专利名称：物镜和光学拾取器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物镜和一种光学拾取装置，该装置具有物镜，并安排该物镜在和从诸如光盘，磁-光盘或者光卡等光学记录介质读取和写信息信号。
迄今，诸如光盘，磁-光盘和光卡的光学记录介质已经广泛用于存储动态图像信息，声音信息和计算机的数据，这是由于光学记录介质很容易制造和制造成本能降低。近些年来，更需要增加可以记录的信息信号的密度和扩大由于信息社会的迅速的发展而需要的容量。
为了提高可以在前面所说类型的光学记录介质上记录的信息信号的密度，缩短信息信号的激光束的波长和提高用于将激光束会聚到光学记录介质上的物镜的NA(也就是使用具有高NA(孔径数值)的物镜)是有效的手段。这就是通过会聚激光束形成的聚光点的最小尺寸不能减小到λ/NA(λ光束的波长)或者更小的原因。
为了缩短激光束的波长，已经开发了蓝激光二极管，蓝SHG激光器和绿SHG激光器。另一方面，试图使记录密度高于所谓的“小型密致盘(CD)(运用于音频信号或计算机数据的数字光盘)的所谓的“数字视频盘(DVD)”(适用于视频信号的数字光盘)物镜的N/A相比于0.45的“小型密致盘(CD)”的NA高0.6，以便提高物镜的NA。光盘的物镜做成由合成树脂材料或玻璃材料制成的单个非球面透镜(单环非球面透镜)。
为了消除由于“数字视频盘(DVD)”的倾斜发生的彗形象差，“数字视频盘(DVD)”的基片有等于“小型密致盘”(compact disk)和磁光盘的基片一半的0.6mm的厚度。
为了进一步增加与“数字视频盘(DVD)”实现的密度相比较要高的可记录的信息信号的密度，需要NA高于0.6的物镜。
然而，为了制造NA不低于0.7的物镜，就必须满足各种要求。
具有高NA的物镜受到色差的损害，这种色差是由于半导体激光器的波长变化所产生的(垂直型反射，它是当环境温度变化时发生的)。由于通常的单环(monocyte)物镜具有不高于根本不可能产生色差的0.6的NA，前述类型的透镜可以用光学玻璃制成，它的色散系数是50或者少些，因此它具有相当高的散射和较高的折射系数。具有高散射和频率的光学玻璃成本能够减小，前述的光学玻璃能满意地大量生产。因此前述的材料已广泛地使用。
然而，如果前述的物镜是由高散射光学玻璃制成的，具有0.7或者更高的NA类型的高NA物镜可能遭遇到大的色差。在这种情况下，在记录信号的光盘的表面上发生过度的散焦。因此，使用低散射的光学玻璃，必能防止色差。
由于低散射光学玻璃的主要部分具有低的折射系数，如果制造具有短的焦距和高的NA的物镜，表面的曲率就非常大。在这种情况下，制造这种透镜的模具不容易机械加工。如果在非球面的接触表面和垂直干光轴的平面间形成的角度θ大于50度(根据当该角度θ是约55度或小于55度，获得满意的透镜的报导)，使用金钢石切削刀，加工非球面表面的目前技术水平不可能精确地制造模具。
然而，通常设计具有短焦距和高NA的物镜以使上述的角度θ超过55度。在这种情况下，当制造该模具或者透镜时，透镜两面间的距离的可允许的光心与几何中心的不一致(不共心性)就大大地减小了。因此，生产效应严重下降。
因此可以考虑有可能使用双合透镜的结构，以分配该曲率给四个表面。然而，甚至是试图保持满意的长的工作距离的双合透镜也包含非常大的表面曲率。此外，当制造该透镜时，透镜的表面间的允许的光心与几何中心的不一致(非共心性)和光场的允许的角度减小了。因此，生产效率严重下降。物镜孔径的减小，也就是物镜的直径的减小，其重要性在于它能使光学拾取器的尺寸减小。因此，实现了经济的优点。保持足够长的工作距离之所以重要是在于防止物镜和高速旋转的光盘间的接触。
因此，双合物镜必须包含具有和缓的表面曲率的透镜而不降低生产的效率。
虽然物镜的曲率可以做得和缓，如果物镜的孔径扩大，那末物镜的生产效率能得以提高但包含物镜的部分的重量被增大。在这种情况下，光学拾取装置的大小不能减小，另外，移动物镜跟随光盘的执行机构(驱动物镜的机械结构)的性能必须改进在这种情况下，光学拾取装置的大小和成本不能减少。
如果使用有高NA的物镜，出现了另外的问题，纵然光盘偏斜的量是小的，射频(RF)信号也变坏，由于彗差，由光盘重放信号是不易的，由于光盘的偏斜导致产生的彗差以与NA的立方的比例加大。
鉴于前面所述，本发明的目的在于提供一种物镜，它具有足够大的孔径数值(NA)，它能够充分地较正色差和能容易地生产这种物镜。
本发明的另一个目的在于提供一种本发明的光拾取装置和安排该光拾取装置能够满意地从和在光记录介质上写和读信息信号，该光拾取装置具有根据本发明的物镜。
为了实现以上的目的，本发明是这样构建的，也就是使用有40或更高的色散系数的低散射光学玻璃制造两个透镜元件，以防止具有高NA(孔径数值)的双合透镜的色差。为了减小孔径的数值或者得到满意的长工作距离，第一装置以这样的方式配置，即具有大的曲率的透镜是由具有比制成有缓和的曲率透镜的光学玻璃的折射率要高的光学玻璃所制成。因此，曲率可以做得平缓和防止生产效率的下降。由于制成具有大的曲率的透镜的光学玻璃受到在这种情况下的波长的大的散射，考虑到校正色差，使我们认识到稍微有些不足。第二个装置是这样配置的，也就是孔径限制为4.5mm或者更小，以减小孔径和光学拾取装置的大小。然而，使用4.5mm或更小的孔径，为了防止陡的曲率，要限制NA(孔径数值)，孔径的直径和工作距离的优选范围。从而防止生产频率的恶化。上述的透镜具有表面的曲率、倾角[倾斜]和可允许的光心与几个中心的偏差，这些要满足生产透镜的范围。因此得到的透镜能够有一对透镜的两个透镜元件的折射本领的最佳分布。由于透镜的制造公差能显著地加大，如果邻近物体(邻近光源)的透镜的焦距F1和整个系统的焦距F的比F1/F满足下面的关系1.7＜(F1/F)＜2.5折射本领的分布可以最佳化。
