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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer
Aufzeichnungsspur, wobei die Vorrichtung eine Strahlungsquelle zur Lieferung eines
Abtaststrahlenbündels und ein abbildendes optisches System zur Abbildung der
Strahlungsquelle in einen Abtastfleck auf der Aufzeichnungsspur enthält.
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Die Aufzeichnungsspur kann eine mit Informationsdaten versehene Spur
oder eine optisch detektierbare Spur sein, in der Informationsdaten optisch
eingeschrieben werden sollen. In dem ersten Fall ist das Abtaststrahlenbündel ein Lesestrahl und in
dem zweiten Fall wird das Abtaststrahlenbündel von einem der zu schreibenden
Information entsprechend intensitätsmodulierten Schreibstrahl gebildet.
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Die Aufzeichnungsspur kann auf verschiedenen Arten von
Aufzeichnungsträgern angebracht sein, wie einem bandförmigen oder einem runden plattenförmigen
Aufzeichnungsträger. Im letzteren Fall kann die Aufzeichnungsspur eine kontinuierliche
spiralförmige Spur mit zahlreichen Windungen sein, oder sie kann getrennte
konzentrische Windungen umfassen. Beispiele für die eingangs erwähnte Vorrichtung sind eine
Ausleseeinrichtung für eine optische Audio- oder Videoplatte, die als "CD"- bzw.
"Laservision"-Spieler bekannt ist, oder eine kombinierte Schreib-/Leseeinrichtung für eine
optische Datenplatte.
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Damit der Abtastfleck bezüglich eines abzutastenden Spurabschnitts immer
korrekt positioniert ist, enthalten die Abtastvorrichtungen der beschriebenen Art ein
Spurfolgeservosystem. In einem solchen System wird die Lage des Mittelpunkts des
Abtastflecks bezüglich der Mittellinie des abgetasteten Spurabschnitts detektiert und die
Position des Abtastflecks wird anhand des erhaltenen Spurfolgefehlersignal korrigiert.
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Wie unter anderem in der US-Patentschrift 4.063.287 beschrieben worden
ist, kann ein Spurfolgefehlersignal erzeugt werden, indem der Abtastfleck mit einer
gegebenen Frequenz quer zu der Spurrichtung bewegt wird. Wegen der periodischen
Verlagerung des Abtastflecks wird die Strahlung aus der Ebene, in der die
Aufzeichnungsspur liegt, periodisch moduliert. Demzufolge hat das Ausgangssignal eines in dem
Weg der Strahlung angeordneten strahlungsempfindlichen Detektors eine periodisch
variierende Komponente, deren Amplitude und Phase, in bezug auf die Bewegung des
Abtastflecks, die Größe und die Richtung einer Ablenkung der Lage des Abtastflecks
bezüglich des abgetasteten Spurabschnitts darstellen.
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In der in der US-Patentschrift 4.063.287 beschriebenen Vorrichtung wird
die periodische Bewegung des Abtastflecks mit Hilfe eines im Weg des
Abtaststrahlenbündels angeordneten Spiegels realisiert, wobei der Spiegel periodisch um eine Achse
gekippt wird, die im Endeffekt parallel zur Richtung des abgetasteten Spurabschnitts
liegt. Die mittlere Position des Abtastflecks kann durch Einstellen beispielsweise der
mittleren oder Nennposition dieses Spiegels mit Hilfe des erzeugten
Spurfolgefehlersignals korrigiert werden. Ein Spurfolgeservosystem, in dem bewegliche Elemente
verwendet werden, hat eine begrenzte Bandbreite.
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Eine Vorrichtung, wie sie im einleitenden Teil von Anspruch 1
beschrieben wird, ist aus NL-A-8602980 bekannt. Darin wird das durch Beugung des
Abtaststrahlenbündels gebildete Strahlenbündel nullter Ordnung verwendet, um den
Abtastfleck zu bilden, und das durch Beugung des zurückgeworfenen Strahlenbündels
gebildete Strahlenbündel erster Ordnung wird zur Detektion verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung zu
verschaffen, in der zur Korrektur der Lage des Abtastflecks bezüglich eines abgetasteten
Spurabschnitts und/oder zur Erzeugung eines Spurfolgefehlersignals kein(e)
bewegliches(n) Element(e) mehr erforderlich ist (sind).
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Anspruch 1 definiert. Das
Beugungsgitter wird in dem Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle und der
Aufzeichnungsspur so angeordnet, daß nur die Strahlung eines von dem Gitter in einer
höheren Ordnung gebeugten Strahlenbündels in den Abtastfleck fokussiert wird, und die
Strahlungsquelle wird von einem Laser gebildet, dessen Wellenlänge abstimmbar ist, um
so die Lage des Flecks zu steuern.
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Unter einer höheren Ordnung werden die erste, zweite und weitere höhere
Beugungsordnungen des Beugungsgitters verstanden.
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Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß der Winkel, unter dem das
Beugungsgitter das Strahlenbündel der gewählten Ordnung beugt, eine Funktion der
Wellenlänge des Abtaststrahlenbündels ist. Durch Veränderung der Wellenlänge kann
die Richtung des Strahlenbündeis der selektierten Ordnung und damit die Lage des
Abtastflecks bezüglich der Aufzeichnungsspur verändert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abtastvorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle von einer als Einmodendiodenlaser arbeitenden
Halbleiterdiode und einem damit optisch gekoppelten Element mit einer lichtleitenden
Schicht gebildet wird, die als abstimmbarer Resonator für die Laserstrahlung wirkt.
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Eine derartige zusammengesetzte Halbleiteranordnung, die auch als
"Cleaved-Coupled-Cavity Semiconductor Laser" bezeichnet wird, wird für die Anwendung als
Strahlungsquelle in einem Glasfaser-Nachrichtensystem beispielsweise in dem Artikel
"Demonstration of Multilevel Multichannel Optical Frequency Shift Keying with
Cleaved-Coupled-Cavity Semiconductor Laser" in "Electronic Letters" (1983), Bd. 19, Nr.
9, S.341-342 beschrieben.
