專利名稱：光學(xué)掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括一光學(xué)物鏡的一光學(xué)掃描裝置。更具體地，但非全然地，本發(fā)明涉及一能夠從兩種不同類型的光學(xué)記錄載體，如光盤(CD)和數(shù)字多用盤(digital versatile disc)(DVD)上寫、讀數(shù)據(jù)的光學(xué)掃描裝置，它是利用單一的光學(xué)物鏡系統(tǒng)，分別以不同的波長激光輻射來進(jìn)行這種數(shù)據(jù)寫、讀的。
對于光學(xué)掃描裝置來說，最好是能夠記錄和復(fù)現(xiàn)不同格式的光學(xué)記錄載體。CD是可買到的，特別是，作為CD-A(音響CD)，CD-ROM(只讀存儲器CD)和CD-R(可記錄的CD)。CD是設(shè)計(jì)來用大約780nm的波長和0.45的數(shù)值孔徑(NA)掃描的，DVD則是設(shè)計(jì)來在660nm附近的波長上被掃描的。為了讀取DVD一般使用0.6的NA，而為了寫DVD則一般需要0.65的NA。
DVD和CD在它們的透明基底的厚度上是不同的，從而提供不同的信息層深度。DVD的該信息層深度大約為0.6nm，而CD的深度則大約為1.2mm。這樣，如果CD是用一具有對DVD最佳的物鏡的光學(xué)裝置來掃描，則在該信息層就會導(dǎo)致大量的球面像差。當(dāng)利用單一物鏡系統(tǒng)和660nm波長的激光束并將數(shù)值孔徑(NA)從大約0.45減小到0.38來讀取CD-ROM和DVD時，則就可補(bǔ)償這種效應(yīng)，從而使該球面像差處于該限度之內(nèi)，以便正確再現(xiàn)存儲在該CD-ROM上的信息。但是，如果還用該光學(xué)掃描裝置掃描CD-R，則必須應(yīng)用780nm的激光光束，因?yàn)樵揅D-R是特別為在那個波長上寫和讀而設(shè)計(jì)的。對于CD-R來說，有機(jī)染料被用作記錄薄膜，其反射特性明顯地隨波長發(fā)生變化。對于再現(xiàn)CD-R上存儲的信息來說，實(shí)現(xiàn)對660nm的反射輻射的充分調(diào)制是很困難的。利用780nm的激光光束和0.45的NA，并用與DVD所用的相同的物鏡來讀CD將引起一大的球面像差。因而該球面像差必須用某種方法來進(jìn)行補(bǔ)償，以便獲得一能利用660nm和780nm的激光輻射，和用一單一的光學(xué)物鏡來讀和/或記錄CD-R，CD-ROM，和DVD的光學(xué)存儲裝置。
能利用不同波長的激光輻射和同一物鏡讀DVD和CD的系統(tǒng)在技術(shù)界是已知的。WO 99/57720就描述了一這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用一模制的塑料透鏡具有兩個折射非球面表面或一個非球面表面和一個包含衍射元件的折射球面表面。該透鏡能校正由該兩種盤的格式的厚度差異所引起的球面像差，以及色差。
EP-A-936604描述了一適合用兩不同波長的激光輻射讀、寫DVD，CD-R和CD-ROM格式盤的光學(xué)傳感裝置(optical pickup device)。為此目的，除了物鏡之外還使用了一在中央?yún)^(qū)具有第一衍射光柵圖案和在周圍區(qū)域具有第二衍射光柵的光學(xué)元件。該元件的中央?yún)^(qū)域允許第一波長的激光光束透射而無任何變化，但它卻使第二波長的激光輻射的直徑增大，它使用一階梯光柵分布(stepped grating prfile)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該周圍區(qū)域又允許該第一波長的激光輻射透射而無任何變化，同時遮擋該第二波長的輻射使其不參與該斑點(diǎn)的形成。這樣，對于第二波長輻射的使用來說NA就被減小到該希望的數(shù)值。該元件的中心部分對于該第一波長輻射的零級衍射來說可達(dá)到至少90％的衍射效率，而對于該第二波長輻射的一級衍射來說可達(dá)到至少70％的衍射效率。在所示的例子中，使用了一四階梯的光柵分布，在該光柵分布中每個階梯在高度上都增大同樣的值h1。
