DE2409893A1 - Vorrichtung zum optischen ablesen einer beugungsspur - Google Patents
Vorrichtung zum optischen ablesen einer beugungsspurInfo
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Description
Vorrichtung zum optischen Ablesen einer Beugungsspur ■
Die Erfindung bezieht sich auf das optische Ablesen von Informationen, insbesondere auf das Ablesen eines materiellen
Aufzeichnungsträgers, auf dessen Oberfläche eine Spur.aufgezeichnet ist, die eine Folge von beugenden
Elementen enthält, die eine im wesentlichen konstante Breite aufweisen, und deren Längen und ungleichförmige
Abstände entlang der Spur eine Rechteckkurvenform ausdrucken, welche die zu lesende Information enthält.
Gemäß einer bekannten Ausführungsform hat der Aufzeichnungsträger
die Form einer Platte, auf deren glatter Oberfläche eine spiralförmige Spur eingeprägt ist. Entlang dieser
Spur sind die beugenden Elemente durch Vertiefungen oder Erhebungen realisiert, die eine konstante Breite haben,
welche einige Mikron nicht überschreitet. Zur Gewinnung der in der Spur gespeicherten optischen Information ist
es bekannt, einen Lesekopf zu verwenden, der eine Lichtquelle enthält, die einem Mikroskopobjektiv so zugeordnet
Lei/Pe
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ist, daß auf die Oberfläche der Platte ein kreisrunder Lichtfleck projiziert wird, der die Breite der Spur beleuchtet
.
Die beleuchtete Zone der Spur liefert unter der Einwirkung der einfallenden Strahlung eine Austritts strahlung,
die beim Vorbeigang der beugenden Elemente eine merkliche Beugung erfährt. Man kann daher die optische Information
dadurch gewinnen, daß diese optisch modulierte Strahlung von einer Gruppe von Photodetektorelementen
empfangen wird, die räumlich und elektrisch so angeordnet sind, daß sie gleichzeitig die die Information
enthaltende Rechteckkurvenform sowie ein die Dezentrierung des Leselichtflecks gegenüber der Spur darstellendes
Signal liefern. Wenn der Durchmesser des kreisrunden Leseflecks gleich der Breite der Spur ist,
hat die Rechteckkurvenform eine gute Auflösung, doch ist ihre Amplitude Schwankungen unterworfen, sobald
der Lesefleck dezentriert wird. Ferner ist die Nachregelung des Lesekopfes, die es dem proQizierten Lichtfleck
ermöglicht, die Spur trotz Querverschiebungen in Bezug auf die Ablaufrichtung abzutasten, infolge unvorhersehbarer
Änderungen des Vorzeichens der Verstärkung der Nachregelschleife der Gefahr einer Instabilität
des Betriebs ausgesetzt.
Diese Instabilität kann teilweise dadurch beseitigt werden, daß der kreisrunde Abtastfleck so groß gemacht
wird, daß er bei weitem über die Spur hinausgeht, doch ist dann die Auflösung der Rechteckkurvenform wesentlich
verringert. Zu diesen Schwierigkeiten kommt die Tatsache hinzu, daß infolge der Verwendung einer kohärenten
Lichtquelle zur Erzielung der geeigneten Feinheit . des Leseflecks die Gefahr besteht, daß in den
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Lesevorrichtungen bekannter Art Störsignale entstehen, die von der Interferenz der verschiedenen Beugungsordnungen
stammen, die auf die Empfangsflächen der Photodetektorelemente projiziert werden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird mit der Erfindung
eine Lesevorrichtung geschaffen, die mit einem optischen Projektionssystem ausgestattet ist, das in der Lage ist,
in der Leseebene des Aufzeichnungsträgers einen Lesefleck von länglicher Form zu bilden, der über die Spur
hinausgeht, und dessen große Achse die Längsachse der abgelesenen Spur schneidet.
Die Verwendung eines Leseflecks von länglicher Form ermöglicht es, ein Lesesignal mit großer Auflösung zu erhalten,
dessen Amplitude bei einer Dezentrierung der Spur, die auf.die Hälfte der großen Achse des Leseflecks
beschränkt bleibt, im wesentlichen konstant bleibt. Wenn die Dezentrierung diesen Grenzwert überschreitet,
tritt die Stellungsregeleinrichtung in Betrieb und gewährleistet die stabile Wiederzentrierung des Lesekopfs.
Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zum optischen Ablesen einer Beugungsspur vorbestimmter Breite, die auf
einem Informationsträger aufgezeichnet ist und in einer Lesefläche des Informationsträgers eine Folge von beugenden
Elementen enthält, mit einer Strahlungsquelle, welche auf die Lesefläche mit Hilfe eines optischen Projektionssystems
einen Lesefleck projiziert, und mit photoelektrischen Einrichtungen, welche die Strahlung
empfangen, die aus dem von dem Lesefleck angestrahlten Abschnitt der Lesefläche austritt, wobei das optische
Projektionssystem in der Lage ist, aufgrund der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung einen Lesefleck
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von länglicher Form zu bilden, dessen große Achse die Längsachse der Spur schneidet und der im Verlauf der
Ablesung die Lesefläche in einem Bereich bestreicht, dessen Breite größer als die Breite der Beugungsspur
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen einen photoelektrischen Hauptwandler,
photoelektrische Hilfswandlereinrichtungen und elektrische Einrichtungen zur Übertragung der von dem Haupt-Wandler
und den Hilfseinrichtungen gelieferten Signale enthalten, daß der Hauptwandler wenigstens einen Teil
der gebeugten Komponente der Beugungsordnung Null aufnimmt, die in der aus dem angestrahlten Abschnitt der
Lesefläche austretenden Strahlung enthalten ist, und daß die Hilfswandlereinrichtungen gebeugte Komponenten
höherer BeugungsOrdnungen aufnehmen, die außerhalb des
Bündels liegen, das die gebeugte Komponente der Beugung sOrdnung Null enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lesevorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Lesevorrichtung von Fig. 1,
Fig. 3 schematische Schnittansichten der Lesevorrichtung
von Fig. 1 zur Erläuterung ihrer Yfirkungsweise,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lesevorrichtung nach der Erfindung und
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Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lesevorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Aufzeichnungsträgers 10,
dessen obere Fläche, die in einer die Leseebene bildenden XY-Ebene liegt, eine eingeprägte Beugungsspur trägt.
Als Beispiel -wird angenommen, daß diese Spur spiralförmig auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10 verläuft,
der die Form einer Platte hat. Der Mittelpunkt der Platte liegt in der Verlängerung der Y-Achse, welche
die radiale Richtung darstellt, während die X-Achse die Ablaufrichtung darstellt. Die Spur erscheint somit in
Fig. 1 in Form von Windungsabschnitten 6, 7, 8, die in gleichmäßigen Abständen liegen, und deren Steigung
größer als die Breite der Spur istj bei dem dargestellten
Beispiel ist die Breite der Spur gleich der Breite von Vertiefungen 9, welche die Beugungselemente der
Spur bilden. Es ist zu bemerken, daß die Erfindung in keiner ¥eise auf das Ablesen einer vertieften Spur beschränkt
"ist, denn erhabene Beugungselemente wurden auf die verwendete Lesestrahlung eine in jeder Hinsicht
analoge Beugungswirkung ausüben. Ebenso ist die Erfindung in keiner Weise auf den Fall einer Platte beschränkt,
die eine spiralförmige Spur trägt, sondern sie kann ohne Änderung auch im Fall eines Bandes angewendet
werden, das eine oder mehrere entlang der Laufrichtung in der X-Achse geradlinig verlaufende Spuren
trägt.
Die eigentliche Lesevorrichtung besteht aus einer quasipunktförmigen
Strahlungsquelle S, die beispielsweise auf der durch die Z-Achse dargestellten optischen Achse
eines optischen Projektionssystems liegtj dieses Projektionssystem
besteht aus einem Objektiv 2, das so be-
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schaffen ist, daß es am Schnittpunkt O der X-Achse und der Y-Achse das Bild der Strahlungsquelle S erzeugen
kann, und aus einem optischen Filter 1, das die Pupille des Objektivs 2 bedeckt. Bei dem in
Fig. 1 dargestellten Beispiel ist das optische Filter 1 eine lichtundurchlässige Maske, aus der ein
Fenster 3 mit rechteckigem Umriß ausgebrochen ist, das dazu dient, das Strahlungsenergiebündel zu begrenzen,
das zu der Leseebene XOY übertragen wird, in der die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10
liegt. Wenn angenommen wird, daß die Strahlungsquelle S punktförmig ist, und wenn die Beugungserscheinungen
vorübergehend außer acht gelassen werden, kann man den Gang der Lichtstrahlen durch die gestrichelt
dargestellte ■ Geradenschar 4 darstellen, die aus der Pupille 3 austritt. Diese optische Konstruktion
von rein geometrischem Charakter zeigt, daß die aus der Pupille 3 austretende Strahlung in
einer Detektorebene Xq Yq eine Strahlungskomponente
der BeugungsOrdnung Null entstehen läßt, die auf
die rechteckige Basis einer Pyramide beschränkt bleibt, die als Spitze den geometrischen Konvergenzpunkt 0 und
als Kanten die gestrichelt dargestellten geradlinigen Strahlen 4 hat.
