DE3413835A1

DE3413835A1 - Optischer abtastkopf

Info

Publication number: DE3413835A1
Application number: DE19843413835
Authority: DE
Inventors: Hideo Hino Tokio/Tokyo Ando
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1984-10-25
Also published as: US4701604A; US4656348A; NL8401136A

Description

Eu'opcar· Paten: A;: "uv Zugelassene Vt-rüt.·;· ; voi

Dr phii G Henke¹ Ι'.;κ ·■<. ■ Do:-Ing j Pfennuic Berir D^r re· na! L ^ehef '.'^.-,Cv Dipl-Ing Vv' Hanze· '.'u^r;j'it.^:i Dipt -Pnys K H Me·· ig Be^r'' Dr Ing A Bute'ibcric.r" Ber.-

Mohlstraße 37
D-8000 München BVi

Tel 089/96 2085-8' Telex 0529802IWd Telegramme ellipse cJ

MFK-59PO67-2 Hz/Id 12. April 1984

TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA,
Kawasaki, Japan

Optischer Abtastkopf

Die Erfindung betrifft einen optischen Schreib/Leseoder Abtastkopf zum Fokussieren eines Lichtstrahls für das Auslesen und Einschreiben 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 "optisehe 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 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 werden die Informationen auf optischem Wege auf einem entsprechenden Aufzeichnungsträger oder auf einem löschbaren 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. Wegen dieses Erfordernisses weist der optische Abtastkopf häufig eine Fokusdetektoreinheit zur Feststellung oder Erfassung des Fokussierzustandes des Lichtstrahls auf. Es sind auch bereits verschiedene Fokusdetektoreinheiten entwickelt worden. Beispielsweise ist in der USA-Patentanmeldung Ser.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 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 einen lichtunempfindlichen Bereich 9 sowie zwei durch letzte-

ren voneinander getrennte 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 10 festgestellt. Im genau fokussierten (just in-focusing state) 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 Berei.chen 8-1, 8-2 gelieferten Photosignale bleibt dabei praktisch auf der Größe Null. Wenn sich dagegen die Objektivlinse 2 der Aufzeichnungsschicht 11 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.

Bei der beschriebenen Fokusdetektorvorrichtung sind die beiden lichtempfindlichen Bereiche 8-1 und 8-2 durch den lichtunempfindlichen Bereich 9 (voneinander) getrennt. Wenn jedoch die Breite (Erstreckung zwischen den lichtempfindlichen Bereichen 8-1 und 8-2) des lichtunempfindlichen Bereichs 9 zu groß ist, gibt die Photodetektoreinheit 8 kein Defokussiersignal ab, auch wenn die Objektivlinse 2 unscharf eingestellt ist und ein Strahlfleck im lichtunempfindlichen Bereich 9 der Einheit 8 entsteht. Herkömmlicherweise liegt die Breite des lichtunempfindlichen Bereichs 9 innerhalb eines bestimmten (Größen-)Bereichs, doch ist die Breite dieses Bereichs 9 bisher noch nicht genügend berücksichtigt worden. Damit die Photodetektoreinheit 8 einen Defokussierzustand mit zufriedenstellender Ansprechempfind-

3 ^: 3413335

lichkeit erfassen kann, muß die Breite des lichtunempfindlichen Bereichs 9 innerhalb eines vorbestimmten Größen-Bereichs liegen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines ver besserten optischen Aufzeichnungs/Lese- oder Abtastkopfes, welcher den jeweiligen Fokussier- oder Scharfstellzustand 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 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 £>eam waist) umwandelt, den Lichtstrahl auf die lichtreflektierende Fläche projiziert oder wirft und den von der lichtreflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahl konvergiert, wobei die Objektivlinse einen Konvergenzpunkt besitzt und eine maximale Defokussiertoleranz ±pc in bezug auf den Konvergenzpunkt aufweist, einer Einrichtung zum Ablenken des von der Objektivlinse ausgehenden (directing) Lichtstrahls in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Objektivlinse und der lichtreflektierenden Fläche, einer Einrichtung zum Konvergieren des Lichtstrahls zu einem Konvergenzpunkt entsprechend dem in einem Fokussier- oder Scharfstellzustand erzeugten StrahlenschnittpunktbiId und einem Photodetektor mit zwei lichtempfindlichen Bereichen und einem dazwischen festgelegten lichtunempfindlichen Bereich, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil eines Strahlflecks durch den auf den Photodetektor geworfenen Lichtstrahl auf einem der lichtempfindlichen

Bereiche erzeugt oder gebildet wird, wenn die Objektivlinse über die maximale Defokussiertoleranz +5c (hinaus) defokussiert ist.

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 Abtastkopfes

unter Anwendung des Messerkantenverfahrens,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines optischen Systems, in welches ein optischer Abtastkopf gemäß der Erfindung einbezogen ist,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des optischen Systems für den Abtastkopf gemäß Fig. 2,

Fig. 4A bis 4C schematische Darstellungen des Strahlengangs eines Laserstrahls beim optischen System nach Fig. 3 im Scharfstellzustand sowie in verschiedenen Unscharf- oder Defokussierzuständen,

Fig. 5A bis 5D Darstellungen der Strahlfleckbilder oder -muster, die auf den lichtempfindlichen Bereichen einer Photodetektoreinheit gemäß Fig. 4A bis 4D entstehen,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der geometrischen Bahn (Strahlengang) des durch eine Objektivlinse gemäß Fig. 3 hindurchtretenden Lichts von einer Lichtquelle,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der geometrischen

