用于高密度光学聚焦的物镜和使用该物镜的光学头

摘要

一种用现有技术能方便地制造的大数值孔径、能高密度聚焦的物镜,包括位于光轴近轴区的第一传输部分、面对第一传输部分的第一反射部分、绕第一传输部分形成在远轴区的第二反射部分和围绕第一反射部分形成在远轴区的第二传输部分。其中,在光轴与通过第一、二传输部分、第一、二反射部分后的周围光束之间的最大角α满足条件:30°≤α≤65°。一种包括上述物镜的光学头,当工作距离d2为0.2mm时,物镜单元的NA值可增加到0.85。

说明书

使用该物镜的光学头

本发明涉及具有用于高密度光学聚焦的大数值孔径(NA)的物镜、以及采用该物镜的光学头，尤其涉及可用现有技术制造的具有满足高密度聚焦的NA值的用于高密度聚焦的物镜、以及用该物镜进行高密度记录的光学头。

相关技术

假设单个物镜在光学系统中使用，这种在光盘上记录数据和从光盘上再现数据的物镜由于制造工艺的限制，最大只能具有0．6NA。因此，不能将允许误差减小到0．07λ_rms象差以下。图1和2示出传统物镜和光学头的实例。

参看图1，所设计的用于记录／再现信息的常规光学头能在光盘1上进行20千兆字节的高密度记录。光学头包括具有40nm波长的光源11、用于衍射和透射入射光的光栅19、根据偏振方向改变传输光路的第一偏振分束器(PBS)21、将圆形偏振光引导到光盘1的λ／4波片23、具有0．85NA值的物镜单元50、用于透射或反射从光盘1和第一PBS21反射的入射光的第二PBS27、用于接收穿过第二PBS27的光并检测入射光中的信息信号的第一光检测器31、和用于接收第二PBS27的反射光并从中检测误差信号的第二光检测器37。

准直入射光的准直透镜13、对入射光整形的光束整形棱镜15、和延迟入射光相位的λ／2片17设置在光源11与光栅19之间的光路中。另一个用于延迟入射光相位的λ／2波片25设置在第一PBS21与第二PBS27之间的光路中。用于会聚入射平行光束的第一会聚透镜29设置在第二PBS27与第一光检测器31之间。用于会聚入射光束的第二会聚透镜33和产生像散的像散透镜35位于第二PBS27与第二光检测器37之间。第三会聚透镜39会聚由光源11发射并从第一PBS21反射的光，监测光检测器41根据第三会聚透镜39会聚的光监测光源11的光功率。

物镜单元50包括聚焦入射光束的物镜51和位于物镜51与光盘1之间用于提高物镜单元50的NA值的半球透镜55。

对于具有上述结构物镜单元50，半球透镜55的采用进一步提高物镜单元50的NA、并使它超过只有物镜51的0．6NA值。参看图2，半球透镜55的NA正比于sinθ和半球透镜55的折射率N的乘积，其中θ是进入半球透镜55的光的最大入射角。于是，物镜单元50的NA可提高到0．85。

另外，为了利用图1所示常规光学头中高NA减小聚焦到光盘1上的光点尺寸，光盘1与半球透镜55之间的工作距离d₁必须小到0．1mm。但是这种小距离d₁会妨碍光盘1，使光盘1不能稳定地安装在转台(未示出)上、并影响操作转动。此外，物镜在聚焦方向上、在大于工作距离d₁的±0．7mm范围内移动，因此聚焦伺服控制必须在10nm范围内精确地进行。所以，大批量地制造光学头很困难。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供具有大数值孔径(NA)并能确保相对记录介质的足够大的工作距离的高密度聚焦的物镜、以及使用该物镜的光学头。

