中的變化影響，即制造容差的影響。因此，與具有較低數(shù)值孔徑的物鏡相比，對于這些高NA物鏡來講，制造公差在設(shè)計(jì)過程中起到甚至更為重要的作用。
為了減少掃描設(shè)備的大小，需要使該掃描設(shè)備中的組件(例如物鏡)做的盡可能地小。
然而，不可能簡單地按比例縮減大透鏡設(shè)計(jì)以制造更小的透鏡，這是因?yàn)橥哥R的設(shè)計(jì)取決于光學(xué)記錄媒質(zhì)的性質(zhì)。例如，透鏡的設(shè)計(jì)方案取決于透明層的性質(zhì)，該透明層通常覆蓋光學(xué)記錄載體上的信息層，而且掃描輻射束必須穿過該透明層。在按比例縮小的過程中，該盤覆蓋層的厚度未受影響(相同的記錄載體可能用于普通尺寸的物鏡和小尺寸的物鏡)。因此，適合于掃描該光學(xué)記錄媒質(zhì)的小尺寸物鏡的設(shè)計(jì)將基本上不同于普通尺寸物鏡的設(shè)計(jì)。
而且，雖然期望該物鏡是由單個(gè)元件構(gòu)成的(裝配兩個(gè)小元件是困難的，因此更為昂貴)，然而單獨(dú)由玻璃制成單個(gè)元件較為昂貴。玻璃模制生產(chǎn)過程要求高溫以融化玻璃，以及相對大的力來使融化的玻璃成型，因此使生產(chǎn)的透鏡是較為昂貴的部件。
制造單個(gè)元件透鏡的廉價(jià)可選方法是在平面或者球形基底(例如玻璃)上形成合成樹脂。例如，玻璃球的制造相對便宜，所以截頂玻璃球是理想的基底。可以將合成樹脂涂敷到該基底的表面，從而提供需要的表面形狀(例如非球面)。US4,623,496描述了如何將這種液體合成樹脂涂敷到基底上，并且隨后將該合成樹脂固化，從而形成具有預(yù)定的需要的非球面彎曲特性的層。
可以理解，對于利用合成樹脂形成在基底上的透鏡的設(shè)計(jì)約束不同于由單個(gè)物質(zhì)(例如玻璃)構(gòu)成的透鏡的設(shè)計(jì)約束。例如，合成樹脂通常具有不同于基底的折射率。
還可以理解，隨著透鏡制作地更小，高NA的透鏡仍然容易受到制造過程中變化(即制造公差)的影響。


圖1A表示了物鏡18的實(shí)例，其具有玻璃體200，該玻璃體具有基本上為球形表面181和基本上為平面的表面182。繼而向該玻璃體的第一表面181涂敷至少一層合成樹脂，從而形成非球形表面。可以理解，如果該玻璃體沒有準(zhǔn)確地形成或者對準(zhǔn)，那么通過添加樹脂而形成的透鏡性能將受到影響。該透鏡沿著光軸的總厚度為t(即玻璃體加上樹脂層的厚度)。
在圖1A-1D所示的實(shí)例中，將兩個(gè)分開的樹脂層100、102涂敷到該玻璃體200的各個(gè)表面181、182上。使每個(gè)樹脂層181、182定形，從而形成各自的非球面表面。
后面的圖1B、1C和1D分別表示了由于兩個(gè)非球面表面相對于需要的光軸19的厚度變化、偏心和傾斜造成基底的形狀和定位如何變化(在每個(gè)例子中，表面181的原始位置用虛線表示)。
圖1B表示了透鏡的總厚度大于需要厚度，在這個(gè)例子中這是由于表面181、182之間的間隔大于需要的間隔造成的。然而，可以理解，這兩個(gè)表面實(shí)際上也可能會(huì)比需要的相隔更近。
圖1C表示了兩個(gè)非球面表面偏心。在這個(gè)實(shí)例中，玻璃體200的位置在與相對需要光軸19的理想位置垂直的方向上發(fā)生了移動(dòng)，同時(shí)非球面表面100的中心偏離了需要的光軸19，雖然非球面表面102的中心仍然位于軸19上。
圖1D表示了包括表面181的玻璃體如何傾斜，即如何相對于沿主軸的期望旋轉(zhuǎn)對稱位置旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致上部的非球面表面100相對于下部的非球面表面102傾斜。
本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種由基底材料上的合成樹脂制成的物鏡，其能夠容忍合理的制造容差。
