CN101458940A - 物镜和具有该物镜的光学信息记录/再现装置 - Google Patents

物镜和具有该物镜的光学信息记录/再现装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种物镜和具有该物镜的光学信息记录/再现装置。用于对三种类型的光盘进行信息记录/再现的物镜，该物镜包括有助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上的第一区域。该第一区域包括具有围绕预设轴形成的同轴的折射面区域的相移结构。相移结构包括第一台阶组和第二台阶组。第一台阶组被配置为使得第一台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD1(nm)满足条件：2N1+1.10＜|ΔOPD1/λ1|＜2N1+1.40，其中N1为自然数或零，以及第二台阶组被配置为使得第二台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD2 (nm)满足条件：2N2－0.10＜|ΔOPD2/λ1|＜2N2+0.10，其中N2为自然数。

Description

物镜和具有该物镜的光学信息记录/再现装置
技术领域
本发明涉及一种安装在光学信息记录/再现装置中的物镜，该光学信息记录/再现装置用于向记录密度不同的多种类型的光盘上记录信息和/或从其上再现信息。
背景技术
现在存在多种光盘标准(CD、DVD等)，它们在记录密度、保护层厚度等方面有所不同。同时，为了获得更高的信息存储容量，近年来已将具有比DVD更高的记录密度的新标准光盘(HD DVD，即高清晰度DVD，BD，即蓝光光盘等)投入实际使用。这种新标准光盘的保护层厚度实质上等于或小于DVD的保护层厚度。为了便于用户使用多种标准的光盘，要求近年来的光盘信息记录/再现装置(更具体地，安装在该装置中的物镜光学***)对以上三种类型的光盘具有兼容性。附带说明，在本说明书中，“光学信息记录/再现装置”包括兼用于信息再现和信息记录的装置、仅用于信息再现的装置和仅用于信息记录的装置。上述“兼容性”意为即使在切换正在使用的光盘的时候，光学信息记录/再现装置也不需要更换组件，就能保证信息再现和/或信息记录。
为了提供一种对多种标准的光盘具有兼容性的光学信息记录/再现装置，该装置必须被配置为能够通过改变用于信息再现/记录的物镜光学***的NA(数值孔径)来形成适合于正在使用的光盘的特定记录密度的束斑，同时还能够校正根据不同标准的光盘之间的切换所改变的保护层厚度而变化的球面像差。因为光束的波长变短时，束斑的直径通常也会变小，所以光学信息记录/再现***根据正在使用的光盘的记录密度有选择地使用具有不同波长的多束激光束。例如，对DVD使用波长约660nm的激光束，比CD使用的约790nm的波长要短。对于上述的新标准光盘，使用波长比DVD所用的波长更短的激光束(例如所谓的“蓝光”，408nm左右)，以便处理超高记录密度。
近年来，有一种技术已经被投入实际使用，这种技术通过对物镜光学***的至少一个光学元件(例如物镜)设置环形区结构，将光束适当地会聚到正在使用的光盘的记录表面上。更具体地，在光学元件表面上形成的环形区结构被配置为具有由微小台阶划分成的多个环形区。通过环形区结构的作用，将具有不同波长的多种类型的光束中的每一束适当地会聚到不同标准的光盘中的每一个的记录表面上。
优选上述光学元件具有校正当正在使用的激光光束的波长由于光源之间的个体差异或环境变化例如温度变化从设计波长偏移的时候产生的球面像差的功能。术语“设计波长”意为对于不同标准的光盘中的每一个的记录和/或再现的最佳波长。
日本专利临时公开NO.2007-4962A(在下文中称为JP2007-4962A)中公开了对三种类型的光盘(例如CD、DVD和HD-DVD)具有兼容性的物镜光学***的示例。JP2007-4962A中公开的物镜光学***具有相移结构，该相移结构被设计用来在使用新标准光盘例如HD-DVD的时候实现高的光利用率。另外，物镜光学***被配置为通过控制CD使用过程中的纵向色差，防止CD使用过程中的非期望衍射级光(即，杂光，flare light)导致的聚焦误差信号的信噪比降低。在本说明书中，术语“光利用率”意为被限定在正在使用的光盘的记录表面上的光量关于光源发出的光的量的比率。
术语“非期望衍射级光”意为不用于信息记录和信息再现的衍射级的光。另一方面，“正常衍射级光”意为用于信息记录和信息再现的衍射级的光。
不必以其他类型的光盘的光利用率为代价将新标准光盘的光利用率提高到相当高的水平。换言之，可以基于与JP2007-4962A不同的设计理念设计对三种类型的光盘(例如CD、DVD和新标准光盘)具有兼容性的物镜光学***。例如，为了保证用于具有相对较低的记录密度的光盘例如CD的记录功能或再现功能的稳定性，设计师可以在一定程度上提高CD的光利用率。
但是，提高CD的光利用率导致新标准光盘的使用过程中非期望衍射级光的出现和聚焦误差信号的信噪比的降低。与JP2007-4962A中公开的物镜光学***的情况相同，可以通过微调非期望衍射级光的会聚点，防止聚焦误差信号的信噪比降低。但是应注意，新标准光盘可以具有由多层记录层构成的多层结构。因此，如果仅仅基于JP2007-4962A的设计理念设计物镜光学***的话，非期望衍射级光可能会聚到与正常衍射级光会聚的记录层接近的记录层上。在这种情况下，可能会严重影响聚焦误差信号。
发明内容
本发明的优点在于提供物镜和光学信息记录/再现装置中的至少之一，其能够通过在每个光盘的记录表面上形成合适的束斑而对多种类型的不同标准的光盘具有兼容性，同时能够抑制球面像差，还能提高具有相对较低的记录密度的光盘(例如CD)的光利用率，并且即使当使用具有高记录密度的光盘例如HD DVD的时候，也能适当地抑制纵向色差，同时能将聚焦误差信号的信噪比保持在高水平。
