CH640362A5

CH640362A5 - Optoelektronische fokusfehlerdetektionsvorrichtung.

Info

Publication number: CH640362A5
Application number: CH344779A
Authority: CH
Inventors: Gijsbertus Bouwhuis; Teunis Johannes Hazendonk
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1978-04-14
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1983-12-30
Also published as: IT7921789A0; JPS6349291B2; DE2914122C2; AT371268B; DK148969B; AU4598779A; US4233502A; AR218529A1; IT1113877B; ATA287579A; FR2423025B1; PL214822A1; DD151097A5; GB2020800B; SE7903206L; DK148969C; NL7803969A; FR2423025A1; DE2914122A1; NZ190162A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Fokusfehlerdetektionsvorrichtung zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer strahlungsreflektierenden Fläche und einer Fokussierungsfläche eines Objektivsystems einer optischen Abbildungseinrichtung, 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 diese Fokusfehlerdetektionsvor-richtung ein in dem Wege eines von der Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes Bündelteilerelement und ein hinter dem Bündelteilerelement angeordnetes strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält, das zwei Detektoren enthält, die je einem der von 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.

Eine derartige Fokusfehlerdetektionsvorrichtung ist in der deutschen Auslegeschrift 1.299.134 für Anwendung in einer

Vorrichtung zum Testen von Objektiven beschrieben.

Die Detektoren des strahlungsempfindlichen Detektions-systems 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 z.B. 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 werden, 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 darf, kann ein mit Hilfe optischer Strahlung auslesbarer Aufzeichnungsträger als Medium zur Übertragung von Daten, wie z.B. eines Fernsehprogramms oder eines Audioprogramms, verwendet werden. Die Datenstruktur ist dann aus spurförmig angeordneten Gebieten aufgebaut, die sich mit Zwischengebieten abwechseln, wobei die Gebiete das Auslesebündel auf andere Weise als die Zwischengebiete 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 Zwischengebiete sehr kleine Abmessungen, z.B. eine Breite von 0,5 [im und eine mittlere Länge von 0,5 (im, aufweisen. Bei einer Periode quer zu den Spuren von 1.7 [im kann dann ein Fernsehprogramm von etwa 30 Minuten in einem runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger innerhalb eines ringförmigen Gebietes mit einem Innenradius von etwa 6,5 cm und einem Aussenradius von etwa 14 cm gespeichert werden. 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 werden. Falls das Auslesebündel ein Laserbündel mit einer Gaussschen Intensitätsverteilung ist, ist unter dem Durchmesser der Abstand zwischen den Punkten zu verstehen, an denen die Intensität das e~2fache der Intensität in der Mitte des Strahlungsflecks ist. Um einen derartigen kleinen Strahlungsfleck erzeugen zu können, müssen die Wellenlänge des Auslesebündels (X.) und die numerische Apertur (N.A.) des Ausleseobjektivs passend gewählt sein. Der Durchmesser des Ausleseflecks ist nämlich zu X/N.A. proportional. In der Praxis wird meistens X = 0.6328 [im und N.A. = 0,45 gewählt.

Ein Objektivsystem mit einer derartigen numerischen Apertur weist eine geringe Tiefenschärfe, z.B. in der Grössenordnung von 1 [im, auf. Um die Datenstruktur gut auslesen zu können, muss das Objektivsystem stets scharf auf die Fläche der 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 Aufzeich5

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nungsträger eingeschrieben werden, 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 werden müssen.

Zum Detektieren von Fokusfehlern könnte das eingangs beschriebene Fokusfehlerdetektionssystem verwendet werden. 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.

