TWI298395B - Beam-shaping optical element and method and program for designing the same - Google Patents

Description

1298395 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與用於光學儲存應用，像壓縮光碟（compact discs，CD)、數位多用光碟⑷糾以versatile以似；dvd) 或頒似物之光學拾取系統中、光學通信系統中及其他領域 中所使用之光束成形光學元件有關。本發明具有廣泛的光 束成形應用，包括將光束與光學纖維耦合之應用與雷射光 束印表機、掃描器、雷射加工設備、用於二極體激發式固 態雷射之高效雷射光碟光學系統及採用光學系統之其他設 備中之應用。 【先前技術】 圖5顯示一光學拾取系統之示意性佈局。半導體雷射上之 發光由準直器2轉換為平行光束。光接著由折疊鏡3反射且 引至物鏡4，其將光聚焦於用於記錄且重製資訊之一光學資 訊記錄媒體5上。 如圖7中所示半導體雷射丨之發光之場圖案係橢圓形的， 其中主軸係垂直於層方向（接合表面）。換言之，光束之能量 已橢圓形地分配於光束之斷面中。在用於記錄應用之一般 半導體雷射之情形中，半峰全幅值（full width at half maximum; FWHM)在層方向上係大約8·5度且在層方向之垂 直方向上係大約17度。在層方向之垂直方向上（接合表面）， 來自半導體雷射1之光之外部可不與準直器透鏡2耦合且不 轉換成平行光束，因而導致光損失於光學元件中。此外， 轉換成平行光束之光之斷面具有橢圓形的能量分配。若光

O:\89\89236.DOC 1298395 向光學資訊記錄媒體5上會聚成一光點，則該光點亦為橢圓 形0 因而，迄今為止已開發各種技術以使半導體雷射之發光 成形，其中橢圓形的能量分配轉換成實質上為圓形之能量 分配。 圖6顯示其中已組合棱鏡用以將具有橢圓形斷面之光成 形為具有實質上為圓形之斷面之光之光學系統。採用棱鏡 之光學系統具有以下缺點··尺寸大、昂貴且裝配操作麻煩。 此外，系統可產生額外像差。平行光束係棱鏡操作所必需 · 且較大的數值孔徑係準直器所需要。 已開發另一技術，其中折疊鏡係用於光束成形。例如， 參考曰本未經審核之專利公告案第9_167375號。在此情形 中，光束成形鏡係配置於準直器透鏡之後，從而光束成形 鏡與半導體雷射之間之距純大。@而，較λ的數值孔徑 係準直器所需要。

亦開發另一技術，其中在垂直於光學軸之兩方向上具有 不同聚焦長度之非球形透鏡係用於光束成形。日本未經審 核之專利公告案第6_27493丨號與第6_29494〇號揭示將一環 形透鏡用作非球形透鏡之技術。此外，日本未經審核之專 利公告案第2001-6202號與第2001-160234號揭示採用下面 將說明之具有變形表面之一透鏡之技術。上述技術之任一 者中’準直器透鏡之-表面或兩表面係製成非球形用作光 束成形之功能。 藉由透過下面所顯示之等式⑴定義一輪廊及繞χ轴之平

O:\89\89236.DOC 1298395 行，軸旋轉該輪廓且穿過2軸上距離原點為Ry之點，可獲得一 環形表面。該形狀在γ_Ζ平面上為球形且在χ_ζ平面上為非 球形。 Ζ(χ)=：__ 1 +- (1+众)<又2 /=1 (Χ-Ζ平面） 等式（1) 、係又7平面上一曲線之曲率且！^係γ_ζ上一曲線（圓）之半 徑。第二與隨後之項係表示自第一項所表示之表面之一偏 差之校正項。 變形表面可由下面所示之等式（2)表示。 1 + Vwi + K){〇W)- (1 + ky)(c2yy2) + AR[(l - AP)x2 +(1 + AP)y2 ]2 +BR[(1-BP)x2 +(l+BP)y2]3+CR[(l-CP)x2 ^-(l+CP)^]4 +ϋΚ[(1-ΟΡ)χ2+(1+ϋΡ)/]5 等式（2) 其中（^係x-z平面上一曲線之曲率且等於1/Rx，係γ_ζ平面 上一曲線之曲率且等於1/Ry。第二與隨後之項係表示自第 一項所表示之表面之一偏差之校正項。AR、BR、CR、DR 、AP、BP、CP與DP係校正因數（常數）。 在壓縮光碟（CD)、數位多用光碟（DVD)或類似物之光學 拾取系統中，必須最小化像差用於精確且高速的記錄與重 製口而亦必須最小化具有光束成形功能之上述透鏡之 像差。 此外，在採用半導體雷射之光學通信系統中，需要類似 的光束成形元件用於有效地耦合半導體雷射之發射光束與 光子纖維’如曰本未經審核之特許公開申請案（k〇kai)第 11-218649號之說明。

