CN1282963C - 象差纠正元件和采用它的光拾取器 - Google Patents

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Abstract

一种具有第一和第二延迟元件的象差纠正元件和采用它的光拾取器中，当把象差纠正元件设计成使得象差纠正元件相对于到来的光束的波长变化引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低时，记录和再现模式之间的波长稍微变化引起的色差可以高光效率纠正。象差纠正元件选择地根据到来光束的偏振引起到来光束的相位差，从而将其采用在使用互相垂直的两个偏振光束的与高密度和低密度记录媒体兼容的光拾取器中。

Description

象差纠正元件和采用它的光拾取器
技术领域
本发明涉及象差纠正元件和采用该象差纠正元件的光拾取器，其能纠正对高密度记录媒体进行信息记录和再现的模式改变期间光功率变化所引起的色差，并与高密度记录媒体和相对低密度的数字多能盘(DVD)族媒体兼容。
背景技术
在光记录和再现***中，记录密度由聚焦光斑的大小决定。通常，聚焦光斑(S)尺寸正比于波长λ并反比于数值孔径(NA)。
为降低光斑尺寸，期望研究中的高密度光拾取器采用发射兰光的光源和具有至少0.6的NA的物镜，从而可实现比现有致密盘(CD)和DVD族媒体更高的信息记录密度。
用于制造光拾取器的物镜的光学材料如玻璃和塑料的折射率对于小于650nm的波长突然变化。由于这一原因，当入射光束的波长在短波长范围内稍微变化时，出现相当大的色差。
光记录/再现***的光功率根据模式，即记录模式和再现模式而改变。因此，从光源发出的光束的波长根据模式在大约±2nm的范围内变化。由于提高光源的输出功率来记录信息，来自光源的光的波长变长。对于使用兰光源和对于某波长优化的物镜的用于高密度记录和再现的光拾取器，当记录或再现信息的模式改变时波长变化引起多个色差。
这种色差可通过使物镜失焦而纠正。但是，使用致动起来驱动物镜以跟随波长变化则要花费相当长的时间周期。从而反复进行信息记录和再现时，在该时间周期中记录和再现信号量降低。
这样，用于高密度记录和再现的光拾取器需要光学元件能够有效地降低在记录和再现的模式改变时波长改变引起的色差。另外，需要考虑高密度光拾取器与现有DVD的兼容性。但是，对于可记录的DVD(DVD-R)和多层DVD，必须采用红光源，这是因为这些盘相对于短波长光具有显著降低的反射率。因此，必须对这些盘采用红光源。
采用折射和衍射物镜9的传统光拾取器如图1所示。折射和衍射物镜9把半导体激光器1已经发出的并由准直透镜3校准的且经束分离器5反射来的光聚焦在光盘10的记录表面上。折射和衍射物镜9是非球面透镜，其具有非球面的光接收和发射表面，并在非球形表面上具有衍射图案。把折射和衍射物镜9构造成折射和衍射透镜的组合。
假设V是折射透镜部分的阿贝系数，VHOE是衍射透镜部分的阿贝系数，n1，n2和n3分别是折射和衍射物镜9相对于从半导体激光器1发射的中间波长λ1、最短波长λ2和最长波长λ3的折射率，把折射和衍射物镜9设计成满足下面条件：
(1+VHOE/V)(n2-1)＞0.572
这里，V＝(n2-1)/(n1-n3)，VHOE＝λ2(λ1-λ3)。传统折射和衍射物镜9具有0.7或更大的NA并能消除半导体激光器发射的光的波长变化引起的色差。
在图1中，参考序号7a和7b表示第一和第二倾斜片，用于纠正再现模式中光盘1的倾斜导致的彗形象差。把第一和第二倾斜片7a和7b设置成它们的凸面和凹面面向外。由于第一和第二倾斜片7a和7b在相反方向移动，波前形状改变为彗形象差的相反的形状，从而取消光盘倾斜引起的彗形象差。参考序号6表示1/4波片，参考序号11表示检测透镜，参考序号13表示光电检测器，标号151表示电机，标号152表示歪斜检测器，标号153表示子电路。
考虑衍射元件的性能。采用折射和衍射物镜9的光拾取器具有低的光效率，从而难以获得足以记录信息的高的光功率。相对于其波长相当大地偏离物镜的初始波长的光束，传统折射和衍射物镜9表现出低的光效率，从而不能把它用于使用不同光波长的光拾取器。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种能被应用于使用不同光波长的光拾取器中的象差纠正元件，其根据到来光束的偏振引起到来光束的相位差，从而其光效率高。
本发明的第二目的是提供一种光拾取器，其采用能纠正在改变模式以在高密度记录媒体上记录信息或从高密度记录媒体再现信息期间由较短的波长的光的波长改变引起的色差的象差纠正元件，光拾取器具有高光效率并且使用不同波长的光与高密度记录媒体和相对低密度记录媒体兼容。
为实现本发明的第一目的，提供一种象差纠正元件，包括：在一侧上具有带有多个台阶的至少一个台阶式凸形图案的第一延迟元件；与该第一延迟元件组合的第二延迟元件，第二延迟元件在面对第一延迟元件的一侧或在相对的侧上具有带有多个台阶的台阶式凹形图案，台阶式凹形图案与至少一个台阶式凸形图案相对应，其中，第一和第二延迟元件的折射率对于第一偏振光束不同，从而第一和第二延迟元件根据入射光束的偏振选择地引起入射光束的相位差。
