专利名称：光透镜、光拾取器以及采用此透镜的光盘装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物镜，此物镜使用在记录和重放微型光盘(MD)、磁力光盘(MO)、激光唱盘(CD)、光盘随机存储器(CD-ROM)等(以下称“光盘”)中的信号的光拾取器上，本发明还涉及光拾取器和装备有这种物镜的光盘装置。
根据有关技术，为光盘装置而设计的光拾取器的一个例子具有如图6所示的结构。
图6中，光拾取器1包括半导体激光元件2、光栅3、分光器4、物镜5和光检测器6。
光栅3是衍射型的，它将半导体激光元件2发出的入射光束分成零阶主光束和正负一阶侧光束。
分光器4设置成使其反射面与光轴间有45°的倾角，它将回程光分开，回程光是半导体激光元件2发射的光束经光盘D的信号记录平面而得到的。更具体地，半导体激光元件2发射的光束由分光器4的反射表面4a反射，而从光盘D得到的回程光是穿过分光器4的。
物镜5是一凸透镜，它使分光器4反射的光束在受驱动旋转的光盘D的信号记录平面的预期轨迹上成象。而且，物镜5由未示出的双向作动器支撑，即，它可以在聚焦方向和轨迹跟踪方向双向地移动。
光检测器6具有光接收部分，以接收穿过分光器4之后所入射的回程光。
根据上述结构的光拾取器1，半导体激光元件2发射的光束被光栅3分为一个主光束和两个侧光束，经分光器4的反射表面4a反射后，光束经物镜5在光盘D的信号记录平面的一个确定点成象。
由光盘D的信号记录平面所反射的回程光再经物镜5入射在分光器4上。在此，回程光束穿过分光器4并入射在光检测器6的光接收部分上。
之后，根据光检测器5的光接收部分输出的检测信号，记录于光盘D的信号记录平面上信息得以重现，与此同时，可检测出聚焦误差信号FE和跟踪误差信号TE。
为了精确检测重现信号，半导体激光元件2发射的光束应在光盘的信号记录平面的正确位置形成一个点，由未示出的双向作动器根据聚焦误差信号FE和跟踪误差信号TE精密地移动物镜5，使得已记录的信号可准确地重现。
在上述结构的光拾取器1中，物镜5通常由塑料或玻璃材料制成，并成形为一个具有非球面的单透镜。如图7A和7B所示，光圈光阑设置得靠近物镜5，用以调整经物镜5照射在光盘D的信号记录平面上光束的数值孔径NA(numerical aperture)。
图7A示出一种举例性的结构，其中用于调整光束的数值孔径的光圈光阑7由与物镜5分开的独立部件组成，设置得靠近透镜5。图7B示出另一种结构，其中光圈光阑7安装在支撑物镜5的一个透镜支架8上。
继而，入射在物镜5的光学有效表面以外的光束部分地受到如图7所示的光圈光阑的阻挡，在该处，任何不需要部分的光束被去掉，以便不对在光盘上记录的信息或从光盘重现的同样信息造成有害的影响。
然而，由于图7A和7B分别示出的光圈光阑是与物镜5分开的独立组件，组件的总数就会增加；并且，在组装设备时，将其光轴与物镜连成一线的工作终究会为组件和组装这两方面的成本带来问题。
另一个存在的问题是，当光圈光阑7不能准确地与物镜5连成一线时，物镜5的光学有效表面以外的表面形状会产生非对称象差。
在另一种所建议的现有技术中，物镜5的面向光源的表面的形状有所改变，如图9所示，不是采用上述的光圈光阑7，而是在光学有效表面以外形成一个凹进部分，以使物镜5本身具有光圈光阑的功能。
根据这种方法，入射到光学有效表面以外的光束实际上入射在物镜5的凹进部分5a，于是可防止此光束到达光盘D的信号记录平面上的光点位置。因此，对于光盘D的信号记录平面上的光点位置来说，入射在光学有效表面以外部分的光受到阻挡，从而可达到光圈光阑7同样的功能。
然而，在具有这种凹进部分5a的物镜5中，当不采用塑料或类似材料而模制同样的透镜并保持准确的表面形状是很困难的，因为模制后会收缩，还可能存在外形轮廓的改变，例如出现阶梯状的区域5b，在该区域曲面在凹进部分5a内会出现非连续的状况。例如，图9中由标号A所指示的转角处，会出现因模制过程而导致的畸变所产生的球差，因此会带来物镜5光学特性变差的问题。
