專利名稱：藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光盤機(jī)，特別是一種適用于藍(lán)光存儲(chǔ)光學(xué)頭的非球面物鏡。它由兩塊非球面透鏡組成，可以與激光器，準(zhǔn)直鏡，分束棱鏡等構(gòu)成光學(xué)讀取系統(tǒng)。它能用于下一代光存儲(chǔ)技術(shù)中，主要是讀取藍(lán)光光盤。
背景技術(shù)：
信息時(shí)代需要有高度先進(jìn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)。隨著數(shù)碼產(chǎn)品和高清電視時(shí)代的到來(lái)，存儲(chǔ)容量更大的高密度數(shù)字多用途光盤(以下簡(jiǎn)稱為HD DVD)及藍(lán)光光盤(以下簡(jiǎn)稱為BD)系列下一代光盤技術(shù)將成為主流。尤其是BD，它的存儲(chǔ)容量可達(dá)25G，它采用405nm藍(lán)光激光器和數(shù)值孔徑為0.85的物鏡，盤片保護(hù)層厚度為0.1mm。由瑞利衍射公式d=1.22λNA]]>知，在光的衍射極限下，光線的聚焦直徑d與光波長(zhǎng)λ成正比而與鏡頭的數(shù)值孔徑NA成反比?？梢?jiàn)BD的光斑大小比DVD，HD DVD要小得多，因而控制精度更高，尋址難度更大，對(duì)象差和伺服控制要求更高。另外，藍(lán)光光盤BD采用基盤厚度是0.1mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DVD的0.6mm，這是為了使光盤在高密度存儲(chǔ)條件下有足夠的傾斜容限，但這樣一來(lái)對(duì)像差和抖晃提出更苛刻的要求。BD還要求透鏡有較大的數(shù)值孔徑NA，因?yàn)閺睦碚撋现v，光點(diǎn)的大小與透鏡的NA成反比，但NA的增大很困難，它要犧牲很多其它參數(shù)，如使物鏡到光盤間工作距離減小，增加伺服難度，增大消像差的難度，對(duì)光盤質(zhì)量要求更高；還可能使非球面透鏡更復(fù)雜精密，增加制造難度等等。所以，這些都是藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)最近才問(wèn)世的根本原因。
由于采用非球面物鏡能大大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量，而且用現(xiàn)代精密模壓技術(shù)能低成本的大量生產(chǎn)非球面物鏡，因而非球面物鏡被廣泛應(yīng)用于光盤機(jī)、光纖耦合裝置和數(shù)碼相機(jī)等許多光電儀器中。從光盤上讀取信息時(shí)，激光束必須會(huì)聚到一點(diǎn)，這就要求聚焦透鏡的像質(zhì)達(dá)到衍射極限。如果存在球差、像散或彗差，就會(huì)使聚光點(diǎn)模糊且變大，使從光盤返回的信息包含很多噪聲。由于光學(xué)頭結(jié)構(gòu)空間的限制，聚焦透鏡的尺寸也受到限制，透鏡的直徑一般為3.5～5.0mm。要滿足以上要求，可以采用由多個(gè)球面透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，但這必然會(huì)使系統(tǒng)的尺寸與重量增大，不僅增加伺服難度，還造成像質(zhì)下降。所以采用非球面物鏡是必然選擇，它已經(jīng)成為先進(jìn)光盤播放系統(tǒng)的核心元件之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為新一代光盤存儲(chǔ)技術(shù)提供一種藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，它是一款基于藍(lán)光波長(zhǎng)的非球面物鏡。它除了能滿足像差要求、聚焦光點(diǎn)要求和數(shù)值孔徑NA要求，還具有成像質(zhì)量好、寬視場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、組裝方便和成本低廉等特點(diǎn)。
本發(fā)明技術(shù)解決方案如下一種藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于它由主非球面透鏡和從非球面透鏡構(gòu)成，兩塊透鏡都是彎月形結(jié)構(gòu)，所述的主非球面透鏡的前表面是非球面，該非球面曲率半徑為3.1～4.5mm，后表面是球面，該球面的曲率半徑為15～18mm，透鏡的中心厚度為0.8～1.5mm；所述的從非球面透鏡的前表面是非球面，其曲率半徑為1.1～2.0mm；后表面是球面，其曲率半徑為4.5～5.3mm，該透鏡的中心厚度為0.8～1.3mm；所述的主非球面透鏡和從非球面透鏡之間的軸向距離為1.1～1.5mm。
所述的透鏡材料均采用M-BACD5N，所述的主非球面透鏡的直徑為4.2～5.1mm，與常用光學(xué)頭物鏡的尺寸一致，所述的從非球面透鏡的直徑為2.8～3.3mm，其數(shù)值孔徑為0.85，工作距離為0.90～1.21mm，有效焦長(zhǎng)為FL＝2.745，波像差控制在0.033λ以內(nèi)。
