DE68916700T2

DE68916700T2 - Linsensystem für ein optisches scheibenförmiges Aufzeichnungssystem und optischer Kopf mit einem derartigen Linsensystem.

Info

Publication number: DE68916700T2
Application number: DE68916700T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nakajima; Masaaki Sunohara; Shinichi Tanaka; Yasuhiro Tanaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1989-04-27
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2009-04-28
Also published as: KR900018711A; DE68916700D1; EP0341868A2; EP0341868A3; EP0341868B1; US4927247A; KR930000991B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Optikkopf für eine optische Platte, wie eine Videoplatte, eine Audioplatte, eine optische Speicherplatte und dergleichen, und sie betrifft insbesondere eine bei dem Optikkopf benutzte Objektivlinse.
Die bei einem Optikkopf benutzte Objektivlinse erfordert eine Korrektur der Aberration auf die Brechungsbegrenzung. Zusätzlich ist es erwünscht, daß die Objektivlinse von geringer Größe und geringem Gewicht sein soll, damit sie während des Spurhalte- oder Fokussierungs-Servobetriebs zu einer raschen Bewegung fähig ist. Deshalb wurde eine asphärische Einzellinse vorgeschlagen, wie in den US-PS 4 027 952, 4 449 792, 4 571 034 (DE-A-33 26 196) und 4 655 556 und den japanischen Offenlegungsschriften 57-76512 und 62-59912 geoffenbart. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht der DE-A-33 26 196.
Die übliche Objektivlinse für Optikköpfe besitzt den folgenden Nachteil. Da die Laserdiode mit annähernd einer einzigen Wellenlänge oszilliert, ist die Objektivlinse zur Korrektur der Aberration mit Bezug auf diese eine Wellenlänge ausgelegt. Allgemein ändert sich die auf die einzige Wellenlänge korrigierte Aberration der Linse nicht so sehr, auch wenn die Oszillations- Wellenlänge der Laserdiode sich in der Größenordnung von etwa 10 nm ändert. Das gilt deshalb, weil der Brennpunkt der Linse durch den Servobetrieb der Auto-Fokussierung ausgeglichen gehalten wird.
Bei dem löschbaren Optikplatten-System muß jedoch die Leistungs-Abgabe der Laserdiode geändert werden. Beispielsweise ist eine Leistung von 3 mW erforderlich, um Daten von der Optikplatte zu lesen, während die Leistung von 40 bis 60 mW benötigt wird, um die aufgezeichneten Daten zu löschen. Wenn die Laserleistungs-Abgabe geändert wird, ändert sich die Wellenlänge des Laserdioden-Ausgangssignals oft augenblicklich infolge des Betriebsarten-Sprungs. Die Veränderung liegt im allgemeinen im Bereich von 5 nm bis 10 nm. Da die Betriebsarten Lesen, Aufzeichnen und Löschen rasch umgeschaltet werden, ändert sich die Wellenlänge des Laserdioden-Ausgangssignals momentan. Die durch die Leistungsänderung der Laserdiode verursachte Wellenlängenänderung überschreitet oft den durch das Autofokussierungs-Servosystem steuerbaren Bereich des Optikkopfes, so daß der Versatz des Brennpunktes infolge chromatischer Aberration der Linse nicht ausgeglichen werden kann. Das erzeugt gleich nach einer Änderung der Wellenlänge einen Fehler beim Ablesen von Daten.
Zur Lösung eines solchen Problems wurden in den JP-OS 60-2 323 519 und 62-217 214 auf chromatische Aberration korrigierte Linsen vorgeschlagen. Diese Linsen bestehen jeweils aus vier bis fünf Elementen und sind so kostenträchtig und erfordern einen mit hoher Genauigkeit bearbeiteten Linsentubus. Zusätzlich erhält die Linse selbst ein großes Gewicht und eine Energieeinsparung in der gesamten Anordnung wird schwierig.