根据本发明的一个方面，本发明提供的物镜包括：位于光轴的相对近轴区的第一传输部分，用于发散地传输入射光；面对第一传输部分的第一反射部分，用于发散地反射入射光；围绕第一传输部分形成在相对远轴区的第二反射部分，用于会聚和反射从第一反射部分反射的光；围绕第一反射部分形成在相对远轴区的第二传输部分，用于折射和传输由第二反射部分会聚的光，其中，光轴与在穿过第一传输部分并被第一和第二反射部分反射后、通过第二传输部分的周围光束之间的最大角α满足条件30°≤α≤65°。

根据本发明的另一方面，本发明提供的光学头包括：用于发射激光束的光源；光路改变装置，用于改变入射光的传输路径；物镜单元，用于聚焦入射光以在光盘上形成光点；光检测器，用于接收由光盘反射的、且通过物镜和光路改变装置的入射光束，其中，物镜单元包括：第一物镜，用于聚焦来自光路改变装置的入射光束；第二物镜，它设置在第一物镜与光盘之间的光路中、用于进一步聚焦被第一物镜会聚的光，该第二物镜包括：位于光轴的相对近轴区的第一传输部分，用于发散地传输入射光束；面对第一传输部分的第一反射部分，用于发散地反射入射光束；围绕第一传输部分形成在相对远轴区的第二反射部分，用于将从第一反射部分反射的光聚焦到光盘；围绕第一反射部分形成在相对远轴区的第二传输部分，用于衍射和传输由第二反射部分会聚的光。

附图说明

通过下面结合附图对优选实施例的具体说明，本发明的上述目的和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是表示采用具有用于高密度聚焦的半球透镜的物镜单元的常规光学头的光学结构的视图；

图2是表示图1所示物镜单元的光学结构的视图；

图3是表示本发明优选实施例的用于高密度聚焦的物镜的光学结构的视图，该物镜适用于平行的入射光；

图4和5表示本发明其它优选实施例的用于高密度聚焦的物镜的光学结构的视图，该物镜适用于会聚的入射光；

图6是表示采用本发明优选实施例的高密度聚焦物镜的光学头的光学结构的视图；

图7表示当使用较薄的光盘时、图6光学头中主要部分的光学结构；

图8表示当使用较厚的光盘时、图6光学头中主要部分的光学结构。

对本发明的具体说明

参看图3，本发明用于高密度聚焦的物镜155包括用于发散地传输入射光的第一传输部分156，位于第一传输部分156对面、用于发散地反射入射光的第一反射部分157，围绕第一传输部分156设置、用于会聚由第一反射部分157反射的光的第二反射部分158，和用于折射并传输从第二反射部分158反射的光的第二传输部分159。

第二传输部分159面对光盘100。第一和第二反射部分157和158、以及第一和第二传输部分156和159的设置使得第二传输部分159与光盘100之间的工作距离d₂大于常规光学头中工作距离d₁(见图2)。

优选地，用于消除光场像差的第一传输部分156具有凹曲面。第一传输部分156也可用球面和非球面设计成使像差最小化。第一反射部分157具有使入射光以最大角反射的凸反射面，这样能保持0．6或更大的NA值。第一反射部分157的反射表面形成为凸向第一传输部分156。具有使例如球差和慧差的光学像差最小化的凹反射面的第二反射部分158将第一反射部分157反射的入射光反射到第二传输部分159。另一方面，当光束从光盘100反射并穿过透镜向回传输时，第二反射部分158将来自第二传输部分159的入射光向后反射到第一反射部分157。第二传输部分159具有平表面，所以它可方便地加工。优选地，在由第一传输部分156、第二反射部分158、第一反射部分157和第二传输部分159围绕的空间中填充折射率n不同于空气的光学材料，则可使从第二反射部分156反射的光经第二传输部分159而聚焦到光盘100。

图3表示用于将平行入射光聚焦到光盘100上的物镜155的实例。在该实例中，光盘100优选具有0．4mm或更小的厚度，最好具有0．1mm的厚度，以便消除在具有高NA值的物镜155中产生的慧差和像散。

