DE3787282T2 - Optischer Aufbau mit einer phasenstarr gekoppelten Laserdiodenzeile. - Google Patents

Optischer Aufbau mit einer phasenstarr gekoppelten Laserdiodenzeile.

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DE3787282T2 DE87201896T DE3787282T DE3787282T2 DE 3787282 T2 DE3787282 T2 DE 3787282T2 DE 87201896 T DE87201896 T DE 87201896T DE 3787282 T DE3787282 T DE 3787282T DE 3787282 T2 DE3787282 T2 DE 3787282T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einem Strahlung emittierenden, phasengekoppelten Diodenlaser-Array, dessen Fernfeldverteilung in der lateralen Ebene durch die Achse der emittierten Strahlung und parallel zur pn- Übergangsschicht des Diodenlaser-Arrays eine zentrale Keule und eine Anzahl Nebenkeulen umfaßt, und mit einer Kollimatorlinse und Mitteln für die Umwandlung der aus dem Array stammenden Strahlung in ein einziges Strahlenbündel mit rotationssymmetrischem Querschnitt und rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung.
  • Die Erfindung betrifft auch ein eine derartige optische Vorrichtung enthaltendes optisches Gerät zum Abtasten eines Informationsmediums, wie ein Aufzeichnungsund/oder Wiedergabegerät für optische Platten oder einen Laserdrucker.
  • Die europäische Patentanmeldung EP-A-0.100.242 beschreibt eine derartige optische Vorrichtung mit phasengekoppeltem Diodenlaser-Array, die eine spezielle Art eines Mehrstrahler-Halbleiterlasers ist. Das Interesse an phasengekoppelten Diodenlaser-Arrays nimmt zu, da diese eine erheblich höhere Ausgangsleistung als ein Einzelstrahler-Diodenlaser liefern können. Für viele Anwendungen ist es notwendig, die Ausgangsleistung all der Strahler mit größtmöglichem Wirkungsgrad in einen einzigen, kreisförmigen und beugungsbegrenzten Fleck zu fokussieren. Eine solche Fokussierung ist, wegen des speziellen Strahlungsmusters des phasengekoppelten Laser-Arrays, mit einer Objektivlinse mit großer Apertur allein nicht möglich.
  • Ein solches Array mit N Strahlern strahlt in N sogenannten Supermoden, und das Laser-Array selbst selektiert die Supermode(n), für die sein Schwellenstrom minimal ist. Der Schwellenstrom ist die Stärke des Stroms senkrecht zur pn- Übergangsschicht, bei der die Laserwirkung beginnt. Ein Diodenlaser-Array mit einem speziellen inneren Aufbau strahlt in einer einzigen Supermode. Die wichtigsten Moden für praktische Verwendung - sind die Einzelkeulen-Grundsupermode oder -Supermode nullter Ordnung, die eine gleichförmige Nahfeld-Wellenfront hat, und die Doppelkeulen-Supermode höchster Ordnung, die eine große Stabilität aufweist.
  • In der Theorie der Diodenlaser-Arrays werden die Begriffe "Nahfeldverteilung" und -Fernfeldverteilung" verwendet. Die Nahfeld-Phasen- oder - Intensitätsverteilung ist die Verteilung am Ort der emittierenden Facette des Diodenlaser-Arrays oder in einer zu dieser Facette konjugierten Ebene. Die Fernfeld- Phasen- oder -Intensitätsverteilung ist das Ergebnis der Interferenz der einzelnen aus den schlitzförmigen Strahlern des Arrays austretenden Strahlenbündel. Die Fernfeldverteilung entsteht in einigem Abstand von der emittierenden Facette. Die Begriffe Nah- und Fernfeld sind in dieser Anmeldung für die Felder in der lateralen Ebene reserviert, d. h. in der Ebene durch die Achse des Strahlungsmusters und parallel zur pn-Übergangsschicht. Die Ebene senkrecht zu dieser Schicht und durch die genannte Achse ist die transversale Ebene.
