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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer
strahlungsreflektierenden Informationsebene, wobei die Vorrichtung einen ein
Abtaststrahlenbündel liefernden Diodenlaser enthält, sowie ein Objektivsystem zur
Fokussierung des Abtaststrahlenbündels zur Bildung eines Abtastflecks in der
Informationsebene und zur Wiederabbildung des Abtastflecks auf ein
zusammengesetztes, strahlungsempfindliches Detektionssystem und ein
zusammengesetztes, in dem Strahlungsweg zwischen dem Diodenlaser und dem
Objektivsystem angeordnetes Beugungselement zur Ablenkung des von der
Informationsebene reflektierten Strahlenbündels auf das strahlungsempfindliche
Detektionssystem und zur Aufspaltung dieses Strahlungsbündels in eine Anzahl von
Teilbündeln, die eine entsprechende Anzahl von Strahlungsflecken auf einer
entsprechende Anzahl von Detektorpaaren des zusammengesetzten Detektionssystems
bilden.
Eine Vorrichtung dieses Typs, die im Prinzip zum Auslesen eines zuvor
beschriebenen Aufzeichnungsträgers und zur optischen Aufzeichnung auf einem solchen
Aufzeichnungsträger geeignet ist, ist aus der US-Patentschrift Nr. 4.665.310 (PHN
11.531) bekannt. In dieser Vorrichtung hat das zusammengesetzte Beugungsgitter zwei
Funktionen, für die sonst zwei einzelne Elemente erforderlich sind. Erstens sorgt das
Gitter dafür, daß die von der Informationsebene reflektierte und das Objektivsystem
durchquerende Strahlung aus dem Weg der von dem Diodenlaser ausgesendeten
Strahlung abgelenkt wird, so daß ein Detektionssystem im Weg der reflektierten
Strahlung angeordnet werden kann. Zweitens spaltet das Gitter das reflektierte Bündel in
zwei Teilbündel auf, die für die Erzeugung eines Fokusfehlersignals, d. h. eines Signals,
das Informationen über die Größe und die Richtung einer Abweichung zwischen der
Fokusebene des Objektivsystems und der Informationsebene enthält, benötigt werden.
Jedes der Teilbündel gehört zu einem gesonderten Detektorpaar, wobei das die
Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren desselben Paares
repräsentierende Signal ein Maß für die Fokussierung des Abtaststrahlenbündels auf die
Informationsebene ist.
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In dem erwähnten Aufzeichnungsträger ist die Information in
Informationsspuren angeordnet. Wenn die Trennlinie zwischen den beiden Teilgittern
parallel zur Spurrichtung verläuft, ist es möglich, durch Bestimmung der Summe der
Ausgangssignale jedes Detektorpaares und durch Subtrahieren dieser Summensignale
voneinander, ein Informationen über die Größe und die Richtung einer Abweichung
zwischen dem Zentrum des Abtastflecks und der Mittelachse der abzutastenden
Informationsspur enthaltendes Signal zu bilden.
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Um die gewünschte Strahlenbündelaufspaltung zu erhalten, umfaßt das
Beugungsgitter in der bekannten Vorrichtung zwei Teilgitter mit der gleichen
Gitterperiode, wobei die Gitterstreifen des ersten Teilgitters einen ersten Winkel und die
Gitterstreifen des zweiten Teilgitters einen zweiten, ebenso großen, aber dem ersten
Winkel entgegengesetzten Winkel mit der Trennlinie der beiden Teilgitter bilden. Da ein
Beugungsgitter ein einfallendes Strahlenbündel in eine Ebene quer zur Richtung der
Gitterlinien ablenkt, erhält der Teil des Strahlenbündels, der auf eines der Teilgitter
fällt, eine andere Richtung als der Teil des Strahlenbündels, der auf das zweite
Teilgitter fällt.
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Wie in der US-Patentschrift Nr. 4.665.310 erläutert, ist der in dieser
Patentschrift beschriebene Gitterentwurf auf ein zuvor vorgeschlagenes
zusammengesetztes Beugungsgitter gegründet. Dieses Gitter enthält zwei Teilgitter, in
denen die Gitterstreifen des einen Teilgitters die gleiche Richtung wie die des anderen
Teilgitters haben, in denen aber die Gitterperioden der beiden Teilgitter unterschiedlich
sind. Da der Winkel, unter dem ein einfallendes Strahlenbündel von einem Gitter
abgelenkt wird, von der Gitterperiode abhängt, wird der Teil des auf eines der Teilgitter
treffenden Strahlenbündels unter einem Winkel abgelenkt, der sich von dem Winkel,
unter dem der Teil des Strahlenbündels, der auf das andere Teilgitter trifft, abgelenkt
wird, unterscheidet.
