CN100367382C - 光学扫描装置 - Google Patents

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Abstract

在第一模式和第二模式中分别扫描第一类型(13)和第二类型(27)记录载体的光学扫描装置，包含辐射生成装置(1、20)，用于在第一模式中生成至少具有第一波长的辐射光束(2、21)和在第二模式中生成至少具有第二波长的辐射光束(2、21)。该装置还包含物镜***(11)，用于将辐射光束(2，21)聚焦在相应类型的记录载体上。该光学扫描装置还包含位于辐射光束(2、21)中的具有结构的光学元件(10)，用于将聚散度和像差引入第二波长的辐射光束(21)中。该像差能被写成至少具有两个项a2*ρ2和a4*ρ4的多项式。

Description

光学扫描装置
技术领域
本发明涉及一种用于在第一模式和第二模式中分别扫描第一类型和第二类型记录载体的光学扫描装置，该装置包含辐射生成装置，用于在第一模式中生成至少具有第一波长的辐射光束和在第二模式中生成至少具有第二波长的辐射光束；物镜***，用于在第一模式中将具有第一波长的辐射光束在第一类型记录载体上形成一聚焦点，在第二模式中将具有第二波长的辐射光束在第二类型记录载体上形成一聚焦点；结构化光学元件，该结构化光学元件与物镜***的元件相分离地设置在辐射光束中，用于将像差引入第二波长的辐射光束中。
背景技术
这种光学扫描装置可从美国专利第6067283号中获知。该专利描述的光学扫描装置能够兼容用于再现CD和DVD。比较CD和DVD的结构可以发现，DVD的外表面和记录信息的表面之间的距离是0.6mm，该距离是由透明层的厚度形成的。在CD中，同样的距离和透明层厚度相等，为1.2mm。当使用一种光学扫描装置，并且在这种光学扫描装置中辐射被会聚成在记录信息层的区域内的聚焦点时，如果使该光学扫描装置适用于扫描DVD，那么CD中更大厚度的透明层将引入波前像差。在美国专利第6067283号中，没有对所产生的像差作进一步讨论。该专利除了描述利用分离光学元件上的全息消除像差外，没有描述其他消除像差的方法。通过以下段落将会显而易见的是，在这个专利中所给出的说明不能使本领域技术人员确定所述问题的准确解决方案。
关于所述美国专利中所描述的利用分离板上的衍射结构的情况，即该结构未设置在物镜***自身或该物镜***的一个透镜之上，对于本领域技术人员来讲，有两种已知的用于涉及像差的相位校正的方法。初始的状况是该光学扫描装置无需进一步校正就可用于扫描DVD，而扫描CD则需要校正。相反的状况是：该光学扫描装置无需进一步校正就可用于扫描CD，而扫描DVD则需要校正，对于本领域技术人员来讲，在阅读了以下段落后，这种状况将是显而易见的，并不再进一步讨论。
首先，衍射结构可以是这样一种结构，使得用于CD的相位校正遵循以2π为模的二次幂函数，这意味着该衍射结构的周期随着从中心处算起的径向距离的增加而按照平方关系变小。因此形成了会聚程度更小、更加发散的光束，以至于对于物镜***自身来讲，该光源似乎不再是无限远的，而似乎位于有限距离处。因此，在物镜***中将出现球差。通过正确选择随着到这个结构中心的距离而变化的衍射结构周期，可以确定用于物镜***的共轭距离，在CD中，使得物镜***中由于共轭***有限性而产生的球差补偿了由于更大厚度的透明层所引入的球差。
其次，衍射结构可以是这样的一种结构：使得CD的相位校正遵循以2π为模的第四次幂函数。这样，球差由衍射结构自身形成并存在于该衍射结构中，而光束的聚散度没有改变，并且在该衍射结构中形成并被引入辐射光束中的球差足够大并且与CD上更大厚度的透明层所引入的球差符号相反，从而补偿由CD上更大厚度的透明层所引入的球差。
以上所述的公知的解决方案，即引入聚散度变化或者不改变聚散度而改变辐射光束的像差状态，有以下缺点。
如果衍射结构是这样一种结构，即相位校正遵循以2π为模的二次幂函数，那么衍射结构径向方向上的定位不是很重要的。然而，由于衍射结构和物镜***之间的辐射光束的聚散度变化，所以阿贝正弦条件不再被满足。因此，在物镜***的轴外产生了大范围以彗差形式出现的像差。
