DE19838087C2

DE19838087C2 - Lichtintensitätskonverter

Info

Publication number: DE19838087C2
Application number: DE19838087A
Authority: DE
Inventors: Fumihiro Tawa; Shinya Hasegawa
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: DE19838087A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtintensi tätskonverter, der die Lichtintensitätsverteilung eines einfallenden Lichtes konvertieren und das konvertierte Licht emittieren kann. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine optische Vorrichtung und ein optisches Plattenlaufwerk, bei denen solch ein Lichtintensitätskonverter verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung sieht ein optisches Element vor, in dem ein Laserstrahl mit einer Lichtintensitätsver teilung in der Richtung, die zu der optischen Achse recht winklig ist, in einen Laserstrahl konvertiert wird, der eine gleichförmige Wellenfrontintensität in einer gegebenen Apertur hat, und die Übertragungswellenfrontaberration (RMS) auf 0,07λ oder weniger reduziert wird, wodurch es ermög licht wird, den Strahldurchmesser und die Strahlform in einem Laserstrahlverarbeitungssystem, einem optischen Mikro skopiersystem und einem optischen System eines Informations aufzeichnungsmediums, die auf verschiedenen Gebieten verwen det werden, zu verbessern.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Verändern der Strahlintensitätsverteilung wird ein Beugungsgitter verwen det, bei dem die Beugungseffektivität von einer Position zu einer anderen wechselt, ein Konzentrationsfilter mit einer Übertragungsverteilung, die zu der Intensitätsverteilung umgekehrt proportional ist, und ein Spalt, zum Entnehmen eines Bereiches mit kleiner Strahlintensitätsverteilung. Es sind auch verschiedene andere Verfahren vorgeschlagen wor den, einschließlich eines Verfahrens zum Überlagern von Laserstrahlen durch einen Halbspiegel oder dergleichen, eines Verfahrens zum Erzeugen einer sekundären Lichtquelle durch ein Beugungsgitter oder dergleichen, eines Verfahrens zum Austauschen von inneren und äußeren Intensitätsvertei lungen untereinander durch Brechung durch ein Prisma oder dergleichen, und eines Verfahrens zum Nutzen einer Über strahlung einer Zoomlinse.

Zum Beispiel offenbaren die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen Nr. 3-75612 und Nr. 3-92815 ein Verfahren zum Konvertieren eines einfallenden Lichtes mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung in ein austretendes Licht mit einer im wesentlichen gleichförmigen Intensitäts verteilung, wobei erste und zweite Linsengruppen verwendet werden und jede Gruppe zwei Linsen enthält.

Die oben erwähnten Verfahren unter Verwendung des Beu gungsgitters, des Konzentrationsfilters oder des Spaltes können die Lichtnutzungsrate von 100% im Grunde nicht erreichen und gehen immer mit einem optischen Verlust ein her. Auch das Verfahren zum Überlagern von Laserstrahlen und das Verfahren zum Erzeugen einer sekundären Lichtquelle bewirken eine Wellenfrontaberration und können den Laser strahl nicht bis zur Beugungsgrenze verkleinern.

Bei dem Verfahren unter Verwendung der Brechung werden andererseits die Lichtwege auf inneren und äußeren Seiten gekreuzt, so daß die Lichtwege verschieden sind und eine Wellenfrontaberration entwickelt wird. Ferner wird bei dem Verfahren unter Verwendung der Zoomlinse eine gleichförmige Intensität zu Lasten einer Wellenfrontaberration erreicht, die verstärkt wird. Bei den herkömmlichen Techniken, die in JP-A-3-75612 und JP-A-3-92815 beschrieben sind, werden wenigstens vier Linsen verwendet, während die Zoomfunktion beibehalten wird.

Deshalb liegt nach Stand der Technik der Schwerpunkt vielmehr auf der Gewährleistung einer vorbestimmten Intensi tätsverteilung eines Strahlenpunktes als auf der Reduzierung der Strahlenpunktgröße. Die oben erwähnten Verfahren könnten auch für eine Laserbearbeitungsvorrichtung oder dergleichen verwendet werden, bei der eine Punktgröße von etwa mehreren µm zulässig ist und der Lichtmengenverlust kein Problem aufwirft. Auf Grund der Wellenfrontaberration und der Licht nutzungsrate können die oben erwähnten Verfahren jedoch nicht für ein optisches System verwendet werden, das eine Lichtquelle mit niedriger Leistung zum Lesen von Daten von einem Informationsaufzeichnungsmedium enthält.

Aus der DE 42 12 892 A1 ist eine Kraftfahrzeugheck leuchte mit einer gekrümmten Lichteintrittsseite und einer planen Lichtaustrittsfläche einer Linse bekannt. Aus dieser Leuchte tritt ein sich schneidendes und weiter draußen sich öffnendes Lichtbüschel aus.

Aus der US 4 904 062 ist eine Kollimatorlinse mit einer konkaven Lichteintrittsfläche und einer konvexe Lichtaus trittsseite bekannt.

Die EP 0 455 249 A2 zeigt eine automatische Fokussier einrichtung und ein Fokussierverfahren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lichtintensitätskonverter mit einer kleinen Dicke und einer einfachen Konfiguration vorzusehen, der einen Lichtstrahl austreten lassen kann, während die Lichtintensitätsvertei lung verändert wird, und eine optische Vorrichtung und ein optisches Plattenlaufwerk, bei denen solch ein Lichtintensi tätskonverter verwendet wird.

Diese Aufgaben sind durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 9 gelöst.

Dieser Lichtintensitätskonverter kann als dünner Körper gebildet sein und kann die Lichtintensitätsverteilung des einfallenden Lichtes in eine gleichförmige Lichtintensitäts verteilung sicher konvertieren.

