ES2231855T3 - Dispositivo para explorar opticamente un soporte de grabacion. - Google Patents

Dispositivo para explorar opticamente un soporte de grabacion.

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ES2231855T3 ES97904531T ES97904531T ES2231855T3 ES 2231855 T3 ES2231855 T3 ES 2231855T3 ES 97904531 T ES97904531 T ES 97904531T ES 97904531 T ES97904531 T ES 97904531T ES 2231855 T3 ES2231855 T3 ES 2231855T3
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Abstract

UN DISPOSITIVO OPTICO DE EXPLORACION PUEDE EXPLORAR DOS TIPOS DE PORTADORAS DE REGISTROS, CADA UNA CON UNA CAPA TRANSPARENTE DE GROSOR DIFERENTE, EN LA CUAL UN HAZ ENFOCADO DE RADIACION EXPLORA UNA CAPA DE INFORMACION DE LA PORTADORA DE REGISTROS A TRAVES DE LA CAPA TRANSPARENTE. CUANDO SE EXPLORA UN PRIMER TIPO DE PORTADORA DE REGISTRO, EL MEJOR FOCO DEL HAZ DE RADIACION ESTA POSICIONADO EN LA CAPA DE INFORMACION Y CUANDO SE EXPLORA UN SEGUNDO TIPO DE PORTADORA DE REGISTRO, EL FOCO PARAXIAL DEL HAZ DE RADIACION ESTA POSICIONADO EN LA CAPA DE INFORMACION. EL SISTEMA DE LENTES QUE ENFOCA EL HAZ DE RADIACION ESTA COMPUESTO POR UN ANILLO OPACO ENTRE UNA AREA CENTRAL TRANSPARENTE Y UNA AREA ANULAR TRANSPARENTE.

Description

Dispositivo para explorar ópticamente un soporte de grabación.
La invención se refiere a un dispositivo de exploración óptica para explorar un primer tipo de soporte de grabación que tiene una primera capa de información y una primera capa transparente de un primer espesor y para explorar un segundo tipo de soporte de grabación que tiene una segunda capa de información y una segunda capa transparente de un segundo espesor diferente del primer espesor, comprendiendo el dispositivo una fuente de radiación para generar un haz de radiación y un sistema de lentes diseñado para hacer converger el haz de radiación a través de la primera capa transparente en un foco sobre la primera capa de información. La invención también se refiere a un método para explorar ópticamente un soporte de grabación del primer o el segundo tipo. La exploración incluye escribir, leer y/o borrar información en el soporte de grabación.
La capa transparente en los soportes ópticos de grabación tiene en general la función de proteger la capa de información de las influencias ambientales y proporcionar un soporte mecánico al soporte de grabación, es decir, actúa como un sustrato para la capa de información. El espesor de la capa transparente es un compromiso entre la rigidez deseada del soporte de grabación y la apertura numérica del haz de radiación empleado para explorar la capa de información. Si para un nuevo tipo de soporte de grabación se incrementa la apertura numérica a fin de incrementar la densidad de almacenamiento de la capa de información, a menudo es necesario reducir el espesor de la capa transparente a fin de reducir la influencia de la inclinación del disco sobre la calidad del haz de radiación. Como resultado, existirán distintos tipos de soporte de grabación en el mercado que tengan espesores diferentes de la capa transparente. Un soporte de grabación compatible debería ser capaz de explorar los distintos tipos de soporte de grabación independientemente del espesor de la capa transparente.
La capa transparente, a través de la cual un haz de radiación explora la capa de información, introduce una denominada aberración esférica en el haz de radiación. La aberración esférica puede compensarse en el sistema de lentes, haciendo que el haz de radiación cerca de su foco esté sustancialmente libre de aberración esférica. Si un sistema de lentes, compensado para un primer espesor de la capa transparente, se utiliza para explorar un soporte de grabación con una capa transparente de un segundo espesor diferente, la calidad del foco se verá deteriorada debido a una aberración esférica infra o sobrecompensada.
La solicitud de patente europea publicada con el número EP-A-0 610 055 describe el uso de una estructura de lente objetivo de doble foco en un captador óptico que es capaz de leer/escribir sobre soportes ópticos de grabación con diferentes espesores de capa transparente; la lente objetivo es un sistema compuesto que comprende una lente holograma y una lente objetivo refractiva convencional.
La solicitud de patente internacional no prepublicada IB96/00182 describe un dispositivo para explorar soportes ópticos de grabación del primer y el segundo tipo. Este dispositivo emplea un sistema de lentes para hacer converger un haz de radiación a través de la primera capa transparente en un mejor foco sobre la primera capa de información. Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, el sistema de lentes forma un foco paraxial sobre la segunda capa de información. El mejor foco de un haz es el punto a lo largo del eje del haz que tiene la mayor intensidad. El foco paraxial de un haz es el punto a lo largo del eje del haz a través de o hacia el cual se hacen converger los rayos paraxiales del haz. La radiación reflejada desde el soporte de grabación es detectada por un sistema de detección sensible a la radiación. Cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, el sistema de detección utiliza toda la radiación en el haz reflejado o la radiación en una zona anular exterior de la sección transversal del haz reflejado. Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, el sistema de detección detecta únicamente radiación procedente de una zona central de la sección transversal del haz de radiación. Puesto que el sistema de lentes no está ideado para hacer converger un haz de radiación a través del espesor de la segunda capa transparente, el haz de radiación sufrirá una aberración esférica no corregida al pasar por la segunda capa transparente. Al restringir la detección a los rayos en una zona central del haz, los rayos altamente aberrados en la zona anular exterior del haz tendrán entonces una menor influencia sobre las señales de salida del sistema de detección.
La solicitud de patente internacional no prepublicada IB97/00175 - véase la publicación internacional número WO-A-9708691 - que es un documento relevante según el artículo 54(3) CPE, describe un captador óptico compatible que emplea una combinación de un medio anular de control de la luz y una lente objetivo para leer/escribir soportes ópticos de grabación con diferentes espesores de capa transparente.
