DE3409565A1

DE3409565A1 - Optischer abtastkopf

Info

Publication number: DE3409565A1
Application number: DE19843409565
Authority: DE
Inventors: Hideo Hino Tokio/Tokyo Ando
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-03-15
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1984-09-20
Also published as: NL8400820A; JPS59167858A; DE3409565C2; US4650982A

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig Patentanwälte

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor dem Europaischen Patentamt

Dr phil G Henkel. München Dipl-Ing J Pfenning. Berim Dr rer nat L Feuer. München Dipl.-Ing W Hänzel. München Dipl.-Phys K H. Meinig. Berlin Dr Ing A Butenschon. Berlin

Mohlstraße 37
D-8000 Muncheh 80

Tel 089/982085-87 Telex. 0529802 hnkid-Telegramme ellipsoid

MFK-59PO33-2 Hz/ld 15. März 1984

TOKYO SHIBAURA DENKI KABÜSHIKI KAISHA,
Kawasaki, Japan

Optischer Abtastkopf

Die Erfindung betrifft einen optischen Schreib/Leseoder Abtastkopf zum Fokussieren eines Lichtstrahls für das Auslesen einer Information auf einem Informations-Aufzeichnungsträger, z.B. einer optischen (Speicher-)-Platte, und insbesondere einen verbesserten Photodetektor für einen optischen Abtastkopf zur Feststellung eines Defokussierzustands eines Lichtstrahls.

In neuerer Zeit sind verschiedene optische Informations-Auf zeichnungs/Wiedergabesysteme entwickelt worden, mit denen auf optischem Wege Informationen auf einem entsprechenden Aufzeichnungsträger (im folgenden als "optische Platte" bezeichnet) aufgezeichnet bzw. aus ihm ausgelesen werden. Beispielsweise sind Informations-Aufzeichnungs/Wiedergabesysteme bekannt, die für einen nur für Wiedergabe vorgesehenen Aufzeichnungsträger, z.B.

eine sog. CD (Compact Disc bzw. Digitalplatte) des DAD-Typs oder eine (Fernseh-)Bildplatte, eine Bilddatei, eine Stehbilddatei, einen Rechner-Ausgabespeicher (COM) o.dgl., eingesetzt werden. Bei einem solchen System erfolgt die

,λ Informationsaufzeichnung durch Herstellung eines Änderungszustands, z.B. durch Ausbildung von Grübchen (sog. "Pits") in einer Aufzeichnungsschicht mittels eines fokussierten, d.h. scharf gebündelten Lichtstrahls. Bei anderen Informations-Aufzeichnungs/Wiedergabesystemen

gg werden die Informationen auf optischem Wege auf einem

entsprechenden Aufzeichnungsträger oder auf einem lösch baren Informations-Aufzeichnungsträger (im folgenden ebenfalls als "optische Platte" bezeichnet) aufgezeichnet bzw. aus ihm ausgelesen. Bei diesen Systemen muß sowohl in der Einschreib- als auch in der Lesebetriebsart ein Lichtstrahl ständig auf der optischen Platte fokussiert sein. Genauer gesagt: der Strahlenschnittpunkt (beam waist) des Lichtstrahls muß mit der Oberfläche der optischen Platte koinzidieren, wobei auf letzterer ein Strahlfleck kleinstmöglicher Größe erzeugt werden muß. Wegen dieses Erfordernisses weist der optische Abtastkopf häufig eine Fokusdetektoreinheit zur Feststellung oder Erfassung des Fokussierzustands des Lichtstrahls auf. Es sind auch bereits verschiedene Fokusdetektoreinheiten entwickelt worden.

Beispielsweise ist in der USA-Patentanmeldung Serial No. 399 873 (19.7.1982) und in der entsprechenden Europäischen Patentanmeldung Nr. 82 106 508.3 (19.7.1982) eine Fokusdetektoreinheit unter Anwendung des sog. Messerkantenverfahrens beschrieben.

Bei dieser bisherigen, in Fig. 1 dargestellten Fokusdetektoreinheit oder -vorrichtung wird ein Laserstrahl von einer Aufzeichnungsschicht oder Lichtreflexionsschicht 10 reflektiert, auf der eine Information aufgezeichnet werden soll oder bereits aufgezeichnet ist. Auf der optischen Achse 0-0 des von der Aufzeichnungsschicht 10 reflektierten Lichts sind eine Objektivlinse 2, eine "Messerkante" 4, eine Sammellinse 6 und

gQ eine Photodetektoreinheit 8 angeordnet. Die Messerkante 4 dient dazu, nur den von der optischen Achse 0-0 entfernten Anteil des Laserstrahls durchzulassen. Die Photodetektoreinheit 8 erfaßt einen durch die Sammellinse 6 konvergierten Laserstrahl, und sie umfaßt zwei Photomeßbereiche oder lichtempfindliche Bereiche 8-1

und 8-2 und ist am hinteren Brennpunkt bzw. Schnittweitenpunkt der Sammellinse 6 angeordnet. Bei einer solchen Fokusdetektoreinheit wird ein Defokussierzustand nicht anhand einer Änderung der Strahlfleckgröße auf der Photodetektoreinheit 8, sondern anhand einer Abweichung der Strahlflecklage in der Richtung 9 festgestellt. Im genau fokussierten Zustand liegt der Strahlfleck an der Grenzlinie zwischen den beiden lichtempfindlichen Bereichen 8-1 und 8-2 der Einheit 8 vor.

Ein Differential- oder Differenzsignal der von diesen Bereichen 8-1, 8-2 gelieferten Photosignale bleibt dabei praktisch auf der Größe Null. Wenn sich dagegen die Objektivlinse 2 der Aufzeichnungsschicht 10 zu stark nähert oder sich zu weit von ihr entfernt, so daß sich ein Defokussierzustand ergibt, ändert sich das Differenzsignal aus den Signalen der beiden lichtempfindlichen Bereiche 8-1 und 8-2 in positiver oder negativer Richtung. Die Größe dieses Differenzsignals hängt dabei gemäß Fig. 2 vom Abstand zwischen der.Objektivlinse 2 und der Aufzeichnungsschicht 10 ab. Gemäß Fig. 2 ist der Abstand zwischen Objektivlinse 2 und Aufzeichnungsschicht 10 im einwandfreien Fokussierzustand gleich 0; dieser Abstand besitzt eine positive Größe, wenn diese beiden Teile zu weit voneinander entfernt sind, und eine negative Größe, wenn sich die beiden Teile zu nahe aneinander befinden.

Die vorstehend beschriebene Fokusdetektoreinheit ist mit verschiedenen, nachstehend geschilderten Problemen be-OQ haftet.

1. Um eine Informationsaufzeichnung mit hoher Dichte sowie eine schnelle und einwandfreie Informationswiedergabe zu ermöglichen, sind auf einer optischen Platte Spurführungen (tracking guides) in Form von Rillen

oder Erhebungen ausgebildet. Wenn die Information in Form von Grübchenreihen aufgezeichnet ist oder wird, sind bzw. werden die Grübchenreihen auf der optischen Platte aufgezeichnet. Wenn diese Spurführungen oder Grübchenreihen mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, wird durch diese das aufgestrahlte Licht gebeugt. Infolgedessen entsteht auf den lichtempfindlichen Bereichen einer Photodetektoreinheit, welche das von der optischen Platte reflektierte Licht abnimmt, ein Beugungsmuster einer unregelmäßigen Form. Dieses Beugungsmuster bildet sich in Form eines Dunkelbereichs in dem auf den lichtempfindlichen Bereichen der Photodetektoreinheit erzeugten Strahlfleckmuster. Aus diesem Grund kann bei dem optischen Abtastkopf, der den Fokussierzustand nach Maßgabe einer Differenz zwischen den von den lichtempfindlichen Bereichen gelieferten Signalen erfaßt, der Defokussierzustand infolge des Beugungsmusters irrtümlich als einwandfreier Fokussierzustand erfaßt werden oder umgekehrt. Ein ähnliches Problem kann auch dann auftreten, wenn im optischen System des optischen Abtastkopfes ein Fehler vorliegt oder wenn der Laserstrahl durch Staub o.dgl. gebeugt wird.

2. Im Fall einer optischen Platte ist die Aufzeichnungsschicht 10 im allgemeinen auf einem durchsichtigen Substrat bzw. Träger ausgebildet, wobei ein durch die Objektivlinse 2 konvergierter Laserstrahl durch den Träger auf die Aufzeichnungsschicht 10 geworfen wird. Wenn die optische Platte, und damit der Träger, Verformung oder Verwerfung aufweist, entsteht eine Aberration (Bildfehler), wie Koma. In diesem Fall entsteht das mit Koma behaftete Bildmuster auf den lichtempfindlichen Bereichen 8-1, 8-2 im Scharfstell- oder Fokussierzustand. Auch wenn das Objektivlinsen-

-»-■/ir·

system nur eine kleine Koma-Aberration aufweist, kann dann, wenn das durch diese Aberration hervorgerufene fehlerhafte Bildmuster auf den lichtempfindlichen Bereichen 8-1, 8-2 erzeugt wird, der Defokussierzustand irrtümlich als einwandfreier Fokussier- oder Scharfstellzustand erfaßt werden oder umgekehrt.

3. In der Nähe des Brennpunkts der Sammellinse 6 besitzt der Strahlfleck eine spezifische Größe aufgrund des

IQ Einflusses von Lichtbeugung (Wellencharakteristik bzw. Spektrum des Lichts). Wenn daher die Ehotodetelctoreiiiheit im Scharfstellzustand am Brennpunkt der Sammellinse 6 angeordnet ist, ist die Defokussier-Erfassungs- oder -Meßempfindlichkeit nahe des Brennpunkts kleiner als die theoretische Größe.

4. Der Strahlfleck am Brennpunkt der Sammellinse 6 ist sehr klein. Bei einem optischen System, bei dem die Photodetektoreinheit am Brennpunkt der Sammellinse angeordnet ist, führt eine kleine Lagenänderung der Photodetektoreinheit aufgrund einer Temperaturänderung zu einer irrtümlichen oder fehlerhaften Erfassung des Scharfstellzustands als Defokussierzustand.

