DE3850312T2

DE3850312T2 - Fokussierungsservoschaltung in einem optischen Plattenspieler.

Info

Publication number: DE3850312T2
Application number: DE3850312T
Authority: DE
Inventors: Wai-Hon Lee
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-07-29
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2008-07-19
Also published as: JPH01125731A; EP0301643B1; EP0301643A2; EP0301643A3; DE3850312D1; US4879706A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fokussierungsservo-Anordnung in einem Platten-Datenspeichersystem mit: einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Lese-/Schreibstrahlenbündels, steuerbaren Fokusmitteln einschließlich eines Objektivlinsensystems zur Fokussierung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels auf der Platte, wobei ein Teil des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels von der Platte reflektiert wird, um ein reflektierte Strahlenbündel zu erzeugen.
Platten-Datenspeichersysteme, und insbesondere optisch lesbare Plattensysteme, erfordern eine geeignete Positionierung eines fokussierten Lichtbündels, zum Beispiel eines Laserstrahlenbündels, in bezug auf die Platte. Die Positionierung in axialer Richtung, d. h. zur Plattenoberfläche hin oder davon weg, die die Fokussierung des Lichtbündels umfaßt, und die Positionierung in radialer Richtung, als Spurnachführung bezeichnet, sind erforderlich, um sicherzustellen, daß ein Lichtbündel der benötigten Größe und Intensität an der gewünschten Stelle auf die Platte auftrifft.
Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Spurnachführung und Fokussierung des Strahlenbündels beinhalten typischerweise die Erkennung der Eigenschaften von mindestens einem Teil des Strahlenbündels, der von der Plattenoberfläche reflektiert wird. Ein solches System ist in der US-Patentschrift US-A- 4.446.546 beschrieben. Dieses System benutzt einen Quadranten-Detektor, der eine "S"- Kurve für die Verwendung in der Fokussteuerung erzeugt.
Ein anhaltendes Problem bei solchen Systemen besteht darin, daß häufig benutzte Detektiervorrichtungen nicht in der Lage sind, zwischen den Eigenschaften, die sich aus der Defokussierung oder dem Spurkreuzen ergeben, und den Eigenschaften zu unterscheiden, die auf andere Änderungen in dem optischen System zurückzuführen sind, zum Beispiel auf die Bewegung oder Fehlausrichtung von optischen Komponenten in dem System. Aufgrund dieser Unfähigkeit zur Unterscheidung kann eine Fehlausrichtung von einigen Komponenten des optischen Systems dazu führen, daß das Detektorsystem ein Fokussteuersignal oder ein Spurnachführsteuersignal erzeugt, das fehlerhaft ist, d. h. das zur Folge hat, daß der Brennpunkt des Lichtbündels nicht an der gewünschten Stelle positioniert wird.
Es wurden mehrere Verfahren ersonnen, um das mangelnde Signalunterscheidungsvermögen zu beseitigen oder zu kompensieren. Wenn die optischen Detektoren im Vergleich zu der Größe des detektierten Strahlenbündels relativ klein sind, kann eine Bewegung der Bündelachse in bezug auf die Detektoren die Detektoren im wesentlichen innerhalb des Strahlenbündels und damit im wesentlichen unbeeinflußt durch eine solche Bewegung lassen. Bei vielen Fokuskorrektursystemen muß das detektierte Strahlenbündel jedoch auf den Detektor fokussiert werden. Durch die Erzeugung eines fokussierten Flecks, der ausreichend groß ist, um die Auswirkungen der Achsenbewegung während der erwarteten Lebensdauer der Vorrichtung zu vermeiden, werden anderen Komponenten, zum Beispiel Linsenaperturen und Bitdichte, Beschränkungen auferlegt, die die Implementierung dieser Lösung unpraktisch und kostenaufwendig machen.
Das Spurnachführsystem kann von dem Fokussystem getrennt werden, zum Beispiel durch eine Strahlteilungsanordnung, die vorgesehen ist, um ein relativ fehlerfreies Spurnachführsystem zu erreichen. Durch die Aufteilung des optischen Weges in zwei optische Wege, die unterschiedliche optische Elemente durchqueren, können Ereignisse wie die Bewegung der optischen Achse in einem Weg im anderen Weg nicht auftreten, so daß Signale, die mit dem einen optischen Weg verknüpft sind, für die Korrektur von Fehlern im anderen optischen Weg nicht nützlich sind. Außerdem ist diese Anordnung nur für Spurnachführsysteme von Vorteil und löst nicht die mit dem Fokussystem zusammenhängenden Probleme.
Umgekehrt enthalten Systeme wie das in der Patentschrift US-A- 4. 123.652 beschriebene ein Fokussierungssystem, das bestimmte optische Fehler überwinden soll. Dieses System beschreibt jedoch nicht die Überwindung von optischen Fehlern im Spurnachführsystem. Außerdem erfordert es eine Aufteilung des optischen Weges und macht damit unabhängige optische Fehler in den beiden optischen Wegen möglich.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf an einem System zur Spurnachführung und Fokussierung eines optischen Strahlenbündels, das unempfindlich gegen optische Fehler wie die Bewegung der Bündelachse oder eine Fehlausrichtung der Komponenten ist und bei dem das aufgeteilte Strahlenbündel nicht unabhängigen optischen Fehlern ausgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einem solchen System. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Weg des reflektierten Strahlenbündels ein optisch beugendes Element angeordnet ist, um gleichzeitig aus dem genannten reflektierten Strahlenbündel mindestens ein erstes Strahlenbündel zu erzeugen, das konvertiert, um ein erstes Bild auf einer ersten Bildebene zu formen, und ein zweites Strahlenbündel, das ein zweites Bild auf einer zweiten Bildebene formt, wobei das erste Strahlenbündel auf der Detektorebene mindestens ein nicht-überlappende Teil in Beziehung zu dem genannten zweiten Strahlenbündel hat, wobei:
(a) das genannte erste Bild sich in spiegelsymmetrischer Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung in der Fokussierung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels vorliegt,
(b) das genannte erste Bild sich in spiegelsymmetrischer Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung der Spurnachführung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf die Platte vorliegt,
(c) das genannte erste Bild sich in einer parallelen Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels vorliegt, wobei erste Detektormittel in der genannten Detektorebene auf die Änderungen in dem genannten ersten Bild reagieren, um eine erste Vielzahl von Signalen zu liefern, die mit den Änderungen im genannten ersten Bild in Beziehung stehen; wobei zweite Detektormittel auf die genannten Änderungen im zweiten Bild reagieren, um eine zweite Vielzahl von Signalen zu liefern, die mit den Änderungen im genannten zweiten Bild in Beziehung stehen, und wobei Elektronikmittel zum Kombinieren der Signale vorgesehen sind, die folgendes umfassen:
erste Mittel zum Kombinieren der ersten Vielzahl von Signalen und der zweiten Vielzahl von Signalen, um ein drittes Signal zu liefern, das mit den genannten Änderungen im Fokus in Beziehung steht, wobei das dritte Signal im wesentlichen nicht auf Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels reagiert.
Es ist anzumerken, daß in der Patentschrift GB-A-2.101.307 ein Platten- Datenspeicherungssystem gemäß dem Oberbegriff, von Anspruch 1 beschrieben wird, wobei das von der Platte reflektierte Strahlenbündel in zwei Strahlenbündel aufgeteilt wird, die auf ein erstes bzw. ein zweites Detektormittel zur Erzeugung eines Fokusfehlersignals fallen. Bei dem Strahlteiler handelt es sich jedoch um ein Prisma und nicht um ein beugendes Element, das die genannte symmetrische Änderung in dem ersten und dem zweiten Bild auf eine Änderung der Fokussierung und/oder der Spurnachführung und eine parallele Änderung auf eine Änderung der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels hin ergibt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Anordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektronische Mittel zum Kombinieren der Signale außerdem folgendes enthalten:
