DE602004009807T2

DE602004009807T2 - Optischer aufzeichnungsträger

Info

Publication number: DE602004009807T2
Application number: DE602004009807T
Authority: DE
Inventors: Gert W. 't Hooft; Robert F. Hendriks; Dirk J. Broer
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: JP2007503071A; KR20060064647A; DE602004009807D1; WO2005020221A2; WO2005020221A3; US20060280106A1; CN1839431A; TW200511304A; EP1658608B1; EP1658608A2; ATE377245T1

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Aufzeichnungsträger mit mindestens einer Informationsschicht, wobei Informationen in einer Informationsstruktur codiert sind, die Informationsbereiche umfasst, welche sich mit Zwischenbereichen abwechseln.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zum Lesen eines solchen Aufzeichnungsträgers.
Ein solcher Aufzeichnungsträger ist in der Technik wohlbekannt, und seine Informationsstruktur kann mittels einer für diesen Zweck vorgesehenen Einrichtung gelesen werden. Gegenwärtig ist die Informationsstruktur eine spurweise angeordnete Struktur von Informationsbereichen, welche sich mit Zwischenbereichen in der Spurrichtung abwechseln. Die Leseeinrichtung umfasst eine Strahlungsquelle, gewöhnlich einen Diodenlaser, welcher einen Lesestrahl mit einer gegebenen Wellenlänge erzeugt. Eine Objektivlinse, die ein oder mehrere Linsenelement(e) umfasst, fokussiert einen Lesestrahl auf einen Leselichtfleck auf der Informationsschicht. Während des Lesens eines scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers tastet der Leselichtfleck eine Informationsspur ab, zum Beispiel indem ein scheibenförmiger Aufzeichnungsträger relativ zu dem Leselichtfleck in Rotation versetzt wird. Ein Bewegen des Aufzeichnungsträgers und des Leselichtfleckes relativ zueinander in der radialen Richtung ermöglicht ein Abtasten und somit Lesen aller Informationsspuren. Die Größe des Leselichtfleckes übertrifft die der einzelnen Informationsbereiche, so dass diese Bereiche den einfallenden Strahl beugen, d. h. diesen Strahl in einen nicht abgelenkten Teilstrahl nullter Ordnung und eine Anzahl von abgelenkten Teilstrahlen höherer Ordnung aufteilen. Gegenwärtige optische Aufzeichnungsträger weisen eine reflektierende Informationsschicht auf, und der Teilstrahl nullter Ordnung sowie ein Teil der Teilstrahlen erster Ordnung verlaufen durch die Objektivlinse. Diese Linse konzentriert die Strahlungsteile auf ein strahlungsempfindliches Detektionssystem, wodurch diese Strahlungsteile miteinander interferieren. Das strahlungsempfindliche Detektionssystem, welches einen oder mehrere Detektoren umfasst, wandelt die darauf einfallende Strahlung in ein elektrisches Signal um, welches die zum jeweiligen Zeitpunkt ausgelesenen Informationen repräsentiert.
Es besteht ein fortwährender Bedarf an einer ständig zunehmenden Informationsdichte auf optischen Aufzeichnungsträgern, d. h. an einer sich ständig verringernden Größe der Informationsbereiche und Zwischenbereiche und einem sich verkleinernden Abstand zwischen den Informationsspuren. Für die verschiedenen Typen von Aufzeichnungsträgern, welche zeitlich aufeinander folgten, nämlich Kompaktdisk (CD), Digital Versatile Disc (DVD) und Blue-Ray-Disk, hat sich die Dichte der Informationsbereiche von 1 pro μm² über 2,5 pro μm² auf 17 pro μm² erhöht. Eine Blue-Ray-Disk ist eine optische Platte, die dazu bestimmt ist, mittels eines blauen Lesestrahls mit einer Wellenlänge, die kleiner ist als die eines roten oder infraroten Lesestrahls, gelesen zu werden.
Zum Lesen von Informationsbereichen mit einer verringerten Größe sollte ein Leselichtfleck mit einer entsprechend verringerten Größe verwendet werden, andernfalls können die Informationsbereiche nicht separat gelesen werden. Dies bedeutet, dass das Auflösungsvermögen der Leseeinrichtung erhöht werden sollte. Das herkömmliche Auflösungsvermögen einer Leseeinrichtung ist proportional zu NA/λ, wobei NA die numerische Apertur der Objektivlinse ist und λ die Wellenlänge des Lesestrahls ist. Eine Vergrößerung von NA und/oder Verkleinerung von λ könnte das Auflösungsvermögen erhöhen. Die Tatsache, dass die Schärfentiefe der Objektivlinse proportional zu λ/(NA)² ist, setzt der Vergrößerung von NA Grenzen, da für große NA die Schärfentiefe zu klein wird. Leseeinrichtungen mit einer ausreichend kleinen Lese-Wellenlänge können nur realisiert werden, wenn Diodenlaser verfügbar sind, die eine solche kleine Wellenlänge emittieren.
US-A 4,242,579 beschreibt eine Leseeinrichtung mit einem Auflösungsvermögen, welches höher ist als das herkömmliche Auflösungsvermögen, zum Beispiel doppelt so hoch. Dieses erhöhte Auflösungsvermögen wird erzielt, indem dafür gesorgt wird, dass die Objektivlinse nur Teile nur eines Teilstrahls erster Ordnung und des Teilstrahls nullter Ordnung der reflektierten Lesestrahlung zu dem strahlungsempfindlichen Detektionssystem passieren lässt, und indem ein Detektor verwendet wird, welcher eine geringe Abmessung in der Abtastrichtung hat. Zu diesem Zweck sind der Lesestrahl und der Aufzeichnungsträger relativ zueinander geneigt, d. h. der Lesestrahl fällt nicht senkrecht auf den Aufzeichnungsträger. Der Lesestrahl muss das Substrat des Aufzeichnungsträgers passieren, und dieses Substrat hat eine gegebene Dicke, zum Beispiel 1,2 mm, um einen Staubschutz für die Informationsschicht zu gewährleisten und um dem Aufzeichnungsträger eine ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen. Daher kann ein nicht senkrechtes Einfal len des Lesestrahls eine unannehmbare Größe der Aberration, wie etwa Koma und Astigmatismus, in dem Lesestrahl verursachen. Dies hat einen Leselichtfleck auf der Informationsschicht zur Folge, dessen Größe inakzeptabel ist und der ein Nebensprechen verursacht.
Um dieses Problem zu lösen, wurde unlängst in der unveröffentlichten EP-Patentanmeldung 03100817.0 vorgeschlagen, eine herkömmliche optische Leseeinrichtung zu verwenden und die Informationsschicht des Aufzeichnungsträgers mit einem Beugungsgitter zu versehen. Dieses Beugungsgitter lenkt die Strahlung des Lesestrahls, welcher senkrecht auf den Aufzeichnungsträger fällt, in Richtungen, die einen spitzen Winkel mit dem Hauptstrahl des einfallenden Strahlenbündels bilden. Das Ausstatten des Aufzeichnungsträgers mit einem solchen Beugungsgitter ermöglicht das Lesen einer Informationsstruktur mit einer beträchtlich erhöhten Dichte, wobei ein Lesestrahl verwendet wird, welcher senkrecht durch das Substrat des Aufzeichnungsträgers verläuft und senkrecht auf die Informationsschicht fällt, so dass keine komatische oder astigmatische Aberration auftritt. "Senkrecht einfallend" ist in dem Sinne zu verstehen, dass der Hauptstrahl des einfallenden Strahlenbündels, welches gegenwärtig ein konvergierendes Bündel ist, senkrecht zu dem Aufzeichnungsträger ist. Das Beugungsgitter wird als ein regelmäßiges oder informationsloses Gitter bezeichnet, um es von der diffraktiven Informationsstruktur zu unterscheiden.
Wie in der besagten unveröffentlichten EP-Patentanmeldung 03100817.0 beschrieben ist, lenkt das regelmäßige Beugungsgitter Teile der Teilstrahlen erster Ordnung, die von der diffraktiven Informationsstruktur gebildet werden, ab, so dass diese Teile die Objektivlinse passieren. Diese Teile werden zusammen mit Strahlung, welche in der nullten Ordnung doppelt gebeugt wird, auf den strahlungsempfindlichen Detektor fokussiert, so dass sie sich dort, wo sich dieser Detektor befindet, überlagern. Dieser Detektor kann derselbe sein wie der Detektor, der in der in US-A 4,242,579 offenbarten Leseeinrichtung verwendet wird.