所述的M-BACD5N材料是日本HOYA公司的光學(xué)材料的一種，其折射率為1.589，阿貝數(shù)為61.3。
所述的主非球面透鏡和所述的從非球面透鏡的非球面參數(shù)分別為c＝1/Rk α1α2α30.269234 -0.383013 0.001926 -0.000003 00.668128 -0.240009 -0.003493 0.002026 0。
所述的主非球面透鏡和所述的從非球面透鏡的非球面參數(shù)分別為c＝1/R k α1α2α30.269234 -0.486872 0.001345-0.0003230.0000240.668128 -0.331574 -0.001888 0.006291 0.000483。
本發(fā)明的技術(shù)效果
兩塊非球面透鏡的第1面均設(shè)計(jì)為非球面。單面非球面透鏡的加工較雙面非球面透鏡容易，故能降低很多制造成本；另外兩塊非球面透鏡的第1面均設(shè)計(jì)為非球面，有利于透鏡像差的校正。透鏡材料均采用M-BACD5N(HOYA光學(xué)材料的一種，折射率為1.589，阿貝數(shù)為61.3)。主非球面透鏡的直徑為4.2～5.1mm，與常用光學(xué)頭物鏡的尺寸一致，從非球面透鏡的直徑為2.8～3.3mm。其數(shù)值孔徑能達(dá)0.85，采用405nm藍(lán)光激光器，工作距離為0.90～1.21mm，有效焦長(zhǎng)(FL)為2.474～2.745mm，能很好的消球差，波像差控制在0.033λ以內(nèi)。
本發(fā)明經(jīng)ZEMAX模擬分析，具有成像質(zhì)量好、視場(chǎng)寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(兩片式)和易于加工等特點(diǎn)，對(duì)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)波動(dòng)范圍容限較寬，對(duì)光盤抖晃也有一定的容限，能很好的適應(yīng)藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)的要求。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍


圖1為本發(fā)明非球面物鏡光路示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用于BD光學(xué)頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是用ZEMAX對(duì)圖1光路進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)所得到的橫向像差分析圖(Ray Fan)。
圖4是用ZEMAX對(duì)圖1光路進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)所得到的焦點(diǎn)前后各視場(chǎng)波像差分析圖(RMS & Focus)。
圖5是用ZEMAX對(duì)圖1光路進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)所得到的焦點(diǎn)前后成像光斑分析圖(Spot Diagram & Focus)。
圖6是用ZEMAX對(duì)圖1光路進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)所得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。
圖7是用ZEMAX對(duì)圖1光路進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)所得到的色散焦移圖(主波長(zhǎng)附近隨波長(zhǎng)變化的焦移量)。
圖中101-主非球面物鏡；102-從非球面物鏡；103-藍(lán)光光盤，總厚度為1.2mm，覆蓋層厚度為0.1mm。
201-405nm半導(dǎo)體激光器LD；202-分束棱鏡BS；203-光探測(cè)器PDIC；204-準(zhǔn)直透鏡CL；205-反射鏡FM；206-主非球面物鏡；207-從非球面物鏡；208-物鏡夾持器；209-藍(lán)光光盤。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明非球面物鏡光路示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明非球面物鏡的結(jié)構(gòu)是由主非球面透鏡101和從非球面透鏡102構(gòu)成，含有大小兩塊非球面透鏡，可以與激光器、準(zhǔn)直鏡、分束棱鏡等構(gòu)成光學(xué)讀取系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。兩塊物鏡都是彎月形結(jié)構(gòu)，都含有一個(gè)非球面和球面。透鏡材料均采用M-BACD5N(屬于HOYA系列，折射率為1.589，阿貝數(shù)為61.3)。主透鏡的直徑為4.2～5.1mm，與常用光學(xué)頭物鏡的尺寸一致，從透鏡的直徑為2.8～3.3mm。其數(shù)值孔徑為0.85，工作距離為0.9～1.2mm，有效焦長(zhǎng)為2.474～2.745mm，波像差控制在0.033λ以內(nèi)。
