DE69834709T2

DE69834709T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Lesen/Aufzeichnen von Daten aus einem bzw. in einen dreidimensionalen Informationsträger

Info

Publication number: DE69834709T2
Application number: DE69834709T
Authority: DE
Inventors: Boris Glushko; Vladimir Krupkin
Original assignee: D Data Inc
Current assignee: D Data Inc
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: WO1999010881A1; AU8883898A; EP0934587A1; EP0934587B1; EP0934587B9; DE69834709D1; JP2001504974A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Abtasttechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lesen/Aufzeichnen von Daten aus einem bzw. in einen dreidimensionalen Informationsträger.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei den meisten bekannten Informationsträgern, etwa magnetischen und optischen Disk, Bändern, Karten usw., wird die gespeicherte Information in der Oberfläche des Trägers verteilt. Die Kapazität eines derartigen Gerätes (d. h. einer zweidimensionalen Speichereinheit) ist durch die Fläche der Oberfläche begrenzt und ist umgekehrt proportional zu der zweiten Ordnung der Lesestrahlenwellenlänge.
Es besteht eine zunehmende Forderung nach billigen und zuverlässigen Trägern digitaler Information für Computer, Videosysteme, Multimedia usw. mit großer Kapazität und bezüglich Datenspeichern mit einer hohen Dichte in optischen Medien, insbesondere für CD-ROM-Daten und Dokumenten für eine Bild/Laufbildspeicherung in Disk von einer CD-Größe. Ein solcher Träger könnte einer Speicherkapazität über 10¹⁰ Bytes, eine schnelle Zugriffszeit, eine hohe Übertragungsrate und Langzeitstabilität haben. Optische Verfahren zum Aufzeichnen und Auslesen von Information haben gegenüber magnetischen Verfahren Vorteile aufgrund der geringeren Anforderungen bezüglich der Komponenten und der Umgebung und der Möglichkeit zum parallelen Aufzeichnen der Information, die für eine Massenproduktion solcher Träger von Vorteil ist.
Es gibt zwei Verfahren zum Erhöhen der Speicherkapazität eines optischen Informationsträgers. Ein Ansatz basiert auf der Tatsache, dass die Größe des Beleuchtungspunkts umso kleiner ist, umso kürzer die Wellenlänge der Aufzeichnungsstrahlung ist. Durch Verringern der Wellenlänge λ der Aufzeichnungsstrahlung kann so die Dichte der gespeicherten Daten erhöht werden. Die Speicherkapazität einer optischen Disk ist durch einen Wert N Bits diffraktionsbegrenzt, wobei N = Scheibenfläche/λ², da nur ein Binärwert in einem diffraktionsbegrenzten Bildpunkt gespeichert wird. Eine quadratische Erhöhung der Kapazität kann unter Verwendung einer „Superauflösung" bei Bruchteilen der Wellenlänge erreicht werden. Eine hohe Informationsdichte wird erhalten, wenn 3–5 Bits in einem einzelnen Datenbereich gespeichert werden, als eine kleine Variation der Länge des Datenbereichs um die Diffraktionsgrenze. Dieses Verfahren verlangt präzise optische, mechanische und elektronische Komponenten als auch Hochqualitätsmedien, seine Kapazität ist daher durch die Wirtschaftlichkeit begrenzt.
Ein anderer Ansatz der Erhöhung der Speicherkapazität von digitalen Datenträgern basiert auf dem Herstellen von Stapeln von zwei Disk. Dieser Ansatz hat die folgenden Nachteile:

(1) Datenbereiche sind Licht reflektierend, was zu einer unerwünschten mehrfachen Reflektion bei dem Auslesen der gespeicherten Information führt;
(2) Leistungsverluste bei jeder Informationsscheibe aufgrund des Fortschreitens von lesenden und reflektierten Strahlen auf bzw. von den inneren Disk;
(3) Interferenzen zwischen den von unterschiedlichen Disk reflektierten Strahlen;
(4) Diffraktion von Strahlen, die durch die Disk laufen;
(5) Strahldistortion aufgrund der optischen Abweichungen, die bei einem Wechsel des optischen Wegs des Lesestrahls innerhalb des Trägers zum Lesen unterschiedlicher Informationsebenen, d. h. unterschiedlicher Disk auftreten; und
(6) es sind hochqualitative optische Klebstoffe zum Verbinden der Stapel von Disk erforderlich, die weder Aberrationen, Bläschen, Ablösungen, Einschlüsse haben noch eine mechanische, thermische oder chemischen Belastungen der Disk bewirken.

Die Informationskapazität eines gespeicherten Informationsträgers ist in der Praxis auf 10¹⁰ Bytes begrenzt. Ein Beispiel eines derartigen Informationsträgers ist die bekannte DVD in der Form eines Stapels bestehend aus zwei Informationsdisk. Die Disk werden miteinander an ihren Rückseiten befestigt, um die Kapazität des Trägers zu verdoppeln.
Ein anderer Ansatz besteht in dem Bewirken einer dreidimensionalen Verteilung von Datenbereichen in einem Informationsträger, d. h. in einer dreidimensionalen optischen Speichereinheit. Die Kapazität einer dreidimensionalen Speichereinheit ist proportional zu der dritten Ordnung der Wellenlänge des Lesestrahls. Die Volumenverteilung von gespeicherter Information erhöht die Speicherkapazität signifikant, verglichen mit derjenigen einer zweidimensionalen Einheit. Die Gesamtdicke einer dreidimensionalen optischen Speichereinheit kann beispielsweise 1 mm betragen und kann aus Informationsschichten mit einer Dicke von 0,01 mm bestehen. Die Speicherkapazität dieser Einheit ist 100 mal größer als die Kapazität einer einzigen Einheit.
Es versteht sich, dass die Speicherkapazität der Speichereinheit umso größer ist, umso mehr Informationsschichten vorhanden sind. Die maximale Anzahl von Informationsschichten hängt jedoch von einer geeigneten Lesetechnik ab zum Auslesen der gespeicherten Information. Die Leseverfahren basieren jedoch auf den Grundprinzipien der Konstruktion der optischen Speichereinheit.
Ein dreidimensionaler Informationsträger und eine Leseeinheit für diese werden beispielsweise in dem US Patent Nr. 4,090,031 offenbart. Dieser Informationsträger weist ein Substrat und eine Mehrzahl von Datenschichten auf, die auf einer Seite des Substrats vorgesehen sind. Jede der Schichten weist Datenspuren auf, die als Linien von Datenpunkten gebildet sind. Die Datenpunkte werden entweder aus binärkodierter digitaler Information oder frequenz- oder impulslängen-modulierter analoger Information gebildet, die fotographisch aufgezeichnet wird. Nach einem Ansatz, der in dem oben genannten Patent offenbart ist, sind die Datenpunkte lichtreflektiv, gebildet aus einem lichtreflektierenden metallischen Material mit einem Reflektionsindex, der von demjenigen der Schichten unterschiedlich ist. Die Selektion einer Datenspur zum Lesen wird durch Ändern des Fokus eines Leselichtstrahls von einer Datenschicht zu einer anderen bewirkt. Der Hauptnachteil dieses Ansatzes ist die unvermeidbare mehrfache Reflektion und Diffraktion, die durch unterschiedliche Schichten erzeugt wird, was zu einem unerwünschten Übersprechen, das das Signal/Rausch-Verhältnis betrifft, führt. In der Praxis kann daher ein derartiger „reflektiver" dreidimensionaler Informationsträger nicht mit mehr als zwei bis drei Informationsschichten gebildet werden. Die Information, die in einem „reflektiven" Informationsträger aufgezeichnet wird, ist, mit anderen Worten, zu begrenzt. Bei einem alternativen Ansatz, bei dem die Datenpunkte aus unterschiedlichen photolumineszenten Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften bestehen, vorgeschlagen. In diesem Fall schließt das Illuminationsmittel eine geeignete Quelle von „weißem" Licht mit vielen Frequenzen auf, um unterschiedliche Schichten durch Lesestrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu beleuchten. Das Detektionsmittel weist unterschiedliche Farbfilter auf, die vor mehreren Detektoren angeordnet sind, wobei jeder einer bestimmten Datenschicht zugeordnet ist. Es ist offenbar, dass diese Technik die Herstellung sowohl des Informationsträgers als auch der damit verwendeten Leseeinrichtung signifikant kompliziert.
