DE102005009642B4

DE102005009642B4 - Optischer Signalaufnehmer mit Strahlformungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005009642B4
Application number: DE102005009642A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Reichel; Michael Dr. Stursbridge Weisser; Ralf Domres; Axel Laschke
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: DE102005009642A1

Abstract

Optischer Signalaufnehmer zum Lesen und/oder Beschreiben von Datenträgern, mit einer Lichtquelle und einer Strahlformungseinrichtung, wobei die Strahlformungseinrichtung einen Lichtleiter in Form einer transparenten Stange umfasst, welche zumindest entlang eines Längsabschnitts einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist, wobei Durchmesser und Länge des Lichtleiters so bemessen sind, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 1,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird, und wobei die Lichtquelle eine blau emittierende Laserdiode umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Signalaufnehmer mit Strahlformungseinrichtung.
Optische Signalaufnehmer werden zumeist mit Laserdioden betrieben. Das Strahlprofil der Lichtstrahlen einer Laserdiode weist im Querschnitt im allgemeinen eine elliptische Intensitätsverteilung sowie eine asymmetrische Abstrahlcharakteristik auf. Ein derartiges Profil ist jedoch nachteilig, um mit dem optischen System eines Signalaufnehmers einen möglichst kleinen, symmetrischen Fokus zu erreichen, wie er etwa für das Schreiben und Lesen von DVD-Datenträgern gefordert wird.
So beschreibt die WO 03/102939 A1 ein kleines optisches Plattenlaufwerk, das eine Laserdiode zur Erzeugung eines Laserstrahls umfasst, wobei sich die Laserdiode an einer festen Stelle im Laufwerk befindet. Zur Fokussierung des Laserstrahls auf einem optischen Datenträger ist ein Objektiv vorgesehen, wobei der Laserstrahl durch eine Lichtführung von der Laserdiode zum Objektiv geführt wird. Ferner umfasst das Laufwerk einen Detektor zum Detektieren von Licht, das vom optischen Datenträger reflektiert wurde, wobei sich der Detektor derart in der Nähe des Objektivs befindet, dass das reflektierte Licht nach dem Durchgang durch das Objektiv detektiert wird. Detektor und Objektiv befinden sich auf einem beweglichen Arm.
Um den geforderten kleinen Fokus zu erhalten, wird daher mit verschiedenen Maßnahmen angestrebt, vor der Fokussierung auf den Datenträger ein möglichst symmetrisches Intensitätsprofil zu erzeugen.
Eine Maßnahme hierzu sind anamorph wirkende Prismen. Optische Signalaufnehmer mit solchen Prismen sind beispielsweise aus der EP 1 453 045 A2 bekannt. Nachteilig ist hier jedoch, daß für die Wirkung eines solchen Prismas eine präzise Ausrichtung der Laserdiode und der weiteren optischen Komponenten erforderlich ist.
Auch die außerdem bekannte Verwendung gekreuzter Zylinderlinsen oder diffraktiver Elemente erfordern eine hohe Positioniergenauigkeit.
Die US 6,317546 B1 zeigt eine optische Wellenführungsvorrichtung, welche in einem dielektrischen Substrat gebildet ist. Die Vorrichtung hat eine Längsachse und die nach außen zeigende Oberfläche der Vorrichtung ist relativ zu einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse steht in einem anderen als einem rechten Winkel angeordnet.
Die DE 198 36 649 A1 zeigt ein medizinische Handstück zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Behandlungsfeld. Relativ zur Laserquelle ist das Handstück beweglich. Innerhalb des Handstücks befindet sich nach einer Strahlführungseinrichtung eine mikrooptisch wirksame Fläche, welche durch mikrooptische Arrays realisiert werden kann. In Abhängigkeit von der Struktur dieser Fläche kann die Intensitätsverteilung geändert und der Strahl geformt werden.
