DE60314247T2 - Zusammengesetzte objektivlinse mit umlenkungsspiegel - Google Patents

Zusammengesetzte objektivlinse mit umlenkungsspiegel Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft optische Systeme, die eine Kombination aus Objektivlinse und Umlenkspiegel umfassen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine derartige Linse in einer optischen Abtasteinrichtung zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger mit Hilfe einer eingebauten Strahlungsquelle.
  • Es ist wünschenswert, die Größe optischer Abtasteinrichtungen zur Verwendung z. B. in tragbaren Geräten zu verringern. Die Größe einer Einrichtung kann durch Verringern der Bauhöhe des optischen Systems reduziert werden. Ein typisches optisches System in einer optischen Abtasteinrichtung umfasst eine Objektivlinse, bei der es sich um eine einzelne Linse oder eine zusammengesetzte, d. h. aus mehreren Elementen bestehende, Linse handeln kann, und einen Umlenkspiegel. Die Bauhöhe ist durch die Gesamthöhe der Objektivlinse und durch die Höhe des Umlenkspiegels bestimmt. In einer typischen optischen Abtasteinrichtung ist die Höhe des Umlenkspiegels größer als der Durchmesser der Eingangspupille.
  • Das US-Patent Nr. 5,432,763 beschreibt eine Kombination aus Einlinsenobjektiv und Umlenkspiegel, deren Bauhöhe verringert ist. Eine weitere derartige Linse ist in der Patentschrift DE-A-19654388 beschrieben.
  • Bei Systemen mit relativ hoher numerischer Apertur (NA), d. h. NA > 0,65, ist es wünschenswert, die Herstellungstoleranzen mittels eines Zweielementobjektivs auf ein akzeptables Niveau abzuschwächen.
  • Das US-Patent Nr. 6,058,095 beschreibt Zweielementobjektive mit hoher NA ohne einen kombinierten Umlenkspiegel. Eine der Eigenschaften dieser Gestaltungsformen besteht darin, dass die Brennweite F1 des ersten, der Strahlungsquelle zugewandten Elements und die Gesamtbrennweite F des Gesamtsystems die folgende Beziehung erfüllen:
    Figure 00010001
  • Die japanische Patentanmeldung JP-A-08201698 beschreibt eine Kombination aus Linsenelement und Umlenkspiegel. Der Umlenkspiegel hat die Form einer gekrümmten Oberfläche und das Element soll die Feldkrümmung kompensieren. Das Element wird in Verbindung mit einer Objektivlinse mit NA = 0,55 verwendet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zusammengesetzte Objektivlinse geschaffen, die ein erstes Linsenelement und ein zweites Linsenelement umfasst, wobei das erste Element eine Spiegeloberfläche zum internen Umlenken eines das erste Element durchlaufenden Strahlenbündels umfasst, die Objektivlinse eine numerische Apertur von über 0,65 hat und für das Verhältnis zwischen der Brennweite F1 des ersten Elements und der Brennweite F der Objektivlinse die folgende Beziehung gilt:
    Figure 00020001
  • Die vorliegende Erfindung schafft Mehrelementobjektive, welche das Integrieren eines Umlenkspiegels in ein Element ermöglichen, um die Bauhöhe einer optischen Abtasteinrichtung mit einem derartigen Objektiv zu verringern, während sie Dezentrieren des zweiten Elements zulassen und ein nennenswertes Betriebsleistungsvermögen haben.
  • Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden eingehenderen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung von Bauteilen einer optischen Abtasteinrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind; und
  • 2 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Objektivlinsensystems.
  • 1 zeigt Bauteile einer optischen Abtasteinrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine zusammengesetzte Zweielementlinse in einem optischen Kopf zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers 2 verwendet wird.
