DE10065452A1

DE10065452A1 - Hybridlinse

Info

Publication number: DE10065452A1
Application number: DE10065452A
Authority: DE
Inventors: Koichi Maruyama
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2001-07-05
Also published as: US6545807B2; US20010055156A1

Abstract

Beschrieben ist eine Hybridlinse (10), die eine Brechungslinse mit mindestens einer asphärischen Linsenfläche (11, 12) und eine Beugungslinsenstruktur hat, die mehrere, an mindestens einer Linsenfläche (11) der Brechungslinse ausgebildete konzentrische, ringförmige Stufen hat. Die Brechungslinse und die Beugungslinsenstruktur sind so ausgebildet, dass eine durch eine Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphärischen Aberration verringert wird. Die Brechungslinse ist dabei so ausgebildet, dass die Koma im wesentlichen korrigiert und die durch die Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphärischen Aberration verringert ist. Die Beugungslinsenstruktur ist so ausgebildet, dass die noch verbleibende sphärische Aberration korrigiert ist. Die Brechungslinse ist eine bikonvexe Einzellinse, die mindestens eine asphärische Linsenfläche hat. Die Beugungslinsenstruktur erzeugt eine negative sphärische Aberration und verringert so das Verhältnis der Änderung der sphärischen Aberration zur Variation des Brechungsindex.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridlinse mit einer Brechungslinse und einer an einer Linsenfläche der Brechungslinse ausgebildeten Beugungslinsenstruktur.

Mit Änderung des Brechungsindex ändern sich auch die Aberrationen einer Bre chungslinse. Bei einer asphärischen, positiven Einzellinse, welche die Sinusbe dingung erfüllt, wird mit steigendem Brechungsindex die Brennweite kürzer und die sphärische Aberration negativ (unterkorrigiert), während mit abfallendem Brechungsindex die Brennweite länger und die sphärische Aberration positiv (überkorrigiert) wird.

In der Optik einer optischen Speicherplatteneinrichtung verursacht die durch die Änderung des Brechungsindex herbeigeführte Änderung der Brennweite einer Objektivlinse kein Problem, da dies über einen Fokussiermechanismus korrigiert werden kann.

Jedoch verursacht eine Änderung der sphärischen Aberration ein Problem, da die Wellenfront eines Laserstrahls gestört wird, wenn die sphärische Aberration nicht ausreichend korrigiert ist. Übersteigt die sphärische Aberration ein tolerierbares Maß, so kann der Laserstrahl nicht mit der gewünschten Punktgröße auf eine optische Speicherplatte gebündelt werden. In einem solchen Fall ist die Optik nicht in der Lage, Informationsdaten aufzuzeichnen oder wiederzugeben.

Der Brechungsindex variiert mit Temperaturänderung. Insbesondere variiert der Brechungsindex einer Kunststofflinse stark, wenn sich die Temperatur ändert.

Der Temperaturbereich, in dem die Aberrationen das tolerierbare Maß nicht übersteigen, ist deshalb bei einer Kunststofflinse vergleichsweise klein.

Außerdem gibt es Materialien, deren Brechungsindex während eines Formge bungsprozesses nicht stabil ist. Da der Brechungsindex eines solchen Materials in Abhängigkeit der Prozessbedingungen variiert, kann der Brechungsindex einer so hergestellten Linse von dem Entwurfswert, d. h. dem Sollbrechungsindex, ver schieden sein, was zu der Aberration führt. Wird die Linse in einem solchen Formgebungsprozess gefertigt, so sollte sie nicht aus einem solchen Material bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brechungs/Beugungs-Hybridlinse anzugeben, die unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist, selbst wenn sie aus Kunststoff besteht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Linse anzugeben, die aus einem Material gefertigt werden kann, dessen Brechungsin dex während eines zur Fertigung der Linse bestimmten Formgebungsprozesses nicht stabil ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Hybridlinse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Hybridlinse kann die Änderung der sphärischen Aberration verringert werden, selbst wenn der Brechungsindex in Folge einer Temperaturänderung variiert. Ändert sich der Brechungsindex wäh rend des Formgebungsprozesses der Hybridlinse, so kann die sphärische Aberration gering gehalten werden. Wird die Hybridlinse als Objektivlinse für eine opti sche Speicherplatteneinrichtung eingesetzt, so kann deshalb trotz der Änderung des Brechungsindex ein Laserstrahl in der erforderliche Punktgröße auf eine optische Speicherplatte gebündelt werden.

