DE69721150T2

DE69721150T2 - Optische abtasteinrichtung und optisches element dafür

Info

Publication number: DE69721150T2
Application number: DE69721150T
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Kouza-gun FUJITA
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: JPH10134404A; WO1997031371A1; EP0823705B1; EP0823705A4; JP3861270B2; KR100459108B1; KR19980703842A; EP0823705A1; US6052353A; DE69721150D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtasteinrichtung und ein optisches Element oder Bauteil, das darin verwendet wird, und insbesondere eine optische Abtasteinrichtung, die gleichermaßen für zwei optische Aufzeichnungsträger verschiedener Dicke verwendet werden kann, wobei mithin der Abstand der optischen Abtasteinrichtung, die in ihrer Wiedergabeposition gehalten wird, von den Aufzeichnungsflächen der beiden Aufzeichnungsträger unterschiedlich ist.
2. Bekannter Stand der Technik
Eine digitale Video-Disk (nachstehend DVD genannt) hat eine Aufzeichnungskapazität, die sechs- bis achtmal größer als diejenige einer Kompakt-Disk (CD) und einer Laser-Disk (LD), die derzeit weit verbreitet sind, ist und mithin als Aufzeichnungsträger der nächsten Generation angesehen wird.
Die große Aufzeichnungskapazität der DVD wird dadurch erreicht, daß die Aufzeichnungsdichte auf der Disk und die numerische Apertur (N.A.) einer Objektivlinse im Wiedergabesystem vergrößert ist. D. h., der Durchmesser des Lichtflecks eines Laserstrahls, der auf die Disk-Oberfläche trifft, wird durch Verwendung einer Objektivlinse mit einer großen numerischen Apertur (N.A.) verringert, so daß das Abtasten der auf der Disk-Oberfläche mit hoher Dichte aufgezeichneten Information möglich ist.
Wenn andererseits die numerische Apertur (N.A.) der Objektivlinse zunimmt, wird das Abtasten der Information zunehmend durch eine Aberration oder eine Doppelbrechung aufgrund der Dicke der Disk beeinträchtigt. Daher sollte der Neigungswinkel, d. h. der Winkel zwischen der Horizontalebene der Disk und der orthogonalen Ebene in Bezug auf die optische Achse der optischen Abtasteinrichtung mini- miert werden, so daß der zulässige Wert des Neigungswinkels klein wird. Es ist jedoch nicht möglich, die Disk abzuspielen, wenn sie sich gekrümmt (verzogen oder verworfen) hat.
Der Einfluß des Neigungswinkels auf einen möglichen Fehler wird ausgedrückt durch A·d·(N.A.)³, wobei A ein Koeffizient und d die Dicke der Disk ist. Zur Lösung dieses Problems ist es generelle Praxis im Stand der Technik, die DVD-Dicke zu verringern und den Strahlengang zu verkürzen, über den der Laserstrahl auf die Oberfläche der Disk trifft und von der Aufzeichnungsebene der Disk und zurück zur Disk-Oberfläche reflektiert wird, so daß der gewünschte zusätzliche Neigungswinkel selbst dann beibehalten werden kann, wenn die numerische Apertur (N.A.) groß ist.
Die Dicke der DVD wird daher auf 0,6 mm eingestellt, d. h. die Hälfte der Dicke t = 1,2 mm einer herkömmlichen CD, wobei dann eine Objektivlinse mit einer großen numerischen Apertur benutzt wird, um den Lichtfleck-Durchmesser des Laserstrahls so weit zu verringern, daß ein stabiles Abtasten der Daten möglich ist.
Die CD ist jedoch ein bereits sehr weit verbreitetes plattenförmiges Speichermedium. Da die DVD und die CD (einschließlich einer Video-CD) gleiche äußere Abmessungen aufweisen und in ähnlicher Weise zu benutzen sind, d. h. da zu erwarten ist, daß die DVD anstelle der CD als optischer Aufzeichnungsträger mit hoher Tonqualität benutzt wird, besteht das Bedürfnis nach einem Wiedergabesystem, das sowohl für DVD als auch CD geeignet ist und sowohl DVD als auch CD-Wiedergabefunktionen aufweist.
Wenn eine CD und eine DVD, die unterschiedliche Dicke haben, durch die gleiche Wiedergabevorrichtung mit einem üblichen optischen System abgetastet werden, ist der Durchmesser des Lichtflecks des Laserstrahls auf der CD mit der größeren Dicke zu groß, um Daten von ihr abzutasten. Um dieses Problem zu lösen, sind bislang verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die die Verwendung des gleichen Wiedergabesystems zum Abspielen zweier optischer Aufzeichnungsträger unterschiedlicher Dicke ermöglichen.
