DE3635143A1

DE3635143A1 - Fokusermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3635143A1
Application number: DE19863635143
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nakamura
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1986-10-15
Publication date: 1987-04-16
Also published as: GB2183957B; FR2588671B1; NL8602596A; GB2183957A; GB8624665D0; FR2588671A1; US4778984A; DE3635143C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fokusermittlungsvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Brennpunkts, die für ein optisches Datenaufzeichnungs-/ -wiedergabegerät, das verschiedene Daten auf einem Aufzeichnungsträger, z. B. einer optischen Platte oder Scheibe, aufzeichnet bzw. von diesem wiedergibt, geeignet ist.

Eine typische Fokusermittlungsvorrichtung dieser Art wendet eine sog. Astigmatismusmethode an, wie die US-PS 43 58 200 beschreibt. Das wird anhand der Fig. 1 erläutert. Ein von einer Lichtquelle 41, z. B. einem Halbleiterlaser, ausgesandter Lichtstrahl 42 wird von einer ersten Fläche 47 einer keilförmigen Platte 43 reflektiert und bildet durch eine Objektivlinse 44 einen Fleck auf einer Datenspur 46 einer optischen Platte 45. Ein von der optischen Platte 45 reflektierter, zurückkehrender Lichtstrahl 49 fällt wieder durch die Objektivlinse 44 auf die keilförmige Platte 43 und wird durch eine zweite Fläche 48 dieser Platte reflektiert, so daß er von der ersten Fläche 47 austritt. Dann wird der Lichtstrahl 49 von einem Fotodetektor 50 erfaßt. Der zurückkehrende Lichtstrahl 49 erzeugt, wenn er durch die keilförmige Platte 43 tritt, einen Astigmatismus, und die Gestalt des Licht- oder Strahlflecks auf dem Fotodetektor 50 ändert sich in Übereinstimmung mit dem Fokussierzustand auf der optischen Platte 45. Wenn diese Änderung in der Gestalt des Lichtflecks von viergeteilten Empfangsflächen des Fotodetektors 50 erfaßt wird, kann eine Fokusermittlung ausgeführt werden.

Da jedoch bei der oben erläuterten herkömmlichen Vorrichtung die Lichtquelle und der Fotodetektor mit Bezug auf die keilförmige Platte auf derselben Seite angeordnet sind, müssen sie in der Richtung der optischen Achse der Objektivlinse, d. h. in der zur Fläche der optischen Platte rechtwinkligen Richtung, mit einem vorgegebenen Abstand voneinander getrennt sein, so daß sie ohne eine gegenseitige Störung betrieben werden können, was eine voluminöse oder "dicke" Vorrichtung zum Ergebnis hat.

Bei der herkömmlichen Vorrichtung wird zusätzlich zu dem Astigmatismus durch die keilförmige Platte 43 eine Koma (ein Asymmetriefehler) erzeugt und der Fleck auf dem Fotodetektor 50 kann keine genaue kreisförmige oder elliptische Gestalt haben, sondern wird so verformt, wie das die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen. Es ist zu bemerken, daß die Fig. 2A einen gerade noch oder genau fokussierten Zustand zeigt, während die Fig. 2B und 2C jeweils einen vorfokussierten bzw. einen nachfokussierten Zustand zeigen. Der verformte Fleck beeinflußt die Fokusermittlung nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, nicht voluminöse ("dünne) Fokusermittlungsvorrichtung zu schaffen, die von den oben herausgestellten Nachteilen einer herkömmlichen Vorrichtung frei ist.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Fokusermittlungsvorrichtung zu schaffen, die bei einer einfachen Anordnung imstande ist, eine genaue Fokusermittlung zu bewerkstelligen.

Um die gestellte Aufgabe zu lösen und das genannte Ziel zu erreichen, wird eine Fokusermittlungsvorrichtung geschaffen, die eine Lichtquelle, fokussierende Einrichtungen, um einen von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl scharf auf ein Objekt einzustellen, ein Prisma zur Reflexion des Lichtstrahls von der Lichtquelle durch seine Fläche, um den reflektierenden Lichtstrahl zur fokussierenden Einrichtung zu lenken und um dem vom Objekt zurückkehrenden Licht einen Durchtritt zur Erzeugung eines Astigmatismus zu ermöglichen, und eine Ermittlungseinrichtung zur Feststellung eines fokussierenden Zustands des Lichtstrahls am Objekt aus dem Astigmatismus des zurückkehrenden Lichts umfaßt, wobei die Ermittlungseinrichtung an einer zur Lichtquelle entgegengesetzen Stelle angeordnet ist, so daß das Prisma sich zwischen der Lichtquelle und der Ermittlungseinrichtung befindet, und wobei das zurückkehrende Licht von einer Prismenfläche austritt, die zur Einfallsfläche unterschiedlich ist, so daß es zur Ermittlungseinrichtung gelenkt wird.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine optische Einrichtung zur Korrektur einer Aberration außer dem vom Prisma erzeugten Astigmatismus zwischen dem Prisma und der Ermittlungseinrichtung angeordnet, so daß eine genaue Fokusermittlung ermöglicht wird.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von verschiedenen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung einer herkömmlichen Fokusermittlungsvorrichtung, die eingangs bereits abgehandelt wurde;

