DD229507A5

DD229507A5 - Einfache linse mit einer asphaerischen oberflaeche

Info

Publication number: DD229507A5
Application number: DD84270266A
Authority: DD
Inventors: Josephus J M Braat; Albert Smid
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1983-12-07
Filing date: 1984-12-04
Publication date: 1985-11-06
Also published as: DK160109B; ES538239A0; DK575884D0; EP0146178A1; JPS60126616A; EP0146178B1; SG86490G; AU573659B2; DK575884A; NL8304213A; DE3477695D1; ES8608179A1; AU3635284A; ATE42151T1; US4668056A; CA1255527A; JPH0614135B2

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, die Linse so auszubilden, dass sie eine verhaeltnismaessig grosse numerische Apertur und ein verhaeltnismaessig grosses begrenztes Beugungsfeld aufweist und zum Einschreiben und Lesen von Informationen einer Informationsflaeche eines Traegersubstrats geeignet ist. Die Linse ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formfaktor C2/C1 und der Linsenfaktor Fd/(n1)f den Zusammenhang C1/C2aF2bfc fuer Vergroesserungen der Linse zwischen N0 und M0,222 aufweisen, wobei fuer diese Vergroesserungen die Werte der Koeffizienten a, b und c, der Linsenfaktor F bei verschiedenen Werten der numerischen Apertur N. A. und des Brechungsindexes n des Linsenmaterials der im ersten Anspruchspunkt aufgefuehrten Tabelle entnommen werden koennen. Dabei sind d die axiale Dicke der Linse, f der Brennpunktabstand der Linse, C1 die paraxiale Kruemmung der asphaerischen Oberflaeche und C2 die Kruemmung der anderen Linsenoberflaeche. Die Kruemmungen der Linsenoberflaechen und die Dicke der Linse sind derart, dass die vom Substrat verursachten Aberrationen ausgeglichen werden. Fig. 1

Description

Berlin, den 17. 4. 35 64 714 16

Einfache Linse mit einer asphärischen Oberfläche Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine einfache Linse mit einer asphärischen Oberfläche zur Bildung eines abtastenden, beugungsbegrenzten Strahlungsflecks auf einer Informationsfläche eines durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrats, das von einem, den Strahlungsfleck bildenden Lichtstrahl durchgesetzt wird und eine Oicke von etwa 1,2 mm hat. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine optische Abtasteinheit mit einer derartigen Linse.

Mit einer Dicke von etwa 1,2 mm ist eine Dicke von 1,2 _+ 0,3 mm gemeint.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der niederländischen Patentanmeldung Nr. 8 103 323 (PHN 10101) ist eine einfache Linse mit einer sphärischen und einer asphärischen Oberfläche mit der Kurzbezeichnung einer mono-asphärischen Linse beschrieben, die ein großes beugungsbegrenztes Feld und eine verhältnismäßig große numerische Apertur hat (N.A. > 0,25). Dieser Linse liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Koma der dritten Ordnung bei der Bedingung einer großen numerischen Apertur bewußt zugelassen wird, um durch Koma höherer Ordnungen ausgeglichen zu werden, so dab die mono-asphärische Linse dennoch ein verhältnismäßig großes beugungsbegrenztes Feld haben kann.

Es sei auch bemerkt, daß eine einfache Linse mit einer asphä-

- ' ·'· -Ί; U

li

Tischen und einer flachen Oberfläche bekannt ist· Beispielsweise läßt sich auf die US-Patentschrift 2 530 397 verweisen, in der eine Linse mit einer flachen Vorderseite und einer Rückseite in Form einer 2.Ordnung-Umdrehungsoberfläche beschrieben ist. Diese Linse ist mit einer Blende im Abstand zu kombinieren. Die Hauptaufgabe der Asphärizität ist es, die Linse unastigmatisch zu machen; es ist keine Rede davon^ die Linse komafrei oder frei von sphärischer Aberration zu machen. Die Linse nach der US-PS 2 530 397 hat eine kleine numerische Apertur* Als zweites Beispiel läßt sich die offengelegte deutsche Patentanmeldung 1 278 131 erwähnen» In der Beschreibung der deutschen Patentanmeldung, die den Schutz für eine Linse mit einer asphärischen und einer sphärischen Oberfläche verlangt, wird bemerkt, daß bei einer Linse mit einer flachen Oberfläche die sphärische Aberration dadurch beseitigt werden kann, daß die andere Oberfläche asphärisch gemacht wird, aber es wird hinzugefügt, daß dies nur für eine Linse mit einer kleinen numerischen Apertur gilt.

