DE2413423A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung des optischen rauschens - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verringerung des optischen rauschens

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DE2413423A1 DE2413423A DE2413423A DE2413423A1 DE 2413423 A1 DE2413423 A1 DE 2413423A1 DE 2413423 A DE2413423 A DE 2413423A DE 2413423 A DE2413423 A DE 2413423A DE 2413423 A1 DE2413423 A1 DE 2413423A1
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Description

THOMSON - BRANDT
173, Bd. Haus smann
Paris /Frankreich
Unser Zeichen; T 1538
Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des optischen Rauschens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern des optischen Rauschens,, welches durch die Schwingungen oder die Unebenheiten einer bewegten Oberfläche verursacht wird, wenn diese durch eine linear polarisierte Strahlung beleuchtet ist.
In der Optik kommt es häufig vor, daß ein Lichtbündel unter normalem Einfall auf eine bewegte Oberfläche konzentriert wird, insbesondere um auf dieser Oberfläche eine Information einzuschreiben oder um auf derselben eine vorher eingeschriebene Information zu lesen. Das
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bringt es nun gewöhnlich mit sich, daß, um höhere Lichtstärken zu erhalten, kohärente Lichtquellen verwendet werden, die ganz allgemein eine linear polarisierte Strahlung aussenden. Als Kehrseite des auf diese Weise erhaltenen Lichtgewinns stellt man indessen fest, daß die Schwingungen der Obie,rfläche oder ihre Unebenheiten eine zufällige Modulation der Stärke des Beleuchtungsbündels hineinbringen. Diese zufällige Modulation oder dieses optische Rauschen ergibt sich aus der Tatsache, daß die Ausgangsfläche des Lasers und die Oberfläche, die beide zu der mittleren Richtung des Bündels senkrecht sind, einen Resonanzraum bilden, der folglich ein Mehrwelleninterferometer darstellt, dessen Länge sich beliebig ändert, wenn der Informationsträger in Bewegung ist, und zwar wegen der mechanischen Schwingungen oder der Oberflächenunregelmäßigkeiten desselben. Die nacheinander reflektierten Wellen können nur miteinander interferieren, wenn die Kohärenzlänge des Lichts, welches das Bündel bildet, groß gegenüber der Länge des Resonanzraums ist. Außerdem tritt das optische Rauschen vor allem bei den kohärenten Lichtquellen auf. Es nimmt deshalb einen Umfang an, der umso größer ist, je größer der Reflexionskoeffizient des Informationsträgers ist.
Zur beträchtlichen Verringerung dieses optischen Rauschens schlägt die Erfindung vor, auf dem Weg des Bündels zwischen der Ausgangsfläche des Lasers und dem zu beleuchtenden Informationsträger eine Viertelwellenlänge-Schicht oder -Platte anzuordnen.
Die Erfindung und die Vorteile, die sie bietet, werden an Hand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, die die Vorrichtung nach der Erfindung zeigt, besser verständlich.
In der Figur, die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt, ist ein Laser 1 dargestellt, der
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eine Ausgangsfläche 10 hat/ aus welcher ein paralleles Bündel 100 kohärenten Lichts austritt, das in der Richtung. EQ linear polarisiert ist. Ein Objektiv 2 sammelt das Bündel 100 in einem Punkt 20, jder auf der gegenüberliegenden Stirnfläche 30 einer lichtdurchlässigen dünnen Schicht 3 liegt, die zu der Ausgangsfläche 10 des Lasers parallel ist. Da's divergente Bündel, welches das Medium 3 durchquert hat, wird durch das Objektiv 4 erneut auf den photoelektrischen Detektor 5 gebündelt. Die dünne Schicht 3 kann beispielsweise eine Platte aus einem lichtdurchlässigen Material sein, die sich um ihre Achse 300 dreht und auf der dem Objektiv 2 gegenüberliegenden Seite 30 eine Information trägt, die vorher in einer beliebigen Form (beispielsweise Lichtdurchlässigkeitsänderungen) eingeschrieben worden ist. Wenn die Platte vor dem Brennpunkt 20 abgespielt wird, moduliert sie die Lichtstärke des Lichtbündels und der Detektor 5 setzt diese Lichtstärkeänderungen in die Form von elektrischen Intensitätsänderungen um.
