DE69528144T2

DE69528144T2 - Objektiv und optischer Kopf mit einem derartigen Objektiv

Info

Publication number: DE69528144T2
Application number: DE69528144T
Authority: DE
Inventors: Osamu Doi; Kenji Inoue; Jun Murata; Yasuhiro Tanaka; Michihiro Yamagata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: DE69528144D1; EP0721124B1; JP3104780B2; CN1084911C; KR960025430A; US5684641A; CN1150296A; EP0721124A2; EP0721124A3; JPH08179198A; KR0181207B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Optikkopfvorrichtung, die eine Objektivlinse umfaßt, die als eine optischer Abnehmer für eine digitale Audioplatte, eine Videoplatte, einen optischen Speicher für einen Computer und dergleichen verwendet werden soll.
Bei dem optischen Abnehmer für eine optische Platte werden beugungsbegrenzte Punktbilder auf eine Fläche eines Aufzeichnungsmediums fokussiert, so daß Informationen aus dem Aufzeichnungsmedium ausgelesen oder darauf geschrieben werden können. Als Objektivlinse zum Fokussieren der Punktbilder hat eine einzelne Linse mit mindestens einer asphärischen Fläche breite Verwendung gefunden. Ein von einem Halbleiterlaser emittierter Lichtstrahl wird von einem halbtransparenten Spiegel reflektiert und durch die Objektivlinse auf die Fläche des Aufzeichnungsmediums der optischen Platte fokussiert. Der von dem Aufzeichnungsmedium reflektierte Lichtstrahl läuft durch die Objektivlinse und den halbtransparenten Spiegel und wird von einer Erfassungslinse auf einem Photodetektor gesammelt. Die Objektivlinse wird durch nachfahrende Fehlersignale gesteuert und immer in einer radialen Richtung der optischen Platte bewegt (Referenzdokument: PRINCIPLES OF OPTICAL DISC SYSTEMS [Grundlagen optischer Plattensysteme], Adam Hilger, (1985) S. 70-85).
Die Aberration der Objektivlinse auf der optischen Achse wird allgemein im Entwurfsstadium auf die beste Leistung hin kompensiert, und die Aberration nimmt zu, wenn der Bildpunkt von der optischen Achse in einen außeraxialen Bereich abweicht. Andererseits bewegt sich die Objektivlinse des optischen Abnehmers für die optische Platte zum Nachfahren immer in der radialen Richtung, so daß die außeraxialen Bereiche der Objektivlinse in den meisten Fällen zum Fokussieren der Punktbilder verwendet werden. Somit wird die Objektivlinse in einem schlechten Zustand mit einer schlecht kompensierten Aberration verwendet.
Aus EP-A-0 605 923 ist eine Objektivlinse zum Konvertieren eines Strahls mit einem elliptischen Querschnitt in einen Strahl mit einem kreisförmigen Querschnitt bekannt. Die Objektivlinse weist eine zylindrische Eintrittsfläche und eine torusförmige Austrittsfläche auf. Die axiale Wellenfrontaberration sollte so klein wie möglich sein. Es wird vorgeschlagen, die restliche Aberration dadurch zu korrigieren, daß die torusförmige Fläche in der XZ- Ebene und in der YZ-Ebene geringfügig asphärisch gemacht wird, indem ein kleiner Korrekturterm vierter Ordnung hinzugefügt wird.
Aus US-A-4,789,978 ist eine Optikkopfvorrichtung mit einer konvergierenden Linse bekannt. Die Linse wird derart eingestellt, daß der Astigmatismus des optischen Systems von der Laserlichtquelle zu dem Aufzeichnungsmedium minimiert wird. Insbesondere wird der Optikkopf derart eingestellt, daß ein auf die innere Beanspruchung der Linse zurückzuführender Astigmatismus durch einen Astigmatismus, der durch die Neigung des einfallenden Lichts auf die Objektivlinse aufgrund einer Fehlausrichtung des Halbleiterlasers verursacht wird, und durch den Astigmatismus des Halbleiterlasers aufgehoben wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Optikkopfvorrichtung mit einer Objektivlinse mit erhöhter optischer Leistung in dem außeraxialen Bereich.