优选地，为了形成适于从光盘100再现的光点，第一反射部分157的直径和第二传输部分159的外径应满足以下条件(1)。该条件能隔离进入第一反射部分157的光束中的中心光束，从而明显地减小球差影响，并可使光点尺寸最小化。

图4和5表示适用于会聚入射光的物镜的光学结构。图4和5中所示的每个物镜155具有与图3中的物镜类似的第一和第二传输部分156和159、第一和第二反射部分157和158。但它们的设计数据与图3的物镜不同。

参看图4，进入第一传输部分156的预定会聚光束由第一反射部分157发散地反射，并由第二反射部分158聚焦而在光盘100上形成高密度光点。

对以较大的入射角进入第一传输部分156的会聚光束，参看图5，入射光束在通过第一传输部分156时先会聚再分开，而后由第一反射部分157发散地反射。之后，发散的光束被第二反射部分158反射并聚焦以在光盘100上形成高密度光点。

为了在增加工作距离d2的同时使聚集到光盘100上的光点最小化，在图3到5中所示的物镜155中，位于光轴与在穿过第一传输部分156后并被第一和第二反射部分157和158反射、而从第二传输部分159发射的周围光束之间的最大角α应满足条件(2)。

30°≤α≤65°…(2)

具有上述结构的物镜155的光学数据的实例示于表1和表2。

表1和2表示当工作距离分别是1．1mm和0．2mm时、适用于平行入射光的物镜155的设计数据。表3表示表1和2中所列非球面的非球面系数。

表1

    半径(mm)厚度(mm)    折射率    散度第一传输表面    ∞(非球面1)    2．586105    1．526    50第一反射表面    0．38706    -2．586105    1．526    50第二反射表面3．42277(非球面2)    2．655523    1．526    50第二传输表面    ∞    1．100000    -    -    光盘    ∞    0．100000    1．583    50

表2

    半径(mm)厚度(mm)    折射率    散度第一传输表面    ∞   0．574577    1．526    50第一反射表面    0．08600    -0．574577    1．526    50第二反射表面0．76177(非球面3)    0．590000    1．526    50第二传输表面    ∞    0．198714    -    -    光盘    ∞    0．100000    1．583    50

表3

非球面系数    K    A    B    C    D非球面1 0．000000 0．281823E+01-0．244324E+03 0．757918E+04-0．962123E+05非球面2-0．257566 0．341730E-03-0．232088E-04 0．735984E-05-0．176553E-05非球面3-0．086297-0．782050E-02-0．147428E+00 0．646999E+00-0．347888E+01

使用具有本发明上述结构的物镜155，将工作距离d₂分别保持在0．2mm和1．1mm，、且具有0．6或更大的NA值，则可消除透镜对光盘干扰的问题。根据本发明高NA值的物镜适用于显微镜的小型光学系统、半导体装置制造中所用的曝光设备、和制作光盘的原版盘制作设备。

参看图6，光学头的实施例包括用于发射激光的光源，改变入射光传输通路的光路改变装置，用于聚焦入射光以在光盘100上形成光点的物镜单元150，和用于接收从光盘100反射的光、以检测其信息和误差信号的光检测器125。图6所示的光学头兼容具有0．4mm的厚度或约20千兆字节记录密度的光盘101、具有0．6mm厚度的数字通用光盘(DVD)、和具有1．2mm厚度的小型光盘(CD，未示出)。

光源110可以是发射400nm短波长的半导体激光器。光路改变装置包括根据偏振性而传输或反射入射光成份的偏振分束器(PBS)115，设置在PBS115与光盘100之间的光路中用于延迟入射光相位的λ／4波片117。用于准直入射光的准直透镜113可位于光源110与PBS115之间的光路中。

物镜单元150包括具有适于DVD103的0．6NA的第一物镜151，可选择地设置在第一物镜151与光盘100之间光路中的第二物镜155＇，和位于第一物镜151之前的光路中的可变光阑119。