Die Bedingungen einer verhältnismäßig großen numerischen Apertur und eines verhältnismäßig großen beugungsbegrenzten Feldes werden insbesondere gestellt, wenn die mono-asphärische Linse als Objektivlinse in einer optischen Abtasteinheit verwendet wird, mit der eine Informationsfläche in einem optischen Aufzeichnungsträger gelesen oder eingeschrieben wird. Dabei muß diese Informationsfläche mit einem sehr kleinen Strahlungsfleck abgetastet werden, dessen Durchmesser in der Größenordnung von 1 ,um liegt. Dennoch muß das Objektiv ein bestimmtes Feld besitzen, damit ein scharfer

Strahlungsfleck auch in der Umgebung der optischen Achse des Objektivs gebildet werden kann, damit kleine Unregelmäßigkeiten in der Positionierung des Strahlungsflecks in bezug auf die Informationsspuren in der Informationsfläche korrigiert v/erden können.

Beim Lesen und/oder Schreiben eines optischen Aufzeichnungsträgers ist es besonders vorteilhaft, wenn der auf der Informationsfläche fokussierte Strahl das durchsichtige Substrat durchsetzt» Dabei arbeitet dieses Substrat, das naturgemäß bereits einige Dicke haben muß, als Schutzschicht, die Staubpartikel, Fingerabdrücke, Kratzer und dgl, in einigem Abstand von der Informationsfläche hält, so daß"sie nahezu keinen Einfluß auf den Lesevorgang und/oder Schreibvorgang haben.

Die mono-asphärische Linse nach der niederländischen Patentanmeldung Nr. 81 03323 (PHN 10101) ist für Bildformung im freien Raum entwickelt und eignet sich dadurch weniger zum Lesen und/oder Schreiben einer Informationsfläche durch das Trägersubstrat hindurch.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Linse mit verhältnismäßig großer numerischer Apertur und verhältnismäßig großem, begrenztem Beugungsfeld zum Einschreiben und Lesen von Informationen einer I_nformationsflache eines Trägersubstrats verfügbar zu haben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Linse in geeigneter Weise auszubilden.

Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen monoasphärischen Linse dadurch gelöst, daß der Formfaktor C₁ZC₂ und der Linsenfaktor F = d / (n-l).f folgenden Zusammenhang aufweisen:

^C2 2

~ = a.F^ + b.F + C

^Ll

für Vergrößerungen der Linse zwischen M=O und M = 0,222, wobei für diese Vergrößerungen die Werte der Koeffizienten a, b und c und der Linsenfaktor F bei verschiedenen Werten der numerischen Apertur N.A. und des Brechungsindexes η des Linsenmaterials durch nachstehende Tabellen gegeben werden.

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Il	U	II
C	C	C

und wobei d die axiale Dicke der Linse, f der Brennpunktabstand der Linse, C_-. die paraxiale Krümmung der asphärischen Oberfläche und C„ die Krümmung der anderen Linsenoberfläche darstellen.

·

Die axiale Li'nsendicke ist die entlang der optischen Achse der Linse gemessene Dicke. Die paraxiale Krümmung der asphärischen Oberfläche ist die Krümmung an der Stelle des Schnittpunktes dieser Oberfläche mit der optischen Achse.

Dieser Linse liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Abbildung durch eine durchsichtige Platte hindurch die von dieser Platte verursachte sphärische Aberration in den Krümmungen der Linsenoberflächen und in der Linsendicke zu berücksichtigen ist.

Durch das Festlegen der paraxialen Krümmung ist die asphärische Oberfläche eindeutig bestimmt« Die Berechnung der anderen Punkte der asphärischen Oberfläche erfolgt nach dem Kriterium, daß die Linse frei von sphärischer Abberation sein soll, was bedeutet, daß die optische Weglänge für alle Strahlen des Gegenstandpunktes auf der Achse zum zugeordneten Bildpunkt auf der Achse gleich ist.

Es ist im allgemeinen nicht möglich, für die Koordinaten der gewünschten asphärischen Oberfläche analytische Ausdrücke zu finden. Mit Hilfe eines modernen Rechners ist es jedoch kein Problem, iterativ für einige Strahlen in verschiedenen Abständen zur optischen Achse die Weglängen aneinander anzugleichen, oder was auf dasselbe herauskommt, alle Bildstrahlen durch einen Punkt gehen zu lassen.

Zur Beschränkung der Rechenzeit ist es auch möglich, das Problem analytisch möglichst weit auszuarbeiten und nur den letzten Schritt, d_# h. die Lösung eines transzedenten Vergleichs, numerisch durchzuführen, siehe E. Wolf, "Proc. Phys, Soc." 61, 494 (1948).

