專利名稱：帶有修正相對光源傾斜產(chǎn)生的偏移效應(yīng)的光柵的衍射透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡。尤其涉及衍射透鏡，并還涉及用在磁、磁光或相變光學(xué)記錄介質(zhì)的透鏡。本發(fā)明還涉及制造透鏡的方法。


圖1圖解說明包括磁光記錄盤4和激光光源6(典型地是二極管激光器)的磁光盤驅(qū)動(dòng)器2的一部分。在使用期間，激光光源6提供穿過分束器9的激光束8。然后，激光束8穿過并被衍射透鏡10聚焦到盤4上的一點(diǎn)11處。光束8被反射回來再次穿過透鏡10，使透鏡10校準(zhǔn)光束8并把光束提供到分束器9。光束8被分束器9反射而穿過透鏡12，透鏡12把光束8聚焦到傳感器14上。
遺憾的是，在讀取操作期間，激光束8的一部分可以反射離開透鏡10。然后激光束8的這部分被分束器9反射穿過透鏡12到達(dá)傳感器14，于是把噪聲引入傳感器14探測到的信號(hào)中。我們已經(jīng)用如圖2所示的傾斜透鏡10做過實(shí)驗(yàn)，使反射離開透鏡10的光不干擾傳感器12的操作。然而，我們發(fā)現(xiàn)，如果衍射透鏡10傾斜，則非常需要能夠調(diào)整透鏡10，以便繼續(xù)在盤4上形成一個(gè)無象差的或基本上無象差的焦點(diǎn)(傾斜而未調(diào)整的透鏡顯示出一種稱作“慧差”的象差)。
圖3是透鏡10的平面圖。透鏡10畫成一個(gè)任意的圓。在圖3中還表示了用于討論透鏡10的X和Y軸。諸如透鏡10的透鏡組通常用如下的方程描述p(x,y)=Σi=1nαi(x2+y2)i]]>(1)此處，P是在透鏡表面的一個(gè)具體點(diǎn)x,y處的透鏡相位分布圖(按弧度)。換言之，照射到透鏡10上點(diǎn)x,y處的光其相位被改變[2π]P(x,y)模數(shù)的弧度，其中[2π]是模量運(yùn)算符。在方程1中，變量αI稱作非球面系數(shù)。(通過利用方程(1)適當(dāng)選擇系數(shù)設(shè)計(jì)的透鏡一般沒有球差。否則當(dāng)光通過透鏡的不同折射率的各個(gè)表面區(qū)域到達(dá)焦點(diǎn)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致球差)如果透鏡10是一個(gè)折射透鏡，則函數(shù)P(x,y)將與透鏡的高度分布成正比。換言之，H(x,y)=P(x,y)/λ (2)這里，H(x,y)是透鏡(在z方向)在點(diǎn)x,y處的高度，λ是光在透鏡材料中的波長。(見圖3A，該圖表示平凸折射透鏡沿A-A的橫截面)如上所述，透鏡10是一個(gè)衍射透鏡。一類衍射透鏡是帶鋸齒區(qū)域板透鏡(blazed zone plate lens)。圖4表示帶鋸齒區(qū)域板透鏡10’的截面。帶鋸齒區(qū)域板透鏡可以用于把光聚焦到焦點(diǎn)，但可以看到，它們有一個(gè)與平凸衍射透鏡有某些不同的截面。具體地說，透鏡10’包括一組同心隆起和凹陷。在Wiley-VCH Verlag GmbH 1990年發(fā)表的Sinzinger等人的“Microoptics”中討論了帶鋸齒區(qū)域板透鏡，該文在此引為參考。
反過來參見圖1，對于透鏡10不傾斜的情形，透鏡10被設(shè)計(jì)成αi不是x或y單獨(dú)的函數(shù)，而是x2+y2的函數(shù)。但是如上所述，如果為了防止上述的反射問題而使透鏡10關(guān)于x軸傾斜，則必須改變透鏡10，否則透鏡10不再能夠把激光束很窄地聚焦到斑點(diǎn)11處并且將顯示出“慧差”。希望的是，把透鏡10調(diào)節(jié)成可以傾斜并仍可把光束很窄地聚焦到數(shù)據(jù)記錄盤上，并使得不顯示出慧差。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的衍射透鏡包括衍射光柵。光柵的間距在透鏡表面上有所變化，使得甚至透鏡相對于激光束傾斜時(shí)也能把光聚焦到記錄介質(zhì)上的一個(gè)很小的光斑上。在一個(gè)實(shí)施例中，此透鏡是一種帶鋸齒區(qū)域板透鏡。在另一實(shí)施例中，透鏡是一個(gè)帶相變區(qū)域板透鏡(phase zone plate lens)。在另一個(gè)實(shí)施例中，透鏡包括交替的透明和不透明區(qū)域。因?yàn)楣鈻诺拈g距變化，所以透鏡在聚焦光斑中產(chǎn)生的任何慧差與不改變光柵間距時(shí)產(chǎn)生的相比都有所減小。在一個(gè)實(shí)施例中，慧差量基本上消除或完全消除。
