兼容BD和CBHD读写的物镜、光学头以及光盘读写装置

摘要

本发明涉及一种兼容BD和CBHD读写的物镜，其中包括为自由曲面的入光面和为平坦非球面的出光面，平行激光光束依次经过所述入光面和所述出光面分别在BD信息层处和CBHD信息层处形成衍射极限级聚焦光斑。本发明还涉及一种兼容BD和CBHD读写的光学头以及光盘读写装置。本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜、光学头以及光盘读写装置采用自由曲面技术，增长物镜的工作距离，以降低对物镜装配精度的要求，成品率高，成本低，不需要人为调整物镜的数值孔径。

说明书

技术领域

本发明涉及光存储领域，更具体地说，涉及一种兼容BD和CBHD读写的物 镜、光学头以及光盘读写装置。

背景技术

已有要求用于读写BD(Blu-ray Disc：蓝光光盘)和CBHD(China Blue  High-definition Disc：中国高清蓝光光盘)两种光盘信息的光学头，可以在 相应光盘信息层处产生数值孔径分别为0.85和0.65的衍射极限级聚焦光斑。 但由于两种光盘所需激光波长均为405纳米，因此现有应用于BD与DVD、CD 兼容的物镜或者CBHD与DVD、CD兼容的物镜，但不能单独实现BD与CBHD的 兼容。现有两种主流技术解决BD和CBHD的兼容问题：1、采用双物镜光学头 技术，其中一个物镜用于读写BD，另一个物镜用于读写CBHD，但是采用双物 镜的需要使用两套光学读写装置，产生几乎双倍的装置成本；2、采用单物镜 同时对物镜的数值孔径进行控制以实现兼容，但是需与光阑或者其他入射光束 口径选择元件相配合才能实现，增加了物镜与光束选择元件之间的配合调整难 度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的兼容BD和CBHD的双物镜 装置读写成本高或由于单物镜的数值孔径控制造成物镜和光束选择元件之间 配合困难的缺陷，提供一种采用自由曲面技术、精度要求低、成品率高的兼容 BD和CBHD读写的物镜、光学头以及光盘读写装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种兼容BD和CBHD 读写的物镜，其中包括为自由曲面的入光面和为平坦非球面的出光面，平行激 光光束依次经过所述入光面和所述出光面分别在BD信息层处和CBHD信息层处 形成衍射极限级聚焦光斑。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，所述兼容BD和CBHD读写 的物镜的核心自由曲面方程为：

$Z_1=\mathrm{circ}(r-r_a)\{\frac{c_1{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_1)c_1^2{r}^2}}+\underset{i=2}{\overset{9}{\Sigma }}{a}_i{r}^{2i}$

$+\frac{\mathrm{\delta \lambda }}{n-1}[\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_j{(r/r_a)}^{2j}-\mathrm{Int}\left(\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_j{(r/r_a)}^{2j}\right)]\}$

$+[1-\mathrm{circ}(r-r_a)]\mathrm{circ}(r-r_b)[\frac{c_2{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_2)c_2^2{r}^2}}+\underset{i=2}{\overset{9}{\Sigma }}{b}_i{r}^{2i}]$

其中：δ为物镜衍射效率系数；r为物镜上任一点到光轴的距离；r_a为物 镜的出光面中任一点到光轴距离的极大值；r_b为物镜的入光面中任一点到光轴 距离的极大值；c₁为物镜的出光面的曲率半径；c₂为物镜的入光面的曲率半径； k₁物镜的出光面的二次曲线系数；k₂物镜的入光面的二次曲线系数；a_i，b_i，A_j为 物镜曲面展开式系数；λ为入射光波波长；n为物镜材料折射率。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，所述在BD信息层处和 CBHD信息层处形成衍射极限级聚焦光斑的能量传输效率δ_i为：

${\delta }_i=(2-i)\frac{{\int }_{r_a}^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}{{\int }_0^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}+\sin c^2(m_i-\delta )[1-\frac{{\int }_{r_a}^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}{{\int }_0^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}]---(i=\mathrm{1,2})$

其中：ω₀为所述平行激光光束的束腰半径；r为物镜上任一点到光轴的距 离；r_a为物镜的出光面中任一点到光轴距离的极大值；r_b为物镜的入光面中任 一点到光轴距离的极大值；m_i为衍射级数。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，在BD信息层处形成的衍 射极限级聚焦光斑的衍射级数m₁和在CBHD信息层处形成的衍射极限级聚焦光 斑的衍射级数m₂满足如下条件：m₁＝m₂-1。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，在BD信息层处形成的衍 射极限级聚焦光斑的数值孔径为0.85，在CBHD信息层处形成的衍射极限级聚 焦光斑的数值孔径为0.65。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，在BD信息层处形成的衍 射极限级聚焦光斑的衍射级数m₁，所述物镜衍射效率系数δ＝m₁+0.5；所述入 射光波波长λ＝405±10nm；所述物镜材料折射率n＝1.66±0.06；所述物镜曲面展 开式系数满足如下条件：

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，所述兼容BD和CBHD读写 的物镜的中心厚度偏差小于10nm。

