具有高数值孔径的混合透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种具有高数值孔径的混合透镜，该混合透镜包括使入射光折射的折射表面和使出射透镜的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有满足下式的弛垂度（ｓａｇ）：其中ｆ↓［Ｄ］是从混合透镜的中心最高点到焦点间的距离；ｒ是从混合透镜的中轴到每个最高点的高度；ｎ是混合透镜的折射率；λ是入射光的波长；而ｍ是一整数。该混合透镜尺寸小、重量轻，且能够消除色差。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种组合衍射透镜和折射透镜的混合透镜，更具体地说，涉及用于光信息记录/再现装置中的具有高数值孔径的混合透镜。
技术介绍
光信息媒体的发展趋势已经从直径为12cm、衬底厚度为1.1mm的CDs发展成直径为12cm、衬底厚度为0.6mm的DVDs(数字通用盘)，并且还将朝比DVDs更薄的蓝光盘(blue-ray disc)发展。还从这些光信息媒体出发研究和开发了记录和再现信息的光学装置，从而通过形成高能小光斑获得高的记录密度。例如，CDs的光记录/再现装置采用波长为780nm的光源和数值孔径(NA)为0.45的透镜。而DVDs的光记录/再现装置采用波长为680nm的光源和数值孔径为0.6的透镜。目前仍积极研究的蓝光盘被设计用于波长约为405nm的光源和数值孔径约为0.85的透镜。但是，用现有技术制造具有如此高数值孔径的透镜仍然很困难。图1是普通透镜11的数值孔径(NA)、光点大小(spot size)和焦深(depth offocus)Δz之间的关系图。在图1中，D表示透镜11的孔径，f表示焦距，θ表示透过透镜的光线的折射角。下列等式1限定数值孔径(NA)，其中n表示透镜的折射率，θ表示其折射角。当入射光束平行时，下列等式2给出光点大小ω0、数值孔径NA和波长λ之间的关系。下列等式3给出焦深Δz、数值孔径NA和波长λ之间的关系。NA＝nsinθ .... (1)ω0=2πλNA---....(2)]]>Δz=λ2NA2---....(3)]]> 为了增加信息记录密度，应该减小光点尺寸，且根据等式2，为了减小光点尺寸ω0，应减短波长λ并应提高数值孔径NA。因此，为了在蓝光盘上记录和再现信息，需要具有短波长的蓝色激光器和具有高数值孔径的透镜。当然，还有必要增大焦深Δz，以实现稳定地记录和再现，且根据等式3，欲增大焦深Δz，就需要增加波长λ和减小数值孔径(NA)。为满足等式2和3，在蓝光盘的情况中，优选使制造出的盘的涂覆层(cover layer)的有效厚度约为0.1mm，这样，可防止由于数值孔径的提高和波长的减少所引起的焦深缩短，从而增加了信息记录密度。然而，出现的问题是，数值孔径的提高引起记录表面和光轴的允许偏斜范围(即倾斜裕度)变小。通过形成约0.1mm厚的较薄的涂覆层，可使允许偏斜范围扩展至现有DVD水平，也可使盘偏斜范围和蓝光盘倾斜以及装置组装误差等维持在DVDs中的同一水平。光记录/再现媒体中所用的折射透镜的入射激光波长随温度而变。当不同波长的光透过折射透镜时，它们沿光轴方向以不同焦距聚焦。这是所谓的色差(Chromatic aberration)。在现有技术中，为了减小色差和色散并获得高数值孔径，有人曾推荐采用大曲率半径、低折射率和高阿贝数(Abbe number)的厚透镜。然而，这样的透镜难以制造，且它大而重，不适于用在小且轻的信息记录/再现装置中。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种小而轻的混合透镜，其具有高数值孔径且没有色差。为了解决上述问题，本专利技术一方面提供一种混合透镜，该透镜包括使入射光折射的折射表面和使从透镜出射的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有满足下式的弛垂度(sag)sag=fD+mλ-fD2+r2n-1---....(4)]]>其中，fD是从透镜的中心最高点到焦点间的距离；r是从透镜的中轴到每个最高点的高度；n是透镜的折射率；λ是入射光的波长；而m是一整数。