Ein anderer dreidimensionaler Informationsträger ist in dem US Patent 5,268,862 offenbart, bei dem ein fluoreszentes Material mit besonderen Eigenschaften als ein aktives, Daten beinhaltendes Material verwendet wird. Insbesondere beinhaltet das aktive Material photochromatische Moleküle in zwei isomerischen Formen. Die erste isomerische Form „A" ist nicht fluoreszent, es hat für ultraviolette Strahlen absorbierende Bänder und wird in die zweite Form „B" unter Absorption von zwei sichtbaren Photonen übertragen. Die Form „B" absorbiert die beiden Photonen der Lesestrahlen und fluoresziert in dem infraroten Bereich. Ein Zwei-Photon Absorptionsvorgang wird zum Schreiben von Information in das Medium verwendet. Die fokussierten Strahlen werden in dem Bereich mit Dimensionen von λ³ gekreuzt, wobei jeder Strahl durch einen Lichtimpuls in Picosekundenlänge oder Femtosekundenlänge gebildet wird, um die Intensität zu schaffen, die für den Schreib- und Lesevorgang erforderlich ist. Das heißt, dass die beiden Impulse bezüglich der Zeit einander überlappen sollten. Entsprechend hat dieser Ansatz eine Reihe von Nachteilen, die eine praktische Realisierung kaum erlauben. Zunächst verlangt der Zwei-Photonenansatz Leseimpulse von extrem hoher Intensität, nämlich I ~ 10¹² – 10¹³ W/cm², was wiederum erfordert, dass die Impulsbreite in Femtosekunden von Ti:Saphierlasern erfordert. Zweitens wären die Schnittpunkte in μm Größe der beiden fokussierten Laserstrahlen, die erforderlich sind zum Auslesen der gespeicherten Information praktisch sehr schwierig oder unmöglich zu verwirklichen. Drittens existiert ein zuverlässiges, stabiles photochromisches Material, das mehreren Schreib/Lösch/Lese-Zyklen bei Raumtemperatur übersteht und optische Eigenschaften aufweist, die mit den existierenden Miniatur (Dioden) Laserquellen kompatibel sind, bisher nicht. Ein weiteres Problem ist die lange Zeit, die erforderlich ist, um Informationen auf die Disk zu schreiben, die etwa 10⁵ Sekunden beträgt, wenn eine optimistische Schreibrate von 10⁶ Bits/Sek. erreicht wird. Dies macht die Lösung, die in dem Patent vorgeschlagen wird, auch bei einer Massenproduktion sehr teuer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend besteht Bedarf, die üblichen Lese/Schreib-Techniken durch ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zu verbessern, die dazu in der Lage sind, in einem dreidimensionalen Informationsträger zu lesen bzw. aufzuzeichnen.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein Übersprechen zwischen einer adressierten Informationsschicht und aller anderen Schichten signifikant verringert, wodurch die zulässige Anzahl der Informationsschichten erheblich erhöht wird.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Abtastvorrichtung für Leseinformation in einem Informationsträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen der Information in einem dreidimensionalen Informationsträger mit den Merkmalen nach Anspruch 14 geschaffen.
Insbesondere wird die vorliegende Erfindung mit einer mehrschichtigen optischen Disk zum Lesen der Information, die auf dieser gespeichert wird, verwendet, und wird daher im Folgenden unter Bezug auf diese Anwendung beschrieben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Erfindung zu verstehen und um zu erkennen, wie diese in der Praxis verwendet wird, wird im Folgenden ein bevorzugtes, jedoch nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1a und 1b schematisch die Hauptprinzipien des Lesens von Information in einem dreidimensionalen fluoreszenten Informationsträger;
2a ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten nach einer Lesevorrichtung, die nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung konstruiert ist;
2b ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten nach einer Lesevorrichtung, die nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung konstruiert ist;
3 mehr Einzelheiten der Aufbauten eines Strahlteilers, der für die Vorrichtung entweder von 2a oder 2b geeignet ist;
4a und 4b schematisch die wesentlichen Betriebsweisen der Vorrichtung entweder von 2a oder 2b;
5a und 5b schematisch zwei unterschiedliche Beispiele von Abtastbereichen, die von der Vorrichtung entweder von 2a oder 2b erhalten wird;
6 in mehr Einzelheiten den Aufbau einer Blende, die zur Verwendung bei einer Vorrichtung entweder von 2a oder 2b geeignet ist;
7 schematisch die wesentlichen Grundlagen, die der Implementation der Konstruktion der Blende von 6 zugrunde liegen;
8 eine weitere Konstruktion eines Strahlspalters, der bei der Verwendung in der Vorrichtung nach den 2a und den 2b geeignet ist;
9 ein Blockdiagramm, das eine Lesevorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt;
10 schematisch eine Lesevorrichtung, die nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
11 in mehr Einzelheiten den Aufbau eines Polarisierers der Vorrichtung von 10; und
12 ein Blockdiagramm, das im wesentlichen die Komponenten einer Lesevorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Zur besseren Verdeutlichung des einzigartigen Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionaler optischer Speicher, der fluoreszente Datenbereiche verwendet, d. h., Bereiche, die in Antwort auf vorgegebene einfallende Strahlung erregbar sind. 1a zeigt schematisch eine dreidimensionale optische Disk, die allgemein mit 1 bezeichnet ist. Diese weist verschiedene Informationsschichten, beispielsweise drei Schichten L₁, L₂ und L₃ auf, die auf einem Substrat 2 ausgebildet sind. Die Dicke d jeder Informationsschicht ist etwa 0,3–20μm. Die benachbarten Informationsschichten sind Zwischenschichten L⁽¹⁾ bzw. L⁽²⁾, die aus einem im wesentlichen optisch transparenten Material bestehen. Die Dicke L jeder Zwischenschicht ist in der Dicke ungefähr 5–500μm.
Die Information, die auf der Informationsschicht gespeichert ist, beispielsweise der Schicht L₁ ist, wie sich besser aus 1b ergibt, in Form eines Musters mit einer Mehrzahl von nacheinander beabstandeten Datenbereichen allgemein bei R_r, das ein fluoreszierendes Material beinhaltet, die durch umgebende, im wesentlichen optisch transparente Bereiche R_t beabstandet sind. Derartige Speicher und Verfahren zu deren Herstellung sind in der US-Patentanmeldung 08/956,052 beschrieben, die dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen worden ist.
