DE10065394A1

DE10065394A1 - Objektivlinse für einen optischen Schreib/Lesekopf

Info

Publication number: DE10065394A1
Application number: DE10065394A
Authority: DE
Inventors: Koichi Maruyama
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2001-07-05
Also published as: US6594222B2; US20010008512A1

Abstract

Beschrieben ist eine Objektivlinse (10) für einen optischen Schreib/Lesekopf. Die Objektivlinse (10) besteht aus einer Brechungslinse und einer Beugungslinsenstruktur, die mehrere konzentrische, gestufte Ringbereiche hat. Die Linsenfläche (11) der Objektivlinse (10) ist unterteilt in einen Ausschlussbereich (RE), der nur für eine DVD bestimmt ist, und einen von diesem Bereich umgebenen gemeinsamen Bereich (RC). Die in dem gemeinsamen Bereich (RC) ausgebildete Beugungslinsenstruktur ändert die sphärische Aberration mit Anstieg der Wellenlänge des eintretenden Laserstrahls in der unterkorrigierten Richtung. Die in dem Ausschlussbereich (RE) ausgebildete Beugungslinsenstruktur hat eine kleinere Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberration als die in dem gemeinsamen Bereich (RC) ausgebildete Linsenstruktur. Außerdem ist die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich (RE) so ausgebildet, dass die sphärische Aberration bei kurzer Wellenlänge für eine Dünnschicht-Speicherplatte (D¶1¶) ausreichend korrigiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur, kurz NA, für einen optischen Schreib/Lesekopf einer für optische Speicherplatten be stimmten Einrichtung, die mit Speicherplatten unterschiedlicher Art arbeiten kann, die sich in der Dicke ihrer Deckschicht voneinander unterscheiden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Objektivlinse, die eine an einer Fläche einer Brechungs linse ausgebildete Beugungslinsenstruktur hat.

Die optische Speicherplatte hat eine Informationsschicht, auf der digitale Informa tionen aufgezeichnet werden, und eine durchsichtige Deckschicht, welche die Informationsschicht bedeckt.

Es gibt verschiedene Typen von optischen Speicherplatten, wie z. B. eine Kom paktspeicherplatte, kurz CD, oder eine beschreibbare Speicherplatte, kurz CD-R, deren Deckschichten jeweils eine Dicke von 1,2 mm haben, sowie als DVD be zeichnete Speicherplatte, deren Deckschicht eine Dicke von 0,6 mm hat. DVD steht hierbei für "digital versatile disc".

Solch ein Unterschied in der Dicke der Deckschicht ändert die Position der Infor mationsschicht bezüglich eines Drehtisches oder -tellers, d. h. den Abstand des optischen Schreib/Lesekopfs von der Informationsschicht. Je dicker die Deck schicht ist, desto größer ist der Abstand der Informationsschicht von dem opti schen Schreib/Lesekopf. Beispielsweise muss der Schreib/Lesekopf, wenn eine DVD durch eine CD oder eine CD-R ersetzt wird, einen Strahlpunkt in der Deck schicht um 0,6 mm von sich wegbewegen, was 0,4 mm in Luft entspricht.

Obgleich sich die Position der engsten Strahleinschnürung eines paraxialen Strahls mit Bewegung der Objektivlinse verschiebt, wird durch die Dickenände rung der Deckschicht eine Änderung der sphärischen Aberration verursacht. Wird bei einem Austausch der Speicherplatte durch eine Speicherplatte mit unter schiedlicher Dicke nur die Objektivlinse in dem Schreib/Lesekopf bewegt, so wird die Wellenfrontaberration des Laserstrahls groß. Wird beispielsweise die Objek tivlinse, die auf die Minimierung der sphärischen Aberration bei einer DVD aus gelegt ist, für die Informationswiedergabe von einer CD eingesetzt, so nimmt die sphärische Aberration so stark zu, dass die Informationswiedergabe nicht mehr möglich ist, selbst wenn sich die Objektivlinse bewegt, um den Strahlpunkt auf der Informationsschicht der CD anzuordnen.

Außerdem ist die Aufzeichnungsdichte einer DVD höher als die einer CD, so dass der optische Schreib/Lesekopf für eine DVD einen kleineren Strahlpunkt formen muss, als dies für einen Schreib/Lesekopf der Fall ist, der ausschließlich mit einer CD arbeitet. Letzterer Schreib/Lesekopf wird im Folgenden als CD- Schreib/Lesekopf bezeichnet. Da der Durchmesser des Strahlpunkts positiv mit der Wellenlänge des Laserstrahls korreliert ist, benötigt der Schreib/Lesekopf für eine DVD eine Laserquelle, deren Emissionswellenlänge 635 bis 660 nm beträgt und damit kürzer ist als die Emissionswellenlänge eines CD-Schreib/Lesekopfs, die 780 bis 830 nm beträgt. Andererseits erfordert die Reflexionscharakteristik einer CD-R eine Laserquelle, deren Emissionswellenlänge größer als 780 nm ist.

Für einen optischen Schreib/Lesekopf, der eine DVD und eine CD-R verwendet, sind demnach mindestens zwei Laserquellen erforderlich.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, auf einer Fläche einer Objektivlinse eine Beugungslinsenstruktur auszubilden, um eine Änderung der sphärischen Aberra tion zu kompensieren. Die Beugungslinsenstruktur hat eine derartige Wellenlän genabhängigkeit, dass sowohl die bei einer DVD auftretende sphärische Aberrati on bei einer kurzen Wellenlänge als auch die bei einer CD-R auftretende sphäri sche Aberration bei einer langen Wellenlänge korrigiert werden.

Da jedoch die Beugungslinsenstruktur diese Wellenlängenabhängigkeit hat, steigt die Wellenfrontaberration an, wenn die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers von der Entwurfs- oder Sollwellenlänge in Folge von Temperaturänderungen oder individuellen Unterschieden in den Halbleiterlasern abweicht. Eine solche Wellen frontaberration ist für eine optische Speicherplatte mit geringer Aufzeichnungs dichte wie eine CD oder eine CD-R unproblematisch, während sie die Wiederga be/Aufzeichnung von Informationsdaten auf bzw. von einer optischen Speicher platte mit hoher Aufzeichnungsdichte, wie einer DVD, beeinträchtigt, da eine solche Speicherplatte eine nur geringe Toleranz gegenüber der Wellenfrontaber ration aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine für einen optischen Schreib/Lesekopf be stimmte Objektivlinse anzugeben, die eine Beugungslinsenstruktur zur Korrektion der in verschiedenartigen optischen Speicherplatten mit den Schichten verschie dener Dicke auftretenden sphärischen Aberrationen hat und einen Strahlpunkt erzeugen kann, der die für die jeweilige Speicherplatte geeignete Größe hat, selbst wenn die Emissionswellenlänge einer Laserquelle in Folge von Temperatu ränderungen oder in den Laserquellen selbst begründeten individuellen Unter schieden von einer Entwurfswellenlänge abweicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Beugungslinsenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung sieht eine verbesserte Objektivlinse für einen optischen Schreib/Lesekopf vor, die eine Brechungslinse und eine Beugungslinsenstruktur hat, die mehrere konzentrische Ringbereiche mit sehr kleinen Stufen an den Grenzen zwischen den Ringbereichen hat und an mindestens einer Linsenfläche der Brechungslinse ausgebildet ist. Die Linsenfläche ist unterteilt in einen Aus schlussbereich, durch den ein Lichtstrahl hoher numerischer Apertur tritt, die nur für eine optische Speicherplatte mit einer ersten Aufzeichnungsdichte erforderlich ist, und in einen gemeinsamen Bereich, durch den ein Lichtstrahl geringer numeri scher Apertur tritt, die für eine optische Speicherplatte mit geringer Aufzeich nungsdichte ausreicht. Der Lichtstrahl hoher numerischer Apertur hat eine kurze Wellenlänge und der Lichtstrahl geringer numerischer Apertur eine lange Wellen länge. Die Beugungslinsenstruktur, die in dem gemeinsamen Bereich ausgebildet ist, hat eine Wellenabhängigkeit der sphärischen Aberration, d. h. eine die sphäri sche Aberration in Abhängigkeit der Wellenlänge ändernde Funktion derart, dass der Lichtstrahl kurzer Wellenlänge eine für eine mit einer dünnen Deckschicht versehene Speicherplatte (im Folgenden Dünnschicht-Speicherplatte) geeignete Wellenfront und der Lichtstrahl langer Wellenlänge eine für eine mit einer ver gleichsweise dicken Deckschicht versehene Speicherplatte (im Folgenden Dick schicht-Speicherplatte) geeignete Wellenfront erzeugt. Dagegen hat die in dem Ausschlussbereich ausgebildete Beugungslinsenstruktur eine geringere Wellen längenabhängigkeit der sphärischen Aberration als die in dem gemeinsamen Bereich ausgebildete Beugungslinsenstruktur. Die in dem Ausschlussbereich ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist dabei so gestaltet, dass die sphärische Aberration für die Dünnschicht-Speicherplatte bei der kurzen Wellenlänge ange messen korrigiert ist.

