專利名稱：用于掃描記錄載體的光頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描第一和第二不同類型的記錄載體的光頭。本發(fā)明還涉及一種用于掃描兩個不同類型的光記錄載體的裝置，所述裝置包括光頭。兩種類型的記錄載體具有信息層和透明層，通過透明層輻射束可以掃描信息層。對于兩種類型的記錄載體來說，透明層厚度是不同的。光頭包括輻射源，用于產生具有第一波長的用于掃描第一類型的記錄載體的輻射束，和具有不同的第二波長的用于掃描第二類型的記錄載體的第二輻射束。第一輻射束比第二輻射束具有較大的有效數值孔徑，用于掃描信息層。
在光記錄領域中的進展使得市場上出現了新的具有較高信息密度的光記錄載體。一般地說，設計這些記錄載體利用和掃描以前的記錄載體不同的波長和數值孔徑的輻射光束進行掃描。需要設計用于新的記錄載體的掃描裝置能夠掃描舊的記錄載體。因此，掃描裝置必須這樣修改，使得其可以提供兩類輻射光束，每類記錄載體用一種。輻射光束的性能取決于記錄載體的特性。輻射光束的波長取決于記錄信息的記錄載體的標記的光學性能的波長相關性。確定可用于進行掃描的分辨率的輻射光束的波長和數值孔徑取決于標記的尺寸。輻射光束的球面像差補償的數量取決于記錄載體的透明層的厚度，輻射光束通過所述透明層掃描信息層。例如，適用于掃描所謂的DVD類型的記錄載體的裝置提供具有660nm波長、0.6的數值孔徑(NA)和用于記錄載體的襯底厚度為0.6mm的球面像差補償的第一輻射光束。為了寫入上一代的CD型的記錄載體，所述裝置還提供第二輻射光束，其波長為785nm，0.50的NA，和記錄載體襯底厚度為1.2mm的球面像差補償。所述裝置最好具有一個用于把輻射光束聚焦在記錄載體上的物鏡系統(tǒng)，以便保持低制造成本。數值孔徑的改變通過改變入射到物鏡系統(tǒng)上的輻射光束的直徑來實現。
文章“Dual-Wavelength optical head with a wavelength-selective filter for 0.6-and 1.2-mm-thick-substrate opticaldisks”(Katayama等人，Applied Optics，Vol.38，No.17，p 3778-3786，1999年6月10日)披露了一種光頭，其具有一個物鏡系統(tǒng)，用于可以掃描DVD和CD兩種類型記錄的裝置中。輻射源產生第一和第二輻射光束，分別用于掃描DVD和CD記錄。一個光學系統(tǒng)把輻射光束聚焦在記錄載體的信息層上。光學系統(tǒng)包括一個光學元件，其呈具有非周期相位結構的平面平行板的形式。第一和第二輻射光束的直徑在所述光學元件的平面內基本相等。第二輻射光束可以認為包括一個中心子光束和一個外部子光束。第一輻射光束以0.6的第一數值孔徑聚焦在DVD型的記錄載體上，中心子光束以0.45的第二數值孔徑聚焦在CD型的記錄載體上。所述相位結構包括多個同心的區(qū)域，它們形成一個光路圖形，用于在通過所述相位結構的輻射光束中引入一個波前偏移。相位結構具有相應于中心子光束的直徑，并且在中心子光束中引起球面像差，用于補償透明層的厚度差。在相鄰區(qū)域之間的高度差使得在區(qū)域之間的光路差等于第一波長的整數倍，由此使相位結構對于第一輻射光束無效。在相位結構的周圍的光學元件上設置有薄膜干涉層疊體。設計所述干涉層疊體用于透過第一輻射光束Z，而切斷外部子光束。這樣，所述光學元件透過第一輻射光束，而不影響其波長，并具有相應于較大的第一數值孔徑的直徑，其透過中心子光束，引入球面像差，并具有相應于較小的第二數值孔徑的直徑，并且其切斷外部子光束，即位于中心光束的外部的第二輻射光束中的光線。
這種已知的光頭的缺點在于，由于相位結構和薄膜層疊體的存在而導致元件成本相當高。此外，所述薄膜層疊體復雜，因為其必須在第一輻射光束中引入預定的相位偏移，以便實現透過層疊體的輻射光束的部分的波前和透過相位結構的部分同相位。
本發(fā)明的目的在于提供一種包括具有相位結構的廉價光學元件的光頭。
本發(fā)明的目的是通過一種光頭實現的，所述光頭用于掃描包括第一信息層和具有第一厚度的第一透明層的第一光記錄載體和包括第二信息層和具有和第一厚度不同的第二厚度的第二透明層的第二光記錄載體，所述光頭包括輻射源，用于產生具有第一波長的第一輻射光束，和具有與第一波長不同的第二波長的第二輻射光束，所述第二輻射光束包括一個中心子光束和外部子光束，一個光學系統(tǒng)，用于會聚第一輻射光束通過第一透明層聚焦到第一信息層上，并會聚第二輻射光束通過第二透明層聚焦在第二信息層上，以及一個檢測系統(tǒng)，用于接收來自信息層的第一和第二輻射光束的輻射，并包括設置在檢測平面內的光敏區(qū)域，所述光學系統(tǒng)包括具有非周期相位結構的光學元件，所述相位結構包括多個同心區(qū)域，用于在第一輻射光束中引起一個在整體上接近一個平的波前偏移的波前偏移，并在中心子光束中引起一個補償由于第一和第二透明層而引起的球面像差之差的波前偏移，其中，按照本發(fā)明，所述光學元件對于第一輻射光束和第二輻射光束的中心子光束以及外部子光束是透明的，并且在第二輻射光束中產生的波前偏移是這樣的，當中心子光束的焦點位于第二信息層上時，中心子光束和外部子光束的輻射分別在檢測平面內形成中心強度分布和外部強度分布，所述中心強度分布和外部強度分布被一個基本暗的區(qū)域分開，并且所述光敏區(qū)域基本上只捕獲所述中心分布的輻射。
