DE2733209A1

DE2733209A1 - Verfahren und leser zum optischen lesen eines informationstraegers

Info

Publication number: DE2733209A1
Application number: DE19772733209
Authority: DE
Inventors: Claude Bricot; Jean Claude Lehureau
Original assignee: Thomson-Brandt SA
Current assignee: Thomson-Brandt SA
Priority date: 1976-07-23
Filing date: 1977-07-22
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1560976A; PL199801A1; PL115951B1; JPS6128172B2; CA1104716A; FR2359476A1; US4171879A; SU822773A3; JPS5315104A; CS223956B2; FR2359476B1

Description

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Patentanwälte C ι <J ^

Dipl.-Ing. Dipl-Cliem. Dipl-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Er MShergei str asse 19

8 München 60

THOMSON - BRANDT 21. Juli 1977

173» Bd. Hausemann

75OOB PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2234

Verfahren und Leser zum optischen Lesen eines Informationsträgers

Die Erfindung betrifft das optische Lesen von Information,
die auf einem Träger längs einer Spur in Form einer Aufeinanderfolge von Beugungselementen voraufgezeichnet ist, deren Breite im wesentlichen konstant ist und deren ungleiche Längen und Abstände längs der Spur eine die zu lesende Information enthaltende Rechteckschwingung ausdrücken.

Bei einer bekannten Ausführungsform hat der Träger die Form einer Platte, an deren Oberfläche die Prägung einer spiralförmigen Spur gebildet worden ist. Längs dieser Spur sind
die Beugungselemente durch Vertiefungen oder Erhöhungen ge-

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kennzeichnet, welche eine im wesentlichen konstante Breite in der Größenordnung von einem halben Mikrometer haben. Es ist bekannt, zum Lesen einer solchen Spur einen Lichtpunkt mit Hilfe eines kreisförmigen Mikroskopobjektivs auf die Spur zu projizieren.

Bei Verwendung von herkömmlichen Objektiven, die eine numerische Apertur in der Größenordnung von 0,45 haben, ist es kaum möglich, eine Spur zu gravieren, die einen Schritt oder eine Steigung von weniger als 1,6 .um hat, ohne bei dem Lesen eine zu große Diaphotie hervorzurufen, da die Strahlung, die durch die dem zu lesenden Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte gebeugt wird, welche gleichzeitig mit der zu lesenden Spur durch den zentralen Lichtpunkt oder durch den ersten hellen Ring des Beugungsflecks beleuchtet werden, der durch den zentralen Abschnitt gebeugten Strahlung überlagere ist.

Die Erfindung schafft ein Leseverfahren, das darin besteht, auf die zu lesende Spur einen Lesefleck zu projizieren, der seitlich durch zwei dunkle Streifen begrenzt ist, welche um die zweifache Steigung der auf dem zu lesenden Träger eingetragenen Spur voneinander entfernt sind, so daß lediglich ein sehr geringer Teil der gebeugten Strahlung von den dem zu lesenden Abschnitt benachbarten Spurabschnitten herrührt.

Außerdem schafft die Erfindung einen optischen Leser zum Lesen eines Informationsträgers zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

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Mehrere AusführungsbeLspieLe der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Diagramme, die die BeJeuchtungsver-

teilung zeigen, welche bei der Beugung durch eine kreifönnige Öffnung erhalten wird,

Fig. 2 zwei Diagramme, welche die Beleuchtungs

verteilung zeigen, die bei der Beugung durch eine schlitzförmige Öffnung erhalten wird,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Vorrichtung

zum Lesen eines Informationsträgers zur Durchführung des Leseverfahrens nach der Erfindung, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer sol

chen Lesevorrichtung.

Tn Fig. la ist der Beugungsfleck einer kreisförmigen Pupille dargestellt, der in der Nähe des BrennpunkLs erhalten wird. Γη herkömmlicher Weise besteht dieser Fleck aus einem zentral en Punkt und aus abwechselnd dunklen und hellen konzeii-I fischen Hingen. Die fntensitätsverteilung in Abhangigkeit vom Abstand von dem Mittelpunkt (berechnet als Vielfache von

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, wobei a der Radius der Pupille des Objektivs, f seine Brennweite und λ die Lesewellenlänge ist) bezogen auf die maximale Intensität im Mittelpunkt des zentralen Lichtpunkts ist in Fig lh dargestellt. Die maximale Beleuchtung in dem ersten hellen Ring ist beträchtlich kleiner als die Beleuchtung in dem Mittelpunkt (in der Größenordnung von 1,75 % des letzteren).

