DE2917932A1

DE2917932A1 - Vorrichtung zur punktweisen abtastung einer datenflaeche

Info

Publication number: DE2917932A1
Application number: DE19792917932
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Bouwhuis
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1979-11-15
Also published as: NO791541L; DK150046C; BE876144A; DD143832A5; AU4681079A; ATA352079A; PL215491A1; DK150046B; PL131561B1; JPS6343820B2; AU528609B2; AR219161A1; YU110079A; GB2021281A; GB2021281B; ES480406A1; BR7902788A; DK189679A; IT1112554B; ZA792065B

Description

N. V. Philips' GloeÜampenfabneksn, Eindhoven

15.11.1978 * PHN 9120

Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche, insbesondere auf eine Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optisch auslesbaren Datenstruktur, die eine

5. Strahlungsquelle, ein Beleuchtiingsob jektivsystem zum Fokussieren des von der Strahlungsquelle ausgesandfcen Abtastbündels zu einem Abtastfleck auf der Datenfläche und ein Beobachtungsobjektivsystem zum Zusammenbringen der von der Datenfläche stammenden Strahlung auf der Fläche eines

Ό strahlungsempfindlichen Detektionssysteins enthält.

Eine derartige Vorrichtung zum Auslesen eines runden scheibenförmigen und Strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträgers, auf dem ein Fernsehprogramm gespeichert ist, ist u.a. in: S.M.P.T.E. Journal", November 1976, Band 85, S. 881 - 886 beschrieben. Die Datenstruktur besteht aus spurförmig angeordneten Gebieten, die eine andere optische Eigenschaft als der verbleibende Teil der Datenfläche aufweisen. Die Daten können in der Raumfrequenz der Gebiete und gegebenenfalls in den Längen dei- Gebiete festgelegt sein,

Beim Auslesen wird die Datenstruktur mit einem Strahlungsfleck beleuchtet, der grosser als die Gebiete ist, wodurch Beugung auftritt» Das Abt as i. bund öl wird von der Datenstruktur in ein unabgelenktes Teilbündel nullter Ordnung und eine Anzahl abgelenkter Teilbündel höherer Ordnungen zerlegt,

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Wenn der Aufzeichnungsträger in Reflexion ausgelesen wird, wie in Fig. 25 der obengenannten Veröffentlichung dargestellt ist, ist das Objektivsystem, das den Abtastfleck auf der Datenstruktur erzeugt, zugleich das Objektivsystem, das die von der Datenstruktur reflektierte Strahlung auf einem Detektor zusammenbringt. Die Pupille dieses Objektivsystems ist zu dem Teilbündel nullter Ordnung symmetrisch angeordnet. Die maximale Raumfrequenz der Datenstruktur, die noch ausgelesen werden kann, wird durch das Auflösungsvermögen des Objektivsystems bestimmt. Im Falle des Auslesens in Reflexion mit einem fokussierten Auslesebündel wird die maximale Raumfrequenz f , die nachstehend als

"die übliche Grenzfrequenz" bezeichnet wird, gegeben durch: 2 . N.A./7v» , wobei N,A. die numerische Apertur des Objektivsystems und X die Wellenlänge des Auslesebündels darstellen.

Zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer Spieldauer von einer halben Stunde, der mit 25 Umdrehungen pro Sekunde gedreht wird und bei dem die radiale Periode der Spurenstruktur 1,7/um ist, während die Periode der Datengebiete in der Gros sen Ordnung von 1 /um liegt, wird ein Helium-Neon-Laser als Strahlungsquelle verwendet, wobei A= 0,6328 /um ist. Dabei muss ein Objektivsystem mit einer N.A. = 0,4 verwendet werden. Ein Objektivsystem mit einer derartigen verhältnismässig grossen numerischen Apertur ist ziemlich teuer und weist - was noch wichtiger ist - eine verhältnismässig geringe Tiefenschärfe von z.B. k /Um auf. Dann müssen strenge Anforderungen an das in der Abtastvorrichtung vorhandene Servosystem zum Aufrechterhalten des Fokus des Abtastbündels auf der Datenfläche gestellt werden.

Auch wurde bereits voi-geschlagen, einen Aufzeichnungsträger mit Hilfe eines Halbleiterdiodenlasers, z.B. eines AlGaAs-Diodenlasers, auszulesen, der eine Wellenlänge in der Grössenordnung von 0,88 /um aussendet. Wenn mit einem derartigen Diodenlaser das gleiche Auflösungsvermögen wie mit einem Helium-Neon-Laser erreicht werden soll, muss ein Objektivsystem mit einer grösseren numerischen Apertur, z.B. mit N.A."= 0,55 und also mit einer geringeren Tiefenschärfe

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verwendet werden.

