DE3882872T2

DE3882872T2 - Optische Lesekopf.

Info

Publication number: DE3882872T2
Application number: DE88309211T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kato; Shunji Ohara; Tetsuo Saimi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2008-10-05
Also published as: EP0311340A3; KR910006649B1; EP0311340A2; KR890007240A; EP0311340B1; DE3882872D1; US4929823A

Description

Diese Erfindung betrifft eine optische Aufnahmekopfvorrichtung, die zum Aufzeichnen von optischer Information auf ein optisches oder optomagnetisches Medium und zum Wiedergeben oder Löschen von optischer Information davon benutzt werden kann.
Die ein lochartiges Muster als Speichermedium mit einer hohen Dichte und einer hohen Kapazität benutzende optische Speichertechnik wurde durch Auffinden vieler Anwendungen, wie etwa einer digitalen Klangplatte, einer Videoplatte, einer Dokumentdateiplatte und einer Datendatei, praktiziert. Der optische Aufnahmekopf (nachstehend mit OPUH abgekürzt) basiert auf drei funktionalen Bestandteilen, das heißt (i) einer Abbildungsoptik zum Abbilden eines beugungsbegrenzten Mikro- Flecken, (ii) einem Bestandteil zum Bewirken des Fokussierens der Optik zum Spurnachlauffehler-Signalnachweis und auch zum Loch-Signalnachweis, und (iii) einem Stellglied. In der Vergangenheit haben eine hochentwickelte Ausführung aspherischer Linsen und Technologien zum Pressformen mit hoher Genauigkeit zur bemerkenswerten Größenverminderung und Gewichtsverminderung des vorstehend mit (i) bezeichneten funktionalen Bestandteils beigetragen und folglich die Kompaktheit und hohe Wirksamkeit des mit (iii) bezeichneten Stellgliedes auf vielversprechende Weise gesichert. Bezüglich des mit (ii) bezeichneten Bestandteils zum Fehlersignalnachweis muß jedoch selbst ein Signalnachweisbestandteil zur Benutzung in einer OPUH-Vorrichtung, die zur Wiedergabe bestimmt ist und der der Aufbau mit dem einfachsten optischen System möglich ist, eine Strahlteilereinrichtung, eine Fokussierungssteuereinrichtung auf der Grundlage eines astigmatischen Aberrationsverfahrens oder eines Messerschneide-Verfahrens und eine Spurnachlauf-Steuereinrichtung in unabhängiger Form oder in kombinierter Form aufweisen. Optische Teile, wie etwa herkömmlicherweise in dem Signalnachweisbestandteil zu benutzende Strahlteiler, Linsen und Prismen sind bei einer Massenproduktion schwierig herzustellen, zusammenzubauen und einzustellen und weisen unter den Gesichtspunkten der Größenverminderung, Kostenverminderung, Massenproduktion und Zuverlässigkeit Nachteile auf.
Vor kurzem wurde von Y. Kimura et al., Proc. of the International Symposium on Optical Memory, Tokyo, Sept. 16-18, 1987 (Seite 131) eine Gegenmaßnahme zur Lösung der vorstehenden Probleme in "High Performance Optical Head using Optimized Holographic Optical Element" berichtet. Bei diesem Vorschlag wird zur Lösung der vorgenannten Probleme ein optisches Element mit einer komplexen Funktion eingeführt und, wie in Fig. 1b in der beigefügten Zeichnung der vorliegenden Anmeldung dargestellt ist, ist ein Hologrammelement 16 in der Nähe einer fokussierenden Linse 3 angeordnet. Üblicherweise, wenn ein unter Benutzung von für eine Hologrammaufzeichnung geeignetem Licht mit einer Wellenlänge von λ&sub1; (400 bis 500 nm) vorbereitetes Hologrammelement zur Rekonstruktion mit einem nahinfraroten oder roten Laserstrahl mit einer für eine Lichtquelle einer OPUH-Vorrichtung geeigneten Wellenlänge λ&sub2; ( 800 nm oder 633 nm) bestrahlt wird, leidet die Linsenfunktion des Hologramms unter einer merkbaren Aberration, die schwierig zu korrigieren ist. Unter den Umständen wird das Hologrammelement mit Hilfe eines Computers unter Konstruktionsüberlegungen auf der Grundlage eines sogenannten Fourier-Transform-holographischen Systems, welches ein in Fig. 1a dargestelltes optisches Modell ist, bei dem ein Interferenzstreifenmuster aufgrund der Interferenz von zwei Punkten P&sub1; und P&sub2; mit einem Referenzstrahl R auf einer &epsi; - η Ebene oder Hologrammoberfläche gebildet wird (praktischerweise wird ein Interferenzstreifenmuster durch die Wellenfronten 230 und 231 auf einer Hälfte der Hologrammoberfläche und ein Interferenzstreifenmuster durch die Wellenfronten 230 und 232 auf der anderen Hälfte gebildet. Daher wird das in Fig. 1b benutzte Hologrammelement 16 durch Elektronenstrahlgrafik vorbereitet und weist insbesondere zwei Bereiche 161 und 162 zum Erhalt von Wirkungen auf, die zu denen des "Teilprismenverfahrens" oder "Doppelmesserschneideverfahren" äquivalent sind. Bei einer in Fig. 1b dargestellten Optik für einen optischen Kopf führt ein von einer Laserquelle 1 emittierter infraroter Strahl oder sichtbarer Strahl durch das Hologrammelement 16 und die Linse 3 und bestrahlt die Oberfläche einer optischen Platte 4. Ein von der optischen Platte reflektierter Strahl führt durch die Linse 3 und das Element 16, wodurch die gebeugten Strahlen zur Benutzung für die Fokussierungssteuerung, Spurnachlaufsteuerung und dergleichen von einem Strahlempfänger 15 nachgewiesen werden. Auf den Fotoempfänger 15 auftreffende Lichtflecken sind diagrammartig in Fig. 1c dargestellt. Das auf die vorstehend beschriebene Weise vorbereitete Hologrammelement kann vorteilhafterweise als eine aberrationsfreie Hologrammlinse für eine Wellenlänge, die auf die Konstruktionswellenlänge λ&sub2; der benutzten Laserquelle 1 begrenzt ist, wirken, und selbst in dem Fall, in dem eine Aberration aufgrund einer geringen Wellenlängenveränderung der Laserquelle als Strahlverschiebung auf der fotoelektrischen Wandleroberfläche des Strahlempfängers oder Fotoempfängers 15 erscheint, unterdrücken vier fotoelektrische Wandlerbereiche 151, 152, 153 und 154, die auf Art eines Gegentakt bequem bedient werden können, die Veränderung auf ein für praktische Zwecke zufriedenstellendes Ausmaß.
Die das Hologrammelement 16 benutzende Optik nach dem Stand der Technik ist jedoch dahingehend nachteilhaft, daß zur Fokussierung eines kleinen Flecks auf die lineare Bereichsbegrenzung (B in Fig. 1c) des Fotoempfängers 15 die Position des Flecks innerhalb eines Bereichs von ± einigen Mikrometern bezüglich des Fotoempfängers 15 genau eingestellt werden muß, wie in dem Fall des gewöhnlichen optischen Systems. Bei einem System vom astigmatischen Aberrationstyp, bei dem astigmatische Aberrationswellenfronten von einem Vier-Bereich oder - element (Quadrant) Empfänger 15, wie in Fig. 1c dargestellt, nachgewiesen werden, ergeben sich dieselben Schwierigkeiten bei der Durchführung einer genauen Endeinstellung des Fotoempfängers 15. In diesem Zusammenhang kann man beispielsweise verweisen auf "A Multi-functional Reflection Type Grating Lens for the CD Optical Head" von K. Tatsume et al., Proceedings of the International Symposium on Optical Memory, Tokyo, 16. bis 18. September 1987 (Seite 127) und USP 4,731,722 von Wai-Hon Lee unter dem Titel "Optical head using hologram lens for both beam splitting and focus error detection functions", herausgegeben im Mai 1988.