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Mit einer mit diesen Gittern versehenen Abtastvorrichtung sind
zufriedenstellende Erfahrungen gesammelt worden. Es hat sich jedoch herausgestellt,
daß bei Verwendung eines Gitters in dem erzeugten Fokusfehlersignal eine Abweichung
auftreten kann, die in der Tat innerhalb des für dieses Signal festgelegten
Toleranzbereichs bleibt, aber nur wenig Raum für eventuelle andere Abweichungen läßt.
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Diese zuletzt genannten Abweichungen können von gegenseitigen Bewegungen der
optischen Komponenten herrühren und von variierenden Einstellungen der
elektronischen Verarbeitungseinheit.
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Wie bekannt ist, kann die Wellenlänge λ der von in der Praxis häufig
verwendeten Diodenlasern emittierten Strahlenbündel variieren, beispielsweise infolge
von Temperaturschwankungen. Die Wellenlängen einzelner, mit Hilfe des gleichen
Prozesses zu unterschiedlichen Zeitpunkten gefertigter Diodenlaser können sich
ebenfalls voneinander unterscheiden. Eine Wellenlängenänderung des
Abtaststrahlenbündels führt zu einer Änderung der Winkel, unter denen die Teilbündel
von den Teilgittern abgelenkt werden, wodurch sich die Lagen der Strahlungsflecke auf
den Detektorpaaren ändern.
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Um zu verhindern, daß diese Positionsänderungen das erzeugte
Fokusfehlersignal beeinflussen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Trennstreifen
jedes Detektorpaares so anzuordnen, daß die Verlagerung der Strahlungsflecke infolge
der Wellenlängenänderungen entlang diesen Trennstreifen auftreten. Die variierende
Intensitätsverteilung dieser Strahlungsflecke ist jedoch dabei nicht berücksichtigt
worden.
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Bei korrekter Fokussierung des Abtaststrahlenbündels auf die
Informationsebene und bei korrekter, d. h. Nennwellenlänge dieses Strahlenbündels
bilden die von den Beugungsgittern kommenden Teilbündel auf ihren zugehörigen
Detektorpaaren Strahlungsflecke, die hinsichtlich dieser Detektorpaare symmetrische
Intensitätsverteilungen haben. Bei Veränderung der Wellenlänge des
Abtaststrahlenbündels ändern sich nicht nur die Lagen dieser Strahlungsflecke, sondern
diese Flecke werden in der Richtung quer zu den Trennstreifen auch asymmetrisch
größer, weil die Fokussierung der Teilbündel hinsichtlich der zugehörigen
Detektorpaare sich ändert, sogar bei konstanter und korrekter Fokussierung des
Abtaststrahlenbündels auf die Informationsebene. Dann beginnt die Tatsache eine Rolle
zu spielen, daß jedes Teilbündel von einem nur die Hälfte der Austrittspupille des
Objektivsystems abdeckenden Gitter stammt, so daß diese Teilbündel asymmetrisch
sind. Die Vergrößerung eines Strahlungsflecks infolge der Wellenlängenänderung ist
asymmetrisch, so daß das Zentrum der Intensitätsverteilung eines Strahlungsflecks eine
Bewegung mit einer quer zu dem Trennstreifen des zugehörigen Detektorpaares
liegenden Bewegungsrichtung ausführt. Bei einer Wellenlängenänderung tritt daher eine
Änderung des Differenzsignals der zu einem Paar gehörenden Detektoren auf, die von
dem Fokus-Servosystem als Fokusfehler des Abtaststrahlenbündels relativ zur
Informationsebene interpretiert wird. Das Fokus-Servosystem beginnt dann so zu
"korrigieren", daß der Strahlungsfleck nicht mehr optimal auf die Informationsebene
fokussiert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für dieses neue Problem eine
Lösung zu finden. Die erfindungsgemaße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
für jedes Detektorpaar der Trennstreifen zwischen den beiden Detektoren mit der Linie,
die den Mittelpunkt der strahlungsemittierenden Fläche des Diodenlasers mit der, bei
optimaler Fokussierung des Abtaststrahlenbündels auf die Informationsebene, von dem
Zentrum der Intensitätsverteilung des auf dem betreffenden Detektorpaar gebildeten
Strahlungsflecks angenommenen Lage verbindet, einen spitzen Winkel bildet.