优选地第一和第二延迟元件的多个台阶的每一个的光轴方向上的间距是λ0/(n0a-n0b)的整数倍，这里λ0是设计物镜的第一偏振光束的波长，n0a和n0b分别是第一和第二延迟元件对于波长λ0的折射率。
优选地，第一和第二延迟元件由各向异性材料构成，并且第一和第二延迟元件对于垂直于第一偏振光束的第二偏振光束具有基本相同的折射率。
优选地，第一延迟元件的至少一个台阶式凸形图案和第二延迟元件的台阶式凹形图案以光轴为中心是同心的，并且对于具有波长λ1的光束，第一和第二延迟元件引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低。
优选地，第二延迟元件包括多个台阶式凹形图案，从而第一延迟元件的至少一个台阶式凸形图案适合于第二延迟元件的该多个台阶式凹形图案。
为实现本发明的第二目的，提供一种光拾取器，包括用于发射第一光束的第一光源，该第一光束作为具有适合于高密度记录媒体的相对短的波长的第一偏振光束；聚焦来自第一光源的第一光束以在高密度记录媒体上形成光斑的物镜；设置在第一光源与物镜之间的光路上的用于改变第一光源的第一光束的传播路径的光路改变装置；设置在光路改变装置与物镜之间的光路上的用于纠正第一光源发射的第一光束的波长变化引起的色差的第一象差纠正元件；用于在由高密度记录媒体对其进行反射后经物镜和光路改变装置接收第一光束的光电检测器，其中第一象差纠正元件包括其折射率对于第一光束不同的第一和第二延迟元件，并且把第一象差纠正元件设计成第一和第二延迟元件相对于第一光束的波长改变引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低，从而纠正波长改变引起的色差。
优选地把第一象差纠正元件的第一和第二延迟元件组合起来；第一延迟元件具有台阶式凸形图案，台阶式凸形图案包括围绕光轴同心的多个台阶，第二延迟元件在面对第一延迟元件一侧上或在相对的一侧上具有台阶式凹形图案，台阶式凹形图案与第一延迟元件的台阶式凸形图案相对应；把第一象差纠正元件设计成第一和第二延迟元件引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低。优选地，第一和第二延迟元件的多个台阶的每一个的光轴方向上的间距是λ0/(n0a-n0b)的整数倍，这里λ0是设计物镜的第一偏振光束的波长，n0a和n0b分别是第一和第二延迟元件对于波长λ0的折射率。
光拾取器还包括发射第二光束的第二光源，该第二光束作为垂直于第一光束的第一偏振的第二偏振束，第二光束具有相对长的波长，适合于低密度记录媒体。以这种方式，光拾取器还包括设置在光路改变装置与物镜之间的光路上的用于根据入射光束的偏振选择地引起入射光束的相位差的第二象差纠正元件，第二象差纠正元件包括带有至少两个台阶式凸形图案的第三延迟元件和带有与台阶式凸形图案相对应的至少两个台阶式凹形图案的第四延迟元件，每一个台阶式凸形图案具有多个台阶，从而相对于低密度记录媒体可纠正相对于第二光束由波长变化引起的色差和/或基片厚度变化引起的球差。
优选地，第一光束是兰光和/或第二光束是红光；高密度记录媒体是具有比数字多能盘(DVD)族媒体更高密度的记录媒体，和/或低密度记录媒体是DVD族记录媒体。优选地，高密度记录媒体的基片厚度是0.6mm或更小，和/或低密度记录媒体的基片厚度大约是0.6mm。优选地，把光路改变装置构造成使得第一光源和第二光源彼此垂直，第一和第二光源与光轴对齐。
或者，第一光源和第二光源设置得彼此靠近。优选地，第一光源和第二光源之一与光轴对齐，另一个偏离光轴而靠近该一个光源，把第一或第二象差纠正元件设计成使得可纠正由于设置其它光源而造成的相对于从另一个光源发出的光束的场象差。以这种方式，光拾取器优选地还包括位于光路改变装置与光电检测器之间的全息元件，用于相对于在从其它光源发射并从相应的记录媒体反射后通过第一和/或第二象差纠正元件而朝向光电检测器的光束纠正场象差。
附图说明
本发明的上述目的和优点通过参考附图对其优选实施例的具体描述变得更明显，其中：
图1表示采用折射和衍射物镜的传统光拾取器；
图2到图4表示根据本发明的象差纠正元件的另外实施例的剖面图；
图5表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的优选实施例的光学装置；
图6A和6B分别表示在采用对于高密度记录媒体的再现光的波长优化的图5的物镜时再现和记录模式中的象差；
图7表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的另一优选实施例的光学装置；
图8表示由图7所示的物镜把较长的光波长聚焦在低密度的记录媒体上时产生的象差，该物镜对于较短的再现光波长和高密度记录媒体的厚度进行了优化；
图9A到9C表示在高密度记录媒体的再现和记录模式中和低密度记录媒体的再现模式中波前通过设置在图7的光拾取器中的第一和第二象差纠正元件所引起的波前变形；
图10表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的又一优选实施例的光学装置；
图11表示在相对于光轴倾斜的光源发射光时发生的图10的光拾取器中的场象差。
具体实施方式
