专利名称：用于扫描记录载体的光头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扫描第一和第二不同类型的记录载体的光头。本发明还涉及一种用于扫描两个不同类型的光记录载体的装置，所述装置包括光头。两种类型的记录载体具有信息层和透明层，通过透明层辐射束可以扫描信息层。对于两种类型的记录载体来说，透明层厚度是不同的。光头包括辐射源，用于产生具有第一波长的用于扫描第一类型的记录载体的辐射束，和具有不同的第二波长的用于扫描第二类型的记录载体的第二辐射束。第一辐射束比第二辐射束具有较大的有效数值孔径，用于扫描信息层。
在光记录领域中的进展使得市场上出现了新的具有较高信息密度的光记录载体。一般地说，设计这些记录载体利用和扫描以前的记录载体不同的波长和数值孔径的辐射光束进行扫描。需要设计用于新的记录载体的扫描装置能够扫描旧的记录载体。因此，扫描装置必须这样修改，使得其可以提供两类辐射光束，每类记录载体用一种。辐射光束的性能取决于记录载体的特性。辐射光束的波长取决于记录信息的记录载体的标记的光学性能的波长相关性。确定可用于进行扫描的分辨率的辐射光束的波长和数值孔径取决于标记的尺寸。辐射光束的球面像差补偿的数量取决于记录载体的透明层的厚度，辐射光束通过所述透明层扫描信息层。例如，适用于扫描所谓的DVD类型的记录载体的装置提供具有660nm波长、0.6的数值孔径(NA)和用于记录载体的衬底厚度为0.6mm的球面像差补偿的第一辐射光束。为了写入上一代的CD型的记录载体，所述装置还提供第二辐射光束，其波长为785nm，0.50的NA，和记录载体衬底厚度为1.2mm的球面像差补偿。所述装置最好具有一个用于把辐射光束聚焦在记录载体上的物镜系统，以便保持低制造成本。数值孔径的改变通过改变入射到物镜系统上的辐射光束的直径来实现。
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)披露了一种光头，其具有一个物镜系统，用于可以扫描DVD和CD两种类型记录的装置中。辐射源产生第一和第二辐射光束，分别用于扫描DVD和CD记录。一个光学系统把辐射光束聚焦在记录载体的信息层上。光学系统包括一个光学元件，其呈具有非周期相位结构的平面平行板的形式。第一和第二辐射光束的直径在所述光学元件的平面内基本相等。第二辐射光束可以认为包括一个中心子光束和一个外部子光束。第一辐射光束以0.6的第一数值孔径聚焦在DVD型的记录载体上，中心子光束以0.45的第二数值孔径聚焦在CD型的记录载体上。所述相位结构包括多个同心的区域，它们形成一个光路图形，用于在通过所述相位结构的辐射光束中引入一个波前偏移。相位结构具有相应于中心子光束的直径，并且在中心子光束中引起球面像差，用于补偿透明层的厚度差。在相邻区域之间的高度差使得在区域之间的光路差等于第一波长的整数倍，由此使相位结构对于第一辐射光束无效。在相位结构的周围的光学元件上设置有薄膜干涉层叠体。设计所述干涉层叠体用于透过第一辐射光束Z，而切断外部子光束。这样，所述光学元件透过第一辐射光束，而不影响其波长，并具有相应于较大的第一数值孔径的直径，其透过中心子光束，引入球面像差，并具有相应于较小的第二数值孔径的直径，并且其切断外部子光束，即位于中心光束的外部的第二辐射光束中的光线。
这种已知的光头的缺点在于，由于相位结构和薄膜层叠体的存在而导致元件成本相当高。此外，所述薄膜层叠体复杂，因为其必须在第一辐射光束中引入预定的相位偏移，以便实现透过层叠体的辐射光束的部分的波前和透过相位结构的部分同相位。
本发明的目的在于提供一种包括具有相位结构的廉价光学元件的光头。
本发明的目的是通过一种光头实现的，所述光头用于扫描包括第一信息层和具有第一厚度的第一透明层的第一光记录载体和包括第二信息层和具有和第一厚度不同的第二厚度的第二透明层的第二光记录载体，所述光头包括辐射源，用于产生具有第一波长的第一辐射光束，和具有与第一波长不同的第二波长的第二辐射光束，所述第二辐射光束包括一个中心子光束和外部子光束，一个光学系统，用于会聚第一辐射光束通过第一透明层聚焦到第一信息层上，并会聚第二辐射光束通过第二透明层聚焦在第二信息层上，以及一个检测系统，用于接收来自信息层的第一和第二辐射光束的辐射，并包括设置在检测平面内的光敏区域，所述光学系统包括具有非周期相位结构的光学元件，所述相位结构包括多个同心区域，用于在第一辐射光束中引起一个在整体上接近一个平的波前偏移的波前偏移，并在中心子光束中引起一个补偿由于第一和第二透明层而引起的球面像差之差的波前偏移，其中，按照本发明，所述光学元件对于第一辐射光束和第二辐射光束的中心子光束以及外部子光束是透明的，并且在第二辐射光束中产生的波前偏移是这样的，当中心子光束的焦点位于第二信息层上时，中心子光束和外部子光束的辐射分别在检测平面内形成中心强度分布和外部强度分布，所述中心强度分布和外部强度分布被一个基本暗的区域分开，并且所述光敏区域基本上只捕获所述中心分布的辐射。
