NL8700440A

NL8700440A - Optische inrichting bevattende een houder met daarin aangebracht een optisch stelsel.

Info

Publication number: NL8700440A
Application number: NL8700440A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1988-09-16
Also published as: JPS63240512A; EP0280366A1; US4855987A

Description

PHN 12.G42 1 %· N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Optische inrichting bevattende een houder met daarin aangebracht een optisch stelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een optische inrichting bevattende een houder met daarin aangebracht een stelsel van optische elementen waaronder een lenzenstelsel, welke elementen op de binnenwand van de houder bevestigd zijn.

5 Een dergelijke inrichting is in vele uitvoeringsvormen bekend. Als voorbeelden worden hier slechts genoemd een telecentrisch lenzenstelsel en een optische inrichting in de vorm van een stralings-broneenheid die een gekollimeerde stralingsbundel levert en voorzien is van een stralingsbron en een kollimatorlens waarvan het voorwerps-10 brandvlak moet samenvallen met het stralend oppervlak van de stralingsbron. Deze stralingsbroneenheid wordt bijvoorbeeld toegepast in een apparaat voor het met een stralingsvlek aftasten van een informatievlak in een optische re.gistratiedrager, op welk apparaat de uitvinding mede betrekking heeft.

"I Een dergelijk apparaat is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift nr 4.546.463. Tussen de stralingsbroneenheid en de registratiedrager is een ohjektiefstelsel aangebracht dat de door de stralingsbroneenheid geleverde evenwijdige bundel fokusseert tot een aftastvlek in het informatievlak. Onder het aftasten van een informatie-20 vlak wordt verstaan zowel het aftasten van een ingeschreven informatievlak met een uitleesbundel als het aftasten ten behoeve van het inschrijven van informatie in dit vlak met een stralingsbundel die in intensiteit gemoduleerd is overeenkomstig de in te schrijven informatie, zoals beschreven is in het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.546.463.

25 Opdat een optische registratiedrager een voldoend grote hoeveelheid informatie kan bevatten moeten de optische details van zijn informatiestruktuur zeer kleine afmetingen, in de orde van een mikrometer, hebben. De aftastvlek moet een overeenkomstige grootte hebben. Een dergelijke aftastvlek wordt verkregen met een objektief* 30 stelsel dat een voldoend grote numerieke apertuur, minimaal in de orde van 0,40, heeft en waarvan de opening op een adequate wijze door de bundel wordt gevuld zodanig dat een buigingsbegrensde stralingsvlek in zn f; ·: % PHN 12.042 2 het informatievlak wordt gevormd. Er moet voor gezorgd worden dat de aftastvlek een konstante grootte en een konstante intensiteitsverdeling heeft.

Daartoe is niet alleen vereist dat het fokusvlak van het 5 objektiefstelsel steeds samenvalt met het informatievlak, hetgeen op diverse bekende manieren gerealiseerd kan worden, maar ook dat de het objektiefstelsel binnentredende bundel die afkomstig is van de stralingsbroneenheid steeds evenwijdig is en een konstante doorsnede heeft. Dat betekent dat in de stralingsbroneenheid het stralend 10 oppervlak van de stralingsbron steeds moet samenvallen met het voorwerpsbrandvlak van de kollimatorlens.

De afstand tussen het stralend oppervlak en de kollimatorlens wordt bepaald door de lengte van het zich tussen deze twee elementen bevindende gedeelte van de houder waarin de stralingsbron 15 en de kollimatorlens bevestigd zijn. Ten gevolge van variaties in de omgevingstemperatuur kan deze lengte veranderen, waardoor het stralende oppervlak van de stralingsbron zich verplaatst ten opzichte van de kollimatorlens. Dan is de door de stralingsbroneenheid geleverde bundel niet meer optimaal evenwijdig. Een analoog probleem doet zich in het 20 algemeen voor bij optische stelsels waarvan de elementen bevestigd zijn in een houder met een bepaalde uitzettingskoêfficiënt en waarbij strenge eisen gesteld worden aan de onderlinge positionering van de optische elementen.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een algemene 25 oplossing voor dit probleem te geven en optische inrichtingen te verschaffen waarvan het optische gedrag vrijwel onafhankelijk is van temperatuursvariaties. Een optische inrichting volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat de equivalente uitzettingskoêfficiënt van het optische stelsel die de verandering in het optische gedrag van dit 30 stelsel als funktie van de temperatuur geeft en die bepaald wordt door: - de uitzettingskoëfficiënten van de materialen van de optische elementen, - de brekingsindices van deze materialen en de variaties daarvan met de temperatuur, en 35 - de afmetingen van de optische elementen, gelijk is aan de uitzettingskoêfficiënt van het houdermateriaal dat zich bevindt tussen de bevestigingen op de houder van de twee buitenste f* "V r« ! ft j, i‘ ? f χ - f i ƒ·. t * » * PHK 12.042 3 elementen van het optische stelsel.

Be uitvinding maakt gebruik van het feit dat het optische gedrag van elk van de elementen die de stralingsbundel bepalen ook van de omgevingstemperatuur afhankelijk is. Zo is de brekingsindex van deze 5 elementen van de temperatuur afhankelijk terwijl deze elementen bovendien een bepaalde uitzettingskoëfficiënt vertonen. Volgens de uitvinding worden de parameters van de optische elementen zó gekozen dat de door temperatuursvariaties veroorzaakte veranderingen in het optische gedrag van de elementen op zich de verandering in het optische 10 gedrag van het optische stelsel die het gevolg is van de afstands-verandering tussen de optische elementen, die veroorzaakt wordt door uitzetting of inkrimping van de houder, kompenseert.