Das Kombinieren einer optischen Informationsstruktur mit einem regelmäßigen Gitter ermöglicht es, die Raumfrequenz der Informationsbereiche, im Weiteren Raumfrequenz genannt, welche mit einer herkömmlichen Leseeinrichtung gelesen werden können, zu erhöhen; es ermöglicht jedoch nicht, eine Informationsstruktur zu lesen, welche die herkömmlichen Raumfrequenzen aufweist. Anders ausgedrückt, das Ausstatten der Informationsschicht mit einem regelmäßigen Gitter verschiebt lediglich das Band der Frequenzen, welche gelesen werden können, vergrößert jedoch dieses Frequenzband nicht.
US 4,325,135 beschreibt die separate Detektion von zwei zueinander senkrechten polarisierten Lesestrahlen.
JP-A-09161308 beschreibt ein System, das zwei Leselichtflecke beinhaltet, die senkrecht zur Spurrichtung voneinander getrennt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Mittel zur Erweiterung des Bandes von Raumfrequenzen einer Informationsschicht, welche gelesen werden können, bereitzustellen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mittels eines Aufzeichnungsträgers gelöst, wie im einleitenden Absatz definiert, und welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Informationsschicht mit einem polarisationsempfindlichen Beugungsgitter ausgestattet ist, das eine Gitterschicht umfasst, welche in Gitterstreifen eines ersten Typs aufgeteilt ist, die sich mit Zwischenstreifen eines zweiten Typs abwechseln, wobei mindestens einer der Typen ein doppelbrechendes Material umfasst, und dadurch, dass die Brechungsindizes der Gitterstreifen und Zwischenstreifen für Strahlung, die in einer Richtung parallel zur Gitterebene und senkrecht zu den Gitterstreifen polarisiert ist, unterschiedlich sind.
Das Ausstatten der Informationsschicht mit einem solchen Gitter ermöglicht sowohl das Lesen von Informationen mit hoher Raumfrequenz mittels einer Lesestrahlkomponente, welche eine Polarisationsrichtung parallel zur Richtung der Gitterstreifen aufweist, als auch das Lesen von Informationen mit niedrigerer Raumfrequenz mittels einer Lesestrahlkomponente, welche eine Polarisationsrichtung senkrecht zu den Gitterstreifen aufweist. Die letztere Strahlkomponente "sieht" das Beugungsgitter nicht, so dass nur ihre Strahlanteile erster Ordnung, welche durch die diffraktive Informationsstruktur mit kleineren Winkeln gebeugt werden, das Objektivsystem passieren. Diese Strahlanteile umfassen Informationen über die Informationen mit geringerer Frequenz.
Der Aufzeichnungsträger kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass das doppelbrechende Material ein Flüssigkristall ist.
Vorzugsweise ist der Aufzeichnungsträger dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall ein nematischer Flüssigkristall ist.
Nematische Flüssigkristalle sind wohlbekannte Materialien, welche in Anzeigefeldern für Bildanzeigevorrichtungen aufgrund ihrer doppelbrechenden Eigenschaften erfolgreich angewendet werden.
Das doppelbrechende Material kann ein polymeres Material sein, das polymerisierte ausgerichtete kristalline Monomere umfasst.
Der optische Aufzeichnungsträger kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die Gitterstreifen ein anisotropes Material umfassen, das mindestens zwei Brechungsindizes aufweist, und die Zwischenstreifen isotropes Material umfassen, und dadurch, dass einer der Brechungsindizes des anisotropen Materials im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des isotropen Materials ist.
"Im Wesentlichen gleich" ist in dem Sinne zu verstehen, dass im Idealfall die besagten Brechungsindizes gleich sind, dass jedoch ein zufrieden stellendes Ergebnis erzielt wird, wenn eine geringfügige Differenz zwischen diesen Brechungsindizes vorhanden ist.
Bei dieser Ausführungsform besteht nur einer der zwei Typen von Streifen, Gitterstreifen und Zwischenstreifen, aus doppelbrechendem Material, und der andere Typ von Streifen weist nur einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex, den ein auf die Gitterschicht fallender Strahl treffen wird, d. h. der effektive Brechungsindex, hängt von der Polarisationsrichtung dieses Strahls bezüglich der Gitterebene und der Richtung der Periodizität des Gitters ab.
Der optische Aufzeichnungsträger kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass sich die Gitterstreifen von den Zwischenstreifen dadurch unterscheiden, dass sich der Grad der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in den Gitterstreifen wesentlich von diesem Grad in den Zwischenstreifen unterscheidet.
Alternativ und vorzugsweise ist der optische Aufzeichnungsträger dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterstreifen von den Zwischenstreifen dadurch unterscheiden, dass sich die Richtung der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in den Gitterstreifen von dieser Richtung in den Zwischenstreifen unterscheidet.
Indem die Orientierung des Flüssigkristalls, d. h. die Richtung seiner Ausrichtung, räumlich variiert wird, erhält man eine Gitterstruktur, welche eine höhere Beugungseffizienz aufweist als eine Gitterstruktur, bei welcher der Grad der Ausrichtung räumlich variiert wird, da bei der Letzteren der gewöhnliche Brechungsindex nicht gleich dem Brechungsindex in den isotropen Abschnitten der Struktur ist.
Eine erste Ausführungsform des Aufzeichnungsträgers ist dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Gitter ein Transmissionsgitter ist.
Eine zweite Ausführungsform des Aufzeichnungsträgers ist dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Gitter ein Reflexionsgitter ist.
Da gegenwärtig optische Aufzeichnungsträger in Reflexion gelesen werden und die Informationsschicht mit einer reflektierenden Schicht bedeckt ist, wird diese Ausführungsform am häufigsten verwendet werden. Das doppelbrechende Gitter wird dann zwischen der Informationsschicht und der reflektierenden Schicht angeordnet.
Die Leseeinrichtung zum Lesen dieses Aufzeichnungsträgers ist an diesen Aufzeichnungsträger angepasst, so dass die Erfindung auch in der Leseeinrichtung implementiert ist. Eine solche Einrichtung, welche eine Strahlungsquelleneinheit zum Liefern eines Lesestrahls, ein Objektivsystem zum Fokussieren des Lesestrahls in der Informationsschicht und einen ein strahlungsempfindliches Detektionssystem umfassenden Detektionszweig zum Umwandeln von Lesestrahl-Strahlung von dem Aufzeichnungsträger in ein elektrisches Signal umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelleneinheit Lesestrahl-Strahlung liefert, die zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten aufweist, dadurch, dass der Detektionszweig einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler aufweist, und dadurch, dass das strahlungsempfindliche Detektionssystem einen separaten Detektor für jede der zwei Polarisationskomponenten von dem Strahlteiler umfasst.
Eine Leseeinrichtung zur Verwendung mit einem Aufzeichnungsträger, der miteinander verschachtelte Spuren mit höherer Raumfrequenz und Spuren mit niedrigerer Raumfrequenz aufweist, ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungskomponenten zwei räumlich getrennte Lesestrahlen bilden, und dadurch, dass das Objektivsystem diese Strahlen in zwei Lichtflecken in der Informationsschicht des zu lesenden Aufzeichnungsträgers fokussiert, wobei der Abstand zwischen den Lichtflecken in der Richtung senkrecht zur Richtung der Informationsspuren im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Informationsspuren ist.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese anhand nicht einschränkender Beispiele erläutert und in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
Es zeigen:
1 in schematischer Form eine Ausführungsform einer herkömmlichen Leseeinrichtung;
2 die Positionen der Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen relativ zu der Pupille der Objektivlinse der Einrichtung;
3 die Modulationsübertragungsfunktion als Funktion einer normalisierten Raumfrequenz für einen herkömmlichen Aufzeichnungsträger;
4 und 5 das Prinzip des Lesens mit verbesserter Auflösung mittels Verschiebung von durch die Informationsstruktur gebeugten Teilstrahlen;
6 die Modulationsübertragungsfunktion als Funktion einer normalisierten Raumfrequenz für einen Aufzeichnungsträger gemäß der Erfindung;
7 in einem Schnitt einen Abschnitt einer ersten Ausführungsform eines doppelbrechenden Gitters zur Verwendung mit dem Aufzeichnungsträger;
8 in einem Schnitt einen Abschnitt einer zweiten Ausführungsform eines doppelbrechenden Gitters zur Verwendung mit dem Aufzeichnungsträger;
9 eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Lesen des Aufzeichnungsträgers; und
10 die Auswirkung, welche das doppelbrechende Gitter auf die von der Informationsstruktur gebeugten Teilstrahlen hat.
