CN1416567A - 光头 - Google Patents

Abstract

一种透镜系统，包括透镜，光栅和非周期相位结构。所述透镜系统通过由非周期相位结构和光栅的球面像差的温度相关性补偿透镜的球面像差的温度相关性而成为不透热的，并且所述透镜系统通过由非周期相位结构的球面像差的波长相关性补偿光栅的球面像差的波长相关性而成为去色球差的。

Description

光头

本发明涉及一种用于扫描光记录载体的信息层的光头。本发明还涉及一种使用这种光头的透镜系统。

在光头中的透镜系统用于把来自辐射源的辐射光束会聚成光记录载体信息层上的光点。在透镜系统中用作物镜的透镜一般具有随温度而改变的光学性能，这可以引起光点质量的变劣。通过在辐射光束的光路中设置一个非周期的相位结构(NPS)，透镜系统对于温度变化的敏感性可以被减少，即透镜系统可以不透热(a-thermalised)，如在国际专利申请WO 01/48745(PHN17870)所披露的。这种NPS在辐射光束中引入一个随温度而变化的波前像差，用于补偿由透镜引起的波前像差。不过，NPS使得透镜系统对于波长变化更敏感，其中波长的变化在辐射光束中引入一个球面像差(色球差)。不同批号的半导体激光器可以具有显著不同的波长。对于在光头中通常使用的650nm的激光器，其范围可以为10nm的数量级。因此，对于不透热的透镜系统使用NPS可以导致色球差的问题。

用于使透镜系统不透热的另一种方法是利用半导体激光器的波长一般随温度改变而改变这个事实。一种周期的、用于会聚辐射光束的衍射结构，例如光栅，是一种色球差结构，因而当辐射光束的波长改变时，在通过光栅的辐射光束中引入球面像差。当这种光栅被设置在透镜系统中的透镜的一个透镜表面上时，其可以补偿当温度(因而激光器波长)变化时由透镜引入的球面像差。这种系统的一个缺点在于，当额定波长成批地改变时，引起色球差偏移，并且所述补偿不再是足够的。

本发明的目的在于提供一种对波长的改变不太敏感的，同时对温度改变不敏感的透镜系统。

上述目的由按照本发明的透镜系统实现了。本发明的透镜系统包括透镜，光栅和非周期相位结构，所述透镜系统是一种不透热的透镜系统，其中利用非周期相位结构和光栅的球面像差的温度相关性补偿透镜的球面像差的温度相关性，并且所述透镜系统是一种去色球差(a-spherochromatised)的透镜系统，其中利用非周期相位结构的球面像差的波长相关性补偿光栅的球面像差的波长相关性。

所述两种补偿可以是部分补偿或者完全补偿。所述的不透热最好是这样的，使得由30K的温度变化引起的通过透镜系统的辐射光束的波前的光路差的均方根(OPD-rms)小于20mλ，其中λ是辐射光束的波长。所述去色球差最好是这样的，重新聚焦，使得由10nm的波长的改变引起的ODP-rm小于20mλ；所述去色球差最好还是这样的，不重新聚焦，使得由3nm的波长的改变引起的OPD-rms小于20mλ。

透镜系统的一个优选实施例被制成基本上是无色差的。因为通过不透热或去色球差使得光栅的放大率(power)是一个不固定的参数，所以可以利用所述放大率使透镜系统成为无色差的。

本发明的另一个方面涉及一种用于扫描光记录载体的信息层的光头，包括辐射源，用于产生辐射光束，按照本发明的透镜系统，用于把辐射光束会聚到信息层上，检测系统，用于把来自信息层的辐射转换成电检测器信号。不透热和去色球差的透镜系统减少了先头的温度敏感性，使得光头的扫描精度对环境因素的依赖性降低，因此，提高了可靠性。

本发明的另一个方面涉及一种用于扫描光记录载体的信息层的光学播放器，所述播放器包括按照本发明的光头和用于进行检测器信号的误差校正的信息处理单元。改进的光头的扫描增加了检测器信号的质量，并减少从记录载体读出的信息成为难以纠正的机会。

