DD237722A5

DD237722A5 - Einfache linse mit zwei asphaerischen brechenden oberflaechen

Info

Publication number: DD237722A5
Application number: DD85281876A
Authority: DD
Inventors: Josephus J M Braat
Original assignee: �K@�K@��}@��k��
Priority date: 1984-10-22
Filing date: 1985-10-18
Publication date: 1986-07-23
Also published as: EP0179531B1; SG52490G; CA1267014A; US4641929A; DE3567543D1; EP0179531A1; NL8403198A; AU4888585A; JPS61107201A; ATE40010T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine einfache Linse mit zwei asphaerischen brechenden Oberflaechen, die aus einem Linsensubstrat und zwei an beiden Seiten dieses Substrats angebrachten Schichten aus durchsichtigem Kunststoff mit asphaerischen Aussenprofilen besteht. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine biasphaerische Linse so auszubilden, dass sie sich u. a. als Leseobjektiv fuer optische Aufzeichnungstraeger eignet und auf einfache und preisguenstige Weise herstellbar ist. Die erfindungsgemaesse Linse ist dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensubstrat die Form einer Kugel hat. Der Brechungsindex des Linsensubstratmaterials liegt zwischen etwa 1,45 und etwa 1,65. Vorteilhaft wird die Linse in einer optischen Abtasteinheit mit einer einen Abtaststrahl erzeugenden Strahlungsquelle als Objektiv zum Fokussieren des Abtaststrahls zu einem Abtastfleck auf der abzutastenden Oberflaeche eingesetzt. Dabei ist die Linse ohne Einfuegung eines strahlungsbuendelnden Elements im divergierenden Strahlengang angeordnet. Fig. 1

Description

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für die hier behandelten Anwendungen der biasphärischen Linse die allgemein erkannten Nachteile kugelförmiger kugelförmiger Linsen, wie z.B. ein kleines 3i!dfeld und eine große Büdfeldkrümmung, im wesentlichen weniger wichtig sind als die großen herstellungstechnischen Vorteile dieser Linse.

Eine biasphärische Linse zur Verwendung in einer optischen Lesevorrichtung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Linsensubstratsmaterials zwischen etwa 1,45 und etwa 1,65 liegt. Durch die Wahl dieses niedrigen Brechungsindexes wird erreicht, daß bei dem in den heutigen Lesevorrichtungen verwirklichten Abbildungsverhältnis die Linse einen bestimmten freien Arbeitsabstand beibehält. Der freie Arbeitsabstand ist in diesen Lesevorrichtungen der Abstand zwischen der Stirnfläche der Linse und dem Aufzeichnungsträger.

Außer in Lese- oder Schreibvorrichtungen für optische Aufzeichnungsträger läßt sich die erfindungsgemäße Linse auch in anderen optischen Abtastsystemen verwenden, wobei ein Gegenstand oder eine Szene punktweise abgetastet wird, wie in einem Abtastmikroskop.

Bei der Entwicklung von Lesevorrichtungen für optische Aufzeichnungsträger wird weiter angestrebt, die optische Abtasteinheit und insbesondere ihre Länge möglichst zu verkleinern. Die erfindungsgemäße biasphärische Linse eignet sich besonders zur Verwirklichung dieser Aufgabe.

Eine optische Abtasteinheit mit einer einen Abtaststrahl liefernden Strahlungsquelle und einem Objektivsystem zum Fokussieren des Abtaststrahls zu einem Abtastfleck auf der abzutastenden Oberfläche, wobei das Objektiysystem eine erfindungsgemäße einfache Linse ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle einen divergierenden Strahl aussendet und daß die einfache Linse ohne Einfügung eines strahlungsbündetnden Elements im divergierenden Strahl angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Linse eignet sich, ausgezeichnet zur Verwendung in einer optischen Abtasteinheit mit einem möglichst kurzen optischen Strahiungsweg, weil die Linse durch ihre große konvergierende Stärke vorzugsweise mit einem divergierenden Strahl angestrahlt wird, damit der Fokuspunkt in ausreichendem Abstand von der Linse liegt.

Außer der geringen Länge bietet die erfindungsgemäße Abtasteinheit den Vorteil, daß kein Kollimatorsystem mehr benötigt wird wie in den bisher bekannten Abtastsystemen.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung und an Hand der Beschreibung ihrer Verwendung in einer optischen Abtasteinheit für eine Anordnung zum Lesen optischer Aufzeichnungsträger erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: schematisch eine Ausführungsform einer Leseeinheit mit einer einfachen biasphärischen Objektivlinse nach der

Erfindung;

Fig.2: eine perspektivische Darstellung einer Lesevorrichtung mit einer derartigen Leseeinheit.