本發(fā)明的目的在于提供一改進(jìn)的光學(xué)掃描裝置，以便分別利用第一和第二波長輻射來掃描不同光學(xué)記錄載體。
按照本發(fā)明的一個方面來看，它提供一使用第一和第二波長的輻射來掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)掃描裝置，該裝置具有一衍射部件，該衍射部件包括一具有一階梯分布的圖案元件的圖案，其中與圖案元件的階梯有關(guān)的總的光程基本上等于所述的第一波長的倍數(shù)，使得所述第一波長的輻射基本上不被所述的衍射部件衍射，并使得所述裝置對于所述第一波長具有第一聚焦特性，而且其中該階梯被這樣配置使得該第二波長的輻射被所述衍射部件所衍射，并使得所述裝置對于所選擇的第二波長輻射的衍射級次來說具有一不同于所述第一聚焦特性的第二聚焦特性，其特征在于所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對階梯高度中包括一具有基本等于αλ1的光程的相對階梯高度，其中α是一整數(shù)而且α＞1，λ1是所述第一波長，因此對于所述的選擇的第二波長輻射的衍射級次來說就可提供一改善的透射效率。
選擇適當(dāng)?shù)囊恍┫鄬﹄A梯高度，這些階梯具有這樣一些光程，使其一個或多個可以是該第一波長的倍數(shù)αλ1，這樣，該第一波長輻射將基本不被該衍射部件衍射，該第二波長的輻射在該選擇級次上將同時具有一高的衍射效率，與此同時，還可獲得所希望的聚焦特性。在圖案元件中即使用相當(dāng)少數(shù)的階梯，這一點(diǎn)也能實(shí)現(xiàn)，這樣就可提高制造效率。
該衍射部件可工作在反射狀態(tài)或透射狀態(tài)上。當(dāng)工作在反射狀態(tài)時，該衍射部件就可與用來改變掃描裝置中該輻射光軸方向的反射鏡整合在一起。當(dāng)工作在透射狀態(tài)時，圖案元件的階梯的總的階梯高度最好基本上等于高度h1的倍數(shù)，這里h1=λ1(n-n0),]]>其中，n是用來制作該衍射部件的材料的折射率，而n0則是鄰近介質(zhì)的折射率，所述圖案元件的那些相鄰階梯之間的相對階梯高度中包括一具有基本等于αh1的光程的相對階梯高度。
按照本發(fā)明的另一方面，它提供一用在光學(xué)掃描裝置中的光學(xué)元件，以便分別用第一與第二波長輻射和第一與第二數(shù)值孔徑來掃描具有第一與第二信息層深度的光學(xué)記錄載體，所述的光學(xué)元件包括一衍射部件，其中該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中與圖案元件的階梯有關(guān)的該總的光程基本上等于所述第一波長的倍數(shù)，以便所述的第一波長基本不被該衍射部件衍射和以便所述裝置對于所述第一波長來說具有第一聚焦特性，而其中該階梯是這樣配置的使得該第二波長的輻射可被所述的衍射部件衍射，并使得所述裝置對于所選擇的第二波長輻射的衍射級次來說具有一不同于所述第一聚焦特性的第二聚焦特性，其特征在于所述圖案元件的相鄰階梯之間的那些相對階梯高度中包括具有基本等于αλ1的光程的相對階梯高度，其中α是一整數(shù)而且α＞1，λ1是所述第一波長，因此對于所選的第二波長輻射的衍射級次來說就可提供一改善的透射效率。
按照本發(fā)明的再一方面來看，它提供了一種用在以第一與第二波長輻射來掃描光學(xué)記錄載體的掃描裝置中的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，所述的光學(xué)元件包括一衍射部件，其中，在所述方法的第一部分中，一衍射部件被設(shè)計(jì)來近似一般的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，在每個鋸齒狀的圖案元件的最高邊的高度為h2，產(chǎn)生一基本等于i·2π的位相變化，其中i是一整數(shù)，對于所述第二波長輻射來說，該鋸齒狀結(jié)構(gòu)是用一最初選擇的代表所述的鋸齒狀結(jié)構(gòu)的階梯分布來近似的，而在該方法的第二部分中該最初選擇的階梯分布的相位分布是由一不同選擇的階梯分布來近似，其總的階梯高度近似等于h1′，h1′=λ1n-1k,]]>這里λ1是所述的第一波長，n是用來制作該光學(xué)元件的材料的折射率，n0是鄰近介質(zhì)的折射率，而k是一在一圖案元件內(nèi)取多個值的整數(shù)。