-r-

Bahn des durch ein Projektionslinsensystem ge

mäß Fig. 3 hindurchfallenden Lichts von einer Lichtquelle,

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

IQ Fig. 9 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

5 entsteht,

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht einer Photodetektoreinheit,

Fig. 11A bis 11C 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. 12 eine graphische Darstellung des Strahlengangs

eines die Abbildungsebene passierenden Laserstrahls und

„Ο Fig. 13 eine Aufsicht auf die lichtempfindlichen und

-unempfindlichen Bereiche der Photodetektoreinheit.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.
35

Im folgenden ist anhand von Fig. 2 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 Schichten 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 eine 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 28 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 Linear-Stelltriebs 38 oder eines Dreharms in Radialrichtung der optischen Platte 12 bewegbar geführt. Im Inneren des optischen Abtastkopfes 36 befindet sich eine Lasereinheit 40 zur Erzeugung eines Laserstrahls. Wenn auf der optischen Platte 12 eine Information aufgezeichnet werden soll, liefert die Lasereinheit 40 einen Laser-

strahl, dessen Intensität gemäß dieser Information moduliert wird. Wenn die aufgezeichnete Information aus der Platte 12 ausgelesen werden soll, liefert die Lasereinheit 40 einen Laserstrahl konstanter Intensität. Der von der Lasereinheit 40 erzeugte Laserstrahl wird durch eine Konkavlinse 42 divergiert bzw. gestreut, durch eine Konvex- oder Kollimatorlinse 44 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 der 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 lichtreflektierenden Schicht 24 geworfen, um auf dieser 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 Grübche.n in seiner Intensität moduliert und durch diese Grübchen reflektiert.

Der von der lichtreflektierenden bzw. Lichtreflexions-Schicht 24 reflektierte divergente Laserstrahl wird

-9-

durch die Objektivlinse 50 zu parallelen Lichtstrahlen gesammelt und über die 1/4-Wellenscheibe 48 zum Polarisations-Strahl teiler 46 zurückgeworfen. Beim Rückwerfen 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 46 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 Beschneidung durch eine Lichtabschirmplatte oder "Messerkante" 62 unterworfen, um nur einen Anteil auszuziehen bzw. durchzulassen, der einen von einer optischen Achse 64 entfernen Bereich passiert. Der ausgezogene (durchgelassene) 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 oder einen Schlitz 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 (genau) fokussierten Zustand gehal-

-ΙΟΙ ten 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 zur 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. 2 ist in Fig. 3 in vereinfachter Form dargestellt. Der Strahlengang des Laserstrahls im Scharfstellzustand sowie in verschiedenen Defokussierzuständen ist in den Fig. 4A bis 4D dargestellt. Wenn sich die Objektivlinse 50 im Scharfstellzustand befindet, wird der Strahlenschnittpunkt(fleck) auf die lichtreflektierende Schicht 24 projiziert. Dabei entsteht auf dieser Schicht 24 ein Strahlfleck kleinster Abmessungen, d.h. der Strahlenschnittpunktfleck 76 oder ein geringfügig größerer Strahlfleck. Da der von der Lasereinheit 40 her in die Objektivlinse einfallende Laserstrahl aus parallelen Strahlen besteht, bildet sich der Strahlenschnittpunkt am Brennpunkt der Objektivlinse 50. Wenn dagegen der in die Objektivlinse 50 einfallende Laserstrahl geringfügig divergiert oder konvergiert, bildet sich der Strahlenschnittpunkt in der Nähe des Brennpunkts der Objektivlinse 50. Bei dem optischen System gemäß Fig. 2, 3 und 4A bis 5A befinden sich lichtempfindliche Bereiche 78-1 und 78-2 und ein lichtunempfindlicher Bereich 71 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. 5A das Strahlfleckbild oder -muster auf dem lichtunempfindlichen Bereich 71 zwischen den

lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70. Gemäß Fig. 4A 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. 5A das Strahlfleckbild oder -muster 76 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. 4B der Strahlenschnittpunkt, d.h. die Einschnürung oder Strahlenüberkreuzung, nach der Reflexion des Laserstrahls von der Schicht 24. Dies bedeutet, daß der Strahlenschnittpunkt zwischen Objektivlinse 50 und Schicht 24 entsteht. In diesem Defokussierzustand bildet sich der Strahlenschnittpunkt im allgemeinen innerhalb der Brennweite der Objektivlinse 50. Wenn beispielsweise der Strahlenschnittpunkt als Lichtpunkt dient, wird ein von der Schicht 24 reflektierter und aus der Objektivlinse 50 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 71, 78-1 und 78-2 der

Photodetektoreinheit 70, sondern auf eine von der Photodetektoreinheit 70 weiter entfernte Stelle fokussiert. Infolgedessen wird ein solcher Laserstrahlanteil in einem Abschnitt über der optischen Achse 64 auf die Photodetektoreinheit 70 geworfen. Dabei entsteht auf den Bereichen 71, 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 Differentialoder Differenzsignal aus den beiden Signalen wird vom Fokussiersignal-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. 5C den ersten lichtempfindlichen Bereich 78-1 überdeckt.

Wenn die Objektivlinse 50 gemäß Fig. 4C weiter von der lichtreflektierenden Schicht 24 entfernt ist, wird der Laserstrahl von der Schicht 24 nach der Bildung eines Strahlenschnittpunkts reflektiert. In diesem Defokussierzustand liegt die Brennweite der Objektivlinse 50 im allgemeinen außerhalb des Strahlenschnittpunkts, der zwisehen ihr und der lichtreflektierenden Schicht 24 entsteht. Der von der Objektivlinse 50 zur Lichtabschirmplatte 62 geworfene, reflektierte Laserstrahl ist daher konvergent. Der die Lichtabschirmplatte 62 passierende Laserstrahl wird durch die Projektionslinse 66 weiter konvergiert und nach Bildung eines Strahlenschnittpunkts auf die lichtempfindlichen Bereiche 71, 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 geworfen. Infolgedessen entsteht im unteren Teil der Bereiche 71, 78-2 der Photodetektoreinheit 70 ein Muster 81, das kleiner ist als das Strahlfleckbild (Fig. 5D).

