DE10226375A1

DE10226375A1 - Optisches Beugungselement

Info

Publication number: DE10226375A1
Application number: DE10226375A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Takeuchi; Koichi Maruyama
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: KR100530177B1; KR20020094912A; US6624941B2; CN1391120A; US20030039033A1; DE10226375B4; CN1198164C; TW535009B

Abstract

Ein optisches Beugungselement ist so ausgebildet, dass an einem Basiselement mehrere Ringzonen vorgesehen sind, zwischen denen sich in Richtung der optischen Achse verlaufende, sehr kleine Stufen ausgebildet sind. Die Ringzonen umfassen mindestens eine die Bedingung (1) erfüllende schmale Zone und mindestens eine die Bedingung (2) erfüllende breite Zone: DOLLAR A DELTAZ(i) < (1/2) È DELTAE(i)... (1) und DOLLAR A DELTAZ(i) > (3/2) È DELTAE(i)... (2), DOLLAR A worin i die von der optischen Achse aus gezählte Reihenfolge der Stufen, DELTAE(i) den Absolutwert der von der i-ten Stufe verursachten optischen Wegdifferenz und DELTAZ(i) den Absolutwert der Differenz zwischen den optischen Wegdifferenzen angibt, die, bezogen auf eine Basiskurve, von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der zwischen der i-ten Stufe und der (i + 1)-ten Stufe vorgesehenen Ringzoge verursacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Beugungselement, das Beugungslicht höherer Ordnung nutzt, sowie eine Objektivlinse für einen optischen Abnehmer, die mit einem solchen Beugungselement arbeitet.

Üblicherweise wird ein optisches Beugungselement, das mit einer Beugungslin senstruktur versehen ist, in Kombination mit einer brechenden Linse eingesetzt, um die chromatische Aberration oder eine Charakteristikänderung infolge einer Temperaturänderung zu kompensieren. Die Beugungslinsenstruktur besteht üblicherweise aus mehreren Ringzonen mit dazwischenliegenden winzigen Stu fen, die sich in Richtung der optischen Achse erstrecken. Die Beugungslinsen struktur kann dabei an einem optischen Element ausgebildet sein, das eine bre chende Linse ist oder auch nicht. Bei einer für einen optischen Abnehmer be stimmten Objektivlinse ist die Beugungslinsenstruktur auf einer brechenden Flä che der Objektivlinse ausgebildet. Eine kommerziell gefertigte Objektivlinse für einen optischen Abnehmer wird unter Einsatz einer Metallform aus Harz gefertigt.

Die Stufen zwischen den Ringzonen der Beugungslinsenstruktur werden entspre chend der Ordnung der Beugungskomponente und der Lichtwellenlänge festge legt. Nimmt man an, dass die Ordnung m und die Wellenlänge λ ist, so werden die Stufen so festgelegt, dass zwischen innerhalb und außerhalb jeder Stufe eine optische Wegdifferenz, im Folgenden kurz als OPD bezeichnet, von m × λ verur sacht wird. Fig. 6 zeigt den Querschnitt einer herkömmlichen Beugungslinsen struktur, die Beugungslicht erster Ordnung nutzt. Die optische Achse befindet sich dabei in Fig. 6 unten. Wie in Fig. 6 gezeigt, nehmen die Breiten der äußeren Ringzonen ab. In Fig. 6 stellen die gestrichelten Linien mit dem geringeren Punktabstand durch die jeweiligen Ringzonen verlaufende Linien dar. Der Ab stand zwischen zwei benachbarten gestrichelten Linien entspricht einer OPD von einer Wellenlänge, die die Stufe zwischen den benachbarten Zonen verursacht. Die in Fig. 6 gezeigte Beugungslinsenstruktur stellt mit anderen Worten Beu gungslicht erster Ordnung bereit, indem sie an den Stufen zwischen den Ringzo nen für eine OPD einer Wellenlänge sorgt. Die gestrichelte Linie mit dem größe ren Punktabstand gibt eine Basiskurve der brechenden Linse an, auf der die Beugungslinsenstruktur profiliert ist.

Fig. 7A zeigt den Querschnitt einer herkömmlichen Beugungslinsenstruktur, die von Beugungslicht höherer Ordnung Gebrauch macht. Fig. 7B zeigt einen in Fig. 7A eingekreisten Teil A in vergrößerter Darstellung. Die der optischen Achse nähere Stufe sorgt für eine OPD von zwei Wellenlängen, während die beiden Stufen im äußeren Bereich jeweils für eine OPD von drei Wellenlängen sorgen. Mit dieser Konstruktion erhält man vergleichsweise starke Beugungskomponenten höherer Ordnung.

