DD151097A5 - Optoelektronisches fokusfehlerdetektionssystem - Google Patents
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Abstract
Es wird ein optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer ersten strahlungsreflektierenden Flaeche und der Fokussierungsflaeche eines Objektivsystems beschrieben. Im Wege des von der Flaeche reflektierten Buendels ist ein Buendelteilerelement angeordnet, dem zwei strahlungsempfindliche Detektoren nachgeordnet sind, die je einem der von dem Buendelteilerelement erzeugten Teilbuendel zugeordnet sind. Die Detektoren sind rasterfoermige Detektoren und werden von Waehlvorrichtungen auf zweckmaeszige Weise in zwei Detektorteile unterteilt, wobei die Trennlinie einstellbar ist. Dadurch wird ein Fokusfehlersignal erhalten, das in hohem Masze von einem Lagenfehler des strahlungsempfindlichen Detektionssystems in bezug auf die Achse des Buendels unabhaengig ist.
Description
21223? -Λ-
Berlin,d.1.8.1979 55 299 13
Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren - in einem optischen Abbildungssystem - einer Abweichung zwischen einer ersten Strahlungsreflektierenden Fläche und einer Fokussierungsfläche eines Objektivsystems, insbesondere für eine Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen Strahlungsreflektierenden Datenstruktur und eine Vorrichtung zum optischen Einschreiben von Daten in einen Aufzeichnungsträger, wobei dieses Fokusfehlerdetektionssystem ein in dem Wege eines von der ersten Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes Bündelteilerelement und ein hinter dem BündeIteilerelement angeordnetes strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, das zwei Detektoren enthält, die je einem der von dem Bündelteilerelement erzeugten Teilbündel zugeordnet sind, wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer elektronischen Schaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird.
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Ein derartiges Fokusfehlerdetektionssystem zur Anwendung in einer Vorrichtung zum Testen von Objektiven ist in der DE-AS 1 299 134 beschrieben·
Die Detektoren des strahlungsempfindlichen Detektionssystems sind in zwei Teildetektoren geteilt· Bei Auftreten eines Fokusfehlers verschieben sich die auf den Detektoren erzeugten Strahlungsflecke in entgegengesetzten Richtungen, so daß die zwei äußeren Teildetektoren eine andere Strahlungsintensität als die zwei inneren Teildetektoren empfangen· Ein Fokusfehlersignal wird dadurch erhalten, daß das summierte Ausgangssignal der äußeren Teildetektoren mit dem summierten Ausgangssignal der inneren Teildetektoren verglichen wird«
Für optische Systeme, die mit einer großen numerischen Apertur arbeiten, und mit denen sehr kleine Datendetails abgebildet werden müssen, ist die Tiefenschärfe gering· Für Abbildungssysteme dieser Art, die ζ·Β· in Mikroskopen oder in Vorrichtungen zum Auslesen einer optischen Datenstruktur mit sehr kleinen Details oder in Vorrichtungen zum Einschreiben von Daten in einen Aufzeichnungsträger verwendet v/erden, ist es wichtig, eine Abweichung zwischen der Ist- und der Sollfokussierungsebene detektieren zu können, damit an Hand dieser Detektion die Fokussierung nachgeregelt werden kann·
Wie jetzt als allgemein bekannt vorausgesetzt werden darfs kann ein mit Hilfe optischer Strahlung auslesbarer Aufzeichnungsträger als Medium zur Übertragung von Daten, wie ζ·Ββ eines Fernsehprogramms oder eines Audioprogramms, verwendet werden· Die Datenstruktur ist dann aus spurförmig angeordneten Gebieten aufgebaut, die sich mit Zwischengebieten
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abwechseln, wobei die Gebiete das Auslesebündel auf andere Weise al3 die Zwischengebiote beeinflussen. Die Daten sind z.B« in der Raumfrequenz der Gebiete und gegebenenfalls in den Längen der Gebiete festgelegt.
Wenn ein derartiger Aufzeichnungsträger eine genügend lange Spieldauer aufweisen soll, müssen die Gebiete und die Zwiechengebiete sehr kleine Abmessungen, z.B. eine Breite von 0,5/Um und eine mittlere Länge von 0,5/um, aufweisen. Bei einer Periode quer zu den Spuren von 1,7/um kann dann ein Fernsehprogramm von etwa 30 Minuten in einem runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger innerhalb eines ringförmi~ gen Gebietes mit einem Innenradius von etwa 6,5 cm und einem Außenradius von etwa 14 cm gespeichert v/erden· Um die kleinen Datendetails getrennt auslesen zu können, muß die Datenstruktur mit einem kleinen Strahlungsfleck mit z.B. einem Durchmesser in der Größenordnung von 1/um abgetastet v/erden. Falls das Auslegebündel ein Laserbündel mit einer Gausschen Intensitätsverteilung ist, ist unter-dem Durchmesser der Abstand zwischen den Punkten zu verstehen, an denen die Intensität das e -fache der Intensität in der Mitte des Strahlungsflecks ist. Um einen derartigen kleinen Strahlungsfleck erzeugen zu können, müssen die Wellenlänge des Auslesebündels ( /\ ) und die numerische Apertur (U.A.) des AusIeseObjektivs passend gewählt sein. Der Durchmesser des Ausleseflecks ist nämlich zu Λ/Ν.A. proportional. In der Praxis wird meistens A= 0,6328/Um und U.A. = 0,45 gewählt.
