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Dokumentenidentifikation DE3507117C2 03.02.1994
Titel Objektiv für optische Platten
Anmelder Konica Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Arai, Norikazu, Komae, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Feiler, L., Dr.rer.nat.; Hänzel, W., Dipl.-Ing.; Kottmann, D., Dipl.-Ing, Pat.-Anwälte, 81675 München
DE-Anmeldedatum 28.02.1985
DE-Aktenzeichen 3507117
Offenlegungstag 05.09.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.02.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.1994
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G11B 7/135   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Objektiv für ein regeneratives optisches Platten-System oder Platten-Wiedergabesystem (disk regenerative optical system) und insbesondere ein für Spurverfolgung unmittelbar angetriebenes Objektiv.

Bei Verwendung eines Halbleiter-Lasers als Lichtquelle muß ein für die Regeneration oder Wiedergabe von einer sog. Videoplatte oder einer digitalen Audioplatte benutztes Objektiv eine große Apertur oder Öffnung von etwa NA 0,45-0,5 besitzen, wobei die Aberration auf der Achse oder axiale Aberration innerhalb einer Beugungsgrenze gehalten werden muß.

Wenn bei derartigen optischen Systemen das Objektiv zur Spurverfolgung oder Spurnachführung unmittelbar angetrieben wird, bleibt seine optische Achse stets senkrecht zur Plattenoberfläche, während es parallel zu letzterer bewegt wird. Aus diesem Grund braucht grundsätzlich die außeraxiale Aberration nicht korrigiert zu werden. Selbstverständlich muß dabei die (Abbesche) Sinusbedingung zu einem gewissen Grad korrigiert werden, um eine Leistungsverschlechterung aufgrund von Montagefehlern einer Lichtquelle, eines Objektivs usw. auf ein Mindestmaß zu verringern.

Für den unmittelbaren Spurverfolgung-Antrieb des Objektivs muß dieses möglichst klein und leicht ausgebildet sein, während sein Arbeitsabstand ausreichend groß gehalten werden, damit es nicht mit der Platte in Berührung kommt, auch wenn während der Drehung der Platte Oberflächenabweichungen ("Schlag") an dieser auftreten.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird in der Praxis eine Linsengruppe angewandt, die 3 oder 4 sphärische Glaslinsen aufweist, deren Brennweite 4-5 mm beträgt und deren Arbeitsabstand bei etwa 2 mm liegt. Eine solche Linsengruppe enthält jedoch zahlreiche Einzellinsen, und bei ihrer Herstellung ist es schwierig, die erforderliche Beugungsgrenzen-Leistung zu erreichen. Zudem ist dabei eine Senkung der Fertigungskosten schwierig.

Unter den gegebenen Bedingungen beläuft sich mithin der Kostenanteil des Objektivs auf einen großen Prozentsatz der Kosten für die regenerativenn optischen Systeme für Videoplatten und digitale Audio- oder Tonträgerplatten. Für eine größere Verbreitung von Wiedergabegeräten für Videoplatten und digitale Audioplatten ist eine beträchtliche Kostensenkung bei den betreffenden Objektiven erforderlich.

In neuerer Zeit hat hat es sich als möglich erwiesen, eine Brechfläche asphärisch auszubilden und damit die Beugungsgrenzen-Leistung mit einer einzigen Linse zu erreichen, und es wurde bereits versucht, diese Tatsache für ein Wiedergabe-Objektiv für den genannten Zweck einzusetzen. Wenn bei einer solchen Einzellinse für die eine Brechfläche eine sphärische Fläche verwendet werden könnte, wäre dies für die Bearbeitung und Messung sehr vorteilhaft.

Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Objektivs ist z. B. aus den JP-OSen 17409/83, 68711/83 usw. bekannt. Bei diesen bisherigen Konstruktionen erfolgt jedoch die Spurverfolgung durch Verschwenken eines Galvanometers, wobei die erforderliche Korrektion von Aberration unterschiedlich und der Arbeitsabstand kurz ist. Bei der Anordnung nach der zuletzt genannten JP-OS ist die Korrektion der Sinusbedingung ungenügend.

Aus der DE-OS-33 26 196 ist ein Objektiv für Platten mit optischer Aufzeichnung bekannt, das eine Linse mit lichteintrittsseitig konvexer Oberfläche enthält, wobei beide Linsenflächen als asphärische Oberflächen ausgebildet sind.