Vor allem im letzteren Falle wäre es attraktiv, wenn

unter Aufrechterhaltung des Auflösungsvermögens die numerische Apertur des Objektivsystems verkleinert werden könnte.

In anderen Fällen, in denen eine verhältnismässig grosse numerische Apertur nicht besonders bedenklich ist, wäre es attraktiv, wenn unter Aufrechterhaltung der numerischen Apertur des Objektivsystems das Auflösungsvermögen vergrössert werden könnte.

Die Erfüllung der oben angegebenen Wünsche ist nicht nur wesentlich beim Abtasten kodierter Daten, die in einer optischen Struktur eines Aufzeichnungsträgers festgelegt sind, sondern auch im allgemeinen von Bedeutung für jene Fälle, in denen eine optische Information punktweise abgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das zu einem anderen Zeitpunkt oder an einer anderen Stelle wieder optisch sichtbar gemacht wird. Dabei ist an Faksimile— Vorrichtungen oder an Vorrichtungen zu denken, mit denen optische Darstellungen oder Dokumente in Fernsehsignale umgewandelt werden.

Die Erfindung, bezweckt, eine Abtastvorrichtung zu schaffen, in der einer der genannten Wünsche oder eine Kombination beider Wünsche erfüllt wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsobjektivsystem zu einem Teilbündel nullter Ordnung der von der Datenfläche stammenden Strahlung asymmetrisch angeordnet- ist und dass das Detektionssystem durch einen Detektor gebildet wird, dessen Abmessung in der Abtastrichtung klein ist.

Die Weise der Datenabtastung in der Vorrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich in zwei Hinsichten von der Weise der Abtastung bei der Vorrichtung, die in "S.M.P.T.E. Journal", Band 85, S. 881 - 886 beschrieben ist. In der letzteren Vorrichtung wird das Beobachtungsobjektivsystem symmetrisch von dem Teilbündel nullter Ordnung beleuchtet und es wird die gesamte Strahlungsenergie, die in das Objektivsystem eintritt, detektiert. In der Vorrichtung nach der Erfindung wird das Beobachtungsobjektivsystem von

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dem Teilbündel nullter Ordnung asymmetrisch beleuchtet und es wird nur ein kleiner Teil der von der Datenfläche stammenden Strahlungsenergie, die in dieses Objektivsystem eintritt, detektiert.

In der bekannten Vorrichtung treten ausser dem gesamten Teilbündel nullter Ordnung Teile der Teilbündel erster Ordnungen in das Beobachtungsobjektivsystem ein. In der Pupille des Objektivsystems tritt eine Überlappung der Teile der Teilbündel erster Ordnungen mit dem Teilbündel nullter Ordnung auf. Der Effekt wird dazu benutzt, dass sich die gesamte Strahlungsenergie, die durch das Objektivsystem hindurchgeht und von dem Detektor detektiert wird, beim Abtasten ändert. Die Änderung ist der Tatsache zuzuschreiben, dass .sich die Phasen der Teilbündel erster Ordnungen in bezug auf die des Teilbündels nullter Ordnung ändern. Diese Änderung kann ' detektiert werden, solange die Teilbündel erster Ordnung ' innerhalb der Pupille des Beobachtungssystems mit dem Teilbündel nullter Ordnung interferieren. Wenn die Raumfrequenz der Datenstruktur derart gross ist, dass die Teilbündel erst.er Ordnung gerade ausserhalb der Pupille fallen, so dass keine Interferenz mehr in der Pupille auftritt, wird sich die gesamte Strahlungsenergie auf dem Detektor beim Abtasten nicht mehr ändern und die Daten können nicht mehr ausgelesen werden. Dann ist die übliche Grenzfrequenz erreicht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass neben dem obengenannten Effekt noch ein zweiter Effekt auftritt, und zwar dass das Interferenzmuster eines Teilbündels erster Ordnung und des Teilbündels nullter Ordnung beim Abtasten zu "laufen" beginnt, d.h., dass sich die Intensitätsverteilung in der Ebene des Detektors zeitlich •ändert. Diese Änderung kann mit einem schmalen Detektor detektiert werden, dessen Breite in der Grössenordnung einer halben Periode des Interferenzmusters liegt. Dabei braucht das Teilbündel erster Ordnung und das Teilbündel nullter Ordnung sich nicht mehr in der Pupille des Beobachtungsobjektivsystems zu überlappen, sondern diese Teilbündel können durch verschiedene Teile dieser Pupille hindurchtreten, um in der Ebene des Detektors zusammengebracht zu werden,

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in der wegen der Kohärenz des Abtastbündels ein Interferenzmuster erhalten wird. Es ist dann möglich, das Beobachtungsobjektivsystem in der Richtung zu verschieben, in der eines der Teilbündel erster Ordnung abgelenkt wird, so dass dieses Teilbündel auch bei die übliche Grenzfrequenz überschreitenden Raumfrequenzen noch teilweise innerhalb der Pupille des Beobachtungsobjekttivsystems fällt und zur Interferenz mit dem Teilbündel nullter Ordnung gebracht, werden kann.