Mit diesem Aufbau werden bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte die Laserstrahlen mit der kurzen Wellenlänge, die sowohl durch den gemeinsamen Bereich als auch durch den Ausschlussbereich treten, auf die Informationsschicht der Dünnschicht-Speicherplatte gebündelt, da die Beugungslinsenstruktur die sphärische Aberration angemessen korrigiert. Dagegen wird bei Verwendung der Dickschicht-Speicherplatte der Laserstrahl mit der langen Wellenlänge, der bei Durchtritt durch den gemeinsamen Bereich auf die Informationsschicht der Dickschicht-Speicherplatte gebündelt wird, da die Beugungslinsenstruktur in diesem Bereich die sphärische Aberration korrigiert, bei Durchtritt durch den Ausschluss bereich zerstreut, da die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich die sphärische Aberration bei der langen Wellenlänge nicht angemessen korrigiert.

Eine durch die in dem gemeinsamen Bereich ausgebildete Beugungslinsenstruk tur zusätzlich verursachte optische Weglänge ist durch folgende optische Weg differenzfunktion Φ_C(h) gegeben:

Φ_C(h) = (P_2Ch² + P_4Ch⁴ +P_6Ch⁶ + . . .).m.λ

worin P_2C ein Koeffizient zweiter Ordnung, P_4C ein Koeffizient vierter Ordnung und P_6C ein Koeffizient sechster Ordnung, h die Höhe über der optischen Achse, m die Beugungsordnung und λ die Arbeitswellenlänge ist. Weiterhin ist eine durch die in dem Ausschlussbereich ausgebildete Beugungslinsenstruktur zusätzlich verur sachte optische Weglänge durch folgende optische Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) gegeben:

Φ_E(h) = (P_2Eh² + P_4Eh⁴ + P_6Eh⁶ +. . .).m.λ

worin P_2E ein Koeffizient zweiter Ordnung, P_4E ein Koeffizient vierter Ordnung und P_6E ein Koeffizient sechster Ordnung ist. In den vorstehend angeführten Funktio nen geben negative Werte der Koeffizienten P_2C, P_2E zweiter Ordnung positive paraxiale Linsenwirkungen (Beugungsvermögen) der Beugungslinsenstruktur an. Sind ferner die Koeffizienten P_4C und P_4E vierter Ordnung kleiner als Null, so nimmt die positive Linsenwirkung mit dem Abstand von der optischen Achse zu, was zu einer unterkorrigierten sphärischen Aberration führt.

Vorzugsweise erfüllt die Beugungslinsenstruktur folgende Bedingungen (1) und (2):

P_2C < P_2E (1)

P_4C < P_4E, P_4C < 0 (2)

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Breite des innersten Ringbereichs des Ausschlussbereichs größer als die Breite des äußersten Ring bereichs des gemeinsamen Bereichs.

Besteht die Brechungslinse aus Kunststoff, so erfüllt die Beugungslinsenstruktur vorzugsweise folgende Bedingung (3):

P_4C < P_4E < 0 (3)

Vorteilhaft hat die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich eine Wel lenlängenabhängigkeit derart, dass eine Änderung der sphärischen Aberration in Folge einer durch eine Temperaturänderung verursachten Variation des Bre chungsindex durch eine mit der Temperaturänderung einhergehende Variation der Emissionswellenlänge eines Halbleiterlasers korrigiert wird.

Hat die Beugungslinsenstruktur die oben beschriebenen Funktionen, so steht die Innenkante eines Ringbereichs gegenüber der Außenkante eines benachbarten inneren Ringbereichs über, und zwar für jedes aus jeweils einem inneren und einem äußeren Ringbereich bestehendes Paar innerhalb des gemeinsamen Bereichs und des Ausschlussbereichs. Ist die optische Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) des Ausschlussbereichs so festgelegt, dass unter Einhaltung der Kontinuität der optischen Wegdifferenzfunktion Φ_C(h) des gemeinsamen Bereichs der Abso lutwert von P_4E klein und der Absolutwert von P_2E groß ist, so steht die Außen kante des äußersten Ringbereichs des gemeinsamen Bereichs gegenüber der Innenkante des innersten Ringbereichs des Ausschlussbereichs über.

Ist jedoch die Orientierung der sehr kleinen, an der Grenze zwischen dem ge meinsamen Bereich und dem Ausschlussbereich ausgebildeten Stufe den Orien tierungen an den anderen Grenzstellen entgegengesetzt, so bereitet die Fertigung der Beugungslinsenstruktur Schwierigkeiten. Der innerste Ringbereich ist deshalb vorteilhaft als überbreiter Ringbereich ausgebildet, in dem sich die Werte der optischen Wegdifferenzfunktion an der Innenkante und an der Außenkante um mehr als eine Wellenlänge voneinander unterscheiden. In diesem Fall sind die Orientierungen der Stufen an allen Grenzstellen identisch.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1A die Vorderansicht einer Objektivlinse für einen optischen Schreib/Lesekopf als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 1B den vertikalen Querschnitt der Objektivlinse nach Fig. 1A,

Fig. 1C eine vergrößerte Darstellung der Fig. 1B,

Fig. 2 eine Optik des Schreib/Lesekopfs mit der Objektivlinse nach Fig. 1A,

Fig. 3A und 3B vergrößerte Schnittansichten der Grenzabschnitte zwischen einem gemeinsamen Bereich und einem Ausschlußbereich der erfindungs gemäßen Objektivlinse,

Fig. 4 einen Graphen mit Werten der optischen Wegdifferenzfunktion einer Beugungslinsenstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Graphen, der die Breitenvariation eines Ringbereichs der Beugungslinsenstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 6A und 6B Graphen der sphärischen Aberrationen der Optik mit der Objektivlin se gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei Anwendung auf eine Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur,

Fig. 7 Graphen der Wellenfrontaberrationen der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei Anwendung der Dünn schicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur,

Fig. 8 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert (quadratisches Mittel) der Wellenfrontaberration und der Defokussie rung in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur angibt,

Fig. 9A und 9B Graphen der sphärischen Aberrationen der Optik mit der Objektivlin se gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei Anwendung einer Dünnschicht-Speicherplatte bei einer um 40 Grad höheren Tempe ratur als der Standardtemperatur,

Fig. 10 einen Graphen der Wellenfrontaberration der Optik mit der Objek tivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei einer 40 Grad über der Standard temperatur liegenden Temperatur,

Fig. 11 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert der Wellenfrontaberration und einer in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auftretenden Defokussie rung bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei einer die Standardtemperatur um 40 Grad übersteigenden Temperatur angibt,

Fig. 12A und 12B Graphen der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auftretenden sphärischen Aberrationen bei An wendung einer Dickschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur,

Fig. 13 einen Graphen der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auftretenden Wellenfrontaberration bei Anwendung der Dickschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur,

Fig. 14 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei An wendung der Dickschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur an gibt,

Fig. 15 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung in der Optik mit der Objektivlinse gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel bei An wendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur angibt,

Fig. 16 einen Graphen, der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel auftretenden Wellenfrontaberration bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur angibt,

Fig. 17 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel bei Anwen dung der Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur angibt,

Fig. 18 einen Graphen, der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel auftretenden Wellenfrontaberration bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei einer die Standard temperatur um 40 Grad übersteigenden Temperatur angibt,

Fig. 19 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen einem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel bei Anwen dung auf die Dünnschicht-Speicherplatte bei einer die Standardtem peratur um 40 Grad übersteigenden Temperatur angibt,

Fig. 20 einen Graphen mit den Werten der optischen Wegdifferenzfunktion einer Beugungslinsenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungs beispiel,

Fig. 21 einen Graphen, der die Breitenvariation von Ringbereichen der Beugungslinsenstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel angibt,

Fig. 22A und 22B Graphen der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auftretenden sphärischen Aberrationen bei An wendung einer Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur, und

Fig. 23 einen Graphen, der in der Optik mit der Objektivlinse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auftretenden Wellenfrontaberration bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte bei Standardtemperatur angibt.

