DE602004007388T2

DE602004007388T2 - Optisches beugungselement

Info

Publication number: DE602004007388T2
Application number: DE602004007388T
Authority: DE
Inventors: Ralph Kurt; Gert W. 't Hooft; Coen T. Liedenbaum; Robert F. Hendriks
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: EP1644761A1; KR20060031679A; US7221515B2; DE602004007388D1; ATE366423T1; CN100416313C; JP2007519017A; EP1644761B1; WO2005003826A1; TW200508662A; US20060279843A1; CN1816760A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Beugungselement mit einer Beugungsschicht, die in Beugungsstreifen aufgeteilt ist, die sich mit Zwischenstreifen abwechseln.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Beugungselements, eine mit einem derartigen Element versehene Einrichtung zum Lesen optischer Aufzeichnungsträger und einen mit einem derartigen Element versehenen optischen Aufzeichnungsträger.
Ein wohlbekanntes Beugungselement ist ein optisches Beugungsgitter, bei dem die Beugungsstreifen durch die Gitterstreifen gebildet werden. Beugungsgitter sind in der Optik weit verbreitet, entweder als eigenständige oder in andere optische Bauteile integrierte Elemente. Ein Beugungsgitter teilt ein auftreffendes Strahlenbündel in ein nicht abgelenktes Teilstrahlenbündel nullter Ordnung, in ein Paar abgelenkter Teilstrahlenbündel erster Ordnung und in Paare abgelenkter Teilstrahlenbündel höherer Beugungsordnungen auf. Es gibt zwei Hauptarten von Beugungsgittern: Amplitudengitter und Phasengitter, die jeweils reflektierend oder durchlässig sein können. Ein Amplitudengitter umfasst Gitterstreifen, die auftreffende Strahlung absorbieren, während die Zwischenstreifen auftreffende Strahlung durchlassen oder reflektieren. Ein Phasengitter führt zwischen den auf Gitterstreifen und den auf Zwischenstreifen auftreffenden Strahlenbündelteilen eine Phasendifferenz bzw. Differenz der optischen Weglänge ein, da die Gitterstreifen einen anderen Brechungskoeffizienten aufweisen oder sich in einer anderen Ebene als die Zwischenstreifen befinden.
Im Hinblick auf neue Anwendungen, z. B. in miniaturisierten optischen Einrichtungen oder in der optischen Aufzeichnungstechnik, besteht ein ständiger Bedarf an Beugungsgittern mit einer immer kleineren Gitterperiode. Als Gitterperiode bzw. Gitterteilung ist die Summe aus der Breite eines Gitterstreifens und der Breite eines Zwischenstreifens zu verstehen. Die Herstellung von Gittern mit kleinen Teilungen im Mikrometerbereich mittels konventioneller Verfahren, wie z. B. durch Elektronenstrahlschreib- und Lithografieverfahren, ist sehr teuer, sodass derartige Gitter kostspielige Elemente darstellen.
Dieser allgemein bekannte Stand der Technik wird zur Abgrenzung von Anspruch 1 in zweiteiliger Form verwendet.
Die Patentschrift EP 1445647 A1 offenbart ein optisches Element mit einwandigen Nanoröhrchen, wobei das optische Element als sättigbarer Absorber verwendet wird, z. B. als optischer Schalter in einem Wellenlängenbereich der optischen Kommunikation.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Art von Beugungselement, wie z. B. ein Gitter, zu schaffen, welches einen hohen Kontrast aufweist, einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und somit ein preisgünstiges Bauteil darstellt. Dieses Beugungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsstreifen in die Beugungsschicht eingebettete Nanoelemente umfassen, deren Symmetrieachsen im Wesentlichen alle in eine Richtung ausgerichtet sind.
Im Wesentlichen in eine Richtung ausgerichtet bedeutet, dass die Symmetrieachsen aller Elemente dieselbe, diese eine, Richtung aufweisen, dass jedoch kleine Abweichungen von dieser einen Richtung ohne Beeinträchtigung des Gitterverhaltens möglich sind. Im Falle eines linearen Beugungsgitters verläuft diese Richtung parallel oder senkrecht zur Richtung der Gitterstreifen. Das Beugungselement kann auch ein zweidimensionales Gitter mit einer ersten Gruppe von Gitterstreifen sein, die sich in einer ersten (X-)Richtung erstrecken, und einer zweiten Gruppe von Gitterstreifen, die sich in einer zweiten (Y-)Richtung senkrecht zur ersten Richtung erstrecken. Die Gitterstreifen eines linearen oder zweidimensionalen Gitters können sich auch in einer Richtung oder in Richtungen erstrecken, die diagonal zur X- und Y-Richtung verlaufen. Bei den Beugungsstreifen kann es sich auch um ringförmige Streifen handeln und das Beugungselement mit derartigen Streifen kann eine Beugungslinse, z. B. eine Fresnelzonenlinse, bilden.
Nanoelement ist der allgemeine Begriff für Nanoröhrchen und Nanodrähte, die auch als Whisker bezeichnet werden, sowie kleine Prismen. Nanoelemente sind sehr kleine Körper mit einer mehr oder weniger hohlen (Nanoröhrchen) oder gefüllten (Nanodrähte) zylindrischen oder prismatischen Form mit einer kleinsten Abmessung, z. B. einem Durchmesser, im Nanometerbereich. Diese Körper weisen eine Symmetrieachse auf, deren Orientierung elektrische und optische Eigenschaften, wie z. B. die Absorptionseigenschaften des Materials, in das sie eingebettet sind, bestimmt. Wenn im Weiteren Bezug auf deren Orientierung genommen wird, bezieht sich dies auf die Orientierung der Mittelachse ihres Zylinders oder Prismas.
Nanoelemente sind für eine Vielzahl von Materialien beschrieben worden, wie z. B.:

– Indiumphosphid (InP) (X. Duan et al., Nature, 409 (2001), 66: J. Wang et al., Science, 293 (2001), 1455–1457);
– Zinkoxid (ZnO) (M. Huang et al., Science, 292 (2001), 1897–1899);
– Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) (K. Haraguchi et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992), 745: X. Duan et al., Nature, 409 (2001), 66);
– Siliciumcarbid (SiC) (S. Motojima et al., J. Crystal Growth, 158 (1996), 78–83);
– Silicium (Si) (B. Lie et al., Physical Review B 59, 3 (1999), 1645); Bornitrid (BN) (W. Han et al., Applied Physics Letters 73, 21 (1998), 3085);
– Nickeldichlorid (NiCl₂) (Y. Rosenfeld Haconen et al., Nature 395 (1998), 336);
– Molybdändisulfid (MoS₂) (M. Remskar et al., Surface review and letters, Bd. 5, Nr. 1, (1998), 423); Wolframdisulfid (WS₂) (R. Tenne et al., Nature 360 (1992), 444) und
– Kohlenstoff (C) (Iijima, S., Nature 354 (1991), 56–58, Ebbesen T. W. und Ajayan P. M., Nature 358 (1992), 220).

Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden besonders gut untersucht. Es handelt sich dabei um ein- oder mehrschichtige zylindrische Kohlenstoffstrukturen aus hauptsächlich graphitischem (sp2-hybridisiertem) Kohlenstoff. Die Existenz von sowohl metallischen als auch halbleitenden Nanoröhrchen ist experimentell bestätigt worden. Des Weiteren wurde kürzlich festgestellt, dass einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Dicke von z. B. 4 Ångström, die in Kanälen eines Einkristalls aus ALPO₄-5 ausgerichtet sind, eine optische Anisotropie zeigen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind für Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1,5 μm bis 200 nm und einer senkrecht zur Röhrchenachse verlaufenden Polarisationsrichtung nahezu transparent. Sie zeigen bei einer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 600 nm bis zumindest 200 nm und einer parallel zur Röhrchenachse verlaufenden Polarisationsrichtung eine starke Absorption (Li Z. M. et al., Phys. Rev. Lett. 87 (2001), 1277401-1 bis 127401-4).
Ähnliche Eigenschaften sind bei Nanoröhrchen (oder Nanodrähten) festgestellt worden, die nicht aus Kohlenstoff bestehen. Nanoröhrchen vereinen daher auf sehr geeignete Weise die folgenden Merkmale. Sie absorbieren, je nach der Orientierung der Nanoröhrchen bezüglich der Polarisationsrichtung der Strahlung, Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich und die Orientierung der Nanoröhrchen kann mechanisch und/oder durch ein elektrisches Feld gerichtet und/oder stabilisiert werden.
Eine Anordnung linearer Streifen, die Nanoelemente umfassen, deren Symmetrieachsen alle ausgerichtet sind, d. h. in derselben Richtung verlaufen, wobei sich bei der Anordnung die Streifen mit Zwischenstreifen abwechseln, wirkt somit als Amplitudengitter für linear polarisierte Strahlung mit parallel zur Ausrichtungsrichtung verlaufender Polarisationsrichtung, da die Zwischenstreifen für diese Strahlung transparent sind.
In dem Artikel „Spinning continuous carbon nanotube yarns" in Nature, Bd. 419, 24-10-2002, Seite 801, in dem beschrieben wird, wie sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu Garnen von bis zu 30 cm Länge selbst organisieren können, indem diese einfach aus einem mit höchster Genauigkeit ausgerichteten Array derartiger Röhrchen gezogen werden, wird darauf hingewiesen, dass ein CNT-Polarisator (CNT = carbon nanotube, Kohlenstoff-Nanoröhrchen) durch die parallele Anordnung derartiger CNT-Garne konstruiert werden kann. In diesem Artikel werden somit die Polarisationseigenschaften einer bestimmten Struktur von Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschrieben, es wird jedoch kein Beugungsgitter mit aus derartigen Nanoröhrchen gebildeten Gitterstreifen beschrieben.
Ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassendes Gitter ist in dem Artikel "Surface sustained permanent gratings in nematic liquid crystals doped with carbon nanotubes" in Optics Express, Bd. 10, Nr. 11, 2002, Seiten 482–487, beschrieben. Bei diesem Gitter handelt es sich jedoch um ein Brechungsindexgitter oder auch Phasengitter. Es umfasst eine Schicht eines nematischen Flüssigkristalls, der mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen dotiert ist. Ein Gitter wird in dieser Schicht mittels Holografie gebildet, d. h. durch zwei Interferenzstrahlenbündel. Diese Strahlenbündel verursachen eine periodische Umverteilung des Dotiermaterials an der Schnittstelle zwischen der Flüssigkristallschicht und einer Ausrichtungsschicht. Die Strahlung absorbierenden Nanoröhrchen fungieren als Haftstellen von strahlungsinduzierten Oberflächenladungen, verursachen eine strahlungsinduzierte Modulation der leichten Achse im Flüssigkristall und erhalten das Gitter aufgrund des Kontinuum-Effektes des Flüssigkristallmaterials permanent aufrecht. In dem Artikel wird angemerkt, dass eine Polarisationsabhängigkeit bestehen kann, dass diese jedoch mit der Neuorientierung des Flüssigkristalls verbunden ist und nicht den Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugeschrieben wird. Dieses Gitter ist prinzipiell ein Flüssigkristallgitter, bei dem die Nanoröhrchen Hilfsmittel darstellen, und es ist somit von anderer Art als das erfin dungsgemäße Gitter, bei dem die ausgerichteten Nanoelemente lediglich für die Gitterfunktion sorgen.
Nanoelemente sind in einer Dimension sehr klein; z. B. können Kohlenstoff-Nanoröhrchen zwischen 0,3 nm und ca. 100 nm breit sein. Diese Elemente können somit sehr dicht gepackt werden und ihre Größe stellt keinen Hauptbegrenzungsfaktor für die Breite der Gitterstreifen und somit für die Teilung des Beugungsgitters dar.
Da die unterschiedlichen Arten von Nanoelementen ähnliche Absorptionseigenschaften zeigen, kann das erfindungsgemäße Beugungselement unterschiedliche Arten von Nanoelementen umfassen, wobei als vereinbart gilt, dass ein Beugungselement nur eine Art von Nanoelementen umfasst.
Eine erste Ausführungsform des Beugungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanoelementen um Nanodrähte handelt.
Eine zweite und bevorzugte Ausführungsform des Beugungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanoelementen um Nanoröhrchen handelt.
Nanoröhrchen und insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhrchen bieten einen sehr großen Kontrast zwischen in Bezug auf die Röhrchenrichtung, d. h. auf die Anisotropieachse, senkrecht polarisierter Strahlung und parallel polarisierter Strahlung. Beispielsweise ist für auftreffende Strahlung mit einer Wellenlänge von 405 nm ein Absorptionskontrast (ausgedrückt als optische Dichte OD) von OD = 4 – 8 erreichbar. Des Weiteren kann ein verwendbares Beugungselement bereits mit geringen Konzentrationen von Nanoröhrchen in einer transparenten Schicht realisiert werden.
Darüber hinaus sind Nanoröhrchen an sich kostengünstig, haben ein geringes Gewicht, sind einfach herzustellen und zu recyceln. Durch Einbringen von Nanoröhrchen in ein transparentes Medium zum Erhalten eines Beugungselements werden diese Vorteile auf dieses Medium und auf das Beugungselement übertragen.
Nanoröhrchen sind außerdem sehr haltbar und zerfallen oder racemisieren unter den täglichen Einsatzbedingungen von Beugungselementen nicht so leicht. Eine Struktur aus Nanoröhrchen ist nach der Herstellung somit ebenfalls sehr haltbar und zerfällt nicht so leicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Beugungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanoröhrchen um Kohlenstoff-Nanoröhrchen, insbesondere um einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen handelt.
Einwandige Nanoröhrchen, insbesondere einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, zeigen eine besonders ausgeprägte Anisotropie und vermehren damit noch die Vorteile des erfindungsgemäßen Beugungselements.
Bei dem Beugungselement kann es sich um ein Durchlasselement oder Reflexionselement handeln. Bei einem Durchlasselement ist nicht nur die Beugungsschicht, sondern auch das die Beugungsschicht tragende Substrat transparent. Ein reflektierendes Beugungselement kann realisiert werden, indem die transparente Beugungsschicht mit einer reflektierenden Schicht bedeckt wird, d. h. indem eine reflektierende Schicht zwischen der Beugungsschicht und dem Substrat angeordnet wird, die transparent sein kann oder auch nicht. Das Substrat kann auch durch ein anderes optisches Element einer optischen Einrichtung gebildet werden, von der das Beugungselement einen Teil bildet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Beugungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsschicht bei Temperaturen unter 30°C im Wesentlichen fest ist.
Ein derartiges Beugungselement zeigt eine erhöhte Stabilität der Orientierung der Nanoelemente. Diese Elemente sind somit de facto „eingefroren" und können ihre Orientierung nicht durch Zufall ändern. Um diese Festigkeit zu realisieren, kann für die Beugungsschicht ein transparentes Material verwendet werden, das bei Temperaturen unter 30°C im Wesentlichen fest ist. Die Festigkeit kann auch erreicht werden, indem die Nanoröhrchen oben auf einer festen Oberfläche platziert und mittels Van-der-Waals-Kräften oder Klebstoff an der festen Oberfläche befestigt werden. Im Anwendungsbereich dieser Erfindung wird die Beugungsschicht als im Wesentlichen fest angesehen, wenn die Viskosität der Schicht bei und unter 30°C mindestens 10 Pa s (100 P), besonders bevorzugt über 20 Pa s und ganz besonders bevorzugt über 50 Pa s (500 P) beträgt. Bei Viskositäten unter 10 Pa s kann die Gitterschicht als im Wesentlichen verflüssigt angesehen werden. Vorzugsweise ist die Beugungsschicht bei Temperaturen bis 80°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen bis 100°C, im Wesentlichen fest. Dies erhöht die Stabilität der Orientierung der Nanoröhrchen unter normalen Einsatzbedingungen eines Beugungselements.
Vorzugsweise ist das Beugungselement dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beugungsschicht unterhalb der Temperaturen, bei denen die Nanoelemente zerstört werden, verflüssigt werden kann.
Die Beugungsschicht kann dann durch Verringern der Viskosität der Schicht verflüssigt werden, wenn die Schicht ansonsten fest ist. Eine Verflüssigung oder anderwei tage Änderung der strukturellen Integrität der Nanoröhrchen in der Beugungsschicht ist daher nicht notwendig. Im Allgemeinen können Nanoröhrchen Temperaturen von 100°C widerstehen; z. B. werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei 800–1000°C zerstört. Die Verflüssigung ermöglicht eine Neuorientierung der Nanoröhrchen einer verflüssigten Beugungsschicht.
Das Beugungselement kann des Weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass das Material der Beugungsschicht aus der aus Glassorten mit Schmelz- oder Glastemperaturen unter 800°C, thermoplastischen Acrylkunststoffen und Paraffinen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Derartige transparente Materialien ermöglichen die Realisierung von Beugungsschichten, die bei Temperaturen unter 30°C im Wesentlichen fest sind. Sie ermöglichen außerdem die Realisierung von Beugungsschichten, die bei Temperaturen verflüssigt werden können, bei denen die Nanoröhrchen (insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhrchen) im Wesentlichen nicht zerstört werden, und die nach einer derartigen Verflüssigung wieder verfestigt werden können.
Die Hauptanwendung der Erfindung besteht in der Nutzung der Beugungsstruktur in einem linearen oder zweidimensionalen Gitter, bei dem die Vorteile der Erfindung optimal genutzt werden. Die Erfindung kann auch in anderen Beugungselementen, z. B. in einer Fresnellinse, genutzt werden.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Beugungselements.
Ein erstes Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– Drucken einer Struktur von Streifen, die eine Nanoelemente enthaltende Lösung umfassen;
– Ausrichten der Nanoelemente in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes und
– Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Lösung in Gegenwart des ausrichtenden Feldes.

Die Behandlung kann darin bestehen, die Lösung zu verdampfen, sodass die Nanoelemente als isolierte Elemente zurückbleiben, oder darin, die Lösung zu polymerisieren, d. h. zu verfestigen. Das ausrichtende Feld kann ein Magnetfeld oder ein elektrisches Wechselstrom- oder Gleichstromfeld sein; vorzugsweise ist es ein elektrisches Wechselstromfeld.
In dem Artikel „Orientation and purification of carbon nanotubes using ac electrophoresis" in J. Phys. D: Appl. Phys., 31 (1998), L34–L36, wird beschrieben, wie Nanoröhrchen mittels Elektrophorese ausgerichtet werden können. Wird ein elektrisches Wechselstromfeld angelegt, bewegen sich die Nanoröhrchen zu den Elektroden und werden ausgerichtet, wobei der Grad der Orientierung mit steigender Frequenz des elektrischen Feldes zunimmt. In dem Artikel wird kein Beugungsgitter auf der Grundlage von Nanoröhrchen beschrieben. Zur Herstellung eines solchen Gitters ist es wichtig, dass das elektrische Feld während der Fixierung der Orientierung der Nanoröhrchen aufrechterhalten wird.
Ein zweites Verfahren zur Herstellung des Beugungselements ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– Rotationsbeschichtung (Sein-Coating) eines Oberflächenbereiches eines Substrats mit einem dünnen Film einer Nanoelemente enthaltenden Lösung;
– Ausrichten der Nanoelemente in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes;
– Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Lösung in Gegenwart des ausrichtenden Feldes und
– Ausheizen streifenförmiger Bereiche des Films, wodurch ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen entsteht, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.

Das Ausheizen kann durchgeführt werden, indem die Lösung einer über eine Maske einwirkenden Strahlung mit ausreichender Energie ausgesetzt wird, wobei die Maske ein Muster aus transparenten und nicht transparenten Streifen aufweist, die dem Gittermuster entsprechen. Alternativ dazu kann das Ausheizen durchgeführt werden, indem ein ausreichend starkes Strahlungsbündel streifenweise über die Lösung geführt wird. In beiden Fällen bleibt ein Muster aus Streifen zurück, die ausgerichtete Nanoelemente umfassen, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden. Die zum Ausheizen verwendete Strahlung muss einen Energiegehalt aufweisen, der es ermöglicht, Streifen des Films in einer reaktiven Umgebung zu entfernen. Bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann diese Umgebung eine sauerstoffhaltige Umgebung sein. Es muss verhindert werden, dass die Streifen nach dem Ausheizen einen Höhenunterschied von λ/4 zu den Zwischenstreifen aufweisen, da dann ein polarisationsunempfindliches Phasengitter entstehen würde. Falls nötig, können die Zwischenstreifen mit einem Filmmaterial gefüllt werden, das keine Nanoelemente enthält, um die Bildung eines Phasengitters zu vermeiden.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung des Beugungselements ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– Beschichten eines Substratbereiches mit einer Schicht aus selbstorganisierendem Material;
– streifenweises Modifizieren des Materials der Schicht, sodass ein Muster aus Streifen entsteht, die die Substratoberfläche benetzen, und Entfernen des restlichen Schichtmaterials;
– Rotationsbeschichten des so erhaltenen Musters mit einer Nanoelemente enthaltenden Flüssigkeit in der Weise, dass die Flüssigkeit nur das blanke Substrat benetzt, sodass ein Muster aus Nanoelemente enthaltenden Flüssigkeitsstreifen erhalten wird;
– Ausrichten der Nanoelemente in den Flüssigkeitsstreifen in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes, und
– Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Flüssigkeit in Gegenwart des ausrichtenden Feldes, wodurch ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen erhalten wird, welche die Beugungsstreifen bilden.