Die Abtasteinheit nach Fig. Ί enthält eine Strahlungsquelle 1, beispielsweise in Form eines Diodenlasers, ein Strahltrennungselement 2, beispielsweise einen Teilungswürfe! und eine Objektivlinse 3. Mit 5 ist ein kleiner Teil eines Radialschnitts durch einen runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger bezeichnet. Die in diesem Fall reflektierende Datenstruktur befindet sich an der Rückseite des Aufzeichnungsträgers und besteht aus einer Vielzahl nicht dargestellter Informationsgebiete, die in Datenspuren 7 geordnet sind. 6 ist das durchsichtige Substrat des Aufzeichnungsträgers, das vom Abtaststrahl zweimal durchsetzt wird.

Die Datenstruktur wird vom Lesestrahl b aus dem Diodenlaser 1 abgetastet. Der aus dem Diodenlaser austretende Strahl ist. divergierend und füllt die Objektivlinse auf eine angemessene Weise. Diese Linse bildet einen beugungsbegrenzten Strahlungsfleck V auf der Datenstruktur. Der Lesestrahl wird von der Datenstruktur reflektiert uns beim Bewegen des Aufzeichnungsträgers in bezug auf den Lesestrahl entsprechend der im Aufzeichnungsträger gespeicherten Information zeitlich moduliert. Mit Hilfe des Teilungswürfels 2 wird der modulierte Strahl von dem von der Quelle 1 ausgesändten Strahl getrennt und auf ein strahlungsempfindliches Detektorsystem 4 gerichtet. Dieses System erzeugt ein elektrisches Signal, das entsprechend der gespeicherten Information zeitlich moduliert ist.

Wie in Fig. 2 angegeben, können die Elemente 1,2,3 und 4 in einen Tubus 10 aufgenommen sein, der auf einem Schwenkarm 11 befestigt ist, der von elektromagnetischen Mitteln 12 und 13 in der vom Pfeil 14 angegebenen Richtung in bezug auf den Aufzeichnungsträger 5 bewegbar ist, also nahezu quer zur Längsrichtung der Datenspuren 7. Der Aufzeichnungsträger wird mit Hilfe eines Motors 15 gedreht, so daß die Datenspuren sich in der vom Pfeil 16 angegebenen Richtung in bezug auf den Lesefleck V bewegen.

In der Leseanordnung nach Fig.2 wird die in den Tubus 10 aufgenommene Leseeinheit als eine Einheit bewegt, sowohl für die Grobregelung als auch für die Feinregelyng der Lage des Leseflecks in bezug auf die Mitte einer zu lesenden Spur. Dadurch braucht die Objektivlinse nur ein beschränktes Bildfeld zu haben. Statt eines Dreharmes kann auch ein geradlinig bewegter Schlitten zum Grob- oder Feinpositionieren des Leseflecks in bezug auf die Spurmitte verwendet werden. Weiter ist es möglich, Grob-und Feinregelung voneinander zu trennen, wobei die Grobregelung durch Bewegen der gesamten Leseeinheit erfolgt. Für die Feinregelung wird dann ein Element der Leseeinheit, zum Beispiel die Objektivlinse, bewegt. Diese Objektivlinse hat dabei ein etwas größeres Bildfeld.

Wie in Fig. 1 angegeben, besteht die biasphärische Linse' aus einem .Linsensubstrat oder einer Vorform 20 und zwei an beiden Seiten des Substrats angebrachten dünnen Schichten 21 und 22 mit asphärischen Außenprofilen 23 und 24. Diese Schichten bestehen aus einem durchsichtigen Kunststoff, beispielsweise aus einem mit Ultraviolettlicht polymerisierbaren Kunststoff. Dieser Kunststoff kann in ausreichend weichem Zustand auf das Linsensubstrat aufgetragen werden, wonach eine Matrize mit einem Profil, das das umgekehrte des gewünschten asphärischen Profils ist, hineingedrückt wird. Anschließend wird der Kunststoff beispielsweise durch die Matrize hindurch belichtet und wird die Matrize entfernt, wobei die Linse zur Verfügung kommt, ohne daß weitere Bearbeitungen erforderlich sind.

Erfindungsgemäß besteht das Linsensubstrat aus einer Kugel, beispielsweise aus Glas oder Quarz. Eine derartige Kugel kann auf einfache und preisgünstige Weise durch die Verwendung an sich bekannter mechanischer Techniken erhalten werden. So kann beispielsweise von viereckigen Glasblöcken ausgegangen werden, die in einer Trommel herumgeschleudert werden, bis nahezu runde Kügelchen entstanden sind. Diese Kügeichen können dann ggf. noch poliert werden. Außer der preisgünstigen Herstellung bietet eine Kugel noch den Vorteil, daß sie beim Replikverfahren automatisch gut ausgerichtet wird. Das verhältnismäßig kleine Bildfeld der Kugellinse ist für die hier behandelte Anwendung groß genug. Unter bestimmten Bedingungen kann das Linsensubstrat auch aus einem durchsichtigen Kunststoff bestehen.