按照本发明的光学元件无需具有如在已知的光头中具有的阻断外部子光束的薄膜层叠体，其对于基本上在第一和第二辐射光束的整个直径上的第一和第二波长的辐射来说是透明的。因为在按照本发明的光头中不需要薄膜层叠体，所以包括相位结构的光学元件的制造成本低。此外，没有薄膜层叠体使得在第一辐射光束的整个直径范围内实现平的波前变得简单，因为可以通过在第一辐射光束的整个直径范围内合理地选择相位结构的区域的厚度来维持第一辐射光束的正确的相位。所述光学元件可以是支持所述相位结构的光学系统中的任何元件，例如平面平行板，光束分裂器或透镜。
所述相位结构校正中心子光束，以便消除球面像差之差，在第二信息层上产生质量好的光点，并在检测平面内产生相当小范围的中心强度分布。没有薄膜层叠体可以使得在第一数值孔径外部的第二辐射光束的辐射到达记录载体。因为外部子光束不进行为消除第二透明层的球面像差的校正，由于第二透明层的厚度的偏差而将呈现相当大的像差。外部子光束的射线将到达检测平面，在所述检测平面它们将形成其范围大于中心强度分布范围的辐射分布。当两种辐射分布在检测器平面内叠加时，中心子光束和外部子光束两者的辐射将入射到检测系统的光敏区域上。在这种情况下，难于在中心子光束的射线和外部子光束的射线之间，即在具有小于第二数值孔径的数值孔径的辐射和具有较大的数值孔径的辐射之间进行识别。如果检测系统捕获具有较大数值孔径的射线，则引起利用大于所需的第二数值孔径的数值孔径扫描第二记录载体。因为记录载体的倾斜引入一个和数值孔径的立方成正比的彗形波前误差，扫描数值孔径的增加将减少记录载体倾斜上的公差。此外，来自外部子光束的射线可能增加由检测系统产生的电信号中的噪声。
如果由相位结构在第二辐射光束中产生的波前偏移得到正确地选择，则外部子光束将形成一个并不和中心分布重叠的辐射分布。这个所谓的外部强度分布通过一个基本上暗的区域和中心强度分布分开。在两个分布之间的分离允许对第二辐射光束中的射线进行空间滤波，这是通过这样设置检测系统的光敏区域，使得其主要捕获中心强度分布的光线来实现的。然后该记录载体将用所需的数值孔径扫描。因而，使用相当廉价的具有非周期相位结构的光学元件，可以有效地保持外部强度分布远离检测系统。
“主要地”一词意味着约小于30％的外部强度分布的强度落到光敏区域上，最好小于10％。
在检测系统之前，外部子光束的光线可以利用一个膜被截断，从而阻止它们落到检测系统的辐射敏感区域上。不过，辐射敏感区域的边缘最好设置在强度分布的暗区域中，由此实现空间滤波。检测系统可以设置在中心强度分布中，对其位置和尺寸不要求精密的公差。
中心强度分布和外部强度分布的分离可以通过第一和第二透明层厚度差以及第二数值孔径的适当组合来实现。当第二透明层的厚度大于第一透明层的厚度时，外部子光束的焦点没有经过校正来消除由于厚度差而产生的球面像差，其由第二信息层的位置改变为物镜系统光轴上的一个位置，进一步远离物镜系统。换句话说，和第二光束的旁轴焦点相比，第二光束的边缘焦点进一步从物镜系统移开。当中心子光束的焦点位于第二类的记录载体的第二信息层上时，这个子光束的辐射在检测平面内形成中心强度分布。外部子光束的焦点相对于中心子光束的焦点沿轴向移动，使得子光束的辐射位于检测平面的焦点之外，因此在检测平面内形成具有和中心区域同心的环形外部强度分布。如果散焦量正确，则中心分布和外部分布将由暗区域分开，因而能够进行空间滤波。
在一个特定实施例中，按照本发明的相位结构在第二辐射光束中引入球面像差和散焦，所述散焦影响中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的轴向距离。
在一个特定的实施例中，相位结构在中心子光束中引入散焦。相位结构的范围可以限定于光学元件平面内的中心子光束的横截面。光头的聚焦伺服系统将使中心子光束的焦点位于第二信息层的平面内，并且外部子光束的焦点和所述平面相比将位于靠近或者远离物镜的位置。
在另一个实施例中，相位结构在外部子光束中引入散焦。此时，相位结构将在第二辐射光束的整个直径范围内延伸。在外部子光束的焦点沿着物镜系统的方向移动的情况下，如果不在引入球面像差的相位结构的部分中引入散焦，则用于引入球面像差的相位结构的复杂性可被减少。
使相位结构对第一辐射光束的影响最小，即如果，最好是，相位结构的相邻区域的光路之间的差基本上等于第一波长的整数倍，则相位结构引入一个整体平的波前偏移。
最好是，散焦量至少是12.5微米，以便有一个尺寸合理的暗区域。
本发明的另一个方面涉及一种用于扫描两类光记录载体的装置，所述装置包括上述的光头和用于误差校正的信息处理单元。当扫描第二类记录载体时，检测器上的杂散光量的减少使得由检测系统产生的并代表从所述记录载体读出的信息的电信息信号中的噪声减少。相位结构还增加第二记录载体的倾斜限度，由此减少在辐射光束中的彗形像差数量，以及相关的轨迹之间的交扰和内部符号之间的干涉。信息信号的较高质量使得信号中的错误数减少，由此减少加于信息处理单元上的用于误差校正的要求。
