DE4003962A1

DE4003962A1 - Optisches system eines geraetes zur aufzeichnung und wiedergabe optischer informationen

Info

Publication number: DE4003962A1
Application number: DE4003962A
Authority: DE
Inventors: Koichi Maruyama; Makoto Iwaki
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1990-08-16
Anticipated expiration: 2010-02-10
Also published as: GB2232291B; FR2642883B1; US5638221A; GB2232291A; DE4003962C2; FR2642883A1; US5321550A; US5479296A; US5657168A; US5657171A; GB9003005D0; US5644437A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System eines Gerätes zur Aufzeichnung und Wiedergabe optischer Informationen, in dem ein Halbleiterlaser als Lichtquelle verwendet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein optisches System in Form eines Objektivs sowie ein für das optische System geeignetes Element zur Korrektur der chromatischen Aberration.

Ein optisches System eines Gerätes zur Aufzeichnung und Wiedergabe optischer Informationen wie beispielsweise ein optisches Plattengerät usw. umfaßt, wie in Fig. 52 allgemein dargestellt ist, eine Lichtquelle 10 zum Aussenden eines im wesentlichen parallelen Lichtbündels, ein objektivförmiges optisches System 20 zum Fokussieren des von der Lichtquelle 10 ausgesandten Lichtbündels auf eine optische Platte OD, einen Strahlteiler 30, der zwischen der Lichtquelle 10 und dem optischen System 20 angeordnet ist und dazu dient, die chromatische Aberration des optischen Systems nicht korrigiert wird.

Wenn der Lichtkouvergenzpunkt nicht auf der Aufzeichnungsoberfläche der Schicht liegt, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß Lesen und/oder Schreiben nicht korrekt erfolgt.

Eine Defokussierung aber, die von einer relativ geringfügigen Änderung der Wellenlänge aufgrund einer Temperaturänderung oder dergleichen herrührt, wird automatisch durch die vorstehend genannte Fokussierungsservoeinrichtung korrigiert, wenn die Kollimatorlinse hinsichtlich der chromatischen Aberration und der Temperaturänderung korrigiert wird.

Zu der Zeit, wenn Daten geschrieben werden, wird aber gleichzeitig eine Schwingungswellenlänge eines Halbleiterlasers um einige Nanometer zwischen einem Bereich, in dem die Temperatur erhöht ist, und einem Bereich verschoben, in dem die Temperatur nicht erhöht ist. Die Defokussierung, die durch eine derartige radikale Verschiebung bewirkt wird, die durch eine derartige radikale Verschiebung bewirkt wird, kann nicht durch die oben beschriebene Fokussierungsservoeinrichtung korrigiert werden.

Daher ist besonders beim Schreiben die Korrektur der chromatischen Aberration des optischen Systems erforderlich.

Ein optisches System, bei dem die Objektivlinse selbst bezüglich der chromatischen Aberration korrigiert wird, ist beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 63-10 118, der japanischen Offenlegungsschrift 60-2 32 519 und der japanischen Offenlegungsschrift 58-72 114 beschrieben.

Das Objektiv gemäß der japanischen Offenlegungsschrift 63-10 118 besteht aber aus einer dreiteiligen Struktur einschließlich einer asphärischen Linse, während die Objektive gemäß der japanischen Offenlegungsschrift 60- 2 32 519 und der japanischen Offenlegungsschrift 58-72 114 eine vierteilige Struktur aus Glaslinsen haben. Dementsprechend entsteht hier das Problem, daß diese Objektive ein hohes Gewicht haben verglichen mit Objektiven, bei denen die chromatische Aberration nicht korrigiert ist. Entsprechend ist die Belastung der Betätigungseinrichtung zur Bewegung der Objektive groß.

Da ein Objektiv für ein optisches Plattengerät mit einer hohen Frequenz zum Zwecke der Fokussierung und Spurabtastung bewegt wird, ist es äußerst wünschenswert, daß das Objektiv kompakt in seinen Abmessungen und leicht ist, um die Belastung der Betätigungseinrichtung zu vermindern.

Die japanische Offenlegungsschrift 62-2 69 922 zeigt ein optisches System zum Korrigieren der chromatischen Aberration eines Objektivs durch exzessive Korrektur der chromatischen Aberration einer Kollimatorlinse. Bei dieser Konstruktion ist es erforderlich, selbst ein optisches System zur Erfassung eines Fokussierungsfehlers präzise zu korrigieren, da andernfalls eine Defokussierung durch die Fokussierungsservoeinrichtung erfolgt.

Das Ausmaß der Korrektur der chromatischen Aberration des optischen Detektorsystems zur Feststellung eines Fokussierungsfehlers ist aber proportional zum Quadrat des Verhältnisses M zwischen einer Brennweite einer Kondensorlinse dieses optischen Systems und einer Brennweite der Objektivlinse. Nimmt man bei einem üblichen optischen Plattengerät für M einen Wert von ungefähr 10 im Hinblick auf die Abmessungen eines Lichtempfangselementes an, ist es schwierig, die Anordnung so zu treffen, daß die Kondensorlinse bezüglich der chromatischen Aberration in ausreichender Weise korrigiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beheben.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt ein optisches System eines Gerätes zur Aufzeichnung und Wiedergabe optischer Informationen erfindungsgemäß eine Lichtquelle zum Aussenden eines im wesentlichen parallelen Lichtbündels oder Lichtstrahles, ein objektivförmiges optisches System zum Bündeln oder Fokussieren des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahles auf ein Medium und einen Strahlteiler zum Abspalten des von dem Medium reflektierten Strahles von dem zur Lichtquelle gerichteten Lichtweg und zum Leiten des abgespaltenen Strahles in Richtung auf ein Empfangssystem, wobei das Objektivsystem eine zumindest zum Fokussieren unabhängig verstellbare Objektivlinse mit positiver Brechkraft und ein Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration einschließt, das eine fast verschwindende Brechkraft hat und zwischen der Objektivlinse und dem Strahlteiler angeordnet ist, um die chromatische Aberration der Objektivlinse zu korrigieren.

Hinsichtlich der von der chromatischen Aberration verschiedenen Aberration ist es wünschenswert, daß die Objektivlinse und das Korrekturelement zur chromatischen Aberration unabhängig voneinander korrigiert werden. Wenn nämlich die Konstruktion so gewählt ist, daß die Aberration durch die Objektivlinse und das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration ausgeglichen wird, wird eine Aberration erzeugt, wenn die Relativstellung durch das Spurhalten suchen und/oder Fokussieren verändert wird.

Das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration besteht aus einer Kombination einer positiven Linse mit einer negativen Linse, die eine unterschiedliche Abbesche Zahl hat, um die chromatische Aberration zu korrigieren. Um den Betrag der Korrektur der chromatischen Aberration zu steigern, ist es wünschenswert, daß diese Linsen miteinander verkittet sind. Wenn nämlich ein räumlicher Abstand zwischen der positiven Linse und der negativen Linse vorhanden ist, tritt eine Totalreflexion an dem Umfangsabschnitt auf und erzeugt dadurch eine Eklipse. Ferner wird eine Aberrationsfunktion erzeugt, wenn ein Abstandsfehler auftritt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutern. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Lichtwegdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe,

Fig. 2 ein Schema zur Darstellung der Wirkungsweise einer Spurservoeinrichtung und einer radialen Servoeinrichtung,

Fig. 3 ein Lichtwegdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines optischen Systems eines erfindungsgemäßen Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe,

Fig. 4 ein Lichtwegdiagramm einer dritten Ausführungsform eines optischen Systems eines erfindungsgemäßen Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe,

Fig. 5 ein Linsendiagramm einer konkreten Ausführungsform einer Objektivlinse,

Fig. 6 verschiedene Aberrationsdiagramme der in Fig. 5 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 7 Wellenaberrationsdiagramme der in Fig. 5 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Bewegung eines Lichtkonvergenzpunktes, die durch Wellenlängenfluktuation von der in Fig. 5 dargestellten Objektivlinse hervorgerufen wird,

