DE3785616T2

DE3785616T2 - Asphaerische einzellinse.

Info

Publication number: DE3785616T2
Application number: DE8787305151T
Authority: DE
Inventors: Yoshitomi Nagaoka; Yasuo Nakajima; Yasuhiro Tanaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2007-06-11
Also published as: EP0252614B1; JPS6310119A; EP0252614A3; EP0252614A2; DE3785616D1; US4842388A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine als eine Objektivlinse verwendbare Einzellinse, die als ein optischer Aufnehmer in einer Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung für ein optisches Aufzeichnungsmedium, wie eine Videoplatte, eine Schallplatte, eine optische Speicherplatte und ähnliches, verwendet wird, und betrifft insbesondere eine als Objektivlinse verwendbare Einzellinse, die Licht von einer Lichtquelle ohne Verwendung einer Kollimatorlinse konvergieren kann.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Von einer Objektivlinse, die in einem optischen Aufnehmer einer optischen Plattenaufzeichnungs- und -wiedergabevorrichtung verwendet wird, wird gefordert, daß sie Aberrationen genau bis zu ihrer Beugungsgrenze korrigiert, einen weiten Blickwinkel liefert, billig ist und einen so kompakten wie möglich optischen Aufnehmer gestattet.
Das herkömmliche Objektivlinsensystem, das durch Kombinieren einer Mehrzahl sphärischer Glaslinsen hergestellt wird, um vollkommen die erwünschte optische Leistung zu erfüllen, kann nicht die oben genannte Anforderungen erfüllen.
Andererseits sind optische Aufnehmer, die eine einzelne asphärische Linse verwenden, vorgeschlagen worden durch die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 57-76512 (1982), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 57-201210 (1982), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 59- 26714 (1984), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 59-23313 (1984) bzw. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 60-120310 (1985). Jedoch wandelt jeder der durch den Stand der Technik geoffenbarten Aufnehmer Licht von einer Lichtquelle in paralleles Licht durch eine Kollimatorlinse um, bevor die parallelen Strahlen auf die hintere Oberfläche einer Platte durch das Objektivlinsensystem konvergiert werden.
Diese Aufnehmer wären wegen der Verwendung einer Anzahl von Linsen kostspielig und können wegen der Notwendigkeit eines Raumes für die Kollimatorlinse nicht kompakt gemacht werden.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 50-156945 (1975) offenbart eine endlich-konjugierte asphärische Einzellinse. Jedoch ist die Vergrößerung dieser Linse nur 1/20, was sehr klein ist, und, da es einen großen Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Lichtsammelpunkt gibt, kann eine kompakte Größe auch nicht ohne weiteres für den optischen Aufnehmer verwirklicht werden. Wenn ferner diese Linse mit einer Laserdiode kombiniert wird, die weit verbreitet als Lichtquelle verwendet wird, ist die numerische Apertur der Linse in Richtung zu dem Lichtquellenende zu klein, um wirkungsvoll die tatsächliche Lichtmenge von der Lichtquelle zu verwenden.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 60-126616 (1985) schlägt eine Einzellinse vor, die Licht von einer Lichtquelle konvergieren kann. Berücksichtigt man jedoch die Herstellungseinfachheit, wird nur eine der zwei Oberflächen der Einzellinse asphärisch gemacht, und als Ergebnis kann die Linse keinen weiten Feldwinkel liefern. Infolgedessen müssen, um diese Einzellinse in dem optischen Aufnehmer wirkungsvoll zu verwenden, die Lichtquelle und die Linse in einem rohrförmigen Gehäuse untergebracht werden, das zur Spurverfolgung bewegbar ist. Diese Ausgestaltung erlaubt keinen kompakten, optischen Aufnehmer und es kann ferner wegen ihres großen Gewichtes keine Energieeinsparung verwirklicht werden.