本发明的目的、优点和特征在下面对附图所示的本发明的优选实施例的更具体的说明中将会更加明显，其中
图1表示按照本发明的扫描装置；图2表示具有常规相位结构的光学元件；图3A和图3B分别表示用于常规相位结构和本发明相位结构的检测系统平面内的辐射分布；图4表示扫描装置的光路的示意截面图；图5表示具有强度分布的象限检测器；图6表示光学元件的截面图及其对于两个不同波长λ1和λ2的光路差；以及图7是和图6相同的图，表示用于在相位结构中具有倾斜区域的光学元件。
图1表示用于扫描第一类型的第一光记录载体2和第二类型的第二记录载体40的装置1。在所示的实施例中，第一类型是数字通用光盘(DVD)，第二类型是可写的光盘(CD)。记录载体2包括透明层3，在其一侧上设置有信息层4。信息层的背离透明层的一侧由保护层5保护免受环境的影响。透明层面向装置的一侧被称为输入面6。透明层3作为记录载体的衬底，用于对信息层提供机械支撑。作为选择，透明层还具有保护信息层的基底功能，同时由在信息层的另一侧上的层对信息层提供机械支撑，例如由保护层5或由与信息层4相连的另一个信息层和透明层。信息可被存储在记录载体的信息层4上，所述记录载体呈光可检测的标记的形式，所述标记基本上沿平行的，同心的或者螺旋形的轨迹设置，图中没有示出。标记可以采取任何光可读的形式，例如以坑的形式，或者呈具有反射系数或与其周围不同的磁化方向形式，或者这些形式的组合。
扫描装置1包括辐射源，其可以发射第一和第二不同波长的辐射光束7和8。在图中所示的辐射源包括两个半导体激光器9和10，它们发射辐射光束7和8。光束组合器11，例如半透明板，把两个光束7和8的光路合成一个光路。两个辐射源可组合在一个衬底上，并且如果两个辐射源足够接近，光束组合器13可以省去。第一辐射光束用于扫描第一类型的记录载体2。第二辐射光束8用于扫描第二类型的记录载体40。第二光束分裂器13在朝向准直透镜14的光路上反射来自光束组合器11的发散的辐射光束12，所述透镜把发散的光束12会聚成准直光束15。准直光束15入射到透明的光学元件16上，其改变准直光束的波前。来自光学元件16的光束17入射到物镜系统18上。所述物镜系统可以包括一个或几个透镜和/或光栅。透明光学元件16可以集成在物镜系统18中。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18把光束17变成会聚光束20，入射到记录载体2的入射表面6上。物镜系统具有用于使第一辐射光束通过透明层3的厚度的球面像差校正。会聚光束20在第一记录载体2的信息层4上形成光点21。由信息层4反射的辐射形成发散光束22，其被物镜系统18转换成基本上准直的光束23，随后由准直透镜14转换成会聚光束24。光束分裂器13通过朝向检测系统25透射会聚光束24的至少一部分分裂成向前光束和反射光束。检测系统具有位于检测平面25’中的辐射敏感区域。检测系统的辐射敏感区域捕获所述的辐射光束，并将其转换成电输出信号26。信号处理器27把这些输出信号转换成各种其它信号。其中的一个信号是信息信号28，其值表示从信息层4读出的信息。信息信号被信息处理单元处理，进行误差校正29。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和信息层4之间的沿高度方向的轴向差。径向误差信号表示光点21和由所述光点跟随的信息层中的轨迹的中心之间在信息层4的平面内的距离。聚焦误差信号和径向误差信号送入伺服系统31，其把这些信号转换成伺服控制信号32，用于分别控制聚焦致动器和径向致动器。所述致动器在图中没有示出。聚焦致动器沿聚焦方向33控制物镜系统18的位置，由此控制光点21的实际位置，使得其基本上和信息层4的平面一致。径向致动器沿径向34控制物镜18的位置，借以控制光点21的径向位置，使得其基本上和信息层4中被跟踪的轨迹的中心线一致。所述轨迹在图中沿垂直于图的平面的方向延伸。
图1的装置按照本发明进行修改使得也用于扫描第二类型的第二记录载体40。这种记录载体包括一个比第一记录载体2较厚的透明层41、信息层42、保护层43和入射面44。所述装置使用第二辐射光束8扫描信息平面42。第二辐射光束的数值孔径(NA)可以适合于获得会聚光束45，其具有适合于形成用于扫描信息层42的焦点47的NA。NA的合适的值对于DVD型记录载体是第一数值孔径0.6的NA1，对于可写的CD型记录载体是第二数值孔径0.5的NA2。一般地说，第二辐射光束46比用于形成会聚光束45所需的直径更大。形成会聚光束45的第二辐射光束46的部分称为中心子光束48，围绕中心子光束48的第二辐射光束的环形部分称为外部子光束49。