Eine bündelnde Linse, wie eine Objektivlinse einer optischen Speicherplattenein richtung, sollte folgende Bedingungen erfüllen:

a) Die sphärische Aberration ist korrigiert.
b) Die Koma ist korrigiert.

Diese Bedingungen können durch Einsatz einer asphärischen Fläche erfüllt wer den. Die Erfindung hat nun zum Ziel, zusätzlich zu den Bedingungen (a) und (b) die folgende Bedingung (c) zu erfüllen:

a) Die durch eine Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphä rischen Aberration ist verringert.

Eine asphärische Brechungslinse kann die oben genannten Bedingungen (a), (b) und (c) nicht zugleich erfüllen, sondern nur die Bedingungen (b) und (c). Gemäß der Erfindung ist deshalb die Brechungslinse so ausgebildet, dass sie die Bedin gungen (b) und (c) erfüllt, während die Beugungslinsenstruktur so ausgebildet ist, dass sie die verbleibende sphärische Aberration korrigiert und damit die Bedin gung (a) erfüllt. Da die Korrektionswirkung der Beugungslinsenstruktur mit dem Brechungsindex nicht variiert, kann die sphärische Aberration der erfindungsge mäßen Brechungs/Beugungs-Hybridlinse selbst bei Variation des Brechungsindex geringgehalten werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindungen ist die Brechungslinse eine einzelne Linse. Ist mindestens eine Fläche dieser Einzellinse asphärisch, so wird die durch die Brechungslinse verursachte positive sphärische Aberration vorzugsweise durch die von der Beugungslinsenstruktur verursachte negative sphärische Aberration ausgeglichen.

Eine durch die ringförmigen Stufen der Beugungslinsenstruktur hinzukommende optische Weglänge kann durch folgende optische Wegdifferenzfunktion Φ(h) ausgedrückt werden:

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + . . .).m.λ

worin P₂ ein Koeffizient zweiter Ordnung, P₄ ein Koeffizient vierter Ordnung, P₆ ein Koeffizient sechster Ordnung, h die Höhe über der optischen Achse, m die Beu gungsordnung und λ die Arbeitswellenlänge ist.

Vorzugsweise erfüllt die Beugungslinsenstruktur folgende Bedingung (1):

-0,20 < P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ < -0,04 (1)

worin NA die numerische Apertur und h_MAX die Höhe über der optischen Achse an einem Punkt ist, an dem der die numerische Apertur festlegende Lichtstrahl die Beugungslinsenstruktur schneidet.

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

Fig. 1A die Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Hybridlinse,

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

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

Fig. 2 eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Hybridlinse,

Fig. 3 einen Graphen, der die sphärische Aberration der Hybridlinse gemäß erstem Ausführungsbeispiel und die eines Vergleichsbeispiels bei einem Brechungsindex von 1,57 zeigt,

Fig. 4 einen Graphen, der die sphärische Aberration der Linse gemäß erstem Ausführungsbeispiel und die eines Vergleichsbeispiels bei einem Brechungsindex von 1,55 zeigt,

Fig. 5 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Hybridlinse zusammen mit einer optischen Speicherplatte,

Fig. 6 eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Hybridlinse zusammen mit einer optischen Speicherplatte, und

Fig. 7 eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Hybridlinse zusammen mit einer optischen Speicherplatte.

In den Fig. 1A, 1B und 1C ist eine erfindungsgemäße Brechungs/Beugungs- Hybridlinse 10 dargestellt. Fig. 1A zeigt die Vorderansicht, Fig. 1B den vertikalen Querschnitt und Fig. 1C einen Teil der Fig. 1B in vergrößerter Darstellung.

Die Hybridlinse 10 ist eine bikonvexe Kunststofflinse mit einer ersten Fläche 11 und einer zweiten Fläche 12. Die Beugungslinsenstruktur ist an der ersten Fläche 11 der Hybridlinse 10 ausgebildet, wie Fig. 1A zeigt. Mindestens eine der beiden Flächen 11, 12 ist asphärisch. Die eine Brechungslinse darstellenden Flächen 11 und 12 sind so ausgebildet, dass die sphärische Aberration positiv (überkorrigiert) wird.

Die Beugungslinsenstruktur besteht, ähnlich einer Fresnel-Linse, aus einer großen Anzahl konzentrischer, ringförmiger Stufen, die jeweils keilförmige Querschnitts form haben, wie Fig. 1C zeigt. Die Beugungslinsenstruktur verursacht an jeder Grenze zwischen benachbarten ringförmigen Stufen eine vorbestimmte optische Wegdifferenz und erzeugt eine negative (unterkorrigierte) sphärische Aberration.