Vorzugsweise divergiert das einfallende Licht, das von der ersten gekrümmten Oberfläche eintritt, in dem zentralen Bereich um die Mittelachse des Körpers und konvergiert in dem peripheren Bereich in dem Körper.

Vorzugsweise haben der Neigungsbetrag des äußersten peripheren Abschnittes der ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen und der Neigungsbetrag an einem Punkt, wo sich die Neigung vom Aufsteigen zum Absteigen oder vom Absteigen zum Aufsteigen verändert, entgegengesetzte Vorzeichen und im wesentlichen denselben Absolutwert.

Vorzugsweise ist die Dicke des Körpers so, daß der RMS- Wert der Wellenfrontaberration des austretenden Lichtes bezüglich des einfallenden Lichtes nicht größer als 0,07λ ist.

Vorzugsweise wird die Form der ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen des Körpers auf folgende Weise bestimmt, wobei ein Lichtstrahl auf dem Körper an einem Einfallspunkt (A) mit einem ersten Abstand (r₁) von der optischen Achse zum Einfallen gebracht wird und aus dem Körper an einem Austrittspunkt (B) mit dem zweiten Abstand (r₂) von der optischen Achse austritt:
der zweite Abstand (r₂) wird bestimmt, indem die Menge P₁ des Lichtes, das in dem Bereich von der optischen Achse bis zu dem ersten Abstand (r₁) vorhanden ist, durch die Intensität I dividiert wird, die erhalten wird, indem die Gesamtmenge des einfallenden Lichtes durch einen vorbestimm ten Bereich des austretenden Lichtes dividiert wird;
der lineare Abstand zwischen dem Einfallspunkt (A) und dem Austrittspunkt (B) ist hypothetisch gegeben, um dadurch die Ablenkungsrichtung des Lichtstrahls zu bestimmen, der den Einfallspunkt (A) durchläuft;
die Neigungen der Ebenen, die den Einfallspunkt (A) und den Austrittspunkt (B) durchlaufen, werden gemäß dem Bre chungsgesetz bestimmt;
die Neigungen der Ebenen, die den Einfallspunkt (A) und den Austrittspunkt (B) durchlaufen, die so bestimmt wurden, werden mit dem radialen Abstand von der Mittelachse inte griert, um dadurch die gekrümmten Oberflächen auf den Ein falls- und Austrittsseiten zu bestimmen;
die gekrümmte Oberfläche auf der Austrittsseite wird gemäß der gekrümmten Oberfläche auf der Einfallsseite, der Ablenkungsrichtung bei jedem beliebigen Abstand (r₁) und dem hypothetisch bestimmten Abstand (L) bestimmt;
der Abstand (L), der jedem beliebigen Abstand (r₁) zu geordnet ist, wird auf solch eine Weise verändert, daß die gekrümmte Oberfläche auf der Austrittsseite, die durch Integration bestimmt wird, mit der gekrümmten Oberfläche auf der Austrittsseite koinzidiert, die gemäß der Einfallsober fläche bestimmt wird; und
die Neigungen der Einfalls- und Austrittsoberflächen werden wiederholt bestimmt, so daß eine Annäherung an den Abstand (L) erfolgt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ferner eine opti sche Vorrichtung und ein optisches Plattenlaufwerk vorgese hen, bei denen der oben erwähnte Lichtintensitätskonverter verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung geht aus der folgenden Be schreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug nahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor, in denen:

Fig. 1 eine Ansicht ist, die einen Lichtintensitätskon verter gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Lichtintensitätskonver ters von Fig. 1 ist, von dessen Lichteinfallsseite aus gesehen;

Fig. 3 eine Ansicht ist, die eine optische Vorrichtung zeigt, die den Lichtintensitätskonverter enthält;

Fig. 4 eine Ansicht ist, die ein Verfahren zum Herstel len des Lichtintensitätskonverters von Fig. 1 und 2 erläu tert;

Fig. 5 einen Lichtintensitätskonverter zeigt, der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 6 einen weiteren Lichtintensitätskonverter zeigt, der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 7 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen dem Radius und der Oberflächenneigung des Lichtintensitätskon verters zeigt;

Fig. 8A und 8B Ansichten sind, die einen Lichtintensi tätskonverter gemäß der vierten Ausführungsform der Erfin dung zeigen;

Fig. 9 eine Ansicht ist, die einen Lichtintensitätskon verter gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 10 eine Ansicht ist, die einen Lichtintensitäts konverter gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 11 eine Ansicht ist, die die Lichtintensitätsver teilung des austretenden Lichtes zeigt, das von einem ein fallenden Licht erhalten wird, das eine Lichtintensitätsver teilung hat, die sich von einer vorbestimmten unterscheidet, und in den Lichtintensitätskonverter eintritt;

Fig. 12 eine Ansicht ist, die die Definition der brei ten Lichtintensitätsverteilung zeigt, die in Fig. 11 verwen det wird; und

Fig. 13 eine Ansicht ist, die ein optisches Platten laufwerk zeigt, das einen Lichtintensitätskonverter enthält.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 und 2 sind Ansichten, die einen Lichtintensi tätskonverter oder ein Lichtintensitätskonvertierungselement 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung zeigen. Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Licht intensitätskonverters 10, und Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Lichtintensitätskonverters 10. Ferner zeigt Fig. 1 eine Vielzahl von optischen Wegen, die sich für Lichtstrahlen durch den Lichtintensitätskonverter 10 erstrecken. Wie aus den optischen Wegen für Lichtstrahlen ersichtlich ist, konvertiert der Lichtintensitätskonverter 10 parallele Lichtstrahlen mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung in parallele Lichtstrahlen mit einer gleichförmigen Intensi tätsverteilung.