按照本發(fā)明的光學元件無需具有如在已知的光頭中具有的阻斷外部子光束的薄膜層疊體，其對于基本上在第一和第二輻射光束的整個直徑上的第一和第二波長的輻射來說是透明的。因為在按照本發(fā)明的光頭中不需要薄膜層疊體，所以包括相位結構的光學元件的制造成本低。此外，沒有薄膜層疊體使得在第一輻射光束的整個直徑范圍內實現平的波前變得簡單，因為可以通過在第一輻射光束的整個直徑范圍內合理地選擇相位結構的區(qū)域的厚度來維持第一輻射光束的正確的相位。所述光學元件可以是支持所述相位結構的光學系統(tǒng)中的任何元件，例如平面平行板，光束分裂器或透鏡。
所述相位結構校正中心子光束，以便消除球面像差之差，在第二信息層上產生質量好的光點，并在檢測平面內產生相當小范圍的中心強度分布。沒有薄膜層疊體可以使得在第一數值孔徑外部的第二輻射光束的輻射到達記錄載體。因為外部子光束不進行為消除第二透明層的球面像差的校正，由于第二透明層的厚度的偏差而將呈現相當大的像差。外部子光束的射線將到達檢測平面，在所述檢測平面它們將形成其范圍大于中心強度分布范圍的輻射分布。當兩種輻射分布在檢測器平面內疊加時，中心子光束和外部子光束兩者的輻射將入射到檢測系統(tǒng)的光敏區(qū)域上。在這種情況下，難于在中心子光束的射線和外部子光束的射線之間，即在具有小于第二數值孔徑的數值孔徑的輻射和具有較大的數值孔徑的輻射之間進行識別。如果檢測系統(tǒng)捕獲具有較大數值孔徑的射線，則引起利用大于所需的第二數值孔徑的數值孔徑掃描第二記錄載體。因為記錄載體的傾斜引入一個和數值孔徑的立方成正比的彗形波前誤差，掃描數值孔徑的增加將減少記錄載體傾斜上的公差。此外，來自外部子光束的射線可能增加由檢測系統(tǒng)產生的電信號中的噪聲。
如果由相位結構在第二輻射光束中產生的波前偏移得到正確地選擇，則外部子光束將形成一個并不和中心分布重疊的輻射分布。這個所謂的外部強度分布通過一個基本上暗的區(qū)域和中心強度分布分開。在兩個分布之間的分離允許對第二輻射光束中的射線進行空間濾波，這是通過這樣設置檢測系統(tǒng)的光敏區(qū)域，使得其主要捕獲中心強度分布的光線來實現的。然后該記錄載體將用所需的數值孔徑掃描。因而，使用相當廉價的具有非周期相位結構的光學元件，可以有效地保持外部強度分布遠離檢測系統(tǒng)。
“主要地”一詞意味著約小于30％的外部強度分布的強度落到光敏區(qū)域上，最好小于10％。
在檢測系統(tǒng)之前，外部子光束的光線可以利用一個膜被截斷，從而阻止它們落到檢測系統(tǒng)的輻射敏感區(qū)域上。不過，輻射敏感區(qū)域的邊緣最好設置在強度分布的暗區(qū)域中，由此實現空間濾波。檢測系統(tǒng)可以設置在中心強度分布中，對其位置和尺寸不要求精密的公差。
中心強度分布和外部強度分布的分離可以通過第一和第二透明層厚度差以及第二數值孔徑的適當組合來實現。當第二透明層的厚度大于第一透明層的厚度時，外部子光束的焦點沒有經過校正來消除由于厚度差而產生的球面像差，其由第二信息層的位置改變?yōu)槲镧R系統(tǒng)光軸上的一個位置，進一步遠離物鏡系統(tǒng)。換句話說，和第二光束的旁軸焦點相比，第二光束的邊緣焦點進一步從物鏡系統(tǒng)移開。當中心子光束的焦點位于第二類的記錄載體的第二信息層上時，這個子光束的輻射在檢測平面內形成中心強度分布。外部子光束的焦點相對于中心子光束的焦點沿軸向移動，使得子光束的輻射位于檢測平面的焦點之外，因此在檢測平面內形成具有和中心區(qū)域同心的環(huán)形外部強度分布。如果散焦量正確，則中心分布和外部分布將由暗區(qū)域分開，因而能夠進行空間濾波。
在一個特定實施例中，按照本發(fā)明的相位結構在第二輻射光束中引入球面像差和散焦，所述散焦影響中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的軸向距離。
在一個特定的實施例中，相位結構在中心子光束中引入散焦。相位結構的范圍可以限定于光學元件平面內的中心子光束的橫截面。光頭的聚焦伺服系統(tǒng)將使中心子光束的焦點位于第二信息層的平面內，并且外部子光束的焦點和所述平面相比將位于靠近或者遠離物鏡的位置。
在另一個實施例中，相位結構在外部子光束中引入散焦。此時，相位結構將在第二輻射光束的整個直徑范圍內延伸。在外部子光束的焦點沿著物鏡系統(tǒng)的方向移動的情況下，如果不在引入球面像差的相位結構的部分中引入散焦，則用于引入球面像差的相位結構的復雜性可被減少。
使相位結構對第一輻射光束的影響最小，即如果，最好是，相位結構的相鄰區(qū)域的光路之間的差基本上等于第一波長的整數倍，則相位結構引入一個整體平的波前偏移。
最好是，散焦量至少是12.5微米，以便有一個尺寸合理的暗區(qū)域。
