专利名称：偏光相位补偿元素及用此偏光相位补偿元素的光拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光拾取装置，尤其是指使光盘种类不一样的两种光盘可以把数据相互兼容的进行记录/播放的一种偏光相位补偿元素及用此偏光相位补偿元素的光拾取装置。
(2)背景技术最近随着光盘的高密度化/高容量化，为了减小记录/播放用光束的大小，开发出增加放大物镜的光圈数NA(Numerical Aperture)，减少激光光束的波长方向的光拾取装置。
例如，650MB容量的CD光盘的激光波长是780nm左右，放大物镜的光圈数为0.45，另外4.7GB大容量DVD光盘的激光波长为650nm，放大物镜的光圈数为0.6。对比CD光盘的厚度1.2mm而言，DVD是0.6mm，薄了很多。还有，最近正在开发的HD光盘的情况下有一提案规格为405nm波长，0.85光圈数的方案，此时光盘厚度可薄到0.1mm，以确保光盘的倾斜角允差(margin)。
如此，随光盘的种类不同，光盘的基板厚度也不同。使用为某一种光盘设计的光拾取装置，记录/播放其他种类的光盘时，因光盘厚度的差异会发生球面误差，产生光品质的热化对正常的信号记录/播放有影响。因此，可以在不同材料厚度的光盘之间提出确保相互间兼容性的各种方案另外，在光拾取装置上发生倾斜时，会产生COMA误差。这些COMA误差W131可以表现为下面的数学式1。
数学式1W131＝((n2-1)/2n3)d(NA)3a其中n光盘歪曲率
d光盘厚度NA放大物镜光圈数A光盘倾斜角度即，因为COMA误差是与光盘厚度d和放大物镜光圈数NA的立方成正比，所以当HD用光盘时把光盘厚度减小到0.1mm，以补偿光圈数NA变大产生的COMA误差来确保光盘的角允差倾斜。
但是，利用这种HD光拾取装置，播放现在被广泛利用的DVD用的光盘时会发生问题。因为，被DVD用光拾取装置使用的光源波长是650nm，光盘厚度是0.6mm，球面误差W040增加的波面误差如数学式2所示。
数学式2W040＝((n2-1)/8n3)d(NA)4N光盘歪曲率d光盘厚度NA放大物镜光圈数即，上述数学式2上可以看到，因为球面误差与光盘的厚度成比例，受球面误差影响的波面误差(Wave Front error)会增加。
例如，使用厚度0.1mm的光盘，波长为405nm的光源及光圈数NA为0.85的放大物镜的光拾取装置来播放DVD光盘时的波锋误差如图1所示，约545mλ值。这是比一般光拾取装置上允许的波锋误差30mλ大10倍以上的值，这样，对用DVD光盘进行记录/播放就有困难。图1是DVD光盘采用了利用现有的HD光盘用的放大物镜的光拾取装置播放时所产生的OPD曲线的曲线示意例图。
另外，两种光盘之间产生的兼容性问题也在CD/DVD兼容情况下发生，其解决方案中飞利浦公司(Philips)发表的‘Application of Non periodic PhaseStructure(NPS)in Optical System’(ODF 2000，Tokyo)上是利用PMMA制作相位补偿元素，使用此元素构成光拾取装置来确保CD/DVD兼容性。图2是展现利用现有技术PMMA的相位补偿元素的实施例图(图中hm为相位物理高度)。
此时，利用飞利浦公司(Philips)的上述相位补偿元素时，满足DVD光盘相位物理高度2πm(m是自然数)的条件，设计相位阶梯的高度。采用了利用这些来补正CD光盘上发生的误差。
但是，利用这种相位补偿元素确保HD/DVD兼容性有如下难度。即，因为PMMA和空气的歪曲率的差异太大，无法做到在HD用/DVD用之间的各种变数(例NA，光源的波长，光盘厚度)的误差补偿到30mλ以下。
把飞利浦公司(Philips)提案的方法用在HD/DVD兼容上时需要把HD的相位物理高度hm高度设到2πm(m＝1，2，3，...)，所以hm和DVD的相位φm如数学式3。
数学式3hm＝mλHD/(nHD-1)，(m＝1，2，3...)hhm相位步进(Phase step)的物理高度λHDHD用光源波长nHDHD用光源射入时的PMMA歪曲率φm＝Mod2πm×λHD×(nDVD-1)/(λDVD×(nDVD-1))，2π即，如上述数学式3所示，利用随相位阶梯(Phase step)hm的厚度相位φm变化的条件进行最佳设计。
所以，如图3所示，进行最佳设计时对于DVD光盘的残留波面误差(残留OPD)是55mλ。图3是展现利用现有相位补偿元素的HD用光拾取装置播放DVD光盘时发生的OPD曲线的图。图3中的‘初期OPD’是没有采用相位补偿元素的光拾取装置时的波面误差，就是图1上显示的波面误差。
