DE2917932A1 - Vorrichtung zur punktweisen abtastung einer datenflaeche - Google Patents
Vorrichtung zur punktweisen abtastung einer datenflaecheInfo
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Description
15.11.1978 * PHN 9120
Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche, insbesondere auf
eine Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers
mit einer optisch auslesbaren Datenstruktur, die eine
5. Strahlungsquelle, ein Beleuchtiingsob jektivsystem zum Fokussieren
des von der Strahlungsquelle ausgesandfcen Abtastbündels zu einem Abtastfleck auf der Datenfläche und ein
Beobachtungsobjektivsystem zum Zusammenbringen der von der
Datenfläche stammenden Strahlung auf der Fläche eines
Ό strahlungsempfindlichen Detektionssysteins enthält.
Eine derartige Vorrichtung zum Auslesen eines runden scheibenförmigen und Strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträgers,
auf dem ein Fernsehprogramm gespeichert ist, ist u.a. in: S.M.P.T.E. Journal", November 1976, Band 85,
S. 881 - 886 beschrieben. Die Datenstruktur besteht aus spurförmig angeordneten Gebieten, die eine andere optische
Eigenschaft als der verbleibende Teil der Datenfläche aufweisen. Die Daten können in der Raumfrequenz der Gebiete
und gegebenenfalls in den Längen dei- Gebiete festgelegt sein,
Beim Auslesen wird die Datenstruktur mit einem
Strahlungsfleck beleuchtet, der grosser als die Gebiete ist, wodurch Beugung auftritt» Das Abt as i. bund öl wird von der
Datenstruktur in ein unabgelenktes Teilbündel nullter Ordnung und eine Anzahl abgelenkter Teilbündel höherer
Ordnungen zerlegt,
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15.11.78. <& PHN 9120
Wenn der Aufzeichnungsträger in Reflexion ausgelesen wird, wie in Fig. 25 der obengenannten Veröffentlichung dargestellt
ist, ist das Objektivsystem, das den Abtastfleck
auf der Datenstruktur erzeugt, zugleich das Objektivsystem,
das die von der Datenstruktur reflektierte Strahlung auf einem Detektor zusammenbringt. Die Pupille dieses Objektivsystems
ist zu dem Teilbündel nullter Ordnung symmetrisch angeordnet. Die maximale Raumfrequenz der Datenstruktur,
die noch ausgelesen werden kann, wird durch das Auflösungsvermögen
des Objektivsystems bestimmt. Im Falle des Auslesens in Reflexion mit einem fokussierten Auslesebündel
wird die maximale Raumfrequenz f , die nachstehend als
"die übliche Grenzfrequenz" bezeichnet wird, gegeben durch: 2 . N.A./7v» , wobei N,A. die numerische Apertur des Objektivsystems
und X die Wellenlänge des Auslesebündels darstellen.
Zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer Spieldauer
von einer halben Stunde, der mit 25 Umdrehungen pro Sekunde gedreht wird und bei dem die radiale Periode der
Spurenstruktur 1,7/um ist, während die Periode der Datengebiete
in der Gros sen Ordnung von 1 /um liegt, wird ein Helium-Neon-Laser als Strahlungsquelle verwendet, wobei
A= 0,6328 /um ist. Dabei muss ein Objektivsystem mit einer
N.A. = 0,4 verwendet werden. Ein Objektivsystem mit einer
derartigen verhältnismässig grossen numerischen Apertur ist
ziemlich teuer und weist - was noch wichtiger ist - eine verhältnismässig geringe Tiefenschärfe von z.B. k /Um auf.
Dann müssen strenge Anforderungen an das in der Abtastvorrichtung vorhandene Servosystem zum Aufrechterhalten
des Fokus des Abtastbündels auf der Datenfläche gestellt werden.
Auch wurde bereits voi-geschlagen, einen Aufzeichnungsträger
mit Hilfe eines Halbleiterdiodenlasers, z.B. eines AlGaAs-Diodenlasers, auszulesen, der eine Wellenlänge in
der Grössenordnung von 0,88 /um aussendet. Wenn mit einem derartigen Diodenlaser das gleiche Auflösungsvermögen wie
mit einem Helium-Neon-Laser erreicht werden soll, muss ein Objektivsystem mit einer grösseren numerischen Apertur, z.B.
mit N.A."= 0,55 und also mit einer geringeren Tiefenschärfe
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PHN 9120
verwendet werden.
Vor allem im letzteren Falle wäre es attraktiv, wenn
unter Aufrechterhaltung des Auflösungsvermögens die numerische
Apertur des Objektivsystems verkleinert werden könnte.
In anderen Fällen, in denen eine verhältnismässig grosse
numerische Apertur nicht besonders bedenklich ist, wäre es attraktiv, wenn unter Aufrechterhaltung der numerischen
Apertur des Objektivsystems das Auflösungsvermögen vergrössert
werden könnte.