1 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Abtasten eines optischen Aufzeichnungsträgers 2. Der Aufzeichnungsträger hat die Form einer optischen Platte, welche eine durchsichtige Schicht 3 umfasst, auf deren einer Seite eine Informationsschicht 4 angeordnet ist. Die Seite der Informationsschicht, die von der durchsichtigen Schicht abgewandt ist, ist durch eine Schutzschicht 5 vor Umwelteinflüssen geschützt. Die Seite der durchsichtigen Schicht 3, die der Einrichtung zugewandt ist, wird die Eintrittsseite 6 genannt. Die durchsichtige Schicht wirkt als ein Substrat für den Aufzeichnungsträger, indem sie eine mechanische Abstützung für die Informationsschicht gewährleistet, und/oder als eine Schutzschicht für die Informationsschicht, indem sie Staubteilchen, Kratzer und Fingerabdrücke von dieser Schicht fern hält. Informationen können in der Informationsschicht 4 des Aufzeichnungsträgers in der Form von optisch erkennbaren Informationsbereichen oder Markierungen gespeichert sein, die in im Wesentlichen parallelen, konzentrischen oder spiralförmigen Spuren angeordnet sind, die in 1 nicht dargestellt sind. Diese Informationsbereiche wechseln sich in der Spurrichtung mit Zwischenbereichen ab. Die Informationsbereiche können in einer beliebigen optisch lesbaren Form vorliegen, z. B. in der Form von Pits (Tälern) oder Bumps (Höckern) oder Bereichen mit einem Reflexionskoeffizienten oder einer Magnetisierungsrichtung, die sich von ihrer Umgebung unterscheiden, oder als eine Kombination dieser Formen.
Die Abtasteinrichtung 1 umfasst eine Strahlungsquelle, vorzugsweise in der Form eines Halbleiterlasers, 9, die einen Strahl 7 aussendet. Der Strahl oder Lesestrahl wird zum Abtasten der Informationsschicht 4 des optischen Aufzeichnungsträgers 2 verwendet. Ein Strahlteiler 13, zum Beispiel ein teildurchsichtiger Spiegel, reflektiert den divergierenden Strahl von der Strahlungsquelle 9 auf dem optischen Weg zu einer Kollimatorlinse 14 hin, welche den divergierenden Strahl 7 in einen kollimierten Strahl 15 umwandelt. Der kollimierte Strahl fällt auf ein Objektivsystem 18. Das Objektivsystem, gewöhnlich Objektivlinse genannt, kann eine oder mehrere Linsen und/oder ein Gitter umfassen. Das Objektivsystem von 1 besteht in diesem Beispiel aus zwei Elementen, einer ersten Linse 18a und einer zweiten Linse 18b. Die Objektivlinse 18 weist eine optische Achse 19 auf. Die Objektivlinse verwandelt den Strahl 15 in einen konvergierenden Strahl 20, welcher auf die Eintrittsseite 6 des Aufzeichnungsträgers 2 fällt. Der konvergierende Strahl 20 bildet auf der Informationsschicht 4 einen Leselichtfleck 21.
Strahlung, die von der Informationsschicht 4 reflektiert wird, bildet einen divergierenden Strahl 22, welcher von der Objektivlinse 18 in einen im Wesentlichen kollimierten Strahl 23 und anschließend von der Kollimatorlinse 14 in einen konvergierenden Strahl 24 umgeformt wird. Der Strahlteiler 13 trennt den Vorwärtsstrahl 12 und den reflektierten Strahl 24, indem er wenigstens einen Teil des konvergierenden Strahls 24 in Richtung eines strahlungsempfindlichen Detektionssystems 25 sendet. Das Detektionssystem erfasst die von dem Strahlteiler 13 gesendete Strahlung und wandelt sie in elektrische Ausgangssignale 26 um. Ein Signalprozessor 27 wandelt diese Ausgangssignale in verschiedene andere Signale um, welche von einer Signalverarbeitungsschaltung 29 verarbeitet werden. Die Verarbeitungsschaltungen 27 und 29 können in der Abtasteinrichtung getrennt von dem optischen Kopf 1 angeordnet sein.
Eines der Signale ist ein Informationssignal 28, dessen Wert Informationen repräsentiert, die aus der Informationsschicht 4 gelesen wurden. Das Informationssignal wird durch eine Informationsverarbeitungseinheit für die Fehlerkorrektur 29 verarbeitet. Weitere Signale, die von dem Signalprozessor 27 geliefert werden, sind ein Fokusfehlersignal und ein Radialfehlersignal. Das Fokusfehlersignal repräsentiert die axiale Höhendifferenz zwischen dem Lichtfleck 21 und der Informationsschicht 4. Das Radialfehlersignal repräsentiert den Abstand in der Ebene der Informationsschicht 4 zwischen dem Lichtfleck 21 und der Mitte einer Spur in der Informationsschicht, die von dem Lichtfleck verfolgt werden soll.
Das Fokusfehlersignal und das Radialfehlersignal werden einer Servoschaltung zugeführt. Diese Schaltung wandelt diese Signale in ein Fokus-Servosignal zur Steuerung eines mechanischen Fokusaktors (nicht dargestellt) in dem optischen Kopf und eines Tracking-Servosignals zur Steuerung der Zentrierung des Lichtfleckes auf der momentan abgetasteten Spur um. Der mechanische Fokusaktor steuert die Position der Objektivlinse 18 in der Fokusrichtung 33, wodurch er die tatsächliche Position des Lichtfleckes 21 derart steuert, dass sie im Wesentlichen mit der Ebene der Informationsschicht 4 übereinstimmt. Ein weiterer mechanischer Aktor, wie etwa ein radial beweglicher Arm (nicht dargestellt), verändert die Position des optischen Kopfes 1 in der radialen Richtung 34 des Aufzeichnungsträgers 2, wodurch er die radiale Position des Lichtfleckes 21 so steuert, dass sie über einer zu verfolgenden Spur in der Informationsschicht 4 liegt. Die Spuren in dem Aufzeichnungsträger 2 verlaufen in einer Richtung, die zu der Ebene von 1 senkrecht ist.
Wie in US-A 4,242,579 beschrieben ist, verhält sich der Abschnitt der Informationsstruktur in der Nachbarschaft des Abtastfleckes 21 wie ein zweidimensionales Beugungsgitter, welches den einfallenden Lesestrahl 20 in einen nicht abgelenkten Teilstrahl nullter Ordnung und abgelenkte Teilstrahlen erster Ordnung und Teilstrahlen höherer Ordnung teilt. Der Teilstrahl nullter Ordnung und Teile der abgelenkten Teilstrahlen treten wieder in die Objektivlinse 18 ein. In der Ebene der Austrittspupille der Objektivlinse weisen die Mittelpunkte der verschiedenen Teilstrahlen Abstände voneinander auf. 2 zeigt die Situation in dieser Ebene.
Der Kreis 40 mit dem Mittelpunkt 46 stellt den Schnitt des Teilstrahls nullter Ordnung in dieser Ebene dar. Die Kreise 42 und 44 mit den Mittelpunkten 48 und 50 stellen den Schnitt des Teilstrahls der Ordnung (+1) bzw. des Teilstrahls der Ordnung (–1) dar, welche in der tangentialen Richtung oder Spurrichtung 36 gebeugt sind. In 2 stellt der gestrichelte Kreis 52 die Pupille der Objektivlinse dar. Für die in dieser Figur dargestellte Situation füllt der Teilstrahl nullter Ordnung die Pupille vollständig aus, so dass in Wirklichkeit die Kreise 40 und 52 zusammenfallen. Nur derjenige Teil der von der Informationsschicht kommenden Strahlung, welcher in die Objektivpupille fällt, wird für das Abtasten der Informationen verwendet. Für das Lesen der Informationen werden die Phasenänderungen in den Teilstrahlen der Ordnung (+1) und (–1) relativ zu dem Teilstrahl nullter Ordnung benutzt.
In den schraffierten Bereichen in 2 überlagern die besagten Teilstrahlen erster Ordnung den Teilstrahl nullter Ordnung, und es tritt eine Interferenz auf. Infolgedes sen ändert sich die Intensität der Gesamtstrahlung, welche die Austrittspupille der Objektivlinse passiert und somit auf das strahlungsempfindliche Detektionssystem fällt.
