DE2630308C2

DE2630308C2 - Vorrichtung zum Auslesen eines strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträgers

Info

Publication number: DE2630308C2
Application number: DE2630308A
Authority: DE
Inventors: Carel Arthur Jan Simons; Hendrik Eindhoven T Lam
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-07-07
Filing date: 1976-07-06
Publication date: 1983-05-05
Also published as: ZA763198B; AT344265B; NL7508052A; DE2630308A1; BR7604376A; ATA496876A; SE7607643L; NL182990B; AR210605A1; JPS52129246A; US4011400A; CH607214A5; ES449567A1; PL107461B1; FR2317727A1; JPS6129049B2; CA1067618A; NZ181366A; IT1070490B; GB1549035A

Description

Vorrichtung zum Auslesen eines strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträgers.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

In Philips Technische Rundschau 33, Nr. 7, S. 198— 202, ist eine Vorrichtung zum optischen Auslesen einer spurförmigen Informationsstruktur beschrieben. Die bekannte Vorrichtung wird zum Auslesen eines Aufzeichnungsträgers verwendet, auf dem ein Farbfernsehprogramm gespeichert ist. Die Informationsstruktur ist eine Phasenstruktur und besteht aus einer Vielzahl in einer spiralförmigen Spur angeordneter Gebiete in Abwechselung mit Zwischengebieten, wobei diese Gebiete und Zwischengebiete, zinnenartig, auf versehie= denen Ebenen in dem Aufzeichnungsträger liegen. Die Information ist in den Längen der Gebiete und der Zwischengebiete festgelegt. Für eine genügend lange Spieldauer werden bei beschränkten Abmessungen des Aufzeichnungsträgers die Details der Informationsstruktur sehr klein sein. So wird z. B₁ wenn ein Fernsehprogramm von 30 Minuten auf einer Seite eines scheibenförmigen runden Aufzeichnungsträgers in einem ringförmigen Gebiet mit einem Außenradius von etwa 15 cm und einem Innenradius von etwa 8 cm gespeichert ist, die Breite der Spuren etwa 0,8 μπι betragen und die mittlere Länge der Gebiete und der Zwischengebiete in der Nähe von 1 μΐη liegen.

Um diesen kleinen Details auslesen zu können, muß ein Objektivsystem mit einer ziemlich numerischen Apertur verwendet werden. Die Tiefenschärfe eines derartigen Objektivsystems ist aber klein, so daß das

ίο Objektivsystem stets scharf auf die Fläche der Informationsstruktur fokussiert sein muß. Da in der Auslesevorrichtung der Abstand zwischen der Fläche der Informationsstruktur und dem Objektivsystem variieren kann, müssen Maßnahmen getroffen werden,

is um diese Variationen detektieren und anhand derselben die Fokussierung nachregeln zu können.

In der DE-OS 25 01 124 wurde bereits vorgeschlagen, beim Auslesen eines Aufzeichnungsträgers Fokussierungsfehler mit Hilfe einer Zylinderlinse und eines zwischen zwei Brennlinien der Zylinderlinse angeordneten Detektors zu detektieren. Bei Änderung der Lage der Fläche der Informationsstruktur ändert sich die Form der Abbildung auf dem Detektor. Diese Formänderung kann detektiert werden, weil der Detektor aus vier Teildetektoren zusammengesetzt ist Weiter wird der von dem Objektivsystem auf der Fläche der Informationsstruktur erzeugte Auslesestrahlungsfleck stets auf einen auszulesenden Spurteil zentriert sein müssen, weil sonst eine Herabsetzung der Modulationstiefc- des ausgelesenen Signals und Übersprechen zwischen benachbarten Spurenteilen auftreten können. Unter Zentrierung des Ausleseflecks in bezug auf einen auszulesenden Spurteil ist zu verstehen, daß die Mitte des Ausleseflecks auf die Mitte des Spurteils fällt Bei einem dezentrierten Auslesefleck fallen die Mitten nicht zusammen. Die Auslesevorrichtung muß also auch Mittel zum Detektieren der Größe und der Richtung einer Dezentrierung dss Auslesestrahlungsflecks in bezug auf einen auszulesenden Spurteil enthalten, so drO die Lage des Auslesestrahlungsflecks nachgeregelt werden kann.

Wie im genannten Aufsatz beschrieben ist, können Zentrierfehler mit Hilfe zweier zusätzlicher Strahlungsflecke und zweier ihnen vom Objektivsystem zugeord- neter zusätzlicher strahlungsempfindlicher Detektoren detektiert werden. Weiter wurde bereits vorgeschlagen, Fokussierungsfehler mit Hilfe eines zusätzlichen (Fokussierungs-)Bündels zu detektieren, das schräg durch das Objektivsystem geht und nach Reflexion an dem Aufzeichnungsträger auf zwei zusätzliche Detektoren einfällt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zum Auslesen eines optischen Datenträgers eine Vorrichtung zu entwickeln, welche zur Gewinnung des eigentlichen Informationssignals und eines Fokussierungsfehlersignals nach den Erkenntnissen aus der DE-AS 25 01 124 bekannten Merkmalen arbeitet und dabei gleichzeitig eine exakte Spurführung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine geeignete Anordnung und durch passende Wahl der Stärke der Zylinderlinse, die in erster Linie dazu benutzt wird, mit dem zusammengesetzten Detektor Fokussierungsfehler zu detektieren, erreicht werden kann, daß die Austrittspupille des Objektivsystems von der Zylinderlinse in der Ebene des

zusammengesetzten Detektors abgebildet wird. Dadurch können in dieser Ebene auch die Detektoren, mit deren Hilfe auf noch zu beschreibende Weise Zentrierungsfehler detektiert werden, angebracht werden.

Es sei bemerkt, daß es aus der DE-OS 23 42 906 an sich bekannt ist, beim Auslesen eines optischen Datenträgers ein Spurfehlersignals abzuleiten mit Hilfe von zwei zusätzlichen Detektoren, wobei die durch diese Detektoren empfangenen Strahlungsintensitäten ein Maß für die Spurfolgung sind In dieser bekannten ι ο Vorrichtung werden aber nicht eine Zylinderlinse und ein zusammengesetzter Detektor verwendet zum Detektieren von Fokussierungsfehlern. Das Anpassen einer Zylinderlinse derart, daß auch ein Spurfehlersignal erhalten werden kann, wird dort nicht offenbart

Unter der »effektiven Spurrichtung« ist die Richtung der Abbildung eines auszulesenden Spurteiles auf der Fläche des Detektionssystems bzw. auf der Zylinderlinse zu verstehen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläuiert Es zeigt

F i g. 1 eine Auslesevorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 und 5 ein Detektionssystem zur Anwendung in dieser Vorrichtung und

F i g. 2a, 2b, 2c und 4 die Grundsätze der Fokussierungsfehler- und Zentrierungsfehlerdetektion.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 ist ein runder scheibenförmiger Aufzeichnungsträger 1 im Schnitt dargestellt, der um eine Achse senkrecht zu seiner Oberfläche rotiert Die Informationsstruktur ist eine Phasenstruktur und enthält eine Vielzahl konzentrischer oder scheinbar konzentrischer senkrecht auf der Zwischenebene stehende Spuren 2, die aus (nicht dargestellten) aufeinanderfolgenden Gebieten und Zwischengebieten aufgebaut sind. Die Gebiete können z. B. auf einer anderen Tiefe als die Zwischengebiete in dem Aufzeichnungsträger liegen. Die Information kann z. B. ein Farbfernsehprogramm sein, aber auch aus anderer Information, wie einer Vielzahl verschiedener Bilder oder digitaler Information, bestehen.