Ein Objektivsystem mit einer derartigen numerischen Apertur weist eine geringe Tiefenschärfe, z.B. in der Größenordnung von 1/um, auf. Um die Datenstruktur gut auslesen zu können, muß das Objektivsystem stets scharf auf die Fläche der
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Datenstruktur fokussiert bleiben. Da sich in der Auslesevorrichtung der Abstand zwischen dem Objektivsystem und der Fläche der Datenstruktur aus vielerlei Gründen, z.B. wegen der nichtvollkommenen Flachheit des Aufzeichnungsträgers oder wegen Schwingungen von Elementen des Auslesesystems, ändern, müssen Maßnahmen getroffen werden, um diese Änderungen detektieren und an Hand dieser Detektion die Fokussierung nachregeln zu können.
Auch wenn die kleinen Datendetails in einen Aufzeichnungsträger eingeschrieben v/erden, muß das Einschreibbündel nach wie vor zu einem kleinen Strahlungsfleck auf die einzuschreibende Schicht fokussiert sein, so daß auch in diesem Falle die genannten Maßnahmen getroffen v/erden müssen.
Zum Detektieren von Fokusfehlern könnte die eingangsbeschriebene Fokusfehlerdetektionssystem verwendet v/erden. In diesem System ist jedoch die Lage des strahlungsempfindlichen Detektionssystems in bezug auf die Achse des Strahlungsbündels besonders kritisch. Eine kleine Verschiebung des Detektionssystems quer zu dem Strahlungsbündel führt zu einer Änderung der Strahlungsverteilung über die Detektoren des Detektionssystems und diese Änderung wird als ein Fokusfehler interpretiert.
Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem* insbesondere für eine Auslesevorrichtung oder eine Einschreibvorrichtung, zu schafr fen, in dem der Einfluß eines Lagenfehlers des Detektionssystems auf das Fokusfehlersignal erheblich herabgesetzt ist» Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren in einer Ebene angeordnet sind, in der das reflektierte Bündel fokussiert wird, wenn die genannte Abweichung Null ist; daß. jeder Detektor rasterfb'rraig ge- , staltet ist und mindestens drei strahlungsempfindliche Streifen enthält; daß in der genannten elektronischen Schaltung außerdem ein Lagenfehlersignai aus den Detektorsignalen abgeleitet wird und daß jeder Detektor mit einer gesonderten Wählvorrichtung verbunden ist, die den Detektor auf zweckmäßige V/eise in zwei Detektorteile unterteilt, wobei die Trennlinie der Detektorteile in Abhängigkeit von dem an einen Steuereingang der Wählschaltung angelegten Lagenfehlersignai einstellbar ist*"
Dabei wird die Tatsache benutzt, daß sich bei einer Verschiebung des Detektionssystems in bezug auf die Achse des Strahlungsbündels die Strahlungsflecke in derselben Richtung über die Detektoren verschieben. Indem für beide Detektoren der Unterschied der Ausgangssignale der Detektorteile bestimmt wird und die Differenzsignale zueinander addiert werden, v/ird ein Lagenfehlersignai, d.h. ein Signal erhalten f das eine Anzeige über einen Fehler in der Lage des Detektionssystems in bezug auf die Achse des Strahlungsbündeis gibt, wobei dieses Lagenfehlersignai von einem Fokusfehler unabhängig ist» Mit dem lagenfehlersignai kann die
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Trennlinie jedes der Detektoren elektronisch nachgesteuert werden, so daß diese Trennlinien gleichsam den Strahlungsflecken folgen. Dabei folgt man nicht einer Änderung in der Strahlungsverteilung infolge eines Fokusfehlers, weil ein Fokusfehler gleichsam zu einer Bewegung der zwei Strahlungsflecke in entgegengesetzten Richtungen führt·
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der · Erfindung, in der die Wählvorrichtungen durch elektrische Wählschaltungen gebildet werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wählsehaltungen durch zwei Reihen von Feldeffekttransistoren mit isolierter und gemeinsamer Gate-Elektrode aus Widerstandsmaterial gebildet wird; daß bei jeder Reihe das Source-Gebiet jedes Transistors mit einem Streifen des Detektors verbunden ist und die Drain-Gebiete sämtlicher Transistoren miteinander verbunden sind, und daß die Spannungen über die beiden gemeinsamen Gate-Elektroden einer Wählschaltung einen entgegengesetzten Verlauf aufweisen, wobei die Gate-Elektroden mit demjenigen Ausgang der genannten elektronischen Schaltung verbunden sind, an dem das Lagenfehlersignal auftritt.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: schematisch eine Ausführungsform einer Auslesevorrichtung nach der Erfindung;
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Pig· 2a und 2b: das Prinzip des in dieser Vorrichtung verwendeten Fokusfehlerdetektionssystems;
Fig· 3 σ eine Ausführungsform einer elektronischen
Schaltung zum Ableiten eines Fokusfehlersignals und eines Lagenfehlersignals aus den Detektorsignalen;
Pig· 4i eine bevorzugte Ausführungsform einer elektronischen Wählschaltung für die rasterförmigen Detektoren;
Pig· 5: den Verlauf der Steuerspannungen für diese
Wählschaltung;
Pig. '6: diese Wählschaltung im Detail;
Pig· 7: eine zweite Ausführungsform eines Detek-
"tionssystems und der zugehörigen Wählvorrichtungen;
Pig. 8: ein Detektionssystem mit rasterfö'rmigen Detektoren für die Pokusfehlerdetektion und weiteren Detektoren zum Detektieren eines Lagenfehlers eines Ausleseflecks in bezug auf die Mitte einer auszulesenden Spur, und
Pig· 9: eine Ausführungsform einer Einschreibvorrichtung mit einem Fokusfehlerdetektionssystem nach der Erfindung.
