包括具有透镜保护装置的物镜系统的扫描设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于扫描光学记录载体的光学扫描设备、一种适用于但并不局限于用作这种扫描设备中的物镜系统以及一种用于制造这种设备和这种系统的方法。
背景技术
在光学记录中，越来越趋向于同时小型化光学记录载体和用于扫描(例如读和/或写)所述载体的设备。光学记录载体的实施例包括CD(光盘)和DVD(数字通用盘)。
为了使光学记录载体小型化而不降低信息存储容量，必须增加载体上的信息密度。这种信息密度的增加必须伴随着扫描信息的辐射束光点的缩小。这种光点的缩小可以通过增大用于将扫描设备中的辐射束会聚在记录载体上的物镜系统的数值孔径(NA)而实现。因此，期望提供一种具有高数值孔径(例如NA＝0.85)的透镜。
为了减少制造公差，以增加额外地安装步骤来校准构成物镜的元件为代价，传统的高NA物镜由两个元件构成。
作者为M Itonga，F Ito，K Matsuzaki，S chaen，K Oishi，T Ueno和A Nishizawa，Jpn.J.ppl，Phys.Vol.41(2002)第.1798-1803页Part1，No.3B，2002年3月出版的日本文献“用于高密度光盘系统的具有0.85数值孔径的单物镜(Single Objective Lens Having NumericalAperture 0.85 for a High Density Optical Disk System)公开了一种单物镜，具有两个非球面，其数值孔径相对较高为0.85。所述透镜由玻璃制成。透镜直径为4.5mm，透镜的孔径为3.886mm。该单元件透镜不需要两元件物镜所需的校准安装步骤。由于具有高数值的NA，物镜变得对制造过程中的变化即制造公差敏感。因此，对于这些高NA的物镜而言，制造公差在设计过程中的重要程度远远高于数值孔径小的物镜的情况下的重要程度。
为了使扫描设备的体积减小，期望扫描设备之内的元件(例如物镜)尽可能小。
然而，仅简单的按比例缩小较大的透镜设计来制造较小的透镜是不可能的，因为透镜设计与光学记录介质的性质有关。例如，透镜设计与透明层的性质有关，所述透明层一般覆盖在光学记录载体的信息层上，且扫描辐射束必须穿过该层。在按比例缩小的过程中，盘的覆盖层的厚度保持不受影响(相同的记录载体可以用于普通大小的物镜和小尺寸的物镜)。因此，适用于扫描光学记录介质的小尺寸物镜的设计基本上不同于普通尺寸的物镜的设计。
应当理解，随着透镜的小型化，高NA物镜会受到制造过程中的变化即制造公差的影响。
图1A示出了物镜18的一个实施例，该物镜具有两个非球面181、182，其厚度为t(沿光轴19的透镜厚度)。随后的图1B、1C和1D分别示出了透镜形状是如何随厚度的变化、两个非球面的偏心和倾斜而发生变化的(在每个实施例中，表面181的原始位置由虚线示出)。在这些附图中，假设仅是表面181受到制造过程中的变化的影响。然而，应当理解，事实上任何一个或两个表面都会受到影响，任何一个表面都会同时被这些偏差中的两个以上的偏差所影响。
图1B示出了高于期望的厚度t的透镜的厚度，其是由于非球面之间的距离大于期望距离而引起的。然而，应当理解，两个非球面实际上可以比期望的更加靠近。
图1C示出了偏心，即，在该实施例中，表面181是如何相对于期望的光轴19在垂直于理想位置的方向上形成移位的。
图1D示出了表面181是如何倾斜的，即相对于沿主轴的期望旋转对称位置而旋转。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能够抵抗合理制造公差的物镜。
在光学扫描设备中，辐射束可以倾斜地穿过物镜，其是由于扫描设备中的物镜的不精确校准，记录载体相对于扫描设备的位置发生变化或由于所使用的辐射束没有沿光轴传播而引起的。例如，这种离轴射束可以典型的用于提供与扫描辐射光点在记录载体上的定位有关的信息。