Die Erfüllung der oben angegebenen Wünsche ist nicht nur wesentlich beim Abtasten kodierter Daten, die in einer
optischen Struktur eines Aufzeichnungsträgers festgelegt
sind, sondern auch im allgemeinen von Bedeutung für jene Fälle, in denen eine optische Information punktweise abgetastet
und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das zu einem anderen Zeitpunkt oder an einer anderen Stelle
wieder optisch sichtbar gemacht wird. Dabei ist an Faksimile— Vorrichtungen oder an Vorrichtungen zu denken, mit denen
optische Darstellungen oder Dokumente in Fernsehsignale umgewandelt werden.
Die Erfindung, bezweckt, eine Abtastvorrichtung zu
schaffen, in der einer der genannten Wünsche oder eine Kombination beider Wünsche erfüllt wird. Die Vorrichtung nach
der Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsobjektivsystem zu einem Teilbündel nullter
Ordnung der von der Datenfläche stammenden Strahlung asymmetrisch angeordnet- ist und dass das Detektionssystem durch
einen Detektor gebildet wird, dessen Abmessung in der Abtastrichtung klein ist.
Die Weise der Datenabtastung in der Vorrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich in zwei Hinsichten von
der Weise der Abtastung bei der Vorrichtung, die in "S.M.P.T.E. Journal", Band 85, S. 881 - 886 beschrieben ist.
In der letzteren Vorrichtung wird das Beobachtungsobjektivsystem symmetrisch von dem Teilbündel nullter Ordnung beleuchtet
und es wird die gesamte Strahlungsenergie, die in das Objektivsystem eintritt, detektiert. In der Vorrichtung
nach der Erfindung wird das Beobachtungsobjektivsystem von
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15.11.78. · £ . PHN 9120
O
dem Teilbündel nullter Ordnung asymmetrisch beleuchtet und es wird nur ein kleiner Teil der von der Datenfläche stammenden Strahlungsenergie, die in dieses Objektivsystem eintritt, detektiert.
dem Teilbündel nullter Ordnung asymmetrisch beleuchtet und es wird nur ein kleiner Teil der von der Datenfläche stammenden Strahlungsenergie, die in dieses Objektivsystem eintritt, detektiert.
In der bekannten Vorrichtung treten ausser dem gesamten Teilbündel nullter Ordnung Teile der Teilbündel erster Ordnungen
in das Beobachtungsobjektivsystem ein. In der Pupille
des Objektivsystems tritt eine Überlappung der Teile der
Teilbündel erster Ordnungen mit dem Teilbündel nullter Ordnung auf. Der Effekt wird dazu benutzt, dass sich die gesamte
Strahlungsenergie, die durch das Objektivsystem hindurchgeht
und von dem Detektor detektiert wird, beim Abtasten ändert. Die Änderung ist der Tatsache zuzuschreiben, dass .sich die
Phasen der Teilbündel erster Ordnungen in bezug auf die des Teilbündels nullter Ordnung ändern. Diese Änderung kann '
detektiert werden, solange die Teilbündel erster Ordnung ' innerhalb der Pupille des Beobachtungssystems mit dem Teilbündel
nullter Ordnung interferieren. Wenn die Raumfrequenz
der Datenstruktur derart gross ist, dass die Teilbündel erst.er Ordnung gerade ausserhalb der Pupille fallen, so dass
keine Interferenz mehr in der Pupille auftritt, wird sich die gesamte Strahlungsenergie auf dem Detektor beim Abtasten
nicht mehr ändern und die Daten können nicht mehr ausgelesen werden. Dann ist die übliche Grenzfrequenz erreicht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass neben dem obengenannten Effekt noch ein zweiter Effekt
auftritt, und zwar dass das Interferenzmuster eines Teilbündels
erster Ordnung und des Teilbündels nullter Ordnung beim Abtasten zu "laufen" beginnt, d.h., dass sich die
Intensitätsverteilung in der Ebene des Detektors zeitlich •ändert. Diese Änderung kann mit einem schmalen Detektor
detektiert werden, dessen Breite in der Grössenordnung einer halben Periode des Interferenzmusters liegt. Dabei
braucht das Teilbündel erster Ordnung und das Teilbündel nullter Ordnung sich nicht mehr in der Pupille des Beobachtungsobjektivsystems
zu überlappen, sondern diese Teilbündel können durch verschiedene Teile dieser Pupille hindurchtreten,
um in der Ebene des Detektors zusammengebracht zu werden,
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in der wegen der Kohärenz des Abtastbündels ein Interferenzmuster erhalten wird. Es ist dann möglich, das Beobachtungsobjektivsystem
in der Richtung zu verschieben, in der eines der Teilbündel erster Ordnung abgelenkt wird, so dass dieses
Teilbündel auch bei die übliche Grenzfrequenz überschreitenden Raumfrequenzen noch teilweise innerhalb der Pupille des
Beobachtungsobjekttivsystems fällt und zur Interferenz mit
dem Teilbündel nullter Ordnung gebracht, werden kann.