Fig. 1A bis 1C zeigen eine Objektivlinse 10 eines optischen Schreib/Lesekopfs als Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 1A ist eine Vorderansicht, in Fig. 1B ein vertikaler Querschnitt und in Fig. 1C eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Fig. 1B gezeigt. Die Objektivlinse 10 wird auf einen optischen Schreib/Lesekopf einer für optische Speicherplatten bestimmten Einrichtung angewendet, die eine Aufzeichnung/Wiedergabe auf bzw. von verschiedenartigen optischen Speicher platten, z. B. einer CD, einer CD-R und einer DVD vornehmen kann. Die Objek tivlinse 10 bündelt einen von einem Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahl auf eine Informationsschicht der optischen Speicherplatte.

Die Objektivlinse 10 ist eine bikonvexe Kunststofflinse mit einer ersten Fläche 11 und einer zweiten Fläche 12. An der ersten Fläche 11 der Objektivlinse 10 ist eine Beugungslinsenstruktur ausgebildet, wie Fig. 1A zeigt. Die Beugungslinsenstruktur hat eine große Anzahl konzentrischer Ringbereiche mit winzigen Stufen in Rich tung der optischen Achse an den Ringgrenzen, wie Fig. 1C zeigt. Insoweit ähnelt die Objektivlinse 10 einer Fresnel-Linse. Die zweite Fläche 12 ist eine durchge hende Fläche ohne Stufen.

Die Linsenfläche der Objektivlinse 10 ist in einen auf hohe numerische Apertur ausgelegten Ausschlussbereich RE und einen gemeinsamen Bereich RC unter teilt. Durch den Ausschlussbereich RE tritt ein Lichtstrahl hoher NA, die lediglich für eine optische Speicherplatte mit hoher Aufzeichnungsdichte, wie eine DVD erforderlich ist. Durch den gemeinsamen Bereich RC tritt ein Lichtstrahl geringer NA, die für eine optische Speicherplatte mit geringer Aufzeichnungsdichte wie eine CD oder eine CD-R ausreicht. Die Beugungslinsenstruktur ist über den gesamten, den gemeinsamen Bereich RC und den Ausschlussbereich RE ein schließenden Bereich ausgebildet. Der gemeinsame Bereich RC liegt innerhalb eines Kreises, durch den ein Lichtstrahl tritt, dessen NA 0,45 bis 0,50 beträgt. Der Ausschlussbereich RE umgibt den gemeinsamen Bereich RC.

Fig. 2 zeigt eine Optik des optischen Schreib/Lesekopfs, die mit der erfindungs gemäßen Objektivlinse 10 arbeitet. Die Optik des Schreib/Lesekopfs enthält ein DVD-Modul 21, ein CD-Modul 22, einen Strahlzusammenführer 23, eine Kolli matorlinse 24 sowie die Objektivlinse 10. Die Module 21 und 22 haben jeweils einen Halbleiterlaser und einen Sensor, die auf einem gemeinsamen Substrat montiert sind. Die Objektivlinse 10 wird über bekannte Fokussier- und Nachführ mechanismen in Richtung der optischen Achse sowie in radialer Richtung ange trieben. Die DVD ist eine optische Speicherplatte, die eine höhere Aufzeichnungs dichte und eine Deckschicht der Dicke 0,6 mm hat. Diese Speicherplatte wird im Folgenden als Dünnschicht-Speicherplatte bezeichnet. Um auf der DVD einen feinen Lichtstrahl zu erzeugen, ist ein Laserstrahl erforderlich, dessen Wellenlän ge in einem Bereich von 635 nm bis 665 nm liegt. Dagegen sind die CD-R und die CD optische Speicherplatten mit geringerer Aufzeichnungsdichte. Diese Speicherplatten werden im Folgenden als Dickschicht-Speicherplatten bezeichnet. Die Dicke der Deckschicht der CD-R oder der CD beträgt 1,2 mm. Die CD-R erfordert Strahlung im nahen Infrarotbereich in Folge ihrer spektralen Reflektivität.

Ein Halbleiterlaser des DVD-Moduls 21 sendet folglich einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 656 nm oder 659 nm aus, während der Halbleiterlaser des CD- Moduls 22 einen Laserstrahl mit der Wellenlänge von 790 nm ausgibt.

Bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ mit ihrer dünnen Deckschicht wird das DVD-Modul 21 so betrieben, dass es einen durch die durchgezogene Linie dargestellten Laserstrahl L₁ aussendet. Die Objektivlinse 10 ist dabei an der Position angeordnet, die durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Der Laser strahl L₁ wird durch die dünne Deckschicht auf die Informationsschicht der Dünn schicht-Speicherplatte D₁ gebündelt.

Wird die Dickschicht-Speicherplatte D₂ mit ihrer dicken Deckschicht verwendet, so wird das CD-Modul 22 so betrieben, dass es einen durch die gestrichelte Linie dargestellten Laserstrahl L₂ aussendet. Die Objektivlinse 10 wird dabei, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, näher an die Speicherplatte heranbewegt, um der Verschiebung der Informationsschicht zu folgen. Der Laserstrahl L₂ wird durch die dicke Deckschicht auf die Informationsschicht der Dickschicht-Speicherplatte D₂ gebündelt.

Die an den Speicherplatten reflektierten Laserstrahlen werden jeweils von in den jeweiligen Modulen enthaltenen Fotodetektoren empfangen. Aus dem Ausgangs signal der Fotodetektoren werden ein Fokussier-Fehlersignal und ein Nachführ- Fehlersignal erzeugt. Während der Wiedergabe wird außerdem ein Wiedergabe signal der aufgezeichneten Information erzeugt.

Im Folgenden wird der Aufbau der Beugungslinsenstruktur erläutert, die an der ersten Fläche 11 der Objektivlinse 10 ausgebildet ist.

Die Beugungslinsenstruktur arbeitet so, dass Beugungslicht vorbestimmter Ord nung, in diesem Ausführungsbeispiel erster Ordnung, bei einer kurzen Wellenlän ge (656 nm oder 659 nm) eine für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ geeignete Wellenfront und Beugungslicht derselben Ordnung bei einer langen Wellenlänge (790 nm) eine geeignete Wellenfront für die Dickschicht-Speicherplatte D₂ er zeugt.

In dem gemeinsamen Bereich RC hat die Beugungslinsenstruktur eine Wellenlän genabhängigkeit der sphärischen Aberration derart, dass die Änderung der sphä rischen Aberration in Folge einer Dickenänderung der Deckschicht durch die Wellenlängenänderung des eintretenden Strahls kompensiert wird. Die Beu gungslinsenstruktur hat nämlich in dem gemeinsamen Bereich RC eine derartige Wellenlängenabhängigkeit, dass die sphärische Aberration mit Wellenlängenan stieg in der unterkorrigierten Richtung variiert.

Die sphärische Aberration variiert in der überkorrigierten Richtung, wenn die Dicke der Deckschicht ansteigt. Die Beugungslinsenstruktur in dem gemeinsamen Bereich RC ändert die sphärische Aberration in der unterkorrigierten Richtung, wenn die Wellenlänge des eintretenden Laserstrahls ansteigt. Da für die Dick schicht-Speicherplatte D₂ ein Laserstrahl mit längerer Wellenlänge und für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ ein Laserstrahl mit kürzerer Wellenlänge verwen det wird, gleicht die durch die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungslinsen struktur verursachte Änderung der sphärischen Aberration diejenige Änderung der sphärischen Aberration aus, die durch die Dickenänderung der Deckschicht verursacht wird.