Fig. 9 ein Linsendiagramm, das ein Beispiel 1 eines objektivförmigen optischen Systems darstellt,

Fig. 10 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 9 dargestellten optischen Systems,

Fig. 11 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 9 dargestellten optischen Systems,

Fig. 12 ein Linsendiagramm, das ein zweites Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 13 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 12 dargestellten optischen Systems,

Fig. 14 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 12 dargestellten optischen Systems,

Fig. 15 ein Linsendiagramm, das ein drittes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 16 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 15 dargestellten optischen Systems,

Fig. 17 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 15 dargestellten optischen Systems,

Fig. 18 ein Linsendiagramm eines vierten Beispiels eines objektivförmigen optischen Systems,

Fig. 19 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 18 dargestellten optischen Systems,

Fig. 20 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 18 dargestellten optischen Systems,

Fig. 21 ein Linsendiagramm eines fünften Beispiels eines objektivförmigen optischen Systems,

Fig. 22 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 21 dargestellten optischen Systems,

Fig. 23 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 21 dargestellten optischen Systems,

Fig. 24 ein Linsendiagramm eines sechsten Beispiels eines objektivförmigen optischen Systems,

Fig. 25 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 24 dargestellten optischen Systems,

Fig. 26 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 24 dargestellten optischen Systems,

Fig. 27 Wellenaberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 24 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 28 Wellenaberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 24 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 29 ein Linsendiagramm eines siebten Beispiels eines objektivförmigen optischen Systems,

Fig. 30 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 29 dargestellten optischen Systems,

Fig. 31 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 29 dargestellten optischen Systems,

Fig. 32 verschiedene Aberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 29 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 33 Wellenaberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 29 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 34 ein Linsendiagramm, das ein achtes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 35 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 34 dargestellten optischen Systems,

Fig. 36 Wellenaberrationsdiagramme des in Fig. 34 dargestellten optischen Systems,

Fig. 37 ein Linsendiagramm, das ein neuntes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 38 verschiedene Aberrationsdiagramme des in Fig. 37 dargestellten optischen Systems,

Fig. 39 Wellenaberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 37 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 40 verschiedene Aberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 37 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 41 Wellenaberrationsdiagramme einer einzelnen Einheit der in Fig. 37 dargestellten Objektivlinse,

Fig. 42 ein Linsendiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt, in dem eine Hologrammlinse als Objektivlinse verwendet wird,

Fig. 43 ein Linsendiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt, bei dem eine Hologrammlinse als Objektivlinse verwendet wird,

Fig. 44 verschiedene Aberrationsdiagramme in dem Fall, daß die Auswirkung eines Klebstoffes des Objektivs gemäß Beispiel 1 in Betracht gezogen wird,

Fig. 45 ein Linsendiagramm, das ein zehntes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 46 verschiedene Aberrationsdiagramme für den Fall, daß die Auswirkung eines Klebstoffes bei dem in Fig. 45 dargestellten optischen System in Betracht gezogen wird,

Fig. 47 verschiedene Aberrationsdiagramme, bei denen die Auswirkung eines Klebstoffes nicht in Betracht gezogen wird,

Fig. 48 ein Linsendiagramm, das ein elftes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 49 verschiedene Aberrationsdiagramme für das in Fig. 48 dargestellte optische System,

Fig. 50 ein Linsendiagramm, das ein zwölftes Beispiel eines objektivförmigen optischen Systems zeigt,

Fig. 51 verschiedene Aberrationsdiagramme, bei denen die Auswirkung eines Klebstoffes in dem in Fig. 50 dargestellten optischen System berücksichtigt wird und

Fig. 52 ein Lichtwegdiagramm, das ein optisches System eines herkömmlichen Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe zeigt.

Die folgende Beschreibung gliedert sich in drei Abschnitte:

1. Beispiel des Aufbaus eines gesamten optischen Systems eines Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe.
2. Konkretes Beispiel einer Objektivlinse.
3. Konkrete Beispiele eines objektivförmigen optischen Systems (Beispiele 1 bis 12).

1. Beispiel des Aufbaus eines gesamten optischen Systems eines Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe Beispiel 1

Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel eines optischen Systems eines Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe.

Dieses optische System umfaßt eine Lichtquelle 10, ein objektivförmiges optisches System 20, einen Strahlteiler 30 und ein optisches Signaldetektorsystem 40. Die Lichtquelle 10 umfaßt einen Halbleiterlaser 11 zur Erzeugung eines divergenten Lichtbündels oder Lichtstrahles, eine Kollimatorlinse 12 zum Sammeln des divergenten Lichtbündels und ein optisches Strahlformungssystem 13 zur Bildung einer bestimmten Querschnittskonfiguration des Strahlbündels, um so einen parallelen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt zu erzeugen.

Das objektivförmige optische System 20 umfaßt eine Objektivlinse 21 zum Fokussieren eines Strahles auf der Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte OD, einen Spiegel 22, ein Korrekturelement 23 zur Korrektur der chromatischen Aberration und damit zur Korrektur der Bewegung des Lichtkonvergenzpunktes, die durch eine Wellenlängenverschiebung in dem Halbleiterlaser 11 hervorgerufen wird. Die Linse 21 und der Spiegel 22 sind innerhalb eines Kopfes 50 angeordnet, der bezüglich der optischen Platte radial verstellbar angeordnet ist. Das Korrekturelement 23 umfaßt eine positive Linse und eine negative Linse, die miteinander verkittet sind, und ist an der Außenseite des Kopfes 50 befestigt. Die Linse 21 ist an einem nicht dargestellten Betätigungselement angeordnet, das seinerseits innerhalb des Kopfes 50 angeordnet ist und kann in Richtung ihrer optischen Achse sowie in radialer Richtung der Platte fein verstellt werden.

Der Durchmesser des Lichtstrahles oder Lichtbündels, welcher das Korrekturelement 23 durchsetzt, ist vorzugsweise so bemessen, daß er größer ist als der Durchmesser der Linse 21. Damit kann ein ausreichender Lichtstrahl auf die Linse 21 auch dann fallen, wenn die Linse 21 beim Führen auf der Spur unabhängig bewegt wird.

Sowohl der Kopf 50 als auch die Linse 21 werden in radialer Richtung der Scheibe bewegt. Die Verstellung des Kopfes 50 ist relativ grob (radiale Servoverstellung), wobei die Spuren überquert werden. Dagegen ist die Verstellung der Linse 21 eine Feineinstellung (Spurservoverstellung), die mit hoher Frequenz erfolgt.

Das optische Signaldetektorsystem 40 hat einen Strahlteiler 41, ein Spursignal-Detektorsystem 42 und ein Fokussierungssignal-Detektorsystem 43. Es liest durch den von der optischen Platte OD reflektierten Lichtstrahl die auf der Platte aufgezeichnete Information sowie Fehlersignale, welche Fehler bei der Fokussierung und der Spurhaltung kennzeichnen.

Die mit der Linse 21 verbundene Betätigungseinrichtung dient als Fokussierungsservoeinrichtung, um entsprechend einem Fokusfehlersignal eine Defokussierung zu korrigieren, die von einer unebenen Plattenoberfläche herrührt. Ferner dient die Betätigungseinrichtung als Spurservoeinrichtung, die in Übereinstimmung mit einem Spurfehlersignal dafür sorgt, daß der von der Linse 21 erzeugte Konvergenzpunkt des Lichtstrahles nicht aus der Spur gerät.

Die Spurservoeinrichtung kann neben der Verstellung der Linse 21 in der oben beschriebenen Weise auch so arbeiten, daß sie den Spiegel 22 oder den gesamten Kopf 50 mit hoher Frequenz verstellt.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche die Unterschiede zwischen der radialen Servoeinrichtung und der Spurservoeinrichtung erläutern soll, wobei als Beispiel eine zu lesende optische Platte genommen wird. Auf der optischen Platte OD ist eine spiralförmige Spur T ausgebildet, die von einer strichpunktierten Linie dargestellt ist. Auf der Spur T sind einzelne Vertiefungen ausgebildet. Die radiale Servoeinrichtung ist eine Steuereinrichtung, um einen Lichtpunkt S, der von der Objektivlinse erzeugt wurde, quer über die Spur T in Richtung des Pfeiles in der Zeichnung zu bewegen. Auf der anderen Weise dient die Spurservoeinrichtung als Steuereinrichtung, um den Punkt oder Fleck S auf der Spur T innerhalb eines engen Bereiches zu halten, so daß der Punkt S nicht aus der Spur gerät.

