專利名稱：具有高數值孔徑的塑料物鏡的掃描儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于掃描光學記錄載體的信息層的光學掃描儀，該掃描儀包括一個用于產生具有波長λ的發光束的發光源和一個具有大于0.65的數值孔徑(NA)的并用于把發光束會聚在信息層上的物鏡系統，所述物鏡系統包括都由塑料制成的第一透鏡和第二透鏡。本發明還涉及用在這樣的掃描儀中的物鏡系統以及制造該物鏡系統的方法。
背景技術：
高密光學信息存儲裝置如數字視頻記錄儀(DVR)在較高的數值孔徑如0.85和較短波長如405納米下工作。如果用于這樣的裝置的物鏡系統包括一個單個透鏡，則該透鏡將具有很小的公差，這使得其制造比較昂貴。如果物鏡系統包括兩個透鏡，則公差范圍更寬松一些，這有助于透鏡的批量生產。目前，這些物鏡通常都是采用玻璃模壓法或所謂的玻璃2P方法而由玻璃制成的，以便保持在仍然小的公差范圍內。使用玻璃似的生產成本處于較高的水平。為了降低生產成本，物鏡系統的透鏡優選地由塑性材料構成。
美國專利5880893描述了一種高數值孔徑的雙透鏡物鏡系統，其中的兩個透鏡都由聚甲基丙烯酸甲酯制成。這種物鏡系統的一個缺點是，其性能對溫度變化太敏感。
發明內容
本發明的目的是提供一種包括塑料雙透鏡物鏡系統的掃描儀，它具有更高的溫度穩定性。
根據本發明，如果根據前序部分所述的掃描儀配備有這樣一個物鏡系統，則實現了本發明的目的，即它的第一透鏡和第二透鏡分別具有發光束的球面像差對溫度的依賴性，第一透鏡和第二透鏡的依賴性正負號是不同的并且第一透鏡和第二透鏡的依賴程度基本上是一樣的，從而物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性整體上被減小到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
對美國專利5880893所述的現有技術的物鏡系統的分析表明，30K的溫度變化造成47mλOPDrms的波前偏差。DVR系統可接受的波前偏差對溫度依賴性的允許程度為在30K物鏡系統溫度變化下的30mλOPDrms。由于掃描儀光學系統的質量與波前偏差rms的平方成反比，所以現有技術的物鏡系統將不適用于許多高密光學記錄工具。物鏡系統的設計看起來集中在物鏡系統中的兩個透鏡的偏心公差。
本發明部分基于這樣的認識，即透鏡溫度與設計溫度的偏差引起了作為主像差的球面像差，或者改變了透鏡的已有球面像差。為了控制球面像差，我們進一步認識到，透鏡球面像差對溫度的依賴性(即球面像差關于溫度的導數)可以被調節為正或負。物鏡系統被設計成，第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴性的正負號是不同的。換句話說，當物鏡系統的溫度變化時，物鏡系統的其中一個透鏡的球面像差的增大伴隨著另一個透鏡的球面像差的減小。通過適當設計，每個透鏡的球面像差對溫度的依賴程度應該被調節成等于這樣的程度，即兩個透鏡的球面像差的抵消變化從整體上把物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性降低到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
這兩個透鏡的一個明智的設計方案應該不僅象在現有技術的物鏡系統中那樣增大這兩個透鏡的偏心公差，而且應該適當地確定每個透鏡的球面像差對溫度依賴性的正負號及其依賴程度。物鏡的綜合溫度穩定性適用于許多要求苛刻的應用場合。本發明的另一個優點是，溫度補償不要求在掃描儀中填加光學元件，而是可以被合并到物鏡系統的兩個透鏡中，這兩個透鏡因制造原因而早已存在。而且，與用其它光學元件如準直鏡進行補償相比，最好在物鏡系統中進行補償。因為物鏡系統的溫度部分由接近物鏡系統的致動器的升溫決定，所以準直鏡和物鏡系統的溫度不需要是一樣的，這導致了通過準直鏡不準確地補償物鏡系統的溫度。在物鏡系統的透鏡本身對溫度變化相互進行補償時，沒有產生這個問題。
我們認識到由透鏡引起的球面像差對溫度依賴性的正負號和程度是透鏡放大倍率的函數并可由此調節透鏡放大倍率，以便賦予透鏡球面像差對溫度的依賴性以所需的正負號。在一個優選實施例中，第一透鏡的放大倍率小于0.2，第二透鏡的放大倍率大于0.2。
