Brevet FR2518295A1 — publié le 19830617

"Système de détection de défauts de focalisation optique" L'invention concerne un système de détection de défauts de focal isation optique servant à dét err'd ner deés écarts se produisant en-tre 'le plan de représentation d'un syst'celc d'objectif dans un sys- t-ne optique et unte face rèflectrices de rayonnement dans ledit sys- OS t face sur laquelle doit étire effectuée la représentation, le syst-re de détectiron de -_If-uts de Afoea I Lsat Jori étant muni d'une -ou-re de ïvayonoesient, I syo-tème d'objectif, d'un systÈfle ast-igi-ia- ti i alé, iu par dea ix r 1 a-ItîIles c lin rique disposés dans le trià -,t 4 i un faïsceau rarl -5-ar la face réfiectrîce et tun dé'tec- tnîir Serisr Th à r n'-'rn eomposé de quatre détecteurs partiels. lin i cl PUa ' ed 'neot"rw'u itrmn présentant une struc- i 5 tiure d' iso t Cén Ief eetr Jeîca cde rpayonnement lisible par voie opti- jn te Id sît f die leture cottnnu, entre autees du bre- itdes, 4 tt 02 d Aurlue,_)1549(Ce dispositif est uti- l per exîai r ln etr dun porteur d'enjregistreîaent dans leqcuel est séun pro-graïimie vidéo La structure d'i Lnfrorrma-ttion est c;nsttueepar url ti 3 rand nom D Lbre de domaines d'infoiniatio-n qui, vu dans la directien de la piste, alternent avec des domaines intrméiaies Lesdits dom Faines peiéient ktre arrangés suivant une pi:nte spiralée LC 3 domaines difr tonexercent une autre influ- ence sur le faisceau de lecturea que les domaises intermjédiai res. L 'infojrmat ion peut être codée_ oui vant la fréquence des domaines drinformation et/ou dans le rapport, de la longueur de ces domaines par rapport a celles des domaines intermédiaires L 'information peuti également être codée sous forme noexérique Outre l'information vidéo et audio, de l'information numérique, par exemple celle provenant d'une calculeuse ou destinée à cette dernière peut être emmagasinée dans le porteur d'enregistremient. Pour que la durée de reproduction du porteur d'enregistrement -2- soit suffisamment longue pour des dimensions limitées de ce porteur, les détails de la structure d'information doivent être très petits. C'est ainsi que lorsqu'un programme vidéo de trente minutes est em- magasiné dans une face d'un porteur d'enregistrement en forme de disque circulaire dans une région annulaire d'un rayon extérieur d'environ 15 cm et d'un rayon intérieur d'environ 6 cm, la largeur des pistes est d'environ 0,6 micron et la longueur moyenne des do- maines d'information se situe dans la proximité de 1 micron. Afin de pouvoir lire ces petits détails, il faut utiliser un système d'objectif présentant une assez grande ouverture numérique. Toutefois, la profondeur de netteté d'un tel système d'objectif est petite Du fait que dans le dispositif de lecture il peut se produi- re des variations, supérieures à la profondeur de netteté, dans la distance comprise entre à face de la strcture d'information et le systeme d'objectif, il faut prendre des précautions afin de pouvoir détecter ces variations et de cdrriger la focalisation à l'aide de ces dernières. A cet effet, le faiseeau de lecture provenant du porteur d'enregistrement peut tre rendu astigmatique, par exemple à l'aide d'une lentille cylindrique Entre les lignes focales du système as- tigmatique, formé par le système d'objectif et la lentille cylindri que peut être appliqué un détecteur sensible à rayonnement composé de quatre détecteurs partiels Dans le cas d'une variation de la position de la face de la strueture d'information par rapport au système d'objectif, la forme de la tache d'image formée sur le dé- tecteur composé subit des variations Cette variation de forme peut être détectée par combinaison convenable des signaux de sortie des détecteurs partiels. Un tel système de détection de défauts de focalisation peut être utilisé non seulement dans le dispositif servant à la lecture d'un porteur d'enregistrement réflecteur de rayonnement mais, d'une façon générale, dans des systèmes optiques dans lesquels doivent être détectés des écarts se produisant entre la position requise et la position