CH661802A5 - Optoelektronisches fokusfehlerdetektionssystem. - Google Patents

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CH661802A5 CH2684/83A CH268483A CH661802A5 CH 661802 A5 CH661802 A5 CH 661802A5 CH 2684/83 A CH2684/83 A CH 2684/83A CH 268483 A CH268483 A CH 268483A CH 661802 A5 CH661802 A5 CH 661802A5
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Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer Strahlung reflektierenden Fläche und einer Fokusebene eines Objektivsystems in einem optischen Abbildungssystem, insbesondere für eine Anordnung zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optische, Strahlung reflektierenden Informationsstruktur oder eine Anordnung zum Schreiben von Informationen in einen Aufzeichnungsträger auf optischem Wege, welches Fokusfehlerdetektorsystem ein im Weg eines durch die genannte Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes, bündelteilendes Element, und ein hinter dem bündelteilenden Element angeordnetes, strahlungsempfindliches Detektionssystem mit einer Anzahl, durch schmale Streifen voneinander getrennter Detektoren enthält, wobei ein erster Trennstreifen einem ersten und ein zweiter Trennstreifen einem zweiten aus zwei vom bündelteilenden Element gebildeten Teilbündeln zugeordnet sind, wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer Elektronikschaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird.
Eine derartige Anordnung wurde in der Veröffentlichung «PCM-Schallplatte für die 80er Jahre» in «Radio Mentor» 45 (1979), S. 138,140, beschrieben. Diese Anordnung enthält eine Strahlenquelle in Form eines Halbleiterdiodenlasers. Das von diesem Laser ausgestrahlte Lesebündel wird von einem Objektivsystem auf einer Informationsstruktur fokus-
siert, die auf einem runden, scheibenförmigen Aufzeichnungsträger angeordnet ist. Das von der Informationsstruktur reflektierte Lesebündel durchläuft zum zweiten Male das Objektivsystem und anschliessend ein zwischen der s Strahlenquelle und dem Objektivsystem angeordnetes Trennungsprisma. Dieses Prisma koppelt das modulierte Lesebündel aus dem Strahlungsweg des von der Quelle ausgestrahltes Bündels, so dass das modulierte Bündel in einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem aufgefangen io werden kann, das ein elektrisches Signal entsprechend der Modulation des letztgenannten Bündels liefert.
Für optische Systeme, mit denen sehr kleine Informationsdetails ausgelesen werden müssen und die mit einer grossen numerischen Apertur arbeiten, ist die Schärfetiefe gering. 15 Für diese Art von Abbildungssystemen, die beispielsweise in Mikroskopen oder in Anordnungen zum Lesen eines optischen Aufzeichnungsträgers mit sehr kleinen Einzelheiten oder in Anordnungen zum Einschreiben von Informationen in einen Aufzeichnungsträger benutzt werden, ist es wichtig, 20 eine Abweichung zwischen der reellen und der gewünschten Fokussierungsebene detektieren zu können, um damit die Fokussierung nachregeln zu können. Dazu kann, wie in der genannten Veröffentlichung beschrieben, auf der Austrittsfläche der Trennungsprismas ein Dachkantprisma 25 angeordnet sein. Dieses Prisma teilt das Bündel in zwei Teilbündel, die in getrennten Detektoren des strahlungsempfindlichen Detektionssystems aufgefangen werden. Dieses System besteht beispielsweise aus vier strahlungsempfindlichen Detektoren, die auf einer Linie quer zur brechenden 30 Rippe des Dachkantenprismas angeordnet sind. Durch Subtraktion der Summe der Signale der zwei inneren Detektoren von der der zwei äusseren Detektoren wird ein Signal gewonnen, das einem Fokusfehler proportional ist.
