DE2453364C3

DE2453364C3 - Automatische Fokussiervorrichtung

Info

Publication number: DE2453364C3
Application number: DE19742453364
Authority: DE
Inventors: Shigeo Mitaka Kato; Takeshi Kokubungi Maeda; Seiji Hachioji Yonezawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-11-11
Publication date: 1979-02-22
Also published as: DE2453364A1; NL7414695A; FR2251021A1; DE2453364B2; FR2251021B1

Description

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Eine automatische Fokussiervorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gat- ~>o tung ist aus der Zeitschrift »Funkschau« 1973, Heft 25, Seiten 3146 bis 3150 bekannt. Dort wird das Lese-Lichtbündel auf die Informationsspur beispielsweise einer Videoplatte mit Hilfe einer das Objektiv tragenden elektrodynamisch arbeitenden Einheit fokus- V₁ siert, die von einem von der momentanen Position eines Hilfslichtbündels auf der Plattenoberfläche abhängigen Signal gesteuert wird. Das Hilfslichtbündel wird mit einem Strahlenteiler aus dem Haupt-Strahlenbündel abgeleitet, von einer Hilfslinse durch eine Blendenöff- ω> nung auf die Plattenoberfläche fokussiert, von wo aus es reflektiert wird und je nach der Abweichung der Plattenoberfläche von einer vorgegebenen Mittellage auf einen von zwei in der Nähe der Blende angeordneten Detektoren fällt. Das bei Beleuchtung mit t>i dem Hilfslichtbündel von dem jeweiligen Detektor erzeugte Signal steuert die elektrodynamische Einheit derart, daß die Brennebene des Objektivs der

Plattenoberfläche nachgeführt wird.

Die bekannte Vorrichtung erfordert also zusätzlich zu dem für die eigentliche Informationswiedergabe erforderlichen optischen System eine Hilfseinrichtung mit einem Strahlenteiler, einer Hilfslinse, einer Bodeneinrichtung und zwei weiteren Detektoren, was den mechanisch-optischen Aufwand erhöht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Stellsignal zur Nachführung des Objektivs ohne jeglichen zusätzlichen Aufwand im mechanisch-optischen Teil aus dem eigentlichen Informationssignal zu gewinnen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Danach arbeitet die Erfindung anders als die obenerwähnte bekannte Vorrichtung nicht mit der Strahlposition eines Hilfslichtbündels, sondern mit der Intensität des Informationsstrahls selbst und kommt, abgesehen von den Einrichtungen für die Informationswiedergabe, zur Erzeugung des Stellsignals mit einer verhältnismäßig einfachen elektronischen Schaltung aus.

Aus der Zeitschrift »Phototechnik und Wirtschaft«, Nr. 6 (1965), Seite 254 ist es zwar bekannt, zur Fokussierung eines Objektivs die Intensität eines das Objektiv durchsetzenden Lichtstrahls zu messen. Dabei wird mit einem oszillierenden optischen Detektor gearbeitet, der längs der optischen Achse des Objektivs schwingt. Liegt die Brennebene genau in der Mitte des Schwingungsweges des Detektors, so ergibt der zeitliche Verlauf der von dem Detektor gemessenen Intensität eine vorgegebene, symmetrische und im wesentlichen sinusförmige Kurve. Bei Abweichung der Brennebene von der Mitte des Schwingungsweges wird dagegen das Detektorausgangssignal unsymmetrisch, und diese Unsymmetrie wird zur Nachführung des Objektivs verwendet.

Würde man dieses Prinzip zur Fokussierung des Lesestrahls auf eine Videoplatte anwenden, so wäre zusätzlich zu dem Antriebssystem, das zur Nachführung des Objektivs erforderlich ist, eine weitere Einrichtung erforderlich, um den Detektor in Schwingungen zu versetzen. Bei der Erfindung wird dagegen das Schwingungssignal dem Nachführsignal für das Objektiv überlagert, so daß das Schwingungssignal in dem ohnehin erforderlichen Antriebssystem zur Nachführung des Objektivs zur Wirkung kommt.