In dieser ganz klassischen optischen Lesevorrichtung stört jede Änderung der Intensität des Signals, die von der auf der Schicht 3 eingetragenen Information unabhängig ist, das durch den Photodetektor gemessene Signal und stellt ein Rauschen dar, welches so stark wie möglich verringert werden muß.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, zwischen die Ausgangsfläche 10 des Lasers und die Schicht 3 und, wenn möglich, zwischen die Fläche 10 und die Linse 2, d.h. in dem Bereich, in welchem das Bündel ein paralleles Bündel ist, eine doppelbrechende Schicht 6 einzuschalten, die so berechnet ist, daß sie für die von dem Laser ausgesandte Strahlung eine Viertelwellenlängeschicht ist. Die neutralen Linien der doppelbrechenden Schicht sind unter 45 zu der Polarisationsrichtung E des Lasers orientiert.
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-A-
Die Anordnung, die durch die Ausgangsfläche 10, welche im allgemeinen ein Spiegel mit einem Reflexionskoeffizienten ist, der für die von dem Laser ausgesandte Strahlung sehr nahe bei Eins liegt, und durch die parallele Stirnfläche 30 mit einem Reflexionskoeffizienten von
2
R = r gebildet ist, stellt einen Resonanzraum dar. Im folgenden soll gezeigt'werden, daß die Wirkung des Resonanzraums und das optische Rauschen, welches sich daraus ergibt, durch das Einschalten der Viertelwellenlängeschicht 6 beträchtlich verringert werden.
Man bestimmt durch den Realteil des Ausdrucks E exp(ioot) die Augenblicksamplitude der linear polarisierten ebenen Welle, die in einem beliebigen Punkt P in Abwesenheit der Schicht 3 und der doppelbrechenden Schicht 6 gemessen wird.
In einem ersten Zeitpunkt nimmt man an, daß das Medium 3, nicht aber die Schicht 6, in der Bahn des Bündels angeordnet ist, wie in der Figur gezeigt.
Die von dem Laser ausgesandte ebene Welle, die durch das Objektiv 2 weitergeleitet wird, welches eine Durchlassung T hat, erfährt auf der Stirnfläche 30 eine erste Reflexion, kehrt in sich selbst zurück, wobei sie erneut das Objektiv 2 durchquert, wird durch die Fläche 10 reflektiert und kommt erneut an dem Punkt P an, und zwar mit der Augenblicksamplitude :
EQ Tr exp i (cot-p)
wobei ρ = 4 πα/λ , wenn d der Abstand zwischen den beiden Flächen 3 und 30 und λ die Wellenlänge der von dem Laser ausgesandten Strahlung ist.
Durch denselben Vorgang führt diese erste reflektierte Welle auf eine zweite reflektierte Welle mit einer Augenblicksamplitude in P:
Eo Tr exp i (cot-2p)
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und so fort.
Diese verschiedenen ebenen Wellen mit derselben Polarisationsrichtung überlagern sich im Punkt P, damit sich eine resultierende Schwingung ergibt:
EQ exp icjt [1 + Tr exp(-jLp) + T2r2 exp(-2ip) + ...3 deren Stärke I- gemäß der Theorie des Mehrwelleninterferometers gegeben ist durch:
1 1 + T2r2 - 2Tr cosp Nun ist aber der Phasenverschiebungswert p, der an die Entfernung d gebunden ist, niemals genau konstant, zumindest in dem Maßstab der Wellenlänge, sobald das Medium 3 in Bewegung ist. Die mechanischen Schwingungen der Schicht oder ihre Oberflächenunebenheiten verursachen nämlich zufällige Änderungen des Wertes von d und folglich des Wertes von p.