Das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration kann gemäß der Darstellung in Fig. 3 innerhalb des Kopfes 50 angeordnet werden.

Wenn das Korrekturelement 23 außerhalb des Kopfes angeordnet ist, kann der Kopf verkleinert werden. Auf der anderen Seite kann bei Anordnung des Korrekturelementes innerhalb des Kopfes die effektive Apertur des Korrekturelementes kleiner gemacht werden als bei Anordnung des Korrekturelementes außerhalb des Kopfes, da keine Positionsverschiebung eine Einfallpupille durch die radiale Servoeinrichtung auftritt.

Beispiel 2

Fig. 4 zeigt die zweite Ausführungsform eines optischen Systems eines Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und Wiedergabe.

Dieses optische System ist derart aufgebaut, daß der Halbleiterlaser, die Kollimatorlinse 12, der Strahlteiler 30, die Objektivlinse 21, das Korrekturelement 23 zur Korrektur der chromatischen Aberration und das optische Signaldetektorsystem 40 alle innerhalb des Kopfes 50 angeordnet sind, der in radialer Richtung der Platte verschiebbar angeordnet ist.

Die Objektivlinse 21 ist an einer Betätigungseinrichtung 51 angeordnet und kann in Richtung ihrer optischen Achse sowie in radialer Richtung der Platte fein bewegt werden.

Das Korrekturelement 23 zur Korrektur der chromatischen Aberration umfaßt zwei negative Linsen und eine mit diesen verkittete positive Linse.

2. Objektivlinse

Fig. 5 zeigt die obengenannte Objektivlinse. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Aberration der einzelnen Einheit der Objektivlinse. Die Bezugsbuchstaben OD in Fig. 5 bezeichnen ein Deckglas, das die Aufzeichnungsoberfläche der Scheibe bedeckt.

Die Objektivlinse des Gerätes für die optische Platte muß eine konvexe Oberfläche haben, um eine starke Sammelwirkung zu entwickeln, durch die das Lichtbündel auf die Aufzeichnungsoberfläche der Platte fokussiert werden kann. Um die Sammelwirkung hoch zu halten, ist es auch notwendig, die sphärische Aberration und die Koma vollständig zu korrigieren.

Um die Koma zu beschränken, ist es erforderlich, die Sinusbedingung zu erfüllen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, eine stark konvexe konvergierende Oberfläche an der Lichtquellenseite vorzusehen. Diese stark konvergierende Oberfläche ist vorzugsweise nahe der Platte angeordnet, um einen Arbeitsabstand einzuhalten.

Diese Objektivlinse wird zu einer asphärischen Linse gemacht, die zu ihrem Umfangsbereich hin einen größeren Krümmungsradius aufweist, um die sphärische Aberration und die Koma mit Hilfe einer einzigen Linse zu korrigieren und auch um eine ausreichende Randdicke zu erhalten, die für die Bearbeitung erforderlich ist, während die Dicke des mittleren Abschnittes begrenzt bleibt.

Konkrete numerische Werte für geeignete Linsen sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben. In den Tabellen bezeichnet der Buchstabe r den Krümmungsradius einer Fläche, d eine Linsendicke oder einen räumlichen Abstand, n₇₈₀ einen Brechungsindex einer Linse bei einer Wellenlänge von 780 nm, n _d den Brechungsindex einer Linse bei einer d-Linie (Wellenlänge von 588 nm) und ν _d eine Abbesche Zahl. Die Oberflächennummer 1 und 2 gehören zur Objektivlinse, und die Oberflächennummer 3 und 4 sind die Flächen des Deckglases der optischen Platte. Was das Material betrifft, so besteht die Objektivlinse aus einem Polymethylmethacrylat, während das Deckglas OD der optischen Platte aus BK7 besteht.

Die erste und zweite asphärische Fläche werden durch folgende Gleichung beschrieben:

dabei ist X der Abstand von der Tangentialebene des Scheitels einer asphärischen Fläche an der asphärischen Linse, wogegen Y die Höhe von der optischen Achse bezeichnet. C ist der Radius der Krümmung (1/r) des Scheitels der asphärischen Fläche. K ist der Koeffizient eines Kreiskegels, und A₄ bis A₁₀ sind asphärische Flächenkoeffizienten. Diese Koeffizienten sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 1

1. Fläche
2. Fläche
K=-0.5223E+00\|K=-0.3168E+01
A₄=-0.1400E-03	A₄=0.1740E-01
A₆=-0.4966E-04	A₆=-0.4011E-02
A₈=0.1654E-04	A₈=0.5593E-03
A₁₀=-0.1292E-04	A₁₀=-0.3494E-04
A₁₂=0.0000E+00	A₁₂=0.0000E+00

3. Konkretes Ausführungsbeispiel eines objektivförmigen optischen Systems

Die Verschlechterung der Wellenaberration, die auf der Defokussierung der einzelnen Objektivlinse beruht, ist in Fig. 8 dargestellt. Aus Fig. 8 erkennt man, daß bei einer Verschiebung der Wellenlänge um 5 nm eine Wellenaberration von ungefähr 0,04 λ erzeugt wird. Um die Wirksamkeit einer Objektivlinse zu erhalten, liegt die Grenze der Wellenaberration bei ungefähr 0,05 λ. Da aber tatsächlich eine Defokussierung aufgrund anderer Faktoren als der chromatischen Aberration auftreten kann, besteht die Möglichkeit, daß die obengenannte Grenze bei einer Verschiebung der Wellenlänge um ca. 5 nm überschritten wird.

Das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration korrigiert die Defokussierung der Objektivlinse, die durch eine derartige obengenannte Wellenlängenfluktuation verursacht wird.

Es ist erforderlich, daß die Brechkraft des Korrekturelementes sich bei einer Änderung der Wellenlänge ebenfalls ändert, und zwar in Richtung einer Kompensation der von der Wellenlängenfluktuation hervorgerufenen Brechkraftänderung der Objektivlinse.

Allgemein gilt, daß eine Brechungslinse, die nicht hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert ist, einen negativen Wert im Brechkraftänderungsverhältnis hat ΔΦ/Δλ, wobei ΔΦ die Änderung der Brechkraft und Δ2 die Verschiebung der Wellenlänge bezeichnen. Infolgedessen muß für das Korrekturelement der Ausdruck ΔΦ/Δ2 einen positiven Wert annehmen.

Das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration darf beinahe keine Brechkraft haben, so daß die Aberration sich bei einer Änderung in der Relativstellung zwischen dem Korrekturelement und der Objektivlinse in Richtung der optischen Achse nicht ändert.

Um ferner die Änderung der Aberration aufgrund einer Relativverschiebung des Korrekturelementes und der Objektivlinse senkrecht zur optischen Achse zu eliminieren, darf das Korrekturelement praktisch keine sphärische Aberration aufweisen. Eine solche Relativverschiebung kann beispielsweise aufgrund eines Positionsfehlers bei der Montage einer Horizontalverschiebung beim Fokussieren, beim Spurhalten und dergleichen, auftreten.

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann schließlich ein optisches System konstruiert werden, daß keine chromatische Aberration hat, selbst wenn das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration an irgendeiner Stelle zwischen der Objektivlinse und dem Strahlteiler angeordnet ist.