Fig. 3 zeigt eine optische Vorrichtung 50, die den Lichtintensitätskonverter 10 von Fig. 1 und 2 enthält. Diese optische Vorrichtung 50 enthält eine Laserlichtquelle 52, eine Kollimationslinse 54, den Lichtintensitätskonverter 10 und eine Objektlinse 56. Die Laserlichtquelle 52 emittiert ein divergierendes Licht, das eine typische Gaußsche Inten sitätsverteilung hat. Der Laserstrahl, der von der Laser lichtquelle 52 emittiert wird, wird durch die Kollimations linse 54 in parallele Lichtstrahlen, die die Gaußsche Inten sitätsverteilung haben, konvertiert. Die parallelen Licht strahlen mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung werden durch den Lichtintensitätskonverter 10 in parallele Licht strahlen mit einer gleichförmigen Lichtintensitätsverteilung konvertiert und durch die Objektlinse 56 kondensiert, um auf ein Objekt 58 aufzutreffen.

Ein Beispiel für die optische Vorrichtung 50 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die das Objekt 58 durch einen Laserstrahl zerschneiden kann. Gemäß dieser Erfindung kann der Lichtintensitätskonverter 10 parallele Lichtstrahlen mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung in parallele Licht strahlen mit einer gleichförmigen Intensitätsverteilung konvertieren, die durch die Objektlinse 56 zu einem kleine ren Lichtpunkt kondensiert werden können. Daher kann die optische Vorrichtung 50 für eine Anwendung verwendet werden, die einen kondensierteren Laserstrahl als in der Laserbear beitungsvorrichtung erfordert, und vorzugsweise kann die optische Vorrichtung 50 in einem optischen Plattenlaufwerk oder einem Mikroskopiersystem verwendet werden.

In Fig. 1 und 2 enthält der Lichtintensitätskonverter 10 einen transparenten Körper 14 mit einer Mittelachse 12. Der Körper 14 ist aus einem transparenten Material (wie etwa Glas) gebildet, das einen isotropen Brechungsindex hat. Der Körper 14 enthält eine erste gekrümmte Oberfläche 16, die sich transversal zu der Mittelachse 12 erstreckt, eine zweite gekrümmte Oberfläche 18, die sich ähnlich transversal zu der Mittelachse 12 auf der gegenüberliegenden Seite von der ersten gekrümmten Oberfläche 16 des Körpers 14 er streckt, und eine zylindrische äußere periphere Oberfläche 20, die sich zwischen der ersten gekrümmten Oberfläche 16 und der zweiten gekrümmten Oberfläche 18 erstreckt. Der Lichtintensitätskonverter 10 ist auf solch eine Weise gebil det, daß die parallelen Lichtstrahlen mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung auf dem Körper 14 auf der ersten gekrümmten Oberfläche 16 zum Einfallen gebracht werden. Das Licht, das den Körper 14 durchläuft, tritt aus der zweiten gekrümmten Oberfläche 18 aus.

Der Lichtintensitätskonverter 10 ist so konfiguriert, daß das einfallende Licht, das auf dem Körper auf der ersten gekrümmten Oberfläche 16 zum Einfallen gebracht wird, in einem gewissen Bereich in dem Körper 14 divergiert und in einem anderen Bereich in dem Körper 14 konvergiert und dann aus der zweiten gekrümmten Oberfläche 18 als Licht austritt, das eine Lichtintensitätsverteilung hat, die sich von jener des einfallenden Lichtes unterscheidet. Die optischen Wege der Lichtstrahlen sind angeordnet, um einander nicht zu kreuzen.

Genauer gesagt, die optischen Wege der Lichtstrahlen, die den Lichtintensitätskonverter 10 durchlaufen, erstrecken sich in dem Bereich Z parallel zueinander. In dem zentralen Bereich X auf der inneren Seite des Bereiches Z divergieren die Lichtstrahlen, während die Lichtstrahlen in dem periphe ren Bereich Y außerhalb des Bereiches Z konvergieren. Als Resultat divergieren die Lichtstrahlen, die eine höhere Intensität haben, in dem zentralen Abschnitt der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung, die auf der linken Seite von Fig. 1 gezeigt ist, während sie den Lichtintensitätskonver ter 10 durchlaufen, und deren Intensität ist reduziert, wenn sie aus dem Lichtintensitätskonverter 10 austreten. Im Gegensatz dazu konvergieren die Lichtstrahlen mit niedriger Intensität in dem peripheren Abschnitt, und die Intensität wird erhöht, während sie den Lichtintensitätskonverter 10 durchlaufen. Auf diese Weise wird das einfallende Licht mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung durch den Lichtin tensitätskonverter 10 in ein austretendes Licht konvertiert, das insgesamt eine gleichförmige Lichtintensitätsverteilung hat.

Der Körper 14 ist in rotationssymmetrischer Form um die Mittelachse 12 herum gebildet. Zum Beispiel hat die erste gekrümmte Oberfläche 16 des Körpers 14 einen ringförmigen Vorsprung P. Dieser ringförmige Vorsprung P ist auf einem Kreis angeordnet, der um die Mittelachse herum gebildet ist. Konzentrische Vertiefungen sind innerhalb und außerhalb des ringförmigen Vorsprungs P der ersten gekrümmten Oberfläche 16 angeordnet. Die zweite gekrümmte Oberfläche 18 hat eine Form, die der ersten gekrümmten Oberfläche 16 ungefähr ähnlich ist, und ist an dem Abschnitt von sich vertieft, der im wesentlichen dem Vorsprung der ersten gekrümmten Oberflä che 16 entspricht. Jedoch entspricht die zweite gekrümmte Oberfläche 18 nicht exakt der ersten gekrümmten Oberfläche 16.