因此，利用具备上述相位补偿元素的HD用光拾取装置来记录/播放DVD光盘时会发生太大残留波面误差，有产生RF信号热化的问题。所以利用上述相位补偿元素的光拾取装置是有无法确保HD/DVD兼容性的限界的问题。
(3)发明内容本发明的目的是充分考虑到上述现有技术出现的问题，是使用采用复曲折媒质的偏光相位补偿元素PPC(Polarization Phase Compensator)，来保证两种光盘各自的球面误差，提供一种利用光束的最大效率记录/播放数据的偏光相位补偿元素及利用此偏光相位补偿元素的光拾取装置。
为了达到上述目的，本发明的偏光相位补偿元素PPC(Polarization PhaseCompensator)及用此偏光相位补偿元素的光拾取装置是包括，
由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，包含射入光束的波长及随偏光方向透过的光束路径被调节的偏光相位补偿元素；及对通过上述偏光相位补偿元素射入的光束，把光束集束到符合各光束波长的光盘上的放大物镜。
在此，形成上述偏光相位补偿元素的复曲折媒质和等放性媒质，会按顺序位于射入的光束进行方向。
之外，形成上述偏光相位补偿元素的复曲折媒质对光束经过方向垂直面形成同心圆模样，放射状方向以阶梯状形成的。
另外，上述偏光相位补偿元素的复曲折媒质选用高密度光盘用光束及低密度光盘用光束射入到上述偏光相位补偿元素上时，上述等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，上述复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线(extraordinary ray)的歪曲率(ne_high)一致。
之外，上述为了有关等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，有关复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线(extraordinary ray)的歪曲率(ne_high)一致，而选择时，射入的高密度光盘用光束的偏光方向和上述光线的偏光方向一致。
之外，上述为了有关等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，有关复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线(extraordinary ray)的歪曲率(ne_high)一致，而选择时，射入的低密度光盘用光束的偏光方向和光束的经过方向及上述高密度光盘用光束的偏光方向垂直。
另外，对上述偏光相位补偿元素的复曲折媒质选择上述偏光相位补偿元素上射入高密度光盘用光束和低密度光盘用光束时，为了使有关等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，有关复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线(ordinary ray)的歪曲率(no_high)一致。
之外，上述有关等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，有关复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线(ordinary ray)的歪曲率(no_high)一致而被选择时，射入的高密度光盘用光束的偏光方向与上述正常光线的偏光方向一致。
之外，上述有关等放性媒质高密度光盘用光束歪曲率(n_high)和，有关复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线(ordinary ray)的歪曲率(no_high)一致而被选择时，射入的低密度光盘用光束的偏光方向与上述正常光线的偏光方向相垂直。
另外，上述放大物镜在高密度光盘用光束和低密度光盘用光束射入时，被最佳设计为符合上述高密度光盘用光学仪器。
另外，为了达到上述目的，有关本发明的偏光相位补偿元素由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，射入光束的波长及随偏光方向透过的光束路径被调节。
在此，上述复曲折媒质和等放性媒质按顺序位于射入光束的经过方向。
另外，在上述复曲折媒质的光束经过方向的垂直面上以放射状方向阶梯型形成。