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Durch Veränderung des durch das zweite Halbleiterelement geleiteten
Stroms kann die Brechzahl der lichtleitenden Schicht in dem Element und damit die
optische Weglänge des Resonators innerhalb dieses Elements verändert werden, so daß
die zusammengesetzte Strahlungsquelle auf eine andere Wellenlänge abgestimmt wird.
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Die Möglichkeit, die Richtung des Abtaststrahlenbündels elektrooptisch zu
verändern, kann auf zwei Weisen genutzt werden. Die erste Möglichkeit wird in einer
Vorrichtung verwendet, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das Steuersignal
für die Strahlungsquelle ein Gleichstromsignal ist, dessen Größe und Vorzeichen
proportional zu einem Spurfolgefehlersignal sind, wobei die Wellenlänge des
Abtaststrahlenbündels mit Hilfe des Gleichstromsignals auf einen optimalen Wert abgestimmt wird.
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Die optimale Wellenlänge ist die abgestimmte Wellenlänge, für die die
Hauptachse des Strahlenbündels der selektierten Ordnung auf die Mittellinie eines
abzutastenden Spurabschnitts gerichtet ist.
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Für diese Ausführungsform ist die Art und Weise, in der das
Spurfolgefehlersignal erzeugt wird, nicht wichtig; verschiedene bekannte Verfahren können
verwendet werden.
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Eine zweite, von der vorliegenden Erfindung verschaffte Möglichkeit ist
die Erzeugung eines Spurfolgefehlersignals. Eine diese Möglichkeit bietende
Abtastvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mit einer
Wechselstromsignalquelle gekoppelt ist, um die Wellenlänge der Strahlungsquelle mit einer kleinen
Amplitude um einen Mittelwert periodisch zu verändern und daß eine optoelektronische
Detektionsanordnung vorhanden ist, um aus der Ebene der Aufzeichnungsspur
stammende Strahlung mit Hilfe eines Bezugssignals, dessen Frequenz gleich der periodischen
Veränderung der Wellenlänge ist, synchron zu detektieren.
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Wegen dieser Veränderung der Wellenlänge um einen mittleren Wert bewegt
das Beugungsgitter das Strahlenbündel der selektierten Ordnung hin und her.
Demzufolge bewegt sich der Abtastfleck periodisch um eine mittlere Lage quer zu der Richtung
eines abgetasteten Spurabschnitts. Diese periodische Bewegung des Abtastflecks, die
auch als Abtastfleckwobbeln oder -schlingern bezeichnet wird, kann in gleicher Weise
wie in der US-Patentschrift 4.063.287 für die Erzeugung eines Spurfolgefehlersignals
verwendet werden.
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Die Vorrichtung, in der der Abtastfleck elektrooptisch periodisch verlagert
wird, kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß das abbildende optische System
von dem Beugungsgitter gebildet wird, das eine Linsenwirkung aufweist.
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Ein derartiges Gitter, das gekrümmte Gitterstreifen mit einer sich
ändernden Krümmung und eine variierende Gitterperiode hat anstelle gerader Gitterstreifen
und einer konstanten Gitterperiode, kann beispielsweise von einem holographischen
Gitter gebildet werden. Dieses Gitter sorgt mit genügend hoher Qualität für eine
Abbildung der Strahlungsquelle in den Abtastfleck. Die für ein geringes
Abtastfleckwobbeln geforderte periodische Änderung der Wellenlänge hat eine so kleine
Amplitude, daß sich keine unakzeptable Verschlechterung der Abtastfleckqualität ergibt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abtastvorrichtung ist weiterhin
dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter ein Reflexionsgitter ist, wobei der
Einfallswinkel zwischen einer Gitternormalen und dem Hauptstrahl des
Abtaststrahlenbündels bedeutend größer als 45º und kleiner als 90º ist.
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Durch Verwendung eines Reflexionsgitters kann die Höhe der
Abtastvorrichtung verringert werden, was besonders beim Auslesen oder Beschreiben
plattenförmiger optischer Aufzeichnungsträger wichtig ist. Durch eine geeignete Wahl der
Beugungsordnung zusammen mit einer geeigneten Wahl der Gitterperiode wird erreicht, daß
das Beugungsgitter sich für das Strahlenbündel der selektierten Ordnung wie ein Spiegel
unter einem Winkel von 45º verhält, wobei der Spiegel dieses Strahlenbündel unter
einem Winkel von 90º zum Einfallsstrahlenbündel reflektiert, obwohl das Gitter
bezüglich des Einfallsstrahlenbündels unter einem Winkel orientiert ist, der erheblich kleiner
als 45º ist. Dies reduziert die Montagehöhe der Vorrichtung beträchtlich.
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Eine Abtastvorrichtung, in der die Strahlungsquelle einen Diodenlaser mit
einer aktiven Schicht enthält, der ein Laserstrahlenbündel emittiert, dessen
Öffnungswinkel
in der lateralen Ebene, durch die Hauptachse des Strahlenbündels und parallel
zur aktiven Schicht, kleiner ist als der Öffnungswinkel in der transversalen Ebene,
durch die Hauptachse des Strahlenbündels und quer zur aktiven Schicht, ist
vorzugsweise außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstreifen quer zu der lateralen
Ebene liegen.
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In dieser Ebene wird das Abtaststrahlenbündel durch Reflexion an dem
Gitter aufgeweitet, und es kann dafür gesorgt werden, daß die laterale Breite des
Strahlenbündels gleich der transversalen Breite ist, so daß der Abtastfleck trotz des nicht
runden Querschnitts des von dem Diodenlaser emittierten Strahlenbündels rund ist.
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Die vorstehend erwähnten Abtastvorrichtungen sind vorzugsweise
weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter ein Phasengitter ist. Ein derartiges
Gitter hat einen höheren Wirkungsgrad als ein Amplitudengitter.
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Entsprechend einer weiteren kennzeichnenden Eigenschaft der
Abtastvorrichtung wird das Phasengitter von einem Profilgitter gebildet, das mit Gitterstreifen
abwechselnde Gitterrillen hat. Ausgehend von einer Gittermatrize kann ein derartiges
Gitter mit Hilfe bekannter Preß- oder Abdrucktechniken preiswert in Massenfertigung
hergestellt werden.