Wird ein optisches Beugungselement durch Formen eines Harzes hergestellt, so wird die Beugungslinsenstruktur infolge einer stumpfen Form und/oder infolge einer nicht ausreichenden Einspritzung des Harzmaterials möglicherweise stumpf. Der Einfluss einer solchen stumpfen Form der Beugungslinsenstruktur ist für größere Stufen stärker, wodurch die Beugungseffizienz entsprechend herabge setzt wird. Sorgt die Stufe, wie in Fig. 6 gezeigt, für eine OPD von einer Wellen länge, so ist der Einfluss der stumpfen Form der Beugungslinsenstruktur ver gleichsweise gering, und die Beugungseffizienz wird nicht signifikant herabge setzt. Ist jedoch die Stufe vergleichsweise groß, wie Fig. 7A zeigt, so ist das Ausmaß der stumpfen Verformung gegenüber der durch die gestrichelten Linien angegebenen Sollform vergleichsweise groß, wie in Fig. 7B mit der durchgezoge nen Linie dargestellt ist. Wird der stumpfe Teil wie in Fig. 7B vergleichsweise groß, so wird die Beugungseffizienz signifikant herabgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Beugungselement anzugeben, das eine geringere Beeinflussung der Beugungseffizienz erfährt, selbst wenn es auf die Nutzung von Beugungskomponenten höherer Ordnung ausgelegt ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angege ben.

Sind bei dem Beugungselement nach Anspruch 1 vergleichsweise große Stufen auszubilden, um Beugungslicht vergleichsweise hoher Ordnung zu nutzen, so können durch das Ausbilden von schmalen Zonen Beeinflussungen unterdrückt werden, die von einer stumpfen Formgebung verursacht werden, wodurch eine höhere Beugungseffizienz erreicht wird, als wenn große Stufen ohne Unterstufen ausgebildet werden, wie dies im Stand der Technik der Fall ist.

Vorzugsweise enthält das Beugungselement mehrere breite Zonen und mehrere schmale Zonen. Werden mehrere Wellenlängen genutzt, so ist vorzugsweise der Wert von ΔE(i) gleich der kürzesten der zu nutzenden Wellenlängen. Werden Beugungskomponenten dritter oder höherer Ordnung genutzt, so sind vorzugs weise zwischen zwei breiten Zonen mehrere schmale Zonen angeordnet.

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

Fig. 1A die Form eines optischen Beugungselementes, das ein Ausfüh rungsbeispiel darstellt,

Fig. 1B eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1A eingekreisten Teils,

Fig. 2A, 2B eine Vorderansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Objektivlinse als Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 schematisch den Aufbau einer für einen optischen Abnehmer be stimmten Optik, die eine Objektivlinse nach der Erfindung einsetzt,

Fig. 4 die Durchbiegungswerte einer auf der Objektivlinse nach der Erfin dung ausgebildeten Beugungslinsenstruktur,

Fig. 5 die Intensitätsverteilung von Licht, das eine auf eine CD ausgelegte Wellenlänge hat und von der Objektivlinse nach der Erfindung ge bündelt wird,

Fig. 6 den Aufbau eines herkömmlichen Beugungselementes,

Fig. 7A die Form eines herkömmlichen Beugungselementes, und

Fig. 7B die vergrößerte Darstellung des in Fig. 7A eingekreisten Teils.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel ist das optische Element eine für einen optischen Abnehmer bestimmte Objektivlinse.

Fig. 1A zeigt die Form eines optischen Beugungselementes nach der Erfindung. Fig. 1B zeigt den in Fig. 1A eingekreisten Teil in vergrößerter Darstellung. Fig. 2A ist eine Vorderansicht und Fig. 2B eine Querschnittsansicht einer Objektivlinse 10 nach der Erfindung. Fig. 1A zeigt dabei den in Fig. 2B gestrichelt eingekreisten Teil F1.

Die Objektivlinse 10 ist eine aus Harz gefertigte bikonvexe Linse, wie Fig. 2B zeigt. Zwei brechende Flächen 11 und 12 der Objektivlinse sind asphärisch aus gebildet. Auf der Fläche 11 ist eine Beugungslinsenstruktur mit mehreren konzen trischen Ringzonen ausgebildet, wie Fig. 2A zeigt. Der Mittelpunkt jeder Zone liegt auf der optischen Achse der Objektivlinse 10. Die eben beschriebene Beugungs linsenstruktur ist also auf einer Basiskurve ausgebildet, die durch die brechende Fläche 11 der Objektivlinse 10 gegeben ist.

Die Flächen der Objektivlinse 10 sind in zwei Bereiche unterteilt, nämlich einen zentralen Bereich Rc, der im Folgenden als gemeinsamer Bereich bezeichnet wird, und den verbleibenden Randbereich Rh außerhalb des gemeinsamen Be reichs Rc, der im Folgenden als Exklusivbereich hoher NA bezeichnet wird.