Bei beiden Verfahren verfügt man schließlich über eine Sammlung diskreter Punkte der verlangten asphärischen Oberfläche* Nach Bedarf kann durch diese Punktesammlung eine Annäherungskurve gezogen werden, die durch eine Reihenentwicklung dargestellt wird« Die Koeffizienten dieser Reihenentwicklung .legen dabei die asphärische Oberfläche eindeutig fest.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer mono-asphärischen Linse nach der Erfindung mit einer Vergrößerung M = 0,- einem Brennpunktabstand f = 4,5 mm und einer numerischen Apertur N₄A, = 0,45, ist dadurch gekennzeichnet, daß die nicht asphärische Oberfläche eine flache Oberfläche ist und dass der paraxiale Krümmungsradius R der asphärischen Oberfläche folgender Bedingung entspricht:

j- = 5,8 n² + 23,7n - 22,9.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer anderen mono-asphärischen Linse nach der Erfindung mit einer Vergrößerung M = O, einem Brenr.punktabstand f = 4,5 und einer numerischen Apertur N_#A, = 0,50 ist dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-asphärische Oberfläche eine flache Oberfläche ist und daß der Krümmungsradius R der asphärischen Oberfläche folgender Bedingung entspricht;

i = _5n² + 20,5n - 19,3

Überraschenderweise ist es möglich, daß auch eine monoasphärische Linse mit einer flachen statt einer sphärischen Oberfläche, mit der Kurzbezeichnung piano-asphärischen Linse, den Bedingungen einer großen numerischen Apertur und eines großen beugungsbegrenzten Feldes entsprechen kann.

Während eine mono-asphärische Linse in bezug auf eine biasphärische Linse schon den großen Vorteil bietet, daß bei der Herstellung der erstgenannten Linse durch Pressen oder Replikationstechniken nur eine asphärische Matrize erforderlich ist, bietet eine plano-asphärische Linse noch Weitere Vorteile. Eine flache Oberfläche läßt sich einfacher herstellen als eine sphärische Oberfläche, wobei eine planoasphärische Linse für eine Dezentrierung der asphärischen Oberfläche weniger empfindlich ist; bei der Montage braucht nur die Winkelstellung zur optischen Achse ausgerichtet zu werden.

Die bekannten Linsen sind nicht zur Abbildung durch ein durchsichtiges Substrat hindurch entwickelt und besitzen nicht die Kombination einer großen numerischen Apertur und eines relativ großen beugungsbegrenzten Feldes, eine Kombination, die die erfindungsgeraäße Linse als Lese- bzw, Schreibobjektiv in Anordnungen zum Lesen bzw. Schreiben optischer Aufzeichnungsträger besonders geeignet macht. Der größte Teil der Leseanordnungen, nämlich die, die zum Lesen von Aufzeichnungsträgern dienen, auf denen ein Video- oder Audioprogramm gespeichert ist, sind für den Konsumentenmarkt

gedacht, was bedeutet, daß sie möglichst preisgünstig sein müssen, d, h. möglichst wenig optische Komponenten enthalten und auf einfache Weise montierbar sein müssen.

Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist eine optische Abtasteinheit. Eine optische Abtasteinheit mit einer Strahlungsquelle, einer Kollimatorlinse und einem Objektiv zum Fokussieren des-von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahles zu einem Strahlungsfleck auf einer Informationsfläche auf einem durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrat wird erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv aus einer einfachen Linse nach den obengegebenen Spezifikationen mit einer Vergrößerung M=O besteht, und daß die asphärische Oberfläche des Objektivs zur Strahlungsquelle hin gerichtet ist»

Eine andere Ausführungsform eines optischen Abtastsysteras mit einer. Strahlungsquelle und einem Objektiv zum Fokussieren eines von der Strahlungsquelle herrührenden, divergenten Bündels zu einem Strahlungsfleck auf einer Informationsfläche auf einem durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrat ist dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv aus einer einfachen Linse nach den oben gegebenen technischen Daten mit einer Vergrößerung M = -0,222 besteht, und daß die asphärische Oberfläche des Objektivs zur Strahlungsquelle hin gerichtet ist.

In dieser Ausführungsform wird keine getrennte Kollimatorlinse verwendet, ist aber die Funktion von Kollimatorlinse und Objektivlinse in einer einfachen Linse mit einer asphärischen Oberfläche vereint, was eine überraschend umfangreiche Funktion

dieser Linse bedeutet.

Damit das Objektiv ein genügend großes Feld besitzt, ist die asphärische Oberfläche der Strahlungsquelle zugewandt. Insbesondere wenn die Linse aus einem Glaskörper besteht, auf dessen gekrümmten Oberfläche eine Kunststoffschicht angebracht ist, ist dies vorteilhaft. Denn der Kunststoff ist weicher als.Glas und kann schneller beschädigt werden, so daß, wenn die Kunststoffschicht die Außenfläche einer Abtasteinheit bildet, das Objektiv leicht vom Benutzer beschädigt werden kann, beispielsweise wenn er Staub vom Objektiv entfernen möchte,

AusfQhrunqsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße

Linse mit der Vergrößerung M = O und den Strahlengang durch diese Linse zur Bildfläche;

Fig, 2: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Linse mit der Vergrößerung M = -0,222 und den Strahlengang durch diese Linse;

Fig. 3: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße plano-asphärische Linse;

Fig, 4 mono-asphärischer Linsen, die aus einem Glas- und 5: körper und einer Kunststoffschicht zusammenge-

setzt sind, und

Fig. 6 optische Abtasteinheiten nach der Erfindung. und .7:

