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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aufzeichnungsträger für optisch
lesbare Informationen vom Mehrschichttyp, auf ein Verfahren zu seiner
Herstellung und auf ein optisches System zur Wiedergabe der Informationen
zum Lesen eines solchen Trägers.
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Die
Datenaufzeichnung hat seit den ersten Jahren der elektronischen
Datenverarbeitung und der Rechner eine schnelle Entwicklung erfahren.
Die bis heute vorherrschende Technologie ist die Magnetaufzeichnung,
einschließlich
der Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräte (Drives), Festplatten und Floppy-Disks
("floppy disks"). Eine erste wichtige
Begrenzung ist aufgetreten, als für die Anwendungen Datenvolumen
erforderlich wurden, die mit den Möglichkeiten der Floppy-Disks
inkompatibel sind (zum Beispiel mehrere zehn Disketten der Größe von 1,4 MB
für eine
Anwendung). In der Zwischenzeit war ein neuer Weg entwickelt worden,
nämlich
die optische Aufzeichnung, die zunächst bei Tonaufzeichnungen (Compact
Disk CD) angewendet wurde, und die dann die Probleme der magnetischen
Floppy-Disks (CD-ROM) mit Hilfe einer sehr viel größeren Speicherkapazität löste, die
mit dem Auftreten der DVD-Disketten noch verbessert wurde.
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Bei
den Festplatten verfügt
die Magnetaufzeichnung noch über
große
Wachstumsmöglichkeiten,
sie wird aber in etwa fünfzehn
Jahren an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Die Vorhersagen bezüglich der
wünschenswerten
Aufzeichnungsdichten, die die Magnetaufzeichnung aber wahrscheinlich nicht
früh genug
erfüllen
kann, zeigen, dass es in weniger als zehn Jahren eine Nachfrage
nach Speichermedien von 100 Gigabytes oder mehr geben wird.
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Die
optische Aufzeichnung in ihrer heutigen Form verwendet optisch lesbare
Informationsträger-Disketten,
die durch Gravieren von beugenden Elementen (Fall der CD) in eine
reflektierende Schicht erhalten werden. Man wählt für diese beugenden Elemente
eine Dicke nahe λ/6
(λ ist die
Wellenlänge
der verwendeten Laserquelle), so dass der Kontrast dieser Elemente
maximal ist (Differenz des optischen Wegs 2ne = λ/2). Die Fortschritte, die man bezüglich der
Dichte von gespeicherten Informationen in Betracht ziehen kann,
gehen über
die Verwendung von kürzeren
Wellenlängen
(blaue Laserquellen, aber aufgrund von Nachteilen, die mit den allgemein
aus Polymer bestehenden Materialien, die für die Disketten verwendet werden,
verbunden sind, kann man kaum bis zum Ultraviolett gehen) mit einer höheren numerischen
Apertur oder einer besseren Signalverarbeitung. Die Perspektiven
bleiben aber begrenzt. Außerdem
ist bekannt, dass man einige übereinander
liegende Schichten lesen kann, indem jede Trägerebene von beugenden Reliefs
nur mit einer schwach reflektierenden Schicht bedeckt wird. Aus
energetischen Gründen
ist es aber nur möglich, eine
geringe Anzahl von Schichten übereinander
zu legen. Wenn man zum Beispiel annimmt, dass die erste Schicht
ein Reflexionsvermögen
von 3 % hat, muss die zwei ein um 6 % erhöhtes Reflexionsvermögen, die
dritte ein um 12,5 % erhöhtes
Reflexionsvermögen,
usw. aufweisen. Es wird auf einfache Weise bewiesen, dass weniger
als 20 Schichten übereinander
gelegt werden können.
Dazu kommt, dass die reflektierenden Schichten eine gewisse Absorption
aufweisen, die die Möglichkeiten
noch verringert. Selbst wenn es im Labor möglich war, mit einem Stapel
von etwa zehn Schichten zu arbeiten, ist es bekannt, das derzeit
das einfache Übereinanderfügen von
zwei Schichten im DVD-Format zu industriellen Probleme führt.
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FR-A-2
271 617 offenbart die Übereinanderanordnung
von zwei Schichten, indem eine Phasenverschiebung gleich π/2 (1.57Rd)
vorgeschlagen wird.
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Um
diese Probleme zu lösen,
hat die Anmelderin sich von der Idee der Perfektionierung eines von
der CD abgeleiteten Aufbaus mit reflektierenden Schichten entfernt
und sich einen Aufbau ausgedacht, bei dem jede Schicht im Transmissionsmodus durch
ein Muster von Informationselementen hindurch gelesen wird, die
eine sehr geringe Phasenverschiebung einführen. Die Erfindung ermöglicht es,
so eine relativ starke Störung
des eine informationstragende Ebene durchquerenden Strahls zu erhalten und
gleichzeitig nur einen sehr geringen Teil des Lichts zu beugen.
Im Prinzip würde
die Erfindung so die Stapelung von einigen tausend Schichten, und auf
realistische Weise und ohne technische Probleme der Durchführung, die
Herstellung eines Trägermediums
mit etwa hundert Schichten ermöglichen, was
früher
oder später
mit der Lesetechnologie vom Typ DVD mit blauer Quelle Speicherkapazitäten in der
Größenordnung
des Tetrabytes ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung
(siehe Anspruch 1) wird also ein Aufzeichnungsträger für im Transmissionsmodus optisch
lesbare Informationen vorgesehen, die erhalten werden, indem beugende
Elemente in mindestens eine Informationsträgerebene eingraviert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass der Träger durch die Übereinanderanordnung
von geringfügige
Phasenverschiebungen einführende
Informationselemente tragenden Ebenen gebildet wird, die je von
der folgenden Ebene durch ein im Wesentlichen transparentes Medium
getrennt sind, wobei der Träger
im Transmissionsmodus von einem Lichtstrahl lesbar ist, der auf
die zu lesende Ebene fokussiert ist und die anderen Ebenen und das
Medium durchquert.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist die von den Informationselementen eingeführte Phasenverschiebung
geringer als einige Zehntel Radiant.
