CN1248209C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种用于以第一波长η₁、第二波长η₂和第三波长η₃的照射光束分别扫描第一、第二和第三种类型的光学记录载体的光学扫描装置，在此装置中，这三种波长是有显著差别的。该装置包括：用于发射该照射光束的照射源；用于使该光束聚焦在光学记录载体中的一个选定的载体上的物镜系统；和设置在该光束的光路上的相位构件，该相位构件包括若干不同高度的相位元件，以便在该光束中形成光路的非周期性的阶梯状型面，其特征在于，该阶梯状型面实际上在第一波长η₁处接近平的波阵面，在第二波长η₂处接近球面像差波阵面，并且在第三波长η₃处接近平的波阵面或球面像差波阵面。

Description

光学扫描装置

本发明涉及一种包括光学物镜的光学扫描装置。本发明的一示例性的特定实施例涉及一种能够从三种不同类型的光学记录载体读取数据的光学扫描装置，该光学记录载体诸如致密光盘(CD)、常规数字通用光盘(DVD)和所谓的下一代DVD。

这些所谓下一代DVD是随着蓝光激光二极管的出现最近才提出的，蓝光激光二极管发射的光束的波长比用于从常规DVD读或写数据的红光激光二极管发射的光束的波长短得多。因为蓝光激光二极管的波长比更常用的红光激光二极管的波长更短，所以蓝光激光二极管能够在DVD上形成更小的光点，因此能够为下一代DVD的轨迹的间隔比常规DVD轨迹的间隔更小，这又意味着这些下一代DVD比常规的DVD能够具有更大的数据存储容量，通常能够获得至少增加两倍的存储量。

按本领域的惯例，本文中将把常规DVD和下一代DVD分别称之为红光DVD和蓝光DVD。

为了避免用户必须购买各种不同类型的装置才能从特定类型的光学记录载体上读取数据或把数据写入到光学记录载体上，所希望的是例如只要用单独一台光学扫描装置就能够从若干种不同格式的光学记录载体上复制数据。

然而，这个值得称赞的目标是不容易实现的，首要的原因似乎是：这些不同格式的光学记录载体及有关的扫描装置具有各不相同的特性。

例如，现有的CD(致密光盘)，特别是，CD-A(音频光盘)、CD-ROM(光盘只读存储器)和CD-R(可写入光盘)，都是为用约780纳米的激光波长和0.45的数值孔径(NA)的扫描设计的，另一方面，红光DVD是为在660纳米区域的激光波长的扫描而设计的，而蓝光DVD是为在405纳米区域的激光波长的扫描而设计的。为了读取DVD，通常用0.6的NA(数值孔径)，而为了写入DVD，通常需要0.65的NA(数值孔径)。

一个复杂因素在于，设计成在某一波长读取的光盘在另一波长下总是不可读的。一个实例是CD-R，其中为了获得785纳米的波长处的高的调制，必须把特种染料涂覆在记录叠层上。在波长为660纳米时，来自光盘的信号的调制由于染料对波长的敏感性而变得非常小，以致在这一波长下的读取成为不可能。另一方面，在引入一种具有更高数据容量的新系统时，重要的是：为了获得市场的高认可率，用于读、写的新装置往往是向后地与现存的记录载体的相容。因此，DVD系统必须包括一个785纳米的激光器和一个660纳米的激光器，才能够读取所有现存的各种类型的CD。当设计用一个蓝光激光器在660纳米下读取DVD双层光盘时，也持有类似的结果。因此，一个能够读取所有CD和红光/蓝光DVD的系统必须包括一个785纳米的激光器、一个660纳米的激光器和一个405纳米的激光器。

DVD和CD在它们的透明基片的厚度上也是不同的，基片的典型作用是作为光盘数据携带层的保护层，因此从记录载体的入口表面开始的数据层的深度也是随记录载体的类型不同而变化的。例如，DVD的数据层深度约为0.6毫米，而CD的数据层深度约为1.2毫米。由经过保护层的辐射光束所引起的球面像差通常在光学扫描装置的物镜中得到补偿。

由于不同介质的这些不同的特性，如果例如试图用一台相对于另一种不同类型的记录载体而言是最合适的光学扫描装置从一种记录载体上读取数据，那么就会出现问题。例如，用一种相对于另一种载体介质而言是最合适的物镜读取一种类型的载体介质，能够引起大量的球面像差和不可忽略的球面色差。可以为这种装置配置三个物镜，每一个物镜用于一种波长。然而，这种解决问题的方案会比较昂贵。

因此，更为可取的解决方案是提供一种只有单独一个光学物镜的装置，其使用不同波长的激光照射来扫描各种不同的光学载体介质。

为此，以前已经提出，例如在WO99/57720中提供了一种能够使用不同波长的激光照射以便从红光DVD和CD读取数据的系统，然而却只使用同一个物镜。该文本描述了一种模制塑料物镜的系统，其使用一具有两个折射非球形表面或一个非球形表面和一个包括衍射元件的折射球形表面的。这种物镜能够修正由两种光盘格式的不同厚度所引起的不同球面像差，还能够修正由不同的读取波长所引起的色差。

