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Verfahren und Einrichtung zur Wiedergabe gespeicherter Signale Uje
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wiedergabe von Signalen, die auf einem
Träger gespeichert sind, mittels Reflexionsabtastung sowie auf eine Einrichtung
zur Ausübung dieses Verfahrens.
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Bei benannten Verfahren zur Wiedergabe von Signalen, die als Verformungen
der Oberfläche eines körperlichen Tragers, beispieleweise in einer Rille als Tiefen-
oder Seitenschrift gespeichert sind, erfolgt die Wiedergabe gewöhnlich durch mechaniscne
abtastung Inittels eines in der stille laufenden Stiftes, der die seiner Spitze
durch die Verformungen aufgedrückten Bewegungen auf einen inechanisch-elektrischen
Wandler überträgt, dessen elektrische Ausgangsgröße eine Wiedergabe der gespeicherten
Information bzw. des Signales darstellt. Bei dieser Art der ub btastung ergibt sich
unvermeidlich eine mechanische Belastung der die Signalschrift tragenden Oberfläche
und eine entsprechende Abnutzung, welche ulnso größer wird, je größer die Relativgeschwindigkeit
der gegeneinander bewegten Teile und die Auflagekrafte sind. Dies macht sich besonders
störend ei der Abtastung von Videosignalen bemerkbar.
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Es sind auch Verfahren zur Abtastung von Aufzeichnungsträgern mit
Hilfe von Lichtstrahlung oder verwandter Strahlung bekannt.
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Dabei wird gewöhnlich eine ufzeichnungsart benutzt, welche die Signalschrift
in Form von Schwärzungen der Trägeroberfläche enthult, die nach art einer Zacenschrift
oder einer Intensitätsschrift verlaufen. Die je nach der Schwärzung der vohi Lesestrahl
getroffenen Teile des Tragers reflektierte oder durchgelassene Lichtmenge erregt
einen Lichtempfänger, dessen elektrische Ausgangsgröße eine Wiedergabe des Signales
bildet. Dabei besteht die Schwierigkeit, daß Kopien des Trägers nur durch photochemische
Verfahren oder hnliche Prozesse erhalten werden können, jedoch nicht durch einfache
Prago- oder Preßverfahren wie bei den bekannten Schallplatten. Weiter ist ein Verfahren
zur Tonwiedergabe von in Schallplatten eingegrabenen Tonautzeichnungen bekannt,
bei dem ein Lichtbündel oder Lichtstrahl auf die Schallkurve geworfen und das von
dieser reflektierte Licht mittels eines lichtelektrischen Systems in entsprechende
elektrische Schwankungen umgesetzt wird. Hierbei wird die intensittttsänderung des
reflektierten Lichtstrahles ausgenutzt, die dadurch entsteht, daß z.B. bei Tiefenschrift
das jeweils reflektierende Flächenelement aus dem Brennpunkt der Optik der Lichtquelle
auswandert, wenn der Torträger sich bewegt. D..s bringt einen erheblichen Lichtverlust
und damit einen schlechten optischen Wirkungsgrad mit sich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Vorteile
eines Kopierverfahrens, welches sich der Prilge-bzw. Preßtechnik wie bei bekannten
Schallplatten bedient, die von Reibung und Abnutzung befreite Art der Abtastung,
nämlich Reflexionsa b tas tung, zu verwenden, wobei das gewählte Systeln einfach
und wirkungsvoll ist und aucn eine gute Ausnutzung des ret lek tierten Lichtes durcn
den Lichtempfanger gewanrieistet.
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uieser wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die bei dem
Transport des Trägers iniolge der unterschiedlichen Verfornungen der aufgezeichneten
Spur entstehenden Winkeländerungen es rejiektierten Strahles (Lesestrahles) zur
Wiedergabe der Aufzeichnung ausgenutzt werden. Durch diese Winkeländerungen wird
das zum Empfänger gelangende Licht moduliert. Der Träger kann scheiben- oder benadförmig
ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders gute Ausnutzung
des reflektierten Lichtes durch den Lichteingänger erzielt, wenn die Lichtquelle
derart angeordnet wird, aus der Küll-Durchgang der aufgezeichneten Sinusschwingung
auf jede Periode bezogen nur einmal beleuchtet wird, wobei der reflektierte Strahl
den Strahlungsempränger impulsartig erregt. Diese und die weiteren Vorteile sind
bei der Abtastung von Videoplatten von besonderer Bedeutung.
