包括由两种材料构成的物镜的扫描设备 【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，还涉及一种透镜系统，其适合于、但不限于用作这种扫描设备中的物镜，以及涉及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，光学记录载体和用于扫描(例如写入和/或读取)该载体的设备的小型化趋势与日俱增。光学记录载体的实例包括CD(密致盘)和DVD(数字通用盘)。
为了使光学记录载体更小，同时不降低信息存储容量，必须提高该载体上的信息密度。信息密度的这种增加一定会伴有用于扫描信息的更小的辐射光点。通过提高用于将扫描设备中地辐射光束聚焦到记录载体上的物镜系统的数值孔径(NA)能实现更小的光点。因此，需要具有高数值孔径(例如NA＝0.85)的透镜。
常规的高NA物镜包括两个元件，以便减少制造容差，这样做的代价是引入了对准组成物镜的各个元件的额外装配步骤。
由M Itonga、F Ito、K Matsuzaki、S Chaen、K Oishi、T Ueno和A Nishizawa在2002年3月的Jpn.J.App1.Phys.No.3B、Part 1的Vol.41(2002)pp.1798-1803中发表的日本论文“SingleObjective Lens Having Numerical Aperture 0.85 for a HighDensity Optical Disk System(用于高密度光盘系统的数值孔径为0.85的单物镜)”描述了具有两个非球面的单个物镜，其NA相对高，为0.85。该透镜由玻璃制成。透镜直径是4.5mm，并且该透镜的孔径直径为3.886mm。这种单元件透镜不需要双元件物镜所需的额外对准装配步骤。因为NA值大，所以该物镜更容易受到制造过程中的变化影响，即制造容差的影响。因此，与具有较低数值孔径的物镜相比，对于这些高NA物镜来讲，制造公差在设计过程中起到甚至更为重要的作用。
为了减少扫描设备的大小，需要使该扫描设备中的组件(例如物镜)做的尽可能地小。
然而，不可能简单地按比例缩减大透镜设计以制造更小的透镜，这是因为透镜的设计取决于光学记录媒质的性质。例如，透镜的设计方案取决于透明层的性质，该透明层通常覆盖光学记录载体上的信息层，而且扫描辐射束必须穿过该透明层。在按比例缩小的过程中，该盘覆盖层的厚度未受影响(相同的记录载体可能用于普通尺寸的物镜和小尺寸的物镜)。因此，适合于扫描该光学记录媒质的小尺寸物镜的设计将基本上不同于普通尺寸物镜的设计。
而且，虽然期望该物镜是由单个元件构成的(装配两个小元件是困难的，因此更为昂贵)，然而单独由玻璃制成单个元件较为昂贵。玻璃模制生产过程要求高温以融化玻璃，以及相对大的力来使融化的玻璃成型，因此使生产的透镜是较为昂贵的部件。
制造单个元件透镜的廉价可选方法是在平面或者球形基底(例如玻璃)上形成合成树脂。例如，玻璃球的制造相对便宜，所以截顶玻璃球是理想的基底。可以将合成树脂涂敷到该基底的表面，从而提供需要的表面形状(例如非球面)。US4,623,496描述了如何将这种液体合成树脂涂敷到基底上，并且随后将该合成树脂固化，从而形成具有预定的需要的非球面弯曲特性的层。
可以理解，对于利用合成树脂形成在基底上的透镜的设计约束不同于由单个物质(例如玻璃)构成的透镜的设计约束。例如，合成树脂通常具有不同于基底的折射率。
还可以理解，随着透镜制作地更小，高NA的透镜仍然容易受到制造过程中变化(即制造公差)的影响。
图1A表示了物镜18的实例，其具有玻璃体200，该玻璃体具有基本上为球形表面181和基本上为平面的表面182。继而向该玻璃体的第一表面181涂敷至少一层合成树脂，从而形成非球形表面。可以理解，如果该玻璃体没有准确地形成或者对准，那么通过添加树脂而形成的透镜性能将受到影响。该透镜沿着光轴的总厚度为t(即玻璃体加上树脂层的厚度)。
