DE1773769A1

DE1773769A1 - Einrichtung zum Aufzeichnen von elektrischen Signalen auf einem Aufzeichnungstraeger

Info

Publication number: DE1773769A1
Application number: DE19681773769
Authority: DE
Inventors: Hudson Kenneth Clifford
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-10-11
Filing date: 1968-07-04
Publication date: 1971-12-30
Also published as: FR1577568A; CH497019A; SE333257B; US3465347A; GB1179800A; DE1773769B2; DE1773769C3

Description

6613-68/Kö/E

RCA 5339I

U.S.Ser.No. 674.614
Piled: II.IO.1967

Radio Corporation of America New York N.Y. (V.St.A.)

Einrichtung zum Aufzeichnen von elektrischen Signalen auf einem Aufzeichnungsträger

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufzeichnen von elektrischen Signalen auf einem Aufzeichnungsträger, insbesondere ein Lichtpunkt-Aufzeichnungsgerät, das mit einem Laserstrahl als hauptsächlicher Aufzeichnungsenergiequelle arbeitet.

Um pro Volumeneinheit des Aufzeichnungstrgers eine maximale Menge an Information aufzeichnen zu können, muß man mit hoher Packungsdichte aufzeichnen. Die entsprechenden Verfahren benötigen einen kleinen Abtast- oder Aufzeichnungsfleck hoher Energiedichte, der durch das aufzuzeichnende Signal moduliert werden kann. Ein Aufzeich-

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nungsfleck mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 5,0 Mikron oder kleiner kann durch eine Quelle kohärenter Strahlung und ein beugungsbegrenztes optisches System erzeugt werden. Mit dem Aufkommen der Lasertechnik ist es möglich geworden, einen kohärenten Strahl hochintensiven Lichtes zu erzeugen, der moduliert und auf βίηφίκ^οβώρίΐηαΐίοηε Pilmemulsions fokussiert werden kann, um eine permanente Aufzeichnung von verarbeiteten oder behandelten Signalen zu gewinnen. Das für die Fokussierung des Aufzeichnungsflecks verwendete optische System muß die folgenden Aufgaben erfüllen:

1. Es muß von der modulierten Strahlungsquelle genügend Strahlung sammeln und bündeln, um den Aufzeichnungsträger während der für jedes Aufzeichnungsbit verfügbaren Belichtungszeit zu belichten.

2. Es muß auf dem Aufzeichnungsträger ein Bild erzeugen, dessen Pleckdurchmesser in der Größenordnung von 5 Mikron oder kleiner beträgt.

3. Es muß mit einem für den Betrieb des Abtastspiegeis ausreichendes Arbeitsabstand und Spielraum arbeiten.

l\. Es muß schließlich für eine gleichmäßige Energiedichte im Aufzeichnungsfleck bei der Abtastung des Aufzeichnungsträgers sorgen.

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Die Erfindung bezieht sich gemäß einer Ausführungsform auf ein neuartiges optisches System, das diejenigen Probleme löst, die bei der Bündelung einer modulierten Energiequelle zu einem Aufzeichnungsfleck hoher Energiedichte und beim Ablenken dieses Fleckes über einen photoempfindlichen Film auftreten, derart, daß die Energiedichte beim überqueren des Filmes durch den Aufzeichnungsfleck konstant bleibt.

Die Verwendung eines Aufzeichnungsflecks sowohl hoher Intensität als auch kleinen Durchmessers ist besonders deshalb wünschenswert, weil dadurch eine höhere Speicherdichte der aufgezeichneten Signale bei erhöhter Aufzeichnungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Die Erzeugung eines Aufzeichnungsflecks sowohl hoher Intensität als auch kleinen Durchmessers war bisher mit einem großem Verlust an Laserleistung während der Übertragung durch das optische System, und zwar in der Größenordnung von 90? verbunden. Eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, den gewünschten Aufzeichnungsfleck bei gleichmäßiger Filmbelichtung mit erheblich verbessertem Y/irkungsgrad der Laser leistungsübertragung zu erzeugen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild der Hauptbestandteile eines Laser-Aufzeichnungsgerätes;

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Figur 2 das Schema eines bekannten Laser-Aufzeichnungsgerätes ;

Figur 3 ein Diagramm, das in verallgemeinerter Form eine Gauss'sehe Verteilung der Strahlintensität über den Ausgangsstrahl einer Laserquelle wiedergibt;

Figur 4 das Schema eines Laser-Aufzeichnungsgerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 5 eine Querschnittsdarstellung des Filters nach Figur 4 in überlagerung mit einem Satz von Gitterkoordinaten.

