DE2917932C2

DE2917932C2 - Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Informationsstruktur

Info

Publication number: DE2917932C2
Application number: DE2917932A
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Eindhoven Bouwhuis
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1983-01-20
Also published as: DK150046B; NZ190392A; YU110079A; DD143832A5; DE2917932A1; FR2425694A1; JPS6343820B2; AT372799B; ZA792065B; US4242579A; AU4681079A; GB2021281B; CA1145040A; AR219161A1; DK189679A; NO791541L; PL215491A1; PL131561B1; JPS54155008A; IT1112554B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauplanspruches.

Eine derartige Vorrichtung zum Auslesen eines runden scheibenförmigen und strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträger, auf dem ein Fernsehprogramm _btl gespeichert ist. ist u. a. in »S.M.P.T.E, lournal«. November 197b, Band 85, Seiten 881 bis 88b, geschrieben) Die Datenstrukttir besteht aus spurförrriig angeordneten Gebieten, die eine andeie optische Eigenschaft als der verbleibende Teil der Datenfläche ^ aufweisen. Die Daten können in der Kaumfrequenz der Gebiete und gegebenenfalls in den Längen der Gebiete festgelegt sein,

Beim Auslesen wird die Datenstruktur mit einem Strahlungsfleck beleuchtet, der größer als die Gebiete ist, wodurch Beugung auftritt. Das Abtastbündel wird von der Datenstruktur in ein unabgelenktes Teilbündel nulller Ordnung und eine Anzahl abgelenkter Teilbündel höherer Ordnungen zerlegt.

Wenn der Aufzeichnungsträger in Reflexion ausgeleicii wird, wie in F i g. 25 der obengenannten Veröffentlichung dargestellt ist, ist das Objektivsystem, das den Abtastfleck auf der DutenMruktur 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 Raumfreq'ienz der Datenstruktur, die iioch ausgelesen werden kann, wird durch das Auflösungsvermögen des Objektivsystems bestimmt. Im Falle des Auslesens in Reflexion mit einem fokussierten Auslesebündel wird die maximale Raumfrequenz /_t> die nachstehend als »die übliche Grenzfrequenz« bezeichnet wird, gegeben durch: 2 · Ν.Α7Λ. wobei NA die numerische Apertur des Objektivsystems und λ die Wellenlänge des Ausiescbündeis 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 μπι ist. während die Periode der Datengetiete in der Größenordnung von 1 μπι liegt, wird ein Helium-Neon-Laser als Strahlungsquelle verwendet. wobei A = 0.6328 μπι ist. Dabei muß ein Objektivsystem mit einer N.A. = 0.4 verbindet 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. 4 μπι auf. Dann müssen strenge Anforderungen an das in der Abtastvorrichtung vorhandene Servosystem zum Aufrechterhalten des Fokus des Abtastbündels auf der Datenfläche gesollt werden.

Auch wurde bereits vorgesc!ilagen, inen Aufzeichnungsträger mit Hilfe eines Halbleiterdiodenlasers, z. B. eines AIGaAs-Diodenlasers, auszulesen, der eine Wellenlänge in der Größenordnung von 0.88 μπι aussendet. Wenn mit einem dtrartigen L^iodenlaser das gleiche Auflösungsvermögen wie mit einem Halium-Neon-Lascr erreicht werden soll, muß ein Objektivsysiem mit einer größeren numerischen Apertur. /.. B. mit N.A. = 0.55 und also mit einer geringeren Tiefenschärfe verwendet weiden.

Vor allem im letzteren I alle wäre es attraktiv, wenn unter Aufrechterhaltung des Auflösungsvermögens die numerische Apertur des Objektivsysiems verkleinert weiden 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 elektrl· sehes Signal umgewandelt wird, das zu einem anderen Zeitpunkt öder an einer anderen Stelle wieder optisch Sichtbar gemacht wird. Dabei ist an Faksimilevorrich-

tungeii oder un Voriidiiungen /u denken, mit denen optische Darstellungen oder Dokumente in Fernsehsignal umgewandelt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung mit einem großen Auflösungsvermögen bei einer kleinen numerischen Apertur zu schaffen.