Die Intensität I. ändert sich folglich zufällig zwischen den beiden Extremwerten:
"1M (1 -Tr)2
E
I
1m (1 + Tr)2
Die maximale Änderung der Stärke der an dem Ausgang des Resonanzraums aufgefangenen Strahlung hat, unabhängig von der auf dem Medium 3 aufgezeichneten Information, folglich den Wert:
I - I = 4Tr E 2
1IM 1Im (1-T2rV °
was einer Rauschleistung B1 von :
V2 Tr 2 1- (1.T2r2)2 ο
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und einem Rauschabstand von:
1 2 Tr
entspricht.
Das Einführen der Viertelwellenlänge-Schicht 6 in den Resonanzraum verändert tiefgreifend die überlagerung der reflektierten Wellen. Jede reflektierte Welle dreht nämlich, nachdem sie die Viertelwellenlänge-Schicht zweimal durchquert hat, in bezug auf die Einfallswelle, durch welche sie hervorgerufen worden ist, um 90°. Deshalb befinden sich die reflektierten Wellen geradzahliger Ordnung in derselben Polarisationsebene wie die Ausgangswelle, während die reflektierten Wellen ungeradzahliger Ordnung sich in einer Ebene befinden, die zu der ersten senkrecht ist. Daraus ergibt sich eine elliptisch polarisierte Welle, deren zwei Bestandteile als Amplitude haben:
A1 = EQ exp (i ut) [1 + T r exp (-2ip) + Tr exp(-4ip) + in der Polarisationsebene der Ausgangswelle, und
3 3 Ap = EQ exp (i ut) ITr exp (-ip) +Tr exp (-3ip) + . .
in der zu der vorhergehenden senkrechten Polarisationsebene .
Die Lichtstärke I» dieser elliptisch polarisierten Welle ist die Summe der Quadrate der Amplituden der beiden linear polarisierten Wellenanteile, nämlich:
I2 -
T2r2)
2 4 4 7 7
1 + Tr - 2Tr cos 2p
Die Lichtstärke I„ ändert sich deshalb zufällig zwischen den beiden Extremwerten:
2 2
1 + Tr
2M (1-T2r2)2
und:
τ _ 1 + T r
2m (1+T2r2)2
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Die Maximalabweichung zwischen diesen beiden Werten ist:
OO OO
4Tr^ (1 + Tr)
X " X
2M X2m (1 _ T4r4}2
was einer Rauschleistung B2 von:
_"_ V2 T2r2 (1 4- T2r2)
2" . (1 -T4r4)2
und einem Rauschabstand von:
2 T2r2
entspricht.
Bei einem Vergleich der Werte der Rauschleistung und des Rauschabstands mit und ohne Viertelwellenlänge-Schicht
2 stellt man fest, daß (die Werte von T und R = r sind definitionsgemäß kleiner als Eins) das Vorhandensein der Viertelwellenlänge-Schicht eine Verringerung des Rauschens und eine Vergrößerung des Rauschabstandes ermöglicht.
Dasselbe Ergebnis kann erzielt werden, indem die Viertelwellenlänge-Schicht durch eine doppelbrechende Schicht derselben Orientierung in bezug auf die Polarisationsebene des von dem Laser ausgesandten Lichts ersetzt wird, wobei aber zwischen zwei sich parallel zu ihren neutralen Linien ausbreitenden Wellen ein Gangunterschied eingeführt wird, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der verwendeten Wellenlänge ist (beispielsweise eine Dreiviertelwellenlänge-Schicht) .
Ein weiteres Beispiel der Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung, welches ebenfalls in der Figur dargestellt ist, bezieht sich auf das Lesen (durch Reflexion) eines auf der Seite 30 der Platte 3 eingeschriebenen Signals. Ein halbdurchlässiger Spiegel 8 schickt nun einen Teil der durch die Fläche 30 reflektierten Strahlung durch den Kanal
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des Objektivs 40 zu dem Photodetektor 50 zurück.