Bei einem ersten herkömmliehen Verfahren werden zwei optische Abtasteinrichtungen für eine 0,6 mm dicke Disk (DVD) und für eine 1,2 mm dicke Disk (CD) in dem Wiedergabesystem verwendet, die auf die jeweilige Art der abzuspielenden Disk umgeschaltet werden. Bei diesem Verfahren ist das Wiedergabesy stem jedoch unvermeidlich aufwendig und kostspielig.
Bei einem zweiten Verfahren sind zwei optische Linsen jeweils für die DVD und die CD in der optischen Abtasteinrichtung vorgesehen, die auf die jeweilige Art der abzuspielenden Disk umgeschaltet werden.
Dieses Verfahren hat ebenfalls den Nachteil, daß das Wiedergabesystem aufwendig wird.
Bei einem dritten Verfahren werden zwei Brennweiten in einer optischen Abtasteinrichtung implementiert, wie es in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 311945/95 offenbart ist. Dieses Verfahren ist in 8 dargestellt, bei dem die Leistung einer Lichtquelle 1 selektiv umgeschaltet, wird, so daß ein Lichtstrahlenbündel 17a oder 17b mit unterschiedlichem Durchmesser auf eine Objektivlinse gerichtet wird, so daß ein Lichtstrahlenbündel mit unterschiedlicher Brennweite 18a oder 18b erzeugt wird. Bei diesem Verfahren kann das Wiedergabesystem kleiner ausgebildet werden als bei dem erwähnten ersten und zweiten Verfahren.
Da das dritte Verfahren jedoch stark von der Lichtquelle abhängt, hat es den Nachteil, daß der gewünschte Lichtstrahldurchmesser aufgrund einer Alterung der Lichtquelle nicht eingehalten werden kann. In diesem Fall tritt ein Fehler in der Brennweite auf, so daß sich der Lichtfleckdurchmesser auf der Disk entsprechend ändert und ein Abtastfehler auftritt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine leicht zu handhabende optische Abtasteinrichtung anzugeben, die für optische Aufzeichnungsträger mit unterschiedlicher Dicke geeignet ist und eine Miniaturisierung des Wiedergabesystems ermöglicht. Die Erfindung betrifft auch ein optisches Element oder Bauteil für die optische Ab- tasteinrichtung.
Zur Lösung der genannten Aufgabe enthält das optische Element erfindungsgemäß eine doppelt brechende dünne Platte, die (a) ein Beugungsgittermuster um einen zentral angeordneten Bereich mit einer gewünschten Form herum aufweist, wobei (b) das Beugungsgittermuster aus in gleichen Abständen angeordneten Ionenaustauschbereichen besteht, die jeweils eine vorbestimmte Breite, eine vorbestimmte Länge und eine vorbestimmte Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts aufweisen, die (c) dielektrische Folien aufweist, die jeweils auf der gesamten Fläche der Oberseite eines der Ionenaustauschbereiche ausgebildet sind, und bei der (d) die Dicke jedes Ionenaustauschbereichs und jeder dielektrischen Folie so gewählt ist, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines ordentlichen Strahls zuläßt, der auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines außerordentlichen Strahls verhindert.
Insbesondere sind, wenn man die Brechungsindizes der doppelt brechenden dünnen Platte für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_1o und n_1e, die Brechungsindizes jedes Ionenaustauschbereichs für die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen mit n₂ _o und n_2e, die Dicke jedes Ionenaustauschbereichs mit d₂ und den Brechungsindex und die Dicke jeder dielektrischen Folie jeweils mit n₃ und d₃ bezeichnet, die Dicken d₂ und d₃ jedes Ionenaustauschbereichs und jeder dielektrischen Folie so gewählt, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (n1o – n2o)d2 + (1 – n3)d3 = 0 (n1e – n2e)d2 + (1 – n3)d3 = λ/2
Ein zweiter Aspekt der Erfindung besteht in einem optischen Element, das aufweist: eine doppelt brechende dünne Platte und ein Beugungsgittermuster, das auf der doppelt brechenden dünnen Platte um einen zentralen Bereich mit einer gewünschten Form herum ausgebildet ist, wobei das Beugungsgittermuster aus gleich weit auseinanderliegenden Vorsprüngen und Vertiefungen aus einem doppelt brechenden Material mit jeweils einer vorbestimmten Breite, einer vorbestimmten Länge und einer vorbestimmten Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts und Ionenaustauschbereichen besteht, die jeweils in einer der Vertiefungen mit einer vorbestimmten Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts ausgebildet sind; wobei die Dicken jedes Vorsprungs und jedes Innenbereichs so gewählt sind, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines aüßerordentlichen Strahls, der auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, zuläßt und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines ordentlichen Strahls verhindert.
