DE2619232A1

DE2619232A1 - Optische projektionsvorrichtung und damit ausgestatteter optischer leser

Info

Publication number: DE2619232A1
Application number: DE19762619232
Authority: DE
Inventors: Claude Bricot; Francois Le Carbennec; Jean-Pierre Lacotte; Claude Puech
Original assignee: Thomson-Brandt SA
Current assignee: Thomson-Brandt SA
Priority date: 1975-04-30
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1976-11-11
Also published as: FR2309888B1; FR2309888A1; JPS5931776B2; CA1071330A; JPS51134604A; GB1541596A

Description

	Patentanwälte	' - - - ■■ \.
Dipl.-fng. E. Prinz	DipL-Chem- Dr. G. Hauser	DipWng. G.-Leiser.4 ^
	Ern^b^rgerstrasse 19	26
	8 München 60

30. April

THOMSON - BRANDT
173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 1996 .

Optische Projekti pns vor richtung und damit ausgestatteter optischer

Leser

Die Erfindung bezieht sich auf das optische Lesen von Informationen, die auf einer Spur eingetragen sind, welche auf einem platten- oder bandförmigen beweglichen Träger angebracht ist,' und betrifft insbesondere eine optische Projektionsvorrichtung und einen mit einer solchen Vorrichtung versehenen optischen Leser.

Bei dem optischen Lesen von Informationen, die mit hoher Dichte aufgezeichnet sind, stellt sich das Problem der genauen Fokussierung

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des Lichtbündels auf die Spür, die durch einen Fleck mit sehr kleiner Abmessung mit Hilfe einer optischen Projektionsvorrichtung beleuchtet werden soll.

Es ist bekannt, die Verschiebung eines Elements der optischen Lesevorrichtung, mit welchem die Vertikal verschiebung des Fokussierungsflecks verknüpft ist, einem Fehlersignal nachzu— regeln, welches für die Abweichung zwischen der Spur und dem Fokussierungsfleck kennzeichnend ist. Die entsprechenden optischen Leser gestatten zwar, die Verschiebung des Fokussierungsflecks den langsamen Änderungen dieser Abweichung nachzuregeln, ihre Geschwindigkeit ist jedoch zu gering, um punktförmige Fehler zu kompensieren, wenn sich die Abweichung schnell ändert*

Die Erfindung schafft einen folgegeregelten optischen Leser, bei welchem dieser Nachteil vermieden wird, indem die Verschiebungen von zwei Elementen miteinander verknüpft werden, von denen eines das Leseobjektiv sein kann, wobei eines dieser Elemente auf ein Steuersignal niedriger Frequenz anspricht, das für die langsamen Änderungen, welche eine große Amplitude haben können, der Abweichung zwischen der Spur und dem Fokussierungsfleck kennzeichnend ist, und wobei das andere Element auf ein Steuersignal hoher Frequenz anspricht, welches den schnellen Änderungen kleiner Amplitude der Fokussierungsabwetchung entspricht.

Die beiden vorgenannten Elemente und die anderen Elemente der optischen Vorrichtung sowie die Steuereinrichtungen und die

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Antriebsorgane für die Verschiebung bilden einen optischen Leser, welcher mit veränderlicher Brennweite folgegeregelt ist und in der Lage ist, dem Fokussierungsfleck des Bündels eine Verschiebung folgen zu lassen, welche aus den Verschiebungen der beiden Elemente resultiert und die Änderungen der Abweichung zwischen der Spur und dem Fokussierungsfleck kompensiert.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ' eine erste Ausführungsform eines

optischen Lesers nach der Erfindung, und

die Fig. 2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen

der? optischen Projektionsvorrichtung des optischen Lesers nach der Erfindung .

In Fig. 1, welche einen katoptrischen optischen Leser zeigt, mittels welchem eine auf einem Träger angebrachte Spur im Durchlicht gelesen wird, wird ein von einer Quelle kohärenten Lichtes ausgehendes Leselichtbündel 1 von einem Spiegel 2 empfangen, dessen Mittelpunkt sich auf der optischen Achse des Bündels 1 befindet. Der Spiegel 2, der ein geringes Gewicht hat, kann mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements 3 verschoben