Die Erfindung bezweckt, eine Fokusfehlerdetektionsvor-richtung, insbesondere für eine Auslesevorrichtung oder eine Einschreibvorrichtung, zu schaffen, in der 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 rasterförmig gestaltet ist und mindestens drei strahlungsempfindliche Streifen enthält; dass in der genannten elektronischen Schaltung ausserdem ein Lagenfehlersi-gnal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird, und dass jeder Detektor mit einer gesonderten Wählvorrichtung verbunden ist, die den Detektor in zwei Detektorteile unterteilt, wobei die Trennlinie der Detektorteile in Abhängigkeit von dem an einen Steuereingang der Wählvorrichtung angelegten Lagen-fehlersignal einstellbar ist.

Die Tatsache wird 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, wird ein Lagenfehlersignal, d.h. ein Signal erhalten, das eine Anzeige über einen Fehler in der Lage des Detektionssystems in bezug auf die Achse des Strahlungsbündels gibt, wobei dieses Lagenfehlersignal von einem Fokusfehler unabhängig ist. Mit dem Lagenfehlersignal kann die 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 Wählervorrichtungen durch elektrische Wählschaltungen gebildet werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wählschaltungen durch zwei Reihen von Feldeffekttransistoren mit isolierter und gemeinsamer Gate-Elektrode aus Widerstandsmaterial gebildet ist; 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 Auslesevorrichtung,

Figuren 2a und 2b das Prinzip einer in dieser Vorrichtung verwendeten Fokusfehlerdetektionsvorrichtung,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer elektronischen Schaltung zum Ableiten eines Fokusfehlersignals und eines Lagen-fehlersignals aus den Detektorsignalen,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer elektronischen Wählschaltung für die rasterförmigen Detektoren,

Fig. 5 den Verlauf der Steuerspannungen für diese Wählschaltung,

Fig. 6 diese Wählschaltung im Detail,

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform eines Detektionssystems und der zugehörigen Wählvorrichtungen,

Fig. 8 ein Detektionssystem mit rasterförmigen Detektoren für die Fokusfehlerdetektion und weiteren Detektoren zum Detektieren eines Lagenfehlers eines Ausleseflecks in bezug auf die Mitte einer auszulesenden Spur, und

Fig. 9 eine Ausführungsform einer Einschreibvorrichtung mit einer Fokusfehlerdetektionsvorrichtung nach der Erfindung.

In diesen Figuren sind entsprechende Elemente stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 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 2' auf der Oberseite des Aufzeichnungsträgers befindet und dass durch das Substrat 4 des Aufzeichnungsträgers, z.B. aus einem Kunststoff, hindurch ausgelesen wird. Die Datenfläche 2' kann mit einer Schutzschicht 3 überzogen sein. Der Aufzeichnungsträger kann mittels einer Welle 5 gedreht werden, die von einem Rotationsmotor 6 angetrieben wird.

Eine Strahlungsquelle 7, z.B. ein Helium-Neon-Laser oder ein Halbleiterdiodenlaser, liefert ein Auslesebündel 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.

Das modulierte Auslesebündel durchläuft wieder das Objektivsystem 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 X/4-Platte bestehen, wobei X die Wellenlänge des Auslesebündels ist. In Fig. 1 ist der Einfachheit halber angenommen, dass die genannten Mittel aus einem halbdurchlässigen Spiegel 11 bestehen. Dieser Spiegel reflektiert das modulierte Äuslesebündel zu einem strahlungsempfindlichen Datendetektor 12. Das Ausgangssignal Si 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 strahlungsempfindliche Detektionssystem JJ3 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

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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 der Kante des Keiles gross sein. Im Idealfall wird die Kante gerade sein, aber in der Praxis kann die Kante einen gerändelten Verlauf aufweisen. Der Keil kann in einer Ebene angeordnet sein, in der von einer nicht dargestellten Hilfslinse eine Abbildung der Austrittspupille des Objektivsystems 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 reflektiert.

Der optische Keil spaltet das Bündel in zwei Teilbündel bi und b2, von denen das Teilbündel bi mit dem Detektor A und das Teilbündel b2 mit dem Detektor B zusammenwirkt. Die Detektoren A und B sind in zwei Detektorteile Ai, A2 bzw. Bi, B2 geteilt, wie in den Figuren 2a und 2b dargestellt ist. Diese Figuren dienen zur Verdeutlichung des Prinzips der Fokusfehlerdetektionsvorrichtung, und daher sind darin nur die Elemente dargestellt, die für diese Detektion wesentlich sind.

In Fig. 2a ist die Situation dargestellt, in der das Auslesebündel genau auf die Datenfläche 2' fokussiert ist. Das reflektierte Bündel würde beim Fehlen des Keiles 17 im Punkt d fokussiert werden, wie mit den gestrichelten Linien angegeben ist. Durch den Keil werden die Teilbündel bi und b2 erzeugt, die zu Strahlungsflecken Vi und V2 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 Ai, A2 bzw. Bi, B2 liegt. Dann empfangen die Detektorteile Ai und A2 eine gleiche Menge Strahlung, ebenso wie die Detektorteile Bi und B2.

Wenn der Fokus F des Auslesebündels rechts von der Datenfläche 2' liegen würde, wie in Fig. 2b dargestellt ist, würde der Fokus des Teilbündels bi bzw. des Teilbündels b2 im Punkt e' bzw. im Punkt f' liegen. Dann empfängt der Detektorteil Ai bzw. B2 mehr Strahlung als der Detektorteil A2 bzw. Bi. Wenn der Fokus des Auslesebündels links von der Datenfläche 2' liegen würde, ergibt sich das Umgekehrte und empfängt der Detektorteil A2 bzw. Bi mehr Strahlung als der Detektorteil Ai bzw. B2.

Wenn die Signale der Detektorteile Ai, A2, Bi und B2 durch Si, S2, S3 bzw. S4 dargestellt werden, wird das Fokusfehlersignal SF gegeben durch:

Sp = (Si + S4) — (S2 + S3).

Die Signale der Detektorteile werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist, einer elektronischen Schaltung 20 zugeführt, in der das Signal SF erzeugt 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 SF Null 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 Si und S2 werden einem Differenzverstärker 23 und die Signale S3 und S4 werden einem Differenzverstärker 24 zugeführt. Die Ausgänge der Verstärker 23 und 24 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 25 verbunden. Am Ausgang des letzteren Verstärkers wird das Signal (Si — S2) — (S3 — S4), somit das Signal SF, erhalten.

Mit Hilfe der Detektorteile Ai, A2, Bi und B2 kann auch ein Lagenfehlersignal Sp 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 Fig. 2a mit 00' bezeichnet ist. Eine derartige Abweichung kann z.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 werden. Wenn diese strengen Anforderungen erfüllt wären, könnte doch noch im Laufe der Zeit eine Änderung der genannten Lage durch Nachwirkung, die Schwindung oder Dehnung, der verwendeten Baumaterialien auftreten.

Bei einer relativen Verschiebung des Bündels des Detektionssystems verschieben sich die Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug auf die Detektoren A und B in derselben Richtung. Wenn in den Figuren 2a und 2b sich das Bündel nach oben verschieben würde, verschieben sich die Strahlungsflecke Vi und V2 beide nach oben. Dann würde, abgesehen von einem Fokusfehler, der Detektorteil Ai, bzw. Bi mehr Strahlung als der Detektorteil A2 bzw. B2 empfangen. Bei einer Verschiebung des Bündels nach unten erfolgt das Umgekehrte. Das Lagenfehlersignal wird gegeben durch:

Sp = (Si - S2) + (Sa - S4).

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann dieses Signal dadurch erhalten werden, dass die Ausgangssignale der Differenzverstärker 23 und 24 im Summator 26 zueinander addiert werden. Mit dem Signal Sp kann die Lage der Trennlinie der Detektorteile Ai und A2 bzw. die Lage der Trennlinie der Detektorteile Bi und B2 in bezug auf die optische Achse nachgeregelt werden.

Es könnte in Erwägung gezogen werden, mit Hilfe des Signals Sp das Detektionssystem 18 auf mechanischem Wege zu verschieben. Dies erfordert jedoch zusätzliche elek-tromechanische Mittel. Es ist viel attraktiver, die Trennlinie zwischen den Detektorteilen auf elektronischem Wege zu verschieben.

Die in den Figuren 2a und 2b als einzelne Detektoren dargestellten Detektorteile Ai und A2 bzw. Bi und B2 sind tatsächlich Teile eines und desselben rasterförmigen Detektors. Fig. 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 Vi zu der Linie p symmetrisch ist. Die Detektorenreihe A wird elektronisch derart aufgeteilt, dass der Teil der Reihe links von der Linie p einen Detektorteil Ai und der Teil rechts von der Linie p einen Detektorteil A2 bildet (vgl. Fig. 2a).

Die elektronische Aufteilung erfolgt vorzugsweise mittels einer elektronischen Wählschaltung. Eine derartige Wählschaltung ist für andere Anwendungen in «Philips Research Reports» 30 (1975), S. 436-482 beschrieben und wird hier nur erörtert, sofern dies für ein gutes Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Wählschaltung wird durch zwei Reihen Ri und R2 von Feldeffekttransistoren mit einer isolierten Steuer- (oder Gate-)Elektrode gebildet. Die Transistoren einer Reihe weisen 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 Elektro5

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den ein bestimmter Spannungsgradient entsteht. Die Grösse der Spannung bestimmt, welche Transistoren einer Reihe leitend und welche nichtleitend sind. Damit ist dann auch bestimmt, von welchen Detektoren der Reihe die Ausgangssignale wohl und nicht von den Transistoren weitergeleitet werden, und somit auch, welche Detektoren zu dem Teil Ai und welche Detektoren zu dem Teil A2 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 Ti bis Tu und die der anderen Reihe mit Ti6 bis T30 bezeichnet, während die Photodioden mit Di bis Dis bezeichnet sind. Ei und E2 bezeichnen die gemeinsamen Steuerelektroden für die Reihen Ri und R2. Die Spannungsquelle U3 liefert die Speisespannung für die Transistoren. Die Widerstände Zi und Z2 sind Belastungswiderstände. Die von den Photodioden gelieferten und von den Transistoren durchgelassenen Ströme werden zueinander addiert und ergeben die Detektorsignale Si und S2. Die zweite Detektorenreihe B liefert auf analoge Weise die Signale S3 und S4.

Falls die Detektoren einer Reihe aus gesperrten Photodioden bestehen, können die Wählschaltungen in die 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 Ui und U2 über die gemeinsamen Steuerelektroden der Transistorenreihen Ri und R2 sind derart gewählt, dass der nichtleitende Teil der Reihe Ri dem leitenden Teil der Reihe R2 gleich ist. Die Spannungen Ui und U2 bestehen aus einer Basisspannung U0 mit entgegengesetztem Vorzeichen für Ui und U2, der eine veränderliche Spannung Us überlagert ist, die durch das Lagenfehlersignal Sp bestimmt wird, das aus der Schaltung nach Fig. 3 erhalten ist. Die Spannung U5 weist für Ui ein anderes Vorzeichen als für U2 auf.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Spannungen Ui und U2 über die zugehörige gemeinsame Gate-Elektrode der Reihen Ri und R2. Mit Ui(p) und U2(p) ist der Verlauf der Spannungen für den Fall bezeichnet, dass die Trennlinie der Photodiodenreihe die Lage p einnimmt. Der Pegel d ist die Schwellwertspannung, bei der die Transistoren leitend werden.

Wenn nun infolge eines Lagenfehlers des Detektionssystems sich die Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug auf ihre Detektorenreihe A bzw. B beide nach links verschieben würden, würde das Signal Sp grösser werden. Dies bedeutet dann, dass U2 grösser und Ui kleiner wird, wie in Fig. 5 mit den gestrichelten Linien angegeben ist. Durch den höheren Wert von U2 werden mehr Transistoren der Reihe R2 leitend, während durch den kleineren Wert von Ui mehr Transistoren der Reihe Ri gesperrt werden. Die Trennlinie kommt dadurch bei q (vgl. Fig. 4) zu liegen. Auf analoge Weise 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 Detektorteile infolge eines Fokusfehlers wird durch die Verschiebung der Trennlinien nicht beeinflusst, weil das Signal Sp von einem Fokusfehler unabhängig ist.

In Fig. 4 ist der Einfachheit 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 zu 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, z.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 Si, S2, S3 und S4 der Detektorteile Ai, A2, Bi und B2 können auch noch zu einem Signal:

Sw = (Si + S2) — (S3 + S4)

verarbeitet werden. Dieses Signal, das eine Anzeige über die Lage der Kante 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 Objektivsystem 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 (im. In dieser Vorrichtung können Abweichungen der Mitte des Detektionssystems in bezug auf die Achse des Auslesebündels in der Grös-senordnung von 250 |im als zulässig betrachtet werden, während in früher vorgeschlagenen Fokusfehlerdetektionssyste-men nur Abweichungen in der Grössenordnung von 25 |im zulässig waren.

Mit dem in Fig. 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 strahlungsempfindlicher 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 Fig. 7 ist ein Detektionssystem mit einer kleinen Anzahl, und zwar drei, strahlungsempfindlichen Streifen Di, D2, D3 bzw. D'i, D'2, D'3 pro Detektor dargestellt. Der Ausgang des inneren Detektors D2 bzw. D'2 ist mit der Hauptklemme eines Schalters Swi bzw. Sw2 verbunden. In der dargestellten Lage des Schalters wird das Ausgangssignal des Detektors D2 bzw. D'2 zu dem Ausgangssignal des Detektors Di bzw. D'i addiert. Die Detektoren Di und D2 bzw. die Detektoren D'i und D'2 bilden zusammen den Detektorteil Ai bzw. den Detektorteil Bi, während der Detektor D3 bzw. D'3 den Detektorteil A2 bzw. den Detektorteil B2 bildet. Die Trennlinie Pi bzw. P2 der Detektorteile liegt dann zwischen den Detektoren D2 und D3 bzw. D'2 und D'3. Die Ausgangssignale der Detektorteile Ai, A2, Bi und B2 werden wieder der elektronischen Schaltung 20 zugeführt, in der ein Fokusfehlersignal SF und ein Lagenfehlersignal Sp abgeleitet werden. Mit dem Signal Sp kann die Lage der Schalter eingestellt werden. Wenn sich die Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug auf die Detektoren nach links verschieben, werden die Schalter Swi und Sw2 umgelegt, so dass das Ausgangssignal des Detektors D2 bzw. des Detektors D'2 zu dem Ausgangssignal des Detektors D3 bzw. D'3 addiert wird.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 wird ein gesonderter Detektor 12 zum Auslesen der Daten verwendet. 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

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nun gleich Si + S2 + S3 + S4 ist, wird wieder dem Demodu-lator 13 zugeführt.

Die Spaltung des von der Datenfläche reflektierten Bündels in zwei Teilbündel bi und bi kann statt mit einem optischen Keil auch mit anderen Elementen erfolgen. So kann ein völlig reflektierender Spiegel in einer Bündelhälfte des reflektierten Bündels angeordnet werden, so dass eine Bündelhälfte (bi) in der Richtung durchgelassen wird, der das ungeteilte Bündel folgen würde, während die andere Bündelhälfte (b2) in einer anderen Richtung reflektiert wird. Im Wege des Teilbündels bi bzw. b2 ist dann wieder ein rasterför-miger 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 2320477 beschrieben ist, neben dem Auslesefleck zwei zusätzliche (Servo-)Strahlungs-flecke 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 Servode-tektoren 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 Strahlungsweg des Auslesebündels ein Raster angeordnet wird. Von diesem Raster wird das Bündel in ein (Auslesen-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 Strahlungsflecks enthält, kann eine in Fig. 8 dargestellte Form aufweisen.