Eine Änderung des Strahlengangs des Laserstrahls läßt · sich geometrisch/optisch wie folgt erläutern: Eine Abweichung h2 des Laserstrahlanteils auf der Photodetektoreinheit 70 von der optischen Achse kann bestimmt werden. Das geometrisch/optische Abbildungssystem der Objektivlinse 50 ist in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 steht fO für die Brennweite der Objektivlinse 50, während 6 die Verschiebung bzw. den Versatz der Objektivlinse 50, d.h. die Änderung ihres Abstands von der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte 12 bei einer Änderung vom Scharfstellzustand zum Defokussierzustand angibt. Gemäß Fig. 6 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 hO von der optischen Achse 64 befindet, und wird fokussiert. Im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand gemäß Fig. 4A gilt 6 = 0. Im Defokussierzustand gemäß Fig. 4B ist die Objektivlinse 50 um die Versatzstrecke 6 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 < 0) näher zur Objektivlinse 50 zu liegen. Im Defokussierzustand gemäß Fig. 4C 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 ähnelt somit grundsätzlich dem Zustand, in welchem der Strahlenschnittpunkt hinter der lichtreflektierenden Schicht 24 gebildet wird. Der Strahlenschnittpunkt ist somit um die Strecke 26 von der Objektivlinse entfernt. Wenn im Scharfstellzustand der Strahlenschnittpunkt am Brennpunkt der Objektivlinse 50 entsteht und letztere sodann

über die Strecke 6 von der optischen Platte 12 wegbewegt 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 BO und ß1 gemäß Fig. 6 nach folgenden Gleichungen (1) und (2):

hO/(fO+26) = tan(-ßO) = ßO ₍₁₎

Nach dem Linsenabbildungs-Satz gilt

tan(-ßO)/hO + tan ßl/hO = 1/fO Daher gilt:

ei = bo + ho/fo I

9 i

= hO/CfO+fOV2«)| ....

Fig. 7 veranschaulicht den geometrischen Strahlengang des Lichts im optischen System der Projektionslinse 66. Dabei 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 Bereichen 71, 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 befindet. Die durch die ausgezogene Linie angegebene Bahn ist der Strahlengang der Lichtstrahlen, die durch die Objektivlinse 50 konvergiert werden und dann die lichtdurchlässige Fläche der Lichtabschirmplatte 62 passieren, deren Kante in einem Abstand y von der optischen Achse angeordnet ist.

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

y β hO - aßl

= hOU - a.l/(fO+fO²/26)} (3)

Unter der Voraussetzung, daß F(δ) = (fO+fO²/26)"¹ gilt, läßt sich Gleichung (3) umschreiben zu:

y = hO(l-aF(6)) (4)

Daher gilt:

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

Ein Abstand hl 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)ßl j

Der Winkel ß2 läßt sich auf ähnliche Weise wie der Winkel ß1 nach Gleichung (2) wie folgt berechnen: 25

ß2 = ei + hl/fl

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

Der Abstand oder Versatz h2 des durchgelassenen Licht anteils gegenüber der optischen Achse 64 am lichtempfindlichen Bereich der Photodetektoreinheit 70 bestimmt sich nach folgenden Gleichungen (8) bis (10) bzw. (9) :

3Λ13835

h2 « hl - Hß2

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

h,

'2 1 - aFCoT

-

(a-f_n) - fO²/26

Zu beachten ist, daß m einen transversalen Vergrößerungsfaktor darstellt, der sich ableitet von +m = -ßO/ß2. Damit steht +m für ein kopfstehendes Bild und -m für ein aufrechtes Bild.

Beim optischen System gemäß Fig. 6 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 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 66 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

-TT-

den Abstand 6 vom Brennpunkt der Objektivlinse 50 abweicht, nach den Gleichungen bis Gleichung (9) 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 12 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. 8 folgendes:

h*/(f*+C+26) = tan(-eo) = -BOl

Hieraus folgt:
15

h* = -B0.(f*₊c₊26) j ... (₁₀)

Außerdem gilt:
_on B2 = BO + h*/f* ={B0 - B0-(C+2<S)B0/f*}

= -B0(C+26)/f* I ... (11)

Sofern die zweite Photodetektoreinheit 70 auf bzw. an der Abbildungsebene angeordnet ist, wenn der Fokussier punkt des Laserstrahls und die Lage der lichtreflektie renden Schicht 24 der optischen Platte 12 miteinander koinzidieren (wenn 6=0 gilt), ergibt sich h2 = 0. Der Transversalmultiplikationsfaktor m ergibt sich dabei aus +m = -ßO/ß2 zu m = +f*/C.

Demzufolge gilt:

C = ^f*/m ... (12)

Es ist zu beachten, daß der Faktor m stets als positive

Zahl vorausgesetzt ist. Demzufolge gibt +m den Fall eines umgedrehten oder kopfstehenden Bilds an, während -m für ein aufrechtes Bild steht.

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

h2 = h* - Aß2 ^!

