DE3706837A1

DE3706837A1 - Einrichtung und verfahren zum messen des berechungsindex eines substrats fuer einen optischen aufzeichnungstraeger

Info

Publication number: DE3706837A1
Application number: DE19873706837
Authority: DE
Inventors: Akihiko Yoshizawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1987-03-03
Publication date: 1987-09-10
Anticipated expiration: 2007-03-04
Also published as: JPS62203046A; DE3706837C2; US4792227A; JPH0820358B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen des Brechungsindex in Dickenrichtung eines optischen Informationsaufzeichnungsträgersubstrats,das zur Aufzeichnung, Wiedergabe oder Löschung von Information durch Bestrahlen mittels eines Lichtstrahls aus einem optischen Aufnehmer verwendet wird. In jüngster Zeit ist eine optische Informationsaufzeichnungs-/ Wiedergabeeinrichtung bekannt geworden, bei der Information mit hoher Dichte auf einem optischen Aufzeichnungsträger durch Konzentrieren von Lichtstrahlen und Richten derselben auf diesen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet werden kann und bei der auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Information mit hoher Geschwindigkeit dadurch abgetastet bzw. wiedergegeben werden kann, daß von diesem Aufzeichnungsträger reflektiertes bzw. durchgelassenes Licht auf einen Lichtdetektor gerichtet wird.

Ein derartiger Aufzeichnungsträger kann eine fotomagnetische Scheibe sein, bei der auf einem Substrat beispielsweise aus Acrylatharz wie PMMA eine magnetische Aufzeichnungsschicht aufgebracht ist, auf der die durch dieses Substrat gelaufenen Lichtstrahlen gesammelt und projiziert werden, wobei die Polarisationsebene des zurückgelangenden Lichts abhängig von der Magnetisierungsrichtung desjenigen Teiles sich dreht, der einen Aufzeichnungsfilm bzw. eine Aufzeichnungsschicht bildet, so daß die zurückgelangende Lichtmenge unterschiedlich ist.

Gemäß der Japanischen Patentoffenlegungsschrift 74 701/1982 hat das vorgenannte Acrylatharz gute optische Eigenschaften, es hat jedoch andererseits den Nachteil, daß es sehr hygroskopisch ist, so daß die Aufzeichnungsträgeroberfläche verbogen wird.

Es wird deshalb als vorteilhafter betrachtet für das Substrat eine Polykarbonatharz (nachstehend abgekürzt mit PC) oder dergleichen zu verwenden, das wenig zum Verbiegen neigt, eine hohe Formstabilität besitzt und ebenfalls eine hohe mechanische Festigkeit.

Im Falle des genannten PC-Harzes oder dergleichen als Substratmaterial ist es notwendig, dessen optische Eigenschaften gut zu beherrschen. Ist beispielsweise sein Brechungsindex groß, dann wird der optische Abstand pro Längeneinheit derart groß, daß die Dicke des Substrats nicht sehr groß gemacht werden kann. Es ist somit erforderlich, den Brechungsindex des für das Substrat zu verwendenden Materials zu untersuchen und, da der Brechungsindex in manchen Fällen abhängig von dem Gießverfahren für das Substrat variiert, ist es wünschenswert, den Brechungsindex anhand der Substratform zu messen, die unter Verwendung eines tatsächlichen Gießverfahrens hergestellt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung 1 zum Messen des Doppelbrechungsindex eines bekannten plattenförmigen Aufzeichnungsträgersubstrats.

Ein He-Ne-Laser 2 gibt einen beliebig polarisierten Laserlichtstrahl ab, der in einem Polarisator 3, etwa einem Glas-Thomson- Prisma (nachstehend GTP abgekürzt) in vorbestimmter Richtung linear polarisiert und dann auf ein Substrat 4 als Meßmedium gerichtet wird. Das durch dieses Substrat 4 gelaufene Licht durchläuft dann eine Phasenkompensationsplatte 5 von Babinet-Soleil, die derart angeordnet ist, daß sie dem vorgenannten Polarisator 3 gegenüberliegt, läuft dann durch einen Lichtanalysator 6, beispielsweise ein GTP-Prisma, das in einer Lichtauslöschposition (gekreuztes Nicholprisma) eingesetzt ist, so daß polarisiertes Licht hindurchläuft, das unter einem rechten Winkel zu demjenigen des Polarisators 3 verläuft. Schließlich wird das Licht von einem Lichtempfangselement 17 empfangen. Wird somit ein derartig polarisierter Lichtstrahl auf das Substrat 4 gerichtet, dann wird keine Phasendifferenz (elliptische Formbildung) in dem Substrat 4 erzeugt, wenn das Substrat 4 einachsig (als Kristall) ist, wobei die optische Achse vertikal zur Substratebene verläuft und selbst die Polarisationsrichtung durch Drehung des Polarisators 3 variiert wird. Liegt jedoch die optische Achse in der Substratebene, dann wird abhängig von dem Winkel zwischen der Polarisationsrichtung und der optischen Achse eine Phasendifferenz erzeugt und zwar selbst dann, wenn das Substrat zweiachsig als Kristall ausgebildet ist, und zwar durch Ändern der Polarisationsrichtung des polarisierten Strahles. Wenn somit die in diesem Substrat 4 erzeugte Phasendifferenz durch Bewegen beispielsweise zweier Keile der Phasenkompensationsplatte 5 insbesondere der rechten optischen Rotationsplatte 5 b bezüglich der linken optischen Rotationsplatte 5 a und somit gleichförmiges Variieren der Dicke der beiden Platten gelöscht wird, dann wird das durch den Lichtanalysator 6 in der gekreuzten Nicholanordnung für den Polarisator 3 gelöscht und das Ausgangssignal des Lichtempfangselements 7 nimmt einen minimalen Wert an. Der Doppelbrechungsindex in der Ebene des Substrats 4 kann auf Grund der Verschiebung der genannten Phasenkompensationsplatte 5 gemessen werden.