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Die Abtastvorrichtungen können als Abwandlung dadurch gekennzeichnet
sein, daß das Phasengitter ein Volumengitter mit mehreren nebeneinanderliegenden
Streifen ist, die abwechselnd eine erste mittlere Brechzahl und eine zweite mittlere
Brechzahl haben.
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Ein Volumengitter ist ein sogenanntes dickes Gitter, in dem sich die
Gitterstruktur über die Dicke der Gitterplatte erstreckt und sich nicht nur an der Oberfläche
befindet, wie es bei einem "dünnen" Gitter der Fall ist. Ein Beispiel für das hier
gemeinte Volumengitter ist ein sogenanntes Volumenhologrammgitter. Dies ist ein
spezieller Typ eines Beugungsgitters, der erhalten wird, indem man zwei Strahlungsbündel, die
miteinander einen bestimmten Winkel bilden, auf eine dicke Platte aus speziellem
photographischen Material fallen läßt. Diese Strahlenbündel erzeugen in der Platte ein
Tiefeninterferenzmuster von Streifen mit abwechselnd hoher und niedriger Intensität. Das
photographische Material wird so gewählt, daß die beiden Belichtungsniveaus nach der
Entwicklung in unterschiedliche Brechzahlen umgesetzt werden. Mit einem solchen
Volumenhologramm kann eine sehr hoher Wirkungsgrad erhalten werden.
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Um den der Verwendung eines Beugungsgitters innewohnenden
Strahlungsverlust,
der von der Verteilung der Strahlung über die verschiedenen
Beugungsordnungen verursacht wird, möglichst weitgehend zu begrenzen, sind die
Abtastvorrichtungen außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die die Intensitätsverteilung über die
verschiedenen Beugungsordnungen bestimmenden Gitterparameter so gewählt sind, daß
ein maximaler Prozentsatz der einfallenden Strahlungsstärke in der selektierten
Beugungsordnung enthalten ist.
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Im Falle eines Profilgitters sind die genannten Parameter das Verhältnis
der Breite der Gitterrillen zu der Breite der Gitterstreifen, die Tiefe der Gitterrillen und
der Steilheit der Rillenwände. Ein für eine gegebene Beugungsordnung optimiertes
Gitter wird in der Literatur als "blazed" Gitter bezeichnet. Ein solches Gitter hat häufig
ein sägezahnförmiges Profil ohne quer zur Einfallsrichtung liegende Teile.
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Im Falle eines Volumenhologramms sind die die Intensitätsverteilung
bestimmenden Parameter das Verhältnis der Breite der Streifen mit der ersten Brechzahl
zu der Breite der Streifen mit der zweiten Brechzahl, das Verhältnis der Brechzahlen,
die Dicke der Streifen und der Winkel, den diese Streifen mit der Einfallsrichtung in
der Ebene quer zu der Längsrichtung der Gitterstreifen bilden.
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Die Abtastvorrichtung kann außerdem dadurch gekennzeichnet sein, daß
ein in eine der ersten Beugungsordnungen gebeugtes Teilbündel in den Abtastfleck
fokussiert wird. Die in erster Ordnung gebeugten Teilbündel haben bereits ohne
Optimierung des Gitters für diese Ordnung eine höhere Intensität als die höheren
Beugungsordnungen. Infolge der genannten Optimierung kann eines der Teilbündel erster
Ordnung zu Lasten der Teilbündel der anderen Ordnungen verstärkt werden.
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Die Möglichkeit, das Gitter für zweite oder höhere Ordnungen zu
optimieren, wird vorteilhaft in einer anderen Ausführungsform der Abtastvorrichtung
verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein in eine zweite oder höhere
Beugungsordnung gebeugtes Teilbündel in den Abtastfleck fokussiert wird. Wenn das selektierte
Teilbündel einen gleichen Beugungswinkel hat, kann die Periode des Beugungsgitters
vergrößert werden, wodurch die Herstellung des Gitters mit der gewünschten
Genauigkeit vereinfacht wird. Bei gleichbleibender Gitterperiode kann der Einfallswinkel des
Strahlenbündels vergrößert werden, so daß die Höhe der Abtastvorrichtung noch weiter
reduziert werden kann.
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Um die Handhabung und die Positionierung des Beugungsgitters zu
erleichtern, ist eine weitere Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß das
Beugungsgitter
an der schrägen Seite eines dreieckigen Prismas angeordnet ist, das einen rechten
Winkel hat, und dessen beide andere Seiten senkrecht zum Einfallsstrahlenbündel bzw.
dem zur Aufzeichnungsspur gerichteten Strahlenbündel stehen.
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In der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung EP-A-0324518 (am
5 19.07.89 veröffentlicht) wird die Verwendung eines Teilbündels anstelle des von einem
Beugungsgitter gebeugten Hauptstrahlenbündels für die Korrektur des Querschnitts des
Strahlenbündels und/oder zur Verringerung der Höhe der Vorrichtung beschrieben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Auslesen eines plattenförmigen optischen Aufzeichnungsträgers
mit einer abstimmbaren Strahlungsquelle und einem Beugungsgitter,
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Figur 2 schematisch eine Ausführungsform einer abstimmbaren
Strahlungsquelle,
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Figur 3 schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Erzeugung eines
Spurfolgefehlersignals,
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Figuren 4, 5 und 6 Ausführungsformen eines Phasenbeugungsgitters,
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Figur 7 eine perspektivische Sicht einer Ausführungsform der
Abtastvorrichtung mit einem Beugungsgitter, das Linsenwirkung aufweist,
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Figur 8 eine Vorderansicht dieses Gitters
und
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Figur 9 einen seitlichen Querschnitt einer Ausführungsform der
Abtastvorrichtung mit einem Prisma, das eine gekrümmte Oberfläche hat, und einem linearen
Gitter.
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Figur 1 zeigt einen Teil eines runden plattenförmigen
Aufzeichnungsträgers 1. Die Informationsstruktur wird von den in einer Informationsebene 3 liegenden
Informationsspuren 4 angegeben, die eine Vielzahl von Informationsgebieten 5
abwechselnd mit Zwischengebieten 6 in Spurrichtung t enthält. Die Informationsstruktur
befindet sich vorzugsweise in der Oberseite des Aufzeichnungsträgers und wird von einem
das Substrat 2 durchquerenden Abtaststrahlenbündel b ausgelesen. Das
Abtaststrahlenbündel wird von einer Strahlungsquelle 7, beispielsweise einem Halbleiterdiodenlaser,
geliefert.