根据本发明的一方面，提供一种用于光学信息记录/再现装置的物镜，该光学信息记录/再现装置用于通过选择性地使用包括具有第一波长λ1(nm)的第一光束、具有第二波长λ2(nm)的第二光束和具有第三波长λ3(nm)的第三光束的三种类型的光束之一，向三种类型的光盘上记录信息和/或从其上再现信息。至少三种类型的光盘包括使用第一光束对其进行信息记录或信息再现的第一光盘、使用第二光束对其进行信息记录或信息再现的第二光盘以及使用第三光束对其进行信息记录或信息再现的第三光盘。第一、第二和第三波长λ1、λ2和λ3满足条件(λ1<λ2<λ3)。物镜包括有助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上的第一区域。该第一区域包括具有围绕预设轴形成的多个同轴的折射面区域的相移结构。相移结构包括第一台阶组和第二台阶组。
在该配置中，第一台阶组在第一台阶组中的相邻折射面区域之间的交界处赋予入射光束的光程长度差与第二台阶组在第二台阶组中的相邻折射面区域之间的交界处赋予入射光束的光程长度差不同。第一和第二光程差函数分别限定了在第一和第二台阶组中形成的台阶的位置。将第i级光程差函数φi(h)表示为：
φi(h)＝(Pi2h2+Pi4h4+Pi6h6+Pi8h8+Pi10h10+Pi12h12)miλ
其中Pi2，Pi4，Pi6……(i：自然数)表示第i级光程差函数的第二阶、第四阶、第六阶……系数，h表示距光轴的高度，mi表示衍射效率最大处的衍射级，λ表示入射光束的设计波长。第一光程差函数φ1(h)的第二阶系数P12为正值。第二光程差函数φ2(h)的第二阶系数P22为负值。第一台阶组被配置为使得第一台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD1(nm)满足条件：
2N1+1.10<|ΔOPD1/λ|<2N1+1.40               …(1)
其中N1为自然数或零。
第二台阶组被配置为使得第二台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD2(nm)满足条件：
2N2-0.10<|ΔOPD2/λ1|<2N2+0.10              …(2)
其中N2为自然数。
通过该配置，可以将第一、第二和第三光盘中的每一个的光利用率保持在高水平。通过按照上文方式设置第一和第二光程差函数的第二阶系数，可以在使用第一光盘的时候适当地抑制纵向色差的出现。此外，可以降低非期望衍射级光的量，从而防止聚焦误差信号的波形劣化。
根据本发明的另一方面，提供一种光学信息记录/再现装置，其用于通过选择性地使用包括具有第一波长λ1(nm)的第一光束、具有第二波长λ2(nm)的第二光束和具有第三波长λ3(nm)的第三光束的三种类型光束之一，向三种类型的光盘上记录信息和/或从其上再现信息。至少三种类型的光盘包括使用第一光束对其进行信息记录或信息再现的第一光盘、使用第二光束对其进行信息记录或信息再现的第二光盘以及使用第三光束对其进行信息记录或信息再现的第三光盘。第一、第二和第三波长λ1、λ2和λ3满足条件(λ1<λ2<λ3)。当将第一、第二和第三光盘上的信息再现或信息记录需要的数值孔径分别定义为NA1、NA2和NA3时，数值孔径满足关系(NA1>NA3)；以及(NA2>NA3)。当用t1(mm)、t2(mm)和t3(mm)分别表示第一、第二和第三光盘的保护层厚度时，保护层厚度为t1≈0.6mm，t2≈0.6mm和t3≈1.2mm。光盘信息记录/再现装置包括分别发出第一、第二和第三光束的光源；以及上文所述的物镜。在这种配置中，将第一、第二和第三光束的每一个入射到物镜上作为准直光束。
通过该配置，可以将第一、第二和第三光盘中的每一个的光利用率保持在高水平。通过按照上述方式设置第一和第二光程差函数的第二阶系数，可以在使用第一光盘的时候适当地抑制纵向色差的出现。此外，可以降低非期望衍射级光的量，从而防止聚焦误差信号的波形劣化。
在至少一方面中，第一台阶组被配置为满足条件：
0.0<f1×P12<23.0                      …(3)
其中f1(mm)表示物镜关于第一光束的焦距。
在至少一个方面中，第二台阶组被配置为满足条件：
-35.0≤f1×P22<0.0                    …(4)。
在至少一个方面中，物镜满足条件：
-15.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<30.0       …(5)。
在至少一个方面中，物镜满足条件：
-10.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<20.0       …(6)。
在至少一个方面中，满足N1＝1和N2＝1。
在至少一个方面中，物镜包括位于第一区域之外的第二区域。第二区域有助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，而无助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上。
附图说明
图1是根据实施例的光学信息记录/再现装置的光学框图。
图2A图解说明了在物镜前方设置孔径光阑处的光学结构的示例。
图2B是从第一表面侧观察的孔径光阑的前视图。
图3是图解说明当在根据第一示例的光学信息记录/再现装置中使用具有最高记录密度的光盘D1时引起的球面像差的曲线图。
图4是图解说明当在根据第二示例的光学信息记录/再现装置中使用光盘D1时引起的球面像差的曲线图。
图5是图解说明当在根据第三示例的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时引起的球面像差的曲线图。