In diesen Figuren sind entsprechende Elemente stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Pig. 1 zeigt einen runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger 1 in radialem Schnitt. Die Spuren 2 der reflektierenden Datenfläche 2», die aus nicht dargestellten Gebieten aufgebaut sind, erstrecken sich senkrecht zu der Zeichnungsebene. Beispielsweise sei angenommen, daß sich die Datenfläche 2f auf der Oberseite des Aufzeichnungsträgers befindet und daß durch das Substrat 4 des Aufzeichnungsträgers, z.B. aus einem Kunststoff, hindurch ausgelesen wird« Die Datenfläche 2f kann mit einer Schutzschicht 3 überzogen sein. Der Aufzeichnungsträger kann mittels einer Welle 5 gedreht v/erden, die von einem Rotationsmotor 6 angetrieben wird·
Eine Strahlungsquelle 7» z.B. ein Helium-Neon-Laser oder ein Halbleiterdiodenlaser., liefert ein Aus Ie se blind el b. Dieses Bündel wird von einem Spiegel 9 zu einem schematisch durch
eine einzige Linse dargestellten Objektivsystem 10 reflektiert. In dem Wege des Bündels b ist eine Hilfslinse 8 angeordnet, die dafür sorgt, daß die Pupille des Objektivsystems möglichst gefüllt wird. Dann wird ein Auslesefleck· V mit minimalen Abmessungen auf der Datenstruktur erzeugt·
Das Auslesebündel wird von der Datenstruktur reflektiert und bei Drehung des Aufzeichnungsträgers entsprechend der Reihenfolge der Gebiete in einer augenblicklich ausgelesenen Spur moduliert. Dadurch, daß der Auslesefleck und der Aufzeichnungsträger mit Hilfe an sich bekannter und hier nicht dargestellter Mittel in radialer Richtung in bezug aufeinander bewegt werden, kann die ganze Datenfläche abgetastet werden.
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Das modulierte Auslesebündel durchläuft wieder das Otgektivsystem 10 und wird vom Spiegel 9 reflektiert. In dem Strahlungsweg sind Mittel zur gegenseitigen Trennung des modulierten und des unmodulierten Auslesebündels angeordnet. Diese Mittel können z.B. aus einem polarisationsempfindlichen Teilprisma und einer /i[/4~Platte bestehen, wobei Pt die Wellenlänge des Auslesebündels ist. In Pig. 1 ist der Einfachheit halber angenommen, daß die genannten Mittel aus einem halbdurchlässigen Spiegel 11 bestehen. Dieser Spiegel reflektiert das modulierte Ausles^ündel zu einem strahlungsempfindlichen Datendetektor 12. Das Ausgangssignal S^ dieses Detektors ist entsprechend den augenblicklich ausgelesenen Daten moduliert und kann einem Demodulator 13 zugeführt werden, in dem das Signal verarbeitet und für z.B. Wiedergabe mit einem Fernsehgerät 14 geeignet gemacht wird.
Um Fokusfehler detektieren zu können, ist im Wege des reflektierten Bündels ein Bündelteilerelement 17» z.B. ein optischer Keil, angeordnet, wobei diesem Keil ein strahlungsempfindliches Detektionssystem 18 nachgeordnet ist, das aus zwei Detektoren A und B besteht. Der optische Keil ist an der Stelle angeordnet, an der das reflektierte Bündel noch ziemlich breit ist, also in einiger Entfernung von der Bildebene des Objektivsystems 10, in der die zwei Detektoren A und B angeordnet sind. Die Breite des Bündels an der Stelle des Keiles muß gegenüber der Lagentoleranz - quer zu der Achse des Bündels des Keiles und gegenüber Ungenauigkeiten in der Rippe des Keiles groß sein. Im Idealfall wird die Rippe gerade sein, aber in der Praxis kann die Rippe einen gebränselten Verlauf aufweisen. Der Keil kann in einer Ebene angeordnet sein, in der von einer nicht dargestellten Hilfslinse eine Abbildung der Austrittspupille des Objektiv-
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systems erzeugt wird· Im Wege des reflektierten Auslesebündels ist weiter ein halbdurchlässiger Spiegel 19 angeordnet. Dadurch wird der größte Teil des modulierten Auslesebündels zu dem Datendetektor 12 durchgelassen und wird ein kleiner Teil des Bündels zu den Detektoren A und B reflektierte
Der optische Keil spaltet das Bündel in zwei Teilbündel b^ und bp> von denen das Teilbündel b- mit dem Detektor A und das Teilbündel bp mit dem Detektor B zusammenwirkt. Die Detektoren A und B sind in zwei Detektorteile A-, Ap bzw, B-, B2- geteilt, wie in den Pig. 2a und 2b dargestellt ist· Diese Figuren dienen zur Verdeutlichung des Prinzips des Fokusfehlerdetektionssystems und daher sind darin nur die Elemente dargestellt, die für diese Detektoren wesentlich sind·
In Pig. 2a ist die Situation dargestellt, in der das Auslesebündel genau auf die Datenfläche 21 fokussiert ist· Das reflektierte Bündel würde beim Fehlen des Keiles 17 im Punkt d fokussiert werden, wie mit den gestrichelten Linien ange-. geben ist· Durch den Keil werden die Teilbündel b- und bp erzeugt, die zu Strahlungsflecken V- und V^ in den Punkten e und f fokussiert werden· Der Keil 17 ist nun in einer derartigen Entfernung von den Detektoren A und B angeordnet, daß bei richtiger Fokussierung der Punkt e bzw. der Punkt f genau auf der Trennlinie der Detektorteile A1, Ap bzw· B-, Bo liegt· Dann empfangen die Detektorteile A- und Ap eine gleiche Menge Strahlung, ebenso wie die Detektorteile B- und Bg.
