CN1299280C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描设备(1)，其用于利用具有三个相应波长(λ₁、λ₂、λ₃)和偏置(p1、p2、p3)的三个相应的辐射束(4、4′、4”)来扫描三个信息层(2、2′、2”)。三个波长彼此不同。至少三个偏振之一与其它不同。所述设备包括衍射部件(24)，所述衍射部件(24)包括具有用于从三个辐射束形成三个衍射束(15、15′、15”)的一个阶梯形轮廓的图案元件的图案，所述部件包括对三个偏振敏感的双折射材料。所述阶梯形轮廓被如此设计，以便于图案元件的阶梯高度(h_j)引入这样的相位变化，所述相位变化对于三个波长之一(λ_l)等于至少两个不同的2π倍数且对于两个其它波长之一(λ₂)等于至少两个不同的相位变化模2π。

Description

光学扫描装置

本发明涉及一种光学扫描设备，其用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它偏振不同，所述设备包括：

用于连续地或同时地供应所述第一、第二和第三辐射束的辐射源，

用于将所述第一、第二和第三辐射束分别会聚到所述第一、第二和第三信息层的位置上面的物镜系统，以及

被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中的衍射部件，所述部件包括图案元件的图案，所述图案元件基本上具有用于分别从所述第一、第二和第三辐射束形成第一衍射辐射束、第二衍射辐射束和第三衍射辐射束的阶梯形轮廓，所述部件包括对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料。

更具体地，但不是排他地，本发明涉及一种与三种不同格式，如压缩盘(CD)、也被称为“红色DVD”的传统数字通用盘(DVD)以及也被称为“蓝色DVD”的所谓下一代DVD兼容的光学扫描设备。

本发明还涉及一种用在光学设备中的衍射部件，所述光学设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层、借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它偏振不同，所述衍射部件：

被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中，

包括图案元件的图案，所述图案元件基本上具有用于分别从所述第一、第二和第三辐射束形成第一衍射辐射束、第二衍射辐射束和第三衍射辐射束的阶梯形轮廓，

包括对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料。

“扫描信息层”是指借助于辐射束进行扫描以用于读取信息层中的信息(“读取模式”)、在信息层中写入信息(“写模式”)以及/或在信息层中擦除信息(“擦除信息”)。“信息密度”是指信息层每单位面积所存储的信息量。尤其，它由通过扫描设备在待被扫描的信息层上面所形成的扫描光点的大小来确定。通过减少扫描光点的大小可以增加信息密度。由于光点的大小尤其还取决于形成光点的辐射束的波长λ和数值孔径NA，所以通过增加NA以及/或通过减少λ可以减少扫描光点的大小。

“被衍射的辐射束”包括每个具有衍射级“m”，即第零级(m＝0)，+1st级(m＝1)，+2^nd级(m＝2)等，-1st级(m＝-1)，-2^nd级(m＝-2)等的多个辐射束。注意到在本说明中第零级辐射束被视为被衍射的辐射束。

所希望地是一种与不同格式的光学记录载体兼容的光学扫描设备，即用于借助于具有不同波长的辐射束而同时使用一个物镜系统来扫描不同格式的光学记录载体。例如，CD可用，尤其作为CD-A(DC-音频)、CD-ROM(CD只读存储器)以及CD-R(CD可记录的)，并且被设计成要借助于具有约为780nm波长(λ)的辐射束被加以扫描。另一方面，红色DVD被设计成要借助于具有波长约为660nm波长的辐射束被加以扫描，并且蓝色DVD被设计成要借助于具有约为405nm波长的辐射束被加以扫描。显著地，“蓝色DVD”格式盘较“红色DVD”格式盘具有较大的数据存储容量，典型地可以获得至少两倍的存储容量的增加。

这些格式的多样性引起了下述困难。首先，被设计用于在某一波长正在被读出的盘并不总是在另一波长可读取。一实例是“CD-R”格式盘，其中特殊的染料必须被施加到记录堆栈中以为了获得针对λ＝780nm的高调制。在λ＝660nm，因染料的波长敏感性，来自盘的信号的调制变得很小，因此在这个波长的读出是不可行的。其次，当具有较高存储容量的新光学扫描系统被引入时，对于新的光学扫描设备重要地是向后兼容，即能够扫描已经具有现存格式的光学记录载体。第三，在具有不同格式的两个盘之间存在厚度差，以致于在一种情况下产生球面象差而在另一情况下不产生。

作为这个多种格式的结果，问题是要设计且制作一种光学扫描设备，其能够为与每个格式相联系的波长产生预定的波前。

例如，已经知道在日本专利申请JP-A-2001209966中提供一种光学扫描设备，其用于分别借助于第一辐射束、第二辐射束和第三辐射束来扫描“蓝色DVD”格式盘、“红色DVD”格式盘和CD格式盘。第一、第二和第三辐射束分别具有第一波长λ₁、第二波长λ₂和第三波长λ₃以及分别具有第一偏振p₁、第二偏振p₂和第三偏振p₃。波长λ₁、λ₂和λ₃彼此不同。偏振p₁、p₂和p₃至少之一与其它的不同。此外，已知的光学扫描设备包括用于供应三个辐射束的辐射源、用于将三个辐射束分别会聚到三个光学记录载体的信息层中的物镜系统、以及被设置在三个辐射束的光学路径中的衍射部件。所述物镜系统具有光轴。衍射部件具有两个平行的平面，在所述平面之间提供有由玻璃制成的第一层以及第二层。第一和第二层之间的界面是具有一个阶梯形轮廓的图案元件的图案。第一和第二层材料的选择以及阶梯形轮廓的设计是如此这般，以便于衍射部件形成针对波长λ₁的第零级第一衍射辐射束以及针对波长λ₂和λ₃中每个的较高(即非第零)级衍射辐射束。此外，第二层由对偏振p₁、p₂和p₃敏感的双折射材料制成。

所述日本专利申请JP-A-2001209966讲授了用于制作衍射部件的第二层的两个方案。

在第一已知的方案中，第二层由液晶(LC)材料制成，所述液晶材料从电上可调节(借助于电极)用于修改其折射率以便于形成三个衍射束。结果是，这样的设备设计起来复杂并且要求制作设计和制作均困难且昂贵的可切换LC组件。

在第二已知的方案中，第二层由具有寻常折射率和非常折射率的固体双折射率材料制成，所述折射率之一等于第一层(玻璃)的折射率。因此，当第一偏振被与后述折射率相联系的方向对准时，来自衍射部件的第一衍射束具有平的波前：则形成第一衍射束的第零级。换句话说，衍射部件则充当第一波长的透明平行板。

因而，本发明的目的是提供一种光学扫描设备，其适合于借助于具有三个不同波长和具有不同偏振的辐射束来扫描光学记录载体，所述设备是已知方案的替代方案。

这个目的由在开始段落中所说明的光学扫描设备来实现，其中根据本发明，所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化针对所述第一波长基本上等于至少两个不同的倍数的2π以及针对所述第二波长基本上等于至少两个基本上不同的相位变化模2π(modulo 2π)。将要注意到：就所述第二波长的两个基本上不同的相位变化值可以如下面进一步详细说明从至少三个的多个值当中加以选择。