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

+ CA/f*-l) x 26} ^; _ ₍₁₃₎

Für jede Größe von ßO und für 6=0, von h2 = 0, ergibt -J^ sich:

A = f*(1+m) .. . (14)

Durch Einsetzen von Gleichung (14) in Gleicbung (13) er-2Q hält man:

h2 = ßO{f U+nO/f* - 1) x 26

= +2mδ χ ßO ... (15)

Durch Einsetzen von Gleichungen (1) und (5) in Gleichung (15) ergeben sich folgende Gleichungen (16) und (17) :

h2 = +mf0y/(a-f0-f0²/26) ...(16)

h2 = +(2my/fO)6 ...(17)

Wenn gemäß Fig. 9 der auf die Objektivlinse 50 fallende

Laserstrahl konvergiert oder divergiert und der Fokus-

sierpunkt des Laserstrahls um den Abstand b vom Brenn-

punkt der Objektivlinse 50 abweicht, lassen sich durch

Konversion von

26 φ 26 + b

in Gleichung (1) bis (0) die entsprechenden, zweckmäßigen Gleichungen aufstellen.

Anhand von Gleichung (5) ergibt sich demzufolge:

hO = {[f0+f0²/(26+b)]/[f0+f0²/(26+b)-a]> χ y

Durch Einsetzen von Gleichung (18) in Gleichung (1) erhält man:
15

BO = -hO/(fO+26+b)

= -CfO.h0/C2<5+b)]/[f0+fO²/(26+b)] = fO«y/{C26+b)/CfO+fO²/(26+b) -a]} ο

χ -fO.y/{fO^+(fO-a)(26+b)}

= -y/{fO+(l-a/fO)(25+b)} ...(19)

Durch Einsetzen von Gleichung (12) in Gleichung (15) erhält man:

h2 = +2my6/{fO+(l-a/fOK26 + b)}- ... (20) Für a = O gilt

h2 = +2my6/(fO+b+26)

Für fO + b » 26 gilt

h2 - +2my6/(fo₊b) /_ ₍₂₂₎

Die Gleichungen (9), (10) , (13), (15), (16) und (17) zeigen, daß dann, wenn der Brennpunkt der Objektivlinse 50 um den Abstand bzw. die Strecke δ von der lichtreflektierenden Schicht 24 der optischen Platte abweicht, der auf den lichtempfindlichen Bereichen 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit gebildete Strahlfleck geometrisch um den Abstand h2 von der optischen Achse abweicht.

Der Aufbau der Photodetektoreinheit 70 ist im folgenden anhand von Fig. 10 beschrieben. Die Photodetektoreinheit 70 besteht aus einer Hochgeschwindigkeit-PIN-Diode. Dabei ist eine η -Schicht 82 auf der einen Hauptfläche eines η -Substrats 80 niedriger Störstoff- oder Fremdatomkonzentration ausgebildet. Auf der anderen Hauptfläche dieses Substrats 80 sind p⁺-Schichten 84-1 und 84-2 als lichtempfindliche Bereiche 78-1 bzw. 78-2 ausgebildet. Ein Abschnitt oder Teil 88 des n~-Substrats 80 ist als lichtunempfindlicher Bereich 71 definiert. Die durch die gestrichelten Linien in Fig.10 angegebenen Bereiche sind Verarmungsbereiche 86-1 und 86-2, die zwischen der ρ -Schicht 84-1 und einer η Schicht 82 bzw. zwischen der ρ -Schicht 84-2 und der n⁺-Schicht 82 gebildet sind.

Wenn auf die Oberfläche der Photodetektoreinheit 70 mit dem beschriebenen Aufbau Lichtstrahlen auftreffen, werden in der Photodetektoreinheit 70 Mangelelektronpaare gebildet. Wenn diese in den Verarmungsbereichen 86-1 und 86-2 entstehen, werden Elektronen zu den p⁺-Schichten 84-1 und 84-2 und Mangelstellen (Löcher) zum η -Substrat 80 gezogen, so daß ein Meßsignal erzeugt wird. Der größte Teil der im Bereich des η Substrats 80 erzeugten Mangelelektronpaare erfährt jedoch eine Rekombination unter Einstellung eines elek-

trisch neutralen Zustands. Nur wenige Mangelelektronpaare diffundieren bis zu den Verarmungsbereichen 86-1 und 86-2, um damit ein Meßsignal zu liefern. Lichtstrahlen, welche den Teil 88 über den lichtunempfindliehen Bereich 71 erreicht haben, erzeugen Mangelelektronpaare. Die meisten Mangelelektronpaare sind jedoch der Rekombination unterworfen, bevor sie die Verarmungsbereiche 86-1 und 86-2 erreichen und die Erzeugung eines Meßsignals bewirken. Der lichtunempfindliehe Bereich 71 kann daher als Bereich mit schlechter Lichterfassungsempfindlichkeit bezeichnet werden. Wenn der Abstand (d.h. die Breite d des Bereichs 71) zwischen den ρ -Schichten 84-1 und 84-2 ausreichend groß ist, verschwinden die meisten der beim Auftreffen von Licht auf den Mittelteil des Bereichs 71 erzeugten Mangelelektronpaare, bevor sie die Zonen der Verarmungsbereiche 86-1 und 86-2 erreichen. Zum Abschirmen des Laserstrahls kann auf dem lichtunempfindlichen Bereich eine Aluminiumschicht ausgebildet sein. Auf dem Teil 88 kann sich eine η -Schicht befinden, um c Erzeugung der Mangelelektronpaare zu verhindern.