Die in dem Ausschlussbereich RE ausgebildete Beugungslinsenstruktur hat eine geringere Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberration als die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur. Sie ist so aus gebildet, dass die sphärische Aberration bei der kurzen Wellenlänge (656 nm oder 659 nm) für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ angemessen korrigiert ist.

Bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ werden mit diesem Aufbau die Laserstrahlen der Wellenlänge 656 nm oder 659 nm, die sowohl durch den ge meinsamen Bereich RC als auch den Ausschlussbereich RE treten, auf die Infor mationsschicht der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ gebündelt, da die Beugungslin senstruktur beider Bereiche RC und RE die sphärische Aberration angemessen korrigiert. Da die effektive NA hoch und die Wellenlänge kurz ist, wird so ein kleiner Laserpunkt geformt, der auf die Dünnschicht-Platte D₁ mit ihrer hohen Aufzeichnungsdichte ausgelegt ist.

Dagegen wird bei Anwendung der Dickschicht-Speicherplatte D₂ der durch den gemeinsamen Bereich RC tretende Laserstrahl der Wellenlänge von 790 nm auf die Informationsschicht der Dickschicht-Speicherplatte D₂ gebündelt, da die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur die sphäri sche Aberration korrigiert. Der durch den Ausschlussbereich RE hoher NA treten de Laserstrahl von 790 nm wird dagegen über einen ringförmigen Bereich, der um den Strahlpunkt herum verläuft und von diesem beabstandet ist, zerstreut, d. h. diffus gemacht, da die in dem Ausschlussbereich RE ausgebildete Beugungslin senstruktur die sphärische Aberration bei 790 nm nicht angemessen korrigiert. Da die effektive NA klein und die Wellenlänge groß ist, wird ein großer Strahlpunkt geformt, der auf die Dickschicht-Speicherplatte mit ihrer geringen Aufzeichnungs dichte ausgelegt ist.

Ist die Linsenfläche, wie vorstehend beschrieben, in den gemeinsamen Bereich und den Ausschlussbereich hoher NA unterteilt, so gibt es folgende drei Entwurfs verfahren zur Gestaltung der Beugungslinsenstruktur.

a) Die Beugungslinsenstruktur sowohl in dem gemeinsamen Bereich RC als auch in dem Ausschlussbereich RE wird durch die gemeinsame optische Wegdiffe renzfunktion festgelegt, während die sogenannten Blaze-Wellenlängen, d. h. die Wellenlängen maximaler Intensität, voneinander verschieden sind.
b) Die Beugungslinsenstruktur wird nur in dem gemeinsamen Bereich RC ausge bildet, und der Ausschlussbereich RE wird als kontinuierliche asphärische Fläche ohne Stufen gestaltet, die hinsichtlich der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ optimiert ist.
c) Die Beugungslinsenstruktur in dem gemeinsamen Bereich RC und die in dem Ausschlussbereich RE werden durch verschiedene optische Weglängendiffe renzfunktionen festgelegt. Die Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberra tion der in dem Ausschlussbereich RE ausgebildeten Beugungslinsenstruktur ist dabei kleiner als die der in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildeten Beu gungslinsenstruktur. Dies stellt die vorliegende Erfindung dar.

In dem Entwurfsverfahren (a) ist die Wellenlänge maximaler Intensität in dem gemeinsamen Bereich RC zwischen den Emissionswellenlängen von zwei Halb leiterlasern festgelegt, während die Wellenlänge maximaler Intensität in dem Ausschlussbereich RE nahe der kurzen Wellenlänge festgelegt ist. Angenommen, die Emissionswellenlänge der für die Dünnschicht-Speicherplatte bestimmten Laserquelle beträgt 660 nm und die für die Dickschicht-Speicherplatte D₂ 780 nm, so ist die Wellenlänge maximaler Intensität in dem gemeinsamen Bereich RC auf 720 nm und die Wellenlänge maximaler Intensität in dem Ausschlussbereich RE auf 660 nm festgelegt. Bei Anwendung der Dickschicht-Speicherplatte D₂ wird bei diesem Entwurfsverfahren der durch den Ausschlussbereich RE tretende Laser strahl bei der Wellenlänge von 780 nm zusammen mit dem durch den gemeinsa men Bereich RC tretenden Laserstrahl gebündelt. Wird die Aberration korrigiert, so wird die NA des Laserstrahls für die Dickschicht-Speicherplatte D₂ groß, so dass der Strahlpunkt zu klein wird, um die aufgezeichnete Information wiederzu geben. Bleibt dagegen die Aberration unkorrigiert, so wird der Strahlpunkt so groß, dass er benachbarte Spuren bedeckt und so ein Rauschen erzeugt, das auch als "Jitter" bezeichnet wird.

Bei Anwendung des Entwurfsverfahrens (a) ist deshalb ein Blendenmechanismus erforderlich, um den auf den Ausschlussbereich RE auftreffenden Strahl zu sper ren, wenn die Dickschicht-Speicherplatte D₂ verwendet wird.

Da ferner bei der nach dem Entwurfsverfahren (a) gestalteten Objektivlinse die sphärische Aberration über den gesamten Bereich der Linsenfläche eine hohe Sensitivität gegenüber der Wellenlänge hat, nimmt die Wellenfrontaberration schon bei einer nur geringen Wellenlängenänderung deutlich zu. Eine solche Wellenfrontaberration ist für die Dickschicht-Speicherplatte mit ihrer geringen Aufzeichnungsdichte unproblematisch, während sie für die Dünnschicht- Speicherplatte aufgrund deren geringer Toleranz gegenüber der Wellenfrontaber ration ein Problem darstellt. Das Entwurfsverfahren (a) schmälert deshalb die Toleranz der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ gegenüber der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers.

Da der Ausschlussbereich eine chromatische Längsaberration erzeugt und keine Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberration hat, wird gemäß dem Entwurfsverfahren (b) der für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ bestimmte Laser strahl der kurzen Wellenlänge, der durch den Ausschlussbereich tritt, gebündelt, um so zusammen mit dem durch den gemeinsamen Bereich tretenden Laserstrahl einen Strahlpunkt zu formen, während der für die Dickschicht-Speicherplatte D₂ bestimmte Laserstrahl mit langer Wellenlänge, der durch den Ausschlussbereich tritt, über einen ringförmigen Bereich zerstreut wird, der den Strahlpunkt, welcher von dem durch den gemeinsamen Bereich tretenden Laserstrahl erzeugt wird, umgibt und von diesem beabstandet ist.

Da jedoch gemäß dem Entwurfsverfahren (b) die Beugungslinsenstruktur, welche die sphärische Aberration mit Wellenlängenänderung variiert, in dem gemeinsa men Bereich ausgebildet ist, während der Ausschlussbereich als kontinuierliche Fläche ohne Stufen ausgebildet ist, hat die Wellenfront des durch den Aus schlussbereich tretenden Lichtstrahls keine Kontinuität bezüglich der Wellenfront des durch den gemeinsamen Bereich tretenden Laserstrahls, selbst wenn die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ angewendet wird. Aus diesem Grund steigt die Wellenfrontaberration auch bei einer nur geringen Wellenlängenänderung deutlich an. Auch das Entwurfsverfahren (b) schmälert also die Toleranz gegenüber der Emissionswellenlänge des für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ bestimmten Halbleiterlasers.

Die Erfindung wendet aus vorstehend genannten Gründen das Entwurfsverfahren (c) an. Die Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberration der Beugungs linsenstruktur in dem Ausschlussbereich RE wird so geringgehalten, um die bei Anwendung der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ durch die Wellenlängenänderung verursachte Wellenfrontaberration zu verringern, während für die Kontinuität einer Wellenfront zwischen dem gemeinsamen Bereich und dem Ausschlussbereich dadurch gesorgt ist, dass die Beugungslinsenstruktur über den gesamten Bereich ausgebildet ist.