对照于从所述日本专利申请JP-A-2001209966所已知的方案，根据本发明的衍射部件如下形成第一衍射束的第零级。因此，当第一偏振被与寻常轴或非常轴的方向对准时，由于阶梯形轮廓图案元件的阶梯高度设计，所以在第一衍射束中引入基本上等于至少两个不同倍数的2π的相位变化。因而，形成第一衍射束的第零级。换句话说，在根据本发明的衍射部件中，在第一衍射束中在垂直于物镜光轴方向(下面被称为“径向方向”)上引入不相等的光学路径。要注意到这个衍射部件并不充当第一波长的透明平行板，由于第一衍射束并不具有平的波前，这与已知的衍射部件相反。

根据本发明的阶梯形轮廓的优点是提供这样的衍射部件，其形成具有预定值，例如针对这些束所希望级的高透射效率值的所述第一和第二衍射束。此外，所述衍射部件可形成具有相位变化近似于理想锯齿形轮廓的第二衍射部件，如下面进一步详细说明。

显著地，从于2000年9月4日提交的申请号00203066.6下的欧洲专利申请中已知，提供一种具有衍射部件的光学扫描设备，所述光学衍射部件包括具有被如此设计的阶梯形轮廓的图案元件的图案，以便于属于所述图案元件的阶梯的光学路径基本上等于所述波长的倍数。这样的衍射部件是有利的，因为它允许形成具有被加以选择的衍射级(即高透射效率得到实现的级)的衍射束，其否则因多个波长是困难的。然而，那个申请的示教并不提供用于提供根据本发明的光学扫描设备的足够指导。

首先，该欧洲专利申请并不讲授如何设计与三个不同格式的光学记录载体兼容的光学扫描设备，而仅说明了借助于具有两个波长的两个辐射束用于扫描两个不同格式的光学记录载体。

其次，该欧洲专利申请并没有讲授用于制作具有阶梯形轮廓的衍射部件的简单方法。当使用那个申请中所解释的方法来设计衍射部件时，三个波长的固定值是严格的约束。更具体地，当具有波长λ的辐射束横穿由具有阶梯高度h的材料制成的阶梯时，在来自所述阶梯的衍射束中引入相位变化φ(相对于其中辐射束沿着相同方向横穿空气的情况)。相位变化φ由下述方程式给出：

$\mathrm{\Φ}=2\mathrm{\π}\frac{h(n-n_0)}{\mathrm{\λ}}---\left(0\right)$

其中“n”是衍射部件的折射率且“n₀”是相邻介质的折射率。从方程式(0)中看出，当波长λ变化时，相位变化φ相应地变化。因此，设计兼容于以三个波长工作于阶梯形轮廓的衍射部件将要求设计一具有相对高的阶梯的非常复杂的阶梯形轮廓，以便于对于三个波长中的每个具有高效率。这导致难以制作的衍射部件。

第三，欧洲专利申请并不讲授如何设计对偏振敏感的衍射部件以便于光学扫描设备可以利用具有不同偏振的辐射束来工作。

从日本专利申请JP 2001-174614中还已知制作一种包括由双折射材料制成的衍射部件的光学扫描设备，其被设计成对偏振敏感且对波长敏感，以便于形成具有第一波长和第一偏振的第一第零级辐射束、具有第一波长和第二不同偏振的第二非第零级辐射束、以及具有第二不同波长及第一或第二偏振的第三辐射束。然而，日本专利申请并没有讲授如何设计衍射部件以便于光学扫描设备可以利用三个不同波长来工作。

从日本专利申请JP 2001-174614中还已知制作一种包括由双折射材料制成的衍射部件的光学扫描设备，其被设计成对偏振敏感且对波长敏感，以便于形成具有第一波长和第一偏振的第一第零级辐射束、具有第一波长和第二不同偏振的第二非第零级辐射束、以及具有第二不同波长及第一或第二偏振的第三辐射束。然而，日本专利申请并没有讲授如何设计衍射部件以便于光学扫描设备可以利用三个不同波长来操作。

从日本专利申请JP 2001-195769中还已知制作一种光学扫描设备，其适合于借助于具有三个不同波长的三个辐射束来扫描光学记录载体，所述设备包括衍射部件。然而，日本专利申请并没有讲授如何提供借助于具有不同偏振的辐射束用于扫描光学记录载体的光学扫描设备。特别地，日本专利申请并没有说明或建议如何制作对偏振敏感的衍射部件，并且更具体地，它并没有提及用于制作衍射部件的双折射材料的使用。

此外，从众多专利文件，例如JP-2001043559中已知提供一种光学扫描设备，其包括操作具有两个不同波长的辐射束的衍射部件。然而，这些文件都没有提及使用双折射材料来制作对偏振敏感的衍射部件，以便于光学扫描设备可以利用具有不同偏振的辐射束来操作。

在根据本发明的光学扫描设备的第一实施例中，所述阶梯形轮廓被进一步如此设计，以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第三波长基本上等于至少两个基本上不同的相位变化模2π。类似于第二波长，要注意到就所述第三波长的两个基本上不同的相位变化值可以从多个至少三值当中加以选择。在这个第一实施例的特定情况下，所述阶梯形轮廓被进一步如此设计，以便于图案元件的阶梯高度对于所述第二和第三波长引入基本上相同的相位变化，其中所述第三偏振不同于所述第二偏振。

在根据本发明的光学扫描设备的第二实施例中，所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第三波长基本上等于至少两个不同的倍数的2π。在这个第二实施例的特定情况中，所述阶梯形轮廓被进一步如此设计，以便于图案元件的阶梯高度对于所述第一和第三波长引入基本上相同的相位变化，其中所述第三偏振不同于所述第一偏振。

在根据本发明的光学扫描设备的第三实施例中，所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第三波长基本上等于至少两个不同的π的奇数倍。在第三实施例的特定情况下，所述阶梯形轮廓被进一步加以设计，以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，其对于所述第二波长基本上等于至少两个基本上不同的相位变化。将要注意到对于所述第二波长的两个基本上不同的相位变化被从基本上不同的相位变化的奇数当中加以选择。

将要注意到如果第一、第二和第三偏振是相同的，则仅两个不同值(零和π模2π)可以被选择用于有关第二或第三衍射束的相位变化。因此，阶梯形轮廓不可能被设计成具有预定值，例如对于第一、第二和第三衍射束中每个所希望级的高透射效率值。通过对照，将要注意到如果第一、第二和第三偏振至少之一与其它不同，则至少三个不同值可以被选择用于第二和第三衍射束中的每个，由此导致允许具有相对低数目的阶梯，典型地小于40阶梯的阶梯形轮廓设计，由于具有高数目阶梯(典型地50或更多的阶梯)的阶梯形轮廓是较不实用。

本发明的另一目的是提供用在光学扫描设备中的衍射部件，所述光学设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长基本上彼此不同并且所述第一、第二和第三偏振至少之一与其它的不同，所述衍射部件是对已知部件的替换部件。

这个目的由在开始段落中所说明的衍射部件来实现，其中根据本发明其特征在于所述阶梯轮廓被如此设计，以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第一波长基本上等于至少两个不同的2π倍数，对于所述第二波长基本上等于至少两个基本上不同的相位变化模2π，对于所述第三波长，为下述之一：至少两个基本上不同的相位变化模2π；至少两个不同的2π倍数；或至少两个不同的π的奇数倍数。