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Das Abtaststrahlenbündel b wird von einem Objektiv 9 so fokussiert, daß
es in der Informationsebene einen Abtastfleck S bildet. Eine Kollimatorlinse 8 ist
zwischen diesem Objektiv und dem Diodenlaser angeordnet, wobei die Linse das von dem
Diodenlaser emittierte, divergierende Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel
umsetzt, das einen solchen Querschnitt hat, daß die Pupille des Objektivs adäquat gefüllt
wird, so daß der Abtastfleck S beugungsbegrenzt ist und einen minimalen Durchmesser
hat. Das Lesestrahlenbündel wird von der Informationsebene reflektiert und
entsprechend der in einer auszulesenden Spur 4 gespeicherten Information moduliert, wenn der
Aufzeichnungsträger mit Hilfe der Antriebswelle A gedreht wird.
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Der Strahlengang enthält einen Strahlteiler 10, beispielsweise in Form
eines halbdurchlässigen Spiegels, der das von der Strahlungsquelle 7 emittierte
Strahlenbündel b zum Objektiv durchläßt und das von dem Aufzeichnungsträger kommende
modulierte Strahlenbündel auf ein strahlungsempfindliches Detektionssystem 11
reflektiert. Dieses Detektionssystem liefert ein entsprechend der in einer auszulesenden Spur
gespeicherten Information moduliertes elektrisches Signal. Das Detektionssystem kann
Signale liefern, die Abweichungen von der Lage des Abtastflecks hinsichtlich einer
auszulesenden Spur und/oder Fokussierungsfehler darstellen, wie sie z.B. in "Philips
Technical Review", Bd. 40, Nr. 6, 5.151-155, beschrieben worden sind.
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Wie bekannt ist, kann anstelle eines halbdurchlässigen Spiegels auch ein
polarisationsempfindliches Teilerprisma als Strahlteiler verwendet werden. In dem
Strahlengang zwischen diesem Strahlteiler und dem Objektiv sollte dann eine
doppelbrechende Platte angeordnet sein, die dafür sorgt, daß die Polarisationsrichtung des von
dem Abtaststrahlenbündel zurückkehrenden Strahlenbündels hinsichtlich des von der
Quelle emittierten Strahlenbündels um 90º gedreht wird.
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Damit das aus dem Aufzeichnungsträger gelesene Informationssignal eine
genügend große Modulationstiefe hat und kein Nebensprechen zwischen benachbarten
Spurabschnitten auftritt, muß sichergestellt sein, daß der Abtastfleck dem abgetasteten
Spurabschnitt sehr genau folgt. Hierzu muß die Lage des Mittelpunkts des Abtastflecks
hinsichtlich der Mittellinie des auszulesenden Spurabschnitts zu jedem Zeitpunkt
bestimmt und, wenn notwendig, die Position des Abtastflecks entsprechend korrigiert
werden. Erfindungsgemäß ist zur Erzeugung eines Spurfolgefehlersignals ein lineares
Beugungsgitter 14 in dem Strahlengang angeordnet und ist die Strahlungsquelle
abstimmbar.
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Ein Beispiel für eine solche abstimmbare Strahlungsquelle ist ein mit
einem Resonator gekoppelter Halbleiterlaser ("Cleaved-Coupled-Cavity-Semiconductor
Laser"). Figur 2 zeigt das Prinzip einer solchen Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle
umfaßt zwei Halbleiterdiodenstrukturen 31 und 32 auf einem gemeinsamen Kühlblock
30. Die Diodenstrukturen enthalten mehrere Halbleiterschichten abwechselnd vom n-
und p-Typ und einen sogenannten aktiven Streifen 33 bzw. 34. Über (nicht abgebildete)
Elektroden an den oberen und unteren Seiten der Diodenstrukturen werden durch diese
Dioden elektrische Ströme I&sub1; und I&sub2; geleitet. Der Strom I&sub1; ist größer als der
Schwellenstrom der Diode 31, so daß Laserstrahlung in dem aktiven Streifen 33 dieser Diode
erzeugt wird. Diese Laserstrahlung durchquert den Spalt 35, der die Dioden elektrisch
trennt und erreicht den Streifen 34 der Diode 32. Der Strom 12 durch die Diode 32 ist
kleiner als der Schwellenstrom für diese Diode, so daß in dem Streifen 34 keine
Laserstrahlung erzeugt wird, sondern dieser Streifen als externer Resonator für die Diode 31
wirkt.
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Durch Änderung des Stromes 12 tritt eine Änderung der Anzahl
Ladungsträger in dem Streifen 34 auf, so daß sich die Brechzahl in diesem Streifen ändert.
Folglich ändert sich die optische Weglänge des externen Resonators für den Diodenlaser
31, so daß dieser Laser auf eine andere Wellenlänge abgestimmt wird. Für weitere
Einzelheiten hinsichtlich der Strahlungsquelle nach Figur 2 wird auf den bereits zitierten
Beitrag in "Electronic Letters" (1983), Bd. 19, Nr. 9, 5.341-342 verwiesen, in dem die
Anwendung dieser Strahlungsquelle in einem Kommunikationssystem mit optischen
Fasern beschrieben worden ist.
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Die abstimmbare Strahlungsquelle kann auch von einer Gesamtheit aus
einem Diodenlaser und einer damit integrierten lichtleitenden Schicht gebildet werden,
die als abstimmender Resonator wirkt. Ihre Brechzahl kann durch Änderung eines
elektrischen Stromes durch diese Schicht verändert werden. Eine solche zusammengesetzte
Strahlungsquelle für die Verwendung in einen optischen Multiplexsystem oder in einem
optischen Heterodyn-Meßsystem wird in dem Beitrag "Wavelength Tuning of GaInAsP/-
InP Integrated Laser with Butt-Jointed Built-in Distributed Bragg Reflector" in
"Electronics Letters" (1983), Bd. 19, Nr. 17, 5.656-657 beschrieben. Zur Realisierung der
Erfindung kann im allgemeinen eine Laserquelle verwendet werden, die mit einem
externen Resonator gekoppelt ist, dessen optische Weglänge kontinuierlich einstellbar
ist.
