CN1492240A - 物镜和光学头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用以将光线会聚到信息记录介质上的物镜，包括：用以将入射光会聚成为会聚光的折射界面；以及设置在折射界面和信息记录介质之间的折射率可变元件，其折射率根据外部施加的电压而改变。

Description

物镜和光学头装置
技术领域
本发明涉及一种物镜和光学头装置。
背景技术
通常，例如CD和DVD的、通过激光束读写数据的光盘得到了广泛的传播。光盘通过在盘状基底上形成被称作凹坑的、极微小的孔来记录数据凹坑信息。具有一定透射率的金属反射层和透明保护层被作为涂层压制在凹坑上。
需要使用光学头装置从光盘读出信息。在光学头装置中，激光光源发射的激光束通过物镜会聚到光盘上，光盘反射的光被接收并被转换成电信号，用以读出写入凹坑的信息。
通常，光盘的记录密度和物镜的数值孔径NA成正比，和激光束的记录/再现波长λ成反比，如以下公式(1)所描述的。
(记录密度)∝(NA/λ)                (1)
在光盘***的条件下，如果设计物镜时所考虑的、盘的光透射层的厚度和实际生产的盘的光透射层的厚度不同，则会出现球面像差。该球面像差和物镜的数值孔径NA的六次方成正比，和记录/再现波长λ成反比，如以下公式(2)所描述的。
(盘的厚度误差导致的球面像差)∝(NA6/λ)ΔT            (2)其中，ΔT指代光透射层的厚度误差。
为了增加记录密度，根据公式(1)应该增加数值孔径NA或者减小记录/再现波长λ。但是，如果增加数值孔径NA或者减小波长λ，会出现以下可能：光透射层的厚度误差或者多层光盘的记录或再现中出现的球面像差会增大很多。所以，需要提供球面像差纠正装置以便在这种情况下对光盘进行稳定的记录和再现操作。
对于光盘***，在JP-A-2002-150598(第5到8页，图1至图13)和JP-A-10-20263中公开了使用球面像差纠正装置来纠正球面像差的技术。
在JP-A-2002-150598中，公开了一种扩展透镜(expander)，其通过在平行光线入射到物镜上之前透射所述平行光线来纠正球面像差。根据JP-A-2002-150598，该扩展透镜由两个透镜构成，并通过调整两个透镜之间的距离而纠正球面像差。
在JP-A-10-20263中，公开了一种液晶屏板，其通过在平行光线入射到物镜上之前透射所述平行光线来纠正球面像差，还公开了一种液晶屏板控制电路，其控制所述液晶屏板。根据JP-A-10-20263，液晶屏板形成有电极阵列，该电极阵列有多个以预定布局设置的电极构成。液晶屏板控制电路控制施加给多个电极中的每个的电压，从而纠正光路偏差并减小球面像差。
但是，由于扩展透镜比物镜的光学器件尺寸大且重量重，因此使用扩展透镜难以减小光学头的尺寸。此外，由于需要通过移动组成扩展透镜的两个透镜来机械地改变透镜之间的距离，因此响应速度相比较慢。
此外，在使用液晶屏板在平行光线入射到物镜前对其纠正以减小光路偏差的情况下，必须在液晶屏板上形成具有复杂形状的电极阵列，以处理对应物镜的形状而产生的球面像差。因此，制造成本增加，并降低了实用性。
此外，在使用球面带状的特殊液晶屏板的情况下，如果液晶屏板的中心偏离物镜的中心，那么将劣化球面像差的纠正效果。因此，必须正确地将液晶屏板的中心和物镜的中心对齐，这需要更多的制造过程。
而且，在使用液晶屏板的情况下，需要对每个电极进行复杂的布线，这是因为个别地为多个电极施加电压。因此，用以连接的铜线的数量增加，部件数目增加，并进一步地降低了制造效率。
发明内容
本发明旨在解决使用扩展透镜所出现的问题和使用具有复杂的电极阵列的液晶屏板所出现的问题。
为实现这一目的，根据本发明的一方面，提供一种将光线会聚在信息记录介质上的物镜，包括：用以将入射光线会聚成为会聚光线的折射界面；以及，设置在折射界面和信息记录介质之间的折射率可变元件，该元件的折射率根据施加的外部电压改变。
根据本发明的另一目的，提供一种光学头装置，包括：发射激光束的光源；将激光束会聚到信息记录介质上的物镜；以及，接收信息记录介质反射的激光束的光接收部分，其中，所述物镜包括将激光束会聚成为会聚光线的折射界面以及折射率可变元件，该元件设置在折射界面和信息记录介质之间，并具有根据施加的外部电压而改变的折射率。