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Y/enn der Fokus F-des Auslesebündels rechts von der Datenflache 21 liegen würde, wie in Fig· 2b dargestellt ist, würde der Fokus des Teilbündels b- bzw· des Teilbündels bo im Punkt e1 bzw. im Punkt f liegen. Dann empfängt der Detektorteil A- bzw. B2 mehr Strahlung als der Detektorteil A2 bzw. B-. Wenn der Fokus des Auslesebündels links von der Datenfläche 2' liegen würde» ergibt sich das Umgekehrte und der Detektorteil A2 bzw· B- empfängt mehr Strahlung als der Detektorteil A- bzw. B2*
V/enn die Signale der Detektorteile A-, A2, B- und B2 durch S-, S2, S-5 bzw. S. dargestellt werden, wird das Fokusfehlersignal Sp gegeben durch:
sp - (S1 + S4) - (S2 + S3).
Die Signale der Detektorteile werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist, einer elektronischen Schaltung 20 zugeführt, in der das Signa.l Sperzeugt wird. Dieses Signal wird einem Steuerkreis 21 für einen Aktuator 22 (Nachsteuer-Vorrichtung) zugeführt, mit dessen Hilfe das'Objektivsystem derart verschoben werden kann, daß das Signal SpNull wird. Der Aktuator 22 kann z.B· ein elektromechanischer Aktuator wie eine Lautsprecherspule, sein, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist·
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Schaltung 20 veranschaulicht. Die Signale S- und S2 werden einem Differenzverstärker 23 und die Signale S^ und S. werden einem Differenzverstärker 24 zugeführt» Die Ausgänge der Differenzverstärker 23 und 24 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 25 verbunden» Am Ausgang des letzteren Verstärkers wird das Signal (S--S2) - (So-S,), somit das Signal erhalten
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Mit Hilfe der Detektorteile A.., A2, B-'und'Bg kann auch ein Lagenfehlersignal S abgeleitet werden, das eine Anzeige über eine Abweichung der Mitte des Detektionssystems A, B in bezug auf die Achse des Bündels gibt, wobei diese optische Achse in Pig· 2a mit 00· bezeichnet ist· Eine derartige Abweichung kann ζ.!B. infolge einer Kippbewegung der Laserquelle, einer Kippbewegung eines Spiegels im optischen System usw· auftreten.
Wenn keine Mittel vorhanden sind, durch die Lagenfehler detektiert und dann korrigiert werden können, müssen beim Zusammenbau der Auslesevorrichtung der Lage der Detektoren A und B in bezug auf die Achse des Auslesebündels sehr strenge Anforderungen gestellt v/erden· Wenn diese strengen Anforderungen erfüllt wären, könnte doch noch im Laufe der Zeit eine Änderung der genannten Lage durch Nachwirkung, wie Schwindung oder Dehnung, der verwendeten Baumaterialien auftreten·
Bei einer relativen Verschiebung des Bündels des Detektionssystems verschieben sich die Strahlungsflecke V1 und Vp in bezug auf die Detektoren A und B in derselben Richtung« Wenn in den Pig· 2a und 2b sich das Bündel nach oben verschieben würde, verschieben sich die Strahlungsflecke V- und V2 beide nach oben· Dann würde, abgesehen von einem Fokusfehler, der Detektorteil A-, bzw. B- mehr Strahlung als der Detektorteil A2 nzw. B2 empfangen. Bei einer Verschiebung des Bündels nach unten erfolgt das Umgekehrte. Das Lagenfehlersignal wird gegeben durch:
Sp = (S1 - S2) + (S3 - S4).
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Wie in Pig· 3 dargestellt ist, kann dieses Signal dadurch erhalten werden, daß die Atisgangssignale der Differenzverstärker 23 und 24 im Summator 26 zueinander addiert v/erden· Mit dem Lagenfehlersignal S kann die Lage der Trennlinie der Detektorteile A1 und Ap bzw. die Lage der Trennlinie der Detektorteile B.. und Bp in bezug auf die optische Achse nachgeregelt werden.
Es könnte in Erwägung gezogen werden, mit Hilfe des Signals S das Detektionssystem 18 auf mechanischem Wege zu ver~ schieben. Dies erfordert jedoch zusätzliche elektromechanisdhe Mittel. Es ist viel attraktiver, wie nach der Erfindung vorgeschlagen wird, die Trennlinie zwischen den Detektorteilen auf elektronischem Wege zu verschieben.