Die Beugungslinsenstruktur ist so ausgebildet, dass sich die sphärische Aberrati on der gesamten Linse auch bei Variation des Brechungsindex nicht ändert. Die zweite Fläche 12 ist als kontinuierliche Fläche ohne Stufen ausgebildet.

Eine durch die an der ersten Fläche 11 der Hybridlinse 10 ausgebildete Beu gungslinsenstruktur zusätzlich verursachte optische Weglänge drückt sich in folgender optischer Wegdifferenzfunktion Φ(h) aus:

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + . . .).m.λ

worin P₂, P₄ und P₆ Koeffizienten zweiter, vierter bzw. sechster Ordnung sind, h die Höhe über der optischen Achse, m eine Beugungsordnung und λ die Wellen länge des eintretenden Lichtstrahls ist. Die Funktion Φ(h) stellt die optische Weg differenz zwischen einem imaginären Strahl, der durch die Beugungslinsenstruktur nicht gebeugt werden soll, und einem Strahl, der durch die Beugungslinsenstruk tur gebeugt wird, an einem Punkt auf der Beugungslinsenstruktur dar, an dem die Höhe über der optischen Achse gleich h ist. In dem vorstehenden Ausdruck stellt ein negativer Wert des Koeffizienten P₂ zweiter Ordnung eine positive paraxiale Linsenwirkung (Beugungsvermögen) der Beugungslinsenstruktur dar. Die positive Linsenwirkung nimmt mit Abstand von der optischen Achse zu, was eine unterkor rigierte sphärische Aberration darstellt, wenn der Koeffizient P₄ vierter Ordnung kleiner als Null ist.

Die tatsächliche mikroskopische Form der Beugungslinsenstruktur ist dadurch festgelegt, dass man λ . m (m: Ganzzahl) von Φ(h) subtrahiert und so, wie bei einer Fresnel-Linse, die stufenweise hinzukommende optische Weglänge erhält. Die Breite der ringförmigen Stufe ist so festgelegt, dass die Differenz zwischen der optischen Wegdifferenzfunktion Φ(h) an der Innenkante der Stufe und der an der Außenkante derselben Stufe gleich einer Wellenlänge ist. Weiterhin ist der in Richtung der optischen Achse gemessene Abstand zwischen benachbarten ringförmigen Stufen an der Grenze zwischen diesen Stufen so festgelegt, dass die optische Wegdifferenz zwischen dem Lichtstrahl, der durch die eine Stufe tritt, und dem Lichtstrahl, der durch die andere Stufe tritt, gleich einer Wellenlänge ist.

Die erfindungsgemäße Hybridlinse 10 erfüllt folgende Bedingung (1):

-0,20 < P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ < -0,04 (1)

worin NA die numerische Apertur und h_MAX die Höhe des Punktes über der opti schen Achse ist, an dem der die NA festlegende höchste Lichtstrahl auf die Beu gungslinsenstruktur trifft.

Ist die asphärische Fläche der Brechungslinse so ausgebildet, dass sie eine positive sphärische Aberration hat, und erfüllt die Beugungslinsenstruktur die Bedingung (1), so kann die durch eine Änderung des Brechungsindex verursachte Änderung der sphärischen Aberration kleingehalten werden.

In dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Beugungslinsenstruktur an der ersten Fläche 11 der Hybridlinse 10 ausgebildet. Sie kann jedoch auch an der zweiten Fläche 12 oder an beiden Flächen 11, 12 ausgebildet sein. Ist die Beu gungslinsenstruktur an beiden Flächen 11, 12 ausgebildet, so ist der Koeffizient P₄ in der Bedingung (1) als Summe der Koeffizienten P₄ der optischen Wegdiffe renzfunktionen beider Flächen festgelegt.

Bedingung (1) legt den Bereich für den Koeffizienten P₄ vierter Ordnung unter der Voraussetzung fest, dass die optische Wegdifferenz durch ein Polynom sechster Ordnung angenähert ist. Selbst wenn der Koeffizient P₄ vierter Ordnung bei einer Approximation der optischen Wegdifferenz mit einem Polynom höherer Ordnung die Bedingung (1) nicht erfüllt, so liegt, wenn der Koeffizient P₄ die Bedingung (1) bei einer Rückapproximation der optischen Wegdifferenz mit einem Polynom sechster Ordnung erfüllt, die Beugungslinsenstruktur, die durch die optische Wegdifferenzfunktion definiert ist, im Bereich der Erfindung.

