DE19515206A1 - Verfahren und Apparat zur Fokussierungsregelung - Google Patents

Verfahren und Apparat zur Fokussierungsregelung

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DE19515206A1 DE19515206A DE19515206A DE19515206A1 DE 19515206 A1 DE19515206 A1 DE 19515206A1 DE 19515206 A DE19515206 A DE 19515206A DE 19515206 A DE19515206 A DE 19515206A DE 19515206 A1 DE19515206 A1 DE 19515206A1
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Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zur optischen Abtastfokussierungsregelung, und besonders auf ein Verfahren und einen Apparat zur optischen Abtastfokussierungsregelung, die an die Änderungen in den Umständen und der Kennwerten eines Systems durch eine Steuerung und einen Speicher angepaßt werden kann, welche in der Rege­ lungsschleife vorgesehen sind.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind in einem konventionellen, optischen Abtaster eine Laserdiode 10, eine Kollimatorlinse 30, ein Strahlenteiler 40 zur Aufteilung des von der Laserdiode 10 projizierten Lichtes, eine Objektlinse 50 zur Fokussierung des vom Strahlenteiler 40 reflektierten Strahles, und eine Scheibe 70 als ein Informationsaufzeichnungsmedium sequentiell ange­ ordnet. Auch hat der optische Abtaster das Stellglied 60 zum Treiben der Objektlinse. Das von der Oberfläche der Scheibe 70 reflektierte Licht wird durch den Strahlenteiler 40 durchge­ lassen oder vom Strahlenteiler reflektiert. Das durchgelassene Licht wird durch einen Photodetektor 80 erkannt, der eine optische Teilerplatte enthält, die in mindestens zwei Abschnitte geteilt ist. Wenn die optische Teilerplatte vier Abschnitte auf­ weist, wird das auf jede der Teilabschnitte durchgelassene Licht in ein Stromsignal umgewandelt und zwei in der Diagonale der Platte gegenüberliegende Signale werden als Eingabe für die Ein­ gabeanschlüsse des Differentialvergleichers 90 zum Vergleichen der Differenz der Eingabesignale zusammengefaßt. Der Differen­ tialvergleicher erkennt die Differenz der zwei Eingabesignale und wandelt das erkannte Stromsignal in ein Spannungssignal um.
Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm, das den Fehler des umge­ wandelten, bei "a" von Fig. 1 erkannten Fokussierungsspannungs­ signals in Abhängigkeit von der Entfernung darstellt. Die Achse X und die Achse Y der Koordinaten stellen einen Abstandsfehler bzw. eine Spannung dar. Das Fokussierungsfehlersignal wird durch den in Fig. 1 gezeigten Verstärker 100 verstärkt und treibt die Objektlinse 50 in einer Richtung, die den Abstandsfehler unter Benutzung des verstärkten Fokussierungsfehlersignals minimiert. Die Objektlinse 50 wird von einem Stellglied 60 getrieben. Der Steuerungskompensator 110 ist benachbart zum Verstärker 100 vorgesehen, um die für das Steuerungsstellglied 60 erforderliche Steuerungseingabe zu erhalten. Der Treiber 130 ist zwischen Steuerungskompensator 110 und Stellglied 60 vorgesehen, um das Stellglied 60 entsprechend dem Signal vom Steuerungskompensator 110 zu treiben.