Ein Lichtstrahl zum Aufzeichnen/Auslesen von Daten auf einer CD oder CD-R, die eine vergleichsweise geringe Aufzeichnungsdichte hat, tritt durch den gemeinsa men Bereich Rc und wird auf die CD bzw. CD-R gebündelt. Ein Lichtstrahl zum Aufzeichnen/Auslesen von Daten auf der DVD, die eine vergleichsweise hohe Aufzeichnungsdichte hat, tritt durch den gemeinsamen Bereich Rc und den Exklu sivbereich Rh hoher NA und wird auf die DVD gebündelt. Die Beugungslinsen struktur erstreckt sich sowohl über den gemeinsamen Bereich Rc als auch den Exklusivbereich Rh hoher NA. Der gemeinsame Bereich Rc ist als Bereich inner halb einer Grenze festgelegt, die einer NA entspricht, deren Wert innerhalb eines Bereichs von 0,45 bis 0,50 liegt.

Die in dem gemeinsamen Bereich Rc ausgebildete Beugungslinsenstruktur nutzt eine Beugungskomponente erster Ordnung. Entsprechend dem in Fig. 6 gezeig ten Aufbau sorgt deshalb jede Stufe zwischen den Ringzonen für eine OPD von etwa einer Wellenlänge.

Die in dem Exklusivbereich Rh hoher NA ausgebildete Beugungslinsenstruktur nutzt eine Beugungskomponente m-ter Ordnung, bei m eine ganze Zahl größer als 1 ist. Deshalb sorgt jede Stufe primär für eine OPD, die das m-fache der Wellenlänge beträgt, wie in Fig. 1A beispielhaft gezeigt ist.

Insbesondere verursacht in Fig. 1A die Stufe im unteren Figurenteil eine OPD von zwei Wellenlängen, während die beiden anderen Stufen jeweils für eine OPD von drei Wellenlängen sorgen.

Die in dem Exklusivbereich Rh hoher NA ausgebildete Beugungslinsenstruktur enthält mehrere breite Zonen Rw sowie mehrere schmale Zonen Rn, die zwischen den breiten Zonen Rw angeordnet sind. Wie in Fig. 1B gezeigt, ist eine Stufe so ausgebildet, dass sie drei von den schmalen Ringzonen Rn gebildete Unterstufen hat, die jeweils eine OPD von einer Wellenlänge verursachen.

Die schmalen Zonen Rn und die breiten Zonen Rw sind so ausgebildet, dass folgende Bedingungen (1) bzw. (2) erfüllt sind.

ΔZ(i) < (1/2).ΔE(i) (1), und

ΔZ(i) < (3/2).ΔE(i) (2).

Dabei bezeichnet i die von der optischen Achse aus gezählte Reihenfolge der Stufen, ΔE(i) den Absolutwert der von der i-ten Stufe verursachten OPD und ΔZ(i) den Absolutwert der Differenz zwischen den OPDs, die, bezogen auf die Basis kurve (in Fig. 1A gestrichelte Linie mit dem größeren Punktabstand), von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der Ringzone zwischen der i-ten und der (i+1)-ten Stufe verursacht werden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Struktur sind die OPDs, die von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der zwischen der ersten und der zweiten Stufe vorgesehenen Ringzone verursacht werden, +0,5 λ bzw. -0,5 λ. Für diese Zone beträgt demnach ΔZ(1) = 3 λ. Entsprechend kann ΔZ für die äußeren Zonen berechnet werden. Dagegen ist ΔE(i) für alle Stufen 1 λ. Unabhängig von dem Wert i gilt deshalb in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ΔZ(i) = ΔE(i), und der Wert beträgt 1 λ, so dass keine Ringzonen vorhanden sind, welche die Bedingungen (1) und (2) erfüllen.

Bei der in Fig. 7A gezeigten herkömmlichen Struktur sind die OPDs, die von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der Ringzone zwischen der ersten und der zweiten Stufe verursacht werden, +1,5 λ bzw. -1,5 λ. Für diese Zone gilt demnach ΔZ(1) = 3 λ. ΔZ kann für die äußeren Zonen entsprechend berechnet werden. Der für ΔE(i) von den Stufen verursachte Wert beträgt demgegenüber: 2 λ für i = 1 und 3 λ für i ≧ 2. Das in Fig. 7A gezeigte Beispiel hat deshalb keine Ringzone, welche die Bedingungen (1) und (2) erfüllt.