Katayama、Komatsu和Yamanaka先生已经设计出另一种系统，在他们的一篇应用光学文章中对其进行了描述，该文章题为“具有一用于厚度为0.6毫米和1.2毫米的基片的光盘的波长选择滤光器的双波长的光度头”(见1999年6月10日出版的《应用光学》杂志，第38卷，第17期，第3778页)。他们的系统包括一个波长选择滤光器，此滤光器位于激光光源和物镜之间，并且在光束的波长变化时能够改变经过滤光器传送的光束的相位分布。这种滤光器包括同心相位滤光器图案和干涉滤光器图案，其形成在一个直径小于物镜的直径的圆的内区和外区上。干涉滤光器图案传送650纳米的光束，并且反射780纳米的光束。这就是说用于650纳米的光束的NA(数值孔径)等于物镜的最大NA(也就是约0.6)，而用于780纳米光束的NA由圆的直径确定，约为0.45。相位滤光器图案包括相邻阶梯的高度不同的二氧化硅阶梯结构。阶梯的特定高度选择成使得所传送的650纳米的光束的相位分布不受滤光器的影响，而且还使所传送的780纳米的光束的相位分布发生改变以补偿否则会产生的球面像差和球面色差。Hendriks、de Vries、和Urbach先生撰写的、刊登在2000年于东京召开的光学设计和制造(OpticalDesign and Fabrication)会议的论文集第325-328页上的、题为“在光学系统中非周期性的相位构件的应用”的文章描述了一种类似的方法。在这篇论文中，还提出了一种方法，以确定最佳区域分布。

虽然以前提出的这些系统中的每一种系统都为使用两种有关的不同波长的光束照射两种不同的光学介质的情况提供了解决方案，但是它们不能为希望使用有关的不同波长的光束照射和扫描多于两种不同类型的载体介质的情况提供帮助。

因此，本发明的一个目的在于，通过提供例如一种以多于两种波长的照射光束扫描多于两种不同类型的光学记录载体的光学扫描装置来缓解这些问题。

按照本发明的第一方面，在于提供一种光学扫描装置，其用于分别以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射光束来扫描第一种、第二种和第三种类型的光学记录载体，这三种波长有显著差别，该装置包括：用于发射所述照射光束的照射源；用于使该光束聚焦在光学记录载体中的一个选定的载体上的物镜系统；和设置在该光束的光路上的相位构件，该相位构件包括若干不同高度的相位元件，以便在该光束中形成光路的非周期性的阶梯状型面，其特征在于，该阶梯状型面实际上在第一波长λ₁处接近平的波阵面，在第二波长λ₂处接近球面像差波阵面，并且在第三波长λ₃处接近平的波阵面或球面像差波阵面。

藉助这种安排，有可能用若干不同的照射波长扫描光学载体，这又意味着，有可能提供单独一台装置就能够扫描若干不同类型的光学记录载体。

在此时，值得注意的是，在此处所用的“平”这个词只是意味着在取波阵面的模为2π以后，所得到的波阵面是不变的，因此，这种非周期性的相位构件只是引入了一个不变的相位偏移。“平”这个词不必意味着波阵面呈现零相位变化。本发明的第二方面涉及一种用于光学扫描装置中以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射光束分别扫描第一、第二和第三种类型光学记录载体的透镜，这三种波长是有显著差别的，此透镜包括：

设置在该光束的光路上的相位构件，该相位构件包括若干不同高度的相位元件，以便在该光束中形成光路的非周期性的阶梯状型面，

其特征在于，该阶梯状型面实际上在第一波长λ₁处接近平的波阵面，在第二波长λ₂处接近球面像差波阵面，并且在第三波长λ₃处接近平的波阵面或球面像差波阵面。

本发明的另一个方面涉及一种用于以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射光束分别扫描红光DVD、CD和蓝光DVD的光学扫描装置，此装置包括：形成在物镜的表面上的相位构件，该相位构件包括若干个用于在照射光束中引入相位变化的相位元件，该相位元件设置在阶梯状型面中，此阶梯状型面在跨越物镜的直径的阶梯高度大致如下：14.040微米、5.850微米、-2.340微米5.850微米和14.040微米；其中λ₁大致为660纳米，λ₂大致为785纳米，λ₃大致为405纳米。

本发明的另一方面涉及一种用于以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射光束分别扫描红光DVD、CD和蓝光DVD的光学扫描装置的物镜，此物镜包括：形成在物镜的表面上的相位构件，该相位构件包括若干个用于在照射光束中引入相位变化的相位元件，该相位元件设置在阶梯状型面中，此阶梯状型面在跨越物镜的直径的阶梯高度大致如下：14.040微米、5.850微米、-2.340微米5.850微米和14.040微米；其中λ₁大致为660纳米，λ₂大致为785纳米，λ₃大致为405纳米。

现在将参阅附图，通过结合示例描述本发明的实施例，这些附图包括：

图1为用以说明本发明的实施例的用于光学记录载体的扫描装置的部件的示图；

图2为用以说明在图1的扫描装置中所用的物镜的示图；

图3为图2所示的物镜的正面示图图；和

图4为沿图3的A-A线的剖面图。在左边的第一阶梯开始于图3的中间。

现在将要说明的本发明的图示实施例涉及一种用于扫描红光DVD、CD和蓝光DVD的系统的相位构件。然而，应该注意，这里的说明纯粹是示例性解释，并且本发明的精神应用于一种能够扫描多于三种介质的装置的结构。因此，不应该把即将进行的描述视作为以任何方式对本发明范围的限制。