具有低阶非球面形状z的折射表面满足下式5 z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10---....(5)]]>其中，c表示折射表面的曲率；k表示折射表面形状的圆锥曲线系数；A、B、C和D分别表示四次项、六次项、八次项和十次项的非球面系数。其中衍射表面的最小衍射纹槽(pitch)优选是3μm，折射表面的数值孔径优选约为0.85，且衍射表面的深度Lm满足下式6Lm=λn-1---....(6)]]>根据本专利技术的另一方面，提供一种高数值孔径的小而轻的混合透镜，通过包括低阶折射表面和按等式4简单确定的形状的衍射表面，能够消除色差。附图说明下面参照附图详细描述本专利技术的具体实施方式，通过描述，本专利技术的上述和其它特征及优点将更加明显。附图中图1是普通透镜的数值孔径(NA)、光点大小ω0和焦深Δz之间的关系图；图2是本专利技术优选实施方式的混合透镜结构的剖面图；图3A～3C分别是折射器件、衍射器件和混合器件的色差示意图；图4是本专利技术优选实施方式的混合透镜的衍射表面结构和形状的示意图；以及图5是本专利技术优选实施方式的混合透镜的模拟结果示意图。具体实施例方式下面将参考附图详细描述本专利技术优选实施方式的混合透镜。图2是本专利技术优选实施方式的混合透镜结构的剖面图。参照图2，本专利技术优选实施方式的混合透镜31包括折射表面31a和衍射表面31b，折射表面31a具有按等式5确定的低阶非球面形状z，衍射表面31b具有按等式4确定的形状弛垂度(profile sag)。下面将参照图4详细描述得到等式4的过程。通过从关于折射表面的通用公式诸如下式7中仅选择低于第十阶的项而得到等式5的公式。在下式7中，k是圆锥系数，当k值在-1和0之间时，上述折射表面是椭球面z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+Fr14+···---...(7)]]> 例如，在使用由SCHOTT公司制造的、具有中等范围折射率的LASFN30作为形成混合透镜材料的情况下，透镜的折射率约为1.83，且在408nm波长处出现中量色散(dispersion)。其中，透镜材料的折射率或色散取决于波长，因此应当根据光源的波长选择合适的材料。下面将参照图3A～3C描述本专利技术优选实施方式的混合透镜中校正色差的原理。参照图3A，由于波长减少时折射角增大，被折射器件22折射的蓝(B)、绿(G)和红(R)光顺序地聚焦在离折射器件22越来越远的地方。这种焦距随波长增加而变长的现象称为色差。另一方面，参考图3B，由于波长增加时衍射角增大，被衍射器件24衍射的红(R)、绿(G)和蓝(B)光顺序地聚焦在离衍射器件24越来越远的地方。即，衍射器件24产生色差，其中随波长减少焦距变长，这与折射器件的色差相反。这里，衍射器件24是在玻璃透镜的一个表面上形成相位型衍射格子的部分侧面型(fault-type)衍射器件。衍射器件24所具有的、与折射器件相反的、使入射光按照增大的角度衍射的特性是一重要性能。因此，为了消除由折射器件22和衍射器件24产生的相反类型的色差，构造了图3C所示的组合两种光学器件的混合器件26。在传统光学系统中，为了校正色差，凸透镜和凹透镜配合布置，而且为了提高凸透镜的折射率要适当选择凸透镜的形状或材料。但是，在高折射率的光学系统中采用这类方法时，存在球差、色差等像差将增大的问题。然而，通过采用上述部分侧面型衍射器件(fault type 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合透镜，包括使入射光折射的折射表面和使出射透镜的光衍射的衍射表面，上述衍射表面具有满足下式的弛垂度（ｓａｇ）：＊＊＊其中，ｆ↓［Ｄ］是从混合透镜的中心最高点到焦点间的距离；ｒ是从混合透镜的中轴到每个最高点的高度；ｎ是混 合透镜的折射率；λ是入射光的波长；而ｍ是一整数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩亨，孙镇升，李明馥，朴宁弼，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]