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Optisches Verfahren zum Speichern und Wiedergewinnen digitaler Daten
Die Er#indung bezieht sich auf ein optisches Verfahren zum Speichern und Wiedergewinnen
digitaler Daten mit einer rotierenden Speicherplatte, über die ein Lichtstrahl geführt
wird.
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Es sind bereits digitale Speichersysteme bekannt, die die hohe Speicherdichte,
die mit optischen Methoden erreichbar ist, wird ausnutzen, z.B.1in der US-Patentschrift
3 624 284 für photographische Aufzeichnung digitaler Daten ein Abspielsystem einschl.
eines optischen Scanners beschrieben. Der Scanner dieses Systems lenkt einen Lichtstrahl
in zwei Dimensionen
so ab, daß die Daten in Form einer Spirale auf
einer feststehenden Platte aufgezeichnet werden. Dieses Verfahren besitzt jedoch
die folgenden Nachteile: Es können nicht die extrem hohen Speicherdichten, die bei
der optischen Aufzeichnung#prin zipiell möglich sind, erreicht werden, da der Lichtstrahl
beim Wiedergewinnen der Daten dadurch entlang der Datenspirale geführt wird, daß
durch den Scanner abwechselnd die rechte und die linke Hälfte der Datenspur abgetastet
wird, und dafür ein bestimmter ungenutzter Zwischenraum zwischen den Datenspuren
vorhanden sein muß. Weiterhin besitzt dieses Verfahren keinen wahlfreien Zugriff
zu den gespeicherten Daten, da der Scanner vom äußeren Rand an der Spirale, in der
die Daten aufgezeichnet sind, folgen muß.
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Des weitern sind Speichersysteme bekannt, bei denen die Daten mit
optischen Mitteln auf einer rotierenden Platte gespeichert werden, z.B. das in der
Philips Technischen Rundschau Band 33, Seiten 190-192 (1973/74) beschriebene "VLP"-System.
Das bekannte Verfahren ist für die digitale Datenspeicherung jedoch nicht sehr vorteilhaft.
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Das Objektiv, das den Lichtstrahl beim Wiedergewinnen der Daten auf
die Speicherschicht fokussiert, muß nämlich in radialer Richtung durch ein mechanisches
System über die Platte geführt werden. Ferner muß die Datenspirale eine ausgeprägte
Struktur senkrecht zur radialen Richtung besitzen, damit von dieser ein Regelsignal
für die Steuerung des Objektivs in radialer Richtung abgeleitet werden kann. Beim
t'VLP-System werden deshalb die
Daten in analoger Form in länglichen
Strichen variabler Länge gespeichert. Durch dieses analoge Verfahren ist die Qualität
des Signals, das beim Abspielen wiedergewonnen wird, begrenzt.
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Weiterhin wird zur Führung des Lesesystems auf der Datenspur der Lichtstrahl
in drei Teilstrahlen aufgespalten, von denen einer auf die Datenspur zentriert wird
und die beiden anderen den rechten bzw. linken Rand der Datenspur abtasten. Das
bedeutet, daß zwischen den Datenspuren genügend Raum gelassen werden muß, wodurch
die Speicherdichte eingeschränkt wird.
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Zudem ist ein positionsempfindliches Detektorsystem bzw. sind mehrere
Detektoren erforderli#n, um die Stellung des StrahlenbUndels zur Datenspur zu messen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren
zu vermeiden und bei höherer Speicherdichte die Führung des Lichtstrahls und deren
Kontrolle zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Speicherschicht durch einen
ablenkgesteuerten Lichtstrahl in Abhängigkeit von Daten physikalisch veränderbar
ist oder den Lichtstrahl ändert, die Daten in Form von Datenblöcken auf einer Spirale
so angeordnet sind, daß sich zwischen den Datenblöcken abwechselnd ein kleines Fffhrungssegment
oder ein unbeschriebenes Segment befindet, die Länge der in Winkelgraden gemessenen
Einheit, bestehend aus Datenblock und Führungssegment und der Einheit, bestehend
aus Datenblock und unbeschriebenem Segment, gleichgroß ist und so gewählt wird,
daß auf jedem Umlauf der Spirale die gleiche
ungerade Anzahl von
Einheiten liegt und die Spirale in Sektoren eingeteilt wird, die nur Datenblöcke
enthalten oder nur Führungssegmente bzw. unbeschriebene Segmente, und in jedem Sektor
mit Führungssegment der radiale Abstand zwischen diesen doppelt so groß ist wie
der zwischen den Dttenblöcken in jedem Sektor mit Datenblöcken, die Spirale durch
den Lichtstrahl optisch adressiert und dessen Fokussierung auf die Spirale durch
ein relativ zur Platte festes Objektiv vorgenommen wird, der Lichtstrahl auf die
Spirale über ein Ablenksystem gesteuert wird, so daß er im wesentlichen der Spirale
folgt, und kurzzeitig -aus der Abtastung der Führungssegmente über ein Detektorsystem
radiale Bewegungen der Speicherplatte gemessen und daraus Regelsignale für das Ablenksystem
zum Ausgleich ungewollter radialer Bewegungen der Spirale abgeleitet werden.