在光學(xué)掃描設(shè)備中，由于掃描設(shè)備內(nèi)物鏡的不準(zhǔn)確對準(zhǔn)、記錄載體相對于掃描設(shè)備的位置的變化、或是由于所利用的輻射光束未沿著光軸傳播，輻射光束可能傾斜地入射到物鏡上。例如，這種離軸束通常用于提供關(guān)于掃描輻射光點(diǎn)在記錄載體上的定位的信息。
這種傾斜光束入射導(dǎo)致了波前像差。通常，對于整個(gè)光學(xué)掃描設(shè)備掃描光束的波前像差，所允許的總的光路差的均方根(OPDrms)容差大約為0.07λ(其中λ是相關(guān)輻射光束的波長)，因此該系統(tǒng)受到衍射限制。可以方便地以mλ表示OPDrms(其中0.001λ＝1mλ)。透鏡系統(tǒng)的場是其中傾斜光束產(chǎn)生的OPDrms小于15mλ的區(qū)域。透鏡系統(tǒng)的視場是該場的兩倍。
本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供由基底上的合成樹脂制成的小尺寸高NA物鏡，其容許傾斜光束入射到該透鏡并且容許制造誤差。
發(fā)明概述在第一方面中，本發(fā)明提供了用于掃描光學(xué)記錄載體的信息層的光學(xué)掃描設(shè)備，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該設(shè)備包括用于產(chǎn)生輻射束的輻射光源以及用于將該輻射束會(huì)聚到信息層上的物鏡系統(tǒng)，該物鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
通過設(shè)計(jì)滿足上述條件的透鏡，所得到的透鏡容許傾斜光束入射和制造誤差。
在另一方面中，本發(fā)明提供了一種透鏡系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)用于將輻射束會(huì)聚到光學(xué)記錄載體的信息層上的透鏡，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該透鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
在又一方面中，本發(fā)明提供了用于制造透鏡系統(tǒng)的方法，該透鏡系統(tǒng)包括至少一個(gè)由基底上的合成樹脂制成的透鏡，以用于將輻射束會(huì)聚到光學(xué)記錄載體的信息層上，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該方法包括以下形成基底的步驟，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
在另一方面中，本發(fā)明提供了制造光學(xué)掃描設(shè)備的方法，該設(shè)備用于掃描光學(xué)記錄載體的信息層，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該方法包括以下步驟提供用于生成輻射束的輻射源；提供用于將該輻射束會(huì)聚到信息層上的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
本發(fā)明的其它方面從從屬權(quán)利要求中將顯而易見。
附圖簡述為了更好地理解本發(fā)明，以及為了表示本發(fā)明的實(shí)施例如何實(shí)現(xiàn)，將通過舉例的方式參照相應(yīng)簡圖，其中圖1A、1B、1C、1D表示了具有基本上為球面的第一表面和基本上為平面的表面的透鏡，而該球面表面分別位于需要的位置上、距離第二表面過遠(yuǎn)、相對于第二表面偏心、以及相對于第二表面傾斜；圖2表示了用于掃描光學(xué)記錄載體的設(shè)備，其包括物鏡系統(tǒng)；圖3表示了本發(fā)明實(shí)施例采用的兩種可選類型的透鏡設(shè)計(jì)；圖4表示了作為不同物鏡設(shè)計(jì)方案的平均值，分別由場、厚度、偏心和傾斜引起的波前像差作為折射率的函數(shù)，以及由這四種因素引起的均方根總波前像差作為折射率的函數(shù)；圖5表示了作為不同物鏡設(shè)計(jì)方案的平均值，分別由場、厚度、偏心和傾斜引起波前像差以及由這四種因素引起的均方根總波前像差作為該物鏡面對記錄載體的表面的歸一化光焦度的函數(shù)；圖6表示了對于不同物鏡設(shè)計(jì)，物鏡的平均最佳厚度以及物鏡基底的最佳折射率n作為自由工作距離(FWD)的函數(shù)。
