DE69730281T2

DE69730281T2 - Objektivlinse und abtastanordnung mit einer solchen objektivlinse

Info

Publication number: DE69730281T2
Application number: DE69730281T
Authority: DE
Inventors: Gerard Willem OPHEIJ; Johannes Josephus BRAAT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: EP0824753B1; CN1181833A; ES2225949T3; KR100491858B1; KR19990008376A; TW318234B; WO1997033277A1; JPH11506251A; US6052237A; DE69730281D1; JP3886151B2; CN100446097C; EP0824753A1; ATE274228T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Objektivlinse zum Fokussieren eines Strahlungsbündels auf einen ersten Brennpunkt durch eine erste transparente Schicht, die eine erste Dicke hat, und einen zweiten Brennpunkt durch eine zweite transparente Schicht, die eine andere, zweite Dicke hat. Die Erfindung betrifft auch eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten eines ersten Aufzeichnungsträgertyps, der eine erste Informationsebene und eine erste transparente Schicht mit einer ersten Dicke hat, und zum Abtasten eines zweiten Aufzeichnungsträgertyps, der eine zweite Informationsebene und eine zweite transparente Schicht mit einer zweiten, von der ersten Dicke unterschiedlichen Dicke hat, mit einer Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahlungsbündels sowie einer Objektivlinse zum Fokussieren des Strahlungsbündels durch die erste transparente Schicht auf einen ersten Brennpunkt auf der ersten Informationsschicht und zum Fokussieren des Strahlungsbündels durch die zweite transparente Schicht auf einen zweiten Brennpunkt auf der zweiten Informationsschicht. Das Abtasten enthält Schreiben, Lesen und/oder Löschen von Information in dem Aufzeichnungsträger.
Die transparente Schicht in optischen Aufzeichnungsträgern hat im Allgemeinen die Aufgabe, die Informationsschicht vor Umgebungseinflüssen zu schützen und mechanische Unterstützung für den Aufzeichnungsträger zu verschaffen, d. h. sie wirkt als Substrat für die Informationsschicht. Die Dicke der transparenten Schicht ist ein Kompromiss zwischen der gewünschten Steifigkeit des Aufzeichnungsträgers und der numerischen Apertur des zum Abtasten der Informationsschicht verwendeten Strahlungsbündels. Wenn für einen neuen Aufzeichnungsträgertyp die numerische Apertur vergrößert wird, um die Speicherdichte der Informationsschicht zu vergrößern, ist es häufig notwendig, die Dicke der transparenten Schicht zu verringern, um den Einfluss einer Schräglage der Platte auf die Qualität des Strahlungsbündels zu verringern. Folglich wird es unterschiedliche Aufzeichnungsträgertypen auf dem Markt geben, die unterschiedliche Dicken der transparenten Schicht haben. Ein kompatibler Plattenspieler sollte imstande sein, unterschiedliche Aufzeichnungsträgertypen abzutasten, ungeachtet der Dicke der transparenten Schicht.
Die transparente Schicht, durch die ein Strahlungsbündel die Informationsschicht abtastet, bringt eine so genannte sphärische Aberration in das Strahlungsbündel ein. Die sphärische Aberration wird in der Objektivlinse kompensiert, wodurch das Strahlungsbündel nahe seinem Brennpunkt nahezu frei von sphärischer Aberration ist. Wenn eine Objektivlinse, die hinsichtlich einer ersten Dicke der transparenten Schicht kompensiert ist, zum Abtasten eines Aufzeichnungsträgers mit einer transparenten Schicht mit einer zweiten, unterschiedlichen Dicke verwendet wird, wird die Qualität des Brennpunktes infolge der unter- oder überkompensierten sphärischen Aberration verschlechtert sein.
In der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung IB96/00182 wird eine Einrichtung zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger vom ersten und zweiten Typ beschrieben. Diese Einrichtung verwendet eine Objektivlinse, die zum Fokussieren eines Strahlungsbündels durch die erste transparente Schicht auf einen besten Brennpunkt auf der ersten Informationsschicht entworfen ist. Beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ bildet die Objektivlinse einen paraxialen Brennpunkt auf der zweiten Informationsschicht. Der beste Brennpunkt eines Bündels ist der Punkt entlang der Achse des Bündels, der die höchste Intensität aufweist. Der paraxiale Brennpunkt eines Bündels ist der Punkt der Achse des Bündels, durch den oder auf den die paraxialen Strahlen des Bündels fokussiert werden. Die am Aufzeichnungsträger reflektierte Strahlung wird von einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem detektiert. Beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom ersten Typ verwendet das Detektionssystem alle Strahlung in dem reflektierten Bündel. Beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ detektiert das Detektionssystem nur Strahlung aus einem zentralen Gebiet des Querschnitts des Strahlungsbündels. Da die Objektivlinse nicht entworfen ist, um ein Strahlungsbündel durch die Dicke der zweiten transparenten Schicht hindurch konvergieren zu lassen, wird das Strahlungsbündel beim Durchgang durch die zweite transparente Schicht unkorrigierte sphärische Aberration erleiden. Indem die Detektion auf die zentralen Strahlen des Bündels beschränkt wird, werden die mit starker Aberration behafteten Strahlen in dem äußeren ringförmigen Gebiet des Bündels dann einen verminderten Einfluss auf die Ausgangssignale des Detektionssystems haben.
Gemäß der Erfindung fokussiert die Objektivlinse ein Strahlungsbündel auf einen einzelnen besten Brennpunkt, wobei die Objektivlinse einen äußeren ringförmigen Teil hat, der in das Strahlungsbündel eine erste sphärische Aberration einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch eine erste transparente Schicht, die eine erste Di cke hat, kompensiert, und einen zentralen Teil innerhalb des ringförmigen Teils, der eine zweite sphärische Aberration in das Strahlungsbündel einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch eine zweite transparente Schicht, die eine andere, zweite Dicke hat, kompensiert. Im Allgemeinen sind der ringförmige Teil und der zentrale Teil konzentrisch; die Teile können nebeneinander liegen oder durch ein zwischenringförmiges Gebiet getrennt sein.