如图7所示，当所用的高密度光盘101较薄时，位于光路中的物镜单元150的构成包括第一和第二物镜151和155＇，以便在高密度光盘101上形成光点。另一方面，如果使用较厚的DVD103，则从物镜单元150中排除第二物镜155＇，以便只用第一物镜151将入射光聚焦到DVD103。可使用转动型或电磁线圈型的驱动电机将第二物镜155＇移入和移出光路。当使用转动型驱动电机时，第二物镜155＇安装在由电机转动的转动板上，控制转动板的转动即可将第二物镜155＇移入或移出光路。这种可滑动的电机驱动技术已为本领域的技术人员熟知，所以在下文中省去对它的说明。

第一物镜151具有0．6的NA值，适于在厚度0．6mm的DVD103上形成光点。优选地，第一物镜151具有在US5，665，957；US5，822，135；US5，909，424；和US5，987，924中公开的环形的遮光型(shielding type)结构。对于这种环形遮光型物镜，分别调整其近轴区和远轴区的焦点位置，以使物镜能兼容具有1．2mm厚度的CD(未示出)。

第二物镜155＇具有与图3-5中所示物镜155相同的结构。即，第二物镜155＇包括用于发散地传输入射光束的第一传输部分156，面对第一传输部分156、用于发散地反射入射光束的第一反射部分157，设置在第一传输部分156周围、用于对第一反射部分157反射的光聚焦的第二反射部分158，和用于反射和传输被第二反射部分158反射的光的第二传输部分159。优选地，在位于光轴与穿过第一传输部分156、第一和第二反射部分157和158、以及第二传输部分159而到达光盘100的周围入射光束之间的最大角α满足上述的条件(2)。

第一和第二传输部分156和159、第一和第二反射部分157和158具有与图3-5中物镜的相应部件相同的结构和功能，因此省略对它们的说明。

将第二物镜155＇安装在光路中可使物镜单元150具有0．85的NA值、同时第一物镜151具有0．6的NA值。其结果，光点可以高密度准确地形成在高密度光盘101上。鉴于彗差和像散，高密度光盘101的优选厚度是0．4mm或更小，更优选的厚度为0．1mm或更小。

为了在高密度光盘101上记录信息或从盘101上再现信息，可变光阑119、即波长选择性可变光阑将入射光束通过其狭窄的中心区聚焦于第一传输部分156上。而在DVD103上记录信息或从DVD103上再现信息时，入射光束通过可变光阑119的大区域以在DVD103上形成光点。

接收由光盘100反射、且穿过PBS115的入射光束的光检测器125被分成多个进行独立光电转换的部分。这种光检测器125的结构已为本领域技术人员熟知，所以省略对它们的说明。

用于衍射和传输入射光束并将入射光束分成误差信号和信息信号的全息光学元件(HOE)121和用于会聚来自HOE121的光的会聚透镜123沿着PBS115与光检测器125之间的光路设置。

具有本发明上述结构的物镜的优点是可以通过在大的0．6或更大的NA值下、以增加的0．2mm或1．1mm的工作距离d2消除物镜与光盘之间的干扰。本发明的物镜可用作显微镜的透镜、制造半导体装置的曝光装置的透镜、和制造高NA光盘所用的原版盘制作设备的透镜，因此可使光学系统的尺寸最小化。

在本发明的光学头中，第二物镜可以选择地沿着光路设置、同时工作距离d2保持在0．2mm，以使包括光学头的第一物镜的物镜NA值增加到0．8。另外，当在厚度为0．4mm或更小的高密度光盘上记录或再现信息时，可以消除对光盘的干扰。该光学头的另一个优点是通过将第二物镜可选择性地从光路移入或移出，可以使光学头与DVD或CD相兼容。

虽然已结合优选实施例说明了本发明，但显然本领域的技术人员在不脱离所附的权利要求书所限定的构思和范围的前提下、能够对本发明的具体细节作出各种改变。