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Der Trennstreifen jedes Detektorpaares ist dann so gelegen, daß die
Verlagerung des Zentrums der Intensitätsverteilung des zugehörigen Strahlungsflecks,
die eine Folge der Wellenlängenänderung ist, entlang des Trennstreifens erfolgt, so daß
diese Verlagerung nicht zu einer Änderung der Intensitätsverteilung über die Detektoren
führt und daher keinen Einfluß auf das Fokusfehlersignal hat.
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Die Erfindung kann in Abtastvorrichtungen verwendet werden, bei der das
Beugungselement von einem aus mehreren Teilgittern zusammengesetzten Gitter
gebildet wird.
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Die Teilgitter können gerade Gitterstreifen enthalten und eine konstante
Gitterperiode haben.
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Die Vorrichtung ist jedoch vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß die
Teilgitter eine variierende Gitterperiode haben und daß die Gitterstreifen gekrümmt
sind.
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Bei Verwendung eines Beugungsgitters mit variierender Gitterperiode
müssen weniger strenge Anforderungen an die Genauigkeit der Positionen des
Diodenlasers und der als Photodioden ausgebildeten Detektoren zueinander gestellt
werden, was besonders wichtig ist, wenn die Höhe der Vorrichtung, entlang der
optischen Achse des Objektivsystems gemessen, verkleinert werden soll. Außerdem ist
es, bei Verwendung von Gittern mit gekrümmten Gitterstreifen, durch Anpassung der
Krümmungen während der Fertigung des zusammengesetzten Gitters möglich,
Abbildungsfehler, wie z. B. Koma und Astigmatismus, die bei Verwendung eines
Beugungsgitters mit geraden Gitterlinien auftreten können, zu korrigieren.
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Eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der das
zusammengesetzte Beugungselement zwei Teilgitter enthält und bei der die Gitterstreifen
des einen Teilgitters die gleiche Richtung wie die des anderen Teilgitters haben und die
Gitterperioden der Teilgitter unterschiedlich sind, und bei der die Detektorpaare in einer
parallel zu der Trennlinie zwischen den Teilgittern liegenden Richtung
nebeneinanderliegen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstreifen der
Detektorpaare mit der genannten Verbindungslinie entgegengesetzte Winkel bilden.
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Eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung, die zwei Teilgitter mit
gleicher Gitterperiode verwendet, während die Gitterstreifen des ersten Teilgitters mit
der Trennlinie zwischen den Teilgittern einen ersten Winkel und die des zweiten
Teilgitters mit der genannten Trennlinie einen zweiten Winkel bilden, der gleich, aber
entgegengesetzt dem ersten Winkel ist, und bei der die Detektorpaare in einer quer zu
der Richtung der genannten Trennlinie liegenden Richtung nebeneinanderliegen, ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstreifen der Detektorpaare mit der genannten
Verbindungslinie gleich große, aber entgegengesetzte Winkel bilden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ausführungsform einer Auslesevorrichtung mit
einem Beugungsgitter,
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Fig. 2 eine perspektivische, schematische Ansicht einer ersten
Ausführungsform des Beugungsgitters und des zugehörigen Detektionssystems,
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Fig. 3a und 3b die Veränderungen der Strahlungsflecke auf den
Detektoren beim Auftreten von Fokusfehlern,
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Fig. 4a, 4b, 4c die Veränderungen der Teilbündel beim Auftreten
einer Wellenlängenänderung des Abtaststrahlenbündels,
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Fig. 5 die von diesen Veränderungen bewirkten Änderungen eines auf
einem Photodiodenpaar gebildeten Strahlungsflecks,
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Fig. 6 das erfindungsgemäße, zu der ersten Ausführungsform des
Beugungsgitters gehörende strahlungsempfindliche Detektionssystem,
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Fig. 7 eine zweite Ausführungsform des Beugungsgitters und des
zugehörigen strahlungsempfindlichen Detektionssystems,
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Fig. 8a und 8b die Änderungen der Strahlungsflecke auf der
Photodiode beim Auftreten von Fokusfehlern,
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Fig. 9 die Änderungen eines auf einem Photodiodenpaar gebildeten
Strahlungsflecks infolge einer Änderung der Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels, und
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Fig. 10 das erfindungsgemäße, zu der zweiten Ausführungsform des
Beugungsgitters gehörende strahlungsempfindliche Detektionssystem.