Wenn die Datenstruktur eine strahlungsdurchlässige Struktur ist, werden ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem verwendet.

Vorzugsweise ist die Datenstruktur eines Aufzeichnungsträgers eine strahlungsreflektierende Struktur. Bei genügend schrägem Einfall des Abtastbündels auf die Datenstruktur können auch ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem verwendet werden. Dann kann entweder unter Aufrechterhaltung der numerischen Apertur des Beleuchtungsobjektivs das Auflösungsvermögen ^ erheblich vergrössert oder es kann unter Aufrechterhaltung des Auflösungsvermögens die numerische Apertur des letzteren Systems erheblich verkleinert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung ist aber dadurch gekennzeichnet, dass das " Beleuchtungsobjektivsystem und das Beobachtungsobjektivsystem durch ein einziges Objektivsystem gebildet werden, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der Normalen auf der Datenfläche einschliesst.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie einfach ist 3" und dass das reflektierte Abtastbündel grösstenteils dieselben optischen Elemente wie das von der Strahlungsquelle ausgesandte Abtastbündel durchläuft, so dass Schwingungen der optischen Elemente in dem Strahlungsweg nahezu das erhaltene Signal nicht beeinflussen.

Um das Signal-Rauschverhältnis des erhaltenen Signals

zu vorgrössern, kann die Vorrichtung nach der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass zu beiden Seiten des Detektors in der Ab t:as fcrichtung weitere Detektoren

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angebracht sind. Die weiteren Detektoren sind jeweils über einen Abstand gleich, etwa der halben Periode des Interferenzmusters gegen den mittleren Detektor und gegeneinander verschoben.

5· Die Erfindung wird nunmehr an einem Beispiel einer Vorrichtung zum Auslesen eines runden, scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers, in dem die Erfindung angewandt ist, näher erläutert. In der Zeichnung, auf die ip diesem Zusammenhang verwiesen wird, zeigen:

Fig. 1 eine früher vorgeschlagene Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer strahlungsreflek— tierenden Datenstruktur,

Fig. 2 die Lage der Teilbündel verschiedener Ordnungen in bezug auf die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems in der Vorrichtung nach Fig. 1 ,

Fig. 3 die Lage der Teilbündel verschiedener Ordnungen in bezug auf die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems in einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. h das Prinzip der Erfindung,

^" Fig. 5 eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Auslesen einer strahlungsdurchlässigen Datenstruktur, und die

Fig. 6 und 7 eine erste und eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Auslesen einer strahlungsreflektierenden Datenstruktur.

" ' Fig. 1 zeigt einen radialen Schnitt durch einen runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger J_. Die Spuren 2 der reflektierenden Datenfläche 3» die aus nicht dargestellten Datengebieten aufgebaut sind, erstrecken sich senkrecht zu der Zeichnungsebene. Die Datenstruktur kann eine Amplituden-' struktur sein, wobei die Datengebiete einen anderen Reflexions· ■ koeffizienten als der übrige Teil der Fläche 3 aufweisen. Die Datenstruktur kann aber auch, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine Phasenstruktur sein, wobei die Datengebiete durch Gruben in der Fläche 3 gebildet werden.

Beim Abtasten wird der Aufzeichnungsträger mit Hilfe einer Welle /4 gedreht, die von einem Rotationsmotor 5 angetrieben wird. Eine Strahlungsquelle 6, z.B. ein Helium-Neon-Laser oder ein Halbleiterdiodenlaser, liefert ein Abtast-

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bündel b. Dieses Bündel wird von einem Spiegel 8 zu einem schematisch mit einer einzigen Linse angegebenen Objektivsystem 9 reflektiert. Im Wege des Bündels b ist eine Hilfslinse 7 angeordnet, die dafür sorgt, dass die Pupille des Objektivsystems möglichst gut ausgefüllt wird. Dann wird ein Abtastfleck V mit minimalen Abmessungen auf der Datenstruktur erzeugt.