Eine Optikkopfvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Zusätzliche Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, die eine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Objektivlinse zeigt;
Fig. 2 ist ein Kennliniendiagramm, das Kennlinien der axialen Wellenfrontaberration der Objektivlinse der oben erwähnten Ausführungsform zeigt;
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht, die eine Konfiguration einer Optikkopfvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm, das Kennlinien der axialen Wellenfrontaberration einer allgemeinen und herkömmlichen Objektivlinse für die Optikkopfvorrichtung zeigt.
Eine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Objektivlinse ist in Fig. 1 dargestellt. Die Objektivlinse 1 ist ein einzelne Linse. Eine Fläche der Objektivlinse 1 ist rotationssymmetrisch asphärisch. Die andere Fläche ist rotationsasymmetrisch asphärisch und weist eine vertikale Gratlinie 2 und eine horizontale Gratlinie 3 auf. Der Krümmungsradius in der vertikalen Richtung unterscheidet sich von dem in der horizontalen Richtung. Die Gratlinien 2 und 3 fokussieren dementsprechend auf zwei verschiedene Punkte. Die Formen der asphärischen Flächen sind so ausgelegt, daß die sphärische Aberration bei jeweiligen Brennpunkten der Gratlinien 2 und 3 kompensiert wird. Die sphärische Aberration der Objektivlinse 1 in den Richtungen der Gratlinien 2 und 3 wird deshalb perfekt kompensiert. Jedoch weist die Objektivlinse 1 auf ihrer optischen Achse einen Astigmatismus auf.
Die Gesamtwellenfrontaberration einer allgemeinen und herkömmlichen Objektivlinse von der optischen Achse zu dem außeraxialen Bereich und der Astigmatismus, die Koma, die spärische Aberration und die Aberration höherer (über sechster) Ordnung, die durch Entwickeln der Wellenfrontaberration in Zernikesche Reihen analysiert werden, sind in Fig. 4 gezeigt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, nimmt die Gesamtwellenfrontaberration zu, wenn das relative Blickfeld von der optischen Achse zu dem außeraxialen Bereich zunimmt. Den größten Teil der Aberration stellt jedoch die Astigmatismuskomponente dar. Der Astigmatismus in dem außeraxialen Bereich kann dementsprechend durch Hinzufügen von Astigmatismus auf der optischen Achse aufgehoben werden. Deshalb kann die optische Leistung in dem außeraxialen Bereich der Objektivlinse erhöht werden. Das Verfahren zum Erhöhen der außeraxialen Leistung der Objektivlinse ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 zeigt eine Kennlinienkurve A die außeraxiale Leistung einer herkömmlichen Objektivlinse. Die Kennlinienkurven B und C zeigen die außeraxiale Leistung, wenn zu der gleichen Objektivlinse ein Astigmatismus von 30 mλ (mλ: 1/1000 der Wellenlänge des zu verwendenden Lichts) auf der optischen Achse hinzugefügt wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wirkt sich die Hinzufügung des Astigmatismus von 30 mλ auf die außeraxiale Leistung aus. Die Kennlinienkurve B zeigt die außeraxiale Leistung, die für eine Richtung berechnet ist, entlang derer der außeraxiale Astigmatismus durch den hinzugefügten Astigmatismus aufgehoben wird. Die Wellenfrontaberration für den außeraxialen Bereich mit einem relativen Blickfeld größer als etwa 0,57 ist kleiner als die durch die Kennlinienkurve A gezeigte Wellenfrontaberration. Die Kennlinienkurve C zeigt andererseits die außeraxiale Leistung in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kennlinienkurve B zum Vergrößern des Astigmatismus auf der optischen Achse, bei der der Astigmatismus von 30 mλ direkt zu der durch die Kennlinienkurve A gezeigten Aberration hinzugefügt wird.
