Настоящее изобретение относится к линзе объектива и устройству оптического датчика, который имеет линзу объектива и установлен для считывания и записи информационного сигнала в и из оптической записывающей среды, такой как оптический диск, магнитооптический диск или оптическая карта.
До сих пор для хранения данных информации динамического изображения, речевой информации и компьютерных данных широко используются оптические записывающие среды, такие как оптические диски, магнитооптические диски и оптические карты, которые можно легко изготовить, а их стоимость уменьшить. В последние годы существует большая необходимость в повышении плотности информационных сигналов, которые можно записывать, и в увеличении емкости запоминающего устройства, что необходимо для быстрого прогресса информационного общества.
Эффективными средствами для увеличения плотности информационных сигналов, которые можно записывать на оптическую записывающую среду упомянутого типа, являются выбор более низкой длины волны лазерного луча, предназначенного для считывания информационного сигнала, и увеличение NA {т.е. использование линзы объектива, имеющего высокое NA (числовая апертура)} линзы объектива для обеспечения сходимости лазерных лучей в одну точку в оптической записывающей среде. Причиной этому является то, что минимальный размер пятна луча, который получается в результате фокусировки лазерных пучков, нельзя уменьшить до λ/NA (λ - длина волны лазерного луча) или меньше.
Для уменьшения длины волны лазерного луча были разработаны "синий" лазерный диод, "синий" лазер с преобразованием во вторую гармонику (SHG) и "зеленый" лазер с SHG. С другой стороны, увеличить NA линзы объектива пытаются с помощью создания линзы объектива для так называемого "цифрового видеодиска (DVD)" (цифровой оптический диск", применяемый для видеосигнала) с плотностью записи выше, чем у так называемого "компактного диска (CD)" (цифровой оптический диск, применяемый для звукового сигнала или компьютерных данных), со значением NA, равным 0,6 (для сравнения значение NA "компактного диска (CD)" составляет 0,45). Линзу объектива оптического диска делают в виде одиночной асферической линзы (моноцитная асферическая линза), которая изготавливается из синтетической смолы или стекла.
Для устранения влияния кома-аберрации, возникающей из-за наклона "цифрового видеодиска (DVD)", подложку "цифрового видеодиска (DVD)" изготавливают с толщиной 0,6 мм, которая составляет половину от толщины подложки "компактного диска" и толщины магнитооптического диска.
Для дополнительного увеличения плотности записи информационных сигналов, подлежащих записи, по сравнению с плотностью записи, реализуемой при помощи "цифрового видеодиска (DVD)", требуется линза объектива со значением NA более 0,6.
Однако для изготовления линзы объектива со значением NA не менее 0,7 должны быть удовлетворены различные требования.
Недостатком линзы объектива с высоким NA является хроматическая аберрация, которая возникает случайным образом при изменении длины волны полупроводникового лазера (перескок вертикальной моды, который происходит при изменении температуры окружающей среды). Поскольку известная моноцитная линза объектива имеет значение NA не выше 0,6, при котором хроматическая аберрация образуется незначительно, линзу вышеупомянутого типа можно изготовить из оптического стекла, число Аббе которого составляет 50 или меньше, и которая поэтому имеет относительно высокое рассеяние и высокую преломляющую способность. Так как стоимость оптического стекла, имеющего высокое рассеяние и частоту, можно уменьшить, то вышеупомянутое оптическое стекло может удовлетворить требованиям массового производства. Поэтому широко используется вышеупомянутый материал.
Однако линзы объектива с высоким NA типа, которые имеют значение NA 0,7 или выше, обладают большой хроматической аберрацией, если вышеупомянутую линзу объектива изготавливают из оптического стекла с высоким рассеянием. В этом случае происходит сильная дефокусировка на поверхности оптического диска, на которую записывается сигнал. Поэтому хроматическую аберрацию необходимо устранять при помощи использования стекла с низким рассеянием.
Поскольку основная доля оптического стекла с низким рассеянием имеет низкий коэффициент преломления, кривизна поверхности является чрезмерно большой, если линза объектива изготавливается с малым фокусным расстоянием и высоким NA. В этом случае, пресс-форму для изготовления линзы нельзя легко изготовить на станке. Настоящий уровень обработки на станке асферической поверхности не позволяет точно изготовить пресс-форму с использованием алмазного инструмента, если угол θ, образованный между контактной поверхностью асферической поверхности и плоскостью, перпендикулярной оптической оси, составляет более 50 градусов (известно, что хорошие линзы получаются, когда угол θ составляет приблизительно 55 градусов или меньше).
Однако линза объектива, имеющая короткое фокусное расстояние и высокое NA, обычно конструируется так, чтобы иметь вышеупомянутый угол θ более 55 градусов. В этом случае, при изготовлении пресс-формы или линзы значительно уменьшается допустимая децентровка расстояния между двумя сторонами линзы. Таким образом, эффективность изготовления значительно снижается.
Поэтому можно рассматривать возможность использования дуплетной линзовой структуры для распределения кривизны по четырем поверхностям. Однако даже в линзе дуплета, с помощью которого пытаются сохранить достаточно большое рабочее расстояние, имеется поверхность с чрезвычайно малым радиусом кривизны. Более того, при изготовлении линзы будет уменьшаться допустимая децентровка между поверхностями линзы и допустимым углом поля. Таким образом значительно снижается эффективность изготовления. Уменьшение апертуры линзы объектива, то есть диаметра линзы объектива, является важным фактором, потому что такое уменьшение позволяет сократить размер оптического датчика и получить, таким образом, экономическую выгоду. Сохранение достаточно длинного рабочего расстояния является важным фактором для предотвращения контакта между линзой объектива и оптическим диском, который вращается с высокой скоростью.
Поэтому дуплетная линза объектива должна содержать линзу с малой кривизной поверхности, которую можно изготовить без снижения эффективности.
Хотя линзу объектива можно сделать с малой кривизной, и таким образом повысить эффективность изготовления линзы объектива, если апертура линзы объектива увеличивается, то вес части, включающей линзу объектива, также увеличивается. В этом случае нельзя снизить размер устройства оптического датчика. Кроме того, должна быть улучшена работа актюатора (механизма управления линзой объектива), который перемещает линзу объектива вслед за оптическим диском. В этом случае нельзя уменьшить размер и стоимость устройства оптического датчика.
Если используется линза объектива с высоким NA, появляется другая проблема, заключающаяся в том, что радиочастотный (RF) сигнал искажается даже при малой величине перекоса диска и нельзя легко воспроизвести сигнал с оптического диска из-за кома-аберрации, которая возникает случайным образом при перекосе оптического диска и увеличивается пропорционально кубу NA.
