DE60210327T2

DE60210327T2 - Optisches abtastgerät

Info

Publication number: DE60210327T2
Application number: DE60210327T
Authority: DE
Inventors: H. Bernardus HENDRIKS
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: US7170681B2; EP1472682B1; KR20040077719A; US20050083562A1; WO2003060891A3; AU2002351152A8; JP2005515579A; WO2003060891A2; DE60210327D1; EP1472682A2; ATE322071T1; AU2002351152A1; CN1299280C; CN1623195A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten einer ersten Informationsschicht mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels, das eine erste Wellelänge und eine erste Polarisation aufweist, einer zweiten Informationsschicht mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels, das eine zweite Wellenlänge und eine zweite Polarisation aufweist, und einer dritten Informationsschicht mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels, das eine dritte Wellenlänge und eine dritte Polarisation aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von den anderen unterscheidet, welche Einrichtung umfasst:
eine Strahlungsquelle zum aufeinander folgenden oder gleichzeitigen Liefern des genannten ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels,
ein Objektivlinsensystem, um das erste, zweite und dritte Strahlungsbündel auf den Positionen der ersten, zweiten bzw. dritten Informationsschicht konvergieren zu lassen und
ein in dem optischen Weg des ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels angeordnetes beugendes Teil, wobei das Teil ein Muster aus Musterelementen enthält, die im Wesentlichen ein gestuftes Profil zum Bilden eines ersten gebeugten Strahlungsbündels, eines zweiten gebeugten Strahlungsbündels und eines dritten gebeugten Strahlungsbündels aus dem ersten, zweiten bzw. dritten Strahlungsbündel aufweisen, wobei das Teil ein für die erste, zweite und dritte Polarisation empfindliches, doppelbrechendes Material umfasst.
Mehr im Besonderen, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine optische Abtasteinrichtung, die mit drei unterschiedlichen Formaten, wie z.B. Compact-Discs (CDs), herkömmlichen Digital-Versatile-Discs (DVDs; digitale, vielseitige Platten), auch "Red DVD" genannt und sogenannten DVDs der nächsten Generation, auch "Blue DVD" genannt, kompatibel ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein beugendes Teil zur Verwendung in einer optischen Einrichtung zum Abtasten einer ersten Informationsschicht mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels, das eine erste Wellenlänge und eine erste Polarisation auf weist, einer zweiten Informationsschicht mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels, das eine zweite Wellenlänge und eine zweite Polarisation aufweist, und einer dritten Informationsschicht mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels, das eine dritte Wellenlänge und eine dritte Polarisation aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von den anderen unterscheidet, wobei das beugende Teil:
in dem optischen Weg des ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels angeordnet ist,
ein Muster aus Musterelementen enthält, die im Wesentlichen ein gestuftes Profil zum Bilden eines ersten gebeugten Strahlungsbündels, eines zweiten gebeugten Strahlungsbündels und eines dritten gebeugten Strahlungsbündels aus dem ersten, zweiten bzw. dritten Strahlungsbündel aufweisen, und
ein für die erste, zweite und dritte Polarisation empfindliches, doppelbrechendes Material umfasst.
"Abtasten einer Informationsschicht" bezieht sich auf Abtasten mit Hilfe eines Strahlungsbündels zum Auslesen von Information in der Informationsschicht ("Lesebetrieb"), Schreiben von Information in die Informationsschicht ("Schreibbetrieb"), und/oder Löschen von Information in der Informationsschicht ("Löschbetrieb"). "Informationsdichte" bezieht sich auf die Menge an gespeicherter Information pro Einheitsfläche der Informationsschicht. Sie wird unter anderem durch die Größe des von der Abtasteinrichtung auf der abzutastenden Informationsschicht gebildeten Abtastflecks ermittelt. Die Informationsdichte kann durch Verringern der Größe des Abtastflecks erhöht werden. Da die Größe des Flecks unter anderem von der Wellenlänge λ und der numerischen Apertur NA des den Fleck bildenden Strahlungsbündels abhängt, kann die Größe des Abtastflecks durch Vergrößern von NA und/oder durch Verkleinern von λ verringert werden.
Ein "gebeugtes Strahlungsbündel" besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsbündeln, die je eine Beugungsordnung "m" haben, d.h. die nullte Ordnung (m = 0), die +1. Ordnung (m = 1), die +2. Ordnung (m = 2) usw. die –1. Ordnung (m = –1), die –2. Ordnung (m = –2) usw. Es sei bemerkt, dass ein Strahlungsbündel der nullten Ordnung in der vorliegenden Beschreibung als gebeugtes Strahlungsbündel betrachtet wird.
Wünschenswert ist, dass eine optische Abtasteinrichtung für unterschiedliche Formate von optischen Aufzeichnungsträgern kompatibel ist, d.h. für das Abtasten optischer Aufzeichnungsträger unterschiedlicher Formate mit Hilfe von Strahlungsbündeln, die unterschiedliche Wellenlängen haben, wobei ein einziges Objektivlinsensystem verwendet wird. CDs sind beispielsweise unter anderem als CD-A (CD-Audio), CD-ROM (CD-Read Only Memory) und CD-R (CD-Recordable) verfügbar, und sind ausgebildet, mit Hilfe eines Strahlungsbündels mit einer Wellenlänge (λ) von etwa 780 nm abgetastet zu werden. Red-DVDs dagegen sind ausgebildet, mit Hilfe eines Strahlungsbündels mit einer Wellenlänge von etwa 660 nm abgetastet zu werden, und Blue-DVDs sind ausgebildet, mit Hilfe eines Strahlungsbündels mit einer Wellenlänge von etwa 405 nm abgetastet zu werden. Insbesondere hat eine Platte vom "Blue DVD"-Format eine größere Datenspeicherkapazität als eine Platte vom "Red DVD"-Format – typischerweise kann zumindest eine Verdoppelung der Speicherkapazität erhalten werden.
Die Verschiedenheit dieser Formate bringt die folgenden Schwierigkeiten mit sich. Erstens sind Platten, die zum Auslesen bei einer gewissen Wellenlänge ausgebildet sind, nicht immer bei einer anderen Wellenlänge auslesbar. Ein Beispiel ist eine Platte vom "CD-R"-Format, in der spezielle Farbstoffe in dem Aufzeichnungsstapel angebracht werden mussten, um eine hohe Modulation für λ = 785 nm zu erhalten. Bei λ = 660 nm wird die Modulation des Signals aus der Platte infolge der Wellenlängenempfindlichkeit des Farbstoffes so klein, dass Auslesen bei dieser Wellenlänge nicht möglich ist. Zweitens ist es wichtig, dass die neue Abtasteinrichtung rückwärtskompatibel ist, wenn ein neues optisches Abtastsystem mit höherer Speicherkapazitäten eingeführt wird, d.h. dass sie imstande ist, optische Aufzeichnungsträger abzutasten, die bereits vorhandene Formate haben. Drittens besteht ein Unterschied in der Dicke zwischen zwei Platten mit unterschiedlichen Formaten, sodass in dem einen Fall sphärische Aberration erzeugt wird und in dem anderen Fall nicht.
Infolge dieser Vielzahl an Formaten ist es ein Problem, eine optische Abtasteinrichtung zu entwerfen und herzustellen, die fähig ist, zuvor festgelegte Wellenfronten für die zu jedem Format gehörende Wellenlänge zu erzeugen.
Es ist beispielsweise bei der japanischen Patentanmeldung JP-A-2001209966 bereits bekannt, eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten einer Platte vom "Blue-DVD"-Format, einer Platte vom "Red-DVD"-Format und einer Platte vom CD-Format mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels, eines zweiten Strahlungsbündel bzw. eines dritten Strahlungsbündels zu schaffen. Das erste, das zweite bzw. das dritte Strahlungsbündel hat eine erste Wellenlänge λ₁, eine zweite Wellenlänge λ₂ bzw. eine dritte Wellenlänge λ₃, sowie eine erste Polarisation p₁, eine zweite Polarisation p₂ bzw. eine dritte Pola risation p₃. Die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ unterscheiden sich voneinander. Zumindest eine der Polarisationen p₁, p₂ und p₃ unterscheidet sich von den anderen. Darüber hinaus enthält die bekannte optische Abtasteinrichtung eine Strahlungsquelle, um die drei Strahlungsbündel zu liefern, ein Objektivlinsensystem, um die drei Strahlungsbündel jeweils in Informationsschichten der drei optischen Aufzeichnungsträgers konvergieren zu lassen, und ein in dem optischen Weg der drei Strahlungsbündel angeordnetes beugendes Teil. Das Objektivlinsensystem hat eine optische Achse. Das beugende Teil hat zwei parallele Flächen, zwischen denen eine aus Glas hergestellte erste Schicht und eine zweite Schicht vorgesehen sind. Die Grenzfläche zwischen der erste und der zweiten Schicht ist ein Muster aus Musterelementen mit einem einzigen gestuften Profil. Die Wahl der Materialien der ersten und zweiten Schicht und die Ausbildung des gestuften Profils ist derart, dass das beugende Teil ein erstes gebeugtes Strahlungsbündel der nullten Ordnung für die Wellenlänge λ₁ und für jede der Wellenlängen λ₂ und λ₃ ein gebeugtes Strahlungsbündel von höherer (d.h. nicht nullter) Ordnung bildet. Außerdem ist die zweite Schicht aus einem doppelbrechenden Material hergestellt, das für die Polarisationen p₁, p₂ und p₃ empfindlich ist.
Die genannte japanische Patentanmeldung JP-A-2001209966 lehrt zwei Lösungen zum Herstellen der zweiten Schicht des beugenden Teils.
Bei der ersten bekannten Lösung wird die zweite Schicht aus einem Flüssigkristallmaterial (LC-Material; LC: Liquid Crystal) hergestellt, das zur Modifikation seiner Brechzahl (mit Hilfe von Elektroden) elektrisch einstellbar ist, um so die drei gebeugten Strahlenbündel zu bilden. Daher ist eine solche Einrichtung komplex zu entwerfen und erfordert die Herstellung einer schaltbaren LC-Komponente, die schwierig und kostspielig zu entwerfen und herzustellen ist.