Fig. 2A-2C schematische Darstellungen von Fleckausbildungen auf einem Fotodetektor der herkömmlichen Fokusermittlungsvorrichtung;

Fig. 3 schematisch die Anordnung einer Fokusermittlungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Lichtempfangsfläche eines Fotodetektors bei der ersten Ausführungsform und einer Änderung in der Gestalt eines empfangenen Lichtflecks;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips, wonach durch ein Prisma ein Astigmatismus hervorgerufen wird;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verhaltens eines auf ein Prisma bei der ersten Ausführungsform einfallenden Lichtstrahls;

Fig. 7 ein Kurvenbild der Reflexions-/Durchlaßgrad-Kennkurven von polarisiertem Licht einer Lichteinfallsfläche des Prismas der ersten Ausführungsform;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 9 ein Kurvenbild der Durchlaßgrad-Kennkurven von polarisiertem Licht einer Lichteinfallsfläche eines Prismas bei der zweiten Ausführungsform;

Fig. 10 schematisch die Anordnung einer dritten Ausführungsform;

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Verhaltens eines auf ein Prisma der dritten Ausführungsform einfallenden Lichtstrahls;

Fig. 12 und 13 schematische Darstellungen von Anordnungen einer vierten bzw. fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung einer Koma durch das Prisma;

Fig. 15, 16 und 17 schematische Darstellungen von Anordnungen einer sechsten, siebenten und achten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Die Fig. 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei ein von einer Lichtquelle 1, z. B. einem Halbleiterlaser, ausgesandter Lichtstrahl 2 durch eine erste Fläche 3 a eines Prismas 3 teilweise reflektiert wird und durch ein Kollimatorobjektiv 4 sowie eine Objektivlinse 5 einen Fleck auf einem Datenaufzeichnungsträger (Datenträger) 6 bildet. Ein vom Datenträger 6 reflektierter, zurückkehrender Lichtstrahl 10 tritt wieder durch die Objektivlinse 5 sowie das Kollimatorobjektiv 4, so daß er zu konvergentem Licht wird, und fällt teilweise auf die erste Fläche 3 a des Prismas 3. Der Lichtstrahl 10 wird dann durch eine an einer zweiten Fläche 3 b ausgebildeten inneren Spiegelschichtfläche reflektiert und tritt von einer dritten Fläche 3 c des Prismas 3, die mit Bezug auf die Wellenlänge des zur Anwendung gelangenden Lichts reflexionshindernd behandelt ist, aus. Das von der Fläche 3 c austretende Licht wird von einem Fotodetektor 7, der an einer zur Lichtquelle 1 entgegengesetzten Stelle angeordnet ist, so daß sich das Prisma 3 dazwischen befindet, erfaßt.

Wenn der zurückkehrende Lichtstrahl 10 durch das Prisma 3 tritt, dann erzeugt er einen Astigmatismus, und der Fotodetektor 7 wird an einer geeigneten Stelle zwischen einem tangentialen Konvergenzpunkt 8 und einem sagittalen Konvergenzpunkt 9 des Lichtstrahls 10 angeordnet. Wenn man annimmt, daß eine Längsvergrößerung (Tiefenverhältnis) des optischen Systems durch γ und eine Änderung im Abstand zwischen dem Datenträger 6 sowie der Objektivlinse 5 durch δ (δ = 0 im gerade noch oder genau fokussierten Zustand) gegeben ist, dann werden die Konvergenzpunkte 8 und 9 nur um etwa 2 δ/γ bewegt und bei dieser Bewegung ändert sich die Fleckgestalt des Lichtstrahls am Fotodetektor 7. Die Lichtempfangsfläche des Fotodetektors 7 wird durch zwei zueinander rechtwinklige Linien in Lichtempfangsteile 11, 12, 13 und 14, wie die Fig. 4 zeigt, unterteilt und kann den Fokussierzustand des Lichtstrahls 2 auf dem Datenträger 6 aus der Änderung in der Gestalt des Flecks ermitteln. Beispielsweise hat der Fleck im gerade noch oder genau fokussierten Zustand (δ = 0) im wesentlichen eine Kreisform, wie durch die Bezugszahl 15 angedeutet ist, wobei die auf die jeweiligen Lichtempfangsteile einfallenden Lichtmengen zueinander im wesentlichen gleich sind. Wenn die Objektivlinse vom Datenträger 6 zu weit entfernt ist (δ = positiv) und einen sog. vorfokussierten Zustand bewirkt, dann hat im Gegensatz zum oben genannten Fall der Fleck eine Gestalt, wie sie mit der Bezugszahl 16 bezeichnet ist, so daß die auf die Lichtempfangsteile 11 und 13 einfallende Lichtmenge im Vergleich zu der auf die Lichtempfangsteile 12 und 14 einfallenden Lichtmenge relativ vergrößert ist. Liegt die Objektivlinse 5 zu nahe am Datenträger 6 (δ = negativ) und bewirkt einen sog. nachfokussierten Zustand, dann hat der Fleck die durch die Bezugszahl 17 angegebene Gestalt, so daß die auf die Lichtempfangsteile 12 und 14 einfallende Lichtmenge im Vergleich zu der auf die Lichtempfangsteile 11 und 13 einfallenden Lichtmenge relativ vergrößert ist. Deshalb kann aus der Differenz zwischen dem Summensignal der Lichtempfangsteile 11 sowie 13 und dem Summensignal der Lichtempfangsteile 12 sowie 14 ein Fokusfehlersignal (eine sog. S-Kurve) erhalten werden. In einem optischen Datenaufzeichnungs-/-wiedergabegerät wird die Objektivlinse 5 längs ihrer optischen Achse auf der Grundlage des Fokusfehlersignals bewegt, womit die Scharfeinstellung bewerkstelligt wird.