图1为用以说明按照下文将描述的实施例的一种用于扫描光学记录载体1的装置所共有的部件的示图。在本实施例中，此记录载体1是下文以示例的方法即将描述的一张光盘。

光盘1包括一层透明层2，在此透明层2的一侧设置至少一层信息层3。背对透明层2的信息层3的一侧有一层保护层4，用以防止环境的影响。面对此装置的透明层2的一侧是光盘的入射面5。透明层的作用是作为光盘的基片，为一层或多层信息层提供机械支撑。或者，透明层2可以只具有保护信息层3这一种功能，而由在信息层3的另一侧的一层提供机械支撑，例如由保护层4或由连接到最外层的信息层的另一信息层和透明层来提供机械支撑。

信息可以以设置在基本上是平行的且同心的或螺旋形的轨道中的光学可检测的记痕的形式存储在光盘的一层或多层信息层中，图1中未示出这些轨道。这些记痕可以是任何光学可读取的形式或者以它们的组合的形式，例如为凹痕，或具有与它们周围环境不同的反射系数或磁化方向的区域的形式。

扫描装置包括一个照射源6，照射源又包括一个可调谐的半导体激光器或三个分离的半导体激光器，用于以发散的照射光束7向一个透镜系统发射第一、第二和第三波长的照射光束。透镜系统包括沿光轴轴线13设置的一个准直器透镜9和一个物镜10。准直器透镜9把从照射光源6发射的发散光束7转变成基本上平行的光束15。物镜10包括一个相位元件(或相位构件)，图中用标记11表示此相位元件，下文还将对此进行更详细的说明。物镜10在把入射的平行照射光束15转变成具有某一选定NA的收敛光束14，此收敛光束14最终在信息层3上成为一个光点18。为了检测数据信号和用于机械调整物镜10的轴向位置的聚焦信号，设置了一个检测系统16、一个第二准直器19和一个光束分离器8。

图1所示的相位光栅11可以设置在面对照射光源的物镜10的一侧(在本文中称之为物镜的入射面)，或者换一种方法，设置在物镜10的另一面(在本文中称之为物镜的出射面)。

图2示出了用于上述扫描装置的物镜10。此扫描装置能够以第一数值孔径、以第一信息层深度、使用第一波长的激光照射21来扫描光学记录载体。此装置还能够用同一个光学物镜10以第二数值孔径、以第二信息层深度、使用第二和第三波长的激光照射23来扫描光学记录载体。红光DVD格式的光盘可以用例如620和700纳米之间，最好是λ₁＝660纳米，的第一波长λ₁的激光照射来扫描。用约0.6的数值孔径读取红光DVD，用大于约0.6，最好是0.65，的孔径写到红光DVD上。CD格式的记录载体可以以小于0.5，最好是0.45，的数值孔径、使用例如740和820纳米之间，最好是λ₂＝785纳米，的第二波长λ₂的激光照射光束来扫描。蓝光DVD格式的光盘可以用例如365和445纳米之间，最好是λ₃＝405纳米，的第三波长λ₃的激光照射光束来扫描。

把相位构件11设置在物镜10上是为了补偿分别由红光DVD或蓝光DVD和CD载体的透明层的厚度31和33的差别引起的球面像差。类似地，此构件还用以修正球面色差和色差。实际上，设计相位构件11是为了在光束经过其时引入一定量的波阵面偏差，以补偿例如由信息层深度变化所引起的球面像差。

在本发明的此实施例中，通过使用一种混合透镜以无穷共轭模式就能够做到用单独一个物镜元件在不同格式的光盘上读取和写入数据。这种混合透镜通过在折射透镜的一个表面上施加相位型面来形成，例如由平板石印工艺或金刚石车削来形成。

图中所示的物镜10是双凸透镜；然而，也可以使用诸如平凸透镜或凸凹透镜之类的其它类型透镜器件。虽然在此实施例中的物镜系统是单独一个透镜，但是也可以是包含两个或两个以上透镜元件的复合透镜。例如，物镜10可以包括一个折射物镜元件和一个平面透镜相位元件。相位元件或相位构件也可以包括物镜系统中的光学元件或者设置在物镜系统中的光学元件上，或者例如基于四分之一波长的平片或光束分光器与物镜系统分离。

图3物镜10的正面图，其示出了相位构件。可以看到，圆形结构设置有一个朝向透镜的中心其宽度逐渐增加的同轴环状图案元件的图案。每一个图案元件限定了一个所谓相位元件区。为了能够使透镜以无穷共轭的方式在多个波长下工作，对于每一个波长透镜产生了不同量的球面像差(也就是不同量的波阵面偏差)，以便修正例如由盘厚度差别所引起的像差。

由设置相位构件可以做到产生不同的球面像差，所以此相位构件区是具有不同高度的，这些高度选择成，使得将相位差引入经过物镜的光束一一这个施加到给定波长的特定的相位差选择成，以便抵消了上述各种类型的不利影响。