Das Abtastbündel wird von der Datenstruktur reflektiert und bei Drehung des AufZeichnungsträgers gemäss der Reihenfolge der Datengebiete in einer augenblicklich ausgelesenen Spur moduliert. Dadurch, dass der Abtastfleck und der Aufzeichnungsträger mit an sich bekannten und hier nicht dargestellten Mitteln in radialer Richtung in bezug aufeinander bewegt werden, kann die ganze Datenfläche 3 abgetastet werden.

Das modulierte Abtastbündel geht wieder durch das Objektivsystem 9 und wird vom Spiegel 8 reflektiert. Im Strahlungsweg sind Mittel zur gegenseitigen Trennung des modulierten und des unmodulierten Abtastbündels angeordnet. *® Diese Mittel können z.B. aus einem polarisationsempfindlichen Teilprisma und einer λ/4-Platte bestehen. In Fig. 1 ist der Einfachheit halber angenommen, dass die genannten Mittel aus einem halbdurchlässigen Spiegel 10 bestehen. Dieser Spiegel reflektiert das modulierte Abtastbündel zu einem " strahlungsempfindlichen Datendetektor 11. Das Ausgangssignal S. dieses Detektors ist gemäss den augenblicklich abgetasteten Daten moduliert und kann einem Demodulator 12 zugeführt werden, in dem das Signal verarbeitet und für die Wiedergabe mit z.B. einem Fernsehgerät 13 geeignet gemacht wird.

Der Teil der Datenfläche in der Umgebung des Abtastflecks V verhält sich wie ein zweidimensionales Beugungsraster, das das auffallende Abtastbündel in ein unabgelenktes Teilbündel nullter Ordnung und in abgelenkte Teilbündel erster Ordnungen und Teilbündel höherer Ordnungen zerlegt. Das Teilbündel nullter Ordnung und ein Teil der abgelenkten Teilbündel treten wieder in das Objektivsystem 9 ein. In der Ebene der Austrittspupille des Objektivsysteme sind die

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Mitten der verschiedenen Teilbündel voneinander getrennt. In Fig. 2 ist die Situation in dieser Ebene dargestellt.

Der Kreis 15 mit dem Mittelpunkt 18 stellt den Querschnitt des Teilbündels nullter Ordnung in dieser Ebene dar.

Die Kreise 16 und 17 mit Mittelpunkten 19 bzw. 20 stellen die Querschnitte der in tangentieller Richtung abgelenkten Teilbündel der Ordnungen (+1,0) bzw. (~1,0) dar. Die X-Achse und die Y-Achse in Fig. 2 entsprechen der tangential en Richtung oder der Abtastrichtung und der radialen Richtung oder der Richtung quer zu der Abtastrichtung in der Datenfläche 3- Da für die vorliegende Erfindung nur die in tangentialer Richtung abgelenkten Teilbündel von Bedeutung sind, werden die in radialer Richtung abgelenkten Teilbündel hier ausser Betracht gelassen.

In Fig. 2 ist mit dem gestrichelten Kreis 21 die Pupille des Objektivsystems 9 dargestellt. Für die in Fig. 1 gezeigte Situation füllt das Teilbündel nullter Ordnung die Pupille vollständig aus, so dass die Kreise 15 und 21 tatsächlich zusammenfallen. Nur derjenige Teil der von dem Aufzeichnungsträger stammenden Strahlung, der in die Pupille fällt, wird beim Abtasten der Daten, .benutzt. Beim Abtasten werden die Phasenänderungen in den Teilbündeln der Ordnungen (+1,0) und -1,0) in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung benutzt.

I_n den in Fig. 2 schraffiert dargestellten Gebieten überlappen die genannten Teilbündel erster Ordnungen das Teilbündel nullte.r Ordnung und es treten Interferenzen auf. Die Phasen der Teilbündel erster Ordnungen ändern sich, wenn sich der Abtastfleck in bezug auf eine Datenspur bewegt.

Dadurch ändert sich die Intensität der insgesamt dtirch die Austrittspupille des Objektivsystems hindurchtretenden Strahlung.

Wenn die Mitte des Abtastflecks mit der Mitte eines Datengebietes (oder einer Grube) zusammenfällt, besteht ein bestimmter Phasenunterschied ψ zwischen einem Teilbündol erster Ordnung und dem Tollbünde L nullter Ordnung. Venn sich der Abtastfleck von einem ersten Gebiet zu einem zweiten Gebiet bewegt, nimmt die Phase des Teilbündels der Ordnung

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(+1,0) um 2 Λ*" zu. Daher lässt sich sagen, dass sich beim Bewegen des Abtastflecks in tangentialer Richtung die Phase dieses Teilbündels in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung um üJ t ändert. Darin ist VJ eine Zeitfrequenz, die durch die Raumfrequenz der Datengebiete und durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der sich der Abtastfleck über eine Spur bewegt. Die Phase 0( + "\,θ) des Teilbündels der Ordnung ( + 1,0) in bezug auf das Teilbündel nullter Ordnung kann durch:

0( + 1 ,0) = y + 4/t
dargestellt werden.