图6是图解说明光盘D1的使用过程中的杂光的聚焦位置与系数P12之间的关系的曲线图。
图7A示出了第一示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图7B示出了第一示例中的具有最低记录密度的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。
图8A示出了第二示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图8B示出了第二示例中的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。
图9A示出了第三示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图9B示出了第三示例中的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。
图10是物镜的横断面图，其图解说明在该物镜上形成的相移结构。
具体实施方式
在下文中，参照附图描述了根据本发明的实施例。
接下来，描述根据该实施例的物镜10以及安装了物镜10的光学信息记录/再现装置100(见图1)。
在接下来的说明中，为便于说明，将具有最高记录密度(例如，新标准光盘如HD DVD或BD)的一类(三种类型之一)的光盘称作“光盘D1”，将相较于光盘D1具有相对低的记录密度的一类光盘(DVD、DVD-R等)称作“光盘D2”，将具有最低记录密度的一类光盘(CD、CD-R等)称作“光盘D3”。
如果将光盘D1-D3的保护层厚度分别定义为t1、t2、t3，则保护层厚度定义如下。
t1＝0.6mm
t2＝0.6mm
t3＝1.2mm
为了在光盘D1-D3中的每一个上进行信息再现/记录，信息再现/记录所需的NA(数值孔径)必须适当地变化，从而能够形成适合每个光盘的特定记录密度的束斑。当把三种类型的光盘D1、D2和D3上的信息再现/记录需要的最优设计数值孔径分别定义为NA1、NA2和NA3时，数值孔径(NA1、NA2、NA3)满足下面的关系：
(NA1>NA3)及(NA2>NA3)
具体地，为了在具有高记录密度的光盘D1和D2上进行信息记录/再现，必须形成相对较小的光斑，因此需要相对较大的NA。另一方面，为了在具有最低记录密度的光盘D3上进行信息记录/再现，所需相对小的NA。附带说明，当进行信息记录/再现时，每个光盘都安放在转盘(未示出)上并高速旋转。
在如上所述使用三种类型的光盘D1-D3(具有不同记录密度)时，光学信息记录/再现装置选择性地使用具有不同波长的多束激光束，从而能够在正在使用的光盘的记录表面上形成适合每种记录密度的束斑。
具体地，为在光盘D1上进行信息记录/再现，从光源发出具有最短波长的“第一激光束”，以便在光盘D1的记录表面上形成最小束斑。另一方面，为在光盘D3上进行信息记录/再现，从光源发出具有最长波长的“第三激光束”，以便在光盘D3的记录表面上形成最大束斑。为在光盘D2上进行信息记录/再现，从光源发出具有比第一激光束的波长长而比第三激光束的波长短的波长的“第二激光束”，以便在光盘D2的记录表面上形成相对较小的束斑。
图1是光学信息记录/再现装置100的光学框图。光学记录/再现装置100包括发出第一激光束的光源1A、发出第二激光束的光源2A、发出第三激光束的光源3A、准直透镜20、构成物镜光学***的物镜10、分束器41和42、半反射镜43和感光器44。
如上所述，所需的NA根据正在使用的光盘的类型变化。因此，如图2A所示，光学信息记录/再现装置100可以具有调整沿从光源3A至物镜10的光路的第三激光束的光束直径的孔径光阑60。
图2A图解说明了在物镜10前方设置孔径光阑60处的光学结构的示例。如图2A所示，孔径光阑60具有按照从光源侧的顺序设置的第一表面61和第二表面62。图2B是从第一表面61这一侧观察的孔径光阑60的前视图。如图2B所示，第一表面61包括在同轴的边界处彼此分开的第一和第二透明区域63a和63b。第一透明区域63a具有允许第一至第三激光束中的每一束从其中通过的特性。第二透明区域63b具有只允许第一和第二激光束从其中通过而阻挡第三激光束的特性。
当从第二表面62这一侧观察孔径光阑60时，会观察到与图2B所示相同的情形。
通过使用孔径光阑60，可以将第三激光束的直径减小至预设直径。也就是说，可以在光盘D3上形成具有所需直径的束斑。
为了对光盘D1-D3进行信息记录或信息再现，通过分束器42和41将光源1A和2A发出的第一或第二激光束中的每一束导向共同的光路，通过分束器41将光源3A发出的第三激光束导向该共同光路。然后，准直透镜20将第一至第三激光束中的每一束准直。通过准直透镜20的每束激光束进入物镜10。
在图1中用点划线表示光学信息记录/再现装置100的基准轴AX。尽管在图1中物镜10的光轴与基准轴AX重合，但也存在物镜10的光轴偏离基准轴AX的情况，例如由信息记录或信息再现的执行过程中的跟踪(tracking)操作所引起的这种情况。
通过将进入物镜10的第一至第三激光束中的每一束这样会聚成准直光束，可以防止在物镜10由于跟踪操作而偏离基准轴AX的状态下出现离轴像差，例如慧差。
通过物镜10的激光束会聚到正在使用的光盘的记录表面附近的点。光盘D1-D3中的每一个的记录表面夹在保护层和标签层之间。
从正在使用的光盘反射的激光束沿同一共同光路继续前进，并在通过分束器41和42及半反射镜43之后由感光器44探测。
如上所述，当对光盘D1-D3选择性地使用具有不同波长的激光束时，球面像差根据光盘D1-D3之间的保护层厚度的不同或物镜10的折射率的变化而变化。
因此，物镜10被配置为通过为光盘D1-D3中的每一个校正球面像差，提供对三种类型的光盘D1-D3的兼容性。为了获得这种光学性能，物镜10具备以下特征。