Die Fig. 5 dient der Erläuterung des Prinzips der Erzeugung eines Astigmatismus durch das Prisma. Es wird ein Fall betrachtet, wobei ein kleiner, von einem Punkt O ausgehender Lichtstrahl an den Punkten P und Q auf der Prismenfläche in Fig. 5 gebrochen wird. Wenn (virtuelle) Konvergenzpunkte der am Punkt Q gebrochenen tangentialen und sagittalen Lichtstrahlen durch Q′m und Q′s gegeben sind, wenn ¯OP = P1und ¯PQ = d sind, dann kann ein Astigmatismus Δ P′urch die folgende Beziehung (1) ausgedrückt werden:

Hierin sind n′ ein Brechungsindex des Prismas, i ₁ und i _1′, ein Einfallswinkel und ein Brechungswinkel am Punkt P sowie i ₂ und i _2′, ein Einfallswinkel und ein Brechungswinkel am Punkt Q. Eine Fokusermittlungsempfindlichkeit bei der oben erwähnten Vorrichtung kann durch die Beziehung (1) und eine Vergrößerung des optischen Systems bestimmt werden.

Die Fig. 6 zeigt schematisch eine Darstellung über das Verhalten des auf das bei der ersten Ausführungsform verwendete Prisma 3 einfallenden Lichtstrahls. Von einem Punkt O ausgehendes Licht pflanzt sich durch die Punkte P, R, Q und S fort. In diesem Fall ist ein durch eine Ebene T, die im wesentlichen zu einer auf die Fläche des Datenträgers einfallenden optischen Achse und zum Lichtstrahl parallel ist, von Bedeutung in bezug auf die Auslegung des optischen Systems. Wenn dieser Winkel auf im wesentlichen 0° festgesetzt wird, kann die Anordnung der Vorrichtung und die Herstellung der jeweiligen mechanischen Teile vereinfacht werden. Wenngleich eine ins einzelne gehende Methode zur Ableitung einer Beziehung weggelassen wird, so kann R durch die jeweils in Fig. 6 gezeigten Werte ausgedrückt werden, wie folgt:

Hierin ist i _3′ auf den Brechungsindex n′ des Prismas, den Einfallswinkel i ₁ am Punkt P und die Winkel ρ ₁ und ρ ₂ des Prismas auf der Basis des Brechungsgesetzes von Snell bezogen und kann auf einfache Weise berechnet werden.

Mit einer Auslegung nach der oben beschriebenen Methode kann eine kompakte, "dünne" Fokusermittlungsvorrichtung mit niedrigen Kosten gefertigt werden.

Die Helligkeit einer an der Fläche des Fotodetektors durch das Prisma der ersten Ausführungsform erzeugten Abbildung wird im folgenden erläutert. Bei der obigen Ausführungsform fallen durch das Prisma divergierte oder konvergierte Lichtstrahlen auf die Fläche des Fotodetektors ein. Wenn die Divergenz- und Konvergenzwinkel groß sind, werden die Unterschiede zwischen dem Durchlaßgrad und dem Reflexionsgrad einer linear polarisierten Lichtkomponente mit Bezug auf die jeweiligen Flächen des Prismas groß, d. h., sie weisen eine Winkelcharakteristik auf. Wenn die Polarisationsebene des Lichtstrahls von der Lichtquelle mit Bezug zu einer tangentialen Fläche um etwa 45° geneigt wird, so daß S- und P-polarisierte Lichtkomponenten mit Bezug auf die Einfallsfläche des Lichtstrahls ausgeglichen sind, können somit ein mittlerer Durchlaßgrad und ein mittlerer Reflexionsgrad der S- und P-polarisierten Lichtkomponenten mit Bezug auf eine Änderung im Einfallswinkel des Lichtstrahls im wesentlichen konstantgehalten werden. Das wird im folgenden erläutert.