就此而论，重要的是应该注意在本发明的实施例中所应用的相位构件具有一个非周期性的图案，并且因此没有形成衍射序列。由于这个原因，将要介绍的该相位构件没有显示出一个衍射光栅应当显示出的固有损耗。

设计合适的相位构件的第一步是选择一个波长作为“设计波长”，并且使在此波长下的光学系统最佳化。这意味着，施加到物镜10上的任何相位构件应该不会影响在此经过的设计波长的光束。因此，这将导致一种基本上平坦的波阵面。换言之，这种相位构件应该只是引入了等于常数加上近似为2π弧度的倍数的相位变化。应该注意，在这里所用的术语“倍数”应该解释为包括任何整数，包括负整数、0和1。

众所周知，当某一波长为λ₁的光束经过高度为h的一个阶梯时引入该光束的相位变化可以写为：

${\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}=2\mathrm{\π}(n_{{\mathrm{\λ}}_1}-n_0)\frac{h}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(1\right)$

式中，n_λ1为对于波长为λ₁的光束的阶梯的折射率，而n₀为进入此阶梯前先前的介质的折射率(假如先前的介质为空气，那么n₀＝1)。

如上所述，对于设计波长，应该等于2π或它(2π)的整倍数(所以此相位构件对设计波长的光束没有影响)。

为了给出在波长λ₁时引起2π的相位变化的阶梯高度h₁，令等于2π能够使方程式(1)对h重新整理：

$h_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{(n_{{\mathrm{\λ}}_1}-n_0)}---\left(2\right)$

对于h₂(给出在λ₂时2π的相位变化所需的阶梯高度)和h₃(给出在λ₃时2π的相位变化所需的阶梯高度)，可以导出类似的表达式：

$h_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{(n_{{\mathrm{\λ}}_2}-n_0)}---\left(3\right)$

$h_3=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{(n_{{\mathrm{\λ}}_3}-n_0)}---\left(4\right)$

现在让我们考虑，波长为λ₂和λ₃的光束在此经过时高度为h₁的阶梯将产生的相位变化。由方程式(1)，我们能够写出：

或          (5)

从方程式(2)替换h₁可得：

或          (6)

如果我们在方程式(7)中替换λ₂和λ₃(从方程式(2)和(3))，我们可以得到：

或          (8)

对于_λ3，可以导出类似的表达式：

因此，可以看到，对波长为λ₁的照射光束引入2π的相位变化的、高度为h₁的阶梯，对第二和第三波长的照射光束则分别引入了2π(h₁/h₂)和2π(h₁/h₃)的相位变化。

在阶梯高度h₁的倍数为m时，从方程式(9)和(10)可以明显看到，在第二和第三波长的相位差将分别随2πm(h₁/h₂)和2πm(h₁/h₃)变化。

然而，因为(h₁/h₂)和(h₁/h₃)能够用有理数来接近，所以阶梯高度h₁的倍数在另外两个波长下只是产生了有限数目的显著不同的相位阶梯——不同相位阶梯的数目等于把有理数(h₁/h₂)或(h₁/h₃)相加直到最终的相位变化至少近似地为2π的整倍数时的倍数。

令p₂为对于λ₂的不同阶梯的数目，p₃为对于λ₃的不同阶梯的数目。

因为p₂和p₃是不同的，所以简单地用选择阶梯高度h₁的不同的整倍数m的方法就能够选择λ₂和λ₃的相位阶梯的不同组合。换言之，本发明的学说能够形成一种在设计波长下引入一个2π的相位差、并且在其它波长下引入上述不连续的相位差的任何组合的相位构件。

如果我们现在考虑一种用于从红光DVD、蓝光DVD和CD读取数据的装置的一个特例，那么我们便能够计算出用于这种相位构件的、合适的阶梯高度，这种相位构件能够做到用三种不连续的光束的波长和单独一个物镜从三种不同介质中的每一种读取数据。

如上所述，可以用波长为660纳米的光束读取红光DVD。因此，在这个例子中，我们的设计波长λ₁＝660纳米，而且在此波长下，我们需要在此处经过的光束中引入2π的相位差的整倍数的相位构件。第二波长λ₂等于785纳米，用于从CD读取数据，而第三波长λ₃等于405纳米，用于从蓝光DVD读取数据。在相位构件11是用二丙烯制成的情况下， $n_{{\mathrm{\λ}}_1}=1.564,$ $n_{{\mathrm{\λ}}_2}=1.559$ 及 $n_{{\mathrm{\λ}}_3}=1.594.$ 如果我们假定n₀＝1，那么有可能用方程式(2)、(3)和(4)计算出阶梯高度h₁、h₂和h₃分别为1.170微米、1.404微米和0.682微米。

从方程式(9)和(10)能够计算出，在波长为λ₂和λ₃的光束中由高度为h₁的阶梯引入的相位差，对于λ₂而言等于2π(0.833)弧度，对于λ₃而言等于2π(1.716)弧度。因为0.8333～5/6，1.716～12/7，所以(我们可以得到)p₂＝6，p₃＝7。如果(我们)把这些数据相对于阶梯高度h₁的倍数m列制成表，则(我们)可以得到如下的表I：