Según un primer aspecto de la invención, el dispositivo de exploración óptica está ideado según se reivindica en la reivindicación 1.
En general, el anillo es concéntrico a la zona anular y central mencionada más arriba y forma una zona intermedia entre la zona central y la zona anular exterior en una sección transversal del haz de radiación. El anillo puede disponerse en una zona con forma de anillo que separa la zona anular y la zona central del sistema de lentes.
Cuando el sistema de lentes hace converger un haz de radiación a través de la primera capa transparente, los rayos en la zona anular o en la zona combinada de la zona anular y la zona central del haz se corrigen para la aberración esférica sufrida al atravesar la primera capa transparente y formar el mejor foco. Los medios de situación, tales como un servosistema de foco, utilizan información comprendida en los rayos en al menos la zona anular para situar el mejor foco sobre la capa de información.
Cuando el sistema de lentes hace converger un haz de radiación a través de la segunda capa transparente, los rayos en la zona central del haz forman el foco paraxial. Los medios de situación emplean información comprendida en los rayos en la zona central para colocar el foco paraxial en la capa de información. Los rayos en la zona anular tienen una gran desviación angular debido a la aberración esférica no compensada. Por tanto, tras la reflexión por el soporte de grabación, puede conseguirse que estos rayos no sean interceptados por el sistema de detección relativamente pequeño y que no afecten las señales eléctricas formadas por el sistema de detección. Sin embargo, los rayos en una región intermedia entre la zona central y la zona anular presentarán una desviación relativamente pequeña y todavía serán incidentes sobre el sistema de detección aunque estos rayos no dispongan de la corrección apropiada de la aberración esférica para el segundo tipo de soporte de grabación, reduciendo así la calidad de las señales de detección formadas por el sistema de detección.
Este problema se solventa dotando al dispositivo de exploración según la invención de un anillo opaco en el camino óptico entre la fuente de radiación y el sistema de detección. La palabra "opaco" significa que la luz incidente sobre el anillo no sigue el camino que hubiese seguido en ausencia del anillo, es decir, tal luz ya no cae sobre el sistema de detección. Cuando el anillo se dispone tanto en el haz de radiación incidente como en el haz reflejado, las señales eléctricas generadas por el sistema de detección se ven menos afectadas por el movimiento lateral del sistema de lente objetivo. El anillo puede disponerse entonces en el sistema de lentes. Cuando el anillo se dispone sólo en el haz reflejado, el dispositivo de exploración presentará una mejor tolerancia a la inclinación del soporte de grabación.
Se observa que la solicitud de patente europea con número de publicación EP-A-0 610 055 da a conocer un sistema de lentes combinado con un holograma o una rejilla. La lente está corregida en toda su área para el paso de radiación a través de un primer espesor de capa transparente hacia un primer foco. La rejilla difracta parte de la radiación en una zona central del haz de radiación entrante en un haz secundario que, tras ser refractado por la lente, es corregido para pasar a través de un segundo espesor de capa transparente hacia un segundo foco. El sistema de lentes y la rejilla hacen converger el haz de radiación en un haz que comprende dos haces secundarios que tienen vergencias diferentes. Por tanto, la combinación del sistema de lentes y la rejilla forma dos mejores focos. En comparación, el sistema de lentes según la invención hace converger el haz de radiación en un haz que tiene una sola vergencia y forma un único mejor foco. Cuando el sistema de lentes según la invención es de tipo sólo refractivo, de tipo sólo reflexivo o de tipo sólo refractivo-reflexivo, también transmite sustancialmente toda la energía del haz de radiación incidente al primer foco y no divide parte de la energía en un haz secundario que forma el segundo foco. La frase "sustancialmente toda la energía del haz de radiación" significa que solo se ignoran las pérdidas normales debidas a reflexiones en transiciones de un medio a otro, debidas a la absorción en los medios y debidas a partes opacas de la lente.
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para explorar ópticamente un primer tipo de soporte de grabación que tiene una primera capa de información y una primera capa transparente de un primer espesor y un segundo tipo de soporte de grabación que tiene una segunda capa de información y una segunda capa transparente de un segundo espesor diferente del primer espesor, según la reivindicación 4.
A continuación, la invención se describirá más detalladamente a título de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1A muestra un dispositivo de exploración según la invención que explora un soporte de grabación del primer tipo;
la figura 1B muestra un soporte de grabación del segundo tipo;
la figura 2 muestra un corte transversal de una lente objetivo dotada de un anillo opaco;
la figura 3 muestra la intensidad de radiación a lo largo del eje óptico cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo;
la figura 4 muestra una vista frontal de la lente objetivo de la figura 2; y
la figura 5 muestra un sistema de detección del dispositivo de exploración.
La figura 1A muestra un dispositivo para explorar un soporte 1 óptico de grabación. El soporte de grabación comprende una capa 2 transparente, en un lado de la cual está dispuesta una capa 3 de información. El lado de la capa de información que da la espalda a la capa transparente está protegido de las influencias ambientales por una capa 4 protectora. La capa 2 transparente actúa como un sustrato para el soporte de grabación al proporcionar un soporte mecánico para la capa de información. Alternativamente, la capa transparente puede tener la sola función de proteger la capa de información, mientras que el soporte mecánico está proporcionado por una capa en el otro lado de la capa de información, por ejemplo, por la capa 4 protectora o por una capa transparente y una capa de información adicionales conectadas a la capa 3 de información. En el soporte de grabación puede almacenarse información en forma de marcas detectables ópticamente dispuestas en pistas concéntricas o espirales sustancialmente paralelas en la capa 3 de información, no indicadas en la figura. Las marcas pueden estar en cualquier forma legible ópticamente, por ejemplo, en forma de depresiones, zonas con un coeficiente de reflexión o una dirección de magnetización diferentes a los de su entorno, o una combinación de estas formas.