Im Folgenden werden vier Ausführungsbeispiele mit der eben erläuterten Gestal tung beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 2 zeigt eine Brechungs/Beugungs-Hybridlinse 20 als erstes Ausführungsbei spiel. Die numerischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels sind in Tabelle 1 angegeben. Die Beugungslinsenstruktur ist an einer ersten Fläche 21 der Hybrid linse 20 ausgebildet. Die Basiskurve der ersten Fläche 21, welche die Form der Fläche der Brechungslinse ohne Beugungslinsenstruktur angibt, ist eine rotations symmetrische, asphärische Fläche. Die zweite Fläche 22 der Hybridlinse 20 ist sphärisch, nahezu eben und hat keine Beugungslinsenstruktur. Die Hybridlinse 20 ist so ausgebildet, dass sich die sphärische Aberration mit Variation des Bre chungsindex nicht ändert.

Eine rotationssymmetrische, asphärische Fläche kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

X(h) ist ein Durchbiegungswert, d. h. der Abstand der Kurve von einer Tangentia lebene an einem Punkt auf der Fläche, an dem die Höhe über der optischen Achse gleich h ist. Die Scheitelkrümmung (1/r) der Fläche ist mit c und die Kegel schnittkonstante mit K bezeichnet. A₄, A₆, A₈, A₁₀ und A₁₂ sind Asphärenkoeffizi enten vierter, sechster, achter, zehnter bzw. zwölfter Ordnung.

Tabelle 1 zeigt den paraxialen Krümmungsradius der ersten Fläche 21, verschie dene Koeffizienten, welche die Basiskurve und die Beugungslinsenstruktur der ersten Fläche festlegen, den Krümmungsradius der zweiten Fläche 22, den Ab stand d (Einheit: mm) zwischen den Flächen, den Brechungsindex bei der Ar beitswellenlänge und die bildseitige Schnittweite fb (Einheit: mm). In Tabelle 1 bezeichnet NA die numerische Apertur, f (Einheit: mm) die Brennweite, λ (Einheit: nm) die Wellenlänge und m die Beugungsordnung.

Tabelle 1

In dem ersten Ausführungsbeispiel erhält man einen Wert für den mittleren Term der Bedingung (1) wie folgt:

P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ = -1,6000.10^-4.1.0,00058756.(20/0,2)³ = -0,09401

Das erste Ausführungsbeispiel erfüllt also die Bedingung (1).

Tabelle 2 zeigt die durch die Variation des Brechungsindex verursachte sphäri sche Aberration für das erste Ausführungsbeispiel. Jede Zelle der Tabelle 1 zeigt den Abstand von jedem paraxialen Scharfstellpunkt (Brennpunkt) zu dem Schnitt punkt zwischen der optischen Achse und dem Lichtstrahl, dessen Höhe an der Eintrittspupille gleich hi ist, bei einem Brechungsindex n. PFS bezeichnet eine Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes. Dies ist die Verschiebung des bei dem jeweiligen Brechungsindex vorliegenden paraxialen Scharfstellpunktes gegenüber dem bei dem Standardbrechungsindex vorliegenden paraxialen Scharfstellpunkt.

Wie oben erwähnt, stellt die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes in einer Optik einer optischen Speicherplatteneinrichtung kein Problem dar, da sie durch einen Fokussiermechanismus korrigierbar ist. Die sphärische Aberration und die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes werden deshalb getrennt voneinander erläutert.

Tabelle 2

Wie in Tabelle 2 angegeben, ist die sphärische Aberration bei dem Standardbre chungsindex von 1,600 vollständig korrigiert. Während die Änderung des Bre chungsindex die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes verursacht, kann die sphärische Aberration kleingehalten werden.

Tabelle 3 zeigt die Linsendaten eines Vergleichsbeispiels, das dem ersten Aus führungsbeispiel hinsichtlich Brennweite, numerischer Apertur, Arbeitswellenlänge etc. entspricht. Das Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausfüh rungsbeispiel dadurch, dass es keine Beugungslinsenstruktur hat und die sphäri sche Aberration bei der Arbeitswellenlänge durch die asphärische Fläche korrigiert wird.

Tabelle 3

Entsprechend Tabelle 2 zeigt Tabelle 4 die Änderung der sphärischen Aberration und die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes in Folge der Variation des Brechungsindex für das Vergleichsbeispiel.