参考图2，根据本发明的象差纠正元件的优选实施例是对于第一偏振光束其折射率不同的第一延迟元件31和第二延迟元件35的组合。第一延迟元件31和第二延迟元件35的每一个具有围绕光轴同心的台阶式图案，其中第一延迟元件31的台阶式图案与第二延迟元件35的台阶式图案互补。尤其，第一延迟元件31在其一侧具有围绕光轴同心的台阶式凸形图案。第二延迟元件35在其一侧具有围绕光轴同心的台阶式凹形图案，其与第一延迟元件31的台阶式凸形图案相配合。把第二延迟元件35设置成使得它的台阶式凹形图案面对第一延迟元件31的台阶式凸形图案或面对第一延迟元件31的相对侧。图2表示组合来使得它们的台阶式凸形图案和台阶式凹形图案彼此面对的第一延迟元件31和第二延迟元件35。
优选地，第一延迟元件31和第二延迟元件35对于第一偏振光束具有不同折射率，并且对于垂直于第一偏振光束的第二偏振光束具有基本相同的折射率，从而到来的光束的相位差在其通过第一延迟元件31和第二延迟元件35时根据带来的光束的偏振来产生。
第一延迟元件31和第二延迟元件35的偏振相关的折射性能可使用相对于折射率各向异性材料实现，并且通过适当设置各向异性材料的光轴，使得例如第一延迟元件31的折射率根据入射光束的偏振来变化，并且对于第一和第二偏振光束是不同的；而第二延迟元件35不管入射光束的偏振如何都具有恒定的折射率。优选地，第一延迟元件31和第二延迟元件35由相同的各向异性材料构成。以这种方式，把第一延迟元件31设置成使得它根据入射光束的偏振具有一般的折射率或反常的折射率，把第二延迟元件35设置成使得它不管入射光束的偏振如何都具有一般的折射率。把各向异性材分类为正型或负型：正型材料具有比一般折射率大的反常折射率，负型情况相反。
把根据本发明的象差纠正元件的优选实施例设置成使得台阶式凸形图案和台阶式凹形图案的每一个的一个台阶的间距d1是λ01(n0a-n0b)的整数倍，这里λ0是设计要使用的物镜的第一偏振光束的波长，n0a和n0b分别是第一和第二延迟元件31和35对于第一偏振光束的折射率。
关于根据本发明的象差纠正元件的操作，由第一延迟元件31和第二延迟元件35相对于第一偏振光束的波长从λ0到λ1的改变引起的相位差表示为((n1a-n1b)·z(h))，其中n1a和n1b是第一延迟元件31和第二延迟元件35对于波长λ1的折射率，h是离开光轴的距离，z(h)是在距离h处从第一延迟元件31或第二延迟元件35的光接收表面到第一延迟元件31或第二延迟元件35的特定台阶的高度。相对于波长从λ0到λ1的改变引起的相位差根据离开光轴的距离不连续地增加或降低。
根据本发明的具有上述配置的象差纠正元件适合于纠正来自会聚透镜的光的色差，如后面要描述的光拾取器的物镜，这个色差是由入射光的相对小的波长变化引起的。换言之，由相对小的波长变化引起的这种色差的程度随着离开光轴的距离增加而围绕光轴对称地增加或降低。从而，通过使用图2的具有围绕光轴同心的台阶式图案的象差纠正元件，第一偏振光束的波长变化引起的色差可被纠正。
例如，在图2所示的象差纠正元件的配置中，其中第一延迟元件31设置在光接收侧，第二延迟元件35设置在光发射侧，当对于第一偏振光束第一延迟元件31具有比第二延迟元件35大的折射率时，并且当具有偏离了物镜所设计的波长的波长的平面波前的第一偏振光束进入图2所示的象差纠正元件中时，把第一偏振光束整形为朝向象差纠正元件凸出的波前s1。这个凸出波前源于象差纠正元件的延迟程度随离开光轴的距离的增加而变小。
相反，当对于第一偏振光束图2所示的第二延迟元件35具有比第一延迟元件31大的折射率时，具有平面波前的到来的第一偏振光束被整形为朝向象差纠正元件凹入的与波前s1相反的波前s2。
当带有小波长变化的光学***采用图2所示的具有围绕光轴同心的台阶式图案的象差纠正元件时，例如第一偏振光束的小波长变化引起的色差可通过把入射的第一偏振光的波前形状改变为会聚透镜引发的色差的相反形状来纠正。
尤其，来自象差纠正元件的光束的波前随台阶式图案的台阶的数目增加而变得越来越弯曲。并且向外的波形的斜度取决于第一和第二延迟元件31和35对于第一偏振光束的每个台阶的宽度和折射率。因此，如果用于第一和第二延迟元件31和35的材料适当选择，并且如果台阶数目和每一台阶的宽度根据纠正色差需要的准确度被优化，可有效地消除光学***中的色差。
另一方面，如上所述，当根据本发明的象差纠正元件的第一和第二延迟元件31和35由相同的各向异性材料构成，以使得它们相对于垂直于第一偏振光束的第二偏振光束具有相同的折射率时，象差纠正元件引起向外的波前相对于第一偏振光束的形状根据第一偏振光束的波长变化而改变，同时无论波长如何变化刚好通过第二偏振光束，不改变向外的波前的形状。从而，可把象差纠正元件用于使用两个光波长的光拾取器，关于该光拾取器将在后面叙述。在这种情况下，如果第一和第二延迟元件31和35是正型，第一偏振光束的平面波前被整形为波前s1。如果第一和第二延迟元件31和35是负型，第一偏振光束的平面波前被整形为波前s2，如图2所示。
尽管根据本发明的象差纠正元件参考图2的配置进行了描述，应理解在不背离本发明精神和范围的情况下根据在光拾取器中的应用可进行各种修改和改变。