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Fig. 1 zeigt eine tangentiale Querschnittsansicht eines kleinen Teils eines
optischen Aufzeichnungsträgers 1 mit einer strahlungsreflektierenden Informationsebene
2. Diese Figur zeigt eine der in der Informationsebene 2 liegenden Spuren 3. Eine
solche Spur enthält Informationsgebiete 3a, die mit Zwischengebieten 3b abwechseln,
wobei beispielsweise die Gebiete 3a in einer von der der Zwischengebiete 3b
abweichenden Höhe liegen. Die Informationsoberfläche wird mittels eines von einem
Diodenlaser 4 emittierten Strahlenbündels b abgetastet. Dieses Strahlenbündel wird von
einem Objektivsystem 6, das schematisch durch eine einzige Linse dargestellt wird,
fokussiert, um in der Informationsebene einen winzigen Abtastfleck V zu bilden. Eine
gesonderte Kollimatorlinse kann vor dem Objektivsystem angeordnet sein. Das
Abbildungssystem kann alternativ durch ein zusammengesetztes
Kollimatorobjektivsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, gebildet werden. Wenn der
Aufzeichnungsträger um eine Achse 8 gedreht wird, die parallel zu der optischen Achse
00' liegt, wird eine Spur 3 abgetastet und das Auslesestrahlenbündel wird durch die in
dieser Spur enthaltene Information moduliert. Durch Bewegen des Aufzeichnungsträgers
und der die Quelle 4, das Objektivsystem 6 und das Detektionssystem 10 enthaltenden
Ausleseeinheit relativ zueinander in radialer Richtung wird die gesamte
Informationsoberfläche abgetastet.
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Das von der Informationsoberfläche reflektierte und modulierte
Strahlenbündel soll detektiert werden können, d. h. daß dieses Strahlenbündel von dem
von der Quelle 4 emittierten Strahlenbündel getrennt werden können muß. Hierfür sollte
die Vorrichtung ein Strahlenbündel-Trennelement enthalten.
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Zum Auslesen einer Informationsstruktur mit kleinen Informationsdetails
von beispielsweise der Größenordnung 1 um ist ein Objektivsystem mit einer großen
numerischen Apertur erforderlich. Die Schärfentiefe eines solchen Objektivsystems ist
klein. Da Abweichungen im Abstand zwischen der Informationsebene 2 und dem
Objektivsystem 6 auftreten können, die größer sind als die Schärfentiefe, müssen
Maßnahmen getroffen werden, um diese Abweichungen zu detektieren und als Reaktion
darauf die Fokussierung zu korrigieren. Hierzu kann die Vorrichtung mit einem
Strahlteiler versehen sein, der das reflektierte Strahlenbündel in zwei Teilbündel teilt,
und mit beispielsweise zwei Detektorpaaren, wobei ein erstes der Paare mit dem ersten
Teilbündel und das zweite Paar mit dem zweiten Teilbündel zusammenarbeitet. Die
Ausgangssignale der Detektoren werden verarbeitet, um unter anderem ein Fokus-
Servosignal zu bilden.
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Wie in dem Beitrag "Optische Fokusfehlerdetektion" in "Neues aus der
Technik" Nr. 6, 15. Dezember 1980, S. 3, beschrieben wird, können Strahltrennung
und Strahlaufspaltung mit Hilfe eines einzelnen Elementes erreicht werden, nämlich mit
einem transparenten Gitter. Dieses Gitter spaltet das von der Informationsoberfläche 2
reflektierte und das Objektivsystem 6 durchquerende Strahlenbündel in ein nicht
gebeugtes Teilbündel nullter Ordnung und eine Anzahl von Teilbündeln erster und
höherer Ordnung auf. Die Gitterparameter, insbesondere das Verhältnis zwischen der
Breite der Gitterstreifen und der der Zwischenstreifen und die Tiefe und die Form der
Gitterfurchen können so gewählt werden, daß eine maximale Strahlungsmenge auf das
Detektionssystem trifft.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Vorderansicht einer ersten
Ausführungsform des Gitters 9 und des strahlungsempfindlichen Detektionssystems 10.
Das Strahlenbündel b ist im Gitterbereich durch seinen Querschnitt angedeutet. Das
Gitter 9 enthält zwei durch die Linie 11 voneinander getrennte Teilgitter 12 und 13. Die
Gitterstreifen der Teilgitter 12 und 13 sind mit 14 bzw. 15 bezeichnet. Diese
Gitterstreifen werden durch Zwischenstreifen 16 und 17 getrennt. In dieser
Ausführungsform haben die Gitterstreifen im Bereich der Trennlinie 11 die gleiche
Richtung und stehen beispielsweise senkrecht zu der Trennlinie. Die mittlere
Gitterperiode p&sub1; des Teilgitters 12 unterscheidet sich jedoch von der mittleren
Gitterperiode p&sub2; des Teilgitters 13. Folglich unterscheidet sich der Winkel, unter dem
das Teilbündel b&sub2; gebeugt wird, von dem Winkel, unter dem das Teilbündel b&sub1; gebeugt
wird. Das bedeutet, daß in der Ebene des Detektors die Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2;
relativ zueinander in Y-Richtung verschoben sind.