De optische elementen kunnen geheel uit glas bestaan. Het is ook mogelijk dat deze elementen uit kunststof vervaardigd zijn. Tot 15 nu toe was aan het gebruik van kunststofelementen, zoals kunststof-lenzen, in optische stelsels het bezwaar verbonden dat de brekingsindices van de kunststoffen relatief sterk temperatuursafhankelijk zijn terwijl bovendien de kunststoffen een relatief grote uitzettings-kocfi'ieiëni vertonen zodat het optische gedrag van de elementen 20 relatief sterk varieert met de temperatuur. Bij toepassing van de uitvindingsgedachte, volgens welke deze variatie wordt gekompenseerd door een geschikte keuze van de uitzettingskoëfficiënt van het materiaal van de houder waarin het optische stelsel is aangebracht, vervalt dit bezwaar.

25 Opgemerkt wordt dat in de optiek het probleem van de invloed van temperatuursvariaties op het gedrag van een optisch stelsel reeds lang onderkend is en dat er op diverse wijzen getracht is dit probleem op te lossen. Zo wordt in de ter inzage gelegde Duitse octrooiaanvrage nr. 2.830.341 gekonstateerd dat het beeldveld van een 30 samengesteld objektiefstelsel verschuift bij temperatuursveranderingen ten gevolge van de lengteverandering van de objektiefhouder. Als oplossing wordt aangedragen minstens een van de vattingen van de lenselementen uit een ander materiaal te vervaardigen dan de vattingen van de andere elementen. Verder wordt in het Amerikaanse octrooischrift 35 nr. 4.162.120 vastgesteld dat temperatuursvariaties uitzettingen of inkrimpingen van glaslenzen en brekingsindex-veranderingen van deze . lenzen tot gevolg hebben alsmede uitzettingen of inkrimpingen van de h ' · .! V; * PHN 12.042 4 lensvattingen, waardoor de brandpuntsafstand van het lenzenstelsel varieert. Als oplossing wordt voorgesteld tussen de lensvattingen en de houder een speciale verbinding aan te brengen met afwisselend eerste en tweede elementen die hoge, respektievelijk lage, 5 uitzettingskoëfficiënten hebben.

In geen van de bekende optische stelsels worden de temperatuurskoêfficiënten van de elementen aangepast aan de uitzettingskoêfficiënt van de houder waarin deze elementen aangebracht zijn.

10 De uitvinding kan met voordeel worden toegepast in een optische inrichting in de vorm van een stralingsbroneenheid die een gekollimeerde stralingsbundel levert en die voorzien is van een stralingsbron en een kollimatorlens waarvan het voorwerpsbrandvlak moet samenvallen met het stralend oppervlak van de stralingsbron. Deze 15 stralingsbroneenheid vertoont als kenmerk, dat de kollimatorlens een enkelvoudige lens is en dat de equivalente uitzettingskoêfficiënt, die de variatie van de top-brandpuntsafstand van de kollimatorlens als funktie van de temperatuur geeft, gelijk is aan de uitzettings-koëfficiënt van het houdermateriaal dat zich tussen de bevestigingen 20 op de houder van de stralingsbron en de kollimatorlens bevindt.

De top-brandpuntsafstand is de, langs de optische as gemeten, afstand tussen het brandpunt van de kollimatorlens en het aan de zijde van dit brandpunt gelegen brekende oppervlak van deze lens.

Bij gebruik van een enkelvoudige lens is de voorwaarde 25 waaronder de variatie in optisch gedrag ten gevolge van de verandering van de lens die ten gevolge van de lengteverandering van de houder kompenseert eenvoudig af te leiden.

De meest eenvoudige uitvoeringsvorm van de stralingsbroneenheid die slechts een stralingsbron en een kollimatorlens bevat, 30 vertoont als kenmerk, dat de kollimatorlens een plankonvexe lens is en dat voldaan wordt aan de voorwaarde 35 waarin ft de top-brandpuntsafstand, aa„ de effektieve optische uitzettingskoêfficiënt, eq !«. t jt $+ v c# i *v PHN 12.042 5 f de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, a1 de uitzettingskoëfficient van het kollimatorlensmateriaal, de axiale dikte van de kollimatorlens, n^ de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, 5 de afgeleide naar de temperatuur, (*2 de uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal, L de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de kollimatorlens, 10 zijn.

Een voorbeeld van een enkelvoudige plankonvexe kollimatorlens is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.592.627. Het konvexe oppervlak van deze lens vertoont een asferisch verloop zodat de lens goed gekorrigeerd is voor sferische aberraties.

7' 15 Vooral in een stralingsbroneenheid die bestemd is om gebruikt te worden in een optische inschrijf- en/of uitleesinrichting wordt bij voorkeur een diodelaser als stralingsbron gebruikt. De golflengte van de door een dergelijke laser geleverde straling varieert echter met de temperatuur. Aangezien de brekingsindex die een optisch 20 element voor een bepaalde straling vertoont afhangt van de golflengte van die straling zal ook de golflengteverandering het optische gedrag van het optische stelsel in de houder beïnvloeden. Voor dit effekt wordt gekompenseerd in een stralingsbroneenheid die als verder kenmerk vertoont, dat voldaan wordt aan de voorwaarde 25 ei- — j- - ί~ \ίΌ~^ — j 1 L0 Ή, ' v>>/ \-j ΛΟλ 1>Τ· *~D7~ ' waarin^ en-^r Partiële afgeleide naar de golflengte, respektievelijk de temperatuur voorstellen.

