DE19638878A1 - Aufzeichnungs- oder Wiedergabegerät zum Aufzeichnen auf oder Wiedergeben von einem optischen Aufzeichnungsträger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufzeichnungs- oder Wiedergabegerät zum fokuskorrigierten optischen Abtasten bei der Aufzeichnung auf oder der Wiedergabe von Informationen von einem optischen Aufzeichnungsträger, enthaltend eine ein Abtaststrahlenbündel liefernde Strahlungsquelle, ein fokussierendes Objektivlinse sowie ein strahlungsempfindliches, im wesentlichen in einer Ebene liegendes Detektorsystem und mindestens ein Beugungs­ element zur Erzeugung von Hilfsstrahlen zum Ableiten eines Fokusfehlersignals.

Es ist bekannt, beim Abspielen von optischen Aufzeichnungs­ trägern, sogenannten Compactdisks oder CDs, digitale Informationen mit Hilfe eines optoelektronischen Abtastsystems zu lesen, wobei auf dem Datenträger angeordnete Erhöhungen oder Vertiefungen, die sogenannten Pits, bei Umdrehungszahlen des optischen Aufzeichnungsträgers von 200 bis 500 Umdrehungen/Minute berührungslos mit einem fokussierten Lichtstrahl einer Lichtquelle, z. B. eines Halbleiterlasers, erfaßt werden. Der Lichtstrahl, welcher von der Strahlungs­ quelle erzeugt wird, wird über ein optisches System, welches Spiegel, Linsen und/oder Prismen aufweisen kann auf den optischen Aufzeichnungsträger geleitet. Wenn der Lichtstrahl auf ein Pit trifft, treten im Gegensatz zur Reflexion an einer Ebene oder an der Fläche zwischen den einzelnen Pits Beugungs- und/oder Interferenzerscheinungen auf, die zu einer Modulation des reflektierten Lichtstrahls führen. Der durch das vorhandene Informationsmuster des Aufzeichnungsträgers modulierte Lichtstrahl wird dann über ein halbdurchlässiges Prisma oder dergleichen auf ein Detektorsystem, beispielsweise eine Photodiode geleitet. Das Detektorsystem dient der Umwandlung des modulierten Lichtstrahls in elektrische Signale, aus denen dann mit einer nachgeschalteten Auswertungselektronik die auf dem Aufzeichnungsträger vorhandene Information zur weiteren Verarbeitung gewonnen werden. Eine elektronische Servoschaltung sichert das Nachführen des Lichtstrahles derart, daß dieser genau der Spur der Pits folgt und daß trotz einer normalerweise nicht zu umgehenden Unebenheit des Aufzeichnungsträgers und sonstigen mechanischen oder thermischen Störungen dieser Lichtstrahl mit hoher Präzision auf die informationstragende Schicht des Aufzeichnungsträgers fokussiert ist.

Aus der EP 0 373 699 B1 ist eine optische Abtastvorrichtung bekannt, welche u. a. die Aufgabe löst, ein Fokusfehlersignal aus dem optischen System zu erhalten, so daß die gewünschte Fokusnachregelung mit einer entsprechenden Genauigkeit ausgeführt werden kann.

Hierfür wird vorgeschlagen, ein Spiegelobjektiv, welches zur Fokussierung der Strahlung einer Laserquelle auf die CD benutzt wird, mit zwei gegenüberliegenden Flächen auszubilden, wobei die der Strahlungsquelle zugewandte Fläche ein um die optische Achse des Spiegelobjektivs liegendes Strahlungs­ fenster und einen dieses Fenster umgebenden Reflektor aufweist. Die zweite Fläche, welche von der Strahlungsquelle abgewandt ist, weist einen symmetrisch um die optische Achse liegenden Reflektor und ein diesen Reflektor umgebendes Strahlungsfenster auf.

Das erste Strahlungsfenster trägt ein erstes Beugungselement, beispielsweise ein Gitter, um aus dem von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündel ein Abtaststrahlenbündel und zwei Hilfsbündel zu erhalten. Der zweite Reflektor trägt ein zweites Beugungselement, um einen Teil der von dem abzutastenden Objekt reflektierten und erneut durch das Spiegelobjektiv tretenden Strahlung in Richtung eines strahlungsempfindlichen Detektionssystems abzulenken. Dieser Teil des Abtaststrahlenbündels wird von dem zweiten Beugungselement so verformt, daß mit Hilfe des Detektionssystems ein Fokusfehlersignal FES abgeleitet werden kann. Mit Hilfe der Hilfsbündel, die durch das erste Beugungselement erhalten werden, kann eine Trackkontrolle, d. h. eine Spursteuerung auf der Basis eines Spurfehlersignales TES durchgeführt werden.

Das mit Hilfe des zweiten Beugungselements und des Detektions­ systems erhaltene Fokusfehlersignal gibt den Betrag und die Richtung einer Abweichung der momentanen Fokusebene bezogen auf das Spiegelobjektiv an, wobei unter Berücksichtigung dieses Abweichungssignals ein Nachführen der Laserstrahlung beispielsweise mittels einer Fokussierspule möglich ist.

Durch die Verwendung eines Beugungselements mit zwei Teilgittern, welches den Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet, und unter Nutzung von zwei Detektorpaaren kann durch Feststellung der Lageveränderung von Fokusspots auf den Detektoren überprüft werden, in welchem Maße ein Fokusfehler des Lichtstrahls bezogen auf die informationstragende Schicht vorliegt. Mittels Vergleich der Ausgangssignale der Detektoren wird eine Größe zur Bewertung des Fokusfehlers erhalten, die, wie dargelegt, zum Regeln genutzt werden kann.