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Durch die Erfindung ergibt sich weiter der Vorteil, daß ein einfaches
optisches Systeril verwendet werden kann, und daß die impulsartige Erregung des
Lichtempfängers sich besonders gut nür die Aufzeichnung einer frequenzmodulierten
Trägerschwingung eignet. Die Amplitude der Verformungen steht in keinem unmittelbaren
Zusammenhang mit der Größe des Empfängersignales. Diese impulsartigen Erregungen
rinden Jedesmal statt, wenn die die Verformungen tragende Oberfläche den für eine
Reflexion geeigneten Winkel gegenüber den Achsen des einfallenden und des zurückgeworfenen
Strahles besitzt. Damit ist das Verfahren @ der Erfindung auch geeignet füt die
Übertragung digitaler Signale, da es eine impulsformende Wirkung beinhaltet.
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Von besonderer Bedeutung ist - wie erwähnt - die Einrichtung ach der
Erfindung für ein Aufzeichnungsverfahren, bei welchem
als Signalgröße
eine mit dem Signal frequenzmodulierte Träferschwingung aufgezeichnet wird. Wie
später noch näher erläutert wird, ist es hierbei vorteilhaft, mit konstanter Geschwindigkeitsamplitude
aufzuzeichnen, d.h. durch Übertragungsbereich die Amplitude der Verformungen der
freieroberfläche bei konstanter Signalamplitude ungefähr umgekehrt proportional
der Frequenz gehalten wird.
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Anhand der Figuren soll die Erfindungen her erläutert werden, hierbei
zeigt: Fig. 1 einen vergrößerten Ausschnitt des Trägers mit Veranschaulichung des
Abtastprinzips.
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Fig. 2 eine besonders vorteilhafte Abtastanordnung, Fig. 3-6 die
Winkelbeziehungen, die für die Anordnung und optische Ausbildung des Lichtsenders
und des Empfängers und für die Bemessung der aufzuzeichnenden Geschwindigkeitsamplitude
von Bedeutung sind.
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Fig. 1 zeigt ein Teilstück eines scheiben oder bandförmigen Trägers
1 mit den Rillen 2, deren Grund den zeitlichen Verlauf der Singalgröße entsprechende
Verlormungen aufweist. Diese Signalschrift ist die bekannte Trefenschrift. Von dem
Mittelstrahl 4 einer Lichtquelle 3 mit einem optischen System wird ein bestimmtes
Flächenelement F der Oberfläche des verformten Grundes scharf beleuchtet. Der einfallende
Strahl 4 - nachstehend "Sendestrahl" genannt - und der reflektierte Strahl - nachstehend
"Lesestrahl" genannt - schließen den Winkel ein. Der reflektierte Strahl 5, der
Lesestrahl, gealngt zum Lichtempfänger 6, wo in bekannter weise das Licht in elektrisce
Ausgangsenergie umgewandelt wird. Die Sende- und Empfängsapparatur ist so angeordnet
und ausgebildet, daß der Sende- une der
Lesestrahl in der auch die
Bewegungsrichtung it des Trägers im Augenblick der Abtastung enthaltenden ene liegen
und der Lesestranl senkrecht auf der Ebene des unmodulierten, diso noch nicht mit
den Verformungen versehenen Oberfläche des körperlichen Tragers steht. Dies bedeutet,
da bei der Verwendung eines plattenförmigen Tragers clit spiraligen Rillen die optische
Einrichtung in radialer Richtung eine Vorschubbewegun ernilt. Der Lesestrahl ) gelangt
nur dann zum Licntempfanger u, wenn der Einfallswinkel α des Lesestrahles
4 gleich dem Ausfallwinkel des Lesestrahles ) ist, d. n. wenn sich das in Annaherung
als eine kleine Ebene anzusehende Flachenelement F des verformten Rillengrundes
gegenuber dem optischen Systeni in der dafur geeigneten Lage befindet.
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Die Reflexionsabtastung des Rillengrundes hat großen Vorteil, daß
der Damm zwischen zwei Rillen sehr klein gehalten werden kann, da keine mechanischen
Beanspruchungen der Flanken der Rille auftreten. Das ergibt eine sehr gute ausnutzung
des Trägeroperflache.