Bei dem bekannten Meßverfahren ist der Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats 4 überhaupt nicht bekannt. Somit ist dieses Verfahren für eine Untersuchung des Substrates eines optischen Aufzeichnungsträgers unzureichend. Dies bedeutet, daß dann, wenn parallele Lichtbündel durch das Substrat des Aufzeichnungsträgers auf die Aufzeichnungsschicht gerichtet werden, diese zu einem Punkt fokussiert werden, wobei dieser Lichtkollektionswinkel bzw. die Öffnungszahl (N. A.) sehr groß ist. In der Position der Substratfläche werden die Lichtbündel defokussiert gehalten, so daß sie durch Schmutzteilchen oder dergleichen nicht beeinträchtigt werden. Wenn die Lichtbündel auf diese Weise gesammelt werden, dann beeinflußt bei einem Substrat aus einem optischen Material mit Doppelbrechungsindex die Brechungsindexkomponente in Dickenrichtung die durch das Substrat laufenden Lichtbündel. Dies soll nachstehend erläutert werden.

Im Falle einer Spritzguß-PC-Platte zeigt das Substrat eine derartige Doppelbrechung wie ein einachsiger Kristall und besitzt in den meisten Fällen eine optische Achse in Richtung vertikal zur Substratebene. Der Brechungsindex n _o für vertikales Licht und der Brechungsindex n _e für nicht vertikales Licht differieren voneinander.

Somit wird ein auf dieses Substrat auffallendes linearpolarisiertes Licht auf Grund der Neigung bezüglich der optischen Achse (in der Richtung vertikal zur Substratebene) auf Grund der Doppelbrechung eine Phasendifferenz erzeugen, wenn der durch die Polarisationsrichtung und die Einfallsebene gebildete Winkel von einem spezifischen Winkel abweicht, so daß sich eine Ellipse ergibt, das heißt, daß das linearpolarisierte Licht in eine elliptische Polarisation übergeht.

Wieso sich eine Ellipse ergibt, soll nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden.

Fig. 2 veranschaulicht, wie ein Laserstrahl 14 in einen Teil eines eine Scheibe 11 eines Objektivs bildenden Substrats 12 eindringt, wobei ein Lichtpunkt gebildet werden soll. In der Fig. 2 ist nur ein Teil der Scheibe 11 gezeigt.

Der Laserstrahl 14 ist linear polarisiertes Licht mit einer Polarisationsrichtung, die unter rechtem Winkel die radiale Richtung 16 des Substrats 12 schneidet, wie dies durch das Bezugszeichen 15 angegeben ist. Das Licht enthält einen Strahlteil 21 (S-polarisiertes Licht), der unter einem rechten Winkel zur Polarisationsrichtung einfällt, und einen Strahlteil 22 (P-polarisiertes Licht), das parallel zur Polarisationsrichtung auffällt, sowie Strahlteile 23 und 24, die unter einem Winkel von 45° bezüglich dieser Strahlenteile auffallen. Diese Strahlenteile 23 und 24 enthalten Komponenten sowohl von S-polarisiertem Licht als auch von P-polarisiertem Licht.

Die Brechungsindizes für das S-polarisierte Licht und das P-polarisierte Licht, die auf dieses Substrat 12 auftreffen mit einem Neigungswinkel R i bezüglich der optischen Achse (vertikal zur Substratebene) angegeben duch das Bezugszeichen 12 a in Fig. 3 sind wie folgt.

Das Spritzguß PC-Substrat weist eine im wesentlichen einachsige Kristallcharakteristik und zwei der Hauptbrechungsindizes n ₁, n ₂ n ₃ sind einander gleich. Bei einem Brechungsindexellipsoid, bei dem die Koordinateachsen derart gewählt sind, daß n ₁ = n ₂ und bei dem die Z-Achsenrichtung gleich n ₃ ist, fällt die optische Achse 12 a mit der Z-Achse zusammen.

Der Brechungsindex n′ für das S-polarisierte Licht, das unter einem Winkel R i bezüglich der optischen Achse (also vertikal zur Substratebene) 12 a einfällt und der Brechungsindes n″ für das P-polarisierte Licht werden durch die kleine Achse 26 a und die große Achse 26 b der sich durch einen Vertikalschnitt ergebenden Ellipse 26 des Lichts 25 nach Einfall dargestellt. Dies bedeutet, daß bei einem Winkel R t, der durch das Licht 25 nach Einfall mit der optischen Achse gebildet wird.

n′ = n ₁ (1)

Wobei sin R t = (1/n′)·sinR i.

Somit beinhalten der Strahlteil 21 des S-polarisierten Lichts und der Strahlteil 22 des P-polarisierten Lichts, die auf das Substrat 12 auffallen, linear polarisiertes Licht, während jedoch beispielsweise die Strahlenteile 23 und 24, die unter 45° bezüglich der vorgenannten Strahlenteile 21 und 22 einfallen, polarisiertes Licht beinhalten, das Komponenten sowohl des S- polarisierten Lichts als auch des P-polarisierten Lichts umfassen. Somit wird eine Phasendifferenz zwischen der S-polarisierten Lichtkomponente und der P-polarisierten Lichtkomponente erzeugt und das linear polarisierte Licht wird zu einem elliptisch polarisierten Licht. Wird die Dicke des Substrats mit d und die Wellenlänge mit λ bezeichnet, dann kann diese Phasendifferenz ausgedrückt werden durch

δ s-p = (2π/g) · (n′ - n″) · (d/cos R t).

Dies bedeutet, daß die Phasendifferenz δ _s-p mit steigender Dicke d des Substrats und steigendem Einfallswinkel R i größer wird.

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen Strahl, der unter linearer Polarisation in einer Polarisationsrichtung 27 auf das Objektiv auftrifft, durch die Scheibe 11 reflektiert wird und dann wieder durch das Objektiv läuft. Je näher das Licht zu der Umfangskante ist, das heißt je größer die A pertur ist, desto größer ist der Einfallswinkel R _i und die Phasendifferenz δ _s-p. Wenn der Richtungswinkel, das heißt der zwischen der Einfallsebene und der Polarisationsrichtung gebildete Winkel, 34° entspricht, das heißt entweder 45° oder 135° ist, also an den durch die Bezugszeichen 28 a, 28 b, 28 c und 28 d angegebenen Positionen, wird die Elliptizität maximal.

Wenn somit das Substrat eine Doppelbrechung aufweist, auch wenn die Doppelbrechung einaxial ist, mit einem Brechungsindex in Dickenrichtung, dann wird das linear polarisierte Licht zu elliptisch polarisiertem Licht mit einer polarisierten Lichtkomponente, die orthogonal zur linear polarisierten Lichtrichtung ist. Auch im Falle eines Substrats einer fotomagnetischen Scheibe wird die Polarisationsrichtung des zurückgelangenden Lichts bei Verwendung von linear polarisiertem Licht um einen kleinen Winkel abhängig von der Magnetisierungsrichtung gedreht.

Selbst wenn der Lichtanalysator derart eingestellt wird, daß er nur die gedrehte polarisierte Lichtkomponente hindurchläßt, wird der durch das Substrat gelaufene Lichtstrahl elliptisch polarisiert, so daß auch Licht durch den Lichtanalysator hindurchgelangt, welches nicht der eigentlichen Signalkomponente angehört und das dann mit dem Signal vermischt wird. Auch wird auf Grund der Elliptizität eine Signalkomponente erzeugt, die sich in dem Analysator überlagert. Somit wird das Nutz-/Störsignalverhältnis verringert.

Die vorgenannte Elliptizität ergibt sich auf Grund der Differenz zwischen n″ und n″. Der Brechungsindex n″ leitet sich von dem Brechungsindex in Dickenrichtung ab.

Somit ist im Falle eines Substrats einer fotomagnetischen Platte der Brechungsindex in Dickenrichtung ein sehr wesentlicher Faktor, dessen Wert jedoch nicht mit der vorgenannten bekannten Einrichtung bestimmt werden kann.

Doch nicht nur im Falle eines Substrats für eine fotomagnetische Platte, sondern auch für das Substrat einer Fotoplatte für die Wiedergabe oder dergleichen von aufgezeichneter Information auf Grund der Differenz in der reflektierten Lichtmenge wird ein optisches System häufig verwendet, bei dem ein zirkular polarisierter Lichtstrahl, der sich aus einem durch einen polarisierten Strahlenteiler unter Verwendung einer λ/4-Platte erzeugten linear polarisierten Lichtstrahl ergeben hat, auf das Substrat gerichtet und das zurückgelangende Licht wird wiederum linear einer Polarisationsrichtung polarisiert, die orthogonal zu der durch die λ/4 Platte erfolgten linearen Polarisierungsrichtung ist, und dieses linear polarisierte Licht wird dann durch den genannten Strahlenteiler auf den Informationslichtdetektor gerichtet. Auch in diesem Falle wird das Licht durch den Strahlenteiler nicht exakt aufgeteilt und zwar auf Grund der Tatsache, daß sich der Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats von demjenigen in der Substratebene unterscheidet. Somit ergibt sich wiederum eine Verschlechterung des Nutz-/Störsignalverhältnisses. Wenn der Brechungsindex in der Dickenrichtung des Substrats sich von demjenigen in der Substratebene unterscheidet, ergibt sich bei der Kollimation und Projektion von Licht eine ungenügende Fokussierung des Lichtstrahls, so daß der Strahlfleck größer wird als im Falle eines isotropen Brechungsindex, wodurch die Aufzeichnung mit hoher Dichte beeinträchtigt wird. Bei der Aufzeichnung wird die Energiedichte reduziert, so daß die Leistung der Lichtquelle größer sein muß und die Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung wird behindert.

Dies bedeutet zusammenfassend, daß es nicht nur im Falle der fotomagnetischen Platte, sondern auch bei der Fotoplatte äußerst wichtig ist, den Wert des Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats zu kennen, und daß mit der bekannten Meßeinrichtung der Brechungsindex in Dickenrichtung nicht bestimmt werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen des Brechungsindex in Dickenrichtung eines optischen Aufzeichnungsträgersubstrats und ein Meßverfahren dafür anzugeben.

