DE2840294A1

DE2840294A1 - Optisches system

Info

Publication number: DE2840294A1
Application number: DE19782840294
Authority: DE
Inventors: Keiji Kataoka; Seiji Yonezawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-09-16
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1979-03-29
Also published as: GB2006461A; GB2006461B; CA1109961A; FR2403575B1; NL7809382A; NL190494C; NL190494B; US4235507A; FR2403575A1

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Optisches System

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System, und sie betrifft insbesondere ein solches System, das zum Reproduzieren eines Signals ausgehend von einer auf einer Scheibe aufgezeichneten punktförmigen Information eignet.

In bevorzugter Ausführung ergibt die Erfindung ein optisches System mit einer Objektivlinse zum Fokussieren des von einer Lichtquelle in Form eines Halbleiterlasers mit einem Strahlungsbereich von unterschiedlichen longitudinalen und lateralen Abmessungen ausgehenden Lichtes auf eine punktförmige Information tragende Videoscheibe und einer zwischen dieser Objektivlinse und der Laserlichtquelle angeordneten Kopplungslinse zum Kondensieren des Lichtes der Laserlichtquelle. Dabei hat die Kopplungslinse einen Verstärkungsfaktor von nicht mehr als 7·

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile sowie des ihr zugrundeliegenden Standes der Technik soll nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen werden; in

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dieser zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines herkömmlichen optischen Systems für einen Einsatz in einer Videowiedergabeeimrichtung mit einem Halbleiterlaser als Lichtquelle;

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 das Fernfeldmuster des Lichtes von einem Halbleiterlaser und

Fig. 4 den schematischen Aufbau eines optischen Systems entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Jeder Informationspunkt einer auf einer Scheibe aufgezeichneten punktförmigen Information weist im allgemeinen einen Durchmesser von 1 bis 2 ,um auf, und diese Informationspunkte sind auf der Scheibe in Form einer spiraligen Bahn oder konzentrischer kreisförmiger Bahnen angeordnet.

Für eine genaue Reproduktion eines Signals ausgehend von der punktförmigen Information ist es erforderlich, das Licht einer Laseranordnung auf einen kreisförmigen Fleck zu konzentrieren,dej? eine Halbwertsbreite (volle Breite eines halben Maximums) von etwa 1 »um im Durchmesser aufweist.

Bei einer herkömmlichen Reproduktionsvorrichtung der Bauart mit einer Videoscheibe und einem Halbleiterlaser als Lichtquelle liegt der Strahlungsbereich des Halbleiterlasers im allgemeinen in versenkter HeteroStruktur mit einer

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quadratischen Konfiguration von 1x1 ,um vor. Mit einer solchen Reproduktionsvorrichtung läßt sich unter Verwendung eines optischen Systems, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ein Lichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 ,um auf der Scheibe erhalten. In der Darstellung in Pig. I bezeichnet die Bezugszahl 1 einen als Lichtquelle dienenden Halbleiterlaser, die Bezugszahl 2 eine erste oder Kopplungslinse, die Bezugszahl 3 eine zweite oder Objektivlinse (fokussierende Linse), die Bezugszahl 4 einen fokussierten Lichtfleck und die Bezugszahl 5 eine Scheibe als Aufzeichnungsmedium. Bei diesem optischen System haben beispielsweise sowohl die Kopplungslinse 2 als auch die Objektivlinse 3 einen Vergrößerungsfaktor von 25 und eine numerische Apertur von 0,4. In der Tat kann ein Laser mit einem Strahlungsbereich von 1x1 ,um den Vorteil bieten, daß der fokussierte Lichtfleck 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist,

er zeigt jedoch einen außerdem den Nachteil, daß die Laserausgangsleistung infolge des kleinen Strahlungsbereichs ebenfalls klein ist. Der kleine Strahlungsbereich macht die Verwendung von Linsen mit einem großen Verstärkungsfaktor und großer numerischer Apertur erforderlich, und damit ergibt sich der Nachteil, daß die Justierung des optischen Systems und insbesondere die Einstellung der Kopplungslinse schwierig wird. Daher läßt sich bei der Reproduktion eines Signals von einer punktförmigen Information kein stabiles Signal mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis erhalten.