为了防止彗差，具有高NA物镜的光学拾取装置(高NA透镜系统)被安置以符合通过减小透明基片(盘基片)的厚度得到的光记录介质的倾角(盘偏斜)。
根据本发明的一个方面，提供了一种物镜，它包括由在d-线上的阿贝(Abbe)数等于或大于40的和具有双合透镜结构的光学玻璃制成的两个透镜元件，其中，两个中至少一个表面制成非球面的表面并且孔径数值是0.7或者更大些。
根据本发明的光学拾取装置是这样构建的。在d-线上构成两个透镜的元件的光学玻璃包散系数(阿贝数)等于或大于60和孔径数值是0.8或者更大。
根据本发明的物镜是这样构建的，当假定构成两个透镜中任何一个透镜元件的光学玻璃的折射率是n1，在该透镜元件中，该透镜元件的圆件表面中的平面的切面和垂直于光轴的平面间的角大于另一个透镜元件的角度，和构成另一个透镜元件的光学玻璃的折射率是n2，下面的关系满足n1＞n2根据本发明的一种物镜是这样构成的，当假定入射的激光束的直径是BW，工作距离是WD，孔径数值是NA，下面的关系得以满足如果1.0≤BW＜4.5，0.05≤WD，和0.7≤NA＜0.8于是WD 0.25676BW+0.0391 89，如果0.8≤NA＜0.9于是WD≤0.14054BW-0.064865，和如果0.9≤NA，于是WD≤0.096429BW-0.244640。
根据本发明的一种物镜是这样构成的，以致处在激光束入射侧的透镜的焦距F1与整个系统的焦距F的比F1/F满足下面的关系1.7＜(F1/F)＜2.5根据本发明的一种物镜是这样构造的，以致物镜的象差被校正以对应处在信号记录表面上和支承信号记录表面的光学记录介质的透明的基片的厚度T，该物镜满足下面的关系如果 0.7≤NA(孔径数值)＜0.8于是 T≤0.32mm如果 0.8≤NA＜0.9于是 T≤0.20mm，和如果 0.9≤NA，于是 T≤0.11mm根据本发明的另一个方面，提供了一种根据本发明的光拾取装置，它包括光源；用以会聚由光源发射的激光束到光记录介质的信号记录表面上的物镜，其中的两个透镜元件是由在d-线上色散系数为40或更大些的光学玻璃和双合透镜结构制成的，至少二者中的一个表面做成非球面的表面，以及孔径数值是0.7或更大些。
根据本发明的光拾取装置是这样构造的，在d-线上形成两个透镜元件的光学玻璃的色散系数是60或更大些，以及孔径数值做成0.8或更大些。
结合说明附图；从下面的优选实施例的详细描述可以明显地看到本发明的其他的目的，特征和优点。
图1是表示根据本发明的是色散系数为50或小于50的光学玻璃制成的光学拾取装置的垂直剖面图；图2是图1中所示物镜的畸变曲线；图3是图1中所示物镜的象散曲线；图4是表示图1中所示的物镜的球面象差曲线；图5表示图1中所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图6表示图1中所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图7是表示图1中所示物镜的MTF(调制变换函数)的曲线；图8是表示图1中所示物镜的PSF的曲线；图9是表示根据本发明具有陡的曲率的物镜的透镜元件结构的垂直剖面图；图10表示图9中所示物镜的畸变的曲线；图11表示图9中所示物镜的象散的曲线；图12表示图9中所示物镜的球差的曲线；图13表示图9中所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图14表示图9中所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图15是表示根据本发明的物镜的上限的结构的垂直剖面图；图16是表示图15中所示物镜的畸变的曲线；图17是表示图15中所示物镜的象散的曲线；图18是表示图15中所示物镜的球差的曲线；图19是表示图15中所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图20是表示图15中所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图21是表示在单模激光二极管中的模式跳变；图22是表示光束方向，工作距离和NA(在NA＝0.7的情形下)的优选范围的曲线；图23是表示光束方向，工作距离和NA(在NA＝0.8情况下)的优选范围的曲线；图24是表示光束方向，工作距离和NA(在NA＝0.9的情况下)的优选范围的曲线；
图25是表示在光盘上灰尘尺寸的分布的曲线；图26是表示在设计的差相当大的实例中F1/F焦距比的条带图；图27是表示当DVD(数字视频盘)倾斜0.4度时光束点的波面的曲线；图28是表示产生如图27中产生的波前象差的光盘的盘基片的厚度曲线；图29是表示根据本发明的光学拾取装置的基本部分的侧视图；图30是表示根据本发明的物镜的第一实施例的基本部分的结构的侧视图；图31是表示图30中所示物镜的畸变曲线；图32是表示图30中所示物镜的象散的曲线；图33是表示图30中所示物镜的球差的曲线；图34是表示图30中所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图35是表示图30中所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图36表示图30中所示物镜的MTF(调制变换函数)的曲线；图37是表示图30中所示物镜的(调制变换函数)的曲线；图38是表示根据本发明的物镜的第二实施例的结构的垂直剖面图；图39是表示图38所示物镜的畸变的曲线；图40是表示图38所示物镜的象散的曲线；图41是