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Die Datenspur braucht keine bevorzugte Struktur zu besitzen, da nur
ein Lichtstrahl verwendet wird, mit dem sowohl das Schreiben bzw. Lesen von Daten
als auch die Kontrolle der Führung entlang der Datenspur ausgeübt wird.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar.
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Es zeigen Fig. 1 eine Speicherplatte mit Spurenaufteilung, Fig. 2
ein Blockschaltbild eines Gerätes zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 ein Detail
der Spurenanordnung auf einer Speicherplatte.
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Die Speicherplatte liegt auf einem rotierenden Plattenteller.
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Sie kann z.B. aus einer dicken Glassubstratplatte bestehen, auf die
das Speichermaterial in Form einer dünnen Metall- oder Kunststoffschicht aufgebracht
ist. Es ist bekannt, daß in solchen Schichten mit einem fokussierten Lichtstrahl
lokal ein Loch eingebrannt oder lokal die Absorption oder Reflexion verändert werden
kann. In einer weiteren Ausführungsform kann die Speicherschicht aus einer dünnen
magnetooptischen Schicht bestehen, in der durch Erwärmung mittels des fokussierten
Lichtstrahls und unter gleichzeitiger Einwirkung eines angelegten Magnetfeldes magnetische
Domänen umgeschaltet werden können.
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Im Prinzip kann jede durch den Lichtstrahl bewirkte physikalische
oder materielle Änderung des Speichermaterials verwendet werden, sofern diese Änderungen
örtlich und von Dauer sind.
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Auf der Speicherplatte werden die digitalen Daten in Datenblöcken
D1 auf einer Spirale m angeordnet. Zwischen den Datenblöcken entlang der Spirale
ist abwechselnd ein unbeschriebenes Segment SG und ein Führungssegrnent FSG angeordnet.
Das Führungssegment FSG kann eine glatte Spur sein oder aus digitalen Daten in einem
speziellen Code bestehen. Unbeschriebenes Segnent SG und Führungssegment FSG haben
die gleiche Länge in Winkelgraden. Es ergibt sich also die nachstehende periodische
Anordnung auf der Spirale: .......-Datenblock D1 - Führungssegment FSG - Datenblock
D2 - unbeschriebenes Segment SG -Datenblock D3 - Führungssegment FSG ...... . Durchläuft
man die Spirale D $ so soll innerhalb der Datenblöcke D die Bitdichte pro durchlaufenen
Winkel konstant bleiben. Das entspricht
einem konstanten Datenfluß
bei einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit der Speicherplatte. Die Länge der
Bin heiten (Datenblock und FUhrungssegment) bzw. (Datenblock und unbeschriebenes
Segment) wird so gewählt, daß auf einem vollständigen Umlauf auf der Spirale eine
ungerade Anzahl N dieser Einheiten Platz findet. Die Speicherplatte wird dadurch
in Sektoren S1 S2......SN unterteilt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In den Untersektoren
FS1, FS2......FSN sind die Führungssegmente FSG und die unbeschriebenen Segmente
SO in alternierender Folge angeordnet, wenn man sich auf einen Untersektor FS in
radialer Richtung auf der Platte bewegt. Der radiale Abstand zwischen den Führungssegmenten
FSG ... ist also doppelt so groß wie der zwischen den Datenspiralen DS.... Dies
ist einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung. Auf beiden Seiten der Führungssegmente
FSG .... ist also genügerid Platz, um diese seitlich abtasten zu können; dagegen
können die Datenspiralen D5........ D soso dicht wie möglich aneinander gepackt
werden. Dadurch wird eine extrem hohe Speicherdichte erreicht.