Die d,n den Pig. 2a und 2b als einzelne Detektoren dargestellten Detektorteile A- und Ap bzw. B1 und Bp sind tatsächlich Teile ein und desselben rasterförmigen Detektors. Pig. 4 zeigt diese rasterförmigen Detektoren A und B. Die einzelnen Detektoren, z.B. Photodioden, der Reihen A und B sind durch Blöcke mit einem Kreuzchen darin dargestellt© Es wird angenommen, daß für die Reihe A der auffallende Strahlungsfleck V- zu der Linie ρ symmetrisch ist. Die Detektorenreihe A wird elektronisch derart aufgeteilt, daß der Teil der Reihe links von der Linie ρ einen Detektorteil A1 und der Teil rechts von der Linie ρ einen Detektorteil Ap bildet (vgl. Pig. 2a).
Die elektronische Aufteilung erfolgt vorzugsweise mittels einer elektronischen Wählsehaltung* Eine derartige Wählschaltung ist für andere Anwendungen in "Philips Research Reports" JK) (1975)j S» 436 - 482 beschrieben und wird hier
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nur erörtert, sofern dies für ein gutes Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Wohlsehaltung wird durch zwei Reihen E1 und R2 von -Feldeffekttransistoren mit einer isolierten Steuer- (oder Gate-) Elektrode gebildet· Die Transistoren einer Reihe v/eisen eine gemeinsame Gate-Elektrode auf» Die Gate-Elektrode besteht aus einem Widerstandsmaterial· Eine derartige Reihe von Transistoren ist unter der Bezeichnung "RIGFET" (= Resistive Insulated Gate Field Effect Transistor) bekannt.
Zwischen den Enden der Steuerelektroden wird eine bestimmte Spannung angelegt, so daß über diesen Elektroden ein bestimmter Spannungsgradient entsteht· Die Größe der Spannung be-, stimmtf welche Transistoren einer Reihe leitend und welche nichtleitend sindo Damit ist"dann auch bestimmt, von welchen Detektoren der Reihe die Ausgangssignale von den Transistoren weitergeleitet v/erden und somit auch, welche Detektoren zu dem Teil A- und welche Detektoren zu dem Teil Ap gehören. In Fig* 4 sind die nichtleitenden Transistoren durch einen leeren quadratischen Block und die leitenden Transistoren durch einen Block mit einer runden Figur darin dargestellt·
Fig· 6 zeigt im Detail die Wählschaltung für eine Detektorenreihe. Die Transistoren einer Reihe sind mit T^ bis T-,- und die der anderen Reihe mit T-r bis T^0 bezeichnet, während die Photodioden mit D1 bis D1 j- bezeichnet sind. E1 und E0 be-
I 1 Z> Λ d
1 j- bezeichnet sind. E1 und E0
1 Z> Λ d
zeichnen die gemeinsamen Steuerelektroden für die Reihen R- und R2· Die Spannungsquelle IL, liefert die Speisespannung .für die Transistoren· Die Widerstände Z- und Z2 sind Belastungswiderstände· Die von den Photodioden gelieferten und von den Transistoren durchgelassenen Ströme werden addiert und ergeben die "Detektorsignale S- und S2· Die zweite Detektorenreihe B liefert auf analoge Weise, die Signale S^ und S,·
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Palls die Detektoren einer Reihe aus gesperrten Photodioden bestehen, können die Wählschaltungen mit den Detektoren derart integriert sein, daß die Source-Gebiete der Transistoren mit den Streifen der Detektorenreihe ein Ganzes bilden· Da die Ausgangsströme einer Transistorenreihe zueinander addiert werden, können die Drain-Gebiete der Transistoren einer Reihe ein Ganzes bilden·
Die Spannungen U- und Uo über die gemeinsamen Steuerelektro den der Transitorenreinen R- und Rp sind derart gewählt, daß der nichtleitende Teil der Reihe R- dem leitenden Teil der Reihe R^ gleich ist· Die Spannungen U- und Up bestehen aus einer Basisspannung U mit entgegengesetztem Vorzeichen für U- und U0, der eine veränderliche Spannung U„ überIagert ist, die durch das Lagenfehlersignal S bestimmt wird, das aus der Schaltung nach Pig· 3 erhalten ist· Die Spannung Us v/eist für U- ein anderes Vorzeichen als für U2 auf.
Pig. 5 zeigt den Verlauf der Spannungen U- und Up über die zugehörige gemeinsame Gate-Elektrode der Reihen R- U-/ >, Upz-N und Roo Mit U-/ \ und Up/ \ ist der Verlauf der Spannungen für den Pail bezeichnet, daß die Trennlinie der Photodiodenreihe die Lage ρ einnimmt. Der Pegel d ist die Schwellwertspannung, bei der die Transistoren leitend v/erden·
Wenn nun infolge eines Lagenfehlers des Detektionssystems sich die Strahlungsflecke V- und Vp in bezug auf ihre Detektorenreihe A bzw. B beide nach links verschieben würden, würde das Lagenfehlersignal S größer werden. Dies bedeutet dann, daß U^ größer und U- kleiner wird, wie in Pig. 5 mit
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den gestrichelten Linien angegeben ist. Durch den höheren Wert von Up werden mehr Transistoren der Reihe R„ leitend, während durch den kleineren Wert von TL mehr Transistoren der Reihe R1 gesperrt werden. Die Trennlinie kommt dadurch bei q (vgl. Pig· 4) zu liegen. Auf analoge V/eise verschiebt sich auch die Trennlinie der Detektorteile der Reihe B. Die Trennlinien folgen also den Verschiebungen der Strahlungsflecke, sofern diese Verschiebungen auf Lagenfehler des Detektionssystems in bezug auf die Achse, des Auslesebündels zurückzuführen sind. Die Strahlungsverteilung über die De~ tektorteile infolge eines Fokusfehlers wird durch die Verschiebung der Trennlinien nicht beeinflußt, weil das Lagenfehlersignal S von einem Fokusfehler unabhängig ist*
In Fig. 4 ist der Einfachkeit halber angenommen, daß die Länge der Detektoren einer Reihe gleich ihrer Breite ist. Tatsächlich sind die Detektoren strahlungsempfindliche Streifen, deren Länge (also in Fig· 4 die Abmessung quer zu der Richtung .einer Reihe und in Fig· 2a die Abmessung senkrecht su der Zeichnungsebene) erheblich größer als deren Breite ist. Die Empfindlichkeit des Fokusfehlerdetektionssystems für Lagenfehler in der Längsrichtung der Streifen ist dann erheblich kleiner als in Richtung der Reihe der Detektoren. Viele der früher vorgeschlagenen Fokusfehlerdetektionssysteme, 25.B. das in der US-PS 4 023 033 beschriebene System, sind für Lagenfehler in einer ersten Richtung ebenso empfindlich wie für einen Lagenfehler in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung.
Die Signale S1, S2, S3 und S, der Detektorteile A1, A2, B1 und B2 können auch noch zu einem Signal:
Sw= (S1 + S2> - (S3 + 34>
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verarbeitet v/erden. Dieses Signal, das eine Anzeige über die Lage der Rippe des Keiles quer zu der Achse des Bündels gibt, kann dazu benutzt werden, beim Zusammenbau der Vorrichtung den Keil gut einzustellen·
In einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, in der das Oboektivsystem eine numerische Apertur von 0,45 aufwies, bestanden die Detektoren A und B aus je fünfzehn strahlungsempfindlichen Streifen mit einer Breite von 20/um und einer Länge von etwa 350/Um, In dieser Vorrichtung können Abweichungen der Mitte des Detektionssystems in bezug auf die Achse des Auslesebündels in der Größenordnung von 250/um als zulässig betrachtet werden, während in früher vorgeschlagenen Fokusfehlerdetektionssystemen nur Abweichungen in der Größenordnung von 25/Um zulässig waren.
Mit dem in Pig, 4 dargestellten Detektionssystem, das pro Detektor fünfzehn strahlungsempfindliche Streifen enthält, kann die Trennlinie der Detektorteile sehr genau eingestellt werden. In den Fällen, in denen eine derartige genaue Einstellung nicht erforderlich ist, ist eine kleinere Anzahl ßtrahlungsempfindlicher Streifen pro Detektor genügend. Die Detektoren weisen dann eine gröbere Rasterstruktur auf. Dabei können dann statt der Wählschaltungen nach Fig. 4 einfachere Wählvorrichtungen, wie Schalter, verwendet werden.
In Pig, 7 ist ein Detektionssystem mit einer kleinen Anzahl, und zwar drei, strahlungsempfindlicher Streifen D1, Dp» D~ bzw, D1^j, D'2, Dfo pro Detektor dargestellt. Der Ausgang des inneren Detektors Dp bzw« Df 2 ist mit der Hauptklemme eines Schalters Sw^ bzw· Sw2 verbunden. In der dargestellten Lage des Schalters wird das Ausgangssignal des Detek^
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tors Dp bzw. D'p zu dem Ausgangssignal des Detektors D^ bzw. D1-
addiert© Die Detektoren D1 und D2 bzw. die Detektoren
D*- und D'o bilden zusammen den Detektorteil A^ bzw. den Detektorteil B.., während der Detektor D^ bzw. D1^ den Detektorteil Ap bzw. den Detektorteil B2 bildet. Die Trennlinie P1 bzw. P2 der Detektorteile liegt dann zwischen den Detektoren D2 und D, bzw* D'2 und D'o· Die Ausgangssignale der Detektorteile A-, A2, B.. und B2 werden wieder der elektronischen Schaltung 20 zugeführt, in der ein Fokusfehlersignal Sp und ein Lagenfehlersignal S abgeleitet werden. Mit dem Lagenfehlersignal S kann die Lage der Schalter eingestellt werden. Wenn sich die Strahlungsflecke V. und V2 in bezug auf die Detektoren nach links verschieben, werden die Schalter Sw1 und Swp umgelegt, so daß das Ausgangssignal des Detektors D2 bzw« des Detektors Df 2 zu dem Ausgangssignal des Detektors D^ bzw. D!_ addiert wird.