Die Objektivlinse der Optikkopfvorrichtung für eine optische Platte wird durch ein Nachführservosteuersystem so gesteuert, daß sie den Spuren der optischen Platte folgt. Bei dem Servonachführvorgang ist die Bewegungsrichtung der Objektivlinse lediglich die radiale Richtung der optischen Platte. Die Objektivlinse kann sich nämlich nur in einer Dimension bewegen. Wenn die Objektivlinse mit der durch die Kennlinienkurve B gezeigten außeraxialen Leistung so verwendet wird, daß die Richtung der guten außeraxialen Leistung mit der radialen Richtung der optischen Platte übereinstimmt, kann die Aberration der Objektivlinse dementsprechend in dem außeraxialen Bereich reduziert werden. In Fig. 2, die die Aberration des relativen Blickfelds von 1,0 betrifft, beträgt die durch die Kennlinienkurve A gezeigte Aberration der herkömmlichen Objektivlinse etwa 50 mλ. Andererseits beträgt die Aberration der Objektivlinse der vorliegenden Erfindung, die durch die Kennlinienkurve B gezeigt ist, etwa 25 mλ. Deshalb kann die Aberration halbiert werden.
Die Objektivlinse der Optikkopfvorrichtung muß die optische Leistung an der Beugungsgrenze aufweisen. Als Kriterium, um der optischen Leistung an der Beugungsgrenze zu genügen, ist das Maréchal-Kriterium wohlbekannt. Durch das Maréchal-Kriterium muß die Wellenfrontaberration kleiner als 0,07 λ sein. Wenn die Standardabweichung der Astigmatismuskomponente in der Wellenfrontaberration auf der optischen Achse als Wa definiert ist, wird deshalb bevorzugt, daß die Objektivlinse der Bedingung 0,02 λ < Wa < 0,07 λ oder besonders bevorzugt 0,02 λ < Wa < 0,04 λ genügt, da auf der optischen Achse außer der Aberration Wa keine Aberration auftritt. Wenn der Astigmatismus größer ist als die Obergrenze, wird der Astigmatismus auf der optischen Achse zu groß, um der optischen Leistung auf der optischen Achse zu genügen, die für die Objektivlinse der Optikkopfvorrichtung für die optische Platte erforderlich ist. Zudem wird die Aberration in dem Bereich, in dem die Objektivlinse am meisten verwendet wird, viel größer, so daß die Gesamtleistung der optischen Linse reduziert wird. Wenn der Astigmatismus andererseits kleiner ist als die Untergrenze, wird der Astigmatismus auf der optischen Achse zu klein, um den Astigmatismus in dem außeraxialen Bereich zu kompensieren.
Eine in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendete Objektivlinse ist unten gezeigt. Bei dem Beispiel sind:
f: Brennweite der Objektivlinse;
NA: numerische Apertur der Objektivlinse;
R1: Krümmungsradius der ersten Fläche der Objektivlinse;
R2: Krümmungsradius der zweiten Fläche der Objektivlinse;
d: Dicke der Objektivlinse;
n: Brechungsindex eines Materials der Objektivlinse;
dc: Dicke der optischen Platte;
nc: Brechungsindex des Materials der optischen Platte;
WD: Arbeitsabstand der Objektivlinse;
s: Abstand von der ersten Fläche der Objektivlinse zu einer Lichtquelle;
m: Vergrößerung des Bilds;
λ: Wellenlänge des in dem Entwurfsstadium verwendeten Lichts; und
oh : Objektivhöhe.
Die Form jeder asphärischen Fläche wird durch die Gleichung
für i = 1,2 definiert.
xi: Abstand von einer tangentialen Ebene bei einem Scheitelpunkt der i-ten asphärischen Fläche an einem Punkt mit einer Höhe h von der optischen Achse;
h: Höhe von der optischen Achse;
Ci: Krümmung am Scheitelpunkt der asphärischen Fläche der ersten Fläche der Objektivlinse (Ci = 1/Ri);
CCi: konische Konstante der i-ten Fläche der Objektivlinse; und
Ain: asphärischer Koeffizient n-ter Ordnung der i-ten Fläche der Objektivlinse.