réelle d'une face réflectrice des rayonnements destinée à la représentation A ce sujet, on pense aux microscopes, aux sys- tèmes utilisés pour la réalisation de circuits integrés, aux systè- mes destinés à la projection d'un masque sur un substrat etc. -3- Le système de détection de défauts de focalisation muni d'une seule lentille cylindrique délivre un signal qui n'est pas idéal du point de vue technique de réglage La caractéristique donnant les variations du signal de défaut de foealisation en fonction de l'é- cart se produisant entre le plan de focalisation requis et le plan de focalisation réel est courbée et, en outre, asymétrique autour du point zéro Les variations non-linéaires résultent du fait que le faisceau présente deux convergences différentes dans des directions perpendiculaires entre elles L'asymétrie de la caractéristique est provoquée par les positions non-symétriques, par rapport au plan des détecteurs partiels, des représentations de l'ouverture du sys- tème d'objectif Cette asymétrie est surtout grave lorsque le détec- teur sensible à rayonnenent est appliqué à une assez grande distance du systkme d'objectif, situation qui peut se produire dans un dispo- sitif d'enregistrement ou de lecture dans lequel seul un système d'objectif est déplacé de faton mobile et les autres éléments opti- * ques du dispositif sont disposes de façon fixe. Le brevet des Etats-Unis d'Afmrique N 4 025 949 propose i'3 méliorer la earacteristique du signal des défauts de focalisation par utilisation de deux lentilles cylindriques de puissances égales, dont les axes cylindriques Sont perpendiculaires entre eux, lentil- les qui sont disposées dans unm faisceau parallèle Ainsi, on obtient un faisceau qui présente la même convergence dans deux plans perpen- diculaires entre eux, de sorte que le signal de défaut de foealisa- tion présente une variation linéaire autour du point zéro Ainsi, les représentations de l'ouverture d'objectif ne se situent pas non plus de façon symétrique par rapport au plan du détecteur, de sorte que le signal est toujours asymétrique. La présente invention vise à fournir un système de détection de défauts de foealisation délivrant un signal qui est tant linéaire autour du point zéro que symétrique, non seulement autour du point zéro mais également plus loin Le système conforme à l'invention est caractérisé en ce que les deux lentilles cylindriques sont disposées dans un faisceau non collimaté et présentent des puissances diffé- rentes de façon que la représentation de l'ouverture du systèmne d'objectif formée à l'aide de ces lentilles soient symétriques par rapport au plan du détecteur, et que le faisceau provenant de ces -4- lentilles présente des convergences égales dans deux plans perpendi- culaires entre eux. Une première forme de réalisation préférentielle du système de détection de défauts de focalisation est caractérisée en ce que les deux lentilles cylindriques sont disposées dans un faisceau conver- gent et présentent toutes les deux des lentilles négatives. Une deuxième forme de réalisation d'un système de détection de défauts de focalisation est caractérisée en ce que les deux lentil- les cylindriques sont disposées dans un faisceau divergent et les deux lentilles sont positives. Le système de détection de défauts de focalisation peut très avantageusement être appliqué à un dispositif de lecture ou à un dispositif d'enregistrement et de lecture combiné, dans lequel le détecteur du système de détection de défauts de focalisation est disposé à grande distance du système d'objectif. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre un dispositif de lecture muni d'un systèe de détection de défauts de focalisation. La figure 2 montre le détecteur sensible à rayonnement utilisé dans ce dispositif. Les figures 3 a et 3 b illustrent les variations d'un faisceau de rayonnement dans un système de détection de défauts de focalisa- tion connu muni d'une seule lentille cylindrique. La figure 4 représente la caractéristique d'un signal de dé- faut de focalisation d'un système de détection muni d'une seule len- tille cylindrique. Les figures 5 a et 5 b montrent les variations d'un faisceau de rayonnement dans un système de détection de défauts de focalisation muni de deux lentilles cylindriques conformes à l'invention. La figure 6 représente la caractéristique du signal de défaut de focalisation de ce système de détection de défauts de focalisa- tion, et La figure 7 montre un dispositif d'enregistrement et de lec- ture combiné muni de deux systèmes de détetion de défauts de focali- sation conformes à l'invention. -5- La figure i montre en coupe ra-diale un porteur d'enregistre- ment en forme de disque ciruaire 1 La structure d'information est indiquée par les pistes dlf atio 21 Le porteur d enregistremient est expose a un faisvceau Lie le 6 provenant de la source de rayoinn-rioeet 5, qui rqeil fte Ioror Ale Dar un laser à gaz, Coriú,e un la- ser du genre fie-Nc, rou un la d diode serdiconductrice, comme un laser, U Iaa N syitked -1 oîbjectl qui pour la clartcé du dessin, est in 4 ' N par une sele 1 1 I ci as-ure la focalisati on du f iua de lectu re, er de- 1 -t '12 l dans le plai des C it 2 rao dlmoun ri lentille au;rili iaire eventuelîric-rt iî_ nen Lo N 9) de Ca Co; ai assurer le remrplis- sage e bleUc i ' " t'es d'objectif de laçon que la (t tj par diffraction coi-r r -' '--ne a îi Sti d'objecto-if Le foi 't '1 'rite ef l Zc h Jar 'e o u 'neitmn et j,-, le, l A-ist' lirîe. o * 7,,u eli'w't qefflt diviseur die f-il -n t I o; nnust oie arayonnement -15 Ainsi f l -;r ue ltélcnent divi - pereutta tii'-e r iiarsn'asaetais grs 1 crent p;r -it t W -î r Sensible la polarisation Dans le deener a, r ' \ 4 ' nd 14 est inserse dains le trajlet, de rycanemct \' 's t ritlaongueur d'onde du failsceau de afinri t t' '*-'-trde a se produisant entre le plan de %c k'I 1 i i' ec f l plaki de la l Struc i'- rnk 1, c'U td'f dont l'une, 20, se situe dians le plan du dessin et la seconde, 19,. est perpendiculaire à ce plan Le détecteur 15 est disposé dans un -6- plan qui, vu suivant l'axe optique, se situe entre les lignes foca- les 19 et 20 Les lignes séparatrices entre les détecteurs partiels A, B, C et D font un angle de 45 avec les lignes focales astigmati- ques 19 et 20 et sont de préférence respectivement parallèles et perpendiculaires à la direction de la piste à l'endroit de la tache de lecture. La forme de la tache de rayonnement 12 ' formée sur le détec- teur 15 est déterminée par le degré de focalisation du faisceau 6 sur la face d'information Dans le cas d'une focalisation requise, cette tache de rayonnement est circulaire, comme l'indique la figure 2 par un cercle en traits pleins Lorsqu'il se produit une défocali- sation, la tache de rayonnement 12 ' présente uine forme allongée, comme il a été indique par des courbes interrompues, la direction longitudinale de la tache étant déterminee par le signe de la défo- calisation Si les signaux des détecteurs partiels sont représentes par SA, SB, SC et È, le signal de défaut de focalisation Sf est donné par: sf = + SE (s C+s D) Conforménent à l'invention, le système astigmatique 16 est constitué par deux lentilles cylindriques 17 et 18 présentant des puissances différentes et des axes perpendiecuxlaires entre eux Dans la situation représentée sur la figure 1 o les lentilles 18 et 19 sont disposées dans un faisceau convergent, ces lentilles sont des lentilles négatives Si les lentilles étaient disposées dans En faisceau divergent, elles devraient tre positives Dans le dernier cas, o un faisceau divergent doit être converti en un faiseeau convergent, il faut que les lentilles 17 et 18 présentent une puis- sance plus élevée que dans le cas o le falsceau est déjà conver- gent C'est pour cette raison qu'une forme de réalisation présentant un faisceau convergent 6 ' et deux lentilles divergentes 17 et 18 mérite la préférence Les lentilles cylindriques 17 et 18 présentent des puissances telles que les représentations de l'ouverture du sys- têne d'objectif formées à l'aide de ces lentilles se situent de fa- çon symétrique par rapport au plan du détecteur 15. L'avantage de l'utilisation des deux lentilles