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Die
Erfindung betrifft eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten,
in einer ersten Betriebsart, eines ersten Aufzeichnungsträgertyps,
der eine erste Informationsschicht und eine erste transparente Schicht
mit einer ersten Dicke aufweist, und zum Abtasten, in einer zweiten
Betriebsart, eines zweiten Aufzeichnungsträgertyps, der eine zweite Informationsschicht
und eine zweite transparente Schicht mit einer zweiten, zu der ersten
Dicke unterschiedlichen Dicke aufweist, welche Einrichtung Folgendes
umfasst: einen Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser,
um in der ersten Betriebsart ein erstes Strahlungsbündel, ein
HD-Strahlungsbündel,
und in der zweiten Betriebsart ein zweites Strahlungsbündel, ein
LD-Strahlungsbündel,
zu erzeugen, ein Objektivsystem, das für den Betrieb bei einem ersten
Satz von Konjugierten entworfen ist, um in der ersten Betriebsart
das HD-Bündel
auf die erste Informationsschicht zu fokussieren, und für den Betrieb
bei einem zweiten, unterschiedlichen Satz von Konjugierten, um in
der zweiten Betriebsart das LD-Bündel
auf die zweite Informationsschicht zu fokussieren, und ein in dem Strahlungsweg
zwischen dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser
und dem Objektivsystem angeordnetes erstes Beugungselement.
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Eine
derartige optische Abtasteinrichtung ist aus der englischsprachigen
Zusammenfassung von JP-A 11-185282 bekannt. Unter dem HD-Bündel und dem
LD-Bündel sollen
hier die Strahlenbündel
verstanden werden, die zum Abtasten einer Informationsschicht mit
einer höheren
Informationsdichte bzw. einer Informationsschicht mit einer niedrigeren
Informationsdichte verwendet werden.
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Im
Allgemeinen soll die transparente Schicht in optischen Aufzeichnungsträgern dazu
dienen, die Informationsschicht vor Umgebungseinflüssen zu schützen, Staubteilchen,
Kratzer usw. in genügendem
Abstand von der Informationsschicht zu halten und für die Informationsschicht
eine mechanische Unterstützung
zu liefern. Mit anderen Worten, die transparente Schicht wirkt als
ein Substrat für
die Informationsschicht. Die Dicke der transparenten Schicht ist
ein Kompromiss zwischen der Dicke, die gewünscht ist, um dem Aufzeichnungsträger die
gewünschte
Steifigkeit zu geben, und der Dicke, die im Zu sammenhang mit der
numerischen Apertur (NA) des Abtaststrahlenbündels, das auf die transparente Schicht
einfällt,
gewünscht
ist.
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Die
NA des Objektivsystems an der Seite des Aufzeichnungsträgers wird
durch die Auflösung bestimmt,
die die Abtasteinrichtung haben muss, um eine Informationsschicht
mit einer gegebenen Dichte zu lesen oder zu beschreiben. Die Auflösung der
Abtasteinrichtung, welche Auflösung
umgekehrt proportional zur minimalen Abtastfleckgröße ist,
die von der Einrichtung gebildet werden kann, ist proportional zu NA/λ, wobei λ die Wellenlänge des
Abtaststrahlenbündels
ist. Zum Abtasten eines Aufzeichnungsträgers mit einer größeren Informationsdichte,
wie z.B. der DVD (Digital Versatile Disc), sollte ein im Weiteren
als HD-Abtaststrahlenbündel
(HD: High Density) bezeichnetes Abtaststrahlenbündel verwendet werden, das
eine größere NA
und ein kleineres λ hat
als das im Weiteren als LD-Abtaststrahlenbündel (LD: Low Density) bezeichnete
Abtaststrahlenbündel,
das zum Abtasten eines Aufzeichnungsträgers mit einer niedrigeren
Informationsdichte verwendet wird, wie z.B. der CD (Compact Disc).
Für Aufzeichnungsträger mit
einer höheren
Informationsdichte, die also eine größere NA erfordern, ist es häufig notwendig, die
Dicke der Informationsschicht zu verringern, um den Einfluss, den
ein Kippen des Aufzeichnungsträgers
in Bezug auf die optische Achse der Abtasteinrichtung auf die Qualität des Brennpunktes
oder des Abtastflecks hat, zu verringern. Mit dem Aufkommen neuartiger
Aufzeichnungsträger,
die höhere
Informationsdichten aufweisen, werden andere Arten von Aufzeichnungsträgern mit
unterschiedlichen Dicken der transparenten Schicht auf dem Markt
erscheinen. Eine kompatible Abtasteinrichtung wird dann imstande
sein müssen,
die unterschiedlichen Aufzeichnungsträgertypen abzutasten, unabhängig von
der Dicke der transparenten Schicht. Das Objektivsystem einer kompatiblen
Abtasteinrichtung für
zwei Aufzeichnungsträgertypen
sollte einen ersten Satz von Konjugierten zum Abtasten des ersten
Aufzeichnungsträgertyps
und einen zweiten, unterschiedlichen Satz von Konjugierten zum Abtasten
des zweiten Aufzeichnungsträgertyps
aufweisen. Unter den zwei Konjugierten eines Objektivsystems soll
hier der Abstand zwischen der Objektebene, d.h. der emittierenden
Oberfläche
der Strahlungsquelle, und der ersten Hauptebene des Objektivsystems
bzw. der Abstand zwischen der zweiten Hauptebene des Objektivsystems
und der Bildebene, d.h. der Ebene der Informationsschicht verstanden
werden. Unter dem Abtasten eines Aufzeichnungsträgers soll hier das Bewegen
eines von einem Abtaststrahlenbündel
gebildeten Abtastflecks und der Informationsschicht relativ zueinander
zum Zweck des Lesens, Schreibens und/oder Löschens von Informationen verstanden werden.
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Um
zwei Abtaststrahlenbündel,
die unterschiedliche NAs haben, mit einem einzigen Objektivsystem
in einer kompatiblen Abtasteinrichtung zu erhalten, kann ein so
genanntes dichroitisches ringförmiges
Mittel, beispielsweise ein Filter in dem Strahlungsweg vor dem Objektivsystem
oder auf der ersten Oberfläche
dieses Objektivsystems angeordnet sein. Ein solches dichroitisches
Filter lässt
das HD-Abtaststrahlenbündel
durch und blockiert den Rand des LD-Abtaststrahlenbündels oder
lenkt diesen ab, sodass nur der zentrale Teil des letzteren Strahlenbündels von
dem Objektivsystem zur LD-Informationsschicht durch gelassen wird.
Das LD-Abtaststrahlenbündel
bildet auf der LD-Informationsschicht einen Abtastfleck, der breiter
ist als der von dem HD-Abtaststrahlenbündel auf der HD-Informationsschicht
gebildete Abtastfleck. Insbesondere für eine kompatible Abtasteinrichtung,
in der das LD-Abtaststrahlenbündel
nicht nur zum Lesen, sondern auch zum Beschreiben einer Informationsschicht
verwendet wird, und bei dem eine maximale Menge an aus der Strahlungsquelle
kommender Strahlung die Informationsschicht erreichen sollte, ist
eine bessere Alternative, eine zusätzliche Linse in dem Strahlungsweg
vor dem Objektivsystem anzuordnen. Eine solche Linse, die Vorkollimatorlinse
genannt werden kann, verändert
die Vergenz des aus der Quelle kommenden Strahlenbündels so,
dass das LD-Bündel nur
den zentralen Teil des Objektivsystems ausfüllt und die NA des LD-Bündels so
ist, dass das Strahlenbündel
nach Durchgang durch das Objektivsystem die geforderte bildseitige
NA aufweist. Die Vorkollimatorlinse sollte nur in dem Weg des LD-Abtaststrahlenbündels angeordnet
sein.