Insbesondere sind, wenn man die Brechungsindizes der Vorsprünge für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_1o und n_1e, die Dicke jedes Vorsprungs mit d₁, die Brechungsindizes jedes Ionenaus tauschbereichs für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_2o und n_2e sowie die Dicke jedes Austauschbereichs mit d₂ bezeichnet, die Dicken d₁ und d₂ jedes Vorsprungs und jedes Ionenaustauschbereichs so gewählt, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (n1o – 1)d1 + (n1o – n2o)d2 = λ/ 2 ( n1e – 1)d1 + (n1e + n2e)d2 = 0
Ein weiterer-Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der zentrale Bereich der doppelt brechenden dünnen Platte aus einem doppelt brechenden Material hergestellt ist.
Gemäß. einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zentrale Bereich der doppelt brechenden dünnen Platte kreisförmig.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die optische Abtasteinrichtung: eine Lichtquelle; einen nicht-polarisierten Strahlteiler im Strahlengang des Lichts, das von der Lichtquelle ausgesandt wird; das optische Elements eine Objektivlinse und ein die Polarisationsrichtung änderndes Mittel. Das die Polarisationsrichtung ändernde Mittel ist zwischen dem nichtpolarisierten Strahlteiler und dem optischen Element angeordnet, so daß die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht geändert wird, das auf das optische Element trifft, um den Strahldurchmesser des Lichts zu steuern, das von diesem ausgesandt wird, wobei die Brennweite des durch die Objektivlinse konvergierten Lichts selektiv geändert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt schematisch den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen optischen Abtasteinrichtung dar.
2 stellt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines dünnen Doppelrefraktors dar.
3 stellt den Schnitt A–A der 2 dar.
4(a) und 4(b) stellen perspektivische Ansichten zur Erläuterung der Funktion des dünnen Doppelrefraktors nach 2 dar.
5 stellt zur Erläuterung schematisch dar, wie bei der erfindungsgemäßen optischen Abtasteinrichtung die Brennweiten umgeschaltet werden.
6 stellt einen Querschnitt zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen dünnen Doppelrefraktors dar.,
7 stellt eine perspektivische Ansicht zur Erläuterang der Funktion des dünnen Doppelrefraktors nach 6 und
8 ein schematisches Bild des Aufbaus einer herkömmlichen optischen Abtasteinrichtung dar.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
1 stellt schematisch den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen optischen Abtasteinrichtung dar. Mit 1 ist eine Lichtquelle, mit 2 eine Sammellinse, mit 3 ein Strahlteiler, mit 4 eine Halbwellen-Platte, mit 5 eine doppelt brechende dünne Platte, mit 6 eine Objektivlinse, mit 7 ein optischer Aufzeichnungsträger, mit 8 eine Konvergenzlinse, mit 9 eine zylindrische Linse und mit 10 ein Photodetektor bezeichnet.
Die Lichtquelle 1 ist beispielsweise eine Laser-Diode, die ein Lichtstrahlenbündel mit konstanter Leistung erzeugt. Das Lichtstrahlenbündel aus der Lichtquelle 1 ist linear polarisiertes Lichtoder so ausgebildet, daß es nur eine einzige linear polarisierte Lichtkomponente. durch Verwendung eines geeigneten optischen Bauteils, z. B. eines Polarisationsstrahlteilers, enthält, und die Richtung der linearen Polarisation ist so eingestellt, daß sie senkrecht zur optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 steht, die nachstehend noch beschrieben wird.
Die Linse 2 ist eine Sammellinse, die das Lichtstrahlenbündel aus der Lichtquelle 1 in ein paralleles Lichtstrahlenbündel umwandelt. Der Strahlteiler 3 ist ein nicht-polarisierter Strahlteiler, durch den das von der Aufzeichnungsebene des optischen Aufzeichnungstragern 7 reflektierte Lichtstrahlenbündel zum Photodetektor 10 geleitet wird.
Die Halbwellen-Platte 4, die zur Änderung der Polarisationsrichtung des auf den optischen Aufzeichnungsträger 7 fallenden Lichts dient, kann je nach Bedarf in den Strahlengang des einfallenden Lichts eingeführt oder aus diesem entfernt werden. Die Halbwellen-Platte 4 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse um 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des linear polarisierten einfallenden Lichts geneigt ist. Bei dieser Anordnung kann die Polarisationsrichtung des linear polarisierten. Lichts, das auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, um 90° gedreht werden, und zwar in Abhängigkei davon, ob die Halbwellen-Platte 4 in dem Strahlengang angeordnet oder aus diesem entfernt wird.
Nach 2 ist die doppelt brechende dünne Platte 5 eine rechteckige flache Platte (eine doppelt brechende Platte) 11 aus einem transparenten doppelt brechenden Material, zum Beispiel Lithium Niobat (LiNbO₃), die auf ihrer Haupt-Oberfläche ein optisches Beugungsgittermuster um einen zentralen kreisförmigen Bereich 12 herum aufweist.