Wenn der Mittelpunkt des Abtast- oder Leselichtfleckes mit dem Mittelpunkt eines Informationsbereiches, zum Beispiel eines Pits (Tals), zusammenfällt, ist eine gegebene Phasendifferenz ψ zwischen einem Teilstrahl erster Ordnung und dem Teilstrahl nullter Ordnung vorhanden. Wenn sich der Abtastfleck von einem ersten Informationsbereich zum nächsten Informationsbereich bewegt, erhöht sich die Phase des Strahls erster Ordnung um 2π. Daher kann festgestellt werden, dass, wenn sich der Abtastfleck in der tangentialen Richtung bewegt, die Phase des Strahls erster Ordnung relativ zu dem Teilstrahl nullter Ordnung sich mit ω·t ändert. Hierbei stellt ω eine Zeitfrequenz dar, welche durch die Raumfrequenz der Informationsbereiche und durch die Abtastgeschwindigkeit bestimmt wird. Die Phase ϕ(+1) des Teilstrahls erster Ordnung b(+1) relativ zu dem Teilstrahl nullter Ordnung kann dann dargestellt werden durch: ϕ((+1) = ψ + ω·t
Die Intensitätsänderung, die durch die Interferenz der Teilstrahlen b(+1) mit dem Teilstrahl nullter Ordnung verursacht wird, kann durch ein strahlungsempfindliches Detektionselement 56 detektiert werden, das in 2 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, wobei dieser Detektor in der Ebene der Austrittspupille der Objektivlinse oder in einem Bild davon angeordnet ist. Für eine spezielle Phasentiefe der Informationsstruktur, für welche ψ = π rad gilt, ist die Intensitätsänderung über die Austrittspupille symmetrisch. Dann können, wie in 1 dargestellt, die Strahlteile, welche die zwei Überlagerungsbereiche durchlaufen, auf ein Detektorelement konzentriert werden. Das zeitabhängige Ausgangssignal des Detektors 25 kann dann dargestellt werden durch: Si = A(ψ)·cosψ·cosωt,wobei A(ψ) bei fallenden Werten von ψ fällt. Für eine gegebene Phasentiefe der Informationsstruktur ist die Amplitude A(ψ)cosψ konstant. Die Frequenz des Signals Si wird dann durch die Informationen bestimmt, welche momentan abgetastet werden.
Bis jetzt wurden nur Teilstrahlen erster Ordnung erörtert. Es ist offensichtlich, dass die Informationsstruktur Strahlung auch in höheren Beugungsordnungen beugt. Die Strahlungsintensitäten bei diesen Ordnungen sind niedrig, und die Beugungswinkel sind bei den hier betrachteten Raumfrequenzen der Informationsstruktur so groß, dass ein vernachlässigbarer Teil des Strahls höherer Ordnung in die Pupille der Objektivlinse 18 fällt. Der Einfluss der Strahlen höherer Ordnung auf das Detektorsignal Si kann daher vernachlässigt werden.
Das oben erläuterte optische Abtastsystem weist eine gegebene Grenzfrequenz f_c auf. Der Abstand d zwischen dem Mittelpunkt 46 der Objektivpupille 52 und den Mittelpunkten 48 und 50 der Teilstrahlen erster Ordnung ist proportional zu λ·f, wobei f die Raumfrequenz der Informationsbereiche in der Abtastrichtung und λ die Wellenlänge des Abtaststrahls 20 darstellt. In 2 ist die Situation dargestellt, dass die Frequenz f etwas höher ist als die halbe Grenzfrequenz f_c. Wenn sich die Frequenz f erhöht, bewegt sich der Teilstrahl der Ordnung (+1) nach rechts, und der Teilstrahl der Ordnung (–1) bewegt sich nach links, und der Abstand d vergrößert sich. Für einen gegebenen Wert von f, welcher die herkömmliche Grenzfrequenz f_c genannt wird, schneiden die Kreise 42 und 44 den Kreis 52 nicht mehr, sondern berühren diesen Kreis nur noch. Die Teilstrahlen erster Ordnung verlaufen dann nicht mehr durch die Pupille der Objektivlinse 18, und es kann keine Interferenz zwischen diesen Teilstrahlen und dem Teilstrahl nullter Ordnung mehr auftreten. Die Informationen des Aufzeichnungsträgers können dann nicht mehr abgetastet werden, indem die Gesamtstrahlungsenergie detektiert wird, welche die Objektivpupille passiert. Für das Auslesen in Reflexion, wie in 1 dargestellt, ist die herkömmliche Grenzfrequenz gegeben durch: fc = 2·NA/λwobei NA die numerische Apertur der Objektivlinse ist.
3 zeigt die Leistungsfähigkeit des herkömmlichen Leseverfahrens und der herkömmlichen Leseeinrichtung, ausgedrückt über die Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Funktion) MTF, welche ein Maß für die Amplitude des aus der Informationsschicht gelesenen Informationssignals ist, oder für den Kontrast, der von dem Detektionssystem wahrgenommen wird. Diese MTF, welche maximal 1 ist, ist als eine Funktion eines Parameters K·λ/NA graphisch dargestellt, welcher normalisierter Frequenzparameter genannt werden kann, d. h. die von NA/λ unabhängig gemachte Raumfrequenz. Wenn sich der normalisierte Parameter dem Wert 2 nähert und sich somit die Raumfre quenz K dem Wert 2·NA/λ nähert, geht die MTF gegen null, was bedeutet, dass Informationsdetails, welche diese Frequenz K_c haben, nicht adäquat gelesen werden können.
Um das Auflösungsvermögen der Abtasteinrichtung zu erhöhen, d. h. um das Lesen von Raumfrequenzen zu ermöglichen, die höher sind als die herkömmliche Grenzfrequenz, wird in US-A 4,242,579 vorgeschlagen, die Teilstrahlen relativ zu der Pupille der Objektivlinse in der tangentialen Richtung 36 zu verschieben. Die Verschiebung ist von solcher Art, dass ein Teil eines Teilstrahls erster Ordnung und ein Teil des Teilstrahls nullter Ordnung nach wie vor durch die Pupille der Objektivlinse verlaufen, auch wenn die Raumfrequenz der Informationsstruktur höher als die Grenzfrequenz ist.
4 zeigt die Situation, in welcher die Raumfrequenz ungefähr das 1,5-fache der Grenzfrequenz der Abtasteinrichtung von 1 und 2 beträgt. Der Abstand d zwischen dem Mittelpunkt 46 des Teilstrahls nullter Ordnung und dem Mittelpunkt 48 des Teilstrahls +erster Ordnung 42 ist ungefähr dreimal so groß wie der Abstand d in 2. Da diese Teilstrahlen in 4 nach links verschoben worden sind, fallen die schraffierten Bereiche 58 und 60 in die Pupille 52 der Objektivlinse. Der Teilstrahl –erster Ordnung 44 fällt nun vollständig außerhalb dieser Pupille.
Wie in 5 dargestellt, sind die Teile des Teilstrahls nullter Ordnung b(0) und des Teilstrahls erster Ordnung b(+1), die durch die Objektivlinse 18, die hier durch ein einziges Linsenelement dargestellt ist, und durch die Kollimatorlinse 14 verlaufen, in der Ebene 62 des Detektors 25 konzentriert. Da der Abtaststrahl ein kohärenter Strahl ist, kommt es zu einer Interferenz dieser Strahlteile in der Ebene 62, so dass ein Interferenzmuster I erzeugt wird, welches sich in der tangentialen Richtung 36 ändert, wie durch die Kurven 64, 66 und 68 in 5 bezeichnet ist. Die als Volllinie gezeichnete Kurve 64 stellt die Intensitätsänderung dar, wenn sich der Abtastfleck 21 genau im Mittelpunkt eines Informationsbereiches befindet. Wenn sich der Abtastfleck von diesem Mittelpunkt weg zu einem nachfolgenden Informationsbereich hin bewegt, hat das Intensitätsmuster zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten eine Form entsprechend der als Strichpunktlinie gezeichneten Kurve 66 bzw. der gestrichelten Kurve 68. Während des Abtastens des Leselichtfleckes 21 wandert das Intensitätsmuster somit über die Detektionsebene. Für einen schmalen Detektor mit einer festen Position, wie etwa den Detektor 70 in 5, ändert sich demzufolge während des Abtastens die Strahlung, welche dieser Detektor empfangt. Daher ändert sich das Ausgangssignal dieses Detektors in Abhängigkeit von den Informationen, die zum jeweiligen Zeitpunkt gelesen werden.
Die Breite des Detektors in der tangentialen Richtung sollte relativ zur Periode des Intensitätsmusters klein sein. Diese Periode wird durch die lokale Raumfrequenz der abgetasteten Informationsbereiche bestimmt. Für eine spezifische Informationsstruktur in einem Aufzeichnungsträger oder von Dokumenten oder optischen Darstellungen, die abgetastet werden sollen, ist die maximale Raumfrequenz bekannt, so dass die Breite des Detektors 70 dementsprechend angepasst werden kann.