本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于掃描兩類光記錄載體的裝置，所述裝置包括上述的光頭和用于誤差校正的信息處理單元。當掃描第二類記錄載體時，檢測器上的雜散光量的減少使得由檢測系統(tǒng)產生的并代表從所述記錄載體讀出的信息的電信息信號中的噪聲減少。相位結構還增加第二記錄載體的傾斜限度，由此減少在輻射光束中的彗形像差數量，以及相關的軌跡之間的交擾和內部符號之間的干涉。信息信號的較高質量使得信號中的錯誤數減少，由此減少加于信息處理單元上的用于誤差校正的要求。
本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特征在下面對附圖所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體的說明中將會更加明顯，其中

圖1表示按照本發(fā)明的掃描裝置；圖2表示具有常規(guī)相位結構的光學元件；圖3A和圖3B分別表示用于常規(guī)相位結構和本發(fā)明相位結構的檢測系統(tǒng)平面內的輻射分布；圖4表示掃描裝置的光路的示意截面圖；圖5表示具有強度分布的象限檢測器；圖6表示光學元件的截面圖及其對于兩個不同波長λ1和λ2的光路差；以及圖7是和圖6相同的圖，表示用于在相位結構中具有傾斜區(qū)域的光學元件。
圖1表示用于掃描第一類型的第一光記錄載體2和第二類型的第二記錄載體40的裝置1。在所示的實施例中，第一類型是數字通用光盤(DVD)，第二類型是可寫的光盤(CD)。記錄載體2包括透明層3，在其一側上設置有信息層4。信息層的背離透明層的一側由保護層5保護免受環(huán)境的影響。透明層面向裝置的一側被稱為輸入面6。透明層3作為記錄載體的襯底，用于對信息層提供機械支撐。作為選擇，透明層還具有保護信息層的基底功能，同時由在信息層的另一側上的層對信息層提供機械支撐，例如由保護層5或由與信息層4相連的另一個信息層和透明層。信息可被存儲在記錄載體的信息層4上，所述記錄載體呈光可檢測的標記的形式，所述標記基本上沿平行的，同心的或者螺旋形的軌跡設置，圖中沒有示出。標記可以采取任何光可讀的形式，例如以坑的形式，或者呈具有反射系數或與其周圍不同的磁化方向形式，或者這些形式的組合。
掃描裝置1包括輻射源，其可以發(fā)射第一和第二不同波長的輻射光束7和8。在圖中所示的輻射源包括兩個半導體激光器9和10，它們發(fā)射輻射光束7和8。光束組合器11，例如半透明板，把兩個光束7和8的光路合成一個光路。兩個輻射源可組合在一個襯底上，并且如果兩個輻射源足夠接近，光束組合器13可以省去。第一輻射光束用于掃描第一類型的記錄載體2。第二輻射光束8用于掃描第二類型的記錄載體40。第二光束分裂器13在朝向準直透鏡14的光路上反射來自光束組合器11的發(fā)散的輻射光束12，所述透鏡把發(fā)散的光束12會聚成準直光束15。準直光束15入射到透明的光學元件16上，其改變準直光束的波前。來自光學元件16的光束17入射到物鏡系統(tǒng)18上。所述物鏡系統(tǒng)可以包括一個或幾個透鏡和/或光柵。透明光學元件16可以集成在物鏡系統(tǒng)18中。物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。物鏡系統(tǒng)18把光束17變成會聚光束20，入射到記錄載體2的入射表面6上。物鏡系統(tǒng)具有用于使第一輻射光束通過透明層3的厚度的球面像差校正。會聚光束20在第一記錄載體2的信息層4上形成光點21。由信息層4反射的輻射形成發(fā)散光束22，其被物鏡系統(tǒng)18轉換成基本上準直的光束23，隨后由準直透鏡14轉換成會聚光束24。光束分裂器13通過朝向檢測系統(tǒng)25透射會聚光束24的至少一部分分裂成向前光束和反射光束。檢測系統(tǒng)具有位于檢測平面25’中的輻射敏感區(qū)域。檢測系統(tǒng)的輻射敏感區(qū)域捕獲所述的輻射光束，并將其轉換成電輸出信號26。信號處理器27把這些輸出信號轉換成各種其它信號。其中的一個信號是信息信號28，其值表示從信息層4讀出的信息。信息信號被信息處理單元處理，進行誤差校正29。來自信號處理器27的其它信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號30。聚焦誤差信號表示光點21和信息層4之間的沿高度方向的軸向差。徑向誤差信號表示光點21和由所述光點跟隨的信息層中的軌跡的中心之間在信息層4的平面內的距離。聚焦誤差信號和徑向誤差信號送入伺服系統(tǒng)31，其把這些信號轉換成伺服控制信號32，用于分別控制聚焦致動器和徑向致動器。所述致動器在圖中沒有示出。聚焦致動器沿聚焦方向33控制物鏡系統(tǒng)18的位置，由此控制光點21的實際位置，使得其基本上和信息層4的平面一致。徑向致動器沿徑向34控制物鏡18的位置，借以控制光點21的徑向位置，使得其基本上和信息層4中被跟蹤的軌跡的中心線一致。所述軌跡在圖中沿垂直于圖的平面的方向延伸。