Bei der zweiten bekannten Lösung ist die zweite Schicht aus einem festen doppelbrechenden Material hergestellt, das eine ordentliche Brechzahl und eine außerordentliche Brechzahl hat, von denen eine gleich der Brechzahl der ersten Schicht (Glas) ist. So hat das erste aus dem beugenden Teil austretende gebeugte Strahlungsbündel dort, wo die erste Polarisation mit der zu der letztgenannten Brechzahl gehörenden Richtung übereinstimmt, eine ebene Wellenfront: Die nullte Ordnung des ersten gebeugten Strahlungsbündels ist dann gebildet. Mit anderen Worten, das beugende Teil wirkt dann als transparente parallele Platte für die erste Wellenlänge.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zugrunde, eine optische Abtasteinrichtung zu schaffen, die zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger mit Hilfe von Strahlungsbündeln mit drei unterschiedlichen Wellenlängen und mit unterschiedlichen Polarisationen geeignet ist, wobei die Einrichtung eine Alternative zu den bekannten Lösungen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Abtasteinrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, dass das genannte gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte erste Wellenlänge im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π und für die genannte zweite Wellenlänge gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π sind. Es sei bemerkt, dass die Werte der zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen in Bezug auf die zweite Wellenlänge aus einer Vielzahl von zumindest drei Werten gewählt werden können, wie im Weiteren ausführlicher beschrieben werden soll.
Im Gegensatz zu den aus der genannten japanischen Patentanmeldung JP-A-2001209966 bekannten Lösungen bildet das beugende Teil gemäß der Erfindung die nullte Ordnung des ersten gebeugten Strahlungsbündels wie folgt. So werden, wo die erste Polarisation zu der Richtung entweder der ordentlichen Achse oder der außerordentlichen Achse ausgerichtet ist, als Folge des Entwurfs der Höhen der Stufen eines Musterelementes des gestuften Profils Phasenänderungen in das erste gebeugte Strahlungsbündel eingebracht, die nahezu gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π sind. Folglich wird die nullte Ordnung des ersten gebeugten Strahlungsbündels gebildet. Mit anderen Worten, bei dem beugenden Teil gemäß der Erfindung werden in dem ersten Beugungsbündel in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Objektivlinse (im Weiteren "radiale Richtung" genannt) ungleiche optische Weglängen eingebracht. Es sei bemerkt, dass dieses beugende Teil nicht als transparente parallele Platte für die erste Wellenlänge wirkt, da das erste gebeugte Strahlungsbündel im Gegensatz zu dem bekannten beugenden Teil keine ebene Wellenfront hat.
Ein Vorteil des gestuften Profils gemäß der Erfindung ist, ein beugendes Teil zu schaffen, das das erste und das zweite gebeugte Strahlungsbündel mit zuvor bestimmten Werten, z.B. hohen Werten, von Transmissionswirkungsgraden für erwünschte Ordnungen dieser Strahlenbündel bildet. Zusätzlich kann das beugende Teil das zweite beugende Teil mit einer Phasenänderung bilden, das dem idealen sägezahnähnlichen Profil, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, angenähert ist.
Insbesondere ist aus der am 4. 9. 2000 unter der Anmeldenummer 00203066.6 eingereichten europäischen Patentanmeldung bekannt, eine optische Abtasteinrichtung mit einem beugenden Teil zu schaffen, das ein Muster aus Musterelementen mit einem gestuften Profil enthält, das so entworfen ist, dass die zu Stufen des genannten Musterelementes gehörenden optischen Wege nahezu gleich Vielfachen der genannten ersten Wellenlänge sind. Ein derartiges beugendes Teil ist vorteilhaft, da es die Bildung gebeugter Strahlungsbündel mit ausgewählten Beugungsordnungen (d.h. Ordnungen, für die ein hoher Transmissionswirkungsgrad erreicht wird) erlaubt, was anderenfalls wegen der Vielzahl von Wellenlängen schwierig ist. Die Lehre dieser Anmeldung bietet jedoch keine genügende Anleitung zum Verschaffen der erfindungsgemäßen optischen Abtasteinrichtung.
Erstens lehrt diese europäische Patentanmeldung nicht, wie eine optische Abtasteinrichtung zu entwerfen ist, die mit drei unterschiedlichen Formaten von optischen Aufzeichnungsträgern kompatibel ist, sondern beschreibt nur eine Einrichtung zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger mit zwei unterschiedlichen Formaten mit Hilfe von zwei Strahlungsbündeln mit zwei Wellenlängen.
Zweitens lehrt die europäische Patentanmeldung kein einfaches Verfahren zur Herstellung eines beugenden Teils mit einem gestuften Profil. Die festen Werte der drei Wellenlängen sind eine ernsthafte Einschränkung beim Entwerfen des beugenden Teils unter Verwendung des in jener Anmeldung erläuterten Verfahrens. Spezieller gesagt, wenn ein Strahlungsbündel mit einer Wellenlänge λ eine Stufe aus einem Material mit einer Stufenhöhe h durchläuft, wird in dem gebeugten Strahlungsbündel, das aus der Stufe austritt, eine Phasenänderung Φ (bezogen auf den Fall, in dem das Strahlungsbündel die Luft entlang der gleichen Strecke durchläuft) eingebracht. Die Phasenänderung Φ wird durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei "n" die Brechzahl des beugenden Teils und "n₀" die Brechzahl des benachbarten Mediums ist. Aus Gleichung (0) folgt, dass, wenn die Wellenlänge λ sich ändert, sich die Phasenänderung Φ entsprechend ändert. Somit würde das Entwerfen eines beugenden Teils, das kompatibel ist, um mit drei Wellenlängen mit einem gestuften Profil zu arbeiten, erfordern, ein sehr komplexes gestuftes Profil mit relativ hohen Stufen zu entwerfen, um für jede der drei Wellenlängen einen hohen Wirkungsgrad zu haben. Dies führt zu einem beugenden Teil, das schwierig herzustellen ist.
Drittens lehrt jene europäische Patentanmeldung nicht, wie ein polarisationsempfindliche beugendes Teil so entworfen wird, dass die optische Abtasteinrichtung mit Strahlungsbündeln arbeiten kann, die unterschiedliche Polarisationen aufweisen.
Es ist auch aus der japanischen Patentanmeldung JP 2001-174614 bekannt, eine optische Abtasteinrichtung herzustellen, die ein beugendes Teil aus doppelbrechendem Material umfasst, das polarisationsempfindlich und wellenlängenempfindlich ausgebildet ist, um ein erstes Strahlungsbündel nullter Ordnung mit einer ersten Wellenlänge und einer ersten Polarisation, ein zweites Strahlungsbündel nicht nullter Ordnung mit der ersten Wellenlänge und einer zweiten, unterschiedlichen Polarisation und ein drittes Strahlungsbündel mit einer zweiten, unterschiedlichen Wellenlänge und der ersten oder zweiten Polarisation zu bilden. Diese japanische Patentanmeldung lehrt nicht, wie das beugende Teil so zu entwerfen ist, dass die optische Abtasteinrichtung mit drei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten kann.
Es ist auch aus der japanischen Patentanmeldung JP 2001-195769 bekannt, eine optische Abtasteinrichtung herzustellen, die zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger mit Hilfe von drei Strahlungsbündeln mit drei unterschiedlichen Wellenlängen geeignet ist, wobei die Einrichtung ein beugendes Teil umfasst. Diese japanische Patentanmeldung lehrt jedoch nicht, wie eine optische Abtasteinrichtung zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger mit Hilfe von Strahlungsbündeln mit unterschiedlichen Polarisationen zu schaffen ist. Insbesondere beschreibt jene japanische Patentanmeldung nicht oder legt auch nicht nahe, wie ein polarisationsempfindliches beugendes Teil herzustellen ist und, ausdrücklicher, erwähnt sie die Verwendung von doppelbrechendem Material zum Herstellen des beugendes Teils nicht.
Darüber hinaus ist aus zahlreichen Patentdokumenten, z.B. JP-2001043559, bekannt, eine optische Abtasteinrichtung mit einem beugenden Teil zu schaffen, die mit zwei Strahlungsbündeln arbeitet, die zwei unterschiedliche Wellenlängen haben. Keines dieser Dokumente erwähnt jedoch die Verwendung von doppelbrechendem Material zum Herstellen eines polarisationsempfindlichen beugenden Teils, so dass die optische Abtasteinrichtung mit Strahlungsbündeln arbeiten kann, die unterschiedliche Polarisationen haben.
In einer ersten Ausführungsform der optischen Abtasteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, ist das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genann te dritte Wellenlänge im Wesentlichen gleich zumindest zwei im Wesentlichen unterschiedlichen Vielfachen von 2π und für die genannte zweite Wellenlänge gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π sind. Ebenso sei für die zweite Wellenlänge bemerkt, dass die Werte der zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen in Bezug auf die genannte dritte Wellenlänge aus einer Vielzahl von zumindest drei Werten gewählt werden können. In einem speziellen Fall dieser ersten Ausführungsform ist das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes nahezu identische Phasenänderungen für sowohl die zweite als auch die dritte Wellenlänge einbringen, wobei die genannte dritte Polarisation sich von der genannten zweiten Polarisation unterscheidet.
In einer zweiten Ausführungsform der optischen Abtasteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das genannte gestufte Profil so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte dritte Wellenlänge im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π sind. In einem speziellen Fall dieser zweiten Ausführungsform ist das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes nahezu identische Phasenänderungen für sowohl die erste als auch die dritte Wellenlänge einbringen, wobei die genannte dritte Polarisation sich von der genannten ersten Polarisation unterscheidet.
In einer dritten Ausführungsform der optischen Abtasteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das genannte gestufte Profil so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte dritte Wellenlänge im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen ungeraden Vielfachen von π sind. In einem speziellen Fall der dritten Ausführungsform ist das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die nahezu gleich zumindest zwei im Wesentlichen unterschiedlichen Phasenänderungen für die genannte zweite Wellenlänge sind. Es sei bemerkt, dass diese zwei im Wesentlichen unterschiedlichen Phasenänderungen für die genannte zweite Wellenlänge aus einer ungeraden Anzahl von nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen ausgewählt sind.
Es sei bemerkt, dass, wenn die erste, zweite und dritte Polarisation identisch sind, nur zwei unterschiedliche Werte (null und π modulo 2π) für die Phasenänderungen in Bezug auf das zweite oder dritte gebeugte Strahlungsbündel gewählt werden können. Daher kann das gestufte Profil nicht mit zuvor bestimmten Werten, z.B. hohen Werten, der Transmissionswirkungsgrade für erwünschte Ordnungen jedes ersten, zweiten oder dritten gebeugten Strahlungsbündels gewählt werden. Im Gegensatz dazu sei bemerkt, dass, wenn zumindest eine der ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von einer anderen unterscheidet, zumindest drei unterschiedliche Werte für jedes zweite oder dritte gebeugte Strahlungsbündel gewählt werden können, wodurch der Entwurf des gestuften Profils mit einer relativ niedrigen Anzahl von Stufen möglich wird, typischerweise weniger als 40 Stufen, da ein gestuftes Profil mit einer hohen Anzahl Stufen (typischerweise 50 oder mehr Stufen) von geringerem praktischen Nutzen ist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein beugendes Teil zu verschaffen, zur Verwendung in einer optischen Einrichtung zum Abtasten einer ersten Informationsschicht mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels, das eine erste Wellenlänge und eine erste Polarisation aufweist, einer zweiten Informationsschicht mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels, das eine zweite Wellenlänge und eine zweite Polarisation aufweist, und einer dritten Informationsschicht mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels, das eine dritte Wellenlänge und eine dritte Polarisation aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von den anderen unterscheidet, wobei das beugende Teil eine Alternative für das bekannte Teil darstellt.
Diese Aufgabe wird mit einem beugenden Teil der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass das genannte gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte erste Wellenlänge im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π und für die genannte zweite Wellenlänge gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π und für die genannte dritte Wellenlänge gleich einem der Folgenden sind: zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π, zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π oder zumindest zwei unterschiedlichen ungeraden Vielfachen von π.
Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Komponenten einer erfindungsgemäßen optischen Abtasteinrichtung 1,
2 eine schematische Darstellung einer Objektivlinse zur Verwendung in der Abtasteinrichtung von 1,
3 eine schematische Vorderansicht der Objektivlinse von 2,
4 eine Kurve, die eine von dem in 2 und 3 dargestellten beugenden Teil eingebrachte Phasenänderung in Form einer sägezahnähnlichen Funktion repräsentiert (Idealfall),
5 eine Kurve, die eine von dem in 2 und 3 dargestellten beugenden Teil eingebrachte Phasenänderung in Form einer gestuften Funktion repräsentiert (Näherungsfall),
6 eine Kurve, die die Stufenhöhen eines ersten Beispiels einer ersten Ausführungsform des in 2 und 3 dargestellten beugenden Teils repräsentiert,
7 eine Kurve, die die Stufenhöhen eines zweiten Beispiels einer ersten Ausführungsform des in 2 und 3 dargestellten beugenden Teils repräsentiert,
8 eine Kurve, die die Stufenhöhen eines dritten Beispiels einer ersten Ausführungsform des in 2 und 3 dargestellten beugenden Teils repräsentiert,
9 eine Kurve, die die Stufenhöhen einer zweiten Ausführungsform des in 2 und 3 dargestellten beugenden Teils repräsentiert und
10 eine Kurve, die die Stufenhöhen einer dritten Ausführungsform des in 2 und 3 dargestellten beugenden Teils repräsentiert.
1 ist eine schematische Darstellung der optischen Komponenten einer optischen Abtasteinrichtung 1 gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung, zum Abtasten einer ersten Informationsschicht 2 eines ersten optischen Aufzeichnungsträgers 3 mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels 4.
Zur Veranschaulichung enthält der optische Aufzeichnungsträger 3 eine transparente Schicht 5, auf deren einer Seite die Informationsschicht 2 angeordnet ist. Die der transparenten Schicht 5 abgewandte Seite der Informationsschicht wird durch eine Schutzschicht 6 vor Umgebungseinflüssen geschützt. Die transparente Schicht 5 wirkt als Substrat für den optischen Aufzeichnungsträger 3, indem sie eine mechanische Unterstützung für die Informationsschicht 2 verschafft. Alternativ kann die transparente Schicht 5 die alleinige Funktion des Schützens der Informationsschicht 2 haben, während die mechanische Unterstützung von einer Schicht auf der anderen Seite der Informationsschicht 2 verschafft wird, beispielsweise von der Schutzschicht 6 oder einer zusätzlichen Informa tionsschicht und transparenten Schicht, die mit der obersten Informationsschicht verbunden sind. Es sei bemerkt, dass die Informationsschicht eine erste Informationsschichttiefe 27 hat, die in dieser Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, der Dicke der transparenten Schicht 5 entspricht. Die Informationsschicht 2 ist eine Oberfläche des Trägers 3. Diese Oberfläche enthält zumindest eine Spur, d.h. einen Weg, dem der Fleck einer fokussierten Strahlung folgen soll, wobei auf diesem Weg optisch lesbare Marken angeordnet sind, die Information repräsentieren. Die Marken können z.B. die Form von Pits haben oder Gebiete mit einem Reflexionskoeffizienten oder eine von der Umgebung unterschiedliche Magnetisierungsrichtung sein. In dem Fall, in dem der optische Aufzeichnungsträger 3 die Form einer Platte hat, ist Folgendes in Bezug auf eine gegebene Spur definiert: die "radiale Richtung" ist die Richtung einer Bezugsachse, der X-Achse, zwischen der Spur und der Mitte der Platte und die "tangentiale Richtung" ist die Richtung einer anderen Achse, der Y-Achse, die tangential zur Spur und senkrecht zur X-Achse liegt.
Wie in 1 gezeigt, enthält die optische Abtasteinrichtung 1 eine Strahlungsquelle 7, eine Kollimatorlinse 18, einen Strahlteiler 9, ein Objektivlinsensystem 8 mit einer optischen Achse 19, ein beugendes Teil 24 und ein Detektionssystem 10. Darüber hinaus enthält die optische Abtasteinrichtung 1 eine Servoschaltung 11, ein Fokusstellglied 12, ein radiales Stellglied 13 und eine Informationsverarbeitungseinheit 14 zur Fehlerkorrektur.
Im Folgenden entspricht „Z-Achse" der optischen Achse 19 des Objektivlinsensystems 8. Es sei bemerkt, dass (X, Y, Z) eine orthogonale Basis ist.
Die Strahlungsquelle 7 ist ausgebildet, hintereinander oder gleichzeitig das Strahlungsbündel 4, ein zweites Strahlungsbündel 4' (nicht abgebildet in 1) und ein drittes Strahlungsbündel 4'' (nicht abgebildet in 1) zu liefern. Die Strahlungsquelle 7 kann beispielsweise entweder einen abstimmbaren Halbleiterlaser zum aufeinanderfolgenden Liefern der Strahlungsbündel 4, 4' und 4'' oder drei Halbleiterlaser zum gleichzeitigen Liefern dieser Strahlungsbündel umfassen. Weiterhin hat das Strahlungsbündel 4 eine Wellenlänge λ₁ und eine Polarisation p₁, hat das Strahlungsbündel 4' eine Wellenlänge λ₂ und eine Polarisation p₂ und hat das Strahlungsbündel 4'' eine Wellenlänge λ₃ und eine Polarisation p₃. Die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ unterscheiden sich wesentlich voneinander und zumindest zwei der Polarisationen p₁, p₂ und p₃ unterscheiden sich voneinander. Beispiele für die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ und die Polarisationen p₁, p₂ und p₃ sollen weiter unten gegeben werden.
Die Kollimatorlinse 18 ist auf der optischen Achse 19 angeordnet, um das Strahlungsbündel 4 in ein nahezu parallelisiertes Strahlenbündel 20 zu transformieren. Ebenso transformiert sie die Strahlungsbündel 4' und 4'' in zwei jeweilige nahezu parallelisierte Strahlenbündel 20' und 20'' (nicht abgebildet in 1).
Der Strahlteiler 9 ist zum Durchlassen des parallelisierten Strahlungsbündels 20 zum Objektivlinsensystem 8 hin angeordnet. Vorzugsweise wird der Strahlteiler 9 mit einer planparallelen Platte gebildet, die zur Z-Achse um einen Winkel α und besonders bevorzugt um α = 45° geneigt ist.
Das Objektivlinsensystem 8 ist zum Transformieren des parallelisierten Strahlungsbündels 20 in ein erstes fokussiertes Strahlungsbündel 15 angeordnet, um bei der Position der Informationsschicht 2 einen ersten Abtastfleck 16 zu bilden. In dieser Ausführungsform enthält das Objektivlinsensystem 8 eine Objektivlinse 17, die mit dem beugenden Teil 24 versehen ist.
Das beugende Teil 24 enthält doppelbrechendes Material mit einer außerordentlichen Brechzahl n_e und einer ordentlichen Brechzahl n_o. Im Folgenden soll die Brechzahländerung infolge des Wellenlängenunterschiedes vernachlässigt werden und daher sind die Brechzahlen n_e und n_o näherungsweise unabhängig von der Wellenlänge. In dieser Ausführungsform, und nur zur Veranschaulichung, ist das doppelbrechende Material C6M/E7 50/50 (in Gew.-%) mit n_o = 1,51 und n_e = 1,70. Alternativ kann das doppelbrechende Material beispielsweise C6M/C3M/E7 40/10/50 (in Gew.-%) mit n_o 1,55 und n_e = 1,69 sein. Die verwendeten Codes beziehen sich auf die folgenden Substanzen:
E7: 51% C5H11 Cyanobiphenyl, 25% C5H15 Cyanobiphenyl, 16% C8H17 Cyanobiphenyl, 8% C5H11 Cyanotriphenyl;
C3M: 4-(6-Acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy-2-Methylphenyl-4-(6-Acryloyloxypropyloxy)benzoat;
C6M: 4-(6-Acryloyloxyhexyloxy)benzoyloxy-2-Methylphenyl-4-(6-Acryloyloxyhexyloxy)benzoat.