Das bei der vorstehend beschriebenen Methode nach EP 0 373 699 B1 verwendete Gitter ist ein Beugungsgitter mit zwei Teil­ gittern, das das gebeugte Strahlenbündel in die erwähnten Teilbündel aufspaltet, wobei das Detektionssystem Detektor­ paare umfaßt und ein erstes bzw. ein zweites Teilbündel mit einem ersten bzw. einem zweiten Detektorpaar zusammenwirkt. Die sich an einer Kante berührenden Teilgitter wirken wie eine bei der sogenannten Foucault-Methode verwendete Kante, die auch knife edge genannt wird, wobei die von den Gittern erzeugten Reihen von Fokusspots jeweils in der gleichen Fokusebene liegen und die Abweichung der Fokusspots von einem vorgegebenen Punkt oder einer vorgegebenen Linie die Fokus­ fehlergröße repräsentieren.

Dadurch, daß bei der Foucault-Methode das Servolichtbündel auf das Detektorsystem fokussiert wird, besitzt das erhaltene Fokusfehlersignal nur ein ungünstiges Signal-Rausch- Verhältnis, so daß empfindlichere Detektoren eingesetzt werden müssen oder sich der Aufwand einer nachgeordneten elektronischen Schaltung erhöht. Darüber hinaus ist das Fokusfehlersignal nach der Foucault-Methode empfindlich gegen Lageveränderungen zwischen optischem System und Detektoren, wodurch eine höhere Fehlerrate resultiert.

Aus der DE 44 42 976 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Abtastung von Informationen bekannt, wobei auch dort von einer Lichtquelle ausgegangen wird, die auf eine der Aufzeichnungsspuren Licht aus sendet und die eine Detektoranordnung aufweist, welche von der Aufzeichnungsspur reflektiertes Licht empfängt. Im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Detektoranordnung befindet sich ein Strahlteiler und eine Objektivlinse. Zusätzlich ist zwischen Lichtquelle und Strahlteiler ein Mikrospiegel angeordnet, dessen Spiegelfläche mittels eines Antriebes verform- und/oder schwenkbar ist, wodurch sich der Einfallswinkel und/oder der Einfallsort des von der Lichtquelle über den Mikrospiegel auf den Strahlteiler, die Objektivlinse und die Aufzeichnungsspur treffenden Lichtstrahles in Abhängigkeit von der Schwenklage und/oder Verformung des Mikrospiegels veränderbar ist. Hierdurch soll mit geringerem Aufwand eine schnellere und genauere Spurfindung bzw. Spurführung ermöglicht werden. Der Strahlteiler kann gemäß DE 44 42 976 A1 durch ein holographisches Element gebildet sein, das auf einer Seite eines Glassubstrates ein Hologramm zur Aufteilung des von der Aufzeichnungsspur reflektierten Lichtstrahls in Teilstrahlen trägt. Das Hologramm ist in einen ersten Bereich mit enger Gitterstruktur und in einen zweiten Bereich mit weiterer Gitterstruktur unterteilt, wodurch der von der Aufzeichnungsspur reflektierte Strahl in die erwähnten Teilstrahlen aufgespalten wird, die auf unterschiedliche Flächenbereiche einer Detektoranordnung fallen, um derart sowohl für die Gewinnung von Signalen zur Spurführung als auch zur Fokussierung unabhängig ausgewertet werden zu können. Der durch kleine Gitterabstände des Hologramms erzeugte Teilstrahl wird auf einer Teilungslinie zwischen zwei Detektionsflächen abgebildet. Der durch große Gitterabstände des Hologramms erzeugte Teilstrahl des Hauptstrahles wird auf eine weitere Detektionsfläche geworfen. Der durch die kleinen Gitterabstände erzeugte Teilstrahl, der auf zwei benachbarte und gegenüberliegende Detektionsflächen gelangt, dient dem Ableiten des Fokusfehlersignals zur Steuerung des Antriebes der Optik durch Erfassen der jeweiligen Spot- Lichtintensitäten. Es wird also eine Aufteilung der Teilstrahlen und Abbildung dieser auf jeweils zwei Detektions­ flächen vorgenommen, um aus der Intensitätsdifferenz der beiden Flächen auf den Fokusfehler zu schließen. Die Nachteile der Lösung nach DE 44 42 976 A1 bestehen in folgendem.

Durch die Abbildung der Teilstrahlen in einer Fokusebene ist die Intensität der Fokusspots gering, so daß insbesondere in einer fokussierten Position des Abtaststrahles das von den Detektoren erhaltene Signal ein ungünstiges Rauschverhältnis aufweist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gerät zum fokuskorrigierten optischen Abtasten oder Aufzeichnen von Informationen von einem bzw. auf einen Aufzeichnungsträger anzugeben, welche mit einem einfachen optischen Abtastsystem in der Lage ist, Fokusfehlersignale mit günstigem Signal- Rausch-Verhältnis zu liefern, und die es gestattet, mit einem Detektorsystem geringerer Empfindlichkeit zu arbeiten, wodurch sich die Kosten bei der Umsetzung einer derartigen Abtastvorrichtung, insbesondere durch verringerten Justageaufwand, reduzieren.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei in den Unteransprüchen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben sind.

Gemäß einem ersten Grundgedanken der Erfindung weist die Vorrichtung zum fokuskorrigierten optischen Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers ein Beugungselement auf, das im Raum zwischen der Objektivlinse und einem Detektorsystem im vorgegebenen festen Abstand befindlich ist. Das Beugungselement ist hierbei so ausgebildet, daß ausgehend von der vom Aufzeichnungsträger reflektierten Strahlung zwei räumlich voneinander getrennte Fokusebenen resultieren. Das Detektorsystem wird erfindungsgemäß so zwischen den getrennten Fokusebenen angeordnet, daß bei Defokussierung sich ergebende geänderte Größenverhältnisse der im wesentlichen symmetrisch abgebildeten Fokusspots zur Ableitung eines Fokusfehlersignals genutzt werden können. Vorteilhafterweise werden die Objektivlinse, das Beugungselement und das Detektorsystem längs einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet. Statt einer Objektivlinse kann auch vorteilhaft ein anderes optisches Element, beispielsweise ein Hologramm, eingesetzt werden, welches entsprechend optische Eigenschaften aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Beugungs­ element aus zwei im wesentlichen ebenen Phasengitterplatten mit unterschiedlicher optischer Dicke und unterschiedlichen Gitterkonstanten. Phasengitterplatten bieten den Vorteil, daß sie die Phase des einfallenden Lichts modulieren, dessen Intensität aber nicht beeinflussen.