Im AufzeichnungBbetrieb eines Lichtpunkt-Aufzeichnungsgerätes müssen folgende Hauptaufgaben erfüllt werden:

a) Es muß eine Hauptaufzeichnungsenergiequelle bereitgestellt werden.

b) Diese Energiequelle muß mit den aufzuzeichnenden Signalen moduliert werden.

c) Die modulierte Energiequelle muß zu einem Aufzeichnungsfleck hoher Energiedichte fokussiert oder gebündelt werden.

d) Es muß schließlich mit diesem Aufzeichnungsfleck ein Aufzeichnungsträger abgetastet werden.

Es hat sich gezeigt, daß Laserstrahlung als

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Hauptaufzeichnungsenergiequelle gut geeignet ist, da sie eine extrem helle Quelle darstellt, die sich breitbandig intensitätsmodulieren läßt. Ihre Energie kann gesammelt und zu einem Aufzeichnungsfleck gebündelt werden, der ein beugungsbegrenztes Arbeiten bei hohem Wirkungsgrad approximiert. Die Intensitätsmodulation der Laserstahlung erfolgt auf elektrooptischem V/ege. Mittels Breitbandmodulation unter Verwendung elektro-optischer Kristalle erfolgt die Intensitätsmodulation der äußeren Laserquelle durch zuführen einer entsprechenden Signalspannung. Der Aufzeichnungsfleck wird optisch gebildet. Im allgemeinen Falle wird der intensitätsmodulierte Laserstrahl so erweitert, daß er die öffnung oder Apertur einer Abbildungslinse füllt. Diese Aufweitung des Laserstrahls ist erforderlich, da die Öffnung oder Apertur der Abbildungslinse viel größer als der Laserstrahldurchmesser ist, und es ergibt sich ein kleiner Aufzeichnungsfleck, wenn eine Ahbildungsline großer Apertur mit einem Ablenkspiegel großer effektiver Apertur kombiniert wird. Die Abtastung des Aufzeichnungsfilmes erfolgt sowohl durch Bewegung des Aufzeichnungsfleckes über den Film (Abtastung) als auch durch Vorbeitransport den Filmes an der Aufzeichnungsstation. Bei einem Breitbandlaserstrahl-Aufzeichnungsgerät dient zur Abtastung des Aufzeichnungsträgers eine rotierende Spiegelanordnung.

Um die aufgezeichneten Signale wiederzugeben, wird der entwickelte Film an einem unmodulierten Abtastfleck

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kohärenten Lichtes VDrbeitransportiert. Die Energie des Ablesefleckes wird beim Durchtritt durch den Film moduliert. Die von einer photoempfindlichen Einrichtung aufgefangene und wahrgenommene Energie wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dem aufgezeichneten Signal entspricht.

Bei der Anordnung nach Figur 1 liefert der

Laser 100 einen kohärenten Lichtstrahl 102 hoher Intensität, der auf einen Intensitätsmodulator 110 gerichtet wird. Der Modulator 110 empfängt gleichzeitig die aufzuzeichnenden. Eingangssignale 112. Im Modulator 110 wird der Laserstrahl 102 entsprechend den Eigenschaften der Eingangssignale 112 mit diesen intensitätsmoduliert. Das modulierte Licht 114 vrird durch die Fleckbildungsoptik 120 zu einem Aufzeichnungsfleck hoher Energiedichte fokussiert oder gebündelt. Der Aufzeichnungsfleck wird dann durch einen geeignet angeordneten Ablenk- oder Abtastmechanismus 130 auf den Aufzeichnungsfilm 140 reflektiert, der durch den Filmtransportmechanismus 150 voErcransportiert wird. Als Abtastmechanismus 130 dient normalerweise ein rotierender Vielkantspiegel.