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Gemäß einem
anderen bevorzugten Merkmal der Erfindung wird jede der Informationsträgerebenen
an der Schnittstelle zwischen zwei dielektrischen Medien mit geringfügig unterschiedlichen
Brechungsindices erzeugt, wobei diese Indices sich um einige Prozent
unterscheiden, und die Informationselemente bestehen aus Reliefs
der Schnittstelle.
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Mit
Hilfe dieser Merkmale gelangt man zu einem einfach herstellbaren
Träger,
da, wie man weiter unten sehen wird, die Tiefe der zu verwendenden
Reliefs in der Größenordnung
von denjenigen liegt, die üblicherweise
für CD-
oder DVD-Disketten genormt sind.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung (siehe Anspruch 9) ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Trägers
der obigen Art vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem
transparenten Substrat das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Anordnen einer Schicht eines photopolymerisierbaren
Monomermaterials auf dem Substrat;
- b) Aufbringen einer die in der entsprechenden Trägerebene
aufzuzeichnenden Informationen tragenden Pressmatrix auf die Schicht,
um das Material auszubreiten;
- c) Photopolymerisieren des Materials mit Hilfe einer geeigneten
Lichtquelle;
- d) Wiederholen der Schritte a), b) und c) an jeder polymerisierten
Schicht, um neue Informationsträgerebenen
zu erhalten.
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Man
sieht deutlich, dass die Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägers einfach
darin besteht, die bekannte 2P-Technologie anzupassen.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung (siehe Anspruch 15) wird ein optisches
System zur Wiedergabe von Informationen vorgesehen, die in verschiedenen Informationsträgerebenen
eines mehrschichtigen Aufzeichnungsträgers mit Lesen im Transmissionsmodus
aufgezeichnet wurden, wobei die Informationen in jeder Ebene in
Form von Informationselementen aufgezeichnet werden, die geringfügige Phasenverschiebungen
einführen,
und wobei jede Schicht aus einem im Wesentlichen transparenten Medium
besteht, wobei das System aufweist:
- – Beleuchtungsmittel,
um auf den Träger
einen auf die zu lesende Ebene fokussierten Laserstrahl zu projizieren;
- – Empfangsmittel,
um den Strahl nach Durchquerung des Trägers zu erfassen;
- – Detektormittel,
die den von den Empfangsmitteln erfassten Strahl empfangen, um ein
Lesesignal zu liefern;
- – Antriebsmittel,
um die relative Verschiebung des Trägers bezüglich des Laserstrahls derart
zu gewährleisten,
dass die Gesamtheit der in der zu lesenden Ebene aufgezeichneten
Informationen gelesen werden kann;
wobei das System dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Detektormittel im fernen Feld arbeiten,
und dass sie Filtermitteln zugeordnet sind, um nur die niederfrequenten
räumlichen
Komponenten des transmittierten Strahls zu erfassen.
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Außerdem sind
die Detektormittel vorzugsweise vorgesehen, um ein Lesen der Informationselemente
vom Typ Push-Pull durchzuführen.
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Aufgrund
dieser Maßnahmen
kann man geringfügig
beugende Informationen lesen und gleichzeitig das Farb-Übersprechen mit den defokussierten Schichten
unterdrücken.
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Anhand
der nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen
wird die Erfindung besser verstanden werden und weitere Merkmale
und Vorteile treten hervor. Es zeigen:
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1 ein
Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Trägers;
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die 2 und 3 Diagramme,
die die von den nicht fokussierten Informationsschichten in den Lichtstrahl
eingebrachten Störungen
darstellen;
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4 ein
Diagramm, das die Wirkung einer Informationskomponente ausdrückt, die
durch die Fokussierebene des Strahls geht;
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5 ein
Prinzipschema eines optischen Lesesystems gemäß der Erfindung;
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6 ein
Prinzipschema eines optischen Lesesystems gemäß der Erfindung, das an das
Lesen im Reflexionsmodus angepasst ist;
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7 die
erfindungsgemäß angewandte
Filterfunktion;
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8 eine
erste Ausführungsform
der Filterung mit Hilfe eines Filters mit variabler Transparenz;
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die 9 und 10 eine
weitere Ausführungsform
der Filterung mit Hilfe einer beugenden Vorrichtung;
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11 eine
erfindungsgemäß vorteilhafte Positionierung
der Filtermittel;
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12 ein
Schaltbild der Verarbeitungsschaltungen des erfassten Signals in
einem erfindungsgemäßen Lesesystem;
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13 eine
mögliche
Ausführungsform
der Fokussier-Steuerschaltung;
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die 14 und 15 Diagramme,
die eine weitere Art der Steuerung der Fokussierung zeigen;
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16 eine
entsprechende Ausführungsform
einer Fokussier-Steuerschaltung; und
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die 17 bis 20 schematische
Darstellungen, die mehrere Varianten eines Verfahrens zur Herstellung
eines Trägers
gemäß der Erfindung
zeigen.