Das Ausgangssignal des Detektors 70 wird einem Signalprozessor 27 zugeführt. Das Signal-Rausch-Verhältnis des Auslesesignals kann verbessert werden, indem zwei zusätzliche Detektoren 72 und 74 auf beiden Seiten des Detektors 70 in einem Abstand, der ungefähr gleich der halben Periode des Intensitätsmusters ist, angeordnet werden. Die Ausgangssignale dieser Detektoren werden addiert, und ihre Summe wird von dem Ausgangssignal des Detektors 70 in einem Differentialverstärker 76 subtrahiert, dessen Ausgang mit dem Signalprozessor 27 verbunden ist.
Bei der Abtasteinrichtung von US-A 4,242,579 wird die in 4 dargestellte Verschiebung der Teilstrahlen bezüglich der Pupille der Objektivlinse realisiert, indem die Achse der Objektivlinse und der Aufzeichnungsträger zueinander geneigt werden. Die Verteilung der von der Informationsschicht reflektierten Strahlung ist dann asymmetrisch bezüglich der Apertur der Projektionslinse, so dass nur Teile des Teilstrahls nullter Ordnung und nur eines der Teilstrahlen erster Ordnung durch die Linse verlaufen. Die Raumfrequenz, welche gelesen werden kann, kann daher zum Beispiel auf das Doppelte der herkömmlichen Grenzfrequenz erhöht werden. Da jedoch der fokussierte Lesestrahl das Substrat in einer schrägen Richtung durchquert und da dieses Substrat eine vorgegebene Dicke aufweisen sollte, zum Beispiel 1,2 mm, um für eine ausreichende mechanische Festigkeit und einen Staubschutz zu sorgen, können unzulässig große Aberrationen in dem Lesestrahl und somit in dem Leselichtfleck verursacht werden. Eine hauptsächliche Aberration ist Koma, welche ein Nebensprechen zwischen einander benachbarten Spuren der Informationsstruktur verursacht. Andere Typen von Aberration sind Astigmatismus und Aberrationen höherer Ordnung.
Um diesem Problem zu begegnen, wurde unlängst in der ebenfalls anhängigen EP-Patentanmeldung 03100817.0 vorgeschlagen, eine herkömmliche optische Leseeinrichtung zu verwenden und die Informationsschicht des Aufzeichnungsträgers mit einem Beugungsgitter zu versehen, um reflektierte Strahlung des Lesestrahlenbündels, wobei dieses Strahlenbündel selbst senkrecht auf die Informationsschicht fällt, in eine Richtung zu lenken, die mit dem Hauptstrahl des einfallenden Lesestrahlenbündels einen spitzen Winkel bildet. "Senkrecht einfallend" ist in dem Sinne zu verstehen, dass der Hauptstrahl des einfallenden Strahlenbündels, welches gegenwärtig ein konvergierendes Bündel ist, senkrecht zu dem Aufzeichnungsträger ist. Das Beugungsgitter wird als ein regelmäßiges oder informationsloses Gitter bezeichnet, um es von der diffraktiven Informationsstruktur zu unterscheiden. Wie in der EP-Patentanmeldung 03100817.0 beschrieben ist, lenkt das regelmäßige Beugungsgitter Teile der Teilstrahlen erster Ordnung, die von der diffraktiven Informationsstruktur gebildet werden, ab, so dass diese Teile die Objektivlinse passieren und zusammen mit Strahlung, welche in der nullten Ordnung doppelt gebeugt wird, auf das Detektionssystem fokussiert werden, so dass sie sich dort, wo sich dieses System befindet, überlagern. Dieses Detektionssystem kann dasselbe sein wie dasjenige, das in der in US-A 4,242,579 offenbarten Leseeinrichtung verwendet wird. Betreffs weiterer Einzelheiten der Wirkung des regelmäßigen Gitters und Ausführungsformen des Aufzeichnungsträgers, der mit einem solchen Gitter versehen ist, wird auf EP 03100817.0 verwiesen.
Wenn K_g die Raumfrequenz des regelmäßigen Gitters ist und K_i die Raumfrequenz der Informationsstruktur in der Informationsschicht ist, trifft der Lesestrahl auf eine Struktur, die eine effektive Raumfrequenz K_e aufweist, welche gegeben ist durch: Ke = Ki – m·Kg,wobei m die verwendete Gitterordnung des regelmäßigen Gitters ist, welche gewöhnlich eine erste Ordnung ist (m = 1). K_e bleibt kleiner als die herkömmliche Grenzfrequenz, wenn die Periodizität oder Raumfrequenz des regelmäßigen Gitters genügend groß ist. Diese Periodizität bestimmt den Winkel, unter welchem ein Teilstrahl einer gegebenen Beugungsordnung durch das Gitter abgelenkt wird; je größer die Periodizität ist, d. h. je kleiner die Gitterperiode ist, desto größer ist der Beugungswinkel.
Auf diese Weise kann eine Informationsstruktur mit einer größeren Raumfrequenz von zum Beispiel bis zum Doppelten der herkömmlichen Grenzfrequenz gelesen werden. Dies ist in 6 durch die Kurve 80 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt die Modulationsübertragungsfunktion als Funktion der Raumfrequenz in einer Informationsschicht, welche mit einem regelmäßigen Gitter versehen ist. Wie in 3 ist die MTF als eine Funktion des normalisierten Frequenzparameters K_i·λ/NA graphisch dargestellt. Die maximale Raumfrequenz K_i,c der Informationsstruktur, welche gelesen werden kann, ist nun mehr durch K_i,c·λ/NA = 4 und somit K_i,c = 4NA/λ gegeben, was das Doppelte der herkömmlichen Grenzfrequenz ist.
Das Ausstatten der Informationsschicht mit einem regelmäßigen Gitter ermöglicht das Lesen einer Informationsstruktur mit Raumfrequenzen im Bereich von 2·NA/λ bis 4·NA/λ und verschiebt somit das Band der Raumfrequenzen, welche gelesen werden können, über m·K_g. Die Breite des Raumfrequenzbandes wird jedoch nicht vergrößert und bleibt gleich 2·NA/λ.
Gemäß der Erfindung kann das Raumfrequenzband auf 4·NA/λ verbreitert werden, indem die Informationsschicht mit einem doppelbrechenden Gitter versehen wird und indem eine Leseeinrichtung verwendet wird, die mit einer Strahlungsquelleneinheit ausgestattet ist, welche Strahlung liefert, die zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten aufweist. Als "doppelbrechendes Gitter" wird hier ein Gitter bezeichnet, welches ein unterschiedliches optisches Verhalten für zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten aufweist.
Das doppelbrechende Gitter sollte der Bedingung genügen, dass nur für einen ersten Typ von Strahlung, welcher eine vorgegebene erste Polarisationsrichtung aufweist, das Gitter aktiv oder "sichtbar" ist, d. h. es teilt einen Strahl dieses Typs von Strahlung in Strahlen erster Ordnung. Für Strahlung eines zweiten Typs, welcher eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, die zu der des ersten Strahlungstyps senkrecht ist, sollte das Gitter inaktiv oder unsichtbar sein, d. h. es sollte einen Strahl dieses Strahlungstyps als einen einzigen Strahl durchlassen, welcher Strahl nullter Ordnung genannt werden kann.
7 zeigt einen kleinen Abschnitt einer Ausführungsform eines solchen doppelbrechenden Gitters 90, welches eine Schicht 92 aus zum Beispiel einem Flüssigkristallmaterial umfasst. Das Gitter ist in einem vertikalen Schnitt dargestellt, d. h. in einer Ebene, die zur Oberseite 94 und zur Unterseite 96 senkrecht ist. Es sind nur drei von einer großen Zahl von Gitterstreifen 98 und Zwischenstreifen 100 dargestellt. Der effektive Brechungsindex des Materials in den Gitterstreifen 98 ist von dem effektiven Brechungsindex in den Zwischenstreifen 100 verschieden. Somit ist das Gitter ein Phasengitter, d. h. es erzeugt eine Phasendifferenz zwischen Strahlteilen, welche auf die Gitterstreifen einfallen, und Strahlteilen, welche auf die Zwischenstreifen einfallen. Als "effektiver Brechungsindex" wird hier der Brechungsindex für diejenige Polarisationskomponente der Strahlung bezeichnet, für welche das Gitter aktiv sein sollte. Die unterschiedlichen Brechungsindizes sind in 7 durch unterschiedliche Richtungen der Schraffur dargestellt.