cylindriques s'explique le mieux en partant d'un systéme de détection de défaut de focalisation o l'on utilise qu'une seule lentille cylindrique -7- positive 23, par exemple à la position de la lentille 17 sur la fi- gure 1 Les figures 3 a et 3 b représentent la partie de la voie de rayonnement à partir de la lentille 23, la figure 3 a représentant une section suivant le plan du dessin de la figure 1 et la figure 3 b une section suivant un plan perpendiculaire au plan du dessin de la figure 1 Les lignes focales astigmatiques sont désignees par 24 et et la position du détecteur 15 par P 15. Du fait que la lentille 23 n'exerce qu'un effet de lentille dans iun seul plan, ie plan du dessin de la figure 3 b, la convergence 13 Adu faisceau n'est pas égale dans les deux sections De ce fait, le signal de defaut le o cal-sation presente une allure non lineaire autour du point zéro Sur la figure 4, l'allure de ce signal Sf est represen Cée en fion: on le la dêfoealisation t f De ce Lait, le signal Sf prsast e o N f e ceourbée autour du point zéro, égaiement us, ? omc as-jrtrinue Ceia est da au fait que dans lc eux plan e,, scon l es fi Jgures 3 a et 3 b, les represen- r,;i_ns de 'uver,,u jsysteme d'objectif ne se situent pas de façoni ' y":tr e rap x;au plan -15 du détecteuro Lesdites re= prtése-aticns d I Io u Lx se situent aux positions PV et Po H' 2 C L'ol ure d, s igjl fa seion la figure 4 est très désavantageuse peur Je ser-t,syste,l:? perme;tbtant de corriger la Localisation La fo- calisation peut;tre corrigée, par exemple par déplacement du systè- tc di te Ctif. Or, l'aplieation eonforame à l'invention de deux lentilles cylindriques dans unl faiseeau convergent ou un faisceau divergent permet de disposer d'un premier para ritre réglable, notamment la position de ees le it 1 les par rapport au système d'objectif Un deu- xieme paraetire regable consiste dans la puissance des lentilles cylindriques Un choix app Jopri de ees paramètres permet d'attein- dre que les eonvergenes du faisceau dans les deux sections soient égales et que le représentation d'ouvertures se situe symétriquement par rapport au plan du détecteur De ee fait, le signal Sf pré- sente une allure iinéaire autour du point zéro, et une allure symé- trique non seulement autour du point zéro mais également plus loin, comme le montre la figure 6. Si les deux lentilles cylindriques sont disposées dans un faisceau parallèle, comme le représente le brevet des Etats-Unis -8- d'Amérique No 4 025 949, leurs positions n'influent nullement sur le trajet des rayons Dans ce cas, seules les convergences du fais- ceau dans les deux sections peuvent être rendues égales, notamment par utilisation de lentilles cylindriques à puissance égale. Les figures 5 a et 5 b représentent le trajet de rayonnement dans un système de détection de défauts de focalisation conforme à l'invention Les deux lentilles cylindriques négatives sont dési- gnées par 17 et 18 En l'absence de ces lentilles, le faisceau 6 ' serait focalisé au point 12 ' et l'ouverture du système d'objectif serait représentée à la position P O En présence des lentilles cylindriques 17 et 18, il se forme deux lignes focales as-tigmatiques 19 et 20 La lentille cylindrique 17 représente l'ouverture du sys- tkme d'objectif dans un plan Pv, qui est éloigne d'une assez gran- de distance du plan de détection P 15 La lentille cylindrique 18, qui est plus fortement négative que la lentille 17, représente l'ou- verture dans un plan PH, qui se situe à gauche du plan de détec- tion P 15 et est notamment éloigné d'une même distance dudit plan que Pv Le chiffre 27 désigne une lentille convergente qui est dispo- sée dans le trajet de rayonnement si le faisceau provenant du systè- me d'objectif est un faisceau collimaté. Dans une forme de réalisation pratique du système de détec- tion de défauts de focalisation selon les figures 5 a et 5 b, qui fut utilisée dans un dispositif servant à la lecture d'un porteur d'en- registrement optique, la distance focale de la lentille 17 était d'environ -80 mm, celle de la lentille 18 environ -25 mm et celle de