5. Im Fall einer großen Aberration weichen die Lagen der Gaußschen Bildebene und des (kleinsten) Zerstreuungskreises voneinander ab. Hierdurch werden die Fokus- oder Scharfstell-Meßeigenschaften nahe der ScharfStellstellung sowie die Erfassungs- oder Meß-

gO empfindlichkeit beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten optischen Aufzeichnungs/Lese- oder Abtastkopfes, welcher den jeweiligen Fokussier- oder Scharfstellzu-Ofstand mit hoher Zuverlässigkeit und Meßempfindlichkeit zu erfassen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Abtastkopf zum Fokussieren eines Lichtstrahls auf eine lichtreflektierende Fläche, mit

einer Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einer Einrichtung zum Übertragen des Lichtstrahls, einer Objektivlinse, welche den übertragenen Lichtstrahl in einen konvergenten oder konvergierenden Lichtstrahl mit einem Strahlenschnittpunkt (beam waist) umwandelt, den Lichtstrahl auf die lichtreflektierende Fläche projiziert oder wirft und den von der lichtreflektierenden Fläche reflektierten, divergierenden Lichtstrahl konvergiert,

einer Einrichtung zum Ablenken des von der Objektivlinse zum Linsensystem gerichteten Lichtstrahls in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Objektivlinse und der lichtreflektierenden Fläche,

einer Einrichtung zum Konvergieren des von der Ablenkeinrichtung übertragenen Lichtstrahls zu einem Konvergenzpunkt und einem Photodetektor mit lichtempfindliehen Bereichen, auf die der konvergierte Lichtstrahl projiziert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Objektivlinse einen Konvergenzpunkt und eine inhärente maximale Defokussiertoleranz +pe in bezug, auf den Konvergenzpunkt aufweist und daß die lichtempfindlichen Bereiche des Photodetektors eine Gesamtfläche besitzen, die größer ist als die Fläche eines auf dem Photodetektor (ab)gebildeten Strahlflecks, wenn der Lichtstrahl mit der maximalen Defokussiertoleranz öc projiziert und durch die lichtreflektierende Fläche re-

3Q flektiert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig· 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems eines bisherigen optischen Äbtastkopfes unter Anwendung des Messerkantenverfahrens,
5.

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem von der Photodetektoreinheit gemäß Fig. 1 erhaltenen Differenzsignal sowie dem Abstand zwischen Objektivlinse und optischer Platte,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines optischen Systems, in welches ein optischer Abtastkopf gemäß der Erfindung einbezogen ist,

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung des optischen Systems für den Abtastkopf gemäß Fig. 3,

Fig. 5A bis 5D schematische Darstellungen des Strahlengangs eines Laserstrahls beim optischen System

nach Fig. 4 im Scharfstellzustand sowie in verschiedenen Unscharf- oder Defokussierzuständen,

Fig. 6A bis 6D Darstellungen der Strahlfleckbilder oder -muster, die auf den lichtempfindlichen Bereichen einer Photodetektoreinheit gemäß Fig. 5A bis 5D entstehen,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der geometrischen Bahn (Strahlengang) des durch eine Objektivlinse gemäß Fig. 4 hindurchtretenden Lichts von einer Lichtquelle,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der geometrischen

■A3

Bahn des durch ein Projektionslinsensystem gemäß

Fig. 4 hindurchfallenden Lichts von einer Lichtquelle,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der geometrischen . Bahn (Strahlengang) des Lichts bei Ersatz der Linsen nach Fig. 7 und 8 durch eine einzige synthetische Linse,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Bahn (Strahlengang) des Lichts für den Fall, daß der Strahlfleck oder Strahlenschnittpunkt (waist) nicht am Brennpunkt der Objektivlinse, sondern in einer geringfügig davon abweichenden Stellung entsteht,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Verteilung der Lichtintensität am Strahlenschnittpunkt (beam waist),

Fig 12 und 13 graphische Darstellungen der Lichtintensitätsverteilung vom Standpunkt der Wellenoptik ,

Fig. 14 eine Darstellung zur Erläuterung der Größe eines auf den lichtempfindlichen Bereichen einer Photodetektoreinheit gebildeten Strahlflecks,

Fig. 15A bis 15C Darstellungen der Bahnen oder Strahlengänge der Lichtstrahlen bei einer anderen

Ausführungsform der Erfindung für den Fall, daß sich die Photodetektoreinheit nicht auf oder an der Abbildungsebene befindet,

Fig. 16 eine graphische Darstellung des Strahlengangs

eines die Abbildungsebene passierenden Laser

strahls,

Fig. 17 bis 20 und Fig. 21A. und 21B Darstellungen von optischen Systemen gemäß verschiedenen Abwand

lungen der Erfindung und

Fig. 2'2A und 22B ein optisches System bzw. das entsprechende (Abbildungs-)Muster auf den licht-. empfindlichen Bereichen der Photodetektoreinheit für den Fall, daß diese Bereiche von der Bildbrennebene abweichen.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

■ Im folgenden ist anhand von Fig. 3 ein optisches System zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Informationen unter Verwendung eines optischen Abtastkopfes gemäß der Erfindung beschrieben. Eine optische (Aufzeichnungs- oder Speicher-)Platte 12 ist so ausgebildet, daß zwei scheibenförmige, durchsichtige Platten 14 und 16 unter Zwischenfügung von inneren und äußeren Abstandstücken 18 bzw. 20 miteinander verklebt sind. Auf die Innenflächen der betreffenden durchsichtigen Platten .14 und 16 sind InformationsaufZeichnungsschichten oder lichtreflektierende Schichten 22 und 24 aufgetragen bzw. aufgedampft. Auf den jeweiligen lichtreflektierenden Schich-r ten 22 und 24 sind spiralig oder konzentrisch verlaufende Spurführungen (oder Nachführspuren) 26 ausgebildet.

In diesen Spurführungen 26 ist die Information in Form von Grübchen aufgezeichnet. Die optische Platte 12 ist mit einem Mittelloch versehen. Beim Aufsetzen der optischen Platte 12 auf einen Plattenteller 28 durchsetzt die zentrale Spindel 30 des Plattentellers 28 dieses Mittelloch der Platte 12, so daß die Drehzentren von

Plattenteller 28 und Platte 12 miteinander fluchten.

Eine auf die zentrale Spindel 30 des Plattentellers aufgesetzte Spannvorrichtung 32 fixiert die optische Platte 12 auf dem Plattenteller 28. Letzterer ist drehbar in einer nicht dargestellten Basis bzw. Sockel gelagert und durch einen Antriebsmotor 34 mit konstanter Drehzahl antreibbar.

Ein optischer Abtastkopf 36 ist mittels eines Linearstelltriebs 38 oder eines Dreharms in Radialrichtung der optischen Platte 2 bewegbar. Im Inneren des optischen Abtastkopfes 36 befindet sich eine Lasereinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls. Wenn auf der optischen Platte 12 eine Information aufgezeichnet werden soll, liefert die Lasereinheit 40 einen Laserstrahl, dessen Intensität gemäß dieser Information moduliert wird. Wenn die aufgezeichnete Information von der Platte 1 2 abgelesen werden soll, liefert die Lasereinheit einen Laserstrahl konstanter Intensität. Der von der Lasereinheit 40 erzeugte Laserstrahl wird durch eine Konkavlinse 42 divergiert bzw. gestreut, durch eine Konvex- oder Kollimatorlinse 4 4 zu parallelen Lichtstrahlen kollimiert und zu einem Polarisations-Strahlteiler 46 geworfen. Die vom Strahlteiler 46 reflektierten parallelen Laserstrahlen fallen über eine 1/4-Wellenscheibe 48 auf eine Objektivlinse 50 und werden durch diese auf die lichtreflektierende Schicht 24 de'r optischen Platte 12 konvergiert. Die Objektivlinse 50 wird von einer Schwingspule 52 längs der optischen Achse bzw. des Strahlengangs bewegbar gehalten. Wenn sich die Objektivlinse 50 in einer vorbestimmten Stellung befindet, wird der Strahlenschnittpunkt oder -fleck (beam waist) des durch die Objektivlinse 50 konvergierten Laserstrahls auf die Oberfläche der lichtreflektierten Schicht 24 geworfen, um auf dieser

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einen Fleck kleinstmöglicher Größe zu bilden. In diesem Fall befindet sich die Objektivlinse 50 in einem Fokussier- bzw. Scharfstellzustand, in welchem das Auslesen oder Einschreiben von Informationen möglich ist. Beim Einschreiben bzw. Aufzeichnen von Informationen werden.mittels eines intensitätsmodulierten Laserstrahls Grübchen in den Spurführungen oder vorgeformten Rillen 26 der lichtreflektierenden Schicht 24 ausgebildet. Beim Auslesen von Informationen wird ein eine konstante Intensität besitzender Laserstrahl durch die in den Spurführungen 26 ausgebildeten Grübchen in seiner Intensität moduliert und durch diese Grübchen reflektiert.

Der von der lichtreflektierenden bzw. Lichtreflexionsr Schicht 24 reflektierte divergente Laserstrahl wird durch die Objektivlinse 50 zu parallelen Lichtstrahlen gesammelt und über die 1/4-Wellenscheibe 48 zum Polarisations-Strahl teiler 4 6 zurückgeführt. Bei der Rückführung des Laserstrahls über die 1/4-Wellenscheibe 48 wird die. Polarisationsebene gegenüber derjenigen, wenn der Laserstrahl durch den Strahlteiler 46 reflektiert wird, um 90 gedreht. Der zurückgeworfene Laserstrahl, dessen Polarisationsebene um 90 gedreht ist, wird vom Polarisations-Strahlteiler 46 nicht reflektiert, sondern durchgelassen. Der aus dem Strahlteiler austretende Laserstrahl wird durch einen halbdurchlässigen bzw.. Halb-Spiegel 54 geteilt. Ein Teil des geteilten Strahls wird dann über eine Konvexlinse 56 auf eine erste Photodetektoreinheit 58 geworfen. Ein von der ersten Photodetektoreinheit 58 geliefertes, die auf der optischen Platte 12 aufgezeichneten Informationen enthaltendes erstes Signal wird einem Signalprozessor 60 zugeführt und in diesem in Digitaldaten umgesetzt. Der andere Teil des durch den Halb-Spiegel 54 geteilten Strahls wird einer Extraktion oder Ausziehung durch eine Lichtab-

schirmplatte 62 unterworfen/ um nur einen Anteil auszuziehen bzw. abzutrennen, der einen von einer optischen Achse 64 entfernten Bereich passiert. Der ausgezogene Anteil (des Strahls) fällt durch eine Projektionslinse 66 und wird auf eine zweite Photodetektoreinheit 70 geworfen. Die Lichtabschirmplatte 62 kann durch ein Prisma, eine Blendenöffnung, einen Schlitz oder eine Messerkante ersetzt werden. Ein von der zweiten Photodetektoreinheit 70 geliefertes Signal wird durch einen Fokussiersignal-Generator 72 verarbeitet. Ein von letzterem geliefertes Fokussiersignal wird einer Schwingspulen-Treiberschaltung 74 eingespeist. Nach Maßgabe des Fokussiersignals steuert die Treiberschaltung 74 die Schwingspule 52 so an, daß die Objektivlinse 50 ständig im fokussierten Zustand gehalten wird. Wenn die auf der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 ausgebildeten Spurführungen 26 richtig abgetastet werden sollen, kann ein von der ersten Photodetektoreinheit 58 geliefertes Signal durch Betätigung des Linearstelltriebs 38 verarbeitet werden. Wahlweise kann die Objektivlinse 50 in Querrichtung verschoben werden, oder es kann ein nicht dargestellter Galvano-Spiegel verwendet werden.