Das Material der Gitterstreifen 98 und Zwischenstreifen 100 ist ein Flüssigkristall-(LC-)Material, wobei das Material in den Gitterstreifen eine andere Doppelbrechung und einen anderen Brechungsindex aufweist als das Material in den Zwischenstreifen. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem in den Gitterstreifen eine Orientierung der LC-Moleküle, d. h. eine Richtung der Ausrichtung, erzeugt wird, welche von der Orientierung der LC-Moleküle in den Zwischenstreifen verschieden ist, zum Beispiel senkrecht zu ihr ist. Die Struktur von einander abwechselnden Streifen, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, ist dann sichtbar, d. h. wirkt als ein Gitter für Strahlung, welche eine Polarisationsrichtung parallel zur Ebene der Zeichnung von 7 und parallel zu den Gitterflächen aufweist, und somit senkrecht zur Richtung der Gitterlinien. Strahlung, die eine Polarisationsrichtung senkrecht zu dieser Ebene aufweist, und somit parallel zur Richtung der Gitterlinien, wird nicht gebeugt.
Die Struktur von 7 kann mittels photoinduzierter Diffusion während der Bildung eines flüssigkristallinen Netzes aus einem Gemisch von Monomermaterialien hergestellt werden. Dieses Verfahren ist für andere Anwendung in dem Artikel "Photo-induced diffusion during the formation of liquid crystalline networks: A powerful tool to control polymer morphology down to nano scale level" von D. J. Broer et al. in Recent Res. Devel. in Polymer Science, 2, 313, 1998 beschrieben. Das Verfahren ist außerdem in dem Artikel "Photo-induced opposite diffusion of nematic and isotropic monomers during patterned photo polymerisation" von C. F. v. Nolte et al. in Chem. Mater. 10, 135, 1998 beschrieben. Ein Monomergemisch kann polymerisiert, d. h. photopolymerisiert werden mittels Strahlung, wie etwa ultraviolettem (UV-)Licht. Falls eines der Monomere Flüssigkristallmoleküle umfasst, kann ein stabiles vernetztes LC-Netz erhalten werden. Falls eine räumlich modulierte Strahlung, d. h. Strahlung mit einer periodischen Intensitätsverteilung, für die Polymerisation verwendet wird, weist die Zusammensetzung des polymerisierten Materials eine periodische Änderung auf, da Unterschiede in der Strahlungsintensität Zusammensetzungsgradienten in Gemischen von reaktiven Mesogenen erzeugen. Reaktive Mesogene sind Flüssigkristalle, welche mit einer oder mehreren reaktiven Gruppen ausgestattet sind. Der Zusammensetzungsgradient induziert eine Diffusion von Materialpartikeln in der Materialschicht, welche periodische Änderungen von Parametern zur Folge hat, wie etwa des Brechungsindex und der Doppelbrechung. Zum Beispiel, und wie in dem oben erwähnten Artikel von Broer et al. beschrieben, kann aus einem Gemisch eines LC-Diakrylats und eines isotropen Monoakrylats ein doppelbrechendes Hologramm hergestellt werden, wel ches eine räumliche Periode von 10 μm besitzt und eine Beugungseffizienz von 50% für Strahlung mit einer Polarisationsrichtung parallel zur Richtung der LC-Ausrichtung aufweist. Für Strahlung mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zur Richtung der LC-Ausrichtung beträgt die Beugungseffizienz nur 15%. Auf diese Weise kann ein doppelbrechendes Beugungsgitter hergestellt werden, welches unter Umständen in einem Aufzeichnungsträger gemäß der Erfindung verwendet werden kann, obwohl die Doppelbrechung nicht optimal genutzt wird. Dies ist auf die verbleibende Differenz zwischen dem gewöhnlichen Brechungsindex n₀ der Materialabschnitte, welche Doppelbrechung aufweisen, und dem Brechungsindex des isotropen Materials außerhalb dieser Abschnitte zurückzuführen.
Das so hergestellte Gitter wird ein holographisches Gitter genannt, da ein holographisches Verfahren angewendet wird, d. h. es werden zwei sich überlagernde Strahlen verwendet, um das Gittermuster zu erhalten.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden holographischen Gitters wird von Boiko et al. in Optics Letters 27 (19), 2002, S. 1717, sowie in Veröffentlichungen, auf die in diesem Artikel Bezug genommen wird, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein so genanntes PDLC-Gemisch, das ein Flüssigkristallmaterial und isotrope Monomere umfasst, Muster für Muster polymerisiert. Anstatt durch zwei sich überlagernde Strahlen kann das Muster auch erhalten werden, indem das Gemisch über eine Maske exponiert wird, welche mit einem Muster aus Schlitzen versehen ist, das dem erforderlichen Muster in dem Gemisch entspricht. Während der lokal verbesserten Polymerisation des isotropen Monomers erfolgt eine Phasentrennung des Flüssigkristalls in diskrete Schichten. Diese Schichten sind noch immer durch Polymer-Protrusionen, d. h. dünne faserartige polymere Strukturen, verbunden. Aufgrund des anisotropen Einschlusses orientieren diese Protrusionen das Flüssigkristall in der Richtung der Protrusionen, d. h. senkrecht zur Polymerschicht. Indem der Flüssigkristall und die Monomere so gewählt werden, dass einer der Brechungsindizes des Flüssigkristalls mit dem Brechungsindex des Monomers übereinstimmt, wird ein doppelbrechendes, d. h. polarisationsempfindliches Gitter erhalten. Die Gitter, die in den zitierten Veröffentlichungen beschrieben sind, sind umschaltbare Gitter. Das Gitter, das in dem Aufzeichnungsträger gemäß der Erfindung verwendet wird, ist ein passives, d. h. nicht umschaltbares Gitter. Dies ermöglicht es, die phasengetrennten Flüssigkristalle mit reaktiven Gruppen auszustatten, die von einer anderen Natur sind als diejenigen des isotropen Monomers, und die Flüssigkristalle in eine feste polymere Struktur umzuwandeln, nachdem die Phasentrennung bewerkstelligt worden ist.
Eine bessere Alternative für das doppelbrechende Beugungsgitter zur Verwendung bei der Erfindung ist in 8 dargestellt. Diese Figur zeigt erneut einen vertikalen Schnitt eines kleinen Abschnitts des Gitters. Das Gittermaterial umfasst einen nematischen Flüssigkristall, und die Orientierung des Flüssigkristalls, d. h. die Richtung der Ausrichtung der Kristallmoleküle in den Gitterstreifen 98, ist von dieser Orientierung in den Zwischenstreifen 100 verschieden und vorzugsweise senkrecht zu dieser. Die Richtungen der Ausrichtung sind durch die vertikalen Linien 102 bzw. die horizontalen Linien 104 bezeichnet. Für linear polarisierte Strahlung, deren Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene von 8 ist, weist die Platte 90 einen ordentlichen Brechungsindex n₀ über die gesamte Platte auf, so dass sich die Platte wie eine planparallele Platte verhält. Für linear polarisierte Strahlung, deren Polarisationsrichtung in der Zeichnungsebene liegt und parallel zu den Hauptflächen des Gitters ist, wechselt der Brechungsindex zwischen n₀ (in den Zwischenstreifen 100) und dem außerordentlichen Brechungsindex n_e (in den Gitterstreifen 98). Die Differenz Δn = n_o – n_e kann einen Wert von bis zu 0,15 haben.
Ein solches Gitter kann durch Polymerisation von reaktiven Mesogenen hergestellt werden. Die reaktiven Gruppen der Mesogene können polymerisiert werden, indem sie der Einwirkung von UV- oder sichtbarer Strahlung oder von Elektronen ausgesetzt werden, oder durch Wärme. Es kann ein Initiator zugegeben werden, welcher bei Aktivierung reaktive Partikel, z. B. Radikale, erzeugt, welche die Polymerisationsreaktion auslösen. Die reaktiven Mesogene können an einer Fläche ausgerichtet werden, auf welcher das Gitter ausgebildet werden soll.