这种倾斜射束入射导致波前像差。典型的，光程差(OPDrms)的均方根的容差约为0.07λ(其中，λ是相关辐射束的波长)，总体上对整个光学扫描设备的扫描射束的波前像差而言是允许的，从而，所述系统衍射受限。以mλ(其中0.001λ＝1mλ)表示OPDrms是十分方便的。透镜系统范围是倾斜射束产生小于15mλ的OPDrms的区域。透镜系统的视场是范围的两倍。
在光学扫描设备的使用中，典型的，透镜相对光学记录载体的表面的定位相对较近。如果用户撞击或碰落包含扫描器件的单元，最靠近光学记录载体的透镜的表面将碰到光学记录载体表面。这有可能导致透镜表面的损伤。
大尺寸的两元件玻璃物镜合并成一个“缓冲器”是已知的，是将一圈塑料粘结在与记录载体相邻的透镜表面上。这种缓冲器起到防止透镜表面与记录载体相接触的作用。然而，生产具有这种缓冲器的透镜需要各种附加的制造步骤来成形、定位和固定缓冲器。
本发明的实施方式的目的在于提供一种物镜(和优选是小尺寸高NA物镜)，其容许倾斜射束进入透镜，容许制造误差，并具有适合于在光学扫描设备中使用时防止透镜的光学表面碰触记录载体的表面的装置。这种装置优选能够简单定位在透镜上。
在第一方面，本发明提供了一种光学扫描设备，用于扫描光学记录载体的信息层，所述设备包括用于产生辐射束的辐射源和用于将辐射束会聚在信息层上的物镜系统，所述信息层被厚度为td、折射率为nd的透明层覆盖，物镜系统的特征在于包括：具有保护装置的透镜，所述保护装置从透镜向光学记录载体凸出，以使在使用过程中，保护装置与光学记录载体之间的距离小于自由工作距离，所述透镜满足下述条件：
0.8<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中，D是入射光瞳直径，FWD是自由工作距离，D、FWD、t和td以毫米表示，FWD+td/nd＜0.51。
通过设计透镜来满足上述约束条件，所获得的透镜可以容许倾斜射束入射和制造公差，在使用过程中可以防止透镜接触记录载体的表面。
在另一方面，本发明提供了一种透镜系统，包括至少一个用于将辐射束会聚在光学记录载体的信息层上的透镜，所述信息层被厚度为td、折射率为nd的透明层覆盖，透镜系统的特征在于包括：具有保护装置的透镜，所述保护装置从透镜向光学记录载体凸出，以使在使用过程中，保护装置与光学记录载体之间的距离小于自由工作距离，所述透镜满足下述条件：
0.8<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中，D是入射光瞳直径，FWD是自由工作距离，D、FWD、t和td以毫米表示，FWD+td/nd＜0.51。
在另一方面，本发明提供了一种用于制造透镜系统的方法，所述透镜系统包括至少一个用于将辐射束会聚在光学记录载体的信息层上的透镜，所述信息层被厚度为td、折射率为nd的透明层覆盖，所述方法包括下述步骤：形成具有保护装置的透镜，所述保护装置从透镜向光学记录载体凸出，以使在使用过程中，保护装置与光学记录载体之间的距离小于自由工作距离，所述透镜满足下述条件：
0.8<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中，D是入射光瞳直径，FWD是自由工作距离，D、FWD、t和td以毫米表示，FWD+td/nd＜0.51。
在另一方面，本发明提供了一种制造光学扫描设备的方法，所述光学扫描设备用于扫描光学记录载体的信息层，所述信息层被厚度为td、折射率为nd的透明层覆盖，所述方法包括下述步骤：提供用于产生辐射束的辐射源；提供用于将辐射束会聚在信息层上的透镜系统，所述透镜系统的特征在于包括具有保护装置的透镜，所述保护装置从透镜向光学记录载体凸出，以使在使用过程中，保护装置与光学记录载体之间的距离小于自由工作距离，所述透镜满足下述条件：
0.8<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中，D是入射光瞳直径，FWD是自由工作距离，D、FWD、t和td以毫米表示，FWD+td/nd＜0.51。
本发明的其它方面从附加的权利要求将更加明显。
【附图说明】
为了更好的理解本发明，并示出其实施方式是如何实施的，下文将借助于实施例的形式参考附图进行说明，其中：
图1A、1B、1C和1D示出了具有两个非球面的透镜，其中一个表面分别是：处于理想位置、过于远离第二表面、相对第二表面偏心和相对第二表面倾斜；
图2示出了包括根据本发明的实施方式的物镜系统的用于扫描光学记录载体的设备；
图3示出了图2的透镜18的特写镜头；和
图4A、4B和4C示出了根据本发明的实施方式的具有不同设计的保护装置的各透镜。
具体实施方式
图2示出了用于扫描光学记录载体2的设备1，包括根据本发明的实施方式的的物镜18。记录载体包括透明层3，其一侧设置有信息层4。信息层远离透明层的一侧由保护层5保护以不受环境的影响。透明层面对设备的一侧被称为入射面6。透明层3通过对信息层提供机械支撑而起记录载体的基底的作用。
作为选择，透明层具有保护信息层的唯一功能，而机械支撑是由位于信息层的另一侧的层提供的，例如由保护层5提供或由与信息层4相连的另外的信息层和透明层提供。信息能以存储在形式为排布在基本平行、同心圆或螺旋形的轨道上的光可检测标记的记录载体的信息层4上，图中未示出。所述标记可以是任何光可读取的形式，例如凹坑，或反射系数或磁化方向不同于其周围环境的区域，或这些形式的组合。
扫描设备1包括辐射源11，其可以发射辐射束12。辐射源可以是半导体激光器。分束器13将发散辐射束12反射向准直透镜14，其将发散射束12转换为准直射束15。准直射束15入射在物镜系统18上。
物镜系统可以包括一个或多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18将射束17变为会聚射束20，入射在记录载体2的入射面6上。物镜系统具有适用于根据透明层3的厚度调节射束的通过的球差校正。会聚射束20在信息层4上形成光点21。由信息层4反射的射束形成发散射束22，由物镜系统18转变为基本准直的射束23，然后由准直透镜14转变为会聚射束24。分束器13通过将会聚射束24的至少一部分透射向检测系统25分离向前的和反射的射束。检测系统捕捉辐射并将其转换为电输出信号26。信号处理器27将这些输出信号转换为各种其他信号。
其中一种信号是信息信号28，其数值代表从信息层4读出的信息。信息信号由用于误差校正的信息处理单元29处理。来自信号处理器27的其他信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号代表光点21与信息层4之间的轴向高度差。径向误差信号代表光点21与光点所跟踪的信息层上的轨道中心之间的在信息层4的平面上的距离。
聚焦误差信号和径向误差信号馈入到伺服电路31，其将这些信号转换为用于分别控制聚焦致动器和径向致动器的伺服控制信号32。这些致动器在图中未示出。聚焦致动器控制物镜系统18在聚焦方向33上的位置，从而控制光点21的真实位置，使其与信息层4的平面基本重合。径向致动器控制物镜系统18在径向34上的位置，从而控制光点21的径向位置，使其与信息层4上要被跟踪的轨道的中心线基本重合。图中的轨道在垂直于附图的平面的方向上延伸。
图2的设备还可适用于扫描其透明层厚于记录载体2的第二类型的记录载体。所述设备可使用辐射束12或用于扫描第二类型的记录载体的具有不同波长的辐射束。所述辐射束的NA可适用于这种记录载体。物镜系统的球差补偿必须由此确定。
为了提供能够以合理制造公差制作的小物镜，我们提议所述物镜应由单种材料形成，例如塑料。合适的塑料包括COC(环烯烃聚合物)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚碳酸酯。这种透镜可以用塑料成型过程形成。该单种材料优选具有相对较高的折射率，所述透镜优选是形成有至少一个非球面的单个元件。
为了避免透镜18接触光学记录载体2的表面，本发明的实施方式采用透镜保护装置。图3示出了作为图2中的物镜系统示出的透镜18的特写镜头，所述透镜具有这种透镜保护装置(186)。
图3示出了与光学记录载体2相邻的透镜18，透镜18用于将入射辐射束15通过透明层3会聚在记录载体2的信息层4上。