Das optische System zur Erfassung des Fokussier- oder Scharfstellzustands gemäß Fig. 3 ist in Fig. 4 in vereinfachter Form dargestellt. Der Strahlengang des Laserstrahls im Scharfstellzustand sowie in verschiedenen Defokussierzuständen ist in den Fig. 5A bis 5D dargestellt. Wenn sich die Objektivlinse 50 im Scharfstellzustand befindet ,wird der StrahlensclTnittpunktfleck auf die lichtreflektierende Schicht 24 projiziert. Dabei entsteht auf dieser Schicht 24 ein Strahlfleck kleinster Abmessungen, d.h. der Strahleiaschnittpunlctfleck 76 oder ein geringfügig größerer Strahlfleck. Da der von der

Lasereinheit 40 her in die Objektivlinse 50 einfallende Laserstrahl aus parallelen Strahlen besteht, bildet sich der Strahlenschnittpunktfleck am Brennpunkt der Objektivlinse 50.Wenn dagegen der in die Objektivlinse 50 einfallende Laserstrahl geringfügig divergiert oder konvergiert, bildet sich der Strahlenschnittpunktfleck in der Nähe des Brennpunktes der Objektivlinse 50. Bei dem optischen System gemäß Fig. 3, 4 und 5A bis 5D befinden sich lichtempfindliche Bereiche 78-1 und 78-2 einer Photodetektoreinheit 70 im Scharfstellzustand genau auf der Abbildungsebene des Strahlfleckbilds 76 oder nur geringfügig von dieser Ebene verschoben. Im Scharfstellzustand entsteht somit gemäß Fig. 6A das Strahlfleckbild oder -muster 76 in einer Position zwischen den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70. Gemäß Fig. 5A wird infolgedessen das Strahlfleckbild, d.h. das Muster 76, auf der lichtreflektierenden Schicht 24 erzeugt. Der von der Schicht 24 reflektierte Laserstrahl wird durch die Objektivlinse 50 in parallele Lichtstrahlen umgewandelt, die auf die Lichtabschirmplatte 62 gerichtet werden. Der einen von der optischen Achse 64 entfernten Bereich passierende Lichtanteil wird von der Lichtabschirmplatte 62 extrahiert, d.h. durchgelassen, durch die Projektionslinse 66 fokussiert und mit einem minimalen Durchmesser auf die Photodetektoreinheit 70 geworfen. Dabei entsteht gemäß Fig. 6A das Strahlfleckbild oder -muster auf der Photodetektoreinheit 70. In diesem Zustand sind die Pegel oder Größen der von den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 abgegebenen Signale jeweils praktisch gleich groß. Wenn sich die Objektivlinse 50 der lichtreflektierenden Schicht .24 nähert, entsteht gemäß Fig. 5B der Strahlenschnittpunktfleck,d.h.die Einschnürung oder Strahlüberkreuzung, nach der Reflexion des Laserstrahls von der Schicht 24. Dies bedeutet, daß der Strahlenschnittpunktfleck zwischen Objektivlinse 50 und Schicht

entsteht. In diesem Defokussierzustand bildet sich der

Strahlenschnittpunktfleck im allgemeinen innerhalb der Brennweite der Objektivlinse 50. Wenn beispielsweise der Strahlenschnittpunktfleck als Punkt dient,wird ein von der Schicht 24 reflektierter und aus der Objektivlinse 5.0 austretender Laserstrahl ersichtlicherweise durch die Objektivlinse 50 in einen divergenten Laserstrahl umgewandelt. Da der von der Lichtabschirmplatte 62 durchgelassene Laserstrahlanteil ebenfalls divergiert, wird er auch nach dem Konvergieren durch die Projektionslinse 66 nicht mit einer Mindestgröße auf die lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 fokussiert, sondern auf eine von der Photodetektoreinheit 70 weiter entfernte Stelle fokussiert. Infolgedessen wird ein solcher Laserstrahl" anteil in einem Abschnitt über dem Mittelpunkt zwischen den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 auf die Photodetektoreinheit 70 geworfen. Dabei entsteht auf den Bereichen 78-1 und 78-2 ein Strahlfleckbild oder -muster 77, das größer ist als das Strahlfleckbild 76. Das vom ersten lichtempfindlichen Bereich 78-1 abgegebene Signal behält dabei eine geringere Größe als das Signal vom zweiten Bereich 78-2. Ein Differential- oder Differenzsignal aus den beiden Signalen wird vom F.okussiersignal-Generator 72 als Fokussiersignal geliefert. Wenn sich die Objektivlinse 50 der lichtreflektierenden Schicht 24 noch mehr annähert, entsteht ein noch größeres Strahlfleckbild oder -muster 79, das gemäß Fig. 6C den ersten lichtempfindlichen Bereich 78-1 überdeckt.

Wenn sich die Objektivlinse 50 gemäß Fig. 5C weiter von der lichtreflektierenden Schicht 24 entfernt, wird der Laserstrahl von der Schicht 24 nach der Bildung eines Strahlenschnittpunktflecks reflektiert. In diesem

Defokussierzustand liegt die Brennweite der Objektivlinse 50 im allgeiteinen außerhalb des Strahlenschnittpunktflecks,der zwischen ihr und der lichtreflektierenden Schicht 24 entsteht. Der von der Objektivlinse 50 zur Lichtabschirmplatte 6 2 geworfene, reflektierte Laserstrahl ist daher konvergent. Der die Lichtabschirmplatte 62 passierende Laserstrahl wird durch die Projektionslinse 66 weiter konvergiert und nach Bildung eines Strahlenschnittpunktflecks auf die lichtempfindlichen Bereich 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 geworfen. Infolgedessen entsteht im unteren Bereich 78-2 der Photodetektoreinheit 70 ein Muster 81, das kleiner ist als das Strahlfleckbild.

Wenn sich die Objektivlinse 50 über eine eine vorbestimmte Größe übersteigende Strecke von der lichtreflektierenden Schicht 24 entfernt, wird ein von der Schicht 24 reflektierter Laserstrahl auf einen Konvergenzpunkt zwischen Lichtabschirmplatte 62 und Objektivlinse 50 fokussiert. Der vom Konvergenzpunkt aus divergierende Laserstrahl wird durch die Lichtabschirmplatte 62 beschnitten,und sein durchgelassener Anteil fällt auf die Projektionslinse 66. Wie in dem in Fig. 5B veranschaulichten Fall, in welchem sich Objektivlinse und lichtreflektierende Schicht 24 zu nahe aneinander befinden, fällt dann der divergente Laserstrahl so auf die Projektionslinse 66, daß er zum oberen lichtempfindlichen Bereich 78-1 projiziert wird. Selbst wenn sich Objektivlinse 50 und lichtreflektierende Schicht 24 in einem großen gegenseitigen Abstand befinden, kann daher der Fokussiersignal-Generator 72 ein Signal zur Anzeige dafür liefern, daß sich Objektivlinse 50 und Schicht zu dicht aneinander befinden.

Eine Änderung der Strahlengangs des Laserstrahls läßt

HI-

sich geometrisch/optisch wie folgt erläutern: Eine Abweichung h3 des Laserstrahlanteils auf der Photodetektoreinheit 70 von der optischen Achse kann bestimmt werden. Das geometrisch/optische Abbildungssystem der Objektivlinse 50 ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 steht fO für die Brennweite der Objektivlinse 50, während δ die Verschiebung bzw. den Versatz der Objektivlinse 50, d.h. die Änderung ihres Abstands von der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte bei einer Änderung vom Scharfstellzustand zum Defokussierzustand angibt. Gemäß Fig. 7 geht der durch die ausgezogene Linie angedeutete Laserstrahl-Strahlengang vom Strahlenschnittpunkt (beam waist) aus, passiert einen Punkt auf der Hauptebene der Objektivlinse 50, der sich in einem Abstand h0 von der optischen Achse befindet, und wird fokussiert. Im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand gemäß Fig. 5A gilt δ =0. Im Defokussierzustand gemäß Fig. 5B ist die Objektivlinse 50 um die Versatzstrecke δ näher zur optischen Platte 12 verschoben. Da der Strahlenschnittpunkt durch den von der lichtreflektierenden Schicht 24 reflektierten Laserstrahl geformt wird, kommt er um das Doppelte der Versatzstrecke δ (in diesem Fall δ < O) näher zur Objektivlinse 50 zu liegen. Im Defokussierzustand gemäß Fig. 5C ist die Objektivlinse 50 um die Versatzstrecke δ weiter von der optischen Platte 12 entfernt, wobei der Laserstrahl nach der Bildung des Strahlenschnittpunkts von der Schicht 24 reflektiert wird. Dies entspricht somit grundsätzlich dem Zustand, in welchem der Strahlenschnittpunkt hinter der lichtreflektierenden Schicht 24 gebildet wird. Der Strahlenschnittpunkt ist somit um die Strecke 2δ von der Objektivlinse entfernt. Wenn im Scharfstellzustand der Strahlenschnittpunkt am Brennpunkt der Objektivlinse 50 entsteht und letztere sodann über die Strecke δ von der optischen Platte 12

■ u-

hinwegbewegt wird, läßt sich der Abstand zwischen dem Strahlenschnittpunkt und der Hauptebene der Objektivlinse 50 durch (fO+26) darstellen. Wenn der Strahlenschnittpunkt als Punkt angesehen wird, bestimmen sich die Winkel ßO und ß1 gemäß Fig. 7 nach folgenden Gleichungen (1) und (2):

hO/(fO+26) = tanC-ßO) = ßO (1)

Nach dem Linsenabbildungs-Satz gilt

tan(~eo)/hO + tan ßl/hO = 1/fO

Daher gilt:
Io

Bl = BO + hO/fO

= hO/(fO+fO²/26) ...(2)

Fig. 8 veranschaulicht den geometrischen Strahlengang des Lichts im optischen System der Projektionslinse Dabei sei angenommen, daß die Projektionslinse 66 aus zwei kombinierten Linsen 66-1 und 66-2 besteht.

Ebenso sei angenommen, daß die betreffende Linse 66 die Brennweite f1 besitzt, die Lichtabschirmplatte 62 ' in einem Abstand a von der Hauptebene der Objektivlinse 50 angeordnet ist, die Hauptebene der Linse 66-1 in einem Abstand L von derjenigen der Objektivlinse 50 angeordnet ist und die Hauptebene der Linse 66 sich in einem Abstand 1 von den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 befindet. Die durch die ausgezogene Linie angegebene Bahn ist der

■13-

Strahlengang der Lichtstrahlen, die durch die Objektivlinse 50 konvergiert werden und dann die lichtdurchlässige Fläche der Lichtabschirraplatte 62 passieren. Kante in einem Abstand y von der optischen Achse angeordnet ist.