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 61-56314 (1986) schlägt eine bi-asphärische Einzellinse vor, die die optischen Leistungen im Hinblick ihrer Beugungsgrenze selbst dann erfüllen kann, wenn sie unabhängig bewegt wird, ohne gemeinsam mit der Lichtquelle bewegt zu werden. Um jedoch einen kompakten, optischen Aufnehmer zu erreichen, wird wesentlich gefordert, einen Spiegel und ein Prisma in den optischen Weg von der Lichtquelle zu der Linse einzufügen. Im Hinblick auf Zusammenbaufehler bei dem Spiegel, dem Prisma und der Lichtquelle und auch im Hinblick auf die Bewegung der Linse in der Spurverfolgungsrichtung ergibt sich, daß ein noch weiterer Feldwinkel benötigt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu bündeln, gekennzeichnet durch die speziellen Werte der folgenden Parameter, wie es in einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 angegeben ist:
m: Vergrößerung der Linse,
d: Dicke der Linse,
f: Brennweite der Linse,
n: Brechungsindex der Linse,
K&sub1;: konische Konstante der ersten Oberfläche, und
K&sub2;: konische Konstante der zweiten Oberfläche, und wobei die erste und die zweite, asphärische Oberfläche durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
mit X: Abstand von einer tangentiellen Ebene an dem Scheitel der asphärischen Oberfläche zu einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche bei einem Abstand h von der optischen Achse;
h: der Abstand von der optischen Achse;
Cj: (= 1/Rj) Oberflächenkrümmung an dem Scheitel der j-ten asphärischen Oberfläche;
A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2i-ten Ordnung der j-ten Oberfläche, wobei i eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 darstellt
und die Werte sind, wie sie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 angegeben sind, wobei alle Abstände in mm sind.
Ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer neuartigen Einzellinse, die Licht von einer Lichtquelle bis zur Beugungsgrenze bündeln kann und einen äußerst weiten Feldwinkel aufweist.
Die Einzellinse dieser Erfindung liefert die folgenden, besonderen Vorteile:
(1) Da die Einzellinse der Erfindung unmittelbar Licht von der Lichtquelle bis zur Beugungsgrenze bündeln kann, kann die Kollimatorlinse zum Konvergieren von Licht von der Lichtquelle in Parallelstrahlen von dem Aufnehmer entfernt werden.
(2) Da die Einzellinse der Erfindung einen äußerst weiten Feldwinkel besitzt, ist es möglich, die zulässigen Bewegungsbereiche der Linse selbst in der Spurverfolgungsrichtung und die Zusammenbau-Positionsanordnungsfehler der Laserdiode und des Spiegels und des Prismas zu erweitern, die in einigen Fällen in den optischen Weg des Aufnehmers eingeführt sein können, wodurch somit der Aufnehmer leicht zusammengebaut werden kann.
(3) Da der Arbeitsabstand lang gemacht werden kann, kann die Brennweite kürzer gemacht werden, so daß die Linse kompakt und mit geringem Gewicht hergestellt werden kann.
(4) Massenproduktion bei geringen Kosten der Einzellinse der Erfindung ist möglich, indem ein Formungsverfahren verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird besser aus der unten angegebenen, ins einzelne gehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verstanden, die nur zur Erläuterung gegeben sind und somit für die Erfindung nicht begrenzend sind, wobei
Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Seitenansicht eines optischen Aufnehmers ist, der eine Einzellinse der Erfindung als seine Objektivlinse verwendet;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die die Änderungen der Aberration der Wellenfront außerhalb der Achse in bezug auf die Dicke der Einzellinse der Erfindung zeigt;
Fig. 3 bis 9 jeweils Kurven sind, die Aberrationen zeigen, die bei dem ersten bis siebenten Ausführungsformen der Einzellinse der Erfindung erzeugt werden; und