O:\89\89236.DOC 1298395 然而，採用上述等式（1)盥 〇()之非球形表面之傳统光史成 形光學元件並非總是導致 之傳、、克光束成 m二^ j化像差之滿意結果。 口而’萬要採用不同今日曰 带矣而*丄土 、透鏡表面以最小化採用非球 形表面之光束成形光學元件之像差。 【發明内容】 在依據本發明之光束成形光學 口表面在包含光學軸之任何平面“巾人口表面與該出 任饤千面中都具有一非圓形斷面。 在依據本發明之光束成形光學元件中，具有一入口表 面、與其相對所定位之一出口表面及一光學軸，該光學軸 與三轴矩形x™系統之Z轴-致，且入口表面與出：i 面之至少-者係由包含表示非旋轉式對稱非球形輪廊之一 項與校正項之數學等式表示，每—校正項係變數m之函 數，該等校正項之至少-者係變數\之函數且該等校正項之 至少-者係變數Y之函數。因而，等式不包含為變數χ鱼變 數Y之函數之校正項且其確實包含僅含變數χ之一函數之 至少一校正項及僅含變數Y之一函數之至少一 不父正項。可使 光束成形元件之表面之一或兩表面都依據該數學等式設 計。 因而，X方向之校正與γ方向之校正可在非球形輪廓上方 獨立進行，從而在設計該元件時允許更多的靈活性 在光束成形光學元件之一特定具體實施例Φ τ，入口表面 與出口表面之至少一者在包含光學軸之任何平 非圓形斷面。 在依據本發明之一項具體實施例之光束成 面中具有一 形光學元件 O:\89\89236.DOC -9- 1298395 中’僅含變數x之函數之至少-校正項包含與校正因數相乘 之X之冪且僅含變數γ之函數之至少一校正項包含與校正 因數相乘之γ之冪。因而，x方向之校正與γ方向之校正可 在非球形輪廓上方獨立進行，從而允許更容易的校正操作。 在一特定具體實施例中，具有又與丫之相同冪之校正項之 校正因數係相同的。 '在依據本發明之另一具體實施例之光束成形光學元件 中，入口表面與出口表面之至少一者

Z +|>〆’等式(3) ” V2 〜 由乂卜寺式表不 其中c^Cy分別為表面在x軸與γ軸方向上的曲率且让、k 及校正因數A々Bl為常數。藉由調整表示非球形輪廊之第 —項^之因數可實施光束成形功能。此外，藉由獨立改變乂 與Y校正項之因數，可最小化離開光束成形元件之出口表面 上之光束之像差。 在依據本發明之另—具體實施例之光束成形光學元件 中之數值係實質上不同的。因而，光束成形光學元 件在X與γ方向上具有不同的非球形輪廓。 在依據本發明之另-具體實施例之光束成形光學元件 中’對於i之至少-數值，Ai係非零且對於J-之至少一數值，

Bj係非零。X方向上之校盥 仅止興γ方向上之杈正可獨立進行。 在依據本發明之另一且辦杳―, 具體實鉍例之光束成形光學元件 中’入口與出口表面之至小 Θ -ir cn 、 者具有用於最小化來自輻射 源、已穿過光束成形光學元乂

什之无釆之波則像差之形狀。X

O:\89\89236.DOC 1298395 方向上之校正與γ方向上之校正可在非球形輪廓上獨立進 行，從而像差可相對於由傳統元件所引起之像差而進一步 減少。 在依據本發明之另一具體實施例之光束成形光學元件 中，會將來自半導體雷射之光束之橢圓形斷面轉換成幾乎 為圓形之斷面。 因而，當該元件用於光學拾取系統中時，從半導體雷射 至記錄媒體之更有效的能量傳送，其允許光學資訊記錄媒 體南速記錄且重製。 依據本發明之另一具體實施例之光束成形光學元件係定 位於半導體雷射與用於將來自半導體雷射之光轉換成平 行、赉政或會聚光之光學元件之間。因而，光束成形光學 π件可方便地定位於半導體雷射附近使得能效更高且更好 地校正像差。 ，在依據本發明之另一具體實施例之光束成形光學元件 中，自半導體雷射之發射點至元件入口表面之距離係小於 自透過光束成形光學元件所形成之發射點之影像至入口表 面之距離且該影像位於物體空間中。 在依據本發明之另一具體實施例之光束成形光學元件 中，滿足數學等式（NA0Ut/2) (l/NAinx + l/NAiny) < ；!，其中 ΝΑ_係出口表面處之數值孔徑且^^八丨以與NAhy分別為在 X-Z平面與Y-Z平面中之入口表面處之數值孔徑。 上面條件滿足時，光束成形光學元件具有前置準直器功 能’其減少光在該分光器或類似物之鏡面上之進入角中之 O:\89\89236.DOC -11- 1298395 差異。將前置準直器功能併入光 尤采成形先學70件中可減少 先予路徑中之組件數量。將準 後置準直器之兩元件上之Η广““到刖置準直器與 為’ w置準直器可與光束成 / 5成—具有良好熱敎性之組合元件。若整個準直 此係内建於光束成形器中，則元件之較大的光學強度降 -/、…、L疋!·生。拆分準直功能具有額外優點，即後置準直 器可具有相對較大的焦距，其允許具有前置準直器功能之 先束成形器與後置準直器之間之—已增加距離。已增加的 距離可用於在光束成形器與後置準直器之間配置—輕合元 用於耦s來自另一光源之輻射或耦合自記錄媒體返回 至偵測系統之輸出光。 該光學拾取系統可方便地用於光學掃描裝置，用於掃描 光學記錄媒體。拾取系統包括用於將光自光學記錄媒體轉 :至表示儲存於記錄載體上之資訊之電氣信?虎之光感測 器。掃描裝置包括與電氣信號連接之一錯誤校正電路。電 路係配置用於校正來自光感測器之電氣信號中之錯誤。 依據本發明用於設計光束成形光學元件之方法係定向於 光束成形光學元件，其中光束成形光學元件之光學軸與三 軸矩形XYZ座標系統之Z軸一致，且光束成形光學元件之入 口表面與出口表面之至少一者係由包含表示非旋轉式對稱 非球形輪廓之一項與校正項之數學等式表示，每一校正項 係變數X或Y之函數，該等校正項之至少一者係變數χ之函 數且該等校正項之至少一者係變數γ之函數。在依據本發明 之用於設計光束成形光學元件之方法中，以最小化像差之