在一個(gè)實(shí)施例中，衍射光柵不是環(huán)狀，而是有一點(diǎn)橢圓形狀，以便減小象差。例如，光柵可具有空心錐體與穿過錐體的斜面形成的相貫線的形狀。但是，如下所述，光柵也可以有其它的形狀。
在一個(gè)實(shí)施例中，透鏡準(zhǔn)直光束而不聚焦光束。在另一個(gè)實(shí)施例中，透鏡準(zhǔn)直且聚焦光束。
圖1圖解說明一個(gè)把激光二極管發(fā)出的光束聚焦到數(shù)據(jù)記錄盤中的一個(gè)光斑上的透鏡；圖2圖解說明一個(gè)傾斜的透鏡，該透鏡使得反射離開透鏡的光不干涉用于探測數(shù)據(jù)記錄盤上的激光束的傳感器；圖3是透鏡的平視圖；圖3A是折射平凸透鏡的截面圖；圖4是帶鋸齒區(qū)域板透鏡的截面圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明的用于把光束聚焦到數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)上的傾斜透鏡截面圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的透鏡平視圖；圖6A～6C是制造期間的帶鋸齒區(qū)域板透鏡截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的帶相變區(qū)域板透鏡截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的帶二元區(qū)域板透鏡(binary zone plate lens)截面圖；圖9是一種包括不同焦距特點(diǎn)的區(qū)域以增大透鏡的焦深的透鏡平面圖；圖10是圖9所示透鏡的改型平面圖，其中a)包括具有不同焦距的不同區(qū)域，使得透鏡整個(gè)顯示出增大的焦深；b)是進(jìn)一步的改型，透鏡表面上的不同帶域顯示出改變的焦深特點(diǎn)，以致于即使透鏡傾斜，仍能夠形成一個(gè)尖細(xì)的焦點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)成的透鏡是一種諸如帶鋸齒區(qū)域板透鏡的衍射透鏡。如下所述，透鏡光柵的間距在Y方向改變，以致于透鏡可以沿X軸傾斜并還能夠把激光束聚焦到磁光盤或光學(xué)數(shù)據(jù)記錄盤上的很小的光斑上。如上所述，透鏡可以用方程(1)描述。換言之，透鏡可以用非球面系數(shù)αi描述。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，系數(shù)αi調(diào)節(jié)成y的函數(shù)。適當(dāng)?shù)匦拚羒，可以在衍射透鏡沿X軸傾斜時(shí)無畸變地把光柵聚焦到光斑11上。(在圖2和圖5中，X軸衍射到圖平面之外)。
圖5A表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的透鏡10”。透鏡10”的主平面通常暴露在大氣中。透鏡10”沿X軸傾斜以避免上述關(guān)于光束反射離開透鏡和在傳感器中引發(fā)噪聲的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，修正透鏡10”，使得甚至當(dāng)透鏡相對于激光束8傾斜時(shí)仍可以把激光束8聚焦到盤4的小光斑11上。在一個(gè)實(shí)施例中，傾斜透鏡10”，其光軸與激光束8的夾角處于0.5～5°之間，如1°。但是，也可以使用其它的角度，如45°。
激光束8可以有任何適當(dāng)?shù)牟ㄩL。在一個(gè)實(shí)施例中，激光束8具有650nm的波長。在另一個(gè)實(shí)施例中，激光束8具有780nm的波長。激光功率可以處在5～200mW之間，可以是一個(gè)二極管激光器。但是，也可以使用其它類型的激光束和激光源。
參見圖5A，傾斜透鏡10”的第一部分10-1與盤4相距f1，第二部分10-2與盤4相距f2，第三部分10-3與盤4相距f3，以此類推。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，我們假設(shè)焦距為f1來計(jì)算第一組非球面系數(shù)αi。這些系數(shù)用于確定透鏡10”的帶域B1中衍射圖案的位置(圖5B)。然后假設(shè)焦距為f2計(jì)算第二組非球面系數(shù)αi。這些系數(shù)用于確定透鏡10”的帶域B2中衍射圖案的位置。對透鏡10”的每個(gè)帶域B1～Bn重復(fù)此過程。所以，透鏡的每個(gè)帶域具有稍稍不同的焦點(diǎn)特征。但是，由于修改衍射圖案的方式，甚至透鏡10”傾斜時(shí)，也能把激光束嚴(yán)格地聚焦到盤4的小光斑11上。