Учитывая вышесказанное, задачей настоящего изобретения является получение линзы объектива с достаточно большой числовой апертурой NA, позволяющей достаточно точно корректировать хроматическую аберрацию, и которую можно легко изготовить.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка устройства оптического датчика, имеющего линзу объектива согласно настоящему изобретению и размещенного с возможностью удовлетворительной записи и считывания информационного сигнала в и из оптической записывающей среды.
Чтобы выполнить вышеупомянутые задачи, настоящее изобретение имеет такую конструкцию, что хроматическая аберрация линзы дуплета, которая имеет высокое NA (числовая апертура), устраняется при помощи использования оптического стекла с низким рассеянием, имеющим число Аббе 40 или больше, и пригодного для изготовления двухлинзовых элементов. Чтобы уменьшить диаметр апертуры или получить достаточно большое рабочее расстояние, первое средство устанавливается таким образом, что линза, имеющая более низкий радиус кривизны, изготавливается из оптического стекла с коэффициентом преломления выше, чем коэффициент преломления у оптического стекла, использующегося для изготовления линз, имеющих более высокий радиус кривизны. Таким образом, можно получить более высокий радиус кривизны и избежать снижения эффективности изготовления. Поскольку оптическое стекло, предназначенное для изготовления линзы с более низким радиусом кривизны, имеет в этом случае большое рассеяние длины волны, этот недостаток отчасти устраняется с помощью коррекции хроматической аберрации. Второе средство размещается так, чтобы ограничить диаметр апертуры значением 4,5 мм или менее для того, чтобы уменьшить апертуру и размер устройства оптического датчика. Когда используются апертуры со значением 4,5 мм или менее, то предпочтительные области для NA (числовая апертура), диаметра апертуры и рабочего расстояния ограничиваются, чтобы предотвратить большую кривизну. Таким образом, можно предотвратить снижение эффективности изготовления. Вышеупомянутые линзы имеют кривизну поверхности, наклон (отклонение) и допустимую децентровку, которые удовлетворяют области значений, в пределах которых можно изготовить линзу. Полученная таким образом линза может иметь оптимальное распределение мощности преломляющегося света для двух линзовых элементов линзы дуплета. Распределение мощности преломляющегося света можно оптимизировать, потому что допустимое отклонение на изготовление линзы можно значительно увеличить, если отношение F1/F фокусного расстояния F1 линзового элемента, расположенного рядом с объектом (расположенного рядом с источником света) к фокусному расстоянию F всей системы линзовых элементов удовлетворяет следующему соотношению:
1,7<(F1/F)<2,5.
Устройство оптического датчика (система линзовых элементов с высоким значением NA), имеющее линзу объектива с высоким значением NA, устанавливается так, чтобы соответствовать наклону (перекосу диска) оптической записывающей среды посредством уменьшения толщины прозрачной подложки (подложка диска) для предотвращения образования кома-аберрации.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения выполнена линза объектива, содержащая два линзовых элемента, изготовленных из оптического стекла с числом Аббе 40 или более на d-линии и со структурой дуплета, в которой, по меньшей мере, любая из поверхностей выполнена в виде асферической поверхности и числовая апертура составляет 0,7 или более.
Устройство оптического датчика согласно настоящему изобретению имеет такую конструкцию, в которой число Аббе оптического стекла, из которого изготовлены два линзовых элемента, на d-линии составляет 60 или больше и числовая апертура составляет 0,8 или более.
Линза объектива согласно настоящему изобретению выполнена с предположением, что коэффициент преломления оптического стекла, из которого изготовлен один из линзовых элементов, в котором угол, образованный между тангенциальной плоскостью в плоскости периферии линзового элемента и плоскостью, перпендикулярной к оптической оси, больше, чем соответствующий угол в другом линзовом элементе, составляет n1 и коэффициент преломления оптического стекла, из которого сделан другой линзовый элемент, составляет n1, при этом справедливо следующее соотношение:
n1>n2.
Линза объектива согласно настоящему изобретению имеет такую структуру, в которой при условии, что диаметр падающего лазерного луча BW, рабочее расстояние WD и числовая апертура NA, справедливы следующие соотношения:
если 1,0≤BW<4,5, 0,05≤WD и 0,7≤NA <0,8, то WD≤0/25676BW + 0,039189,
если 0,8≤NA<0,9, то WD≤0/14054BW-0,064865, и
если 0,9≤NA, то WD≤0,096429BW-0,244640.
Линза объектива согласно настоящему изобретению имеет такую структуру, что отношение F1/F фокусного расстояния F1 линзового элемента, расположенного на стороне, на которую падает лазерный луч, и фокусного расстояния F всей системы линзовых элементов удовлетворяет следующему соотношению:
1,7<(F1/F)<2,5.
Линза объектива согласно настоящему изобретению имеет такую структуру, что аберрация линзы объектива корректируется, чтобы соответствовать толщине Т прозрачной подложки оптической записывающей среды, которая расположена на поверхности записи сигнала и поддерживает упомянутую поверхность записи сигнала, при этом толщина Т удовлетворяет следующим соотношениям:
если 0,7≤NA (числовая апертура)<0,8, то Т≤0,32 мм,
если 0,8≤NA<0,9, то Т≤0,20 мм, и
если 0,9≤NA, то Т≤0,11 мм.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения выполнено устройство оптического датчика, согласно настоящему изобретению содержащее источник света и линзу объектива, предназначенную для сведения в одну точку лазерного луча, излучаемого источником света на поверхность записи сигнала оптической записывающей среды, в которой линза имеет два линзовых элемента, изготовленных из оптического стекла с числом Аббе 40 или больше на d-линии и имеющих структуру дуплета, причем, по меньшей мере, каждая поверхность выполнена в виде асферической поверхности и числовая апертура составляет 0,7 или более.
Устройство оптического датчика согласно настоящему изобретению выполнено так, что число Аббе на d-линии оптического стекла, из которого изготовлены два линзовых элемента, равно 60 или более и числовая апертура составляет 0,8 или более.
Другие задачи, особенности и преимущества изобретения будут очевидны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, описанных вместе с прилагаемыми чертежами.
Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее устройство оптического датчика согласно настоящему изобретению, изготовленного из оптического стекла, имеющего число Аббе, равное 50 или менее;
фиг.2 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг.1);
фиг. 3 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 1);
фиг. 4 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.1);
фиг. 5 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.1);
фиг. 6 изображает график, показывающий боковую аберрацию (по оси) линзы объектива (фиг.1);
фиг. 7 изображает график, показывающий MTF (модуляционная передаточная функция) линзы объектива (фиг.1);
фиг.8 изображает график, показывающий PSF линзы объектива (фиг.1);
фиг.9 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру элемента линзы объектива согласно настоящему изобретению, имеющего более высокую кривизну;
фиг. 10 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 9);
фиг.11 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 9);
фиг. 12 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.9);
фиг. 13 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.9);
фиг. 14 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.9);
фиг.15 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее строение конструкции, показывающей верхний предел линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 16 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 15);
фиг.17 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 15);
фиг. 18 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.15);
фиг. 19 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.15);
фиг. 20 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.15);
фиг. 21 изображает график, показывающий перескок моды в одномодовом лазерном диоде;
фиг. 22 изображает график, показывающий предпочтительные области направления луча, рабочее расстояние и NA (в случае, когда NA = 0,7);
фиг. 23 изображает график, показывающий предпочтительные области направления луча, рабочее расстояние и NA (в случае, когда NA = 0,8);
фиг. 24 изображает график, показывающий предпочтительные области направления луча, рабочее расстояние и NA (в случае, когда NA = 0,9);
фиг. 25 изображает график, показывающий распределение размера пыли на оптическом диске;
фиг.26 изображает гистограмму отношения F1/F фокусного расстояния в примере конструкции, в которой допуск на структуру является достаточно большим;
фиг. 27 изображает график, показывающий волновую поверхность пятна луча, при перекосе диска DVD (цифровой видеодиск), равным 0,4 градуса;
фиг.28 изображает график, показывающий толщину подложки оптического диска, которая создает аберрацию волнового фронта, аналогично аберрации (фиг. 27);
фиг.29 изображает вид сбоку, показывающий основную часть устройства оптического датчика согласно настоящему изобретению;
фиг. 30 изображает вид сбоку, показывающий основную часть структуры первого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 31 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 30);
фиг.32 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 30);
фиг.33 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.30);
фиг. 34 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.30);
фиг. 35 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.30);
фиг. 36 изображает график, показывающий MTF (модуляционная передаточная функция) линзы объектива (фиг.30);
фиг. 37 изображает график, показывающий (модуляционную передаточную функцию) линзы объектива (фиг.30);
фиг. 38 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру второго варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 39 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 38);
фиг.40 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 38);
фиг. 41 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.38);
фиг. 42 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.38);
фиг. 43 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.38);
фиг. 44 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру третьего варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 45 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 44);
фиг.46 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 44);
фиг. 47 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.44);
фиг. 48 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.44);
фиг. 49 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.44);
фиг. 50 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру четвертого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 51 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 50);
фиг.52 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 50);
фиг. 53 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.50);
фиг. 54 изображает график, показывающий боковую аберрацию(угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.50);
фиг. 55 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.50);
фиг. 56 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру пятого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 57 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 56);
фиг.58 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 56);
фиг. 59 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.56);
фиг. 60 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.56);
фиг. 61 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.56);
фиг. 62 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру шестого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 63 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 62);
фиг.64 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 62);
фиг. 65 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.62);
фиг. 66 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.62);
фиг. 67 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.62);
фиг. 68 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру седьмого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 69 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 68);
фиг.70 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 68);
фиг. 71 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.68);
фиг. 72 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.68);
фиг. 73 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.68);
фиг. 74 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру восьмого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 75 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 74);
фиг.76 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 74);
фиг. 77 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.74);
фиг. 78 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.74);
фиг. 79 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.74);
фиг. 80 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру девятого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 81 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 80);
фиг.82 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 80);
фиг. 83 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.80);
фиг. 84 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.80);
фиг. 85 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.80);
фиг. 86 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру десятого варианта осуществления изобретения согласно настоящему изобретению;
фиг. 87 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 86);
фиг.88 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 86);
фиг. 89 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.86);
фиг. 90 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.86);
фиг. 91 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.86);
фиг. 92 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру одиннадцатого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 93 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 92);
фиг.94 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг. 92);
фиг. 95 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.92);
фиг. 96 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.92);
фиг. 97 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива, (фиг.92);
фиг. 98 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру двенадцатого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 99 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 98);
фиг. 100 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг.98);
фиг. 101 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.98);
фиг. 102 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.98);
фиг.103 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.98);
фиг. 104 изображает вертикальное поперечное сечение, показывающее структуру тринадцатого варианта осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению;
фиг. 105 изображает график, показывающий дисторсию линзы объектива (фиг. 104);
фиг. 106 изображает график, показывающий астигматизм линзы объектива (фиг.104);
фиг. 107 изображает график, показывающий сферическую аберрацию линзы объектива (фиг.104);
фиг. 108 изображает график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) линзы объектива (фиг.104); и
фиг.109 изображает график, показывающий боковую аберрацию (на оси) линзы объектива (фиг.104).
Ниже описываются варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи в следующем порядке.
1. Схематическая конструкция линзы объектива.
2. Линза типа, использующего оптическое стекло с низким рассеянием, которое имеет число Аббе vd не менее 40 (vd≥40) на d-линии, в качестве оптического стекла двухлинзовых элементов.
3. Линза, удовлетворяющая условию n1>n2 при предположении, что n1 - коэффициент преломления линзы с более низким радиусом кривизны и n2 - коэффициент преломления линзы с более высоким радиусом кривизны.
4. Линза с диаметром луча BW и рабочим расстоянием WD имеет следующие ограничения:
если 1,0≤BW<4,5, 0,05≤WD и 0,7≤NA (числовая апертура) <0,8, то
WD≤0,25676BW + 0,039189,
если 0,8≤NA≤0,9, то
WD≤0,14054BW-0,064865, и
если 0,9≤NA, то
WD≤0,096429BW-0,244640
4-1. Верхний предел диаметра луча
4-2. Нижний предел рабочего расстояния
4-3. Верхний предел рабочего расстояния
5. Линза, в которой отношение (F1/F) фокусного расстояния F1 линзы, расположенной рядом с объектом (расположенной рядом с источником света), и фокусного расстояния F всей системы удовлетворяет условию 1,7<(F1/F)<2,5.
6. Линза, которую корректируют, чтобы она соответствовала толщине Т прозрачной подложки оптической записывающей среды, удовлетворяет условиям:
если 0,7≤NA (числовая апертура)<0,8, то
Т≤0,32 мм,
если 0,8≤NA<0,9, то
Т≤0,20 мм, и
если 0,9≤NA, то
Т≤0,11 мм.