Die asphärischen Oberflächen der endgültigen Linse sind durch die Wahl der paraxialen Krümmungen derOberflächen eindeutig festgelegt, d. h. durch die Krümmungen an der Stelle des Schnittpunktes der Oberflächen mit der optischen Achse, also durch den Radius der Kugel. Die Berechnung der anderen Punkte der asphärischen Oberflächen erfolgt nach den Kriterien, daß die Abbe-Sinusbedingung erfüllt wird und die Linse frei von sphärischer Aberration sein soli, was bedeutet, daß die optische Weglänge für alle Strahlen vom Gegenstandpunkt auf der Achse zum zugeordneten Bildpunkt auf der Achse gleich ist. Diese Berechnung ist auf die Weise durchführbar, wie sie in Born und Wolf: „Principles of Optics", 1970, S. 197-202 und Wassermann und Wolf: „Proc. Phys. Soc", B62, (1949) S. 2 ff. beschrieben ist. Dabei verfügt man schließlich über eine Sammlung diskreter Punkte für jede der gewünschten asphärischen Oberflächen. Wunschgemäß können durch diese Sammlung von Punkten Näherungskurven gezogen werden, die durch Reihenentwicklungen dargestellt werden/Die Koeffizienten dieser Reihenentwicklungen legen dabei die asphärischen Oberflächen eindeutig fest.

In einer verwirklichten Ausführungsform eines Leseobjektivs zum Lesen einer Datenstruktur durch ein Substrat 6 mit einer Dicke _tvon etwa 1,2mm, wobei die Spurperiode der Datenstruktur etwa 1,7/j,m, die Spurbreite dieser Struktur etwa 0,7>m beträgt und die mittlere Länge der Datengebiete in der Größenordnung von 1 μπι liegt, besteht das Linsensubstrat aus einer Quarzkugel mit einem Brechungsindex von etwa 1,45 und einem Radius von etwa 2,5 mm. Die Schichten 21 und 22 bestehen aus einem mit ultraviolettem Licht aushärtbaren Lack mit einem Brechungsindex von etwa 1,56. Das Leseobjektiv hat einen Brennpunktabstand von etwa 3,8 mm und bildet einen Strahlungsfleck, dessen Halbwertdurchmesser etwa 1μιτι beträgt. Die Linse hat eine numerische Apertur von etwa 0,45. Das Bildfeld hat einen Radius von etwa 75/j.m, während der Abstand zwischen der Linse und der Vorderfläche des Aufzeichnungsträgers etwa 1,3 mm beträgt.

Bei der Verwendung von Glas mit einem Brechungsindex von 1,55 als Material für die Kugel beträgt letztgenannter Abstand etwa 0,9mm und der Radius der Kugel etwa 3mm.

Die Objektivlinse mit einem Quarzsubstrat eignet sich zur Verwendung.sowohl mit einem Helium-Neonlaserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 633 nm als auch mit einem Diodenlaserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 785 nm. Die bei Änderung der Wellenlänge auftretende Änderung in der sphärischen Aberration des Substrats läßt sich durch die ebenfalls auftretende Änderung der Dispersion in den asphärischen Schichten nahezu ausgleichen.

Daß die Erfindung an Hand einer Lesevorrichtung beschrieben wurde, bedeutet keineswegs, daß sie sich darauf beschränkt. Die einfache biasphäriSche Linse kann auch in Vorrichtungen zum Einschreiben optischer Aufzeichnungsträger verwendet werden, wobei die Vorrichtungen grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die Lesevorrichtungen haben, aber mit einer höheren Strahlungsintensität arbeiten, die entsprechend der einzuschreibenden Information moduliert wird. Daneben kann die Erfindung in anderen optischen Abtastsystemen verwendet werden, wie in einem Abtastmikroskop, und im allgemeinen in Abbildungssystemen, die kleine Linsen enthalten und eine hohe Abbildungsgüte besitzen, wobei das Bildfeld der Linse beschränkt sein darf.

Claims

1. Einfache Linse mit zwei asphärischen brechenden Oberflächen, die aus einem Linsensubstrat und zwei an beiden Seiten dieses Substrats angebrachten Schichten aus durchsichtigem Kunststoff mit asphärischen Außenprofilen besteht, gekennzeichnet dadurch, daß das Linsensubstrat die Form einer Kugel hat.