  • Der Aufzeichnungsträger 2 hat die Form einer optischen Platte mit einer transparenten Schicht, auf deren einer Seite mindestens eine Informationsschicht angeordnet ist. Die der transparenten Schicht abgewandte Seite der Informationsschicht ist durch eine Schutzschicht vor Umgebungseinflüssen geschützt. Die der Einrichtung zugewandte Seite der transparenten Schicht wird als Eintrittsfläche bezeichnet. Die transparente Schicht fungiert als Substrat des Aufzeichnungsträgers, indem sie die mechanische Grundlage für die Informationsschicht(en) bildet. Alternativ kann die transparente Schicht die alleinige Funktion des Schutzes der Informationsschicht(en) haben, während die mechanische Grundlage durch eine Schicht auf der anderen Seite der Informationsschicht(en) gebildet wird, z. B. durch die Schutzschicht. Informationen können in der (bzw. den) Informationsschicht(en) des Aufzeichnungsträgers in Form optisch erkennbarer Markierungen gespeichert werden, die in im Wesentlichen parallel, konzentrisch oder spiralförmig verlaufenden Spuren angeordnet sind. Die Markierungen können in einer optisch lesbaren Form, z. B. in Form von Vertiefungen oder Bereichen mit einem Reflexionskoeffizienten oder einer Magnetisierungsrichtung, der bzw. die sich von den jeweiligen Umgebungen unterscheiden, oder in einer Kombination dieser Formen vorliegen.
  • Die Abtasteinrichtung umfasst eine Quelle linear polarisierter Strahlung in Form eines Halbleiterlasers 4, der ein Strahlenbündel 6 emittiert. Das Strahlenbündel wird zum Abtasten der Informationsschicht(en) des optischen Aufzeichnungsträgers 2 verwendet. Ein polarisierender Strahlteilerspiegel 8 überträgt das divergierende Strahlenbündel 6 auf dem optischen Weg zu einer Kollimatorlinse 10, die das divergierende Strahlenbündel 6 in ein kollimiertes Strahlenbündel 12 umwandelt. Das Strahlenbündel 12 wird durch eine Viertelwellenplatte 14 geleitet, die die Strahlung in ein zirkular polarisiertes Strahlenbündel umwandelt. Eine Blendenöffnung 16 definiert eine Eintrittspupille D1 (siehe 2) eines Objektivlinsensystems 18, 22. Das Objektivlinsensystem kann zwei oder mehrere Linsen und/oder ein Gitter umfassen. Das Objektivsystem in 1 besteht in diesem Beispiel aus zwei Elementen, einer ersten Linse 18 und einer zweiten Linse 22, die zwischen der ersten Linse 18 und der Position des Aufzeichnungsträgers 2 angeordnet ist. Das erste Linsenelement reflektiert das Strahlenbündel mittels eines internen Umlenkspiegels 28 in einem Winkel von 90°, weist eine verspiegelte äußere Oberfläche auf und ändert das kollimierte Strahlenbündel 12 in ein konvergierendes Strahlenbündel 20, das auf das zweite Linsenelement 22 auftrifft, und das zweite Linsenelement 22 transformiert das Strahlenbündel in ein noch stärker konvergiertes Strahlenbündel, das auf die Eintrittsfläche des Aufzeichnungsträgers 2 auftrifft. Das stark konvergierende Strahlenbündel bildet einen Punkt 24 auf der gegenwärtig abgetasteten Informationsschicht.
  • Die von der Informationsschicht reflektierte Strahlung bildet ein divergierendes, zirkular polarisiertes Strahlenbündel, das durch das Objektivsystem 18, 22 in ein im Wesentlichen kollimiertes Strahlenbündel transformiert wird. Die Viertelwellenplatte 14 transformiert das Strahlenbündel so, dass dieses ein linear polarisiertes Strahlenbündel bildet, das eine zum ursprünglich emittierten Strahlenbündel orthogonal verlaufende Polarisation aufweist. Das Strahlenbündel wird durch die Kollimatorlinse gebrochen, um ein konvergierendes Strahlenbündel zu bilden. Der Strahlteiler 8 trennt das einfallende und das reflektierte Strahlenbündel, indem er den größten Teil des konvergierenden Strahlenbündels zu einem Detektionssystem 26 durchlässt. Das Detektionssystem erfasst die Strahlung und wandelt sie in elektrische Ausgangssignale 26 um, die durch Signalverarbeitungsschaltungen verarbeitet werden. Eines der Signale bildet ein Informationssignal, dessen Wert die von der Informationsschicht gelesene Information repräsentiert, ein Brennpunktfehlersignal und ein Radialfehlersignal.