這樣的兩級設(shè)計(jì)方法對于產(chǎn)生下述衍射部件來說是有用的，該衍射部件對于該第一波長的零級衍射輻射具有基本上最大的透射效率，同時還可確保對于所選擇的第二波長的較高衍射級次的輻射還具有相當(dāng)高的效率。
按照本發(fā)明的另一方面，它提供了一可用第一和第二波長來掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)裝置，該裝置包括一衍射部件，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中該階梯的高度是這樣選擇的使得所述第一波長輻射在零級衍射中基本上無衰減地通過所述衍射部件并隨后以第一聚焦特性聚焦；同時使得所述第二波長的輻射被所述衍射部件衍射，得到一所選擇的衍射級次的光束，它具有與所述第一特性不同的聚焦特性。該通過所述衍射部件的輻射可以是在所述衍射部件上反射的輻射或是透過所述衍射部件的輻射。
按照本發(fā)明的另一方面，它提供一光學(xué)元件，用在一光學(xué)掃描裝置中，分別用第一與第二波長的輻射光束和用第一與第二數(shù)值孔徑來掃描光學(xué)記錄載體，所述光學(xué)元件包括一衍射部件，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中該階梯的高度被這樣選擇使得所述第一波長的輻射在零級衍射中基本上無衰減地通過所述光學(xué)元件，并使該裝置具有第一聚焦特性；同時使得所述的第二波長的輻射被所述光學(xué)元件所衍射，得到一所選衍射級次的光束，并使所述裝置具有一不同于所述第一聚焦特性的第二聚焦特性。
通過使透射該第一波長輻射的該階梯分布特性最佳化，用于在該波長上掃描高密度記錄載體，如DVD，的裝置的功能就可得到改善。
現(xiàn)在將僅通過舉例并參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1是按本發(fā)明的一個實(shí)施例的一個光學(xué)記錄載體的掃描裝置的一些部件的示意圖；圖2a是一用在圖1所示掃描裝置中的物鏡的示意圖；圖2b是圖2a所示物鏡的示意前視圖，它示出了一環(huán)狀的衍射結(jié)構(gòu)；圖3a表示一理想的鋸齒狀光柵結(jié)構(gòu)；圖3b表示一近似于光柵結(jié)構(gòu)的四階梯的階梯光柵結(jié)構(gòu)；圖3c表示按本發(fā)明實(shí)施例的另一近似于圖3b所示結(jié)構(gòu)的階梯光柵結(jié)構(gòu)。
圖1是下面將要描述的按該實(shí)施例的裝置所通用的用于掃描光學(xué)記錄載體1的部件的示意圖。該記錄載體1在這實(shí)施例中是一光盤，這將在下面用例子來說明。
該光盤1包括一透明層2，在其一側(cè)至少配置有一信息層3。該信息層的面向遠(yuǎn)離該透明層的那一側(cè)被一保護(hù)層4保護(hù)，使其免受環(huán)境的影響。該透明層面向該裝置的一側(cè)是該盤的入射面5。通過對該信息層或一些層提供支撐，該透明層2起著該光盤的基片的作用。另外，該透明層2可具有保護(hù)該信息層3的基底作用。而機(jī)械支撐是由該信息層的另一側(cè)上的層，例如由保護(hù)層4或另一與該最上面的信息層相連的信息層和透明層提供。
信息可存儲在該光盤的信息層3，或一些信息層中，這些信息是以按基本平行同心的，或螺旋軌道排列的，在光學(xué)上可檢測的標(biāo)記形式存儲在上述信息層中，在圖1中未表示。該標(biāo)記可以是任何在光學(xué)上可讀取的形式，例如凹坑的形式，或具有與周圍環(huán)境不同反射系數(shù)或磁場方向的區(qū)域，或這些形式的組合。