Die unterschiedliche optische Dicke wird beispielsweise dadurch erreicht, daß ein homogenes Material mit Bereichen unterschiedlicher geometrischer Dicke verwendet wird. Eine andere Möglichkeit, unterschiedliche optische Dicke zu erzielen besteht darin, Materialien mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes zu verwenden, wodurch die Platte eine einheitliche geometrische Dicke aufweisen kann. Mit Hilfe dieser Phasengitterplatten, die im Strahlengang zwischen Sammellinse und Detektor befindlich sind, erfolgt ein Aufspalten der reflektierten Strahlung im Abtastsystem unter Erhalt von einem oder mehreren Paaren von Fokusspots. Der jeweils äußere, d. h. von der optischen Achse entferntere Fokusspot eines Paars resultieren hierbei von der Gitterplatte mit kleinerer Gitterkonstante, hingegen sind die jeweils inneren Fokusspots auf das Gitter mit der größeren Gitter­ konstante zurückzuführen. Die Phasengitterplatten stehen im wesentlichen parallel zur Ebene des Detektorsystems.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden als Beugungselement anstelle von zwei Gitterplatten unterschiedlicher Gitterkonstanten zwei Gitterplatten mit einem Gitter gleicher Gitterkonstanten eingesetzt, wobei die Gitterflächen an jeweils gegenüberliegenden Flächen des Beugungselements angeordnet sind. Sie sind dadurch in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, d. h. in Richtung der optischen Achse, voneinander beabstandet. Dies hat die gleiche Wirkung wie nichtbeabstandete Gitter unterschiedlicher Gitterkonstante.

Erfindungsgemäß kann durch die Wahl der Gitterkonstanten bzw. der Verhältnisse der Gitterkonstanten zueinander die Lage bzw. der seitliche Abstand der Fokusspotpaare vorgegeben werden, so daß optimierte Detektorsysteme einsetzbar sind.

Das verwendete Detektorsystem besteht vorzugsweise aus einer Mehrquadrantenanordnung von strahlungssensitiven Elementen, beispielsweise Photodioden zur Abbildung bzw. Erfassung der Fokusspots.

Gemäß einem zweiten Grundgedanken der Erfindung besteht das Beugungselement aus zwei Phasenplatten unterschiedlicher optischer Dicke, wobei die Platten eine gemeinsame Kante aufweisen und unter einem Winkel von kleiner 90° zur Einstrahlrichtung gedreht sind. Die Drehachse verläuft im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Kante der Platten und senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Strahls, so daß sich ebenfalls beabstandete Fokusspots ergeben. In einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß dem zweiten Grundgedanken der Erfindung kann das Beugungselement Platten gleicher Dicke, jedoch unterschiedlicher Brechzahl aufweisen. Auch dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine Phasenänderung des Lichtwegs zu erzielen, ohne dessen Amplitude zu modulieren. Die zu verwendenden Phasenplatten sind optisch transparent.

Erfindungsgemäß sind die Plattenoberflächen jeder Platte zusätzlich mit jeweils einer Polarisationsschicht versehen, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Dies hat den Vorteil, daß ein derartiges Gerät beispielsweise zum Abtasten von magnetooptischen Aufzeichnungsträgern geeignet ist. Bei derartigen Medien wird die Polarisations­ richtung des reflektierten Lichts zum Übermitteln der gespeicherten Informationen genutzt.

Mittels deserfindungsgemäßen Geräts zum fokuskorrigierten optischen Abtasten von Informationen bei der Aufzeichnung auf und/oder der Wiedergabe von Informationen von einem optischen Aufzeichnungsträger kann in einfacher Weise unter Nutzung von Mehrquadranten-Detektorsystemen ein Differenzsignal, z. B. ein Fokusfehlersignal, hoher Amplitude mit großem Signal-Rausch- Abstand abgeleitet werden, wobei sich das Informationssignal aus der Summe der Einzelintensitäten ableiten läßt. Durch eine einfache optische Anordnung kann mittels eines Beugungselementes ohne aufwendige Justage ein Auftrennen des von der Aufzeichnungsspur reflektierten Strahles in Teilstrahlen vorgenommen werden, wobei unerwünschte Nebenstrahlen reduziert sind. Diese unerwünschten Nebenstrahlen sind die nicht zur Bildung der Signale notwendigen Strahlen, z. B. Strahlen nullter oder höherer als erster Ordnung. Der Strahl nullter Ordnung kann beispielsweise bei einem Phasengitter durch geeignete Tiefe der Furchen stark reduziert werden, auch die Verwendung eines geeigneten Hologramms hat einen entsprechenden Effekt. Im allgemeinen kann aber das Vorhandensein eines Anteils nullter Ordnung toleriert werden.

Vorteilhafterweise ist es damit gleichzeitig möglich, ein vorgeprägtes Spurführungssignal, ein sogenanntes ATIP-Signal, für beschreibbare optische Aufzeichnungsträger, z. B. eine magnetooptische Disk, mit einer in derselben Ebene des Detektorsystems angeordneten weiteren Detektoranordnung abzuleiten.