Bei einer herkömmlichen Methode zur 'Erzielung einer großen Laserausgangsleistung werden Zylinderlinsen in einer Videoscheibenvorrichtung unter Verwendung eines Halbleiterlasers mit einem Strahlungsbereich von 1 /Um in longitudinaler Richtung und 3 bis 5 ,um in lateraler Richtung

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eingesetzt, um den Lichtfleck auf der Scheibe etwa zu einem kreisförmigen Fleck zu machen. Derartige Zylinderlinsen lassen sich jedoch nur schwer mit hoher Genauigkeit herstellen, und sie sind dementsprechend kostspielig. Weiterhin kompliziert sich bei Verwendung derartiger Zylinderlinsen die Justierung im Aufbau des optischen Systems. Darüber hinaus ist es schwierig, den Lichtfleck auf eine Kreisform mit einem Durchmesser von 1 ,um. zu fokussieren, dajmit Zylinderlinsen mit großer astigmatischer Aberration gearbeitet werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches System anzugeben, mit dem sich eine genaue Signalauslesung aus auf einer Scheibe aufgezeichneter punktförmiger Information erhalten läßt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches System, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein optisches System vorgesehen, das einen Halbleiterlaser mit einem Strahlungsbereich von unterschiedlichen longitudinalen und lateralen Abmessungen, eine Objektivlinse zum Fokussieren des von diesem Halbleiterlaser abgestrahlten Lichtes auf ein vorgegebenes Aufzeichnungsmedium und eine zwischen dem Halbleiterlaser und der Objektivlinse eingefügte Kopplungslinse aufweist, die das Licht des Halbleiterlasers so auf die Objektivlinse fallen läßt, daß deren volle Apertur abgedeckt wird, so daß das auf die Objektivlinse fallende

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Licht von dieser auf dem Aufzeichnungsmedium zu einem kreisförmigen Fleck fokussiert wird.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein optisches System vorgesehen, dis einen Halbleiterlaser mit einem in longitudinaler und lateraler Richtung unterschiedlich bemessenen Strahlungsbereich, eine erste Linse zum Fokussieren des Lichtes dieses Halbleiterlasers auf ein Aufzeichnungsmedium mit darauf aufgezeichneter punktförmiger Information, eine zwischen dem Halbleiterlaser und dieser ersten Linse angeordnete zweite Linse zum Kondensieren des Lichtes des Halbleiterlasers und eine zwischen diesen ersten und zweiten Linsen angeordnete dritte Linse aufweist, wobei der kombinierte Verstärkungsfaktor der zweiten und der dritten Linse nicht größer ist als 7·

Für die weitere Erläuterung der Erfindung selbst wird nunmehr auf die Darstellungen in Fig. 2 bis 4 der Zeichnung Bezug genommen.

Dabei ist in Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Wenn ein Lichtfleck 4 mit Hilfe von Linsen 2 und 3 so auf eine Scheibe 5 forkussiert werden soll, daß er eine Halbwertsbreite von etwa 1 ,um aufweist, also beispielsweise auf 2, 5 ,um, wenn die Lage der Nullstellen der Helligkeit des an einer kreisförmigen Aperturblende gestreuten Lichtes als Grenze für den Lichtfleck betrachtet wird, muß die nachstehende Beziehung erfüllt sein:

1.22 Λ/η» ύ 2.5 /Um (1)

Dabei bezeichnen A. die Wellenlänge des Lichtes von beispielsweise 0,83 /Um für den Halbleiterlaser und n' die

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numerische Apertur der Linse 3. Aus dieser Beziehung (1) folgt das n' ^ 0,4.

Die Linse 3 mit einer numerischen Apertur von mehr als 0,4 entspricht im allgemeinen einer Objektivlinse zur Verwendung in einem Mikroskop, das einen Vergroßerungsfaktor von mehr als 20 aufweist. Eine Linse mit großem Vergrößerungsfaktor und großer numerischer Apertur besitzt nur eine geringe Tiefenschärfe, so daß schon geringfügige Fluktuationen während der Rotation der Scheibe 5 zu einem Verschwimmen der Fokussierung führen. Dies verhindert wiederum eine genaue Wiedergabe einer gewünschten Information. Daher sollte die Linse 3 vorzugsweise einen Vergrößerungsfaktor von 20 bis 30 und eine numerische Apertur von 0,4 bis 0,5 besitzen.