  • 2 stellt das Zweielementobjektiv 18, 22 in detaillierter Querschnittansicht dar. Die zusammengesetzte Linse 18, 22 hat eine relativ hohe numerische Apertur, und zwar eine numerische Apertur über 0,65. Noch bevorzugter hat die zusammengesetzte Linse 18, 22 eine numerische Apertur von über 0,8.
  • Das erste Linsenelement 18 kann aus einem einteilig formgepressten Kunststoffmaterial gebildet sein. Das Element 18 umfasst eine erste Linsenoberfläche 30, die auf eine erste optische Achse 31 zentriert ist, und eine zweite Linsensoberfläche 32, die auf eine zweite optische Achse 33 zentriert ist. Die erste und zweite optische Achse sind senkrecht zueinander angeordnet. Eine ebene Spiegeloberfläche 28 ist in einem Winkel von 45° zu jeder der ersten und zweiten optischen Achsen angeordnet und fällt mit dem Punkt zusammen, an dem sich die beiden optischen Achsen kreuzen. Das erste Linsenelement 18 hat einen Brechungsindex n1 und das Strahlenbündel innerhalb des ersten Elements hat eine numerische Apertur von NA1.
  • Die Eintrittspupille ist in 2 als Abstand D1 gezeigt. Der Radius des Strahlenbündels am Austritt des ersten Elements 18 an der zweiten Linsenoberfläche 32 ist in 2 als Abstand D2 gezeigt. Der axiale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der ersten Linsenoberfläche 30 und dem Kreuzungspunkt der zwei optischen Achsen ist in 2 als Abstand d1 gezeigt. Der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der zweiten Linsenoberfläche 32 und dem Kreuzungspunkt der zwei optischen Achsen ist in 2 als Abstand d2 gezeigt. Der kürzeste Abstand zwischen der ersten Linsenoberfläche 30 und der Eintrittsfläche des Ortes der Platte 2, parallel zur ersten optischen Achse 31 gemessen, ist in 2 als Abstand d3 gezeigt. Der weiteste Abstand zwischen der zweiten Linsenoberfläche 32 und der Eintrittsfläche der Platte, parallel zur zweiten optischen Achse 32 gemessen, ist in 2 als Abstand d4 gezeigt. Die erste Linsenoberfläche 30 ist rotationssymmetrisch zur ersten optischen Achse und hat einen Krümmungsradius R1. Die erste Linsenoberfläche 30 umfasst vorzugsweise ein physikalisches Merkmal zur Definition der Eintrittspupille D, der Linse 18, wie z. B. eine Unterbrechung in ihrem Querschnitt und/oder eine lichtundurchlässige ringförmige Abdeckung, die als Aperturblende 16 fungiert.
  • Die Durchbiegung der ersten Linsenoberfläche an der Eintrittspupille, sag1, und zwar der axiale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der ersten Linsenoberfläche 30 und der Eintrittspupille der Linse, gemessen vom Scheitelpunkt der Linse in Richtung der von der Strahlungsquelle aus in die Linse einfallenden Strahlen, hat im Allgemeinen einen positiven Wert, kann jedoch auch null sein oder einen negativen Wert haben.
  • Die zweite Linsenoberfläche 32 ist rotationssymmetrisch zur zweiten optischen Achse und hat einen Krümmungsradius R2. Die Durchbiegung der zweiten Linsenoberfläche am Radius des austretenden Strahlenbündels, sag2, und zwar der axiale Abstand zu dem Punkt, an dem am weitesten außen liegende Strahlen – diejenigen, die mit der Eintrittspupille der Linse zusammenfallen – aus dem Linsenelement 18 austreten, gemessen vom Scheitelpunkt der Linse in entgegengesetzter Richtung zu den von der Strahlungsquelle aus die Linse durchlaufenden Strahlen, hat im Allgemeinen einen positiven Wert, kann jedoch auch null sein oder einen negativen Wert haben.
