DE3220408C2 - Abtastobjektiv - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Abtastobjektiv mit zwei optischen Gliedern, das mindestens eine asphärische Fläche aufweist. Die asphärische Fläche ist so ausgebildet, daß im Vergleich mit einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius die Dicke der Linse nach außen zunimmt. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der asphärischen Fläche kann beispielsweise ein Abtastobjektiv mit zwei Linsen und einer asphärischen Fläche geschaffen werden, das für kleine Abbildungsmaßstäbe beugungsbegrenzt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abtastobjektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Abtastobjektiv ist aus der JP-OS 45 084-55 bekannt; es weist zwei freistehende Linsen mit positiver Brechkraft auf, von denen eine Linse eine asphärische Fläche hat, und ist für Abbildungen "aus unendlich", d.h. für Abbildungsmaßstäbe kleines Beta < < 1 ausgelegt. Die asphärische Fläche ist derart ausgebildet, daß im Vergleich zu einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius die Dicke der Linse nach außen zunimmt.

Bei dem bekannten Objektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beträgt die Schnittweite etwa 0,4 f, wobei f die Brennweite ist. Bei Abtastobjektiven ist es jedoch erwünscht, die Schnittweite beispielsweise der Geometrie eines CD-Spielers anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastobjektiv der aus der JP-OS 45 084-55 bekannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß die Schnittweite in einem großen Rahmen frei gewählt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einem praktisch beugungsbegrenzten Abtastobjektiv bestehen nicht nur bestimmte Bedingungen für die Brennweite f, die bildseitige Schnittweite s und den Abbildungsmaßstab kleines Beta, sondern es sind auch die sphärische Aberration, der Asymmetriefehler (Koma) und der Astigmatismus dritter Ordnung sowie sphärische Aberration und der Asymmetriefehler fünfter Ordnung zu korrigieren. (Die Bildfeldkrümmung kann aufgrund des kleinen Bildwinkels sowie gegebenenfalls aufgrund der automatischen Fokussierung außer acht bleiben.)

Bei einem zweilinsigen Objektiv stehen zur Erfüllung der vorstehend genannten Bedingungen bzw. zur

Korrektur neun Variable, nämlich vier Radien, zwei Linsendicken, zwei Brechzahlen und ein Luftabstand zur Verfügung. (Die Abbèschen Zahlen spielen keine Rolle, da das Objektiv monochromatisch bzw. für einen sehr schmalen Spektralbereich korrigiert sein soll.) Von diesen neun Variablen sind jedoch die Linsendicken und die Brechzahlen wenig hilfreich, so daß zur Erfüllung der acht Bedingungen lediglich 5 Variable bzw. bei einem zweilinsigen Objektiv mit einer asphärischen Fläche 6 Variable verbleiben.

Überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, daß praktisch beliebige Schnittweiten s bei einem beugungsbegrenzten Abtastobjektiv erhalten werden können, wenn die einzelnen Größen gemäß der im Anspruch 1 angegebenen Tabelle gewählt werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In den Ansprüchen 2 bis 4 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der asphärischen Flächen angegeben. Durch die Ausbildung der ersten Fläche der ersten Linse als asphärische Fläche gemäß Anspruch 5 wird die Korrektur des Asymmetriefehlers fünfter Ordnung weiter verbessert.

Für spezielle Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, beide Flächen der ersten Linsen asphärisch auszubilden.

Die Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in Anspruch 7 angegeben sind, zeigt deutlich das Vorliegen eines echten Konstruktionsprinzips, das die Schaffung von gut korrigierten Abtastobjektiven ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Objektiv mit zwei Linsen,

Fig. 2 die Pfeilhöhendifferenz großes Delta z zwischen einer erfindungsgemäßen asphärischen Fläche und einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelbrechwert als Funktion der Schnittweite s,

Fig. 3 die relative Abweichung der asphärischen Fläche von einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelbrechwert als Funktion der Strahlhöhe h,

Fig. 4 die maximale Apertur als Funktion der Schnittweite s.

Fig. 1 zeigt zur Erläuterung der verwendeten Bezeichnungen einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Abtastobjektiv mit zwei Linsen. Die Radien der Linsenflächen sind mit Ri (i = 1, 2, 3 oder 4), die Linsendicken mit l1 und l3 und der Luftabstand mit l2 bezeichnet. Die beiden Linsen haben die Brechzahlen n1 bzw. n3. Die Linsenflächen sind dabei in Richtung auf die abzutastenden Fläche einfallenden Abtaststrahls numeriert.

In Tabelle 1 sind die numerischen Daten spezieller Ausführungsbeispiele angegeben. Ferner ist angegeben, wie groß die Schnittweite s und welche Fläche asphärisch ausgebildet ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist zusätzlich eine weitere Fläche asphärisch ausgebildet.

Die asphärischen Flächen werden folgendermaßen dargestellt:

Hierbei sind

h der Abstand eines Flächenpunktes von der optischen Achse

z die Pfeilhöhe, d.h. der in Richtung der optischen Achse gemessene Abstand zwischen dem Flächenpunkt mit dem Abstand h von der optischen Achse

kleines Rho (= 1/R) die Krümmung im Flächenscheitel, und

K, AC4, AC6, AC8 und AC10 die asphärischen Koeffizienten.