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Das
HD- und das LD-Abtaststrahlenbündel mit
unterschiedlichen Wellenlängen
können
von zwei gesonderten Strahlungsquellen erzeugt werden, beispielsweise
Laserdioden, die bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Diese Abtaststrahlenbündel können kombiniert
werden, z.B. koaxial gemacht werden, bevor sie in das Objektivsystem
eintreten, und zwar durch ein dichroitisches Strahlteilerelement,
beispielsweise ein Prisma oder einen halbdurchlässigen Spiegel, der einen Teil
eines der Strahlenbündels
durchlässt
und einen Teil des anderen Strahlenbündels in der gleichen Richtung
reflektiert.
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Um
die Größe und das
Gewicht einer kompatiblen Abtasteinrichtung zu verringern, kann
ein so genanntes Zwei-Wellenlängen-Lasermodul
in Kombination mit einem Strahlenbündel kombinierenden Element
verwendet werden, wie beispielsweise in der englischsprachigen Zusammenfassung
von JP-A 11-85282 gezeigt wird. Das Zwei-Wellenlängen-Modul ist ein einzelner
Laserchip, der zwei lichtemittierende Elemente umfasst, welche bei
unterschiedlichen Wellenlängen
emittieren. Das die Strahlenbündel
kombinie rende Element ist ein nahe bei dem Laserchip angeordnetes
Beugungsgitter, das nur eines der Strahlenbündel beugt, sodass die Hauptstrahlen dieser
Strahlenbündel
oder die Strahlenbündelachsen
koaxial werden. In dieser Abtasteinrichtung ist es nicht möglich, nur
in dem Weg des LD-Bündels
eine Vorkollimatorlinse anzuordnen.
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Die
englischsprachige Zusammenfassung von JP-A 11-016194 offenbart ein
Beugungsgitter, das auf das erste Laserstrahlenbündel keine Linsenwirkung aufübt, sondern
zur Kompensation der sphärischen
Aberration auf ein zweites Strahlenbündel eine Linsenwirkung ausübt.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine optische Abtasteinrichtung
der eingangs beschriebenen Art (vgl. JP-A-11-85282) zu verschaffen, welche
Einrichtung nur in dem LD-Bündel
mit einem Linsenmittel versehen ist. Diese Abtasteinrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass in dem Strahlungsweg zwischen dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser und dem
Objektivsystem ein zweites Beugungselement angeordnet ist, welches
Element nur für
entweder das LD-Bündel
oder das HD-Bündel
eine Linsenfunktion aufweist.
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Es
ist es wohl bekannt, dass eine Linse mit zwei brechenden Flächen durch
ein planares Beugungselement ersetzt werden kann, das die Strahlen eines
Strahlenbündels
in solcher Weise beugt, dass die Vergenz des Strahlenbündels in
gleicher Weise geändert
wird wie die der brechenden Linse. Ein solches Beugungselement kann
die Form eines Beugungsgitters mit gekrümmten Gitterstreifen haben, die
mit Zwischenstreifen abwechseln. Die Gitterstreifen können durch
Rillen in der Oberfläche
des Elementes gebildet werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
dass die Parameter eines solchen Beugungselementes, beispielsweise
die Tiefe der Rillen, so gewählt
werden können,
dass das Element nur für ein
Strahlungsbündel
mit einer gegebenen Wellenlänge
als Linse wirkt. Für
ein Strahlungsbündel
mit einer anderen Wellenlänge
ist das Element dagegen eine transparente Platte. Das Anordnen eines
Beugungselementes, das zum Beugen nur des LD-Bündels entworfen ist, in dem
Strahlungsweg der aus dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser kommenden Strahlenbündel hat
den Effekt, dass das LD-Bündel auf
eine Linse trifft und das HD-Bündel
nicht, obwohl das Beugungselement im Weg beider Strahlenbündel angeordnet
ist. Dieses Beugungselement ändert die
Vergenz des LD-Bündels
so, dass in der Ebene der Pupille des Objektivsystems dieses Strahlenbündel einen
Querschnitt hat, der kleiner ist als der des HD-Bündels und
nur den zentralen Teil dieser Pupille abdeckt. Es ist auch möglich, in
dem Strahlungsweg der aus dem Zwei-Wellenlängen-Laser kommenden Strahlenbündel ein
Beugungselement anzuordnen, das nur das HD-Bündel beugt. Dieses Beugungselement
sollte den Querschnitt des HD-Bündels
in solcher Weise vergrößern, dass
dieses Strahlenbündel die
gesamte Pupille des Objektivsystems ausfüllt, während die Vergenz des LD-Bündels nicht verändert wird
und so ist, dass dieses Strahlenbündel nur den zentralen Teil
der Pupille ausfüllt.
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Die
optische Abtasteinrichtung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet,
dass das erste und das zweite Beugungselement durch eine erste und
eine zweite Beugungsstruktur gebildet werden, die an einer Eintrittsfläche bzw.
einer Austrittsfläche
eines transparenten Körpers
angeordnet ist.
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Indem
die zwei Beugungselemente zu einem Element integriert werden, wird
die Anzahl von Elementen verringert, sodass die Abtasteinrichtung
einfacher wird und ihre Herstellungskosten kleiner sind. Das zusammengesetzte
Beugungselement kann mit Hilfe wohl bekannter Press- oder Abdrucktechniken hergestellt
werden. Indem gleichzeitig eine erste Form verwendet wird, die ein
Innenflächenprofil
aufweist, das dem der ersten Beugungsstruktur entspricht, und eine
zweite Form mit einem Innenflächenprofil,
das der zweiten Beugungsstruktur entspricht, kann das zusammengesetzte
Beugungselement in einem einzigen Schritt hergestellt werden.
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Die
Abtasteinrichtung kann darüber
hinaus dadurch gekennzeichnet sein, dass zumindest entweder das
erste oder das zweite Beugungselement eine positive Linsenfunktion
aufweist.
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Das
Beugungselement mit der positiven Linsenfunktion kann einen Teil
des divergenten Strahlenbündels
aus der LD-Quelle in ein konvergentes LD-Bündel umwandeln und das andere
Beugungselement verschafft dann eine weitere Anpassung dieses Strahlenbündels, sodass
es den zentralen Teil der Pupille des Objektivsystems ausfüllt.
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Alternativ
kann die Abtasteinrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass zumindest
entweder das erste oder das zweite Beugungselement eine negative
Linsenfunktion aufweist.
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Das
Beugungselement mit der negativen Linsenfunktion kann zumindest
einen Teil des Strahlenbündels
aus der HD-Quelle in ein divergenteres Strahlenbündel umwandeln und das andere
Beugungselement verschafft dann eine weitere Anpassung dieses Strahlenbündels, sodass
es die Pupille des Objektivsystems ausfüllt.
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Die
Beugungsstrukturen des zusammengesetzten Beugungselementes können auch
so entworfen sein, dass sie zwei positive Linsenfunktionen oder
zwei negative Linsefunktionen verschaffen statt einer einzigen positiven
Linsenfunktion und einer einzigen negativen Linsenfunktion, so wie
oben erwähnt.
Der Entwurf der Abtasteinrichtung bestimmt an sich, welche Beugungsstruktur
eine Linsenfunktion verschaffen sollte und ob die Linsenfunktion
positiv oder negativ sein sollte.
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Bei
Ausführungsformen
der Abtasteinrichtung, in denen das zweite Beugungselement nur eine Linsenfunktion
ausweist, um die Vergenz eines der Strahlenbündel zu ändern, ist die Beugungsstruktur dieses
Elementes relativ einfach. Da das zweite Beugungselement dann einen
asymmetrischen Teil des entsprechenden einen des Quellenstrahlenbündels umwandelt,
um das Strahlenbündel
mit der geforderten Vergenz zu bilden, kann das letztere Strahlenbündel eine
gewisse Asymmetrie in der Intensität aufweisen, die unter bestimmten
Bedingungen akzeptabel ist.