Die verwendeten Beugungselemente bzw. Platten unterschiedlicher optischer Dicke sind kostengünstig und einfach herzustellen, so daß sich die Gesamterstellungskosten der Abtastvorrichtung reduzieren.

Das Fokusfehlersignal FES zur Steuerung des Antriebes der fokussierenden Optik bzw. des fokussierenden Objektivlinses wird durch Auswertung der Fokusspots gewonnen, wobei die Fokusspots aufgrund der verschiedenen optischen Weglängen durch das Beugungselement bzw. die Platten in zwei räumlich voneinander getrennten Ebenen liegen.

Das Beugungselement läßt jeweils nur erste Beugungsordnungen passieren, wobei im fokussierten Fall die Fokusspots gleiche Intensität aufweisen. Dies läßt sich beispielsweise mit geeigneter Anordnung des Aufbaus in Hologrammtechnik erzielen, wodurch der Anteil der nullten Ordnung reduziert werden kann.

Das Detektorsystem wird so zwischen den beiden Fokusebenen angeordnet, daß dann, wenn der Abtaststrahl auf der informationstragenden Schicht des optischen Aufzeichnungs­ trägers fokussiert ist, im sogenannten Infokusfall, sich gleich große halbkreisförmige Fokusspots abbilden. Beim Defokussieren verschieben sich beide Fokusebenen relativ zum Detektorsystem in die gleiche Richtung, wobei durch die feststehende Position des Detektorsystems sich eine Fokusebene dem Detektor nähert und die andere entfernt. Es werden also die Fokusspots einer Reihe kleiner, hingegen die in der anderen Reihe größer, wodurch sich bei einer vorzugsweise Vierquadranten-Detektoranordnung durch Summen- und Differenzbildung entsprechender Einzeldetektoren das Fokusfehlersignal ermitteln läßt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungs­ beispieles und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Geräts mit Vorrichtung zum fokuskorrigierten optischen Abtasten mit einem Hologramm-Beugungselement in Form von Phasengitterplatten unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher Gitterkonstante,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Strahlenganges durch das Hologramm-Beugungselement gemäß Fig. 1 und den sich beabstandet ausbildenden Fokusebenen sowie in einer Draufsicht auf ein Detektorsystem abgebildete Fokus­ spots im fokussierten und im defokussierten Fall,

Fig. 3a eine Anordnung von zwei beabstandeten Vierquadranten- Detektoren zum Erhalt eines größeren Differenzsignals sowie

Fig. 3b eine Anordnung von drei Zweiquadranten-Detektoren bei engbenachbarten inneren Fokusspots,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Hologramm- Beugungselement mit Gitterplatten gleicher Gitter­ konstante und unterschiedlicher Dicke, wobei jedoch die Gitter an gegenüberliegenden Flächen des Beugungselements aufgebracht sind,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung des zweiten Ausführungs­ beispieles mit Hologramm-Beugungselement in Form von Gitterplatten unterschiedlicher Dicke, aber gleicher Gitterkonstante in Seitenansicht mit erkennbaren Fokusebenen,

Fig. 6a ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem Beugungs­ element in Form von Planplatten ohne Gitterflächen, jedoch mit unterschiedlicher optischer Dicke bzw. unterschiedlichem Brechungsindex, wobei sich die Plan­ platten unter einem Winkel gedreht bzw. verschwenkt im Strahlengang befinden,

Fig. 6b eine Darstellung von Planplatten unterschiedlicher Dicke und einseitiger Polarisationsbeschichtung, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen, und

Fig. 7 eine Anordnung der Planplatten gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Abtastvorrichtung mit Objektivlinse und prinzipieller Darstellung der Fokusspots zur Bestimmung von Fokusfehlern und weiteren Steuersignalen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird von einem erfindungsgemäßen Gerät ausgegangen, welches eine nicht gezeigte, ein Abtaststrahlenbündel liefernde Strahlungsquelle aufweist, wobei das Abtaststrahlenbündel über einen Strahlteiler auf einen optischen Aufzeichnungsträger 1, beispielsweise eine CD, gelangt. Das vom Aufzeichnungsträger 1 reflektierte Licht wird über eine Objektivlinse 2 und eine Sammellinse 3 auf ein Beugungselement 4 geführt.

Bei Abtastung der Aufzeichnungsspuren auf dem Aufzeichnungs­ träger 3 wird das einfallende Licht total reflektiert und in der Intensität oder Phase moduliert und gelangt durch die Objektivlinse 2 und die Sammellinse 3 zum Beugungselement 4, welches beispielsweise durch ein Hologramm gebildet sein kann. Mit Hilfe des Beugungselementes 4 werden die reflektierten Lichtstrahlen in Richtung auf ein Detektorsystem 5 abgelenkt. Hierbei handelt es sich um die Beugungsstrahlen ± 1. Ordnung.

Das Detektorsystem 5 empfängt diese Strahlen und erzeugt Signale, die einerseits die aufgezeichneten Informationen und andererseits Steuersignale für eine Nachführung der Sammellinse 3 und/oder der Objektivlinse 2 darstellen. Die Objektivlinse 2 kann mittels eines nicht gezeigten Antriebs so verschoben werden, daß das Strahlenbündel auf die jeweiligen Aufzeichnungsspur des Aufzeichnungsträgers 1 fokussiert ist.

Bei dem ersten in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Beugungselement 4 im Raum zwischen der Objektivlinse 2 bzw. der Sammellinse 3 und dem Detektorsystem 5 befindlich, wobei die vorgenannten Baugruppen längs einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind. Das Beugungselement 4 ist so ausgebildet, daß zwei räumlich voneinander getrennte bzw. mit Abstand a beabstandete Fokusebenen 7a, 7b resultieren, wobei das Detektorsystem 5 so zwischen den getrennten, sich ausbildenden Fokusebenen 7a, 7b angeordnet ist, daß die bei Defokussierung sich ändernden Größenverhältnisse symmetrisch abgebildeter Fokusspots 6a, 6b zum Ableiten eines Fokusfehler­ signals nutzbar sind. Detektorsystem 5 und Beugungselement 4 sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.

