DE3917725C2 - Optischer Abtaster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Abtaster gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen optischen Abtaster, der in einer optischen Platten­ einrichtung usw. verwendet wird, wird bei einer Bewegung einer Objek­ tivlinse in der Spurrichtung ein Lichtpunkt auf der Oberfläche eines lichtempfindlichen Elements bewegt, wobei Versetzungsfehler bei dem Fokussierfehler-Detektionssignal auftreten können. Um diese zu ver­ meiden, wurden verschiedene Arten optischer Systeme vorgeschlagen. Fig. 4 zeigt verschiedene Arten dieser im Stand der Technik üblichen optischen Abtastsysteme mit entsprechenden optischen Einrichtungen.

In Fig. 4 ist mit der Bezugsziffer 10 eine Mittellinie bezeichnet, um die sich die optische Platte dreht, und 20 stellt eine in Radialrichtung ver­ laufende Linie auf der Platte dar. Bei dem in (1) gezeigten optischen System wird ein Strahlteiler 12 anstelle eines Prismas verwendet, und ein Astigmatismus wird durch eine zylindrische Linse 14 erzeugt. Mit 11 ist eine Laserlichtquelle bezeichnet. Mit 13 ist ein Spiegel zum Ablenken eines von dem Strahlteiler kommenden Lichtstrahls in einem rechten Winkel bezeichnet, um diesen auf eine Aufzeichnungsspur der Platte zu richten. 15 ist eine Linse zum stärkeren Vergrößern für das empfangene Licht. 16 ist ein lichtempfindliches Element. Eine Objektivlinse ist zwi­ schen dem Spiegel 13 und der Platte angeordnet.

Das in Fig. 4 (2) gezeigte optische System ist ein optisches System, bei dem ein Halbspiegel 22 als Strahlteiler verwendet wird, und ein neuer Astigmatismus wird mit Hilfe einer zylindrischen Linse 24 synthetisiert. Mit der Bezugsziffer 21 ist eine Laserlichtquelle bezeichnet. 23 ist ein Spiegel zum Ablenken eines von dem Strahlteiler 22 kommenden Licht­ strahls unter einem rechten Winkel, um denselben auf eine Aufzeich­ nungsspur auf der Platte zu richten. Mit 25 ist eine Linse zum Verstärken der Vergrößerung für das empfangene Licht bezeichnet. 26 ist ein licht­ empfindliches Element. Eine Objektivlinse ist zwischen dem Spiegel 23 und der Platte angeordnet.

Das in Fig. 4 (3) gezeigte optische System ist ein optisches System, bei dem ein Halbspiegel 32 als Strahlteiler verwendet wird, und die optische Achse, die diesen Strahlteiler 32 mit einem lichtempfindlichen Element 36 verbindet, ist um einige zehn Grade (beispielsweise 45°) bezüglich der Objektivlinsen-Bewegungsrichtung bei der Spurverfolgung geneigt. Der Strahlteiler 32 bildet eine einen Astigmatismus erzeugende Einrichtung. Mit 31 ist eine Laserlichtquelle bezeichnet. 33 ist ein Spiegel zum Ablen­ ken eines von dem Strahlteiler 32 kommenden Lichtstrahls unter einem rechten Winkel, um denselben auf eine Aufzeichnungsspur auf der Platte zu richten. Mit 35 ist eine Linse zur Verstärkung der Vergrößerung für das empfangene Licht bezeichnet. 36 ist ein lichtempfindliches Element. Eine Objektivlinse ist zwischen dem Spiegel 33 und der Platte angeord­ net.