In Fig, 1 ist IO eine erfindungsgemäße mono-asphärische Linse, die einen parallelen Strahl b, also einen Strahl aus einem Gegenstand im Unendlichen (s = - ~~ ), auf der Informationsfläche 18 eines Aufzeichnungsträgers 16 fokussieren muß, wobei der Strahl das durchsichtige Substrat 17 durchsetzt. Vom Strahl b sind nur die Randstrahlen parallel zur optischen Achse 0-0" dargestellt. Unter Randstrahlen seien Strahlen verstanden, die gerade den Rand der Pupille 11 passieren. Die an der asphärischen Oberfläche 12 gebrochenen Randstrahlen durchsetzen die Linse 10 mit der Achsdicke d, werden anschließend von der sphärischen Oberfläche 13 zur optischen Achse hin gebrochen und schließlich werden sie durch die Vorderseite des Substrats 17 gebrochen. Die Teilstrahlen des parallelen Strahls kommen auf der optischen Achse in der Informationsfläche 13 zusammen, die Fläche 18 bildes also die Bildfläche der mono-asphärischen Linse. Der Abstand der sphärischen Oberfläche 13 der Linse zur Informationsfläche 18 ist s'. Der Durchmesser der Pupille 11 und also der wirksame Durchmesser der Linse 10 ist mit 2 Y

angegeben. Die beugungsbegrenzte Abbildung oder der Strahlungsfleck V in der Informationsfläche 18 hat einen kleinen Durchmesser. Der Winkel zwischen der optischen Achse 0-0' und den an der sphärischen Oberfläche 13 gebrochenen Randstrahlen ist o^ . Die numerische Apertur N.A. ist sin '* proportional.

Die asphärische Oberfläche 12 ist von der paraxialen Krümmung C. -paraxial bestimmt, d. h. von der Krümmung an der Stelle des Schnittpunktes 15 dieser Oberfläche mit der optischen Achse. Die sphärische Oberfläche 13 hat eine Krümmung

Für eine Linse mit einem großen beugungsbegrenzten Feld, bei der Feldkoma der dritten Ordnung möglichst von Koma höhe'rer Ordnungen ausgeglichen wird und die nur noch etwas Astigmatismus als Bildfehler aufweist, gilt erfindungsgemäß für die Quotienten C₂ZC₁, der der Formfaktor genannt wird:

= a

(n-1) f

+ b

(n-1) f J

+ c

wobei für die hier beschriebene Ausführungsform mit einer Vergrößerung M=O die Koeffizienten a, b und c und der Linsenfaktor F = d/(n-l),f für verschiedene Werte des Brechungsindexes η des Linsenmaterials und der numerischen Apertur N.A* der Linse durch folgende Tabelle gegeben werden.

N.A, = 0,40

N.A. = 0,45

N.A. = 0,50

abc ab c ab c n=l,50 -0,63 0,75 -0,47 -0,50 0,60 -0,41 -0,25 0,15 -0,16 0,3-1,5

n=l,75 -2,13 3,60 -1,62 -1,50 2,40 -1,03 -1,25 2,00 -0,85 0,7-1,5 n=2,00 -4,13 7,50 -3,27 -3,13 5,60 -2,35 -2,50 4,40 -1,76 0,7-1,5

Die oben angegebenen Werte gelten beispielsweise für ein Kunststoffsubstrat mit einer Dicke d = 1,2 mm und einem Brechungsindex n_g im Bereich von etwa 1,48 bis etwa 1,7.

In einer Ausführungsform einer mono-asphärischen Linse des

C vorgenannten Typs ist der Formfaktor _—2 = -0,20, der

^Gl

Brechungsindex η = 1,75 und Achsdicke d = 3,7 mm. Der Abstand zwischen der Linse 10 und der Informationsfläche 18 ist s' = 3,05 mm. Der wirksame Durchmesser der Linse beträgt 2Y = 4,1 mm. Die Pupille liegt an der Stelle der Oberfläche 12. Die Halbwertbreite des Strahlungsflecks V in der Informationsfläche IS ist etwa 1 ,um, während das Feld einen Radius von 100 ,um hat.

Bei aer Verwendung der mono-asphärischen Linse nach Fig. I₁ wobei die Vergrößerung M=O ist, als Objektiv in einer optischen Abtasteinheit muß diese Linse hinter einer Kollimatorlinse angeordnet sein» Es hat sich gezeigt, daß der mono-asphärischen Linse eine derartige Form gegeben werden kann, daß ein von einer Strahlungsquelle erzeugter divergenter Strahl in einem beugungsbegrenzten Strahlungsfleck sehr geringer Abmessungen fokussiert werden kann, so daß die Verwendung einer Kollimatorlinse entfällt, was eine wesentliche Ersparnis in der optischen Abtasteinheit bedeutet.