本发明的目的，优点和特征由下面结合附图进行的本发明优选实施例的详细说明将会更加清楚地看出，其中：

图1表示按照本发明的扫描装置；

图2A-D表示透镜系统的4个不同的实施例；

图3表示在升高的温度下含有光栅和NPS的物镜的波前像差；以及

图4表示在重新聚焦之后在变化的波长下含有光栅和NPS的物镜的组合的波前像差。

下面分三步说明温度影响的补偿原理。首先说明包括透镜和光栅的不透热的透镜系统。接着说明包括透镜和非周期结构的不透热的透镜系统。最后说明包括透镜、光栅和非周期相位结构的本发明的不透热的透镜系统。

在第一步中，透镜系统包括透镜和设置在透镜上的衍射光栅。光栅可以是炫耀型的，使得其以第p次衍射级基本上全部引导入射辐射光。衍射辐射光被透镜捕获。光栅呈旋转对称，并利用以下形式的相位函数，描述如下：

                Ξ(r)＝Ar²+Gr⁴       (1)其中r是光栅的径向坐标，A是用于确定光栅的光强的系数，G是确定由光栅引入的球面像差的系数。A的值不受不透热或去色球差的影响，这由下面的公式(9)和公式(10)可以看出。其值可以用于对透镜系统消色差。然后由下式确定每个区或光栅线开始处的径向位置rj：

                Ξ(r_j)＝2πj         (2)对于第p级的衍射，光栅的焦距F_grating由下式给出： $\frac{1}{F_{\mathrm{grating}}}=-\frac{\mathrm{A\λp}}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$ 同时由光栅在这个级产生的球面像差的数量由下式给出： $W=-\frac{\mathrm{\λ}{\mathrm{pGF}}^4{\mathrm{NA}}^4}{2\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

其中p是衍射级，G是在(1)中定义的系数，F是整个透镜系统的焦距，NA是整个透镜系统的相应的数字孔径。这个实施例的透镜设计是这样的，使得由光栅引入的球面像差在标称的设计配置中被由透镜引入的球面像差补偿。

现在说明温度偏离标称设计配置时的情况。当温度改变量为ΔT时由透镜引入的球面波前像差的数量W_lens由下式给出：

             W_lens＝SΔT    (5)

这个波前像差必须由光栅与/或非周期相位结构的波前像差补偿。这可以用以下的方式来实现。当温度增加时，其上具有衍射光栅的透镜膨胀。设构成透镜的材料的线性膨胀系数为α。区半径r_j将受到所述膨胀的影响，并且对于一阶的温度变化ΔT现在可以表示为：

             r_j(ΔT)＝[1+αΔT]r_j   (6)

这又引起系数A和G的改变，这些系数决定光栅的操作，其结果由下式给出：

             A(ΔT)＝[1-2αΔT]A    (7)

             G(ΔT)＝[1-4αΔT]G    (8)

因而，由式(4)和(8)可以得出结论，当温度变化时，衍射光栅引入一个由下式给出的附加数量的球面波前像差ΔW_T ^grating： $\mathrm{\Δ}{W}_T^{\mathrm{grating}}=+\frac{{\mathrm{\λpGF}}^4{\mathrm{NA}}^4}{2\mathrm{\π}}4\mathrm{\α\ΔT}\≡\mathrm{P\ΔT}---\left(9\right)$

不过，当波长改变时，光栅也引入一个由下式表示的球面波前像差ΔW_T ^grating： $\mathrm{\Δ}{W}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{grating}}=-\frac{{\mathrm{pGF}}^4{\mathrm{NA}}^4}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\Δ\λ}\≡\mathrm{\γP\Δ\λ}---\left(10\right)$ 其中γ由下式确定： $\mathrm{\γ}=-\frac{1}{4\mathrm{\α\λ}}---\left(11\right)$