30 In plaats van een plankonvexe lens, waarvan het konvexe oppervlak asferisch is, kan de kollimatorlens ook een bikonvexe lens zijn waarvan de oppervlakken al of niet asferisch zijn. De uitvoeringsvorm van de stralingsbroneenheid met een dergelijke lens vertoont als kenmerk, dat voldaan wordt aan de voorwaarde <y- 'i bj U«.,f'i <**>1 + (t 6l- iL I “üi » «, l.

V jt Ml VAi ΜΓ J ^ ]< -V »,-< ' «t f\ r» , f 4*.

j v v w . w PHN 12.042 6 waarin f de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, fl de equivalente brandpuntsafstand van alleen het van de stralingsbron afgewende oppervlak van de kollimatorlens, 5 de axiale dikte van de kollimatorlens, n.j de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, 1*2 de. kromtestraal van het naar de stralingsbron toegewende oppervlak van de kollimatorlens, d de afgeleide naar de temperatuur,

ÏÏT

10 (*2 uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal, en L de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de kollimatorlens, zijn.

15 Door R2 te vervangen door -R? wordt de voorwaarde voor een konkaaf-konvexe kollimatorlens, waarvan het konkave oppervlak een kromtestraal R2 heeft, verkregen.

Ook in deze uitvoeringsvormen kan een diodelaser met een temperatuursafhankelijke golflengte als stralingsbron gebruikt worden, 20 waarbij deze stralingsbroneenheid als verder kenmerk vertoont dat voldaan wordt aan de voorwaarde 25 waarin^ en de partiële afgeleiden naar respektievelijk de golflengte en de temperatuur voorstellen.

Bij gebruik van een stralingsbroneenheid in een inrichting voor het uitlezen van een optische registratiedrager met een stralingsreflekterend informatievlak is bij voorkeur, zoals getoond 30 wordt in het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.592.627, tussen de stralingsbron en de kollimatorlens een bundelscheidend element, bijvoorbeeld een prisma met een gedeeltelijk doorlatend scheidingsvlak, aangebracht. Dit element heeft ten doel de door de informatiestruktuur gereflekteerde bundel te scheiden van de door de stralingsbron uitge 35 zonden bundel, en de eerstgenoemde bundel te richten op een stralingsgevoelig detektiestelsel. Door het aanbrengen van een dergelijk element wordt de optische weglengte tussen de stralingsbron en de kollimatorlens || 7 fl t /, f? * PHN 12.042 --7 veranderd en, aangezien het materiaal van dit element een uitzettings-koëfficiënt heeft en een temperatuursafhankelijke brekingsindex, zullen temperatuursvariaties het optische gedrag van dit element en daarmee dat van de stralingsbroneenheid beïnvloeden.

5 Volgens de uitvinding kan ook voor dit effekt gekompen- seerd worden door een geschikte keuze van de parameters van de andere optische elementen in de stralingsbroneenheid.

Een dergelijke stralingsbroneenheid die een plankonvexe kollimatorlens bevat, vertoont als kenmerk dat voldaan wordt aan de 10 voorwaarde < (ƒ- %M:i * -i waarin D3, n3 en a3 respektievelijk de axiale dikte van het 15 bundelscheidend element, de brekingsindex van het elementmateriaal en de uitzettingskoëfficiënt van dit materiaal zijn. De overige grootheden van deze vergelijking zijn in het bovenstaande reeds gedefinieerd.

Indien dé stralingsbron in deze uitvoeringsvorm een diodclasor is waarvan de golflengte temperatuursafhankelijk is moeten in 20 de bovenstaande uitdrukking de termen dn vervangen worden

3T

door ~>λ + Ί>λ T'T" f T~ 25 Een stralingsbroneenheid met een bundelscheidingsprisma en een bikonvexe kollimatorlens vertoont als kenmerk dat voldaan wordt aan de voorwaarde ( 'L· L i'\L· y i hfi A - jLl *JL' t La,.i.

30

Ook in deze uitvoeringsvorm kan weer een diodelaser met temperatuursafhankelijke golflengte als stralingsbron gebruikt worden waarbij dan weer de termen dn vervangen moeten worden door

dT

-t~ 'dJS cA ί.γ

De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor p ** * ~ t *- > - V ' a - , PHN 12.042 8 het aftasten van een informatievlak in een optische registratiedrager, welke inrichting bevat een een aftastbundel leverende stralingsbron en een objektiefstelsel voor het fokusseren van de aftastbundel tot een aftastvlek in het informatievlak. De gevoeligheid voor temperatuurs-5 variaties van een dergelijke inrichting is beperkt indien deze inrichting als kenmerk heeft dat de stralingsbroneenheid wordt gevormd door een van de genoemde uitvoeringsvormen volgens de uitvinding.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening. Daarin toont 10 figuur 1 een bekende inrichting voor zowel het inschrijven als het uitlezen van een optische registratiedrager, figuur 2 een stralingsbroneenheid volgens de uitvinding voor gebruik in deze inrichting, figuur 3 een plankonvexe kollimatorlens voor gebruik in 15 de stralingsbroneenheid, figuur 4 een bikonvexe kollimatorlens, figuur 5 een inrichting voor het uitlezen van een optische registratiedrager met een uitleeseenheid die is voorzien van een bundelscheidingsprisma, en 20 figuur 6 een telecentrisch lenzenstelsel.

