專利名稱：色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統的制作方法
技術領域：
本發明是關于色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統，尤其是關于用于調整色差的色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統。
(2)背景技術一般來說，用于DVD(DVD)的光存儲讀取設備所使用的光都是650nm的標準波長，存儲和讀取光盤時使用不同功率的光，由于這種存儲和讀取時的功率變化，引起光的波長的變化，從而使按照標準波長設計的物鏡在進行存儲和讀取轉換時引起波長的變化，帶來很大的色差，從而發生無法聚焦等問題。
經過這種轉換過程所引起的無法聚焦雖然可以通過調整物鏡來進行調整，但是，如果利用調節器來驅動物鏡，從而調整因波長變化所引起的無法聚焦的話，所需要的時間會相對較長，這段時間會使存儲和讀取的質量下降，因此沒有必要調整因波長變化所引起的色差。
現有的色差調整透鏡是由大的凸透鏡和小的凹透鏡共同結合形成的，它又被稱為消色差透鏡(achromat)。但是，如果在使用一個消色差透鏡的情況下，并無法充分取得調整色差的效果，為了取得有效調整色差的效果，必須使用2個以上數量的消色差透鏡來設置光路，這又存在一個需要很多設置空間的問題。
(3)發明內容本發明的目的是為了解決上述現有技術中的問題，提供一種關于色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統，是用于調整因光源照射出的光的波長變化所引起的色差的調整透鏡及利用它的光拾取器裝置中的光學系統。
為實現上述目的，本發明提供了一種具有如下特征的色差調整透鏡為調整從發光元件中放射出的光線的色差，在色差調整透鏡的與光的照射方向垂直的一面形成了一個從中心光軸開始，以轉軸(rotational symmetric)為中心對稱的階梯形狀。
這里，在上述色差調整透鏡的各階梯高度為h，標準波長為λ0，標準波長的透鏡折射率為n0，除0外的任意整數為m的情況下，如果h＝m*λ0/(n0-1)成立的話較為理想。
同時，還提供一種具有由以下部分構成特征的光拾取器裝置的光學系統發射出光的發光元件；將上述發光元件發射出的光聚集，并在存儲媒介上形成焦點的物鏡；設置在上述發光元件和物鏡之間的光路中，變換入射光的照射路徑的光路變換裝置；設置在上述發光元件和物鏡之間的光路中，在與光的照射方向垂直的一面形成一個從中心光軸開始，以轉軸(rotationalsymmetric)為中心對稱的階梯形狀，并能調整因上述發光元件發射光的波長變動所引起色差的色差調整透鏡；接收經上述存儲媒介反射后，再經光路變換裝置射入的光的光接收元件。
本發明的效果正如上所述，本發明的色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統提供了一種與物鏡和視準透鏡皆不相同，且透鏡表面形成了一個以轉軸(rotational symmetric)為中心對稱的階梯形狀的色差調整透鏡。由此，本發明提供了一種在光存儲讀取設備中占有很小體積的色差調整透鏡，同時，可以有效地調整由存儲和讀取功率轉換所引起的光源波長變化所帶來的色差的光拾取器裝置的光學系統。
為進一步說明本發明的上述目的、結構特點和效果，以下將結合附圖對本發明進行詳細的描述。
(4)
圖1是定義數值孔徑的概念圖。
圖2是依據阿貝數值和折射率來顯示自然界分布的介質的坐標圖。
圖3是沒有色差的光學系統光路概略圖。
圖4(a)、(b)是存在色差的光學系統光路及光路差的概略圖。
圖5至圖7是依據本發明第一實施例的色差調整透鏡構成圖
圖5(a)、(b)是色差調整透鏡構成圖；圖6(a)、(b)、(c)、(d)是圖5中色差調整透鏡光路差所造成影響圖；圖7(a)、(b)、(c)、(d)是圖5中顯示色差調整透鏡對任意波長的色差的效果圖。