透镜18具有面对辐射束源的第一非球面181和面对光学记录载体2的第二非球面182。这些表面181、182形成透镜18的会聚部分180。围绕所述会聚部分的是透镜体185。在透镜体上，从透镜体面对光学记录载体的表面上凸出的是保护装置186。在该实施例中，装置186采用围绕透镜表面182的圆环形(如下文中参考图4A所述)。
透镜18位于远离记录载体表面的自由工作距离(FWD)处。所述距离是透镜表面182与光学记录载体的外表面(即透明层3的外表面)之间沿光轴19的距离。
为了避免透镜表面182可能与光学记录载体2相接触，保护装置进一步从透镜体中延伸出表面182距离b。
比值b/FWD应优选满足：
b/FWD＞0.05，
更优选的是，
b/FWD＞0.1，
而尤其优选的是，
b/FWD＞0.25。
图4A、4B和4C示出了保护装置186的不同实施方式(不同实施方式分别标记为186A、186B和186C)。
在图4A中，保护装置包括围绕透镜18的第二表面182的环186A(第二表面182被视为透镜面对光学记录载体2的部分，用于会聚辐射束)。
应当理解，保护装置当然可以采用很多其他形式，只要将保护装置设置为可从透镜18的主体向记录载体2凸出长度多于表面182的距离。例如，图4B示出了围绕表面182的三个分离的凸出部分186B，而图4C示出了四个分离的凸出部分186C。
保护装置(或“缓冲器”)可由一种或多种材料形成，包括塑料或玻璃。所述装置可以由弹性材料形成。在优选实施方式中，保护装置由与透镜相同的材料形成。所述装置最好与透镜一同整体形成，尽管其可以作为独立单元形成而后安装到透镜上。例如，包括缓冲器的透镜可以使用注塑成型方法形成为单个单元。
为了能够提供数值孔径(NA)＞0.65入射光瞳直径小于2mm的物镜，该2mm是两个非球面的视场、厚度差、偏心和倾斜的容许程度，我们现已发现，物镜的厚度t(透镜沿光轴的厚度)最好应符合下述关系：
0.8<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2---(1)]]>
其中，D是入射光瞳直径，FWD是自由工作距离，D、FWD、t和td都以mm表示，FWD+td/nd＜0.51。
自由工作距离相应于如果不存在缓冲器则在接触到记录载体之前透镜可以移动的距离，即从透镜面对记录载体的表面到透明层3的表面的距离，沿光轴所测量的距离。
更佳的，透镜的厚度满足下述关系：
0.9<t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.1---(2)]]>
其中FWD+td/nd＜0.51。
在扫描设备中使用时，透镜需要与不同的辐射波长相结合(可用不同波长读取和写入数据)。作为选择，辐射源(即激光器)的波长可以作为辐射束的功率的函数改变(不同功率可用于从信息记录介质中读取数据和将数据写入到信息记录介质中)。为了使透镜适应这种波长上的变化，透镜材料(例如玻璃)的Abbe数值优选大于40。
在表I中，列出了三种明确的实施方式。
透镜的前后表面分别具有旋转对称非球面形状，其由下式给定：
z(r)=cr21+1-c2r2+Σi=18B2i(rr0)2i]]>
其中，z是以毫米表示的光轴方向上的表面的位置，r是以毫米表示的距光轴的距离，c是表面的曲率，r0是毫米表示的标准化半径，BK是r的第k次幂的系数。对三个不同实施例透镜设计的BK的数值在表I中列出，其中，假设第一非球面是透镜面对辐射源的表面，第二非球面是透镜面对盘的表面。
表I实施例 A B C入射光瞳直径(mm) 1.0 0.8 0.6透镜材料 COC COC COC折射率 n个透镜 1.5499 1.5499 1.5499Abbe数值透镜 56.2 56.2 56.2数值孔径 0.85 0.85 0.85波长(nm) 405 405 405覆盖层厚度为td的盘(mm) 0.1 0.1 0.1折射率为nd的盘 1.6223 1.6223 1.6223自由工作距离FWD(mm) 0.075 0.075 0.075厚度为t的透镜(mm) 0.940654 0.675536 0.426313非球面1曲率c(mm-1) 0 0 0标准化半径r0(mm) 1.0 1.0 