In der Vorrichtung nach Fig. 1 wird ein gesonderter Detektor 12 zum Auslesen der Daten verwendete Die Detektoren A und B des Fokusfehlerdetektionssystems können auch zum Auslesen der Daten verwendet werden. Dann kann der Detektor 12, gleich wie der Spiegel 19, entfallen. Der Keil 17 kann dann auf der Höhe des Spiegels 19 in dem Strahlungsweg angeordnet werden. Das Informationssignal, das nun gleich S^ + S2 + S~ + S. ist, wird wieder dem Demodulator 13 zugeführt«
Die Spaltung des von der Datenfläche reflektierten Bündels in zwei Teilbündel b- und bp kann statt mit einem optischen Keil auch mit anderen Elementen erfolgen. So kann ein völlig reflektierender Spiegel in einer Bündelhälfte des reflektierenden Bündels angeordnet werden, so daß eine Bündelhälfte (b^) in der Richtung durchgelassen wird, der das ungeteilte
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Bündel folgen würde, während die andere Bündelhälfte, (bg) in einer anderen Richtung reflektiert wird· Im Wege des Teilbündels b1 bzw. b2 ist dann wieder ein rasterförmiger Detektor A bzw. B in einer Lage angeordnet, die dem idealen Fokus des ungeteilten Bündels entspricht·
Beim Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen Datenstruktur muß dafür gesorgt werden, daß der Auslesefleck V stets nach wie vor in der Mitte einer auszulesenden Spur positioniert ist· Um Abweichungen - in radialer Richtung - des Ausleseflecks in bezug auf eine Spur zu detektieren, können, wie in der DE-PS 23 20 477 der Anmelderin beschrieben ist, neben dem Auslesefleck zwei zusätzliche (Servo-)Strahlungsflecke auf die Datenfläche projiziert werden· Die Strahlungsflecke sind derart positioniert, daß, wenn 'die Mitte des Ausleseflecks mit der Mitte einer Spur zusammenfällt, die Mitten der beiden Servoflecke auf den beiden Seitenkanten der Spur liegen· Jedem Servofleck ist ein gesonderter Detektor zugeordnet· Dadurch, daß die Ausgangssignale der Servodetektoren miteinander verglichen werden, können die Größe und die Richtung einer etwaigen Abweichung in der radialen Lage des Ausleseflecks in bezug auf die Spur bestimmt werden. Die Servoflecke können dadurch gebildet werden, daß im Strahlungsrweg des Auslesebündels ein Raster angeordnet wird· Von diesem Raster wird das Bündel in ein (AusIese-)Bündel nullter Ordnung und zwei (Servo-) Bündel erster .Ordnungen gespaltet· Ein Detektionssystem, das neben den Detektoren für die Fokusfehlerdetektion auch Detektoren für die radiale Lage des Strahlungsfelcks enthält, kann eine in Pig· 8 dargestellte Form aufweisen·
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Ih dieser Figur ist die Richtung der Datenspuren mit dem Pfeil 29 angegeben· A und B sind die rasterförmigen Fokusfehlerdetektoren, auf die die Strahlungsflecke V1 und V2 projiziert werden· Mit jedem dieser Strahlungsflecke sind zwei Servoflecke V1-, V"- bzw· V'2, V"2 fest gekoppelt. Me Servoflecke V1.. und V"- werden auf einen ungeteilten Detektor C. und die Servoflecke V'2 und V"2 auf den ungeteilten Detektor C2 projiziert· Aus den Signalen der rasterförmigen Detektoren A und B können auf die obenbeschriebene Weise ein Fokusfehlersignal, ein Lagenfehlersignal und ein Datensignal abgeleitet werden· Dadurch, daß die Ausgangssignale der Detektoren C. und C2 voneinander subtrahiert werden, wird ein radiales Fehlersignal erhalten.
Es können noch zwei Detektoren H1 und H2 vorhanden sein· Bei kleinen Fokusfehlern v/erden diese Detektoren nicht beleuchtet· Bei größeren Fokusfehlern, die nicht mehr von den Detektoren A und B detektiert v/erden können, werden die Strahlungsflecke V1 und V2 aufgebläht und Strahlung gelangt auch auf die Detektoren H1 und Hp. Dadurch, daß die Ausgangssignale dieser Detektoren miteinander verglichen werden, wird ein grobes Fokusfehlersignal erhalten·
Das Detektionssystem nach Fig. 8 ist besonders gut dazu geeignet, als ein einziger integrierter Detektor mit voneinander getrennten Detektorteilen ausgeführt zu werden.
Die Erfindung kann selbstverständlich auch zum Auslesen eines bandförmigen statt eines scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers verwendet werden·
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Das Fokusfehlerdetektionss-ystem nach der Erfindung kann auch beim Einschreiben von Daten auf einen Aufzeichnungsträgerkörper verwendet werden. Pig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung, die abgesehen von den Elementen zur Bestimmung von Fokusfehlem, bereits früher in der DE-PS 23 42 285 der Anmelderin vorgeschlagen wurde·
Die Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelle 31» ζ·Β. eine Laserquelle, die ein Strahlungsbündel 43 genügender Energie liefert· Dieses Bündel wird über die Prismen 32; 33 und 38 auf den einzuschreibenden Aufzeichnungsträgerkörper 30 gerichtet und dabei von einer Objektivlinse 39 zu einem kleinen Strahlungsfleck konzentriert. Der Aufzeichnungsträgerkörper 30 ist mit einer für die verwendete Strahlung empfindlichen Schicht 50, z,B· einer Photolackschicht, versehen· In dem Strahlungsweg von der Strahlungsquelle 31 zu dem Aufzeichnungsträgerkörper 30 befindet sich weiter ein elektrooptischer Modulator 34. Dieser Modulator 34 ist mit der elektronischen Steuervorrichtung 35 verbunden. Die Information, z.B. ein Fernsehprogramm, das in Form eines elektrischen Signals den Klemmen 36 und 37 zugeführt wird, wird in Strahlungsimpulse der Laserquelle umgewandelt. Zu bestimmten Zeitpunkten, die durch die Information an den Klemmen 36 und 37 gegeben sind, werden Strahlungsflecke auf den Aufzeichnungsträgerkörper projiziert.