另一个如
图10所示的例子，其中由单一物镜5沿光轴形成了两个光点，以便从标准互不相同的多个光盘重现信号。然而，在采用这种形成两个光点的物镜5进行聚焦控制时，光点中无用的S信号作为假信号也被检测到，最终会出现产生两个S信号的问题。缘此，认为进行准确的聚焦误差检测是困难的。
因此，本发明的一个目的是，提供一种改进的光透镜，它具有光圈光阑功能并且能够消除其光学有效表面以外的部分入射光束而不降低其光学性能。
本发明的另一个目的是，提供一种光拾取器和一种采用此光透镜作为物镜的光盘装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种由透明材料制成的光透镜，其面向光源的一个表面是由一个距光轴的径向距离的函数所限定的旋转对称的非球面形的凸表面，所述非球面表面成形为在其限定区域中的径向没有任何阶梯状区域的曲面，并具有其所述函数的导数在一个预定径向位置处是不连续的部分。
在这种光透镜中，函数在预定径向位置的导数的差小于0.3。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光拾取器，它包括一个发射光束的光源；一个由上述光透镜构成的物镜，用于将光源发射的光束聚焦于光盘的信号记录平面；一个置于光源和物镜之间的分光装置；和一个具有光接收部分的光检测器，用于接收由分光装置分出的并由光盘的信号记录平面反射的回程光。
根据本发明的再一个方面，提供了一种光盘装置，它包括一个由上述光透镜构成的物镜，用于将光源发射的光束聚焦于光盘的信号记录平面；一个具有光接收部分的光检测装置，用于接收由光盘的信号记录平面反射的回程光；一个能够双向地移动物镜的物镜驱动装置；一个计算器，用于根据来自光检测装置的光接收部分的信号而得出一个伺服信号；和一个伺服装置，用于向物镜驱动装置提供伺服误差信号。
在这种结构中，当光源发射的光束入射到透镜的面向光源的表面时，由于非球面的形状，处于距离光轴的预定径向位置以内的入射光聚焦于光轴方向上的一个固定距离处(即光盘的信号记录平面上)，在该处形成一个光点。
与此同时，处于距离光轴的预定径向位置以外的部分入射光并不聚焦于光轴方向上的一个固定距离处(即光盘的信号记录平面上)，因为对于非球面表面的形状与内表面的形状来说，导数是互不连续的，因此外部入射光所到达之处在垂直于光轴的方向上稍偏离于固定距离处。
结果，除了入射至光透镜的全部光之外，在面向光源的表面上的距光轴预定半径处以外的部分入射光束并不聚焦于预定径向位置以内的内光束的聚焦之处，因此预定径向位置以外的表面部分在其形状与非球面一致的情况下用作光圈光阑。
因此，不再需要前述的与光透镜分开的光圈光阑，从而减低了组件和安装两方面的成本。此外，由于有非球面表面这种形状而获得光圈光阑的功能，就不需要在预定径向位置改变形状。相应地，因光透镜的模制过程而带来的畸变就会减小，从而可防止透镜的光学特性受到损害。
本发明的上述和其它特征将通过参照附图的说明而变得清晰。
图1是示出包含本发明的光拾取器的一个实施例在内的光盘装置的整体结构的框图；图2是图1的光盘装置所采用的光拾取器的结构的正视图；图3A和3B是图2的光拾取器中的物镜的剖视图；图4是详细示出图3的物镜的对着光源一侧的形状的局部放大的剖视图；图5示出本发明中的聚焦控制信号；图6是示出一个惯常的光拾取器的举例结构的正视图7A和7B是举例示出图6的光拾取器的物镜和光圈光阑的结构举例的剖视图；图8是由图7的物镜和光圈光阑所形成的来自光源的光路的剖视图；图9是示出图6的光拾取器中的具有光圈光阑功能的物镜的举例结构的剖视图；图10示出根据相关技术的举例光拾取器中的聚焦控制信号。
以下参照附图中的图1至图5详细说明本发明的一些优选实施例。
因为以下说明的实施例是本发明的优选的具体例子，在技术上有各种可预见的限制。然而，可以理解到，本发明的范围并不只局限于这些实施例，除非在以下的解释中具体说明对本发明的限制。
图1是示出包含本发明的光拾取器的一个实施例在内的光盘装置的整体结构的总框图。
图1中，光盘装置10包括一个用作使光盘11旋转的驱动装置的主轴电动机12；一个通过向旋转中的光盘11发射光束而在其信号记录平面上记录信号的光拾取器20，它还用于根据来自信号记录平面的回程光再现记录信号；一个控制单元13，用于控制此装置的这些组件。
控制单元13包括光盘驱动控制器14、信号解调器15、误差校正器16、接口17、光头伸缩控制器18和伺服电路19。
光盘驱动控制器14驱动主轴电动机12按照一个不变的预定速度转动。信号解调器15对从光拾取器20得到的记录信号进行解调，经过误差校正，将校正后的信号通过接口17输送至外部计算机或类似设备，使得外部计算机或类似设备将记录在光盘11上的信号作为再现信号接收下来。
光头伸缩控制器18使光拾取器20通过例如跟踪跳移或类似动作移动至光盘上的预期的记录轨迹。伺服电路19使物镜在聚焦和轨迹跟踪两个方向移动，物镜由光拾取器20的双向作动器支撑，从而移至预期的位置。
图2示出上述光盘装置10中的光拾取器20的结构。
图2中，光拾取器20包括作为光区分装置的光栅22、作为分光装置的光束分光器23和作为光聚焦装置的物镜24，所有这些部件顺序地设置在从作为光源的半导体激光元件21发射的光束的光路上。光拾取器20还包括设置在由光束分光器23所形成的分光光路上的光检测器25。
除物镜24之外，上述所有的光学元件，即，半导体激光元件21、光栅22、光束分光器23和光检测器25都固定在一个光学基座上，此基座安装得可以在光盘11的径向沿着光拾取器上的一个导件(未示出)而移动。
半导体激光元件21由一个光发射元件构成，它运用半导体的重组辐射发射出预定的激光。
光栅22是衍射型的，它使入射光衍射。此光栅22将半导体激光元件21发出的光束分成至少三个光束，即，由零阶衍射光构成的一个主光束和由正负一阶衍射光构成的两个侧光束。因此，在将入射光束要区分成至少三个光束的条件下，也可采用例如全息元件的任何其它分光元件。
光束分光器23设置得使其反射表面23a与光轴间有45°的倾角，使来自光栅22的光束和来自光盘11的信号记录平面的回程光偏振并分开。更具体地，半导体激光元件21发射的光束由光束分光器23的反射表面23a反射，而回程光束穿过光束分光器23。
在本实施例中，光束分光器23由平面玻璃制成，当来自光盘11的回程光穿过光束分光器23时，会产生象散。
物镜24由例如塑料或玻璃的透明材料构成，如后所述，它是一个凸透镜，其面向光源的表面是非球面形的。此透镜24使来自光束分光器23的光束聚焦于旋转中的光盘11的信号记录平面的预期的记录轨迹上。
物镜24被支撑得使其可由未示出的双向作动器在两个轴向移动，即在聚焦和轨迹跟踪两个方向移动。
光检测器25具有光接收部分，以检测穿过光束分光器23的回程光。
上述物镜24具有如图3A和3B所示的结构。图3A解释光如何穿过物镜24而到达光盘11，图3B示出由透镜支架30所支撑的物镜24的结构，它没有用以调节透镜的数值孔径的光圈光阑。
图3A中，物镜24的对着光源一侧的表面24a为凸型非球面旋转对称的，其距光轴的距离(半径)的函数由表达为z＝asp(y)的等式3给出，其中y是沿半径方向的与光轴之间的距离，z是沿光轴方向的距离。
函数的导数在定义域内是连续的，但在预定半径位置y0处是非连续的。这里，物镜24的限定区域表示出光传输的范围，如果物镜24是由玻璃制成的话，则面向光源的玻璃材料就位于此范围。
因为通过定义域的光线是边界光线，图3A中所示的预定半径位置y0就这样定出，即透镜的数值孔径为预定数值(所需的数值孔径)。
导数的非连续性这样计得，即位置y0之前的导数与其后的导数的差的绝对值，即，v＝|[dasp(y)/dy]y--y0-[dasp(y)/dy]y-+y0| …(式4)为v≤0.3 …(式5)接下来，如图4所示，物镜24的面向光源的表面在预定半径位置y0以外的地方是偏离的，如标号24a所示偏离于使得其内的光束聚焦于同一点的表面24b，在偏离部分入射光并不聚焦在光盘11的信号记录平面上。
在预定半径位置y0以外的地方，物镜24的面向光源的表面最好是按下述等式构成z＝asp(y)+f(y-y0) …(式6)更具体地，物镜24的面向光源的表面由以下函数限定；z＝asp(y)+q(y-y0)+p(y-y0)2…(式7)(其中p和q为小的常数)上式中，小的常数p和q表示与原非球面表面的距离是小的。
因此，预定半径位置y0以外的入射光束并不聚焦于光盘11的信号记录平面之外的任何地方，而是入射至偏离于与信号记录平面的光轴相垂直方向的光轴的中心位置。
已说明的由具有上述结构的实施例所表示的光盘装置10，其工作情况如下。
首先，光盘装置10的主轴电动机12转动以驱动光盘11。然后，光拾取器20沿未示出的导件在光盘11的半径方向移动，因而物镜26的光轴移至光盘11的预期轨迹位置以在该处进行一次伸缩。
在这种状态下，半导体激光元件21发射的光束由光拾取器20中的光栅22区分成三个光束。这些光束随后由光束分光器23的反射表面反射，并经物镜24聚焦在光盘11的信号记录平面上。
来自光盘11的回程光再经物镜24后穿过光束分光器23，在光检测器25上成象。从而，根据光检测器25的输出信号，来自光盘11的记录信号得以重现。
在此过程中，信号解调器15从光检测器25的输出信号中检测出轨迹误差信号和聚焦误差信号。在本实施例中，轨迹误差信号是根据光盘11反射的、由光栅22所区分的三个光束之中的正一阶光和负一阶光组成的回程光来检测的，而聚焦误差信号是根据传输通过光束分光器23所产生的象差来检测的。伺服电路19通过光盘驱动控制器14对聚焦和轨迹跟踪执行伺服控制。
当半导体激光元件21发射的光束入射至物镜24的面向光源的表面24a时，距光轴预定半径位置y0以内(即，光学有效表面之内)的入射光聚焦成沿光轴向外一固定距离处(即位于光盘11的信号记录平面上)的一个光点，如图3A所示，符合非球面表面的形状性质。
同时，距光轴预定半径位置y0以外的入射光并不聚焦于沿光轴向外一固定距离处(即位于光盘11的信号记录平面上)，因为非球面表面的导数与内表面的导数是互不连续的，因此外部入射光到达在垂直于光轴的方向上稍有偏离的另外位置。
结果，除了入射至物镜24的全部光之外，在面向光源的表面上的距光轴预定半径位置y0以外的部分入射光束并不聚焦于内光束的聚焦之处，因此预定半径位置以外的外表面部分在其形状与非球面一致的情况下可用作光圈光阑，从而可调整物镜的数值孔径至一个适当的数值。
因此，不再需要图6的惯常光拾取器1中的与物镜5分开的光圈光阑7，从而减低了组件和安装两方面的成本。
此外，由于有物镜24的面向光源的非球面表面24a这种形状而获得的光圈光阑的功能，就不需要在预定半径位置y0改变形状，因此物镜24的模制过程所带来的畸变就会减小。
特别是当预定径向位置处的导数之差小于0.3时，可以更有效地减小模制过程中产生的畸变。
当导数之差大于0.3时，预定径向位置非球面表面形状的变化较大，在模制过程中会产生轻微的畸变。
而且，因为光圈光阑的功能是由物镜24本身获得的，因而可防止由于任何光圈光阑的光轴偏移而可能造成的非对称象差。
在预定径向位置以外的非球面表面是由式6给出的情况下，入射在预定径向位置以外的外光束因通过相关的表面部分而不聚焦。因此，不同于图10所示的情况，此外光束不会在沿光轴的不同于由入射在预定径向位置以内的内光束的聚焦之处聚焦而形成另一个光点，如图5所示，不会根据聚焦控制中检测到的S信号而产生假信号，因此可防止出现某些缺陷，例如在光盘装置10中由于聚焦搜索可能产生的假信号等等。
上述实施例示出一个例子，其中物镜24在用于光盘的光拾取器20中以及也在光盘装置10中用作光透镜。然而，本发明并不仅局限于此实施例，很明显，本发明也适用于某些其它装置中采用的任何光拾取器，条件是此光透镜与光圈光阑合用。
再有，在上述光盘装置10和光拾取器20的实施例中，提到光盘装置的结构和用于光盘的再现的光拾取器。然而，很明显，本发明也适用于某些其它的光盘装置和光拾取器，它们是用于磁力光盘、光盘读取器(CD-R)和光盘读写器(CD-RW)等等的记录和/或重放的。
至此，根据本发明，有可能提供一种改进的带光圈光阑的光透镜，和采用此透镜的光拾取器和光盘装置，此透镜能够消除其光学有效表面以外的光束而并不损害其光学特性。
权利要求
1.一种由透明材料制成的光透镜，其面向光源的一个表面是由一个距光轴的径向距离的函数所限定的旋转对称的非球面形的凸表面，所述非球面表面成形为在其限定区域中的径向没有任何阶梯状区域的曲面，并具有其所述函数的导数在一个预定径向位置处是不连续的部分。
2.根据权利要求1的光透镜，其特征在于，所述预定径向位置处的导数之间的差小于0.3。
3.根据权利要求1的光透镜，其特征在于，所述非球表面由下式给出z＝asp(y) …(式1)其中y是所述透镜的距光轴的径向的距离，z是在光轴方向的距离。
4.根据权利要求3的光透镜，其特征在于，所述非球面由下式给出z＝asp(y)+f(y-y0)…(式2)其中y0是预定的半径，且y＞y0。
5.根据权利要求1的光透镜，其特征在于，入射至所述预定径向位置以内的内区域的光聚焦于所述透镜的光轴上的一个预定位置，而入射至外区域的光不聚焦。
6.一种光拾取器，包括一个发射光束的光源；一个将所述光源发射的光束聚焦于光盘的信号记录平面的物镜；一个置于所述光源和所述物镜之间的分光装置；和一个具有用以接收由所述分光装置分出的并由所述光盘的信号记录平面反射的回程光的光接收部分的光检测器；其中所述物镜是一种由透明材料制成的光透镜，其面向光源的一个表面是由一个距光轴的径向距离的函数所限定的旋转对称的非球面形的凸表面，所述非球面成形为在其限定区域中的径向没有任何阶梯状区域的曲面，并具有其所述函数的导数在一个预定径向位置处是不连续的部分。
7.根据权利要求6的光拾取器，其特征在于，所述预定径向位置处的导数之间的差小于0.3。
8.根据权利要求6的光拾取器，其特征在于，所述非球面由下式给出z＝asp(y)…(式1)其中y是所述透镜的距光轴的径向距离，z是在光轴方向的距离。
9.根据权利要求8的光拾取器，其特征在于，所述非球面由下式给出z＝asp(y)+f(y-y0) …(式2)其中y0是预定的半径，且y＞y0。
10.根据权利要求6的光拾取器，其特征在于，入射至所述预定径向位置以内的内区域的光聚焦于所述透镜的光轴上的一个预定位置，而入射至外区域的光不聚焦。
11.一种光盘装置，包括一个用于将一光源发射的光束聚焦于光盘的信号记录平面的物镜；一个具有用以接收由所述光盘的信号记录平面反射的回程光的光接收部分的光检测装置；一个能够双向移动所述物镜的物镜驱动装置；一个用于根据所述光检测装置的光接收部分的信号而得出一伺服信号的计算器；和一个用于向所述物镜驱动装置提供伺服误差信号的伺服装置；其中所述物镜是一种由透明材料制成的光透镜，其面向光源的表面是由一个距光轴的径向距离的函数所限定的旋转对称的非球面形的凸表面，所述非球面成形为在其限定区域中的径向没有任何阶梯状区域的曲面，并具有其所述函数的导数在一个预定径向位置处是不连续的部分。
12.根据权利要求11的光盘装置，其特征在于，所述光透镜成形得使入射至所述预定径向位置以内的内区域的光聚焦在处于所述透镜的光轴上的所述光盘的信号记录平面上，而入射至外区域的光射向离开所述信号记录平面上的聚焦点的一个位置。
全文摘要
一种由透明材料制成的光透镜,其面向光源的一个表面是由一个距光轴的径向距离的函数所限定的旋转对称的非球面形的凸表面,所述非球面表面成形为在其限定区域中的径向没有任何阶梯状区域的曲面,并具有其所述函数的导数在一个预定径向位置是不连续的部分。虽然并没有配备光圈光阑,此光透镜却能够消除其光学有效表面以外的入射光,而不损害其光学特性。
文档编号G11B7/135GK1244007SQ9911044
公开日2000年2月9日 申请日期1999年7月9日 优先权日1998年7月9日
发明者山田隆俊, 深泽宣雄 申请人:索尼公司