Figur 2 zeigt ein bekanntes optisches System zur Verwendung in einem Laser-Aufzeichnungsgerät. Das optische System eines Laser-Aufzeichnungsgerätes kann als aus zwei Untereinheiten, nämlich der Abbildungsoptik und der Strahlaufwer" -ungsoptik bestehend aufgefaßt werden.

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Die Abbildungsopti ist in Figur 2 durch die Abbildungslinse 240 und den Vielkantabtastspiegel 250 wiedergegeben, der die aus der Abbildungslinse 2*10 austretende modulierte Strahlung 242 auf einen Aufzeichnungsträger, dargestellt durch die Brennfläche 260, fokussiert. Zwischen der Abbildungslinse 240 und dem Aufzeichnungsträger 260 ist der mechanische Vielkantabtastspiegel 250 angeordnet, wobei gewünschtenfalls zwischen die Abbildungslinse 240 und den Abtastspiegel 260 ein Planspiegel (nicht gezeigt) eingeschaltet werden kann, um das Bild so abzulenken, daß der Abtastspiegel 250 und der Aufzeichnungsträger 260 an günstiger Stelle angeordnet werden können.

Die Strahlaufweitungsoptik wird repräsentiert durch eine erste Linse 220, die den Durchmesser des sie durchsetzenden modulierten Laserstrahls 215 erweitert, und eine Kollimatorlinse 230, die den aufgeweiteten Strahl 225 empfängt und zur übertragung nach der Abbildungslinse 240 ausrichtet.

Ein von einem Gaslaser 200 ausgesandter Laserstrahl hat im allgemeinen einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,635 - 6,35 vm (0,025 - 0,250 Zoll), £e nach dem speziell verwendeten Laser. Die Verteilung der Strahlintensität über die Laserapertur ist allgemein Gaussisch, wie in Figur 3 gezeigt, wobei der Strahldurchmeiser durch

2 diejenigen Stellen definiert ist, wo die Intensität auf 1/e des Spitzenwertes abgesunken ist.

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Damit die Abbildungslinse 240 eine Airy-Scheibe bildet und man somit einen Abtastfleck hoher Energiedichte erhält, muß die Eintrittspupille der Linse gleichmäßig mit monochromatischer Strahlung gefüllt werden. Wenn die Auf_- weitung des Strahles 215 durch die Strahlaufweitungsoptik 220, 230 einen kollimierten oder ausgerichteten Strahl 235, dessen Durchmesser kleiner ist als die Eintrittsöffnung oder -apertur der Abbildungslinse 240, ergibt, so bleibt die Verteilung im Bild Gaussisch, statt daß eine Airy-Scheibe gebildet wird.

In der bekannten Anordnung nach Figur 2 kann die Bestrahlung über die Apertur der Abbildungslinse 240 durch einen aufgeweiteten Laserstrahl 235 durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

(1) I(p) = I_oe ^p ^/da (Gaussisch)

wobei I_Q = Bestrahlung in der Strahlmitte

ρ = radialer Abstand von der Strahlmitte a' = Normalabweichung des aufgeweiteten Laserstrahls

Eine Methode, eine relativ einheitliche oder gleichmäßge Bestrahlung zu erhalten, besteht darin, daß man a' mit Hilfe des Strahlaufweiters genügend groß macht. Beispielsweise läßt sich zeigen (Figur 3), daß, wenn man ä' gleich ρ y5 macht, wobei ρ der maximale radiale Abstand

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der Linse ist,I(ρ) um nur 10 % am Linsenrand gegenüber I abnimmt.

Die durch die Linse übertragene Laserleistung wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

2 2 (2) Leistung = P_fc (1 - e"^{p /2a}' )

wobei P_t gleich der gesamten Laserausgangsleistung ist

!lacht man a' gleich P ^5» so ergibt sich eine 90#ige Verringerung der durch die Linse übertragenen Laserleistung.

Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß man, um eine verhältnismäßig gleichmäßige Bestrahlung erzielen zu können, wobei die Bestrahlung am Linsenrand nur um 10$ kleiner als in der Linsenmitte ist, einen 90#igen Verlust an durch die Linse übertragener Laserleistung, dargestellt durch die unbenutzten Teile 227 des aufgeweiteten Strahls in Figur 2, in Kauf nehmen muß. Um dieses Resultat zu erzielen, benötigt man einen ziemlich großen Strahlaufweiter, der den erforderlichen Wert für a¹ liefert.