Nachstehend wird der Aufbau des Beugungsgittermusters ausführlicher beschrieben. 3 stellt eine Schnittansicht des dünnen Doppelrefraktors 5 längs der Linie A–A in 2 dar. Die doppelt brechende Platte 11 hat auf ihrer Haupt-Oberfläche Ionenaustauschbereiche 13, die jeweils eine vorbestimmte Breite, eine vorbestimmte Länge und eine Dicke d₂ in Richtung der optischen Achse des auf sie treffenden Lichts aufweisen, und ist durch eine dielektrische Folie 14 mit der Dicke d₃ abgedeckt.
Eine direkt durch das Beugungsgittermuster durchgelassene Welle (eine Beugungswelle nullter Ordnung) hat eine Transmittanz I₀ nach der Gleichung I0 = cos2 (δ/2 ) wobei δ eine optische Phasendifferenz zwischen den Strahlengängen a und b ist. Für die Phasendifferenzen zwischen einer polarisierten, senkrecht zur optischen Achse der doppelt brechenden Platte stehenden Komponente (ein ordentlicher Strahl) und einer parallel zur optischen Achse verlaufenden polarisierten Komponente (einem außerordentlichen Strahl) sowie die Phasendifferenn δ, für den ordentlichen Strahl und die Phasendifferenz δ für den außerordentlichen Strahl gilt folgendes: δo = 2π/λ{(n1o – n2o)d2 + (1 – n3)d3} δe = 2π/λ{(n1e – n2e)d2 + (1 – n3)d3 wobei n_1o der Brechungsindex der doppelt brechenden Platte für den ordentlichen Strahl, n_1e der Brechungsindex der doppelt brechenden Platte für den außerordentlichen Strahl, n_2o der Brechungsindex des Ionenaustauschbereichs für den ordentlichen Strahl, n_2e der Brechungsindex des Lonenaustausehbereichs für den außerordentlichen Strahl und n₃ der Brechungsindex der dielektrischen Folie sowohl für den ordentlichen als auch für den außerordentlichen Strahl ist.
Wählt man d₃ und d₃ (die Dicke des Ionenaustauschbereichs 13 und des dielektrischen Films 14) so, daß (n_1o – n_2o)d₂ + (1 – n₃) = 0 ist, dann wird die Transmittanz I_0e des Beugungsgittermusters für den ordentlichen Strahl gleich 1, so daß alle gebeugten Wellen nullten Ordnung durchgelassen werden. Wählt man d₂ und d₃ so, daß (n_1e – n_2e)d₂ + (1 – n₃)d3 = λ/2, dann wird die Transmittanz I_0e des Beugungsgittermusters für den außerordentlichen Strahl null, so daß alle gebeugten Wellen nullten Ordnung nicht durchgelassen werden.
Mithin geht nach 4(a) das senkrecht zur optischen Achse der doppelt brechenden Platte 22 polarisierte Lichtstrahlenbündel, das heißt, der ordentliche Strahl, durch, die doppelt brechende dünne Platte hindurch. Das parallel zur optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 11 polarisierte Lichtstrahlenbündel, das heißt, der außerordentliche Strahl, wird dagegen gemäß 4(b) durch das Beugungsgitter gebeugt, so daß nur das auf den kreisförmigen Bereich 12 gerichtete Lichtstrahlenbündel durch die doppelt brechende dünne Platte 11 hindurchgeht und der außerordentliche Strahl mit einem Pupillendurchmesser durchgelassen wird, der gleich dem Durchmesser des kreisförmigen Bereichs 12 ist.
Tabelle 1
Die Tabelle 1 zeigt Meßwerte der Transmittanz des Lichteinfalls auf die Beugungsgittermuster der doppelt brechenden dünnen Platte: Bei den Untersuchungen betrug die Dicke d₂ des Ionenaustauschbereichs 13 der doppelt brechenden dünnen Platte 3 in 3 9,5 μm, die Dicke d₃ der dielektrischen Folie 14 1,85 μm, die Teilung des.
Beugungsgittermusters 12 μm und die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtstrahlenbündels 636 nm. Die Transmittanz der gebeugten Wellen nullter Ordnung und plus und minus erster Ordnung (Lichtkomponenten nullter Ordnung und plus und minus erster Ordnung) wurde bei jeder Probe für die ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahlen gemessen.
Wenn mithin nach Tabelle 1 die ordentlichen Strahlen auf die doppelt brechende dünne Platte 5 treffen, beträgt die Transmittanz der Lichtstrahlen nullter Ordnung im Mittel 94,0% und die Transmittanz der Lichtstrahlen plus und minus erster Ordnung 0,0%. Dies bedeutet, daß nahezu alle einfallenden Lichtstrahlen durch die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurchge hen, ohne durch das Beugungsgittermuster gebeugt zu werden.
Im Falle der außerordentlichen Lichtstrahlen beträgt die Transmittanz der Lichtstahlen nullter Ordnung durch die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurch im Mittel 1,2% die Transmittanz der Lichtstrahlen plus erster Ordnung 35,3% und die Transmittanz der Lichtstrahlen minus erster Ordnung 35,0%. Daraus ist ersichtlich, daß praktisch keine Lichtstrahlen nullter Ordnung, bei denen es sich um direkte Strahlen des einfallenden Lichts handelt, erzeugt werden, sondern das einfallende Licht nach dem Durchgang durch die doppelt brechende dünne Platte 5 als die Lichtstrahlen plus und minus er- ster Ordnung erscheint.
Die vorstehenden Untersuchungsergebnisse zeigen ferner, daß die doppelt brechende dünne Platteden Durchgang des ordentlichen Strahls des Lichtstrahlenbündels, das in der gleichen Richtung wie die optische Achse des einfallenden Lichts gerichtet ist, gestattet, dagegen den Durchgang des außerordentlichen Strahls sperrt.
Die Objektivlinse 6 dient der Konvergierung des einfallenden Lichts auf einen Bildpunkt in der Aufzeichnungsebene des optischen Aufzeichnungsträgers 7. Die doppelt brechende dünne Platte 5 und die Objektivlinse 6 werden durch einen Halter 15 zu einer einteiligen Struktur zusammengehalten.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen optischen Abtasteinrichtung beschrieben.
Zunächst wird die Halbwellen-Platte 4 außerhalb des Strahlengangs des einfallenden Lichts gehalten. Das aus der Lichtquelle 1 austretende Lichtstrahlenbündel wird durch die Sammellinse 2 in ein paralleles Lichtstrahlenbündel umgewandelt, das durch den Strahlteiler 3 hindurchgeht und dann auf die doppelt brechende dünne Platte 5 fällt. Dabei ist die Polarisationsrichtung des auf die doppelt brechende dünne Platte 5 auftreffenden Lichtstrahlenbündels senkrecht zu ihrer optischen Achse.
Da die doppelt brechende dünne Platte 5 das Beugungsgittermuster um den zentralen kreisförmigen Bereich 12 herum aufweist, wie zu vor erwähnt wurde, ist der Strahlenbündeldurchmesser des linear polarisierten Lichts, das auf die doppelt brechende dünne Platte 5 fällt, der gleiche wie der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels, das durch den Strahlteiler 3 (mit einem ersten Pupillendurchmesser) hindurchgegangen ist. Wenn dagegen die Halbwellen-Platte 4 im Strahlengang angeordnet worden ist, dreht sich die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts, das auf die doppelt brechende dünne Platte 5 fällt, um 90°, so daß ein außerordentlicher Strahl in Bezug auf die doppelt brechende dünne Plätte 5 erzeugt wird. Infolgedessen wird das linear polarisierte, auf die doppelt brechende dünne Platte 5 fallende Licht durch das Beugungsgittermuster gebeugt, so daß nur das durch den kreisförmigen Bereich 12 hindurchgehende Lichtstrahlenbündel durch die doppelt brechende dünne Platte 5 mit einem Pupillendurchmesser (einem zweiten Pupillendurchmesser) hindurchgeht, der gleich dem Durchmesser des kreisförmigen Bereichs 12 ist.
Dann fällt, wie 5 zeigt, das durch die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurchgegangene Lichtstrahlenbündel auf die Objektivlinse 6, durch die es auf die Bildebene konvergiert wird, um einen Lichtfleck als Brennpunkt in der Aufzeichnungsebene des optischen Aufzeichnüngsträgers 7 zu bilden. Da die Objektivlinse 6 in diesem Fall die Eigenschaft hat, das ihre Brennweite zunimmt oder abnimmt, je nach dem, ob der Pupillendurchmesser des einfallenden Lichtstrahlenbündels groß oder klein ist, ist die Brennweite für das einfallende Lichtstrahlenbündel mit dem ersten Pupillendurchmesser kurz und für das Lichtstrahlenbündel mit dem zweiten Pupillendurchmesser lang.
Das von der Aufzeichnungsebene des optischen Aufzeichnungsträgers 7 reflektierte Lichtstrahlenbündel geht wieder durch die Objektivlinse 6 und die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurch und fällt auf den Strahlteiler 3, durch den ein Teil des auf den Strahlteiler 3 treffenden Lichts auf den Photodetektor 10 durch die konvergierende Linse 8 und die zylindrische Linse 9 hindurch reflektiert wird. Somit kann die auf dem optischen Aufzeichnungsträger 7 aufgezeichnete Information abgetastet beziehungsweise ausgelesen werden.
Beim Abspielen eines optischen Aufzeichnungsträgers (CD) mit einer Dicke von 1,2 mm mittels der beschriebenen optischen Abtasteinrichtung wird die Halbwellen-Platte 4 so in der optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 angeordnet, daß die Polarisationsrichtung des linear polarisierten, auf sie einfallenden Lichts parallel zur optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte gedreht wird und mithin das auf ihr Beugungsgitter fallende Licht gebeugt wird. Infolgedessen wird der Durchmesser des durch die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurchgehenden Lichtstrahlenbündels gleich dem Durchmesser (dem zweiten Pupil- lendurchmesser) des kreisförmigen Bereichs 12, der in ihrer Mitte ausgebildet ist, so daß ein Bildpunkt mit einer Brennweite erzeugt wird, wie es in 5 dargestellt ist, durch den ein Lichtfleck auf dem optischen Aufzeichnungsträger 7 gebildet wird.
Beim Abspielen eines optischen Aufzeichnungsträgers (DVD) mit einer Dicke von 0,6 mm wird die Halbwellen-Platte 4 außerhalb der optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 gehalten. Die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts, das auf die doppelt brechende dünne Platte 5 gerichtet ist, ist, senkrecht zu ihrer optischen Achse, und das Lichtstrahlenbündel aus der Lichtquelle 1 fällt auf die Objektivlinse 6, wobei es seinen Durchmesser beibehält, mit dem es aus der Sammellinse 2 (dem ersten Pupillendurchmesser) ausgetreten ist. Mithin wird gemäß 5 ein Bildpunkt mit einer kurzen Brennweite erzeugt, um einen Lichtfleck auf dem optischen Aufzeichnungsträger 7 zu bilden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Halbwellen-Platte 4 in die optische Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 geschoben, so daß Licht mit dem ersten Pupillendurchmesser auf sie auftrifft, während die Halbwellen-Platte 4 in ihrer zurückgezogenen Lage außerhalb der optischen Achse gehalten wird, um einfallendes Licht mit dem zweiten Pupillendurchmesser zu erzeugen. Durch eine Verdrehung der Polarisationsrichtung des auf die Halbwellen-Platte 4 treffenden Lichts um 90° gegenüber der Polarisationsrichteng bei obigem Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, den zweiten Pupillendurchmesser mit der Halbwellen-Platte 4 in der optischen Achsen der doppelt brechenden dünnen Platte 5 und den ersten Pupillen durchmesser mit der Halbwellen-Platte 4 in der zurückgezogenen Lage zu erzielen.
6 ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der doppelt brechenden dünnen Platte 5. Wie zu sehen ist, hat die doppelt brechende dünne Platte 11 auf ihrer Haupt-Oberfläche ein Beugungsgittermuster, das aus Vorsprüngen und Vertiefungen 6 gebildet ist, wobei jeder Vorsprung eine vorbestimmte Breite, eine vorbestimmte Länge und eine Dicke d₁ in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts und jede Vertiefung einen Ionenaustauschbereich 13 mit einer Dicke d₂ in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts hat.
Eine direkt transmittierte (durchgelassene) Welle (eine gebeugte Welle nullter Ordnung) aus Lichtstrahlen, die das Beugungsgittermuster durchläßt, wie zuvor schon erwähnt würde, hat eine Transmittanz I₀ nach folgender Gleichung I0 = cos2 (δ/2) wobei δ eine optische Phasendifferenz zwischen den Strahlengängen a und b ist. Die Phasendifferenz weicht bei einer polarisieren Komponente, die senkrecht zur optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 (einem ordentlichen Strahl) steht, von der einer polarisierten Komponente ab, die parallel zur optischen Achse gerichtet ist (einem außerordentlichen Strahl), und für die Phasendifferenz δ_o des ordentlichen Strahls und die Phasendifferenz δ_o des außerordentlichen Strahls gelten folgende Gleichungen: δo = 2n/λ{(n1o – 1)d1 + (n1o – n2o)d2} δe = 2n/λ{(n1e – 1)d1 + (n1e – n2e)d2} wobei n_1o der Brechungsindex der doppelt brechenden dünnen Platte 5 für den ordentlichen Strahl, n_1e der Brechungsindex der doppelt brechenden dünnen Platte 5 für den außerordentlichen Strahl, n_2o der Brechungsindex des Ionenaustauschsbereichs 13 für den ordentlichen Strahl und n_2e der Brechungsindex des Ionenaustauschbereichs 13 für den außerordentlichen Strahl ist.
Wählt man die Dicken d₁ und d₂ so, daß (n_1o – 1)d₁ + (n_1o – n_2o) = λ/2 ist, dann wird die Transmittanz I₀ _e des Beugungsgittermusters für den ordentlichen Strahl gleich null wobei der Durchgang für alle gebeugten Wellen nullter Ordnung gesperrt wird. Wählt man d₂ und d₂ so, daß (n_1o – 1)d₁+ (n_1o – n₂ _o)d₂ = 0 ist, dann wird die Transmittanz I_0e des Beugungsg ttermusters für den außerordentlichen Strahl gleich eins, so daß alle gebeugten Wellen null- ter Ordnung durchgelassen werden.
Mithin wird, wie 7(b) zeigt, das senkrecht zur optischen Achse der doppelt brechenden Platte 11 polarisierte Lichtstrahlenbündel, d. h. der ordentliche Strahl, an dem Beugungsgittermuster gebeugt, so daß nur das auf den kreisförmigen Bereich 12 treffende Lichtstrahlenbündel durch die doppelt brechende dünne Platte 5 hindurchgeht und der ordentliche Strahl mit einem Pupillendurchmesser hindurchgeht, der gleich dem Durchmesser des kreisförmigen Bereichs 12 ist.
Andererseits kann gemäß 7(a) das parallel zur optischen Achse der doppelt brechenden dünnen Platte 5 polarisierte Lichtstrahlenbündel, d. h. der außerordentliche Strahl, durch die doppelt brechende dünne Platte 11 hindurchgehen.
Der Aufbau der doppelt brechenden dünnen Platte 11 ist umgekehrt zu dem der dünnen Platte 5, die zuvor beschrieben wurde, hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts und seines Pupillendurchmessers, doch hat die Platte 11 die gleiche Funktion wie die Platte 5. Die doppelt brechende dünne Platte 11 kann mithin zur Änderung des Pupillendurchmessers entsprechend der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts ändern und mithin auch die Brennweite zum optischen Aufzeichnungsträger 7 ändern.
Vorstehend ist zwar geschildert worden, daß die Polarisationsrichtung des auf die doppelt brechende dünne Platte 5 fallenden Lichts dadurch geändert werden kann, daß die Halbwellen-Platte 4 in dem Strahlengang oder außerhalb des Strahlengangs angeordnet wird, doch ist es auch möglich, eine Konstruktion anzuwenden, bei der die Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts geändert wird, beispielsweise durch Drehung eines polarisierten Strahlteilers um 90° um die optische Achse oder Änderung der Spannung, die an eine Flüssigkristallplatte angelegt wird.
Außerdem kann der Bereich 12 eine polygonale Form haben.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann durch die erfindungsgemäße optische Abtasteinrichtung wahlweise die polarisierte Komponente des aus der Lichtquelle austretenden Lichts so umgeschaltet werden, daß der Pupillendurchmesser des Lichtstrahlenbündels geändert und da durch die Brennweite entsprechend der Dicke des Optischen Aufzeichnungsträgers eingestellt wird. Die optische Abtasteinrichtung hat daher einen einfacheren Aufbau als die bekannte und ermöglicht eine drastische Miniaturisierung des Wiedergabesystems. Da sich ferner die Brennweite nicht merklich aufgrund eines Fehlers in dem Ausgang der Lichtquelle ändert, ist der Betrieb der optischen Abtasteinrichtung sehr stabil.
Es ist offensichtlich, daß viele Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne von dem in den beiliegenden Patentansprüchen definierten Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Optisches Element (5), das aufweist: eine doppelt brechende dünne Platte und ein Beugungsgittermuster, das auf der doppelt brechenden dünnen Platte, um einen zentral angeordneten Bereich (12) mit einer gewünschten Form herum ausgebildet ist und aus in gleichen Abständen angeordneten Ionenaustauschbereichen (13), die jeweils eine vorbestimmte Breite, eine vorbestimmte Länge und eine vorbestimmte Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts aufweisen, und aus dielektrischen Folien (14) besteht, die jeweils auf der gesamten Fläche der Oberseite eines der Ionenaustauschbereiche (13) ausgebildet sind; wobei die Dicke jedes Ionenbereichs und jeder dielektrischen Folie so gewählt ist, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines ordentlichen Strahls zuläßt, der auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines außerordentlichen Strahls verhindert.
Optisches Element nach Anspruch 1, bei dem, wenn man die Brechungsindizes der doppelt brechenden dünnen Platte für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_1o und n_1e, die Brechungsindizes jedes Ionenaustauschbereichs für die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen mit n_2o und n_2e, die Dicke jedes Ionenaustauschbereichs mit d₂ und den Brechungsindex und die Dicke jeder dielektrischen Folie jeweils mit n₃ und d₃ bezeichnet, die Dicken d₃ und d₃ jedes Ionenaustauschbereichs und jeder dielektrischen Folie so gewählt sind, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (n1o – n2o)d2 + (1 – n3)d3 = 0 (n1e – n2e)d2 + (1 – n3)d3 = λ/2
Optisches Element (5), das aufweist: eine doppelt brechende dünne Platte und ein Beugüngsgittermuster, das auf der doppelt brechenden dünnen Platte um einen zentralen Bereich (12) mit einer gewünschten Form herum ausgebildet ist, wobei das Beugungsgittermuster aus gleich weit auseinanderliegenden Vorsprüngen und Vertiefungen (16) aus einem doppelt brechenden Material mit jeweils einer vorbestimmten Breite, einer vorbestimmten Länge und einer vorbestimmten Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts und Ionenaustauschbereichen (13) besteht, die jeweils in einer der Vertiefungen (16) mit einer vorbestimmten Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts ausgebildet sind; wobei die Dicken jedes Vorsprungs (16) und jedes Innenbereichs (13) so gewählt sind, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines außerordentlichen Strahls, der auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, zuläßt und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines ordentlichen Strahls verhindert.
Optisches Element nach Anspruch 3, bei dem, wenn man die Brechungsindizes der Vorsprünge für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_1o und n_1e, die Dicke jedes Vorsprungs mit d₁, die Brechungsindizes jedes Ionenaustauschbereichs für die ordentlichen und die außerordentlichen Strahlen mit n_2o und n_2e sowie die Dicke jedes Austauschbereichs mit d₂ bezeichnet, die Dicken d₁ und d₂ jedes Vorsprungs und jedes Ionenaustauschbereichs so gewählt sind, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (n1o – l)d1 + (n10 – n2o)d2 = λ/ 2 (n1e – 1)d1 + (n1e – n2e)d2 = 0
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zentrale Bereich (12) der doppelt brechenden dünnen Platte aus einem doppelt brechenden Material hergestellt ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zentrale Bereich (12) der doppelt brechenden dünnen Platte aus einem doppelt brechenden Material hergestellt und kreisförmig ist.
Optische Abtasteinrichtung, die aufweist: eine Lichtquelle (1); einen nicht-polarisierten Strahlteiler (3) im Strahlengang des Lichts, das von der Lichtquelle ausgesandt wird; ein in dem Strahlengang angeordnetes optisches Element (5), das aus einer doppelt brechenden dünnen Platte (11) und einem auf der doppelt brechenden dünnen Platte um einen zentralen Bereich (12) mit einer gewünschten Form ausgebildeten Beugungsgittermuster besteht, wobei das Beugungsgittermuster aus gleich weit auseinanderliegenden Ionenaustauschbereichen (13), die jeweils eine vorbestimmte Breite, eine vorbestimmte Länge und eine vorbestimmte Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts aufweisen, und aus dielektrischen Folien (14) besteht, die jeweils auf der gesamten Fläche der Oberseite eines der Innenaustauschbereiche ausgebildet sind, und die Dicken jedes Ionenaustauschbereichs und jeder dielektrischen Folie so gewählt sind, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines ordentlichen Strahls, der auf die doppelt brechende dünne Platte trifft, zuläßt und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines außerordentlichen Strahls verhindert; eine in dem Strahlengang angeordnete Objektivlinse (b) und ein in dem Strahlengang angeordnetes, die Polarisationsrichtung änderndes Mittel (4); wobei das die Polarisationsrichtung ändernde Mittel (4) zwischen dem nicht-polarisierten Strahlteiler (3) und dem optischen Element (5) angeordnet ist, um die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht zu ändern, das auf das optische Element (5) trifft, um den Strahidurchmesser des Lichts zu steuern, das von diesem ausgesandt wird, wobei die Brennweite des durch die Objektivlinse (6) konvergierten Lichts selektiv geändert wird.
Optische Abtasteinrichtung, die aufweist: eine Lichtquelle (1); einen im Strahlengang des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts angeordneten, nichtpolarisierten Strahlteiler (3); ein im Strahlengang angeordnetes optisches Element (5), das aus einer doppelt brechenden dünnen Platte (11) und einem Beugungsgittermuster besteht, das zentral auf der doppelt brechenden dünnen Platte um einen gewünschten Bereich (12) herum ausgebildet ist, wobei das Beugungsgittermuster aus gleich weit auseinanderliegenden Vorsprüngen und Vertiefungen (16) aus einem doppelt brechenden Material, die jeweils eine vorbestimmte Breite, Länge und Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts aufweisen, und aus Ionenaustauschbereichen (13) besteht, die jeweils in einer der Vertiefungen (16) mit einer Dicke in Richtung der optischen Achse des einfallenden Lichts ausgebildet sind, und die Dicken jedes Vorsprungs {16) und ihres Ionenaustauschbereichs (13) so gewählt sind, daß das Beugungsgittermuster den Durchgang eines außerordentlichen Strahls, der auf der doppelt brechenden dünnen Platte auftrifft, zuläßt und den Durchgang einer gebeugten Welle nullter Ordnung eines ordentlichen Strahls verhindert; eine Objektivlinse (6) in dem Strahlengang und ein die Polarisationsrichtung änderndes Mittel (4) in dem Strahlengang; wobei das die Polarisationsrichtung ändernde Mittel (4) zwischen dem nicht-polarisierten Strahlteiler (3) und dem optischen Element (5) angeordnet ist, um dadurch die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht zu ändern, das auf das optische Element trifft, und den Strahldurchmesser des Lichts zu steuern, das von diesem ausgesandt wird, wobei die Brennweite des Lichts, das durch die Objektivlinse konvergiert wird, selektiv geändert wird.