在一個優選實施例中，第二透鏡具有0.3-0.6的放大倍率β。β的上限由兩個透鏡的偏心公差決定，這產生最大為30mλOPDrms的波前偏差，而下限由溫度公差決定，因30K溫度變化而把球面像差限定到30mλOPDrms波前偏差。
在物鏡系統的一個優選實施例中，第二透鏡與第一透鏡的鏡座合成一體，從而第二透鏡和鏡座可以在一次性注塑過程中制成。較小的第二透鏡與鏡座的組合簡化了第二透鏡的處理。如果鏡座成圓柱形，則可以按照與WO EP01/-2348(PHNL000269)所述相同的方式把第一透鏡裝入該圓柱形鏡座內。當第一透鏡的鏡體的厚度大于該鏡體半徑時(也參見WO EP01/-2348(PHNL000269))，該方法是可行的。結果，明顯降低了成本，這是因為第二透鏡可以通過注塑技術更容易地制成并且現在只有兩個要裝配起來的部件，而不象在兩個透鏡和鏡座是獨立部件時那樣要組裝三個部件。
本發明的另一方面涉及一個具有大于0.65的數值孔徑的、用于聚焦一個具有波長λ的發光束并包括都由塑料制成的第一透鏡和第二透鏡的物鏡系統，其中根據本發明，第一透鏡和第二透鏡分別具有施加于發光束的球面像差對溫度的依賴性，第一透鏡和第二透鏡的依賴性正負號是不同的并且第一透鏡和第二透鏡的依賴程度基本上相同，從而物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性從整體上被降低到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
本發明的又一個方面涉及制造一個物鏡系統的方法，該物鏡系統具有大于0.65的數值孔徑并聚焦一個具有波長λ的發光束并包括都由塑料制成的第一透鏡和第二透鏡，該方法包括通過使第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴性的正負號互不相同并使第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴的程度基本上相同而把物鏡系統設計成具有小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms的球面像差對溫度的依賴性的第一步驟，以及根據設計來制造第一透鏡和第二透鏡的第二步驟以及把第一透鏡和第二透鏡組裝成一個物鏡系統的第三步驟。
現在，參見附圖來舉例具體描述本發明，其中圖1表示一個由兩個部件構成的物鏡系統；圖2表示由30K升溫引起的并成第二透鏡放大倍率β的函數形式的物鏡系統的波前像差OPDrms；圖3、4、5表示當第一透鏡和第二透鏡分別由PMMA、COC、PC制成時的且成第二透鏡放大倍率β的函數形式的物鏡系統的波前像差；圖6表示當由PMMA、COC或PC制成時的物鏡系統的波前像差，其中兩個透鏡可以是不同材料制成的，水平軸上的數字對應于1-第一透鏡由PC制成且第二透鏡由COC制成，2-第一透鏡由PC制成且第二透鏡由PMMA制成，3-第一透鏡由COC制成且第二透鏡由PMMA制成，4-第一透鏡由PC制成且第二透鏡由PC制成，5-第一透鏡和第二透鏡由COC制成，6-第一透鏡和第二透鏡由PMMA制成，7-第一透鏡由COC制成且第二透鏡由PC制成，8-第一透鏡由PMMA制成且第二透鏡由PC制成，9-第一透鏡由PMMA制成且第二透鏡由COC制成；圖7表示在物鏡系統的第一透鏡由COC制成且第二透鏡由PMMA制成時的且成第二透鏡放大倍率β的函數形式的物鏡系統的波前像差；圖8表示包括一個物鏡系統的并用于掃描光學記錄載體的儀器。
具體實施形式圖1示出了根據本發明的物鏡系統的一個實施例，它允許不影響透鏡偏心情況地傾斜校準并且簡單組裝透鏡。該物鏡系統包括一個由塑料制成的第一透鏡1，第一透鏡包括一個大致成球形的透鏡鏡體，物鏡系統還圍繞大半個該透鏡鏡體地包括一個由塑料制成的第二透鏡2以及一個成圓柱形的塑料鏡座3。第一透鏡的光學有效直徑大于第二透鏡的光學有效直徑。第二透鏡和圓柱形鏡座3由相同塑料構成并且形成單個結構單元。第一透鏡1的球形玻璃鏡體的厚度d和半徑r遵照d＞r。元件4是成第一透鏡、第二透鏡和鏡座組裝狀態的物鏡系統。在圖中，發光束從頂面入射物鏡系統，射出光束聚集在一個在物鏡系統下方的位置上。一個光學記錄載體的信息層可以被安置在該位置上，以便通過由射出光束形成的光斑來掃描該信息層。
圖1的物鏡系統的實施例具有3.0毫米的入射光孔直徑、NA＝0.85的記錄載體側數值孔徑、405納米的設計波長、0.15毫米的在第二透鏡和光盤之間的自由工作間隙(FWD)以及記錄載體的0.1毫米厚PC透明層。
