專利名稱：高數(shù)值孔徑的物鏡裝置和具有該物鏡裝置的光學(xué)拾取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)值孔徑高且成本低的物鏡以及采用該物鏡的光學(xué)拾取裝置。

背景技術(shù)：
在將信息記錄到光盤(這里光盤作為一種使用由物鏡聚焦的光的光學(xué)信息存儲介質(zhì))和/或從光盤再現(xiàn)信息的光學(xué)記錄和/或再現(xiàn)裝置中，光學(xué)信息存儲介質(zhì)的記錄容量由光點(diǎn)的大小決定。光點(diǎn)S的大小由所使用的光的波長λ以及物鏡的數(shù)值孔徑(NA)決定，如公式1所示。
公式1 由此，為了減小光盤上形成的光點(diǎn)的大小以實(shí)現(xiàn)高密度地將信息記錄到光盤和/或從光盤再現(xiàn)信息，使用短波光源和高數(shù)值孔徑的物鏡是必要的。
眾所周知，數(shù)字通用光盤(DVD)使用波長為650nm(或635nm)的光和NA為0.6(可寫類型的為0.65)的物鏡。當(dāng)盤的直徑和記錄軌距分別為120mm和0.74μm時，DVD單面具有大約4.7GB或更大的記錄容量。由此，DVD還不足以用作記錄高清晰度(HD)水平的移動圖像信息的記錄介質(zhì)。當(dāng)以HD水平記錄135分鐘的移動圖像信息時，需要單面例如23GB或更大的記錄容量。
為了滿足高密度記錄容量的需求，需要一種高密光盤(即，下一代DVD(下文稱為HD-DVD(高清晰度DVD)))，其具有比DVD更窄的記錄軌并且使用波長在大約405nm-408nm范圍內(nèi)的藍(lán)光和NA為0.6或更大的物鏡。另外，廣泛研發(fā)了一種使用高NA(例如0.85)的物鏡的藍(lán)光光盤(BD)作為下一代高密度光學(xué)信息記錄存儲介質(zhì)。這種BD使用短波(在大約405nm-408nm)藍(lán)光作為光源，并且具有大約20GB或更高的記錄密度。
圖1顯示了常規(guī)物鏡的結(jié)構(gòu)。參見圖1，常規(guī)物鏡10包括作為光入射面的第一面12和作為光出射面的第二面14。第一面12是具有大曲率的球面或非球面。第二面14是平面或者具有較小的曲率。從規(guī)模制造的角度(包括產(chǎn)量、加工能力和壽命)考慮，優(yōu)選地，物鏡10采用塑性材料而不是玻璃材料。然后，由于塑料的折射率通常低于玻璃的折射率，因此難以使用塑料制造具有高NA的單個透鏡單元形式的物鏡10。
特別地，由于下列制造局限難以使用塑料制造具有高NA的物鏡同時滿足光學(xué)像差的允許條件。為了物鏡10具有短焦距和高NA，透鏡表面12和14需要具有大曲率，從而增加了第一面12的傾斜角度。當(dāng)傾斜角超出允許范圍時，難以制造模具，因此，產(chǎn)量下降。因此，需要一種容易制造并且滿足組裝要求的高NA物鏡。
另外，對于在適用藍(lán)光光盤的光學(xué)拾取裝置中使用的物鏡而言，由于藍(lán)光波長的激光二極管對于由于溫度變化引起的波長變化比較敏感，因此需要一種可根據(jù)波長變化校正色差的物鏡。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述和/或其他問題，本發(fā)明提供一種通過在透鏡面上設(shè)置衍射光學(xué)元件而具有高NA和小透鏡面傾斜角度的物鏡，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明的一方面提供一種可通過采用上述物鏡而將信息記錄到記錄介質(zhì)和/或從記錄介質(zhì)再現(xiàn)信息的光學(xué)拾取裝置。
本發(fā)明的其他方面和/或優(yōu)點(diǎn)將通過下面闡述澄清，或可從下面說明中顯見，或可通過對本發(fā)明的實(shí)踐習(xí)得。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種物鏡，布置在光傳播路徑上以將光源發(fā)出的光聚焦在記錄介質(zhì)上，所述物鏡包括第一面，作為入射面，光入射在所述入射面上；第二面，光從所述第二面出射并被聚焦在記錄介質(zhì)上；和衍射光學(xué)元件，其布置在所述第一和第二面兩者至少之一上，并具有滿足fD/f＜5的折射率，fD為衍射光學(xué)元件的焦距，f為物鏡的焦距，其中，物鏡具有0.75或更大的數(shù)值孔徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用于將信息記錄到記錄介質(zhì)和/或從記錄介質(zhì)再現(xiàn)信息的光學(xué)拾取裝置，所述裝置包括發(fā)光的光源；布置在光源和記錄介質(zhì)之間并改變光傳播路徑的光路變化元件；布置在光傳播路徑上以將光源發(fā)出的光聚焦在記錄介質(zhì)上的物鏡，所述物鏡包括作為光入射的入射面的第一面、第二面和衍射光學(xué)元件，光從所述第二面出射并被聚焦在記錄介質(zhì)上，衍射光學(xué)元件布置在所述第一和第二面兩者至少之一上，并具有滿足fD/f＜5的折射率，fD為衍射光學(xué)元件的焦距，f為物鏡的焦距；以及在光被記錄介質(zhì)反射并通過物鏡和光路變化元件后接收光并從接收的光中檢測信息信號和錯誤信號的光電探測器。