Ferner hat die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich eine derartige Wellenlängenabhängigkeit, dass eine Änderung der sphärischen Aberration in Folge der mit einer Temperaturänderung einhergehenden Variation des Bre chungsindex durch die mit der Temperaturänderung einhergehende Variation der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers kompensiert wird. Da eine Kunststoff linse eine höhere Temperaturempfindlichkeit ihres Brechungsindex und ihrer Form als eine Glaslinse hat, kann die durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Abbildungsleistung zum Problem werden. Steigt beispielsweise die Temperatur an, so nimmt der Brechungsindex einer Kunststofflinse ab, was die sphärische Aberration in der überkorrigierten Richtung ändert und so die Wellen frontaberration verursacht. In einer Kunststofflinse ist das Verhältnis der Änderung des Brechungsindex zur Temperaturänderung etwa gleich -10.10^-5 Grad. Dage gen nimmt die Emissionswellenlänge eines Halbleiterlasers mit Temperaturan stieg zu. Bei einem Temperaturanstieg um 40 Grad ändert sich die Emissions wellenlänge um +8 nm.

Hat also die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich eine Wellenlän genabhängigkeit derart, dass die sphärische Aberration mit Anstieg der Wellen länge des eintretenden Strahls in der unterkorrigierten Richtung variiert, so kann die Änderung der sphärischen Aberration in der überkorrigierten Richtung der Brechungslinse in Folge des Temperaturanstiegs durch die Änderung der sphäri schen Aberration der Beugungslinsenstruktur in der unterkorrigierten Richtung ausgeglichen werden, die durch den Anstieg der Wellenlänge des Halbleiterlasers in Folge des Temperaturanstiegs auftritt.

Die zusätzliche optische Weglänge, die durch die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur hinzukommt, kann durch folgende optische Wegdifferenzfunktion Φ_C(h) ausgedrückt werden:

Φ_C(h) = (P_2Ch² + P_4Ch⁴ +P_6Ch⁶ + . . .).m.λ

worin P_2C, P_4C und P_6C Koeffizienten zweiter, vierter bzw. sechster Ordnung sind, h die Höhe über der optischen Achse, m die Beugungsordnung und λ eine Ar beitswellenlänge ist. Ferner kann die zusätzliche optische Weglänge, die durch die in dem Ausschlussbereich RE ausgebildete Beugungslinsenstruktur hinzu kommt, durch folgende optische Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) ausgedrückt werden:

Φ_E(h) = (P_2Eh² + P_4Eh⁴ + P_6Eh⁶ +. . .).m.λ

worin P_2E, P_4E und P_6E Koeffizienten zweiter, vierter bzw. sechster Ordnung sind. In den oben angegebenen Ausdrücken stellen negative Werte der Koeffizienten P_2C, P_2E zweiter Ordnung positive paraxiale Linsenwirkungen der Beugungslinsen struktur dar. Sind die Koeffizienten P_4C, P_4E vierter Ordnung kleiner als Null, so nimmt die jeweilige positive Linsenwirkung mit dem Abstand von der optischen Achse zu, was zu einer unterkorrigierten sphärischen Aberration führt.

Die tatsächliche mikroskopische Form der Beugungslinsenstruktur ergibt sich durch Substrahieren von λ.m (m: Ganzzahl) von Φ(h), um so die zusätzliche durch die jeweilige Stufe verursachte optische Weglänge vergleichbar mit einer Fresnel-Linse zu erhalten. Die Breite des Ringbereichs ist so festgelegt, dass die Differenz zwischen der optischen Wegdifferenzfunktion Φ(h) an der Innenkante des Ringbereichs und an der Außenkante desselben Ringbereichs gleich einer Wellenlänge ist. Ferner ist die Höhe der winzigen Stufe zwischen benachbarten Ringbereichen in Richtung der optischen Achse so festgelegt, dass die optische Wegdifferenz zwischen dem Lichtstrahl, der durch den einen der Ringbereiche geht, und dem Lichtstrahl, der durch den anderen Ringbereich geht, gleich einer Wellenlänge ist.

Die Beugungslinsenstruktur erfüllt folgende Bedingungen (1) und (2):

P_2C < P_2E (1)

P_4C < P_4E, P_4C < 0 (2)

Bekanntlich ist ein der Abbe-Zahl entsprechender Wert für eine Beugungslinsen struktur gleich -3,453. Die Beugungslinsenstruktur mit positiver Linsenwirkung kann die chromatische Längsaberration der Brechungslinse kompensieren, die positive Brechkraft hat. Um der Beugungslinsenstruktur positive Linsenwirkung zu geben, sollte der Koeffizient zweiter Ordnung der optischen Wegdifferenzfunktion negativ sein. Ist der Koeffizient vierter Ordnung negativ, so hat die Beugungslin senstruktur eine derartige Wellenlängenabhängigkeit, dass die sphärische Aber ration mit Wellenlängenanstieg in der unterkorrigierten Richtung variiert.

Da in dem gemeinsamen Bereich RC eine Hauptfunktion der Beugungslinsen struktur darin liegt, die sphärische Aberration mit der Wellenlänge zu ändern, sollte der Absolutwert des Koeffizienten vierter Ordnung groß sein, während der Absolutwert des Koeffizienten zweiter Ordnung klein sein sollte. Da im Gegensatz dazu in dem Ausschlussbereich die Beugungslinsenstruktur eine geringe Wellen längenabhängigkeit der sphärischen Aberration haben darf, die ausreicht, die Änderung der sphärischen Aberration in Folge der Temperaturänderung zu kom pensieren, sollte der Koeffizient vierter Ordnung negativ und sein Absolutwert vergleichsweise klein sein. In dem Ausschlussbereich RE ist ferner der Absolut wert des Koeffizienten zweiter Ordnung vergleichsweise groß, um die Variation der sphärischen Aberration in Folge der Temperaturänderung zu verringern, während die Kontinuität der Wellenfront mit der des gemeinsamen Bereichs RC trotz der Wellenlängenänderung gegeben bleibt. Infolgedessen sollten die Koeffi zienten zweiter und vierter Ordnung die Bedingungen (1) und (2) erfüllen.

Im Folgenden wird der mikroskopische Aufbau der Beugungslinsenstruktur be schrieben. Die Fig. 3A und 3B zeigen vergrößerte Schnittdarstellungen des Grenzabschnittes zwischen dem gemeinsamen Bereich RC und dem Ausschluss bereich RE. Die Beugungslinsenstruktur ist so gestaltet, dass in dem gemeinsa men Bereich RC und dem Ausschlussbereich RE für jeweils ein aus einem inne ren Ringbereich und einem diesem benachbarten äußere Ringbereich bestehen des Ringpaar die Innenkante des eines Ringbereichs gegenüber der Außenkante des benachbarten inneren Ringbereichs übersteht.

Ist die optische Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) in dem Ausschlussbereich RE so festgelegt, dass der Absolutwert des Koeffizienten vierter Ordnung klein und der Absolutwert des Koeffizienten zweiter Ordnung groß ist, während für die Konti nuität, d. h. die Stetigkeit der optischen Differenzfunktion Φ_C(h) in dem gemeinsa men Bereich RC gesorgt ist, so wird die Breite des innersten Ringbereichs in dem Ausschlussbereich RE größer als die Breite des äußersten Ringbereichs in dem gemeinsamen Bereich RC, und die Außenkante des äußersten Ringbereichs des gemeinsamen Bereichs RC steht gegenüber der Innenkante des innersten Ring bereichs des Ausschlussbereichs RE über, wie in Fig. 3A gezeigt ist.

Wenn die einer Fresnel-Linse ähnelnde Beugungslinsenstruktur an der asphäri schen Fläche der Brechungslinse ausgebildet werden soll, ist zur Ausbildung der Struktur ein eine Präzisionsdrehmaschine einsetzendes mechanisches Verfahren dem lithografischen Verfahren vorzuziehen. In dem mechanischen Verfahren wird das Muster der Beugungslinsenstruktur über die Präzisionsdrehmaschine mit einem Schneidwerkzeug auf einer Formfläche einer Formvorrichtung (Stempel) ausgebildet und dieses Muster dann auf einen Spritzgussabdruck übertragen. Dieser Abdruck wird eine Objektivlinse.