In figuur 1 is, in perspektief, een deel van een ronde schijfvormige registratiedrager 1 weergegeven. Het informatievlak 2 van deze drager, waarin een gebruiker informatie kan inschrijven en naderhand uitlezen, bevindt zich aan de bovenzijde van de registratiedrager, 25 zodat door het dragersubstraat 3 heen wordt ingeschreven en uitgelezen met een inschrijfvlek WS, respektievelijk een uitleesvlek RS. In het informatievlak 2 is een vooraf aangebracht servospoor 4 aanwezig waarvan in figuur 1 slechts een klein gedeelte is weergegeven. Door rotatie, in de richting van de pijl 7, van de registratiedrager om een as 6 die door 30 een centrale opening 5 in de drager steekt kunnen de vlekken een omwenteling van het servospoor 4 aftasten. Door een gedefinieerde beweging van de twee vlekken in radiële richting van de drager wordt het hele spiraalvormige servospoor afgetast.

De inschrijf- en uitleesinrichting bevat twee stralings-35 broneenheden 10 en 11 die een inschrijfbundel WB respektievelijk een uitleesbundel RB leveren. Deze bundels worden door een reflektor 14, die bijvoorbeeld in tangentiële en radiële richting instelbaar is, naar f- 7 .· ~ * ··' f * * ’ „ <

V

PHN 12.042 9 een objektiefstelsel 15 gericht, dat de bundel WB tot een inschrijfvlek WS en de bundel RB tot een uitleesvlek RS fokusseert in het informatievlak.

De door de stralingsbroneenheden 10 en 11 uitgezonden 5 bundels WB en RB zijn lineair en onderling loodrecht gepolariseerd. In de weg van de bundel RB is een bundeldeler 13 bijvoorbeeld een gedeeltelijk doorlatend prisma, aangebracht dat deze bundel reflekteert naar een polarisatiegevoelige bundeldeler 12, bijvoorbeeld in de vorm van een prisma. Dit prisma reflekteert zowel de van de stralingsbron-10 eenheid afkomstige bundel RB als de door het informatievlak gereflek-teerde bundel RB'. De schrijfbundel WB wordt door de bundeldeler 12 doorgelaten en passeert op zijn weg naar en van het informatievlak tweemaal een sterk-selektieve λ/4-plaat 16. λ is de golflengte van de bundel KB. De plaat 16 draait de polarisatierichting van alleen de 15 schrijfbundel in totaal over 90°, zodat de gereflekteerde bundel WB' door de bundeldeler 12 gereilekteerd wordt. De sterk-selektieve plaat 16 laat de polarisatierichting van de leesbundel RB onverlet.

De door de bundeldeler 12 gereflekteerde bundels WB' en RB', die dezelfde polarisatierichting hebben, worden door het prisma 13 20 doorgelaten naar hun bijbehorende detektoren 22 en 23. De bundels WB' en RB' kunnen van elkaar gescheiden worden door bijvoorbeeld de kombinatie van een sterk-selektieve λ/2-plaat 18, die de polarisatierichting van een van de bundels over 90° draait, en een polarisatiegevoelige bundelscheider 19 die een van de bundels, bijvoorbeeld WB', vrijwel 25 volledig doorlaat en de andere bundel vrijwel volledig reflekteert naar de detektor 22 respektievelijk 23. Vóór de detektoren kunnen nog golflengte-selektieve filters 20 en 21 aangebracht zijn die verhinderen dat straling van de inschrijfbundel, respektievelijk de uitleesbundel, terecht komt op de detektor voor de uitleesbundel, respektievelijk de 30 inschrijfbundel. De lens 17 fokusseert de evenwijdige bundels WB' en RB' op de detektoren 22 en 23.

Voor verdere bijzonderheden over het inschrijven en uitlezen met de inrichting volgens figuur 1, alsmede over de daarbij gebruikte servosystemen voor de spoorvolging en fokussering wordt 35 verwezen naar het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.546.463, waarin tevens andere uitvoeringsvormen van de inschrijf-uitleesinrichting die op hetzelfde principe berusten beschreven zijn.

ίΡ’ Λ ' : PHN 12.042 10

Voor een goede werking van de inrichting is het vereist dat de het objektiefstelsel binnentredende bundels een konstante doorsnede hebben, met andere woorden dat de stralingsbroneenheden bundels leveren die konstant evenwijdig zijn, onafhankelijk van 5 temperatuursvariaties.

Zoals in figuur 2 aangegeven is bestaat elk van de stralingsbroneenheden 10 en 11 uit een houder 30, bijvoorbeeld van aluminium of roestvrij staal. Deze houder is voorzien van een aanslag 31. Een stralingsbron in de vorm van een diodelaser 33 is voorzien van 10 een flens 34 die met zijn bovenvlak tegen de aanslag 31 en met zijn zijvlak tegen de binnenwand van de houder ligt. Door middel van de omgeslagen lippen 32 is de diodelaser in de houder gefixeerd. De houder bevat verder een kollimatorlens 37 die tussen de omgeslagen lippen 40 geplaatst is en tegen de binnenwand van de houder gefixeerd is, 15 bijvoorbeeld door middel van lijm. De houder kan afgesloten zijn met een doorzichtige plaat 41. Eventueel kan de stralingsbroneenheid nog voorzien zijn van een cylinderlens, op de plaats van de plaat 41 of tussen deze plaat en de stralingsbron, om te korrigeren voor een eventueel astigmatisme van de bundel.

20 De kollimatorlens is bijvoorbeeld een plankonve lens waarvan het platte oppervlak 38 naar de diodelaser toegewend is. Er moet voor gezorgd worden dat de afstand tussen het oppervlak 38 en de diodelaser zodanig is dat het stralende oppervlak 36 van de diodelaser in het brandvlak van de kollimatorlens gelegen is. Onder invloed van 25 temperatuurvariaties kan echter de houder uitzetten of inkrimpen waardoor de afstand tussen het stralende oppervlak 36 en het vlak 38 van de kollimatorlens verandert zodat het oppervlak 36 niet meer samenvalt met het brandvlak van de kollimatorlens, en de uit deze lens tredende bundel, WB of RB, niet meer evenwijdig is. Volgens de uitvinding worden 30 de brekingsindex, de uitzettingskoëfficiënt en de andere lensparameters zo gekozen dat gekompenseerd wordt voor de lengteverandering van de houder.