Ausgehe-d von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Datenabtastung in der Vorrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht von der der Abtastung bei der Vorrichtung, die in »S.M.P.T.F.. Journal«. Band 85. Seiten 881 bis 886. beschrieben ist. In der letzteren Vorrichtung wird das Beobachtungsobjekiivsystem 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 dem Teilbündel nullter Ordnung asymmetrisch beleuchte* «nc! es v.!rd nur C!:i kleiner Toi! der von der Datenflache stammenden Strahlungsenergie, die in dieses Objektivsystems eintritt, detektion.

In der bekannten Vorrichtung treten außer dem gesamten Teilbundel nullter Ordnung Teile der Teilbündel erster Ordnungen in das Bcobachtungsobjektivsystem ein In der Pupille des Objcktivsystems tritt eine Überlappung der Teile der Teilbundel erster Ordnungen mit dem Teilbundel nullter Ordnung aul. Der E'ffokt wird dazu benutzt, daß sich die gesamte Strahlungsenergie, die durch das Objekmsysiem hindurchgeht und von dem Detektor delektiert wird beim Abtasten ändert Die Änderung ist der Tatsache zuzuschreiben, daß sich die Phasen der Icilbundel cistci Ordnungen in bezug auf die des leilbiindels nullter Ordnung andern. Diese Änderung kann dciekiieri weiden, solange die Teilbün del erster Ordnung innerhalb der Pupille des Beobac h tungssystems mit dem leilbundel nullter Ordnung interferieren Wenn die Raumlrequcnz der DatenMmktür derar¹ gi.ili ist. daß die Icilhimdel erster Ordnung gerade außerhalb der Pupille fallen, so daß keine Inlerfercn/ mehr in der Pupille auftritt, wird skIi die gesamte Strahlungsenergie aul dem Detektor beim Abtasten mehl mehr andern und die Daten können nicht mehr ausgelesen werden. Dann ist die übliche Grenzfreqiicn/ erreicht

Der Erfindung hegt d;c Erkenntnis zugrunde, dal? neben dem obengenannten Effekt noch ein zv euer Effekt auftrilt. und zwar daß das Interferenznuister ■> <> eines Teilbündels erster Ordnung und des Teilbundels nullter Ordnung beim Abtasten zu »laufen« beginnt. d h. daß siLh die Intensiiätsverleilung in der Ebene des Detektors zeitlich ändert Diese Änderung kann mn einem schmalen Detektor delektiert werden, dessen v> Breite in der Größenordnung einer halben Periode des Inierfcrenzmuslers liegt. Dabei braucht das Tcilb'indel erster Ordnung und das Teilbundel nullter Ordnung sieh mehl mehr in der Pupille des Beobaehiungsobjcktivsyst'-iTis zu überlappen, sondern diese 'Teilbundel können w> durch verschiedene Teile dieser Pupille hindurchlreten. um In der Ebene des Detektors zusammengebracht zu sWcrdcn, in der wegen der Kohärenz des Abtaslbündcls ein Iritcrfcrenzmusler erhallen wird. Es ist dann möglich, das BcobaclHuiigsobjckfivsystetn in der Riehding zu verschieben, in der eines der Tcilbündct erster Ordnung abgelenkt wird) so daß dieses Tcilbi'indcl auch bei die übliche Grenzfreu,tenz. überschreitenden Raumfrequenzen noch teilweise innerhalb der Pupille des Beobachlungsobjektivsystems füllt und zur Interferenz mit dem Teilbundel 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 Beobachtungsobjekiivsystem verwendet werden. Dann kann entweder unter Aufrecluerhaltung 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 Auslührungsform p'ner Vorrichtung nach der Erfindung ist aber dadurcfi gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsobjektivsystem una 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 und daß das reflektiert Abtastbündel größtenteils dieselben optischen Elemente wie das von der Strahlungsquelle ausgesandte Abtastbündei durchläuft, so daß Schwingungen der optischen Elemente in dem Strahlungsweg nahezu das erhaltene Signal nicht beeinflussen.

Um das Signal-Rauschverhältnis des erhaltenen Signals zu vergrößern, kann die Vorrichtung nach der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß zu beiden Seiten des Detektors in der Abtasirichtung weitere Detektoren angebracht sind. Die weiteren Detektoren sind jeweils über einen Absland gleich elwa der halben Periode des Inlerfcrenzmusters gegen den mittlren Detektor und gegeneinander verschoben.

Die Erfindung wird nunmehr an einem Beispiel einer Vorrichtung zum Auslesen eines runden, scln-ibcnlormi gen Aufzeichnungsträgers, in dein die Erfindung angewandt ist. naher erläutert. In der Ze· hnung. itif die in diesem Zusammenhang vcrw lesen wird, zeigt

I ig 1 eine früher vorgeschlagene Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeu nnungstiägcrs mit ein-.τ strah lungsreflekiierenden Datenstruktur.

1 1 g. 2 die Lage der Teilbundel verschiedener Ordnungen in bezug auf die Pupille des fieobae fittings objekiivsystems in der Vorrichtung nach I 1 g. I.

I 1 g i die Lage der Teilbundel verschiedener Oidnnngen in Ivezug auf die Pupille des Beobachtung*.-objektivsysiems in einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Γ 1 g. 4 das Prinzip der Erfindung.

I 1 g.5 eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Auslesen einer str-lilungsdurchiässigcn Dalenstruktur. und die

Fi g. 6 und 7 eine erste und cmc zweite Ausführung:;^ form einer Vorrichtung zürn Auslesen cjn.ßr Slräfilungsreflektierendcn Datenstruktur.

Fig.l zeigt einen radialen Schnitt durch einen runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger 1 Die Spuren 2 der reflektierenden Daicnflächc 3, die aus nicht dargestellten Dalehgebielcn aufgebaut sind,

crsireckeri sich senkrecht zu der Zeiclinungscbenc. Die Datenstruktur kann eine Ämpliludensüriiktur sein, wobei die Datengebieiö einen anderen Refle'xionskoeffizienten als der übrige Teil der Flüche 3'aufweisen. Die Daienstruklur kann aber mich, wie in Fig, I dargestellt ■> ist, eine Phasenstrüklur sein, wobei die Datehgebietc durch Gruben in d<ir Fläche 3 gebildet werdend

Beim Abtasten wird der Aufzeichnungsträger mil Hilfe einer Welle 4 gedreht, die Von einem Rötaliohsinotur 5 angetrieben wird. Eine StrahlungsqtiellC 6, z. B. fp ein HeliunvNeon-Laser oder eiri Halbie'iterdiodefilaser, liefert ein Abiaslbündel b. Dieses Bündel wird von einem Spiegel 8 zu einem schemalisch 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 Objektivsyslems möglichst gut ausgefüllt wird. Dann wird ein Abtastfleck V mit minimalen Abmessungen auf der Datenstruktur erneuert

Das Abtastbiindel wird von der Datenstrukttir 2p reflektiert und bei Drehung des Aufzeichnungsträgers ■' gemäß der Reihenfolge der Datcngcbietc in einer augenblicklich abgelesenen Spur moduliert. Dadurch, daß der Abtastfleck und der Aufzeichnungsträger mit an sich bekannten und hier nicht dargestellten Mitteln in -adialer Richtung in bezug aufeinander bewegt werden. ' kann die ganze Datenfläche 1 abgetastet werden.

Das modulierte Abtastbündel geht wieder durch das Objektivsystem 9 und wird vom Spiegel 8 reflektiert. Im ΐ 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. I 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 5, 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 Abtastbünde! 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 Obj^ktivsystem 9 ein. in der Ebene der Austrittspupilie des Objektivsystems sind die Mitten der verschiedenen Teilbündel voneinander getrennt. In F i g. 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 λ'-Achse und die Y-Achse in F i g. 2 entsprechen der tangentialen 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 F i g. 2 ist mit dem gestrichelten Kreis 21 die Pupille des Objektivsystems 9 dargestellt. Für die in Fig. I gezeigte Situation füllt das Teilbündel nulller 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 füllt, wird beim Abtasten der Daten benutzt. Beim Abtasten werden die Phasenänderühgen in den Teilbündeln der Ordnungen (+1,0) und (-1,0) ifi bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung benutzt.

