專利名稱：光強(qiáng)分布變換器和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光強(qiáng)分布變換器，它對輸入光的強(qiáng)度分布進(jìn)行變換，并輸出變換后的光，還涉及采用該器件的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置。
光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括，光源，準(zhǔn)直透鏡，和物鏡。在這樣的系統(tǒng)中，光斑的直徑要很小以提高光盤裝置的密度，并需要增大光量來提高傳導(dǎo)速度。
為了減小傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中的光斑直徑，曾嘗試加大物鏡的數(shù)值孔徑NA或減小激光波長。但是，加大物鏡數(shù)值孔徑NA將會增加象差。減小激光波長依賴于激光光源的改進(jìn)，而不能通過改進(jìn)光盤裝置來實(shí)現(xiàn)。而且，光量只能通過提高激光功率來增加。
按照光學(xué)理論，已知在會聚成一個(gè)光錐時(shí)，具有均勻光強(qiáng)分布的光錐可以形成比高斯光強(qiáng)分布的光錐更小的光斑直徑，而且接近衍射極限。對應(yīng)相同NA的物鏡而言，這種效應(yīng)等效于用波長比所用激光波長短幾十nm的激光產(chǎn)生光斑直徑。
一般地，由于光錐波前的光強(qiáng)呈高斯分布，所以入射光通過的物鏡孔徑將受到限制。因此，人們曾嘗試過這樣的方案，僅讓其光強(qiáng)分布被視為近似均勻的近軸光束部分入射到物鏡上，以減小光斑直徑。按照這種方案，孔徑直徑外的光當(dāng)然沒有用，因而光源的利用率降低了。如果為了提高光利用率而擴(kuò)大所用孔徑的直徑以覆蓋光強(qiáng)分布不均勻的光，則光斑直徑會比光強(qiáng)分布均勻時(shí)的要大。如可從上文理解的，光強(qiáng)的均勻性與光量損耗的降低是不相容的。
在本發(fā)明之前申請的日本專利申請10-57003中提出了一種光強(qiáng)分布變換器置，它將具有高斯光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光變換成具有均勻光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光。這種光強(qiáng)分布變換器可以放置在光盤裝置中的準(zhǔn)直透鏡與物鏡之間，而光盤裝置包括激光光源，準(zhǔn)直透鏡，和物鏡。該物鏡接收具有均勻光強(qiáng)分布的的平行光束，以得到較小的光斑直徑。但是，該光強(qiáng)分布變換器是光盤裝置的一個(gè)附加元件。
日本未批準(zhǔn)的專利申請公開63-188115公開了一種光束形成光學(xué)裝置，其中可以用兩個(gè)透鏡將具有高斯光強(qiáng)分布的光變換成光強(qiáng)均勻分布的光。在此現(xiàn)有技術(shù)中，兩個(gè)透鏡的構(gòu)成方式不滿足正弦條件。但是，這要求小的加工公差。所以，為了減小公差，兩個(gè)透鏡之一被設(shè)計(jì)成不滿足正弦條件，而另一個(gè)透鏡被設(shè)計(jì)成滿足正弦條件。在這種用球差變換光強(qiáng)分布的解決方案中，不可避免地要產(chǎn)生波前象差，因此該光學(xué)器件不能作為一個(gè)小的光學(xué)元件用于光盤等裝置中。
本發(fā)明的目的是提供一種光強(qiáng)變換器，它可以將給定的光強(qiáng)分布變換成所需的分布，以使波前象差和光斑直徑均可以減小，還提供了一種采用該光強(qiáng)分布變換器的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光強(qiáng)變換器，它包括具有中心軸的主體，相對于中心軸橫向延伸的第一彎曲表面，相對于中心軸橫向延伸的第二彎曲表面，和在第一和第二彎曲表面之間延伸的外環(huán)表面，第一和第二彎曲表面中的一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凹表面的形狀，而另一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凸表面的形狀，入射光和出射光至少之一是發(fā)散或會聚的光，且第一和第二彎曲表面的形狀這樣的由于第一和第二彎曲表面的折射作用，使得在光通過第一彎曲表面投射向第二彎曲表面時(shí)，入射光的光強(qiáng)分布不同于出射光的分布。