Wie oben beschrieben, benötigt der konventionelle Fokussie­ rungsregelungsapparat eine stabile, geschlossene Schleife, die beim Stellglied 60 geschlossen wird durch Passieren durch Stell­ glied 60, Photodetektor 40, Differentialvergleicher 90, Verstär­ ker 100, Steuerungskompensator 110 und Treiber 130, und er rollte so entworfen werden, daß der wegen der Fluktuation der Scheibe 70 auftretende Abstandsfehler innerhalb der erlaubten Fehlerbreite bleibt. Im Ergebnis ist es schwierig, den Steu­ erungskompensator 110 zu entwerfen, da die erlaubte Fehlerbreite (± 0,5 µm) kleiner als die Bewegung der Scheibe 70 (± 0,5 mm) ist, wobei der Steuerungskompensator 110 viele Kompensatoren enthalten sollte. Auch gibt es Probleme dadurch, daß die zum Erlangen des Abstandsfehlersignals benutzte Empfindlichkeit des Photodetek­ tors 80 und des Stellgliedes 60 sich wesentlich verändert, so daß die Verstärkung und der Versatz des Verstärkers 100 zu kom­ pensieren ist durch Einstellen eines veränderbaren Widerstandes während des Zusammenbaus, und daß das optische Aufnahmesystem instabil werden kann, wenn die Empfindlichkeit wegen Änderungen in den Betriebsbedingungen wie etwa Temperatur, Strahlungs­ intensität des Lichtes, oder Ähnlichem verändert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Fokussie­ rungsregelungsverfahren vorzusehen, bei der der Entwurf des Kom­ pensators durch Hinzufügen einer Gedächtnisfunktion vereinfacht wird, welche aktiv den Veränderungen der Temperatur und der Strahlungsintensität der Lichtquelle gewachsen ist, und ein optisches Aufnahmesystem stabil entsprechend der Veränderung der Empfindlichkeit betrieben wird.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Apparat zur Fokussierungsregelung vorzusehen, der stabil die Fokussierungsregelung durchführt.
Um ein Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird ein Fokussierungsregelungsverfahren für eine Objektlinse zur Fokus­ sierung des Lichtes auf eine optische Scheibe nach der vor­ liegenden Erfindung vorgesehen, die Schritte enthaltend:
Erkennen eines Fokussierungsfehlersignals, das den Grad des Fokussierungsfehlers der Objektlinse vom von der optischen Scheibe reflektierten Licht darstellt;
Speichern des erkannten Fokussierungsfehlersignals in einem Speicher;
Aufsummieren des gespeicherten Signals und des gegenwärtig erkannten Fokussierungsfehlersignals; und
Treiben eines Stellgliedes für die Objektlinse unter Benut­ zung des aufsummierten Signals.
Um ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird ein Fokussierungsregelungsapparat für eine Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf eine optische Scheibe nach der vor­ liegenden Erfindung vorgesehen, enthaltend:
Lichterkennungseinrichtung zur Erkennung des Fokussierungs­ fehlersignals, das den Grad des Fokussierungsfehlers der Objekt­ linse vom von der optischen Scheibe reflektierten Licht dar­ stellt;
Steuerungseinrichtung zum Speichern und Berechnen des er kann­ ten Fokussierungsfehlersignals;
Aufsummierungseinrichtung zum Aufsummieren des in der Steu­ erungseinrichtung gespeicherten und des gegenwärtig erkannten Fokussierungsfehlersignals; und
Treibereinrichtung zum Treiben eines Stellgliedes für eine Objektlinse unter Benutzung des durch die Aufsummierungsein­ richtung aufsummierten Signals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher werden durch Beschreibung einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen im Detail, mit Bezug auf die bei­ gefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das den konventionellen Fokussierungsregelungsapparat für optische Aufnahme zeigt;
Fig. 2 ein Wellenformdiagramm ist, das den Abstandsfehler als Spannungssignal zeigt, welches am Punkt "a" von Fig. 1 erkannt wird; und
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das den Fokussierungsregelungs­ apparat für optische Aufnahme nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf Fig. 3 ist die Funktion und der Aufbau der Regelungsapparates für optische Aufnahme nach der vorliegenden Erfindung wie folgt.
Eine Laserdiode 10, eine Kollimatorlinse 30 zum Umwandeln des von der Laserdiode 10 projizierten Lichtes in paralleles Licht, ein Strahlenteiler 40 zur Aufteilung des Lichtes 20, eine Objektlinse 50 zur Fokussierung des vom Strahlenteiler 40 geteilten Lichtes 20, ein Stellglied 60 zum Treiben der Objekt­ linse 50, und eine Scheibe 70 als Informationsaufzeichnungs- und -wiedergabemedium sind sequentiell angeordnet, um dadurch das optische System einer optischen Aufnahme zu bilden. Das von der Oberfläche der Scheibe 70 reflektierte Licht wird von dem Strah­ lenaufteiler 40 durchgelassen oder von dem Strahlenaufteiler 40 reflektiert. Das durchgelassene Licht wird durch den Photo­ detektor 80 erkannt.