Bei allen den vorstehend beschriebenen optischen Systemen wird beim Bewegen der Objektivlinse in Spurrichtung, wenn ein Lichtpunkt nicht längs den beiden Unterteilungslinien bewegt wird, welche die lichtemp­ findliche Fläche des lichtempfindlichen Elements in vier Abschnitt unter­ teilen, welche senkrecht zueinander sind, wie dies in gebrochenen Linien in Fig. 5 (2) gezeigt ist, ein Versetzungsfehler in dem Fokussierungs­ detektionssignal erzeugt. Daher wird die den Astigmatismus erzeugende Richtung um einige zehn Grade bezüglich der Objektivlinsenbewegungs­ richtung für die Spurverfolgung gedreht, so daß der Lichtpunkt sich längs einer der Unterteilungslinien auf den vier unterteilten lichtempfindlichen Elementen bewegt, wie dies in Fig. 5 (1) gezeigt ist, um die vorstehend beschriebenen Versetzungsfehler zu reduzieren.

Bei dem in Fig. 4 (1) gezeigten optischen System ist es erforderlich, einen Strahlteiler mit einem teuren Prisma zu verwenden, wodurch die Kosten für den optischen Abtaster steigen. Bei dem optischen System, das in Fig. 4 (2) gezeigt ist, ist es nicht möglich, die Erzeugungsrichtung und die Vergrößerung des Astigmatismus frei zu wählen, da der Astigma­ tismus durch die Verknüpfung des Strahlteilers mit der zylindrischen Linse erzeugt wird, so daß bei dieser Auslegung sich die Schwierigkeit ergibt, daß die Auslegungsfreiheit beschränkt ist. Bei dem optischen System, das in Fig. 4 (3) gezeigt ist, ist es erforderlich, die optische Achse auf komplizierte Weise zu beugen bzw. abzulenken. Daher ist es schwierig, eine Herstellungsgenauigkeit sicherzustellen, so daß hierbei die Neigung besteht, daß man ein schwaches Leistungsvermögen hat. Da ferner bei den optischen Systemen, die in den Fig. 4 (2) und 4 (3) gezeigt sind, Fokussierfehler durch den Astigmatismus des Strahlteilers erzeugt werden, sind zur Erzielung einer vorbestimmten Fokussierungsfehler- Detektionscharakteristik die Stärke des Astigmatismus (Bereich des Astigmatismus), d. h. die Dicke und das Material des Strahlteilers, Be­ schränkungen unterworfen. Ferner ist bei allen vorstehend genannten optischen Systemen ein weiteres Teil, wie eine konvexe Linse, erforder­ lich, um einen vorbestimmten Wert für die Vergrößerung auf der Licht­ aufnahmeseite zu erhalten.

Ein optischer Abtaster der gattungsgemäßen Art, der im wesentlichen dem unter Bezugnahme auf Fig. 4 (2) beschriebenen optischen Abtaster des Stands der Technik entspricht, ist aus der US 4 731 527 bekannt. Der in dieser Druckschrift vorgeschlagene optische Abtaster unterschei­ det sich von dem in Fig. 4 (2) dargestellten im wesentlichen nur darin, daß die zwischen der Planparallelplatte und dem optischen Sensor vorgesehene Linse auf ihrer dem optischen Sensor zugewandten Seite eine konkav gekrümmte Fläche aufweist.

Der mittels dieser einzigen gekrümmten Fläche erzeugte Astigmatismus hängt somit notwendigerweise vom Astigmatismus des Strahlteilers ab. Daher ist bei der Gestaltung der gekrümmten Fläche der Linse sowohl die Richtung als auch die Stärke des Astigmatismus des Strahlteilers zu berücksichtigen. Die gekrümmte Fläche der Linse muß somit zwei Para­ metern entsprechen, was hinsichtlich der Gestaltung der Linse große Schwierigkeiten mit sich bringt und großen Aufwand bei der Herstellung erfordert.

Aus der US 4 412 723 ist es bekannt, bei Verwendung eines Strahlteilers zur gleichzeitigen Erzeugung zweier getrennter Bilder eines Gegenstands, nämlich eines reflektierten Bilds und eines transmittierten Bilds, eine dünne Sammellinse hinter dem Strahlteiler im Weg des transmittierten Lichts vorzusehen, um Astigmatimus und andere Abbildungsfehler im transmittierten Bild zu korrigieren, die durch den Stahlteiler hervorgerufen werden.