El dispositivo de exploración comprende una fuente 5 de radiación, por ejemplo, un láser semiconductor, que emite un haz 6 de radiación divergente. Un divisor 12 de haz, por ejemplo, una placa semitransparente, refleja la radiación hacia un sistema de lentes. El sistema de lentes comprende una lente 7' colimadora y una lente 7 objetivo. La lente 7' colimadora forma un haz colimado que incide en una lente 7 objetivo de único foco. La lente colimadora y la lente objetivo pueden combinarse en una única lente objetivo. El sistema 7, 7' de lentes, que tiene un eje 8 óptico, transforma el haz 6 de radiación en un haz 9 convergente, el cual tiene una sola vergencia, que forma un foco 10 sobre la capa 3 de información. Aunque la lente objetivo se indica en la figura como un solo elemento de lente, también puede comprender un holograma que funciona en transmisión o en recepción o una rejilla para acoplar la radiación que sale de un guiaondas que transporta el haz de radiación. La radiación del haz 9 convergente reflejado por la capa 3 de información y que forma un haz 11 reflejado, vuelve en el camino óptico del haz 9 convergente incidente. El sistema 7, 7' de lentes hace converger el haz 11 reflejado en un haz 13 reflejado convergente y el divisor 12 de haz separa los haces incidente y reflejado transmitiendo al menos parte del haz 13 reflejado hacia un sistema 14 de detección. El sistema de detección capta la radiación y la convierte en una o más señales eléctricas. Una de estas señales es una señal 15 de información, cuyo valor representa la información leída de la capa 3 de información. Otra señal es una señal 16 de error de foco, cuyo valor representa la diferencia axial en altura entre el foco 10 y la capa 3 de información. La señal de error de foco se emplea como entrada para un servocontrolador 17 de foco, el cual controla la posición axial de la lente 7 objetivo, controlando así la posición axial del foco 10 de manera que el foco coincida sustancialmente con el plano de la capa 3 de información. La parte del sistema de detección, incluyendo uno o más elementos de detección sensibles a la radiación y un circuito electrónico que procesa la señal de salida de los elementos de detección, empleada para generar el error de foco se denomina sistema de detección del error de foco. El servosistema de foco para situar el sistema de lentes comprende el sistema de detección del error de foco, el servocontrolador de foco y un accionador para mover el sistema de lentes.
La figura 2 muestra un corte transversal de una realización 18 de la lente 7 objetivo. La lente objetivo tiene una apertura numérica de 0,6. La lente puede ser biasférica y estar hecha de un único material plástico, por ejemplo, mediante moldeo por inyección. El material de la lente es polimetacrilato de metilo (PMMA), el cual tiene un índice de refracción de 1,4885 a la longitud de onda de diseño de 650 nm. Los datos de la lente son:
Longitud focal 3,30 mm
Espesor en el eje óptico 2,95 mm
Diámetro óptico 3,96 mm
Distancia libre de trabajo 1,5 mm
La lente presenta dos superficies 19 y 20, mirando la primera a la fuente de radiación y mirando la segunda al soporte 1 de grabación. La forma de la superficie 19 viene dada por el polinomio
(1)z = \sum\limits^{n=5}_{n=1} a_{2n} \ y^{2n}
donde las constantes tienen los valores: a_{2}=0,25317630, a_{4}=0,00671352, a_{6}=0,00045753, a_{8}=-0,00010526 y
a_{10}=0,00000860. La forma de la superficie 20 en toda la anchura del haz de radiación viene dada por la ecuación (1), en la que las constantes tienen los valores: a_{2}=-0,10009614, a_{4}=0,02163729, a_{6}=0,00788082, a_{8}=-0,00205921
y a_{10}=-0,00023477.
El sistema 7, 7' de lentes ha sido ideado para formar un foco óptimo sobre la capa 3 de información, es decir, un foco con un cociente de Strehl que se aproxima a 1. Por este motivo, se ha corregido el sistema de lentes en toda su sección transversal, es decir, en sus zonas central y anular, para la aberración esférica sufrida por el haz 9 convergente cuando atraviesa la capa 2 transparente del soporte 1 de grabación. El frente de onda del haz convergente cercano al punto 10 focal es sustancialmente esférico. La figura 1B muestra un soporte 21 de grabación de otro tipo que tiene una capa 23 de información y una capa 22 transparente de un espesor diferente del espesor de la capa 2 transparente. Cuando el mismo dispositivo se usa para explorar este soporte de grabación, el sistema 7, 7' de lentes no se corregirá correctamente para la capa 22 transparente. El servocontrolador 17 de foco regulará la posición de la lente 7 objetivo de manera que la desviación media del frente de onda del haz cercano a la capa 23 de información desde una forma esférica tenga un valor mínimo en toda la sección transversal del haz. La aberración esférica restante en la posición de la capa de información da como resultado un frente de onda fuertemente ondulado en toda la apertura, lo que hace que el punto focal esté fuertemente aberrado. Un punto focal así es menos adecuado para explorar el soporte 21 de grabación.
Sin embargo, la capa 23 de información puede explorarse correctamente por medio del haz 9 convergente cuando la capa de información está dispuesta axialmente, no en la posición del mejor foco, sino cerca de la posición del foco paraxial. En un pequeño intervalo en torno a la posición del foco paraxial, el frente de onda del haz convergente aberrado es sustancialmente esférico en una zona central de la apertura. El punto focal comprende una pequeña región central de alta intensidad, que es resultado de los rayos en la zona central de la apertura, y una región grande de baja intensidad que rodea a la región pequeña y que es resultado de los rayos fuera de la zona central. La calidad de la región central del punto focal es entonces suficiente como para explorar correctamente la capa 23 de información, mientras que puede hacerse que la región exterior no afecte a la exploración.