因而，当只用衍射光栅使透镜不透热时，系统对于色球差是敏感的；换句话说，当波长改变时，球面像差的数量也改变。

在第二步，透镜系统包括透镜和非周期相位结构(NPS)。所述NPS被设置在辐射光束的光路中，并被用于使透镜系统不透热，如国际专利申请WO 01/48745所述。NPS包括构成许多同心环的具有随半径而改变的厚度的一层绝缘材料。第j个环具有高度h_j，其在设计温度下产生相位改变m_j2π，其中m_j是整数。每个高度h_j等于m_jh，m_j是整数，并且h等于 $h=\frac{\mathrm{\λ}}{n\left(T_0\right)-1}---\left(12\right)$ 其中λ是波长，n(T₀)是在波长λ和设计温度T₀时环的材料的折射率。当温度改变ΔT时，第j个环产生相位台阶ΔФ_j，其以2π为模，等于： ${\mathrm{\Δ\Φ}}_j=2\mathrm{\π}(\mathrm{\α}+\frac{\frac{\∂n}{\∂T}}{n-1})m_j\mathrm{\ΔT}---\left(13\right)$ 其中σ是绝缘材料的线性膨胀系数，n是折射率。热膨胀也使圆形环的宽度增加；不过，这个影响是可以被忽略的，因为所考虑的NPS结构具有宽的区。NPS被这样设计，使得当温度改变ΔT时，其产生由下式给出的球面像差W_T ^NPS：

          W_T ^NPS＝Q△T                  (14)

在另一方面，当波长改变一个量Δλ时，上述结构产生一个相位台阶ΔФ_j，以2π为模，等于： ${\mathrm{\Δ\Φ}}_j=2\mathrm{\π}(\frac{\frac{\∂n}{\∂\mathrm{\λ}}}{n-1}-\frac{1}{\mathrm{\λ}})m_j\mathrm{\Δ\λ}---\left(15\right)$ $\≅-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{m}_j\mathrm{\Δ\λ}---\left(16\right)$

由式(13)，(14)，和(16)可知。当波长改变时，上面确定的NPS引入由下式给出色球差W_λ ^NPS：

     W_λ ^NPS＝кQ△λ         (17)其中k由下式给出： $\mathrm{\κ}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}(\mathrm{\α}+\frac{\frac{\∂n}{\∂T}}{n-1})}---\left(18\right)$

和衍射光栅类似，当只用NPS对透镜进行不透热时，系统成为对色球差敏感的。因而，当波长改变时，则产生球面像差。

为了进行不透热和减少色球差，需要衍射光栅和NPS。因此，在第三步中，透镜系统包括透镜、衍射光栅和非周期相位结构。

由于温度改变ΔT而产生的球面像差值W_T和由于透镜系统的波长改变Δλ而产生的球面像差值W_λ由下式给出：

                W_T＝(S+P+Q)ΔT        (19)

                W_λ＝(γP+κQ)Δλ    (20)其中由透镜引入的色球差被忽略不计，因为其和由NPS以及光栅引起的色球差相比足够小。当NPS和光栅被这样设计，使得 $P=\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}-\mathrm{\κ}}S---\left(21\right)$ $Q=\frac{-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-\mathrm{\κ}}S---\left(22\right)$ 时，则整个系统成为不透热的(因而当温度改变时不引入球面像差)和去色球差的。

因为按照上式仍然不能固定衍射结构的放大率，所述透镜系统也可以成为去色差的。如果透镜和光栅满足 $\frac{K_0}{V_0}+\frac{K_1}{V_1}=0---\left(23\right)$ 则透镜系统是去色差的。其中K₀和K₁分别是透镜和光栅的放大率，V₀和V₁分别是透镜和光栅的色散系数。光学元件的放大率等于1/f，其中f是元件的焦距。衍射元件例如光栅的放大率随波长的增加而增加，而折射元件例如透镜的放大率随波长的增加而减少。光栅的色散系数V₁等于-3452；由普通玻璃制成的透镜的色散系数V₀的范围为20-95，塑料透镜的色散系数V₀的范围是35-65。因为V₁的值总是小于V₀，为了满足式(23)，K₁也必须小于K₀。因而，光栅应当具有相对低的放大率，这改善了光栅的可制造性。