Um die obengenannten Forderungen zu erfüllen, genügen die Korrekturelemente zur Korrektur der chromatischen Aberration, die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigt sind, den folgenden Bedingungen:

|n _p - n _n| × 10⁵ < 300 (1)
(n _{p 780} - 1) (1 - ν _{n 780}/ν _{p 780}) < 0.2 (2)
(Δ n _p/Δλ - Δ n _n/Δλ) × λ² < 9.0 nm (3)
|f _p/f _c| < 0.01 (4)
|r _a/r _m| < 5 (5)
|r₁/f| < 7 (6)
|r₃/f| < 7 (7)

Dabei haben die Symbole in den oben stehenden Ausdrücken die folgende Bedeutung:
n _p: Brechungsindex einer positiven Linse im Zentrum bei der Wellenlänge g
n _n: Brechungsindex einer negativen Linse im Zentrum bei Wellenlänge λ
n _{n 780}, n _{n 830}: Brechungsindizes bei den Wellenlängen 780 nm und 830 nm
n _{p 780}, n _{p 830}: Brechungsindizes bei den Wellenlängen 780 nm und 830 nm
ν _{n 780}: Dispersion einer negativen Linse nahe der Wellenlänge 780 nm, wobei gilt: ν _{n 780}=n _{n 780}/(n _{n 780}-n _{n 830})
ν _{p 780}: Dispersion einer positiven Linse in der Nähe der Wellenlänge 780 nm, wobei gilt: ν _{p 780}=n _{p 780}/(n _{p 780}-n _{p 830})
Δ n _p/Δλ: Gradient des Brechungsindex einer positiven Linse bezogen auf die Wellenlänge
Δ n _p/Δλ: Gradient des Brechungsindex einer negativen Linse bezogen auf die Wellenlänge
f _p: Brennweite einer positiven Linse
f₀: Gesamtbrennweite
r _m: Krümmungsradius der gekitteten Flächen
r _n: Krümmungsradius nicht gekitteter Flächen einer positiven Linse
r₁: Krümmungsradius der Einfallsfläche
r₃: Krümmungsradius der Austrittsfläche
f: Brennweite des gesamten optischen Systems.

Für das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration gilt, daß die Aberration um so signifikanter wird, je kleiner der Krümmungsradius der gekitteten Flächen und je größer der Unterschied zwischen dem positiven und dem negativen Brechungsindex ist. Wenn das Element selbst keine Brechkraft hat und wenn die Aberration an den gekitteten Flächen auftritt, ist es schwierig, die Aberration innerhalb des Elementes zu korrigieren. Daher ist es erforderlich, die Erzeugung der Aberration an den gekitteten Flächen so weit wie möglich einzuschränken.

Um die Aberration zu erzeugen, gibt es Mittel, den Krümmungsradius groß zu machen, sowie Mittel, um den Unterschied in den Brechungsindizes klein zu halten. Wenn jedoch die gekitteten Flächen sehr nahe an eine Fläche gebracht werden, kann die ursprüngliche Funktion der Korrektur der chromatischen Aberration nicht wahrgenommen werden. Infolgedessen gibt es eine Grenze bei der Reduktion der von den vorher genannten Mitteln erzeugten Aberration. Im Gegensatz dazu kann bei einer nahezu vollständigen Angleichung der Brechungsindizes die Erzeugung der sphärischen Aberration und die Koma beschränkt werden, selbst wenn der Krümmungsradius beträchtlich wird. Durch Differenzieren der Dispersion wird es möglich, die chromatische Aberration zu ändern.

Die Beziehung (1) zeigt die Bedingung für eine Beschränkung der Differenz der Brechungsindizes der positiven und der negativen Linsen des Korrekturelementes und zur Reduzierung der Erzeugung der anderen Aberrationen als der chromatischen Aberration soweit wie möglich.

Selbst für den Fall jedoch, daß die Bedingung gemäß Beziehung (1) erfüllt ist, ist es wünschenswert, daß der Krümmungsradius der gekitteten Flächen so groß wie möglich ist. Der Grund hierfür ist, daß bei einem kleinen Krümmungsradius der gekitteten Fläche die Dicke des gesamten Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration groß wird, um eine ausreichende Randdicke der positiven Linse zu erhalten, während dann, wenn eine Linse mit einer großen numerischen Apertur (NA) verwendet wird, eine sphärische Aberration höherer Ordnung erzeugt wird.

Daher muß das Korrekturelement aus einer Kombination von Materialien hergestellt werden, mit denen der Krümmungsradius der gekitteten Flächen so groß wie möglich gemacht werden kann, wobei er jedoch innerhalb einer Grenze liegen muß, in der ein Korrektureffekt erreicht werden kann.

Die Beziehung (2) zeigt die Bedingung zur Regelung der Qualitätsdispersion eines Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration, um die Korrekturwirkung zu erreichen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, selbst wenn eine Objektivlinse mit der kleinsten Dispersion CaFK95 (Handelsname: Sumida Kogaku) unter den für die Herstellung asphärischer Linsen gegenwärtig verfügbaren Materialien verwendet wird, wird das Korrekturelement zu dick, um die chromatische Aberration ausreichend korrigieren zu können. Dies führt zu Problemen im Hinblick auf das Gewicht oder den Platzbedarf.

Wenn die Grenzfläche eines Mediums mit einem unterschiedlichen Brechungsindex eine gekrümmte Fläche ist, gilt allgemein, daß diese Grenzfläche eine Brechkraft hat. Ferner gilt für den Fall, daß die chromatische Aberration nicht korrigiert wird, daß die Brechkraft der Grenzfläche sich mit einer Änderung der Wellenlänge ändert. Die Änderung ΔΦ/Δλ der Brechkraft der gekitteten Flächen, die von einer Fluktuation der Wellenlänge herrührt, wird durch die folgende Beziehung beschrieben:

ΔΦ/Δλ = (1/r _m){(Δ n _p/Δλ) - (Δ n _n/Δλ)} .

Da der Betrag CA der chromatischen Aberration der bezüglich der chromatischen Aberration nicht korrigierten Objektivlinse ungefähr proportional zu g ^-2 ist, ist es auch wünschenswert, wenn ΔΦ/Δλ des Korrekturelementes proportional zu λ ^-2 ist.

Infolgedessen gibt der Ausdruck

(Δ n _p/Δλ - Δ n _n/Δλ) × λ²

einen Wert an, der die Korrekturwirkung des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration zeigt.

Die Beziehung (3) bestimmt eine Kombination von Materialien des Korrekturelementes, mit der die oben beschriebene Korrekturwirkung erzielt werden kann. Für den Fall, daß die Bedingung der Beziehung (3) nicht erfüllt wird, selbst wenn die chromatische Aberration korrigiert wird durch eine gewisse Verstärkung der Krümmung der gekitteten Flächen, wird die Kompatibilität einer ausreichenden Korrektur der chromatischen Aberration der Objektivlinse und das Verhindern einer Verschlechterung der anderen Aberration unmöglich infolge der bei einer Änderung der Wellenlänge auftretenden Konvergenz an den gekitteten Flächen, oder die Änderung des Dispersionsgrades wird zu groß.

Als Beispiel sei ein optisches Glas der Firma Kabushiki Kaisha Ohara genommen. Es gibt folgende Kombinationen von Gläsern, welche die Bedingungen der Beziehungen (1) und (3) bei einer Wellenlänge von beispielsweise 780 nm erfüllen:

Die Beziehung (4) bestimmt ein Verhältnis zwischen der Brennweite f _c des Korrekturelementes und der Brennweite f _p einer positiven Linse des Korrekturelementes. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist und wenn ein ausreichend hoher Korrekturbetrag vorliegt, wird die scheinbare Lage der Lichtquelle, betrachtet von der Objektivlinse aus, erheblich verändert, abhängig davon, ob ein Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration vorgesehen ist oder nicht. Deshalb ist es erforderlich, die Objektivlinse unterschiedlich auszuführen, je nach dem, ob das Korrekturelement vorhanden ist oder nicht. Für den Fall, daß das Korrekturelement und die Objektivlinse nicht nahe beieinander angeordnet sind, ist es schwierig, einen Arbeitsabstand zu erhalten, wenn das Verhältnis 0.01 überschreitet. Dagegen wird eine große Abmessung der Objektivlinse nahegelegt, wenn das Verhältnis kleiner als -0,01 ist.