La figura 3 muestra la intensidad de radiación a lo largo del eje óptico de la lente 7 objetivo cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo para el caso de que el soporte de grabación del segundo tipo tenga un sustrato que sea 0,6 mm más espeso que el sustrato del soporte de grabación del primer tipo. El eje vertical muestra la intensidad I de radiación normalizada del haz 9 convergente y el eje horizontal muestra la distancia z desde el foco paraxial lejos del sistema de lentes medida en micrómetros. El mejor foco, punto a lo largo del eje óptico que un dispositivo de exploración situaría normalmente sobre la capa 23 de información, está situado a 24 \mum del eje paraxial, tal como indica en la figura mediante una línea discontinua vertical. Cada máximo local de la curva en la figura corresponde a una ubicación en la que la radiación del haz convergente se concentra en una pequeña región cerca del eje óptico. En la mayoría de las ubicaciones a lo largo del eje horizontal, la distribución de intensidades del punto en un plano perpendicular al eje óptico muestra anillos que tienen una intensidad relativamente fuerte en torno al eje óptico o una elevada intensidad de fondo relativamente plana, ambas de las cuales perturban la exploración de la capa de información. En una pequeña región en torno a z igual a 6 \mum, hay una ausencia casi total de anillos, y el nivel de fondo se reduce considerablemente. Cuando la capa 23 de información se dispone en esta posición a lo largo del eje óptico, la capa puede explorarse correctamente. Cabe indicarse que esta posición preferida no corresponde necesariamente a un máximo en la intensidad a lo largo del eje óptico. Si el sustrato del segundo tipo de soporte de grabación es más delgado que el sustrato del primer tipo de soporte de grabación, la intensidad a lo largo de eje óptico sigue una curva similar a la mostrada en la figura 3, pero con la posición del mejor foco más próxima al sistema de lentes que la posición del foco paraxial.
La posición preferida de la capa 23 de información depende de la diferencia de espesor entre las dos capas 2 y 22 transparentes y de la apertura numérica del haz 9 de una manera mostrada más abajo. Cuando la capa 23 de información está situada en una ubicación axial lejos de dicha posición preferida, la calidad del punto focal decrece rápidamente, lo que da lugar a una menor calidad de las señales generadas en el sistema 14 de detección. Se pretende que cualquier referencia a la posición del foco paraxial en la presente memoria sea una referencia a la posición preferida.
El aplanamiento de la zona central del frente de onda cuando se explora la capa 23 de información de un soporte 21 de grabación viene acompañado por un incremento en la desviación de la parte exterior del frente de onda. Por tanto, los rayos marginales en la parte exterior de la apertura llegan a un denominado foco marginal que está relativamente alejado del foco paraxial. El mejor foco del haz aberrado se encuentra entre el foco paraxial y el marginal. La distancia relativamente grande entre los focos paraxial y marginal posibilita interceptar los rayos marginales antes de la detección, eliminando así una gran parte de la influencia perturbadora de la aberración esférica no compensada procedente de las señales generadas por el sistema de detección. Cabe indicarse que los focos paraxial, mejor y marginal coinciden cuando se explora el soporte 1 de grabación.
En el dispositivo según la invención, se toman medidas para garantizar que el mejor foco esté situado en la capa 3 de información del soporte 1 de grabación y que el foco paraxial esté situado en la capa 23 de información del soporte 21 de grabación. Con esta finalidad, la sección transversal del haz 13 reflejado se divide en dos zonas, es decir, una zona central y una zona anular que rodea la zona central. Cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, todos los rayos del haz en las zonas central y anular proceden del mejor foco. Cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, los rayos en la zona central proceden principalmente del foco paraxial y los rayos en la zona anular son rayos marginales que no proceden del foco paraxial. Las mismas zonas central y anular pueden indicarse en los haces 6 y 9 incidentes. Las medidas suponen que el servosistema de foco utiliza información comprendida en los rayos en al menos la zona anular del haz 13 reflejado para situar el mejor foco sobre la capa de información de un soporte de grabación del primer tipo y utiliza información comprendida en los rayos en la zona central para situar el foco paraxial sobre la capa de información de un soporte de grabación del segundo tipo.
El tamaño de la zona central debe escogerse de manera que la capa de información de un soporte de grabación del segundo tipo se explore correctamente. Cuando el tamaño se agranda demasiado, la aberración esférica afectará demasiado la calidad del foco paraxial. Cuando el tamaño se reduce demasiado, la pequeña apertura numérica del haz en la zona central tendrá como resultado un punto focal paraxial aparentemente grande, dificultando la lectura de los detalles pequeños. Puede hallarse un término medio empleando la siguiente fórmula aproximada para la función de transferencia de modulación (MTF) en la capa de información para el foco paraxial:
1
con
\nu = 1/p,
\nu_{c} = 2NA_{c}/\lambda,
\varepsilon = 4\pi ^{2}W^{2}_{40}/180,
W_{40} = \left(\frac{n^{2}-1}{8n^{3}}\right)\frac{\Delta d}{\lambda} NA^{4}_{c}
y siendo \nu la frecuencia espacial, p el periodo de los detalles mínimos en la capa 23 de información que deberían ser legibles, \nu_{c} la frecuencia espacial de corte, NA_{c} la apertura numérica del haz de radiación incidente sobre el soporte de grabación y que atraviesa la zona central del haz, y \lambda la longitud de onda del haz de radiación. W_{40} es la aberración esférica en términos de Seidel en unidades de \lambda en la capa 23 de información y en el borde de dicho haz de radiación, n es el índice de refracción de la capa 22 transparente y \Deltad es el valor absoluto de la diferencia de espesor entre las capas 2 y 22 transparentes. El término izquierdo entre corchetes en la fórmula (2) es la MTF de un sistema ideal de formación de imágenes, el término derecho entre corchetes es un factor multiplicativo que tiene en cuenta el efecto de la aberración esférica en el haz de radiación.