ein zweites Mittel zum Kombinieren der genannten ersten Vielzahl von Signalen und der genannten zweiten Vielzahl von Signalen, um ein viertes Signal zu liefern, das in Beziehung zu den genannten Änderungen in der Spurnachführung steht, wobei das vierte Signal im wesentlichen nicht auf die genannten Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels reagiert; und
dadurch, daß ein erstes Steuermittel zur Änderung der Brennpunktsebene des genannten Fokusmittels mit Hilfe des genannten dritten Signals und
ein zweites Steuermittel zur Änderung der radialen Spurnachführung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf die Platte mit Hilfe des genannten vierten Signals vorhanden sind.
Da die ungewünschten Änderungen infolge von optischen Fehlern, zum Beispiel aufgrund einer Bewegung der optischen Achse, zu parallelen Ergebnissen in den beiden Bildern führen, können die beiden Bilder so kombiniert werden, daß sich diese ungewünschten Effekte aufheben und dadurch ein kombiniertes Signal erzeugt wird, das im wesentlichen nur die Änderungen in der Spurnachführung oder Fokussierung repräsentiert und das im wesentlichen nicht auf Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels reagiert.
Das erste Ausführungsbeispiel kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß das optische Element weiterhin ein drittes Strahlenbündel erzeugt, das konvertiert, um ein drittes Bild auf einer dritten Bildebene zu formen, und daß es außerdem ein drittes Detektormittel enthält, das auf Änderungen in dem genannten dritten Bild reagiert, um ein Signal zu liefern, das mit der Modulation des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels durch die Platte in Beziehung steht.
Das optische Element kann ein astigmatisches-Element sein. Das optische Element kann so konfiguriert sein, daß es einen Astigmatismus des ersten Strahlenbündels hervorruft, der in bezug auf den Astigmatismus des zweiten Strahlenbündels spiegelsymmetrisch ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann ein einziges Element einen gewünschten Zusammenhang der beiden astigmatischen Fokuslinien erzeugen, zum Beispiel einen orthogonale Zusammenhang, ohne daß zwei unterschiedliche optische Elemente, zum Beispiel zwei Linsen, einzeln ausgerichtet werden müssen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Strahlenbündel durch das genannte optische Element astigmatisch zu einem Bild in einer Bildebene fokussiert wird;
das zweite Strahlenbündel durch das genannte optische Element in der genannten Bildebene defokussiert wird,
die genannten ersten Detektormittel im wesentlichen in der genannten Bildebene angeordnet sind und ein erstes Signal liefern, das in Reaktion auf die Form des genannten Bildes schwankt,
die genannten zweiten Detektormittel im wesentlichen in der genannten Bildebene angeordnet und im wesentlichen außerhalb des genannten Bildes positioniert sind und ein zweites Signal in Reaktion auf das genannte zweite Strahlenbündel erzeugen, das mit dem genannten Fokussierungsgrad in Beziehung steht, und dadurch, daß es ein erstes Steuermittel zur Änderung des genannten Fokussierungsgrades entsprechend dem genannten dritten Signal enthält.
Das zweite Ausführungsbeispiel kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß das erste und das zweite Strahlenbündel koaxial sind. Für das erste und das zweite Strahlenbündel werden zwei verschiedene Detektormittel verwendet. Das erste Detektormittel erkennt das fokussierte Bild von dem ersten Strahlenbündel. Der erste Detektor ist vorzugsweise ein Quadranten-Detektor, der eine "S"-Kurve aus dem astigmatisch fokussierten ersten Strahlenbündel erzeugt. Der zweite Detektor umfaßt wesentliche Anteile vom ersten Strahlenbündel außerhalb des Bildes und reagiert auf das defokussierte zweiten Strahlenbündel. Der zweite Detektor, der erheblich kleiner ist als die Größe des defokussierten zweiten Strahlenbündels, bleibt im wesentlichen unbeeinflußt durch optische Fehler wie der Bewegung der optischen Achse des defokussierten Strahlenbündels. Die durch den zweiten Detektor erkannte Phasenbeziehung dient zum Modifizieren der durch den ersten Detektor erzeugten "S"-Kurve. Das resultierende Signal steht mit dem Fokusgrad des Strahlenbündels auf der Platte in Beziehung und bleibt im wesentlichen unbeeinflußt durch die Bewegung der optischen Achse.
Der zweite Detektor wird vorzugsweise auch für die Überwachung und Steuerung der Spurnachführung des Strahlenbündels in bezug auf die Platte verwendet. Wie erwähnt, bleibt das Spurnachführsignal relativ unbeeinflußt durch optische Fehler wie der Bewegung der optischen Achse, da - wie erwähnt - der zweite Detektor im Vergleich zu der Größe des defokussierten zweiten Strahlenbündels in der Bildebene relativ klein ist.
Das einzige optische Element, das sowohl im ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel für die Schaffung der beiden Strahlenbündel sorgt, ist vorzugsweise eine Zonenplatte. Durch die Verwendung eines einzigen optischen Elementes - im Gegensatz zu einer Kombination aus Elementen wie einer Reihe von Linsen - werden der Materialaufwand sowie Fertigungs- und Wartungskosten reduziert. Auch wenn eine kleine Anzahl von optischen Komponenten kombiniert wird, um den gewünschten Effekt zu erzielen, durchqueren außerdem sowohl das erste als auch das zweite Strahlenbündel die gleichen optischen Elemente, so daß Bedingungen, die zu einem optischen Fehler in einem dieser beiden Strahlenbündel führen, auch einen optischen Fehler in dem anderen Strahlenbündel verursachen. Aus diesem Grunde kann ein Signal von einem Detektor des einen Strahlenbündels mit einem Signal von dem Detektor des anderen Strahlenbündels kombiniert werden, um das endgültige Signal zu erzeugen, das relativ frei von den Einflüssen optischer Fehler ist.
Gemäß beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Detektoranordnung in einer einzigen kompakten Vorrichtung geschaffen werden, weil die Detektoren alle vorzugsweise in einer einzige Bildebene und nahe beieinander angeordnet sind. Durch die Schaffung einer einzigen kompakten Vorrichtung werden Material- und Konstruktionskosten minimiert und die Wartungsanforderungen reduziert.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems nach dem Stand der Technik zur Fokussierung eines kohärenten Lichtbündels auf eine Plattenspur und zur Erzeugung von Fokus- und Spurfolgesignalen;
Fig. 1A eine Vorderansicht eines Quadranten-Detektors aufgenommen entlang der Linie 1A-1A von Fig. 1;
die Fig. 2A-2C den Quadranten-Detektor aus Fig. 1A mit drei verschiedenen Fokuszuständen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines anderen Fokus- und Spurfolgesignal-Abtastsystems;
Fig. 3A den Detektor aufgenommen entlang der Linie 3A-3A von Fig. 3;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Detektorsystems zum Erkennen von Fokus- und Spurfolgefehlersignalen gemaß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 eine Vorderansicht eines Detektors aufgenommen entlang der Linie 5-5 von Fig. 4;
die Fig. 6A, B, C und D den Quadranten-Detektor von Fig. 4 mit drei verschiedenen Fokuszuständen und einer Achsenbewegung;
die Fig. 7A und B das Beugungsbild des gebrochenen Strahlenbündels vor und nach der Drehung durch das optische Element;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Überwachungsanordnung zur Spurnachführ- und Fokusfehlersignalerzeugung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8A eine schematische Vorderansicht eines optischen Elementes aus Fig. 8 aufgenommen entlang der Linie 8A-8A von Fig. 8;
Fig. 8B eine Vorderansicht des zusammengestellten Detektors aufgenommen entlang der Linie 8B-8B von Fig. 8;
Fig. 9 ein Phasendiagramm, das die Phasenbeziehung der Signale von zwei Detektoren in einem Fokussierungs- und Spurnachführung-Detektorsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Detektorkonfiguration zum Erkennen von Fokus- und Spurnachführfehlersignalen, die eine alternative Konfiguration des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist;
Fig. 10A die Vorderansicht eines zusammengestellten Detektors aufgenommen entlang der Linie 10A-10A von Fig. 7;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Punktlichtquelle und ihrer Wellenfront in einer Ebene P und