決定系數(shù)αi的方法以及根據(jù)一組非球面系數(shù)αi決定衍射光柵的位置的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，例如可以利用一種商業(yè)上可以得到的計(jì)算機(jī)程序，如加利福尼亞Optical Research Associates ofPasadena的Code V來完成。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，代替形成具有不連續(xù)的特性的帶域B1～Bn，形成一種在整個(gè)透鏡表面特性連續(xù)變化的透鏡。這樣做的一種方式是對每個(gè)在y方向連續(xù)變化的變量αi計(jì)算一個(gè)函數(shù)。換言之，根據(jù)曲線擬合算法產(chǎn)生連續(xù)變量αi(y)。曲線擬合算法可以是一種商業(yè)上可進(jìn)行的算法，如Microsoft Excel中提供的擴(kuò)展片程序(spread sheet program)。
在另一實(shí)施例中，透鏡10”關(guān)于x和y軸傾斜。如果這樣，變量αi成為x和y的函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的透鏡的一個(gè)實(shí)施例是帶鋸齒區(qū)域板透鏡(如上所述，圖4是帶鋸齒區(qū)域板透鏡的截面圖)。制造本發(fā)明透鏡的一種方法包括下列步驟1．在透明襯底302上沉積一個(gè)抗蝕層300(圖6A)。襯底302一般是一種透明材料，如玻璃?？刮g層300可以是一個(gè)有機(jī)或無機(jī)抗蝕層。
2．利用例如電子束構(gòu)圖技術(shù)在抗蝕層300上形成圖案(圖6B)。利用上述的相位分布信息作為一項(xiàng)對電子束數(shù)據(jù)發(fā)生器的輸入或算法產(chǎn)生電子束寫入器的輸入數(shù)據(jù)文件。在一個(gè)實(shí)施例中，電子束數(shù)據(jù)發(fā)生器例如可以是從法國的Diffractive Solutions ofStrasbourg可得到的DOE-CAD。
3利用蝕刻技術(shù)把層300的圖案轉(zhuǎn)移到襯底302上。在此轉(zhuǎn)移圖案的步驟中，從襯底302上刻蝕掉抗蝕層300。
涉及到形成鋸齒區(qū)域板的方法的詳細(xì)內(nèi)容可以在由Aerial ImagingCorporation提交的PCT申請WO98/52101以及Block等人的美國專利申請5,998,006中找到?！?06號(hào)專利和WO98/52101申請?jiān)诖艘秊閰⒖肌?br> 可用于實(shí)施本發(fā)明的另一種衍射光柵透鏡是帶相變區(qū)域板透鏡400，如圖7中所示。此透鏡包括形成在透明襯底406(一般是玻璃)中的交替的凹進(jìn)區(qū)402和非凹進(jìn)區(qū)404。這些交替的凹進(jìn)區(qū)402和非凹進(jìn)區(qū)404起著衍射透鏡的作用把激光束的光聚焦到數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)上。制造帶相變區(qū)域板透鏡的方法在Aerial Imaging Corporation提交歐洲專利申請EPO 871 163 A2和于2000年12月19日授予Block等人的美國專利US6,162,590中有所描述。這些申請?jiān)诖艘秊閰⒖?。重要的是，衍射光柵在本發(fā)明中的位置被修改成即使透鏡沿X軸傾斜，透鏡仍把激光束8聚焦到盤4上的小光斑11上，其原因如上所述。
另一種類型的衍射光柵透鏡包括交替透明和不透明的區(qū)域。這種透鏡的一個(gè)例子是透鏡500，如圖8所示。透鏡500包括一個(gè)透明襯底502(如玻璃)和一個(gè)經(jīng)構(gòu)圖的不透明層504(例如通過濺射并經(jīng)平板印刷的方法沉積到襯底502上的鉻)。不透明層504被制成同心環(huán)帶的圖案，這些圖案用作把光聚焦到盤4上的小光斑上的衍射透鏡。制造這些透鏡的方法在上述引用的EPO 871 163 A2申請和‘590專利中有所描述。另外，在本發(fā)明中這些環(huán)帶的位置修正成允許在透鏡沿X軸傾斜時(shí)能把光聚焦到盤上的小光斑上。
另一種類型的衍射透鏡包括摻雜材料區(qū)的區(qū)域，從而顯示出不同的折射率。摻雜材料區(qū)的圖案布置成，如果透鏡相對于光源傾斜，它能夠聚焦光束，而不產(chǎn)生慧差。
