用于光盘的光学系统 【技术领域】
本发明涉及一种用于在一种或多种具有不同厚度的上覆层和/或不同数据记录密度的光盘上记录数据和/或再现数据的光学系统。
背景技术
光盘有多种类型，如CD(密集盘)和DVD(数字通用盘)。DVD具有薄于CD的上覆层，并具有高于CD的数据记录密度。为了支持CD和DVD，需要光盘的光学系统(光学读取装置)校正依据采用的光盘的上覆层厚度而变化的球差并改变光束的NA(数字孔径)，从而达到适于使用的光盘地记录/再现操作的有效光束直径。
一般地，用于光盘的光学系统具有发射光束的光源、耦合透镜和物镜。耦合透镜具有准直光源发出的光束或改变光源发出的光束发散度的功能。即，在光学系统应用耦合透镜抑制像差或提高光束的利用率。
对光学系统中光学组件数量的减少有一定的要求，以降低光学读取装置的成本并进一步减小光学读取装置的大小。在日本专利公开JP8-62496、JP8-334686、JP64-25113和JP2-223906中分别公开了一种不需要耦合透镜的光学读取装置。在每个申请中公开的光学系统构造成形成适于有较低记录密度和较厚上覆层的光盘(如CD或DVD)的较大束斑。因为光学系统有较小的NA，所以可达到较大的束斑。
注意到，在每个公开物中揭示的光学系统中，如果物镜的位置相对于光源的位置发生改变，则会导致像差。更具体的说，在聚焦操作中当物镜在其中心轴(光轴)方向上移动时造成球差。在跟踪操作中当物镜在垂直于光轴的方向上从参考轴移动时造成彗差和象散，因为在此情形下偏轴光线入射到物镜上。
这里所使用的“参考轴”一词代表包含物镜光轴的轴，在垂直于光轴的方向上物镜不被跟踪操作所移动的状态下穿过光源。另外，物镜的“参考轴”定义为跟踪操作的初始位置。
要高精度地执行记录/再现操作，需要充分地抑制像差。特别是，具有非对称特性的像差、如彗差和象散是降低记录(光学)信号和再现(光学)信号质量的主要因素。因此，特别需要将光学系统构造成充分抑制具有非对称特性的像差。
以下的“跟踪移位”代表物镜在垂直于光轴的方向(即，光盘的径向)上由于跟踪操作所产生的移动，“聚焦移位”代表物镜在光轴的方向上由于聚焦操作所产生的移位。
当光盘相对于物镜的光轴倾斜时，在光盘的覆盖层中造成的彗差具有这样的特点，即其依赖于覆盖层的厚度而变化。为此原因，每个公开物中设置在光学系统中的物镜的两个表面构造成非球面，消除光盘覆盖层中造成的彗差。即，物镜构造成消球差透镜。
相反，即使在光学系统中采用两表面为非球面的物镜，要充分地校正具有非对称特点的另一像差、即象散也是非常困难的。因此，每个公开物中揭示的光学系统只可以用于对像差有较大容限的光盘，如CD。即，该光学系统专用于用在对像差有较大容限的光盘的光盘驱动。
换言之，光学系统不能用于具有较大记录密度并需要较小束斑直径的光盘(如DVD)。
近来，开发出了支持CD和DVD(以下称作CD/DVD兼容的光学系统)的光学系统。但这种常规的CD/DVD兼容的光学系统不能校正依赖于光盘覆盖层厚度而变化的彗差。另外，如同每个公开物中的光学系统的情形一样，在CD/DVD兼容的光学系统中不能校正象散。
应该理解，在每个公开物中揭示的光学系统不能用作CD/DVD兼容的光学系统，因为彗差的量依赖于光盘覆盖层的厚度而变化。
【发明内容】
本发明的优点在于它提供了一种用于光盘的光学系统，其被构造成不使用耦合透镜即能充分抑制像差。
根据本发明的一个方面，提供了一种在光盘上记录数据和/或再现数据的光学系统，其需要光盘一侧的数值孔径大于或等于0.60。光学系统配置有发射发散光束的光源，将发散光束会聚到光盘的数据记录表面上的物镜，和控制物镜的位置和空间方位的驱动系统。
在此结构中，驱动系统在垂直于物镜中心轴的方向上为跟踪操作而操纵移动物镜，并在跟踪操作中改变物镜的空间方位，使得光源一侧上的中心轴向光源倾斜。
因为物镜的空间方位可以与由跟踪操作对物镜的跟踪移位一致地改变，所以可以抑制由物镜的跟踪移位造成的象散。因此，可以高精度地进行对光盘(需要较大的数值孔径)的记录/再现操作。
注意，象散的校正可以只通过改变光学系统中物镜的空间方位而达到，并且不需要改变物镜的结构来校正象散。
因此，在物镜位于参考位置的条件下不存在降低光学系统的光学性能的因素(即，不执行跟踪操作)。
或者，驱动系统也可以控制物镜的位置和空间方位以满足下列条件：
0.25≤d·tanθ/TR≤0.75 (1)
此处，d(mm)代表光源和光盘的数据记录面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由跟踪操作对物镜的跟踪移位造成的物象的移位量，θ(°)表示物镜相对于光学系统的参考轴的倾斜量。
再或者，物镜可以构造成满足下列条件：
-0.75≤CMD/CML≤-0.15 (2)
此处，CML表示只在物镜相对于光源发出的光线倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD表示只在光盘相对于穿过物镜的光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
再或者，光学系统可以满足下列条件：
-0.30≤(CMD/CML)·d·tanθ/TR≤-0.15 (3)
此处，d(mm)代表光源和光盘的数据记录表面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由跟踪操作对物镜的跟踪移位造成的物象的移位量，θ(°)表示物镜相对于光学系统的参考轴的倾斜量，CML表示只在物镜相对于光源发出的光线倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD表示只在光盘相对于穿过物镜的光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
根据本发明的另一方面，提供了一种在多种类型的光盘上记录数据和/或再现数据的光学系统。该光学系统配置有多个光源，发射分别对应于多种类型光盘的发散光束；把每束发散光束会聚到多种光盘中对应的一个的数据记录表面上的物镜；和控制物镜的位置和空间方位的驱动系统。