圖8(a)、(b)、(c)是依據本發明的另一實施例的色差調整透鏡構成的剖面圖。
圖9是利用本發明的色差調整透鏡的光學拾波器裝置的光學系統構成的概略圖。
附圖中主要部分的符號說明110發光元件 120視準透鏡140色差調整透鏡 160物鏡190光接受元件 h1、...、h6、h色差調整透鏡的階梯高度(5)具體實施方式
以下，就依據本發明的實施例，參照附圖對本發明的色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統予以詳細說明。
當然，在說明本發明時，為了明確本發明的主旨，將對公知的功能和構成的詳細說明省略。
圖1是定義數值孔徑的概念圖，圖2是依據阿貝數值和折射率來顯示自然界分布的介質的坐標圖。圖3是顯示沒有色差的光學系統光路概略圖。圖4是顯示存在色差的光學系統光路及光路差的概略圖。
一般來說，在光學系統中，為了正確把握依據波長的折射率變化特性而定義了阿貝數值V(Abbe Number；V)，上述定義如數學式1所示數學式1V＝(nd-1)/(nf-nc)在這時里，nd是指波長為587.6nm時的折射率，nf是波長為486.1nm時的折射率，nc是指波長為656.3nm時的折射率。阿貝數值V越大，根據波長的變化就越穩定，越不容易形成色差，便意味著能形成焦點。
另一方面，數值孔徑(Numerical ApertureNA)如圖1所示，透鏡10與照射樣品介質間的折射率為na，光線與光軸間所成角的最大值為θm時如數學式2所示。
數學式2NA＝nasinθm即，數值孔徑越高，越能形成小的焦點(F)，這將為光學系統的集成化做出貢獻。因此，在光存儲設備中，為了具體體現小型輕量化的光拾取器裝置，要求使用0.6以上高數值孔徑的透鏡，為此，如果能用阿貝數值高，且折射率大的介質來生產透鏡的話是最理想的。
但是，正如圖2所示，折射率n又高，同時阿貝數值V也高的介質在自然界根本就不存在，具有0.6以上高數值孔徑的透鏡雖然阿貝數值V較小，但卻是由折射率n大的介質制成。即，具有高數值孔徑的透鏡是由具有低阿貝數的介質制成的，如果因光存儲設備的光功率變動而引起波長的微小變化時，也會發生色差，為了保證數值孔徑高的透鏡的性能，調整所發生的色差的方法就是個重要的問題了。進一步說，對于DVD和CD等同時存儲和讀取的光存儲設備來說，因為根據存儲媒介的不同而使用不同波長的光，因此，調整色差的方法就顯得更為重要。
下面，我們將分析一下發生色差的原因，并以此為基礎來分析一下對它的調整方法。
圖3是顯示不存在色差的光學系統的光路圖。基準光軸稱為r0，并以它為中心分別形成r1、...r6等各個光路。通過沒有色差的透鏡20的各個光路以光路聚集的焦點(F)為圓心，形成了同心圓，并形成了法線，這個同心圓與和各個光路垂直的波面相一致。因此，在沒有色差的光學系統中，不生成各光路的光路差(Optical Path DifferenceOPD)。
另一方面，圖4是顯示存在色差的光學系統光路差的。基準光軸稱為r0，并以它為中心分別形成r1、...r6等各個光路。圖4(a)中將以焦點為圓心形成的任意同心圓面稱為AA-AA，與光路垂直的波面顯示為BB-BB。即，在包含有色差透鏡21的光學系統中，同心圓和波面存在著一定的差異，即發生了光路差(OPD)。圖4(b)是將同心圓AA-AA伸開為一條直線，并以其為標準的BB-BB，即顯示光路差。
如上所述，色差發生的原因主要取決于通過透鏡的各光路所形成的以焦點為圓心的同心圓是否與和光路垂直的波面相一致，發生色差是因為同心圓和波面不一致所造成的，因此，只要能夠降低光路差的數量，便能降低色差的發生數量。
圖5至圖7是依據本發明一個實施例的色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統構成圖。圖5(a)、(b)是顯示色差調整透鏡構成圖。圖6(a)、(b)是顯示圖5中色差調整透鏡光路差所造成影響的概念圖。圖7(a)、(b)、(c)、(d)是圖5中顯示色差調整透鏡對任意波長色差的效果概念圖。