Wenn die Objektivlinse ein Strahlungsbündel durch die zweite transparente Schicht hindurch fokussiert, bilden die Strahlen des den zentralen Teil durchlaufenden Bündels einen zweiten Brennpunkt, wobei die Strahlen hinsichtlich der beim Durchlaufen der zweiten transparenten Schicht erlittenen sphärischen Aberration korrigiert werden. Wenn die Objektivlinse ein Strahlungsbündel durch die erste transparente Schicht hindurch fokussiert, bildet das das kombinierte Gebiet aus dem ringförmigen Teil und dem zentralen Teil durchlaufende Bündel einen ersten Brennpunkt. In diesem Fall werden nur die Strahlen, die den ringförmigen Teil durchlaufen, hinsichtlich der beim Durchlaufen der ersten transparenten Schicht erlittenen sphärischen Aberration korrigiert, während die den zentralen Teil durchlaufenden Strahlen hinsichtlich der beim Durchlaufen der zweiten transparenten Schicht erlittenen sphärischen Aberration korrigiert werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Korrektur des zentralen Teils der Objektivlinse hinsichtlich einer Dicke der transparenten Schicht, die sich von der Dicke der transparenten Schicht, für die der ringförmige Teil korrigiert ist, unterscheidet, nur einen relativ geringen Einfluss auf die Qualität des ersten Brennpunktes hat.
Es sei bemerkt, dass die europäische Patentanmeldung Nr. 0 610 055 eine Objektivlinse offenbart, die mit einem Hologramm oder Gitter kombiniert ist. Die Linse ist über ihre gesamte Fläche für den Durchgang von Strahlung durch eine erste Dicke einer transparenten Schicht hin zu einem ersten Brennpunkt korrigiert. Das Gitter beugt einen Teil der Strahlung in einem zentralen Gebiet des eingehenden Strahlungsbündels in ein Teilbündel, das nach Brechung durch die Linse für den Durchgang durch eine zweite Dicke einer transparenten Schicht hin zu einem zweiten Brennpunkt korrigiert wird. Die Objektivlinse und das Gitter sammeln das einfallende Strahlungsbündel zu einem austretenden Bündel, das zwei Teilbündel mit verschiedenen Vergenzen umfasst. Somit bildet die Kombination aus der Objektivlinse und dem Gitter zwei beste Brennpunkte. Im Gegensatz dazu sammelt die erfindungsgemäße Objektivlinse das Strahlungsbündel zu einem Bündel mit einer einzigen Vergenz und bildet einen einzigen besten Brennpunkt. Wenn die erfindungs gemäße Objektivlinse von einem nur brechenden Typ, einem nur reflektierenden Typ oder einem nur brechenden und reflektierenden Typ ist, lässt sie nahezu alle Energie des einfallenden Strahlungsbündels zum ersten Brennpunkt durch und zweigt keinen Teil der Energie zu einem Teilbündel ab, das den zweiten Brennpunkt bildet. Der Ausdruck "nahezu die gesamte Energie des Strahlungsbündels" bedeutet, dass nur normale Verluste infolge von Reflexionen bei Übergängen von einem Medium in ein anderes, infolge von Absorption in Medien und infolge von lichtundurchlässigen Teilen der Linse nicht berücksichtigt werden.
Besondere Ausführungsformen der Objektivlinse werden in den Ansprüchen 2, 3 und 4 angegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine optische Abtasteinrichtung, die eine erfindungsgemäße Objektivlinse verwendet. Die Abtasteinrichtung ist zum Abtasten eines ersten Typs eines Aufzeichnungsträgers geeignet, der eine erste Informationsebene und eine erste transparente Schicht mit einer ersten Dicke hat, und zum Abtasten eines zweiten Typs eines Aufzeichnungsträgers, der eine zweite Informationsebene und eine zweite transparente Schicht mit einer zweiten, von der ersten Dicke unterschiedlichen Dicke hat. Die Abtasteinrichtung umfasst eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahlungsbündels und eine Objektivlinse zum Fokussieren des Strahlungsbündels durch eine der transparenten Schichten auf einen einzelnen besten Brennpunkt, wobei ein äußerer ringförmiger Teil der Objektivlinse eine erste sphärische Aberration einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch die erste transparente Schicht kompensiert, und wobei ein zentraler Teil innerhalb des ringförmigen Teils eine zweite sphärische Aberration einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch die zweite transparente Schicht kompensiert.
Beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ wird der Teil des Bündels, der den zentralen Teil durchläuft, gut hinsichtlich der Dicke der transparenten Schicht des Aufzeichnungsträgers korrigiert. Die verbesserte Korrektur der zentralen Strahlen des reflektierten Bündels führt beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ zu einer verbesserten Qualität der Ausgangssignale des Detektionssystems. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom ersten Typ die Wirkung der Korrektur des zentralen Teils der Objektivlinse für eine Dicke der transparenten Schicht, die sich von der der derzeit abgetasteten Schicht unterscheidet, eine vernachlässigbare Wirkung auf die Ausgangssignale des Detektionssystems hat.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1A eine erfindungsgemäße Abtasteinrichtung, die einen Aufzeichnungsträger vom ersten Typ abtastet;
1B einen Aufzeichnungsträger vom zweiten Typ;
2A eine Ansicht der erfindungsgemäßen Objektivlinse entlang ihrer optischen Achse;
2B eine erfindungsgemäße Objektivlinse, die mit einem lichtundurchlässigen Ring versehen ist;
3A einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Objektivlinse;
3B einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Objektivlinse; und
4 ein Detektionssystem der Abtasteinrichtung.