Fig. 10 eine vereinfachte, schematische Seitenansicht eines anderen optischen Aufnehmers ist, der eine Einzellinse der Erfindung als seine Objektivlinse eingegliedert hat.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN GEMÄß DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist eine vereinfachte, schematische Seitenansicht, die einen optischen Aufnehmer zeigt, der eine Einzellinse der Erfindung als seine Objektivlinse verwendet. Der optische Aufnehmer ist mit einer Objektivlinse 1, die eine erste Oberfläche 2 und eine zweite Oberfläche 3 aufweist, und einer Halbleiter-Laserdiode 5 versehen. Von dem Halbleiter- Laser 5 ausgesandte Strahlen werden durch die erste und die zweite Oberfläche 2 und 3 der Linse 1 gebrochen, damit sie auf die Rückseite 6 einer Aufzeichnungsplatte 4 fokussiert werden. Die Linse 1 ist im wesentlichen eine Einzellinse, bei der die erste und die zweite Oberfläche 2,3 jeweils asphärisch ist und eine positive Brechkraft aufweist und die die folgende Bedingungen erfüllt:
0,1 < m < 0,5 (1)
0,9 < d/f < 1,2 (2)
worin m die Vergrößerung der Linse bedeutet;
d die Mittendicke der Linse bedeutet; und
f die Brennweite der Linse bedeutet.
Die Bedingung (1) stellt den effektiven Vergrößerungsbereich dar. Wenn die Vergrößerung unterhalb der unteren Grenze der Bedingung (1) ist, wird der Arbeitsabstand unzureichend. Umgekehrt wird, wenn die Brennweite ausgedehnt wird, einen ausreichenden Arbeitsabstand aufrechtzuerhalten, die Gesamtgröße der Linse erhöht, wodurch es schwierig wird, einen kompakten, optischen Aufnehmer zu gestalten. Wenn die Vergrößerung die obere Grenze der Bedingung (1) überschreitet, kann die Linse die Koma-Aberration gegenüber außeraxialen Strahlen nicht ausgleichen, wodurch somit der Feldwinkel verringert wird.
Die Bedingung (2) stellt die Dicke der Linse dar. Wenn die Linsendicke unterhalb der unteren Grenze der Bedingung (2) liegt, dann nimmt der Astigmatismus niederer Ordnung zu. Im allgemeinen können, wenn beide Oberflächen einer Linse asphärisch sind, die sphärische Aberration und die Koma-Aberration korrigiert werden. Um jedoch sicher einen weiten Feldwinkel zu schaffen, sollte der Astigmatismus auch korrigiert werden. Es ist möglich, den Astigmatismus niederer und höherer Ordnung innerhalb des speziellen Bereiches richtig auszugleichen, der durch die obige Bedingung (2) festgelegt ist. Wenn die Linsendicke die obere Grenze der Bedingung (2) überschreitet, wird die Linse übermäßig dick, so daß die Linse selbst schwer wird und eine Schwierigkeit eintritt, den erforderlichen Arbeitsabstand aufrechtzuerhalten.
Fig. 2 zeigt eine Beziehung zwischen der Linsendicke und der optischen Leistung der Einzellinse der Erfindung außerhalb der optischen Achse. Die horizontale Achse bezeichnet d/f, wohingegen die vertikale Achse die Wurzel aus dem mittleren quadratischen Wert der Wellenfrontaberration bezeichnet, die die optische Leistung der Einzellinse darstellt. Die Kurve in Fig. 2 wurde erhalten, indem Auslegungswerte unter der Bedingung aufgetragen worden sind, daß der Sichtwinkel der Linse 1,3º, der Brechungsindex n = 1,65, die Vergrößerung m = - 0,23 betrug und die Wellenfrontaberration auf der Achse nahezu Null war. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, zeigt die Einzellinse der Erfindung die äußerst zufriedenstellende achsferne, optische Leistung im Bereich nahe von d/f = 1,1. Die Einzellinse liefert eine zufriedenstellende Leistung selbst, wenn die Dicke dünner oder dicker als der Bereich nahe von d/f = 1,1 ist. Es ist jedoch unnötig zu sagen, daß die Einzellinse mit der dünneren Dicke an ihrem eigenen Gewicht einspart und einen längeren Arbeitsabstand erreicht.
Zusätzlich zu den obigen Bedingungen (1) und (2) wird bevorzugt, daß ferner die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
1,6 < n (3)
0 < Kj < 1 (4)
worin n den Brechungsindex der Linse und Kj die konische Konstante der ersten Oberfläche bezeichnet.