用該光強(qiáng)分布變換器，可以從高斯光強(qiáng)分布的入射光得到光強(qiáng)均勻分布的出射光。在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置中，上述光強(qiáng)分布變換器被用作一個(gè)準(zhǔn)直透鏡和/或物鏡。例如，若光強(qiáng)分布變換器用作光盤裝置的準(zhǔn)直透鏡，則該裝置的物鏡接收具有均勻光強(qiáng)分布的光，以便得到更小的光斑直徑。若光強(qiáng)分布變換器用作光學(xué)存儲裝置的物鏡，則該物鏡具有變換光強(qiáng)分布和會聚光的作用。
從下文參考附圖對優(yōu)選實(shí)施例的說明中，本發(fā)明將更為清楚，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例光強(qiáng)分布變換器的剖面圖；圖2是與圖1所示光強(qiáng)分布變換器相類似的光強(qiáng)分布變換器的視圖，并表示了一組從其中穿過的光路；圖3是表示確定光強(qiáng)分布變換器中第一第二彎曲表面形狀的示意圖；圖4是表示光強(qiáng)分布變換器中第一第二彎曲表面形狀的示意圖；圖5是表示圖4中第一第二彎曲表面傾斜角的示意6A和6B是表示透鏡正弦定律的示意7是表示包含圖1和2所示光強(qiáng)分布變換器的光盤裝置實(shí)例的示意圖；圖8是表示另一個(gè)包含光強(qiáng)分布變換器的光盤裝置實(shí)例的示意圖；圖9A至9C是表示光強(qiáng)分布變換器改型實(shí)例的示意圖；圖10A至10C是表示光強(qiáng)分布變換器改型實(shí)例的示意圖；圖11A和11B是表示光強(qiáng)分布變換器改型實(shí)例的示意圖；圖12A至12C表示了光強(qiáng)分布變換器改型的實(shí)例；圖13A和13B是表示在x軸和y軸方向具有不同特性的光強(qiáng)分布實(shí)例的示意圖；圖14A至14C是表示不同光強(qiáng)分布實(shí)例的示意圖；圖15是表示光強(qiáng)分布變換器一個(gè)改型實(shí)例的示意圖；圖16是表示光強(qiáng)分布變換器一個(gè)改型實(shí)例的示意圖；圖17是表示光盤裝置一個(gè)改型實(shí)例的示意圖；圖18A和18B是表示光盤裝置改型實(shí)例的示意圖；圖19是表示光盤裝置一個(gè)改型實(shí)例的示意圖；圖20是表示包含有光強(qiáng)分布變換器的發(fā)光裝置的一個(gè)示意圖。
下文將說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例光強(qiáng)分布變換器10的剖面圖；而圖2表示了與圖1所示光強(qiáng)分布變換器10相類似的光強(qiáng)分布變換器10，以及一組從其中穿過的光路。
在圖1和2中，光強(qiáng)分布變換器10包括具有中心軸12的透明主體14。主體14由透明材料構(gòu)成，如具有各向同性折射率的玻璃。主體14具有相對于中心軸12橫向延伸的第一彎曲表面16，位于第一彎曲表面16相反一側(cè)且相對于中心軸12橫向延伸的第二彎曲表面18，以及在第一彎曲表面16與第二彎曲表面18之間延伸的外環(huán)表面20。
在圖1和2中，點(diǎn)A代表一個(gè)輻射點(diǎn)，點(diǎn)B代表第一彎曲表面16上的一個(gè)入射光點(diǎn)，而點(diǎn)C代表第二彎曲表面18上的一個(gè)出射光點(diǎn)。在這些圖中，穿過A點(diǎn)的z軸定義了光軸方向，而y軸和x軸分別與平行于和垂直于圖面的方向?qū)?yīng)。T表示光強(qiáng)分別變換器10沿光軸方向的厚度，L表示光強(qiáng)分布變換器10中具體光路的長度。點(diǎn)A可以是一個(gè)激光器，它能發(fā)射出具有關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱的高斯光強(qiáng)分布22的發(fā)散光。光強(qiáng)分布變換器10是一個(gè)具有關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱形狀的光學(xué)器件，且折射率為n。在圖2中，折射率為n′的平板26垂直于z軸地放置在點(diǎn)A與光強(qiáng)分布變換器10之間。平板26可以作為激光器的玻璃罩。