Die US 6,532,244 B1 zeigt ein Beleuchtungssystem mit einem Multimode-Diodenlaser und zwei optischen Fasern. Nach Austritt aus der ersten Faser wird das Licht durch ein optisches System in die zweite Faser gelenkt, welche einen größeren Kerndurchmesser als die erste Faser sowie eine höhere numerische Apertur als das optische System hat. Ein die zweite Faser verlassender Strahl hat eine Intensitätsverteilung mit scharfen Kanten, und eine Unifomität, die besser als ±10% ist über die zentralen 90% des Strahls.
Die US 5,764,828 A zeigt eine optische Vorrichtung zur Steuerung des Divergenzwinkels eines ringförmigen Strahls.
Die Strahlformung durch Ausblenden von Teilen des Strahls ist zwar eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, allerdings auf Kosten der Lichtausbeute.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strahlformung insbesondere für optische Signalaufnehmer bereitzustellen, die geringere Anforderungen an die Justage und Ausrichtung der optischen Elemente erfordert und gleichzeitig eine gute Lichtausbeute liefert.
Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäss sieht die Erfindung einen optischen Signalaufnehmer mit Strahlformungseinrichtung vor, welche einen Lichtleiter in Form einer transparenten Stange umfasst, der zumindest entlang eines Längsabschnitt einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist. Der Begriff zylindersymmetrisch wird dabei im Sinne der Erfindung als zylindersymmetrisch bezüglich der optischen Achse verstanden. Die transparente Stange des Lichtleiters kann kostengünstig mit hoher Querschnittsgenauigkeit gefertigt werden.
Dazu kann der Lichtleiter zumindest entlang eines Längsabschnitts eine Reflexionsfläche mit rundem, beziehungsweise kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Ein erfindungsgemäßer optischer Signalaufnehmer umfasst neben der Strahlformungseinrichtung eine geeignete Lichtquelle. Unter einem Signalaufnehmer wird dabei im Sinne der Erfindung nicht nur eine Leseeinrichtung, sondern auch eine Schreib- oder Schreib/Leseeinrichtung verstanden. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung auch in CD- oder DVD-Brennern oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden.
Gemäß einer aufgrund ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtleiter dabei entlang seiner gesamten Länge eine Reflexionsfläche mit rundem Querschnitt auf, wodurch sich dementsprechend ein Lichtleiter mit zylindrischer Reflexionsfläche ergibt.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Reflexion des von der Lichtquelle emittierten und in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts an einer derartigen Reflexionsfläche zu einer sehr guten Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung und damit einer symmetrischen Abstrahlcharakteristik führt. Die erfindungsgemäße Lösung ist außerdem technisch wesentlich einfacher zu realisieren, als etwa asphärische Flächen refraktiver oder reflektierender optischer Elemente. Insbesondere erlaubt eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung mit Lichtleiter in überraschender Weise wesentlich größere Toleranzen in der Ausrichtung der Lichtquelle.
Die transparente Stange des Lichtleiters kann beispielsweise nach Art eines Wellenleiters einen Kern und zumindest entlang wenigstens eines Abschnitts einen Mantel mit niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns und/oder nach Art eines Gradientenindex-Lichtleiters einen sich in radialer Richtung kontinuierlich ändernden, insbesondere abnehmenden Brechungsindex aufweisen. Im letzteren Fall erfolgt die Reflexion dann nicht an einer scharf begrenzten Reflexionsfläche. Auch kann zumindest ein Bereich der transparenten Stange mantellos sein. Diese Weiterbildung schließt insbesondere auch eine entlang ihrer gesamten Länge mantellose transparente Stange ein. Ein zumindest abschnittsweise vorhandener Mantel ist unempfindlicher gegen Verschmutzung oder Kratzern auf der Oberfläche und dadurch bewirktes Herausstreuen von Licht. Demgegenüber bietet eine mantellose oder zumindest abschnittsweise mantellose Ausführung der Erfindung den Vorteil, dass sich größere numerische Aperturen erreichen lassen, da die numerische Apertur NA eines Lichtleiters im allgemeinen durch die Beziehung NA = (n1 2 – n2 2)1/2 gegeben ist, wobei n₁ der Brechungsindex des lichtführenden Mediums und n₂ der Brechungsindex des das lichtführende Medium umgebenden Mediums ist. Allgemein kann eine hohe numerische Apertur zur Erreichung einer guten Durchmischung und Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung dementsprechend erreicht werden, indem die Reflexionsfläche des Lichtleiters eine an ein gasförmiges Medium oder Vakuum angrenzende Oberfläche eines lichtleitenden Mediums umfasst.
