DE3305675A1

DE3305675A1 - Optisches geraet mit einem halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3305675A1
Application number: DE19833305675
Authority: DE
Inventors: Shigeo Tokyo Kubota
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1982-02-19
Filing date: 1983-02-18
Publication date: 1983-09-01
Also published as: GB2119114A; GB8304572D0; DE3305675C2; CA1204199A; FR2524158B1; US4577941A; KR840003846A; FR2524158A1; GB2119114B; KR910008493B1

Description

Q Q Π R R 7 ζ

TCR MEER - MÖLLER · STEINMEIE^-Tr^ . " O J U O Ό /

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein optisches Gerät, das als Lichtquelle einen Halbleiterlaser verwendet, der verschiedene Brennpunkte in der Übergangsebene und in einer dazu rechtwinklig verlaufenden Ebene aufweist, wodurch ein Astigmatismus erzeugt wird. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen optischen Abtaster für einen Digitalplatten- oder Bildplattenspieler, bei dem Lichtstrahlen eines Halbleiterlasers auf eine Abtastfläche einer optischen Scheibe fokussiert werden, so daß die aufgezeichneten Signale auf der Abtastfläche gelesen werden.

Ein Halbleiterlaser mit Verstärkungsführung (gain guiding) als ein Vertreter der Halbleiterlaser mit doppeltem HeteroÜbergang zeigt keinen Anstieg des Rauschpegels, der häufig bei Haibleitorlasern mit Indexführung (index guiding) anzutreffen ist. Ein solches Ansteigen des Rauschpegels wird durch einen Selbstoder Mitkopplungseffekt erzeugt, der seinerseits durch Licht verursacht wird, das von der Abtastfläche der optischen Scheibe oder optischen Platte reflektiert wird. Aus diesem Grunde stellt der Halbleiterlaser mit Verstärkungsführung eine vielversprechende Lichtquelle für einen optischen Laser eines Bildplattenspielers dar, der einen hohen Rauschabstand benötigt. Ein HaIbleiterlaser mit Verstärkungsführung schwingt vertikal im Multimodenbetrieb, während ein Halbleiterlaser mit

TER MEER - MÜLLER · STEINM£ISTEJT

Indexführung vertikal im Einmodenbetrieb schwingt. Aus diesem Grunde ist der Halbleiterlaser mit Verstärkungsführung weniger anfällig gegenüber Störungen durch reflektiertes Licht. Vom Standpunkt der optischen Eigenschäften strahlt ein Halbleiterlaser 1 mit Verstärkungsführung, wie in den Figuren IA und IB dargestellt ist, Licht mit verschiedenen Welleneinschnürungen in der Übergangsebene (X-Y-Ebene) und einer Ebene senkrecht hierzu (X-Z-Ebene) aus. In der vertikalen Ebene (X-Z-Ebene) befindet sich die Einschnürung am Punkt A (Position der Spiegeloberflache), der in der Ebene der Spiegelfläche 2 liegt. In der Übergangsebene (X-Y-Ebene) befindet sich die Einschnürung jedoch am Punkt B, der der aktiven Schicht 3 des Halbleiterlasers zugeordnet ist und tiefer im Resonator an einem von der Spiegelfläche 2 zurückliegenden Punkt liegt. Aus diesem Grund unterscheiden sich die Brennpunkte der Lichtwellen in der Übergangsebene (X-Y-Ebene) und der Vertikalebene (X-Z-Ebene) voneinander und erzeugen einen

20 Astigmatismus Λ ζ.

Wenn ein Halbleiterlaser dieses Typs als Lichtquelle für einen Bildplattenspieler oder ähnliches verwendet wird und dessen Lichtstrahlen mit Hilfe einer Objektivlinse oder dergleichen auf die Abtastfläche der optischen Scheibe fokussiert werden, wird der Lichtfleck wegen des Astigmatismus in horizontaler oder vertikaler Richtung verlängert und verzerrt. Wenn dies auftritt, kann ein Punkt zur Erzielung einer optimalen Wiedergabe der Datensignale und der Spurverfolgungssignale nicht

TER MEER · MÜLLER · STfilNMEISTER

bestimmt werden. Dies verringert die Toleranzen gegenüber Regelkreisstörungen, wie Defokussierung oder Plattenschräglauf. Mit anderen Worten, die erwünschten Eigenschaften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion (Optical Transfer Function) können nicht erreicht werden.

Um diese Schwierigkeiten zu meistern, wurden bisher folgende Methoden verwendet:

(a) Bei der ersten Methode werden diejenigen Komponenten der von dem Halbleiterlaser ausgehenden Lichtstrahlen, die sich in einem inneren zentralen Winkelbereich befinden, ausgewählt, um als Abtastsignale verwendet zu werden, so daß die Störungen in der Wellenfront aufgrund des Astigmatismus beseitigt werden. Das Maß der störenden Effekte durch den Astigmatismus ändert sich mit der numerischen Apertur der Kollimatorlinse, die verwendet wird, um die Lichtstrahlen auf die Objektivlinse zu führen. Wenn daher nur diejenigen Lichtkomponenten ausgewählt werden, die sich innerhalb eines engen zentralen Winkelbereichs befinden, wird die Störung in der Wellenfront beseitigt, wobei jedoch der Wirkungsgrad der Lichtverwendung beeinträchtigt wird.