在图1A-1D所示的实例中，将两个分开的树脂层100、102涂敷到该玻璃体200的各个表面181、182上。使每个树脂层181、182定形，从而形成各自的非球面表面。
后面的图1B、1C和1D分别表示了由于两个非球面表面相对于需要的光轴19的厚度变化、偏心和倾斜造成基底的形状和定位如何变化(在每个例子中，表面181的原始位置用虚线表示)。
图1B表示了透镜的总厚度大于需要厚度，在这个例子中这是由于表面181、182之间的间隔大于需要的间隔造成的。然而，可以理解，这两个表面实际上也可能会比需要的相隔更近。
图1C表示了两个非球面表面偏心。在这个实例中，玻璃体200的位置在与相对需要光轴19的理想位置垂直的方向上发生了移动，同时非球面表面100的中心偏离了需要的光轴19，虽然非球面表面102的中心仍然位于轴19上。
图1D表示了包括表面181的玻璃体如何倾斜，即如何相对于沿主轴的期望旋转对称位置旋转，从而导致上部的非球面表面100相对于下部的非球面表面102倾斜。
本发明实施例的目的是提供一种由基底材料上的合成树脂制成的物镜，其能够容忍合理的制造容差。
在光学扫描设备中，由于扫描设备内物镜的不准确对准、记录载体相对于扫描设备的位置的变化、或是由于所利用的辐射光束未沿着光轴传播，辐射光束可能倾斜地入射到物镜上。例如，这种离轴束通常用于提供关于扫描辐射光点在记录载体上的定位的信息。
这种倾斜光束入射导致了波前像差。通常，对于整个光学扫描设备扫描光束的波前像差，所允许的总的光路差的均方根(OPDrms)容差大约为0.07λ(其中λ是相关辐射光束的波长)，因此该系统受到衍射限制。可以方便地以mλ表示OPDrms(其中0.001λ＝1mλ)。透镜系统的场是其中倾斜光束产生的OPDrms小于15mλ的区域。透镜系统的视场是该场的两倍。
本发明实施例的目的是提供由基底上的合成树脂制成的小尺寸高NA物镜，其容许倾斜光束入射到该透镜并且容许制造误差。
发明概述
在第一方面中，本发明提供了用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备，该信息层被透明层覆盖，该透明层的厚度为td、折射率为nd，该设备包括用于产生辐射束的辐射光源以及用于将该辐射束会聚到信息层上的物镜系统，该物镜系统的特征在于包括由基底上的合成树脂构成的透镜，该透镜的总厚度t满足以下条件：
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透镜与载体之间的自由工作距离，φ是透镜的入射光瞳直径，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
通过设计满足上述条件的透镜，所得到的透镜容许倾斜光束入射和制造误差。
在另一方面中，本发明提供了一种透镜系统，其包括至少一个用于将辐射束会聚到光学记录载体的信息层上的透镜，该信息层被透明层覆盖，该透明层的厚度为td、折射率为nd，该透镜系统的特征在于包括由基底上的合成树脂构成的透镜，该透镜的总厚度t满足以下条件：
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透镜与载体之间的自由工作距离，φ是透镜的入射光瞳直径，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
在又一方面中，本发明提供了用于制造透镜系统的方法，该透镜系统包括至少一个由基底上的合成树脂制成的透镜，以用于将辐射束会聚到光学记录载体的信息层上，该信息层被透明层覆盖，该透明层的厚度为td、折射率为nd，该方法包括以下形成基底的步骤，该透镜的总厚度t满足以下条件：
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透镜与载体之间的自由工作距离，φ是透镜的入射光瞳直径，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