2. Einfache Linse nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Brechungsindex des Linsensubstratmaterials zwischen etwa 1,45 und etwa 1,65 liegt.

3. Optische Abtasteinheit mit einer einen Abtaststrahl erzeugenden Strahlungsquelle und einem Objektivsystem zum Fokussieren des Abtaststrahls zu einem Abtastfleck auf der abzutastenden Oberfläche, wobei das Objektivsystem eine einfache Linse nach Punkt 1 oder 2 ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlungsquelle einen divergierenden Strahl aussendet und daß die einfache Linse ohne Einfügung eines strahlungsbündelnden Elements im divergierenden Strahl angeordnet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine einfache Linse mitzwei asphärischen brechenden Oberflächen, die aus einem Linsensubstrat und zwei an beiden Seiten dieses Substrats angebrachten Schichten aus durchsichtigem Kunststoff mit asphärischen Außenprofiien besteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der US-A 4027952 ist eine Klasse von Linsen mitzwei asphärischen Oberflächen beschrieben, auch als biasphärische Linsen bezeichnet, unter denen sich Linsen befinden, die zur Verwendung als Leseobjektiv in Anordnungen zum Lesen optischer Aufzeichnungsträger beispielsweise mit dem Video- oder Audioprogramm geeignet sind. Durch die geringen Abmessungen der Dateneinzelheiten auf diesen Aufzeichnungsträgerin der Größenordnung von 1μιη werden dem.Leseobjektiv hohe Anforderungen gestellt. So muß dieses Objektiv einen beugungsbegrenzten Strahlungsfleck mit einem Haibwertdurchmesser in der Größenordnung von 1 /j,m bilden können, was bei der üblichen Wellenlänge des Lesestrahls bedeutet, daß das Objektiv eine numerische Apertur von etwa 0,45° haben muß. Weiter muß dieses Objektiv ein verhältnismäßig großes und in der Größenordnung von einigen hundert/zm beugungsbegrenztes Bildfeld haben. Die heutigen Lesevorrichtung für optische Aufzeichnungsträger sind mit einem Objektivsystem versehen, das zumindest drei Linsenkomponenten enthält, die alle sphärische Oberflächen haben.

Wie in der US-A 4027952 angegeben ist, kann ein derartig zusammengesetztes und teures Objektivsystem durch eine einfache biasphärische Linse ersetzt werden. Eine derartige Linse läßt sich auf einfache und preisgünstige Weise in Massenfertigung mit Hilfe eines sog. Repiikverfahrens herstellen. Dabei wird von einem Substrat, auch mit Vorform bezeichnet, aus einem durchsichtigen und stabilen Material, wie z.B. Glas, ausgegangen. Auf dieser Vorform wird sowohl an der Gegenstandsseite als auch an der Bildseite eine Schicht mehr oder weniger flüssigen Kunststoffes, wie ein unter dem Einfluß z. B. ultravioletten Lichtes aushärtbares polymerisierbar Material, angebracht, in diese Schichten werden Matrizen eingedrückt, deren Innenflächen Profile haben, die das umgekehrte der gewünschten asphärischen Profile sind. Nach dem Aushärten der Schichten beispielsweise durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, werden die Matrizen entfernt und steht die gewünschte Linse zur Verfügung.

Bei der Herstellung dieser Art von Linsen ist bis jetzt von einer Vorform mitzwei sphärischen Oberflächen ausgegangen worden. Zum Erhalten eines maximalen Bildfeldes ist der Abstand, gemessen entlang der optischen Achse, zwischen diesen Oberflächen kleiner als die Summe der Krümmungsradien der Oberflächen. Die Herstellung einer derartigen Vorform ist ziemlich zeitraubend und teuer, wodurch der Selbstkostenpreis der endgültigen biasphärischen Linse, der zum größten Teil durch den Selbstkostenpreis der Vorform bestimmt wird, hoch ist. Auch sind bereits biasphärische Linsen beschrieben, bei denen die Vorform selbst bereits Asphärizität aufweist. Die Herstellung einer derartigen Linse ist mit noch höheren Kosten verbunden. Es wird immer noch die einfachere und preisgünstigere Herstellung von in Massenfertigung herzustellenden Vorrichtungen zum Lesen optischer Aufzeichnungsträger angestrebt, auf denen z.B. ein Video-oder ein Audioprogramm gespeichert ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Objektivsystem zu vereinfachen und preisgünstiger zu machen, ohne daß die Qualität des Lesevorgangs beeinträchtigt wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine biasphärische Linse geeignet auszubilden, so daß sie sich u. a. als Leseobjekt für optische Aufzeichnungsträger eignet und auf einfache und preisgünstige Weise herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Linse.ist dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensubstrat eine Kugelform hat.