In diesem Fokusfehlerdetektorsystem ist dafür zu sorgen, 35 dass der Abstand zwischen den Mitten der in der Ebene der Detektoren gebildeten Strahlungsflecke gleich dem Abstand zwischen den Trennstreifen der Detektoren ist und dass die Strahlungsflecke richtig positioniert sind in bezug auf die Detektoren, so dass bei einer guten Fokussierung des Bündels 40 die Strahlungsflecke in bezug auf den zugeordneten Trennstreifen symmetrisch liegen. Wenn der Abstand zwischen den Mitten der Strahlungsflecken unrichtig ist und/oder, wenn die Strahlungsflecke nicht richtig positioniert sind,
wird ein fehlerhaftes Fokusfehlersignal gewonnen und ist 45 eine korrekte Fokuseinstellung nicht mehr möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anordnung der Detektoren zu schaffen, dass die Möglichkeit geboten wird, nach dem Aufbau des Fokusfehlerdetektorsystems den Abstand zwischen den Mitten der Strahlungsflecke so an den Abstand zwischen den Trennstreifen anzugleichen und die Position der Strahlungsflecke nachzuregeln.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemässen Detektionssystem dadurch gelöst dass der erste Trennstreifen einen spitzen Winkel mit dem zweiten Trennstreifen bildet. 55 Indem bei guter Fokussierung des Bündels die zwei Teil-bündel in einer oder zwei in der Ebene der Detektoren liegenden Richtungen bewegt werden, lässt sich das gesetzte Ziel erreichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Fokusfehlerdetek-60 tionssystem ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Trennlinien etwa 22° beträgt.
Diese Wahl des Winkels bewirkt, dass auch bei beschränkten Abmessungen der Detektoren einerseits die Einstellmöglichkeit gross genug ist und zum anderen die ss Steilheit des Fokusfehlerdetektionssystems gross genug bleibt.
Eine Anordnung zum Lesen und/oder Schreiben von Information in einer strahlungsreflektierenden Informa-
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tionsfläche eines Aufzeichnungsträgers, welche Anordnung mit einem erfindungsgemässen Fokusfehlerdetektionssy-stems versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem vier getrennte Detektoren enthält, dass die Bündelteilung in einer Ebene erfolgt, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft und dass die Elektronikschaltung Mittel zum Ableiten eines Signals enthält, das einen Hinweis auf die Lage des in der Informationsfläche gebildeten Strahlungsflecks in bezug auf eine Informationsspur gibt.
Nachstehend werden an Hand der Zeichnung einige Beispiele der erfindungsgemässen Anordnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung mit dem vorliegenden Fokusfehlerdetektionssystem,
Fig. 2 die einzelnen Detektoren und die elektronische Verarbeitungsschaltung,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Detektorsystems, und
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Detektorsystems.
In Fig. 1 ist ein kleiner Teil eines runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers 1 in radialem Schnitt dargestellt. Die Strahlung reflektierende Informationsstruktur befindet sich an der Oberseite des Aufzeichnungsträgers und besteht aus einer Vielzahl nicht dargestellter Informationsgebiete, die entlang Informationsspuren 2 angeordnet sind. Die Informationsstruktur wird abgetastet von einem Lesebündel b, das von einer Strahlenquelle 3, beispielsweise einem Halbleiterdiodenlaser, geliefert wird. Eine Linse 4 bildet aus dem divergierenden Bündel ein paralleles Bündel mit einem derartigen Querschnitt, dass die Pupille eines Objektivsystems 5 gut ausgefüllt wird. Dieses Objektivsystem bildet dabei einen Strahlungsfleck V mit minimalen Abmessungen auf der Informationsstruktur.
Das Lesebündel wird von der Informationsstruktur reflektiert und bei der Bewegung des Aufzeichnungsträgers in bezug auf das Lesebündel wird das reflektierte Bündel entsprechend der im Aufzeichnungsträger angebrachten Information zeitlich moduliert. Zum Trennen des modulierten Bündels von dem von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündel ist zwischen der Strahlenquelle und dem Objektivsystem ein Bündeltrennprisma 6 angeordnet. Dieses Prisma kann aus zwei prismatischen Teilen 7 und 8 bestehen, zwischen denen eine Bündeltrennschicht 9 angeordnet ist. Mit 10 und 11 sind die Eintrittsfläche bzw. die Austrittsfläche des Prismas 6 bezeichnet. Die Schicht 9 kann ein halbdurchlässiger Spiegel sein. Zum möglichsten Verringern des Strahlungsverlustes in der Leseeinheit kann eine polarisationsempfindliche Trennschicht verwendet werden. Zwischen dem Objektivsystem und dem Prisma 6 ist dabei eine Â/4-Platte 12 aufzunehmen, worin X die Wellenlänge des Lesebündels b ist. Dieses Prisma wird vom Lesebündel zweimal durchlaufen und dreht die Polarisationsfläche dieses Bündels über insgesamt 90°. Das von der Strahlungsquelle ausgesandte Bündel wird vom Prisma dabei nahezu vollständig durchgelassen, während das modulierte Bündel nahezu vollständig nach einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem 13 reflektiert wird. Dieses System erzeugt ein Signal, das entsprechend der im Aufzeichnungsträger gespeicherten Information moduliert ist.