In Fig. 2 ist der Strahlengang durch eine derartige Linse mit einer Vergrößerung ungleich Null dargestellt. In dieser Figur ist 19 eine Strahlungsquelle, beispielsweise ein Halbleiterdiodenlaser. Der von dieser Quelle ausgesandte divergierende Strahl b¹, von dem nur die eingefangenen Randstrahlen dargestellt sind,, wird hintereinander durch die asphärische Oberfläche 12, die sphärische Oberfläche 13 und die Vorderseite des Substrats 17 gebrochen, um auf der Informationsfläche 18 in einem beugungsbegrenzten Strahlungsfleck V mit einer Halbwertbreite von etwa 1 ,um fokussiert zu werden.

Auch für diese Linse gilt wieder das oben dargestellte Verhältnis zwischen dem Formfaktor ^c ₂/^c.i ^unc' ^{dera Lin}senfaktor F. Getzt ist jedoch die Vergrößerung M = -0,222 und es gelten für die Koeffizienten a, b und c und den Linsenfaktor folgende Werte:

N.A. = 0,40 N.A, = 0,45 N.A. = 0,50 F

n=l,50 -0,38 0,33 -0,42 -0,38 0,43 -0,45 -0,38 0,53 -0,49 0,8-1,35 n=l,75 -0,50 0,30 -0,25 -0,38 0,18 -0,19 -0,25 0,05 -0,14 0,6-1,35 n=2,00 -0,63 0,38-0,11 -0,63 0,48 -0,16-0,63 0,53 -0,17 0,4-1,35

Auch diese Werte gelten wieder für ein Substrat mit einer Dicke d = 1,2 ram und e:

etwa 1,48 bis etwa 1,7,

Dicke d = 1,2 ram und einem Brechungsindex η im Bereich von

S S

Für eine Ausführungsform dieser Linse beträgt der Formfaktor

Tr= = -0,18» der Brechungsindex η = 2,0 und die Achsdicke ^Gl

d = 3,2 mm. Der Abstand zwischen der Linse 10 und der Bildfläche 18 beträgt etwa 3,9 mm» Der wirksame Durchmesser 2γ der Linse ist 4,4 mm_# Die Pupille liegt auf der asphämax

rischen Oberfläche 12» Die Halbwertbreite des Strahlungsflecks V in der Informationsfläche 18 beträgt etwa 1 ,um, während das Feld einen Radius von etwa 200 ,um hat.

Es sei bemerkt, daß über die Tabellen für M=O und M = -0,222 die zwei wichtigsten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Linse angegeben sind. Für Werte der Vergrößerung M zwischen M = O und M = -0,222 können für einen bestimmten Brechungsindex η die zugeordneten Werte von a_t b, c und F durch lineare Interpolation zwischen den zwei Werten erhalten werden, die in den zwei Tabellen für den bestimmten 8re-

chungsindex η angegeben sind. So beträgt M = -0,15 bei N.A. = 0,40 und η = 1,50 a etwa -0,35 b etwa +0,63 und c etwa -0,45. Weiter können auch je Tabelle, also für einen festen Wert von M, für andere als die drei angegebenen Werte von η die zugeordneten Werte von a, b, c und F durch quadratische Interpolation zwischen diesen drei Werten aus der Tabelle erhalten werden«

Die in den obigen zwei Tabellen gegebenen Werte für a, b, c und F sind ideale Werte· Geringe Abweichungen dieser Vierte sind zulassig, wenn nur die Änderung im Quotienten C₂ durch diese Abweichungen kleiner als etwa 0,03 ist. cT

Bei der Entwicklung der Linsen nach den Tabellen für M = O und M = -0,222 ist mit einer Substratdicke von 1,2 mm gerechnet. Die beschriebenen Linsen können jedoch auch zum Lesen und/oder Schreiben von Aufzeichnungsträgern benutzt werden, deren Sutjstratdicke bis zu etwa 0,3 mm größer oder kleiner als 1,2 mm ist. In diesen Grenzen kann eine größere oder kleinere Substratdicke durch eine kleinere bzw. größere Achsdicke der Linse ausgeglichen werden» Wenn diese Substratdicke von 1,2 ram abweicht, kann der Brennpunktabstand der Linse "mitskaliert" werden, was bedeutet, daß der neue Brennpunktabstand f durch

r - f χ £-

^T - ^r#X 1,2

gegeben wird, worin d¹ die neue Substratdicke und f den Brennpunktabstand darstellen, der zur Substratdicke d = 1,2 mm gehört, bei kleinerem bzw. größerem Brennpunktabstand der

•Linse, Für die hier beschriebenen Linsen liegt der Brennpunktabstand im Bereich von 4 bis 5 mm.

Eine hinsichtlich der Herstellung und der Montage sehr vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mono-asphärischen Linse ist die, bei der die nicht-asphärische Oberfläche flach ist, die sog· plano-asphärische Linse» In Fig, 3 ist der Strahlengang durch eine derartige Linse dargestellt, wenn sie mit einer Kollimatorlinse zusammenarbeitet. Nach der Beschreibung an Hand der Fig, 1 braucht die Fig, 3 keine nähere Erläuterung»

Auch die mono-asphärische Linse in der Anordnung nach Fig. 2 kann durch eine plano-asphärische Linse ersetzt werden.