附图说明
结合附图，通过下文中对本发明的详细说明，上述和其他的目的和优点将会更加明了，附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的光学头装置；
图2示出根据本发明第一实施例的物镜；
图3示出液晶部分的细节；
图4是示出透明保护层和球面像差之间的关系的图表；
图5示出根据本发明第二实施例的物镜；
图6示出根据本发明第三实施例的物镜；以及
图7示出根据本发明第四实施例的物镜。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
第一实施例
下面说明根据本发明第一实施例的光学头装置。
图1示出根据本发明第一实施例的光学头装置1的光学结构。光学头装置1通过把激光束照射在光盘100上并接收反射的光来读取记录在信号记录面103上的信息。该光学头装置1包括激光光源2、准直透镜3、偏振光分光器4、四分之一波板5、物镜200、聚焦透镜6和光接收部分7。
激光光源2是半导体激光光源，发射预定波长的具有偏振平面P的激光束B0。对于DVD和CD而言，用以读取盘100上的信号的激光束具有不同的波长。对于DVD，使用波长为650nm的激光束，对于CD，使用波长为780nm的激光束。此外，对于使用较短波长的激光束的Blue-ray盘标准，使用波长为405nm的兰紫激光。从激光光源2发出的激光束B0穿过准直透镜3。
准直透镜3将激光光源2发出的激光束B0变为平行光。此处，平行光是指从激光光源2发出的激光束的光路几乎与光轴平行的光。从准直透镜3发出的平行光穿过偏振光分光器4。
偏振光分光器4使激光束B0从其穿过并变为激光束B，该激光束B为具有偏振平面P的线性偏振光，并且，偏振光分光器4还反射光盘100反射的、且来自光盘100侧的激光束，偏振平面P旋转90度。直接穿过偏振光分光器4的激光束来到四分之一波板5。此外，从光盘100侧入射和偏振光束分光器4反射的激光束B在行进方向上被弯曲90度，并指向聚焦透镜6。
四分之一波板5通过旋转入射激光束的电场元件将线性偏振光变成圆形偏振光或将圆形偏振光变为线性偏振光。穿过偏振光束分光器4而成为线性偏振光的激光束B由于入射到四分之一波板5上而被四分之一波板5变成圆形偏振光，并穿过物镜200。此外，被光盘100反射并再次入射到四分之一波板5上的圆形偏振光的激光束B被四分之一波板变为线性偏振光，并再次入射到偏振光束分光器4上。两次穿过四分之一波板5的激光束的偏振平面旋转了90度。
物镜200将穿过四分之一波板5的激光束B会聚到形成于光盘100内的信息记录面103上。此外，物镜200将光盘反射的激光光束B会聚成将要穿过四分之一波板5的平行光。光盘100具有衬底102，其中，信号记录面103形成在该衬底102的一侧或两侧上。信号记录面103被透明保护层102覆盖，该保护层具有透光性，用以保护信号记录面103。
聚焦透镜6设置在偏振光束分光器4和光接收部分7之间。聚焦透镜6将偏振光束分光器4发出的光束B会聚到光接收部分7上。光接收部分7接收激光束B，并将其转变成读取信息用的电信号。
图2是示出物镜200的细节的剖视图。物镜200具有设置在四分之一波板205一侧上的第一物镜201和对着盘100设置并离开第一物镜201预定距离的第二物镜202。至于物镜200的折射率，考虑到盘100上的透明保护层102的厚度和折射率，第一物镜201和第二物镜202的形状和折射率应加以调整，使得平行光可以会聚到盘100的信息记录面103上，而不会引起任何球面相差。
第一物镜201为非球面凸透镜，具有形成在四分之一波板205的一侧上的凸出部分。入射到第一物镜201上的平行光的激光束B在第一物镜201的凸出部分的表面和空气之间的界面处被折射，从而变成会聚光，然后，在盘100对着第一物镜201的侧面和空气之间的界面处被再次折射，从而从第一物镜201穿过。
第二物镜202包括凸透镜203、两片玻璃板204和206、以及作为折射率可变元件的液晶部分205。凸透镜203在对着第一物镜201的一侧上形成有凸出部分，该凸出部分在对着光盘100的一侧上位于和光轴正交的平面上。在透镜203对着光盘100的一侧上的平面上，玻璃板204、作为折射率可变元件的液晶部分205和玻璃板206按次序布置。