該掃描裝置包含一輻射源6，該輻射源包括一可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光或兩個獨(dú)立的半導(dǎo)體激光，以發(fā)散的輻射光束7向一透鏡系統(tǒng)發(fā)射第一波長和第二波長的輻射。該透鏡系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直透鏡9和一沿光軸13安置的物鏡10。該準(zhǔn)直透鏡3將從輻射源6發(fā)出的發(fā)散光束7轉(zhuǎn)變成基本是準(zhǔn)直的光束15。該物鏡10包括一衍射元件，該衍射元件在圖中用圖案111表示，而且在下面將作更詳細(xì)地描述。該物鏡10將入射的準(zhǔn)直輻射光束15轉(zhuǎn)變成具有一選擇NA的匯聚光束14，到達(dá)該信息層3上的一點(diǎn)18。提供有一檢測系統(tǒng)16，一第二準(zhǔn)直透鏡19，和一分束鏡8，以便檢測數(shù)據(jù)信號和聚焦用來機(jī)械地調(diào)節(jié)該物鏡10的軸向位置的誤差信號。
該衍射光柵11在圖1和圖2A中被配置在該物鏡面向輻射源的一側(cè)。但是，它也可供選擇地配置在透鏡10的另一表面上。
圖2a是用在上述掃描裝置中的物鏡10的一示意圖。該掃描裝置能夠用處于第一數(shù)值孔徑的第一波長的激光輻射21來掃描具有第一信息層深度的光學(xué)記錄載體。該裝置還能夠利用同一光學(xué)物鏡10，并用處于第二數(shù)值孔徑的第二波長的激光輻射23來掃描具有第二信息層深度的光學(xué)記錄載體。DVD格式的盤可用在620和700nm之間的第一波長λ1的激光輻射來掃描，最好是λ1＝660nm。大約0.6的數(shù)值孔徑被用來讀取DVD，而大于0.6的，最好為0.65的NA被用來寫DVD。CD格式的記錄載體可用740和820nm之間的第二波長λ2的激光輻射，最好是λ2＝780nm來掃描，所用的數(shù)值孔徑小于0.5，最好為0.45。該物鏡10分別對由DVD和CD載體的透明層的厚度31和33的差異所引起的球面像差進(jìn)行校正。該透鏡同樣對色球差和色像差進(jìn)行校正。
在本發(fā)明的這個實(shí)施例中，利用單一物鏡元件在不同格式的盤上讀寫數(shù)據(jù)時可用一混合透鏡，即衍射和折射元件的無限共軛模式(infinite-conjugate mode)的組合透鏡來實(shí)現(xiàn)。這樣的混合透鏡可通過，例如平板印刷工藝或金剛石車制的方法在折射透鏡的一個表面上施加一光柵分布來形成。
該物鏡10被示為一凸-凸透鏡；但是，其它的透鏡元件類型，如平-凸或凸-凹透鏡也可使用。雖然物鏡10在本實(shí)施例中是一單透鏡時，但它可以是一包含兩個或更多透鏡元件的復(fù)合透鏡。例如物鏡10可包括一折射物鏡元件和一平透鏡的衍射元件。該衍射元件還可提供在一與該物鏡分離的光學(xué)元件上，例如提供在一四分之一波長片或分束鏡上。
圖2b是該物鏡10的一圖示出該衍射結(jié)構(gòu)的示意前視圖?？梢钥闯觯h(huán)形的光柵結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用，它具有由一些同軸的環(huán)形圖案元件，其寬度向該透鏡中心逐漸增大。每個圖案元件確定了一所謂的衍射元件的區(qū)域。為了使該透鏡對于兩波長都能以無限共軛方式運(yùn)行，該透鏡對于DVD和CD的波長來說產(chǎn)生不同程度的球面像差，以便校正盤的厚度差異。由于該衍射元件的原因由該物鏡所引起的該球面像差的差異與m1λ1-m2λ2成比例，這里m1和m2分別是波長為λ1和λ2的激光輻射的衍射級次。為了能校正該盤厚度差異的影響，該項(xiàng)m1λ1-m2λ2必須不等于零，因而至少對于一個波長的輻射選擇一非零的衍射級次。
在這實(shí)施例中，我們利用λ1并選擇零級來掃描DVD上的數(shù)據(jù)，而利用λ2并選擇一級來掃描CD上的數(shù)據(jù)。由于對DVD來說透射效率比對CD更為重要，為了使該λ1輻射在零級時的透射效率最大，該衍射元件就具有一階梯光柵分布，由此，該階梯高度是這樣選擇的，使得這些階梯引入一基本等于2π的倍數(shù)的相位變化。同時，在所選擇的衍射級次上，例如一級衍射上，λ2輻射的透射效率對于可靠從CD上讀出數(shù)據(jù)也是足夠的。