Der Abstand y bestimmt sich nach folgender Gleichung (3):

y = hO - aßl

= hO{l - a-l/(fO+fO²/26)} ... (3)

Unter der Voraussetzung, daß F(δ) = (fO+fO /2O)^-1 gilt, läßt sich Gleichung (3) umschreiben zu:

y = hO(l-aF(5) ) ... (4)

Daher gilt 20

hO = y/(l-aF(6)) ... (5)

Ein Abstand h1 des Strahlengangs des durchgelassenen Lichtanteils gegenüber der optischen Achse 64 an der Hauptebene der Linse 66 bestimmt sich nach folgender Gleichung (6):

hl = y - (L-a)Bl
= {Cl-LFC«))/Cl-aFt«)))-y

Der Winkel ß2 läßt sich auf ähnliche Weise wie der Winkel ß1 nach Gleichung (2) wie folgt berechnen:

3A09565

■it

B2 = ßl + hl/fl

= {y/(l-aF(6))Hl/fl + (l-L/fl)FC63) ...(7)

Der Abstand bzw. die Abweichung h2 des durchgelassenen Lichtanteils gegenüber der optischen Achse 64 auf dem lichtempfindlichen Bereich der Photodetektoreinheit 70 sowie der Einfallswinkel ß3 an diesem Bereich bestimmen sich nach folgenden Gleichungen (8) bis (10): 10

h₂ = h1 - Hß2

= {y/(1-aF(5))H (1-1/f1)-[1+L(1-1/f1)]

χ F(6)l ... (8)

für 1 = f läßt sich Gleichung (8) umschreiben zu:

2 - 1 -

(a-f₀)

Wenn die Projektionslinse 66 beim optischen System gemäß Fig. 8 eine Einzellinse ist, gilt, da f2 = « und f1 = 1, folgendes:

h2 = _;iy/(a-f0-f0²/26)

ο

= _;mf0»y/(a-f0-f0V26) ...(10)

Beim optischen System gemäß Fig. 7 ist vorausgesetzt, daß sich der Strahlenschnittpunkt am Brennpunkt der Objektivlinse 50 bildet. Falls jedoch ein divergenter

'■■■ -

oder konvergenter Laserstrahl auf die Objektivlinse 50 fällt, weicht die Lage dieses Schnittpunkts gemäß Fig. um eine Strecke oder einen Abstand b vom Brennpunkt der Objektivlinse 50 ab.

Wenn angenommen wird, daß das Linsensystem zur Verarbeitung des Lichts, das von der Schicht 24 der optischen Platte 12 reflektiert wird und die Photodetektoreinheit 70 über die Objektivlinse 50 und die Projektionslinse erreicht, ein einzelnes Kittglied ist, läßt sich anstelle der vorstehend beschriebenen Berechnung die nachstehend erläuterte Berechnung ausführen. Dies bedeutet, daß der Strahlengang des reflektierten Lichts in dem Fall, in welchem die Strahlenschnittpunktposition um den Abstand 5 vom Brennpunkt der Objektivlinse 50 abweicht, nach den Gleichungen (11) bis (22) berechnet wird bzw. werden kann, unter der Voraussetzung, daß die Brennweite des Einzel-Kittglieds gleich f* und der Abstand vom vorderen Brennpunkt des Einzel-Kittglieds zur optischen Platte im Scharfstellzustand (fokussierter Laserstrahl) gleich C ist. Wenn die Projektionslinse 66, eine Meßlinse 73 u.dgl. sämtlich als einzige synthetische Linse betrachtet werden, ergibt sich aus Fig. 9 folgendes:

h*/Cf*+C+26) = tan(-ßO) = -80

Hieraus folgt:

h* = -ßO-(f*+C+26) ...(H)

Außerdem gilt:
30

82 = ßO + h*/f* ={ßO - ßO-(C+26)BO/f*}

Sofern die zweite Photodetektoreinheit 70 auf bzw. an

der Abbildungsebene angeordnet ist, wenn der Fokussierpunkt des Laserstrahls und die Lage der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 miteinander koinzidieren (wenn 5=0 gilt), ergibt sich h2 = O.

Der Iransversaliailtiplikatiansfaktor mergibt sich dabei aus +m = -ßO/ß2 zu m = +f*/c.

Demzufolge gilt:
C= jhf*/m ... (13)

Es ist zu beachten, daß der Faktor m stets als positive Zahl vorausgesetzt ist. Demzufolge gibt +m den Fall eines umgedrehten (kopfstehenden) Bilds an, während -m für ein aufrechtes Bild steht.

Wenn der Abstand vom hinteren Hauptpunkt des Kittglieds zur zweiten Photodetektoreinheit 70 mit A vorausgesetzt ist, ergibt sich:

h2 = h* - Aß3

= BO {.( + A/m - f* + f*/m)

+ (A/f*-l) χ 26} ...ClA)

· .

Für jede Größe von ß0 und für 5=0, von h2 = 0, ergibt sich:

A = f*(l+m) ... (15)

Durch Einsetzen von Gleichung (15) in Gleichung (14) erhält man;

h2 = ßO{f (l+m)/f* - 1) χ 26
= +2m6 χ ßO . . .(16)

Ι Durch Einsetzen von Gleichungen (1) und (5) in Gleichung (16) ergeben sich folgende Gleichungen (17) und (18):

h2 = +mf0y/Ca-f0-f0²/26j ...{17)

h2 = +(2my/fO)6 ...(18J

Wenn gemäß Fig. 10 der auf die Objektivlinse 50 fallende Laserstrahl konvergiert oder divergiert und der Fokussierpunkt des Laserstrahls um den Abstand b vom Brennpunkt der Objektivlinse 50 abweicht, lassen sich durch Konversion von

25 =? 26 + b

in Gleichung (1) bis (9) die entsprechenden, zweckmäßigen Gleichungen aufstellen.

Anhand von Gleichung (5) ergibt sich demzufolge: ^hO = {£f0+f0²/(26+b)]/[f0+f0²/(2ö+b)-a]} _{x y}

Durch Einsetzen von Gleichung (19) in Gleichung (1) erhält man:

ßO = -hO/(fO+26+b)

= -CfO-hO/C26+b)3/[fO+fO²/(26+b)3 = fO-y/i(26+b)/[fO+fO²/(26+b) -a]} . = -f0»y/{f0²+Cf0-a)(26+b)}

= -y/{fO+(l-a/fO)(26+b)} ...(20)

Durch Einsetzen von Gleichung (20) in Gleichung (16) erhält man:

h2 = r 2myÄ/(fO+(1-a/fO) (2$+b)] ...(21)

Für a «= 0 gilt

h2 = _/F'2my<P/(f0+b+2<$^>) ...(22)

B Für fO + b» 2S gilt

h2 α ^2myf/(fO+b) ...(23)

Die Gleichungen (9), (10), (14), (16), (17) und (18) zeigen, daß dann, wenn der Brennpunkt der Objektivlinse 50 um den Abstand bzw. die Strecke 6 von der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte abweicht, der auf den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit gebildete Strahlfleck

um den Abstand h2 von der optischen Achse 64 abweicht. 15

Die obigen Gleichungen gelten sämtlich für die geometrisch/optische Rechnung des Strahlengangs. Wenn somit in den obigen Gleichungen 6=0 eingesetzt wird, erhält man h2 = 0. In der Praxis besteht jedoch ein

*® Beugungseinfluß aufgrund der Wellencharakteristika des Lichts. Auch im Fall von ^=O (Fokussier- bzw. Scharfstellzustand) besitzen daher der auf der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 gebildete Strahlfleck und die Fleckgröße auf der Photo-

2-5 detektoreinheit 70 nicht die Größe Null, sondern bestimmte (positive) Größen. Diese Größen lassen sich wie folgt berechnen:

Wenn parallele Laserstrahlen einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung auf eine ideale Linse ohne Aberration und einer numerischen Apertur (NA) eines Werts NA auftreffen, bestimmt sich eine Fleckgröße al am Fokussierpunkt hinter dieser Linse im allgemeinen durch:

al = 0,82 λ /NA ... (24)

-ΜΙ worin: \ =Wellenlänge des Lasers.

Es ist zu beachten, daß al den Durchmesser eines Krei-

2
ses einer Intensität von 1/e darstellt, wenn die Intensität im Zentrum des Flecks zu 1 definiert ist (vgl. Fig. 11). Wenn vorausgesetzt wird, daß der Strahlfleck dem durch die Objektivlinse 50 gebildeten Strahlenschnittpunkt (beam waist) entspricht, ergibt sich eine Größe ad des auf den Lichtempfangsflächen oder der Abbildungsebene der zweiten Photodetektoreinheit 70 im Scharfstellzustand erzeugten Strahlenschnittpunktbilds anhand des Transversalmultiplikationsfaktors m des Linsensystems mit den Linsen 50 und 66 wie folgt:

ad = mal = O,82mA/NA .... (25)

Die Fleckform ändert sich auf die nachstehend beschriebene Weise, wenn die Lichtabschirmplatte G2 im Strahlengang angeordnet ist. Wenn zunächst die Lichtabschirmplatte 62 nicht im Strahlengang angeordnet ist und parallele Lichtstrahlen gleichmäßiger Intensität, d.h. mit einer Intensitätsverteilung rec(X/a), auf die Projektionslinse 66 fallen, entsteht auf den Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70.

ein Muster mit einer Amplitude a sin c(aC): die Fourier-transformiert worden ist. Somit gilt:

F{rect(x/a)} = a sin c(a£) Die Intensität IO bestimmt sich zu: 10 = |a sin ο(8ζ)|²

A²S² ...(26)

Unter diesen Bedingungen sei angenommen, daß sich die Lichtabschirmplatte 62. im Strahlengang befindet und auf die in Fig. 13 dargestellte Weise die Hälfte der Lichtstrahlen abgeschirmt wird. Dabei besitzt das auf den

B Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit gebildete Muster eine Amplitudenverteilung ξ , die erhalten wird durch

Fourier-transformiert zu:
10

Demzufolge bestimmt sich eine Intensitätsverteilung Ik wie folgt:

Ik = sin²Ua£/2)/Tr²C²

= (a²/4)sin c²(a£/2) ...(27)

Aus einem Vergleich der Gleichungen (26) und (27) geht hervor, daß dann/ wenn die Hälfte der parallelen Lichtstrahlen durch die Lichtabschirmplatte 62 abgeschirmt ist, die zentrale Position oder Lage des Flecks sich nicht ändert, die. F.leckgröße sich aber verdoppelt. In einem eindimensionalen Modell, wobei das Verhältnis der nicht abgeschirmten, sondern durch die Lichtabschirmplatte 62 durchgelassenen Lichtstrahlen mit R bezeichnet ist, vergrößert sich demzufolge die Fleckgröße um das 1/R-fache. Wenn dementsprechend in einem eindimensionalen Modell die Lichtabschirmplatte 62 in den Strahlengang eingefügt ist und das Licht im Verhältnis R (Flächenverhältnis) übertragen wird, entsteht auf den Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70 ein Strahl-Fleck, der in der Richtung parallel zur Einfügungsrichtung der Abschirmplatte 62 einen nachstehend definierten, vergrößerten Durch-

messer ak besitzt:

ak = ad/R = 0,82mA /R-NA ... (28)

Die den Außenumfang oder -rand der einen Durchmesser A besitzenden Objektivlinse 50 passierenden Lichtstrahlen werden zu einem Punkt auf den Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70 gerichtet, der sich in einem Abstand D von der optischen Achse befindet, wenn in Gleichung (23) y = A/2 eingesetzt wird:

D(6) = +mA/(fO+b)6 _ ₍₂₉₎

Wie aus einem Vergleich der Gleichungen (28) und (29) hervorgeht, nimmt die Meßempfindlichkeit ab, wenn der Abstand zwischen der optischen Achse und dem Punkt auf der Photodetektoreinheit 70, auf den die durch den äußeren Rand der Objektivlinse 50 hindurchtretenden Lichtstrahlen fallen, kleiner ist als der Radius des auf den lichtempfindlichen Bereichen der zweiten Photo detektoreinheit 70 entstehenden Beugungsmusters. Unter den Bedingungen gemäß folgenden Gleichungen (30) und (31) verringert sich somit die Meßempfindlichkeit folgt:

JD(5) I < ak/2 . .. (30)

Demzufolge gilt:

|A6/(fO+b)| < O.A1X/R»NA ,·,-,* ⁼ * · · ' ' *

Wenn die zu erfassende Mindestdefokussiergröße 5c vorgegeben ist, lassen sich ein Verhältnis H (Flächenverhältnis) , bei dem die Lichtabschirmplatte 62 in den Strahlengang eingefügt ist, und sein bzw. ihr übertra-

gungsverhältnis R'(wie folgt) bestimmen:

|A6c/(fO+b)-| > 0.41X/R.NA

R >' 0.41λ(ίΟ+ο)/(ΝΑ·Α·δο) (32)

Demzufolge gilt

R + H = 1 (die Lichtstrahlen werden vollständig abgeschirmt/ wenn R = O und H = 1) .
10

Wenn der Abstand zwischen dem Hauptpunkt der Objektivlinse 50 an der Seite der optischen Platte 12 und dem Fokussierpunkt (Strahlenschnittpunktposition) mit F vorgegeben ist, läßt sich die Ungleichung (32) nach Maßgabe der Bedingung F = fO+b wie folgt umschreiben:

R> (O,4UF)/(NA-A6c)

Wenn das Verhältnis R auf vorher angegebene Weise vorgegeben oder festgelegt ist, tritt auch im nahezu erreichten Scharfstellzustand (almost just in-focusing state) die Beugungswirkung nicht auf. Infolgedessen kann eine hohe Defokussier-Meßempfindlichkeit gewährleistet werden.

Wie erwähnt, kann die Lichtabschirmplatte 62 durch eine Blende oder Apertur, einen Schlitz, ein Prisma, einen Spiegel, eine Linse o.dgl. ersetzt werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß R für das Verhältnis des Lichts, das durch die Lichtabschirmplatte 62 längs der eindimensionalen Richtung durchgelassen wird, zum gesamten einfallenden Licht steht. Wenn die Photodetektoreinheit zur Erfassung des Defokussierzustands so angeordnet ist, daß sie die durch den Spiegel oder das Prisma anstelle der Lichtabschirmplatte 62 reflektierten oder gebeugten

Lichtstrahlen empfängt, gilt das Verhältnis R längs der eindimensionalen Richtung, die der Richtung entspricht, längs welcher ein Teil der Lichtstrahlen durch den Spiegel extrahiert bzw. abgelenkt wird, oder aber der Richtung, längs welcher die Lichtstrahlen gebeugt werden*

Im folgenden ist eine maximale Defokussiertoleranz beschrieben, über die hinaus die Defokussiergröße 5c nicht erfaßt zu werden braucht. Wenn der eine gleichmäßige Lichtintensität besitzende Laserstrahl auf die Objektivlinse 50 geworfen und (durch diese) auf die lichtreflektierende Fläche 24 der optischen Platte 12 konvergiert wird, besitzt dieser Konvergenzpunkt eine Lichtintensitätsverteilung, die mit dem durch die Bessel-Funktion dargestellten Beugungsscheibchen-Muster vorgegeben ist. Dieses Muster besitzt einen Durchmesser

2 al = Ο,82λ/ΝΑ, das eine Intensität von 1/e liefert, wenn die zentrale Lichtintensität mit 1 vorgegeben ist, wie dies durch Gleichung (32) dargestellt ist, in weleher NA die numerische Apertur der Objektivlinse und λ die Wellenlänge des Laserstrahls bedeuten.

Eine Lichtintensität an der optischen Achse auf einer Ebene, die um den Abstand Z vom Konvergenzpunkt entfernt ist, bestimmt sich bekanntlich durch:

I(Z) = IOisin.cüU/^'CKlA· Ζ/λ)]}² (32)

Ein Abstand ΔΖ zwischen dem Konvergenzpunkt und einer vorgegebenen Stelle, an welcher die zentrale Lichtintensität 80 % der zentralen Lichtintensität am Konvergenzpunkt entspricht, wird allgemein als Schärfentiefe (focal depth) definiert und bestimmt sich wie folgt:

_ΔΖ = +λ/2 CNA)² (33)

■■ ■

Mit dem optischen Abtastkopf werden zur Aufzeichnung von Informationen auf der optischen Platte 12 mit dem Laserstrahl hoher Lichtintensität oder Leistung in der lichtreflektierenden Schicht 24 Grübchen (pits) ausgebildet.

Erfindungsgemäß wird festgestellt, daß die maximale Toleranz für die Defokussiergröße 5c praktisch der Schärfentiefe (focal depth) gleich ist. Demzufolge läßt sich folgende Gleichung aufstellen:

6c = +λ/2(ΝΑ)² (34)

Dieselben Überlegungen, wie vorstehend beschrieben, lassen sich anwenden, wenn ein Laserstrahl ohne gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung, aber mit Gaußscher Verteilung, auf die Objektivlinse 50 geworfen wird. Mit anderen Worten: ein Punktradius G)-O am Konvergenzpunkt bestimmt sich dabei wie folgt:

ωθ = (2/τΟ(λ/ΝΑ) (35)

Ein Radius CO(Z) des Strahlflecks der im Abstand Z vom Konvergenzpunkt entfernt ist, bestimmt sich wie folgt:

ωίΖ) * ωθΛ + (λΖ/πωΟ²)² ₍₃₆₎

Die der maximalen Defokussiertoleranz <5c entsprechende Schärfentiefe J^L ergibt sich nach folgender Gleichung:

ΔΖ = 6c = +λ/ΐΐ(ΝΑ)² ₍₃₇₎

Die Defokussiergröße 6c sei nun von einem anderen Standpunkt aus betrachtet. Wenn die lichtreflektierende Schicht (Aufzeichnungsschicht) 24 der optischen Platte 12 Bedingungen wie bei der Ausbildung der Grübchen un-

■■ -.

terworfen ist, ist es sehr schwierig, die Aufzeichnung vorzunehmen, wenn eine Defokussierung unter Vergrößerung der Fleckgröße und Verringerung der zentralen Lichtintensität des Strahlflecks auftritt. Die Fleckgröße al auf der lichtreflektierenden Schicht 24 im Fokussier- oder Scharfstellzustand ist durch Gleichung (24) vorgegeben. Wenn in diesem Fall die Intensitätsverteilung der Gaußschen Verteilung ähnelt oder gleicht, bestimmt sich der Radius ü) (Z) des Strahlflecks auf der lichtreflektierenden Schicht 24 im Defokussierzustand nach folgender Gleichung:

J²CZ) = ωΟ²{1 + (λΖ/πωΟ²)²}

= ωθ²ίΐ + ((ΝΑ)²/0.17ττλ)²·Ζ²} ...(38)

In diesem Fall verringert sich die zentrale Lichtintensität des Strahlflecks wie folgt:

I = ίωΟ/ω(Ζ)}² ...(39)

Wenn eine zentrale Mindest-Lichtintensität des Strahlflecks, die (noch) eine Aufzeichnung zuläßt, mit Imin bezeichnet wird, so gilt

Imin £ { 1 + (£NA]²/0. 17TtX)²^Z²)-¹ ...(4O)

Demzufolge gilt:

1 + ([ΝΑ]²/0.17πλ)².Ζ² < 1/Imin 30

([NA]²/0.17irX)²rZ² <. -1/Imin -

< {0.17nX/(NA)²}/l/Imin - 1 ...(41)

Nachstehend sei folgendes vorausgesetzt: Aa =0,83 μπι, NA = 0,6 und Imin = 0,7.

Die obige Ungleichung kann (dann) wie folgt umgeschrieben werden:

Uc| = 2 £ (0,44/0,363/0.4286 = 0,81 ym

Wenn andererseits vorausgesetzt werden: Λ = 0,83 μπι, NA = 0,5 und Imin =0,7, so gilt

|Z| £ (0,44 χ 0,363/0,25 = 1,16 ym

Die Defokussiertoleranz öc liegt mithin im Bereich von 0,5 bis 2,O μπι.

Wenn die Mindestdefokussiergröße 5c in den Nenner von Gleichung (22) eingesetzt wird, wird die Beziehung h3 = RO erhalten. Somit läßt sich folgende Gleichung (42) aufstellen:

RO = 2my6c/(F^±26c) ... (42)

In obiger Gleichung bedeutet RO = Radius des Strahlflecks auf den Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit 70 für den Fall, daß die Lichtabschirmplatte 62 im Defokussierzustand gemäß Fig. 14 in das optische System eingesetzt ist. Es ist-zu beachten, daß die Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit 70 auf der Abbildungsebene des durch die Objektivlinse 50 gebildeten Strahlenschnittpunkts angeordnet sind, so daß im Scharfstellzustand das Strahlenschnittpunktbild (beam waist image) auf den Lichtempfangsflächen erzeugt bzw. abgebildet wird. In Gleichung (42) stehen F für den Abstand zwischen dem Fokussierpunkt (Strahlenschnitt-

punktstelle) und dem Hauptpunkt der Objektivlinse an der Seite des DatenaufZeichnungsträgers,

y für den Radius der Austrittspupille der Objektivlinse oder den Radius ihrer Apertur, m für die Vervielfachung oder Vergrößerung (Transversalmultiplikation) des fokussierten Bilds auf der Photodetektoreinheit und 6c für die Defokussiertoleranz (Abweichungstoleranz eines Abstands zwischen der Standard-Objektivlinse und der Lichtreflexionsschicht).

Wie aus Fig. 14 hervorgeht, kann der Defokussierzustand sicher und genau erfaßt werden, sofern sich der Strahlfleck nicht teilweise außerhalb der lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2 befindet. Die Photodetektoreinheit 70 muß eine große Meßfläche eines großen Radius besitzen, der größer ist als derjenige eines wie folgt festgelegten Kreises:

RO = {2my/(F+6c)} χ 6c (5c = vorzugsweise 0,002 mm)

Es sei nunmehr angenommen, daß die Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit 70 so angeordnet sind, daß sie von einer Ebene (d.h. der Abbildungsebene) abweichen, auf welcher ein Strahlenschnittpunktbild durch die Objektivlinse 50 und die Projektionslinse 66 abgebildet wird.

Wenn ein Lichtstrahl eines kreisrunden Querschnitts von gleichmäßiger Verteilung auf die Linse des Detektor- oder Meßsystems fällt, bestimmt sich die Schärfentiefe (focal depth) Z des Fokussiersystems zu Z = (1/2)(f/a) Λ- Wenn dagegen Licht mit Gaußscher Verteilung auf die Linse des Meßsystems fällt, bestimmt

2 sich dieselbe Größe Z zu Z = (1/τχ) (f/a) λ. In diesen Beziehungen stehen f für die Brennweite der Meßsystem-

linse in Form einer Einzellinse oder eines Kittglieds, a für den Radius eines einfallenden Strahlflecks am vorderseitigen Hauptpunkt (an der Seite der Objektivlinse) der Linse (oder einer Linsengruppe) zur Erfassung des Fokussier- oder Scharfstellzustands und λ für die Wellenlänge des verwendeten Lichtstrahls. Die Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit können daher in einem die Schärfentiefe Z übersteigenden großen Ausmaß versetzt sein. In der Praxis ändert sich die Intensitätsverteilung des auf die Linse des Meßsystems fallenden Lichtstrahls in Abhängigkeit von den Arten der optischen Systeme. In jedem Fall müssen die Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit 70 um einen

größeren Betrag als Z = (1/n)(f/a) λ versetzt sein.