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，非球面物鏡的工作表面由以下方程和參數(shù)決定z=cr21+1-(1+k)c2r2+α1r2+α2r4+α3r6+α4r8+α5r10+α6r12+α7r14+α8r16]]>其中c為曲率半徑R的倒數(shù)；r為非球面物鏡表面上任一點(diǎn)到Z軸的最小距離，對(duì)應(yīng)X軸和Y軸上數(shù)值確定，r2＝X2+Y2。k為圓錐系數(shù)，它能確定非球面是橢球面還是雙曲面，k為0時(shí)則為球面。α1、α2等是高階非球面系數(shù)，它們表征物鏡的表面形貌，能很好的修正表面彎曲程度，利于消像差。
具有上述結(jié)構(gòu)的主非球面透鏡101和從非球面透鏡102的光學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)施例示于表1和表2。表1和表2表示當(dāng)工作距離分別是1.2mm和0.9mm時(shí)，適用于平行入射光的物鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)。表3表示表1和表2中用所列非球面的非球面系數(shù)。
表1

表2

表3

圖2是應(yīng)用本實(shí)施例于BD光學(xué)頭的結(jié)構(gòu)示意圖。該光學(xué)頭采用波長(zhǎng)為405nm半導(dǎo)體激光器，激光經(jīng)過(guò)分束棱鏡202后，被準(zhǔn)直鏡204準(zhǔn)直，再經(jīng)反射鏡205進(jìn)入物鏡部分。物鏡部分由本實(shí)施例的兩塊主非球面透鏡206和次非球面透鏡207及物鏡夾持器208共同組成，最后激光聚焦于光盤209的信息記錄層上?？梢詫⒐獗P的信息記錄層當(dāng)反射膜，因而會(huì)聚光束沿原路返回，依次經(jīng)過(guò)光盤209、從非球面透鏡207、主非球面透鏡206、反射鏡205、準(zhǔn)直鏡204、分束棱鏡202，被分束棱鏡202反射后到達(dá)PDIC203，被接收并得到讀取信息。其中分束棱鏡202對(duì)入射光完全透射，對(duì)從光盤的返回光完全反射。
圖3、4、5、6、7分別是用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX在405nm波長(zhǎng)下工作距離為1.2mm時(shí)對(duì)本光學(xué)頭的模擬結(jié)果。圖3是橫向像差分析圖(Ray Fan)。它顯示了本實(shí)施例的像差優(yōu)化情況。圖4是圖焦點(diǎn)前后波像差分析(RMS &Focus)。BD系統(tǒng)的波相差RMS容許值在0.033λ以下，而本發(fā)明的焦點(diǎn)處最小波相差RMS的值為0.019λ，符合系統(tǒng)要求。該圖計(jì)算了3個(gè)視場(chǎng)下的RMS曲線，分別是0°，0.35°，0.7°。由圖可見(jiàn)隨著光盤傾角的增大，焦點(diǎn)處RMS將增大并會(huì)超出容限，所以對(duì)光盤的jitter值有一限制，這需要伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制。
圖5是焦點(diǎn)前后成像光斑分析圖(Spot Diagram & Focus)。焦點(diǎn)處焦斑尺寸是越小越好，但它又受到球差和物鏡孔徑衍射極限的制約。圖6是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF圖。它顯示的是聚焦光束的束腰面上中心峰值強(qiáng)度，也即光能利用率的大小。其峰值為0.9，故本實(shí)施例的光能效率較高。圖7色散焦移圖(主波長(zhǎng)附近隨波長(zhǎng)變化的焦移量)。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的出射波長(zhǎng)有一個(gè)頻譜范圍，不可能只是405nm，所以主波長(zhǎng)的波動(dòng)對(duì)光學(xué)頭的成像也有影響，本圖反映了主波長(zhǎng)變化+/-5nm對(duì)聚焦平面位置的影響。由圖可見(jiàn)焦移量基本上是線性變化的，且在0.5μm范圍之內(nèi)，故而對(duì)成像質(zhì)量影響不大。