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Zu jedem der Teilbündel b&sub1; und b&sub2; gehören strahlungsempfindliche
Detektoren in der Form von voneinander durch schmale Streifen 22 bzw. 23 getrennten
Photodioden 18, 19 und 20, 21. Diese Detektoren sind so positioniert, daß bei korrekter
Fokussierung des Strahlenbündels b auf die Informationsoberfläche 2 die
Intensitätsverteilung der von den Teilbündeln b&sub1; und b&sub2; gebildeten Strahlungsflecke V&sub1;
und V&sub2; bezüglich der Detektoren 18, 19, bzw. 20, 21 symmetrisch ist. Wenn ein
Fokusfehler auftritt, werden die Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; asymmetrisch größer, wie
in den Fig. 3a und 3b gezeigt wird. Fig. 3a gibt den Fall wieder, bei dem das
Strahlenbündel b in einer Ebene vor der Informationsoberfläche 2 fokussiert wird,
während Fig. 3b sich auf den Fall bezieht, bei dem das Strahlenbündel b in einer
Ebene hinter der Informationsoberfläche fokussiert wird.
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Wenn die Ausgangssignale der Detektoren 18, 19, 20 und 21 durch S&sub1;&sub8;,
S&sub1;&sub9; bzw. S&sub2;&sub0; und S&sub2;&sub1; dargestellt werden, wird das Fokusfehlersignal durch:
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Sf = (S&sub1;&sub8; + S&sub2;&sub1;) - (S&sub1;&sub9; + S&sub2;&sub0;)
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gegeben.
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Ein zu der ausgelesenes Information proportionales Signal, das Informationssignal Si
wird gegeben durch:
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Si = S&sub1;&sub8; + S&sub1;&sub9; + S&sub2;&sub0; + S&sub2;&sub1;.
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Wenn die Trennlinie 11 der beiden Teilgitter 12 und 13 parallel zu der Richtung einer
ausgelesenen Spur 3 verläuft, ist es auch möglich, ein Spurfolgefehlersignal Sr aus den
Detektorsignalen zu generieren. Dieses Signal wird gegeben durch:
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Sr = (S&sub1;&sub8; + S&sub1;&sub9;) - (S&sub2;&sub0; + S&sub2;&sub1;).
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Die Vorrichtung kann so dimensioniert sein und die Geometrie des
zusammengesetzten Gitters und die Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels können
zueinander in einer solchen Weise angepaßt sein, daß beim Zusammenfallen der Ebene,
in die das Abtaststrahlenbündel fokussiert wird, mit der Informationsebene 2 die
Teilbündel b&sub1; und b&sub2; auf die Trennstreifen der Photodiodenpaare 18, 19, 20 und 21
fokussiert werden. Dann ist die Größe der Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; minimal, und die
Intensitätsverteilung jedes Flecks ist bezüglich des zugehörigen Detektorpaares
symmetrisch.
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Bei einer Änderung der Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels ändern
sich auch die Winkel, unter denen die Teilbündel von den Teilgittern gebeugt werden.
Das bedeutet für jedes Teilbündel nicht nur, daß der Ort, wo der Hauptstrahl dieses
Teilbündels auf das zugehörige Photodiodenpaar auftrifft, verschoben ist, sondern auch,
daß dieses Teilbündel in einer Ebene fokussiert wird, die unter oder über der
strahlungsempfindlichen Oberfläche des Photodiodenpaares liegt.
Dies wird in den Fig. 4a, 4b und 4c für das Teilbündel b&sub1; erläutert.
Ein entsprechender Effekt tritt für das Teilbündel b&sub2; auf. In diesen Figuren bezeichnet
das Bezugszeichen 9 wieder das zusammengesetzte Gitter, das Bezugszeichen 4 den
Diodenlaser und das Bezugszeichen 10 die Oberfläche der zusammengesetzten
Photodiode. Fig. 4a zeigt den Fall, bei dem die Wellenlänge den korrekten oder auch
Nennwert hat. In dem in Fig. 4b dargestellten Fall ist die Wellenlänge kleiner als der
Nennwert, und das Teilbündel wird in einer Ebene unterhalb der
strahlungsempfindlichen Oberfläche der Photodioden fokussiert. Wenn die Wellenlänge
größer als der Nennwert ist, wird das Teilbündel in einer Ebene oberhalb der
strahlungsempfindlichen Oberfläche der Photodioden fokussiert, wie in Fig. 4c gezeigt
wird. Eine Defokussierung des Teilbündels b&sub1; führt nicht nur dazu, daß der auf der
strahlungsempfindlichen Oberfläche der Photodioden gebildete Strahlungsfleck V&sub1; größer
wird, sondern auch dazu, daß dieser Fleck eine asymmetrische Form annimmt. Das
Teilbündel b&sub1; stammt nämlich aus dem in Fig. 2 oberhalb der Trennlinie 11 liegenden
Teilgitter 12. Diese Trennlinie halbiert die Austrittspupille des Objektivsystems 6 und
damit auch das von der Informationsoberfläche 2 reflektierte Abtaststrahlenbündel b, so
daß der Querschnitt des Teilbündels b&sub1; halbkreisförmig ist. Der Strahlungsfleck V&sub1; ist
daher nicht rund, und beim Defokussieren des Teilbündels b&sub1; hat dieser Fleck ungefähr
Halbkreisform.