附图说明

本发明的目的、优点及特征将从如在所附附图中所示例的下述对本发明的更详细说明中显而易见，其中

图1是根据本发明的光学扫描设备1的部件的示意性示例，

图2是用于图1中扫描设备的物镜的示意性示例，

图3是图2中物镜的示意性前视图，

图4示出表示由图2和3中所示的衍射部件所引入的相位变化的曲线，以锯齿形函数的形式(理想情况)，

图5示出表示由图2和3中的衍射部件所引入的相位变化的曲线，以阶梯形函数的形式(近似情况)，

图6示出表示图2和3中所示的衍射部件第一实施例的第一实例的阶梯高度的曲线，

图7示出表示图2和3中所示的衍射部件第一实施例的第二实例的阶梯高度的曲线，

图8示出表示图2和3中所示的衍射部件第一实施例的第三实例的阶梯高度的曲线，

图9示出表示图2和3中所示的衍射部件第二实施例的阶梯高度的曲线，

图10示出表示图2和3中所示的衍射部件第三实施例的阶梯高度的曲线。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的光学扫描设备1的光学组件的示意性示例，其用于借助于第一辐射束4来扫描第一光学记录载体3的第一信息层2。

作为示例，光学记录载体3包括在其一个侧面上设置有信息层2的透明层5。背向透明层5的信息层侧由保护层6保护免受环境影响。通过为信息层2提供机械支持，透明层5充当光学记录载体3的基片。作为选择地，透明层5可具有保护信息层2的唯一作用，而机械支持由信息层2另一侧上的层，例如由保护层6或由被连接到最外面信息层的透明层及附加的信息层来提供。要注意到信息层具有对应于(在这个实施例中如图1所示)透明层5厚度的第一信息层深度27。信息层2是载体3的表面。那个表面包含至少一个轨道，即由被聚焦辐射的光点所跟随的路径，在所述路径上光学上可读取的标记被加以设置以表示信息。所述标记可例如采取具有反射系数或磁化方向不同于环境的坑或区域的形式。在光学记录载体3具有盘的形状的情况下，就给定轨道定义如下：“径向方向”是参考轴，即在轨道和盘中心之间的X轴的方向，以及“切向方向”是另一轴，即正切于轨道且垂直于X轴的Y轴的方向。

如图1中所示，光学扫描设备1包括辐射源7、准直透镜18、分束器9、具有光轴19的物镜系统8、衍射部件24、以及检测系统10。此外，光学扫描设备1包括伺服电路11、焦点执行器12、径向执行器13和用于误差校正的信息处理单元14。

在下面“Z轴”对应于物镜系统8的光轴19。要注意到(X，Y，Z)是一正交基。

辐射源7被设置用于连续地或同时地供应辐射束4、第二辐射4’(在图1中未被示出)及第三辐射束4”(在图1中未被示出)。例如，辐射源7可包括用于连续地供应辐射束4、4’和4”的可调谐半导体激光器或用于同时地供应这些辐射束的三个半导体激光器。此外，辐射束4具有波长λ₁和偏振p₁、辐射束4’具有波长λ₂和偏振p₂、以及辐射束4”具有波长λ₃和偏振p₃。波长λ₁、λ₂和λ₃基本上彼此不同且偏振p₁、p₂和p₃中至少两个彼此不同。将在下面给出波长λ₁、λ₂和λ₃以及偏振p₁、p₂和p₃的实例。

准直透镜18被设置在光轴19上用于将辐射束4变换成基本上准直的束20。类似地，它将辐射束4’和4”变换成两个分别的基本上被准直的束20’和20”(在图1中未被示出)。

分束器9被设置用于将经准直的辐射束20透射向物镜系统8。优选地，分束器9由相对于Z轴被倾斜角α的平面平行板形成，更优选地α＝45°。

物镜系统8被设置用于将经准直的辐射束20变换成第一被聚焦的辐射束15，以便于在信息层2的位置处形成第一扫描光点16。在这个实施例中，物镜系统8包括被提供有衍射部件24的物镜17。

衍射部件24包括具有非常折射率n_e和寻常折射率n_o的双折射材料。在下面因波长差异导致的折射率变化被忽略不计且因此折射率n_e和n_o大约独立于波长。在这个实施例中，并且仅作为示例，双折射材料是具有n_o＝1.51且n_e＝1.70的C6M/E7 50/50(以重量的％)。作为选择地，例如双折射材料可是具有n_o＝1.55且n_e＝1.69的C6M/C3M/E740/10/50。所使用的代码是指下述物质：

E7：51％C5H11氰基联苯(cyanobiphenyl)，25％ C5H15氰基联苯，16％ C8H17氰基联苯，8％ C5H11氰基三苯基(cyanotriphenyl)；

C3M：4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂(C3M：4-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy-2-methylphenyl4-(6-acryloyloxypropyloxy)benzoate)；

C6M：4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基-2-甲基苯基4-(6-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸脂。

衍射部件24被如此对准以便于双折射材料的光轴沿着Z轴。它还被如此对准以便于当它被具有沿着X轴偏振的辐射束穿过时其折射率等于n_e以及当它被具有沿着Y轴偏振的辐射束横越时其折射率等于n_o。在下面辐射束的偏振被称为“p_e”和“p_o”，其分别与X轴和Y轴被对准。因此，当偏振p₁、p₂或p₃等于p_e时，双折射材料的折射率等于n_e并且，当偏振p₁、p₂或p₃等于p_o时，双折射率材料的折射率等于n_o。换句话说，被如此对准的双射衍射部件24对偏振p₁、p₂和p₃敏感。衍射部件24将被进一步详细地加以说明。

在扫描期间，记录载体3在心轴(在图1中未示出)上旋转并且随后信息层2通过透明层5被扫描。被聚焦的辐射束15在信息层2上反射，由此形成在前向会聚束15的光学路径上返回的反射束21。物镜系统8将经反射的辐射束21变换成经反射的准直辐射束22。通过将至少一部分经反射的辐射束22透射向检测系统10，分束器将前向辐射束20从经反射的辐射束22分开。

检测系统6包括会聚透镜25和象限检测器23，其被设置用于捕捉所述部分经反射的辐射束22并且将它转换成一个或更多个电信号。信号之一是信息信号I_data，其值表示在信息层2上被扫描的信息。信息信号I_data被信息处理单元14加以处理以用于误差校正。来自检测系统10的其它信号是焦点误差信号I_focus和径向跟踪误差信号I_radial。信号I_focus表示扫描光点16和信息层2的位置之间在沿着Z轴高度上的轴向差。优选地，这个信号由“象散方法”形成，所述方法特别地从由G.Bouwhuis、J.Braat，A.Huijser等人的被命名为“Principles ofOptical Disc Systems”的书籍中第75-80(Adam Hilger 1985)(ISBN0-85274-785-3)中可知。径向跟踪误差信号I_radial表示扫描光点16与即将由扫描光点16所跟随的信息层2中轨道中心之间在信息层2的XY平面上的距离。优选地，这个信号从“径向推-拉方法”形成，所述方法从特别地由G.Bouwhuis的书籍的第70-73页中已知。

伺服电路11被设置成用于响应于信号I_focus和I_radial来提供伺服控制信号I_control用于分别控制焦点执行器12和径向执行器13。焦点执行器12控制物镜17沿着Z轴的位置，由此控制扫描光点16的位置，以便于它基本上与信息层2的平面重合。径向执行器13控制物镜17沿着X轴的位置，由此控制扫描光点16的径向位置，以便于它基本上与信息层2内即将被跟随的轨道的中心线重合。

图2是用在上述所说明的扫描设备1中的物镜17的示意性示例。

物镜17被设置用于将经准直的辐射束20变换到具有第一数值孔径NA₁的经聚焦的辐射束15上，以便于形成扫描光点16。换句话说，光学扫描设备1具有借助于具有波长λ₁、偏振p₁和数值孔径NA₁的辐射束15扫描第一信息层2的能力。

此外，光学扫描设备1还具有这样的能力，即借助于辐射束4’扫描第二光学记录载体3’的第二信息层2’以及借助于辐射束4”扫描第三光学记录载体3”的第三信息层2”。因此，物镜17将经准直的辐射束20’变换成具有第二数值孔径NA₂的第二经聚焦的辐射束15’，以便于在信息层2’的位置处形成第二扫描光点16’。物镜17还将经准直的辐射束20”变换到具有第三数值孔径NA₃的第三经聚焦的辐射束15”，以便于在信息层2”的位置处形成第三扫描光点16”。

类似于光学记录载体3，光学记录载体3’包括第二透明层5’，在其一侧上信息层2’被设置有第二信息层深度27’，并且光学记录载体3”包括第三透明层5”，在其一侧上信息层2”被设置有第三信息层深度27”。在这个实施例中，光学记录载体3、3’和3”仅作为实例分别是“蓝色DVD”格式盘、“红色DVD”格式盘及CD格式盘。因此，波长λ₁被包括在365和445nm之间的范围内，并且优选地为405nm。数值孔径NA₁在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。波长λ₂被包括在620和700nm之间的范围内，并且优选地为660nm。数值孔径NA₂在读取模式等于大约0.6且在写入模式大于0.6，优选地为0.65。波长λ₃被包括在740和820nm之间的范围内，并且优选地为785nm。数值孔径NA₃低于0.5，优选地0.45。

要注意到在本说明中两个波长λ_a和λ_b基本上彼此不同，其中|λ_a-λ_b|等于或大于，优选地，20nm，更优选地50nm，其中值20和50nm是纯粹任意的选择问题。

还要注意到通过形成作为混合透镜，即用在无限共轭模式中的组合衍射和折射元件的物镜17，则获得不同格式记录载体3、3’和3”的扫描信息层。这样的混合透镜可以通过在透镜17的进入表面上施加光栅轮廓，例如通过使用例如UV固化漆的光致聚合作用的平版印刷过程而形成，由此有利地导致容易地制造衍射部件24。作为选择地，这样的混合透镜可以通过金刚石车削来制作。

在图1和2所示的这个实施例中，物镜17作为凸-凸透镜被形成，然而，可以使用其它透镜元件类型如平-凸或凸-凹透镜。在这个实施中，衍射部件24被设置在面向辐射源7的第一物镜17的一侧(在此被称为“进入面”)上。

作为选择地，衍射部件24被设置在透镜17的另一表面(在此被称为“离开面”)上。还作为选择地，物镜10例如是折射物镜元件，其被提供有形成衍射部件24的平面透镜衍射元件。同样作为选择地，衍射部件24被提供在与物镜系统8分开的光学元件上，例如在分束器或四分之一波片上。

作为选择地，虽然在这个实施例中物镜10是单透镜，但它可以包含两个或更多个透镜元件的复合透镜。例如，物镜系统8可包括附加的物镜，其与物镜17配合形成二重透镜系统。附加的物镜可是具有凸表面面向物镜17且平表面面向信息层2的位置的平凸式。这个二重透镜系统较单透镜系统有利地对光学元件的相互位置有较大的容许偏差。在其中NA＞0.45时，附加的物镜优选地由非球面透镜形成。

图3是图2中所示物镜17的进入表面的示意性视图(也被称为“前视图”)，其示例出衍射部件24。

衍射部件24包括也被称为“带”的图案元件图案。每个带具有阶梯形轮廓。带的阶梯形轮廓基本上是相同的。那个阶梯形轮廓包括多个“子带”或“阶梯”，其每个具有阶梯高度。在下面阶梯形轮廓被设计用于引入近似于锯齿形函数的预定相位变化φ。图4示出表示以锯齿形函数形式(其是理想情况)的相位变化φ。要注意到图4仅示出由衍射部件24的一个图案元件所引入的相位变化φ，其中相位变化φ是“x”，即沿着X轴(在径向方向上)的坐标的线性函数。例如从在申请号00203066.6下提交的所述欧洲专利申请中可知，相位变化φ的锯齿形函数可由下述阶梯函数来加以近似：

$\mathrm{\Φ}\left(x\right)=2\mathrm{\π}\frac{2j-1}{2P},\mathrm{for}\frac{j-1}{P}\≤x\≤\frac{j}{P}---\left(1\right)$

其中“P”是表示阶梯或“子带”数量的整数，“j”是被包括在1和P之间的整数，其表示每个阶梯的阶梯号。

图5示出表示由衍射部件24所引入的处于阶梯函数近似格式的相位变化φ的曲线。要注意到图5仅示出由衍射部件24的一个图案元件所引入的相位变化φ。

在下面“h”是阶梯形轮廓的阶梯的阶梯高度，其是取决于x的函数。在根据方程式(1)的相位变化φ的近似情况中，阶梯高度h由下面的函数给出：

h(x)＝h_j $\mathrm{for}\frac{j-1}{P}\≤x\≤\frac{j}{P}---\left(2a\right)$

其中“h_j”是阶梯j的阶梯高度，其为恒定参数。

当设计衍射部件24的阶梯轮廓时，阶梯高度h_j被如此选择以便于取决于来自衍射部件24的衍射束的波长λ和偏振p，阶梯形轮廓引入相位变化φ的预定值。因此，在下面相位变化φ还被标注为φ(λ，p)并且阶梯高度h_j被如此选择，以便于阶梯形轮廓针对衍射束15引入第一值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)，针对衍射束15’引入第二值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)，以及针对衍射束15”引入第三值φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

在下面以及参考在申请号00203066.6下提交的所述欧洲专利申请，波长λ₁被选择成设计波长λ_ref。换句话说，

λ_ref＝λ₁                        (2b)

因而，阶梯形轮廓被如此设计以便于衍射束15的相位变化φ(λ＝λ₁，p＝p₁)基本上等于2π的倍数，即基本上等于零模2π。因此φ(λ＝λ₁，p＝p₁)≡0(2π)。

当每个阶梯高度h_j是参考高度h_ref的倍数时这可实现，所述参考高度h_ref如下取决于设计波长λ_ref：

$h_{\mathrm{ref}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}}{n-n_0}---\left(3\right)$

其中“n”是衍射部件24的折射率且n_o是相邻介质的折射率，在下面且仅作为实例所述相邻介质为空气，即n_o＝1。

由于衍射部件24由双折射材料制成，所以当横穿衍射部件24的辐射束的偏振等于p_e时其折射率n等于n_e且当横穿衍射部件24的辐射束的偏振等于p_o时其折射率n等于n_o。因而，参考高度h_ref也取决于偏振p。因此，下面相位变化h_ref也被标记为h_ref(λ，p)且从方程式(2b)和(3)接着是：

$h_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1,p_1=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_e-n_0}---\left(4a\right)$

$h_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1,p_1=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-n_0}---\left(4b\right)$

因而，在其中例如n_o＝1.50，n_e＝1.60及λ₁＝405nm的情况下，从方程式(4a)和(4b)获得下述：

h_ref(λ＝λ₁，p＝p_o)＝0.810μm以及

h_ref(λ＝λ₁，p＝p_e)＝0.675μm。

还要注意到：虽然阶梯高度h_j对于辐射束15引入值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)(基本上等于零模2π)，但是对于辐射束15′和15”它分别引入值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)如下：

$\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_2,p_2=p_e)=2\mathrm{\π}\frac{n_e-n_0}{{\mathrm{\λ}}_2}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_1)---\left(5a\right)$

$\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_2,p_2=p_o)=2\mathrm{\π}\frac{n_o-n_0}{{\mathrm{\λ}}_2}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_1)---\left(5b\right)$