Bei der erfindungsgemäßen Brechungsindexmeßeinrichtung wird der Einfallswinkel eines polarisierten Strahles auf die substratebene eines optischen Aufzeichnungsträgersubstrats schräg gewählt und die Polarisationsrichtung des polarisierten Strahles wird bezüglich des Substrats variiert. Der von dem Substrat durchgelassene oder reflektierte Lichtstrahl wird über eine Lichtanalysiervorrichtung in gekreuzter Nicholeandordnung auf eine Lichtempfangsvorrichtung gerichtet; die empfangene Lichtmenge für Polarisationswinkel wird gemessen und mit einer theoretischen Formel verglichen, aus der der Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats bestimmt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird der Winkel des Einfalls eines polarisierten Strahles auf die Substratebene konstant gehalten, die von dem Substrat hindurchgelassene oder reflektierte Lichtmenge wird in der gekreuzten Nicholanordnung gemessen, während die Polarisationsrichtung bezüglich des Substrats variiert wird, der Brechungsindex in Dickenrichtung wird auf Koinzidenz mit der theoretischen Formel geprüft und dadurch wird der Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats bestimmt.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer bekannten Brechungsindexmeßeinrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung der Art und Weise, wie Lichtstrahlen auf einem Substrat gesammelt werden.

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Einfallswinkel des auf das Substrat fallenden Lichtes und dem Brechungsindex,

Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Position eines von der Platte reflektierten und dann durch ein Objektiv laufenden Strahles im Querschnitt und dem Grad der elliptischen Polarisation,

Fig. 5-13 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung und zwar,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau einer Brechungsindexmeßeinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der entsprechenden Polarisationsrichtungen in einer Strahlfleckposition auf dem Substrat,

Fig. 7 eine Kurve, die die tatsächlich von der Lichtempfangsvorrichtung gemessenen optischen Ausgangswerte bei Variieren der Polarisationsrichtung darstellt,

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung der Polarisationsebene vor und nach der Brechung eines einfallenden Lichtstrahls,

Fig. 9 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Polarisationsrichtung und der optischen Ausgangswerte mit einem Winkel Φ als Parameter, der die Richtung der optischen Achse gemäß der theoretischen Formel darstellt,

Fig. 10 Kurvenscharen bezüglich der Beziehung zwischen der aus der theoretischen Formel bestimmten Polarisationsrichtung und den optischen Ausgangwerten mit dem Brechungsindex n _e in der Dickenrichtrung als Parameter.

Fig. 11 eine Kurvenschar, die die optischen Ausgangswerte für die Polarisationsrichtung wiedergibt wenn der die optische Achse in der theoretischen Formel darstellende Winkel Φ in der Nähe von 0 variiert wird.

Fig. 12 eine Kurvenchar zur Darstellung der Beziehung zwischen der Polariksationsrichtung bei einem Brechungsindex n _e, der sich von demjenigen in Fig. 7 gemäß der theoretischen Formel unterscheidet, und den optischen Ausgangswerten,

Fig. 13 eine Darstellung zur Erläuterung der Meßrichtung der optischen Achse eines PC-Substrats.

Fig. 14 den Aufbau einer Meßeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 15 den prinzipiellen Aufbau einer Meßeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Brechungsindexmeßeinrichtung 31 eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ein He-Ne-Laser 32 erzeugt einen willkürlich polarisierten Laserlichtstrahl, der durch einen Polarisator 33, etwa eine GTP-Vorrichtung geleitet und damit linear polarisiert wird. Dieser linear polarisierte Strahl wird auf ein Substrat 34 gerichtet, das unter einem Winkel R _i gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Der Winkel R i ist somit der Einfallswinkel des Lichtstrahles und wird geeignet gewählt. Der durch das Substrat 34 hindurchtretende Lichtstrahl wird durch einen Lichtanalysator 35, etwa eine GTP-Vorrichtung gesandt und gelangt an einen Leistungsmesser 36, der die Lichtempfangsvorrichtung darstellt und mit dem die empfangene Lichtmenge festgestellt wird. Der Einfallswinkel R _i kann durch Verändern des Abstützwinkels einer Haltevorrichtung eingestellt werden, die das optische System oder das Substrat 34 abstützt.

Das Meßobjekt, nämlich das Substrat 34, dessen Brechungsindex in Dickenrichtung zu messen ist, ist durch Spritzgießen beispielsweise eines PC-Harzes in Form einer Platte hergestellt, in der gleichen Weise wie ein tatsächliches plattenförmiges Aufzeichnungsträgersubstrat, wobei das Muster beispielsweise einen Durchmesser von 120 mm und einen Dicke von 1,2 mm aufweisen kann.

Es sei bemerkt, daß die Einfallsebene, auf die der genannte polarisierte Lichtstrahl auftrifft, gebrochen wird und hindurchgeht, wird derart eingestellt, daß der Lichtstrahl durch den Mittelpunkt 0 des Plattensubstrats 34 läuft.

Bei Verwendung einer bekannten Einrichtung gemäß Fig. 1 zeigt das genannte PC-Substrat 34 im wesentlichen keine Anisotropie in der Substratebene. Dies bedeutet, daß von den Hauptbrechungsindizes n ₁, n ₂ und n ₃ gilt n ₁ ≃ n ₂(was bedeutet, daß im wesentlichen n ₁ = n ₂). Bei dem spritzgegossenen Substrat liegen diese Brechungsindiz in der Substratebene, wobei im wesentlichen einer der Brechungsinizes n ₁ und n ₂ mit radialen Richtung der Scheibe zusammenfallen wird, während der andere unter einem rechten Winkel zu dieser radialen Richtung verläuft. Der Brechungsindex in Dickenrichtung fällt im wesentlichen mit n ₃ zusammen. Das Verfahren zum Messen dieses Brechungsindex n ₃ in Dickenrichtung mittels einer Meßeinrichtung 31 gemäß Fig. 5 wird nachstehend beschrieben.