Die hier gemeinten plano-asphärischen Linsen sind Ausführungsformen der mono-asphärischen Linsen, die in obiger Beschreibung mit Hilfe der zwei Tabellen festgelegt sind. Denn beim Ausfüllen der gegebenen Werte für die Koeffizienten a, b und c, deren Brechungsindex η und den Brennpunktabstand f in der Formel für den Formfaktor Cp/C^ werden einige Kurven in einer X-Y-Ebene erhalten, wobei auf der X-Achse die Dicke d der Linse und entlang der Y-Achse der Formfaktor aufgetragen sind. Einige dieser Kurven, insbesondere die für die höheren Brechungsindizes, haben einen Schnittpunkt mit der X-Achse. Dort ist C„, die Krümmung der sphärischen Oberfläche, gleich Null; mit anderen Worten diese Oberfläche ist flach.

Die plano-asphärische Linse 10 ist durch den paraxialen Krümmungsradius R, aer in Fig, 3 der Deutlichkeit.halber

etwas außerhalb der optischen Achse OO¹ dargestellt ist, aber in der Realität mit dieser zusammenfällt, durch die Achsdicke d und den Brechungsindex η paraxial bestimmt. Für eine piano-asphärische Linse mit einer Vergrößerung M=O und einem großen beugungsbegrenzten FeId₁ bei dem Feldkoma der dritten Ordnung möglichst durch Koma höherer Ordnungen ausgeglichen wird und die nur noch etwas Astigmatismus als Bildfehler, aufweist_f muß erfindungsgemäß das Verhältnis d/R abhängig vom Brechungsindex η eine bestimmte Bedingung erfüllen. Diese Bedingung wird auch durch die numerische Apertur der Linse und durch den Brennpunktabstand bestimmt. Für eine Linse, wobei f = 4,5 mm und N,A. = 0,45 ist, sieht diese Bedingung wie folgt aus:

-| = -5,8n² + 23,7n - 22,9

Für eine Linse, wobei f = 4,5 mm und N.A. = 0,50 ist, muß folgende Bedingung erfüllt sein;

ä = _5n² + 20,5n - 19,3.

Plano-asphärische Linsen mit Abweichungen in d/R um etwa 0,05 sind gerade noch zulässig.

Durch den gegebenen Wert für den paraxialen Krümmungsradius R₁ mit dem also die Lage des Schnittpunkte 15 und der Krümmungsradius an der Stelle dieses Schnittpunktes der Oberfläche festliegen, und "durch die Bedingung, daß die Linse frei von sphärischer Aberration sein soll, ist die Oberfläche 12 eindeutig festgelegt. Wie oben bereits bemerkt wurde, können, ausgehend vom Punkt 15, die anderen Punkte der Oberfläche 12 nach dem Kriterium berechnet werden, daß die gleich optische VVeglänge aller Strahlen des Gegenstandpunktes s auf

- 13 -

der Achse 00* zum zugeordneten Bildpunkt s¹ auf der Achse 00* gleich der optischen Weglänge durch den Punkt 15 sein soll. Ein derartiges Verfahren der Asphärisierung ist bekannt, beispielsweise aus E. Wolf, "Proc. Phys* Soc." 62 (1943) 494,

In einer Ausfuhrungsform einer plano-asphärischen Linse nach der Erfindung beträgt der Brechungsindex η = 1,831 96, die Achsdicke d = 3,50 mm und der paraxiale Krümmungsradius R = 3,75 ram. Die Linse-hat einen Brennpunktabstand f = 4,5 mm und eine numerische Apertur N.A. = 0,45« Der Abstand zwischen der Linse 10 und der Inforraationsflache IS beträgt s' = 3,05 mm» Der wirksame Durchmesser der Linse ist 2γ =

max

4,05 mm. Die Pupille liegt-an der Stelle der Oberfläche 12. Die beugungsbegrenzte Strahlungsfläche V in der Bildfläche 14 hat eine Halbwertbreite von etwa 1/Um.

Die Linse' 10 kann, wie in Fig. 1 angegeben, vollständig aus Glas bestehen. Eine derartige Linse hat gute optische Eigenschaften, aber das Anbringen einer asphärischen Oberfläche auf einer Glaslinse ist schwer und zeitraubend. Geeigneter für die Massenherstellung ist eine zusammengesetzte pianoasphärische Linse, wie sie in Fig, 4 dargestellt ist.

Diese Linse besteht aus einem Glaskörper 20 mit einer flachen Oberfläche 13 und einer sphärischen Oberfläche 21, wobei der Körper leicht mittels der herkömmlichen Verfahren herstellbar ist, und mit einer auf der Oberfläche 21 angebrachten Schicht 22 eines transparenten Kunststoffes mit einem asphärischen Außenprofil, Der Kunststoff kann ein beispielsweise

mit ultraviolettem Licht polymerisierbarer Kunststoff sein. Dieser Kunststoff wird in genügend weichem Zustand auf dem Glaskörper 20 aufgebracht, wonach darin eine Matrize mit einer Oberfläche, deren Profil das Negativ des gewünschten Profils ist j eingedrückt wird. Anschließend wird der Kunststoff belichtet und die Matrize entfernt, wobei die Linse ohne weitere Bearbeitungen zur Verfügung steht.

