DE4323971C2

DE4323971C2 - Schreib-/Lesegerät für eine optische Speicherplatte

Info

Publication number: DE4323971C2
Application number: DE4323971A
Authority: DE
Inventors: Koichi Maruyama; Masahiro Oono; Satoru Tachihara; Masato Noguchi; Tsuyoshi Ishikawa
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2013-07-17
Also published as: US5969862A; US5796520A; US5838497A; DE4323971A1; US6118597A; US5914822A; US5629799A; US5883744A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schreib-/Lesegerät für eine optische Speicherplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Verwendung einer Objektiveinzellinse, die auf beiden Seiten eine asphärische Oberfläche aufweist, hat heutzutage auf dem Gebiet optischer Speicherplatten zugenommen, und einer der Hauptgründe für diese Verwendung besteht in ihrem Beitrag zur Gewichtsverringerung. Allerdings konnte die konventionellerweise eingesetzte Einzellinse nicht eine wirksame Korrektur der chromatischen Aberration durchführen.

Eine Laserdiode, die als Lichtquelle für optische Speicherplatten verwendet wird, weist den Nachteil auf, daß sich ihre Emissionswellenlänge infolge von Änderungen entweder der Ausgangsleistung des Lasers oder der Temperatur verschiebt. Wenn allerdings die Objektivlinse nicht bezüglich chromatischer Aberration korrigiert ist, so ändert sich die Brennpunktlage (Schärfenpunkt) von Lichtstrahlen in Reaktion auf die Wellenlängenverschiebung, und dies kann beim Lesen oder Schreiben von Information Fehler hervorrufen.

Zur Lösung dieses Problems haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bereits Korrektionselemente für chromatische Aberration vorgeschlagen, welche zwei oder drei Glaslinsenelemente aufwiesen, die zusammengeklebt waren (vgl. die japanischen Patentveröffentlichungen Nr. Hei 3-155514 und 3-155515). Durch Kombination einer dieser Elemente zur Korrektur der chromatischen Aberration mit einer asphärischen Einzellinse konnte ein Linsensystem zur Verfügung gestellt werden, welches gegenüber den Wirkungen von Wellenlängenänderungen unempfindlich ist, und weniger Linsenelemente als das konventionelle System erfordert, welches bezüglich chromatischer Aberration wirksam korrigiert ist.

Allerdings tritt bei den in den beiden genannten Patenten vorgeschlagenen Vorgehensweisen immer noch die Schwierigkeit auf, daß es zur Korrektur der chromatischen Aberration erfor derlich ist, ein Element zur Verfügung zu stellen, welches nicht direkt mit der Fokussierwirkung in Zusammenhang steht, die bei der Objektivlinse vorhanden ist. Daher wiegt eine Op tik mehr, die bezüglich der chromatischen Aberration ord nungsgemäß korrigiert ist, und erfordert mehr Teile als eine unkorrigierte Optik.

Bei dem konventionellen Korrektionselement für chromatische Aberration trat das Problem auf, daß seine Herstellungskosten so hoch sind, daß der Vorteil der geringeren Kosten aufgrund der Verwendung einer asphärischen Einzellinse ausgeglichen wird, wodurch sich insgesamt der Vorteil auf Null verringert.

Aus der FR 2642530 A1 ist ein Schreib-/Lesegerät für optische Speicherplatten bekannt, das einen Halbleiterlaser als Licht quelle und eine in einem Strahlengang zwischen Halbleiterla ser und Speicherplatte angeordnete Optik enthält. In dieser Optik ist ein optisches Korrektionselement mit einer mit meh reren Beugungszonen versehenen Beugungsfläche vorgesehen. Bei dem vorbekannten Schreib-/Lesegerät wird absichtlich eine Wellenlängenänderung des von dem Halbleiterlaser ausgestrahl ten Lichtes vorgenommen, um so durch die Beugungsfläche im Zusammenwirken mit einer Verschiebung des Halbleiterlasers längs der optischen Achse für eine geeignete Fokussierung des Lichtes zu sorgen. Die Beugungsfläche dient dabei der Korrek tion der durch die Verschiebung des Halbleiterlasers verur sachten sphärischen Aberration. Zum Stand der Technik wird ferner auf die DE 40 03 962 A1 verwiesen, die ein Schreib- /Lesegerät zum Gegenstand hat, das eine als Achromat fungie rende verkittete Linse zur Korrektion der chromatischen Aber ration enthält.

Bei den vorbekannten Schreib-/Lesegeräten besteht das Pro blem, daß unbeabsichtigte Wellenlängenänderungen beispielsweise beim Wechseln zwischen Schreib- und Lesemodus infolge von Laständerungen auftreten können, die in der in dem Strah lengang zwischen Halbleiterlaser und Speicherplatte angeord neten Optik eine chromatische Aberration verursachen können. Diese chromatische Aberration führt zu einer Verschiebung des Schärfenpunktes gegenüber einer Sollposition auf der Spei cherplatte. Dadurch können Schreib-/Lesefehler auftreten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schreib-/Lesegerät für optische Speicherplatten anzugeben, bei dem eine durch eine unbeab sichtigte Wellenlängenänderung verursachte Verschiebung des Schärfenpunktes gegenüber einer Sollposition auf der Spei cherplatte vermieden wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Objektivlinse zur Verfügung gestellt, welche den Beugungseffekt dazu ein setzt, die chromatische Aberration wirksam zu korrigieren, ohne die Anzahl an Linsenelementen zu stark zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Korrektionselement für die chromatische Aberration zur Verfügung, das unter geringe rem Kostenaufwand hergestellt werden kann als Elemente, die aus zwei oder mehr zusammengeklebten Glasplatten bestehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Korrektionsele ment für die chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, welches eine einfache Linse ist, die zumindest eine asphärische Fläche aufweist, deren Krümmungradius von der optischen Achse zum Umfang hin zunimmt, wobei zumindest eine der Flächen als eine Beugungslinsenfläche ausgebildet ist, die aus stufenförmigen, ringförmigen Segmenten besteht, welche diskret in einer Richtung verschoben sind, in welcher die Linsendicke als Funktion des Abstandes von der optischen Achse zunimmt.

Hierbei wird ein Korrektionselement für chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, welches eine Beugungsfläche aufweist, die mit einer zentralen Fläche versehen ist, die in bezug auf eine optische Achse rotationssymmetrisch ist, sowie mehrere ringförmige Flächen aufweist, die konzentrisch zu der zentralen Fläche verlaufen, wobei die zentrale Fläche, eine der ringförmigen Flächen gerade außerhalb der zentralen Fläche sowie die übrigen ringförmigen Flächen in ihrer Position um dieselbe Stufenentfernung t in Richtung der optischen Achse versetzt sind, und die Beugungsfläche in makroskopischem Maßstab optisch im wesentlichen konkav- oder konvexförmig ist.

Vorzugsweise ist hierbei die Entfernung t durch folgende Bedingung festgelegt:

t = mλ₀/(n - 1)

wobei m eine ganze Zahl ist, n der Brechungsindex des Mediums ist, aus welchem die Beugungsfläche besteht, und λ₀ eine willkürliche Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist. Hierbei können die zentrale Fläche und die mehreren ringförmigen Flächen senkrecht zur optischen Achse angeordnet sein. Vorzugsweise ist hierbei die Breite der mehreren ringförmigen Flächen so gewählt, daß sie umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen jeder ringförmigen Fläche und der optischen Achse ist. Mikroskopisch gesehen weist hierbei die Beugungsfläche vorzugsweise eine optisch im wesentlichen konkave Form auf.

Weiterhin ist vorzugsweise die Beugungsfläche auf zumindest einer Fläche einer Einzellinse vorgesehen, die zumindest eine asphärische Fläche aufweist, deren Krümmungsradius von der optischen Achse zum Umfang hin zunimmt, wobei der Abstand zwischen der Linsenfläche, auf welcher die Beugungsfläche vorgesehen ist, und der zentralen Fläche, einer der ringförmigen Flächen gerade außerhalb der zentralen Fläche und der übrigen ringförmigen Flächen von der optischen Achse zum Umfang hin zunimmt.

Vorzugsweise erfüllt dieses Korrektionselement die folgende Bedingung:

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10

wobei λ₀ eine willkürliche Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist, t die Größe der Axialverschiebung jeder der ringförmigen Flächen bezeichnet, und n der Brechungsindex des Mediums ist, aus welchem das Element besteht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Korrektionselement für chromatische Aberration in einer Optik eines optischen Schreib-/Lesegerätes vorgesehen und arbeitet als Objektiveinzellinse, die einfallende parallele Lichtstrahlen dazu veranlaßt, auf einem optischen Aufzeichnungsmedium fokussiert zu werden, wobei die Beugungsfläche auf der Fläche vorgesehen ist, auf welche die parallelen Lichtstrahlen auftreffen.

Vorzugsweise ist das Korrektionselement für chromatische Aberration in einer Optik eines Schreib-/Lesegerätes vorgesehen, das eine Laserdiode aufweist, wobei das Korrektionselement als Kollimatorlinse arbeitet, welche das divergente Licht von der Laserdiode kollimiert, und wobei die Beugungsfläche auf der Fläche vorgesehen ist, auf welche das divergente Licht trifft.

Weiterhin wird ein Korrektionselement für chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, bei dem die zentrale Oberfläche und die mehreren ringförmigen Oberflächen Ebenen sind, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet sind, und die makroskopische Form der Beugungsfläche eine asphärische Fläche ist, deren Krümmungsradius im Absolutwert mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse zum Umfang hin abnimmt, wobei die Axialverschiebung ΔX'(h) der Ebenen, die durch die mehreren ringförmigen Flächen festgelegt sind, gegenüber der Ebene, die durch die zentrale Fläche festgelegt ist, in einem Punkt mit einem Abstand h von der optischen Achse durch Gleichung (3B) gegeben ist:

ΔX'(h) = (mλ₀/(n - 1))Int((ΔX(h)/(mλ₀/(n - 1))) + 0,5)

wobei ΔX(h) die Verschiebung der asphärischen Fläche gegenüber der Ebene ist, die durch die zentrale Fläche festgelegt ist, an einem Punkt mit einem Abstand h von der optischen Achse; m eine ganze Zahl ist; n der Brechungsindex des Mediums ist, aus welchem das Korrektionselement besteht; λ₀ die Wellenläge ist, bei welcher das Korrektionselement für die chromatische Aberration verwendet wird, oder eine willkürliche Wellenlänge innerhalb des Betriebswellenlängenbereiches; und Int(X) eine Funktion ist, die eine ganze Zahl nicht größer als X ergibt.

Vorzugsweise gleicht die asphärische Fläche einer sphäroidförmigen Fläche, die eine positive Kegelschnittkonstante aufweist, wobei dann, wenn die Abweichung ε(h) gegenüber der sphäroidförmigen Fläche an einem Punkt mit einem Abstand h von der optischen Achse durch Gleichung (1B) ausgedrückt wird, die asphärische Fläche eine Bedingung (4B) für sämtliche Werte des Abstandes h innerhalb des effektiven Maximalradius hindurchgehender Lichtstrahlen erfüllt:

wobei C die achsennahe Krümmung ist; K die Kegelschnittkonstante; und λ₀ die maximale Betriebswellenlänge.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Beugungsfläche auf zumindest einer Strahldurchgangsfläche eines Strahlteilers vorgesehen, der zwei oder mehrere Prismen aufweist, die miteinander über eine Strahlteilerfläche verbunden sind.

Die Beugungsoberfläche ist vorzugsweise zumindest auf einer Strahldurchlaßfläche einer Ablenkeinrichtung für den optischen Weg vorgesehen, welche zumindest ein Prisma und zumindest eine Ablenkoberfläche aufweist.

Weiterhin wird ein Korrektionselement für chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, das weiterhin mit einer Glaslinse versehen ist, die eine Brechkraft aufweist, sowie mit einem Kunststoff-Beugungselement, dessen eine Fläche mit der Glaslinse verbunden ist, und dessen andere Fläche mit der Beugungsoberfläche versehen ist, wobei die Dicke des Kunststoff-Beugungselements in der Richtung der optischen Achse als Funktion des Abstandes von der optischen Achse zunimmt.

Vorzugsweise erfüllt hierbei dieses Element nachstehende Bedingung:

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀

wobei λ₀ eine willkürliche Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist, und n der Brechungsindex des Mediums, aus welchem das Beugungselement besteht.

In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise eine Fläche, die nicht mit dem Beugungselement der Glaslinse verbunden ist, eine kontinuierliche, asphärische Fläche.

Vorzugsweise sind bei dem Korrektionselement die zentrale Fläche und die mehreren ringförmigen Flächen als Reflexionsflächen ausgestaltet.

Weiterhin wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß die Konturen der zentralen Reflexionsfläche und der mehreren ringförmigen Flächen kreisförmig sind, und der Abstand t durch nachstehende Gleichung gegeben ist:

t = λ₀m/2n

wobei λ₀ eine willkürliche Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist; m eine ganze Zahl; und n der Brechungsindex des Mediums, welches sich auf der Lichteinfallsseite der Reflexionsflächen befindet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Konturen der zentralen Brechungsfläche und der mehreren ringförmigen Flächen elliptisch, und der Abstand t ergibt sich aus:

t = Aλ₀m/2n

wobei λ₀ eine willkürliche Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist; m eine ganze Zahl; n der Brechungsindex des Mediums, welches sich auf der Lichteinfallsseite der Reflexionsfläche befindet; und A das Verhältnis zwischen der Haupt- und Nebenachse der Ellipse.

Vorzugsweise ist hierbei das Korrektionselement so ausgebildet, daß sie folgende Bedingung erfüllt:

1 ≦ t.2n/λ₀ ≦ 10

Die Korrektionseinzellinse für die chromatische Aberration genügt der folgenden Bedingung:

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10

wobei λ₀: eine beliebige Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich ist; t: der Betrag der Axialverschiebung jedes ringförmigen Segments (die Höhendifferenz zwischen benachbarten Stufen); und n: der Brechungsindex des Mediums ist, aus welchem die Linse besteht.

Die Beugungslinsenfläche wird von der dem fernen konjugierten Punkt näheren Fläche gebildet, wogegen eine kontinuierliche asphärische Oberfläche von der dem nahen konjugierten Punkt näheren Fläche gebildet wird. Die Beugungslinsenfläche ist in Stufen als ringförmige Segmente ausgebildet, welche diskret mit einem Teilungsabstand verschoben sind, der im wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat der Höhe über der optischen Achse ist.

Die Korrektionslinse kann daher in der Optik eines optischen Schreib-/Lesegerätes vorgesehen sein und als Objektivlinse arbeiten, welche auffallende, parallele Lichtstrahlen, die von der dem entfernt konjugierten Punkt näheren Seite kommen, auf ein optisches Aufzeichnungsmedium fokussiert.

Die Beugungslinsenfläche wird von der Fläche gebildet, welche näher dem nahen konjugierten Punkt liegt, wogegen eine kontinuierliche asphärische Fläche von der dem entfernt konjugierten Punkt näheren Fläche gebildet wird. Die Beugungslinsenfläche ist in Stufen als ringförmige Segmente ausgebildet, welche diskret mit einem Teilungsabstand verschoben sind, der im wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat der Höhe über der optischen Achse ist.

Ferner wird ein Korrektionselement für die chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, welche ringförmige Segmente aufweist, die stufenförmig sind, entweder auf einer Lichteintritts fläche, einer Lichtaustrittsfläche oder auf beiden Flächen, wobei die ringförmigen Segmente aus ebenen Flächen bestehen, die senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch mit dieser sind.

Der Verschiebungsbetrag t in der optischen Richtung der benachbarten kreisringförmigen Zone wird durch die nachfolgende Gleichung festgelegt:

t = mλ₀/(n - 1)

wobei m eine ganze Zahl, n der Brechungsindex und λ₀ eine beliebige Wellenlänge in dem Betriebswellenlängenbereich ist.

Die Fläche, auf welcher die stufenförmigen, ringförmigen Segmente ausgebildet sind, ist makroskopisch eine konkave Fläche oder makroskopisch eine konvexe Fläche.

Es wird bei einem optischen Schreib-/Lesegerät, bei dem Lichtstrahlen aus einer Lichtquelle durch eine Objektivlinse auf ein Informationsaufzeichnungsmedium fokussiert werden, um so Information aufzuzeichnen oder wiederzugeben, eine Verbesserung erreicht, bei welcher ein Korrektionselement für die chromatische Aberration in dem optischen Weg zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse vorgesehen ist, und das Korrektionselement für die chromatische Aberration ringförmige Segmente aufweist, die stufenförmig entweder auf einer Lichteintrittsfläche, einer Lichtaustritts fläche oder beiden Flächen ausgebildet sind, wobei die ringförmigen Segmente aus Flächen bestehen, die senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch zu dieser sind.

Ferner wird bei einem Korrektionselement für die chromatische Aberration des Beugungstyps, welche ringförmige Segmente aufweist, die stufenartig entweder auf einer Lichteintrittsfläche, einer Lichtaustrittsfläche oder beiden Flächen vorgesehen sind, wobei die ringförmigen Segmente aus Ebenen senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch mit dieser bestehen, eine Verbesserung erreicht, wobei die Basiskurve, welche eine makroskopische Krümmung der Ebenen darstellt, die stufenförmig ausgebildet sind, eine asphärische Fläche ist, deren Absolutwert des Krümmungsradius mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt, und bei welcher, wenn die axiale Verschiebung der Basiskurve an einem Punkt mit einem Abstand h von der optischen Achse als ΔX(h) bezeichnet wird, die Verschiebung ΔX'(h) der stufenförmig ausgebildeten Ebenen an einem Punkt mit dem Abstand h von der optischen Achse durch die Gleichung (3B) gegeben ist:

ΔX'(h) = (mλ₀/(n - 1))Int((ΔX(h)/(mλ₀/(n - 1))) + 0,5) (3B)

wobei m eine ganze Zahl ist; n der Brechungsindex ist; λ₀ die Wellenlänge ist, bei welcher das Korrektionselement für die chromatische Aberration verwendet wird, eine beliebige Wellenlänge innerhalb des Betriebswellenlängenbereiches des Elementes; und Int(X) eine Funktion ist, welche eine ganze Zahl ergibt, die nicht größer als X ist.

Die Basiskurve ist eine asphärische Fläche, welche einer kugelförmigen Fläche mit einer positiven Kegelschnitt-Konstante gleicht, wobei dann, wenn der Abstand ε(h) von der kugelförmigen Fläche an einem Punkt mit dem Abstand h von der optischen Achse durch Gleichung 1(B) ausgedrückt wird, die Basiskurve die Bedingung (4B) für sämtliche Werte des Abstandes h innerhalb des effektiven maximalen Radius hindurchgehender Lichtstrahlen erfüllt:

wobei C die achsennahe Krümmung ist; K die Kegelschnitt konstante; und λ die maximale Betriebswellenlänge.

Ein optisches System für ein optisches Schreib-/Lesegerät umfaßt eine Lichtquelle, eine Objektivlinse, welche Lichtstrahlen aus der Lichtquelle auf ein optisches Aufzeichnungsmedium fokussiert, sowie einen Strahlteiler, durch welchen das reflektierte Licht von dem optischen Aufzeichnungsmedium gegenüber dem optischen Weg der auftreffenden Lichtstrahlen isoliert wird, wobei der Stahlteiler eine Fläche aufweist, welche eine chromatische Aberration hervorruft, die zumindest die chromatische Aberration ausgleicht, die sich in der Objektivlinse entwickelt.