另一方面，若该衍射结构是这样一种结构，即相位校正遵循以2π为模的四次幂函数，则该衍射结构与透镜组合而符合正弦条件，并且限制了在物镜***轴外以彗差形式出现的像差范围。然而在这种情况下，横向的公差，即衍射结构和物镜***相对于彼此的径向位移是极为关键的。
除了用于提供相位校正的所述衍射结构以外，用于提供相位校正的非衍射结构也是公知的。欧洲专利申请EP0865037A1中已经描述了这样的例子。该申请涉及具有阶梯式、非周期性环状区域的结构。对于这些结构来说同样有效的是：这样一种相位校正遵循以2π为模的二次幂函数的结构，会导致物镜***轴外的大范围以彗差形式出现的像差。
同样有效的是，这样一种相位校正遵循以2π为模的四次幂函数的非周期性结构导致了极为严格的横向公差，即该结构和物镜***相对于彼此的径向位移。
发明内容
本发明提供一种用于在第一模式和第二模式中分别扫描第一类型和第二类型记录载体的光学扫描装置，该装置包含：用于在第一模式中生成至少具有第一波长和在第二模式中生成至少具有第二波长的辐射光束的辐射生成装置；物镜***，用于在第一模式中将具有第一波长的辐射光束在第一类型记录载体上形成一聚焦点，在第二模式中将具有第二波长的辐射光束在第二类型记录载体上形成一聚焦点；结构化光学元件，该结构化光学元件与物镜***的元件相分离地设置在辐射光束中，用于将像差引入离开结构化光学元件的具有第二波长的辐射光束中；
其特征在于，用于第二波长的分离的结构化光学元件所引入的像差既包含聚散度变化又包含球差。
本发明的一个目的是提供一种光学扫描装置，该装置对于该结构和物镜***的彼此横向定位(即径向定位)的要求不是非常严格，并且对于物镜***轴外的彗差范围的要求也不是非常严格。
根据本发明，这个目的得到了实现，因为：用于第二波长的分离的结构化光学元件所引入的像差既包含了聚散度变化，又包含了球差，所述像差能被写成多项式形式的归一化光瞳半径函数，该函数至少具有两个项a2*ρ2和a4*ρ4，其中ρ是归一化光瞳半径(a function ofnormalized pupil radius)，a2和a4为系数。
因此实现了：该结构化光学元件径向定位的敏感度出人意料地显著小于在由该结构产生的相位校正仅遵循以2π为模的四次幂函数时的敏感度。另一方面，也意外地发现了轴外彗差的数量显著地小于来自如下衍射结构的彗差数量，所述衍射结构产生的相位校正遵循以2π为模的二次幂函数。从而实现了：由于CD和DVD透明层厚度差异(即在由聚散度变化所导致的像差所进行的补偿之后)，被物镜***中所产生的像差部分地消除了，物镜***中所产生的像差是由于该结构化光学元件使通过的光束的聚散度发生变化而引入的，由于该结构化光学元件所引入的球差与厚度差异所引入的残余像差大小一致并且符号相反，因此其余的部分也得到了消除。
从国际专利申请WO99/57720中可以获知一种衍射表面，其通过多项式相位函数描述出来，该函数形式为：相位＝c2r+c4r/4。此处，c2构成衍射强度项，其控制对色差的校正，c4是球面强度项，其控制对球差的校正。在所述国际专利申请中给出的数值没有给出单位。因此不可能理解所给出的系数c2值和c4值的意义。此外，所述国际申请中的衍射结构设置在物镜***的一个元件的入射面上。可以通过这样一种方法精确地实现这样的设置，使得本发明提供的解决方案所要解决的问题根本不会发生，该问题即对未设置在透镜上的分离结构化光学元件所提出的极为严格的横向定位公差。
因此实现了：设置在该结构化元件上的结构以极为简单的方法使通过该结构化光学元件的光束中产生聚散度变化以及球差。
根据本发明的光学扫描装置的另一个优选实施例，其特征在于，a20是a4＝0的情况下校正全部球差所需的a2的值，a40是a2＝0的情况下校正全部球差所需的a4的值，其特征还在于，a2和a4由关系式0.9＜((a2/a20)+(a4/a40))＜1.1确定。