Ein geeignetes Verfahren, um ein Muster von Bereichen mit einer abwechselnden Orientierung von Molekülen reaktiver Mesogene zu erzeugen, wird von Wilderbeek et al. in Advanced Materials, 15 (12), 2002, S. 985 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird ein Substrat mit einer dünnen Schicht eines photoempfindlichen Polymers bedeckt. Indem das Polymer über eine mit einem Muster versehene Maske UV-Strahlung ausgesetzt wird, wird das erforderliche Muster erhalten. Während der Exposition werden ungesättigte Gruppen, deren Übergangsmoment parallel zum elektrischen Feldvektor der UV-Strahlung ist, sich vernetzen und werden immobilisiert. Die nicht reagiert habenden Komponenten sind noch beweglich, und im Laufe der Zeit positionieren sie ihre Übergangsmomente mehr oder weniger parallel zu der polarisierten UV-Strahlung und reagieren ebenfalls. Am Ende wird eine anisotrope Fläche erhalten, mit der Fähigkeit, Flüssigkristalle auszurichten.
In den exponierten Bereichen richten sich die reaktiven Mesogene später in der Richtung des elektrischen Feldvektors der polarisierten UV-Strahlung aus. Die nicht exponierten Bereiche enthalten nach wie vor die ursprünglichen ungesättigten Komponenten und sind daher reaktiv. Wenn die Oberfläche mit einem Alkanthiol unter Wärme und einem Generator freier Radikale behandelt wird, reagieren die verbleibenden ungesättigten Gruppen mit der Thiolgruppe. Infolgedessen wird die Oberfläche mit apolaren Alkanschwänzen modifiziert, welche die Flüssigkristalle (reaktive Mesogene) senkrecht zur Oberfläche ausrichten. Die reaktiven Mesogene auf einer auf diese Weise behandelten Oberfläche orientieren sich somit abwechselnd parallel zur Oberfläche und senkrecht zur Oberfläche, so dass nach einer Polarisation durch die Behandlung mit UV-Strahlung eine Struktur wie in 8 dargestellt erhalten wird.
Das doppelbrechende Gitter kann direkt auf dem Aufzeichnungsträger ausgebildet werden, d. h. die aufeinander folgenden Schritt der Beschichtung und Exposition werden auf dem Aufzeichnungsträger durchgeführt. Stattdessen kann die Gitterstruktur auch getrennt von dem Aufzeichnungsträger hergestellt werden, zum Beispiel zwischen vorübergehend vorgesehenen Substraten, zum Beispiel aus Kunststoff, und das fertig gestellte Gitter kann auf der Informationsschicht des Aufzeichnungsträgers angebracht werden.
Wie bereits angemerkt wurde, sollte das doppelbrechende Gitter eine Gitterperiode aufweisen, die kleiner als die Periode der diffraktiven Informationsstruktur des Aufzeichnungsträgers ist, so dass der Beugungswinkel, unter welchem die Strahlen erster Ordnung durch das doppelbrechende Gitter gebeugt werden, kleiner ist als der Winkel, unter welchem die Strahlen erster Ordnung durch die Informationsstruktur gebeugt werden, so dass doppelt gebeugte Strahlen nullter Ordnung das Objektivsystem passieren können. Dies bedeutet, dass die Periode des doppelbrechenden Gitters deutlich weniger als λ/2·NA betragen sollte, wobei NA die numerische Apertur des Objektivsystems ist.
Um ein Nebensprechen zwischen der niederfrequenten Informationsstruktur und der hochfrequenten Informationsstruktur zu vermeiden, sollte vermieden werden, dass das Gitter einen Teilstrahl nullter Ordnung der Lesestrahl-Polarisationskomponente erzeugt, für welche es aktiv ist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die optische Weglängendifferenz für einen Strahlteil, der durch einen Gitterstreifen verläuft, und einen Strahlteil, der durch einen Zwischenstreifen verläuft, λ/2 oder ein ungerades Vielfaches davon beträgt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist. Die besagte optische Weglängendifferenz ist das Produkt von Δn und der Dicke t_g der Gitterschicht. Somit sollte, wenn ein Nebensprechen vermieden werden soll, die Dicke der Gitterschicht λ/2Δn oder ein ungerades Vielfaches davon betragen. Dies gilt für ein Transmissionsgitter; für ein Reflexionsgitter sollte die Dicke der Gitterschicht λ/4Δn betragen. Ein Transmissionsgitter kann in ein Reflexionsgitter verwandelt werden, indem seine Rückseite mit einer reflektierenden Schicht versehen wird.
Ein Auftreten von Nebensprechen zwischen Signalen mit höheren Frequenzen (> 2·NA/λ) und niedrigeren Frequenzen (< 2·NA/λ) kann ebenfalls durch eine geeignete Anordnung der Informationsstruktur vermieden werden. Die Informationsbereiche mit höheren und niedrigeren Raumfrequenzen können in ersten Spuren mit höherer Frequenz bzw. zweiten Spuren mit niedrigerer Frequenz angeordnet werden, und diese Spuren können verschachtelt werden, d. h. jede Spur mit höherer Frequenz wird zwischen zwei Spuren mit niedrigerer Frequenz angeordnet und umgekehrt. Durch Lesen der Spuren mit höherer Frequenz mit einem ersten Lichtfleck und der Spuren mit niedrigerer Frequenz mit einem zweiten Lichtfleck kann das Nebensprechen auf ein Minimum begrenzt werden.
Ein Verschachteln hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Abstand zwischen einer Spur mit hoher Frequenz und einer Spur mit niedriger Frequenz zum Beispiel halb so groß ist wie der Spurabstand einer herkömmlichen Informationsstruktur, so dass die Informationsdichte und somit die Kapazität des neuen Aufzeichnungsträgers zum Beispiel doppelt so groß sein kann wie die eines herkömmlichen Aufzeichnungsträgers.
Zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer Informationsstruktur, welche ein weites Spektrum von Raumfrequenzen umfasst, kann eine Einrichtung 110 wie in 9 dargestellt verwendet werden. Diese Einrichtung umfasst einen Diodenlaser 112, welcher einen einzigen Strahl b aussendet, einen Kollimator 114, einen Strahlteiler 116, eine Objektivlinse 118 und einen Detektionszweig 122. Der Lesestrahl b sollte zwei zueinander senkrechte polarisierte Komponenten umfassen. Ein solcher Lesestrahl kann erhalten werden, indem der Hohlraumschlitz des Diodenlasers in einer geeigneten Richtung orientiert wird, so dass die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Strahles b einen Winkel von 45° mit der Richtung der LC-Ausrichtung in den Gitterstreifen des doppelbrechenden Gitters 136 auf der Oberseite der Informationsschicht 134 des Aufzeichnungsträgers 130 bildet, welcher ein Substrat 132 aufweist. Stattdessen, und wie in 9 dargestellt, kann eine λ/2-Platte 120 zwischen dem Diodenlaser 112 und dem Strahlteiler 116 angeordnet sein, wobei diese Platte die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Laserstrahls dreht, derart, dass der auf den Aufzeichnungsträger und somit auf das doppelbrechende Gitter 136 fallende Strahl zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten aufweist. Als eine zweite Alternative kann das Element 120 durch eine λ/4-Platte ersetzt werden, welche den linear polarisierten Laserstrahl in einen kreisförmig polarisierten Strahl umwandelt, welcher aus zwei zueinander senkrechten polarisierten Strahlkomponenten zusammengesetzt ist.
Die reflektierten Strahlkomponenten b₁ und b₂, welche durch Informationsbereiche mit hoher Frequenz bzw. Informationsbereiche mit niedriger Frequenz moduliert worden sind, müssen separat detektiert werden. Dies kann realisiert werden, indem ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler 124 in den Detektionszweig eingefügt wird, wobei dieser Strahlteiler die Strahlkomponente b₁ zum Detektor 126 reflektiert und die Strahlkomponente b₂ zum Detektor 128 durchlässt. Der Detektor 128 liefert ein Signal mit Frequenzen in dem Bereich bis hinauf zur herkömmlichen Grenzfrequenz f_c, und der Detektor 126 liefert ein Signal, das Frequenzen in dem Bereich von der Frequenz f_c bis 2·f_c aufweist.
Falls die Informationsstruktur des Aufzeichnungsträgers verschachtelte Spuren mit höheren Frequenzen und Spuren mit niedrigeren Frequenzen aufweist, werden zwei Lichtflecke benötigt, um die Spuren mit höheren Frequenzen bzw. die Spuren mit niedrigeren Frequenzen zu lesen. Der radiale Abstand zwischen diesen Lichtflecken sollte gleich dem Abstand zwischen den Mitten einer Spur mit höheren Frequenzen und der benachbarten Spur mit niedrigeren Frequenzen sein. Eine solche Trennung der Lichtflecke kann zum Beispiel erzielt werden, indem der neutrale Strahlteiler 116 durch ein Wollaston-Prisma ersetzt wird. Dieses Prisma teilt einen Strahl in zwei bezüglich des Winkels getrennte Strahlen mit verschiedenen Polarisationsrichtungen. Das Objektivsystem 118 wandelt die verschiedenen Richtungen dieser Strahlen in verschiedene Positionen der Lichtflecke um, die von diesen Strahlen in der Informationsschicht gebildet werden. Auf diese Weise wird die Intensität der Lesestrahl-Polarisationskomponente, welche Spuren mit höheren Frequenzen lesen soll, an den Stellen, wo sich die Spuren mit niedrigeren Frequenzen befinden, auf ein Minimum begrenzt.