第一彎曲表面16由空心圓形(shallow rounded)凹表面限定，而第二彎曲表面18由大體為圓形的凸表面限定。在主體14的中心處，第一和第二彎曲表面16和18的傾斜角是0，且隨著測量點(diǎn)從主體中心逐漸移向其徑向外部而逐漸增加，并達(dá)到某些值再逐漸減小。即，第一和第二彎曲表面在其傾斜角上具有拐點(diǎn)。(見下文將要討論的圖5)在光強(qiáng)分布變換器10中，由于第一彎曲表面16和第二彎曲表面18上所引起的光折射，從其中出射的光強(qiáng)分布不同于入射到其上的光強(qiáng)分布。在該實(shí)施例中，具有高斯光強(qiáng)分布22的發(fā)散光從第一彎曲表面16入射到主體14中，并穿過主體14。光在第二彎曲表面18從主體14中射出，成為具有均勻光強(qiáng)分布24的平行光。
第二彎曲表面18的傾斜角是這樣確定的從C點(diǎn)射出主體的光線與z軸平行。從發(fā)射點(diǎn)A到表面28小光路的光路長度是彼此相同的，該表面28垂直于z軸且超過C點(diǎn)的平面上。因此，該光強(qiáng)分布變換器10不僅變換A點(diǎn)處的光強(qiáng)分布，而且還作為準(zhǔn)直透鏡用。
Wa代表光強(qiáng)分布變換器10上入射光的孔徑直徑，而Wb代表其出射光的孔徑直徑。用θ表示A點(diǎn)對入射孔徑直徑Wa的張角。在設(shè)計(jì)光強(qiáng)分布變換器10時(shí)，要求得到入射孔徑直徑Wa之內(nèi)(發(fā)射角之內(nèi))具有高斯光強(qiáng)分布22的發(fā)散光總光強(qiáng)Q。由于入射光的總光強(qiáng)等于發(fā)射光的總光強(qiáng)，并由于發(fā)射光具有均勻的光強(qiáng)分布，所以我們有下述公式，其中I0代表發(fā)射光的光強(qiáng)。
Q＝I0×π(Wb/2)2換句話說，發(fā)射光強(qiáng)I0可以通過入射孔徑直徑Wa內(nèi)的總光強(qiáng)除以所需發(fā)射孔徑面積而得到。均勻的光強(qiáng)分布可使光利用率最大。
下文將說明第一和第二彎曲表面16和18的設(shè)計(jì)。對于入射光，通過發(fā)射角θ除以k而得θ/k，可得到具有同一中心的同心區(qū)ΔI1，ΔI2，～ΔIk的光強(qiáng)Q1，Q2，～Qk。然后，對發(fā)射光，可得到具有同一中心且分別具有Q1，Q2，～Qk相同光強(qiáng)的同心區(qū)ΔO1，ΔO2，～ΔOk。因此，從等式Qk＝I0×π(r2k-r2k-1)得到對應(yīng)于入射光區(qū)域ΔIk的發(fā)射光區(qū)域ΔOk半徑rk。
圖3是圖1和2的局部放大圖。在圖3中略去了圖2中的平板26。應(yīng)該清楚，如果有該平板，可以進(jìn)行同考慮平板26一樣的下述計(jì)算。首先，根據(jù)所存儲的數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定發(fā)射點(diǎn)A與光強(qiáng)分布變換器10之間的距離F，和光強(qiáng)分布變換器10的厚度T。從發(fā)射點(diǎn)A劃出與中心軸12成角度θ/k的直線30，直線30與在F點(diǎn)垂直于中心軸12的線段32的交點(diǎn)定義為B1。在F+T距離處垂直于中心軸12的線段34與對應(yīng)于半徑r1的直線36的交點(diǎn)定義為C1。劃出連接點(diǎn)B1與點(diǎn)C1的線段38。
第一彎曲表面16通過點(diǎn)B1的微小部分的傾斜角161這樣確定，使線段30對應(yīng)于輸入光光路而使線段38對應(yīng)于折射光光路。然后，第二彎曲表面18通過點(diǎn)C1的微小部分的傾斜角181這樣確定，使輸入光光路對應(yīng)于線段38，而使折射光光路對應(yīng)于線段36且平行于中心軸線12。