Es ist wünschenswert, daß die Lichteinfallsfläche und die Lichtaustrittsfläche des Korrekturelementes nahezu keine Brechkraft haben. Jedoch müssen die Einfallsfläche und die Austrittsfläche nicht notwendigerweise vollkommen plan sein. Für den Fall, daß diese Flächen eine Krümmung aufweisen, wird das an der Oberfläche des Korrekturelementes reflektierte Licht nicht zum Halbleiterlaser zurückgeführt. Dies hat die Wirkung, daß eine nachteilige Auswirkung auf das Signal verhindert wird.

Die Beziehung (5) bestimmt den Krümmungsradius der gekitteten Flächen und der nicht gekitteten Flächen der positiven Linse unter Berücksichtigung des vorstehend Gesagten. Die Beziehungen 6 und 7 legen das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius beider Flächen des Korrekturelementes und die Brennweite fest. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Brechkraft der Einfallsfläche und der Austrittsfläche groß. Infolgedessen kann leicht eine Aberration bei einem Montagefehler auftreten. Selbst wenn die Gesamtbrechkraft Null ist, gibt es eine Winkelvergrößerung. Infolgedessen werden eine Vergrößerung des Linsendurchmessers und eine Verringerung des Arbeitsabstandes nahegelegt.

Im folgenden werden Beispiele konkreter numerischer Konstruktionen des objektivförmigen optischen Systems einschließlich eines Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein optisches System der vorstehend genannten Art, das aus einer Kombination einer Objektivlinse mit einem Korrekturelement besteht. Die Aberration gilt für das gesamte optische System.

Beispiel 1

Fig. 9 zeigt ein erstes Beispiel eines vorstehend genannten optischen Systems. Die Konstruktionswerte des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration sind in Tabelle 3 angegeben. In der Tabelle bezeichnen NA die numerische Apertur, f die Brennweite des optischen Systems bei einer Wellenlänge von 780 nm und ω einen Halbfeldwinkel. Da die Zahlenwerte für die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte mit denen des Beispiels 1 übereinstimmen, wird die Beschreibung in der folgenden Tabelle ausgelassen.

Tabelle 3

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 10 dargestellt. Wellenaberrationen sind in Fig. 11 wiedergegeben.

In Tabelle 3 kann beinahe derselbe Wirkungsgrad erreicht werden, wenn r₁=r₃=500.

Beispiel 2

Fig. 12 zeigt ein zweites Beispiel eines vorstehend genannten optischen Systems. Die numerischen Konstruktionswerte des Korrekturelementes sind in Tabelle 4 angegeben. Die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte sind dieselben wie im Beispiel 1.

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 13 gezeigt. Die Wellenaberrationen zeigt Fig. 14.

Tabelle 4

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

Beispiel 3

Fig. 15 zeigt ein drittes Beispiel eines obengenannten optischen Systems. Die numerischen Konstruktionswerte des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration sind in Tabelle 5 angegeben. Die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte stimmen mit jenen des Beispiels 1 überein.

Tabelle 5

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 16 dargestellt, während Fig. 17 die Wellenaberrationen zeigt.

Beispiel 4

Fig. 18 zeigt ein viertes Beispiel eines vorstehend genannten optischen Systems. Die numerischen Konstruktionswerte des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration sind in Tabelle 6 angegeben. Die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte stimmen mit jenen des Beispiels 1 überein.

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 19 dargestellt, während die Wellenaberrationen in Fig. 20 gezeigt sind.

Tabelle 6

NA 0.55, f=3.31, ω=1.7°

Beispiel 5

Fig. 21 zeigt ein fünftes Beispiel eines vorstehend genannten optischen Systems. Die numerischen Konstruktionswerte des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration sind in Tabelle 7 angegeben. Die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte stimmen mit jenen des Beispiels 1 überein.

Fig. 22 zeigt verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems. Die Wellenaberrationen sind in Fig. 23 dargestellt.

Tabelle 7

NA 0.55, f=3.31, ω=1.7°

Beispiel 6

Fig. 24 zeigt ein sechstes Beispiel eines vorstehend beschriebenen optischen Systems. Konkrete numerische Konstruktionswerte sind in Tabelle 8 angegeben. Die asphärischen Koeffizienten der Objektivlinse zeigt Tabelle 9. Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 22 dargestellt, während Fig. 23 die Wellenaberration zeigt. Um ferner die Wirkung zu bestimmen, die durch das Korrekturelement hervorgerufen werden, sind die verschiedenen Aberrationen und die Wellenaberrationen einer einzelnen Einheit der Objektivlinse in den Fig. 27 und 28 dargestellt.

Tabelle 8

NA 0.55, f=3.31, ω=1.7°

Tabelle 9

Beispiel 7

Fig. 29 zeigt ein siebtes Beispiel eines obengenannten optischen Systems, wobei konkrete numerische Konstruktionswerte in Tabelle 10 wiedergegeben sind. Der Koeffizient der asphärischen Fläche der Objektivlinse ist in Tabelle 11 angegeben. Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 30 dargestellt, während Fig. 31 die Wellenaberrationen zeigt. Um ferner die Auswirkung auf das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration zu bestimmen, sind die von einer einzelnen Einheit der Objektivlinse hervorgerufenen verschiedenen Aberrationen und Wellenaberrationen in den Fig. 32 und 33 dargestellt.

Tabelle 10

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7°

Tabelle 11

Beispiel 8

Fig. 34 zeigt ein achtes Beispiel eines obengenannten optischen Systems, wobei konkrete numerische Konstruktionswerte in Tabelle 12 angegeben sind. Der Koeffizient der asphärischen Fläche der Objektivlinse ist in Tabelle 13 angegeben. Bei diesem Beispiel sind die erste und dritte Fläche nicht eben.

Tabelle 12

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7°

Tabelle 13

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 35 dargestellt. Die Wellenaberrationen sind in Fig. 36 gezeigt.

Beispiel 9

Fig. 37 zeigt ein neuntes Beispiel eines obengenannten optischen Systems. Konkrete numerische Konstruktionswerte sind in Tabelle 14 angegeben. Bei diesem Beispiel wird eine Glaslinse mit einer vierteiligen Struktur als Objektivlinse verwendet. Das optische Sysem enthält zwei Korrekturelemente zur Korrektur der chromatischen Aberration.

Tabelle 14

NA 0.55, f=3.72, ω=1.5°

Verschiedene Aberrationen dieses optischen Systems sind in Fig. 38 dargestellt. Die Wellenaberrationen zeigt Fig. 39. Um ferner die Auswirkung auf das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration zu bestimmen, sind die durch eine einzelne Einheit der Objektivlinse hervorgerufenen verschiedenen Aberrationen und die Wellenaberrationen in den Fig. 40 und 41 dargestellt. Fig. 42 und 43 zeigen Beispiele einer Hologrammlinse, die als Objektivlinse verwendet wird. Da eine Hologrammlinse eine solche ist, die eine Lichtbeugung nutzt, kann der Bewegungsbetrag CA (chromatische Aberration auf der Achse) des Lichtkonvergenzpunktes bezogen auf die Wellenlängenfluktuation folgendermaßen ausgedrückt werden:

CA = - f · (Δλ/λ) ,

wobei die Brennweite durch f, die verwendete Hauptwellenlänge durch λ und die Wellenlängenfluktuation durch Δλ bezeichnet ist. Das bedeutet, daß die Bewegung des Konvergenzpunktes in Abhängigkeit der Wellenlängenfluktuation von 1 nm bei einer Wellenlänge von 780 nm den Wert -f · ((1/780) nm annimmt. Im Falle einer gewöhnlichen Linse, die mit Brechung arbeitet, erhält man dagegen für CA=-f · {Δ n/(-1+n)}. Sein Wert wird zu f · (1/10 000)∼f · (1/25 000).