Wenn die Disk 1 durch eine vorgegebene einfallende Strahlung beleuchtet wird, entsteht eine Wechselwirkung der fluoreszenten Bereiche R_f mit der einfallenden Strahlung, die durch Anregung eine ausgehende fluoreszente Strahlung erzeugt. Zurück zu 1a: Ein Abtaststrahl einer geeigneten eingehenden Strahlung, allgemein als B_r bezeichnet, wird durch eine Objektivlinse OL auf eine angesteuerte Schicht, beispielsweise die Schicht L₂ gerichtet, die in der Brennebene P₁ der Linse angeordnet ist. Der optische Weg des einfallenden (Lese-)Strahls B_r im Inneren der Disk 1 schließt fluoreszente Bereiche R_f ⁽¹⁾, R_f ⁽²⁾ und R_f ⁽³⁾, die oberhalb, in bzw. unterhalb der angesteuerten Ebene angeordnet sind, ein. Alle diese Bereiche erzeugen ausgehende Fluoreszenzstrahlen, allgemein mit B_r bezeichnet. Lediglich die fluoreszierende Strahlungskomponente, die von dem Datenbereich R_r ⁽²⁾ erzeugt wird, die in der angesteuerten Ebene angeordnet ist, stellt ein zuerkennendes Signal dar (d. h. „Fluoreszenzsignal"), während die fluoreszenten Strahlungskomponenten, die durch die nicht angesteuerten Datenbereiche R_f ⁽¹⁾ und R_f ⁽²⁾ erzeugt werden, ein Rauschen darstellen, das auszubilden ist (d. h. „Rauschfluoreszenz"). Zusätzlich kann, obwohl nicht besonders dargestellt, eine reflektierte Strahlung auftreten, da Unterschiede beispielsweise im Refraktionsindex, die durch ein Klebematerial, das zum Anbringen der Schichten aufeinander verwendet worden ist, bewirkt ist. Die reflektierte Strahlung repräsentiert weiter ein Rauschen, das auszufiltern ist (d. h. eine „Rauschreflektion").
Es wird jetzt auf 2a Bezug genommen, wo eine Lesevorrichtung, allgemein mit 3 bezeichnet, gezeigt ist, die nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, die zum Auslesen von auf der Disk 1 gespeicherten Fraktion geeignet ist. Die Vorrichtung 3 weist eine Beleuchtungseinheit auf, die allgemein mit 4 bezeichnet ist, eine Licht bündelnde Optik 6 und eine Detektoreinheit 8 auf. Ein geeigneter Antrieb, mit 10 bezeichnet, ist typischerweise zum Bewirken der Drehung der Scheibe 1 um ihre Achse und zum Antreiben einer Hin- und Herbewegung der Disk 1 in Bezug auf die Lesevorrichtung 3, um so das Abtasten der angesteuerten Schicht zu bewirken, vorgesehen.
Die Beleuchtungseinheit 4 weist eine Lichtquelle 12 in Form einer Laserdiode auf, die einen Lesestrahl B_r einer Wellenlänge λ₀ aufweist. Die Wechselwirkung zwischen dem Lesestrahl B_r und den fluoreszierenden Datenbereichen R_f erzeugt eine fluoreszierende Strahlung B_r mit einer Wellenlänge λ₁, die von derjenigen des Lesestrahls unterschiedlich ist.
Die das Licht richtende Optik 6 weist einen Strahlteiler 14, Konvergenzlinsen 16 und 18, die auf gegenüberliegenden Seiten des Strahlteilers 14 derart angeordnet sind, dass die Lichtquelle 12 und die angesteuerte Schicht L₂ in den Brennebenen P₀ und P₁ der Linsen bzw. 18 angeordnet sind. Die Linse 16 richtet so die Lesestrahlung B_r in Form eines parallelen Strahls auf den Strahlteiler 14, während die Linse 18 den Lesestrahl auf einen Punkt 20 (der einen Abtastbereich bildet) in der Brennebene P₁1 fokussiert, die Coinzident mit der angesteuerten Schicht L₂ (unter Verwendung einer geeigneten Auto-Fokus-Technik) beibehalten wird. Eine ähnliche bildgebende Linse wird in dem optischen Weg der fluoreszierenden Strahlung B_f, die in Richtung auf die Detektoreinheit 8 fortschreitet, angeordnet.
Die Detektoreinheit 8 weist einen geeigneten Sensor 24, ein Spektralfilter 26 und eine Öffnung 28 (die ein optisches Filter bildet) auf. Das Filter 26 kann von jeder bekannten Art sein, die so arbeitet, dass sie das Fortschreiten des bekannten Spektrums der Fluoreszenzstrahlung erlaubt und jede andere Strahlung an deren erkannt werden durch den Sensor 24 hindert. Die letztgenannten Operationen sind von üblicher Art zur Schaffung eines elektrischen Ausgangs, das den empfangenen Strahlungskomponenten entspricht. Die Öffnung 28 ist typischerweise eine Strahlung sperrende Platte 29a, die durch eine Strahlung durchlassende Bohrung 29b versehen ist, die Einzelheiten werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben. Die Öffnung 28 ist in einer Brennebene P₂ der bildgebenden Linse 22 angeordnet und definiert eine Sensorebene 24a.
In dem obigen Beispiel weist die das Licht ausrichtende Optik 6 Linsen 16, 18 und 22 auf, die eine Lichtquelle 12 haben, die angesteuerte Ebene und eine Empfangsfläche 24 in ihren jeweiligen Brennebenen. 2b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Lesevorrichtung 30, die im wesentlichen derjenigen der Vorrichtung 3 ähnlich ist, wobei die Lichtausrichtungsoptik 36 etwas unterschiedlich konstruiert ist. Dieselben Bezugszeichen werden zum Angeben derjenigen Komponenten, die mit denen der Einrichtungen 3 und 30 identisch sind, verwendet, um das Verständnis zu erleichtern. Die Fokussierlinsen 16, 18 und 20 der Vorrichtung 3 sind hier durch eine einzige Sammellinse 37 ersetzt. Die Linse 37 projiziert typischerweise die Lichtquelle 12, die in der Ebene P₀ angeordnet ist auf den Punkt 30, der auf einer Ebene P₁ angeordnet ist und richtet die Strahlung, die von dem Punkt kommen, auf eine Bildebene P₂. Die Ebenen P₀, P₁ und P₂ sind hier, wie auch in dem Beispiel von 2a, drei konjugierte Ebenen.
Es wird jetzt auf die 2a, 2b und 3 Bezug genommen. Der Strahlteiler 14 ist mit Zonen 14a und 14b mit interschiedlichen Eigenschaften bezüglich der auftreffenden Strahlung B_r und der fluoreszierenden Strahlung B_f ausgebildet. Die Zonen 14a und 14b sind relativ nahe zu und beabstandet von der optischen Achse OA angeordnet, die jeweils durch die Optik 6 begrenzt werden. Die kreisförmige Zone 14a ist für alle Wellenlängebereiche (d. h. sowohl für die Lesestrahlung und für die fluoreszierende Strahlung B_r und B_f) besser durchlässig. Die Weiterleitungszone 14a kann eine Durchgangsbohrung sein, die in dem zentralen Bereich des Strahlteilers 14 ausgebildet ist. Wie bei der ringförmigen Zone 14b blockiert sie die eingehende Strahlung durch seine eine Seite, die zu der Lichtquelle 12 weist und hat eine reflektierende, gegenüberliegende Seite, die zu der Disk 1 weist. Der Strahlteiler 14 ist, mit anderen Worten, in Form eines ringförmigen Spiegels. Es ist zu beachten, dass die Ringform eine optionale Lösung ist, die in Bezug auf die Symmetrie und Wirksamkeit bevorzugt ist.