Im folgenden sei die Breite d des lichtunempfindlichen Bereichs 71 betrachtet. Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, ist dieser Bereich 71 als Bereich definiert, der praktisch keine Lichtstrahlen zu erfassen (oder messen) vermag. Wenn die Breite dieses Bereichs 71 eine vorbestimmte Größe übersteigt, vermag der optische Abtastkopf den (genauen) Fokussierzustand nicht mit zufriedenstellender Meßempfindlichkeit festzustellen. Eine maximale Größe der Breite d des lichtunempfindlichen Bereichs 71 bestimmt sich durch eine Randlage (d.h. Versatz h2 des Laserstrahlanteils) eines auf der Photodetektoreinheit 70 gebildeten, minimalen Strahlfleckmusters, das erfaßt werden muß. Mit anderen

Worten: die Randlage (edge position) des Strahlfleckmusters wird durch Austausch von 0, yO und F für a, y bzw. fO+b in Gleichung (20) erhalten und bestimmt sich wie folgt:

h2 = +{2myO6/(F+2$)}6 , ··· (23)

Darin bedeuten: yO = Radius der Austrittspupille der Objektivlinse 2 oder Radius ihrer Apertur und F= Abstand zwischen dem Hauptpunkt der Objektivlinse 2 und ihrem Brennpunkt (d.h. Strahlenschnittpunktlage), nämlich zwischen der Objektivlinse 2 und der lichtreflektierenden Schicht 24. Wenn· eine maximale Defokussiertoleranz nach Gleichung (23) gleich *öc ist, kann das Strahlfleckmuster im lichtunempfindlichen Bereich 71 gebildet werden. Dieser Bereich 71 muß daher eine Breite d besitzen, die sich durch folgende Beziehung bestimmt:

d < |h2(+6c)j + |h2(-6c)|
20

= |72myO6c/(F+26c)| ⁺ I+2my6c/(F-26c)|

= |{2myO/Cf+26c)}6c| ··· _; ⁽²⁴⁾

Da 26c wesentlich kleiner ist als F, bestimmt sich raithin die Breite d zu:

d < 4myO6c/F für 26c « F

Im folgenden ist eine maximale Defokussiertoleranz be-3Q schrieben, über die hinaus die Defokussiergröße 6c 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 Licht-

-23-

intensitätsverteilung, die mit dem durch die Bessel-Funktion dargestellten Beugungsscheibchen-Muster vorgegeben ist. Dieses Muster besitzt einen Durchmesser al = 0,82 λ/ΝΑ, das eine Intensität von 1/e liefert, wenn die zentrale Lichtintensität mit 1 vorgegeben ist, wie dies durch Gleichung ( 25) dargestellt ist, in welcher 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) = I0{sin.cCCTT/2)-(NA-Z/X)]}² ... (25.)

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 (NA)² ... (26)

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 6c praktisch go der Schärfentiefe (focal depth) gleich ist. Demzufolge läßt sich folgende Gleichung aufstellen:

6c = ±λ /2(NA)² . .. (27)

Dieselben Überlegungen, wie vorstehend beschrieben, las-

sen sich anwenden, wenn ein Laserstrahl ohne gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung, aber mit Gaußscher Verteilung, auf die Objektivlinse 50 geworfen wird. Mit anderen Worten: ein Punktradius COO am Konvergenzpunkt bestimmt sich dabei wie folgt:

ωθ = (2/ir)U/NA) ... (28)

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

ω(Ζ) = ωθΛ + (λΖ/ττωΟ²)² ^

Die der maximalen Defokussiertoleranz 6c entsprechende Schärfentiefe ΔΖ ergibt sich nach folgender Gleichung:

ΔΖ = 6c = ^λ/π(ΝΑ)² ... (30)

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

QQ al = 0,82 λ/NA vorgegeben. Wenn in diesem Fall die Intensitätsverteilung der Gaußschen Verteilung ähnelt oder gleicht, bestimmt sich der Radius W(Z) des Strahlflecks auf der lichtreflektierenden Schicht 24 im Defokussierzustand nach folgender Gleichung:

ω²(Ζ) =ίωθ² 1 + (λΖ/πωΟ²)²}

= {ωθ² 1 + ((NA)²/O, 17ττλ)²· Ζ²} ...(31)

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

i
I = ίωθ/ω(Ζ)}² j ... (32)

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

Imin < {1 + ([NA]²ZC^mX)².Z²}"¹

Z²}

demzufolge gilt:

1 + ([ΝΑ]²/0,17ττλ)².Ζ² < 1/lmin (ΕΝΑ]²/0,17ττλ)².Ζ² < -1/Imin - 1

. ₉

I 6c I = |Z| < {0,17πλ/(ΝΑΓ}/1/Ι[Τ)ΐη - 1 ...(34);

Nachstehend sei folgendes vorausgesetzt: Aa = 0,83 um, NA = 0,6 und Imin = 0,7. Die obige Ungleichung kann (dann) wie folgt umgeschrieben werden:

|6cl = |Z| < (0,44/0.36)/0,4286 = 0_/81 μΐη

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

|Z| < (0,44 χ 0,36)/0,25 = 1,16 μη

Die Defokussiertoleranz 6c liegt mithin im Bereich von 0,5 bis 2,0 um.

Im folgenden ist ein optischer Abtastkopf gemäß einer Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform erläutert. Zur Verhinderung eines Einflusses der Lichtbeugung sind die Bereiche 78-1, 78-2 und 71 der Photodetektoreinheit 70 im Scharfstellzustand des optischen Systems auf die in den Fig. 11A bis 11C dargestellte Weise vorzugsweise geringfügig von der Abbildungsebene (d.h. Schnittweitenebene der Projektionslinse 66) versetzt angeordnet.