如图1所示，物镜10具有按照从光源侧的顺序设置的表面11和表面12。物镜10是由塑料制成的双凸单元件透镜。物镜10的表面11和12均为非球面。
非球面的形状用下式表示：
X ( h ) = ch 2 1 + 1 - ( 1 + K ) c 2 h 2 + &Sigma; j = 2 A 2 j h 2 j
其中，X(h)表示SAG量，即非球面上距光轴高度为h的点与非球面在光轴处的切面之间的距离，符号c表示光轴上的曲率(1/r)，K是圆锥系数，A2j(j；大于或等于2的整数)表示第4阶、第6阶、第8阶、第10阶、第12阶……的非球面系数。
物镜10的表面11和12中的至少之一设有具有围绕光轴形成的多个同轴的折射面区域(环形区)的相移结构。由微小台阶划分出多个环形区，所述微小台阶形成在多个环形区的相邻环形区之间。在本实施例中，环形区结构形成在表面11上。
相移结构中的台阶被分称多个台阶组，这些台阶组赋予入射光束互不相同的光程长度差。在本实施例中，物镜10的相移结构包括两种类型的台阶组(第一和第二台阶组)。
更具体地，第一台阶组被配置为使得第一台阶组的每个台阶赋予第一激光束的光程长度差ΔOPD1满足条件：
2N1+1.10<|ΔOPD1/λ1|<2N1+1.40                      …(1)
其中N1是自然数或零。
条件(1)是用于提高光盘D3的光利用率的条件。如果对第一台阶组限定的条件(1)的中间项(|ΔOPD1/λ1|)低于或等于条件(1)的下限，则光盘D3的光利用率会低于大约50％。如果对第一台阶组限定的条件(1)的中间项大于或等于条件(1)的上限，则光盘D1的光利用率会低于大约70％。光程长度差(例如ΔOPD1)是指在物镜10的光轴方向所定义的距离。当相移结构(即环形区)在曲面上形成，台阶的高度并不是具有常数的值(即每一阶台阶的高度不是常数)而给出常数的光程差。
如上所述，如果不满足条件(1)，则不可能保证对光盘D1和D3中的每一个的信息记录和信息再现来说足够的光量。在这种情况下，无法获得稳定的信息记录/再现。
第二台阶组被配置为使得第二台阶组的每个台阶赋予第一激光束的光程长度差ΔOPD2满足条件：
2N2-0.10<|ΔOPD2/λ1|<2N2+0.10                     …(2)
其中N2是自然数。
条件(2)是用于提高光盘D1和D2的每一个的光利用率的条件。如果对第二台阶组限定的条件(2)的中间项(|ΔOPD2/λ1|)低于或等于条件(2)的下限，则光盘D1的光利用率会低于大约95％。如果对第二台阶组限定的条件(2)的中间项大于或等于条件(2)的上限，则光盘D2的光利用率会低于大约85％。
如上所述，如果不满足条件(2)，则不可能保证对光盘D1和D2中的每一个的信息记录和信息再现来说的足够的光量。在这种情况下，无法获得稳定的信息记录/再现。
接下来解释具有多种类型的台阶组的相移结构的设计。
首先，计算多种类型的光程差函数，使得关于第一至第三激光束的衍射效率取各自的最大值处的衍射级之间的比值(下文中简称为“衍射级比”)，多种类型的光程差函数具有互不相同的衍射级比。在本实施例中，按照下面的方式计算两种类型的光程差函数(第一和第二光程差函数)。
光程差函数以距光轴高度h处的附加光程的形式像衍射透镜一样表示函数。更具体地，第i级光程差函数φi(h)可以用下式表示：
φi(h)＝(Pi2h2+Pi4h4+Pi6h6+Pi8h8+Pi10h10+Pi12h12)miλ
其中Pi2，Pi4，Pi6…(i：自然数)表示第i级光程差函数的第2阶、第4阶、第6阶……系数，h表示距光轴的高度，mi表示衍射效率最大处的衍射级，λ表示正在使用的激光束的设计波长。
计算了两种类型的光程差函数之后，将光程差函数联合起来确定相移结构的形状。通过这样用两种类型的光程差函数设计相移结构，可以得到赋予第一激光束互不相同的光程长度差的两种类型的台阶组。
如上所述，提供条件(1)以主要提高光盘D3的光利用率。因此，满足条件(1)的第一台阶组被配置为具有相对较大的台阶尺寸。由于这个原因，第一台阶组不能提供保证对光盘D1的信息记录和信息再现的光利用率在足够水平的作用。也就是说，第一台阶组可能在某种程度导致杂光。
这种杂光可能降低依靠会聚点的聚焦误差信号的信噪比。因此，需要控制杂光的会聚点，使得杂光不会严重影响聚焦误差信号的信噪比。有种可能性是在光学信息记录/再现装置100中使用具有通常用来增加存储容量的多层结构的光盘D1。因此，即使当使用具有多层结构的光盘D1的时候，也需要控制杂光的会聚点，以将聚焦误差信号的信噪比保持在高水平。
为了将具有单层结构的光盘D1和具有多层结构的光盘D1二者的杂光均会聚到不会降低聚焦误差信号的信噪比的位置，将限定第一台阶组的第一光程差函数的系数P12设为具有正值。在这种情况下，近轴衍射倍率取负值。通过这种配置，在光盘D1的使用过程中产生的杂光被会聚到与正常衍射级光的会聚点重叠的位置。
更具体地，第一台阶组被配置为满足下面的条件(3)：
0.0<f1×P12<23.0                       …(3)
其中f1表示物镜10关于第一激光束的焦距。
通过限定系数P12满足条件(3)，即使在使用具有多层结构的光盘D1的时候，也可以将杂光会聚到不会严重影响聚焦误差信号的信噪比的位置。接下来的解释进一步集中论述这个观点。
接下来，假设光盘D1的多层结构包括按照从光源侧的顺序排列的第一记录层和第二记录层。当系数P12满足条件(3)时，对第一和第二记录层之一会聚的杂光不会聚到第一和第二记录层之中的另一记录层的位置上。因此，当满足条件(3)时，可以有效地防止对第一和第二记录层之一会聚的杂光作为聚焦误差信号的噪声出现。
但是，如果第一光程差函数的系数P12取正值，则在使用光盘D1的时候产生的纵向色差处于校正不足的状态。由于这个原因，将限定第二台阶组的第二光程差函数的系数P22设为具有负值，以便适当地校正由杂光聚焦位置的控制引起的纵向球面像差。