在此结构中，驱动系统为跟踪操作而在垂直于物镜光轴的方向上操纵移动物镜，并在跟踪操作中改变物镜的空间方位，使得至少在使用多种类型光盘中的一种覆盖层最薄的第一光盘时光源一侧上的中心轴向相应的多个光源之一倾斜。
因为物镜的空间方位可以与由跟踪操作对物镜的跟踪移位一致地变化，所以可以抑制由物镜的跟踪移位造成的象散。因此，可以高精度地执行光盘(需要较高的数值孔径)的记录/再现操作。
任选地，驱动系统可以改变物镜的空间方位以满足下列条件：
-0.1≤θ2/θ1≤1 (4)
此处θ1(°)表示使用第一光盘时由跟踪操作在物镜的跟踪移位期间物镜的倾斜量，θ2(°)表示使用具有厚于第一光盘的覆盖层的多种类型的第二光盘时由跟踪操作在物镜的跟踪移位期间物镜的倾斜量。
再或者，驱动系统可以改变物镜的空间方位以满足下列条件：
θ2/θ1＝0 (5)
在一种特定情况下，第一光盘可以要求光盘一侧上的数值孔径大于或等于0.60。
在一种特定情况下，第二光盘可以具有所有类型的光盘中最厚的覆盖层。
再或者，当使用第一光盘时，驱动系统可以控制物镜的位置和空间方位以满足下列条件：
0.25≤d1·tanθ1/TR≤0.75 (6)
此处，d1(mm)代表用于第一光盘的多个光源中的第一光源和第一光盘的数据记录面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由跟踪操作对物镜的跟踪移位造成的物象的移位量，θ1(°)表示使用第一光盘时物镜相对于光学系统的参考轴的倾斜量。
再或者，物镜可以构造成满足下列条件：
-0.75≤CMD1/CML1≤-0.15 (7)
此处，CML1表示只在物镜相对于用于第一光盘的多个光源中的一个发出的光线倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD1表示只在第一光盘相对于穿过物镜的第一光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
再或者，光学系统可以满足下列条件：
-0.30≤(CMD1/CML1)·d1·tanθ1/TR≤-0.15 (8)
此处，d1(mm)代表用于第一光盘的多个光源中的第一光源和第一光盘的数据记录面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由跟踪操作对物镜的跟踪移位造成的物象的移位量，θ1(°)表示使用第一光盘时物镜相对于光学系统的参考轴的倾斜量，CML1表示只在物镜相对于第一光源发出的第一光束倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD1表示只在第一光盘相对于穿过物镜的第一光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
再或者，物镜可以构造成满足下列条件：
-1.50≤CMD2/CML2≤-0.50 (9)
此处，CML2表示只在物镜相对于从多个光源中对应于多种类型的光盘中第二光盘发出的第二光束倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD2表示只在第二光盘相对于穿过物镜的第二光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
在一种特定情况下，多个光源可以在垂直于每个发散光束的发射方向的平面中位于彼此移位的位置。在此情况下，多个光源可以在一个垂直于物镜形成的物象根据跟踪操作中物镜的跟踪移位而移位的方向的方向上对齐。
再或者，光学系统可以包括检测所使用的光盘类型的检测系统。在此情况下，驱动系统响应于跟踪操作中物镜的跟踪移位以及检测系统的检测结果设置物镜空间方位的变化量。
再或者，多个光源可以在垂直于每个发散光束的发射方向的平面中位于彼此移位的位置。在此情况下，驱动系统可以在跟踪操作中相对于为多个光源中的每一个定义的参考位置移动物镜，参考位置定义为物镜的中心轴穿过多个光源中的对应于所采用的光盘类型之一时所在的位置。
在一种特定情况下，多个光源可以在这样一个方向上对齐，即在该方向上物镜形成的物象根据跟踪操作中物镜的跟踪移位而移位。
再或者，光学系统可以包括检测使用的光盘类型的检测系统。在此情况下，驱动系统可以响应于跟踪操作中物镜的跟踪移位以及检测系统的检测结果设置物镜的空间方位改变量，并且可以根据检测系统的检测结果决定所使用的光盘的参考位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种在包括第一光盘和第二光盘的两种类型的光盘上记录数据和/或再现数据的光学系统，其中第二光盘的覆盖层厚度大约是第一光盘的两倍。本光学系统配置有多个光源，发射分别对应于第一光盘和第二的发散光束；把每束发散光束会聚到第一光盘和第二光盘中对应的一个的数据记录表面上的物镜；和控制物镜的位置和空间方位的驱动系统。物镜具有对第二光盘覆盖层造成的彗差的灵敏度。对于跟踪操作，驱动系统在垂直于物镜中心轴的方向上操纵移动物镜。
另外，在使用第一光盘时，跟踪操作期间驱动系统操纵改变物镜的空间方位，使得光源一侧上的中心轴朝向用于第一光盘的一个光源倾斜一个约为基本上完全校正跟踪操作中物镜的跟踪移位造成的象散所需的一半倾斜量。当使用第二光盘时，跟踪操作期间驱动系统不操作改变物镜的空间方位。
因为物镜的空间方位可以与跟踪操作时物镜的跟踪移位一致地改变，所以可以抑制物镜的跟踪移位量造成的象散。因此，可以高精度地进行光盘(需要较大的数值孔径)的记录/再现操作。
【附图说明】
图1表示根据本发明第一实施例的光学系统；
图2表示已通过透镜动作机构调节的光学系统中物镜的位置和空间方位的状态；
图3表示根据本发明第二实施例的光学系统；
图4是表示在第一实例中由物镜的跟踪移位造成的非对称像差量的曲线；
图5是表示当在第二实施中使用较薄覆盖层的第一光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图6是表示当在第二实施中使用较厚覆盖层的第二光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图7是表示当在第三实例中使用第二光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图8是表示当在第四实例中使用第二光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图9是表示当在第四实例中使用第二光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图10是表示当在第五实例中使用第一光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图11是表示当在第六实例中使用第一光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图12是表示当在第六实例中使用第二光盘时由物镜的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线；
图13表示根据第二实施例的光学系统改型的光学系统。
【具体实施方式】
以下参考附图描述本发明的实施例。
第一实施例
图1表示根据本发明第一实施例的光学系统100。光学系统100用于在具有较高记录密度和较薄覆盖层的光盘20A(如DVD)上记录数据和/或再现数据。光学系统100用在从光盘20A上记录数据和/或再现数据的光盘驱动器中。
如图1所示，光学系统100配置有光源1，分束器2，透镜动作机构3，传感器4和物镜10。光学系统100构造成不使用耦合透镜的有限光学系统。即，从光源1发出的激光束仅通过物镜10会聚。
光源1发出适用于光盘20A的较短波长的激光束，以致于通过分束器2和物镜10的激光束在光盘20A的数据记录表面上形成较小的束斑。然后由传感器4接收中光盘20A返回的光束(光学信号)。然后由信号处理单元(图1中未示出)处理传感器4接收到的光学信号，对光盘20A进行记录/再现操作。
透镜动作机构3包括固定物镜10的透镜支架31，对物镜10的空间方位和位置进行微调的动作器32。
图2表示物镜10的位置和空间方位已由透镜动作机构3调节的状态。在图2中，为了简单起见，光路(参考轴Ax)演变成线性线路。在解释每个光学元件和参考轴之间的位置关系时，将参考轴认作线性线路。
聚焦操作时透镜动作机构3在X方向移动物镜10，并在跟踪操作时于Y方向移动物镜10。通过这种结构，如果发生由于光盘的倾斜、卷曲或偏移所致的焦点移位或跟踪移位，也可以实现稳定地记录/再现操作。
衍射光栅1a位于光源1和分束器2之间。衍射光栅1a被构造成子光束，在三束法中用于检测跟踪的移位。
透镜动作机构3对物镜10的倾斜与跟踪操作对物镜10的跟踪移位一致，以使物镜10的中心轴(CL)向光源1倾斜。即，物镜10的倾斜使得其前表面(光源一侧的表面)面对光源1。因此，由跟踪操作对物镜的跟踪移位造成的象散被物镜10的倾斜移位造成的象散有效地抵消。
更具体地说，倾斜量设置为一个小于假设电光源位于物镜10中心轴CL时的倾斜量的量。即，透镜动作机构3控制物镜10的位置和空间方位以满足下列条件：
0.25≤d·tanθ/TR≤0.75 (1)
此处，d(mm)代表光源1和光盘20A的数据记录面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由跟踪操作对物镜10的跟踪移位造成的物象的移位量，θ(°)表示物镜10(见图2)相对于光学系统的参考轴的倾斜量。倾斜量θ是形成在物镜10的中心轴CL和参考轴Ax之间的角度。
条件(1)限定了物镜10的跟踪移位期间物镜10的倾斜量。如果把倾斜量设置成d·tanθ/TR取1.0，则完全校正象散。但是，如果倾斜量设置成d·tanθ/TR取1.0，则光盘20A的覆盖层中造成的较大量的彗差被剩下。通过满足条件(1)，可以抑制彗差的发生并充分校正象散。
如果d·tanθ/TR变得低于条件(1)的下限，即，如果倾斜量很小，则象散不能充分地被校正。此外，如果倾斜量很小并在物镜10中出现高阶彗差，则剩下较大量的彗差。
如果d·tanθ/TR变得大于条件(1)的上限，即如果倾斜量很大，则剩下物镜10中造成的彗差。另外，在此情况下，由透镜动作机构3引入的倾斜量误差造成的彗差产生过多的彗差。
这种倾斜量误差可以通过提高透镜动作机构3的驱动精度来减小。但是，驱动精度的提高增加了透镜动作机构3的成本。通过满足条件(1)，可以避免透镜动作机构3的成本增加。
通过驱动物镜10以满足条件(1)，可以充分地抑制偏轴光线入射到物镜10上时造成的象散。例如，如果倾斜量设置成条件(1)的表达式(d·tanθ/TR)取0.3，则可以将象散量减小为在物镜10不倾斜时的状态中造成的象散量的一半。如果倾斜量设置成条件(1)的表达式(d·tanθ/TR)取0.5，则象散量可以减小为物镜10不倾斜时的状态中造成的象散量的四分之一。
因此，可以减少象散以充分降低允许光学系统100对要求大数值孔径(NA)的光盘进行高精度的记录/再现操作。
物镜10的两个表面(前表面和后表面)为非球面。
除上述结构之外，物镜10可以构造成满足下列条件：
-0.75≤CMD/CML≤-0.15 (2)
此处，CML表示只在物镜10相对于光源1发出的光线倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD表示只在光盘相对于穿过物镜10的光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。
为了比较常规光学系统中的物镜，下面解释常规光学系统中物镜的结构。一般地，当在光学系统的制造过程中把物镜安装在常规的光学系统上时，相对于光源和光盘调节物镜的位置，使得物镜的中心轴基本上与光源发出的光束主线重合，并与光盘垂直相交。