Bei dem Versuch, die Lichtquelle (Halbleiterlaser) und den Fotoempfänger in der herkömmlich OPUH-Vorrichtung unter Benutzung des holographischen Elements integriert zu bilden, muß ferner die Position des Fotoempfängers in bezug auf die Lichtquelle mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.
Bei der herkömmlichen, ein Beugungsgitter benutzenden Optik (Messerschneideverfahren) wird von den mit der Lichtquelle 1 beleuchteten Beugungselement 16 ein unerwünschter Beugungsstrahl erzeugt, wenn dieser auch nicht in dem Konzept- Diagramm der Fig. 1b dargestellt ist, und zur Bildung eines unerwünschten Beugungsfleck-Bildes von der Linse 3 auf die Oberfläche der optischen Platte 4 fokussiert. Der unerwünschte Fleck ist ein kleiner Fleck, wie der Beugungsstrahlfleck, der 0-ten Ordnung und bei einer optischen Platte vom einmal beschreibbaren Typ oder löschbaren Typ ist seine Intensität zu hoch, um vernachlässigt zu werden und verschlechtert das S/R- Verhältnis beim Signalaufzeichnen oder -lesen.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer kompakten, leichten und im hohen Maße zuverlässigen OPUH-Vorrichtung, die zur Massenproduktion geeignet ist.
Im Hinblick auf die vorstehende Aufgabe liefert die vorliegende Erfindung eine optische Aufnahmekopfvorrichtung mit:
einer Lichtquelle zum Emittieren eines Strahls;
einer Abbildungsoptik zum Fokussieren des Strahls auf einen kleinen Fleck;
einem auf einem optischen Weg, auf dem der durch die Optik führende Strahl von einem vorgegebenen optischen Speichermedium reflektiert oder von diesem gebeugt wird, angeordneten Beugungselement zum Erzeugen von zwei Wellenfronten der gleichen Beugungsordnung und mit zwei verschiedenen Fokalpunkten in einer Hälfte des bezüglich der optischen Achse der Optik außeraxialen Bereichs; und
einer Fotoempfängereinrichtung zum Empfang von Strahlen der beiden Wellenfronten von dem Beugungselement;
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Wellenfronten jeweils in zwei Ebenen fokussiert werden, die jeweils vor und hinter einer zu der optischen Achse senkrechten und einen Fokalpunkt des von dem Beugungselement erzeugten gebeugten Strahls der 0ten Beugungsordnung enthaltenden Ebene angeordnet sind; und
daß die Empfängereinrichtung einen ersten und einen zweiten Fotoempfänger umfaßt, die jeweils eine Mehrzahl von sich in der einen oder der anderen mit einer radialen Linie mit einem an einem Fokalpunkt des von dem Beugungselement erzeugten Strahls der 0-ten Beugungsordnung angeordneten Zentrum zusammenfallenden oder zu dieser im wesentlichen parallelen Richtung ausdehnenden Elementbegrenzungen aufweisen, zum Empfang der beiden Wellenfronten auf ihrer in einer Ebene liegenden Empfängeroberfläche, die im wesentlichen im Zentrum zwischen dem Fokalpunkt der einen der beiden Wellenfronten und dem Fokalpunkt der anderen der beiden Wellenfronten angeordnet ist.
Spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1a ein Modell einer Optik für die Vorbereitung eines herkömmlichen Hologramms;
Fig. 1b ein eine das herkömmliche Hologramm benutzende Optik für einen optischen Kopf darstellendes schematisches Diagramm;
Fig. 1c ein Lichtflecken auf einem in der Optik nach Fig. 1b benutzten Fotoempfänger darstellendes Diagramm;
Fig. 2a eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellendes schematisches Diagramm;
Fig. 2b ein die Beziehung zwischen dem Beugungselement und dem Fotoempfänger in der Ausführungsform nach Fig. 2a konzeptionell darstellendes Diagramm;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4a eine OPUH-Vorrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellendes schematisches Diagramm;
Fig. 4b eine konzeptionelle und schematische Darstellung einer Fotoempfängeranordnung, die in der Ausführungsform nach Fig. 4a anstelle der in Fig. 4a dargestellten zu benutzen ist;
Fig. 5a bis 5c zur Erläuterung der Funktion des Fotoempfängers in bezug auf drei Fokuszustände von Strahlen nützliche Diagramme;
Fig. 6a eine konzeptionelle und schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Fotoempfängeranordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 6b eine konzeptionelle Darstellung einer integrierten Bildung des Fotoempfängers und der Lichtquelle zur Benutzung in der Ausführungsform nach 6a;
Fig. 7 ein ein Beispiel einer Aufzeichnungsoptik zur Vorbereitung eines als Beugungselement gemäß der Erfindung benutzten Hologramms darstellendes schematisches Diagramm;
Fig. 8a eine konzeptionelle Darstellung eines übereinandergefügten Zonenplattenmusters entsprechend eines durch die Optik nach Fig. 7 erhaltenen Musters;
Fig. 8b eine konzeptionelle Darstellung eines anderen Beugungselementmusters gemäß der Erfindung;
Fig. 9a eine Draufsicht auf ein phasenartiges Beugungselements;
Fig. 9b eine Schnittansicht der Fig. 9a;
Fig. 10 eine diagrammartige Darstellung zur Erläuterung der Beugungsstrahlen der 0ten Ordnung und der ± ersten Ordnung;
Fig. 11 ein eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellendes schematisches Diagramm;
Fig. 12a eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellende ähnliche Ansicht;
Fig. 12b eine Darstellung eines Strahls auf dem Fotoempfänger der Ausführungsform nach Fig. 12a.
Fig. 2a stellt schematisch eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Bezugnehmend auf Fig. 2a umfaßt die OPUH-Vorrichtung einen Halbleiterlaser 1 zum Emittieren eines kohärenten Strahls mit einer Wellenlänge λ&sub2; von beispielsweise etwa 800 nm, die in den infraroten Bereich oder einen Bereich kürzerer Wellenlängen als Infrarotstrahlen fällt, eine Kollimatorlinse 2 mit einer Brennweite fc von etwa 20 mm und eine Objektivlinse 3 zum Fokussieren. Zwischen den Linsen 2 und 3 ist ein optisches Beugungselement 6 eingefügt, das zwei Fokalpunkte in dem außerhalb der Achse liegenden Bereich erzeugen kann. Auf dem Vorlaufweg wird das durch das Beugungselement 6 führende Transmissionslicht der 0-ten Beugungsordnung auf die Platte 4 fokussiert. Diese Platte 4 umfaßt ein Substrat 42 und eine Schutzschicht 41. Auf dem Rücklauf- oder Umkehrweg führt der von der Platte 4 reflektierte Strahl durch die Linse 3 zur Umwandlung in einen im wesentlichen parallelen Strahl, der anschließend auf das Beugungselement 6 auftrifft, so daß zusätzlich zu dem Transmissionslicht der 0-ten Beugungsordnung außerhalb der Achse liegende Doppelwellenfronten 61 und 62 mit unterschiedlichen Krümmungen erzeugt werden.
