DE69113343T2

DE69113343T2 - Linse für ein optisches Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät für plattenförmige Aufzeichnungsträger.

Info

Publication number: DE69113343T2
Application number: DE69113343T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Kubota
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2011-07-18
Also published as: JPH0477708A; JP3013404B2; US5162949A; EP0467324B1; DE69113343D1; EP0467324A3; EP0467324A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Einzel-Fokussierlinse (Kondensorlinse) und spezieller auf eine Einzel-Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für optische Platten.
Es ist bekannt, daß es bei Einzel-Fokussierlinsen für Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegeräte für optische Platten mit hoher Aufzeichnungsdichte erforderlich ist, sowohl die sphärische als auch die Coma-Aberration befriedigend zu korrigieren, und zwar durch eine aplanatische Linse.
Falls diese Fokussierlinse durch eine einzelne (glasgeschmolzene) Linse gebildet wird, sind beide Oberflächen dieser Linse asphärisch. In diesem Fall ergibt sich jedoch gemäß der Verschiebung der optischen Achsen (Dezentrierung) zwischen den beiden sphärischen Oberflächen Coma-Aberration, so daß die Fokussierlinse so gestaltet werden muß, daß die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers so klein wie möglich ist.
Jedoch wird für solch eine Einzel-Fokussierlinse die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers groß, wenn die numerische Apertur einen großen Wert von ungefähr 0,6 erreicht, so daß es unmöglich war, eine Einzel-Fokussierlinse, die große numerische Apertur und eine kleine Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs- Fehlers hat, praktisch zu realisieren.
US-A-4,743,093 offenbart eine Linse, die für ein Wiedergabegerät für optische Platten geeignet ist.
Diese Linse besitzt zwei asphärische Oberflächen. Für "Oberfläche 1" gilt D = -0,002909441 und für "Oberfläche 2" gilt K = -20,4938239.
Desweiteren hat die Linse eine Brennweite von 4,6 mm (berechnet für 800 nm mit Daten, wie sie in Spalte 1, Zeilen 46-65, dieses Dokumentes zu finden sind), eine Linsendicke von 3,386 mm und eine Plattendicke von 1,2 mm.
Desweiteren beschreibt die US-A-4,932,763 eine asphärische Einzel-Linse zum Gebrauch mit einer optischen Karte. In Ausführungsbeispielen ist die Brennweite der asphärischen Linse 4,6 mm und ist die numerische Apertur NA 0,42, 0,47, und 0,50.
Es ist dementsprechend die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einzel-Kondensorlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für eine optische Platte mit hoher Aufnahmedichte bereitzustellen, in welcher die zuvor erwähnten Mängel und Nachteile des Standes der Technik eliminiert werden können.
Spezieller ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einzel- Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für eine optische Platte mit hoher Aufnahmedichte bereitzustellen, bei welcher beide Oberflächen asphärisch sind und die Linse nicht nur große numerische Apertur sondern auch aplanatische Eigenschaft und eine minimale Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers hat.
Entsprechend eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Einzel- Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs und/oder Wiedergabegerät für eine optische Platte, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist, bereitgestellt.
Die obige und andere Aufgabenstellung, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform offensichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren zu lesen ist.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Einzel-Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für eine optische Platte gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches Kennlinien der Einzel-Fokussierlinse darstellt; und
Fig. 3A bis 3D sind Diagramme, welche jeweils Aberrations-Kennlinien der in Fig. 1 gezeigten Einzel-Fokussierlinse darstellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Einzel-Fokussierlinse 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und ein der Kondensorlinse 1 gegenüberliegendes Substrat 2 einer optischen Platte (Disc) dar.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird die Einzel-Kondensorlinse 1, welche eine aus Glas geschmolzene Linse mit asphärischer Oberfläche ist, dem Substrat 2 der optischen Platte gegenüberliegend angeordnet. Das Substrat 2 der optischen Platte besteht aus Polycarbonat und hat eine Aufzeichnungsfläche 2R auf der zu der der Linse 1 zugewandten Oberfläche abgewandten Seite. Wenn ein planparalleler Strahl L auf die Kondensorlinse 1 einfällt, wird ein konvergierender Strahl L von der Linse 1 emittiert und fällt auf das in einem geeigneten Abstand von der Fokussierlinse 1 befindliche Substrat 2 der optischen Platte, so daß er auf die Aufzeichnungsfläche 2R der Platte 2 fokussiert wird.