物镜设计成即使偏轴光线入射到物镜上也不会出现彗差。更具体的说，把常规光学系统中的物镜设计成物镜相对于入射光束倾斜造成的彗差量与光盘相对于入射光束倾斜造成的彗差量具有相同的绝对值和相反的正负号(即，CMD/CML≈-1)。可以理解，在此情况下，两项彗差相互抵消，由此充分校正总彗差量。
但是，如果倾斜物镜以校正象散，则物镜相对于光源发出的光束主线的倾斜量以及光盘相对于光源发出的光束主线的倾斜量变得彼此不同。因此，如果两项彗差有相同的绝对值和不同的正负号(即，CMD/CML≈-1)，则即使象散被充分地校正，彗差量也增大。为此，在本实施例中，物镜10构造成满足条件(2)。
如果CMD/CML变得小于条件(2)的下限，即如果物镜10的倾斜造成的彗差的灵敏度过低，则即使可以充分地校正象散，也会剩下大量的彗差。
如果CMD/CML变得大于条件(2)的上限，即如果物镜10的倾斜造成的彗差灵敏度过高，则倾斜量误差造成的彗差量也变得过大。
这里所用的灵敏度(CML，CMD)是对应于通过利用Zernike多项式显影获得的第三阶彗差项的系数，是物镜和光盘相对于入射光束倾斜1°时造成的波前像差。当用rms(方均根)值表示波前像差时，第三阶彗差的系数(CM3)和rms值之间保持下列关系。
通过构造物镜10满足条件(2)，可以充分地抑制偏轴光线入射到被跟踪操作移位的物镜10时造成的彗差。特别是，如果物镜10构造成条件(2)的表达式(CMD/CML)取近似-0.5的值，则在彗差的校正和象散的校正之间达到平衡。
上述条件(1)和(2)归纳为下列条件(3)：
-0.30≤(CMD/CML)dtanθ/TR≤-0.15 (3)
通过构造光学系统满足条件(3)，可以充分地抑制象散和彗差。
如果条件(3)不满足，则不能实现象散的校正效果和彗差的校正效果之间的平衡。
第二实施例
图3表示根据本发明第二实施例的光学系统。光学系统200用于在具有不同厚度的覆盖层的各类光盘上记录数据和/或再现数据。在图3中，与图1类似的元件采用相同的标号，并省去对它们的详细描述。
图中示出了不同类型光盘的例子，光盘20A(如DVD)和记录密度低于光盘20A且覆盖层厚于光盘20A的光盘20B(如CD或CD-R)光学系统200用在对不同类型的光盘记录数据和/或再现数据的光盘驱动器中。
如图3所示，光学系统200包括光源1D，衍射光栅5，分束器2，透镜动作机构3，传感器4和物镜10。为了支持两种光盘20A和20B，光源1D具有分别发射具有适于光盘20A的波长和适于光盘20B的波长的激光束的发射部分。
两个发射部分位于垂直于参考轴Ax的平面中彼此略微移位的位置上。
衍射光栅5位于光源1D和分束器2之间。衍射光栅5构造成产生用于三色法中检测跟踪移位的子光束。
根据第二实施例的物镜10的两个表面(前表面和后表面)是非球面。此外，物镜10的前表面和后表面之一配置有一种衍射结构，即具有被阶梯划分的多个角区带，并以中心轴同轴地形成。
衍射结构的功能允许光学系统200支持两种光盘20A和20B。另外，物镜10配置有限制孔径大小的功能，使得孔径大小适于光盘20A和20B每个数值孔径。通过这种结构，实现分别适合于光盘20A和20B的数值孔径，并由此分别在光盘20A和20B的数据记录表面上形成适合于光盘20A和20B的束斑。
与第一实施例类似，透镜动作机构3移动物镜10的位置和空间方位，使得即使光盘20A和20B之间工作距离之差造成焦点移位或跟踪移位，也可达到稳定的记录/再现操作。这种工作距离之差是由所采用的光盘的覆盖层厚度差以及光盘的倾斜、卷绕或偏离引起。
在图3中，使用光盘20A期间物镜10的位置用实线表示，使用光盘20B期间物镜10的位置用虚线表示。
与第一实施例类似，透镜动作机构3使物镜10的倾斜与跟踪操作对物镜10的跟踪移位一致，以致于物镜10的中心轴(CL)向光源1D(在光学系统扩展的情况下)倾斜。即，物镜10倾斜，使得其前表面面对光源1D(对应于所使用的光盘的一个发射部分)。因此，通过倾斜物镜10可以充分地校正由跟踪操作移位物镜10造成的彗差和象散。
更具体的说，光学系统200构造成满足下列条件：
0.25≤d1·tanθ1/TR≤0.75 (6)
-0.75≤CMD1/CML1≤-0.15 (7)
-0.30≤(CMD1/CML1)·d1·tanθ1/TR≤-0.15 (8)
在条件(6)～(8)中，d1(mm)代表光源1D和光盘20A的数据记录面之间在空气中的距离，TR(mm)表示由物镜的跟踪移位造成的物象的移位量，θ1(°)表示物镜10的倾斜量(参见图2)。CML1表示只在物镜10相对于用于光盘20A从光源1D发出的激光束倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD1表示只在光盘20A相对于穿过物镜10的用于光盘20A的激光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。即，每个系数“d1”、“tanθ1”、“CMD1”和“CML1”中的下标“1”表示使用光盘20A时使用的系数。
对光盘20B进行记录/再现操作所需的数值孔径较小。因此，在光盘20B的情况下，与光盘20A所需的倾斜量相比，倾斜量减小，因为即使不进行倾斜，剩余的象散量也足够小，并且剩余象散实际上可以忽略。
为此，在对光盘20B的记录/再现操作中，把物镜10的跟踪移位期间物镜10的倾斜量设置为一个小于或等于光盘20A的记录/再现操作中物镜10的倾斜量，或设置为零。
除了上述结构外，物镜10构造成满足下列条件：
-1.50≤CMD2/CML2≤-0.50 (9)
此处，CML1表示只在物镜10相对于用于光盘20B的从光源1D发出的激光束倾斜时造成的彗差的灵敏度，CMD2表示只在光盘20B相对于穿过物镜10的用于光盘20B的激光束倾斜时造成的彗差的灵敏度。即，每个系数“d2”、“tanθ2”、“CMD2”和“CML2”中的下标“2”表示使用光盘20B时使用的系数。
通过构造光学系统以满足条件(9)，可以充分地抑制使用光盘20B时造成的象散和彗差。
如果CMD2/CML2变得低于条件(9)的下限，则使用光盘20B时由物镜10的跟踪移位造成的彗差变得过大。