表示图38所示物镜的球差的曲线；图42是表示图38所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图43是表示图38所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图44是表示根据本发明的物镜的第三实施例的结构的垂直剖面图；图45是表示图44所示物镜的畸变的曲线；图46是表示图44所示物镜的象散的曲线；图47是表示图44所示物镜的球差的曲线；图48是表示图44所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图49是表示图44中所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图50是表示相据本发明物镜的第四实施例的结构的垂直剖面图；图51是表示图50所示物镜的畸变的曲线；图52是表示图50所示物镜的象散的曲线；图53是表示图50所示物镜的球差的曲线；图54是表示图50所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；
图55是表示图50所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图56是表示根据本发明物镜的第五实施例的结构的垂直剖面图；图57是表示图56所示物镜的畸变的曲线；图58是表示图56所示物镜的象散的曲线；图59是表示图56所示物镜的球差的曲线；图60是表示图56所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图61是表示图56所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图62是表示根据本发明物镜的第六实施例的结构的垂直剖面图；图63是表示图62所示物镜的畸变曲线；图64是表示图62所示物镜的象散曲线；图65是表示图62所示物镜的球差的曲线；图66是表示图62所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图67是表示图62所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图68是表示根据本发明物镜的第七实施例的结构的垂直剖面图；图69是表示图68所示物镜的畸变的曲线；图70是表示图68所示物镜的象散的曲线；图71是表示图68所示物镜的球差曲线；图72是表示图68所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图73是表示图68所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图74是表示根据本发明物镜的第八实施例的结构的垂直剖面图；图75是表示图74所示物镜的畸变的曲线；图76是表示图74所示物镜的象散的曲线；图77是表示图74所示物镜的球差的曲线；图78是表示图74所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图79是表示图74所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图80是表示根据本发明物镜的第九实施例的结构的垂直剖面图；图81是表示图80所示物镜的畸变的曲线；图82是表示图80所示物镜的象散的曲线；图83是表示图80所示物镜的球差曲线；图84是表示图80所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；
图85是表示图80所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图86表示是根据本发明物镜的第十实施例的结构的垂直剖面图；图87是表示图86所示物镜的畸变的曲线；图88是表示图86所示物镜的象散的曲线；图89是表示图86所示物镜的球差的曲线；图90是表示图86所示物镜的横向象差的(视角0.5度)的曲线；图91是表示图86所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图92是表示根据本发明物镜的第十一实施例的结构的垂直剖面图；图93是表示图92所示物镜的畸变的曲线；图94是表示图92所示物镜的象散的曲线；图95是表示图92所示物镜的球差的曲线；图96是表示图92所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图97是表示图92所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图98是表示根据本发明物镜的第十二实例的结构的垂直剖面图；图99是表示图98所示物镜的畸变的曲线；图100是表示图98所示物镜的象散的曲线；图101是表示图98所示物镜的球差曲线；图102是表示图98所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图103是表示图98所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线；图104是表示根据本发明物镜的第十三实施例的结构的垂直剖面图；图105是表示图104所示物镜的畸变的曲线；图106是表示图104所示物镜的象散的曲线；图107是表示图104所示物镜的球差的曲线；图108是表示图104所示物镜的横向象差(视角0.5度)的曲线；图109是表示图104所示物镜的横向象差(在轴上)的曲线结合附图按下面顺序描述本发明的实施例。