因此，在球差范围和像差范围之间达到了某种平衡，其中该球差是作为光束聚散度变化的结果，由物镜***引入的，该像差是由结构化光学元件引入光束中的。
根据本发明的光学扫描装置的又一个优选实施例，其特征在于，a2和a20在a4＜0的情况下是由关系式0.20＜(a2/a20)＜0.9确定的，或者，在a4＞0的情况下是由关系式1.05＜(a2/a20)＜2.00确定的。
因此，在作为结构化光学元件引入的聚散度变化的结果而由物镜***引入的像差范围和由结构化光学元件自身引入的像差范围之间达到了更大程度的平衡。
因此实现了，根据对于特定光学扫描装置的要求，能够提供遵循特定的二次幂和四次幂函数的组合的相位校正。这样的相位校正使得结构化光学元件的横向定位可以具有相当大的公差以及导致了小范围以彗差形式出现的像差。
本发明的这些以及其他方面将从以下所述的实施例中显现出来，并且将参照以下的实施例进行阐述。
附图说明
在附图中：
图1A和1B表示根据本发明的扫描装置；
图2A是具有结构的板、物镜***和DVD上的透明层的横截面图；
图2B是具有结构的板、物镜***和CD上的透明层的横截面图；
图3A表示对于DVD的光路长度差别；
图3B表示对于CD的光路长度差别；
图4A表示对于具有0.05mm的横向位移的CD，具有衍射结构的板相对于物镜***的光路长度差别；
图4B表示对于具有0.5°场的CD情况的光路长度差别；
图5表示具有四个不同实施例的表格，表示了对于每个实施例由位移和场引入的彗差的范围；
图6表示了和图5相似的表格，该表格用于两个不满足本发明的要求的结构。
具体实施方式
图1A表示根据本发明的光学扫描装置的一个实施例。该装置具有用于在第一类型记录载体上读取和写入信息的具有短波长的光路和用于读取第二类型记录载体的具有长波长的光路。该光路包含辐射光源1，例如半导体激光器，其发出具有第一波长的线偏振发散辐射光束2，例如波长为650nm。该光束通过对于辐射光束具有高透射性的偏振分束器5。准直透镜6将辐射光束2会聚为准直光束7。具有根据本发明的结构的板10对光束2是完全透明的。物镜11将准直光束7变为用于扫描记录载体13的会聚光束12。记录载体13为具有高密度的第一类型，并且包含例如0.6mm厚的透明层14，以及信息层15，会聚光束12在该信息层15上形成一聚焦点16。被信息层15反射的辐射沿着光束12和7的光路返回。反射光束被准直透镜6会聚并被偏振分束器5传递。光路中的负透镜18有助于调整聚焦点16的位置。反射光束入射到探测器***19上，该探测器***提供作为输出信号的信息信号，其表示储存在信息层15中的信息。
用于扫描第二类型记录载体的第二模式的光路示于图1B中，该光路包含辐射光源20，例如半导体激光器，其发出具有第二波长的线偏振发散辐射光束21，例如波长为780nm。辐射光束21被二色分束器8反射。准直透镜6将辐射光束21会聚为准直光束25。具有结构的板10向光束21中增加了聚散度和球差。物镜11将准直光束25变为会聚光束26。光束26的数值孔径通常小于光束12的数值孔径。会聚光束26适用于扫描第二类型的记录载体27。记录载体27具有诸如1.2mm厚的透明层28以及信息层29。会聚光束26到达信息层29上的聚焦点30。被信息层29反射的辐射沿着光束26和21的光路返回并被二色分束器8传递到负透镜18和探测器***19。
物镜11被设计为在第一模式中使通过透明层14的具有第一波长的准直光束7会聚，从而在信息层15上形成聚焦点16。会聚光束12在通过透明层14时所保持的球差在物镜11中得到补偿。该物镜符合阿贝正弦条件。如果在记录载体的特定实施例中没有出现透明层14，则该物镜11不应被用于补偿球差。在第二模式中，辐射光束通过透明层28，该透明层28的厚度与透明层14的厚度不同。因此，光束26获得了不同范围的球差，因而这个范围的球差不能被物镜11补偿。