O:\89\89236.DOC -12 - 1298395 方式進仃设计。依據本發明之用於設計光束成形光學元件 之方法包含決定約束（包括入口表面處之光束聚散度與出 口表面處之光束聚散度）與獲得至少波前像差之一指標函 數之步驟。依據本發明之用於設計光束成形光學元件之方 法包3該等步驟··獲得上面約束下之指標函數之一數值、 决疋違指標函數之數值是否達到所需要的數值及調整至少 杈正項之數值以使得指標函數接近所需要的數值。 口而可獨立凋整包含僅為變數X之函數之校正項與包含 僅為、交數γ之函數之校正項，從而可相對於由傳統元件所引 起之像差而進一步減少像差。 依據本發明用於設計光束成形光學元件之電腦程式係定 向於光束成形光學元件，其中光束成形光學元件之光學軸 與三軸矩形XYZ座標系統之z軸一致，且光束成形光學元件 之入口表面與出口表面之至少一者係由包含表示非旋轉式 對稱非球形輪廓之一項與校正項之數學等式表示，每一校 正項係變數X或γ之函數，該等校正項之至少一者係變數X 之函數且該等校正項之至少一者係變數γ之函數。藉由依據 本發明之用於設計光束成形光學元件之方法，以最小化像 差之此方式進行設計。依據本發明之用於設計光束成形光 學7G件之電腦程式具有一電腦用以執行決定約束（包括入 口表面處之光束聚散度與出口表面處之光束聚散度）與獲 得至少波前像差之一指標函數之步驟。依據本發明之用於 η又计光束成形光學兀件之電腦程式具有一電腦用以執行該 等步驟·獲得上面約束下之指標函數之一數值、決定該指 O:\89\89236.DOC -13- 1298395 才示函數之數值是否達到 J所而要的數值及調整至少一 之數值以使得指標函數拉 权正項 w歎接近所需要的數值。 因而，可獨立調整包合〆 僅為變數X之函數之至一 與包含僅為變數γ之函數 杈正項 傳統元件所引起之像差而、隹止丄 J稍對於由 诼差而進一步減少像差。 在依據本發明之一項且辦奋·^ 丨 貝具體貫施例之設計方法與設 中，僅含變數X之函數之至小 4矛壬式 之至少一杈正項包含與校正因數相垂 之X之冪且僅含變數Y之函I夕$ ί 1 歎相乘 …千 之函數之至少-校正項包含與校正 因數相乘之γ之幕。因而，χ方向之校正與γ方向之校正可 非球形輪靡上方獨立進行，其允許更容易的校正摔作。 一依據本發明之另-具體實施例之設計方法與設計程式係 疋向於光束成形光學元件’其中入口表面與出口表面之至 少一者由下面等式表示 2^ ___w 1 m ++等式(3) 其中^與Cy分別為表面在x軸與Y軸方向上的曲率且匕、化 及校正因數八1與^為常數。因而，藉由調整表示非球形輪 廓之第一項中之因數可實施光束成形功能。此外，藉由獨 立改變X與Y校正項之因數可實施最小化波像差及類似物 之功能。 依據本發明之用於製造光束成形光學元件之方法利用依 據本發明之設計光束成形光學元件之方法。因而，可製造 比傳統光束成形光學元件具有更小像差之光束成形光學元 件0

O:\89\89236.DOC -14- 1298395 依據本發明之電腦程式產品 本發明之設計方法，，採用依據本發=:= 品可設計比傳統光束成形光以件具有更小像差之先了 = 形光學元件。 不左〈尤果成 【實施方式 將麥考圖2說明依據本發明之採用光束成形光學元件之 光學拾取系統之具體實施例。依據本發明之光束成形光學 凡件9係定位於半導體雷射1〇與用於將來自半導體雷㈣ 之光轉換成平行或會聚光之光學元件11(如準直器）之間。當 光束通過光束成形光學元件時，$自半導體雷射ι〇之光束 之橢圓形斷面系成形為實質上為圓形之斷面。光束成形光 予元件9採用用於將光轉換成平行或會聚光之元件η之數 值孔徑之對應發散角傳送光。光束成形光學元件9用作前置 準直器，元件11用作後置準直器。折疊鏡12上所反射之光 '穿過用於將光轉換為平行或會聚光之元件11，透過物鏡系 統聚焦於光學資訊記錄媒體14上。物鏡系統可具有一或多 個光丰元件，圖式顯示具有一透鏡Η形式之光學元件之物 鏡系統。光束成形光學元件較佳地為一單一元件。 在圖2所示之具體實施例中，分離式提供光束成形光學元 件9及用於將光轉換成平行或會聚光之元件u(如準直器透 鏡）。分離式提供元件之結構具有以下優點。首先，採用準 直益透鏡可減少由於物鏡在光學軸之垂直方向上之運動引 起之像差中之變化。為了減少由於物鏡之運動引起之像差 中之變化’準直器透鏡之尺寸必須相對於物鏡之尺寸足夠

