DE3440157C2 - - Google Patents

Description

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

Abtastsysteme, die eine Lichtquelle, ein Kollimatorobjektiv, ein Abtastobjektiv sowie eine Einrichtung zum Erzielen einer Abtastbewegung auf einer abzutastenden Flächen aufweisen, sind u. a. aus der US-PS 36 87 025 bekannt:

Beispielsweise werden derartige Abtastsysteme in sogenannten CD-Spielern eingesetzt. Um mit diesen System die einzelnen Spuren der optischen Platte abzulasten, verfährt die Einrichtung zum Erzielen einer Abtastbewegung bei Abtastsystemen für CD-Spieler das gesamte Abtastsystem radial zur optischen Platte. Die Strahlführung durch das Abtastobjektiv ändert sich also bei derartigen Systemen während des Abtastvorgangs nicht.

Bei Abtastsystemen einer anderen Gattung besteht die Einrichtung zum Erzielen einer Abtastbewegung aus einem Polygonspiegel, der den Abtaststrahl über die abzutastende Fläche "zeilenweise" ablenkt.

Abtastsysteme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 stellen in gewisser Hinsicht einen Kompromiß zwischen den beiden vorstehend beschriebenen Abtastsystemen dar: Um den Abtaststrahl auf der abzutastenden Fläche über verhältnismäßig kleine Distanzen, beispielsweise einige "Informationsspuren" bei einer optischen Bildplatte abzulenken, wird der zwischen Kollimatorobjektiv und Abtastobjektiv vorgesehene Spiegel geringfügig aus der Stellung, in der er den Strahlengang um 90° umlenkt, ausgeschwenkt. Größere Abtastbewegungen werden dadurch erzielt, daß das Abtastsystem als Ganzes relativ zur abzutastenden Fläche verfahren wird.

Bekannte Abtastsysteme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 weisen sowohl ein Kollimatorobjektiv als auch ein Abtastobjektiv auf, die bezüglich sphärischer Aberration und Koma gut korrigiert sind. Dies bedingt, daß insbesondere das Kollimatorobjektiv verhältnismäßig aufwendig aufgebaut sein muß und mindestens drei Linsen ausweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastsytem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß das Kollimatorobjektiv bei gut korrigiertem Gesamtsystem einfach aufgebaut sein kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Abtastsystem besteht das Kollimatorobjektiv nur noch aus maximal zwei Linsen mit positiver Brechkraft. Ein derartiges Kollimatorobjektiv ist insbesondere hinsichtlich der sphärischen Aberration prinzipiell nicht mehr vollständig korrigierbar. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, daß es gelingt, die Abbildungsfehler des Kollimatorobjektivs durch eine entsprechende Auslegung des Abtastobjektivs zu beheben. Erfindungsgemäß ist dabei erkannt worden, daß bei einer Schwenkung des Spiegels aus der Stellung, in der er den Strahlengang um 90° umlenkt, bei einem Abtastsystem mit im Abtastobjektiv angeordneter Blende das zum Abtasten benutzte Lichtbüschel das Kollimatorobjektiv nicht mehr rotationssymetrisch zur Achse, sondern seitlich versetzt durchdringt. Aufgrund dieses "Versatzes" des abgebildeten Lichtbüschels gegenüber der optischen Achse wirkt die sphärischen Aberration des Kollimators wie ein zusätzlich vorhandener Asymmetriefehler (Koma). Deshalb weist das Abtastobjektiv des erfindungsgemäßen Abtastsystems zusätzlich zu der sphärischen Aberration, mit der die nichtkorrigierbare sphärische Restaberration des Kollimatorsobjektivs korrigiert wird, Koma (Asymmetriefehler) auf, die die Bildfehler des Kollimatorobjektivs bei Strahlumlenkungen um einen anderen Winkel als 90° kompensiert.

Überraschenderweise gelingt es damit, ein für alle "Abtaststellungen" gut korrigiertes, d. h. praktisch beugungsbegrenztes Abtastsystem mit einem Kollimatorobjektiv zu schaffen, dessen sphärische Aberration prinzipiell nicht vollständig korrigierbar ist, wobei das Abtastobjektiv zur Kompensation der nichtkorrigierbaren sphärischen Aberration des Kollimatorobjektivs bewußt eingeführte sphärische Aberration und Koma aufweist.

Wird das Kollimatorobjektiv so korrigiert, daß seine sphärische Restaberration einen möglichst kleinen Wert annimmt, (wobei die andern Bildfehler des Kollimatorobjektiv praktisch unbedeutend sind) so hat sich ferner herausgestellt, daß die Abbildungsfehler des Gesamtsystems weitgehend unabhängig vom Abstand zwischen Kollimatorobjektiv und Abtastobjektiv sind. Das erfindungsgemäße Abtastsystem läßt damit dem Konstrukteur trotz der "Verkettung" der Abbildungsfehler des Kollimatorobjektivs und des Abtastobjektivs eine weitgehende gestalterische Freiheit.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 weist das Abtastobjektiv vier Linsen auf, von denen die erste, die dritte und vierte positive Brechkraft und die zweite negative Brechkraft haben. Der Luftraum zwischen der zweiten und dritten Linse ist dabei wesentlich größer als die restlichen Lufträume. Ein derart gestaltetes Objektiv ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise die Einführung der zur Korrektur des Gesamtsystems erforderlichen sphärischen Aberration und Koma.

Gemäß Anspruch 3 kann das Kollimatorobjektiv aus einer einzigen Linse mit sphärischen Flächen bestehen. Auch die verhältnismäßig große nichtkorrigierbare sphärischen Aberration bei einem derartigen Kollimatorobjektiv kann bei dem erfindungsgemäßen Abtastsystem korrigiert werden.

Im Anspruch 4 sind numerische Daten eines erfindungsgemäßen Abtastsystems angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt:

Fig. 1 einen Schritt durch ein erfindungsgemäßes Abtastsystem,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Strahlengangs in dem Abtastsystem bei verschiedenen Stellungen des Spiegels,

Fig. 3 die mittlere Wellenaberration des Kollimatorobjektivs als Funktion der Bildhöhe,

Fig. 4 die mittlere Wellenaberration des Abtastobjektivs als Funktion der Bildhöhe, und

Fig. 5 die mittlere Wellenaberration des aus Kollimatorobjektiv und Abtastobjektiv bestehenden Gesamtsystems als Funktion der Bildhöhe.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Abtastsystem. Das Abtastsystem weist eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine Laserdiode, einen Kollimatorobjektiv 2 und ein Abtastobjektiv 3 auf, das den vom Kollimatorobjektiv 2 gesammelten Lichtstrahl der Lichtquelle 1 auf eine abzutastende Fläche 4 abbildet. Ein Spiegel 5 lenkt den Strahlengang zwischen Kollimatorobjektiv 2 und Abtastobjektiv 3 um 90° um.

Im oder gegebenenfalls in der Nähe des Abtastobjektivs 3 befindest sich eine Blende 6 für das gesamte Abtastsystem.

Ferner sind in dem Abtastsystem planparallele Platten 7 und 8 vorgesehen, die in die jeweiligen Korrekturrechnungen mit einbezogen sind. Mit 9 ist die optische Achse des Gesamtsystems bezeichnet.

Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlengang in dem in Fig. 1 dargestellten Abtastsystem. Dabei ist der Strahlengang in der Stellung des Spiegels 5, in der der Spiegel 5 den Strahlengang um 90° umlenkt, mit ausgezogenen Linien und in einer hiervon abweichenden Stellung des Spiegels 5 mit gestrichelten Linien dargestellt. Wie man ohne weiteres Fig. 2 entnimmt, ist aufgrund der Lage der Blende 6 des Gesamtsystems im Abtastobjektiv 3 das zur Abtastung ausgenutzte Lichtbüschel immer dann nicht rotationssysmetrisch zur optischen Achse 9 des Abtastobjektivs, sondern seitlich versetzt, wenn der Spiegel aus der mit einer durchgehenden Linie eingezeichneten Stellung in eine andere Stellung, beispielsweise die gestrichelt eingezeichnete Stellung geschwenkt ist, in der er den Strahlengang nicht um 90° umlenkt. (Aus Darstellungsgründen ist die Spiegelschwenkung übertrieben).

Deshalb wirkt - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - die bei dem gewählten Aufbau des Kollimatorobjektivs aus maximal zwei positiven Linsen prinzipiell nicht korrigierbare sphärische Restaberrationen des Kollimatorobjektivs 2 wie ein zusätzlich eingeführter Asymmetriefehler, der durch einen zusätzlichen Asymmetriefehler (Koma) des Abtastobjektivs kompensiert werden muß. Dabei ist überraschend, daß diese Kompensation und damit eine gute Korrektur des Gesamtsystems für alle während des Betriebes auftretenden Stellungen des Spiegels 5 gelingt. Die Abbildungsqualität des erfindungsgemäßen Abtastsystems ist dabei praktisch unabhängig von der Spiegelstellung quasi beugungsbegrenzt.

In Tabelle 1 sind numerische Daten für das in Fig. 1 dargestellte Abtastsystem angegeben, wobei bedeuten:

ri : Krümmungsradius der Fläche i (in mm),
di : Luftabstand bzw. Glasdicke zwischen den Flächen r(i + 1) und ri (in mm),
ni : Brechnungsindex des Materials zwischen den Flächen r(i + 1) und ri, und
vi : Abbe′sche Zahl des Glasmaterials
i : eine natürliche Zahl im Bereich von 1 bis 16.

Die Brennweite des Kollimatorobjektivs 2 beträgt 26 mm, die numerische Apertur sin u′ = 0,17.

Die Brennweite des Abtastobjektivs 3 beträgt 6,5 mm, die Blendenzahl 1,00 bzw. die numerischen Apentur sin u′ = 0,5.

Das in Tabelle 1 numerisch abgegebene Abtastsystem ist für eine Wellenlänge von 780 nm korrigiert. Beispielsweise durch eine Änderung der Dicke der planparallelen Platten 8 des Abtastobjektivs 3 kann das Gesamtsystem jedoch auch für andere Wellenlängen korrigiert werden: z. B. ist bei einer Plattendicke d 15 = 1,2 mm die Korrektur für eine Wellenlänge von 633 nm optimal.

Das dargestellte Abtastsystem ist für einen Bildplattenspieler geeignet. Als Abtastlichtquelle 1 kann beispielsweise einer Laserdiode verwendet werden.

In den Fig. 3 bis 5 sind die mittleren Wellenaberrationen des in Tab. 1 angegebenen Kollimatorobjektivs 2, des Abtastobjektivs 3 sowie des Gesamtsystems als Funktion der Bildhöhe y′ (in Millimeter) dargestellt. Unter mittlerer Wellenaberration wird dabei die Standardabweichung der tatsächlichen Wellenfront von einer idealen Wellenfront (bei Punktabbildung) verstanden.

In Fig. 5 sind zusätzlich die Wellenaberrationen eingezeichnet, die sich bei einer Variation des Abstandes zwischen Kolimatorobjektiv 2 und Abtastobjektiv 3 ergeben. Wie man aus den Kurven (a) d 6′ = 8.53 mm, (b) d 6′ = 6.35 mm und (c) d 6′ = 10.53 mm sieht, sind die mittleren Wellenaberrationen des Gesamtsystems nahezu unabhängig vom Abstand der beiden Objektive.

In Fig. 4 ist ferner die Abweichung der Fokuspunkte des Abtastobjektivs 3 in µm als Funktion der Bildhöhe y′ eingezeichnet. Die Tatsache, daß die schärfste Bildscheibe gekrümmt ist, spielt jedoch bei den gattungsgemäßen Abtastsystemen keinen Rolle, da eine automatische Fokussiereinrichtung vorgesehen ist.

Vorstehend ist ein Abtastsystem mit einer Lichtquelle (1), einem Kollimatorobjektiv (2), das das Licht der Lichtquelle sammelt, einem Abtastobjektiv (3), das das vom Kollimatorobjektiv (2) gesammelte Licht auf eine abzutastende Fläche (4) abbildet, und einem zwischen Kollimatorobjektiv und Abtastobjektiv angeordneten Spiegel (5) beschrieben worden, der zum Erzielen kleiner Abtastbewegungen auf der abzutastenden Fläche (4) um die Stellung schwenkbar ist, in der er den Strahlengang des Abtastsystems um 90° umlenkt.

Derartige Abtastsysteme werden beispielsweise bei Bildplattenspielern eingesetzt.

Tabelle 1

Claims (3)

1. Abtastsystem mit einer Lichtquelle (1), einem Kollimatorobjektiv (2), das das Licht der Lichtquelle sammelt, einem Abtastobjektiv (3), das das vom Kollimatorobjektiv (2) gesammelte Licht auf eine abzutastende Fläche (4) abbildet, und einem zwischen Kollimatorobjektiv (2) und Abtastobjektiv (3) angeordneten Spiegel (5), der zum Erzielen kleiner Abtastbewegungen auf der abzutastenden Fläche (4) um die Stellung schwenkbar ist, in der er den Strahlengang des Abtastsystems um 90° umlenkt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kollimatorobjektiv (2) aus maximal zwei Linsen (r 3, r 4, bzw. r 5, r 6) mit positiver Brechkraft besteht,
daß die Blende (6) des Abtastsystems im Abtastobjektiv (3) angeordnet ist, und
daß in der Grundstellung des Spiegels (5) die sphärische Aberration des Abtastobjektivs (3) die nichtkorrigierbare sphärische Restaberration des Kollimatorobjektivs (2) und in der ausgelenkten Stellung des Spiegels (5) die sphärischen Aberration und zusätzlich die Koma des Abtastobjektivs (3) die nichtkorrigierbare sphärische Restaberration des Kollimatorobjektivs (2) Kompensieren.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastobjektiv (3) aus vier Linsen besteht, von denen die erste, dritte und vierte Linse positive Brechkraft und die zweite negative Brechkraft haben, und bei dem der Luftabstand zwischen der zweiten und dritten Linse sehr viel größer als die restlichen Luftabstände in dem Abtastobjektiv (3) sind.

3. Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollimatorobjektiv (2) aus einer positiven Linse mit sphärischen Flächen besteht.