對于λ2輻射的高效率可理想地用一鋸齒狀的閃耀光柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在這樣的理想光柵的一個區(qū)域中圖案元件的分布示于圖3a中。通過利用這樣的閃耀光柵，和適當(dāng)選擇每個圖案元件的總高度，某個衍射級次的輻射的透射效率就可達(dá)到最大，而其它衍射級次的透射效率就被減小。例如，要是該鋸齒狀的光柵對于一級衍射級次的有效透射是最佳的，則最佳的光柵分布就在每個區(qū)域的最高邊上具有這樣一高度h2，使得它對于所選擇的λ2的波長來說可產(chǎn)生一2π的相位變化。
對該第一衍射級次的最佳化的鋸齒結(jié)構(gòu)可用一階梯分布來近似，由此該位相分布(phase profile)就由下式給出(參看Dammann，Optik31(1972)，p.95)對于j-1≤xP≤j，φ(x)=2π2j-12P----(1)]]>這里j＝1，2，...P和P是用來近似該階梯狀結(jié)構(gòu)的一個區(qū)域的階梯數(shù)。對于四階梯近似來說示于圖3b中的所得結(jié)構(gòu)是這樣一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中所有相對階梯高度都是相等的。可用這種近似達(dá)到的該衍射效率eff由下式給出(Psin(π/P)π)2----(2)]]>該效率eff被定義成由于該衍射過程引起的輻射強(qiáng)度的透射效率。
這樣，被選擇來近似該閃耀光柵的階梯越多，則對于該第二波長λ2的衍射所能達(dá)到的效率就越高。
但最好在該衍射元件的每個圖案元件中使用盡可能少的階梯數(shù)，來實(shí)現(xiàn)物鏡10的更大的制造效率。如果，例如，對于λ2輻射的一選擇衍射級次將達(dá)到某一最小的透射效率，每個區(qū)域所需的階梯數(shù)就可被導(dǎo)出，這將在下面描述。另外，如果受該光學(xué)元件的制造過程限制的每個區(qū)域的最大階梯數(shù)被給定，則對于λ2輻射的一選擇衍射級次的透射效率就可被導(dǎo)出。
此外，為了使λ1輻射的透射效率最大，則將光柵做成階梯結(jié)構(gòu)，選擇每個總的階梯高度h1’，以便引入一基本等于2π倍數(shù)的相位變化。這樣，總的階梯高度h1’被確定為高度h1的倍數(shù)，h1=λ1n-n0,----(3)]]>其中，n是該透鏡材料的折射率，而n0是緊鄰介質(zhì)的折射率(如是空氣，則n0＝1)。
但是具有總階梯高度h1’的階梯，對于λ2的輻射來說并不會引入2π倍數(shù)的相位變化(除非λ1是λ2的倍數(shù))。更確切一些，由每個階梯產(chǎn)生的相位差滿足公式φ2＝2π(b+c)，這里，b是一在橫過所述分布的階梯時可發(fā)生變化的整數(shù)，c是一小于1而大于0的非整數(shù)，在橫過所述分布的階梯時確實(shí)會發(fā)生變化。
表1表示出由總階梯高度h1’為高度h1的倍數(shù)的階梯對λ2的輻射所引入的相位變化。這里為了示范的目的，該物鏡的折射率n被假定對于λ1和λ2兩輻射都為n＝1.65，在這例子中λ1和λ2分別為660nm和780nm。
表1在使用780nm的激光輻射時，由高度h1’等于h1的倍數(shù)的階梯所引入的相位變化。
在λ1和λ2接近的時候(即1/2＜λ1/λ2＜1)，對于階梯值m＝1的c的值將接近于1，當(dāng)m增大時，c將減小到一個值，然后返回到一接近1的值。這樣，在c減小到接近于0的值之前，將存在第一系列的階梯值m＝1，2，...等。在表1所示例子中，這第一系列由m＝1，2，3，4，5，6組成。一般來說，該第一系列由m＝1...M組成，這里m是所有滿足下述關(guān)系的值mλ1＞(m-1)λ2(4)在該設(shè)計(jì)過程的下一步上，對圖3b所示的階梯光柵分布作了這樣進(jìn)一步的近似，使其只使用一些基本等于h1的倍數(shù)的階梯高度h1’。雖然這稍稍減小了λ2的第一衍射級次的輻射的透射效率，但卻確保了λ1輻射的零級衍射以基本上100％的效率透射。為了達(dá)到很好的近似，我們首先借助于方程(1)用一特定階梯數(shù)的階梯函數(shù)對由近似鋸齒狀的光柵結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相位分布進(jìn)行計(jì)算。