Wenn die Datenstruktur eine strahlungsdurchlässige Struktur ist, werden ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem
und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem verwendet.
Vorzugsweise ist die Datenstruktur eines Aufzeichnungsträgers
eine strahlungsreflektierende Struktur. Bei genügend schrägem Einfall des Abtastbündels auf die Datenstruktur
können auch ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem und
ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem verwendet werden.
Dann kann entweder unter Aufrechterhaltung der numerischen Apertur des Beleuchtungsobjektivs das Auflösungsvermögen
^ erheblich vergrössert oder es kann unter Aufrechterhaltung
des Auflösungsvermögens die numerische Apertur des letzteren Systems erheblich verkleinert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach
der Erfindung ist aber dadurch gekennzeichnet, dass das " Beleuchtungsobjektivsystem und das Beobachtungsobjektivsystem
durch ein einziges Objektivsystem gebildet werden, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der Normalen
auf der Datenfläche einschliesst.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie einfach ist 3" und dass das reflektierte Abtastbündel grösstenteils dieselben
optischen Elemente wie das von der Strahlungsquelle ausgesandte Abtastbündel durchläuft, so dass Schwingungen
der optischen Elemente in dem Strahlungsweg nahezu das erhaltene Signal nicht beeinflussen.
Um das Signal-Rauschverhältnis des erhaltenen Signals
zu vorgrössern, kann die Vorrichtung nach der Erfindung
weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass zu beiden Seiten des Detektors in der Ab t:as fcrichtung weitere Detektoren
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15. 11 .78 " ό' PHN 9120
angebracht sind. Die weiteren Detektoren sind jeweils über
einen Abstand gleich, etwa der halben Periode des Interferenzmusters
gegen den mittleren Detektor und gegeneinander verschoben.
5· Die Erfindung wird nunmehr an einem Beispiel einer Vorrichtung
zum Auslesen eines runden, scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers,
in dem die Erfindung angewandt ist, näher erläutert. In der Zeichnung, auf die ip diesem Zusammenhang
verwiesen wird, zeigen:
Fig. 1 eine früher vorgeschlagene Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer strahlungsreflek—
tierenden Datenstruktur,
Fig. 2 die Lage der Teilbündel verschiedener Ordnungen
in bezug auf die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems in
der Vorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 3 die Lage der Teilbündel verschiedener Ordnungen
in bezug auf die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems
in einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. h das Prinzip der Erfindung,
^" Fig. 5 eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Auslesen
einer strahlungsdurchlässigen Datenstruktur, und die
Fig. 6 und 7 eine erste und eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Auslesen einer strahlungsreflektierenden
Datenstruktur.
" ' Fig. 1 zeigt einen radialen Schnitt durch einen runden
scheibenförmigen Aufzeichnungsträger J_. Die Spuren 2 der
reflektierenden Datenfläche 3» die aus nicht dargestellten Datengebieten aufgebaut sind, erstrecken sich senkrecht zu
der Zeichnungsebene. Die Datenstruktur kann eine Amplituden-' struktur sein, wobei die Datengebiete einen anderen Reflexions·
■ koeffizienten als der übrige Teil der Fläche 3 aufweisen.
Die Datenstruktur kann aber auch, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine Phasenstruktur sein, wobei die Datengebiete durch
Gruben in der Fläche 3 gebildet werden.
Beim Abtasten wird der Aufzeichnungsträger mit Hilfe
einer Welle /4 gedreht, die von einem Rotationsmotor 5 angetrieben
wird. Eine Strahlungsquelle 6, z.B. ein Helium-Neon-Laser oder ein Halbleiterdiodenlaser, liefert ein Abtast-
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15.11.78. ■ 'J PHN 9120.
bündel b. Dieses Bündel wird von einem Spiegel 8 zu einem schematisch mit einer einzigen Linse angegebenen Objektivsystem
9 reflektiert. Im Wege des Bündels b ist eine Hilfslinse
7 angeordnet, die dafür sorgt, dass die Pupille des Objektivsystems möglichst gut ausgefüllt wird. Dann wird
ein Abtastfleck V mit minimalen Abmessungen auf der Datenstruktur erzeugt.
Das Abtastbündel wird von der Datenstruktur reflektiert
und bei Drehung des AufZeichnungsträgers gemäss der Reihenfolge
der Datengebiete in einer augenblicklich ausgelesenen Spur moduliert. Dadurch, dass der Abtastfleck und der Aufzeichnungsträger
mit an sich bekannten und hier nicht dargestellten Mitteln in radialer Richtung in bezug aufeinander
bewegt werden, kann die ganze Datenfläche 3 abgetastet werden.