表I：由高度为mh₁的阶梯引入的在λ₂和λ₃的相位差

m	相位λ2(模数2π)弧度	相位λ3(模数2π)弧度
			-2	2.094	3.575
-1	1.047	1.787
			0	0.000	0.000
1	5.235	4.496
			2	4.188	2.709
3	3.142	0.921
			4	2.094	5.417
5	1.047	3.630
			6	0.000	1.843
7	5.235	0.055
			8	4.188	4.551
9	3.142	2.764
			10	2.094	0.977
11	1.047	5.472
			12	0.000	3.685

由表1可以看到，p₂等于6，而p₃等于7(分别见₂和₃列的黑体、斜体数字)，并且还可以看到，随着阶梯高度h₁的倍数m的范围的不断扩大增加，每一组不连续的相位阶梯无穷尽地重复变化。例如，从m＝1到m＝6，₂变化一次，然后从m＝7到m＝12又重复变化一次。类似地，从m＝4到m＝10，₃变化一次，然后从m＝11到m＝17(未示出)又重复变化一次。

因为p₂和p₃是不同的，所以，简单地用选择阶梯高度h₁的适当的倍数m的方法，就可以选择λ₂和λ₃的不连续的相位阶梯的每一种组合。

一般地说，有可能确定一个对于在波长λ_i的阶梯高度为h_i的、用于显著不同相位阶梯的数目p_i的数学表达式，下文将给出这个表达式。

如果我们定义h₁为在波长λ₁引入一个2π的相位阶梯的相位构件的高度，并且类似地定义h_i为在另一个波长λ_i引入一个2π的相位阶梯的结构的高度，为了求得相应于λ_i的高度h_i的、显著不同的相位阶梯的数目p_i，我们可以把比值h₁/h_i写为连分数CFⁱ。一般地说，连分数(CF)由下式定义：

$\mathrm{CF}=b_0+\frac{1}{b_1+\frac{1}{b_2+\frac{1}{b_3+\frac{1}{b_4+......}}}}\≡b_0+\frac{1}{b_1+}\frac{1}{b_2+}\frac{1}{b_3+}........---\left(11\right)$

最后的那个方程式是连分数CF的另一种表示法(例如，见M.Abramowitz和I.A.Stegun著《数学函数手册(Handbook ofmathematical functions)》，纽约Dover出版社1970年出版，第19页)。

当数b_k为整数时，CF总是收敛的。因此，我们能够定义此CF到第m阶的舍位项为CF_m，则CF_m可以写为：

${\mathrm{CF}}_m=b_0+\frac{1}{b_1+}\frac{1}{b_2+}\frac{1}{b_3+}........\frac{1}{b_m}=\frac{A_m}{B_m}\≡\{b_0,b_1,b_2,........,b_m\}---\left(12\right)$

式中A_m和B_m为由下式确定的整数：

               A_m＝b_mA_m-1+A_m-2

               B_m＝b_mB_m-1+B_m-2

               A_-1＝1，A₀＝b₀，B_-1＝0，B₀＝1

[064]例如，我们有

${\mathrm{CF}}_4=b_0+\frac{1}{b_1+\frac{1}{\frac{1}{b_2+\frac{1}{b_3+\frac{1}{b_4}}}}}\≡b_0+\frac{1}{b_1+}\frac{1}{b_2+}\frac{1}{b_3+}\frac{1}{b_4}---\left(13\right)$

系数b_k可确定如下。令

$a_0=\frac{h_1}{h_i}---\left(14\right)$

我们可以得到

               b₀＝Int[a₀]                 (15)

式中Int[]表示取a₀的整数部分(例如，Int[3.253]＝3)。

假如我们定义

                     a₁＝a₀-b₀

并且令

$b_1=\mathrm{Int}\left[\frac{1}{a_1}\right]---\left(17\right)$

$a_2=\frac{1}{a_1}-b_1---\left(18\right)$

我们则有

$b_m=\mathrm{Int}\left[\frac{1}{a_m}\right]---\left(19\right)$

$a_{m+1}=\frac{1}{a_m}-b_m---\left(20\right)$

并且可以单值地确定CF_m。为了求得数p_i，我们必须确定相应于h₁/h_i的CF_k ⁱ，以致对于k的那个整数值，CF_k ⁱ首先满足下列关系式：

$|{\mathrm{CF}}_k^i-\frac{h_1}{h_i}|\≤0.005---\left(21\right)$

合理的近似关系为：

$\frac{h_1}{h_i}\≈{\mathrm{CF}}_k=\frac{A_k}{B_k}---\left(22\right)$

而且由此我们发现，相应于λ_i的高度h_i的、显著不同的相位阶梯的数目p_i由下式给定：

                p_i＝B_k                                (23)

由下文能够看到这一点。

${\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}=2\mathrm{\π}(m+p_i)\frac{h_1}{h_i}$

$=2\mathrm{\πm}\frac{h_1}{h_i}+2\mathrm{\π}{p}_i\frac{A_k}{B_k}---\left(25\right)$