In dün in Fig.2 schraffiert dargestellten Gebieten überlappen die genannten Teilbündel erster Ordnungen das Teilbündel n.illter Ordnung und es treten Interferenzen auf. Die Phasen der Teilbündel erster Ordnungen ändern sich, wenn sich der Abtastfleck in bezug auf eine Daicnspur bewegt. Dadurch ändert sich die Intensität der insgesamt durch die Austrittspupille des Objektivsysteira hindurchtretenden Strahlung.

Wenn die Mitte des Abtaslfiecks mit der Mitte eines Datengebietes (oder einer Grube) zusammenfällt, besteht ein bestimmter Phasenunterschied ψ zwischen einem Teilbündel erster Ordnung und dem Teilbündel nullter Ordnung. Wenn sich der Abtaslfleck von einem ersten Gebiet zu einem zweiten Gebiet bewegt, nimmt die Phase des Teilbündels der Ordnung (+ 1.0) um In 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 ωί ändert. Darin ist ω eine Zeitfrequen/, die durch die Raumirequenz der Datengebiete und durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der sich der Abtastfleck über eine Spur bewegt. Die Phase Φ(+ 1,0) des Teilbündels der Ordnung (+ !,0) in bezug auf das teilbünde! nullter Ordnung kann durch:

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 m der Ebene der Austrittspupille oder in einer Abbildung derselben angeordnet ist. Für eine bestimmte Phasentiefe der Datenstruktur, wobei ψ=ίτ Rad. ist, ist die Intensitätsänderung über die Austrittspupille symmetrisch. Dann können, wie in F i g. 1 dargestellt ist, die durch die zwei Überlappungsgebiete hindurchtretenden Bündelteile auf einem Detektor zusammengebracht werden. Das zeitabhängige Ausgangssignal des Detektors 11 kann dann durch:

S,= /4(ip) ■ cos ψ · cos ωί

dargestellt werden, wobei A{ip) mit abnehmendem Wert von ψ abnimmt. Für eine bestimmte Phasentiefe der Datenstruktur ist die Amplitude /4(·ψ) - cos ψ 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 Ablenkwinkei sind für die hier betrachteten hohen Raumfrequenzen der Datenstruktur derart groß, daß nur ein kleiner Teil der Bündel höherer Ordnungen innerhalb der Pupille des öbjektivsysierns 3 fäiiu Der Einfluß der Teilbündel höherer Ordnungen ist daher vernachlässigbar.

Das oben beschriebcrie oplische Abtastsystem weist eine bestimmte Grenzfrequenz /_c auf. Der' Abstand et zwischen der Mitte 22 der Pupille des Objektivsysfcms 9 und den Mitten 19 imd 20 der Teilbündci erster Ordnung wird durch: A> /bestimmt, Wobei /die Raümfreqüönz der Daterigebiete in der Abtastrichtung darstellt. Pig.2 zeigt die Situation, in der die Frequenz /etwas größer als die halbe örehzfrequenz /_c ist. Wenn die Frequenz / zunimmt, verschiebt sich das Teilbühdel der Ordnung (ψ 1,0) nach rechts und es verschiebt sich das Teilbündel der Ordnung {- 1,0) nach links. Dabei wird der Abstand d größer. Für einen gegebenen Wert von /. der als die übliche Grenzfrequenz /bezeichnet wird, schneiden die Kreise 16 und f7 nicht mehr den Kreis 21, sondern berühren ihn nur. Dann treten die Teilbündel erster Ordnung nicht mehr durch die Pupille des Objekiivsystems 9 und es können 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 delektiert wird, die insgesamt durch die Pupille des Objektivsystems hindurchtritt.

Für die in Fig. 1 gezeigte Situation, in der nur ein einziges Objektivsystem vorhanden ist. das als Beleuchtungs- sowie als Beobachtungsobjeklivsyslem wirkt, wird die übliche Grenzfrequenz durch: /_r = 2 ■ Ν.Α/λ gegeben.