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werden, an welchem er befestigt ist. Das piezoelektrische Element 3 kann mit Hilfe eines elektrischen Wechselsignals hoher Frequenz in Schwingung versetzt werden, wodurch der Spiegel 2 mit schnellen Bewegungen kleiner Amplitude, die kleiner als einige zehn Mikrometer ist, angetrieben wird. Die durch den Spiegel 2 empfangenen Lichtstrahlen werden in Richtung auf einen Spiegel 4 reflektiert, in welchem eine kreisförmige Durchgangsoffnung für das einfallende Bündel 1 angebracht ist. Der Spiegel 4, der ebenfalls auf die optische Achse des Bündels 1 zentriert ist, reflektiert die Lichtstrahlen, die er empfängt. Die Krümmungsradien der Spiegel 2 und 4 sind so gewählt, daß in der Ausgangsstellung die durch den Spiegel 4 reflektierten Strahlen in einem Punkt O auf der optischen Achse des einfallenden Bündels 1 konvergieren. Der Informationsträger 6, welcher die Spur 7 trägt, ist so angeordnet, daß sich der Punkt in einem Ausgangszeitpunkt auf der Spur 7 befindet.

Der Spiegel 4 ist mit einem Träger 5 verbunden.

Die durch die Spur 7 gebeugte und von dem Träger 6 durchgelassene Strahlung wird von zwei photoelektrischen Detektoren 8 und 9 empfangen, welche in bezug auf die optische Achse des Systems symmetrisch angeordnet sind, und zwar einer in der Abspielrichtung der Spur vor dieser Achse und der andere hinter dieser Achse.

Bekannte Einrichtungen gestatten, aus den von diesen beiden Detektoren gelieferten elektrischen Signalen ein Fokussierungsfehlersignal zu gewinnen, welches für die Abweichung zwischen dem

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Fokussierungsfleck O des Bündels und der gelesenen Spur kennzeichnend ist. Eine solche Einrichtung ist durch den Block 10 dargestellt.

Das Fokussierungsfehlersignal wird zwei Filtern 11 und 12 zugeführt, von welchen das eine ein Tiefpaßfilter mit der Grenzfrequenz f ist, während das andere ein Hochpaßfilter

ist, dessen Grenzfrequenz gleich der des Filters 11, nämlich gleich f ist. Das Ausgangssignal des Filters 11 stellt somit

die langsamen Änderungen der Fokussierungsabweichung dar, während das Ausgangssignal des Filters 12 die schnellen Änderungen der Fokussierungsabweichung darstellt. Das Ausgangssignal des Filters 11 wird an eine elektrodynamische Spule 13 und das Ausgangssignal des Filters 12 an den piezoelektrischen Kristall 3 angelegt. Die Anschlußfrequenz f zwischen den beiden

Filtern 11 und 12 ist durch die Dynamik der langsannen Vorrichtung vorgeschrieben und die Phasendrehung dieser Vorrichtung hat die entsprechende Frequenz. Sie kann beispielsweise etwa 150 Hz betragen.

Der Hub der schnellen Fogeregelung wird absichtlich auf eine Zone begrenzt, die nicht die Sättigungszone erreicht, so daß diese Folgeregelung schnell reagiert, wenn die Amplitude des Steuersignals in den Mitnahmebereich des Systems fällt.

Deshalb wird bei Verschiebungen des Fokussierung sflecks mit hohen Frequenzen, die großen Beschleunigungen entsprechen, lediglich ein optisches Element geringen Gewichts verschoben. Diese Vorrichtung gestattet außerdem, das akustische Rauschen zu verringern, das durch die Verschiebung eines großen Volumens im Tonfrequenzbereich erzeugt wird.

Diese optische Vorrichtung ist, wie übrigens auch die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen, für ein festgelegtes Objekt- und Bildpunktepaar berechnet. Die Verschiebungen eines oder mehrerer Elemente der Vorrichtung führen Aberrationen ein, welche den Lesefleck verschlechtern. Diese Vorrichtung muß somit von "guter" Qualität sein, wobei sich die Begrenzung durch die Beugung ergibt. Die Einführung von kleinen Aberrationen hat, da die Verschiebungen immer kleiner als einige Zehntel Millimeter sind, zur Folge, daß die Intensität der Strahlung im Mittelpunkt des Beugungsfleckes verringert wird und daß die Intensität der Beugungsringe vergrößert wird. Es ist möglich, davon auszugehen, daß der BeugungsfLeck durch die Aberrationen nicht zu stark verformt wird, wenn die Intensität mit Mittelpunkt des Beugungsfleckes eine Absenkung erfährt, die kleiner ist als 20 % der maximalen Intensität.