為了在等于高度h1的倍數(shù)的階梯高度h1’上尋求一好的近似，我們考察由這些階梯對λ2輻射的透射所引入的相位變化，如表1所示。為了確保該總階梯高度相當(dāng)小和相對階梯高度在圖案元件內(nèi)不會突然躍變，階梯的可能選擇最好限于由方程(4)所確定的第一系列的那些。
現(xiàn)在以兩階梯近似的一級衍射作例子來詳細(xì)說明這一點(diǎn)，對于這例子來說，按照本發(fā)明的一個解被展示在表2中。
表2兩階梯近似的階梯分布(step profile)所得到的理想分布的第一階梯的相位變化(以2π為單位)為0.25。這樣就需要一以h1為單位，可引入接近0.25相位變化的總體高度h1’。從表1，高度h1’＝5h1的階梯，由于產(chǎn)生0.231的相位變化，因而給出了最好的匹配。對于引入0.75的相位變化的總階梯高度來說，階梯高度h1’＝2h1，由于產(chǎn)生0.692的相位變化，因而給出最好的匹配。在這種兩階梯的近似例子中，由第一近似對于該第二波長所達(dá)到的效率是40.5％，用階梯高度為高度h1的倍數(shù)的階梯高度對該階梯分布作進(jìn)一步近似，效率就僅減小到39.9％。在另一方面，如果使用后面為1h1的0h1的階梯高度，則對于780nm輻射的一級衍射來說所得到的效率將只有8.8％。
與第一種近似相反，按照本發(fā)明所得到的階梯分布不再具有恒定增加的階梯高度，或者如果我們相對于鄰近階梯定義一階梯高度，則在一個區(qū)域內(nèi)所得到的階梯高度就包括多個不同的值。
通過提供一圖案元件設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中在鄰近階梯之間的相對階梯高度包括一基本等于αh1的相對高度，其中α是一大于1的整數(shù)，則對于λ2來說與光柵性能有關(guān)的光柵效率與所有階梯高度都是h1的解相比起來可有明顯的改善。
表3和表4分別示出了按照本發(fā)明的三和四階梯模式(pattern)的解。
表3三階梯近似的階梯分布
表4四階梯近似的階梯分布圖3c圖示出所得到的該四階梯例子的階梯分布。在右手邊該高度h1’是以高度h2為單位給出的。對于第一到第四階梯來說，780nm的輻射所得到的相位變化c分別是0.077，0.385，0.692和0.846。在圖3c的左手邊的第一階梯具有最大的總階梯高度，同時在該圖案元件內(nèi)產(chǎn)生最小的c值?？梢钥闯觯趫D3b所示的第一種近似的以恒定的相對階梯高度變化的單調(diào)上升結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)換成在圖3c所示的第二種近似所形成的分布中的單調(diào)下降結(jié)構(gòu)，其相對階梯高度變化是不同的。
還可提供一種階梯分布，這種階梯分布不再是處于單調(diào)遞升或遞降狀態(tài)。例如在四階梯例子中的第四階梯就可用階梯高度h1’＝8h1而不是h1’＝1h1。但是，所得到的近似具有較低的效率，而且這樣的形狀在任何情況下都是難于制造的。但是，如果該方法被應(yīng)用于具有不同參數(shù)的情形，則呈單調(diào)下降形狀的分布可給出更好的近似。
雖然在上面介紹的實(shí)施例中描述了一用來掃描DVD和CD格式載體的掃描裝置，但應(yīng)理解該掃描裝置還可另外用于任何其它類型光學(xué)記錄載體的掃描。雖然在上述實(shí)施例中使用的是660nm和780nm的激光輻射，但卻應(yīng)理解也可使用任何其它適于掃描光學(xué)記錄載體的波長的組合。
如上述實(shí)施例那樣，在該光柵結(jié)構(gòu)被直接提供在一透鏡的彎曲表面時，該輻射都不進(jìn)入各處的垂直結(jié)構(gòu)，而且最好對該階梯高度進(jìn)行校正以便對該表面的彎曲進(jìn)行補(bǔ)償。在曲率最大的邊緣處這高度的校正常?？赡苁谴蠹s10％。類似的校正被描述在M.A.Golub的下述文章中“Generalized conversion from the phase function to theblazed surface-relief profile of diffractive opticalelements”，J.Opt.Soc.Am.A16 1999)p1194-1201。