Dasselbe Verfahren kann auch zum Verringern des optischen Rauschens bei dem Einschreiben eines Lichtsignals auf eine lichtempfindliche Oberfläche verwendet werden. Wie die Figur ebenfalls zeigt, ist nun ein Modulator 7 in den Weg des Schreibbündels 100 eingefügt und die Platte 3 ist auf ihrer Stirnfläche 30 mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogen. Das Objektiv 4 und der Photodetektor 5 werden deshalb weggelassen.
Als Anwendungsbeispiel wird der Fall betrachtet, in welchem das verwendete Medium, welches im durchfallenden Licht untersucht wird, eine dünne Glasplatte mit einem Reflexionskoeffizienten von R = 0,04 (mit r = 0,2) und in welchem die das Medium beleuchtende optische Vorrichtung eine Durchlassung von T = 0,5 hat. Das Produkt Tr ist nun gleich 0,1 und der Rauschabstand geht von dem Wert
1 = 2/ V2 χ 0,1 =7
bei NichtVorhandensein der Viertelwellenlänge-Platte auf den Wert:
(S/B) 2 = 2/ \T2 x 0,01 = 70
über, wenn die Viertelwellenlänge-Platte in die Beleuchtungsvorrichtung eingeführt wird.
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Claims (4)

  1. - 9 Patentansprüche :
    12 Verfahren zum Verringern des optischen Rauschens in einem optischen System, welches eine ein linear polarisiertes Bündel aussendende iBeleuchtungsquelle und eine bewegte ebene Oberfläche hat, die zu diesem Bündel senkrecht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Beleuchtungsquelle und die bewegte Oberfläche eine doppelbrechende Schicht eingefügt wird, deren neutrale Linien unter 45° zu der Polarisationsebene der Quelle angeordnet sind, und daß die doppelbrechende Schicht zwischen zwei Schwingungen, die sich parallel zu ihren neutralen Linien fortpflanzen, einen Gangunterschied einführt, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertellänge der durch die Quelle ausgesandten Welle ist.
  2. 2. Vorrichtung zum optischen Aufzeichnen von Information auf einem Substrat, die außerdem eine Strahlungsquelle und einen Modulator für diese Strahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsfläche der Quelle und den durch die Strahlung beleuchteten Teil des Substrats eine doppelbrechende Schicht eingefügt ist, deren neutrale Linien unter 45° zu der Polarisationsebene der Quelle angeordnet sind, und daß die doppelbrechende Schicht zwischen zwei Schwingungen, die sich parallel zu ihren neutralen Linien fortpflanzen, einen Gangunterschied einführt, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertellänge der durch die Quelle ausgesandten Welle ist.
  3. 3. Vorrichtung zum optischen Lesen von auf-der Oberfläche eines Substrats gespeicherter Information, mit einer Strahlungsquelle und Einrichtungen zum Abfühlen eines Teils der aus dem Substrat hervorgehenden Strahlung , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsfläche der Quelle und den durch die Strahlung beleuchteten Teil des
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    Substrats eine doppelbrechende Schicht eingefügt ist, deren neutrale Linien unter 45° zu der Polarisationsebene der Quelle angeordnet sind, und daß die doppelbrechende Schicht zwischen zwei Schwingungen, die sich parallel zu ihren neutralen Linien fortpflanzen, einen Gangunterschied einführt, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der» Viertellänge der durch die Quelle ausgesandten Welle ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem optische Einrichtungen vorgesehen sind, die die Bündelung der Strahlung auf dem Substrat sicherstellen.
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DE2413423A 1973-03-21 1974-03-20 Verfahren zum Einschreiben in bzw. Auslesen aus einem beweglichen optischen Informationsträger und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Expired DE2413423C2 (de)

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