El valor óptimo del NA_{c} para explorar un soporte de grabación del segundo tipo puede obtenerse de la fórmula (2) insertando los valores de \lambda, p, n, \Deltad y hallando el valor de NA_{c} que dé el valor máximo de MFN(\nu), por ejemplo, realizando la derivada con respecto a NA_{c} de la fórmula (2). El tamaño de la zona central es ahora igual al tamaño de toda la sección transversal del haz reflejado por dicho valor de NA_{c} sobre la apertura numérica de todo el haz reflejado. Como ejemplo, un dispositivo de exploración óptica se diseña para explorar un soporte de grabación del primer tipo que tiene un espesor de capa transparente de 0,6 mm con un haz de radiación de longitud de onda \lambda=635 nm y NA_{0}=0,60, siendo NA_{0} la apertura numérica de todo el haz de radiación. El dispositivo también debería ser capaz de explorar un soporte de grabación del segundo tipo que tenga un espesor de capa transparente de 1,2 mm (\Deltad=0,6 mm), un índice de refracción de 1,58 y los detalles más pequeños en forma de una inclinación de pista que tiene un p=1,6 \mum. El valor óptimo de NA_{c} es 0,33 y el diámetro de la zona central es igual a diámetro de la totalidad de la sección transversal del haz de radiación por 0,55 (=0,33/0,60). La tolerancia en el valor de NA_{c} y el tamaño de la zona central es relativamente grande debido a los efectos neutralizantes de la aberración esférica, que incrementa el tamaño de punto cuando aumenta la apertura, y de la difracción, que reduce el tamaño de punto cuando aumenta la apertura numérica. Para dispositivos de bajo rendimiento, la tolerancia es de \pm25%, y para dispositivos de alto rendimiento, la tolerancia es preferiblemente igual a \pm10%.
La calidad del punto de exploración sobre la capa 23 de información es suficiente para valores de W_{40} dentro la zona central de hasta una longitud de onda. A partir de la expresión de W_{40} en la ecuación (2), puede deducirse que la apertura NA_{c} numérica del haz 9 convergente que atraviesa la zona central es preferiblemente más pequeña o igual que
(3)NA_{c} (max) = \sqrt[4]{\frac{8\lambda n^{3}}{\Delta d(n^{2}-1)}}
El diámetro de la zona central en una sección transversal del haz 11 ó 13 reflejado es preferiblemente más pequeño o igual que NA_{c}(max)/NA_{0} por el diámetro de todo el haz reflejado en el plano de la sección transversal. NA_{0} es la apertura numérica de la totalidad del haz 9 convergente. Empleando los valores de parámetro del ejemplo en el párrafo anterior, esto equivale a un valor máximo de NA_{c} igual a 0,39. La correspondiente dimensión d_{b} tangencial más pequeña de bits en la capa de información que pueden leerse correctamente es igual a aproximadamente \lambda/(4NA_{c}), es decir, una longitud de bits de 0,42 \mum para una longitud de onda de 650 nm y NA_{c} igual a 0,39. El valor preferido de NA_{c}, es decir, NA_{c}(opt) se obtiene cuando W_{40} es aproximadamente igual a \lambda/2, o
(4)NA_{c} (opt) = \sqrt[4]{\frac{4\lambda n^{3}}{\Delta d(n^{2}-1)}}
Cuando n es igual a 1,58 y \Deltad a 0,6 mm y \lambda a 650 nm, la apertura numérica óptima de la zona central es 0,33. El valor de NA_{c} es preferiblemente mayor que \lambda/(4d_{b}) a fin de poder leerse detalles en la capa de información que tienen una dimensión tangencial de d_{b} y superior. Cuando la dimensión tangencial de bits más pequeña es de 0,6 \mum y \lambda es igual a 650 nm, entonces NA_{c} es preferiblemente mayor que 0,27.
La posición preferida de la capa de información a lo largo del eje óptico en la figura 3 también puede expresarse en términos de los parámetros de la ecuación (2). La posición óptima puede encontrarse fijando la aberración W_{20} de desenfoque igual a -W_{40}. El desenfoque z resultante lejos del foco paraxial es entonces
(5)z = \frac{n^{2}-1}{4n^{3}}NA^{2}_{c}\Delta d
Cuando NA_{c} es igual a 0,33, n es 1,58 y \Deltad es igual a 0,6 mm, el desenfoque, es decir, la posición preferida, está a 6 \mum del foco paraxial. Esto corresponde a un desenfoque de aproximadamente dos profundidades focales de la zona central del haz 9 convergente. Todavía puede obtenerse una calidad de exploración razonable cuando se elige la posición dentro de un intervalo de la posición preferida menos la mitad de la profundidad focal del haz de radiación que atraviesa la zona central a la posición preferiblemente más la mitad de la profundidad focal. La profundidad focal es igual a \lambda/(2NA_{c}^{2}), que es igual a 3 \mum para los valores de parámetro dados, lo que da como resultado un intervalo de 4,5 a 7,5 \mum desde el foco paraxial.
La calidad del foco paraxial puede mejorarse adicionalmente dándole a la zona anular una corrección de la aberración esférica apropiada para la primera capa transparente y a la zona central una corrección de la aberración esférica apropiada para la segunda capa transparente. Cuando la lente objetivo hace converger un haz de radiación a través de la segunda capa transparente, los rayos del haz que atraviesan la zona central forman el foco paraxial, corrigiéndose los rayos para la aberración esférica sufrida al atravesar la segunda capa transparente. Cuando la lente objetivo hace converger un haz de radiación a través de la primera capa transparente, el haz que atraviesa la zona combinada de la zona anular y la zona central forma el mejor foco. En este caso, sólo se corrigen los rayos que pasan a través de la zona anular para la aberración esférica sufrida al atravesar la primera capa transparente, mientras que los rayos que atraviesan la zona central se corrigen para la aberración esférica sufrida al atravesar la segunda capa transparente. Sucede que la corrección de la zona central de la lente objetivo para un espesor de la capa transparente diferente del espesor de la capa transparente para el cual se corrige la zona anular sólo tiene una influencia relativamente pequeña sobre la calidad del mejor foco.