la lentille 27 environ 100 mm La distance comprise entre les len- tilles 27 et 18 était d'environ 51 mm et celle comprise entre les lentilles 17 et 19 environ 33 mm La distance comprise entre P 15 et la lentille 18 était d'environ 64 mm. Outre dans un dispositif servant à la lecture d'un porteur d'enregistrement enregistré, l'invention peut également être appli- quee à un dispositif conçu pour l'enregistrement d'un porteur d'en- registrement et à un dispositif d'enregistrement et de lecture com- biné La figure 7 représente schématiquement une forme de réalisa- tion du dispositif mentionné en dernier lieu Deux taches de rayon- nement sont formées sur la face d'information qui, vu dans la direc- tion des pistes 2, sont écartées d'une courte distance, par exemple -9/izn, les unes des Le dj'spositif comporte une première source de rayonnement 5, souc forme d 1 uri laser à diode, délivrant un faisceau de lecture 6 Ce i faiî, partie d'un ensemble dit "broche lwineusc-? i En outre un objectif collimateur )i-î 31 'iii r* j le fai 8 cen-u i 1 e cune len"Ile cylindrique 32 assurant la du î'àisceau de lasser à di- ode Dans le du pîr Ulêle 6 est disposé un Prisime agir;,é un de faisceau n,:Du Lîe 3 P, et un V Une 6 LUI -Pr I O cur ç, Il qui Alibi (Bainsla Dê j lieîe La C (C _n lieu est _r;_ _ tà S Brève Ilz, -,j Pî*î,-Xls sen sible ule b e C, 11 e, le pris- n' l; 101 AleC 1-nnsici 3 ic 'r, C-H abri -ê(i ciez Dnçon-PixeLes j O Se S U' 20 ls F 2 cle le 1 -u (P 321, o Le d-, -_î oej CI 8 POI,'-i'lation du:;liele t'ai Ecee_;u est;peu près 56 Aïnsi, es parcourt triliet i u, le 1,a 6 Outre pour lenregis- peur, Ure vl'-ilisé pour la 1 eU;re de Preoeilbe d,-iïjs dès préala- bletlent appiiqiije ',3, ïVi que IL, die la tache de rayomis- nient peut în% C î-zi C Ureeij Ai 1 radiale C- la direction tangenti elle. Le fa J3 Ceéiu lo des lecture f' 'Bois parle " 3 tre captes ar tirs spy 7 aix 151 et 11-55, de façon à éviter que le rayonne- ment du faisceau d 1 enregistremen, respectivement du faisceau de lecture, ne parvenne sui, le dé'i,;ecteur, 15, respectivement sur le dé- tecteur 15 ' A cet effflelp il faut utiliser des faisceaux présentant -10des directions de polarisation différentes et des éléments sensibles à polarisation dans le trajet des rayons Pour réduire l'éventuelle diaphotie résiduelle, on préfèere utiliser des lasers à diode émet- tant des longueurs d'onde différentes, par exemple 840 nm pour le laser d'écriture et 780 n pour le laser de lecture et des filtres à sélectivité de longueurs d'onde 46 et 46 ' sont disposés devant les détecteurs 15 et 15 '. Dans le trajet de rayonnement est insérée une lame %/4 d'on- de fortement sélective 39 assurant la rotation de la direction de polarisation de seul le faisceau d'enregistrement 6 ' Cette lme est traversée deux fois, de sorte que la direction de polaisaton du faisceau 6 ' est tournée en totalité de 90 ', de sorte que le faisceau d'enregistrement réflécehi par le porteur d'enregistrement est trans- mis par le prisme 36 Apres passage d'un prisme composé 33, les faisceaux 6 et 6 ' dont la direction de polarisation est identique, atteignet un second prince composé 41 contenant un diviseur de faisceau sensible a polarisation 44 et un prisme reflecteur 42 De vant le prisme eo rfl'fehi par le lj O isx 44 vers le détecteur 15 ' Le faisceau de leè- tture b est trans is par le pri me 44 et réfléchi ensuite par le prisme 42 vers le dét-ecteur 15. Dans le tra Jet du faisceau 6 est disposese lme ientille con- vergente 45 qui transforme le faiseeau parallèle en un faisceau con- vergent Confore'/ent a l'invention, afin de déduire un signal de défaut de focelisation, on a prévu un systeme de ientille stimat- que 16, constitué par deux lentilles cylindriques p 7 an-eoneces 17 et 18 de puissances ingales préesentant des axes perpendiculaires entre eux et le détecteur 15 est constitué par quatre détecteurs partiels, eomme le montre la figure 2 Outre pour la détection des défauts de focalisation, ces détecteurs peuvent être utilisés pour la lecture de l'information inscrite et pour la détection de défauts de