本发明的效果如上所述，本发明中的偏光相位补偿元素及其利用此偏光相位补偿元素的光拾取装置是，采用了复曲折媒质的偏光相位补偿元素来保证两种光盘各自的球面误差，有最大限度利用光束的效率记录/播放数据的长处，使光盘种类不一样的两种光盘可以把数据相互兼容的进行记录/播放。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)
图1是采用了现有的HD用光盘设计的放大物镜的光拾取装置，播放DVD光盘时发生OPD曲线的示意图；图2是利用现有PMMA的相位补偿元素的示意图；图3是采用了现有的相位补偿元素的光拾取装置，播放DVD光盘时发生OPD曲线的示意图；图4是被普通复曲折媒质偏光的光束射入时透过的光束的通过路径示意图；图5是本发明中偏光相位补偿元素的概念构造示意图；图6是在本发明中的偏光相位补偿元素，光束射入面的形象透视图；图7是图6的B-B之截面图；图8是对于本发明中利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，射入到偏光相位补偿元素的光束波长和有关偏光方向的透过光束的形象示意图；图9是有关本发明中利用偏光相位补偿元素的光拾取装置的偏光相位补偿元素自身的OPD曲线和其物理构造的示意图；图10是有关本发明中利用采用偏光相位补偿元素的光拾取装置播放DVD光盘时发生的OPD曲线为例的图纸。
图11是有关本发明中利用偏光相位补偿元素的光拾取装置的光学仪器构成的实施例图。
附图中主要部件的符号说明51，71.等放性媒质52，72.复曲折媒质73... 玻璃(5)具体实施方式
以下，参照附图详细说明有关本发明的实施例。
在本发明中使用复曲折媒质构成偏光相位补偿元素PPC来补偿因光盘厚度引起的球面误差。首先参照图4来了解一下有关复曲折媒质的已偏光的光束透过性质。图4是显示偏光的光束入射到一般的复曲折媒质的时候光束通过路径的示意图。
偏光光束射入到复曲折媒质上时，随着其射入的光束偏光方向，透过的光束通过路径也不同。即如图4所示，与复曲折媒质X方向偏光的光束通过复曲折媒质时其光束的经过方向不会变，这种光束叫正常光线(ordinary ray)，与复曲折媒质Y方向偏光的光束通过复曲折媒质时其光束的经过方向有所改变，这种光线叫异常光线(extraordinary ray)。
那么，参照图5先查了解一下利用这样的复曲折媒质的有关本发明的偏光相位补偿元素。图5是有关本发明的偏光相位补偿元素的构造概念化的示意图。如图5所示，有关本发明的偏光相位补偿元素是由等放性媒质51和复曲折媒质52构成。在此，上述等放性媒质51的歪曲率是‘n’值，上述复曲折媒质52随射入的光束偏光状态持‘ne’和‘no’的歪曲率。在此，‘ne’是对上述复曲折媒质52的异常光线的歪曲率，‘no’是对上述复曲折媒质52的正常光线的歪曲率。
这时，给高密度光盘用光源(例如，波长405nm的HD用光源)选择满足‘ne_high＝n_high’或‘no_high＝n_high’的条件的合适物质时可以使随射入的高密度光盘用光束的偏光方向，两个物质间的歪曲率成为‘0’。与此同时，对于高密度光盘用光源不会产生光经过误差，也不会发生波锋误差的变化。
此外，低密度光盘用光源(例如，波长为650nm的DVD光源)使其偏光方向，调节上述高密度光盘用光源的偏光方向成90度差异，产生如数学式4的波锋误差。
数学式4φm＝Mod(2π/λDVD)×(no-n)×m×d，2π，(m＝1，2，3，...)＝Mod(2π/λDVD)×Δn×m×d，2π，(m＝1，2，3，...)在这里，Mod方程式Equation，2π是表示把‘Equation’除以‘2π’的剩余值。上述数学式4说明HD用光源以异常光线的偏光方向射入，DVD用光源以正常光线的偏光方向射入的情况。之外，‘m’是表示以阶梯形状形成的上述复曲折媒质52的各层。即，说明‘m’的值越大上述的复曲折媒质阶梯数越多，也会产生很多因此引起的相位迟延。
此时，如数学式4所示，DVD用光源的相位误差可以以‘Δn×m×d’调整，HD用光源的相位误差可以以调节偏光方向来使其不产生相位误差。所以调节上述复曲折媒质52和等放性媒质51的歪曲率及上述复曲折媒质52的相位阶梯(phase step)的高度d，可以不受束缚制造偏光相位补偿元素，补偿波锋误差。
利用这些偏光相位补偿元素具体计算DVD用光源的相位φm的一例，如下(这里以‘no＝1.53’，‘n＝1.4755’，‘d＝1μm’进行计算)0.0838462，0.167692，0.251538，0.335385，0.419231，...