图3示出液晶部分205及其周围的细节。液晶部分205夹在玻璃板204和206之间。液晶部分205具有形成在液晶板205b的两侧上的电极膜205a和205c，它们具有透光性。安装在外部的电源300通过引线向电极膜205a和205c供电，从而向液晶板205b施加电压。电极膜205a和205c形成有覆盖液晶板205b两侧的膜。电源300通过电极膜205a和205c向液晶板205b施加单电压。
液晶板部分205如此设置：入射平面和出射平面垂直于物镜200的光轴。如果电压施加在电极膜205a和205c上，液晶部分205的折射率根据施加电压的大小而均匀变化。该液晶部分205通过改变折射率而纠正激光束中出现的球面相差。穿过液晶部分205的激光束B是被物镜201会聚的会聚光。
当平行光入射到设置成和光轴垂直的、具有不同折射率的板形介质上时，由于没有光路偏差(这是自然的，因为平行光线不会聚)，所以不会产生球面相差。但是，当透镜会聚的会聚光入射到设置成和光轴垂直的板形介质上时，焦距根据到光轴的距离而变化，导致产生球面相差。例如，低阶球面像差的量由以下公式(3)表示：
(低阶球面像差量[RMS])＝C(n2-1)/n3(d/λ)NA4        (3)其中，n：介质的折射率
d：介质的厚度
λ：入射到介质上的光的波长
C：系数
在光学头装置1的光学***中，形成在盘表面上的透明保护层的厚度误差导致产生球面像差。施加给液晶板5的电压如此设置：液晶板5可以具有能够抵消球面像差的折射率。
图4是示出球面像差已经被纠正和尚未被纠正时光盘100中的透明保护层的厚度误差和球面像差之间的关系的模拟结果的图表。使用图2所示的物镜200进行模拟。物镜的总数值孔径NA为0.85，激光束的波长λ为405(nm)。当模拟中盘100没有厚度误差时，液晶的折射率是1.9，液晶的厚度是0.3mm。如图4所示，在模拟中，给液晶板205施加电压，以便根据盘100的厚度误差改变液晶板205的折射率。
从图4可以看出：当盘100中的透明保护层103的厚度误差为零时，不存在球面像差。如果厚度误差增加，球面像差对应于厚度误差而增加。例如，当透明保护层103的厚度从0增加到+0.01mm时，不加纠正的球面像差是0.24(λ)，由此，可以发现，球面像差大约是波长的四分之一。另一方面，纠正后的球面像差大约是0.01(λ)，和没有纠正的相比减小了大约1/24。从上面的测验可知，当通过根据厚度误差施加电压而改变液晶的折射率、从而进行纠正时，所发生的球面像差和没有纠正的相比极大地减小。
如上所述，当球面像差有赖于盘100的厚度误差而发生或者视条件而被极大减小时，施加给液晶板205的电压根据球面像差量而实时地变化是有效的。在这种情况下，通过基于光接收部分7接收到的激光束B的光接收模式(light receiving pattern)计算球面像差量，可以根据球面像差量改变施加的电压。
此外，即使当球面像差在实际应用中并没有明显的影响时，施加给液晶板205的电压周期性地变化，以维持使球面像差最小化，从而提高再现光盘的可靠性。
通过根据本发明第一实施例的光学头装置，物镜200具有折射率随电压改变的液晶部分205。相应地，液晶部分205根据球面像差量适当地改变施加给液晶部分205的电压，以使其折射率发生变化，从而最小化所产生的球面像差。因此，通过抑制检测信号的误差发生率，提供一种可靠的光学头装置。
此外，将液晶部分205设置在能够透射会聚光的位置，需要考虑形成复杂的电极阵列或者在液晶部分205中形成大量接线。特别是，由于该实施例中的电极阵列是均匀的，因此不需要将电极205a和205c相对光轴对齐。
此外，由于将液晶部分205和玻璃板204、206简单地和物镜接合在一起，可以在不增加物镜总重量的条件下纠正球面像差。此外，由于无需形成复杂的电极阵列，可以降低制造成本。
在该实施例中，液晶部分205用作折射率可变元件。但是，除此之外，可以使用通过施加电压而改变折射率的材料，以替代液晶部分205。例如，除了液晶部分205，可以直接将例如LiNbO3或KH2PO4的光电晶体接合到凸透镜203上。
第二实施例
下面说明根据本发明第二实施例的光学头装置。