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, dass der erfindungsgemäße Aufzeichnungsträger eine
Diskette ist; selbstverständlich kann
im Rahmen der Erfindung aber jede andere Art von Trägermedium
in Betracht gezogen werden (Karte, Band, Chip, usw. ...).
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Wie
bereits oben kurz erklärt,
beruht die Erfindung auf einem neuen Konzept, gemäß dem jede Schicht
eines Aufzeichnungsträgers
von optisch lesbaren Informationen im Transmissionsmodus durch eine
Ebene von Informationen hindurch gelesen wird, die eine sehr geringe
Phasenverschiebung einführen.
Die Erfindung beruht auf der Eigenschaft solcher Ebenen, eine relative
starke Störung
des transmittierten Strahls zu erzeugen und gleichzeitig nur einen sehr
geringen Teil des sie durchquerenden Lichts zu beugen. Dieses Paradoxon
kommt daher, dass die von jeder Schicht gebeugte Leistung proportional zum
Quadrat der von den beugenden Informationselementen eingeführten Phasenverschiebung
ist, während
die Amplitude der Überlagerung
mit dem Strahl direkt proportional zu dieser Phasenverschiebung
ist.
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1 stellt
das Prinzip eines solchen Trägers
Sp dar. Dieser Träger
besteht aus der Stapelung von N Schichten C1 bis CN, an deren Schnittstelle die
beugenden Elemente angeordnet sind, um die Informationsträgerebenen
P1 bis PN zu bilden. Diese Schichten werden von einem transparenten
Substrat getragen. Das Lesen erfolgt mit Hilfe eines Laserstrahls
FL, der von einem Objektiv Ob auf die zu lesende Ebene fokussiert
wird. Der transmittierte Strahl wird von einer Detektorvorrichtung
D empfangen. Die Achse Oz ist die Fokussierachse der Vorrichtung,
senkrecht zu den Trägerebenen,
und die Achse Ox definiert die tangentiale Verschieberichtung der
Diskette.
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Wenn
man zu Beispiel annimmt, dass ein Informationselement eine Phasenverschiebung
in der Größenordnung
von 10 mRd einführt,
kann diese eine Störung
des transmittierten Strahls in der Größenordnung von 4 % erzeugen,
während
das gebeugte Licht nur 0,01 % beträgt. Man sieht also, dass dies
theoretisch das Stapeln von tausenden von Schichten erlauben würde, wenn
die Dicke der Diskette keine Beschränkung bilden würde.
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Dieses
Phänomen
kann begründet
werden, indem man das der optischen Welle zugeordnete elektrische
Feld betrachtet. Eine Phasenverschiebung von 10 mRd entspricht einem
elektrischen Feld des Signals, das 100-mal kleiner ist als das Feld
des einfallenden Strahls; seine Energie ist aber 10 000-mal geringer
als die des einfallenden Strahls und könnte mit üblichen Mitteln nicht erfasst
werden. Indem man dieses elektrische Feld des Signals konstruktiv
oder destruktiv mit dem transmittierten Strahl interferieren lässt, hat
das von einem Detektor empfangene Signal aber die Form (1 + 0,01)2 bzw. (1 – 0,01)2,
d.h. eine 400-mal
größere Amplitude
als die, die man ohne Interferenz erfassen würde. Dieses Interferenzverfahren
kann mit Hilfe eines Lesens vom Typ Push-Pull besonders gut genutzt
werden, bei dem die "stromaufwärts vorderenstromabwärts hinteren" Hälften des
transmittierten Strahls energiemäßig verglichen
werden. In anderen Worten kann man, da die Amplitude des Push-Pull-Lesens
proportional zur Phasenverschiebung (und nicht zu ihrem Quadrat, wie
beim Lesen mit zentraler Apertur) ist, sehr viel kleinere Phasenverschiebungen
erfassen. Wenn man zum Beispiel einen Detektor mit einer äquivalenten
Rauschenergie von 1000 Photonen und mit einem Datendurchsatz im
Bereich von 30 Mb/s annimmt, und in Anbetracht der Tatsache, dass
eine kleine blaue Laserquelle 1015 Photonen
pro Sekunde liefert, ergibt selbst eine Phasenverschiebung von einem
Milliradiant eine ausreichende Modulation. Tatsächlich muss, wie bereits gesagt,
die Phasenverschiebung der Informationselemente gering sein, um eine
große
Anzahl von Schichten stapeln zu können. Man hat aber bei etwa
hundert durchquerten Schichten feststellen können, dass das gelesene Signal
sich nicht signifikant verschlechtert, so lange die Phasenverschiebung
unter etwa 150 mRd liegt. Genauer gesagt, versteht man in der ganzen
vorliegenden Beschreibung unter "eine
geringe Phasenverschiebung einführenden" Informationselementen
solche Elemente, die eine Phasenverschiebung von weniger als einige
hundert mRd erzeugen.
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Praktisch
werden bei der Herstellung einer Diskette vorzugsweise für die verschiedenen
Schichten Polymere verwendet, deren Indices zwischen 1,45 und 1,6
variieren. Durch Beifügung
eines Weichmachers in ein Polymer, der es erlaubt, den Index um einige
Hundertstel zu verändern,
ist es möglich,
eine Phasenverschiebung von 50 mRd zu erhalten, indem der Index
von einer Schicht zur nächsten
um 0,05 verändert
wird, und indem Reliefs mit einer Tiefe von 100 nm hergestellt werden.