En general, un foco está correctamente situado en un plano de información si la señal 16 de error de foco tiene un valor nulo. Cuando en un dispositivo de exploración que tiene una lente objetivo según la primera realización anterior, el servosistema de foco se ha ajustado de manera que el primer foco situado en la primera capa 3 de información esté en un cruce por cero de la señal de error de foco, en general el segundo foco no está situado con precisión sobre la capa 23 de información en el cruce por cero de la señal de error de foco. Esto puede remediarse añadiendo una tensión de desequilibrio de foco constante a la señal 16 de error de foco cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. La desventaja de una tensión de desequilibrio dependiente del tipo de soporte de grabación que está explorándose puede superarse modificando la lente objetivo. Por tanto, preferiblemente se añade una corrección de foco a la zona central de la lente objetivo, lo que aporta a la zona central una corrección de foco diferente de la corrección correcta para la aberración esférica que introduce en el haz. La corrección de foco adicional se asegura de que el segundo foco esté situado sobre la segunda capa de información en un cruce por cero de la señal de error de foco. La magnitud de la corrección de foco adicional es del orden de una profundidad focal de la lente objetivo, es decir, del orden de 1 \mum, y puede depender de la geometría del sistema de detección de errores de foco. La tensión de desequilibrio de foco adicional dependiente del soporte de grabación ya no es necesaria entonces.
Tal como se indica más arriba, los rayos marginales del haz 13 de radiación deben interceptarse antes de la detección cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. Los rayos en la zona central del haz 13 de radiación se harán converger apropiadamente hacia el sistema 14 de detección, mientras que los rayos marginales del haz 13 de radiación en la zona anular tienen una desviación angular tan grande debido a la aberración esférica que ya no serán interceptados por el sistema 14 de detección. Sin embargo, los rayos en una región intermedia entre la región central del haz y los rayos marginales todavía incidirán sobre el sistema de detección, aunque estos rayos no presentan la corrección correcta de la aberración esférica para el primer tipo de soporte de grabación, reduciendo así la calidad de las señales de detección formadas por el sistema de detección.
Este problema se resuelve dotando al dispositivo de exploración de un anillo opaco, que puede disponerse en el sistema de lentes. La anchura y posición del anillo debe ser tal que intercepte los rayos anteriormente mencionados en la región intermedia. La palabra "opaco" significa que la luz incidente sobre el anillo no sigue el camino que hubiese seguido en la ausencia del anillo, es decir, tal luz ya no cae sobre el sistema de detección.
La figura 2 muestra un corte transversal de la lente 18 objetivo que tiene un anillo opaco así. Una zona 25 anular y una zona 26 central están separadas por un anillo 27 circular intermedio. La figura 4 muestra una vista frontal de la lente 18 objetivo y del anillo 27. La flecha r_{0} indica el radio de la totalidad del haz 11 de radiación en la ubicación del anillo correspondiente a la apertura NA_{0} numérica. Las flechas r_{1} y r_{2} indican los radios de los círculos interior y exterior, respectivamente, del anillo 27. El tamaño de r_{1} es preferiblemente tal que el círculo interior esté situado en la posición del círculo limítrofe exterior de la zona central correspondiente a la apertura NA_{c} numérica, con una tolerancia de \pm10% del valor de _{r0}. La anchura del anillo depende, entre otras cosas, de la geometría del sistema 14 de detección. Un anillo ancho elimina eficazmente los rayos indeseados del sistema de detección, mientras que un anillo pequeño deja pasar una mayor cantidad de radiación. Como término medio, un anillo dispuesto en los haces incidente y reflejado tiene preferiblemente una anchura r_{2}-r_{1} entre un 5% y 25% del valor de T_{0} y tiene una anchura óptima del 10%.
El valor preferido del radio r_{1} del anillo puede obtenerse de la ecuación (4) tomando r_{1}/r_{0} = NA_{c}/NA_{0}:
(6)r_{1} = \frac{r_{0}}{NA_{0}} \ \sqrt[4]{\frac{4\lambda n^{3}}{\Delta d(n^{2}- 1)}}
El anillo puede tener una de varias realizaciones. Puede comprender una o más hendiduras o montículos profundos en V, paralelos o perpendiculares al círculo interior del anillo, que refractan la luz incidente sobre el anillo en direcciones en las que apenas o de ninguna manera afectan ya a las señales de detección. El anillo también puede comprender una serie de pequeñas depresiones o hendiduras poco profundas que funcionan como una rejilla que difracta la luz incidente lejos del haz que prosigue. Una rejilla así puede aplicarse fácilmente a una lente constituida por un cuerpo de vidrio y una capa transparente que cubre uno o ambos lados del cuerpo y a una lente de plástico. El anillo puede comprender una delgada película protectora reflexiva para reflejar la luz incidente sobre el anillo. El anillo también puede comprender una capa absorbente de un material tal como tinta para absorber la luz incidente. El anillo puede comprender 2(2n+1) secciones de igual longitud, donde n = 0, 1, 2, ..., y las secciones son alternativamente transparentes y opacas. Un anillo así, que funciona en el camino de ida y de vuelta, forma un obstáculo efectivo para la radiación incidente sobre el anillo y, al mismo tiempo, presenta la ventaja de que deja pasar más radiación difractada en órdenes mayores por el soporte de grabación que un anillo uniformemente opaco.
Cada uno de estos anillos puede disponerse en cualquier lado de la lente objetivo o de la lente colimadora. Esto presenta la ventaja de que el anillo siempre está correctamente alineado con respecto al sistema de lentes. El anillo también puede disponerse en el divisor 12 de haz de la figura 1A de manera que no interaccione con el haz 6 de radiación procedente del láser 5 sino sólo con el haz 11 reflejado de radiación. Cuando se emplea una placa semitransparente como divisor de haz, tal como se muestra en la figura 1A, el anillo puede aplicarse al lado de la placa dirigido hacia el sistema 14 de detección. Cuando el anillo se dispone únicamente en el haz 11 reflejado, el anillo es preferiblemente más ancho que el anillo dispuesto sobre la lente, y oscila preferiblemente entre el 55% y el 75% del radio del haz reflejado en la ubicación del anillo, con una tolerancia de \pm5% del radio mencionado. Esta disposición presenta una ventaja adicional de que produce una lectura más robusta de información cuando se inclina un soporte de grabación del primer tipo.