1.物镜的示意结构。
2.使用用作两透镜元件的在D-线上色散系数Vd不小于40(Vd≥40)的低散射光学玻璃制成的透镜类型。
3.满足n1＞n2的透镜，假定具有陡的曲率的透镜的折射率是n1和具有缓和曲率的透镜的折射率是n2。
4.具有光束直径BW和工作距离WD的透镜限定如下如1.0≤BW≤4.5，0.05≤WD和0.7≤NA(孔径数值)＜0.8，于是WD≤0.25676BW+0.039189，如果0.8≤NA＜0.9，于是WD≤0.14054BW-0.064865，和如果0.9≤NA，于是WD≤0.096429BW-0.2446404-1光束直径的上限4-2工作距离的下限4-3工作距离的上限5.透镜的焦距比满足1.7＜(F1/F)＜2.5，F1是邻近物体(邻近光源)的透镜的焦距，F是整个系统的焦距。
6.校正透镜以对应光学记录介质的透明基片的厚度T，如下如果0.7≤NA(孔径数值)＜0.8，于是T≤0.32mm，如果0.8≤NA＜0.9，于是T≤0.2mm，和如果0.9≤NA，于是T≤0.11mm。
7.光学拾取装置的结构，8.改进。
1.示意结构根据本发明的物镜是至少两面中的一面构成球面的双合透镜(在两组中的两个元件)，如图1和表1所示。根据本发明的物镜是具有0.7或更高的高-NA(孔径数值)的物镜。也就是，根据本发明的物镜包括位于邻近物体(邻近光源)的第一透镜3和位于邻近图象(当记录介质)的第二透镜4。在邻近该图像的位置，对应透明光记录介质的平行平板5提供作为本发明的物镜。
根据本发明的物镜是具有位于无限大距离位置的物体点(OBJ)(光源)的所谓无限远透镜。来自物体点发射的光束形成平行光束，以及允许通过光阑(STO)2，以致激光束入射在第一表面S1(第一透镜3的入射表面)上于是从第二表面S2发射出激光束(第一透镜3的发射表面)，然后入射到第三表面S3(第二透镜4的入射表面)上。激光束于是从第四表面(第二透镜4的发射表面)S4发射出来，于是入射到第五表面S5(平行平板5的入射表面)上。于是激光束成像在第六表面S6(平行平板5的发射表面)的成像点(1MG)上。
在图中2表示了根据本发明的物镜的畸变曲线，它的象散示于图3中，以及在图4中示出了它的球差。表示横向象差的曲线(视角0.5度)示于图5中，以及表示横向象差(在轴上)的曲线示于图6中。
2，使用在d-线上色散系数不小于40(Vd≥40)的作为两透镜元件光学玻璃的低散射光学玻璃类型的透镜。
由于根据本发明的物镜是根据作为光源的半导体激光器的波长的变化而变化，由于根据本发明的物镜具有高的NA，所以必须考虑色差的较正。色差的产生是由于光学玻璃的折射系数根据光的波长变得不同。根据波长的不同图象的位置和大小变得不同。
由于通常的物镜具有用于诸如通常的CD(小型密致盘)的光盘或者激光束打印机的低NA，所以不产生大量的色差，以及光学玻璃(具有小于40的色散系数)广泛地使用。鉴于这种原因，上述的光学玻璃容易生产，而且允许大批量生产。
然而，透镜系统具有比例于NA的较高的折射本领，以及由于当波长发生变化出现了折射系数的变化，所以相当程度地产生了色差。然而，在长的聚焦距离系统中也明显地产生色差。
另一方面，如图21所示，根据激光器二极管温度的变化，半导体激光器遇到了模式的跳变，因此输出波长迅速地改变。如果在物镜中产生了色差，由于模式的跳变引起的散焦，不可能由移动物镜的双轴致动器予以跟随和去除。
因此，为了防止产生色差，透镜必须由低散射光学玻璃制成。如图1和表1所示的上述的设计的物镜包括第一和第二透镜，二者具有40.5的色散系数Vd，以及1.73的折射系统。当由光阑2限定开口的度数时，当NA是0.8时，对于半导体激光器+5nm的波长的变化的散焦是0.478μm。
当空间频率是80/mn时，在光轴方向上的MTF(调制变换函数)示于图7，以及在图8中示出PSF(点强度函数)。
如果当半导体激光器的波长变化P-P10nm(±5nm)时，适用于作为光记录介质的光盘的高NA物镜产生大于作为0.992μm聚焦深度的一半的0.496μm的散焦，则在光盘信号记录表面上的光束点不能完全地挡住。当波长变化P-P10nm(±5nm)时，由图1所示的和具有40.5的色散系数Vd的光学玻璃制成的透镜产生基本上能允许的0.475μm的散焦。因此，本发明是这样构造的，为了防止色差，制作透镜的光学玻璃的合适的色散系数Vd的下限是40。为了防止色差，最好色散系数Vd的上限值是大的数值。因此，本发明的构造是这样的，制造具有NA为0.7或更大的透镜的光学玻璃的色散系数Vd的范围确定为40或更大些，以有效地防止色差。
在后面叙述的第一实施例中，将描述由具有较大的色散系数(Vd＝61.3)的光学玻璃制造的物镜的例子。在这种情况下，即使焦聚被扩大或NA被加大，也能防止色差。
3.满足n1＞n2的透镜，假定具有陡的曲率的透镜的折射率数是n1，和具有缓和曲率的透镜的折射系数是n2。
即使使用上述的低散射光学玻璃以防止产生色差，也会发生如下问题如果使用具有低折射系数的低散射光学玻璃，由于为了制造具有高NA的物镜，光学玻璃需要大的折射本领，如果使用具有低折射系数的低散射光学玻璃，制造透镜大大加大了透镜曲率的陡度。在这种情况下，为了制造曲率缓和的透镜，必须改变光学玻璃以提高折射系数。
在这种情况下，可用光学玻璃中的散射增加。因此，两个透镜必须由色散系数为40或更大的光学玻璃制造。如果使用具有较大的色散系数的光学玻璃制造缓和曲率的透镜，和如果使用具有较小的色散系数(不小于40)的光学玻璃制造较陡的曲率的透镜，能明显地防止色差的恶化。