Der Aufzeichnungsträger wird mit einem Auslesebündel 3, z. B. etwa senkrecht auf die Oberfläche, beleuchtet, das von einer Strahlungsquelle 4, z. B. einem c.w.-Laser, stammt. Ein Objektivsystem, das der Einfachheit halber durch eine einzige Linse 5 dargestellt ist, fokussiert das Auslesebündel aur die Fläche der Spuren 2. Die Hilfslinse 6 ist aufgenommen, damit die Pupille des Objektivsystems ausgefüllt wird, so daß der Auslesestrahlungsfleck 7 minimale Abmessungen aufweist Das Auslesebündel wird vom Aufzeichnungsträger reflektiert und dabei entsprechend der in einem auszulesenden Spurteil gespeicherten Information in der Phase moduliert. Zur gegenseitigen Trennung des hinlaufenden (unmodulierten) und des reflektierten (modulierten) Auslesebündels ist in dem Strahlungsweg ein Bündelteiler 8, z. B. in Form eines halbdurchlässigen Spiegels, angeordnet. Der Bündelteiler richtet das modulierte Auslesebündel auf ein strahlungsempfindliches Detektionssystem 9. Dieses Detektionssystem ist mit einer elektronischen Schaltung iO verbunden, in der ein hochfrequentes Infonnationssignal 5, und, wie nachstehend auseinandergesetzt werden wird, niederfrequentes Fokussierungssignal Sr und ein ebenfalls niederfrequentes Zentrierungssignal S_r abgeleitet werden.

Um Fokussierungsfehler detektieren zu können, ist, wie in der deutschen Offenlegungsschrift 25 01124 beschrieben ist, in dem Strahlungsweg hinter dem BQndelteiler 8 eine Zylinderlinse 11 angeordnet Das optische System, das aus dem Objektivsystem 5 und der Zylinderlinse 11 besteht, hat dann eine astigmatische Wirkung. Ein astigmatisches System besitzt nicht einen einzigen Brennpunkt sondern zwei Brennlinien, die, in axialer Richtung gesehen, verschiedene Lagen einnehmen und die senkrecht aufeinander stehen. Von dem Objektivsystem und der zylindrischen Linse werden also dem Auslesefleck 7 zwei Brennlinien 12 und 13 zugeordnet In F i g. 1 steht die Linie 13 senkrecht auf der Zeichnungsebene. Das strahlungsempfindliche Detektionssystem wird nun in einer Ebene 14 zwischen den Linien 12 und 13, vorzugsweise an der Stelle angeordnet, an der die Gesamtoberfläche der Abbildung des Ausleseflecks 7 minimal ist Die Form dieser Abbildung wird durch das Ausmaß der Fokussierung des Auslesebündels auf die Fläche der Informationsstruktur bestimmt

In Fig.2a ist die Form der Abbildung (7') des Strahlungsflecks 7 für den Fall d? gestellt, daß das Objektivsystem und die Fläche der Spure 3 im richtigen gegenseitigen Abstand liegen. In dieser Figur und in den F i g. 2b und 2c entspricht die .^-Richtung der effektiven Spurrichtung und die /-Richtung der Richtung der Normair· zu der Zeichnungsebene der F i g. 1. Wenn der Abstand zwischen der Fläche der Spuren und dem Objektivsystem zu groß ist, werden sich die Linien 12 und 13 weiter der Linse 11 nähern. Die Linie 12 verschiebt sich zu der Ebene 14 hin und üie Linie 13 von der Ebene 14 ab, so daß die Abbildung T die Form nach F i g. 2b aufweisen wird. Wenn der Abstand zwischen dem Objektivsystem und der Fläche der Spuren zu gering ist, liegen die Linien 12 und 13 in einer größeren Entfernung von der Linse 11 und ist die Form der Abbildung T die in F i g. 2c dargestellte Form.

Um die Form der Abbildung T und damit das Ausmaß der Fokussierung bestimmen zu können, enthält das Detektionssystems einen zusammengesetzten Detektor 20, wie in F i g. 3 dargestellt ist Dieser Detektor ist eine sogenannte Quadrantenzeile, die aus z. B. vier Photodioden .4, B, C und D besteht, deren Trennlinien unter einem Winkel von 45° zu der effektiven Spurrichtung gelegen sind. Sind die Signale, die von diesen Photodioden geliefert werden, Sa, Sb, Sc bzw. So, so ist das Fokussierungssignal Sf=(Sa +S₈)-(S_C+S_D). Es leuchtet ein, daß, wenn das Objektivsystem und die Fläche der Spuren in dem richtigen gegenseitigen Abstand liegen (die Situation nach F i g. 2a), das Signal (SA + Sb) gleich dem Signal (S_C+S_D) ist, daß für die Situation der F i g. 2b das Signal (Sa + Sb) größer als das Signal (Sc+ So) ist, und daß für die Situation der F i g. 2c das Signal (Sa + Sb) kleiner als das Signal (Sc+ Sd) ist. Aus dri niederfrequenten Signalen der Photodioden A, B, C und D kann auf elektronische an sich bekannte Weise ein Regeisignil abgeleitet werden, mit dem die Fokussierung z. B. durch Verschiebung des Objektivsystems nachgeregelt werden kann.

Da die Änderung in der Fokussierung in bezug auf die Frequenz, mit der siv_n die Informationsdetails durch den Bündelquerschnitt bewegen, niederfrequent sind, kann der zusammengesetzte Detektor auch zum Auslesen der (hochfrequenten) Information auf dem Aufzeichnungsträger verwendet werden. Das Informationssignal 5, wird dann durch Sj=Sa +S_B+Sc+S_D gegeben. Das Signal 5/ ist z. B. maximal bzw. minimal, wenn der Auslesefleck auf ein Zwischengebiet bzw. auf ein Gebiet projiziert wird.

Um die Zentrierung des Ausleseflecks 7 in bezue auf

einen auszulesenden Spurteil detektieren zu können, kann die Beugung des Auslesebündels an den Spuren der Informationsstruktur benutzt werden. Die nebeneinanderliegenden Spurteile der Informationsstruktur bilden nämlich ein Beugungsraster, das bei Beleuchtung mit einem Strahlungsfleck mit Abmessungen, die größer als die Breite der Spuren sind, die auffallende Strahlung in ein Bündel nullter Ordnung (bo), zwei Bündel der ersten Ordnungen (b+1 und b-1) und eine Anzahl Bündel höherer Ordnungen spaltet. Wenn die numerische Apertur des Objektivsystems genügend groß wäre, würden alle Ordnungen zusammen in der Bildebene des Objektivsystems eine zuverlässige Abbildung des Beugungsrasters liefern. In dieser Bildebene lassen sich die gesonderten Ordnungen nicht unterscheiden. In der Ebene der Austrittspupille des Objektivsystems sind dagegen die Ordnungen mehr oder weniger getrennt. Der Kreis 30 in Fig.4 stellt die Ausirittspupille und somit den Querschnitt des Bündeis ob dar. Die Kicise 3ί und 32 sind die Querschnitte der Bündel b-\ und b+\ an der Stelle der Austrittspupille. Der Pfeil 36 gibt die effektive Spurrichtung an. Die Abstände zwischen dem Mittelpunkt 33 des Kreises 30 und den Mittelpunkten 34 und 35 der Kreise 31 und 32 werden durch die Wellenlänge λ der verwendeten Strahlung und die Periode ρ der Spurenstruktur bestimmt. Der nicht dargestellte Winkel λ zwischen den Hauptstrahlen der Bündel der ersten Ordnungen ft_i und i>+i und dem Hauptstrahl des Bündels nullter Ordnung wird durch sin α ^= λ/ρ gegeben. Durch passende Wahl der Wellenlänge A, der Periode ρ und der numerischen Apertur des Objektivsystems kann erreicht werden, daß von den Bündeln der ersten Ordnungen nur der in Fig.4 schraffiert dargestellte Teil vom Objektivsystem durchgelassen wird. In den Überlappungsgebieten (a und b in Fig.4) des Bündels b^\ und des Bündels bo bzw. des Bündels b±, und des Bündels bo treten Interferenzen auf. Da die Informationsstruktur eine Phasenstruktur ist und aus z. B. aus in die Aufzeichnungsträgeroberfläche gepreßten Grübchen besteht, wird, wenn der Auslesefleck auf einen auszulesenden Spurteil zentriert ist, ein konstanter Phasenunterschied zwischen dem Bündel nullter Ordnung und den Bündel der Ersten Ordnungen bestehen. Dieser Phasenunterschied wird durch die Tiefe der Grübchen und die Geometrie der Grübchenstruktur bestimmt. Wenn sich nun der Auslesefleck quer zu der Spurrichtung bewegt, ändert sich die Phasenbeziehung zwischen dem Bündel bo und den Bündeln £>_i und b+1 und damit ändern sich auch die Strahlungsintensitäten in den schraffierten Gebieten a und b der F i g. 4. Aus der Beugungstheorie für Phasenraster ist es bekannt, daß die Intensitätsänderung im Gebiet a dann zu der Intensitätsänderung im Gebiet b gegenphasig ist Bei Verschiebung von einer bestimmten Lage des Ausleseflecks in einer Richtung quer zu der Spurrichtung fängt z. B. die Intensität im Gebiet a an abzunehmen, während die Intensität im Gebiet b anfängt zuzunehmen. Bei einer Verschiebung des Ausleseflecks in entgegengesetzter Richtung beginnt dann die Intensität im Gebiet a zuzunehmen und beginnt < die Intensität im Gebiet b abzunehmen. Indem in den Gebieten a und b zwei Detektoren 21 und 22 (siehe F i g. 4) angeordnet und die Ausgangssignale dieser Detektoren miteinander verglichen werden, kann ein Zentrierungsfehier delektiert werden, so daß die Lage * des Ausleseflecks auf an sich bekannter Weise nachgeregelt werden kann.
Für das beschriebene Zentrierungsfehlerdetektions-