光栅和非周期的结构可以由相同的塑料材料制成，以便有助于元件的集成。当使用塑料COC制造两种元件时，将获得以下的数值。C0C对于λ＝650nm具有折射率n＝1.5309，线性热胀系数α＝60 10^-6/K，并且dn/dT＝-1010^-5/K。代入(11)和(18)，得到κ/λ＝1.87，因而

                      P＝-0.65S    (24)

                      Q＝-0.35S    (25)

因而，对于这种材料，衍射光栅必须补偿在温度变化时由透镜引入的球面像差的65％，NPS补偿其余的35％。注意，这对于Δλ和ΔT的任何值保持了一次近似。在式(24)和(25)中的系数为-0.65和-0.35的相同的值改进透镜系统的可制造性。

光栅和非周期结构也可以用不同的材料制成，例如玻璃和塑料，从而在式(24)和(25)中得到不同的系数。同样，透镜可以由玻璃或塑料制成。在透镜系统的优选实施例中，透镜，光栅和非周期结构由相同的材料例如COC制成，并且最好被集成在一个光学元件内。

图1表示用于扫描光记录载体2的按照本发明的装置1。记录载体包括透明层3，在其一侧上设置有信息层4。背向透明层的信息层侧由保护层5保护免受环境影响。透明层的面向装置的一侧被称为入射面6。透明层3作为记录载体的衬底，用于对信息层提供机械支撑。此外，透明层可以只具有保护信息层的功能，而机械支撑由在信息层另一侧上的一层提供，例如由保护层5或另一个信息层和与信息层4相连的一个透明层提供。信息可以以可由光检测的标记的形式被存储在记录载体的信息层4中，所述标记以基本上平行的，同心的或螺旋的轨迹设置，在图中没有示出。标记可以是光可读的任何形式，例如坑，或者反射系数或磁化方向和其周围不同的区域，或者是这些形式的组合。

扫描装置1包括辐射源11，其可以辐射辐射光束12。辐射源可以是半导体激光器。束分裂器13朝向包括准直透镜14和物镜系统18的透镜系统反射发散的辐射光束12。准直透镜14把发散的光束12转换成准直光束15。准直光束15入射到物镜系统18上。物镜系统最好包括光栅，NPS和一个或几个透镜与/或反射镜。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18把光束15变成会聚光束20，入射到记录载体2的入射面6上。物镜系统具有球面像差校正，适用于辐射光束通过透明层3的厚度。会聚光束20在信息层4上形成光点21。由信息层4反射的辐射光形成发散光束22，其由物镜系统18转换成基本上准直的光束23，并接着由准直透镜14转换成会聚光束24。束分裂器13通过向着检测系统25透射会聚光束24的至少一部分而分离向前的光束和反射的光束。检测系统捕获进入的辐射光束，并将其转换成电输出信号26。信号处理器27把输出信号转换成其它不同的信号。其中的一个信号是信息信号28，其值表示从信息层4中读出的信息。信息信号被信息处理单元29处理，进行误差校正。来自信号处理器27的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号表示在光点21和信息层4之间的高度的轴向差。径向误差信号表示在光点21和要被光点跟随的信息层上的轨迹的中心之间在信息层4的平面内的距离。聚焦误差信号和径向误差信号被输入给伺服电路31，其把这些信号转换成伺服控制信号32，分别用于控制聚焦致动器和径向致动器。这些致动器在图中没有示出。聚焦致动器沿聚焦方向33控制物镜系统18的位置，由此控制光点21的实际位置，使得其基本上和信息层4的平面一致。径向致动器沿径向34控制物镜18的位置，由此控制光点21沿径向的位置，使得其基本上和信息层4中的要被跟随的轨迹的中心线一致。在图中的轨迹沿着垂直于图面的方向延伸。

图1的装置也可以用于扫描具有比记录载体2较厚的透明层的第二类记录载体。该装置可以使用辐射光束12或具有不同波长的辐射光束扫描所述第二类记录载体。可以使所述辐射光束的NA适用于所述类型的记录载体。因而，必须相应采用物镜系统的球面像差补偿。