De voorwaarde waaronder dit gebeurt zal nu worden afgeleid aan de hand van figuur 3. In deze figuur is het 35 voorwerpsbrandpunt, in welk brandpunt het stralend oppervlak van de laser zich moet bevinden, f is de brandpuntsafstand, ofwel de afstand tussen het brandpunt F1 en het hoofdvlak H van de lens. ft is de AJ "** ,V „ ...

ve - -j,, - 'v t PHN 12.042 11 zogenaamde top-brandpuntsafstand, dat wil zeggen de, langs de optische as 00' gemeten, afstand tussen het oppervlak 38 van de lens en het brandpunt . LR is de afstand tussen het oppervlak 38 en het hoofdvlak H en D1 is de axiale dikte van de kollimatorlens. R1 is de 5 kromtestraal van het konvexe oppervlak 39 van de lens. Er wordt aangenomen dat de lens ter plaatse van het oppervlak 38 in de houder bevestigd is en dat de bevestiging van de stralingsbron in de houder gerealiseerd is ter hoogte van het stralende oppervlak van deze bron. De uitzetting dL = a^L van het houdergedeelte met lengte L dT ** - 10 tussen de genoemde bevestigingsplaatsen moet dan gelijk zijn aan de verandering QIt. is de uitzettingskoêfficiënt dT" £ van het houdermateriaal. Zoals uit figuur 3 blijkt is ft = f - Lh (1) , 15

De brandpuntsafstand f van een platbolle lens wordt gegeven door R1 f = _L (2) η.-* t

2C

waarin n^ de brekingsindex van het lensmateriaal is.

Voor I.jj geldt D1 lh = ÏÏ7 25 1

Er geldt dus R1 D1 f = _L - J. (3) t n^-1 n^ 30

Bij temperatuurvariaties veranderen zowel de geometrie van de lens, dus de grootheden en D1, als de brekingsindex n^, zodat Φ4)- _ _j_ ~ ^ + b-t_ ~ %r~t' *tr *τ V (4) 35

Door invullen van l. -

/c, *T Λ oiT

i ? ;. i PHN 12.042 12 met de uitzettingskoëfficiënt van het lensmateriaal, en JL. . 4 'hj-t r 5 gaat de vergelijking (4) over in *ƒ y = u(h - jL. i = oi j-h.

JlT 1 ' 4- / J <*t ^ ff (5)

10 waarin aeg aangeduid kan worden als een equivalente uitzettingskoëfficiënt, ofwel de verandering van de brandpuntsafstand per graad temperatuursverandering als gevolg van veranderingen binnen het optische stelsel. Volgens de uitvinding wordt er voor gezorgd dat cEeq . = «2 ' L' zo^a‘t bij gelijkheid van ft en L

15 aeq = a2

De stralingsbron die in de stralingsbroneenheid gebruikt wordt is bij voorkeur een diodelaser, bijvoorbeeld een AlGaAs laser.

Voor een dergelijke laser geldt dat de golflengte λ van de uitgezonden 20 straling kan variëren met de temperatuur. Een groot voordeel van de onderhavige uitvinding is dat ook voor deze variatie gekompenseerd kan worden door bij de keuze van de parameters in vergelijking (5) met deze variatie rekening te houden.

Omdat de brekingsindex n van het lensmateriaal afhangt 25 van de golflengte van de straling die door de lens gaat, moet in de

uitdrukking (5) vervangen worden door <4T

'P'*/ ~Z>A

~i> K * ΐΓ ΐ>7" 30 waarin de tekens^ en"~_ staan voor Partiële afgeleiden naar de golflengte respektievelijk de temperatuur. Voor een stralingsbroneenheid met een stralingsbron waarvan de golflengte afhangt van de temperatuur geldt volgens de uitvinding 35 Mi-%j t\^

In plaats van een plankonvexe lens kan ook een lens met p 1 tr * A Λ J.

PHN 12.042 13 twee gekromde brekende oppervlakken, bijvoorbeeld een bikonvexe lens, als kollimatorlens gebruikt worden. In figuur 4 is een bikonvexe lens weergegeven. Zoals uit de optische handboeken bekend, geldt voor de brandpuntsafstand f van een bikonvexe lens: 5 j* . 1 .

7 V' 'ïci (7) en wordt de top-brandpuntsafstand gegeven door: 10 /i *'$(·- ΤΓ7 %)- i('~ k f, J (8) waarin: ' %-t zodat:

15 dL· / /_ h Jr I -f 7 [ t - ·&, I

(. »·/ «7" / ^ A/y (9) OBidat en op hetzelfde materiaal betrekking hebben is: d èt - „ oil I, zodat voor de tweede term aan de rechterzijde in (9) geldt: « d sL ( t- h±-'· A' I - 4 P' ^L*7'- ) y / >7, HfJ T ji, cir - 25

Er geldt derhalve j * 7V' a, , - -y A/x- 4/,-7—-v ƒ *rl xJ" t Λ,ν ^ V fihr') «r CIO) 30 Voor de lens volgens figuur 4 geldt bovendien 7- (11! ' ‘ V - V ^ "f zodat: 3 p dA - _ _____.W* x /, — —. · -· f: *< Λ '··;' r - ν ‘ .

X

PHN 12.042 14

Omdat R^f R2 en op hetzelfde materiaal betrekking hebben is·.