Tabelle 4

Wie Tabelle 4 zeigt, ist die sphärische Aberration bei dem Standardbrechungsin dex von 1,600 vollständig korrigiert. Die Variation des Brechungsindex n verur sacht jedoch nicht nur die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes, son dern auch eine Verstärkung der sphärischen Aberration.

In den Fig. 3 und 4 sind Graphen dargestellt, welche die die sphärische Aberration und die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes beinhaltende Aberration für die Hybridlinse 20 des ersten Ausführungsbeispiels sowie für das Vergleichs beispiel bei einem Brechungsindex von 1,57 bzw. 1,55 zeigen. Aus diesen Gra phen geht hervor, dass die Hybridlinse 20 des ersten Ausführungsbeispiels die Wellenfront nicht stört, während dies das Vergleichsbeispiel tut, wenn der Bre chungsindex von dem Standardbrechungsindex abweicht.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 5 zeigt eine Brechungs/Beugungs-Hybridlinse 30 als zweites Ausführungsbei spiel. Die Hybridlinse 30 ist eine für eine optische Speicherplatteneinrichtung bestimmte Objektivlinse. Sie bündelt einen auf sie treffenden parallelen Strahl durch eine Deckschicht D einer optischen Speicherplatte auf deren Informations schicht. Die sphärische Aberration bei einem Standardbrechungsindex wird für das die Hybridlinse 30 und die Deckschicht D beinhaltende System korrigiert, und die durch die Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphäri schen Aberration wird verringert. Die Variation des Brechungsindex der Deck schicht D der optischen Speicherplatte hat auf die sphärische Aberration im Ver gleich zur Hybridlinse 30 nur einen geringen Einfluss.

Die numerischen Daten für das zweite Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 5 angegeben. Die Flächen Nr. 1 und 2 stellen die Hybridlinse 30 und die Flächen Nr. 3 und 4 die Deckschicht D der optischen Speicherplatte dar. In Tabelle 5 bezeichnet r (Einheit: mm) den Krümmungsradius, d (Einheit: mm) den Abstand zwischen den Flächen und n den Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge. Die Beugungslinsenstruktur ist an der zweite Fläche 32 ausgebildet. Die erste Fläche 31 hat eine kontinuierliche Fläche ohne Stufen. Die erste Fläche 31 sowie die Basiskurve der zweiten Fläche 32 der Hybridlinse 30 sind asphärisch. Tabelle 6 zeigt die Asphärenkoeffizienten der ersten Fläche 31 und der Basiskurve der zweiten Fläche 32 sowie die die Beugungslinsenstruktur festlegenden Koeffizien ten.

Tabelle 5

Tabelle 6

Für das zweite Ausführungsbeispiel erhält man einen Wert für den mittleren Term der Bedingung (1) wie folgt:

P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ = -1,09231.10.1.0,000650.(1,8096/0,65)³ = -0,1532

Das zweite Ausführungsbeispiel erfüllt also die Bedingung (1).

Entsprechend Tabelle 2 zeigt Tabelle 7 für das zweite Ausführungsbeispiel die Änderung der sphärischen Aberration und die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes, die durch die Variation des Brechungsindex verursacht wer den.

Tabelle 7

Wie in Tabelle 7 gezeigt, ist die sphärische Aberration bei einem Standardbre chungsindex von 1,54082 korrigiert. Während die Variation des Brechungsindex n die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes verursacht, kann die sphäri sche Aberration geringgehalten werden.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 6 zeigt eine Brechungs/Beugungs-Hybridlinse 40 als drittes Ausführungsbei spiel. Die Hybridlinse 40 ist eine für eine optische Speicherplatteneinrichtung bestimmte Objektivlinse. Sie bündelt einen auf sie treffenden parallelen Strahl durch eine Deckschicht D einer optischen Speicherplatte auf deren Informationsschicht. Die sphärische Aberration bei dem Standardbrechungsindex wird für das die Linse 40 und die Deckschicht D beinhaltende System korrigiert. Die durch die Änderung des Brechungsindex verursachte Variation der sphärischen Aberration wird verringert.

Die numerischen Daten für das dritte Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 8 ange geben. Die Flächen Nr. 1 und 2 stellen die Hybridlinse 40 und die Flächen Nr. 3 und 4 die Deckschicht D der optischen Speicherplatte dar. Die Beugungslinsen struktur ist an der ersten Fläche 41 ausgebildet. Die zweite Fläche 42 ist eine kontinuierliche Fläche ohne Stufen. Die Basiskurve der ersten Fläche 41 und die zweite Fläche 42 der Hybridlinse 40 sind asphärisch. Tabelle 9 zeigt die Asphä renkoeffizienten für die Basiskurve der ersten Fläche 41 und die zweite Fläche 42 sowie die Koeffizienten, welche die Beugungslinsenstruktur festlegen.