例如，如图3所示，对于应用两种明显不同的光波长例如兰光和红光的光学***，可把根据本发明的象差纠正元件设计成具有至少两个台阶式图案，从而由于与设计物镜的波长的相对大的波长变化而由会聚透镜引起的色差可被纠正。图3所示的象差纠正元件的实施例包括一对第三延迟元件41和一对第四延迟元件45，前者每一个具有台阶式凸形图案，这些围绕光轴对称，并且后者带有与第三延迟元件41的台阶式凸形图案配合的台阶式凹形图案。第三延迟元件41和第四延迟元件45由基本相同的材料构成，与第一和第二延迟元件31和35一样。
当红光进入对于兰光优化的会聚透镜时，产生色差。另外，类似于后面的光拾取器，当光学***与不同格式的记录媒体兼容时，也发生记录媒体的厚度不同引起的球差。结果，当红光被会聚到相对厚的记录媒体的记录表面上时，通过色差和/或球差形成双峰状波前。在这种情况下，使用如图3所示的具有至少两个台阶式图案的象差纠正元件可通过把到来的平面波前光束p2整形成色差和/或球差的相反的形状而纠正象差。
假设λ0’是涉及要使用的物镜的到来的平面波前光束p2的波长，n0a’和n0b’是分别第三延迟元件41和第四延迟元件45对于平面波前光束p2的折射率，当第三延迟元件41和第四延迟元件45的每个台阶的间距d2不是λ0’/(n0a’-n0b’)的整数倍时，把到来的平面波前光束p2的形状改变为象差的相反形状，象波前s3或s4。如果第三延迟元件41的折射率大于第四延迟元件45的折射率，把到来的平面波前光束p2的形状整形为波前s3。如果第三延迟元件41的折射率小于第四延迟元件45的折射率，把到来的平面波前光束p2的形状整形为波前s4。
根据本发明的象差纠正元件的另一实施例如图4所示。图4的象差纠正元件包括具有不同折射率的第五和第六延迟元件51和55。第六延迟元件55被分为多个部分，每一部分具有不同的折射率，并且将第六延迟元件55设置在第五延迟元件51的中心或至少一侧，如图4所示，从而产生需要的相位差。在本实施例中，第六延迟元件55的相邻的部分具有不同的波长。第六延迟元件55的厚度一致。类似于前面实施例的第一和第二延迟元件31和35，当图4的象差纠正元件相对于从设计物镜的波长λ0变化来的波长λ1表达为(n1a-n1b(h))·d时，其中n1a是第五延迟元件51相对于波长λ1的折射率，n1b(h)是第六延迟元件55的折射率，该部分离开光轴距离h，d是第六延迟元件的厚度，则相位差相反于波长变化引起的象差。与第一和第二延迟元件31和35相比，第六延迟元件55的厚度d对应于从光接收表面到第一或第二延迟元件31或35的特定台阶的高度z(h)。在本实施例中，第六延迟元件55的每一部分的宽度与图2的第一或第二延迟元件31或35的每一台阶的宽度匹配，从而随着到来光束的波长改变，波前形状改变，如图2所示。应理解可把第六延迟元件55分为多个部分，使得产生相同的波前变化，如图3所示。
根据上述本发明的象差纠正元件可改变来使得可纠正在兼容光拾取器中采用不同格式光记录媒体引起的象差的变化和色差的变化，例如球差。
图5表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的实施例的光学装置。参考图5，光拾取器包括用于发射第一光束101a的第一光源101，该第一光束101a具有相对短波长；聚焦来自第一光源101的第一光束101a以在记录媒体100上形成光斑的物镜107；用于改变第一光源101的第一光束101a的传播路径的光路改变装置103；设置在光路改变装置103与物镜之间107之间的光路上的用于纠正第一光源101发射的第一光束101a的波长变化引起的色差的第一象差纠正元件130；用于接收经记录媒体100反射后的经过物镜107和光路改变装置103的第一光束101a的光电检测器110。
第一光源101可以是发射第一光束101a的半导体激光器，该第一光束101a具有相对短的波长，例如具有大约405nm的波长的兰光。因此，从第一光源101发射的第一光束101a是主要在特定方向偏振的光束。优选地物镜107设计成适合用于记录或再现模式中的从第一光源101发射的第一光束101a的波长。
把光路改变装置103设置在第一光源101和物镜之间107之间的光路上，并改变入射束的光路使得从第一光源101发射的第一光束101a朝向记录媒体100，并且由记录媒体100反射的第一光束101a朝向光电检测器110。作为光路改变装置103，可使用如图5所示的棱镜型束分离器、平板型束分离器或偏振束分离器、用于来自第一光源101的光的波长的1/4波片。
优选地，把用于校直来自第一光源101的光的准直透镜105设置在第一光源101和物镜之间107之间。更优选地检测透镜108也设置在光路改变装置103与第一光源101之间的光路上。
上述光学元件被设计成并安排成适合于高密度记录媒体100a，所谓的“高分辨率数字多能盘(HD-DVD)”，其记录密度大于DVD族记录媒体。
当包括物镜107的光学***被设计用于再现模式中的第一光源101发射的第一光束101a的波长时例如是405nm，记录模式中引起色差，这是因为第一光束101a的波长变得稍微长点，例如406nm以满足提高的光功率的需要。换言之，如果用于再现模式的第一光束101a具有405nm的波长，并且物镜107对于该波长优化，如图6A所示，则在再现模式中不会产生色差。但是当模式改变到记录模式时，如图6B所示，当第一光束101a通过物镜107时由于波长的稍微变化引起色差产生。