圖2表示第二透鏡在其溫度變化時的光學性能行為。該圖示出了當只有第二透鏡的溫度升高30K時的整個物鏡系統的波前像差的變化。像差如圖所示地是第二透鏡放大倍率β的函數。當第二透鏡的放大倍率改變時，通過相應地改變第一透鏡的性能以及第一透鏡與第二透鏡之間的距離而從整體上保持物鏡系統的成像性能。波前像差表現為中眾所周知的光路差(OPDrms)的均方根值。在圖中的OPDrms的負值意味著球面像差的Zernike系數A40為負。圖中的三條線表示第二透鏡由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯共聚物(COC)和聚碳酸酯(PC)構成時的像差行為。表I列出了PMMA、COC和PC的熱性能。球面波前像差的變化為正并且對一個具有無限共軛(β＝0)的透鏡來說是大的。對于大于0.2的放大倍率β來說，波前像差的變化為負。注意，當塑性材料的折射率增大時，在此發生零交叉的β值減小。
表I PMMA、COC和PC的熱性能
可以利用以上認識來減弱高數值孔徑的塑料物鏡系統對溫度的依賴性。考慮一個在無限共軛條件下工作的雙元塑料DVR物鏡系統，第一透鏡面對掃描儀的發光源，第二透鏡面對記錄載體。當這兩個透鏡的放大倍率被選擇成能夠賦予第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度的依賴性以不同正負號時，其中一個透鏡的球面像差對溫度的依賴性至少部分通過另一個透鏡的球面像差對溫度的依賴性來補償。這樣一來，明顯減弱了高數值孔徑的塑料物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性。在圖1的例子中，第二透鏡2的放大倍率大于0.2。
本發明允許使高數值孔徑的塑料物鏡的溫度公差對光學記錄來說足夠寬，這將從以下的具體例子中變得一清二楚。
物鏡系統的一個實施例被設計用于使一個具有405納米波長的平行光束穿透一個0.1毫米厚的PC透明層(n＝1.6223)地聚焦到一個在一光學記錄載體的信息層上的焦點上，其中該透明層設置在該信息層上。入射光孔直徑為3.0毫米，在物鏡側的物鏡系統的數值孔徑為NA＝0.85。自由工作間隙為FWD＝0.15毫米。該物鏡系統包括一個雙消球差第一透鏡，后面是一個平消球差第二透鏡。利用基于關于場公差、兩個透鏡的偏心公差、雙消球差透鏡的非球面的偏心公差以及溫度公差的性能函數來優化物鏡系統設計。在以下實施例中，第一透鏡的厚度被固定在2.5毫米，第二透鏡的厚度被固定在0.85毫米。
具有由COC制成的第一透鏡和第二透鏡的并且其第二透鏡具有0.5放大倍率β的物鏡系統的實施例具有以下設計參數。
第一透鏡具有一個面對發光源的并具有旋轉對稱的非球面形狀的凸面，所述非球面形狀由以下公式設定z(r)=Σi=1βb21r21]]>其中，z是該凸面在光軸方向上的并以毫米計的位置，r是與光軸的距離(毫米)，b2i是r的第2i次方的系數。b2-b16的系數分別是0.27152628、0.0094409894、0.0044407999、-0.0079739895、0.0078782292、-0.0043791379、0.0012874114和-0.00015939048。在第一透鏡另一側的凸面也是非球面，它具有分別等于0.027369439、0.022047913、-0.045429955、0.061344633、-0.071559255、0.085540565、-0.076476945、0.026949936的b2-b16的系數值。第一透鏡的放大倍率為零，因為其物共軛之一位于無限遠。物鏡系統的第二透鏡與第一透鏡間隔0.310毫米。指向第一透鏡的第二透鏡凸面具有非球面形狀，b2-b16的系數分別為0.59812098、0.25015439、-0.72194864、7.6081286、-37.847569、105.36375、-153.4902、90.242243。在第二透鏡另一側的界面具有無限曲率半徑。