Das Beugungselement 4 besteht aus zwei im wesentlichen ebenen Phasengitterplatten 4a und 4b mit unterschiedlicher optischer Dicke und unterschiedlichen Gitterkonstanten. Die beiden Phasengitterplatten 4a, 4b berühren sich an einer Kante, können jedoch auch einen geringen, gleichmäßigen Abstand aufweisen. Dieser Abstand kann z. B. durch eine die Platten 4a, 4b verbindende Haftschicht o. ä. bewirkt sein.

Durch die vorbeschriebene Ausführungsform des Beugungs­ elementes 4 mit Gitterplatten 4a, 4b unterschiedlicher Dicke bilden sich zwei Reihen von Fokusspots 6a, 6b aufgrund der verschiedenen optischen Weglängen des Strahls durch die Platten aus, wobei, wie erwähnt, die Fokusspots 6a, 6b sich in räumlich voneinander getrennten Fokusebenen 7a, 7b befinden.

Die Phasengitterplatten 4a, 4b werden mit einem Gitter entsprechender Furchentiefe versehen derart, daß nur erste Beugungsordnungen auftreten und die Fokusspots im In-Fokus- Fall untereinander im wesentlichen gleiche Intensitäten besitzen. D.h. die von unterschiedlichen Gittern hervorgerufenen Fokusspots haben dann, wenn korrekt fokussiert ist, die gleiche Intensität.

Beim Defokussieren verschieben sich die in Fig. 2 gezeigten Fokusebenen 7a, 7b in gleicher Richtung bezogen auf das Detektorsystem 5. Dabei nähert sich eine Ebene dem Detektorsystem 5, während sich die andere Ebene im gleichen Maße vom Detektorsystem 5 entfernt. Demzufolge werden die halbkreisförmigen Fokusspots der einen Spotreihe kleiner und diejenigen der anderen Reihe vergrößern sich.

In Fig. 2 sind die relativen Positionen von Detektorsystem 5 und den Fokusebenen 7a, 7b für einen fokussierten und zwei defokussierte Zustände angedeutet. Dabei ist einfachheitshalber die Position des Detektorsystems 5 gegenüber den Fokusebenen 7a, 7b verschoben eingezeichnet. Position 52 des Detektorsystems 5 entspricht dem fokussierten Zustand, die Positionen 51 und 53 je einem defokussierten Zustand. Die entsprechenden, auf das Detektorsystem 5 fallenden Lichtflecken 60a, 60b sind im rechten Teil der Fig. 2 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Positionen 51, 52, 53 angegeben sind. Im fokussierten Zustand, d. h. in Position 52, sind die Lichtflecken 60a und 60b gleichgroß, da beide Fokusebenen 7a, 7b gleichweit vom Detektorsystem 5 entfernt sind. Die Lichtflecken 60a, 60b haben beide in etwa halbkreisförmiges Aussehen, da das als mit kreisförmigem Querschnitt angenommene, vom Aufzeichnungsträger 1 reflektierte Lichtbündel möglichst zentral auf das Beugungselement 4 fällt. D.h. die beiden Gitterplatten 4a und 4b werden von je einem, im Querschnitt etwa halbkreisförmigen, etwa gleichgroßen Teil des Lichtbündels getroffen. Da die Fokusebene 7a vor dem Detektorsystem 5 liegt, ist der Lichtfleck 60a spiegelverkehrt ausgebildet, d. h. beide Lichtflecke 60a, 60b sind im Ausführungsbeispiel als untere Halbkreise ausgebildet. Eine relative Verschiebung von Detektorsystem 5 und Fokusebenen 7a, 7b, wie in Position 51 und 53 angedeutet, führt dazu, daß sich die Größe der Lichtflecken 60a, 60b ändert, wobei die obere, geradlinige Begrenzung, die der Grenze zwischen den beiden Gittern unterschiedlicher Gitterkonstante entspricht, in etwa auf gleicher Höhe bleibt. Dadurch verändert sich die relative Beleuchtungsintensität der einzelnen Detektoren A, B, C, D des Detektorsystems 5.

Ein Fokusfehlersignal FES läßt sich dabei als Differenzsignal der von den Detektoren A, B, C, D abgegebenen Signale bilden:

FES = (A + C) - (B + D)

A, B, C und D stellen die elektrischen Signale aus den einzelnen Detektoren A, B, C und D des Detektorsystems dar. Der Abstand a gemäß Fig. 2 der Fokusebenen 7a, 7b wird durch den Dickenunterschied ΔD der beiden Gitterplatten hervorgerufen. Er beträgt:

wobei n der in diesem Fall für beide Gitterplatten 4a und 4b als gleich angenommene Brechungsindex ist.

Durch die Wahl der Gitterkonstanten der Gitterplatten 4a, 4b des Beugungselementes 4 können die Abstände der Fokusspots 6a, 6b untereinander beeinflußt respektive eingestellt werden. Die in der Fig. 1 auf dem Detektorsystem 5 abgebildeten Lichtflecken 60a, 60b sind derart, daß die äußeren Lichtflecken 60a auf das Gitter 4a, d. h. das Gitter mit der kleineren Gitterkonstante zurückzuführen sind. Die inneren Lichtflecken 60b resultieren vom Gitter 4b mit der größeren Gitterkonstante.

Die Fig. 3a zeigt eine Anordnung eines Detektorsystems unter Rückgriff auf zwei Vierquadranten-Detektoren 10a, 10b. Diese Vierquadranten-Detektoren 10a, 10b sind derart beabstandet angeordnet, daß jeweils ein Paar von inneren und äußeren Lichtflecken 60b und 60a abgebildet werden kann.