La figura 5 muestra una realización del sistema 14 de detección. El sistema de detección comprende un detector en cuadrante que tiene cuatro elementos 28, 29, 30 y 31 de detección sensible a la radiación. El haz 11 de radiación incidente sobre estos elementos se ha hecho astigmático, por ejemplo, por el paso a través de la placa 12 oblicua mostrada en la figura 1A. Las cuatro señales eléctricas de salida de los elementos de detección puede emplearse para formar una señal de error de foco según el denominado método astigmático, conocido por, entre otros, el documento US 4 358 200. El tamaño del detector se utiliza para discriminar entre la radiación en la zona central y en la zona anular del haz incidente al igual que se emplea para situar el foco paraxial o el mejor foco sobre la capa de información. Por una parte, el tamaño de los elementos debe ser lo suficientemente grande como para captar la mayoría del haz de radiación cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo. Por otra parte, el tamaño debe ser lo suficientemente pequeño como para no interceptar los rayos marginales cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo. El tamaño de compromiso de los elementos depende de la longitud de onda de la radiación, de la apertura NA_{D} numérica del sistema de lentes en el lado del sistema de detección y de la cantidad de astigmatismo introducida en el haz 11 de radiación. La longitud k de un lado del cuadrado del sistema de detección se encuentra preferiblemente en un intervalo de 0,6 veces k_{opt} a 1,4 veces k_{opt}, donde el valor óptimo de k, k_{opt}, viene dado por
(7)k = \frac{2(W_{22}+\text{1.5}) \lambda}{NA_{D}}
donde W_{22} es la deformación del frente de onda astigmático de pico-valle, expresada en unidades de la longitud de onda, introducida en el haz 11 reflejado y medida en toda la sección transversal del haz. La tolerancia en k implica que la forma del detector no está limitada a un cuadrado sino que puede ser rectangular dentro del intervalo de tolerancias. Una cantidad común de astigmatismo introducida en el haz 11 es 5\lambda. Cuando NA_{D} es igual a 0,1 y la longitud de onda igual a 650 nm, la longitud k se encuentra preferiblemente entre 118 \mum y 51 \mum, con un valor óptimo en 85 \mum.
Cuando en el haz 11 de radiación no se introduce astigmatismo alguno, el valor superior del intervalo preferido para el tamaño k del sistema de detección viene dado por
(8)k_{max} = 16W_{40}\left[\frac{NA_{1}}{NA_{0}}\right] ^{3}\frac{\lambda}{NA_{D}}
donde W_{40} es la aberración esférica debida a una única pasada por la diferencia de espesor en el diámetro más largo del haz 11 de radiación, es decir, en la apertura NA_{0} numérica, y NA_{1} es la apertura numérica en el círculo interior de la zona anular del haz 9 de radiación. El término W_{40} viene dado en la ecuación (2).
El valor inferior del intervalo preferido para k es 0,6 veces k_{max}. En la lente 18 objetivo que tiene un anillo 27 que se extiende desde 0,55 a 065 veces r_{0}, es decir, el diámetro del haz de radiación, el valor de NA_{1}/NA_{0} es 0,65 y el tamaño máximo del sistema de detección viene dado por k_{max} = 25\lambda/NA_{D}. Con los valores anteriores de \lambda y de NA_{D}, esto da lugar a k_{max} = 162 \mum y un límite inferior de 97 \mum. El tamaño más grande permitido del sistema de detección cuando se utiliza un anillo opaco es debido a la supresión por parte del anillo de rayos en la transición desde la zona central a la zona anular.
La magnitud del astigmatismo W_{22} es preferiblemente tal que 1,4 k_{opt} \leq k_{max}.
Se ha realizado una serie de experimentos para mostrar la calidad de varias señales obtenidas del sistema de detección cuando se utilizan sistemas de lentes distintos en un dispositivo de exploración óptica. El espesor de la primera capa 2 transparente del primer tipo de soporte de grabación fue de 0,6 mm y el de la segunda capa 22 transparente del segundo tipo de soporte de grabación fue de 1,2 mm. La apertura numérica de la totalidad de la lente fue de 0,6. La señal de información obtenida de las cuatro señales de salida de los cuatro elementos 28-31 de detección cuando se exploró un soporte de grabación del primer tipo tuvo aproximadamente la misma calidad cuando se empleó un sistema de lentes sin el anillo opaco y cuando se utilizó un sistema de lentes que tenía el anillo opaco. Esto muestra que la presencia del anillo no influye apreciablemente en la calidad de la señal de información cuando se leen soportes de grabación del primer tipo.
Cuando se lee un soporte de grabación del segundo tipo empleando un sistema de lentes sin el anillo según la invención, la fluctuación de fase en la señal de información fue aproximadamente del 8%. Cuando se utiliza un sistema de lentes que tiene un anillo según la invención, la fluctuación de fase se redujo al 6%.
La calidad de la señal de error de foco depende considerablemente de la calidad de las líneas focales astigmáticas formadas por el haz 11 de radiación cerca del sistema de detección. La primera realización del sistema de lentes cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo aporta una mejora sustancial de la calidad de las líneas focales en comparación con las líneas focales utilizando un sistema de lentes sin corrección. La calidad mejorada incrementa el intervalo de captación del servosistema de foco y permite el uso de elementos de detección más grandes, mejorándose así la detección cuando se leen soportes de grabación del segundo tipo. También aumenta la tolerancia de situación del sistema 14 de detección. En un dispositivo de exploración específico que emplea un sistema de lentes sin corrección conocido, un error de posición de 10 \mum del sistema de detección resultó en una desviación de foco de 2 \mum. Cuando en el mismo dispositivo se emplea un sistema de lentes corregido que tiene un error de posición de 10 \mum, la desviación de foco fue menor que 0,2 \mum.