具有本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的物鏡的優(yōu)點(diǎn)是可以在大的0.85的NA值下，有1.2mm的工作距離d，足以消除物鏡與光盤之間的干擾。本發(fā)明的物鏡可用作顯微鏡的透鏡、制造半導(dǎo)體裝置的曝光裝置的透鏡、制造高NA光盤所用的原版盤制作設(shè)備的透鏡。雖然已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離所附的權(quán)利要求書所限定的構(gòu)思和范圍的前提下，能對(duì)本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)做出各種改變。
綜上所述，本發(fā)明有以下優(yōu)越性首先是視場(chǎng)寬，光能利用率高。然后是它對(duì)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)波動(dòng)范圍容限較寬，對(duì)光盤抖晃也有一定的容限，當(dāng)然這要建立在較高的伺服精度之上。本發(fā)明還具有成像質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工等特點(diǎn)，能很好的適應(yīng)藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)的要求。更重要的是具有商業(yè)化價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于它由主非球面透鏡(101)和從非球面透鏡(102)構(gòu)成，兩塊透鏡都是彎月形結(jié)構(gòu)，所述的主非球面透鏡(101)的前表面是非球面，該非球面曲率半徑為3.1～4.5mm，后表面是球面，該球面的曲率半徑為15～18mm，透鏡的中心厚度為0.8～1.5mm；所述的從非球面透鏡(102)的前表面是非球面，其曲率半徑為1.1～2.0mm；后表面是球面，其曲率半徑為4.5～5.3mm，該透鏡的中心厚度為0.8～1.3mm；所述的主非球面透鏡(101)和從非球面透鏡(102)之間的軸向距離為1.1～1.5mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于所述的透鏡材料均采用M-BACD5N，所述的主非球面透鏡(101)的直徑為4.2～5.1mm，與常用光學(xué)頭物鏡的尺寸一致，所述的從非球面透鏡(102)的直徑為2.8～3.3mm，其數(shù)值孔徑為0.85，工作距離為0.90～1.21mm，有效焦長(zhǎng)為FL＝2.745，波像差控制在0.033λ以內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于所述的M-BACD5N材料是日本HOYA公司的光學(xué)材料的一種，其折射率為1.589，阿貝數(shù)為61.3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于所述的主非球面透鏡(101)和所述的從非球面透鏡(102)的非球面參數(shù)分別為c＝1/Rkα1α2α30.269234 -0.3830130.001926 -0.000003 00.668128 -0.240009-0.0034930.0020260。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其特征在于所述的主非球面透鏡(101)和所述的從非球面透鏡(102)的非球面參數(shù)分別為c＝1/Rkα1α2α30.269234 -0.4868720.001345 -0.000323 0.0000240.668128 -0.331574-0.0018880.0062910.000483。
全文摘要
一種藍(lán)光存儲(chǔ)用非球面物鏡，其構(gòu)成含有大小兩塊非球面透鏡，兩塊透鏡都是彎月形結(jié)構(gòu)，都含有一個(gè)非球面和球面。其數(shù)值孔徑能達(dá)0.85，采用405nm藍(lán)光激光器，工作距離為0.6～0.9mm，能很好的消球差，且波像差控制在0.033λ以內(nèi)。本發(fā)明能構(gòu)成一種藍(lán)光光學(xué)頭，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光光盤的讀取，不僅結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，而且穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，具有實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1959457SQ20061011800
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者周輝, 阮靈 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所