如果CMD2/CML2变得大于条件(9)的上限，则彗差对物镜10的倾斜的灵敏度变得过大，并且由倾斜量误差造成的彗差量也由此变得过大。
如果将光学系统200构造成当使用光盘20B时物镜10跟踪移位期间物镜10不倾斜，则优选条件(9)中的CMD2/CML2取-1值，因为在这种情况下彗差可以最充分地校正。
光学系统100的一个实际的数值实例是d1·tanθ1/TR＝0.5和CMD/CML＝-0.5。在此情况下，有效地达到彗差的校正和象散的校正。
关于物镜10的倾斜量，光学系统200满足条件(4)：
-0.1≤θ2/θ1≤1 (4)
在上述条件(4)中，θ1(°)表示在光盘2A的记录/再现操作中物镜10的跟踪移位期间物镜的倾斜量，θ2(°)表示在光盘2A的记录/再现操作中物镜10的跟踪移位期间物镜的倾斜量。
当条件(4)不满足时，保留彗差，并且高精度地进行记录/再现操作变得困难。
如果把光盘20B的记录/再现操作中物镜10的跟踪移位期间物镜10的倾斜量设置为零，则满足下列条件(5)：
θ2/θ1＝0 ...(5)
当满足条件(5)时，透镜动作机构3的控制可以简化。
在图3中，还示出了连结到透镜动作机构3的信号处理单元51和驱动器52。如在第一实施例中所提到的，信号处理单元51处理由传感器4接收的光学信号以完成对光盘20A和20B的记录/再现操作。
如上所述，光源1D有两个发射部分，位于垂直于参考轴Ax(即，从光源1D发出的每个激光束的方向)的平面中彼此略微移位的位置。
两个发射部分的分布实例是两个发射部分在垂直于物象根据物镜10的跟踪移位而移位的方向上对齐。在此情况下，由两个发射部分的位置移位引入的物体高度的变化组成变为垂直于由物镜10的跟踪移位引入的物体高度的变化组成。因此，要避免物镜10的跟踪移位期间像差量的过度增加变得很困难。
光源1D两个发射部分的分布实例是两个发射部分在物象根据物镜10的跟踪移位而移位的方向上对齐。
透镜动作机构3可以构造成在跟踪操作中相对于为两个发射部分的每一个限定的参考位置移动物镜。即，当使用光盘20A时，透镜动作机构3参照第一参考位置移动物镜10，其中在第一参考位置处物镜10中心轴的延伸精确的通过两个发射部分中对应于光盘20A的一个(在扩展光学系统200的情况下)。
另外，当使用光盘20B时，透镜动作机构3相对于第二参考位置移动物镜10，其中在第二参考位置处物镜10的中心轴的延伸精确的穿过两个发射部分中对应于光盘20B的一个(在扩展光学系统200的情况下)。
通过参考每个参考位置进行跟踪操作，可以将像差减为最小水平。
当透镜动作机构3构造成如上所述地调节参考位置时，优选光源1D的两个发射部分在物象根据物镜10的跟踪移位而移位的方向上对齐。在此情况下，物镜10为调节参考位置的移动的方向与物镜10跟踪移位的方向一致。
因此，在此情况下，不需要透镜动作机构3具有移动物镜10以调节参考位置的额外驱动轴。因此，可以防止透镜动作机构3变得复杂。
光学系统200可以配置有检测所使用的光盘类型的功能。在此实施例中，信号处理单元51配置有检测所使用的光盘类型的功能，并且根据检测结果通过驱动器52控制光源1D和透镜动作机构3。
更具体的说，当由信号处理单元51检测所使用的光盘20A时，信号处理单元51控制光源1D发射用于光盘20A的激光束并通过驱动器52控制透镜动作机构3以改变物镜10的位置和空间方位以对光盘20A进行记录/再现操作。当由信号处理单元51检测所使用的光盘20B时，信号处理单元51控制光源1D发射用于光盘20B的激光束并通过驱动器52控制透镜动作机构3，以改变物镜10的位置和空间方位进行光盘20B的记录/再现操作。
当透镜动作机构3构造成如上所述地调节参考位置时，可以根据检测功能的检测结果进行所述的调节操作。
应该注意，信号处理单元51的检测功能可以通过处理传感器4(其接收从光盘返回的光学信号)输出的信号来完成。例如，通过得到从光盘(20A或20B)反射到传感器4的返回光线与从光盘的数据记录表面反射到传感器4的返回光线之间的间隔(到传感器4的距离)，可以实现检测功能，以基于对传感器4的间距确定光盘的厚度，然后确定相对于确定的厚度的光盘类型。
之后，描述根据第一实施例的一个具体实例(第一实例)和根据第二实施例的五个具体实例(第二～第六实例)。
第一实例
根据第一实例的光学系统具有参见图1在第一实施例中所述的结构。因此，下面参考图1解释第一实例。表1展示了根据第一实例的光学系统100的性能指标，表2展示了根据第一实例的光学系统的数值结构。
表1光盘20A设计波长λ(nm)655NA0.620M-0.143覆盖层厚度(mm)0.60
在表1中，M表示放大率，设计波长是适于对所使用的光盘进行记录/再现的波长，NA是光盘一侧上的数值孔径。这些符号也适用于下面其它具体实例中的类似表。
表2 表面号 r d n v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 11.32 #3 1.20 1.544 55.7 #4 1.129 0.80 #5 -1.975 0.60 1.585 29.9 #6 -
在表2中，“表面号”代表光学系统100中光学元件每个表面的表面号。表面号#1和#2分别代表国荒原1的覆盖层(未示出)的表面，表面号#3和#4分别代表物镜10的前后表面，表面号#5和#6分别代表光盘20A的覆盖层和数据记录表面。
在表2中，“r”代表光轴上每个透镜表面的曲率半径(单位：mm)，“d”代表透镜的厚度或从透镜表面到下一个透镜表面的距离(单位：mm)，“n”表示在d线(588nm)处的折射率，“υ”代表在d线处的阿贝常数。这些符号也应用于下述的其它具体实例中的类似表。
物镜10的每个前(#3)和后(#4)表面为非球面。非球面由下列方程表示：
X(h)=Ch21+1-(1+K)C2h2+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12]]>
此处，X(h)表示SAG量，是离开光轴h高度处的非球面上的点到光轴处非球面的切平面之间的距离，符号C表示光轴上的曲率(1/r)，K是锥面系数，A4、A6、A8、A10和A12分别是第四、第六、第八、第十和第十二阶非球面系数。