在另一方面中，本发明提供了制造光学扫描设备的方法，该设备用于扫描光学记录载体的信息层，该信息层被透明层覆盖，该透明层的厚度为td、折射率为nd，该方法包括以下步骤：提供用于生成辐射束的辐射源；提供用于将该辐射束会聚到信息层上的透镜系统，该透镜系统的特征在于包括由基底上的合成树脂构成的透镜，该透镜的总厚度t满足以下条件：
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2]]>
其中FWD+td/nd＜0.51，并且FWD是透镜与载体之间的自由工作距离，φ是透镜的入射光瞳直径，其中t、td、φ和FWD用毫米表示。
本发明的其它方面从从属权利要求中将显而易见。
附图简述
为了更好地理解本发明，以及为了表示本发明的实施例如何实现，将通过举例的方式参照相应简图，其中：
图1A、1B、1C、1D表示了具有基本上为球面的第一表面和基本上为平面的表面的透镜，而该球面表面分别位于：需要的位置上、距离第二表面过远、相对于第二表面偏心、以及相对于第二表面倾斜；
图2表示了用于扫描光学记录载体的设备，其包括物镜系统；
图3表示了本发明实施例采用的两种可选类型的透镜设计；
图4表示了作为不同物镜设计方案的平均值，分别由场、厚度、偏心和倾斜引起的波前像差作为折射率的函数，以及由这四种因素引起的均方根总波前像差作为折射率的函数；
图5表示了作为不同物镜设计方案的平均值，分别由场、厚度、偏心和倾斜引起波前像差以及由这四种因素引起的均方根总波前像差作为该物镜面对记录载体的表面的归一化光焦度的函数；
图6表示了对于不同物镜设计，物镜的平均最佳厚度以及物镜基底的最佳折射率n作为自由工作距离(FWD)的函数。
实施例的详细描述
图2表示了用于扫描光学记录载体2的设备1，其包括根据本发明实施例的物镜系统18。该记录载体包括透明层3，在其一侧上设置了信息层4。该信息层背对透明层的一侧受到保护层5的保护而免受环境影响。该透明层面对该设备的一侧称作入射表面6。该透明层3通过为信息层提供机械支撑起到该记录载体的基底的作用。
可选择的是，该透明层可以仅仅具有保护信息层的功能，而机械支撑是由信息层另一侧上的层来提供，例如由保护层5或者与该信息层4相连的其它信息层和透明层来提供。可以将信息以光学可检测标记的形式存储到记录载体的信息层4中，这些标记设置在基本上平行、同心或螺旋的轨道(未在图中示出)中。这些标记可以是任何光学可读形式，例如坑的形式或者反射系数或磁化方向与其周围不同的区域的形式，或者这些形式的组合。
该扫描设备1包括能够发出辐射光束12的辐射光源11。该辐射光源可以是半导体激光器。分束器13将发散辐射光束12反射到准直透镜14，该透镜将发散光束12转变为准直光束15。该准直光束15入射到物镜系统18上。
该物镜系统可以包括一个或多个透镜和/或光栅。该物镜系统18具有光轴19。该物镜系统18将光束15变为会聚光束20，其入射到记录载体2的入射表面6上。该物镜系统具有适于使辐射光束通过透明层3厚度的球面像差校正。该会聚光束20在信息层4上形成了光点21。信息层4反射的辐射形成了发散光束22，物镜系统18将其变为基本上准直的光束23，随后准直透镜14将其变为会聚光束24。分束器13通过将至少部分会聚光束24透射到检测系统25而将前进的和反射的光束分开。检测系统捕获到辐射并将其转变为电输出信号26。信号处理器27将这些输出信号转变为各种其它信号。
这些信号之一是信息信号28，该信号的值表示从信息层4读取的信息。该信息信号受到用于误差校正的信息处理单元29的处理。来自信号处理器27的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号表示光点21与信息层4之间的高度上的轴向差。径向误差信号表示在信息层4的平面中光点21与该光点所要跟随的信息层中轨道中心之间的距离。