(Numerischer Wert)

f = 3,3141
NA = 0,45
R1 = 2,3500
R2 = -3,8689
d = 2,75
n = 1,51974
dc = 1,2
nc = 1,571
WD = 1,813
s = 23,2043
m = -0,1778
λ = 780 (nm)
oh = 0,700
CC1 = -3,00555 · 10&supmin;¹
CC2 = -6,59668
A14 = -5,00518 · 10&supmin;³
A16 = -4,59093 · 10&supmin;&sup4;
A18 = -3,87734 · 10&supmin;&sup5;
A110 = -1,17422 · 10&supmin;&sup5;
A24 = 5,27110 · 10&supmin;³
A26 = -1, 61964 · 10&supmin;³
A28 = 1,33220 · 10&supmin;&sup4;
A210 = 2,08278 · 10&supmin;&sup6;
Zudem wurde eine durch C&sub5;R²cos(2θ) bezeichnete Form auf der ersten Fläche hinzugefügt, die eine rotationsasymmetrische asphärische Fläche war, wenn die Polarkoordinaten der ersten Fläche um die optische Achse herum (R, θ) betrugen. Der rotationsasymmetrische asphärische Faktor C&sub5; = 1,4678282 · 10&supmin;&sup4;.
Bei dem oben erwähnten Beispiel war die Wellenfrontaberration der Objektivlinse die gleiche wie durch die Kennlinienkurven B und C in Fig. 2 gezeigt. Somit ist die Änderung der Wellenfrontaberration sehr klein, selbst wenn sich die Objektivlinse bewegt, um der optischen Platte nachzufahren. Beispielsweise betrug die Höhe des Objekts bei diesem Beispiel 0,7 mm. Das relative Blickfeld von 0,8 entspricht einer Höhe von 0,56 mm des Objekts. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Wellenfrontaberration der Objektivlinse der vorliegenden Erfindung in einem Bereich mit einer über 0,56 mm liegenden Höhe kleiner als die der herkömmlichen Objektivlinse, die durch die Kennlinienkurve A gezeigt wird.
Zum Ausbilden einer derartigen torischen Fläche kann die Objektivlinse durch Ausformen von entweder Glas oder Kunststoff oder durch Spritzgießen von Kunststoff ausgebildet werden. Durch Bereitstellen der torischen Flächenform auf einem Stempel kann die Objektivlinse mit im wesentlichen dem gleichen axialen Astigmatismus hergestellt werden.
Als nächstes ist in Fig. 3 eine Optikkopfvorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt, die die oben erwähnte Objektivlinse verwendet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein von einem Halbleiterlaser 4 emittierter Lichtstrahl durch einem halbtransparenten Spiegel 5 reflektiert. Der von dem halbtransparenten Spiegel 5 reflektierte Lichtstrahl wird weiter von einem Spiegel 6 reflektiert. Der Lichtstrahl wird durch eine Objektivlinse 7 auf eine Aufzeichnungsmediumsfläche 9 einer optischen Platte 8 fokussiert. Der fokussierte Strahlfleck wird durch auf der Aufzeichnungsmediumsfläche 9 ausgebildete konkave und konvexe Muster gebeugt. Der reflektierte und von der Aufzeichnungsmediumsfläche 9 gebeugte Lichtstrahl geht durch den halbtransparenten Spiegel 5 und wird von einer Erfassungslinse 10 auf einen Photodetektor 11 fokussiert. Eine Änderung der Menge des von der Aufzeichnungsmediumsfläche 9 modulierten Lichts wird durch elektrische Signale von dem Photodetektor 11 erfaßt. So können auf der optischen Platte 8 aufgezeichnete Daten ausgelesen werden. Hier ist die Objektivlinse 7 ein finites konjugiertes System, und die Objektivlinse 7 bewegt sich in einer radialen Richtung der optischen Platte 8, um der Aufzeichnungsmediumsfläche 9 nachzufahren. Somit tritt der Lichtstrahl schräg in die Objektivlinse 7 ein. Es wird dementsprechend bevorzugt, daß die Objektivlinse 7 eine optische Leistung aufweist, die bezüglich der Bewegung der Objektivlinse 7 im wesentlichen konstant ist. Die Objektivlinse 7 mit dem axialen Astigmatismus ist so angeordnet, daß die Richtung der Objektivlinse 7 zum Aufheben des axialen Astigmatismus mit der radialen Richtung der optischen Platte 8 zusammenfällt. Dadurch kann eine gute optische Leistung der Objektivlinse 7 in dem außeraxialen Bereich erhalten werden.
Bei der oben erwähnten Ausführungsform wird als Objektivlinse eine einzelne Linse verwendet. Es kann jedoch als Objektivlinse auch eine aus mehreren einzelnen Linsen bestehende Kombinationslinse verwendet werden. Im letzeren Fall ist es möglich, die rotationsasymmetrische Form nur auf einer Fläche der Linsen bereitzustellen. Die rotationsasymmetrische Fläche kann aber auch auf mehreren Flächen der Linsen bereitgestellt werden. Weiterhin kann eine zylindrische Linse mit einer geringen Brechleistung mit der rotationsasymmetrischen Fläche kombiniert werden.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist außerdem die Objektivlinse ein finites konjugiertes System. Jedoch können eine astigmatische Differenz des Halbleiterlasers, ein durch eine Kollimatorlinse erzeugter Astigmatismus und ein durch ein kompensierendes optisches System für einen elliptischen Lichtstrahl erzeugter Astigmatismus selbst dann kompensiert werden, wenn die Objektivlinse ein infinites konjugiertes System ist. Wenn eine Fläche der Objektivlinse flach ist, kann weiterhin die andere Fläche der Objektivlinse nicht nur als torische Fläche, sondern auch als zylindrische Fläche ausgebildet werden. Zudem kann die Optikkopfvorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht nur zum Lesen der Daten, sondern auch zum Schreiben der Daten auf die optische Platte verwendet werden.