參見圖5，光學(xué)或磁光記錄介質(zhì)4主要是一種在使用當(dāng)中旋轉(zhuǎn)的盤。不幸的是，盤4容易抖動(dòng)，如圖5A中的箭頭C所示。如果透鏡10”有一個(gè)較窄的焦深，則盤4可能會(huì)移出焦點(diǎn)，因而透鏡10”將不再能夠把光聚焦到盤4的小光斑11上。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步把透鏡10”調(diào)節(jié)成包括不同焦深的區(qū)域。圖9表示根據(jù)本實(shí)施例的透鏡600。參見圖9，透鏡600被分成區(qū)域602-1～602-n。每個(gè)區(qū)域調(diào)節(jié)成具有稍稍不同的焦距。所以例如區(qū)域602-1顯示出第一焦距f1，區(qū)域602-2顯示出第二焦距f2，區(qū)域603-3顯示出第三焦距f3等。所以，如果盤4抖動(dòng)而在箭頭B的方向輕微地移動(dòng)(圖5A)，透鏡600的不同部分將繼續(xù)確保激光束被聚焦到記錄介質(zhì)4上的小光斑上。
如果只對透鏡600進(jìn)行這些修改，則透鏡將顯示出增大的焦深。(在Daschner等人于1999年8月4日提交的美國專利申請09/288,269中詳細(xì)描述了這種透鏡，該申請?jiān)诖艘秊閰⒖?。參見圖10，透鏡600被進(jìn)一步修改，考慮到透鏡的一個(gè)傾角。具體地說，透鏡600還包括帶域604-1～604-n。修改帶域604的焦距以進(jìn)一步考慮透鏡600沿X軸的傾角。因此，透鏡600具備兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)a)提供延長的焦深；和b)即使透鏡傾斜也提供尖細(xì)的焦點(diǎn)。
在圖10中，透鏡區(qū)域602被分割成“薄餅片”形。但區(qū)域602也可以有其它的形狀，如’269申請中公開的形狀。另外，在不同的區(qū)域602之間不需要離散的臺(tái)階。例如，接近區(qū)域602-1和602-2區(qū)域的邊界以及接近其它的邊界光柵間距逐漸改變。
雖然以上關(guān)于具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的前提下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改變。例如，透鏡可以用在除磁光或光學(xué)記錄介質(zhì)以外的應(yīng)用中。因此，所有這些變化都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種衍射透鏡，在表面區(qū)域上包括一組衍射光柵，所述光柵的間距在表面區(qū)域內(nèi)是變化的，使得透鏡可以相對于光束的方向傾斜而同時(shí)能夠把光束聚焦到目標(biāo)上的斑點(diǎn)上，并且/或者對光束進(jìn)行準(zhǔn)直，減小了慧差或沒有慧差。
2．如權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，只在材料主體的一個(gè)表面上形成衍射光柵。
3．如權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，只有一組衍射光柵聚焦和/或準(zhǔn)直光束，使透鏡顯示出減小慧差或沒有慧差的特性。
4．如權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，透鏡包括帶鋸齒區(qū)域板、帶相變區(qū)域板、交替的透明和不透明區(qū)域或者折射率不同的數(shù)個(gè)區(qū)域。
5．如權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，透鏡組合到一種裝置中，該裝置包括一個(gè)激光源；和一個(gè)數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)，所述透鏡相對于激光束傾斜，并把激光束聚焦到所述數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)上的斑點(diǎn)上。
6．如權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，光柵的間距在透鏡的表面區(qū)域上是變化的，從而增大透鏡顯示的焦深。