更具体地，第二台阶组被配置为使得系数P22满足下面的条件(4)。
-35.0≤f1×P22<0.0                          …(4)
如果条件(4)的中间值(f1×P22)低于条件(4)的下限，则第一激光束的相移结构的倍率会太强，从而纵向球面像差处于校正过度的状态。如果条件(4)的中间值大于或等于条件(4)的上限(即，如果系数P22取正值)，则校正纵向色差的函数不能有效地起作用。
为了在控制杂光的聚焦位置的同时适当地校正纵向色差，可以将系数P12和P22设为满足下面的条件(5)和(6)。
-15.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<30.0                    …(5)
-10.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<20.0                    …(6)
通过将相移结构配置为满足上述条件，即使将进入物镜10的第一至第三激光束用作准直光束，也可以适当地对光盘D1-D3中的每一个抑制球面像差。另外，也可以适当地抑制跟踪操作过程中引起的慧差或像散。此外，当使用光盘D1的时候，可以在防止出现非期望衍射级光的杂光的同时保持适当的聚焦功能。
不必在物镜10的整个表面11上形成上述相移结构。可以在被限定在包括光轴的表面11的内部并有助于第三激光束会聚的区域(下文称作第一区域)内形成相移结构。换言之，第一区域被限定为有助于第一、第二和第三激光束的每一束会聚的最内部区域。
如下文详细描述的，为了保证对光盘D1-D3中的每一个的信息记录和信息再现所需的NA，物镜10被配置为根据有效光束直径限定的位置具有不同结构。例如，物镜10可以被配置为具有第二区域，该第二区域位于第一区域之外并具有与第一区域中的相移结构不同的相移结构。
第二区域中的相移结构被配置为分别将第一和第二激光束适当地会聚到光盘D1和D2的记录表面22上。应注意，第一和第二激光束中的每一束分别用于需要比光盘D3的数值孔径更高的数值孔径的光盘D1和D2。
第二区域中的相移结构具有无助于第三激光束会聚的台阶。也就是说，关于第一激光束，第二区域赋予的多种类型的光程长度差中的至少之一的绝对值与第一区域中的特定台阶组赋予的光程长度差的绝对值不同。关于第一激光束，如果将多种类型的台阶组限定在第一区域中，则第一区域中的特定台阶组相当于赋予接近第一激光束的波长的偶数倍的光程长度差的台阶组。例如，如果第一区域中存在两种台阶组，则满足条件(2)的台阶组(即第二台阶组)相当于特定台阶组。
图10是在物镜10的表面11上形成的相移结构的概念性图解。也就是说，图10是物镜10的横断面图，其图解说明在物镜10的表面11上形成的相移结构。在图10中，图解了第一和第二区域。由于图10的目的在于提供概念性的相移结构图，在图10中相移结构示出为单一类型的台阶形成第一区域。然而，如上文所述，第一区域可以包括多种类型的台阶。
接下来，描述使用物镜10的光学信息记录/再现装置100的三个具体示例。图1中示出了接下来的三个示例中的每一个的光学框图。
在接下来的三个示例中，使用图2所示的孔径光阑60限制光束直径，从而获得适于光盘D3的信息记录和信息再现的数值孔径。在接下来的三个示例中，光盘D1、D2和D3的保护层厚度限定如下。
D1＝0.6mm，D2＝0.6mm，D3＝1.2mm
第一示例
下表1显示了根据第一示例的物镜10的具体规格。
表1
 
第一激光束 第二激光束 第三激光束
波长(nm) 406 660 788
焦距(mm) 2.0 2.08 2.09
NA 0.65 0.63 0.50
放大倍率M 0.000 0.000 0.000
如表1中的“放大倍率M”所示，当使用光盘D1-D3中的每一个时，激光束作为准直光束入射到物镜10上。
表2显示了当在具有表1所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时所限定的具体数值配置。下面表3显示了当在具有表1所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D2时所限定的具体数值配置。下表4显示了当在具有表1所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D3时所限定的具体数值配置。
表2
Figure A200810185762D00191
表3
Figure A200810185762D00192
表4
Figure A200810185762D00201
在表2-4中(以及在以下类似的表中)，“r”表示每个光学表面的曲率半径(mm)，“d”表示在信息再现/记录过程中的光学组件的厚度或从每个光学表面到下一光学表面的距离(mm)，“n(X nm)”表示在波长X nm的折射率。
在表2-4中，表面#1和#2分别表示物镜10的表面11和12，表面#3和#4表示相应光盘的保护层和记录表面。
物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个都是非球面。下表5显示了确定物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个的形状的圆锥常数K和非球面系数A2i。在表5中(以及在以下类似的表中)，符号“E”意为以10为底数以E右侧的数字为指数的幂(例如“E-04”意为“×10-4”)。
表5
Figure A200810185762D00202
物镜10的表面11具有包括光轴的第一区域和位于第一区域之外的第二区域。如下所示通过距光轴的高度限定第一和第二区域。
第一区域：0.000≤h≤1.050