对该衍射结构10进行选择，使之对光束21没有任何影响。能够实现这一点的方法已经在本申请人的欧洲专利申请EP00203998.0中进行了描述。这个申请同样说明了该结构10如何成为能够用作光束7的闪耀光栅的衍射结构。此外，本申请人的欧洲专利申请EP00203066.6描述了具有这样结构的透镜所必须服从的标准。由Jorrit E.de Vries和Benno W.Hendriks在发表的论文“光盘***中的非周期性相位结构”，光学数据存储会议论文集，圣达菲，(2001)中进一步描述了使该结构10形成阶梯型、非周期性环状区域的方法。如这篇论文中所述的，这样的非周期性结构不能被表示为所指的衍射结构。然而，为了在说明书和权利要求书中简化语言用法，该术语“衍射结构”既能理解为传统意义上的衍射结构又能理解为非周期性区域结构。此处的这种结构也可由术语衍射结构表示。
衍射结构10在光束7中产生相位校正，该相位校正形成了二次幂函数和四次幂函数的线性组合。因而可以在该结构轴外的不良性能和该结构非常关键的横向定位之间发现折中方案，该结构轴外的不良性能仅引起了光束7聚散度的变化，该结构的横向定位引起了光束7中由四次幂函数所描述的相位校正。
由衍射结构10引起的相位校正通常能够由函数Φ(ρ)＝a2*ρ2+a4*ρ4+0(ρ2n；n≥3)描述，其中ρ是归一化光瞳半径，即孔径光阑边缘处的ρ＝1。要注意，当选择了不同类型的光瞳坐标时，系数a2和a4也相应地改变。更高次项0(ρ2n；n≥3)表示Φ(ρ)任何情况下都包含二次幂和四次幂项。
从衍射结构10的中心到物镜11的中心的最大横向位移由Δ表示。衍射结构10的最大场角由γ表示，a20表示a4＝0时(即在Φ(ρ)中只有二次幂项)校正全部球差所需的a2的值。同样，a40表示a2＝0时(在Φ(ρ)中只有四次幂项)校正全部球差所需的a4的值。如果a2＝0，图1B中所示的***对结构10的横向位移非常敏感，如果a4＝0，图1B中所示的***可以容忍结构10的横向位置偏移，但是该***受到相当大范围的像差困扰，该像差是以图1B所示光学***轴外的彗差形式出现的。
为了获得既能容忍结构10的横向位移又能容许场(其即图1中所示的结构10的轴向和光学装置的轴向之间存在的夹角)的***，可以找到对于横向位移Δ(既对于大位移又对于小位移)的a2和a4的最佳值。具有了a2和a4的这些值之后，就能通过已知的方式制造该结构10。
小位移Δ意味着(f/75)＜Δ＜f*((γ/18°)+1/110))，在下文中也表示为条件1，其中f是物镜***11的焦距，并且Δ和f由相同的量级表示，例如毫米，γ的单位为度。对于这样的小位移Δ，a4的最佳值变为负数。a4的符号由用于波前像差的符号约定来确定。在相关描述中，如果当透镜的像平面移动时波前像差(在那种情况下，焦距)为正，则放弃该符号约定。这个条件与物镜***11的数值孔径和波长无关。对于以上定义的小位移Δ，如果a2和a4满足0.20＜((a2/a20)＜0.9(条件2)、a4＜0并且0.9＜((a2/a20)+(a4/a40))＜1.1(条件3)，那么就在轴外像差和横向位移引入的像差之间找到了良好的折中方案。
如果可能出现更大的横向位移Δ，那么由位移引入的像差变得过大以至于应该以降低场的性能为代价来减少这些像差。因此，能够在这种情形下发现对于a4＞0的最佳值。所给出的Δ在以下范围内：Δ＞f*((γ/18°)+1/110))(条件4)。在这种情形下，如果1.05＜(a2/a20)＜2.00(条件5)、a4＞0并且0.9＜((a2/a20)+(a4/a40))＜1.1，那么场中的像差和横向位移产生的像差之间就找到了优化的折中方案。
图2A和2B示出了结构10、物镜***11和第一类型记录载体上的透明层14，以及第二类型记录载体上的透明层28。图2A所示的情形涉及诸如DVD，图2B所示的情形涉及诸如CD。在图2A中，光束2不受妨碍地通过结构10，而在图2B中，光束21在通过结构10之后，与光束7相比具有较小、但已经足够大的发散范围，从而在物镜11中生成一定范围的球差，其很大程度上补偿了由于更厚的透明层28所产生的球差。然而，图2B中光束25的发散程度没有大到这样一个程度，即通过由物镜***11产生的发散所引入的球差来完全地补偿由透明层28引入的球差。完全的补偿将会在聚焦点30周围区域中导致大范围的彗差。图2A和2B涉及实施例1，其将通过图5中的表1进一步详细说明。现将分别讨论图5表格中所示的实施例1-4。