Die asphärische Fläche wird dabei durch folgende Formel beschrieben:



Hierbei ist mindestens ein Glied sechster Ordnung der Einfallshöhe vorhanden. Das bekannte Objektiv erfüllt weiterhin die Bedingungen:



Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines insbesondere für Spurverfolgung unmittelbar angetriebenen Objektivs, bei dem die eine Fläche asphärisch ausgebildet ist, um damit die axiale Aberration (on-the-axis aberration) innerhalb einer Beugungsgrenze zu korrigieren und außerdem die Sinusbedingung bis zu dem Grad zu korrigieren, bei dem im praktischen Einsatz kein Problem auftritt.

Diese Aufgabe wird bei einem Objektiv für optische Platten, mit einer positiven bzw. sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zum Objekt bzw. zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, dadurch gelöst, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:



worin bedeuten:

f = Brennweite des Gesamtsystems

n = Brechungsindex der Linse

r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung einer Fläche an der Objektseite

NA = numerische Apertur oder Öffnung der Linse

Δ1 = Differenz in einer Richtung der optischen Achse an der äußersten Randposition des effektiven Durchmessers der asphärischen Fläche, zwischen der asphärischen Fläche an der Objektseite und der einen Krümmungsradius r&sub1; besitzenden sphärischen Bezugsfläche, die den Scheitel der asphärischen Fläche berührt,

wobei Δ1 positiv ist, wenn sich der Krümmungsradius der asphärischen Fläche in Richtung von der optischen Achse hinweg abschwächt bzw. verkleinert.

Insbesondere wird die Aufgabe aber durch die in den Ansprüchen angegebenen Objektive gelöst.

Bedingung (1) dient zur Korrektion der Sinusbedingung, um diese für den praktischen Gebrauch in einen guten Zustand zu bringen. Wenn dieser Wert die obere Grenze (in Richtung auf einen großen Wert) überschreitet, ist die Sinusbedingung überschritten. Um diesen Zustand zu korrigieren, muß die Linsendicke stark vergrößert werden. Wenn dieser Wert andererseits die untere Grenze (in Richtung auf einen kleinen Wert) unterschreitet, ist die Sinusbedingung unterschritten.

Bedingung (2) dient zur Minimierung der Krümmung in einer mittleren Ringzone der Sinusbedingung. Wenn der Wert in Richtung auf eine kleine Größe die untere Grenze unterschreitet, vergrößert sich die Sinusbedingung stark in Richtung auf die Unterschreitung an der mittleren Ringzone.

Bedingung (3) dient zur Regulierung der Größe der Asphärizität an der äußersten Endseite des effektiven Durchmessers (ausgedrückt als NA.f) der objektseitigen Fläche. Wenn dieser Wert den oberen Grenzwert in Richtung auf einen großen Wert überschreitet, ist die sphärische Aberration überschritten; wenn dagegen dieser Wert die untere Grenze unterschreitet, ist die sphärische Aberration unterschritten.

Bezüglich der Dicke d der Linse sollte vorzugsweise die folgende Bedingung erfüllt sein:

0,2 < d/f < 0,75 (4)

Wenn dieser Wert die obere Grenze übersteigt, ist dies für die Korrektion von Astigmatismus vorteilhaft, doch wird dabei der Arbeitsabstand klein, so daß dies für die Anwendung bei einem regenerativen optischen System, d. h. einem optischen Wiedergabesystem, bei dem ein Objektiv für Spurverfolgung unmittelbar angetrieben wird, nachteilig ist. Wenn dieser Wert dagegen die untere Grenze unterschreitet, wird im Fall einer großen Apertur von NA=0,45- 0,50 die Enddicke der Linse klein so daß die Linse schwierig herstellbar ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Objektivs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 bis 7 Aberrationskurven für sechs verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