圖1的裝置按照本發(fā)明進行修改使得也用于掃描第二類型的第二記錄載體40。這種記錄載體包括一個比第一記錄載體2較厚的透明層41、信息層42、保護層43和入射面44。所述裝置使用第二輻射光束8掃描信息平面42。第二輻射光束的數值孔徑(NA)可以適合于獲得會聚光束45，其具有適合于形成用于掃描信息層42的焦點47的NA。NA的合適的值對于DVD型記錄載體是第一數值孔徑0.6的NA1，對于可寫的CD型記錄載體是第二數值孔徑0.5的NA2。一般地說，第二輻射光束46比用于形成會聚光束45所需的直徑更大。形成會聚光束45的第二輻射光束46的部分稱為中心子光束48，圍繞中心子光束48的第二輻射光束的環(huán)形部分稱為外部子光束49。
物鏡系統(tǒng)18的球面像差補償不適用于透明層41的厚度，這是因為所述透明層的不同的波長和不同的厚度所致。設計光學元件16用于引入波前偏移，當第二輻射光束通過所述光學元件時，所述波前偏移具有球面像差的形式。在入射到物鏡系統(tǒng)中的中心子光束48中引入的球面像差這樣選擇，使得由光學元件16和物鏡系統(tǒng)18在輻射光束中引入的組合的球面像差補償由輻射光束通過透明層41時產生的球面像差。
圖2表示通過光學元件16的光軸19的橫截面的例子。光學元件包括透明板50，其一個表面51具有相位結構52，所述相位結構圍繞光軸19呈旋轉對稱。圖中所示的相位結構具有中心區(qū)域53和8個同心的環(huán)形區(qū)域54-61。這些區(qū)域具有不同的高度，從而形成通過光學元件透射的輻射光束的光線的不同的光路。圖中這些區(qū)域的高度相對于板50的厚度和徑向范圍被夸大了。如下所述，相位結構的正確設計使得能夠在具有波長λ1和λ2的第一和第二輻射光束中分別引入一個預定的波前偏移。在圖1所示的裝置的實施例中，相位結構在第一輻射光束中不引入波前偏移，在第二輻射光束的中心子光束中引入球面像差并可能引入散焦，并且在第二輻射光束的外部子光束中不引入波前偏移。
如果由相位結構引入的波前偏移選擇不恰當，則在檢測系統(tǒng)的平面內的強度分布將具有圖3A所示的分布70的形式。這種分布在中心具有最高的強度，隨著離開中心而減小。虛線圓環(huán)71是這樣一個圓環(huán)，具有小于NA2的數值孔徑的光線，即來自中心子光束48的并應當由檢測系統(tǒng)捕獲的光線位于其內部。來自外部子光束49的光線部分地落在圓環(huán)的內部，部分地落在圓環(huán)的外部，并在由檢測系統(tǒng)產生的電信號中引起噪聲，并減少裝置的允差。設置一個檢測系統(tǒng)，使得其只捕獲來自中心子光束48的光線是困難的。
圖3B表示當使用正確設計的相位結構時第二輻射光束的檢測系統(tǒng)25的平面內的輻射分布70’。在檢測系統(tǒng)的平面內，中心強度分布72和環(huán)形的外部強度分布73可以由環(huán)形暗區(qū)域74區(qū)分、分開。來自中心子光束的具有小于NA2的數值孔徑的光線被限制在中心分布72內。具有較大的數值孔徑的來自外部分布的光線落在外部分布74中。按照本發(fā)明的相位結構提供了兩種分布的正確的分離，從而使得需要的和并不需要的光線能夠實現精確的空間隔離。暗環(huán)使得檢測系統(tǒng)能夠相對地獨立于檢測系統(tǒng)的輻射敏感區(qū)域的實際尺寸被正確地定位。這又使得在信息層42上的中心子光束的焦點和外部子光束的焦點位置的軸向移動有助于暗區(qū)域的產生。
下面參照圖4說明在中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間引入聚焦偏移的效果。準直透鏡14由線80表示，物鏡系統(tǒng)18由線81表示，信息層42由線82表示，檢測平面25’由線83表示。檢測系統(tǒng)的輻射敏感區(qū)域的范圍由粗線84表示。光軸由虛線85表示。該圖所示的是光學元件集成在物鏡中的情況。本說明的第一部分假定，記錄載體40沒有用于向信息層42透射輻射光束的透明層41。適合于小于NA2的NA的輻射光束的半徑范圍的光線86由透鏡81在光軸85上的信息層82上聚焦。在反射之后，光線由物鏡81校準，并由準直透鏡80會聚，從而在光軸上經過檢測平面83。光線87在適合于大于NA2的NA的輻射光束的半徑范圍內，并且在入射到物鏡系統(tǒng)之前，和光線86平行行進。物鏡系統(tǒng)產生的散焦量對于具有NA＜NA2的中心子光束中的光線和具有NA＞NA2的外部子光束中的光線不同。圖4的例子表示，物鏡系統(tǒng)對于外部子光束比對于中心子光束具有較大的焦距。如果中心子光束的散焦增加物鏡系統(tǒng)和中心子光束焦點之間的距離，則兩個焦點之間的距離Δz取為負的。圖中Δz的值是負的。
光線87應當在離開信息層82和光軸的交點一段距離Δz處和光軸相交。不過，在信息層上的反射重新把光線引向物鏡系統(tǒng)81。物鏡系統(tǒng)81和準直透鏡80使光線在檢測平面83的后面和光軸相交。只要輻射敏感區(qū)域84的范圍足夠小，光線就不會被所述區(qū)域截斷。由旁軸計算得知，在信息層82上的具有數值孔徑NA的光線87在由下式給出的高度r和檢測平面83相交r(NA)=|2NAFservoFobjΔz|----(1)]]>其中F0和Fc分別是物鏡系統(tǒng)和準直透鏡的焦距。當|Δz|>RdFobj2NA2Fservo----(2)]]>時，則適合于大于NA2的NA的光線不落在具有半徑Rd的輻射敏感區(qū)域84上。當Rd＝50微米，Fobj＝2.75毫米，Fservo＝11毫米，NA2＝0.5時，Δz的絕對值|Δz|必須大于12.5微米。