Wenn, wie beim Abtasten eines strahlungsdurchlässigen Aufzeichnungsträgers, ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem vorhanden sind, wird die Grenzfrequenz durch:

/=(N.A.. + N.A.„)/A

gegeben, wobei N.A._V bzw. N.A „ die numerische Apertur des Beleuchtungsobjektivsystcms 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 nuilter Ordnung zusammenfällt, sondern in Richtung der Mitte 19 oder 20 eines der Teübündel erster Ordnungen verschoben ist. Dadurch wird erreicht, daß auch bei den die oben angegebene übliche Grenzfrequenz /<· 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 F i g. 2 nach rechts verschoben ist Der Abstand c/zwischen der Mitte 18 des sTeilbündels nullter Ordnung und den Mitten 19 und 20 ider Teübündel erster Ordnung und somit die Raumfrequenz der Datengebiete ist erheblich (etwa um einen Faktor 3) größer als im Falle der Fig.2. Diese Raumfrequenz ist etwa gleich dem l,5fachen der Grenzfrequenz des Systems nach den F i g. 1 und 2. Trotzdem fällt noch ein beträchtlicher Teil des Teilbündeis der Ordnung ( + 1,0) in die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems. Es tritt aber nu/ ein Teil des Teilbündels nullter Ordnung in diese Pupille ein, während das Teilbündel der Ordnung (-1,0) völlig außerhalb der Pupille liegt

Wie in Fig.4 dargestellt ist, werden die Teile des Teilbündels nullter Ordnung £(0,0) und des Teilbündels erster Ordnung £(-fl,0) die in die Pupille des Beobachtungsobjektrvsystems 25 fallen, auf der Detektionsfiäche 26 zusammengebracht. Da das Abiastbündel ein kohärentes Bündel ist, werden die Strahlungstcile miteinander in der Ebene 26 interferieren, so daß ein Inlensitätsmusler /entsteht,das in der Richtung .-Veinen mit den Kurven 27, 28 und 29 in Fig.4 dargestellten Verlauf aufweist. Die volle Linie 27 gibt den Iniensitäfsvcrläuf an für den Filii, daß der Abtastfleck genau überdCr Mitte eines Datengebietes liegt. Bewegt sich der Abtastfleck von dieser Mitte ab zu einem folgenden Datengebicti so wird für zwei aufciilanderfol-

iö geiide Zeitpunkte das Inlensitälsmuster einen Verlauf gemäß der sirichpunktierlen Kurve 28 bzw. gemäß der gestrichelten Kurve 29 aufweisen. Während der Abtastung »läuft« also das Intensitätsmuster über die Detektionsflächc. Für einen schmalen Detektor, der in diner festen Lage angeordnet ist, wie DctuKtor 30 in Fig.4, ändert sich also während 'ler Abtastung die aufgefangene Strahlungsintensität. Das Ausgangssignal dieses Detektors ändert sich während der Abtastung somit in Abhängigkeit von den augenblicklich ausgelesenen Üaten.

Die Breite des Detektors 30 muß klein in bezug auf die Periode des Intensitätsmusters sein. Die Periode des inlensitätsmuster- 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 Raumfrequenzen 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 F i g. 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 Imensitätsmusiers zwei Detektoren 31 und 32 angeordnet werden. Die Ausgangssignaie dieser Detektoren können zusammengefügt und von dem Signal des Detektors 30 in einem Differenzverstärker 33 subtrahiert werden. Der Ausgangs dieses Verstärkers ist wieder an den Eingang eines Demodulators 12 gelegt.

In der Vorrichtung nach der Erfindung wird das Beobachtungsobjektivsystem schräg oder asymmetrisch von dem Teübündel nullter Ordnung beleuchtet. Es kann ein Parameter seingeführt 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 18 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=0. Für die in den Fig.3 und 4 gezeigten Situationen ist s= 1,5.

Die Grenzfrequenz f_c' einer Abtastvorrichtung mit einer schrägen Beleuchtung des Beobachtungsobjektivsystems wird gegeben durch:

fc

N.A.V+N.A..
λ

— füri<2.

Für s= 13 und NA.,= MA.„,ist dann f_c'=3,5 ΝΛ7λ, also das l,75fache der üblichen Grenzfrequenz der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2.