Falls die im Photodetektor 80 enthaltene optische Auftei­ lungsplatte vier Aufteilungsabschnitte hat, und wenn ein Strom­ signal vom Photodetektor erkannt wird, dann werden hier die von den Aufteilungsabschnitten entlang zweier diagonaler Linien der Platte aufsummiert, um Eingaben für die Eingabeanschlüsse eines Differentialoperators 90 zu bilden. Der Differentialoperator 90 erkennt die Differenz zwischen zwei Eingabesignalen und wandelt die erkannten Stromsignale in Spannungssignale um. Das von den Photodetektorabschnitten des Photodetektors 80 abgegebene und vom Differentialoperator 90 ermittelte Fokussierungsfehlersignal wird durch einen Verstärker 100 verstärkt. Ein Steuerungskompen­ sator 110 ist am Ausgang des Verstärkers 100 installiert, um so eine Steuerungseingabe zur Bewegung der Objektlinse 50 in der Richtung zu erhalten, welche den Abstandsfehler unter Benutzung des verstärkten Fokussierungsfehlersignals minimiert. So enthält die Erkennungseinrichtung den Photodetektorabschnitt, den Ver­ stärker 100 und den Steuerungskompensator 110. Ein Treiber 130 ist zwischen der Erkennungseinrichtung und dem Stellglied 60 vorgesehen, um die vom Steuerungskompensator 110 erhaltenen elektrischen Signale zu verstärken.
In dem oben beschriebenen Grundschaltkreis werden ein A/D- Konverter 140 zum Konvertieren des analogen, vom Differential­ operator 150 eingegebenen Fokussierungsfehlersignals in ein digitales Signal, eine Steuerung 150 zur Berechnung und Steu­ erung entsprechend dem konvertierten Signal, ein unabhängig mit der Steuerung 150 verbundener Speicher 160, um so das durch die Steuerung 150 berechnete Signal zu speichern und das gespei­ cherte Signal an die Steuerung 150 zu übertragen, ein mit der Steuerung 150 verbundenen D/A-Konverter 170 zum Konvertieren des durch die Steuerung 150 berechneten und korrigierten digitalen Signals in ein analoges Signal, und ein Addierer 120, der am Ausgang der Erkennungseinrichtung installiert ist, um das vom D/A-Konverter 170 über ein (später beschriebenes) LPF 180 über­ tragene Signal und das Ausgabesignal des Steuerungskompensators 110 zu summieren, in einem anderen Pfad zwischen dem Ausgang des Differentialoperators 90 und dem Eingang des Treibers 130 ange­ ordnet.
Der Betrieb zur Steuerung des Stellgliedes durch die obige Einrichtung wird unten beschrieben.
Das Licht, das ein Signal zur Kennzeichnung des Abstands­ fehlers eines auf der Aufzeichnungsfläche der Scheibe 70 gebil­ deten Punktes enthält, wird über den Photodetektorabschnitt in das Spannungssignal umgewandelt, welches das Fokussierungs­ fehlersignal enthält. Das umgewandelte Spannungssignal passiert den Spannungsverstärker 100 und den Steuerungskompensator 110, um ein Steuerungssignal zu erzeugen. Das Steuerungssignal wird der Treibereinrichtung einschließlich des Stellgliedes und des Treibers zugeführt, um so die Objektlinse 50 in eine geeignete Stellung zu bewegen. Zeitgleich mit der Erzeugung des Steu­ erungssignals wird das vom Photodetektorabschnitt über den A/D- Konverter 140 in die Steuerung 150 eingegebene Signal im Spei­ cher 160 entsprechend der Eingabereihenfolge gespeichert. Das der Summierungseinrichtung einschließlich des Addierers 120 über die Steuerung 150 zugeführte Signal ist während der ersten Umdrehungsperiode ein Nullsignal. Zu dieser Zeit wird das in der Steuerung 150 berechnete Fokussierungsfehlersignal und Steu­ erungsinformation im Speicher 160 gespeichert. Wenn die Scheibe 70 nach der ersten Umdrehung zur ursprünglichen Stellung zurück­ kehrt, wird das von der Photodetektoreinrichtung erkannte Signal durch die Steuerungseinrichtung einschließlich der Steuerung 150 und des Speichers 160 berechnet und gespeichert. Das Signal wird mit dem im Speicher 160 gespeicherten Fehlersignal und der Steu­ erungsinformation berechnet. Das Ergebnis wird der Summierungs­ einrichtung über den D/A-Konverter 170 zugeführt. Da die obige Operation entsprechend der Umdrehungsperiode der Scheibe 70 wiederholt durchgeführt wird, kann eine gewünschte Stellung der Objektlinse 50 entsprechend der von der Steuerung 50 abgegebenen Steuerungsinformationen korrekt eingestellt werden, trotz eines Wechsels in der Verstärkung der Photodetektoreinrichtung auf Grund des Fokussierungsfehlersignals und Änderungen in der Tem­ peratur und der Strahlungsintensität der Lichtquelle.