$=2\mathrm{\πm}\frac{h_1}{h_i}+2\mathrm{\π}{A}_k$

如果(我们)取阶梯高度为mh₁，其中为m整数，那么在波长λ_i引入的相位变化由下式给定：

如果我们现在考虑高度为(m+p_i)h₁，则可以期望对于λ_i的相位与高度为mh₁的相位相同。这一点能够显示如下：

因为A_k是一个整数，所以由阶梯高度mh₁和(m+p_i)h₁引入的相位模2π实际上是相等的。

如果我们考虑相位构件10是用二丙烯制成的情况，则 $n_{{\mathrm{\λ}}_1}=1.564,$ $n_{{\mathrm{\λ}}_2}=1.559$ 及 $n_{{\mathrm{\λ}}_3}=1.594.$ 如果我们假定n₀＝1，那么应用方程式(2)、(3)和(4)有可能计算出阶梯的高度h₁、h₂和h₃分别为1.170微米、1.404微米和0.682微米。

从方程式(9)和(10)也能够计算出，在波长为λ₂和λ₃的光束中由高度为h₁的阶梯引入的相位差，对于λ₂而言等于2π(0.833)弧度，对于λ₃而言等于2π(1.716)弧度。将比值h₁/h₂＝0.833和h₁/h₃＝1.716以上文解释的连分数的形式展开(见表III和表IV)，我们发现0.8333～5/6，1.716～12/7，因此我们可以得到p₂＝6，p₃＝7。

表II：h₁/h₂＝0.833

K	CFk 2	Ak/Bk	|CFk2-0.833|	Bk
					1	{0，1}	1/1	0.167	1
2	{0，1，4}	4/5	0.033	5
					3	{0，1，4，1}	5/6	0.000	6

表III：h₁/h₃＝1.716

K	CFk 3	Ak/Bk	|CFk 3-1.716|	Bk
					1	{1，1}	2/1	0.284	1
2	{1，1，2}	5/3	0.049	3
					3	{1，1，2，1}	7/4	0.034	4
4	{1，1，2，1，1}	12/7	0.002	7

总之，有可能以下述方法表达相应于λ_i的高度为h_i的显著不同的相位阶梯的数目p_i。按照方程式(11)把比值h₁/h_i写成一连分式CFⁱ；一旦方程式(21)中所设定的条件得到满足，便舍去零数；确定A_k和B_k值；然后由p_i＝B_k给定相应于λ_i的高度为h_i的显著不同的相位阶梯的数目p_i。

在此实例中，图2中的物镜10是一种一面平面一面非球面的器件。物镜10在光轴轴线方向上的厚度为2.401毫米，而入射光孔的直径为3.3毫米。物镜的镜体是用LAFN28 Scohott玻璃制成的，这种玻璃在波长λ₁＝660纳米时，折射率n＝1.7682，在λ₂＝785纳米时，n＝1.7625，在λ₃＝405纳米时，n＝1.7998。直接对向准直器透镜的、镜体凸面的半径为2.28毫米。面向记录载体的物镜的表面是平的。非球面的形状是在玻璃体的顶部涂上一薄层二丙烯来实现的。此涂层在660纳米时，折射率n＝1.5640，在785纳米时，n＝1.5588，在405纳米时，n＝1.5945。这一涂层在光轴轴线方向上的厚度为21微米。轴对称非球面的形状有下列方程式给定：

$z\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{2i}{r}^{2i}$

式中，z为在光轴轴线方向上镜面的位置，单位为毫米，r为到光轴的距离，单位为毫米，B_k为r的第k次幂的系数。系数B₂到B₁₀的值分别为0.239104、0.0050896354、8.9127376 10^-5、-8.7208131 10^-5、-1.8258426 10^-6。因此，自由工作距离，即物镜10和光盘之间的距离，对于DVD，当光盘的覆盖层厚度为0.6毫米、在λ₁＝660纳米时为1.049毫米，对于CD，当光盘的覆盖层厚度为1.2毫米、在λ₂＝785纳米时为0.6952毫米，对于DVD，当光盘的覆盖层厚度为0.6毫米、在λ₃＝405纳米时为0.9710毫米。光盘的覆盖厚度层是用聚碳酸脂制成的，在波长λ₁＝660纳米时，折光率n＝1.5798，在波长λ₂＝785纳米时，n＝1.5731，在波长λ₃＝405纳米时，n＝1.6188。此物镜设计得在660纳米下读DVD光盘和在405纳米下读DVD光盘时，不会引起球面色差。因此，此物镜已经适合于红光和蓝光DVD的读取了。为了使此物镜适合于CD的读取，必须补偿由于厚度差别引起的球面像差，并补偿球面色差。使用由Katayama、Komatsu和Yamanaka先生在他们的一篇题为《具有一用于厚度为0，6毫米和1.2毫米的基片的光盘的波长选择滤光器(滤频器)的双波长光度头》(见1999年6月10日出版，应用光学，第38卷，第17期，第3778页)的应用光学论文中介绍的方法，以及由Hendriks、de Vries、和Urbach先生撰写的、刊登在2000年于东京召开的光学设计和制造会议的论文集第325-328页上的一篇题为《在光学系统中非周期性的相位构件的应用》中介绍的类似的方法，有可能用提供一种三个相位阶梯的结构的方法补偿红光DVD/CD系统中的球面像差和球面色差，这种三个相位阶梯的结构在CD的情况下(也就是在近似为785纳米的波长下用光束扫描光学介质时)，引入0.00弧度、1.047弧度和2.094弧度的相对相位；而在红光DVD的情况下，引入近似2π弧度及其整倍数的相对相位(见表1和表4)。