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Die Fig. 2a soll nun veranschaulichen, wie der Lichtempfänger bei
Vorbeilaufen des Tragers 1 mit der die Verformungen tragenden Oberflache des Rillengrundes
in Abhängigkeit von diesen die Aufzeichnungskurve darstellenden Verformungen erregt
wird.
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Die die Sendelichtstrahlen aussendende Lichtquelle ist mit bezeichnet.
Sie ist - wie spitzer noch nachgewiesen wird - so angeordnet und der im Strahlengang
des Empfängers vorgesehene Spalt 6a ist so ausgebildet, da - wie aus Fig. 2 ersichtlich
ist - nur einer der beiden £Julldurchgange der aufgezeichneten Schwingung aii jede
Periode bezogen Reflexionslicht zu dem Empfänger 6 geben kann. Das von der Lichtquelle
3 kommende
Lichtbündel beleuchtet zwar noch weitere Teile der aufgezeichneten
Spur. Die vorerwahnten Maßnahmen sorgen aber dafür, ada in jeder Periode nur die
von einem Flachenelement geeigneter Winkellage reflektierten Lichtstrahlen zum Empfänger
6 gelangen.
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Betrachtet sei nachsteiieiid nur der slittlere Sendestrahl 4 der Lichtquelle
3. Dieser Sendestrahl 4 trifft bei dem Nulldurchgang 7 der Sinuskurve 8 auf die
Oberfläche des Tragers. Der reflektierte Lesestrahl 5 geht im wesentlichen senkrecht
zur Trägerebene vom Reflexionspunkt 7 aus nach - oben zum Lichtempfänger 6. Die
weiter außerhalb des mittleren rendestrahles 4 liegenden Strahlen 9 und o treffen
Teile der Sinuskurve, von denen aus sie so reflektiert werden, daß sie den Empfänger
6 nicht erreichen. Die ganz außen liegenden Strahleii 11 und 12, die au die Nulldurchgänge
13 und 14 der benachbarten Perioden der Sinuskurve 8 treffen, werden zwar ebenfalls
senkrecht nach oben reflektiert (Strahlen 15 und 16), gelangen aber nicht mehr zum
Empfänger 6, da die Spaltblende 6a dies verhindert. Aus den obigen Ausführungen
ist ersichtlich, daß der Empfänger 6 beim Durchlaufen des Trägers je teriodenlbllge
durch eine impulsartige Reflexion erregt wird, so daß sich Lichtinpulse kurzer Dauer
Ifl abstand einer Periode der aufgezeichneten Schwingung ergeben.
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Dabei ist die Amplitude der Lichtiulpulse weitgehend unabhängig von
der Amplitude der aufgezeichneten kurve b. Aus diesem Grunde ist diese Einrichtung
ganz besonders für eine Aufzeichnungsart geeignet, bei welcher das Signal in Foriii
einer Frequenzmodulotion einer Trägerwelle gespeichert wird.
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Die entstehenden Illlpúlse sind in der Fig. 2b gezeichnet und 111
ihrer Lage nach Fig. 2a ausgerichtet.
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Zweckmäßigerweise wird bei der Aufzeichnung im Übertragungsbereich
die Amplitude der Verformungen der Trageroberflache
bei konstanter
Signalamplitude ungefahr umgekehrt proportional der Frequenz gehalten, so dalS die
Signalgröße bei konstanter amplitude des Signales mit konstanter Geschwindigkeitsamplitude
aufgezeichnet wird. Für die frequenzmodulierte Trägerschwingung ergibt sich dann,
daß die Steilheit der Sinuswellen bei den Nulldurchgängen für alle Frequenzen dieselbe
wird. Praktisch erhält man eine derartige aufzeichnung indem man von der Siganlkurve
die erste Ableitung nach der Zeit bildet und aufzeichnet. Dazu kann beispielsweise
ein Schreiber dienen, dem die Signelschwingung zugeführt wird, und der unmittelbar
die erste Ableiten bildet und aufzeichnet, wie beispielsweise ein elektrisch-mechanischer
Wandler mit magnetischen Antrieb. Bei Verwendung eines anderen Wandlers, z. B. eines
piezoelektrischen Wandlers, muß das Signal im Verstärker dem Wandlungsprinzip entsprechende
modifiziert werden. In der Praxis hat sich ergeben, daß durch die Foru des Schneidstichels
bedingt, eine Flanke der aufgezeichneten welle eine bessere Oberfläche aufweist
als die entgegengerichtete. Die Ursache liegt darin, daß beispielsweise bei den
für die Videoaufzeichnung notwendigen kleinen Wellenlängen ein Stichel nur mit einer
kleinen Conterfacette verwelldet werden Icann, die nicht ausreicht, um bei einer
gro3en Anderung des Freiwinkels beim Schneidvorgang eine ausreichende politur zu
gewährleisten. Das optische System la1t sicn nunmehr so anordnen, daß die Lichtimpulse
der Flanke mit blanker Oberflache zugeleitet werden. Dies fahrt zu einer Verminderung
des Störpegeis.