  • Um aus einem phasengekoppelten Diodenlaser-Array einen einzigen kreisförmigen Fleck zu erhalten, wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A 0.100.242 vorgeschlagen, eine oder mehrere Zylinderlinsen und, als begrenzende Öffnung, ein räumliches Filter zu verwenden, das in der Bildebene der Laserstrahlen emittierenden Facette, oder ihrer Konjugierten, angeordnet ist. Das räumliche Filter, das eine der Keulen selektieren soll, ist bezüglich seiner Abmessungen und Lage kritisch, da es in der lateralen Bündeleinschnürungsebene angeordnet ist, wo das Bündel äußerst schmal ist. Die Verwendung von Zylinderlinsen weist einige Nachteile auf. Eine Zylinderlinse ist ziemlich kritisch hinsichtlich ihrer Orientierung bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung und einer Verschiebung ihrer zentralen Linie bezüglich dieser Achse. Ein geringfügiges Kippen oder Verschieben einer Zylinderlinse bezüglich der genannten Achse kann das optische Verhalten der Linse beeinflussen. Außerdem nimmt bei Einführung von Zylinderlinsen zur Strahlaufweitung in ein optisches System die optische Weglänge dieses optischen Systems zu. Im Falle zweier Zylinderlinsen ist die Aufweitung proportional zum Quotienten ihrer Brennweiten. Wenn die optische Weglänge vergrößert würde, käme es zu sphärischer Aberration. Hinsichtlich derartiger Aberrationen korrigierte Zylinderlinsen sind zu vernünftigen Preisen nicht erhältlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung der eingangs in dieser Patentschrift genannten Art zu verschaffen, die kompakt ist und es außerdem ermöglicht, einen beugungsbegrenzten, aberrationsfreien Fleck zu erhalten. Die optische Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein Prismensystem zur Aufweitung einer selektierten Keule in der genannten lateralen Ebene sowie ein in dem Fernfeld des Diodenlaser-Arrays angeordnetes räumliches Filter zur Übertragung nur der vergrößerten, selektierten Keule enthalten, wobei das Prismensystem mindestens ein Prisma enthält, das eine in der genannten lateralen Ebene bezüglich der Achse der einfallenden Strahlung schrägstehende Eintrittsfläche und eine zu der Achse der austretenden Strahlung senkrechte Austrittsfläche hat.
  • Das Prismensystem weitet das Strahlenbündel in lateraler Richtung auf, so daß seine laterale Breite gleich seiner transversalen Breite wird. Das räumliche Filter hält die unerwünschten Strahlungskeulen zurück und überträgt nur die selektierte Keule.
  • Da das Filter im Fernfeld angeordnet ist, ist dieses Filter hinsichtlich seiner Abmessung und Position weniger kritisch. Außer seiner anamorphotischen Funktion hat das Prismensystem auch einen entastigmatisierenden Effekt. Die sphärische Kollimatorlinse ist so angeordnet und dimensioniert, daß die diese Linse verlassende Strahlung noch immer einige Kugelförmigkeit der Wellenfront aufweist. Wie bekannt ist (siehe beispielsweise "Laser Focus/Electro-Optics", Bd. 20, Nr. 3, März 1984, Newton, Massachussets, USA: "Specifying Laser Diode Optics" von O. Kuntz), bewirkt ein Prisma, wenn ein divergentes oder konvergentes Strahlenbündel durch dieses Prisma tritt, Astigmatismus bei dem Strahlenbündel. Der astigmatisierende Effekt des Prismas wird genutzt, um den Astigmatismus des Diodenlaser-Arrays zu korrigieren.
  • Vorzugsweise kann die optische Vorrichtung außerdem dadurch gekennzeichnet sein, daß der der Eintrittsfläche gegenüberliegende Winkel des genannten einen Prismas 90 Grad beträgt.
  • Ein solches Prisma ist einfacher herzustellen als ein Prisma, bei dem dieser Winkel von 90º abweicht. Außerdem vereinfacht der Winkel von 90º die Positionierung des Prismas bei der Montage der optischen Vorrichtung.
  • Das räumliche Filter kann von einer hinter dem letzten Prisma des Prismensystems angeordneten Blende gebildet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der optischen Vorrichtung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Filter von einer schwarzen, eine zentrale kreisförmige Öffnung freilassenden Beschichtung auf der Austrittsfläche des letzten Prismas des Prismensystems gebildet wird. Es wird keine gesonderte Blende benötigt, so daß die optische Einheit einfacher wird und leichter herzustellen ist.
  • Die gleichen Vorteile werden in einer optischen Vorrichtung erhalten, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das räumliche Filter von den Begrenzungen des letzten Prismas des Prismensystems gebildet wird.
  • Wenn die optische Vorrichtung Teil eines optischen Geräts ist, in dem die Strahlung des Diodenlaser-Arrays in einem beugungsbegrenzten Fleck fokussiert werden soll, kann das räumliche Filter von der Eintrittspupille der den Fleck bildenden Linse des Geräts gebildet werden.