Das modulierte Abtastbündel geht wieder durch das Objektivsystem 9 und wird vom Spiegel 8 reflektiert.
Im Strahlungsweg sind Mittel zur gegenseitigen Trennung des modulierten und des unmodulierten Abtastbündels angeordnet.
*® Diese Mittel können z.B. aus einem polarisationsempfindlichen
Teilprisma und einer λ/4-Platte bestehen. In Fig. 1 ist
der Einfachheit halber angenommen, dass die genannten Mittel aus einem halbdurchlässigen Spiegel 10 bestehen. Dieser
Spiegel reflektiert das modulierte Abtastbündel zu einem " strahlungsempfindlichen Datendetektor 11. Das Ausgangssignal
S. dieses Detektors ist gemäss den augenblicklich abgetasteten Daten moduliert und kann einem Demodulator 12
zugeführt werden, in dem das Signal verarbeitet und für die Wiedergabe mit z.B. einem Fernsehgerät 13 geeignet gemacht
wird.
Der Teil der Datenfläche in der Umgebung des Abtastflecks
V verhält sich wie ein zweidimensionales Beugungsraster, das das auffallende Abtastbündel in ein unabgelenktes
Teilbündel nullter Ordnung und in abgelenkte Teilbündel erster Ordnungen und Teilbündel höherer Ordnungen zerlegt.
Das Teilbündel nullter Ordnung und ein Teil der abgelenkten Teilbündel treten wieder in das Objektivsystem 9 ein. In
der Ebene der Austrittspupille des Objektivsysteme sind die
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Mitten der verschiedenen Teilbündel voneinander getrennt. In Fig. 2 ist die Situation in dieser Ebene dargestellt.
Der Kreis 15 mit dem Mittelpunkt 18 stellt den Querschnitt
des Teilbündels nullter Ordnung in dieser Ebene dar.
Die Kreise 16 und 17 mit Mittelpunkten 19 bzw. 20 stellen
die Querschnitte der in tangentieller Richtung abgelenkten Teilbündel der Ordnungen (+1,0) bzw. (~1,0) dar. Die X-Achse
und die Y-Achse in Fig. 2 entsprechen der tangential en Richtung oder der Abtastrichtung und der radialen Richtung
oder der Richtung quer zu der Abtastrichtung in der Datenfläche 3- Da für die vorliegende Erfindung nur die in
tangentialer Richtung abgelenkten Teilbündel von Bedeutung sind, werden die in radialer Richtung abgelenkten Teilbündel
hier ausser Betracht gelassen.
In Fig. 2 ist mit dem gestrichelten Kreis 21 die Pupille des Objektivsystems 9 dargestellt. Für die in Fig. 1 gezeigte
Situation füllt das Teilbündel nullter Ordnung die Pupille vollständig aus, so dass die Kreise 15 und 21 tatsächlich
zusammenfallen. Nur derjenige Teil der von dem Aufzeichnungsträger stammenden Strahlung, der in die Pupille
fällt, wird beim Abtasten der Daten, .benutzt. Beim Abtasten
werden die Phasenänderungen in den Teilbündeln der Ordnungen (+1,0) und -1,0) in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung
benutzt.
In den in Fig. 2 schraffiert dargestellten Gebieten
überlappen die genannten Teilbündel erster Ordnungen das Teilbündel nullte.r Ordnung und es treten Interferenzen auf.
Die Phasen der Teilbündel erster Ordnungen ändern sich, wenn sich der Abtastfleck in bezug auf eine Datenspur bewegt.
Dadurch ändert sich die Intensität der insgesamt dtirch die
Austrittspupille des Objektivsystems hindurchtretenden
Strahlung.
Wenn die Mitte des Abtastflecks mit der Mitte eines Datengebietes (oder einer Grube) zusammenfällt, besteht
ein bestimmter Phasenunterschied ψ zwischen einem Teilbündol
erster Ordnung und dem Tollbünde L nullter Ordnung. Venn sich
der Abtastfleck von einem ersten Gebiet zu einem zweiten Gebiet bewegt, nimmt die Phase des Teilbündels der Ordnung
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BAD ORIGINAL
15.11.78. ψ - PHN 9120-
(+1,0) um 2 Λ*" zu. Daher lässt sich sagen, dass sich beim
Bewegen des Abtastflecks in tangentialer Richtung die Phase dieses Teilbündels in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung
um üJ t ändert. Darin ist VJ eine Zeitfrequenz, die durch die
Raumfrequenz der Datengebiete und durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der sich der Abtastfleck über eine Spur
bewegt. Die Phase 0( + "\,θ) des Teilbündels der Ordnung ( + 1,0)
in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung kann durch:
0( + 1 ,0) = y + 4/t
dargestellt werden.
dargestellt werden.