表3表示物镜10的前后表面(#3和#4)的壁表面系数和非球面系数。
表3表面号 K A4 A6 #3 -0.4700 -2.4000E-02 -4.0000E-03 #4 0.0000 1.8250E-01 -1.2330E-01 A8 A10 A12 #3 -3.1900E-03 -2.9800E-03 -2.3400E-04 #4 6.6000E-02 -2.1330E-02 3.3460E-03
在表3(以及下面的类似表)中，标号E表示10是底数，E的右侧值作为指数。
在上述第一实例的数值结构中，(CMD1/CML1)为-0.528。透镜动作机构3倾斜并移动物镜10，使得(d1·tanθ1/TR)取值为0.45(d1·tanθ1/TR＝0.45)因此，(CMD1/CML1)d1·tanθ1/TR取值为-0.238。根据第一实例的光学系统100满足条件(1)、(2)和(3)。
图4是表示由物镜10的跟踪移位造成的非对称像差量的曲线在图4中(以及在下列曲线中)，竖轴表示像差量，水平轴代表物镜10的跟踪量。在图4中(以及在下列的类似曲线中)，“CM3”代表第三阶彗差，“CM5”代表第五阶彗差，“AS3”代表像散，“总和”代表像差量的总量。
如图4所示，即使物镜由于跟踪操作而移位，也可以充分地抑制彗差和像散(即，具有非对称性的像差)。根据第一实例的光学系统100，可以进行高精度的记录/再现。
第二实例
根据第二实例的光学系统具有参考图3在第二实例中描述的结构。因此，下面参考图3解释第二实例。表4表示根据第二实例的光学系统200的性能指标。表5表示使用光盘20A时第二实例的光学系统200的数值结构。表6表示使用光盘20B时第二实例的光学系统200的数值结构。因为在此实例中光学系统200支持光盘20A(如DVD)和20B(如CD)，所以对每个光盘20A和20B表示性能指标和数值结构。
表4 光盘20A 光盘20B设计波长λ(nm) 655 790NA 0.64 0.51M -0.1334 -0.1317覆盖层厚度(mm) 0.60 1.20
在表4中，M表示放大率，设计波长λ是适于对所使用的光盘进行记录/再现的波长，NA是光盘一侧上的数值孔径。对使用光盘20A和光盘20B等每种情况展示了光盘的厚度和覆盖层。
表5 表面号 r d n v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 15.62 #5(h≤1.34) 1.590 1.65 1.544 55.7 #5(h＞1.34) 1.590 1.65 1.544 55.7 #6 -3.400 1.38 #7 0.60 1.585 29.9 #8 -
表6 表面号 r d n v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 15.99 #5(h≤1.34) 1.590 1.65 1.544 55.7 #6 -3.400 1.01 #7 1.20 1.585 29.9 #8 -
在表5和6中，“表面号”代表光学系统200中光学组件每个表面的表面号。表面号#0表示光源1D，表面号#1和#2分别代表光源1D的覆盖层(未示出)，表面号#3和#4分别代表衍射光栅5的表面，表面号#5和#6分别代表物镜10的前后表面。在表5中，表面号#7和#8分别表示光盘20A的覆盖层和数据记录表面。在表6中，表面号#7和#8分别表示光盘20B的覆盖层和数据记录表面。
如表5所示，物镜10的前表面(#5)被分为内区和外区。内区形成为h(离光轴的高度)≤1.34mm，外区形成为h＞1.34。
根据第二实例的物镜10的前表面(#5)和后表面(#6)是由上述X(h)的方程表示的非球面。表7表示物镜10的前后表面(#5和#6)
表7 表面号 K A4 A6 #5(h≤1.34) -0.4700 -1.3530E-02 -1.1600E-03 #5(h＞1.34) -0.4700 -1.4480E-02 -5.9600E-04 #6 0.0000 5.1500E-02 -1.7120E-02 A8 A10 A12 #5(h≤1.34) -2.5230E-04 -1.4940E-04 7.5050E-06 #5(h＞1.34) -8.5900E-05 -1.8530E-04 1.3200E-05 #6 4.2900E-03 -6.1800E-04 4.5200E-05
在物镜10的前表面(#5)上形成衍射结构。衍射结构由光程差的函数Φ(h)表示：
Φ(h)＝(P2h2+P4h4+P6h6+...)×m×λ
此处，P2、P4和P6是第二、第四和第六阶系数，h表示光轴的高度，m表示衍射级，λ表示工作波长。光程差Φ(h)表示没有穿过衍射透镜结构的假想光束的光程与被衍射透镜结构衍射的光束的光程之差。换言之，光程差Φ(h)表示被衍射透镜结构衍射的每束光的附加光程。“m”表示衍射级。在此实例中，m为1，即采用第一阶衍射光。
表8表示应用到形成在物镜10前表面(#5)上的衍射结构的光程差函数Φ(h)的系数值。
表8 表面号 P2 P4 P6 P8#5(h≤1.34)1.500E+00 -5.5000E+00 -1.0000E-01 -2.5000E-02#5(h＞1.34)1.500E+00 -6.3200E+00 5.0000E-01 0.0000E+00
如表5～8所示，关于曲率半径、非球面形状和衍射结构，物镜10前表面(#5)的内区(h≤1.34)和外区(h＞1.34)具有不同的结构。
在上述第二实例的数值结构中，物镜10具有(CMD1/CML1)＝-0.493和(CMD2/CML2)＝-0.961的光学性能。当使用光盘20A时，透镜动作机构3(即动作器32)在保持d1·tanθ1/TR＝0.5的关系的同时，对物镜10执行跟踪操作和倾斜操作。在此实例中表达式(CMD1/CML1)d1·tanθ1/TR取值为-0.247。因此，根据第二实例的光学系统200在对光盘20A进行记录/再现操作时满足条件(6)、(7)、(8)和(9)。