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Das
genannte letztere Strahlenbündel
hat eine symmetrische Intensitätsverteilung
in einer Abtasteinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das
zweite Beugungselement entworfen ist, um für das Strahlenbündel, dessen
Vergenz angepasst wird, einen symmetrischen Teil des entsprechenden, aus
dem Zwei-Wellenlängen-Laser
kommenden Strahlenbündels
zu selektieren.
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Da
das zweite Beugungselement nicht nur eine Linsenfunktion haben sollte,
sondern auch imstande sein sollte, den Hauptstrahl des LD-Bündels abzulenken,
ist seine Beugungsstruktur etwas komplizierter.
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Die
Abtasteinrichtung ist vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet,
dass das erste und das zweite Beugungselement dicht bei dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser angeordnet
sind.
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Die
Beugungselemente können
dann klein sein, weil sie an einer Position angeordnet sind, wo die
LD- und HD-Bündel
noch einen kleinen Querschnitt haben. Diese Ausführungsform der Abtasteinrichtung
ist vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand
zwischen dem Diodenlaser und dem dem Laser zugewandten Beugungselement
zwischen 1 mm und 4 mm beträgt.
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Für einen
solchen Abstand sind die Gitterkonstanten der Beugungsstrukturen
so, dass diese Strukturen in einfacher Weise hergestellt werden können.
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Aus
dem gleichen Grund ist diese Ausführungsform vorzugsweise weiterhin
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem
zweiten Beugungselement zwischen 2 mm und 8 mm beträgt.
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Für einen
solchen Abstand sind die Gitterkonstanten der Beugungsstrukturen
für eine
einfache Herstellung dieser Strukturen groß genug.
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Die
Abtasteinrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass
ein Strahlformer vor dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser angeordnet
ist, welcher Strahlformer eine die Vergenz ändernde Eintrittsfläche und
eine brechende Austrittsfläche
aufweist.
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Mit
einem solchen Strahlformer kann das Diodenlaserstrahlenbündel, das
einen ellipsenförmigen Querschnitt
hat, ohne Strahlungsverlust in ein Strahlenbündel mit einem kreisförmigen Querschnitt
umgewandelt werden. Ein effektiver kleiner Strahlformer in Linsenform,
der nahe einem Diodenlaser angeordnet werden kann, wird in US-A
5.467.335 offenbart. Indem in der kompatiblen Abtasteinrichtung
ein Strahlformer vorgesehen wird, wird auch die Intensität des HD-Bündels erhöht, sodass
diese Einrichtung geeignet ist, um auch eine Informationsschicht
mit hoher Dichte zu beschreiben.
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Eine
derartige Abtasteinrichtung kann darüber hinaus dadurch gekennzeichnet
sein, dass die Eintrittsfläche
und die Austrittsfläche
des Strahlformers von einer dritten bzw. einer vierten Beugungsstruktur
gebildet werden.
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Ein
solcher Strahlformer, der holographischer Strahlformer genannt werden
kann, kann in solcher Weise entworfen werden, dass er nur die Form
des HD-Bündels ändert und
für das
LD-Bündel unsichtbar
ist. Da dieser Strahlformer von nur einem der Elemente des Zwei-Wellenlängen-Lasers
aus auf das Strahlenbündel
wirkt, braucht er nur zu diesem Element ausgerichtet zu werden.
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Eine
Abtasteinrichtung, in der eine weitere Integration durchgeführt worden
ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Beugungsstruktur
zu einer ersten zusammengesetzten Beugungsstruktur und die zweite
und die vierte Beugungsstruktur zu einer zweiten zusammengesetzten Beugungsstruktur
zusammengefügt
sind, wobei die erste und die zweite zusammengesetzte Beugungsstruktur
an einer Eintrittsfläche
bzw. einer Austrittsfläche
eines einzigen transparenten Körper
angeordnet sind.
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Eine
alternative Abtasteinrichtung, in der eine weitere Integration durchgeführt worden
ist und bei der der Strahlformer ein Linsenelement ist, das eine
zylindrische Eintrittsfläche
und eine torusförmige
Austrittsfläche
ausweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beugungsstruktur
auf der zylindrischen Eintrittsfläche und die zweite Beugungsstruktur
auf der torusförmigen
Austrittsfläche
angeordnet ist.
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Mit
diesem Strahlformer werden sowohl das HD-Bündel als auch das LD-Bündel geformt. Die beiden emittierenden
Elemente des Zwei-Wellenlängen-Lasers
sollten in Bezug auf den Strahlformer korrekt positioniert werden.
Nachdem ein erstes dieser Elemente positioniert worden ist, kann
das zweite Element positioniert werden, indem das Gehäuse des
Zwei-Wellenlängen-Lasers
gedreht wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
kompatible Abtasteinrichtung mit zwei Diodenlasern und einer Vorkollimatorlinse
im Weg des LD-Bündels;
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2 eine
kompatible Abtasteinrichtung mit einem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser und einem Beugungselement
zum Kombinieren des HD- und des LD-Bündels;
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3, 4 und 5 eine
erste, zweite bzw. dritte Ausführungsform
eines zusammengesetzten Beugungselementes und deren Einfluss auf
das LD- und das HD-Bündel
und
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6 die
Gitterkonstanten als Funktion der Position auf den zwei Beugungsstrukturen
einer Ausführungsform
eines zusammengesetzten Beugungselementes;
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7 die
Frequenzen dieser Beugungsstrukturen;
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7 und 9 Draufsichten
einer Ausführungsform
der ersten und der zweiten Beugungsstruktur eines zusammengesetzten
Beugungselementes;
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10 eine
in dem HD-Bündel
und dem LD-Bündel
eingebrachte Phasenverschiebung als Funktion der Tiefe der Rillen
einer Beugungsstruktur;
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11 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung
und
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12 eine
Ausführungsform
eines Strahlformers zur Verwendung in der Abtasteinrichtung, welcher
Strahlformer mit dem zusammengesetzten Beugungselement integriert
sein kann.
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In
dieser Zeichnung haben identische Elemente gleiche Bezugszeichen. 1 zeigt
eine Abtasteinrichtung, die einen ersten optischen Weg zum Lesen
und eventuellem Beschreiben eines ersten Aufzeichnungsträgertyps
bei einer kurzen Wellenlänge
aufweist und einen zweiten optischen Weg zum Lesen und Beschreiben
eines zweiten Aufzeichnungsträgertyps
bei einer langen Wellenlänge.
Der erste Aufzeichnungsträgertyp
kann eine Digital Versatile Disc (DVD) sein und die erste Wellenlänge beispielsweise
650 nm betragen, während
der zweite Aufzeichnungsträgertyp
eine beschreibbare Compact Disc (CDW) sein kann und die erste Wellenlänge kann
beispielsweise 780 nm betragen kann. Der erste optische Weg umfasst
eine Strahlungsquelle 1, z.B. einen Halbleiter- oder Diodenlaser,
die ein divergentes Strahlungsbündel 2 emittiert,
das HD-Bündel der
ersten Wellenlänge.
Ein halbdurchlässiger
Spiegel 4 reflektiert einen Teil des Strahlenbündels 2 zu einem
dichroitischen Strahlteiler 6. Falls notwendig kann zwischen
dem Diodenlaser 1 und dem Spiegel 4 ein Beugungsgitter 3 angeordnet
sein, das zwei gebeugte Strahlenbündel und ein nicht gebeugtes Strahlenbündel bildet.
Die gebeugten Strahlenbündel werden
zur Spurfolge verwendet. Die Figur zeigt der Deutlichkeit halber
nur das nicht gebeugte Strahlenbündel.
Die drei Strahlungsbündel,
kurz das Strahlungsbündel
genannt, werden von dem halbdurchlässigen Spiegel 3 zu
dem dichroitischen Strahlteiler 6 reflektiert, der für die erste
Wellenlänge
eine hohe Durchlässigkeit
hat und das Strahlenbündel 2 mit
geringer Schwächung
durchlässt.