Die Elemente der optischen Vorrichtung werden somit derart berechnet, daß der Fokussierungsfleck eine "gute" Qualität in einem Volumen hat, welches durch die Vertikalpositionierungsänderungen

■-. r / ,j ■■ / η

des Trägers und durch die Verformung der Spuren des Trägers festgelegt ist.

In der Praxis werden die Ausgangssignale der Filter 11 und 12 verstärkt, so daß die Spannungen, die an die elektrodynamische Spule bzw. an das piezoelektrische Element angelegt werden, eine resultierende Verschiebung hervorrufen, welche diejenige kompensiert, die mit Hilfe des Fehlersignals gemessen wird. Deshalb liegen die an das piezoelektrische Element anzulegenden Spannungen für eine Verschiebung von einigen Mikrometern in der Größenordnung von mehreren hundert Volt.

Fig. 2 zeigt den optischen Teil eines lichtbrechenden optischen Lesers nach der Erfindung.

In allen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Das Lichtbündel 1 wird in einem Punkt O auf einer Spur 7, welche auf einem Träger 6 angebracht ist, mit Hilfe eines Lesekopfes fokussiert, welcher eine Sammellinse 14, eine zweite Sammellinse 15, einen Sammelmeniskus 16 und einen zweiten Meniskus 17 aufweist.

Die Elemente 14, 16 und 17'sind mit einem Halter 18 fest verbunden, welcher mit niedrigen Frequenzen parallel zu der optischen Achse des Systems mit Hilfe einer elektrodynamischen Vorrichtung,

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wie beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte, verschoben werden kann.

Die Sammellinse 15 ist zwar ebenfalls an dem Halter 18 angebracht, sie kann jedoch parallel zu der optischen Achse des Systems relativ zu diesem Halter verschoben werden. Zu diesem Zweck ist ein ringförmiges piezoelektrisches Element 19 mit der Linse 15 fest verbunden, so daß es die Linse 15 in Bewegung setzt, wenn ein elektrisches Signal an es angelegt wird.

Wenn sich der Halter und die Linse 15 gleichzeitig verschieben, ist die für den Fokussierungsfleck resultierende Verschiebung gleich der Zusammensetzung der Verschiebungen aufgrund der Verschiebung des Halters und der Verschiebung der Linse 15. Es ist bekannt, daß für eine optische Vorrichtung, für deren Transversalvergrößerung G=- gilt, wobei ρ die Gegen stands weite, d.h. der Abstand des Objekts von dem Mittelpunkt der Linse ₃ und p' die Bildweite ist, die entsprechende axiale Vergrößerung für

ein Objekt- und Bildpunktepaar gleich G ist. Wenn die Strahlungsquelle fest ist und wenn die optische Vorrichtung längs ihrer optischen Achse um Δ χ verschoben wird, ist die entsprechende

2 Verschiebung des Bildpunktes gleich Δχ - Δχ/G .

Die Gesamtanordnung der oben beschriebenen optischen Vorrichtung kann in zwei Elemente zerlegt werden, wobei das eine Element, dessen Vergrößerung G* groß ist und das aus der Gesamtanordnung des Lesekopfes mit Ausnahme des Elements

ti η π 8 /* δ / ο 11 ο

geringen Gewichts besteht, einen Bildpunkt I ergibt, während die Vergrößerung G* des anderen Elements, d.h. der Linse 15 kleiner als Eins ist. Eine Verschiebung Ax des Halters 18 verursacht eine Verschiebung d des Bildpunktes I durch das erste Element, die im wesentlichen gleich Δχ ist. Da das Element geringen Gewichts ebenfalls um Δχ verschoben wird, weil es mit dem Halter verbunden ist, ist die relative Weite zwischen dem Bildpunkt I, dem Objektpunkt für die Linse 15, und dem Mittelpunkt dieser Linse bei Nichtvorhandensein von Verschiebungen der Linse konstant und die entsprechende Verschiebung des Fokussie-

rungsflecks ist im wesentlichen gleich Δχ, denn Δχ/G ist vernachlässigbar. Wenn dagegen die Linse 15 gleichzeitig um Ax* verschoben wird, wird die entsprechende Verschiebung des

Δχ'

Fokussierungsflecks O im wesentlichen gleich - —- sein, da Δχ'

G'²

vernachlässigbar ist. Die aus den beiden gleichzeitigen Verschiebungen resultierende Verschiebung ist somit im wesentlichen

Δχ'

gleich d = Δχ - —- , wobei G' in dem Anderungsbereich als

G'²
konstant betrachtet wird. Δχ kann einige Zehntel Millimeter er-

Δχ*

reichen und —- ist auf einige zehn Mikrometer begrenzt, wie

G'²
oben angegeben, so daß der Fokussierungsfleck eine gute Qualität

behält.