Wenn der Brechungsindex der Linse unterhalb der Grenze der Bedingung (3) ist, bleiben selbst nach dem Korrigieren der spährischen Aberration die Koma-Aberration und des Astigmatismus, einiger Astigmatismus höherer Ordnung, übrig, so daß es schwierig wird, einen ausreichenden Feldwinkel aufrechtzuerhalten.
Die Bedingung (4) gibt den Bereich der konischen Konstante an. Wenn die konische Konstante die obere Grenze überschreitet oder unterhalb der unteren Grenze liegt, ist es schwierig ist, gleichzeitig die sphärische Aberration und die Koma-Aberration zu korrigieren. Ferner wird eine große Aberration erzeugt, wenn die erste und die zweite Oberfläche horizontal voneinander abweichen.
Die Ausführungsformen Nr. 1 bis 7 der Einzellinse gemäß der Erfindung sind unten gezeigt. In jeder der Ausführungsformen ist die asphärische Oberfläche ausgedrückt durch
mit x: Abstand von einer tangentialen Ebene an dem Scheitel der asphärischen Oberfläche zu einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche bei einem Abstand h von der optischen Achse
h: Abstandvon der optischen Achse
C: Oberflächenkrümmung an dem Scheitel der sphärischen Oberfläche (= 1/R)
Kj: konische Konstante der j-ten Oberfläche
A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2-ten Ordnung der j-ten Oberfläche (i bedeutet eine ganze Zahl von wenigstens 2)
Die Ausführungsformen Nr. 1 bis 7 verwenden jeweils die folgenden Bezugszeichen:
Rj: Krümmungsradius der j-ten Oberfläche
d: Dicke der Linse
m: Vergrößerung
n: Brechungsindex der Linse in bezug auf die Wellenlänge 780 nm
f: Brennweite der Linse
A.-A. Arbeits-Abstand
Die verwendete Aufzeichnungsplatte hatte eine Dicke t von 1,2 mm und einen Brechungsindex von 1,57221 in bezug auf die Wellenlänge von 780 nm.
Fig. 3 bis 9 zeigen jeweils die beobachtete Aberrationen bei den Ausführungsformen Nr. 1 bis 7. In jeder der Fig. 3 bis 9 zeigt (a) die sphärische Aberration und (b) den Astigmatismus. Die Kurven (c) bis (e) zeigen Koma-Aberrationen in bezug auf Sichtwinkel 1,0, 0,5 bzw. 0,0. In jeder der Darstellung (a), die die sphärische Aberration zeigt, stellt die durchgezogene Linie die sphärische Aberration dar, wohingegen die unterbrochene Linie die Sinus-Bedingung darstellt. In jeder Darstellung (b), die den Astigmatismus zeigt, stellt die durchgezogene Linie die sagittale Feldkrümmung dar, wohingegen die unterbrochene Linie die meridionale Feldkrümmung darstellt. In jeder der Darstellungen (c) bis (e), die die Koma-Aberrationen zeigen, stellt die durchgezogenen Linie die meridionale Koma-Aberration dar, wohingegen die unterbrochene Linie die sagittale Koma-Aberration darstellt. Jede Aberration ist in Größen von Millimetern ausgedrückt. Wie es aus den jeweiligen Aberrations- Darstellungen offensichtlich ist, istjede Aberration bei jeder der Ausführungsformen Nr. 1 bis 7 äußerst klein ist. Ausführungsform No.1 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 2 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 3 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 4 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 5 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 6 erste Oberfläche zweite Oberfläche Ausführungsform No. 7 erste Oberfläche zweite Oberfläche
Fig. 10 ist eine vereinfachte, schematische Seitenansicht eines anderen optischen Aufnehmers, bei dem die Einzellinse der Erfindung eingegliedert ist. Der Aufnehmer ist dadurch kompakt hergestellt, daß ein Spiegel 7 und ein Prisma 8 zwischen die Halbleiter-Laserdiode 5 und die Einzelobjektivlinse 1 eingefügt sind. Wenn die Positionen der Halbleiter- Laserdiode 5, des Spiegels 7 und des Prismas 8 voneinander abweichen, weichen eigentlich die relativen Positionen der Linse 1 und der Halbleiter-Laserdiode 5 ab. Da aber die durch die Erfindung verkörperte Einzellinse einen äußerst weiten Feldwinkel aufweist, sind solche Positionsfehler der Halbleiter-Laserdiode, des Spiegels 7 und des Prismas 8 zulässig.