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Die Spirale beginnt mit einem Umlauf, der nur aus Führungssegmenten
FSG' besteht und der so eingeteilt ist, daß er sich der oben erwähnten Periodizität
anpaßt. Zum Beispiel können die Spiralabschnitte, die in die Sektoren S1, S2.....
SN der Führungssegmente FSG, die gegebenenfalls auch etwas breiter als die der Datenspirale
sein kann, besitzen und die Spiralabschnitte, die in die Sektoren S, S4 SN 1 fallen,
unbeschrieben bleiben, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In einer anderen Ausführungsform
haben nur die Spiralabschnitte, die
in die Untersektoren FS1, Es3,....,
FSN fallen, die Struktur der Führungssegmente und der Rest des ersten Umlaufs der
Spirale ist unbeschrieben.
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Das optische System für einen Speicher, der nach dem vorgeschlagenen
Verfahren arbeitet, besteht nach Fig. 2 aus einer Lichtquelle 1, einem Modulator
1a, zwei Stufen 2, 3 eines schnellen Lichtablenkers, einer Aufweitungsoptik 4, einem
im Vergleich zum schnellen Lichtablenker langsamen Lichtablenker 5, einem Objektiv
6, einer Linse 12 und einem feststehenden, positionsunempfindlichen Photodetektor
13.
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Mit dem Modulator 1a kann der Lichtstrahl auf wenigstens zwei Intensitätsstufen
geschaltet werden. Die hohe Intensitätsstufe wird zum Schreiben der Daten verwendet
und muß ausreichen, um den Zustand des Speichermaterials zu verändern. Die niedrige
Intensitätsstufe wird beim Lesen der Daten und zum Abtasten der Führungssegmente
verwendet. Sie darf den Zustand der Speicherschicht 15 nicht verändern.
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Der schnelle Lichtablenker kann in bekannter Weise durch einen digitalen
elektrooptischen Lichtablenker, wie er z.B. von U.J.
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Schmidt in Physics Letters, Band 12, Seiten 205-206 (1964) beschrieben
wurde, oder durch einen akustooptischen Lichtablenker, wie er z.B. von R.W.Dixon
in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-17, Seiten 229-235 (1969) beschrieben
wurde, ausgeführt werden. Diese Lichtablenkertypen können einen Lichtstrahl innerhalb
von Mikrosekunden in die ge-#dnschte Richtung
ablenken. Falls der
schnelle Lichtablenker durch einen digitalen elektrooptischen Lichtablenker verwirklicht
wird, kann dieser auch die Funktion des Modulators -übernehmen.
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Der langsame Lichtablenker 5 kann in bekannter Weise dadurch verwirklicht
werden, daß der Lichtstrahl durch einen piezoelektrisch oder elektrodynamisch gesteuerten
Spiegel 5' abgelenkt wird.Derartige Systeme können einen Lichtstrahl innerhalb von
Millisekunden in jede gewünschte Richtung ablenken.
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Durch das Objektiv 6 werden die Lichtstrahlrichtungen, die durch die
beiden Lichtablenksysteme erzeugt werden, in Brennfleckpositionen auf der Speicherschicht
15 der Speicherplatte 14 überführt.
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Das Verfahren benötigt nur einen feststehenden ortsunempfindlichen
Detektor 13. Dieser ist en##ieder hinter der Speicherschicht, falls in Transmission,
oder vor der Speicherschicht, falls in Reflexion ausgelesen wird, angebracht. Falls
in Reflexion ausgelesen wird, wird der Spiegel 5' des langsamen Lichtablenkers 5
durch einen Strahlteilerwürfel ersetzt. Vor dem Detektor 13 befindet sich eine Linse
12, durch die das Licht, das von der Speicherschicht 15 reflektiert oder transmittiert
wird, auf den Detektor gebündelt wird.
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Die beiden Strahlrichtungen, die durch die erste Stufe 2 des schnellen
Lichtablenkers wahlweise angesteuert werden können,
entsprechen
zwei halbüberlappenden Brennfleckpositionen auf der Speicherplatte 14, mit denen
die Führungssegmente abgetastet werden. Durch die zweite Stufe 3 des schnellen Lichtablenkers
kann der Lichtstrahl auf das benachbarte Führungssegment des vorhergehenden Umlaufes
der Spirale geschaltet werden, falls der Lichtstrahl auf ein unbeschriebenes Segment
im Untersektor trifft, in dem das entsprechende Führungssegment liegt.