實(shí)施例的詳細(xì)描述圖2表示了用于掃描光學(xué)記錄載體2的設(shè)備1，其包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的物鏡系統(tǒng)18。該記錄載體包括透明層3，在其一側(cè)上設(shè)置了信息層4。該信息層背對透明層的一側(cè)受到保護(hù)層5的保護(hù)而免受環(huán)境影響。該透明層面對該設(shè)備的一側(cè)稱作入射表面6。該透明層3通過為信息層提供機(jī)械支撐起到該記錄載體的基底的作用。
可選擇的是，該透明層可以僅僅具有保護(hù)信息層的功能，而機(jī)械支撐是由信息層另一側(cè)上的層來提供，例如由保護(hù)層5或者與該信息層4相連的其它信息層和透明層來提供?？梢詫⑿畔⒁怨鈱W(xué)可檢測標(biāo)記的形式存儲到記錄載體的信息層4中，這些標(biāo)記設(shè)置在基本上平行、同心或螺旋的軌道(未在圖中示出)中。這些標(biāo)記可以是任何光學(xué)可讀形式，例如坑的形式或者反射系數(shù)或磁化方向與其周圍不同的區(qū)域的形式，或者這些形式的組合。
該掃描設(shè)備1包括能夠發(fā)出輻射光束12的輻射光源11。該輻射光源可以是半導(dǎo)體激光器。分束器13將發(fā)散輻射光束12反射到準(zhǔn)直透鏡14，該透鏡將發(fā)散光束12轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)直光束15。該準(zhǔn)直光束15入射到物鏡系統(tǒng)18上。
該物鏡系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)透鏡和/或光柵。該物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。該物鏡系統(tǒng)18將光束15變?yōu)闀?huì)聚光束20，其入射到記錄載體2的入射表面6上。該物鏡系統(tǒng)具有適于使輻射光束通過透明層3厚度的球面像差校正。該會(huì)聚光束20在信息層4上形成了光點(diǎn)21。信息層4反射的輻射形成了發(fā)散光束22，物鏡系統(tǒng)18將其變?yōu)榛旧蠝?zhǔn)直的光束23，隨后準(zhǔn)直透鏡14將其變?yōu)闀?huì)聚光束24。分束器13通過將至少部分會(huì)聚光束24透射到檢測系統(tǒng)25而將前進(jìn)的和反射的光束分開。檢測系統(tǒng)捕獲到輻射并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵鲂盘?6。信號處理器27將這些輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N其它信號。
這些信號之一是信息信號28，該信號的值表示從信息層4讀取的信息。該信息信號受到用于誤差校正的信息處理單元29的處理。來自信號處理器27的其它信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號30。聚焦誤差信號表示光點(diǎn)21與信息層4之間的高度上的軸向差。徑向誤差信號表示在信息層4的平面中光點(diǎn)21與該光點(diǎn)所要跟隨的信息層中軌道中心之間的距離。
將聚焦誤差信號和徑向誤差信號供給伺服電路31，該電路將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧刂菩盘?2，以用于分別控制聚焦傳動(dòng)器和徑向傳動(dòng)器。這些傳動(dòng)器未在圖中示出。聚焦傳動(dòng)器控制物鏡系統(tǒng)18在聚焦方向33上的位置，從而控制光點(diǎn)21的實(shí)際位置，以使其基本上與信息層4的平面相一致。徑向傳動(dòng)器控制物鏡系統(tǒng)18在徑向34上的位置，從而控制光點(diǎn)21的徑向位置，以使其基本上與信息層4中所要跟隨的軌道中心線相一致。在圖中，該軌道行進(jìn)的方向垂直于圖的平面。