Die durch die Interferenz des Teilbündels der Ordnung (+1,0) mit dem Teilbündel nullter Ordnung herbeigeführte
Intensitätsänderung kann mit einem in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angegebenen strahlungsempfindlichen Detektor 23 detektiert
werden, der in der Ebene der Austrittspupille oder in einer Abbildung derselben angeordnet ist. Für eine be-■
stimmte Phasentiefe der Datenstruktur, wobei ψ- H Rad. ist,
ist die Intensitätsänderung über die Austrittspupille symmetrisch. Dann können, wie in Fig. 1 dargestellt ist, die durch
die zwei Uberlappungsgebxete hindurchtretenden Bündelteile auf einem Detektor zusammengebracht werden. Das zeitabhängige
Ausgangssignal des Detektors 11 kann dann durch:
S± = A( ψ) . cos ψ. cos UJ t
dargestellt werden, wobei A( ψ'} mit abnehmendem Wert von 1J^
abnimmt. Für eine bestimmte Phasentiefe der Datenstruktur ist die Amplitude A( Ψ) . cos '/'konstant. Die Frequenz des
Signals S. wird dann durch die augenblicklich abgetasteten Daten gegeben.
Bisher war nur von den Teilbündeln erster Ordnungen
die Rede. Selbstverständlich wird von der Datenstruktur auch Strahlung in höhere Ordnungen abgelenkt werden. Die
Strahlungsenergie in den höheren Beugungsordnungen ist aber gering und die Ablenkwinkel sind für die hier betrachteten
hohen Raumfrequenzen der Datenstruktur derart gross, dass nur ein kleiner Teil der Bündel höherer Ordnungen innerhalb
der Pupille des Objektiveystems 9 fällt. Der Einfluss der
Teilbündel höherer Ordnungen ist daher vernachlässigbar. Das oben beschriebene optische Abtastsystem weist
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BAD ORIGINAL
15.11.78. K> PHN 9120.
eine bestimmte Grenzfrequenz f auf. Der Abstand d zwischen
der Mitte 22 der Pupille des Objektivsystems 9 und den Mitten
19 und 20 der Teilbündel erster Ordnung wird durch: /V. f bestimmt,
wobei f die Raumfrequenz der Datengebiete in der Abtastrichtung darstellt. Fig. 2 zeigt die Situation, in der
die Frequenz f etwas grosser als die halbe Grenzfrequenz f
ist. Wenn die Frequenz f zunimmt, verschiebt sich das Teilbündel
der Ordnung (+1,Q) nach rechts upd es verschiebt sich das Teilbündel der Ordnung (-1,0) nach links. Dabei wird der
Abstand d grosser. Für einen gegebenen Wert von f, der als
die übliche Grenzfrequenz f bezeichnet wird, schneiden die
Kreise 16 und 17 nicht mehr den Kreis 21, sondern berühren
ihn nur. Dann treten die Teilbündel erster Ordnung nicht mehr durch die Pupille des Objektivsystems 9 und es können
'5 diese Bündel in der Pupille nicht mehr mit dem Teilbündel
nullter Ordnung zur Interferenz gebracht werden. Die Daten des Aufzeichnungsträgers können dann nicht mehr dadurch abgetastet
werden, dass die Strahlungsenergie detektiert wird, die insgesamt durch die Pupille des Objektivs3^stems hindurchtritt.
Für die in Fig. 1 gezeigte Situation, in der nur ein
einziges Objektivsystem vorhanden ist, das als Beleuchtungssowie
als Beobachtungsobjektivsystem wirkt, wird die übliche Grenzfrequenz durch : f = 2 . N. A/λ g-egeben.
Wenn, wie beim Abtasten eines strahlungsdurchlässigen Aufzeichnungsträgers, ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem
und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem vorhanden sind, wird die Grenzfrequenz durch:
fc = (N.A.v + N.A.w)/?V
gegeben, wobei N.A. bzw. N.A. die numerische Apertur des
Beleuchtungsobjektivsystems bzw. die des Beobachtungsobjektivsystems
darstellen.
Nach der Erfindung ist das Beobachtungsobjektivsystem derart angeordnet, dass die Mitte 22 der Pupille dieses
Objektivsystems nicht mehr mit der Mitte 18 des Teilbündels
nullter Ordnung zusammenfällt, sondern in Richtung der
Mitte 19 oder 20 eines der Teilbündel erster Ordnungen verschoben ist. Dadurch vird erreicht, dass auch bei den
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15.11.78. ,VT PHN 9120
die oben angegebene übliche Grenzfrequenz f überschreitenden
Raumfrequenzen ein Teil eines Teilbündels erster Ordnung durch die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems hindurchtritt
.