  • Wie erwähnt, kann das Prismensystem aus nur einem Prisma bestehen. Ein solches Prisma bewirkt jedoch, daß die Achse des austretenden Strahlenbündels eine andere Richtung als die Achse der einfallenden Strahlung hat. Insbesondere für eine in einem Gerät zum Beschreiben und/oder Auslesen eines optischen Aufzeichnungsträgers zu verwendende optische Vorrichtung ist dies weniger günstig, da es in diesem Fall vorzuziehen ist, die optische Vorrichtung in einem röhrenförmigen Halter mit kleinem Querschnitt unterzubringen.
  • Daher wird eine optische Vorrichtung bevorzugt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Prismensystem zwei Prismen enthält, wobei die Austrittsfläche des letzten Prismas senkrecht zur Achse der auf das erste Prisma fallenden Strahlung steht.
  • Die Achse des aus dem letzten Prisma tretenden Strahlenbündels ist dann parallel zu dem der einfallenden Strahlung, und die Strahlaufweitung kann größer als in einem Einzel-Prismensystem sein, was wichtig ist, wenn das Diodenlaser-Array eine höhere Zahl Strahlungsschlitze und folglich einen höheren Quotienten der transversalen Fernfeldstrahlenbündelabmessung zu der lateralen hat. Andererseits bedeutet die Verwendung von zwei Prismen anstelle eines, für die gleiche laterale Strahlaufweitung, daß das Strahlaufweitungsvermögen jedes Prismas halbiert werden kann, so daß hinsichtlich Justierung und Toleranzen der Prismen weniger strenge Anforderungen gestellt zu werden brauchen.
  • Eine noch weiter verbesserte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Prismen enthält, wobei in der genannten lateralen Ebene die Austrittsflächen des zweiten und des vierten Prismas senkrecht zur Achse der auf das erste Prisma fallenden Strahlung stehen.
  • Bei dieser Ausführungsform verläuft die Achse des Austrittsstrahlenbündels in Richtung der Achse der auf das erste Prisma fallenden Strahlung.
  • Die Erfindung kann in einem Gerät zum optischen Beschreiben eines Aufzeichnungsträgers, das einen optischen Kopf zur Erzeugung eines der aufzuzeichnenden Information entsprechend intensitätsmodulierten Strahlungsflecks enthält, wegen der damit verbundenen relativ hohen Aufzeichnungsdichte vorteilhaft genutzt werden. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf eine optische Vorrichtung wie zuvor beschrieben und eine Objektivlinse zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten runden Fleck auf dem Aufzeichnungsträger enthält.
  • Die Erfindung kann auch in einem Gerät zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers eingesetzt werden, das einen optischen Kopf enthält, in dem ein Strahlungsfleck zum Abtasten des Aufzeichnungsträgers erzeugt wird. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf eine optische Vorrichtung wie zuvor beschrieben umfaßt sowie eine Objektivlinse zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten Fleck auf dem Aufzeichnungsträger.
  • Die Erfindung kann auch vorteilhaft in einem Gerät zum Laserdrucken von Information auf ein Aufzeichnungsmedium, mit einem in einer ersten Richtung beweglichen Aufzeichnungsmediumträger und einem Strahlablenker zur Ablenkung eines Strahlungsbündels entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung eingesetzt werden. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine optische Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, zur Erzeugung des genannten Strahlungsbündels umfaßt sowie eine Objektivlinse zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten Fleck auf dem Aufzeichnungsmedium.
  • Die drei genannten Geräte können außerdem dadurch gekennzeichnet sein, daß das räumliche Filter der optischen Vorrichtung von der Eintrittspupille der Objektivlinse gebildet wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Halbleiterlasereinheit in perspektivischer Ansicht,
  • Fig. 2a die gitterartige Struktur des Laser-Arrays,
  • Fig. 2b die Fernfeldstrahlungsverteilung des Laser-Arrays,
  • Fig. 3a und 3b eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung in einem lateren bzw. transversalen Schnitt,
  • Fig. 4b und 4b eine zweite Ausführungsform dieser Vorrichtung in den gleichen Schnitten,
  • Fig. 5a und 5b eine dritte Ausführungsform, wieder in einem lateralen und einem transversalen Schnitt,
  • Fig. 6 ein die erfindungsgemäße Vorrichtung enthaltendes Gerät zum Beschreiben einer optischen Platte, und
  • Fig. 7 einen Laserdrucker mit dieser Vorrichtung.