物镜系统18的球面像差补偿不适用于透明层41的厚度，这是因为所述透明层的不同的波长和不同的厚度所致。设计光学元件16用于引入波前偏移，当第二辐射光束通过所述光学元件时，所述波前偏移具有球面像差的形式。在入射到物镜系统中的中心子光束48中引入的球面像差这样选择，使得由光学元件16和物镜系统18在辐射光束中引入的组合的球面像差补偿由辐射光束通过透明层41时产生的球面像差。
图2表示通过光学元件16的光轴19的横截面的例子。光学元件包括透明板50，其一个表面51具有相位结构52，所述相位结构围绕光轴19呈旋转对称。图中所示的相位结构具有中心区域53和8个同心的环形区域54-61。这些区域具有不同的高度，从而形成通过光学元件透射的辐射光束的光线的不同的光路。图中这些区域的高度相对于板50的厚度和径向范围被夸大了。如下所述，相位结构的正确设计使得能够在具有波长λ1和λ2的第一和第二辐射光束中分别引入一个预定的波前偏移。在图1所示的装置的实施例中，相位结构在第一辐射光束中不引入波前偏移，在第二辐射光束的中心子光束中引入球面像差并可能引入散焦，并且在第二辐射光束的外部子光束中不引入波前偏移。
如果由相位结构引入的波前偏移选择不恰当，则在检测系统的平面内的强度分布将具有图3A所示的分布70的形式。这种分布在中心具有最高的强度，随着离开中心而减小。虚线圆环71是这样一个圆环，具有小于NA2的数值孔径的光线，即来自中心子光束48的并应当由检测系统捕获的光线位于其内部。来自外部子光束49的光线部分地落在圆环的内部，部分地落在圆环的外部，并在由检测系统产生的电信号中引起噪声，并减少装置的允差。设置一个检测系统，使得其只捕获来自中心子光束48的光线是困难的。
图3B表示当使用正确设计的相位结构时第二辐射光束的检测系统25的平面内的辐射分布70’。在检测系统的平面内，中心强度分布72和环形的外部强度分布73可以由环形暗区域74区分、分开。来自中心子光束的具有小于NA2的数值孔径的光线被限制在中心分布72内。具有较大的数值孔径的来自外部分布的光线落在外部分布74中。按照本发明的相位结构提供了两种分布的正确的分离，从而使得需要的和并不需要的光线能够实现精确的空间隔离。暗环使得检测系统能够相对地独立于检测系统的辐射敏感区域的实际尺寸被正确地定位。这又使得在信息层42上的中心子光束的焦点和外部子光束的焦点位置的轴向移动有助于暗区域的产生。
下面参照图4说明在中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间引入聚焦偏移的效果。准直透镜14由线80表示，物镜系统18由线81表示，信息层42由线82表示，检测平面25’由线83表示。检测系统的辐射敏感区域的范围由粗线84表示。光轴由虚线85表示。该图所示的是光学元件集成在物镜中的情况。本说明的第一部分假定，记录载体40没有用于向信息层42透射辐射光束的透明层41。适合于小于NA2的NA的辐射光束的半径范围的光线86由透镜81在光轴85上的信息层82上聚焦。在反射之后，光线由物镜81校准，并由准直透镜80会聚，从而在光轴上经过检测平面83。光线87在适合于大于NA2的NA的辐射光束的半径范围内，并且在入射到物镜系统之前，和光线86平行行进。物镜系统产生的散焦量对于具有NA＜NA2的中心子光束中的光线和具有NA＞NA2的外部子光束中的光线不同。图4的例子表示，物镜系统对于外部子光束比对于中心子光束具有较大的焦距。如果中心子光束的散焦增加物镜系统和中心子光束焦点之间的距离，则两个焦点之间的距离Δz取为负的。图中Δz的值是负的。
光线87应当在离开信息层82和光轴的交点一段距离Δz处和光轴相交。不过，在信息层上的反射重新把光线引向物镜系统81。物镜系统81和准直透镜80使光线在检测平面83的后面和光轴相交。只要辐射敏感区域84的范围足够小，光线就不会被所述区域截断。由旁轴计算得知，在信息层82上的具有数值孔径NA的光线87在由下式给出的高度r和检测平面83相交r(NA)=|2NAFservoFobjΔz|----(1)]]>其中F0和Fc分别是物镜系统和准直透镜的焦距。当|Δz|>RdFobj2NA2Fservo----(2)]]>时，则适合于大于NA2的NA的光线不落在具有半径Rd的辐射敏感区域84上。当Rd＝50微米，Fobj＝2.75毫米，Fservo＝11毫米，NA2＝0.5时，Δz的绝对值|Δz|必须大于12.5微米。