Aunque se haya descrito la invención con referencia al dispositivo de exploración mostrado en la figura 1A, quedará claro que el anillo opaco según la invención puede utilizarse en cualquier sistema de detección que utilice el mejor foco y el paraxial, en particular, los dispositivos de las cuatro clases descritas en la solicitud de patente internacional IB96/00182 con referencia a sus figuras 1A, 2A, 2B, 3, 4, 5, 6 y 7. Esta solicitud también proporciona una explicación exhaustiva de los medios para situar el mejor foco y el foco paraxial.

Claims (6)

1. Dispositivo de exploración óptica para explorar un primer tipo de soporte (1) de grabación que tiene una primera capa (3) de información y una primera capa (2) transparente de un primer espesor y para explorar un segundo tipo de soporte (21) de grabación que tiene una segunda capa (23) de información y una segunda capa (22) transparente de un segundo espesor diferente del primer espesor, comprendiendo el dispositivo una fuente (5) de radiación para generar un haz (6) de radiación y un sistema (7, 7') de lentes diseñado para hacer converger el haz de radiación a través de la primera capa transparente en un foco (10) sobre la primera capa de información, un sistema (14) de detección dispuesto en un haz (13) de radiación reflejado del soporte de grabación, caracterizado por unos medios (14, 17) para situar el mejor foco del haz de radiación sustancialmente sobre la primera capa de información y el foco paraxial de dicho haz de radiación sustancialmente sobre la segunda capa de información, y por un anillo (27) dispuesto en el camino óptico entre la fuente de radiación y el sistema de detección para evitar que una radiación incidente sobre el anillo llegue al sistema de detección, dividiendo el anillo la sección transversal del haz de radiación en la ubicación del anillo en una zona (26) central dentro del anillo y una zona (25) anular fuera del anillo, en el que el radio del círculo interior del anillo se encuentra en un intervalo de 0,75 r_{1} a 1,25 r_{1}, donde r_{1} viene dado por
r_{1} = \frac{r_{0}}{NA_{0}} \ \sqrt[4]{\frac{4\lambda n^{3}}{\Delta d(n^{2}- 1)}}
donde \lambda es la longitud de onda del haz de radiación, n es el índice de refracción de la segunda capa transparente, \Deltad, la diferencia entre el primer espesor y el segundo espesor, r_{0}, el radio del haz de radiación en la ubicación del anillo, y NA_{0}, la apertura numérica del haz de radiación que ha hecho converger el sistema de lentes.
2. Dispositivo de exploración óptica según la reivindicación 2, en el que el anillo está dispuesto en el haz (6) de radiación de la fuente de radiación al soporte de grabación y en un haz (13) de radiación procedente del soporte de grabación, teniendo el anillo una anchura en el intervalo de 0,05 r_{0} a 0,25 r_{0}.
3. Dispositivo de exploración óptica según la reivindicación 2, en el que el anillo sólo está dispuesto en un haz (13) de radiación procedente del soporte de grabación, teniendo el anillo una anchura en el intervalo de 0,15 r_{0} a 0,25 r_{0}.
4. Método para explorar ópticamente un primer tipo de soporte (1) de grabación que tiene una primera capa (3) de información y una primera capa (2) transparente de un primer espesor y para explorar un segundo tipo de soporte (21) de grabación que tiene una segunda capa (23) de información y una segunda capa (22) transparente de un segundo espesor diferente del primer espesor, que comprende la etapa de hacer converger un haz (6) de radiación por medio de un sistema (7, 7') de lentes, a través de la primera capa transparente, en un mejor foco sustancialmente sobre la primera capa de información, cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, y la etapa de hacer converger una radiación reflejada desde el soporte de grabación hasta un sistema (14) de detección, caracterizado por la etapa de hacer converger el haz de radiación por medio del sistema de lentes, a través de la segunda capa transparente, en un foco paraxial sustancialmente sobre la segunda capa de información, cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo, y la etapa de evitar que parte del haz reflejado llegue al sistema de detección mediante un anillo (27) dispuesto en el camino óptico entre la fuente de radiación y el sistema de detección, dividiendo el anillo la sección transversal del haz de radiación en la ubicación del anillo en una zona (26) central dentro del anillo y una zona (25) anular fuera del anillo, en el que el radio del círculo interior del anillo se encuentra en un intervalo de 0,75 r_{1} a 1,25 r_{1}, donde r_{1} viene dado por
r_{1} = \frac{r_{0}}{NA_{0}} \ \sqrt[4]{\frac{4\lambda n^{3}}{\Delta d(n^{2}- 1)}}
donde \lambda es la longitud de onda del haz de radiación, n es el índice de refracción de la segunda capa transparente, \Deltad, la diferencia entre el primer espesor y el segundo espesor, r_{0}, el radio del haz de radiación en la ubicación del anillo, y NA_{0}, la apertura numérica del haz de radiación que ha hecho converger el sistema de lentes.
5. Método según la reivindicación 5, que comprende la etapa de formar una señal de error de mejor foco a partir de radiación en al menos una zona exterior anular de la sección transversal de un haz de radiación reflejado procedente del soporte de grabación cuando se explora un primer tipo de soporte de grabación, y la etapa de formar un error de foco paraxial a partir de radiación principalmente en una zona central dentro de la zona exterior anular cuando se explora un segundo tipo de soporte de grabación, y la etapa de controlar la posición del sistema de lentes en respuesta a la señal de error del mejor foco cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo y en respuesta al error de foco paraxial cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo.
6. Método según la reivindicación 5, que comprende la etapa de generar una señal de información a partir de radiación en sustancialmente la totalidad de la sección transversal de un haz de radiación relejado procedente del soporte de grabación cuando se explora un soporte de grabación del primer tipo, y la etapa de generar una señal de información a partir de radiación en una zona central de dicha sección transversal cuando se explora un soporte de grabación del segundo tipo.
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