Das Fokusfehlersignal FES läßt sich dann als ausgeprägtes Differenzsignal nach folgender Beziehung ableiten:

FES = (A + D) - (B + C) oder FES = (A + C) - (B + D).

Das Fokusfehlersignal FES ist durch die Einbeziehung von zwei Vierquadrantendetektoren verdoppelt. Die beiden Strahlen ± 1. Ordnung werden somit optimal genutzt.

Durch Einstellen bzw. Wahl der Gitterkonstanten können die inneren sich gegenüberliegenden Lichtflecken 60b eine eng benachbarte Position einnehmen, wie des in Fig. 3b prinzipiell dargestellt ist. Hierbei ist angenommen, daß kein Strahl nullter Ordnung vorhanden ist. In diesem Fall können drei Zweiquadranten Detektoren 11a bis c oder sechs entsprechend angeordnete Einzeldioden eingesetzt werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird von einem Beugungselement 41 ausgegangen, das in einer ähnlichen Anordnung wie in Fig. 1 gezeigt im Strahlengang zwischen Sammellinse 3 und Detektorsystem 5 angeordnet ist.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht das Beu­ gungselement aus Gitterplatten unterschiedlicher Dicke, jedoch gleicher Gitterkonstante, wobei das Gitter der Gitterplatte 41a auf der zur Sammellinse 3 hin gerichteten Oberfläche und das Gitter der Gitterplatte 41b auf der zum Detektorsystem 5 hin gerichteten Oberflächenseite aufgebracht ist. Demnach ist es maßgeblich, daß sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 Gitter mit gleicher Gitterkonstante auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Phasengitterplatten 41a und 41b befinden.

Die erreichten Effekte hinsichtlich der Abbildung von Fokus­ spots in zwei beabstandeten Fokusebenen 7a und 7b ist unter Hinweis auf die prinzipielle Darstellung nach Fig. 5 ähnlich wie anhand der Fig. 2 beschrieben.

Bei dieser alternativen, zweiten Ausführungsform besitzen also die Gitterplatten bzw. Phasengitter 41a, 42b gleiche Gitter­ konstanten. Die Gitterplatten 41a, 41b sind dabei so angeordnet, daß sich die Gitterfurchen auf gegenüberliegenden Seiten des Beugungselements befinden. Das Gitter 41b wirkt dabei wie ein an der gegenüberliegenden Seite der Gitterplatte 41b befindliches Gitter mit einer anderen, in diesem Fall entsprechend größeren Gitterkonstante.

Gemäß einem dritten, in den Fig. 6a, 6b und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Beugungselement 4 verwendet, welches aus zwei Planplatten 42a und 42b besteht, die sich an einer gemeinsamen Kante bzw. an einer gemeinsamen Seitenfläche berühren. Die Planplatten 42a und 42b sind unter einem Winkel ε zur Hauptstrahlrichtung schräg gestellt. Die Schwenk- oder Drehachse DA der Planplatten 42a und 42b, siehe Fig. 7, steht im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Kante der Platten und parallel zur Plattenebene.

Bei dem in der Fig. 6a prinzipiell dargestellten Strahlengang mit Anordnung der Planplatten 42a und 42b beträgt bei einem Dickenunterschied von Δd, der Abstand D* zwischen zwei Fokusspots auf dem Detektorsystem 5:

wobei ε der Einfallswinkel der optischen Achse bzw. der Dreh­ winkel ist und n die Brechzahl der Platten darstellt.

Die Fig. 6b zeigt Planplatten 42a und 42b, welche auf eine ihrer im Strahlengang befindlichen Oberflächen mit Polarisati­ onsschichten 43a, 43b versehen sind. Die Polarisationsschichten 43a, 43b lassen linear polarisiertes Licht der durch die Pfeile 44a, 44b angegebenen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander stehen, passieren. Derartig beschichtete Plan­ platten 42a und 42b können beispielsweise für Geräte zum Beschreiben oder Auslesen magnetooptischer Aufzeichnungsträger verwendet werden, bei denen die gespeicherte Information zu einer Modulation der Polarisation des reflektierten Lichtbündels führt.

Die Fig. 7 stellt die Anordnung der Planplatten 42a und 42b in einer Abtastvorrichtung dar, die einen Aufzeichnungsträger 1, eine Objektivlinse 2 sowie eine Sammellinse 3 aufweist. Die Planplatten 42a und 42b befinden sich im Raum zwischen der Sammellinse 3 und dem Detektorsystem 5. Die sich auf dem Detektorsystem ergebenden Abbildungen von Lichtflecken 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b können zur Ableitung von Fehlerkorrektur- und Steuersignalen genutzt werden.

Das Detektorsystem 5 laut Fig. 7 besteht aus mehreren Detektoren. Zum einen weist es eine Vier-Quadranten-Anordnung bestehend aus den Detektoren A, B, C, D auf, die ähnlich dem weiter oben beschriebenen Detektorsystem aufgebaut ist. Des weiteren sind zwei Detektoren E und F dargestellt, die zum Erzeugen eines Spurfehlersignals nach dem sogenannten Dreistrahlverfahren herangezogen werden. Die Detektoren I und J sind dazu vorgesehen, ein Spurführungssignal bei unbespielten bespielbaren Aufzeichnungsträgern, z. B. magnetooptischen Aufzeichnungsträgern, ermitteln zu können.

Das Fokusfehlersignal FES und das Spurfehlersignal TES bestimmen sich wie folgt:

FES = (A + C) - (B + D)
TES = E - F.