Ein optisches System für ein optisches Schreib-/Lesegerät weist zumindest auf:
eine Lichtquelle;
eine Ablenkeinrichtung für den optischen Weg, welche dazu führt, daß Lichtstrahlen von der Lichtquelle in Richtung auf ein optisches Aufzeichnungsmedium abgelenkt werden;
eine Objektivlinse, welche die abgelenkten Lichtstrahlen auf das optische Aufzeichnungsmedium fokussiert;
einen Strahlteiler, durch welchen das reflektierte Licht von dem optischen Aufzeichnungsmedium gegenüber dem optischen Weg der auftreffenden Lichtstrahlen isoliert wird; wobei die Ablenkeinrichtung für den optischen Weg eine Fläche aufweist, die eine chromatische Aberration hervorruft, die zumindest die chromatische Aberration ausgleicht, die sich in der Objektivlinse entwickelt.

Es wird ein Korrektionselement für die chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, welches zumindest ein Prisma aufweist, welches mit ringförmigen Ebenen versehen ist, die konzentrisch zur optischen Achse verlaufen und stufenweise auf zumindest einer der Flächen des Prismas angeordnet sind, durch welche der Strahl hindurchtritt, und zwar auf solche Weise, daß die ringförmigen Ebenen makroskopisch eine konkave Form hervorrufen, wobei die chromatische Aberration durch die stufenförmigen Ebenen erzeugt wird.

Weiterhin wird eine Hybridlinse zur Verfügung gestellt, welche eine Glaslinse umfaßt, die eine Brechungswirkung aufweist; und ein Kunststoff-Beugungselement, dessen eine Fläche mit der Glaslinse verbunden ist, und dessen andere Fläche mit mehreren ringförmigen Ebenen versehen ist, die konzentrisch zur optischen Achse liegen und stufenförmig ausgebildet sind, und zwar so, daß die Linsendicke als Funktion des Abstandes von der optischen Achse zunimmt.

Die Hybridlinse kann darüber hinaus die folgende Bedingung erfüllen:

0,8 ≦ t(n - 1)/λ ≦ 10

wobei λ₀: eine beliebige Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich bezeichnet;
t: die axiale Differenz der Dicke des Beugungselements zwischen einzelnen ringförmigen Segmenten; und
n: den Brechungsindex des Mediums, aus welchem das Beugungselement besteht.

Gemäß einer weiteren Zielrichtung der Erfindung wird ein Korrektionselement für die chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, die vom Brechungs- und Beugungstyp ist und eine reflektierende Fläche aufweist, welche die zentrale reflektierende Fläche und mehrere ringförmig reflektierende Flächen umfaßt, die konzentrisch zur zentralen Fläche liegen, wobei die reflektierenden Flächen so ausgebildet sind, daß die Formen ihrer ortogonalen Projektionen auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse sich durch Rotationssymmetrie in bezug auf die optische Achse auszeichnen, die als Drehzentrum dient, wobei die zentrale Fläche, eine ringförmige Fläche etwas außerhalb der zentralen Fläche, und eine benachbarte ringförmige Fläche in ihrer Lage um denselben Stufenabstand t in einer Richtung senkrecht zu diesen Flächen versetzt sind, so daß makroskopisch gesehen diese Flächen insgesamt eine konkave oder eine konvexe Fläche bilden, wobei der Stufenabstand t so festgelegt ist, daß als ebene Welle bei einer Bezugswellenlänge eintretendes Licht auch als eine ebene Welle austritt, wogegen Licht, welches als ebene Welle bei einer Wellenlänge eintritt, die sich von der Bezugswellenlänge unterscheidet, entweder als divergente oder konvergente Wellenfront austritt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die optischen Verhältnisse in einem Fall, in welchem das Korrektionselement für die chromatische Aberration gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung als Objektivlinse eines infiniten Systems in einer Vorrichtung für optische Speicherplatten verwendet wird;

Fig. 2(a) einen Querschnitt der Objektivlinse von Fig. 1 in übertriebener Form;

Fig. 2(b) eine Aufsicht derselben Objektivlinse in übertriebener Form;

Fig. 3 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit dem in Fig. 1 gezeigten optischen System erhalten werden;

Fig. 4 schematisch die optischen Verhältnisse in einem Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung als eine Kollimatorlinse verwendet wird;

Fig. 5(a) einen Querschnitt durch die Kollimatorlinse von Fig. 4 in übertriebener Form;

Fig. 5(b) eine Aufsicht derselben Kollimatorlinse in übertriebener Form;

Fig. 6 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgezeichnet sind, die mit dem in Fig. 4 gezeigten optischen System erhalten werden;

Fig. 7 schematisch die optischen Verhältnisse in einem Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung als Objektivlinse eines finiten Systems in einer Vorrichtung für optische Speicherplatten verwendet wird;

Fig. 8 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgezeichnet sind, die mit dem in Fig. 7 gezeigten optischen System erhalten werden;

Fig. 9 einen Querschnitt eines Beispiels für das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß der vorliegenden Erfindung entlang einer Linie IX-IX von Fig. 10;

Fig. 10 eine Aufsicht auf das in Fig. 9 gezeigte Element;

Fig. 11 ein Diagramm, welches die Wellenfront des Lichtes zeigt, wenn es durch das Korrektionselement für chromatische Aberration bei der spezifizierten Wellenlänge hindurchgeht;

Fig. 12 ein Diagramm, welches die Wellenfront von Licht zeigt, wenn es durch das Korrektionselement für chromatische Aberration bei einer Wellenlänge hindurchgeht, die sich von der spezifizierten Wellenlänge unterscheidet;

Fig. 13 schematisch den Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration mit einer Objektivlinse kombiniert wird;

Fig. 14 schematisch den Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration makroskopisch wie eine bikonkave Linse geformt ist;

Fig. 15 schematisch den Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration makroskopisch wie eine Konvex- Planlinse geformt ist;

Fig. 16 schematisch den Fall, in welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration makroskopisch wie eine Bikonvexlinse geformt ist;

Fig. 17 schematisch ein Beispiel für das optische System in einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung mit dem Korrektionselement für chromatische Aberration;

Fig. 18 schematisch ein weiteres Beispiel für das optische System in einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung einschließlich des Korrektionselementes für die chromatische Aberration;

Fig. 19 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine positive Objektivlinse zeigt, die durch die Korrektionselemente für chromatische Aberration gemäß den Beispielen 2B und 3B korrigiert werden soll;

Fig. 20 einen Satz von Diagrammen, in welchem die Kurven für die sphärische Aberration aufgetragen sind, die nur mit der Objektivlinse erhalten werden, die in Fig. 19 gezeigt ist;

Fig. 21 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch optische Systeme zeigt, bei welchen das in Fig. 19 gezeigte Linsenelement mit einem Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps kombiniert ist;

Fig. 22A und 22B eine Seitenansicht beziehungsweise eine Aufsicht, welche schematisch die Geometrie stufenförmiger Ebenen zeigen, die auf dem Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps ausgebildet sind;

Fig. 23 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische chromatische Aberration aufgetragen sind, die bei dem in Fig. 21 gezeigten optischen System erhalten werden, für den Fall, in welchem das Korrektionselement gemäß Beispiel 2B verwendet wird, bei dem die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen eine ellipsoidförmige Fläche bildet;

Fig. 24 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische und chromatische Aberration aufgetragen sind, die bei dem in Fig. 21 gezeigten optischen System in dem Falle erhalten werden, in welchem das Korrektionselement gemäß Beispiel 3B verwendet wird, bei welchem die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen eine asphärische Fläche der vierten Ordnung bildet;

Fig. 25 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische und chromatische Aberration aufgetragen sind, die bei dem in Fig. 21 gezeigten optischen System in dem Fall erhalten werden, in welchem ein Korrektionselement verwendet wird, bei welchem die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen eine kugelförmige Fläche bilden;

Fig. 26 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch die positive Objektivlinse zeigt, die durch das Korrektionselement des Beispiels 5B korrigiert werden soll;

Fig. 27 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische und chromatische Aberration aufgetragen sind, die allein mit der in Fig. 26 gezeigten Objektivlinse erhalten werden;

Fig. 28 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch ein optisches System zeigt, bei welchem die in Fig. 26 dargestellte Linse mit einem Korrektionselement für die chromatische Aberration des Beugungstyps verwendet wird;

Fig. 29 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische und chromatische Aberration aufgetragen sind, die bei dem in Fig. 28 dargestellten optischen System in dem Falle erhalten werden, in welchem das Korrektionselement gemäß Beispiel 5B verwendet wird, in welchem die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen eine ellipsoidförmige Fläche bildet;

Fig. 30 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Kurven für die sphärische und chromatische Aberration aufgetragen sind, die bei dem in Fig. 28 dargestellten optischen System in dem Fall erhalten werden, in welchem ein Korrektionselement verwendet wird, bei welchem die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen eine kugelförmige Ebene bildet;

Fig. 31 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch das optische System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung gemäß Beispiel 2C zeigt;

Fig. 32 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch das optische System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung gemäß Beispiel 5C zeigt;

Fig. 33A eine Seitenansicht mit einer schematischen Darstellung der Hybridlinse gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 33B eine Aufsicht auf dieselbe Hybridlinse;

Fig. 34 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine Objektivlinse zeigt, welche die Hybridlinse von Beispiel 1D verwendet;

Fig. 35 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit der in Fig. 34 dargestellten Objektivlinse erhalten werden;

Fig. 36 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine Objektivlinse zeigt, welche die Hybridlinse des Beispiels 2D verwendet;

Fig. 37 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit der in Fig. 36 dargestellten Objektivlinse erhalten werden;

Fig. 38 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine Objektivlinse zeigt, die in der Hinsicht mit dem Beispiel 2D verglichen wird, daß sie kein Beugungselement aufweist;

Fig. 39 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit der in Fig. 38 gezeigten Objektivlinse erhalten werden;

Fig. 40 ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine Kollimatorlinse zeigt, welche die Hybridlinse des Beispiels 3D verwendet;

Fig. 41 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit der in Fig. 40 dargestellten Kollimatorlinse erhalten werden;

Fig. 42 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Korrektionselementes für die chromatische Aberration des Reflexions- und Beugungstyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 43 eine weitere Querschnittsansicht, die ebenfalls das Funktionsprinzip des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps erläutert;

Fig. 44 eine Querschnittsansicht des Funktionsprinzips des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 45 einen Schnitt von Fig. 44, in Blickrichtung des Pfeils A;

Fig. 46 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher das Korrektionselement des Reflexions- und Beugungstyps bei einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung eingesetzt wird;

Fig. 47 eine Querschnittsansicht des ersten Beispiels des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps;

Fig. 48 eine Querschnittsansicht des zweiten Beispiels des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps;

Fig. 49 eine Querschnittsansicht des dritten Beispiels des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps;

Fig. 50 eine Querschnittsansicht des vierten Beispiels des Korrektionselementes des Reflexions- und Beugungstyps;

Fig. 51 eine schematische Darstellung der chromatischen Aberration, die sich in einer einfachen Linse entwickelt, und deren Korrektur durch das Korrektionselement des Brechungs- und Beugungstyps;

Fig. 52 ein vereinfachtes Diagramm, welches ein Beispiel für die einfache Linse zeigt, die in Kombination mit dem Korrektionselement des Brechungs- und Beugungstyps eingesetzt werden soll;

Fig. 53 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit der in Fig. 52 dargestellten einfachen Linse erhalten werden;

Fig. 54 ein Diagramm, welches ein weiteres Linsensystem zeigt, bei welchem das Korrektionselement des Brechungs- und Beugungstyps eingesetzt werden soll; und

Fig. 55 einen Satz von Diagrammen, in welchen die Aberrationskurven aufgetragen sind, die mit dem in Fig. 54 dargestellten Linsensystem erhalten werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Zuerst soll die Theorie für den Betrieb gemäß der Erfindung beschrieben werden.

Es wird angenommen, daß eine dünne Linse eine Brennweite f aufweist und aus einem Material besteht, welches einen Brechungsindex n aufweist, der sich in Reaktion auf eine Änderung der Wellenlänge Δn ändert. Die Änderung der Brechkraft dieser Linse ΔR in Reaktion auf die Wellenlängenänderungen wird durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt:

ΔR = Δn/(f(n - 1) (1)

Solange kein Material vorhanden ist, welches einen ausreichenden Brechungsindex n zur Herstellung einer Linse aufweist, jedoch nur eine geringe Brechungsindexänderung Δn erfährt, kann keine übliche Einzellinse mit ihrer Brechkraft die Brechkraftänderung ΔR unterdrücken, die als Ergebnis der Wellenlängenänderung auftritt.

Unter diesen Umständen wird die Korrektureinzellinse für chromatische Aberration gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß eine Beugungslinsenfläche auf einer der Flächen einer einfachen Linse auf solche Weise ausgebildet wird, daß die Beugungswirkung auf dieser Fläche im Effekt dazu verwendet wird, die chromatische Aberration auszugleichen, die sich infolge der Brechungswirkung der einfachen Linse entwickelt.

Eine Beugungslinse kann entweder eine Amplitudenbeugungs- oder eine Phasenbeugungslinse sein, abhängig von der Art der auftretenden Beugung. Vom Gesichtspunkt einer wirksamen Lichtnutzung aus wird vorzugsweise eine Phasenbeugungslinse verwendet. Die Phasenbeugungslinse wird dadurch hergestellt, daß eine Reihe kreisringförmiger Segmente zur Verfügung gestellt wird, und zwar in Stufen, welche Ebenen senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch mit dieser bilden.

Wird die Brechkraft einer Linse als ΦR geschrieben, und die Brechkraft einer Beugungslinsenfläche, die auf einer Fläche dieser Linse gebildet wird, als ΦD bezeichnet, so wird die zusammengesetzte Brechkraft ΦT durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt:

ΦT = (HR/H1)ΦR + (HD/H1)ΦD (2)

wobei H1: die Höhe eines achsennahen Strahls ist, in welcher dieser in das Linsensystem eintritt; HR: die Höhe des auftreffenden achsennahen Strahls H1 ist, in welcher dieser in die Brechungslinse auf dem vorderen Hauptpunkt eintritt; HD: die Höhe des auftreffenden achsennahen Strahls H1 ist, in welcher dieser in die Beugungslinse auf dem vorderen Hauptpunkt eintritt.

Zur Vereinfachung soll angenommen werden, daß jede Linse eine dünne Linse ist. Dann läßt sich Gleichung (2) wie folgt umschreiben:

ΦT = ΦR + ΦD (3)

Bei einer üblichen Brechungslinse wird die Änderung der Linsenbrechkraft ΔR, die durch die Brechungsindexänderung Δn infolge einer Änderung der Wellenlänge hervorgerufen wird, durch Gleichung (4) ausgedrückt:

ΔR = ΦR(Δn/(n - 1)) (4)

wobei ΦR die Brechkraft der Linse ist.

Die Brechkraft einer Beugungslinsenfläche ΦD wird dadurch berechnet, daß der Differentialkoeffizient zweiter Ordnung der optischen Weglängendifferenz (hervorgerufen durch Beugung) in bezug auf den Abstand von der optischen Achse berechnet wird. Da die optische Weglängendifferenz proportional zur Wellenlänge ist, wird die Brechkraftänderung ΔD infolge der Beugung, die dann auftritt, wenn die Wellenlänge um Δλ₀ gegenüber der spezifizierten Bezugswellenlänge λ₀ verschoben wird, durch folgende Gleichung (5) ausgedrückt:

ΔD = (Δλ₀/λ₀)ΦD (5)

Es wird angenommen, daß eine Linse mit einer Brennweite von 10 mm, die mit einer Laserdiode betrieben werden soll, die Licht bei einer Bezugswellenlänge (λ₀) von 780 nm emittiert, mit einer Verschiebung (Δλ₀) von ±10 nm, aus dem Material LAL 13 hergestellt wird (Handelsbezeichnung von Ohara Co., Ltd.; n780 = 1,68468; Δn = -0,000032). Die Gleichungen (4) und (5) geben die folgenden Werte:

ΔR = ΦR(Δn/(n - 1)) = -4,67 × 10^-4.ΦR

ΔD = ΦD(Δλ₀/λ₀) = 1,28 × 10^-2.ΦD

Um die Variation der zusammengesetzten Brechkraft infolge der Wellenlängendifferenz zu unterdrücken, können ΔR und ΔD so eingestellt werden, daß ihre Summe den Wert 0 ergibt (ΔR + ΔD = 0). Mit anderen Worten kann eine Linse, welche bei Wellenlängen nahe dem Bezugswert 780 nm keine chromatische Aberration zeigt, dadurch hergestellt werden, daß die nachstehende Bedingung (7) erfüllt wird:

ΦR : ΦD = 1 : 0,0364 (7)

Weiterhin muß die folgende Gleichung (8) gelten, um sicherzustellen, daß die Brennweite 10 mm beträgt:

ΦR + ΦD = 0,100 (8)

Die Gleichungen (7) und (8) zeigen, daß die Brechungs- und Beugungskraft jeweils durch eine der nachstehenden Gleichungen (9) beziehungsweise (10) ausgedrückt werden:

ΦR = 0,09649 (9)

ΦD = 0,00351 (10)

Durch die zweite Integration der Gleichung (10) bezogen auf den Abstand von der optischen Achse wird die optische Weglängendifferenz OPD(h) in dem Punkt auf der Beugungslinsenoberfläche, welcher von der optischen Achse um eine Höhe h entfernt ist, wie nachstehend angegeben bestimmt:

OPD(h) = 0,5.ΦD.h² = 0,5.0,00351.h² = 1,755 × 10^-3.h² (11)

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß zur Entwicklung einer Beugung die optische Wellenlängendifferenz nicht kontinuierlich variiert werden muß, sondern intermittierend oder diskret in Schritten. Im einzelnen ist die optische Wellenlängendifferenz, die zwischen Licht auftritt, welches durch ein Medium mit der Dicke t entlang dem optischen Weg hindurchgeht, und Licht, welches durch Luft hindurchgeht, gegeben durch (n - 1)t, und daher muß die Höhendifferenz zwischen benachbarten Stufen auf der Beugungslinse gleich t sein, welches sich aus der nachstehenden Gleichung (12) ergibt, oder ein ganzzahliges Vielfaches von t:

t(h) = 0,780 × 10^-3/(n - 1) = 0,780 × 10^-3/0,68468 = 1,14 × 10^-3.h² (12)

Daher ist makroskopisch die Beugungslinse als Konkavlinse geformt, deren Dicke proportional zum Quadrat der Entfernung von der optischen Achse zunimmt, jedoch werden mikroskopisch kreisringförmige Segmente in Stufen geformt, die konzentrisch zur optischen Achse liegen, auf die bereits voranstehend angegebene Weise. Werden diese Anforderungen erfüllt, so kann die Beugungslinse eine gewünschte Brechkraft zur Verfügung stellen.

In der voranstehenden Diskussion wurde angenommen, daß die Korrektureinzellinse für chromatische Aberration gemäß der vorliegenden Erfindung eine dünne Linse ist, und daß daher sich die Höhe des Strahleneinfalls auf den beiden Flächen der Linse nicht ändert. Allerdings unterscheidet sich die Höhe des einfallenden Strahls in der Praxis zwischen der vorderen und hinteren Fläche der Linse, und daher muß auch die Änderung von h berücksichtigt werden.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß das Verhältnis zwischen der optischen Weglängendifferenz t(n - 1) und der Wellenlänge λ₀ vorzugsweise die nachstehende Bedingung (A) erfüllt:

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10 (A)

Es gilt allgemein, daß man bei Ausbildung einer Beugungslinsenfläche auf solche Weise, daß die Höhendifferenz zwischen benachbarten Stufen gleich der Wellenlänge λ₀ ist, Licht der Beugung erster Ordnung verwendet, und daher die Beeinträchtigung der Wellenfrontaberration infolge der Änderung der Wellenlänge unterdrücken kann, wodurch ein Abfall des Beugungswirkungsgrades und der Abbildungsleistung verhindert wird, die sonst infolge der Wellenlängenänderung auftreten würden.