Tabelle 8

Tabelle 9

In dem dritten Ausführungsbeispiel erhält man einen Wert für den mittleren Term der Bedingung (1) wie folgt:

P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ = -3,28146.1.0,000650.(1,95/0,65)³ = -0,05759

Das dritte Ausführungsbeispiel erfüllt also die Bedingung (1).

Entsprechend Tabelle 2 zeigt Tabelle 10 für das dritte Ausführungsbeispiel die durch die Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphärischen Aberration.

Tabelle 10

Wie aus Tabelle 10 hervorgeht, ist die sphärische Aberration bei dem Standard brechungsindex von 1,54082 korrigiert. Während die Variation des Brechungsin dex n die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes verursacht, kann die sphärische Aberration geringgehalten werden.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt eine Brechungs/Beugungs-Hybridlinse 50 als viertes Ausführungsbei spiel. Die Hybridlinse 50 ist eine Objektivlinse für eine kompatible optische Spei cherplatteneinrichtung, die sowohl für eine Speicherplatte wie eine DVD (Digital Versatile Disc), deren Deckschicht eine Dicke von 0,6 mm hat und die im Folgen den als Dünnschicht-Speicherplatte bezeichnet wird, als auch für eine Speicher platte wie eine CD (Compact Disc) oder eine beschreibbare CD-R (CD- Recordable) verwendet werden kann, deren Deckschichten eine Dicke von 1,2 mm haben und die im Folgenden als Dickschicht-Speicherplatte bezeichnet werden.

Die Linsenfläche der Hybridlinse 50 ist in einen auf eine hohe NA ausgelegten Ausschlussbereich RE und einen gemeinsamen Bereich RC unterteilt. Durch den Ausschlussbereich RE tritt ein Laserstrahl hoher NA, die lediglich für eine optische Speicherplatte mit hoher Aufzeichnungsdichte wie eine DVD erforderlich ist. Durch den gemeinsamen Bereich RC tritt ein Laserstrahl geringer NA, die für eine opti sche Speicherplatte geringer Aufzeichnungsdichte wie eine CD oder eine CD-R ausreicht. In diesem Ausführungsbeispiel erfüllt der Bereich RC die Bedingung 0 ≦ h < 1,69 und der Ausschlussbereich RE die Bedingung 1,69 ≦ h.

Die optische Speicherplatteneinrichtung hat eine erste Laserquelle, deren Emissi onswellenlänge 657 nm beträgt und die für die Dünnschicht-Speicherplatte mit ihrer hohen Aufzeichnungsdichte, also z. B. eine DVD, bestimmt ist, und eine zweite Laserquelle, deren Emissionswellenlänge 790 nm beträgt und die für die Dickschicht-Speicherplatte mit ihrer geringen Aufzeichnungsdichte, also z. B. eine CD oder eine CD-R, bestimmt ist.

Die Hybridlinse 50 bündelt einen Laserstrahl der Wellenlänge 657 nm auf eine Informationsschicht der Dünnschicht-Speicherplatte und einen Laserstrahl der Wellenlänge 790 nm auf eine Informationsschicht der Dickschicht-Speicherplatte.

Die Hybridlinse 50 des vierten Ausführungsbeispiels hat eine erste Fläche 51 und eine zweite Fläche 52. Die Beugungslinsenstruktur ist sowohl in dem gemeinsa men Bereich RC als auch in dem Ausschlussbereich RE der ersten Fläche 51 ausgebildet. Die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsen struktur ist durch eine optische Wegdifferenzfunktion festgelegt, die sich von der des Ausschlussbereichs RE unterscheidet. Die Basiskurve des gemeinsamen Bereichs RC ist asphärisch und unterscheidet sich von der asphärischen Basis kurve des Ausschlussbereichs RE. Die zweite Fläche 52 ist eine kontinuierliche asphärische Fläche ohne Stufen.

Die in dem gemeinsamen Bereich RC der Hybridlinse 50 ausgebildete Beugungs linsenstruktur hat eine Wellenlängenabhängigkeit derart, dass ein gebeugter Strahl erster Ordnung eine für die Dünnschicht-Speicherplatte geeignete Wellen front bei einer Wellenlänge von 657 nm und eine für die Dickschicht- Speicherplatte geeignete Wellenfront bei einer Wellenlänge von 790 nm erzeugt. Die Beugungslinsenstruktur innerhalb des gemeinsamen Bereichs RC hat also eine derartige Wellenlängenabhängigkeit, dass die sphärische Aberration mit Anstieg der Wellenlänge des auftreffenden Strahls in der unterkorrigierten Rich tung variiert.