O:\89\89236.DOC -15- 1298395 大。因而，必須在離半導體雷射1 〇之一預定距離處定位準 直器透鏡。其次，即使準直器透鏡必須定位在離半導體雷 射之預定距離處，亦可將光束成形光學元件方便地定位於 半導體雷射附近。 因而在該具體實施例之結構中，分離式提供光束成形光 學元件9及用於將光轉換成平行或會聚光之元件11。然而， 本發明可類似地應用於整體類型之元件中，其中提供光束 成形功能及將光轉換成平行或會聚光之功能。 依據本發明之光束成形光學元件可具有前置準直器功 能’其減小離開元件之光之發散角。當此光束入射於配置 於該元件後邊之分光器上時，光束在分光器之鏡面塗層或 抗反射塗層（其簡化塗層之設計）上將具有較小的入射角。 將參考圖3與4說明光學拾取系統需要前置準直器功能之 原因。圖3中，半透明折疊鏡係用作分光器且係配置於採用 塗佈所覆蓋之分光器與準直器之間。採用塗佈所覆蓋之分 光器具有取決於光之極化方向之光於其上之反射或光穿過 它。採用塗佈所覆蓋之分光器上已反射之光接著在聚焦於 一光學資訊記錄媒體上之前穿過準直器、1/4波長板及物 鏡。光學資訊記錄媒體上已反射之光穿過物鏡且接著穿過 1/4波長板，因而光之極化方向旋轉90度。接著光穿過分光 菇以定向於光感測器（ph〇t〇 detector ; PD)。當光在其朝光 學資訊記錄媒體之方向的路徑上在分光器上反射且在其來 自光學資訊記錄媒體之路徑上穿過分光器時，採用塗佈所 覆蓋之分光器之特徵取決於光束在採用塗佈所覆蓋之分光 O:\89\89236.DOC -16- 1298395 器上的入射角。入射角中較大的差異產生相位中之更大變 及土層之反射率之變化。例如，如圖4中所示使得光在採 用塗佈所覆蓋之分光器上反射時，較大的發散角使得採用 塗佈所覆蓋之分光器上之入射角中之差異較大，在來自半 導體雷射之「上部光」肖「下部光」之間。入射角中之該 較大差異引起光束點内光之相位與能量不統一之問題。為 了避纽問題，用於減小發散角且進而減小光在採用塗佈 所覆盍之分光器上之入射角中之差異之前置準直器必須定 位於半導體雷射與分光器之間。 為了提供依據本發明<具有前置準直器功能之光束成形 光學元件，應使得半導體雷射之發光點與元件之人口表面 之間之距離小於元件之虛構點與元件之入口表面之間之距 離。針對此目#，在設計元件中新增以下條件。更明確言 之，在下面欲參考圖15說明之設計程序中新增以下條件。 (NA0Ut/2) (l/NAinx+ l/NAiny)< 1 其中NAout係出口表面處之數值孔徑且财^與na⑽為在 X與Y軸中入口表面處之數值孔徑，其彼此成直角且與光學 軸成直角。如圖8中所示，使得半導體雷射之發光點與元件 之入口表面之間之距離s ^小於元件之虛構點與元件之入口 表面之間之距離S2。 配置光學資訊記錄媒體上之聚焦點以藉由調整物鏡13之 數值孔徑之數值而具有所需要之尺寸，因而在光學資訊記 錄媒體14上正確進行記錄與重製。由於光束係採用使其斷 面本質上為圓形之此方式成形，故亦使得點本質上為圓

