ES2231855T3 - Dispositivo para explorar opticamente un soporte de grabacion. - Google Patents
Dispositivo para explorar opticamente un soporte de grabacion.Info
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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.
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:
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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---|---|---|---|
WOPCT/IB96/00182 | 1996-03-08 | ||
PCT/IB1996/000182 WO1996028816A2 (en) | 1995-03-15 | 1996-03-08 | Device for optically scanning a recording medium |
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EP96201832 | 1996-07-05 |
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