接下來，按與前述計(jì)算相同的方法，從點(diǎn)A劃出與中心軸12成角度2θ/k的直線40，并劃出分別對應(yīng)于r1+r2的線段42，由此確定點(diǎn)B2和點(diǎn)C2。然后劃出連接點(diǎn)B2與點(diǎn)C2的線段44。于是，確定出第一彎曲表面16通過點(diǎn)B2的微小部分的傾斜角162，和第二彎曲表面18通過點(diǎn)C2的微小部分的傾斜角182。這里應(yīng)注意，點(diǎn)B2不一定總是位于線段32上，而應(yīng)該位于可平滑連接傾斜角161和傾斜角162的位置。類似地，點(diǎn)C2這樣確定，使傾斜角181和傾斜角182可平滑地連接。然后，第一彎曲表面和第二彎曲表面可以通過重復(fù)上述計(jì)算而確定下來。
可以根據(jù)對于具有不同發(fā)射角的光束的光路長度相同(到垂直于z軸的表面)的條件，發(fā)射光被準(zhǔn)直的點(diǎn)C處的傾斜角，和B與C側(cè)平滑連接的彎曲表面計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)A與光強(qiáng)分布變換器10之間的距離F和預(yù)定的厚度T。為了更好地符合所需的條件，可以改變所得的距離F和厚度T進(jìn)行計(jì)算。
所得的結(jié)果用舉例的方式將每個(gè)微小發(fā)射角的光路表示在圖2中。在第二彎曲表面18的出射端，光軸附近的中心光束間的距離大，而外圍光束間的距離小。光強(qiáng)分布變換器10的形狀可根據(jù)發(fā)射點(diǎn)A與器件10之間的距離F、器件的厚度T、和發(fā)射孔徑直徑Wb而明顯地改變。這將在下文參考附圖9至12進(jìn)行說明。
圖4表示了圖2所示光強(qiáng)分布變換器10中的第一和第二彎曲表面16和18的形狀。半徑代表x軸或y軸方向上的位置。在圖5中，表示出圖4中第一和第二彎曲表面16和18的傾斜角。這些圖表明，第一彎曲表面16的傾斜角具有拐點(diǎn)P，而第二彎曲表面的傾斜角具有拐點(diǎn)Q。而且，拐點(diǎn)P和Q在圖4中表示在點(diǎn)P和點(diǎn)Q。在接收發(fā)散光而發(fā)出會聚光并變換光強(qiáng)分布的光強(qiáng)分布變換器10中，第一和第二彎曲表面16和18的傾斜角分別具有拐點(diǎn)P和Q。在下文所述實(shí)施例中，第一和第二彎曲表面具有傾斜角拐點(diǎn)。在本發(fā)明的另一種方案中，主體14可以是具有折射率分布形式的，而非具有傾斜角拐點(diǎn)的表面構(gòu)造。
圖6A和6B表示了透鏡的正弦定律。在圖6A中，z軸代表光軸方向。從z軸上點(diǎn)A以角θ0發(fā)出的光，從點(diǎn)B進(jìn)入元件46。該光發(fā)生折射，彎曲并以距離L透過元件46，然后在點(diǎn)C再次折射和彎曲并從該處發(fā)射出去。而后，光束以角θ1會聚到z軸上點(diǎn)D。這里，點(diǎn)A是物方焦點(diǎn)，而點(diǎn)D是像方焦點(diǎn)。
如果點(diǎn)A發(fā)出的光強(qiáng)分布是關(guān)于z軸對稱的，則通過連續(xù)改變不同角度θ0時(shí)發(fā)出的光束的橫向放大率，所發(fā)出光的光強(qiáng)度分布可以變換成不同于入射光的分布。橫向放大率β可從下式得到，β＝(nsinθ0)/(n′sinθ1)其中n代表光入射到其上的介質(zhì)的折射率，而n′代表光從其中發(fā)出的介質(zhì)的折射率。按常規(guī)制造準(zhǔn)直透鏡滿足正弦條件。在本發(fā)明中，可用作準(zhǔn)直透鏡的光強(qiáng)分布變換器10特意制成不滿足正弦條件。
如圖6B所示，如果物點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，從下式可得到焦距f，f＝h/(n′sinθ1)其中h表示平行于z軸的入射光的高度。改變象點(diǎn)的h/sinθ1值可得到與入射光光強(qiáng)分布不相同的出射光強(qiáng)分布。在任何情況下，選擇距離L和點(diǎn)C和B處的折射角，而且元件的表面是連續(xù)的，使得以不同角度從物點(diǎn)發(fā)出的光束的物點(diǎn)象點(diǎn)之間光路長度之差不大于瑞利極限值。