In dieser Ausführungsform ist der Lichtintensitätskon verter 10 dafür ausgelegt, um die einfallenden Lichtstrahlen mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung und einer Einfallsapertur w₁ in austretende Lichtstrahlen mit einer gleichförmigen Lichtintensitätsverteilung und einer Aus trittsapertur w₂ zu konvertieren. Es gilt die Beziehung, daß die Einfallsapertur w₁ größer als die Austrittsapertur w₂ ist (w₁ < w₂). In der Ausführungsform von Fig. 1 beträgt w₁ 4,0 mm, beträgt w₂ 3,4 mm und beträgt L₀, die später be schrieben ist, 1,5 mm.

Jetzt wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 ein Ver fahren zum Herstellen des Lichtintensitätskonverters 10 beschrieben. Hierbei ist P die Gesamtlichtmenge des einfal lenden Lichtes mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung und der Intensität des austretenden Lichtes mit einer gleichförmigen Lichtintensitätsverteilung. Da die einfal lende Lichtmenge mit der austretenden Lichtmenge identisch ist, wird die Intensität 12 des austretenden Lichtes durch die Gleichung (1) bestimmt.

I₂= P/w₂ (1)

Ferner ist r₁ der Abstand (Radius) zwischen der Mittel achse 12 und einem beliebigen Einfallspunkt A, ist B der Punkt, aus dem der Lichtstrahl, der den Einfallspunkt A durchläuft, austritt, und ist r₂ der Abstand (Radius) zwi schen der Mittelachse 12 und dem Austrittspunkt B. Ferner ist L die Länge des optischen Weges, der sich durch den Lichtintensitätskonverter 10 erstreckt, d. h., der Abstand zwischen dem Einfallspunkt A und dem Austrittspunkt B (im folgenden als Lichtweglänge bezeichnet). Die Lichtweglänge längs der Mittelachse 12 ist als L₀ gegeben.

Wenn angenommen wird, daß P₁ die Gesamtlichtmenge innerhalb des Abschnittes ab der Mitte bis zu dem Einfalls punkt A ist (die Zone in dem Kreis mit dem Radius r₁), wird r₂ gemäß der folgenden Gleichung (2) bestimmt, wobei I₂ gemäß der obigen Gleichung (1) bestimmt wird.

r₂ = P₁/I₂ (2)

Angesichts dessen, daß die Halbleiterlaserstrahlen mit dem Divergenzwinkel θ (halber Vollwinkel) durch die Kollima tionslinse mit einer Brennweite f in parallele Lichtstrahlen konvertiert werden, wird die Intensität I₁ des einfallenden Lichtes innerhalb des Bereiches des Radius r₁ durch die Gleichung (3) bestimmt.

I = exp(-C × [r₁]²) (3)

wobei

C = In(2)/(f × sin(θ/2)²)

Unter Verwendung der Gleichung (3) werden die Gesamt lichtmenge P und die Lichtmenge P₁ innerhalb des Bereiches von r₁ gemäß den folgenden Gleichungen (4) und (5) bestimmt.

P₁ = (π/C) × (1 - exp(-C × [r₁]²)) (4)

P = (π/C) × (1 - exp(-C × [w₁/2]²)) (5)

Die Lichtintensität 12 der Gleichung (1) wird durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt.

I₂ = P/(π × (w₂/2)²) (6)

Somit kann die Gleichung (2) durch die folgende Glei chung (7) ausgedrückt werden.

Da sowohl das einfallende Licht als auch das austre tende Licht parallele Lichtstrahlen sind, wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Winkel α des Lichtes, das auf der ersten gekrümmten Oberfläche 16 zum Einfallen gebracht wird, dem Winkel α des austretenden Lichtes gleich, das aus der zwei ten gekrümmten Oberfläche 18 austritt. Angenommen, daß β der Ablenkungswinkel des einfallenden Lichtes ist und n der Brechungsindex des Körpers 14 des Lichtintensitätskonverters 10 ist. Nach dem Snelliusschen Gesetz werden die folgenden Gleichungen (8) und (9) erhalten.

tan(α) = (n × sin(β))/(n × cos(β) - 1) (8)

sin(β) = (r₂ - r₁)/L (9)

In der Gleichung (8) stellt tanα den Neigungsbetrag der ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen 16, 18 dar. Um tanα der Gleichung (8) zu berechnen, wird β, das in der Gleichung (9) berechnet wird, in die Gleichung (8) einge setzt. Die Gleichung (9) wird berechnet, indem die Beziehung zwischen dem Radius r₂ und dem Radius r₁ der Gleichung (7) und ein hypothetischer Wert der optischen Weglänge L einge setzt wird. Sobald die Neigungsbeträge der ersten und zwei ten gekrümmten Oberflächen 16, 18 berechnet worden sind, wird die Form einer gekrümmten Oberfläche aus sukzessiven Neigungen erhalten. Zu diesem Zweck wird der Radius r₂ ab 0 auf jeweilige Werte erhöht, so daß eine kontinuierlich gekrümmte Form erhalten werden kann. Jedoch ist die Verwen dung des folgenden Näherungsverfahrens vorteilhafter.

Im allgemeinen wird die Form der ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen 16, 18 des Lichtintensitätskonverters 10 durch ein asphärisches Polynom ausgedrückt, das in der folgenden Gleichung (10) gezeigt ist.

wobei X der Radialabstand ist, Z die Position der Ein fallsoberfläche ist, R der Krümmungsradius in der Mitte ist und K die parabolische Konstante ist. Diese Gleichung (10) wird durch den Radius differenziert, um die Neigung bezüg lich des Radius zu erhalten.