Ein Tiefpaßfilter (LPF) 180 zum Entfernen von Störungen mit hohen Frequenzanteilen, welche von der Steuerungseinrichtung übertragen werden, ist zwischen der Steuerungseinrichtung und der Summierungseinrichtung installiert.
Eine Rückwirkungsschleife kann zwischen dem Ausgang des Addierers 120 und der Steuerung 150 vorgesehen werden, so daß das Summensignal des in der Steuerung 150 berechneten Signals und des Signals vom Steuerungskompensator 110 in Sequenz auf die Steuerung 150 zurückgeführt wird, durch die Steuerung 150 berechnet wird, und im Speicher 160 gespeichert wird, um so ein korrekteres Fokussierungssteuerungssignal zu erhalten. Um den Rückwirkungsschaltkreis im Detail zu beschreiben, wird ein Anti- Aliasingfilter 190 in einem anderen Pfad am Ausgang der Addie­ rers 120 installiert. Ein A/D-Konverter 200 ist mit dem Ausgang des Anti-Aliasingfilters 190 verbunden, so daß das eingegebene analoge Signal in ein digitales Signal konvertiert wird, und dann das Signal in die Steuerung 150 eingegeben wird. Hier ver­ ringert das Anti-Aliasingfilter 190 Störungen durch Entfernen der hochfrequenten Komponenten, wenn das analoge Signal in ein digitales Signal gewandelt wird, und erhöht damit die Signal­ qualität.
Die Beschreibung der Signalübertragungscharakteristik des obigen Fokussierungssteuerungsapparates unter Benutzung numerischer Formeln ist wie folgt.
Wenn T eine Umdrehungsperiode der Scheibe und N eine Abtast­ zahl während einer Periode 1T ist, dann werden der Fokussie­ rungsfehler und die Steuerungseingabe, welche als k-ter Wert vom Beginn der Periode abgetastet wurden, als e(k) bzw. u(k) ausge­ drückt, und wenn die Scheibe 70 R-mal vom Beginn der Fokussie­ rungssteuerung rotiert, dann werden der Fokussierungsfehler und die Steuerungseingabe als eR(k) bzw. uR(k) ausgedrückt, und eine neue Steuerungseingabe uc R(k) zwischen Tiefpaßfilter 180 und Addierer 120 wird aus der bei der unmittelbar vorhergehenden Umdrehung gespeicherten Information erzeugt, und dabei wie folgt dargestellt.
uc R(k) = p × [α × uR-1(k) + ß × eR-1(k)]
wobei α und β Konstanten sind, die aus der Berechnung in der Steuerung erzeugt wurden, und p eine Konstante mit Bezug auf das Tiefpaßfilter ist.
Die zwischen Steuerungskompensator 110 und Addierer 120 gemessene Steuerungseingabe ud R(k) wird direkt durch den Steu­ erungskompensator 110 berechnet. Deshalb wird die Steuerungs­ eingabe wie folgt ausgedrückt.
ud R(k) = D × E × eR(k)
wobei D und E die Eingabesignale an dem Spannungsverstärker 100 bzw. dem Steuerungskompensator 110 darstellen. Deshalb wird die Steuerungseingabe an der Ausgangsseite des Addierers 120 wie folgt ausgedrückt.
uR(k) = uc R(k) + ud R(k) = p × [α × uR-1(k) + β × eR-1(k)] + D × E × eR(k).
Wenn α und β entsprechend den Kennwerten des optischen Systems geeignet eingestellt sind, wird hier die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 180 passend erhalten, wobei die gewünschten Kennwerte erreicht werden können.
Da auch der Steuerungskompensator 110 eine Phasenführungsform mit einem Pol und einer Nullstelle in zu konventionellen Steu­ erungskompensator unterschiedlicher Weise hat, kann die Stabi­ lität der geschlossenen Schleife, die das Stellglied 60, den Photodetektor 80, den Differentialoperator 90, den Verstärker 100, den Steuerungskompensator 110, den Addierer 120 und den Treiber 130 in Reihe enthält, erreicht werden.