Diese gebeugten Wellenfronten werden von der Kollimatorlinse 2 jeweils in zwei Ebenen in der einen Hälfte des außerhalb der Achse liegenden Bereichs fokussiert, die jeweils vor und hinter einer einen Fokalpunkt des Lichts der 0-ten Beugungsordnung, das heißt eines emittierenden Punkts der Lichtquelle 1 enthaltenden Ebene 111, und die senkrecht zu der optischen Achse Z der Linse 2 ist, liegen. Die Vorrichtung umfaßt ebenfalls einen Fotoempfänger 5 zum Empfangen von Licht, der Drei-Element-Fotoempfänger 51 und 52, wie in Fig. 2b dargestellt, einschließt. Die Fokalebene für die Wellenfront 61 ist δ&sub1; (Absolutwert) entfernt von der Ebene 111 und diejenige der Wellenfront 62 ist δ&sub2; (ebenfalls Absolutwert) entfernt von der Ebene 111 und δ&sub1; = δ&sub2; = δ wird bei der Konstruktion festgelegt. Aber, beispielsweise verglichen mit der Entfernung zwischen den beiden astigmatischen Fokallinien bei dem astigmatischen Verfahren kann δ&sub1; + δ&sub2; einige Mal größer sein und δ&sub1; ungleich δ&sub2; kann mit einer vergleichsweise großen Toleranz gestattet werden. Konjugierte Bilder werden in der anderen Hälfte des außerhalb der Achse liegenden Bereiches gebildet, aber sie sind in Fig.2a nicht dargestellt.
Fig. 2b stellt insbesondere die Beziehung zwischen dem Emissionspunkt 10 und sowohl dem ersten Fotoempfänger 51 als auch dem zweiten Fotoempfänger 52 dar, die in der Ebene 111 liegen. Die Wellenfront 61 resultiert in einen einfallenden Strahl 610 auf der fotoelektrischen Umwandlungsoberfläche des Fotoempfänger 51 und die Wellenfront 62 resultiert in einen einfallenden Strahl 620 auf der fotoelektrischen Umwandlungsoberfläche des Fotoempfängers 52. Diese Strahlen überbrücken jeweils lineare Elementbegrenzungen B und sind auf der X-Achse ausgerichtet, die eine durch den Emissionspunkt führende grade Linie ist, wie in Fig. 2b dargestellt. Der erfindungsgemäße OPUH unterscheidet sich von dem ein Beugungselement benutzenden OPUH nach dem Stand der Technik in solchen Punkten, wie der Bereichsanordnung des Unterempfängers, dem Muster (Fresnel-Zonen-Platte) des Beugungselements und der Positionsbeziehung zwischen Fotoempfänger und Beugungselement, um zum Erhalt spezieller Vorteile gut angepaßt zu sein. Für die einfache Erläuterung sind die Zentren O&sub1; und O&sub2; der Fresnel-Zonen-Platten-artigen Muster des Beugungselements 6 in Fig. 2b dargestellt, aber das Element wird in einem von dem strichlierten Kreis umgebenen Bereich benutzt. Die Linie ist parallel zu der X-Achse. Der durch die Erfindung gekennzeichnete Fotoempfänger wird später unter Bezugnahme auf die Fig. 5a bis 5c im Detail beschrieben.
Fig. 3 ist eine diagrammartige Darstellung, die das Konzept einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Während in der ersten Ausführungsform ein transmissionsartiges Beugungselement benutzt wird, wird zum Abknicken der optischen Achse um einen Winkel α, der näherungsweise 90º gleicht, bei dieser Ausführungsform ein reflektionsartiges Beugungselement 66 benutzt. In diesem Fall ist das Fresnel-Zonen-Plattenmuster nicht kreisförmig, sondern elliptisch, wobei das Verhältnis zwischen großer Halbachse und kleiner Halbachse näherungsweise 1,4:1 beträgt. Obwohl es unter einer astigmatischen Aberration leidet, kann in dieser Ausführungsform jedoch auch das kreisförmige Fresnel-Zonen- Plattenmuster praktisch zufriedenstellend benutzt werden. Die Abbildungsoptik kann bei dieser Ausführungsform ohne die Kollimatorlinse ausgeführt sein und sie kann zur Verwirklichung der Kompaktheit der Vorrichtung und zur Verminderung der Anzahl von Teilen allein aus einem Objektiv-Linsen-System gebildet sein.
Fig. 4a stellt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, die sich von den vorhergehenden zwei Ausführungsformen dadurch unterscheidet, daß im Hinblick auf den Erhalt von Steuerstrahlen auf einen Umkehrweg, der von einem von einer Lichtquelle ausgehenden Vorlaufweg getrennt ist, ein polarisierter Strahlteiler 109 und eine Viertel-Wellenlänge-Platte 9 vorgesehen sind, und daß ein dritter Fotoempfänger 7 aus zwei Bereichen ausschließlich zum Spurnachlaufnachweis benutzt wird. In diesem Fall ist das optische System auf eine solche Weise angeordnet, daß die Richtung der Spurrille bei der auf die Oberfläche des Fotoempfängers 7 projizierten optischen Platte senkrecht zu den linearen Elementbegrenzungen B&sub1; des Fotoempfängers 5 ist. Daher kann durch Nachweisen von Signalen während die Richtung einer linearen Spurbegrenzung B&sub2; des Zwei-Element-Fotoempfängers 7 so beibehalten wird, daß sie mit der Richtung der projizierten Spurrille zusammenfällt, Rauschen (Versatz) aufgrund des Kreuzens des Strahls über eine Rille einer optischen Platte unterdrückt werden zum Zweck des Nachweises durch den Fokussierungsfehler- Empfänger, wodurch sichergestellt wird, daß eine genaue Fokussierungsteuerung durchgeführt und das Stellglied mit einem minimalen Leistungsverbrauch bedient werden kann. Die Wellenlängenplatte 9 ist vorzugsweise als λ/4-Platte konstruiert zur Vereinfachung des Wirkungsausgleichs zwischen der Wellenlängenplatte 9 und dem polarisierten Strahlteiler 10 und zur Optimierung der Menge des Umkehrlichts, wodurch das S/R-Verhältnis für den Signalnachweis maximiert wird. Ein Spiegel 8 ist zum Knicken des optischen Wegs angepaßt. Bei dieser Ausführungsform kann ein Hologramm 666 zur Maximierung der Beugungswirksamkeit vorzugsweise mit einem Blaze versehen sein.
Wie in Fig. 4b dargestellt ist, können die Fotoempfänger 51 und 52 und ein zum Nachweis von RF-Signalen bestimmter Fotoempfänger 50 in einer Brennebene einer fokussierenden Linse 20 integriert sein.
Der Aufbau des in den vorhergehenden Ausführungsformen benutzten Fotoempfängers wird nachstehend im größeren Detail beschrieben. Die Fig. 5a bis 5c stellen diagrammartig die Beziehung zwischen den Strahlen 610 und 620, die auf den Elementen der in Fig. 2b dargestellten Fotoempfänger 51 und 52 nachgewiesen werden, dar. Insbesondere wenn ein im Fokus liegender Fleck auf der Platte gebildet wird können Strahlen 610 und 620 mit identischem Durchmesser und optischer Leistungsdichte erhalten werden, wie in Fig. 5b dargestellt ist, und diese Strahlen werden einer fotoelektrischen Umwandlung unterzogen. Als Ergebnis gleicht ein von einem der drei Elemente 510 des Empfängers 51 nachgewiesenes Ausgabesignal einem von einem der drei Elemente 520 des Empfängers 52 nachgewiesenen Ausgabesignal und das differentielle Ausgabesignal wird null. Demnach wird, wenn ein Ausgabesignal von jedem Bereich j durch Sj dargestellt wird, ein Fokussierungs-Fehlersignal FE gegeben durch