第二区域：1.050<h≤1.300
第一区域是有助于第一至第三激光束的每一束会聚的共同区域。第二区域有助于第一和第二激光束的每一束的会聚而无助于第三激光束的会聚。换言之，第二区域充当了第三激光束的孔径光阑。
第一和第二区域具有彼此不同的功能。也就是说，第一和第二区域的每一个具有独特的相移结构。更具体地，第一和第二区域的每一个具有由如下所示的互不相同的两种类型的光程差函数限定的相移结构。下表6和表7中显示了限定第一和第二区域的每一个的两种类型的光程差函数φi(h)的系数(Pi2……)和衍射级m。
表6
Figure A200810185762D00211
表7
 
表面编号 第一激光束 第二激光束 第三激光束
第一区域(i＝1) 3 2 2
第一区域(i＝2) 2 1 1
第二区域(i＝1) 3 2 2
第二区域(i＝2) 5 3 3
第二示例
下表8显示了根据第二示例的物镜10的具体规格。
表8
 
第一激光束 第二激光束 第三激光束
波长(nm) 406 660 788
焦距(mm) 2.00 2.07 2.08
NA 0.65 0.63 0.50
放大倍率M 0.000 0.000 0.000
如表1中的“放大倍率M”所示，当使用光盘D1-D3中的每一个时，激光束作为准直光束入射到物镜10上。
表9显示了当在具有表8所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时所限定的具体数值配置。下面表10显示了当在具有表8所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D2时所限定的具体数值配置。下面表11显示了当在具有表8所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D3时所限定的具体数值配置。
表9
Figure A200810185762D00221
表10
表11
在表9-11中，表面#1和#2分别表示物镜10的表面11和12，表面#3和#4表示相应光盘的保护层和记录表面。
物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个都是非球面。下表12显示了确定物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个的形状的圆锥常数K和非球面系数A2i。
表12
Figure A200810185762D00224
物镜10的表面11具有包括光轴的第一区域和位于第一区域之外的第二区域。如下所示通过距光轴的高度限定第一和第二区域。
第一区域：0.000≤h≤1.050
第二区域：1.050<h≤1.300
第一区域是有助于第一至第三激光束的每一束会聚的共同区域。第二区域有助于第一和第二激光束的每一束的会聚而无助于第三激光束的会聚。换言之，第二区域充当了第三激光束的孔径光阑。
第一和第二区域具有彼此不同的功能。也就是说，第一和第二区域的每一个具有独特的相移结构。更具体地，第一和第二区域的每一个具有由如下所示的互不相同的两种类型的光程差函数限定的相移结构。下表13和表14中显示了限定第一和第二区域的每一个的两种类型的光程差函数φi(h)的系数(Pi2……)和衍射级m。
表13
表14
 
表面编号 第一激光束 第二激光束 第三激光束
第一区域(i＝1) 3 2 2
第一区域(i＝2) 2 1 1
第二区域(i＝1) 3 2 2
第二区域(i＝2) 5 3 3
第三示例
下表15显示了根据第三示例的物镜10的具体规格。
表15
 
第一激光束 第二激光束 第三激光束
波长(nm) 406 660 788
焦距(mm) 2.00 2.10 2.11
NA 0.65 0.62 0.50
放大倍率M 0.000 0.000 0.000
如表1中的“放大倍率M”所示，当便用光盘D1-D3中的每一个时，激光束作为准直光束入射到物镜10上。
表16显示了当在具有表15所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时所限定的具体数值配置。下面表17显示了当在具有表15所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D2时所限定的具体数值配置。下面表18显示了当在具有表15所示的物镜10的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D3时所限定的具体数值配置。
表16
Figure A200810185762D00241
表17
Figure A200810185762D00242
表18
Figure A200810185762D00243
在表16-18中，表面#1和#2分别表示物镜10的表面11和12，表面#3和#4表示相应光盘的保护层和记录表面。
物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个都是非球面。下表19显示了确定物镜10的表面11和12(表面#1和#2)中的每一个的形状的圆锥常数K和非球面系数A2i。
表19
物镜10的表面11具有包括光轴的第一区域和位于第一区域之外的第二区域。如下所示通过距光轴的高度限定第一和第二区域。
第一区域：0.000≤h≤1.050
第二区域：1.050<h≤1.300
第一区域是有助于第一至第三激光束的每一束会聚的共同区域。第二区域有助于第一和第二激光束的每一束的会聚而无助于第三激光束的会聚。换言之，第二区域充当了第三激光束的孔径光阑。
第一和第二区域具有彼此不同的功能。也就是说，第一和第二区域的每一个具有独特的相移结构。更具体地，第一和第二区域的每一个具有由如下所示的互不相同的两种类型的光程差函数限定的相移结构。下表20和表21中显示了限定第一和第二区域的每一个的两种类型的光程差函数φi(h)的系数(Pi2……)和衍射级m。
表20
表21
 
表面编号 第一激光束 第二激光束 第三激光束
第一区域(i＝1) 3 2 2
第一区域(i＝2) 2 1 1
第二区域(i＝1) 3 2 2
第二区域(i＝2) 5 3 3
在下文中描述第一至第三示例的光学性能。对第一至第三示例中的每一个，下表22示出了条件(1)至(6)的中间项的值。图3是图解说明当在根据第一示例的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时引起的球面像差的曲线图。图4是图解说明当在根据第二示例的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时引起的球面像差的曲线图。图5是图解说明当在根据第三示例的光学信息记录/再现装置100中使用光盘D1时引起的球面像差的曲线图。在图3-5中的每一个中，实线所示的曲线表示在设计波长407nm处引起的球面相差，虚线所示的曲线表示在波长412nm处引起的球面相差，点划线所示的曲线表示在波长402nm处引起的球面相差。
表22
 
第一示例 第二示例 第三示例
条件(1) 3.25 3.36 3.15
条件(2) 1.97 1.93 2.07
条件(3) 8.6 1.0 22.2
条件(4) -12.0 -1.0 -33.0
条件(5) 1.8 1.0 0.6
条件(6) 1.8 1.0 0.6
如表22所示，第一至第三示例中的每一个均满足条件(1)-(6)。因此，如图3-5所示，将球面相差校正为极适合设计波长。另外，即使当激光束的波长稍微偏离设计波长时，球面相差和纵向色差也均被适当地抑制。
图6是图解说明光盘D1的使用过程中的杂光的会聚点与系数P12之间的关系的曲线图。相对于正常衍射级光的会聚点(即光盘D1的记录表面的位置)来限定图6所示的杂光的会聚点。关于第一示例，点FP1表示在第一示例中限定的上述关系，杂光的会聚点是如图6所示的-0.004mm。关于第二示例，点FP2表示在第二示例中限定的上述关系，杂光的会聚点是如图6所示的-0.017mm。关于第三示例，点FP3表示在第三示例中限定的上述关系，杂光的会聚点是如图6所示的0.018mm。
通常，具有用于增加记录密度的多层结构的类型的光盘(即具有多层结构的光盘D3)被配置为在相邻记录层之间具有20μm至40μm的间距。在这点上，当然，当使用光盘D1时产生的杂光的会聚点位于在相邻记录层之间。也就是说，将杂光会聚到不引起聚焦误差信号上的噪声的位置。
图7A和图7B示出了第一示例的聚焦误差信号，图8A和图8B示出了第二示例的聚焦误差信号，图9A和图9B示出了第三示例的聚焦误差信号。更具体地，图7A示出了第一示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图7B示出了第一示例中的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。图8A示出了第二示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图8B示出了第二示例中的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。图9A示出了第三示例中的光盘D1的使用过程中的聚焦误差信号，图9B示出了第三示例中的光盘D3的使用过程中的聚焦误差信号。
由于将杂光会聚到相邻记录层之间的位置，所以图7A、7B、8A、8B、9A和9B显示了正常衍射级光形成的合适的“S”形曲线。也就是说，第一至第三示例的聚焦误差信号中的每一个都具有高信噪比。
虽然已经参照特定的优选实施例相当详细描述了本发明，但其他实施例也是可能的。
根据本实施例的物镜10的配置不限于第一至第三示例所示的配置。光学信息记录/再现装置100中具有的光学组件(例如物镜光学***)可以由多个光学元件构成。如果物镜光学***由多个光学元件构成，则根据上述实施例设计的光学元件可以分别在前后表面上具有相移结构。也就是说，物镜10可以在表面11和12上均具有相移结构。
根据所使用的标准的类型，用于光盘D1的NA和用于光盘D2的NA之间的差异可以非常大。换言之，存在物镜10的表面11上的第一激光束的有效直径与物镜10的表面11上的第二激光束的有效直径不同的情况。在这种情况下，可以在第二区域之外设置用于确保更高的NA(即更大的有效直径)的第三区域。
例如，如果光盘D1所需的NA大于光盘D2所需的NA，则配置第三区域为仅有助于有效地会聚第一激光束而无助于其他类型的激光束的会聚。

Claims (13)

1、一种用于光学信息记录/再现装置的物镜，该光学信息记录/再现装置用于通过选择性地使用包括具有第一波长λ1的第一光束、具有第二波长λ2的第二光束和具有第三波长λ3的第三光束的三种类型的光束之一，向三种类型的光盘上记录信息和/或从其上再现信息，
至少三种类型的光盘包括使用第一光束对其进行信息记录或信息再现的第一光盘、使用第二光束对其进行信息记录或信息再现的第二光盘以及使用第三光束对其进行信息记录或信息再现的第三光盘，
第一、第二和第三波长λ1、λ2和λ3满足条件：
λ1<λ2<λ3，
物镜包括有助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上的第一区域，
第一区域包括具有围绕预设轴形成的多个同轴的折射面区域的相移结构，
相移结构包括第一台阶组和第二台阶组，
其中：
第一台阶组在第一台阶组中的相邻折射面区域之间赋予入射光束的光程长度差与第二台阶组在第二台阶组中的相邻折射面区域之间赋予入射光束的光程长度差不同；
第一和第二光程差函数分别限定了在第一和第二台阶组中形成的台阶的位置；
将第i级光程差函数φi(h)表示为：