$\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_3,p_3=p_e)=2\mathrm{\π}\frac{n_e-n_0}{{\mathrm{\λ}}_3}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_1)---\left(5c\right)$

$\mathrm{\Φ}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_3,p_3=p_o)=2\mathrm{\π}\frac{n_o-n_0}{{\mathrm{\λ}}_3}{h}_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_1)---\left(5d\right)$

表I示出在偏振p₂和p₃等于p_e及/或p_o情况下的理想值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中辐射束15′和15”横穿等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p₁＝p_e)或h_ref(λ_ref＝λ₁，p₁＝p_o)的阶梯高度h_j。利用例如n_o＝1.50、n_e＝1.60、λ₁＝405nm、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm已经从方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)计算出值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

表I

		Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)		Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)
						p2＝pe	p2＝po	p3＝pe	p3＝po
		hj＝href(λref＝λ1，p＝p1)	p1＝pe	0.623	0.519					0.516	0.430
p1＝po	0.748					0.623	0.619	0.516

要进一步注意到等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)倍数的阶梯高度h_j引入对于衍射束15等于零模2π的值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)，以及其每个等于有限数量的可能值当中的一个值的值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。在下面“#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)”和“#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)”分别是值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)的这样有限数量。有限数量“#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)”和“#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)”已经基于Continued Fractions(连分数)理论得到计算，正如从例如在申请号01201255.5下于05.04.2001提交的所述欧洲专利申请所知的那样。

仅作为示例，现在在其中偏振p₁和p₃相等，例如p₁＝p_e且p₃＝p_e的第一情况下，以及其中偏振p₁不同于偏振p₃，例如p₁＝p_e且p₃＝p_o的第二情况下，对有限数量#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)的计算加以说明。参考申请号01201255.5下的所述欧洲专利申请，下述得到定义：

$a_0=\frac{H_1}{H_i}---\left(6a\right)$

b₀＝Int[a_o]                            (6b)

a₁＝a₀-b₀                              (6c)

$b_m=\mathrm{Int}\left[\frac{1}{a_m}\right]---\left(6d\right)$

$a_{m+1}=\frac{1}{a_m}-b_m---\left(6e\right)$

CF_m≡{b₀，b₁...b_m}                     (6f)

其中H₁＝h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，H_i＝h_ref(λ＝λ₃，p＝p₃)且“m”是等于或大于1的整数。

在其中p₁＝p_e且p₃＝p_e以及其中例如n_o＝1.50、n_e＝1.60、λ₁＝405nm、和λ₃＝785nm的第一情况下，从方程式(6a)至(6e)得到如下：

$H_1=h_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_e-n_0}=0.675\mathrm{\μm}$

$H_i=h_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}=\mathrm{\λ}}_3,p=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_e-n_0}=1.308\mathrm{\μm}$

a₀＝0.516

b₀＝0

a₁＝0.516

b₁＝1

a₂＝0.937

b₂＝1

${\mathrm{CF}}_2=0+\frac{1}{1+\frac{1}{1}}=\frac{1}{2}$

因此，CF₂基本上等于a₀，即下述得到满足：

|CF₂-a₀|＝0.016＜0.02

其中0.02是纯粹被任意加以选择的值。结果是，经发现有限数量#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)等于2。

在其中p₁＝p_e且p₃＝p_o以及其中例如n_o＝1.50、n_e＝1.60、λ₁＝405nm、和λ₃＝785nm的第二情况下，从方程式(6a)至(6e)得到如下：

$H_1=h_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1,p=p_e)=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_e-n_0}=0.675\mathrm{\μm}$

$H_i=h_{\mathrm{ref}}({\mathrm{\λ}=\mathrm{\λ}}_3,p=p_o)=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_o-n_0}=1.570\mathrm{\μm}$

a₀＝0.430

b₀＝0

a₁＝0.430

b₁＝2

a₂＝0.326

b₂＝3

${\mathrm{CF}}_2=0+\frac{1}{2+\frac{1}{3}}=\frac{3}{7}$

于是，CF₂基本上等于a₀，即下述得到满足：

|CF₂-a₀|＝0.001＜0.02.

结果是，经发现有限数量#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)等于7。

表II示出就有关等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p_e)和h_ref(λ＝λ₁，p＝p_o)的阶梯高度h_j以及在其中偏振p₂和p₃等于p_e和/或p_o情况下的有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。这些有限数量量已经如上所说明基于连分数理论被加以计算。

表II

		#Ф(λ＝λ2，p＝p2)		#Ф(λ＝λ3，p＝p3)
						p2＝pe	p2＝po	p3＝pe	p3＝po
		hj＝href(λ＝λ1，p＝p1)	p1＝pe	8	2					2	7
p1＝po	4					8	3	2

要注意到在表I和II中如果偏振p₁、p₂和p₃相等，则有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)之一等于2，即仅两个不同的值(零和π模2π)可以被选择用于对应的相位变化。这并不允许设计一种用于对应衍射束非第零级的高效衍射部件。

通过对照，在还要注意到在表I和表II中如果至少偏振p₁、p₂和p₃之一与其它不同，则至少三个不同的值可以被选择用于φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和/或φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。从至少三个可能值中选择相位变化的可能性允许为辐射束15、15′和15”中的每个制造高效的衍射部件。此外，这有利地允许设计具有相对低数量阶梯，典型地小于40个阶梯的阶梯形轮廓，因为具有高数量阶梯(典型地，50或更多阶梯)的阶梯形轮廓很少实际使用。

此外，相位变化值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)、φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)被如此选择，以便于衍射部件24针对每个衍射束15、15′和15”的每个衍射级m具有预定的透射效率eff_m。例如从所述日本专利申请JP-A-2001209966中得知：衍射部件24针对衍射级m的透射效率“eff_m”被给出如下：

${\mathrm{eff}}_m={\left|\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}A\left(x\right)\exp \right\{i\mathrm{\Φ}\left(x\right)\left\}\exp (-i\frac{2\mathrm{\πmx}}{T}\mathrm{dx})\right|}^2---\left(7\right)$

其中“A(x)”是透明度幅值分布且“T”是衍射部件24的光栅节距。在由方程式(1)给出的阶梯形轮廓情况下，对于第一级(m-1)方程式(7)可以被简化：

${\mathrm{eff}}_1={\left(\frac{P\sin (\mathrm{\π}/P)}{\mathrm{\π}}\right)}^2---\left(8\right)$

从方程式(8)要注意到数量P被选择得越高，则取得越高的效率eff₁。然而，也要注意到可希望地是在每个带中使用尽可能最低的阶梯数量，以为了取得物镜17的较高制造效率。

在下面，并且仅作为示例，说明了如何选择阶梯形轮廓的阶梯高度h_j以便于形成具有一个主衍射级的每个衍射束15、15′和15”。下面“m₁”、“m₂”和“m₃”分别是衍射束15、15′和15”的主衍射级。

现在说明阶梯形轮廓的三个实施例。

阶梯形轮廓的第一实施例被如此设计，以便于m₁＝0、m₂＝1和m₃＝1。因而，值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)基本上等于零模2π且φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)两个值中的每个从至少三个不同的可能相位变化值当中加以选择。要注意到φ(λ＝λ₂，p＝p₂)的三个不同的可能值可不同于φ(λ＝λ₃，p＝p₃)的三个不同的可能值。

仅作为示例，在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下，从表II中已知：对于p₂＝p_o，φ(λ＝λ₂，p＝p₂)＝8以及对于p₃＝p_e，φ(λ＝λ₃，p＝p₃)＝3。