Es wird nun eine Erläuterung zu einer Methode des Entwurfs einer solchen Einzel- Fokussierlinse 1 gegeben.
Das Substrat 2 der optischen Platte, welches der von der Fokussierlinse 1 emittierte Strahl L durchläuft, bildet ein Teil eines abbildenden optischen Systems. Daher wird sogar bei dem konventionellen Entwerfen einer asphärischen Linse für das Abtasten einer optischen Platte eines Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerätes auf diese Art und Weise bei dem Entwurf der Fokussierlinse eine Überkorrektur der sphärischen Aberration, welche erzeugt wird, wenn der konvergierende Strahl durch das Substrat der optischen Platte läuft, berücksichtigt.
Für diesen Fall wird bei dem Entwurf einer asphärischen Fokussierlinse, welche eine große numerische Apertur hat, die zum Gebrauch in Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegeräten von optischen Platten mit hoher Aufzeichnungsdichte bestimmt ist, und welche sowohl aplanatische Eigenschaft als auch eine geringe Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers hat, eine Einstellung der Dicke des Substrates 2 der optischen Platte positiv in Betracht gezogen.
Der aplanatische Zustand, d. h. ein Zustand, der die Aplanasie befriedigt, und die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers werden im folgenden im Umfang der primären Aberration gezeigt.
1) Der aplanatische Zustand stellt sich wie folgt dar:
wobei u = 1,2 die Oberflächen-Nummer der asphärischen Linse 1, u = 3,4 die Oberflächen-Nummer des Substrats 2 der optischen Platte bezeichnen, SC und CC die Summe der sphärischen bzw. der Coma-Aberration darstellen, SCu und CCu den Beitrag der Komponenten von SC bzw. CC mit der Oberflächen-Nummer u darstellen, SCsu und CCsu den Beitrag der Komponenten von SCu bzw. CCu durch die sphärische Oberfläche darstellen und SCau und CCau den Beitrag der Komponenten von SCu bzw. CCu durch die asphärische Oberfläche darstellen. Desweiteren bezeichnen iu und u jeweils die Neigungswinkel der Oberfläche mit der Oberflächen-Nummer u der achsennahen- bzw. der Haupt-Strahlen, und Yu und u bezeichnen jeweils die Strahlhöhen über einer Ebene mit der Oberflächen-Nummer u der achsennahen- bzw. der Haupt-Strahlen.
2) Die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers ergibt sich wie folgt:
S1 = 1/3α1' (CC - CC1) + 1' SC1 ...(5)
S2 = -1/3α1' (CC - CC1) + 1' (SC - SC1) ...(6)
wobei αu und u zu niu bzw. n u gesetzt werden. Somit ergibt sich folgende Gleichung:
S1 + S2 = 1' SC ...(7).
Da die sphärische Aberration bevorzugt korrigiert werden kann, wird jetzt für die aplanatische Linse SC zu SC ≈ 0. Somit ist S1 + S2 ≈ 0 erfüllt, so daß falls S1 ≈ 0 erfüllt ist, S2, S2 ≈ 0 gleichzeitig erfüllt ist. Demgemäß muß lediglich herausgefunden werden, ob Lösungen (SC1, SC2) welche S1 ≈ 0 befriedigen, in den übrigen Gleichungen (1) und (2) der aplanatischen Bedingung SC ≈ 0 und CC ≈ 0 befriedigen oder nicht.
Es ist im übrigen berichtet worden, daß falls die numerische Apertur (NA) einer Linse klein ist, praktische Lösungen bereits existieren, bezüglich einer optischen Platte mit vorgegebener Dicke. Wenn jedoch die numerische Apertur der Linse groß ist, werden sowohl die außeraxiale Aberration als auch die dezentrierende Aberration groß, so daß diese Lösungen praktisch nicht mehr ausreichend sind. So wird unter der Bedingung, daß die Brennweite der Linse konstant ist, die Dicke des Substrats 2 der optischen Platte verändert, um (SC3 + SC4) und (CC3 + CC4) der rechten Seiten der Gleichungen (1) und (2) zu verändern, wodurch, wie unten beschrieben, eine Lösung erlangt wird, welche die Minimalbedingung für die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs- Fehlers S1 - 0 in Formel (5) und auch die aplanatische Bedingung strenger erfüllt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Dicke des Mittelteils der Linse 1, deren beide Oberflächen asphärisch sind, deren Brennweite f = 2,4 mm ist und deren numerische Apertur NA = 0,6 ist, variiert, um die Dicke τ des Substrats 2 der optischen Platte innerhalb eines Bereichs von 0,3 bis 0,9 mm zu optimieren, wobei sich herausgestellt hat, daß bei einer ungefähren Plattendicke von τ = 0,75 mm ein Optimum für die Linsendicke erreicht wird und zwar eine Dicke t des Linsenmittelteils, bei welcher sowohl die außeraxiale Aberration (Abbildungshöhe 42 um) als auch die dezentrierende Aberration (Dezentrierung 50 um) klein wird. Es wurde in der Praxis herausgefunden, daß beide Aberrationen minimal werden, wenn die Dicke des Linsenmittelteils t = 1,9 mm ist. In diesem Fall ist die Brennweite fest, was jedoch nicht wesentlich ist.