图5是透视图，示出根据本发明第二实施例的物镜210。在第二实施例的光学头装置中，用物镜210替代第一实施例的物镜200。
物镜210具有设置在四分之一波板205一侧的第一物镜211和对着盘100设置、并离开第一物镜211预定距离的第二物镜212。至于物镜210的折射率，考虑到盘100上的透明保护层102的厚度和折射率，对第一物镜211和第二物镜212的形状和折射率进行调整，使得平行光可以会聚到盘100的信息记录面103上，且不会产生任何球面像差。
第一物镜211包括凸透镜213、两片玻璃板214和作为折射率可变元件的液晶部分215。凸透镜213在对着四分之一波板205的一侧形成凸出部分，且该凸出部分在对着光盘100的一侧位于和光轴正交的平面上。在凸透镜213对着光盘100一侧的平面上，顺序布置玻璃板214、作为折射率可变元件的液晶部分215和玻璃板216。入射到第一物镜211上的平行光激光束B在凸透镜213的凸出部分的表面和空气之间的界面处被折射，并经过对着第二物镜212一侧的玻璃板214、液晶部分215和玻璃板216射出。
第二物镜212是非球面凸透镜，其凸出部分形成在对着第一物镜的一侧上。第二物镜212还进一步会聚激光束B，以便将激光束B聚焦在光盘100的信息记录面103上。
以和第一实施例相同的方式构成液晶部分215，该液晶部分通过根据球面像差在两个电极之间施加电压来纠正球面像差。
在上述的第二实施例中，将液晶部分215设置在第一物镜一侧上。通过这种结构，会聚在盘100上的会聚光穿过液晶部分215。相应地，由于盘100中的透明保护层102的厚度误差而产生的球面像差，通过以和第一实施例相同的方式根据球面像差在两个电极之间施加电压而得到纠正。
此外，由于将液晶部分215和玻璃板214、216简单地接合在一起，可以在不明显增加物镜总重量的条件下纠正球面像差。此外，由于无需形成复杂的电极阵列，降低了制造成本。
在该实施例中，由液晶元件制成的液晶部分215用作折射率可变元件。但是，除此之外，还可以使用通过施加电压而改变折射率的材料来替代液晶部分215。例如，除了液晶部分215，可以使用例如LiNb03或KH2PO4的光电晶体。
第三实施例
下面说明根据本发明第三实施例的光学头装置。
图6是剖视图，示出根据本发明第三实施例的物镜220。在第三实施例的光学头装置中，用物镜220替换第一实施例的物镜200。
物镜220是单一透镜，其由多个接合在一起的透镜组成。至于物镜220的折射率，考虑到盘100的透镜保护层102的厚度和折射率，对物镜220的形状和折射率进行调整，使得平行光可以会聚到盘100的信息记录面103上，而不会产生任何球面像差。
物镜220包括凸透镜221、凹透镜222、两片玻璃板223和225、以及作为折射率可变元件的液晶部分224。凸透镜223的凸出部分形成在对着四分之一波板205的一侧上，该凸出部分在对着光盘100的一侧形成在和光轴正交的平面上。在凸透镜223对着光盘100的一侧的平面上，顺序形成玻璃板223、作为折射率可变元件的液晶部分224和玻璃板225。凹透镜222在对着光盘100的一侧上和玻璃板225接合。
入射到物镜220上的平行光激光光束B在凸透镜221的凸出部分和空气之间的界面处被折射，并经过对着盘100一侧上的玻璃板223、液晶部分224、玻璃板225和凹透镜222射出。此后，激光束B会聚到光盘100的信息记录面103上。
以和第一实施例的液晶部分205相同的方式构成液晶部分224，该液晶部分通过根据球面像差在两个电极之间施加电压而纠正由盘100的透明保护层102的厚度误差引起的球面像差。
在如上所述的第三实施例中，使用具有液晶部分225的单一物镜220。通过这种结构，会聚到盘100上的会聚光穿过液晶部分225。相应地，通过根据球面像差在两个电极之间施加电压、以和第一实施例相似的方式纠正球面像差。
此外，由于液晶部分224和玻璃板223、225简单地和物镜接合在一起，故可以在不明显增加物镜的总重量的条件下纠正球面像差。此外，由于无需形成复杂的电极阵列，降低了制造成本。通过分配到玻璃板223和225上，可以在省去玻璃板223和225的条件下将电极接合在透镜221和222的平行面上。