表III示出由等于qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度所引入的值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中p₁＝p_o且“q”是整数。这些值从表I中被发现，其中值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)是已知的，等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度，其中p₁＝p_o，即对于q＝1。

表III

q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1p3＝pe
			1	0.623	0.619
2	0.246	0.238
			3	0.869	0.857
4	0.492	0.476
			5	0.115	0.095
6	0.738	0.714
			7	0.361	0.333
8	0.984	0.952

仅作为示例，现在说明阶梯轮廓的第一实施例的两个实例，其中在第一实施例中P＝4，且在第二实例中P＝6。

关于第一实例(P＝4)，表IV示出根据方程式(1)的相位变化“φ/2π理想”的理想值，以及根据方程式(8)的第一级的对应透射效率eff₁。表IV还示出：针对阶梯高度qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，根据表III近似于“φ/2π理想”的两个相位变化值“φ(λ＝λ₂，p＝p₂)/2π”和“φ(λ＝λ₃，p＝p₃)/2π”，以及根据方程式(7)针对第一级(m＝1)的对应透射效率eff₁，在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下。

表IV

	Ф/2πideal	q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1p3＝pe
					j＝1	0.125	5	0.115	0.095
j＝2	0.375	7	0.361	0.333
					j＝3	0.625	1	0.623	0.619
j＝4	0.875	3	0.869	0.857
					eff1	81.1％		81.0％	80.5％

在表IV中要注意到：如初始所希望地，对于两个衍射束15′和15”的第一级，透射效率eff₁具有高的值(大于75％)。图6示出曲线80，其表示衍射部件24第一实施例(m₁＝0、m₂＝1和m₃＝1)的第一实例(P＝4)的阶梯高度h(x)。要注意到就有关的曲线80，图案元件被如此设计以便于所述图案元件的相邻阶梯之间的相对阶梯高度h_j+1-h_j包括具有光学路径基本上等于αλ₁的相对阶梯高度，其中α是整数且α＞1以及λ₁是所述第一波长。换句话说，这样的相对阶梯高度比参考高度h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)大。

有关第二实例(P＝6)，表V示出根据方程式(1)的相位变化“φ/2π理想”的理想值，以及根据方程式(8)的第一级的对应透射效率eff₁。表V还示出：针对阶梯高度qh_ref(λ＝λ₁，p₁＝p_o)，根据表III近似于“φ/2π理想”的两个相位变化值“φ(λ＝λ₂，p＝p₂)/2π”和“φ(λ＝λ₃，p＝p₃)/2π”，以及根据方程式(7)针对第一级(m＝1)的对应透射效率eff₁，在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下。

表V

	Ф/2πideal	q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2πmod 1p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2πmod 1p3＝po
					J＝1	0.0833	5	0.115	0.095
J＝2	0.2500	2	0.246	0.238
					J＝3	0.4167	4	0.492	0.476
J＝4	0.5833	1	0.623	0.619
					J＝5	0.7500	6	0.738	0.714
J＝6	0.9166	8	0.984	0.952
					eff1	91.2％		87.4％	87.6％

要注意到：如初始所希望地，在表V中对于两个衍射束15′和15”的第一级，透射效率eff₁具有高的值(大于75％)。图7示出曲线81，其表示衍射部件24第一实施例(m₁＝0、m₂＝1和m₃＝1)的第一实例(P＝4)的阶梯高度h(x)。

在阶梯形轮廓的第一实施例的特定情况下，值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)基本上等于值φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中偏振p₃不同于偏振p₂，即：

Ф(λ＝λ₂，p＝p₂)＝Ф(λ＝λ₃，p＝p₃)                     (9)

在本说明中，值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)基本上相等，其中|φ(λ＝λ₃，p＝p₃)-φ(λ＝λ₂，p＝p₂)|优选地小于或等于0.04π，其中值0.04π纯粹地任意选择的问题。

在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下，从方程式(0)、(5b)、(5c)和(9)导出：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{n_o-1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_e-1}---\left(10\right)$

从方程式(10)它接着：

$n_o=1+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_3}(n_e-1)---\left(11\right)$

因此，例如，在其中n_e＝1.604、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm的情况下，从方程式(11)导出n_o＝1.5。因此，双折射材料可以被选择，其中其折射率n_e和n_o基本上分别等于1.604和1.5。

在本说明中，两个折射率n_a和n_b基本上相等，其中|n_a-n_b|优选地等于或小于0.01，更优选地小于或等于0.005，其中值0.01和0.005是纯粹任意选择的问题。

类似于表I，表VI示出在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e情况下的理想值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中辐射束15′和15”横穿等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j。利用例如n_o＝1.50、n_e＝1.604、λ₁＝405nm、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm已经从方程式(4a)、(4b)以及(5a)至(5d)计算出值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

表VI

	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe
			hj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝po	0.623	0.623

类似于表II，表VII示出在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e情况下就有关等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j的有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。这些有限数量量已经如上所说明基于连分数被加以计算。

表VII

	#Ф(λ＝λ2，p＝p2)p2＝po	#Ф(λ＝λ3，p＝p3)p3＝pe
			hj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝po	8	8

类似于表III，表VIII示出在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e情况下由等于qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度所引入的相位变化值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中“q”是整数。这些值从表VI中被发现，其中值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)已知为其中阶梯高度等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，即对于q＝1。

表VIII

q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe
			1	0.623	0.623
2	0.246	0.246
			3	0.869	0.869
4	0.492	0.492
			5	0.115	0.115
6	0.738	0.738
			7	0.361	0.361
8	0.984	0.984

从表VI、VII和VIII要注意到：在其中当p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e第一实施例的情况下，有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)等于8，即八不不同的值可以被选择用于每个φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

仅作为示例，现在在其中P＝4的情况下说明阶梯形轮廓第一实施例的第三实例。

类似于表IV，表IX示出根据方程式(2)的相位变化“φ/2π理想”的理想值，以及根据方程式(8)的第一级的对应透射效率eff₁。表IX还示出：在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下，针对阶梯高度qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，根据表VIII近似于“φ/2π理想”的两个相位变化值“φ(λ＝λ₂，p＝p₂)/2π”和“φ(λ＝λ₃，p＝p₃)/2π”，以及根据方程式(7)针对第一级(m＝1)的对应透射效率eff₁。

表IX

	Ф/2πideal	q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe
					j＝1	0.125	5	0.115	0.115
j＝2	0.375	7	0.361	0.361
					j＝3	0.625	1	0.623	0.623
j＝4	0.875	3	0.869	0.869
					eff1	81.1％		81.0％	81.0％

在表IX中要注意到：如初始所希望地，对于两个衍射束15′和15”的第一级，透射效率eff₁具有高的值(大于75％)。图8示出曲线82，其表示衍射部件24第一实施例(m₁＝0、m₂＝1和m₃＝1)的第三实例(P＝4)的阶梯高度h(x)。

阶梯形轮廓的第二实施例被如此设计，以便于m₁＝0、m₂＝1和m₃＝0。因而，两个值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)基本上等于零模2π且值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)被从至少三个不同的相位变化中加以选择。要注意到然而值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)(两者基本上等于零模2π)可彼此不同。

在阶梯形轮廓的第二实施例的特定情况下，值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)基本上等于值φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中偏振p₁不同于偏振p₃，即

Ф(λ＝λ₁，p＝p₁)＝Ф(λ＝λ₃，p＝p₃)                (12)