Zwischen dem in Fig. 2 dargestellten Winkel Un zum Bestimmen der numerischen Apertur und dieser numerischen Apertur n¹ selbst gilt der Zusammenhang:

sin Uu = n¹ (2)

Dabei bezeichnet in dieser Beziehung und inüer Darstellung in Fig. 2 m^f den Vergrößerungsfaktor der Linse 3 und n¹ deren numerische Apertur.

Um eine ausreichende Verkleinerung des fokussierten Lichtflecks durch die Linse 3 zu erhalten, ist es erforderlich, daß das Licht von dem Halbleiterlaser 1 auf die volle Apertur der Linse 3 fällt. Dazu muß die folgende Beziehung erfüllt sein:

u S JiiL_s (3)

^y " m' m¹

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— Q —

Da der Vergrößerungsfaktor m¹ zwischen 20 und 30 und die numerische Apertur n' zwischen 0,4 und 0,5 liegt, ergibt sich der Mindestwert für u, zu 0,0133· Die StrahlungswirOcel u~ und u, von Fig. 4 für das Licht des Halbleiterlasers 1 sind miteinander durch die nachstehende Beziehung gekoppelt:

Up = m . u, (4)

Dabei steht m für den Vergrößerungsfaktor der Linse Der Vergrößerungsfaktor m der Linse 2 ergifet sich aus den Beziehungen (3) und (4) zu:

Up

0.0133

(5)

Die Darstellung in Fig. 3 zeigt Eigenschaften des von dem in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlaser 1 emittierten Lichtes, die sich als nützlich für die Bestimmung von u~ in der Beziehung (5) erweisen. In Fig. 3 ist entlang der Abszisse der Strahlungswinkel Up in Grad und entlang der Ordinate die Lichtstärker in einer willkürlichen Einheit aufgetragen. Die Darstellung in Fig. 3 gibt beispielsweise das Fernfeldmuster des von einem Halbleiterlaser mit einem Strahlungsbereich von etwa 1 ,um χ 3,5 /Um (Abmessungen in longitudinaler Bzw. in lateraler Richtung) abgestrahlten Lichtes wieder. Aus der Darstellung in Fig. ist ersichtlich, daß die Halbwertsbreite für die longitudinale Richtung (Kurvenzug M) 34,5° und für die laterale Richtung (Kurvenzug N) 10° beträgt. Weiter ergibt sich für einen Strahlungsbereich von etwa 1 /Um (longitudinale Abmessung) χ 5 /Um (laterale Abmessung) die Halbwertsbreite des

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Pernfeldmusters zu 3^,5 (longitudinale Richtung) bzw. zu 7° (laterale Richtung).

Der Wert für U₂ in der oben angegebenen Beziehung (5) ist gleich dem Winkel, also der Halbwertsbreite für das laterale Fernfeldmuster gesetzt, das in Fig. 3 dargestellt ist. Daraus ergibt sich folgender Vorteil. Bei einer Bestimmung des Wertes für U₂ entsprechend . der oben beschriebenen Art und Weise kann die Verteilung des Lichtes des Halbleiterlasers sowohl in longitudinaler als auch in lateraler Richtung innerhalb des Winkels U₂ im wesentlichen als kreisförmig angesehen werden, und auch die Verteilung des an der Linse 3 einfallenden Lichtes ist ebenfalls kreisförmig, und damit weist auchjder fokussierte Lichtfleck 4 eine kreisförmige Gestalt auf. Der Wert für U₂ in Radian berechnet sich zu 5 x -5TJ7, ^3-5 x :nr& · Hier ist der Wert für u~

löU löu c.

bestimmt unter der Annahme, daß die Lateralabmessung des Strahlungsberexchs für den Halbleiterlaser 1 von 3*5 /Um bis 5 /Um reicht. Bei Wahl des größten Wertes für u~ ergibt sich aus der Beziehung (5) das, m ^ 6,6. Daher sollte die linse 2 vorzugsweise einen Vergrößerungsfaktor aufweisen, der kleiner oder höchstens gleich etwa 7 ist. Die numerische Apertur der Linse 2 muß mit Rücksicht auf den kleinsten Wert für U₂ größerjsein als 0,06 (= sin 3,5°).