曲率太陡而不能制造透镜的情形是这样的一种情形，在入射激光束之中具有最大的高度的激光束位置，透镜的表面的正切面(正切平面)与垂直于光轴的平面(垂直于光轴的平面)间成的角θ在具有最陡的曲率的图9中所示的表面上(在图9中所示情况中的平面S3上)超过55度(在图9中所示的情形是65度)。在这种情况下，制造前述透镜的模具不可能精确地制造。图9中所示的物镜的设计值示于表2之中。
前述的物镜的畸变曲线示于图10中，它的象散示于图11中，它的球差示于图12中。表示横向象差曲线(视角0.5度)示于图13中，表示横向象差曲线(在轴上)示于图14中。
如上所述，透镜的曲率作得平缓以满足可以制造透镜的范围，同时满意地防止色差，以致有效地改善透镜的生产效率。
如上述的设计的物镜将在第二实施例中描述。
4.具有光束直径BW和工作距离WD的透镜限定如下如果1.0≤BW＜4.5，0.05≤WD和0.7≤NA(孔径数值)＜0.8，于是WD≤0.25678BW+0.039189，如果0.8≤NA＜0.9，于是WD≤0.14054BW-0.064865，和如果0.9≤NA，于是WD≤0.096429BW-0.244640。
为了减少光学拾取装置的大小和成本，试图采用适合诸如光盘的光记录介质的一对物镜，其次需要有减小的孔径(缩短的焦聚)。由于根据本发明的物镜是由两个透镜元件构成，孔径的减小是重要的因素。如果孔径大的话，和单个元件的透镜相比，这就是前述的透镜的重量增加的原因所在。
如果大直径的透镜的孔径简单地减小，工作距离WD就会有不希望的缩短。实际上，有时这种减小不能如愿地执行，这是由于必须提供50μm的工作距离，以防止物镜与光记录介质表面上的灰尘间的接触。如果试图提供满意的工作距离，球差的较正量就过度地扩大。在这种情况下，非球面系数被增大和表面的曲率迅速地变陡。结果下降了生产效率。
如工作距离那样，孔径减小的限度的不同依赖于NA。这就是球差的校正量取决于透镜的NA的理由。
从设计和制造透镜的观点看，当孔径大时，改进性能的透镜能容易制造。
因此，参照图22至24描述光束直径的范围，工作距离WD和适于制造双会透镜的NA。
4-1光束直径的上限如图22和24中的A所表明的，光束直径的上限被确定了。如果光束的直径大的话，光拾取器的尺寸不能减小，以及物镜的重量和透镜筒(透镜架)被加大。在这种情况下，执行聚焦伺服的执行机构从经济的观点出发不利于改善其性能。
例如，如图15所示的具有45mm有效光束直径的和由两个透镜元件构成的物镜有约250mg的大的重量。包括透镜外壳的适用于CD(小型密致盘)或DVD(数字视频盘)的物镜重量大约是200mg。由于考虑到双轴执行机构的性能，作为f＝k/2m的关系得以满足(m质量，k弹性常数和f谐振频率)，由于f在聚焦伺服机构的外面位置，所以最好是f反比于伺服控制的物镜的重量而被加大以利于伺服控制。如果优选的包括透镜外壳的物镜的整个重量作成500mg或小一些，由于图15中所示重于具有4.5mm有效直径的物镜的透镜具有250mg的重量，包括透镜外壳的有等于或小于500mg的重量的透镜不容易设计。在这种情况下，实际使用的双轴执行机构必须改进性能，以及生产成本过度地上升。因此，最好双合透镜的有效直径是4.5mm或者小一些。
在表3中示出了图15所示的物镜的设计数据。在图16中示出了前面所说的物镜的畸变，图17中示出了它的象散，图18示出了它的球面象差。图19中示出了横向象差的曲线(视角0.5度)和图20示出了模向象差的曲线(在轴上)。
4-2工作距离的低限如图22至24所示的，工作距离WD的下限被确定。由于球差的校正量能比例于工作距离减小，所以透镜容易制造。以实际使用的观点看，为了防止物镜和光记录介质间的碰撞，例如当执行聚焦搜索时与高速旋转光盘的碰撞或者在光记录介质表面上的灰尘与聚焦伺服开动时的物镜间的接触，为此必须提供一定的工作距离。
允许放置在房间环境中的光记录介质表面上的灰尘的尺寸，如同25所示，通常是50μm或小些。因此，工作距离必须是50μm或大些。
4-3工作距离的上限由有关一定的NA和光束直径的双合透镜能校正的球面象差的量取决于工作距离。在本发明中，设计各种透镜时要考虑到曲率(角度θ是55度或大些)，可允许的偏心(±10μm或更大些)和可允许的视角(1度或更大些)。实现上述允许范围的工作距离的上限的例子由图22至24中所示的1至9点所表示。如果工作距离超过了上述的上限，球差会过度地扩大，因此透镜的曲率会过度地变陡。如果以工作距离不包含在图22至24中所示的对角线表示的范围的方法设计时，透镜不容易制造，或者透镜不能用于光记录介质。优选范围用根据设计的实例所执行的线性近似值表示如下如果1.0≤BW＜4.5，0.05≤WD和0.7≤NA＜0.8，于是WD≤0.256BW+0.039189(见图22)。
如果0.8≤NA＜0.9，于是WD≤0.14054BW-0.064865(见图23)。
如果0.9≤NA，于是WD≤0.096429BW-0.244640(见图24)。
当用模具注入成型制造透镜时，可允许的偏心(±10μm或更大些)是根据成型精度确定的值。可允许的视角(1度或更大些)是根据双合透镜偏离光轴的成型精度所确定的值。
将要描述满足图22至24所示条件的物镜，并且在第8实施例中将要描述对应图22中所示点2的物镜，将要描述在第9实施例中对应图22中的点3的物镜，和将要描述在第10实施例中对应图24所示点9的物镜。
5.邻近物体(邻近光源)的透镜的焦躁F1与整个系统的焦距F的焦距比(F1/F)满足1.7＜(F1/F)＜2.5的透镜。
上述的透镜是最佳分配两个透镜元件的折射率所设计出来的透镜，从而实现了透镜的满意的生产效率，也就是，表面的曲率，允许的偏心以及可允许的视角在制造透镜的范围内。当折射率的分配状态满足下列范围时，它是用第一透镜3(邻近物体的透镜)的焦距F1与整个系统的焦距F的比(F1/F)表示的，1.7＜(F1/F)＜2.5可以获得该透镜的满意的大的制造容差，以及最佳地分布折射率。