在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下，从方程式(0)、(4b)、(5c)和(12)导出：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{n_o-1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{n_e-1}---\left(13\right)$

从方程式(13)紧接着：

$n_0=1+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_3}(n_e-1)---\left(14\right)$

因此，例如，在其中n_e＝1.722、λ₁＝405nm和λ₃＝650nm的情况下，从方程式(14)导出n_o＝1.45。因而，双折射材料可被加以选择，其中其折射率n_e和n_o基本上分别等于1.722和1.45。

类似于表I，表X示出其中p₁＝p_o、p₂＝p_e且p₃＝p_e情况下的理想值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中辐射束15′和15”横穿等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j。利用例如n_o＝1.45、n_e＝1.722、λ₁＝405nm、λ₂＝785nm和λ₃＝650nm已经从方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)计算出值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

表X

	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝pe	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe
			hj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝po	0.828	0

类似于表II，表XI示出在其中p₁＝p_o、p₂＝p_e且p₃＝p_e情况下就有关等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j的有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。这些有限数量量已经如上所说明基于连分数被加以计算。

表XI

	#Ф(λ＝λ2，p＝p2)p2＝pe	#Ф(λ＝λ3，p＝p3)p2＝pe
			hj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝po	6	1

类似于表III，表XII示出由等于qh_ref(λ＝λ₁，p＝p_o)的阶梯高度所引入的值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中“q”是整数。这些值从表X中被发现，其中值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)是已知的阶梯高度等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，即对于q＝1。

表XII

q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝pe	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝pe
			1	0.828	0.0
2	0.656	0.0
			3	0.484	0.0
4	0.312	0.0
			5	0.140	0.0
6	0.968	0.0
			7	0.796	0.0

从表X、XI和XII要注意到在其中p₁＝p_o、p₂＝p_e且p₃＝p_e的第二实施例情况下，有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)等于6，即六个不同值可以被选择用于φ(λ＝λ₂，p＝p₂)。

仅作为示例，现在说明其中p＝4时的阶梯形轮廓的第二实施例的实例。

类似于表IV，表XIII示出根据方程式(1)的相位变化“φ/2π理想”的理想值，以及根据方程式(8)的第一级的对应透射效率eff₁。表XIII还示出：在其中p₁＝p_o、p₂＝p_o且p₃＝p_e的情况下，针对阶梯高度qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，根据表XII近似于“φ/2π理想”的两个相位变化值“φ(λ＝λ₂，p＝p₂)/2π”和“φ(λ＝λ₃，p＝p₃)/2π”，以及根据方程式(7)针对第一级(m＝1)的对应透射效率eff₁。

表XIII

	Ф/2πideal	q	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)
				j＝1	0.125	5	0.140
j＝2	0.375	4	0.312
				j＝3	0.625	2	0.656
j＝4	0.875	1	0.828
				eff1	81.1％		76.1％

在表XIII中要注意到：如初始所希望地，对于衍射束15′的第一级，透射效率eff₁具有高的值(大于75％)。图9示出曲线83，其表示衍射部件24第二实施例(m₁＝0、m₂＝1和m₃＝0)的第三实例(P＝4)的阶梯高度h(x)。

阶梯形轮廓的第三实施例被如此设计，以便于m₁＝0、m₂＝1和m₃＝0。因而，值φ(λ＝λ₁，p＝p₁)基本上等于零模2π、值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)被从至少三个不同的相位变化中加以选择且值φ(λ＝λ₃，p＝p₃)基本上等于π模2π。

类似于表I，表XIV示出其中p₁＝p_e、p₂＝p_o且p₃＝p_o情况下的理想值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中辐射束15′和15”横穿等于h_ref(λ_ref＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j。利用例如n_o＝1.50、n_e＝1.60、λ₁＝405nm、λ₂＝785nm和λ₃＝650nm已经从方程式(4a)和(4b)以及(5a)至(5d)计算出值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。

表XIV

	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝po
			hj＝href(λref＝λ1，p＝p1)p1＝pe	0.430	0.519

类似于表II，表XV示出在其中p₁＝p_e、p₂＝p_o且p₃＝p_o情况下就有关等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度h_j的有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)。这些有限数量已经如上所说明基于连分数理论被加以计算。

表XV

	#Ф(λ＝λ2，p＝p2)p2＝po	#Ф(λ＝λ3，p＝p3)p3＝po
			hj＝href(λ＝λ1，p＝p1)p1＝pe	7	2

类似于表III，表XVI示出由等于qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)的阶梯高度所引入的值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，其中p₁＝p_e且“q”是整数。这些值从表XIV中被发现，其中值φ(λ＝λ₂，p＝p₂)和φ(λ＝λ₃，p＝p₃)是已知的阶梯高度等于h_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，即对于q＝1。

表XVI

m	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝po
			1	0.430	0.519
2	0.860	0.038
			3	0.290	0.557
4	0.720	0.076
			5	0.150	0.595
6	0.580	0.114
			7	0.010	0.633
8	0.440	0.152
			9	0.870	0.671
10	0.300	0.190
			11	0.730	0.709
12	0.160	0.228

从表XIV、XV和XVI要注意到在其中p₁＝p_e、p₂＝p_o且p₃＝p_o的第三实施例情况下，有限数量#φ(λ＝λ₃，p＝p₃)等于2，即二个不同值可以被选择用于φ(λ＝λ₃，p＝p₃)，并且有限数量#φ(λ＝λ₂，p＝p₂)等于7，即七个不同值可以被选择用于φ(λ＝λ₂，p＝p₂)。

仅作为示例，现在说明其中P＝4时的阶梯形轮廓的第三实施例的实例。

类似于表IV，表XVII示出：在其中p₁＝p_e、p₂＝p_o且p₃＝p_o的情况下，针对阶梯高度qh_ref(λ＝λ₁，p＝p₁)，根据表XVI近似于“φ/2π理想”的两个相位变化值“φ(λ＝λ₂，p＝p₂)/2π”和“φ(λ＝λ₃，p＝p₃)/2π”，以及根据方程式(7)针对第一级(m＝1)的对应透射效率eff₁。

表XVII

	m	Ф(λ＝λ2，p＝p2)/2π(modulo 1)p2＝po	Ф(λ＝λ3，p＝p3)/2π(modulo 1)p3＝po
				j＝1	5	0.150	0.595
j＝2	1	0.430	0.519
				j＝3	11	0.730	0.709
j＝4	9	0.870	0.671
				eff0		1.8％	80.6％
eff1		75.9％	4.5％

在表XVII中要注意到四个相位阶梯对于波长λ₃引入基本上具有相同值的相位变化。

在表XVII中还要注意到，如初始所希望地，对于衍射束15”的第一级，透射效率eff₁具有低的值(小于5％)并且对于衍射束15′的第一级，透射效率eff₁具有高的值(大于75％)。图10示出曲线84，其表示衍射部件24第三实施例(m₁＝0、m₂＝1和m₃＝0)的那个实例(P＝4)的阶梯高度h(x)。

一旦每个图案元件的阶梯形轮廓已经如上面有关任何第一、第二和第三实施例所说明被加以设计，则衍射部件24的图案元件的图案被如此设计以便于物镜系统8和衍射部件24的组合对于辐射束4具有第一聚焦特征，对于辐射束4′具有第二聚焦特征，以及对于辐射束4”具有第三聚焦特征。

在这个实施例中，图案被如此设计以便于物镜17和衍射部件24的组合校正由信息层深度27和27′之间的差(由于透明层5和5′的厚度差)和信息层深度27和27”之间的差(由于透明层5和5”的厚度差)所导致的球面象差。