當記錄載體具有不同厚度的透明層3和41時，根據記錄載體的類型，光線將發(fā)生一定數量的球面像差。由于透明層的厚度差Δd引起的球面像差由Wdisc(ρ)給出，ρ是按NA2標稱的光瞳配位，即相應于NA2，ρ＝1。在這個例子中，在光學元件上的相位結構對于中心子光束，即對于具有NA＜NA2的光線補償Wdisc(ρ)，并對于中心子光束引入一個等于Δz的相應于焦點的軸向偏移的散焦。不對外部子光束補償厚度差Δd，也不移動焦點。在存在像差時，外部子光束具有其最好的焦點位置，所述焦點位置從沒有像差時的位置移動一個距離Δzb。如果在中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的軸向距離滿足|Δz-Δzb|>RdFobj2NA2Fservo----(3)]]>則外部子光束的光線將不入射到輻射敏感表面84上。
當只考慮三階像差時，可以獲得Δzb的估算?？偟牟ㄇ跋癫頦(ρ)，其由厚度差Δd引起的波前像差Wdisc(ρ)和外部子光束的焦點的焦點偏移Δzb引起的波前像差構成，由下式給出W(ρ)＝Wdisc(ρ)+W∫ocus_out(ρ)(4)其中Wdisc(ρ)=-18Δdn2-1n3NA24ρ4----(5)]]>Wfocus_out(ρ)=12ΔzbNA22ρ2----(6)]]>其中n是透明層4 1的折射率。在式(5)和式(6)中的波前像差被表示為Seidel多項式的形式。對于NA＜NA2，和波前像差的Wdisc(ρ)成正比的球面像差項由相位結構補償，同時還由相位結構產生Δz的焦點偏移。外部子光束的焦點的最好位置可以通過使作為散焦位置Δzb的函數的外部子光束的光路差(OPD)的最小值求得OPD2=2∫1ρ1W(ρ)2ρdρρ12-1-(2∫1ρ1W(ρ)ρdρρ12-1)2----(7)]]>其中ρ1＝NA1/NA2。對于Δzb=14Δdn2-1n3NA22(1+ρ12)----(8)]]>獲得最小值OPD。
對于n＝1.58，NA2＝0.5，ρ1＝1.2，Δd＝0.6mm，距離Δzb＝34.7微米。圖5的光學系統(tǒng)的更精確的光線跟蹤分析給出Δzb＝34.8微米。如果外焦點的位置由于球面像差的存在而遠離物鏡系統(tǒng)，則Δzb的值是正的。
應用于本例的公式(2)和(3)產生在中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的12.5微米的最小距離。當其和外部子光束的焦點的位置組合時，即Δzb＝34.8微米時，為了使外部子光束的光線不落在檢測系統(tǒng)的輻射敏感表面上，由相位結構在中心子光束中引入的散焦Δz的量必須滿足Δz＜22.3μm或Δz＞47.3μm.
在這個特定的例子中，當Δz＝0時獲得正確的散焦，此時相位結構不引入散焦。關于Δz的優(yōu)選值取決于光學元件的工藝性。
如果相位結構的同心區(qū)域較寬，則光學元件容易制造。如果W(ρ)的斜率較小，則所述區(qū)域較寬。按照三階像差，我們發(fā)現，當相位結構引入一個散焦量Δz時，必須由相位結構補償的波前W(ρ)由下式給出W(ρ)=-18Δdn2-1n3NA24ρ4+12ΔzNA22ρ2----(9)]]>當Δz由下式給出時Δz=14Δdn2-1n3NA22----(10)]]>則W(1)＝0。對于這個W的值，波前是相當平的，此時相位結構容易制造。對于上述的例子，這產生Δz＝14.2微米。當W(1)＞0時，波前的斜率變小，從而進一步改善工藝性，但是使得減小空間濾波的質量。此外，當W(1)＜0時，空間濾波被改善，但是工藝性變差。Δz的優(yōu)選的值是使波前具有最小的最大斜率值。
在這個實施例中，物鏡系統(tǒng)10具有一個透鏡，用于把波長λ1＝600nm的入射的平行光束聚焦成為NA＝0.6的會聚光束，其通過透明層3在信息層上形成光點。在這個實施例中的自由工作距離是1.290mm。透明層的厚度是0.6mm，由折射率n＝1.5803的聚碳酸酯制成。透鏡在光軸上的厚度為1.922mm，入射光瞳的直徑為3.3mm。透鏡本體由折射率n＝1.7767的SFL56 Schitt玻璃制造。朝向準直透鏡的透鏡本體的凸面的半徑為2.32mm。透鏡呈球形，以便補償由第一輻射光束在第一透明層3中引起的球面像差。所述球形借助于在玻璃體的頂上的丙烯薄層來實現。漆膜的折射率n＝1.5646。這一層在光軸上的厚度是22微米。由下式給出旋轉對稱的球形z(r)＝B2il2i(11)其中z是沿從輻射源到記錄載體的方向沿著光軸的表面位置，以毫米測量，r是到光軸的距離，單位是毫米，Bk是r的第k次冪的系數。系數B2-B14在本例中分別是0.24134835，0.0051012159，-0.00098850422，0.00060334583，-0.00021740397，1.9331367 10-5和1.6587855 10-6。