Das Spurfehlersignal TES entspricht dabei dem aus dem Dreistrahlverfahren bekannten Signal. Das genannte Verfahren wird hier nur auszugsweise beschrieben, da es dem Fachmann bekannt ist. Beim Dreistrahlverfahren werden neben dem Hauptstrahl 71 zwei Nebenstrahlen 72 und 73 erzeugt, die im allgemeinen Beugungsstrahlen ± 1. Ordnung sind. Sie sind in Spurrichtung seitlich versetzt angeordnet. Dies ist in Fig. 7 im oberen linken Teil angedeutet, in dem ein Ausschnitt eines scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers 1 mit nicht maßstabsgetreu angedeuteten Spuren abgebildet ist. Der Hauptstrahl 71 ist dabei auf eine Spur fokussiert, während die Nebenstrahlen 72, 73 geringfügig seitlich versetzt zur Spur sowie in Spurrichtung dem Hauptstrahl 71 vor- bzw. nacheilend angeordnet sind. Die Lichtflecken 62a, 62b und 63a, 63b entsprechen dem reflektierten Anteil der Nebenstrahlen 72 und 73. Weiterhin erfolgt eine gewisse Aufspaltung des von dem Aufzeichnungsträger 1 reflektierten Strahls durch dessen Spuren, die ebenfalls ein Beugungsgitter bilden. Diese Aufspaltung ist in der Abbildung zwischen Objektivlinse 2 und Sammellinse 3 angedeutet, in der sowohl die Querschnitte der Strahlen 71, 72 und 73 angedeutet sind als auch deren jeweiliger, durch die Spuren des Aufzeichnungsträgers 1 hervorgerufene Aufspaltung. Dabei sind die von den Spuren hervorgerufenen Beugungsstrahlen ± 1. Ordnung jeweils nur etwa halbkreisförmig gezeigt, da nur dieser Anteil die Begrenzung des optischen Systems passiert.

Das Informationssignal RF wird in Abhängigkeit von der Art des jeweils verwendeten Aufzeichnungsträgers unterschiedlich abgeleitet. Für Aufzeichnungsträger, die eine Pitstruktur entsprechend der weiter oben beschriebenen aufweisen, z. B. Audio-CDs, CD-ROMs, sogenannte Phase-Change- und WORM-Disks, wird ein Informationssignal RF aus der Summe der Signale der Detektoren A, B, C, D, d. h. nach folgender Beziehung ermittelt:

RF = A + B + C + D.

Für die Verwendung magnetooptischer Aufzeichnungsträger, der sogenannten MO-Disks, die die Polarisation des reflektierten Lichtbündels beeinflussen, sind die Planplatten 42a, 42b mit den bereits erwähnten Polarisationsschichten 43a, 43b versehen, wobei die Polarisationsrichtungen 44a, 44b der Schichten senkrecht zueinander stehen.

In diesem Fall wird das Informationssignal RF nach folgender Beziehung bestimmt:

RF = (A + D) - (B + C).

Dieses Signal spiegelt die beispielsweise durch eine magnetooptische Schicht hervorgerufene Drehung der Polarisationsrichtung des reflektierten Lichtbündels wider.

In Abtastsystemen für beschreibbare optische Aufzeichnungs­ träger wie MO-, WORM- oder Phase-Change-Aufzeichnungsträger, wird ein Spurführungs- und/oder Orientierungssignal benötigt, welches es zum einen ermöglicht, auch die bis dahin unbeschriebenen Teile des Aufzeichnungsträgers abzutasten, z. B. um sie beschreiben zu können. Zum anderen ermöglicht dieses Signal eine Information darüber zu erlangen, an welcher Stelle des Aufzeichnungsträgers sich der abtastende Lichtstrahl befindet. Dieses Spurführungs- und/oder Orientierungssignal wird auch ATIP-Signal (Absolute Time In Pregroove) genannt, weil es aus einer vorgeprägten Spur, dem sogenannten Pregroove, ermittelt wird. Üblicherweise wird dieses Signal aus dem Hauptstrahl, im Ausführungsbeispiel würde dies den Lichtflecken 61a und 61b entsprechen, gewonnen.

Auf das Ausführungsbeispiel weiterhin bezogen würde dies bedeuten, daß die Detektoren A, B, C, D jeweils nochmals in Spurrichtung, d. h. in Richtung A-D bzw. B-C aufgeteilt werden müßten, so daß sich statt vier acht Detektoren ergeben, deren Summensignal das Informationssignal HF ist. Dies würde eine hochfrequente Verstärkung von 8 Detektorsignalen erfordern, was zum einen ein hoher schaltungstechnischer Aufwand ist und zum anderen, durch die zusätzliche Teilung der Detektoren hervorgerufen, eine weitere Abschwächung der Detektorsignale mit sich bringen würde. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß ein Teil des Nebenstrahls zur Gewinnung des ATIP-Signals verwendet wird. Der dabei in Folge des räumlichen Versatzes zwischen dem Hauptstrahl und dem zur Gewinnung des ATIP-Signals verwendeten Nebenstrahl auftretende Zeitversatz liegt in der Größenordnung von 2 µs, er kann aufgrund der Datenstruktur des ATIP-Signals vernachlässigt werden.

Das ATIP-Signal wird demnach aus den Signalen der Detektoren I und J nach folgender Beziehung gebildet:

ATIP = I - J.

Das ATIP-Signal kann mathematisch wie folgt beschrieben werden:

wobei p die Spurperiode des Aufzeichnungsträgers ist, d. h. der radiale Abstand der einzelnen Spuren voneinander, a die Modulationsamplitude der vorgeprägten Spur und "offset" der radiale Versatz des Nebenstrahls 72 bzw. 73 zur Spurmitte der eingelesenen Spur ist. Auf die Detektoren I bzw. J fallen die durch die Spur des Aufzeichnungsträgers 1 erzeugten Beugungs­ strahlen +1. bzw. -1. Ordnung, deren Differenz zur Ermittlung des ATIP-Signals genutzt wird. Der Strahl nullter Ordnung fällt mit gleicher Intensität auf beide Detektoren I und J und trägt daher lediglich zum Offset bei. Auch in dieser Abbildung sind die nullte sowie ± 1. Ordnung als Halbkreis am Rand des Spots angedeutet.