10 zeigt die Auswirkung, die das doppelbrechende Gitter auf die Teilstrahlen hat, die von einer Informationsstruktur gebeugt werden. Diese Figur zeigt nur diejenigen Elemente von 9, welche für die vorliegende Erfindung relevant sind, nämlich die Objektivlinse 118 und den Aufzeichnungsträger 130 mit der Informationsschicht 134 und dem Beugungsgitter 136. Dieses Gitter teilt einen einfallenden Lesestrahl b in einen Teilstrahl plus erster Ordnung b'(+1) und einen Teilstrahl minus erster Ordnung b'(–1). Die Periode des Gitters ist größer als die Periode der Informationsstruktur in der Informations schicht 134, so dass die Teilstrahlen b'(+1) und b'(–1) unter einem Winkel abgelenkt werden, welcher kleiner ist als der Winkel, unter welchem die Teilstrahlen b(+1) und b(–1) von der Informationsstruktur abgelenkt werden. Die Teilstrahlen b(+1) und b(–1) sind in 10 durch Volllinien dargestellt. Da das Gitter 136 der Informationsstruktur 134 überlagert ist, werden die von der Informationsstruktur gebildeten Teilstrahlen b(+1) und b(–1) durch das Gitter weiter in doppelt gebeugte Teilstrahlen erster Ordnung gebeugt. Von diesen doppelt gebeugten Teilstrahlen durchlaufen dann die Teilstrahlen b(+1, –1) und b(–1, +1) die Pupille des Objektivlinsensystems, wie in 10 dargestellt. Die ersten und zweiten Indizes dieser Teilstrahlen beziehen sich auf die Ordnung der Beugung, die durch die Informationsstruktur 134 bzw. das Gitter 136 verursacht wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass Teile der Teilstrahlen erster Ordnung, welche durch die Informationsstruktur moduliert werden, das strahlungsempfindliche Detektionssystem erreichen und ein Lesen mit einem wesentlich verbesserten Auflösungsvermögen möglich wird.
Diese Art des Lesens wird für die Informationsbereiche, die eine hohe Raumfrequenz aufweisen, in dem Bereich von der herkömmlichen Grenzfrequenz bis zum Zweifachen dieser Frequenz angewendet und kann nur von derjenigen Komponente des Lesestrahls durchgeführt werden, welche eine Polarisationsrichtung in der Zeichnungsebene von 7 und 8 und senkrecht zu der Periodizität f des Gitters, d. h. senkrecht zur Richtung der Gitterlinien aufweist (TM-Polarisation). Um ein Nebensprechen mit Informationssignalen mit niedrigeren Frequenzen zu verhindern, sollte das Gitter 136 nur Teilstrahlen erster Ordnung und keinen Teilstrahl nullter Ordnung erzeugen. Die andere Strahlkomponente, welche in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene von 7 und 8 und parallel zu den Gitterlinien (TE-Polarisation) polarisiert ist und nicht durch das Gitter gebeugt wird, kann nur Informationsbereiche mit einer niedrigeren Raumfrequenz in dem Bereich bis zur herkömmlichen Grenzfrequenz lesen. Um ein Nebensprechen mit Informationssignalen mit höheren Frequenzen zu verhindern, sollte das Gitter 136 keine erste und höhere Ordnung für diese Polarisationskomponente erzeugen.
Wie in der besagten unveröffentlichten Patentanmeldung EP 03100817.0 für ein herkömmliches Gitter erörtert wird, kann die Richtung der Gitterstreifen des doppelbrechenden Gitters an die Anordnung der Informationsbereiche in der Informationsschicht angepasst werden. Falls diese Bereiche in Spuren angeordnet sind, kann die besagte Richtung parallel zur Spurrichtung sein, jedoch auch der Spurrichtung oder einer beliebigen Richtung zwischen diesen zwei Richtungen entsprechen. Falls die Informationsbereiche entsprechend einer 2D-OS(zweidimensionalen optischen Speicher-)Struktur angeordnet sind, d. h. einer Struktur, die aus jeweils eine Anzahl von Informationsbereichen umfassenden Blöcken besteht, welche gleichzeitig gelesen werden, zum Beispiel durch eine Matrix von einer entsprechenden Anzahl von Detektoren, ist die Richtung der Gitterstreifen vorzugsweise diagonal zu den Blöcken.
Falls sich der Mittenabstand der Informationsbereiche über den Aufzeichnungsträger ändert, zum Beispiel von den äußeren Spuren zu den inneren Spuren hin abnimmt, kann die Schrittweite des Gitters eine entsprechende Änderung aufweisen.
Der Aufzeichnungsträger gemäß der Erfindung kann auch ein bandförmiger Aufzeichnungsträger oder eine optische Karte sein.

Claims

Optischer Aufzeichnungsträger (130) mit mindestens einer Informationsschicht (134), wobei Informationen in einer Informationsstruktur codiert sind, die Informationsbereiche umfasst, welche sich mit Zwischenbereichen abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsschicht mit einem polarisationsempfindlichen Beugungsgitter (136) ausgestattet ist, das eine Gitterschicht umfasst, welche in Gitterstreifen eines ersten Typs aufgeteilt ist, die sich mit Zwischenstreifen eines zweiten Typs abwechseln, wobei mindestens einer der Typen ein doppelbrechendes Material umfasst, und dadurch, dass die Brechungsindizes der Gitterstreifen (98) und Zwischenstreifen (100) für Strahlung, die in einer Richtung parallel zur Gitterebene und senkrecht zu den Gitterstreifen polarisiert ist, unterschiedlich sind.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Material ein Flüssigkristall ist.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkristall ein nematischer Flüssigkristall ist.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Material ein polymeres Material ist, das polymerisierte ausgerichtete flüssigkristalline Monomere umfasst.
Optischer Aufzeichnungsträger nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstreifen ein anisotropes Material umfassen, das mindestens zwei Brechungsindizes aufweist, und die Zwischenstreifen isotropes Material umfassen, und dadurch, dass einer der Brechungsindizes des anisotropen Materials im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des isotropen Materials ist.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterstreifen von den Zwischenstreifen dadurch unterscheiden, dass sich der Grad der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in den Gitterstreifen wesentlich von diesem Grad in den Zwischenstreifen unterscheidet.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterstreifen von den Zwischenstreifen dadurch unterscheiden, dass sich die Richtung der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in den Gitterstreifen von dieser Richtung in den Zwischenstreifen unterscheidet.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Gitter ein Transmissionsgitter ist.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Gitter ein Reflexionsgitter ist.
Optischer Aufzeichnungsträger (130) nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass sich erste Informationsspuren, die Informationsbereiche umfassen, die höhere Raumfrequenzen aufweisen, mit zweiten Informationsspuren abwechseln, die Informationsbereiche umfassen, die niedrigere Raumfrequenzen aufweisen.
Einrichtung (110) zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers nach Anspruch 10, wobei diese Einrichtung eine Strahlungsquelleneinheit (112) zum Liefern von Lesestrahl-Strahlung, ein Objektivsystem (118) zum Fokussieren der Lesestrahl-Strahlung in der Informationsschicht und einen ein strahlungsempfindliches Detektionssystem (124, 126, 128) umfassenden Detektionszweig zum Umwandeln von Lesestrahl-Strahlung von dem Aufzeichnungsträger in ein elektrisches Signal umfasst, wobei die Strahlungsquelleneinheit Lesestrahl-Strahlung liefert, die zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten aufweist, wobei der Detektionszweig einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler (124) umfasst und das strahlungsempfindliche Detektionssystem einen separaten Detektor (126, 128) für jede der zwei Polarisationskomponenten von dem Strahlteiler umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungskomponenten zwei räumlich getrennte Lesestrahlen bilden, und dadurch, dass das Objektivsystem diese Strahlen in zwei Lichtflecken in der Informationsschicht des zu lesenden Aufzeichnungsträgers fokussiert, wobei der Abstand zwischen den Lichtflecken in der Richtung senkrecht zur Richtung der Informationsspuren im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den ersten Informationsspuren und den zweiten Informationsspuren ist.