Claims

1. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen:

m = -0,2

f = 4,0

d = 4,2

n = 1,61469

K&sub1; = 0,150002

K&sub2; = -11,4616

mit

m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse,

Kj: Konische Konstante der j-ten Oberfläche, und die erste und die zweite, asphärische Oberfläche durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

mit X: Abstand von einer tangentiellen Ebene an den Scheitel der asphärischen Oberfläche zu einem Punkt auf der asphärischen Oberfläche bei einem Abstand h von der optischen Achse;

h: der Abstand von der optischen Achse;

Cj: (= 1/Rj) Oberflächenkrümmung an dem Scheitel der j-ten asphärischen Oberfläche;

A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2i-ten Ordnung der j-ten Oberfläche, wobei i eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 darstellt, und

wobei alle Abstände in mm sind.

2. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen

m = -0,2

f = 4,0

d = 4,0

n = 1,78569

K&sub1; = 0,062211

K&sub2; = 16,4482

mit

m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse

h: der Abstand von der optischen Achse;

A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2i- ten Ordnung der j-ten Oberfläche, wobei i eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 darstellt,

und wobei

und alle Abstände in mm sind.

3. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen:

m = -0,125

f = 4,0

d = 4,6

n = 1,78569

K&sub1; = 0,487522

K&sub2; = 13,0263

mit m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse,

h: der Abstand von der optischen Achse;

Cj: (= 1/Rj) Oberflächenkrümmung an dein Scheitel der j-ten asphärischen Oberfläche;

und wobei

und alle Abstände in mm sind.

4. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen

m = -0,125

f = 4,0

d = 3,8

n = 1,684429

K&sub1; = 0,90252

K&sub2; = 15,8112

mit m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse,

h: der Abstand von der optischen Achse;

A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2i- ten Ordnung der j-ten Oberfläche, wobei i eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 darstellt, und wobei

und alle Abstände in mm sind.

5. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen

m = -0,125

f = 4,0

d = 3,8

n = 1,61469

K&sub1; = 0,18994

K&sub2; = -7,38611

mit m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse

h: der Abstand von der optischen Achse;

und wobei

und alle Abstände in mm sind.

6. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen

m = -0,35

f = 4,0

d = 4,6

n = 1,785691

K&sub1; = 0 58024

K&sub2; = 2,13568

mit m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse,

h: der Abstand von der optischen Achse;

und wobei

und alle Abstände in mm sind.

7. Einzellinse mit einer ersten und einer zweiten, asphärischen Oberfläche, von denen jede eine positive Brechkraft hat, um Licht von der Lichtquelle zu einem Fleck auf einer Aufzeichnungsoberfläche auf einem Informationsaufzeichnungsmedium zu konvergieren, gekennzeichnet durch Erfüllen der folgenden Bedingungen

m = -0,35

f = 4,0

d = 4,7

n = 1,68443

K&sub1; = 0,32002

K&sub2; = 0,463027

mit m: Vergrößerung der Linse

d: Dicke der Linse

f: Brennweite der Linse,

n: Brechungsindex der Linse,

h: der Abstand von der optischen Achse;

A2i(j): asphärischer Oberflächenkoeffizient der 2i-ten Ordnung der j-ten Oberfläche, wobei i eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 darstellt,

und wobei

und alle Abstände in mm sind.