Hierbei wird der Einfallswinkel R _i konstant gehalten und die Polarisationsrichtung des auf das Substrat 34 auffallenden Lichtstrahles wird variiert, um die Ausgangswerte I des Leistungsmessers 36 für verschiedene Winkel der Polarisationsrichtung zu bestimmen. Hierbei ist es erforderlich, einen Bezugwinkel als Winkel 0° der Polarisationsrichtung einzustellen. Dieser Bezugswinkel wird jedoch beispielsweise derart eingestellt, daß die Polarisationsrichtung die Einfallsebene einschließlich der radialen Richtung des Substrats 34 unter einem rechten Winkel schneidet und parallel zur Substratfläche ist, wie dies aus den Fig. 5 bzw. 6 gesehen in Richtung des Pfeiles A in Fig. 5 erkenntlich ist. die Polarisationsrichtung des auf das Substrat 34 auffallenden Lichtes wird dann durch Drehen des Polarisators 33 aus diesem Zustand variiert und der durch die Polarisationsrichtung mit der (tangentialen) Richtung, die die radiale Richtung in der Substratebene unter einem rechten Winkel schneidet, wird als Polarisationswinkel Ψ ′ definiert. In Fig. 6(a) ist die tangentiale Richtung als Gerade mit dem Bezugszeichen 1 _s versehen, die parallel zu der durch den Pfeil B angezeigten Polarisationsrichtung verläuft.

Die Polarisationsrichtung des auf das Substrat 34 auffallenden polarisierten Lichtstrahls wird durch Drehen des Polarisators 33 eingestellt, wobei auch der Lichtanalysator 35 ebenso gedreht wird und beide Elemente in dem gekreuzten Nichol-Zustand gehalten werden.

Im Falle der Fig. 6(a) ist das einfallende Licht nur S-polarisiertes Licht. Wird die Polarisationsrichtung beispielsweise um π/4 aus dem Zustand gemäß Fig. 6a gedreht, dann ergibt sich eine Polarisationsrichtung gemäß der gestrichelten Linie in Fig. 6a. Wird dieser Zustand durch Drehen des Substrats 34 erzielt, dann ergibt sich die Situation nach Fig. 6b. Der Winkel Ψ ′ ist dann π/4 und das Licht enthält sowohl S- polarisiertes Licht als auch P-polarisiertes Licht. Wird der Polarisator 33 weitergedreht, so daß sich eine Drehwinkel von π/2 gegenüber dem Zustand nach Fig. 6a ergibt, dann wird die Situation gemäß Fig. 6c erreicht und nach einer Drehung um einen Winkle 3 π/4 der Zustand gemäß Fig. 6 (d).

Wird die Polarisationsrichtung ganz allmählich verändert, dann ergeben sich Lichtausgangswerte für den durch das Substrat hindurchlaufenden Lichtstrahl entsprechend der Kurven nach Fig. 7. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Einfallswinkel R _i mit 30° angenommen und das Maximum des durch das Substrat hindurchlaufenden Lichts sei mW. Die Meßwerte gemäß Fig. 7 entsprechen Positionen von 65 Φ, 85 Φ und 100 Φ auf dem Substrat. Es sei daraufhingewiesen, daß die Ursache für das Entstehen gewisser Differenzen abhängig von den entsprechenden Strahlungspositionen später noch beschrieben wird. Es wird angenommen, daß der Spritzgußzustand in entsprechenden Positionen des Substrats 34 etwas unterschiedlich ist, so daß sich auch gewisse Differenzen in der Richtung der optischen Achse ergeben.

Aus Fig. 7 ergibt sich, daß bei einem Winkel Ψ ′ von 0° und 90° entsprechend dem S-polarisierten Licht bzw. dem P-polarisierten Licht, der Ausgangswert I gleich 0 ist und keine elliptische Verformung auftritt. Bei anderen Winkeln mit einer Mischung von P-polarisierten und S-polarisierten Licht ergibt sich eine Elliptizität, die bei 45° und 135° maximal ist, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde.

Es wird angenommen, daß die Elliptizität umso augenfälliger ist, je größer die Differenz zwischen den entsprechenden Indizes für das S-polarisierte bzw. P-polarisierte Licht ist. Der Brechungsindex in Dickenrichtung ergibt sich aus theoretischen Formeln durch Vergleichen des gemessenen Wertes und Prüfung auf beste Übereinstimmung mit der theoretischen Formel.

Die theoretische Formel zum Bestimmen des Brechungsindex wird nun erläutert.

Fig. 8 veranschaulicht die Veränderung der Polarisationsebene für einen auf einen Aufzeichnungsträger auffallenden Lichtstrahl. Die Ebene A ist eine Ebene, die die optische Achse einschließt und die vertikal zu der Einfallsebene verläuft, während die Ebene B eine Ebene ist, die Licht nach der Brechung aufweist und die optische Achse enthält.

Nach Brechung des auf einen Aufzeichnungsträger auffallenden Lichtstrahls wird der durch die Polarisationsebene und die optische Achse gesehen aus der Lichtrichtung gebildeten Winkel durch R _i und der zwischen der Einfallsebene und der radialen Richtung gebildete Winkel istΨ.

Es sei daraufhingewiesen, daß der Winkel Ψ definiert wird als ein Winkel der durch die Einfallsstrahlposition in dem Lichtstrahl 14 der Fig. 2 mit der radialen Richtung gebildet wird. Dies bedeutet gemäß Fig. 2, daß im Falle des Bezugszeichens 21 der Winkel Ψ = 0 ist und im wesentlichen identisch ist mit dem Winkel Ψ ′.

Weitere Winkel werden entsprechend wie folgt definiert.