Bei der in Fig. 1A gezeigten Struktur sind die schmalen Zonen Rn so ausgebildet, dass die OPDs, die von dem inneren Ende und dem äußeren Ende verursacht werden, im Wesentlichen gleich sind, wodurch ΔZ(i) im Wesentlichen gleich 0 ist. Beispielsweise ist in Fig. 1A die breite Zone Rw zwischen der zweiten und der dritten Stufe so ausgebildet, dass die OPDs, die von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der zwischen der ersten und der zweiten Stufe vorgesehenen Ringzone verursacht werden, +1,5 λ bzw. -1,5 λ betragen. Für diese Zone gilt demnach ΔZ(2) = 3 λ. ΔZ kann für die anderen breiten Zonen entsprechend berechnet werden. Für i = 1, 3, 4, 6, 7, . . . ist deshalb ΔZ(i) im Wesentlichen 0, während für i = 2, 5, . . . ΔZ(i) gleich 3 λ ist. Dagegen ist der Wert für ΔE(i), der an jeder Stufe verursacht wird, unabhängig von dem Wert für i gleich 1 λ. Bei der in Fig. 1A gezeigten Struktur erfüllen deshalb die schmalen Zonen Rn die Bedingung (1), während die breiten Zonen RW die Bedingung (2) erfüllen. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden in den Figuren die Stufen im untersten Teil jeweils als erste Stufe angesehen, d. h. i = 1. Da jedoch der gezeigte Bereich beispielsweise in Fig. 1A ein dem Exklusivbereich hoher NA zuzurechnender Bereich ist, ist der tatsächliche Wert für i ein größerer Wert, der die Zahl der Stufen in dem gemein samen Bereich Rc beinhaltet.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Werte für ΔZ(i) und ΔE(i) unter Berücksichti gung einer Wellenlänge berechnet werden, die auf eine Platte mit größerer Da tenaufzeichnungsdichte ausgelegt ist.

Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung, bei der zwecks Nutzung von Beu gungslicht vergleichsweise hoher Ordnung vergleichsweise große Stufen durch Ausbildung schmaler Zonen Rn gebildet sind, können Beeinflussungen durch eine stumpfe Form, wie dies in Fig. 1B mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, unterdrückt werden, so dass eine höhere Beugungseffizienz erreicht werden kann, als dies in dem in Fig. 7A gezeigten Fall möglich ist, in dem die großen Stufen ohne Unterstufen gebildet sind.

Ist beispielsweise die Beugungslinsenstruktur in dem Exklusivbereich Rh hoher NA wie in Fig. 6 gezeigt ausgebildet, wodurch sie eine OPD von einer Wellenlän ge liefert, so beträgt die Lichtnutzeffizienz der Objektivlinse insgesamt (einschließ lich Deckschichtverlusten und dergleichen) 87,8%. Ist die Beugungslinsenstruktur in dem Exklusivbereich Rh hoher NA wie in Fig. 7A gezeigt ausgebildet, d. h. liefern die Stufen ohne Unterstufen eine OPD vom Dreifachen der Wellenlänge, so beträgt die Lichtnutzeffizienz 85,6%. Werden die Unterstufen nach Fig. 1A eingeführt, so beträgt die Effizienz der Lichtnutzung 87,7%. So kann also in diesem Fall, selbst wenn die Beugungskomponenten höherer Ordnung genutzt werden, im Wesentliche die gleiche Lichtnutzeffizienz aufrecht erhalten werden wie bei Nutzung der Beugungskomponente erster Ordnung.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Abnehmers, der die Objek tivlinse 10 nach den Fig. 2A und 2B einsetzt.

Der in Fig. 3 gezeigte optische Abnehmer enthält ein DVD-Lichtquellenmodul 21, ein CD-Lichtquellenmodul 22, einen Strahlkombinierer 23, eine Kollimatorlinse 24 und die Objektivlinse 10. Das DVD-Lichtquellenmodul 21 und das CD- Lichtquellenmodul 22 sind jeweils als Modul ausgebildet, an dem integral eine Laserdiode und ein Fotosensor montiert sind.

Für die CD oder CD-R wird ein Lichtstrahl mit vergleichsweise langer Wellenlänge eingesetzt, während für die DVD ein Lichtstrahl mit vergleichsweise kurzer Wel lenlänge verwendet wird. In dem Ausführungsbeispiel hat das DVD- Lichtquellenmodul 21 eine Laserdiode, die einen Laserstrahl der Wellenlänge von 654 nm aussendet, während das CD-Lichtquellenmodul 22 eine Laserdiode hat, die einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 790 nm aussendet.

Bei Verwendung der DVD kommt das DVD-Lichtquellenmodul 21 zum Einsatz. In Fig. 3 ist eine Deckschicht der DVD mit durchgezogener Linie dargestellt. Der von dem DVD-Lichtquellenmodul 21 ausgesendete Laserstrahl wird auf eine der rechten Seite der Deckschicht entsprechende Datenaufzeichnungsfläche der DVD gebündelt, wie in Fig. 3 mit durchgezogener Linie dargestellt ist.