In den Fig. 11A bis 11C bezeichnen die Ziffern 7OA eine Photodetektoreinheit, die an einer Stelle zwischen der Projektionslinse 66 und ihrem Brennpunkt angeordnet ist, und die Bezugsziffer 70B eine Photodetektoreinheit, die an einer Stelle hinter dem Brennpunkt der Projektionslinse 66 vorgesehen ist. Im Fall einer geringen Defokussierung wird ein halbkreisförmiger Fleckabschnitt auf der in der Abbildungsebene angeordneten Photodetektoreinheit 70 abgebildet.

Dieser halbkreisförmige Fleckabschnitt wird zur Bestimmung des Defokussierzustands durch den einen photoempfindlichen Bereich erfaßt. Im Fokussier- bzw. Scharfstellzustand besitzt dieser halbkreisförmige Fleckabschnitt jedoch eine Fleckgröße von O,82mÄ/R'NA aufgrund des Einflusses der Lichtbeugung. Aus diesem Grund wird die Meßempfindlichkeit in der Nähe des Scharfstellzustands beeinträchtigt. Diese Erscheinung läßt sich wie folgt erklären.

Beim optischen System gemäß Fig. 11A bis 11C 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. Demzufolge

-20-

fallen die Lichtstrahlen mit der Verteilung gemäß Fig.12 auf die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70. In Fig. 12 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 Stel-

!5 lung X1 oder X2. Aus Fig. 12 geht hervor, daß beim Auftreten einer geringfügigen Defokussierung die Meßempfindlichkeit der zweiten Photodetektoreinheit 70 kleiner ist als die geschätzte oder vorausgesetzte Größe. In einem Bereich zwischen den Stellungen X1 und X2 ändert sich jedoch eine Projektionsposition der Lichtstrahlen II nur geringfügig, und der Meßfehler ist außerordentlich klein im Vergleich zu demjenigen, der sich dann ergibt, wenn die Lichtempfangsflächen der zweiten Photodetektoreinheit 70 außerhalb des Bereichs zwischen den Stellungen X1 und X2 liegen. Innerhalb dieses Bereichs ist auch der Divergenzwinkel der Lichtstrahlen I im 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. 12 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.

-2-8-

Im folgenden sei die maximale Lagenabweichung Δ zweiten Photodetektoreinheit 70 vom Brennpunkt der Objektivlinse 50, die in einem idealen, vom Einfluß der Wellenoptik freien Verhalten resultiert, betra.cntet. 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 ω und die Wellenlänge des Lichts mit λ bezeichnet werden, bestimmt sich ein Strahlfleckdurchmesser Co(Z) an einer Stelle im Abstand Z von diesem Fokussierpunkt (Strahlenschnittpunkt) nach folgender Gleichung:

«(Ζ) = ω_ο/ΐ + (λΖΛω₀ ²)² ; ... (29)

Wenn Z vergleichsweise groß ist, läßt sich eine Näherung wie folgt erreichen:
20

ω(Ζ) = Cu₀ Λ + (λΖ/πω₀ ²)²

= λΖ/πω₀ + (1/2)(πω_ο ³/λΖ) ...(35)!

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

λΖ/πω₀ > A x (ΐ/2)(ττω_ο ³/λΖ) läßt sich aus

Z² > 2(nu_o ²//|)²

ableiten:

Z ^ V⁷I χ ττω₀ /λ

Die maximale Abweichung A der zweiten Photodetektoreinheit 70 ist damit durch die folgende Ungleichung (37) vorgegeben:

|+Δ| £ /2 χ ττωΟ²/λ

Im folgenden sei das Strahlfleckverhalten auf der Photodetektoreinheit im Defokussierzustand untersucht. Die Gleichungen bis zur Gleichung (22) 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 ähnlich^e 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 (14) wie folgt:

AO = f*(1±m) ...(38)

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

— 3Ό—

A = AO - Δ

= f*(1+m) - Δ ... (39)

Wenn Gleichung (39) in Gleichung (20) eingesetzt wird, ergibt sich:

h2 = h* -Aß2

= βΟί+Δ/m - C+m~A/f* )·2δ}

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

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

... (40) 15

Obige Gleichung (40) läßt sich auf einen vergleichsweise weiten Bereich optischer Systeme für die Erfassung des Defokussierzustands anwenden und als allgemeine Formel einsetzen. Wenn in Gleichung (40) Δ = 0 vorausgesetzt wird, erhält man Gleichung (20):

Im folgenden sei der Zustand dicht am Scharfstellzustand betrachtet. Wenn der Radius der Apertur der Objektivlinse 50, d.h. der Austrittspupille, mit yO bezeichnet wird, wird a auf 0 gesetzt, und wenn der Abstand F zwischen 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 H F (6« F) genügt, läßt sich obige Gleichung (40) umschreiben zu:

h2 = {+Δ/m - (+m+A/f*) χ 26).yO/F} ...UD Da die maximale Abweichung Δ nach Gleichung (40) nicht

groß ist, ergibt sich folgende Ungleichung: Δ « f*. Zur Verbesserung der Defokussier-Meßempfindlichkeit wird außerdem die Ungleichung m » 1 aufgestellt. Der Gleichung (40) läßt sich daher wie folgt nähern:

_

h2 = {+Δ/m + 2m6> χ y/{fO+(l-a/fO)(2fi+b)}

Wenn auf dieselbe Weise wie in Gleichung (41) F = fO+b und F+26 = F (5«F) in Gleichung (42) vorgegeben sind, erhält man:

h2 = {+Δ/m + 2m6> χ yO/F ;