1A zeigt eine Einrichtung zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers 1. Der Aufzeichnungsträger umfasst eine transparente Schicht 2, auf deren einer Seite eine Informationsschicht 3 angeordnet ist. Die von der transparenten Schicht abgewandte Seite der Informationsschicht wird durch eine Schutzschicht 4 vor Umgebungseinflüssen geschützt. Die transparente Schicht 2 wirkt als Substrat für den Aufzeichnungsträger, indem sie für mechanische Unterstützung für die Informationsschicht sorgt. Die transparente Schicht kann auch allein die Funktion haben, die Informationsschicht zu schützen, während die mechanische Unterstützung von einer Schicht auf der anderen Seite der Informationsschicht, beispielsweise durch die Schutzschicht 4 oder eine weitere transparente Schicht und Informationsschicht verschafft wird, die mit der Informationsschicht 3 verbunden ist. Information kann in dem Aufzeichnungsträger in Form von optisch detektierbaren Marken gespeichert werden, die in nahezu parallelen, konzentrischen oder spiralförmigen Spuren in der Informationsschicht 3, in der Figur nicht abgebildet, angeordnet sind. Die Marken können in beliebiger optisch lesbarer Form vorliegen, z. B. in Form von Vertiefungen (Pits), Gebieten mit einem Reflexionskoeffizient oder einer Magnetisierungsrichtung, die sich von denen ihrer Umgebung unterscheiden, oder einer Kombination dieser Formen.
Die Abtasteinrichtung umfasst eine Strahlungsquelle 5, beispielsweise einen Halbeiterlaser, der ein divergierendes Strahlungsbündel 6 emittiert. Ein Strahlteiler 12, bei spielsweise eine halbdurchlässige Platte, reflektiert die Strahlung zu einer Kollimatorlinse 7', die ein kollimiertes Bündel bildet, das auf eine Objektivlinse 7 mit einem einzigen Brennpunkt einfällt. Die Kollimatorlinse und die Objektivlinse können in einer einzigen Objektivlinse kombiniert sein. Die kombinierte Kollimator-Objektivlinse 7'–7 mit einer optischen Achse 8 transformiert das Strahlungsbündel 6 in ein konvergierendes Bündel 9 mit einer einzigen Vergenz, das auf der Informationsschicht 3 einen Brennpunkt 10 bildet. Obwohl die Objektivlinse in der Figur als einzelnes Linsenelement angedeutet ist, kann sie auch ein Hologramm umfassen, das in Transmission oder Reflexion arbeitet, oder ein Gitter, um Strahlung aus einem das Strahlungsbündel führenden Wellenleiter auszukoppeln. Strahlung des von der Informationsschicht 3 reflektierten und ein reflektiertes Bündel 11 bildenden konvergierenden Bündels 9 kehrt auf dem optischen Weg des in Vorwärtsrichtung konvergierenden Bündels 9 zurück. Hinter der Objektivlinse 7 und Kollimatorlinse 7' trennt der Strahlteiler 12 das in Vorwärtsrichtung laufende und das reflektierte Bündel, indem zumindest ein Teil des reflektierten Bündels 11 zu einem Detektionssystem 14 durchgelassen wird. Das Detektionssystem fängt die Strahlung ein und wandelt sie in ein oder mehrere elektrische Signale um. Eines dieser Signale ist ein Informationssignal 15, dessen Wert die aus der Informationsschicht 3 ausgelesene Information repräsentiert. Ein anderes Signal ist ein Fokusfehlersignal 16, dessen Wert die axiale Höhendifferenz zwischen dem Brennpunkt 10 und der Informationsschicht 3 repräsentiert. Das Fokusfehlersignal wird als Eingangssignal für einen Fokusservocontroller 17 verwendet, der die axiale Position der Objektivlinse 7 steuert, wobei die axiale Position des Brennpunktes 10 so gesteuert wird, dass der Brennpunkt nahezu mit der Ebene der Informationsschicht 3 zusammenfällt. Der zum Generieren des Fokusfehlersignals verwendete Teil des Detektionssystems, der ein oder mehrere strahlungsempfindliche Detektionselemente und eine elektronische Schaltung enthält, die das Ausgangssignal der Detektionselemente verarbeitet, wird Fokusfehlerdetektionssystem genannt. Das Fokusservosystem zum Positionieren der Objektivlinse umfasst das Fokusfehlerdetektionssystem, den Fokusservocontroller und ein Stellglied zum Bewegen der Objektivlinse.
2A zeigt eine Ansicht der Objektivlinse 7 entlang ihrer optischen Achse. Die Linse umfasst einen ringförmigen äußeren Teil 25 und einen zentralen Teil 26 innerhalb des ringförmigen Teils. Der zentrale Teil und der ringförmige äußere Teil können eine gemeinsame Grenzlinie 27 haben, wie in der Figur gezeigt, oder sie können durch einen Zwischenring getrennt sein.
Die Objektivlinse 7 ist so entworfen, dass sie auf der Informationsschicht 3 einen besten Brennpunkt bildet, d. h. einen Brennpunkt mit einem Strehl-Verhältnis nahe 1. Aus diesem Grund ist die Objektivlinse 7 hinsichtlich der vom konvergierenden Bündel 9 beim Durchlaufen der transparenten Schicht 2 des Aufzeichnungsträgers erfahrenen sphärischen Aberration 1 korrigiert. Die Wellenfront des konvergierenden Bündels nahe dem Brennpunkt 10 ist nahezu kugelförmig. 1B zeigt einen Aufzeichnungsträger 21 eines anderen Typs, der eine Informationsschicht 23 und eine transparente Schicht 22 mit einer Dicke hat, die sich von der Dicke der transparenten Schicht 2 unterscheidet. Die Informationsschicht 23 kann mit dem konvergierenden Bündel 9 korrekt abgetastet werden, wenn die Informationsschicht axial nicht bei der Position des besten Brennpunktes, sondern nahe oder bei der Position des paraxialen Brennpunktes des konvergierenden Bündels 9 angeordnet ist.