φi(h)＝(Pi2h2+Pi4h4+Pi6h6+Pi8h8+Pi10h10+Pi12h12)miλ
其中Pi2，Pi4，Pi6......，i：自然数，分别表示第i级光程差函数的第二阶、第四阶、第六阶……系数，h表示距光轴的高度，mi表示衍射效率最大处的衍射级，λ表示入射光束的设计波长；
第一光程差函数φ1(h)的第二阶系数P12为正值；
第二光程差函数φ2(h)的第二阶系数P22为负值；
第一台阶组被配置为使得第一台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD1满足条件：
2N1+1.10<|ΔOPD1/λ1|<2N1+1.40   (1)
其中N1为自然数或零；以及
第二台阶组被配置为使得第二台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD2满足条件：
2N2-0.10<|ΔOPD2/λ1|<2N2+0.10    (2)
其中N2为自然数。
2、根据权利要求1所述的物镜，
其中第一台阶组被配置为满足条件：
0.0<f1×P12<23.0        (3)
其中f1表示物镜关于第一光束的焦距。
3、根据权利要求1或2所述的物镜，
其中第二台阶组被配置为满足条件：
-35.0≤f1×P22<0.0      (4)。
4、根据权利要求1所述的物镜，
其中物镜满足条件：
-15.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<30.0   (5)。
5、根据权利要求4所述的物镜，
其中物镜满足条件：
-10.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<20.0     (6)。
6、根据权利要求1所述的物镜，其中满足N1＝1和N2＝1。
7、一种光学信息记录/再现装置，其用于通过选择性地使用包括具有第一波长λ1的第一光束、具有第二波长λ2的第二光束和具有第三波长λ3的第三光束的三种类型的光束之一，向三种类型的光盘上记录信息和/或从其上再现信息，
至少三种类型的光盘包括使用第一光束对其进行信息记录或信息再现的第一光盘、使用第二光束对其进行信息记录或信息再现的第二光盘以及使用第三光束对其进行信息记录或信息再现的第三光盘，
第一、第二和第三波长λ1、λ2和λ3满足条件：
λ1<λ2<λ3，
当将第一、第二和第三光盘上的信息再现或信息记录需要的数值孔径分别定义为NA1、NA2和NA3时，数值孔径满足下面的关系：
NA1>NA3；以及
NA2>NA3，
当用t1、t2和t3分别表示第一、第二和第三光盘的保护层厚度时，保护层厚度为t1≈0.6mm，t2≈0.6mm和t3≈1.2mm，
光盘信息记录/再现装置包括：
分别发出第一、第二和第三光束的光源；以及
物镜，
物镜包括有助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上的第一区域，
第一区域包括具有围绕预设轴形成的多个同轴的折射面区域的相移结构，
相移结构包括第一台阶组和第二台阶组，
其中：
第一台阶组在第一台阶组中的相邻折射面区域之间赋予入射光束的光程长度差与第二台阶组在第二台阶组中的相邻折射面区域之间赋予入射光束的光程长度差不同；
第一和第二光程差函数分别限定了在第一和第二台阶组中形成的台阶的位置；
将第i级光程差函数φi(h)表示为：
φi(h)＝(Pi2h2+Pi4h4+Pi6h6+Pi8h8+Pi10h10+Pi12h12)miλ
其中Pi2，Pi4，Pi6……，i：自然数，分别表示第i级光程差函数的第二阶、第四阶、第六阶……系数，h表示距光轴的高度，mi表示衍射效率最大处的衍射级，λ表示入射光束的设计波长；
第一光程差函数φ1(h)的第二阶系数P12为正值；
第二光程差函数φ2(h)的第二阶系数P22为负值；
第一台阶组被配置为使得第一台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD1满足条件：
2N1+1.10<|ΔOPD1/λ1|<2N1+1.40      (1)
其中N1为自然数或零；以及
第二台阶组被配置为使得第二台阶组的每个台阶赋予第一光束的光程长度差ΔOPD2满足条件：
2N2-0.10<|ΔOPD2/λ1|<2N2+0.10      (2)
其中N2为自然数，以及
将第一、第二和第三光束的每一个入射到物镜上作为准直光束。
8、根据权利要求7所述的光学信息记录/再现装置，
其中物镜的第一台阶组被配置为满足条件：
0.0<f1×P12<23.0         (3)
其中f1表示物镜关于第一光束的焦距。
9、根据权利要求7或8所述的光学信息记录/再现装置，
其中物镜的第二台阶组被配置为满足条件：
-35.0≤f1×P22<0.0       (4)。
10、根据权利要求7所述的光学信息记录/再现装置，
其中物镜满足条件：
-15.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<30.0    (5)。
11、根据权利要求10所述的光学信息记录/再现装置，
其中物镜满足条件：
-10.0<f1×(m1×P12+m2×P22)<20.0    (6)。
12、根据权利要求7所述的光学信息记录/再现装置，其中满足N1＝1和N2＝1。
13、根据权利要求7所述的光学信息记录/再现装置，
其中：
物镜包括位于第一区域之外的第二区域；以及
第二区域有助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，而无助于将第三光束会聚到第三光盘的记录表面上。
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