In den Patentansprüchen 2 und 3 sind besonders einfache und geeignete Schaltungen zur Erzeugung des Stellsignals angegeben. Bei der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 4 werden Schwierigkeiten in der Signalverarbeitung, die sich aus der Trägheit der Objektivschwingung ergeben, beseitigt.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.4 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorrichtung nach Fi g. 3.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Licht beispielsweise auf eine Videoplatte fokussiert, die den sich bewegenden Gegenstand bildet. Der aus einem Laser 31 austretende Lichtstrahl passiert eine erste

Linse 32, einen Halbspiegel 33 und einen Reflektor 34 und wird von einem Objektiv 42 auf die Oberfläche der Videoplatte 36 fokussiert Von der Fläche der Videoplatte wird der Lichtstrahl reflektiert und kehrt längs seinem ursprünglichen optischen Weg zurück. An dem Halbspiegel 33 wird der Lichtstrahl aus diesem optischen Weg herausgespiegelt und geengt durch eine mit einem Nadelloch versehene Blende 37 auf einen optischen Detektor 38, bei dem es sich beispielsweise um ein photoelektrisches CdS-Element handelt. Ist d:e das Licht aufnehmende Fläche des optischen Detektors sehr klein, so ist die Blende nicht immer erforderlich. Handelt es sich wie im vorliegenden Fall bei dem Gegenstand um eine Videoplatte, auf der optische Informationen gespeichert sind, so werden die Ausgangssignale des Detektors einem Informationsausgang 39 zur Speicherung zugeführt.

F i g. 2 zeigt die Werte, die die Ausgangsspannung des Detektors in Abhängigkeit von der Lage des Brennpunktes annimmt. An der Abszisse ist dabei der Abstand in Richtung der optischen Achse, an der Ordinate die Ausgangsspannung des optischen Detektors aufgetragen. X₀ gibt den Fall an, daß der Brennpunkt genau mit der Oberfläche der Videoplatte zusammenfällt, und die positive Richtung der Abszisse oder x-Achse gibt an, daß der Brennpunkt auf der Seite des Objektivs liegt Die Ausgangsspannung des Detektors ist für positive und negative Werte von χ fast symmetrisch zu xo und hat ihr Maximum bei X₀.

Wird das Objektiv in Schwingungen oder Oszillationen in Richtung der optischen Achse um eim Brennpunktlage x..\ > xo versetzt, so bildet die Ausgangsspannung des Detektors eine entsprechend schwingende Welle, die gegenüber der Schwingung der Objektivlinse um 180° phasenverschoben ist. Für den Fall xa<x» ist die Schwingung der Ausgangsspannung mit der des Detektors phasengleich.

Um den Wert (xa — xo) bzw. die Größe und Richtung der Versetzung des Brennpunktes aus den obigen Vorgängen zu ermitteln, wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach einem Verfahren gearbeitet, bei dem die Ausgangsspannung des optischen Detektors mit dem Ausgangssignal eines Oszillators 40 zur Aussteuerung das Objektiv multipliziert wird, so daß diese Welle synchron gleichgerichtet wird.

Dies soll anhand von Fig.4 näher erläutert werden. Der Oszillator 40 erzeugt eine Sinuswelle, die durch einen Stromverstärker 48 verstärkt wird, so daß durch eine Schwingspule 41 ein Strom fließt, der das Objektiv 42 in sehr kleine Schwingungen in Richtung der optischen Achse versetzt. Aufgrund dieser Schwingung erzeugt der optische Detektor gemäß F i g. 5 stärkere und schwächere Ausgangssignale.

Da Signale mit Frequenzen, die von der Schwingfrequenz des Objektivs verschieden sind, beispielsweise die auf der Platte vorhandenen Videosignale, sich mit den Ausgangssignalen des optischen Detektors überlagern, ist ein Bandpaßfilter 44 vorgesehen, das nur die Signale nahe der Schwingfrequenz des Objektivs hindurchläßt. Obwohl das Objektiv mit der Sinuswelle aus dem Oszillator 40 angetrieben wird, ist seine Arbeitsweise gegenüber dieser Welle etwas in der Phase verzögert. Daher wird die Phase der Sinuswelle, mit der das Ausgangssignal des optischen Detektors multipliziert wird, über eine Phaseneinstellstufe 43 justiert und erst danach der Multiplikation mit dem Ausgangssignal des optischen Detektors in einem Multiplizierer 45 unterworfen.

Die Ausgangsspannung des optischen Deu-ktors läßt sich in der Umgebung ihres Maximums durch eine quadratische Gleichung annähern. Liegt der Brennpunkt bei Xa und wird dem Objektiv eine Schwingung b ■ sin o>t erteilt, so wird die Ausga;igsspannung E des Detek'ors

E = Eti — a (χα + b ■ sin ojt — Xu)².