Die Fig. 7 zeigt Polarisationscharakteristika der ersten Fläche 3 a des bei der ersten Ausführungsform zur Anwendung gelangenden Prismas, d. h. einer Fläche zur Reflexion eines Lichtstrahls von der Lichtquelle und zu dessen Lenkung zum Kollimatorobjektiv 4. In Fig. 7 geben drei gestrichelte Linien oberhalb eines mittleren Durchlaßgrades TA Durchlaßgrade von P-polarisiertem Licht und drei ausgezogene Linien unter TA die Durchlaßgrade von S-polarisiertem Licht an. Drei gestrichelte Linien unterhalb eines mittleren Reflexionsgrades RA geben die Reflexionsgrade von P-polarisiertem Licht und drei ausgezogene Linien über RA gegen diejenigen von S-polarisiertem Licht an.

Im einzelnen geben die Kurvensätze 21 a-21 d, 22 a-22 d und 23 a-23 d jeweils die Durchlaß- und Reflexionsgrade der P- und S-polarisierten Lichtkomponente an, wenn die Einfallswinkel auf die erste Fläche des Prismas mit 35° bzw. 45° bzw. 55° festgesetzt werden. Wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, unterscheiden sich der Durchlaß- und Reflexionsgrad auf Grund ihrer Winkelcharakteristika, wenn nur die P- oder S-polarisierte Lichtkomponente mit Bezug auf die erste Fläche verwendet wird. Wenn man den von der ersten Fläche reflektierten Lichtstrahl in Betracht zieht, so unterscheidet sich deshalb seine Helligkeit oberhalb und unterhalb einer Sagittalebene des Lichtstrahls in Übereinstimmung mit dem Einfallswinkel. Da diese Erscheinung an den jeweiligen Flächen des Prismas auftritt, wird ein unnötiges Abstufungsmuster auf einer Detektor- oder Fühlerfläche erzeugt, womit die Fokusermittlung nachteilig beeinflußt wird. Wenn die Polarisationsebene des Lichtstrahls von der Lichtquelle um etwa 45° mit Bezug zur Sagittalebene geneigt wird, so können aus diesem Grund die S- und P-polarisierten Lichtkomponenten im wesentlichen ausgeglichen und die Winkelcharakteristika beseitigt werden, wie durch TA und RA angegeben ist, womit ein gutes Fokusfehlersignal erhalten wird.

Wenn an der Reflexions- oder Transmissionsfläche bei der obigen Ausführungsform eine optische Dünnschicht ausgebildet wird, dann können Änderungen im Durchlaß- und Reflexionsgrad mit Bezug auf eine Änderung im Einfallswinkel des Lichtstrahls selbstverständlich vermindert werden.

Im folgenden wird auf das Verhältnis der zur Lichtquelle zurückkehrenden Lichtmenge eingegangen. Es wird ein Verhältnis der Menge des zur Lichtquelle über das Kollimatorobjektiv, die Objektivlinse und den Datenträger zurückkehrenden Lichts in Betracht gezogen, wenn der Brechungsindex der ersten Fläche des zur obigen Ausführungsform beschriebenen Prismas durch R gegeben ist. Wenn die von der Lichtquelle ausgesandte Lichtmenge mit 100 und der Durchlaßgrad von optischen Elementen außer der ersten Fläche des Prismas längs eines von der Lichtquelle zum Datenträger und dorthin zurückkehrenden Strahlenganges durch T gegeben ist, dann kann das Verhältnis der zur Lichtquelle zurückkehrenden Lichtmenge durch 100 · T · R2 (%) ausgedrückt werden. Wenn ein Halbleiterlaser als Lichtquelle verwendet wird, dann besteht zwischen der Menge des zurückkehrenden Lichts und einem Halbleiterlaser-Rauschanteil eine Wechselbeziehung. Wird der Brechungsindex R der ersten Fläche 3 a des Prismas mit dem Verhältnis in der zurückkehrenden Lichtmenge von 100 · T · R2 (%) in geeigneter Weise eingeregelt, dann ändert sich das Verhältnis der zum Halbleiterlaser zurückkehrenden Lichtmenge, womit der Halbleiterlaser-Rauschanteil vermindert wird.