Figur 4 zeigt ein optisches System für ein Laser-Aufzeichnungsgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Man sieht ohne weiteres, daß das System nach Figur h von dem in Figur 2 gezeigten System im wesentlichen

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dadurch abweicht, daß zwischen die Kollimatorlinse 430 und die Abbildungslinse 440 ein Filter 470 eingeschaltet ist. Ferner sind, wie noch gezeigt wird, die Eigenschaften der Strahlaufweitungsoptik wesentlich anders als bei der Anordnung nach Figur 2.

Bei der Strahlaufweitungsoptik in Figur

4 sind die Linseneingenschaften so gewählt, daß ein wesentlieh größerer Bruchteil der Lasergesamtstrahlung 425 durch die Linse 430 kollimiert, d.h. parallelgerichtet und übertragen wird. Dies ergibt eine hoch uneinheitliche Bestrahlung über die Austrittspupille der Kollimatorlinse 430, graphisch dargestellt in Figur 3· Der kollimierte Strahl 435 mit der eineinheitlichen Bestrahlung wird dann durch das Filter 470 geschickt, das selektiv Teile des Strahls absorbiert, so daß der austretende Strahl die Abbildungslinse 440 gleichmäßig bestrahlt und folglich die Verteilung des hindurchtretenden Strahls 475 in eine Airy-Scheibe transformiert wird.

Es wurde gefunden, daß ein gemäß den folgenden Lehren konstruiertes Filter das gewünschte Resultat herbeiführt, d.h. austrittsseitig einen Strahl gleichmäßiger Bestrahlung, verbunden mit einer wirksameren Ausnützung der Laserleistung, liefert und die Bildung eines Aufzeichnungsflecks gleichmäßiger Energiedichte beim Abtasten des Auf-

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zeichnungsträgers gestattet. Ferner ist die erforderliche optische Vergrößerung erheblich verringert, so daß die Strahlaufweitungsopti sich konstruktiv vereinfacht.

Wenn man, wie in Figur 4 gezeigt, ein Filter 470 in den Strahlengang zwischen der Kollimatorlinse und der Abbildungslinse 440 einschaltet, so ist die Bestrahlung I₁ der Abbildungslinse 400 durch die folgende Gleichung bestimmt:

(3) I_L = Kp) T(p)

wobei T(p) = übertragungscharakteristik des Filters als Funktion von p.

Konstruiert man das Filter 470 so, daß <„, _T(p) . _e(P² -P₀ ²²

so folgt, daß

I₁ . i_o Λ

was einem konstanten Wert an jedemPunkt entlang der Oberfläche der Abbildungslinse 440 entspricht, wobei der Wert von ρ eine physikalische Größe ist, die durch die Linsenapertur und a¹, das von der Strahlvergrößerung abhängt, festgelegt ist.

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Der optimale Wert für a¹, der durch Maximalisierung der Leistung nach der Apertur der Abbildungslinse 400 aufgelöst werden kann, ist gleich ρ / \[T. Dies ergibt eine Übertragung der Laserleistung durch die Linse, die annähernd 3,7 mal größer ist als bei der bekannten Anordnung nach Figur 2,

Für ein optisches Absorptionsmedium der beschriebenen Art ist die Übertragung durch das Beersche Gesetz gegeben:

(6) T = e"^Bt

wobei B = Abschwachungskonstante
t = Dicke

Wie in Figur 5 gezeigt, ändert sich die

Dicke (t) des Filters 570 in Abhängigkeit vom Radialabstand (p), gemessen von der optischen Achse des Filters. Bei Anwendung der oben angegebenen Beziehungen und Auflösung nach t ergibt sich:

(7) t = I Je?—

B 2a'²B

Gleichung (7) ist die Gleichung einer Parabel. Den Gitterkoordinaten in Figur 5 ist" eine Darstellung dieser Parabel überlagert, wobei die Dicke (t) als Funktion des radialen Abstandes (p), gemessen von der optischen Achse, aufgetragen ist.

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Man sieht, daß, wenn ρ = O, t den Wert

l/B hat, und wenn ρ = p_Q (was gleich ist a¹ \/T als optimaler Bedingung), t gleich 0 ist.

Um den genannten konstruktiven Erfordernissen zu genügen, sollte man die übertragung in der Mitte des Filters (p = o) auf ungeführt 37 % der übertragung am Rand des Filters (p = p_Q = a' V~2~)> wo die übertragung theoretisch 100 % ist, bemessen. In der Praxis wird infolge von Reflexionen niemals eine übertragung von 100 % erhalten. Diese Reflexionen können jedoch durch Verwendung von Antireflexionsbelägen minimalisiert werden.

Das absorbierende Material 572 und/oder

das Indexanpassungsmaterial 574 kann eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein. Die Verw^ieung eines Absorptionsmaterials 572 mit verhältnismäßig hohen Abschwächungs- oder Dämpfungskoeffizienten (B) hat zwei Vorteile: Die Absorption des Indexanpassungsmaterials 520, die sich in Abhängigkeit von der Dicke ändert, kann vernachlässigt werden, und man kann für die Parabel eine sphärische Approximation machen, da die Mittendicke des absorbierenden Materials 572 viel kleiner als der maximale Radius (P_o) wird. Eine sphärische Fläche läßt sich in der Praxis sehr viel leichter herstellen als ein Paraboloid. Wenn für die Aufnahme des absorbierenden Materials 572 ein Abdeckmaterial 576 benötigt wird, kann dessen Brechungsindex einen beliebigen Wert haben, da es

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im allgemeinen die Form einer planparallelen Scheibe hat. In der Praxis ist es gewöhnlich zweckmäßig, die Abdeckung 576 aus dem gleichen optischen Material zu fertigen wie das Indexanpassungsmaterial 574.

Machstehend sind einige repräsentative absorbierende Materialien und ihre Eigenschaften angegeben:

Material B (mm"¹) T(mm)

Bariumtitanat 2,8 0,36

(Einkristall)

Glas (Corning) 1,0 1,0

Neutrales Grauglas 0,313 3,2 (Schott Ng-Il)

Ein Filter einheitlicher Dicke, bei dem

die Abschwachungskonstante des absorbierenden Materials sich als Funktion von ρ ändert, kann verwendet werden, oder man kann kombinierte VJerte von Filterdicken und Abschwächungskonstanten benutzen.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Aufzeichnen von elektrischen Signalen auf einem Aufzeichnungsträger mit einer Einrichtung, die eine Quelle modulierter Energie, deren Intensität von Punkt zu Punkt über ihre Querschnittsfläche entsprechend einer vorbestimmten Gauss'sehen Funktion sich ändert, bildet; eine Einrichtung zum Vergrößern der Querschnitt sflache der modulierten Energiequelle; eine Einrichtung zum Kollimieren eines bestimmten Teils der vergrößerten Energiequelle; eine Abbildungseinrichtung, die diesen Teil der kollimierten Energiequelle empfängt und zu einem Fleck hoher Energiedichte fokussiert; und eine Einrichtung zum Abtasten des Aufzeichnungsträgers mit dem fokussierten Fleck, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kollimiereinrichtung und der Abbildungseinrichtung ein optisches Filter angeordnet ist, dessen übertragungscharakteristik sich von Punkt zu Punkt über seine Querschnittsfläche als Funktion des radialen Abstands, gemsssen von seiner optischen Achse, ändert und das selektiv Teile der vergrößerten modulierten Energiequelle absorbiert, derart, daß diese aus dem Filter mit einer von Punkt zu Punkt über ihre Querschnittsfläche gleichmäßigen Intensität austritt.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungscharakteristik des optischen Filters sich entsprechend der Gleichung

? 2 2 _{T s e}P²-P_o ²/2a'²

ändert, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmensystems, ρ der radiale Abstand des Filters, gemessen von seiner optischen Achse,

P₀ der maximale radiale Abstand des Filters, und a' die Normalabweichung der Gauss'sehen Funktion dee kollimierten Teils der vergrößerten Energiequelle sind.

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