当记录载体具有不同厚度的透明层3和41时，根据记录载体的类型，光线将发生一定数量的球面像差。由于透明层的厚度差Δd引起的球面像差由Wdisc(ρ)给出，ρ是按NA2标称的光瞳配位，即相应于NA2，ρ＝1。在这个例子中，在光学元件上的相位结构对于中心子光束，即对于具有NA＜NA2的光线补偿Wdisc(ρ)，并对于中心子光束引入一个等于Δz的相应于焦点的轴向偏移的散焦。不对外部子光束补偿厚度差Δd，也不移动焦点。在存在像差时，外部子光束具有其最好的焦点位置，所述焦点位置从没有像差时的位置移动一个距离Δzb。如果在中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的轴向距离满足|Δz-Δzb|>RdFobj2NA2Fservo----(3)]]>则外部子光束的光线将不入射到辐射敏感表面84上。
当只考虑三阶像差时，可以获得Δzb的估算。总的波前像差W(ρ)，其由厚度差Δd引起的波前像差Wdisc(ρ)和外部子光束的焦点的焦点偏移Δzb引起的波前像差构成，由下式给出W(ρ)＝Wdisc(ρ)+W∫ocus_out(ρ)(4)其中Wdisc(ρ)=-18Δdn2-1n3NA24ρ4----(5)]]>Wfocus_out(ρ)=12ΔzbNA22ρ2----(6)]]>其中n是透明层4 1的折射率。在式(5)和式(6)中的波前像差被表示为Seidel多项式的形式。对于NA＜NA2，和波前像差的Wdisc(ρ)成正比的球面像差项由相位结构补偿，同时还由相位结构产生Δz的焦点偏移。外部子光束的焦点的最好位置可以通过使作为散焦位置Δzb的函数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。对于Δzb=14Δdn2-1n3NA22(1+ρ12)----(8)]]>获得最小值OPD。
对于n＝1.58，NA2＝0.5，ρ1＝1.2，Δd＝0.6mm，距离Δzb＝34.7微米。图5的光学系统的更精确的光线跟踪分析给出Δzb＝34.8微米。如果外焦点的位置由于球面像差的存在而远离物镜系统，则Δzb的值是正的。
应用于本例的公式(2)和(3)产生在中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的12.5微米的最小距离。当其和外部子光束的焦点的位置组合时，即Δzb＝34.8微米时，为了使外部子光束的光线不落在检测系统的辐射敏感表面上，由相位结构在中心子光束中引入的散焦Δz的量必须满足Δz＜22.3μm或Δz＞47.3μm.
在这个特定的例子中，当Δz＝0时获得正确的散焦，此时相位结构不引入散焦。关于Δz的优选值取决于光学元件的工艺性。
如果相位结构的同心区域较宽，则光学元件容易制造。如果W(ρ)的斜率较小，则所述区域较宽。按照三阶像差，我们发现，当相位结构引入一个散焦量Δz时，必须由相位结构补偿的波前W(ρ)由下式给出W(ρ)=-18Δdn2-1n3NA24ρ4+12ΔzNA22ρ2----(9)]]>当Δz由下式给出时Δz=14Δdn2-1n3NA22----(10)]]>则W(1)＝0。对于这个W的值，波前是相当平的，此时相位结构容易制造。对于上述的例子，这产生Δz＝14.2微米。当W(1)＞0时，波前的斜率变小，从而进一步改善工艺性，但是使得减小空间滤波的质量。此外，当W(1)＜0时，空间滤波被改善，但是工艺性变差。Δz的优选的值是使波前具有最小的最大斜率值。
在这个实施例中，物镜系统10具有一个透镜，用于把波长λ1＝600nm的入射的平行光束聚焦成为NA＝0.6的会聚光束，其通过透明层3在信息层上形成光点。在这个实施例中的自由工作距离是1.290mm。透明层的厚度是0.6mm，由折射率n＝1.5803的聚碳酸酯制成。透镜在光轴上的厚度为1.922mm，入射光瞳的直径为3.3mm。透镜本体由折射率n＝1.7767的SFL56 Schitt玻璃制造。朝向准直透镜的透镜本体的凸面的半径为2.32mm。透镜呈球形，以便补偿由第一辐射光束在第一透明层3中引起的球面像差。所述球形借助于在玻璃体的顶上的丙烯薄层来实现。漆膜的折射率n＝1.5646。这一层在光轴上的厚度是22微米。由下式给出旋转对称的球形z(r)＝B2il2i(11)其中z是沿从辐射源到记录载体的方向沿着光轴的表面位置，以毫米测量，r是到光轴的距离，单位是毫米，Bk是r的第k次幂的系数。系数B2-B14在本例中分别是0.24134835，0.0051012159，-0.00098850422，0.00060334583，-0.00021740397，1.9331367 10-5和1.6587855 10-6。
光学元件16由在660纳米时折射率为1.4891的平的PMMA板制成的非周期相位结构，其被设置在面向准直透镜的物镜的一侧。从光轴19到和第二数值孔径匹配的半径的带高分布是0h，5h，4h，3h，2h，3h，4h，5h，0h，其中高度h1＝1.349微米。区的边界分别由0.3322mm，0.4893mm，0.6241mm，0.7728mm，1.1537mm，1.2413mm，1.3010mm，1.3497mm，1.3900mm给出，它们分别是相应于第二数值孔径的最后的半径。伺服透镜的焦距FSERVO＝11mm。