Der Einfluß der Lichtbeugung auf die Defokussier-Meßempfindlichkeit ist im folgenden anhand der Fig. 15A bis 15C beschrieben. In diesen Figuren bezeichnen die Ziffer 7OA eine Photodetektoreinheit, die an einer Stelle zwischen der Projektionslinse 66 und ihrem Brennpunkt angeordnet ist, und die Bezugsziffer 7OB eine Photodetektoreinheit, die an einer Stelle hinter dem Brennpunkt der Projektionslinse 66 vorgesehen ist. Im Fall einer geringen Defokussierung wird ein halbkreisförmiger Fleckabschnitt eines Radius h3 = 2mrö/(fO+b) (mit r = Radius der Apertur der Objektivlinse 50) auf der in der Abbildungsebene angeordneten Photodetektoreinheit 70 abgebildet, wie dies aus obiger Gleichung (23) hervorgeht. Dieser halbkreisförmige Fleckabschnitt wird zur Bestimmung des Defokussierzustands durch den einen photoempfindlichen Bereich erfaßt. Im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand besitzt dieser halbkreisförmige Fleckabschnitt gemäß obiger Gleichung (28) eine Fleckgröße von O,82mA/R*NA aufgrund des Einflusses der Lichtbeugung.

Aus diesem Grund wird die Meßempfindlichkeit in der Nähe

des Scharfstellzustands, d.h. in dem durch obige Gleichung (31) vorgegebenen Bereich beeinträchtigt. Diese Erscheinung läßst sich physikalisch wie folgt erklären.

Beim optischen System gemäß Fig. 15A bis 15C besitzen die aus der Objektivlinse 50 austretenden und zur Projektionslinse 66 gerichteten Lichtstrahlen nicht tatsächlich oder eigentlich eine gleichmäßige Intensität, sondern vielmehr eine Gaußsche Verteilung, wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Demzufolge fallen die Lichtstrahlen mit der Verteilung gemäß Fig. 16 auf die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70. In Fig. 16 entspricht die durch die gestrichelte Linie I angegebene Bahn bzw. der betreffende Strahlengang einem Fall, in welchem die Lichtabschirmplatte 62 gar nicht in den Strahlengang eingeschaltet ist. Die durch die ausgezogene Linie II angegebene Bahn bzw. der betreffende Strahlengang entspricht einem Fall, in welchem die Lichtabschirmplatte 62 in den Strahlengang eingeschaltet ist. Im Scharfstellzustand befinden sich die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70 in der Position XO. Im Defokussierzustand befinden sich dagegen die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70 in einer Stellung X1 oder X2. Aus Fig. 16 geht hervor, daß beim Auftreten einer geringfügigen Defokussierung die Meßempfindlichkeit der zweiten Photodetektoreinheit 70 kleiner ist als die geschätzte oder vorausgesetzte Größe. In einem Zustand in der Nähe des Scharfstellzustands, d.h. bei geringfügiger Defokussierung, sind die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit zwischen den Stellungen X1 und X2 verschoben. In diesem Bereich ändert sich jedoch eine Projektionsposition der Lichtstrahlen II nur geringfügig und der Meßfehler ist außerordentlich klein im Vergleich zu demjenigen, der

30

sich dann ergibt/ wenn die Lichtempfangsflachen der zweiten Photodetektoreinheit 70 außerhalb des Bereichs zwischen den Stellungen X1 und X2 liegen. Innerhalb dieses Bereichs ist auch der Divergenzwinkel der Lichtstrahlen I int Vergleich zu dem Fall klein, in welchem die genannten Lichtempfangsflächen nicht innerhalb dieses Bereichs liegen. Wie sich aus den Bahnen der Lichtstrahlen I und II gemäß Fig. 16 ergibt, weicht das auf den Lichtempfangsflächen der Photodetektoreinheit abgebildete Muster entsprechend der Defokussiergröße δ längs der Einfügungsrichtung der Lichtabschirmplatte 62 ab und erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zu dieser Einfügungsrichtung.

Im folgenden sei die Lagenabweichung der zweiten Photodetektoreinheit 70 vom Brennpunkt der Objektivlinse 50, die in einem idealen, vom Einfluß der Wellenoptik freien Verhalten resultiert, betrachtet. Im allgemeinen ist die Lichtintensitätsverteilung am Konvergenzpunkt je nach dem verwendeten optischen System verschieden. Im folgenden sei jedoch ein Fall des optischen Systems mit Gaußscher Verteilung betrachtet. Wenn der Strahlfleckradius am Konvergenzpunkt (Strahlenschnittpunkt) der Projektionslinse 66 mit tu_Q und die Wellenlänge des Lichts

mit λ bezeichnet werden, bestimmt sich ein Strahlfleckdurchmesser 6J(Z) an einer Stelle im Abstand Z von diesem Fokussierpunkt (Strahlenschnittpunkt) nach der bereits genannten Gleichung (36):

(λΖ/ιτω₀ ²)² ...(36)

Wenn Z vergleichsweise groß ist, läßt sich eine Näherung wie folgt erreichen:

35

ω(Ζ) = ω_ο/ΐ + (λΖΑω₀ ²)²

= λΖΑω₀ + (ΐ/2)(ττω_ο ³/λΖ) ...(43)

Der erste Ausdruck dieser Gleichung gibt das geometrisch/ optische Verhalten an, während der zweite Ausdruck die Fleckausdehnung aufgrund der Wellenoptik angibt. Wenn daher die Größe des ersten Ausdrucks das Vierfache oder mehr des zweiten Ausdrucks beträgt, wird praktisch ein geometrisch/optisches Verhalten erzielt. Unter der Voraussetzung von

λΖΑω₀ > 4 χ (1/2)(ττω_ο ³/λΖ)

läßt sich aus

Z² > 2C™ * ableiten:

Z >. /2 x TTu)₀ ²A ...(44)

Wenn der Radius eines durch die Objektivlinse 50 gebildeten Strahlflecks mit u* und die Abbildungs-Transversal- bzw. -Quermultiplikation des optischen Systems mit m bezeichnet werden, wird beim optischen System gemäß Fig. 17 bis 20 der Radius (u_q des durch die Projektionslinse 66 gebildeten Strahlenschnittpunkts etwa gleich moüQ*. Eine ideale theoretische Größe wird durch Berechnung von ω '= O,41nv\/NA unter Verwendung der durch

Gleichung (24) vorgegebenen Gleichung G>₀* = al/2 = Ο,41λ/ΝΑ sowie der Beziehung Z > \/2π«₀ /λ erhalten.

Beim optischen System gemäß Fig. 4 und 20 oder dem gemäß Fig. 21A und 21B kann ein idealer theoretischer Wert bzw. eine ideale theoretische Größe abgeleitet wer-

den aus der durch Gleichung (28) vorgegebenen Beziehung U) * - ak/2 = O,41mA/R'NA sowie der Beziehung Z >_ \/2π co ₀ ' /λ ·

Im folgenden sind die in Fig. 17 bis 20 dargestellten optischen Systeme kurz erläutert. Beim optischen System gemäß Fig. 17 fallen die optischen Achsen der Objektivlinse 50 und der Projektionslinse 66 nicht zusammen, sondern kreuzen bzw. schneiden einander. Beim optisehen System gemäß Fig. 18 werden ein Spiegel 82 und eine Sammellinse 84 anstelle der Lichtabschirmplatte 62 verwendet. Im optischen System gemäß Fig. 19 wird der einen von der optischen Achse entfernten Bereich passierende Laserstrahl auf die Objektivlinse 50 geworfen. Beim optischen System gemäß Fig. 20 ist anstelle der Lichtabschirmplatte 62 ein Doppelprisma (biprism) 86 vorgesehen. Diese optischen Systeme sind in den eingangs genannten Veröffentlichungen, auf die hiermit bezüglich der Einzelheiten bezug genommen wird, genauer beschrieben. Beim optischen System gemäß Fig. 21A und 21B ist zwischen Projektionslinse 66 und Photodetektoreinheit 70 eine Zylinderlinse 88 angeordnet. Die Längsrichtung der Projektionslinse 66 liegt parallel zur Einfügungsrichtung der Lichtabschirmplatte 62. Dieses optische System ist in der USA-Patentanmeldung Ser.No. 416 694 (10.9.1982,) und in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 821Ο8269.Ο (8.9.1982) beschrieben, auf die hiermit wegen der Einzelheiten bezug genommen wird.

Da Z = (f/a) Λ gilt, wird folgende Gleichung (45) erhalten:

.(f/a)²X > /2ττω_ο ²/λ ... (45)

Diese Gleichung (45) sei im folgenden näher betrachtet.

Wenn parallele Lichtstrahlen einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand auf die Linse der Meßanordnung fallen, und dabei ein Konvergenzwinkel mit 2Θ bezeichnet wird, bestimmt sich der Durchmesser dO des Strahlflecks am Fokussierpunkt durch

dO = 2 ω ₀ = 2 λ/τιθ

Wenn der Winkel θ ausreichend klein ist, ergibt sich aus θ = a/f

(IA)CfA) λ = ITu)₀ /λ < /2πω_ο ²/λ < /2πω_ο'²/λ

Darin bedeutet: <«J ' = Strahlfleckradius bei Anwendung von Gleichung (37).

Wenn die zweite Photodetektoreinheit 70 in einer von der Abbildungsebene im Scharfstellzustand abweichenden (deviated) Stellung angeordnet ist, kann sie längs der optischen Achse auf die Projektionslinse zu oder von ihr weg verschoben werden. Wenn jedoch die zweite Photodetektoreinheit 70 zur Meßsystemlinse oder zur Projektionslinse 66 hin verschoben wird, erhält die gesamte Vorrichtung einen kompakteren Aufbau.