  • Fig. 1 zeigt schematisch und in perspektivischer Sicht eine Mehrstrahler- Halbleiterlasereinheit, ein sogenanntes Diodenlaser-Array. Diese Lasereinheit umfaßt unter anderem eine erste Schicht 11 des p-Materials, eine zweite Schicht 12 des n- Materials und eine Zwischenschicht 13, oder pn-Übergangsschicht, in der die Laserwirkung stattfindet, wenn ein elektrischer Strom oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes in Z-Richtung durch den Laser geschickt wird. Die Laserstrahlung tritt aus der ersten Facette, oder gespalteten Fläche, 14 der Schicht 13 und pflanzt sich in Y- Richtung fort. Die Strahlung zeigt eine erste, kleine Divergenz in der XY-Ebene, der lateralen Ebene, und eine zweite, größere Divergenz in der YZ-Ebene, der transversalen Ebene.
  • Die pn-Übergangsschicht enthält eine Anzahl strahlungsführender Streifen 13&sub1;, 13&sub2; usw., die voneinander durch Zwischenstreifen getrennt sind. Der Deutlichkeit halber sind in Fig. 1 nur vier strahlungsführende Streifen dargestellt, aber ihre Anzahl kann zehn oder mehr betragen. Wie beispielsweise aus dem Beitrag "Phased Array Diode Lasers" in"Laser Focus/Electro-Optics", Juni 1984, W. Streifer et al. bekannt ist, bietet ein derartiges phasengekoppeltes Laser-Array den Vorteil einer erheblich höheren Ausgangsleistung im Verhältnis zu einem Einzelstreifen-Diodenlaser. Diese Lasereinheit ist daher sehr gut für die Aufzeichnung von Information auf einem optischen Medium wie einer optischen Platte oder dem Aufzeichnungsmedium eines Laserdruckers geeignet. Die Strahlung aller einzelnen Streifen sollte dann in einem einzigen, runden und beugungsbegrenzten Fleck konzentriert werden. Neben einer Kombination aus einer ersten Linse, die die Strahlung parallel richtet und einer zweiten Linse, die die Strahlung fokussiert, sind wegen des speziellen Strahlungsmusters eines Diodenlaser-Arrays zusätzliche optische Elemente erforderlich.
  • Wie beispielsweise aus dem genannten Beitrag in "Laser Focus/Electro- Optics", Ausgabe Juni 1984, bekannt ist, kann ein N-Strahler-Laser-Array in N Supermoden strahlen, und ein Laser-Array mit einer speziellen inneren Struktur selektiert selbst eine der Supermoden, um seinen Schwellenstrom zu minimieren. Die vorliegende Erfindung ist besonders für ein Diodenlaser-Array interessant, das in der Grundsupermode oder Supermode nullter Ordnung strahlt. Diese Mode, für die die Strahlung aller lasernden Streifen in Phase ist, hat eine große praktische Bedeutung, weil ihre Nahfeldverteilung, oder Wellenfront, gleichförmig ist. Das Nahfeld ist das Feld bei der emittierenden Facette 14 des Laser-Arrays, die als Gitter g, auf das eine ebene Wellenfront WF trifft, aufgefaßt werden kann, wie in Fig. 2a gezeigt wird. Die einzelnen Teilbündel der strahlenden Streifen interferieren miteinander und bilden so ein Interferenzmuster, oder eine Intensitätsverteilung, in dem Fernfeld bei der Eintrittspupille der Kollimatorlinse.
  • Dieses Muster wird in Fig. 2b gezeigt, wobei I die Intensität und O die Winkelposition in dem Fernfeld bezüglich der optischen Achse des Systems ist. Das Fernfeldmuster wird durch das Produkt von λ/D mit dem Strahlungsmuster eines einzelnen emittierenden Streifens gegeben. λ ist die Wellenlänge der Strahlung und D die Gitterkonstante. Das Intensitätsmuster in der lateralen Ebene setzt sich aus einer zentralen Hauptkeule und einer Anzahl Nebenkeulen zu beiden Seiten der Hauptkeule zusammen. Die Halbwertsbreite, d. h. die Breite der Keule, bei der die Intensität 1/e² der maximalen Intensität beträgt, wird gegeben durch:
  • We = λ/N.D.
  • mit N Anzahl der strahlenden Streifen. In der transversalen Ebene hat die Fernfeldverteilung nur eine einzige Hauptkeule.
  • Die Bündeleinschnürung, oder der einzelne virtuelle Ursprungspunkt, der Fernfeld-Hauptkeule in der lateralen Ebene liegt in einem kleinen Abstand hinter der Laserfacette. Ein einzelner Fleck kann erhalten werden, wenn das Strahlungsmuster so erweitert wird, daß die Nebenkeulen sich aus dem optischen System herausschieben und nur die Hauptkeule durch das System hindurchgelassen wird. Dies kann als räumliche Filterung im Fernfeld bezeichnet werden. Abdeckung der Nebenkeulen kann auch als Verkleinerung der numerischen Apertur der den Fleck bildenden Linse betrachtet werden, so daß das Auflösungsvermögen dieser Linse zu klein ist, um die Zwischenstreifen zwischen den strahlenden Streifen des Laser-Arrays zu unterscheiden.
  • Durch die räumliche Filterung wird Interferenz zwischen der Hauptkeule und den anderen Keulen vermieden.
  • Da in der lateralen Ebene der Ursprungspunkt der erwähnten Hauptkeule hinter der Laserfacette liegt, während dieser Punkt in der transversalen Ebene am Ort der Laserfacette liegt, weist die Keule, und die Laser-Array-Strahlung als Ganzes, in gleicher Weise Astigmatismus auf wie ein gain-geführter Einzelstrahler-Diodenlaser. Um einen einzigen beugungsbegrenzten, aberrationsfreien Fleck zu erhalten, sollte dieser Astigmatismus beseitigt werden.
  • Das Laser-Array ist ein linienförmiger Strahler; ein Array von zehn Strahlern ist beispielsweise 40 um · 2 um groß. Die Öffnung des von dem Diodenlaser- Array emittierten zusammengesetzten Strahlenbündels ist relativ klein in der lateralen Ebene und relativ groß in der transversalen Ebene. In einem gewissen Abstand von der emittierenden Facette hat das zusammengesetzte Strahlenbündel einen elliptischen Querschnitt, und um einen runden Fleck zu erhalten, sollte das Strahlenbündel neu geformt werden, so daß sein Querschnitt kreisförmig wird.
  • Der vorliegenden Erfindung gemäß wird die Strahlung eines phasengekoppelten Laser-Arrays durch Aufweitung des Strahlungsmusters in der lateralen Ebene und durch Filterung der bevorzugten Mode, beispielsweise der Grundsupermode, in ein für das Formen eines einzelnen, runden und beugungsbegrenzten Strahlungsflecks geeignetes Strahlenbündel umgewandelt, wobei die Funktionen Aufweitung, Strahlformung und Astigmatismusbeseitigung mit ein und demselben Prismensystem ausgeführt werden.
  • In einer Vorrichtung mit einem phasengekoppelten Diodenlaser-Array, das in der Supermode höchster Ordnung mit zwei Keulen strahlt und bei der die benachbarten Streifen eine Phasendifferenz von 180 Grad haben, kann in dem Strahlungsweg ein Phasenplättchen angeordnet werden, das abwechselnd erste und zweite Gebiete hat, wodurch Phasenverschiebungen von 180 Grad bzw. 0 Grad eingeführt werden. Dann wird ein Strahlungsmuster mit nur einer zentralen Keule anstelle zweier zentraler Keulen erhalten. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung kann aus diesem Strahlungsmuster ein einzelner, runder und beugungsbegrenzter Strahlungsfleck erhalten werden.
  • Diese Erfindung ist nicht auf Fälle beschränkt, in denen eine zentrale Keule selektiert wird; sie kann auch für Diodenlaser-Arrays verwendet werden, bei denen andere Strahlungsmoden selektiert werden. Weiterhin kann das Diodenlaser-Array vom index-geführten oder gain-geführten Typ sein.
  • Die Fig. 3a und 3b zeigen eine erste Ausführungsform der optischen Vorrichtung im lateralen bzw. transversalen Querschnitt. In diesen Figuren ist 10 das Diodenlaser-Array mit strahlungsführenden Streifen 13. Das von dem Array emittierte zusammengesetzte Strahlungsbündel b hat einen Öffnungswinkel γ&sub1; in der lateralen Ebene und einen Ursprungspunkt O&sub1; in dieser Ebene, während in der transversalen Ebene dieser Winkel γ&sub2; und der Ursprungspunkt O&sub2; ist. Der Abstand Δy zwischen O&sub1; und O&sub2; ist der astigmatische Abstand. In dem Strahlungsweg des zusammengesetzten Strahlenbündels ist eine Linse 17 so angeordnet, daß sie das Strahlenbündel in der transversalen Ebene nahezu parallel richtet. In der lateralen Ebene ist die Wellenfront des Strahlenbündels nach Durchgang durch die Linse 17 wegen der Δy-Verschiebung des Ursprungspunktes O&sub1; in dieser Ebene jedoch gewölbter. Hinter der Kollimatorlinse 17 ist ein Prisma 20 angeordnet. In der transversalen Ebene beeinflußt dieses Prisma das Strahlenbündel nur geringfügig, da das parallel gerichtete Bündel nahezu senkrecht zu der Eintrittsfläche 21 und der Austrittsfläche 22 des Prismas gerichtet ist. In der lateralen Ebene ist die Eintrittsfläche 23 unter einem Winkel α zur Achse h des Strahlenbündels angeordnet. An dieser Ebene 23 tritt Brechung auf, so daß das Strahlenbündel in Abhängigkeit vom Winkel α aufgeweitet wird. Das bedeutet, daß das Fernfeldstrahlungsmuster der Laser-Array-Strahlung ausgebreitet ist, wie in dem oberen Teil von Fig. 3a erläutert wird, wo das Fernfeldmuster für verschiedene Positionen entlang des optischen Weges gezeigt wird. Hinter dem Prisma 20 ist eine Blende 19 angeordnet. Die Öffnung dieser Blende und die Orientierung und die Parameter des Prismas 20 sind so aneinander angepaßt, daß die Blende beispielsweise nur die zentrale Keule 1&sub0; des Strahlungsmusters durchläßt und alle Nebenkeulen 1&sub1;, 1&sub1;' usw. zurückhält.