由采用高密度记录媒体100a的光学***中的记录模式和再现模式之间的光波长的稍微变化引起的这种色差可通过根据本发明的设置在光路改变装置103与物镜107之间的光路上的第一纠正元件130来纠正。
当采用高密度记录媒体100a的光学***的模式改变为记录或再现模式时，第一光束101a的波长在相对窄的范围内变化，即在±2nm内变化。以这种方式，优选地使用具有围绕光轴同心的台阶式凸凹形图案的第一象差纠正元件130，如参考图2所述。第一象差纠正元件130的台阶式凸凹形图案被设计成使得每一台阶的光轴方向的间距是405nm/(n0a-n0b)的整数倍，其中n0a和n0b分别是第一象差纠正元件130的第一和第二延迟元件31和35相对于作为405nm的p偏振光束的第一光束101a的折射率。而且，当物镜107相对于第一光束101a的从405到406nm的波长变化引发如图6B所示的色差时，把第一象差纠正元件130设计成引起以((n11a-n11b)·z(h))表达的相位差，其中n11a和n11b是第一延迟元件31和第二延迟元件35对于406nm的波长的折射率，h是离开光轴的距离，z(h)是在距离h处从光接收表面到第一延迟元件和第二延迟元件的特定台阶的高度。第一和第二延迟元件31和35引起的相位差源于波前，该波前是图6B所示的象差形状的相反形状。
换言之，由于来自第一象差纠正元件130的向外的波前相对于第一光束的波长的稍微变化在记录模式中具有物镜107引发的色差相反的形状，色差可通过减法运算来消除。或者，第一象差纠正元件130可具有如图4所示的配置。
图7表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的又一实施例。与图6的光拾取器相比，图7的光拾取器还包括发射第二光束102a的第二光源102，该第二光束102a具有相对长的波长，适合于低密度记录媒体100b；还包括设置来适合于两个光源101和102的光路改变装置203。图7的光拾取器被设计成与高密度记录媒体100a和其密度相对低于高密度记录媒体100a的低密度记录媒体100b兼容。或者物镜107和光电检测器110可被设计成适合于第一光束101a与第二光束102a。在图7中，与图5相同的元件以与图5使用的相同的参考序号表示。
低密度记录媒体100b是DVD族记录媒体，并且低密度记录媒体100b的基片厚度大约是0.6mm。研究中的高密度记录媒体100a b的基片厚度是0.6mm或更小。
与第一光源101类似，可采用半导体激光器作为第二光源102。优选地。把第二光源102设置成具有例如大约605nm的波长的第二光束的主偏振方向垂直于从第一光源101发射的第一光束101a的主偏振方向，从而第一象差纠正元件130不引起第二光束102a的波前变化。半导体激光器发射偏振光束。因此，当把半导体激光器作为第一光源101和第二光源102时，第一光源101和第二光源102被设置成使得偏振光束的主偏振方向，即第一和第二光束101a和102a彼此垂直。
为刚好通过第二光束102a而不改变波前的形状，第一象差纠正元件130被设计成使得第一和第二延迟元件31和35对于例如作为s偏振光束的第二光束102a具有相同的折射率。为实现这一点，第一和第二延迟元件31和35由相同的各向异性材料构成，并且第一和第二延迟元件31和35的每一个的光轴被设置成对于第一光束101a其折射率不同而对于第二光束102a则相同。如果有波长变化，第一象差纠正元件130对于第一光束101a改变波前形状，但对于第二光束102a则不改变波前形状。
光路改变装置203被设置在第一和第二光元101和102与物镜107之间的光路上，并且改变分别来自第一光源101和第二光源102的第一光束101a和第二光束102a的光路。
在图7所示的实施例中，作为光路改变装置203，其允许第一光源101和第二光源102对于光轴对齐，透射和反射分别来自第一光源101和第二光源102的第一光束101a和第二光束102a的第一和第二束分离器203a和203b把第一光束101a和第二光束102a指向光记录媒体100。尤其，第一束分离器203a透射一部分来自第一光源101的第一光束101a，使得它朝向记录媒体100。第二束分离器203b反射来自第二光源102的第二光束102a的一部分从而使得它朝向记录媒体100。在这种情况下，在从记录媒体100反射后，第一光束101a和第二光束102a都通过第二束分离器203b并被第一束分离器203a反射，从而它们朝向光电检测器110。尽管图7中采用立体束分离器作为第一和第二束分离器203a和203b，应理解可采用平板或棱镜型束分离器作为为第一和第二束分离器203a和203b。
另一方面，由于对于例如具有405nm的波长的第一光束101a优化物镜107，在发射第二光束102a来向低密度记录媒体100b记录信息或从那里再现信息时产生由波长变化引起的色差和/或高密度记录媒体100a和低密度记录媒体100b之间的厚度不同引起的球差，如图8所示。
优选地，光拾取器还包括位于光路改变装置203与物镜107之间的光路上的第二象差纠正元件230，用于纠正发射第二光束102a时引起的色差和/或球差。
优选地，把第二象差纠正元件230设计成它刚好通过第一光束101a而不引起任何波前改变，并且对于第二光束102a引起相位差，使得来自第二象差纠正元件230的向外波前具有与色差和/或球差相反的形状，从而消除象差。