Zum Erzeugen eines Fokusfehlersignals, das einen Hinweis auf die Grösse und die Richtung einer Abweichung zwischen der Fokussierungsebene des Objektivsystems und der Ebene der Informationsstruktur gibt, ist auf der Austrittsfläche 11 des Bündeltrennprismas 6 ein Dachkantprisma 14 angeordnet und das strahlungsempfindliche Detektionssystem 13 beispielsweise aus vier strahlungsempfindlichen Detektoren aufgebaut. Diese Detektoren sind in Fig. 2, die das Prinzip der Fokusfehlerdetektion veranschaulicht mit 16, 17, 18 und 19 angegeben. Diese Figur zeigt eine Ansicht der Detektoren entlang der Linie II-II' in Fig. 1. Diebrechende Rippe 15 des Prismas 14 kann zur optischen Achse 00' in Fig. 1 der Leseeinheit parallel verlaufen. Vorzugsweise wird jedoch, wie in Fig. 1 dargestellt, das Dachkantprisma derart angeordnet dass die brechende Rippe 15 quer zur optischen Achse 00' verläuft. Dann kann nämlich aus den Detektorsignalen ein Spurnachführungsfehlersignal abgeleitet werden.
Das Dachkantprisma teilt das Bündel b in zwei Teilbündel bi und b2, die mit den Detektoren 16 und 17 bzw. 18 und 19 zusammenarbeiten.
In Fig. 1 und 2 ist die Situation veranschaulicht, bei der das Lesebündel genau auf der Fläche der Informationsstruktur fokussiert ist. Die Leseeinheit kann so eingerichtet sein, dass dabei das Fokus des reflektierten Bündels genau in der Ebene der Detektoren liegt. Bei einer guten Fokussierung fallen die Teilbündel bi und b: symmetrisch auf ihre zugeordneten Detektoren 16 und 17 bzw. 18 und 19 ein. Beim Auftreten eines Fokusfehlers ändert sich die Energieverteilung im Teilbündel bi bzw. b: in bezug auf die zugeordneten Detektoren, was auch als eine Verschiebung der von den Teilbündeln gebildeten Strahlungsflecke Vi und V: in bezug auf die Detektoren aufgefasst werden kann. Wenn der Fokus des aus der Strahlenquelle herrührenden Bündels über der Fläche der Informationsstruktur liegen würde, würden die Bündel bi und b2 nach innen verschoben sein und die Detektoren 16 und 19 weniger Strahlungsenergie als die Detektoren 17 und 18 empfangen. Würde das Fokus des von der Strahlenquelle ausgesandten Lesebündels unter der Fläche der Informationsstruktur liegen, würde das Umgekehrte gelten und die Detektoren 17 und 18 weniger Strahlungsenergie als die Detektoren 16 und 19 empfangen. Indem, wie in Fig. 2 dargestellt, die Signale der Detektoren 17 und 18 einem ersten Addierer 20 und die der Detektoren 16 und 19 einem zweiten Addierer 21 und die Signale dieser Addierer einem Differenzverstärker 22 zugeführt werden, wird ein Fokusfehlersignal Sr erhalten. Das Informationssignal Si kann mit einem dritten Addierer 23 erhalten werden, dessen Eingänge mit den Addierern 20 und 21 verbunden sind.
Vom Dachkantprisma 14 kann entweder die Basis, wie in Fig. 1, oder die brechende Rippe 15 an der Austrittsfläche 11 des Bündeltrennprismas liegen. Bei dem gewählten grossen Wert des Spitzenwinkels a des Dachkantprismas, beispielsweise etwa 170°, hat das Prisma 14 in beiden Fällen etwa die gleiche Wirkung. Der Spitzwinkel a wird möglichst gross gewählt, damit die Detektionselemente möglichst nahe beieinander liegen und als einen integrierten Detektor ausgeführt werden können.