Wenn die Informationsschicht 23 an einer axialen Stelle entfernt vom paraxialen Brennpunkt positioniert ist, nimmt die Qualität des Brennflecks schnell ab, was zu einer verminderten Qualität der in dem Detektionssystem 14 generierten Signale führt. In einem kleinen Bereich um die Position des paraxialen Brennpunktes herum ist die Wellenfront des mit Aberration behafteten, konvergierenden Bündels in einem zentralen Teil der Öffnung nahezu kugelförmig. Der Brennpunkt umfasst eine kleine, zentrale Region hoher Intensität, die von Strahlen in dem zentralen Teil der Öffnung herrührt, und eine große Region niedriger Intensität, die die kleine Region umgibt und von Strahlen außerhalb des zentralen Teils herrührt. Die Qualität der zentralen Region des Brennpunktes ist dann für korrektes Abtasten der Informationsschicht 23 ausreichend, während die äußere Region so gemacht werden kann, dass sie das Abtasten nicht beeinflusst.
Beim Abtasten der Informationsschicht 23 des Aufzeichnungsträgers 21 mit dem paraxialen Brennpunkt ist der zentrale Teil der Wellenfront relativ eben, aber der äußere Teil der Wellenfront ist stark abgelenkt. Die Ablenkung verändert die Richtung der Randstrahlen, wodurch es möglich wird, die Randstrahlen vor der Detektion abzufangen und dadurch einen Großteil des störenden Einflusses der unkompensierten sphärischen Aberration aus den von dem Detektionssystem generierten Signalen zu entfernen.
Die Größe des zentralen Teils und des ringförmigen Teils hängt unter anderem von der numerischen Apertur der Objektivlinse 7, der Differenz zwischen der ersten und zweiten Dicke der transparenten Schichten 2 bzw. 22 und ihren Brechzahlen ab. Die Bestimmung der optimalen Größe des zentralen Teils und ihre Toleranz sind in der genann ten internationalen Patentanmeldung IB96/00182 beschrieben worden, insbesondere in den Absätzen, in denen Gleichung (1) dieser Anmeldung und Gleichung (2b), die eine bevorzugte Ausführungsform angibt, erläutert werden. Als Beispiel ist eine Einrichtung entworfen worden, um einen Aufzeichnungsträger vom ersten Typ, der eine Dicke der transparenten Schicht von 0,6 mm hat, mit einem Strahlungsbündel mit der Wellenlänge λ = 635 nm und NA₀ = 0,60 abzutasten, wobei NA₀ die numerische Apertur des gesamten Strahlungsbündels 9 ist. Die Einrichtung muss auch imstande sein, einen Aufzeichnungsträger vom zweiten Typ, der eine Dicke der transparenten Schicht von 1,2 mm (Δd = 0,6 mm), eine Brechzahl von 1,58 und kleinste Details in Form eines Spurmittenabstandes mit p = 1,6 μm hat, abzutasten. Der optimale Wert von NA_c, d. h. die zum zentralen Teil gehörende numerische Apertur, ist 0,33. Da der Wert von NA_c geteilt durch NA₀ gleich 0,33/0,60 = 0,55 ist, ist der Durchmesser des zentralen Teils 26 auch gleich 0,55 mal dem Durchmesser des gesamten Querschnitts des reflektierten Bündels 11 bei der Position der Objektivlinse. Wegen der einander entgegenwirkenden Auswirkungen von einerseits sphärischer Aberration, wodurch die Fleckgröße mit zunehmender Öffnung größer wird und andererseits Beugung, wodurch die Fleckgröße mit zunehmender numerischer Apertur kleiner wird, ist die Toleranz für den Wert von NA_c und die Größe des zentralen Teils relativ groß. Für Einrichtungen mit geringer Leistungsfähigkeit beträgt die Toleranz 25% und für hochleistungsfähige Einrichtungen ist die Toleranz vorzugsweise gleich 10%.
3A zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objektivlinse 7, die entworfen ist, um ein kollimiertes Strahlungsbündels mit einer NA von 0,6 bei der Entwurfswellenlänge von 650 nm durch die aus Polycarbonat (PC) mit einer Dicke von 0,6 mm und einer Brechzahl von 1,58 hergestellte transparente Schicht 2 hindurch auf einen Brennpunkt zu fokussieren. Die Objektivlinse umfasst einen kugelförmig-ebenen Glaskörper 28 und eine transparente Schicht 29 aus Diacryl mit einer Brechzahl von 1,566, die sowohl dem ringförmigen Teil als auch dem zentralen Teil der Linse eine asphärische Außenfläche 30 gibt. Die transparente Schicht 29 kann an dem Glaskörper 28 mit der unter anderem aus dem europäischen Patent mit der Nr. 0 156 430 bekannten Kopiertechnik angebracht werden. Der ringförmige Teil, mit einem Innenradius von 1,089 mm, bringt eine Menge an sphärischer Aberration ein, die einen Durchgang des konvergierenden Strahlungsbündel 9 durch die 0,6 mm dicke, transparente PC-Schicht kompensiert. Der zentrale Teil der Linse, innerhalb des ringförmigen Teils, bringt eine sphärische Aberration in das Strahlungsbündel ein, die einen Durchgang durch eine 1,2 mm dicke, transparente PC- Schicht kompensiert. Die Qualität der Objektivlinse wird weiter verbessert, indem die effektiven Brennweiten des zentralen Teils und des ringförmigen Teils nahezu gleich gemacht werden, sodass durch den zentralen Teil laufende Strahlung konstruktiv zu der den ringförmigen Teil durchlaufenden Strahlung beiträgt, wobei sie zusammen den ersten Brennpunkt bilden. Das Abtasten durch die 0,6-mm-Schicht wird verbessert, indem die Dicke des zentralen Teils so gewählt wird, dass die mittlere quadratische Ablenkung der Wellenfront des Strahlungsbündels nahe dem ersten Brennpunkt, d. h. nach Durchlaufen der 0,6-mm-Schicht, minimal ist. Dies erfordert, das die mittlere Wellenfrontablenkung in dem zentralen Teil gleich der mittleren Wellenfrontablenkung in dem ringförmige Teil gemacht wird. Die Wellenfrontkorrektur aufgrund der Dickenkorrektur liegt in der Größenordnung von 0,1λ in Bezug auf einen zentralen Teil, der nur eine Kompensation 4. Grades für sphärische Aberration und eine Korrektur 2. Grades für den Brennpunkt hat. Die Dickenkorrektur beträgt etwa 0,2λ in Bezug auf die Materialdicke der Linse. Die Dickenkorrektur ist eine zusätzliche Maßnahme, ohne die Abtasten durch die 0,6-mm-Schicht hindurch auch möglich ist.