FE = S&sub5;&sub1;&sub0; - S&sub5;&sub2;&sub0;
= 0.
Aber das Fokussierungs-Fehlersignal FE wird vorzugsweise erhalten aus
FE = (S&sub5;&sub1;&sub0; + S&sub5;&sub2;&sub1; + S&sub5;&sub2;&sub2;) - (S&sub5;&sub2;&sub0; + S&sub5;&sub1;&sub1; + S&sub5;&sub1;&sub2;),
weil dieser differentielle Nachweis die Fehlersignal-Nachweisempfindlichkeit (Verhältnis zwischen Fokussierungsfehler und Ausgabesignal) und die Linearität verbessern kann, was eine verbesserte Lichtbenutzungseffizienz zur Folge hat, die wiederum zu einem extrem verbesserten S/R-Verhältnis führt.
Wenn ein außerhalb des Fokus liegender oder defokussierter Fleck auf der Platte gebildet wird, ist das auf das Beugungselement 6 einfallende Licht keine ebene Welle, sondern ist beispielsweise eine divergierende sphärische Welle und daher nähert sich der Fokalpunkt für die von der Wirkung einer konvexen Linse des Fresnel-Zonen-Plattenmusters des Beugungselements beeinflußten Wellenfront 61 dem Fotodetektor, während sich der Fokalpunkt für die von der Wirkung einer konkaven Linse des Fresnel-Zonen-Plattenmusters beeinflußten Wellenfront 62 von dem Fotodetektor entfernt, wie in Fig. 5c dargestellt.
Folglich gilt
FE = S&sub5;&sub1;&sub0; - S&sub5;&sub2;&sub0; > 0
oder offensichtlich
FE = (S&sub5;&sub1;&sub0; + S&sub5;&sub2;&sub1; + S&sub5;&sub2;&sub2;) - (S&sub5;&sub2;&sub0; + S&sub5;&sub1;&sub1; + S&sub5;&sub1;&sub2;) > 0.
Wenn ein außerhalb des Fokus liegender oder defokussierter Fleck auf der optischen Platte in, verglichen mit der vorstehenden, entgegengesetzter Phasenbeziehung gebildet wird, werden die Strahlen bezüglich den in Fig. 5c dargestellten symmetrisch umgekehrt, wie in Fig. 5a dargestellt ist, und es gilt
FE = S&sub5;&sub1;&sub0; - S&sub5;&sub2;&sub0; < 0
oder
FE = (S&sub5;&sub1;&sub0; + S&sub5;&sub2;&sub1; + S&sub5;&sub2;&sub2;) - (S&sub5;&sub2;&sub0; + S&sub5;&sub1;&sub1; + S&sub5;&sub1;&sub2;) < 0.
Die linearen Elementbegrenzungen B von jedem Empfänger sind parallel zu der durch den Fokalpunkt 10 für den gebeugten Strahl der 0ten Ordnung führenden X-Achse und einzelne in jedem der vorstehend beschriebenen Zustände erscheinende Strahlen bewegen sich entlang der linearen Elementbegrenzung B in Richtung der X-Achse, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle ändert. Diese Bewegung wird in Fig. 5b beispielhaft mit den strichlierten Kreisen dargestellt. Es wird erkannt, daß die Bewegung der Strahlen die Parallelität der die Zentren O&sub1; und O&sub2; der zonenplattenartigen Muster des Beugungselements 6 verbindenden Linie zu der X-Achse, wie in Fig. 2b dargestellt ist, als Ursache hat.
Wenn die Brennweite f&sub2; der Kollimatorlinse 20 mm und die Öffnungsgröße davon 5 mm beträgt, sind die Konstruktionsparameter beispielsweise so, daß W&sub0; = W&sub1; = W&sub2; = 0,05 mm für jedes Element beträgt, die Distanz l&sub1; von dem Punkt 10 zu dem einen Elementzentrum 1 mm und die Entfernung l&sub2; von dem Punkt 10 zu dem anderen Elementzentrum 0,65 mm beträgt, der zu dem im Fokus liegenden Fleck entsprechende Strahldurchmesser D 0,1 mm beträgt und δ&sub1; = δ&sub2; = 0,4 mm ist.
Bei einer tatsächlichen OPUH-Vorrichtung genügt es, daß ein Fokussierungsänderungsbetrag von etwa ± 100 um auf der Fotoempfängeroberfläche, entsprechend einem Defokussierungsbetrag von etwa ± 5 um auf der Oberfläche der optischen Platte, als Hauptoperationsbereich konstruiert ist und daher darf sich der Durchmesser von Strahlen in den Fig. 5a bis 5c von einem Maximalwert von etwa 125 um bis zu einem Minimalwert von etwa 75 um ändern.
Zurückkehrend zu Fig. 2a sind die Signallöcher entlang den Spuren unterteilt, um eine Unregelmäßigkeit auf der Informationsaufzeichnungsoberfläche darzustellen. Wenn die Spur in einer Richtung parallel zu dem Zeichnungsblatt verläuft, sind zwei Strahlen jeweils konvergierende und divergierende Wellenfronten und Fernfeldmuster der Spurrille befinden sich auf der Fotoempfängeroberfläche in Gegenphase. Demnach kann ein Spurnachlauffehlersignal TE erhalten werden durch Berechnen von
TE = (S&sub5;&sub1;&sub1; + S&sub5;&sub2;&sub1;) - (S&sub5;&sub1;&sub2; + S&sub5;&sub2;&sub2;).
Es wird dann erfindungsgemäß gewünscht, daß der mechanische Freiraum für den Fotoempfänger beim Erhalt des Fokussierfehlersignals FE und des Spurnachlauffehlersignals TE erheblich erhöht werden kann im Vergleich zu dem Fall der Fig. 1c.
Wenn ein Halbleiterlaser als Lichtquelle benutzt wird, entsteht im allgemeinen das Problem, daß sich die Wellenlänge des von dem Laser initiierten Strahls in Übereinstimmung mit Temperaturänderungen oder Stromänderungen verschiebt. Erfindungsgemäß fällt die Richtung der linearen Elementbegrenzung B, wie in Fig. 5a bis 5c dargestellt ist, mit der Richtung der räumlichen Trägerfrequenz eines teilweisen Hologramms zusammen, welches der Rekonstruktion der jeweiligen Wellenfronten mit verschiedenen Fokalpunkten entspricht, und daher tritt selbst dann kein Problem auf, wenn die Strahlverschiebung, wie in Fig. 5b mit dem strichlierten Kreis dargestellt, stattfindet, bei der der Strahl 611 sich um Δl&sub1; und der Strahl 621 sich um ein Δl&sub2; verschiebt. Während sich die Wellenlänge von λ&sub2; auf λ&sub2; + Δλ verschiebt, verändern sich die beiden Strahlen im Hinblick auf ihre Vergrößerung in einem Maß, das gegeben ist durch
und das differentielle Ausgangssignal kann immer noch ungestört bleiben, selbst wenn sich der Strahldurchmesser ändert.
Fig. 6a stellt eine weitere Anordnung von Fotoempfängereinrichtungen dar, die bei jeder erfindungsgemäßen OPUH- Vorrichtung benutzt werden kann. Diese Anordnung unterscheidet sich von der Anordnung nach den Fig. 5a bis 5c dahingehend, daß Zentren der ersten Fotoempfängereinrichtung 51 und der zweiten Fotoempfängereinrichtung 52 beide um eine Entfernung von dem Emissionspunkt 1000 entfernt sind und daß lineare Elementbegrenzungen B der ersten Fotoempfängereinrichtung und der zweiten Fotoempfängereinrichtung parallel zu solchen Linien sind, die sich radial von dem Punkt 1000 ausgehend erstrecken und zwischen den Linien einen festgelegten Winkel Θ einschließen. In diesem Fall sind zwei außerhalb der Achse liegende Fresnel-Zonen-Plattenmuster symmetrisch zu einem vertikalen Halbsektor für ein die Zentren O&sub1; und O&sub2; der beiden Muster verbindendes Liniensegment, wie in Fig. 8b dargestellt, und ein Absolutwert einer Beugungswinkeländerung entsprechend einer Wellenlängenänderung der Lichtquelle ist vorteilhafterweise für beiden Strahlen gleich. Demnach ist so konstruiert, daß diese Entfernung minimal ist, wenn eine einer große Wellenlängenänderung unterliegende Lichtquelle benutzt wird. Ferner können die beiden Wellenfronten auf einfache Weise so gebildet werden, daß sie in ihrer Strahlintensität streng identisch miteinander sind.