Im Falle eines mantellosen Abschnitts ist der Brechungsindexunterschied, da das umgebende Medium in diesem Fall im allgemeinen Luft mit n₂ ≅ 1 ist, dementsprechend groß.
Je größer die numerische Apertur, desto größer ist bekanntlich der Winkel desjenigen Lichts gegenüber der Mittenachse des Lichtleiters, welches noch im Lichtleiter durch Totalreflexion geleitet werden kann. Dementsprechend erhöht sich mit der numerischen Apertur auch der erfassbare Raumwinkel des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts und damit die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Günstig ist es dabei, wenn der Lichtleiter eine numerische Apertur von zumindest 0.3, bevorzugt von zumindest 0.5, besonders bevorzugt von zumindest 0.7 aufweist.
Die Effizienz der Homogenisierung der Winkelverteilung des Lichts zur Erreichung einer symmetrischen Abstrahlcharakteristik ist außerdem von der Anzahl der Reflexionen des Lichts an der Reflexionsfläche des Lichtleiters abhängig. Die Anzahl der Reflexionen hängt dabei unter anderem vom Verhältnis aus Länge und Durchmesser des Lichtleiters ab. Es zeigt sich überraschenderweise, dass eine sehr gute Strahlformung bereits dann gelingt, wenn das Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.
Da die im Lichtleiter auftretende Winkelverteilung auch von der numerischen Apertur abhängt, ist es von Vorteil, auch diese Größe bei der Dimensionierung des Lichtleiters zu berücksichtigen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters, also die Größe NA·L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.
Eine gute Durchmischung der Winkelverteilung des emittierten Lichts wird weiterhin bereits dann erreicht, wenn Durchmesser und Länge des Lichtleiters so bemessen sind, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 1,5 mal, bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal, besonders bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird. Die Abmessungen des Lichtleiters können dementsprechend auch an die räumliche Intensitätsverteilung des von der Lichtquelle emittierten Lichts angepasst werden.
Um beispielsweise bei einer mantellosen oder abschnittsweise mantellosen Ausführung des Lichtleiters Verschmutzungen der Oberfläche des Lichtleiters zu vermeiden, kann in vorteilhafter Weiterbildung eine staubdichte Verkapselung des Lichtleiters vorgesehen werden.
Bevorzugte Materialien für den Lichtleiter sind weiterhin Glas oder Kunststoff. Kunststoff ist leicht und kostengünstig zu verarbeiten, wohingegen Glas im allgemeinen bessere optische Eigenschaften aufweist. Diese beiden Materialien können selbstverständlich auch kombiniert werden, beispielsweise in Gestalt einer kunststoffummantelten Glasstange.
Zur Verbesserung der Lichtausbeute können besonders vorteilhaft weiterhin die Eintritts- und/oder Austrittsfläche des Lichtleiters mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, um Reflexionsverluste zu minimieren und hohe Lichtausbeuten zu erzielen.
Je nach Lichtquelle kann weiterhin ein eingangsseitig zum Lichtleiter angeordnetes Fokussierungs- oder Defokussierungselement, insbesondere eine Linse vorgesehen werden. Mit einem solchen Element kann die Winkelverteilung der eingangsseitigen Lichtstrahlen aufgeweitet werden, um auf diese Weise die mittlere Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen im Lichtleiter zu erhöhen und damit die Homogenisierungseigenschaften der Strahl formungseinrichtung zu verbessern.