Fig. 12 eine schematische Darstellung der verschiedenen Phasen bei der Fertigung einer elliptischen Zonenplatte.
In den Fig. 1 und 1A ist ein optisches Plattenlaufwerksystem nach dem Stand der Technik dargestellt, in dem ein Lichtbündel von einer kohärenten Lichtquelle 10, zum Beispiel einem Halbleiterlaser, erzeugt wird, und zwar vorzugsweise mit Polarisierung parallel zu der Einfallsebene des polarisierenden Strahlteilers 14. Das Strahlenbündel wird auf einen Spiegel 12, zu einem polarisierenden Strahlteiler 14 und durch ein Viertelwellenlängenplättchen 16 gelenkt. Das Viertelwellenlängenplättchen 16 verändert das linear polarisierte Licht, das durch den Polarisations-Strahlteiler weitergeleitet wird, wie bekannt ist, in zirkular polarisiertes Licht. Das Laserstrahlenbündel wird anschließend durch die Objektivlinse 18 zu einem Fleck mit einem Durchmesser von z. B. ca. 1 Mikrometer oder weniger auf der Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums 20, zum Beispiel einer herkömmlichen sich drehenden Platte, fokussiert. Um einen solchen Fleck zu erhalten, wird eine Objektivlinse 18 mit einer großen numerischen Apertur von zum Beispiel ca. 0,52 benutzt. Die Brennweite einer solchen Objektivlinse ist klein. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, daß die Objektivlinse in einem bevorzugten Abstand von der Medium-Oberfläche 20 gehalten wird, so daß das Lichtbündel auf der Ebene der Informationsspur, der Informationsebene, auf der Platte 20 scharf fokussiert bleibt. In einem optischen Plattenlaufwerk kann der Abstand zwischen der Informationsebene und der Objektivlinse aufgrund der vertikalen Schwankungen der Platte zum Beispiel zum Variieren neigen. Das macht eine Vorkehrung erforderlich, mit der diese Schwankungen erkannt und der dadurch bedingte Fokussierungsfehler korrigiert wird.
Das Plattenmedium 20 hat typischerweise ein Reflexionsvermögen von 0,4. Das von der Platte reflektierte Licht durchquert rückwärts die Objektivlinse 18, das Viertelwellenlängenplättchen 16 wird, vom polarisierenden Strahlteiler 14 abgelenkt durchquert eine astigmatische Linse, 2B eine torische Linse 22, und wird auf einem Quadranten-Detektor 24 fokussiert.
Die torische Linse 22 wird durch Polieren von zwei Krümmungen auf dem gleichen Glasstück hergestellt. Diese Art von Linse weist eine sphärische Aberration auf und erfordert eine genaue Zentrierung, um ein gleichmäßiges und gut geformten Strahlenbündel für die Detektion zu erzeugen. Eine weitere Methode zur Herstellung einer solchen Linse mit zwei Fokussen besteht darin, eine dünne Materialschicht mit einer zylindrischen Krümmung darauf aufzuprägen. Eine solche Linse wird manchmal als bifokale Linse bezeichnet und hat eine höhere Qualität als eine torische Linse, ist jedoch mit höheren Kosten verbunden.
Das Lichtbündel, das auf der Oberfläche einer Platte 20 fokussiert wird, muß immer auf eine Informationsspur zentriert bleiben, wie sie durch spurdefinierende Systeme, zum Beispiel durch vorgerillte zu lesende (oder zu beschreibende) Spurabschnitte von Informationsgebietekanten oder Spurnachführungsservogebiete vorgegeben sind. Abweichungen von einer solchen zentrieren Position können zu einer Reduzierung der Modulationstiefe des Auslese-Signals und/oder zu Nebensprechen zwischen benachbarten Spurabschnitte führen. Die Zentrierung des fokussierten Strahlenbündels auf der gewünschten Spur bedeutet, daß die Mitte des fokussierten Strahlenbündels mit der Mitte der Spur übereinstimmen muß. Bei einem nichtzentrierten Strahlenbündel stimmen die Mitten nicht überein. Aus diesem Grunde sollte das optische Plattenlaufwerk Mittel zum Detektieren der Größe und Richtung eines Zentrierfehlers des fokussierten Strahlenbündels in bezug auf eine zu lesende oder zu beschreibende Informationsspur enthalten, so daß die Position des Flecks korrigiert werden kann.
Die Spurnachführfehlersignale kann man erhalten, indem man die durch elektrische Detektorzonen a, b, c und d erzeugten Detektorsignale kombiniert, zum Beispiel durch Kombinieren in der Art
(1) (a + d) - (b + c)
in bezug auf den in Fig. 1A abgebildeten Quadranten-Detektor 24. Wenn sich der Fleck auf der Platte quer über die z. B. vorgerillten Datenspuren bewegt, schwankt die Intensität des Lichtes auf dem Quadranten-Detektor 24 und erzeugt eine Schwankung in dem Signal vom Detektor. Die Schwankung dieses elektrischen Detektorsignals wird durch die Interferenz der gebeugte Strahlenbündel verursacht, die durch die Spur hervorgerufen werden.
Das Fokusfehlersignal kann man erhalten, indem man die durch die elektrischen Detektorzonen erzeugten Detektorsignale kombiniert, zum Beispiel in der Art
(2) (a + c) - (b - d)
in bezug auf den in Fig. 1A abgebildeten Quadranten-Detektor 24.
Das Fokusfehlersignal wird mit Hilfe der Linse 22 erzeugt, bei der es sich normalerweise um eine herkömmliche torische Linse wie oben beschrieben handelt. Je nach Zustand der axialen Position des fokussierten Flecks in bezug auf die Informationsoberfläche auf der Platte 20 hat das Lichtmuster auf dem Quadranten-Detektor 24 eine der in den Fig. 2A bis 2C dargestellte Form. Wenn der Fleck richtig fokussiert ist, ist die Form des Lichtes nahezu symmetrisch, wie in Fig. 2B dargestellt.
Der Fleck auf dem Quadranten-Detektor 24, wie in Fig. 2B dargestellt, hat in allen vier Quadranten des Quadranten-Detektors 26 die gleiche Intensität. Wenn auf der anderen Seite das Laserstrahlenbündel nicht im richtigen Fokus auf der Informationsoberfläche der Platte 20 ist, ist der Fleck auf dem Quadranten-Detektor 24 elliptische und weist vorzugsweise auf diagonal gegenüberliegende Quadrantenbereiche des Quadranten-Detektors 24, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Das durch die Gleichung 2 definierte elektrische Signal von dem Quadranten-Detektor 24 wird reduziert (im Vergleich zu dem Im-Fokus-Signal), wenn der Fokus in positiver Richtung fehlerhaft ist (wie in Fig. 2A dargestellt), wobei das Maß der Reduzierung von der Größe des Fokusfehlers abhängt. Das gemäß Gleichung 2 erhaltene elektrische Signal wird vergrößert (im Vergleich zu dem Im-Fokus-Signal), wenn der Fokus in negativer Richtung fehlerhaft ist (wie in Fig. 2C dargestellt), wobei das Maß von der Größe des Fokusfehlers abhängt. Auf diese Weise kann das Fokusfehlersignal sowohl die Richtung als auch die Größe der Fokusfehler angeben.
Sowohl das beschriebene Spurnachführ- als auch das Fokussystem weisen eine Reihe von Einschränkungen und Nachteilen auf. In der oben beschriebenen speziellen Konfiguration der Fehlersignalerzeugung kann das Spurnachführfehlersignal gemäß Gleichung 2 nur erhalten werden, wenn sich der Fleck nahe einem optimal fokussierten Zustand befindet. Außerdem ist der Fleck, wie in Fig. 2B dargestellt, ziemlich klein, der Fleckdurchmesser beträgt zum Beispiel ca. 250 Mikrometer. Wenn das Laufwerk in verschiedene thermische Umgebungen kommt, führt daher die Wärmeausdehnung der mechanischen Teile zusammen mit den Spannungen, die in einige der Justierungsteile eingebaut sind, dazu, daß das Strahlenbündel auf dem Quadranten-Detektor 24 sich aus seiner vor-ausgerichteten Position wegbewegt. Diese Bewegung des Strahlenbündels erzeugt ein elektrischen Versatz-Signal, das die Genauigkeit bei der Überwachung der Spurnachführung auf der Platte 20 reduziert. Wenn zum Beispiel die Achse eines genau fokussierten Strahlenbündels sich so verschiebt, daß sich der in Fig. 2B dargestellte Fleck zum Quadranten b hin bewegt, führt die Achsenverschiebung zu einer Reduzierung des durch Gleichung 1 definierten Spurnachführfehlersignals und damit zu einer Änderung in der Spurnachführung des Strahlenbündels, selbst wenn das Bündel richtig zentriert war.