Angesichts dessen wird die Form der ersten gekrümmten Oberfläche 16 auf der Einfallsseite auf solch eine Weise bestimmt, daß die Zahlendaten von tanβ für die Radialwerte r₁ für jeden Lichtstrahl bis zu dem Aperturradius w₂/2 des Lichtintensitätskonverters 10 gemäß der Gleichung (9) be rechnet werden und eine Annäherung gemäß der Differential gleichung (10) erfolgt. Dieses Polynom wird mit dem Radius r₁ integriert, um dadurch eine Gleichung zu erhalten, die die Oberflächenform darstellt.

Es gibt zwei Verfahren zum Bestimmen der Form der zwei ten gekrümmten Oberfläche 18 auf der Austrittsseite. Das erste Verfahren umfaßt das Integrieren der Form der gekrümm ten Oberfläche mit r₂ wie bei der Berechnung der Form der ersten gekrümmten Oberfläche 16 auf der Einfallsseite. In diesem Fall ist die Berechnung der oben beschriebenen ähn lich, und deshalb wird sie nicht im Detail beschrieben.

Das zweite Verfahren umfaßt das Berechnen der Form der zweiten gekrümmten Oberfläche 18 auf der Austrittsseite gemäß der Position der gekrümmten Oberfläche auf der Ein fallsseite, der Ablenkungsrichtung β und der optischen Weglänge L. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die Position der gekrümmten Oberfläche auf der Austrittsseite nach der folgenden Gleichung (11) zu berechnen, wenn ange nommen wird, daß Z₁ eine Position in der Richtung der Mittelachse 12 für den Radius r₁ auf der Einfallsseite ist und Z₂ eine Position in der Richtung der Mittelachse 12 für den Radius r₂ auf der Austrittsseite ist.

Z₂ = (r₂ - r₁)/tan(β) + Z₁ (11)

Unter Verwendung des so berechneten Wertes Z₂ erfolgt durch die Gleichung (10) eine Annäherung an Z. Die Form der zweiten gekrümmten Oberfläche 18 auf der Austrittsseite, die durch Integrieren der Neigung bestimmt wird, koinzidiert im allgemeinen nicht mit der Form der zweiten gekrümmten Ober fläche 18 auf der Austrittsseite, die durch Berechnung der Gleichung (11) bestimmt wird. Denn die optische Weglänge L', die gemäß der Gleichung berechnet wird, die durch Integrie ren der Neigung bestimmt wird, unterscheidet sich von der angenommenen optischen Weglänge L. Die optischen Weglängen L' und L sollten ursprünglich miteinander koinzidieren.

Angesichts dessen wird die optische Weglänge L' in dem Lichtintensitätskonverter 10 gemäß den Gleichungen auf den Einfalls- und Austrittsseiten berechnet, die durch Integrie ren der Neigung bestimmt werden.

Die optische Länge L', die für jeden Radius r₁ berech net wird, wird als neue optische Weglänge L für jeden Radius r₁ neu definiert, und die Berechnung der Gleichungen (8) bis (12) wird wiederholt, bis sich die Differenz (Δ = L - L') für jeden Radius r₁ 0 nähert.

Auf diese Weise kann die gewünschte Form des Lichtin tensitätskonverters 10 bestimmt werden. Jedoch kann der auf diese Weise berechnete Lichtintensitätskonverter 10 nicht immer auf alle mikrooptischen Systeme angewendet werden. Denn es tritt eine Aberration zwischen dem Endabschnitt und der Mitte der optischen Achse in Abhängigkeit von den wan dernden Lichtstrahlen wie in der flachen konvexen Linse auf. Deshalb wird der RMS (Wellenfrontaberration) des Lichtinten sitätskonverters 10 berechnet, und falls der RMS-Wert nicht größer als 0,07λ ist, kann davon ausgegangen werden, daß ein ideales optisches Element bestimmt wurde, das dem Ray leighschen Grenzwert entspricht. Der RMS-Wert in ein Mittel wert der optischen Wegdifferenz für alle einfallenden Licht strahlen innerhalb eines Bereiches.

Um den RMS-Wert zu reduzieren, müssen die optischen Weglängen der Lichtstrahlen, die jeden Radius des Lichtin tensitätskonverters 10 durchlaufen, einander gleich sein. Gemäß dieser Ausführungsform werden parallele Lichtstrahlen in parallele Lichtstrahlen konvertiert, und deshalb ist die Ablenkung der Lichtstrahlen auf Grund der Brechung desto kleiner, je kleiner die Differenz der optischen Weglänge ist. Die Ablenkung kann reduziert werden, indem der Ein fallswinkel der einfallenden Lichtstrahlen verkleinert wird. Der RMS-Wert kann reduziert werden, indem die Anforderungen hinsichtlich des Durchmessers der Einfallsapertur und des Durchmessers der Austrittsapertur, die einem minimalen Absolutwert der Neigung innerhalb des effektiven Intensi tätskonvertierungsbereiches des Lichtintensitätskonverters 10 zugeordnet sind, auf geeignete Weise selektiert werden oder indem die Dicke des Lichtintensitätskonverters 10 vergrößert wird. Bei derselben Dicke ist der RMS-Wert desto kleiner, je kleiner der Absolutwert der Neigung ist.

Bei einigen Näherungsgleichungen kann jedoch die Nähe rung für die peripheren Abschnitte unbefriedigend sein. Der RMS-Wert ist ein Mittelwert innerhalb eines Bereiches, und wenn das Gewicht der peripheren Abschnitte größer wird, wird der RMS-Wert selbst durch eine kleine Differenz der Licht strahlweglänge verschlechtert. Angesichts dessen kann der RMS-Wert reduziert werden, indem die peripheren Abschnitte maskiert werden. Im Fall des Lichtintensitätskonverters 10 von Fig. 1 erfolgte eine Annäherung an die Form der gekrümm ten Oberfläche durch das Polynom von zehn Ausdrücken, mit dem Resultat, daß die maximale Wellenfrontaberration 0,044λ und der RMS-Wert 0,012λ betrug.