Die Daten für das erste Ausführungsbeispiel der Linse sind:

Brennweite	3,30 mm
Dicke auf der optischen Achse	1,85 mm
Brechzahl des Körpers 28	1,6991
optischer Durchmesser	3,96 mm
Krümmungsradius (R) des Körpers	2,516 mm
freier Arbeitsabstand	1,82 mm
Dickenveränderung der Schicht 29	24 μm bei y = 0,00 mm 0,6 μm bei y = 1,30 mm 44 μm bei y = 1,98 mm.

Die Form der Außenfläche 30 des ringförmigen Teils 25 wird durch folgendes Polynom gegeben
mit a₂ = 0,22111850, a₄ = 0,00406762, a₆ = –0,00001517, a₈ = –0,00000514 und a₁₀ = –0,00000348. Der ringförmige Teil 25 erstreckt sich von y = 0,55*1,98 = 1,089 mm bis y = 1,98 mm.
Die Form der Außenfläche 30 des zentralen Teils 26 wird durch z + Δz gegeben, wobei z durch Gleichung (1) und Δz durch
gegeben werden, mit y_max = 1,089 mm. Das Glied Δz umfasst ein Zernike-Polynom, das eine für die sphärische Aberration, die das Glied in das Strahlungsbündel einbringt, geeignete Brennpunktkorrektur liefert. Das quadratische Glied in dem Polynom ist die Korrektur der Brennweite und das konstante Glied ist die Dickenkorrektur.
Wenn die Objektivlinse nur die sphärische Aberrationskompensation in ihrem zentralen Teil umfasst, liegt die bevorzugte Position der Informationsschicht 23 beim paraxialen Brennpunkt der Linse. Wenn die Objektivlinse sowohl die sphärische Aberrationskompensation als auch die Brennpunktkorrektur umfasst, ist die bevorzugte Position der Informationsschicht 23 ein kurzer Abstand vom paraxialen Brennpunkt aus zum besten Brennpunkt, um die Wellenfrontablenkung zu minimieren. Der kurze Abstand beträgt etwa zwei Fokustiefen des den zentralen Teil 26 durchlaufenden Bündels, d. h. eines Bündels mit einer numerischen Apertur von NA_c. Die Fokustiefe ist gleich λ/[2(NA_c)²]. Wenn die Wellenlänge λ beispielsweise gleich 650 nm und NA_c gleich 0,33 ist, ist der kurze Abstand gleich 6 μm. Von jedem Verweis auf die Position des paraxialen Brennpunktes hier weiter unten soll angenommen werden, dass er ein Verweis auf die bevorzugte Position ist.
Im Allgemeinen ist ein Brennpunkt korrekt auf einer Informationsebene positioniert, wenn das Fokusfehlersignal 16 einen Wert null hat. Wenn in einer Abtasteinrichtung, die eine Objektivlinse gemäß der obigen ersten Ausführungsform hat, das Fokusservosystem so eingestellt ist, dass der auf der ersten Informationsschicht 3 liegende erste Brennpunkt sich bei einem Nulldurchgang des Fokusfehlersignals befindet, liegt der zweite Brennpunkt im Allgemeinen beim Nulldurchgang des Fokusfehlersignals nicht genau auf der Informationsschicht 23. Dies kann behoben werden, indem beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ zu dem Fokusfehlersignal 16 eine konstante Fokusoffsetspannung addiert wird. Der Nachteil einer vom abgetasteten Aufzeichnungsträgertyp abhängigen Offsetspannung kann durch Abwandlung der Objektivlinse überwunden werden. Hierzu wird eine Brennpunktkorrektur zum zentralen Teil der Objektivlinse hinzugefügt, wodurch der zentrale Teil eine Brennpunktkorrektur erhält, die sich von der Korrektur unterscheidet, die für die sphärische Aberration, die er in das Bündel einbringt, angemessen ist. Die zusätzliche Brennpunktkorrektur sorgt dafür, dass der zweite Brennpunkt bei einem Nulldurchgang des Fokusfehlersignals auf der zweiten Informationsschicht liegt. Die Größe der zusätzlichen Brennpunktkorrektur liegt in der Größenordnung einer Fokustiefe der Objektivlinse, d. h. in der Größenordnung von 1 μm, und kann von der Geometrie des Fokusfehlerdetektionssystems abhängen. Die vom Aufzeichnungsträger abhängige zusätzliche Fokusoffsetspannung ist dann nicht mehr erforderlich.
Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objektivlinse, die die oben genannte zusätzliche Brennpunktkorrektur enthält, hat einen ähnlichen Querschnitt wie der Querschnitt der in 3A gezeigten ersten Ausführungsform und kann auch mit Hilfe der Kopiertechnik hergestellt werden. Die Form der Außenfläche des ringförmigen Teils ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform und wird durch die obige Gleichung (1) und die Werte der direkt unter der Gleichung gegebenen Konstanten gegeben. Die Form der Außenfläche des zentralen Teils wird durch z + Δz' gegeben, wobei z durch die Gleichung (1) und Δz' durch
gegeben wird.
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objektivlinse ist eine biasphärische Linse 32, die beispielsweise durch Spritzgießen aus einem einzigen Kunststoffmaterial hergestellt wird. 3B zeigt einen Querschnitt der Linse 32. Das Material der Linse ist Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einer Brechzahl von 1,4885 bei der Entwurfswellenlänge von 650 nm.
