DE3432188A1

DE3432188A1 - Verfahren zur bildung einer lichtquelle mittels einer linse mit brechzahlverteilung und eines lichtquellengeraets

Info

Publication number: DE3432188A1
Application number: DE19843432188
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Chigasaki Kanagawa Tokuhara; Akihiro Tokio/Tokyo Usami
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1985-03-21
Also published as: GB8421881D0; JPS6052813A; GB2148529B; US4634233A; GB2148529A

Description

Verfahren zur BiLdung einer LichtqueLLe mitteLs einer Linse mit BrechzahLverteiLung und eines LichtqueLLengeräts

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur BiLdung einer LichtqueLLe mitteLs einer Linse, die eine BrechzahLvertei Lung hat, und eines aLs LichtqueLLe dienenden Geräts.

ALs eine heterogene Linse ist eine RadiaLindexLinse bekannt, die eine heterogene BrechzahLverteiLung in Richtung des Durchmessers von der optischen Achse aus hat, bzw. ist eine AxiaLindexLinse bekannt, die eine heterogene BrechzahLverteiLung in Richtung der optischen Achse hat. Hierbei ist die RadiaLindexLinse weit verbreitet aLs CeLfoc-Linse (HandeLsname) verwendet. Der Ausdruck "Linse mit BrechzahLverteiLung" bezieht sich hierin auf diese RadiaLindexLinse.

Seit den Letzten Jahren ist es auf dem Gebiet der optischen Nachrichtentechnik bekannt, eine Linse mit BrechzahLverteiLung aLs einen KoLLimator zur KoLLimierung

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der Lichtstrahlen aus einer divergierenden Lichtquelle wie beispielsweise einen Halbleiterlaser zu verwenden. Auf diesem Gebiet der optischen Nachrichtenübermittlung war es nicht erforderlich, die Aberrationscharakteristik der Kollimatorlinse genau zu korrigieren. Wenn diese Lichtquelle jedoch bei einem Instrument wie beispielsweise einem optischen Kopf bzw. Tubuskopf, einer digitalen Tonfrequenzsche.ibe oder einem LBP angewendet ist, muß es hinsichtlich Aberrationen gute Eigenschaften haben. Die Brechzahl n(r) einer Linse mit Brechzahlverteilung an einer Stelle,· die von ihrer optischen Achse um den Betrag r entfernt ist, ist gegeben durch

n²(r)= n_n ²1-(gr)² + h.(gr)⁴ + h,(gr)⁶ + h_Q(gr)⁸+. ..

U HOo

wobei η« die Brechzahl auf der optischen Achse und g ein Wert ist, der das Brechungsvermögen des heterogenen paraxialen Betrags bestimmt, und wobei h. ein Wert ist, der sich auf die Aber ra tion der (i-1)-ten Ordnung bezieht; beide letztgenannten Werte sind Konstanten. Folglich muß eine Linse mit Brechzahlverteilung zur guten Korrektur der Aberrationen hergestellt werden, während die Werte bis hinaus zu der hohen Ordnung h gesteuert bzw. überwacht sind. Die Herstellung einer Linse unter der Steuerung der Werte bis zu einer solch hohen Ordnung h ist jedoch äußerst schwierig. Bei der in Fig. 1 dargestellten Linse mit Brechzahlverteilung wird ein Lichtstrahl 2 am äußeren Randbereich 1a der Linse normalerweise reflektiert, wobei es oft der Fall ist, daß ein solcher reflektierter Lichtstrahl 3 ein Reflexbild oder Streulicht erzeugt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung einer Lichtquelle zu schaffen, die dem Stand der Technik eigene Nachteile nicht aufweist und bei der insbesondere die Korrektur der Aberrationen leicht ist, selbst wenn eine

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Linse mit Brechzahlverteilung verwendet wird. Ebenfalls sollen Reflexbilder gut eliminierbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird anstelle einer Steuerung der Ausdrücke hg(gr) während der Herstellung der Linse mit Brechzahlverteilung ihr Durchmesser größer als derjenige gemacht, der für den Kollimatorlichtstrahl erforderlich ist, und ein Teil des durch den Randbereich der Linse gehenden Lichtst rah Is·wird abgefangen. Das Element zur Unterbrechung bzw. Abfangung des Lichts kann auf der Lichteintrittsseite zum Abfangen eines Teils des in die Linse eintretenden Lichts oder auf der Austrittsseite zum Abfangen eines Teils des aus der Linse austretenden Lichts der Linse angeordnet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Art und Weise, auf die ein Reflexbild bzw. Streulicht bei einer Linse mit Brechzahlverteilung

erzeugt wird,
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Fig. 2 und 3 Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lichtquellengeräts,

Fig. 4A und 4B eine Ausführungsform für eine Fassung zur Halterung der Linse mit Brechzahlverteilung, und

Fig. 5A und 5B eine Ausführungsform der bei der Erfindung

verwendeten Linse mit Brechzahlverteilung.
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Das LichtqueLLengerät gemäß Fig. 2 umfaßt einen HaIb-LeiterLaser 11, eine Linse 12 mit Brechkraft verteiLung, bei deren HersteLLung die Ausdrücke bis zu h, der Glei-

chung (1) gesteuert sind, und eine an der Linse 12 angebrachte BLende 13. Die Linse 12 hat einen Durchmesser D1, und der kolLimierte Lichtstrahl hat einen wirksamen Durchmesser D2. Der Lichtstrahl aus dem Halbleiterlaser 11 wird durch die Linse 12 mit BrechkraftverteiLung koLlimiert und tritt aus dieser aus. Hierbei ist die Blende 13 zur Begrenzung des Durchmessers des Lichtstrahls aus der Linse 12 an deren Austrittsfläche vorgesehen, und der Durchmesser D2 dieser BLende ist kLeiner als der Durchmesser D1 der Linse 12. Diese Durchmesserbeziehung ist deshaLb getroffen, da wie oben beschrieben während der Herstellung einer Linse mit einer Brechzahlverteilung die Steuerung der Ausdrücke hoher Ordnung für die BrechzahlverteiLung äußerst schwierig ist und selbst unter der Annahme, daß eine solche Steuerung möglich ist, kaum eine Massenherstellung erfolgen kann, und deshalb wird die erfindungsgemäße Linse mit Brechzahlverteilung so hergestellt, daß sie eine größere als die tatsächlich verwendete Apertur hat, und zum Ausgleich hierfür ist ein lichtabfangendes Element zur Begrenzung des Linsendurchmessers auf die tatsächlich verwendete Apertur vorgesehen. Diese Blende kann auch das im Randbereich der Linse 12 erzeugte Streulicht abfangen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des LichtqueLlengeräts, bei dem die BLende 3 auf der Fläche der Linse 12 vorgesehen ist, an der der Lichtstrahl aus dem Halbleiterlaser 11 eintritt. In diesem Fall ist der Durchmesser D3 der Blende 12 so ausgewählt, daß der Durchmesser D2 des kollimierten LichtbündeLs einen gewünschten Wert annimmt. 35

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Bei dem LichtqueLLengerät gemäß den Fig. 2 und 3 ist die BLende auf der pLanen FLäche der Linse 12 mit BrechkraftverteiLung vorgesehen; die FLäche, an der die BLende angeordnet ist, muß jedoch nicht immer pLan sein. Vom mechanisch/konstruktiven Standpunkt her ist es jedoch einfacher, für das EinhaLten der aufeinander abgestimmten Ortsbeziehung zwischen der Linse 12 und der BLende 13 die BLende an der FLäche vorzusehen, die pLan ist.

Die Fig. 4A und 4B zeigen eine Ausführungsform, bei der die Fassung "für die Linse mit BrechzahLverteiLung aLs BLende verwendet wird, wobei Fig. 4A eine Frontansicht der Linse und Fig. 4B eine seitLiche Schnittansicht ist. Gemäß Fig. 4 hat eine Linsenfassung 14 zur HaLterung der Linse 12 mit BrechkraftνerteiLung, wie Fig. 4B zeigt, in ihrer EndfLäche 14a, in die der LichtstrahL aus der LichtqueLLe einfäLLt, eine öffnung mit einem Durchmesser D4, der kLeiner ist aLs der innere Durchmesser D5 der Fassung 14, wobei dieser Durchmesser im wesentLichen gLeich dem Durchmesser der Linse ist. Andererseits hat das andere Ende 14b der Fassung 14 eine öffnung mit einem Durchmesser, der geringfügig größer aLs der innere Durchmesser D5 ist, und die innere FLäche 14c der Fassung, die an die innere FLäche 14b angrenzt, ist mit Gewindenuten ausgebiLdet. Die Linse 12 mit BrechzahLverteiLung ist von der öffnung in der inneren FLäche 14b her eingesetzt, bis sie an dem fLanschförmigen Vorsprung der anderen EndfLäche 14a der Fassung anLiegt. Daran anschLießend wird eine Schraube 15 in Ringröhrenform gewindemäßig in Eingriff mit den Gewindenuten 14a gebracht, wodurch die Linse 12 mitteLs dieser Schraube 15 fixiert wird. Der LichtstrahL aus der LichtqueLLe (nicht gezeigt) wird durch den Durchmesser D4 der öffnung in der EintrittsfLäche 14a begrenzt. In manchen FäLLen kann der LichtstrahL auch durch eine öffnung mit dem

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Durchmesser D6 begrenzt sein, die auf der Austrittsseite in der ringrohrförmigen Schraube 15 ausgebildet ist. Beim obigen AusführungsbeispieL tritt der Lichtstrahl an der EndfLäche 14a ein, er kann jedoch auch an der Endfläche 14b eintreten.

Auf diese Weise kann durch den Öffnungsbereich zum Abblenden der Apertur ,der Linse, der einstückig mit der Linse geformt ist, die Ausrichtung zwischen der Linse und der LichtqueLleneinheit ausgeführt werden, indem die Ausrichtung -zwischen der Fassungseinheit und der LichtqueLleneinheit durchgeführt wird, wobei eine solche Ausrichtung zwischen der Fassung und der Lichtquelle mechanisch und baulich leicht und mit hoher Genauigkeit möglich ist, wodurch die Positionseinstellung beim Zusammenbau des Produkts sehr einfach wird.

Ein Ausführungsbeispiel der bei der Erfindung verwendeten Linse mit Brechkraftverteilung wird nachstehend erläutert. Die einander gegenüberliegenden Endflächen der Linse sind als Planflächen ausgebildet, wie Fig. 5A zeigt. Hierbei stellt Z_n die Länge der Linse in Richtung ihrer optischen Achse, D den Durchmesser der Linse, D_n den Wert der Hälfte des verwendeten Durchmessers der Linse, WD den Abstand zwischen der Endfläche der Linse und der Lichtquelle und NA die numerische Apertur des Lichtstrahls mit dem größten Einfallswinkel, der in die Linse eintritt, dar. η _n , h, und h, sind die Konstanten der Gleichung (1), und die verwendete Wellenlänge beträgt 633nm.
Beispiel 1

Z_n=6,856, D=2.962, D_Q=1.0,
WD=O.385, N_Q=1.631, g=0.210,

h.=0.77, h,=-0.7, NA=O.334
4 ' 6 '

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Beispiel 2

Z₀=4.500_/ D=2.962, D_Q=1.0,
WD=2.110, n_Q=1.631, g=0.210,
h₄=0.77, h₆=-0.7, NA=O.270
5

Die sphärischen Aberrationen der Beispiele 1 und 2 sind in Fig. 5B dargestellt," es ist ersichtlich, daß beide Linsen innerhalb des Bereichs des Werts NA eine gu te AbbiIdungscharakteristik darstellen.
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Wie oben beschrieben können erfindungsgemäß die Aberrationen durch ein einfaches Verfahren auf guten Werten gehalten werden und Streulicht kann ausgeblendet werden, wobei daruberhinaus die Herstellung leicht durchführbar ist und das Erzeugnis eine hervorragende Funktion hat.

Bei der Kollimierung der Lichtstrahlen aus einer Lichtquelle mittels einer Linse mit Brechzahlverteilung, deren Brechzahl auf der optischen Achse η _n ist und deren Brechzahl n(r) an einer Stelle mit dem Abstand r von der optischen Achse gegeben ist durch

n²(r)=n_n ² 1-(gr)²+h.(gr)⁴+h,(gr)⁶+h_o(gr)⁸+...)

U HOO

wobei g, h., h,, h_o,... Konstanten sind, wird anstelle

8 der überwachung bzw. Steuerung der Ausdrücke h_o(gr)

und höherer Ordnung bei der Herstellung der Linse der Lichtstrahl im Randbereich der Linse ausgeblendet, wodurch für die Aberrationen gute Werte erhalten sind.

Claims

TeDTKE - Bi)HLING - KlNNE - 0RUPEf Vertreter beim EPA r> /1V O Dipl.-lng. H.Tiedtke FtLLMANN - URAMS - OTRUIF Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-lng. R. Kinne Dipl.-lng. R Grupe Dipl.-lng. B. Pellmann Dipl.-lng. K Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Strui a < QOfOQ Bavariaring 4, Postfac O H O C I O O8000München 2 Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-5373 cable: Germaniapaten 31. August 1984 DE 4240 Patentansprüche

1. Verfahren zur Bildung einer LichtqueLLe mitteLs der Verwendung einer Linse mit einer BrechzahLverteiLung, dadurch gekennzeichnet, daß bei der KoLLimierung des Lichtstrahles aus der Lichtquelle (11) mitteLs der Linse (12) mit BrechzahLvertei lung, deren Brechzahl auf der optischen Achse n« ist und deren Brechungsindex n(r) an einer StelLe mit dem Abstand r von der optischen Achse gegeben ist durch

n²(r)=n² 1 -(gr)² + h₄(gr)⁴ + h₆(gr)⁶ + h_g(gr)⁸+...
wobei g, h, , h , , h „ , . . . Konstanten sind, die Ausdrücke hg(gr) und höherer Ordnung während der Herstellung der Linse nicht gesteuert werden, sondern anstelle dessen der durch den Randbereich der Linse gehende Lichtstrahl ausgeblendet wird, wodurch die Aberrationen der Linse gering gehalten sind.

2. LichtqueLlengerät, das eine Linse mit Brechzahlverteilung verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (12) zur KoLlimierung der Lichtstrahlen aus der Lichtquelle (11), deren Brechungsindex auf der optischen Achse n„ ist und deren Brechungsindex n(r) an einer Stelle mit dem Abstand r von der optischen Achse gegeben ist durch

n²(r)=n² 1 -(gr)² + h₄(gr)⁴ + h₆(gr)⁶ + h_g(gr)⁸+. . .
wobei g, h,, h,, h_g,... Konstanten sind, eine Linse

1 ist, bei der die Ausdrücke h_o(gr) und höherer Ordnung

zur Korrektur der Aberrationen nicht verwendet werden, und daß ein Element (13, 14) zur Unterbrechung der Lichtstrahlen, die durch den Randbereich der Linse gehen, 5 an der Lichteintrittsseite oder der Lichtaustrittsseite der Linse mit Brechzahlverteilung angeordnet ist.