Dieser Wert ist mit den bekannten Herstellungsverfahren von optischen
Disketten absolut kompatibel. Es ist klar, dass es nicht möglich ist,
eine Indexveränderung
mit gleichen Vorzeichen an jeder Schnittstelle einzuführen. Daher wechselt
man vorzugsweise die Materialien an jeder Schnittstelle, vorzugsweise,
indem die Menge an dem gleichen Polymermaterial beigefügtem Weichmacher
verändert
wird.
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Die
obige Rechnung zeigt, dass man die Diskette mit einem Modulationskontrast
in der Größenordnung
von 20 lesen kann, was absolut ausreichend ist für die Verwendung eines Lasers
von einigen Milliwatt.
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Das
Problem, das man sich noch stellen kann, ist dasjenige des Einflusses
der defokussierten Schichten auf das Lesen der Informationen in
der zu lesenden Ebene, auf die der Strahl fokussiert ist, wobei
klar ist, dass das Lesen im Transmissionsmodus impliziert, dass
der Lichtstrahl alle Schichten durchquert.
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2 ist
ein Diagramm, das diesen Einfluss darstellt. In ihr ist der Strahl
FL dargestellt, der auf die Informationsträgerebene Pn fokussiert ist.
Andererseits sind im unteren Teil der Figur Kurven der im fernen
Feld resultierenden Beleuchtung dargestellt. Die Kurve Eo stellt
die Beleuchtung des Ursprungsstrahls, die Kurve En die Verschiebung
dieser Beleuchtung von stromaufwärts
vorne nach stromabwärts
hinten aufgrund des Beitrags der Ebene Pn dar, auf die fokussiert
wird. Die Kurve Edn stellt die Beiträge der defokussierten Ebenen
Pn+1 und Pn+2 dar. Je stärker
eine Schicht defokussiert ist, desto höher sind die räumlichen
Frequenzen der erzeugten Störungen.
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In 3 ermöglicht das
dargestellte Diagramm, die räumliche
Winkelfrequenz der Störung aufgrund
einer der fokussierten Ebene benachbarten, um einen Abstand d defokussierten
Ebene Pn–1 rigoroser
zu berechnen. Die Durchquerung dieser Ebene durch den Strahl Fl
erzeugt zwei Beugungsordnungen von Richtungen ± λ/p, wobei p die Periode einer
Informationskomponente der Ebene Pn–1 und λ die Wellenlänge des genutzten Lichts bezeichnet. 3 zeigt
gestrichelt nur eine der Beugungsordnungen der Störung Pt.
Das Phänomen
entspricht also der Interferenz von drei fernen Quellen von ± d(λ/p), woraus
sich eine Überlagerungs-Winkelfrequenz von ± d/p ergibt.
Man sieht also, dass die Winkelfrequenz der Störung im fernen Feld proportional zum
Produkt aus dem Defokussierungsabstand und der aufgezeichneten räumlichen
Frequenz ist.
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Erfindungsgemäß werden
die parasitären Störungen unterdrückt, indem
nur die niedrigen räumlichen
Frequenzen des transmittierten Strahls erfasst werden.
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4 ist
ein Diagramm, das die Wirkung einer Informationskomponente ausdrückt, die
durch die Fokussierebene geht. Man kann die Wirkung der Flanken
dieser Komponente der Ebene Pn als eine Winkelverschiebung des Felds
im Unendlichen mit einem Wert 2πΔ/p sehen,
wobei Δ die
Verformungsamplitude der Wellenfront ist. Man hat wieder die Beleuchtung
Eo des Ursprungsstrahls und den Beitrag En der fokussierten Ebene
Pn in der Ebene der Detektoren Pld. Der transmittierte Strahl erfährt also zwei
Arten von Verformungen, eine signifikante Verschiebung von stromaufwärts vorne
nach stromabwärts
hinten der in Höhe
des Lesespots vorbeilaufenden Information, und Störungen,
deren minimale räumliche
Winkelfrequenz proportional zum minimalen Abstand zwischen Informationsträgerebenen
und zur minimalen räumlichen
Frequenz der Information ist. Indem man einen minimalen Abstand
zwischen Informationsebenen gewährleistet,
und indem keine spektralen Komponenten unterhalb eines vorbestimmten
Werts aufgezeichnet werden, kann man so, wie bereits weiter oben
erwähnt,
das Farb-Übersprechen
zwischen Schichten unterdrücken,
indem nur die Komponenten mit niederer Winkelfrequenz des transmittierten
Strahls erfasst werden.
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5 ist
ein Funktionsschaltbild eines optischen Lesesystems für einen
erfindungsgemäßen Träger. Dieses
System zum Lesen der Diskette 10 weist in üblicher
Weise einen Drehantriebsmotor 11 für die Diskette 10 mit
seinem Steuersystem 12, einen optischen Kopf 13,
der einen fokussierten Laserstrahl liefert, und eine Detektorvorrichtung 20 auf.
Die Signale der Vorrichtung 20 werden an eine Signalverarbeitungseinheit 21 geschickt,
deren Komponenten weiter unten genauer beschrieben werden. Diese Einheit 21 extrahiert
ein Lesesignal HF, ein radiales Nachführfehlersignal Spp und ein
Fokussierfehlersignal Sz, die für
ein punktweises Lesen notwendig sind.