在分析溫度依賴性時，兩個透鏡的鏡座被認為是用和第二透鏡一樣的材料制成的。圖3、4、5示出了當它分別由PMMA、COC和PC制成時的并且成第二透鏡放大倍率β的函數形式的物鏡系統波前像差的變化。在所有這三種情況下，溫度公差隨β增大而增大。另一方面，這兩個透鏡的偏心公差隨β增大而減小。以30mλOPDrms為像差上限，第二透鏡的放大倍率β因偏心公差而最好小于0.6。放大倍率的下限由球面像差對溫度的依賴性來決定，在β較小時，這種球面像差是主要像差并且它隨著放大倍率在有關β值范圍內的減小而增大。于是，以30mλOPDrms為球面像差對溫度依賴性的上限，在由PMMA構成的情況下，溫度公差把放大倍率限制在β＞0.45，而在由COC構成的情況下，該公差意味著β＞0.3。在PC的情況下，沒有進一步的限制。最后，為了便于制造，第二透鏡的放大倍率β應該不大小，因為對于β小的情況來說，物鏡系統的屈光力的大部分將位于第一透鏡中，而第二透鏡只有很小的屈光力。因此，放大倍率β最好大于0.3。
當物鏡系統的這兩個透鏡都由同一種塑性材料構成時，系統公差隨著材料折射率的提高而改善了。
圖6表示物鏡系統的波前像差，在該物鏡系統中，兩個透鏡由PMMA、COC或PC制成。這兩個透鏡可以是用同一種材料或不同材料制成的。如該圖所示，最佳組合方案在于，第一透鏡由COC制成，后面是由PMMA構成的第二透鏡。次佳的方案是，第一透鏡由PC制成，后面是由PMMA構成的第二透鏡。總的來說，對于其中第一透鏡的折射率高于第二透鏡的組合形式來說，物鏡系統的性能更好。
圖7示出了其中第一透鏡由COC制成且第二透鏡由PMMA構成的物鏡系統的、成第二透鏡的放大倍率β的函數形式的波前像差變化。如該圖所示，當放大倍率β滿足0.4＜β＜0.5的條件時，獲得了最佳性能。
盡管以上實施例示出了物鏡系統中的具有較小放大倍率的透鏡要比具有較大放大倍率的透鏡更接近發光源，但具有較大放大倍率的透鏡也可以被布置成比具有較小放大倍率的透鏡更接近發光源。
物鏡系統可被用在光學記錄系統如所謂的DVR光學系統的掃描儀中。
圖8示出了掃描一個光學記錄載體102的DVR型儀器101。記錄載體包括一個透明層103，在透明層的一側上設有一個信息層104。通過一個保護層105使背對透明層的信息層側不受環境影響。面對儀器的透明層側被稱為入射面106。透明層103通過給信息層提供機械支承而起到了記錄載體底層的作用。或者，透明層可能具有保護信息層的唯一功能，而機械支承通過在信息層另一側上的一層如保護層105來完成，或者通過另一個信息層和一個與該信息層104相連的透明層。信息可以以可光學探測的標記的形式被存儲在記錄載體的信息層104中，這些標記是按照大致平行的同心或螺旋的軌跡而排列的，這在圖中未示出。所述標記可以成任何可光讀取的形式，例如成凹點形式，或者具有不同于其周圍環境的磁化方向或反射率的區域的形式，或者是這些形式的組合方式。
掃描儀101包括一個可以發出發光束108的發光源110。如圖所示的發光源包括一個半導體激光器110。一個分光器113在光路上把發散發光束108反射向一個準直鏡114，該準直鏡將發散光束108轉換成平行光束115。平行光束115入射到一個物鏡系統118的一個第一透鏡116中并隨后入射到其第二透鏡117中。該物鏡系統可能包括兩個或多個透鏡和/或一個光柵。物鏡系統118具有一個光軸119。物鏡系統118把光束115轉變成會聚光束120并使其入射到記錄載體102的入射面106中。該物鏡系統具有適于使發光光束穿透透明層103厚度的球面像差修正。會聚光束120在信息層104上形成一個光點121。由信息層104凡是的射線形成一發散光束，該發散光束通過物鏡系統118被轉變成基本平行的光束123并隨后通過準直鏡114被轉變成一會聚光束124。分光器113通過使至少部分會聚光束124透射向一個反射系統125而分離出向前的反射光束。檢測系統捕捉到射線并將其轉換成電輸出信號126。一個信號處理器127把這些輸出信號轉換成各種其它信號。其中一個信號就是一個信息信號128，其值代表從信息層104上讀到的信息。該信息信號經過一個用于修正誤差的信息處理單元129的處理。來自信號處理器127的其它信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號130。聚焦誤差信號代表光點121和信息層104之間的高度軸向差。徑向誤差信號代表在信息層104平面內的在光點121與信息層內的一個光點要跟蹤的軌跡的中心之間的距離。聚焦誤差信號和徑向誤差信號被送如一條伺服電路131，它將這些信號轉換成用于分別控制一聚焦致動器和一徑向致動器的伺服控制信號132。在圖中沒有示出這些致動器。聚焦致動器控制著物鏡系統118在聚焦方向133上的位置，由此如此控制光點121的實際位置，即該實際位置基本上與信息層104的平面重合。徑向致動器控制著物鏡系統118在徑向134上的位置，由此如此控制光點121的徑向位置，即它基本上與信息層104內的一要跟蹤的軌跡的中心線重合。圖中的該軌跡在垂直于圖面的方向上延伸。