光學元件16由在660納米時折射率為1.4891的平的PMMA板制成的非周期相位結構，其被設置在面向準直透鏡的物鏡的一側。從光軸19到和第二數值孔徑匹配的半徑的帶高分布是0h，5h，4h，3h，2h，3h，4h，5h，0h，其中高度h1＝1.349微米。區(qū)的邊界分別由0.3322mm，0.4893mm，0.6241mm，0.7728mm，1.1537mm，1.2413mm，1.3010mm，1.3497mm，1.3900mm給出，它們分別是相應于第二數值孔徑的最后的半徑。伺服透鏡的焦距FSERVO＝11mm。
相鄰區(qū)域之間的高度差等于由下式給出的高度h1的m倍h1=λ1n1-1]]>其中λ1是第一波長，n1是環(huán)形區(qū)域材料在波長λ1下的折射率。倍數m可以是任何整數值，例如-1，0或1。同心區(qū)域相對于中心區(qū)域53的高度是0，5，4，3，2，3，4，5，和0倍的h1。由相位結構的相鄰區(qū)域在穿過光學元件的波長為λ1的第一輻射光束中引入的光路差(OPD)等于mh1(n1-1)，其等于mλ1。結果，相位結構對第一輻射光束引入一個平的波前偏移，換句話說，相位結構不影響第一輻射光束的波前。
對于CD的讀/寫操作，波長λ2＝780nm，NA＝0.5。物鏡的仿形層在這個波長下的折射率是1.5589，物鏡的玻璃本體的折射率是1.7661，PMMA板的折射率是1.4862，聚碳酸酯透明層41的折射率是1.5735。透明層41的厚度是1.2mm。自由工作距離是0.9550mm。在這種情況下，符合NA＝0.5的入射光瞳的半徑是1.3900mm。
當第二輻射光束通過光學元件16時，其波前將受影響，這是因為其具有和λ1不同的波長λ2，并且由同心區(qū)域引入的光路差不等于λ2的倍數?，F在對于圖2所示的特定的相位結構確定所述的光路差。同心區(qū)域的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，對于λ1＝660nm，折射率n1＝1.4891，對于λ2＝785nm，折射率n2＝1.4862。表1表示對于臺階高度mh1，其中m具有1-6的值，光路差OPD被λ2除的結果，即(mh1(n2-1)modλ2)/λ2。注意，在表中的最大的高度給出最小的OPD。
表1
已經選擇環(huán)形區(qū)域的高度和徑向范圍使得引入一定量的球面像差，其等于在波長為λ2的，NA2＝0.5的會聚光束45中由1.2mm的透明層引入的球面像差和由透鏡系統(tǒng)18在光束45中引入的補償的和。所述的和等于由于記錄載體的透明層的厚度的不同而產生的球面像差中的差。物鏡系統(tǒng)的球面色差，即在波長從λ1變?yōu)棣?時，由物鏡系統(tǒng)引入的球面像差中的改變的數量級小于由于厚度的不同而產生的球面像差的差的數量級，并且被認為包括在上述的差值中。按照本發(fā)明，在Zirnike多項式的項中增加了數量為0.30λ的散焦。散焦的正的符號表示在中心光束和物鏡之間的一個較大距離。
相位結構在中心子光束中引入一定數量的用于補償透明層3和41之間的厚度差以及用于補償由物鏡引入的由于波長從λ1改變?yōu)棣?而引起的球面像差的改變即物鏡的球面色差所需的球面像差。相位結構還在中心子光束中引入一定數量的散焦，其產生等于14.2微米的相應于W(1)＝0的焦點偏移Δz。
按照光線跟蹤計算，當自由工作距離大于18.4微米時，應當獲得具有NA＞0.5的光束的最好焦點位置。因此，在檢測系統(tǒng)附近的外部子光束的焦點位于檢測平面的后面，從而在內徑為80微米的檢測平面內形成環(huán)形的輻射分布。當使用具有半徑Rd＝50微米的光敏區(qū)域的檢測系統(tǒng)時，這個分布使得能夠進行空間濾波。當使用這種檢測器時，在內外光束之間的焦點偏移的絕對值最好大于11.3微米。
在相位結構的上述例子中，外部子光束的最好的焦點位置是18.4微米，比內部子光束更遠離物鏡，從而允許使用80微米的最大檢測器半徑。通過在整個NA1孔徑上延伸非周期的相位結構，在中心子光束和外部子光束之間的焦點偏移可以進一步增加。設對于NA＜NA2的非周期相位結構和上述的例子中的相同。所述非周期相位結構在NA＞NA2，或r＞1.39毫米的范圍內由3個臺階構成。在這些臺階之間的同心區(qū)域的范圍是1.39-1.48mm，1.48-1,57mm，1.57-1.65mm。這些臺階的高度分別是2h1，1h1，和0h1。非周期相位結構的外部把平的入射的外部子光束轉換成整體上近似于會聚光束的光束。對于外部子光束的物鏡的物距已經從負的無窮大改變?yōu)?＝-1260.4mm。此時在圖像距離中所得的焦點偏移Δzb由下式給出Δzb=-Fobj2l----(15)]]>得到Δzb＝6.0微米。結果，當在物鏡和盤之間的自由工作距離相對于中心子光束的焦點增加18.4微米+6.0微米＝24.4微米時，獲得外部子光束的最好的焦點位置?，F在允許的最大檢測器直徑增加到105微米。
具有相位結構的光學元件可以利用所謂的復制工藝制造，其中在襯底上淀積漆層，例如Diacryl，由具有負相位結構輪廓的模具成形，并由UV輻射硬化。作為選擇，光學元件可以利用在模具中對整個元件進行注入模制制成，所述模具的一半具有相位結構的輪廓。光學元件還可以用反射方式操作。在這種情況下，上述的關于h1的公式必須用h1＝λ1/2代替，并且表1也相應地改變。由實際制造的光學元件引入的波前可以通過在光學元件的前后測量輻射光束的波前進行確定，或者通過測量相位結構的同心區(qū)域的高度和范圍來確定。在后一種情況下，通過由相位結構的尺寸計算的臺階狀的波前來擬合包括散焦和球面像差項的多項式函數。