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Eiiien weiteren Vorteil bringt die senkrechte Orientierung des Lesestrahles
zur Irägerebene bei der tbtcistung eines plattenförmigen Tragers mit sich. Bei solchen
Trägern kann sich eine Schwiergkeit durch den sogenannten Plattenschlag ergeben.
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Dieser kommt durch nicht exakt senkrechte Ausrichtung der Plattenoberfläche
in
bezug auf die Drehachse zustande, bzw. ergibt sich durch Abweichungen der Oberflache
von einer Ebene. Eine andere Winkellage zwischen dem einfallenden Lesestrahl und
der Laufrichtung würde bewirken, daß das vom Lesestrahl beleuchtete Flachenelement
bei Plattenschlag in Richtung der Laufrichtung wanderte. Dadurch würde eine zusatzliche
Frequenzmodulation vorgetäuscht, die Abtastverzerrungen zur Folge hätte. Durch die
senkrechte Anordnung des Lesestrahles 5 wird nun erreicht, daß ein sogenannter Höhenschlag
der Trageroberflache nicht zur Verlagerung des Oberflächenelementes F in Richtung
der Relativgeschwindigkeit führt, sondern sich lediglich die Langen des Sedestrahles
4 und des lesestrahles 5 geringitgig andern.
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Die beste Energieausnutzung und damit die größte Impulsnöhe ergeben
sich, wenn die Bedingung erfählit wird, daß der winkel der guizeichungskurve im
Nulldurchgang der Sinusschwingung bezogen auf die Tragerebene gleich dem halben
Winkel zwischen Sende- und Lesestrahl ist. Dies soll anhand der Fig. 3 einer erläutert
werden. ln dieser Figur sind die Winkelbeziehungen dargestellt, die bei der Reflexabtastung
beispielsweise von Videoplatten entstehen, wenn nur der von der Lichtquelle ausgehende
mittlere Sendestrahl betrachtet wird. Die Tragerebene ist mit 20, der mittlere Sendestrahl
mit 21, der mittlere lesestrahl mit 22, der von der Aussteuerung abhängige Aufzeichnungswinkel-der
Winkel, den die Tangente 23 an die Sinusschwingung im Rullpunkt mit der Trägerebene
20 bildet-mit α und der Winkel zwischen Sende-und Lesestrahl mit x bezeichnet
Es ergibt sich: 90° - α + x + 90° - α = 180° x = 2α
Die
Neigung der Sinusschwingung im Nulldurchgang bezogen auf die Tragerebene (Winkel
α) ist also halb so groß der Winkel zwischen dem mittleren Sende- und dem
mittleren Lesestrahl.
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Dieser Wlakel α ist proportional der aufgezeichneten Geschwingigkeitsamplitude.
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ilall arbeitet nun in der Praxis nicht illit parallelem Licht, sondern
mit einer normalen Lichtquelle, deren Beleuchtungsst rhe abhangig von dem Öffnungswinkel
bzw. der Beleuchtungsapercur mit b = sin ß die nummerische Beleuchtungsapertur bezeichnet.
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und mit b = sinß die nummerische Beleuchtungsapertur bezeichnet.
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Dann ergibt sich gemaß Fig. 4 folgender Zusammenhang zwischen Aussteuerung
und Beleichtungsapertur. Betrachtet sei nur die nach links gezeichnete Halbwelle
der Sinusschwingung, da die Verhältnisse vom Nulldurchgang aus gesehen symetrisch
sind. Es ist zu erkennen, da der Innensendestrahl 241 gespiegelt an der Stelle des
Nulldurchganges, nicht mehr senkrecht zur unmodulierten Trägerebene steht (Innenlesestrahl
23).