将聚焦误差信号和径向误差信号供给伺服电路31，该电路将这些信号转变为伺服控制信号32，以用于分别控制聚焦传动器和径向传动器。这些传动器未在图中示出。聚焦传动器控制物镜系统18在聚焦方向33上的位置，从而控制光点21的实际位置，以使其基本上与信息层4的平面相一致。径向传动器控制物镜系统18在径向34上的位置，从而控制光点21的径向位置，以使其基本上与信息层4中所要跟随的轨道中心线相一致。在图中，该轨道行进的方向垂直于图的平面。
图2的设备也可适用于扫描第二种记录载体，其透明层厚度比记录载体2的大。该设备可以利用辐射光束12或者具有不同波长的辐射光束来扫描第二种记录载体。这种辐射光束的NA可适用于该类型的记录载体。必须相应地调整该物镜系统的球面像差补偿。
为了提供用于上述物镜系统的单个元件高NA(NA＞0.65)物镜，我们建议按照与US4623496中提出的相似方式，利用基底(例如玻璃)表面上由合成树脂制成的薄非球面校正层制造该透镜。该层有时称作复制层。为了便宜地制造玻璃体，该玻璃体优选具有截顶玻璃球体的形状。适合的合成树脂能够由丙烯酸低聚物或单聚物形成，并且随后在UV光下固化该合成树脂。Diacryl是这种树脂的实施例之一。Diacryl对于405nm波长的折射率为1.5987，且阿贝数为34.5。
图3表示了两种可选透镜设计方案(分别标记为类型I和类型II)。在这两个例子中，都示出了透镜相对各自的光学记录载体2放置，该记录载体具有信息层4和透明覆盖层3。在两种情况下，入射辐射光束15通过覆盖透明层3会聚(20)到信息层4上。可以看出，辐射光束15、20以倾斜角入射到透镜18的光轴19。
类型I和类型II的透镜都包含截顶玻璃球体形状的玻璃体200。该形状可以通过形成玻璃球，然后劈开该玻璃球而形成的。这种劈开的表面相对平整。
类型I的透镜的特征在于仅仅具有单个非球面表面。这个表面是通过将合成树脂100涂敷到截顶玻璃球体基底的曲表面上形成的。在使用中，该透镜的非球面表面面对辐射光源。
类型II的透镜的特征在于具有两个非球面表面。类型II的透镜能够视为在玻璃体的平面侧(即在使用中该玻璃体邻近记录媒质2的表面)上形成附加非球面表面的类型I的透镜。该第二非球面表面是由另外的合成树脂层102形成。
以下，更加详细地描述类型I和类型II的透镜的各种优选设计约束条件，之后有概括这三种示例透镜参数的表格。在这个表中，示例透镜2对应于类型I的透镜，示例透镜1和3对应于类型II的透镜。注意，类型I的透镜能够视为类型II的透镜的特殊情况，即第二非球面表面是平面的情况。
类型I
类型I的透镜比类型II的透镜的成本效率更高，这是因为它们仅仅需要将合成层100加到玻璃体200的一个表面上。
优选的是，该透镜的总厚度t(沿着光轴19的厚度)满足以下关系式：
0.8<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.2---(1)]]>
其中FWD+td/nd＜0.51，并且φ是物镜的入射光瞳直径。假设相关厚度和距离的尺寸(t、FWD、φ和td)用毫米测量。
更为优选的是，透镜的厚度t满足：
0.9<t-1.1φ+1.11.18-2.28[FWD+tdnd]<1.1---(2)]]>
自由工作距离对应于该透镜在接触记录载体之前能够移动的距离，即沿着光轴测得的从透镜面对记录载体的表面到透明层3的表面的距离。
优选的是，该透镜的玻璃体的折射率n满足：
-0.05<n-2.49+2.79(FWD+tdndF)-2.28(FWD+tdndF)2<0.05---(3)]]>
其中FWD是自由工作距离，td是透明层3的厚度，nd是透明层3的折射率，并且其中F是透镜的焦距。
用于扫描设备中，该透镜可以与不同波长的辐射(可以利用不同波长读取和写入数据)结合使用。可选择的是，辐射光源(例如激光器)的波长可以作为辐射光束功率(可以利用不同功率从信息记录媒质中读取数据或向该媒质中写入数据)的函数而变化。为了使该透镜容许这种波长变化，优选的是玻璃体的阿贝数大于40。