Durch leichtes Drehen des Beugungselementes oder der Fotoempfängereinrichtungen um ein Drehzentrum 1000, das im wesentlichen mit dem Emissionspunkt 10 zusammenfällt, wie es in Fig. 6a mit dem Pfeil 98 oder 99 bezeichnet ist, kann die Beziehung zwischen dem Beugungselement oder der Fotoempfängereinrichtung und der Positionen der Strahlen 611 und 612, die winkelmäßig durch Θ voneinander getrennt sind, einfach eingestellt werden, wie in dem Fall der Fig. 2a und 2b. Bei einem Beispiel, bei dem die Fotoempfängereinrichtung 5 und der Halbleiterlaser 1 integral gebildet sind, sind diese in einer diagrammartig in Fig. 6b dargestellten Positionsbeziehung angeordnet. Wenn Θ 45º, l 1 mm und der Strahldurchmesser D 0,1 mm, genügt es, daß der Emissionspunkt 10 der Lichtquelle mit einer mechanischen Genauigkeit von etwa 0,1 mm an der Entwurfsstelle festgelegt wird und die integrale Bildung der Lichtquelle und der Fotonachweiseinrichtung kann einfacher verwirklicht werden, als in dem Fall Θ 0. Das ist insbesondere bei der Herstellung der vorgenannten integralen Teile unter Benutzung von automatisierten Maschinen vorteilhaft. Zieht man die Positionsfehler der mit der Fotoempfängereinrichtung 5 angeordneten Laserdiode 1 in Betracht, ist es ferner praktisch möglich oder erforderlich, den Begrenzungsschnittwinkel Θ' zwischen beinahe 0 und demjenigen der Elementbegrenzungen, wie in der Figur veranschaulicht, zu konstruieren, das heißt:
0 Θ' ≤ Θ.
Fig. 7 ist eine das Konzept eines Beispiels einer Optik zum Aufzeichnen eines als Beugungselement in jeder Ausführungsform der Erfindung benutzten Fourier-Transformations-Hologramms veranschaulichende Darstellung.
Eine kohärente ebene Welle 91, die auf Gradientenindex-Stablinsen 901, 902 und 900 auftrifft, werden auf festgelegte räumliche Positionen 101, 102 und 100 fokussiert, und dann führen die differentiell fokussierten Strahlen durch eine Fourier-Transformations-Linse 99, um einander auf einem Aufzeichnungsmedium 60 zu überlagern, wodurch ein Fourier- Transformations-Hologramm gebildet wird. Das Fourier-Transformations-Hologramm, dessen Eigenschaften in Einzelheiten beispielsweise in der Literatur "Speckle reduction in holography ..." von M. Kato et al., Appl. Opt., 14 (1975) 1093 berichtet und analysiert wurden, wurde praktisch bei einer Aufzeichnungs-/Wiedergabeoptik für allgemeine Bilder angewandt (siehe "Optical Chinese character edition/processing system" von Sato et al., Research Data, The Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, EC 78-53 (1978) 47). Die Literatur wird auf dem Weg einer Referenz als Teil der Offenbarung hierin eingeschlossen. Praktisch genügt es bei einem in der vorliegenden Erfindung benutzten Fourier-Transformations-Hologramm, daß die Fourier Transformation für rekonstruierte Wellenfronten in der Nähe der optischen Achsen in einem solchen Ausmaß gültig ist, daß die Funktion des Hologramms als Strahlsteuereinrichtung praktisch nicht gestört wird. Demnach kann die für Rekonstruktion von Wellenfronten von dem Hologrammelement benutzte Linse durch eine Kollimatorlinse ersetzt werden oder alternativ durch einfaches Bestrahlen einer konvergierenden spherischen Welle auf das Hologrammelement, ein gewünschtes rekonstruiertes Bild kann auch auf einer Fokalebene des Hologrammelements erhalten werden.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Aufzeichnungsoptik kann die Z-Achsen-Entfernung Δ&sub1; zwischen dem Fokalpunkt 101 und der X-Achse und die Z-Achsenentfernung Δ&sub2; zwischen dem Fokalpunkt 102 und der X-Achse wie folgt konstruiert werden:
wobei M die Vergrößerung ist, f&sub1; die Brennweite der Aufzeichnungs-Fourier-Transformationslinse 99 ist und f&sub2; der Brennweite der Rekonstruktions-Fourier-Transformationslinse entspricht, die durch die Brennweite der Kollimatorlinse in Fig. 2a und durch den Krümmungsradius f&sub2; einer auf das Hologramm einfallenden konvergierenden Welle in Fig. 3 gegeben ist. Die Entfernungen L&sub1; und L&sub2; zwischen optischen Achsen der Stablinsen stehen zu l&sub1; und l&sub2; in Fig. 5b über ML&sub1; = l&sub1; und ML&sub2; = l&sub2; in Beziehung. Wenn die Brennweite l&sub1; der Aufzeichnungs-Fourier-Transformationslinse näherungsweise 50 bis 100 mm beträgt, betragen L&sub1; und L&sub2; näherungsweise 1 bis 2 mm zum Zweck der Dimensionsanpassung an die Optik des optischen Kopfs und des Fotoempfängersystems, die in Verbindung mit den Fig. 2a bis 4b beschrieben wurden. Mit einer herkömmlichen Linsenoptik ist der Erhalt eines gewünschten Hologramms schwierig, aber eine Stablinse mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ist einfach zu verwirklichen, wodurch die Vorbereitung eines gewünschten Hologramms vereinfacht wird.
Auf diese Weise kann das Beugungselement mit dem Fresnel-Zonen-Plattenmuster unter Benutzung der Laserinterferenzoptik vorbereitet werden. Aber, wie in der Technik gut bekannt ist, kann die Fresnel-Zonen-Platte auch unter Benutzung eines anderen Verfahrens als des Interferenzverfahrens in der Form eines konzentrischen Zonenmusters entworfen werden. Nimmt man beispielsweise eine diagrammartig in Fig. 9 veranschaulichte, einfache Fresnel-Zone 660 sind die Radien rj der die Fresnel- Zone mit Fokallängen von ± fz bildenden Zonen gegeben durch
rj = [2j λfz + j² λ²] (1)
wobei λ die Wellenlänge der Lichtquelle ist. Eine phasenartige Zonenplatte in der Form einer Phasenplatte 669 mit einer Stufe &epsi; in einem Schnitt entlang der Linie AA' der Fig. 9a, wie in Fig. 9b veranschaulicht, kann erhalten werden und als gleichsam ein phasenartiges Hologramm mit hoher Beugungswirksamkeit darstellendes Beugungselement benutzt werden.