Die Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei zu Fig. 3 gleiche Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind und deshalb deren Beschreibung unterbleibt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Viertelwellenlängenplättchen (λ /4-Plättchen) 30 zwischen einem Kollimatorobjektiv 4 sowie eine Objektivlinse 5 angeordnet und eine optische Dünnschicht mit Polarisationscharakteristika an einer ersten Fläche 3 a des Prismas ausgebildet. Die erste Fläche 3 a zeigt die in Fig. 9 dargestellten Polarisationscharakteristika. Die erste Fläche 3 a bringt mit Bezug auf P-polarisiertes Licht einen Durchlaßgrad von nahezu 100% hervor, wie durch TP angegeben ist, und nahezu 100% des S-polarisierten Lichts wird ohne eine Übertragung durch diese Fläche reflektiert. Mit TA ist ein mittlerer Durchlaßgrad angegeben.

Wenn in Fig. 8 ein Lichtstrahl 2 von einer Lichtquelle 1 auf S-polarisiertes Licht eingestellt wird, dann wird der Lichtstrahl 2 zum größten Teil durch die Fläche 3 a reflektiert und durch das λ /4-Plättchen 30 in rechts zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, das dann auf den Datenträger 6 einfällt. Vom Datenträger 6 reflektiertes, zurückkehrendes Licht ist links zirkular polarisiertes Licht und tritt wieder als P-polarisiertes Licht durch das λ /4- Plättchen 30. Dann tritt das Licht in der Hauptsache durch die erste Fläche 3 a des Prismas und wird zum Fotodetektor 7 geführt. Bei der obigen Anordnung kann das zur Lichtquelle 1 zurückkehrende Licht eliminiert werden, so daß eine Aussonderung oder ein Isolator gebildet wird, und die auf den Fotodetektor 7 einfallende Lichtmenge kann erhöht werden, um die Energieleistung zu steigern.

Wenn durch Leiten einer vorgegebenen Menge von zurückkehrendem Licht zur Lichtquelle ein Rauschpegel vermindert werden kann, wie oben beschrieben wurde, kann die Kristallachsenrichtung des λ /4-Plättchens 30 in geeigneter Weise gedreht werden, um die Menge an zurückkehrendem Licht einzuregeln.

Die in Fig. 10 gezeigte dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist der ersten Ausführungsform im wesentlichen gleich mit der Ausnahme, daß das Prisma 3 von Fig. 3 durch ein Prisma 33 mit unterschiedlicher Gestalt ersetzt worden ist. In Fig. 10 sind zu Fig. 3 gleiche Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und eine nähere Erläuterung unterbleibt deshalb.

Ein von einer ersten Fläche 33 a des Prismas 33 einfallender, zurückkehrender Lichtstrahl 10 wird durch eine an einer zweiten Fläche 33 b ausgebildeten Reflexionsschicht reflektiert, wird durch die erste Fläche 33 a total reflektiert und dann von einer dritten Fläche 33 c ausgesandt, um zum Fotodetektor 7 geführt zu werden. Wenn bei dieser Ausführungsform ein zurückkehrender Lichtstrahl durch die inneren Flächen des Prismas zweimal reflektiert wird, dann kann die Länge eines Strahlenganges innerhal des Prismas verlängert und ein Abstand zwischen dem Prisma sowie dem Fotodetektor im Vergleich zur ersten Ausführungsform verkürzt werden, womit eine Vorrichtung mit noch kompakterer Bauart erreicht wird. Da bei dieser Ausführungsform ein von der Lichtquelle ausgesandter Lichtstrahl zu dem vom Prisma austretenden Lichtstrahl im wesentlichen parallel eingestellt werden kann, kann die optische Justierung vereinfacht werden, was auch zur Ausbildung einer "dünnen" Vorrichtung von Vorteil ist.

Die Fig. 11 zeigt schematisch das Verhalten eines in das Prisma 33 der dritten Ausführungsform einfallenden Lichtstrahls. In diesem Fall kann eine einen Einfallspunkt P einschließende Ebene im wesentlichen zu der eine Abbildung Q′ an einem Austrittspunkt Q einschließenden Ebene parallel sein. Wenn die beiden Ebenen in dieser Weise bestimmt werden, kann durch ein einfaches Element, d. h. ein Prisma, die gleiche Wirkung wie diejenige von planparallelen Platten erhalten und die Anzahl der Teile in dem optischen System vermindert werden. Weil unter den obigen Bedingungen i ₁ = i _2′, und i _1′ = i ₂ in Fig. 11 ist, wird die rechte Seite der Beziehung (1) zu Null, und wenn der Abstand zwischen den planparallelen Platten durch dO gegeben ist, dann kann der Astigmatismus durch die folgende Beziehung (3) ausgedrückt werden:

Diese Beziehung gibt den durch die planparallelen Platten hervorgerufenen Astigmatismus wieder.

Bei der dritten Ausführungsform kann eine Fokusermittlung in Übereinstimmung mit dem gleichen Prinzip wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt werden. Die Einstellung der mit Bezug auf Fig. 7 beschriebenen Polarisationsrichtung kann bei dieser Ausführungsform in gleichartiger Weise angewendet werden.