从表1可以明显地看到，可以用构作一个阶梯为，例如，0h₁、5h₁和4h₁或0h₁、-1h₁和-2h₁的相位构件的方法提供用于在CD的波长λ₂时修正像差和其它缺陷的、合适的相位差。

然而，如果也希望既扫描蓝光DVD也扫描CD，那么当用蓝光DVD的波长λ3的光束照射物镜时，用于在CD的波长λ₂扫描所选择的阶梯高度不必引入任何明显的相位梯度。

如果我们再参阅表1，那么可以明显地看到，由选择阶梯高度为12h₁、5h₁和-2h₁(例如)，我们将会在CD的波长λ₂下引入所希望的0.00、1.047和2.094弧度的相位差，此外，在DVD的波长λ₃下引入近似于等值的约3.6弧度的相位差。

因为在蓝光DVD的波长下，不存在明显的相位梯度，所以由相位构件引起的、大致不变的相位变化对蓝光DVD的扫描没有影响。

换句话说，用构作一个阶梯高度为12h₁、5h₁和-2h₁的相位构件的方法，有可能提供一种能够扫描CD、蓝光DVD和红光DVD的物镜。

在此时，值得一提的是，着手构建一个带有负高度的阶梯的方法。如果希望构建一个例如-2h₁的阶梯，那么可以把一层深度为2h₁的材料加到物镜的整个表面上(这会产生一个对光点的形成没有影响的、定值波阵面偏移)，然后在希望形成阶梯的部位除去这一层。

表4示出了有可能用以扫描CD、红光DVD和蓝光DVD的、上述那种相位构件的测量结果。图4示出了沿图3的A-A线的一幅放大的型面图，图中还示出了一个具有表4中所列的阶梯高度分布的相位构件。

表IV：阶梯高度分布

(表中，r为径向光孔坐标，h_j为j区中相位构件的高度，单位为微米)

使用这样一种结构，业已发现，在λ₃引起的均方根波阵面像差(均方根波阵面像差是遍及物镜的整个入射光孔的波阵面的平均光路差，或者，换句话说，是由物镜引起的像差的度量)在17mλ的范围内，而在λ₂(引起的均方根波阵面像差)在43mλ的范围内。

当均方根波阵面像差(用波长λ来度量)低于0.07λ时，此光学系统被描述为处于“受衍射限制的”状态，这意思是说，由物镜的不完善引起的像差小于由于衍射效应造成的光点的宽度。为了修正扫描，整个光学系统的总的均方根波阵面像差应该小于0.07λ。因为在λ₂和λ₃的均方根波阵面像差小于0.07λ(并且还因为在设计波长λ₁下，没有引起明显的像差)，所以上述的系统适合于扫描CD、红光DVD和蓝光DVD。

虽然在此处考虑的只是在第三波长由相位构件产生一个平的波阵面的情况，但是仍然能够用如下的方法做到将此扩展到在第三波长产生球面像差的情况。对于第三波长，有p₃个显著不同的相位阶梯(见，例如，表1的第3列)。为了补偿这些相位阶梯，用上文解释的、当引入一个用于红光DVD和蓝光DVD情况的平的波阵面时对CD装置的球面像差修正同样的方法，对在第三波长的装置中一定量的球面像差(当在第三波长光盘的覆盖层的厚度与在第一波长时的厚度不同时，或者当存在一定量的球面色差时，就会产生这种球面像差)进行处理。于是，这种结构设计得对于蓝光DVD的情况产生球面像差，而对于红光DVD和CD的情况它引入一个平的波阵面。以这种方法，我们完成了两种相位构件的设计，一种是对于第二波长，引入了所希望的量的球面像差，而对第一波长和第三波长没有影响；另一种是对于第三波长，引入了所希望的量的球面像差，而对第一波长和第二波长没有影响。设计的最后一步是简单地把两种结构一层叠一层地加在一起。最终的相位构件，一般来说是更为复杂了，因为两种分离的结构中的每一种的若干相位元件的宽度可以是不同的。

虽然此实施例总体上涉及这样一种情况，即希望用三种相关的波长的光束从三种不同类型的光学介质读取数据，但是本领域的普通技术人员将会理解，本发明的学说可以应用于希望以更多的波长来读取(或写入)数据。

例如，假如希望再用第四波长λ₄的光束扫描介质(例如，另外一种光学介质)，那么可以把表1扩展为包括一列相位变化₄的第四列，₄则包括比值h₁/h₄的倍数。因为λ₄不同于λ₁、λ₂或λ₃，所以不连续的相位阶梯的数目p₄也会与p₂或p₃不同。因此，有可能用简单地选择适当的m值的方法来选择相位变化₂、₃和₄的每一种组合。以这种方法，因而有可能提供一种能够，例如，以四种不同的波长从四种不同的光学介质中读取数据的相位构件。