Nachstehend ist ein in Fig. 22A dargestelltes optisches System beschrieben. Dabei ist die zweite Photodetektoreinheit 70 ein beträchtliches Stück gegenüber dem Brennpunkt der Projektionslinse 66 verschoben, und ein Spurführungs- oder -verfolgungsfehler wird durch eine einzige Photodetektoreinheit 70 erfaßt. Bei diesem optischen System umfaßt die Photodetektoreinheit 70 gemäß Fig. 22B vier lichtempfindliche Bereiche 78-1A, 78-1B, 78-2A und 78-2B. Wenn die Meßsignale von diesen lichtempfindlichen Bereichen 78-1A - 78-2B mit S1, S2, S3

-9

bzw. S4 bezeichnet werden, wird zur Bestimmung einer Defokussiergröße die Berechnung von

(S2+S4) - (S2+S3)

elektrisch ausgeführt, und die Berechnung von

(S1+S2) - (S3+S4)

wird zur Erfassung eines Spurführungsfehlers elektrisch ausgeführt. Bei diesem System wird daher zur Bestimmung oder Erfassung des Spurführungsfehlers das "Gegentaktverfahren" angewandt. Insbesondere wird dabei ein von der lichtreflektierenden Schicht oder Aufzeichnungsschicht 24 der optischen Platte 12 mit einem feinen erhabenen oder vertieften Muster reflektiertes Lichtbeugungsmuster zur Bestimmung eines etwaigen Spurführungsoder -Verfolgungsfehlers elektrisch abgegriffen. Wenn sich jedoch bei Anwendung des "Gegentaktverfahrens" die lichtempfindlichen Flächen der Photodetektoreinheit 70 an der Stelle der Ausbildung eines Fernfeldmusters für die lichtreflektierende Schicht 24 befinden, wird ein großes Spurführungsfehler-Meßsignal erhalten. Wenn sich dagegen die Photodetektoreinheit 70 an der Stelle des Abbildungsmusters befindet, wird nahezu kein Spurführungsfehler-Meßsignal erhalten. Im optischen System gemäß Fig. 22B ist daher die Photodetektoreinheit 70 vorzugsweise dicht an der Stelle der Ausbildung des Fernfeldmusters angeordnet. Bei einem optischen System mit der zuletzt genannten Anordnung und bei dem Defokussiergröße und Spurführungsfehler gleichzeitig erfaßt werden, verursacht jedoch eine an der Fernfeldebene entstehende Störung, wenn der Laserstrahlfleck die durchgehende .Spurführung kreuzt, eine Störung des Defokussier-Meßsignals, wodurch die Meßempfindlichkeit für den Defokus-

sierzustand verschlechtert wird. Dieser Nachteil tritt im optischen System gemäß Fig. 22A auf. Die Photodetektoreinheit 70 darf daher nicht auf der Fernfeldebene angeordnet sein. Zahlreiche durchgeführte Versuche haben bestätigt, daß auch dann, wenn der Laserstrahlfleck die eine erhabene oder vertiefte Form besitzende Spurführung auf der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 kreuzt, ein möglicherweise die Erfassung des Defokussierzustands ungünstig beeinflussendes Fehlersignal nicht erzeugt wird. Wenn die Fernfeldebene (far field plane) dem Fraunhofersehen Bereich entspricht, muß die Photodetektoreinheit 70 an einer Stelle angeordnet sein, die dichter an der Abbildungsebene liegt als die Grenzfläche zwischen dem Fresnelschen Bereich und dem Fraunhofersehen Bereich. Wenn die Fleckgröße dO am Brennpunkt der Projektionslinse 66 als Breite oder Weite (Durchmesser) definiert wird, bei welcher die Inten-

sität zu 1/e wird (wobei die zentrale maximale Intensität gleich 1 ist), besitzt der tatsächliche Strahlfleck eine Größenausdehnung von etwa 3,9dO. Die Größe von 3,9dO entspricht dem den Dunkelring außerhalb der Spitzen oder Peaks zweiter Ordnung des Airyschen Musters einschließenden Bereich. Da sich die Grenzfläche (boundary) zwischen dem Fraunhoferschen und dem Fresnelschen Bereich für das Muster mit einer solchen Ausdehnung ungefähr durch (3,9dO) /A bestimmt, ist der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Projektionslinse 66 und der Photodetektoreinheit 70 im Scharfstellzustand

vorzugsweise kleiner als mindestens (3,9dO) /Λ.

Im folgenden sei das Strahlfleckverhalten auf der Photodetektoreinheit im Defokussierzustand untersucht. Die Gleichungen bis zur Gleichung (23) gelten für einen Fall, in welchem die zweite Photodetektoreinheit 70 an der Abbildungsebene auf der lichtreflektierenden Schicht 24

der optischen Platte 12 angeordnet ist. Auf ähnliche Weise lassen sich nun Gleichungen für einen Fall ableiten, in welchem die zweite Photodetektoreinheit 70 an einer von der Abbildungsebene auf der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 abweichenden Stelle angeordnet ist. Das gesamte optische System wird dabei als Kittglied behandelt. Im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand, wenn nämlich der Brennpunkt der Objektivlinse 50 mit der Schicht 24 der optischen Platte 12 koinzidiert, bestimmt sich der Abstand AO zwischen dem hinteren Hauptpunkt des Kittglieds und seinem Brennpunkt nach Gleichung (15) wie folgt:

AO = f*(l+m) (46)

15

Darin bedeuten: m = Transversal- oder Quermultiplikationsfaktor und f = Brennpunkt der Kittglieds. Wenn die Photodetektoreinheit an einer Stelle in einem Ab-.stand A zum Kittglied angeordnet ist, bestimmt sich der Abstand A zwischen dem hinteren Hauptpunkt des Kittglieds und der Photodetektoreinheit 70 durch:

A = AO - Δ . '

= f*(l+m) - Δ ...U7)

25

Wenn Gleichung (47) in Gleichung (21) eingesetzt wird, ergibt sich:

30

h2 = h* -Aß2

= βθί+Δ/m - (+Π)+ΔΛ*)·2δ)

Durch Einsetzen von Gleichung (20) in diese Gleichung erhält man:

h2 = {+Δ/m - (+m+A/f*)«26}«{y/[fO+(l-a/fO)(26+b)]} !

ob

Obige Gleichung (48) läßt sich auf einen vergleichsweise weiten Bereich optischer Systeme für die Erfassung des Defokussierzustands anwenden und als allgemeine Formel einsetzen. Wenn in Gleichung (48) Δ = O vorausgesetzt wird, ergibt sich Gleichung (21). Wenn in Gleichung (48) Δ = O und b = O vorausgesetzt wird, erhält man Gleichung (10).

Im folgenden sei der Zustand dicht am Scharfstellzustand betrachtet. Wenn der Radius der Apertur der Objektivlinse 50, d.h. der Austrittspupille, mit r bezeichnet wird, wird a auf 0 gesetzt, und wenn der Abstand zwi~ sehen dem näher an der optischen Platte 12 gelegenen Hauptpunkt der Objektivlinse 50 und dem Konvergenzpunkt (Strahlenschnittpunkt) so gewählt ist, daß er der Bedingung F = fO+b und F = 26 *= F (δ « F) genügt, läßt sich obige Gleichung (48) umschreiben zu:

h2 = {+Δ/m + (+m+A/f*) χ 26)t/F} ...(49)

Die obige Gleichung (49) gibt den Abstand zwischen dem Zentrum des Strahlflecks auf der Photodetektoreinheit längs der optischen Achse und seinem Außenumfang an. Wenn daher die Gesamtfläche der lichtempfindlichen Bereiche der Photodetektoreinheit 70 nicht größer ist als die Fläche eines Kreises mit dem durch folgende Beziehung bestimmten Radius

|h2| = r/Fi+Δ/π) + C+m+A/f*) x 26c},

erstreckt sich der Strahlfleck auf der Photodetektoreinheit 70 für eine vorgegebene Defokussiertoleranz öc aus den (angegebenen) Bereichen heraus, und ein Meßausgangssignal wird gedämpft. Wenn vorausgesetzt wird, daß I öc I w 2,0 um gilt, ergibt sich, da allgemein m» Δ/f* gut,

für Δ > O anhand von δ = + | 6c I Ih2l ist größer, wenn δ = —|öc|gilt.

Im Fall von Δ < O ist jedoch gemäß δ = — | 6c J Ih2 I größer, wenn δ = +|δο| gilt.

Eine Bedingung zur Erzielung einer maximalen Größe von I h2 I im Fall von | 6c J fti- 2,0 μπι ergibt sich zu:

^Rd = l^h2| = r/FiUI/m + (m+U|/f*) χ 2|fic[}

Sofern die Photodetektoreinheit lichtempfindliche Bereiche eines Radius von nicht weniger als Rd aufweist, kann infolgedessen selbst beim Auftreten einer Defokussierung von I 6c | = 2,0 μπι der Strahlfleck sich nicht über die Photodetektoreinheit 70 hinaus ausdehnen, so daß ein Meßausgangssignal nicht gedämpft wird.

Im folgenden sei die zulässige Verschiebungsgröße Δ der Photodetektoreinheit 70 berechnet. Hierbei sei eine Bedingung a = 0 betrachtet. Mit anderen Worten: es sollen nur die Bahn der Lichtstrahlen in einem.Abstand y von der optischen Achse und in einem Abstand a von der Objektivlinse 50 sowie der Zustand dicht am Scharfstellzustand (δ = 0) betrachtet werden. Unter der Voraussetzung von F = fO+b läßt sich daher Gleichung (45) umschreiben zu:

h2 = {+Δ/m + (Tm+A/f*)'26}{y/(fO+b)} |

= {+Δ/m + (+m+A/f*)-26}Cy/F) ...(50) ;

Dies bedeutet, daß bei der Defokussierungsgröße δ die Lichtstrahlen auf der Einheit 70 um eine Strecke entsprechend

U+m+A/f*) x 2y6)/F

verschoben sind oder werden und die Defokussierung erfaßt wird. Wenn jedoch die Photodetektoreinheit an einer Stelle angeordnet ist, die von der Abbildungsebene für die lichtreflektierende Schicht 24 der optischen Platte 12 abweicht, verschiebt sich der Laserstrahlfleck auf der Photodetektoreinheit aufgrund eines lotrechten Versatzes der optischen Platte 12 o.dgl.. In diesem Fall wird fehlerhaft oder irrtümlich der Defokussierzustand erfaßt, auch wenn sich das optische System im Fokussier- oder Scharfstellzustand befindet. Der Versatz des Strahlflecks wird somit berechnet. Der Neigungswinkel der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 in bezug auf ihre waagerechte Lage ist mit θ angegeben. Wenn die längs der optischen Achse der Objektivlinse 50 verlaufenden Hauptlichtstrahlen von der optischen Platte 12 reflektiert werden und die vordere Hauptebene der Objektivlinse 50 erreichen, bestimmt sich die Verschiebung oder Abweichung r\ des Strahlflecks im Scharf stellzustand durch:

α = 2©f

worin F den Abstand zwischen dem vorderen Hauptpunkt der Objektivlinse 50 und der Abbildungsebene auf der optisehen Platte 12 bedeutet. Wenn der Radius der Austrittspupille oder Apertur der Objektivlinse 50 mit r bezeichnet wird, bestimmt sich ein Verhältnis ρ der Strahlverschiebung auf der Objektivlinse 50 durch:

P= n/r = 2eF/r

Anhand der geometrisch/optischen Charakteristika bestimmt sich die Abweichung ξ der Hauptlichtstrahlen auf der Photodetektoreinheit 70 nach Gleichung (50) zu:

ζ / XP= 4-2ΘΔ/ΓΠ ...(51)

Im folgenden sei die Toleranz (allowance) der Defokussiergröße 6c bei geneigter oder schräggestellter optischer Platte 12 behandelt. Die Verschiebungsgröße Hc des Außenumfangs oder -rands des Strahlflecks auf der Einheit 70 ist durch folgende Gleichung gegeben:

Hc = 2r6c χ [+m+A/f*)/F ... (52)

Ein Vergleich der Gleichungen (51) und (52) zeigt, daß die Abweichung ξ des Strahlflecks auf der Photodetektoreinheit 70 (durch Gleichung (51) vorgegeben) eine Größe zeigt, wenn die Apertur der Objektivlinse 50 unendlich groß ist. In der Praxis wird jedoch das von der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 reflektierte Licht durch eine endliche Größe der Apertur oder Pupille der Objektivlinse 50 begrenzt. Die Lichtstrahlen werden weiterhin durch eine Messerkante, ein Prisma, einen Spiegel o.dgl. begrenzt, d.h. beschnitten. Aus diesem Grund verschiebt sich der auf die Photodetektoreinheit 70 fallende Fleck nicht sehr stark, vielmehr ändert sich die Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlflecks. Gleichung (52) berücksichtigt eine Änderung in der äußersten Stellung des Strahlflecks auf der Photodetektoreinheit 70 im Defokussierzustand.