本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點(diǎn)將通過下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的說明而顯見。
圖1是常規(guī)物鏡10的視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的物鏡100的視圖。
圖3是顯示表示非球面的方法的視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)拾取裝置300的視圖。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在參考本發(fā)明的具體實(shí)施例，在附圖中示出其實(shí)例形式，所有附圖中，相同的參考標(biāo)記指代相同的元件。下面結(jié)合附圖對實(shí)施例進(jìn)行說明，以便闡明本發(fā)明。在附圖中，層厚度被夸大以清楚顯示。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的物鏡100。參考圖2，物鏡100包括作為光入射其上的入射面的第一面120，以及輸出朝向記錄介質(zhì)200聚焦的光的第二面140。衍射光學(xué)元件(DOE)設(shè)置在第一和第二透鏡面120和140中至少一個上。作為示出的實(shí)例，衍射光學(xué)元件125設(shè)置在作為入射面的第一面120上。應(yīng)理解，DOE可通過各種方式設(shè)置在物鏡上。例如，DOE可永久固定到物鏡100上?；蛘撸珼OE可可拆卸地安裝到物鏡100上，以便可容易地移除和/或更換DOE。
參考標(biāo)記a、d和WD分別表示有效直徑、中心厚度和工作距離。不是所有情況都必須的，優(yōu)選地，物鏡100具有盡可能短的工作距離WD以便實(shí)現(xiàn)小型化，并且WD小于中心厚度D。然而，應(yīng)理解，寬范圍的工作距離可用于本發(fā)明的實(shí)施例中，并且WD不需要小于中心厚度D。
從規(guī)模制造的角度(包括產(chǎn)量、加工能力和壽命)考慮，優(yōu)選地，聚合物材料用于物鏡100。這種聚合物材料是一種塑料，然而，也可以是其他聚合物。另外，應(yīng)理解，物鏡100不需要由聚合物材料制成。另外，有效直徑a是作為光入射通路的入射光瞳的直徑，優(yōu)選地，有效直徑小于或等于中心厚度D的1.5倍。第一和第二面120和140可為非球面，非球面公式如下。
公式2 在公式2中，h是距光軸的高度，z是圖3所示的距表面頂點(diǎn)的深度，R是曲率半徑，k是二次常數(shù)，A、B、C、D、E、F...是非球面系數(shù)。
衍射光學(xué)元件125減小第一透鏡面120的傾斜角度并且校正色差。衍射光學(xué)元件125的具體形式由下面的公式限定，該公式示出了衍射結(jié)構(gòu)的光程差。
公式3 Φ(h)＝∑Cnh2n＝C1h2+C2h4+C3h6+... 在公式3中，可適當(dāng)?shù)剡x擇光路函數(shù)的系數(shù)和衍射級。衍射光學(xué)元件125的最小柵距優(yōu)選為2μm或更小。應(yīng)理解，最小柵距可大于2μm。
下面對衍射光學(xué)元件125校正色差的原理進(jìn)行說明。對于未形成有衍射光學(xué)元件125的物鏡10而言，入射在物鏡10上的光的波長越短，折射角越大。因此，由于光的波長減小，透過物鏡10的光更靠近物鏡10被聚焦。另外，對于入射在衍射光學(xué)元件125上的光，隨著波長增加，衍射角增加。因此，具有更長波長的光更靠近衍射光學(xué)元件125被聚焦。由于取決于波長的色差性質(zhì)在具有衍射光學(xué)元件125的物鏡100和不具有衍射光學(xué)元件125的物鏡10之間相反，因此當(dāng)衍射光學(xué)元件125設(shè)置在物鏡100的面120和140上時，色差抵消并減小。
表1示出從根據(jù)本發(fā)明的物鏡100的第一設(shè)計獲得的數(shù)據(jù)，表2示出從第一設(shè)計數(shù)據(jù)計算得到的第一面120的傾斜角。傾斜角為由第一面120和垂直于光軸的面形成的角度θ。
表1 表2 表3示出從根據(jù)本發(fā)明的物鏡100的第二設(shè)計獲得的數(shù)據(jù)，表4示出從第二設(shè)計數(shù)據(jù)計算得到的第一面120的傾斜角。