Diese Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf optische Systeme, die einen Astigmatismus gewünschter Richtung und Stärke gezielt herstellen können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen optischen Abtaster anzugeben, der einfacher und preisgünstiger herstellbar ist, mehr Freiheit bei der Gestaltung der Linsenform zur Herbeiführung der optimalen Richtung und Stärke des Astigmatismus bietet und bei dem Versetzungsfehler, die in einem Fokussierfehlersignal infolge der Bewegung des Lichtpunkts auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements in Verbindung mit der Bewegung der Objektivlinse in der Spurrichtung erzeugt werden, mit Hilfe eines billigen optischen Strahlteilersystems eliminiert werden, wobei es zusätzlich auf einfache Weise möglich ist, eine beliebige Vergrößerung bzw. Verstärkung des aufgenommenen Lichts sowie eine einfache Adjustierung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Abtaster gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der Astigmatismus wird durch den Umstand erzeugt, daß der Lichtstrahl durch die Planparallelplatte des Strahlteilers geht. Dieser Astigmatismus wird einmal durch die dem Strahlteiler zugewandte torische oder zylind­ rische Fläche der Korrekturlinse eliminiert, und ein neuer Astigmatismus wird durch die dem optischen Sensor zugewandte torische Fläche der Linse erzeugt. Eine Versetzung des Fokussierfehler-Detektionssignales läßt sich dadurch vermeiden, daß die Richtung dieses neuen Astigmatis­ mus um über 45° bezüglich der Objektivlinsen-Bewegungsrichtung zur Spurverfolgung geneigt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung der Ausle­ gung des optischen Systems, wobei eine bevorzugte Aus­ führungsform des optischen Abtasters nach der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des optischen Systems in dem Teil, in dem die Objektivlinse vorgesehen ist, die bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ver­ wendet wird,

Fig. 3(A), 3(B) und 3(C) jeweils Querschnittsansichten zur Verdeutlichung des Grundkonzepts des Zustands des Lichtstrahles vor, an und hinter der Korrekturlinse bei der vorstehend beschriebe­ nen bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 4 schematische Ansichten zur Verdeutlichung der Auslegung des optischen Systems gemäß unterschiedlichen Beispielen von üblichen optischen Abtastern, und

Fig. 5(1) und 5(2) Vorderansichten zur Verdeutlichung von Beispielen der Bewegung des Lichtpunktes auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements in dem optischen Abtaster.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Abtasters nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3(C) erläutert.

In den Fig. 1 und 2 wird ein Laserstrahl, der von einer Laserlichtquelle 1 abgegeben wird, mit Hilfe eines Beugungsgitters 2 in einen Lichtstrahl 0- ter Ordnung und einen Lichtstrahl 1-ter Ordnung geteilt. Ein durch das Beugungsgitter 2 übertragener Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler 3 der Halbspiegelbauart reflektiert und auf eine optische Platte 6, die ein abzutastendes Objekt darstellt, mit Hilfe einer Objektivlinse 5 und mittels eines total reflektierenden Spiegels 4 zur Beugung bzw. Ablenkung des Lichtweges fokussiert. Der durch die optische Platte 6 reflektierte Licht­ strahl geht durch die Objektivlinse 5 und den Spiegel 4 in umgekehrter Richtung und erreicht eine Korrekturlinse 7, nachdem er durch den Strahlteiler 3 gegangen ist. Der Lichtstrahl, der durch die Korrekturlinse 7 gegangen ist, trifft auf ein lichtempfindliches Element 8 auf.