Ist jedoch die Orientierung der Stufe an der Grenze zwischen dem gemeinsamen Bereich RC und dem Ausschlussbereich RE den Orientierungen der Stufen an den anderen Grenzstellen entgegengesetzt, so wird ein dem äußersten Ringbe reich in dem gemeinsamen Bereich RC entsprechender Teil an der Formfläche der Formvorrichtung als Vertiefung ausgebildet und dessen Kante nicht durch das Schneidwerkzeug erzeugt.

Die inneren drei Ringbereiche des Ausschlussbereichs RE können als einzelner Ringbereich ausgebildet sein, wie Fig. 3B zeigt. So kann der dritte Ringbereich des Ausschlussbereichs RE durch Auffüllen der beiden inneren Ringbereiche bis zur Grenze ausgedehnt werden. Da bei einer solchen Gestaltung die Orientierun gen der winzigen Stufen an allen Grenzstellen identisch sind, ist es leicht, die Formfläche der Formvorrichtung auszubilden. Ist der dritte Ringbereich in vorste hend erläuterter Weise ausgedehnt, so ist der innerste Ringbereich in dem Aus schlussbereich RE als überbreiter Ringbereich ausgebildet, in dem die Differenz zwischen den Werten der optischen Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) an der Innen kante und an der Außenkante größer als eine Wellenlänge ist. Hat die Beugungs linsenstruktur einen solchen überbreiten Bereich, so ist dies gleichbedeutend mit der Heranziehung eines Beugungsstrahls höherer Ordnung in dem überbreiten Bereich, z. B. zweiter oder dritter Ordnung. Es ist unproblematisch, wenn die Arbeitswellenlänge gleich der Wellenlänge maximaler Intensität ist. Dagegen bringt ein Unterschied zwischen der Arbeitswellenlänge und der Wellenlänge maximaler Intensität einen Abfall an Beugungseffizienz mit sich. Da sich jedoch der überbreite Ringbereich sich in dem Ausschlussbereich RE an einer Stelle befindet, wo der Unterschied zwischen der Arbeitswellenlänge und der Wellenlän ge maximaler Intensität klein ist, und der Flächenanteil des überbreiten Ringbe reichs bezogen auf die gesamte Linsenfläche sehr klein ist, stellt der Abfall der Beugungseffizienz in der Praxis kein Problem dar.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele mit dem oben erläuterten Auf bau beschrieben. Die in diesen Ausführungsbeispielen erläuterten Objektivlinsen sind für einen kompatiblen optischen Schreib/Lesekopf bestimmt, der mit einer Dünnschicht-Speicherplatte D₁, deren Deckschicht 0,6 mm beträgt, und einer Dickschicht-Speicherplatte D₂, deren Deckschicht 1,2 mm beträgt, arbeiten kann. Die Objektivlinse 10 hat an ihrer ersten Fläche 11 die Beugungslinsenstruktur und bündelt den Beugungsstrahl erster Ordnung auf die Informationsschicht der opti schen Speicherplatte.

Erstes Ausführungsbeispiel

In Tabelle 1 sind die Daten für das erste Ausführungsbeispiel der Objektivlinse 10 angegeben. Der gemeinsame Bereich RC erfüllt 0 ≦ h < 1,69 und der Ausschluss bereich RE 1,69 ≦ h < 2,02 (Einheit: mm). Die Beugungslinsenstruktur ist in bei den Bereichen RC und RE der ersten Fläche 11 ausgebildet. Die in dem ersten Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist durch ihre optische Wegdiffe renzfunktion festgelegt, die sich von der des Ausschlussbereichs RE unterschei det. Die Basiskurve des gemeinsamen Bereichs RC, welche die Form der Fläche der Brechungslinse ohne Beugungslinsenstruktur angibt, ist eine asphärische Fläche, die sich von der asphärischen Basiskurve des Ausschlussbereichs RE unterscheidet. Die zweite Fläche 12 ist eine kontinuierliche asphärische Fläche ohne Stufen.

Die Basiskurve des gemeinsamen Bereichs RC und des Ausschlussbereichs RE der ersten Fläche 11 sowie die zweite Fläche 12 stellen rotationssymmetrische asphärische Flächen dar. Eine rotationssymmetrische, asphärische Fläche kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

X(h) gibt einen Durchbiegungswert an, d. h. den Abstand der Kurve von einer Tangentialebene an einem Punkt der Fläche, an dem die Höhe über der optischen Achse gleich h ist. Die Scheitelkrümmung (1/r) ist mit c und die Kegelschnittkon stante mit κ angegeben. A₄, A₆, A₈, A₁₀ und A₁₂ sind Asphärenkoeffizienten vierter, sechster, achter, zehnter bzw. zwölfter Ordnung.

Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Koeffizienten, welche die Basiskurve und die Beugungslinsenstruktur des gemeinsamen Bereichs RC der ersten Fläche 11 festlegen, die verschiedenen Koeffizienten, die die Basiskurve und die Beugungslinsenstruktur des Ausschlussbereichs RE der ersten Linsenfläche 11 angeben, die verschiedenen Koeffizienten, welche die zweite Fläche 12 festlegen, den entlang der optischen Achse gemessenen Abstand d zwischen den Flächen, und die Brechungsindizes n659, n790 bei den Arbeitswellenlängen 659 nm bzw. 790 nm. In Tabelle 1 ist für die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ die numerische Apertur NA₁, die Brennweite f₁ (Einheit: mm) und die Arbeitswellenlänge λ₁ (nm) angege ben. Weiterhin ist in Tabelle 1 für die Dickschicht-Speicherplatte D₂ die numeri sche Apertur NA₂, die Brennweite f₂ (Einheit: mm) und die Arbeitswellenlänge λ₂ angegeben. Weiterhin bezeichnet r den Krümmungsradius des paraxialen Linsen abschnittes, λ_B die Wellenlänge maximaler Intensität, d. h. die Blaze-Wellenlänge, und ds die Höhe der Stufe zwischen zwei benachbarten Ringbereichen in Rich tung der optischen Achse.

Tabelle 1

In Tabelle 2 sind die von der optischen Achse aus gemessenen Abstände h_in, h_out (Einheit: mm) zu der Innen- und der Außenkante des jeweiligen Ringbereichs angegeben, dessen Ringnummer mit N angegeben ist. Außerdem ist in Tabelle 2 die Breite W (Einheit: mm) des jeweiligen Ringbereichs aufgeführt. Die Ringnum mer N ist dabei von der Mitte zum Rand hin gezählt. Die Ringnummer des zentra len kreisförmigen Bereichs ist demnach 0, die des nächstäußeren Bereichs gleich 1 und die des äußersten Ringbereichs gleich 30. Die Ringbereiche, deren Ring nummern 0 bis 16 sind, sind in dem gemeinsamen Bereich RC und die Ringberei che, deren Ringnummern 17 bis 30 sind, in dem Ausschlussbereich RE angeord net.

Tabelle 2

Fig. 4 zeigt an Hand eines Graphen Werte der optischen Wegdifferenzfunktion einer Beugungslinsenstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Graphen gibt die durchgezogene Linie die Werte für den gemeinsamen Bereich RC und die gestrichelte Linie die Werte für den Ausschlussbereich RE an. Die horizontale Achse gibt die optische Wegdifferenz und die vertikale Achse den Abstand von der optischen Achse an. In Fig. 5 ist ein Graph dargestellt, der die Variation der in Tabelle 2 angeführten Werte für die Breite W angibt. In jedem der beiden Bereiche RC und RE nimmt die Breite W mit dem Abstand von der opti schen Achse ab. Die Breite des jeweils äußeren Rings ist demnach kleiner als die des diesem benachbarten inneren Rings, mit Ausnahme des sechzehnten und des siebzehnten Ringbereichs, die an der Grenze zwischen den Bereichen RC und RE angeordnet sind. Da die Außenkante des sechzehnten Ringbereichs durch die für den gemeinsamen Bereich RC erforderliche NA festgelegt ist, ist die Breite dieses Ringbereichs größer als die ursprüngliche, durch die optische Weg differenzfunktion Φ_C(h) festgelegte Breite. Der siebzehnte Ringbereich ist der in Fig. 3B dargestellte überbreite Bereiche, der die Orientierungen aller Stufen identisch werden läßt.