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Das
Signal Spp steuert eine radiale Regelungsschaltung 14,
und das Signal Sz steuert eine Fokussierung-Regelungsschaltung 15, die
den optischen Kopf 13 steuern. Im dargestellten Schaltbild wird
ein Lesevorgang im einfachen Transmissionsmodus betrachtet, wobei
die Detektoren und der optische Kopf sich zu beiden Seiten der Diskette
befinden.
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Ohne
dadurch den Transmissionscharakter des Lesens zu verändern, kann
man in der Praxis jedoch die Ausführung der 6 verwenden,
in der die Diskette 10 eine dem Eingangs-Diopter gegenüberliegende
Seite hat, die metallbeschichtet und reflektierend ist.
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Diese 6 zeigt
die Diskette 10 mit ihrer metallisierten Schicht 100 und
den verwendeten optischen Kopf. Man findet wieder die Elemente eines üblichen
Kopfes mit einer Laserquelle 130, einem Objektiv 132,
einem halbtransparenten Spiegel 131 und Detektoren 20.
im Unterschied zu einem üblichen
optischen Kopf wird der Strahl aber nicht auf die reflektierende
Ebene, sondern auf eine der Informationsträgerebenen fokussiert. Außerdem befinden
die Detektoren sich nicht in einer Ebene nahe dem Brennpunkt des
Rückstrahls,
sondern werden im fernen Feld verwendet.
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Die
Fokussierung kann vor oder hinter der reflektierenden Ebene erfolgen.
Für ein
optisches System nur zum Lesen ist es vorteilhaft, dass die Fokussierung
hinter der reflektierenden Ebene erfolgt, da so der Rückstrahl,
der einen geringeren Querschnitt hat als der einfallende Strahl,
ohne Vignettierung vollständig
vom Fokussierobjektiv erfasst wird. Die Fokussierung vor der reflektierenden
Ebene könnte
für das
Schreiben auf eine beschreibbare Diskette vorteilhafter sein, da
die auf die zu gravierende Schicht fokussierte Leistung höher wäre.
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Wie
bereits erklärt,
ist es zur Unterdrückung der
durch die defokussierten Schichten verursachten Störungen notwendig,
die hohen räumlichen
Frequenzen im erfassten Strahl so zu filtern, dass nur noch die
niederen Winkelfrequenzen behalten werden. Es wurde gezeigt, dass
ein sanfter Übergang zwischen
dem stromaufwärts
vorderen und stromabwärts
hinteren Bereich des Detektors zu diesem Zweck geeignet ist.
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7 stellt
diese Funktion dar, indem sie unter dem stromaufwärts vorderen
Detektor Dt1 und dem stromabwärts
hinteren Detektor Dt2 ein ideales Profil für die Empfindlichkeit Sy der
Detektoren darstellt, wobei die Achse O'x' die
Projektion der Verschieberichtung Ox der Informationen in die Ebene der
Detektoren ist. Diese resultierende Erfassungs-Empfindlichkeitskurve ist eine antisymmetrische
Kurve, die also eine Symmetrie bezüglich des Zentrums (O') des Strahls aufweist.
Man würde
die maximale Empfindlichkeit erhalten, indem man die Differenz der
an den stromaufwärts
vorderen und stromabwärts
hinteren Hälften
des Strahls empfangenen Lichtleistungen bildet. Ein abrupter Übergang beim
Durchgang von einem Detektor zum anderen hätte aber zur Wirkung, dass
die durch die der fokussierten Schicht benachbarten Schichten verursachten
Störungen
beim Übergang
gesehen würden.
Um ein Glätten
der Push-Pull-Funktion zu erhalten und diese Nachteile zu beseitigen,
wird eine Absorption des zentralen Bereichs des Strahls vorgesehen.
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8 stellt
eine Möglichkeit
der Anwendung dieses Prinzips dar. Man sieht vor den Detektoren Dt1
und Dt2 ein Filter Ftv mit variabler Transparenz vor, das eine maximale
Absorption im Zentrum und an den Rändern des Strahls in der Richtung
O'x' aufweist (durch
die schwarzen Zonen in der Figur schematisch dargestellt), das heißt, dass
diese Zonen aus parallelen Bändern
senkrecht zur Ebene der Figur bestehen. Das Filter Ftv weist eine
maximale Transparenz in einer Richtung auf, in der die Intensität des transmittierten
Strahls im Wesentlichen die Hälfte
der Intensität
im Zentrum ist, d.h., dass sie im Wesentlichen auf die vordere und
hintere Flanke des Strahls zentriert ist.
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Der Übergang
zwischen den Zonen unterschiedlicher Transparenz wird durch gepunktete
Zonen schematisch dargestellt. Um eine Empfindlichkeitskurve zu
erhalten, die sich derjenigen der 7 annähert, bildet
man außerdem
die Differenz zwischen den Signalen des stromaufwärts vorderen
Detektors Dt1 und des stromabwärts
hinteren Detektors Dt2 durch einen Differentialverstärker Ad,
der das Push-Pull-Lesesignal HF liefert.
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Die 9 und 10 zeigen
eine besonders interessante Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Lesesystems. In den Weg des erfassten Strahls, der von dem halbtransparenten Spiegel
Mi abgelenkt wird, wird hinter der Optik Le, die den Strahl in der
Nähe der
Detektoren Dt fokussiert, eine beugende Vorrichtung Df eingefügt, die eine
gewisse Anzahl von beugenden Elementen Df1 bis Df4 aufweist, die
das erfasste Licht zu den einzelnen Detektoren 1 bis 4 deflektieren.