In der Ausführungsform von Fig. 1 beträgt die Dicke L₀ des mittleren Abschnittes des Lichtintensitätskonverters 10 1,5 mm, beträgt der Durchmesser der Einfallsapertur w₁ 4 mm und beträgt der Durchmesser der Austrittsapertur w₂ 3,4 mm. Mit einem ähnlichen Verfahren kann die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Einfallsapertur w₁ und dem Durchmesser der Austrittsapertur w₂ verändert werden, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem der Durchmesser der Einfallsapertur w₁ und der Durchmesser der Austrittsapertur w₂ 4 mm betragen und einander gleich sind. Die Dicke L₀ beträgt 1,5 mm. Fig. 6 zeigt einen Fall, bei dem der Durch messer der Einfallsapertur w₁ 4 mm beträgt und der Durchmes ser der Austrittsapertur w₂ 5 mm beträgt. Die Dicke L₀ beträgt 4 mm. Ferner konvertiert der Lichtintensitätskonverter 10 in Fig. 5 und 6 die parallelen Lichtstrahlen mit der Gaußschen Lichtintensitätsverteilung in parallele Licht strahlen mit einer gleichförmigen Lichtintensitätsvertei lung.

Die Dicke der Lichtintensitätskonverter 10, die in Fig. 1 und 5 gezeigt sind, beträgt 1,5 mm, während die Dicke des in Fig. 6 gezeigten Lichtintensitätskonverters 10 4 mm beträgt. Die Dicke ist in Fig. 6 vergrößert, um zu verhin dern, daß ein Teil der Lichtstrahlen in dem Konverter den Grenzwinkel überschreitet, was auftreten kann, wenn die Dicke 1,5 mm beträgt.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen dem Radius r₂ und der Neigung der gekrümmten Oberflächen zeigt. Die durchgehende Kurve H kennzeichnet den Fall, bei dem der Durchmesser der Einfallsapertur größer als der Durchmesser der Austrittsapertur ist, und die gestri chelte Kurve I kennzeichnet den Fall, bei dem der Durchmes ser der Einfallsapertur kleiner als der Durchmesser der Austrittsapertur ist. Der Durchmesser der Einfallsapertur beträgt in beiden Fällen 4 mm, während der Durchmesser der Austrittsapertur 3,4 mm bei der durchgehenden Kurve H be trägt und 5 mm bei der gestrichelten Kurve I beträgt. Diese grafische Darstellung zeigt, daß der Absolutwert der Neigung hinsichtlich der durchgehenden Kurve H reduziert werden kann, die den Fall darstellt, bei dem die Austrittsapertur kleiner als die Einfallsapertur ist. Dies kann auch für andere Aperturdurchmesser gelten, und der Absolutwert der Neigung kann reduziert werden, wenn die Austrittsapertur kleiner als die Einfallsapertur ist. Der Absolutwert der Neigung kann somit minimiert werden, wenn der Absolutwert der Neigung an der unteren Position der durchgehenden Kurve H von Fig. 7 (Position (1), an der sich die Neigung vom Absteigen zum Aufsteigen verändert) dem Absolutwert der Neigung am äußersten peripheren Abschnitt (Position (2)) gleicht.

Fig. 8A und 8B zeigen einen Lichtintensitätskonver ter 30 gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Lichtinten sitätskonverter 30 umfaßt eine doppelbrechende Platte 32 mit verschiedenen Brechungsindizes (n₀, n₁) längs zweier Achsen, die zu einer Mittelachse 31 rechtwinklig sind, und Platten 34, 36 zum sandwichartigen Anordnen der doppelbrechenden Platte 32 und mit demselben Brechungsindex n₀ wie einer der Brechungsindizes der doppelbrechenden Platte 32. Der Licht intensitätskonverter 30 hat eine Struktur mit vertikalen Einfalls- und Austrittsoberflächen. Die doppelbrechende Platte 32, die in einer Form gebildet ist, die dem Lichtin tensitätskonverter 10 der vorhergehenden Ausführungsform ähnlich ist, arbeitet auf solch eine Weise, daß dann, wenn ein polarisierter Lichtstrahl, der mit einer der Achsen koinzidiert, zum Einfallen gebracht wird, die Lichtintensi tätskonvertierung wie bei dem Lichtintensitätskonverter 10 bewirkt wird, wie in Fig. 8A gezeigt, während dann, wenn ein polarisierter Lichtstrahl, der mit der anderen Achse koinzi diert, zum Einfallen gebracht wird, die Lichtintensitätskon vertierung im wesentlichen nicht bewirkt wird, wie in Fig. 8B gezeigt. Die Oberflächen der Platten 34, 36 sind flach, um die Handhabung des Lichtintensitätskonverters 30 zu erleichtern.

Der in Fig. 8A und 8B gezeigte Lichtintensitätskonver ter 30 läßt sich auf ein optisches System (zum Beispiel auf ein optisches Plattenlaufwerk) für eine Informationsauf zeichnungsvorrichtung oder dergleichen besonders effektiv anwenden. Genauer gesagt, in dem Fall, wenn ein polarisier ter Lichtstrahl in einer Richtung zum Einfallen gebracht wird, ist der Lichtkonvertierungseffekt so hoch, daß die Lichtstrahlen, die auf ein Medium gerichtet sind, in hohem Grade kondensiert werden können, und die Lichtstrahlen, die von dem Medium reflektiert werden, werden nicht konvertiert. Die Informationen auf dem Medium können somit erzeugt wer den, wie sie sind.