Fig. 8a veranschaulicht zwei mit 660 und 661 bezeichnete Zonenmuster, von denen jedes dem mit Hilfe der Interferenzoptik vorbereiteten Hologramm entspricht, wobei die beiden Muster durch eine festgelegte Entfernung (L&sub1; + L&sub2;) voneinander getrennt sind, um einander zu überlappen. Jedoch wird ein mit 6 bezeichnetes Gebiet innerhalb eines strichlierten Kreises tatsächlich als derartiges Muster benutzt und kann wie ein bei dem Herstellungsverfahren von Halbleitervorrichtungen benutztes Maskenmuster, direkt unter Benutzung der Computerausgabe erzeugt werden. Das Muster nach Fig. 8a wird als Maske beim Fotoätzen zum Bilden eines phasenartigen Beugungselementes 6, wie in Fig. 9a dargestellt, benutzt, welches als Beugungselement 6 in dem optischen System nach Fig. 2a benutzt werden kann. Das phasenartige Beugungselement 6, dessen Oberfläche mit einem Metallfilm beschichtet ist, wie etwa einem Aluminium- oder Gold- oder einem mehrlagigen dielektrischen dünnen Film, kann als das reflektionsartige Beugungselement in Fig. 3 benutzt werden. Es wird jedoch angemerkt, daß die Fig. 9a zur Vereinfachung der Erläuterung nur ein Teilmuster (einfache Zonenplatte) veranschaulicht. Fig. 8b stellt konzeptionell ein Beugungselementmuster dar, das in Verbindung mit der in Fig. 6 dargestellten Fotoempfängeranordnung benutzt wird. Zusätzlich zu dem Vorstehenden können verschiedene Fresnel-Zonen-Platten abhängig von dem Typ der Optik entworfen und vorbereitet werden und diese können, falls notwendig, zum Erhalt eines in hohem Maße genauen Fresnel-Zonen-Musters mit einer Elektronenstrahlgrafik kombiniert werden.
Auf Fig. 10 Bezug nehmend, wird ein auf der Grundlage des in Fig. 8a dargestellten Doppelzonenmusters vorbereitetes Beugungselement 6 mit einer Kollimatorlinse 2 kombiniert. Wenn das Beugungselement 6 mit einem parallelen kohärenten Strahl bestrahlt wird, werden Beugungswellen der 0-ten Ordnung und der ± ersten Ordnung erzeugt. Die gebeugten Strahlen der ± ersten Ordnung (divergierende und konvergierende Strahlen) von den jeweiligen Zonenmustern sind gebeugte Wellen, die virtuellen Bildern auf optischen Achsen entsprechen, welche jeweils von der optischen Achse der Linse 2 entfernt sind. Die gebeugten Wellen werden zur Bildung von Lichtbündeln 61, 62, 64 und 65 von der Linse 2 fokussiert. Das dem gebeugten Strahl der 0- ten Ordnung entsprechende Lichtbündel wird mit 63 bezeichnet. Zum Erhalt der ersten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 2a und 2b) wird das Lichtbündel 61 von der ersten Fotoempfängereinrichtung und das Lichtbündel 62 von der zweiten Fotoempfängereinrichtung nachgewiesen. Die Entfernungen L&sub1; und L&sub2; in Fig. 10 entsprechen l&sub1; und l&sub2; in Fig. 5b und werden durch die Brennweite fc der Linse 2 und die Fokallängen ± fz der Zonenplatte festgelegt. Cx1 und Cx2 bezeichnen Zentrumsachsen von Zonenplatten. Die mit einem graphischen Verfahren hergestellte Fresnel-Zonen-Platte ist anfälliger für leichte chromatische Aberrationen verursachende Wellenlängenänderungen als die Fresnel-Zonen-Platte in der Form des Fourier- Transformations-Hologramms, aber sie weist Vorteile einer (i) langen Fokallänge, (ii) einer Benutzungsmöglichkeit mit einem differentiellen Nachweissystem und (iii) eines Signalnachweises in dem Fernfeld und die Möglichkeit zur Verwirklichung der Funktion einer Hilfslinse zur Bildung von zwei vor und hinter der Fokalebene der fokussierenden Linse liegenden Fokalpunkten auf, und kann zur Verwirklichung einer praktisch zufriedenstellenden OPUH-Vorrichtung benutzt werden. Die Beziehung zwischen fc und fz (genauer, fz repräsentiert Fokallängen ± fz1 und ± fz2 der beiden Zonenplatten) kann in Übereinstimmung mit der einfachen geometrischen Optik wie folgt bezeichnet werden:
wobei δ die Entfernung zwischen der Fotoempfängeroberfläche und sowohl unter als auch über dem Fokus liegenden Bildern ist und über 2δ < fc zu fc in Beziehung steht. Die Werte von fz1 und fz2 hängen von einem gemäß Gleichung (1) konstruierten Muster und einer benutzten Wellenlänge ab. Insbesondere wenn die Objektivlinse 3 in Fig. 2a eine Brennweite f&sub0; aufweist und es gilt f&sub0; » fz1 ≈ fz2 = fz können die Gleichungen (2) und (3) angenähert werden durch
beziehungsweise
Wenn es so gewünscht wird, kann ein Fourier-transformationsartiges Zonenplattenmuster offensichtlich mit Hilfe eines Computers synthetisiert und erzeugt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Entfernung 2δ zwischen den zwei verschiedenen Fokalpunkten bestimmt durch
Fig. 11 veranschaulicht konzeptionell und schematisch eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2a ist ein Beugungselement 6 in einem von einer Lichtquelle 1 emittierten kohärenten Strahl angeordnet und auf dem optischen Rücklaufweg werden zwei Fokalpunktbilder von Drei-Element-Fotonachweiseinrichtungen 51 beziehungsweise 52 nachgewiesen. Diese Ausführungsform ist identisch mit der Ausführungsform nach Fig. 2a mit der Ausnahme, daß (i) die Abbildungsoptik keine Kollimatorlinse 2 enthält und nur aus einer Objektivlinse 300 besteht, (ii) schlitzartige Gittergebiete 671 und 672 auf der Oberfläche des Beugungselements 6 gebildet sind, in denen in festgelegten Entfernungen Beugungsgitter in den jeweiligen Gebieten gebildet sind, die unter Einschluß von Winkeln + ψ, beziehungsweise - ψ zu der X-Achse geneigt sind, und (iii) Fotoempfängereinrichtungen 71 und 72 und die Drei-Element-Fotoempfängereinrichtungen 51 und 52 sind auf demselben Chip integriert. Die Richtung von Spuren in einer optischen Platte 4 fällt mit der Y-Achsenrichtung in der Nähe des Strahlfokussierungspunkts zusammen und die Richtung der beiden Gittergebiete 671 und 672 fällt ebenfalls im wesentlichen mit der Y-Achsenrichtung zusammen. Das Muster des Beugungselements 6 entspricht dem Muster 6 in der in Fig. 8b dargestellten kreisförmigen Öffnung und das Liniensegment in Fig. 8b ist in Fig. 11 im wesentlichen parallel zu der X-Achse. Mit diesem Aufbau kann ein stabiles Spurnachlauf-Fehlersignal von einer differentiellen Ausgabeschaltung 77 der Fotonachweiseinrichtungen 71 und 72 erzeugt werden, weil das Spurnachlaufsignal von einer Schlitzöffnung an einer Stelle aufgenommen werden kann, an der das Fernfeldmuster der Spurrille sich auf der Beugungselementoberfläche maximal ändert. Demnach gibt es kein Bedürfnis zum Trennen des Spurnachlauf-Fehlersignals von den Drei-Element-Fotoempfängereinrichtungen 51 und 52 und wenn der Absolutwert der von der linearen Elementbegrenzung der Fotoempfängereinrichtung 51 beziehungsweise der Fotoempfängereinrichtung 52 und der X-Achse festgelegten Winkel ± Θ/2 so konstruiert ist, daß Θ 45º, kann Rauschen aufgrund des Kreuzens des Strahls über der Rille, das in dem Fokussierfehlersignal enthalten ist, erheblich unterdrückt werden.