表3 表4 表5示出從根據(jù)本發(fā)明的物鏡100的第三設(shè)計獲得的數(shù)據(jù)，表6示出從第三設(shè)計數(shù)據(jù)計算得到的第一面120的傾斜角。
表5 表6 表7示出從根據(jù)本發(fā)明的物鏡100的第四設(shè)計獲得的數(shù)據(jù)，表8示出從第四設(shè)計數(shù)據(jù)計算得到的第一面120的傾斜角。
表7 表8 表9示出從根據(jù)本發(fā)明的物鏡100的第五設(shè)計獲得的數(shù)據(jù)，表10示出從第五設(shè)計數(shù)據(jù)計算得到的第一面120的傾斜角。
表9 表10 在用于產(chǎn)生上面的數(shù)據(jù)的五個設(shè)計的任一個中，使用具有407.7nm的波長的藍(lán)光，而fD/f是表面衍射光學(xué)元件125的折射率。f是整個物鏡的焦距。fD單獨(dú)表示衍射光學(xué)元件的焦距的大小，其由公式3表示的光程差函數(shù)中的系數(shù)C1，C2，C3...決定。根據(jù)上述設(shè)計的五個物鏡中任一個都具有高于0.8的NA。衍射光學(xué)元件125的衍射級被設(shè)定為第2級。FD/f的取值范圍在大約2.38-5.27，并且可通過適當(dāng)選擇全息常數(shù)(hologram Constant)C1而被調(diào)整以具有小于5的數(shù)值。另外，根據(jù)上述設(shè)計的五個物鏡的色差具有不大于1.0μm/nm的數(shù)值，這意味著相對于1nm的波長變化，焦點(diǎn)偏移不大于1μm。透鏡表面的傾斜角具有不大于63°的最大值。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)拾取裝置的結(jié)構(gòu)。參見圖4，光學(xué)拾取裝置300是將信息記錄到光學(xué)記錄介質(zhì)200和/或從光學(xué)記錄介質(zhì)200再現(xiàn)信息的裝置，并且包括光源310、光路變化元件330、物鏡100和光電探測器350。DVD、HD-DVD或者藍(lán)光光盤可用作記錄介質(zhì)200。應(yīng)理解，其他類型的光盤可用作記錄介質(zhì)200，例如CD等。
光源310產(chǎn)生并發(fā)出具有預(yù)定波長的光，并且優(yōu)選地可形成為激光二極管LD。當(dāng)藍(lán)光光盤被用作記錄介質(zhì)200時，使用波長為大約405nm-408nm的藍(lán)光，從而可將信息記錄到藍(lán)光光盤和/或從藍(lán)光光盤再現(xiàn)信息。
光路變化元件330被布置在光源310和物鏡100之間的光路上，以便改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?。光路變化元?30可為各種類型的部件，例如反射一種偏振光而透射另一種偏振光的偏振分束器。光路變化元件330將光源310輸出的光反射到記錄介質(zhì)200上，并且隨后使從記錄介質(zhì)200反射回來的光透射到光電探測器350。
物鏡100被布置在光源310和記錄介質(zhì)200之間，并且包括作為光入射其上的入射面的第一面120和用于光出射以便聚焦在記錄介質(zhì)200上的第二面140。衍射光學(xué)元件(DOE)125設(shè)置在第一和第二透鏡面120和140兩者至少之一上。對于所示的實(shí)例，衍射光學(xué)元件125可形成在作為入射面的第一面120上。物鏡100具有衍射光學(xué)元件125以校正色差并且減小最大傾斜角度，另外還具有高NA。物鏡100的結(jié)構(gòu)和操作大致與上述物鏡100(圖2)以及產(chǎn)生上述設(shè)計數(shù)據(jù)的這些設(shè)計相同。
光電探測器350接收被記錄介質(zhì)200反射并通過物鏡100和光路變化元件330后的光，以便從接收到的光獲取信息信號和錯誤信號。應(yīng)理解，光電探測器350不限于如圖4所示的結(jié)構(gòu)，可設(shè)置在其他位置處。
準(zhǔn)直透鏡340設(shè)置在物鏡100和光路變化元件330之間的光路上，以便將入射的發(fā)射光會聚成平行光。四分之一波片360設(shè)置在光路變化元件330和物鏡100之間的光路上，以便將圓偏振光透射到記錄介質(zhì)200上。另外，還在光源310和光路變化元件330之間的光路上設(shè)置了光柵370，以便衍射地透射入射光。在與光路變化元件330的傾斜方向相反的方向上，可校正彗形象差的像散透鏡380設(shè)置在光路變化元件330和光電探測器350之間的光路上。應(yīng)理解，如圖4所示的光學(xué)拾取裝置300的結(jié)構(gòu)可有各種變化，并且可仍與物鏡100一起適當(dāng)?shù)毓ぷ?。例如，可另外設(shè)置、組合或移去四分之一波片360、準(zhǔn)直透鏡340、光柵370和/或像散透鏡380。