Die durch die Interferenz des Teilbündels der Ordnung (+1,0) mit dem Teilbündel nullter Ordnung herbeigeführte Intensitätsänderung kann mit einem in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angegebenen strahlungsempfindlichen Detektor 23 detektiert werden, der in der Ebene der Austrittspupille oder in einer Abbildung derselben angeordnet ist. Für eine be-■ stimmte Phasentiefe der Datenstruktur, wobei ψ- H Rad. ist, ist die Intensitätsänderung über die Austrittspupille symmetrisch. Dann können, wie in Fig. 1 dargestellt ist, die durch die zwei Uberlappungsgebxete hindurchtretenden Bündelteile auf einem Detektor zusammengebracht werden. Das zeitabhängige Ausgangssignal des Detektors 11 kann dann durch:

S_± = A( ψ) . cos ψ. cos UJ t

dargestellt werden, wobei A( ψ'} mit abnehmendem Wert von ¹J^ abnimmt. Für eine bestimmte Phasentiefe der Datenstruktur ist die Amplitude A( Ψ) . cos '/'konstant. Die Frequenz des Signals S. wird dann durch die augenblicklich abgetasteten Daten gegeben.

Bisher war nur von den Teilbündeln erster Ordnungen die Rede. Selbstverständlich wird von der Datenstruktur auch Strahlung in höhere Ordnungen abgelenkt werden. Die Strahlungsenergie in den höheren Beugungsordnungen ist aber gering und die Ablenkwinkel sind für die hier betrachteten hohen Raumfrequenzen der Datenstruktur derart gross, dass nur ein kleiner Teil der Bündel höherer Ordnungen innerhalb der Pupille des Objektiveystems 9 fällt. Der Einfluss der Teilbündel höherer Ordnungen ist daher vernachlässigbar. Das oben beschriebene optische Abtastsystem weist

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eine bestimmte Grenzfrequenz f auf. Der Abstand d zwischen

der Mitte 22 der Pupille des Objektivsystems 9 und den Mitten 19 und 20 der Teilbündel erster Ordnung wird durch: /V. f bestimmt, wobei f die Raumfrequenz der Datengebiete in der Abtastrichtung darstellt. Fig. 2 zeigt die Situation, in der die Frequenz f etwas grosser als die halbe Grenzfrequenz f

ist. Wenn die Frequenz f zunimmt, verschiebt sich das Teilbündel der Ordnung (+1,Q) nach rechts upd es verschiebt sich das Teilbündel der Ordnung (-1,0) nach links. Dabei wird der Abstand d grosser. Für einen gegebenen Wert von f, der als die übliche Grenzfrequenz f bezeichnet wird, schneiden die

Kreise 16 und 17 nicht mehr den Kreis 21, sondern berühren ihn nur. Dann treten die Teilbündel erster Ordnung nicht mehr durch die Pupille des Objektivsystems 9 und es können '5 diese Bündel in der Pupille nicht mehr mit dem Teilbündel nullter Ordnung zur Interferenz gebracht werden. Die Daten des Aufzeichnungsträgers können dann nicht mehr dadurch abgetastet werden, dass die Strahlungsenergie detektiert wird, die insgesamt durch die Pupille des Objektivs3^stems hindurchtritt.

Für die in Fig. 1 gezeigte Situation, in der nur ein

einziges Objektivsystem vorhanden ist, das als Beleuchtungssowie als Beobachtungsobjektivsystem wirkt, wird die übliche Grenzfrequenz durch : f = 2 . N. A/λ g-egeben.

Wenn, wie beim Abtasten eines strahlungsdurchlässigen Aufzeichnungsträgers, ein gesondertes Beleuchtungsobjektivsystem und ein gesondertes Beobachtungsobjektivsystem vorhanden sind, wird die Grenzfrequenz durch: f_c = (N.A._v + N.A._w)/?V

gegeben, wobei N.A. bzw. N.A. die numerische Apertur des Beleuchtungsobjektivsystems bzw. die des Beobachtungsobjektivsystems darstellen.

Nach der Erfindung ist das Beobachtungsobjektivsystem derart angeordnet, dass die Mitte 22 der Pupille dieses Objektivsystems nicht mehr mit der Mitte 18 des Teilbündels nullter Ordnung zusammenfällt, sondern in Richtung der Mitte 19 oder 20 eines der Teilbündel erster Ordnungen verschoben ist. Dadurch vird erreicht, dass auch bei den

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die oben angegebene übliche Grenzfrequenz f überschreitenden

Raumfrequenzen ein Teil eines Teilbündels erster Ordnung durch die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems hindurchtritt .