可以利用散光方法使圖1所示的光頭的實施例適合于形成焦點誤差信號30。所述方法是已知的。對光頭提供透鏡90，其設置在光束分裂器13和檢測系統(tǒng)25之間的第一和第二輻射光束的光路中。所述透鏡由在第二波長下折射率為1.5734的聚碳酸酯制成。其在光軸上的厚度為0.9mm。透鏡的一個表面是半徑為15.5mm的圓柱，另一個表面是半徑為3.44mm的球面。透鏡90使中心子光束形成兩個聚焦線，一個在檢測平面25’的前方0.299mm，另一個在檢測平面25’的后方0.355mm。當中心子光束的焦點位于信息層42上時，最小散射的基本上為環(huán)形的所謂光點處于檢測平面內，并具有55微米的幾何直徑D。這個光點是圖3B的中心強度分布72。散光的聚焦線具有長度2D。圖5表示在象限檢測器形式的檢測系統(tǒng)25的實施例的輻射敏感區(qū)域92上的中心強度分布91的位置。區(qū)域92被兩個線94分成4個相等的大的子區(qū)域93。透鏡90的圓柱的軸線和線94的方向成45度角。結果，聚焦線的方向和方形檢測器的邊成45度角，如果是方形的，波前輻射敏感區(qū)域應當具有L×L的尺寸，其中L大約等于根號2乘以D或更大。在檢測系統(tǒng)的這個實施例中，區(qū)域92L×L的尺寸是100微米×100微米。圖中示出了在檢測平面內的外部強度分布95。為了防止外部強度分布的輻射落在輻射敏感區(qū)域上，外部強度分布的內徑應當大約是根號2乘以L或更大。在本實施例中，內徑應當大約是根號2乘以100微米＝142微米或更大。輻射敏感區(qū)域的邊緣可以在外部輻射分布內延伸一小段距離，只要被遮斷的外部輻射光束的輻射不超過上述的數量即可。由物鏡系統(tǒng)形成的中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的距離必須至少為16微米，以便實現所需的內徑。焦點偏移和上述實施例中計算的焦點偏移具有相同的數量級。
通過對波前進行小的校正可以進一步改善空間濾波。這可以參照圖6和圖7進行說明。圖6的上部的曲線表示相位結構的區(qū)域的高度h，以作為相位結構半徑的函數h1為單位。注意，圖6和圖7中的半徑可以不精確地相應于上述實施例中的區(qū)域半徑。圖6的相位結構不包括改進的空間濾波的特征。半徑根據在輻射光束中的光線的數值孔徑NA表示，所述光線位于離開輻射光束的中心光線一段等于所述半徑的距離處。對于符合所謂的正弦條件的透鏡在空氣中半徑r和數值孔徑NA之間的關系由NA＝r/f給出，f是物鏡系統(tǒng)18的焦距。圖中分別示出了對于CD和DVD為0.5和0.6的NA。外部區(qū)域60位于區(qū)域62，其具有0高度并延伸到NA2。和0高度區(qū)域63一道，其形成區(qū)域61。在圖6中部的曲線64表示OPD或由相位結構在第一輻射光束中引入的波前偏移，所述OPD是相對于光束的中心光線的光路，以λ1為單位。區(qū)域54-60的OPD是負的，因為光線被圖2所示的相位結構延遲。換句話說，當引入的波前偏移是凸形時，相位結構的形狀部分地呈凹形。在圖中部的虛線65表示在通過光學元件透射之后在第一輻射光束中引入的波前偏移。所述波前偏移在整體上和在局部上是平的，表示光學元件不影響第一輻射光束。物鏡系統(tǒng)18引入一定數量的用于補償在第一類記錄載體的透明層3中由第一輻射光束引起的球面像差所需的球面像差。因而，在通過光學元件16和物鏡系統(tǒng)18之后，第一輻射光束對于第一類記錄載體被正確地補償。
由光學元件在第二輻射光束中引入的波前偏移由圖6底部的曲線66示出。沿著垂直軸的OPD以λ2為單位給出。虛線曲線67-68是由于記錄載體的透明層的厚度不同而引起的球面像差的差值。所述在球面像差中的差值必須被高達NA2＝0.50的光學元件16補償，即高達用于掃描第二類的記錄載體的第二輻射光束的數值孔徑。底部曲線表示，臺階狀的波前66在整體上近似所需的球面像差67。不過，所述近似在局部值上即在同心區(qū)域的值上是不合適的每個區(qū)域給出一個平的波前偏移，而對于所述區(qū)域所需的波前偏移基本上不是平的。在局部值上的差異使得球面像差的校正不完善，如在底部圖中的鋸齒線69所示。這個線是在焦點47附近的波前，以λ2為單位測量。所述波前是要被校正的波前67和光學元件的實際波前校正66之間的差。
第二輻射光束的不完善的校正影響檢測系統(tǒng)25檢測從記錄載體40返回的輻射光束。如果從光學元件16發(fā)出和射向檢測系統(tǒng)的光束的波前是平的，則準直透鏡14應當把構成光束的光線正確地聚焦在輻射光束的中心光線和檢測系統(tǒng)的交點上。雖然光學元件實質上減小了由于球面像差導致的波前相位誤差，但是其沒有改變波前的梯度或斜度。因為在波前上的局部法線是輻射光束中的光線方向，所以光線方向可以由鋸齒輪廓69的法線求得。其中球面像差被校正的與輪廓69相應的方向和其中球面像差不被校正的輪廓67的相同。光線的方向是這樣的對于小于大約0.35的NA，光線和比具有大于0.35的NA的光線更接近物鏡系統(tǒng)18的輻射光束的中心光線相交。這使得加寬了檢測平面內的中心和外部強度分布。