相邻区域之间的高度差等于由下式给出的高度h1的m倍h1=λ1n1-1]]>其中λ1是第一波长，n1是环形区域材料在波长λ1下的折射率。倍数m可以是任何整数值，例如-1，0或1。同心区域相对于中心区域53的高度是0，5，4，3，2，3，4，5，和0倍的h1。由相位结构的相邻区域在穿过光学元件的波长为λ1的第一辐射光束中引入的光路差(OPD)等于mh1(n1-1)，其等于mλ1。结果，相位结构对第一辐射光束引入一个平的波前偏移，换句话说，相位结构不影响第一辐射光束的波前。
对于CD的读/写操作，波长λ2＝780nm，NA＝0.5。物镜的仿形层在这个波长下的折射率是1.5589，物镜的玻璃本体的折射率是1.7661，PMMA板的折射率是1.4862，聚碳酸酯透明层41的折射率是1.5735。透明层41的厚度是1.2mm。自由工作距离是0.9550mm。在这种情况下，符合NA＝0.5的入射光瞳的半径是1.3900mm。
当第二辐射光束通过光学元件16时，其波前将受影响，这是因为其具有和λ1不同的波长λ2，并且由同心区域引入的光路差不等于λ2的倍数。现在对于图2所示的特定的相位结构确定所述的光路差。同心区域的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，对于λ1＝660nm，折射率n1＝1.4891，对于λ2＝785nm，折射率n2＝1.4862。表1表示对于台阶高度mh1，其中m具有1-6的值，光路差OPD被λ2除的结果，即(mh1(n2-1)modλ2)/λ2。注意，在表中的最大的高度给出最小的OPD。
表1
已经选择环形区域的高度和径向范围使得引入一定量的球面像差，其等于在波长为λ2的，NA2＝0.5的会聚光束45中由1.2mm的透明层引入的球面像差和由透镜系统18在光束45中引入的补偿的和。所述的和等于由于记录载体的透明层的厚度的不同而产生的球面像差中的差。物镜系统的球面色差，即在波长从λ1变为λ2时，由物镜系统引入的球面像差中的改变的数量级小于由于厚度的不同而产生的球面像差的差的数量级，并且被认为包括在上述的差值中。按照本发明，在Zirnike多项式的项中增加了数量为0.30λ的散焦。散焦的正的符号表示在中心光束和物镜之间的一个较大距离。
相位结构在中心子光束中引入一定数量的用于补偿透明层3和41之间的厚度差以及用于补偿由物镜引入的由于波长从λ1改变为λ2而引起的球面像差的改变即物镜的球面色差所需的球面像差。相位结构还在中心子光束中引入一定数量的散焦，其产生等于14.2微米的相应于W(1)＝0的焦点偏移Δz。
按照光线跟踪计算，当自由工作距离大于18.4微米时，应当获得具有NA＞0.5的光束的最好焦点位置。因此，在检测系统附近的外部子光束的焦点位于检测平面的后面，从而在内径为80微米的检测平面内形成环形的辐射分布。当使用具有半径Rd＝50微米的光敏区域的检测系统时，这个分布使得能够进行空间滤波。当使用这种检测器时，在内外光束之间的焦点偏移的绝对值最好大于11.3微米。
在相位结构的上述例子中，外部子光束的最好的焦点位置是18.4微米，比内部子光束更远离物镜，从而允许使用80微米的最大检测器半径。通过在整个NA1孔径上延伸非周期的相位结构，在中心子光束和外部子光束之间的焦点偏移可以进一步增加。设对于NA＜NA2的非周期相位结构和上述的例子中的相同。所述非周期相位结构在NA＞NA2，或r＞1.39毫米的范围内由3个台阶构成。在这些台阶之间的同心区域的范围是1.39-1.48mm，1.48-1,57mm，1.57-1.65mm。这些台阶的高度分别是2h1，1h1，和0h1。非周期相位结构的外部把平的入射的外部子光束转换成整体上近似于会聚光束的光束。对于外部子光束的物镜的物距已经从负的无穷大改变为1＝-1260.4mm。此时在图像距离中所得的焦点偏移Δzb由下式给出Δzb=-Fobj2l----(15)]]>得到Δzb＝6.0微米。结果，当在物镜和盘之间的自由工作距离相对于中心子光束的焦点增加18.4微米+6.0微米＝24.4微米时，获得外部子光束的最好的焦点位置。现在允许的最大检测器直径增加到105微米。
具有相位结构的光学元件可以利用所谓的复制工艺制造，其中在衬底上淀积漆层，例如Diacryl，由具有负相位结构轮廓的模具成形，并由UV辐射硬化。作为选择，光学元件可以利用在模具中对整个元件进行注入模制制成，所述模具的一半具有相位结构的轮廓。光学元件还可以用反射方式操作。在这种情况下，上述的关于h1的公式必须用h1＝λ1/2代替，并且表1也相应地改变。由实际制造的光学元件引入的波前可以通过在光学元件的前后测量辐射光束的波前进行确定，或者通过测量相位结构的同心区域的高度和范围来确定。在后一种情况下，通过由相位结构的尺寸计算的台阶状的波前来拟合包括散焦和球面像差项的多项式函数。