Ist der Betriebswellenlängenbereich schmal, oder liegt ein Fall vor, in welchem die Breite jedes ringförmigen Segments zu klein ist, so daß bei der Linsenherstellung Schwierigkeiten auftreten, kann die Höhendifferenz zwischen benachbarten Stufen auf das Doppelte der Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches (≧ 3) der Wellenlänge erhöht werden, wobei es jedoch immer noch möglich ist, die Korrektur der chromatischen Aberration durchzuführen. Übersteigt allerdings die Höhendifferenz zwischen den Stufen die Obergrenze der Bedingungen (A) und wird größer als das zehnfache der Wellenlänge λ₀, so unterscheidet sich die Linsengeometrie nicht von der konventionellen Fresnel- Linse und die nachstehenden zwei Schwierigkeiten treten auf: Infolge eines möglichen Herstellungsfehlers bezüglich der Höhendifferenz zwischen den Stufen gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine ansteigende Phasenfehlanpassung, und zweitens nimmt der Wirkungsgrad der Beugungslinse ab, wenn das auftreffende Licht eine Wellenlänge aufweist, die sich von dem spezifizierten Wert unterscheidet.

Wird andererseits die Untergrenze der Bedingung (A) nicht erreicht, so kann die für die Beugungslinse erforderliche Phasenanpassung nicht erzielt werden, so daß diese im wesentlichen unfähig ist, als "Beugungslinse" zu arbeiten.

Wenn die Beugungslinse und die Brechungslinse in einer einstückigen Einheit kombiniert werden sollen, um die chromatische Aberration zu korrigieren, so wird, wie Gleichung (7) zeigt, beinahe die gesamte Brechkraft, die sich entwickelt, durch die Brechungslinse erzeugt. Daher ist es erforderlich, daß die Brechungslinse so ausgebildet ist, daß sie im wesentlichen selbst die Korrektur von Abberationen durchführen kann. Andererseits ist die Brechkraft der Beugungslinse beinahe 0, da ihre einzige Funktion in der Korrektur der chromatische Aberration besteht, die sich in der Brechungslinse entwickelt. Daher weist die Korrektureinzellinse für chromatische Aberration als einstückige Einheit keinen wesentlichen Unterschied gegenüber der konventionellen asphärischen Einzellinse auf, soweit die makroskopische Geometrie betroffen ist.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt ein optisches System, welches eine Korrektureinzellinse für chromatische Aberration gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung verwendet, bei welchem die Linse als Objektivlinse in einem System für optische Speicherplatten verwendet wird. Strahlen parallelen Lichts, die in die Linse 1 von links eintreten, werden auf einen Punkt auf der Aufzeichnungsoberfläche fokussiert, der sich auf der inneren (rechten) Seite des Deckglases D der optischen Scheibe befindet. Die Linse 1 ist eine Objektivlinse, deren beide Flächen makroskopisch konvex sind.

Fig. 2(a) beziehungsweise 2(b) stellen einen Querschnitt beziehungsweise eine Aufsicht dar, welche die Objektivlinse 1 in übertriebener Darstellung zeigen, um die Geometrie der ringförmigen Segmente zu verdeutlichen, die auf der Linse ausgebildet sind. Die linke Seite der Linse (1) in Fig. 2(a)), auf welche das parallele Licht auftreffen soll, bildet eine diskontinuierliche Fläche, welche die Kombination einer asphärischen Fläche einer Brechungslinse mit ringförmigen Segmenten darstellt, die auf ihr ausgebildet sind, um eine Fläche zu erzeugen, die als Beugungslinsenfläche arbeitet. Die ringförmigen Segmente sind konzentrisch in Stufen gebildet, welche diskret in einer Richtung verschoben sind, in welcher die Linsendicke als Funktion der Entfernung von der optischen Achse zunimmt. Die Seite der Linse 1, welche dem Deckglas D gegenüberliegt, bildet eine übliche, kontinuierliche asphärische Fläche.

Um gleichzeitig die sphärische Aberration und die Koma in einem Fall zu korrigieren, in welchem eine Linse mit einer hohen NA (numerischen Apertur) wie die Objektivlinse in einem für optische Speicherplatten bestimmten System aus einer Einzellinse besteht, muß die Fläche auf der Seite, auf welcher parallele Lichtstrahlen auftreffen, nämlich auf der Seite an dem fernen konjugierten Punkt, als eine konvexe asphärische Fläche ausgebildet sein, deren Krümmungsradius von der optischen Achse zum Umfang hin zunimmt.

Damit eine Linse eine hohe NA aufweist, muß im wesentlichen die Sinusbedingung für die Koma-Korrektur erfüllt sein. Wird daher eine Linse mit hoher NA mit der Beugungslinse kombiniert, so ist die optische Weglänge, welche durch letztere zur Verfügung gestellt werden soll, nicht proportional zum Quadrat der Höhe h des einfallenden Strahls, sondern proportional zum Quadrat des Sinus des Einfalls- oder Ausfallwinkels. Abgesehen von dem Fall, in welchem die Beugungslinsenoberfläche auf den Seiten liegt, an welchen das parallele Licht eintritt und austritt, muß daher die Geometrie der Beugungslinsenfläche so gewählt sein, daß ihre Krümmung nicht streng proportional zum Quadrat des Abstandes h von der optischen Achse ist, sondern allmählich zum Umfang hin abnimmt. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn der auftreffende Strahl in die Beugungslinse in einem Winkel (schräg) eintritt, die effektive Linsendicke zunehmen wird; in einem Fall, in welchem sich die Beugungslinse auf der Seite der Linse mit hoher NA befindet, die näher an der Austrittsoberfläche liegt, muß daher das Ausmaß der Verschiebung auch als Funktion von h berücksichtigt werden.

Wenn die Beugungslinse, die in einer einstückigen Anordnung kombiniert werden soll, an dem fernen konjugierten Punkt liegt, wie im Falle des Beispiels 1, so erfahren die auftreffenden Strahlen eine Winkeländerungswirkung auf der Beugungslinsenfläche in Axialrichtung, und daher nimmt die Höhendifferenz zwischen kreisringförmigen Stufen auf der Beugungslinsenfläche von der optischen Achse zum Umfang hin zu. Allerdings ist es schwierig, ein System herzustellen, in welchem die Linsenfläche entlang sich ausbreitender Strahlen verschoben ist; daher kann bei dem tatsächlichen Herstellungsvorgang die Linsenoberfläche in Axialrichtung verschoben werden.

Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 1 sind in den nachstehenden Tabellen 1 bis 3 aufgeführt. Fig. 3 zeigt die drei Aberrationen, die sich in diesem System entwickeln, welches entsprechend diesen Daten aufgebaut ist: Koma, chromatische Aberration, ausgedrückt anhand der sphärischen Aberrationen bei 770 nm, 780 nm und 790 nm, sowie Astigmatismus (S: sagittal; M: meridional).

Tabelle 1

Die Form der ersten Fläche auf der Korrektureinzellinse für chromatische Aberration wird durch die in Tabelle 2 (siehe unten) aufgeführten Koeffizienten gegeben, wenn der Wert sag X(h) der asphärischen Fläche an dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die folgende Gleichung (13) definiert ist, bei welcher dem üblichen Ausdruck für die asphärische Fläche das Glied ΔN hinzugefügt ist. Das Symbol INT(x) in Tabelle 2 bezeichnet eine Funktion zum Abtrennen des ganzzahligen Anteils von x:

wobei r der Krümmungsradius im Scheitel der asphärischen Fläche ist; N die Nummer des ringförmigen Segments ist, zu welchem der Punkt in der Höhe h gehört; K die Kegelschnittkonstante ist; und A4, A6, A8 und A10 asphärische Koeffizienten der vierten, sechsten, achten beziehungsweise zehnten Ordnung sind.

Tabelle 2

N = INT(4,71.h²

+ 0,5)
rN = 2,126 + 5,09 × 10^-4

.N
KN = -0,3689
A4N = -1,470 × 10^-3

+ 1,45 × 10^-6

.N
A6N = -2,180 × 10^-4

+ 8,72 × 10^-8

.N
A8N = -1,000 × 10^-5

+ 4,36 × 10^-8

.N
A10N = -1,400 × 10^-5

+ 3,49 × 10^-8

.N
ΔN = -0,001453.N

Die Form der zweiten Fläche der Korrektureinzellinse 1 für chromatische Aberration wird durch die in der nachstehenden Tabelle 3 angegebenen Koeffizienten gegeben, wenn die asphärische Fläche durch Gleichung (14) definiert wird:

Tabelle 3

r = -6,763
K = 0,000
A4 = 1,777 × 10^-2

A6 = -3,950 × 10^-3

A8 = 5,770 × 10^-4

A10 = -2,960 × 10^-5

Beispiel 2

Fig. 4 zeigt den Fall, in welchem die Korrektureinzellinse für chromatische Aberration gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung als Kollimatorlinse verwendet wird, die das divergente Licht von der Laserdiode sammelt. Die durch die Bezugsziffer 2 bezeichnete Kollimatorlinse weist eine Meniskusform auf, die in makroskopischem Maßstab auf der linken Seite konvex ist, aus welcher kollimierte Lichtstrahlen austreten.

Fig. 5(a) und 5(b) sind ein Querschnitt beziehungsweise eine Aufsicht, welche die Kollimatorlinse 2 in übertrieben vergrößertem Maßstab zeigen, um die Geometrie der auf ihr ausgebildeten kreisringförmigen Segmente zu verdeutlichen. Die rechte Seite der Linse 2 (in Fig. 5(a)), welche dem Deckglas 3 der Laserdiode gegenüberliegt, bildet eine diskontinuierliche Fläche, auf welcher kreisringförmige Segmente ausgebildet sind, um so eine Fläche zu erzeugen, die als Beugungslinsenfläche arbeitet, die im wesentlichen keine Brechkraft aufweist. Die ringförmigen Segmente sind konzentrisch in Stufen ausgebildet, welche diskret in einer Richtung verschoben sind, in welcher die Linsendicke als Funktion des Abstandes von der optischen Achse zunimmt. Die linke Seite der Linse 2, aus welcher Strahlen aus kollimiertem Licht austreten, bildet eine übliche, kontinuierliche asphärische Fläche.

In einem Fall wie in Beispiel 2, in welchem eine Beugungslinsenfläche auf der Seite gebildet wird, die näher an dem nahen konjugierten Punkt liegt, kann man ein optisches Material verwenden, welches einen Brechungsindex in dem Bereich zwischen 1,65 bis 1,80 aufweist. Durch ein derartiges Material können sowohl die sphärische Aberration als auch die Koma dadurch korrigiert werden, daß nur eine Fläche asphärisch ausgebildet wird, wogegen die andere Fläche keine Brechkraft aufweist. Daher kann die Beugungslinsenfläche auf der Grundlage einer Ebene gebildet werden, und dies erleichtert die Bereitstellung einer Linsenherstellungsform.

Liegt der Brechungsindex nicht in dem Bereich zwischen 1,65 und 1,80, so ist es schwierig, sowohl die sphärische Aberration als auch die Koma durch eine ebene Beugungslinsenfläche zu korrigieren, und ein Teil der Koma bleibt unkorrigiert. Daher ist eine Linse mit einem Brechungsindex außerhalb des voranstehend angegebenen Bereiches nicht geeignet als eine Linse mit einer hohen NA. Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 2 sind in den nachstehenden Tabellen 4 und 5 angegeben. Die Form der ersten Fläche der Kollimatorlinse 2, die sich auf der linken Seite befindet, wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist durch Gleichung (14) gegeben (siehe Beispiel 1), in welche die in Tabelle 5 angegebenen Werte eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt die drei Aberrationen, die sich in dem System entwickeln, welches entsprechend der in den Tabellen 4 und 5 angegebenen Daten aufgebaut ist: Koma, chromatische Aberration, ausgedrückt anhand der sphärischen Aberrationen, und Astigmatismus.

Tabelle 4

Tabelle 5

r = 7,231
K = -0,5933
A4 = 0,000
A6 = 3,440 × 10^-7

A8 = -4,370 × 10^-9

A10 = 0,000

Die Form der zweiten Fläche der Korrektureinzellinse für chromatische Aberration ist durch die nachstehende Gleichung (15) durch X(h) gegeben, oder den Durchhang an dem Punkt, der um einen Abstand h von der optischen Achse entfernt ist:

X(h) = ΔN (15)

wobei N die Nummer des ringförmigen Segmentes ist, zu welchem der Punkt in der Höhe h gehört, und der die Asphärizität beschreibende Koeffizient die nachstehende Funktion von N ist:

N = INT(2,70.h² - 0,0318.h⁴ + 0,5)

ΔN = 0,001165.N

Beispiel 3

Fig. 7 zeigt ein optisches System, in welchem die Korrektureinzellinse für die chromatische Aberration gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung als Objektivlinse eines finiten Systems für eine optische Speicherplatte verwendet wird. Ein Laserstrahl aus einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle gelangt von links kommend durch ein Substrat 4 und tritt als divergentes Licht in eine Objektivlinse 5 ein. Das Licht wird durch diese Objektivlinse 5 so fokussiert, daß ein Punkt auf der Rückseite des Deckglases D der optischen Speicherplatte gebildet wird. Ein optisches Entkopplungshologramm oder dergleichen ist auf dem Substrat 3 ausgebildet.

Die linke Seite der Objektivlinse 5 weist eine asphärische Fläche auf, auf welcher stufenförmig ringförmige Segmente gebildet sind, um eine Beugungslinsenfläche zur Verfügung zu stellen, und die rechte Seite der Objektivlinse 3 wird durch eine kontinuierliche asphärische Fläche gebildet.

Eine Objektivlinse mit hoher NA des finiten Systems, welches in dem Beispiel 3 gezeigt ist, weist eine starke Brechkraft auf, oder muß Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen verarbeiten, die nicht nahe beieinander liegen. In diesen Fällen erfährt die Brechungslinse allein wellenlängenabhängige Änderungen nicht nur bezüglich der Brennpunktlage, sondern auch bezüglich des Ausmaßes der sphärischen Aberration; allerdings kann die Beugungslinse dazu verwendet werden, sphärische Aberrationen zu erzeugen, welche dazu ausreichen, diese Änderungen der sphärischen Aberration auszugleichen.

In einem Wellenlängenbereich nahe dem sichtbaren Licht kann es vorkommen, daß die sphärische Aberration in einer positiven Linse, die bei der Bezugswellenlänge ordnungsgemäß korrigiert ist, in bezug auf Licht kürzerer Wellenlängen unterkorrigiert ist, welches einen höheren Brechungsindex erfährt, wogegen sie in bezug auf Licht längerer Wellenlängen überkorrigiert ist, welches einen niedrigeren Brechungsindex erfährt.

Um daher die Änderungen auszugleichen, die bezüglich der sphärischen Aberration auf der Grundlage derartiger Wellenlängenänderungen auftreten, kann die Geometrie der Beugungslinse so gewählt sein, daß ihre Brechkraft allmählich zum Umfang hin zunimmt. Die Änderung in einer sphärischen Aberration niedriger Ordnung kann als biquadratische Funktion anhand der Wellenfront-Aberration ausgedrückt werden; daher kann man auch die Änderungen der sphärischen Aberration infolge von Wellenlängenänderungen dadurch unterdrücken, daß die Form der Beugungslinse durch eine Funktion vierten Grades des Abstandes h von der optischen Achse festgelegt wird.

Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 3 sind in den nachstehenden Tabellen 6 bis 8 angegeben. Die Form der ersten Oberfläche der Objektivlinse 4, die sich in Fig. 7 auf der linken Seite befindet, wird durch Gleichung (13) gegeben (siehe Beispiel 1), in welche die in Tabelle 8 angegebenen Werte eingesetzt sind. Fig. 8 zeigt die drei Aberrationen, die sich in dem System entwickeln, welches entsprechend den in den Tabellen 6 bis 8 angegebenen Daten aufgebaut ist: Koma, chromatische Aberration, ausgedrückt anhand der sphärischen Aberrationen, und Astigmatismus.

Tabelle 6

Tabelle 7

N = INT(7,54.h²

+ 0,161.h⁴

+ 0,5)
rN = 1,939 + 1,95 × 10^-4

.N
KN = -0,4290 + 6,90 × 10^-5

.N
A4N = -8,120 × 10^-3

+ 6,90 × 10^-7

.N
A6N = -3,900 × 10^-4

- 2,07 × 10^-7

.N
A8N = -8,260 × 10^-5

+ 1,45 × 10^-7

.N
A10N = -1,910 × 10^-5

- 1,03 × 10^-8

.N
ΔN = -0,001453.N

Tabelle 8

r = -3,377
K = 0,000
A4 = 2,768 × 10^-2

A6 = -4,261 × 10^-3

A8 = 5,157 × 10^-4

A10 = -1,940 × 10^-5

Wie auf den voranstehenden Seiten erläutert, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, daß eine asphärische Einzellinse die chromatische Aberration korrigiert, während sie andere Aberrationen unterdrückt, beispielsweise die sphärische Aberration und die Koma. Wird daher diese Linse als Objektivlinse verwendet, so bietet sie den Vorteil, daß sich ihre Abmessungen und ihr Gewicht nicht zu sehr von den Werten einer asphärischen Objektivlinse nach dem Stand der Technik unterscheiden, und daß sie dennoch die chromatische Aberration korrigieren kann, um eine Defokussierung zu unterdrücken, die aufgrund von Wellenlängenänderungen der verwendeten Lichtquelle auftritt.

Wird eine Beugungslinsenfläche auf der Seite näher an dem entfernt konjugierten Punkt ausgebildet, nämlich auf der Seite, in welcher parallele Lichtstrahlen eintreten, wenn die Linse gemäß der Erfindung als Objektivlinse für eine optische Speicherplatte verwendet wird, kann man die Ablagerung von Schmutz oder Staub vermeiden, welcher durch einen Luftstrom befördert wird, der durch die sich drehende optische Speicherplatte hervorgerufen wird. Wenn im Gegensatz hierzu eine Beugungslinsenfläche auf der Seite näher an dem nahen konjugierten Punkt ausgebildet werden soll, wenn die erfindungsgemäße Linse als eine Kollimatorlinse verwendet wird, so kann die Beugungslinsenfläche auf einer im wesentlichen keine Brechkraft aufweisenden Seite dadurch ausgebildet werden, daß der Brechungsindex des verwendeten optischen Materials entsprechend gewählt wird. In diesem Fall kann die Beugungslinsenfläche eine einfache Form annehmen, die nur gegenüber einer ebenen Fläche verschoben ist. Daher läßt sie sich einfach herstellen.

Verschiedene Beispiele für die vorliegende Erfindung werden nachstehend beschrieben.

Ein Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 9 gezeigt. Das Element ist insgesamt durch die Bezugsziffer 101 bezeichnet und weist mehrere stufenförmige Ebenen auf, nämlich auf der Lichteintrittsfläche 101a, die auf der linken Seite liegt, wogegen die Austrittsfläche 101b aus einer einzigen Ebene besteht. Die Ebenen an der Eintrittsfläche 101a sind als kreisringförmige Segmente ausgebildet, die konzentrisch zur optischen Achse verlaufen, wie in Fig. 10 gezeigt. In den Fig. 9 und 10 ist die Breite jedes kreisringförmigen Segments und der Höhenunterschied zwischen kreisringförmigen Segmenten vergrößert dargestellt, um das Verständnis zu erleichtern.

Der Verschiebungsbetrag in der optischen Richtung der benachbarten kreisringförmigen Zone einzelner Ebenen wird durch die nachstehende Bedingung definiert:

t = mλ₀/(n - 1)

wobei m eine ganze Zahl ist, n der Brechungsindex, und λ₀ eine beliebige Wellenlänge in dem Betriebswellenlängen bereich.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist die optische Weglänge von Lichtstrahlen bei der Wellenlänge λ₀ um mλ₀ verschoben, wenn sie durch benachbarte Ebenen hindurchgehen, und nach dem Austritt aus der Austrittsoberfläche bilden sie wiederum eine ebene Welle.