Die 4a und 4b zeigen den Betrieb des Strahlteilers 14 bezüglich des auftreffenden Strahls B_r, der auf diesen fällt. Der Strahlteiler schneidet einen Bereich des auftreffenden Strahls B_r weg, führt ihn in einen peripheren Bereich relativ zu der optischen Achse OA und erlaubt die Passage eines Abschnitts des Strahls B_r, der in einen parallelen Bereich auf der optischen Achse OA durch die Übertragungszone 14a fortschreitet. Der übertragene Abschnitt des dieses Strahls B_r, der von der Linse 18 (2a) auf einen Punkt 20 projiziert wird, schreitet in die Brennebene P₁ fort mit einem bestimmten festen Winkel, der einen oberen Kegel C₁ definiert und weiter (in Richtung auf den Boden der Scheibe 1) in einen ähnlichen unteren Kegel C₁. Der Strahl B_r wirkt mit den fluoreszierenden Bereichen Rf₁, die in der Vorfokussierungsschicht L₁ angeordnet ist mit dem im Fokus liegenden fluoreszenten Bereich Rf₂ und den fluoreszierenden Bereichen Rf₃, die in der hinter dem Fokus liegenden Schicht L₃. Diese Bereiche erzeugen die fluoreszierenden Strahlungskomponenten im wesentlichen bei B_f, die von der Linse 18 gesammelt und auf den Strahlteiler 14 gerichtet werden.
Die Lesestrahlung wird durch eine gerichtete Strahlungsquelle erzeugt, im vorliegenden Beispiel durch eine Laserdiode. Die gesamte Lesestrahlung B_r schreitet mit einem bestimmten festen Winkel voran und kann innerhalb der numerischen Apertur NA bis 0,2–0,4 ohne Intensitätsverluste begrenzt werden. Der feste Winkel des Fortschreitens (die Kegel C₁) der Lesestrahlung B_r im Inneren der Scheibe 1 (d. h. der Flächenbereich der Wechselwirkung zwischen der Lesestrahlung und dem Inneren der Disk wird durch die numerische Apertur des Fortschreitens des Leselichts definiert. Eine reflektierte Strahlung würde im wesentlichen innerhalb desselben oberen Kegels C₁ fortschreiten und wird daher zurück durch die Zone 14a übertragen werden.
Da die ausgestrahlte fluoreszierende Strahlung B_r nicht gerichtet ist, schreitet sie von ihrer Quelle (dem erregten fluoreszenten Bereich R_f) in alle Richtungen aus. Die Menge der fluoreszierenden Strahung B_r, die im wesentlichen entlang der optischen Achse OA fortschreitet (mit der numerischen Apertur zu 0,2–0,4), d. h. innerhalb des oberen Kegels C₁ ist klein verglichen mit der fluoreszierenden Strahlung, die zu der optischen Achse OA mit der numerischen Apertur NA von 0,2–0,4 bis zu 0,6–0,7 innerhalb eines ringförmigen Kegelsegments C₂ fortschreitet. Durch Sammeln nur der Komponenten der fluoreszierenden Strahlung, die innerhalb des Kegelsegments C₂, die zu der optischen Achse OA geneigt ist. sind die Energieverluste akzeptabel.
Die Fluoreszenzstrahlung R_r, die auf den Spiegel 14 auftrifft, wird durch die Zone 14a übertragen und von der Zone 14b reflektiert. Es versteht sich, dass, obwohl nicht gesondert gezeigt, lediglich die Fluoreszenzstrahlungskomponenten, die an dem Brennpunkt erzeugt werden, d. h. den adressierten Fluoreszenzbereich Rf₂, von der Linse 18 parallel zu seiner optischen Achse OA verlaufen und daher auf die reflektive Zone 14b unter einem bestimmten Winekl (in dem vorliegenden Beispiel von 2a 45°) auftreffen. Die bei den anderen Fluoreszenzstrahlungskomponenten werden an außerhalb des Fokus liegenden Orten erzeugt und treffen daher auf den Spiegel 14 unter anderen Winkeln als die im Fokus erzeugten Komponenten. Zurück zu 2a. Eine optische Achse OA₁ der bildgebenden Linse 22 ist senkrecht zu der optischen Achse OA, d. h. parallel zu denjenigen Fluoreszenzstrahlungskomponenten, die von dem Spiegelabschnitt 14a unter dem bestimmten Winkel (d.h. 45°) reflektiert werden. Infolgedessen würden die Fluoreszenzstrahlungskomponenten, die auf die bildgebende Linse 22 parallel zu der optischen Achse OA₁ auftreffen, die Brennebene P₂ schneiden, d. h. an dem Ort der empfangenen Fläche 24a.
Um die gespeicherte Information erfolgreich auszulesen, verwendet der Apparat 3 einen diffraktionsbegrenzten Beleuchtungskanal und, falls erforderlich, einen diffraktionsbegrenzten Empfangskanal. Die 5a und 5b zeigen zwei unterschiedliche Beispiele von diffraktionsbegrenzt beleuchteten Punkten, die in der Vorrichtung 3 erzeugt werden können. Der Durchmesser des Beleuchtungspunkts 20 ist, wie 5a zeigt, ausreichend klein, um wenigstens einen Abschnitt von nur einem Fluoreszenzbereich R₁ abzudecken. Wenn l die durchschnittliche Länge des Fluoreszenzbereichs ist, t ein Spurabstand und D₀ der Durchmesser des beleuchteten Punkts 20, gilt die folgende Bedingung: D₀ ≤ l und D₀ < 2t. In diesem Fall kann die Blende 28, die in dem Empfangskanal angeordnet ist, eine relativ große Lochblende 29b haben (2a) relativ zu den Dimensionen des Punkts 20 und zu dem Teil seines Bildes, das von der Empfangsfläche 24a empfangen wird. Theoretisch ist die Vorsehung einer solchen Blende optional. Bei dem Fehlen der Blende 28 wird die Empfangsfläche 24a durch die (nicht gezeigten) Messfläche des Sensors 24 gebildet.
Nach dem Beispiel von 5b ist die Lichtquelle nicht-kohärent, auch nicht-monochromatisch (beispielsweise eine LED-Lichtquelle) und der beleuchtete Punkt 20 deckt daher mehrere Fluoreszenzbereiche ab. In diesem Fall ist der Durchmesser der Lochblenden 29b im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Bildes des Fluoreszenzbereichs, der in dem beleuchteten Punkt 20 liegt, empfangen an der Empfangsfläche 24a (wobei eine gewisse Vergrößerung berücksichtigt wird, die durch die optischen Elemente bewirkt wird).
Die 6 und 7 zeigen die Hauptprinzipien, die der Implementation und dem Betrieb der Öffnung 28 zugrunde liegt. Um das Verständnis zu erleichtern, wird die adressierte Schicht als L₃ gewählt. Die Lesestrahlung B_r beleuchtet so den Punkt 20 in der adressierten Schicht L₃ und die Punkte S₂ und S₁ in den oberen Schichten L₂ bzw. L₁. Die Lochblende 29b hat einen Durchmesser A₀, der etwas größer ist als der Durchmesser A₁ des Bildes 36 eines Fluoreszenzbereichs, der innerhalb des beleuchteten Punkts 20 in der adressierten Schicht L₃ liegt. Der Durchmesser A₀ der Lochblende 29b sollte jedoch kleiner sein als das Bild des Spurabstands (nicht gezeigt). Ringe 38 und 40 haben Innendurchmesser A₂, bzw. A₃, sie sind Bilder der beleuchteten Punkte S₂ und S₁, die in den Schichten L₂, bzw. L₁ angeordnet sind.