圖2的設(shè)備也可適用于掃描第二種記錄載體，其透明層厚度比記錄載體2的大。該設(shè)備可以利用輻射光束12或者具有不同波長的輻射光束來掃描第二種記錄載體。這種輻射光束的NA可適用于該類型的記錄載體。必須相應(yīng)地調(diào)整該物鏡系統(tǒng)的球面像差補(bǔ)償。
為了提供用于上述物鏡系統(tǒng)的單個(gè)元件高NA(NA＞0.65)物鏡，我們建議按照與US4623496中提出的相似方式，利用基底(例如玻璃)表面上由合成樹脂制成的薄非球面校正層制造該透鏡。該層有時(shí)稱作復(fù)制層。為了便宜地制造玻璃體，該玻璃體優(yōu)選具有截頂玻璃球體的形狀。適合的合成樹脂能夠由丙烯酸低聚物或單聚物形成，并且隨后在UV光下固化該合成樹脂。Diacryl是這種樹脂的實(shí)施例之一。Diacryl對于405nm波長的折射率為1.5987，且阿貝數(shù)為34.5。
圖3表示了兩種可選透鏡設(shè)計(jì)方案(分別標(biāo)記為類型I和類型II)。在這兩個(gè)例子中，都示出了透鏡相對各自的光學(xué)記錄載體2放置，該記錄載體具有信息層4和透明覆蓋層3。在兩種情況下，入射輻射光束15通過覆蓋透明層3會(huì)聚(20)到信息層4上?？梢钥闯?，輻射光束15、20以傾斜角入射到透鏡18的光軸19。
類型I和類型II的透鏡都包含截頂玻璃球體形狀的玻璃體200。該形狀可以通過形成玻璃球，然后劈開該玻璃球而形成的。這種劈開的表面相對平整。
類型I的透鏡的特征在于僅僅具有單個(gè)非球面表面。這個(gè)表面是通過將合成樹脂100涂敷到截頂玻璃球體基底的曲表面上形成的。在使用中，該透鏡的非球面表面面對輻射光源。
類型II的透鏡的特征在于具有兩個(gè)非球面表面。類型II的透鏡能夠視為在玻璃體的平面?zhèn)?即在使用中該玻璃體鄰近記錄媒質(zhì)2的表面)上形成附加非球面表面的類型I的透鏡。該第二非球面表面是由另外的合成樹脂層102形成。
以下，更加詳細(xì)地描述類型I和類型II的透鏡的各種優(yōu)選設(shè)計(jì)約束條件，之后有概括這三種示例透鏡參數(shù)的表格。在這個(gè)表中，示例透鏡2對應(yīng)于類型I的透鏡，示例透鏡1和3對應(yīng)于類型II的透鏡。注意，類型I的透鏡能夠視為類型II的透鏡的特殊情況，即第二非球面表面是平面的情況。
類型I類型I的透鏡比類型II的透鏡的成本效率更高，這是因?yàn)樗鼈儍H僅需要將合成層100加到玻璃體200的一個(gè)表面上。
優(yōu)選的是，該透鏡的總厚度t(沿著光軸19的厚度)滿足以下關(guān)系式0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2---(1)]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且φ是物鏡的入射光瞳直徑。假設(shè)相關(guān)厚度和距離的尺寸(t、FWD、φ和td)用毫米測量。
更為優(yōu)選的是，透鏡的厚度t滿足0.9<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.1---(2)]]>自由工作距離對應(yīng)于該透鏡在接觸記錄載體之前能夠移動(dòng)的距離，即沿著光軸測得的從透鏡面對記錄載體的表面到透明層3的表面的距離。
優(yōu)選的是，該透鏡的玻璃體的折射率n滿足-0.05<n-2.49+2.79(FWD+tdndF)-2.28(FWD+tdndF)2<0.05---(3)]]>其中FWD是自由工作距離，td是透明層3的厚度，nd是透明層3的折射率，并且其中F是透鏡的焦距。