Wenn die Linse 2 einen Verstärkungsfaktor aufweist, der größer ist als 7, wird der auf der Scheibe 5 fokussierte Lichtfleck nicht mehr kreisförmig, sondern elliptisch.

Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung kann Licht von einem Halbleiterlaser, der einen Strahlungsbereich mit unterschiedlichen Abmessungen in longitudinaler und

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- ii-

lateraler Richtung aufweist und eine vergleichsweise hohe Lichtausgangsleistung zu erzeugen vermag, zu einem kreisförmigen Lichtfleck fokussiert werden, so daß sich eine genaue Signalreproduktion erhalten läßt.

Wenn als Objektivlinse Objektivlinsen für Mikroskope verwendet werden und die Kopplungslinse in der oben beschriebenen Weise ausgewähltlwird, kann das sich ergebende optische System in manchen Fällen zu lang werden. Es beträgt nämlich der konjugierte Abstand einer Objektivlinse, also der Abstand von der Linse zu einem konjugierten Punkt, üblicherweise 150 bis 200 mm, und bei Verwendung zweier solcher Linsen an vorgegebenen Stellen als Kopplungslinse und als Objektivlinse liegt die Länge des resultierenden optischen Systems zwischen 300 und 400 mm. Die Verwendung eines solchen optischen Systems mit einer Länge von 300 bis 400 mm ist für Reproduktionsvorrichtungen mit Photoscheiben nicht zweckmäßig, und sie erweist sich insbesondere unter ftechanischen Gesichtspunkten als nachteilig dann, wenn das optische System für die Wiedergabe aufgezeichneter Information beilregt werden soll, wenn also ein rascher Zugriff erreicht werden soll.

Diese Schwierigkeit läßt sich beheben, da die Länge des optischen Systems reduziert werden kann, wobei der Durchmesser des fokussierten Lichtflecks auf einem optimalen Wert gehalten werden kann und auch die Gestalt des fokussierten Lichtflecks bei der Kreisform verbleibt. Dazu kann zwischen die Objektivlinse und die Kopplungslinse eine konkave Linse eingefügt werden. In diesem Falle führt jedoch die einfache Einfügung der konkaven Linse zu einer Änderung im resultierenden

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Vergroßerungsfaktor des Systems und zu einer Änderung der Lichtverteilung an der Objektivlinse infolge des Effekts der konkaven Linse, so daß die Größe des fokussierten Lichtflecks und der Nutzwirkungsgrad für das Licht von ihren optimalen Vierten ,abweichen. Die Kopplungslinse läßt sich dementsprechend nicht unabhängig wählen, sondern unter der Zusatzbedingung, daß der kombinierte Vergroßerungsfaktor für die Objektivlinse und die konkave Linse kleiner oder höchstens gleich 7 ist.

In Fig. 4 ist ein derartiges optisches System als eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung veranschaulicht. Aus der Darstellung in Fig. 4 ist ersichtlich, daß sich der Vergroßerungsfaktor m-, einer konkaven Linse L-, ergibt aus der Beziehung:

S-T

m =

^D B-D

wobei S den Abstand zwischen der Position 0 des virtuellen Bildes des lichtemittierenden Punktes eines Halbleiterlasers SL und der Position einer Objektivlinse L„, T den Abstand zwischen einer konkaven Linse L, und der Objektivlinse L^, B den Abstand zwischen einer Kopplungslinse L₁ und dem reellen Bild O¹ des lichtemittierenden Punktes des Halbleiterlasers SL und D den Abstand zwischen der Kopplungslinse L. und der konkaven Linse L, bezeichnet. Der Vergroßerungsfaktor m₁ für die Kopplungslinse Lp ergibt sich zu:

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Hierbei steht A für den Abstand des lichtemittierenden Punktes des Halbleiterlasers SL von der Kopplungslinse L... Damit ergibt sich der kombinierte Vergrößerungsfaktor m zu:

Weiter folgt hieraus die Beziehung:

(6)

— (7)

B-D S-T f

wobei f die Brennweite der konkaven Linse L, bezeichnet.

Aus den Beziehungen (6) und (7) lassen sich die Brennweite und die Position für die zur Reduktion der Länge des optischen Systems^uverwendende konkave Linse und der Verstärkungsfaktor und die Position für die Kopplungslinse berechnen.

Die Länge des optischen Systems läßt sich verkleinern durch Verkleinerung des Abstandes T zwischen der Objektivlinse und der konkaven Linse L, und des Abstandes D zwischen der konkaven Linse L, und der Kopplungslinse L^. Bei einem praktisch ausgeführten optischen System für eine Signalreproduktion von einer Photoscheibe sind jedoch zwischen der Objektivlinse und der konkaven Linse eine Tauchspule für einen automatischen Fokussierungsservomechanismus, ein Galvanometerspiegel für die Abtastung, ein Polarisations-

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prisma für die Abnahme des reflektierten Signales von der Scheibe, ein Wellenlängenplättchen u. dgl. anzuordnen, so daß der Abstand-T im Minimum etwa 80 mm beträgt. Für den Abstand D lassen sich kleine Werte von etwa 10 mm erreichen. Wenn als Objektivlinse und als Kopplungslinse Objektivlinsen für ein Mikroskop verwendet werden, ergeben sich für die Abstände S und B Werte von jeweils etwa 180 mm. Der Vergrößerungsfaktor m₁ der Kopplungslinse L.

berechnet sich in diesem Falle ausgehend von der Beziehung (6)

Für die Brennweite f der konkaven Linse L-, ergibt sich dann:

f = -63

Die Länge des auf diese Weise erhaltenen optischen Systems ergibt sich zu T + D = 90 mm, was einem Viertel der Länge (B + S = 36O mm) eines optischen Systems entspricht, das einen anderen Aufbau hat als den in Fig. 4 gezeigten. Die konkave Linse kann durch eine selbstfokussierende Faserlinse ersetzt werden, die den gleichen Effekt hat wie die konkave Linse, das heißt deren Brechungsindex mit dem radialen Abstand abnimmt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung wird das vom Halbleiterlaser 1 abgestrahlte Licht durch die Kopplungslinse konvergent gemacht und fällt dann auf die volle Apertur der Objektivlinse. Alternativ dazu

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wird das von dem Halbleiterlaser abgestrahlte Licht durch eine Kopplungslinse kollimiert, und dieses kollimierte Licht fällt auf die volle Apertur der Objektivlinse.

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Claims

Ansprüche

1,1 Optisches System mit einem Halbleiterlaser und einer nachgeordneten Objektivlinse zum Fokussieren des vom Laser abgestrahlten Lichts auf ein vorgegebenes Aufzeichnungsmedium sowie einer zwischen dem Laser und der Objektivlinse eingefügten Kopplungslinse, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1; SL) einen Strahlungsbereich mit unterschiedlicher Ausdehnung in longitudinaler und lateraler Richtung aufweist und die Kopplungslinse (2; L₁) das Laserlicht so auf die Objektivlinse (3; Lp) fallen läßt,daß deren volle Apertur überdeckt und das auftreffende Licht auf dem Aufzeichnungsmedium (5) als kreisförmiger Fleck fokussiert wird.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergroßerungsfaktor der Kopplungslinse (2) nicht größer ist als 7.

3. Optisches System nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kopplungslinse (L.) und der Objektivlinse (L„) eine dritte Linse (L,) eingefügt und der kombinierte Vergroßerungsfaktor der Kopplungslinse und der dritten Linse nicht größer ist als 7.

k. Optisches System nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (L₂) und die Kopplungslinse (L₁) jeweils eine Sammellinse und die dritte Linse (L-,) eine Zerstreuungslinse ist.

8l-(A 3265-O3)-DfF

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ORIGINAL INSPECTED

5. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (Lp) und die Kopplungslinse (L-) jeweils eine Sammellinse und die dritte Linse (L_x) eine selbstfokussierende Faserlinse ist.

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