O:\89\89236.DOC -17- 1298395 形。此外，由於在光束進入用於將來自半導體雷射10之光 轉換成平行或會聚光之元件u之前已使得光束之斷面本質 上為圓狀，故光束形成點之前所導致之光束之能量損失已 最小化。此外，具有最小像差之光束已實現。因而，所得 之光束之更高能效致動光學資訊記錄媒體14之記錄與重製 中之更高記錄密度與更高速度。 以下將說明依據本發明之光束成形光學元件9。依據本發 明之光束成形光學元件9具有至少一由下面等式（3)所表示 之表面。儘管4式（3)之第一項與等式（2)之第一項相同，但 是第二與隨後之校正項與等式（2)不同。等式（3)之校正項之 特徵在於，包含X之項與包含γ之項可藉由獨立因數校正。 +5 為% +§心等式(3) 其中cx與Cy分別為表面在x軸與γ軸方向上的曲率且匕、 及校正因數Ai與Bi為常數。 將參考圖9至14說明等式⑺之校正項之功能。圖9顯示僅 ^等式（3)之第-項所表示之雙錐表面之範例。圖職示由 等式(3)所表不之表面。在圖9中，又與丫方向之曲率係彼此 不同在圖10中’ X方向之表面形狀係複雜的。圖11顯示圖 9之表面透過"平面所截取之斷面。此外，圖12顯示表示 圖11之斷面輪廣之微分函數之曲線。圖13顯示圖⑺之表面 透ky 〇平面所截取之斷面。此外，圖14顯示圖U之斷面輪 靡之微分曲線。 如上述圖式所示，由於包含X之校正項與包含γ之校正項

O:\89\89236.DOC -18- 1298395 可藉由獨立因數校正，故可更靈活地設計表面。因而，可 '•又。十產生較少像差之元件同時使得光束之斷面本質上為圓 形。另一方面，由於等式（2)之第二與隨後項不能藉由又與丫 之獨立因數校正’故設計中的靈活性相對於等式⑺較小。 ，以下將麥考圖15概述依據本發明之用於設計光束成形光 學兀件之方法。在設計中可採用用於模擬光束成形光學元 件之光學特性之商業軟體（如F〇cus軟體公司之以瓜^)。在 步驟S1G中，決定光束成形光學元件之最初形狀。基於來自 半導體雷射10之光束之斷面形狀、用於將來自半導體雷射 10之光轉換成平行或會聚光之元件u之數值孔徑及類似物 決定光束成形光學元件之最初形狀。在步驟S2〇中，決定約 束及指標函數。約束包含在光束成形光學元件或類似物之 入口與出口表面處之光束狀態。指標函數係如用於光束像 差之函數。在步驟請中，在約束下獲得指標函數之數值。 在步驟S40中決定指標函數之數值是否達到所需要之數 2。若函數已達到所需要之數值，聽序完成。若該數值 沒有達到所需要的數值，則在步驟S50中調整等式（3)之一 或多個參數。依據本發明，包含χ之校正項與包含¥之校正 項可透過獨立因數校正，因而可更靈活、方便地調整參數。 此卜—在/驟S60中，若需要則調整約束。程序返回步驟㈣ 且重複該等步驟直到指標函數達到所需要的數值。 此外’可建立用於實施上述設計程序之程I設計程式 可併入用於模擬光束成形光學元件之光學特性之程式。μ 計程式係配置以使得電腦執行圖15中所示之每—步驟二

O:\89\89236.DOC -19- 1298395 卜《又《1* 6式可具有互動功能，從而透過與設計者之互動 在v驟820中^約束與指標函數、在步驟s5g巾調整表數 且在步驟⑽中調整約束。在此情形中’各種約束與指標函 數可健存於電腦之儲存裝置巾且向輯者顯示，從而設計 者可選擇其中任—者。此外，在步驟請中調整參數之方式 及在步驟S60中調整約束之方式可以各種方式儲存於電腦 之儲存裝置中且向設計麵*，從而設計者可選擇其中任 一者。 表1中將說明透過上述之程序所獲得之光束成形光學元 件之形狀之範例。在該範例中，入口與出口表面都由等式 (3)表示。因而，表1顯示等式（3)之因數值。 表1 表面1(入口表面）

Rx A__ kx A_ a4 A6 b4 b6 6.03 -0.60 0.000 1.710 -0.0084 - 0.0010 1.0289 以0 _ 6.5073 表面2( 出口表 面） Rx Ry kx kY a4 a6 b4 -7.60 -2.37 0.809 0.044 0.0033 -0.0002 0.0006 -^o -0.0007 中心厚度；2.7 mm 此外，圖1顯示包含光學軸之YZ斷面中之形狀及包含具 有由表1所表示之表面之光束成形光學元件之光學軸之χζ 斷面中之形狀。ΥΖ斷面7a中之入口表面之形狀具有負曲 率，而XZ斷面7b中之入口表面之形狀具有正曲率。此類曲 率允許自橢圓形斷面至實質上為圓形斷面之光束成形。 O:\89\89236.DOC -20- 1298395 在該範例中，井击& ^ ^ ^ 々光學元件係由烯烴共聚物製成， ίΜβ，、可由其他塑膠製成。 採用等式(3)所設計之範例之光束成形光學元 束成带相料具有由等式⑴與⑺所表示之表面之光 ::予凡件之像差。具有由等式⑴與⑺所表示之表面 ^束成形光學元件已採用圖15中所示之類似 ARMS SA «(Τ' orn~ 00 等式(1) 0.00 —^ 90 等式(2) 0.00 13 0.001 00004" 0.0029 「在巾SA」表不球形像差且「AS」表示散光像差 「二次項AS」表示二次項散光像差。「合計」表示波像差。 任何像差係作為A單位之均方根值而給定。由依據本發明之 光束成形光學元件所引起之像差相對於由具有等式⑴與（2 斤表7Γ之表面之光束成形光學元件所引起之像差顯著減 少。 等式（3)之杈正項允許更靈活地設計表面，從而可實現具 有最小像差之光束成形光學元件。 【圖式簡單說明】 圖1顯示依據本發明之一項具體實施例之一光束成形光 學元件； 圖2顯示包含依據本發明之一項具體實施例之光束成形 光學元件之一光學拾取系統；

O:\89\89236.DOC -21 - 1298395 圖3顯示包含採用塗佈所覆蓋之分光器之一光學拾取系 統； 圖4顯示採用塗佈所覆蓋之一分光器； 圖5顯示一典型的光學拾取系統； 圖6顯示透過一棱鏡組合將光束之橢圓形斷面轉換為圓 形斷面之一系統； 圖7顯示一半導體雷射之斷面； 圖8顯示一光束成形光學元件之入口與出口表面處之數 值孔徑之間之關係； 圖9顯示僅由等式（3)之第一項所表示之表面形狀之一範 例； 圖10顯示由等式（3)所表示之表面形狀之一範例； 圖11顯示圖9之表面透過y=0平面所截取之斷面； 圖12顯示圖11之斷面輪廓之微分曲線； 圖13顯示圖10之表面透過y=0平面所截取之斷面； 圖14顯示圖13之斷面輪廓之微分曲線；及 圖15顯示依據本發明之用於設計光束成形光學元件之一 方法。 【圖式代表符號說明】 1 半導體雷射 2 準直器 3 折疊鏡 4 物鏡 5 光學資訊記錄媒體 O:\89\89236.DOC -22-

Claims (1)

1. 12983絡2130951?虎專利申請案· 中文申請專利範圍替換本(96年10月） 拾、申請專利範圍： 1· 一種設計一光束成形光學元件之方法，該光束成形光學 元件具有一入口表面、一出口表面及一光學轴，其中該 光學軸與一三軸矩形XYZ座標系統之Z軸一致，該方法包 含以下步驟： 設計該光束成形光學元件之該入口表面與該出口表面 之至少一者，其係由包含表示一非旋轉式對稱非球形輪 廓之一項與校正項之一數學等式表示，每一校正項係僅 為變數X或僅為變數Y之一函數，該等校正項之至少一者 係、菱數X之一函數且該荨校正項之至少一者係變數γ之一 函數。 •如申μ專利範圍第1項之方法，其中該元件之該入口表面 與遠出口表面之該至少一者係由數學等式 1 + ^(1 + kx)(c2xx2)^ (1 + ky)(c2yy2) + § AiX 表示’其中Cx與Cy分別為該表面在該x軸與γ軸方向上之 曲率且kx、ky與該校正因數Ai與Bi係常數。 3·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中一與~之數值係實 質上不同。 4·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該等入口表面與 出口表面之至少一者經設計以最小化穿過該光束成形光 學元件之一光束之波前像差。 5·如申睛專利範圍第1或2項之方法，其中該光束成形光學 元件被ΰ又计成將入射光束之一橢圓形斷面轉換為一實質 1298395 . ， f - 上為圓形之斷面。 6·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該光束成形光學 兀件被設計成將來自該半導體雷射之一光束轉換成一平 行、發散或匯聚光束。 7·如申請專利範圍第6項之方法，其中自一半導體雷射之發 射點至該入口表面之一距離係小於自透過該光束成形光 學元件所形成之該發射點之影像至該入口表面之一距離 且該影像位於該物體空間中。 8·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中滿足該數學等式 φ (NAout/2) (l/NAinx+l/NAiny) < 1 其中NAout係該出口表面處之一數值孔徑且^八^乂與NAi” 分別為在該入口表面在該X-Z平面與γ-ζ平面上之之數值 孔徑。 9·如申請專利範圍第1或2項之方法，其包含以下步驟： -決定包括該入口表面處之該光束之一聚散度與該出 口表面處之該光束之一聚散度之約束； 獲得至少波前像差之一指標函數； · -獲得上述約束下之該指標函數之一數值； -決疋该指標函數之該數值是否達到一需要數值；及 -調整至少一校正項以使得該指標函數接近該需要數 值。 10· —種用於製造一光束成形光學元件之方法，其包含如申 請專利範圍第1或2項之設計光束成形光學元件之步驟及 依據該設計製造該光學元件之步驟。 -2- 1298395 11.種光束成形光學元件，其係由如申請專利範圍第⑺項 之方法所製造。 η :種光學拾取_，詩掃描—光學記錄媒體並具有一 光源 >、物鏡，以將來自該光源的光束匯聚到該記錄媒 體上，其中如申請專利範圍第11項之光束成形元件被配 置在該光源與該物鏡系統之間的光學路徑上。 13. -種光學掃描裝置，用於掃描一光學記錄媒體並具有一 如申請專利範圍第12之光學拾取系統，其中該光學拾取 系、先已3 A偵測器，用於將來自該光學記錄媒體之光 轉換成表不儲存在記錄載體上的資訊之電子信號，並且 該掃描裝置包含—連接至該電子信號之錯誤更正電路。 種電細可_取媒體，其上儲存有—電腦程式，用於如申 請專利範圍第1或2項之料—光束成形光學元件的方 —種電腦可讀取媒體，其上儲存有—電腦程式，用於 最小化像差之方式設計-光束成形光學元件，該光束 形光學元件之光學軸與一三軸矩形XYZ座標系統之z 小致’該光束成形光學元件之入口表面與出口表面之 夕者係由—數學等式所表示，該數學#彳 非旋轉式對稱非球形輪廊之…校 係僅為變數X或僅為變數丫之—函數，該等校正項之至 麵變數X之-函數且該等校正項之至少—者係變數 函數，該程式使一電腦執行以下步驟： -決定包括該人口表面處之該光束之—聚散度與該έ 1298395 口表面處之該光束之一聚散度之約束； •獲得至少波前像差之一指標函數； -獲得上述約束下之該指標函數之一數值； -決定該指標函數之該數值是否達到一需要數值· -調整至少一校正項以使得該指標函數接近該需’要&數 16· 如申請專利範圍第15項之電腦可讀取媒體，其中包人 為變數X之一函數之該至少一校正項包含與—校：：： 相乘之X之一冪’並且包含僅為變數γ之一函數之該至少 一杈正項包含與一校正因數相乘之Υ之一冪。 17. 值

   如申請專利範圍第15項之電腦可讀取媒體，其中該元不 之該入口表以該2出口表面之該至少-者由等式 Τ、’、 x"、Cy分別為該表面在該X軸與Υ軸方向上之 曲率且kx ky及該校正因數與Bi為常數。