Die Daten für das dritte Ausführungsbeispiel der Linse sind:

Brennweite 3,30 mm

Dicke auf der optischen Achse 2,95 mm

optischer Durchmesser 3,96 mm

freier Arbeitsabstand 1,5 mm.
Die Linse hat zwei Oberflächen 33 und 34, wobei die erste der Strahlungsquelle und die zweite dem Aufzeichnungsträger 1 zugewandt ist. Die Form der Oberfläche 33 in dem ringförmigen Teil der Linse wird durch das Polynom für z in Gleichung (1) gegeben, in dem die Konstanten die folgenden Werte haben: a₂ = 0,25317630, a₄ = 0,00671352, a₆ = 0,00045753, a₈ = –0,00010526 und a₁₀ = 0,00000860. Der ringförmige Teil erstreckt sich von y = 1,089 mm bis y = 1,98 mm. Die Form der Oberfläche 33 in dem zentralen Teil wird durch z + Δz gegeben, wobei z durch die Gleichung (1) und die im vorhergehenden Satz angegebenen Konstanten gegeben wird und Δz durch die Gleichung (2), wobei der Faktor 0,63 durch 0,73 ersetzt worden ist.
Die Form der Oberfläche 34 über die Breite des Strahlungsbündels wird durch die Gleichung (1) gegeben, in der die Konstanten die folgenden Werte haben: a₂ = –0,10009614, a₄ = 0,02163729, a₆ = –0,00788082, a₈ = 0,00205921 und a₁₀ = –0,00023477.
Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Objektivlinse ist eine Linse, wie in 3B gezeigt, die die gleiche Form der Oberflächen 33 und 34 hat, aber bei der die Form des zentralen Teils nicht durch z + Δz, sondern durch z + Δz' gegeben wird, wobei Δz' durch Gleichung (3) gegeben wird, in der der Faktor 0,63 durch 0,73 ersetzt ist. Diese Linse hat die zusätzliche Brennpunktkorrektur, die mit der zweiten Ausführungsform vergleichbar ist.
Es wird deutlich sein, dass gleichartige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Objektivlinse möglich sind, wenn die Objektivlinse 7 und die Kollimatorlinse 7' in einem einzigen optischen Element kombiniert werden. Während die obigen Ausführungsformen eine einzige endliche Konjugierte haben, hat ein solches einzelnes optisches Element zwei endliche Konjugierte.
Wie oben erwähnt, müssen die Randstrahlen des Strahlungsbündels 11 beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ vor der Detektion abgefangen werden. Strahlen in der zentralen Region des Strahlungsbündels 11 werden in richtiger Weise zum Detektionssystem 14 hin fokussiert, während die Randstrahlen des Strahlungsbündels 11 aufgrund der sphärischen Aberration eine so große Winkelablenkung haben, dass sie vom Detektionssystem 14 nicht abgefangen werden. Strahlen in einer Zwischenregion zwischen der zentralen Region des Bündels und den Randstrahlen werden jedoch weiterhin auf das Detektionssystem treffen, obwohl diese Strahlen nicht die richtige sphärische Aberrationskorrektur für den ersten Aufzeichnungsträgertyp haben, und dadurch verschlechtert sich die Qualität der von dem Detektionssystem gebildeten Detektionssignale.
Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Abtasteinrichtung mit einem lichtundurchlässigen Ring versehen wird, der auf der Objektivlinse angeordnet sein kann. Das Wort "lichtundurchlässig" bedeutet, dass auf den Ring einfallendes Licht nicht dem Weg folgt, dem es ohne den Ring gefolgt wäre, d. h. solches Licht fällt nicht mehr auf das Detektionssystem. Der Ring stellt eine Lösung für das gleiche Problem dar wie die zusätzliche Brennpunktkorrektur der zweiten und vierten Ausführungsform der Objektivlinse. Daher erfordert eine Abtasteinrichtung mit einem Ring keine vom Aufzeichnungsträger abhängige zusätzliche Offsetspannung in dem Fokusservosystem.
2B zeigt ein Objektivsystem 35 mit einem solchen lichtundurchlässigen Ring. Ein ringförmiger Teil 36 und ein zentraler Teil 37 sind durch einen Zwischenring 38 getrennt. Die Form des ringförmigen Teils und des zentralen Teils können entsprechend der oben beschriebenen ersten oder dritten Ausführungsform ausgeführt sein. Der innere Kreis des Ringes 35 liegt vorzugsweise bei der Position der Grenzlinie 27 der Ausführungsform der in 2A gezeigten Linse mit einer Toleranz von 10% des Radius des gesamten Querschnittes des Strahlungsbündels am Ort des Ringes. Die Breite des Ringes hängt unter anderem von der Geometrie des Detektionssystems 14 ab. Ein breiter Ring entfernt unerwünschte Strahlen wirksam aus dem Detektionssystem, während ein kleiner Ring einen höheren Strahlungsdurchsatz hat. Als Kompromiss hat ein in dem nach vorn verlaufenden und reflektierten Strahlungsbündel angeordneter Ring vorzugsweise eine Breite zwischen 5% und 25% des erwähnten Radius und eine optimale Breite von 10%.