suite de piste. De préférence, une lentille 45 ' et deux lentilles cylindri- ques plan-concaves 17 ' et 18 ' sont prévues dans le trajet du fais- ceau d'enregistrement b' réfléchi par le prisme 44 et le détecteur -11- ' est constitué par quatre détecteurs partiels Ces détecteurs sont utilisés pour la lecture d'un signal d'horloge present dans des servopistes préalablement appliquées, pour la détection de défauts de suite de piste de la tache d'enregistrement et pour la détection de défauts de focalisation du faisceau d'enregistrement Ainsi, il est possible de corriger un différence en foyer du faisceau d'enre- gistrement et du faisceau de lecture. Comme il ressort de ce qui précède, le système de détec- tion de défauts de focalisation ne met pas à profit les propriétés spéciales de la structure d'information, du porteur d'enregistrement ou du dispositif d'enregistrnemnt et/ou de lecture Il ne faut sa- tisfaire qu'à la seule exigence que la face d'information soit ré- flectrice C'est pour cette raison que l'invention peut être appli- quée à toutes sortes de systèmes o tune tache de rayonnement doit être formée sur une face réflectrice On peut songer à un microscope explorateur et un syst'ie co otu pour la projection de configuration de masque sur un substrat pour la réalisation de circuits intégrés etc. -12- REVENDICATIONS: 1 Système de détection de défauts de focalisation optique ser- vant à déterminer des écarts se produisant entre le plan de repré- sentation d'un systnème d'objectif dans un système optique et-une face réflectrice de rayonnement dans ledit système, face sur laquel- le doit être effectuée la représentation, le système de détection de défauts de focalisation étant muni d'une source de rayonnement, le système d'objectif, d'un système astigmatique constitué par deux lentilles cylindriques disposés dans le trajet d'un faisceau réflé- chi par la face réflectrice et un détecteur sensible à rayonnement composé des quatre détecteurs partiels, caractérisé en ce que les deux lentilles cylindriques ( 17, 18; 17 ', 18 ') sont disposées dans un faisceau non collimaté et presentent des puissances de lentille différentes de façon que la représentation de l'ouverture du système d'objectif ( 11) formée à l'aide de ces lentilles soient symétriques par rapport au plan du détecteur (P 15), et que le faisceau provenant de ces lentilles présente des convergences égales dans deux plans perpendiculaires entre eux. 2 Système de détection de défauts de focalisation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lentilles cylin- driques ( 17, 18; 17 ', 18 ') sont disposés dans un faisceau conver- gent et elles sont toutes les deux de puissance négative. 3 Système de détection de défauts de focalisation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lentilles cylin- driques ( 17, 18) sont disposées dans un faisceau divergent et elles sont toutes les deux de puissance positive. 4 Dispositif conçu pour la lecture d'un porteur d'enregistre- ment ( 1) présentant une structure d'information réflectrice de rayonnement lisible par voie optique, dispositif qui est muni d'une source de rayonnement ( 5) fournissant un faisceau de lecture ( 6), d'un système d'objectif de lecture ( 11) et d'un déteeteur d'informa- tion ( 15) sensible à rayonnement, caractérisé en ce qu'il est muni de systèmes de détection de défauts de focalisation optique selon l'une des revendications précédentes et que le détecteur sensible à rayonnement ( 15) de ce système constitue simultanément le détecteur d'information. -1 '3- Dispositif servant à l'enregistrement et la lecture d'infor- mation dans un porteur d'enregistrciment ( 1), muni d'une prernière source de rayonnement ( 5 ') et d'une seconde source de rayonnement ( 5) fourissant un faisceau d I Gnregistriment ( 6 ') respectivement et un faisreau -e lecture (i S), ccraeî- risé en ce que dans chacun des traiets du ficeudeegsrm t(')et dru faisceau de lecture ( 6) sépar'5 S pi' ent lu porteur d enregistrement ( 1) est inseré Lin 3 seed tcide edatsde; focalisation optique selon liune des rv er i 1 c;aàtio N S I ou S