Die sphärische Aberration ändert sich mit Anstieg der Dicke der Deckschicht in der überkorrigierten Richtung. Außerdem ändert die Beugungslinsenstruktur die sphärische Aberration mit Anstieg der Wellenlänge des auftreffenden Laserstrahls in der unterkorrigierten Richtung. Da für die Dickschicht-Speicherplatte ein Laser strahl längerer Wellenlänge und für die Dünnschicht-Speicherplatte ein Laser strahl kürzerer Wellenlänge eingesetzt wird, wird die durch die Änderung der Dicke der Deckschicht verursachte Änderung der sphärischen Aberration durch die durch die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungslinsenstruktur verursachte Änderung der sphärischen Aberration ausgeglichen. Außerdem verringert die oben erläuterte Gestaltung der Hybridlinse die durch die Variation des Bre chungsindex verursachte Änderung der relativen sphärischen Aberration.

Die für die in dem Ausschlussbereich RE ausgebildete Beugungslinsenstruktur vorgesehene Wellenlängenabhängigkeit der sphärischen Aberration ist kleiner als die für den gemeinsamen Bereich RC vorgesehene Wellenlängenabhängigkeit. Die in dem Ausschlussbereich RE vorgesehene Beugungslinsenstruktur ist so ausgebildet, dass für die Dünnschicht-Speicherplatte die sphärische Aberration bei der Wellenlänge von 657 nm angemessen korrigiert ist.

Bei Verwendung der Dünnschicht-Speicherplatte wird aufgrund der oben erläu terten Gestaltung der Hybridlinse der Laserstrahl der Wellenlänge von 657 nm, der sowohl durch den gemeinsamen Bereich RC als auch den Ausschlussbereich RE tritt, auf die Informationsschicht der Dünnschicht-Speicherplatte gebündelt, weil die in den beiden Bereichen RC und RE ausgebildeten Beugungslinsen strukturen die sphärische Aberration ausreichend korrigieren. Da die effektive NA hoch und die Wellenlänge kurz ist, wird ein kleiner Strahlpunkt erzeugt, der für die Dünnschicht-Speicherplatte mit ihrer hohen Aufzeichnungsdichte geeignet ist.

Dagegen wird bei Verwendung der Dickschicht-Speicherplatte zwar der durch den gemeinsamen Bereich RC tretenden Laserstrahl der Wellenlänge 790 nm auf die Informationsschicht der Dickschicht-Speicherplatte gebündelt, da die in dem gemeinsamen Bereich RC ausgebildete Beugungslinsenstruktur die sphärische Aberration korrigiert. Der durch den Ausschlussbereich RE tretende Laserstrahl der Wellenlänge 790 nm wird jedoch in einen ringförmigen Bereich um den Strahlpunkt herum zerstreut, d. h. diffus gemacht, da die in dem Ausschlussbe reich RE ausgebildete Beugungslinsenstruktur die sphärische Aberration bei einer Wellenlänge 790 nm nicht ausreichend korrigiert. Da die effektive NA gering und die Wellenlänge lang ist, wird ein großer Strahlpunkt erzeugt, der für die Dick schicht-Speicherplatte mit ihrer geringen Aufzeichnungsdichte geeignet ist.

Die numerischen Daten für das vierte Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 11 angegeben. Tabelle 11 zeigt die verschiedenen Koeffizienten, welche die Basis kurve und die Beugungslinsenstruktur des gemeinsamen Bereichs RC der ersten Fläche 51 festlegen, die verschiedenen Koeffizienten, welche die Basiskurve und die Beugungslinsenstruktur des Ausschlussbereichs RE der ersten Fläche 51 festlegen, die verschiedenen Koeffizienten, welche die zweite Fläche 52 festlegen, den Abstand zwischen den Flächen sowie die Brechungsindizes bei der Arbeits wellenlänge. In Tabelle 11 bezeichnet für die Dünnschicht-Speicherplatte NA₁ die numerische Apertur, f₁ die Brennweite (Einheit: mm) und λ₁ die Arbeitswellenlänge (Einheit: nm) sowie für die Dickschicht-Speicherplatte NA₂ die numerische Aper tur, f₂ die Brennweite (Einheit: mm) und λ₂ die Arbeitswellenlänge.