图5是表示当使用光盘20A时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线。如图5所示，在使用光盘20A时，即使物镜10由于跟踪操作而移位，也可以充分地抑制彗差和像散(即，具有非对称性的像差)。根据第二实例的光学系统200，可以进行高精度的记录/再现。
在第二实例中，当使用光盘20B时不进行物镜10的倾斜操作。因此，满足条件(4)和(5)。图6是表示当使用光盘20B时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差曲线。如图6所示，即使在使用光盘20B时物镜10由跟踪操作而移位，彗差和像散也可以减小到实际中可被忽略的水平。
第三实例
根据第三实例的光学系统具有与第二实例相同的性能指标和数值结构。因此，在此将不重复对第三实例结构的详细描述。关于光盘20A的使用，得到与第二实例相同的优点。
另外，根据第三实例的光学系统200的结构为在使用光盘20A时执行与第一实例相同的倾斜操作。第三实例的特点是当使用光盘20B时执行倾斜操作。
当使用光盘20B时，透镜动作机构3(即动作器32)执行倾斜操作以满足θ2/θ1＝0.4(即满足条件(4))。
图7是表示当使用光盘20B时由物镜10的跟踪移位造成的非对称像差量的曲线。如图7所示，即使在使用光盘20B时物镜10由跟踪操作而移位，彗差和像散也可以减小到实际上可被忽略的水平。
第四实例
根据第四实例的光学系统具有参见图3在第二实施例中描述的结构。因此，下面将参考图3解释第四实例。表9表示根据第四实例光学系统200的性能指标。表10表示使用光盘20A时第四实例的光学系统200的数值结构。表11表示使用光盘20B时第四实例的光学系统200的数值结构。因为在此实例中光学系统200支持光盘20A(如DVD)和20B(如CD)，所以表示了光盘20A和20B每个的性能指标和数值结构。
表9 光盘20A 光盘20B设计波长λ(nm) 655 790NA 0.65 0.51M -0.1429 -0.1411覆盖层厚度(mm) 0.60 1.20
表10 表面号 r d n v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 12.43 #5(h≤1.36) 1.590 2.00 1.544 55.7 #5(h＞1.36) 1.590 2.00 1.544 55.7 #6 -2.940 1.65 #7 0.60 1.585 29.9 #8 -
表11 表面号 r d N v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 12.80 #5(h≤1.36) 1.590 2.00 1.544 55.7 #6 -2.940 0.88 #7 1.20 1.585 29.9 #8 -
表10和11中所示的表面号具有与表5和表6中所示相同的意义。
根据第四实例物镜10的前后表面(#5)、(#6)均是由X(h)的上述方程表示的非球面。表12表示物镜10的前后表面(#5和#6)的锥面系数和非球面系数。
表12 表面号 K A4 A6 #5(h≤1.36) -0.4700 -1.4690E-02 -1.1780E-03 #5(h＞1.36) -0.4700 -1.5490E-02 -4.2180E-04 #6 0.0000 6.7400E-02 -2.5260E-02 A8 A10 A12 #5(h≤1.36) -3.8360E-04 -5.3980E-05 -1.5840E-05 #5(h＞1.36) -2.600E-04 -7.9270E-05 -1.2790E-05 #6 7.1970E-03 -1.2590E-03 1.1210E-04
在物镜10的前表面(#5)上形成衍射结构。表13表示应用到形成在物镜10前表面(#5)上的衍射结构的光程差函数Φ(h)的系数值。
表13 表面号 P2 P4 P6 P8 #5(h≤1.36) 1.0000E+00 -5.4000E+00 -1.5500E-01 0.0000E+00 #5(h＞1.36) 1.0000E+00 -6.1000E+00 5.9000E-01 0.0000E+00
如表10～13所示，关于曲率半径、非球面形状和衍射结构，物镜10前表面(#5)的内区(h≤1.36)和外区(h＞1.36)具有不同的结构。
在上述第四实例的数值结构中，物镜10具有(CMD1/CML1)＝-0.653和(CMD2/CML2)＝-0.191的光学性能。当使用光盘20A时，透镜动作机构3(即动作器32)在保持d1·tanθ1/TR＝0.3关系的同时，对物镜10执行跟踪操作和倾斜操作。在此实例中表达式(CMD1/CML1)d1·tanθ1/TR取值为-0.196。因此，根据第四实例的光学系统200在对光盘20A进行记录/再现操作时满足条件(6)、(7)、(8)和(9)。
图8是表示当使用光盘20A时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线。如图8所示，在使用光盘20A时，即使物镜10由于跟踪操作而移位，也可以充分地抑制彗差，并且像散也可以减小到实际上可以忽略的水平。根据第四实例的光学系统200，可以对光盘20A进行高精度的记录/再现操作。
在第四实例中，当使用光盘20B时不进行物镜10的倾斜操作。因此，满足条件(4)和(5)。图9是表示当使用光盘20B时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差曲线。如图9所示，即使在使用光盘20B时物镜10由跟踪操作而移位，彗差和像散也可以减小到实际中可被忽略的水平。
第五实例
根据第五实例的光学系统具有与第四实例相同的性能指标和数值结构。因此，在此将不重复对第五实例结构的详细描述。关于光盘20A的使用，第五实例得到与第四实例相同的优点。
另外，根据第五实例的光学系统200构造成在使用光盘20A时执行与第一实例相同方式的倾斜操作。第五实例的特点在于跟踪和倾斜操作的跟踪量和倾斜量与第四实例的不同。