Bei Verwendung der CD (oder der CD-R) kommt das CD-Lichtquellenmodul 22 zum Einsatz. In Fig. 3 ist eine Deckschicht der CD (oder CD-R) mit gestrichelter Linie dargestellt. Der von dem CD-Lichtquellenmodul 22 ausgesendete Laser strahl wird auf eine der rechten Seite der Deckschicht entsprechende Datenauf zeichnungsfläche der CD (oder CD-R) gebündelt, wie in Fig. 3 mit gestrichelter Linie dargestellt ist. In Fig. 3 sind nur die Strahlen gezeigten, die zum Aufzeich nen/Auslesen der Daten auf der Platte beitragen.

Die innerhalb des gemeinsamen Bereich Rc ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist so gestaltet, dass die Beugungseffizienz für Beugungslicht erster Ordnung für mehrere Wellenlängen am höchsten ist, in diesem Ausführungsbeispiel für zwei Wellenlängen, nämlich 654 nm und 790 nm.

Die in dem gemeinsamen Bereich Rc ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist ferner so gestaltet, dass die Variation der sphärischen Aberration infolge des Dickenunterschiedes der Deckschichten der DVD (Dicke: 0,6 mm) und der CD (oder CD-R) (Dicke: 1,2 mm) durch Umschalten der Wellenlängen der genutzten Strahlen zwischen 654 nm und 790 nm kompensiert wird.

Bekanntlich ändert sich die sphärische Aberration der gesamten Optik einschließ lich der Deckschicht der optischen Platte mit zunehmender Dicke der Deckschicht in Richtung der Überkorrektion. Wird die DVD verwendet, die eine dünnere Deck schicht hat, so wird ein Strahl mit einer kürzeren Wellenlänge genutzt. Wird dage gen die CD verwendet, die eine dickere Deckschicht hat, so wird ein Strahl mit einer längeren Wellenlänge genutzt. Angesichts dieses Umstandes ist die Beu gungslinsenstruktur so gestaltet, dass die sphärische Aberration eine Wellenlän genabhängigkeit derart hat, dass sich die sphärische Aberration mit zunehmender Wellenlänge in Richtung der Unterkorrektion ändert. Durch geeignete Ausbildung der Beugungslinsenstruktur kann dadurch die sphärische Aberration, die sich mit zunehmender Dicke der Deckschicht in Richtung der Überkorrektion ändert, durch die sphärische Aberration der Beugungslinsenstruktur beseitigt werden, die sich in Richtung der Unterkorrektion ändert, wenn die Wellenlänge von 654 nm auf 790 nm ansteigt.

Die in dem Exklusivbereich Rh hoher NA ausgebildete Beugungslinsenstruktur ist so gestaltet, dass sie eine Bündelungsfunktion für den Strahl mit der Wellenlänge von 654 nm und eine Zerstreuungsfunktion für den Strahl mit der Wellenlänge von 790 nm hat. Die Basiskurve und die OPD-Funktion des Exklusivbereichs Rh hoher NA sind so festgelegt, dass der Strahl mit der Wellenlänge von 654 nm ausrei chend auf die DVD gebündelt wird. Die Erfindung sieht ferner vor, dass die in dem Exklusivbereich Rh hoher NA ausgebildete Beugungslinsenstruktur auf die Kom pensation von chromatischen Aberrationen, die durch die Änderung der Wellen länge des Laserstrahls verursacht werden kann, und von Aberrationen, die auf der Änderung des Brechungsindex und/oder der Form infolge einer Temperaturände rung basieren, ausgelegt ist. Um unter Anwendung der Beugungslinsenstruktur die Funktion der Aberrationskompensation und die Funktion der Begrenzung des Strahldurchmessers zu realisieren, ist es erforderlich, die Beugungskomponenten höherer Ordnung zu nutzen. Bei der Objektivlinse gemäß vorliegendem Ausfüh rungsbeispiel sorgen die Beugungslinsenstrukturen primär für die OPD, die ein Mehrfaches der Wellenlänge beträgt, so dass die vorstehend genannten Funktio nen realisiert sind, während die (winzigen) Unterstufen auf sehr kleiner Skala dazu eingesetzt werden, einer Verschlechterung der Beugungseffizienz entgegenzuwir ken.

Numerisches Ausführungsbeispiel

Im Folgenden werden numerische Daten für das Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Objektivlinse angegeben. Die Objektivlinse ist für einen optischen Abnehmer bestimmt, der sowohl für eine DVD mit einer 0,6 mm dicken Deck schicht als auch für eine CD (oder CD-R) mit einer 1,2 mm dicken Deckschicht verwendet wird.

In Tabelle 1 sind die numerischen Daten des Ausführungsbeispiels angegeben.