可以利用散光方法使图1所示的光头的实施例适合于形成焦点误差信号30。所述方法是已知的。对光头提供透镜90，其设置在光束分裂器13和检测系统25之间的第一和第二辐射光束的光路中。所述透镜由在第二波长下折射率为1.5734的聚碳酸酯制成。其在光轴上的厚度为0.9mm。透镜的一个表面是半径为15.5mm的圆柱，另一个表面是半径为3.44mm的球面。透镜90使中心子光束形成两个聚焦线，一个在检测平面25’的前方0.299mm，另一个在检测平面25’的后方0.355mm。当中心子光束的焦点位于信息层42上时，最小散射的基本上为环形的所谓光点处于检测平面内，并具有55微米的几何直径D。这个光点是图3B的中心强度分布72。散光的聚焦线具有长度2D。图5表示在象限检测器形式的检测系统25的实施例的辐射敏感区域92上的中心强度分布91的位置。区域92被两个线94分成4个相等的大的子区域93。透镜90的圆柱的轴线和线94的方向成45度角。结果，聚焦线的方向和方形检测器的边成45度角，如果是方形的，波前辐射敏感区域应当具有L×L的尺寸，其中L大约等于根号2乘以D或更大。在检测系统的这个实施例中，区域92L×L的尺寸是100微米×100微米。图中示出了在检测平面内的外部强度分布95。为了防止外部强度分布的辐射落在辐射敏感区域上，外部强度分布的内径应当大约是根号2乘以L或更大。在本实施例中，内径应当大约是根号2乘以100微米＝142微米或更大。辐射敏感区域的边缘可以在外部辐射分布内延伸一小段距离，只要被遮断的外部辐射光束的辐射不超过上述的数量即可。由物镜系统形成的中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的距离必须至少为16微米，以便实现所需的内径。焦点偏移和上述实施例中计算的焦点偏移具有相同的数量级。
通过对波前进行小的校正可以进一步改善空间滤波。这可以参照图6和图7进行说明。图6的上部的曲线表示相位结构的区域的高度h，以作为相位结构半径的函数h1为单位。注意，图6和图7中的半径可以不精确地相应于上述实施例中的区域半径。图6的相位结构不包括改进的空间滤波的特征。半径根据在辐射光束中的光线的数值孔径NA表示，所述光线位于离开辐射光束的中心光线一段等于所述半径的距离处。对于符合所谓的正弦条件的透镜在空气中半径r和数值孔径NA之间的关系由NA＝r/f给出，f是物镜系统18的焦距。图中分别示出了对于CD和DVD为0.5和0.6的NA。外部区域60位于区域62，其具有0高度并延伸到NA2。和0高度区域63一道，其形成区域61。在图6中部的曲线64表示OPD或由相位结构在第一辐射光束中引入的波前偏移，所述OPD是相对于光束的中心光线的光路，以λ1为单位。区域54-60的OPD是负的，因为光线被图2所示的相位结构延迟。换句话说，当引入的波前偏移是凸形时，相位结构的形状部分地呈凹形。在图中部的虚线65表示在通过光学元件透射之后在第一辐射光束中引入的波前偏移。所述波前偏移在整体上和在局部上是平的，表示光学元件不影响第一辐射光束。物镜系统18引入一定数量的用于补偿在第一类记录载体的透明层3中由第一辐射光束引起的球面像差所需的球面像差。因而，在通过光学元件16和物镜系统18之后，第一辐射光束对于第一类记录载体被正确地补偿。
由光学元件在第二辐射光束中引入的波前偏移由图6底部的曲线66示出。沿着垂直轴的OPD以λ2为单位给出。虚线曲线67-68是由于记录载体的透明层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须被高达NA2＝0.50的光学元件16补偿，即高达用于扫描第二类的记录载体的第二辐射光束的数值孔径。底部曲线表示，台阶状的波前66在整体上近似所需的球面像差67。不过，所述近似在局部值上即在同心区域的值上是不合适的每个区域给出一个平的波前偏移，而对于所述区域所需的波前偏移基本上不是平的。在局部值上的差异使得球面像差的校正不完善，如在底部图中的锯齿线69所示。这个线是在焦点47附近的波前，以λ2为单位测量。所述波前是要被校正的波前67和光学元件的实际波前校正66之间的差。
第二辐射光束的不完善的校正影响检测系统25检测从记录载体40返回的辐射光束。如果从光学元件16发出和射向检测系统的光束的波前是平的，则准直透镜14应当把构成光束的光线正确地聚焦在辐射光束的中心光线和检测系统的交点上。虽然光学元件实质上减小了由于球面像差导致的波前相位误差，但是其没有改变波前的梯度或斜度。因为在波前上的局部法线是辐射光束中的光线方向，所以光线方向可以由锯齿轮廓69的法线求得。其中球面像差被校正的与轮廓69相应的方向和其中球面像差不被校正的轮廓67的相同。光线的方向是这样的对于小于大约0.35的NA，光线和比具有大于0.35的NA的光线更接近物镜系统18的辐射光束的中心光线相交。这使得加宽了检测平面内的中心和外部强度分布。