正如圖所示，依據本發明的色差調整透鏡140為了不改變通過色差調整透鏡光路的光路方向，其焦點距離是無限的，形成了一個以轉軸為中心的對稱(rotational symmetric)的階梯性(即，包含轉軸的平面形成單面階梯性)。
一般來說，在沒有色差的光學系統中，雖然可以體現特定標準的波長(λ0)，但除標準波長(λ0)外的其他波長(λ1，以下稱“任意波長”)，波長變化將引起透鏡折射率的變化，從而導致色差的發生。因此，色差調整透鏡140對于標準波長(λ0)并不生成特殊的相位差，因此可以調整任意波長(λ1)的色差。
第一、我們先來分析一下標準波長(λ0)。
具有標準波長(λ0)的光路差(OPD)應該是0光射入色差調整透鏡140，并且相位毫無變化地通過色差調整透鏡140。此時，色差調整透鏡的標準波長(λ0)的折射率為n0，色差調整透鏡的入射標準面為CC-CC，從色差調整透鏡140中心光軸開始的第一個階梯高度稱為h1，光軸中心(r0)光路和相差一個階梯位置(r1)的光路差稱為OPDr1，下面的關系式也就成立。
數學式3OPDr1＝(n0-1)*h1同時，利用r1中的光路差來求它的相位差，為了不由色差調整透鏡140引起標準波長(λ0)的相位差，必須滿足如數學式4所顯示的條件。
數學式4
θ0＝2*π*OPDr11/λ0＝2*m*π即，將上面式子進行整理，也適用于色差調整透鏡的其它階梯高度，色差調整透鏡的每個階梯高度(h)由數學式5來決定。
數學式5h＝m*λ0/(n0-1)在這里，m是除0外的整數，m由實際能加工的程度來具體決定。如果m是正數時，便生成凸階梯樣式的透鏡，如果m是負數的話，便形成凹階梯樣式的透鏡。此時，如圖5所顯示的各階梯高度h1、h2、h3等值因為考慮到光學系統中發生的光路差散射，而分別決定各個m數值，因此其高度值也可以不一樣。
第二、讓我們再來分析一下任意波長(λ1)。
如圖6(a)所示，當0光線射入色差調整透鏡140時，上述色差調整透鏡140便可能降低具有任意波長(λ1)的光路差(OPDpre)。即，如圖6(a)所示，當0光線射入圖6(b)的色差調整透鏡140時，經過一定的運算，便能得到如同圖6(d)所示的光路差(OPDpost)。即，因為與旋轉軸對稱的階梯性的色差調整透鏡140，而發生了如圖6(c)的光路差(OPDeff)。
沒有色差調整透鏡的光學系統，如果將如圖7(a)所示發生光路差(OPDapre)的任意波長(λ1)照射進上述色差調整透鏡140，色差調整透鏡將發生在圖6(c)中已說明的圖7(c)的光路差(OPDeff)，如果在沒有色差調整透鏡的情況下，圖7(a)所顯示的光路差(OPDapre)和圖7(c)所顯示的光路差(OPDeff)相抵消，而只剩下圖7(d)所顯示的光路差(OPDapost)。即，圖7(a)的光路差(OPDapre)因為色差管理透鏡140，而只剩下圖7(d)的光路差(OPDapost)，并能對色差進行調整。
在這里，圖7(a)生成的原理在圖4(b)中已經進行了說明。
因此，綜合對標準波長(λ0)和任意波長(λ1)所陳述的內容可以得知色差調整透鏡140不改變標準波長(λ0)的相位，而是讓它按原樣通過，而對于任意波長(λ1)則將如圖7(a)所示的光路差調整為如圖7(d)所示的光路差，從而顯著減少色差的發生量。
此時，為了使上述色差調整透鏡140不給光路的方向造成影響，如果具有無限的焦點的話較為理想，從現實情況來看，如果是安裝在小型光拾取器裝置中的話，可以將其焦點距離制成10m以上，同時，為了獲取有效的色差調整效果，色差調整透鏡140的階梯數設定為5個以上較為理想。