Der Betrag der Erzeugung der chromatischen Aberration der Hologrammlinse ist also ungefähr 30mal größer als der mit Brechung arbeitenden Linse, wobei der Charakter (+ oder -) umgekehrt wird. Will man also ein Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration bei den oben beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit einer Hologrammlinse verwenden, ist es erforderlich, ungefähr 30 Korrekturelemente zur Korrektur der chromatischen Aberration vorzusehen.

Fig. 42 zeigt einen Fall, wo eine plane Hologrammlinse verwendet wird, während Fig. 43 einen Fall mit einer gekrümmten Hologrammlinse zeigt.

Bei den oben beschriebenen Beispielen 1 bis 9 besteht das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration aus einer positiven und einer negativen Linse, die miteinander verkittet sind, wobei die beiden Endflächen des Korrekturelementes keine Brechkraft haben. Da in diesem Falle der Korrektureffekt zur Korrektur der chromatischen Aberration nur an den gekitteten Flächen erzielt wird, ist es erforderlich, daß die Differenz der Werte Δ n/Δλ zwischen der positiven und der negativen Linse groß und der Krümmungsradius der gekitteten Flächen klein gemacht wird.

Wenn jedoch die Differenz zwischen den Werten Δ n/Δλ zwischen der positiven Linse und der negativen Linse groß ist, wird auch die Aberration an dem Umfangsabschnitt groß. Wenn der Krümmungsradius der gekitteten Flächen klein wird, wird die effektive Apertur klein, um eine bestimmte Randdicke zu erreichen. Der Durchmesser des effektiven Lichtbündels wird damit größer. Infolgedessen wird es schwierig, eine große effektive Apertur des Lichtstrahles zu erhalten.

Wenn das Ausmaß der Aberration an den gekitteten Flächen betrachtet wird im Hinblick auf S 1, womit der Koeffizient der ternären sphärischen Aberration bezeichnet ist, so kann dieser folgendermaßen ausgedrückt werden:

Dabei ist der Brechungsindex der Linse auf der Lichteinfallseite durch n _p, der Brechungsindex der Linse auf der Lichtaustrittsseite durch n _n, der Krümmungsradius der gekitteten Flächen durch r _m, die Einfallshöhe des Paraxiallichtstrahles mit h, die Neigung des Paraxiallichtes der Linse auf der Lichteinfallsseite mit β _P und die Neigung des Paraxiallichtes der Linse auf der Lichtaustrittsseite mit β _n bezeichnet.

Aus der folgenden Beziehung jedoch

wird folgende Beziehung abgeleitet unter der Voraussetzung, daß (Δ n)²→0:

Unter der Voraussetzung, daß β _p→0, h→1 gelangt man ferner zu der folgenden Beziehung:

Aus der vorstehend wiedergegebenen Beziehung kann man entnehmen, daß der Betrag der sphärischen Aberration proportional zur dritten Potenz der Krümmung und proportional zu Δ n ist.

Da der Korrektureffekt bei der Korrektur der chromatischen Aberrationen von der Anzahl gekrümmter Flächen abhängt, werden auf der anderen Seite die die chromatische Aberration korrigierenden Flächen in zwei Abschnitte unterteilt, wobei der Krümmungsradius jeder Fläche verdoppelt wird, verglichen mit dem Fall, in dem die die chromatische Aberration korrigierende Fläche nicht unterteilt ist.

Unter der Annahme, daß der Korrekturbetrag bei der Korrektur der chromatischen Aberration derselbe ist, kann infolgedessen der Betrag der sphärischen Aberration auf 1/4 begrenzt werden.

Daher besteht in den folgenden Beispielen 10 bis 12 das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration aus drei miteinander verkitteten Linsen, wobei die die chromatische Aberration korrigierenden Flächen voneinander getrennt und an zwei verschiedenen Stellen angeordnet sind.

Jede Endfläche eines Korrekturelementes besteht aus einer Fläche mit einer beinahe verschwindenden Brechkraft und ist so ausgebildet, daß sie nur eine chromatische Aberration ohne Brechung erzeugt.

Infolge dieser Konstruktion kann verglichen mit einem Korrekturelement, das nur eine verkittete Fläche hat, dieselbe Korrektur der chromatischen Aberration erreicht werden bei nur 1/4 der erzeugten sphärischen Aberration. Im Vergleich mit dem Fall einer einzigen verkitteten Fläche wird daher der zulässige Bereich für den Wert Δ n vergrößert und damit auch der Bereich für die Auswahl einer Kombination von Glasmaterialien.

Da ferner der Krümmungsradius der Kittfläche groß ist, kann eine ausreichende Randdicke der positiven Linse auch dann erhalten werden, wenn die wirksame Apertur groß gemacht wird. Wenn die wirksame Apertur groß ist, ist die Möglichkeit des Auftretens einer Eklipse für den Lichtstrahl selbst dann gering, wenn die optische Achse der Objektivlinse aus der optischen Achse des Korrekturelementes zur Korrektur der chromatischen Aberration ausgerückt wird.

Die vorstehenden Erläuterungen beruhten auf der Annahme einer ternären Aberration, wobei die Änderung der Aberration für einen Lichtstrahl nahe der optischen Achse ermittelt wurde. Ein optisches System mit nur einer gekitteten Fläche erzeugt unter Berücksichtigung der Auswirkung der Aberration höherer Ordnung eine 10fache oder größere Aberration bei Betrachtung des den Umfangsabschnitt des Korrekturelementes durchsetzenden Lichtes verglichen mit einem System, dessen gekittete Fläche in zwei Abschnitte unterteilt ist.

Wenn die optische Charakteristik des Objektivlinsensystems berechnet wird, ist es notwendig, die Auswirkung eines für die Verkittung verwendeten Klebstoffes zu betrachten. Ein Klebstoff, der zur Verbindung optischer Teile wie beispielsweise gewöhnlicher Linsen und dergleichen verwendet wird, hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,5 bis 1,6. Wenn der Brechungsindex eines zu verkittenden Glases sich von dem Brechungsindex des Klebstoffes unterscheidet, erfolgt eine Lichtbrechung an dieser Fläche, wobei auch eine Aberration erzeugt wird. Da der Betrag der Aberration proportional zur Größe der Fehlererzeugung an der Vorderfläche und der rückwärtigen Fläche der Klebstoff- oder Kittschicht ist, ist er umgekehrt proportional zum Krümmungsradius der gekitteten Fläche und ist proportional zur Differenz der Brechungsindizes von Glasmaterial und Klebstoff.

Die Differenz der Brechungsindizes von Klebstoff und Glasmaterial wird 0,1 oder größer, da es gegenwärtig keinen Klebstoff mit einem hohen Brechungsindex gibt und da es keine Kombination von Glasmaterialien gibt mit einer hohen Differenz von Δ n/Δλ bei einem niedrigen Brechungsindex.

Wenn beispielsweise bei einem Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration gemäß Beispiel 1 die Klebstoffschicht einen Brechungsindex von 1,54 und eine Dicke von 0,01 mm an der gekitteten Fläche aufweist, variiert jede Aberration gemäß der Darstellung in Fig. 44. Wenn die Dicke der Klebstoffschicht 0 ist, gleichen sich die Aberrationen aus, die an der Frontfläche und der Rückfläche der Klebstoffschicht erzeugt werden. Wenn dagegen die Klebstoffschicht dick ist, variiert die Einfallshöhe des Lichtes zwischen der Frontfläche und der Rückfläche, so daß sich die Aberrationen an der Front und der Rückfläche der Klebstoffschicht nicht vollständig kompensieren. Infolgedessen wird eine Aberration erzeugt, und es entstehen Probleme.

Da das Korrekturelement gemäß Beispiel 1 nur eine gekittete Fläche hat, ist es unerläßlich, den Krümmungsradius der gekitteten Fläche klein zu machen, um die chromatische Aberration zu korrigieren. Wenn daher eine Differenz zwischen dem Brechungsindex des Klebstoffes und dem Brechungsindex des Glasmaterials besteht, ist das Ausmaß der Aberrationserzeugung im Hinblick auf die Dickenänderung der Klebstoffschicht groß. Beim Vergleich mit Fig. 10, in der die Auswirkung der Klebstoffschicht nicht berücksichtigt wurde, kann man die Verschlechterung des Wirkungsgrades im Umfangsbereich erkennen.