更具体地，衍射部件24的图案被设计成圆形光栅结构，其具有朝向物镜17中心逐渐增加宽度(如图3中所示)的同心环形图案元件。结果是，衍射部件24与物镜17的组合将辐射束15聚焦在具有第一信息层深度27的信息层2中，并且当辐射束15自物镜17出现时没有产生球面象差(第一聚焦特征)。

此外，衍射部件24的图案被如此设计，以便于与物镜17组合以产生与m₁λ₁-m₂λ₂(即，在这个实施例中为-λ₂，由于m₁＝0且m₂＝1)成比例的球面象差量。结果是，衍射部件24和物镜17的组合将光辐射束15′聚焦在具有信息层深度27′的信息层2′中并且因透明层厚度差所产生的球面象差被加以补偿(第二聚焦特征)。

类似地，衍射部件24的图案被如此设计，以便于与物镜17组合以产生与m₁λ₁-m₃λ₃(即，在这个实施例中为-λ₃，由于m₁＝0且m₃＝1)成比例的另一球面象差量。结果是，衍射部件24和物镜17的组合将光辐射束15”聚焦在具有信息层深度27”的信息层2”中并且因透明层厚度差所产生的球面象差被加以补偿(第三聚焦特征)。要注意到在这个实施例中第二和第三聚焦特征两者不同于第一聚焦特征，如图2中所示。

虽然在上述所说明的实施例中与CD格式盘、“红色DVD”格式盘和“蓝色DVD”格式盘兼容的光学扫描设备被加以说明，但是要理解到根据本发明的扫描设备可以作为选择地用于要被扫描的任何其它类型的光学记录载体。

上述所说明的作为选择的阶梯形轮廓可被设计用于形成除第零级和第一级以外衍射级的，或具有主要的被选择级和至少另一被选择级的级组合的衍射辐射束。

在上面所说明的另一作为选择的阶梯形轮廓中，波长λ₂或λ₃被选择成设计波长。表XVIII示出在其中波长λ等于λ₂或λ₃及偏振p等于p_o或p_e以及其中例如n_o＝1.5、n_e＝1.6、λ₂＝650nm和λ₃＝785nm情况下的参考高度h_ref(λ，p)值。

表XVIII

	href(λ，p)
			λ＝λ2	λ＝λ3
	p＝pe	1.083μm			1.308μm
p＝po			1.300μm	1.570μm

作为上面所说明的用于校正球面象差的图案元件图案的另外选择，图案被加以设计，用于校正球面色差和色象差或通过从具有透射效率等于例如80％的第一衍射束形成主光点以及从具有针对每个束透射效率等于例如10％的第二和第三衍射束形成两个伴线(satellite)光点，用于执行三光点推拉方法。

作为被设置在物镜进入面上的衍射部件的另外选择可是任何形状的光栅，像平面光栅，因为不管光栅形状如何，就有关每个级每个图案元件的阶梯形轮廓对于透射效率是决定性的。

作为所说明的使用785nm、660nm和405nm波长的光学扫描设备的另外选择，要理解到可使用适合于扫描光学记录载体的任何其它波长组合的辐射束。

作为所说明的有关第一、第二和第三衍射束具有上述数值孔径值的光学扫描设备，要理解到可使用适合于扫描光学记录载体的任何其它数值孔径组合的辐射束。

Claims (16)

1.一种光学扫描装置，其用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射束来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长彼此不同且至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它的偏振不同，所述设备包括：

用于连续地或同时地供应所述第一、第二和第三辐射束的辐射源，

用于将所述第一、第二和第三辐射束分别会聚到所述第一、第二和第三信息层的位置上的物镜系统，以及

被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中的衍射部件，所述部件包括图案元件图案，所述图案元件图案具有阶梯形轮廓，所述阶梯形轮廓用于分别由所述第一、第二和第三辐射束形成第一衍射辐射束、第二衍射辐射束和第三衍射辐射束，所述部件为对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料制成，

其特征在于所述阶梯形轮廓具有至少两个阶梯，所述至少两个阶梯的每一个引入对于第一波长是2π的倍数的相位变化，由两个阶梯引入的相位变化对于第一波长是不同的，所述至少两个阶梯的每一个引入对于第二波长是2π的倍数的相位变化，由两个阶梯引入的相位变化对于第二波长是不同的。

2.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被进一步如此设计，以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第三波长等于至少两个不同的相位变化模2π。

3.根据权利要求2的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被进一步如此设计，以便于图案元件的阶梯高度引入对于所述第二和第三波长两者相同的相位变化，其中所述第三偏振不同于所述第二偏振。

4.根据权利要求3的光学扫描设备，其中所述双折射材料的非常折射率等于 其中“n_o”是所述双折射材料的寻常折射率且“λ_b”和“λ_c”或者分别是所述第二波长和第三波长，或者分别是所述第三和第二波长。

5.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度针对所述第三波长引入等于至少两个不同的2π的倍数的相位变化。

6.根据权利要求5的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度针对所述第一以及第三波长两者引入相同的相位变化，其中所述第三偏振不同于所述第一偏振。

7.根据权利要求6的光学扫描设备，其中所述双折射材料的非常折射率等于 其中“n_o”是所述双折射材料的寻常折射率且“λ_b”和“λ_c”或者分别是所述第一波长和第三波长，或者分别是所述第三和第一波长。

8.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度针对所述第三波长引入等于至少两个不同的奇数倍的π的相位变化。

9.根据权利要求8的光学扫描设备，其中所述阶梯形轮廓被如此设计以便于图案元件的阶梯高度针对所述第二波长引入等于奇数的不同相位变化的至少两个的相位变化。

10.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述图案元件被如此设计以便于所述图案元件的相邻阶梯之间的相对阶梯高度包括具有光学路径等于所述第一波长λ₁的倍数的相对阶梯高度。

11.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述衍射部件的形状是圆形并且所述图案元件的阶梯是环形。

12.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述衍射部件被形成在物镜系统的透镜面上。

13.根据权利要求1的光学扫描设备，其中所述衍射部件被形成在所述辐射源和所述物镜系统之间所提供的光学板上。

14.根据权利要求13的光学扫描设备，其中所述光学板包括四分之一波长板或分束器。

15.一种用在光学设备中的衍射部件，所述光学设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长彼此不同并且至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它不同，所述衍射部件：

被设置在所述第一、第二和第三辐射束的光学路径中，

包括图案元件的图案，所述图案元件具有用于分别由所述第一、第二和第三辐射束形成第一衍射辐射束、第二衍射辐射束和第三衍射辐射束的一个阶梯形轮廓，

包括对所述第一、第二和第三偏振敏感的双折射材料。

其特征在于所述阶梯轮廓被如此设计，以便于图案元件的阶梯高度引入相位变化，所述相位变化对于所述第一波长等于至少两个不同的2π的倍数，对于所述第二波长等于至少两个不同的相位变化模2π，对于所述第三波长，为下述之一：至少两个不同的相位变化模2π；至少两个不同的2π的倍数；或至少两个不同的π的奇数倍数。

16.一种用在光学设备中的透镜，所述光学设备用于借助于具有第一波长和第一偏振的第一辐射束来扫描第一信息层，借助于具有第二波长和第二偏振的第二辐射束来扫描第二信息层，以及借助于具有第三波长和第三偏振的第三辐射来扫描第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长彼此不同并且至少所述第一、第二和第三偏振之一与其它的不同，所述透镜被提供有根据权利要求15的衍射部件。

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