Wenn ein Informationsträger mit Hilfe eines Lesepunkt-s dieser Art gelesen werden soll, ist es erforderlich, das Leseobjektiv derart an die zu lesende Spur anzupassen, daß die Beugungselemente eines Spurabschnitts beiderseits des gelesenen Elements nicht zu stark durch die von ihnen gebeugte Strahlung die durch das gelesene Element gebeugte Strahlung stören, oder, umgekehrt, mit einem gegebenen Objektiv nur Informationsträger zu lesen, auf denen Spuren graviert sind, die eine ausreichend große Steigung haben. Wenn man annimmt, was häufig der Fall ist, daß die Diaphotie ausreichend gering ist, wenn die durch die benachbarten Abschnitte empfangene Beleuchtung kleiner als 1 % der durch den gelesenen Abschnitt empfangenen Beleuchtung ist, dann ist die Spursteigung in Abhängigkeit von der numerischen Apertur des Leseobjektivs festgelegt. So führt ein Leseobjektiv, das eine numerische Apertur von 0,45 hat,wenn die Lesestrahlung eine Wellenlänge von 0,63,um hat, zu einem zufriedenstellenden Leseergebnis unter der Bedingung, daß die Steigung der Spur nicht kleiner als l,6.um ist. Das bedeutet , daß die dem gelesenen Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte außerhalb des ersten hellen Ringes des Beugungsflecks liefen. In Fig. la sind benachbarte Spurabschnitte

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- y-

dargestellt, wobei die Steigung der Spur gleich l,6.um ist. Eine solche Positionierung führt dazu, daß die äußeren Abschnitte nicht mehr als 1 % der durch den gelesenen Abschnitt empfangenen Beleuchtung empfangen. Das ist zufriedenstellend.

Fig. 2 zeigt Diagramme, die denen von Fig. 1 analog sind, für eine schlitzförmige Pupille, wobei die Entfernung χ eines Punktes des Rasters vom Mittelpunkt, wie zuvor in Vielfachen von f - berechnet ist, wobei f die Brennweite der Pupille, a die halbe Breite des Schlitzes und λ die Länge der Lesewellenlänge ist. Die maximale Intensität in der Mitte des ersten hellen Streifens ist beträchtlich größer als die Intensität in der Mitte des ersten hellen Ringes in dem Fall der kreisförmigen Pupille. Da jedoch die Streifen geradlinig sind, kann die Gesamtheit der dem gelesenen Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte in ein Beleuchtungstninimum gelegt werden, so daß die Beleuchtung in dem ersten hellen Streifen folglich nicht mehr in der Lage ist, bei der Beugung die Strahlung nennenswert zu stören, die durch das Element gebeugt wird, welches durch den zentralen Streifen beleuchtet wird. Die Breite des Schlitzes muß daher an die Steigung der zu lesenden Spur angepaßt sein.

Es sei angemerkt, daß der regelmäßige Abstand der Streifen bewirkt, daß die nächsten Spurabschnitte ebenfalls mit dunklen Streifen zusammenfallen.

Wenn man annimmt, daß dieser Schlitz durch teilweises Abdecken

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eines Mikroskopobjektivs mit einer Apertur von 0,45 erhalten wird, das dem in dem oben angegebenen Beispiel benutzten gleicht, wobei die halbe Breite a des Schlitzes gleich ^* ist, so ist die Breite des hellen Streifens im wesentlichen gleich 2 ,um und infolgedessen kann die Steigxig der Spur gleich 1 .um gewählt werden, so daß die Mitte der dem gelesenen Abschnitt; benachbarten SpurabschnitLe mit den ersten Beleuchtungsminima zusammenfällt. Obgleich die Beleuchtung beiderseits dieser Minima schnell zunimmt, führt eine solche Anordnung, wenn die Spur eine Breite von 0,4 Aim hat, nicht zu einer Beleuchtung der benachbarten Abschnitte von mehr 1 % der durch den zentralen Abschnitt empfangenen Beleuchtung.

Es sei angemerkt, daß selbst dann, wenn die Dezentrierung der Platte gegenüber dem Beugungsfleck eine Amplitude von 0,1 ,um erreicht, die Diaphotie gering bleibt.

In der Praxis kommt der Beugungsfleck eines auf diese Weise seitlich abgedeckten kreisförmigen Objektivs dem Beugungsfleck nahe, der mit Hilfe einer rechteckigen Pupille erhalten wird.