Wenn die gekittete Fläche in zwei Abschnitte aufgespalten wird, kann die chromatische Aberration ausreichend korrigiert werden, ohne daß man den Krümmungsradius klein macht. Gleichzeitig wird die Aberrationsschwankung an jeder gekitteten Fläche im Hinblick auf eine Änderung der Dicke der Klebstoffschicht klein. Indem man ferner den beiden gekitteten Flächen im wesentlichen symmetrische Form gibt, kann auch die Verschlechterung des Wirkungsgrades beschränkt werden, selbst wenn die Dicke der Klebstoffschicht unregelmäßig ist.

Wenn das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration aus drei Linsen oder mehr besteht, die miteinander verkittet sind, ist es wünschenswert, daß die durch die folgenden Beziehungen gegebenen Bedingungen erfüllt sind:

In diesen Beziehungen haben die verwendeten Symbole die folgende Bedeutung:
Δ n _i/Δλ auf die Wellenlänge bezogener Änderungsgradient der i-ten Linse,
r₂ Krümmungsradius der Kittflächen der ersten und zweiten Linsen,
r₃ Krümmungsradius der gekitteten Flächen der zweiten und dritten Linse.

Die Beziehung (8) zeigt eine Beziehung ähnlich der Gleichung (3) angewandt auf eine aus drei Einzellinsen bestehende Linse.

Wenn man aus dem Bereich dieser Beziehung gerät, wird selbst dann, wenn die Krümmung der gekitteten Fläche zur Korrektur der chromatischen Aberration verstärkt wird, die Änderung in dem Grad der Konvergenz oder Divergenz an der gekitteten Fläche außerordentlich groß, wenn eine Wellenlängenänderung erzeugt wird. Da ferner die sphärische Aberration hoher Ordnung des Elements selbst groß wird, wird es infolgedessen unmöglich, eine ausreichende Korrektur der chromatischen Aberration zu erhalten, die mit der Vermeidung einer Verschlechterung der anderen Aberrationen kompatibel ist.

Die Beziehung (9) beschreibt die Bedingungen für die Herstellung der beiden gekitteten Flächen in im wesentlichen symmetrischer Form.

Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, ist der Betrag der Aberration, die an der gekitteten Fläche entsteht, proportional zur Erzeugung der Aberration an der Frontfläche und der Rückfläche der Klebstoffschicht. Infolgedessen ist es wünschenswert, daß die Last der chromatischen Aberration gleichmäßig gemacht und die Krümmung der beiden Flächen verringert wird. Wenn die Bedingungen der Beziehung 9 nicht erfüllt sind, ist der Effekt des Aufsplittens der die chromatische Aberration korrigierenden Fläche gering. Wenn dagegen die Bedingungen erfüllt sind, kann hierdurch der Betrag der vom Glasmaterial erzeugten Aberration an der Grenzfläche zur Klebstoffschicht klein gemacht werden.

Selbst wenn daher die Dicke der Klebstoffschicht beim Kitten der Flächen in geringem Umfange unregelmäßig ist, kann die Verschlechterung des Wirkungsgrades begrenzt werden. Wenn die Bedingung von r 2=-r 3 erfüllt ist, wird die Erzeugung einer Aberration minimal.

Beispiel 10

Fig. 45 zeigt ein zehntes Beispiel eines erfindungsgemäßen objektivförmigen optischen Systems. Konkrete numerische Konstruktionswerte sind in Tabelle 15 angegeben. Die Aberration dieses Aufbaus ist in Fig. 46 dargestellt. Da bei diesem Beispiel 10 die Dicke der Klebstoffschicht ebenfalls mitberücksichtigt wird, ist bezüglich der gekitteten Fläche für jede Linse eine Flächenzahl angegeben. Da die numerischen Werte für die Objektivlinse und das Deckglas der optischen Platte mit jenen des Beispiels 1 übereinstimmen, ist ihre Beschreibung in der folgenden Tabelle ausgelassen.

Tabelle 15

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

Fig. 47 zeigt die Aberration in dem Fall, in dem die Klebstoffschicht nicht vorgesehen ist. Aus den Fig. 46 und 47 erkennt man, daß verschiedene Aberrationen sich kaum ändern, ob nun eine Klebstoffschicht vorhanden ist oder nicht.

Beispiel 11

Fig. 48 zeigt ein elftes Beispiel eines optischen Systems, wobei die numerischen Werte der konkreten Konstruktion in Tabelle 16 angegeben sind. Fig. 49 zeigt die Aberration unter Berücksichtigung der Auswirkung der Klebstoffschicht.

Tabelle 16

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

Beispiel 12

Fig. 50 zeigt ein zwölftes Beispiel eines optischen Systems, wobei die numerischen Werte der konkreten Konstruktion in Tabelle 17 aufgeführt sind. Fig. 51 zeigt die Aberration unter Berücksichtigung der in dieser Konstruktion verwendeten Klebstoffschicht.

Tabelle 17

NA 0.55, f=3.30, ω=1.7

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde angenommen, daß eine mittlere Wellenlänge von 780 nm verwendet wird. Die Konstruktionen haben einen befriedigenden Wirkungsgrad bei dieser Wellenlänge. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf die vorstehend genannte Wellenlänge beschränkt, sondern kann auch auf andere Wellenlängenbereiche angewandt werden. Beispiele einer Kombination von Glasmaterialien, welche die obengenannten Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllen für Wellenlängen mit einer anderen Mittelwellenlänge als 780 nm sind folgende:

In den folgenden Beziehungen bezeichnet n _p den Brechungsindex einer positiven Linse, n _n den Brechungsindex einer negativen Linse und Δ n/Δλ den auf die jeweilige Wellenlänge bezogenen Änderungsgradienten des Brechungsindex jedes Glasmaterials.

⟨Wellenlängen von 830 nm⟩:
positive Linse LaSK02 (Ohara):
n₈₃₀=1.77419, Δ n/Δλ=-3.3×10^-5 nm^-1, n _d=1.78650, n _d=50.0,
negative Linse SFS54 (Minolta):
n₈₃₀=1.77372, Δ n/Δλ=-6.0×10^-5 nm^-1, n _d=1.79850, ν _d=22.6, n _p-n _n=47×10^-5, (Δ n _p/Δλ-Δ n _n/Δλ)×λ²=18.8 nm,
n₈₃₀: Brechungsindex bei der Wellenlänge von 830 nm.

⟨Wellenlänge von 670 nm⟩:
positive Linse LaF04 (Ohara):
n₆₇₀=1.75145, Δ n/Δλ=-5.6×10^-5 nm^-1, n _d=1.75700, ν _d=47.8.
negative Linse SFL14 (Ohara):
n₆₇₀=1.75224, Δ n/Δλ=-9.4×10^-5 nm^-1, n _d=1.76182, ν _d=26.5, n _p-n _n=79×10^-5, (Δ n _p/Δλ-Δ n _n/Δλ)×λ²=17.0 nm,
n₆₇₀: Brechungsindex bei der Wellenlänge von 670 nm.

⟨Wellenlänge von 532 nm⟩:
positive Linse LaSK01 (Ohara):
n₅₃₂=1.75979, Δ n/Δλ=-10.0×10^-5 nm^-1, n _d=1.75500, n _d=52.3.
negative Linse SFS53 (Minolta):
n₅₃₂=1.75986, Δ n/Δλ=-21.1×10^-5 nm^-1, n _d=1.75000, ν _d=25.1, n _p-n _n=7×10^-5, (Δ n _p/Δλ-Δ n _n/Δλ)×λ²=31.3 nm,
n₅₃₂: Brechungsindex bei der Wellenlänge von 532 nm.

Die folgende Tabelle 18 zeigt die Beziehung zwischen jeder Ausführungsform und Bedienungsbeziehung.