Zur Vereinfachung sind die beim Durchgang durch den lichtdurchlässigen Aufzeichnungsträger 10 entstehenden
Brechungserscheinungen außer acht gelassen worden. Daher
kann die Basis der Pyramide als Pseudo-Bild der Pupille 3 angesehen werden, wie es in Wirklichkeit
erhalten würde, wenn man sich vorstellt, daß eine Projektionsstrahlung mit unendlich kurzer Wellenlänge
durch eine lichtundurchlässige Maske übertragen würde,
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die ein am Punkt 0 liegendes Nadelloch enthielte.
Wenn man die Beugungserscheinungen berücksichtigt, kann bekanntlich die aus der Pupille 3 austretende Strahlung
nicht punktförmig am Punkt 0 konvergieren, sondern sie muß sich rings um den Punkt 0 ausbreiten. Die aus der
Pupille 3 austretenden Strahlen liegen im Innern einer in vollen Linien gezeichneten Hüllfläche 5· Der schmälste
Querschnitt dieser Hüllfläche 5 ist eine längliche Zone 11,
die den wirklichen Lesefleck bildet. Falls kein weiteres Beugungselement 9 im Weg des wirklichen Lesebündels 5 vorhanden
ist, verursacht die Beugung auf der Höhe Xq Yq eine
wenig bedeutende Randstörung der zuvor erwähnten Anstrahlung der Beugungsordnung Null.
Erfindungsgemäß ist ein photoelektrischer Hauptwandler so angeordnet, daß er selektiv einen Teil der Anstrahlung
der Beugungsordnung Null auffängt, d.h., daß seine aktive Fläche im Innern des Pseudo-Bildes liegt, daß durch
die zentrisch zum Punkt 0 liegende konische Projektion der
Pupille 3 gebildet wird. Der Wandler 12 ist somit ausschließlich von der Anstrahlung der Beugungsordnung Null
abhängig und das gleiche gilt auch für die von ihm abgegebene Spannung V™. Zusätzlich zu dem photoelektrischen
Hauptwandler 12 sind erfindungsgemäß, wie in Fig. 1 gezeigt ist, seitliche photoelektrische Wandler 13 und 14
neben dem Wandler 12 entlang den Breitseiten des rechteckigen Umfangs der Anstrahlungszone der Beugungsordnung
Null angeordnet. Wenn kein Beugungselement 9 von dem länglichen Fleck 11 angestrahlt wird, empfangen die
seitlichen Wandler 13 und 14 praktisch keine Strahlung, und die von ihnen abgegebenen Spannungen V^ und V^ sind
im wesentlichen Null. Dies hat zur Folge, daß die am
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gemeinsamen Punkt der beiden gleichen Widerstände 18 verfügbare mittlere Spannung ebenfalls in der Nähe
von Null liegt. Der Differenzverstärker 16, der an seinem einen Eingang die mittlere Spannung (VG+Vß)/2
und am anderen Eingang die Spannung VM empfängt, liefert
eine Spannung V(t), die der Differenz dieser Eingangsspannungen proportional ist; demzufolge hat,
wenn kein Beugungsäement 9 im Weg der Lesestrahlung 5
vorhanden ist, die Spannung V(t) einen Wert, der der Spannung VM proportional ist. Der Differenzverstärker 17»
der an seinen Eingängen die Spannungen V« und V^ empfängt,
liefert eine Fehlerspannung ε (t), die der Differenz seiner
Eingangsspannungen proportional ist; diese Fehlerspannung
ε (t) liegt in der Nähe von Null, wenn kein Beugungselement 9 im Weg des Lesebündels 5 vorhanden
ist, und sie ist ferner unabhängig von der Strahlung der BeugungsOrdnung Null.
Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt ist, angenommen wird, daß ein Beugungselement 9 des Spurabschnitts 7 vor den
Lesefleck 11 zu liegen kommt, wird die aus der beleuchteten Zone des Aufzeichnungsträgers 10 austretende
Strahlung auf dessen Höhe stark gebeugt. Die Intensität der Komponente der Beugungsordnung Null wird auf
Kosten von gebeugten Komponenten höherer Beugungsordnungen abgeschwächt, die ausreichend weit divergieren,
daß die seitlichen Wandler 13 und 14 durch die gebeugten Strahlen 15 angestrahlt werden. Die Amplitude der
Spannungen Vq und V0 nimmt zu, und die Spannung ?„
wird entsprechend verringert. Der Gesamteffekt ist eine Verringerung der Spannung V(t).Die Fehlerspannung ε(t)
behält einen geringen Wert bei, solange der Fleck 11 das Beugungselement vollkommen bedeckt, aber sie nimmt
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einen merklichen positiven oder negativen Wert an, sobald der Fleck 11 entlang der Y-Achse ausreichend weit dezentriert
ist, daß das Beugungselement 9 nur noch teilweise von dem Lesebündel 5 angestrahlt wird.