圖7示出了和圖6相同的曲線，不過其中的相位結構具有改善的空間濾波特征。相位結構的截面如圖5的頂部的曲線所示。所述結構具有在區(qū)域54-57的上側的平面，如圖6所示的相位結構那樣。區(qū)域58’，59’和60’具有斜的上側代替平的上側。同樣，區(qū)域60’具有斜的上側。圖7的中部曲線表示，對于第一輻射光束的波前65’在整體上近似于用于補償由第一輻射光束通過透明層3時引起的球面像差所需的平的波前。不過，局部地，所述補償只對區(qū)域53-57是正確的，其中每個區(qū)域形成基本上平的波前。所述補償對于區(qū)域58’-60’和62’不完善，表現為在波前中具有小的鋸齒，如圖所示。這個不完善的補償把光點21的所謂的Strehl強度從1.00減少到0.93，這對于掃描記錄載體2的光點的劣化是不明顯的。
圖7的底部的曲線表示對于第二輻射光束的區(qū)域的OPD。區(qū)域53-57的補償是不完善的，這和常規(guī)的相位結構相似。選擇在區(qū)域58’-61’中的相位結構的上側傾斜，使得形成局部等于球面像差67的差的波前，由此形成一個接近完善的補償。這在圖中由在NA＝0.35和NA＝0.5之間的平的波前69示出。在區(qū)域63中對于具有大于NA1的數值孔徑的光線沒有補償，因而在球面像差的波前特性中形成了大的梯度。在由區(qū)域61’到62的補償的轉變在波前梯度中引起了不連續(xù)性，如在底部圖中在NA2＝0.5的OPD69’中的彎曲所示。具有在0.35和0.5之間的NA的光線被引向中心光線和檢測平面的交點。這些靠近NA小于大約0.35的光線在檢測系統(tǒng)25上正確地聚焦。具有大于0.5的NA的光線被引向遠離透鏡系統(tǒng)的位置。光線的重新定向的作用是使光線更集中于中心強度分布和外部強度分布上，從而在兩個強度分布之間產生一個較寬的和/或較暗的區(qū)域，從而改善空間濾波。
雖然在圖1所示的實施例中相位柵格被設置在板50上或板50內，但是相位柵格也可以設置在其它的光學元件上或其它的光學元件內，例如準直透鏡14，光束分裂器13，尤其是如果其是一個立方體光束分裂器，或者物鏡系統(tǒng)18，此時最好設置在面向輻射源10的系統(tǒng)的透鏡的表面上。
權利要求
1.一種用于掃描第一光記錄載體和第二光記錄載體的光頭，所述第一光記錄載體包括第一信息層和具有第一厚度的第一透明層，所述第二光記錄載體包括第二信息層和具有與所述第一厚度不同的第二厚度的第二透明層，所述光頭包括輻射源，用于產生具有第一波長的第一輻射光束，和具有與第一波長不同的第二波長的第二輻射光束，所述第二輻射光束包括中心子光束和外部子光束，一個光學系統(tǒng)，用于會聚第一輻射光束通過第一透明層聚焦到第一信息層上，并會聚第二輻射光束通過第二透明層聚焦在第二信息層上，以及一個檢測系統(tǒng)，用于接收來自信息層的第一和第二輻射光束的輻射，并包括設置在檢測平面內的光敏區(qū)域，所述光學系統(tǒng)包括具有非周期相位結構的光學元件，所述相位結構包括多個同心區(qū)域，用于在第一輻射光束中引起一個在整體上接近一個平的波前偏移的波前偏移，并在中心子光束中引起一個補償由于第一和第二透明層而引起的球面像差之差的波前偏移，其特征在于，所述光學元件對于第一輻射光束和中心子光束以及外部子光束是透明的，并且在第二輻射光束中產生的波前偏移是這樣的，當中心子光束的焦點位于第二信息層上時，中心子光束和外部子光束的輻射分別在檢測平面內形成中心強度分布和外部強度分布，所述中心強度分布和外部強度分布被一個實質上暗的區(qū)域分開，并且所述光敏區(qū)域基本上只捕獲所述中心分布的輻射。
2.如權利要求1所述的光頭，其特征在于，所述光敏區(qū)域具有被設置在所述強度分布的暗的區(qū)域中的邊緣。
3.如權利要求1所述的光頭，其特征在于，所述相位結構在第二輻射光束中引起一個在整體上接近球面像差的波前偏移和散焦，所述散焦改變在中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的軸向距離。
4.如權利要求1所述的光頭，其特征在于，所述相位結構在中心子光束中引入散焦。
5.如權利要求1所述的光頭，其特征在于，所述相位結構在外部子光束中引入散焦。
6.如權利要求1所述的光頭，其特征在于，在中心子光束的焦點和外部子光束的焦點之間的軸向距離至少是12.5微米。
7.一種用于掃描兩種類型的光記錄載體的裝置，所述裝置包括如權利要求1所述的光頭和用于進行誤差校正的信息處理單元。
全文摘要
一種用于掃描不同厚度的第一類和第二類光記錄載體(2；40)的裝置，所述裝置產生不同波長的第一和第二輻射光束。所述第一輻射光束(17)具有第一數值孔徑NA
文檔編號G11B7/135GK1411598SQ01806123
公開日2003年4月16日 申請日期2001年10月30日 優(yōu)先權日2000年11月9日
發(fā)明者J·E·德弗里斯, B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司