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Wie in Figur 1 gezeigt worden ist, liegen die Gitterstreifen 15 und 16 des
Beugungsgitters 14 im Endeffekt parallel zu der Richtung eines abgetasteten
Spurabschnitts. In der Ebene XZ quer zu der Richtung der Gitterstreifen spaltet das
Beugungsgitter das ein fallende Strahlenbündel b in ein nicht gebeugtes Teilstrahlenbündel nullter
Ordnung, zwei Teilbündel der +1. Ordnung bzw. der -1. Ordnung und eine Anzahl
Teilbündel zweiter und höherer Ordnung. Die Gitterperiode Pr und der Neigungswinkel
α des Gitters und die Nennwellenlänge des Laserstrahlenbündels sind so aufeinander
abgestimmt, daß nur ein einziges der Teilbündel erster oder höherer Ordnung durch die
Pupille des Objektivs 9 tritt. Der Deutlichkeit halber zeigt Figur 1 nur dieses Teilbündel
ba.
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Der zu der genannten zusammengesetzten Strahlungsquelle gehörende
Diodenlaser selbst emittiert, bei stabilen Umgebungsparametern, eine Nennwellenlänge,
die durch den Aufbau des Diodenlasers bestimmt wird. Zu dieser Wellenlänge gehört
ein bestimmter Beugungswinkel der ersten Ordnung, ein bestimmter Beugungswinkel
der zweiten Ordnung usw.
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Durch Ansteuern des externen Resonators mit einem Wechselstrom I2
wird die Wellenlänge des Laserstrahlenbündels um die Nennwellenlänge herum
moduliert. Das Ergebnis ist, daß der Beugungswinkel der selektierten Beugungsordnung um
den Nennbeugungswinkel herum moduliert wird, mit anderen Worten: Die Hauptachse
des selektierten Strahlenbündels schwingt periodisch um seine Nennrichtung. Folglich
schwingt die Lage des von dem Objektiv 9 gebildeten Strahlungsflecks 5 um eine
mittlere Lage, die mit der Mittellinie der abgetasteten Spurabschnitts übereinstimmen muß.
Es wird dafür gesorgt, daß die Amplitude der periodischen Fleckverschiebung, oder des
Fleckwobbelns, beträchtlich kleiner als die Spurbreite ist, beispielsweise 1/30 dieser
Breite. Im Vergleich zu der Frequenz der auszulesenden Information, die beispielsweise
in der Größenordnung einiger MHz liegt, ist die Frequenz des Fleckwobbelns klein,
beispielsweise einige Dutzend kHz.
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Wegen der periodischen Verschiebung des Abtastflecks in bezug auf den
abgetasteten Spurabschnitt, der sich optisch von seiner Umgebung unterscheidet,
beispielsweise weil er die Einfallsstrahlung beugt, wird die Intensität des von dem
Aufzeichnungsträger reflektierten Strahlenbündels periodisch moduliert. Das Ausgangssignal
Sd des Detektors 11 umfaßt dann nicht nur eine hochfrequente
Wechselstromkomponente mit einer relativ großen Amplitude, die die gelesene Information darstellt, sondern
auch eine Komponente mit niedrigerer Frequenz bei kleiner Amplitude. Diese
Amplitude
und die Phase der Niederfrequenzkomponente stellen die Größe und die Richtung
einer Abweichung zwischen dem Mittelpunkt des Abtastflecks und der Mittellinie des
ausgelesenen Spurabschnitts dar. Wenn der Mittelpunkt des Abtastflecks S mit der
Mittellinie des Spurabschnitts übereinstimmt, ist die Frequenz der
Niederfrequenzkomponente in dem Detektorsystem Sd zweimal so groß wie die Frequenz, mit der der
Abtastfleck in Schwingungen versetzt worden ist. Im Falle einer Abweichung von dieser
Lage ist die Frequenz der Niederfrequenzkomponente gleich der des
Abtastfleckwobbelns, während die Phase dieser Komponente gleich oder um 180º verschoben bezüglich
der Phase des Signals ist, mit dem der Abtastfleck erzeugt wird, je nachdem ob der
Mittelpunkt des Abtastflecks links oder rechts von der Mittellinie des abgetasteten
Spurabschnitts liegt.
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Figur 3 erläutert das Prinzip der Erzeugung des Spurfolgefehlersignals.
Gleiche Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1. Der Diodenlaser 31
wird von einer Gleichstromquelle 36 gesteuert, die einen Strom I&sub1; liefert, der größer ist
als der Schwellenstrom. Der Resonator 32 ist mit einer Wechselstromquelle 37 und
eventuell einer Gleichstromquelle 33 verbunden. Der Wechselstrom I2 sorgt dafür,
daß die Richtung des Strahlenbündels der selektierten Ordnung ba periodisch wechselt,
wie schematisch mit Hilfe der gestrichelten Linien ba' und ba" angegeben wird.
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Das Ausgangssignal Sd des Detektors 11 umfaßt nicht nur das
hochfrequente Informationssignal Si, das von einem Hochpaßfilter 40 durchgelassen und
anschließend in bekannter Weise verarbeitet wird, sondern auch eine
Niederfrequenzkomponente. Diese Komponente durchquert einen Bandpaß 41 und eventuell einen
Verstärker 42. Anschließend wird diese Komponente mit Hilfe eines Bezugssignals Sref, das die
gleiche Phase wie das Abtastfleckwobbeln hat und beispielsweise von der Quelle 37
abgenommen wird, synchron detektiert. Diese Detektion besteht darin, daß die
Niederfrequenzkomponente im Element 43 mit dem Bezugssignal multipliziert wird und daß
das resultierende Signal durch einen Tiefpaß 44 geleitet wird. Das Spurfolgefehlersignal
Srad, mit dem die Lage des Strahlungsflecks S über das Steuerungsglied 45 korrigiert
werden kann, wird dann am Ausgang dieses Filters erzeugt.
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Diese Korrektur kann in herkömmlicher Weise durchgeführt werden,
beispielsweise durch Kippen oder Verschieben eines Elements, das bereits in dem
Strahlungsweg vorhanden oder zu diesem Zweck speziell angebracht worden ist.
