CN1310233C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描装置(1)，用于在两种工作模式下借助两个辐射束(4)扫描两个信息层(2，2’)。它包括：辐射源(7)，用于发射所述两个辐射束；物镜***(8)，用于将所述两个辐射束会聚到所述两个信息层的位置上；和相结构(24)，具有光轴并且包括用于在径向上形成非周期性的阶梯状剖面的中心部分(P₁)和至少一个边际部分(P₂)。所述中心部分和边际部分(P₁，P₂)之一(P₂)至少包括分别具有两种阶梯高度(h_2，1，h_2，2)的两段(AS_2，1，AS_2，2)，用于在所述第一工作模式下分别引入两种波前变形ΔW_2，1，1和ΔW_2，2，1，和在所述第二工作模式下分别引入两种波前变形ΔW_2，1，2和ΔW_2，2，2，其中差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)是不对称的。

Description

光学扫描装置

技术领域

本发明涉及一种光学扫描装置，该装置在第一工作模式下借助第一辐射束扫描第一信息层，并且在第二工作模式下借助第二辐射束扫描第二信息层，所述装置包括：

-辐射源，用于相继地或同时地发射所述第一和第二辐射束，

-物镜***，用于将所述第一和第二辐射束分别会聚到所述第一和第二信息层的位置上，和

-相结构，设置在所述第一和第二辐射束的光路中，该结构具有光轴并且包括中心部分和至少一个边际部分，用于在径向上形成非周期性的阶梯状剖面。

本发明还涉及一种在这样的光学扫描装置中使用的相结构。

背景技术

“对信息层进行扫描”指的是借助辐射束读取信息层中的信息(“读取模式”)、在信息层中写入信息(“写入模式”)和/或擦除信息层中的信息(“擦除模式”)这样的扫描。“信息密度”指的是信息层的每单位面积内存储的信息量。它由，特别是通过由扫描装置在所要扫描的信息层上形成的扫描光斑的尺寸来确定的。可以通过减小扫描光斑的尺寸来增大信息密度。由于扫描光斑的尺寸取决于形成光斑的辐射束的波长入和数值孔径NA(当然还有其它因素)。扫描光斑的尺寸可以通过增大NA和/或通过减小入来减小。

“第一工作模式”指的是光学扫描装置借助第一辐射束扫描第一信息层的工作模式。第一辐射束具有一个或多个表征第一模式的预定特性，比如，波长λ₁、偏振p₁、入射角度i₁和/或温度T₁(当然还有其它的特性)。“第二工作模式”指的是光学扫描装置借助第二辐射束扫描第二信息层的工作模式。第二辐射束具有一个或多个表征第二模式的预定特性，比如，波长λ₂、偏振p₂、入射角度i₂和/或温度T₂(当然还有其它的特性)，这里波长λ₁和λ₂、偏振p₁和p₂、入射角度i₁和i₂和/或温度T₁和T₂彼此不同。换句话说，每种模式都可以借助对于该模式具有第一预定值而对于其它(多种)模式具有第二不同值的至少一种参数与另一种模式从特征上区别开来。

沿着光路传播的辐射束具有预定形状的波前W，由下述等式给出：

$\frac{W}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π}}---\left(0a\right)$

其中“λ”和“Φ”分别为辐射束的波长和相位。

“波前像差”指的是下述情况。用于将物体转换成图像的具有光轴的第一光学元件，例如物镜，可能会由于引入“波前像差”W_abb而恶化图像。波前像差具有以不同阶次的所谓泽尔尼克多项式的形式表达的不同类型。波前倾斜或扭曲是一阶波前像差的一个例子。场象散和弯曲以及散焦是二阶波前像差的两个例子。慧形象差是三阶波前象差的一个例子。球面象差是四阶波前象差的一个例子。有关表述前述波前象差的数学函数的更多信息可参见，例如，由M.Born和E.Wolf所著的名为《光学原理(Principles of Optics)》(Pergamon Press第6版)(ISBN 0-08-026482-4)的第464-470页。

“波前变形(wavefront modification)”指的是下述情况。可以在辐射束的光路中设置具有光轴的第二光学元件，例如，非周期性相结构，用来在辐射束中引入“波前变形”ΔW。波前变形ΔW是波前W的形状的修正。类似于波前象差，如果描述波前变形ΔW的数学函数分别具有三阶、四阶等阶次的半径阶次，则辐射束横截面内半径的一阶、二阶等阶次的波前变形可能是对称的或非对称的。波前变形ΔW还可能是“平的”；这意味着第二光学元件在辐射束中引入了恒定相变，从而在求波前变形ΔW的模2π之后，所得到的波前是恒定的。术语“平的”并不一定意味着波前W表现出零相变。而且，它可以由等式(0a)导出，波前变形ΔW可以以辐射束的相变ΔΦ的形式表达，由下述等式给出：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔW}---\left(0b\right)$

波前象差W_abb或波前变形ΔW的“OPD”指的是波前象差或变形的光路差。光路差OPD的均方根值OPD_rms由下述等式给出：

${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\∫\∫f{(r,\mathrm{\θ})}^2\mathrm{rdr}}{\∫\∫\mathrm{rdrd\θ}}-{\left(\frac{\∫\∫f(r,\mathrm{\θ})\mathrm{rdrd\θ}}{\∫\∫\mathrm{rdrd\θ}}\right)}^2}---\left(0c\right)$

其中“f”是描述波前象差W_abb或波前变形ΔW的数学函数，而“r”和“θ”是垂直于光轴的平面内的极坐标系(r，θ)的极坐标，该极坐标系的原点是所述平面与光轴的交点并且该极坐标系遍布相应光学元件的入射光瞳。