用于掃描設(shè)備中，該透鏡可以與不同波長的輻射(可以利用不同波長讀取和寫入數(shù)據(jù))結(jié)合使用?？蛇x擇的是，輻射光源(例如激光器)的波長可以作為輻射光束功率(可以利用不同功率從信息記錄媒質(zhì)中讀取數(shù)據(jù)或向該媒質(zhì)中寫入數(shù)據(jù))的函數(shù)而變化。為了使該透鏡容許這種波長變化，優(yōu)選的是玻璃體的阿貝數(shù)大于40。
類型II這種設(shè)計(jì)包括兩個(gè)非球面表面。優(yōu)選的是，第二非球面表面(形成在玻璃體平面?zhèn)壬系姆乔蛎姹砻?基本上是平面。優(yōu)選的是，該表面最佳擬合半徑R的絕對值滿足
|R|>5nr-1NAφ---(4)]]>其中φ是透鏡的入射光瞳直徑，NA是數(shù)值孔徑，nr是樹脂的折射率。最佳擬合半徑R是具有最小非球面表面均方根偏差的球體半徑。
類似地，優(yōu)選該透鏡第二非球面表面的歸一化旁軸光焦度(該表面的光焦度除以透鏡系統(tǒng)的總光焦度)滿足以下關(guān)系式-0.1＜P＜0.1(5)優(yōu)選的是，該透鏡的總厚度t滿足關(guān)系式(1)。
更為優(yōu)選的是，總厚度t滿足關(guān)系式(2)。
優(yōu)選的是，透鏡玻璃體的折射率n滿足關(guān)系式(3)。
同樣，為了使該透鏡充分容許該輻射波長的變化，優(yōu)選該玻璃體的阿貝數(shù)大于40。
表1提供了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三種明確的透鏡設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況，這些透鏡被優(yōu)化以容許場、基底厚度變化、非球面表面的偏心和非球面表面之間的傾斜。實(shí)例2為類型I(并且因此是類型II的特殊情況)，而實(shí)施例1和3是類型II的。包括實(shí)施例1和3的各種設(shè)計(jì)的性能在圖4、5和6中示出，這些圖用于獲得以上優(yōu)選設(shè)計(jì)的關(guān)系。明確的設(shè)計(jì)實(shí)例2的性能列于表2中。
表1

表2

示例透鏡的前后表面各具有旋轉(zhuǎn)對稱非球面形狀，由以下等式表示z(r)=Σi=16B2ir2i]]>其中z是以毫米表示的表面在光軸方向上的位置，r是以毫米表示的到光軸的距離，Bk是r的k次方的系數(shù)。對于三種不同示例透鏡設(shè)計(jì)的Bk值列于表1中，其中假設(shè)第1非球面是該透鏡面對輻射光源的表面。為了計(jì)算第二非球面表面的歸一化光焦度P，使用以下公式P＝B2(1-nr)φ/NA其中B2是第二表面的第一非球面系數(shù)，nr是樹脂的折射率，φ是物鏡的入射光瞳直徑，NA是數(shù)值孔徑。
實(shí)例1、2和3滿足等式(1)和(2)的要求。而且，實(shí)例2滿足等式(3)的要求。實(shí)例1和2滿足等式(4)和(5)的要求。最后，實(shí)例1和2的玻璃體的阿貝數(shù)大于40。
圖4表示了由于傾斜輻射光束入射到具有0.1°的場的透鏡上而引起的波前像差的均方根作為物鏡折射率的函數(shù)，對于不同設(shè)計(jì)(包括列于表1中的物鏡設(shè)計(jì)的實(shí)例1和3)該透鏡的玻璃基體具有的1μm的厚度差(實(shí)際體與理想厚度t的偏差)，10μm的偏心非球面以及0.01°的傾斜非球面。示出了分別由于場、厚度、偏心和傾斜的貢獻(xiàn)引起的單獨(dú)波前像差均方根(WFA)，也示出了總波前像差的均方根(RMS)。注意，透鏡設(shè)計(jì)實(shí)例2的性能(參見表2)與圖4一致，不同之處在于非球面的偏心對于實(shí)例2而言恰好為零，這是因?yàn)槌錾浔砻媸瞧矫妗?br> 類似的是，圖5表示了對于相同物鏡設(shè)計(jì)方案，由于0.1°場、1μm的厚度差、10μm的偏心非球面以及0.01°的傾斜非球面引起的波前像差的均方根作為物鏡第二表面(該透鏡表面面對記錄媒質(zhì))的歸一化光焦度的函數(shù)。
在圖4和5中，透鏡的數(shù)值孔徑都＝0.85且入射光瞳直徑均為1.0mm。(多個(gè))非球面表面由玻璃體上的Diacryl層構(gòu)成。該玻璃體形如截頂玻璃球體。輻射光束的波長λ＝405nm，并且采用了0.15mm的自由工作距離(FWD)，記錄媒質(zhì)的覆蓋層(透明層3)厚度為0.1mm、折射率為1.6223。
圖6表示了對于包括列于表1中的設(shè)計(jì)的實(shí)例1和3的不同物鏡設(shè)計(jì)方案而言，物鏡的最佳厚度和玻璃體的最佳折射率作為自由工作距離(FWD)的函數(shù)。這種數(shù)據(jù)假設(shè)每個(gè)透鏡的NA＝0.85，入射光瞳直徑為1.0mm。采用了波長λ＝405nm的輻射光束，其與覆蓋層厚度為0.1mm且折射率為1.6223的記錄媒質(zhì)(例如光盤)相結(jié)合使用。
圖4表示了隨著折射率n的增加，場和傾斜容差增長(即WFA降低)，而厚度容差降低。偏心容差在n≈1.78附近表現(xiàn)出最佳值(即最小值)。將圖中所示的全部四個(gè)容差組合起來，顯示出當(dāng)滿足等式3所示關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)最佳透鏡設(shè)計(jì)。
圖5表示了隨著第二表面歸一化光焦度的增加，盤的場和傾斜容差降低，而厚度容差增加。偏心容差在-0.025的歸一化光焦度(P)附近表現(xiàn)出最佳值。
在圖4和5中，偏心曲線的最小值未對應(yīng)于零WFA，對于表1的實(shí)施例2也是如此。這意味著在類型II的設(shè)計(jì)接近零光焦度的情況下第二非球面不是平面，這是因?yàn)橄禂?shù)B4-B12中的至少一個(gè)是非零的造成的。
圖6表示了隨著自由工作距離(FWD)的升高，物鏡沿著光軸的最佳總厚度(即玻璃體和樹脂層的總厚度)以及物鏡玻璃體的最佳折射率n都降低。對圖6所示的點(diǎn)進(jìn)行的擬合顯示最佳折射率(nopt)由nopt＝2.21794-3.9321*FWD+6.60614*FWD2給出，并且最佳厚度作為FWD的函數(shù)由t＝1.03616-2.27542*FWD給出。
在這兩種情況中，F(xiàn)WD和t以毫米表示。
根據(jù)這些特殊結(jié)果和圖4、5和6，考慮到縮放比例關(guān)系，可以推導(dǎo)出等式1、2、3和5所示的最佳透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)。
最后，當(dāng)?shù)仁?4)成立時(shí)，涂敷到該玻璃體的基本上為平面的一側(cè)上的樹脂厚度保持很小。因此，在制造過程中這一層的任何收縮的影響也保持很小，這使物鏡的制造更為容易。
可以理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用到多種透鏡系統(tǒng)。優(yōu)選的是這些實(shí)施例應(yīng)用于數(shù)值孔徑大于0.7的透鏡系統(tǒng)。優(yōu)選的是，依照這些實(shí)施例的透鏡系統(tǒng)的入射光瞳直徑小于2mm，更為優(yōu)選的是小于1.5mm。優(yōu)選的是這些實(shí)施例與波長小于600nm的輻射光束(包括波長約為405nm的光束)相結(jié)合使用。
盡管僅結(jié)合由玻璃基底上的樹脂diacryl構(gòu)成的透鏡描述了以上的實(shí)施例，但可以理解，本發(fā)明的參數(shù)適用于由任何透明基底上的任意合成樹脂構(gòu)成的透鏡設(shè)計(jì)。對于樹脂而言，適當(dāng)類別的材料是芳香族和脂肪族的二(甲基)丙烯酸酯、芳香族和脂肪族的雙環(huán)氧化物、雙氧雜環(huán)丁烷(bis-oxetane)、雙乙烯基醚。更具體地可以使用雙酚A基二甲基丙烯酸酯(“diacryl 101”，也稱作2，2-雙(4-甲基丙烯酰氧基苯基)丙烷)。
考慮到以上實(shí)施例，可以理解本發(fā)明的實(shí)施例可以用于提供由基底上的合成樹脂構(gòu)成的物鏡，其能夠經(jīng)住合理的制造容差。而且，本發(fā)明的實(shí)施例容許傾斜光束入射到該透鏡。
權(quán)利要求
1.一種用于掃描光學(xué)記錄載體的信息層的光學(xué)掃描設(shè)備，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該設(shè)備包括用于生成輻射光束的輻射光源以及用于將該輻射光束會(huì)聚到信息層上的物鏡系統(tǒng)，該物鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.9<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.1]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該基底的折射率n滿足以下條件-0.05<n-2.49+2.79(FWD+tdndF)-2.28(FWD+tdndF)2<0.05]]>其中F是透鏡的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該基底的阿貝數(shù)大于40。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中設(shè)置成面對記錄載體的該透鏡的表面具有滿足以下條件的最佳擬合半徑R>5nr-1NAφ]]>其中φ是透鏡的入射光瞳直徑，NA是透鏡的數(shù)值孔徑，nr是樹脂的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中設(shè)置成面對記錄載體的該透鏡表面的歸一化光焦度P滿足以下條件-0.1＜P＜0.1
7.一種透鏡系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)用于將輻射光束會(huì)聚到光學(xué)記錄載體的信息層上的透鏡，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該透鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述基底是玻璃的。
9.一種用于制造透鏡系統(tǒng)的方法，該透鏡系統(tǒng)包括至少一個(gè)由基底上的合成樹脂制成的透鏡，以用于將輻射光束會(huì)聚到光學(xué)記錄載體的信息層上，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該方法包括形成基底的步驟，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括通過將合成樹脂涂敷到所述基底的表面而在所述基底上形成非球面表面的步驟。
11.一種制造光學(xué)掃描設(shè)備的方法，該設(shè)備用于掃描光學(xué)記錄載體的信息層，該信息層被透明層覆蓋，該透明層的厚度為td、折射率為nd，該方法包括以下步驟提供用于生成輻射光束的輻射光源；提供用于將該輻射光束會(huì)聚到信息層上的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)的特征在于包括由基底上的合成樹脂構(gòu)成的透鏡，該透鏡的總厚度t滿足以下條件0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透鏡與載體之間的自由工作距離，φ是透鏡的入射光瞳直徑，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
全文摘要
一種用于掃描光學(xué)記錄載體(2)信息層(4)的光學(xué)掃描設(shè)備(1)，該信息層(4)被透明層(3)覆蓋，該透明層的厚度為t
文檔編號G11B7/135GK1675696SQ03818663
公開日2005年9月28日 申請日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者P·J·H·布勒門, B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司