作为第二象差纠正元件230，可采用具有如图3所示的至少两个台阶式图案的象差纠正元件。尤其，第二象差纠正元件230包括一对第三延迟元件41和与该对第三延迟元件41配合的一对第四延迟元件45。优选地，第三延迟元件41和第四延迟元件45由相同的各向异性材料构成，并且被设计成第三延迟元件41和第四延迟元件45对于例如作为s偏振光束的第二光束102a具有不同的折射率，并且对于例如作为p偏振光束的第一光束101a具有相同的折射率。另外，为把第二光束102a的波前整形成象差的相反形状，假设n20a和n20b分别是第三延迟元件41和第四延迟元件45对于具有650nm的波长的第二光束102a的折射率，第二象差纠正元件230被设计成使得第三延迟元件41和第四延迟元件45的每一台阶的光轴方向上的间距d2不是650nm/(n20a-n20b)的整数倍。
例如，当相对于第二光束102a产生如图8所示的色差和/或球差时，第二象差纠正元件230的第三延迟元件41和第四延迟元件45由相同的负型各向异性材料构成，从而到来的光束的波前被改变为色差和/或球差的相反形状，从而纠正象差。或者，如果第三延迟元件41和第四延迟元件45由相同的正型各向异性材料构成，改变第三延迟元件41和第四延迟元件45的相对位置来消除象差。
或者，可把第二象差纠正元件230修改为与图4所示的象差纠正元件相应的配置。
换言之，在采用对于例如兰光的第一光束101a优化的物镜107的光拾取器中第二象差纠正元件230的使用可纠正当物镜107会聚例如红光的第二光束102a时物镜107引起的色差和/或高密度记录媒体100a和低密度记录媒体100b之间的厚度不同引起的球差。如果高密度记录媒体100a和低密度记录媒体100b具有相同厚度，把第二象差纠正元件230设计成使得它可纠正物镜107相对于第二光束102a引起的色差就足够了。
在图7所示的本发明中，准直透镜205可以是负功率和正功率透镜的组合，从而准直透镜205可纠正第一光束101a和第二光束102a之间的相对大的波长差引起的色差，并且能校直第一光束101a和第二光束102a。把准直透镜205设置在例如第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230之前，从而第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230可接收平行光束。
优选地，把检测透镜209构造成允许光电检测器110检测更好质量的信号。换言之，检测透镜209可提供来纠正在记录媒体100反射后通过第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230的第一光束101a和第二光束102a之间的相对大的波长差引起的色差。
当在光拾取器中采用第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230时，如上参考图5和图7所述，第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230可根据操作模式即记录/再现模式以及如图9A到9C所示的采用的记录媒体类型纠正由改变到来的光束的屏面波前而引起的象差。在图9A到9C中，进入第二象差纠正元件230的第一光束101a和第二光束102a是平行光束。这里，使用的物镜对于例如具有从用于高密度记录媒体100a的再现模式中的第一光源101发射来的405nm的波长的第一光束101a进行优化。
参考图9A，在高密度记录媒体100a的再现模式中，当作为p偏振光束的从第一光源101发射来的第一光束101a连续通过第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230时没有波前变化。
参考图9B，在高密度记录媒体100a的记录模式中，从第一光源101发射来的p偏振第一光束101a的波长改变为406nm。当第一光束101a通过第二象差纠正元件230时没有波前变化。但是由于波长变化由第一象差纠正元件130改变波前形状。第一象差纠正元件130的第一光束101a的形状与图6B所示的象差形状相反。结果，可纠正高密度记录媒体100a的记录模式中引起的色差。
参考图9C，在采用低密度记录媒体100b时，在记录和再现模式中从第二光源102发射例如作为650nm的s偏振光束的第二光束102a。当第二光束102a通过第二象差纠正元件230时，第二光束102a的波前改变为物镜相对于第二光束102a引发的色差的相反形状和/或高密度记录媒体100a和低密度记录媒体100b之间的厚度不同引起的球差。当第二光束102a通过第一象差纠正元件130时，到来的光束的形状没有变化。来自第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230的第二光束102a的波前具有如图8所示的所引发的象差的相反形状。如上所述，当通过对于高密度记录媒体100a优化的光拾取器把信息记录在低密度记录媒体100b上或从那里再现信息时发生的象差可被纠正，如图8所示。