Das aus der vorgeprägten Spur gewonnene Spurfehlersignal kann wie folgt beschrieben werden:

wobei x der momentane Abstand des Hauptspots zur Spur ist. Das Trackerrorsignal zeigt sein Maximum bei offset = p/4, während das ATIP-Signal proportional zu cos (2π a/p) wird. Da der Hub bei der ATIP-Modulation in der Größenordnung von 30 nm im Vergleich zu 1,6 µm der Spurperiode p liegt, wird der Kontrast des ATIP-Signals klein. Dieser Kontrast erreicht ein Maximum bei offset = p/2. In diesem Falle wird das Trackerrorsignal Null. Das heißt, es muß ein bestimmter Offsetwert vorgegeben werden, um ein günstiges Verhältnis bezüglich der Signalquali­ tät der TES- und ATIP-Signale zu erreichen. Ein derartiger Offset-Wert kann vorzugsweise im Bereich von offset = 0,6 µm liegen.

Bei der Ausführung der Planplatten gemäß dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel können auch Platten gleicher Dicke verwendet werden, wobei diese dann jedoch unterschiedliche Brechzahlen aufweisen müssen.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Geräte mit Vorrichtung zum fokuskorrigierten optischen Abtasten von Informationen bei der Aufzeichnung auf und/oder der Wiedergabe von Informationen von einem Aufzeichnungsträger können in äußerst kompakter Bauweise kostengünstig hergestellt werden. Durch die ausgeprägten Differenzsignale, die mittels der Detektorsysteme gewonnen werden, und die ein entsprechendes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, ist der sonst erforderliche elektronische Aufwand zur Signalverstärkung und Auswertung nicht notwendig. Das erhaltene Fokusfehlersignal ist im wesentlichen offset-frei und unempfindlich gegen eine mechanisch oder thermisch bedingte Detektorwanderung. Letztendlich kann mit den Geräten gemäß den Ausführungsbeispielen die Anzahl der Detektoren des Detektorsystems im Vergleich zu bekannten Lösungen reduziert werden.

Claims (11)

1. Aufzeichnungs- oder Wiedergabegerät zum fokuskorrigierten optischen Abtasten bei der Aufzeichnung auf oder der Wiedergabe von Informationen von einem optischen Aufzeichnungsträger (1), enthaltend eine ein Abtaststrahlenbündel liefernde Strahlungsquelle, eine fokussierende Objektivlinse (2) sowie ein strahlungsempfindliches, im wesentlichen in einer Ebene liegendes Detektorsystem (5) und mindestens ein Beugungselement (4) zum Ableiten eines Fokusfehlersignals, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungselement (4) einen ersten Teilbereich aufweist, der eine erste Fokusebene (7a) bestimmt, und einen zweiten Teilbereich, der eine zweite Fokusebene (7b) bestimmt, wobei die Fokusebenen (7a, 7b) räumlich voneinander getrennt sind, daß das Beugungselement (4) im Raum zwischen der Objektivlinse (2) und dem Detektorsystem (5) in vorgegebenem festen Abstand befindlich ist, und die Objektivlinse (2), das Beugungselement (4) und das Detektorsystem (5) längs einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind und weiterhin das Detektorsystem zwischen den getrennten Fokusebenen (7a, 7b) angeordnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungselement (4) aus zwei im wesentlichen ebenen Gitterplatten mit unterschiedlicher optischer Dicke und unterschiedlichen Gitterkonstanten besteht.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungselement (4) zwei ebene Gitterplatten mit unterschiedlicher optischer Dicke sowie gleichen Gitterkonstanten aufweist, wobei die Gitterfläche einer ersten Platte dem Detektorsystem (5) zugewandt und die Gitterfläche der zweiten Platte dem Detektorsystem (5) abgewandt angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Gitterplatten im wesentlichen parallel zur Ebene des Detektorsystems (5) stehen.

5. Gerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem (5) eine Mehrquadrantenanordnung von strahlungssensitiven Elementen zur Abbildung der Fokusspots (6) aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei in einer Ebene angeordnete Mehrquadranten- Konfigurationen von strahlungssensitiven Elementen zur Abbildung von Gruppen von Fokusspots vorgesehen sind.

7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Vierquadranten-Konfiguration (10a, 10b) von strahlungs­ sensitiven Elementen.

8. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Gruppe von drei strahlungssensitiven Elementen (11a-c) in einer Zweiquadranten-Konfiguration.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungselement aus zwei Planplatten (42a, 42b) unter­ schiedlicher optischer Dicke besteht, wobei die Planplatten (42a, 42b) eine gemeinsame Kante aufweisen und unter einem Winkel von kleiner 90° zur Einstrahlrichtung gedreht sind, wobei die Drehachse (DA) im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Kante der Planplatten (42a, 42b) verläuft.

10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungselement (4) aus zwei Planplatten (42a, 42b) gleicher Dicke, jedoch unterschiedlicher Brechzahl besteht, die unter einem Winkel von kleiner 90° zur Einstrahlrichtung gedreht sind, wobei die Drehachse (DA) im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Kante der Planplatten (42a, 42b) verläuft.

11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine der Plattenoberflächen jeder Platte (42a, 42b) mit jeweils einer Polarisationsschicht (43a, 43b) versehen ist, wobei die Polarisationsrichtungen (44a, 44b) der Schichten senkrecht zueinander stehen.