Die Abbildungsleistung der Objektivlinse 10 gemäß dem ersten Ausführungsbei spiel wird unter Bezugnahme auf Aberrationsdiagramme der Optik beschrieben, die die Objektivlinse 10 und die Deckschicht der optischen Speicherplatte ein schließt. Fig. 6 bis 8 zeigen die Aberrationen der Optik, wenn die Dünnschicht- Speicherplatte D₁ bei einer Standardtemperatur, z. B. 25°C, verwendet wird. Fig. 6A zeigt die sphärische Aberration SA und die Sinusbedingung SC bei der Ar beitswellenlänge 656 nm. Fig. 6B zeigt die sphärischen Aberrationen bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm. Fig. 7 zeigt die Wellenfrontaberratio nen bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm. Fig. 8 zeigt den Zusam menhang des rms-Wertes der Wellenfrontaberration und der Defokussierung bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm. rms steht dabei für "root-mean square", also das mittlere Fehlerquadrat.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Wellenfront des durch den gemeinsamen Bereich RC tretenden Laserstrahls kontinuierlich bezüglich der Wellenfront des durch den Ausschlussbereich RE tretenden Laserstrahls. Wie Fig. 8 weiter zeigt, übersteigt die minimale Wellenfrontaberration selbst bei einer Änderung der Arbeitswellenlänge um ±5 nm den Wert 0,017 λ nicht, so dass der Laserstrahl an der besten Scharfstellposition in angemessen kleine Strahlpunkte gebündelt werden kann.

Fig. 9 bis 11 zeigen Aberrationen der Optik, wenn die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ bei einer Temperatur verwendet wird, die um 40 Grad über der Standardtem peratur liegt. Fig. 9A und 9B zeigen die sphärischen Aberrationen, während Fig. 10 die Wellenfrontaberrationen und Fig. 11 den Zusammenhang zwischen Wel lenfrontaberration und Defokussierung zeigt. Da eine Temperaturänderung von 40 Grad die Arbeitswellenlänge des Halbleiterlasers um +8 nm verschiebt, sind die in den Fig. 9B, 10 und 11 dargestellten Aberrationen für 659 nm, 664 nm und 669 nm berechnet. Bei Temperaturanstieg um 40 Grad wird die minimale Wellen frontaberration bei der verschobenen Entwurfswellenlänge von 664 nm (656 nm + 8 nm) gleich 0,010 λ. Die minimale Wellenfrontaberration übersteigt den Wert 0,020 λ selbst dann nicht, wenn die Arbeitswellenlänge um ±5 nm variiert.

Fig. 12 und 14 zeigen Aberrationen der Optik, wenn die Dickschicht- Speicherplatte D₂ bei der Standardtemperatur verwendet wird. Fig. 12A zeigt die sphärische Aberration SA und die Sinusbedingung SC bei der Arbeitswellenlänge von 790 nm. Fig. 12B zeigt die sphärischen Aberrationen bei den Wellenlängen 785 nm, 790 nm und 795 nm. Fig. 13 zeigt die Wellenfrontaberrationen bei den Wellenlängen 785 nm, 790 nm und 795 nm. Fig. 14 zeigt den Zusammenhang zwischen dem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung bei den Wellenlängen 785 nm, 790 nm und 795 nm. Durch einen Vergleich der Fig. 6A und 12A wird deutlich, dass trotz der unterschiedlichen Deckschichten in beiden Fällen die sphärischen Aberrationen angemessen korrigiert sind.

Im Folgenden werden Vergleichsbeispiele erläutert, die nach den oben erläuterten Entwurfsverfahren (a) und (b) gestaltet sind, um den Vorteil des nach dem Ent wurfsverfahren (c) gestalteten ersten Ausführungsbeispiels deutlich zu machen.

Fig. 15 zeigt an Hand eines Graphen den Zusammenhang zwischen dem rms- Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm in der Optik, die eine Objektivlinse gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte ein setzt. Die Objektivlinse des ersten Vergleichsbeispiels ist gemäß dem Entwurfs verfahren (a) gestaltet, d. h. seine Beugungslinsenstruktur ist durch eine einzige optische Wegdifferenzfunktion in beiden Bereichen RC und NA festgelegt, und zwar unter denselben Spezifizierungen wie Arbeitswellenlängen, NA, Brennweiten etc. wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Wie Fig. 15 zeigt, übersteigt die minimale Wellenfrontaberration den Wert 0,02, wenn die Arbeitswellenlänge um ±5 nm variiert, so dass der Laserstrahl in Folge des individuellen Unterschieds der Emissionswellenlänge eines Halbleiterlasers nicht in angemessen kleine Strahl punkte gebündelt werden kann.

Fig. 16 bis 19 zeigen Aberrationen der Optik, die eine Objektivlinse gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ einsetzt. Die Objektivlinse des zweiten Vergleichsbeispiels ist unter denselben Spezifizierungen wie das erste Ausführungsbeispiel nach dem Entwurfsverfahren (b) gestaltet, d. h. der Ausschlussbereich RE ist als kontinuierliche Fläche ohne Stufen ausgebildet.

Fig. 16 und 17 zeigen die Aberrationen bei Standardtemperatur. Fig. 16 zeigt die Wellenfrontaberration bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm. Fig. 17 zeigt den Zusammenhang zwischen dem rms-Wert der Wellenfrontaberration und der Defokussierung bei den Wellenlängen 651 nm, 656 nm und 661 nm. Wie in Fig. 16 gezeigt, zeigt die Wellenfront des durch den gemeinsamen Bereich RC tretenden Laserstrahls keine Kontinuität mit der Wellenfront des durch den Aus schlussbereich RE tretenden Laserstrahls. Wie Fig. 17 weiterhin deutlich macht, wird die Verschiebung der besten Scharfstellposition in Richtung der optischen Achse bei einer Änderung der Arbeitswellenlänge um ±5 nm signifikant. Insbe sondere bei Anstieg der Wellenlänge übersteigt die minimale Wellenfrontaberrati on den Wert 0,020 λ.

Fig. 18 und 19 zeigen die Aberrationen der Optik, die die Objektivlinse gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel einsetzt, wenn die Dünnschicht-Speicherplatte D₁ bei einer um 40 Grad über der Standardtemperatur liegenden Temperatur verwendet wird. Da die Beugungslinsenstruktur in dem Ausschlussbereich mit die durch die Temperaturänderung verursachte sphärische Aberration nicht korrigiert, verursacht die Änderung des Brechungsindex die überkorrigierte sphärische Aberration, und die Wellenfrontaberration nimmt signifikant zu. Da der minimale rms-Wert der Wellenfrontaberration selbst bei der Entwurfswellenlänge von 656 nm den Wert 0,05 λ übersteigt, kann der Strahlpunkt nicht in einen Durchmesser gebündelt werden, der für die Wiedergabe einer DVD erforderlich ist.

Zweites Ausführungsbeispiel

Tabelle 3 gibt die Daten der Objektivlinse 10 des zweiten Ausführungsbeispiels an. Der gemeinsame Bereich RC erfüllt 0 ≦ h < 1,62 und der Ausschlussbereich RE 1,62 ≦ h < 1,93 (Einheit: mm). Die Beugungslinsenstruktur ist in beiden Berei chen RC und RE der ersten Fläche 11 ausgebildet. Die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist durch eine optische Wegdif ferenzfunktion festgelegt, die sich von der für den Ausschlussbereich RE festge legten Funktion unterscheidet. Die Basiskurve des gemeinsamen Bereichs RC stellt eine asphärische Fläche dar und unterscheidet sich von der asphärischen Basiskurve des Ausschlussbereichs RE. Die zweite Fläche 12 ist eine kontinuierli che asphärische Fläche ohne Stufen.

Tabelle 3

Für den jeweiligen Ringbereich mit der Ringnummer N sind die von der optischen Achse gemessenen Abstände h_in, h_out (Einheit: mm) zu der Innen- und der Au ßenkante in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4 zeigt weiterhin die Breite W (Einheit: mm) des jeweiligen Ringbereichs. Die Ringbereiche mit den Ringnummern 0 bis 17 sind in dem gemeinsamen Bereich RC und die mit den Ringnummern 18 bis 19 in dem Ausschlussbereich RE enthalten.