Die erste, lichtquellenseitige Fläche der Objektivlinse ist unterteilt in den gemein samen Bereich Rc, für den die Höhe h über der optischen Achse 0 ≦ h < 1,538 mm beträgt, und in den Exklusivbereich Rh hoher NA, für den die Höhe h über der optischen Achse 1,538 ≦ h ≦ 2,023 mm beträgt. In den Bereichen Rc und Rh sind Beugungslinsenstrukturen ausgebildet, die durch unterschiedliche OPD- Funktionen ausgedrückt werden. Auch unterscheiden sich die beiden Bereiche Rc und Rh in ihren Basiskurven voneinander, d. h. in der Form ihrer jeweiligen Lin senfläche ohne Beugungslinsenstruktur. Beide Basiskurven sind durch asphäri sche Flächen gegeben, die durch unterschiedliche Koeffizienten definiert sind.

Die zweite, plattenseitige Fläche der Objektivlinse ist eine asphärische Fläche, auf der keine Beugungslinsenstruktur ausgebildet ist.

In diesem Ausführungsbeispiel sind vier breite Zonen in dem Exklusivbereich Rh hoher NA vorgesehen. Die makroskopischen Stufen, die von den breiten Zonen bereitgestellt werden, betragen das Fünffache der Wellenlänge. Jede Stufe ist in Unterstufen unterteilt, die durch schmale Zonen festgelegt sind, die jeweils eine OPD von einer Wellenlänge liefern. Zwischen den benachbarten breiten Zonen sind somit vier schmale Ringzonen ausgebildet.

Der durch die Beugungslinsenstruktur hinzukommende optische Weg wird durch die folgende optische Wegdifferenz- oder OPD-Funktion ϕ(h) ausgedrückt:

ϕ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + . . .) × m × λ

worin Pn OPD-Koeffizienten n-ter Ordnung (n ganze Zahl), m die Beugungsord nung und λ die Wellenlänge bezeichnet.

Die OPD-Funktion ϕ(h) bezeichnet die Differenz zwischen dem optischen Weg eines Strahls, der nicht von der Beugungslinsenstruktur gebeugt würde, und dem optischen Weg des Strahls, der von der Beugungslinsenstruktur gebeugt worden ist, und zwar an einem Punkt auf der Objektivlinse, dessen Höhe über der opti schen Achse gleich h ist.

Die asphärische Fläche wird durch folgendes Polynom ausgedrückt:

Darin bezeichnet X(h) einen Durchbiegungswert, der den Abstand zwischen einer Tangentialebene an die asphärische Fläche in einem Punkt, in dem die optische Achse die asphärische Fläche schneidet, und einem Punkt auf der asphärischen Fläche, dessen Höhe über der optischen Achse gleich h ist. C bezeichnet die Krümmung (= 1/r) der asphärischen Fläche auf der optischen Achse, κ den Ke gelschnittkoeffizienten sowie A₄, A₆, A₈, A₁₀ und A₁₂ einen Asphärenkoeffizienten vierter, sechster, achter, zehnter bzw. zwölfter Ordnung.

Tabelle 1 zeigt Koeffizienten, welche die Basiskurven und die Beugungslinsen struktur des gemeinsamen Bereichs Rc der ersten, lichtquellenseitigen Fläche der Objektivlinse definieren, Koeffizienten, welche die Beugungslinsenstruktur in dem Exklusivbereich Rh hoher NA definieren, den Abstand zwischen benachbarten Fläche auf der optischen Achse, Brechungsindizes sowie Koeffizienten, welche die zweite Fläche definieren, die als asphärische Fläche ausgebildet ist.

Tabelle 1

ERSTE FLÄCHE

Tabelle 2 zeigt für jede Ringzone, der von der optischen Achse aus gezählt eine Zonennummer N zugeordnet ist, die Höhe hin des inneren Endes und die Höhe hout des äußeren Endes jeweils über der optischen Achse, wobei eine die opti sche Achse enthaltende kreisförmige Zone mit #0 bezeichnet ist. Die Zone außer halb der i-ten Stufe ist also die i-te Zone. Ferner ist in Tabelle 2 der Wert der OPD-Funktion ϕ(hout) an dem äußeren Ende jeder Ringzone angegeben. In Tabelle 2 sind die Werte für hin und hout in der Einheit mm und die Werte der OPD-Funktion ϕ(hout) in der Einheit Wellenlänge angegeben. Die Zonen 0 bis 14 sind in dem gemeinsamen Bereich Rc und die Zonen 15 bis 35 (vgl. Tabelle 3) in dem Exklusivbereich Rh hoher NA ausgebildet.