Die Achse X-X, die den Strahlteiler 3 und das lichtempfindliche Element 8 enthält, ist etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung zur Spurverfolgung T- T der Objektivlinse 5. Der total reflektierende Spiegel 4 beugt bzw. lenkt die optische Achse X-X ab, die parallel zur Oberfläche der optischen Platte 6 ist, und zwar unter einem rechten Winkel, so daß man eine optische Achse Z-Z- erhält, und hierdurch wird die Höhe des Abtasters begrenzt. Wenn folglich es nicht erforderlich ist, die Höhe des Abtasters zu begrenzen, kann der Spiegel 4 weggelassen werden, so daß die optischen Achsen X-X und Z-Z miteinander übereinstimmen.

Auch ist es möglich, eine Kollimatorlinse zwischen dem Strahlteiler 3 und der Objektivlinse 5 anzuordnen und eine Objektivlinse mit unendlicher Vergrößerung zu verwenden.

Die Korrekturlinse 7 der vorstehend genannten Art ist aus einem Glasma­ terial oder einem Kunststoffmaterial hergestellt und hat gekrümmte Flächen R1 und R2 auf der Seite des Strahlteilers 3 bzw. der Seite des lichtempfindlichen Elements 8. Die Fläche R1 ist eine torische oder zylindrische Fläche, die einen Astigmatismus mit -δ m in einer solchen Richtung erzeugt, daß der Astigmatismus von δ m kompensiert wird, der durch den Umstand erzeugt wird, daß der Lichtstrahl durch den Strahl­ teiler 3 geht. Die andere Fläche R2 ist eine torische oder trochoidförmige Fläche, um einen Astigmatismus δc in einer beliebigen Richtung (im Prinzip vorzugsweise unter 45°) zu erzeugen und zugleich die Vergröße­ rung des Bildes auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements 8 auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Die Flächen R1 und R2 können von vorne und hinten ausgetauscht werden.

Nachstehend wird die Arbeitsweise dieser bevorzugten Ausführungs­ weise näher erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Querschnitt des Lichtstrahls vor der Korrekturlinse 7 mit A bezeichnet. Der Querschnitt des Lichtstrahls an dem Mittelpunkt zwischen den vorderen und hinteren Flächen R1 und R2 ist mit B bezeichnet, und der Querschnitt des Lichtstrahls hinter der Fläche R2 ist mit C bezeichnet.

Da der Strahlteiler 3 eine Planparallelplatte ist, die schräg angeordnet ist, wird ein Astigmatismus von am im fokussierten Lichtstrahl erzeugt, der durch den Strahlteiler 3 gegangen ist. Die Richtung der Erzeugung dieses Astigmatismus ist eindeutig in Abhängigkeit von der Neigungsrichtung des Strahlteilers 3 bestimmt. Beispielsweise wird sie in der Richtung erzeugt, die in Fig. 3(A) angedeutet ist. Um hierbei die Versetzungsfehler infolge der Verschiebung des Lichtpunktes zu eliminieren, wenn die Objektivlinse 5 in Spurrichtung bewegt wird, ist die Richtung des Astig­ matismus von δm um etwa 45° bezüglich der Objektivlinsen-Bewegungs­ richtung zur Spurverfolgung geneigt.

Die Fläche R1 der Korrekturlinse 7 ist eine torische oder zylindrische Fläche, die eine Krümmung derart hat, daß ein Astigmatismus in umge­ kehrter Richtung erzeugt wird, um den Astigmatismus von δm auszuglei­ chen, und daher wird der Lichtstrahl, der durch diese Fläche gegangen ist, sphärisch zu einer Welle fokussiert, die keinen Astigmatismus enthält, wie dies aus Fig. 3(B) zu ersehen ist.