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Das Signal Srad wird vorzugsweise in eine hochfrequente
Feinregelkomponente Srad,f,
mit der über einen kleinen Bereich eine schnelle Regelung erreicht
werden kann, und in eine niederfrequente Regelkomponente Srad,c, mit der über einen
größeren Bereich eine langsamere Regelung realisiert werden kann und die
beispielsweise eine möglich Exzentrizität der Spurwindungen kompensieren kann, aufgespalten.
Die zuletzt genannte Regelung kann beispielsweise eine Verschiebung eines Schlittens in
radialer Richtung sein, auf dem die optischen Komponenten der Leseeinrichtung
angeordnet sind. Die Feinregelung kann beispielsweise ein Kippen des Beugungsgitters um
einen kleinen Winkel sein.
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Entsprechend einem der Aspekte der vorliegenden Erfindung kann die
Feinpositionierung des Abtastflecks elektrooptisch ohne Verwendung bewegender Teile
realisiert werden, wie in Figur 3 gezeigt wird. Beispielsweise wird der Steuerstrom I2=
mit Hilfe des Signals Srad,f auf einen neuen Wert eingestellt, so daß die abgestimmte
Wellenlänge des Laserstrahlenbündels einen anderen Wert annimmt. Als Folge wird die
Lage des Abtastflecks, die zentrale Position sm in dem Bildeinsatz in Figur 3 so
verschoben, daß die Mitte dieses Flecks wieder mit der Mittellinie des abgetasteten
Spurabschnitts übereinstimmt, wenn der Fleck hinsichtlich dieses Spurabschnitts zuvor
außerhalb der Spurmitte gelegen hat.
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Das Spurfolgefehlersignal für die elektrooptische Korrektur der
Fleckposition kann auch in anderer Weise erhalten werden, als anhand von Figur 3 beschrieben
wird. Beispielsweise kann das in der US-Patentschrift 3.876.842 beschrieben Verfahren
verwendet werden. Mit Hilfe zusätzlicher Strahlungsquellen oder mit einem Strahlteiler
werden zwei zusätzliche Strahlungsflecke erzeugt, die auf die beiden Ränder des
abgetasteten Spurabschnitts projiziert werden. Jedem dieser Strahlungsflecke ist ein eigener
Detektor zugeordnet worden, und die Differenz zwischen den Ausgangssignalen dieser
Detektoren stellt das Spurfolgefehlersignal dar. Dieses Signal kann auch mit dem
Abtaststrahlenbündel selbst erzeugt werden, indem zwei strahlungsempfindliche Detektoren
in dem Weg dieses von dem Aufzeichnungsträger kommenden Strählenbündels
angeordnet werden, wobei der Trennstreifen zwischen diesen Detektoren parallel zur
Spurrichtung liegt, und indem die Ausgangssignale dieser Detektoren verglichen werden, so wie
es beispielsweise in der US-Patentschrift 4.423.496 beschrieben wird.
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Die Wellenlänge der Strahlungsquelle kann nicht nur in der vorstehend
beschriebenen Weise abgestimmt oder moduliert werden, sondern auch in anderer
Weise. Wenn das Abstimmen nicht sehr schnell zu erfolgen braucht, kann die Wellenlänge
beispielsweise durch Veränderung der Temperatur eines Diodenlasers mit Hilfe
beispielsweise eines Peltier-Elements auf einen anderen Wert abgestimmt werden.
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Das Beugungsgitter kann ein Strahlung durchlassendes Gitter sein. Wie in
Figur 1 gezeigt wird, ist dieses Gitter vorzugsweise jedoch ein Reflexionsgitter, das das
Strahlenbündel unter einem Winkel von 90º reflektiert. Der größere Teil des
Strahlenganges verläuft dann horizontal, so daß die Montagehöhe für die Leseeinrichtung
klein ist. Der Vorteil der Verwendung eines Gitters als Reflektor liegt darin, daß der
Neigungswinkel α des Gitters kleiner als 45º ist, da eines der Strahlenbündel höherer
Ordnung als Abtaststrahlenbündel verwendet worden ist, so daß dieses Gitter nur wenig
Raum in vertikaler Richtung erfordert. Demzufolge kann die Montagehöhe für die
Abtastvorrichtung noch weiter verringert werden. Dies ist besonders für
Abtastvorrichtungen wichtig, die in optische Plattenspieler für Konsumentenanwendungen eingebaut
werden sollen, wobei die Spieler tragbar oder für den Einbau in Autos bestimmt sind.
Eine geringe Montagehöhe ist auch sehr günstig, wenn die Abtastvorrichtungen als
Abtastköpfe für einen optischen Plattenspeicher verwendet werden, der analog einem
magnetischen Plattenspeicher eine Vielzahl optischer Platten enthält, die jeweils mit
einem oder mehreren getrennten Abtastköpfen abgetastet werden.
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In Lese-/Schreibeinrichtungen für plattenförmige optische
Aufzeichnungsträger wird vorzugsweise ein Diodenlaser als Strahlungsquelle verwendet. Wie bekannt
ist, ist das aus der Vorderseite 23 eines Diodenlasers 7 tretende Strahlenbündel nicht
symmetrisch. Der Öffnungswinkel dieses Strahlenbündels in der lateralen Ebene, der
Ebene XZ parallel zum aktiven Streifen, ist beträchtlich kleiner als der Öffnungswinkel
in der transversalen Ebene, der Ebene XY quer zum aktiven Streifen, wie in Figur 1
gezeigt wird. In dieser Figur werden die Randstrahlen des Strahlenbündels in der
lateralen Ebene durch durchgezogene Linien und die Randstrahlen des Strahlenbündels in der
transversalen Ebene durch gestricheite Linien angedeutet. Im Bereich der
Kollimatorlinse 8 hat das Strahlenbündel b einen elliptischen Querschnitt. Um einen runden
Strahlungsfleck S in der Informationsebene 3 zu erhalten, muß das Strahlenbündel in ein
Strahlenbündel mit rundem Querschnitt umgeformt werden.