Wenn jedoch die Gesamtverschiebung des Strahlflecks auf der Photodetektoreinheit 70 im Defokussierzustand betrachtet wird, müssen auch die Stellungen oder Lagen der Enden der Messerkante, des Prismas, des Spiegels o.dgl. berücksichtigt werden. Die Gesamtverschiebung des Strahlflecks läßt sich daher nur anhand der Gleichungen (51) und (52) nicht bestimmen. Andererseits läßt sich jedoch eine Annäherung erreichen.

Bezüglich des Neigungswinkels θ der optischen Platte 12 in bezug auf ihre waagerechte Lage arbeitet das optische

System stabil bzw. sicher und ohne nennenswerte Defokussierung in einem Verschiebungsbereich von:

|ζ(β,Δ)| < |hc|

Wenn angenommen wird, daß in Gleichung (52) m « Δ/f* gilt/ und wenn Berechnungen unter Vernachlässigung der Neigung oder Schrägstellung, der Defokussierung oder der Abweichungsrichtung der Einheit 70 von der Abbildungsebene durchgeführt werden und vorausgesetzt wird, daß θ > O, Sc > 0 und Δ > 0 gilt, ergibt sich anhand von Gleichungen (51) und (52):

2θΔ/(π £ 2r6c χ (Tm+A/f* )/F ... (53) 15

emax = 1° = π/180 (Radiant)

Wenn diese Größe in Gleichung (52) eingesetzt wird, ergibt sich

(emax/m + r6c/f*F)A £ rm6c/F 25

und die zulässige Verschiebungsgröße Δ der Photodetektoreinheit 70 läßt sich berechnen zu:

Δ £ rm6c χ (Femax/m - yöc/f*)~

Unter der Voraussetzung von m «Δ/f* und bei Weglassung des Ausdrucks Δ/f* läßt sich Gleichung (53) umschreiben zu:

2Aemax/m <_ 2rfic χ m/F
und

Δ £ rm 6c/Femax
B

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist die Gesamtfläche der lichtempfindlichen Bereiche 78-1A, 78-1B, 78-2A und 78-2B der Photodetektoreinheit 70 größer als diejenige eines Kreises mit dem Radius RO = 2myM/(F±6c), wenn sich die lichtempfindlichen Bereiche auf der Abbildungsebene befinden. Wenn dagegen diese Bereiche längs der optischen Achse um den Betrag Δ gegenüber der Abbildungsebene verschoben sind, wird die Gesamtfläche größer als diejenige eines Kreises mit dem Radius

Rd = (r/F){jA|/m + (m+|A|/f*) χ 2| 6cj } .

Da sich somit die zweite Photodetektoreinheit 7O an einer gegenüber der Abbildungsebene oder dem Konvergenzpunkt geringfügig verschobenen Stelle befindet, erscheint das Abbildungsmuster der Informationsaufzeichnungsgrübchen in der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 auf der Photodetektoreinheit 70 klar und deutlich (scharf), ohne ein Störsignal zu erzeugen. Selbst wenn die Platte 12 verformt und der Träger geneigt oder schräggestellt ist, tritt eine Defokussierung aufgrund von Aberration der Objektivlinse 50 weniger häufig auf. Die Defokussier-Meßempfindlichkeit ist in einem Zustand oder einer Stellung dicht am Scharfstellzustand nicht beeinträchtigt, und es wird eine Meßempfindlichkeit erzielt, die praktisch dicht an der nach Maßgabe der geometrisch/optischen Charakteristika berechneten Größe liegt. Als Linse für das Meßsystem kann eine solche mit vergleichsweise großer Aberration verwendet werden, wobei auch in diesem Fall die opti-

sehen Charakteristika oder Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Wenn das Abbildungsmuster der Information der lichtreflektierenden Schicht 24 im Scharfstellzustand auf der Photodetektoreinheit 70 unscharf wird, verringert sich der Einfluß der Aberration der Linse oder der Grübchen, während die Positionier-Fehlerspanne der Einheit 70 bzw. die Defokussier-Meßempfindlichkeit verbessert wird. Wenn die Photodetektoreinheit 70 nicht bewegt wird, bis sie das Lichtbeugungsmuster der Erhebungen oder Rillen auf der lichtreflektierenden Schicht 24 empfängt, läßt sich die Erfassung des Defokussierzustands sicher und zuverlässig gewährleisten.

Wenn die Lichtempfangsfläche der Photodetektoreinheit 70 eine größere Fläche als diejenige eines Kreises mit dem Radius (r/F){ I A|/m + (m+| Aj/f* ·2| 6c|} besitzt, und selbst wenn eine Defokussierung auftritt, erstreckt sich der Strahlfleck nicht über die Einheit 70 hinaus, und das Defokussier-Meßsignal wird nicht gedämpft. Aus diesem Grund wird selbst beim Auftreten einer geringfügigen Defokussierung ein Defokussier-Meßsignal eines ausreichend großen Pegels erhalten, so daß die Lagenkorrektur der Objektivlinse 50 zur Aufhebung eines solchen Defokussierzustands einfach durchgeführt werden kann.

Wenn der Abstand Δ zwischen der Abbildungsebene im Scharfstellzustand und der Photodetektoreinheit 70 im Bereich von

U! < rmSc/CFemax/m - y6c/f* )

liegt, für ©max = π/180 und 5c = 1 [im, kann eine zuverlässige und stabile bzw. sichere Fokussierungsoperation durchgeführt werden, auch wenn die optische 35

Platte 12 eine geringfügige Neigung oder Schrägstellung oder dergleichen aufweist. Selbst wenn die optische Platte 12 bis zu ömax =1° geneigt ist, tritt eine Defokussierung bis zu 6c = 1,0 μπι nicht auf, so daß der optische Abtastkopf stabil zu arbeiten vermag.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1.)Optischer Abtastkopf zum Fokussieren eines Lichtstrahls auf eine lichtreflektierende Fläche, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einer Einrichtung zum Übertragen des Lichtstrahls, einer Objektivlinse, welche den übertragenen Lichtstrahl in einen konvergenten oder konvergierenden Lichtstrahl mit einem Strahlenschnittpunkt (beam waist) umwandelt, den Lichtstrahl auf die lichtreflektierende Fläche projiziert oder wirft und den von der lichtreflektierenden Fläche reflektierten, divergierenden Lichtstrahl konvergiert, einer Einrichtung zum Ablenken des von der Objektivlinse zum Linsensystem gerichteten Lichtstrahls in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Objektivlinse und der lichtreflektierenden Fläche, einer Einrichtung zum Konvergieren des von der Ablenkeinrichtung übertragenen Lichtstrahls zu einem Konvergenzpunkt und

einem Photodetektor mit lichtempfindlichen Bereichen, auf die der konvergierte Lichtstrahl projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (50) einen Konvergenzpunkt und eine

3Q inhärente maximale Defokussiertoleranz +_6c in bezug auf den Konvergenzpunkt aufweist und daß die lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2; 78-1A, 78-1B, 78-2A, 78-2B) des Photodetektors (70) eine Gesamtfläche besitzen, die größer ist als die Fläche eines auf dem Photodetektor (70) (ab)gebildeten Strahl-

flecks, wenn der Lichtstrahl mit der maximalen Defokussiertoleranz 6c projiziert und durch die lichtreflektierende Fläche (24) reflektiert wird.
2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2; 78-1A, 78-1B, 78-2A, 78-2B) des Photodetektors (70) am Konvergenzpunkt der Konvergiereinrichtung (66) angeordnet sind.
3. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2; 78-1A, 78-1B, 78-2A, 78-2B) eine Gesamtfläche aufweisen, die größer ist als eine Fläche eines Kreises ^g mit dem Radius RO gemäß:

RO = 2my6c/(F+26c)

worin bedeuten: F = Abstand zwischen einem an der Seite der lichtreflektierenden Schicht (24) befindlichen Hauptpunkt der Objektivlinse (50) und ihrem Konvergenzpunkt, y = Radius einer Austrittspupille oder Apertur der Objektivlinse (50) und m = eine Multiplikation des auf den lichtempfindlichen Bereichen (78-1, 78-2; 78-1A - 78-2B) (ab)gebildeten Strahlflecks.
4. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2; 78-1A, 78-1B, 78-2A, 78-2B) des Photodetektors (70)

₃Q an einem Punkt angeordnet sind, der um einen kleinen Abstand Δ vom Konvergenzpunkt der Konvergiereinrichtung (66) abweicht.
5. Abtastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, _g5 daß die lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2;

78-1A, 78-1B, 78-2A, 78-2B) eine Gesamtfläche aufweisen, die größer ist als die Fläche eines Kreises eines Radius Rd entsprechend:

Rd = Cr/FKUI/m + (m+|A|/f*) 2|6c|} 5

worin bedeuten: F = Abstand zwischen einem an der Seite der lichtreflektierenden Fläche oder Schicht (24) befindlichen Hauptpunkt der Objektivlinse (50) und ihrem Konvergenzpunkt, r = Radius einer Austrittspupille der Objektivlinse (50), m = eine Multiplikation des auf den lichtempfindlichen Bereichen (78-1, 78-2; 78-1A - 78-2B) (ab)gebildeten Strahlflecks und f = Brennweite des optischen Systems.
6. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Defokussiertoleranz 5c etwa 2,0 pm beträgt.
7. Abtastkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Defokussiertoleranz öc etwa 1 ,0 \im beträgt.
8. Abtastkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der keine Abstand Δ durch

IΔI <_ ym6c/(Femax/m - y6c/f*)

bestimmt, worin bedeuten: y = Abstand zwischen der optischen Achse (64) und einem Punkt der Hauptebene der Objektivlinse (50), an dem der Lichtstrahl durchg0 tritt, und 9max = ein Neigungswinkel einer optischen Platte (12).
9. Abtastkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der kleine Abstand ^ durch

-4- ¹ I ^ΔΙ £ rm²fic/Femax

bestimmt, worin bedeutet: ©max = ein Neigungswinkel der lichtreflektierenden Fläche (24) der optischen B Platte (12)