7．一種方法，包括光穿過衍射透鏡以聚焦到目標(biāo)上和/或準(zhǔn)直光束的步驟，透鏡相對于光傾斜，透鏡包括一組衍射光柵，光柵的間距在透鏡表面上是變化的，使得在透鏡相對于激光束傾斜時(shí)也能把光聚焦到目標(biāo)上的一個(gè)光斑上和/或準(zhǔn)直光束，同時(shí)顯示出減小的慧差或基本上沒有慧差。
8．一種制造透鏡的方法，包括建立多組非球面系數(shù)，每組針對一個(gè)焦距描繪透鏡；和利用多組非球面系數(shù)構(gòu)成一個(gè)具有一組衍射光柵的透鏡，使得一組衍射光柵的間距是變化的，當(dāng)透鏡相對于光源傾斜時(shí)仍能繼續(xù)把光聚焦到目標(biāo)和/或準(zhǔn)直光束。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，還包括建立所述的非球面系數(shù)組以克服當(dāng)光穿過透鏡到達(dá)焦點(diǎn)并到達(dá)不同折射率區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的球差。
10．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，衍射光柵的所述間距基本上減小或消除慧差。
11．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述非球面系數(shù)組用于產(chǎn)生一個(gè)平板印刷形成到襯底上的圖案以構(gòu)成所述的透鏡。
12．一種透鏡，包括一組光柵，光柵的間距利用一組非球面系數(shù)確定，以致于光柵把光聚焦到目標(biāo)上和/或準(zhǔn)直光束而基本上不產(chǎn)生球差，光柵的間距在透鏡的表面上是變化的，以致于如果透鏡相對于光源傾斜也仍可以把光聚焦到目標(biāo)上和/或準(zhǔn)直光束。
13．如權(quán)利要求12所述的透鏡，其特征在于，所述的透鏡基本上不導(dǎo)致慧差。
14．如權(quán)利要求12所述的透鏡，其特征在于，與光柵相關(guān)的焦距在透鏡的表面區(qū)域是變化的，以致于透鏡的不同部分顯示出不同的焦距，使得如果透鏡傾斜，透鏡的第一部分比透鏡的第二部分更接近焦點(diǎn)，第一部分顯示的焦距比第二部分顯示的焦距短。
15．如權(quán)利要求12所述的透鏡，其特征在于，光柵的間距連續(xù)變化。
16．一種非球面衍射透鏡，包括一組光柵，光柵的間距在透鏡的表面上是變化的，以致于如果透鏡相對于光源傾斜，也仍能繼續(xù)把光聚焦到目標(biāo)上的一斑點(diǎn)上和/或準(zhǔn)直光束。
17．一種包括使光束穿過透鏡的方法，所述透鏡相對于光束的傳播方向傾斜，透鏡包括一組光柵，光柵的間距利用一組非球面系數(shù)決定，以致于光柵能把光聚焦到目標(biāo)上和/或準(zhǔn)直光束而基本上不產(chǎn)生球差，光柵的間距在透鏡的表面上是變化的，以致于透鏡的傾斜基本上不產(chǎn)生慧差。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述衍射光柵的間距基本上減小或消除慧差。
19．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，與光柵有關(guān)的焦距對于材料主體的表面是變化的，以致于透鏡的而不同部分顯示出不同的焦距，使得如果透鏡相對于軸傾斜，則在透鏡接近焦點(diǎn)部分的光柵焦距小于在透鏡遠(yuǎn)離焦點(diǎn)部分的光柵的焦距。
20．一種包括使光束穿過非球面衍射透鏡的方法，透鏡相對于光束的傳播方向傾斜，透鏡包括一組光柵，光柵的間距在透鏡的表面上是變化的，從而減小或避免慧差。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的衍射透鏡包括一組帶域(B1至Bn,604－1至604－n),使得在每個(gè)帶域中的衍射光柵得以修正。這樣確保即使在透鏡傾斜時(shí),如防止光柵從透鏡反射和在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生畸變,也能繼續(xù)把光聚焦到目標(biāo)平面上。目標(biāo)平面主要是一種光學(xué)或磁光數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)(4)。
文檔編號(hào)G11B7/135GK1318758SQ0111198
公開日2001年10月24日 申請日期2001年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月26日
發(fā)明者沃爾特·達(dá)施納, 伯納德·克雷斯 申請人:埃里爾想象公司