Gleichungen (41), (42) und (43) geben den Abstand zwischen der Kante oder dem Rand des Strahlfleckmusters und der optischen Achse an. Die Breite d des lichtunempfindlichen Bereichs 71 bestimmt sich daher durch eine Ungleichung, die durch Ersatz von +pe für 6 in Gleichung (43) erhalten wird:

d < |h2(+6c)| + |h2(-öc)|

+ 2m<5cHyO/F)| + Ιί+Δ/m T 2mfic> (yO/F3| ι

Darin bedeutet d entweder |h2(+6c){ oder jh2(-6c)|. Wenn die Breite d ausreichend kleiner ist als das Doppelte des größeren dieser beiden Werte oder Größen, ist Gleichung (44) erfüllt. Die Breite d wird daher wie folgt definiert

d < I2h2(+6c)| or |2h2(-5c)

Aus Gleichung (41) oder (42) ergibt sich folgendes: Wenn sich im Scharfstellzustand (d.h. wenn Δ > 0 gilt) die Photodetektoreinheit 70 der Projektionslinse 66 stärker

si

nähert als ihr Brennpunkt, vergrößert sich jh3 J/ wenn die Objektivlinse 50 zur lichtreflektierenden Schicht verschoben wird (d.h. im Fall von 6 < O). Andererseits vergrößert sich |h2J vorübergehend, um sich dann mono-δ ton zu vergrößern, wenn sich die Objektivlinse 50 weiter von der lichtreflektierenden Schicht 24 hinweg verschiebt (d.h. wenn 6 > O gilt). Die Größe von Jh2J erhöht sich in stärkerem Maße, wenn die Objektivlinse 50 von der lichtreflektierenden Schicht 24 (hinweg) verschoben wird (6>O), als dann, wenn sich die Objektivlinse 50 zur Schicht 24 verschiebt (5 < 0). Demzufolge fällt das Strahlfleckmuster auf der Photodetektoreinheit 70 teilweise auf einen Bereich außerhalb ihrer lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2, so daß sich das optische Defokussier-Meßsignal verkleinert. Wenn sich dagegen die Einheit 70 weiter von der Projektionslinse 66 als ihr Brennpunkt weg verschiebt (d.h. wenn Δ < 0 gilt), wird die entgegengesetzte Wirkung erzielt. Wenn sich insbesondere die Objektivlinse 50 der Reflexionsschicht 24 stärker nähert (d.h. im Fall von 6 < 0), verringert sich Jh2 I vorübergehend auf Null, um sich dann stark zu vergrößern. Im anderen Fall (5 > 0) steigt J h2 [ monoton an. Das Strahlfleckmuster auf der Photodetektoreinheit 70 fällt daher nicht teilweise außerhalb ihrer lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2, wenn δ < 0 gilt, und zwar im Gegensatz zum Fall δ > 0. Mit anderen Worten: auch wenn die Objektivlinse 50 von der Fokussierposition stark verschoben oder versetzt ist, wird dennoch ein Defokussiersignal eines hohen Pegels erhalten.

Wenn sich die Objektivlinse 50 weiter von der Reflexionsschicht 24 hinweg verschiebt (d.h. δ > 0), gelangt das Strahlfleckmuster auf der Photodetektoreinheit 70 schnell (in eine Lage) außerhalb ihrer lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2; demzufolge kann die automatische Nachführung des optischen Abtastkopfes einfach durchgeführt werden.

Wenn, wie beschrieben, Δ \ O gilt und Jh2J sich ändert, wird unter Heranziehung von 6 als Veränderliche |h2j =0 aufgestellt. Wenn |60J f ür h2 = O kleiner ist als jöcj, ergibt sich kein Problem. Wenn dagegen J 60 j größer ist als I 6c ] und die Photodetektoreinheit 70 so angeordnet ist, daß die optische Achse 64 durch den lichtunempfindlichen Bereich 71 hindurchgeht, kann möglicherweise dieser durch 6c gegebene Defokussierzustand nicht erfaßt werden. Wenn die lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 78-2 der Photodetektoreinheit 70 um +Δ vom Schnittweitenpunkt (hinterer Brennpunkt) der Objektivlinse 50 versetzt angeordnet sind, muß die Einheit 70 so angeordnet sein, daß die optische Achse 64 gemäß Fig. 13 einen der lichtempfindlichen Bereiche 78-1 und 76-2 passiert. In diesem Fall ist ein Abstand Sd zwischen der optischen Achse 64 und der Mitte des lichtunempfindlichen Bereichs 71 auf 1/2 oder weniger des größeren der Werte Ih2(Δ, Sc)J und | h2(Δ, -6c)J gesetzt, d.h. es gilt:

Sd £ |h2CA, 6c)|/2oder |h2CA, -<Sc)|/2 i ... (46)

Die zulässige Verschiebungsgröße Δ der Photodetektoreinheit 70 sei nachstehend betrachtet.

Im folgenden sei die zulässige Verschiebüngsgröße 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 (6 = 0) betrachtet werden. Unter der Voraussetzung von F = fO+b läßt sich daher Gleichung (40) umschreiben zu:

h2 = {+Δ/m + C+m+A/f*)«26}{y/CfO+b)} "~

= {+Δ/m + C+m+A/f*)'26}(y/F) ...(47)

Dies bedeutet, daß bei der Defokussierungsgröße 6 die Lichtstrahlen auf der Einheit 70 um eine Strecke entsprechend

{(+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 irrtümlieh 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 t\ des Strahlflecks im Scharf stellzustand durch:

r\ = 29F

worin F den Abstand zwischen dem vorderen Hauptpunkt der Objektivlinse 50 und der Abbildungsebene auf der optischen 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:

-3*-
P= η/γ = 2eF/r

Anhand der geometrisch/optischen Charakteristika bestimmt sich die Abweichung ξ der Hauptlichtstrahlen auf der Photodetektoreinheit 70 nach Gleichung (47) zu:

ξ = +ΔΓ/mF Xp= +2θΔ/πι

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 \ _>φ>

Ein Vergleich der Gleichungen (48) und (49) zeigt, daß die Abweichung ? des Strahlflecks auf der Photodetektoreinheit 70 (durch Gleichung (4 9) 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 selbst nicht sehr stark, vielmehr ändert sich die Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlflecks. Gleichung (49) 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 Defokussier-

zustand 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 Gleichung (48) und (49) nicht bestimmen. Andererseits läßt sich jedoch eine Annäherung erreichen.