Auf diese Weise können die erwünschten Eigenschaften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion bei einer Digitalschallplatte, die keinen zu hohen Rauschabstand benötigt, erreicht werden.

Dies wird im folgenden näher erläutert. Da der erforderliche Rauschabstand nicht zu hoch ist, benötigt ein Digitalplattenspieler keine zu große optische Dichte.

TER MEER . MÜLLER . STEINMEISTER- *'.'."'. "'. 3305675

Aus diesem Grunde kann eine Kollimatorlinse mit einer numerischen Apertur von beispielsweise 0,13 verwendet werden. Wenn dann ein Halbleiterlaser mit einem Astigmatismus von 25 um als Lichtquelle verwendet wird, ist der quadratische Mittelwert (RMS Value) der Störung in der Wellenfront 0,056 \ , was innerhalb der Berechnungsgrenze liegt und daher kein Problem bedeutet.

Wenn jedoch die oben beschriebene erste Methode bei einem Bildplattenspieler oder dergleichen, der einen relativ hohen Rauschabstand benötigt, verwendet wird, muß die Leistung des Lasers wegen des geringen Wirkungsgrades der Lichtstrahlen erhöht werden. Eine Erhöhung der Laserausgangsleistung führt jedoch zu Problernen bezüglich der Lebensdauer des Halbleiterlasers.

Wenn ein üblicher Halbleiterlaser dieses Typs als Lichtquelle für einen Bildplattenspieler oder dergleichen, der einen hohen Rauschabstand benötigt, verwendet wird, ohne die erste Methode anzuwenden, muß eine Kollimatorlinse mit einer numerischen Apertur von 0,2 oder mehr unter Berücksichtigung des Divergenzwinkels der Lichtstrahlen des Halbleiterlasers verwendet werden. Wenn jedoch eine solche Kollimatorlinse verwendet wird, beträgt der RMS-Wert der Störung in der Wellenfront wegen eines Astigmatismus von 25 um 0,13 λ , was die optischen Übertragungseicjemschaften wesentlich beeinträchtigt.

Der RMS-Wert der Störung in der Wellenfront, der innerhalb der Brechungsgrenze liegt, beträgt gemäß dem Marechal-Kriterium 0,07 λ . Die obere Grenze des Astigmatismus eines Lasers, der dieses Kriterium erfüllt,

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTE-R - - · ■* '■ ■ '■

- 10 -

muß 13 um sein, wenn die numerische Apertur der Kollimatorlinse mit 0,2 angenommen wird. Der Astigmatismus eines handelsüblichen Halbleiterlasers mit Verstärkungsführung beträgt etwa 20 - 25 um. Aus diesem Grund müssen Maßnahmen zur Korrektur des Astigmatismus ergriffen werden, wenn eine Lichtquelle mit großer Intensität erforderlich ist, wie dies im Falle eines Bildplattenspielers oder dergleichen gilt.

(b) Gemäß der zweiten Methode wird der Astigmatismus durch ein optisches Element wie eine zylindrische Linse korrigiert, die verschiedene Brechungsstärken in verschiedene Richtungen aufweist. Wenn jedoch die zweite Methode angewandt wird, ist die Oberfläche des optisehen Elementes, d.h. die Linsenoberfläche, keine wirkliche Kugeloberfläche sondern eine unregelmäßige Kugel, da die Brechkraft des optischen Elementes in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist. Eine solche unregelmäßige Kugeloberfläche ist schwierig zu konstruieren und herzustellen. Da die Brechkraft des optischen Elementes in verschiedenen Richtungen verschieden ist, müssen außerdem verschiedene Positionierungseinstellungen des optischen Elementes vorgenommen werden einschließlich der Winkeleinstellung des optischen Klementes in Bezug auf die optische Achse, der Position des optischen Elementes entlang der optischen Achse und der Richtungswirkung der Brechkraft in Bezug auf den Astigmatismus. Dies verkompliziert die Justage des optischen Elementes.

*■"" * * " O *5 Π C C 7 C

TER MEER ' MÜLLER . STEINMEISTER* -".**::.*:

- 11 -

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Astigmatismus auf einfache Weise korrigiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft ein optisches Gerät, das die erwünschten optischen Übertragungseigenschaften aufweist, indem ein optisches Element vorgesehen ist, das eine Oberfläche aufweist, die leicht herzustellen ist und leicht positioniert werden kann, ohne daß eine Erhöhung der Laserausgangsleistung notwendig wird, selbst wenn das Gerät einen hohen Rauschabstand und eine hohe Lichtintensität benötigt. Außerdem gestattet die Erfindung ein optisches Gerät zu schaffen, das einen HaIbleiterlaser verwendet, der leicht und zuverlässig die oben genannte Aufgabe löst, ohne eine erhöhte Teileanzahl zu erfordern.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegen-Standes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. IA

und IB schematische Darstellungen·zur Erläuterung des Astigmatismus bei einem Halbleiterlaser mit Verstärkungsführung,

TER MEER ■ MÜLLER ■ STEINMÖSTE« - : - ' : I 1

- 12 -

Pig. 2 einen Schnitt entlang der optischen Achse und durch die Übergangsebene eines Halbleiterlasers des optischen Gerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Längsschnitt entlang der optischen

Achse in einer Ebene rechtwinklig zur Übergangsebene des in Fig. 2 dargestellten Halbleiterlasers,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Korrektur des Astigmatismus mit Hilfe einer planparallelen Glasplatte,

Fig. 5 einen Längsschnitt entlang der optischen

Achse in der Ebene senkrecht zur Übergangsebene eines Halbleiterlasers eines optischen Gerätes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt durch ein Biprisma und

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Empfindlichkeitskoeffizienten S

als eine Funktion des Brechungsindexes N_r des in Fig. 6 dargestellten Biprismas.

TER MEER ■ MÜLLER . STEINMEiIS-TE^ " .-**:*"· " · O 3 O O 6 /

Ein optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser zur optischen Abtastung bei einem Digitalschallplatten- oder Bildplattenspieler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Koordinatenachsen in den Figuren 2 und 3 mit denen in Fig. 1 übereinstimmen.

Als Lichtquelle wird ein Halbleiterlaser 1 mit Verstärkungsführung (gain guiding type), der einer der Halbleiterlaser mit doppeltem HeteroÜbergang ist, verwendet. Der Brennpunkt in der Übergangsebene(X-Y-Ebene) der Lichtstrahlen, die vom Halbleiterlaser 1 ausgesandt werden, liegt im Resonator an einem von der Spiegelfläehe 2 etwas nach innen zurückliegenden Punkt. Jedoch befindet sich der Brennpunkt der Lichtstrahlen des Halbleiterlasers 1 in der Vertikalebene (X-Z-Ebene), die sich im rechten Winkel zur Übergangsebene erstreckt, auf der Spiegelfläche 2, wodurch ein Astigmatismus bewirkt wird.

Die vom Halbleiterlaser 1 ausgehenden divergierenden Lichtstrahlen fallen auf eine planparallele Glasplatte 4 mit einer vorherbestimmten Dicke t^, welche sich im optischen Weg dieser Lichtstrahlen befindet. Die planparallele Glasplatte 4 kann transparent oder durchscheinend sein und wird von Luft umgeben. Die planparallele Glasplatte 4 ist in der Weise angeordnet, daß ein auf ihr rechtwinklig stehender Vektor A^ um einen bestimmten Winkel U_p^ innerhalb der Übergangsebene (X-Y-Ebene) in Bezug auf die optische Achse geneigt ist.

TER MEER ■ MÜLLER ■ STEINMKISTEi=?-

- 14 -

Die aus der planparallelen Glasplatte 4 austretenden Lichtstrahlen treffen anschließend auf einen Strahlenteiler 5 auf, welcher die ankommenden Lichtstrahlen in durchgelassene Lichtstrahlen und reflektierte Lichtstrahlen aufteilt. Die durchgelassenen Lichtstrahlen des Strahlenteilers 5 werden mit Hilfe einer Kollimatorlinse 6 in paralleles Licht verwandelt, die eine vorherbestimmte numerische Apertur aufweist und so angeordnet ist, daß sie die Lichtstrahlen parallel zueinander führt. Diese parallelen Lichtstrahlen werden anschließend mit Hilfe einer Objektivlinse 7 auf die Abtastfläche einer optischen Scheibe 8 fokussiert, um einen kleinen Lichtfleck im Brennpunkt der Objektivlinse 7 zu erzeugen.

Auf der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 sind mit Ton- und/oder Videodaten modulierte Signale in Form von in einer Reihe angeordneten Vertiefungen aufgezeichnet, die spiralförmige oder konzentrische Spuren bilden.

Die von der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 reflektierten Lichtstrahlen sind durch die gespeicherten Signale oder die reihenförmig angeordneten Vertiefungen moduliert und treffen auf die Objektivlinse 7 auf, welche sie in parallele Lichtstrahlen umsetzt. Die nunmehr zu parallelem Licht verwandelten reflektierten Lichtstrahlen breiten sich entlang dem gleichen optischen Weg, jedoch in umgekehrter Richtung,aus und treffen nach Durchgang durch die Kollimatorlinse 6 auf den Strahlenteiler 5 auf. Diejenigen Lichtstrahlen, welche vom Strahlenteiler 5 seitlich wegreflektiert werden, treffen auf die lichtempfindliche Fläche eines Lichtsensors 9 auf. Der Lichtsensor 9 erzeugt Datensignale,

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTE.S" "-":.: O O U D D / O

Spurverfolgungssignale und ähnliche Signale.

Im folgenden wird die Anordnung zur Korrektur des Astigmatismus mit Hilfe der planparallelen Glasplatte 4 unter Bezug auf die Fig. 4 näher beschrieben.

Es sei angenommen, daß eine planparallele Glasplatte 4* (Dicke t^¹, Brechungsindex N₁) im optischen Weg (numerische Apertur NA =» sin U₁) von fokussiertem Licht angeordnet ist und mit der optischen Achse einen Winkel Upj¹ bildet. Der Astigmatismus A_sl, der in diesem optischen System auftritt, kann nach der folgenden Gleichung beispielsweise gemäß W.J. Smith, Modem Optical Engineering, McGraw-Hill, N.Y., 1966, berechnet werden:

sl

- sin²U_pl') {N²2_üpl· / _(N]2

Up₁ ¹) - l}
= -C { <N_X ² - l)sin²U_pl'} /(N₁ ² -

I²UM³Z²Jt* ..(D

In dieser Gleichung bedeutet l_t* den Abstand zum Brennpunkt in der Ebene (Meridianebene), welche das Lot und die optische Achse einschließt; Ig* ist der Abstand zum Brennpunkt in der Ebene rechtwinklig zur oben genannten Ebene.

""■ ·""-'" 'Z Q Q Π C K 7 ζ

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER" . :.":'_- OOUOO/Q

- 16 -

Die Koma_s ergibt sich aus:

Koma_s ={ t₁'.ü₁ ².ü_pl ^l.(N₁ ²-l)} /2N₁ ³

Es ist aus diesem Grunde möglich, einen Astigmatismus der gleichen Größe aber mit entgegengesetztem algebraischen Vorzeichen zu dem Astigmatismus des Halbleiterlasers 1 durch Auswahl einer vorbestimmten Dicke t^' und eines vorherbestimmten Winkels U_pl· für eine vorbestimmte numerische Apertur NA, beispielsweise NA = SInU₁ ■» 0,2 gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) zu erzeugen und auf diese Weise die Koma auf ein Minimum zu reduzieren. Für ein beliebiges U_pl' ergibt sich ein Astigmatismus von:

A₃ = I₃' - l_t'< 0

Aus dem Obigen ergibt sich somit, daß der Astigmatismus eines Halbleiterlasers 1 korrigiert werden kann, wenn die Meridianebene mit der Übergangsebene des Halbleiterlasers 1 zusammenfällt.

Wenn t₁· = 0,1 mm, U_pl' =45° und N₁ = 1,5 kann der Astigmatismus A_sl wie folgt berechnet werden:

A_sl «= I₅' - l_t' = -0,025 mm = -25 um

Der Astigmatismus eines üblichen Halbleiterlasers 1 mit Verstärkungsfü-hrung beträgt etwa 20 - 25 um. Daher kann ein Astigmatismus von einer solchen Größe durch den

TER MEER ■ MÜLLER ■ STEINMEISTER " : -"--'"- *- d J U O U / O

obigen Astigmatismus A₃^ korrigiert werden. Die in diesem Fall erzeugte Koma beträgt lediglich 0,02 X ausgedrückt durch den RMS-Wert (quadratischer Mittelwert der Wellenfront-Aberration) und ist daher vernachlässigbar klein.

Der Astigmatismus und die Koma sind beide proportional zur Dicke t^· der planparallelen Glasplatte 4. Der Astigmatismus ist abhängig vom Quadrat des Winkels ^upl'» während die Koma proportional zu diesem ist. Daher kann die Koma auf ein Minimum reduziert werden, wenn die Dicke t^' kleiner und der Winkel U_p^' der planparallelen Glasplatte 4' größer als zur Erzeugung des Astigmatismus ist.

Der Astigmatismus des Halbleiterlasers 1 kann durch die planparallele Glasplatte 4 korrigiert werden, die eine vorherbestimmte Dicke tj_ aufweist und deren Normalenvektor oder Lotvektor A^ um einen vorbestimmten Winkel

^ VpI bezüglich der optischen Achse innerhalb der Übergangsebene (X-Y-Ebene) des Halbleiterlasers 1 geneigt ist.

Der kleine auf der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 durch die Objektivlinse 7 gebildete Lichtfleck wird im wesentlichen kreisförmig als Ergebnis der Korrektur des Astigmatismus durch die.planparallele Glasplatte 4.

Aus diesem Grunde verhindert die optische Übertragungsfunktion (Optical Transfer Function OTF) eine gegenseitige Beeinflussung zwischen benachbarten Spuren, selbst wenn die numerische Apertur der Kollimatorlirise 6 verhältnismäßig groß gewählt ist. Selbst wenn ein optisches Gerät ein hohes Signal/Rauschverhältnis und eine

TER MEER · MÜLLER · STEIN M EISTE« · 1."·;:.:

- 18 -

große Lichtintensität erfordern, können die erwünschten Eigenschaften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion ohne eine Erhöhung der Laserausgangsleistung erreicht werden. Da das optische Element zur Korrektur
des Astigmatismus die planparallele Glasplatte 4 ist,
ist die Oberfläche des Elementes leicht herzustellen.
Da das optische Element kein Refraktionsvermogen aufweist, braucht es lediglich eine Winkeljustierung des
Lotvektors A^ in Bezug auf die optische Achse innerhalb der Übergangsebene des Halbleiterlasers 1. Das
optische Element der vorliegenden Erfindung benötigt
lediglich eine einfache Positionierung.

In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
ist die planparallele Glasplatte 4 im optischen Weg der divergierenden Lichtstrahlen angeordnet. Es ergibt sich jedoch aus dem oben beschriebenen Verfahren zur Korrektur des Astigmatismus, daß die planparallele Glasplatte 4 auch im optischen Weg der fokussierten Lichtstrahlen
beispielsweise zwischen der Objektivlinse 7 und der

Abtastfläche der optischen Scheibe 8 angeordnet werden
kann. Im ersten Ausführungsbeispiel wird nur eine planparallele Glasplatte 4 verwendet. Voraussetzung ist
jedoch lediglich, daß eine vorherbestimmte Dicke tj_ zur Verfugung gestellt wird, was eine Korrektur eines gegebenen Astigmatismus gestattet. Aus diesem Grunde können zwei oder mehrere planparallele Glasplatten 4 verwendet werden, die eine Gesamtdicke t^ aufweisen.

TER MEER . MÜLLER . STEINMEISTER "'-'■■'': 1 .".

Es ist ebenfalls möglich, statt der planparallelen Glasplatte 4 einen Licht teilweise durchlassenden Spiegel zu verwenden. Ein solcher Halbspiegel kann durch Aufbringen eines dünnen Überzugs auf der Oberfläche der Glasplatte 4 erhalten werden, die gegenüber dem Halbleiterlaser 1 liegt. Der Lotvektor des Halbspiegels oder der Glasplatte 4 ist um den Winkel υ_ρ^ - 45* in Bezug auf die optische Achse geneigt. Die planparallele Glasplatte 4 bewirkt dann eine Korrektur des Astigmatismus und eine Strahlenteilung. In diesem Fall kann auf den Strahlenteiler 5 verzichtet werden. Weiterhin kann die planparallele Glasplatte 4 auch als Haubenfenster für den Halbleiterlaser 1 dienen.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Korrektur des Astigmatismus durch die planparallele Glasplatte 4 bewirkt. Jedoch kann das optische Element zur Ausführung dieser Funktion ein planparalleler Saphirkörper sein. Das optische Element braucht nur die vom Halbleiterlaser 1 ausgehenden Lichtstrahlen zu übertragen.

Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Figuren 5 und 7 beschrieben.

. Die mit den Bezugszeichen in den Figuren 2 bis 4 identischen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile in den Figuren 5 bis 7, weshalb auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird. Die in Fig. 5 dargestellten Koordinatenachsen stimmen mit den in Fig. 1 gezeigten überein.

TER MEER · MÜLLER · STEINMÖSTES ".■:.'"-':.:

- 20 -

Von einem Halbleiterlaser 1 mit Verstärkungsführung gehen als Lichtquelle divergierende Strahlen aus, die auf ein Biprisma 10 fallen, das im optischen Weg dieser Lichtstrahlen angeordnet ist.

Das Biprisma 10 besteht aus zwei dreiseitigen Prismen 10a und 10b mit dem gleichen Brechungsindex N_H und dem gleichen Scheitelwinkel υ_ρθ , wie in Fig. 6 dargestellt ist. Eine transparente Schicht 1Od ist durch Niederschlag auf der geneigten Fläche 10c des Prismas 10a.gebildet und stellt den planparallelen Körper der vorliegenden Erfindung dar, der einen Brechungsindex N_L, der kleiner als der Brechungsindex N_H ist, und eine vorbestimmte Dicke t₂ aufweist. Eine durchscheinende reflektierende Schicht 1Of ist durch Niederschlag auf der geneigten Fläche 1Oe des Prismas 10b gebildet. Beide geneigten Flächen 10c und 1Oe sind durch bekannte Befestigungsmittel miteinander verbunden, wobei die transparente Schicht 1Od und die durchscheinende reflektierende Schicht 1Of dazwischen eingeschlossen sind, so daß sich das vollständige Biprisma 10 ergibt. Aus diesem Grunde ist die durchscheinende reflektierende Schicht 1Of auf einer Oberfläche der transparenten Schicht 1Od gebildet. Das Biprisma 10 bewirkt die Funktion einer Korrektur des Astigmatismus mit Hilfe der transparenten Schicht 1Od und bewirkt auch die Funktion der Strahlenteilung mit Hilfe der lichtdurchlässigen reflektierenden Schicht 1Of.

~^: "■■" ' ^: "--" "■" 330^675

TER MEER -MÖLLER . STEINMEJisfER '-__·" '- ·- '

- 21 -

Das Biprisma 10 ist so angeordnet, daß ein Lotvektor A2 der transparenten Schicht 1Od als planparalleler Überzug um einen vorbestimmten Winkel U_D2 (- U_dq) *ⁿ ß^e2U9 auf die optische Achse innerhalb der Ebene (X-Z-Ebene), die rechtwinklig zur Übergangsebene (X-Y-Ebene) des Halbleiterlasers 1 liegt und sich entlang dessen optischer Achse erstreckt, geneigt ist.