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Der langsame Lichtablenker 5 lenkt den Lichtstrahl so ab, daß bei
einem Umlauf der Speicherplatte 14 ein Umlauf der Spirale beschrieben oder gelesen
wird. Mit diesem Lichtablenker 5 können mehrere Tausend Richtungen angesteuerlwerden.
Diese Strahlrichtungen werden durch das Objektiv 6 in ebenso viele Brennfleckpositionen
auf der Speicherschicht 15 abgebildet. Ihre Zahl ist gleich der Zahl der Umläufe
der Spirale.
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Die Lichtquelle 1, der Modulator 1a und die Lichtablenkersysteme 2,
3 unt 5 befinden sich auf einer festen Grundplatte 20. Man muß jedoch davon ausgehen,
daß die rotierende Speicherplatte 14 bezüglich dieser Grundplatte kleine Bewegungen
in radialer und vertikaler Richtung ausführt.
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Die Bewegungen der Speicherplatte 14 in radialer Richtung werden durch
kleine Drehbewegungen des Spiegels 5' des langsamen Lichtablenkers 5 ausgeglichen.
Wenn der Lichtstrahl auf bestimmte Untersektoren FS. trifft, wird mit Hilfe des
schnellen Lichtablenkers 2,3 ein Führungssegment rechts und links abgetastet.
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Aus einem sich daraus ergebenden Differenzsignal in einer Spurmagnetstufe
24 wird abgeleitet, nach welcher Seite des
Führungssegments der
Lichtstrahl ausgewandert ist. Mit dem über einen Verteiler 25 gegebenen Differenzsignal
wird nach Verstärkung in Stufe 26 der langsame Lichtablenker über eine Steuer-:Elektroniks
27 angesteuert und der Lichtstrahl auf das Führungssegment zurückgeführt.
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Die kleinen Bewegungen der Speicherplatte 14 in vertikaler Richtung
werden mit Hilfe eines Kapazitäts- Meß- und Regelsystems 19 ausgeglichen. Dieses
Verfahren wurde z.B. in der Philips Technischen Rundschau Band 33, Seiten 202 -
205 (1973/74) beschrieben. Das Objektiv 6 hat bei einer Auflösung von mehreren Tausend
Punkten mit einem Punktabstand von 2 Mikrometern nur eine Schärfentiefe von 7 Mikrometern.
Sein Abstand zur Speicherschicht 15 muß deshalb auf 1 - 2 Mikrometer genau eingehalten
werden. Dazu ist das Objektiv 6 auf zwei Piezosäulen 10, 11 befestigt, die wiederum
auf der festen Grundplatte gehaltert sind. Am Rande des Bildfeldes des Objektivs
6 wird die Kapazität zwischen am Objektiv befestigten Kondensatorplatten 7,8 und
metallisierten Ringelektroden, die direkt auf der Speicherplatte 14 aufgedampft
sind, gemessen und Signale gewonnen, mit denen die beiden Piezosäulen 10, 11 angesteuert
werden.
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Zum Einschreiben wird die Dateneingabe 23 durch einen Taktgenerator
21. gesteuert. Mit Hilfe des Taktgenerators werden auch die digitalen Daten zu Datenblöcken
zusammengefaßt und die Einteilung der Speicherplatte 14 in eine ungerade Zahl N
von Sektoren vorgenommen sowie der Plattenrotationsantrieb 16 durch eine Regelstufe
17 gesteuert. Vor dem ersten Einschreiben von
Daten wird eine Führungsspur
auf den ersten Umlauf der Spirale eingeschrieben. Die Periode, in der die Führungssegmente
in den Sektoren S oder Untersektoren FS angebracht werden, wird vom Taktgenerator
21 geliefert. Der erste Umlauf der Spirale wird durch den langsamen Lichtablenker
5 erzeugt, der durch einen Sägezahngenerator 22 über eine Steuer-Elektronikstufe
27 angesteuert wird. Bei den nun folgenden weiteren Umläufen der Spirale wird ein
fester Abstand zur ersten Spirale eingehalten, indem mit dem schnellen Lichtablenker
2,3 zwischenzeitlich die Führungssegmente des vorhergehenden Umlaufs auf der Spirale
abgetastet werden und bezüglich dieses Umlaufs der Lichtablenker 5 erforderlichenfalls
nachgeführt wird.