Tabelle 2

Tabelle 3 zeigt für jede Ringzone die Höhe hin des inneren Endes und die Höhe hout des äußeren Endes jeweils über der optischen Achse. Ferner sind in Tabelle 3 der Wert der OPD-Funktion ϕ(hout) bezogen auf den Strahl, der durch das äußere Ende jeder Ringzone geht, sowie die Breite W jeder Zone projiziert auf die Tangentialebene angegeben.

Tabelle 3

Fig. 4 zeigt einen Graphen mit den Durchbiegungswerten der Beugungslinsen struktur bezogen auf die Basiskurve in einem Bereich von h = 1,40 mm bis h = 2,00 mm, d. h. vom Randabschnitt des gemeinsamen Bereichs Rc im Wesentli chen bis zum äußeren Ende des Exklusivbereichs Rh hoher NA. Eine große Stufe bei h = h_B = 1,538 stellt die Grenze zwischen dem gemeinsamen Bereich Rc und dem Exklusivbereich Rh hoher NA dar.

Wie in Tabelle 3 angegeben, sind die Zonen #15, #20, #25 und #30 breite Zonen Rw und die Zonen #16 bis 19, #21 bis 24 und #26 bis 29 schmale Zonen Rn. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ΔE(i) ungeachtet des Wertes für i konstant (d. h. gleich 1 λ). ΔZ(i) ist im Wesentlichen gleich 0 für i = 16 bis 19, 21 bis 24 und 26 bis 29. Dage gen ist ΔZ(i) im Wesentlichen gleich 5 λ, wenn i = 15, 20, 25 und 30 ist. Infolge dessen erfüllen die schmalen Zonen Rn die Bedingung (1) und die breiten Zonen Rw die Bedingung (2).

Fig. 5 zeigt die Lichtintensitätsverteilung auf einer CD für die Verwendung einer Objektivlinse gemäß einem Vergleichsbeispiel (gestrichelte Linie) und der Objek tivlinse gemäß Ausführungsbeispiel (durchgezogene Linie). Auf der vertikalen Achse ist die Lichtintensität so normiert, dass sie auf der optischen Achse den Wert 1 hat. Die horizontale Achse gibt den Abstand von der optischen Achse an. Um die Intensität in der Nähe der Grenze des für die CD bestimmten Strahlpunk tes zu zeigen, gibt die vertikale Achse lediglich die Intensität bis zu einer oberen Grenze von 0,005 an, so dass die Lichtintensität in den der optischen Achse näheren Bereichen nicht gezeigt ist, das sie dort viel größer als die vorstehend genannte obere Grenze ist.

Das Vergleichsbeispiel ist so ausgebildet, dass die Stufen der in dem Exklusivbe reich Rh hoher NA ausgebildeten Zonen eine OPD von einer Wellenlänge liefern. Im übrigen Aufbau gleicht das Vergleichsbeispiel dem Ausführungsbeispiel. Wer den in dem Vergleichsbeispiel die Aberrationen gut kompensiert, so kann die Strahlgröße nicht ausreichend beschränkt werden, wenn die CD (oder die CD-R) verwendet wird. Deshalb wird die Intensitätsverteilung des Lichtes, das auf einen Teil nahe der Grenze des für die CD bestimmten Strahlpunktes fällt, d. h. auf einen Teil, in dem die Höhe von 5 bis 10 µm reicht, vergleichsweise groß.

Wie in Fig. 5 gezeigt, kann in dem Ausführungsbeispiel die Intensitätsverteilung des Lichtes, das auf einen Teil in der Nähe der Grenze des für die CD bestimmten Strahlpunktes, d. h. auf einen Teil, in dem die Höhe h von 5 bis 10 µm reicht, fällt, auf einen Pegel gedrückt werden, der schwächer als in dem Vergleichsbeispiel ist. So kann bei Gebrauch der DVD die Variation der Wellenfrontaberrationen infolge einer Änderung der Temperatur und/oder der Wellenlänge gut unterdrückt wer den.

Claims

1. Beugungselement mit einem Basiselement und einer Beugungslinsenstruk tur, die mehrere an einer Fläche des Basiselementes konzentrisch um des sen optische Achse angeordnete Ringzonen hat, zwischen denen sich in Richtung der optischen Achse erstreckende Stufen ausgebildet sind, da durch gekennzeichnet, dass die Ringzonen mindestens eine die Bedingung (1) erfüllende schmale Zone und mindestens eine die Bedingung (2) erfül lende breite Zone umfassen:
ΔZ(i) < (1/2).ΔE(i) (1),
und
ΔZ(i) < (3/2).ΔE(i) (2),
worin i die von der optischen Achse aus gezählte Reihenfolge der Stufen, ΔE(i) den Absolutwert der von der i-ten Stufe verursachten optischen Weg differenz und ΔZ(i) den Absolutwert der Differenz zwischen den optischen Wegdifferenzen angibt, die, bezogen auf eine Basiskurve, von dem inneren Ende und dem äußeren Ende der zwischen der i-ten Stufe und der (i+1)-ten Stufe vorgesehenen Ringzone verursacht werden.

2. Beugungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere breite Zonen und mehrere schmalen Zonen.

3. Beugungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von ΔE(i) im Wesentlichen gleich der kürzesten der zu nutzenden Wellenlängen ist.

4. Beugungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei breiten Zonen mehrere schmale Zo nen angeordnet sind.

5. Beugungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement aus einem lichtdurchlässigen Ma terial besteht und die Beugungslinsenstruktur als durchlässige Beugungslin se fungiert.

6. Beugungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement eine Linse mit einer asphärischen Fläche ist.

7. Beugungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Objektivlinse eines optischen Abnehmers verwendet wird, der ausgebildet ist, mindestens zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf mindestens zwei Arten von optischen Platten mit unterschiedlicher Datenaufzeichnungs dichte zu bündeln,
dass die mit der asphärischen Fläche versehene Linse einen ersten, für eine geringere numerische Apertur und eine höhere numerische Apertur gemein sam genutzten Bereich und einen zweiten, allein für die höhere numerische Apertur genutzten Bereich hat, wobei durch den ersten Bereich der Strahl mit der geringeren numerischen Apertur tritt, die für die optische Platte mit der geringeren Datenaufzeichnungsdichte notwendig und hinreichend ist, und durch den zweiten Bereich der Strahl mit der höheren numerischen Apertur tritt, die nur für die optische Platte mit der höheren Datenaufzeichnungs dichte notwendig ist, und
dass mindestens ein Teil der in dem zweiten Bereich ausgebildeten Beu gungslinsenstruktur mehrere Ringzonen hat, die die mindestens eine breite Zone und die mindestens eine schmale Zone umfassen.

8. Optisches Beugungselement mit einem Basiselement und einer Beugungs linsenstruktur, die mehrere an einer Fläche des Basiselementes konzentrisch um dessen optische Achse angeordnete Ringzonen enthält, zwischen denen sich in Richtung der optischen Achse erstreckende Stufen ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beugungslinsenstruktur eine Beugungskomponente m-ter Ordnung nutzt, wobei m eine ganze Zahl größer als 1 ist,
die Beugungslinsenstruktur Stufen enthält, von denen jede primär eine optische Wegdifferenz des m-fachen einer Arbeitswellenlänge verursacht und sekundär mehrere Unterstufen bereitstellt, die durch mehrere schmale Ringzonen begrenzt sind, die jeweils eine optische Wegdifferenz von einer Wellenlänge liefern.

9. Objektivlinse für einen optischen Abnehmer, die ausgebildet ist, mindestens zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf mindestens zwei Arten von optischen Platten mit unterschiedlicher Datenaufzeichnungsdichte zu bün deln, und die versehen ist mit
einer brechenden Linse mit positiver Brechkraft,
einer Beugungslinsenstruktur, die mehrere an einer Fläche der brechenden Linse um deren optische Achse konzentrisch angeordnete Ringzonen ent hält, zwischen denen sich in Richtung der optischen Achse erstreckende Stufen ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass eine brechende Fläche der Linse in einen ersten, für eine geringere numerische Apertur und eine höhere numerische Apertur gemeinsam vorgesehenen Bereich und einen zweiten, allein für die höhere numerische Apertur vorgesehenen Bereich unterteilt ist, wobei durch den ersten Bereich der Strahl mit der geringeren numerischen Apertur tritt, die für die optische Platte mit der geringeren Datenaufzeichnungsdichte not wendig und hinreichend ist, und durch den zweiten Bereich der Strahl mit der höheren numerischen Apertur tritt, die allein für die optische Platte mit der höheren Aufzeichnungsdichte notwendig ist,
dass in dem zweiten Bereich ausgebildete Ringzonen mindestens eine die Bedingung (1) erfüllende schmale Zone und mindestens eine die Bedingung (2) erfüllende breite Zone enthalten:
ΔZ(i) < (1/2).ΔE(i) (1),
und
ΔZ(i) < (3/2).ΔE(i) (2),
worin i die von der optischen Achse aus gezählte Reihenfolge der Stufen, ΔE(i) den Absolutwert der von der i-ten Stufe verursachten optischen Weg differenz und ΔZ(i) den Absolutwert der Differenz zwischen den optischen Wegdifferenzen bezeichnet, die, bezogen auf eine Basiskurve, von dem in neren Ende und dem äußeren Ende der zwischen der i-ten Stufe und der (i+1)-ten Stufe vorgesehenen Ringzone verursacht werden.

10. Objektivlinse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von ΔE(i) im Wesentlichen gleich der kürzesten der zu nutzenden Wellenlängen ist.