ε:Der Winkel zwischen der optischen Achse und der Einfallsebene,γ:Der Winkel zwischen der Polarisationsebene und der Einfallsebene bevor der Brechung aus der Lichtrichtung gesehen,κ:Der Winkel zwischen der Polarisationsebene und der Einfallsebene nach der Brechung aus der Lichtrichtung gesehen,β:Der Winkel zwischen der optischen Achse und der Einefallsebene nach der Brechung aus der Lichtrichtung gesehen,R _t:Der Winkel der nach der Brechung durch das Licht mit der Grenznormalen gebildet wird.

Aus dem vorstehenden ergibt sich R = b+κ (4)

Andererseits ergibt sich aus γ, R _i, R _t und der Fresnel′schen Formel wie folgt

tanκ = cos (R _i-R _t) · tanγ

somit k= arctan {cos (R _i - R _t) · tan-γ} (5)

Ist die optische Achse in der Ebene vertikal zu der die radiale Richtung einschließenden Grenzfläche unter einem bestimmten Winkel geneigt und wird der zwischen der normalen der Grenzfläche und der optischen Achse in der radialen Richtung gebildete Winkel durch Φ, dann ergibt sich die Beziehung

sinε = sinΦ · sinΨ (6)

Wird der durch die die optische Achse einschließende und vertikal zur Einfallsebene verlaufenden Ebene (A in Fig. 8) und der normalen zur Grenzfläche gebildete Winkel mit Δ bezeichnet, dann gilt

Ist weiterhin der durch die in der Einfallsebene liegende Normale zur die optische Achse einschließenden und vertikal zur Einfallsebene verlaufenden Ebene und der Lichtrichtung nach der Brechung gebildete Winkel durch γ dargestellt, dann ergibt sich zwischen β, ε und γ die Beziehung

das heißt, mit

aus den Gleichungen (7) und (8) ergibt sich dann

Unter der Annahme, daß die Polarisationsebene vor dem Konvergieren vertikal zur radialen Richtung ist, gilt

aus den Beziehungen (5), (6) und (10) ergibt sich R als

wobei

In diesem Falle ist die Phasendifferenz α ausgedrückt durch R _i und Ψ. Allgemein gilt

wobei n′ und n″ die beiden Brechungsindizes in zueinander senkrechten Richtungen,

h die Dicke und
λ die Wellenlänge darstellen.

Für einen einachsigen Kristall gilt

n′ = n _o (13).

Wird andererseits ein Brechungsindexellepsoid für n″ angenommen und der zwischen der optischen Achsen der Lichtrichtung nach der Brechung gebildete Winkel mit x bezeichnet, dann gilt

wobei sin x = cos R _t · cosΦ- cosΨ · sinR _t · sinΦ (15)

Aus den Formeln (14) und (15) ergibt sich

Somit erhält man auser den Formeln (12), (13) und (14) die Phasendifferenz α wie folgt:

Dies bedeutet, daß bei einer Neigung der optischen Achse um einige Grad gegenüber der Grenzfläche in der Ebene vertikal zur Grenzfläche, die die radiale Richtung einschließt, bei Einfall von linear polarisiertem Licht mit einer Schwingungsebene parallel zur radialen Richtung auf die Grenzfläche unter einem bestimmten Winkel, durchgelassenes Licht als elliptisch gesehen wird. Das Verhältnis √I _s der kleinen zur großen Achse ergibt sich als

Andererseits sind R und α vorgegeben durch die Ausdrücke (11) bzw. (16) und sind beide Funktionen von R _i, Ψ und Φ. Wenn somit eimal die Werte von R _i, Ψ, Φ,n _o und n _e bestimmt sind, dann kann der Ellitpizitätsgrad, das heißt das Verhältnis √I _s der kleinen zur großen Achse bestimmt werden.

Für einen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen kann die Formel (17) umgewandelt werden und die Lichtstärke I in Richtung der kleinen Achse ist bestimmt durch

mit I ₀ als Lichtstärke des einfallenden Lichts und T die Durchlässigkeit bedeuten.

Damit diese Bedingungen mit den Experimenten übereinstimmen, ergibt sich bei I ₀ · T = 1mW die Aussage

Fig. 9 zeigt Kurvenscharen berechneter Ergebnisse der Beziehung zwischen I und Ψ ( = Ψ ′), wenn Φ wie gemäß den theoretischen Formeln (11), (16), (17) und (19) bestimmt variiert wird.

Gleichzeitig sind die Werte von R _i, n ₀ und n _e bestimmt als R _i = 30°, n ₀ = 1,58000 und n _e = 1,58025.

Es sei daraufhingewiesen, daß die Werte von n ₀ durch eine gewöhnliche Brechungsindexmessung bestimmt werden und in Übereinstimmung mit denjenigen des PC-Substrats 34 gebracht werden können.

Die Kurvenscharen nach Fig. 9 zeigen eine Variation von Φ von 1° (Kurve 81) bis 90° (Kurve 88). Der Fall von Φ = 0° gemäß Kurve 81 entspricht im wesentlichen den tatsächlich gemessenen Ergebnissen für das PC-Substrat.

Andererseits zeigt Fig. 10 Kurvenscharen für die Ergebnisse gemäß der theoretischen formeln, wobei bei der Beziehung zwischen I und Ψ nicht Φ sondern n _e variiert wird. So ist beispielsweise der Fall gezeigt, daß R _i = 30°, n ₀ = 1,58000, Φ = 0° und n _e wird verändert zwischen 1,5802 (Kurve 91) bis 1,5807 (Kurve 96). Diese Darstellung zeigt, daß es möglich ist, die tatsächlichen Meßbedingungen durch das PC-Substrat gemäß Fig. 7 durch Auswahl entsprechender Werte von n _e im wesentlichen zu reproduzieren.