4 i.. -- = -_iiÜ±— . 4,. * C2jz.' 1 / «* Μ.·», ^ (*,**i-4 ït'j^ ». > 5 zodat: λ_1_L *4.'- 1‘Ki -__λ,.λ. /v-, ctT f “CT H-fki-t, ^ ' en dus; 10 otj - ί *i· tA· ' ——*. dl*' -7 Ί> Vi Δ . n _ i OC Γ <*t ρ *r ni Kt+Rt.-4, (12)

Hierin komt f1 overeen met f in de uitdrukking (2) voor de plankonvexe lens, waaruit afgeleid kan worden: 15 JL W» - < _ -L.°i2Ü P Jt ' h'" *r (13) waardoor (12) geschreven kan worden als: *J. - d (ol,- ~L-. *2' 1 -+ f ór__ J_. uJ2j 20 ?Γ 1l -V' -T· ) Ί·-Ζ' ' V "Τ (14) en dus: λ <*i * d + i.. /V. - f V'] - (Ί5) 25

Invullen van (10) en (15) en (9) levert op: ‘φνΜ-*! i \U*l£ïi— - a 1*3 I-Tii..a. . *Zl *r *7 Λ JU) 1 7, 'V'/*r j jfV'V/ «*» (16) 30 waarvan de rechterterm gerangschikt kan worden, aldus: IN/· jf*)| I · l| V t j «<».

Indien in de stralingsbroneenheid een bikonvexe 35 kollimatorlens wordt gekombineerd met. een diodelaser waarvan de golflengte temperatuursafhankelijk is moet in de uitdrukking (17) (5 *J ft ?· , f ,*·.

j* v 1 ; » · · 7* /·* c j a » PHN 12.042 15 vervangen worden door zodat: c/r Όλ ντ or cf -*· 4-(1,j 5 Indien in (18) R2 wordt voorzien van een min-teken wordt de voorwaarde voor temperatuurskompensatie voor een stralingsbron-eenheid met een konkaaf-konvexe kollimatorlens waarvan het konkave oppervlak een kromtestraal R2 heeft, verkregen.

Figuur 5 toont schematisch een stralingsbroneenheid 50 10 die in kombinatie met een objektiefstelsel 51 en een ingebouwd stralingsgevoelig detektiestelsel 5? een uitleesinrichting vormt die bijzonder geschikt is voor het uitlezen van optische registratiedragers. Voor de werking van deze inrichting wordt verwezen naar het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.592.627 waarin de inrichting in detail beschreven 15 is. In verband met de onderhavige uitvinding is alleen van belang dat tussen de diodelaser 33 en de kollimatorlens 37 een bundelscheidend element bijvoorbeeld in de vorm van een gedeeltelijk doorlatend prisma 53 is aangebracht. Dit prisma laat een deel van de door de diodelaser uitgezonden bundel RB door.naar de registratiedrager 1 en reflekteert 20 een deel van de door het informatievlak 2 gereflekteerde bundel naar het stralingsgevoelige detektiestelsel 52.

Door het aanbrengen van het prisma in de stralingsweg verandert de optische weglengte met 25 waarin D3 de, langs de optische as 00' gemeten, dikte van het prisma en n-j de brekingsindex van het prismamateriaal zijn. Voor de optische weglengte S tussen het stralend oppervlak van de diodelaser en de 30 kollimatorlens 37 geldt nu: en voor de verandering ten gevolge van temperatuursvariaties: - -+ nAZ! °ίΑ* + 1 <*T -ίτ Mj J · ft 7 r ; < ï.

PHN 12.042 16 dus - **4L + aCj.ói -t Αί ‘Ql-c*T 'V ^ (20) 5 Indien, zoals in figuur 5 getoond is, de kollimatorlens een plankonvexe lens is, kan voor de uitdrukking (5) ingevuld dT“ worden, en is: *lL- (21) 10

Indien de kollimatorlens een bikonvexe lens is moet AAt vervangen worden door de uitdrukking (17), zodat: dT“ &iïf, *-(22) 15

Indien de stralingsbron een diodelaser is met een temperatuursafhankeli. jke golflengte moet in de uitdrukkingen 21 en 22 dn vervangen worden door: _ Λ, _

Hr ,7>λ + 'z k ί r τ r 20 Als de kollimatorlens een plankonvexe lens is vertoont het konvexe oppervlak daarvan bij voorkeur een asferisch verloop om te korrigeren voor sferische aberraties. Zoals in het Amerikaanse octrooischrift nr. 4.592.627 beschreven en in figuur 5 aangegeven is, kan het asferische oppervlak worden gevormd door een asferisch 25 buitenprofiel 57 van een dunne laag doorzichtige kunststof 56 die op hpt konvexe oppervlak 55 van de lens 37 is aangebracht. In de hierboven gegeven uitdrukkingen over de equivalente uitzettingskoëfficiënt komen geen grootheden voor die betrekking hebben op deze kunststoflaag omdat, vanwege de geringe dikte van de laag, de temperatuurseffekten in 30 de laag nauwelijks invloed hebben op de brandpuntsafstand van het totale optische stelsel binnen de houder.

Bepaalde types diodelasers zenden een astigmatische bundel uit, dat wil zeggen een bundel die, gezien in twee onderling loodrechte vlakken, twee axiaal verschoven konvergentiepunten heeft. Bij 35 toepassing van dit soort lasers in een optische stralingsbroneenheid wordt meesta] een cylinderlens gebruikt om de bundel stigmatisch te maken. Deze cylinderlens kan geïntegreerd worden met de kollimatorlens jn ƒ A* : ' • ï PHN 12.042 17 door de vereiste eylindrische vorm op het naar de diodelaser gerichte oppervlak van de kollimatorlens te superponeren. Ook dan blijven de hierboven gegeven uitdrukkingen voor de equivalente uitzettings-koëfficiërt gelden, omdat de kromtestraal van de bedoelde cylinder-5 lens in de orde van honderd maal die van het konvexe oppervlak van de kollimatorlens is, zodat de positie van het brandpunt van het optische stelsel binnen de houder vrijwel niet beïnvloed wordt door de aanwezigheid van de cylinderlens en door variaties in het gedrag van deze lens.