如上所述，由于根據(jù)本發(fā)明的物鏡包括設(shè)置在透鏡面上的衍射光學(xué)元件，因此，物鏡具有高NA和低入射角，從而可以低成本大規(guī)模制造物鏡。另外，根據(jù)本發(fā)明各方面的光學(xué)拾取裝置使用具有上述結(jié)構(gòu)的物鏡，從而可保持高NA并且改善色差性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明各方面的光學(xué)拾取裝置可用在各種類型的光學(xué)記錄和/或再現(xiàn)裝置中。由此，可在各種類型的高密度光盤(例如具有大約20GB或更高記錄密度的藍(lán)光光盤(BD))上記錄信息和/或再現(xiàn)信息。以藍(lán)光為例進(jìn)行了說明，然后應(yīng)理解本發(fā)明可用于其他波長。另外，雖然以再現(xiàn)HD-DVD和/或藍(lán)光光盤的裝置進(jìn)行了描述，應(yīng)理解該裝置可用于除了或包括HD-DVD和/或藍(lán)光光盤的其他介質(zhì)上。
雖然已經(jīng)示出并說明了本發(fā)明的幾個實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在不背離由所附權(quán)利要求和等價物限定的本發(fā)明的范圍的情況下，對這些實(shí)施例作出各種變型和修改。
本申請要求于2006年9月27日在韓國專利局申請的韓國專利No.2006-94338的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此引作結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種物鏡，布置在光傳播路徑上以將光源發(fā)出的光聚焦在記錄介質(zhì)上，所述物鏡包括
第一面，所述第一面作為光入射其上的入射面；
第二面，光從所述第二面出射并被聚焦在記錄介質(zhì)上；和
衍射光學(xué)元件，其布置在所述第一和第二面兩者至少之一上，并具有滿足fD/f＜5的折射率，fD為衍射光學(xué)元件的焦距，f為物鏡的焦距，
其中，物鏡具有0.75或更大的數(shù)值孔徑。
2.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，衍射光學(xué)元件布置在所述第一面上。
3.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，第一面和垂直于光軸的面之間的傾斜角以及第二面和垂直于光軸的面之間的傾斜角為63°或更小。
4.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，色差為1μm/nm或更小，因而當(dāng)光波長偏移1nm時，光的焦點(diǎn)偏移不超過1μm。
5.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，衍射光學(xué)元件的衍射級為2。
6.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，衍射光學(xué)元件的最小柵距為2μm或更大。
7.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，光所通過的物鏡的有效直徑不超過物鏡的中心厚度的1.5倍。
8.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，物鏡由聚合物材料制成。
9.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，物鏡由塑料制成。
10.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，從光源發(fā)出的光在大約405nm-408nm的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，記錄介質(zhì)的記錄容量在至少20GB。
12.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，記錄介質(zhì)為藍(lán)光光盤或高清晰度DVD。
13.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，所述第一和第二面兩者至少之一具有由下面的公式限定的非球面
h為距光軸的高度，z為距頂點(diǎn)的深度，R為曲率半徑，K為二次常數(shù)，A，B，C，D，E，F(xiàn)...為非球面系數(shù)。
14.如權(quán)利要求1所述的物鏡，其中，衍射光學(xué)元件具有由下式限定的光程差
Φ(h)＝∑Cnh2n＝C1h2+C2h4+C3h6+...
n為整數(shù)，Cn為衍射系數(shù)，h為距光軸的高度。
15.一種用于將信息記錄到記錄介質(zhì)和/或從記錄介質(zhì)再現(xiàn)信息的光學(xué)拾取裝置，所述裝置包括
發(fā)光的光源；
布置在光源和記錄介質(zhì)之間并改變光傳播路徑的光路變化元件；
布置在光傳播路徑上以將光源發(fā)出的光聚焦在記錄介質(zhì)上的物鏡，所述物鏡包括第一面，所述第一面作為光入射其上的入射面；第二面，光從所述第二面出射并被聚焦在記錄介質(zhì)上；和衍射光學(xué)元件，其布置在所述第一和第二面兩者至少之一上，并具有滿足fD/f＜5的折射率以及0.75或更大的數(shù)值孔徑，fD為衍射光學(xué)元件的焦距，f為物鏡的焦距；以及
在光被記錄介質(zhì)反射并通過物鏡和光路變化元件后接收光并從接收的光中檢測信息信號和錯誤信號的光電探測器。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，光源發(fā)出波長在大約405nm-408nm范圍內(nèi)的藍(lán)光。
17.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，物鏡的衍射光學(xué)元件設(shè)置在第一面上。
18.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，第一面和垂直于光軸的面之間的傾斜角以及第二面和垂直于光軸的面之間的傾斜角為63°或更小。
19.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，色差為1μm/nm或更小，因而當(dāng)光波長偏移1nm時，光的焦點(diǎn)偏移不超過1μm。
20.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，衍射光學(xué)元件的衍射級為2。
21.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，衍射光學(xué)元件的最小柵距為2μm或更大。
22.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，光所通過的物鏡的有效直徑不超過物鏡的中心厚度的1.5倍。
23.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，物鏡由聚合物材料制成。
24.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，物鏡由塑料制成。
25.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，記錄介質(zhì)的記錄容量在至少20GB。
26.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，記錄介質(zhì)為藍(lán)光光盤或高清晰度DVD。
27.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，所述第一和第二面兩者至少之一具有由下面的公式限定的非球面
h為距光軸的高度，z為距頂點(diǎn)的深度，R為曲率半徑，K為二次常數(shù)，A，B，C，D，E，F(xiàn)...為非球面系數(shù)。
28.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)拾取裝置，其中，衍射光學(xué)元件具有由下式限定的光程差
Φ(h)＝∑Cnh2n＝C1h2+C2h4+C3h6+...
n為整數(shù)，Cn為衍射系數(shù)，h為距光軸的高度。
全文摘要
一種物鏡，布置在光傳播路徑上以將光源發(fā)出的光聚焦在記錄介質(zhì)上，所述物鏡包括第一面，作為入射面，光入射在所述入射面上；第二面，光從所述第二面出射并被聚焦在記錄介質(zhì)上；和衍射光學(xué)元件，其布置在所述第一和第二面兩者至少之一上，并具有滿足fD/f＜5的折射率，fD為衍射光學(xué)元件的焦距，f為物鏡的焦距。其中，物鏡具有0.75或更大的數(shù)值孔徑。
文檔編號G11B7/135GK101154405SQ20071009192
公開日2008年4月2日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者劉長勛, 申東鎬, 樸壽韓 申請人:三星電子株式會社