In den folgenden Tabellen besitzen die Symbole folgende Bedeutungen: r1=Krümmungsradius der objektseitigen Fläche; r2=Krümmungsradius der bildseitigen Fläche; d=axiale Dicke der Linse; n=Brechnungsindex der Linse; γd=Abbesche Zahl auf der Linie d; dc=axiale Dicke des Deckglases C (Brechungsindex des Deckglases für Licht der Wellenlänge von 780 nm: 1,51072); M=Vergrößerung; WD=Arbeitsabstand. In rechteckigen Achsenkreuzen (Koordinaten) (X, Y, Z), mit einem Scheitel der Fläche als Ausgangspunkt und mit einer Richtung der optischen Achse als Achse X zugrundegelegt, bestimmt sich die asphärische Form der ersten Fläche durch:



Darin bedeuten: K=konische Konstante; A&sub1;, A&sub2;, A&sub3;, A&sub4;=asphärischer Koeffizient; P&sub1;, P&sub2;, P&sub3;, P&sub4;= Exponent der asphärischen Fläche.

Dabei gilt:

l = XSP - XAS

mit



Ausführungsform 1



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-4,52123D-01 A1=-5,40998D-03 P1= 4,0000 A2=-2,36933D-02 P2= 6,0000 A3=-2,41649D-02 P3= 3,0000 A4=-4,63059D-02 P4=10,0000


r&sub1;/nf = 0,4141 d/f = 0,3333



Ausführungsform 2



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-4,19384D-01 A1=-3,73982D-02 P1= 4,0000 A2=-7,06491D-02 P2= 6,000 A3=-6,62687D-02 P3= 8,0000 A4=-1,41617D-01 P4=10,0000


r&sub1;/nf = 0,4142 d/f = 0,3333



Ausführungsform 3



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-4,24200D-01 A1=-4,75156D-02 P1= 4,0000 A2=-9,04006D-02 P2= 6,0000 A3=-8,79901D-02 P3= 8,0000 A4=-1,72387D-01 P4=10,0000


r&sub1;/nf = 0,4125 d/f = 0,3333



Ausführungsform 4



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-3,99415D-01 A1=-2,12212D-02 P1= 4,0000 A2=-3,98149D-02 P2= 6,0000 A3=-3,65016D-02 P3= 8,0000 A4=-6,67369D-02 P4=10,0000


r&sub1;/nf = 0,4220 d/f = 0,4444



Ausführungsform 5



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-7,86967D-01 A1=6,75680D-02 P1= 4,0000 A2=1,44711D-02 P2= 6,0000 A3=-9,21497D-03 P3= 8,0000 A4=-1,44904D-02 P4=10,0000


f&sub1;/nf = 0,4429 d/f = 0,6667



Ausführungsform 6



Asphärischer Koeffizient, Exponent

Erste Fläche

K=-5,22808D-01 A1=1,70286D-02 P1= 4,0000 A2=-2,00054D-03 P2= 6,0000 A3=-8,76135D-03 P3= 8,0000 A4=-1,85863D-02 P4=10,0000


r&sub1;/nf = 0,4074 d/f = 0,2222



Unabhängig davon, daß das erfindungsgemäße Objektiv gemäß Fig. 1 einen äußerst einfachen Aufbau besitzt, ist die sphärische Aberration, einschließlich eines Deckglases C, wie aus den Aberrationskurven von Fig. 2 bis 7 hervorgeht, nahezu vollständig korrigiert, während die Sinusbedingungen ebenfalls in demselben Ausmaß wie bei bisherigen sphärischen Glaslinsen oder -objektiven mit drei Linsengliedern korrigiert sind.

Außerdem ist dabei der Arbeitsabstand mit mehr als 0,45f groß und damit für ein optisches Wiedergabesystem, bei dem ein Objektiv für Spurverfolgung unmittelbar angetrieben wird, gut geeignet.

Bei einem Objektiv mit einer Beugungsgrenzen-Leistung muß die Oberflächengenauigkeit der asphärischen Fläche mit einer Genauigkeit entsprechend 1/10 Wellenlänge oder weniger gemessen werden. Bei einer Einzellinse, bei der die Sinusbedingungen gut korrigiert sind, welche die Beugungsgrenzen-Leistung besitzt und bei der nur eine Fläche asphärisch ausgebildet ist, können dagegen die Oberflächengenauigkeit einer aus einer sphärischen Fläche gebildeten (Ober-)Fläche, der Krümmungsradius, die axiale Linsendicke und der Brechungsindex einfach gemssen werden. Sofern diese Einzelheiten innerhalb der Toleranz liegen, kann mit der erforderlichen Genauigkeit die Flächengenauigkeit der asphärischen Fläche anhand der mittels eines Interferometers o. dgl. gemessenen axialen Leistung der Linse vorausbestimmt werden. Hierdurch wird in äußerst vorteilhafter Weise die Verwendung einer aufwendigen Meßvorrichtuung für asphärische Flächen unnötig.