Aufgrund dessen spielt der Strahlteiler 14 die beiden folgenden Rollen:

1.) Er hindert den Sensor 24 an dem Empfangen einer Strahlung, die von der Scheibe 1 reflektiert wird. Der Strahlteiler 14 trennt die optischen Wege der Lesestrahlung und der Fluoreszenzstrahlung und reflektiert lediglich die Fluoreszenzstrahlung zurück zu dem Sensor 24;
2.) Er sorgt für die Abstandstrennung der „Signalfluoreszenz" und der „Rauschfluoreszenz" an der konjugierten Ebene P₂ (die Empfangsebene 24a). Die Fluoreszenzstrahlung, die von jeder nicht in dem Brennpunkt liegenden Schicht kommt („Rauschen") wird in die Ebene P₂ in Form eines Rings mit einem Innendurchmesser, der größer ist als die Lochblende 29b projiziert. Die Fluoreszenzstrahlung, die von der Schicht in der Brennebene kommt („Signal") wird dagegen auf die Ebene P₂ in Form eines diffraktionsbegrenzten Punkts projiziert.

Zurück zu den 6 und 7. Der Innendurchmesser des Rings 38, der durch die Strahlung, die von der Schicht L₂ benachbart zu der im Brennpunkt liegenden Schicht L₃ gebildet wird, kann wie folgt dargestellt werden: A2 = 2L(NAr)(f2/f1) (1) wobei NA_r die numerische Apertur des Fortschreitens der auftreffenden Strahlung ist, f₁ und f₂ die Brennweite der Objektivlinse 18, bzw. der Bildlinse 22 sind, so dass f₂ > f₁.
Die Ringe, die durch das Licht, das von außerhalb der Brennebene liegenden Schichten kommt, haben Durchmesser der Größe Ai = i A₂, wobei i = 2, 3, .... Die Lochblende 29b hat den Durchmesser A₁, der der folgenden Bedingung genügt: λ_f < A₀ < A₁. Er wird in der Fokusebene der Bildlinse 22 platziert und überträgt die Strahlung, die von dem Punkt kommt an die adressierte Schicht und schneidet Licht, das von allen außerhalb der Brennweite liegenden Schichten kommt, ab. Dies führt zu einem zu vernachlässigenden Übersprechen zwischen den benachbarten Schichten. Das Signal/Rausch-Verhältnis kann wie folgt abgeschätzt werden: S/N ≈ f2 2 A2 4 (NA)f 2/f1 2 A0 4 (NA)r 2 ~ 104 (2)
Es ist wichtig zu erwähnen, obwohl dies nicht eingehend dargestellt ist, dass aufgrund der Tatsache, dass die ausgehende Fluoreszenzstrahlung in alle Richtungen von ihrer Quelle (d. h. dem Fluoreszenzbereich) fortschreitet, die Detektoreinheit an der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein könnte, verglichen zu derjenigen der Anordnung der Beleuchtungseinheit. Der Nachteil, der durch eine solche Anordnung der Detektoreinheit verursacht wird, ist das Erfordernis von besonderen Lichtsammeloptiken auf derselben Seite wie der Detektoreinheit.
Der Spiegel 14 in den Einrichtungen 3 und 30 könnte durch einen dichroitischen, selektiv reflektiven Strahlteiler 114 ersetzt werden, der schematisch in 8 gezeigt ist. Der Strahlteiler 114 ist, ähnlich dem Strahlteiler 14, mit einer zentralen Bohrung 114a ausgebildet, der eine Übertragungszone bildet und eine Umgebungszone 114b. Eine Vorderseite 115 der Zone 114b (bezüglich der Richtung des Fortschreitens der auftreffenden Strahlung) hat eine absorbierende (schwarze) äußere Fläche 115a und eine reflektive (d.h. aus Aluminium bestehende) Beschichtung auf seiner Innenfläche 115b. Die reflektive Beschichtung wird durch ein Material 116 abgedeckt, beispielsweise ein geeignetes Farbglas, das das Spektrum der auftreffenden Strahlung absorbiert und dasjenige der Fluoreszenzstrahlung transmittiert. Dieser Aufbau des Strahlspalters 114 vermeidet das Erfordernis eines Spektralfilters in der Detektionseinheit. Es sollte beachtet werden, obwohl dies nicht gesondert gezeigt ist, das eine geeignet ausgebildete holographische Platte die Linsen 16 und 22 ersetzt werden und die Strahlteiler 14, 114 ersetzt werden kann, unter der Voraussetzung, dass es die folgenden Funktionen ausführen kann:

– Projizieren der Lichtquelle 12 (die in der Ebene P₁ angeordnet ist) auf den diffraktionsbegrenzten Abtastbereich 20, der in der konjugierten Ebene P₁ im Inneren der Scheibe 1 angeordnet ist;
– Schaffen eines vorgegebenen festen Winkels des Fortschreitens des Abtaststrahls;
– Aufnehmen der vorgegebenen Komponenten der abgegebenen Strahlung, die mit einem bestimmten festen Winkel beabstandet getrennt von dem festen Winkel des Fortschreitens des Abtaststrahls fortschreitet;
– Projizieren der aufgenommenen Komponenten der Ausgangsstrahlung auf die Empfangsfläche 24a, die in der konjugierten Ebene P₂ angeordnet ist.

In den oben beschriebenen Beispielen schreitet die auftreffende Strahlung im wesentlichen entlang der optischen Achse OA (Kegel C₁) fort, während die aufgenommenen Fluoreszenzstrahlungskomponenten geneigt zu der optischen Achse OA fortschreitet (Kegel C₂).
Es wird jetzt auf 9 Bezug genommen, die einen Leseapparat 130, der nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines alternativen Zustands der numerischen Apertur der auftreffenden und fluoreszenten Strahlung konstruiert ist. Entsprechende Bezugszeichen werden zum Angeben der Komponenten verwendet, die mit denen in den vorangehend beschriebenen Beispielen identisch sind. Der Apparat 130 weist einen Strahlteiler 214 in Form eines Spiegels mit die Strahlung blockierenden, bzw. reflektierenden Flächen 214a und 214b auf. Der Spiegel 214 ist so angeordnet, dass er den mittleren Abschnitt des auftreffenden Strahls B_r abschneidet, der durch die Dimension des Spiegels 214 definiert wird, und einen periphären Abschnitt des auftreffenden Strahls B_r um den Spiegel 214 herum, überträgt. Die ausgehenden Strahlungskomponenten, die im wesentlichen entlang der optischen Achse OA fortschreiten, werden von der Reflektionsfläche des Strahlteilers 214 reflektiert. Die ausgegebene Fluoreszenzstrahlung schreitet in dem zentralen Kegel C₁ fort, während die eintreffende Strahlung in dem diesen umgebenden Kegelsegment C₂ fortschreitet. Der Strahlteiler 214 kann dichromatisch sein, selektiv reflektierend wie dies oben unter Bezug auf den in 8 gezeigten Strahlteiler 114 beschrieben worden ist.