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In Fig. 5 wird erläutert, wie die Lage, die Form und die Größe des
Strahlungsflecks V&sub1; sich bei Änderung der Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels
ändern. Angenommen wird, daß dieses Strahlenbündel scharf auf die Informationsebene
fokussiert ist. V1,0 ist der Strahlungsfleck, der gebildet wird, wenn die Wellenlänge den
Nennwert hat und wenn das Teilbündel b&sub1; scharf auf die strahlungsempfindliche
Oberfläche der Detektoren 18 und 19 fokussiert wird. Bei Vergrößerung der
Wellenlänge bewegt sich der Strahlungsfleck nach rechts, und der Fleck wird immer
größer, was durch die Flecke V1,1, V1,2 angedeutet wird. Wenn die Wellenlänge kleiner
als der Nennwert wird, bewegt sich der Strahlungsfleck nach links, und auch dieser
Fleck wird immer größer, was durch die Flecke V1,3, V1,4 angedeutet wird. Die Zentren
der Intensitätsverteilungen der Flecke V1,0, V1,1, V1,2, V1,3 und V1,4 werden mit M1,0,
M1,1, M1,2, M1,3 und M1,4 bezeichnet. Diese Zentren liegen auf einer Linie 22', die mit
dem ursprünglichen Trennstreifen 22 der Detektoren 18 und 19 einen kleinen Winkel α&sub1;
in der Größenordnung von einigen Grad bildet. Ein entsprechender Effekt tritt für den
Strahlungsfleck V&sub2; auf, wobei die Linie, entlang der sich das Zentrum der
Intensitätsverteilung verschiebt, mit dem Trennstreifen 23 einen Winkel bildet, der dem
Winkel α&sub1; entgegengesetzt ist und einen zu diesem unterschiedlichen Wert hat.
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Das Ergebnis der Wellenlängenänderung ist also, daß das Zentrum der
Intensitätsverteilung des Strahlungsflecks V&sub1; bzw. V&sub2; quer zu den Trennstreifen 22 bzw.
23 verschoben ist, und somit die Detektoren 18, 19 bzw. 20, 21 unterschiedliche
Strahlungsintensitäten empfangen. Die Ausgangssignale der Detektoren 18, 19 bzw. 20,
21 sind dann nicht mehr gleich, während das Abtaststrahlenbündel dennoch scharf auf
die Informationsebene fokussiert wird. Das Fokus-Servosystem beginnt dann die
Fokussierung des Abtaststrahlenbündels zu korrigieren, beispielsweise durch Bewegung
des Objektivsystems entlang der optischen Achse, bis diese Ausgangssignale wieder
gleich sind. Dann ist jedoch das Abtaststrahlenbündel nicht mehr auf die
Informationsebene fokussiert.
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Es hat sich gezeigt, daß in einer bestimmten Ausführungsform der
Vorrichtung eine Wellenlängenänderung von 20 nm bei einer Nennwellenlänge von
785 nm eine Defokussierung in der Größenordnung von 0,7 um bis 0,8 um verursacht,
während der gesamte zulässige Fokusfehler beispielsweise 1 um beträgt.
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Um den Einfluß von Wellenlängenänderungen auf das Fokusfehlersignal
großenteils zu beseitigen, sorgt die Erfindung dafür, daß der Trennstreifen für jedes
Photodiodenpaar so gelegen ist, daß die Verschiebung des Zentrums der
Intensitätsverteilung des zugehörigen Strahlungsflecks entlang dieses Streifens verläuft.
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In Fig. 6 werden erfindungsgemäße Photodiodenpaare mit 18, 19 bzw. 20, 21
bezeichnet. Die neuen Trennstreifen werden mittels der durchgezogenen Linien 22'
und 23' dargestellt. Im Vergleich zu den ursprünglichen, mit gestrichelten Linien
dargestellten Streifen 22 und 23 sind die Streifen 22' und 23' um die Punkte M1,0 und
M2,0 um kleine Winkel α&sub1; bzw. α&sub2; gedreht.
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform des zusammengesetzten
Beugungsgitters und die zugehörige Photodiodenkonfiguration. Die Teilgitter haben jetzt
dieselbe Gitterperiode, aber die Hauptrichtungen der gekrümmten Gitterstreifen 14 des
Teilgitters 12 bilden mit der Trennlinie 11 einen ersten Winkel, während die
Hauptrichtungen der gekrümmten Gitterstreifen 15 des zweiten Teilgitters 13 mit der
Trennlinie einen zweiten, vorzugsweise gleich großen, aber entgegengesetzten Winkel
bilden. Die Teilbündel werden hauptsächlich in einer Richtung quer zu den
Hauptrichtungen abgelenkt, so daß die Photodioden anders als in Fig. 2 angeordnet
werden müssen. Die Trennstreifen 22 und 23 der Detektorpaare in der XY-Ebene liegen
jetzt hintereinander in der X-Richtung. Das Fokusfehlersignal, das Informationssignal
und das Spurfolgefehlersignal werden in gleicher Weise erhalten, wie anhand von Fig.
2 beschrieben.
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Da der Wirkungsgrad eines Beugungsgitters, d. h. der Quotient aus der
Menge der in die gewünschte Richtung gebeugten Strahlung und der gesamten Menge
der auf das Gitter fallenden Strahlung, unter anderem von der Gitterperiode abhängt,
wird das in Fig. 7 gezeigte zusammengesetzte Beugungsgitter dem in Fig. 2 gezeigten
vorgezogen. Tatsächlich können wegen der ungleichen Gitterperioden der Teilgitter in
dem zuletzt genannten Gitter die Teilbündel ungleiche Intensitäten erhalten, so daß ein
Offset in dem Spurfolgefehlersignal erzeugt werden kann. Dies kann in einer
Vorrichtung mit dem Beugungsgitter aus Fig. 7 nicht geschehen.
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In den Fig. 8a und 8b, die die Photodiodenpaare nach Fig. 7 in einer
Draufsicht zeigen, ist dargestellt, wie die Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; bezüglich der
Trennstreifen 22 und 23 liegen. Bei korrekter Fokussierung des Abtaststrahlenbündels
auf die Informationsebene und der Teilbündel auf die Detektoroberfläche sind die
Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; minimal und liegen sie auf den Trennstreifen 22 und 23.
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Fig. 8a zeigt die Strahlungsflecke V'&sub1; und V'&sub2;, die erzeugt werden, wenn das
Abtaststrahlenbündel in einer Ebene vor der Informationsoberfläche fokussiert wird,
während Fig. 8b die Strahlungsflecke V''&sub1; und V''&sub2; zeigt, die erzeugt werden, wenn das
Abtaststrahlenbündel in einer Ebene hinter der Informationsoberfläche fokussiert wird.
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Analog zu Fig. 5 zeigt Fig. 9, wie die Lage, die Form und die Größe
des Strahlungsflecks V&sub1; sich bei Änderung der Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels
ändern. Fig. 9 bedarf nach der Beschreibung von Fig. 5 keiner weiteren Erläuterung.
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Fig. 10 zeigt die in der Anordnung von Fig. 7 verwendeten und
erfindungsgemäß modifizierten Photodiodenpaare 18, 19 und 20, 21. Bezüglich der
ursprünglichen Streifen 22 und 23 sind die neuen Trennstreifen 22' und 23' um die
Punkte M1,0 und M2,0, die Zentren der Intensitätsverteilungen der Strahlungsflecke V&sub1;
und V&sub2; bei korrekter Fokussierung des Abtaststrahlenbündels in der Informationsebene
und bei der Nennwellenlänge, um einen kleinen Winkel β gedreht. Es sei bemerkt, daß
das Vorzeichen des Winkels β durch die Geometrie der Vorrichtung, insbesondere der
Positionen des Diodenlasers und des Gitters und der des Diodenlasers und der
Detektoren zueinander, bestimmt wird. Es ist auch möglich, daß die Linien 22' und 23'
bezüglich der Linien 22 und 23 entgegen dem bzw. im Uhrzeigersinn, statt im bzw.
entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in Fig. 10, gedreht werden.