本發(fā)明的光強(qiáng)分布變換器10可以將給定光強(qiáng)分布變換成選出的連續(xù)光強(qiáng)分布，以減小因軸向失準(zhǔn)或制造誤差如厚度不均勻而產(chǎn)生的波前象差。而且，若器件10具有透鏡功能，它可以用作準(zhǔn)直透鏡，且可減少光學(xué)裝置中元件的數(shù)量。如果光強(qiáng)分布變換器10的主體14具有各向同性的折射率，則該主體可以制成關(guān)于光軸對稱。由于是靠折射變換光強(qiáng)分布，所以可減少光的吸收或反射損耗。由于光束的光路長度是相同的，所以光斑直徑可以減小到衍射極限。
圖7表示了包含圖1和2所示光強(qiáng)分布變換器10的光盤裝置50。該光盤裝置50具有激光光源52，準(zhǔn)直透鏡54，和物鏡56。準(zhǔn)直透鏡54由圖1至3所示光強(qiáng)分布變換器10構(gòu)成。這種方案具有如前所述的優(yōu)點(diǎn)。通常，激光光源52發(fā)出具有高斯光強(qiáng)分布的發(fā)散光。由光強(qiáng)分布變換器10構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡，將激光光源52發(fā)出的激光變換成準(zhǔn)直光。然后，物鏡56會聚該光并使其以更小的光斑直徑和更大的光強(qiáng)入射到光盤58上。
圖8表示了包含光強(qiáng)分布變換器10的光盤裝置50。該光盤裝置50具有激光光源52，準(zhǔn)直透鏡53，和物鏡56。物鏡由下文將要討論的光強(qiáng)分布變換器10構(gòu)成。物鏡56可以用更小的光斑直徑和更大的光強(qiáng)掃描光盤58。
圖9A至9C表示了圖1至3所示光強(qiáng)分布變換器10的改型實(shí)施例。這些實(shí)例表示出當(dāng)發(fā)射點(diǎn)A到光強(qiáng)分布變換器10的距離F及其厚度T改變時(shí)，光強(qiáng)分布變換器10的各種不同形狀。圖9A至9C表示了當(dāng)發(fā)射點(diǎn)A到光強(qiáng)分布變換器10的距離F改變而其厚度T不變時(shí)，光強(qiáng)分布變換器10的形狀。平板26的厚度為1mm。光強(qiáng)分布變換器10的形狀因發(fā)射點(diǎn)A至器件10的距離F的不同而不同。距離F越短，第一和第二彎曲表面16和18的曲率越大。
圖10A至10C表示了當(dāng)厚度T改變而距離F保持不變時(shí)，光強(qiáng)分布變換器10的各種形狀。平板26的厚度為1mm。光強(qiáng)分布變換器10的形狀因光強(qiáng)分布變換器10的厚度的不同而不同。當(dāng)厚度減小時(shí)，第一和第二彎曲表面16和18的曲率增大。圖11A和11B表示出當(dāng)發(fā)射點(diǎn)A到光強(qiáng)分布變換器10的距離F及其厚度T保持不變時(shí)，其所發(fā)出光的孔徑直徑Wb不同的實(shí)例。在這些實(shí)例中，F(xiàn)為0.8mm，而T為3.5mm。圖11A中的發(fā)射光孔徑直徑Wb1是3mm，而圖11B中的同一Wb2為4mm。注意，發(fā)射點(diǎn)A發(fā)出的入射光孔徑直徑Wa的半角度α均為18度。而且，在圖9和10所示實(shí)例中，半角度α均為18度。如前文看到的，由于光強(qiáng)分布變換器10在形狀上具有一定的自由度，根據(jù)尺寸精度或所用光學(xué)系統(tǒng)需要，可得到優(yōu)化形狀的的光強(qiáng)分布變換器10。
圖12A至12C表示了光強(qiáng)分布變換器10的不同實(shí)例。圖12C表示了輻射點(diǎn)A的發(fā)射特性。在該實(shí)施例中，從A點(diǎn)輻射出去的光具有橢圓光強(qiáng)分布，其中x軸為主軸而y軸為輔軸。如果x軸方向和y軸方向的出射孔徑角Wb1和Wb2相等，則圖12A所示的光強(qiáng)分布變換器10x軸方向的截面形狀將不同于圖12B所示的y軸方向的截面形狀。于是，可以從具有橢圓光強(qiáng)分布的入射光得到具有圓形均勻光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光。
在圖13A和13B中，輻射點(diǎn)A的光具有橢圓光強(qiáng)分布的情況下，通過使光強(qiáng)分布變換器10的形狀關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱，x軸方向的光強(qiáng)分布可不同于y軸方向的分布。例如，圖13A所示的，當(dāng)x軸方向光強(qiáng)分布均勻時(shí)，y軸方向的分布呈拱形。如圖13B所示，當(dāng)y軸方向光強(qiáng)分布均勻時(shí)，y軸方向的分布呈碗形。