  • Das zweite Linsenelement 22 ist ein plan-konvexes Linsenelement und kann aus einem einteilig formgepressten Kunststoffmaterial gebildet sein. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass das zweite Linsenelement auch konvex-konvex oder konvex-konkav gestaltet sein kann. Das zweite Linsenelement 22 hat einen Brechungsindex n2 und das Strahlenbündel innerhalb der zweiten Linse hat eine numerische Apertur von NA2 innerhalb des zweiten Linsenelements.
  • Die Zweielementobjektivlinse 18, 22, welche das Integrieren eines Umlenkspiegels in das erste Element ermöglicht, das Dezentrieren des zweiten Elements des der Platte zugewandten Objektivs zulässt und ein nennenswertes Betriebsleistungsvermögen hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite F1 des ersten, der Strahlungsquelle zugewandten Elements und die Brennweite F des Gesamtsystems die folgende Beziehung erfüllen:
    Figure 00050001
  • Vorzugsweise gilt auch die folgende Beziehung, um mittels des ersten Elements den Vorteil verbesserter Herstellungstoleranzen zu bieten:
    Figure 00060001
  • Zur Verbesserung des Leistungsvermögens entsprechen die Dickenmaße d1 und d2 des ersten Elements 18 den Beziehungen:
    Figure 00060002
  • Zur Verbesserung bei der Verringerung der Bauhöhe entsprechen des Weiteren die zum ersten Element 18 gehörenden Abstände d3 und d4 der Beziehung: d3 < d4 (7)
  • Das Verhältnis der Brennweite F1 des ersten Linsenelements zu den Krümmungsradien R1, R2 der ersten und zweiten Linsenoberfläche 30, 32 entspricht der folgenden Beziehung:
    Figure 00060003
  • Die Vorzeichenkonvention wurde so gewählt, dass, wenn die beiden Oberflächen konvex sind (gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform), der Radius R1 der ersten Oberfläche 30 positiv ist, während der Radius R2 der zweiten Oberfläche 32 negativ ist.
  • Die Brennweite F des Gesamtsystems ist durch die folgende Beziehung gegeben: F = D1/NA (9)wobei NA die numerische Apertur der gesamten Objektivlinse 18, 22 ist.
  • Die folgende Tabelle 1 enthält Eigenschaften von neun unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen ersten Linsenelements. Die numerische Apertur dieser Beispiele beträgt 0,85 und das Strahlenbündel hat eine Wellenlänge von 405 nm. Die Deckschicht der Platte hat eine Dicke von 0,1 mm und besteht aus Polycarbonat (Brechungsindex 1,662). Tabelle 2 enthält weitere detaillierte Eigenschaften zu den Beispielen.
  • Bei den Gestaltungsformen eins bis acht besteht das erste Element 18 aus PMMA (Brechungsindex 1,506) und das zweite Element 22 aus Polycarbonat (Brechungsindex 1,622). Bei der Gestaltungsform neun bestehen beide Elemente aus COC (Brechungs index 1,550). Die Eintrittsoberfläche des zweiten Elements 22 ist asphärisch, während die Austrittsoberfläche in allen Beispielen eben ist. Der Abstand zwischen dieser ebenen Frontfacette und der Platte beträgt in allen Beispielen 0,075 mm. Das erste Element 18 hat in allen Beispielen eine asphärische erste Linsenoberfläche 30. In den Beispielen eins bis drei ist die zweite Linsenoberfläche 32 des ersten Elements eben, während sie in den anderen Beispielen asphärisch ist. Tabelle 1: Alle Abstandswerte in mm:
    Beispiel-Nr. D1 R1 R2 F1 F F1/F
    1 0,75 1,128 unendlich 2,229 0,882 2,527
    2 0,65 1,247 unendlich 2,464 0,765 3,220
    3 0,50 1,010 unendlich 1,996 0,588 3,395
    4 0,50 1,077 –2,452 1,684 0,588 2,864
    5 0,45 1,087 –1,747 1,540 0,529 2,911
    6 0,40 1,405 –0,955 1,350 0,471 2,866
    7 0,35 2,495 –0,674 1,199 0,412 2,910
    8 0,30 15,769 –0,529 1,037 0,353 2,938
    9 0,65 1,093 unendlich 1,987 0,765 2,597
    Tabelle 2: Alle Dickenwerte in mm:
    Beispiel-Nr. d1 d2 D1 D2 sag1 sag2 n1 NA1 d1/Q1 d2/Q2
    1 1,20 0,80 0,75 0,358 0,259 0 1,506 0,331 1,189 1,293
    2 0,98 0,62 0,65 0,407 0,169 0 1,506 0,253 1,197 1,067
    3 0,78 0,50 0,50 0,330 0,112 0 1,506 0,217 1,275 1,109
    4 0,73 0,55 0,50 0,368 0,104 0,033 1,506 0,173 1,209 1,093
    5 0,68 0,50 0,45 0,348 0,084 0,040 1,506 0,145 1,273 1,073
    6 0,60 0,58 0,40 0,359 0,045 0,072 1,506 0,057 1,348 1,249
    7 0,60 0,58 0,35 0,375 0,011 0,106 1,506 –0,035 1,662 1,258
    8 0,60 0,58 0,30 0,387 –0,011 0,142 1,506 –0,123 2,076 1,260
    9 1,00 0,70 0,65 0,353 0,193 0,004 1,550 0,301 1,186 1,240
  • Unter Bezug auf die oben aufgeführten Tabellen gelten für die oben aufgeführten Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung folgende weitere Beziehungen: 1 mm < F1 < 2,5 mm (10) F < 1 mm (11)
  • Von den oben aufgeführten Ausführungsformen wird das Beispiel vier zur Veranschaulichung weiterer Merkmale, die bei Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können, detaillierter erläutert. Die rotationssymmetrische Form der beiden asphärischen Oberflächen 30, 32 am ersten Element 18 und die asphärische Oberfläche an der Eintrittsoberfläche des zweiten Elements 22 können durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
    Figure 00080001
    wobei z die Position der Oberfläche in der Richtung der optischen Achse in Millimetern, r der Abstand zur optischen Achse in Millimetern, R der Radius der Oberfläche, r0 der Normalisierungsradius und Bk der Koeffizient der k-ten Potenz von r ist.
  • Bei der ersten Linsenoberfläche 30 hat R den Wert 1,077 mm, während der Normalisierungsradius r0 1,0 mm beträgt. Die Werte von B4 bis B16 bei dieser Oberfläche betragen –1,2272049; 25,404755; –322,03916; 2344,2049; –9920,327; 22580,5 bzw. –21393,565.
  • Bei der zweiten Linsenoberfläche 32 hat R den Wert –2,452 mm, während der Normalisierungsradius r0 0,8 mm beträgt. Die Werte von B4 bis B16 bei dieser Oberfläche betragen 0,30668874; –5,3977186; 46,80716; –102,58899; –645,43643; 3792,223 bzw. –5471,5526. Der Abstand zwischen dem ersten Element 18 und dem zweiten Element 22 auf der Achse beträgt 0,05 mm. Die Dicke der Achse des zweiten Elements 22 beträgt 0,342 mm.
  • Bei der Eintrittsoberfläche des zweiten Elements 22 hat R den Wert 0,338 mm, während der Normalisierungsradius r0 0,35 mm beträgt. Die Werte von B4 bis B16 bei dieser Oberfläche betragen –0,09902575; 0,90152635; –4,0445013; 10,373491; –14,93898; 11,348149 bzw. –3,465529.