对于实施例1，Δ符合条件1，a4＜0并且a2/a20值为0.50，因此满足条件2。由位移Δ和场γ引入的彗差近似相等。图3表示利用实施例1中所示的结构10在聚焦点处获得良好质量的光点。图4A和4B也表示了对于位移Δ＝0.5mm和场γ＝0.5°的情况，像差近似相等。
对于实施例2，Δ大于对于实施例1的Δ，并且系数a2将大于对于实施例1的a2。条件1已经满足，a2/a20＝0.89使得条件2也满足。由于Δ更大，由位移和场引入的彗差都大于实施例1中的彗差，所以位移的负面影响和场的负面影响之间具有最佳的折中方案。
对于实施例3，所选择的物镜f＝1.8mm。由于具有γ＝0.5°的这个透镜，Δ的最大值保证：依照条件1，a4＜0应该不大于0.06mm。在这个实施例中，Δ＝0.05mm，所以条件1得到满足。位移公差和较大场的最佳组合获得了a2/a20＝0.70的值，所以条件2也得到满足。
对于实施例4，最大位移Δ过大以至于获得了a4的正值。此时条件4得到满足，而不服从条件1。由于a2/a20＝1.07，条件5得到满足而不是条件2得到满足。由位移和场引入的彗差显著地大于诸如实施例1中的彗差。然而，通过所给的a2和a4的值，在较大位移公差和较大场之间获得了良好的折中方案。
图6中的表格表示实例a和b，其中前述条件中至少有一个没有得到满足。
对于实例a，场减少到0.3°，但具有更小的位移Δ。这是接近条件1的上限的一种情形。条件2得不到满足。通过几乎纯二次幂的校正来实现最佳校正，并且a2≈a20。
对于实例b，Δ非常接近条件1所给定的上限。条件2得不到满足。对于这个实例，两种情况下的彗差值显著不同。
通过上面的描述，不同的修改和实施例对于本领域技术人员来讲将会是显而易见的。所有这些修改和实例都被认为在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种用于在第一模式和第二模式中分别扫描第一类型(13)和第二类型(27)记录载体的光学扫描装置，该装置包含：用于在第一模式中生成具有第一波长的辐射光束(2、7)和在第二模式中生成具有第二波长的辐射光束(21、25)的辐射生成装置(1、20)；物镜***(11)，用于在第一模式中将具有第一波长的辐射光束(2、7)在第一类型记录载体(13)上形成一聚焦点(16)，在第二模式中将具有第二波长的辐射光束(21、25)在第二类型记录载体(27)上形成一聚焦点(30)；结构化光学元件(10)，该结构化光学元件(10)与物镜***的元件相分离地设置在辐射光束(2、7、21、25)中，用于将像差引入离开结构化光学元件的具有第二波长的辐射光束(25)中；
其特征在于，用于第二波长的分离的结构化光学元件(10)所引入的像差既包含聚散度变化又包含球差，所述像差能被写成多项式形式的归一化光瞳半径函数，该函数至少具有两个项a2*ρ2和a4*ρ4，其中ρ是归一化光瞳半径，a2和a4为系数。
2.如权利要求1所述的光学扫描装置，其特征在于，在第二模式中由于第一和第二类型的记录载体的厚度差异引起的球差被由结构化光学元件(10)在第二波长的辐射光束中引入的球差和由于离开结构化光学元件(10)的第二波长的辐射光束的聚散度变化而由物镜***(11)引入的球差中的变化补偿。
3.如权利要求1所述的光学扫描装置，其特征在于，在a4＝0的情况中，a20是校正全部球差所需的a2的值，在a2＝0的情况中，a40是校正全部球差所需的a4的值，其特征还在于，a2和a4由关系式0.9＜((a2/a20)+(a4/a40))＜1.1定义。
4.如权利要求3所述的光学扫描装置，其特征在于，在a4＜0的情况中，a2和a20是由关系式0.20＜(a2/a20)＜0.9定义的，或者，在a4＞0的情况中，a2和a20是由关系式1.05＜(a2/a20)＜2.00定义的。
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