圖14A至14C表示了各種變換的光強(qiáng)分布實(shí)例。在圖14A中表示了圓柱形均勻光強(qiáng)分布。圖14B表示了圓柱與圓錐組合的光強(qiáng)分布，其中在其中心光強(qiáng)尤其高。圖14C表示出圓錐形的光強(qiáng)分布。在本發(fā)明中，可得到能發(fā)出各種光強(qiáng)分布的光強(qiáng)分布變換器10。
在上述實(shí)施例中，光強(qiáng)分布變換器10已經(jīng)運(yùn)用于準(zhǔn)直型元件，它將波前具有高斯光強(qiáng)分布的發(fā)散光變換成具有均勻光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光。圖15所示的光強(qiáng)分布變換器10是物鏡型的元件，它將波前具有高斯光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光變換成波前具有均勻光強(qiáng)分布的會聚光?？梢园磁c圖1至3相同方法制造的這種類型的光強(qiáng)分布變換器10，可以用作圖8所示的物鏡56。
在前述實(shí)施例中，要確定器件的形狀，以使得波前象差小于瑞利極限值。應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明的光強(qiáng)分布變換器可以用于光斑直徑未減小到衍射極限的光學(xué)系統(tǒng)中。盡管如前所述的光強(qiáng)分布變換器10是由一片構(gòu)成的，但是可以制造出兩片(或更多)元件10a，10b構(gòu)成的光強(qiáng)分布變換器10，如圖16所示。在這種變化中，器件10的總厚度T比較大以限制波前象差，但是每個(gè)元件10a(10b)的厚度可以是小的，因此易于制造器件。而且，通過在每個(gè)元件10a，10b的一側(cè)形成平面可以減小制造誤差，并利用平表面產(chǎn)生的象差減小裝配誤差。此外，改變元件10a與10b之間的距離，就可以改變光強(qiáng)分布。
圖17表示出光盤裝置50的一個(gè)實(shí)施例，它包括光源52，光強(qiáng)分布變換器10構(gòu)成的準(zhǔn)直透鏡54，和物鏡56。后者支承在鏡座56a中。在本實(shí)施例中，物鏡56放置在準(zhǔn)直透鏡54(光強(qiáng)分布變換器10)發(fā)出的具有均勻光強(qiáng)分布的準(zhǔn)直光之內(nèi)。所以，既使物鏡的位置如56′所示有偏差，孔徑直徑(Wo)的位置偏差也在器件10所發(fā)出光孔徑直徑Wb之內(nèi)，具有均勻光強(qiáng)分布的預(yù)定強(qiáng)度光總是可以入射到物鏡56上。因此，物鏡56可以發(fā)出預(yù)定強(qiáng)度的小光斑直徑的光。光學(xué)系統(tǒng)裝配精度和物鏡56驅(qū)動(dòng)搜索精度的要求可大大寬松。
圖18A和18B表示出光盤裝置50的另一個(gè)實(shí)施例，它包括光源52，光強(qiáng)分布變換器10，準(zhǔn)直透鏡54，和物鏡(圖中為畫出)。在此實(shí)施例中，光強(qiáng)分布變換器10放置在光源52與準(zhǔn)直透鏡54之間，并變換入射光的NA和發(fā)散角，改進(jìn)光強(qiáng)分布。
在圖18A中，安排光強(qiáng)分布變換器10，以使得進(jìn)入光強(qiáng)分布變換器10的發(fā)散光按更大的發(fā)散角從其中出射。在圖18B中，安排光強(qiáng)分布變換器10，以使得進(jìn)入光強(qiáng)分布變換器10的發(fā)散光以較小的發(fā)散角出射。
用f代表準(zhǔn)直透鏡54的焦距。在許多情況下，光源52與準(zhǔn)直透鏡54之間的距離不能縮短，以提供必要的軸向精度。但是，在圖18A和18B所示的方案中，好象縮短了光源52與準(zhǔn)直透鏡54之間的距離，從而可以提高準(zhǔn)直透鏡54所接收的光強(qiáng)。因此，可改善利用率和光斑直徑。