7. Структура устройства оптического датчика.
8. Модификация
1. Схематическая конструкция линзы объектива
Линза объектива согласно настоящему изобретению является дуплетной линзой (два элемента в двух группах), имеющей, по меньшей мере, каждую сторону, выполненную на сферической поверхности, как показано на фиг.1 и в таблице 1, причем линза объектива согласно настоящему изобретению имеет высокое NA (числовая апертура) линзы объектива с NA, равным 0,7 или больше. То есть, линза объектива согласно настоящему изобретению содержит первую линзу 3, расположенную рядом с объектом (рядом с источником света) и вторую линзу 4, расположенную рядом с изображением (оптическая записывающая среда). Параллельная плоская пластина 5, соответствующая транспаранту оптической записывающей среды, выполнена для линзы объектива согласно настоящему изобретению в положении находящемся рядом с изображением.
Линза объектива согласно настоящему изобретению представляет собой так называемую линзу с бесконечным фокусом, имеющую точку объекта (OBJ) (источник света), которая позиционируется в положение на бесконечно удаленное расстояние. Световой луч, который выходит из точки объекта, формируется в параллельный пучок и затем следует, проходя через диафрагму (STO) 2 так, чтобы лазерный луч, падающий под наклоном на первую поверхность S1 (поверхность падения первой линзы 3). Лазерный луч затем выходит из второй поверхности S2 (излучающая поверхность первой линзы 3), и затем падает на третью поверхность S3 (поверхность падения второй линзы 4). Лазерный луч затем выходит из четвертой поверхности S4 (излучающая поверхность второй линзы 4) и затем падает на пятую поверхность S5 (поверхность падения параллельной плоской пластины 5). Лазерный луч затем формирует изображение в точке изображения (IMG) на шестой поверхности S6 (излучающая поверхность параллельной плоской пластины 5).
На фиг.2 изображен график, показывающий дисторсию линзы объектива согласно настоящему изобретению, на фиг.3 изображен график, показывающий астигматизм той же самой линзы объектива, на фиг.4 изображен график, показывающий сферическую аберрацию той же самой линзы объектива. На фиг.5 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса), и на фиг. 6 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси).
2. Линза, в которой используется тип оптического стекла, имеющий низкое рассеяние и число Аббе vd не менее 40 (vd≥40) на d-линии, в качестве оптического стекла двухлинзовых элементов.
Поскольку линза объектива согласно настоящему изобретению реагирует на изменение длины волны полупроводникового лазера, который является источником света, потому что линза объектива согласно настоящему изобретению имеет высокое NA, то необходимо осуществлять коррекцию хроматической аберрации. Хроматическая аберрация является аберрацией, которая возникает из-за того, что коэффициент преломления оптического стекла изменяется в зависимости от длины волны света. Положение и размер изображения становятся различными в зависимости от длины волны.
Поскольку известная линза объектива с низким NA, предназначенная для использования в оптических дисках, таких как известный CD(компактный диск) или лазерный принтер, не создает большую хроматическую аберрацию, то широко используется оптическое стекло (число Аббе менее 40). Причина этого заключается в том, что вышеупомянутое оптическое стекло можно легко изготовить и таким образом осуществить выпуск массовой продукции.
Однако линзовая система имеет более высокую мощность преломляющегося света, пропорциональную NA, и таким образом, возникает случайным образом значительная хроматическая аберрация при изменении коэффициента преломления, которая образуется при изменении длины волны. Кроме того, хроматическая аберрация возникает в значительной степени в системах, имеющих большое фокусное расстояние.
С другой стороны, в полупроводниковых лазерах встречается перескок моды (фиг. 21), зависящий от изменения температуры лазерного диода, и, таким образом, быстро изменяется выходная длина волны. Если хроматическая аберрация возникает в линзе объектива, то дефокусировка, происходящая случайным образом при перескоке мод, не может следовать и перемещаться за двухосевым актюатором, использующимся для перемещения линзы объектива.
Соответственно, линза должна быть изготовлена из оптического стекла с низким рассеянием для предотвращения образования хроматической абберации. Линза объектива (фиг.1 и таблица 1), выполненная так, как описано выше, содержит первую и вторую линзы 3 и 4, каждая из которых имеет число Аббе vd, равное 40,5, и коэффициент преломления 1,73. Когда величина отверстия ограничивается диафрагмой 2, дефокусировка, связанная с изменением длины волны полупроводникового лазера на 0,5 нм, составляет 0,478 мкм при NA, равном 0,8.
На фиг. 7 изображена MTF (модуляционная передаточная функция) в направлении оптической оси в случае, когда пространственная частота составляет 80 мм-1, и на фиг.8 изображена PSF (функция интенсивности в точке).
Если линза объектива с высоким NA, адаптированная для оптического диска, который служит в качестве оптической записывающей среды, создает фокусировку более 0,496 мкм, которая составляет половину фокальной глубины 0,992 нм в случае, когда длина волны полупроводникового лазера изменяется на Р-Р10 нм (±5 нм), то пятно от луча, падающего на поверхность записи сигнала оптического диска, нельзя полностью диафрагмировать. Когда длина волны изменяется на Р-Р10 нм (±5 нм), линза, изготовленная из оптического стекла (фиг.1) с числом Аббе vd, равным 40,5, создает дефокусировку 0,475 мкм, которая по существу является допустимой дефокусировкой. Поэтому настоящее изобретение выполнено так, чтобы нижний предел правильного числа Аббе vd оптического стекла, из которого изготовлена линза, составлял 40 для предотвращения хроматической абберации. Предпочтительно, чтобы верхний предел числа Аббе vd имел большое значение для предотвращения хроматической абберации. Поэтому для эффективного предотвращения хроматической абберации настоящее изобретение выполнено так, что область значений для числа Аббе vd оптического стекла, предназначенного для изготовления линзы, имеющей NA 0,7 или более, составляет 40 или более.
В первом варианте осуществления, который будет описан позже, рассматривается линза объектива, изготовленная из оптического стекла с большим числом Аббе (vd = 61,3). В этом случае хроматическую аберрацию можно предотвратить даже в случае, если увеличивается фокусное расстояние или NA.
3. Линза, удовлетворяющая условию n1>n2 при предположении, что коэффициент преломления линзы, имеющий более высокую кривизну, равен n1 и коэффициент преломления линзы, имеющий более низкую кривизну, составляет n2.