Die zu einer bestimmten Fläche gehörenden asphärischen Koeffizienten sind ebenfalls in den Tabellen angegeben.

In den Tabellen ist bei allen Ausführungsbeispielen die Brennweite f auf 10 normiert. Bei typischen Anwendungsfällen beträgt die Brennweite jedoch zwischen 3 und 15 mm, die numerische Apertur liegt zwischen 0,3 und etwa 0,7, der Bildwinkel zwischen 1° und 4°; der Abbildungsmaßstab kleines Beta ist sehr viel kleiner als 1.

Die Objektive sind für monochromatische Anwendung bzw. für einen sehr schmalen Spektralbereich, beispielsweise den Bereich zwischen 790 nm und 810 nm korrigiert.

Auch können tatsächlich ausgeführte Objektive von den in den Tabellen angegebenen Ausführungsbeispielen hinsichtlich ihrer Daten abweichen, sofern die abweichenden Objektive einen ähnlichen Korrektionszustand haben; diese Abweichungen liegen typischerweise in einem Bereich von etwa +/- 5 % um die in den Tabellen angegebenen Daten.

Fig. 2 zeigt exemplarisch Werte für den in Richtung der optischen Achse gemessenen Abstand zwischen einer erfindungsgemäß ausgebildeten asphärischen Fläche und einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius als Funktion der Schnittweite s bei einer numerischen Apertur sin u = 0,45 (Brennweite f auf 1 normiert). Tatsächliche Werte können von der dargestellten Kurve um + 100 % und - 50 % abweichen.

Fig. 3 zeigt typische Werte für den in Richtung der optischen Achse gemessenen Abstand zwischen einer erfindungsgemäßen asphärischen Fläche und einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius als Funktion des Abstandes h von der optischen Achse (Strahlhöhe h). Bei einem Wert der Strahlhöhe h, der gleich der halben Brennweite ist (0,5 bei auf 1 normierter Brennweite), ist der Abstand zwischen den beiden Flächen auf 1 normiert.

In Fig. 4 ist die numerische Apertur sin u' als Funktion der Schnittweite s für ein zweilinsiges Objektiv mit einer asphärischen Fläche dargestellt.

Tabelle 1

Claims (7)

1. Abtastobjektiv mit zwei freistehenden Linsen mit positiver Brechkraft, von denen die in Stahlrichtung erste Linse eine asphärische Fläche aufweist, die derart ausgebildet ist, daß im Vergleich zu einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius die Dicke der Linse nach außen hin zunimmt, gekennzeichnet durch folgende Werte der Krümmung kleines Rho 1, kleines Rho 2, kleines Rho 3, kleines Rho 4 der Linsenfläche und des Luftabstandes l2 der beiden Linsen (1, 2) als Funktion der Schnittweite s' bei auf 1 normierter Brennwert f

wobei die Toleranzen der Krümmungen und des Luftabstandes jeweils +/- 0,25 (l2 > 0) betragen,

und durch folgende Werte der Dicke (l1) der ersten Linse: l1 = 0,35 mit Toleranzen von + 0,3 und - 0,2

und der Brechzahlen n1, n3 = 1,7 + 0,2,

der Dicke (l3) der zweiten Linse l3 = 0,25 mit Toleranzen von + 0,3 und - 0,2 und der Brechkraft n1, n3 = 1,7 +/- 0,2.

2. Abtastobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Pfeilhöhen von Punkten auf der asphärischen Fläche und von Punkten auf einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius, die den gleichen Abstand von der optischen Achse haben, beim Halbieren des Abstandes von der optischen Achse um mehr als den Faktor 4 zurückgeht, und daß sich dieser Faktor von außen nach innen verringert.

3. Abtastobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor, um den die Differenz der Pfeilhöhen von Punkten auf der asphärischen Fläche und von Punkten auf der sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius beim Halbieren des Abstandes zurückgeht, für Rand und halben Durchmesser zwischen 8 und 80 und für halben und viertel Durchmesser zwischen 5 und 50 liegt.

4. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Werte für die relative Abweichung z der asphärischen Fläche von einer sphärischen Fläche mit gleichem Scheitelkrümmungsradius:

h 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

großes Delta z 0,005 0,03 0,11 0,4 1,0 2,2

wobei die Brennweite f sowie die relative Abweichung großes Delta z (= in Richtung der optischen Achse gemessener Flächenabstand) bei einem Abstand h von der optischen Achse von 0,5 auf normiert sind.

5. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche der ersten Linse (1) die asphärische Fläche ist.

6. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Flächen der ersten Linsen asphärische Flächen sind, von denen mindestens eine so ausgebildet ist, daß im Vergleich zu einer sphärischen Fläche mit dem gleichen Scheitelkrümmungsradius die Dicke der Linse nach außen hin zunimmt.

7. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Daten gemäß einem der Ausführungsbeispiele der nachfolgenden Tabelle.