Bezüglich des Neigungswinkels θ der optischen Platte in bezug auf ihre waagerechte Lage arbeitet das optisehe System stabil bzw. sicher und ohne nennenswerte Defokussierung in einem Verschiebungsbereich von:

|ζ(θ,Δ)| < |Hc|

Wenn angenommen wird, daß in Gleichung (49) 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 > 0, öc > 0 und Δ > 0 gilt, ergibt sich anhand von Gleichungen (48) und (49):

2r6c x (+m+A/f* )/F ... (50)

Wenn diese Größe in Gleichung (49) eingesetzt wird, ergibt sich

(emax/m +_ r6c/f*F)A £ rmöc/F 35

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

Δ £ rmfic χ (Femax/m - y6c/f*)^T 5 Unter der Voraussetzung von m « Δ/f* und bei Weglassung des Ausdrucks Δ/f* läßt sich Gleichung (50) umschreiben zu:

2A3max/m £ 2r6c χ m/F '

und

2 '

Δ £ rni fic/Femax

Wie vorstehend beschrieben, liegt also die Breite des lichtunempfindlichen Bereichs 71 innerhalb eines vorbestimmten Größenbereichs, so daß der Photodetektor den Defokussierzustand stabil bzw. sicher und mit ausreichend großer Meßempfindlichkeit zu erfassen vermag.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

(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 Lichtstrahl konvergiert, wobei die Objektivlinse einen Konvergenzpunkt besitzt und eine maximale Defokussiertoleranz +6c in bezug auf den Konvergenzpunkt aufweist,
einer Einrichtung zum Ablenken des von der Objektivlinse ausgehenden (directing) Lichtstrahls in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Objektivlinse und der lichtreflektierenden Fläche,

einer Einrichtung zum Konvergieren des Lichtstrahls zu einem Konvergenzpunkt entsprechend dem in einem

QQ Fokussier- oder Scharfstellzustand erzeugten Strahlenschnittpunktbild und einem Photodetektor mit zwei lichtempfindlichen Bereichen und einem dazwischen festgelegten lichtunempfindlichen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil eines Strahlflecks durch den auf den Photo-

detektor (70) geworfenen Lichtstrahl auf einem der lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2) erzeugt oder gebildet wird, wenn die Objektivlinse (50) über. die maximale Defokussiertoleranz i^c (hinaus) defokussiert ist.
2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtunempfindliche Bereich (71) eine Breite d besitzt, die nicht größer ist als das Doppelte der größeren der Absolutgrößen J h3 (Δ, 5c) J und | h3 (Δ, -öc)J mit den folgenden Veränderlichen:

h3U, 6c) = ί+Δ/m + 2m6c}(yO/F) h3(A_f -6c) = {+Δ/m - 2m6c}(yO/F)

worin bedeuten: Δ - Abstand zwischen einem Konvergenzpunkt der Konvergiereinrichtung (66) und den Bereichen (78-1, 78-2, 71) des Photodetektors (70), wobei eine Richtung zur Konvergiereinrichtung (66) als negativ und eine entgegengesetzte Richtung als positiv vorgegeben sind, m = eine Vergrößerung des auf den Bereichen (78-1, 78-2, 71) des Photodetektors (70) erzeugten Strahlflecks, yO = Radius eines Austrittspupille der Objektivlinse (50) und F = Abstand zwischen einem Hauptpunkt der Objektivlinse (50) und dem Konvergenzpunkt derselben.
3. Abtastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (78-1, 78-2, 71) des Photodetektors

(70) am Konvergenzpunkt der Konvergiereinrichtung (66) angeordnet sind und sein lichtunempfindlicher Bereich

(71) die folgende Breite d besitzt:

d < 4myO6c/F.
35
4. Abtastkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (78-1, 78-2, 71) des Photodetektors (70) um Δ (Δ = 0) vom Konvergenzpunkt der Konvergiereinrichtung (66) versetzt angeordnet sind und die beiden lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2) so angeordnet sind, daß eine optische Achse (64) der Konvergiereinrichtung (66) durch einen dieser beiden lichtempfindlichen Bereiche (78-1, 78-2) hindurchgeht.
5. Abtastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand Sd zwischen der optischen Achse (64) und dem lichtunempfindlichen Bereich (71) nicht größer ist als 1/2 der größeren der Größen |h3(A, +6c)J und|h3(A, -6c)
6. Abtastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (70) so angeordnet ist, daß die optische Achse (64) der Konvergiereinrxchtung

(66) durch den lichtunempfindlichen Bereich (70) hindurchgeht.
7. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die maximale Defokussiertoleranz 6c bestimmt zu:

6c = + λ /2 [NA] ²

mit NA = numerische Apertur der Objektivlinse (50) und Λ = Wellenlänge des Lichtstrahls.
8. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlablenkeinrichtung (62) eine Lichtabschirmscheibe umfaßt, die nur einen Teil des den von der optischen Achse (64) entfernten Bereich passierenden Lichtstrahls überträgt bzw. durchläßt.