DE2244119A1

DE2244119A1 - Optischer abtaster fuer bildplatte

Info

Publication number: DE2244119A1
Application number: DE2244119A
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl Phys Bernecker; Manfred Dr Rer Nat Boerner; Gisbert Dipl Ing Glasmachers; Stefan Dr Ing Maslowski; Volker Dipl Phys Riemann
Original assignee: TED Bildplatten AG AEG Telefunken Teldec
Current assignee: TED Bildplatten AG AEG Telefunken Teldec
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1972-09-08
Publication date: 1974-04-04
Also published as: CH562493A5; US3941945A; BE804573A; IT993749B; FR2199157A1; NL7312139A; DD105921A1; DE2244119B2; BR7306957D0; GB1433536A; JPS4969008A

Description

TED Bildplatten Aktiengesellschaft

AEG-TELEFÜNKEN · TELDEC

Zug/Schweiz ^v .

Ulm (Donau), 4. Aug. 1972 PT-UL/Sar/deu UL 72/7

" Optischer Abtaster für Bildplatte "

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abtastsystem, Vorzugs-

weise zur Wiedergabe gespeicherter Signale mit einem Träger, dessen Oberfläche dem zeitlichen Verlauf der Signalgröße entsprechende Verformungen aufweist, welche mittels einer Laserstrahlung ausgewertet werden.

Stand der Technik

Für die Bildplattenabtastung sind mechanische Abtaster bekannt. Im Gegensatz zu dem Wirkungsmechaniümus bei der Schallplatt enabtastung, wo das Abtastelement im Bhytnus der aufgzei dmeten Signalschwingungen bewegt wird, bleibt bei der Bildplattenabtastung das Abtastelement in Ruhe und die elastischen Bildplattenstrukturen üben eine mehr oder weniger großo Druckkraft auf das Abtastelement aus.

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Bei einem bekannten Ausführungsbeispiel ist das Abtastelement als unsymmetrische Gleitkufe ausgebildet;, dessen Konturen in GIeitrichtung einen flachen und in entgegengesetzter Richtung einen steil ansteigenden Verlauf hat. Gute Abtastergebnisse werden erzielt,

1. wenn der steil ansteigende Kurventeil mit der Plattenoberfläche einen Winkel von etwa 90 bildet und einen möglichst kleinen Krümmungsradius aufweist, damit die hinter der Kurve austretenden Strukturelemente der Bildplatte ungehindert emporschnellen können und

2. wenn die Auflagefläche der Kufe in Rillenrichtung nicht zu groß ist, damit die an der Rückseite der Kufe freiwerdenden Bildplattenstrukturen durch ihre dann fehlenden Druckkomponente sich in erhöhtem Maße als Druckänderung auf die Kufe auswirken können.

Der Nachteil der mechanischen Druckabtastung liegt in dem hohen Verschleiß der Kufe, deren Gleitfläche sich verbreitert und deren rückseitige scharfe Kante sich abnutzt. Es sind auch Verfahren zur Abtastung von Aufzeichnungsträgern mit Hilfe von Lichtstrahlung oder verwandter Strahlung bekannt. Dabei wird gewöhnlich eine Aufzeichnungsart benutzt, welche die Signalschrift in Form von Schwärzungen verschie-

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denen Grades der Trägeroberfläche oder in Form von Schwärzungen gleicher Tiefe und Ausbildung der. Begrenzung des geschwärzten Bereiches nach Art einer Zackenschrift enthält. Sie je nach der Schwärzung der vom Lesestrahl getroffenen Teile des Trägers 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 photοchemische Verfahren oder ähnliche Prozesse erhalten werden können, jedoch nicht durch einfache Präge- oder Preßverfahren wie bei der bekannten Schallplatte.