Obwohl sich die obige Beschreibung nicht auf die Dimen sion bezieht, ist der Lichtintensitätskonverter gemäß der vorliegenden Erfindung natürlich auf das einfallende Licht mit einer zweidimensionalen Lichtintensitätsverteilung, wie in Fig. 9 gezeigt, sowie mit eindimensionaler Lichtintensi tätsverteilung effektiv anwendbar. Abgesehen von dem Einfal len und Austreten paralleler Lichtstrahlen, das oben be schrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung ferner mit dem gleichen Effekt auf das Einfallen und Austreten diver gierender Lichtstrahlen anwendbar.

Fig. 10 zeigt einen Lichtintensitätskonverter 40 gemäß noch einer anderen Ausführungsform. Die Intensitätsvertei lung eines Halbleiterlasers ist in der Form elliptisch. Um die elliptische Lichtintensitätsverteilung in die Lichtin tensitätsverteilung mit einer beliebigen Form zu verändern, wird bei dem herkömmlichen Verfahren ein vollkommen rundes Korrekturprisma verwendet, auf dem Lichtstrahlen diagonal zum Einfallen gebracht werden. Die Verwendung des Lichtin tensitätskonverters, wie er in Fig. 10 gezeigt ist, anstelle des Prismas macht es möglich, die elliptische Lichtintensi tätsverteilung in eine vollkommen runde Lichtintensitätsver teilung zu konvertieren. Somit wird das unnötige Volumen für das diagonale Einfallen auf dem Prisma zugunsten eines verringerten Gewichtes, einer verringerten Dicke und Länge des optischen Systems reduziert.

Fig. 11 zeigt die Intensitätsverteilung des austreten den Lichtes, wenn das Licht, das eine Lichtintensitätsver teilung hat, die sich von der projektierten unterscheidet, auf dem Lichtintensitätskonverter 10 zum Einfallen gebracht wird. Eine breite Lichtintensitätsverteilung und eine schmale Lichtintensitätsverteilung sind in Fig. 12 durch die Kurven R bzw. Q definiert. Die durchgehende Kurve Q hat eine höhere Spitze und niedrigere Ausläufer als die gestrichelte Kurve R. In diesem Fall soll die gestrichelte Kurve R eine breitere Lichtintensitätsverteilung als die durchgehende Kurve Q darstellen.

Die gerade Linie J in Fig. 11 zeigt die Intensitätsver teilung des austretenden Lichtes, wenn das einfallende Licht mit der projektierten Lichtintensitätsverteilung auf dem Lichtintensitätskonverter 10 zum Einfallen gebracht wird. Die Kurve K kennzeichnet die Intensitätsverteilung des austretenden Lichtes, wenn das einfallende Licht mit einer breiteren Lichtintensitätsverteilung als der konstruierten auf dem Lichtintensitätskonverter 10 zum Einfallen gebracht wird. In diesem Fall ist die Lichtintensitätsverteilung trichterförmig, wobei die Intensität in dem peripheren Abschnitt höher als in dem zentralen Abschnitt ist. Die Kurve L kennzeichnet die Intensitätsverteilung des austre tenden Lichtes, wenn das einfallende Licht mit einer schma leren Lichtintensitätsverteilung als mit der projektierten auf dem Lichtintensitätskonverter 10 zum Einfallen gebracht wird. In diesem Fall ist die Lichtintensitätsverteilung kuppelförmig, wobei die Intensität in dem zentralen Ab schnitt hoch und in dem peripheren Abschnitt niedrig ist.

In dem Fall, wenn das einfallende Licht mit einer Lichtintensitätsverteilung wie in Fig. 11 kondensiert wird, ist bekannt, daß der Strahl in der Reihenfolge der trichter förmigen, der gleichförmigen und der Gaußschen Intensitäts verteilungen auf befriedigendere Weise kondensiert werden kann. Wenn der Lichtintensitätskonverter 10 zum Konvertieren des Lichtes, das von einer Lichtquelle wie etwa einem Halb leiterlaser mit einem breiten Winkel und Abweichungen emit tiert wird, in eine gleichförmige Intensität verwendet wird, wird der Lichtintensitätskonverter 10 festgelegt, um für die Lichtintensitätsverteilung ausgelegt zu sein, die dem schmalsten Ausbreitungswinkel des Halbleiterlasers ent spricht, so daß die Lichtintensitätsverteilung des austre tenden Lichtes von dem Lichtintensitätskonverter 10 selbst bei minimaler und normaler Trichterform gleichförmig ist.

Dann wird die Strahlkonvergenz verbessert. Ferner wird bei diesem optischen System die Notwendigkeit eines vollkommen runden Korrekturprismas eliminiert, und somit wird die optische Vorrichtung verbessert.

Des weiteren ist in einem optischen System mit einem optischen Teil, der in der Richtung rechtwinklig zu der Mittelachse beweglich ist, und einem unbeweglichen optischen Teil der Lichtintensitätskonverter auf der Seite des unbe weglichen optischen Teils angeordnet, und er hat eine Aus trittsapertur, die breiter als die Kombination der Apertur und des sich bewegenden Hubes des beweglichen optischen Teils ist. Selbst wenn der bewegliche Teil bewegt wird, kann der Lichtintensitätskonverter auf diese Weise parallele Lichtstrahlen mit der konvertierten Lichtintensität durch den beweglichen Teil zuführen.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines optischen Platten laufwerkes 60, das den Lichtintensitätskonverter 10 enthält. Das optische Plattenlaufwerk 60 enthält wie die optische Vorrichtung 50 von Fig. 3 eine Laserlichtquelle 62, eine Kollimationslinse 64, einen Lichtintensitätskonverter 10 und eine Objektlinse 66. Das optische Plattenlaufwerk 60 enthält ferner einen Strahlenteiler 68, eine 1/4-Wellenplatte 70, einen Spurverfolgungsspiegel 72, eine Kondensorlinse 74 und eine Fotodiode 76.