圖19表示光盤裝置50的一個(gè)實(shí)施例，它包括光源52(輻射點(diǎn)A)，透明平行平板27，準(zhǔn)直透鏡54(光強(qiáng)分布變換器10)，和物鏡(未畫出)。在此實(shí)施例中，放置在光源52與準(zhǔn)直透鏡54之間的平行平板27是可以相對于光軸傾斜的。物鏡后方象點(diǎn)所產(chǎn)生的波前象差可以通過傾斜該平行平板27而得到校正。
如果輻射點(diǎn)A的正確位置是A0，其平行平板的正確位置是27′，則輻射點(diǎn)A的偏差將增大物鏡后方象點(diǎn)的波前象差。為了防止出現(xiàn)這一情況，要根據(jù)點(diǎn)A的位置偏差，通過傾斜平行平板27而調(diào)節(jié)光路長度偏差來校正物鏡后方象點(diǎn)產(chǎn)生的波象差。
圖20表示出發(fā)光裝置60的一個(gè)實(shí)施例，它采用了光源62和光強(qiáng)分布變換器10。在此實(shí)施例中，由發(fā)光器件，如發(fā)光二極管，構(gòu)成的光源62是二維布置的，而蜂窩式光強(qiáng)分布變換器與發(fā)光器件對應(yīng)地布置。每個(gè)光強(qiáng)分布變換器10都接收來自發(fā)光器件的發(fā)散光，并輸出具有均勻光強(qiáng)分布的光。由于許多光強(qiáng)分布變換器布置在一個(gè)平面內(nèi)，所以可以從同一個(gè)平面發(fā)出具有均勻光強(qiáng)分布的光。因此，發(fā)光裝置可以用于顯示器的背光，并可提高給定方向的照度而沒有光強(qiáng)損耗。這樣，由于透鏡所發(fā)散的光不是散射的點(diǎn)分布，而是均勻的光強(qiáng)分布，所以該發(fā)光裝置可以用在以LED陣列作為發(fā)光器件的顯微場合。
如上文所作的說明，在本發(fā)明中，可將選擇的光強(qiáng)分布變換成所需分布的光強(qiáng)分布變換器，可以減小波前象差，并增加光束會聚性和光斑形狀的設(shè)計(jì)自由度。該器件產(chǎn)生強(qiáng)光，并減少光強(qiáng)的損耗。而且，光強(qiáng)分布變換器可用來代替準(zhǔn)直發(fā)散光的準(zhǔn)直透鏡，或代替將準(zhǔn)直光轉(zhuǎn)換成會聚光的物鏡，因此不僅能抑制波前象差，而且可用減小光斑形狀同時(shí)不增加光學(xué)裝置的元件數(shù)量。
權(quán)利要求
1.一種光強(qiáng)分布變換器，包括一個(gè)具有中心軸的主體，相對于該中心軸橫向延伸的第一彎曲表面，相對于該中心軸橫向延伸的第二彎曲表面，和在第一和第二彎曲表面之間延伸的外環(huán)表面；所述第一和第二彎曲表面中的一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凹表面的形狀；而另一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凸表面的形狀；入射光和出射光至少之一是發(fā)散或會聚的光；且第一和第二彎曲表面的是這樣形成的使得由于在光通過第一彎曲表面投射向第二彎曲表面時(shí)引起的折射作用，入射光的光強(qiáng)分布不同于出射光的光強(qiáng)分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述第一彎曲表面和所述第二彎曲表面至少之一的曲率具有拐點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的布置是這樣的將發(fā)散光變換成平行光，其中出瞳大于入瞳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的布置是這樣的將具有高斯光強(qiáng)分布的發(fā)散光變換成具有同心區(qū)光強(qiáng)較低而外圍部分光強(qiáng)較高的光強(qiáng)分布的平行光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的布置是這樣的將具有高斯光強(qiáng)分布的平行光變換成具有同心區(qū)光強(qiáng)較低而外圍部分光強(qiáng)較高的光強(qiáng)分布的會聚光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的器件具有其對稱軸與入射光光強(qiáng)分布的對稱軸相同的截面形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的第一彎曲表面和所述第二彎曲表面是關(guān)于中心軸旋轉(zhuǎn)對稱的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光強(qiáng)分布變換器，其特征在于所述的布置是這樣的將具有第一發(fā)散角的發(fā)散光轉(zhuǎn)換成具有不同于第一發(fā)散角的第二發(fā)散角的發(fā)散光。
9.一種光強(qiáng)分布變換器，包括一個(gè)具有中心軸的主體，相對于該中心軸橫向延伸的第一彎曲表面，相對于該中心軸橫向延伸的第二彎曲表面，和在第一和第二彎曲表面之間延伸的外環(huán)表面；所述第一和第二彎曲表面中的一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凹表面的形狀；第一和第二彎曲表面的形狀這樣的由于光通過第一和第二彎曲表面而引起的光折射作用，使得入射光的光強(qiáng)分布不同于出射光的分布；以及其中的布置是這樣的將具有高斯光強(qiáng)分布的發(fā)散光變換成具有同心區(qū)光強(qiáng)較低而外圍部分光強(qiáng)較高的光強(qiáng)分布的平行光，或者其中的布置是這樣的將具有高斯光強(qiáng)分布的平行光變換成具有同心區(qū)光強(qiáng)較低而外圍部分光強(qiáng)較高的光強(qiáng)分布的會聚光。
10.一種光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置，包括光源，準(zhǔn)直透鏡，和物鏡，至少所述準(zhǔn)直透鏡和所述物鏡至少之一布置成一個(gè)光強(qiáng)分布變換器，所述的光強(qiáng)分布變換器包括一個(gè)具有中心軸的主體，相對于該中心軸橫向延伸的第一彎曲表面，相對于該中心軸橫向延伸的第二彎曲表面，和在第一和第二彎曲表面之間延伸的外環(huán)表面；所述第一和第二彎曲表面中的一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凹表面的形狀；而另一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凸表面的形狀；入射光和出射光至少之一是發(fā)散或會聚的光；且第一和第二彎曲表面的形狀這樣的使得由于在光通過第一彎曲表面投射向第二彎曲表面時(shí)的折射作用，入射光的光強(qiáng)分布不同于出射光的光強(qiáng)分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)存儲裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括放置在所述光源與所述準(zhǔn)直透鏡之間的透明平板，所述準(zhǔn)直透鏡被安置成所述光強(qiáng)分布變換器，所述的透明平板相對于光軸傾斜地安排，以便通過傾斜所述平板來補(bǔ)償位于物鏡后方成象點(diǎn)處的波前象差。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)存儲裝置，其特征在于，所述的準(zhǔn)直透鏡被安置成所述的光強(qiáng)分布變換器，且所述光強(qiáng)分布變換器出射光的孔徑直徑不同于物鏡的有效孔徑直徑。
全文摘要
一種光強(qiáng)分布變換器由透明的主體構(gòu)成,它有第一彎曲表面,第二彎曲表面,和在第一和第二彎曲表面之間延伸的外環(huán)表面。第一和第二表面中的一個(gè)具有凹表面的形狀,而另一個(gè)在其同心區(qū)附近具有凸表面的形狀。發(fā)散光入射到第一彎曲表面上。從第一彎曲表面入射到主體中的光其光強(qiáng)分布不同于從第二彎曲表面自主體出射光的分布。光強(qiáng)分布變換器可以用作光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置中的準(zhǔn)直透鏡或物鏡。
文檔編號G02B3/00GK1247992SQ99118318
公開日2000年3月22日 申請日期1999年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月14日
發(fā)明者田和文博, 長谷川信也 申請人:富士通株式會社