把这些结果为依据，利用φm(m＝1，2，3，...)的适当组合，对DVD用光源最小化波锋误差值，使残留波锋误差降到30mλ以下。
另外，对这样的偏光相位补偿元素的实施例，参照图6，图7说明如下。图6是说明本发明中的偏光相位补偿元素，光束入射面的透视图。图7是图6的B-B线为准的截面图的示意图。
如图6及图7所示，在偏光相位补偿元素里和复曲折媒质72的光束经过方向的垂直面形成同心圆模样(annular zones)，和放射方向(radiar direction)形成阶梯形状。上述复曲折媒质72的阶梯形状面和等放性媒质71密接形成境界面。这里，图面符号73表示形成上述复曲折媒质72和等放性媒质71的玻璃(glass)。
下面，参照图7及图8了解一下利用本发明中偏光相位补偿元素的光拾取装置对两种光盘兼容性。图8是关于利用本发明中偏光相位补偿元素的光拾取装置上，入射到偏光相位补偿元素的光束波长和关于偏光方向的透过光束形状的示意图。
在此，说明一下对两种光盘的兼容性，即说明射入的高密度光盘和低密度光盘用光束上射入HD用光束(波长405nm)和DVD用光束(650nm)的情况为例。
在图7可以看到，等放性媒质71的波长为405nm时歪曲率为n_405的物质，波长为650nm时歪曲率为n_650。另外复曲折媒质72的波长为405nm时随入射的光束偏光方向，歪曲率为no_405和ne_405。波长为650nm时随入射的光束偏光方向，歪曲率为no_650和ne_650。这里的no是表示正常光线(ordinary ray)的歪曲率，ne是异常光线(extraordinary ray)。
那么，先了解一下为了上述n_405和ne_405相同，选择等放性媒质71和复曲折媒质72制作偏光相位补偿元素时的情况。此时，波长405nm的光束在上述等放性媒质71和复曲折媒质72上的歪曲率一致，所以波长405nm的光束没有任何影响而透过。
另外，随着650nm的光束射入，上述波长405nm的光束偏光方向相垂直的方向(正常光线的偏光方向)偏光的光束射入时，在上述等放性媒质71的歪曲率成为n_650，复曲折媒质72的歪曲率位成为no_650。因此，对于波长为650nm的光束，上述等放性媒质71和复曲折媒质72感受到不同的歪曲率，偏光相位补偿元素的状来调整光路，可以保证球面误差。
即，如图8所示，波长405nm光束的情况下射入到偏光相位补偿元素的入射光束的波面(incident wave front)和透过光束的波面(transmitted wave front)同样传播。但是，波长650nm光束的情况下射入到偏光相位补偿元素的光束波面是直线，与此相反透过偏光相位补偿元素的光束的波面是以曲线方式传播。这是因为，因偏光相位补偿元素内的复曲折媒质和等放性媒质产生的，原于光束经过路径的歪曲率差产生的效果，同时可以保证调整球面误差。
另外，再了解一下实施例，上述n_405和ne_405相同选择等放性媒质71和复曲折媒质72制作偏光相位补偿元素时的情况。此时，波长405nm的光束在上述等放性媒质71和复曲折媒质72上的歪曲率一致，所以波长405nm的光束没有任何影响透过。
另外，随着650nm的光束射入，上述波长405nm的光束偏光方向相垂直的方向(正常光线的偏光方向)偏光的光束射入时，在上述等放性媒质71的歪曲率成为n_650，复曲折媒质72的歪曲率位成为no_650。因此，对于波长为650nm的光束，上述等放性媒质71和复曲折媒质72感受到不同的歪曲率，偏光相位补偿元素的形状来调整光路，可以保证球面误差。
同时，对于选择射入的高密度光盘用光束和低密度光盘用光束的偏光方向时，使用产生偏光光束的激光二极管来简单解决。这时，考虑发出的光束偏光方向调节激光二极管，又可利用λ/2盘(plate)回转偏光方向，选择调节射入的光束偏光方向。
同时，对设计放大物镜，只要考虑适合高密度光盘用光学仪器的最佳设计就可以。
即，放大物镜的设计按高密度光盘用光学仪器来设计，低密度光盘用光学仪器的问题通过偏光相位补偿元素来保证球面误差，对光学仪器的构成也很方便。
采用如上所述的偏光相位补偿元素的光拾取装置时的相位补偿问题在图9及图10上有说明。图9是利用本发明偏光相位补偿元素的光拾取装置上，随偏光相位补偿元素的形状，播放DVD光盘时被补偿的OPD曲线图。图10是利用本发明中偏光相位补偿元素的光拾取装置来播放DVD光盘时产生的OPD曲线例图。
即，入图9及图10所示，随复曲折媒质形状产生相位迟延，同时可以看到可以减小DVD用光源的残留波面误差。图9中上面的曲线(upper)是显示偏光相位补偿元素(PPC)的物理结构，下面曲线(Lower)是显示因偏光相位补偿元素产生的相位迟延。其中一例，利用本发明中的偏光相位补偿元素时，随被选择的复曲折媒质和等放性媒质把DVD用光源的残留表面误差补偿到23.5mλ以下。图10中的‘初期OPD’是表示没有使用偏光相位补偿元素(PPC)时发生的波面误差。
所以，利用采用了本发明中的偏光相位补偿元素的光拾取装置时可以确保HD/DVD兼容性。
图11是说明采用了上述偏光相位补偿元素的光拾取装置的光学仪构成的实施例，由光盘、由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，包含随射入的光束波长及偏光方向透过的光束路径被调整偏光相位补偿元素、通过在所述的偏光相位补偿元素射入的光束，在符合各种光束波长的光盘上集光这些光束的放大物镜、HD用光源、DVD用光源及接收光源的部位组成。同时，为了确保HD/DVD兼容性也可利用由复曲折媒质和等放性媒质构成的全息图元素HOE(Holo graphic OpticalElement)来补偿波面误差。
