用于扫描光盘DVD的物镜.pdf

一种用于扫描DVD和HD－DVD光盘的物镜，包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n1的材料所形成，其中第一部分的阿贝数V1及第二部分的阿贝数V0遵从下述关系式(方程式1)：1.16≤V1/V0≤1.74 (1)。

1.  一种包括第一部分和第二部分的光学元件，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n1的材料所形成，其中第一部分的阿贝数V₁及第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：
1.16 ≤ V 1 V 0 ≤ 1.74 . ]]>

2.  根据权利要求1的光学元件，其中所述第一部分是平-凸部分。

3.  根据权利要求1或2的光学元件，其中所述第一表面是通常的球面形状。

4.  根据权利要求1，2或3的光学元件，其中所述第一部分由玻璃材料形成。

5.  根据任何一个前述权利要求的光学元件，其中第一部分的折射率n₁和阿贝数V₁与第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：
2.46 ≤ n 1 + 0.55 V 1 V 0 ≤ 2.66 . ]]>

6.  根据任何一个前述权利要求的光学元件，其中第一部分的折射率n₁和厚度d₁遵从下述关系式：

9.  96≤6.99n₁-d₁≤10.32，使d1以mm来表达。

7.  一种包括根据任何一个前述权利要求的光学元件的光学扫描设备。

8.  根据权利要求7的光学扫描设备，其中所述元件是具有数值孔径大于0.5的透镜。

用于扫描光盘(DVD)的物镜
技术领域
这个发明涉及一种光学元件和光学扫描设备，且具体地但是非排他地涉及不同格式光学记录载体的扫描。
发明背景
通常，将希望提供一种光学扫描设备，以及为此的物镜，其能够从两个不同的相对高密度格式，即比CD格式较高的密度中进行读出。
由于蓝色半导体激光器(波长，λ＝405nm)的引入，则出现同传统的数字通用盘(DVD)(其使用红色激光器，λ＝660nm)相比较进一步增加光盘上面密度的新选择。一个选择是高密度DVD(HD-DVD)系统，其中波长被从660nm降低到405nm但是盘的覆盖层厚度与DVD系统相同，即0.6mm。双层DVD使用蓝色激光器不可能容易被读取。其原因是双层DVD的半反射层由金、硅和碳化硅制成。对于650nm两个层的反射率是～30％。对于405nm金的吸收率变成＞50％且其反射率＜10％。
将希望提供一种包括红色激光器和蓝色激光器的光学扫描设备。然而，通过改变正在被用于读出的辐射的波长，因球色差(spherochromatism)由物镜所产生的球面象差量总体上发生变化而且由盘的覆盖层所引入的球面象差量也发生变化。
由N.Murao等人在proceedings of ODF2000 conference(ODF2000大会会议文集)页321-324中的文章“Objective lenses for red and bluelasers”说明了用于DVD和HD-DVD兼容的三种可能的透镜：(1)玻璃二重透镜，(2)光聚合物二重透镜以及(3)衍射光学元件。玻璃二重透镜制造昂贵且因此不是用于大规模生产的实际方案。衍射光学元件方案导致效率的损失，因为总体上对于DVD配置及HSD-DVD配置它不并可能使这样的元件在所设计的衍射级上实现100％的效率。此外，由于制造公差导致效率损失增加。所建议的光聚合物二重透镜包括玻璃的模制非球面透镜，其面对盘的侧面上带有附加的光聚合物材料。这个方案的缺陷是首先人们必须制作一非球面透镜且然后作为第二步骤添加光聚合物材料，从而使透镜更加昂贵。
将希望提供一种与两个相对高密度格式，如DVD和HD-DVD兼容的物镜，而不引入不希望的成本或不希望的效率损失。
发明内容
根据本发明，提供一种包括第一部分和第二部分的光学元件，其中所述第一部分被成型成包括第一表面和相对的第二表面，所述第二部分被成型为包括第三表面和相对的第四表面，所述第一表面是提供透镜焦度(lens power)主要部分的凸面形状，所述第三表面被成型以适合于所述第一表面，并且其中所述第四表面是通常的非球面表面，所述第二表面由合成树脂材料形成且所述第一部分由具有1.65和2之间值的折射率n₁的材料所形成，其中第一部分的阿贝数(Abbe number)V₁及第二部分的阿贝数V₀遵从下述关系式：
1.16 ≤ V 1 V 0 ≤ 1.74 . ]]>
本发明提供一种物镜，通过使用不同波长的辐射同时为物镜提供能够校正光学记录载体中球面色差的材料选择，所述物镜能够被用来从不同光学记录载体格式，如DVD和HD-DVD中读出数据。由于仅折射表面被涉及，所以物镜并不像在衍射光学元件情况下遭受效率损失。此外，由于需要相对较少的步骤来制造双兼容透镜，所以它是成本高效的方案。