Der Aufzeichnungsträgerkörper weist einen runden Umfang auf und wird mit Hilfe eines Motors 41 in Drehung versetzt, der mit Hilfe eines Schlittens 42 in radialer Richtung bewegbar ist, so daß z.B. eine spiralförmige Spur auf den Aufzeichnungsträgerkörper geschrieben v/erden kann·
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Die Objektivlinse 39 ist in axialer, somit in senkrechter, Richtung bewegbar in bezug auf den Aufzeichnungsträgerkörper angeordnet und kann durch Erregung einer Magnetspule 22 verschoben werden. Die Größe des elektrischen Stromes durch die Magnetspule wird durch die Steuerschaltung 21 bestimmt. Der Eingang dieser Schaltung ist mit dem Ausgang der Schaltung 20 verbunden, in der die Ausgangssignale der strahlungsempfindlichen Detektoren A und B elektronisch verarbeitet werden. Die Detektoren bilden wieder einen Teil eines Fokusfehlerdetektionssystems zur Bestimmung der Lage der Aufzeichnungsträgeroberfläche; die Wirkung dieses Systems ist oben bereits beschrieben.
Der Aufzeichnungsträgerkörper 30 kann mit einer strahlungsreflektierenden Fläche unter der £hotolackschicht versehen sein· Es kann ein gesondertes Hilfsstrahlungsbündel auf den Aufzeichnungsträgerkörper prodiziert werden. Nach Reflexion an dem Aufzeichnungsträgerkörper passiert dieses Hilfsbündel einen halbdurchlässigen Spiegel 40 und dann einen Keil 17· Der Keil 17 erzeugt zwei Bündel, die je auf einen der Detektoren A und B einfallen·
Statt eine gesonderte Hilfsstrahlungsquelle anzuwenden, kann auch, wie in Fig. 9 dargestellt ist, die von dem Aufzeichnungsträgerkörper reflektierte Strahlung des Einschreibbündels dazu benutzt werden, die Lage der strahlungsempfindlichen Fläche des Aufzeichnungsträgerkörpers in bezug auf die Fokussierungsflache des Objektivsystems zu bestimmen·
Die Erfindung kann auch in anderen Abbildungssystemen verwendet werden, in denen die Fokussierung genau aufrechterhalten werden muß, wie in Mikroskopen.
Claims (2)
1. Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren - in einem optischen Abbildungssystem - einer Abweichung zwischen einer ersten strahlungsreflektierenden Fläche und einer Fokussierungsfläche eines Objektivsystems, insbesondere für eine Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen strahlungsreflektierenden Datenstruktur und eine Vorrichtung zum optischen Einschreiben von Daten in einen Aufzeich» nungsträger, wobei dieses Fokusfehlerdetektionssystem ein im Wege eines von der ersten Fläche reflektierten Strahlungsbündel angeordnetes Bündelteilerelement und ein hinter dem Bündelteilerelement angeordnetes strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, das zwei Detektoren enthält, die je einem der von dem Bündelteilerelement erzeugten Teilbündel zugeordnet sind, v/obei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer elektronischen Schaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlerßignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Detektoren in einer Ebene angeordnet sind, in der das reflektierte Bündel fokussiert wird, wenn die genannte Abweichung Null ist; daß jeder Detektor rasterförmig gestaltet ist und mindestens drei strahlungsempfindliche Streifen enthält; daß in der genannten elektronischen Schaltung außerdem ein Lagenfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird und daß jeder Detektor mit einer gesonderten Wählvorrichtung verbunden ist, die den. Detektor auf zv/eckmäßige Weise in zwei Detektorteile unterteilt, wobei die Trennlinie der Detektorteile in Abhängigkeit von dem an einen Steuereingang der Wählschaltung angelegten Lagenfehlersignal einstellbar ist»
212237· -24- Berlin,d.1.8.197?
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2» Vorrichtung nach Punkt 1, in der die Wählvorrichtungen
durch elektronische Wählschaltungen gebildet werden,
gekennzeichnet dadurch, daß jede der Wählschaltungen
durch zv/ei Reihen von Feldeffekttransistoren mit isolierter und gemeinsamer Gate-Elektrode aus Widerstandsmaterial gebildet wird; daß bei jeder Reihe das Source-Gebiet jedes Transistors mit einem Streifen des Detektors verbunden ist und die Drain-Gebiete sämtlicher Transistoren miteinander verbunden sind, und daß die Spannungen über die beiden gemeinsamen Gate-Elektroden einer Wählschaltung einen entgegengesetzten Verlauf aufweisen, wobei
die Gate-Elektroden mit demjenigen Ausgang der genannten elektronischen Schaltung verbunden sind, an dem das Lagenfehlersignal auftritt·
durch elektronische Wählschaltungen gebildet werden,
gekennzeichnet dadurch, daß jede der Wählschaltungen
durch zv/ei Reihen von Feldeffekttransistoren mit isolierter und gemeinsamer Gate-Elektrode aus Widerstandsmaterial gebildet wird; daß bei jeder Reihe das Source-Gebiet jedes Transistors mit einem Streifen des Detektors verbunden ist und die Drain-Gebiete sämtlicher Transistoren miteinander verbunden sind, und daß die Spannungen über die beiden gemeinsamen Gate-Elektroden einer Wählschaltung einen entgegengesetzten Verlauf aufweisen, wobei
die Gate-Elektroden mit demjenigen Ausgang der genannten elektronischen Schaltung verbunden sind, an dem das Lagenfehlersignal auftritt·
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