Tabelle 18

Die oben beschriebenen optischen Systeme sind so gestaltet, daß sie den Effekt der chromatischen Aberration reduzieren. Es ist jedoch möglich, ein optisches System zu entwerfen, das die Veränderung der Lage des Konvergenzpunktes auf Grund der chromatischen Aberration positiv nutzt. In diesem Fall kann die Änderung der Lage des Konvergenzpunktes zur Servounterstützung der Fokussierung statt zur Verstellung der Objektivlinse verwendet werden.

An Stelle einer Änderung der Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle wird die Lage des Konvergenzpunktes verändert. Wenn daher eine Defokussierung festgestellt wird, regelt die Steuerschaltung für die Lichtquelle die Wellenlänge des Lichtes so, daß der Betrag der Defokussierung durch einen Betrag der Änderung der Lage des Konvergenzpunktes kompensiert wird.

Insbesondere wenn das optische System so aufgebaut ist, daß eine Beziehung zwischen dem Änderungsbetrag der Lage des Konvergenzpunktes und der Verschiebung der Wellenlänge linear ist, ist die Steuerung der Wellenlänge einfach.

Claims

1. Optisches System eines Gerätes zur optischen Informationsaufzeichnung und -wiedergabe, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (10) zum Aussenden eines im wesentlichen parallelen Lichtstrahles, eine Objektivlinse (21) zum Fokussieren des von der Lichtquelle (10) ausgesandten Lichtstrahles auf ein Medium (OD), einen Strahlteiler zum Abspalten des von dem Medium (OD) reflektierten Lichtstrahles von dem zur Lichtquelle (10) gerichteten Lichtweg und zum Leiten des Lichtstrahles zu einem Lichtempfangssystem (40), ein Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration, wobei das Korrekturelement (23) praktisch keine Brechkraft hat und zwischen der Objektivlinse (21) und dem Strahlteiler (3) angeordnet und dazu bestimmt ist, eine chromatische Aberration der Objektivlinse (21) zu korrigieren, und eine Stelleinrichtung zur unabhängigen Verstellung der Objektivlinse (21) zumindest in Richtung ihrer optischen Achse.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung die Objektivlinse (21) unabhängig in Richtung ihrer optischen Achse und in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung verstellt.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch einen Kopf (50), der relativ zu dem Medium (OD) bewegbar ist und in dem die Objektivlinse (21) und das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration angeordnet sind.

4. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch einen Kopf (50), der relativ zu dem Medium (OD) bewegbar ist und in dem die Objektivlinse (21) angeordnet ist, während das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration außerhalb des Kopfes (50) angeordnet ist.

5. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch einen Kopf (50), der relativ zu dem Medium (OD) bewegbar ist und in dem die Lichtquelle (10), die Objektivlinse (21), das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration, das Lichtempfangssystem (40) und der Strahlteiler (3) angeordnet sind.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Flächen der Objektivlinse (21) die Form konvexer asphärischer Flächen haben, deren Krümmungsradius vom Flächenmittelpunkt nach außen zum Rand hin zunimmt, wobei die Krümmungsradien so gewählt sind, daß die Fläche mit dem kleineren Krümmungsradius in Richtung zur Lichtquelle (10) hinweist.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse eine Hologrammlinse ist.

8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (21) und das Korrekturelement (23) zur chromatischen Aberration unabhängig voneinander bezüglich der von der chromatischen Aberration verschiedenen anderen Aberrationen korrigiert werden.

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration eine positive Linse und eine negative Linse umfaßt, die miteinander verkittet sind, wobei jede Endfläche des Korrekturelementes im wesentlichen eben ist und die folgende Beziehung erfüllt: |n _p - n _n| × 10⁵ < 300,wobei der Brechungsindex bei der verwendeten zentralen Wellenlänge für die positive Linse mit n _p und für die negative Linse mit n _n bezeichnet ist.

10. Optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt: (n _{p 780} - 1) (1 - ν _{n 780}/ν _{p 780}) < 0,2,wobei die verwendeten Symbole folgendes bedeuten:
n _{n 780}, n _{n 830}: Brechungsindex einer negativen Linse bei den Wellenlängen 780 nm und 830 nm,
n _{p 780}, n _{p 830}: Brechungsindex einer positiven Linse bei Wellenlängen von 780 nm und 830 nm,
ν _{n 780}: Dispersion einer negativen Linse in dem Bereich einer Wellenlänge von 780 nm, wobei gilt n _{n 780}=n _{n 780}/(n _{n 780}-n _{n 830}),
ν _{p 780}: Dispersion einer positiven Linse in dem Bereich einer Wellenlänge von 780 nm, wobei gilt ν _{p 780}=n _{p 780}/(n _{p 780}-n _{p 830}).

11. Optisches System nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration folgende Beziehung erfüllt: ((Δ n _p/Δλ) - (Δ n _n/Δλ)) × λ² < 9,0 nm,wobei Δ n _p/Δλ einen Gradienten des Brechungsindex einer positiven Linse bezogen auf eine Wellenlänge und Δ n _n/Δλ den Gradienten des Brechungsindex einer negativen Linse bezüglich einer Wellenlänge bezeichnen.

12. Optisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt: |f _p/f _o| < 0,01,wobei die Brennweite der positiven Linse mit f _p und die Brennweite der gesamten Anordnung durch f _o bezeichnet ist.

13. Optisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgenden Beziehungen erfüllt: |r _o/r _m| < 5,
|r₁/f| < 7,
|r₃/f| < 7;dabei bezeichnen:
r _m: den Krümmungsradius der gekitteten Fläche,
r _o: den Krümmungsradius der nicht gekitteten Fläche einer positiven Linse,
r₁: den Krümmungsradius der Lichteinfallsfläche,
r₃: den Krümmungsradius der Lichtaustrittsfläche,
f: die Brennweite des gesamten optischen Systems.

14. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement (23) zur Korrektur der chromatischen Aberration aus drei miteinander verkitteten Linsen besteht, von denen die erste und die dritte Linse eine Brechkraft derselben Polarität haben und die zweite Linse eine von der ersten und dritten Linse verschiedene Brechkraft hat, wobei die Einfallsendfläche und die Austrittsendfläche von im wesentlichen ebenen Fläche gebildet sind und wobei das Korrekturelement die folgenden Bedingungen erfüllt: |n₁ - n₂| × 10⁵ < 300,
|n₂ - n₃| × 10⁵ < 300,in denen der Brechungsindex der ersten Linse für die verwendete zentrale Wellenlänge durch n₁, der Brechungsindex der zweiten Linse durch n₂ und der Brechungsindex der dritten Linse durch n₃ bezeichnet wird.

15. Optisches System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt: in der der Brechungsindex der ersten Linse bei der verwendeten zentralen Wellenlänge durch n₁, der Brechungsindex der zweiten Linse durch n₂, ein Brechungsindex der dritten Linse durch n₃ und der Änderungsgradient der Brechungsindex der i-ten Linse bezogen auf die Wellenlänge, durch Δ n _i/Δλ bezeichnet wird.

16. Optisches System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt n₁ = n₃,wobei n₁ den Brechungsindex der ersten Linse bei der verwendeten zentralen Wellenlänge und n₃ den Brechungsindex der dritten Linse bezeichnen.

17. Optisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgenden Beziehungen erfüllt: |r₁/f| < 7,
|r₄/f| < 7,wobei r₁, r₄ den Krümmungsradius der Einfallsfläche bzw. der Austrittsfläche und f die Brennweite des gesamten optischen Systems bezeichnen.

18. Optisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt: -1,25 < r₃/r₂ < -0,8,wobei r₂ den Krümmungsradius der gekitteten Flächen zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse und r₃ den Krümmungsradius der gekitteten Flächen zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse bezeichnet.

19. Optisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement zur Korrektur der chromatischen Aberration die folgende Beziehung erfüllt: r₂ = -r₃,wobei r₂ den Krümmungsradius der gekitteten Flächen zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse und r₃ den Krümmungsradius der gekitteten Flächen zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse bezeichnen.