Es sei daraufhingewiesen, daß die in dieser Fig. 7 gezeigten Meßwerte, insbesondere die Spitzenwerte der Winkel Φ von 45° und 135° etwas unterschiedlich sind, da die optische Achse in der Strahlungspunktposition in dem Substrat geringfügig gegenüber der Richtung vertikal zur Substratebene versetzt ist. Dies bedeutet daß bei der Berechnung der Umgebung von Φ = 0° in Fig. 9 im einzelnen, eine gewisse Differenz für die Winkel ϒ ′ gleich 45° und 135° gegenüber den tatsächlich gemessenen Werten auftritt.

Die Fig. 11 und 12 zeigen die Ausgangswerte I für den Winkel Φ ′ für den Fall, daß der Winkel Φ die Werte 0°, 1°, 2° und 3° annimmt und n ₁ = n ₂ = n ₀ = 1,58000 und der Brechungswinkel n ₃ (= n _e) in Dickenrichtung 1,580500 bzw. ,1580600 ist. In beiden Fällen ist der Einfallswinkel R _i gleich 30°.

Durch Vergleichen der gemessenen Kurve gemäß Fig. 7 mit den theoretischen Kurven gemäß den Fig. 9 bis 12 läßt sich aus derjenigen Kurve, die am besten übereinstimmt, feststellen, daß für die durchgeführte Messung an dem PC-Substrat 34 die optische Achse im wesentlichen vertikal zur Substratebene verläuft, das heißt, das R = 0° bis 2° ist, und das der Brechungsindex n _e in Dickenrichtung 1,5806 ist.

Diese Ergebnisse sollen nun unter Bezugnahme auf die Fig. 13 näher erläutert werden. Hierbei zeigt die Fig. 13(a) ein Schaubild eines Querschnitts des Substrats 34 und die Fig. 13b eine Ansicht senkrecht auf die Substratfläche. Wie zuvor erwähnt, hat die Messung ergeben, daß bei dem PC-Substrat 34 die optische Achse 101 in einer Ebene liegt, die vertikal zur die radiale Richtung enthaltenden Substratfläche verläuft und der Winkel R zwischen der Normalen zur Substratfläche und der optischen Achse nahe 0° ist.

Somit wird mit einer Einrichtung von dem einfachen Aufbau gemäß Fig. 5 eine Kurve gemäß Fig. 7 dadurch bestimmt, daß die von der Lichtempfangvorrichtung empfangenen Lichtmengen in den entsprechenden Polarisationsrichtungen bei konstantem Einfallswinkel R _i und sich ändernder Polarisationsrichtung, also des Winkels Φ ′ gemessen. Die Kurve der empfangenen Lichtmengen für die Polarisationsrichtungen wird dann verglichen mit den variierten entsprechenden Parameter in den theoretischen Formeln, wobei die entsprechenden Parameterwerte der am besten mit der gemessenen Kurve übereinstimmenden theoretischen Kurve bestimmt werden, woraus sehr einfach der Brechungsindex in Dickenrichtung bestimmt werden kann.

Es sei daraufhingewiesen, daß sich der Ausgangswerk I des Leistungsmessers 36 bei Rotation des Substrats um die Mittenachse gemäß Fig. 5 nicht ändern wird, wenn das als Aufzeichnungsträger verwendete Substrat 34 in allen radialen Richtungen im wesentlichen optisch gleiche Eigenschaften besitzt. Hat das PC-Substrat aber eine einachsige Charakteristik und ist die optische Achse nahezu vertikal zur Substratebene jedoch von der vertikalen Richtung an irgendeiner Stelle versetzt, dann werden die Ausgangswerte I variieren. Somit kann mit einer Meßeinrichtung 31 gemäß Fig. 5 unter Drehen des Substrats 34 die Gleichförmigkeit der optischen Eigenschaften des Kunststoffsubstrats in Umfangsrichtung dadurch geprüft werden, daß festgestellt wird, ob sich der Ausgangswert I ändert oder nicht. Auch kann, wie die Fig. 7 zeigt, durch Ändern der Meßposition in radialer Richtung die Gleichförmigkeit der optischen Eigenschaften in radialer Richtung geprüft werden.

Fig. 14 zeigt eine Einrichtung 111 zum Messen des Brechungsindex in Dickenrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Zusätzlich zu der Anordnung der Meßeinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels wird bei derMeßeinrichtung 111 des zweiten Ausführungsbeispiels die Phasenkompensationsplatte 5 nach Babinet-Soleil in Fig. 1 in senkrechter Richtung auf der Lichtsendeseite des Substrats 34 in einer Position angeordnet, in der ein von dieser Einrichtung 31 abgegebene polarisierte Lichtstrahl verläuft. Der He-Ne Laser 32, der Polarisator 33, der Lichtanalysator 35 und der Leistungsmesser 36 können gedreht und aus der mit durchgezogenen Linien gezeigten Position in die strichpunktierten Linien gezeigte Position bewegt werden. Eine derartige Drehung kann mit hoher Präzision erfolgen, wenn entsprechende Halte- und Führungsmittel, etwa ein Goniometer, verwendet werden, die um die Auftreffposition der projizierten polarisierten Lichtstrahlen auf das Substrat 34 drehbar sind.

Bei der Meßeinrichtung 111 kann vor der Bestimmung beispielsweise des Brechungsindex n ₃ in Dickenrichtung die Anisotropie des Brechungsindex in der Substratebene des Substrats 34 geprüft werden, wobei das Substrat nicht auf ein PC-Substrat beschränkt ist.