前述的事实表明这样的情况，第一透镜3(邻近物体的)的折射率是整个系统的1/2时，执行了最佳的折射率分布。
如果(F1/F)≤17，第一透镜3(邻近物体的透镜)的焦距是短的，也就是折射率是大的。在这种情况下，第一透镜3(邻近物体的透镜)的曲率、允许的偏心，和允许的倾斜是严格的。如果2.5≤(F1/F)，第一透镜3(邻近物体的透镜)的焦距被增大，以及折射率被减小。然而，第二透镜4(邻近图像的透镜)的折射率被增大。在这种情况下，曲率，可允许的偏心和可允许的倾斜制造将是严格的。
当只考虑透镜的制造容差时，根据NA，光束的有效直径和工作距离，有时上述的范围被放宽。如图26所示，作为各种透镜和制造容差的设计和研究的结果，得到允许大的容差的透镜的象散。也就是，如果下面的关系能够满足，可以最佳地执行折射率的分配，以及制造容差能显著地加宽。
1.7＜(F1/F)＜2.5。
在第三实施例中将描述满足上述关系的透镜。
6.对应光记录介质的透明基片的厚度的校正的透镜如下如果0.7≤NA(孔径数值)＜0.8于是T≤0.32mm如果0.8≤NA＜0.9于是T≤0.20mm，和如果0.9≤NA，于是T≤0.11mm。
光学记录介质，例如用于使用本发明的物镜的光学拾取器的光盘具有0.1mm厚度的透明基片(盘基片)，该0.1mm厚度显著地小于通常的CD(小型密致盘)的厚度1.2mm和DVD(数字视频盘)的0.6mm厚度。这就是倾斜安全系数等于或优于用通常的结构减小由于光记录介质倾斜产生的彗差实现的倾斜安全系数。由于盘倾斜产生的彗差量比例于NA的立方而增大，所以当使用高NA物镜读取信号时，小的盘倾斜迅速地恶化RF。
W31＝(T(n2-1)n2sinθcosθs)/(2(n2-sin2θs)(52))＝(T(n2-1)NA3θs)/(2n3)这里，n透明基片的折射系数，T透明基片的厚度和θs倾斜角度。
从上述的方程可以理解，彗差与透明基片的厚度T成比例地扩大。因此透明基片的厚度T的减小是克服倾斜的有效的手段。当存在等于0.4度的倾斜角θs(径向倾斜)时，适用于DVD(数字视频盘)(由厚度0.6mm的盘基片构成)的物镜(NA＝0.6)如图27所示在成像表面上产生的0.043rms的波前象差。当存在0.4度的倾斜角θs(径向倾斜)时，在NA扩大超过0.6时，在NA是0.7的情况下，通过使透明基片的厚度为0.32mm，在成像表面上的波前象差成为0.043rms，而在NA是0.8至0.9的情况下是约0.20mm厚度，在NA是0.9的情况下是约0.11mm，如图28所示。如果透明基片的厚度小于前述的值时，波前象差能进一步地减小。
7.光学拾取器的结构如图29中所示，根据本发明的光学拾取器可以成为重放光盘12的装置。该光学拾取装置具有本发明的物镜。
从作为光源的半导体激光器(未示出)发射的线性偏振光束，或为具有635nm波长的平行光束，允许通过偏振光束分离器(PBS)和λ/4(1/4波长)的波片8，以致成为园偏振状态。园偏振激光束允许通过物镜和盘基片5，以致会聚在光盘12的信号记录表面上。盘基片5是0.1mm厚度的薄基片。前述的物镜是将具有0.7至0.95的NA的两个非球面透镜3和4组合而形成的透镜。
前述的光盘12是单层的或者是将是有1.2mm的玻璃板粘合制成的多层盘，以加强具有0.1mm厚度的盘基片5的强度。
由信号记录表面反射的激光束被反射通过原来的光路，然后再通过λ/4波片8。因此，激光束成为由正向线性偏振方向旋转90度的线性偏振激光束。激光束由线性偏振光束分离器7反射，然后通过聚焦透镜(会聚透镜)13和复合透镜14，以便由光检测器(PD)15检测到电信号。
复合透镜14具有形成为园柱的表面的入射表面和形成凹形的发射表面。复合透镜14实现象散，以能够用所谓的象散方法从入射激光束检测到聚集误差信号。光检测器1 5是安排有六个元件的光电二极管，以便输出电信号，从而用象散方法执行聚集调节，以及用所谓的三光束方法跟踪调节。
8.改进本发明的物镜不限定为具有物体点(光源)的所谓的无限远系统的透镜。物镜可以设计成为无限远系统透镜，该透镜是这样的构造，物体点(光源)位于无穷远的距离。
现在将描述本发明的物镜的实施例。在前述的实施例中，制造透明基片5的材料是CG(当波长是635nm时，其折射系数是1.533，当波长是680nm时，其折射系数是1.5769)。第一实施例根据本发明这个实施例的物镜具有这样的结构。其中透镜3和4是用具有在d-线上有色散系数Vd为61.3和1.589折射系数的低散射光学玻璃(BACD5)制造的。
光通路示于图30中。在图31中示出了前述物镜的畸变的曲线，在图32中示出了它的象散和在图33中示出了它的球差。在图34中示出了横向象差(视角0.5度)，在图35中示出了横向象差(在轴上)。
当通过使用光阑2限制开孔使NA作成0.8时，对于半导体激光器的波长中+0.5nm的变化的散焦是0.331μm。当在接近成像点的光轴方向上的空间频率是80/mm，MTF(调制变换函数)示于图36，和在图37中表示了PSF(点图象强度函数)。从图36可以知道，调制度的峰值偏移和从聚焦位置0.0散焦。
在表4中示出了设计条件即使焦距被增大或即使NA被增大，根据这个实施例的透镜也能满意地防止色差。
第二实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，该结构是用在d-线上具有色散系数Vd81.6的光学玻璃(FCD1)和具有色散系数Vd61.3的光学玻璃(BACD5)制成的。