Даже в случае, если хроматическая абберация предотвращается при помощи использования вышеупомянутого оптического стекла с низким рассеянием, появляются следующие проблемы: кривизна линзы значительно увеличивается при изготовлении линзы, если используется оптическое стекло с низким рассеянием, имеющее низкий коэффициент преломления, потому что требуется большая величина коэффициента преломления для оптического стекла, из которого изготавливается линза объектива, имеющего высокое NA. В этом случае для увеличения коэффициента преломления и обеспечения более низкой кривизны оптическое стекло необходимо заменить.
Однако в этом случае уменьшается рассеяние имеющегося оптического стекла. Поэтому две линзы должны быть изготовлены их оптического стекла, имеющего число Аббе 40 или больше. Если для изготовления линзы с низкой кривизной используется оптическое стекло с более высоким числом Аббе, и если для изготовления линзы с высокой кривизной используется оптическое стекло, имеющее меньшее число Аббе (однако не меньше 40), можно предотвратить более значительно искажения хроматической абберации.
Состояние, в котором кривизна линзы является слишком высокой для ее изготовления, является состоянием, в котором угол θ, образованный между тангенсом (тангенциальной плоскостью) поверхности линзы в положении, при котором на нее падает лазерный луч, который имеет самую большую высоту среди падающих лазерных лучей, и перпендикуляром (плоскостью, перпендикулярной к оптической оси) к оптической оси превышает 55 градусов (65 градусов в случае, показанном на фиг.9) на поверхности (плоскость S3 в случае, показанном на фиг.9), имеющей самую высокую кривизну (фиг.9). В этом случае нельзя точно изготовить пресс-форму для изготовления вышеупомянутой линзы. Рассчетные значения линзы объектива (фиг.9) представлены в таблице 2.
На фиг.10 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.11 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг. 12 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг. 13 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг. 14 изображен график, показывающий боковую аберрацию на оси.
Как описано выше, кривизну линзы делают низкой для соответствия диапазону, в котором можно изготовить линзу с удовлетворительным предотвращением хроматической аберрации, чтобы повысить эффективность изготовления линзы.
Линза объектива, выполненная как описано выше, будет описана во втором варианте осуществления.
4. Линза, имеющая диаметр луча BW и рабочее расстояние WD, ограничена следующими соотношениями:
если 1,0≤BW<4,5, 0,05≤WD и 0,7≤NA (числовая апертура)<0,8, то
WD≤0,25676BW + 0,039189,
если 0,8≤NA<0,9, то
WD≤0,14054BW-0,064865, и
если 0,9≤NA, то
WD≤0,096429BW-0,244640.
В дуплетной линзе объектива, предназначенной для оптической записывающей среды, такой как оптический диск, требуется иметь более низкую апертуру (короткое фокусное расстояние) для того, чтобы уменьшить размер и стоимость устройства оптического датчика. Поскольку линза объектива согласно настоящему изобретению состоит из двух линзовых элементов, уменьшение размера апертуры является важным фактом. Причина этого заключается в том, что по сравнению с одноэлементной линзой, вес вышеупомянутой линзы увеличивается при увеличении апертуры.
При простом уменьшении апертуры линзы, имеющей большой диаметр, рабочее расстояние WD нежелательно сокращается. На практике иногда нельзя выполнить требуемое сокращение, потому что для предотвращения контакта между линзой объектива и пылью, расположенной на поверхности оптической записывающей среды, необходимо обеспечить рабочее расстояние, по меньшей мере, равное 50 мкм. Если обеспечивается удовлетворительное длинное рабочее расстояние, то значительно возрастает качество коррекции сферической аберрации. В этом случае коэффициент асферичности увеличивается и радиус кривизны поверхности быстро уменьшается. В результате уменьшается эффективность изготовления.
Предел уменьшения апертуры имеет разные значения в зависимости от величины NA, а также от рабочего расстояния. Это объясняется тем, что величина коррекции сферической аберрации изменяется в зависимости от NA линзы.
С точки зрения конструирования и изготовления линзы, можно легко изготовить линзу, имеющую улучшенные характеристики в случае, когда апертура является большой.
Поэтому ниже, со ссылками на фиг.22-24, описывается множество значений диаметра луча, рабочего расстояния (WD) и NA, пригодных для изготовления линзы дуплета.
4-1. Верхний предел диаметра луча
Верхний предел диаметра луча определяется точкой А, изображенной на фиг. 22 и 24. Если диаметр луча является большим, то нельзя уменьшить размер устройства оптического датчика, при этом вес линзы объектива и оправы для линзы (держатель линзы) увеличиваются. В этом случае, актюатор, осуществляющий фокусировку с помощью сервопривода, должен иметь более высокие показатели работы, невыгодные с экономической точки зрения.
Например, линза объектива (фиг.15), имеющая эффективный диаметр луча 4,5 мм и содержащая два линзовых элемента, имеет большой вес около 250 мг. Вес линзы объектива, адаптированной для CD (компакт диск) или DVD (цифровой видеодиск), составляет
около 200 мг, включая корпус линзы. Поскольку соотношение типа f=k/2m (где m - масса, k - упругая постоянная и f - резонансная частота) удовлетворяет случаю работы двухосевого актюатора, значение f увеличивается обратно пропорционально весу линзы объектива, предпочтительного для управления сервоприводом, поэтому значение f выбирают за пределами резонансной частоты сервопривода фокуса. Если предпочтительный полный вес линзы объектива, включая вес корпуса линзы, составляет 500 мг или меньше, то линзу, имеющую вес 500 мг или меньше, включая вес корпуса линзы, нельзя легко сконструировать, потому что линза тяжелее линзы объектива, который имеет эффективный диаметр 4,5 мм (фиг. 15) и вес 250 мг. В этом случае двухосевой актюатор должен иметь более высокие характеристики, однако стоимость изготовления практически значительно повышается. Поэтому, предпочтительно, чтобы эффективный диаметр дуплета был 4,5 мм или меньше.
На фиг. 15 и в таблице 3 представлены конструктивные данные линзы объектива. На фиг.16 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.17 показан астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.18 показана сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг. 19 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса), и на фиг.20 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси).
4-2. Нижний предел рабочего расстояния
На фиг. 22-24 точкой В изображен нижний предел рабочего расстояния WD. Поскольку величину коррекции сферической аберрации можно уменьшить пропорционально рабочему расстоянию, то можно легко изготовить линзу. С точки зрения практического использования, необходимо поддерживать определенное рабочее расстояние для предотвращения столкновения между линзой объектива и оптической записывающей средой, например, оптическим диском, который вращается с высокой скоростью, когда осуществляется настройка фокуса, или контакта между пылью, находящейся на поверхности оптической записывающей среды, и линзой объектива, когда начинает работать сервопривод фокуса.