Das streifenweise Modifizieren des Materials der Schicht kann durchgeführt werden, indem z. B. ein Elektronenstrahl streifenweise über die Schicht geführt wird oder indem die Schicht z. B. über eine Maske, die ein dem Schlitzmuster des Gitters entsprechendes Muster aus transparenten Schlitzen aufweist, einer UV-Strahlung ausgesetzt wird. Das E-Strahlenbündel oder die Strahlung zerstört die Moleküle oder funktionellen Gruppen des Schichtmaterials, was zu einem modifizierten Benetzungsverhalten des Materials in den belichteten Streifen führt. Es kann auch ein Mikrokontaktdruckverfahren verwendet werden. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens besteht darin, dass die lokale Orientierung geändert werden kann. Die Gitterstreifen und Zwischenstreifen müssen nicht aus demselben Material bestehen, sondern sie können aus unterschiedlichen Materialien wie Siliciumnitrid und PMMA (Polymethylmethacrylat) bestehen.
Ein viertes Verfahren zur Herstellung des Beugungselements ist gekennzeichnet durch die katalytische Züchtung von Nanoelementen auf einer Substratoberfläche aus einer Schicht, die auf dem Substrat abgeschieden wurde und die Nanoelementmaterial enthält, sowie durch Ausheizen von streifenförmigen Bereichen der Schicht, um ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen zu erhalten, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.
Das Ausheizen von Streifen kann in derselben Weise wie für das zweite Verfahren beschrieben ausgeführt werden. Bei der Schicht kann es sich um eine dünne Metallschicht handeln, die mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Vapor Liquid Solidification (VLS) abgeschieden wird. Nach dem Erhitzen ist die Schicht in kleine quasiflüssige Bereiche aufgebrochen. Die Unterseiten der Bereiche kristallisieren auf dem Substrat und haften daran unter dem Einfluss von in der Schicht vorhandenen katalysierenden Elementen, z. B. von Eisenpartikeln im Falle von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Im Allgemeinen sind die oben beschriebenen Prozesse zur Herstellung einer Schicht von Nanoelementen an sich bekannt, wie auch andere Verfahren, die verwendet werden können. Jedoch sind die oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters oder eines Beugungselements im Allgemeinen neu.
Bei einer Reihe von Anwendungen oder optischen Einrichtungen kann das erfindungsgemäße Beugungsgitter ein herkömmliches Beugungsgitter, wie z. B. ein durch ein lithografisches Verfahren, ein Replikationsverfahren oder mittels Interferenzstrahlenbündeln (holografisch) hergestelltes Gitter, ersetzen. Das neue Beugungsgitter kann z. B. zur Strahlteilung, Strahlablenkung usw. verwendet werden. Da dass Beugungsgitter polarisationsempfindlich ist, eignet es sich sehr gut zur Verwendung in Situationen, in denen es bei einem ersten Strahlenbündel wirksam und bei einem zweiten Strahlenbündel unwirksam sein muss. Diese Strahlenbündel müssen zueinander senkrecht verlaufende Polarisationsrichtungen aufweisen, von denen eine der Ausrichtung der Nanoelemente entspricht. Eine derartige Situation tritt in einer Einrichtung zum Aufzeichnen auf einen und Lesen von einem optischen Aufzeichnungsträger auf, wobei es sich bei der Einrichtung um eine kompatible Einrichtung handelt, d. h. sie kann auf optische Platten unterschiedlicher Formate, wie z. B. CD, DVD und Blu-ray Discs, aufzeichnen und von diesen lesen.
Eine vorteilhafte und erfinderische Anwendung des Beugungsgitters ist auch im Bereich der optischen Aufzeichnung zu finden, insbesondere zur Erhöhung der Dichte der Informationsstruktur oder zur Verringerung der Größe der Informationsdetails, wobei die Information in zufriedenstellender Weise durch eine Leseeinrichtung ausgelesen werden kann. Die PCT-Patentanmeldung WO-2004/086388 offenbart, dass eine Einrichtung, die zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer gegebenen (herkömmlichen) Informationsdichte ausgelegt ist, zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer wesentlich höheren (superhohen) Informationsdichte verwendet werden kann, wenn die Informationsschicht des letztgenannten Aufzeichnungsträgers mit einem Beugungsgitter versehen ist. Wie im Weiteren erläutert wird, kann dieselbe Einrichtung Informationen mit einer herkömmlichen Dichte und Informationen mit der superhohen Dichte lesen, wenn es sich bei dem Beugungsgitter um ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter handelt. Auf diese Weise löst die Erfindung auch das Informationsdichteproblem bei der optischen Aufzeichnungstechnik, sodass ein Aufzeichnungsträger, der mit einem oben beschriebenen Beugungsgitter versehen ist, auch Teil der Erfindung bildet.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer ersten Art mit einer ersten Informationsdichte und zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer zweiten Art mit einer zweiten Informationsdichte, wobei die Einrichtung eine Strahlungsquelleneinheit, die ein erstes Strahlenbündel mit einer ersten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Informationsträger der ersten Art und ein zweites Strahlenbündel mit einer zweiten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Informationsträger der zweiten Art liefert, sowie ein Objektivsystem zum Fokussieren des ersten und des zweiten Strahlenbündels auf eine Informationsschicht des Informationsträgers der ersten bzw. der zweiten Art umfasst. Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein oben beschriebenes Beugungsgitter zwischen der Strahlungsquelleneinheit und dem Objektivsystem im gemeinsamen Strahlengang des ersten und des zweiten Strahlenbündels angeordnet ist, und dass eines der Strahlenbündel eine erste Polarisationsrichtung aufweist, die parallel zur Richtung der Nanoelemente in dem Gitter verläuft, während das andere Strahlenbündel eine Polarisationsrichtung aufweist, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung verläuft.
Diese Einrichtung nutzt die Eigenschaft des neuartigen Beugungsgitters aus, dass dieses nur als Gitter für ein linear polarisiertes Strahlenbündel wirkt, dessen Polarisationsrichtung parallel zur Orientierung der Nanoelemente in dem Beugungsgitter verläuft, und bei einem Strahlenbündel mit einer senkrechten Polarisationsrichtung unwirksam ist. Die beiden Strahlenbündel können mittels des Beugungsgitters auf den zugeordneten Aufzeichnungsträger optimiert werden.
Diese sowie weitere Aspekte der Erfindung werden anhand von die Erfindung nicht einschränkenden Beispielen unter Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eines Beugungsgitters erläutert und verständlich sowie in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
1a und 1b eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines Teils einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beugungsgitters;
2a und 2b diese Ansichten einer zweiten Ausführungsform eines solchen Beugungsgitters;
3a bis 3c einzelne Schritte eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines solchen Beugungsgitters;
4a die im ersten dieser Schritte verwendete Maske;
4b und 4c das Ergebnis des zweiten und dritten Schrittes in einer Draufsicht;
5a bis 5c einzelne Schritte eines zweiten Verfahrens zur Herstellung eines solchen Beugungsgitters;
6a bis 6c einzelne Schritte eines dritten Verfahrens zur Herstellung eines solchen Beugungsgitters;
7 eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Lesen zweier Arten von optischen Aufzeichnungsträgern, bei der ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter verwendet wird;
8 die Modulationsübertragungsfunktion als Funktion einer normalisierten Raumfrequenz bei einer herkömmlichen Informationsschicht bzw. bei einer Informationsschicht, die mit einem Gitter mit ausgerichteten Nanoelementen versehen ist;
9 eine Ausführungsform einer Leseeinrichtung, mit der dieser Aufzeichnungsträger gelesen werden kann;
10 die Wirkung, die ein Gitter mit ausgerichteten Nanoelementen auf die durch eine Informationsstruktur gebeugten Teilstrahlenbündel hat, und
11 eine Ausführungsform einer Fresnellinse, die mit einer erfindungsgemäßen Beugungsstruktur versehen ist.
Wie in den 1a und 1b gezeigt, umfasst das Beugungsgitter ein Substrat 2 und eine Beugungsschicht 4. Die Beugungsschicht ist in eine Anzahl von Gitterstreifen 6 unterteilt, die sich mit Zwischenstreifen 8 abwechseln. Die Beugungsstreifen umfassen eine große Anzahl sehr kleiner Nanoelemente 10, wie z. B. zylindrisch oder prismatisch geformte gefüllte Nanodrähte oder vorzugsweise hohle Nanoröhrchen und noch bevorzugter Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese Elemente haben eine Symmetrieachse, deren Orientierung die optischen Eigenschaften, d. h. die Absorption des Materials, in das sie eingebet tet sind, bestimmt. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 Ångström und eine Länge in der Größenordnung von 10 μm. Bei der Ausführungsform der 1a und 1b verläuft die Orientierung der Symmetrieachsen der Nanoröhrchen in der X-Richtung, d. h., sie sind in X-Richtung ausgerichtet. Infolgedessen absorbieren die Gitterstreifen ein Strahlenbündel b mit linear polarisierter Strahlung, deren Polarisationsrichtung, d. h. die Richtung des E-Vektors der elektromagnetischen Strahlung, in X-Richtung verläuft. Die auf die Zwischenstreifen 8, in denen keine Nanoröhrchen vorhanden sind, auftreffenden Strahlenbündelteile passieren die Gitterschicht 4 und das Substrat, falls Letzteres transparent ist. Der Aufbau aus den die Nanoröhrchen umfassenden Streifen und den Zwischenstreifen, die nicht mit Nanoröhrchen versehen sind, wirkt somit als Amplitudengitter für in X-Richtung linear polarisierte Strahlung. Die Gitterstreifen absorbieren keine in Y-Richtung polarisierte Strahlung, sodass die Gitterstruktur für derartige Strahlung „unsichtbar" ist und Element 1 dafür eine transparente Platte bildet.