具体地说，透镜动作机构3(即动作器32)在保持d1·tanθ1/TR＝0.45关系的同时，对物镜10执行跟踪操作和倾斜操作(即移动和倾斜物镜10)。在此实例中表达式(CMD1/CML1)d1·tanθ1/TR取值为-0.294。因此，虽然跟踪量和倾斜量与第四实例的不同，但对光盘20A进行记录/再现操作时满足条件(6)、(7)和(8)。
图10是表示当使用光盘20A时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线。如图10所示，虽然彗差略大于像散，但像散被极度抑制。因此，根据第五实例的光学系统200具有适合于光盘驱动器的光学系统，其中光盘驱动器具有对像散较高灵敏度的(光学)信号特性。
第六实例
根据第六实例的光学系统具有参见图3在第二实施例中描述的结构。因此，下面将参考图3解释第六实例。表14表示根据第六实例光学系统200的性能指标。表15表示使用光盘20A时第六实例的光学系统200的数值结构。表16表示使用光盘20B时第六实例的光学系统200的数值结构。因为在此实例中光学系统200支持光盘20A(如DVD)和20B(如CD)，所以表示了光盘20A和20B每个的性能指标和数值结构。
表14 光盘20A 光盘20B设计波长λ(nm) 655 790NA 0.65 0.51M -0.1429 -0.1411覆盖层厚度(mm) 0.60 1.20
表15 表面号 r d N v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 16.16 #5(h≤1.48) 1.764 2.00 1.544 55.7 #5(h＞1.48) 1.764 2.00 1.544 55.7 #6 -3.440 1.49 #7 0.60 1.585 29.9 #8 -
表16 表面号 r d n v #0 0.50 #1 0.25 1.516 64.2 #2 2.00 #3 1.00 1.516 64.2 #4 16.53 #5(h≤1.48) 1.764 2.00 1.544 55.7 #6 -3.440 1.12 #7 1.20 1.585 29.9 #8 -
表15和16中所示的表面号具有与表5和表6中所示相同的意义。
根据第六实例物镜10的前后表面(#5)、(#6)均是由X(h)的上述方程表示的非球面。表17表示物镜10的前后表面(#5和#6)的锥面系数和非球面系数。
表17 表面号 K A4 A6 #5(h≤1.48) -0.4700 -1.0160E-02 -7.7660E-04 #5(h＞1.48) -0.4700 -1.0010E-02 -5.1290E-04 #6 0.0000 4.4280E-02 -1.3560E-02 A8 A10 A12 #5(h≤1.48) -1.5300E-04 -5.3300E-05 5.9470E-07 #5(h＞1.48) -9.8500E-05 -6.4860E-05 1.7760E-06 #6 3.1350E-03 -4.3270E-04 2.9490E-05
在物镜10的前表面(#5)上形成衍射结构。表18表示应用到形成在物镜10前表面(#5)上的衍射结构的光程差函数Φ(h)的系数值。
表18 表面号 P2 P4 P6 P8 #5(h≤1.48)1.0000E+00 -3.7630E+00 -7.3000E-02 0.0000E+00 #5(h＞1.48)1.0000E+00 -3.6650E+00 1.8400E-01 0.0000E+00
如表15～18所示，关于曲率半径、非球面形状和衍射结构，物镜10前表面(#5)的内区(h≤1.48)和外区(h＞1.48)具有不同的结构。
在上述第六实例的数值结构中，物镜10具有(CMD1/CML1)＝-0.442和(CMD2/CML2)＝-0.918的光学性能。当使用光盘20A时，透镜动作机构3(即动作器32)在保持d1·tanθ1/TR＝0.55关系的同时，对物镜10执行跟踪操作和倾斜操作(即移动和倾斜物镜10)。在此实例中表达式(CMD1/CML1)d1·tanθ1/TR取值为-0.243。因此，根据第六实例的光学系统200在对光盘20A进行记录/再现操作时满足条件(6)、(7)、(8)和(9)。
图11是表示当使用光盘20A时由物镜10的跟踪移位量造成的非对称像差量的曲线。如图11所示，在使用光盘20A时，即使物镜10由于跟踪操作而移位，也可以充分地抑制彗差和像散。根据第六实例的光学系统200，可以对光盘20A进行高精度的记录/再现操作。
当使用光盘20B时，透镜动作机构3(即动作器32)执行倾斜操作以满足θ1/θ2＝0.2(即满足条件(4))。
图12是表示当使用光盘20B时由物镜10的跟踪移位造成的非对称像差量的曲线。如图12所示，即使在使用光盘20B时物镜10由跟踪操作而移位，彗差和像散即，具有非对称性的像差)也可以减小到实际上可被忽略的水平。
所占以上参考特定的优选实施例详细描述了本发明，但也可以有其他的实施例。
图13表示根据第二实施例的光学系统200改型的光学系统。即，光学系统200B用于对多种类型的光盘进行记录数据和/活再现数据。在图13中，对于类似于图3所示的元件标以相同的标号，并且此处不再重复详细的描述。
如图13所示，光学系统200B具有分离的光源1A和1B。光源1A发射波长适于光盘20A的激光束，光源1B发射波长适于光盘20B的激光束。如图13所示，光源1A发射的激光束穿过衍射光栅6A和分数起2B，并再被物镜10会聚到光盘20A的数据记录表面上。
光源1B发射的激光束穿过衍射光栅6B，并被分束器2B反射入射到物镜10上。然后，从分束器2B反射的激光束被物镜10会聚到光盘20B的记录表面上。来自光盘20A和20B的光信号(反射光束)分别穿过衍射光栅6A和6B被入射到传感器4A与4B。与第二实施例类似，当对覆盖层最薄的光盘(即光盘20A)进行记录/再现时，在物镜的跟踪移位期间进行物镜10的倾斜操作。因此，可以高精度地进行记录/再现操作。