DE4122709A1 - Optisches system fuer polarisiertes licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für polari­ siertes Licht mit einer Lichtquelle, die polarisiertes Licht aussendet, und mindestens einem doppelbrechenden optischen Element, durch das der von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrahl hindurchtritt.

Typische Beispiele für optische Systeme für polarisier­ tes Licht, d. h. optische Systeme, die polarisiertes Licht verwenden, sind im Stand der Technik magnetoopti­ sche Platteneinrichtungen zum Aufzeichnen und Wiederge­ ben von Information auf magnetooptischen Platten.

In derartigen optischen Systemen wird ein Signal da­ durch gelesen, daß man eine geringfügige Drehung der Polarisationsrichtung als Änderung der optischen Inten­ sität aufgrund des magnetooptischen Kerr-Effektes er­ faßt, wenn ein Laserstrahl von der Plattenoberfläche reflektiert wird. Der verwendete Laserstrahl ist linear polarisiert, da für einen solchen Strahl eine Änderung der Polarisationsrichtung am leichtesten zu erfassen ist.

Wenn jedoch in einem solchen System die verwendeten Linsen oder anderen optischen Systeme ebenfalls den Po­ larisationszustand des Laserstrahles verändern, kann möglicherweise die lineare Polarisation zu einer ellip­ tischen Polarisation werden. Dies schwächt das Signal und führt zu Fehlern, wenn das Signal gelesen wird.

Im allgemeinen besitzen Kunststofflinsen ähnlich wie Kristalle die Eigenschaft der Doppelbrechung und ändern den Polarisationszustand eines Laserstrahles. Die in magnetooptischen Platteneinrichtungen verwendeten Lin­ sen bestehen daher üblicherweise aus Glas.

Glaslinsen sind allerdings schwerer als Kunststofflin­ sen, und es ist schwierig, ihnen eine asphärische Form zu geben. Sie haben daher Abbildungsfehler, die nur durch eine steigende Anzahl von Korrekturlinsen korri­ giert werden können. Dadurch erhöht sich die Belastung für eine Stellvorrichtung zum Verstellen des jeweiligen Objektivs.

Die Linsen oder Objektive, die in optischen Plattenein­ richtungen verwendet werden, müssen mit hohen Frequen­ zen fokussiert und auf die jeweiligen Spuren einge­ stellt werden. Daher ist es wesentlich, daß diese Ein­ richtungen kompakt und leicht ausgebildet sind, um die Belastung für die Stellvorrichtung zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs genannten Art anzugeben, in dem trotz der Verwendung von doppelbrechenden Kunststoff­ linsen der Polarisationszustand des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahles nicht verändert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polarisation des Lichtstrahles der Lichtquelle mit der natürlichen Polarisation des optischen Elementes in Übereinstimmung gebracht wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung fällt die Polarisation des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahles prak­ tisch mit der natürlichen Polarisation des optischen Elementes zusammen, wenn der Strahl auf das doppelbre­ chende optische Element auffällt, so daß die Doppelbre­ chung praktisch keine Auswirkung hat, wenn der Strahl gebündelt wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin­ dung mit der beigefügten Zeichnung die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Einrichtung eines Ausfüh­ rungsbeispieles einer magnetooptischen Platteneinrich­ tung.

Zunächst soll näher auf das Prinzip der Erfindung ein­ gegangen werden. In der folgenden Beschreibung wird die Polarisationswirkung des optischen Elementes als Matrix betrachtet.

Da Glaselemente keine Doppelbrechung zeigen, kann eine optisch parallele Platte als Einheitsmatrix betrachtet werden. Für eine Linse mit gekrümmten Oberflächen vari­ iert der Winkel der Linsenfläche bezüglich des einfal­ lenden Strahles in Abhängigkeit der Einfallkoordinaten. Daher ändert sich auch die Polarisation des einfallen­ den Lichtes.

Kunststoffelemente haben jedoch von Haus aus die Eigen­ schaft der Doppelbrechung, und ihre Auswirkung auf den durchtretenden Lichtstrahl kann selbst im Falle paral­ leler Flächen nicht als Einheitsmatrix betrachtet wer­ den. Darüber hinaus tritt auch bei einer Kunststofflin­ se ein Effekt aufgrund der Linsenform auf.

Die Ausbreitungsrichtung der Wellenfront des Licht­ strahles sei die z-Achse und die x-y-Koordinatenachsen seien zur z-Achse senkrecht. Licht ist eine Art von elektromagnetischer Strahlung, welche den Maxwellschen Gleichungen genügt. Sein elektrischer Vektor kann auf­ gespalten werden in zwei zueinander senkrechte Kompo­ nenten x und y, so daß gilt:

Px=ax · exp{i(ωt-2πz/λ+δx)}

Py=ay · exp{i(ωt-2πz/λ+δy)}

wobei ω die Winkelfrequenz, λ die Wellenlänge und δx, δy die Anfangsphasen bezeichnen.

Die beiden Komponenten der vorstehend genannten Glei­ chungen können als komplexer Ausdruck P dargestellt werden, der als Jones-Vektor bekannt ist:

Die Änderung der Polarisation, die durch eine Reihe von optischen Elementen hervorgerufen wird, kann ermittelt werden, indem man die einfallenden Vektoren als Jones- Vektoren darstellt und die Jones-Matrizen addiert, wel­ che die Auswirkung jedes Elementes in der Reihe dar­ stellen. In diesem Falle werden eine Matrix B, welche den Einfluß oder die Einwirkung eines gegebenen opti­ schen Elementes darstellt, und das einfallende Licht Pi folgendermaßen definiert:

Wenn das einfallende Licht vollständig polarisiertes Licht ist, kann der austretende Lichtstrahl Po durch die oben genannte Gleichung wiedergegeben werden. Wenn die Jones-Matrix für Licht, welches durch die Pupillen­ koordinaten u, v hindurchgetreten ist, wiedergegeben wird durch:

dann gilt für den Polarisationszustand des Lichtstrah­ les am Bildpunkt:

Wenn wir schreiben:

∫bmn(u,v)dudv = Cmn

dann kann die obige Gleichung folgendermaßen geschrie­ ben werden:

Das bedeutet, daß die von den optischen Elementen her­ rührende Wirkung auf das polarisierte Licht selbst im Bildpunkt durch eine Jones-Matrix wiedergegeben werden kann.

Optische Elemente, deren Polarisationseigenschaften durch eine quadratische Matrix dargestellt werden kön­ nen, müssen mindestens einen Satz natürlicher Werte und natürlicher Vektoren haben. Wenn wir einen natürlichen Wert von C als k und den zugehörigen natürlichen Vektor als α in der folgenden Weise definieren, können wir schreiben C = kα mit

Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich, daß beim Einfall eines Lichtstrahles mit einem Polarisationszu­ stand α auf das optische System der Polarisationszu­ stand des am Bildpunkt austretenden Lichtstrahles sich gegenüber dem Polarisationszustand zum Zeitpunkt des Einfalles nicht geändert hat. Dies rührt von der natür­ lichen Polarisation der doppelbrechenden optischen Ele­ mente her.

Indem man also dafür sorgt, daß die Polarisation des einfallenden Lichtstrahles der natürlichen Polarisation des optischen Elementes entspricht, kann man eine Ände­ rung des Polarisationszustandes zumindest im Bildpunkt verhindern.

Im folgenden soll nun ein Ausführungsbeispiel beschrie­ ben werden, welches das Verfahren erläutert, um die Po­ larisation des einfallenden Strahles und die natürliche Polarisation des optischen Systems entsprechend dem oben beschriebenen Prinzip miteinander in Übereinstim­ mung zu bringen.

Das in der Figur dargestellte optische System der Vor­ richtung umfaßt eine Lichtquelle 10, ein Objektivsystem 20, einen Prismenblock 30 und ein Signaldetektorsystem 40. Die Lichtquelle 10 umfaßt einen Halbleiterlaser 11, der einen divergenten Lichtstrahl mit linear polari­ siertem Licht erzeugt, einen Kollimator 12, der das divergente Bündel parallel richtet, zwei Anamorphot- Prismen 13, 14, welche den Lichtstrahlquerschnitt formen, und einen Spiegel 15. Dieser sendet einen parallelen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt aus.

Das Objektivsystem 20 umfaßt ein Objektiv 21, welches den Strahl auf die Signalaufzeichnungsfläche einer ma­ gnetooptischen Platte MOD bündelt, sowie einen Spiegel 22. Das Objektiv 21 und der Spiegel 22 sind in einem nicht dargestellten Kopf angeordnet, welcher in radia­ ler Richtung X der magnetooptischen Platte MOD ver­ stellbar ist. Ferner ist das Objektiv 21 an einer Stellvorrichtung angeordnet, die in dem Kopf angeordnet ist und das Objektiv in seiner axialen Richtung Z sowie in radialer Richtung X der Platte verstellt.

Das Objektiv 21 besteht aus Kunststofflinsen, um durch ein geringes Gewicht die Belastung für die Stellvor­ richtung zu verringern.

Der Lichtstrahl von der Lichtquelle 10 wird teilweise von der zweiten Halbspiegelfläche 31b reflektiert und durch eine Kondensorlinse 34 auf einen Fotodetektor 35 fokussiert zur automatischen Leistungskontrolle des Halbleiterlasers 11.

Andererseits wird der von der Platte reflektierte Lichtstrahl ebenfalls an der zweiten Halbspiegelfläche 31b reflektiert, und seine Polarisationsrichtung wird durch eine Halbwellenplatte 32 um 45° gedreht. An­ schließend wird er durch einen zweiten Prismenblock 33 in zwei polarisierte Komponenten P und S aufgeteilt, die durch Kondensorlinsen 41a, 41b auf Fotodetektoren 42a, 42b zum Erfassen der magnetisch aufgezeichneten Signale fokussiert werden.

Die Polarisationsrichtung des auf die magnetooptische Platte MOD auffallenden Laserlichtes wird durch den ma­ gnetooptischen Kerr-Effekt bezüglich der Magnetisie­ rungsrichtung der Platte gedreht, wo der Punkt auf­ trifft. Durch Drehung der Polarisationsrichtung des re­ sultierenden Lichtstrahles um 45° und durch Trennung desselben in zwei Komponenten P und S, die von getrenn­ ten Fotodetektoren erfaßt werden, kann daher die auf der Platte aufgezeichnete Information aus der Differenz der Signalintensitäten gelesen werden.

Ein anderer Teil des von der Platte reflektierten Lich­ tes wird durch eine erste Halbspiegelfläche 31a reflek­ tiert und durch eine Kondensorlinse 43 und eine Zylin­ derlinse 44 auf einen Fotodetektor 45 zur Fehlererfas­ sung fokussiert. Eine in der Figur nicht dargestellte Fehlerdetektorschaltung erzeugt Fokussierungsfehlersi­ gnale und Spurfehlersignale aus den Ausgangssignalen des Fotodetektors 45. Eine Treiberschaltung bewegt das Objektiv 21 aufgrund dieser Signale.

Im vorliegenden Beispiel besteht das Objektiv 21 aus Kunststofflinsen. Da diese doppelbrechend sind, können sie den Polarisierungszustand des Lichtes ändern. Die Vektoren der natürlichen Polarisation des Objektivs 21 werden daher zunächst gemessen. Anschließend wird das Objektiv um die optische Achse so gedreht, daß diese Vektoren mit jenen des von der Lichtquelle 10 kommenden Lichtstrahles übereinstimmen. Bei einer tatsächlichen Ausführungsform werden die Ausgangssignale der Fotode­ tektoren 42a, 42b überwacht. Das Objektiv 21 wird in einer Stellung fixiert, in der das Differenzsignal am größten ist.

Auf diese Weise kann der dynamische Bereich des Diffe­ renzsignals, das von den Unterschieden in der Magneti­ sierungsrichtung der Platte herrührt, vergrößert wer­ den, ohne daß der Fleck auf der magnetooptischen Platte aufgrund von Doppelbrechung beeinträchtigt wird.

Wenn ferner der Kollimator oder andere optische Elemen­ te ebenfalls eine Doppelbrechung zeigen wie das Objek­ tiv, kann derselbe Effekt durch Drehung dieser Linsen um ihre jeweilige optische Achse erhalten werden.

Im obigen Ausführungsbeispiel wurde ein Fall beschrie­ ben, bei dem die natürliche Polarisation der optischen Elemente mit der Polarisation des einfallenden Licht­ strahles in Übereinstimmung gebracht wurde. Wie durch gestrichelte Linien in der Figur angedeutet wurde, kann jedoch auch eine Wellenplatte wie beispielsweise eine Halbwellenplatte ein Azimuthrotator oder Polarisator in den optischen Weg zwischen dem Prisma 30 und dem Spie­ gel 22 eingesetzt werden, um den Polarisationszustand des austretenden Lichtstrahles zu verändern. Durch Dre­ hung dieser polarisierenden Elemente um die optische Achse kann der Polarisationszustand des Lichtstrahles wiederum in Übereinstimmung mit der natürlichen Polari­ sation der doppelbrechenden optischen Elemente gebracht werden.

Es ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, daß gemäß der vorliegenden Erfindung Polarisationsanomalien am Bildpunkt selbst in dem Fall eliminiert werden kön­ nen, in dem doppelbrechende Kunststofflinsen verwendet werden. Anomalien im Lichtverteilungsmuster können somit vermieden werden.

Claims (11)

1. Optisches System für polarisiertes Licht mit einer Lichtquelle (10), die polarisiertes Licht aussen­ det, und mindestens einem doppelbrechenden opti­ schen Element (21), durch das der von der Licht­ quelle (10) ausgehende Lichtstrahl hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation des Lichtstrahles der Lichtquelle (10) mit der natür­ lichen Polarisation des optischen Elementes (21) in Übereinstimmung gebracht wird.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (10) linear polari­ siertes Licht aussendet.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (21) frei um die optische Achse drehbar sind, um die Polarisation des einfallenden Lichtes in Überein­ stimmung mit der natürlichen Polarisation dieser Elemente zu bringen.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (21) Kunststofflinsen umfassen.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisierendes Element zwischen der Lichtquelle (10) und dem op­ tischen Element (21) angeordnet ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das polarisierende Element (16) um seine optische Achse frei drehbar ist, um die Polarisation des einfallenden Lichtes mit der natürlichen Polarisation des optischen Elementes (21) in Übereinstimmung zu bringen.

7. Optisches System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Element (16) eine Halbwellenplatte ist.

8. Optisches System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Element (16) ein Azimuthrotator ist.

9. Optisches System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Element (16) ein Polarisator ist.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (21) derartig angeordnet ist, daß der Polarisati­ onsvektor des von der Lichtquelle (10) ausgesand­ ten Lichtes mit dem Vektor der natürlichen Polari­ sation des optischen Elementes zusammenfällt.

11. Vorrichtung zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Information auf eine bzw. von einer magnetoopti­ schen Platte MOD, gekennzeichnet durch ein opti­ sches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das optische Element (21) das von der Licht­ quelle (10) ausgesandte Licht auf die magnetoopti­ sche Platte MOD fokussiert.