  • Somit wird ein Strahlenbündel mit einer solchen Verteilung erhalten, daß es von einer Objektivlinse 18 in einem einzigen Fleck V konzentriert werden kann. Durch Anpassen der numerischen Apertur dieser Linse an den Bündelquerschnitt, so daß die Linsenpupille genügend gefüllt ist, kann ein beugungsbegrenzter Fleck mit minimalen Abmessungen erhalten werden.
  • Es ist darauf geachtet worden, daß die Aufweitung des Strahlenbündels in der lateralen Ebene derart ist, daß die Bündelabmessung in dieser Ebene gleich der in der transversalen Ebene ist, so daß das das Prisma verlassende Strahlenbündel einen kreisförmigen Querschnitt hat und dementsprechend der Fleck V rund ist.
  • Da insbesondere in der lateralen Ebene das das schräge Prisma durchlaufende Strahlenbündel nicht parallel gerichtet ist, bewirkt das Prisma bei dem Bündel Astigmatismus. Es kann so angeordnet sein, daß dieser Astigmatismus den Astigmatismus des Diodenlaser-Arrays kompensiert, so daß die Wellenfront des aus dem Prisma tretenden Strahlenbündels in der lateralen und der transversalen Ebene die gleiche Wölbung hat.
  • Der Winkel β zwischen den Flächen 24 und 25 des Prismas 20 kann einen beliebigen Wert haben. In der Praxis wird, wegen der einfacheren Herstellung und Montage, ein Winkel von 90 Grad bevorzugt. Diese Anmerkung gilt auch für die anderen jetzt zu beschreibenden Ausführungsformen des Prismensystems.
  • Die erste dieser Ausführungsformen wird in den Fig. 4a und 4b gezeigt, in lateralem und transversalen Querschnitt, und sie enthält zwei Prismen 30 und 34. Durch Verwendung eines zweiten Prismas wird es möglich, die Achse h' so zurück zu biegen, daß sie parallel zur Achse h der einfallenden Strahlung liegt. Die transversale Abmessung der Vorrichtung wird dann kleiner, was besonders bei Verwendung der Vorrichtung in einem Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät für optische Platten wichtig ist. Außerdem wird bei der in den Fig. 4a und 4b dargestellten Ausführungsform für jedes Prisma weniger Strahlaufweitungsvermögen benötigt.
  • Die Fig. 5a und 5b zeigen eine Ausführungsform der optischen Vorrichtung mit vier Prismen 38, 39, 40 und 41. Außer der weiteren Verringerung des für jedes Prisma benötigten Strahlaufweitungsvermögens hat die Ausführungsform den Vorteil, daß die Achse h' der austretenden Strahlung mit der Achse h der eintretenden Strahlung zusammenfällt, so daß die Vorrichtung in einem röhrenförmigen Halter mit kleinem Querschnitt untergebracht werden kann.
  • In den Ausführungsformen mit zwei oder vier Prismen ist das Strahlaufweitungsvermögen vorzugsweise gleich über die Prismen verteilt. Die Prismen haben vorzugsweise gleiche Form und Abmessungen, wodurch die Herstellungskosten der Vorrichtung beträchtlich gesenkt werden.
  • Bei den Ausführungsformen der Fig. 3, 4 und 5 kann das räumliche Filter von einem gesonderten Element (19) in Form einer Blende auf einem gesonderten Halter gebildet werden. Es ist auch möglich, daß eine solche Blende auf der Austrittsfläche, 24 bzw. 36, des letzten Prismas bei den Ausführungsformen der Fig. 3 bzw. 4 und Fig. 5 befestigt ist. Wie in Fig. 4a angegeben wird, ist es auch möglich, auf den genannten Flächen eine lichtundurchlässige Beschichtung 42 anzubringen, wobei eine zentrale Öffnung freigelassen wird. Eine andere Möglichkeit ist, daß die Begrenzungen des genannten letzten Prismas für die Strahlung in Richtung der den Fleck bildenden Linse 18 einen natürlichen Halt bilden, wie in Fig. 4a mit den gestrichelten Linien 43, 44 angegeben wird. Schließlich kann in einem Gerät, in dem die den Fleck bildende Linse 18 nahe dem letzten Prisma 41 des Prismensystems angeordnet ist, das räumliche Filter von der Pupille der den Fleck bildenden Linse gebildet werden, wie in den Fig. 5a und 5b mit dem Bezugszeichen 45 angegeben wird.
  • Fig. 6 zeigt schematisch ein Gerät zum Aufzeichnen von Information in einer Oberfläche 51 eines optischen Aufzeichnungsträgers 50. Die Oberfläche 51 kann mit vorbeschriebenen Servospuren 52 versehen sein. Das mit 10 bezeichnete phasengekoppelte Diodenlaser-Array emittiert ein Strahlenbündel b, das von einer Objektivlinse 18 in einen runden, beugungsbegrenzten Fleck V hoher Intensität auf der Informationsfläche 51 fokussiert werden soll. Der vorliegenden Erfindung gemäß ist zwischen dem Laser-Array 10 und der Objektivlinse 18 eine aus einer Kollimatorlinse, einem Prismensystem und einem räumlichen Filter - wie in den Fig. 3a und 3b oder den Fig. 4a und 4b oder den Fig. 5a und 5b gezeigt - bestehende Einheit 60 angeordnet, um die Strahlungsform des Laser-Arrays in ein parallel gerichtetes, rotationssymmetrisches Strahlenbündel umzuwandeln.
  • Beschreiben einer Informationsspur erfolgt durch Modulieren der Strahlstarke entsprechend der aufzuzeichnenden Information und durch Drehen des Aufzeichnungsträgers um seine Achse 53. Durch allmähliche Bewegung des gesamten optischen Kopfes mit Elementen 10, 60 und 18, oder eines Teils davon, in der radialen Richtung des Aufzeichnungsträgers können alle Spuren nacheinander beschrieben werden. Modulation des Aufzeichnungsstrahlenbündels kann beispielsweise durch Modulieren des durch die Lasereinheit fließenden elektrischen Stroms erfolgen.
  • Durch Anordnung eines Strahlenbündeltrenners, beispielsweise eines strahlteilenden Spiegels 55, vor oder hinter dem Block 60, wobei der Trenner einen Teil des vom Aufzeichnungsträger kommenden, reflektierten Strahlenbündels auf einen photoempfindlichen Detektor 56 richtet, kann das Gerät von Fig. 6 zum Auslesen der auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichneten Information verwendet werden. Während des Auslesens hat das Strahlenbündel eine konstante Strahlstarke mit einem solchen Pegel, daß es keine Änderung in der Aufzeichnungsfläche hervorrufen kann.
  • Fig. 7 zeigt schematisch einen Laserdrucker mit einem Aufzeichnungsmedium 71, das beispielsweise um eine Trommel 70 gewickelt ist, die für die Aufzeichnung aufeinanderfolgender Zeilen um ihre Achse gedreht wird. Zeilenabtasten wird beispielsweise mittels eines Polygons 73 ausgeführt, das eine Anzahl Spiegelfacetten 74 enthält und um seine Achse 75 dreht. 18 bezeichnet eine Objektivlinse, die die aus einem phasengekoppelten Diodenlaser-Array 10 stammende und von einer Facette 74 reflektierte Strahlung auf dem Aufzeichnungsmedium in einen runden Fleck mit kleinem Durchmesser fokussieren soll. Das Laserstrahlenbündel wird entsprechend der aufzuzeichnenden Information intensitätsmoduliert, entweder durch den durch die Lasereinheit fließenden elektrischen Strom oder mittels eines gesonderten, im Weg des Strahlenbündels liegenden Modulators.
  • Um das aus dem Laser-Array stammende zusammengesetzte Strahlenbündel, das divergent ist und eine elliptische Wellenfront hat, in ein parallel gerichtetes Strahlenbündel mit rotationssymmetrischer Wellenfront umzuwandeln, ist zwischen der Lasereinheit 10 und der Objektivlinse 18 ein aus einer Kollimatorlinse, einem Prismensystem und einem räumlichen Filter - wie in den Fig. 3a und 3b oder den Fig. 4a und 4b oder Fig. 5a und 5b gezeigt - bestehender Block 60 angeordnet.
  • Daß die Erfindung anhand eines Geräts zur Informationsaufzeichnung beschrieben worden ist, bedeutet nicht, daß sie sich auf dieses Gerät beschränkt. Die Erfindung kann in allen Geräten eingesetzt werden, bei denen aus der Strahlung eines phasengekoppelten Diodenlaser-Arrays ein kleiner und runder Fleck hoher Intensität gebildet werden soll. Als Beispiel kann ein Projektionsfernsehgerät mit Lichtventilen oder Flüssigkristallanzeigeeinheiten zur Modulation der Laserstrahlung mit (Farb-) Fernsehinformation genannt werden. Auch in faseroptischen Weitbereichkommunikationssystemen oder bei chirurgischen Instrumenten kann die vorliegende Erfindung Verwendung finden.

Claims (10)

1. Optische Vorrichtung mit einem phasengekoppelten, Strahlung emittierenden Diodenlaser-Array (10), dessen Fernfeldverteilung in der lateralen Ebene (xy) durch die Achse der emittierten Strahlung (h) und parallel zur pn-Übergangsschicht (13) des Diodenlaser-Arrays eine zentrale Keule und eine Anzahl Nebenkeulen umfaßt, und mit einer Kollimatorlinse (17) und Mitteln für die Umwandlung der aus dem Array stammenden Strahlung in ein einziges Strahlenbündel mit rotationssymmetrischem Querschnitt und rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein Prismensystem (20, 30, 34; 38, 39, 40, 41) zur Aufweitung einer selektierten Keule in der genannten lateralen Ebene sowie ein in dem Fernfeld des Diodenlaser-Arrays angeordnetes räumliches Filter (19, 45) zur Übertragung nur der vergrößerten, selektierten Keule enthalten, wobei das Prismensystem mindestens ein Prisma enthält, das eine in der genannten lateralen Ebene bezüglich der Achse der einfallenden Strahlung schrägstehende Eintrittsfläche (23) und eine zu der Achse der austretenden Strahlung senkrechte Austrittsfläche (24) hat.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der genannten Eintrittsfläche gegenüberliegende Winkel des genannten einen Prismas 90 Grad beträgt.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Filter von einer schwarzen, eine zentrale kreisförmige Öffnung freilassenden Beschichtung auf der Austrittsfläche des letzten Prismas des Prismensystems gebildet wird.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Filter von den Begrenzungen des letzten Prismas des Prismensystems gebildet wird.
5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Prismensystem zwei Prismen (30, 34) enthält, wobei die Austrittsfläche des letzten Prismas senkrecht zur Achse der auf das erste Prisma fallenden Strahlung steht.
6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Prismen (38, 39, 40, 41) enthält, wobei in der genannten lateralen Ebene die Austrittsflächen des zweiten und des vierten Prismas senkrecht zur Achse der auf das erste Prisma fallenden Strahlung stehen.
7. Gerät zum optischen Beschreiben eines Aufzeichnungsträgers (50), mit einem optischen Kopf (10, 60) zur Erzeugung eines der aufzuzeichnenden Information entsprechend intensitätsmodulierten Strahlungsflecks, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf eine optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Objektivlinse (18) zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten runden Fleck (V) auf dem Aufzeichnungsträger enthält.
8. Gerät zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers (50), mit einem optischen Kopf (10, 60), in dem ein Strahlungsfleck zum Abtasten des Aufzeichnungsträgers erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf eine optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt sowie eine Objektivlinse zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten Fleck (V) auf dem Aufzeichnungsträger.
9. Gerät zum Laserdrucken von Information auf ein Aufzeichnungsmedium (71), mit einem in einer ersten Richtung beweglichen Aufzeichnungsmediumträger (70) und einem Strahlablenker (73) zur Ablenkung eines Strahlungsbündels entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß es eine optische Vorrichtung (10, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erzeugung des genannten Strahlungsbündels umfaßt sowie eine Objektivlinse (18) zur Fokussierung des aus der Vorrichtung stammenden Strahlenbündels in einen beugungsbegrenzten Fleck (V)auf dem Aufzeichnungsmedium.
10. Gerät nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Filter (45) der optischen Vorrichtung von der Eintrittspupille der genannten Objektivlinse (18) gebildet wird.
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