Fig. 3 zeigt die Situation, in der die Pupille 21 in
bezug auf die Situation nach Fig. 2 nach rechts verschoben ist. Der Abstand d zwischen der Mitte 18 des Teilbündels
nullter Ordnung und den Mitten 19 und 20 der Teilbündel
erster Ordnung und somit die Raumfrequenz der Datengebiete
W ist erheblich (etwa um einen Faktor 3) grosser als im Falle
der Fig. 2. Diese Raumfrequenz ist etwa gleich dem 1,5-i*achen
der Grenzfrequenz des Systems nach den Fig. 1 und 2. Trotzdem fällt noch ein beträchtlicher Teil des Teilbündels der
Ordnung (+1,o) in die Pupille des Beobachtungsobjektiv-
^ systems. Es tritt aber nur ein Teil des Teilbündels nullter
Ordnung in diese Pupille ein, während das Teilbündel der Ordnung (-1,o) völlig ausserhalb der Pupille liegt.
Vie in Fig. 4 dargestellt ist, werden die Teile des Teilbündels nullter Ordnung b (O,o) und des Teilbündels
erster Ordnung b( + 1,o)die .in die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems
25 fallen, auf der Detektionsflache 26
zusammengebracht. Da das Abtastbündel ein kohärentes Bündel ist, werden die Strahlungsteile miteinander in der Ebene
interferieren, so dass ein In.tensitätsmuster I entsteht,
das in der Richtung X einen mit den Kurven 27, 28 und 2^
in Fig. 4 dargestellten Verlauf aufweist. Die volle Linie gibt den Intensitätsverlauf an für den Fall, dass der
Abtastfleck genau über der Mitte eines Datengebietes liegt. Bewegt sich der Abtastfleck von dieser Mitte ab zu einem
ou folgenden Datengebiet, so wird für zwei aufeinanderfolgende
Zeitpunkte das Intensitätsmuster einen Verlauf gemäss der strichpunktierten Kurve 28 bzw, gemäss der gestrichelten
Kurve 29 aufweisen. Während der Abtastung "läuft" also das
Intensitätsmuster über die Detektionsflache. Für einen
schmalen Detektor, der in einer festen Lage angeordnet ist.
wie Detektor 30 in Fig. 4, ändert sich also während der
Abtastung die aufgefangene Strahlungsintensität. Das Ausgangssignal dieses Detektors ändert sich während der Abtastung
909846/0724
15.11.78 · 1*2 PHN 9120
somit in Abhängigkeit von den augenblicklich, ausgelesenen
Daten.
Die Breite des Detektors 30 muss klein in bezug auf die
Periode des Intensitätsmusters sein. Die Periode des Intensi—' tätsmusters wird durch die örtliche räumliche Periode der
Datendetails in der abzutastenden Datenfläche bestimmt.
Von einer bestimmten abzutastenden Datenstruktur in einem Aufzeichnungsträger oder von anderen abzutastenden Dokumenten oder optischen Darstellungen ist bekannt, welche Raumfre-
Von einer bestimmten abzutastenden Datenstruktur in einem Aufzeichnungsträger oder von anderen abzutastenden Dokumenten oder optischen Darstellungen ist bekannt, welche Raumfre-
^ quenzen darin vorkommen. Die Breite des Detektors 30 kann
daran angepasst werden.
Das Signal des Detektors 30 kann unmittelbar einem
Demodulator 12 zugeführt werden, auf gleiche Weise wie in Fig. 1. Das Signal/Rauschverhältnis des ausgelesenen Signals
Demodulator 12 zugeführt werden, auf gleiche Weise wie in Fig. 1. Das Signal/Rauschverhältnis des ausgelesenen Signals
™ kann dadurch verbessert werden, dass zu beiden Seiten des
Detektors 30 und in einem Abstand von etwa der halben Periode
des Intensitätsmusters zwei Detektoren 31 und 32 angeordnet
werden. Die Ausgangssignale dieser Detektoren können zusammengefügt und von dem Signal des Detektors 30 in einem
Differenzverstärker 33 subtrahiert werden. Der Ausgang dieses
Verstärkers ist wieder an den Eingang eines Demodulators gelegt.
In der Vorrichtung nach der Erfindung wird das Beobachtungsobjektivsystem
schräg oder asymmetrisch von dem Teilbündel nullter Ordnung beleuchtet. Es kann ein Parameter s
eingeführt werden, der ein Mass für die in der Ebene der
Pupille' des Beobachtungsobjektivsystems gemessene Verschiebung der Mitte 22 dieser Pupille in bezug auf die Mitte des Teilbündels nullter Ordnung ist. Der Parameter s kann
Pupille' des Beobachtungsobjektivsystems gemessene Verschiebung der Mitte 22 dieser Pupille in bezug auf die Mitte des Teilbündels nullter Ordnung ist. Der Parameter s kann
als diese Verschiebung e, mit dem halben Pupillendurchmesser a genormt, definiert werden (siehe Fig. 3)«Für eine
symmetrische Beleuchtung der Pupille nach Fig. 2 ist s = Für die in den Fig. 3 und h gezeigten Situationen ist s = 1,5
Die Grenzfrequenz f' einer Abtastvorrichtung mit einer
c
schrägen Beleuchtung des Beobaohtungsobjektivsysterns wird
gegeben durch:
N. A. +N. A.
^ = ^ * (1 + -f) für s < 2.