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Wie in Figur 1 gezeigt wird, kann die gewünschte Strahlenbündelformung
mit Hilfe des Beugungsgitters 14 unter einem kleinen Neigungswinkel α oder einem
großen Einfallswinkel γ realisiert werden. Da der Hauptstrahl h des Strählenbündels b
in der lateralen Ebene einen kleinen Winkel α mit der reflektierenden Fläche 14 bildet,
während das Strahlenbündel ba im wesentlichen in vertikaler Richtung reflektiert wird,
wird das letztgenannte Strahlenbündel in der lateralen Ebene hinsichtlich des
Einfallsstrahlenbündels b erheblich aufgeweitet. Unter Anpassung der Gitterperiode Pr kann der
Neigungswinkel α so gewählt werden, daß die laterale Breite des Strahlenbündels nach
Reflexion an dem Gitter gleich der transversalen Breite ist, die von dem Gitter
unverändert gelassen wird.
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In der Vorrichtung nach Figur 1 wird gleichzeitig die Montagehöhe mit
Hilfe des Gitters 14 verringert und das Strahlenbündel in der lateralen Ebene
aufgeweitet. Das Beugungsgitter kann jedoch auch allein für die Erfüllung einer dieser
Anforderungen eingesetzt werden.
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Bisher ist die Erfindung anhand einer Leseeinrichtung beschrieben
worden. Die Erfindung kann jedoch auch in einer Einrichtung zum Beschreiben eines
Aufzeichnungsträgers mit optischer Strahlung eingesetzt werden, wobei der
Aufzeichnungsträger mit einer zuvor angebrachten und optisch detektierbaren Servospur versehen ist,
die verwendet wird, um einen Schreibstrahlungsfleck einem genau festgelegten Weg
folgen zu lassen. Eine solche Schreibeinrichtung hat im Prinzip den gleichen Aufbau
wie die Leseeinrichtung. Das Abtaststrahlenbündel muß dann jedoch mit der
einzuschreibenden Information moduliert werden. Dies ist mit einem in dem Strahlengang
angeordneten optischen Modulator möglich oder durch Ansteuerung des Diodenlasers
mit Hilfe eines Steuerungssignals, das entsprechend der zu schreibenden Informationen
moduliert ist.
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Das Beugungsgitter ist vorzugsweise auf einem dreieckigen Prisma
angebracht, dessen zwei andere Flächen in Figur 1 mit 17 und 18 bezeichnet werden. Der
Winkel β zwischen den Flächen 17 und 18 beträgt vorzugsweise 90º, was die
Ausrichtung und Montage des Gitters erleichtert.
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Das Beugungsgitter kann ein Amplitudengitter sein und reflektierende
Streifen 15 und absorbierende oder strahlungsdurchlässige Streifen 16 enthalten. Das
Beugungsgitter ist jedoch vorzugsweise ein Phasengitter. Mit einem solchen Phasengitter
kann ein höherer Beugungswirkungsgrad erhalten werden als mit einem
Amplitudengitter. Das Phasengitter kann als sogenanntes Profilgitter ausgeführt sein, mit
beispielsweise Gitterrillen 15 und höher liegenden Gitterstreifen 16, wie in Figur 4 gezeigt wird.
Ein solches Gitter hat den Vorteil, daß es preiswert in Massenfertigung mit Hilfe
bekannter Preß- und Abdrucktechniken hergestellt werden kann, wenn eine die
Gitterstruktur
enthaltende Matrize vorhanden ist. Eine solche Matrize braucht nur ein einziges Mal
hergestellt zu werden.
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Das Phasengitter kann auch von einer Struktur aus nebeneinanderliegenden
Streifen gebildet werden, die abwechselnd eine erste mittlere Brechzahl und eine zweite
mittlere Brechzahl haben. Diese Struktur kann die Form eines sogenannten
Volumenhologramms oder dicken Hologramms mit einer Dicke von mehreren Millimetern haben.
Ein solches Hologramm wird erhalten, indem man zwei Strahlenbündel auf eine dicke
Platte aus speziellem photographischen Material einfallen läßt. Je nachdem, ob man ein
Reflexions- oder ein Volumenhologramm erhalten möchte, müssen die Strahlenbündel
auf verschiedene Seiten oder auf die gleiche Seite der Platte einfallen. Innerhalb dieser
Platte interferieren die Strahlenbündel miteinander, so daß eine Struktur
nebeneinanderliegender Streifen mit abwechselnd hoher und niedriger Intensität erzeugt wird. Durch
Entwicklung der Platte wird das Intensitätsmuster in ein Muster von Streifen mit
höheren und niedrigeren Brechzahlen umgesetzt. Figur 5 zeigt ein Volumenhologramm 14'
schematisch im Querschnitt.
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Die Differenz Δn zwischen der Brechzahl n&sub1; der Streifen 15' und der
Brechzahl n&sub2; der Streifen 16' beträgt beispielsweise 0,02, und n&sub1; und n&sub2; haben Werte
von beispielsweise 1,52 bzw. 1,54. In den meisten Fällen bilden die Streifen mit den
beiden Seiten 25 und 26 der Platte 14' einen von 90º abweichenden Winkel φ.
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Außerdem sind die Übergänge zwischen den Bereichen mit
unterschiedlicher Brechzahl im allgemeinen in der Praxis nicht so abrupt wie in Figur 5 gezeigt
wird, sondern die Brechzahl weist eine viel allmählichere Änderung auf, wie in Figur
5a gezeigt wird. In dieser Figur ist horizontal die Position e auf der Platte quer zu den
Streifen von Figur 5 und vertikal die Brechzahl n aufgetragen.
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Das durch das Objektiv tretende Strahlenbündel ba kann eines der
Teilbündel erster Ordnung sein. Diese Teilbündel haben von sich aus eine höhere Intensität als
die Teilbündel höherer Ordnung. Für ein von einem Beugungsgitter abgebeugtes
Teilbündel der Ordnung m gilt, daß der Sinus des Beugungswinkels δ proportional zu λ m/Pr
ist. Wenn für das Teilbündel ba ein Teilbündel der beispielsweise zweiten Ordnung
gewählt worden ist, ist die Periode Pr des Gitters 14 bei demselben Beugungswinkel δ
zweimal so groß, als wenn ein Teilbündel der ersten Ordnung gewählt wird. Unter
Umstanden ist es daher günstig, ein Teilbündel zweiter oder höherer Ordnung zu wählen,
weil das Beugungsgitter dann einfacher mit der geforderten Genauigkeit hergestellt
werden kann.