Der Lichtintensitätskonverter 10 ist zwischen der Kol limationslinse 64 und dem Strahlenteiler 68 angeordnet. Die Kollimationslinse 64 und der Lichtintensitätskonverter 10 sind auf einen gemeinsamen Rahmen montiert und miteinander integriert. Als Resultat kann selbst in dem Fall, wenn andere Linsen (wie etwa die Objektlinse 66) bewegt werden, das Fokussieren des Lichtes ungeachtet der Abweichung der sich bewegenden Linse von der optischen Achse kompensiert werden.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner die folgenden Merkmale.

Die ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen sind in rotationssymmetrischer Form gebildet. Die ersten und zweiten gekrümmten Oberflächen können eine elliptische Lichtintensi tätsverteilung in eine runde Lichtintensitätsverteilung konvertieren. Der Körper ist aus einem doppelbrechenden Material mit zwei optischen Achsen bezüglich der Mittelachse gebildet. Der Körper ist zwischen einem Material sandwichar tig angeordnet, das denselben Brechungsindex wie jenen von einer der optischen Achsen des doppelbrechenden Materials hat, und hat eine Oberfläche, die in der Richtung bearbeitet ist, die zu der optischen Achse rechtwinklig ist.

Die Wellenfrontaberration wird reduziert, indem der Rand des Lichtintensitätskonverters maskiert wird. Ein einfallendes Licht mit einer breiteren Lichtintensitätsver teilung als mit einer vorbestimmten Lichtintensitätsvertei lung wird zum Eintreten gebracht, so daß ein Licht austritt, das an dem äußersten Rand eine höhere Intensität als in dem zentralen Abschnitt hat. In einem optischen System mit einem optischen Teil, der in der Richtung rechtwinklig zu der Mittelachse beweglich ist, und einem unbeweglichen optischen Teil ist der Lichtintensitätskonverter auf der Seite des unbeweglichen Teils angeordnet, und er hat eine Austritts apertur, die breiter als der kombinierte Wert des Apertur durchmessers und des Bewegungsabstandes des beweglichen Teils ist. Der Lichtintensitätskonverter ist aus doppelbre chendem Material gebildet, das zwei optische Achsen bezüg lich der Mittelachse hat, und aus einem Material, welches das doppelbrechende Material sandwichartig einschließt und denselben Brechungsindex wie eine der optischen Achsen des doppelbrechenden Materials hat. Der Lichtintensitätskonver ter ist vor der Kollimationslinse angeordnet, und die Inten sitätsverteilung wird verändert, indem die Ablenkungsrich tung umgestellt wird, um dadurch den Strahldurchmesser und die Intensitätsverteilung zu verändern. Die optische Vor richtung umfaßt eine Lichtquelle, eine Kollimationslinse und einen Lichtintensitätskonverter, wobei die Kollimationslinse und der Lichtintensitätskonverter miteinander integriert sind.

Eine optische Vorrichtung, bei der ein einfacher Licht intensitätskonverter verwendet wird, wie oben beschrieben, hat gemäß dieser Erfindung keinen Lichtverlust, kann einem Licht mit hoher Leistung standhalten, hat eine kleine Aber ration und kann die Lichtintensitätsverteilung beliebig steuern. Die Leistung kann deshalb leicht verbessert werden. Ferner hat der Lichtintensitätskonverter unter Verwendung der Brechung einen niedrigen Verlust. Weiterhin können die Lichtintensitätsverteilung des austretenden Lichtes und die Form der Austrittsapertur frei bestimmt werden, wodurch es möglich wird, die Anzahl von Teilen der optischen Vorrich tung zu reduzieren.

Claims

1. Lichtintensitätskonverter mit einem lichtbrechenden Körper mit einer gekrümmten Lichteintrittsfläche (16), die sich transversal zu einer Mittelachse erstreckt, und einer gekrümmten Lichtaustrittsfläche, die sich transversal zu der Mittelachse erstreckt, wobei die Lichteintrittsfläche (16) eine ringförmige vorspringende Wölbung (P) in einem peripheren Bereich und konzentrische nach innen gerichtete Wölbungen innerhalb und außerhalb der vorspringenden Wölbung hat, so dass einfallendes paralleles Licht durch Brechung im zentralen Bereich des genannten Körpers divergiert und im peripheren Bereich des Körpers konvergiert, und wobei die Lichtaustrittsfläche so gekrümmt ist, dass das Licht als paralleles Strahlenbündel austritt.

2. Lichtintensitätskonverter nach Anspruch 1, bei dem, die Krümmungen der Wölbungen der Lichteintrittsfläche so gewählt sind, dass die Ablenkung des Lichts sich kontinuierlich von Divergenz im zentralen Bereich (X) des Körpers (14) zu Konvergenz im peripheren Bereich (Y) des Körpers ändert.

3. Lichtintensitätskonverter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine einfallende Gaußsche Lichtverteilung in eine gleichförmige Lichtverteilung umgewandelt wird.

4. Lichtintensitätskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Neigungsbetrag an den Wendepunkten der Wölbungen entgegengesetztes Vorzeichen und im wesentlichen denselben Absolutwert hat.

5. Lichtintensitätskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Körper solch eine Dicke hat, daß der RMS-Wert (Root of Mean Square Value) der Wellenfrontaberration des austretenden Lichtes bezüglich des einfallenden Lichtes nicht mehr als 0,07λ beträgt.

6. Lichtintensitätskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die eintretenden Lichtstrahlen im Körper nicht kreuzen.

7. Lichtintensitätskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einfallsapertur (W1) des einfallenden Lichtes größer als die Austrittsapertur (W2) des austretenden Lichtes ist.

8. Optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einem Lichtintensitätskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Optisches Plattenlaufwerk mit einer Lichtquelle, einer Kollimatorlinse, einer Objektivlinse und mit einem Lichtintensitätskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7.