Ein Reflektor 8 reflektiert das Strahlenbündel 2 zu
einer Kollimatorlinse 10, die das divergente Strahlenbündel 2 in
ein kollimiertes Strahlenbündel 12 umwandelt.
Dieses Strahlenbündel
durchläuft
ein Objektivlinsensystem 14, das das kollimierte Strahlenbündel 12 in
ein konvergierendes Strahlenbündel 16 zum
Abtasten eines Aufzeichnungsträgers 18 verändert. Das
Objektivlinsensystem kann aus einem einzelnen optischen Element bestehen,
aber es kann auch zwei oder mehr optische Elemente umfassen, wie
z.B. in der Figur gezeigt wird. Der Aufzeichnungsträger ist
von einem ersten Typ für
hohe Dichte und umfasst eine transparente Schicht 19 mit
einer Dicke von z.B. 0,6 mm und eine Informationsschicht 20,
auf der ein konvergierendes Strahlenbündel 16 einen Brennpunkt
oder Abtastfleck 21 bildet. Die an der Informationsschicht 20 reflektierte
Strahlung kehrt entlang dem optischen Weg der Strahlenbündel 16 und 12 zurück und wird in
der Kollimatorlinse 10 konvergiert. Das reflektierte Strahlenbündel durchläuft den
dichroitischen Strahlteiler 6 und den Strahlteiler 4 und
wird in einen Detektorfleck 24 auf einem Detektionssystem 23 konvergiert.
Dieses System wandelt das Strahlenbündel in ein elektrisches Detektorsignal
um. Aus dem Detektorsignal können
ein Informationen repräsentierendes
Informationssignal, das in der Informationsschicht 20 gespeichert
ist, und Steuersignale zum Positionieren des Brennpunktes 21 in
einer Richtung normal zur Informationsschicht 20 (Fokussteuerung)
und in einer Richtung normal zur Spurrichtung (Spurfolgesteuerung)
abgeleitet werden.
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Das
Fokussteuerungssignal kann mit Hilfe des so genannten Astigmatismusverfahrens
erzeugt werden. Da der Strahlteiler 4 unter einem spitzen Winkel
relativ zum Hauptstrahl des reflektierten und konvergierten Strahlenbündels positioniert
ist, bringt die ser Strahlteiler in dieses Strahlenbündel Astigmatismus
ein. Das Detektionssystem umfasst einen Quadrantendetektor, mit
dem die Form des Querschnitts des astigmatischen Strahlenbündels in
der Ebene des Detektionssystems detektiert werden kann. Diese Form
wird durch die Position des Brennpunktes 21 relativ zur
Informationssicht 20 bestimmt. Zwischen dem Strahlteiler 4 und
dem Detektionssystem kann eine Linse 25 angeordnet sein.
Diese Linse kann eine sphärische
konkave Oberfläche 25 an
der Seite des Detektionssystems aufweisen und kann als negative
Servolinse verwendet werden, um den Brennpunkt des Strahlenbündels einzustellen.
Dies kann durch Verschieben dieser Linse entlang der optischen Achse
realisiert werden. Die Oberfläche 27 der
Linse 25 an der Seite des Strahlteilers kann zylindrisch
geformt sein, sodass diese Linse auch eine zylindrische Linsenfunktion
aufweist. Diese Funktion kann verwendet werden, wenn der durch den
schiefwinkligen Strahlteiler 4 eingebrachte Astigmatismus zu
klein ist. Es ist auch möglich,
dass die Linse 25 nur eine negative Linse ist oder nur
eine zylindrische Linse. Falls erforderlich kann statt einer solchen
Linse oder zusätzlich
dazu ein Element angeordnet werden, das durch den Strahlteiler 4 eingebrachtes Koma
korrigiert.
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Der
optische Weg zum Abtasten des zweiten Aufzeichnungsträgertyps
um fasst eine Strahlungsquelle 31, z.B. einen Halbleiterlaser,
der ein divergentes Strahlungsbündel 32,
das LD-Bündel,
mit einer zweiten Wellenlänge,
z.B. 780 nm, emittiert. In seinem optischen Weg kann ein Gitter 33 angeordnet sein,
um in ähnlicher
Weise wie Gitter 3 drei Strahlenbündel zu bilden. Der dichroitische
Strahlteiler reflektiert den größten Teil,
beispielsweise 90% der Strahlung des LD-Bündels und lässt die verbleibende Strahlung
dieses Strahlenbündels
zu einem zusätzlichen
Detektor 7 durch. Dieser Detektor, der als Durchlasssensor
bezeichnet wird, liefert ein Ausgangssignal, das proportional zur
Intensität
des Strahlenbündels
aus dem Diodenlaser ist und das verwendet werden kann, um die Intensität dieses Strahlenbündels zu
steuern. Das von dem Strahlteiler 6 reflektierte LD-Bündel folgt dem gleichen Weg wie
das HD-Bündel,
um bei dem zweiten Aufzeichnungsträgertyp 38 einzutreffen.
Dieser Aufzeichnungsträger
umfasst eine transparente Schicht 39, mit einer Dicke von
z.B. 1,2 mm, und eine Informationsschicht 40.
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Die
Aufzeichnungsträger 18 und 38 sind
als einzelne Zweischicht-Aufzeichnungsträger gezeichnet, die eine halbdurchlässige Informationsschicht 20 aufweisen,
aber sie können
auch gesonderte Einzelschicht-Aufzeichnungsträger mit transparenten Schichten
von unterschiedlichen Dicken sein.
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Das
LD-Bündel
sollte zu einem Brennpunkt oder Abtastfleck 41 auf der
Informationsschicht 40 gebracht werden. Das Objektivsystem 14 ist
so entworfen, dass es in der ersten Betriebsart bei einem ersten
Satz von Konjugierten arbeitet, in der das aus der Quelle 1 kommende
HD-Bündel
auf die Informationsschicht 20 fokussiert wird, und in
der zweiten Betriebsart bei einem zweiten Satz von Konjugierten,
in der das aus der Quelle 31 kommende LD-Bündel auf eine
Informationsschicht 40 fokussiert wird. An der Informationsschicht 40 reflektierte
Strahlung kehrt entlang dem Weg des LD-Bündels zum Aufzeichnungsträger 38 zurück. Ein
weiterer Strahlteiler (nicht abgebildet) kann zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 6 und
dem Beugungsgitter angeordnet sein, um die reflektierte Strahlung
zu einem weiteren Detektionssystem (nicht abgebildet) zu reflektieren. Dieses
Detektionssystem für
das LD-Bündel
hat die gleiche Funktion wie das Detektionssystem 23 für das HD-Bündel. Vorzugsweise
wird zum Lesen und Steuern der Position des Abtastflecks 41 auf
der Informationsschicht 40 die Strahlung des durch den Strahlteiler 6 laufenden
reflektierten LD-Bündels
verwendet, die beispielsweise 10% der Gesamtstrahlung dieses reflektierten
Strahlenbündels
beträgt
und auf das Detektionssystem 23 einfällt. Auf diese Weise wird kein
zweites Detektionssystem mehr benötigt und die Abtasteinrichtung
vereinfacht. Falls notwendig kann die auf das Detektionssystem einfallende
Intensität
des LD-Bündels durch
Hinzufügen
einer gewissen Polarisationsempfindlichkeit zum Strahlteiler 6 und
durch Anordnen eines Lambda-Viertel-Plättchens 15 im Weg
des LD-Bündels
zwischen diesem Strahlteiler und dem Objektivsystem, vorzugsweise zwischen
der Kollimatorlinse und dem Objektivsystem, erhöht werden. Auf seinem Weg hin
zum Aufzeichnungsträger 38 und
wieder zurück
passiert das LD-Bündel
diese Platte zweimal, sodass seine Polarisationsrichtung relativ
zur Polarisationsrichtung des LD-Bündels aus dem Diodenlaser 31 um 90,
gedreht wird. Infolge dieser Polarisationsdrehung durchläuft ein
größerer Teil
des LD-Bündels,
das an dem Aufzeichnungsträger 38 reflektiert
wird, den Strahlteiler 6, während die Intensität des LD-Bündels, das
auf die Informationsschicht einfällt,
nicht abgenommen hat.
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Das
Objektivsystem 14 ist für
die erste Betriebsart entworfen, um das kollimierte HD-Bündel 12 der
ersten Wellenlänge
durch eine transparente Schicht 19 zu dem Brennpunkt 21 auf
der Informationsschicht 20 hin konvergieren zu lassen.
Die durch das konvergierende Strahlenbündel 16 eingebrachte sphärische Aberration
beim Durchlaufen der transparenten Schicht 19 wird in dem
Objektivsystem 14 kompensiert. Das Objektivsystem erfüllt die
Sinusbedingung. Wenn in einer Ausführungsform keine transparente Schicht 19 vorhanden
ist, sollte das Objektivsystem nicht hinsichtlich sphärische Aberration
kompensiert werden. In der zweiten Betriebsart durchläuft das
LD-Bündel
die transparente Schicht 39 mit einer Dicke, die sich von
der der transparenten Schicht 19 unterscheidet. Das Objektivsystem
wird nicht hinsichtlich sphärischer
Aberration kompensiert, die durch die Dicke der transparenten Schicht 39 eingebracht
worden ist. Es ist jedoch festgestellt worden, dass die sphärische Aberration
hauptsächlich
durch das äußere ringförmige Gebiet
des Objektivsystems bewirkt wird, durch das die Grenzstrahlen des
LD-Bündels
laufen. In einem kleinen Gebiet um den Brennpunkt 41 herum
ist die Wellenfront des konvergierenden LD-Bündels, das Aberrationen aufweist,
im zentralen Teil der Objektivöffnung
sphärisch.
Der Abtastfleck 41 umfasst ein kleines zentrales Gebiet
mit großer
Intensität,
das von aus dem zentralen Teil der Objektivöffnung austretenden Strahlen
gebildet wird, und ein größeres ringförmiges Gebiet
um das zentrale Gebiet herum mit kleinerer Intensität, das durch
Strahlen gebildet wird, die aus dem Außengebiet der Objektivöffnung austreten.
Die Qualität
des zentralen Teils des Abtastflecks reicht zum Abtasten der Informationsschicht 40 aus
und ein guter Abtastfleck kann erhalten werden, indem zum Bilden
dieses Fleckes nur die Strahlen verwendet werden, die aus dem zentralen
Teil der Objektivöffnung
austreten. Vor oder auf dem Objektivsystem könnte ein dichroitischer absorbierender
oder ablenkender Ring angeordnet sein, der Strahlung des LD-Bündels absorbiert
oder ablenkt und Strahlung des HD-Bündels durchlässt. Das
Objektivsystem lässt
dann das gesamte HD-Bündel
durch, aber nur den zentralen Teil des LD-Bündels. Auf diese Weise geht
ein erheblicher Teil der Intensität des LD-Bündels verloren und die verbleibende
Intensität
des Abtastfleckes 41 ist zum Aufzeichnen von Information mit
Hilfe dieses Fleckes zu klein.
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Eine
bessere Alternative, besonders für
eine kompatible Abtasteinrichtung, die imstande sein sollte, Information
in der zweiten Informationsschicht 40 aufzuzeichnen, ist,
eine positive Linse 34 im Weg nur des LD-Bündels anzuordnen,
wie in 1 gezeigt. Diese Linse wandelt das divergente
Strahlenbündel 32 aus
der Quelle 31 in ein weniger divergentes Strahlenbündel 35 um
und kann Vorkollimatorlinse genannt werden. Das LD-Bündel 35 wird von der
Kollimatorlinse 10 in ein LD-Bündel 36 umgewandelt, das
nur den zentralen Teil der Öffnung
des Objektivsystems ausfüllt.
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Die
Abtasteinrichtung von 1 mit zwei gesonderten Diodenlasern 1 und 31 und
dem dichroitischen Strahlteiler 6 ist relativ komplex und
groß.
Ein einfacheres und kompakteres System kann erhalten werden, wenn
ein Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser 51 verwendet
wird, wie in 2 gezeigt. Ein Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser
ist eine zusammengesetzte Halbleitereinrichtung, die zwei Elemente 51, 52 hat,
die Strahlenbündel 54, 55 bei
unterschiedlichen Wellenlängen
emittieren. Obwohl der Abstand zwischen den emittierenden Elementen
so klein wie möglich
ist, fallen die Hauptstrahlen der Strahlungsbündel nicht zusammen. Um die
beiden Strahlenbündel
koaxial zu machen, ist im Weg der Strahlenbündel ein spezielles Beugungselement 57 angeordnet. Dieses
Element hat eine Phasenstruktur aus abwechselnden Rillen und Stegen.
Die Tiefe der Rillen wird so gewählt,
dass das Element für
eines der Strahlenbündel,
beispielsweise das LD-Bündel 32, als
Gitter wirkt, während
es für
das andere Strahlenbündel
ein transparentes Element ist. Die Gitterstruktur ist entworfen,
um das LD-Bündel
in solcher Weise zu beugen, dass sein Hauptstrahl mit dem Hauptstrahl
des HD-Bündels
zusammenfällt.
Eine Abtasteinrichtung mit dem Zwei-Wellenlängen-Laser 50 und
dem spezifischen Beugungselement 57 wird in der englischsprachigen
Zusammenfassung von JP-A 11-185282 offenbart.
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In
der Einrichtung von 2 werden keine gesonderten Detektionssysteme
für das
HD-Bündel und
das LD-Bündel
benötigt.
Das reflektierte HD-Bündel
und das reflektierte LD-Bündel
treffen auf das gleiche Detektionssystem 23 auf. Diese
Strahlenbündel
bilden Detektorflecken 24 bzw. 24' auf dem Detektionssystem. Die
Einrichtung von 2 ist geeignet, um sowohl einen
Aufzeichnungsträger
für hohe
Dichte als auch einen Aufzeichnungsträger für geringe Dichte auszulesen.
Da jedoch die zwei emittierenden Elemente 51, 52 in
dieser Einrichtung sehr dicht nebeneinander liegen, ist es nicht
möglich,
nur im Weg des LD-Bündels
eine positive oder Vorkollimatorlinse anzuordnen, sodass diese Einrichtung weniger
geeignet ist, um auch Information in der Informationsschicht 40 einzuschreiben.
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Erfindungsgemäß kann dieses
Problem gelöst
werden, indem im Strahlungsweg der aus der Zwei-Wellenlängen-Lasereinrichtung 50 kommenden Strahlenbündel ein
zweites Beugungselement angeordnet wird. Dieses zweite Beugungselement
hat auch eine Phasenstruktur von abwechselnden Rillen und Stegen,
und die Tiefe der Rillen wird so gewählt, dass das Element nur für das LD-Bündel als
Beugungselement wirkt, während
das Element für
das HD-Bündel
nur ein transparentes Element ist.
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Das
zweite Beugungselement kann ein gesondertes Element mit einem transparenten
Substrat sein, von dem eine Seite mit der Beugungsstruktur versehen
ist. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Beugungselement
zu einem zusammengesetzten Beugungselement integriert, das ein einziges transparentes
Substrat einer gewissen Di cke umfasst, von dem eine Seite mit einer
ersten Beugungsstruktur versehen ist und die gegenüber liegende
Seite mit einer zweiten Beugungsstruktur versehen ist. Die Anzahl
Elemente in der Einrichtung und die Kosten der Herstellung dieser
Einrichtung sind dann geringer. Das zusammengesetzte Beugungselement kann
mit Hilfe von Press- oder Abdrucktechniken relativ einfach in einem
einzigen Schritt hergestellt werden, wenn zwei Formen verwendet
werden, die eine Innenflächenstruktur
haben, die der ersten bzw. der zweiten Beugungsstruktur entspricht.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des zusammengesetzten Beugungselementes 60 und die Wege
des aus den emittierenden Elementen 51 bzw. 52 des
Zwei-Wellenlängen-Lasers
kommenden und das Beugungselement 60 durchlaufenden HD-Bündels 54 bzw. LD-Bündels 55 zum
Strahlteiler 4 von 2. Die optische
Achse des in 3 gezeigten Abschnitts des Strahlungsweges
fällt mit
dem Hauptstrahl 57 des HD-Bündels 54 zusammen.
Das zusammengesetzte Beugungselement umfasst ein Substrat 61,
das für
die zwei Wellenlängen
von Strahlungsbündel 51 und
Strahlenbündel 52 transparent
ist. An der Seite der emittierenden Elemente 51, 52 ist
das Substrat mit einer Beugungsstruktur 63 versehen, beispielsweise
einer Fresnel-Linsenstruktur mit nahezu kreisförmigen Rillen und Stegen, die als
positive Linse für
das LD-Bündel 55 wirkt.
Diese Beugungsstruktur wandelt das divergierende Strahlenbündel 55 in
ein konvergierendes Strahlenbündel 65 um.
Nachdem es das Substrat 61 durchlaufen hat, ist der Querschnitt
des LD-Bündels 65 kleiner
als der des HD-Bündels 54.
An der von den emittierenden Elementen 51, 52 abgewandten
Seite ist das Substrat 61 mit einer zweiten Beugungsstruktur 64 versehen,
die das konvergierende Strahlenbündel 65 in
ein divergierendes Strahlenbündel 66 umwandelt,
dessen Grenzstrahlen nahezu parallel zu den entsprechenden Grenzstrahlen
des HD-Bündels 54 sind.
Die Beugungsstruktur 64 wirkt als negative Linse für das LD-Bündel und
kann auch eine Fresnel-Linsentypstruktur sein. Die Tiefen der Rillen
beider Beugungsstrukturen 63 und 64 können so
gewählt
werden, dass diese Strukturen auf das HD-Bündel 54 keinen Einfluss
haben, d.h. sie ändern
die Richtung oder die Vergenz dieses Strahlenbündels nicht.
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Die
Beugungsstrukturen 63 und 64 können als Hologramme gebildet
werden. Vorzugsweise sind die Originalstrukturen dieser Hologramme,
d.h. die Strukturen, die zum Bilden der Formen verwendet werden,
mit denen das Beugungselement 60 hergestellt wird, computererzeugte
Strukturen.
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In
der Ausführungsform
von 3 ist die numerische Apertur der Kollimationsstruktur
klein. Dies ist vorteilhaft angesichts einer Einfallswinkelabhängigkeit
von Beschichtungen und Toleranzanforderungen. In dieser Ausführungsform
stammt die Strahlung, die das Strahlenbündel 66 bildet, aus
einem asymmetrischen Teil 55 des Quellenstrahlenbündels. Dies
wird durch die gestrichelte Linie 58 angedeutet, die die
maximale Intensität
innerhalb des Strahlenbündels 55 repräsentiert.
Infolge der Asymmetrie in dem Strahlenbündel 55 kann auch
das Strahlenbündel 66 eine
gewisse Asymmetrie der Intensität
aufweisen, was für
dieses Strahlenbündel
zum Lesen und Beschreiben einer Informationsschicht für geringe
Dichte akzeptabel ist.
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Wie
in 4 gezeigt, kann jedoch eine solche Asymmetrie
der Intensität
vermieden werden. In der Ausführungsform
dieser Figur stammt die Strahlung des Strahlenbündels 66, das das
zusammengesetzte Beugungselement verlässt, aus einem Strahlenbündel 65,
das ein symmetrischer Teil des Strahlenbündels aus dem emittierenden
Element 52 ist. Die Linie 68 von maximaler Intensität verläuft parallel zur
optischen Achse 57. Die Ausführungsform von 4 erfordert
asymmetrische Beugungsstrukturen 73 und 74, d.h.
Strukturen, die die Vergenz des LD-Bündels nicht verändern, sondern
auch einen Teil des Strahlenbündels
in Bezug auf die optische Achse ablenken.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
in der das Beugungselement 80 Änderungen in das HD-Bündel einbringt
statt in das LD-Bündel.
Die erste Beugungsstruktur 82 bildet eine negative Linse für das HD-Bündel 78 und
wandelt dieses divergente Strahlenbündel in ein divergenteres Strahlenbündel 76 um.
An der Seite der zweiten Beugungsstruktur 84 ist der Querschnitt
des HD-Bündels 76 größer als
der des LD-Bündels 75.
Die zweite Beugungsstruktur wandelt das HD-Bündel 76 in ein weniger
divergentes Strahlenbündel 77 um,
dessen Randstrahlen nahezu parallel zu den entsprechenden Randstrahlen des
LD-Bündels 75 sind.
Für das
LD-Bündel,
das zum Schreiben eine große
Intensität
haben sollte, hat die Ausführungsform
von 5 den Vorteil, dass dieses Strahlenbündel nicht
unter Beugungsverlusten leidet, die bei Verwendung von Beugungsstrukturen auftreten
können.
Solche Beugungsverluste können nur
die Intensität
des HD-Bündels
verringern, das zum Lesen verwendet wird.
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Bei
der Ausführungsform
von 5 kann eine einfache Beugungsstruktur 83,
die nur eine Linsenfunktion hat und zum Bilden des Strahlenbündels 77 einen
asymmetrischen Teil 78 des Strahlenbündels aus der Quelle 51 selektiert,
in der gleichen Weise verwendet werden wie in der Ausführungsform von 3,
wenn eine gewisse Asymmet rie in der Intensitätsverteilung dieses Strahlenbündels akzeptabel
ist. Wenn das Strahlenbündel 77 eine
symmetrische Intensitätsverteilung
haben soll, sollte eine kompliziertere Beugungsstruktur 83,
die einen symmetrischen Teil 78 des Quellenstrahlenbündels selektiert,
in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von 4 verwendet
werden.
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Die
Gitterkonstante oder Gitterperiode bei einer gegebenen Position
auf dem Hologramm wird durch den Einfallswinkel der Strahlung an
diesem Ort bestimmt, was bedeutet, dass die Gitterkonstante sich ändert. Mit
Hilfe des snelliusschen Brechungsgesetzes, Gittergleichungen und
geometrischen Anforderungen für
die Abtasteinrichtung können
die folgenden Gleichungen für
die Gitterkonstanten P der Hologramme von 4 als Funktion
des Sinus (ρ) des
Winkels des Einfalls auf das erste Hologramm abgeleitet werden:
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In
diesen Gleichungen ist:
t die Dicke des Substrats 71;
λ die Wellenlänge des
LD-Bündels;
n
die Brechzahl des Substrats 71;
s der Abstand zwischen
den Laserelementen 51 und 52;
g der Abstand
zwischen dem Laser und dem ersten Hologramm 73;
Nao
die geforderte numerische Apertur des LD-Bündels, das auf die Kollimatorlinse 10 einfällt und
Nai
die numerische Apertur des Teilstrahlenbündelteils des LD-Bündels aus
dem Laserelement 52, welcher Teilstrahlenbündelteil
in ein Strahlenbündel
mit Nao konvertiert werden sollte.
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Durch
Berechnung der Werte von P1(ρ)
und P2(ρ)
für eine
Anzahl von verschiedenen Werten für die Parameter g und t wurde
festgestellt, dass für
beide Hologramme:
die Gitterkonstante zunimmt, wenn der Abstand
g zunimmt;
die Gitterkonstante zunimmt, wenn die Substratdicke t
zunimmt und
die Gitterkonstante für einen gegebenen Wert von ρ null ist,
welcher gegebene Wert für
die zwei Hologramme unterschiedlich ist.
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Damit
ein Hologramm der hier besprochenen Art problemlos hergestellt werden
kann, sollte die Gitterkonstante nicht zu klein sein. Das bedeutet,
dass der Abstand g so klein wie möglich sein sollte und die Dicke
t so groß wie
möglich,
wobei die anderen Entwurfsparameter der Abtasteinrichtung berücksichtigt werden
sollten. Für
die hier besprochene Abtasteinrichtung sind geeignete Werte für g und
t:
1 mm ≤ g ≤ 4 mm
2
mm ≤ t ≤ 8 mm.
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Für eine praktische
Ausführungsform
der Abtasteinrichtung sind bevorzugte Werte ein Abstand g = 2 mm
und eine Dicke t = 3 mm. Für
diese Werte und für
n = 1,5 und s = 0,1 mm werden nachstehend die Gitterkonstantenwerte
P(+Nai) und P(–Nai)
an den Positionen, wo die Grenzstrahlen einfallen, und die Gitterkonstantenwerte
P(0) an der Position, wo der Hauptstrahl des von dem ersten Hologramm
eingefangen LD-Bündels
auftrifft, angegeben.
P1(+Nai) = 4,618 mm P2(+Nai) = –7,136 mm
P1(0)
= 15,7 mm P2(0) = –15,7
mm
P1(–Nai)
= –11,241
mm P2(–Nai)
= 78,5 mm
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Die
Gitterkonstanten für
andere Werte von ρ, d.h.
für andere
Einfallswinkel auf anderen Positionen der Hologramme, können 6 entnommen
werden. Der Verlauf von P1 und P2 als Funktion von ρ wird durch die Kurven 90 bzw. 91 dieser
Figur repräsentiert.
Die entsprechenden Verläufe
der Gitterfrequenz, d.h. die Anzahl von Gitterrillen pro Längeneinheit
(μm) Q1 = 1/P1 und Q2 = 1/P2 werden in 7 durch
die Kurven 93 bzw. 94 dargestellt.
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Das
erste Hologramm 73 und das zweite Hologramm 74,
die die oben genannten Parameterwerte haben, werden in 8 bzw. 9 dargestellt.
die Gitterrillen der Hologramme 73 und 74 werden
durch 95 bzw. 97 angedeutet und die Stege zwischen diesen
Rillen werden durch 96 bzw. 98 angedeutet. Diese
Figuren zeigen deutlich den Verlauf der Gitterkonstante.
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Berechnungen
des Temperaturverhaltens zeigen, dass ein kleinerer Abstand g und
eine größere Dicke
t in Hinsicht auf die Defokussierung als Funktion der Temperatur
zu bevorzugen sind. Wie bereits bemerkt, sollte die Tiefe der Rillen
der Hologramme derart sein, dass diese Rillen in eines der Strahlenbündel eine
Phasenverschiebung von N·2πrad einbringen,
in 4 das HD-Bündel,
und in das andere, das LD-Bündel,
eine Phasenverschiebung von (2N + 1)πrad. Die Hologramme haben eine maximale
Wirkung auf das letztgenannte Strahlenbündel, während sie für das erstgenannte Strahlenbündel unsichtbar
sind. Die Phasenverschiebung Δϕ, die
durch ein Hologrammgitter in ein Strahlenbündel mit Wellenlänge λ eingebracht
wird, wird gegeben durch Δφ = 2π·d·(n – 1)/λ.
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10 zeigt
die Phasenverschiebung als Funktion der Rillentiefe d für das HD-Bündel, mit λ = 655 nm
(Kurve 100) und für
das LD-Bündel
mit λ = 785
nm (Kurve 101). Die Einheit für die Phasenverschiebung Δφ ist 2π. Aus 10 kann
abgeleitet werden, dass d = 3,9 μm
die erste Tiefe ist, für
die die Phasenverschiebung für
das HD-Bündel
eine geradzahlige Anzahl von πrad
ist und für
das LD-Bündel eine
ungeradzahlige Anzahl von πrad.
Die Phasenverschiebung für
das LD-Bündel
ist auch eine ungeradzahlige Anzahl von πrad, nämlich 3πrad, für d = 2,3 μm. Die Phasenverschiebung für das HD-Bündel ist
dann nicht genau eine geradzahlige Anzahl von πrad, aber unter Umständen kann
dieser Wert von d brauchbar sein. Es ist einfacher, ein holographisches Gitter
mit einer Rillentiefe von 2,3 μm
herzustellen als ein Gitter mit einer Rillentiefe von 3,9 μm. Bei der Ausführungsform
von 5 sollte die Phasenverschiebung für das HD-Bündel eine
ungeradzahlige Anzahl von πrad
sein und die Phasenverschiebung für das LD-Bündel sollte eine geradzahlige
Anzahl von πrad
sein. Die erste Rillentiefe, für
die dies der Fall ist, ist d = 4,7 μm. Für d = 3,3 μm ist die Phasenverschiebung
für das
HD-Bündel
auch eine ungeradzahlige Anzahl von πrad und die Phasenverschiebung
für das
LD-Bündel
liegt dicht bei einer geradzahligen Anzahl von πrad, sodass diese Tiefe auch brauchbar
sein kann.
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Vorzugsweise
werden die holographischen Gitter für die erste Beugungsordnung
einem Blazevorgang unterzogen. Das bedeutet, dass die Wandungen
der Rillen so geneigt werden, dass eine maximale Menge der Strahlung
in eine der ersten Ordnungen gebeugt wird und eine minimale Menge
in die anderen Ordnungen. Der Blazewinkel θ für die erste Beugungsordnung
wird gegeben durch:
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Da
sich die Gitterkonstante P über
die Hologramme ändert, ändern sich
auch die Blazewinkel über
die Hologramme. Bei der Ausführungsform
von 4 variiert der Blazewinkel im ersten Hologramm von
+19,9° über 0° bis –8,1°.
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11 zeigt
eine kompatible Abtasteinrichtung, in der die Erfindung implementiert
ist. Diese Einrichtung unterscheidet sich von der von 2 dadurch,
dass das einzelne Beugungselement 57 durch ein zusammengesetztes
Beugungselement 60 oder 70 oder 80 ersetzt
worden ist, wie zuvor beschrieben, sodass effektiv eine Linse nur
in den Weg des LD-Bündels
oder nur in den Weg des HD-Bündels eingebracht
wird. Mit Hilfe dieser Linse ist gewährleistet, dass das LD-Bündel, 66 oder 67 oder 75,
einen kleineren Querschnitt hat als das HD-Bündel an der Öffnung des
Objektivsystems 14. Während
das LD-Bündel
ausreichende Energie hat, um in die Informationsschicht 40 Information
einzuschreiben. Vorzugsweise ist das Beugungselement an einer Position
angeordnet, wo die Querschnitte der Strahlenbündel noch klein sind, d.h.
dicht bei dem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser. In dieser
Einrichtung wird ein einziges Detektionssystem 23 sowohl
für das
reflektierte HD-Bündel
als auch das reflektierte LD-Bündel verwendet,
welche Strahlenbündel
Detektorflecke 24 bzw. 24' bilden. Diese Flecke sollten genau
auf dem Detektionssystem zusammenfallen. Dies kann erreicht werden,
indem das zusammengesetzte Beugungselement 60 oder 70 oder 80 in
der X-, Y- oder Z-Richtung eingestellt wird.
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In
einer Abtasteinrichtung, bei der ein Diodenlaser als Strahlungsquelle
verwendet wird, kann ein so genannter Stahlformer dicht bei dem
Diodenlaser angeordnet werden, um die Randintensität des Abtaststrahlenbündels zu
erhöhen.
Ein Diodenlaser emittiert ein Strahlenbündel, dessen Winkelöffnung in einer
Ebene parallel zu seiner aktiven Schicht, bekannt als Lateralebene,
kleiner ist als die Winkelöffnung
in einer Ebene senkrecht zur aktiven Schicht, bekannt als Transversalebene.
In gewissem Abstand vom Diodenlaser, in dem so genannten Fernfeld
des Diodenlasers, hat das Strahlenbündel eines solchen Diodenlasers
einen elliptischen Querschnitt. In einer Abtasteinrichtung zum Abtasten einer
Informationsschicht sollte ein runder und kleiner vorzugsweise beugungsbegrenzter
Abtastfleck verwendet werden. Hierzu muss das Objektivsystem, mit
dem der Abtastfleck gebildet wird, mit einem Strahlungsbündel gefüllt werden,
das einen kreisförmigen
Querschnitt hat. Wenn das Objektivsystem von einem Diodenlaserstrahlenbündel beleuchtet
wird, das einen elliptischen Querschnitt hat, sollten die Abmessungen
an der Eintrittsöffnung
des Objektivsystems derart sein, dass die Öffnung in Richtung der Nebenachse
der Ellipse ausgefüllt
wird, wobei in Richtung der Hauptachse der Ellipse eine Strahlungsmenge
außerhalb der Öffnung auffallen
wird. Ein solcher Strahlungsverlust kann vermieden werden, indem
zwischen dem Diodenlaser und dem Objektivsystem ein Strahlformer
angeordnet wird, der das elliptische Strahlenbündel in ein rundes Strahlenbündel umwandelt.
Ein günstiger
Strahlformer wird in US-A 5.467.335 offenbart. 12 zeigt
diesen Strahlformer 110, der ein Linsenelement mit einer
zylindrischen Eintrittsfläche 112 und
einer torusförmigen
Austrittsfläche 113 ist und
der nahe dem Diodenlaser 120 angeordnet werden kann. Dieser
Laser umfasst eine Vielzahl unterschiedlich dotierter Schichten,
von denen nur die streifenförmige
aktive Schicht 122 gezeigt wird. Dieser Streifen wird durch
zwei teildurchlässige
Spiegelfacetten 123 und 124 begrenzt, sodass Laserstrahlung,
die generiert wird, wenn ein elektrischer Strom aus einer Stromquelle 129 durch
den Laser tritt, den aktiven Streifen 2 verlassen kann.
Der Querschnitt, in der XY-Ebene des dreiachsigen Koordinatensystems XYZ,
des aktiven Streifens 122 und der Frontfacette 4 ist
rechteckig. Wegen dieser Form ist das von dem Diodenlaser emittierte
Strahlenbündel
nicht symmetrisch, sondern hat in der XZ-Ebene parallel zum aktiven
Streifen 122, d.h. der Lateralebene, einen Öffnungswinkel β1 der
kleiner ist als der Öffnungswinkel β2 in
der YX-Ebene, d.h. der Transversalebene. Die Randstrahlen des Laserstrahlenbündels in
der Lateralebene werden mit den Bezugszeichen 125 und 126 bezeichnet
und die in der Transversalebene mit den Bezugszeichen 127 und 128.
Die Eintrittsfläche 112 hat
die Form eines Teils eines Zylinders, dessen zylindrische Achse
parallel zur Y-Achse liegt. Für
die Strahlen in der YZ-Ebene
ist die Eintrittsfläche
eine flache Grenzfläche
zwischen beispielsweise Luft und dem Linsenmedium, das eine Brechzahl
von beispielsweise n aufweist, sodass diese Strahlen in einem durch
n bestimmten Maß zur
Z-Achse abgelenkt werden. Mit anderen Worten tritt in der YZ-Ebene
an der Eintrittsfläche 112 eine
Winkelvergrößerung von 1/n
auf, was eine Verkleinerung ist. In der XZ-Ebene hat die Eintrittsfläche 112 eine
Krümmung
R und diese Fläche
führt eine
Winkelvergrößerung von
n ein. Die Austrittsfläche 113 des
Strahlformers 110 hat einen solchen Krümmungsradius R1 in der Transversalebene
und ist bei einer sol chen Z-Position angeordnet, dass ihr Krümmungsmittelpunkt
nahezu mit dem von der Oberfläche 112 gebildeten
Bild der Laserfacette 124 zusammenfällt. Die Oberfläche 113 lässt die
Strahlen in der Transversalebene in ungebrochener Form durch und
die Winkelvergrößerung in
dieser Ebene ist nahezu gleich eins. In der Lateralebene hat die
Austrittsfläche
einen solchen Krümmungsradius
R2, dass ihr Krümmungsmittelpunkt mit dem von
der Oberfläche 112 gebildeten
virtuellen Bild des Zentrums der Laserfacette 124 zusammenfällt, sodass
die Winkelvergrößerung in
dieser Ebene ungefähr
eins ist. Da die zwei von der Eintrittsfläche 112 gebildeten
virtuellen Bilder an unterschiedlichen Positionen entlang der Z-Achse liegen, sollte
die Austrittsfläche 113 eine
leicht torusförmige
Form haben, um diese Bilder zu einem einzigen Bild zu kombinieren.
Unter torusförmig
ist zu verstehen, dass der Krümmungsradius
der Fläche
in der Lateralebene sich von der in der Transversalebene unterscheidet. Dies
wird in 12 mit Hilfe einer nicht koplanaren Randkurve
der Austrittsfläche
dargestellt. Für
weitere Details und Ausführungsformen
des Strahlformers von 12 sei auf US-A 5.467.335 verwiesen.
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Die
Abtasteinrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Zwei-Wellenlängen-Laserdiode
umfasst, kann mit einem Strahlformer versehen sein. Wenn ein Strahlformer
wie der in US-A 5.467.335 beschriebene verwendet wird, werden sowohl
das HD-Bündel als
auch das LD-Bündel
geformt. Wenn das HD-Bündel
eine genügende
Intensität
zum Einschreiben von Information haben soll, wird vorzugsweise ein
Beugungsstrahlformer verwendet, der nur das HD-Bündel formt. Der Beugungsstrahlformer
ist an seiner Eintritts- und Austrittsfläche mit einer Beugungsstruktur
versehen. Diese Beugungsstrukturen führen die Linsenfunktionen des
Linsenstrahlformers aus. Das strahlformende Beugungselement kann
mit einem vorstehend beschriebenen, zusammengesetzten Beugungselement,
beispielsweise Element 60, integriert werden. Die zusammengesetzte
Beugungsstruktur an der Eintrittsfläche eines solchen integrierten
Beugungselementes ist eine Überlagerung der
Beugungsstruktur 63 und einer zur Strahlformung benötigten Beugungsstruktur,
und die zusammengesetzte Beugungsstruktur an der Austrittsfläche ist eine Überlagerung
der Beugungsstruktur 64 und einer zur Strahlformung benötigten Beugungsstruktur. Eine
solche Integration mit strahlformenden Beugungsstrukturen ist auch
für die
anderen vorstehend beschriebenen, zusammengesetzten Beugungselemente 70 und 80 möglich. Es
ist auch möglich,
dass die zwei Beugungsstrukturen des Beugungselementes 60, 70 oder 80 mit
der Eintrittsfläche 112 bzw.
der Austrittsfläche 113 des
in 12 gezeigten Linsenstrahlformers integriert werden.
Jede dieser Flächen ist
dann mit einer holographischen Beugungs struktur versehen, beispielsweise
Abwandlungen der in 8 und 9 gezeigten
Strukturen. Die zwei emittierenden Elemente des Zwei-Wellenlängen-Diodenlasers
sollten in Bezug auf den integrierten Linsenstrahlformer korrekt
positioniert sein. Nachdem ein erstes dieser Elemente positioniert
worden ist, kann das zweite Element durch Drehen des Gehäuses des
Zwei-Wellenlängen-Lasers
positioniert werden. Die Beugungselemente 60 oder 70 oder 80 oder Abwandlungen
davon können
auch mit einem Strahlformer eines anderen Typs als dem in 12 gezeigten
integriert werden.