Fig. 3 zeigt die Situation, in der die Pupille 21 in bezug auf die Situation nach Fig. 2 nach rechts verschoben ist. Der Abstand d zwischen der Mitte 18 des Teilbündels nullter Ordnung und den Mitten 19 und 20 der Teilbündel erster Ordnung und somit die Raumfrequenz der Datengebiete

W ist erheblich (etwa um einen Faktor 3) grosser als im Falle der Fig. 2. Diese Raumfrequenz ist etwa gleich dem 1,5-i*achen der Grenzfrequenz des Systems nach den Fig. 1 und 2. Trotzdem fällt noch ein beträchtlicher Teil des Teilbündels der Ordnung (+1,o) in die Pupille des Beobachtungsobjektiv-

^ systems. Es tritt aber nur ein Teil des Teilbündels nullter Ordnung in diese Pupille ein, während das Teilbündel der Ordnung (-1,o) völlig ausserhalb der Pupille liegt.

Vie in Fig. 4 dargestellt ist, werden die Teile des Teilbündels nullter Ordnung b (O,o) und des Teilbündels erster Ordnung b( + 1,o)die .in die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems 25 fallen, auf der Detektionsflache 26 zusammengebracht. Da das Abtastbündel ein kohärentes Bündel ist, werden die Strahlungsteile miteinander in der Ebene interferieren, so dass ein In.tensitätsmuster I entsteht, das in der Richtung X einen mit den Kurven 27, 28 und 2^ in Fig. 4 dargestellten Verlauf aufweist. Die volle Linie gibt den Intensitätsverlauf an für den Fall, dass der Abtastfleck genau über der Mitte eines Datengebietes liegt. Bewegt sich der Abtastfleck von dieser Mitte ab zu einem

^ou folgenden Datengebiet, so wird für zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte das Intensitätsmuster einen Verlauf gemäss der strichpunktierten Kurve 28 bzw, gemäss der gestrichelten Kurve 29 aufweisen. Während der Abtastung "läuft" also das Intensitätsmuster über die Detektionsflache. Für einen schmalen Detektor, der in einer festen Lage angeordnet ist. wie Detektor 30 in Fig. 4, ändert sich also während der Abtastung die aufgefangene Strahlungsintensität. Das Ausgangssignal dieses Detektors ändert sich während der Abtastung

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somit in Abhängigkeit von den augenblicklich, ausgelesenen Daten.

Die Breite des Detektors 30 muss klein in bezug auf die Periode des Intensitätsmusters sein. Die Periode des Intensi—' tätsmusters wird durch die örtliche räumliche Periode der Datendetails in der abzutastenden Datenfläche bestimmt.
Von einer bestimmten abzutastenden Datenstruktur in einem Aufzeichnungsträger oder von anderen abzutastenden Dokumenten oder optischen Darstellungen ist bekannt, welche Raumfre-

^ quenzen darin vorkommen. Die Breite des Detektors 30 kann daran angepasst werden.

Das Signal des Detektors 30 kann unmittelbar einem
Demodulator 12 zugeführt werden, auf gleiche Weise wie in Fig. 1. Das Signal/Rauschverhältnis des ausgelesenen Signals

™ kann dadurch verbessert werden, dass zu beiden Seiten des Detektors 30 und in einem Abstand von etwa der halben Periode des Intensitätsmusters zwei Detektoren 31 und 32 angeordnet werden. Die Ausgangssignale dieser Detektoren können zusammengefügt und von dem Signal des Detektors 30 in einem

Differenzverstärker 33 subtrahiert werden. Der Ausgang dieses Verstärkers ist wieder an den Eingang eines Demodulators gelegt.

In der Vorrichtung nach der Erfindung wird das Beobachtungsobjektivsystem schräg oder asymmetrisch von dem Teilbündel nullter Ordnung beleuchtet. Es kann ein Parameter s eingeführt werden, der ein Mass für die in der Ebene der
Pupille' des Beobachtungsobjektivsystems gemessene Verschiebung der Mitte 22 dieser Pupille in bezug auf die Mitte des Teilbündels nullter Ordnung ist. Der Parameter s kann

als diese Verschiebung e, mit dem halben Pupillendurchmesser a genormt, definiert werden (siehe Fig. 3)«Für eine symmetrische Beleuchtung der Pupille nach Fig. 2 ist s = Für die in den Fig. 3 und h gezeigten Situationen ist s = 1,5 Die Grenzfrequenz f' einer Abtastvorrichtung mit einer

^c

schrägen Beleuchtung des Beobaohtungsobjektivsysterns wird gegeben durch:

N. A. +N. A.
^ = ^ * (1 ₊ -f) für s < 2.

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Für s = 1,5 und Ν.Α·_ν = ^N-^A-_w ^{ist dann} ^ = 3,5 N.A,/\ , also das 1,75-fache der üblichen Grenzfrequenz dex- Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2.