應(yīng)該明白，在使用術(shù)語“近似的”或“近似”的地方，它是想要覆蓋可能近似的一個范圍，該定義包括這樣的近似，在任何情形下都足以提供一光學(xué)掃描裝置的有效實(shí)施例，用于掃描不同類型的光學(xué)記錄載體。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)掃描裝置，用第一和第二波長的輻射來掃描光學(xué)記錄載體，該裝置具有一衍射部件，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中，與圖案元件有關(guān)的總光程基本等于所述第一波長的倍數(shù)，使得所述第一波長基本不被該衍射部件所衍射，并使得所述裝置對所述第一波長具有第一聚焦特性，其中，該階梯被這樣配置，使得第二波長的輻射被所述衍射部件衍射，并使得所述裝置對于第二波長輻射的所選衍射級次具有一不同于所述第一聚焦特性的第二聚焦特性，其特征在于，所述圖案元件相鄰階梯之間的相對階梯高度包括一相對階梯高度，這相對階梯高度具有基本等于αλ1的光程，其中α是一整數(shù)而且α＞1，λ1是所述第一波長，因此對于所述的選擇的第二波長輻射的衍射級次來說就可提供一改善的透射效率。
2.按照權(quán)利要求1的光學(xué)掃描裝置，其中該圖案元件適于以透射方式工作，圖案元件的階梯的總階梯高度基本上等于高度h1的倍數(shù)，h1=λ1(n-n0),]]>其中，n是制作該衍射部件的材料的折射率，而n0是近鄰介質(zhì)的折射率，所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對階梯高度中包括一相對階梯高度，它具有一基本等于αh1的光程。
3.按照權(quán)利要求1的光學(xué)掃描裝置，其中，在所述圖案元件內(nèi)的相對階梯高度包括多個不同的值。
4.按照權(quán)利要求1或2的光學(xué)掃描裝置，其中，所述的總階梯高度是這樣選擇的，使得所述的每個階梯對于所述的第二波長的輻射都產(chǎn)生一滿足公式φ2＝2π(b+c)的相位差，這里b是一整數(shù)，這整數(shù)在橫過所述圖案元件的階梯時可發(fā)生變化，而其中的c是一小于1的非整數(shù)，它在橫過所述圖案元件的階梯時也確實(shí)會發(fā)生變化。
5.按照權(quán)利要求4的光學(xué)掃描裝置，其中，c在橫過所述圖案元件時或者是單調(diào)升或者是單調(diào)降。
6.按照權(quán)利要求4的光學(xué)掃描裝置，其中，(b+c)在橫過所述圖案元件時或者是單調(diào)升或者是單調(diào)降。
7.按照權(quán)利要求4的光學(xué)掃描裝置，其中，在所述圖案元件的一端的階梯具有所述圖案元件中的最大總階梯高度，而且所述階梯以所述圖案元件中的c的最小值產(chǎn)生一相位差。
8.按照權(quán)利要求1的光學(xué)掃描裝置，其中，在所述圖案元件的一端的階梯對于所述第二波長的輻射產(chǎn)生一近似為2π倍數(shù)的相位差。
9.按照權(quán)利要求1的光學(xué)掃描裝置，其中，由所述衍射部件引起的對于所述第一和第二波長輻射所產(chǎn)生的在球面像差上的差異基本上補(bǔ)償了被所述裝置掃描的第一和第二光學(xué)記錄載體中所產(chǎn)生的球面像差上的差異。
10.一種用在光學(xué)掃描裝置中的光學(xué)元件，它分別用第一和第二波長的輻射和用第一和第二數(shù)值孔徑來掃描具有第一和第二信息層深度的光學(xué)記錄載體，所述光學(xué)元件包括一衍射部件，其中該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中，與圖案元件的階梯有關(guān)的總光程基本上等于所述第一波長的倍數(shù)，使得所述第一波長的輻射基本上不被該衍射部件衍射，和使得所述裝置對于所述第一波長具有第一聚焦特性，以及其中，該階梯被這樣安置，使得第二波長的輻射被所述衍射部件衍射，和使得所述裝置對于該第二波長輻射的所選衍射級次具有與所述第一聚焦特性不同的第二聚焦特性，其特征在于，所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對階梯高度包括一相對階梯高度，這相對階梯高度具有基本等于αλ1的光程，其中α是一整數(shù)而且α＞1，λ1是所述第一波長，因此對于所述選擇的第二波長輻射的衍射級次來說就可提供一改善的透射效率。