Andererseits ist die Fläche R2 der Korrekturlinse 7 eine torische oder trochoidförmige Fläche mit einer Achse der Anisotropie in einer beliebigen Richtung θ, welche einen neuen Astigmatismus in Abhängigkeit von der Krümmung der Fläche R2 erzeugt. Die Stärke dieses Astigmatismus ist derart bestimmt, daß sie für die Detektion von Fokussierfehlern des Abtasters notwendig und ausreichend ist. Die vorstehend genannte Fläche R2 wirkt als eine Vergrößerungslinse in Abhängigkeit von der mittleren Krümmung derselben, und die Vergrößerung des Bildes auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements 8 wird derart eingestellt, daß man einen vorbestimmten Wert hat, der für die Montage und die Adju­ stierung des Abtasters erwünscht ist. Meist beträgt die Vergrößerung bei allgemeinen Abtastern für Kompaktplatten 10 bis 20 in Abhängigkeit von der Punktgröße auf der lichtaufnehmenden Fläche usw. Die Richtung des neuen Astigmatismus ist um etwa 45° bezüglich der Objektivlinsen- Bewegungsrichtung für die Abtastung geneigt. Auf diese Weise ist es möglich, Versetzungsfehler in dem Fokussierfehler-Detektionssignal zu verhindern.

Bei der in den Figuren bevorzugten gezeigten Ausführungsform ist die optische Achse S-S der Korrekturlinse um ø bezüglich der optischen Achse X-X geneigt. Dies dient zum Zwecke der Eliminierung des Ein­ flusses der Koma, die durch den Strahlteiler 3 erzeugt wird, und in den Fällen, bei denen die Einflüsse der Koma auf die Charakteristika nicht vernachlässigt werden können, kann man diese Anordnung entsprechend anwenden.

Da bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Funktion zur Kompensation des Astigmatismus, der durch den Strahlteiler erzeugt wird, und die Funktion der Einstellung der Vergrößerung des Bildes auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements auf einen vorbestimmten Wert durch Erzeugung eines neuen Astigmatismus in einer beliebigen Richtung in einer einzigen Linse vereinigt sind, bringt die Erfindung eine Anzahl von Vorteilen mit sich.

• 1. Da die Stärke und die Richtung des Astigmatismus beliebig unter Verwendung der gekrümmten Flächen gewählt werden kann, die torisch und/oder trochoidförmig sind, läßt sich die Auslegungsfreiheit beträcht­ lich erweitern, und es ist möglich, ein optimales optisches System zu verwirklichen.
• 2. Da der Strahlteiler und die optische Achse, die das lichtempfindliche Element hiermit verbindet, frei gewählt werden können, erhält man eine erweiterte Auslegungsfreiheit für die Formgestaltung des optischen Kopfs, und es ist möglich, ein einfaches optisches System darzustellen.
• 3. Da die Anzahl der optischen Elemente verringert werden kann, ist es einfach, die Präzision einzuhalten, und die Bedienbarkeit für die Adjustie­ rung ist ebenfalls wesentlich verbessert.
• 4. Da es möglich ist, auf einfache Weise den Astigmatismus, der durch den Strahlteiler erzeugt wird, mit Hilfe der Korrekturlinse zu eliminieren, ist es möglich, beliebiges Material, eine beliebige Dicke, usw. für den Spiegel zu wählen, ohne daß hierdurch die Fokussierfehler-Detektions­ charakteristika beeinflußt werden.

Ferner ist es möglich, daß beide Flächen R1 und R2 der Korrekturlinse torisch ausgebildet sind. In diesem Fall kann die Krümmung, die man durch Synthetisierung der mittleren Krümmungen der beiden Flächen erhält, als ein Faktor betrachtet werden, der die Verstärkung der Ab­ bildung einer Verstärkungslinse bestimmt.

Die beiden Flächen R1 und R2 der Korrekturlinse können wechselseitig von vorne und hinten ausgetauscht werden. Daher ändert sich natürlich die optimale Krümmung mehr oder weniger, was auf den Umstand zurückzuführen ist, daß die Positionen der beiden Flächen in der opti­ schen Achsrichtung wechselseitig von vorne und hinten ausgetauscht werden.