Tabelle 11

In dem vierten Ausführungsbeispiel erhält man einen Wert für den mittleren Term der Bedingung (1) wie folgt:

P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ = -1,653.1.0,000790.(1,68/0,50)³ = -0,04954

Das vierte Ausführungsbeispiel erfüllt also die Bedingung (1).

Tabelle 12 zeigt die Änderung der sphärischen Aberration und die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes, die durch die Variation des Brechungsindex verursacht werden, wenn die Hybridlinse 50 des fünften Ausführungsbeispiels mit der Dickschicht-Speicherplatte arbeitet.

Tabelle 12

Wie aus Tabelle 12 hervorgeht, ist die sphärische Aberration bei einem Standard brechungsindex von 1,53653 korrigiert. Während die Variation des Brechungsin dex n die Verschiebung des paraxialen Scharfstellpunktes verursacht, kann die sphärische Aberration geringgehalten werden.

Wie aus obiger Beschreibung ersichtlich ist, erlaubt es die Erfindung, die durch die Änderung des Brechungsindex verursachte Variation der sphärischen Aberra tion zu verringern. Besteht die Linse aus Kunstharz, so kann der Verschlechterung der Abbildungsleistung entgegengewirkt werden, wenn der Brechungsindex in Folge einer Temperaturänderung variiert. Weiterhin kann die sphärische Aberrati on einer Glas- oder kunststoffgeformten Linse angemessen korrigiert werden, selbst wenn der Brechungsindex des entsprechenden Materials wegen der physi kalischen Eigenschaften dieses Materials oder der Prozessbedingungen während des Formgebungsprozesses nicht stabil ist.

Wird die erfindungsgemäße Linse auf eine aus Kunststoff bestehende Objektivlin se angewendet, die bei zwei verschiedenen Wellenlängen arbeitet, die für opti sche Speicherplatten mit unterschiedlicher Dicke der Deckschichten vorgesehen sind, so sollte die durch die Änderung des Brechungsindex verursachte Variation der sphärischen Aberration für eine der Arbeitswellenlängen verringert werden. Wird die Linse dann unter Prozessbedingungen geformt, unter denen die Abbil dungsleistung für die andere Arbeitswellenlänge optimiert wird, so kann die sphä rische Aberration für beide Arbeitswellenlängen verringert werden, selbst wenn die chromatische Dispersion, d. h. die Abbe-Zahl von einem Entwurfswert abweicht.

Claims

1. Hybridlinse (10) mit einer Brechungslinse und einer Beugungslinsenstruktur, die mehrere, an mindestens einer Linsenfläche (11) der Brechungslinse ausgebildete konzentrische, ringförmige Stufen hat, dadurch gekennzeich net, dass die Brechungslinse und die Beugungslinsenstruktur so ausgebildet sind, dass eine durch eine Variation des Brechungsindex verursachte Ände rung der sphärischen Aberration verringert ist.

2. Hybridlinse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bre chungslinse so ausgebildet ist, dass die Koma im wesentlichen korrigiert und die durch die Variation des Brechungsindex verursachte Änderung der sphä rischen Aberration verringert ist, und dass die Beugungslinsenstruktur so ausgebildet ist, dass die noch verbleibende sphärische Aberration korrigiert ist.

3. Hybridlinse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungslinse eine Einzellinse ist, deren mit der Beugungslinsenstruktur versehene Linsenfläche asphärisch ist, und dass die Beugungslinsenstruktur eine negative sphärische Aberration erzeugt, die das Verhältnis der Ände rung der sphärischen Aberration zur Variation des Brechungsindex der Bre chungslinse verringert.

4. Hybridlinse (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bedingung (1) erfüllt ist:
-0,20 < P₄.m.λ.(h_MAX/NA)³ < -0,04 (1)
worin NA die numerische Apertur, h_MAX die Höhe über der optischen Achse an einem Punkt, an dem der die numerische Apertur festlegende Lichtstrahl die Beugungslinsenstruktur schneidet, m die Beugungsordnung, λ die Wel lenlänge und P₄ ein Koeffizient vierter Ordnung ist, wenn eine durch die Beugungslinsenstruktur hinzukommende optische Weglänge durch folgende optische Wegdifferenzfunktion Φ(h) festgelegt ist:
Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + . . .).m.λ
worin P₂ ein Koeffizient zweiter Ordnung, P₆ ein Koeffizient sechster Ord nung und h die Höhe über der optischen Achse ist.