1.0 B2(mm-2) 1.165461 1.507597 2.103488 B4(mm-4) 0.818350 1.702514 4.522328 B6(mm-6) 3.025320 10.143725 43.026256 B8(mm-8)-35.706588-178.569261-1121.86005 B10(mm-10) 436.024490 3181.469900 34692.806300 B12(mm-12)-2963.305610-29616.835700-520189.59800 B14(mm-14) 10443.7314 141324.581000 3897662.00000 B16(mm-16)-14642.692300-278297.24800-12269119.000 非球面2 曲率c(mm-1)-2.834025-2.451714-1.752207 标准化半径r0(mm) 0.5 0.5 0.5 B2(mm-2) 0 0 0 B4(mm-4) 4.238381 2.954558 1.488126 B6(mm-6)-62.224528-30.333006-3.599235 B8(mm-8) 722.784569 235.863437-135.561112 B10(mm-10)-5315.187460-1135.953810 2173.230260 B12(mm-12) 23238.250800 2916.766300-15061.531400 B14(mm-14)-55085.290200-2610.629660 51549.036000 B16(mm-16) 54502.120900-1558.081070-70779.446200
参数Q由下式定义：
Q=t-1.1D+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]]]>
各种物镜设计都考虑到数值孔径NA＝0.85，使用波长为405nm的辐射束，盘(光学记录介质)的覆盖层厚度为td＝0.1mm，折射率nd＝1.6223。在表II中，参数Q是针对所述各种物镜设计而计算出来的，包括表I中所列出的上述三种明确设计方案(A，B，C)。所述设计被最优化，以抵抗倾斜入射(视场)、非球面的偏心、非球面的倾斜和物镜厚度的变化。
表II实施例#入射光瞳直径D(mm)自由工作距离FWD(mm) Q 1(A) 1.0 0.075 1.08 2 0.9 0.075 1.06 3(B) 0.8 0.075 1.04 4 0.7 0.075 1.01 5(C) 0.6 0.075 1.00 6 0.5 0.075 0.99 7 1.0 0.150 1.12 8 0.9 0.150 1.10 9 0.8 0.150 1.10 10 0.7 0.150 1.10 11 0.6 0.150 1.09
从表II中，我们可以推论出，参数Q应满足下述关系：
0.8＜Q＜1.2
或更好的是：
0.9＜Q＜1.1
应当理解，本发明的不同实施方式可与各种透镜系统相关使用。所述实施方式优选用在数值孔径大于0.7的透镜系统中。根据实施方式的透镜系统的入射光瞳直径优选小于2mm，更好的是，小于1.5mm。本实施例优选与波长小于600nm的辐射束结合使用，包括波长约为405nm的射束。
虽然已经结合仅由塑料形成(通过塑料成型工艺例如注塑工艺正常形成)的透镜描述了上述具体实施方式，但是，应当理解，本发明的参数还适用于任意单种材料的透镜设计，例如玻璃透镜(例如，由玻璃成型工艺形成)。
在上述说明内容中，已经为各种物镜提供了细节和设计参数。应当理解，物镜系统可以包括这种透镜，但并不局限于这种透镜，例如系统还可以包括光栅或其他透镜。此外，虽然已经将透镜描述为“物镜”，但是，这些透镜并不局限于用在物镜系统中，而是可以用在任何种类的装置或系统中。
考虑到上述实施例，应当理解，本发明的实施方式可以用于提供由单一材料形成能够抵抗合理制造公差的物镜。此外，本发明的具体实施方式容许倾斜射束入射到透镜，并具有设置为防止透镜接触到光学记录介质的表面的保护装置(例如“缓冲器”)。