Anspruch[de]
  1. 1. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,75570f, r2 = 7,20604f, n = 1,82496, νd = 23,8,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K=-4,52123D-01 A1=-5,40998D-03 P1= 4,000 A2=-2,36933D-02 P2= 6,000 A3=-2,41649D-02 P3= 8,000 A4=-4,63059D-02 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  2. 2. Objektiv nach Anspruch 1, mit



  3. 3. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, mit

    f = 1,0 und d = 0,3333.
  4. 4. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,71995f, r2 = 23,46794f, n = 1,73814, νd = 27,5,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K=-4,19384D-01 A1=-3,73982D-02 P1= 4,000 A2=-7,06491D-02 P2= 6,000 A3=-6,62687D-02 P3= 8,000 A4=-1,31617D-01 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  5. 5. Objektiv nach Anspruch 4, mit



  6. 6. Objektiv nach Anspruch 4 oder 5, mit f=1,0 und d=0,3333.
  7. 7. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,70214f, r2 = ∞f, n = 1,70214, νd = 29,5,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K=-4,24200D-01 A1=-4,75156D-02 P1= 4,000 A2=-9,04006D-02 P2= 6,000 A3=-8,79901D-02 P3= 8,000 A4=-1,72387D-01 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  8. 8. Objektiv nach Anspruch 7, mit



  9. 9. Objektiv nach Anspruch 7 oder 8, mit f = 1,0 und d = 0,3333.
  10. 10. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,77006f, r2 = 8,55304f, n = 1,82496, νd = 23,8,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K = -3,99415D-01 A1=-2,12212D-02 P1= 4,000 A2=-3,98149D-02 P2= 6,000 A3=-3,65016D-02 P3= 8,000 A4=-6,67369D-02 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  11. 11. Objektiv nach Anspruch 10, mit



  12. 12. Objektiv nach Anspruch 10 oder 11, mit f = 1,0 und d = 0,4444.
  13. 13. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,80831f, r2 = 25,11574f, n = 1,82496, νd = 23,6,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K=-7,86967D-01 A1=6,75680D-02 P1= 4,000 A2=1,44711D-02 P2= 6,000 A3=-9,21497D-03 P3= 8,000 A4=-1,44904D-02 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  14. 14. Objekt nach Anspruch 13, mit



  15. 15. Objekt nach Anspruch 13 oder 14, mit f = 1,0 und d = 0,6667.
  16. 16. Objektiv für optische Platten, mit einer sammelnden Meniskuslinse oder einer flachkonvexen Linse, die eine zur Bildseite gerichtete Konvexfläche und eine objektseitige asphärische Fläche aufweist, mit folgenden Daten:

    r1 = 0,74344f, r2 = 6,50725f, n = 1,82496, νd = 23,8,

    wobei die Bedingung:



    erfüllt ist, und wobei die Form der asphärischen Fläche in einem kartesischen (x,y,z)-Koordinatensystem mit dem Flächenscheitel als Ursprung und mit in Richtung der optischen Achse verlaufender x-Achse bestimmt ist durch:



    mit:



    und:

    K=-5,22808D-01 A1=1,70286D-02 P1= 4,000 A2=-2,00054D-03 P2= 6,000 A3=-9,76135D-03 P3= 8,000 A4=-1,85863D-02 P4=10,000


    und worin bedeuten:

    d = axiale Dicke der Linse

    f = Brennweite des Gesamtsystems

    n = Brechungsindex der Linse

    r&sub1; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Objektseite

    r&sub2; = Scheitelradius der Krümmung der Fläche an der Bildseite

    A = asphärischer Koeffizient

    K = konische Konstante

    P = Exponent der asphärischen Fläche

    νd = Abbesche Zahl auf der Linie d.
  17. 17. Objektiv nach Anspruch 16, mit



  18. 18. Objektiv nach Anspruch 16 oder 17, mit f = 1,0 und d = 0,2222.






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