Tabelle 4

Fig. 20 zeigt an Hand eines Graphen die Werte der optischen Wegdifferenzfunkti on einer gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Beugungslin senstruktur. In dem Graphen gibt die durchgezogene Linie die Werte in dem gemeinsamen Bereich RC und die gestrichelte Linie die Werte in dem Aus schlussbereich RE an. Die horizontale Achse bezeichnet die optische Weglänge und die vertikale Achse den Abstand von der optischen Achse. In Fig. 21 zeigt ein Graph die in Tabelle 4 angegebene Variation der Breite W. Die Breite eines äußeren Ringbereichs ist dabei kleiner als die jeweils benachbarten inneren Bereichs, mit Ausnahme des achtzehnten Ringbereichs an der Grenze zwischen den Bereichen RC und RE. Der achtzehnte Ringbereich ist der in Fig. 3B darge stellte überbreite Bereich, der dazu dient, die Orientierungen aller Stufen identisch werden zu lassen.

Die Abbildungsleistung der Objektivlinse 10 des zweiten Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf Diagramme von Aberrationen der Optik beschrieben, die die Objektivlinse und die Deckschicht der optischen Speicherplatte einschließt. Fig. 22A, 22B und 23 zeigen die Aberrationen der Optik, wenn die Dünnschicht- Speicherplatte D₁ bei Standardtemperatur verwendet wird. Fig. 22A zeigt die sphärische Aberration SA und die Sinusbedingung SC bei der Arbeitswellenlänge von 659 nm. Fig. 22B zeigt die sphärischen Aberrationen bei den Wellenlängen 654 nm, 659 nm und 664 nm. Fig. 23 zeigt die Wellenfrontaberrationen bei den Wellenlängen 654 nm, 659 nm und 664 nm. Wie das erste Ausführungsbeispiel ist auch die Objektivlinse des zweiten Ausführungsbeispiels hinsichtlich der sphäri schen Aberrationen korrigiert. Darüber hinaus können die durch eine Wellenlän genänderung verursachten Wellenfrontaberrationen selbst bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte D₁ gering gehalten werden. Auch die durch eine Temperaturvariation verursachte Änderung der Aberrationen ist verringert.

Wie aus vorstehender Beschreibung hervorgeht, wird gemäß der Erfindung eine Änderung der sphärischen Aberration, die durch eine Änderung der Dicke der Deckschicht verursacht wird, durch die Änderung der sphärischen Aberration in Folge der Wellenlängenabhängigkeit der Beugungslinsenstruktur ausgeglichen. Da weiterhin der durch den Ausschlussbereich mit gehende Laserstrahl bei An wendung der Dickschicht-Speicherplatte, z. B. der CD oder der CD-R, zerstreut, d. h. diffus gemacht wird, wird der Strahlpunkt auch ohne einen Blendenmecha nismus nicht zu klein.

Claims

1. Objektivlinse (10) für einen optischen Schreib/Lesekopf, mit einer Bre chungslinse mit positiver Brechkraft und einer an mindestens einer Linsen fläche (11) der Brechungslinse ausgebildeten Beugungslinsenstruktur mit mehreren konzentrischen, gestuften Ringbereichen, dadurch gekennzeich net, dass die Linsenfläche (11) unterteilt ist in einen auf hohe numerische Apertur ausgelegten Ausschlussbereich (RE), durch den ein Lichtstrahl mit einer ersten numerischen Apertur tritt, die für eine optische Speicherplatte (D₁) mit einer ersten Aufzeichnungsdichte erforderlich ist, und einen gemein samen Bereich (RC), durch den ein Lichtstrahl mit einer zweiten numeri schen Apertur tritt, die kleiner als die erste numerische Apertur und für eine optische Speicherplatte (D₂) mit einer die erste Aufzeichnungsdichte unter schreitenden zweiten Aufzeichnungsdichte ausreichend ist, dass der Licht strahl mit der ersten numerischen Apertur eine erste Wellenlänge und der Lichtstrahl mit der zweiten numerischen Apertur eine zweite Wellenlänge hat, die länger als die erste Wellenlänge ist, dass die in dem gemeinsamen Be reich (RC) ausgebildete Beugungslinsenstruktur eine Wellenlängenabhän gigkeit derart hat, dass die bei Deckschichten verschiedener Dicke auftre tenden sphärischen Aberrationen bei der ersten und der zweiten Wellenlän ge korrigiert sind, und dass die in dem Ausschlussbereich (RE) ausgebildete Beugungslinsenstruktur eine geringere Wellenlängenabhängigkeit der sphä rischen Aberration als die in dem gemeinsamen Bereich (RC) ausgebildete Beugungslinsenstruktur hat und derart ausgebildet ist, dass die sphärische Aberration bei der ersten Wellenlänge im wesentlichen korrigiert ist.

2. Objektivlinse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgen de Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind:
P_2C < P_2E (1)
P_4C < P_4E, P_4C < 0 (2)
wobei eine durch die in dem gemeinsamen Bereich (RC) ausgebildete Beu gungslinsenstruktur verursachte zusätzliche optische Weglänge durch fol gende optische Wegdifferenzfunktion Φ_C(h) gegeben ist:
Φ_C(h) = (P_2Ch² + P_4Ch⁴ + P_6Ch⁶ + . . .).m.λ
worin P_2C ein Koeffizient zweiter Ordnung, P_4C ein Koeffizient vierter Ord nung, P_6C ein Koeffizient sechster Ordnung, h die Höhe über der optischen Achse ist, m die Beugungsordnung und λ eine Arbeitswellenlänge ist,
und wobei eine durch die in dem Ausschlussbereich (RE) ausgebildete Beu gungslinsenstruktur verursachte zusätzliche optische Weglänge durch fol gende optische Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) gegeben ist:
Φ_E(h) = (P_2Eh² + P_4Eh⁴ + P_6Eh⁶ +. . .).m.λ
worin P_2E ein Koeffizient zweiter Ordnung, P_4E ein Koeffizient vierter Ordnung und P_6E ein Koeffizient sechster Ordnung ist.

3. Objektivlinse (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des innersten Ringbereichs des Ausschlussbereichs (RE) größer als die Breite des äußersten Ringbereichs des gemeinsamen Bereichs (RC) ist.

4. Objektivlinse (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungslinse aus Kunststoff besteht und die Beugungslinsenstruktur folgende Bedingung (3) erfüllt:
P_4C < P_4E < 0 (3).

5. Objektivlinse (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Ausschlussbereich (RE) ausgebildete Beugungslinsenstruktur eine Wellenlängenabhängigkeit derart hat, dass eine Änderung der sphärischen Aberration in Folge einer durch eine Temperaturänderung verursachte Va riation des Brechungsindex der Brechungslinse durch eine durch die Tempe raturänderung verursachte Variation der Emissionswellenlänge eines Halb leiterlasers kompensiert wird.

6. Objektivlinse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungslinsenstruktur so ausgebildet ist, dass die Innenkante eines äußeren Ringbereichs gegenüber der Außenkante ei nes benachbarten inneren Ringbereichs mit Ausnahme der Grenze zwischen dem gemeinsamen Bereich (RC) und dem Ausschlussbereich (RE) für jedes aus jeweils einem inneren und einem äußeren Ringbereich bestehenden Paar übersteht und dass die Außenkante des in dem gemeinsamen Bereich (RE) ausgebildeten äußersten Ringbereichs gegenüber der Innenkante des in dem Ausschlussbereich (RE) ausgebildeten innersten Ringbereichs über steht.

7. Objektivlinse (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Beugungslinsenstruktur so ausgebildet ist, dass die In nenkante eines äußeren Ringbereichs gegenüber der Außenkante des be nachbarten inneren Ringbereichs für jedes jeweils aus einem inneren und einem benachbarten äußeren Ringbereich bestehendes Paar übersteht und dass sich der Wert der optischen Wegdifferenzfunktion Φ_E(h) an der Innen kante von dem an der Außenkante des in dem Ausschlussbereich (RE) aus gebildeten innersten Ringbereichs um mehr als eine Wellenlänge unter scheidet.