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Die Erfindung kann in jedem Fokusfehlerdetektionssystem verwendet
werden, bei dem zur Trennung des von der Informationsebene reflektierten
Strahlenbündeis und des von dem Diodenlaser emittierten Strahlenbündels sowie zum
Aufspalten des reflektierten Strahlenbündels in eine Anzahl Teilbündel ein
Beugungselement verwendet wird. In der Praxis werden im allgemeinen zwei Teilbündel
verwendet, die mit Hilfe zweier Teilgitter gebildet werden. Gegebenenfalls kann es
günstig sein, ein zusammengesetztes Gitter mit mehr als zwei Teilgittern zu verwenden,
so daß mehr als zwei Teilbündel gebildet werden. Die erfindungsgemäße Maßnahme
kann für jedes zu diesen Teilbündeln gehörende Detektorpaar getroffen werden. Die
Teilgitter können gerade Gitterstreifen und eine konstante Gitterperiode haben.
Vorzugsweise wird jedoch ein Gittertyp, auch als Hologramm bezeichnet, verwendet,
dessen Ausführungsformen in den Fig. 2 und 7 gezeigt werden. Die Teilgitter in
diesen Ausführungsformen haben eine variierende Gitterperiode, wobei die Änderung
der Gitterperiode beispielsweise in der Größenordnung einiger Prozent der mittleren
Gitterperiode liegt. Außerdem sind, wie in den Fig. 2 und 7 gezeigt, die
Gitterstreifen der beiden Teilgitter gekrümmt. Diese Teilgitter haben also eine
veränderliche Linsenwirkung. Wegen der variierenden Gitterperiode können die Lagen
der Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; durch Verschieben des Gitters 9 in seiner eigenen Ebene
verändert werden. Abweichungen in einer senkrecht zur Richtung der Trennlinie 11
liegenden Richtung können durch die Krümmungen der Gitterstreifen minimiert werden.
Die Möglichkeit der Verschiebung der Lagen der Strahlungsflecke V&sub1; und V&sub2; ist
besonders wichtig, wenn eine integrierte Laser-Photodiodeneinheit verwendet wird, d. h.
eine Komponente, in der der Diodenlaser und die Photodioden auf ein und demselben
Träger angeordnet und daher relativ zueinander fixiert sind und also in Z-Richtung
einen festen gegenseitigen Abstand haben. Dieser Abstand ist Fertigungstoleranzen
unterworfen und kann während der Montage der Vorrichtung nicht durch Verschiebung
der Photodioden in Z-Richtung, relativ zum Diodenlaser, korrigiert werden.
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Auch der Abstand in der Y-Richtung zwischen dem Diodenlaser und den
Mittelpunkten der Detektorpaare ist Fertigungstoleranzen unterworfen. Ein Ausgleich
hierfür kann auch durch Verschieben des Gitters 9 in Richtung der Linie 11 erhalten
werden.
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In der Ausführungsform nach Fig. 2 kann gewährleistet werden, daß die
Brennpunkte der Teilbündel trotz der unterschiedlichen Winkel, unter denen die
Teilbündel b&sub1; und b&sub2; in der YZ-Ebene wegen der unterschiedlichen mittleren
Gitterperioden der Teilgitter 12 und 13 abgelenkt werden, in einer einzigen XY-Ebene
liegen, indem man nämlich dafür sorgt, daß die Gitterperioden und die Krümmungen
der Gitterstreifen von einander entsprechenden Teilen der Teilgitter einen
unterschiedlichen Verlauf erhalten.
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Ein wichtiger Vorteil des Beugungsgitters mit gekrümmten Gitterstreifen
im Vergleich zu einem Gitter mit geraden Gitterstreifen liegt darin, daß die optischen
Abweichungen wie Koma und Astigmatismus, die bei Verwendung des letztgenannten
Gitters auftreten können, in dem erstgenannten Gitter vermieden werden können, indem
diese Abweichungen bei der Herstellung dieses Gitters berücksichtigt werden und die
Krümmung der Gitterstreifen daran angepaßt wird.
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Die Erfindung ist zur Verwendung in einer Auslesevorrichtung
beschrieben worden, aber sie kann alternativ in einer Schreibvorrichtung oder in einer
kombinierten Schreib-/Lese-Vorrichtung verwendet werden, in der während der
Aufzeichnung die Fokussierung und Spurfolge des Schreibstrahlenbündels überwacht
wird. Das beschriebene Fokusfehlerdetektionssystem benutzt keine speziellen
Eigenschaften der Informationsoberfläche 2. Es ist nur notwendig und ausreichend, daß
diese Oberfläche reflektierend ist. Daher kann die Erfindung in verschiedenen
Vorrichtungen, bei denen sehr genaue Fokussierung gefordert wird, eingesetzt werden,
so z. B. in Mikroskopen, bei denen die Spurfolgefehlerdetektion eventuell entfallen
kann.