Für s = 2 tritt keine Strahlung des Teilbündels nullter Ordnung mehr durch die Pupille des Beobachtungsobjektivsystems hindurch und es kann also keine Interferenz mehr zwischen dem Teilbündel nullter Ordnung und dem Teilbündel der Ordnung (+1,0) auftreten. Wenn s sich dem Wert 2 nähert, ist das vom Detektor 30 abgegebene Wechselstromsignal sehr klein. Daher wird in der Praxis ein Wert für s in der Nähe von 1,5 gewählt.

In Fig. 5 ist schematisch angegeben, wie die Erfindung in einer Vorrichtung zum Auslesen »'eines strahlungsdurchlässigen Aufzeichnungsträgers verwirklicht werden kann. Der Aufzeichnungsträger ist hier durch die Datenfläche 3 dargestellt. Das von einer Strahlungsqiielle ^h stammende Abtastbündel wird auf diese Fläche zu einem Abtastfleck V von dem Beleuchtungsobjektivsystem 35 fokussiert. Hinter der Datenfläche 3 ist ein Beobachtungsobjektivsystem 25 angeordnet, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der des Beleuchtungsob jektivsysterns 35 einschliesst. Die optischen Achsen sind in dieser Figur und in den Fig. 6 und 7 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Das Beobachtungsobjektivsystem fängt einen Teil der Strahlung, des Teilbündels b(o,o) und des Teilbündels b(-1,o) ein und bringt diese Strahlungsteile auf der Fläche des Detektors 30 zusammen, in der Interferenz auftritt.

Fig. 6 zeigt einen Teil einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Abtasten einer Strahlungsreflektierenden Datenfläche. Nach den obigen Ausführungen bedarf diese Figur keiner näheren Erläuterung. Die Strahlungstelle des von der Datenfläche reflektierten Abtastbündels, die zur Interferenz gebracht werden, sind nun räumlich von der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung getrennt. Im Gegensatz zu der Vorrichtung nach Fig. 1 brauchen nun keine zusätzlichen BündoJ. teilertiiit Lei verwende fc zu werden.

In der Vorrichtung· nach den Fig. 5 und 6 kann das Beobachtungsobjektivsystem eine andere numerische Apertur

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als das Beleuchtungsobjektivsystem aufweisen. Das zuerst genannte Objektivsystem braucht nun nur einen Teil der von der Datenfläche stammenden Strahlung auf die Fläche des Detektors 30 zu konzentrieren. Die Tiefenschärfe dieses Objektivsystems kann kleiner als die des Beleuchtungsobjektivsystems sein, mit dem ein kleiner Abtastfleck auf der Datenfläche erzeugt werden muss. Dadurch, dass die numerische Apertur des Beobachtungsobjektivsystems'grosser als die des Beleuchtungsobjektivsystems gewählt wird, kann das Auf-

^ lösungsvermögen des optischen Abtastsystems bei einer gleichbleibenden numerischen Apertur des Beleuchtungsobjektivsystems und bei gleichbleibendem s-Wert vergrössert werden.

In Fig. 7 ist ein Teil einer Vorrichtung zum Abtasten einer Strahlungsreflektierenden Datenfläche, in der nur ein

■° einziges Objektivsystem verwendet wird, dargestellt. Hier bringt das Beleuchtungsobjektivsystem selber einen Teil des Teilbündels b(o,O) und einen Teil des Teilbündels b(-1,0) auf der Fläche des Detektors zusammen. Auf gleiche Weise wie in der Vorrichtung nach Fig. 1 können von z.B. mit einem halbdurchlässigen Spiegel die durch das Objektivsystem 9 hindurchtretenden Teile der Teilbündel b(o,O) und b(-1,0) des von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündels voneinander getrennt■werden.

Die Anordnung nach Fig. 7 eignet sich besonders gut

zum Auslesen mit einem Diodenlaser 36 als Strahlungsquelle. Dabei kann der sogenannte "Rückkopplungseffekt" benutzt werden, der in u.a. der US-PS 3 94l 9k5 beschrieben ist. Unter diesem Rückkopplungseffekt ist zu verstehen, dass Strahlung, die von der Datenfläche zu dem Diodenlaser

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reflektiert wird, unter bestimmten Bedingungen eine weitere Strahlungsemission durch den Diodenlaser hervorrufen kann. Die von dem Diodenlaser ausgesandte Strahlung ist dann von der Intensität der zu dem Diodenlaser reflektierten Strahlung und somit von den ausgenblicklich abgetasteten Daten abhängig.