Der Ring kann mehrere Ausgestaltungen haben. Er kann eine oder mehrere tiefe "V"-Rillen oder -Hügel umfassen, die das einfallende Licht auf dem Ring in Richtungen brechen, wo sie die Detektionsignale kaum oder gar nicht mehr beeinflussen. Der Ring kann auch eine Reihe kleiner, flacher Pits oder Rillen umfassen, die als Gitter arbeiten, das das einfallende Licht vom laufenden Bündel weg beugt. Ein solches Gitter kann leicht auf einer Linse angebracht werden, die aus einem Glaskörper und einer transparenten Schicht aufgebaut ist, welche eine oder beide Seiten des Körpers bedeckt, und auf einer Kunststofflinse. Der Ring kann einen reflektierenden Dünnfilmüberzug umfassen, um auf den Ring einfallendes Licht zu reflektieren. Der Ring kann auch eine absorbierende Schicht umfassen, wie z. B. Tinte, um einfallendes Licht zu absorbieren. Der Ring kann 2(2n + 1) Abschnitte gleicher Länge umfassen, mit n = 0, 1, 2, ..., wobei die Abschnitte abwechselnd transparent und lichtundurchlässig sind. Ein solcher Ring, der auf dem Hin- und Rückweg wirkt, bildet ein wirksames Hindernis für auf den Ring einfallende Strahlung und hat gleichzeitig den Vorteil, dass er mehr vom Aufzeichnungsträger in höherer Ordnung gebeugte Strahlung durchlässt als ein gleichmäßig lichtundurchlässiger Ring.
Jeder dieser Ringe kann zu beiden Seiten einer Objektivlinse mit einer einzigen endlichen Konjugierten oder einer Objektivlinse mit zwei endlichen Konjugierten angeordnet sein. Der Ring kann auch auf dem Strahlteiler 12 in 1 angeordnet sein, sodass er nicht mit dem Strahlungsbündel 6 aus dem Laser 5, sondern nur mit dem reflektierten Strahlungsbündel 11 in Wechselwirkung tritt. Bei Verwendung einer halbdurchlässigen Platte als Strahlteiler, wie in 1 gezeigt, kann der Ring auf der zum Detektionssystem 14 gerichteten Seite der Platte angebracht werden. Wenn der Ring nur in dem reflektierten Bündel 11 angeordnet ist, ist der Ring vorzugsweise breiter als der auf der Linse angeordnete Ring und bewegt sich vorzugsweise zwischen 55% und 75% des Radius des reflektierten Bündels am Ort des Ringes mit einer Toleranz von ±5% des erwähnten Radius. Diese Anordnung ergibt ein robusteres Auslesen von Information, wenn ein Aufzeichnungsträger vom ersten Typ in eine Schräglage gebracht wird.
4 zeigt eine Ausführungsform des Detektionssystems 14. Das Detektionssystem umfasst einen Quadrantendetektor, der vier strahlungsempfindliche Detektionselemente 39, 40, 41 und 42 hat. Das auf diese Elemente einfallende Strahlungsbündel 11 ist astigmatisch gemacht worden, beispielsweise durch den Durchgang durch die in 1 gezeigte schräge Platte 12. Die vier elektrischen Ausgangssignale der Detektionselemente können zur Bildung eines Fokusfehlersignals entsprechend dem so genannten Astigmatismusverfahren, das unter anderem aus US 4 358 200 bekannt ist, verwendet werden. Einerseits muss die Größe der Elemente groß genug sein, um beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom ersten Typ das meiste des Strahlungsbündels aufzufangen. Andererseits muss die Größe genügend klein sein, um die Randstrahlen beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ nicht abzufangen. Die Kompromissgröße der Elemente hängt von der Wellenlänge der Strahlung, der numerischen Apertur NA_D der Objektivlinse auf der Seite des Detektionssystems und der Menge an in das Strahlungsbündel 11 eingebrachtem Astigmatismus ab. Die Länge k der einen Seite des Detektionssystemquadrats liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,6 mal k_opt bis 1,4 mal k_opt, wobei der optimale Wert für k, k_opt, gegeben wird durch
wobei W₂₂ die astigmatische Maximum-Minimum-Wellenfrontverformung ist, ausgedrückt in Einheiten der Wellenlänge, die in das reflektierte Bündel 11 eingebracht und über den gesamten Querschnitt des Bündels gemessen worden ist. Die Toleranz für k bedeutet, dass die Detektorform nicht auf ein Quadrat begrenzt ist, sondern innerhalb des Toleranzbereiches rechteckig sein kann. Eine übliche in das Bündel 11 eingebachte Menge an Astigmatismus ist 5λ. Wenn NA_D gleich 0,1 und die Wellenlänge gleich 650 nm ist, liegt die Länge k vorzugsweise zwischen 118 μm und 51 μm, mit einem optimalen Wert bei 85 μm.
Wenn in das Strahlungsbündel 11 kein Astigmatismus eingebracht ist, wird der obere Wert des bevorzugten Bereiches für die Größe k des Detektionssystems gegeben durch
wobei W₄₀ die sphärische Aberration aufgrund eines einzelnen Durchgangs durch die Dickendifferenz beim größten Durchmesser des Strahlungsbündels 11 ist, d. h. bei der numerischen Apertur NA₀, und NA₁ die numerische Apertur beim inneren Kreis des ringförmigen Teils des Strahlungsbündels 9 ist. Das Glied W₄₀ in Einheiten einer Wellenlänge wird gegeben durch
wobei n die Brechzahl der transparenten Schicht und Δd die Dickendifferenz zwischen den Schichten 2 und 22 ist. Der untere Wert des bevorzugten Bereiches für k ist 0,6 mal k_max. Bei einer der Ausführungsformen der Objektivlinse ohne lichtundurchlässigen Ring und mit einem ringförmigen Teil, das sich von 0,55 bis 1 mal dem Durchmesser des Strahlungsbündels erstreckt, ist der Wert von NA₁/NA₀ 0,55 und die maximale Größe des Detektionssystems wird gegeben durch k_max = 15λ/NA_D. Mit den obigen Werten für λ und NA_D ergibt dies k_max = 98 μm und eine Untergrenze von 59 μm. Bei einer der Ausführungsformen mit einem Ring 38, der sich von 0,55 bis 0,65 mal dem Durchmesser des Strahlungsbündels erstreckt, ist der Wert von NA₁/NA₀ gleich 0,65 und wird die maximale Größe des Detekti onssystems gegeben durch k_max = 25λ/NA_D. Mit den obigen Werten für λ und NA_D ergibt dies k_max = 162 μm und eine Untergrenze von 97 μm. Die größere zulässige Größe des Detektionssystems bei Verwendung eines lichtundurchlässigen Ringes ist auf die Unterdrückung von Strahlen durch den Ring beim Übergang vom zentralen Teil zum ringförmigen Teil zurückzuführen.