Размеры (диаметр) пыли, находящейся на поверхности оптической записывающей среды, которая содержится в окружающей среде помещения, обычно составляет 50 мкм или меньше (фиг.25). Поэтому, рабочее расстояние должно быть 50 мкм или больше.
4-3. Верхний предел рабочего расстояния
Величина сферической аберрации, которую можно корректировать при помощи линзы дуплета в пределах определенного значения NA и диаметра луча, зависит от рабочего расстояния. В настоящем изобретении предложены конструкции различных линз с учетом кривизны (угол θ составляет 55 градусов или больше), допустимой децентровки (±10 мкм или более) и допустимого угла видения (1 градус или более). Примеры верхнего предела рабочего расстояния, реализующие вышеупомянутые допустимые области, показаны точками 1-9 на фиг.22-24. Если рабочее расстояние превышает вышеупомянутые верхние предельные значения, то сферическая аберрация значительно увеличивается и, следовательно, значительно уменьшается радиус кривизны линзы. Поэтому, если получается такая структура, в которой рабочее расстояние не входит в области значений, показанные диагональными линиями на фиг.22-24, то линзы нельзя изготовить легко или использовать с оптической записывающей средой. Предпочтительные области выражаются с помощью линейной апроксимации, выполненной на основе выполненных примеров, в следующем виде:
если 1,0≤BW<4,5, 0,05≤WD и 0,7≤NA<0,8, то WD≤0,25676BW + 0,039189 (см. фиг.22),
если 0,8≤NA<0,9, то WD≤0,14054BW-0,064865 (см. фиг.23),
если 0,9≤NA, то WD≤0,096429BW-0,244640 (см. фиг.24).
Допустимая децентровка (±10 мкм или более) представляет собой величину, которая определяется точностью изготовления, например, в процессе литья под давлением с использованием литейной формы. Допустимый угол видения (1 градус или более) является величиной, которая определяется точностью установки наклона линзы дуплета относительно оптической оси.
Линзы объектива (фиг. 22-24), удовлетворяющие вышеупомянутым условиям, будут описаны следующим образом: линза объектива, соответствующая точке 2 (фиг. 22), будет описана в восьмом варианте осуществления, линза объектива, соответствующая точке 3 (фиг. 22), будет описана в девятом варианте осуществления, и линза объектива, соответствующая точке 9 (фиг.24), будет описана в десятом варианте осуществления.
5. Линза, для которой отношение (F1/F) фокусного расстояния F1 линзы, расположенной рядом с объектом (смежная с источником света), к фокусному расстоянию F всей системы, удовлетворяет условию 1,7<(F1/F)<2,5.
Вышеупомянутая линза представляет собой линзу, выполненную с оптимальным распределением мощности преломляющегося света двухлинзовых элементов для осуществления удовлетворительной эффективности изготовления линзы, то есть радиус кривизны поверхности, допустимая децентровка и допустимый угол видения находятся в области значений, при которых можно изготовить линзу. Когда состояние распределения мощности преломляющегося света, которое выражается отношением (F1/F) фокусного расстояния F1 первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3 к фокусному расстоянию F всей системы, удовлетворяет следующей области значений,
1,7<(F1/F)<2,5,
можно получить достаточно большое допустимое отклонение, возникающее при производстве линзы и обеспечить оптимальное распределение мощности преломляющегося света.
Вышеупомянутый факт отражает то, что оптимальное распределение мощности выполняется в случае, когда мощность первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3 составляет около 1/2 мощности всей системы.
Если (F1/F)≤1,7, то фокусное расстояние F1 первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3 является коротким, то есть мощность является большой. В этом случае радиус кривизны, допустимая децентровка и допустимый наклон для первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3 выполняются точно. Если 2,5≤(F1/F), то фокусное расстояние F1 первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3 увеличивается, а мощность уменьшается. Однако мощность второй линзы (линзы, расположенной рядом с изображением) 4 увеличивается. В этом случае, радиус кривизны, допустимая децентровка и допустимый наклон выполняются точно.
Как только принимается во внимание допустимое отклонение, возникающее при изготовлении линзы, вышеупомянутая область иногда расширяется в соответствии с NA, эффективным диаметром луча и рабочим расстоянием. В результате расчета и исследования различных линз и допустимых отклонений, возникающих в процессе изготовления, была получена гистограмма, соответствующая линзе, которая имеет большое допустимое отклонение при изготовлении (фиг. 26). То есть, распределение мощности можно выполнить оптимальным способом и допустимое отклонение при изготовлении можно значительно увеличить, если
1,7<(F1/F)<2,5.
Линза, удовлетворяющая вышеупомянутому соотношению, будет описана в третьем варианте осуществления.
6. Линзу корректируют, чтобы соответствовать толщине Т прозрачной подложки оптической записывающей среды, в следующем виде:
если 0,7≤NA (числовая апертура)<0,8, то Т≤0,32 мм,
если 0,8≤NA≤0,9, то Т≤0,20 мм, и
если 0,9≤NA, то Т<0,11 мм.
Оптическая записывающая среда, например оптический диск, предназначенный для использования в устройстве оптического датчика, в котором используется линза объектива, согласно настоящему изобретению имеет прозрачную подложку (подложка диска), имеющую толщину 0,1 мм, которая значительно меньше чем 1,2 мм, которую имеет известный CD (компакт диск), и 0,6 мм, которую имеет DVD (цифровой видеодиск). Причина этого заключается в том, что допуск на перекос, эквивалентный или превосходящий допуск на перекос, реализован при помощи известной конструкции с помощью уменьшения кома-аберрации, которая возникает случайным образом при перекосе оптической записывающей среды. Поскольку величина кома-аберрации, которая случайно возникает при перекосе диска, увеличивается пропорционально кубу NA, небольшой перекос диска быстро искажает RF в случае, когда сигнал считывается с использованием линзы объектива с высоким NA.
W31= (T(n2-1)n2sinθcosθs)/(2(n2-sin2θs)(5/2)= (T(n2-1)NA3θs)/(2n3), где n - коэффициент преломления прозрачной подложки, Т - толщина прозрачной подложки и θs - угол перекоса.
Как следует из вышеупомянутого уравнения, кома-аберрация увеличивается пропорционально толщине Т прозрачной подложки. Поэтому уменьшение толщины Т прозрачной подложки является эффективным средством для устранения перекоса. Линза объектива (NA = 0,6), адаптированный для DVD (цифровой видеодиск) (содержащий подложку диска с толщиной 0,6 мм), создает аберрацию волнового фронта около 0,043 rms (среднеквадратичное значение) на поверхности изображения (фиг.27), когда существует перекос (радиальный перекос) с углом перекоса θs= 0,4 градуса. Когда существует перекос (радиальный перекос) θs=0,4 градуса, тогда NA увеличивается и превышает 0,6, при этом аберрация волнового фронта на поверхности изображения составляет 0,043 rms (среднеквадратичное значение) за счет получения толщины прозрачной подложки около 0,32 мм в случае, когда NA равно 0,7, около 0,20 мм в случае, когда NA равно от 0,8 до 0,9, и около 0,11 мм в случае, когда NA равно 0,9 (фиг.28). Если толщина прозрачной подложки меньше, чем вышеуказанные значения, аберрацию волнового фронта, кроме того, можно уменьшить.
7. Структура устройства оптического датчика
Устройство оптического датчика согласно настоящему изобретению может быть устройством, предназначенным для воспроизведения оптического диска 12 (фиг. 29). Устройство оптического диска имеет линзу объектива согласно настоящему изобретению.
Линейно-поляризованный луч света, излучаемый из полупроводникового лазера (не показан), который является источником света и представляет параллельный световой пучок с длиной волны 635 нм, проходит через поляризационный делитель луча (PBS) 7 и пластину 8 λ/4 (1/4 длины волны), чтобы получить пучок с круговой поляризацией. Лазерный луч с круговой поляризацией проходит через линзу объектива и подложку 5 диска для того, чтобы сходиться в одной точке на сигнальной записывающей поверхности оптического диска 12. Подложка 5 диска является тонкой подложкой с толщиной, равной 0,1 мм. Вышеупомянутая линза объектива является линзой, образованной при помощи двух составных асферических линз 3 и 4 с NA от 0,7 до 0,95.
Вышеупомянутый оптический диск 12 является однослойным или многослойным диском, который изготовлен путем соединения стеклянной пластины с толщиной, равной 1,2 мм, для повышения прочности подложки 5 диска, имеющей толщину 0,1 мм.
Лазерный луч, отраженный от сигнальной записывающей поверхности, возвращается обратно по первоначальному оптическому пути и затем проходит через пластинку 8 λ/4. Таким образом, лазерный луч становится линейно-поляризованным лазерным лучом, повернутым на 90 градусов относительно первоначального линейно-поляризованного состояния. Лазерный луч отражается от делителя 7 линейно-поляризованного луча и затем проходит через фокусирующую линзу (собирающую линзу) 13 и сложную линзу 14 для того, чтобы детектироваться в качестве электрического сигнала при помощи фотодетектора (PD) 15.
Составная линза 14 имеет поверхность падения, выполненную на поверхности цилиндра (цилиндрическая поверхность), и излучательную поверхность, выполненную в выгнутом виде. Составная линза 14 имеет астигматизм, дающий возможность сигналу ошибки фокусировки обнаруживаться из падающего лазерного луча при помощи, так называемого, способа астигматизма. Фотодетектор 15 представляет собой фотодиод, имеющий шесть элементов, которые установлены для вывода электрических сигналов, выполняющих регулировку фокуса при помощи способа астигматизма и регулировку трэкинга при помощи, так называемого, способа трех лучей.
8. Модификация
Линза объектива согласно настоящему изобретению не ограничивается линзой, так называемой бесконечной системы, имеющей точку объектива (источник света). Линза объектива может быть выполнена в виде линзы конечной системы, которая выполнена так, что точка объекта (источник света) позиционируется на конечное расстояние.
Варианты осуществления
Ниже описываются варианты осуществления линзы объектива согласно настоящему изобретению. В вышеупомянутых вариантах материалом для изготовления прозрачной подложки 5 является CG (имеющий коэффициент преломления 1,533 при длине волны, равной 635 нм, и 1,5769 при длине волны, равной 680 нм).
Первый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла с низким рассеянием (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3 на d-линии, и коэффициент преломления 1,589.
На фиг. 30 изображен оптический путь. На фиг.31 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.32 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.33 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.34 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.35 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси).
Когда NA получают 0,8 при помощи ограничения отверстия с использованием диафрагмы 2, дефокусировка относительно изменения длины волны полупроводникового лазера на +5 нм составляет 0,331 мкм. На фиг.36 изображена MTF (модуляционная передаточная функция) в случае, когда пространственная частота в направлении оптической оси, ближняя к точке изображения, составляет 80/мм, и на фиг.37 изображена PSF (функция интенсивности в точке изображения). Как следует из фиг. 36, максимальная величина модуляции сдвигается и дефокусируется от положения фокуса 0,0.
Условия расчета представлены в таблице 4. Линза согласно этому варианту осуществления позволяет удовлетворительно предотвратить хроматическую аберрацию даже в случае, если увеличивается фокусное расстояние или даже если увеличивается NA.
Второй вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1) с числом Аббе vd, равным 81,6 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг. 38 изображен оптический путь. На фиг.39 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.40 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.41 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.42 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.43 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 5. Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления сконструирована таким образом, что оптическое стекло, имеющее высокий коэффициент преломления, используется для изготовления второй линзы (линзы, расположенной рядом с плоскостью изображения) 4 по сравнению с оптическим стеклом первой линзы (линзы, расположенной рядом с объектом) 3. Таким образом, предотвращается удовлетворительно хроматическая аберрация и радиус кривизны второй линзы (линзы, расположенной рядом с плоскостью изображения) 4 выбирается большим, чтобы легко выполнить обработку линзы на станке.
Третий вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг.44 изображен оптический путь. На фиг.45 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.46 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.47 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.48 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.49 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 6. Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления удовлетворяет вышеупомянутым условиям таким, как 1,7<(F1/F)<2,5. Поэтому расчет согласно настоящему варианту осуществления позволяет осуществить оптимальное распределение мощности и увеличить допустимое отклонение при изготовлении линз 3 и 4.
Четвертый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг. 50 изображен оптический путь. На фиг.51 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.52 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.53 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.54 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.55 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 7.
Пятый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (694,532), имеющего число Аббе vd, равное 53,2 на d-линии.
На фиг.56 изображен оптический путь. На фиг.57 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.58 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.59 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.60 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.61 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 8.
Шестой вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии.
На фиг.62 изображен оптический путь. На фиг.63 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.64 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.65 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.66 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.67 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 9.