"

Die Änderung in der von dem Diodenlaser ausgesandten Strahlung kann mit einem Detektor 37 detektiert werden, der auf der Rückseite des Diodenlasers angeordnet ist. Die durch die abgetasteten Daten herbeigeführte Änderung in dem Diodenlaser

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kann auch dadurch detektiert werden, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes des Diodenlasers gemessen wird, Dann wird also der Diodenlaser selbst als Datendetektor verwendet. Da die Öffnung, durch die der Diodenlaser seine Strahlung aussendet, klein ist, bildet dieser Diodenlaser einen gut angepassten Detektor für eine Abtastvorrichtung nach der Erfindung. Veil weiter für das Abtastbündel der Hinweg derselbe wie der Rückweg ist, ist der Diodenlasex· automatisch gut ausgerichtet und es beeinflussen etwaige Schwingungen optischer Elemente in dem Strahlungsweg das Detektorsignal nicht.

Da in einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung die Interferenz zwischen dem Teilbündel nullter Ordnung und einem Teilbündel erster Ordnung benutzt wird, eignet sich diese Vorrichtung zum Auslesen tiefer und untiefer Phasenstrukturen und von Amplxtudenstrukturen.

Ein Aufzeichnungsträger mit einer optischen Datenstruktur, in der z.B. ein Fernsehprogramm gespeichert ist, ist vorzugsweise mit einer sogenannten Schutzschicht ver— sehen, die aus einer .strahlungsdurchlässigen Schicht einer bestimmten Dicke besteht, die dafür sorgt, dass Staubteilchen, Kratzer u.dgl. in genügender Entfernung von der Datenstruktur bleiben. Dann können diese Staubteilchen u.dgl. das auf die Datenstruktur fokuss'ierte Auslesebündel nicht ernsthaft in ungünstigem Sinne beeinflussen. In der Situation nach Fig. 5, in der das Beleuchtungsbündel senkrecht auf den Aufzeichnungsträger einfällt, bereitet eine derartige Schutzschicht keine zusätzlichen Schwierigkeiten. Bei schrägem Einfall des Beleuchtungsbündels auf den Aufzeichnungsträger, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, kann die Schutzschicht zusätzliche Abweichungen, wie Koma und Astigmatismus, in dem Abtastfleck herbeiführen. Das Beleuchtungsobjektivsystem kann für diese Abweichungen korrigiert werden. Eine derartige Korrektur ist jedoch nur richtig für eine bestimmte schräge Lage des Objektivsystems in bezug auf den Aufzeichnungsträger. Dann muss dafür gesorgt werden, dass die genannte schräge Lage gut erhalten bleibt.

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Die Erfindung ist oben an Hand einer optischen Abtastvorrichtung beschrieben. Es dürfte einleuchten, dass wegen der Analogie, die zwischen einer Abtastung mit einem Lichtstrahl und der Abtastung mit einem Elektronenstrahl besteht, sich die Erfindung auch in einem Elektronenmikroskop verwenden lässt. In einem derartigen Mikroskop kann dann z.B. das Auflösungsvermögen vergrössert werden, ohne dass die Linsen angepasst werden. ,

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Claims

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PATENTAN SPRUCHE

j 1 J Vorrichtung zur punktweisen Abtastung einer Datenfläche, insbesondere Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optisch auslesbaren Datenstruktur, die eine Strahlungsquelle, ein Beleuchtungs-

^ Objektivsystem zum Fokussieren des von der Strahlungsquelle ausgesandten Abtastbündels zu einem Abtastfleck auf der Datenfläche und ein Beobachtungsobjektivsystem zum Zusammenbringen der von der Datenfläche stammenden Strahlung auf der Fläche eines strahlungsempfindlichen Detektionssystems

'" enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsobjektivsystem zu einem Teilbündel nullter Ordnung der von der Datenflache stammenden Strahlung asymmetrisch angeordnet ist xxn<± dass das Detektionssystem durch einen Detektor gebildet wird, dessen Abmessung in der Abtastrichtung klein ist. .

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsobjektivsystem und das Beobachtungsobjektivsystem durch ein einziges Objektivsystem gebildet wird, dessen optische Achse einen spitzen Winkel mit der

²^ Normalen auf der Datenfläche einschliesst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Detektors in der Abtastrichtung weitere Detektoren angeordnet sind.

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BAD ORIGINAL