Fig. 12a veranschaulicht schematisch eine OPUH-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird ein Teil einer in Fig. 9a dargestellten einfachen Zonenplatte zur Bildung eines Beugungselementes 661, das in seiner Öffnung schlitzartige Gittergebiete 671 und 672 aufweist, durch das in Fig. 4a dargestellte Beugungselement 666 ersetzt. Bei dieser Ausführungsform ist die lineare Elementbegrenzung B von jedem der Drei-Element-Fotoempfängereinrichtungen 51 und 52 parallel zu der X-Achse, die die optische Achse Z und das Zonenplattenzentrum O&sub1; verbindet und gegenseitig konjugierte Zweifokalpunktbilder aufgrund der Funktion der einfachen Zonenplatte als konvexe und konkave Linse werden zur Lieferung eines Fokussierfehlersignals differentiell nachgewiesen. Eine in der Nähe der optischen Achse angeordnete zentrale Fotoempfängereinrichtung 77 wird zum RF- Nachweis benutzt. Andere Komponenten des gebeugten Strahls, die von den schlitzartigen Gittergebieten stammen, werden von Fotoempfängereinrichtung 73, 74, 730 und 740 nachgewiesen und ein Spurnachlauffehlersignal ST wird gegeben durch
ST = (S&sub7;&sub4; + S&sub7;&sub4;&sub0;) - (S&sub7;&sub3; + S&sub7;&sub3;&sub0;)
Bei dieser Ausführungsform kann die Richtung der auf die Oberfläche der Fotoempfängereinrichtung projizierten Spurrille so festgelegt werden, daß sie genau mit der Y-Achsen- Richtung zusammenfällt, und selbst in dem Fall, in dem, wie in Fig. 12b dargestellt ist, Verschiebungen der Fernfeldmusterverteilung der Spurrille (schraffierte Gebiete p und q), die einem zwei lineare Elementbegrenzungen B der Drei-Element- Fotoempfängereinrichtung überbrückenden Strahl 611 überlagert sind, wird die differentielle Ausgabe durch diese Verschiebungen nicht beeinflußt. Das Fokussiernachweismuster in der Form der einfachen Zonenplatte gemäß dieser Ausführungsform kann ferner einfacher sein als das zur Ausgabe von vier Beugungsstrahlen der ersten Ordnung von zwei Zonenplatten benutzte Muster und die Lichtausnutzungseffizienz kann vorteilhafterweise hoch sein.
Während die Ausführungsformen nach den Fig. 11 bis 12b unter Bezugnahme auf die schlitzartigen Gittergebiete 671 und 672 beschrieben wurden, kann ein Gittermuster zur Bedeckung der Gesamtfläche des Beugungselementes 6 gebildet werden, dem die Beibehaltung des Krümmungsradius einer auf das Beugungselement 6 einfallenden Wellenfront möglich ist, und dem nur die Änderung der Fortpflanzungsrichtung der Wellenfront möglich ist, wie es in der Holographietechnik gut bekannt ist.
Wie vorstehend beschrieben, werden in der erfindungsgemäßen OPUH-Vorrichtung eine Mehrzahl von von dem Beugungselement erzeugten Wellenfronten zur Lichtstrahlsteuerung benutzt und Fernfeldmuster eines auf der optischen Platte fokussierten Flecks werden mit Hilfe von Fotoempfängereinrichtungen differentiell nachgewiesen, wodurch die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt werden.
(i) Während das Beugungselement bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik die Aufgabe eines Strahlteilers übernimmt und die Beugungskomponenten höherer Ordnung einschließlich Beugungskomponenten der ± ersten Ordnung, die auf dem Vorlaufweg erscheinen, auf die optische Platte fokussiert werden, bewirkt das defokussierende Muster bei der vorliegenden Erfindung die Verminderung der Leistungsdichte um zwei Größenordnungen verglichen mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik, um dadurch unnötiges Aufzeichnen und fehlerhafte Steueroperationen zu verhindern.
(ii) Ein der Herstellung von Steuerstrahlen durch das Beugungselement inhärenter Schwachpunkt, der in der Anfälligkeit für eine Wellenlängenveränderung der Lichtquelle besteht, kann erfindungsgemäß dadurch behoben werden, daß die lineare Begrenzung des Fotodetektors zusammenfallend mit der Richtung der räumlichen Trägerfrequenz eines Teilhologramms, das jedem Fleckbild entspricht, gebildet wird, und durch differentiellen Nachweis der Steuerstrahlen.
(iii) Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Positionseinstellung der Fotoempfängereinrichtung im allgemeinen in allen drei axialen Richtungen mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit ausgeführt werden muß, kann die vorliegende Erfindung die Genauigkeitsforderung merkbar abschwächen und nebenbei die Herstellung einer in hohem Maße zuverlässigen OPUH- Vorrichtung durch ein solches vereinfachtes Einstellungsverfahren ermöglichen, was im Drehen des Beugungselementes oder der Fotoempfängereinrichtung besteht.
(iv) Das bei der vorliegenden Erfindung benutzte Beugungselement ist von der Art einfacher, übereinandergelegter Zonenplatten und viele Beugungselemente mit hoher Beugungseffizienz können mit extrem hohen Genauigkeiten kopiert werden.
(v) Eine die erfindungsgemäße OPUH-Vorrichtung, die die entstehenden Vorteile erfüllt, benutzende Treibervorrichtung für eine optische Platte kann mit einer in Form eines Halbleiterlasers gebildeten Lichtquelle selbst in Umgebungen stabil arbeiten, in denen sich die Temperatur in hohem Maße verändert.
(vi) Eine kompakte Festkörperlichtquelle, wie etwa ein Halbleiterlaser, kann mit einer geringeren mechanischen Genauigkeit als herkömmlicherweise erforderlich integral mit Fotoempfängereinrichtungen gebildet werden, und die Benutzung der integral gebildeten Teile kann das Herstellungsverfahren einer OPUH-Vorrichtung vereinfachen und die Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung verbessern.
(vii) Dem Stand der Technik stellt sich ein dahingehendes Problem, daß Verschiebungskomponenten aufgrund des Einflusses des der Spurrille entsprechenden Beugungsmusterbildes als Rauschen dem Fokussiernachweissignal überlagert sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch eine bemerkenswerte Rauschunterdrückung dadurch, daß die Richtung der linearen Begrenzung einer Fotoempfängereinrichtung im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der auf die Fotoempfängeroberfläche projizierten Spurrille ist.
(viii) Bei dem herkömmlichen Fokussiernachweis auf der Grundlage eines differentiellen Nachweises von Zwei-Fokalpunkt-Bildern werden zwei verschiedene Nachweisoberflächen benutzt oder die Bilder werden auf einer einzigen Nachweisoberfläche einer Fotoempfängereinrichtung mit einer einzigen einfachen Öffnung nachgewiesen. Im Gegensatz dazu benutzt die vorliegende Erfindung zwei Fotoempfängereinrichtungen mit einer Drei-Bereichsstruktur, vorzugsweise in einer integrierten Form, um dadurch den dynamischen Bereich des Fokussierungsnachweises zu erweitern, die Ausnutzungseffizienz des Lichtflusses zu verbessern und gleichzeitig den Nachweis eines Spurnachlauf-Nachweissignals zu sichern.
Daher kann die vorliegende Erfindung eine OPUH-Vorrichtung liefern, die kompakt, leicht, hoch zuverlässig, preiswert und für eine Massenproduktion geeignet ist.

Claims

1. Optische Aufnahmekopfvorrichtung mit:

einer Lichtquelle (1) zum Emittieren eines Strahls;

einer Abbildungsoptik (2, 3) zum Fokussieren des Strahls auf einen kleinen Fleck;

einem auf einem optischen Weg, auf dem der durch die Optik führende Strahl von einem vorgegebenen optischen Speichermedium (4) reflektiert oder von diesem gebeugt wird, angeordneten Beugungselement (6) zum Erzeugen von zwei Wellenfronten (61, 62) der gleichen Beugungsordnung und mit zwei verschiedenen Fokalpunkten in einer Hälfte des bezüglich der optischen Achse (Z) der Optik (2, 3) außeraxialen Bereichs; und

einer Fotoempfängereinrichtung (51, 52) zum Empfang von Strahlen der beiden Wellenfronten (61, 62) von dem Beugungselement (6);

dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Wellenfronten jeweils in zwei Ebenen fokussiert werden, die jeweils vor und hinter einer zu der optischen Achse (Z) senkrechten und einen Fokalpunkt des von dem Beugungselement (6) erzeugten gebeugten Strahls der nullten Beugungsordnung enthaltenden Ebene (111) angeordnet sind; und

daß die Fotoempfängereinrichtung einen ersten (51) und einen zweiten (52) Fotoempfänger umfaßt, die jeweils eine Mehrzahl von sich in der einen oder der anderen mit einer radialen Linie (X) mit einem an einem Fokalpunkt des von dem Beugungselement (6) erzeugten Strahls der nullten Beugungsordnung angeordneten Zentrum (10) zusammenfallenden oder zu dieser im wesentlichen parallelen Richtung ausdehnenden Elementbegrenzungen (B) aufweisen, zum Empfang der beiden Wellenfronten auf ihrer in einer Ebene liegenden Empfängeroberfläche, die im wesentlichen im Zentrum zwischen dem Fokalpunkt der einen (61) der beiden Wellenfronten und dem Fokalpunkt der anderen (62) der beiden Wellenfronten angeordnet ist.

2. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungselement ein Fourier-Transformations-Hologramm (6) ist.

3. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungselement ein Hologramm (66) vom Reflexionstyp ist, dessen holographische Oberfläche mit einem Winkel von etwa 45º bezüglich der Richtung des von der Lichtquelle emittierten Strahls geneigt angeordnet ist.

4. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der sowohl der erste als auch der zweite Fotoempfänger drei Elemente (510, 511, 512; 520, 521, 522) aufweist, die durch zwei lineare Elementbegrenzungen (B) festgelegt sind, welche sich in einer Richtung ausdehnen, die mit einer von dem am Fokalpunkt des von dem Beugungselement (6) erzeugten gebeugten Strahls der nullten Beugungsordnung angeordnetem Zentrum (10) ausgehenden radialen Linie zusammenfällt oder zu dieser im wesentlichen parallel ist.

5. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Optik (2, 3) derartig angeordnet ist, daß auf der Fotoempfängeroberfläche, auf die die Spuren in dem optischen Speichermedium (4) abgebildet werden, die Richtung der abgebildeten Spur im wesentlichen senkrecht zu der Richtung im wesentlichen paralleler Elementbegrenzungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fotoempfänger (51, 52) ist.

6. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem zusätzlichen dritten Fotoempfänger (77) auf der in einer Ebene liegenden Empfängeroberfläche (73) zum Empfangen des gebeugten Strahls der nullten Beugungsordnung von dem Beugungselement (661).

7. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 6, bei der der dritte Fotoempfänger (77) ein Zwei-Element-Fotoempfänger ist und die Optik (2, 3, 20) derartig angeordnet ist, daß die Richtung einer linearen Elementbegrenzung (B&sub2;) im wesentlichen senkrecht zu den linearen Elementbegrenzungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fotoempfänger (51, 52) verläuft, die zueinander parallel sind oder zur Bildung eines kleinen Winkels zwischen ihnen gegeneinander geneigt sind.

8. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungselement (6) zwei außeraxiale Fresnelzonenplattenartige Muster aufweist, die jeweils eine Brennweite von etwa ± fz für den gebeugten Strahl der ersten Beugungsordnung einer Hauptwellenlänge der Lichtquelle (1) aufweisen, bei der die Beziehungen

und

bestehen, bei denen fc der Fokalradius des in Richtung auf die Fotoempfänger durch das Beugungselement hindurchgehende oder von diesem reflektierten gebeugten Strahls der nullten Beugungsordnung oder die Brennweite einer fokussierenden Linse ist, und 2δ, wobei δ eine konstante ist, die Entfernung zwischen den beiden unterschiedlichen Brennpunkten ist und zu fc durch 2δ < fc in Beziehung steht.

9. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Entfernung 2 δ zwischen den beiden unterschiedlichen Brennpunkten bestimmt ist durch

10. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 8, bei der zwei Fresnelzonenplatten mit Brennwerten ± fz von im wesentlichen dem gleichen Absolutwert und durch eine vorher festgelegte Entfernung voneinander getrennten optische Achsen zur Bildung eines phasenartigen Beugungselements übereinandergelegt sind.

11. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Richtung der linearen Elementbegrenzung (B) von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fotoempfänger (51, 52) im wesentlichen mit der Richtung der räumlichen Trägerfrequenz eines Beugungselementmusters zur Bildung der ersten und zweiten Wellenfront (61, 62) zusammenfällt oder dazu parallel ist.

12. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der erste und zweite Fotoempfänger (51, 52) lineare Elementbegrenzungen aufweist, die gegeneinander geneigt sind, um einen Winkel von etwa 45º zwischen ihnen zu bilden.

13. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der erste und zweite Fotoempfänger (51, 52) auf demselben Substrat integrierte Fotodioden sind.

14. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der erste und zweite Fotoempfänger (51, 52) integrierte Fotodioden sind und die einen Halbleiterlaser oder eine dazu gleichwertige Festkörperlichtquelle umfassende Lichtquelle (1) integral mit den integrierten Fotodioden in der Nähe eines Punktes angeordnet ist, an dem die Ausdehnungen der linearen Elementbegrenzungen der Fotodioden sich kreuzen.

15. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Beugungselement (6, 661) zwei Wellenfronten erzeugt, die jeweils Krümmungsindizes aufweisen, die von dem Krümmungsindex der einfallenden Wellenfront negative und positive Krümmungen bilden.

16. Optische Aufnahmekopfvorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Beugungselement (661) zwei Gittergebiete (673, 672,) mit schlitzartigen Öffnungen umfaßt und die Vorrichtung zumindest zwei Drei-Element-Fotoempfänger (51, 52) beinhaltet, wobei die Richtung der linearen Elementbegrenzung von jedem der beiden Drei-Element-Fotoempfänger mit der Richtung der Gittergebiete zusammenfällt.