图38表示出光路。在图39中示出了先前述及的物镜的畸变曲线，在图40中示出了它的象散曲线和在图41中示出了它的球面象差曲线。在图42中示出了横向象差曲线(视角0.5度)和在图43中示出了横向象差曲线(在轴上)。在表5中示出了设计的条件。根据这个实施例的物镜是这样的结构，即，相比于第一透镜3(邻近物体的透镜)用具有较高的折射系数的光学玻璃制造第二透镜。因此，满意地防止了色差，并使第三个透镜的曲率(邻近图像的透镜)做得缓和，以便透镜的制造容易操作。
第三实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，其中透镜3和4是用具有色散系数Vd81.6的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd61.3的光学玻璃(BACD5)制成的。
图44示出了光路。在图45中示出了前述物镜的畸变曲线。图46中示出了它的象散的曲线，图47中示出了它的球面象差的曲线。在图48中示出了横向象差(视角0.5度)的曲线，在图49中示出了横向象差(在轴上)的曲线。表6示出了设计的条件。根据这个实施例的物镜满足1.7＜(F1/F)＜2.5的上述条件。因此根据这个实施例的设计能够最佳地进行折射率分配和加大透镜3和4的制造容差。
第四实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，即其中的透镜3和4是由具有在d-线上色散系数Vd为81.6的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd1为61.3的光学玻璃(BACD5)制造的。
图50中示出了光路。在图51中示出了前述的物镜的畸变曲线，在图52中示出了它的象散曲线，在图53中示出了它的球面象差的曲线。在图54中示出了横向象差(视角0.5度)的曲线，在图55中示出了横向象差的曲线(在轴上)。表7中示出了设计条件。
第五实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，即其中的透镜3和4是由具有在d-线上色散系数为53.2的光学玻璃(694.532)制成。
图56示出了光路。图57中示出了前述物镜的畸变的曲线，图58中示出了它的象散的曲线，图59中示出了它的球向象差的曲线。在图60中示出了横向象差(视角0.5度)的曲线，在图61中示出了横向象差(在轴上)的曲线。表8中示出了设计条件。
第六实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.6的光学玻璃(FCD1)制成的。
图62示出了光路。图63示出了前述物镜的畸变曲线，图64示出了它的象散的曲线，图65示出了它的球面象差的曲线。在图66中示出了横向象差(视角0.5度)的曲线，在图67中示出了横向象差(在轴上)的曲线。表9示出了设计的条件。
第七实施例根据这个实施例的物镜具有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上有81.6的色散系数Vd的光学玻璃(FCD1)制成。
图68中示出了光路。在图69中示出了前述物镜的畸变曲线，在图70中示出了它的象散曲线，和在图71中示出了它的球面象差曲线。在图72中示出了横向象差(视角0.5度)曲线，在图73中示出了横向象差(在轴上)曲线。表10示出了设计条件。
第八实施例根据这个实施例的物镜是有这样的结构，即其中透镜3和4是由在d-线上有81.6的色散系数Vd的光学玻璃(FCD1)和具有61.3的色散系数Vd的光学玻璃(BACD5)制成的。
图74中示出了光路。在图75中示出了前述物镜的畸变曲线，在图76中示出了它的象散的曲线，在图77中示出了它的球面象差曲线。在图78中示出了横向象差曲线(视角0.5度)和在图79中示出了横向象差曲线(在轴上)。在表11中示出了设计条件。根据这个实施例的物镜是满足在图22和图24中的光束直径，工作距离和NA的范围的物镜，根据这个实施例的物镜对应图22中的点2。
第九实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.6的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd为61.3的光学玻璃制成的。
在图80中示出了光轴。在图81中出了前述的物镜的畸变曲线，在图82中示出了它的象散曲线，在图83中示出了它的球面象差曲线，在图84中示出了横向象差(视角0.5度)曲线，和在图85中示出了横向象差(在轴上)曲线。表12示出了设计条件。根据这个实施例的物镜满足在图22和24中所示的光束直径，工作距离(WD)和NA的范围的物镜，根据这个实施例的物镜对应图22中所示的点3。
第十实施例根据这个实施例的物镜有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.3的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd为61.3的光学玻璃(BACD5)制成的。
在图86中示出了光轴。在图87中示出了前述的物镜的畸变曲线，在图88中示出了它的象散曲线，在图89中示出了它的球面象差曲线。在图90中示出了横向象差曲线(视角0.5度)和在图91中示出横向象差轴线(在轴上)。表1 3示出了设计条件。根据这个实施例的物镜是满足图22和24中光束直径，工作距离(WD)和NA的范围的物镜，根据这个实施例的物镜对应图24中的点9。
第十一实施例根据这个实施例的物镜具有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.6的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd为64.1的光学玻璃(BKT)制造的。
在图92中示出了光路。在图93中示出了前述的物镜的畸变曲线，在图94中示出了它的象散曲线，和图95中示出了它的球面象差曲线。在图96中示出了横向象差曲线(视象0.5度)，在图97中示出了横向象差曲线(在轴上)。在表14中示出了设计的条件。
第十二实施例根据这个实施例的物镜具有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.6的光学玻璃(FCD1)和色散系数为64.1的光学玻璃(BK7)制造的。
在图98中示出了光路。在图99中示出了前述的物镜的畸变曲线。在图100中示了它的象散曲线，和在图101中示出了它的球面象差曲线。在图102中示出了横向象差曲线(视角0.5度)和在图103中示出了横向象差曲线(在轴上)。在表15中示出了设计条件。
第十三实施例根据这个实施例的物镜具有这样的结构，即其中的透镜3和4是由在d-线上色散系数Vd为81.3的光学玻璃(FCD1)和色散系数Vd为61.3的荧光玻璃(BACD5)制成的。
在图104中示出了光路。在图105中示出了前述物镜的畸变曲线，在图106中示出了它的象散曲线，和在图107中示出了它的球面象差曲线。在图108中示出了横向象差曲线(视角0.5度)，和在图109中示出了横向象差曲线(在轴上)。在表16中示出了设计条件。
如上所述，本发明是这样地构造，以致用非球面的双合透镜实现具有0.7的孔径数值(NA)的物镜，以及光学拾取器包含前述的透镜，以致使具有高的信息记录密度的我记录介质能实际使用。
也就是，根据本发明的物镜是由等于40或更大些的色散系数的光学玻璃制成，以致既使NA被增大也能防止色差，如果半导体激光器用作光源，半导体激光波长中的变化容限可以加大，并能改善产量。
由于本发明的物镜是这样的结构，即具有较陡的曲率的透镜的折射系数提高，曲率可以做得平缓，从而该透镜能容易制造。
由于本发明的物镜是这样构成的，以致光束的直径，NA和工作距离被限制，光学拾取器的大小能减小，焦距可以缩小，和具有高的NA的透镜能容易制造，由于本发明的物镜有小的尺寸，移动物镜的双轴执行机构的尺寸也可以减小。
由于本发明的物镜有适合的焦距，所以最佳执行两透镜元件的折射率分配。因此，每个透镜元件能容易地制造，而且它的性能会容易改进，因此提供了满意的产量。
也就是本发明能提供一种物镜，该物镜能满意地校正色差，尽管它有足够大的孔径数值(NA)，该物镜的重量能减小，以及能容易地制造它。
根据本发明的光学拾取装置，它具有前述的物镜和适用的光记录介质，该介质包括透明基片，它的厚度(基片)是规定了的，该光学拾取装置能够具有合适的彗差。结果，能容易制造光记录介质。
虽然以一定程度的具体性的优选形式描述了本发明，可以清楚地知道，优选形式的本公开在不离开如后面权利要求所述的发明精神和发明范围下能够在详细的结构和部件的组合和安排上有所变化。
权利要求
1.一种具有双合透镜结构的包含由在d-线上色散系数等于40或更大些的光学玻璃制成的两个透镜元件的物镜，其中至少是两者中的一个表面做成非球面，以及孔径数值是0.7或者更大些。
2.根据权利要求1的物镜，其特征是，其中形成两个透镜元件的光学玻璃的在d-线上的色散系数是60或更大些，以及孔径数值做成0.8或者更大些。
3.根据权利要求1的物镜，其特征是，其中假定构成二者中的一个透镜的光学玻璃的折射系数是n1，其中该透镜的圆体表面的正切平面与光轴垂直的平面构成的角度大于另一个透镜元件的角度，以及构成另一个透镜元件的光学玻璃的折射系数是n2，下列关系式满足n1＞n2
4.根据权利要求1的物镜，其特征是，当假定入射激光束的直径是BW，工作距离是WD，和孔径数值是NA，下面的关系式满足如果1.0≤BW＜4.5，0.05≤WD，和0.7≤NA＜0.8于是WD≤0.25676BW+0.039189，如果0.8≤NA＜0.9，于是WD≤0.14054BW-0.064865，和如果0.9≤NA，于是WD≤0.096429BW-0.244640。
5.根据权利要求1的物镜，其特征是，其中处在激光束入射面的透镜的焦距F1与整个系统的焦距F的比F1/F满足下列关系式1.7＜(F1/F)＜2.5
6.根据权利要求1的物镜，其特征是，其中校正所说物镜的象差以对应处在信号记录表面上和支承所说的信号记录表面的光学记录介质的透明基片的厚度T，和所说的物镜满足下列关系式如果0.7≤NA(孔径数值)＜0.8，于是T≤0.32mm如果0.8≤NA＜0.9，于是T≤0.20mm，和如果0.9≤NA，于是T≤0.11mm。
7.一种光学拾取装置，包括光源；和将由光源发射的激光束会聚在光学记录介质的信号记录表面上的物镜，其中所说物镜具有双合透镜的结构和具有由在d-线上色散系数为40或更大些的光学玻璃制成的两个透镜元件，至少两个中的一个表面制成非球面的，以及孔径数值是0.7或者更大些。
8.根据权利要求7的光学拾取器，其特征是，构成两个透镜元件的光学玻璃在d-线上的色散系数是60或者更大些，孔径数值做成0.8或者更大些。
全文摘要
一种具有双合透镜结构的和孔径数值是0.7或者更大些的物镜,以及一种适用于具有高信息记录密度的光学记录介质的具有该物镜的光学拾取器,该物镜是这样构造的,至少一面是做成非球面,以及该透镜元件是由色散系数为40或更大些的低散射玻璃制成的。
文档编号G11B7/1374GK1191979SQ9712598
公开日1998年9月2日 申请日期1997年10月24日 优先权日1996年10月24日
发明者山本健二, 市村功, 前田史贞, 渡辺俊夫, 大里洁 申请人:索尼公司