Die Kunststoffschicht 22 der plano-asphärischen Linse nach Fig. 4 hat eine verhältnismäßig stark schwankende Dicke; an der Stelle des Schnittpunktes 15 ist die Dicke Null oder nahezu Null, während an den· Rändern die Dicke beispielsweise 50-60 ,um beträgt» Beim Replizieren von Oberflächenprofilen in Kunststoff ist es auch aus technologischer Sicht erwünscht, daß die relativen Dickenunterschiede in der Kunststoffschicht möglichst klein sind. Um dies zu erreichen, kann, wie aus Fig. 5 ersichtlich, ein Teil des Glaskörpers durch Kunststoff ersetzt werden, so daß die Kunststoffschicht als Ganzes dicker wird, wodurch die relativen Dickenunterschiede kleiner werden.

In der Linse nach Fig« 5 ist die Dicke der Kunststoffschicht immer noch ein Bruchteil von der des Glaskörpers. Dadurch wird die optische Qualität der Linse kaum durch die Kunststoffschicht beeinträchtigt, die weniger gute optische Eigen· schäften als Glas hat.

In Fig« 6 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer Abtasteinheit dargestellt, in der eine plano-asphärische Linse als Objektiv verwendet wird. Diese Leseeinheit besteht

aus einer rohrförmigen Hülle 30, in die ein Diodenlaser 31, ein Strahltrennprisma 32» eine Kollimatorlinse 33 und ein Objektiv in Form einer plano-asphärischen Linse 34 aufgenommen sind. 16 ist ein kleiner Teil eines radialen Querschnittes durch einen runden plattenförmigen Aufzeichnungsträger. Die in diesem Falle Strahlungsreflektierende Informationsstruktur befindet sich an der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers und'besteht aus einer Anzahl nicht dargestellter Informationsgebiete, die nach Informationsspuren 36 geordnet sind.

Die Informationsstruktur wird von einem Lesestrahl b aus dem Diodenlaser 31 abgetastet. Der Kollimator bildet aus dem divergierenden Strahl einen parallelen Strahl mit einem derartigen Querschnitt, daß die Pupille der Linse 34 gut ausgefüllt wird. Dieses Objektiv bildet dabei einen beugungsbegrenzten Strahlungsfleck V auf der Informationsstruktur.

Der Lesestrahl wird von der Informationsstruktur reflektiert und beim Bewegen des Aufzeichnungsträgers in bezug auf den Lesestrahl entsprechend der im Aufzeichnungsträger angebrachten Information zeitlich moduliert. Mit Hilfe des Prismas 32 wird der modulierte Strahl von dem vom Diodenlaser ausgesandten Strahl getrennt und auf ein strahlungsempfindliches Detektorsystem 39 gerichtet. Dieses System erzeugt ein elektrisches Signal, das entsprechend der im Aufzeichnungsträger gespeicherten Information moduliert ist.

Zum Erzeugen eines Fokusfehlersignals, das einen Hinweis auf die Größe und Richtung einer Abweichung der Fokussierungs-

ebene der Linse 34 und der Ebene der Informationsstruktur gibt, ist auf der Austrittsfläche des Prismas 32 ein Dachkantprisma 33 angebracht und das Detektorsystem 39 beispielsweise aus vier Detektoren aufgebaut. Das Dachkantprisma trennt den reflektierten Strahl in zwei Teilstrahlen b. und b„, die zwei Strahlungsflecke V und V · in der Ebene des Detektorsystems bilden, Oeder dieser Strahlungsflecke wird jeweils zwei Detektoren zugefügt. Für weitere Einzelheiten über das Fokusfehlerdetektorsystem und das Lesen der Informationsstruktur sei auf die offengelegte britische Patentanmeldung Nr. 2 107 433 verwiesen.

Die Hülle 30 kann auf einem schematisch angegebenen Schlitten 40 angebracht sein, der in radialer Richtung bewegbar ist, wie dies mit dem Pfeil 41 angegeben ist, so daß alle Informationsspuren 36 nacheinander abgetastet werden können. Mit Ausnahme der Außenfläche 35 der Linse 34 sind alle Elemente für den Benutzer unzugänglich eingeschlossen. Die Außenfläche der Linse 34 ist aus Glas und dadurch gut kratzfest, wodurch sie ohne Gefahr für Beschädigung vom Benutzer gut sauber gemacht werden kann.