In dieser Figur ist die Richtung der Datenspuren mit dem Pfeil 29 angegeben. A und B sind die rasterförmigen Fokusfehlerdetektoren, auf die die Strahlungsflecke Vi und V2 projiziert werden. Mit jedem dieser Flecke sind zwei Servoflecke V'i, V"i bzw. V'2, V'2 fest gekoppelt. Die Servoflecke V'i und V"i werden auf einen ungeteilten Detektor Ci und die Servoflecke V'i und V'2 auf den ungeteilten Detektor C2 projiziert. Aus den Signalen der rasterförmigen Detektoren A und B können auf die oben beschriebene Weise ein Fokusfehlersignal, ein Lagenfehlersignal und ein Datensignal abgeleitet werden. Dadurch, dass die Ausgangssignale der Detektoren Ci und C2 voneinander subtrahiert werden, wird ein radiales Fehlersignal erhalten.

Es können noch zwei Detektoren Hi und H2 vorhanden sein. Bei kleinen Fokusfehlern werden diese Detektoren nicht beleuchtet. Bei grösseren Fokusfehlern, die nicht mehr von den Detektoren A und B detektiert werden können, werden die Strahlungsflecke Vi und V2 aufgebläht, und Strahlung gelangt auch auf die Detektoren Hi und H2. Dadurch, dass die Ausgangssignale dieser Detektoren miteinander verglichen werden, wird ein grobes Fokusfehlersigna] 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 Auf-zeichnungsträgers verwendet werden.

Die Fokusfehlerdetektionsvorrichtung nach der Erfindung kann auch beim Einschreiben von Daten auf einen Aufzeichnungsträgerkörper verwendet werden. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung, die, abgesehen von den Elementen zur Bestimmung von Fokusfehlern, bereits früher in der DE-PS 2342285 der Anmelderin vorgeschlagen wurde.

Die Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelle 31, z.B.

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 ist mit einer für die verwendete Strahlung empfindlichen Schicht 50, z.B. einer Photolackschicht, versehen. In dem Strahlungsweg von der Quelle 31 zu dem Aufzeichnungsträgerkörper 30 befindet sich weiter ein elektroop-tischer Modulator 34. Dieser Modulator 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 werden kann.

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 Photolackschicht versehen sein. Es kann ein gesondertes Hilfsstrahlungsbündel auf den Aufzeichnungsträgerkörper projiziert 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 Fokussierungsfläche des Objektivsystems zu bestimmen.

Die Erfindung kann auch in anderen Abbildungssystemen verwendet werden, in denen die Fokussierung genau aufrechterhalten werden muss, wie in Mikroskopen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Optoelektronische Fokusfehlerdetektionsvorrichtung zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer strah-lungsreflektierenden Fläche und einer Fokussierungsfläche eines Objektivsystems einer optischen Abbildungseinrich-tung, insbesondere für eine Vorrichtung zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen strahlungsreflektie-renden Datenstruktur und eine Vorrichtung zum optischen Einschreiben von Daten in einen Aufzeichnungsträger, wobei diese Fokusfehlerdetektionsvorrichtung ein im Wege eines von der 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, wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer elektronischen Schaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird, 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 rasterförmig gestaltet ist und mindestens drei strah-lungsempfindliche 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 in zwei Detektorteile unterteilt, wobei die Trennlinie der Detektorteile in Abhängigkeit von dem an einen Steuereingang der Wählvorrichtung angelegten Lagenfehlersignal einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Wählvorrichtungen durch elektronische Wählschaltungen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wählschaltungen durch zwei Reihen von Feldeffekttransistoren mit isolierter und gemeinsamer Gate-Elektrode aus Widerstandsmaterial gebildet ist; 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-Elek-troden mit demjenigen Ausgang der genannten elektronischen Schaltung verbunden sind, an dem das Lagenfehlersignal auftritt.