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Sowohl in dem Fall, daß ein Teilbündel zweiter oder höherer Ordnung
gewählt wird, als auch in dem Fall, daß ein Teilbündel erster Ordnunbg gewählt wird,
kann der Wirkungsgrad des Gitters für das gewählte Teilbündel durch Anpassung der
Gitterparameter erhöht werden. Unter dem Wirkungsgrad soll hier der Teil der auf das
Gitter fallenden Strahlungsstärke verstanden werden, der in der gewählten Ordnung
gebeugt wird. Im Falle eines Profilgitters sind die genannten Parameter die Tiefe der
Gitterrillen 15, die Steilheit der Wandung dieser Rillen und das Verhältnis der Breite
der Rillen 15 zu der Breite der Zwischenrillen 16. Optimierung der Gitterparameter
eines Profilgitters ist als "Blazing" bekannt. Figur 6 zeigt einen kleinen Teil einer
Ausführungsform eines solchen "blazed" Gitters 14" in vereinfachter Form. Es ist unter
anderem dafür gesorgt worden, daß die Teile der einfallenden Strahlungsbündels ba
soviel wie möglich auf Flächen 16" einfallen, die die Strahlung in der gewünschten
Richtung reflektieren.
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Auch für ein Brechzahl-Gitter, wie ein Volumenhologramm nach den
Figuren 5 und 5a, kann der Wirkungsgrad für die gewählte Beugungsordnung durch
optimale Wahl der Brechzahldifferenz Δn, des Neigungswinkels φ der Streifen und des
Verhältnisses zwischen den Breiten der Streifen 15' und 16' optimiert werden. Obwohl
das Strahlenbündel gebeugt wird, kann in erster Näherung angenommen werden, daß
die Optimierung des Beugungsgitters unter anderem bedeutet, daß die Gitterbereiche,
auf die die Strahlteile einfallen, eine solche Richtung haben, däß sie die Strahlung in der
gewünschten Richtung reflektieren.
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Wenn die wellenlängenabstimmbare Strahlungsquelle und das
Beugungsgitter nur zur Erzeugung des Abtastfleckwobbelns mit kleiner Amplitude verwendet
wird, wobei auch die Wellenlängenänderung sehr klein ist, und nicht zur Korrektur der
mittleren Abtastfleckposition, kann die Abtastvorrichtung erheblich vereinfacht werden.
Es ist dann nämlich möglich, ein Beugungsgitter mit eingebauter Linsenleistung zu
verwenden, so däß eine gesonderte Kollimatorlinse und ein Objektiv nicht mehr notwendig
sind. Ein solches Gitter hat gekrümmte Gitterlinien und eine variierende Gitterperiode.
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Figur 7 zeigt die vereinfachte Abtastvorrichtung in schematischer Form.
Figur 8 zeigt das Beugungsgitter in Vorderansicht. Der Krümmungsradius der
Gitterstreifen 15 nimmt in der einen Richtung monoton zu. Die Gitterperiode Pr nimmt in
derselben Richtung monoton ab. In Figur 8 wird nur ein Gitterstreifen 15 für jeweils q
Gitterperioden gezeigt. Der Abstand zwischen den gekrümmten Streifen 15 in Figur 8
ist also q Pr. Das Gitter nach Figur 8 kann beispielsweise holographisch durch
Belichtung einer Platte holographischen Materials am Ort des Gitters mit einem
divergierenden Strahlenbündel aus einer Punktquelle am Ort eines Abtastflecks S und einem dem
Bündel b entsprechenden Strahlenbündel und durch Entwicklung dieser Platte hergestellt
worden sein. Dieses Gitter wird daher auch als holographisches (Gitter-)Objektiv
bezeichnet.
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Wegen der Abwesenheit eines Objektivs hat die Ausführungsform einer
Abtastvorrichtung, wie sie in Figur 7 gezeigt wird, eine sehr niedrige Montagehöhe.
Außerdem kann die Vorrichtung sehr leicht sein. Die Positionierung des Abtastflecks
kann daher mit der gewünschten Geschwindigkeit und Genauigkeit hergestellt werden,
indem ein Halter, in dem die Elemente 7 und 14 angeordnet sind, verschoben wird.
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Auch wenn ein lineares Gitter verwendet wird, d.h. ein Gitter mit geraden
Gitterstreifen und einer konstanten Gitterperiode, kann die Vorrichtung durch
Integration des Objektivs mit dem Prisma, in dem das Gitter sich befindet, vereinfacht und ihre
Höhe verringert werden.
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Figur 9 zeigt eine erste Ausführungsform eines solchen integrierten
Elements. Diese Figur zeigt in einem lateralen Querschnitt ein dreieckiges Prisma mit
einem rechten Winkel, wobei das Beugungsgitter an seiner schrägen Seite angebracht
ist. Das Prisma in Figur 9 ist anders orientiert als das Prisma in Figur 1, nämlich so,
daß das Strahlenbündel ba über die Fläche 17 in das Prisma eintritt und es über die
Fläche 18' nach Reflexion durch das Gitter verläßt. Die Austrittsfläche ist keine ebene
Fläche wie Fläche 18 aus Figur 1, sondern eine gekrümmte Fläche, die infolge ihrer
Krümmung Linsenwirkung aufweist und daher das Objektiv 9 von Figur 1 ersetzen
kann.
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Wie unter anderem in der US-Patentschrift 4.668.066 beschrieben ist,
kann das Objektiv in einer Abtastvorrichtung für plattenförmige Aufzeichnungsträger
durch ein Einzellinsenelement gebildet werden. Dieses Element muß jedoch mindestens
eine asphärische Fläche haben, um einen Abtastfleck bilden zu können, der frei von
Aberrationen ist. Eine solche Korrektur muß auch in dem
Objektivbeugungsgitterelement von Figur 6 eingebracht werden. Dies kann erreicht werden, indem der
gekrümmten Fläche eine asphärische Form 18" gegeben wird, wie durch die gestrichelte Linie
angegeben, anstelle einer sphärischen Form 18'.