權利要求
1.一種用于掃描一個光學記錄載體的信息層的光學掃描儀，它包括一個用于產生一具有波長λ的發光束的發光源和一個具有大于0.65的數值孔徑并用于把所述發光束會聚在信息層上的物鏡系統，該物鏡系統包括都由塑料制成的一個第一透鏡和一個第二透鏡，其特征在于，所述的第一透鏡和第二透鏡分別具有施加于該發光束上的球面像差對溫度的依賴性，所述的第一透鏡和第二透鏡的依賴性的正負號是不同的并且所述的第一透鏡和第二透鏡的依賴程度基本上相同，從而該物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性被降低到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
2.如權利要求1所述的光學掃描儀，它包括一個用于把來自該信息層的光線轉換成信息信號的檢測裝置和一個用于所述信息信號的誤差修正的信息處理器。
3.一種物鏡系統，它具有大于0.65的數值孔徑并聚焦一具有波長λ的發光束并且包括都由塑料制成的一個第一透鏡和一個第二透鏡，其特征在于，所述的第一透鏡和第二透鏡分別具有施加于該發光束上的球面像差對溫度的依賴性，所述的第一透鏡和第二透鏡的依賴性的正負號是不同的并且所述的第一透鏡和第二透鏡的依賴程度基本上相同，從而該物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性被降低到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
4.如權利要求3所述的物鏡系統，其特征在于，所述第一透鏡具有小于0.2的放大倍率β并且所述第二透鏡具有大于0.2的放大倍率β。
5.如權利要求4所述的物鏡系統，其特征在于，所述第二透鏡具有大于0.3-0.6的放大倍率β。
6.如權利要求4所述的物鏡系統，其特征在于，第一透鏡由一種其折射率大于所述第二透鏡的制造材料的材料制成。
7.如權利要求4所述的物鏡系統，其特征在于，所述第一透鏡由COC制成，所述第二透鏡由PMMA制成，所述第二透鏡的放大倍率為0.4-0.5。
8.一種制造具有大于0.65的數值孔徑的并聚焦一具有波長λ的發光束并且包括都由塑料制成的一個第一透鏡和一個第二透鏡的物鏡系統的方法，它包括以下步驟-通過使第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴性的正負號互不相同并使第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴的程度基本上相同而把物鏡系統設計成具有小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms的球面像差對溫度的依賴性；-根據上述設計來制造所述的第一透鏡和第二透鏡；-把所述的第一透鏡和第二透鏡組裝成一個物鏡系統。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度依賴性的正負號是通過賦予該第一透鏡一小于0.2的放大倍率β并賦予該第二透鏡一大于0.2的放大倍率而設定的。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一透鏡和第二透鏡是用注塑法制成的。
全文摘要
掃描光學記錄載體(102)的信息層(104)的光學掃描儀包括一個用于產生發光束(108)的發光源(110)和一個用于把發光束會聚在信息層上的高數值孔徑的物鏡系統(118)。該物鏡系統包括一第一透鏡(116)和一第二透鏡(117)，它們由塑料制成。第一透鏡和第二透鏡的球面像差對溫度的依賴性的正負號是不同的并且這兩個透鏡的球面像差對溫度依賴的程度基本上相同，從而該物鏡系統的球面像差對溫度的依賴性從整體上被降低到小于在30K溫度變化下的30mλOPDrms。
文檔編號G11B7/1374GK1701361SQ02801372
公開日2005年11月23日 申請日期2002年3月25日 優先權日2001年4月25日
發明者B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司