另一方面，圖8(a)、(b)、(c)是依據本發明的另一實施例的色差調整透鏡構成的剖面圖。它和本發明的第一個實施例具有同樣的原理，如圖8(a)所示，當m取負數的時候，可以將色差調整透鏡140a制造成凹透鏡，如圖8(b)所示，可以按照階梯先是較低，其后又越來越高的形狀來制造色差調整透鏡140b，相反也可以按照階梯先是較高，其后又越來越低的形狀來制造色差調整透鏡(圖中未顯示)。同時，如圖8(c)所示，可以將色差調整透鏡140c制造成雙面都是階梯的形狀。
在這里，只要形成有一面以轉軸(rotational symmetric)為中心對稱的階梯，色差調整透鏡即使設置得沒有方向性，色差調整透鏡140對光路差的調整量也是一樣的。
利用如上所述的色差調整透鏡的光拾取器裝置的光學系統的構成如圖9所示。利用色差調整透鏡的光拾取器裝置包含并由以下部分構成發出光線的發光元件110；使從發光元件110中發射出的光線平行照射的視準透鏡120；變更發射出的光路的光路變更元件130；對從發光元件110發射出的光線因波長變化而引起的色差進行調整的色差調整透鏡140；根據偏光有選擇地使入射光透過或者是反射的偏光分離器150；改變入射光相位的1/4波長板155；使從發光元件110發射出的入射光聚焦，并在存儲媒介(例光盤)101上形成焦點的物鏡160；經聚焦透鏡170、180后接收存儲媒介101反射的光線的光接收元件190。
圖9顯示的是利用第1實施例的色差調整透鏡的光拾取器裝置的光學系統，同時，本發明的光拾取器裝置的光學系統同樣也適用于圖8的所示的另一實施例的色差調整透鏡。
雖然為了安裝方便，色差調整透鏡的位置與物鏡一起安裝比較理想，但是，如果安裝在視準透鏡120和存儲媒介101之間也能取得效果，也可以根據光拾取器裝置的構成和形狀來自由調整，進行安裝。
本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種色差調整透鏡，其特征在于在與所述的色差調整透鏡的光的照射方向垂直的一面形成了一個從中心光軸開始，以轉軸為中心對稱的階梯形狀，以調整從發光元件中照射出的光線的色差。
2.如權利要求1所述的色差調整透鏡，其特征在于在所述的色差調整透鏡的各階梯高度為h，標準波長為λ0，標準波長的透鏡折射率為n0，除0外的任意整數為m的情況下，h＝m*λ0/(n0-1)成立。
3.如權利要求1或2所述的色差調整透鏡，其特征在于所述的焦點距離為10m以上。
4.一種利用如權利要求1所述的的色差調整透鏡的的光拾取器裝置的光學系統，其特征在于包括發射出光的發光元件；將所述的發光元件發射出的光聚集，并在存儲媒介上形成焦點的物鏡；設置在所述的發光元件和物鏡之間的光路中，變換入射光的照射路徑的光路變換裝置；設置在所述的發光元件和物鏡之間的光路中，在與光的照射方向垂直的一面形成一個從中心光軸開始，以轉軸為中心對稱的階梯形狀，并能調整因所述的發光元件發射光的波長變動所引起色差的色差調整透鏡；接收經所述的存儲媒介反射后，再經光路變換裝置射入的光的光接收元件。
5.如權利要求4所述的光拾取器裝置的光學系統，其特征在于在所述的色差調整透鏡的各階梯高度為h，標準波長為λ0，標準波長的透鏡折射率為n0，除0外的任意整數為m的情況下，h＝m*λ0/(n0-1)成立。
6.如權利要求4或5所述的光拾取器裝置的光學系統，其特征在于所述的色差調整透鏡的焦點距離為10m以上。
全文摘要
本發明是關于色差調整透鏡及利用它的光拾取器裝置的光學系統，所述的色差調整透鏡的結構為調整從發光元件中照射出的光線的色差，在色差調整透鏡的與光的照射方向垂直的一面形成一個從中心光軸開始，以轉軸為中心對稱的階梯形狀。由此，使之在光存儲讀取設備中占有很小的體積，并有效調整由存儲和讀取功率轉換所引起的光源波長變化所帶來的色差。
文檔編號G11B7/12GK1750146SQ200410066469
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月17日 優先權日2004年9月17日
發明者金英植 申請人:上海樂金廣電電子有限公司