图10表示采用根据本发明的象差纠正元件的光拾取器的又一实施例的光学装置。图10的光拾取器的特征在于把第二光源102设置得靠近于第一光源101。与图5和图7相同的元件以图5和图7中使用的相同的参考序号表示。
参考图10，第一光源101与光轴对齐，第二光源102设置得靠近第一光源101，从而从第二光源102发射的第二光束102a相对于光轴稍微倾斜。由于这一原因，当发射第二光束102a来在低密度记录媒体上记录信息或从那里再现信息时，发生与上述色差和/或球差相同的场象差。倾斜引起的场象差如图11所示。
当第一光源101和第二光源102如图10那样设置时，优选地，第二象差纠正元件230设置成可纠正第二光束102a倾斜带来的场象差。
另一方面，当第二光束102a经低密度记录媒体100b反射后通过第一象差纠正元件130和第二象差纠正元件230朝向光电检测器110时，第二光束102a仍包括场象差。由于这一原因，优选地，还把全息元件208设置在光路改变装置103与光电检测器110之间的光路上以消除场象差。
或者，第二光源102而不是第一光源101与光轴对齐，之后，把第一光源101设置得靠近第二光源102。在这种情况下，把第一象差纠正元件130设置成可纠正第一光束101a倾斜带来的场象差。提供全息元件308来消除来自第一光束101a的场象差。
对于参考图7到图10描述的象差纠正，把第一象差纠正元件130设置得靠近物镜107。尽管可把第二象差纠正元件230设置得靠近物镜107，但结果的波前的形状与前面的实施例相同。
如上所述，根据本发明的象差纠正元件通过根据到来的光束的偏振选择地改变到来的光束的相位差来纠正象差。因此，光效率很高。
尤其，当把象差纠正元件设计成象差纠正元件相对于入射光束的波长变化引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低，并且然后该相位差被采用在以较短波长光束进行高密度记录和再现的光拾取器中时，记录和再现模式之间的波长稍微变化引起的色差可以以高的光效率来纠正。
根据本发明的象差纠正元件根据到来的光束的偏振选择地引起到来的光束的相位差，从而将其采用在使用互相垂直的两个偏振光束的与高密度和低密度记录媒体兼容的光拾取器中。
尽管本发明参考其优选实施例进行了特定展示和描述，熟悉本领域的技术人员应理解在不背离后附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可进行形式和细节上的各种变化。

Claims (26)

1.一种纠正会聚透镜引起的象差的象差纠正元件，象差纠正元件的特征在于，包括：
在一侧上具有带有多个台阶的至少一个台阶式凸形图案的第一延迟元件；
与该第一延迟元件组合的第二延迟元件，第二延迟元件在面对第一延迟元件的一侧或在相对的侧上具有带有多个台阶的台阶式凹形图案，台阶式凹形图案与至少一个台阶式凸形图案相对应；
第一和第二延迟元件的折射率对于第一偏振光束不同，从而第一和第二延迟元件根据入射光束的偏振引起入射光束的相位差。
2.根据权利要求1的象差纠正元件，其特征在于，第一和第二延迟元件的多个台阶的每一个的光轴方向上的间距是λ0/(n0a-n0b)的整数倍，这里λ0是所述第一偏振光束的波长，n0a和n0b分别是第一和第二延迟元件对于波长λ0的折射率。
3.根据权利要求1的象差纠正元件，其特征在于，第一和第二延迟元件由各向异性材料构成。
4.根据权利要求3的象差纠正元件，其特征在于，第一和第二延迟元件对于垂直于第一偏振光束的第二偏振光束具有相同的折射率。
5.根据权利要求1到4的任何一项的象差纠正元件，其特征在于，第一延迟元件和第二延迟元件相对于第一偏振光束的波长从λ0到λ1的改变引起的相位差表示为((n1a-n1b)·z(h))，其中n1a和n1b是第一延迟元件和第二延迟元件对于波长λ1的折射率，h是离开光轴的距离，z(h)是在距离h处从光接收表面到第一延迟元件或第二延迟元件的一台阶的高度，相位差与波长变化相反。
6.根据权利要求5的象差纠正元件，其特征在于，第一延迟元件的至少一个台阶式凸形图案和第二延迟元件的台阶式凹形图案以光轴为中心是同心的，并且对于具有波长λ1的光束，第一和第二延迟元件引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低。
7.根据权利要求5的象差纠正元件，其特征在于，第二延迟元件包括多个台阶式凹形图案，从而第一延迟元件的至少一个台阶式凸形图案配合于第二延迟元件的该多个台阶式凹形图案。
8.一种光拾取器，包括第一光源；聚焦来自第一光源的一光束以在记录媒体上形成光斑的物镜；设置在第一光源与物镜之间的光路上的用于改变第一光源的光束的传播路径的光路改变装置；用于接收在由记录媒体对其进行反射后经物镜和光路改变装置的光束的光电检测器，光拾取器的特征在于第一光源发射第一光束，该第一光束作为具有适合于高密度记录媒体的相对短的波长的第一偏振光束，用于纠正第一光源发射的第一光束的波长变化引起的色差的第一象差纠正元件被设置在光路改变装置与物镜之间的光路上；并且第一象差纠正元件包括其折射率对于第一光束不同的第一和第二延迟元件，