Eine solche Bewegung des Strahlenbündels beeinträchtigt auch die Genauigkeit des Fokussierungssystems. Die beschriebene Achsenverschiebung führt zu einer Verringerung der durch die Gleichung 2 definierten Größe, und das resultierende Fehlersignal ahmt das in einer Aus-dem-Fokus-Situation erzeugte Signal, wie in Fig. 2A dargestellt, nach. Auf diese Weise führt eine solche Achsenverschiebung dazu, daß das Fokussystem ein Strahlenbündel defokussiert, das eigentlich genau fokussiert ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres optisches Plattenlaufwerksystem nach dem Stand der Technik, bei dem der Laser 10 ein kohärentes Lichtbündel durch den polarisierenden Strahlteiler 14, das Viertelwellenlängenplättchen 16, die Objektivlinse 18 und auf die Platte 20 sendet. Das reflektierte Strahlenbündel durchquert rückwärts die Objektivlinse 18, das Viertelwellenlängenplättchen 16 und tritt aus dem polarisierenden Strählteiler 14 aus. Ein zweiter Strahlteiler 26 teilt das rückwärtsgerichtete Strahlenbündel in zwei Strahlenbündel auf. Das Spurnachführsignal wird durch einen in Fig. 3A dargestellten geteilten Detektor 28 erkannt. Der Fokusfehler wird detektiert, indem das Fokusbündel durch eine Linse 22 zum Quadranten-Detektor 24 geleitet wird. Bei dieser Lösung kann das auf dem geteilten Detektor 28 erkannte Spurnachführsignal unempfindlich gegenüber Bewegungen von z. B. den mechanischen Befestigungen im System werden. Dennoch wird der auf dem Quadranten-Detektor 24 erkannte Fokusfehler immer noch durch die Bündelneigung oder eine andere Bewegung des Strahlenbündels beeinflußt, die z. B. durch die in die mechanischen Halterungen eingebauten Spannungen hervorgerufen wird. Da das Fokusbündel die Linse 22 durchquert, das Spurnachführbündel aber nicht, kann außerdem von dem Detektor 28 kein Signal erhalten werden, das verwendet werden kann um die optischen Fehler zu unterscheiden, die nur in dem Fokusstrahlengang auftreten, zum Beispiel diejenigen Fehler, die durch eine Fehlausrichtung der Linse 22 verursacht werden können.
Erfindungsgemaß wird ein optisches Element verwendet, das zwei fokussierte Strahlenbündel erzeugt. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 4 dargestellt ist, ist ein optisches Element 60, zum Beispiel bestehend aus einer Linse 62 und einer Zonenplatte 64, in dem Weg von mindestens einem Teil des von der Platte reflektierten Strahlenbündels 66 angeordnet. Die Eigenschaften einer Zonenplatte für dieses Ausführungsbeispiel und das Verfahren zu ihrer Herstellung werden nachstehend beschrieben. Kurz zusammengefaßt hat eine bevorzugte Zonenplatte für dieses Ausführungsbeispiel erhabene oder lichtundurchlässige Bereiche in Form von Ellipsensegmenten. Die Wirkung des optischen Elementes 60 besteht darin, daß zwei konvergierende Strahlenbündel erzeugt werden, ein Strahlenbündel 68 minus erster Ordnung und ein Strahlenbündel 70 plus erster Ordnung. Beide Strahlenbündel konvertieren auf eine Bildebene 72, die vorzugsweise für beide Strahlenbündel die gleiche ist.
Das optische Element 60 liefert die beiden Strahlenbündel 68, 70 mit der Eigenschaft, daß sich die Form und das Beugungsmuster der Strahlenbündel auf der Bildebene 72 in spiegelsymmetrischer Weise ändern, wenn sich der Fokus oder die Spurnachführung des Lese-/Schreibstrahlenbündels ändert, und sich auf parallele Weise ändern, wenn sich die optische Achse des reflektierten Strahlenbündels 66 ändert. Außerdem verleiht das optische Element 60 den beiden Strahlenbündeln einen Astigmatismus.
Das erste und das zweite Strahlenbündel 68, 70 werden mit zwei Quadranten-Detektoren 74, 76, die in Fig. 5 dargestellt sind, detektiert. Der erste Quadranten- Detektor 74 ist so positioniert, daß er das erste Strahlenbündel 68 detektiert und der zweite Quadranten-Detektor 76 ist so positioniert, daß er das zweite Strahlenbündel 70 detektiert. Die Quadranten-Detektoren 74, 76 sind im wesentlichen auf der Bildebene 72 der beiden Strahlenbündel 68, 70 angeordnet.
Das optische Element 60 kann auch so konfiguriert werden, daß es ein drittes Strahlenbündel 78 oder ein Strahlenbündel nullter Ordnung liefert, das auf eine Bildebene konvertiert, die vorzugsweise koplanar ist mit der Bildebene 72 des ersten und des zweiten Strahlenbündels 68, 70. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Durchmesser des Bildes auf der Bildebene 72 des Lichtbündels 78 nullter Ordnung ca. 10 Mikrometer. Ein dritter Detektor 80 ist so positioniert, daß er das dritte Strahlenbündel detektiert, um ein Signal zu liefern, das sich auf die Modulation des Lese-/Schreibstrahlenbündels durch die Datenplatte bezieht.
Die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D stellen das Muster des auf die in Detektoren 74, 76, 80 von Fig. 4 fallenden Lichtes für verschiedene Zustände von Fokus und optischer Achse schematisch dar. Die Fig. 6A, B und C zeigen Situationen, in denen die optische Achse sich nicht verschoben hat, d. h. in denen das erste und das zweite Strahlenbündel 68, 70 auf die Mittelpunkte der Quadranten-Detektoren 74 bzw. 76 zentriert sind. Fig. 6A zeigt das auf die Detektoren 74, 76, 80 fallende Lichtmuster, wenn das Lese-/Schreibstrahlenbündel im Fokus ist. Fig. 6B zeigt das auf die Detektoren 74, 76 und 80 fallende Lichtmuster, wenn das Lese-/Schreibstrahlenbündel sich in positiver Richtung außerhalb des Fokus in bezug auf die Datenplatte befindet. Fig. 6C zeigt das auf die Detektoren 74, 76 und 80 fallende Lichtmuster, wenn das Lese-/Schreibstrahlenbündel sich in negativer Richtung außerhalb des Fokus in bezug auf die Datenplatte befindet. Fig. 6D zeigt das auf die Detektoren 74, 76 und 80 fallende Lichtmuster, wenn das Lese-/Schreibstrahlenbündel sich im Fokus in bezug auf die Datenplatte befindet, aber die Achse des reflektierten Strahlenbündels 66 sich aus der bevorzugten oder zentrierten Position verschoben hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erhält man das Fokusfehlersignal, indem man die Ausgänge von den Quadranten-Detektoren k, l, m, n, p, q, r und s auf folgende Weise kombiniert:
(3) [(k + m) - (1 + n)] + [(q + s) - (p + r)].
Das Spurnachführfehlersignal erhält man erfindungsgemäß, indem man die Signale von den Quadranten-Detektoren auf folgende Weise kombiniert:
(4) [(k + n) - (1 + m)] + [(q + r) - (p + s)].
Durch eine derartige Kombination der Signale von den beiden Quadranten-Detektoren reagieren sowohl das Fokusfehlersingal als auch das Spurnachführfehlersignal auf die Fokus- bzw. Spurnachführbedingungen des Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf die Datenplatte, sind aber relativ unempfänglich für optische Fehler wie Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels 66. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel hängt die Möglichkeit zum Kombinieren der Signale von den beiden Strahlen, um ein gegen optische Fehler unempfindliches Signal zu erhalten, mit der Tatsache zusammen, daß die beiden Strahlenbündel nicht-unabhängigen Wegen folgen, d. h. jedes Strahlenbündel die gleichen optischen Elemente durchquert.
Ein System, das nicht-unabhängige Strahlenbündel erzeugt, ist außerdem dadurch nützlich, daß, wenn der Astigmatismus der jeweiligen Fokusbündel 68, 70 durch ein einziges Element 64 erzeugt wird, die Astigmatismus-Fokuslinien in einem vorbestimmten Winkelverhältnis, vorzugsweise orthogonale, erzeugt werden. Damit besteht keine Notwendigkeit, zwei verschiedene optische Elemente wie zylindrische oder torische Linsen unabhängig zu justieren, um Orthogonalität der astigmatischen Fokuslinien der beiden Strahlenbündel 68, 70 zu gewährleisten.
Fig. 7A zeigt die Position des oberen und des unteren Beugungsbildes 81 (in Fig. 7A mit T und B bezeichnet) an einem Punkt entlang des reflektierten Strahlenbündels 66, und Fig. 7B zeigt die Position der Beugungsbilder 82, 84 in bezug auf die Strahlenbündel 68 und 70 auf der Bildebene 72. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, führt das optische Element 60 eine Rotation der Beugungsbilder um neunzig Grad ein. Die den Beugungsbildern 82, 84 des ersten und des zweiten Strahlenbündels 68, 70 auferlegten Rotationen sind spiegelsymmetrisch in dem Sinne, daß, wenn das Beugungsbild 82 des ersten Strahlenbündels 68 um 45 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, das Beugungsbild 84 des zweiten Strahlenbündels 70 um 45 Grad im Uhrzeigersinn gedreht wird. Da die Beugungsbilder durch das optische Element 60 in entgegengesetzter Richtung gedreht werden, werden Änderungen in den Beugungsbildern, die auf Spurnachführung-Ereignisse wie Spurkreuzen, Detektion von Informationsgebietekanten oder Servobit-Detektion zurückzuführen sind, an den beiden Detektoren 74, 76 spiegelsymmetrisch sein, während Änderungen in den Beugungsbildern, die auf optische Fehler zurückzuführen sind, wie zum Beispiel die Bewegung der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels 66, eine parallele Bewegung der Beugungsbilder an den beiden Detektoren 74, 76 verursachen. Auf diese Weise ist das gemäß Gleichung 4 erhaltene Spurnachführfehlersignal relativ unempfindlich gegen optischen Fehler.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Anordnung zur Erzeugung von Fokussierungs- und Spurnachführfehlersignalen und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Dieses Detektorsystem enthält anstelle eines optischen Elementes, das zwei fokussierte Strahlenbündel erzeugt, ein optisches Element (130) zur Aufteilung des reflektierten Strahlenbündels 129 in zwei Strahlenbündel, von denen eines, 135, astigmatisch auf die Ebene des Detektors 132 fokussiert wird und das andere, 137, auf die Ebene des Detektors 132 defokussiert wird.
Das optische Element 130 kann jede beliebige Anzahl von Komponenten einschließlich einer oder mehrerer Linsen und einem oder mehrerer Beugungsgitter enthalten. Eine bevorzugte Komponente für das optische Element ist ein Zonenplatten- Element 130. Die Struktur dieser Zonenplatte 130 kann auf eine Weise erzeugt werden, die unten ausführlicher beschrieben wird. Kurz zusammengefaßt, wird eine Struktur für die Platte ursprünglich durch einen Computer auf einer graphischen Vorrichtung wie einem Stiftplotter, einem Photoplotter, einer Kathodenstrahl-Anzeigevorrichtung oder einem Elektronenstrahl-Graphikausgabegerät erzeugt. Eine bevorzugte Struktur für das Zonenplatten-Element 130 enthält elliptische geformte Bereiche. Die Computerausgabe wird mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Verfahren in ein optisches Phasenrelief- Element verwandelt. Fig. 8A ist eine lichtundurchlässige Darstellung der Stirnseite der optischen Zonenplatte 130 (nicht maßstabsgerecht) und wird hier gezeigt, um sich eine Vorstellung davon machen zu können. Wie im folgenden dargelegt wird, braucht die optische Zonenplatte 130 keine lichtundurchlässigen Bereiche zu haben und es werden im allgemeinen bessere Ergebnisse in Hinblick auf die Lichtintensität mit einer transparenten Zonenplatte erzielt, die ein erhabenes oder vertiefte elliptisches Struktur hat.
Fig. 8B zeigt die Stirnseite einer modifizierten Detektorplatte 132, die in dem optischen System der Fig. 8 verwendet wird. Eines der durch das optische Element 130 erzeugten Strahlenbündel ist ein konvergierendes Strahlenbündel 135, der dem von einer torischen Linse kommenden astigmatischen Strahlenbündel ähnelt. Dieses Strahlenbündel ist zum Beispiel das Strahlenbündel plus erster Ordnung. Das von diesem optischen Element erzeugte zweite Strahlenbündel 137 ist ein defokussiertes, fast parallelgerichtetes Strahlenbündel mit einem großen Bündeldurchmesser 1 und ist in Fig. 8 das Strahlenbündel nullter Ordnung. Ein drittes Strahlenbündel 136 kann ebenfalls durch das optische Element 130 erzeugt werden, wobei es sich um ein divergierende Strahlenbündel handelt, und ist in Fig. 8 als Strahlenbündel minus erster Ordnung abgebildet. Das konvergente Strahlenbündel 135 und das parallelgerichtete Strahlenbündel 137 werden durch den Detektor 132 erfaßt. Das divergente Strahlenbündel 136 in dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel hat keine Funktion und stellt daher einen Verlust der insgesamt nutzbaren Intensität in den detektierten Strahlenbündeln dar.
Wie in einem typischen optischen Plattenlaufwerk beträgt der Bündeldurchmesser des konvergenten Strahlenbündels 135 beim Quadranten-Detektor in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 0,25 mm. Der Durchmesser des parallelgerichteten Strahlenbündels 137 beträgt ca. 4 mm und der Durchmesser eines divergenten Strahlenbündels 136 auf der Detektorebene beträgt ca. 8 mm. Da der Durchmesser des divergenten Strahlenbündels im Vergleich zu dem der beiden anderen Strahlenbündel groß ist, ist sein Beitrag zu den detektierten Signalen gering. Fig. 8B zeigt schematisch die drei Strahlenbündel 135, 136 und 137, wie sie auf der Ebene des Detektors 132 in Erscheinung treten (nicht maßstabsgerecht). In einem Spurnachführsystem mit vorgegebenen Rillen erzeugen die beiden inneren Strahlenbündel ein halbmondförmiges Bild, das mit den Interferenzen zusammenhängt, die sich aus der vorgerillten Struktur auf dem Aufzeichnungsmedium der Platte 20 ergeben. Der in Fig. 8B dargestellte Detektor kann auch mit Spurnachführsystemen ohne vorgerillte Strukturen benutzt werden, zum Beispiel mit Servobit-Spurnachführsystemen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Spurnachführfehlersignal von den elektrischen Detektionszonen erzeugt, indem die Signale von den in Fig. 8B mit e, f, g und h bezeichneten Detektionszonen auf folgende Weise kombiniert werden:
(5) (e + f) - (g + h).
Da das parallelgerichtete Strahlenbündel im Vergleich zu der Größe der Abweichungen von der Bündelachse, die zum Beispiel unter thermische Beanspruchung erzeugt werden, oder im Vergleich zu anderen optischen Fehlern groß ist, ist das auf diese Weise erzeugte Spurnachführsignal weitgehend stabil und unempfindlich gegen optische Fehler.
Der kleine Quadranten-Detektor 133 in der Mitte des zusammengesetzten Detektors 132 wird verwendet, um die astigmatischen Fokusfehlersignale zu erzeugen, die aufgrund der astigmatischen Eigenschaft des Strahlenbündels 135 eine "S" -Kurve aufweisen. Dieser Astigmatismus wird jetzt nicht durch das herkömmliche Astigmatismus-Mittel, zum Beispiel eine zylindrische oder eine torische Linse, eingeführt, sondern durch das Element 130. Wie oben bereits erwähnt, ist ein solches Fehlersignal jedoch empfindlich gegen optische Fehler. Die vorliegende Erfindung umfaßt daher die Verwendung eines Signals von den Detektoren e, f, g und h des defokussierten Strahlenbündels, die relativ unempfindlich gegen optische Fehler sind, zur Korrektur oder Kompensation der Quadranten-Detektorsignale von den Detektorelementen a, b, c und d, um ein endgültiges Signal zu erzeugen, das mit dem Fokus zusammenhängt, aber relativ unempfindlich gegen optische Fehler ist. Der Nutzen dieses Aspektes der Erfindung bezieht sich auf die Tatsache, daß sowohl das defokussierte Spurfolgebündel 137 als auch das fokussierte Fokussierungsbündel 135 die gleichen optischen Komponenten durchqueren. Da das fokussierte und das defokussierte Strahlenbündel die gleichen optischen Komponenten durchqueren, werden beide Strahlenbündel den gleichen optischen Fehlern ausgesetzt, so daß ein Signal von einem Strahlenbündel für die Kompensation der Auswirkungen der optischen Fehler auf das andere Strahlenbündel benutzt werden kann.
In der vorliegenden Erfindung kann die Phasenbeziehung zwischen dem Signal von den Detektorzonen e und f des Detektors 132 oder die ähnliche Phasenbeziehung zwischen dem Signal von den Detektorzonen g und h den tatsächlichen Fokuszustand des Flecks auf dem Medium angeben. Obwohl es bei der folgenden Diskussion um die Verwendung eines Signal von einem der beiden Detektorpaare (d. h. e und f oder g und h) geht, werden vorzugsweise Signale von beiden Detektorpaaren additiv kombiniert, was ein stärkeres Gesamtsignal und damit einen besseren Störabstand ergibt. Das Differenzsignal von den beiden Detektoren gibt das Vorzeichen des Fokusfehlers an, während die Summe der beiden Detektoren als Phasenreferenzsignal verwendet werden kann. Die Multiplikation der beiden Signale in der Form:
(6) (e - f) · (e + f)
ergibt ein Fokusfehlersignal, wie es von Braat et al. in "Position Sensing in Video Disk Readout", Applied Optics, Bd. 17, S. 2013-2021, beschrieben wurde.
Ein Beispiel für die Phasenbeziehung dieser Signale ist in Fig. 9 dargestellt, wo die beiden Kurven die idealisierten Signale Se und Sf von den Detektoren e und f oder von den Detektoren g und h darstellen. Die Phase φ in Radiant ist die Nacheilung Δt des einen Signals in bezug auf das andere, geteilt durch die gemeinsame Periode T der Signale. Das von Braat et al. in dem Artikel in Applied Optics beschriebene Fokusfehlersignal hat jedoch den Nachteil, daß der Erfassungsbereich des e, f, g, h Fokussignals relativ klein ist, d. h. bevor das e, f, g, h Fokussignal eine sinnvolle Information liefert, muß das Laserstrahlenbündel bereits in einem Nahe-dem-Fokus-Zustand sein, verglichen mit dem Fokuszustand, der für ein sinnvolles Signal von dem Quadranten-Detektor erforderlich ist und der einen Erfassungsbereich in der Größenordnung von 100 Mikrometer und mehr haben kann. Wie oben erwähnt, ist der Quadranten- Detektor allerdings relativ empfindlich gegen optische Fehler wie die Fehlausrichtung von optischen Komponenten verglichen mit der Empfindlichkeit des e, f, g, h Fokussignals gegen optische Fehler.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die Verwendung sowohl des e, f, g, h Fokussignals als auch des Quadranten-Detektor-Fokussignals. Das Fokussignal vom Quadranten-Detektor wird verwendet, um den Fokus direkt zu steuern und so das Fokussystem ausreichend nahe an dem In-Fokus-Zustand zu halten, so daß das e, f, g, h Fokussignal sinnvoll ist (d. h. innerhalb des Erfassungsbereiches von e, f, g, h liegt, um den tatsächlichen Fokuszustand anzugeben). Wenn das optische Plattenlaufwerk zum ersten Mal in Betrieb genommen wird, sind die Komponenten ausgerichtet und justiert, um anfangs den gewünschten Fokus des Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf das Aufzeichnungsmedium zu liefern. Wenn das System solchen Einflüssen wie mechanischen Stößen oder Schwingungen oder der Wärmeausdehnung ausgesetzt wird, kommt es zu einer Fehlausrichtung der optischen Komponenten und optische Fehler sind die Folge. Wie erwähnt, ist der Detektor des defokussierten Strahlenbündels e, f, g, h relativ unempfindlich gegen solche optischen Fehler, während der Quadranten-Detektor empfindlicher darauf reagiert. Wenn optische Fehler den Quadranten-Detektor zu einer fehlerhaften Angabe einer defokussierten Bedingung bringen, liefert der e, f, g, h Detektor trotzdem den tatsächlichen Fokuszustand, z. B. gemäß der obigen Gleichung (6). Erfindungsgemäß wird in dieser Situation ein Versatz-Signal mit dem Quadranten- Fokusfehlersignal kombiniert, um ein korrektes Signal zu liefern. Das Versatz-Signal wird mit Hilfe des e, f, g, h Signals abgeleitet und hat eine solche Größe und Richtung, daß die korrigierte "S"-Kurve einen In-Fokus-Zustand angibt, wenn und nur dann wenn der e, f, g, h Detektor einen In-Fokus-Zustand angibt. Das korrigierte Quadranten- Fehlersignal ist relativ unempfindlich gegen optische Fehler, da die "S"-Kurve so versetzt ist, daß ein korrekter Fokus angegeben wird, sobald das e, f, g, h Signal einen korrekten Fokus angibt.
Zusammenfassend umfaßt der Prozeß der Schaffung eines korrigierten Fehlersignals gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung die folgenden Schritte:
(1) Anfangseinstellung: Das Quadranten-Signal wird so kalibriert, daß die "S"-Kurve den tatsächlichen Fokuszustand angibt.
(2) Während des Betriebs wird das e, f, g, h Fokussignal abgetastet.
(3) Wenn das e, f, g, h Fokussignal und der Quadranten-Detektor beide einen unfokussierten Zustand angeben, wird das Fokussystem mit Hilfe der "S"-Kurve in der üblichen Weise gesteuert, um das Strahlenbündel zurück in den gewünschten Fokuszustand zu bringen.
(4) Wenn das e, f, g, h Fokussignal und der Quadranten-Detektor entgegengesetzte Angaben für die fokussierten Zustände liefern, wird ein Versatz-Signal mit der "S"-Kurve kombiniert, um eine korrigierte "S"-Kurve zu erzeugen.
Auf diese Weise wird ein korrigierte Fokusfehlersignal geliefert, das relativ unempfindlich gegen optische Fehler ist und das einen relativ großen Erfassungsbereich von etwa 100 Mikrometer oder mehr hat.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Signalerkennungsprinzip der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall umfaßt das optische Element 138 eine Linse 139 in Verbindung mit einem optischen Element wie einer Zonenplatte 140, um die Apertur der Objektivlinse über das Strahlenbündel minus erster Ordnung 135 auf der Detektorebene abzubilden. Das optische Element führt zu einer Aufteilung eines Teils des von der Platte reflektierten Strahlenbündels 129 in ein erstes und ein zweites Strahlenbündel und verleiht mindestens einem der beiden Strahlenbündel einen Astigmatismus. Die Linse 139 kann Interferenzmuster mit sehr hohem Kontrast auf dem Detektor 132 erzeugen. Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt das optische Element 138 vorzugsweise wenig oder keine Intensität des Strahlenbündels nullter Ordnung, so daß die gesamte nutzbare Intensität des detektierten Strahlenbündels plus erster Ordnung 137 und des detektierten Strahlenbündels minus erster Ordnung 135 gesteigert wird. Die Konstruktion eines optischen Elementes mit den beschriebenen Eigenschaften wird nachstehend und in Verbindung mit dem Artikel "High Efficiency Multiple Beam Gratings" von Wai-Hon Lee in Applied Optics, Vol. 18, S. 2152-2158, der durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird, ausführlicher erläutert. Das Strahlenbündel minus erster Ordnung 135 ist ein konvergierender Strahl, der benutzt wird, um das astigmatische Fokusfehlersignal auf die oben in Verbindung mit Fig. 8 beschriebene Weise zu erhalten. Beide Strahlenbündel sind in Fig. 10A so abgebildet, wie sie auf dem Detektor 132 in Erscheinung treten. Ein Detektor 132, der mit dem für die Fig. 8 und 8B dargestellten und beschriebenen Detektor identisch ist, kann in Verbindung mit der in Fig. 10 dargestellten Anordnung verwendet werden.
In dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Aufteilung des reflektierten Strahlenbündels in ein erstes und ein zweites Strahlenbündel vorzugsweise mit Hilfe von elliptischen (einschließlich partielle effiptischen) Zonenplatten. Eine derartige elliptische Zonenplatte kann durch ein nachstehend beschriebenes photographische Verfahren hergestellt werden, das eine Photoreduktion und eine Photolack- Wiederholung eines elliptischen Struktur beinhaltet. Die Struktur kann anfangs zum Beispiel durch einen Computer erzeugt werden, der einen Stift-Plotter, Photoplotter, eine Elektronenstrahl- oder Kathodenstrahl-Anzeigevorrichtung oder ein anderes Zeichengerät steuert. Die Eigenschaften der Zonen, die geplottet werden müssen, kann man durch Lösen von einer oder von mehreren Gleichung(en) erhalten, die mit den gewünschten Eigenschaften der elliptischen Zonenplatte in Zusammenhang stehen.
In bezug auf die beiden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist es in der Optik bekannt, daß eine Platte, die aus abwechselnd lichtundurchlässigen und transparenten konzentrischen zirkularen Zonen besteht, ein parallelgerichtetes Lichtbündel auf einen Punkt fokussieren kann. Diese Platte wird manchmal als eine Fresnel-Zonenplatte bezeichnet. Sie kann auch als ein Hologramm einer Kugelwelle interpretiert werden, die einem Koaxialen und parallelgerichteten Strahlenbündel überlagert wird. Der Zonenplatte der vorliegenden Erfindung liegt das gleiche allgemeine Prinzip zugrunde.
Fig. 11 zeigt schematisch eine Kugelwelle in einem Abstand F von einer Punktquelle O, die mathematisch folgendermaßen dargestellt werden kann:
(7) (r) = (2π/λ) [(r2 + F²)½ - F],
wobei (x,y) die Phasenvariation der Wellenfront der Kugelwelle auf der Ebene P ist, λ die Wellenlänge des Lichtes ist und r der radiale Abstand von dem Ursprung O. Der Radius Rn, so daß (Rn) gleich 2nπ ist, ist gegeben durch:
(8) Rn = (n2λ2 + 2nλF)½.
Für ein großes F, wie dies in der Praxis meist der Fall ist, kann R,, dargestellt werden durch:
(9) Rn = (2nλF)½.
Die Zonenplatte mit den Brennweiten Fx und Fy erhält man durch Plotten von Ellipsen mit größeren und kleineren Achsen, gegeben durch:
(10) Rxn = (2nλFx)½,
(11) Ryn = (2nλFy)½.
Die Differenz in den Radien der Krümmung entlang der beiden Achsen führt zu einem Astigmatismus ähnlich dem durch die herkömmliche torische Linse erzeugten Astigmatismus.
In Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das computer-erzeugte astigmatische Element eine Kombination eines positiven Zylinders entlang der X-Richtung und eines negativen Zylinders in der Y- Richtung. Die Phase eines solchen Elementes kann mathematisch folgendermaßen beschrieben werden:
(12) Phase = π (x² - y²)λf',
wobei f' die Brennweite des astigmatischen Elementes ist. Wenn dieses Element in Verbindung mit einer sphärischen Linse mit der Brennweite F'' benutzt wird, wird das Strahlenbündel entlang x bei fx fokussiert, bestimmt durch
(13) fx&supmin;¹ = f'&supmin;¹ + F''&supmin;¹
und das Strahlenbündel entlang y wird fy fokussiert, gegeben durch
(14) fy&supmin;¹ = -f'&supmin;¹ + F''&supmin;¹.
Computer-erzeugte optische Elemente können Beugungsordnungen schaffen. Die Ordnung +1 hat die oben angegebene Phase und die Ordnung -1 ihre konjugierte Form, nämlich:
(15) konjugierte Phase = -π (x² - y²)λf'.
Diese beiden Beugungsordnungen erzeugten das Bild für die Fokusfehlersignale, wie in Fig. 6 dargestellt.
Die Brennweite f, des astigmatischen Elementes wird durch den vom System benötigten Brennweitenbereich bestimmt. Angenommen, F'' beträgt 40 mm. Um 3 mm Abstand zwischen den beiden astigmatischen Brennpunkten zu haben, müssen die obigen Gleichungen zeigen, daß f' etwa 1 Meter beträgt.
Um das in Fig. 6 dargestellte astigmatische Bild zu erhalten, muß das astigmatische Element um 450 gedreht werden. Die Phase ist in diesem Fall gegeben durch
(16) Phase = 2πxy/λf'.
Um ein solches Element herzustellen, muß die Interferenz einer solchen Wellenfront mit einem leicht geneigten parallelgerichteten Strahlenbündel bestimmt werden. Die Positionen der Interferenzstreifen werden gefunden, indem man die folgende Gleichung löst:
(17) 2πd/λF'' + 2 πxy/λf' = 2πn
wobei d der Abstand der ersten Ordnung von der nullten Ordnung ist.
Bei der Herstellung einer Zonenplatte, die in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt werden kann, wird aus Gründen der Anschaulichkeit angenommen, daß in Fig. 10 der Abstand der Auslese-Objektivlinse in einem Abstand D' von der Linse 138 mit der Brennweite F' ist. Die Zonenplatte 140 hat eine mittlere Brennweite von f.
Es wird auch angenommen, daß der Detektor 132 sich in einem Abstand D von der Linse 138 befindet. Der Zusammenhang zwischen all diesen Variablen ist durch die folgenden Gleichungen gegeben:
(18) f&supmin;¹ + F'&supmin;¹ = 2 D&supmin;¹
(19) -f&supmin;¹ + F'&supmin;¹ = D&supmin;¹.
Es ist möglich, die Brennweiten F' und f aus den Informationen über D zu bestimmen.
Dies ist keineswegs der einzige Zusammenhang, der zwischen F' und f besteht. Die astigmatischen Fokuslinien in der elliptischen Zonenplatte 140 werden hauptsächlich durch die Reihe der Fokusfehler bestimmt. Der zwischen den beiden astigmatischen Fokuslinien erforderliche Abstand (AD) ist in etwa gegeben durch:
(20) AD = 2 K (f/g)²,
wobei K der Fokussteuerbereich, g die Brennweite der Objektivlinse und f die mittlere Brennweite der Zonenplatte ist. Für K = 30 Mikrometer und g = 4 mm beträgt AD also etwa 3,4 mm.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der einfachen Herstellung eines elliptischen Zonenplatten-Elementes 130. Die Herstellung dieses Elementes entspricht dem für die Herstellung von mikroelektronischen Komponenten angewendeten Verfahren.
Fig. 12 zeigt die einzelnen Schritte bei alternativen Verfahren zur Herstellung der Phasenreliefstruktur für ein Zonenplatten-Element. Ein Glassubstrat 150 wird zuerst mit einem lichtempfindlichen Material 152, zum Beispiel einem Photolack oder einem Photopolymer beschichtet. Eine Maske 154 mit dem computer-geplotteten und normalerweise photographisch reduzierten Bild des Zonenplatten-Struktur, die dem Zonenplatten-Element 130 oder 140 in Erscheinung treten soll, wird über dem Beschichtungsmaterial 152 aufgebracht. Eine Lichtquelle, zum Beispiel für ultraviolettes Licht, wird verwendet, um das lichtempfindliche Material 152 durch die Maske 154 zu belichten (Fig. 12A). Nach der Belichtung und einem geeigneten Entwicklungsprozeß für das lichtempfindliche Material 152 wird eine Struktur wie die in Fig. 12B dargestellte abgeleitet. Diese Struktur kann dann einem Ätzprozeß (zum Beispiel mit Flußsäure oder durch Plasma-Ätzen mit geeigneten Gasen) unterzogen werden, um zu einem Oberflächenprofil wie dem in Fig. 12C dargestellten zu gelangen. Durch Entfernen des lichtempfindlichen Materials erhält man die in Fig. 12E abgebildete Phasenstruktur. Wie oben erwähnt, ist es vorzuziehen, daß die Zonenplatte wie abgebildet transparent bleibt, aber die Struktur kann auch auf jede gewünschte Weise lichtundurchlässig gemacht werden.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung der Phasenstruktur besteht darin, eine Schicht 156 aus transparentem Siliziummonoxid (SiO), Siliziumdioxid (SiO&sub2;) oder Magnesiumfluorid (MgF) auf der in Fig. 12B dargestellten Struktur aufzubringen, um die in Fig. 12D abgebildete Struktur zu erhalten. Durch Entfernen der Photolack- Schicht von der in Fig. 12D dargestellten Struktur erhält man die in Fig. 12F abgebildete Phasenstruktur. Solange die Dicke des Reliefs entsprechend den Angaben in einem Artikel mit dem Titel "High Efficiency Multiple Beam Gratings" von W.H. Lee in Applied Optics, Bd. 18, S. 2152-2158, 1979 korrekt ist, haben die in den Fig. 12E und 12F abgebildeten Strukturen identische Eigenschaften, was die Möglichkeit zur Eignung als Zonenplattenstruktur wie oben beschrieben betrifft. Die nullte Ordnung kann unterdrückt werden, indem man die Schicht, die dem computer-erzeugten Muster 154 entspricht, mit einer Dicke 158 herstellt, die etwa der Wellenlänge der Laserlichtquelle gleicht.
Im folgenden wird die Art der Verwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 4 dargestellt ist, wird das von der Datenplatte reflektierte Strahlenbündel 66 durch das oben beschriebene optische Element 60 geleitet, um ein erstes und ein zweites Strahlenbündel zu erzeugen, die im wesentlichen auf den ersten und den zweiten Detektor 74, 76 fokussiert sind. Der erste und der zweite Detektor erzeugen die Signale k, l, m, n, p, q, r und s, die von der Menge des Lichts abhängen, das auf jeden Quadranten des entsprechenden Quadranten-Detektors fällt. Diese Signale werden entsprechend den Gleichungen 3 und 4 kombiniert, um Fokus- beziehungsweise Spurnachführsignale zu liefern, die verwendet werden, um die Spurnachführung und die Fokussierung des Lese- /Schreibstrahlenbündels zu steuern, wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 8 und 10 dargestellt ist, wird ein Teil des von einer Datenplatte 20 reflektierten Laserstrahlenbündels wie oben beschrieben durch das optische Element 130, 138 geleitet, um Lichtmuster auf einem optischen Detektor 132 zu erzeugen. Die Signale a, b, c, d, e, f, g und h von dem optischen Detektor, wie in den Fig. 8B und 10A abgebildet, werden kombiniert, um ein Spurnachführfehlersignal und ein Fokusfehlersignal zu erzeugen. Das Spurnachführfehlersignal wird benutzt, um eine Spurnachführvorrichtung wie zum Beispiel einen steuerbaren Trägerspiegel oder Arm so zu bewegen, daß der Brennpunkt des Lese-/Schreibstrahlenbündels auf eine bestimmte Stelle auf der Datenplatte 20 positioniert wird. Das Fokusfehlersignal wird benutzt, um die Objektivlinse 18 in eine Position zu bringen, die zu der Schaffung eines gewünschten Fokusgrades des Lese- /Schreibstrahlenbündels auf der Datenebene der Platte 20 führt.
Bei allen Aspekten der vorliegenden Erfindung können Signale mit Hilfe von bekannten elektronischen Schaltkreisen, wie Addierschaltungen, Differenzschaltungen oder dergleichen, kombiniert oder kompensiert werden, ob durch Addition, Subtraktion, Multiplikation oder andere Kombinationen, oder mit Hilfe von Computern oder Mikroprozessoren kombiniert werden.