Die durch das Biprisma 10 übertragenen Lichtstrahlen werden mit Hilfe einer Kollimatorlinse 6 und einer Objektivlinse 7 fokussiert, um einen kleinen Lichtfleck auf der Abtastfläche einer optischen Scheibe 8 zu bilden.

Die von der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 reflektierten und durch die auf der Abtastfläche aufgezeichneten Signale modulierten Lichtstrahlen pflanzen sich dann entlang des gleichen optischen Weges in der umgekehrten Richtung durch die Objektivlinse 7 und die Kollimatorlinse 6 fort, um schließlich auf das Biprisma 10 zu fallen. Diejenigen Lichtstrahlen, die von der lichtdurchlässigen reflektierenden Schicht 1Of des Biprismas 10 reflektiert werden, fallen auf eine lichtempfindliche Fläche eines Lichtsensors 9.

Der Korrekturmechanismus für den Astigmatismus durch

die transparente Schicht 1Od als planparallele Schicht

des Biprismas 10 wird nunmehr beschrieben.

Der Astigmatismus A_S2 der divergierenden Lichtstrahlen die von der Schicht 1Od des Biprismas 10 durchgelassen werden, beträgt:

TER MEER «MÜLLER · STEINMEIS.TER * f : .*" " ;*"' ";

- 22 -

A_s2 « - f (N₁.² - l)sin²U_p2/(N_r ² - SIn²Up

(A₂/N_H) ...(3)

für N_r = N_L/N_H und U_p2 = U_p0 5

worin N_r ein Brechungszahlverhältnis ist, welches man erhält, wenn man den Brechungsindex N_L der transparenten Schicht 1Od durch den Brechungsindex N^ der Prismen 10a und 10b dividiert.

Aus den Gleichungen (1) und (3) kann folgendes abgeleitet werden:

(1) Beide Gleichungen können gleich sein, wenn N_H = 1, N₁ = N_r, U_pl' β U_p2 und t₁ ^> = t₂ ist.

(2) Wenn das Brechungszahlverhältnis N_r größer als 1 ist, ist die Polarität des Astigmatismus gleich dem algebraischen Vorzeichen der Gleichung (1). Wenn jedoch

2Q N_r kleiner als 1 ist, ist die Polarität des Astigmatismus invertiert.

(3) Wenn N_r kleiner als 1 ist, nähert sich der Nenner 0. Daher wird der Astigmatismus größer als der Absolutwert desjenigen, wenn N_r größer als 1 ist und angenommen wird, daß der Winkel U_p2 und die Dicke d₂ gleich bleiben. Ein Empfindlichkeitskoeffizient S für den Winkel U_p2 = 45^e ergibt sich durch:

S = 1/2 f(N_r ² - l)/(N_r ² - 1/2)}

TER meer . Müller . steinmeister: : : * : : ."" * :**:. ':

Fig. 7 zeigt den Empfindlichkeitskoeffizienten S als Funktion des BrechzahlVerhältnisses N_r.

Dementsprechend ist N_x. vorzugsweise kleiner als 1, denn die Dicke des transparenten Films 1Od kann dann geringer sein und die Kosten für den Niederschlag der Schicht !Öd können auf ein Minimum reduziert werden. Jedoch muß in diesem Fall s-polarisiertes Licht erhalten werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist, um den Astigmatismus des Halbleiterlasers 1 zu korrigieren. In anderen Worten, der Lotvektor A₂ der transparenten Schicht 1Od muß in Bezug auf die optische Achse innerhalb der Ebene (X-Z-Ebene), die rechtwinklig zur Übergangsebene (X-Y-Ebene) des Halbleiterlasers 1 steht und die sich entlang der optischen Achse erstreckt, geneigt sein, so daß die Übergangsebene (X-Y-Ebene) des Halbleiterlasers rechtwinklig zur Einfallsebene verläuft, die durch die optische Achse und den Lotvektor A₂ der transparenten Schicht 1Od definiert ist. Wenn N_r größer als 1 ist, muß p-polarisiertes Licht erhalten werden.In anderen Worten, das Biprisma 10 muß so angeordnet werden, daß der Lotvektor A₂ der transparenten Schicht 1Od in Bezug auf die optische Achse innerhalb der Überrgangsebene (X-Y-Ebene) des Halbleiterlasers I geneigt ist.

Wenn die Prismen 10a und 10b SFlI Prismen mit Scheitelwinkeln («a geneigte Winkel) υ_ρβ «45* und einem Brechungsindex N_H e 1,766 (λ β 780nm) sind und die transparente Schicht 1Od durch Elektronenstrahlniederschlag auf einem Niederschlagsglas mit einem Brechungsindex N_L =1,52 auf eine Dicke von t₂ = 0,03 mm (einschließlich der Dicke eines Klebers mit dem gleichen Brechungs-

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER^ ;"; · ; ;""- "" 0OUJ /O

- 24 -

index) gebildet wird, kann der maximal korrigierbare Astigmatismus A_S2 aus der obigen Gleichung (3) zu 18,6 um berechnet werden.