Ändert sich die Wellenlänge zu λ₀ + Δλ, so ist die Wellenfront um etwa mΔλ₀ zwischen benachbarten Ebenen verschoben (unter Vernachlässigung der Änderung, die beim Brechungsindex des Materials des Korrektionselementes für chromatische Aberration aufgrund der Wellenlängenänderung auftritt), und die optische Weglängendifferenz stellt kein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge dar. Daher ist die austretende Wellenfront keine ebene Welle, sondern eine im allgemeinen kugelförmige Welle, welche eine Brechkraft aufweist, wie in Fig. 12 gezeigt ist.

Weist das Korrektionselement 101 für chromatische Aberration eine Form auf, die makroskopisch einer konkav- ebenen Linse entspricht, so kann sie die chromatische Aberration ausgleichen, die sich bei üblicher Brechung unter Verwendung einer positiven Linse entwickelt; daher kann durch Verwendung dieses Elementes in Kombination mit einer Objektivlinse für eine optische Speicherplatte, wie in Fig. 13 gezeigt, in welcher die Objektivlinse durch 102 bezeichnet ist, eine Korrektion der chromatischen Aberration erzielt werden. Durch die Bezugsziffer 103 ist in Fig. 13 ein Deckglas einer optischen Speicherplatte bezeichnet.

Nachstehend wird die Wirkung des Korrektionselementes für chromatische Aberration beschrieben, wenn diese in einem bestimmten Abstand von der Objektivlinse entfernt angeordnet ist.

Man betrachtet ein optisches System, in welchem zwei Linsengruppen A und B um einen Abstand L beabstandet sind. Tritt paralleles Licht in dieses optische System ein, so wird der Abstand von der letzten Linsenfläche zur Abbildungsebene, welche allgemein der rückwärtige Brennpunkt fB genannt wird, durch die nachstehende Gleichung (1A) ausgedrückt, in welcher ΦA und ΦB die Brechkraft der jeweiligen Linsengruppe bezeichnen. Durch Differenzieren von Gleichung (1) nach ΦB,L und ΦA erhält man die Gleichung (2A), (3A) und (4A):

fB = (1 - ΦAL)/(A + ΦB - ΦAΦBL) (1A)

dfB/dΦB = -(1 - ΦAL)²/(ΦA + ΦB - ΦAΦBL)² (2A)

dfB/dL = -ΦA²/(ΦA + ΦB - ΦAΦBL)² (3A)

dfB/dΦA = -1/(ΦA + ΦB - ΦAΦBL)² (4A)

Nimmt man an, daß die Linsengruppe A ein Korrektionselement für chromatische Aberration ohne Brechkraft ist, so lassen sich die Differentialgleichungen (2A), (3A) und (4A) wie nachstehend angegeben vereinfachen:

dfB/dΦB = -1/ΦB² (5A)

dfB/dL = 0 (6A)

dfB/dΦA = -1/ΦB² (7A)

Hieraus kann folgendes geschlossen werden: weist die Linsengruppe A eine sehr geringe Brechkraft auf, so verursacht eine Änderung des Abstandes L keine Änderung der Brennpunktlage; ändert sich die Brechkraft der Linsengruppe B, so tritt eine Verschiebung der Brennpunktlage ein, die durch die Gleichung (5A) gegeben ist; und ändert sich die Brechkraft der Linsengruppe A, so tritt eine Änderung der Brennpunktlage auf, die durch die Gleichung (7A) gegeben ist.

Um sicherzustellen, daß keine Verschiebung der Brennpunkt position auftritt, selbst wenn eine Änderung der Wellenlänge entsprechende Änderungen der Brennkraft der Linsengruppen A und B hervorruft, kann man daher die jeweiligen Linsengruppen so wählen, daß das Ausmaß der Änderung der Brechkraft einer Linsengruppe das Ausmaß der Änderung der Brechkraft der anderen Linsengruppe ausgleicht, und zwar so, daß die Koeffizienten der Differenzierung der Brechkräfte der jeweiligen Linsengruppen bezüglich der Wellenlänge λ die Beziehung erfüllen, die durch die nachstehende Gleichung (8A) gegeben ist:

dΦA/dλ₀ = dΦB/dλ₀ (8A)

Die Änderung der Brechkraft der Linsengruppe B in Reaktion auf die Wellenlängenänderung wird durch Gleichung (9A) in Beziehung auf die Änderung des rückwärtigen Brennpunkts ausgedrückt. Nimmt man an, daß die Linsengruppe B eine Beugungslinse ist, so wird ihre Brechkraft, die proportional zur Wellenlänge ist, durch die nachstehende Gleichung (10A) ausgedrückt:

dΦB/dλ₀ = -(dfB/dλ₀)ΦB² (9A)

dΦA/dλ₀ = ΦA/λ₀ (10A)

Durch Einsetzen der Gleichungen (9A) und (10A) in Gleichung (8A) ergibt sich die Brechkraft des Korrektionselementes für chromatische Aberration, das als Beugungslinse ausgebildet ist, folgendermaßen:

ΦA = -(dfB/dλ₀)λ₀ΦB² (11A)

Nunmehr wird beispielhaft ein Fall betrachtet, in welchem die Linsengruppe B aus einer Objektivlinse besteht, die eine Brennweite von 3 mm aufweist, zur Verarbeitung von Licht eines Lasers, der bei einer Wellenlänge von 780 nm arbeitet, und einen Wert dfB/dλ₀ = 0,060 µm/nm aufweist. Das Korrektionselement für chromatische Aberration kann so ausgelegt sein, daß es eine Brechkraft ΦA aufweist, die folgendermaßen ausgedrückt wird:

ΦA = 0,06 × 10^-3.780.(1/3)² = 1/192,3 (12A)

Daher kann die in der Objektivlinse auftretende chromatische Aberration dadurch korrigiert werden, daß eine positive Beugungslinse verwendet wird, die eine Brennweite von 192 mm aufweist. Allerdings wird darauf hingewiesen, daß zur Einstellung der Gesamtbrechkraft des Korrektionselementes für chromatische Aberration auf 0 eine negative Brechungslinse mit einer Brennweite von -192 mm in Berührung mit dieser Beugungslinse angeordnet werden muß. Besteht die negative Linse aus einer Beugungslinse, so trägt die Dispersion zu einer geringfügigen Verbesserung der Korrekturwirkung für die chromatische Aberration bei.

Wird die diskutierte Negativlinse aus BSL (Handelsbezeichnung von Ohara Co., Ltd.; Brechungsindex = 1,51072 bei einer Wellenlänge λ₀ = 780 nm) gefertigt, so ergibt sich eine konkav-ebene Linse, die eine kugelförmige Eintrittsfläche mit einem Krümmungsradius von -98,058 mm und eine ebene Austrittsfläche hat.

Sind allerdings die positive Beugungslinse und die negative Brechungslinse als getrennte Teile vorgesehen, so kann die Anzahl beteiligter Elemente nicht verringert werden, um geringere Herstellungskosten zu realisieren. Zu diesem Zweck wird die positive Beugungslinse vorzugsweise mit der negativen Brechungslinse in einer einstückigen Einheit vereinigt.

Zur Realisierung einer einstückigen Einheit kann die konkave Fläche der negativen Linse aus stufenförmigen Ebenen zusammengesetzt sein, die auf solche Weise angeordnet sind, daß der Verschiebungsbetrag t folgende Gleichung erfüllt: λ₀/(n - 1) = 1,5273 µm. Dieses Design ist hilfreich zur Bereitstellung eines Korrektionselementes, welches die chromatische Aberration dadurch korrigieren kann, daß sie als Beugungslinse mit einer Brennweite von 192 mm arbeitet und keine Brechkraft bei der zentralen Betriebswellenlänge von 780 nm aufweist, da sich das Licht der Beugung erster Ordnung geradlinig ausbreitet.

Es wird ein Koordinatensystem angenommen, welches sich in Axialrichtung entlang dem Ausbreitungsweg des Lichtes erstreckt; wird die Koordinate des Punktes am Schnittpunkt mit der optischen Achse als 0 angenommen, so wird die Koordinate X(h) der Fläche, die von der optischen Achse den Abstand h hat, durch die Gleichung (13A) ausgedrückt, wenn die Fläche eine gekrümmte Ebene ist, und durch die Gleichung (14A), wenn die Fläche aus stufenförmigen Ebenen besteht:

wobei Int(x) eine Funktion ist, welche den ganzzahligen Anteil von x ergibt, und C eine Konstante ist, welche die Beziehung 0 ≦ C < 1 erfüllt.

Wird das Korrektionselement für chromatische Aberration in Kombination mit der voranstehend erwähnten Objektivlinse eingesetzt, so ergibt sich im einzelnen eine Geometrie des Elementes, die in Tabelle 9 nachstehend angegeben ist.

Tabelle 9

Bei dem voranstehend beschriebenen Beispiel ist der Verschiebungsbetrag t auf λ₀/(n - 1) eingestellt; liegt die Betriebswellenlänge innerhalb eines engen Bereichs, so kann der Verschiebungsbetrag t auch auf mλ₀/(n - 1) (m: ganze Zahl) eingestellt werden, und es kann das Licht der Beugung m-ter Ordnung verwendet werden, ohne den Beugungswirkungsgrad zu verringern.

In diesem Zusammenhang wird besonders darauf hingewiesen, daß sich der Umfangsabschnitt des Korrektionselementes für die chromatische Aberration gewöhnlich durch die geringere Breite des Kreisringsegmentes im Vergleich zu denen im zentralen Abschnitt auszeichnet. Durch allmähliche Vergrößerung des Wertes von m, beginnend bei 1, um so unterschiedliche Verschiebungsbeträge zu erzeugen, kann man daher verhindern, daß die Breite kreisringförmiger Segmente in dem Umfangsabschnitt zu schmal wird. Gleichung (14A) kann unter Berücksichtigung von m wie nachstehend angegeben abgeändert werden:

Bei dem voranstehend beschriebenen Beispiel ist das Korrektionselement für chromatische Aberration so aufgebaut, daß seine Form makroskopisch die einer konkav- ebenen Linse ist, wodurch sie die chromatische Aberration korrigieren kann, die sich in einer Konvexlinse entwickelt hat. Es wird darauf hingewiesen, daß das Element umgedreht werden kann, um eine plan-konkave Linse zu erzeugen, die genau so arbeitet wie die konkav- ebene Linse. Alternativ können beide Seiten des Korrektionselementes für chromatische Aberration so ausgebildet sein, daß sie makroskopisch gekrümmte Flächen aufweisen, wie in Fig. 14 gezeigt. Die als Bezug dienende gekrümmte Fläche ist nicht auf die Kugelfläche beschränkt, die in dem Beispiel verwendet wird, und kann beispielsweise eine asphärische Fläche sein.

Weiterhin kann das Korrektionselement für eine chromatische Aberration als makroskopisch konvex-ebene Linse der in Fig. 15 gezeigten Art ausgebildet sein, oder als Bikonvexlinse der in Fig. 16 gezeigten Art; Elemente dieser Art können zur Korrektur der chromatischen Aberration verwendet werden, die sich in der negativen Brechungslinse entwickelt hat.

Fig. 17 zeigt das optische System in einer magneto- optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabe einrichtung (Schreib-/Lesegerät), welche das voranstehend beschriebene Korrektionselement für eine chromatische Aberration enthält. Von einer als Lichtquelle dienenden Laserdiode 10 ausgehendes, divergentes Licht wird durch eine Kollimatorlinse 11 kollimiert und daraufhin so geformt, daß es einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und zwar durch ein Strahlformungsprisma 12. Der so geformte Laserstrahl wird durch ein Prisma 13 so reflektiert, daß er durch das Korrektionselement 101 für die chromatische Aberration gelangt; daraufhin wird der Strahl durch einen Spiegel 14 reflektiert und durch eine Objektivlinse 12 so fokussiert, daß er einen Punkt auf der Speicherplatte D bildet.

Sowohl die Objektivlinse 102 als auch der Spiegel 14 sind auf einem Schlitten 15 angebracht, der entlang Führungsschienen 16 in Radialrichtung der Speicherplatte D, angedeutet durch den Pfeil mit Doppelspitzen in Fig. 17, gleitbeweglich ist.

Das an der Speicherplatte D reflektierte Licht macht den zweiten Durchgang durch die Objektivlinse 102, den Spiegel 14 und die Korrekturlinse 101 für die chromatische Aberration und wird an dem Prisma 13 reflektiert; ein Teil des reflektierten Lichtes gelangt durch eine Kondensorlinse 17, um auf einem Lichtempfangselement für die Signalwiedergabe gesammelt zu werden, und der Rest des Lichtes gelangt durch eine Kondensorlinse 19, um auf einem Lichtempfangselement 20 für eine Fehlersignalerfassung gesammelt zu werden. Entsprechend dem empfangenen reflektierten Licht gibt das Element 18 die auf der Speicherplatte aufgezeichnete Information aus, wogegen das Element 19 ein Fehlersignal ausgibt, beispielsweise ein Spurfehlersignal oder ein Fokussierfehlersignal.

In Fig. 18 ist eine Abänderung des voranstehend beschriebenen optischen Systems dargestellt. Bei diesem abgeänderten Beispiel ist das Korrektionselement 101 für die chromatische Aberration an dem Prisma 13 angebracht.

Die Laserdiode erzeugt ein Ausgangssignal, welches in einem Aufzeichnungsmodus intermittierend in einem Bereich ansteigt, in welchem es die Magnetisierungsrichtung auf der Speicherplatte ändert, und welches in einem Wiedergabemodus klein und konstant ist. Diese Änderung der Leistung führt zu einer entsprechenden Änderung der Oszillationswellenlänge. Wie voranstehend beschrieben, ist jedoch das Korrektionselement 101 für die chromatische Aberration zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse eingefügt, wodurch die Konvergenz der Lichtstrahlen geringfügig variiert werden kann, da dort eine Wellenlängenänderung auftritt, um so die unerwünschte Positionsverschiebung dort zu unterdrücken, wo die Kondensorlinse 102 Lichtstrahlen sammelt.

Wie auf den voranstehenden Seiten beschrieben, gestattet die vorliegende Erfindung es einem einzigen optischen Element, die chromatische Aberration zu korrigieren, die in einer positiven oder negativen Linse entwickelt wird, wodurch ein Linsensystem zur Verfügung gestellt wird, welches eine kleinere Anzahl an optischen Elementen verwendet, und dennoch frei von chromatischer Aberration ist. Daher trägt die vorliegende Erfindung zur Herstellung eines leichteren Linsensystems bei geringeren Kosten bei.

Wird das Korrektionselement für chromatische Aberration in einem optischen System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung verwendet, so kann eine Verschiebung der Position, in welcher die Kondensorlinse Lichtstrahlen aufsammelt, verhindert werden, die infolge einer Wellenlängenänderung der Lichtquelle auftritt, und dies sichert einen durchgehenden Betrieb der Einrichtung, selbst wenn die Betriebswellenlänge von einem Wert zu einem anderen umgeschaltet wird.

Die nachstehenden Ausführungsformen betreffen ein Element zur Korrektur der an sich in optischen Systemen auftretenden chromatischen Aberration. Insbesondere betreffen sie in dieser Hinsicht ein Korrektionselement für die chromatische Aberration, das in Kombination mit einer einzigen asphärischen Fläche verwendet werden soll, das bezüglich Aberrationen abgesehen von der chromatischen Aberration korrigiert ist.

Das konventionelle Korrektionselement für chromatische Aberration wird im wesentlichen in einem afokalen Abstand des optischen Systems angeordnet, und wandelt, abhängig von der Wellenlänge auftreffenden, parallelen Lichtes dieses entweder in divergentes oder konvergentes Licht um, um so die axiale chromatischen Aberration auszugleichen, die in einer Objektivlinse entsteht.

Die bezüglich der chromatische Aberration zu korrigierende Linse ist typischerweise eine positive Linse, die bei einer einzigen Wellenlänge bezüglich der sphärischen Aberration korrigiert ist. Die Brennweite einer positiven Linse nimmt bei kürzeren Wellenlängen ab und steigt bei größeren Wellenlängen an (unter der Annahme, daß die Linse bei Wellenlängen in der Nähe des sichtbaren Lichts eingesetzt wird). Um die axiale chromatische Aberration auszugleichen und die Verschiebung der Brennpunktlage zu verhindern, können daher die in die Positivlinse eintretenden Lichtstrahlen in divergentes Licht umgewandelt werden, wenn das auftreffende Licht eine kurze Wellenlänge aufweist, und in konvergentes Licht, wenn das Licht eine große Wellenlänge aufweist.

Ein optisches System, welches dieses konventionelle Korrektionselement für die chromatische Aberration verwendet, kann die axiale chromatische Aberration korrigieren; allerdings treten bei diesem optischen System variierende sphärische Aberrationen in Folge von Wellenlängenänderungen auf, und daher war es unter Bedingungen, in denen ein breiter Änderungsbereich der Wellenlänge auftrat, für das optische System unmöglich, sowohl bei der Wellenlänge vor der Änderung als auch bei der Wellenlänge nach der Änderung eine gute Leistung aufrecht zu erhalten.

Selbst wenn eine Positivlinse bezüglich der sphärischen Aberration bei einer Bezugswellenlänge korrigiert ist, ist die sphärische Aberration in bezug auf Licht kürzerer Wellenlängen unterkorrigiert, welches einen höheren Brechungsindex erfährt, und bezüglich Licht längerer Wellenlängen überkorrigiert, welches einen geringeren Brechungsindex erfährt. Dies stellt die Änderung dar, die bei der sphärischen Aberration in Abhängigkeit von der Wellenlänge auftritt.

Wird paralleles Licht in entweder divergentes oder konvergentes Licht unter der Wirkung des konventionellen Korrektionselementes für chromatische Aberration umgewandelt, so verursacht diese Transformation, die der Änderung von einem Objekt im Unendlichen bei einer Positivlinse zu einem Objekt in einer finiten Entfernung entspricht, eine Änderung der sphärischen Aberration. Als Ergebnis dieser Änderung ist die sphärische Aberration unterkorrigiert, wenn divergentes Licht in die Positivlinse eintritt, und überkorrigiert, wenn konvergentes Licht in die Positivlinse eintritt. Dies stellt die Änderung dar, die bezüglich der sphärischen Aberration unter der Wirkung des Korrektionselementes für die chromatische Aberration auftritt.

Die Änderungen der sphärische Aberration infolge dieser beiden Faktoren finden in derselben Richtung statt, und daher war es unmöglich, diese durch ein optisches System zu korrigieren, welches das konventionelle Korrektionselement für die chromatische Aberration verwendet.

Ist das Wellenlängenbetriebsband so schmal wie der erwartete Änderungsbereich der Oszillationswellenlänge einer Laserdiode, so ist die Änderung der sphärischen Aberration sehr gering und führt zu keinen großen Problemen. Wird allerdings erwartet, daß sich die Betriebswellenlänge über einen breiteren Bereich ändert, wie etwa in einem Fall, in welchem selektiv zwei Lichtquellen betrieben werden, die Licht bei Wellenlängen aussenden, die nicht nahe beieinander liegen, beispielsweise durch Verwendung einer Laserdiode im nahen Infrarot (780 nm) und einer Laserdiode im sichtbaren Rot (680 nm), oder die Verwendung eines He-Ne-Lasers (633 nm) und der SHG-Welle von einem YAG-Laser (532 nm), oder bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer Wellenlängen, so wird auch eine größere Änderung der sphärischen Aberration erwartet, und muß durch irgendein Verfahren behandelt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde auch unter Berücksichtigung dieser Umstände entwickelt, und weist in dieser Hinsicht den Vorteil auf, ein Korrektionselement für chromatische Aberration zur Verfügung zu stellen, das nicht nur die axiale chromatische Aberration korrigiert, die in einer positiven Linse auftritt, sondern auch die Änderung der sphärischen Aberration unterdrücken kann, selbst wenn es bei zwei Lichtquellen eingesetzt wird, die Lichtstrahlen bei Wellenlängen aussenden, die nicht nahe beieinander liegen, und die bei diesen Wellenlängen selektiv betrieben werden.

Beispiele

Nachstehend werden einige Beispiele für das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Um sicherzustellen, daß sowohl die Änderung der sphärischen Aberration, die sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge in einer Positivlinse einstellt, als auch die sphärische Aberration, die in Reaktion auf das Auftreffen divergenten oder konvergenten Lichtes auf die Positivlinse auftritt, durch das Korrektionselement für chromatische Aberration ausgeglichen werden, muß die Fläche des Elementes, welche eine Korrekturwirkung für die chromatische Aberration aufweist, so ausgebildet werden, daß sie eine Geometrie aufweist, welche eine sphärische Aberration erzeugt. Daher ist das Korrektionselement für chromatische Aberration so ausgebildet, daß es eine divergente Wellenfront mit einer überkorrigierten sphärischen Aberration in Reaktion auf Auftreffen paralleler Lichtstrahlen bei einer Wellenlänge kürzer als einer Bezugswellenlänge erzeugt, während es eine konzentrierte Wellenfront mit einer unterkorrigierten sphärischen Aberration in Reaktion auf das Auftreffen paralleler Lichtstrahlen bei einer Wellenlänge größer als die Bezugswellenlänge erzeugt.

Das Korrektionselement für die chromatische Aberration ist vom Beugungstyp. Es hat stufenweise kreisringförmige Segmente, die entweder auf einer Lichteintritts fläche, einer Lichtaustrittsfläche oder beiden Flächen ausgebildet sind, wobei die kreisringförmigen Segmente aus Ebenen senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch mit dieser bestehen. Die voranstehend erwähnte sphärische Aberration kann dadurch erzeugt werden, daß sichergestellt wird, daß die Basiskurve, welche eine makroskopische Krümmung des Krümmungsradius der stufenförmigen Ebenen darstellt, eine asphärische Fläche definiert, deren Krümmungsradius im Absolutwert mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt.

Sphärische Aberrationen niedriger Ordnung lassen sich allgemein durch eine biquadratische Funktion der Höhe der auftreffenden Strahlen ausdrücken; daher können die meisten der Änderungen der sphärischen Aberration wirksam dadurch korrigiert werden, daß das Korrektionselement für chromatische Aberration mit einer Fläche versehen wird, die eine Asphärizität in der vierten Ordnung aufweist. Allerdings wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn eine asphärische Einzellinse als die zu korrigierende Positivlinse verwendet wird, die asphärische Fläche des Korrektionselementes vorzugsweise als asphärische Fläche ausgebildet ist, die einer sphäroidförmigen Fläche gleicht, die eine positive Kegelschnittkonstante aufweist. Dies ermöglicht eine wirksamere Korrektur in der Hinsicht, daß die Komponente einer Änderung von Aberrationen höherer Ordnung behandelt werden kann.

Wenn die Abweichung ε(h) von der sphäroidförmigen Fläche in einem Punkt in einem Abstand h von der optischen Achse durch die nachstehende Gleichung (1B) ausgedrückt wird, so erfüllt die betrachtete asphärische Fläche, welche der sphäroidförmigen Fläche gleicht, vorzugsweise die nachstehende Bedingung (4B), bei sämtlichen Werten des Abstandes h innerhalb des effektiven Maximalradius hindurchgehender Lichtstrahlen:

wobei ΔX(h) der Durchhang der asphärischen Fläche ist; C die achsennahe Krümmung ist; K die Kegelschnittkonstante ist; λ₀ eine beliebige Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich ist; und n der Brechungsindex ist.

Bei dem Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps ergibt sich, wenn die Axialverschiebung der Basiskurve an einem Punkt in einem Abstand h von der optischen Achse durch ΔX(h) gegeben ist, die Verschiebung ΔX'(h) der Ebenen, die stufenförmig in einem Punkt gebildet werden, der einen Abstand h von der optischen Achse aufweist, durch die folgende Gleichung (3B):

ΔX'(h) = (mλ₀/(n - 1))INT(ΔX(h)/(mλ₀/(n - 1))) + 0,5) (3B)

wobei m eine ganze Zahl ist; n der Brechungsindex; λ₀ die Wellenlänge ist, bei welcher das Korrektionselement für die chromatische Aberration verwendet wird, oder eine beliebige Wellenlänge innerhalb des Betriebswellenlängen bereiches des Elementes; und Int(x) eine Funktion ist, welche eine ganze Zahl nicht größer als x ergibt.

Die Bedingung (4B) muß erfüllt sein, um eine optische Weglängendifferenz von 1λ oder weniger zu erzeugen, wenn das Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps verwendet wird. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so überschreitet der mittlere quadratische Fehlerwert (rms) der Wellenfront-Aberrationen 0,1λ₀, und das Element ist nicht länger zum Einsatz bei der Aufzeichnung oder der Wiedergabe optischer Information geeignet.

Fig. 19 ist ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch eine positive Objektivlinse zeigt, die durch die Korrektionselemente für chromatische Aberration korrigiert werden soll, die in den nachstehenden Beispielen 1B bis 3B verwendet werden. Die spezifischen numerischen Daten für diese Linse sind in Tabelle 1B angegeben, wobei NA die numerische Apertur bezeichnet, f die Brennweite, ω den halben Betrachtungswinkel, fb den hinteren Brennpunkt, r den Krümmungsradius, d die Linsendicke oder die Luftentfernung zwischen benachbarten Linsen, ni den Brechungsindex bei der Wellenlänge i nm, und ν die Abbe- Zahl. Die erste und die zweite Fläche in Fig. 19 definieren die Objektivlinse, die eine asphärische Fläche auf beiden Seiten aufweist, und die dritte und die vierte Fläche definieren das Deckglas einer optischen Speicherplatte.

Die asphärische Fläche wird durch nachstehende Gleichung ausgedrückt:

wobei X der Abstand ist, um den die Koordinaten in dem Punkt auf der asphärischen Oberfläche, in welchem die Höhe gegenüber der optischen Achse Y beträgt, von der Ebene tangential zur Spitze der asphärischen Fläche entfernt s 71821 00070 552 001000280000000200012000285917171000040 0002004323971 00004 71702ind; C die Krümmung (1/r) im Scheitel der asphärischen Fläche ist; K die Kegelschnittkonstante ist; und A4, A6, A8 und A10 die asphärischen Koeffizienten der vierten, sechsten, achten bzw. zehnten Ordnung darstellen.

Die Kegelschnittkonstanten und asphärischen Koeffizienten für die erste und die zweite Fläche sind in Tab. 2B angegeben. Fig. 20 zeigt die sphärische Aberration SA, die Sinusbedingung SC und die chromatische Aberration, die anhand der sphärischen Aberrationen bei den Wellenlängen 780 nm und 680 nm angegeben ist.

Tabelle 1B

Tabelle 2B

1. Fläche
2. Fläche
K = -0,5800	K = 0,000
A4 = 0,7540 × 10^-3	A4 = 0,3250 × 10^-1
A6 = 0,3670 × 10^-4	A6 = 0,1000 × 10^-1
A8 = 0,2800 × 10^-4	A8 = 0,2000 × 10^-2
A10 = 0,3600 × 10^-4	A10 = 0,1820 × 10^-3

Beispiel 2B

Fig. 21 zeigt ein optisches System, in welchem ein Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps mit der in Fig. 19 gezeigten Objektivlinse kombiniert ist. Wie aus den Fig. 22A und 22B hervorgeht, weist das Korrektionselement des Beugungstyps kreisringförmige Segmente auf, die stufenförmig ausgebildet sind, und zwar senkrecht zur optischen Achse und konzentrisch mit dieser.

Tabelle 5B gibt numerische Daten für das optische System an, bei welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps gemäß Beispiel 2B mit der in Fig. 19 gezeigten Objektivlinse kombiniert ist. Das Korrektionselement ist so aufgebaut, daß die Basiskurve, welche die makroskopische Krümmung r1 der Fläche in Stufenform darstellt, eine asphärische Fläche der vierten Ordnung darstellt. Fig. 23 zeigt die sphärischen und chromatischen Aberrationen, die sich in dem optischen System entwickeln, das gemäß den in Tabelle 5B angegebenen Daten aufgebaut ist.

In Beispiel 2B sind die erste, dritte und vierte Fläche asphärisch. Die zugehörigen asphärischen Koeffizienten sind in Tabelle 6B aufgeführt.

Tabelle 5B

Tabelle 6B

Beispiel 3B

Tabelle 7B gibt numerische Daten für ein optisches System an, bei welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration des Beispiels 3B mit der in Fig. 19 gezeigten Objektivlinse kombiniert ist. Das Korrektionselement ist so aufgebaut, daß die Basiskurve, welche die makroskopische Krümmung r1 der Fläche darstellt, die stufenförmig ausgebildet ist, eine ellipsoidförmige Oberfläche zur Verfügung stellt, und ε(h) innerhalb des effektiven Radius Null ist. Fig. 24 zeigt die sphärischen und chromatischen Aberrationen, die sich in dem optischen System ergeben, die entsprechend den in Tabelle 7B angegebenen Daten aufgebaut ist. Im Beispiel 3B sind die erste, dritte und vierte Fläche asphärisch. Die zugehörigen Koeffizienten sind in Tabelle 8B angegeben.

Tabelle 7B

Tabelle 8B

Fig. 25 zeigt die sphärischen und chromatischen Aberrationen, die sich in einem optischen System ergeben, welches denselben Aufbau aufweist wie in den Beispielen 2B und 3B, mit der Ausnahme, daß die Basiskurve für die stufenförmige Fläche eine sphärische Fläche bildet. Aus dem Vergleich der Fig. 23 und 24 wird deutlich, daß das Ausmaß der Änderung der sphärischen Aberration infolge von Wellenlängenänderungen verringert ist, wenn die Geometrie der Basiskurve entweder eine asphärische Fläche vierter Ordnung oder eine ellipsoidförmige Fläche bildet, statt einer sphärischen Fläche.

Fig. 26 ist ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch die positive Einzellinse zeigt, die eine asphärische Oberfläche auf beiden Seiten aufweist, und die durch die Korrekturvorrichtungen für chromatische Aberration gemäß dem Beispiel 5B korrigiert werden soll. Die spezifischen numerischen Daten für diese Linse sind in den Tabellen 9B und 10B angegeben. Die sphärische Aberration, die allein in dieser Linse auftritt, sowie die chromatische Aberration, die anhand der sphärischen Aberrationen bei den Wellenlängen von 633 nm und 532 nm ausgedrückt ist, sind in Fig. 27 gezeigt.

Tabelle 9B

Tabelle 10B

1. Fläche
2. Fläche
K = -0,3265	K = 0,0000
A4 = -0,2265 × 10^-2	A4 = 0,1670 × 10^-1
A6 = -0,5014 × 10^-3	A6 = -0,5080 × 10^-2
A8 = -0,7162 × 10^-5	A8 = 0,8000 × 10^-3
A10 = -0,3294 × 10^-4	A10 = -0,4848 × 10^-4

Beispiel 5B

Fig. 28 ist ein vereinfachtes Diagramm, welches schematisch ein optisches System zeigt, bei welchem das Korrektionselement für chromatische Aberration des Beugungstyps gemäß Beispiel 5B der vorliegenden Erfindung mit der in Fig. 26 gezeigten Objektivlinse kombiniert ist. Die spezifischen numerischen Daten für das optische System sind in, den Tabellen 13B und 14B angegeben. Bei dem Korrektionselement des Beispiels 5B ist die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen ellipsoidförmig, und innerhalb des effektiven Radius ist ε(h) gleich Null. Die sphärischen und chromatischen Aberrationen, die sich bei dem optischen System ergeben, das entsprechend den in den Tabellen 13B und 14B angegebenen Daten aufgebaut ist, sind in Fig. 29 gezeigt.

Tabelle 13B

Tabelle 14B

Fig. 30 zeigt die sphärischen und chromatischen Aberrationen, die sich bei dem optischen System ergeben, das denselben Aufbau wie in Beispiel 5B aufweist, mit der Ausnahme, daß die Basiskurve für die stufenförmigen Ebenen bei diesem Korrektionselement sphärisch ist. Aus dem Vergleich der Fig. 29 und 30 geht hervor, daß die Variation der sphärischen Aberration verringert wird, wenn die Basiskurve ellipsoidförmig ausgebildet ist.

Wie in den voranstehenden Seiten beschrieben, korrigiert die vorliegende Erfindung nicht nur die axiale chromatische Aberration, die in einer Kondensorlinse aufgrund von Wellenlängenänderungen auftritt, sondern kann auch die Variationen der sphärischen Aberration unterdrücken. Daher bietet die Erfindung den Vorteil, daß der Bereich erweitert wird, über welchen die Schwankungen der Leistung des optischen Systems infolge von Wellenlängenänderungen unterdrückt werden können.

Infolge dieser Vorteile bietet die vorliegende Erfindung in der Hinsicht einen praktischen Vorteil, daß selbst eine Linse, die noch hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert werden muß, bei einer optischen Informationsaufzeichnungs-Einrichtung verwendet werden kann, welche zwei Wellenlängen verwendet, die verhältnismäßig weit voneinander entfernt sind, oder bei einer Informationslese-Einrichtung, die eine lichtemittierende Diode und eine weiße Lichtquelle verwendet, und dies unterstützt die Realisierung einer kompakten optischen Systemeinheit.

Die nachstehenden Ausführungsformen betreffen ein optisches System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung, welche Information auf einem Medium wie beispielsweise einer optischen Speicherplatte aufzeichnet oder wiedergibt. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ebenfalls ein Korrektionselement für chromatische Aberration, die in dem optischen System eingebaut werden soll.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Umstände entwickelt, und eins ihrer Ziele besteht in der Bereitstellung eines optischen Systems für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung, die wirksam hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert ist, ohne mehr optische Elemente zu verwenden als in einem Fall, in welchem die chromatische Aberration nicht korrigiert ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Korrektionselementes für chromatische Aberration, die in dem optischen System eingesetzt werden soll.

Beispiele für das optische System für die optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, ebenso wie für das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß der Erfindung, sind nachstehend beschrieben.

Beispiel 2C

Fig. 31 zeigt das optische System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung gemäß Beispiel 2C der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel besteht der Strahlteiler 130 aus zwei Prismen 131 und 134, die miteinander durch die Strahlteilerfläche 130a verbunden sind, und Ebenen senkrecht zur optischen Achse sind stufenförmig auf einer Strahldurchlaßfläche 130a des Prismas 134 als kreisringförmige Segmente ausgebildet, die konzentrisch zur optischen Achse verlaufen, und zwar auf solche Weise, daß sie makroskopisch eine konkave Form ergeben.

Der Verschiebungsbetrag t in der optischen Richtung der benachbarten kreisringförmigen Zone wird durch nachstehende Gleichung angegeben:

t = λ₀(n - 1)

wobei n der Brechungsindex des Prismas 134 ist, und λ₀ die Bezugswellenlänge ist, bei welcher eine Wellenfrontänderung auftritt, oder bei welcher keine chromatische Aberration auftritt.

Die Fläche 134a, auf welcher stufenförmige, kreisringförmige Ebenen ausgebildet sind, arbeitet als Beugungsgitter; wenn auftreffendes Licht eine Wellenlänge gleich der Bezugswellenlänge aufweist, läßt die Fläche 134a das auftreffende Licht hindurch, ohne irgendwelche Änderung der Wellenfront hervorzurufen, wenn jedoch die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes sich von der Bezugswellenlänge unterscheidet, so erzeugt die Fläche 134a eine vorbestimmte chromatische Aberration, die ausreichend ist, die chromatische Aberration auszugleichen, die in der Objektivlinse 140 auftritt.

Beispiel 5C

Fig. 32 zeigt das optische System für eine optische Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung gemäß Beispiel 5C der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist ein Prisma 194 als Ablenkteil für den optischen Weg vorgesehen, und kreisringförmige Ebenen konzentrisch zur optischen Achse sind stufenförmig auf der Lichtdurchlaßfläche 194a auf solche Weise ausgebildet, daß diese kreisringförmigen Ebenen eine makroskopisch konkave Form erzeugen, und diese stufenartigen Ebenen auf der Fläche 194a die Fähigkeit haben, die chromatische Aberration zu korrigieren, die in der Objektivlinse 140 auftritt.

Der Teilungsabstand der kreisringförmigen Ebenen und die Funktion der Lichtdurchlaßfläche 194a sind ebenso wie in Beispiel 2C. In dem hier beschriebenen System sind ein Strahlteiler, eine Kondensorlinse und ein Lichtempfangselement zwischen der Kollimatorlinse 120 und dem Prisma 194 vorgesehen, jedoch nicht in Fig. 32 gezeigt.

Das Prisma 194 kann so angeordnet sein, daß die mit den stufenartigen Ebenen versehene Fläche entweder der Objektivlinse oder der Kollimatorlinse gegenüberliegt.

Wie auf den voranstehenden Seiten beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung einen Strahlteiler oder einen Deflektor (Ablenkmittel) für den optischen Weg zur Bereitstellung einer Korrekturwirkung für chromatische Aberration. Dies unterstützt die Bereitstellung verbesserter optischer Systeme, die hinsichtlich der chromatischen Aberration wirksam korrigiert sind, ohne die Anzahl der Elemente zu erhöhen, welche die optischen Systeme bilden.

Gemäß einer weiteren Zielrichtung betrifft die vorliegende Erfindung die Korrektur der chromatischen Aberration in einer Linse, insbesondere in einer Hybridlinse, die ein Beugungselement dazu verwendet, die chromatische Aberration zu korrigieren, die bei einer einfachen Linse auftritt.

Das Ausmaß der chromatischen Aberration in einer Linse wird durch die Eigenschaften, insbesondere den Dispersionswert, der Baumaterialien dieser Linse bestimmt. Beim Auftreten einer Dispersion ändert sich die Brechkraft einer Linse mit der Wellenlänge, und daher kann die chromatische Aberration, die in einer Einzellinse auftritt, nicht durch diese selbst wirksam korrigiert werden. Beim Entwurf eines optischen Systems, welches die Korrektur der chromatischen Aberration erfordert, besteht daher die übliche Praxis darin, zwei oder mehr Linsenelemente so zu kombinieren, daß sich die Linsenbrechkräfte, die sich aufgrund der Dispersion entsprechend der Wellenlänge unterscheiden, einander ausgleichen, um so die gewünschte Korrektur der chromatischen Aberration zu erzielen.

Eine unterschiedliche Vorgehensweise wurde vorgeschlagen in "Applications of Diffractive Optics", SPIE Band 1354, International Lens Design Conference (1990). Bei dieser Vorgehensweise werden kreisringförmige Ebenen, die kon zentrisch zur optischen Achse verlaufen, stufenförmig auf einer Fläche einer Glaslinse ausgebildet, um für eine Beugungswirkung zu sorgen, die zur Korrektur der chromatischen Aberration genutzt wird, die in der Glaslinse auftritt. Kreisringförmige Ebenen können stufenförmig auf der Fläche einer Glaslinse durch eine Ätzbearbeitung ausgebildet werden, jedoch ist dieses Bearbeitungsverfahren nicht für eine Herstellung in großem Maßstab geeignet, und muß durch Glasformverfahren ersetzt werden. Theoretisch kann diese Vorgehensweise Glaseinzellinsen zur Verfügung stellen, die hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert sind.

In der Praxis ist Glas so viskos, daß eine so feine Struktur wie Beugungsfläche nicht exakt von der Form auf das Glas übertragen werden kann. Kann die Beugungsfläche nicht korrekt übertragen werden, und sind Abschnitte, die einen Höhenunterschied zeigen sollten, glatt ausgebildet, so tritt auch Licht außer dem gebeugten Licht der gewünschten Ordnung aus der Linse aus. Wenn daher die geformte oder gegossene Linse bei einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung eingesetzt wird, so vergrößert sich der Durchmesser eines Strahlpunktes, der auf dem Medium gebildet wird, dermaßen, daß die Bitfehlerrate beim Schreiben oder Lesen optischer Information ansteigt. Wird die Linse als Photolinse verwendet, so steigt das Störlicht an, oder die Auflösung nimmt ab.

Im Vergleich zu Glaslinsen weisen Kunststofflinsen den Vorteil auf, daß eine feine Struktur einfach von der Form übertragen werden kann; daher sind Kunststofflinsen zur Herstellung eines Beugungselements geeignet. Allerdings besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines ungleichmäßigen Brechungsindex von Kunststofflinsen bei dem Formgebungsvorgang; darüber hinaus kann sich die Leistung von Kunststofflinsen entsprechend der Feuchte in der Anwendungsumgebung ändern, oder in Folge einer Änderung der Feuchte.

Wird eine Kunststofflinse, deren Brechungsindex in ihrem Inneren nicht gleichmäßig ist, als Fokussierlinse verwendet, so vergrößert sich der Punktdurchmesser. Wird diese Kunststofflinse in einer Linse mit großer Apertur verwendet, beispielsweise einer Photolinse, so tritt eine deutliche Bildverschlechterung auf. Daher sind Kunststofflinsen mit einer ungleichförmigen Brechungsindexverteilung nicht für den Einsatz in einer dieser Anwendungen geeignet.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten entwickelt. Ein Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigierten Hybridlinse, auf welche ein Muster eines Beugungselements exakt übertragen werden kann, und welche keine ungleichmäßige Verteilung innerer Brechungsindizes aufweist, selbst im Falle von Änderungen der Umgebungsbedingungen usw., so daß sie über eine gleichbleibende Linsenleistung verfügt.

Beispiele für die Hybridlinse gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Wie schematisch in Fig. 33A gezeigt ist, weist die Hybridlinse in diesen Beispielen eine Glaslinse 201 auf, die über eine Brechungswirkung verfügt, und ein Kunststoff- Beugungselement 202, welches mit einer Fläche der Glaslinse 201 verbunden ist.

Abhängig von der Art der Beugung sind Beugungselemente entweder als Amplitudentyp oder als Phasentyp erhältlich, wobei letzterer unterteilt wird in einen Indexmodulationstyp und einen Relieftyp. In den Beispielen wird ein Beugungselement des Phasentyps und des Relieftyps verwendet, angesichts des hohen Nutzungsgrades des Lichtes und der einfachen Herstellung.

Wie in Fig. 33B gezeigt, ist die Seite des Phasen- und Relieftyp-Beugungselements 202, die nicht mit der Glaslinse 201 verbunden ist, mit mehreren kreisringförmigen Flächen 203 versehen, die konzentrisch zur optischen Achse Ax angeordnet und stufenförmig ausgebildet sind, und zwar auf solche Weise, daß die Linsendicke als Funktion des Abstandes von der optischen Achse Ax zunimmt.

Eine Differenz der optischen Weglänge tritt zwischen Licht auf, welches ein Medium mit einer Dicke t durchläuft, und Licht, welches durch Luft geht. Diese Wellenlängendifferenz ist durch (n - 1)t gegeben, wobei n der Brechungsindex des Mediums ist. Daher muß die axiale Differenz der Dicke des Beugungselements 202 zwischen benachbarten kreisringförmigen Segmenten gleich t sein, welches sich aus der nachstehenden Gleichung (1D) ergibt, oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen von t:

t(h) = λ/(n - 1) (1D)

wobei λ₀ eine beliebige Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich ist.

Weiterhin erfüllt das Verhältnis zwischen t(n - 1), oder der optischen Weglängendifferenz infolge von t (also die axiale Differenz der Dicke des Beugungselements zwischen einzelnen kreisringförmigen Segmenten) und der Wellenlänge λ₀ vorzugsweise die nachstehende Bedingung (A):

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10 (A)

Wenn die Hybridlinse in diesem Beispiel als eine Linse mit hoher numerischer Apertur NA verwendet werden soll, beispielsweise als eine Linse, die in einer optischen Informationaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung eingesetzt werden soll, oder in einem Fall, in welchem die Linse als eine Weitwinkellinse verwendet werden soll, erfüllt das Verhältnis zwischen t(n - 1) und λ₀ vorzugsweise die nachstehende Bedingung (2D):

0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10 (2D)

Hierbei wird angenommen, daß t(n - 1)/λ gleich 1 ist. Wenn eine Linse bei Verwendung einer Laserdiode als Lichtquelle, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeitet, wobei der Bezugswert (λ0) bei 780 nm liegt, aus LAL 13 hergestellt werden soll (Handelsbezeichnung der Ohara Company, Ltd.; n780 = 1,68468), so wird die axiale Differenz (t) der Dicke des Beugungselements zwischen einzelnen kreisringförmigen Flächen wie nachstehend angegeben berechnet:

t = 0,780 × 10^-3/(n - 1) = 0,780 × 10^-3/0,68468 = 1,14 × 10^-3 (3D)

Die Differenz von 1,14 µm in der Dicke ist so fein, daß es beim Glasformverfahren unmöglich ist, das Muster der Form exakt auf das hochviskose Glas zu übertragen. Zur Lösung dieses Problems wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Kunststoff-Beugungselement 202 verwendet.

Beispiel 1D

Fig. 34 zeigt ein optisches System, welches die Hybridlinse gemäß Beispiel 1D der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei die Hybridlinse als eine Objektivlinse in einem System für optische Speicherplatten verwendet wird. Parallele Lichtstrahlen, welche von links in das optische System eintreten, werden durch die Objektivlinse fokussiert, die aus der Glaslinse 201 und dem Beugungselement 202 besteht, so daß ein Punkt auf der Aufzeichnungsfläche gebildet wird, die sich auf der inneren (rechten) Seite des Deckglases der optischen Speicherplatte D befindet.

Die Fläche, die auf der linken Seite liegt, oder auf der Seite, die am nächsten am Objekt liegt, ist eine diskontinuierliche Fläche, auf welcher kreisringförmige Segmente ausgebildet sind und die als Beugungsfläche dient. Die Basiskurve, welche die makroskopische Form dieser diskontinuierlichen Fläche darstellt, ist asphärisch. Die Glaslinse 201 weist eine sphärische Fläche auf beiden Seiten auf.

Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 1D sind in der Tabelle 1D angegeben, in welcher die Bezeichnung λ₀ eine beliebige Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich angibt, f die Brennweite, NA die numerische Apertur, r den Krümmungsradius, d die Linsendicke oder den Abstand in der Luft zwischen einzelnen Linsen, nd den Brechungsindex bei der d-Linie, νd die Abbe-Zahl, und n780 den Brechungsindex bei der Wellenlänge 780 nm. Fig. 35 zeigt die beiden Aberrationen, die in dem System auftreten, welches entsprechend den in Tabelle 1D angegebenen Daten aufgebaut ist: die chromatische Aberration, ausgedrückt anhand der sphärischen Aberrationen bei 770 nm, 780 nm und 790 nm, sowie den Astigmatismus (S, sagittal; M, meridional).

Tabelle D1

Die Form der ersten Fläche der Hybridlinse wird durch die Koeffizienten vorgegeben, die in Tabelle 2D aufgeführt sind (nachstehend), wenn die Durchbiegung X(h) der asphärischen Fläche in dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die nachstehende Gleichung (4D) gegeben ist, bei welcher das Glied ΔN dem üblichen Ausdruck für eine asphärische Fläche hinzugefügt ist.

Das Symbol N bezeichnet die Nummer für das kreisringförmige Segment, zu welchem der Punkt in der Höhe h gehört. Jeder der Koeffizienten, welche die aspherische Fläche festlegen, ist eine Funktion von N. Die Bezeichnung INT(x) bezeichnet eine Funktion zum Extrahieren des ganzteiligen Anteils von x:

wobei r der Krümmungsradius im Scheitel der asphärischen Fläche ist; K die Kegelschnittkonstante ist; und A4, A6, A8 und A10 die asphärischen Koeffizienten der vierten, sechsten, achten beziehungsweise zehnten Ordnung sind.

Tabelle 2D

N = INT(7,20 × h²

+ 0,33 × h⁴

+ 0,5
rN = 2,700 + 5,13 × 10^-4

× N
KN = -0,5000
A4N = -1,570 × 10^-3

+ 1,00 × 10^-6

× N
A6N = -1,900 × 10^-4

+ 3,02 × 10^-7

× N
A8N = -1,900 × 10^-5

+ 1,51 × 10^-8

× N
A10N = -9,000 × 10^-7

ΔN = -0,001510 × N

In dem Fall, in welchem eine Objektivlinse aus einem Glas mit einem hohen Brechungsindex hergestellt wird, kann eine Linsenleistung erzielt werden, die dazu ausreicht, eine Objektivlinse mit einer hohen numerischen Apertur NA zur Verfügung zu stellen, ohne eine asphärische Fläche zu verwenden, und daher kann eine sphärische Linse wirksam verwendet werden, wie im voranstehenden diskutierten Beispiel 1D.

Beispiel 2D

Fig. 36 zeigt ein optisches System, welches die Hybridlinse gemäß Beispiel 2D der vorliegenden Erfindung verwendet. Auch in diesem Beispiel wird die Hybridlinse als eine Objektivlinse in einem System für optische Speicherplatten verwendet. Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 2D sind in Tabelle 3D angegeben. Die erste Fläche der betrachteten Hybridlinse ist eine Beugungsfläche, wogegen die dritte Fläche eine übliche glatte, asphärische Fläche ist. Fig. 37 zeigt die Aberrationen, die in dem System auftreten, welches entsprechend den in Tabelle 3D angegebenen Daten aufgebaut ist.

Tabelle 3D

Die Form der ersten Fläche wird durch die Koeffizienten festgelegt, die in der nachstehenden Tabelle 4D angegeben sind, wenn die Durchbiegung X(h) der asphärischen Fläche in dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die vorstehend erwähnte Gleichung (4D) gegeben ist.

Tabelle 4D

N = INT(4,41 × h²

+ 0,20 × h⁴

+ 0,5)
rN = 2,182 + 5,14 × 10^-4

× N
KN = -0,3610
A4N = -1,731 × 10^-3

+ 1,27 × 10^-6

× N
A6N = -2,010 × 10^-4

+ 4,23 × 10^-7

× N
A8N = -3,170 × 10^-5

- 6,04 × 10^-9

× N
A10N = 6,000 × 10^-7

+ 6,04 × 10^-9

× N
ΔN = -0,001510 × N

Die Asphärizität der dritten Fläche ist durch die in der nachstehenden Tabelle 5D angegebenen Koeffizienten gegeben, wenn die Durchbiegung X(h) der asphärischen Fläche in dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die nachstehende Gleichung (5D) gegeben ist, in welcher die jeweiligen Bezeichnungen dieselbe Bedeutung haben wie in der Gleichung (4D).

Je niedriger der Brechungsindex ist, desto niedriger ist die Temperatur, bei welcher optische Materialien ausgeformt werden können, um aus Glas ausgeformte Linsen herzustellen. Daher ist die Verwendung eines optischen Materials mit niedrigem Brechungsindex wünschenswert, wenn durch das Formverfahren eine Glaslinse hergestellt werden soll. In diesem Fall kann die Fläche der Linse auf der Seite, welche der Seite gegenüberliegt, an welcher die geklebte Fläche liegt, asphärisch ausgebildet werden, wie im Beispiel 2D. Diese Linsenkonstruktion ist ausreichend wirksam zur Korrektur der chromatischen Aberration, so daß die Linse zufriedenstellende Eigenschaften als Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur NA zeigt.

Tabelle 5D

r = -9,585
K = 0,000
A4 = 1,320 × 10^-2

A6 = -2,520 × 10^-3

A8 = 5,580 × 10^-4

A10 = -5,340 × 10^-5

Fig. 38 zeigt eine Einzellinse nach dem Stand der Technik, welche auf beiden Seiten eine asphärische Fläche aufweist, und welche ebenso gut arbeitet wie die Linse des Beispiels 2D, abgesehen von der chromatische Aberration. Die spezifischen numerischen Daten für diese Linse nach dem Stand der Technik sind nachstehend in Tabelle 6D angegeben, und die zugehörigen aspherischen Koeffizienten sind in der nachstehenden Tabelle 7D aufgeführt. Die Aberrationen, die sich in dem System einstellen, welches entsprechend diesen Daten aufgebaut ist, sind in Fig. 39 gezeigt. Aus dem Vergleich der Fig. 37 und 39 wird die Korrekturwirkung hinsichtlich der chromatischen Aberration des Beugungselements deutlich.

Tabelle 6D

Tabelle 7D

1. Fläche
2. Fläche
r = 2,206	r = -9,585
K = -0,328	K = 0,000
A4 = -0,150 × 10^-2	A4 = 0,132 × 10^-1
A6 = -0,167 × 10^-3	A6 = -0,252 × 10^-2
A8 = -0,305 × 10^-4	A8 = 0,558 × 10^-3
A10 = 0,800 × 10^-6	A10 = -0,534 × 10^-4

Bei den Beispielen 1D und 2D können Objektivlinsen zur Verfügung gestellt werden, welche im wesentlichen dieselben Abmessungen und dasselbe Gewicht wie asphärische Linsen nach dem Stand der Technik aufweisen, die jedoch wirksam hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert sind. Einen weiteren Vorteil stellt die Tatsache dar, daß der Abschnitt dieser Linsen, der eine Brechkraft aufweist, eine Glaslinse ist. Daher ist die Abbildungsleistung dieser Linsen vollständig unempfindlich gegen die Wirkungen von Feuchteänderungen und im wesentlichen unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen.

Beispiel 3D

Fig. 40 zeigt ein optisches System, welches die Hybridlinse gemäß Beispiel 3D der vorliegenden Erfindung verwendet. In diesem Beispiel wird die Hybridlinse als Kollimatorlinse in einer Einrichtung für optische Speicherplatten verwendet. Eine planparallele Platte C, die auf der rechten Seite von Fig. 40 dargestellt ist, bildet ein Deckglas für die Laserdiode.

Die spezifischen numerischen Daten für das Beispiel 3D sind in Tabelle 8D angegeben. Bei dem betrachteten Beispiel ist die erste Fläche eine übliche asphärische Fläche und die dritte Fläche eine Beugungsfläche. Fig. 41 zeigt die Aberrationen, die in dem System auftreten, welches gemäß der in Tabelle 8D angegebenen Daten aufgebaut ist.

Tabelle 8D

Die Asphärizität der ersten Fläche ist durch die in der nachstehenden Tabelle 9D angegebenen Koeffizienten gegeben, wenn die Durchbiegung X(h) der asphärischen Fläche in dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die voranstehende Gleichung (5D) gegeben ist.

Tabelle 9D

r = 7,231
K = -0,5933
A4 = 0,000
A6 = -3,440 × 10^-7

A8 = -4,370 × 10^-9

A10 = 0,000

Die Form der dritten Fläche ist durch die in der nachstehenden Tabelle 10D aufgeführten Koeffizienten gegeben, wenn die Durchbiegung X(h) in dem Punkt, der von der optischen Achse einen Abstand h hat, durch die folgende Gleichung (6D) ausgedrückt wird:

X(h) = ΔN (6D)

Tabelle 10D

N = INT(2,61 × h²

- 0,0212 × h⁴

+ 0,5

ΔN = 0,001510 × N

Bei einer Linse mit hoher numerischer Apertur NA treten Lichtstrahlen in das Beugungselement schräg in dem Umfangsabschnitt der Linse ein, und daher sorgt der Umfangsabschnitt der Linse im Vergleich zum zentralen Abschnitt, in welchem das Licht beinahe senkrecht auftrifft, für einen längeren optischen Weg, selbst wenn die beiden Flächen dieselbe Dicke aufweisen. Um daher sicherzustellen, daß die Phasendifferenz für jedes kreisringförmige Segment sowohl in den zentralen als auch in den Umfangsabschnitten dieselbe ist, muß die Differenz der Dicke des Beugungselements zwischen einzelnen kreisringförmigen Segmenten so gewählt sein, daß sie vom Zentrum nach außen hin abnimmt.

Es wird beispielsweise eine Linse betrachtet, die eine vergleichbare numerische Apertur NA aufweist wie die in Beispiel 3D verwendete Linse; bei einer derartigen Linse kann eine Phasenkontinuität dadurch sichergestellt werden, daß die Differenz der Dicke zwischen kreisringförmigen Segmenten in dem äußersten Bereich kleiner ausgebildet ist als die Differenz im zentralen Bereich, und zwar um etwa 1%. Allerdings verursacht in praktischen Anwendungen die Diskontinuität der Phase keine Probleme, die dann auftritt, wenn die Dickendifferenz zwischen kreisringförmigen Segmenten in der gesamten Linse gleich ausgebildet ist. Daher wird im diskutierten Beispiel 3D ΔN als lineare Funktion von N ausgedrückt, und die Differenz der Dicke zwischen einzelnen kreisringförmigen Segmenten ist so gewählt, daß sie sowohl im zentralen als auch im Umfangsabschnitt der Linse gleich ist.

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß im Falle einer Linse wie der des Beispiels 3D, die eine nicht sehr hohe numerische Apertur NA aufweist, die Ausbildung der Beugungsfläche als ebene Fläche allein gewünscht ist, da sich so die Bearbeitung der Herstellungsform und die Formmessung einfacher durchführen lassen.

Die voranstehende Beschreibung der Beispiele 1D bis 3D ist auf die Fälle beschränkt, in welchen die Hybridlinse gemäß der vorliegenden Erfindung als Objektivlinse oder Kollimatorlinse für eine optische Speicherplatte verwendet wird. Allerdings wird darauf hingewiesen, daß die Hybridlinse auch bei anderen Arten optischer Systeme einsetzbar ist, es sei denn, daß der Betrachtungswinkel sehr weit ist.

Wie voranstehend beschrieben, kombinieren die vorliegenden Ausführungsbeispiele eine Glaslinse mit einem Kunststoff- Beugungselement, um so eine hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigierte Hybridlinse zur Verfügung zu stellen, deren Leistung weniger empfindlich auf Umgebungsänderungen ist, und auf welche ein Beugungsmuster auf exakte Weise übertragen werden kann.

Die folgenden Beispiele für die vorliegende Erfindung betreffen ein optisches Element zur Korrektur der chromatischen Aberration unter Verwendung der Reflexion und Beugung von Licht.

Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Element zur Verfügung gestellt, welches die chromatische Aberration korrigieren kann, die in einer Einzellinse auftritt, wenn die Betriebswellenlänge von dem Bezugswert abweicht. Wenn eine Wellenfront-Aberration (chromatische Aberration) in einer Einzellinse bei Abweichung der Betriebswellenlänge gegenüber dem Bezugswert auftritt, gleicht genauer gesagt dieses Korrektionselement die Aberration dadurch aus, daß es an einer reflektierenden Fläche eine divergente oder konvergente Wellenfront des entgegengesetzten Typs erzeugt.

Das Korrektionselement gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel kann nicht nur zur Korrektur der chromatischen Aberration eingesetzt werden, die bei einer Einzellinse auftritt, sondern auch zur Korrektur der chromatischen Aberration, die in einer Hybridlinse auftritt. Selbst mehrere Linsenelemente korrigieren manchmal nicht die chromatische Aberration, und zwar aus verschiedenen Gründen, die mit dem Brechungsindex, der Durchlässigkeit usw. zusammenhängen, insbesondere bei kurzen Wellenlängen nahe bei λ₀ = 300 nm, wenn nur eine Art an optischem Material verfügbar ist. Die Korrektur der chromatischen Aberration ist deshalb schwierig zu erreichen. Das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel kann die chromatische Aberration selbst im Bereich derartig kurzer Wellenlängen korrigieren.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Konturen der zentralen reflektierenden Fläche und der kreisringförmigen reflektierenden Flächen in dem Korrektionselement für chromatische Aberration kreisförmig ausgebildet, bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zu diesen Flächen, und die Stufenentfernung t zwischen benachbarten Flächen ist wie nachstehend angegeben ausgewählt:

t = λ₀m/2n (m ist eine ganze Zahl)

wobei λ₀ die Bezugswellenlänge innerhalb des Betriebswellenlängenbandes ist, und n der Brechungsindex der reflektierenden Fläche auf der Eintrittsseite.

Wenn das Korrektionselement schräg in den optischen Weg eingesetzt werden soll, so können die Konturen der zentralen reflektierenden Fläche und der kreisringförmigen reflektierenden Flächen elliptisch ausgebildet werden, bei Betrachtung in Richtung senkrecht zu diesen Flächen, und die Stufenentfernung t wird wie nachstehend angegeben gewählt:

t = Aλ₀m/2n (m ist eine ganze Zahl)

wobei λ₀ die Bezugswellenlänge innerhalb des Betriebswellenlängenbandes ist, n der Brechungsindex der reflektierenden Fläche auf der Einfallsseite, und A das Verhältnis zwischen der Hauptachse und der Nebenachse der Ellipse.

Der Wert von m erfüllt vorzugsweise die Bedingung 1 ≦ |m| ≦ 10. Weist m den Wert 0 auf, so entspricht dies einem reflektierenden Spiegel, dessen Fläche insgesamt eben ist; daher kann ein Korrektionselement für chromatische Aberration des Reflexions- und Beugungstyps nicht hergestellt werden, wenn m nicht 1 oder größer ist. Wenn andererseits m den Wert 10 überschreitet, so tritt ein ernsthafter Nachteil bei starken Änderungen der Wellenlänge auf, und zwar in der Hinsicht, daß der Anteil des Lichtes mit Beugungen höherer Ordnung zunimmt, so daß der Wirkungsgrad der Lichtnutzung verringert wird. Das Vorzeichen des Wertes von m legt fest, ob die reflektierende Fläche insgesamt makroskopisch konvex oder konkav ist.

Ist die Breite jeder kreisringförmigen reflektierenden Fläche so gewählt, daß sie umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse ist, so kann die Wellenfront, die bei der Änderung der Wellenlänge des auftreffenden Lichtes erzeugt wird, allgemein kugelförmig ausgebildet werden. Wenn angenommen werden muß, daß die zu kombinierende Linse eine starke Änderung der sphärischen Aberration infolge der Wellenlängenänderungen erfährt, so kann sie durch entsprechende Wahl der Breite der kreisringförmigen Segmente auf der reflektierenden Fläche im Entwurfszustand korrigiert werden; allerdings reicht es im Hinblick auf eine weitläufige Einsetzbarkeit her aus, die Breite jeder kreisringförmigen Fläche so zu wählen, daß sie umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der optischen Achse ist.

Die zentrale reflektierende Fläche und die kreisringförmigen reflektierenden Flächen können Ebenen aufweisen, die zueinander parallel angeordnet sind; alternativ hierzu können diese Flächen gekrümmt sein.

Das Korrektionselement für chromatische Aberration des Reflexions- und Beugungstyps gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel soll mit einer Linse kombiniert werden, um die chromatische Aberration zu korrigieren, die in dieser Linse auftritt. Im einzelnen entwickelt, wenn Licht in die Linse eintritt, welches eine Wellenlänge verschieden von einer Bezugswellenlänge aufweist, die Linse eine chromatische Aberration, und zur Korrektur dieser Aberration ändert das Element gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel die Wellenfront des auftreffenden Lichtes mittels Reflexion.

Das Korrektionselement des Reflexions- und Beugungstyps, das voranstehend beschrieben wurde, kann in den optischen Weg zwischen einem Kollimator zum Kollimieren des in eine Linse eintretenden Lichtes und die Linse eingefügt werden. Eine beispielhafte Verwendung besteht in der Korrektur der Aberration, die sich in einer Einzellinse entwickelt, die zum Fokussieren von Laserlicht zur Ausbildung eines Punktes auf einer optischen Speicherplatte in einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung verwendet wird.

Beispiele

Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele beschrieben. Die Fig. 42 und 43 zeigen die Theorie für den Betrieb des Korrektionselementes.

Zuerst wird Bezug auf Fig. 42 genommen. Das Korrektionselement für chromatische Aberration des Reflexions- und Beugungstyps, das insgesamt durch die Bezugsziffer 311 bezeichnet ist, weist eine kreisförmige, zentrale reflektierende Fläche 311ac auf der optischen Achse O auf, und drei koaxiale, kreisringförmige reflektierende Flächen 311bc, 311cc und 311dc, die um die zentrale reflektierende Fläche 311ac herum angeordnet sind. Nur drei kreisringförmige Flächen sind in Fig. 42gezeigt, jedoch weist in der Praxis das Korrektionselement gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel etwa zwischen 10 bis 100 kreisringförmige Flächen auf. Die Beugungslinse nach dem Stand der Technik weist sogar einige 100 kreisringförmige Segmente auf, und dies stehlt einen der Faktoren dar, durch welchen sich das Korrektionselement des Reflexions- und Beugungstyps gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel von der konventionellen Beugungslinse unterscheidet.

Die kreisförmige zentrale reflektierende Fläche 311ac und die kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311bc, 311cc und 311dc weisen Ebenen auf, die parallel zueinander angeordnet und in ihrer Lage entlang der optischen Achse O um einen Stufenabstand (t) zueinander versetzt sind; insgesamt führen diese Flächen zu einer makroskopisch konvexen Form. Zur Klarheit wird angenommen, daß sich das Korrektionselement 311 in Luft befindet (n = 1).

Weiterhin wird angenommen, daß die Bezugswellenlänge des in die reflektierende Fläche eintretenden Lichtes λ₀ ist. Dann ist der Stufenabstand t gegeben durch t = λ₀/2. Dies entspricht dem Fall, in welchem in der Gleichung t = λ₀m/2n Werte von m = 1 und n = 1 vorliegen.

Es wird hier nunmehr der Fall betrachtet, in welchem Licht in Form einer ebenen Welle (Strahlen parallelen Lichts) mit der Bezugswellenlänge λ₀ in das Korrektionselement 311 eintritt. Benachbarte Linien 312 geben die Positionen an, die längs des optischen Weges durch das sich ausbreitende Licht in Form einer ebenen Welle mit einer bestimmten Phase (beispielsweise 0°) eingenommen werden, mit der Bezugswellenlänge λ₀. Da das die Bezugswellenlänge aufweisende Licht die Gleichung t = λ₀/2 erfüllt, bleibt es eine ebene Welle, selbst nachdem es durch die kreisförmige, zentrale reflektierende Fläche 311ac oder die kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311bc-311dc reflektiert wurde.

Allgemein ausgedrückt ist die optische Weglängendifferenz, die bei der Brechung in einem Medium (Brechungsindex: n; Dicke: t) entlang dem optischen Weg auftritt, durch 2nt gegeben. Wenn das Korrektionselement 311 stufenartige reflektierende Flächen aufweist, deren Stufenabstand t ist, wie durch t(h) = λ₀/2n ausgedrückt wird (h ist der Abstand von der optischen Achse O), oder durch mt (m ist eine ganze Zahl), ändert daher die Wellenfront des Lichts mit der Bezugswellenlänge keinesfalls nach der Reflexion ihre Form, da dann, wenn sie durch benachbarte Bereiche reflektiert wird, die einzige auftretende Änderung ihrer Wellenfront in einer Phasenverschiebung von mλ besteht, und sich das gebrochene Licht weiter ausbreitet, ohne seine Wellenfront zu ändern.

Fig. 43 zeigt den Fall, in welchem eine ebene Welle mit einer Wellenlänge λ₀', die geringfügig größer als die Bezugswellenlänge λ₀ ist, in das Korrektionselement 311 eintritt, das ebenso ausgebildet ist, wie in Fig. 42. Die Entfernung zwischen benachbarten Linien 312' ist größer als die Entfernung zwischen benachbarten Linien 312 (siehe Fig. 42), und zwar um die Wellenlängenverschiebung. Im Falle der Reflexion durch das Korrektionselement 311 breitet sich das Licht, welches an der kreisförmigen, zentralen Fläche 311ac reflektiert wird, auf kürzestem Wege durch das Medium aus, wogegen das Licht, welches an der kreisringförmigen Fläche 311dc reflektiert wird, den längsten Weg zurücklegt. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß Licht mit einer größeren Wellenlänge als die Bezugswellenlänge die Eigenschaft aufweist, daß seine Wellenfront desto weiter voreilt, je länger der Ausbreitungsweg des Lichtes ist. Dies führt dazu, daß die Phase der Wellenfront von Licht, welches an der kreisförmigen zentralen Fläche 311ac und den kreisringförmigen Flächen 311bc-311dc reflektiert wurde, als Funktion des Abstandes von der optischen Achse O voreilt. Die Wellenfronten der reflektierten Lichtstrahlen werden insgesamt so gekrümmt, daß eine einzige konvergente Wellenfront erzeugt wird. Mit anderen Worten veranlaßt das Korrektionselement 311, das stufenförmige reflektierende Flächen aufweist, die makroskopisch eine Form bilden, die zur Strahleneintrittsseite hin konvex ist, als ebene Welle auftreffendes Licht dazu, als konvergente Wellenfront reflektiert zu werden, wenn das Licht eine größere Wellenlänge als die Bezugswellenlänge hat. Dies ist äquivalent zur Feststellung, daß die Lichtreflexion durch das Korrektionselement 311 eine chromatische Aberration erzeugt, welche die chromatische Aberration ausgleicht, die sich in einer positiven Linse einstellt, die eine Brechwirkung aufweist. Daher kann das Element die erforderliche Korrektur der chromatischen Aberration erzielen.

Im Gegensatz hierzu ist die Wellenfront von Licht, welches eine kürzere Wellenlänge aufweist als die Bezugswellenlänge, verzögert, da das Licht einen längeren Weg durch das Medium zurücklegt, und wird aus diesem Grunde durch die Wirkung des Korrektionselementes 211 divergent gemacht. Das Korrektionselement 311, das stufenförmige reflektierende Flächen aufweist, die makroskopisch eine zur Strahleneintrittsseite hin konvexe Form bilden, veranlaßt mit anderen Worten als ebene Welle auftreffendes Licht dazu, als divergente Wellenfront reflektiert zu werden, wenn es eine kürzere Wellenlänge als die Bezugswellenlänge aufweist. Dies ist äquivalent zu der Aussage, daß die Lichtreflexion durch das Korrektionselement 311 eine chromatische Aberration erzeugt, welche die chromatische Aberration ausgleicht, die in einer Negativlinse entsteht, welche eine Brechungswirkung aufweist. Daher kann das Element die erforderliche Korrektur der chromatischen Aberration erzielen.

Ob die stufenförmigen Flächen, die auf dem Korrektionselement 311 ausgebildet werden sollen, eine makroskopisch konvexe oder konkave Form bilden, hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise davon, ob die zu korrigierende chromatische Aberration in einer Positivlinse oder einer Negativlinse entsteht.

Die Breiten s1, s2 und s3 der kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311bc, 311cc beziehungsweise 311dc sind jeweils so ausgewählt, daß sie umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse O sind.

Die Fig. 44 und 45 zeigen ein Beispiel für die vorliegende Erfindung, bei welcher das Korrektionselement, das insgesamt durch die Bezugsziffer 311A bezeichnet ist, in einem Winkel von 45° zur optischen Achse O angeordnet ist. Die reflektierende Fläche dieses Korrektionselementes weist eine elliptische reflektierende Fläche 311ae auf, die in Blickrichtung senkrecht zur reflektierenden Fläche im Zentrum der optischen Achse O angeordnet ist, sowie koaxiale elliptische, kreisringförmige reflektierende Flächen 311be, 311ce und 311de, die um die zentrale Fläche 311ae herum angeordnet sind.

Das Verhältnis A zwischen der Haupt- und Nebenachse der Ellipse ist so festgelegt, daß jede der orthogonalen Projektionen der reflektierenden Flächen 311ae-311de in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse O einen Kreis bildet. Mit anderen Worten ist A gleich 2^1/2.

Wird die durch die elliptische reflektierende Fläche 311ae festgelegte Ellipse durch (X²/A²) + (Y²/1) = r² (r ist eine Konstante) in einem XY-Koordinatensystem ausgedrückt, dann ist der Stufenabstand t zwischen der brechenden Fläche 311ae und der benachbarten kreisringförmigen reflektierenden Fläche 311be sowie einzelnen kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311be, 311ce und 311de gegeben durch t = λ.₀.2^-1/2. Wie bei dem in den Fig. 42 und 43 gezeigten Beispiel entspricht dies dem Fall, in welchem n = 1 und m = 1 in der Gleichung t = Aλ₀m/2n (m ist eine ganze Zahl) ist. Daher bietet das vorliegende Beispiel vollständig dieselben Vorteile wie das vorherige Beispiel.

Die beiden voranstehend diskutierten Beispiele betreffen den Fall, in welchem m = 1 ist. Ist der Betriebswellenlängenbereich nicht sehr breit, so kann der Wert von m auf 2 oder mehr eingestellt sein, wenn der Stufenabstand t festgelegt wird, und das Licht in der Beugung der m-ten Ordnung kann sicher verwendet werden, ohne den Beugungswirkungsgrad herabzusetzen. Insbesondere in dem Fall, in welchem die Breite kreisringförmiger Segmente vom Zentrum nach außen hin abnimmt, kann man allmählich den Wert von m erhöhen, beginnend von 1, innerhalb eines einzigen Elementes. In diesem Fall kann der axiale Abstand ΔX(h) einer bestimmten kreisringförmigen reflektierenden Fläche von der zentralen Fläche als Funktion des Abstandes h von der optischen Achse O durch nachstehende Gleichung festgelegt werden:

ΔX(h) = (mλ₀/2n)Int{[r - (1 - h²/r²)^1/2)/(mλ/2n)] + 0,5}

wobei Int(x) eine Funktion ist, welche eine ganze Zahl nicht größer als x ergibt.

Fig. 46 zeigt, wie das Korrektionselement 311A bei einer optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung eingesetzt wird. Von einer Laserlichtquelle 321 ausgehendes Laserlicht wird durch eine Kollimatorlinse 322 kollimiert, durch ein Strahlformprisma 323 so geformt, daß es einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und tritt in einen Strahlteiler 324 ein. Ein Teil des abgetrennten Laserlichts wird durch das Korrektionselement 311A reflektiert, das auf einem Schlitten 334 befestigt ist, so daß das Licht in eine Objektivlinse 326 eintritt. Der Schlitten 334 ist entlang den Führungsschienen 335 in Radialrichtung einer optischen Speicherplatte 327 verschiebbar, die durch den Pfeil mit zwei Spitzen in Fig. 46 angedeutet ist. Das auf die Objektivlinse 326 auffallende Laserlicht wird auf die optische Speicherplatte 327 fokussiert, und das an der Speicherplatte 327 reflektierte Licht tritt erneut in das Korrektionselement 311A ein, welches das Licht zum Strahlteiler 324 zurückführt. Ein Teil des rückkehrenden Lichtes gelangt durch eine Linse 330 in eine Signalwiedergabeoptik 328, um einem Sensor 332 zugeführt zu werden, und der Rest gelangt durch eine Linse 331 in eine Servooptik 329, um einem Sensor 333 zugeführt zu werden.

Es sind verschiedene Arten der optischen Informationsaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung bekannt, die auf diese Weise arbeiten, und durch Kombination der Objektivlinse 326 (die eine Einzellinse ist) mit dem Korrektionselement 311A kann die chromatische Aberration, die in der Objektivlinse 326 auftritt, wirksam korrigiert werden.

Auf den nächsten Seiten wird dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung mit mehr Einzelheiten unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben, welche sämtlich die chromatische Aberration korrigieren sollen, die in einer positiven Objektivlinse entsteht.

Beispiel 1E

Fig. 47 zeigt ein Korrektionselement für chromatische Aberration, das eine reflektierende Fläche senkrecht zur optischen Achse O aufweist. Das Element ist insgesamt mit der Bezugsziffer 311 bezeichnet. Das Element 311 ist zur Korrektur der chromatischen Aberration ausgebildet, welche in einer Objektivlinse auftritt, die die in Fig. 52 gezeigte Geometrie aufweist, und die in Fig. 53 gezeigten Eigenschaften. In Fig. 52 ist die Objektivlinse mit 341 bezeichnet, und die Bezugsziffer 342 bezeichnet eine optische Speicherplatte. Parallele Laserlichtstrahlen, die von einer Kollimatorlinse kommen, werden durch die Objektivlinse 341 so fokussiert, daß ein Punkt auf der inneren Aufzeichnungsfläche der optischen Speicherplatte 342 ausgebildet wird; daher entspricht die Objektivlinse 341 der Objektivlinse 326 in der in Fig. 46 gezeigten Einrichtung.

Die Objektivlinse 341 weist folgende Spezifikationen auf:
Brennweite: 3,3 mm
Betriebswellenlänge: 780 nm (Bezugswellenlänge)
Verschiebung des hinteren Brennpunkts in Reaktion auf eine Wellenlängenänderung um den Einheitsbetrag df₃/dλ₀: 11 µm/nm

Die numerischen Daten für die Objektivlinse 341 sind in Tabelle 1E aufgeführt.

Die in Fig. 53 verwendeten Symbole weisen die folgenden Bedeutungen auf: SA, sphärische Aberration; SC, Sinusbedingung; S, sagittal; M, meridional. In der Tabelle 1E bezeichnet r_i den Krümmungsradius einer einzelnen Linsenfläche; d_i die Linsendicke oder den Luftabstand zwischen einzelnen Linsen; und N den Brechungsindex.

Tabelle 1E

Das Korrektionselement 311 des Beispiels 1E ist für senkrechten Einfall und Reflexion an der entgegengesetzten Fläche gedacht; falls man annimmt, daß das Korrektionselement 311 einer positiven Linse mit einer Brennweite von 126 mm entspricht, so ist die Wirkung der Beugungslinse proportional zur Wellenlänge, und es kann die chromatische Aberration korrigiert werden, die in der Objektivlinse 341 auftritt. Wenn allerdings die Objektivlinse und das Korrektionselement als zwei getrennte Elemente verwendet werden, verursacht eine Änderung ihres Abstandes voneinander eine entsprechende Änderung der Höhe des Strahleneinfalls auf die Objektivlinse; um dieses Problem zu vermeiden müssen die Objektivlinse und das Korrektionselement in einer einstückigen Anordnung kombiniert werden. Daher ist das Korrektionselement gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß es eine makroskopische Form aufweist, die einer Negativlinse entspricht, die eine Brennweite (f) von -126 mm aufweist, und dessen reflektierende Fläche eben ausgebildet ist, um sicherzustellen, daß Licht erster Ordnung nicht der Wirkung der Beugung ausgesetzt wird.

Ist die Reflexion eine Vorderflächenreflexion in Luft, so ist n = 1,0. Zur Herstellung einer Negativlinse mit f = -126 mm auf der reflektierenden Fläche muß der Krümmungsradius r = 252,0 mm betragen. Falls eine Fläche mit dieser Krümmung dadurch eben ausgebildet wird, daß ebene Flächen mit dem axialen Stufenabstand t bereitgestellt werden, der auf λ₀/390 nm = 0,390 µm eingestellt ist, so kann man sowohl die Wirkung einer Beugungslinse f = 126 mm als auch die Wirkung einer Brechungslinse mit f = -126 mm erhalten, wodurch sichergestellt wird, daß sich Licht der ersten Ordnung geradlinig ausbreitet.

Im einzelnen wird X(h) oder der Axialabstand jeder der kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311bc, 311cc und 311dc von der zentralen reflektierenden Fläche 311ac als Funktion des Abstandes h von der optischen Achse, wie nachstehend angegeben, ausgedrückt:

ΔX(h) = (λ/2n)Int{[r - (1 - (1 - h²/r²)^1/2)/(λ/2n)] + 0.5},

wobei Int(x) eine Funktion ist, die eine ganze Zahl nicht größer als x ergibt. Sind diese reflektierenden Flächen so angeordnet, daß sie eine makroskopische Form bilden, welche durch diese Gleichung ausgedrückt wird, so kann man die chromatische Aberration korrigieren, die in der Objektivlinse 341 entsteht. Die nachstehende Tabelle 3E gibt Daten an zur Beschreibung der Gesamtform des Korrektionselementes 311, das in Fig. 47 gezeigt ist.