Die 2a und 2b zeigen eine Ausführungsform eines Beugungsgitters 11, bei dem die Gitterstreifen 16 mit in Y-Richtung ausgerichteten Nanoröhrchen versehen sind. Diese Streifen absorbieren in Y-Richtung linear polarisierte Strahlung, sodass dieses Gitter für diese Strahlungsart als Amplitudengitter wirkt. Das Element 11 bildet für in X-Richtung linear polarisierte Strahlung eine transparente Platte.
Die 1a, 1b und die 2a, 2b zeigen nur eine kleine Anzahl von Gitterstreifen und Zwischenstreifen. In Wirklichkeit ist diese Anzahl viel größer. Die Teilung bzw. räumliche Periode P der Gitter liegt z. B. in der Größenordnung von 1 Mikrometer oder darunter, jedoch über 200 nm, wenn es sich bei den Nanoelementen um Kohlenstoff-Nanoröhrchen handelt. Das Beugungsgitter der 1a, 1b oder der 2a, 2b kann ein eigenständiges Element sein, wobei die Beugungsschicht dann von einem eigenen Substrat getragen wird. Das Beugungsgitter kann auch mit einem anderen Element der optischen Einrichtung zusammengefasst werden, in die das Beugungsgitter integriert werden soll. Dies hat den Vorteil, dass die optische Einrichtung kompakter sein kann, weniger Ausrichtung erfordert und falsche Reflexion an einem separaten Substrat vermieden wird.
Das Beugungsgitter kann auch ein reflektierendes Gitter anstelle eines durchlässigen Gitters sein. In diesem Fall ist das Substrat reflektierend oder eine reflektierende Schicht ist zwischen die Beugungsschicht und das Substrat eingefügt. Die auf ein Beugungsgitter auftreffende Strahlung passiert die Beugungsschicht zweimal, was bedeutet, dass die auf die Beugungsstreifen auftreffenden Strahlungsteile zweimal absorbiert werden, sodass der Kontrast zwischen den Beugungsstreifen und den Zwischenstreifen erhöht wird.
Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung des neuartigen Beugungselements, die im Weiteren unter Bezug auf ein Beugungsgitter beschrieben sind.
Gemäß einem ersten Verfahren wird mittels Kontaktdrucktechnik ein Muster aus Streifen auf ein Substrat aufgedruckt. Dieses Verfahren ist in den 3a bis 3c und in den 4a bis 4c schematisch veranschaulicht. Wie in 3a gezeigt, ist ein Gitter 30, das eine Platte 32 mit Schlitzen 34 umfasst, auf einem Substrat 2 platziert. 4a zeigt eine Draufsicht des Gitters 30. Eine Lösung mit Nanoelementen, z. B. Nanoröhrchen, wird über das Gitter gesprüht, sodass die Lösung das Substrat durch die Schlitze hindurch erreicht. Im Ergebnis dessen werden, wie in 3b gezeigt, auf dem Substrat an den Positionen der Schlitze 34 Streifen 36 der Lösung gebildet. Eine Draufsicht der Streifen der Lösung ist in 4b gezeigt. Die Nanoelemente 38 in den Streifen 36 der Lösung zeigen eine zufällige Verteilung ihrer Orientierung. Im nächsten Schritt wird mittels der Elektroden 40 und 42 ein ausrichtendes elektrisches Wechselstromfeld an das Muster der Lösung angelegt, wie in 3c veranschaulicht. Ein Elektrophoreseprozess wie im Artikel "Orientation and purification of carbon nanotubes using ac electrophoresis" in J. Phys D: Appl. Phys., 31 (1998), L34–L36, beschrieben dient zur Ausrichtung der Nanoelemente, d. h., sie werden alle in dieselbe Richtung, bei der es sich um die Richtung des elektrischen Feldes handelt, ausgerichtet. Das Muster der Lösung mit ausgerichteten Nanoelementen ist in 4c gezeigt. Anstelle eines Wechselstromfeldes kann auch ein Gleichstromfeld verwendet werden. Außerdem ist es möglich, die Nanoelemente mittels eines Magnetfeldes auszurichten.
In einem letzten Schritt wird die Orientierung der Nanoelemente fixiert oder „eingefroren". Dies kann je nach Art der Lösung auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Die Lösung kann beispielsweise verdampft werden, sodass nur noch Nanoelemente, die durch Van-der-Waals-Kräfte auf dem Substrat haften, übrig bleiben. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um ein flüssiges Polymer handelt, können die Nanoelemente durch Polymerisation der Lösung eingefroren werden. Das elektrische Feld wird aufrechterhalten, bis alle Nanoelemente ausgerichtet sind, womit die Herstellung abgeschlossen ist.
Die 5a bis 5c zeigen ein zweites Verfahren zur Herstellung des Beugungsgitters. In einem ersten Schritt wird ein Substratbereich von der Größe des zu bildenden Gitters mit einer dünnen Schicht einer Nanoelemente enthaltenden Lösung be deckt, wie in 5a gezeigt. In einem zweiten Schritt werden die Nanoelemente 38 des gesamten Films mittels eines ausrichtenden elektrischen Wechselstromfeldes elektrophoretisch ausgerichtet, wie durch die Elektroden 40 und 42 in 5b angezeigt. Noch einmal wird erwähnt, dass alternativ dazu auch ein elektrisches Gleichstromfeld oder ein Magnetfeld zum Ausrichten verwendet werden kann.
Die Orientierung der Nanoelemente wird anschließend eingefroren, z. B. durch Polymerisation, falls es sich bei dem Film um einen Film aus flüssigem Polymer handelt. Danach werden Streifen des Films durch lokales Ausheizen entfernt, z. B. indem der Film einer über eine Maske einwirkenden starken Strahlung ausgesetzt wird, wobei die Maske ein Muster aus transparenten Streifen aufweist, die den Zwischenstreifen des zu bildenden Gitters entsprechen. Dies führt wie in 5c dargestellt zu einem Muster von Filmstreifen mit ausgerichteten Nanoelementen, wobei die Streifen die Gitterstreifen bilden.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung des Beugungsgitters ist in den 6a bis 6c veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wird eine selbstorganisierende Monoschicht 60 (self-assembled monolayer, SAM) verwendet, mit der cm Substrat 2 beschichtet ist, wie in 6a gezeigt. Die Materialien der SAM und des Substrats sind so ausgewählt, dass die SAM das Substrat benetzt. Beispielsweise ist die SAM wasserabweisend und das Substrat ist wasseranziehend. Die SAM wird streifenweise einer photochemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt, d. h. einer Strahlung, die das Material der SAM angreift. Die photochemisch wirksame Strahlung kann ein Strahlenbündel aus geladenen Partikeln sein, wie z. B. ein Elektronenstrahl, oder elektromagnetische UV-Strahlung, die durch eine Maske mit einem Muster hindurchtritt, welches dem Muster des herzustellenden Gitters entspricht. Im Ergebnis der Belichtung werden die Moleküle oder funktionellen Gruppen des SAM-Materials in den Streifen zerstört oder modifiziert, sodass das Material das Substrat nicht mehr benetzt und entfernt werden kann. Somit entsteht ein Muster von SAM-Streifen 62, die sich mit SAM-losen Streifen 64 abwechseln, wie in 6b gezeigt. Dieses Muster wird, z. B. mittels Rotationsbeschichtung, mit einer Nanoelemente 38 enthaltenden Flüssigkeit bedeckt. Die Flüssigkeit ist so ausgewählt, dass sie nur eine wasseranziehende Oberfläche benetzt, d. h. nur die SAM-losen Streifen 64 der Substratoberfläche. Die Flüssigkeit auf den SAM-Streifen wird entfernt, wie auch die SAM-Streifen selbst. Die Nanoelemente in den Flüssigkeitsstreifen werden mittels eines ausrichtenden Feldes, z. B. eines elektrischen Wechselstromfeldes, ausgerichtet, wodurch die Orientierung der Nanoelemente ein gefroren wird. Somit wird eine Struktur aus Streifen 66 mit ausgerichteten Nanoelementen, die sich mit leeren Streifen 68 abwechseln, erhalten, bei der die Streifen absorbierende Gitterstreifen bilden.
Ein viertes Verfahren zur Herstellung des Beugungselements beruht auf der katalytischen Züchtung von Nanoelementen auf einer Substratoberfläche. Zuerst wird eine Schicht mit Nanoelementmaterial auf der Oberfläche abgeschieden. Die streifenförmigen Bereiche der Schicht werden ausgeheizt, wodurch ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen entsteht, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.
Das Ausheizen von Streifen kann auf dieselbe Weise wie für das zweite Verfahren beschrieben durchgeführt werden. Bei der Schicht kann es sich um eine dünne Metallschicht handeln, die mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Vapor Liquid Solidification (VLS) abgeschieden werden kann. Nach dem Erhitzen ist diese Schicht in kleine quasiflüssige Bereiche aufgebrochen. Die Unterseiten der Bereiche kristallisieren auf dem Substrat und haften unter dem Einfluss von in der Schicht vorhandenen katalysierenden Elementen daran, z. B. von Eisenpartikeln im Falle von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Im Allgemeinen sind die oben beschriebenen Prozesse zur Herstellung einer Schicht von Nanoelementen an sich bekannt, wie auch andere Verfahren, die verwendet werden können. Jedoch sind die oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters oder eines Beugungselements im Allgemeinen neu.
Bei der Struktur, auf der die Gitterstruktur gebildet wird, kann es sich um ein diskretes Substrat handeln, und das hergestellte Gitter ist dann ein diskretes Gitter. Bei dem Substrat kann es sich auch um ein optisches Element der Einrichtung handeln, in die das Gitter integriert werden soll, wobei in diesem Fall das Gitter in diesem Element integriert wird.
Das neuartige Gitter kann ein herkömmliches Amplituden- oder Phasengitter ersetzen und hat den Vorteil, dass es einfach und kostengünstig herzustellen ist und einen hohen Kontrast zwischen den Gitterstreifen und den Zwischenstreifen zeigt. Die Möglichkeiten des Gitters können in einem optischen System oder in einer optischen Einrichtung optimal genutzt werden, bei denen zwei demselben Strahlengang folgende Strahlenbündel verwendet werden, von denen nur einer gebeugt werden soll und der andere nicht. Dies kann erreicht werden, indem das neuartige Beugungsgitter im gemeinsamen Strahlengang angeordnet wird und zwei Strahlenbündel mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtun gen verwendet werden, von denen eine parallel zur Orientierung der Nanoelemente in den Gitterstreifen verläuft.
Ein Beispiel für ein derartiges Gerät ist eine Einrichtung zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer ersten Art mit einer ersten Informationsdichte und zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer zweiten Art mit einer zweiten Informationsdichte, wobei die Einrichtung eine Strahlungsquelleneinheit, welche ein erstes Strahlenbündel mit einer ersten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Informationsträger der ersten Art und ein zweites Strahlenbündel mit einer zweiten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Informationsträger der zweiten Art liefert, sowie ein Objektivsystem zum Fokussieren des ersten und des zweiten Strahlenbündels auf eine Informationsschicht des Informationsträgers der ersten bzw. der zweiten Art umfasst.
In der anhängigen EP-Patentanmeldung 02079098.6 (PHNL020985) ist eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten eines ersten Aufzeichnungsträgers mit einer ersten Informationsschicht hoher Dichte (HD) in einer ersten Betriebsart und zum Abtasten eines Aufzeichnungsträgers der zweiten Art mit einer zweiten Informationsschicht niedriger Dichte (LD) in einer zweiten Betriebsart beschrieben, wobei die Einrichtung ein erstes und ein zweites Beugungsgitter zum Teilen des LD-Abtaststrahlenbündels bzw. des HD-Abtaststrahlenbündels in ein Hauptstrahlenbündel und zwei Satellitenstrahlenbündel umfasst.
HD steht für High Density (hohe Dichte) und ein Aufzeichnungsträger hoher Dichte ist z. B. ein Aufzeichnungsträger des DVD-Formats (Digital Versatile Disc). Das HD-Abtaststrahlenbündel ist das Strahlenbündel zum Aufzeichnen auf einen und/oder Lesen von einem derartigen Aufzeichnungsträger. LD steht für Low Density (niedrige Dichte) und ein Aufzeichnungsträger niedriger Dichte ist z. B. ein Aufzeichnungsträger des CD-Formats (Compact Disc). Das LD-Abtaststrahlenbündel ist das Strahlenbündel zum Aufzeichnen auf einen und/oder Lesen von einem derartigen Aufzeichnungsträger. Das HD-Strahlenbündel hat eine kleinere Wellenlänge, z. B. 650 nm, als das LD-Strahlenbündel, z. B. 780 nm, sodass dasselbe Objektivsystem ein HD-Strahlenbündel in einen kleineren Abtastpunkt fokussiert als ein LD-Strahlenbündel.
7, die aus der EP-Patentanmeldung 02079098.6 kopiert wurde, zeigt eine Ausführungsform der Aufzeichungs-/Lese-Einrichtung, die auch als Kombiplayer bezeichnet wird. Der Strahlengang der Einrichtung umfasst eine Strahlungsquelle 61 in Form einer Zweiwellenlängen-Diodenlasereinheit. Eine Zweiwellenlängen-Diodenlasereinheit besteht aus einem zusammengesetzten Halbleitermodul mit zwei Elementen 62, 63, welche die Strahlenbündel 64, 66 mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Dieses Modul kann einen einzigen Diodenlaserchip mit zwei emittierenden Elementen oder zwei in einer Einheit angeordnete Diodenlaserchips umfassen. Obwohl der Abstand zwischen den emittierenden Elementen so klein wie möglich gestaltet wurde, stimmen die beiden Hauptstrahlen der Strahlenbündel 64, 66 nicht überein. Ungeachtet dessen zeigt 7 das HD-Strahlenbündel 64 und das LD-Strahlenbündel 66 der Deutlichkeit halber als ein einziges Strahlenbündel. Da die Einrichtung in der Lage sein sollte, auf einen HD-Aufzeichnungsträger und auf einen LD-Aufzeichnungsträger aufzuzeichnen, sollten das Element 62 starke Rot-Strahlung (HD) und das Element 63 starke Infrarot-Strahlung (LD) emittieren.
Das vom Zweiwellenlängen-Laser emittierte Strahlenbündel 64 trifft auf einen Strahlteiler 68 auf, z. B. eine ebene transparente Platte, die in einem Winkel von z. B. 45° in Bezug auf den Hauptstrahl des Strahlenbündels angeordnet ist. Die Platte 68 ist mit einer z. B. halbtransparenten reflektierenden Oberfläche 70 versehen, die das Strahlenbündel zu einer Kollimatorlinse 74 reflektiert. Diese Linse wandelt das divergierende Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel 76 um. Dieses Strahlenbündel passiert ein Objektivlinsensystem 78, welches das kollimierte Strahlenbündel 76 zum Abtasten eines Aufzeichnungsträgers 90 in ein konvergentes Strahlenbündel 80 umwandelt. Das Objektivlinsensystem kann aus einem Element mit einer Linse bestehen oder es kann zwei oder mehrere Linsenelemente umfassen, wie in 7 gezeigt.
Der mittels des HD-Strahlenbündels 64 abzutastende Aufzeichnungsträger ist von einer ersten High-Density-Art und umfasst eine transparente Schicht 91 mit einer Dicke von z. B. 0,6 mm und eine Informationsschicht 92, auf die das konvergierende Strahlenbündel 80 im Abtastpunkt 82 fokussiert ist. Die durch die Informationsschicht 92 reflektierte Strahlung kehrt entlang des Weges der Strahlenbündel 80 und 76 zurück, passiert den Strahlteiler 68 und wird von der Kollimatorlinse 74 auf einen Detektorpunkt 84 auf einem strahlenempfindlichen Detektionssystem 86 gebündelt. Dieses System wandelt das Strahlenbündel in ein elektrisches Detektorsignal um. Ein Informationssignal, das die in der Informationsschicht 92 gespeicherten Informationen repräsentiert, und Steuersignale zum Positionieren des Brennpunkts 82 in einer senkrecht zur Informationsschicht 92 verlaufen den Richtung (Fokussteuerung) und in einer senkrecht zur Spurrichtung verlaufenden Richtung (Nachlaufregelung) können aus dem Detektorsignal abgeleitet werden.
Das LD-Strahlenbündel 66 zum Abtasten der zweiten Art von Aufzeichnungsträger 96 breitet sich entlang desselben Weges wie das HD-Strahlenbündel 64 in Richtung dieses Aufzeichnungsträgers aus, der ein Substrat 94 mit einer Dicke von z. B. 1,2 mm und eine Low-Density-Informationsschicht 95 umfasst.
Die Aufzeichnungsträger 90 und 96 sind als einzelne, zweischichtige Aufzeichnungsträger mit halbtransparenter Informationsschicht 92 gezeichnet, können jedoch alternativ einschichtige Aufzeichnungsträger mit transparenten Schichten verschiedener Dicke sein.
Das LD-Strahlenbündel sollte auf den Abtastpunkt 88 auf der Informationsschicht 95 fokussiert werden. Das Objektivsystem 78 ist so ausgelegt, dass es in einer ersten Betriebsart bei einem ersten Satz konjugierter Ebenen arbeitet, wodurch das HD-Strahlenbündel vom emittierenden Element 62 auf die Informationsschicht 92 fokussiert wird. In der zweiten Betriebsart arbeitet das Objektivsystem bei einem zweiten Satz konjugierter Ebenen, wodurch das LD-Strahlenbündel vom emittierenden Element 63 auf die Informationsschicht 95 fokussiert wird. Die durch die Informationsschicht 95 reflektierte Strahlung kehrt entlang des Weges des LD-Strahlenbündels 80, 76 zurück, passiert den Strahlteiler 68 und wird durch das Objektivlinsensystem auf einen Detektorpunkt 85 auf dem strahlenempfindlichen Detektionssystem 86 gebündelt.
Zwischen dem Strahlteiler 68 und dem Detektionssystem 86 kann ein die Strahlenbündel kombinierendes Element 100 angeordnet sein, wodurch die Hauptstrahlen des HD-Strahlenbündels und des LD-Strahlenbündels koaxial verlaufen, sodass die Position des Punktes 84 mit der Position des Punktes 85 übereinstimmt. Dadurch wird es möglich, dasselbe Detektionssystem 86 für das HD-Strahlenbündel und das LD-Strahlenbündel in den jeweiligen Betriebsarten zu verwenden. Das die Strahlenbündel kombinierende Element kann ein wellenlängenselektives Gitter sein, welches das HD-Strahlenbündel oder das LD-Strahlenbündel beugt und das jeweils andere passieren lässt, ohne es zu beugen. Vorzugsweise ist dieses Gitter ein Phasengitter mit bevorzugter Reflexionsrichtung (blazed Phase grating).
Wenn die Abtasteinrichtung in der Lage sein soll, nicht nur von einem HD-Aufzeichnungsträger zu lesen, sondern auch auf diesen aufzuzeichnen, muss die Lasereinheit ein leistungsfähiges, Rot-Strahlung emittierendes Element 62 anstelle eines Elements geringer Leistung umfassen, und ein als Dreipunktgitter bezeichnetes Beugungsgitter 110 muss zwischen der Strahlungsquelleneinheit 61 und dem Strahlteiler 68 angeordnet sein. Dieses Gitter umfasst ein transparentes Substrat 111 und eine Gitterstruktur 112. Derzeit umfasst eine derartige Abtasteinrichtung einen zusätzlichen Detektor 102, der an der Rückseite des Strahiteilers 68 angeordnet ist. Dieser Detektor liefert ein zur Intensität des HD-Strahlenbündels von Element 62 proportionales Ausgangssignal und wird zur Steuerung der Stärke des Aufzeichnungsstrahlenbündels verwendet.
Das Gitter 112 teilt das auftreffende HD-Strahlenbündel in ein nicht abgelenktes Teilstrahlenbündel nullter Ordnung bzw. Haupt-Teilstrahlenbündel sowie in Plus- und Minus-Teilstrahlenbündel erster Ordnung auf. Der Deutlichkeit halber zeigt 7 nur das Hauptstrahlenbündel. Das Haupt-Teilstrahlenbündel bildet auf einer in der Informationsschicht abzutastenden Spur einen Haupt-Abtastpunkt, um auf dieser Spur aufzuzeichnen oder zu lesen. Die Teilstrahlenbündel erster Ordnung bilden zwei Satellitenpunkte (nicht gezeigt) in der Informationsschicht, die in Bezug auf den Hauptpunkt schräg zur Spurrichtung in entgegengesetzten Richtungen verschoben sind. Die Satellitenpunkte werden am Detektionssystem 86 in zusätzlichen Detektorpunkten (nicht gezeigt) abgebildet, und in diesem System sind für diese Punkte separate Detektorelemente vorgesehen. Ein Spurfehlersignal, d. h. ein Signal mit einer Anzeige über die Abweichung zwischen dem Mittelpunkt des Hauptpunktes 82 und der Mittellinie der abgetasteten Spur, kann aus den Ausgangssignalen der separaten Detektorelemente abgeleitet werden. Das Spurfehlersignal kann in einem Spurservosystem verwendet werden, um den Hauptpunkt auf der Spur zu halten. Die Erzeugung eines Spurfehlersignals und das zugehörige Spurservosystem selbst sind in der Technik wohlbekannt.
Wenn die Abtasteinrichtung in der Lage sein soll, nicht nur von einem LD-Aufzeichnungsträger zu lesen, sondern auch auf diesen aufzuzeichnen, muss die Lasereinheit 61 ein leistungsfähiges, Infrarot-Strahlung emittierendes Element 63 und ein Dreipunktservo-Spursystem für das LD-Strahlenbündel umfassen. Außerdem muss ein zweites Beugungsgitter 114 zwischen der Lasereinheit 61 und dem Strahlteiler 68 angeordnet sein. Dieses Gitter soll nur das LD-Strahlenbündel beugen und für das HD-Strahlenbündel eine transparente Platte darstellen, ähnlich, wie das Gitter 112 eine transparente Platte für das LD-Strahlenbündel darstellt und nur das HD-Strahlenbündel beugt. Die Gitter 112 und 114 können separate Elemente sein, sind jedoch vorzugsweise in einem Doppelgitterelement 110 mit einem HD-Dreipunktgitter auf der einen Seite und einem LD-Dreipunkt- Beugungsgitter 114 auf der anderen Seite integriert. Die Integration der Gitter 112 und 114 in einem Bauelement spart Material und Herstellungskosten sowie Platz in der Abtasteinrichtung. Außerdem wird die Anzahl von Oberflächen im Strahlengang reduziert, sodass die Gefahr auftretender falscher Reflexionen reduziert ist.
Jede der Gitterstrukturen sollte für das Strahlenbündel, das sie beugen soll, für ein vorgegebenes Verhältnis zwischen der Strahlungsenergie für Strahlenbündel erster Ordnung und der Strahlungsenergie für Strahlenbündel nullter Ordnung sorgen und sie sollte für das Strahlenbündel „unsichtbar" sein, welches sie nicht beugen soll. Wie in der EP-Patentanmeldung 02079098.6 festgestellt, soll das Gitter einen Auslastungsgrad von 50 % haben. Unter Auslastungsgrad ist das Verhältnis zwischen der Breite der Gitterstreifen und der Teilung bzw. Raumfrequenz der Gitterstruktur zu verstehen. In der Einrichtung der EP-Patentanmeldung 02079098.6 beruht die Selektivität jedes Gitters für den jeweils anderen der beiden Strahlenbündel (HD und LD) auf der Wellenlängenselektivität. Bei den Gittern handelt es sich um Phasengitter, d. h. die Gitterstreifen sind Vertiefungen oder Erhöhungen auf der Gitteroberfläche, und die Selektivität wird erreicht, indem die Vertiefungen des HD-Gitters eine geringere Tiefe als die Vertiefungen beim LD-Gitter erhalten.
Gemäß der Erfindung wird die Selektivität erreicht, indem Beugungsgitter verwendet werden, deren Gitterstreifen ausgerichtete Nanoelemente umfassen, wobei die Orientierung der Nanoelemente in einem Gitter senkrecht zur Orientierung der Nanoelemente im anderen Gitter verläuft, und indem ein linear polarisiertes HD-Strahlenbündel, dessen Polarisationsrichtung parallel zur Orientierung der Nanoelemente eines Gitters verläuft, sowie ein linear polarisiertes LD-Strahlenbündel, dessen Polarisationsrichtung parallel zur Orientierung der Nanoelemente des anderen Gitters verläuft, verwendet werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass jedes Strahlenbündel durch ein jeweils zugehöriges Gitter gebeugt wird, wobei jedes Gitter einen hohen Kontrast für das betreffende Strahlenbündel zeigt.
Eine sehr vorteilhafte Verwendung der Erfindung ist außerdem in der optischen Aufzeichnungstechnik möglich, jedoch unter einem ganz anderen Aspekt, und zwar zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit hoher Informationsdichte mittels einer optischen Leseeinrichtung, die zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit niedrigerer Aufzeichnungsdichte ausgelegt ist. Wie oben erläutert, fokussiert in einer derartigen Leseeinrichtung ein Objektivsystem, gegenwärtig eine Objektivlinse, mit einem oder mehreren Linsenelementen das Lesestrahlenbündel auf einen Lesepunkt auf der Informationsschicht.
Die Informationen werden in der Aufeinanderfolge einzelner Informationsbereiche codiert, die sich auf dem Aufzeichnungsträger in Spurrichtung mit Zwischenbereichen abwechseln. Der Lesepunkt ist größer als die einzelnen Informationsbereiche breit sind. Diese Bereiche beugen somit das auftreffende Lesestrahlenbündel, d. h., sie teilen dieses Strahlenbündel in ein nicht abgelenktes Teilstrahlenbündel nullter Ordnung und in eine Anzahl abgelenkter Teilstrahlenbündel höherer Ordnung auf. Derzeitige optische Aufzeichnungsträger haben eine reflektierende Informationsschicht und das Teilstrahlenbündel nullter Ordnung sowie Teile der beiden Teilstrahlenbündel erster Ordnung, die durch die Informationsschicht reflektiert wurden, passieren die Objektivlinse. Die Linse konzentriert die Strahlungsteile auf ein strahlungsempfindliches Detektionssystem in der Weise, dass sich diese Strahlungsteile gegenseitig überlagern. Während des Abtastens der Informationsschicht variiert das am Detektionssystem gebildete Überlagerungsmuster und dieses System liefert ein elektrisches Signal, das die ausgelesenen Informationen repräsentiert.
Wenn die Informationsdichte in der Informationsschicht eines optischen Aufzeichnungsträgers erhöht werden soll, müssen die Größe der Informationsbereiche und der Zwischenbereiche sowie der Abstand zwischen den Informationsspuren verringert werden. Das Lesen von Informationsbereichen mit einer verringerten Größe erfordert einen Lesepunkt mit entsprechend verringerter Größe; andernfalls können die Informationsbereiche nicht separat gelesen werden. Dies bedeutet, dass die Auflösung der Leseeinrichtung erhöht werden muss. Die Grenzfrequenz einer herkömmlichen Leseeinrichtung, d. h., die herkömmliche Grenzfrequenz, beträgt 2NA/λ, wobei NA die numerische Apertur der Objektivlinse und λ die Wellenlänge des Lesestrahlenbündels ist. Dies bedeutet, dass eine Informationsstruktur mit einer Raumfrequenz von bis zu 2NA/λ zufriedenstellend ausgelesen werden kann. Bei einer Informationsstruktur mit höherer Raumfrequenz ist dies nicht mehr möglich. Durch die Erhöhung von NA und/oder die Verringerung von λ könnte die Auflösung der Leseeinrichtung und somit die Raumfrequenz der Informationsstruktur erhöht werden, wodurch diese dann noch gelesen werden kann. Die Tatsache, dass die Tiefenschärfe der Objektivlinse proportional zu λ/(NA)² ist, setzt der Erhöhung von NA eine Grenze, da die Tiefenschärfe bei großer NA zu klein wird. Leseeinrichtungen mit ausreichend kleiner Lesewellenlänge können nur realisiert werden, wenn Diodenlaser verfügbar werden, die derart kleine Wellenlängen emittieren.
Wie in der Patentschrift US-A 4,242,579 beschrieben, kann die Auflösung erhöht werden, indem die Objektivlinse nur Teile des Teilstrahlenbündels nullter Ordnung und nur Teile eines der Teilstrahlenbündel erster Ordnung des reflektierten Lesestrahlenbündels zum Detektionssystem durchlässt, und indem ein Detektor mit einer kleinen Abmessung in der Abtastrichtung verwendet wird. Zu diesem Zweck sind das Lesestrahlenbündel und der Aufzeichnungsträger im Verhältnis zueinander geneigt, d. h., das Lesestrahlenbündel trifft nicht senkrecht auf den Aufzeichnungsträger. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei höheren Raumfrequenzen der Informationsbereiche Strahlung erster und nullter Ordnung die Objektivlinse noch passiert und eine Überlagerung am Detektionssystem hervorruft, um ein Informationssignal zu erzeugen. Die Auflösung kann somit erhöht werden, um z. B. die herkömmliche Auflösung zu verdoppeln. Da das Lesestrahlenbündel das Substrat des Aufzeichnungsträgers passieren muss und dieses Substrat eine vorgegebene Dicke hat, z. B. 1,2 mm, um eine ausreichende mechanische Festigkeit und ausreichenden Staubschutz zu bieten, wird ein gewisses Maß an Aberration, wie z. B. Koma und Astigmatismus, in das Lesestrahlenbündel eingebracht. Dies führt zu einem Lesepunkt in der Informationsschicht, der größer als erforderlich ist und Nebensignaleffekte verursacht.
Um dieses Problem zu umgehen, wurde kürzlich in der PCT-Patentanmeldung WO 2004/086388 vorgeschlagen, eine herkömmliche optische Leseeinrichtung zu verwenden und die Informationsschicht des Aufzeichnungsträgers mit einem Beugungsgitter zu versehen, um die Strahlung des Lesestrahlenbündels, die senkrecht auf die Informationsschicht auftrifft, in einem spitzen Winkel auf den Hauptstrahl des auftreffenden Strahlenbündels zu lenken. Die Ausstattung des Aufzeichnungsträgers mit einem derartigen Beugungsgitter ermöglicht das Lesen mit superhoher Auflösung bei Verwendung eines Lesestrahlenbündels, das senkrecht auf den Aufzeichnungsträger auftrifft und das Trägersubstrat senkrecht passiert, sodass keine Koma und astigmatische Aberration auftreten. Rechtwinklig auftreffen bedeutet, dass der Hauptstrahl des auftreffenden Lesestrahlenbündels, das gegenwärtig ein konvergiertes Strahlenbündel ist, rechtwinklig zum Aufzeichnungsträger verläuft. Das Beugungsgitter wird als normales bzw. informationsloses Gitter bezeichnet, um es von der beugenden Informationsstruktur zu unterscheiden.
Wie in der PCT-Patentanmeldung WO 2004/086388 beschrieben, lenkt das normale Beugungsgitter Teile der von der beugenden Informationsstruktur gebildeten Strahlenbündel erster Ordnung ab, sodass diese Teile die Objektivlinse passieren und zusammen mit der in der nullten Ordnung doppelt gebrochenen Strahlung auf den strahlungsempfindlichen Detektor fokussiert werden, um eine Überlagerung am Ort dieses Detektors herbeizuführen. Dieser Detektor kann derselbe wie der sein, der in der durch die Patentschrift US-A 4,242,579 offenbarten Leseeinrichtung verwendet wird. Im Hinblick auf weitere Einzelheiten über die Wirkung des normalen Gitters in der Informationsschicht und auf Ausführungsarten des mit einem derartigen Gitter versehenen Aufzeichnungsträgers wird auf die PCT-Patentanmeldung WO 2004/086388 Bezug genommen.
Wenn K_g die Periodizität oder Raumfrequenz des normalen Gitters und K_i die Raumfrequenz der Informations- oder Datenstruktur in der Informationsebene ist, trifft das Lesestrahlenbündel auf eine Struktur mit einer effektiven Raumfrequenz K_e, die durch die folgende Formel gegeben ist: Ke = Ki – m·Kg wobei m die verwendete Beugungsordnung des normalen Gitters, üblicherweise eine erste Ordnung, ist. K_e bleibt unter der herkömmlichen Grenzfrequenz, wenn die Gitterperiode des normalen Gitters ausreichend groß ist. Diese Periode bestimmt den Winkel, mit dem ein Teilstrahlenbündel einer vorgegebenen Beugungsordnung durch das Gitter abgelenkt wird:
je kleiner die Periode, desto größer der Beugungswinkel.
Auf diese Weise kann eine Informationsstruktur mit einer größten Raumfrequenz von bis zu beispielsweise dem Doppelten der herkömmlichen Grenzfrequenz gelesen werden. Dies wird durch die Kurven 120 und 122 in 8 veranschaulicht. In dieser Figur sind auf der Horizontalachse unterschiedliche Werte für K_i·λ/NA und auf der Vertikalachse der Wert für die Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) aufgetragen. Die MTF, deren Maximalwert 1 beträgt, ist ein Maß für die Amplitude des von der Informationsstruktur gelesenen Informationssignals. Die Kurve 120 repräsentiert die herkömmliche, symmetrische Situation, d. h., das gesamte Teilstrahlenbündel nullter Ordnung und Teile der beiden Teilstrahlenbündel erster Ordnung, die durch die Informationsschicht reflektiert wurden, passieren die Objektivlinse und werden zur Informationserkennung verwendet. Die maximale Raumfrequenz K_i der Informationsstruktur, die gelesen werden kann, ist durch K_i·λ/NA = 2 gegeben, sodass K_i = 2·NA/λ ist. Bei diesem K_i-Wert hat sich die Amplitude des Lesesignals fast auf null verringert, was bedeutet, dass ein Informationsbereich mit einer derartigen Raumfrequenz nicht ausgelesen werden kann. Die Kurve 122 repräsentiert die Situation, dass die Informationsschicht mit einem Beugungsgitter mit der passenden Gitterfrequenz versehen ist. Dieses Gitter bewirkt, dass die asymmetrischen Teile des Teilstrahlenbündels nullter Ordnung und der Teilstrahlenbündel erster Ordnung die Objektivlinse passieren. Jetzt wird die Amplitude des Lesesignals bei K_i·λ/NA = 4 zu null, sodass K_i = 4·NA/λ ist, was das Doppelte der herkömmlichen Grenzfrequenz ist.
Die Ausstattung der Informationsschicht mit dem Gitter ermöglicht das Lesen einer Informationsstruktur mit Raumfrequenzen im Bereich von 2·NA/λ bis 4·NA/λ und verschiebt somit das Band von Raumfrequenzen, die gelesen werden können, um m·K_g. Die Breite des Frequenzbandes wird jedoch nicht erhöht und bleibt bei 2·NA/λ.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Bandbreite erhöht werden, indem die Informationsschicht mit dem speziellen Beugungsgitter versehen wird, das oben beschrieben wurde. Dieses nutzt die Polarisationsempfindlichkeit des Beugungsgitters optimal aus. Wird die Informationsschicht durch ein Strahlenbündel mit zwei Komponenten mit senkrecht zueinander verlaufenden Polarisationsrichtungen abgetastet, kann eine Informationsstruktur mit Raumfrequenzen von theoretisch null bis zu 4·NA/λ gelesen werden. Die Strahlenbündelkomponente, deren Polarisationsrichtung parallel zur Orientierung der Nanoelemente im Beugungsgitter verläuft, d. h. die durch das Gitter gebeugte Strahlenbündelkomponente, wird zum Lesen der Hochfrequenz-Informationsbereiche verwendet. Die andere Strahlenbündelkomponente, die durch das Gitter nicht gebeugt wurde, wird auf herkömmliche Weise zum Lesen der Niederfrequenz-Informationsbereiche, d. h. der Informationsbereiche mit Raumfrequenzen von bis zu 2·NA/λ, verwendet.
Eine wie in 9 gezeigte Einrichtung kann zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers verwendet werden, der eine Informationsstruktur mit einen großen Spektrum von Raumfrequenzen aufweist. Diese Einrichtung umfasst einen Diodenlaser 130, der ein einzelnes Strahlenbündel b emittiert, eine Kollimatorlinse 132, einen Strahlteiler 134, eine Objektivlinse 136 und einen Detektionszweig 140. Das Lesestrahlenbündel b muss zwei zueinander senkrecht polarisierte Komponenten umfassen. Ein derartiges Strahlenbündel kann erhalten werden, indem der Hohlraumschlitz des Diodenlasers in geeigneter Richtung ausgerichtet wird, sodass die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Laserstrahlenbündels einen Winkel von 45° mit der Orientierungsrichtung der Nanoelemente im Gitter 156 auf der Informationsschicht 154 des Aufzeichnungsträgers 150 einschließt, der ein Substrat 152 aufweist. Alternativ und wie in 9 gezeigt, kann eine λ/2-Platte zwischen dem Diodenlaser und dem Strahlteiler angeordnet werden, wobei die Platte das linear polarisierte Laserstrahlenbündel in ein zirkular polarisiertes Laserstrahlenbündel umwandelt, das aus den beiden zueinander senkrecht polarisierten Strahlenbündelkomponenten besteht.
Die reflektierten Strahlenbündelkomponenten b₁ und b₂, die durch Informationsbereiche hoher Frequenz bzw. Informationsbereiche niedriger Frequenz moduliert wurden, müssen separat detektiert werden. Dies kann realisiert werden, indem ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler 142 in den Detektionszweig integriert wird, wobei der Strahlteiler die Strahlenbündelkomponente b₁ zum Detektor 144 reflektiert und die Strahlenbündelkomponente b₂ zum Detektor 146 durchlässt. Einer dieser Detektoren liefert ein Signal mit Frequenzen bis zur herkömmlichen Grenzfrequenz und der andere Detektor liefert ein Signal mit Frequenzen größer als der herkömmlichen Grenzfrequenz bis zum Doppelten dieser Frequenz.
10 zeigt die Wirkung, die ein normales Gitter auf Teilstrahlenbündel hat, die durch eine Informationsstruktur gebeugt wurden. Diese Figur zeigt nur jene Elemente der 9, die für die erfinderische Verwendung des neuen Beugungsgitters in einem Aufzeichnungsträger relevant sind, und zwar das Objektivlinsensystem 136 und den Aufzeichnungsträger 150 mit der Informationsschicht 154 und dem Beugungsgitter 156. Dieses Gitter teilt ein auftreffendes Strahlenbündel in ein Teilstrahlenbündel nullter Ordnung, ein Plus-Teilstrahlenbündel erster Ordnung b'(+1) und ein Minus-Teilstrahlenbündel erster Ordnung b'(–1), die in 10 durch die gestrichelten Pfeillinien gekennzeichnet sind. Die Periode des normalen Gitters ist größer als die Periode der Informationsstruktur in der Informationsschicht, sodass die Teilstrahlenbündel b'(+1) und b'(–1) durch das normale Gitter in einem kleineren Winkel abgelenkt werden als die Teilstrahlenbündel b(+1) und b(–1), die durch die Informationsschicht abgelenkt werden. Die Teilstrahlenbündel b(+1) und b(–1) sind in 10 durch eine durchgehende Linie gekennzeichnet. Da sich das Gitter 156 über der Informationsstruktur 154 befindet, werden alle Teilstrahlenbündel erster Ordnung b(0), b(+1) und b(–1), die durch die Informationsstruktur gebildet wurden, durch das Gitter weiter in doppelt gebeugte Teilstrahlenbündel nullter und erster Ordnung gebeugt. Von diesen doppelt gebeugten Teilstrahlenbündeln passieren die Teilstrahlenbündel b(+1, –1) und b(–1, +1) die Pupille des Objektivlinsensystems, wie in 10 gezeigt. Der erste und zweite Index dieser Teilstrahlenbündel beziehen sich auf die durch die Informationsstruktur bzw. durch das normale Gitter verursachte Beugungsordnung. Das Teilstrahlenbündel b(0, 0), das dieselbe, jedoch entgegengesetzte Richtung wie das auftreffende Lesestrahlenbündel hat, passiert ebenfalls die Pupille des Objektivlinsensystems 136. Auf diese Weise wird erreicht, dass Teile der Teilstrahlenbündel erster Ordnung, die durch die Informationsstruktur moduliert werden, mit einem Teil der Teilstrahlenbündel nullter Ord nung am Ort des strahlungsempfindlichen Detektionssystems überlagern und das Lesen mit wesentlich verbesserter Auflösung möglich wird.
Diese Art des Lesens wird bei den Informationsbereichen mit hoher Raumfrequenz, bis zum Doppelten der herkömmlichen Frequenz, verwendet und kann nur durch die Komponente des Lesestrahlenbündels durchgeführt werden, die eine parallel zur Richtung der Nanoelemente im Gitter 156 verlaufende Polarisationsrichtung aufweist. Die andere, durch das Gitter nicht gebeugte Strahlenbündelkomponente kann nur die Informationsbereiche mit einer niedrigeren Raumfrequenz, bis zur herkömmlichen Grenzfrequenz, lesen.
Wie in der PCT-Patentanmeldung WO 2004/086388 für ein herkömmliches Gitter erläutert, kann die Richtung der Gitterstreifen des normalen Gitters an die Anordnung der Informationsbereiche in der Informationsschicht angepasst werden. Sind diese Bereiche in Spuren angeordnet, kann diese Richtung parallel zur Spurrichtung verlaufen, verläuft jedoch vorzugsweise senkrecht zur Spurrichtung. Sind die Informationsbereiche gemäß einer 2D-OS (two-dimensional optical storage, zweidimensionale optische Speicherung) angeordnet, d. h. in einer aus Blöcken bestehenden Struktur, bei der jeder Block eine Anzahl Informationsbereiche umfasst, die gleichzeitig gelesen werden, z. B. durch eine Matrix aus einer entsprechenden Anzahl Detektoren, so verläuft die Richtung der Gitterstreifen vorzugsweise diagonal zu den Blöcken.
Die Erfindung wurde unter Bezug auf ihre Anwendungen in Form eines Beugungsgitters im Bereich der optischen Aufzeichnungstechnik beschrieben. Dies bedeutet nicht, dass die Verwendung des erfindungsgemäßen Gitters auf diese Technik begrenzt ist. Das erfindungsgemäße Gitter kann in jedem beliebigen optischen System verwendet werden, in dem zwei entlang desselben Weges verlaufende Strahlenbündel verwendet werden, von denen eines gebeugt werden muss und das andere nicht, und noch allgemeiner in jedem beliebigen optischen System, in dem ein herkömmliches Beugungsgitter verwendet wird.
Die Erfindung kann nicht nur in einem Beugungsgitter verwendet werden, sondern in jedem beliebigen Beugungselement, das aus ersten, streifenförmigen oder anderweitig geformten, Bereichen besteht, die sich mit zweiten Bereichen abwechseln, wobei die ersten und zweiten Bereiche unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Ein weiteres wohlbekanntes Beispiel eines derartigen Beugungselements ist eine Fresnellinse bzw. Fresnelzonenlinse. 11 zeigt eine Ausführungsform einer Fresnellinse 160 gemäß der Erfindung. Diese Linse besteht aus ersten kreisförmigen Streifen 162, die sich mit zweiten kreisförmigen Streifen 164 abwechseln. Die ersten Streifen 162 umfassen ausgerichtete Nanoelemente 166, während die zweiten Streifen 164 keine derartigen Elemente umfassen. Die ersten Streifen absorbieren Strahlung, die in der Ausrichtungsrichtung der Nanoelemente polarisiert ist, und das Element 160 wirkt für derartige Strahlung als Fresnellinse. Für senkrecht zur Ausrichtungsrichtung polarisierte Strahlung stellt das Element 160 eine neutrale Platte dar. Der Deutlichkeit halber sind in 11 nur wenige Streifen gezeigt, in der Praxis kann die Anzahl der Streifen viel größer sein. Die Breite der Streifen 162 und 164 kann vom Mittelpunkt zum Rand hin abnehmen.
Die Fresnellinsenstruktur kann in ähnlicher Weise wie oben beim linearen Gitter beschrieben hergestellt werden.

Claims

Optisches Beugungselement (1) mit einer Beugungsschicht (4), die in Beugungsstreifen (6) unterteilt ist, welche sich mit Zwischenstreifen (8) abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsstreifen Nanoelemente (10) umfassen, die in die Beugungsschicht eingebettet sind und deren Symmetrieachsen alle in eine Richtung ausgerichtet sind.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoelemente Nanodrähte sind.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoelemente Nanoröhrchen sind.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchen Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchen einwandige Nanoröhrchen sind.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Durchlasselement ist.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Reflexionselement ist.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beugungsschicht bei Temperaturen unter 30°C im Wesentlichen fest ist.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Material der Beugungsschicht bei Temperaturen unterhalb der Temperatur, bei der die Nanoelemente zerstört werden, verflüssigen lässt.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beugungsschicht aus der aus Glassorten mit Schmelz- oder Glastemperaturen unter 800°C, thermoplastischen Acrylkunststoffen und Paraffinen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als lineares Beugungsgitter geformt ist und als solches wirkt und dass die Beugungsstreifen gerade Gitterstreifen sind.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als zweidimensionales Beugungsgitter geformt ist und als solches wirkt, und dass es zwei Gruppen von geraden Beugungsstreifen umfasst, wobei die Streifen der ersten Gruppe senkrecht zu den Streifen der zweiten Gruppe verlaufen.
Optisches Beugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als Fresnellinse geformt ist und als solche wirkt, und dass die Beugungsstreifen kreisförmige Streifen sind.
Verfahren zur Herstellung des optischen Beugungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Drucken einer Struktur von Streifen, die eine Nanoelemente enthaltende Lösung umfassen; – Ausrichten der Nanoelemente in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes, und – Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Lösung in Gegenwart des ausrichtenden Feldes.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln der Lösung das Verdampfen der Lösung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln der Lösung das Polymerisieren der Lösung umfasst.
Verfahren zur Herstellung des Beugungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Rotationsbeschichtung eines Oberflächenbereiches eines Substrats mit einem dünnen Film einer Nanoelemente enthaltenden Lösung, – Ausrichten der Nanoelemente in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes, – Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Lösung in Gegenwart des ausrichtenden Feldes und – Ausheizen streifenförmiger Bereiche des Films, wodurch ein Muster aus Streifen mit den ausgerichteten Nanoelementen entsteht, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausheizens durchgeführt wird, indem die Lösung einer über eine Maske einwirkenden Strahlung mit ausreichender Energie ausgesetzt wird, wobei die Maske ein Muster aus transparenten und nicht transparenten Streifen aufweist, die dem Elementmuster entsprechen, sodass ein Muster aus Streifen zurückbleibt, welche ausgerichtete Nanoelemente umfassen, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausheizens durchgeführt wird, indem ein ausreichend starkes Strahlungsbündel streifenweise über die Lösung geführt wird, sodass ein Muster aus Streifen zurückbleibt, welche ausgerichtete Nanoelemente umfassen, wobei die Streifen die Beugungsstreifen bilden.
Verfahren zur Herstellung des Beugungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Beschichten eines Substratbereiches mit einer Schicht aus selbstorganisierendem Material, – streifenweises Modifizieren des Materials der Schicht, sodass ein Muster aus Streifen entsteht, die die Substratoberfläche benetzen, und Entfernen des restlichen Schichtmaterials, – Rotationsbeschichten des so erhaltenen Musters mit einer Nanoelemente enthaltenden Flüssigkeit, wodurch die Flüssigkeit nur das blanke Substrat benetzt, sodass ein Muster aus Nanoelemente enthaltenden Flüssigkeitsstreifen erhalten wird, – Ausrichten der Nanoelemente in den Flüssigkeitsstreifen in eine erforderliche Richtung mittels eines elektrischen oder magnetischen ausrichtenden Feldes und – Fixieren der Orientierung der Nanoelemente in dieser Richtung durch Behandeln der Flüssigkeit in Gegenwart des ausrichtenden Feldes, wodurch ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen erhalten wird, welche die Beugungsstreifen bilden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Modifizierens des Materials der Schicht das streifenweise Führen eines Bündels von Strahlung über die Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Modifizierens des Materials der Schicht das Belichten der Schicht über eine Maske umfasst, die ein dem Streifenmuster des Elements entsprechendes Muster aus transparenten Schlitzen aufweist.
Verfahren zur Herstellung des Beugungsgitters nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen Prozess der katalytischen Züchtung von Nanoelementen auf einer Substratoberfläche aus einer Schicht, die auf dem Substrat abgeschieden wurde und Nanoelementmaterial enthält, sowie durch Ausheizen von streifenförmigen Bereichen der Schicht, um ein Muster aus Streifen mit ausgerichteten Nanoelementen zu erhalten, wobei die Streifen die Elementstreifen bilden.
Optischer Aufzeichnungsträger, der mindestens eine Informationsschicht umfasst, in der Informationen in Informationsbereichen codiert sind, welche sich mit Zwischenbereichen abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen durch ein Beugungsgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bedeckt sind.
Einrichtung zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer ersten Art (90) mit einer ersten Informationsdichte und zum Lesen von einem und Aufzeichnen auf einen optischen Informationsträger einer zweiten Art (96) mit einer zweiten Informationsdichte, wobei die Einrichtung eine Strahlungsquelleneinheit (61), die ein erstes Strahlenbündel (64) mit einer ersten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Informationsträger der ersten Art, und ein zweites Strahlenbündel (66) mit einer zweiten Wellenlänge zum Zusammenwirken mit dem Aufzeichnungsträger der zweiten Art liefert, sowie ein Objektivsystem (78) zum Fokussieren des ersten und des zweiten Strahlenbündels auf eine Informationsschicht (92, 94) des Aufzeichnungsträgers der ersten bzw. der zweiten Art umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beugungsgitter (112, 114) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zwischen der Strahlungsquelleneinheit und dem Objektivsystem im gemeinsamen Strahlengang des ersten und des zweiten Strahlenbündels angeordnet ist und dass eines der Strahlenbündel eine erste Polarisationsrichtung aufweist, die parallel zur Richtung der Nanoelemente in dem Gitter verläuft, während das andere Strahlenbündel eine Polarisationsrichtung aufweist, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung verläuft.