图1所示的物镜系统18由具有0.65的NA的在660nm的波长下操作的一个透镜。所述透镜由COC(Topas)制成。COC的折射率n＝1.5309，线性膨胀系数α＝6010^-6/K，同时作为温度的函数的折射率的改变β，即β＝dn/dT＝-1010^-5/K。物镜的入射光瞳直径是3.3mm。

图2表示物镜系统的4个不同的实施例。图2A表示一个具有物镜39而没有NPS和光栅的实施例1。图2B表示具有物镜39’和光栅45的实施例2。图2C表示具有物镜39”和NPS50的实施例3。图2D表示具有物镜39，光栅45’和NPS50’的实施例4。实施例2，3和4相应于在说明图1之前的一节中讨论的3种情况。实施例4是按照本发明的实施例。物镜39-39的光轴上的厚度是2.194mm。每个物镜具有面向辐射源的表面40，40’，40”，40和面向记录载体的表面41，41’，41”，41，所有这些表面都是球状的。这些表面的旋转对称的形状可以用下式描述：

                 z(r)＝B₂r²+B₄r⁴+B₆r⁶+.....其中z是沿光轴方向的表面位置，单位是毫米，r是到光轴的距离，单位是毫米，B_K是r的第k次幂的系数。所有4个实施例的对于面向辐射源的物镜的表面的B₂到B₁₂的值列于表1中。面向记录载体的物镜的表面41，41’，41”，41具有相同的形状，它们分别由系数-0.1114228，0.02852619，-0.0046668186，-0.0036752428，0.0063619582，-0.007503492，0.0046641069和-0.0010757204给出。物镜和记录载体的入射面6之间的距离被定义为自由工作距离FWD，也被列于表1。记录载体的透明层3的厚度是0.6mm，由具有折射率n＝1.5796，线性膨胀系数α等于6710^-6/K的聚碳酸酯制成，同时作为温度的函数的折射率的改变β，即β＝dn/dT＝-1110^-5/K。在20℃的设计温度T₀下，透镜具有对于记录载体2的透明层3的正确的球面像差补偿。当透镜的温度偏离T₀时，透镜的形状变化和折射率的值的变化在辐射光束中引入和温度变化成正比的附加的球面像差。因为不要求这个像差由透明层3引入的像差进行补偿，所以该像差将降低聚焦光点21的质量。

                         表I

参数	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					B2[mm-1]	0.30667827	0.29970341	0.30667449	0.30820682
B4[mm-3]	0.012774652	0.011314413	0.012776297	0.0083940311
					B6[mm-5]	-0.00056149226	-0.0007343748	-0.00056792823	-0.00091696124
B8[mm-7]	0.0010924384	0.0011029285	0.0010987024	0.0010979681
					B10[mm-9]	-0.00039785742	-0.00040268658	-0.00040021226	-0.00041309786
B12[mm-11]	4.692902110-5	4.740930410-5	4.724452810-5	4.907118210-5
					FWD[mm]	0.990	0.974	0.990	0.973
A[mm-2]	0	47.3954	0	5.000
					G[mm-4]	0	6.1780	0	24.1141
m1	0	0	-1	-3
					m2	0	0	-3	-6
m3	0	0	-1	-3

透镜系统的实施例2和4分别包括衍射光栅45和45’。所述光栅位于面向辐射源的透镜的表面上。确定光栅的系数A和G(见公式(1))在表1中给出。光栅是炫耀型的，其中基本上全部的光都以p＝-1的衍射级被衍射。