Tabelle 2E

h (mm)
ΔX (µm)
0,000~0,313	0,0
~0,542	0,39
~0,700	0,78
~0,829	1,17
~0,940	1,56
~1,039	1,95
~1,130	2,34
~1,214	2,73
~1,292	3,12
~1,366	3,51
~1,436	3,90
~1,503	4,29
~1,567	4,68
~1,628	5,07
~1,688	5,46
~1,745	5,85
~1,800	6,24
~1,854	6,63
~1,906	7,02
~1,957	7,41
~2,007	7,80

Falls das Korrektionselement 311 mit dieser Geometrie in die Strahlen parallelen Lichtes zwischen der Kollimatorlinse und der Objektivlinse 314 eingesetzt wird, und wenn das gebrochene Licht von dem Element 311 durch den Strahlteiler abgetrennt wird, so kann eine Defokussierung (chromatische Aberration) infolge der Änderung der Betriebswellenlänge der Laserdiode ausgeglichen werden. Mit anderen Worten kann die chromatische Aberration, die in Fig. 53 gezeigt ist und sich in der einfachen Objektivlinse 314 entwickelt, wirksam korrigiert werden.

Fig. 51 zeigt schematisch die chromatische Aberration, die in der Objektivlinse 341 entsteht, und wie diese durch das Korrektionselement 311 korrigiert wird. Weist das ankommende Laserlicht die Bezugswellenlänge λ₀ = 780 nm auf, so arbeitet das optische System in der Hinsicht ordnungsgemäß, daß das gewünschte Bild von dem Sensor 322 (s. Fig. 46) aufgenommen wird, als Ergebnis der Wirkung der Objektivlinse 341 und des Korrektionselementes 311. Mit anderen Worten tritt eine Defokussierung auf.

Ändert sich allerdings die Wellenlänge des ankommenden Laserlichts auf λ^' ₀ = 770 nm, so entsteht in der Objektivlinse 341 eine chromatische Aberration (Wellenfront-Aberration), wie durch die Kurve B in Fig. 51 gezeigt. Diese Wellenfront-Aberration wird in dem Umfangsabschnitt der Linse mehr oder weniger unterkorrigiert. Andererseits transformiert in Reaktion auf die Wellenlängenverschiebung zu kürzeren Wellenlängen hin das Korrektionselement 311 das als ebene Welle auftreffende Licht, um eine divergente Wellenfront zu erzeugen. Wie durch die Kurve C in Fig. 51 gezeigt, wird diese divergente Wellenfront mehr oder weniger überkorrigiert. Daher gleichen sich die beiden Wellenfronten aus, und die zusammengesetzte Wellenfront ist so, daß sie ein gewünschtes, fokussiertes Bild erzeugt. Mit anderen Worten kann durch das Korrektionselement 311 gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel die chromatische Aberration korrigiert werden, die in der Objektivlinse 341 als Ergebnis der Wellenlängenverschiebung entsteht.

Beispiel 2E

In dem System des Beispiels 1E wird das reflektierte Licht von dem Korrektionselement 311 durch den Strahlteiler abgetrennt, und es gibt eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Verlusten in dem Strahlteiler. Zur Lösung dieses Problems wird vorzugsweise das Korrektionselement so wie es ist in einem Winkel von 45° zur optischen Achse angeordnet, wie in Fig. 46 gezeigt, in welcher das Korrektionselement durch 311A bezeichnet ist. In diesem Fall besteht, wie bereits unter Bezug auf die Fig. 44 und 45 beschrieben wurde, die reflektierende Fläche des Korrektionselementes 311A aus einer elliptischen zentralen reflektierenden Fläche 311ae und drei elliptischen kreisringförmigen reflektierenden Flächen 311be bis 311de. Bedenkt man, daß die effektive Phasendifferenz, die bei der Wellenfront in einem Schritt auftritt, sin 45° ≅ 0,707 beträgt, so ist der Stufenabstand t etwa 1,41 mal so groß wie der Stufenabstand, der im Beispiel 1E verwendet wurde (1/sin45° ≅ 1,41). Daher weist das Korrektionselement 311A mit 45° Einfallswinkel, welches ebenso wirksam arbeitet wie das Element 311 des Beispiels 1E, eine Geometrie auf, die körperlich in Fig. 48 gezeigt und numerisch in der nachstehenden Tabelle 3E angegeben ist.

Tabelle 3E

Wenn das Korrektionselement 311A mit dieser Geometrie in die parallelen Lichtstrahlen zwischen der Kollimatorlinse und der Objektivlinse 314 eingesetzt wird (zwischen die Kollimatorlinse 322 und die Objektivlinse 326 in dem in Fig. 46 gezeigten Fall), kann eine Defokussierung (chromatische Aberration) infolge der Variation der Betriebswellenlänge der Laserdiode wirksam ausgeglichen werden.

Beispiel 3E

In den Beispielen 1E und 2E ist die reflektierende Fläche auf der vorderseitigen Fläche des Korrektionselementes für chromatische Aberration vorgesehen. Allerdings kann das Korrektionselement für chromatische Aberration auch als Typ ausgebildet sein, der eine rückseitige reflektierende Fläche hat. Fig. 49 zeigt ein Beispiel des Korrektionselementes, das für eine derartige Reflexion an der rückwärtigen Fläche ausgebildet ist und in Fig. 49 insgesamt mit 311B bezeichnet ist. Das Korrektionselement dieses Typs mit rückseitiger Reflexion weist den Vorteil auf, daß seine Leistung auf keine Weise beeinträchtigt wird, wenn sich Staub oder Schmutz auf den Stufen ablagern, die auf der reflektierenden Fläche auf der Rückseite ausgebildet sind. Im Falle einer rückseitigen Reflexion nimmt das Verhältnis der Betriebswellenlänge zum Brechungsindex in dem Medium ab (n < 1), und daher wird der Stufenabstand t kürzer als in den Beispielen 1E und 2E (da n < 1 in der Gleichung t = λ₀m/2n ist). Die nachstehende Tabelle 4E zeigt die Geometrie der reflektierenden Fläche des Korrektionselementes 311B mit 45° Einfallswinkel, das aus einem optischen Material mit n = 1,51072 hergestellt ist.

Tabelle 4E

Beispiel 4E

Der Einfallswinkel auf das Korrektionselement ist keineswegs auf 0° oder 45° beschränkt. Es ist nur erforderlich, daß die Orthogonalprojektionen der zentralen reflektierenden Fläche und der kreisringförmigen reflektierenden Flächen auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse Formen beschreiben, die rotationssymmetrisch in Bezug auf die optische Achse sind, welche das Drehzentrum darstellt. Fig. 50 und Tabelle 5E zeigen ein Beispiel für die Geometrie eines Korrektionselementes für chromatische Aberration (die durch 311C bezeichnet ist), das ebenso wirksam arbeitet wie die Elemente der Beispiele 1E bis 3E, wenn der Einfallswinkel 30° ist. Da 1/sin30° = 2 ist, ist der im Beispiel 4E eingesetzte Stufenabstand t länger als der in den Beispielen 1E bis 3E gewählte Stufenabstand; daher weist das Korrektionselement des Beispiels 4E den Vorteil einer einfacheren Herstellung auf.

Tabelle 5E

Beispiel 5E

Das Korrektionselement des Reflexions- und Beugungstyps kann in anderen Bereichen als denen vorgesehen sein, in welchen sich Strahlen parallelen Lichtes ausbreiten. In diesem Beispiel 5E wird die vorliegende Erfindung bei der reflektierenden Fläche einer katadioptrischen Linse eingesetzt, wie in Fig. 54 gezeigt, wobei die katadioptrische Linse und die reflektierende Fläche durch 343 bzw. 344 bezeichnet sind. Numerische Daten für die katadioptrische Linse 343 sind in der nachstehenden Tabelle 6E angegeben, und die verschiedenen Aberrationen, die in dieser Linse entstehen, sind in Fig. 55 gezeigt, wobei die d-, g-, C-, F- und e-Linien sich auf die chromatischen Aberrationen beziehen, die anhand der sphärischen Aberration ausgedrückt sind, und ebenfalls als die lateralen chromatischen Aberrationen, die bei den jeweiligen Wellenlängen entstehen. In Tabelle 6E bezeichnet ν die Abbe-Zahl.

Tabelle 6E

Die vierte Fläche dieser Linse bildet die reflektierende Fläche 344.

Die katadioptische Linse 343 bildet ein Bild bei einer Vergrößerung von 1/6 aus, und durch diese Linse kann das Bild eines Objekts, welches oberhalb der optischen Achse liegt, unterhalb der Achse fokussiert werden. Allerdings kann die Linse keine zufriedenstellende Korrektur der axialen chromatischen Aberration erreichen, und bei Wellenlängen in der Nähe von 580 nm beträgt df_B/dλ₀ 7,0 µm/nm. Entsprechend der Theorie der vorliegenden Erfindung wird die reflektierende Fläche 344 der Linse 343 aus kreisringförmigen Segmenten gebildet, und die auf diese Weise erzeugte Fläche kann die axiale chromatische Aberration korrigieren, die in der Linse 343 entsteht. Mit anderen Worten ist die reflektierende Fläche 344 für senkrechten Einfall und Reflexion an der rückseitigen Fläche ausgebildet (was dem in Fig. 47 gezeigten Element entspricht, mit dem Unterschied, daß die reflektierende Oberfläche für rückseitige Reflexion ausgebildet ist, wie dies bei dem in Fig. 49 gezeigten Element der Fall ist. Die nachstehende Tabelle 7E zeigt die Geometrie der reflektierenden Fläche 344 der Linse 343, die aus einem optischen Material mit n = 1,49176 hergestellt wurde.

Tabelle 7E

h (mm)
ΔX (µm)
0,000~0,59	0,19
~1,02	0,39
~1,32	0,59
~1,56	0,78
~1,77	0,98
~1,96	1,18
~2,13	1,37
~2,29	1,57
~2,44	1,77
~2,58	1,96
~2,71	2,16
~2,84	2,36
~2,96	4,56
~3,07	2,75
~3,18	2,95
~3,29	3,15
~3,40	3,34
~3,50	3,54
~3,60	3,74
~3,69	3,98
~3,79	4,13
~3,88	4,33
~3,97	4,52
~4,06	4,72
~4,14	4,92
~4,22	5,12
~4,31	5,31

Die reflektierende Fläche mit dieser Geometrie kann die in Fig. 55 gezeigten chromatischen Aberrationen korrigieren.

Wie auf den voranstehenden Seiten beschrieben wurde, wird das Korrektionselement für chromatische Aberration des Reflexions- und Beugungstyps aus einem einzigen reflektierenden Element hergestellt, und dennoch kann es wirksam die chromatische Aberration korrigieren, die in einer Linse entsteht, die in Kombination mit diesem Element verwendet wird. Da das reflektierende Element in weitem Maße in der Optik verwendet wird, muß man nur dieses Element so bearbeiten, daß das Korrektionselement für chromatische Aberration gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Daher kann die gewünschte Korrektur der chromatischen Aberration erzielt werden, ohne daß irgendwelche speziellen optischen Elemente hinzugefügt werden. Wird das Korrektionselement bei einer optischen Informations aufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung verwendet, kann eine Defokussierung infolge einer Variation der Wellenlänge des Laserlichts durch ein kostengünstiges System-Layout korrigiert werden.

Es wird also ein Korrektionselement für die chromatische Aberration zur Verfügung gestellt, welches eine zentrale Fläche aufweist, die ein Drehzentrum auf der optischen Achse hat, sowie mehrere kreisringförmige Zonenflächen, die koaxial zur zentralen Fläche angeordnet sind. Die Positionen der zentralen Fläche, der Zonenflächen außerhalb der zentralen Fläche und der benachbarten kreisringförmigen Zonenflächen sind um einen konstanten Stufenabstand t verschoben, so daß diese Flächen makroskopisch eine konvexe Fläche oder eine konkave Fläche bilden. Der Stufenabstand t ist so festgelegt, daß Lichtstrahlen, die bei einer Bezugswellenlänge als ebene Wellen eintreten werden, wieder als ebene Wellen ausgestrahlt werden, und Lichtstrahlen, deren Wellenlänge sich von der Bezugswellenlänge unterscheidet und die als ebene Wellen eintreten, als divergente oder konvergente Wellenflächen austreten. Die Breite jeder kreisringförmigen Zone ist vorzugsweise auf einen Wert gesetzt, der umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse ist. Durch diese Abmessungen ist es im Falle einer Änderung der Wellenlänge möglich, die erzeugte Wellenfläche im wesentlichen kugelförmig auszubilden.

Claims

1. Schreib-/Lesegerät für eine optische Speicherplatte, mit einem Halbleiterla ser als Lichtquelle und einer in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle und Speicherplatte angeordneten Optik, die ein optisches Korrektionselement mit mindestens einer mit mehreren konzentrischen, stufenförmigen Beugungs zonen versehenen Beugungsfläche hat, die bei einer Änderung der Wellen länge des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtes eine Verschiebung ei nes Schärfenpunktes längs der optischen Achse des Strahlengangs bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche derart ausgebildet ist, daß die von ihr bewirkte Verschiebung des Schärfenpunktes im wesentlichen diejenige Verschiebung des Schärfenpunktes gegenüber einer Sollposition auf der Speicherplatte kompensiert, welche die Optik bei Änderung der Wellenlänge ohne die Beugungsfläche bewirkt.

2. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche an einer Objektiveinzellinse ausgebildet ist und mindestens eine Fläche der Objektiveinzellinse makroskopisch derart asphärisch ist, daß ihr Krümmungsradius von der Linsenmitte zum Linsenrand hin zunimmt.

3. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche der Objektiveinzellinse auf der von der Speicherplatte abge wandten Seite ausgebildet ist.

4. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektiveinzellinse ein Hybridelement ist, bei dem die Beugungsfläche aus Kunststoff und der Linsenkörper aus Glas besteht.

5. Schreib-/Lesegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß folgende Bedingung erfüllt ist:
0,8 ≦ t(n - 1)λ₀ ≦ 10,
worin λ₀ die Bezugswellenlänge des Laserlichtes, t die Stufenhöhe zwischen jeweils zwei benachbarten Beugungszonen und n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Beugungsfläche besteht.

6. Schreib-/Lesegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenhöhen der Beugungszonen so bemessen sind, daß die optische Weglängendifferenz makroskopisch proportional zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse ist.

7. Schreib-/Lesegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche eine optische Weglängendiffe renz verursacht, die durch eine Funktion vierten Grades des Abstandes von der optischen Achse gegeben ist.

8. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektionselement eine paralleles Licht ausgebende Kollimatoreinzellinse ist, daß die Beugungszonen der an der Kollimatoreinzellinse ausgebildeten Beugungsfläche ebene, senkrecht zur optischen Achse des Korrektionsele mentes angeordnete Flächen sind, und daß die von der Beugungsfläche ab gewandte Fläche der Kollimatoreinzellinse asphärisch ist.

9. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß fol gende Bedingung erfüllt ist:
0,8 ≦ t(n - 1)/λ₀ ≦ 10,
worin λ₀ die Bezugswellenlänge des Laserlichtes, t die Stufenhöhe zwischen jeweils zwei benachbarten Beugungszonen und n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Beugungsfläche besteht.

10. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche auf der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche der Kollimatoreinzellinse ausgebildet ist.

11. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoreinzellinse makroskopisch eine Meniskuslinse ist, deren das pa rallele Licht ausgebende Fläche konvex ist.

12. Schreib-/Lesegerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kollimatoreinzellinse ein Hybridelement ist, bei dem die Beugungsfläche aus Kunststoff und der Linsenkörper aus Glas besteht.

13. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektionselement in einem Teil des Strahlenganges, in dem das Licht par allel ist, getrennt von einer in der Optik enthaltenen Objektivlinse positiver Brechkraft zur Korrektion deren chromatischer Aberration angeordnet ist, wobei die optische Achse des Korrektionselementes parallel zu diesem Teil des Strahlenganges ausgerichtet ist, daß die Beugungszonen ebene, senkrecht zur optischen Achse des Korrektionselementes angeordnete Flächen sind und makroskopisch eine konkave Fläche bilden, und daß die Brechkraft des Korrektionselementes im wesentlichen Null ist.

14. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß fol gende Bedingung erfüllt ist:
t = mλ₀/(n - 1)
worin λ₀ die Bezugswellenlänge des Lichtes, t die Stufenhöhe zwischen je weils zwei benachbarten Beugungszonen, m eine ganze Zahl und n der Bre chungsindex des Materials ist, aus dem das Korrektionselement besteht.

15. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine um die optische Achse des Korrektionselementes angeordnete rotationssymmetrische, asphärische Basisfläche, auf welche die Beugungsfläche bezogen ist.

16. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfläche einer Sphäroidfläche angenähert ist, deren Kegelschnittkurve eine positive Kegelschnittkonstante K hat, und daß die durch die Beziehung
gegebene Abweichung ε(h) der Kegelschnittkurve der Basisfläche von der Kegelschnittkurve der Sphäroidfläche folgende Bedingung erfüllt:
|ε(h)| ≦ λ/(n - 1)
wobei ΔX(h) die Kegelschnittkurve der Basisfläche, h den Abstand von der optischen Achse des Korrektionselementes, C die Scheitelkrümmung, λ eine Wellenlänge im Betriebswellenlängenbereich des Laserlichtes und n den Brechungsindex angibt.

17. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche durch folgende Beziehung festgelegt ist:
ΔX'(h) = (mλ/(n - 1))Int((ΔX(h)/(mλ/(n - 1))) + 0,5)
worin ΔX'(h) die Kegelschnittkurve der Beugungsfläche, m eine ganze Zahl und Int die Ganzzahlfunktion angibt.

18. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelschnittkurve der Basisfläche eine asphärische Fläche vierten Grades ist.

19. Schreib-/Lesegerät nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß beide Flächen des Korrektionselementes als Beugungsfläche ausgebildet sind.

20. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsfläche zur Korrektion der chromatischen Aberration einer in der Optik enthaltenen Objektivlinse an einem Funktionselement der Optik aus gebildet ist, durch das paralleles Licht tritt, und daß die Beugungszonen ebene, senkrecht zur optischen Achse der Beugungsfläche angeordnete Flächen sind.

21. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungszonen makroskopisch eine konkave Fläche bilden.

22. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement mindestens ein Prisma enthält.

23. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement ein Strahlteiler ist.

24. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement ein Strahlumlenkelement ist.

25. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektionselement zur Korrektion der chromatischen Aberration einer in der Optik enthaltenen Objektivlinse eine Reflexionsfläche als Beugungsfläche hat, deren Beugungszonen ebene, zur optischen Achse des Korrektionsele mentes parallele Flächen sind, die in Richtung der optischen Achse derart zueinander versetzt sind, daß die optische Weglänge des an verschiedenen Beugungszonen reflektierten Laserlichtes mit größer werdendem Abstand von der optischen Achse zunimmt, und die in der Projektion auf eine zur Lichteinfallsrichtung senkrechte Ebene kreisförmig sind.

26. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche makroskopisch konvex ist.

27. Schreib-/Lesegerät nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungszonen jeweils eine Ellipse als Umfang haben und die Stu fenhöhe t zwischen benachbarten Stufen durch folgende Beziehung gege ben ist:
t = Aλ₀m/2n
und 1 ≦ |n| ≦ 10,
worin λ₀ die Bezugswellenlänge, n der Brechungsindex des Mediums, das sich lichteinfallsseitig der Reflexionsfläche befindet, A das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse der Ellipse und m eine ganze Zahl ist.