在该实施例中，将由液晶元件制成的液晶部分224用作折射率可变元件。但是，除此之外，可以使用通过施加电压改变折射率的材料替代液晶部分224。例如，例如，除了液晶部分224，可以使用例如LiNbO3或KH2PO4的光电晶体。
第四实施例
下面说明根据本发明第四实施例的光学头装置。
图7是剖视图，示出根据本发明第四实施例的物镜240。在第四实施例的光学头装置中，用物镜240替换第一实施例的物镜200。此外，物镜240具有顺序布置在玻璃板246上的第二液晶部分247和玻璃板248，该玻璃板246对应于第一实施例中对着盘100一侧的、物镜200的玻璃板206。即，在该实施例中，入射到盘100上的激光束B穿过液晶板两次。
至于物镜240的折射率，考虑到盘100上的透明保护层102的厚度和折射率，对第一和第二物镜241和242的形状和折射率进行调整，使得平行光会聚到盘100的信息记录面103上，而不会导致产生球面像差。
在上述的第四实施例中，除了液晶部分245外还设置有第二液晶部分247。通过这种结构，会聚到盘100上的会聚光穿过液晶部分245和247。相应地，在液晶部分245和247对透射出的激光束B的球面像差进行纠正，该球面像差由盘100中的透明保护层102的厚度误差导致。
此外，由于液晶部分245、247和玻璃板244、246、248简单地和物镜接合在一起，故可以在不明显增加物镜总重量的条件下纠正球面像差。此外，由于无需形成复杂的电极阵列，降低了制造成本。
如果用以纠正球面像差而***的液晶板的厚度增加，折射率响应所施加的电压而变化的时间也变长，因此，可能出现液晶板的折射率变化不实时受控的情况。在这种情况下，可以设置两个或多个液晶部分，就像在该实施例中那样，使每个液晶板的厚度变小，增加了折射率根据电压变化的反应性，从而实时地控制折射率。
在该实施例中，由液晶元件制成的液晶部分245和247被用作折射率可变元件。但是，除此之外，可以使用通过施加电压改变折射率的材料替代液晶部分245和247。例如，例如，可以使用例如LiNbO3或KH2PO4的光电晶体。
根据本发明的实施例，作为将光会聚到信息记录介质上的物镜的光学头装置1包括：将入射光转换为会聚光的折射界面；以及，例如液晶或光电晶体的折射率可变元件，其设置在折射界面和信息记录介质之间，其折射率根据外部施加的电压变化。相应地，通过根据球面像差对折射率可变元件施加电压来改变折射率，从而消除球面像差。
本发明优选实施例的前述说明的目的在于演示说明。而不是穷举或限制本发明，改变和变形在上述说明的指导下是可能的，或者从本发明的实践中得到。所选取并说明的实施例旨在解释本发明的原理和实际应用，从而使本领域技术人员能够在不同的实施例中应用本发明，并对本发明应用适合于所想到的具体应用的实施例。本发明的范围由权利要求书及其等价物限定。

Claims (12)

1、一种用以将光会聚到信息记录介质上的物镜，包括：
用以将入射光会聚成为会聚光的折射界面；以及
设置在折射界面和信息记录介质之间的折射率可变元件，其折射率根据外部施加的电压而改变。
2、如权利要求1所述的物镜，其中，所述折射率可变元件为平板形状。
3、如权利要求1所述的物镜，其中，所述折射率可变元件具有垂直于光轴的入射平面。
4、如权利要求1所述的物镜，其中，所述折射率可变元件被施加单独的电压。
5、如权利要求1所述的物镜，其中，所述折射率可变元件是液晶。
6、如权利要求1所述的物镜，其中，所述折射率可变元件是光电晶体。
7、一种光学头装置，包括：
用以发射激光束的光源；
用以将激光束会聚到信息记录介质上的物镜；
用以接收信息记录介质反射的激光束的光接收部分；
其中，物镜包括：
用以将入射光会聚成为会聚光的折射界面；以及
设置在折射界面和信息记录介质之间的折射率可变元件，其折射率根据外部施加的电压而改变。
8、如权利要求7所述的光学头装置，其中，所述折射率可变元件具有平板形状。
9、如权利要求7所述的光学头装置，其中，所述射率可变元件具有垂直于光轴的入射平面。
10、如权利要求7所述的光学头装置，其中，所述折射率可变元件被施加单独的电压。
11、如权利要求7所述的光学头装置，其中，所述折射率可变元件是液晶。
12、如权利要求7所述的光学头装置，其中，所述折射率可变元件是光电晶体。
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