其中，把第一象差纠正元件的第一和第二延迟元件组合起来；第一延迟元件具有台阶式凸形图案，台阶式凸形图案包括围绕光轴同心的多个台阶，第二延迟元件在面对第一延迟元件一侧上或在相对的一侧上具有台阶式凹形图案，台阶式凹形图案与第一延迟元件的台阶式凸形图案相对应；所述第一和第二延迟元件的折射率对于第一偏振光束不同，从而第一和第二延迟元件根据入射光束的偏振引起入射光束的相位差。
9.根据权利要求8的光拾取器，其特征在于，把第一象差纠正元件设计成第一和第二延迟元件引起的相位差随着离开光轴的距离增加而增加或降低。
10.根据权利要求9的光拾取器，其特征在于，第一和第二延迟元件的多个台阶的每一个的光轴方向上的间距是λ0/(n0a-n0b)的整数倍，这里λ0是设计物镜的第一偏振光束的波长，n0a和n0b分别是第一和第二延迟元件对于波长λ0的折射率。
11.根据权利要求9或10的光拾取器，其特征在于，第一延迟元件和第二延迟元件相对于第一偏振光束的波长从λ0到λ1的改变引起的相位差表示为((n1a-n1b)·z(h))，其中n1a和n1b是第一延迟元件和第二延迟元件对于波长λ1的折射率，h是离开光轴的距离，z(h)是在距离h处从光接收表面到第一延迟元件或第二延迟元件的特定台阶的高度，相位差与波长变化引起的象差相反。
12.根据权利要求8的光拾取器，其特征在于，还包括发射第二光束的第二光源，该第二光束作为垂直于第一光束的第一偏振的第二偏振束，第二光束具有相对长的波长，适合于低密度记录媒体。
13.根据权利要求12的光拾取器，其特征在于，还包括设置在光路改变装置与物镜之间的光路上的用于根据入射光束的偏振选择地引起入射光束的相位差的第二象差纠正元件，第二象差纠正元件包括带有至少两个台阶式凸形图案的第三延迟元件和带有与台阶式凸形图案相对应的至少两个台阶式凹形图案的第四延迟元件，每一个台阶式凸形图案具有多个台阶，从而相对于低密度记录媒体可纠正相对于第二光束由波长变化引起的色差和/或基片厚度变化引起的球差。
14.根据权利要求13的光拾取器，其特征在于，第三延迟元件和第四延迟元件的多个台阶的每一个的光轴方向的间距d2不是λ0’/(n0a’-n0b’)的整数倍，其中λ0’是第二偏振光束的波长，n0a’和n0b’分别是第一和第二延迟元件相对于波长λ0’的折射率。
15.根据权利要求13或14的光拾取器，其特征在于，当第三延迟元件和第四延迟元件相对于第二偏振光束的波长从λ0’到λ1’的改变引起的相位差表示为((n1a’-n1b’)·z(h))时，其中n1a’和n1b’是第三延迟元件和第四延迟元件对于波长λ1’的第二光束的折射率，h是离开光轴的距离，z(h)是在距离h处从光接收表面到第三延迟元件或第四延迟元件的特定台阶的高度，相位差与波长变化引起的象差相反。
16.根据权利要求9、10、13或14的光拾取器，其特征在于，第一和第二延迟元件和/或第三和第四延迟元件由各向异性材料构成。
17.根据权利要求16的光拾取器，其特征在于，第一和第二延迟元件和/或第三和第四延迟元件对于作为垂直于第一光束的第一偏振的第二偏振光束的第二光束和/或对于作为垂直于第二光束的第二偏振的第一偏振光束的第一光束具有基本相同的折射率。
18.根据权利要求8到10和权利要求12到14的任何一项的光拾取器，其特征在于，第一光束是兰光和/或第二光束是红光；高密度记录媒体是具有比数字多能盘DVD族媒体更高密度的记录媒体，和/或低密度记录媒体是DVD族记录媒体。
19.根据权利要求18的光拾取器，其特征在于，第一光束有405nm波长，和/或第二光束具有大约650nm的波长。
20.根据权利要求18的光拾取器，其特征在于，高密度记录媒体的基片厚度是0.6mm或更小，和/或低密度记录媒体的基片厚度大约是0.6mm。
21.根据权利要求12的光拾取器，其特征在于，把光路改变装置构造成使得第一光源和第二光源彼此垂直，第一和第二光源都与光轴对齐。
22.根据权利要求12的光拾取器，其特征在于，第一光源和第二光源设置得彼此靠近。
23.根据权利要求12到14和权利要求22中任何一项的光拾取器，其特征在于，第一光源和第二光源之一与光轴对齐，另一个偏离光轴而靠近该一个光源，把第一或第二象差纠正元件设计成使得可纠正由于设置其它光源而造成的相对于从另一个光源发出的光束的场象差。
24.根据权利要求23的光拾取器，其特征在于，还包括位于光路改变装置与光电检测器之间的全息元件，用于相对于在从其它光源发射并从相应的记录媒体反射后通过第一和/或第二象差纠正元件而朝向光电检测器的光束纠正场象差。
25.根据权利要求9到14和权利要求22中任何一项的光拾取器，其特征在于，在第一和/或第二象差纠正元件中，第二和/或第四延迟元件具有多个部分，位于第一和/或第三延迟元件51的中心或至少一侧，对于第一和/或第二光束第二和/或第四延迟元件的每一个的相邻部分的折射率不同。
26.根据权利要求25的光拾取器，其特征在于，当第一或第二象差纠正元件相对于从设计物镜的波长发生变化引起的相位差表达为(n1a-n1b(h))·d时，其中n1a是第一或第三延迟元件相对于变化的波长的折射率，n1b(h)是第二或第四延迟元件的部分相对于变化的波长的折射率，该部分与光轴离开距离h，d是第二或第四延迟元件的厚度，则相位差与第一光束的波长变化或第一和第二光束的波长的不同所引起的象差相反。
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