Ein Polarisierungsspiegel oder ein Prisma kann als ein Strahlteiler (Isola­ tor) verwendet werden, und anstelle hiervon kann ein Halbspiegel oder ein Halbprisma der nicht-polarisierenden Bauart verwendet werden.

Da bei der Erfindung die Funktion zur Kompensation des Astigmatismus, der durch den Strahlteiler erzeugt wird, und die Funktion der Einstellung der Vergrößerung der Abbildung auf der Oberfläche des lichtempfindli­ chen Elements auf einen vorbestimmten Wert durch die Erzeugung eines neuen Astigmatismus in einer beliebigen Richtung in einer einzigen Linse vereinigt sind, läßt sich die Stärke und die Richtung des Astigmatismus beliebig unter Anwendung der gekrümmten Flächen wählen. Daher erweitert sich die Auslegungsfreiheit beträchtlich. Auch ist es möglich, daß man auf diese Weise ein optimales optisches System erhält. Da ferner der Strahlteiler und die optische Achse, die das lichtempfindliche Element hiermit verbindet, frei wählbar sind, hat man eine ausgezeich­ nete Auslegungsfreiheit für die Formgestaltung des optischen Kopfs, und es wird eine einfache Auslegung des optischen Systems ermöglicht. Da ferner die Anzahl der optischen Elemente sich reduzieren läßt, läßt sich in einfacher Weise die Präzision einhalten, und man erhält eine gute Bedien­ barkeit für die Adjustierung des Systems.

Zusammenfassend gibt die Erfindung einen optischen Abtaster unter Verwendung eines Strahlteilers mit einer Planparallelplatte an, bei dem der Astigmatismus, der durch den Umstand erzeugt wird, daß der Licht­ strahl durch den Strahlteiler geht, mit Hilfe einer Korrekturlinse ausgegli­ chen wird, die gekrümmte Flächen hat.

Claims (3)

1. Optischer Abtaster,
mit einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles für die optische Abtastung eines Objektes (6),
einem den Lichtstrahl der Lichtquelle (1) zu dem Objekt (6) hin lenkenden Strahlenteiler (3) in Form einer Planparallelplatte,
einem optischen Sensor (8) zur Detektion des von dem Objekt (6) reflektierten und danach von dem Strahlenteiler (3) durchgelassenen Lichtstrahles und
einer einen Astigmatismus in einer Richtung erzeugenden Linse (7) zwischen dem Strahlenteiler (3) und dem optischen Sensor, die auf ihrer dem optischen Sensor (8) zugewandten Seite eine torische Fläche (R2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linse (7) auf ihrer dem Strahlenteiler (3) zugewandten Seite eine torische oder zylindrische Fläche (R1) aufweist, die den vom Strahlenteiler (3) erzeugten Astigmatismus kompensiert, und
daß die Linse (7) mit ihrer dem optischen Sensor (8) zugewandten torischen Fläche (R2) einen vom Astigmatismus des Strahlenteilers (3) unabhängigen Astigmatismus erzeugt.

2. Optischer Abtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Astigmatismus, der von der torischen Fläche (R2) auf der dem optischen Sensor (8) zugewandten Seite der Linse (7) erzeugt wird, um etwa 45° bezüglich der Richtung des Astigma­ tismus geneigt ist, den die torische oder zylindrische Fläche (R1) auf der dem Strahlenteiler (3) zugewandten Seite der Linse (7) zur Kom­ pensation des Astigmatismus des Strahlteilers (3) erzeugt.

3. Optischer Abtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (3) die Linse (7) und der optische Sensor (8) auf einer gemeinsamen optischen Achse (X-X) liegen und daß zwi­ schen dem abzutastenden Objekt (6) und dem Strahlenteiler (3) ein total reflektierender Spiegel (4) angeordnet ist, der die optische Achse (X-X) unter einem rechten Winkel zu einer optischen Achse (Z- Z) ablenkt.