Für s=2 tritt keine Strahlung des Teilbündels nuliter Ordnung mehr durch die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems hindurch und es kann also keine

Interferenz mehr zwischen dein Tcilbiindcl nullicr Ordnung und dem Teilbündcl der Ordnung (+1,0) auftreten. Wenn s sich dem Wert 2 nähert, ist das vom Detektor 30 abgegebene Wechselslfömsignal sehr klein. Daher wird in der Praxis ein Wert für sin der Nähe von 1,5 gewählt.

In Fig. 5 ist schcmaliscli angegeben, wie die Erfindung in C'ncr Vorrichtung zum Auslesen seines strahlungsdiirciiiässigcn Aufzeichnungsträgers verwirklicht werden kann, Der Aufzeichnungsträger ist hier durch die Datenfläche 3 dargcsteiil. Das von einer Strahlungsquelle 34 stammende Abtastbündel wird auf diese flache zu einem Ablast fleck V von dem Bclcuchtungsobjeklivsystetii 35 fokussiert. Hinter der Datenfläehe 3 ist ein Beobaehlungsobjeklivsystcin 25 angeordnet, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der des Belcuchlungsobjekiivsystems 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 Tcilbündcls £(0.0) und des Teilbündels £( - 1,0) ein und bringt diese Strahlungstcile auf der Fläche des Detektors 30 zusammen, in der Interferenz auftritt.

F i g. 6 zeigt einen Teil einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Abtasten einer strahlungsrcflcktiercnden Datenfläche. Nach den obigen Ausführungen bedarf diese Figur keiner näheren Erläuterung. Die Strahlungsleile des von der Datcnfla^he 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 Bündelteilcrmillel verwendet zu werden.

In der Vorrichtung nach den Fig. 5 und 6 kann das Bcobachtungsobjektivsystem eine andere numerische Apertur 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 Belcuchlungsobjektivsyslems sein, mit dem ein kleiner Abtaslflcck auf der Datenfläehe er/cgt wcrd'-n muß. Dadurch, daß die numerische Apertur des Bcobachtungsobjcktivsystems größer als die des Belcuchtungsobjektivsystcnis gewählt wird, kann das Auflösungsvermögen des optischen Abtastsystems bei einer gleichbleibenden numerischen Apertur des Bcleuchtungsobjektivsystems und bei gleichbleibendem s-Wcrt vergrößert werden.

In F i g. 7 ist ein Teil einer Vorrichtung zum Abtasten einer slrahlungsreflektiercnden Datenfläehe, in der nur ein einziges Objektivsystem verwendet wird, dargestellt. Hier bringt das Beleuchiungsobjektivsysiem selber einen Teil des Teilbündels £(0.0) und einen Teil des Tcilbündels £( — 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 hindurchiretenden Teile der Teilbündel £(0,0) und £(-1.0) des von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündels voneinander getrennt werden.

Die Anordnung nach F i g. 7 eig.iei sich besonders gut zum Auslesen mit einem Diodenlaser 36 als Strahlungsquelle. Dabei kann der sogenannte »Rückkopplungseffckt« benutzt werden, in der u.a. der US-PS 39 41 945 beschrieben ist. Mnter diesem Rückkopplungscffekt im zu verstehen, daß Strahlung, die von der Dalenfläche zu dem Diodcnlasnr reflektiert wird, unter bestimmten

Ί Bedingungen eine weitere Strahllingsemission durch den Diodenlascr hervorrufen kann. Die von dem Diodenlascr ausgesandle Strahlung ist dann von der Intensität der zu dem Diodenlascr reflektierten Strahlung und somit von den augenblicklich abgeiast«-

It) (cn Daten abhängig. Die Änderung in der von dem Diodenlascr ausgesandten Strahlung kann mit einem Detektor 37 detckliert werden, der auf der Rückseite des Diodenlascrs angeordnet ist. Die durch die abgetasteten Daten herbeigeführte Änderung in dem Diodenlaser kann auch dadurch dctektiert werden, daß die Änderung des elektrischen Widerstandes des Diodenlasers gemessen wird. Dann wird also du Diodenlascr selbst als Datendctekior verwendet. Da di■■» Öffnung, durch die der Diodenlaser seine Strahlung

in aussendet, klein ist, bildet dieser Diodeniaser einen gui angepaßten Detektor für eine Abtastvorrichtung nach der Erfindung. Weil weiter für das Abtastbündel der Hinweg derselbe wie der Rückweg ist, ist der Diodenlaser 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 rinem Teilbündel erster Ordnung benutzt wird.

eignet sich diese Vorrichtung zum Auslesen tiefer und untiefer Phasenstrukturen und von Amplitudenstrukturen.