Nach der vorliegenden Erfindung kann der Mangel konventio­ neller Fokussierungsapparate überwunden werden, welche drei oder mehr Pole und Nullstellen für einen solchen Entwurf verlangen, damit die Stabilität der geschlossenen Schleife gewährleistet und der durch die Fluktuation der Scheibe erzeugte Abstands­ fehler innerhalb des gewünschten Fehlerbereichs liegt.
Der Fokussierungssteuerungsapparat nach der vorliegenden Erfindung kann auch stabil arbeiten, selbst wenn die Empfind­ lichkeit des Fokussierungsfehlererkennungsschaltkreises um die Hälfte verringert ist infolge von Änderungen der peripheren Temperatur und der Strahlungsintensität der Lichtquelle, und kann die Steuerungseingabe zur Kompensation durch Erkennung des Versatzsignals des Fokussierungsfehlersignals berechnen, wobei der Apparat stabil während der Änderung des Versatzes arbeiten kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Fokussierungssteuerung einer Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf einer optischen Scheibe, die Schritte enthaltend:
Erkennung eines Fokussierungsfehlersignals, das den Grad des Fokussierungsfehlers einer Objektlinse aus dem von der optischen Scheibe reflektierten Licht darstellt;
Speichern des erkannten Fokussierungsfehlersignals in einem Speicher;
Summieren des gespeicherten Signals und eines gegenwärtig erkannten Fokussierungsfehlersignals; und
Treiben eines Stellgliedes für die Objektlinse unter Benut­ zung des summierten Signals.
2. Verfahren zur Fokussierungssteuerung einer Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf einer optischen Scheibe nach Anspruch 1, wobei das Verfahren einen Filterungsschritt für hochfrequente Signale enthält, zum Abblocken hochfrequenter Signalkomponenten zwischen dem Speicherungsschritt und dem Summierungsschritt.
3. Verfahren zur Fokussierungssteuerung einer Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf einer optischen Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ferner einen Schritt zum erneuten Speichern des summierten Signals im Speicher enthält.
4. Verfahren zur Fokussierungssteuerung einer Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf einer optischen Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ferner einen Anti-Aliasierungs­ schritt zum Entfernen hochfrequenter Komponenten während der A/D-Konvertierung der Steuerungseingabe zwischen dem Summie­ rungsschritt und dem erneuten Speicherungsschritt enthält.
5. Apparat zur Fokussierungssteuerung einer Objektlinse zur Fokussierung von Licht auf einer optischen Scheibe, enthaltend:
Photodetektoreinrichtung zum Erkennen des Fokussierungs­ fehlersignals der Objektlinse aus dem von der optischen Scheibe reflektierten Licht;
Steuerungseinrichtung zum Speichern und Berechnen des erkannten Fokussierungsfehlersignals;
Summierungseinrichtung zum Summieren des in der Steuerungs­ einrichtung gespeicherten Signals und eines gegenwärtig erkann­ ten Fokussierungsfehlersignals; und
Treibereinrichtung zum Treiben eines Stellgliedes für die Objektlinse unter Benutzung des durch die Summierungseinrichtung summierten Signals.
6. Apparat nach Anspruch 5, ferner enthaltend:
Tiefpaßfilter zum Entfernen hochfrequenter Störungskomponen­ ten, das zwischen der Steuerungseinrichtung und der Summierungs­ einrichtung angeordnet ist.
7. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, ferner enthaltend eine Rückwirkungsschleife zum erneuten Speichern des durch die Steuerungseinrichtung korrigierten Fokussierungsfehlersignals, die zwischen dem Ausgang der Summierungseinrichtung und der Steuerungseinrichtung vorgesehen wird.
8. Apparat nach Anspruch 7, wobei die Rückwirkungsschleife eine Anti-Aliasierungseinrichtung zum Entfernen einer hochfre­ quenten Bandbreite während A/D-Konvertierung enthält.
9. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein neues, über die Erkennungseinrichtung zugeführtes Signal und das durch die Steuerungseinrichtung in die Summierungseinrichtung eingegebene Signal in Synchronisation mit der Umdrehungsperiode der Scheibe zugeführt wird.
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