Bei der in Fig. 12 gezeigten vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird zu der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung ein λ /4-Plättchen 30 hinzugefügt. Zu Fig. 10 gleiche Bezugszahlen in Fig. 12 bezeichnen dieselben Teile, so daß deren Beschreibung unterbleibt.

Eine die in Fig. 9 gezeigten Polarisationscharakteristika aufweisende optische Dünnschicht wird an einer ersten Fläche 33 a des Prismas 33 ausgebildet. Da eine mittels der ersten Fläche 33 a und des λ /4-Plättchens 30 erhaltene Aussonderungs- oder Isolierfunktion die gleiche ist wie bei der zweiten Ausführungsform, kann auch deren nährere Erläuterung unterbleiben. Bei dieser Ausführungsform von Fig. 12 kann eine Fokusermittlung in der gleichen Weise wie bei den vorherigen Ausführungsformen bewirkt werden.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei zwischen einem Prisma und einer Ermittlungseinrichtung eine optische Einrichtung zur Korrektur einer Aberration neben einem von einem Prisma erzeugten Astigmatismus angeordnet ist, wird im folgenden erläutert.

Bei der in Fig. 13 gezeigten fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung sind zu Fig. 3 gleiche Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, so daß deren Erläuterung unterbleibt. Der Unterschied zwischen der fünften und der ersten Ausführungsform besteht darin, daß zwischen einem Prisma 3 und einem Fotodetektor 7 eine konkave Linse (Sammel- oder Positivlinse) 55 angeordnet ist, deren Funktion nachstehend erläutert wird.

Die Sammellinse 55 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse zu derjenigen eines zurückkehrenden Lichtstrahls um eine vorbestimmte Strecke versetzt ist, so daß im zurückkehrenden Lichtstrahl 10 eine Koma erzeugt wird. Wie zum Stand der Technik beschrieben worden ist, schließt ein Lichtstrahl vom Prisma 3 die Koma zusätzlich zum Astigmatismus ein. Bei dieser Ausführungsform wird die vom Prisma hervorgerufene Koma durch die von der Sammellinse 55 erzeugte Koma aufgehoben, wobei außer dem Astigmatismus die Aberration korrigiert wird. Durch diese Ausbildung kann der Fleck am Fotodetektor 7 bei dieser Ausführungsform eine kreisförmige oder elliptische Gestalt haben, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und vom Fotodetektor kann ein genaues Fokusermittlungssignal erhalten werden.

Im folgenden wird im eizelnen eine durch ein Objektiv erzeugte Aberration beschrieben. In einem beliebigen optischen System können Aberrationskomponenten Δ Y und Δ Z, wenn ein beliebiger Linsenkörper in dem optischen System um E in der Richtung einer Y-Achse (einer zu einer optischen Achse, wenn diese durch eine X-Achse gegeben ist, rechtwinkligen Richtung) bewegt wird, in einem X-Y-Z-System, wie folgt, ausgedrückt werden:

Hierin ist der erste Ausdruck auf der rechten Seite ein dem optischen System eigener Aberrationsausdruck dritter Ordnung, wenn keine Dezentration auftritt, während der zweite Ausdruck und folgende durch eine Dezentration erzeugte Ausdrücke sind, wobei der zweite Ausdruck zu E ¹ proportional ist, während der dritte und vierte Ausdruck jeweils zu E ² und E ³ proportional sind. In den obigen Beziehungen enthaltene Dezentrations-Aberrationskoeffizienten haben die folgende Bedeutung.
Dezentrations-Aberration proportional zu E
(Δ E): Prismaeffekt erster Ordnung (Ursprungsbewegung)
(VE): Dezentrationsverzeichnung erster Ordnung
(E): Zusätzlicher Ausdruck zur Dezentrationsverzeichnung erster Ordnung
*(IIIE): Dezentrationsastigmatismus erster Ordnung
*(PE): Zusätzlicher Ausdruck zum Dezentrationsastigmatismus erster Ordnung (Dezentrationsbildfeldkrümmung)
*(IIE): Dezentrationskoma (Koma auf einer Achse)
Dezentrations-Aberration proportional zu E ²
(VE ²): Dezentrationsverzeichnung zweiter Ordnung
(E ²): Zusätzlicher Ausdruck zur Dezentrationsverzeichnung zweiter Ordnung
*(IIIE ²): Dezentrationsastigmatismus zweiter Ordnung (Astigmatismus auf einer Achse)
*(PE ²): Zusätzlicher Ausdruck zum Dezentrationsastigmatismus zweiter Ordnung (Dezentrationsbildpunktbewegung)
Dezentrations-Aberration proportional zu E ³
(Δ E ³): Prismeneffekt dritter Ordnung (Ursprungsbewegung≦λτ

Zusätzlich ist α = N · u, worin u ein Winkel, der durch eine optische Achse und einen Lichtstrahl gebildet wird, und N ein Brechungsindex sind.