在本发明所述的兼容BD和CBHD读写的物镜中，所述兼容BD和CBHD读写 的物镜与所述BD或所述CBHD的距离大于0.2mm。

本发明还涉及一种兼容BD和CBHD读写的光学头，其中包括使用上述的兼 容BD和CBHD读写的物镜进行光盘读写操作。

本发明还涉及一种兼容BD和CBHD读写的光盘读写装置，其中包括使用上 述的兼容BD和CBHD读写的物镜进行光盘读写操作。

实施本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜、光学头以及光盘读写装置，具 有以下有益效果：采用自由曲面技术，增长物镜的工作距离，以降低对物镜装 配精度的要求，成品率高，成本低，不需要人为调整物镜的数值孔径。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的工作原理图；

图2是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的BD信息层处 的衍射极限级聚焦光斑的波像差的均方差值与入射平行激光光束的视场值的 关系图；

图3是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的CBHD信息层 处的衍射极限级聚焦光斑的形成原理图；

图4是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的CBHD信息层 处的衍射极限级聚焦光斑的波像差的均方差值与入射平行激光光束的视场值 的关系图；

图5是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的衍射微结构的 加工曲线图；

图6是本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的多视场传递函 数曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在图1所示的本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的工作原 理图中，所述兼容BD和CBHD读写的物镜包括为自由曲面的入光面S1和为平 坦非球面的出光面S2，平行激光光束依次经过所述入光面S1和所述出光面S2 分别在BD信息层处和CBHD信息层S3处形成衍射极限级聚焦光斑。本发明的 兼容BD和CBHD读写的物镜旨在同一入射激光光束下，实现对BD和CBHD的兼 容读写。同时，本发明采用自由曲面技术，增长物镜的工作距离，以降低对物 镜装配精度要求，提高成品率。当平行激光光束以相同通光口径大小，照射在 物镜的入光面S1处时，物镜分别在BD和CBHD光盘的信息层处形成两个衍射 极限级聚焦光斑。这个聚焦光斑形成的过程，包括了对入射平行激光光束的折 射和不同级次的衍射。折射部分的光学聚焦效果，对BD来说，是正面积极的， 主要用于形成BD读写聚焦光斑的外环部分；对CBHD来说，是无效的，主要形 成提前聚焦光斑，使折射部分与衍射部分的聚焦效果得以区分，进而实现入射 光束产生的最终聚焦光斑数值孔径的自动转换。衍射部分的光学效果，对BD 和CBHD均是正面作用，在部分能量损耗情况下，达到对两种格式均实现最大 衍射效率，以符合BD和CBHD对聚焦光斑能量的要求。

该物镜的核心自由曲面方程如公式(1)所示：

$Z_1=\mathrm{circ}(r-r_a)\{\frac{c_1{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_1)c_1^2{r}^2}}+\underset{i=2}{\overset{9}{\Sigma }}{a}_i{r}^{2i}$

$+\frac{\mathrm{\delta \lambda }}{n-1}[\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_j{(r/r_a)}^{2j}-\mathrm{Int}\left(\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_j{(r/r_a)}^{2j}\right)]\}---\left(1\right)$

$+[1-\mathrm{circ}(r-r_a)]\mathrm{circ}(r-r_b)[\frac{c_2{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_2)c_2^2{r}^2}}+\underset{i=2}{\overset{9}{\Sigma }}{b}_i{r}^{2i}]$

式中：δ——物镜衍射效率系数；

r——物镜上任一点到光轴的距离；

r_a——物镜的出光面S2中任一点到光轴距离的极大值；

r_b——物镜的入光面S1中任一点到光轴距离的极大值；

c₁——物镜的出光面S2的曲率半径；

c₂——物镜的入光面S1的曲率半径；

k₁——物镜的出光面S2的二次曲线系数；

k₂——物镜的入光面S1的二次曲线系数；

a_i，b_i，A_j——物镜曲面展开式系数；

λ——入射光波波长；

n——物镜材料折射率。

在图3所示本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例的CBHD 信息层S3处的衍射极限级聚焦光斑的形成原理图中，入光面S1与出光面S2 组成的物镜，使束腰半径为ω₀的入射激光光束，实际作用在物镜上的有效光束 半径为r_b。其中半径小于r_a范围内的光束发生m₁级衍射，并与半径大于r_a，小 于r_b范围内的光束，共同作用在BD信息层处，形成衍射效率为δ₁，数值孔径 为0.85的衍射极限级聚焦光斑P1，如图2示出了在入射平行激光光束的视场 由0度变化到0.5度的过程中，BD信息层处的聚焦光斑的波相差变化，从图 中可以得出聚焦光斑的波像差的均方差值均小于0.033(单位：波长)。半径小 于r_a范围内的光束发生m₂级衍射，并直接单独作用在CBHD光盘信息层处形 成衍射效率为δ₂，数值孔径为0.65的衍射极限级聚焦光斑P2，如图4示出了 入射平行激光光束的视场由0度变化到0.5度的过程中，CBHD信息层S3处 的聚焦光斑的波相差变化，从图中可以得出聚焦光斑的波像差的均方差值也均 小于0.033(单位：波长)。同时当衍射极限级聚焦光斑的数值孔径由0.85自 动向0.65变化时，入射激光光束会聚焦形成另一个聚焦光斑P3，由于聚焦光 斑P3在衍射极限级聚焦光斑P2所在平面的衍射极限级聚焦光斑P2的外围形 成一个相对于衍射极限级聚焦光斑P2足够大的光环P4，因此对于衍射极限级 聚焦光斑P2的质量不会有任何的负面影响。