Durch Multiplikation der Aüsgangsspannung mit csinoH als der Sinuswelle der Schwingung wird das Produkt e

e = ',Ef, — α(χ_Λ + f> · sin <·>; — X₀)²; c ■ sin -·<ί

= ',Ef,c — cic(x_A — x„f — . ah² c', sin i-i

abc

(.Xj - X₀) COS 2.■> I

Ub²C . -

----- sin 3c<i
4

- abdx_A - X₀).

Wird als Schwingfrequenz ω eine Frequenz gewählt, die hinreichend größer ist als die Frequenz, mit der das Maß der Fehlfokussierung (x_A — xo) schwankt, und wird die dem Produkt e entsprechende Spannung über ein Tiefpaßfilter 46 geleitet, so verschwinden die Ausdrücke sin tot, cos 2 ω/ und sind 3 ω f. Sodann wird

e = - a b c (x_A - *o)·

Wie ersichtlich, erscheint der — (x_A — xo), das heißt Richtung und Betrag der Fehlfokussierung, in der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters. Aufgrund dieses Ausgangssignals des Tiefpaßfilters 46 erzeugt eine Steuerschaltung 47 ein Steilsignal. Dieses Stellsignal, das dem Ausgangssignal des Oszillators 40 überlagert wird, wird durch den Stromverstärker 48 verstärkt und der Schwingspule 41 zugeführt. Die Steuerung läßt sich so durchführen, daß der Ausdruck (xa - Xo) Null wird, d. h., daß der Brennpunkt stets mit der Oberfläche der Videoplatte zusammenfällt.

In dem obigen Ausführungsbeispiel der Erfindung schwingt das Objektiv in Axialrichtung, wobei das Ausmaß der Schwingung in Wirklichkeit sehr gering ist. Bei der praktischen Anwendut g kann daher angenommen werden, daß keine Fehlfokussierung verursacht wird und keine Probleme auftreten. Beispielsweise besteht bei einem Objektiv mit einer Schärfentiefe von 1 μ kein Problem, wenn das Ausmaß der Schwingung auf weniger als 0,5 μ eingestellt wird.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig.3 passiert der von einem Laser 31 ausgehende Lichtstrahl wiederum eine erste Linse 32, einen Halbspiegel 33 und einen Reflektor 34 und wird durch ein Objektiv 42 auf die Oberfläche einer Videoplatte 36 fokussiert, die wiederum den sich bewegenden Gegenstand bildet. Der Lichtstrahl wird von der Oberfläche der Videoplatte reflektiert und kehrt längs dem ursprünglichen optischen Weg zurück. An dem Halbspiepe! ~<3 wiixi er aus dem ursprünglichen Weg herausgelcr.kt und von einem optischen Detektor 38 empfangen.

Wiederum erzeuet ein Oscillator 40 eine Siriu>wel|p

die durch einen Stromverstärker 67 verstärkt wird, so daß ein Strom durch eine Schwingspule 41 geleitel wird, der das Objektiv in sehr kleine Schwingungen in Richtung de^r optischen Achse versetzt. Aufgrund dieser Schwingungen werden in dem optischen Detektoi höhere u ;d i.^Jrigere Spannungen erzeugt. Da sich dem Ausgangssignal des optischen Detektors Signale mil Frequenzen überlagern, die von der Schwingfrequenz des Objektivs verschieden sind, beispielsweise die auf der Videoplatte vorhandenen Videosignale, werden nur Signale nahe der Schwingfrequenz des Objektivs tritt Hilfe eines Bandpaßfilters 59 hindurchgelassen. Das Objektiv wird durch die Sinuswelle aus dem Oszillator 40 angetrieben, hinkt aber in ihrer Arbeitsweise in gewissem Ausmali hinter der Phase der Sinuswelle aus dem Oszillator nach. Die Phasen lassen sich durch eine Phaseneinstellstufe 61 justieren. Mit 62 ist eine Schalteinrichtung bezeichnet, die mit drei Kontaktpositionen an Ausgänge der Phaseneinstellstufe angeschlossen ist.

Fi g. 4 zeigt die Spannungen der Signale, die an die Schalteinrichtung 62 abgegeben und von dieser abgenommen werden. Mit Fist das Ausgangssignal der Phaseneinstellstufe 61 bezeichnet. Liegt das Signal F über einer gewissen Spannung, so steht die Schalteinrichtung auf dem Kontakt a. Das Ausgangssignal der Schalteinrichtung in diesem Zustand ist in F i g. 7 mit G bezeichnet und als Spannungskurve / dargestellt. Liegt das Signal Funter einer gewissen Spannung, so steht die Schalteinrichtung auf dem Kontakt c. Das Ausgangssignal der Schalteinrichtung in diesem Zustand ist in F i g. 7 mit H bezeichnet und durch die Spannungskurve L wiedergegeben. Liegt das Signal F auf einer anderen Spannung als denjenigen Spannungen, bei denen die Kontak.e a und c eingenommen werden, so steht die Schal' .ii'iric'htuiif» au'dem Kontakt b.

Die durch die Schalteiniv:'<t'.:;g 62 phasendiskrimitiierten Signale passieren ein erstes Tiefpaßfilter 6J bzw. ein zweites Tiefpaßfilter 64. Das Ausgangssignal des rrsten Tiefpaßfilters 6.3 ist in Fig. 7 bei K angedeutet, während das Aubgangssignal des /.weiten Tiefpaßfilters 64 mit M angedeutet ist. Diese Ausgargssignale werden in einem Subtraktiun.sglied 63 subtrahiert. Die Ausnnpvnannung des Subtiaktionsglieds 65 ist negativ. _Wpnr| der Brennpunkt des Objektivs auf der dieser Linse zugewandten Seite der Videoplaüen-Oberfläche liegt, positiv, wenn er auf der anderen Seite der Oberfläche liegt. Wie bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist der Absolutwert der AusgangsspariiiUiVe des Subtraktionsgliedes 65 proportional zu dem Maß der Fehlfokussierung. Aufgrund des Ausgangssignals des Subtraktionsgliedes 65 erzeugt eine Steuerschaltung66 ein Stellsignal,das nach Verstärkung durch den Stromverstärker 67 einen entsprechenden Stromfluß durch die Schwingspule 41 bewirkt. Die Steuerung erfolgt so, daß die Fehlfokussierung zu Null wird, d. h., daß der Brennpunkt stets mit der Oberfläche der Videoplatte zusammenfällt.

Gemäß der Beschreibung der obigen Ausführungsbeispiele wird nur das Objektiv in Schwingungen versetzt; es ist jedoch auch möglich, daß weitere Teile des optischen Systems zusammen mit dem Objektiv in Schwingungen versetzt werden. So können beispielsweise die Blende 37, der optische Detektor 38, die erste Linse 32, der Halbspiegel 33, der Reflektor 34 und das Objektiv 42 nach Fig. 1 einstückig und kompakt ausgeführt und durch die Schwingspule 41 in Schwingungen versetzt werden.

Hierzu 3 BhUt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Automatische Fokussiervorrichtung für ein Objektiv, durch das ein Lichtpunkt auf den Gegenstand projiziert wird, wobei das Objektiv durch ein Oszillatorsignal mittels einer Schwingspule in Schwingungen längs seiner optischen Achse versetzt und aus dem von einer Detektoreinrichtung ermittelten Schwingungssignal ein der Fehlfokussierung entsprechendes Stellsignal auf die Schwingspule rückgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung ein mit der Detektoreinrichtung (38) verbundenes Filter (44; 59) zur Abtrennung anderer Frequenzen und eine Einrichtung (45 ... 47; 62 ... 66), die aus dem Vergleich des gefilterten Schwingungssignals mit dem Oszillatorsignal das Stellsignpl erzeugt, enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Stellsignals einen Multiplizierer (45) enthält, der das Oszillatorsignal mit dem gefilterten Schwingungssignal multipliziert, sowie ein Tiefpaßfilter (46), dessen Durchlaßbereich unter der Oszillatorfrequenz endet (F ig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Stellsignals eine durch das Oszillatorsignal gesteuerte Schalteinrichtung (62) enthält, die das gefilterte Schwingungssignal einem ersten Tiefpaßfilter (63) zuführt, wenn das Oszillatorsignal einen vorgegebenen positiven Amplitudenwert überschreitet, bzw. einem zweiten Tiefpaßfilter (64), wenn das Oszillatorsignal einen vorgegebenen negativen Amplitudenwert unterschreitet, sowie ein Subtraktionsglied (65), das die Ausgangssignale der beiden Tiefpaßfilter (63,64) voneinander subtrahiert (Fig. 3).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Oszillator (40) und die Einrichtung (45 ... 47; 62 ... 66) zur Erzeugung des Stellsignals eine Phaseneinstellstufe (43; 61) zur Beseitigung von Phasenverzögerungen zwischen dem Oszillatorsignal und dem Schwingungssignal eingeschaltet ist.

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