图7示出了和图6相同的曲线，不过其中的相位结构具有改善的空间滤波特征。相位结构的截面如图5的顶部的曲线所示。所述结构具有在区域54-57的上侧的平面，如图6所示的相位结构那样。区域58’，59’和60’具有斜的上侧代替平的上侧。同样，区域60’具有斜的上侧。图7的中部曲线表示，对于第一辐射光束的波前65’在整体上近似于用于补偿由第一辐射光束通过透明层3时引起的球面像差所需的平的波前。不过，局部地，所述补偿只对区域53-57是正确的，其中每个区域形成基本上平的波前。所述补偿对于区域58’-60’和62’不完善，表现为在波前中具有小的锯齿，如图所示。这个不完善的补偿把光点21的所谓的Strehl强度从1.00减少到0.93，这对于扫描记录载体2的光点的劣化是不明显的。
图7的底部的曲线表示对于第二辐射光束的区域的OPD。区域53-57的补偿是不完善的，这和常规的相位结构相似。选择在区域58’-61’中的相位结构的上侧倾斜，使得形成局部等于球面像差67的差的波前，由此形成一个接近完善的补偿。这在图中由在NA＝0.35和NA＝0.5之间的平的波前69示出。在区域63中对于具有大于NA1的数值孔径的光线没有补偿，因而在球面像差的波前特性中形成了大的梯度。在由区域61’到62的补偿的转变在波前梯度中引起了不连续性，如在底部图中在NA2＝0.5的OPD69’中的弯曲所示。具有在0.35和0.5之间的NA的光线被引向中心光线和检测平面的交点。这些靠近NA小于大约0.35的光线在检测系统25上正确地聚焦。具有大于0.5的NA的光线被引向远离透镜系统的位置。光线的重新定向的作用是使光线更集中于中心强度分布和外部强度分布上，从而在两个强度分布之间产生一个较宽的和/或较暗的区域，从而改善空间滤波。
虽然在图1所示的实施例中相位栅格被设置在板50上或板50内，但是相位栅格也可以设置在其它的光学元件上或其它的光学元件内，例如准直透镜14，光束分裂器13，尤其是如果其是一个立方体光束分裂器，或者物镜系统18，此时最好设置在面向辐射源10的系统的透镜的表面上。
权利要求
1.一种用于扫描第一光记录载体和第二光记录载体的光头，所述第一光记录载体包括第一信息层和具有第一厚度的第一透明层，所述第二光记录载体包括第二信息层和具有与所述第一厚度不同的第二厚度的第二透明层，所述光头包括辐射源，用于产生具有第一波长的第一辐射光束，和具有与第一波长不同的第二波长的第二辐射光束，所述第二辐射光束包括中心子光束和外部子光束，一个光学系统，用于会聚第一辐射光束通过第一透明层聚焦到第一信息层上，并会聚第二辐射光束通过第二透明层聚焦在第二信息层上，以及一个检测系统，用于接收来自信息层的第一和第二辐射光束的辐射，并包括设置在检测平面内的光敏区域，所述光学系统包括具有非周期相位结构的光学元件，所述相位结构包括多个同心区域，用于在第一辐射光束中引起一个在整体上接近一个平的波前偏移的波前偏移，并在中心子光束中引起一个补偿由于第一和第二透明层而引起的球面像差之差的波前偏移，其特征在于，所述光学元件对于第一辐射光束和中心子光束以及外部子光束是透明的，并且在第二辐射光束中产生的波前偏移是这样的，当中心子光束的焦点位于第二信息层上时，中心子光束和外部子光束的辐射分别在检测平面内形成中心强度分布和外部强度分布，所述中心强度分布和外部强度分布被一个实质上暗的区域分开，并且所述光敏区域基本上只捕获所述中心分布的辐射。
2.如权利要求1所述的光头，其特征在于，所述光敏区域具有被设置在所述强度分布的暗的区域中的边缘。
3.如权利要求1所述的光头，其特征在于，所述相位结构在第二辐射光束中引起一个在整体上接近球面像差的波前偏移和散焦，所述散焦改变在中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的轴向距离。
4.如权利要求1所述的光头，其特征在于，所述相位结构在中心子光束中引入散焦。
5.如权利要求1所述的光头，其特征在于，所述相位结构在外部子光束中引入散焦。
6.如权利要求1所述的光头，其特征在于，在中心子光束的焦点和外部子光束的焦点之间的轴向距离至少是12.5微米。
7.一种用于扫描两种类型的光记录载体的装置，所述装置包括如权利要求1所述的光头和用于进行误差校正的信息处理单元。
全文摘要
一种用于扫描不同厚度的第一类和第二类光记录载体(2；40)的装置，所述装置产生不同波长的第一和第二辐射光束。所述第一辐射光束(17)具有第一数值孔径NA
文档编号G11B7/135GK1411598SQ01806123
公开日2003年4月16日 申请日期2001年10月30日 优先权日2000年11月9日
发明者J·E·德弗里斯, B·H·W·亨德里克斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司