类型II
这种设计包括两个非球面表面。优选的是，第二非球面表面(形成在玻璃体平面侧上的非球面表面)基本上是平面。优选的是，该表面最佳拟合半径R的绝对值满足：
|R|>5nr-1NAφ---(4)]]>
其中φ是透镜的入射光瞳直径，NA是数值孔径，nr是树脂的折射率。最佳拟合半径R是具有最小非球面表面均方根偏差的球体半径。
类似地，优选该透镜第二非球面表面的归一化旁轴光焦度(该表面的光焦度除以透镜系统的总光焦度)满足以下关系式：
-0.1＜P＜0.1 (5)
优选的是，该透镜的总厚度t满足关系式(1)。
更为优选的是，总厚度t满足关系式(2)。
优选的是，透镜玻璃体的折射率n满足关系式(3)。
同样，为了使该透镜充分容许该辐射波长的变化，优选该玻璃体的阿贝数大于40。
表1提供了根据本发明实施例的三种明确的透镜设计的详细情况，这些透镜被优化以容许场、基底厚度变化、非球面表面的偏心和非球面表面之间的倾斜。实例2为类型I(并且因此是类型II的特殊情况)，而实施例1和3是类型II的。包括实施例1和3的各种设计的性能在图4、5和6中示出，这些图用于获得以上优选设计的关系。明确的设计实例2的性能列于表2中。
表1实例 1 2 3数值孔径 0.85 0.85 0.85入射光瞳直径(mm) 1.0 1.0 1.0波长(nm) 405 405 405玻璃体(玻璃类型) N-LAK14 S-LAM60 LASFN9玻璃体折射率 1.7180 1.7689 1.8983玻璃体阿贝数 55.4 49.3 32.17体半径 0.5175 0.5302 0.5570体厚度(mm) 0.6411 0.6697 0.6321树脂折射率 1.5987 1.5987 1.5987树脂阿贝数 34.5 34.5 34.5自由工作距离FWD(mm) 0.15 0.15 0.15第1球体复制厚度中心(μm) 20 18.8 15.8 B2(mm-2) 1.154981 1.1282466 1.058627 B4(mm-4) 0.778878 0.7171389 0.554093 B6(mm-6) 0.436929 0.2726619 0.13553 B8(mm-8) 2.201988 1.9733778 0.34716 B10(mm-10)-8.35349-9.2510925-6.98564 B12(mm-12)-22.3366-17.943089-10.4856第2球体复制厚度中心(μm) 30 0 30 B2(mm-2)-0.12437 0 0.28866 B4(mm-4) 1.163883 0-1.59621 B6(mm-6)-12.6129 0 5.803061 B8(mm-8) 89.0167 0 21.4475 B10(mm-10)-272.507 0-232.761 B12(mm-12) 0 0 0 最佳拟合半径(mm)-6.2407 无限 2.2992 第2球体的归一化屈光力 0.09 0-0.20
表2实例2的性能均方根波前像差WFA (mλ) 0.1°场 8.1透镜体厚度差1μm 9.8球体和平面出射表面之间的倾斜0.01° 8.8球体和平面出射表面之间的偏心10μm 0
示例透镜的前后表面各具有旋转对称非球面形状，由以下等式表示：
z(r)=Σi=16B2ir2i]]>
其中z是以毫米表示的表面在光轴方向上的位置，r是以毫米表示的到光轴的距离，Bk是r的k次方的系数。对于三种不同示例透镜设计的Bk值列于表1中，其中假设第1非球面是该透镜面对辐射光源的表面。为了计算第二非球面表面的归一化光焦度P，使用以下公式
P＝B2(1-nr)φ/NA
其中B2是第二表面的第一非球面系数，nr是树脂的折射率，φ是物镜的入射光瞳直径，NA是数值孔径。
实例1、2和3满足等式(1)和(2)的要求。而且，实例2满足等式(3)的要求。实例1和2满足等式(4)和(5)的要求。最后，实例1和2的玻璃体的阿贝数大于40。