^ = ^ * (1 + -f) für s < 2.
15. 11.78. -Λ3 PHN 9120
Für s = 1,5 und Ν.Α·ν = N-A-w ist dann ^ = 3,5 N.A,/\ , also
das 1,75-fache der üblichen Grenzfrequenz dex- Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2.
Für s = 2 tritt keine Strahlung des Teilbündels nullter Ordnung mehr durch die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems
hindurch und es kann also keine Interferenz mehr zwischen dem Teilbündel nullter Ordnung und dem Teilbündel
der Ordnung (+1,0) auftreten. Wenn s sich dem Wert 2 nähert, ist das vom Detektor 30 abgegebene Wechselstromsignal sehr
klein. Daher wird in der Praxis ein Wert für s in der Nähe von 1,5 gewählt.
In Fig. 5 ist schematisch angegeben, wie die Erfindung
in einer Vorrichtung zum Auslesen »'eines strahlungsdurchlässigen Aufzeichnungsträgers verwirklicht werden kann. Der
Aufzeichnungsträger ist hier durch die Datenfläche 3 dargestellt. Das von einer Strahlungsqiielle ^h stammende Abtastbündel
wird auf diese Fläche zu einem Abtastfleck V von dem Beleuchtungsobjektivsystem 35 fokussiert. Hinter der Datenfläche
3 ist ein Beobachtungsobjektivsystem 25 angeordnet,
dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der des Beleuchtungsob jektivsysterns 35 einschliesst. Die optischen
Achsen sind in dieser Figur und in den Fig. 6 und 7 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Das Beobachtungsobjektivsystem
fängt einen Teil der Strahlung, des Teilbündels b(o,o) und des Teilbündels b(-1,o) ein und bringt diese Strahlungsteile
auf der Fläche des Detektors 30 zusammen, in der Interferenz auftritt.
Fig. 6 zeigt einen Teil einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Abtasten einer Strahlungsreflektierenden
Datenfläche. Nach den obigen Ausführungen bedarf diese Figur keiner näheren Erläuterung. Die Strahlungstelle des
von der Datenfläche reflektierten Abtastbündels, die zur
Interferenz gebracht werden, sind nun räumlich von der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung getrennt. Im
Gegensatz zu der Vorrichtung nach Fig. 1 brauchen nun keine zusätzlichen BündoJ. teilertiiit Lei verwende fc zu werden.
In der Vorrichtung· nach den Fig. 5 und 6 kann das
Beobachtungsobjektivsystem eine andere numerische Apertur
15.11-78. · x\& PHN 9120
als das Beleuchtungsobjektivsystem aufweisen. Das zuerst
genannte Objektivsystem braucht nun nur einen Teil der von
der Datenfläche stammenden Strahlung auf die Fläche des Detektors 30 zu konzentrieren. Die Tiefenschärfe dieses
Objektivsystems kann kleiner als die des Beleuchtungsobjektivsystems
sein, mit dem ein kleiner Abtastfleck auf der Datenfläche erzeugt werden muss. Dadurch, dass die numerische
Apertur des Beobachtungsobjektivsystems'grosser als die
des Beleuchtungsobjektivsystems gewählt wird, kann das Auf-
^ lösungsvermögen des optischen Abtastsystems bei einer gleichbleibenden
numerischen Apertur des Beleuchtungsobjektivsystems und bei gleichbleibendem s-Wert vergrössert werden.
In Fig. 7 ist ein Teil einer Vorrichtung zum Abtasten einer Strahlungsreflektierenden Datenfläche, in der nur ein
■° einziges Objektivsystem verwendet wird, dargestellt. Hier
bringt das Beleuchtungsobjektivsystem selber einen Teil des
Teilbündels b(o,O) und einen Teil des Teilbündels b(-1,0) auf der Fläche des Detektors zusammen. Auf gleiche Weise
wie in der Vorrichtung nach Fig. 1 können von z.B. mit einem halbdurchlässigen Spiegel die durch das Objektivsystem 9
hindurchtretenden Teile der Teilbündel b(o,O) und b(-1,0) des von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündels voneinander
getrennt■werden.
Die Anordnung nach Fig. 7 eignet sich besonders gut
zum Auslesen mit einem Diodenlaser 36 als Strahlungsquelle.
Dabei kann der sogenannte "Rückkopplungseffekt" benutzt
werden, der in u.a. der US-PS 3 94l 9k5 beschrieben ist.
Unter diesem Rückkopplungseffekt ist zu verstehen, dass
Strahlung, die von der Datenfläche zu dem Diodenlaser
·
reflektiert wird, unter bestimmten Bedingungen eine weitere Strahlungsemission durch den Diodenlaser hervorrufen kann.