两个值OPD_rms，1和OPD_rms，2是彼此“基本相等”的，其中|OPD_rms，1-OPD_rms，2|小于或等于，优选地，30mλ，这里值30mλ是任意选择好的。而且，在各个值OPD_rms，1和OPD_rms，2彼此“基本相等”的情况下，相变ΔΦ_a和ΔΦ_b的两个值是彼此“基本相等”的(ΔΦ和ΔW之间的关系在等式(0b)中给出)。类似地，在|OPD_rms，1-OPD_rms，2|大于或等于，优选地，30mλ的情况下，两个值OPD_rms，1和OPD_rms，2(或相变ΔΦ_a和ΔΦ_b的两个值)是彼此“基本不同”的。

“对称”的波前象差或变形指的是关于光轴旋转2π对称的波前象差或变形。例如，散焦和球面象差是对称象差。

“不对称”的波前象差或变形指的是除了上面定义的对称象差或变形之外的波前象差或变形。例如，倾斜、象散和慧形象差是不对称象差。仅作说明之用，附图1A表示慧形象差波前变形或象差ΔW_com在坐标系(X₁，Y₁)中的形状，而附图1B表示象散波前变形或象差ΔW_ast在相同的坐标系中的形状。如附图1A所示，波前变形或象差ΔW_com包括引入了慧形象差的第一项“cosθ”。如附图1B所示，波前变形或象差ΔW_ast包括引入了象散的第二项“cos2θ”。注意，在附图1A和1B中，不对称变形或象差ΔW_com和ΔW_ast不关于XY平面的法线旋转对称。

当前在光学存储领域中，对于提供用于借助辐射束对光学记录载体进行扫描的光学扫描装置有着这样的需求，其中要求这种装置能够对发生在辐射束的光路上的波前象差进行补偿。

早前，在例如2002年7月22日提交的申请号为EP02077992.2的欧洲专利申请中，提出了这样的方案，即提供一种带有适用于产生对称波前变形的非周期性相结构(NPS)的光学扫描装置。更加具体地讲，所获知的扫描装置用于在第一工作模式下借助第一辐射束扫描第一信息层并且在第二工作模式下借助第二辐射束扫描第二信息层。所获知的装置包括：辐射源，用于相继地或同时地发射所述两个辐射束；物镜***，用于将所述第一和第二辐射束分别会聚到所述第一和第二信息层的位置上；和NPS，设置在所述第一和第二辐射束的光路中。所获知的NPS具有光轴并且包括“中央部分”(即，设置在以光轴为中心的区域上的部分)，和“边际部分”(即，设置在围绕着中央部分的圆形区域上的部分)。所获知的NPS的中央和边际部分沿径向构成了非周期性的阶梯状剖面。

配备有这样的NPS的已知光学扫描装置的缺点是，它不会引入诸如象散、倾斜、慧形象差和三叶形象差这样的不对称波前变形。在下述情况下，这是个非常严重的缺陷：例如，使用这种装置来扫描两个具有两种不同格式的光学记录载体，其中物镜包括用于修正扫描两种载体之一时在辐射束中出现的球面象差的双折射材料。在扫描另一个载体期间，当辐射束不沿着双折射材料的光轴传播时，双折射物镜会引入象散。这样的不对称象差无法得到已知NPS的修正，这是由于后者能够在辐射束中引入对称波前变形，而无法引入不对称变形，比如象散波前变形。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种至少工作在两种模式下的光学扫描装置，该装置包括用于在第一和第二模式中的至少一种模式下引入不对称波前变形的NPS。

这一目的通过开头段落中介绍的光学扫描装置来实现的，其中，按照本发明，所述中心部分和边际部分之一至少分成分别具有第一阶梯高度和相异的第二阶梯高度的第一角形段和第二角形段，用于在所述第一工作模式下分别引入第一波前变形ΔW_2，1，1和第二波前变形ΔW_2，2，1，和在所述第二工作模式下分别引入第三波前变形ΔW_2，1，2和第四波前变形ΔW_2，2，2，其中差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)是不对称的。

第一和第二角形段引入了波前变形ΔW_2，1，2、ΔW_2，2，2、ΔW_2，1，1和ΔW_2，2，1，以致使得在第二模式下得到的波前变形ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2与第一模式下得到的波前变形ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1之间的差不关于NPS的光轴旋转对称。相反，注意已知的NPS的中心和边际部分在第一模式和第二模式下都引入了关于NPS的光轴旋转对称的波前变形，从而引入了对称的波前变形，例如，球面象差或散焦。

因此，配备有按照本发明的相结构的光学扫描装置的优点是，在第二模式期间，在穿过NPS的辐射束中引入了不对称的波前变形。

注意，US6185168B1介绍了一种相对于光轴分成多个角形段的相结构。不过，每个段具有一个切向上的阶梯状剖面，以致形成了引入关于光轴旋转对称的波前变形的衍射部分。

还要注意，已知的相结构包括衍射部分，而按照本发明的相结构包括非周期性结构。非周期性结构和衍射部分在结构上和作用上彼此不同。这样，NPS包括具有不同高度的多个阶梯，从而使得NPS在径向上具有非周期性的剖面。后者设计成用于由入射到NPS中的辐射束形成波前变形。相反，衍射部分包括各自具有一个阶梯剖面的图形元件的图形：它在径向或切向上具有周期性阶梯剖面。它设计成用于由入射到该部分中的辐射束形成对于不同衍射阶次具有不同透射效率的衍射辐射束(即，各自具有一个衍射阶次“m”的多个辐射束，即，第0阶(m＝0)、+1阶(m＝1)等、-1阶(m＝-1)等)。