Demgemäß ergibt sich, daß, um eine Lösung zu erlangen, die sowohl die Minimalbedingung für die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers als auch die aplanatische Bedingung befriedigt, die durch die Brennweite f normierte Dicke τ, also τ/f, im folgenden Bereich ist:
0,25 < τ/f < 0,35 ...(8).
Generell ist der Gültigkeitsbereich der Ungleichung eine Funktion der numerischen Apertur NA, jedoch wird die Ungleichung (8) dann als wirksam betrachtet, wenn NA ungefähr 0,6 ist.
Es wird nun ein Beispiel für eine Spezifikation einer solchen optimierten Linse angegeben.
Wellenlänge des Laserlichts: = 780 (nm)
Brennweite: f = 2,4 mm
numerische Apertur: NA = 0,6
Radius der Krümmung eines angenäherten Rotationsellipsoides¹: R1 = 1,6477545 mm
Dicke des Mittelteils: CT = 1,9 mm
Dicke des Randteils: ET = 0.84 mm
Brechungsindex der Linse: Ng = 1,582509
Radius der Krümmung eines angenäherten Rotationshyperboloids²: R2 = -5,3091039 mm
Arbeitsabstand zwischen der Linse und dem Plattensubstrat: WD = 0,903175 mm
Brechungsindex des Plattensubstrats (Polycarbonat): Nd = 1,57
Dicke des Plattensubstrats: τ = 0,75 mm
Falls die Gleichung für eine asphärische Oberfläche wie folgt definiert ist
z = cy²/[1 + {1 - (1 + K) c²y²}1/2] + Ay&sup4; + By&sup6; + Cy&sup8; + Dy¹&sup0;, c = 1/r,
1) werden entsprechende Koeffizienten für den angenäherten Rotationsellipsoid¹ wie folgt
K = -0,279372 (K: Konizitäts-Konstante)
A = -0,75198e-2 mm&supmin;&sup4;
B = -0,313881e-2 mm&supmin;&sup6;
C = +0,452206e-3 mm&supmin;&sup8;
D = -0,434638e-3 mm&supmin;¹&sup0;
2) werden entsprechende Koeffizienten für einen angenäherten Rotationshyperboloid² wie folgt
K = -23,231301
A = 0,706198e-2 mm&supmin;&sup4;
B = -0,186959e-2 mm&supmin;&sup6;
C = -0,111016e-3 mm&supmin;&sup8;
D = 0,6295059e-3 mm&supmin;¹&sup0;
Die Effektivität einer Linse, die solche Spezifikationen aufweist, ist wie folgt
Aberration der Welle an der Oberfläche in der Achse: 0,002 rms λ
Aberration der Welle an der Oberfläche außerhalb der Achse: 0,03 rms λ
(Abbildunghöhe 42um)
Dezentrierungsaberration: 0,017 rms λ
(Dezentrierung 50um)
Somit ist die Linse in ihrer Wirksamkeit auf die beiden Aberrationen der Welle an der Oberfläche in und außerhalb der Achse ziemlich bevorzugt und ist so hinreichend, daß sie als eine Linse mit vollständiger aplanatischer Eigenschaft bezeichnet werden kann und daß desweiteren die Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers genügend unterdrückt ist.
Falls die oben beschriebe Aberration dritter Ordnung und Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers dritter Ordnung eingeführt werden, werden dadurch die unten aufgeführten Ziellösungen erlangt Summe (Einheit: mm)
Da die Werte für τ und f 0,75 bzw. 2,4 sind, wird τ/f zu 0,3125.
Fig. 2 zeigt ein Kennliniendiagramm, wobei die Ordinate die Quadratwurzel des quadratischen Mittelwerts für die Dezentrierungs-Aberration für eine Dezentrierung von 50 um darstellt, während die Abszisse die Quadratwurzel des quadratischen Mittelwerts der außeraxialen Aberration für eine Abbildungshöhe von 42 um darstellt, und zwar für entsprechende Werte von 0,3 mm, 0,6 mm, 0,75 mm und 0,9 mm der Dicke des Plattensubstrats 2. In diesem Fall wird der beste Wert für eine Dicke des Plattensubstrats 2 bei 0,75 mm erlangt und der zweitbeste Wert bei einer Dicke von 0,6 mm.
Die Fig. 3A bis 3D sind Aberrationsdiagramme für die Fokussierlinse 1 mit einer Brennweite f = 2,4 mm, einer numerischen Apertur NA = 0,6 und einem Arbeitsabstand WD = 0,9 mm, wobei die Abszissen jeder der Fig. 3A bis 3D den relativen Radius der Eintrittspupille und die Ordinaten der Fig. 3A bis 3D eine Komponente innerhalb der Tangentialebene der außeraxialen Queraberration, eine Komponente innerhalb der sagittalen Oberfläche der außeraxialen Queraberration, eine Komponente innerhalb der tangentialen Ebene der Queraberration in der Achse, bzw. eine Komponente innerhalb der sagittalen Oberfläche der Queraberration in der Achse darstellen.
Es ist, wie oben beschrieben, gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Einzel- Kondensorlinse, welche in einem Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für optische Platten mit hoher Aufzeichnungsdichte zu verwenden ist, deren beide Oberflächen asphärisch sind und welche eine große numerische Apertur hat, die Brennweite und die Dicke der Einzel-Kondensorlinse so gewählt, daß die folgende Bedingung erfüllt wird:
0,25 < τ/f < 0,35,
wobei f und t die Brennweite der Einzel-Kondensorlinse bzw. die Dicke des Substrats der optischen Platte darstellen. Auf diese Art und Weise kann die so entworfene Einzel- Fokussierlinse sowohl die aplanatische Eigenschaft als auch die Bedingung, die für minimale Empfindlichkeit hinsichtlich des Dezentrierungs-Fehlers erforderlich ist, befriedigen.