Es ist bekannt, dass Unterschiede in den Refraktionsindizes verschiedener Schichten der Grund für eine unerwünschte mehrfache Fresnel-Reflektion in der Scheibe 1 sind. Wie oben angegeben kann der Unterschied in den Refraktionsindizes durch den Klebstoff verursacht sein. Es ist, mit anderen Worten, nicht immer möglich, eine Mehrschicht-Scheibe mit einer zu vernachlässigenden Differenz der Refraktionsindizes der Schichten zu schaffen.
10 zeigt einen Leseapparat, dessen Konstruktion das Lesen von gespeicherten Information in einer Weise verwirklicht, die Fresnel-Reflektionen verhindert. Hier ist die das Licht richtende Optik 6 teilweise ähnlich zu dem Apparat 30, der oben unter Bezugnahme auf die 2b beschrieben worden ist und teilweise ähnlich dem Apparat 130 konstruiert. Insbesondere weist es die Linse 37 auf, die die Lichtquelle 12 auf den Punkt 20, die in der adressierten Ebene angeordnet ist, und den Lichtteiler 214 richtet. Die Vorrichtung 230 unterscheidet sich von den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen in der Vorsehung eines radialen Polarisierers 42, der in dem optischen Weg der ausgesandten Strahlung B_r aufgenommen wird. Die Konstruktion des Polarisierers 42 ist in 11 eingehender gezeigt. Der Polarisierer 42 ist in Form eines polarisierenden Rings 42, der in einer die Strahlung blockierenden Platte 42b ausgebildet ist. Der Ring 42a hat eine radial orientierte Ebene der bevorzugten Transmission (Polarisation), um so lediglich diejenigen Komponenten des Strahls B_r die einen Polarisationsvektor haben, der in einer Ebene, der die optische Achse OA für jeden Teil des Strahls beinhaltet. Der Ring 42a ist derart angeordnet, dass ein Randwinkel des konischen Strahls, der auf die Scheibe 1 auftrifft, nahe einem Brewster Winkel ist, die Reflektion eines solchen Winkels ist daher zu vernachlässigen.
Es ist zu beachten, dass der Polarisierer ein Konstruktionsteil der Lichtquelle 12, des Strahlteilers 214 oder der Linse 37 sein kann als ein Fenster, holographisches Element oder Gitters.
Die oben genannte Technik des Aufnehmens von Fluoreszenzkomponenten, die in der adressierten Ebene in der Scheibe 1 (d. h. in der adressierten Informationsschicht) erzeugt werden von aller Fluoreszenz, die von der Scheibe 1 kommt, kann weiter im Hinblick auf die folgenden Betrachtungen verbessert werden. Der auftreffende Strahl wird auf seinem Weg im Inneren der Scheibe mit den Datenbereichen, die in und außerhalb der adressierten Schicht liegen, zusammenwirken. Die Datenbereiche werden in jeder Informationsschicht in einer von einander beabstandeten Weise verteikt. Ein Vorgang des Lesens von binärer Information, die in der adressierten Informationsschicht gespeichert ist, wird durch Erkennen des Informationssignals implementiert, der von den aufeinander folgenden Beleuchtungspunkten 20 kommt, die in der adressierten Ebene während der Drehung der Scheibe 1 angeordnet sind. Dieses Informationssignal ist in der Form einer Abfolge von fluoreszenten und nicht-fluoreszenten Bereichen R₁ und R₂ in der adressierten Schicht. Das Informationssignal, das mit der adressierten Schicht zugehörig ist, sollte von allen anderen Signalen getrennt sein, die zu der Detektoreinheit fortschreiten. Die Frequenz des Informationssignals wird durch die bekannte Verteilung der Fluoreszenzbereiche R_r in der Schicht (d.h. dem Abstand zwischen den benachbarten Fluoreszenzbereichen) und der bekannten Geschwindigkeit der Drehung der Scheibe (d.h. der Abtastgeschwindigkeit der Scheibe) definiert. Das Informationssignal kann so vor dem Lesevorgang abgeschätzt werden und kann daher in dem Detektionskanal erwartet werden.
Die Abschätzung des erwarteten Informationssignals basiert auf folgenden Betrachtungen. Die Menge der Fluoreszenzstrahlung, die von der Linse 18 gesammelt wird (2a) und zu einem (nicht gezeigten) Detektionskanal geliefert wird, ist definiert als die numerische Apertur (NA)_f des Fortschreitens der Strahlung wie folgt: ηcollected ≈ (/(NA)f/2)2 (3) ηcollected ≈ 0.09 for (NA)f = 0.6
Die Intensität I_f der Fluoreszenzstrahlung, die durch Beleuchten eines einzelnen Fluoreszenzbereichs erzeugt wird, wird durch die Intensität I_r des auftreffenden Laserstrahls wie folgt bestimmt I = qIrαd wobei q die Fluoreszenzmengenausbeute ist, α der Extinktionskoeffizient und d die Dicke des Fluoreszenzbereichs ist.
Unter der Annahme, dass eine Mehrschicht-Disk mit M Schichten gebildet wird und dass der Lese-Laser-Strahl auf eine adressierte m-te Schicht (M ≥ m ≥ 1) ist, nimmt wenn der Laserstrahl durch eine außerhalb des Fokus liegenden Schicht passiert, die Leistung P mal ab, d. h. P = (1 – αdF)(1 – R) (5)wobei F die Füllungsrate der Informationsschicht ist (d. h. der Flächenbereich, der von den Fluoreszenzbereichen bezüglich der gesamten Fläche); R der effektive Interface-Leistungs-Reflexions-Koeffizient (d.h. die Fresnel Reflektivität) des Sandwiches aus der gekoppelten Information und der Zwischenschichten ist. Die Abhängigkeit der Lesestrahlintensität I_r auf der Anzahl von Schichten, die von dem auftreffenden Strahl passiert worden sind, kann wie folgt angegeben werden: Ir(n) = I0Pn (6)wobei n = 1, 2, ..., M und I₀ die Anfangsintensität des einfallenden Laserstrahls ist. Der optimale Wert der optischen Dichte α^dF der gespeicherten Information sollte klein genug sein, um es dem Licht zu erlauben, die tiefste Informationsschicht zu erreichen. Es kann daher die folgende Annahme gemacht werden:
S 22 Z. 19 Gleichung
In Überstimmung mit den obigen Gleichungen (1)–(3) wird die Intensität der Signal-Fluoreszenz, die durch die im Brennpunkt liegenden Datenbereiche erzeugt worden sind, gesammelt durch die Objektivlinsen und an die Detektoreinheit geliefert sich ergeben zu
Gleichung S. 22 Nr.7
wobei F₀ = (NA·r₀/0.61λ² (r₀/λ² die „Füllrate" in der im Brennpunkt liegenden Schicht ist (d.h. der Flächenbereich, der durch die Flächenbereiche bezüglich des diffraktionsbegrenzten Laserpunkts abgedeckt wird). Es kann einfach gezeigt werden, dass die durchschnittliche Intensität der Fluoreszenz, die durch die Fluoreszenzbereiche erzeugt wird, die in den Schichten außerhalb des Brennpunktes lokalisiert sind, annähernd gleich I₅F/F₀ ist.