因此，能够看到，本发明的学说可以应用于提供一种使用相关的不同波长的光束来扫描若干不同类型的光学介质的装置。

从上述说明，将可以理解，本发明的范围将扩展到下述相位构件，其接近：

(a)在第一波长λ₁处的球面像差波阵面，在第二波长λ₂处的平的波阵面，和在第三波长λ₃处的平的波阵面；或

(b)在第一波长λ₁处的球面像差波阵面，在第二波长λ₂处的平的波阵面，和在第三波长λ₃处的球面像差波阵面。

这是由以下事实造成的，即存在引起球面像差的两种影响；(i)由波长变化引起的折射率的变化(称为球面色差)，和(ii)覆盖层厚度的变化(例如，DVD有一层约0.6毫米厚的覆盖层，而CD则有一层约1.2毫米厚的覆盖层)。

通常，影响(i)与影响(ii)相比是很小的，并且因此当波长变化且覆盖层的厚度不变化时，可在物镜系统的透镜设计中补偿球面色差(正如本文就一种蓝光DVD、红光DVD和CD系统所描述的那样)。

在覆盖层的厚度相差悬殊，或球面色差不能得到补偿的情况下，相位构件(b)仍然能够提供一种能够以三种不同波长读取光学数据载体的系统。

虽然文中已经说明了本发明的几个特定的优选实施例，但是应该理解，在所附的权利要求中所限定的本发明的范围内还可以进行变型。

例如，虽然在上述实施例中，相位构件11是设置在物镜10上的，但是将会理解，相位构件也可以代之以设置在与物镜分离的一个光学元件上，例如，可以设置在四分之一波长的平片或光束分光器上。

此外，还应该理解，凡是在本文中使用“接近”或“近似”这两个词语的场合，是意图覆盖可能接近的范围，此定义包括：在任何情况下足以提供一种目的在于扫描不同类型的光学记录载体的光学扫描装置的工作实施形式的接近。

Claims (12)

1.一种光学扫描装置，其用于分别以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射光束来扫描第一种、第二种和第三种类型的光学记录载体，这三种波长为不同的，该装置包括：

用于发射所述照射光束的照射源；

用于使该光束聚焦在光学记录载体中的一个选定的载体上的物镜系统；和

设置在该光束的光路上的相位构件，该相位构件包括若干不同高度的相位元件，以便在该光束中形成光路的非周期性的阶梯状型面，

其特征在于，该阶梯状型面在第一波长λ₁处接近平的波阵面，在第二波长λ₂处接近球面像差波阵面，并且在第三波长λ₃处接近平的波阵面或球面像差波阵面。

2.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，|λ₁-λ₂|、|λ₂-λ₃|和|λ₁-λ₃|中的每一个都大于20纳米。

3.按照权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，|λ₁-λ₂|、|λ₂-λ₃|和|λ₁-λ₃|中的每一个都大于50纳米。

4.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，在第一波长λ₁处光路之间的长度差对应于在该光束中等于的2π倍数的相位变化。

5.按照权利要求3所述的扫描装置，其特征在于，对于在波长λ₂处的不同高度的相位元件的不同相位的可达到的数目是不同于对于在波长λ₃处的不同高度的相位元件的不同相位的可达到的数目。

6.按照权利要求4所述的扫描装置，其特征在于，对于i＝2和3，在波长λ_i处的不同的相位阶梯的可以达到的数目B_k由下述不等式确定：

$|\frac{A_k}{B_k}-\frac{h_1}{h_i}|\≤0.005$

式中整数k为满足不等式并且满足 $\frac{A_k}{B_k}=\{b_0,b_1,\·\·\·{,b}_k\}$ 的最小正整数，式中{b₀，b₁，…，b_k}为在第k项舍位的一个连分数，而h₁和h_i分别为在波长λ₁和λ_i处在该光路中引入2π相位变化的相位元件的高度。

7.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述的相位构件显示出在λ₁处最低相位阶梯Φ_min和最高相位阶梯Φ_max之差，此差值遵守下式：

              |Φ_max-Φ_min|＞2πB_k

式中B_k为对于i＝2和3波长λ_i中的一个波长处不同的相位阶梯的可以达到的最低数目。

8.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，该相位构件是圆形的，而所述阶梯状的型面的阶梯通常是环形的。

9.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述相位构件形成在物镜系统的透镜的一表面上。

10.按照权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述相位构件形成在一个设置在照射源和物镜系统之间的光学平片上。

11.按照权利要求10所述的扫描装置，其特征在于，所述的光学平片包括四分之一波长的平片或光束分光器。

12.一种用于光学装置的透镜，该光学装置用于分别以第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃的照射束来扫描第一种、第二种和第三种类型的光学记录载体，这三种波长为不同的，该透镜包括：

设置在该光束的光路上的相位构件，该相位构件包括若干不同高度的相位元件，以便在该光束中形成光路的非周期性的阶梯状型面，

其特征在于，该阶梯状型面在第一波长λ₁处接近平的波阵面，在第二波长λ₂处接近球面像差波阵面，并且在第三波长λ₃处接近平的波阵面或球面像差波阵面。

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