Primäres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Objektivlinse für ein Optikplattensystem und einen Optikkopf mit Benutzung einer einzigen asphärischen Linse in Zusammenwirkung mit einem transparenten Substrat einer Optikplatte zu schaffen, so daß ein durch Wellenlängen-Änderungen einer Laserdiode verursachter Brennpunktversatz innerhalb eines praktisch zulässigen Bereichs gehalten werden kann.
Zum Erreichen dieses Zieles besitzt eine erfindungsgemäße Objektivlinse für ein Optikplattensystem einander gegenüberliegende erste und zweite aspharische Oberflächen, die jeweils eine positive Brechkraft zum Fokussieren von Licht zur Ausbildung eines Lichtflecks durch eine transparente Platte (transparentes Substrat einer optischen Platte) bilden, und erfüllt im wesentlichen die folgende Bedingung:
wobei:
fL: Brennweite der Linse,
dc: Dicke der transparenten Platte,
nc: Brechungsindex der transparenten Platte,
λ: Mitten-Wellenlänge des Lichts,
NA: numerische Apertur der Linse,
νL: lokale Dispersion der Linse, und
νc: lokale Dispersion der transparenten Platte.
Unter der Annahme, daß jeweils die Linse und die transparente Platte einen Brechungsindex bei einer Mitten-Wellenlänge λ von nλ besitzt; einen Brechungsindex bei einer um 5 nm längeren Wellenlänge als der Mitten-Wellenlänge von nλ+5 und einen Brechungsindex bei einer Wellenlänge, die 5 nm kürzer als die Mittel-Wellenlänge ist, von nλ-5, wird die örtliche Dispersion (νL oder νc) ausgedrückt durch:
Dementsprechend werden die lokale Dispersion der Objektivlinse und die Dicke und die lokale Dispersion der transparenten Platte so ausgewählt, daß der durch eine Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls hervorgerutene Brennpunktversatz der Objektivlinse innerhalb der Tiefenschärfe der Objektivlinse gehalten werden kann.
Die Objektivlinse und der optische Kopf mit Benutzung derselben nach der vorliegenden Erfindung ergeben die folgenden Vorteile.
(1) Die kaum mit der Verwendung einer Einzellinse zu beseitigende chromatische Aberration kann mit der Kombination aus einer Einzellinse und einer optischen Platte auf einen praktisch annehmbaren Bereich reduziert werden.
(2) Da eine kleine leichtgewichtige und billige Einzellinse als Objektivlinse benutzt wird, kann der Optikkopf in Hinsicht auf hochschnellen Betrieb, Energieverbrauch und Produktionskosten verbessert werden.
(3) Der Arbeitsabstand kann bei mindestens 0,4 mm gehalten werden, so daß eine Kollision der Linse mit der transparenten Platte vermieden werden kann.
(4) Die transparente Platte kann eine Dicke von mindestens 0,8 mm erhalten, so daß Staub oder Verletzungen der Platte die Signal-Schreib- und -Lesebetätigung kaum beeinflussen werden.
(5) Ein bekanntes Herstellverfahren kann zu einer preisgünstigen Massenherstellung der erfindungsgemäßen Objektivlinse eingesetzt werden.
Fig. 1 ist ein schematisches Strukturschaubild, das eine Anordnung einer Objektivlinse und einen Optikkopf zeigt, welche eine Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellen; und Fig. 2 bis 5 sind Aberrationskurven, welche jeweils Beispiele 1 bis 4 nach der vorliegenden Erfindung repräsentieren, wobei bedeutet 1 ... Laserdiode; 2 ... Kollimatorlinse; 3 ... Strahlformerprisma; 4 ... Strahlteiler; 5 ... Objektivlinse; 6 ... transparentes Substrat; 7 ... Aufzeichnungsmedium-Schicht; 8 ... Schutzschicht; 9 ... optische Platte und 10 ... Photodetektor.