本发明的另一个目的是提供一种适于在用于在两种工作模式下借助两个辐射束扫描两个信息层的光学扫描装置中使用的相结构，其中该相结构在第一和第二工作模式中的至少一种模式下引入不对称波前变形。

这个目的是通过开头段落中介绍的相结构实现的，其中，按照本发明，所述中心部分和边际部分之一至少包括分别具有第一阶梯高度和相异的第二阶梯高度的第一段和第二段，用于在所述第一工作模式下分别引入第一波前变形ΔW_2，1，1和第二波前变形ΔW_2，2，1，和在所述第二工作模式下分别引入第三波前变形ΔW_2，1，2和第四波前变形ΔW_2，2，2，其中差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)是不对称的。

按照本发明的另一个方面，提供了一种透镜，该透镜用在光学扫描装置当中，所述光学扫描装置用于在第一工作模式下借助第一辐射束扫描第一信息层，和在第二工作模式下借助第二辐射束扫描第二信息层，该透镜配备有按照本发明的相结构。

附图说明

通过下面依照附图中所示对本发明所做出的更加详细的说明，本发明的目的、优点和特征将会显而易见，其中：

附图1A和1B分别表示慧形象差波前变形和象散波前变形的形状，

附图2是按照本发明的光学扫描装置的各组成部分的示意图，此时该装置工作在第一模式下，

附图3表示附图2中所示的光学扫描装置在第一模式和第二模式下所使用的物镜，

附图4表示表述附图3中所示的物镜产生的象散象差的曲线，

附图5A表示用于补偿附图4中所示的象散象差的按照本发明的相结构的立体图，

附图5B表示附图4中所示的相结构的前视图，

附图6表示描述附图4中所示的波前象差和由附图5A和5B中所示的相结构引入的波前变形的总和的表面，

附图7表示对附图3中所示的物镜和相结构的结构进行的改进，

附图8A和8B表示附图5B中所示的相结构的两种备选方案的两个前视图。

具体实施方式

按照本发明的光学扫描装置适用于在至少第一工作模式下分别扫描具有至少两种不同类型或格式的光学记录载体。在下文中，“S”是光学扫描装置的工作模式的总数；它是等于或大于2的整数。而“s”指的是该装置的第s种工作模式；它是包含于1与S之间的整数。

附图2是按照本发明的光学扫描装置的各组成部分的示意图，该装置由附图标记1标示，此时该装置工作在第一模式下。附图3表示光学扫描装置1中所使用的物镜。

如附图2所示，光学扫描装置1能够在第一工作模式(s＝1)下借助第一辐射束4扫描第一类型的第一光学记录载体3的第一信息层2。如附图3所示，它还能够在第二工作模式(s＝2)下借助第二辐射束4’扫描第二光学记录载体3’的第二信息层2’。

仅作说明之用，光学记录载体3包括其一侧上设置有信息层2的透明层5。信息层背离透明层5的那一侧借助保护层6受到保护，免于受到环境的影响。透明层5通过为信息层2提供机械支撑而起到了光学记录载体3的基板的作用。按照另外一种可选方案，透明层5可以具有保护信息层2的单一功能，而由位于信息层2的另一侧上的层提供机械支撑，例如由保护层6或由另外的信息层和连接在最上面的信息层上的透明层来提供机械支撑。注意，所述信息层具有第一信息层深度27，按照附图2中所示的这种实施方式，这个深度27相当于透明层5的厚度。信息层2是载体3的表面。这个表面包含至少一条轨迹，即，聚焦辐射束的光点所跟踪的路径，在该路径上，排列有可采用光学手段读取的标记，用来代表信息。这些标记可以具有，例如，凹坑或者反射系数或偏振方向与周边不同的区域的形式。

类似地，光学记录载体3’包括其一侧上设置有信息层2’的透明层，该第二信息层2’具有第二信息层深度27’。

参照附图2和3二者，光学扫描装置1包括辐射源7、准直透镜18、分束器9、具有光轴19的物镜***8、相结构或非周期性结构(NPS)24和检测***10。此外，该光学扫描装置1包括伺服电路11、聚焦致动器12、径向致动器13和用于误差修正的信息处理单元14。

在下文中，“Z轴”相当于物镜***8的光轴19。在光学记录载体3和3’具有盘形形状的情况下，针对所给出的轨迹进行下述定义：“径向”是介于轨迹和盘中心之间的基准轴——X轴的方向，而“切向”是另一个轴——Y轴的方向，该Y轴正切于轨迹并且垂直于X轴。在这种情况下，(X，Y，Z)是与信息平面2和2’位置相关的正交基准。

辐射源7相继地或同时地提供辐射束4和4’。例如，辐射源7既可以包括用于相继提供辐射束4和4’的可调半导体激光器也可以包括用于同时提供这些辐射束的两个半导体激光器。而且，辐射束4和4’分别具有第一波长λ₁和第二相异的波长λ₂。

在本说明书中，这两个波长λ_a和λ_b彼此基本不同，此时|λ_a-λ_b|等于或大于，优选地，10nm，并且更好的情况是，等于或大于20nm，此处值10nm和20nm是纯粹随机选择的问题。

注意，第一和第二工作模式的特征是(仅作说明之用)分别通过波长λ₁和λ₂来表征的，此处波长λ₁和λ₂彼此基本不同。

准直透镜18设置在光轴19上，如附图2所示。在第一模式下，它将辐射束4转变成第一基本准直辐射束20。在第二模式下，准直透镜18将辐射束4’转变成第二基本准直辐射束20’(附图2中未示出)。

分束器9在第一模式下朝向物镜***8传输准直辐射束20。在第二模式下，它朝向物镜***8传输准直辐射束20’(附图2中未示出)。分束器9最好由一个平面平行板形成，该平面平行板与Z轴倾斜角度α，并且更好的情况是，α＝45°。

物镜***8在第一模式下将准直辐射束20转变成具有第一数值孔径NA₁的第一聚焦辐射束15，以便在信息层2的位置上形成第一扫描光斑16(如附图2和3所示)。在第二模式下，物镜***8将准直辐射束20’转变成具有第二数值孔径NA₂的第二聚焦辐射束15’，以便在第二信息层2’的位置上形成第二扫描光斑16’(如附图3所示)。

如附图2和3所示，并且仅作说明之用，物镜***8包括设置有NPS24(将在下面做详细介绍)的物镜17。

注意，在附图2和3中，物镜17形成为无穷远共轭模式下使用的混合透镜，即，组合了NPS24和折射元件的透镜。这样的混合透镜可以通过在透镜17的入射表面上应用阶梯状剖面来形成，例如通过利用例如UV固化漆的光聚作用的光刻处理来形成，从而很好地得到易于制造的NPS24。按照另一种可选方式，物镜17可以通过金刚石切削来制作。

还要注意，在附图2和3中，物镜17形成为凸凸透镜；不过，可以采用诸如平凸或凸凹透镜之类的其它透镜元件类型。此外，物镜17是一个单透镜。按照另一种可选方案，物镜17可以是包含两个或多个透镜元件的复合透镜。

在第一模式下的扫描期间，记录载体3在主轴(附图2和3中未示出)上旋转并且然后透过透明层5对信息层2进行扫描。聚焦辐射束15在信息层2上反射，从而形成了反射束21，该反射束21沿着前向会聚束15的光路返回。物镜***8将反射辐射束21转变成反射准直辐射束22。分束器9通过将反射辐射束22的至少一部分朝向检测***10传输而将前向辐射束20与反射辐射束22分离开来。在第二模式下的扫描期间，记录载体3’在主轴(附图3中未示出)上旋转并且然后透过透明层5’对信息层2’进行扫描。聚焦辐射束15’在信息层2’上反射，从而形成了反射束21’，该反射束21’沿着前向会聚束15’的光路返回。物镜***8将反射辐射束21’转变成反射准直辐射束22’。分束器9通过将反射辐射束22’的至少一部分朝向检测***10传输而将前向辐射束20’与反射辐射束22’分离开来。

检测***6包括会聚透镜25和四象限检测器23，其用于在第一模式下采集反射辐射束22的所述部分和在第二模式下采集反射辐射束22’的所述部分。四象限检测器23在第一模式下将反射辐射束22部分，而在第二模式下将反射辐射束22’部分，转换成一个或多个电信号。这些信号之一是信息信号I_数据，该信号的值在第一模式下代表在信息层2上扫描到的信息，而在第二模式下代表在信息层2’上扫描到的信息。由信息处理单元14对信息信号I_数据进行处理，以进行误差修正。从检测***10得到的其它信号是聚焦误差信号I_聚焦和径向跟踪误差信号I_径向。信号I_聚焦在第一模式下代表在扫描光斑16与信息层2的位置之间沿着Z轴方向的高度上的轴向差，而在二模式下代表在扫描光斑16’与信息层2’的位置之间沿着Z轴方向的高度上的轴向差。最好，信号I_聚焦是由“象散法”形成的，除了其它的获知途径外，这种方法可以从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijser等人所著的名为《光盘***原理(Principles of Optical Disc Systems)》(Adam Hilger1985)(ISBN 0-85274-785-3)的书中的第75-80页获知。径向跟踪误差信号I_径向在第一模式下代表扫描光斑16与信息层2中将由扫描光斑16跟踪的轨迹的中心之间在信息层2的XY平面内的距离，而在第二模式下代表扫描光斑16’与信息层2’中将由扫描光斑16’跟踪的轨迹的中心之间在信息层2’的XY平面内的距离。最好，信号I_径向是通过“径向推挽法”形成的，除了其它的获知途径外，该方法可以从G.Bouwhuis所著的书中的第70-73页获知。

伺服电路13设置为用于，响应于信号I_聚焦和I_径向，分别提供用于控制聚焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号I_控制。聚焦致动器12沿着Z轴方向控制物镜17的位置，从而在第一模式下将扫描光斑16的位置控制得基本上与信息层2的平面相符，并且在第二模式下将扫描光斑16’的位置控制得基本上与信息层2’的平面相符。径向致动器13沿X轴方向控制物镜17的位置，从而在第一模式下将扫描光斑16的径向位置控制得基本上与所要跟踪的信息层2中的轨迹的中心线相符，并且在第二模式下将扫描光斑16’的径向位置控制得基本上与所要跟踪的信息层2’中的轨迹的中心线相符。

现在将更加详细地介绍用在工作于第一和第二模式下的光学扫描装置中的按照本发明的相结构或NPS24。

按照附图2和3中所示的第一实施方式，NPS24设置在第一物镜17面向辐射源7的侧上(本文中称为“入射面”)上。(X₀，Y₀，Z₀)是平行于基准系(X，Y，Z)并且与物镜17的入射面相关的正交基准系，其中原点“O”是透镜的入射光瞳的中心。作为这种实施方式的另一种可选方案，可以将NPS24设置在透镜17的另一个表面(称为“出射面”)上。而且另外，该物镜17是，例如，配备有形成NPS24的平面透镜元件的折射物镜元件。而且按照另外一种可选方案，NPS24设置在与物镜***8分开的光学元件上，例如设置在分束器上或四分之一波长板上。

NPS24包括中央部分P₁和至少一个边际部分P₂。在本说明书中，“中央部分”指的是以光轴(在本情况下是光轴19)为中心并且具有外边界的部分，而“边际部分”指的是位于这一中央部分周围并且具有内边界和外边界的部分。在下文中，“M”是NPS24的各部分的总数；它是等于或大于2的整数、“P_m”是NPS24的第m个部分，其中“m”是包含在1和M之间的整数。注意，“P_m”在m＝1的情况下是中央部分，而在m等于或大于2的情况下是环形部分。

此外，部分P₁和P₂之一，例如部分P₂被分成了至少第一角形段AS_2，1和第二段AS_2，2。第一角形段AS_2，1在第一模式下在辐射束15中引入第一波前变形ΔW_2，1，1，并且在第二模式下在辐射束15’中引入第二波前变形ΔW_2，1，2。第二角形段AS_2，2在第一模式下在辐射束15中引入第三波前变形ΔW_2，2，1，并且在第二模式下在辐射束15’中引入第四波前变形ΔW_2，2，2。注意，部分P₂在第一模式下在辐射束15中引入了得到的波前变形(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)，并且在第二模式下在辐射束15’中引入了得到的波前变形(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)。此外，波前变形ΔW_2，1，1、ΔW_2，1，2、ΔW_2，2，1和ΔW_2，2，2使得第一模式和第二模式下的得到的波前变形(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)和(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)之间的差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)为不对称，即，不关于光轴19旋转2π对称。

在下文中，“J_m”是部分P_m的角形段总数；它是等于或大于2的整数。“AS_m，j”是部分P_m的第j个角形段，此处“j”是包含在1和J_m之间的整数。“h_m，j”是部分P_m的第j个角形段的阶梯高度。“ΔW_m，j，s”是在光学扫描装置的第s种工作模式下由角形段AS_m，j引入的波前变形。ΔΦ_m，j，s是依照等式(0a)与波前变形ΔW_m，j，s相关的相变。注意，第s种工作模式下的波前变形ΔW_m，j，s对于波前的任意点而言，是基本恒定的。还要注意，具有阶梯高度h_m，j的角形段AS_m，j在第s种工作模式下引入的相变ΔΦ_m，j，s为：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{m,j,s}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_s}(n-n_0)h_{m,j}---\left(2b\right)$

其中“λ_s”是在第s种模式下穿过NPS24的辐射束的波长，而“n₀”是相邻介质的折射系数，该相邻介质为，(在下文中并且仅作说明之用)空气，即，n₀＝1。

按照上述的NPS24的改进，将阶梯高度h_m，j选择成，使得NPS24在第一和第二模式之一下，例如，在第一模式下，引入基本平的波前变形。在下文中，第一模式下辐射束15的波长λ₁称为设计波长λ_ref。从而，将阶梯高度h_m，j选择得使第一模式下的波前变形ΔW_1，1，1和ΔW_1，2，1都基本上为平的(或者第一模式下的相变ΔΦ_m，j，l之间的差基本上等于2π的不同倍，即，以2π为模等于零)，并且在第二模式下得到的波前变形(ΔW_1，1，2+ΔW_1，2，2)是不对称的。

换句话说，将阶梯高度h_m，j选择成参考高度h_ref的倍数：

h_m，j＝q_m，jh_ref                             (3a)

其中“q_m，j”是整数，并且参考高度h_ref定义如下：

$h_{\mathrm{ref}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}}{n-n_0}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n-1}---\left(3b\right)$

其中“n”是NPS24的折射系数。注意，辐射束穿过NPS24的光路取决于辐射束进入NPS24时相对于物镜17的入射光瞳法线的入射角度。而且，由于阶梯高度h_m，j是参考高度h_ref的倍数，依据等式(3b)，辐射束穿过NPS24的光路取决于折射系数n，它接下来取决于辐射束的温度和波长。换句话说，辐射束穿过NPS24的光路在第一模式下不同于第二模式下。而且，注意，在NPS24设置在平表面上(例如，在平面平行板上)的情况下，参考高度h_ref基本上是恒定的。而且，在NPS24设置在曲面上(例如，在透镜的曲面上)的情况下，NPS24可以在阶梯长度上得到调节，从而使得相变ΔΦ_m，j，s基本上等于2π的倍数，即，使进入物镜17的辐射束的波前的曲率等于该透镜的入射表面的曲率。

现在将介绍经改进的NPS24的一个更加具体的实施方式，该实施方式处于这样一种情况下：第一模式下的辐射束20具有第一偏振p₁，第二模式下的辐射束20’具有不同的第二偏振p₂，并且物镜17包括对偏振p₁和p₂敏感的双折射材料。下文中，“r₀”是配备有NPS24的物镜17表面的光瞳半径。而且，物镜17是如此排列的：使得透镜的折射系数在偏振p₁或p₂等于p_e的情况下等于n_e，而在偏振p₁和p₂等于p_o的情况下等于n_o，此处“n_e”和“n_o”是双折射材料的非常折射系数和寻常折射系数。而且，当辐射束不沿着双折射材料的光轴传播时，物镜17在第一模式下不引入象差，而在第二模式下引入象散象差W_abb。附图4表示坐标系(X₀，Y₀)中表示象散象差W_abb的曲线81。在下文中并且仅作说明之用，象差W_abb的值OPD_rms等于61mλ。

就第一模式而言，将阶梯高度h_m，j选取得使波前变形ΔW_m，j，s基本上是平的。这样，阶梯高度h_m，j等于参考高度h_ref的不同倍数q_m，j。仅作说明之用，在双折射材料是n_o＝1.54且n_e＝1.55的石英的情况下，波长λ₁(即，设计波长)等于405nm，并且偏振p₁等于p_o，从等式(3b)可知h_ref＝0.75μm。

就第二模式而言，并且在p₂＝p_e、n_e＝1.55且λ₂＝405nm的情况下，等于q_mjh_ref的阶梯高度h_m，j引入了以2π为模不等于零的相变ΔΦ_m，j，2。表I表示在第二模式下对于不同的整数值q_m，j相变ΔΦ_m，j，2以2π为模的值。

表I

qm，j	ΔΦm，j，2(以2π为模)
		1	0.1160
2	0.2321
		3	0.3481
4	0.4642
		5	0.5802
6	0.6962

注意，在表I中，相变ΔΦ_m，j，2基本上等于不同的相变值以2π为模的有限数值。这个有限数值可以根据连分数(Continued Fractions)的原理进行计算，该连分数原理例如可从2001.05.04提交的申请号为01201255.5的欧洲专利申请中获知。

将整数q_m，j选取得使NPS24补偿象散波前象差W_ast，即，使得所得到的波前变形 $\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}$ 与象散波前象差W_abb的总和基本上等于零。从而，为了对称的原因，NPS24包括三个部分，中央部分P₁、边际部分P₂和另一个边际部分P₃(M＝3)。部分P₁包括一个角形段AS_1，1(J₁＝1)，部分P₂包括四个角形段AS_2，1、AS_2，2、AS_2，3和AS_2，4(J₂＝4)，部分P₃包括四个角形段AS_3，1、AS_3，2、AS_3，3和AS_3，4(J₃＝4)。每个角形段AS_m，j都是由最小半径r_min(AS_m，j)、最大半径r_max(AS_m，j)、最小角度θ_min(AS_m，j)和最大角度θ_max(AS_m，j)定义的。注意，就NPS24的这种改进实施方式而言，这些角形段AS_m，j是关于Z₀轴(即，物镜17的光轴)在包含在最小和最大角度θ_min(AS_m，j)和θ_max(AS_m，j)之间的角度的范围内旋转对称的。表II表示角形段的“最佳化区”，即，半径r_min(AS_m，j)和r_max(AS_m，j)以及角度θ_min(AS_m，j)和θ_max(AS_m，j)。而且表II指的是这样一种情况：其中p₁＝p_o，相变ΔΦ_m，j，2是表I中给出的，并且波前象差W_abb(见附图4)是按照从，例如，由B.H.W.Hendriks、J.E.de Vries和H.P.Urbach所著的文章《非周期性相结构在光学***中的应用(Application of non-periodic phase structure inoptical systems)》(Appl.Opt.40(2001)第6548-6560页)中获知的方法得到的，所述文章介绍了如何借助NPS使物镜适用于扫描DVD格式的盘和CD格式的盘。

表II

部分Pm	角形段    ASm，j	rmin/ro	rmax/ro	θmin[°]	θmax[°]
						P1	AS1，1	0	0.333	-45	+315
P2	AS2，1	0.333	0.733	-45	+45
						AS2，2	0,333	0.733	+45	+135
	AS2，3	0.333	0.733	+135	+225
						AS2，4	0.333	0.733	+225	+315
	P3	AS3，1	0.733	1	-45						+45
AS3，2						0.733	1	+45	+135
		AS3，3	0.733	1	+135					+225
AS3，4						0.733	1	+225	+315

表III表示与表II中定义的角形段AS_m，j对应的阶梯高度h_m，j。

表III

部分Pm	角形段    ASm，j	阶梯高度hm，j[μm]
			P1	AS1，1	0
P2	AS2，1	-1.50
			AS2，2	1.50
	AS2，3	-1.50
			AS2，4	1.50
	P3	AS3，1			-3.75
AS3，2			3.75
		AS3，3		-3.75
AS3，4			3.75

注意，在表III中，某些阶梯高度具有负值，例如，针对角形段AS_2，1的阶梯高度。在本说明书中，阶梯高度的负值代表在具有非周期性阶梯剖面的主体(这里是物镜17)内的凹陷，而不是升起。

更多的细节请参见欧洲专利申请EP1179212A，该专利申请介绍了板的负阶梯高度。

附图5A表示按照表III设计的NPS24的立体图。附图5B表示从物镜17的入射光瞳一侧观察的该NPS的前视图。注意，在附图5B中，角形段是按照四象限排列方式排布的，其中角形段AS_2，j之间的分割线是与角形段AS_3，j之间的分割线对齐的。还要注意，NPS24的阶梯状剖面是设计成这样的：即相邻角形段S_m，j+1和S_m，j或S_m+1，j和S_m，j之间的相对阶梯高度h_m，j+1-h_m，j或h_m+1，j-h_m，j分别包括具有基本上等于aλ₁的光路的相对阶梯高度，其中“a”是整数并且a＞1，而“λ₁”是设计波长。换句话说，这样的相对阶梯高度高于参考高度h_ref。

附图6表示描述附图4中所示的波前象差W_abb和附图5A和5B中所示的由NPS24引入的波前变形 $\underset{m=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}$ 的总和 $\underset{m=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}$ 的表面82。

表IV表示分别在没有使用和使用附图5A所示的NPS 24来补偿附图4中所示的波前象差W_abb的情况下的值OPD_rms[W_abb]和 ${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}].$ 这些值是通过射线跟踪模拟计算出来的。

表IV

注意，附图5A和5B中所示的NPS24补偿了由双折射物镜17引入的象散象差W_abb的接近50％。还要注意，在表IV中，值 ${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}]$ 低于按照表IV的NPS24的衍射极限，即，小于70mλ，从而相对于没有设置这样的NPS的光学扫描装置的情况而言，通过在OPD_rms方面的明显改善，使得任何格式的光学记录介质都可以得到扫描。

还要注意，诸如上面介绍的配备有NPS24的透镜17这样的双折射透镜构成了用于形成无穷远共轭的透镜***，例如，用于双层的透镜***。这两个信息层之一在第一模式下借助具有预定偏振的辐射束加以扫描，而另一个信息层在第二模式下借助具有不同偏振的另一个辐射束加以扫描。这样，虽然双折射透镜在第二模式下引入了象散而在第一模式下没有引入象散，但是NPS因此补偿了第二模式下的这一象散，并且在第一模式下从光学角度看是不起作用的。

虽然在上面介绍的实施方式中介绍了与双折射物镜相容的光学扫描装置，但是应该意识到，按照本发明的扫描装置可选择的能够应用于所要扫描的任何其它类型的光学记录载体。注意，对于本发明而言，使用双折射材料并非不可或缺。

上述相结构的另一种可选方案是针对所引入的任何不对称波前变形而设计的，例如，附图1A中所示的慧形象差波前变形。有关描述这种波前变形的数学函数的更多信息可参见，例如，由M.Born和E.Wolf所著的名为《光学原理(Principles of Optics)》(Pergamon Press第6版)(ISBN 0-08-026482-4)的第464-470页。

而且另外，除了上面所介绍的那些部分和角形段之外，还可以为相结构配备多个部分和角形段。注意，数量M和/或数量J_m越高，对由物镜引入的象差W_abb的补偿越好。不过这会导致NPS复杂程度的增大，尤其是在制造加工方面。因此需要找到补偿与加工制造间的折衷方案。

而且另外，除了附图5B所示的四象限排列方式之外，还可以以其它的排列方式设置角形段。附图8A和8B表示附图5B中所示的相结构的两种其它可选方案的两个前视图。如附图8A所示，NPS24’具有两个部分P₁’和P₂’，其中部分P₁’分成两个角形段AS’_1，1和AS’_1，2，并且部分P₂’分成两个角形段AS’_2，1和AS’_2，2。类似地，附图8B中所示的NPS24”具有两个部分P₁”和P₂”以及四个角形段AS”_1，1、AS”_1 ，2、AS”_2，1和AS”_2，2。注意，角形段AS’_1，1和AS’_1，2之间的分割线与角形段AS’_2，1和AS’_2，2之间的分割线对齐，而角形段AS”_1，1、AS”_1，2之间的分割线与角形段AS”_2，1和AS”_2，2之间的分割线形成非零角度α。换句话说，NPS的各部分的这些不同的可行排列方式能够在穿过NPS的辐射束中引入任意不对称的波前变形。

对于设置在物镜的入射面上的相结构的另一种可选的方案可以具有类似于板的任何形状。而且，作为对配备有按照本发明的NPS的这种板的改进，在角形段上设置了覆盖层，以致相结构形成了平面板。附图7表示这样的改进，其中包括NPS24的板89配备了覆盖层90。仅作说明之用，覆盖层90是由各向同性材料制成的，该材料的折射系数基本上等于板89的双折射材料的折射系数n₀。在本说明书中，两个折射系数n_a和n_b是基本上相等的，其中|n_a-n_b|等于或小于，最好，0.01，并且更好的情况是等于或小于0.005，此处值0.01和0.005是任意选择的结果。在第一模式下，穿过改进的NPS24的辐射束的偏振是这样的，即使得NPS24的折射系数等于n₀。在这种模式下，经改进的NPS24对穿过NPS的辐射束没有光学作用。在第二模式下，穿过NPS24的辐射束的偏振是这样的，即使得NPS24的折射系数等于n_e。在这种模式下，双折射板89和各向同性覆盖层90的折射系数之间存在失配。对于产生相变ΔΦ_m，j，2，阶梯高度h_m，j必须等于h_m，j＝h_refΔΦ_m，j，2/2π，此处h_ref＝λ_ref/(n_e-n₀)。这样，仅作说明之用，并且在n₀＝1.5，n_e＝1.6和λ_ref＝405nm的情况下，得出h_ref＝4.05μm。通过各个高度h_m，j的适当设计，NPS24产生了象散的结果波前变形 $\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}.$ 表V表示对应于表II中定义的角形段AS_m，j的阶梯高度h_m，j。

表V：

部分Pm	角形段    ASm，j	阶梯高度hm，j[μm]
			P1	AS1，1	0
P2	AS2，1	-0.1218
			AS2，2	0.1218
	AS2，3	-0.1218
			AS2，4	0.1218
	P3	AS3，1			-0.3039
AS3，2			0.3039
		AS3，3		-0.3039
AS3，4			0.3039

表VI表示分别在没有使用和使用表V中给出的NPS24来补偿附图4中所示的波前象差W_abb的情况下的值OPD_rms[W_abb]和 ${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}].$ 这些值是通过射线跟踪模拟计算出来的。

表VI：

注意，与使用表V中给出的NPS24进行的补偿相对应的值 ${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}]$ 低于表IV中给出的值 ${\mathrm{OPD}}_{\mathrm{rms}}[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J_M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{W}_{m,j,2}+W_{\mathrm{abb}}]$ (即，300mλ)。换句话说，配备有覆盖层90的NPS 24相对于没有配备覆盖层90的NPS 24来说，改善了波前象差W_abb的补偿。

而且另外，多个按照本发明的相结构可以配备有不同的光学元件，或者配备在单独一个主体中，其中这些相结构具有不同的材料。

对于上述的光学扫描装置的另外一种可选方案工作在不同于上述的第一和第二模式的模式下，例如工作在两种具有两种不同波长的模式下(如2001年7月5日公开的国际申请WO01/48746中介绍的)、工作在两种具有两种不同温度的模式下(如2002年2月13日公开的欧洲专利申请EP1179212中介绍的)、工作在两种具有两种不同入射角度的模式下(如由B.H.W.Hendriks等人所著的所述文章中介绍的)或者工作在具有三种不同波长的三种模式下(如2002年7月22日提交的申请号为02077992.2的欧洲专利申请中介绍的)。

作为上述的光学扫描装置的另外一种可选方案，在第一状态和第二状态之间切换穿过NPS的辐射束的偏振状态的至少一个，以致使得NPS在所述偏振状态处于第一状态下时引入平的波前变形，而在所述偏振状态处于第二状态下时引入不对称的波前变形。注意，每个偏振状态的切换可从，例如，2001年12月7日提交的申请号为EP01204786.6的欧洲专利申请中获知。

另外，在第一状态和第二状态之间切换至少一个偏振状态，以致使得NPS在所述偏振状态处于第一状态下时引入第一不对称波前变形，而在所述偏振状态处于第二状态下时引入不同的第二波前变形。

注意，上面与光学扫描装置相关联地介绍的相结构可以用于工作在第一模式和第二模式下的其它的光学应用***，例如，用于显微镜和摄影。

Claims (12)

1.一种光学扫描装置，用于在第一工作模式下借助第一辐射束扫描第一信息层，和在第二工作模式下借助第二辐射束扫描第二信息层，该装置包括：

-辐射源，用于相继地或同时地发射所述第一和第二辐射束，

-物镜***，用于将所述第一和第二辐射束分别会聚到所述第一和第二信息层的位置上，和

-相结构，设置在所述第一和第二辐射束的光路中，该结构具有光轴并且包括用于在径向上形成非周期性的阶梯状剖面的中心部分(P₁)和至少一个边际部分(P₂)，其特征在于，所述中心部分和边际部分(P₁，P₂)之一(P₂)至少分成分别具有第一阶梯高度(h_2，1)和相异的第二阶梯高度(h_2，2)的第一角形段(AS_2，1)和第二角形段(AS_2，2)，用于在所述第一工作模式下分别引入第一波前变形ΔW_2，1，1和第二波前变形ΔW_2，2，1，和在所述第二工作模式下分别引入第三波前变形ΔW_2，1，2和第四波前变形ΔW_2，2，2，其中差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)不关于所述光轴(19)旋转2π对称。

2.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)具有象散、倾斜、慧形或三叶形的类型。

3.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中或者在第一模式下得到的波前变形ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1，或者在第二模式下得到的波前变形ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2，是平的。

4.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述相结构包括在所述第一模式下对所述第一辐射束的第一偏振(p₁)和在所述第二模式下对所述第二辐射束的相异的第二偏振(p₂)敏感的双折射材料。

5.按照权利要求1所述的光学扫描装置，还包括设置得使所述相结构构成一平板的覆盖层。

6.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中将所述高度设计成，使得相邻阶梯(AS_m，j+1，AS_m，j；AS_m+1，j，AS_m，j)之间的相对阶梯高度(h_m，j+1-h_m，j；h_m+1，j-h_m，j)包括具有等于aλ₁的光路的相对阶梯高度，其中“a”是整数并且a＞1，而“λ₁”是所述第一辐射束的波长，“m”是包含在1和M之间的整数，“M”是相结构的各部分的总数，以及“j”是包含在1和J_m之间的整数，“J_m”是相结构的第m部分的角形段总数。

7.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述相结构总体上是圆形的，并且所述阶梯总体上是环形的。

8.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述相结构形成在所述物镜***的透镜的面上。

9.按照权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述相结构形成在设置于所述辐射源和所述物镜***之间的光学板上。

10.按照权利要求9所述的光学扫描装置，其中所述光学板包括四分之一波长板或分束器。

11.一种工作在第一模式和第二模式下的相结构，该结构具有光轴并且包括用于在径向上形成非周期性的阶梯状剖面的中心部分(P₁)和至少一个边际部分(P₂)，其特征在于，所述中心部分和边际部分(P₁，P₂)之一至少包括分别具有第一阶梯高度(h_2，1)和相异的第二阶梯高度(h_2，2)的第一角形段(AS_2，1)和第二角形段(AS_2，2)，用于在所述第一工作模式下分别引入第一波前变形ΔW_2，1，1和第二波前变形ΔW_2，2，1，和在所述第二工作模式下分别引入第三波前变形ΔW_2，1，2和第四波前变形ΔW_2，2，2，其中差(ΔW_2，1，2+ΔW_2，2，2)-(ΔW_2，1，1+ΔW_2，2，1)不关于所述光轴(19)旋转2π对称。

12.一种透镜，该透镜用在光学扫描装置当中，所述光学扫描装置用于在第一工作模式下借助第一辐射束扫描第一信息层，和在第二工作模式下借助第二辐射束扫描第二信息层，该透镜配备有按照权利要求11所述的相结构。

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