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Um nun festzustellen, wie weit in Richtung der Zeitachse der Sinusschwingung
eine Reflexion zum Empfänger gelangt, muß der riiit der sinuswelle 0esIicht werden,
an dem die Tanente einen solchen Winkel aufweist, daß der äußerste Innenlesestrahl
unter Berucksichtigung der Apertur der Empfängeroptik - der halbe Öffnung swinkel
wird mit # bezeichnet - gerade noch vom Empfänger eriaßt wird. Dies soll in Verbindung
mit den Fig. 4 und 5 naher erfinßautert werden. Der Winkel zwischen der Tragerebene
20 und der nehen Tangente 26 ist mit α', die Strecke auf der Zeitachse zwischen
dem Nulldurchgang und dem Beruhrungspunkt der Tangente 26 mit RF bezeichnet. 27
ist der äusserste von der Emplageroptik gerade noch erfaßte Innenlesestrahl. Da
der Winkel zwischen dem Bendestrahl 24 und der Tragerebene 20
unverandert
bleibt, ergibt sich, das jede Winkelanderung der Tangente 20 die doppelte Änderung
des Winkels zwischen dem Sendestrahl 24 und dem Eiiipfängsstrahi 27 bewirkt. Für
den neuen Winkel α' zwischen der Tangente 26 und der Trägerebene 20 gilt danacn
die Beziehung:
Bei der Abtastung der tragerschwingung ist es für eine ideale Frequenzmodulation
zweckmaßig, daß das Verhaltnis der Impulslange zur Pausenlänge gleich 1 : 1 ist,
oder anders ausgedrückt, dai die zum Empfinger reflektierende Flache in der Rille
und die nicnt reflektierende Flache gleich groß sind. Das bedeutet aber, daß RF
= die neleuchtete Fliche also gleicn #/2 wird, worin # die Wellenlange der Sinusschwingung
ist.
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Für diesen Fall ist α' = 0; mithin:
Da die Aussteuerung der aufgezeichneten Tragerschwingung üblicherweise vorgegeben
ist, muß ermittelt werden, wie die Aperturen der Sende- und Empfangsapparatur bemessen
werden missen, um die optimale Aushutzung der Lichtintensitat zu erhalten. Voraussetzung
für die Betrachtung ist - wie oben erwahnt - dais die reflektierende Flache der
aufgezeichneten Sinusschwingung gleich #/2 ist. Anhand der Fig. 6 soli dies naher
erlautert werden.
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Aus dieser Fig. ist ersichtlich, daß der winkel y zwischen dem
äußersten
Außensendestrahl 20 und der Trägerebene 20 nicht kleiner als α werden dari,
da sonst das Licht von der Kuppe der aufgezeichneten Sinusschwingung abgeschattet
wird. Dementsprechend ist der Kleinstmögliche Winkel y = α. Damit wird die
optimale Ausnutzung des Sendelichtes dann erreicht, wenn
wird.
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Der günstigst Offnungswinkel 2 der Beleuchtungseinrichtung ergibt
sich aus der Gleichung: bzw
aus der oben abgeleiteten Beziehung
erhält man durch Ersetzen von den folgenden Zusammenhang zwischen dem halben Offnungswinkel
ß der Beleuchtungsoptik und dem halben Öffnungswinkel α der Empfängeroptik:
Wie aus einer physikalischen Betrachtung der Strahlungsverhältnisse des lichtelestrischen
Systeiils ersichtlich ist, ergibt sich eine optimale Ausbeute des Lichtes, wenn
α = ß. Macht man nämlich ß größer, so wird mehr Licht geliefer, die dem Empfänger
zugeführte Lichtmenge ist jedoch durch α festgelegt, so daß die
größere
Lichtzufuhr sich auf den Empfänger nicht auswirken kann.
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Macht nan α größer, so liefert - durch bedingt - die Licht -quelle
weniger Licht, so daß im Endeffekt die Vergrößerung von α auf die Lichtausbeute
keinen Einfluß hat. Wenn nun ß = ist, und damit das Licht optimal ausgenutzt wird,
ergibt sich aus der obenstenenden Gleichung
daß auch
sein muß.
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Daraus folgt:
Die Empfängerapertur ist abhängig von der gewünschten Auflösung.
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Je größer die geforderte Auflösung des Objektives, d.h. je kleiner
die abzutastende Wellenlänge ist, desto größer muß die apertur der Optik sein. Es
kann daher wegen der benötigten Tiefenscharfe (liattenschiag und dergleichen) notwendig
sein, von der Bemessung ß = α abzusehen und # kleiner als 22,5° zu machen.