将有可能地是使用由一种材料制成的折射单元件物镜，以便由物镜所产生的球面象差量来补偿由盘的覆盖层所产生的球面象差量，而同时物镜还满足阿贝正弦(Abbe Sine)条件。然而，于是透镜材料的折射率将需要大于2。具有折射率大于2的材料趋向于昂贵且具有低的阿贝数，因此对于小波长变化敏感。
附图说明
正如在所附的附图中所示例，从下述对本发明优选实施例的特定说明中，本发明的目的、优点及特征将变得显而易见，其中
图1示出根据本发明实施例的物镜的示意性横断面；以及
图2示出根据本发明实施例的光学扫描设备的示意性横断面。
具体实施方式
图1示出根据本发明实施例的物镜OL。非球面物镜OL由带有由合成树脂材料制成的薄非球面校正层的平-球形玻璃体A形成，所述薄非球面校正层被如此成型以适合且粘合到玻璃体的凸表面上。所述透镜可以类似于在US-A-4623496中所讨论的方式被制作，所述专利内容在此引入作为参考。
下面，详细说明透镜参数的设计。
可以进行透镜的波前象差地第三阶塞德尔(Seidel)分析。使树脂具有折射率n₀，阿贝数V₀，在光轴上的厚度d₀，曲率c₀(焦度K₀)以及确定来自所述层球面形状的偏差的第四阶系数G。平-球形玻璃体(平表面面向盘)具有折射率n₁，阿贝数V₁，厚度d₁和曲率c₁(焦度K₁)而盘具有折射率n₃，阿贝数V₃及厚度d₃。自由工作距离，由此透镜与盘之间的距离是d₂。
由于非球面层是薄的，所以可以进行下述近似：
d₀≈0
c₀≈c₁＝c
K＝K₀+K₁≈(n₁-1)c
通过使用这些近似，发现球面象差的第三阶塞德尔项S_I变成：
S I = NA 4 ( n 1 - 1 ) 4 c ( 8 G ( n 0 - 1 ) c 3 + ( n 1 - 1 ) ( n 1 - 2 n 1 + 2 n 1 ) ) + NA 4 d 1 n 1 ( 1 n 1 2 - 1 ) . . . ]]>
. . . + NA 4 d 3 n 3 ( 1 n 3 2 - 1 ) ]]>
而慧形象差项由下述给出：
S II = NA 3 η [ 1 - n 1 ( n 1 - 1 ) n 1 ( n 1 - 1 ) + ( n 1 - 1 ) c ( d 1 n 1 ( 1 - 1 n 1 2 ) + d 3 n 3 ( 1 - 1 n 3 2 ) ) ] ]]>
其中焦距关系由下述给出：
d 1 n 1 + d 2 + d 3 n 3 = 1 K ]]>
为了使透镜方案针对DVD情况或针对HD-DVD情况不引入球面象差并且遵从阿贝正弦条件，慧形象差项的条件对于DVD情况应该为零。因此解应该满足下述条件：
S_I(660nm)＝0
S_I(405nm)＝0
S_II(660nm)＝0
从S_II(660nm)＝0它遵循，为了具有d1＞0，折射率n1应该满足下述关系式：
n 1 = 1 2 + 1 2 1 + 4 1 - d 3 n 3 ( 1 - 1 n 3 2 ) K ]]>
通过为盘插入值：d₃＝0.6mm，n₃＝1.58并且使用典型的值K～0.35mm^-1，我们发现n₁＞1.65。
注意当求解S_I(660nm)＝0，S_I(405nm)＝0以及S_II(660nm)＝0而同时取n₀＝n₁且V₀＝V₁时，我们发现n₁＞2.0，这并不是实际的解。
下述涉及这样的情况，其中根据本发明非球面层和玻璃体具有不同的性能。阿贝数与在660nm和405nm下折射率之间实际差的下述近似关系式成立：
Δn ≡ n ( 405 nm ) - n ( 660 nm ) ≈ 2 n - 1 V ]]>
通过使用上述关系式，在消除G和d₁之后，我们从S_I(660nm)＝0，S_I(405nm)＝0以及S_II(660nm)＝0发现n₁的下述关系式：
F V 0 ( n 1 - 1 ) 2 n 1 = d 3 ( n 3 - 1 ) n 3 2 V 3 ( 1 - 3 n 3 2 ) . . . ]]>
. . . - [ ( 1 + 2 n 1 - 5 n 1 2 - n 1 3 + n 1 4 ) F + d 3 n 3 ( 1 - 1 n 3 2 ) n 1 ( n 1 - 1 ) 2 ( n 1 2 - 3 ) ] ( n 1 - 1 ) 2 n 1 2 ( n 1 + 1 ) V 3 ]]>
其中F＝1/K。注意这个等式不再包含n₀。通过使用d₃＝0.6mm和典型地n₃＝1.58及V₃＝30而同时取F～3mm，我们发现为了使1.65＜n₁＜2.0，则
1.16 ≤ V 1 V 0 ≤ 1.74 ]]>
2.7 ≤ n 1 + 0.7 V 1 V 0 ≤ 2.9 ]]>
由于这仅是第三阶计算，所以结果仅是第一估算。因此，光线跟踪可被使用以为了改善这些结果。我们调查其中对于DVD系统F＝2.75mm和系统的数值孔径为NA＝0.65的情况。在建立优质函数时，对于DVD和HD-DVD配置我们使用了在轴上和在0.5°场的波前象差。表I示出在一个实施例中的材料性能，由所述材料制成非球面层(Diacryl)及盘(聚碳酸酯)。