两个衍射极限级聚焦光斑P1和P2的能量传输效率δ_i(i＝1，2)计算方法 如公式(2)所示：

${\delta }_i=(2-i)\frac{{\int }_{r_a}^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}{{\int }_0^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}+\sin c^2(m_i-\delta )[1-\frac{{\int }_{r_a}^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}{{\int }_0^{r_b}\exp (-r^2/{\omega }_0)\mathrm{dr}}],(i=\mathrm{1,2})---\left(2\right)$

作为本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例，在BD信息层处 形成的衍射极限级聚焦光斑的衍射级数m₁和在CBHD信息层S3处形成的衍射极 限级聚焦光斑的衍射级数m₂满足如下条件：

m₁＝m₂-1          (3)

与衍射级次相配合的物镜衍射效率系数δ还应满足如下条件：

δ＝m₁+0.5        (4)

物镜所选加工材料的折射率，在入射光束波长λ满足公式(5)的条件时：

λ＝405±10nm     (5)

折射率n还满足如下条件：

n＝1.66±0.06     (6)

除此之外，为了保证物镜的入光面S1中仅对入射激光光束发生折射部分 的光束，在CBHD信息层S3处，不对衍射部分的聚焦光斑产生负面杂光干扰， 还需设计物镜曲面展开式系数A₂满足如下条件：

$1<\frac{-5A_2{\mathrm{\lambda f}}^2}{(\mathrm{f\pi }-A_2\lambda m_1)(\mathrm{f\pi }-A_2\lambda m_1-A_2\lambda )}<4---\left(7\right)$

同时，物镜自由曲面其他展开式系数还满足如下条件：

$\underset{j=1}{\overset{5}{\Sigma }}j{A}_j{\left(\frac{r}{r_a}\right)}^{2(j-1)}\ne 0,(r\ne 0)---\left(8\right)$

通过上述约束条件，确保兼容BD和CBHD读写的物镜实现对BD和CBHD 的高效兼容读写功能。

作为本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜的优选实施例，所述兼容BD和 CBHD读写的物镜的中心厚度偏差小于10nm。所述兼容BD和CBHD读写的物镜 与所述BD或所述CBHD的距离大于0.2mm。兼容BD和CBHD读写的物镜的中心 厚度偏差小于10nm确保制作出来的物镜的效果和理论分析的一致，BD信息层 的厚度约为0.1mm，CBHD信息层S3的厚度约为0.6mm，兼容BD和CBHD读写 的物镜与所述BD或所述CBHD的距离大于0.2mm可以保证物镜在预聚焦时不会 接触到BD和CBHD光盘。

本发明的兼容BD和CBHD读写的物镜对加工工艺精度(例如物镜中心 厚度、表面倾斜等)要求低，成品率高，工作距离长，对物镜装配精度要求低， 成本低，不需要人为调整物镜的数值孔径。下面通过表1-表3说明本兼容BD 和CBHD读写的物镜的具体参数和效果：

物镜的自由曲面与平坦非球面配合，实现对BD和CBHD的兼容读写。 物镜工作环境具体参数如表1所示。

表1自由曲面物镜工作环境具体参数表

物镜的自由曲面定义如公式(1)所示，在具体实例中，自由曲面的面型参 数值如表2所示。

表2自由曲面面型参数表

物镜的平坦非球面面型定义为：具体实例中， 平坦非球面面型参数如表3所示。

表3平坦非球面面型参数表

根据以上的自由曲面的面型参数，可以得出图5所示的物镜的衍射微结构 的加工曲线图以及图6示出了兼容BD和CBHD读写的物镜的聚焦效果的多视场 传递函数曲线图。从图5可以看出，衍射微结构主要由多个衍射环组成，最小 的衍射环带半径约为0.3mm。通过衍射环的作用，使物镜用于读取BD和CBHD 光盘时，光学传递函数(MTF)值达到衍射极限，如图6所示。

本发明还涉及一种兼容BD和CBHD读写的光学头，其包括上述的兼容BD 和CBHD读写的物镜进行光盘读写操作，具体实施方法参见上述实施例，同样 可达到增长物镜的工作距离，以降低对物镜装配精度的要求，成品率高，成本 低，不需要人为调整物镜的数值孔径的技术效果。

本发明还涉及一种兼容BD和CBHD读写的光盘读写装置，其包括上述的兼 容BD和CBHD读写的物镜进行光盘读写操作，具体实施方法参见上述实施例， 同样可达到增长物镜的工作距离，以降低对物镜装配精度的要求，成品率高， 成本低，不需要人为调整物镜的数值孔径的技术效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相 关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。