Das Fokusfehlersignal wird durch die Lage des Zentrums des Strahlungsflecks Vi bzw. V2 in bezug auf den Trennstreifen der Detektoren 16 und 17 bzw. den Trennstreifen der Detektoren 18 und 19 bestimmt. Es ist dafür zu sorgen, dass bei einer guten Fokussierung des Bündels bi der Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke gleich dem Abstand zwischen den Trennstreifen ist. Durch die unterschiedlichen Toleranzen in den optischen Elementen des Fokusfehlerde-tektionssystems können Abweichungen im Abstand zwischen den Strahlungsflecken auftreten. Würde der Abstand zwischen den Strahlungsflecken zu gross sein, würden auch bei einer guten Fokussierung des Bündels b diese Strahlungsflecke in bezug auf die Detektoren nach aussen hin verschoben sein und würde ein positives Fokusfehlersignal erzeugt werden. Bei einem zu geringen Abstand zwischen den Strahlungsflecken würde ein negatives Fokusfehlersignal geliefert werden.
Für die Möglichkeit zum Anpassen des Abstands zwischen den Mitten der Detektorpaare 16, 17, und 18, 19 an den
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Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke nach der Zusammenbau der Anordnung ist das Detektorsystem gemäss Fig. 3 ausgeführt. Die Detektorpaare sind nicht mehr parallel zueinander angeordnet, aber derart, dass der Trennstreifen 11 der Detektoren 16 und 17 einen spitzen Winkel a mit dem Trennstreifen hder Detektoren 18und 19ein-schliesst. In Fig. 3 sind zwei Strahlungsflecke Vi und V2 dargestellt, die einen gegenseitigen Abstand d haben, der dem Abstand zwischen den Trennstreifen entlang der Linie y durch das Zentrum des Detektorsystems entspricht. Ist der Abstand zwischen den Strahlungsflecken V1 und V2 grösser als d, sind die Teilbündel bi und b2 derart zu verschieben, dass die Strahlungsflecke V1 und V2 nach rechts verschoben werden, bis die Zentren der Strahlungsflecke wieder genau auf den Trennstreifen liegen. Bei einem zu geringen Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke sind sie nach links zu verschieben.
Der Abgleich der Leseeinheit besteht darin, dass nach dem Zusammenbau dieser Einheit und der guten Einstellung des Fokus eines Objektivsystems die Position der Strahlungsflecke V1 und V2 in bezug auf die Detektoren durch die Messung der Detektorsignale bestimmt werden. An Hand dieser Messung können die Positionen der Strahlungsflecke beispielsweise durch Verschiebung und/oder Kipping des Prismas 6 derart nachgestellt werden, dass die Zentren der Strahlungsflecke auf den Trennstreifen 11 und I2 liegen.
Die Empfindlichkeit des Brennfleckfehlerdetektionssy-stems ist möglichst gross, wenn die Streifen 11 und I2 in der x-Richtung, also quer zur Richtung y verlaufen, in der die Strahlungsflecke Vi und V2 beim Auftreten von Fokusfehlern sich bewegen. Wenn ein Winkel a in der Grössenordnung von 22° gewählt wird, wird erreicht, dass auch bei beschränkten Abmessungen der Detektoren die Möglichkeit der Anpassung des Abstands zwischen den Trennstreifen an den Abstand zwischen den Strahlungsflecken V1 und V2 gross genug ist, während die Empfindlichkeit für Fokusfehler dennoch gross genug bleibt.
Beim Anordnen der brechenden Rippe 15 des Prismas 14 quer zur optischen Achse 00', wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug aufeinander in einer Richtung verschoben, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft. In diesem Fall kann aus den Signalen der vier Detektoren 16,17,18 und 19einSpurnachführungssignal, ein Signal, das einen Hinweis auf die Position des Leseflecks
V in bezug auf die Mitte einer zu lesenden Spur gibt, abgeleitet werden. Dieses Signal Sr wird, wie in Fig. 2 angegeben, durch Zuführen der Signale der Detektoren 16 und 17 an einen Summierer 24 und der Signale der Detektoren 18 und 19 an einen Summierer 25 und durch Zuführen der Signale der Summierer an einen Differenzverstärker 26 erhalten. Das Signal Sr wird also durch folgende Gleichung gegeben :
Sr = (Sl6+Sl7)-(Sl8 + Sl9).