图4表示了由于倾斜辐射光束入射到具有0.1°的场的透镜上而引起的波前像差的均方根作为物镜折射率的函数，对于不同设计(包括列于表1中的物镜设计的实例1和3)该透镜的玻璃基体具有的1μm的厚度差(实际体与理想厚度t的偏差)，10μm的偏心非球面以及0.01°的倾斜非球面。示出了分别由于场、厚度、偏心和倾斜的贡献引起的单独波前像差均方根(WFA)，也示出了总波前像差的均方根(RMS)。注意，透镜设计实例2的性能(参见表2)与图4一致，不同之处在于非球面的偏心对于实例2而言恰好为零，这是因为出射表面是平面。
类似的是，图5表示了对于相同物镜设计方案，由于0.1°场、1μm的厚度差、10μm的偏心非球面以及0.01°的倾斜非球面引起的波前像差的均方根作为物镜第二表面(该透镜表面面对记录媒质)的归一化光焦度的函数。
在图4和5中，透镜的数值孔径都＝0.85且入射光瞳直径均为1.0mm。(多个)非球面表面由玻璃体上的Diacryl层构成。该玻璃体形如截顶玻璃球体。辐射光束的波长λ＝405nm，并且采用了0.15mm的自由工作距离(FWD)，记录媒质的覆盖层(透明层3)厚度为0.1mm、折射率为1.6223。
图6表示了对于包括列于表1中的设计的实例1和3的不同物镜设计方案而言，物镜的最佳厚度和玻璃体的最佳折射率作为自由工作距离(FWD)的函数。这种数据假设每个透镜的NA＝0.85，入射光瞳直径为1.0mm。采用了波长λ＝405nm的辐射光束，其与覆盖层厚度为0.1mm且折射率为1.6223的记录媒质(例如光盘)相结合使用。
图4表示了随着折射率n的增加，场和倾斜容差增长(即WFA降低)，而厚度容差降低。偏心容差在n≈1.78附近表现出最佳值(即最小值)。将图中所示的全部四个容差组合起来，显示出当满足等式3所示关系时，发现最佳透镜设计。
图5表示了随着第二表面归一化光焦度的增加，盘的场和倾斜容差降低，而厚度容差增加。偏心容差在-0.025的归一化光焦度(P)附近表现出最佳值。
在图4和5中，偏心曲线的最小值未对应于零WFA，对于表1的实施例2也是如此。这意味着在类型II的设计接近零光焦度的情况下第二非球面不是平面，这是因为系数B4-B12中的至少一个是非零的造成的。
图6表示了随着自由工作距离(FWD)的升高，物镜沿着光轴的最佳总厚度(即玻璃体和树脂层的总厚度)以及物镜玻璃体的最佳折射率n都降低。对图6所示的点进行的拟合显示最佳折射率(nopt)由
nopt＝2.21794-3.9321*FWD+6.60614*FWD2给出，并且最佳厚度作为FWD的函数由
t＝1.03616-2.27542*FWD给出。
在这两种情况中，FWD和t以毫米表示。
根据这些特殊结果和图4、5和6，考虑到缩放比例关系，可以推导出等式1、2、3和5所示的最佳透镜设计参数。
最后，当等式(4)成立时，涂敷到该玻璃体的基本上为平面的一侧上的树脂厚度保持很小。因此，在制造过程中这一层的任何收缩的影响也保持很小，这使物镜的制造更为容易。
可以理解，本发明的实施例可以应用到多种透镜系统。优选的是这些实施例应用于数值孔径大于0.7的透镜系统。优选的是，依照这些实施例的透镜系统的入射光瞳直径小于2mm，更为优选的是小于1.5mm。优选的是这些实施例与波长小于600nm的辐射光束(包括波长约为405nm的光束)相结合使用。
尽管仅结合由玻璃基底上的树脂diacryl构成的透镜描述了以上的实施例，但可以理解，本发明的参数适用于由任何透明基底上的任意合成树脂构成的透镜设计。对于树脂而言，适当类别的材料是芳香族和脂肪族的二(甲基)丙烯酸酯、芳香族和脂肪族的双环氧化物、双氧杂环丁烷(bis-oxetane)、双乙烯基醚。更具体地可以使用双酚A基二甲基丙烯酸酯(“diacryl 101”，也称作2，2-双(4-甲基丙烯酰氧基苯基)丙烷)。
考虑到以上实施例，可以理解本发明的实施例可以用于提供由基底上的合成树脂构成的物镜，其能够经住合理的制造容差。而且，本发明的实施例容许倾斜光束入射到该透镜。