Zum besseren Verständnis ist in dem erläuternden Diagramm von Fig. 2 die Wirkungsweise der Lesevorrichtung nach der
Erfindung dargestellt.
Der obere Teil des Diagramms von Fig. 2 zeigt in Oberansicht die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10, wobei
ein Spurabschnitt 6 dargestellt ist, der aus einer Folge von Beugungselementen 9 besteht, die schraffiert gezeichnet
sind. Im Verlauf des Ablesens des SpurabSchnitts
bewegt sich der Lesefleck 11 relativ zu der Spur mit einer Ablaufgeschwindigkeit v, so daß er nacheinander
die Stellungen einnimmt, die durch die Rechtecke 110,
111, 112, 113» 114 dargestellt sind. Die drei ersten Stellungen 110, 111, 112 entsprechen einem zentrisch
zur Spur liegenden Lesefleck; die vierte Stellung 113
entspricht einer mäßigen Dezentrierung &«, und die fünfte
Stellung 114 entspricht einer stärkeren Dezentrierung ε~.
Es ist zu erkennen, daß der Lesefleck einen Bereich bestreicht, der zwischen zwei gestrichelt gezeichneten
Grenzlinien liegt, deren Abstand größer als die Breite der Beugungsspur 6 ist.
Die unter der Spur liegenden Diagramme zeigen die Änderungen
der Spannungen VM> VG, V0, (VQ + V^)/2, V(t) bzw.
ε(ΐ) als Funktion der Verstellung χ = vt des Leseflecks
Das Diagramm, das die Änderung 20 der vom Hauptwandler gelieferten Spannung VM angibt, läßt erkennen, daß die
Intensität der aufgefangenen Strahlung der BeugungsOrdnung
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Null bei jedem Vorbeigang eines Beugungselements 9 eine
Absenkung des Pegels erfährt, und daß diese Absenkung bei einer Dezentrierung des Leseflecks, die, wie für die
Stellung 113 dargestellt ist, auf ε beschränkt ist, keine Änderung erfährt.
Bei der Stellung 114 des Leseflecks ist festzustellen, daß die Pegelabsenkung weniger stark ist, denn der Lesefleck bedeckt das Beugungselement 9 wegen der Dezentrierung
ε~, die größer als die Dezentrierung ε. ist, nur
noch teilweise.
Die Diagramme, welche die Änderungen 21, 22, 23 der Spannungen Vq, Vß bzw. (V« + VD)/2 zeigt, lassen den
entgegengesetzten Effekt erkennen; d.h., daß beim Vorbeigang
eines Beugungselements eine Pegelerhöhung festzustellen ist. Diese Pegelerhöhung ist bis zu der
Stellung 113 konstant und gleichmäßig aufgeteilt, während sie infolge . der Dezentrierung e„ bei der Stellung
ungleichmäßig aufgeteilt wird. Diese ungleiche Aufteilung wird bei dem Mittelwert (Vß + Vß)/2 der von den seitlichen
Wandlern 13 und 14 gelieferten Spannungen teilweise kompensiert.
Das Diagramm, das die Änderung 24 der Ausgangsspannung V(t) des Lesesystems zeigt, ist eine Rechteckkurve, deren
ansteigenden und abfallenden Flanken wegen der" geringen
Breite des Leseflecks in der Ablaufrichtung verhältnismäßig steil sind. Da der Lesefleck eine längliche Form
hat, ist zu erkennen, daß eine Verringerung des Pegels des Signals V(t) erst dann zu beobachten ist, wenn die
Dezentrierung größer als ε. wird.
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Das Lesesignal V(t) ermöglicht demzufolge eine gute Auflösung, und es weisb ferner unter dem Einfluß von Dezentrierungen,
die kleiner als der Wert ε^ sind, keine Amplitudenschwankungen auf.
Das Fehlersignal e(t) ist für die drei zentrierten ersten Stellungen 110,111,112 des Leseflecks offensichtlich
Null, und es ist auch für die Stellung 113 Null, die
der Dezentrierung ε., entspricht. Ein Fehlersignal £(t)
erscheint erst bei einer Dezentrierung ε_, die größer
als ε.. ist, und sein Vorzeichen 25 oder 26 hängt von
der Richtung der Dezentrierung ab.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung von Fig. 1 ist unter der Annahme beschrieben worden, daß die Oberfläche des
Aufzeichnungsträgers 10 beim Ablaufen in der XY-Ebene bleibt. Es ist jedoch unbedingt notwendig, daß die Lesevorrichtung
auch dann richtig funktionieren kann, wenn die Beugungsspur geringfügig oberhalb oder unterhalb
des -Punktes 0 abläuft. Insbesondere ist es notwendig, daß das Lesesignal V(t) bei Änderungen des Abstands
des Aufzeichnungsträgers 10 von dem Projektionsobjektiv für den Lesefleck eine gute Auflösung beibehält. Außerdem
ist es erforderlich, daß das Fehlersignal e(t) bei einer gegebenen Dezentrierung das gleiche Vorzeichen
beibehält, wenn sich die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10 vertikal von der idealen Lesestellung entfernt.
Die erfindungsgemäße Lesevorrichtung ermöglicht die Erfüllung dieser Bedingungen unter Berücksichtigung der
Beschaffenheit der Anstrahlungen, die von den photoelektrischen Wandlern empfangen werden. Die folgende Erläuterung
beruht auf der experimentellen Feststellung, daß die
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Anstrahlung der BeugungsOrdnung Null, die der Wandler
empfängt, Pseudo-Bilder der Beugungselemente einschließt, wenn die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10 höher oder
tiefer als der Mittelpunkt 0 des feinsten Leseflecks liegt.
In Fig. 3 ist die Lesevorrichtung von Fig. 1 bei (a) in
der XZ-Ebene und bei (b) in der YZ-Ebene schematisch im Schnitt dargestellt. Die Oberfläche 70 des Aufzeichnungsträgers
10 ist in der idealen Lesestellung durch eine volle Linie dargestellt, die mit der Schnittlinie der
Leseebene XY zusammenfällt. Ferner ist gestrichelt eine Stellung 71 der Oberfläche 70 dargestellt, in der sie
näher bei dem Objektiv 2 liegt, und eine Stellung 72, in der sie weiter von dem Objektiv 2 entfernt ist. Die
Ablaufrichtung der Oberfläche 70 des Aufzeichnungsträgers
ist durch den horizontalen Pfeil angegeben, und das Beugungselement 80 ist gerade dabei, in das Lesebündel 4
einzutreten, soweit es nicht bereits infolge einer zu hohen oder zu niedrigen Stellung des Aufzeichnungsträgers
in dem Lesebündel liegt. Bei den idealen Lesebedingungen liefert die im Bündel 4 enthaltene Strahlung der Beugungsordnung Null eine regelmäßige Anstrahlung der Detektorebene
Xq Yq, und es ist keine Störung zu beobachten, wenn das
Beugungselement 80 auf den Lesefleck trifft.
Wenn dagegen die Oberfläche 70 die Stellung 71 einnimmt, weist die von der Detektorebene XQ YQ empfangene Anstrahlung
der Beugungsordnung Null eine örtliche Störung 81 auf, die näherungsweise einem Pseudo-Bild des Beugungselements 80 gleichgesetzt werden kann; dieses Pseudo-Pseudo-Bild
bewegt sich in der Richtung des Pfeils 83 innerhalb der Ausdehnung des Lesebündels 4. Die gleiche
Erscheinung ist zu beobachten, wenn die Oberfläche 70 die Stellung 72 einnimmt, doch nimmt dann das Pseudo-Bild
des Beugungselements 80 die Stellung 82 ein, und
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es bewegt sich in der Richtung des Pfeils 84.
Das Vorhandensein dieser Störungen läßt sich experimentell
in der BeugungsOrdnung Null feststellen, jedoch nicht in
den Richtungen, die den höheren Beugungsordnungen entsprechen. Da diese Störungen die für die Führung der Lesevorrichtung
notwendige Fehlerspannung e(t) in unerwünschter
Weise beeinflußen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Wandler 13 und 14 der Einwirkung der Anstrahlung
der Beugungsordnung Null dadurch zu entziehen, daß der Öffnungswinkel des Bündels 4 verringert wird; somit
empfangen diese Wandler in den bei (b) dargestellten schraffierten Zonen 15 nur noch die in den höheren Beugungsordnungen
gebeugten Strahlen. Die Anstrahlung der Beugungsordnung Null und die Störungen, die sie bei einer vertikalen
Verstellung -der Oberfläche 70 aufweisen kann, wirken
nur noch auf den Wandler 12 ein. Da die Ausdehnung der Pseudo-Bilder 82 und 83 kleiner als diejenige des
Bündels 4 ist, kann die Auflösung des Lesesignals dadurch wesentlich verbessert werden, daß die Ausdehnung des Wandlers
12 verringert wird, wie bei (a) in Fig. 3 dargestellt ist.
Es ist zu bemerken, daß die Entkopplung zwischen der Beugungsordnung
Null und den höheren Beugungsordnungen, wie sie bei (b) in Fig. 3 dargestellt ist, nicht erhalten
werden könnte, wenn die Pupille des Objektivs 2 eine kreisrunde Form von großem Durchmesser hätte.
Die Lesevorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es, mit Hilfe eines Leseflecks von länglicher Form eine Beugungsspur abzulesen, deren Längsachse senkrecht zu der großen
Achse des Flecks orientiert ist. In diesem Fall darf sich der Lesefleck nicht über den Abstand von zwei benachbarten
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Spurabschnitten hinaus erstrecken. Dagegen ist es nicht
notwendig, daß die große Achse des Leseflecks senkrecht zu der Längsachse der Spur liegt; es genügt, wenn dafür
gesorgt wird, daß sich diese Achsen schneiden, doch weist das Lesesignal eine bessere Auflösung auf, wenn
der Schnittwinkel in der Nähe von 90° liegt.
Damit ein Lesefleck 11 von länglicher Form erhalten wird, ist es gemäß Fig. 1 vorgesehen, eine rechteckige Pupille
dadurch abzugrenzen, daß vor dem Projektionsobjektiv 2 eine Maske 1 angeordnet wird, die eine rechteckige Öffnung
hat, deren kleine Achse parallel zu der großen Achse des Leseflecks liegt. Diese zuletzt angegebene Winkelbeziehung
ist die Folge der Beugungseigenschafteneiner Öffnung. Wenn die Öffnung 3 rechteckig ist, wird die Verteilung
der komplexen Lichtamplituden in der Pupille des Objektivs 2 durch ein Produkt von Rechteckfunktionen ausgedrückt,
und diesem entspricht in der XY-Ebene, in welcher die Lesestrahlung konzentriert wird, eine Anstrahlung,
die durch die Furier-Transformierte dieser Verteilung mit zwei Veränderlichen ausgedrückt wird, d.h. eine
Anstrahlung, die dem folgenden Ausdruck proportional ist:
sin π a Χ/λ d . sinn b Y/Ad
naX TTbY
"XcT
worin λ die Wellenlänge der Lesestrahlung, d der Abstand
zwischen der XY-Ebene und dem Objektiv 2 und a, b die Abmessungen der rechteckigen Pupille sind.
Unter diesen Bedingungen erhält man in der Leseebene XY eine Beugungsfigur, die den wesentlichen Teil des
rechteckigen Leseflecks bildet. Natürlich ist es auch möglich, dem Objektiv 2 einen optischen Schirm mit ungleichförmiger
Lichtdurchlässigkeit zuzuordnen, der in
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der Lage ist, eine Apodisation der Beugungsfigur zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Lesevorrichtung kann auch an das Ablesen einer Beugungsspur durch Reflexion angepaßt
werden.
Fig. 4 zeigt einen Beugungsspuräbschnitt 7» der in der
Leseebene XY liegt und durch einen Lesefleck 11 von länglicher Form angestrahlt wird, der durch den nicht
schraffierten Bereich des Objektivs 2 projiziert wird.
Das Objektiv 2 empfängt einen Teil der Strahlung, die von dem punktförmigen Brennpunkt S kommt, an dem eine
sphärische Sammellinse 28 die von einer Quelle 29 abgegebene Strahlungsenergie konvergieren läßt. Wandler
13 und 14, deren empfindliche Fläche zum Objektiv 2 hin gewandt ist, sind so angeordnet, daß sie einen
Teil der vom Brennpunkt S stammenden und über eine halbdurchlässige Platte 27 übertragenen Strahlung abfangen?
die Form der Wandler 13 und 14 und die von ihnen eingenommene Stellung sind so gewählt, daß die
von ihnen auf die Eintrittsfläche des Objektivs 2 geworfenen Schatten einen beleuchteten rechteckigen Bereich
abgrenzen, der zwischen den beiden schraffierten Zonen liegt. Die Orientierung des beleuchteten Bereichs
liegt in der Ablaufrichtung der Spur, während der Lesefleck, der aufgrund dieses Bereichs projiziert
wird, die Spur senkrecht schneidet.
Ein Hauptwandler 12 ist so angeordnet, daß sein von der halbdurchlässigen Platte 27 reflektiertes Bild
dem Brennpunkt S überlagert wird. Die drei Wandler sind in der gleichen V/eise wie in Fig. 1 mit zwei
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Differenzverstärkern 16 und 17 verbunden.
Die die Spur 7 tragende Oberfläche des Aufzeichnungsträgers ist eine reflektierende Fläche, die dann, wenn
kein Beugungselement 9 im Weg des Lesebündels 5 vorhanden ist, zu dem Objektiv 2 eine Strahlung 4 der Beugungsordnung Null zurückwirft, welche durch das Objektiv hindurchgeht,
ohne auf die Wandler 13 und 14 zu treffen; diese reflektierte Strahlung der BeugungsOrdnung Null,
die das Bestreben hat, im Brennpunkt S zu konvergieren, wird von der halbdurchlässigen Platte 27 zum Wandler 12
umgelenkt.
Wenn unter dem Lesebündel 5 ein Beugungselement 9 vorhanden ist, erfährt die in der BeugungsOrdnung Null reflektierte
Strahlung eine Absenkung der Intensität. Rings um das Bündel 4 entstehen gebeugte Strahlungen höherer Beugungsordnungen,
die durch die schraffierten Zonen des Objektivs 2 auf die empfindlichen Flächen der seitlichen
Wandler 13 und 14 gerichtet werden. Somit sind die von den drei Wandlern empfangenen Strahlungen im wesentlichen
von gleicher Art wie die in der Vorrichtung von Fig. 1 aufgefangenen Strahlungen. Da der Wandler 12 ein punktförmiger
Wandler ist, kann der Winkelbereich des Empfangs des Bündels dar BeugungsOrdnung Null dadurch begrenzt werden,
daß nur ein mittlerer Streifen der halbdurchlassigen
Platte 27 metallisiert wird.
Bei den in Fig. 1 und 4 dargestellten Lesevorrichtungen wird eine quasi-punktförmige Strahlungsquelle S angewendet.
Ein Teil der Strahlungsenergie wird infolge der Abgrenzung des Lesebündels durch eine Maske mit einer
öffnung von länglicher Form geopfert. Damit diese Verschwendung an Strahlungsenergie vermieden wird, ist es
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erfindungsgemäß vorgesehen, der sphärischen Optik des
Projektionsobjektivs eine Zylinderoptik zuzuordnen, die in der Lage ist, den Querschnitt des von der Strahlungsquelle
abgegebenen Bündels in einer Richtung zu verändern, damit ihm die für das Lesen erforderliche längliche Form
erteilt wird.
In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform der Lesevorrichtung
nach der Erfindung dargestellt, bei welcher angenommen ist, daß eine nicht dargestellte Strahlungsquelle
ein paralleles Bündel 32 liefert, das einen Querschnitt hat, dessen Dimension gleich der kleinsten Dimension
der länglichen Pupille des ProjektionsObjektivs 2
ist. Das Bündel 32 kann beispielsweise von einem Laser geliefert werden, auf den gegebenenfalls eine afokale
Optik zur Verbreiterung des Bündels folgt. Die Anpassung des Bündels 32 an den rechteckigen Querschnitt der Pupille
des Projektionsobjektivs 2 wird mit Hilfe einer anamorphotischen optischen Vorrichtung erhalten, die in Fig.
aus einer zylindrischen Streulinse 31 und einer zylindrischen Sammellinse 30 besteht. Bei dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 5 haben die Linsen 31 und 30 eine gemeinsame Brennlinie, die dadurch gefunden v/erden kann, daß die
Strahlen 33 zu der Strahlungsquelle hin verlängert werden. Auf das Projektionsobjektiv 2, das eine sphärische
Linse ist, fällt dann eine parallele Strahlung ein, und der Brennpunkt dieses Objektivs liegt an dem Kreuzungspunkt der Strahlen 4 auf der die Ablaufrichtung enthaltenden
X-Achse, die zu der Leseebene gehört.
Fig. 5 zeigt auch, daß die Wandler 12, 13 und 14 nicht notwendigerweise in der gleichen Ebene liegen. Es ist
auch möglich, die Linsen 31 und 30 durch eine andere
anamorphot!sehe optische Vorrichtung zu ersetzen,
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beispielsweise durch ein oder mehrere Prismen, deren
Dreieckflächen senkrecht zu einer der Symmetrieachsen der länglichen Pupille des Objektivs 2 liegen. Bei Verwendung
einer kohärenten Leselichtquelle kann die Gesamtheit der geformten Linsen des optischen Projektionssystems durch eine holographische Linse ersetzt werden,
welche die gleichen optischen Eigenschaften wie die in Fig. 1, 4 oder 5 dargestellten optischen Anordnungen
hat. Natürlich können auch Fresnel-Linsen in dem optischen Projektionssystem nach der Erfindung verwendet
werden.
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Claims (9)
- Patentansprüche1J Vorrichtung zinn optischen Ablesen einer Beugungsspur vorbestimmter Breite, die auf einem Informationsträger aufgezeichnet ist und in einer LesefläGhe des Informationsträgers eine Folge von beugenden Elementen enthält, mit einer Strahlungsquelle, welche auf die Lesefläche mit Hilfe eines optischen Projektionssystems einen Lesefleck projiziert, und mit photoelektrischen Einrichtun-r gen, welche die Strahlung empfangen, die aus dem von dem Lesefleck angestrahlten Abschnitt der Lesefläche austritt, wobei das optische Projektionssystem in der Lage ist, aufgrund der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung einen Lesefleck von länglicher Form zu bilden, dessen große Achse die Längsachse der Spur schneidet und der im Verlauf der Ablesung die Lesefläche in einem Bereich bestreicht, dessen Breite größer als die Breite der Beugungsspur ist, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen einen photoelektrischen Hauptwandler, photoelektrische Hilfswandlereinrichtungen und elektrische EirrLchtungen zur übertragung der von dem Hauptwandler und den Hilfseinrichtungen gelieferten Signale enthalten, daß der Hauptwandler wenigstens einen Teil der gebeugten Komponente der Beugungsordnung Null auf-. nimmt, die in der aus dem angestrahlten Abschnitt der Lesefläche austretenden Strahlung enthalten ist, und daß die Hilfswandlereinrichtungen gebeugte Komponenten höherer Beugungsordnungen aufnehmen, die außerhalb des Bündels liegen, das die gebeugte Komponente der BeugungsOrdnung Null enthält.409837/0804
- 2. Optische Lesevorrichtung nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswandlereinrichtungen zwei seitliche Wandler enthalten, die auf der einen bzw. auf der anderen Seite der Ebene liegen, welche die Längsachse der Spur und die optische Achse des optischen Projektionssystems enthält, und daß die elektrischen Übertragungseinrichtungen einen ersten Differenzverstärker enthalten, dessen beiden Eingängen die Ausgangssignale der beiden seitlichen Wandler zugeführt werden, sowie einen zweiten Differenzverstärker, dessen beiden Eingängen die Ausgangssignale des Hauptwandlers bzw. der Mittelwert der von den beiden seitlichen Wandlern gelieferten Spannungen zugeführt werden.
- 3. Optische Lesevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Projektionssystem ein Projektionsobjektiv enthält,dem eine lichtundurchlässige Maske zugeordnet ist, die eine Öffnung von länglicher Form aufweist, daß der geometrische Mittelpunkt der Konvergenz der von dem Objektiv ausgehenden Strahlung für die ideale Leseposition in der Lesefläche und im Mittelpunkt des Lichtflecks liegt, daß der Hauptwandler im Innern des Umrisses der kegelförmigen Projektion in Bezug auf den geometrischen Mittelpunkt des Umfangs der Öffnung liegt, und daß die Hilfswandlereinrichtungen außerhalb dieses Umrisses liegen.
- 4. Optische Lesevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Maske eine rechteckige Öffnung ist, deren große Achse mit der optischen Achse des Projektionssystems eine Ebene bildet, welche die Längsachse der Spur enthält.409837/0804
- 5. Optische Lesevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Projektionssystem ein Projektionsobjektiv enthält, das die von der Quelle ausgehende Strahlung in einem geometrischen Konvergenzpunkt konvergieren läßt, der für die ideale Leseposition in der Lesefläche liegt, daß die seitlichen Wandler zwischen der Strahlungsquelle und der Eintrittsfläche des Projektionsobjektivs angeordnet sind, so daß die von ihnen geworfenen Schatten eine Pupille von länglicher Form abgrenzen, und daß der Hauptwandler über eine zwischen die seitlichen Wandler und die Strahlungsquelle eingefügte halbdurchlässige Platte einen Teil der von der Lesefläche reflektierten gebeugten Komponente der Beugungsordnung Null empfängt.
- 6. Optische Lesevorrichtung nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle und der Eintrittsfläche des Projek-■tionsObjektivs anormophotische optische Übertragungseinrichtungen angeordnet sind, die dem von der Strahlungsquelle abgegebenen Bündel einen länglichen Querschnitt erteilen.
- 7. Optische Lesevorrichtungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anomorphotischen Einrichtungen eine zylindrische Streulinse und eine zylindrische Sammellinse enthalten, die eine gemeinsame Brennlinie haben, die senkrecht zu der Längsachse der Spur gerichtet ist.
- 8. Optische Lesevorrichtung nach einem der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Projektionssystem ein Projektionsobjektiv enthält,409837/0804dem optische Filtereinrichtungen mit ungleichförmiger Lichtdurchlässigkeit zur Apodisation der in die Lesefläche projezierten Beugungsfigur zugeordnet sind, damit die Beugungsfigur im wesentlichen dem Lesefleck entspricht.
- 9. Optische Lesevorrichtung nach einem der Ansprüche bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das optische Projektionssystem wenigstens eine holographische Linse enthält, und daß die Strahlungsquelle eine kohärente Strahlungsquelle ist.409837/0804
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