Fig. 3 zeigt den optischen Teil eines katadioptrischen optischen Lesers nach der Erfindung.

Das Leselichtbündel 1 wird in dem Punkt O auf der Spur 7,

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die der Träger 6 trägt, mit Hilfe einer optischen Vorrichtung fokussiert, die aus einer dünnen Trennplatte oder Trennschicht 20, aus einer Sammellinse 21 und aus einem Spiegel 22 mit geringem Gewicht besteht, der die einfallende Strahlung reflektiert, wobei die reflektierte Strahlung, die wieder die Sammellinse und die Trennschicht 20 durchquert, in dem Punkt O durch ein Objektiv 23 fokussiert wird.

Der Spiegel 22 ist mit einem piezoelektrischen Element 24 fest verbunden, welches Verschiebungen mit kleiner Amplitude längs der optischen Achse des Systems ausführen kann.

Der Träger des piezoelektrischen Elements, die Linse 21, die Trennschicht 20 und das Objektiv 23 sind mit einem Halter 25 fest verbunden, welcher mit niedrigen Frequenzen parallel zu der optischen Achse des durch den Spiegel 22 reflektierten Bündels verschoben werden kann, beispielsweise mit Hilfe eines elektrodynamischen Systems, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Verschiebung Δχ dieses Halters verursacht eine Verschiebung Δχ des Fokussierungsflecks O. Eine Verschiebung Δχ' des Spiegels 22, welches ein ebener oder ein sphärischer Spiegel sein kann, verursacht eine Verschiebung des Fokussierungsflecks O, die von den Brennweiten der Linse 21 und des Objektivs 23 abhängig ist. Die Verschiebung dieses Spiegels entspricht nämlich der Verschiebung eines Objekts, welches der auf dem Spiegel gebildete Fleck ist, relativ zu diesen beiden Linsen. Diese Verschiebung ist

Γ, ί'. ;"ί 0 h S / 0 7' 7

gleich ΚΔχ' , wobei K eine von den Brennweiten abhängige Konstante ist.

Die resultierende Verschiebung des Fokussierungsflecks O beträgt Δχ + ΚΔχ' .

I η Fig. 4 ist der optische Teil eines optischen Lesers nach der Erfindung dargestellt, in welchem die Verschiebung mit hoher Frequenz des Fokussierungsflecks durch Konvergenzänderung eines lichtbrechenden Elements der optischen Vorrichtung erzielt wird.

Das Lichtbündel 1 wird in dem Punkt O auf die Spur 7, welche der Träger 6 trägt, mit Hilfe von zwei Linsen 26 und 27 und eines Leseobjektivs 28, welches mit niedrigen Frequenzen verschoben werden kann, fokussiert. Die beiden Linsen 26 und 27 sind in einer Zone angeordnet, in welcher das Leselichtbündel einen geringen Durchmesser hat, und ihr Abstand e ist mit Hilfe eines ringförmigen piezoelektrischen Elements 29, das mit der Linse 27 fest verbunden ist, veränderbar.

Das piezoelektrische Element 29 wird mit Hilfe des elektrischen Signals hoher Frequenz erregt, das aus dem Fokussierungsfehlersignal gewonnen wird. Die Verschiebung mit niedrigen Frequenzen des Objektivs 28 bewirkt eine im wesentlichen gleiche Verschiebung des Fokussierungsflecks, denn die Vergrößerung des Objektivs 28 ist groß. Eine Änderung Ae des Abstandes zwischen den beiden

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Linsen 26 und 27 ist einer Verschiebung des virtuellen Objektpunktes für das Leseobjektiv 28 äquivalent und verursacht eine Verschiebung Δχ' des Fokussierungsflecks. Wenn das auf das Objektiv 28 auffallende Bündel einen kleinen Winkel hat, ist die

axiale Vergrößerung ( —,) groß. Es ist somit erforderlich, daß eine geringe Änderung des Abstandes e zwischen den beiden Linsen eine große Verschiebung des virtuellen Objekts bewirkt, welches die Quelle des auf das Obj ektiv 28 auffallenden Bündels ist, so daß die Verschiebung Δχ' des Fokussierungsflecks wahrnehmbar ist.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen begrenzt. Insbesondere kann die hochfrequente Bewegung für die Verschiebung des Elements mit geringem Gewicht mit Hilfe eines kleinen schnellen elektrodynamischen Systems erreicht werden, welches das piezoelektrische Element ersetzt.