Um die weiteren Betrachtungen zu erleichtern, wird angenommen, dass F ≈ F₀ ist, was in der Praxis typischerweise der Fall ist. Bei jeder n-te außerhalb der Brennweite liegenden Schicht hat der illuminierte Punkts eine Größe, die gleich 2L(n – m)·(NA)_r ist und deckt sich gleichzeitig ungefähr [N = 2(n – m)L·(NA)_r/δ]² Datenbereiche ab, wobei δ ~ 2λ, der durchschnittliche Abstand zwischen den benachbarten Datenbereichen ist. Wenn L » λ, haben wir N >> I und die Verteilung der Orte der Fluoreszenzbereiche und der Nicht-Fluoreszenzbereiche (also der umgebenden Bereiche) über die Fläche eine Informationsschicht kann als eine Gaußsche Verteilung mit der Abweichung ~ N^1/2 angenommen werden. Sodann ergibt sich die durchschnittliche Dichte des Hintergrundrauschens (d.h. der Fluoreszenz, die zu der Detektoreinheit von allen Informationsschichten außerhalb der Brennweite fortschreiten), sich ergeben zu: IN = I0(1 – P2M)/(1 + P) ≈ M Is (8)und die Fluktuationen der Rauschintensitäten ergeben sich zu δIN = Is σ δ/(2L·NA) ≈ Is σ(λ/L) (9)wobei
Hier ist σ die normalisierte Dispersion der Rauschintensitätsverteilung. σ ist ein sich sehr langsam ändernder Parameter, der wie folgt abgeschätzt werden kann: σ ≈ 1 ± 0.5 for F < 0.2, 1 < M < 100, 0 < αd < 0.2 and 0 < R < 0.1 (11)
Es wird daher für kleine Rauschintensitätsfluktuationen die Bedingung L >> λ verlangt. Obwohl die durchschnittliche Rauschleistung bei M >> I zu groß ist (I_N >> I₅), haben wir in dem Fall L >> λ I₅ >> δI_N7, und es ist möglich, das Datensignal aus dem Rauschen zu extrahieren.
Anders als bei dem Ansatz, der in dem oben genannten US Patent Nr. 5,268,862 beschrieben worden ist, ermöglichen die obigen Beispiele der Erregung des Mediums die Verwendung nur eines fokussierten Laserstrahls zum gleichzeitigen Erregen einer großen Menge von Fluoreszenzbereichen in einem Gesamtvolumen, das in dem festen Winkel (Kegel) des Lichtfortschritts innerhalb der Disk begrenzt ist. Das Lesen eines einzelnen Bits von Informationen von dem isolierten Datenbereich erfolgt daher in der Detektionsstufe.
Die Amplitude des Informationssignals variiert zwischen seinen minimalen und maximalen Werten als eine Abfolge von Datenbereichen und Umgebungsbereichen. Wie oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, ergibt sich die Passage des durch die Objektivlinse 18 einfallenden Strahls zu dem illuminierten Punkt 20 der adressierten Schicht L₃, die immer kleiner ist als diejenige (S₁ und S₂) der nicht-adressierten Schichten (L₁ und L₂). Der Punkt der nicht-adressierten Schicht bedeckt viel mehr Datenbereiche als diejenigen der adressierten Schicht. Die Tiefe der Modulation (d.h. das Ausmaßes der Amplitudenvariation) der ausgehenden Fluoreszenzstrahlung, die von einer außerhalb der Brennweite liegenden Schicht erzeugt wird, ist daher von derjenigen in der Brennweite liegenden Schicht signifikant unterschiedlich. Dies erlaubt ein zuverlässiges Trennen der in der adressierten Schicht erzeugten ausgegebenen Strahlung, die von dem Träger kommt, durch Herausfiltern der niederfrequenten Komponente des detektierten Fluoreszenzsignals, was eine ausreichend hohes Signal/Rausch Verhältnis ergibt. Die niederfrequente Komponente schließt unter anderem die Fluoreszenzintensitätsmodulation ein, die durch eine Verzerrung des einfallenden Strahls verursacht sind (die sich aus der Passage durch die oberhalb der Brennweite liegenden Schichten ergeben) und der Intensitätsmodulation, die sich mit der außerhalb der Brennweite liegenden Schicht ergibt.
Die charakteristische Modulationsfrequenz ist für unterschiedliche Schichten unterschiedlich und wird durch den Abstand L zwischen den Schichten bestimmt. Während an der adressierten Schicht die Verschiebung in der Größenordnung eines Mikron der Scheibenposition zu einer 100%igen Amplitudenmodulation führen wird, wird dieselbe Verschiebung an der benachbarten Schicht eine vernachlässigbare Veränderung in der Fluoreszenzausgabe ergeben. Dies tritt auf, weil an der adressierten Schicht der diffraktionsbegrenzte Laserpunkt nur einen einzelnen Fluoreszenzbereich beleuchtet, während an der benachbarten (außerhalb der Brennweite liegenden) Schicht die Lasergröße 2L·(NA)_r ist und gleichzeitig ungefähr N² Datenbereiche abdeckt, wobei N = 2L·(NA)r/δ ≈ L/λ >> 1 (12)
Bei L ~ 30 μm werden ungefähr 3600 Datenbereiche abgedeckt. Bei der Verschiebung in der Größenordnung eines Mikrons der Laserpunktposition wird nur die kleine Menge von „neuen" Datenbereichen N~L/λ im Inneren der Laserpunktgröße erscheinen. Der Modulationsfrequenzwert der Fluoreszenz, die aus der nicht-adressierten Schicht kommt, ist, mit anderen Worten, N mal kleiner als dieselbe für die Fluoreszenz, die aus der adressierten Schicht kommt. Dieses Verhältnis erlaubt es, eine gute Filterung des detektierten Signals zu schaffen, um die Information nur aus dem einzelnen Datenbereich zu lesen.
Unter der Annahme einer Gaußschen Verteilung an den Orten der Fluoreszenzbereiche und der diese umgebenden Nicht-Fluoreszenzbereiche innerhalb der Fläche der Informationsschicht und unter der Annahme, dass der Abstand zwischen benachbarten Informationsschichten L ~ 30 μm (N ~ 60) ist, kann die Abweichung der Datenbereichsanzahl und der Signalmodulationstiefe an der benachbarten Schicht wie folgt abgeschätzt werden: δN = √N ≈ 8; δI/Is = √N/N2 ≈ 2·10–3 (13)
Unter Berücksichtigung des Rauschverhältnisses, das sich aus allen nicht-adressierten Schichten ergibt, kann das detektierte Signal/Rausch-Verhältnis bestimmt werden: S/N = [ΣδIm/Is]–1 = [1.5δI/Is]–1 ≈ 5·102 (14)
12 zeigt in einem Blockdiagram eine Lesevorrichtung 330, die mit der Scheibe 1 arbeitet. Hier ist, im Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, ein Ausgang 24b des Sensors 24 mit einem elektronischen Bandpassfilter 44 verbunden. Das Filter 44 empfängt elektrische Signale, die von der Ausgangsschaltung 24b kommen und schneidet das untere Modulationsfrequenzsignal ab, um so ein wesentlich höheres Modulationsfrequenzsignal zu erhalten. Das letztere (dessen Amplitude) wird bezüglich des Erwartungswerts und bezüglich des gesamt empfangenen Signals analysiert. Die Konstruktion und der Betrieb eines derartigen Bandpassfilters sind an sich bekannt und müssen daher nicht besonders beschrieben werden. Zusätzlich kann, wie in 109 gezeigt, das Spektralfilter 26 ein konstruktiver Teil des Sensors 24 sein, nicht also eine selbständige Einheit.