Wie aus den Beziehungen (1a) und (1b) erkennbar wird, wird bei einer Bewegung des Objektivs in der Y-Richtung um E in der negativen Richtung eine Koma erzeugt. Hierbei wird, wenn ein Lichtstrahl unter einem stumpfen Winkel mit Bezug zum Scheitelwinkel des Prismas einfällt, wie die Fig. 14 zeigt, die Koma in der positiven Richtung erzeugt. Deshalb können die vom Objektiv sowie die vom Prisma erzeugte Koma korrigiert werden. Gemäß Fig. 14 sind eine Eintrittspupillenebene 51, eine Hauptebene 52 und eine Objektebene 53 zu einer Bezugsachse 54 rechtwinklig. Die Sammellinse 55 ändert die Längsvergrößerung, um einen Lichtempfangsbereich einzuregeln.

Die mit Bezug auf Fig. 7 zur ersten Ausführungsform gegebene Erläuterung der Polarisationsebene eines auf ein Prisma einfallenden Lichtstrahls und des Verhältnisses des zur Lichtquelle zurückkehrenden Lichts können auch für diese Ausführungsform Geltung haben.

Bei der in Fig. 15 gezeigten sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung wurde zu der Anordnung nach der zweiten Ausführungsform (Fig. 8) eine Sammellinse 55 hinzgefügt. Zu Fig. 8 gleiche Bezugszahlen in Fig. 15 kennzeichnen gleiche Teile, so daß deren Beschreibung unterbleiben kann. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist dieselbe wie diejenige der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform. Die Sammellinse 55 ist in gleicher Weise zwischen einem Prisma 3 und einem Fotodetektor 7 angeordnet und erfüllt die gleiche Funktion, wie sie zur fünften Ausführungsform beschrieben wurde.

Bei der in Fig. 16 gezeigten siebenten Ausführungsform gemäß der Erfindung wurde zu der Anordnung entsprechend der dritten Ausführungsform (Fig. 10) eine Sammellinse 55 hinzugefügt. Im übrigen bezeichnen zu Fig. 10 gleiche Bezugszahlen in Fig. 16 dieselben Teile, so daß deren Beschreibung unterbleiben kann. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige bei der bereits beschriebenen dritten Ausführungsform. Die Sammellinse 55 ist ebenfalls zwischen einem Prisma 33 und einem Fotodetektor 7 angeordnet, wobei sie die dieselbe Funktion, wie zur fünften Ausführungsform beschrieben wurde, erfüllt.

Bei der achten Ausführungsform gemäß der Erfindung, die in Fig. 17 gezeigt ist, wurde die Anordnung gemäß der vierten Ausführungsform (Fig. 12) eine Sammellinse 55 zugefügt. Zu Fig. 12 gleiche Teile sind in Fig. 17 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der dritten Ausführungsform. Die Sammellinse 55 ist wiederum zwischen einem Prisma 33 und einem Fotodetektor 7 angeordnet, wobei sie dieselbe Funktion, wie zur fünften Ausführungsform beschrieben wurde, erfüllt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedenartige Anwendungen möglich. Beispielsweise können das Kollimatorobjektiv und die Objektivlinse von einem geformten Objektiv, von einem holografischen Objektiv, von einem Objektiv der Brechungsindexverteilungsbauart, von einer Planplatten- Mikrolinse u. dgl. gebildet sein. Das Kollimatorobjektiv und die Objektivlinse können in einen einzelnen Tubus eingesetzt sein oder das optische System kann durch die optischen Elemente gebildet sein. Mit dieser Anordnung kann im Vergleich zu einem üblicherweise verwendeten Objektiv, das in einen Tubus eingebaut ist, die Anzahl der Teile vermindert und ein optisches System, das kompakt ist und mit niedrigen Kosten zu fertigen ist, verwirklicht werden.

Wenn der Erfindungsgegenstand bei einem optischen Datenaufzeichnungs-/ -wiedergabegerät zur Anwendung kommt, um den Lichtstrahl längs der Spur des Datenträgers zu führen, kann zwischen die Lichtquelle und das Prisma ein Gitter eingesetzt werden, um mit Hilfe einer bekannten Technik (sog. Dreistrahltechnik) eine Nachführsteuerung durchzuführen. Der Erfindungsgegenstand kann mit anderen Nachführtechniken, z. B. einer Pupillenebene-Gegentakttechnik, einer Überlagerungstechnik u. dgl. kombiniert werden.

Bei den fünften bis achten Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, wird, um die Koma zu korrigieren, eine Linse, die längs einer zur optischen Achse rechtwinkligen Richtung parallel bewegt wird, eingesetzt. Gleichwerweise kann die Linse, deren optische Achse geneigt ist, eingesetzt werden. Anstelle einer üblichen Linse kann eine holografische oder eine Linse der Brechungsindexverteilungsbauart verwendet werden.