verfahren ist es wesentlich, daß die Detektoren in der Austrittspupille des Objektivsystems oder in einer anderen Ebene, in der die verschiedenen Ordnungen genügend voneinander getrennt sind (in dem sogenannten »fernen Feld«), angeordnet sind. Für das obenbeschriebene Fokussierungsfehlerdetektionsverfahren muß der zusammengesetzte Detektor jedoch in einer Ebene, in der eine scharfe oder nahezu scharfe Abbildung des Ausleseflecks erzeugt wird, angeordnet sein.

Nach der Erfindung können jedoch die beiden Detektionsverfahrn in einer Auslesevorrichtung kombiniert werden. Dazu wird die Zylinderlinse Il derart orientiert, daß ihre Zylinderachse <ru der effektiven Spurrichtung parallel ist. In Fig. 1 sieht diese Achse also zu der Zeichnungsebene senkrecht. Die Zylinderlinse wird in einer derartigen axialen Lage angeordnet, und die Stärke wird derart gewählt, daß diese Linse die Aüsiriüspüpiüc des Gbjckiivsysiems in der Ebene !4, in der der zusammengesetzte Detektor angebracht ist, abbildet. In Fig. 1 ist beispielsweise mit gestrichelten Linien die Abbildung p' eines mittleren Punktes ρ der Austrittspupille angedeutet. Es sei bemerkt, daß es nur von Bedeutung ist, daß die Überlappungsgebiete a und b in der Ebene 14 abgebildet werden. Die Zylinderlinse muß eine Linsenwirkung für die Richtung quer zu der effektiven Spurrichtung {Richtung 36 in Fi g. 4) haben, und da/r^r muß die Achse der Zylinderlinse zu der effektiven Spurrichtung parallel sein. Da die Überlappungsgebiete a und b von der Zylinderlinse in der Ebene 14 abgebildet werden, können in dieser Ebene auch die zwei Detektoren 21 und 22 ium Detektieren von Zentrierungsfehlern angebracht werden. Diese Detektoren befinden sich zu beiden Seiten des zusammengesetzten Detektors 20, wie F i g. 5 zeigt. In F i g. 5 sind die Lagen der Querschnitte der Bündel bo, ί»-ι und b₊\ in der Ebene 14 in bezug auf die Detektoren dargestellt.

Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, daß durch passende Wahl der Parameter eines Elements, und zwar der Zylinderlinse, das erforderlich ist, um Fokussierungsfehler detektieren zu können, zugleich Zentrierungsfehler detektiert werden können, wobei nur zwei zusätzliche Detektoren benötigt werden. Da die Zentrierungsfehlerdetektoren in derselben Ebene wie der zusammengesetzte Detektor liegen, können diese Detektoren einen einzigen integrierten Detektor bilden, so daß sich, was die Detektoren anbelangt, beim Zusammenbau der Auslesevorrichtung keine Ausrichtprobleme ergeben.

Die Lage und die Stärke der Zylinderlinse hängen von den anderen Parametern der optischen Auslesevurrichtung ab und können daher im allgemeinen nicht näher angegeben werden. Um einen Eindruck der gegenseitigen Verhältnissse der Parameter zu geben, folgen nun einige Zahlen einer praktischen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung. Der Abstand zwischen der Austrittspupille des Objektivsystems und der Linie 12 war 160 mm, der Abstand zwischen der Zylinderlinse und der Linie 12 war 40 mm, und der Abstand zwischen den Linien 12 und 13 betrug 29,1 mm, während der Abstand zwischen der Ebene 14 und der Linie 12 223 mm war. Das Objektivsystem hatte eine numerische Apertur von 0,45 und eine Vergrößerung 20 χ. Die Brennweite der Zylinderlinse war 15 mm. Der Querschnitt der Austrittspupille betrug 7,5 mm. Der Querschnitt der Pupillenabbiidung (Φ₂ in F i g. 5) war 0,68 mm und der der Abbildung des Strahlungsflecks (Φι in F ig. S) 0,51 mm.

Die Tatsache, daß die Erfindung an Hand eines runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträgers, der mit einem Fernsehprogramm versehen ist, erläutert worden ist, bedeutet keineswegs, daß sie sich darauf beschränkt. Die Erfindung kann beim Auslesen jedes optischen Aufzeichnungsträgers mit einer spurförmigen Phasenstruktur und mit einem beliebigen Informationsi· verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Auslesen eines strahlungsreflektierenden Aufzeichnungsträgers, auf dem Informationen in einer optisch auslesbaren spurförmigen Informationsstruktur angebracht sind, welche Vorrichtung eine ein Auslesebündel liefernde Strahlungsquelle, ein Objektivsystem, mit dessen Hilfe das von der Strahlungsquelle gelieferte Auslesebündel auf die Ebene der Information fokussiert wird, und welches anschließend das von der Informationsstruktur beeinflußte reflektierte Licht empfängt, eine Zylinderlinse, welche das vom Aufzeichnungsträger reflektierte, von dem Objektiv erfaßte und konvergierende Bündel auf einen Detektor abbildet und einen zusammengesetzten Detektor enthält, welcher aus vier durch ein rechtwinkliges Achsenkreuz getrennten gleichempfindlichen Teildetektoren besteht, welche in einer Ebene mittig zwischen den astigmatischen Abbildungen des Fokussierungspunktes und symmetrisch zum Hauptstrahl angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Zylinderlinse (11) zu der effektiven Spurrichtung (X) parallel ist; daß in der Ebene (14) in der die Austrittspupille des Objektivsystems (5) von der Zylinderlinse (11) abgebildet wird, zwei zusätzliche Detektoren (21, 22), weiche vor allem entweder die +1, und 0 oder die -1, und 0 Beugungsordnung empfangen, zur Bestimmung der Lage des Auslesebündels (3) in bezug auf eine auszulesende Spur (2) angeordnet sind, div3 die 2 -sätzlichen Detektoren (21, 22) in einer Richtung quer zu der effektiven Spurrichtung gesehen, auf ve ".chiedene Seiten des zusammengesetzten Detektors (20) liegen, und daß der Abstand des Bündelzentrums des Auslesebündels (3) vom Objektivsystems (5), die Brennweite des Objektivsystems (5) und die Brennweite und der Abstand der Zylinderlinse von dem Objektivsystem so gewählt werden, daß alle Detektoren (9, 21, 22) somit ein in einer Ebene liegendes integriertes System von Detektoren bilden können.