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Im folgenden wird ein vollständiger Zyklus beim Einschreibvorgang
genauer beschrieben: Es wird angenommen, daß gerade der zweite Umlauf der Spirale
beschrieben wird und daß durch die von der 5 urma netstufe 24 angesteuerte/ zweite
Stufe j des schnellen Lichtablenkers gerade der Lichtstrahl vom Ende des ersten
Umlaufs der Spirale auf den Beginn des ersten Umlaufs im Untersektor FS1 umgeschaltet
wurde. In FS1 wird nun mit Hilfe der ersten Stufe 2 des schnellen Lichtablenkers
das Führungssegment abgetastet und der Lichtablenker 5 gegebenenfalls nachgestellt.
Durch ein vom Taktgenerator 21 abgeleitetes Signal wird der Lichtstrahl vom Führungssegment
mit der zweiten Stufe 3 des schnellen Lichtablenkers zurück auf den zweiten Umlauf
der Spirale geschaltet. Von hier im Sektor S1 bis zum Beginn des Sektors S3 wird
der langsame Licht, ablenker 5 durch einen Sägezahngenerator 22 gesteuert und erst
wieder
durch Springen auf das Führungssegment des ersten Umlaufs im Untersektor FS3 kontrolliert
und gegebenenfalls nachgestellt.
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Der Lichtmodulator 1a wird nun über die Dateneingabe 23 angesteuert
und ein Datenblock im Sektor S1 eingeschrieben. Beim Eintreffen am Sektor S2 wird
ein neues Führungssegment im Untersektor FS2 des zweiten Umlaufs der Spirale eingeschrieben
und anschließend ein Datenblock im Sektor S2. Darauf wird der Lichtstrahl durch
die zweite Stufe 3 des schnellen Lichtablenkers auf das Führungssegment im Untersektor
FS3 des ersten Umlaufs der Spirale schnell abgelenkt und der beschriebene Zyklus
läuft von neuem ab.
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Beim Lesevorgang wird die Intensität des Lichtstrahls durch den Modulator
1a auf die Leseintensität reduziert und mit Hilfe der beiden Lichtbildablenksysteme
2,3 und 5 und des Detektors 13 zuerst der erste Umlauf der Spirale, welcher nur
Führungssegmente enthält, aufgesucht. Nun kann entweder die gesamte Spirale abgetastet
werden, wobei jetzt der langsame Lichtablenker 5 nur einen Sektor frei zu durchlaufen
braucht, da im Gegensatz zum Schreiben entweder das Führungssegment im gerade abgetasteten
Umlauf oder falls ein unbeschriebenes Segment im Umlauf angetroffen wird, das Führungssegment
des vorhergehenden Umlaufs zur Nachjustierung des langsamen Lichtablenkers 5 benutzt
werden kann.
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Das Verfahren gewährt aber auch wahlfreien Zugriff zu jedem
Datenblock.
Wie man dazu vorgeht, ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der langsame Lichtablenker 5 vollführt eine auf die Platte rotation
zeitlich abgestimmte kontinuierliche Ablenkbewegung und sucht vom Beginn der Führungsspirale
(a) im Sektor S1 entweder das Führungssegment (a') des Sektors S2 auf dem nächsten
Umlauf der Spirale auf oder allgemeiner ein Führungssegment im Sektor 5 auf dem
k2-ten Umlauf der Spirale. Der Lichtab-1+k1 lenker 5 wird, wenn dieses Führungssegment
erreicht ist, durch Abtasten dieses Führungssegmentes auf dieser Position kurzzeitig
eingefangen. Von dort aus wird zeitlich abgestimmt mit der Plattenrotation, die
kontinuierliche Ablenkbewegung zum nächsten ausgewählten und weiter innen auf der
Spirale gelegenen Führungssegment neu gestartet. Auf diese Weise kann mit dem Lichtablenker
5 ein gewünschter Umlauf der Spirale erreicht werden und in diesem Umlauf der gewünschte
Datenblock D aufgesucht werden.
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Die wahlfreie Zugriffszeit beträgt höchstens die Zeit für zwei Plattenumdrehungen,
falls beim radialen Abfahren der Spirale das Führungssegment des nächstfolgenden
Sektors im nächstfolgenden Umlauf der Spirale aufgesucht wird un-d die Gesamtzahl
der Umläufe der Spirale kleiner oder gleich der Anzahl der Sektoren ist.
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Patentansprüche: