CN1318758A

CN1318758A - 带有修正相对光源倾斜产生的偏移效应的光栅的衍射透镜

Info

Publication number: CN1318758A
Application number: CN01111985.3A
Authority: CN
Inventors: 沃尔特·达施纳; 伯纳德·克雷斯
Original assignee: ERILE IMAGINATION Co
Current assignee: ERILE IMAGINATION Co
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2001-10-24
Also published as: JP2001290018A; US6466371B1; EP1120669A2

Abstract

根据本发明构成的衍射透镜包括一组带域(B1至Bn,604－1至604－n),使得在每个带域中的衍射光栅得以修正。这样确保即使在透镜倾斜时,如防止光栅从透镜反射和在光学***中产生畸变,也能继续把光聚焦到目标平面上。目标平面主要是一种光学或磁光数据记录介质(4)。

Description

带有修正相对光源倾斜产生的偏移效应的光栅的衍射透镜

本发明涉及透镜。尤其涉及衍射透镜，并还涉及用在磁、磁光或相变光学记录介质的透镜。本发明还涉及制造透镜的方法。

图1图解说明包括磁光记录盘4和激光光源6(典型地是二极管激光器)的磁光盘驱动器2的一部分。在使用期间，激光光源6提供穿过分束器9的激光束8。然后，激光束8穿过并被衍射透镜10聚焦到盘4上的一点11处。光束8被反射回来再次穿过透镜10，使透镜10校准光束8并把光束提供到分束器9。光束8被分束器9反射而穿过透镜12，透镜12把光束8聚焦到传感器14上。

遗憾的是，在读取操作期间，激光束8的一部分可以反射离开透镜10。然后激光束8的这部分被分束器9反射穿过透镜12到达传感器14，于是把噪声引入传感器14探测到的信号中。我们已经用如图2所示的倾斜透镜10做过实验，使反射离开透镜10的光不干扰传感器12的操作。然而，我们发现，如果衍射透镜10倾斜，则非常需要能够调整透镜10，以便继续在盘4上形成一个无象差的或基本上无象差的焦点(倾斜而未调整的透镜显示出一种称作“慧差”的象差)。

图3是透镜10的平面图。透镜10画成一个任意的圆。在图3中还表示了用于讨论透镜10的X和Y轴。诸如透镜10的透镜组通常用如下的方程描述：

p (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} α_{i} {(x^{2} + y^{2})}^{i}

(1)

此处，P是在透镜表面的一个具体点x,y处的透镜相位分布图(按弧度)。换言之，照射到透镜10上点x,y处的光其相位被改变[2π]P(x,y)模数的弧度，其中[2π]是模量运算符。在方程1中，变量αI称作非球面系数。(通过利用方程(1)适当选择系数设计的透镜一般没有球差。否则当光通过透镜的不同折射率的各个表面区域到达焦点时将会导致球差)

如果透镜10是一个折射透镜，则函数P(x,y)将与透镜的高度分布成正比。换言之，

H(x,y)=P(x,y)/λ (2)

这里，H(x,y)是透镜(在z方向)在点x,y处的高度，λ是光在透镜材料中的波长。(见图3A，该图表示平凸折射透镜沿A-A的横截面)

如上所述，透镜10是一个衍射透镜。一类衍射透镜是带锯齿区域板透镜(blazed zone plate lens)。图4表示带锯齿区域板透镜10’的截面。带锯齿区域板透镜可以用于把光聚焦到焦点，但可以看到，它们有一个与平凸衍射透镜有某些不同的截面。具体地说，透镜10’包括一组同心***和凹陷。在Wiley-VCH Verlag GmbH 1990年发表的Sinzinger等人的“Microoptics”中讨论了带锯齿区域板透镜，该文在此引为参考。

反过来参见图1，对于透镜10不倾斜的情形，透镜10被设计成αi不是x或y单独的函数，而是x²+y²的函数。但是如上所述，如果为了防止上述的反射问题而使透镜10关于x轴倾斜，则必须改变透镜10，否则透镜10不再能够把激光束很窄地聚焦到斑点11处并且将显示出“慧差”。希望的是，把透镜10调节成可以倾斜并仍可把光束很窄地聚焦到数据记录盘上，并使得不显示出慧差。

根据本发明构成的衍射透镜包括衍射光栅。光栅的间距在透镜表面上有所变化，使得甚至透镜相对于激光束倾斜时也能把光聚焦到记录介质上的一个很小的光斑上。在一个实施例中，此透镜是一种带锯齿区域板透镜。在另一实施例中，透镜是一个带相变区域板透镜(phase zone plate lens)。在另一个实施例中，透镜包括交替的透明和不透明区域。因为光栅的间距变化，所以透镜在聚焦光斑中产生的任何慧差与不改变光栅间距时产生的相比都有所减小。在一个实施例中，慧差量基本上消除或完全消除。

在一个实施例中，衍射光栅不是环状，而是有一点椭圆形状，以便减小象差。例如，光栅可具有空心锥体与穿过锥体的斜面形成的相贯线的形状。但是，如下所述，光栅也可以有其它的形状。

在一个实施例中，透镜准直光束而不聚焦光束。在另一个实施例中，透镜准直且聚焦光束。

图1图解说明一个把激光二极管发出的光束聚焦到数据记录盘中的一个光斑上的透镜；

图2图解说明一个倾斜的透镜，该透镜使得反射离开透镜的光不干涉用于探测数据记录盘上的激光束的传感器；

图3是透镜的平视图；

图3A是折射平凸透镜的截面图；

图4是带锯齿区域板透镜的截面图；

图5A是根据本发明的用于把光束聚焦到数据记录介质上的倾斜透镜截面图；

图5B是根据本发明的透镜平视图；

图6A～6C是制造期间的带锯齿区域板透镜截面图；

图7是根据本发明的带相变区域板透镜截面图；

图8是根据本发明的带二元区域板透镜(binary zone plate lens)截面图；

图9是一种包括不同焦距特点的区域以增大透镜的焦深的透镜平面图；

图10是图9所示透镜的改型平面图，其中a)包括具有不同焦距的不同区域，使得透镜整个显示出增大的焦深；b)是进一步的改型，透镜表面上的不同带域显示出改变的焦深特点，以致于即使透镜倾斜，仍能够形成一个尖细的焦点。

根据本发明第一实施例构成的透镜是一种诸如带锯齿区域板透镜的衍射透镜。如下所述，透镜光栅的间距在Y方向改变，以致于透镜可以沿X轴倾斜并还能够把激光束聚焦到磁光盘或光学数据记录盘上的很小的光斑上。如上所述，透镜可以用方程(1)描述。换言之，透镜可以用非球面系数αi描述。在本发明的第一实施例中，系数αi调节成y的函数。适当地修正αi，可以在衍射透镜沿X轴倾斜时无畸变地把光栅聚焦到光斑11上。(在图2和图5中，X轴衍射到图平面之外)。

图5A表示根据本发明构成的透镜10”。透镜10”的主平面通常暴露在大气中。透镜10”沿X轴倾斜以避免上述关于光束反射离开透镜和在传感器中引发噪声的问题。根据本发明的一个特征，修正透镜10”，使得甚至当透镜相对于激光束8倾斜时仍可以把激光束8聚焦到盘4的小光斑11上。在一个实施例中，倾斜透镜10”，其光轴与激光束8的夹角处于0.5～5°之间，如1°。但是，也可以使用其它的角度，如45°。

激光束8可以有任何适当的波长。在一个实施例中，激光束8具有650nm的波长。在另一个实施例中，激光束8具有780nm的波长。激光功率可以处在5～200mW之间，可以是一个二极管激光器。但是，也可以使用其它类型的激光束和激光源。

参见图5A，倾斜透镜10”的第一部分10-1与盘4相距f1，第二部分10-2与盘4相距f2，第三部分10-3与盘4相距f3，以此类推。

在根据本发明的方法中，我们假设焦距为f1来计算第一组非球面系数αi。这些系数用于确定透镜10”的带域B1中衍射图案的位置(图5B)。然后假设焦距为f2计算第二组非球面系数αi。这些系数用于确定透镜10”的带域B2中衍射图案的位置。对透镜10”的每个带域B1～Bn重复此过程。所以，透镜的每个带域具有稍稍不同的焦点特征。但是，由于修改衍射图案的方式，甚至透镜10”倾斜时，也能把激光束严格地聚焦到盘4的小光斑11上。

决定系数αi的方法以及根据一组非球面系数αi决定衍射光栅的位置的方法在现有技术中是已知的，例如可以利用一种商业上可以得到的计算机程序，如加利福尼亚Optical Research Associates ofPasadena的Code V来完成。

在本发明的第二实施例中，代替形成具有不连续的特性的带域B1～Bn，形成一种在整个透镜表面特性连续变化的透镜。这样做的一种方式是对每个在y方向连续变化的变量αi计算一个函数。换言之，根据曲线拟合算法产生连续变量αi(y)。曲线拟合算法可以是一种商业上可进行的算法，如Microsoft Excel中提供的扩展片程序(spread sheet program)。

在另一实施例中，透镜10”关于x和y轴倾斜。如果这样，变量αi成为x和y的函数。

根据本发明的透镜的一个实施例是带锯齿区域板透镜(如上所述，图4是带锯齿区域板透镜的截面图)。制造本发明透镜的一种方法包括下列步骤：

1．在透明衬底302上沉积一个抗蚀层300(图6A)。衬底302一般是一种透明材料，如玻璃。抗蚀层300可以是一个有机或无机抗蚀层。

2．利用例如电子束构图技术在抗蚀层300上形成图案(图6B)。利用上述的相位分布信息作为一项对电子束数据发生器的输入或算法产生电子束写入器的输入数据文件。在一个实施例中，电子束数据发生器例如可以是从法国的Diffractive Solutions ofStrasbourg可得到的DOE-CAD。

3利用蚀刻技术把层300的图案转移到衬底302上。在此转移图案的步骤中，从衬底302上刻蚀掉抗蚀层300。

涉及到形成锯齿区域板的方法的详细内容可以在由Aerial ImagingCorporation提交的PCT申请WO98/52101以及Block等人的美国专利申请5,998,006中找到。‘006号专利和WO98/52101申请在此引为参考。

可用于实施本发明的另一种衍射光栅透镜是带相变区域板透镜400，如图7中所示。此透镜包括形成在透明衬底406(一般是玻璃)中的交替的凹进区402和非凹进区404。这些交替的凹进区402和非凹进区404起着衍射透镜的作用把激光束的光聚焦到数据记录介质上。制造带相变区域板透镜的方法在Aerial Imaging Corporation提交欧洲专利申请EPO 871 163 A2和于2000年12月19日授予Block等人的美国专利US6,162,590中有所描述。这些申请在此引为参考。重要的是，衍射光栅在本发明中的位置被修改成即使透镜沿X轴倾斜，透镜仍把激光束8聚焦到盘4上的小光斑11上，其原因如上所述。

另一种类型的衍射光栅透镜包括交替透明和不透明的区域。这种透镜的一个例子是透镜500，如图8所示。透镜500包括一个透明衬底502(如玻璃)和一个经构图的不透明层504(例如通过溅射并经平板印刷的方法沉积到衬底502上的铬)。不透明层504被制成同心环带的图案，这些图案用作把光聚焦到盘4上的小光斑上的衍射透镜。制造这些透镜的方法在上述引用的EPO 871 163 A2申请和‘590专利中有所描述。另外，在本发明中这些环带的位置修正成允许在透镜沿X轴倾斜时能把光聚焦到盘上的小光斑上。

另一种类型的衍射透镜包括掺杂材料区的区域，从而显示出不同的折射率。掺杂材料区的图案布置成，如果透镜相对于光源倾斜，它能够聚焦光束，而不产生慧差。

参见图5，光学或磁光记录介质4主要是一种在使用当中旋转的盘。不幸的是，盘4容易抖动，如图5A中的箭头C所示。如果透镜10”有一个较窄的焦深，则盘4可能会移出焦点，因而透镜10”将不再能够把光聚焦到盘4的小光斑11上。因此，在一个实施例中，进一步把透镜10”调节成包括不同焦深的区域。图9表示根据本实施例的透镜600。参见图9，透镜600被分成区域602-1～602-n。每个区域调节成具有稍稍不同的焦距。所以例如区域602-1显示出第一焦距f1，区域602-2显示出第二焦距f2，区域603-3显示出第三焦距f3等。所以，如果盘4抖动而在箭头B的方向轻微地移动(图5A)，透镜600的不同部分将继续确保激光束被聚焦到记录介质4上的小光斑上。

如果只对透镜600进行这些修改，则透镜将显示出增大的焦深。(在Daschner等人于1999年8月4日提交的美国专利申请09/288,269中详细描述了这种透镜，该申请在此引为参考)。参见图10，透镜600被进一步修改，考虑到透镜的一个倾角。具体地说，透镜600还包括带域604-1～604-n。修改带域604的焦距以进一步考虑透镜600沿X轴的倾角。因此，透镜600具备两个优点：a)提供延长的焦深；和b)即使透镜倾斜也提供尖细的焦点。

在图10中，透镜区域602被分割成“薄饼片”形。但区域602也可以有其它的形状，如’269申请中公开的形状。另外，在不同的区域602之间不需要离散的台阶。例如，接近区域602-1和602-2区域的边界以及接近其它的边界光栅间距逐渐改变。

虽然以上关于具体的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明实质和范围的前提下可以进行形式和细节上的改变。例如，透镜可以用在除磁光或光学记录介质以外的应用中。因此，所有这些变化都在本发明的范围之内。

Claims

1．一种衍射透镜，在表面区域上包括一组衍射光栅，所述光栅的间距在表面区域内是变化的，使得透镜可以相对于光束的方向倾斜而同时能够把光束聚焦到目标上的斑点上，并且/或者对光束进行准直，减小了慧差或没有慧差。

2．如权利要求1所述的透镜，其特征在于，只在材料主体的一个表面上形成衍射光栅。

3．如权利要求1所述的透镜，其特征在于，只有一组衍射光栅聚焦和/或准直光束，使透镜显示出减小慧差或没有慧差的特性。

4．如权利要求1所述的透镜，其特征在于，透镜包括带锯齿区域板、带相变区域板、交替的透明和不透明区域或者折射率不同的数个区域。

5．如权利要求1所述的透镜，其特征在于，透镜组合到一种装置中，该装置包括：

一个激光源；和

一个数据记录介质，所述透镜相对于激光束倾斜，并把激光束聚焦到所述数据记录介质上的斑点上。

6．如权利要求1所述的透镜，其特征在于，光栅的间距在透镜的表面区域上是变化的，从而增大透镜显示的焦深。

7．一种方法，包括光穿过衍射透镜以聚焦到目标上和/或准直光束的步骤，透镜相对于光倾斜，透镜包括一组衍射光栅，光栅的间距在透镜表面上是变化的，使得在透镜相对于激光束倾斜时也能把光聚焦到目标上的一个光斑上和/或准直光束，同时显示出减小的慧差或基本上没有慧差。

8．一种制造透镜的方法，包括：

建立多组非球面系数，每组针对一个焦距描绘透镜；和

利用多组非球面系数构成一个具有一组衍射光栅的透镜，使得一组衍射光栅的间距是变化的，当透镜相对于光源倾斜时仍能继续把光聚焦到目标和/或准直光束。

9．如权利要求8所述的方法，还包括：

建立所述的非球面系数组以克服当光穿过透镜到达焦点并到达不同折射率区域时产生的球差。

10．如权利要求8所述的方法，其特征在于，衍射光栅的所述间距基本上减小或消除慧差。

11．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述非球面系数组用于产生一个平板印刷形成到衬底上的图案以构成所述的透镜。

12．一种透镜，包括一组光栅，光栅的间距利用一组非球面系数确定，以致于光栅把光聚焦到目标上和/或准直光束而基本上不产生球差，光栅的间距在透镜的表面上是变化的，以致于如果透镜相对于光源倾斜也仍可以把光聚焦到目标上和/或准直光束。

13．如权利要求12所述的透镜，其特征在于，所述的透镜基本上不导致慧差。

14．如权利要求12所述的透镜，其特征在于，与光栅相关的焦距在透镜的表面区域是变化的，以致于透镜的不同部分显示出不同的焦距，使得如果透镜倾斜，透镜的第一部分比透镜的第二部分更接近焦点，第一部分显示的焦距比第二部分显示的焦距短。

15．如权利要求12所述的透镜，其特征在于，光栅的间距连续变化。

16．一种非球面衍射透镜，包括一组光栅，光栅的间距在透镜的表面上是变化的，以致于如果透镜相对于光源倾斜，也仍能继续把光聚焦到目标上的一斑点上和/或准直光束。

17．一种包括使光束穿过透镜的方法，所述透镜相对于光束的传播方向倾斜，透镜包括一组光栅，光栅的间距利用一组非球面系数决定，以致于光栅能把光聚焦到目标上和/或准直光束而基本上不产生球差，光栅的间距在透镜的表面上是变化的，以致于透镜的倾斜基本上不产生慧差。

18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述衍射光栅的间距基本上减小或消除慧差。

19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，与光栅有关的焦距对于材料主体的表面是变化的，以致于透镜的而不同部分显示出不同的焦距，使得如果透镜相对于轴倾斜，则在透镜接近焦点部分的光栅焦距小于在透镜远离焦点部分的光栅的焦距。

20．一种包括使光束穿过非球面衍射透镜的方法，透镜相对于光束的传播方向倾斜，透镜包括一组光栅，光栅的间距在透镜的表面上是变化的，从而减小或避免慧差。