Das beugende Teil 24 ist so ausgerichtet, dass die optische Achse des doppelbrechenden Materials entlang der Z-Achse verläuft. Es ist auch so ausgerichtet, dass seine Brechzahl gleich n_e ist, wenn es von einem Strahlungsbündel mit einer Polarisation entlang der X-Achse durchlaufen wird, und n_o, wenn es von einem Strahlungsbündel mit einer Polarisation entlang der Y-Achse durchlaufen wird. Im Folgenden soll die Polarisation eines Strahlungsbündels "p_e" bzw. "p_o" genannt werden, wenn es zur X-Achse bzw. zur Y-Achse ausgerichtet ist. Wo somit die Polarisation p₁, p₂ oder p₃ gleich p_e ist, ist die Brechzahl des doppelbrechenden Materials gleich n_e und wo die Polarisation p₁, p₂ oder p₃ gleich p_o ist, ist die Brechzahl des doppelbrechenden Materials gleich n_o. Mit anderen Worten, das so ausgerichtete doppelbrechende beugende Teil 24 ist für die Polarisationen p₁, p₂ und p₃ empfindlich. Das beugende Teil 24 soll weiter im Einzelnen beschrieben werden.
Beim Abtasten rotiert der Aufzeichnungsträger 3 auf einer Spindel (nicht abgebildet in 1) und die Informationsschicht 2 wird dann durch die transparente Schicht 5 abgetastet. Das fokussierte Strahlungsbündel 15 wird an der Informationsschicht 2 reflektiert, wobei es ein reflektiertes Bündel 21 bildet, das auf dem optischen Weg des durchgehenden konvergierenden Bündels 15 zurückkehrt. Das Objektivlinsensystem 8 transformiert das reflektierte Strahlungsbündel 21 in ein reflektiertes parallelisiertes Strahlungsbündel 22. Der Strahlteiler 9 trennt das durchgehende Strahlungsbündel 20 von dem reflektierten Strahlungsbündel 22, indem er zumindest einen Teil des reflektierten Strahlungsbündels 22 zum Detektionssystem 10 hin durchlässt.
Das Detektionssystem 6 enthält eine Sammellinse 25 und einen Quadrantendetektor 23, die angeordnet sind, um den genannten Teil des reflektierten Strahlungsbündels 22 einzufangen und ihn in ein oder mehrere elektrische Signale umzuwandeln. Eines der Signale ist ein Informationssignal I_Daten, dessen Wert die auf der Informationsschicht 2 abgetastete Information repräsentiert. Das Informationssignal I_Daten wird von der Informationsverarbeitungseinheit 14 zur Fehlerkorrektur verarbeitet. Andere Signale aus dem Detektionssystem 10 sind ein Fokusfehlersignal I_Fokus und ein radiales Spurfolgefehlersignal I_radial. Das Signal I_Fokus repräsentiert den axialen Höhenunterschied entlang der Z-Achse zwischen dem Abtastfleck 16 und der Position der Informationsschicht 2. Vorzugsweise wird dieses Signal durch das „Astigmatismusverfahren" gebildet, das unter anderem aus dem Buch von G. Bouwhuis, J. Braat, A. Huijser et al., mit dem Titel "Principles of Optical Disc Systems," S. 75–80 (Adam Hilger 1985) (ISBN 0-85274-785-3) bekannt ist. Das radiale Spurfolgefehlersignal I_radial repräsentiert den Abstand in der XY-Ebene der Informationsschicht 2 zwischen dem Abtastfleck 16 und der Mitte einer Spur in der Informationsschicht 2, welcher Spur der Abtastfleck 16 folgen soll. Vorzugsweise wird dieses Signal nach dem "radialen Push-pull-Verfahren" gebildet, das unter anderem aus dem Buch von G. Bouwhuis, S. 70–73 bekannt ist.
Die Servoschaltung 11 ist angeordnet, um, in Reaktion auf die Signale I_Fokus und I_radial Servosteuersignale I_control, zum Steuern des Fokusstellgliedes 12 bzw. des radialen Stellgliedes 13 zu verschaffen. Das Fokusstellglied 12 steuert die Position der Objektivlinse 17 entlang der Z-Achse, wobei es die Position des Abtastflecks 16 so steuert, dass sie nahezu mit der Ebene der Informationsschicht 2 zusammenfällt. Das radiale Stellglied 13 steuert die Position der Objektivlinse 17 entlang der X-Achse, wobei es die radiale Position des Abtastflecks 16 so steuert, dass sie nahezu mit der Mittellinie der zu folgenden Spur in der Informationsschicht 2 zusammenfällt.
2 ist eine schematische Darstellung der Objektivlinse 17 zur Verwendung in der oben beschriebenen Abtasteinrichtung 1.
Die Objektivlinse 17 ist zum Transformieren des parallelisierten Strahlungsbündels 20 in das fokussierte Strahlungsbündel 15 angeordnet, das eine erste numerische Apertur NA₁ hat, um den Abtastfleck 16 zu bilden. Mit anderen Worten, die optische Abtasteinrichtung 1 ist imstande, die erste Informationsschicht 2 mit Hilfe des Strahlungsbündels 15 mit der Wellenlänge λ₁, der Polarisation p₁ und der numerischen Apertur NA₁ abzutasten.
Darüber hinaus ist die optische Abtasteinrichtung 1 auch imstande, eine zweite Informationsschicht 2' eines zweiten optischen Aufzeichnungsträgers 3' mit Hilfe des Strahlungsbündels 4' und einer dritten Informationsschicht 2'' eines dritten optischen Aufzeichnungsträgers 3'' mit Hilfe des Strahlungsbündels 4'' abzutasten. Somit transformiert die Objektivlinse 17 das parallelisierte Strahlungsbündel 20' in ein zweites fokussiertes Strahlungsbündel 15', das eine zweite numerische Apertur NA₂ hat, um bei der Position der Informationsschicht 2' einen zweiten Abtastfleck 16' zu bilden. Die Objektivlinse 17 transformiert auch das parallelisierte Strahlungsbündel 20'' in ein drittes fokussiertes Strahlungsbündel 15'', das eine dritte numerische Apertur NA₃ hat, um einen dritten Abtastfleck 16'' bei der Position der Informationsschicht 2'' zu bilden.
Ähnlich wie der optische Aufzeichnungsträger 3 enthält der optische Aufzeichnungsträger 3' eine zweite transparente Schicht 5', auf deren einer Seite die Informationsschicht 2' mit einer zweiten Informationsschichttiefe 27' angeordnet ist, und enthält der optische Aufzeichnungsträger 3'' eine dritte transparente Schicht 5'', auf deren einer Seite die Informationsschicht 2'' mit einer dritten Informationsschichttiefe 27'' angeordnet ist. In dieser Ausführungsform sind die optischen Aufzeichnungsträger 3, 3' und 3'', nur als Beispiel, eine Platte vom "Blue-DVD"-Format, eine Platte vom "Red-DVD"-Format bzw. eine Platte vom CD-Format. Somit liegt die Wellenlänge λ₁ im Bereich zwischen 365 nm und 445 nm und beträgt vorzugsweise 405 nm. Die numerische Apertur NA₁ ist im Lesebe trieb etwa gleich 0,6 und im Schreibbetrieb größer als 0,6, vorzugsweise 0,65. Die Wellenlänge λ₂ liegt im Bereich zwischen 620 nm und 700 nm und beträgt vorzugsweise 660 nm. Die numerische Apertur NA₂ ist im Lesebetrieb etwa gleich 0,6 und im Schreibbetrieb größer als 0,6, vorzugsweise 0,65. Die Wellenlänge λ₃ liegt im Bereich zwischen 740 nm und 820 nm und beträgt vorzugsweise 785 nm. Die numerische Apertur NA₃ ist kleiner als 0,5, vorzugsweise 0,45.
Bei der vorliegenden Beschreibung sei bemerkt, dass zwei Wellenlängen λ_a und λ_b im Wesentlichen unterschiedlich voneinander sind, wobei |λ_a – λ_b| gleich oder größer als vorzugsweise 20 nm und noch bevorzugter 50 nm ist, wobei die Werte 20 nm und 50 nm eine Frage einer rein willkürlichen Wahl sind.
Es sei auch bemerkt, dass ein Abtasten von Informationsschichten der Aufzeichnungsträger 3, 3' und 3'' mit unterschiedlichen Formaten erreicht wird, indem die Objektivlinse 17 als Hybridlinse ausgebildet wird, d.h. eine Linse, die beugende und brechende Elemente kombiniert, bei Verwendung in einem Modus der unendlich Konjugierten. Eine derartige Hybridlinse kann geformt werden, indem ein Gitterprofil auf der Eintrittsfläche der Linse 17 angebracht wird, beispielsweise mit einem Lithographieprozess unter Nutzung der Photopolymerisation von z.B. einem UV-aushärtenden Lack, was vorteilhafterweise dazu führt, dass das beugende Teil 24 einfach herzustellen ist. Auch kann eine solche Hybridlinse durch Diamantdrehen hergestellt werden.
Bei dieser in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird die Objektivlinse 17 als konvex-konvexe Linse ausgebildet; es können jedoch auch andere Linsenelementtypen wie z.B. plankonvexe oder konvex-konkave Linsen verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist das beugende Teil 24 auf der der Strahlungsquelle 7 zugewandten Seite einer ersten Objektivlinse 17 angeordnet (hier als "Eintrittsfläche" bezeichnet).
Alternativ ist das beugende Teil 24 auf der anderen Oberfläche der Linse 17 angeordnet (hier als "Austrittsfläche" bezeichnet). Auch alternativ ist die Objektivlinse 10 beispielsweise ein brechendes Objektivlinsenelement, das mit einem beugenden ebenen Linsenelement versehen ist, das das beugende Teil 24 bildet. Auch alternativ ist das beugende Teil 24 auf einem optischen Element vorgesehen, gesondert vom Objektivlinsensystem 8, beispielsweise auf einem Strahlteiler oder einem Lambda-Viertel-Plättchen.
Auch alternativ kann die Objektivlinse 10, wenngleich sie in dieser Ausführungsform eine Einzellinse ist, eine zusammengesetzte Linse sein, die zwei oder mehrere Linsenelemente enthält. Beispielsweise kann das Objektivlinsensystem 8 eine zusätzliche Objektivlinse enthalten, die in Zusammenwirkung mit der Objektivlinse 17 ein Doppellinsensystem bildet. Die zusätzliche Objektivlinse kann plankonvex sein, mit einer der Objektivlinse 17 zugewandten konvexen Oberfläche und einer der Position der Informationsschicht 2 zugewandten ebenen Oberfläche. Dieses Doppellinsensystem hat vorteilhafterweise eine größere Toleranz hinsichtlich der gegenseitigen Position der optischen Elemente als das Einzellinsensystem. In dem Fall, in dem NA > 0,45, wird die zusätzliche Objektivlinse vorzugsweise durch eine asphärische Linse gebildet.
3 ist eine schematische Ansicht der Eintrittsfläche (auch "Vorderansicht" genannt) der in 2 gezeigten Objektivlinse 17, die das beugende Teil 24 veranschaulicht.
Das beugende Teil 24 enthält ein Muster aus Musterelementen, auch "Zonen" genannt. Jede Zone hat ein gestuftes Profil. Die gestuften Profile der Zonen sind im Wesentlichen identisch. Dieses gestufte Profil enthält eine Vielzahl von "Subzonen" oder "Stufen", die je eine Stufenhöhe haben. Im Folgenden ist das gestufte Profil zum Einbringen einer zuvor bestimmten Phasenänderung Φ entworfen, die eine sägezahnähnliche Funktion annähert. 4 zeigt eine Kurve 78, die die Phasenänderung Φ in Form einer sägezahnähnlichen Funktion repräsentiert (was der Idealfall ist). Es sei bemerkt, dass 4 nur die Phasenänderung Φ zeigt, die durch ein einziges Musterelement des beugenden Teils 24 eingebracht wird, wobei die Phasenänderung Φ eine lineare Funktion von "x" ist, der Koordinate entlang der X-Achse (in radialer Richtung). Aus der genannten europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 00203066.6 ist z.B. bekannt, dass die sägezahnähnliche Funktion der Phasenänderung Φ mit der folgenden gestuften Funktion angenähert werden kann:
wobei "P" eine ganze Zahl ist, die die Anzahl Stufen oder "Subzonen" repräsentiert, und "j" eine ganze Zahl zwischen 1 und P, die die Stufennummer jeder Stufe repräsentiert.
5 zeigt eine Kurve 79, die die durch das beugende Teil 24 eingebrachte Phasenänderung Φ in der Näherungsform einer gestuften Funktion repräsentiert. Es sei bemerkt, dass 5 nur die Phasenänderung Φ zeigt, die durch ein einziges Musterelement des beugenden Teils 24 eingebracht wird.
Im Folgenden ist "h" die Stufenhöhe einer Stufe des gestuften Profils, welche eine Funktion von x ist. Im Fall der Näherung der Phasenänderung Φ gemäß Gleichung (1) wird die Stufenhöhe h durch die folgende Funktion gegeben:
wobei "h_j" die Stufenhöhe der Stufe j ist, die ein konstanter Parameter ist.
Beim Entwurf des gestuften Profils des beugenden Teils 24 wird die Stufenhöhe h_j so gewählt, dass das gestufte Profil in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Polarisation p des aus dem beugenden Teil 24 austretenden gebeugten Strahlungsbündels zuvor bestimmte Werte der Phasenänderung Φ einbringt. Daher wird im Folgenden die Phasenänderung Φ auch mit Φ(λ, p) bezeichnet und die Stufenhöhe h_j so gewählt, dass das gestufte Profil einen ersten Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) für das gebeugte Strahlungsbündel 15, einen zweiten Wert Φ(λ = λ₂, p = p₂) für das gebeugte Strahlungsbündel 15' und einen dritten Wert Φ(λ = λ₃, p = p₃) für das gebeugte Strahlungsbündel 15'' einbringt.
Im Folgenden und unter Verweis auf die genannte europäische Patentanmeldung, eingereicht unter der Anmeldenummer 00203066.6, wird die Wellenlänge λ₁ als die Entwurfswellenlänge λ_ref gewählt. Mit anderen Worten, λref = λ1 (2b)
Daher wird das gestufte Profil so entworfen, dass die Phasenänderung Φ(λ = λ₁, p = p₁) für das Strahlungsbündel 15 im Wesentlichen gleich einem Vielfachen von 2π ist, d.h. im Wesentlichen gleich null modulo 2π. Somit gilt Φ(λ = λ₁, p = p₁) ≡ 0 (2π).
Dies wird erreicht, wenn jede Stufenhöhe h_j ein Vielfaches einer Bezugshöhe h_ref ist, die folgendermaßen von der Entwurfswellenlänge λ_ref abhängig ist:
wobei "n" die Brechzahl des beugenden Teils 24 und n₀ die Brechzahl des benachbarten Mediums ist, d.h. im Folgenden und nur zur Veranschaulichung, Luft, d.h. n₀ = 1.
Da das beugende Teil 24 aus doppelbrechendem Material hergestellt wird, ist seine Brechzahl n gleich n_e, wenn die Polarisation des das beugende Teil 24 durchlaufenden Strahlungsbündels gleich p_e ist und gleich n_o, wenn die Polarisation des das beugende Teil 24 durchlaufenden Strahlungsbündels gleich p_o ist. Folglich ist die Bezugshöhe h_ref auch von der Polarisation p abhängig. Somit wird im Folgenden die Phasenänderung h_ref auch mit h_ref(λ, p) bezeichnet und aus den Gleichungen (2b) und (3) folgt, dass:
Daher wird in dem Fall, in dem z.B. n_o = 1,50, n_e = 1,60 und λ₁ = 405 nm, aus den Gleichungen (4a) und (4b) das Folgende erhalten:
h_ref(λ = λ₁, p₁ = p_o) = 0,810 μm und
h_ref(λ = λ₁, p₁ = p_e) = 0,675 μm.
Es sei auch bemerkt, dass, während eine Stufenhöhe h_j für das Strahlungsbündel 15 den Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) einbringt (nahezu gleich null modulo 2π), sie für die Strahlungsbündel 15' und 15'' die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) bzw. Φ(λ = λ₃, p = p₃) einbringt, und zwar folgendermaßen:
Tabelle I zeigt die idealen Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Strahlungsbündel 15' und 15'' die Stufenhöhe h_j durchlaufen, die entweder gleich h_ref(λ_ref = λ₁, p₁ = p_e) oder gleich h_ref(λ_ref = λ₁, p₁ = p_o) ist, für die Fälle, in denen die Polarisationen p₂ und p₃ gleich p_e und/oder p_o sind. Die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) sind aus den Gleichungen (4a), (4b) und (5a) bis (5d) berechnet worden, mit z.B. n_o = 1,50, n_e = 1,60, λ₁ = 405 nm, λ₂ = 650 nm und λ₃ = 785 nm.
Tabelle I
Es sei weiter bemerkt, dass eine Stufenhöhe h_j gleich einem Vielfachen von h_ref(λ = λ₁, p = p₁) den Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) einbringt, der für das gebeugte Strahlungsbündel 15 gleich null modulo 2π ist, und die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), die jeder gleich einem aus einer begrenzten Anzahl möglicher Werte sind. Im Folgenden sind "#Φ(λ = λ₂, p = p₂)" und "#Φ(λ = λ₃, p = p₃)" solche begrenzten Anzahlen für die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) bzw. Φ(λ = λ₃, p = p₃). Die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) sind auf Basis der Theorie von Kettenbrüchen berechnet worden, wie, z.B. aus der am 5. 4. 2001 unter der Anmeldenummer 01201255.5 eingereichten europäischen Patentanmeldung bekannt ist.
Nur zur Veranschaulichung soll jetzt die Berechnung der begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₃, p = p₃) für einen ersten Fall beschrieben werden, in dem die Polarisationen p₁ und p₃ identisch sind, z.B. p₁ = p_e und p₃ = p_e, und einem zweiten Fall, in dem die Polarisation p₁ sich von der Polarisation p₃ unterscheidet, z.B. p₁ = p_e und p₃ = p_o. Unter Verweis auf die genannte europäische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 01201255.5 wird Folgendes definiert:
b0 = Int[ao] (6b) a1 = a0 – b0 (6c)
CFm ≡ {b0, b1 ... bm} (6f)mit H₁ = h_ref(λ = λ₁, p = p₁), H_i = h_ref(λ = λ₃, p = p₃) und "m" eine ganze Zahl gleich oder größer als 1.
In dem ersten Fall, bei dem p₁ = p_e und p₃ = p_e und z.B. n_o = 1,50, n_e = 1,60, λ₁ = 405 nm und λ₃ = 785 nm, wird aus den Gleichungen (6a) bis (6e) Folgendes erhalten:
a₀ = 0,516
b₀ = 0
a₁ = 0,516
b₁ = 1
a₂ = 0,937
b₂ = 1
Somit ist CF₂ nahezu gleich a₀, d.h. es gilt Folgendes: |CF2 – a0| = 0,016 < 0,02wobei 0,02 ein rein willkürlich gewählter Wert ist. Als Ergebnis zeigt sich, dass die begrenzte Anzahl #Φ(λ = λ₃, p = p₃) gleich 2 ist.
In dem zweiten Fall, bei dem p₁ = p_e und p₃ = p_o, und bei dem z.B. n_o = 1,50, n_e = 1,60, λ₁ = 405 nm und λ₃ = 785 nm, wird aus den Gleichungen (6a) bis (6e) Folgendes erhalten:
a₀ = 0,430
b₀ = 0
a₁ = 0,430
b₁ = 2
a₂ = 0,326
b₂ = 3
Somit ist CF₂ nahezu gleich a₀, d.h. es gilt Folgendes: |CF2 – a0| = 0,001 < 0,02.
Als Ergebnis zeigt sich, dass die begrenzte Anzahl #Φ(λ = λ₃, p = p₃) gleich 7 ist.
Tabelle II zeigt die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) in Bezug auf eine Stufenhöhe h_j gleich h_ref(λ = λ₁, p = p_e) und h_ref(λ = λ₁, p = p_o) und für die Fälle, bei denen die Polarisationen p₂ und p₃ gleich p_e und/oder p_o sind. Diese begrenzten Anzahlen sind nach der Theorie von Kettenbrüchen berechnet worden, wie oben beschrieben.
Tabelle II
Es sei bei den Tabellen I und II bemerkt, dass, wenn die Polarisationen p₁, p₂ und p₃ identisch sind, eine der begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) gleich 2 ist, d.h. für die entsprechenden Phasenänderungen können nur zwei unterschiedliche Werte (null und π modulo 2π) gewählt werden. Dies lässt einen Entwurf eines wirksamen beugenden Teils für eine nicht nullte Ordnung des entsprechenden gebeugten Strahlungsbündels nicht zu.
Dagegen sei bei den Tabellen I und II auch bemerkt, dass, wenn zumindest eine der Polarisationen p₁, p₂, p₃ sich von den anderen unterscheidet, zumindest drei unterschiedliche Werte für Φ(λ = λ₂, p = p₂) und/oder Φ(λ = λ₃, p = p₃) gewählt werden können. Die Möglichkeit, die Phasenänderungen aus zumindest 3 möglichen Werten zu wählen, lässt die Herstellung eines wirksamen beugenden Teils für jedes der Strahlungsbündel 15, 15' und 15'' zu. Darüber hinaus erlaubt dies vorteilhafterweise, das gestufte Profil mit einer relativ geringen Anzahl Stufen zu entwerfen, typischerweise mit weniger als 40 Stufen, da ein gestuftes Profil mit einer hohen Anzahl Stufen (typischerweise 50 oder mehr Stufen) von geringerem praktischen Nutzen ist.
Weiterhin sind die Werte der Phasenänderungen Φ(λ = λ₁, p = p₁), Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) so gewählt, dass das beugende Teil 24 für jede Beugungsordnung m jedes der gebeugten Strahlungsbündel 15, 15' und 15'' einen zuvor bestimmten Transmissionswirkungsgrad eff_m hat. Es ist z.B. aus der genannten japanischen Patentanmeldung JP-A-2001209966 bekannt, dass der Transmissionswirkungsgrad "eff_m" des beugenden Teils 24 für eine Beugungsordnung m sich wie folgt ergibt:
wobei "A(x)" die Transparenz-Amplitudenverteilung und "T" der Gitterabstand des beugenden Teils 24 ist. Bei einem durch Gleichung (1) gegebenen gestuften Profil kann Gleichung (7) für die erste Ordnung (m = 1) vereinfacht werden:
Es sei zu Gleichung (8) bemerkt, dass, je höher die Zahl P gewählt wird, desto größer der erreichte Wirkungsgrad eff₁ ist. Es sei jedoch auch bemerkt, dass es wünschenswert sein kann, die geringstmögliche Anzahl Stufen in jeder Zone zu wählen, um für die Objektivlinse 17 eine größere Herstellungseffizienz zu erhalten.
Im Folgenden, und nur zur Veranschaulichung, soll beschrieben werden, wie die Stufenhöhen h_j des gestuften Profils gewählt werden müssen, um jedes der gebeugten Strahlungsbündel 15, 15' und 15'' mit einer einzigen Hauptbeugungsordnung zu bilden. Im Folgenden sind "m₁", "m₂" und "m₃" die Hauptbeugungsordnungen für die gebeugten Strahlungsbündel 15, 15' bzw. 15''.
Drei Ausführungsformen des gestuften Profils sollen jetzt beschrieben werden.
Die erste Ausführungsform des gestuften Profils ist so entworfen, dass m₁ = 0, m₂ = 1 und m₃ = 1. Daher ist der Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) nahezu gleich null modulo 2π und sowohl die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) als auch Φ(λ = λ₃, p = p₃) werden jeweils aus zumindest drei unterschiedlichen möglichen Werten von Phasenänderungen gewählt. Es sei bemerkt, dass die drei unterschiedlichen möglichen Werte für Φ(λ = λ₂, p = p₂) sich von denen für Φ(λ = λ₃, p = p₃) unterscheiden können.
Nur zur Veranschaulichung, für den Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e, ist aus Tabelle II bekannt, dass #Φ(λ = λ₂, p = p₂) = 8 für p₂ = p_o und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) = 3 für p₃ = p_e.
Tabelle III zeigt die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), die von Stufenhöhen eingebracht werden, die gleich qh_ref(λ = λ₁, p = p₁) sind, mit p₁ = p_o und "q" eine ganze Zahl. Diese Werte ergeben sich aus Tabelle I, wo die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) für eine Stufenhöhe bekannt sind, die gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) ist, mit p₁ = p_o, d.h. für q = 1.
Tabelle III
Nur zur Veranschaulichung sollen jetzt zwei Beispiele der ersten Ausführungsform des gestuften Profils beschrieben werden, wobei in dem ersten Beispiel P = 4 und in dem zweiten Beispiel P = 6 ist.
Hinsichtlich des ersten Beispiels (P = 4) zeigt Tabelle IV den idealen Wert der Phasenänderung "Φ/2π ideal" gemäß Gleichung (1) sowie den entsprechenden Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung gemäß Gleichung (8). Tabelle IV zeigt auch, für eine Stufenhöhe qh_ref(λ = λ₁, p = p₁), zwei Werte der Phasenänderungen "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π" und "Φ(λ = λ₃, p = p₃)/2π", die "Φ/2π ideal" nach Tabelle III annähern, sowie die entsprechenden Transmissionswirkungsgrade eff₁ für die erste Ordnung (m = 1) gemäß Gleichung (7), in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e.
Tabelle IV
Es sei bei Tabelle IV bemerkt, dass der Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung beider gebeugter Strahlungsbündel 15' und 15'' einen hohen Wert (mehr als 75%) hat, wie anfangs gewünscht. 6 zeigt eine Kurve 80, die die Stufenhöhe h(x) des ersten Beispiels (P = 4) der ersten Ausführungsform (m₁ = 0, m₂ = 1, m₃ = 1) des beugenden Teils 24 repräsentiert. Es sei in Bezug auf die Kurve 80 bemerkt, dass das Musterelement so entworfen ist, dass die relative Stufenhöhen h_j+1 – h_j zwischen benachbarten Stufen des genannten Musterelementes eine relative Stufenhöhe enthält, die einen optischen Weg aufweist, der nahezu gleich αλ₁ ist, mit α eine ganze Zahl und α > 1 und λ₁ die genannte erste Wellenlänge. Mit anderen Worten, eine solche relative Stufenhöhe ist höher als die Bezugshöhe h_ref(λ = λ₁, p = p₁).
Hinsichtlich des zweiten Beispiels (P = 6) zeigt Tabelle V den idealen Wert der Phasenänderung "Φ/2π ideal" gemäß Gleichung (1) sowie den entsprechenden Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung gemäß Gleichung (8). Tabelle V zeigt auch, für eine Stufenhöhe qh_ref(λ = λ₁, p₁ = p_o), zwei Werte der Phasenänderungen "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π" und "Φ(λ = λ₃, p = p₃)/2π", die "Φ/2π ideal" nach Tabelle III annähern, sowie die entsprechenden Transmissionswirkungsgrade eff₁ für die erste Ordnung (m = 1) gemäß Gleichung (7), in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e.
Tabelle V
Es sei bei Tabelle V bemerkt, dass der Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung sowohl des gebeugten Strahlungsbündels 15' als auch 15'' einen hohen Wert hat (mehr als 75%), wie anfangs erwünscht. 7 zeigt eine Kurve 81, die die Stufenhöhe h(x) des ersten Beispiels (P = 4) der ersten Ausführungsform (m₁ = 0, m₂ = 1, m₃ = 1) des beugenden Teils 24 repräsentiert.
Bei einem besonderen Fall der ersten Ausführungsform des gestuften Profils ist der Wert Φ(λ = λ₂, p = p₂) nahezu gleich dem Wert Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Polarisation p₃ sich von der Polarisation p₂ unterscheidet, d.h.: Φ(λ = λ2, p = p2) = Φ(λ = λ3, p = p3) (9)
In der vorliegenden Beschreibung sind die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) nahezu gleich, mit |Φ(λ = λ₃, p = p₃) – Φ(λ = λ₂, p = p₂)| kleiner als oder gleich vorzugsweise 0,04π, wobei der Wert 0,04π eine Frage einer rein willkürlichen Wahl ist.
In dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e ergibt sich aus den Gleichungen (0), (5b), (5c) und (9) dass:
Aus Gleichung (10) folgt, dass:
So ergibt sich beispielsweise für den Fall, in dem n_e = 1,604, λ₂ = 650 nm und λ₃ = 785 nm, aus Gleichung (11), dass n_o 1,5. Daher kann das doppelbrechende Material gewählt werden, wobei seine Brechzahlen n_e und n_o nahezu gleich 1,604 bzw. 1,5 sind.
In der vorliegenden Beschreibung sind zwei Brechzahlen n_a und n_b nahezu gleich, mit |n_a – n_b| gleich oder kleiner als vorzugsweise 0,01 und noch bevorzugter 0,005, wobei die Werte 0,01 und 0,005 eine Frage einer rein willkürlichen Wahl sind.
Ähnlich wie Tabelle I zeigt Tabelle VI die idealen Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Strahlungsbündel 15' und 15'' die Stufenhöhe h_j durchlaufen, die in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e, gleich h_ref(λ_ref = λ₁, p = p₁) ist. Die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) sind aus den Gleichungen (4a), (4b) und (5a) bis (5d) berechnet worden, mit z.B. n_o = 1,5, n_e = 1,604, λ₁ = 405 nm, λ₂ = 650 nm und λ₃ = 785 nm.
Tabelle VI
Ähnlich wie Tabelle II zeigt Tabelle VII die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) in Bezug auf eine Stufenhöhe h_j gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) für den Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e. Diese begrenzte Anzahlen sind auf Basis der Theorie von Kettenbrüchen berechnet worden, so wie oben beschrieben.
Tabelle VII
Ähnlich wie Tabelle III zeigt Tabelle VIII die Werte der Phasenänderung Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), die von Stufenhöhen eingebracht werden, die gleich qh_ref(λ = λ₁, p = p₁) sind, mit "q" eine ganze Zahl, für den Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e. Diese Werte sind in Tabelle VI zu finden, mit den Werten Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) für eine Stufenhöhe, die gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) ist, d.h. für q = 1.
Tabelle VIII
Es sei bei den Tabellen VI, VII und VIII bemerkt, dass im Fall der ersten Ausführungsform, bei der p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e, die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) gleich 8 sind, d.h. es können acht unterschiedliche Werte für jedes Φ(λ = λ₂, p = p₂) oder Φ(λ = λ₃, p = p₃) gewählt werden.
Nur zur Veranschaulichung soll ein drittes Beispiel der ersten Ausführungsform des gestuften Profils jetzt für Fall beschrieben werden, in dem P = 4 ist.
Ähnlich wie Tabelle IV zeigt Tabelle IX den idealen Wert der Phasenänderung "Φ/2π ideal" gemäß Gleichung (2) sowie den entsprechenden Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung gemäß Gleichung (8). Tabelle IX zeigt auch, für eine Stufenhöhe qh_ref(λ = λ₁, p = p₁), zwei Werte der Phasenänderungen "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π" und "Φ(λ = λ₃, p = p₃)/2π", die "Φ/2π ideal" nach Tabelle VIII annähern, sowie die entsprechenden Transmissionswirkungsgrade eff₁ für die erste Ordnung (m = 1) gemäß Gleichung (7), in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e.
Tabelle IX
Es sei bei Tabelle IX bemerkt, dass der Transmissionswirkungsgrad eff₁ einen hohen Wert (mehr als 75%) für die erste Ordnung sowohl des gebeugten Strahlungsbündels 15' als auch 15'' hat, wie anfangs erwünscht. 8 zeigt eine Kurve 82, die die Stufenhöhe h(x) des dritten Beispiels (P = 4) der ersten Ausführungsform (m₁ = 0, m₂ = 1, m₃ = 1) des beugenden Teils 24 repräsentiert.
Die zweite Ausführungsform des gestuften Profils ist so entworfen, dass m₁ = 0, m₂ = 1 und m₃ = 0. Daher sind beide Werte Φ(λ = λ₁, p = p₁) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) nahezu gleich null modulo 2π und der Wert Φ(λ = λ₂, p = p₂) wird aus zumindest drei unterschiedlichen Phasenänderungen gewählt. Es sei bemerkt, dass die Werte Φ(λ = λ₁, p = p₁) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) (die beide nahezu gleich null modulo 2π sind ) sich jedoch voneinander unterscheiden können.
In einem besonderen Fall der zweiten Ausführungsform des gestuften Profils ist der Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) nahezu gleich dem Wert Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Polarisation p₁ sich von der Polarisation p₃ unterscheidet, d.h.: Φ(λ = λ1, p = p1) = Φ(λ = λ3, p = p3) (12)
In dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_o und p₃ = p_e, ergibt sich aus den Gleichungen (0), (4b), (5c) und (12), dass:
Aus Gleichung (13) folgt, dass:
So ergibt sich beispielsweise in dem Fall, in dem n_e = 1,722, λ₁ = 405 nm und λ₃ = 650 nm, aus Gleichung (14), dass n_o = 1,45. Folglich kann das doppelbrechende Material gewählt werden, wobei seine Brechzahlen n_e und n_o nahezu gleich 1,722 bzw. 1,45 sind.
Ähnlich wie Tabelle I zeigt Tabelle X die idealen Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Strahlungsbündel 15' und 15'' die Stufenhöhe h_j durchlaufen, die in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_e und p₃ = p_e, gleich h_ref(λ_ref = λ₁, p = p₁) ist. Die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) sind aus den Gleichungen (4a), (4b) und (5a) bis (5d) berechnet worden, mit z.B. n_o = 1,45, n_e = 1,722, λ₁ = 405 nm, λ₂ = 785 nm und λ₃ = 650 nm.
Tabelle X
Ähnlich wie Tabelle II zeigt Tabelle XI die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) in Bezug auf eine Stufenhöhe h_j gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_e und p₃ = p_e. Diese begrenzten Anzahlen sind nach der Theorie von Kettenbrüchen berechnet worden, wie oben beschrieben.
Tabelle XI
Ähnlich wie Tabelle III zeigt Tabelle XII die Werte der Phasenänderung Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), die von Stufenhöhen eingebracht werden, die gleich qh_ref(λ = λ₁, p = p_o) sind, mit "q" eine ganze Zahl. Diese Werte sind in Tabelle X zu finden, wo die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) bekannt sind, für eine Stufenhöhe, die gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) ist, d.h. für q = 1.
Tabelle XII
Es sei bei den Tabellen X, XI und XII bemerkt, dass im Fall der zweiten Ausführungsform, bei der p₁ = p_o, p₂ = p_e und p₃ = p_e, die begrenzte Anzahl #Φ(λ = λ₂, p = p₂) gleich 6 ist, d.h. für Φ(λ = λ₂, p = p₂) können sechs unterschiedliche Werte gewählt werden.
Nur zur Veranschaulichung soll jetzt ein Beispiel der zweiten Ausführungsform des gestuften Profils beschrieben werden, wobei P = 4.
Ähnlich wie Tabelle IV zeigt Tabelle XIII den idealen Wert der Phasenänderung "Φ/2π ideal" gemäß Gleichung (1) sowie den entsprechenden Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung gemäß Gleichung (8). Tabelle XIII zeigt auch, für eine Stufenhöhe qh_ref(λ = λ₁, p = p₁), zwei Werte der Phasenänderungen "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π" und "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π", die "Φ/2π ideal" nach Tabelle XII, annähern, sowie die entsprechenden Transmissionswirkungsgrade eff₁ für die erste Ordnung (m = 1) gemäß Gleichung (7), in dem Fall, in dem p₁ = p_o, p₂ = p_e und p₃ = p_e.
Tabelle XIII
Es sei bei Tabelle XIII bemerkt, dass der Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung des gebeugten Strahlungsbündels 15' einen hohen Wert (mehr als 75%) hat, wie anfangs gewünscht. 9 zeigt eine Kurve 83, die die Stufenhöhe h(x) des dritten Beispiels (P = 4) der zweiten Ausführungsform (m₁ = 0, m₂ = 1, m₃ = 0) des beugenden Teils 24 repräsentiert.
Die dritte Ausführungsform des gestuften Profils ist so entworfen, dass m₁ = 0, m₂ = 1 und m₃ = 0. Daher ist der Wert Φ(λ = λ₁, p = p₁) nahezu gleich null modulo 2π, wird der Wert Φ(λ = λ₂, p = p₂) aus zumindest drei unterschiedlichen Phasenänderungen gewählt und ist der Wert Φ(λ = λ₃, p = p₃) nahezu gleich π modulo 2π.
Ähnlich wie Tabelle I zeigt Tabelle XIV die idealen Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), wobei die Strahlungsbündel 15' und 15'' die Stufenhöhe h_j durchlaufen, die in dem Fall, in dem p₁ = p_e, p₂ = p_o und p₃ = p_o, gleich h_ref(λ_ref = λ₁, p = p₁) ist. Die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) sind aus den Gleichungen (4a), (4b) und (5a) bis (5d) berechnet worden, mit z.B. n_o = 1,50, n_e = 1,60, λ₁ = 405 nm, λ₂ = 785 nm und λ₃ = 650 nm.
Tabelle XIV
Ähnlich wie Tabelle II zeigt Tabelle XV die begrenzten Anzahlen #Φ(λ = λ₂, p = p₂) und #Φ(λ = λ₃, p = p₃) in Bezug auf eine Stufenhöhe h_j gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) in dem Fall, in dem p₁ = p_e, p₂ = p_o und p₃ = p_o. Diese begrenzten Anzahlen sind nach der Theorie von Kettenbrüchen berechnet worden, wie oben beschrieben.
Tabelle XV
Ähnlich wie Tabelle III zeigt Tabelle XVI die Werte der Phasenänderung Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃), die von Stufenhöhen eingebracht werden, die gleich qh_ref(λ = λ₁, p = p₁) sind, mit p₁ = p_e und "q" eine ganze Zahl. Diese Werte sind in Tabelle XIV zu finden, wo die Werte Φ(λ = λ₂, p = p₂) und Φ(λ = λ₃, p = p₃) bekannt sind, für eine Stufenhöhe, die gleich h_ref(λ = λ₁, p = p₁) ist, d.h. für q = 1.
Tabelle XVI
Es sei bei den Tabellen XIV, XV und XVI bemerkt, dass im Fall der dritten Ausführungsform, bei der p₁ = p_e, p₂ = p_o und p₃ = p_o, die begrenzte Anzahl #Φ(λ = λ₃, p = p₃) gleich 2 ist, d.h. für Φ(λ = λ₃, p = p₃) können zwei unterschiedliche Werte gewählt werden, und die begrenzte Anzahl #Φ(λ = λ₂, p = p₂) gleich 7 ist, d.h. für Φ(λ = λ₂, p = p₂) können sieben unterschiedliche Werte gewählt werden.
Nur zur Veranschaulichung soll jetzt ein Beispiel der dritten Ausführungsform des gestuften Profils beschrieben werden, wobei P = 4.
Ähnlich wie Tabelle IV zeigt Tabelle XVII für eine Stufenhöhe qh_ref(λ = λ₁, p = p₁) zwei Werte der Phasenänderungen "Φ(λ = λ₂, p = p₂)/2π" und "Φ(λ = λ₃, p = p₃)/2π", die "Φ/2π ideal" nach Tabelle XVI annähern, sowie die entsprechen den Transmissionswirkungsgrade eff₁ für die erste Ordnung (m = 1) gemäß Gleichung (7), in dem Fall, in dem p₁ = p_e, p₂ = p_o und p₃ = p_o.
Tabelle XVII
Es sei bei Tabelle XVII bemerkt, dass die vier Phasenstufen Phasenänderungen für die Wellenlänge λ₃ einbringen, die nahezu den gleichen Wert haben.
Es sei bei Tabelle XVII auch bemerkt, dass der Transmissionswirkungsgrad eff₁ für die erste Ordnung der gebeugten Strahlungsbündel 15'' einen niedrigen Wert hat (weniger als 5%) und für die erste Ordnung der gebeugten Strahlungsbündel 15' einen hohen Wert (mehr als 75%), wie anfangs erwünscht. 10 zeigt eine Kurve 84, die die Stufenhöhe h(x) dieses Beispiels (P = 4) der dritten Ausführungsform (m₁ = 0, m₂ = 1, m₃ = 0) des beugenden Teils 24 repräsentiert.
Sobald das gestufte Profil jedes Musterelementes einmal entworfen worden ist, wie oben in Bezug auf die erste, zweite oder dritte Ausführungsform beschrieben, wird das Muster der Musterelemente des beugenden Teils 24 so entworfen, dass die Kombination aus dem Objektivlinsensystem 8 und dem beugenden Teil 24 eine erste Fokussierungscharakteristik für das Strahlungsbündel 4, eine zweite Fokussierungscharakteristik für das Strahlungsbündel 4' und eine dritte Fokussierungscharakteristik für das Strahlungsbündel 4'' hat.
In dieser Ausführungsform ist das Muster so entworfen, dass die Kombination aus der Objektivlinse 17 und dem beugenden Teil 24 sphärische Aberration korrigiert, die durch den Unterschied zwischen den Informationsschichttiefen 27 und 27' (auf Grund des Dickenunterschiedes der transparenten Schichten 5 und 5') und zwischen den Informa tionsschichttiefen 27 und 27'' (auf Grund des Dickenunterschiedes der transparenten Schichten 5 und 5'') bewirkt wird.
Spezieller ist das Muster des beugenden Teils 24 als kreisförmige Gitterstruktur entworfen, die ein Muster aus koaxial ringförmigen Musterelementen mit allmählich zunehmender Breite zur Mitte der Objektivlinse 17 hin (wie in 3 gezeigt) hat. Daher fokussiert die Kombination aus dem beugenden Teil 24 und der Objektivlinse 17 das Strahlungsbündel 15 in der Informationsschicht 2, die die erste Informationsschichttiefe 27 hat, und wenn das Strahlungsbündel 15 aus der Objektivlinse 17 austritt, wird keine sphärische Aberration erzeugt (die erste Fokussierungscharakteristik).
Weiterhin ist das Muster des beugenden Teils 24 entworfen, um in Kombination mit der Objektivlinse 17 eine Menge an sphärischer Aberration zu erzeugen, die proportional zu m₁λ₁ – m₂λ₂ ist (d.h. in dieser Ausführungsform –λ₂, da m₁ = 0 und m₂ = 1). Daher fokussiert die Kombination aus dem beugenden Teil 24 und der Objektivlinse 17 das Strahlungsbündel 15' in der Informationsschicht 2', die die Informationsschichttiefe 27' hat und sphärische Aberration, die auf Grund des Dickenunterschiedes der transparenten Schicht erzeugt wird, wird kompensiert (die zweite Fokussierungscharakteristik).
Ähnlich ist das Muster des beugenden Teils 24 entworfen, um in Kombination mit der Objektivlinse 17 eine andere Menge an sphärischer Aberration zu erzeugen, die proportional zu m₁λ₁ – m₃λ₃ ist (d.h. in dieser Ausführungsform –λ₃, da m₁ = 0 und m₃ = 1). Daher fokussiert die Kombination aus dem beugenden Teil 24 und der Objektivlinse 17 das Strahlungsbündel 15'' in der Informationsschicht 2'', die die Informationsschichttiefe 27' hat, und sphärische Aberration, die auf Grund des Dickenunterschiedes der transparenten Schicht erzeugt wird, wird kompensiert (die dritte Fokussierungscharakteristik). Es sei bei dieser Ausführungsform bemerkt, dass sowohl die zweite als auch die dritte Fokussierungscharakteristik sich von der ersten Fokussierungscharakteristik unterscheidet, wie in 2 gezeigt.
Wenngleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine optische Abtasteinrichtung beschrieben wird, die mit einer Platte vom CD-Format, einer Platte vom "Red-DVD"-Format und einer Platte vom "Blue-DVD"-Format kompatibel ist, versteht sich, dass die erfindungsgemäße Abtasteinrichtung auch für beliebige andere Typen abzutastender optischer Aufzeichnungsträger verwendet werden kann.
Eine Alternative zu den oben beschriebenen gestuften Profilen kann entworfen werden, um gebeugte Strahlungsbündel für andere Beugungsordnungen als die nullte Ordnung und die erste Ordnung oder eine Kombination von Ordnungen mit einer ausgewählten Hauptordnung und zumindest einer anderen ausgewählten Ordnung zu bilden.
Bei anderen Alternativen zu den oben beschriebenen gestuften Profilen wird die Wellenlänge λ₂ oder λ₃ als Entwurfswellenlänge gewählt. Tabelle XVIII zeigt die Werte der Bezugshöhe h_ref(λ, p) in dem Fall, in dem die Wellenlänge λ gleich λ₂ oder λ₃ und die Polarisation p gleich p_o oder p_e ist und wobei z.B. n_o = 1,5, n_e = 1,6, λ₂ = 650 nm und λ₃ = 785 nm gilt.
Tabelle XVIII
Als Alternative zu dem oben beschriebenen Muster der Musterelemente zum Korrigieren von sphärischer Aberration ist das Muster z.B. zum Korrigieren von Sphärochromatismus und chromatischer Aberration oder zum Ausführen des Dreifleck-Push-Pull-Verfahrens durch Bilden des Hauptflecks aus dem ersten gebeugten Strahlungsbündel mit einem Transmissionswirkungsgrad gleich z.B. 80% und den zwei Nebenflecken aus dem zweiten und dem dritten gebeugten Strahlungsbündel mit einem Transmissionswirkungsgrad gleich z.B. 10% für jedes Strahlungsbündel entworfen.
Eine Alternative zu dem auf der Eintrittsfläche der Objektivlinse angeordneten beugenden Teil kann ein Gitter einer beliebigen Form, wie z.B. ein ebenes Gitter sein, da das gestufte Profil jedes Musterelementes für den Transmissionswirkungsgrad in Bezug auf jede Ordnung ausschlaggebend ist, ungeachtet der Form des Gitters.
Als Alternative zu der beschriebenen optischen Abtasteinrichtung, wobei Wellenlängen von 785 nm, 660 nm und 405 nm verwendet werden, versteht sich, dass Strahlungsbündel mit beliebigen anderen Kombinationen von Wellenlängen, die zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger geeignet sind, verwendet werden können.
Als andere Alternative zu der beschriebenen optischen Abtasteinrichtung mit den obigen Werten von numerischen Aperturen in Bezug auf die ersten, zweiten und dritten gebeugten Strahlenbündel versteht sich, dass Strahlungsbündel mit beliebigen anderen Kombinationen von numerischen Aperturen, die zum Abtasten optischer Aufzeichnungsträger geeignet sind, verwendet werden können.
Inschrift der Zeichnung:
1

I_data I_Daten
I_focus I_Fokus
I_radial I_radial
I_control I_Steuerung

6

first embodiment erste Ausführungsform
first example erstes Beispiel

7

first embodiment erste Ausführungsform
second example zweites Beispiel

8

first embodiment erste Ausführungsform
third example drittes Beispiel

9

second embodiment zweite Ausführungsform
unique example einziges Beispiel

10

third embodiment dritte Ausführungsform
unique example einziges Beispiel

Claims

Optische Abtasteinrichtung (1) zum Abtasten einer ersten Informationsschicht (2) mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels (4), das eine erste Wellenlänge (λ₁) und eine erste Polarisation (p₁) aufweist, einer zweiten Informationsschicht (2') mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels (4'), das eine zweite Wellenlänge (λ₂) und eine zweite Polarisation (p₂) aufweist, und einer dritten Informationsschicht (2'') mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels (4''), das eine dritte Wellenlänge (λ₃) und eine dritte Polarisation (p₃) aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation (p₁, p₂, p₃) sich von den anderen unterscheidet, welche Einrichtung umfasst: eine Strahlungsquelle (7) zum aufeinander folgenden oder gleichzeitigen Liefern des genannten ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels, ein Objektivlinsensystem (8), um das erste, zweite und dritte Strahlungsbündel auf den Positionen der ersten, zweiten bzw. dritten Informationsschicht konvergieren zu lassen und ein in dem optischen Weg des ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels angeordnetes beugendes Teil (24), wobei das Teil ein Muster aus Musterelementen enthält, die im Wesentlichen ein gestuftes Profil zum Bilden eines ersten gebeugten Strahlungsbündels (15), eines zweiten gebeugten Strahlungsbündels (15') und eines dritten gebeugten Strahlungsbündels (15'') aus dem ersten, zweiten bzw. dritten Strahlungsbündel (4, 4', 4'') aufweisen, wobei das Teil ein für die erste, zweite und dritte Polarisation (p₁, p₂, p₃) empfindliches, doppelbrechendes Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen (h_j) der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte erste Wellenlänge (λ₁) im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π und für die genannte zweite Wellenlänge (λ₂) gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte dritte Wellenlänge (λ₃) im Wesentlichen gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes für sowohl die zweite als auch die dritte Wellenlänge (λ₂, λ₃) im Wesentlichen identische Phasenänderungen einbringen, wobei die dritte Polarisation (p₃) sich von der zweiten Polarisation (p₂) unterscheidet.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 3, in der die außerordentliche Brechzahl (n_e) des doppelbrechenden Materials nahezu gleich
ist, worin "n_o" die ordentliche Brechzahl des doppelbrechenden Materials ist und "λ_b" und "λ_c" entweder die zweite bzw. dritte Wellenlänge oder die dritte bzw. zweite Wellenlänge sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das genannte gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte dritte Wellenlänge (λ₃) im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der das genannte gestufte Profil weiterhin so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes im Wesentlichen identische Phasenänderungen für sowohl die erste als auch die dritte Wellenlänge (λ₁, λ₃) einbringen, wobei die dritte Polarisation (p₃) sich von der ersten Polarisation (p₁) unterscheidet.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der die außerordentliche Brechzahl (n_e) des doppelbrechenden Materials im Wesentlichen gleich
ist, wobei "n_o" die ordentliche Brechzahl des doppelbrechenden Materials ist und "λ_b" und "λ_c" entweder die erste bzw. dritte Wellenlänge oder die dritte bzw. erste Wellenlänge ist.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei das gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte dritte Wellenlänge (λ₃) im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen ungeraden Vielfachen von π sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 8, bei das gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte zweite Wellenlänge (λ₂) im Wesentlichen gleich zumindest zwei aus einer ungeraden Zahl von nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das genannte Musterelement so entworfen ist, dass die relativen Stufenhöhen (h_j+1 – h_j) zwischen benachbarten Stufen (j, j + 1) des genannten Musterelementes eine relative Stufenhöhe mit einem optischen Weg von nahezu gleich αλ₁, enthalten, wobei α eine ganze Zahl ist, mit α > 1, und λ₁ die genannte erste Wellenlänge ist.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Form des beugenden Teils im Allgemeinen kreisförmig ist und die Stufen des Musterelementes im Allgemeinen ringförmig sind.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das genannte beugende Teil auf einer Fläche einer Linse des Objektivlinsensystems gebildet ist.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der das genannte beugende Teil auf einer zwischen der genannten Strahlungsquelle und dem genannten Objektivlinsensystem vorgesehenen optischen Platte gebildet ist.
Optische Abtasteinrichtung (1) nach Anspruch 13, in der die optische Platte ein Lambda-Viertel-Plättchen oder einen Strahlteiler umfasst.
Beugendes Teil (24) zur Verwendung in einer optischen Einrichtung (1) zum Abtasten einer ersten Informationsschicht (2) mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels (4), das eine erste Wellenlänge (λ₁) und eine erste Polarisation (p₁) aufweist, einer zweiten Informationsschicht (2') mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels (4'), das eine zweite Wellenlänge (λ₂) und eine zweite Polarisation (p₂) aufweist, und einer dritten Informationsschicht (2'') mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels (4''), das eine dritte Wellenlänge (λ₃) und eine dritte Polarisation (p₃) aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von den anderen unterscheidet, wobei das beugende Teil: in dem optischen Weg des ersten, zweiten und dritten Strahlungsbündels angeordnet ist, ein Muster aus Musterelementen enthält, die im Wesentlichen ein gestuftes Profil zum Bilden eines ersten gebeugten Strahlungsbündels (15), eines zweiten gebeugten Strahlungsbündels (15') und eines dritten gebeugten Strahlungsbündels (15'') aus dem ersten, zweiten bzw. dritten Strahlungsbündel (4, 4', 4'') aufweisen, und ein für die erste, zweite und dritte Polarisation (p₁, p₂, p₃) empfindliches, doppelbrechendes Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte gestufte Profil so entworfen ist, dass die Höhen (h_j) der Stufen eines Musterelementes Phasenänderungen einbringen, die für die genannte erste Wellenlänge (λ₁) im Wesentlichen gleich zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π und für die genannte zweite Wellenlänge (λ₂) gleich zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π und für die genannte dritte Wellenlänge (λ₃) gleich einem der Folgenden sind: zumindest zwei nahezu unterschiedlichen Phasenänderungen modulo 2π, zumindest zwei unterschiedlichen Vielfachen von 2π oder zumindest zwei unterschiedlichen ungeraden Vielfachen von π.
Linse (17) zur Verwendung in einer optischen Einrichtung (1) zum Abtasten einer ersten Informationsschicht (2) mit Hilfe eines ersten Strahlungsbündels (4), das eine erste Wellenlänge (λ₁) und eine erste Polarisation (p₁) aufweist, einer zweiten Informati onsschicht (2') mit Hilfe eines zweiten Strahlungsbündels (4'), das eine zweite Wellenlänge (λ₂) und eine zweite Polarisation (p₂) aufweist, und einer dritten Informationsschicht (2'') mit Hilfe eines dritten Strahlungsbündels (4''), das eine dritte Wellenlänge (λ₃) und eine dritte Polarisation (p₃) aufweist, wobei die genannte erste, zweite und dritte Wellenlänge sich wesentlich voneinander unterscheiden und zumindest eine der genannten ersten, zweiten und dritten Polarisation sich von den anderen unterscheidet, wobei die Linse mit einem beugenden Teil nach Anspruch 15 versehen ist.