10 In het voorgaande is aangenomen dat de stralingsbron in de houder bevestigd is ter plaatse van het stralende oppervlak en de kollimatorlens ter plaatse van het snijpunt van het oppervlak 38 met de optische as. In het geval de bevestigingen elders gelegen zijn moet, zoals bekend uit bijvoorbeeld de Duitse octrooiaanvrage nr. 2.830.341, 1 15 rekening gehouden worden met de uitzettingskoëfficiënt van de gedeelten van de houder tussen de bevestigingspunten en de axiale posities van respektievelijk het stralend oppervlak van de stralingsbron en hel naar de stralingsbron gerichte oppervlak van de kollimatorlens.

Do invloed van de veranderingen van deze gedeelten kan worden berekend 20 en de hierboven gegeven voorwaarden voor de temperatuurskompensatie kunnen dan worden gekorrigeerd.

Een stralingsbroneenheid die een gekollimeerde bundel levert kan ook worden toegepast in een zogenaamde doelzoekinrichting, waarmee een doel kan worden opgespoord en/of gevolgd door middel van een 25 door de stralingsbroneenheid uitgezonden bundel die wordt opgevangen door een stralingsgevoelige detektor. Ook in deze inrichting kan de temperatuurskompensatie volgens de uitvinding worden toegepast.

De uitvinding is niet beperkt tot een stralingsbroneenheid maar kan in het algemeen worden toegepast in 30 optische stelsels waarvan het optische gedrag niet beïnvloed mag worden door een verandering van de houder waarin dit stelsel is aangebracht. Als voorbeeld kan worden genoemd een stelsel dat een konstante vergrotingsfaktor moet hebben, zoals een telecentrisch stelsel dat in figuur 6 schematisch is weergegeven.

35 Eer. telecentrisch lenzenstelsel bestaat uit een aantal, bijvoorbeeld twee, lenzen, en in figuur 6, met bepaalde sterkten en onderlinge afstanden. Indien het centrum van de zogenaarode- * ‘ PHN 12.042 ' 18 % apertuurstop AA' van dit stelsel zich in het brandpunt van de lens L·^ bevindt, ligt de uittreepupil van het stelsel, dit is de door de lens L4 gevormde afbeelding van de apertuurstop, in het oneindige en is het stelsel telecentrisch aan de beeldzijde. Dat betekent dat de 5 hoofdstraal h van elke bundel b die door het stelsel gaat loodrecht invalt op het beeldvlak IP. Bevindt de apertuurstop zich in het brandpunt F3 van de lens Lj dan ligt de intreepupil in het oneindige en is het stelsel telecentrisch aan de voorwerpszijde. OP' is het voorwerpsvlak dat aan het beeldvlak IP is toegevoegd. In een dubbel-10 telecentrisch stelsel, zoals in figuur 6 is weergegeven, vallen F3 en F^ beide samen met het centrum van de apertuurstop. Volgens de uitvinding kan de variatie van de afstand tussen de lenzen, die veroorzaakt wordt door een temperatuursafhankelijke lengteverandering van de houder H^, worden gekompenseerd door de uitzettings-15 koëfficiënten en brekingsindices van de lenzen aan te passen aan de uitzettingskoëfficiënt van de houder. Op analoge wijze als hierboven beschreven is voor een stralingsbroneenheid kan voor een telecentrisch stelsel de voorwaarde waaronder de temperatuurskompensatie optreedt afgeleid worden.

< M-- ï. * : - j . * p ί y ·;

Claims

1. Optische inrichting bevattende een houder met daarin aangebracht een stelsel van optische elementen waaronder een lenzenstelsel, welke elementen op de binnenwand van de houder bevestigd zijn, met het kenmerk, dat de equivalente uitzettingskoêfficiënt van het 5 optische stelsel die de verandering in het optische gedrag van dit stelsel als funktie van de temperatuur geeft en die bepaald wordt door: - de uitzettingskoêfficiënten van de materialen van de optische elementen, - de brekingsindices van deze materialen en de variaties daarvan met de 10 temperatuur, en - de afmetingen van de optische elementen gelijk is aan de uitzettingskoêfficiënt van het houdermateriaal dat zich bevindt tussen de bevestigingen op de houder van de twee buitenste elementen van het optische stelsel.

2. Optische inrichting volgens conclusie 1 in de vorm van een optische stralingsbroneenheid die een gekollimeerde stralingsbundel levert en die voorzien is van een stralingsbron en een kollimatorlens waarvan het voorwerpsbrandvlak moet samenvallen met het stralend oppervlak van de stralingsbron, met het kenmerk, dat de kollimatorlens 20 een enkelvoudige lens is en dat de equivalente uitzetting.·?- koëfficiënt, die de variatie van de top-brandpuntsafstanö van de kollimatorlens als funktie van de temperatuur geeft, gelijk is aan de uitzettingskoêfficiënt van het houdermateriaal dat zich tussen de bevestigingen op de houder van de stralingsbron en de kollimatorlens 25 bevindt.

3, Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de kollimatorlens een plankonvexe lens is en dat voldaan wordt aan de voorwaarde: 30 ifjt' °^· waarin aeq de equivalente optische uitzettingskoêfficiënt, ft de top-brandpuntsafstand, 35. de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, a.j de uitzettingskoêfficiënt van het kollimatorlensmateriaal, D.j de axiale dikte van de kollimatorlens, V-m . J>,, PHN 12.042 20 n1 de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, d de afgeleide naar de temperatuur, 3T 02 de uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal en 5 L de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de kollimatorlens, zijn.

4. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 3, waarin de stralingsbron een diodelaser is waarvan de golflengte temperatuurs-10 afhankelijk is, met het kenmerk, dat voldaan wordt aan de voorwaarde οί ( 4- f A* - jL· I / I - tij L. waarin^ en-f^- de Partiële afgeleiden naar respektievelijk de 15 golflengte en de temperatuur zijn.

5 Lf ls)r +i $.) -r ί *, -rj waarin f de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, de equivalente brandpuntsafstand van alleen het van de 10 stralingsbron afgewende oppervlak van de kollimatorlens, Di de axiale dikte van de kollimatorlens, n^ de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, de uitzettingskoëfficiënt van het kollimatorlensmateriaal, R2 de kromtestraal van het naar de stralingsbron toegewende 15 oppervlak van de kollimatorlens, D3 de axiale dikte van het bundelscheidend element, n3 de brekingsindex van het materiaal van dit element, a3 de uitzettingskoëfficiënt van het elementmateriaal, d de afgeleide naar de temperatuur, cTï 20 «2 de uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal, en L de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de kollimatorlens, zijn,

5. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 2, waarvan de kollimatorlens een bikonvexe lens is, met het kenmerk, dat voldaan wordt aan de voorwaarde /-/_ L L·, I i * Ψ 1. Jv, dju 1+ ( i ^- X j c. 20 11 | V'^ MrJ Lï·^ ) c^r waarin f de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, f^ de equivalente brandpuntsafstand van alleen het van de 25 stralingsbron afgewende oppervlak van de kollimatorlens, D1 de axiale dikte van de kollimatorlens, n^ de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, 1*2 de kromtestraal van het naar de stralingsbron toegewende oppervlak van de kollimatorlens, 30. de afgeleide naar de temperatuur, 3T 0-2 de uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal, en L de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de kollimatorlens, 35 zijn.

6. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 5, waarvan de stralingsbron een diodelaser is waarvan de golflengte f: 7 f:· ’· - - -· ΓΗΚ 12.042 21 * temperatuursafhankelijk is, met het kenmerk, dat voldaan wordt aan de voorwaarde /·/- ί i /jv v L __{i ^ I' ί5*»/ .?a + ί V-j \ = ii ^ t '·)} 1 f, φΑ 'Λ '·7- *f*jnp V ν'Λ «Hr **/ - · 5 waarin en£^. de partiële afgeleiden naar respektievelijk de golflengte en de temperatuur zijn.

7. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 2, waarin tussen de kollimatorlens en de stralingsbron een bundelscheidend element 10 is aangebracht, met het kenmerk, dat de kollimatorlens een plankonvexe lens is en dat voldaan wordt aan de voorwaarde M**·L 15 waarin de uitzettingskoëfficiënt van het kollimatorlensmateriaal, f de voorwerpsbrandpuntsafstand van de kollimatorlens, de axiale dikte van de kollimatorlens, r»< de brekingsindex van het kollimatorlensmateriaal, 20 de axiale dikte van het bundelscheidend element, n3 de brekingsindex van het materiaal van dit element, 03 de uitzettingskoëfficiënt van het elementmateriaal, d de afgeleide naar de temperatuur, dT I, de lengte van de houder tussen de stralingsbron en de 25 kollimatorlens, en «2 de uitzettingskoëfficiënt van het zich tussen de stralingsbron en de kollimatorlens bevindende houdermateriaal, zijn.

8. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 7, waarin 30 de stralingsbron een diodelaser is waarvan de golflengte temperatuurs- afhankelijk is, met het kenmerk, dat voldaan wordt aan de voorwaarde *//'ƒ-- ^ I +(i'. - t I /φ*/ ® V l + h I V' W' + A VA + V+j, l _ .· L' »tJ i * <. V/;t -ïA -T -ïTtj ) hj * VC-»A· ττ- erJj ' - “· 35 waarin ^ en 2^ de partiële afgeleiden naa^ respektievelijk de golflengte en de temperatuur zijn.

9. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 2, waarin 6/Γ r/ fi * * PHN 12.042 22 tussen de stralingsbron en de kollimatorlens een bundelscheidend element is aangebracht, met het kenmerk, dat de kollimatorlens een bikonvexe lens is en dat voldaan wordt aan de voorwaarde M-l *>ύ*+ί 1< J’i'Lit *· -S l-'-s.' / + i ^j i.

10. Optische stralingsbroneenheid volgens conclusie 9, waarin de stralingsbron een diodelaser is waarvan de golflengte temperatuurs-afhankelijk is, met het kenmerk, dat voldaan wordt, aan de voorwaarde (/- i I«-+^

30 V ^ ^j) - <L waarin en de partiële afgeleiden naar respektievelijk de golflengte en de temperatuur zijn.

11. Inrichting voor het aftasten van een informatievlak in een optische registratiedrager welke inrichting bevat een een aftast-bundel leverende stralingsbron en een objektiefstelsel voor het fl 7 A /· K\.;. > *- ~3 ?.· 'jf, PHN 12.042 23 fokusseren van de aftastbundel tot een aftastvlek in het informatievlak, met het kenmerk, dat de stralingsbron wordt gevormd door een stralings-broneenheid volgens één der conclusies 2-10. f r * *