Der kleine auf der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 durch die Objektivlinse 7 gebildete Lichtfleck wird im wesentlichen kreisförmig, da der Astigmatismus korrigiert worden ist. Da weiterhin die lichtdurchlässige reflektierende Schicht 1Of auf der geneigten Fläche 1Oe des Prismas aufgebracht ist, bleibt die Oberflächenpräzision der reflektierenden Fläche auf der lichtdurchlässigen reflektierenden Schicht 1Of groß, so daß die erwünschten Eigenschaften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion (OTF-Eigenschaften) erzielt werden.

Da das Biprisma 10 sowohl die Aufgabe der Korrektur des Astigmatismus als auch die Aufgabe der Strahlenteilung hat, können die erwünschten Eigenschaften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion erreicht werden, ohne daß eine Erhöhung der Zahl der beteiligten Teile erforderlich ist.

Im ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die erwünschte optische Übertragungsfunktion zu erzielen, ohne eine Erhöhung der Zahl der beteiligten Teile zu erfordern, indem eine Niederschlagsschicht auf eine Oberfläche der planparallelen Glasplatte 4 aufgebracht wird, um die Strahlenteilungsfunktion zu übernehmen.

TER MEER . MÜLLER . STEINMEISTER: :"'.'': " .** * l" 2 *; O O U O Q / O

Wenn jedoch U_pl »45* und N^ « 1,5 beträgt, ist die Dicke t^, die zur Korrektur eines Astigmatismus von 20 um erforderlich ist, gemäß der Gleichung (1):

t₁ = 0,07 mm

Wenn eine lichtdurchlässige reflektierende Schicht oder ein reflektierender Polarisationsfilm auf einer solchen planparallelen Glasplatte 4 aufgebracht ist, kann die Oberfläche des Glaskörpers 4 durch den Niederschlag des Films verbogen werden. Dies resultiert in einen großen Astigmatismus und eine Koma auf der reflektierten Wellenfront, was ein Erfassen der Fokussierungsfehlersignale behindert und nicht zu den erwünschten Eigenschäften bezüglich der optischen Übertragungsfunktion führt. Mit anderen Worten, die Wiedergabetreue der Datensignale wird beeinträchtigt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die transparente Schicht 1Od als planparallele Schicht auf der geneigten Oberfläche 10c eines Prismas 1Od aufgebracht. Daher sind im Gegensatz zur planparallelen Glasplatte 4 des ersten Ausführungsbeispiels Polieren und Säubern nicht erforderlich, was geringe Herstellungskosten zur Folge hat.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Biprisma 10 im optischen Weg der divergierenden Lichtstrahlen angeordnet. Jedoch kann das Biprisma 10 wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels im optischen Weg der fokussierten Lichtstrahlen beispielsweise zwischen der Objektivlinse 7 und der Abtastfläche der optischen Scheibe 8 angeordnet werden.

TER MEER -MÜLLER < STEINMEISTER" I '. "I Z ."'I'. I

- 26 -

Ein polarisierender Reflektionsfilm kann statt der lichtdurchlässigen reflektierenden Schicht 1Of aufgebracht sein. In diesem Fall muß eine Viertelwellenplatte oder dergleichen im optischen Weg der Lichtstrahlen angeordnet werden.

In dem ersten und zweiten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Laser ein Halbleiterlaser 1 mit einem HeteroÜbergang und mit Verstärkungsführung. Jedoch kann die vorliegende Erfindung entsprechend auf Halbleiterlaser angewendet werden, die unterschiedliche Brennpunkte in der Übergangsebene und in einer dazu rechtwinkligen Ebene aufweisen, wobei ein Astigmatismus erzeugt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung entsprechend auf Entfernungsmeßgeräte, Meßgeräte zur Erfassung der Bewegung von Objekten, Datenaufzeichnungsgeräten (HauptaufZeichnungsgeräten für Digitalschallplatten, optische Schallplatten oder Bildplatten oder ähnliches), Datenübertragungsgeräte und ähnliches verwendet werden kann.

Claims

PAT E N TA N WA LTE TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office europden des brevets Dipl.-Chem. Dr. N, tar Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister Dipl.-Ing, F. E. Müller o. , Triftstrasse 4. Siekerwall 7, D-8000 MaNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD Mü/Ra/Al 18. Februar 1983 S83P44 SONY CORPORATION 7-35 Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan Optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser Prioritäten: 19. Februar 1982, Japan, Ser.Nr. 25522/1982 6. August 1982, Japan, Ser.Nr.136986/1982 PATENTANSPRÜCHE

1. Optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser, der verschiedene einen Astigmatismus erzeugende Brennpunkte für in der Übergangsebene des Halbleiterlasers ausgesandtes Licht und für in einer rechtwinklig zur Übergangsebene verlaufenden Ebene ausgesandtes Licht aufweist,

TtZR MEER · MÜLLER ■ STEINMrilftTE-R

dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg der vom Halbleiterlaser (1) ausgesandten Lichtstrahlen wenigstens ein Licht durchlassender planparalleler Körper (4, 1Od) von vorgegebener Dicke angeordnet ist, dessen Normalenvektor (A^, A₂) in Bezug auf die optische Achse des Halbleiterlasers (1) um einen vorherbestimmten Winkel (U_pl, U_p2) geneigt ist, um den Astigmatismus der vom Halbleiterlaser (1) ausgesandten Lichtstrahlen zu korrigieren.

2. Gerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der planparallele Körper (4) von Luft umgeben ist.

3. Gerät nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Normalenvektor (A-^) des planparallelen Körpers (4) in der Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers (I) liegt.

4. Gerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtdurchlässige reflektierende Schicht -(1Oe) und eine polarisierende reflektierende Schicht (1Oe) auf einer Oberfläche des planparallelen Körpers (lOd) aufgebracht sind und dadurch einen Strahlenteiler bilden.

5. Gerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der planparallele Körper (lOd) und eine der Schichten (1Oe) zwischen wenigstens zwei Prismen (10a, 10b) eingeschlossen sind, die ein Biprisma (10) bilden und im wesentlichen den gleichen aber vom Brechungsindex des planparallelen Körpers (lOd) unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen.

TER MEER . MÜLLER . STEINMElSTeFT : : .* : ' ' ° ° ^U ° '

6. Gerät nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des planparallelen Körpers (lOd) kleiner ist als der Brechungsindex der Prismen (10a, 10b) des Biprismas (10).

7. Gerät nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Norrnalenvektor (A2) des planparallelen Körpers (lOd) des Biprismas (10) um den vorbestimmten Winkel innerhalb der Ebene geneigt ist, die rechtwinklig zur Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers fl) verläuft und sich entlang der optischen Achse erstreckt.

8. Gerät nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des planparallelen Körpers (lOd) größer ist als der Brechungsindex der Prismen (10a, 10b) des Biprismas (10).

9. Gerät nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Normalenvektor des planparallelen Körpers (lOd) de;s Edprismas (10) um den vorbestimmten Winkel innerhalb der Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers (1) geneigt ist.

10. Optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser, der verschiedene einen Astigmatismus erzeugende. Brennpunkte für in der Übergangsebene des Halbleiterlasers ausgesandtes Licht und für in einer rechtwinklig zur Übergangsebene verlaufenden Ebene ausgesandtes Licht aufweist,

ItJH ML'EiR -MÜLLER · S TQINMiIICn SlR

-A-

dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg der vom Halbleiterlaser (1) ausgesandten Lichtstrahlen wenigstens ein Licht durchlassender planparalleler Körper (4) von vorgegebener Dicke angeordnet ist, dessen Normalenvektor in Bezug auf die optische Achse des Halbleiterlasers (1) um einen vorher bestimmten Winkel innerhalb der Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers (1) geneigt ist, um den Astigmatismus der vom Halbleiterlaser (1) ausgesandten Lichtstrahlen zu korrigieren.

11. Gerät nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein planparalleler Körper (4) in einem Haubenfenster des Halbleiterlasers (1) angeordnet ist.

12. Optisches Gerät mit einem Halbleiterlaser, der verschiedene einen Astigmatismus erzeugende Brennpunkte für in der Übergangsebene des Halbleiterlasers ausgesandtes Licht und für in einer rechtwinklig zur Übergangsebene verlaufenden Ebene ausgesandtes Licht aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg der vom Halbleiterlaser (1) ausgesandten Lichtstrahlen wenigstens ein Biprisma (10) angeordnet ist, das aus wenigstens zwei Prismen (10a, 10b) besteht, die im wesentlichen den gleichen Brechungsindex aufweisen, um den Astigmatismus zu korrigieren, daß auf einer vorbestimmten Oberfläche des einen Prismas (10) durch Abscheidung eine Schicht als planparalleler Körper (lOd) mit vorbestimmter Dicke und einem vom Brechungsindex der Prismen (10a, 10b) unterschiedlichen Brechungsindex aufgeformt ist, daß auf einer vorbestimmten Oberfläche

Q O Π C, ^η '7 Ε> TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER 'TI.

des anderen Prismas (10) durch Abscheidung eine lichtdurchlässige reflektierende Schicht (1Oe) und eine polarisierende reflektierende Schicht (1Oe) aufgeformt sind und daß die vorbestimmten Oberflächen der Prismen (10a, 10b) so miteinander verbunden sind, daß der planparallele Körper (lOd) und eine der beiden Schichten (1Oe) zwischen den Prismen eingeschlossen sind.

13. Gerät nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des planparallelen Körpers (lOd) kleiner ist als der Brechungsindex der Prismen (10a, 10b).

14. Gerät nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß der Normalenvektor einer Schicht des planparallelen Körpers (1Od) des Biprismas (10) um einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die optische Achse innerhalb der Ebene geneigt ist, die rechtwinklig zur Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers (1) verläuft und sich entlang der optischen Achse erstreckt.

15. Gerät nach Anspruch 12,

16. Gerät nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß der Normalenvektor einer Schicht des planparallelen Körpers (lOd) des Biprismas (10) um einen vorbestimmten Winkel .in Bezug auf die optische Achse innerhalb der Übergangsebene (3) des Halbleiterlasers (1) geneigt ist.