Die von dem Diodenlaser ausgesandte Strahlung ist dann von der Intensität der zu dem Diodenlaser reflektierten Strahlung
und somit von den ausgenblicklich abgetasteten Daten abhängig.
"
Die Änderung in der von dem Diodenlaser ausgesandten Strahlung
kann mit einem Detektor 37 detektiert werden, der auf der Rückseite des Diodenlasers angeordnet ist. Die durch die
abgetasteten Daten herbeigeführte Änderung in dem Diodenlaser
909848/0724
15.11.78 · ,!«Τ PHN 9120
kann auch dadurch detektiert werden, dass die Änderung
des elektrischen Widerstandes des Diodenlasers gemessen wird, Dann wird also der Diodenlaser selbst als Datendetektor
verwendet. Da die Öffnung, durch die der Diodenlaser seine
Strahlung aussendet, klein ist, bildet dieser Diodenlaser einen gut angepassten Detektor für eine Abtastvorrichtung
nach der Erfindung. Veil weiter für das Abtastbündel der Hinweg derselbe wie der Rückweg ist, ist der Diodenlasex·
automatisch gut ausgerichtet und es beeinflussen etwaige Schwingungen optischer Elemente in dem Strahlungsweg das
Detektorsignal nicht.
Da in einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung die Interferenz zwischen dem Teilbündel nullter Ordnung und
einem Teilbündel erster Ordnung benutzt wird, eignet sich diese Vorrichtung zum Auslesen tiefer und untiefer Phasenstrukturen
und von Amplxtudenstrukturen.
Ein Aufzeichnungsträger mit einer optischen Datenstruktur, in der z.B. ein Fernsehprogramm gespeichert ist,
ist vorzugsweise mit einer sogenannten Schutzschicht ver— sehen, die aus einer .strahlungsdurchlässigen Schicht einer
bestimmten Dicke besteht, die dafür sorgt, dass Staubteilchen, Kratzer u.dgl. in genügender Entfernung von der
Datenstruktur bleiben. Dann können diese Staubteilchen u.dgl. das auf die Datenstruktur fokuss'ierte Auslesebündel
nicht ernsthaft in ungünstigem Sinne beeinflussen. In der Situation nach Fig. 5, in der das Beleuchtungsbündel senkrecht
auf den Aufzeichnungsträger einfällt, bereitet eine derartige Schutzschicht keine zusätzlichen Schwierigkeiten.
Bei schrägem Einfall des Beleuchtungsbündels auf den Aufzeichnungsträger, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist,
kann die Schutzschicht zusätzliche Abweichungen, wie Koma und Astigmatismus, in dem Abtastfleck herbeiführen. Das
Beleuchtungsobjektivsystem kann für diese Abweichungen
korrigiert werden. Eine derartige Korrektur ist jedoch nur richtig für eine bestimmte schräge Lage des Objektivsystems
in bezug auf den Aufzeichnungsträger. Dann muss dafür gesorgt
werden, dass die genannte schräge Lage gut erhalten bleibt.
909846/0724
15.11.78. 1«# PHN 9120
Die Erfindung ist oben an Hand einer optischen Abtastvorrichtung beschrieben. Es dürfte einleuchten, dass wegen
der Analogie, die zwischen einer Abtastung mit einem Lichtstrahl und der Abtastung mit einem Elektronenstrahl besteht,
sich die Erfindung auch in einem Elektronenmikroskop verwenden lässt. In einem derartigen Mikroskop kann dann z.B.
das Auflösungsvermögen vergrössert werden, ohne dass die
Linsen angepasst werden. ,
909846/07H
Leerseite
Claims (1)
15.11 .78. Jf PHN 9 120
PATENTAN SPRUCHE
j 1 J Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche,
insbesondere Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optisch auslesbaren Datenstruktur,
die eine Strahlungsquelle, ein Beleuchtungs-
^ Objektivsystem zum Fokussieren des von der Strahlungsquelle
ausgesandten Abtastbündels zu einem Abtastfleck auf der Datenfläche und ein Beobachtungsobjektivsystem zum Zusammenbringen
der von der Datenfläche stammenden Strahlung auf der Fläche eines strahlungsempfindlichen Detektionssystems
'" enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsobjektivsystem
zu einem Teilbündel nullter Ordnung der von der Datenflache stammenden Strahlung asymmetrisch
angeordnet ist xxn<± dass das Detektionssystem durch einen
Detektor gebildet wird, dessen Abmessung in der Abtastrichtung klein ist. .
2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Beleuchtungsobjektivsystem und das Beobachtungsobjektivsystem
durch ein einziges Objektivsystem gebildet
wird, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der
2^ Normalen auf der Datenfläche einschliesst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Detektors in der Abtastrichtung
weitere Detektoren angeordnet sind.
909846/0724
BAD ORIGINAL
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