  • Obwohl die obigen Parameter das Ergebnis detaillierter Linsengestaltung in Bezug auf die Ausführungsform von Beispiel vier sind, soll darauf hingewiesen werden, dass die übrigen Beispiele ähnlich behandelt werden können.
  • Außerdem sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die oben aufgeführten Ausführungsformen der Erfindung beschränkt ist; weitere in den wie in den beiliegenden Ansprüchen definierten Anwendungsbereich der Erfindung fallende Ausführungsformen der Erfindung sind vorgesehen.

Claims (9)

  1. Zusammengesetzte Objektivlinse mit einem ersten Linsenelement (18) und einem zweiten Linsenelement (22), wobei das erste Element (18) eine Spiegeloberfläche (28) zum internen Umlenken eines Strahlenbündels (12, 20) umfasst, welches das erste Element (18) durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivlinse eine numerische Apertur von über 0,65 hat, und bei dem für das Verhältnis der Brennweite F1 des ersten Elements zu der Brennweite F der Objektivlinse die folgende Beziehung gilt:
    Figure 00100001
  2. Zusammengesetzte Objektivlinse nach Anspruch 1, bei der die Spiegeloberfläche (28) eine ebene Spiegeloberfläche ist.
  3. Zusammengesetzte Objektivlinse nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Brennweite F der Objektivlinse kleiner als 1 mm ist.
  4. Zusammengesetzte Objektivlinse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die folgende Beziehung gilt:
    Figure 00100002
  5. Zusammengesetzte Objektivlinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Element (18) eine erste Linsenoberfläche, die entlang einer ersten optischen Achse angeordnet ist, und eine zweite Linsenoberfläche, die entlang einer optischen Achse angeordnet ist, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten optischen Achse verläuft, umfasst, und bei der die erste und zweite optische Achse an einem Punkt entlang der Spiegeloberfläche zusammenlaufen.
  6. Zusammengesetzte Objektivlinse nach Anspruch 5, bei der die folgende Beziehung gilt: d1 > sag1 + D1 wobei d1 der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der ersten Linsenoberfläche und dem Punkt ist, an dem die beiden optischen Achsen zusammenlaufen, und sag1 die Durchbiegung der ersten Linsenoberfläche an der Eintrittspupille D1 ist.
  7. Zusammengesetzte Objektivlinse nach Anspruch 5 oder 6, bei der die folgende Beziehung gilt:
    Figure 00110001
    wobei d2 der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der zweiten Linsenoberfläche und dem Punkt ist, an dem die beiden optischen Achsen zusammenlaufen, sag1 die Durchbiegung der ersten Linsenoberfläche an der Eintrittspupille D1 ist, NA die numerische Apertur des Strahlenbündels im ersten Element ist, n1 der Brechungsindex des ersten Elements ist, D2 ein Radius auf der zweiten Oberfläche ist, der dem Austrittspunkt eines kollimierten Strahls, der an der Eintrittspupille D1 auf die erste Oberfläche auftrifft, an der zweiten Oberfläche entspricht, und sage die entsprechende Durchbiegung der zweiten Oberfläche am Radius D2 ist.
  8. Optische Abtasteinrichtung mit einer Objektivlinse gemäß einen der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abtasteinrichtung eine Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung eines Strahlenbündels (6, 12, 20) umfasst, das durch die Objektivlinse geführt wird, um einen optischen Aufzeichnungsträger abzutasten.
  9. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 8, die eine zusammengesetzte Objektivlinse gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 umfasst, bei der die folgende Beziehung gilt: d3 < d4 wobei d3 der kürzeste Abstand zwischen dem nächstgelegenen Punkt der ersten Linsenoberfläche und dem Ort der Platte 2 ist, parallel zur ersten optischen Achse gemessen, und d4 der weiteste Abstand zwischen der zweiten Linsenoberfläche und dem Ort des Aufzeichnungsträgers (2) ist, parallel zur zweiten optischen Achse gemessen.
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