Claims

1. Optikkopfvorrichtung mit einer Lichtquelle, einer Objektivlinse (1) zum Fokussieren eines von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls auf ein Aufzeichnungsmedium, einem Strahlteiler zum Aufteilen des von dem Aufzeichnungsmedium modulierten Lichtstrahls und einer Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen des von dem Aufzeichnungsmedium modulierten Lichtstrahls, wobei die Objektivlinse mindestens eine torische oder zylindrische Fläche umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (1) die Bedingung erfüllt, daß

0,02 λ < Wa < 0,07 λ

wenn eine Standardabweichung einer astigmatischen Komponente einer axialen Wellenfrontaberration als Wa und eine verwendete Lichtwellenlänge als λ definiert und eine Untergrenze bereitgestellt ist, um einen Astigmatismus im außeraxialen Bereich zu kompensieren.

2. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Objektivlinse (1) die Bedingung erfüllt, daß

0,02 λ < Wa < 0,04 λ.

3. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine Fläche der Objektivlinse (1) asphärisch ist.

4. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Objektivlinse (1) eine einzelne Linse ist.

5. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Objektivlinse (1) ein finites konjugiertes System ist.

6. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Objektivlinse (1) durch Glasformen oder Harzformen ausgebildet wird.

7. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Objektivlinse (1) eine bi-asphärische einzelne Linse ist, deren eine Fläche um eine optische Achse rotationssymmetrisch und deren andere Fläche um die optische Achse rotationsasymmetrisch ist und eine Form aufweist, die definiert ist durch

C&sub5;R² cos (2θ)

wenn C&sub5; ein Koeffizient der asymmetrischen asphärischen Fläche ist und R und θ Koordinaten auf der rotationsasymmetrischen Fläche entsprechend Polarkoordinaten (R, θ) auf einer rotationssymmetrischen Fläche sind.

8. Optikkopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Drehposition der Objektivlinse (1) um die optische Achse so eingestellt werden soll, daß der Astigmatismus reduziert wird, wenn die Objektivlinse (1) zum Nachfahren des Aufzeichnungsmediums bewegt wird.