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung aus einer Objektivlinse und einem optischen Kopf zeigt, welche eine Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellen. Von einer Laserdiode 1 ausgestrahltes Licht wird durch eine Kollimatorlinse 2 zu einem Parallelstrahl. Die Verteilung der von der Laserdiode abgestrahlten Lichtintensität geschieht in elliptischer Form und wird durch ein Strahlformerprisma 3 in eine annähernde Kreisform gewandelt. Der Parallelstrahl wird durch einen Strahlteiler 4 reflektiert und tritt in eine Objektivlinse 5 ein, um auf einer Oberfläche einer Aufzeichnungsmedium-Schicht 7 nach Durchtritt durch ein transparentes Substrat 6 an einer optischen Platte 10 einen Lichtfleck zu bilden. Die Aufzeichnungsmedium-Schicht 7 wird durch eine Schutzschicht 8 geschützt. Das durch die Oberfläche der Aufzeichnungsmedium-Schicht 7 reflektierte Licht kehrt zur Objektivlinse 5 zurück und wird durch den Strahlteiler 4 einem Photodetektor 9 zugeführt.
Es ist hier so festgelegt, daß die Anslegungs-Wellenlänge für die Objektivlinse 800 um beträgt, gleich der Oszillations- Wellenlänge der Laserdiode. Unter der Annahme, daß eine Änderung der Wellenlänge infolge eines Betriebsartsprunges der Laserdiode innerhalb von maximal 10 um liegt, wird die örtliche Dispersion ν jedes optischen Elementes innerhalb eines Bereichs von ± 5 um von der Mitten-Wellenlänge von 800 um definiert als:
wobei n der Brechungsindex ist und sein beigefügter Index jeweils eine (in um angegebene) Wellenlänge darstellt. Zum Beispiel wird im Fall eines Glasmaterials, dessen Brechungsindex für die d-Linie 1,51633 beträgt und dessen Dispersion 64,1 ist, ν = 2600 erhalten aus n&sub8;&sub0;&sub0; = 1,51032, n&sub7;&sub9;&sub5; = 1,51042 und n&sub8;&sub0;&sub5; = 1,51022.
Wenn die Brennweite der Objektivlinse fL und die lokale Dispersion νL beträgt, ist die Variation ΔfL der Brennweite der Linse infolge einer Wellenlängenänderung von 10 nm:
Bei dem optischen Linsensystem wird der Laserstrahl zur Bildung eines Lichtflecks an einer Rückfläche des transparenten Substrats mit einer Dicke von mehreren Millimetern fokussiert. Dementsprechend kann das aus einer parallelen ebenen Platte gebildete transparente Substrat als Teil des optischen Systems angesehen werden. Es wird angenommen, daß das transparente Substrat eine Dicke dc, einen Brechungsindex nc und eine örtliche Dispersion νc besitzt. Da das transparente Substrat eine parallele ebene Platte ist, ändert es die Brennweite der Objektivlinse nicht, ändert jedoch den Brennpunkt infolge der Positionsänderung der Hauptebene. Der Brennpunktversatz s wird ausgedrückt als:
s = dc (1 - 1/nc) ... (5)
Dann wird die Veränderung s des Brennpunktes bei einer Änderung des Brechungsindex von nc:
wobei die örtliche Dispersion νc des transparenten Substrats beträgt
So wird die Veränderung s des Brennpunkts infolge einer Änderung des Brechungsindex bestimmt durch:
Dementsprechend ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (8) die Veränderung Δg des Brennpunkts mit Bezug auf die Auswirkungen sowohl der Linse als auch des transparenten Substrats:
Die Tiefenschärfe der Linse wird ausgedrückt durch:
wobei p eine durch die Verteilung der Lichtmenge bestimmte Konstante ist, die bei gleichförmiger Verteilung die Größe von ca. 0,4 hat. Der Brennpunkt muß zum Aufzeichnen, Löschen und Abspielen von Daten in dem Optikplattensystem innerhalb der Tiefenschärfe liegen. Jedoch wurde in der Praxis zusätzlich zur Veränderung des Brennpunkts, die sich aus einer Wellenlängen- Änderung ergibt, eine Unschärfe infolge der elektrischen Eigenschaften des Brennpunkt-Servosystems auftreten. Es wird so festgesetzt, daß der durch eine Wellenlängen-Änderung verursachte Versatz des Brennpunkts kleiner als das Ausmaß der Tiefenschärfe sein soll. Der Brennpunkt kann innerhalb der Tiefenscharfe gehalten werden, auch wenn sich die Wellenlänge in einem Bereich von 10 nm ändert, falls die nachfolgende Bedingung erfüllt wird:
Wenn in der Formel (10) die Brennweite fL der Objektivlinse reduziert oder die Dicke dc des transparenten Substrats erhöht wird, wird die Versetzung des Brennpunkts geringer. Das ergibt eine Abnahme des Arbeitsabstandes bL der Linse, d.h. des Luftspaltes zwischen der Linse und dem transparenten Substrat. Der enge Arbeitsabstand kann verursachen, daß die Objektivlinse mit dem transparenten Substrat unter Beschädigung beider kollidiert. Es ist eine gute Praxis, den Arbeitsabstand bL zwischen der Objektivlinse und dem transparenten Substrat auf mindestens 0,4 mm zu halten.
Obwohl der Arbeitsabstand erhöht werden kann durch Abnahme der Dicke dc des transparenten Substrats, kann ein außerordentlich dünnes transparentes Substrat Auswirkungen von Staub oder Flecken auf der Platte auf den Lichtfleck verursachen, so daß Schreib- oder Lesefehler der Daten erzeugt werden. Deshalb sollte die Dicke dc des transparenten Substrats vorzugsweise mindestens 0,8 mm betragen.
Bei den folgenden Beispielen wird die asphärische Form ausgedrückt durch:
wobei
X : der Abstand zwischen einem Punkt an der asphärischen Fläche mit Abstand h von der optischen Achse und einer Tangentialebene an den Scheitel der asphärischen Fläche,
h : die Höhe von der optischen Achse,
c : die Krümmung an dem Scheitel der asphärischen Fläche (= 1/R),
Kj : die konische Konstante einer j-ten Fläche,
A2i : ein asphärischer Koeffizient 2i-ter Ordnung der j-ten Fläche, (wobei i eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist),
fL : die Brennweite der Linse,
dL : die Dicke der Linse,
Rj : der Krümmungsradius der j-ten Fläche,
nL : der Brechungsindex der Linse bei einer Wellenlänge von 800 nm,
νL : die lokale Dispersion der Linse,
dc : die Dicke des transparenten Substrats,
nc : der Brechungsindex des transparenten Substrats bei einer Wellenlänge von 800 nm,
NA : die numerische Apertur der Linse,
bL : der Abstand zwischen Linse und transparentem Substrat, und
Δt : der Versatz des Brennpunkts bei einer Wellenlänge im Bereich von 795 nm bis 805 nm bedeutet.
Fig. 2 bis 5 illustrieren Aberrationswerte in jeweiligen Ausführungsbeispielen 1 bis 4. In den Fig. 2 bis 5 stellt jeweils (a) sphärische Aberration; (b) Sinus-Bedingung; (c) Astigmatismus dar; und (d), (e) und (f) zeigen die Coma-Aberration. In dem Schaubild (a) sphärische Aberration stellt die durchgezogene Linie die Aberration bei einer Wellenlänge von 795 um dar und die gestrichelte eine Aberration bei 805 nm. In gleicher Weise ist beim Diagramm (c) Astigmatismus die durchgezogene Linie die sagittale Feldkrümmung, während die gestrichelte Linie die meridionale Feldkrümmung zeigt. In den Coma-Aberrations-Schaubildern (d) - (f) zeigt die durchgezogene Linie die meridionale Coma-Aberration, die gestrichelte Linie die sagittale Coma-Aberration und die strichpunktierte Linie die bewertete Aberration.

Beispiel 1

fL = 3,5 bL = 1,2504
dL = 1,80 NA = 0,50
nL = 1,43084 νL = 3900
R&sub1; = 2,050 R&sub2; = -4,195
K&sub1; = -0,5453524 K&sub2; = -0,6086752 x 10¹
A&sub4;(1) = -0,7050440 x 10&supmin;³ A&sub4;(2) = 0,7675075 x 10&supmin;²
A&sub6;(1) = -0,3878262 x 10&supmin;³ A&sub6;(2) = -0,2239316 x 10&supmin;²
A&sub8;(1) = 0,1043915 x 10&supmin;³ A&sub8;(2) = 0,3860439 x 10&supmin;³
10(1)= -0,1152889 x 10&supmin;³ A&sub1;&sub0;(2) = 0,8900087 x 10&supmin;&sup4;
dc = 2,0 νc + 2580
nc = 1,51032 Δt = 0,000601

Beispiel 2

fL = 4,0 bL = 1,4752
dL = 2,20 NA = 0,50
nL = 1,48581 νL = 2780
R&sub1; = 2,380 R&sub2; = -7,384
K&sub1; = -0,7578067 x 10&supmin;¹ K&sub2; = 0,1375783 x 10&supmin;²
A&sub4;(1) = -0,3032618 x 10&supmin;² A&sub4;(2) = 0,1643672 x 10&supmin;¹
A&sub6;(1) = -0,2759916 x 10&supmin;³ A&sub6;(2) = -0,1105545 x 10&supmin;³
A&sub8;(1) = 0,3921291 x 10&supmin;&sup4; A&sub8;(2) = 0,4746900 x 10&supmin;³
A&sub1;&sub0;(1) = -0,1444792 x 10&supmin;&sup4; A&sub1;&sub0;(2) = 0,8963654 x 10&supmin;&sup4;
dc = 2,4 νc = 1250
nc = 1,82361 Δt = 0,000752

Beispiel 3

fL = 4,0 bL = 2,1658
dL = 2,00 NA = 0,50
nL = 1,43084 νL = 3900
R&sub1; = 2,250 R&sub2; = -5,392
K&sub1; = -0,3422186 2 = -0,5206780 x 10¹
A&sub4;(1) = -0,2755220 x 10&supmin;² A&sub4;(2) = -0,6712725 x 10&supmin;²
A&sub6;(1) = -0,5986182 x 10&supmin;³ A&sub6;(2) = -0,1140618 x 10&supmin;²
A&sub8;(1) = 0,1178607 x 10&supmin;&sup4; A&sub8;(2) = -0,2540221 x 10&supmin;³
A&sub1;&sub0;(1) = -0,6066795 x 10&supmin;&sup4;
dc = 1,2
nc = 1,57153
A&sub1;&sub0;(2) = 0,3876677 x 10&supmin;&sup4;
νc = 1780
Δt = 0,000734

Beispiel 4

fL = 4,0
dL = 1,45228
R&sub1; = 2,320
K&sub1; = -0,2385728
A&sub4;(1) = -0,2728734 x 10&supmin;²
A&sub6;(1) = -0,3412453 x 10&supmin;³
A&sub8;(1) = 0,2774987 x 10&supmin;&sup5;
A&sub1;&sub0;(1)= -0,1177334 x 10&supmin;&sup4;
dc = 1,4
nc = 1,67405
bL = 1,5529
NA = 0,50
νL = 3770
R&sub2; = -4,907
K&sub2; = -0,1163513 x 102
A&sub4;(2) = 0,8177931 x 10&supmin;²
A&sub6;(2) = -0,9948354 x 10&supmin;³
A&sub8;(2) = -0,3751862 x 10&supmin;&sup4;
A&sub1;&sub0;(2) = 0,5885132 x 10&supmin;&sup4;
νc = 1540
Δt = 0,000638
Die Gleichung (9) ist eine Näherungs-Gleichung ohne Beachtung der Linsendicke. Bei jedem Beispiel ist die Versetzung Δt des Brennpunkts zwischen den Wellenlängen 795 nm und 805 nm ein mit Beachtung der Linsendicke errechneter Wert. Allgemein ist die Versetzung des Brennpunkts kleiner, wenn sie mit Beachtung der Linsendicke errechnet wird als ohne diese Beachtung. So ist die Gleichung (9) praktizierbar.
Die chromatische Aberration der Kollimatorlinse beeinflußt auch den Brennpunkt der Objektivlinse. Jedoch gilt allgemein, daß NA der Kollimatorlinse kleiner als NA der Objektivlinse ist. Wenn beispielsweise NA der Objektivlinse 0,5 ist und NA der Kollimatorlinse 0,25, wird die Objektivlinse mit 1/4 der chromatischen Aberration der Kollimatorlinse befaßt. Die Kollimatorlinse wird gemeinhin in festem Zustand benutzt sowohl während des Servobetriebs der Fokussierung wie des der Spurhaltung und ihr Gewicht wird so weniger in Rechnung gestellt werden müssen. Dementsprechend kann die Kollimatorlinse durch mehrere Elemente gebildet werden, die kombiniert als Achromatlinse wirken.

Claims

1. Objektivlinse (5) für ein Optikplattensystem mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten asphärischen Oberflächen, die jeweils eine positive Brechkraft zum Fokussieren von Licht zur Ausbildung eines Lichtflecks durch eine transparente Platte (6) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (5) im wesentlichen die folgende Bedingung erfüllt:

wobei:

fL: Brennweite der Linse,

dc: Dicke der transparenten Platte,

nc: Brechungsindex der transparenten Platte,

λ: Mitten-Wellenlänge des Lichts,

NA: numerische Apertur der Linse,

νL: lokale Dispersion der Linse, und

νc: lokale Dispersion der transparenten Platte, wobei die lokale Dispersion ausgedrückt wird durch:

wobei nλ der Brechungsindex bei einer Mitten-Wellenlänge λ des Lichts ist, nλ+5 der Brechungsindex bei einer um 5 nm längeren Wellenlänge als der Mitten-Wellenlänge des Lichts und nλ-5 der Brechungsindex bei einer um 5 nm kürzeren Wellenlänge als der Mitten-Wellenlänge des Lichts ist.

2. Objektivlinse (5) nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen der Linse (5) und der transparenten Platte (6) mindestens 0,7 mm beträgt.

3. Objektivlinse (5) nach Anspruch 1, bei der die Dicke der transparenten Platte (6) mindestens 0,8 mm beträgt.

4. Optikkopf, welcher umfaßt: eine Objektivlinse (5) zum Fokussieren von Licht von einer Lichtquelle (1) auf ein Informations-Aufzeichnungsmedium (7), Licht-Abtrennmittel (4) zum Abtrennen von Licht, das von dem Informations-Aufzeichnungsmedium (7) reflektiert ist, und zum Durchleiten des Lichts von der Lichtquelle (1); und Photoerfassungsmittel (10) zum Erfassen des abgetrennten reflektierten Lichts, wobei die Objektivlinse einander gegenüberliegende erste und zweite asphärischen Oberflächen besitzt, die jeweils eine positive Brechkraft zum Fokussieren von Licht durch eine transparente Platte (6) auf das Aufzeichnungsmedium bilden, dadurch gekennzeichnet, welche Objektivlinse (5) im wesentlichen die folgende Bedingung erfüllt:

wobei:

fL: Brennweite der Linse,

dc: Dicke der transparenten Platte,

nc: Brechungsindex der transparenten Platte,

λ: Mitten-Wellenlänge des Lichts,

NA: numerische Apertur der Linse,

νL: lokale Dispersion der Linse, und

wobei nλ der Brechungsindex bei einer Mitten-Wellenlänge λ des Lichts ist, nλ+5 der Brechungsindex bei einer um 5 nm längeren Wellenlänge als der Mitten-Wellenlänge des Lichts und n-λ5 der Brechungsindex bei einer Wellenlänge 5 nm weniger als der Mitten-Wellenlänge des Lichts ist.

5. Optikkopf nach Anspruch 4, bei dem der Abstand zwischen der Objektivlinse (5) und dem transparenten Substrat (6) mindestens 0,7 mm beträgt.

6. Optikkopf nach Anspruch 4, bei dem die Dicke des transparenten Substrats (6) mindestens 0,8 mm beträgt.

7. Optikkopf nach Anspruch 4, welcher weiter umfaßt eine Kollimatorlinse (2), um das von der Lichtquelle (1) abgestrahlte Licht zu einem parallelen Lichtstrahl anzuordnen.

An den Drucker:

Die Position einiger algebraischer Zeichen in den Formeln ist unkorrekt, bitte die Formeln in folgender Weise zu drucken: