Объективы для оптической записи и считывания информации Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ И СЧИТЫВАНИЯ

ИНФОРМАЦИИ.

Н. А. Лаптева

Рассмотрены оптические системы - монохроматы для преобразования лазерного излучения, которые могут быть использованы в широкой спектральной области, т.е. имеющие полимонохроматическую коррекцию аберраций. Указаны свойства этих систем и область применения. Для иллюстрации приведены результаты расчетов объективов для оптической записи и считывания информации, обладающих дифракционным качеством изображения на разных длинах волн.

Введение

В последнее время оптическая память становиться одной из перспективных альтернатив магнитной или полупроводниковой памяти. Под оптической памятью понимается такое устройство, в котором хотя бы один из видов выборки информации (запись, стирание, считывание) осуществляется с использованием лучистой энергии. Преимуществом оптической памяти является быстрый доступ к массивам информации, высокая надежность хранения, отсутствие потребления энергии в статическом состоянии и другие. Плотность записи информации в оптическом запоминающем устройстве принципиально ограничена только дифракционным пределом применяемой оптики [1].

Принципиальная схема устройства для оптической записи включает лазер (источник излучения), оптический диск (приемник излучения), фокусирующий объектив, а также различные электронные и прецизионные механические устройства. Одним из основных узлов устройства является фокусирующий объектив, от числовой апертуры и качества изображения которого зависит плотность записи на оптическом диске.

Для оптической записи и считывания информации необходимы линзовые фокусирующие объективы с высокой числовой апертурой и увеличенным, по сравнению с обычными микрообъективами, рабочим расстоянием (не менее 4 мм). Кружок рассеяния в этих системах, в зависимости от решаемых задач, не должен превышать 0,6-2 мкм, а качество изображения для точки на оси должно быть близким к дифракционному. Линейные поля таких объективов, как правило, не превышают 0,1-0,2 мм, что вполне достаточно для слежения за информационной дорожкой. Важное требование к таким объективам - минимальная общая масса. [1]

Проведенный анализ литературы [3] показал, что за рубежом сначала велись расчеты многолинзовых систем состоящих из положительных и отрицательных линз, что приводило к жестким допускам на центрировку линз, потом при расчете объективов широко использовались однолинзовые системы с одной или двумя асферическими поверхностями высшего порядка. Такие объективы сложны в изготовлении, сложен контроль формы асферических поверхностей, поэтому большой процент от общей стоимости оптической системы записи и считывания информации составляет стоимость объектива.

Рис. 1. Различные оптические схемы объективов со сферическими поверхностями А = 0,4-0,45: а) плосковыпуклая линза и два аплана-тических мениска; б) две плосковыпуклых линзы и апланатический мениск; в) плосковыпуклая линза с п > 2,0 и апланатический мениск

В ЛИТМО в 80-е годы были рассчитаны объективы с апертурой А = 0.4-0.45, имеющие только сферические поверхности (рис.1), но они состояли из 2-3 линз.

Целью работы является разработка однолинзового объектива с числовой апертурой 0.35-0.45 с асферической поверхностью 2-го порядка.

Базовая схема объектива включает в себя два оптических модуля (рис. 2): защитно-коррекционный элемент (оптический диск) в виде плоскопараллельной пластинки и масштабно-компенсационной части, состоящий из одной линзы. Оптический диск (плоскопараллельная пластинка толщиной 1,2 мм) выполняет роль защитного слоя и вносит в оптическую систему положительную сферическую аберрацию.[1]

Эллипсоидная поверхность е2 = 0,63534

Оптический диск

Рис. 2. Асферический однолинзовый объектив А = 0,4. Теоретическая часть и реализация

У объективов для записи информации, учитывая их применение, прежде всего, должны быть исправлены сферическая аберрация (АБ') и кома (Ау'к). А5' =-1/2 / ^ 2&51, Ау\ = -3/2 • /• 5Л .

Для объектива с одной асферической поверхностью второго порядка выражения для сумм Зейделя выглядят следующим образом:

= Р +АР = РА , 5 = Н • (Р + АР)+Ж = Н • РА + ж,

где АР =

(а'и'-а • п)3 (п'-п)2

е2, е - эксцентриситет деформации поверхности. Тогда

у2 = 2гох - (1 - е2) х2.

В табл. 1 приведены результаты расчета основных параметров РА и Ж для выпукло-плоской линзы в зависимости от е2 и п.

е2 0 0,5 1,0 1,5

п Ж РА Ж РА Ж РА Ж Ра

1,5 -0,33 2,33 -0,33 0,33 -0,33 -1,67 -0,33 -3,67

1,75 0,24 1,25 0,24 0,37 0,24 -0,52 0,24 -1,41

2,00 0,50 1,00 0,50 0,50 0,50 0 0,50 -0,50

Таблица 1. Результаты расчета основных параметров РА и Ж для выпуклоплоской линзы

2

в зависимости от е и п

На рис. 3 представлен график зависимости РА = Г (е2,п). Связь между РА и е2 линейна, поэтому можно предварительно найти е2, т.е. определить форму асферической поверхности: при е2 = 0 - сфера, е2 = 1 - параболоид, 0 < е2 < 1 - эллипсоид, е2 > 1 - гиперболоид.

Рис. 3. Зависимости РА = ^е2,п) для выпуклоплоских линз из стекол ТК16 и СТК19

X, мкм т, мм ДУ, мм N/1 П, % Число Штреля

1,6 0,000072 0,1048 0,8272

1,6^3/4 0,000799 0,0467 0,5598

0,488 1,6^/2 0,000583 -0,0489 0,3335 0,79

1,6^/4 -0,000056 -0,0917 0,1472

0 0 0 0

1,6 0,001593 0,1436 0,6382

1,6 V/ 0,001576 0,0048 0,4152

0,6328 1,6 V/ 0,000745 -0,1134 0,2354 0,8

1,6 V/ -0,000294 -0,1370 0,0974

0 0 0 0

1,6 0,002528 0,1608 0,5338

1,6 V/ 0,002079 0,0041 0,3355

0,800 1,6 V/ 0,000889 -0,1139 0,1814 0,81

1,6 V/ -0,000390 -0,1331 0,0701

0 0 0 0

Таблица 2. Результаты расчетов объектива для оптической записи и считывания

информации

По степени коррекции хроматических аберраций оптических систем различают: мо-нохроматы (системы для дискретной длины волны или узкой спектральной области), ахроматы, у которых спектральная область простирается от линии Б' до С', апохроматы, у которых спектральная область расширена до линии g или О и суперапохроматы (системы, у которых коррекция выполнена для видимой и УФ областей спектра).[2]. Однако при проектировании оптических систем для преобразования лазерного излучения было обнаружено, что системы, рассчитанные на дискретную длину волны лазера, имеют также вполне удовлетворительную коррекцию аберраций при перефокусировке и для других длин волн. Такие оптические системы могут быть названы полимонохроматами.

Для иллюстрации в табл. 2 приведены результаты расчетов объектива для оптической записи и считывания информации (т - координаты лучей на выходном зрачке, МХ - волновая аберрация, п - величина, характеризующая отступление от условия изо-планазии).

Заключение

Анализ проведенных аберрационных расчетов (табл. 2) показывает, что система может применяться с различными лазерами, в том числе Аг (Х = 0,488 мкм), Не - № (Х = 0,632 мкм) и полупроводниковым (Х = 0,800 мкм), так как для всех перечисленных длин волн сохраняется практически дифракционное качество изображения. Это связано с высокой коррекцией сферохроматической аберрации при неисправленном хроматизме положения.

Литература

1. Андреев Л.Н. Прикладная теория аберраций. Учебное пособие. СПб. СПб ГИТМО (ТУ), 2002. 96 с.

2. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. 639 с.

3. Заявки ФРГ № 3231984, № 3236666; патенты США № 4257679, № 4332442, № 4258981, № 4270842, №4.768.867, №4.729.645, Японии № 63-31.766, ЕР №0.252.614