透镜系统的实施例3和4分别包括NPS50和50’。非周期相位结构是围绕光轴19旋转对称的。NPS在物镜的面向辐射源的表面上，并且由和透镜相同的材料制成，在这些实施例中所述材料是COC。相位结构具有中心区域51和4个同心环形区域52，53，54和55。环形区域52，53和54是具有超过中心区域51的高度h₁，h₂和h₃的环。在图中这些区域的高度相对于厚度和表面40”的范围被夸大了。板50也可以用和环相同的材料制成。每个高度h_j等于m_jh，其中m_j是整数，h由公式(12)给出。在这个特定的例子中，当NPS是由COC制成时，高度h等于1.2432微米。因为每个环形区域在设计温度下在辐射光束中引入一个m_j2π的相位改变，所以这种相位结构不改变辐射光束的波前。当温度改变时，台阶状的相位结构将改变形状。因而，环的高度将改变(和线性膨胀系数α成正比)。因为已经选择台阶是宽的，所以环形区域的宽度改变的影响可以忽略。结构的材料的折射率也将改变(和β＝dn/dT成正比)。因而，通过环形区域的光路的长度取决于相位结构的温度。由这个影响引起的相位改变是(见公式(13))：

               ΔФ_J＝-0.00081m_jΔT

4个环形区域51，52，53，54和55的径向范围分别是：0.0-0.48mm，0.48-0.85mm，0.85-1.47mm，1.47-1.60mm，1.60-1.65mm。在表II中列出4种透镜结构的mj的值。

                        表II

配置	Δλ＝3nm(不重新聚焦)	ΔT＝30℃	Δλ＝10nm(重新聚焦)
				透镜	36.5mλ	23.2mλ	4.8mλ
透镜+光栅	8.2mλ	22.8mλ	8.9mλ
				透镜+NPS	36.6mλ	18.6mλ	13.5mλ
透镜+光栅+NPS	13.2mλ	13.3mλ	11.4mλ

表II表示对于3种不同的设置由透镜系统引入的波前像差的光路差的均方根值。第一种设置是波长改变Δλ＝3nm，不重新聚焦物镜系统；像差是透镜系统的色差的量度。第二种设置是温度改变ΔT＝30℃，现在像差是透镜系统对于温度改变的灵敏度的量度。最后一种设置是波长改变10nm，同时物镜系统被重新聚焦；像差是透镜系统的色球差的量度。应当注意，在设计中，所述3种设置的表I的4种透镜结构都已考虑到优化透镜系统的有益功能。

表II表明，没有光栅和NPS的透镜是有色差的并且对于温度变化是敏感的，虽然其基本上是去除色球差的。包括光栅的透镜系统可以容易地被制成去色差的，但是不引入大量的色球差，则难于减少温度相关性。包括NPS的透镜系统仍然具有色差。温度相关性可被减少到某个程度，但是所述减少被限制，以便保持被限制的色球差。最后，包括光栅和NPS的透镜系统是按照本发明的实施例，的确可以制成基本上去色差、不透热的和去除色球差的透镜系统。

图3表示对于包括光栅和NPS的透镜系统在温度增加ΔT＝30℃时的情况下的光路差。在图3A中，NPS的贡献被取消，以便确定其对光路差的贡献，然而在图3B中，则考虑了所述贡献。

图4表示包括光栅和NPS的透镜系统在波长改变等于10nm的情况下的光路差。在图4A中NPS的贡献被取消，以便确定其对光路差的贡献，而在图4B中则考虑了所述的贡献，这些图表明光栅和NPS的组合使得能够减少由于温度变化而引起的透镜的球面像差同时又保持低的色球差。

Claims (4)

1.一种透镜系统，包括透镜、光栅和非周期相位结构，所述透镜系统通过由非周期相位结构和光栅的球面像差的温度相关性补偿透镜的球面像差的温度相关性而成为不透热的，并且

所述透镜系统通过由非周期相位结构的球面像差的波长相关性补偿光栅的球面像差的波长相关性而成为去色球差的。

2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统被制成基本上是消色差的。

3.一种用于扫描光记录载体的信息层的光头，包括用于产生辐射光束的辐射源，用于把辐射光束会聚到信息层上的按照权利要求1所述的透镜系统，以及用于把来自信息层的辐射转换成电检测器信号的检测系统。

4.一种用于扫描光记录载体的信息层的光学播放器，所述播放器包括按照权利要求4所述的光头和用于对所述检测器信号进行误差校正的信息处理单元。

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