Wenn das Detektionssystem 13 nicht zum Erzeugen eines Spurnachführungssignals Sr benutzt wird, kann dieses System auch aus nur drei Detektoren wie in Fig. 4 bestehen. Der Trennstreifen 11 zwischen den Detektoren 31 und 30 und der Trennstreifen I2 zwischen den Detektoren 32 und 30 bilden wieder einen spitzen Winkel miteinander. Das Fokusfehlersignal Sr wird durch folgende Gleichung gegeben :
Sf = (S31+S32) -S30.
Die Erfindung ist an Hand ihrer Anwendung in einem optischen Leseeinheit beschrieben, kann aber auch in einer Schreibeinheit oder in einer kombinierten Schreib/Leseeinheit verwendet werden. Die Schreibeinheit ist analog der beschriebenen Leseeinheit aufgebaut. Zum Schreiben von Informationen, beispielsweise durch das Schmelzen von Grübchen in einer Metallschicht, wird mehr Energie als zum Lesen benötigt und ausserdem ist das Schreibbündel entsprechend der einzuschreibenden Information zeitlich zu modulieren. Als Strahlungsquelle in der Schreibeinheit kann ein Gaslaser, z.B. ein HeNe-Laser benutzt werden, wobei im Weg des Schreibbündels ein Modulator, z.B. ein elektrooptischer oder ein akustooptischer Modulator, anzuordnen ist. Auch kann ein Diodenlaser benutzt werden, wobei die Modulation des Schreibbündels durch Variation des elektrischen Stroms durch den Diodenlaser herbeigeführt werden kann, so dass kein getrennter Modulator erforderlich ist. Das beschriebene Fokusfehlerdetektionssystem benutzt keine besonderen Eigenschaften der optischen Informationsstruktur oder der Fläche, auf der zu fokussieren ist. Erforderlich und ausreichend ist nur, dass diese Fläche strahlungsreflektierend ist. Das Fokusfehlerdetektionssystem kann daher in verschiedenen Anordnungen verwendet werden, in der äusserst genau zu fokussieren ist, beispielsweise in Mikroskopen.
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1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

661802 PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer Strahlung reflektierenden Fläche und einer Fokussierungsebene eines Objektivsystems in einem optischen Abbildungssystem, insbesondere für eine Anordnung zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen, Strahlung reflektierenden Informationsstruktur oder einer Anordnung zum Schreiben von Information in einen Aufzeichnungsträger auf optischem Wege, welches Fokusfehlerdetektionssystem ein im Weg eines von der genannten Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes, bündelteilendes Element und ein hinter dem bündelteilenden Element angeordnetes strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, das eine Anzahl durch schmale Streifen voneinander getrennter Detektoren enthält, wobei ein erster Trennstreifen einem ersten und ein zweiter Trennstreifen einem zweiten von zwei vom bündelteilenden Element gebildeten Teilbündeln zugeordnet ist, wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer Elektronikschaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trennstreifen einen spitzen Winkel mit dem zweiten Trennstreifen bildet.
2. Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Trennstreifen etwa 22° beträgt.
3. Anordnung zum Lesen und/oder Schreiben von Informationen in einer strahlungsreflektierenden Fläche eines Aufzeichnungsträgers, welche Anordnung mit einem Fokusfehlerdetektionssystem nach Anspruch 1 oder 2 ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem vier getrennte Detektoren enthält, dass die Bündelteilung in einer Ebene erfolgt, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft und dass die elektronische Schaltung Mittel zum Ableiten eines Signals enthält, das einen Hinweis auf die Position des in der Informationsfläche gebildeten Strahlungsflecks in bezug auf eine Informationsspur gibt.
CH2684/83A 1982-05-19 1983-05-16 Optoelektronisches fokusfehlerdetektionssystem. CH661802A5 (de)

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