Es ist aber auch bekannt, für eine Lichtabtastung Träger zu verwenden, welche die Signalaufzeichnung in Gestalt von Verformungen ihrer Oberfläche enthalten. Dabei bildet es eine bisher große Schwierigkeit, den Teil des von der Oberfläche zurückgestrahlten Lichtes in eine eindeutige Beziehung zu der Größe und Art der Verformungen zu bringen. Dazu ist der Aufwand komplizierter optischer Systeme erforderlich, welche eine geringe Ausnutzung des reflektierten Lichtes und daher einen geringen energetischen Wirkungsgrad mit geringem Störabstand zur Folge haben.

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Schallplattenspieler mit Lichtabtastung haben sich bisher nicht durchsetzen können.

Ferner ist ein System bekannt, welches die der Signalgröße entsprechenden Verformungen einer Bildplatte mittels Licht- ■ strahlung oder dieser verwandten Strahlung und einem Strahlungsempfänger auswertet. Dazu werden eine Spaltblende und die die Verformungen tragende Oberfläche im Strahlengang in solchem Abstand voneinander angeordnet, daß sich in der Spaltebene in Abhängigkeit von der in Richtung der Relativgeschwindigkeit des Trägers gegenüber dem Lesestrahlenbündel bestehenden Krümmung der die Verformungen aufweisenden Oberfläche eine den Krümmungsverlauf wenigstens qualitativ wiedergebende Dichteänderung der von der genannten Oberfläche ausgehenden Strahlung ergibt.

Die bisher vorgeschlagenen optischen Abtastungen haben jedoch den Nachteil, daß die Beleuchtungsquelle und das Empfangselement räumlich zueinander nur schwierig anzuorden sind und außerdem der optische Wirkungsgrad dieser bekannten Anordnungen schlecht ist.
Aufgabe
Der im Anspruch 1 genannten Erfindung liegt die Aufgabe zu-

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gründe, bei einem optischen Abtastsystem den Aufwand und die Justierarbeiten herabzusetzen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteile

Die Erfindung benutzt zur Lichtemission einen Laser. Dieser läßt sich mit sehr kleinen Abmessungen herstellen. Zur Detektion, wird die Bildplattenoberfläche in den optischen Resonator mit einbezogen, so daß das von ihr gestreute bzw. reflektierte Laserlicht die Laserschwingung beinflußt. Da es möglich ist, nur eine einzige Wellenleiterstruktur für die Lichtemission und Lichtdetektion zu benutzen, kann der Aufwand minimal gehalten werden·

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Darstellung der Erfindung

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 Prinzipschaltbild des Abtasters, bestehend aus

Laser- und Detektordiode,
Figur 2 Abtaster mit Laser- und Detektordiode, die durch

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einen Spalt getrennt sind,

Figur 3 Prinzipschaltbild des Abtasters ohne Detektordiode bei Stromeinspeisung,

Figur 4 Prinzipschaltbild des Abtasters ohne Detektordiode bei Verwendung einer konstanten Betriebsspannung j

Figur 5 Anordnung der erfindungsgemäßen Wellaieiterstruktur an der Führungskufe des Bildplattenspielers·

In Fig. 1 stellt 1 die erfindungsgemäße Welloieiterstruktur dar, die durch eine Laserdiode, die vorzugsweise eine Halbleiter-Dauerstrich-Laserdiode ist, erregt wird. Die Kontaktierung erfolgt zwischen der Kontaktfläche 2 und der metallisierten Grundfläche 3 und die Lichterzeugung im pnübergang 4.

Für dio Dotolction dor Llclitechwaiikungon, dio boispLolewoieo beim Abtasten dar Bildplatten durch unterschiedliche Intensität des von der Bildplattenoberfläche in die Wellenleiter-

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struktur reflektierten Lichtes entstehen, kann eine Halbleiter-Fotodiode mit den Elektroden 5 und J verwendet werden. Laserdiode und Fotodiode haben die metallisierte Grundfläche 3 a^^s gemeinsamen Kontakt. Die lichtempfindliche Schicht der Fotodiode ist der pn* "Übergang 6.

Die Laserdiode wird z. B. aus der Spannungsquelle 7 über einen Vorwiderstand 8 gespeist und' in Flußrichtung betrieben.

Zur elektrischen Versorgung der Fotodiode dient die Spannungsquelle 9» die über eine Drosselspule 10 der Fototdiode eine Sperrspannung zuführt·

Die Drosselspule verhindert das Abfließen der von der Fotodiode erzeugten HF-Signale. Diese werden über den Koppelkondensator 11, der zwischen dem nicht gemeinsamen Kontakt 5 und der Drosselspule 10 angeschlossen ist, zum Ausgang 13 zur Weiterverarbeitung geleitet* Zwischen Aus-

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gang 13 und Koppelkondensator werden niedrige Frequenzen über die Induktivität 12 nach Masse abgeleitet, so daß Koppelkondensator und diese letztgenannte Induktivität einen Hochpaß bilden.

Es muß noch bemerkt verden, daß Laserdiode und Fotodiode einen Halbleitertyp gleicher Dotierung! beispielsweise den η-Typ Halbleiter, gemeinsam haben, der andere Halbleiter-Typ, beispielsweise der p-Typ, auf dem die Kontakte 2 und 5 angebracht sind, ist durch einen Spalt elektrisch voneinander getrennt. Dieses ist notwendig, da die Kontakte 2 und 5 unterschiedliches Potential haben«

Der Lichtaus- und -eintritt zur abzutastenden Bildplatte hin erfolgt beispielsweise durch die Fläche a der Laserdiode. Zur Verbesserung des optischen Wirkungsgrades ist dann die Fläche b zu verspiegeln, so daß

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dort kein Licht austreten kann und möglichst viel Strahlungsenergie für den eigentlichen Abtastvorgang zur Verfügung steht. Es ist aber auch möglich, das Licht aus der Fläche b austreten zu lassen* wobei dann zweckmäßigerweise statt der Fläche b die Fläche a verspiegelt wird.

Als Halbleitermaterialien sind alle für Laser- und/oder Fotodiodenanwendung bekannte Stoffe und Strukturen benutzbar, neben GaAs und GaAlAs also auch eine Si-Vielfachschichtstruktur.

Durch zusätzliche Dotierung des pn-Überganges in der Empfangsdiode und/oder der Laserdiode kann man die Dämpfung für das in der Wellenleiterstruktur befindliche Licht verringern.

Eine Steigerung der Empfindlichkeit des Lichtdetektors wird erzielt, wenn die Fotodiode als Avalanche-Fotodiode ausgebildet wird. Diese Dioden nutzen die interne Stromvervielfachung zur Empfindlichkeitssteigerung aus. Hierbei gibt es bei der Anwendung im erfindungsgemäßen System ein optimum der Empfindlichkeit. Dieses läßt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung automatisch einstellen, wenn man den

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Injektionsglexchstrotn für den Halbleiter-Laser beispielsweise mit 50 Hz moduliert. Man kann dann über ein zusätzliches Filter parallel zum Hochpaß, der bei der Verwendung des Systems im Bildplattenwiedergabegerät nur Frequenzen oberhalb 100 kHz durchlassen muß, in bekannter Weise eine Regelspannung für die optimale Einstellung der Avalanche-Vorspannung und/oder des Injektionsgleichstromes ableiten.

Um eine optimale Rückwirkung des von der Bildplattenoberfläche reflektierten Lichtes auf die in der WelleiLeiterstruktur sich aufbauende Laserschwingung zu erhalten, kann die der Bildplatte zugewandte Ein- und Austrittsfläche der Wellenleiterstruktur in ihrem Reflexionsvermögen modifiziert, beispielsweise entspiegelt, werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Detektordiode niclt in den eigentlichen optischen Resonator miteinzubeziehon, d. h. dio Wollonloitoratruktur statt dor Korbo l'k xn i^;ißnr an dieser Stelle zu trennen.

Figur 2 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Zur Trennung ist ein nur wenige Mikrometer schmaler Spalt 19 ausreichend. Die oigontlicho Wellonlcitoratruktur roicht dann nur bis zur

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Fläche c. Während die Flasche a wio vorher der abzutastenden Bildplatte zugewandt ist, wird das aus der Fläche c austretende Licht zur Messung der in der Wellenleiterstruktur vorhandenen Lichtenergie bzw. ihrer Schwankungen infolge der zeitlich modulierten Rückkopplung von der abzutastenden Bildplatte her benutzt.

Diese Messung erfolgt mit der nun aus der Wellenleiterstruktur ausgegliederten Detektordiode 6, die "in diesem Falle auch aus einem andoren Material bestehen kann als dor Halbleiterlaser k*

Ist aus Gründen des einfacheren Aufbaues eine stärkere räumliche Trennung von Halbleiterlaser k und Detektordiode 6
wünschenswert, so kann die optische Verbindung zwischen beiden durch einen weiteren optischen Wellenleiter, beispielsweise eine Glasfaser, erfolgen· In diesem Falle kann statt
der im Beispiel angegebenen Quereinstrahlungs-Fotodiode-jede beliebige andere Art eines* optisch-elektrischen Wandlers verwendet werden.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, den

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Detektor ganz zu vermeiden. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß Schwankungen in der im Halbleiterlaser vorhandenen Lichtenergie entsprechende Rückwirkungen auf den elektrischen Durchlaßwiderstand des Lasers haben.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es wünschenswert, den Anteil des von der Bildplatte in den Laser zurückgestrahlten Lichtes zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann die zur Bildplatte hinweisende Stirnfläche des Lasers als optische Linse ausgebildet und entspiegelt werden, wobei der Brennpunkt in der Ebene der Bildplattenoberfläche liegen sollte.

In den Figuren 2 und 3 sind Schaltungen für den erfindungsgemäßen Fall angegeben, daß der unterschiedliche Durchlaßwiderstand des lichtemittierenden Lasers, der sich in Abhängigkeit vom zurückgestrahlten Licht ändert, zur Detektion benutzt wird.

Xn Fig. 2 wird die Laserdiode mit einem konstanten Strom aus der Stromquelle I betrieben und die SpannungsSchwankungen an der Elektrode 2 über den Koppelkondensator 11 entnommen. Die Drossel 10 in Reihe mit der Stromquelle

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stellt für den Signalstrom einen hochohmigen Widerstand dar.

In Fig. 3 wird die Laserdiode von einer konstanden Spannungsquelle U über einen Widerstand R gespeist, an dem die gewünschte Signalspannung über den Koppelkondensator Il entnommen wird.

Fig. k zeigt die erfindungsgemäße WeIlenleiterstruktur bei der Verwendung zur Bilrplattenabtastung. Beispielsweise ist hier das System mit Fotodiode an der Rückseite der Halterung 15 der Kufe l6 angebracht. Der Abtaster bewegt sich in dem gezeigten Beispiel von links nach rechts über die Bildplattenoberfläche 17·

Die optische Ankopplung der Wellenleiterstruktur kann direkt an die Bildplatte erfolgen oder wie in Fig. k gezeigt, über eine Glasfaserleitung l8. Die Abtastung des in der Bildplatte gespeicherten Signals kann in der gleichen Rille erfolgen, in der auch die Kufe läuft. Vorteilhafter jedoch ist es, in der nachfolgenden Spur abzutasten, da diese von der eine Spur vorauseilenden Kufe bereits von Verunreinigungen gereinigt ist und.die Struktur der Rille ihre ur-

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sprüngliche Gestalt wieder angenommen hat.

Der Druck der Kufe auf die Bildplatte kann niedriger als bei der Druckabtastung gewählt werden, dadurch ist auch der Verschleiß der Kufe geringer.

Das erfindungsgemäße System ist über längere vorzugsweise Ein-Mode-Glasfaserleitungen auch zur Lösung von Meß- und Abtastaufgaben auch an weniger leicht zugänglichen Stellen einsetzbar. Beispielsweise kann hiermit die Rauhigkeit von Oberflächen oder die Unrundheit von rotierenden Wellen usw. ermittelt werden.

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Claims

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Paten tansprüche

. 1, Abtastsystem, vorzugsweise zur Wiedergabe gespeicherter Signale mit einem Träger, deäsen Oberfläche dem zeitlichen Verlauf der Signalgröße entsprechende Verformungen aufweist, welche mittels einer Laserstrahlung ausgewertet warcfen, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutastende Oberfläche in einem ein Lasermedium enthaltenden optischen Resonator so einbezogen ist, daß die von ihr reflektierte bzw. gestreute Strahlung die Intensität der Lichtschwingung in dem Resonator beeinflußt, und daß die Intensität dieser Lichtschwingung zur Signalgewinnung ausgenutzt wird.
2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Resonator eine Wellenleiterstruktur mit einer Halbleiter-Dauerstrich-Laserdiode verwendet wird und die Detektion der Lichtschwingung durch eine in Sperrrichtung betriebene mit dem Halbleiter-Laser vereinigte Halbleiterdiode erfolgt.
3. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Resonator eine Wellenleiterstruktur

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mit einer Halbleiter-Dauerstrich-Laserdiode verwendet wird und die Detektion der Lichtschwingung mit einem beliebigen optisch-elektrischen Wandler erfolgt, der aus dem optischen Resonator ausgegliedert ist.
4. Abtastsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem optischen Resonator austretende Lichtleistung dem Detektor über einen Wellenleiter, beispielsweise eine Glasfaser zugeführt wird.
5. Abtastsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Detektion der Lichtschwingung benutzte Diode eine Avalanche-Diode ist.
6. Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Dotierung des pn-Überganges in der Detektordiode oder in der Laserdiode die Dämpfung der im Resonator befindlichen Lichtschwingung vermindert ist.
7. Abtastsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionsgleichstrom für die Laser-(iio< 1fl zunnt.7.1 ich morluliort int und aus der von der JJetnktor-Uiode abgegebenen Signalnpannung über einen zusätzlichen

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Tiefpaß ein Regelsignal für die optimale Einstellung der Detektor-Diodenvorspannung und/oder des Injektionsgleichstromes abgeleitet wird. '
8. Abtastsystem nach. Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Laserdiode in dem optischen Resonator mit einem konstanten Strom gespeist wird und .zur Signalgewinnung' die durch die Intensität der Lichtschwingung beeinflußte elektrische Wechselspannung an der Laserdiode benutzt wird.
9. Abtastsystem nach Anspruch 2 oder 3 t dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Laserdiode in dem optischen Resonator mit einer konstanten elektrischen Spannung gespeist wird und zur Signalgewinnung der durch die Intensität der Lichtschwingung beeinflußte Wechselstrom benutzt wird, den die Laaerdiode aufnimmt.
10. Abtastsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der im optischen Resonator enthaltenen Wellenleiterstruktur, welche der abzutastenden Oberfläche entgegenlios^ι verspiegelt ist.

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11. Abtastsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der im optischen Resonator enthaltenen Wellenlexterstruktur, welche der abzutastenden Oberfläche zugewandt ist, in ihrem Reflexionsvermögen modifiziert ist.
12. Abtastsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der im optischen Resonator enthaltenen Wellenleiterstruktur, welche der abzutastenden Oberfläche zugewandt ist, entspiegelt ist.
13. Abtastsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung zur Bildplattenabtastung die Anordnung an eine Kufe zur Rillenführung angebracht ist und die Abtastung unmittelbar hinter der Kufe erfolgt.

Ik. Abtastsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung derjenigen Rille erfolgt, die unmittelbar der von der Führungskufe durchlaufenes Rille folgt.

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