Um die Einkopplung von asymmetrisch von der Lichtquelle abgestrahltem Licht zu verbessern, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung anstelle einer Reflexionsfläche mit entlang der gesamten Länge des Lichtleiters rundem Querschnitt vorgesehen, einen Lichtleiter zu verwenden, dessen Reflexionsfläche am Eintrittsende einen elliptischen Querschnitt aufweist. Der Lichtleiter kann dann so gegenüber der Lichtquelle orientiert werden, dass ein möglichst großer Anteil des Lichts in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung der Einkoppeleffizienz vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt des Lichtleiters konisch geformt ist, so dass insbesondere die Querschnitte der Reflexionsflächen am Eintritts- und Austrittsende unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Lichtleiter kann dann so angeordnet werden, dass das Ende mit dem größeren Durchmesser das Eintrittsende bildet. Auf diese Weise kann zusätzlich ein Fokussierungseffekt erreicht werden. Allgemein kann zur Fokussierung gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft ein Lichtleiter mit einem sich vom Eintrittszum Austrittsende hin verjüngenden Querschnitt des lichtleitenden Bereichs vorgesehen werden. Die Verjüngung kann sowohl eine Abnahme des Durchmessers, als auch in einer Abnahme der Querschnittsfläche des lichtleitenden Bereichs sein.
Besonders bevorzugt wird der Lichtleiter im optischen Signalaufnehmer in Verbindung mit einer Laserdiode als Lichtquelle eingesetzt, da gerade Laserdioden Licht mit asymmetrischer Intensitätsverteilung abstrahlen. Allerdings kann sich auch bei Leuchtdioden dieses Problem ergeben, so dass in diesem Fall die Erfindung auch vorteilhaft mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle eingesetzt werden kann.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung insbesondere in Verbindung mit blau emittierenden Laserdioden eingesetzt werden. Besonders bei derartigen Laserdioden können aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr kleine Fokus-Durchmesser erreicht werden, so dass sich Datenträger mit einer besonders hohen Datendichte beschreiben und/oder lesen lassen. Solche Laserdioden sind beispielsweise für zukünftige Generationen von DVD-Geräten geplant.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Signalaufnehmers,
2 eine Querschnittansicht des in 1 dargestellten Lichtleiters,
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung mit mantellosem Lichtleiter in Verkapselung,
4A bis 4C Längs- und Querschnittansichten eines Ausführungsbeispiels mit elliptischem Querschnitt am Eintrittsende des Lichtleiters, und
5 bis 8 Winkelverteilungen der Lichtintensität vor und nach der Strahlformung.
In 1 ist in schematischer Ansicht von Komponenten eines erfindungsgemäßen optischen Signalaufnehmers gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Der optische Signalaufnehmer 1 ist durch ein gestrichelt gezeichnetes Kästchen symbolisiert. Von einer Laserdiode 20 wird Licht mit einer im allgemeinen nicht radialsymmetrischen, sondern vielmehr zumeist elliptischen Intensitätsverteilung emittiert. Das Licht trifft im Signalaufnehmer anschließend auf die erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3. Diese umfasst erfindungsgemäß einen Lichtleiter 5, welcher zumindest entlang eines Längsabschnitt einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist. Insbesondere weist der Lichtleiter 5 dazu entlang zumindest eines Längsabschnitts eine Reflexionsfläche mit rundem, beziehungsweise kreisförmigem Querschnitt auf. Bevorzugt wird Glas und/oder Kunststoff als Material für den Lichtleiter 5 verwendet.
Die Lichteintrittsfläche 13 und Lichtaustrittsfläche 15 des Lichtleiters 5 sind jeweils mit Antireflex-Beschichtungen 16, beziehungsweise 17 versehen, um die Ein- und Auskopplung des Lichts zu verbessern.
Ein Querschnitt durch den Lichtleiter 5 ist in 2 dargestellt. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel eines Lichtleiters 5 in Form einer transparenten Stange 5 mit einem zur Laserdiode 20 zeigenden Eintrittsende und einem Austrittsende für das Licht umfasst dieser einen Kern 7 und einen den Kern entlang seiner gesamten Länge umgebenden Mantel 9. Der Mantel 9 weist nach Art eines Wellenleiters einen niedrigerem Brechungsindex als der Kern 7 auf. Dadurch ergibt sich eine Reflexionsfläche 11 als Grenzfläche zwischen Mantel 9 und Kern 7. Der Kern 7 bildet demgemäss auch den lichtleitenden. Bereich 8 des Lichtleiters 5.
Selbstverständlich kann auch ein Gradientenindex-Lichtleiter verwendet werden, bei welchem in radialer Richtung kein scharfer Brechungsindex-Sprung vorhanden ist, sondern bei welchem der Brechungsindex in radialer Richtung ausgehend von dessen optischer Achse zumindest innerhalb eines Zylinderabschnitts innerhalb des Lichtleiters kontinuiertlich abnimmt. Ebenso wie bei einer Ausführungsform mit scharf begrenztem Übergang zwischen Mantel und Kern ist aber auch bei dieser Ausführungsform der lichtleitende Bereich zylindersymmetrisch.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel weist der Kern 7 weiterhin eine besonders einfach herstellbare, im wesentlichen zylindrische Form mit entlang der Länge L gleichbleibendem Durchmesser d auf. Der Querschnitt des lichtleitenden Bereichs 8, beziehungsweise des Kerns 7 ist dabei insbesondere entlang der gesamten Länge des Lichtleiters 5 rund, beziehungsweise kreisförmig.
Durch die Reflexion des hindurchtretenden Lichts an der kreisförmigen Grenzfläche kommt es in überraschender Weise zu einer guten Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass eine asymmetrische Winkelverteilung des Lichts mittels der Strahlformungseinrichtung in eine symmetrische oder zumindest wesentlich symmetrischere Winkelverteilung geändert wird.
Um eine schnelle Durchmischung zu erreichen, ist dabei eine hohe numerische Apertur des Lichtleiters 5 vorteilhaft. Realisierbar ist bei einem wie in den 1 bis Lichtleiter numerische Aperturen von zumindest 0.3, zumindest 0.5, oder sogar von zumindest 0.7. Beispielsweise können für den Kern optische Gläser mit Brechungsindices von n₂ = 1.52, n₂ = 1.58, oder sogar n₂ = 1.81 und für den Mantel ein Glas mit einem Brechungsindex von n₁ = 1.48 (alle Angaben für eine Wellenlänge von 587 Nanometer) verwendet werden. Damit ergeben sich numerische Aperturen von NA = 0.35 (n₂ = 1.52), beziehungsweise NA = 0.55 (n₂ = 1.58), oder sogar von NA = 1.00 (n₂ = 1.81).
Das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs 8 des Lichtleiters, L/d, beträgt weiterhin für eine gute Homogenisierung zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die Maße des Lichtleiters so ausgewählt werden, dass das Produkt aus numerischer Apertur des Lichtleiters 5 mit dem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters, NA·L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt. Demgemäss wird, wenn ein Kern mit einem Brechungsindex von n₂ = 1.52 und ein Mantel mit einem Brechungsindex von n₁ = 1.48 verwendet wird (NA = 0.35), die Länge des Lichtleiters 5 vorteilhaft so bemessen, dass gilt: L ≥ 10·d/0.35, bevorzugt L ≥ 12·d/0.35, besonders bevorzugt L ≥ 15·d/0.35. Entscheidend für die Homogenisierung des Strahlungsfelds der Laserdiode ist die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen an der Reflexionsfläche 11. Die Anzahl der Reflexionen hängt dabei sowohl von der Eintrittsposition eines Lichtstrahls, als auch von dessen Winkel ab. Für alle hindurchtretenden Lichtstrahlen kann aber leicht ein -beispielsweise mittels einer Raytracing-Simulation ermittelbarer-Mittelwert der Anzahl der Reflexionen aller möglichen Lichtstrahlen an der Reflexionsfläche 11 angegeben werden. Es hat sich dabei überraschend erwiesen, dass bereits geringe Werte dieser mittleren Reflexionsanzahl zu einer sehr guten Homogenisierung führen. So können Durchmesser und Länge des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters 11 so bemessen werden, daß das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Laserdiode 20 zumindest durchschnittlich 1,5 mal, bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal, besonders bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird. Bereits bei derart geringen Werten der durchschnittlichen Reflexionen wird die räumliche Verteilung des Lichts im allgemeinen hinreichend gut, insbesondere vergleichbar mit anderen bekannten Methoden, wie etwa der Strahlformung mit anamorphen Prismen homogenisiert.
Anhand der mittleren Anzahl der Reflexionen zeigt sich noch ein besonderer Vorteil der Erfindung. Ist die Laserdiode 20 nicht perfekt bezüglich der axialen Mittenachse des Lichtleiters 5 ausgerichtet, so treffen die Lichtstrahlen im Mittel schräger auf die Achse, so dass sich die mittlere Anzahl der Reflexionen erhöht. Damit steigt aber auch gleichzeitig wieder die Homogenisierungswirkung der erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung. Dementsprechend erlaubt die erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung größere Toleranzen, als dies mit bisher bekannten Lösungen der Fall ist.
Ist die Winkelverteilung der von der Laserdiode 20 ausgehenden Lichtstrahlen zu gering, um eine hinreichende mittlere Anzahl von Reflexionen zu erhalten, kann beispielsweise auch optional eine eingangsseitig zum Lichtleiter 5 angeordnete Linse 25 als Fokussierungselement eingesetzt werden, so dass die Winkelverteilung der eingangsseitigen Lichtstrahlen aufgeweitet wird.
Nach der Strahlformung der Lichtstrahlen durch die Strahlformungseinrichtung 3 werden die Lichtstrahlen bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Linse 22 auf einen Strahlteiler 26 fokussiert. Die am Strahlteiler 26 reflektierten Strahlen treffen dann auf einen steuerbaren Verstellspiegel 28, mit welchem der Laserstrahl, beispielsweise zum Spurführen des Laserstrahls positionierbar ist. Der Laserstrahl wird dann mittels einer Objektivlinse 24 auf die Oberfläche eines optischen Mediums, beispielsweise einer DVD fokussiert. Die vom optischen Speichermedium zurückreflektierten Strahlen passieren schließlich den Strahlteiler 26 und werden dann mittels einer Linse 23 auf einen Photodetektor 30 fokussiert und dort in elektrische Signale umgewandelt. Zur Spursteuerung des Lichtstrahls mittels des Spiegels kann der Photodetektor 30 beispielsweise ein Vier-Quadranten-Detektor sein. Der Aufbau eines solchen optischen Systems mit Verstellspiegel 28 und Mehrquadranten-Detektor ist dem Fachmann bekannt, so dass hier nicht detailliert darauf eingegangen wird.
Aufgrund der Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung, die nach dem Durchgang durch die Strahlformungseinrichtung 3 nahezu oder im wesentlichen radialsymmetrisch ist, kann durch die Fokussierung mit der Objektivlinse 24 ein besonders kleiner Fokus-Durchmesser auf dem optischen Datenträger erhalten. Damit wird, verglichen mit einem optischen Signalaufnehmer ohne eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3 das Auslesen und/oder Schreiben kleinerer Bitstrukturen ermöglicht. Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere auch bei Verwendung einer blau emittierenden Laserdiode 20 zum Lesen und/oder Schreiben von DVD-Datenträgern der nächsten Generation entscheidend, da sich nur mit entsprechenden Fokussierungseigenschaften des optischen Systems gegenüber bisher verwendeten Lichtquellen überhaupt ein kleinerer Fokus mit derartigen blauen Lasern erzeugen lässt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3. Der Lichtleiter 5 dieses Ausführungsbeispiels ist mantellos. Dementsprechend bildet der gesamte Lichtleiter 5 hier den lichtleitenden Bereich 8 und die Reflexionsfläche 11 ist die Umfangs-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5. Der Lichtleiter 5 weist wieder entlang seiner gesamten Länge runden, beziehungsweise kreisförmigen Querschnitt auf, so dass er in seiner Form dem Kern 7 des in den 1 und 2 gezeigten Beispiels entspricht und der lichtleitende Bereich ebenfalls zylindersymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Lichtleiters 5 ist.
Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die Totalreflexion an der Fläche 10 durch äußere Verschmutzung beeinträchtigt werden kann. Um dies zu vermeiden, ist eine staubdichte Verkapselung 35 vorgesehen, welche den Lichtleiter 5 umgibt. Zwischen der Verkapselung 35 und der Mantel-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5 ist ein Hohlraum 37 freigelassen. Auf diese Weise ist die Reflexionsfläche 11 des Lichtleiters 5 eine an ein gasförmiges Medium – im vorliegenden Beispiel die im Hohlraum eingeschlossene Luftangrenzende Oberfläche des lichtleitenden Mediums des Lichtleiters 5. Auf diese Weise wird ein besonders hoher Brechungsindexsprung an der Reflexionsfläche 11, beziehungsweise hier der Mantel-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5 erreicht. Wird beispielsweise wieder ein optisches Glas mit einem Brechungsindex von n₂ = 1.52 für den Lichtleiter 5 verwendet, so ergibt sich eine numerische Apertur von NA = 1,00. Solch ein Glas oder Kunststoff mit relativ kleiner Brechzahl hat typischerweise ein höhere Transmission – speziell bei kleinen Wellenlängen, also im blauen Bereich des sichtbaren Lichtes – und ist im Allgemeinen auch kostengünstiger als ein Glas oder Kunststoff mit relativ hoher Brechzahl, z. B. mit n₂ = 1,81.
Die 4A bis 4C zeigen Längs- und Querschnittansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung 3. Dabei zeigt 4A einen Längsschnitt durch den Lichtleiter 5, 4B eine Querschnittansicht am Eintrittsende 13 und 4C eine Querschnittansicht am Austrittsende des Lichtleiters 5.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Lichleiter einen konisch geformten, lichteintrittsseitigen Abschnitt 40 und einen zylindrischen, lichtaustrittsseitigen Abschnitt 41 auf. Entlang des Abschnitts 41 weist die den durch den Kern 7 gebildeten lichtführenden Bereich 8 begrenzende Reflexionsfläche 11 ähnlich zu dem in 1 und 2 gezeigten Beispiel einen runden, beziehungsweise kreisförmigen Querschnitt auf. Dies ist nochmals anhand der Querschnittansicht der 4C verdeutlicht.
Im Unterschied zu den vorangegangenen Beispielen ist die Reflexionsfläche 11 am Eintrittsende 13, wie anhand von 4B deutlich wird, außerdem elliptisch geformt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhaft, da diese Form einer elliptisch deformierten Winkelverteilung der Lichtintensität einer Laserdiode angepasst ist, so dass die Einkopplung verbessert wird.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich weiterhin aufgrund des konischen Abschnitts 40 der Querschnitt des lichtleitenden Bereichs. Zwar entspricht hier beispielhaft die kleine Halbachse der elliptischen Reflexionsfläche am Eintrittsende 13 im wesentlichen dem Radius der kreisförmigen Reflexionsfläche am Austrittsende 15, allerdings wird die Querschnittsfläche kleiner. Auf diese Weise wird zusätzlich. zur Strahlformung außerdem eine Konzentrierung und Fokussierung des Lichts im Lichtleiter 5 erreicht. Dies kann selbstverständlich auch beispielsweise mit einem sich vom Eintrittsende 13 zum Austrittsende 15 hin verjüngenden lichtführenden Bereich mit durchgehend kreisförmigem Querschnitt erreicht werden.
Die 5 bis 8 zeigen Winkelverteilungen der Lichtintensität vor und nach der Strahlformung mittels einer erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung 3. Dabei zeigen die 5 und 7 Verteilungen vor der Strahlformung. 7 zeigt dabei das Strahlprofil in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. In 5 ist die Intensität entlang der in 7 eingezeichneten Richtungen A und B dargestellt. Insbesondere entlang der Richtung B ist das Strahlprofil stark asymmetrisch, wobei in der in 5 dargestellten Winkelverteilung B sogar mehrere Maxima zu erkennen sind.
In den 6 und 8 sind die entsprechenden Verteilungen nach der Strahlformung, also nach dem Austritt aus dem Lichtleiter dargestellt. Wie anhand dieser Figuren deutlich wird, ist selbst eine stark asymmetrische Winkelverteilung mittels der Erfindung vollständig in eine radialsymmetrische Verteilung überführbar.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen beispielhaften Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Bezugszeichenliste

1	optischer Signalaufnehmer
3	Strahlformungseinrichtung
5	Lichtleiter
7	Kern von 5
8	lichtleitender Bereich von 5
9	Mantel von 5
10	Umfangs-Außenfläche von 5
11	Reflexionsfläche von 5
13	Lichteintrittsfläche von 5
15	Lichteintrittsfläche von 5
16, 17	Antireflex-Beschichtung
20	Laserdiode
22, 23, 24, 25	Linse
26	Strahlteiler
28	Spiegel
30	Photodetektor
32	optisches Speichermedium
35	staubdichte Verkapselung für 5
37	Hohlraum
40	konischer Längsabschnitt
41	zylindrischer Längsabschnitt
d	Durchmesser von 8
L	Länge von 8

Claims

Optischer Signalaufnehmer zum Lesen und/oder Beschreiben von Datenträgern, mit einer Lichtquelle und einer Strahlformungseinrichtung, wobei die Strahlformungseinrichtung einen Lichtleiter in Form einer transparenten Stange umfasst, welche zumindest entlang eines Längsabschnitts einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist, wobei Durchmesser und Länge des Lichtleiters so bemessen sind, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 1,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird, und wobei die Lichtquelle eine blau emittierende Laserdiode umfasst.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 2,0 mal im Lichtleiter reflektiert wird.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 2,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter zumindest entlang eines Längsabschnitt eine Reflexionsfläche mit rundem Querschnitt aufweist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Stange einen Kern und zumindest entlang wenigstens eines Abschnitts einen Mantel mit niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns oder einen Gradientenindex-Lichtleiter umfasst.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der transparenten Stange mantellos ist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche des Lichtleiters am Eintrittsende einen elliptischen Querschnitt aufweist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Lichtleiters konisch geformt ist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtleiter mit einem sich vom Eintritts- zum Austrittsende hin verjüngenden Querschnitt des lichtleitenden Bereichs.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine numerische Apertur NA von zumindest 0.3 aufweist.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine numerische Apertur NA von zumindest 0,5 aufweist.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine numerische Apertur NA von zumindest 0,7 aufweist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 10 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 12 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 15 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Wellenleiters, NA·d/L zumindest 10 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Wellenleiters, NA·d/L zumindest 12 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Wellenleiters, NA·d/L zumindest 15 beträgt.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zumindest teilweise aus Glas gefertigt ist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist.
Optischer Signalaufnehmer, gekennzeichnet durch ein eingangsseitig zum Lichtleiter angeordnetes Fokussierungs- oder Defokussierungselement.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine staubdichte Verkapselung des Lichtleiters.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Reflexionsfläche des Lichtleiters eine an ein gasförmiges Medium oder Vakuum angrenzende Oberfläche eines lichtleitenden Mediums umfasst.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Eintritts- und/oder Austrittsfläche des Lichtleiters mit einer Antireflexbeschichtung versehen sind.