Claims

1. Fokusermittlungsvorrichtung, gekennzeichnet
- durch eine Lichtquelle (1),
- durch eine einen von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtstrahl (2) auf ein Objekt (6) fokussierende Einrichtung (5),
- durch ein den Lichtstrahl von der Lichtquelle mittels einer ersten Fläche (3 a, 33 a) zu dessen Führung zur Fokussiereinrichtung (5) reflektierendes Prisma (3, 33), das eine Übertragung von vom Objekt zurückkehrendem Licht (10) durch die erste Fläche zum Austritt aus einer zur ersten Fläche unterschiedlichen zweiten Fläche (3 c, 33 c) unter Erzeugung eines Astigmatismus im zurückkehrenden Licht zuläßt, und
- durch eine Ermittlungseinrichtung (7), die an einer zur Lichtquelle (1) entgegengesetzen Stelle angeordnet ist, so daß das Prisma (3, 33) sich zwischen der Lichtquelle und der Ermittlungsvorrichtung befindet, und die den Fokussierzustand des Lichtstrahls am Objekt aus dem Astigmatismus des von der zweiten Prismenfläche austretenden zurückkehrenden Lichts erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des von der Lichtquelle (1) ausgesandten und auf das Prisma (3, 33) einfallenden Lichts (2) zur optischen Achse des aus dem Prisma zur Ermittlungseinrichtung (7) hin austretenden Lichts im wesentlichen parallel ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung zwischen dem Prisma (3, 33) und der Ebene eines Objekts (6) ein λ /4-Plättchen (30) angeordnet ist, daß die Lichtquelle (1) linear in einer vorbestimmten Richtung polarisiertes Licht aussendet und daß die erste Fläche (3 a, 33 a) des Prismas eine Charakteristik hat, so daß diese erste Fläche den größten Teil des in der vorbestimmten Richtung polariserten Lichts reflektiert und eine Übertragung des größten Teils von in einer zur vorbestimmten Richtung rechtwinklig sich fortpflanzendem polarisierten Licht durch sie hindurch zuläßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) linear polarisiertes Licht aussendet, das in einer einen Winkel von etwa 45° mit bezug zu einer Tangentialebene bildenden Richtung polarisiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung ein Fotodetektor (7) ist, dessen Lichtempfangsfläche durch zwei zueinander rechtwinklige Linien in vier Lichtempfangsteile (11, 12, 13, 14) unterteilt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Halbleiterlaser ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Objektivlinse (5) ist.

8. Fokusermittlungsvorrichtung, gekennzeichnet
- durch eine Lichtquelle (1),
- durch eine einen von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtstrahl (2) auf ein Objekt (6) fokussierende Einrichtung (5),
- durch ein den Lichtstrahl von der Lichtquelle mittels seiner Fläche zu dessen Führung zur Fokussiereinrichtung (5) reflektierendes Prisma (3, 33), das einen Durchtritt des vom Objekt zurückkehrenden Lichtstrahls (10) zur Erzeugung einer Aberration zuläßt,
- durch eine den Fokussierzustand des Lichtstrahls am Objekt aus dem Astigmatismus des vom Objekt zurückkehrenden Lichts erfassende Ermittlungseinrichtung (7) und
- durch eine zwischen dem Prisma (3, 33) sowie der Ermittlungseinrichtung (7) angeordnete, außer einem vom Prisma hervorgerufenen Astigmatismus einer Aberration korrigierende optische Einrichtung (55).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (55) aus einer Linse besteht, deren optische Achse zu derjenigen des zurückkehrenden Lichts (10) versetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (55) eine Sammellinse ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des von der Lichtquelle (1) ausgesandten und auf das Prisma (3, 33) einfallenden Lichts (2) zur optischen Achse des aus dem Prisma zur Ermittlungseinrichtung (7) hin austretenden Lichts im wesentlichen parallel ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung zwischen dem Prisma (3, 33) und der Ebene eines Objekts (6) ein λ /4-Plättchen (30) angeordnet ist, daß die Lichtquelle (1) linear in einer vorbestimmten Richtung polarisiertes Licht aussendet und daß die Lichteinfallsfläche (3 a, 33 a) des Prismas eine Charakteristik hat, daß diese Einfallsfläche den größten Teil des in der vorbestimmten Richtung polarisierten Lichts reflektiert und eine Übertragung des größten Teils von in einer zur vorbestimmten Richtung rechtwinklig sich fortpflanzendem polarisierten Licht durch sie hindurch zuläßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) linear polarisiertes Licht aussendet, das in einer einen Winkel von etwa 45° mit Bezug zu einer Tangentialebene bildenden Richtung polarisiert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung ein Fotodetektor (7) ist, dessen Lichtempfangsfläche durch zwei rechtwinklige Linien in vier Lichtempfangsteile (11, 12, 13, 14) untereilt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Halbleiterlaser ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Objektivlinse (5) ist.