11.按照權(quán)利要求10的光學(xué)掃描裝置，其中，該圖案元件適于以透射方式工作，圖案元件的階梯的總階梯高度基本上等于高度h1的倍數(shù)，h1=λ1(n-n0),]]>其中，n是制作該衍射部件的材料的折射率，而n0是近鄰介質(zhì)的折射率，在于所述圖案元件的相鄰階梯之間的相對階梯高度中包括一相對階梯高度，它具有一基本等于αh1的光程。
12.一種用在以第一與第二波長輻射來掃描光學(xué)記錄載體的掃描裝置中的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，所述的光學(xué)元件包括一衍射部件，其中，在所述方法的第一部分中，設(shè)計(jì)了一衍射部件來近似一般的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，每個鋸齒狀圖案元件的最高邊的高度為h2，產(chǎn)生一基本等于i·2π的位相變化，其中i是一整數(shù)，用于所述第二波長輻射，所述鋸齒狀結(jié)構(gòu)是用一最初選擇的代表所述的鋸齒狀結(jié)構(gòu)的階梯分布來近似的，并且其中第二部分中該最初選擇的階梯分布的相位分布是通過一不同選擇的階梯分布來近似，該階梯分布具有總的階梯高度近似等于h1′的一些階梯，其中h1′=λ1n-1k,]]>這里λ1是所述的第一波長，n是用來制作該光學(xué)元件的材料的折射率，n0是鄰近介質(zhì)的折射率，而k是一個在一圖案元件內(nèi)取多個值的整數(shù)。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中該最初選擇的階梯分布具有一相位分布，基本上與下式定義的分布相同φ(x)=2πi(2j-1)2P,]]>這里，j-1≤xP≤j，j＝1，2，…P，P是每個圖案元件中的階梯數(shù)，而i是一整數(shù)。
14.按照權(quán)利要求12的方法，還包括制造所述物鏡的步驟。
15.一種光學(xué)掃描裝置，用第一和第二波長的輻射來掃描光學(xué)記錄載體，該裝置包括一衍射部件，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中該階梯高度是這樣選擇的使得所述第一波長的輻射在零級衍射時基本上無衰減地通過所述衍射部件，并緊接著以第一聚焦特性聚焦；使得所述第二波長的輻射被所述衍射部件衍射，產(chǎn)生一選擇衍射級次的光束，并具有不同于所述第一特性的第二聚焦特性。
16.一種用在光學(xué)掃描裝置中的光學(xué)元件，它分別用第一和第二波長的輻射光束和用第一和第二數(shù)值孔徑來掃描光學(xué)記錄載體，所述光學(xué)元件包括一衍射部件，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中該階梯高度是這樣選擇的使得所述第一波長的輻射在零級衍射中基本上無衰減地通過所述光學(xué)元件，并使該裝置具有第一聚焦特性；使得所述的第二波長的輻射被所述光學(xué)元件所衍射，產(chǎn)生一所選衍射級次的光束，并使所述裝置具有一不同于所述第一聚焦特性的第二聚焦特性。
全文摘要
一種使用第一和第二波長輻射來掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)掃描裝置，該裝置具有一包括衍射部件(11)的物鏡(10)，該衍射部件包括一具有階梯分布的圖案元件的圖案，其中，圖案元件的階梯的總階梯高度基本上等于高度h
文檔編號G11B7/135GK1394335SQ01803468
公開日2003年1月29日 申請日期2001年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月4日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, J·瓦爾斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司