Claims

1. Fokussierungsservo-Anordnung in einem optischen Plattensystems, mit: einer Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung eines Lese-/Schreibstrahlenbündels und steuerbaren Fokusmitteln einschließlich eines Objektivlinsensystems (18) zur Fokussierung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels auf der Platte (20), wobei ein Teil des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels von der Platte reflektiert wird, um ein reflektierte Strahlenbündel (129) zu erzeugen,

wobei in dem Weg des reflektierten Strahlenbündels ein optisches Element (60; 130, 138) angeordnet ist, um gleichzeitig aus dem genannten reflektierten Strahlenbündel mindestens ein erstes Strahlenbündel (78; 135) zu erzeugen, das konvergiert, um ein erstes Bild auf einer ersten Bildebene zu formen, und ein zweites Strahlenbündel (68; 70; 136; 137), das ein zweites Bild auf einer zweiten Bildebene formt, wobei das erste Strahlenbündel auf einer Detektorebene mindestens ein nicht-überlappendes Teil in Beziehung zu dem genannten zweiten Strahlenbündel hat, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein beugendes Element ist, wobei

(a) das genannte erste Bild sich in spiegelsymmetrischer Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung in der Fokussierung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels vorliegt,

(b) das genannte erste Bild sich in spiegelsymmetrischer Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung der Spurnachführung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf die Platte vorliegt,

(c) das genannte erste Bild sich in einer parallelen Weise in bezug auf Änderungen in dem genannten zweiten Bild ändert, wenn eine Änderung in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels vorliegt;

wobei erste Detektormittel (74; 133) in der genannten Detektorebene auf die Änderungen in dem genannten ersten Bild reagieren, um eine erste vielzäh1 von Signalen zu liefern, die mit den Änderungen im genannten ersten Bild in Beziehung stehen; dadurch daß

zweite Detektormittel (76; e, f, g, h) vorgesehen sind, die auf die genannten Änderungen im zweiten Bild reagieren, um eine zweite Vielzahl von Signalen zu liefern, die mit den Änderungen im genannten zweiten Bild in Beziehung stehen; und dadurch, daß Elektronikmittel zum Kombinieren der Signale vorgesehen sind, die folgendes umfassen:

erste Mittel zum Kombinieren der ersten Vielzahl von Signalen und der zweiten Vielzahl von Signalen, um ein drittes Signal zu liefern, das mit den genannten Änderungen im Fokus in Beziehung steht, wobei das dritte Signal im wesentlichen nicht auf Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels reagiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Elektronikmittel zum Kombinieren der Signale außerdem folgendes enthält:

ein zweites Mittel zum Kombinieren der genannten ersten Vielzahl von Signalen und der genannten zweiten Vielzahl von Signalen, um ein viertes Signal zu liefern, das in Beziehung zu den genannten Änderungen in der Spurnachführung steht, wobei das vierte Signal im wesentlichen nicht auf die genannten Änderungen in der optischen Achse des reflektierten Strahlenbündels reagiert; und

dadurch, daß ein erstes Steuermittel zur Änderung der Brennpunktsebene des genannten Fokusmittels mit Hilfe des genannten dritten Signals und

ein zweites Steuermittel zur Änderung der radialen Spurnachführung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels in bezug auf die Platte (20) mit Hilfe des genannten vierten Signals vorhanden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element weiterhin ein drittes Strahlenbündel (68; 70) erzeugt, das konvergiert, um ein drittes Bild auf einer dritten Bildebene zu formen, und außerdem ein drittes Detektormittel (80) enthält, das auf Änderungen in dem genannten dritten Bild reagiert, um ein Signal zu liefern, das mit der Modulation des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels durch die Platte (20) in Beziehung steht.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten Detektormittel (74) einen Quadranten-Detektor (k, l, m, n) enthalten, der ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Detektor-Ausgangssignal liefert;

die genannten zweiten Detektormittel (76) einen Quadranten-Detektor (p, q, r, s) enthalten, der ein fünftes, ein sechstes, ein siebentes und ein achtes Detektor- Ausgangssignal liefert (Fig. 4, 5).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel zum Kombinieren ein Mittel zum Addieren der Differenz der Summen des ersten (k) und des dritten (m) Detektor-Ausgangssignals und des zweiten (1) und vierten (n) Detektor-Ausgangssignals zu der Differenz der Summen des sechsten (q) und des achten (s) Detektor-Ausgangssignals und des fünften (p) und siebenten (r) Detektor-Ausgangssignal enthalten und

die zweiten Mittel zum Kombinieren ein Mittel zum Addieren der Differenz der Summen des genannten ersten (k) und des vierten (n) Detektor-Ausgangssignals und des genannten zweiten (1) und dritten (m) Detektor-Ausgangssignals zu der Differenz der Summen des genannten sechsten (q) und des siebenten (r) Detektor-Ausgangssignals und des fünften (p) und achten (s) Detektor-Ausgangssignal enthalten.

6. Anordnung nach Anspruch 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein astigmatisches-Element (60) ist (Fig. 4).

7. Anordnung nach Anspruch 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Bildebene und die genannte zweite Bildebene koplanar sind (72; 132).

8. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte optische Element (60; 130; 138) eine Zonenplatte (64; 130; 140) enthält.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenplatte (130) elliptische Zonenbereiche enthält (Fig. 8A).

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Strahlenbündel (135) durch das genannte optische Element astigmatisch zu einem Bild in einer Bildebene (132) fokussiert wird;

das zweite Strahlenbündel (137) durch das genannte optische Element in der genannten Bildebene defokussiert wird;

die genannten ersten Detektormittel (133) im wesentlichen in der genannten Bildebene angeordnet sind und ein erstes Signal liefern, das in Reaktion auf die Form des genannten Bildes schwankt;

die genannten zweiten Detektormittel (e, f, g, h) im wesentlichen in der genannten Bildebene angeordnet und im wesentlichen außerhalb des genannten Bildes gelegen sind und ein zweites Signal in Reaktion auf das genannte zweite Strahlenbündel erzeugen, das mit dem genannten Fokussierungsgrad in Beziehung steht, und dadurch, daß sie

ein erstes Steuermittel zur Änderung des genannten Fokussierungsgrades entsprechend dem genannten dritten Signal (Fig. 8, 8A; 10, 10B) enthält.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Detektormittel (e, f, g, h) ein viertes Signal erzeugt, das mit der Spurnachführung des genannten Lese-/Schreibstrahlenbündels in Beziehung steht.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Strahlenbündel (135) und das genannte zweite Strahlenbündel (137) koaxial sind.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte optische Element eine elliptische Zonenplatte (130) enthält (Fig. 8A).

14. Anordnung nach den Ansprüchen 10, 11 und 12, wobei die genannten ersten und die genannten zweiten Detektormittel eine einzelne, kompakte und im wesentlichen planaren Detektorvorrichtung bilden, die ein erstes (e, f) und ein zweites (g, h) Paar von im wesentlichen nebeneinanderliegenden optischen Detektoren umfaßt und einen Quadranten-Detektor (133), wobei der genannte Quadranten-Detektor im wesentlichen in der Mitte zwischen dem genannten ersten Paar (e, f) und dem genannten zweiten Paar (g, h) optischer Detektoren liegt.