Die Größe des Astigmatismus W₂₂ ist vorzugsweise so, dass 1,4 k_opt ≤ . k_max.
Eine Reihe von Experimenten wurde ausgeführt, um die Qualität verschiedener aus dem Detektionssystem abgeleiteter Signale zu zeigen, wenn unterschiedliche Objektivlinsen in einer optischen Abtasteinrichtung verwendet werden. Die Dicke der ersten transparenten Schicht 2 vom ersten Aufzeichnungsträgertyp betrug 0,6 mm und die der zweiten transparenten Schicht 22 vom zweiten Aufzeichnungsträgertyp betrug 1,2 mm. Die numerische Apertur der gesamten Linse betrug 0,6. Das aus den vier Ausgangssignalen der vier Detektionselemente 37–40 beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ abgeleitete Informationssignal hatte etwa die gleiche Qualität, wenn eine Objektivlinse ohne die sphärische Aberrationskompensation gemäß der Erfindung und wenn eine erfindungsgemäße Objektivlinse verwendet wurde. Dies zeigt, dass das Vorhandensein des zentralen Teils in der Objektivlinse mit einer sphärischen Aberrationskompensation für eine andere Substratdicke die Qualität des Informationssignals beim Auslesen von Aufzeichnungsträgern vom ersten Typ nicht wesentlich beeinflusst.
Beim Auslesen eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ unter Verwendung einer Objektivlinse ohne die sphärische Aberrationskompensation gemäß der Erfindung betrug der Jitter in dem Informationssignal etwa 8%. Bei Verwendung einer Objektivlinse mit einer sphärischen Aberrationskorrektur in dem zentralen Teil gemäß der Erfindung reduzierte der Jitter sich auf 6%. Das Hinzufügen der zusätzlichen Brennpunktkorrektur gemäß der zweiten Ausführungsform der Objektivlinse erniedrigte den Jitter auf 5%. Der Jitter betrug auch 5%, wenn die zusätzliche Brennpunktkorrektur durch einen lichtundurchlässigen Ring ersetzt wurde. Es sei bemerkt, dass eine vorteilhafte Verringerung auch erreicht wird, wenn der Ring auf ein Linsensystem angewendet wird, das sowohl über den zentralen Teil als auch den ringförmigen Teil hinsichtlich der sphärischen Aberration korrigiert ist, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch die erste transparente Schicht kompensiert.
Die Qualität des Fokusfehlersignals hängt stark von der Qualität der von dem Strahlungsbündel 11 nahe dem Detektionssystem gebildeten astigmatischen Brennli nien ab. Die erste Ausführungsform der Objektivlinse liefert beim Abtasten eines Aufzeichnungsträgers vom zweiten Typ eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Brennlinien im Vergleich zu den Brennlinien bei Verwendung einer unkorrigierten Objektivlinse. Durch die verbesserte Qualität nimmt der Einfangbereich des Fokusservosystems zu und wird die Verwendung größerer Detektionselemente möglich, wodurch die Detektion beim Auslesen von Aufzeichnungsträgern vom zweiten Typ verbessert wird. Auch die Positionierungstoleranz des Detektionssystems 14 nimmt durch die verbesserte Qualität zu. Bei einer speziellen Abtasteinrichtung, die eine nicht korrigierte, bekannte Objektivlinse verwendet, führte ein Positionsfehler des Detektionssystems von 10 μm zu einer Brennpunktverschiebung von 2 μm. Bei Verwendung einer korrigierten Objektivlinse in der gleichen Einrichtung, die den Positionsfehler von 10 μm hatte, war die Brennpunktverschiebung kleiner als 0,2 μm.

Claims

Objektivlinse zum Fokussieren eines Strahlungsbündels auf einen einzelnen besten Brennpunkt, wobei die Objektivlinse einen ringförmigen Teil hat, der in das Strahlungsbündel eine erste sphärische Aberration einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch eine erste transparente Schicht, die eine erste Dicke hat, kompensiert, und einen zentralen Teil innerhalb des ringförmigen Teils, der eine zweite sphärische Aberration in das Strahlungsbündel einbringt, die den Durchgang des Strahlungsbündels durch eine zweite transparente Schicht, die eine andere, zweite Dicke hat, kompensiert.
Objektivlinse nach Anspruch 1, bei der der zentrale Teil und der ringförmige Teil der Objektivlinse effektive Brennweiten haben, die nahezu gleich sind.
Objektivlinse nach Anspruch 1, bei der die mittlere Dicke des zentralen Teils der Objektivlinse so ist, dass die mittlere quadratische Ablenkung der Wellenfront nach dem Durchgang durch die erste transparente Schicht einen minimalen Wert aufweist.
Objektivlinse nach Anspruch 1, bei der die Objektivlinse einen zwischen dem zentralen Teil und dem ringförmigen Teil angeordneten lichtundurchlässigen Zwischenring umfasst.
Optische Abtasteinrichtung zum Abtasten eines ersten Typs eines Aufzeichnungsträgers, der eine erste Informationsebene und eine erste transparente Schicht mit einer ersten Dicke hat, und zum Abtasten eines zweiten Typs eines Aufzeichnungsträgers, der eine zweite Informationsebene und eine zweite transparente Schicht mit einer zweiten, von der ersten Dicke unterschiedlichen Dicke hat, mit einer Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahlungsbündels sowie einer Objektivlinse nach Anspruch 1.
Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung Mittel umfasst, um den besten Brennpunkt des Strahlungsbündels nahezu auf der ersten Informa tionsschicht und den paraxialen Brennpunkt des genannten Strahlungsbündels nahezu auf der zweiten Informationsschicht zu positionieren.