Das plano-asphärische Objektiv kann auch außerhalb der HGlIe 30 angebracht sein. Dies kann der Fall sein, wenn dieses Objektiv über kleine Abstände, in der Größenordnung von einigen zehn ,um in radialer Richtung bewegbar sein soll, um Spurnachführungsfehler beseitigen zu können. Das Feld der erfindungsgemäßen Linse ist für diesen Zweck groß genug. Eine andere Möglichkeit ist, daß das plano-asphärische Objektiv in radialer Richtung bewegbar in der Hülle 30 anzu-

bringen ist. In der in Fig, 6 angegebenen Ausführungsform muß die in Frage stehende Feinregelung des Strahlungsflecks V in radialer Richtung durch radiale Verschiebung der Hülle 30 verwirklicht werden.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform einer optischen Abtasteinheit dargestellt, in der eine mono-aspharische Linse mit einer sphärischen Außenfläche zum Fokussieren eines divergierenden Bündels b¹ zu einem beugungsbegrenzten Strahlungsfleck auf der Informationsstruktur verwendet wird. Diese Abtasteinheit arbeitet wie die nach Fig, 6, Der Vorteil der Abtasteinheit nach Fig. 7 besteht darin, daß eine Linse weniger verwendet wird, was für ein Massenprodukt wichtig ist, zu dem die Abtasteinheit ausgelegt ist.

Claims

- 23 -£ rf.in dung san spruc'n

1. Einfache Linse mit einer asphärischen Oberfläche zur Bil dung eines abtastenden, beugungsbegrenzten Strahlungsflecks auf einer Informationsfläche eines durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrats, das von einem, den Strahlungsfleck bildenden Strahl durchsetzt wird und eine Dicke von etwa 1,2 mm hat, gekennzeichnet dadurch, daß der Formfaktor £₂/0- ^und der Linsenfaktor F = d/(n-l).f den Zusammenhang

^Cl 2

2. Einfach Linse nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Vergrößerung M = O ist und die numerische Apertur N«A, =.0,45 und der Brennpunktabstand f = 4,5 mm beträgt daß die nicht asphärische Oberfläche eine flache Oberfläche ist und daß der paraxiale Krümmungsradius R der asphärischen Oberfläche der Bedingung

3, Einfache Linse nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Vergrößerung M = O, die numerische Apertur N»A_# = o,50 und der Brennpunktabstand f = 4,5 mm ist, daß die nicht· asphärische Oberfläche eine flache Oberfläche ist und daß der Krümmungsradius R der asphärischen Oberfläche der Bedingung

ä - __5n ² + 20,5n - 19,3
entspricht»

« = 3 a*F + b.F + c

für Vergrößerungen der Linse zwischen M = ο und M = -0,222 aufweisen, wobei für diese Vergrößerungen die Werte der Koeffizienten a, b und c, der Linsenfaktor F bei verschiedenen Werten der numerischen Apertur N,A, und des Brechungsindexes η des Linsenmaterials durch nachstehende Tabelle gegeben werden

a»

O !I Z

CO · «

(O

Sl

GJ

o·

tn o

Il

(M CM CM

Il

tn in

I I !

co vo *t

O O O

v7» ^ I^s»

O ^t H Ti

O O O

! I I

K) in ro

LO ο in

Si ·» -

o o o

co

•ca

co in κ)

ro cm vo

O O O

I I I

tn cn vo

O "tf Ή Ti

ο ο ο

I I 1

K) CO CO

O O O

CO CO K) K) K) UD

co ·· »·· O O O I I I

CM LO -H 'tf CM -H

und wobei d die axiale Dicke der Linse, f der Brennpunktabstand der Linse, C₁ die paraxiale Krümmung der asphärischen Oberfläche und C„ die Krümmung der anderen Linsenoberfläche darstellen.

4» Einfache Linse nach Punkt 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Linse aus einem Glaskörper besteht.

5. Einfache Linse nach Punkt 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Linse aus einem Glaskörper besteht, auf

dessen gekrümmter Oberfläche eine durchsichtige Kunststoffschicht mit einem asphärischen Außenprofil angebracht ist,

|· = -5,Sn² + 23,7n - 22,9
entspricht,

6. Optische Lese- und/oder Schreibeinheit mit einer Strahlungsquelle, einer Kollimatorlinse und einem Objektiv zum Fokussieren des von der Strahlungsquelle gelieferten. Strahls zu einem Strahlungsfleck auf einer Informationsfläche eines durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrats, gekennzeichnet dadurch, daß das Objektiv durch eine einfache Linse nach einem der vorangehenden Punkte gebildet ist, wobei die Vergrößerung M = O ist, und daß die asphärische Oberfläche des Objektivs zur Strahlungsquelle hin gerichtet ist»

7. Optische Lese- und/oder Schreibeinheit mit einer Strahlungsquelle und einem Objektiv zum Fokussieren eines aus der Strahlungsquelle herrührenden divergenten Strahls zu einem beugungsbegrenzten Strahlungsfleck auf einer Informationsfläche eines durchsichtigen Aufzeichnungsträgersubstrats* gekennzeichnet dadurch, daß das Objektiv durch eine einfache Linse nach einem der vorangehenden Punkte gebildet ist, wobei die Vergrößerung M = -0,222 ist, und die asphärische Oberfläche des Objektivs zur Strahlungsquelle hin gerichtet ist.

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