Claims

1. Einzel-Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für optische Platten, wobei beide Oberflächen der Linse (1) asphärisch sind und die Linse (1) große numerische Apertur hat, mit den folgenden Parametern für die erste Oberfläche:

K = -0,279372; wobei K die Konizitäts-Konstante ist,

A = -0,75198e-2 mm&supmin;&sup4;

B = -0,313881e-2 mm&supmin;&sup6;

C = +0,452206e-3 mm&supmin;&sup8;

D = -0,434638e-3 mm&supmin;¹&sup0;

und den folgenden Parametern für die zweite Oberfläche:

K = -23,231301; wobei K die Konizitäts-Konstante ist,

A = 0,706198e-2 mm&supmin;&sup4;

B = -0,186959e-2 mm&supmin;&sup6;

C = -0,111016e-3 mm&supmin;&sup8;

D = 0,6295059e-3 mm&supmin;¹&sup0;,

wobei die Dicke der Linse in der Nähe ihrer optischen Achse zu t = 1,9 mm gewählt ist, der Brechungsindex der Linse bezüglich einer Wellenlänge von 780 nm n = 1,582509 ist, und die Gleichung für die asphärische Oberflächen gegeben ist durch

z = cy² / [1 + {1 - (1 + K) c²y}1/2] + Ay&sup4; + By&sup6; + Cy&sup8; + Dy¹&sup0;, c = 1/r.

2. Einzel-Fokussierlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät für optische Platten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Apertur (NA) der Einzel-Fokussierlinse (1) zu ungefähr 0,6 gewählt ist.