Dem Fachmann ist klar, dass viele Modifikationen und Änderungen der Erfindung, wie sie hier beispielhaft beschrieben sind, angewendet werden können, ohne sich von dem Schutzbereich, wie er sich aus den beiliegenden Ansprüchen ergibt, zu lösen. Beispielsweise können die Linsen 16 und 22 und der Strahlspalter 214 (in 9) durch eine geeignet ausgebildete holographische Platte ersetzt werden. Wenn die Vorsehung des Polarisierers 42 gewünscht ist, kann dieser ein Teil der holographischen Platte sein. Die erregte Ausgangsstrahlung kann jede zerstreute Strahlung anders als Fluoreszenzstrahlung sein. Die Technik, die in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen einer Leseapparatur beschrieben worden ist, kann für eine Fokusfehlererkennung verwendet werden.

Claims

Abtastvorrichtung (3, 30, 130, 230) zum Lesen von Information in einem dreidimensionalen Informationsträger (1), der mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Datenbereichen (R_f) ausgebildet ist, die jeweils von Umgebungsregionen (R_t) umgeben werden, wobei die Datenregionen (R_f) aus einem Material gefertigt ist, das dazu in der Lage ist, eine zum Aussenden angeregte Strahlung zu erzeugen, wenn es mit einer vorgegebenen auftreffenden Erregungsstrahlung zusammenwirkt, und die umgebenden Bereiche (R_t) im wesentlichen optisch transparent sind, mit: – a. einer Beleuchtungseinheit (1) zum Erzeugen eines Abtaststrahles der auftreffenden Strahlung (B_r); – b. einer Lichtausrichtungseinheit (6, 36) zum Projizieren des Abtaststrahles auf einen Abtastbereich (20), der in einer adressierten Ebene (L₂) im Inneren des Trägers (1) angeordnet ist und die erzeugte Ausgangsstrahlung (R_f) sammelt, wobei die Lichtausrichtungseinheit (6, 26) einen Strahlteiler (14, 114, 214) aufweist, der in dem optischen Weg der einfallenden und der ausgesendeten erregten Strahlung liegt und ausgebildet ist zur Definition einer ersten Zone (14A, 114A, 214A) und einer zweiten Zone (14B, 114B, 214B, wobei die erste Zone (14A, 114A, 214A) sowohl zu der einfallenden Strahlung als auch zu der ausgesendeten erregten Strahlung weiterleitet und wobei die zweite Zone (14B, 114B, 214B) nicht weiterleitend ist bezüglich der einfallenden Strahlung und die zweite Zone (14B, 114B, 214B) bezüglich der ausgesendeten erregten Strahlung nicht reflektiv ist, um so einen vorgegebenen Bereich der gesammelten Ausgangsstrahlung aufzunehmen, um eine beabstandete Trennung der ausgesendeten Strahlungskomponenten, die von den Datenbereichen, die in der adressierten Ebene angeordnet sind, und der audgesensten Strahlungskomponenten, die durch die Datenbereiche an einem anderen Ort im Inneren des Trägers angeordnet sind, zu schaffen; c. eine Detektoreinheit (8) mit einer Empfangsfläche (24a), die dazu in der Lage ist, die ausgesendete Strahlung zu detektieren und dieser entsprechenden Daten zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Datenbereiche aus einem fluoreszierenden Material bestehen und die erregte Strahlung Fluoreszenz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Abschnitt der ausgegebenen Strahlung in einem festen Winkel (C₂) im wesentlichen mit Abstand getrennt von einem festen Winkel (C₁) des Fortschreitens der eingehenden Strahlung fortschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlteiler ein Spiegel ist mit einer zentralen Zone, die die einfallende und die ausgesendete Strahlung weiterleitet, umgeben von einer peripheren Zone, die das Fortschreiten der einfallenden Strahlung blockiert und die ausgesendete Strahlung reflektiert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlteiler ein Spiegel ist, der derart angeordnet ist, dass er das Fortschreiten eines zentralen Abschnitts des Abtaststrahls blockiert und das Fortschreiten eines peripheren Abschnitts des Abtaststrahles erlaubt, wobei der Spiegel eine Fläche hat, die bezüglich der ausgesendeten Strahlung reflektiv ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abtastbereich ausreichend klein ist, um wenigstens einen Abschnitt lediglich eines Datenbereichs einzuschließen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abtastbereich eine Mehrzahl von Datenbereichen beinhaltet.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinheit ein Sensiermittel (24) und ein Filtermittel (26, 28) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Filtermittel einen optischen Filter (28) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das optische Filter ein Spektralfilter (26) ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das optische Filter ein Raumfilter (28) ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Raumfilter (28) die aufnehmende Fläche (24a) definiert und vor dem Sensiermittel (24) angeordnet ist, wobei das Raumfilter eine Durchlassbohrung (29b) mit einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Bildes eines Datenbereichs, der in dem Abtastbereich eingeschlossen ist, hat, wie er an der aufnehmenden Fläche vorliegt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Filtermittel einen Band-Pass-Filter (44) aufweist.
Verfahren zum Lesen von Information in einem dreidimensionalen Informationsträger (1), der mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Datenbereichen (R_f) ausgebildet ist, die jeweils von Umgebungsbereichen (R_t) umgeben sind, wobei die Datenbereiche (R_f) aus einem Material bestehen, das dazu in der Lage ist, eine ausgesendete erregte Strahlung zu erzeugen, wenn sie mit einer vorgegebenen einfallenden Erregungsstrahlung wechselwirkt, und die umgebenden Bereiche (R_t) optisch transparent sind, wobei das Verfahren aufweist: 1) Erzeugen eines Abtaststrahles (B_r) der einfallenden Strahlung; 2) Werfen des Abtaststrahles (B_r) auf einen Abtastbereich (20), der in einer adressierten Ebene (L₂) im Inneren des Trägers (1) angeordnet ist und die erzeugte ausgesendete Strahlung (R_r) sammelt; 3) Aufnehmen des vorgegebenen Abschnitts der gesammelten ausgesendeten Strahlung derart, dass eine räumliche Trennung der ausgesendeten Strahlungskomponenten, die von den Datenbereichen, die in dem Abtastbereich angeordnet sind, schafft, und die ausgesendeten Strahlungskomponenten, die von den Datenbereichen erzeugt sind, die an einem anderen Ort im Inneren des Trägers lokalisiert sind, erzeugt sind; und Richten der ausgesendeten Strahlungskomponenten, die von den Datenbereichen erzeugt sind, die in dem Abtastbereich erzeugt worden sind, an eine Detektoreinheit (8), wobei das Aufnehmen und das Richten das Führen der Strahlung durch einen Stahlteiler (14, 114, 214) aufweist, der in dem optischen Weg der einfallenden und der ausgesendeten erregten Strahlung liegt und konfiguriert ist, um eine erste Zone (14A, 114A, 214A) und eine zweite Zone (14B, 114B, 214B) zu definieren, wobei die erste Zone (14A, 114A, 214A) sowohl die einfallende Strahlung als auch die ausgesendete erregte Strahlung weiterleitet und wobei die zweite Zone (14B, 114B, 214) bezüglich der einfallenden Strahlung nicht weiterleitend ist und die zweite Zone (14B, 114B, 214B) bezüglich der ausgesendeten erregten Strahlung reflektiv ist; und 4) Detektieren der ausgesendeten Strahlung und Erzeugen von dieser entsprechenden Daten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufnehmen des vorgegebenen Teiles der gesammelten ausgesendeten Strahlung den folgenden Schritt aufweist: – Trennen eines Bereichs der gesammelten ausgesendeten Strahlung, die mit einem festen Winkel (C₂) im wesentlichen räumlich getrennt von einem festen Winkel (C₂) des Fortschreitens der einfallenden Strahlung fortschreitet.