Außerdem kann jeder optische Lesekopf, der in der Lage ist, langsam verschoben zu werden, und ein optisches Element enthält, welches schnell verschoben werden kann, oder welchem ein optisches Element hinzugefügt werden kann, welches schnell verschoben werden kann, die optische Vorrichtung des folgegeregelten optischen Lesers mit veränderlicher Brennweite nach der Erfindung bilden.

Schließlich sind die dargestellten optischen Leser bei dem

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Lesen von im Durchlicht lesbaren Trägern verwendet worden.

Diese Darstellung ist nicht als Einschränkung zu verstehen, denn die verschiedenen Ausführungsformen des optischen Lesers nach der Erfindung können bei dem Lesen von Informationsträgern verwendet werden, die im Auflicht lesbar sind.

/, e / η 7 ν η

Claims

Patentansprüche :

1. Optische Projektionsvorrichtung, welche ein Lichtbündel in einem Fokussierungsfleck fokussiert, gekennzeichnet durch ein erstes optisches Element, welches längs seiner optischen Achse mit Geschwindigkeiten verschiebbar ist, die kleiner sind als eine Grenzgeschwindigkeit, und durch ein zweites optisches Element, welches längs seiner optischen Achse mit Geschwindigkeiten verschiebbar ist, die größer sind als die Grenzgeschwindigkeit, wobei diese beiden Verschiebungen auf die Position des Fokussierungsflecks der optischen Vorrichtung auf der optischen Achse einwirken.

2. Optischer Leser mit einer optischen Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 zum Projizieren eines Leseflecks auf eine Spur, die ein beweglicher Informationsträger trägt, mit einer Detektorschaltung, welche ein Fehlersignal liefert, das für die Abweichung zwischem dem Lesefleck und dem Fokussierungsfleck kennzeichnend ist, gekennzeichnet durch eine erste Verschiebungssteuereinrichtung, die dem ersten optischen Element zugeordnet ist und auf ein erstes Signal anspricht, welches aus den Komponenten des Fehlersignals besteht, deren Frequenzen kleiner sind als eine Grenzfrequenz, die der Grenzgeschwindigkeit zugeordnet ist, und durch eine zweite Verschiebungssteuereinrichtung, die dem zweiten optischen Element zugeordnet ist und auf ein zweites Signal anspricht, welches aus den Komponenten

ß 0 3 3 A ß / 0 7 7 0

des Fehlersignals besteht, deren Frequenzen größer sind als die Grenzfrequenz.

3. Optischer Leser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element die optische Projektionsvorrichtung selbst ist und daß das zweite optische Element ein ein geringes Gewicht aufweisender Bestandteil der Projektionsvorrichtung ist.

4. Optischer Leser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element die optische Projektionsvorrichtung ist, mit Ausnahme eines ihrer Bestandteile, der in unabhängiger Weise verschoben werden kann und das zweite optische Element bildet.

5. Optischer Leser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen elektrodynamische Systeme sind.

6. Optischer Leser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung ein elektrodynamisches System ist und daß die zweite Steuereinrichtung ein piezoelektrisches Element ist, welches die Verschiebung des zweiten optischen Elements hervorruft.

7. Optischer Leser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal an zwei Filter mit derselben Grenzfrequenz angelegt wird, die gleich der genannten

Grenzfrequenz ist, daß das erste Filter ein Tiefpaßfilter ist und das erste Signal an die erste Steuereinrichtung abgibt und daß das zweite Filter ein Filter ist, welches die Frequenzen durchläßt, die größer als die Grenzfrequenz sind, und das zweite Signal an die zweite Steuereinrichtung abgibt.

8. Optischer Leser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger im Durchlicht lesbar ist und daß die Detektorschaltung die von dem Träger durchgelassene Strahlung erfaßt.

9. Optischer Leser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger im Auflicht lesbar ist und daß die Detektorschaltung die von dem Träger reflektierte Strahlung erfaßt.

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