Diese beugende Vorrichtung wird so geregelt, dass sie das Licht
mit der gewünschten
Intensität
zu den Detektoren beugt, um der in 7 dargestellten
Funktion zu entsprechen. Sie kann vorzugsweise in holographischer Form
hergestellt werden, um individuell sowohl die Richtungen der Strahlen
als auch ihre Intensität
zu bestimmen. Indem vier Strahlen und vier geeignet angeordnete
Detektoren vorgesehen werden, kann man Signale erhalten, die für die stromaufwärts vorderenstromabwärts hinteren
und rechten-linken Bereiche des Strahls repräsentativ sind, um in diesem letzteren
Fall ein klassisches radiales Push-Pull-Nachführsignal zu erhalten. Außerdem ist es
möglich,
einen fünften
zentralen Strahl vorzusehen, der auf einen Detektor 5 gerichtet
ist, um verschiedene Dienstinformationen zu erhalten (Vorhandensein
der Diskette, Kompatibilität übliche Diskette, Nutzungsinformationen,
...).
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11 ermöglicht es,
eine besonders vorteilhafte Positionierung der Filtermittel oder
der beugenden Vorrichtung gemäß der Erfindung
darzustellen. Wie in 11 dargestellt, ist nämlich der
Querschnitt des erfassten Strahls unabhängig von der Informationsträgerebene,
auf die der Strahl fokussiert ist, in einer Ebene PFo nahe dem Objektiv
Ob (oder seiner durch den halbtransparenten Spiegel konjugierten
Ebene) und hinter diesem in Ausbreitungsrichtung des erfassten Strahls
Fc konstant. Diese Ebene ist die Objekt-Fokussierebene des Objektivs. Man
positioniert also vorzugsweise die beugende Vorrichtung Df in dieser
Ebene. Man kann außerdem vorzugsweise
mit Hilfe der beugenden Vorrichtung sowohl die Spiegelfunktion als
auch die beugende Funktion herstellen, die die Strahlen zu den einzelnen
Detektoren Dt deflektiert und ihre Intensität bestimmt.
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12 ist
das Schaltbild einer Ausführungsform
der Verarbeitungsschaltungen des Signals 21 der 5 im
Fall einer klassischen Detektorvorrichtung Dt mit vier Detektoren 1 bis 4.
Diese Detektoren sind in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse Oz
des erfassten Strahls angeordnet, gemäß der Projektion O'x' der Verschieberichtung Ox des Trägers in
dieser Ebene paarweise fluchtend, und symmetrisch bezüglich der Achse
Oz und der Projektion O'x' positioniert. Die
Detektoren 1, 4 stellen die stromaufwärts vorderen
und die Detektoren 2, 3 die stromabwärts hinteren
Detektoren dar. Die Signale der Detektoren 1, 4 einerseits
und 2, 3 andererseits werden von Summierschaltungen 214 bzw. 213 summiert,
die so genannte vordere (oder stromaufwärts vordere) Signale Av bzw.
hintere (oder stromabwärts hintere)
Signale Ar liefern. Die Signale der Detektoren 1, 2 einerseits
und 3, 4 andererseits werden von Summierschaltungen 211 bzw. 212 summiert,
die linke ga bzw. rechte Signale dr liefern. Das Push-Pull-Lesesignal
HF wird von einem Differentialverstärker 222 geliefert,
der die Differenz zwischen den Signalen Av und Ar bildet. Ein radiales
Fehlernachführsignal
Spp wird von einem Differentialverstärker 221 geliefert,
der in klassischer Weise ein Push-Pull-Signal der Differenz zwischen
den Signalen dr und ga liefert. Ein Fokussierfehlersignal Sz wird
von einem Phasenkomparator 223 geliefert, der die Signale
Av und Ar empfängt,
wie nachfolgend erklärt
wird. Schließlich
liefert eine Summierschaltung 215 die Summe Sm aller Erfassungssignale
für eine alternative
Verwendung, die später
erklärt
wird.
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Die
Schaltung 223 zur Bestimmung des Fokussierfehlersignals
arbeitet nach dem folgenden Prinzip, das von dem im französischen
Patent Nr. 2 280 150 beschriebenen System abgeleitet ist, welches
vorschlägt,
den Strahl auf die Information selbst zu fokussieren. Man kann diesen
Betrieb zusammenfassen, indem man annimmt, dass die Amplitudenmodulation
auf der Diskette wie eine Schlierenblende wirkt; ihr Schatten verschiebt
sich in der direkten oder umgekehrten Verschieberichtung der Diskette,
wenn der Fokussierpunkt sich vor bzw. hinter der Informationsebene
befindet. Obwohl diese Lösung
nicht direkt bei einer erfindungsgemäßen Diskette verwendbar ist,
die nur eine reine Phasenmodulation hat, kann man aber anmerken,
dass es das Ziel dieses Mehrschichtenaufbaus ist, dass praktisch
keine Lichtleistung außerhalb
des Hauptstrahls für
jede Schicht verbreitet wird. Folglich ist die Summe der Leistungen
der stromaufwärts
vorderen und stromabwärts
hinteren (vorderen und hinteren) Hälfte des Strahls konstant,
und die Modulationen jeder Hälfte des
Strahls befinden sich genau in Gegenphase, unabhängig von der Defokussierung,
was jede Verwendung dieser Signale zur Korrektur der Defokussierung
unmöglich
machen würde.
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Man
hat aber gesehen, dass das Glätten
der Push-Pull-Lesefunktion
es verlangt, die Empfindlichkeit der Detektoren im Zentrum des Strahls
zu dämpfen.
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Die
Anmelderin hat festgestellt, dass in Gegenwart dieser zentralen
Absorption des Strahls eine Phasenverschiebung zwischen der vorderen
und der hinteren Modulation des Strahls auftritt, die über den Wert π am genauen
Fokussierpunkt verläuft.
Man kann also daraus ein nutzbares Fokussierfehlersignal ableiten.
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Der
Phasenkomparator 223 führt
diese Bestimmung durch.
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13 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Phasenkomparators, der das Fokussierfehlersignal Sz liefert.
Die Signale Av und Ar erfahren eine Hochpassfilterung 231, 232 und
dann eine Verstärkung 233, 234.
Sie werden anschließend
an Abtast- und Haltekreise 235, 236 geschickt.
Diese werden von dem durch die Komparatoren 238, 237 des
anderen Kanals in Form gebrachten Signal gesteuert. Ein die Signale
der Schaltungen 235 und 236 empfangender Differentialverstärker 239 liefert
das Fehlersignal Sz proportional zur Phasenverschiebung der Signale
Av und Ar.
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Eine
andere Möglichkeit,
um ein Fokussierfehlersignal zu erhalten, beruht auf der Verwendung des
Summensignals der Gesamtheit der Detektoren. Die Intensität im Zentrum
des von der Diskette transmittierten Strahls ist in Abwesenheit
einer Defokussierung gleich dem Integral des Felds im Brennpunkt des
Strahls; die Amplitude dieses Integrals wird geringfügig vom
Vorhandensein von eine geringe Phasenverschiebung einführenden
Reliefs beeinträchtigt.
Das Summensignal Sm ist dann im Wesentlichen konstant, wie man in 14 sieht,
in der die Informationsträgerebene
genau fokussiert ist, was sich nur durch eine Translationsverschiebung
im fernen Feld ausdrückt
(Kurve En).
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In
Gegenwart einer signifikanten Defokussierung ist diese gleiche Intensität das Integral
einer Wellenoberfläche
in Form einer Kugelkalotte, bei der das Vorhandensein eines eine
geringfügige
Phasenverschiebung einführenden
Punkts im Zentrum der Kalotte den Wert des Integrals erhöht oder
verringert, je nachdem, ob diese Phasenverschiebung die Neigung
hat, die Durchbiegung der Kugelkalotte zu verringern oder zu verstärken. Eine
Verringerung der Durchbiegung äußert sich
in einer Konzentration des Lichts im Zentrum des fernen Felds und
somit durch eine Verringerung des von den Detektoren gesehenen Lichts,
deren Empfindlichkeit sich im Zentrum annulliert. Dagegen reduziert
eine Verstärkung
der Durchbiegung die Beleuchtung im Zentrum und erhöht das Summensignal
der Zellen. So wird dieses Summensignal Sm je nach der Richtung
der Defokussierung von einer hinteren oder vorderen Quadratur-Komponente
bezüglich
des Push-Pull-Lesesignals
HF moduliert, wie man in 15 sieht.
In dieser Figur äußert sich
die Wirkung der Defokussierung in Höhe der Kurve Edn durch eine
Translationsverschiebung im fernen Feld, begleitet von einer zentralen
Vertiefung Edn1.
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So
kann das Fokussierfehlersignal Sz durch Vergleich des Summensignals
Sm (Ausgang von 215, 12), das
an den ansteigenden und abfallenden Flanken des Signals HF abgetastet
wird (Ausgang von 222, 12), erhalten
werden, wobei die Richtung der Phasenverschiebung das Vorzeichen der
Defokussierung ergibt und die Amplitude der Komponente von Sm die
Größe der Defokussierung misst.
Es ist bemerkenswert, dass das Vorzeichen dieses Fehlersignals von
der Drehrichtung der Diskette, aber nicht vom Vorzeichen der Phasenverschiebung
aufgrund des Gravierens abhängt.
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16 zeigt
ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die dieser Art der
Erfassung entspricht. Die ansteigenden und abfallenden Flanken lösen je die
Abtast- und Haltekreise 302 bzw. 303 aus, deren
mittlere Differenz, erhalten am Ausgang eines Differentialverstärkers 304,
gefolgt von einem Tiefpassfilter 305, eine Defokussierinformation
Sz liefert.
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Es
wurde kurz die Frage der praktischen Herstellung eines Mehrschicht-Aufzeichnungsmediums
gemäß der Erfindung
angesprochen. Der allgemeine Aufbau des Trägers 10 ist erneut
in 17 dargestellt. Auf ein transparentes Substrat 101 sind die
N Schichten 110 aufgebracht, die an ihren Schnittstellen
die eine geringe Phasenverschiebung einführenden Informationselemente
tragen. Es wurde hier angenommen, dass die Diskette im Reflexionsmodus
gelesen wird, in dem Sinne, dass die letzte Schicht in 100 metallbeschichtet
und mit einem Schutzlack 102 bedeckt ist, der ggf. Siebdruck-Anzeigen
aufweist.
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Wie
erklärt,
wird jede Informationsträgerebene
an der Schnittstelle zwischen zwei dielektrischen Medien hergestellt,
deren Brechungsindices sich geringfügig unterscheiden, was es ermöglicht,
Tiefen von beugenden Reliefs in der Größenordnung von denjenigen der
bekannten optischen Disketten zu verwenden. Auch die bekannten Verfahren
zur Matrixherstellung, Galvanoplastik und Formen, können verwendet
werden. Vorzugsweise stellt man aber die Duplikation durch ein Photopolymerisationsverfahren (2P)
her. Wie bereits erwähnt,
variieren die Brechungsindices der üblichen Polymere zwischen 1,45 und
1,6 und können
durch Hinzufügen
eines Weichmachers geringfügig
verändert
werden. Da es nicht möglich
ist, eine Indexveränderung
mit dem gleichen Vorzeichen an jeder Schnittstelle einzuführen (100 Schichten
ergäben
eine Indexerhöhung
von 5 für eine
Veränderung
von 0,05 zwischen zwei benachbarten Schichten), wechselt man vorzugsweise
die Materialien an jeder Schnittstelle. Man kann feststellen, dass
dann ein zusätzlicher
Vorteil in Höhe
der Fokussierregelsignale auftritt. Man kann nämlich Fehlersignale erhalten,
deren Richtung von der Tatsache abhängt, dass die Reliefs einen
schwächeren oder
stärkeren
Index haben. Man kann so die geraden und ungeraden Schichten erkennen
und sich nach Wahl auf die einen oder anderen einstellen, indem
die Richtung der Regelschleife geändert wird.
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Es
ist selbstverständlich
wichtig für
die Erfindung, den Abstand zwischen allen Informationsträgerebenen
konstant zu halten.
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18 zeigt
ein erstes Verfahren hierzu. Um die Schicht Cn–1 mit der Trägerebene
Pn–1 zu
formen, fügt
man zu dem Monomer, das man in der vorher hergestellten Ebene Pn
verstreichen wird, Mikrokügelchen
oder kalibrierte Mikrozylinder 111 hinzu (ähnlich denjenigen,
die in Flüssigkristallzellen
verwendet werden). Eine Dichte von kalibrierten Körpern in
der Größenordnung
von 100 ppm ist ausreichend, da diese Körper und das Substrat einen
lokalen Druck in der Größenordnung
eines Gigapascal aushalten können,
während
die Matrix 200 mit einem Druck in der Größenordnung
von 10 Kilopascal auf das Monomer aufgebracht wird, was ausreicht,
um das flüssige Monomer
zu verteilen und die Reliefs einzudrücken. Man geht dann zur Polymerisation
der Schicht mit Hilfe einer Lichtquelle über, im Allgemeinen von Ultraviolettlicht.
Dann entfernt man die Matrix 200 und führt die Vorgänge erneut
für die
Schicht Cn–2
durch. Der durch diese kalibrierten Körper bei einem Lesevorgang
eingeführte
Fehlergrad ist gering und wird mit Hilfe eines Fehlerkorrekturcodes
korrigiert. Wenn der Index dieser Abstandshalter korrekt gewählt wird,
kann man sogar gar keine Fehler einführen.
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19 stellt
eine Variante des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Trägers dar.
Gemäß dieser
Variante weisen die Matrizen 201 Löcher mit kalibrierter Tiefe 202 auf.
Nach der Replikation hat das polymerisierte Material Ausstülpungen 112 gebildet,
die als Abstandshalter für
die Herstellung der folgenden Schicht dienen. Die relative Oberfläche der
Löcher
oder Ausstülpungen
kann in der Größenordnung
von 10 ppm liegen; sie können
da angeordnet sein, wo es absichtlich keine Informationen gibt.
Selbstverständlich
sind die Löcher
von einer Matrix zur anderen anders positioniert, um zu vermeiden,
dass die Ausstülpungen
sich systematisch vor den Löchern
der folgenden Matrix befinden. Wie 20 zeigt,
können
die Matrizen 201' im
Gegenteil kalibrierte Ausstülpungen 202' aufweisen,
die sich auf die bereits geformte und Vertiefungen 112' freilassende
untere Ebene stützen.
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Wieder
bezüglich
des Trägers
der 17 kann man feststellen, dass man die letzte,
die Metallbeschichtung 100 aufnehmende Schicht auch gemäß Reliefs
und einem einer für
die im Reflexionsmodus gelesenen Schichten vorhandenen Norm entsprechenden
Format herstellen kann, um eine Kompatibilität für einen minimalen Bereich der
Information zu gewährleisten;
das Lesen der anderen Schichten im Transmissionsmodus könnte durch
die nicht beugende Reflexion der Ordnung Null des Strahls gewährleistet
werden, die einen ausreichenden Bereich für das Lesen aller anderen Schichten
bildet.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, und
insbesondere können
die erwähnten
Zahlenwerte in großem
Maße variieren.
Man kann aber festhalten, dass die Anzahl von Schichten unter Berücksichtigung
der Veränderung
der zwischen der ersten und der letzten Schicht zu durchquerenden
Dicke eher auf etwa Hundert begrenzt ist. Für einen optischen Lesekopf
vom Typ DVD im roten Bereich können
die Schichten einen Abstand von etwa 4 μm und für den zukünftigen Standardtyp DVD blau
von 2 μm
aufweisen. Es ist auch klar, dass die vorzugsweise verwendete Push-Pull-Leseart
einen weiteren wichtigen Vorteil bringt, nämlich, dass diese Art von Lesen
kein Vorhandensein von glatten Bereichen ("land" im
Englischen) zwischen den Spuren erfordert, was zu einer deutlichen
Verbesserung der Kapazität
einer Diskette führt.
In einer interessanten Variante wird die Breite der Spur gleich
der Hälfte
des Durchmessers des ersten schwarzen Rings des Airy-Flecks des
Lesestrahls gewählt.
Der Beitrag zum Farb-Übersprechen der
benachbarten Spuren wird dann minimiert.