Ein Aufzeichnungsträger mit einer optischen Datenstruktur, in der z. B. ein Fernsehprogramm gespeichert ist, ist vorzugsweise mit einer sogenannten Schutzschicht verschen, die aus einer strahlungsdurchlässigen Schicht einer bestimmten Dicke besteht, die dafür sorj't, daß Staubteilchen. Kratzer u.dgl. in genügender Entfernung von der Datenstruktur bleiben. Dann können diese Staubteilchen u.dgl. das auf die Datemstruktur fokussierte Auslesebündel nicht ernsthaft in ungünstigem Sinne beeinflussen. In der Siljation nach F i g. 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 F i g. b und 7 dargestellt ist. kann die Schutzschicht zusätzliche Abweichungen, wie Koma und Astigmatismus, in dem Abtastfleck

so herbeiführen. Das Beleuchtungsobjektivsystem kann für diese Abweichungen korrigiert werden. Eine derartige korrektur ist jedoch nur richtig für eine bestimmte schräge Lage des Objeklivsysiems in bezug auf den Aufzeichnungsträger- Dann muß dafür gesorgt werden, daß die genannte schräge Läge gut erhalten bleibt.

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. Ir. erntsn derartigen Mikroskop kann dann z. B. das Auflösungsvermögen vergrößert werden, ohne daß die Lins&n angepaßt werden.

^iierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

PiUeniansprüche:

1. Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer die einfallende Strahlung beugenden Informations- ι struktur, insbesondere zur Verwendung in einer Anordnung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optisch auslesbaren Daienstruktur, weiche Vorrichtung enthält

— eine kohärente Strahlungsquelle <.,

— ein Beleuchtungsobjektivsystem zum Fokussieren des von der Strahlungsquelle ausgesandten Abtastbündels zu einem Abtastfleck auf der Fläche der Informationsstruktur

— ein Beobachtungsobjektivsystem zum Abbilden is der von der Informationsstruktur beeinflußten Strahlung in der Ebene eines Detektionssystems

— und das in der Abbildungsebene des Beobachtungsobjektivsystems angebrachte Detektions- _>n system.

dadurch gekennzeichnet.

1.) dali das beobachtungsobjekiivsystem (9, 25) zu dem Bündel nullter Ordnung (fc(0,0)) der von der Informationsstruktur (2, 3) stammenden Strah- >-> lung asymmetrisch angeordnet isi,

2.) daß von der Pupille (21) dieses BeobachtungsobjektivcysiL-ms zumindest eij Teil des Bundeis nulller Ordnung und zumindest ein Teil eines Bündels erster Ordnung (£< +1.0); £(-1,0)) jo erfaßt wird.

3.) daß der Auslesedetektor (30 — 37) des Detektionssyste.-is (11; 30, 31, 32) so angebracht ist. daß die beiden Tc'bünde' nullter und erster Ordnung am Detektorort (26) interferieren. ^

4.) und daß die in .Spurrichtung -ricntierte Breite des Auslcsedetcktors kleiner als die kleinsie /u erwartende Periode des am Deiektorort erzeugten Inicnsiläismusters (l)isi.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Abtasten ,_a einer strahlungsreflektierenden Informationsstruktur. dadurch gekennzeichnet, daß das Bcleuchtungsobjektrvsystcm und das Beobachtungsobjektivsyslcm durch ein einziges Objektivsystem (9) gebildet werden, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der Normalen auf der Flache der Informationsstruktur einschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, d.iß in der Spurrichtung zu beiden Seiten des Auslesedetektors (30) weitere Detektoren (31,32) angeordnet sind.