Седьмой вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии.
На фиг.68 изображен оптический путь. На фиг.69 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.70 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.71 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.72 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.73 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 10.
Восьмой вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг.74 изображен оптический путь. На фиг.75 изображен
график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.76 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.77 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.78 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.79 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 11. Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления представляет собой линзу объектива, удовлетворяющую областям значений диаметра луча, рабочего расстояния (WD) и NA (фиг. 22 и 24), при этом линза объектива согласно настоящему варианту осуществления соответствует точке 2 (фиг.22).
Девятый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг.80 изображен оптический путь. На фиг.81 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.82 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.83 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.84 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.85 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 12. Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления представляет собой линзу объектива, удовлетворяющую областям значений диаметра луча, рабочего расстояния (WD) и NA (фиг.22 и 24), при этом линза объектива согласно настоящему варианту осуществления соответствует точке 3 (фиг.22).
Десятый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг. 86 изображен оптический путь. На фиг.87 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.88 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.89 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.90 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.91 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 13.Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления представляет собой линзу объектива, удовлетворяющую областям значений диаметра луча, рабочего расстояния (WD) и NA (фиг.22 и 24), при этом линза объектива согласно настоящему варианту осуществления соответствует точке 9, показанной на фиг.24.
Одиннадцатый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (ВК7), имеющего число Аббе vd, равное 64,1.
На фиг.92 изображен оптический путь. На фиг.93 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.94 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.95 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.96 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.97 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 14.
Двенадцатый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,6 на d-линии, и оптического стекла (ВК7), имеющего число Аббе vd, равное 64,1.
На фиг.98 изображен оптический путь. На фиг.99 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.100 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.101 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.102 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.103 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 15.
Тринадцатый вариант осуществления
Линза объектива согласно настоящему варианту осуществления имеет структуру, в которой линзы 3 и 4 изготовлены из оптического стекла (FCD1), имеющего число Аббе vd, равное 81,3 на d-линии, и оптического стекла (BACD5), имеющего число Аббе vd, равное 61,3.
На фиг. 104 изображен оптический путь. На фиг.105 изображен график, показывающий дисторсию вышеупомянутой линзы объектива, на фиг.106 изображен астигматизм той же самой линзы объектива и на фиг.107 изображена сферическая аберрация той же самой линзы объектива. На фиг.108 изображен график, показывающий боковую аберрацию (угол видения 0,5 градуса) и на фиг.109 изображен график, показывающий боковую аберрацию (на оси). Условия расчета представлены в таблице 16.
Как описано выше, настоящее изобретение выполнено так, что линза объектива, имеющая числовую апертуру (NA), равную 0,7, выполнена при помощи линзы дуплета, включающей в себя асферическую поверхность, а устройство оптического датчика содержит вышеупомянутую линзу объектива, чтобы оптическая записывающая среда, обладающая высокой плотностью записи информации, использовалась с практической точки зрения.
Линза объектива согласно настоящему изобретению изготовлена из оптического стекла, имеющего число Аббе 40 или более, чтобы предотвратить хроматическую аберрацию даже при увеличении NA. Если в качестве источника света используется полупроводниковый лазер, то можно увеличить допустимое отклонение для изменения длины волны полупроводникового лазера, и таким образом можно увеличить производительность изготовления.
Поскольку линза объектива согласно настоящему варианту осуществления выполнена так, что коэффициент преломления линзы, имеющей более низкий радиус кривизны, увеличивается, при этом радиус кривизны может быть выше и линзу можно легко изготовить.
Поскольку линза объектива согласно настоящему изобретению выполнена так, что диаметр луча, NA и рабочее расстояние ограничены, размер устройства оптического датчика можно уменьшить, фокусное расстояние можно сократить и можно легко изготовить линзу с высокой NA. Поскольку линза объектива согласно настоящему изобретению имеет маленькие размеры, то можно уменьшить размер двухосевого актюатора для перемещения линзы объектива.
Поскольку линза объектива согласно настоящему изобретению имеет правильное фокусное расстояние, то можно получить оптимальное распределение мощности для двухлинзового элемента. Таким образом, каждый линзовый элемент можно легко изготовить и можно легко улучшить их работу, таким образом получая в результате удовлетворительную производительность изготовления.
С помощью настоящего изобретения можно легко изготовить линзу объектива, которая позволяет удовлетворительно корректировать хроматическую аберрацию при достаточно большой числовой апертуре (NA), и уменьшить ее вес.
Устройство оптического датчика, согласно настоящему изобретению имеющее вышеупомянутую линзу объектива и адаптированное для оптической записывающей среды, которое содержит прозрачную подложку, толщина которой определена, приспособлено к кома-аберрации. В результате чего можно легко изготовить оптическую записывающую среду.
Хотя изобретение описано в своей предпочтительной форме с помощью определенной степени конкретизации, следует понимать, что настоящее описание предпочтительной формы можно изменить в деталях конструкции, в комбинации и устройстве частей без нарушения сущности и объема изобретения, представленного здесь.
Линза объектива содержит, по крайней мере, два линзовых элемента. Линзовые элементы имеют число Аббе, равное 40 или более на d-линии. По меньшей мере, любая из поверхностей выполнена в виде асферической поверхности и числовая апертура составляет 0,7 или более. Устройство оптического датчика включает указанную линзу, предназначенную для сведения в одну точку лазерного луча, излучаемого источником света, на поверхность оптической записывающей среды. Обеспечивается получение линзы объектива с достаточно большой числовой апертурой, позволяющей достаточно точно корректировать хроматическую аберрацию, которую можно легко изготовить, а также получение устройства оптического датчика, выполненного с возможностью удовлетворительной записи и считывания информационного сигнала. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 109 ил., 16 табл.
n1>n2.
если 1,0≤BW<4,5, 0,05≤WD и 0,7≤NA<0,8, то WD≤0,25676BW + 0,039189;
если 0,8≤NA<0,9, то WD≤0,14054BW-0,064865 и
если 0,9≤NA, то WD≤0,096429BW-0,244640.
1,7<(F1/F)<2,5.
если 0,7≤NA (числовая апертура)<0,8, то Т≤0,32 мм,
если 0,8≤NA<0,9, то Т≤0,20 мм, и
если 0,9≤NA, то Т≤0,11 мм.
| US 5475536 А, 12.12.1995 | |||
| US 5467225 А, 14.11.1995 | |||
| US 5504628 А, 02.04.1996 | |||
| US 5204781 A, 20.04.1993. |