但是，利用全息图元素HOE情况下，与偏光相位补偿元素PPC相比要多形成同心圆数(annularzones)，其制造上会有困难。同时，利用全息图元素(HOE)情况下因为是利用回折的效果补偿波面误差，所以比利用偏光相位补偿元素PPC的情况时有光效率低的短处。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征包括；由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，包含随射入的光束波长及偏光方向透过的光束路径被调整的偏光相位补偿元素；及通过在所述的偏光相位补偿元素射入的光束，在符合各种光束波长的光盘上集光这些光束的放大物镜。
2.如权利要求1所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于形成所述的偏光相位补偿元素的复曲折媒质和等放性媒质，按顺序位于射入的光束经过方向。
3.如权利要求1、2所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于形成所述的偏光相位补偿元素的复曲折媒质和等放性媒质，对光经过方向的垂直面形成同心圆模样，由放射状方向阶梯形状形成的。
4.如权利要求1所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于所述的偏光相位补偿元素的复曲折媒质选用所述的偏光相位补偿元素上射入高密度光盘用光束和低密度光盘用光束时，使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线的歪曲率一致。
5.如权利要求4所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于为了使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线的歪曲率一致，而选用时，射入的高密度光盘用光束的偏光方向和上述异常光线的偏光方向一致。
6.如权利要求4、5所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于为了使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线的歪曲率一致，而选用时，射入的低密度光盘用光束的偏光方向与光束的经过方向及上述高密度光盘用光束的偏光方向成垂直状。
7.如权利要求1所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于当所述的偏光相位补偿元素的复曲折媒质被选用，高密度光盘用光束和低密度光盘用光束射入到所述的偏光相位补偿元素上时，为了使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束的歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线的歪曲率一致，而选择所述的复曲折媒质。
8.如权利要求7所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于为了使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束的歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线的歪曲率一致，而被选择时，射入的高密度光盘用光束的偏光方向和上述正常光线的偏光方向一致。
9.如权利要求7、8所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于为了使所述的等放性媒质的高密度光盘用光束的歪曲率和所述的复曲折媒质的高密度光盘用光束的正常光线的歪曲率一致，而被选择时，射入的低密度光盘用光束的偏光方向与光束的经过方向及上述高密度光盘用光束的偏光方向成垂直状。
10.如权利要求1所述的利用偏光相位补偿元素的光拾取装置，其特征在于所述的放大物镜是，在高密度光盘用光束和低密度光盘用光束射入时，以针对上述高密度光盘用光学仪器是最佳设计。
11.一种如权利要求1所述的偏光相位补偿元素，其特征包括；由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，射入的光束波长及因偏光方向，透过的光的经过路径被调整。
12.如权利要求11所述的偏光相位补偿元素，其特征在于所述的复曲折媒质和等放性媒质，按顺序位于射入的光束经过方向。
13.如权利要求11、12所述的偏光相位补偿元素，其特征在于所述的复曲折媒质在光束经过方向垂直面上以放射方向阶梯形状形成的。
全文摘要
本发明涉及一种偏光相位补偿元素及用此偏光相位补偿元素的光拾取装置，偏光相位补偿元素PPC的光拾取装置由复曲折媒质和等放性媒质结合形成，包含随射入的光束波长及偏光方向调节透过光束的光路径的偏光相位补偿元素；及把通过上述偏光相位补偿元素射入的光束集束到符合各种光束波长的放大物镜。上述复曲折媒质选择为使高密度光盘用光束和低密度光盘用光束射入到偏光相位补偿元素的情况下，能使等放性媒质的高密度光盘用光束的歪曲率和复曲折媒质的高密度光盘用光束的异常光线的歪曲率相同，此时，射入的高密度光盘用光束的偏光方向和上述异常光线的偏光方向一致，使不同种类的两种光盘可以把数据相互兼容的进行记录/播放。
文档编号G02B5/30GK1525462SQ0311557
公开日2004年9月1日 申请日期2003年2月28日 优先权日2003年2月28日
发明者李京彦 申请人:上海乐金广电电子有限公司