Mit anderen Worten bedeutet dies, daß durch Drehen und Bewegen des He-Ne Lasers 32, des Polarisators 33, des Lichtanalysators 35 und des Leistungsmessers 36 in die in strichpunktierten Linien angezeigte Position eine Brechungsindexmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 entsteht. Die Brechungindexanisotropie kann dann dadurch gemessen werden, daß der durch den Polyrisaor 33 und den in gekreuztem Nichol-Zustand gehaltenen Lichtanalysator 35 laufende Lichtstrahl auf den Leistungsmesser 36 gerichtet und die Phasenkompensationsplatte 5 derart eingestellt wird, daß der Ausgangswert I des Leistungsmessers 36 ein Minimum ist. Andererseits wird der Verlauf der Ausgangwerte I für den durch den Brechungsindex n ₃ in Dickenrichtung beeinflußten Winkel Ψ′ durch Einstellen des He-Ne Lasers 32 etc. in die in ausgezogenen Linien gezeigten Position bestimmt. Aus der Kurve der gemessenen Werte für den Brechungsindex in der genannten Substratebene und dem Ausgangswert I für den Winkel Ψ kann der Brechungsindex in Dickenrichtung bei zweiachsiger Ausrichtung oder auch bei einachsiger Ausrichtung, die nicht gleich ist in allen radialen Richtungen, und bei Versetzung der optischen Achse bezüglich der Vertikalrichtung zur Substratebene genau bestimmt werden. Wenn somit die optischen Eigenschaften nicht in allen radialen Richtungen gleichförmig sind, kann der Brechungsindex in Dickenrichtung dadurch bestimmt werden, daß die Einfallsebene mit der den Hauptbrechungsindex enthaltenden Richtung zur Deckung gebracht wird.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das durch das Substrat laufende Licht von der Lichtempfangsvorrichtung ausgewertet. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Fig. 15 veranschaulicht eine Meßeinrichtung, bei der der Brechungsindex in Dickenrichtung auch durch Auswertung von reflektiertem Licht gemessen werden kann.

Im einzelnen bedeutet dies, daß bei einer Meßeinrichtung 121 der Polarisator 35 und der Leistungsmesser 36 auf derjenigen Seite angeordnet sind, auf der durch das Substrat 34 gebrochene und vom reflektierenden Film 122 auf der Rückseite des Substrats 34 reflektierte Lichtstrahl verläuft. Es ergibt sich somit an der Rückseite des Substrats ein Spiegelbild bezüglich der normalen in Senderichtung, das heißt in der Einfallsebene auf den reflektierenden Film 122.

In der Praxis wird hierbei die Dicke d des Substrats 34 im wesentlichen doppelt so groß sein.

Es sei daraufhingewiesen, daß zwar bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Messung des Brechungsindex in Dickenrichtung an einem scheibenförmigen Substrat vorgenommen wurde, daß jedoch die Meßeinrichtung bzw. das Meßverfahren der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist und auch eine ebene Plattenform vorliegen kann.

Auch wurde bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen He-Ne-Laser zur Verwendung von willkürlich polarisiertem Laserlicht mit im wesentlichen einer einzigen Wellenlänge als Lichtquelle verwendet. Auch hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise kann auch ein Halbleiterlaser verwendet werden. Hierbei können polarisierte Lichtstrahlen erzeugt werden, so daß der Polarisator oder dergleichen wegfallen können. Die Polarisationsrichtung kann nicht nur durch Drehen des Polarisators oder dergleichen variiert werden, sondern auch dadurch, daß das Substrat um den Strahlauftreffpunkt als Mittelpunkt gedreht wird.

Claims

1. Verfahren zum Messen des Brechungsindex eines Substrats eines optischen Aufzeichnungsträgers, wobei das Substrat mit linear polarisiertem Licht im wesentlichen einer einzigen Wellenlänge bestrahlt und die von dem Substrat durchgelassene bzw. reflektierte Lichtmenge unter Berücksichtigung der Polarisation gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierte Licht zur Messung des Brechungsindex in Dickenrichtung des Substrats schräg auf die Substratebene gerichtet, die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes bezüglich des Substrates in der Einfallsebene variiert und die gemessene Lichtmenge zur Bestimmung des Brechungsindex in Dickenrichtung verwendet wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des linear polarisierten Lichts durch Drehung des Substrats um eine Lichtpunkteinfallsposition als Mittelpunkt variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Anisotropie des Brechungsindex in der Substratebene durch Bestrahlen und Auswerten von senkrecht auf die Substratebene gerichteten Licht festgestellt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Einstellen des Substrats (34) in eine Schräglage bezüglich des auftreffenden Lichtstrahles und durch eine Vorrichtung zum Variieren der Richtung des linear polarisierten Lichtstrahles unter Konstanthalten des Einfallswinkels.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der linear polarisierte Lichtstrahl mittels einer Laservorrichtung (32) mit nachgeschaltetem Polarisator (33) erzeugt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der linear polarisierte Lichtstrahl mittels eines Halbleiterlasers erzeugt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des von dem Substrat durchgelassenen bzw. reflektierten Lichts mittels eines Analysators in Form einer Nichol-Vorrichtung (35) mit nachgeschaltetem Lichtmengenmesser (36) erfolgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer Anisotropie des Brechungsindex in der Substratebene der linear polarisierte Lichtstrahl senkrecht zur Substratebene einstellbar ist und daß zur Auswertung eine Phasenkompensationsplatte, insbesondere des Babinet-Soleil-Typs dem Lichtmengenmesser (35, 36) vorgeschaltet ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Brechungsindex in der Dickenrichtung des Substrats unter Vergleich der experimentell festgestellten Werte mit theoretisch bestimmten Werten erfolgt.