Ein solcher Beugungsfleck besteht aus zwei orthogonalen, einander überlagerten Streifenrastern, die eine Art quadratisches Liniennetz bilden. In der Richtung der beiden orthogonalen Achsen der Pupille ergibt sich die in Fig. 2b dargestellte Intensitätsverteilung. Jedes der Rechtecke des Flecks hat als Seiten -tr·» rrr- , außer denjenigen, die längs der

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Achsen liegen, und dem zentralen Rechteck, von welchem die

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eine oder die andere der beiden Seiten doppelt sind, wobei a" und b" die beiden Seiten der Pupille sind.

Das Leseverfahren nach der Erfindung besteht darin, auf dem zu lesenden Träger, der mit Hilfe einer konzentrierten Strahlung im Durchlicht oder im Auflicht lesbar ist, einen Beugungsfleck zu projizieren, der einen Lesepunkt enthält, welcher in der zu der zu lesenden Spur orthogonalen Richtung in der Leseebene durch zwei parallele dunkle Streifen begrenzt ist, wobei die Steigung der zu lesenden Spur so gewählt ist, daß die dem zu lesenden Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte mit diesen Beleuchtungsminima zusammenfallen.

Dieses Leseverfahren kann durch einen Leser zum optischen Lesen eines Informationsträgers durchgeführt werden, welcher ein Projektionsobjektiv enthält, das die Aufgabe hat, die Strahlung, die es empfängt, auf den zu lesenden Träger zu projizieren, und das teilweise so verschlossen ist, daß eine im wesentlichen rechteckföfmige Pupille gebildet wird, die zu der Abspielrichtung der Spur parallele Ränder und eine von der Steigung der zu lesenden Spur abhängige Breite hat.

Fig. 3 zeigt einen optischen Leser für einen Informationsträger zur Durchführung des Leseverfahrens nach der Erfindung mit einem Objektiv, dessen Pupille seitlich durch zwei zu der Spur parallele Ränder begrenzt ist, wie oben beschrieben.

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Dieser optische Leser enthält eine Quelle S monochromatischer Strahlung, die sich auf der optischen Achse OZ eines Projektionssystems befindet, das aus einem Objektiv 2, welches in dem Punkt 0 das Bild der Quelle S bildet, und aus einer Maske 1 besteht, die die Pupille des Objektivs bedeckt. In dieser 1 jchtundurchlässigen Maske ist ein rechteckiges Fenster 3 gebildet, welches das zu dem Träger 10 übertragene Strahlungsenergiebündel begrenzt. In Fig. 3 ist lediglich ein Teil des Informationsträgers dargestellt. Als Beispiel ist angenommen worden, daß die die Information enthaltende Spur spiralförmig an der Oberfläche des Trägers 10 eingetragen ist, der die Form einer Platte hat. Der Mittelpunkt dieser Platte liegt in der Richtung OY, die die radiale Richtung darstellt, während die Achse OX die Abspielrichtung darstellt. Die Spur erscheint daher in Fig. 3 in Form von äquidistanten Windungsabschnitten 6, 7, 8 (deren Steigung

beispielsweise lyum beträgt, während ihre Breite gleich 0,4,um ist). Die Vertiefungen, wie beispielsweise die Ver tiefung 9, bilden die Beugungseimente (erhabene Elemente würden eine analoge Beugungswirkung auf das Lesebündel ausüben) .

Es ist außerdem ohne weiteres möglich, anzunehmen, daß der zu lesende Informationsträger die Form eines Bandes hat, welches zu der Abspielrichtung OX parallele Spuren trägt.

Da angenommen worden ist, daß der Informationsträger im Durchlicht lesbar IsL, wird die durch die gelesene Spur gebeugte Strahlung durch Photodetektorzellen 11 und 12 em-

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/la

pfangen, die sich in einer zu der Ebene des Informationsträgers parallelen Erfassungebene beiderseits einer durch die Y- und Z-Achsen festgelegten Ebene befinden.

Die Ausgangssignale dieser beiden Zellen werden an die Eingänge eines Differenzverstärkers 13 angelegt, dessen Ausgangssignal V(t) für die aufgezeichnete Information kennzeichnend ist.

Wie oben anhand von Fig. 2 beschrieben, wird die aus der Pupille 3 austretende Strahlung auf den Informationsträger in einem Beugungsfleck projiziert, der aus einem zentralen, im wesentlichen rechteckigen Lichtpunkt besteht, welcher von zwei im wesentlichen orthogonalen Rastern von dunklen Streifen umgeben ist. Die Breite e der Pupille 3 ist so gewählt, daß die ersten dunklen Streifen mit den dem zentralen Abschnitt benachbarten Spurabschnitten zusammenfallen. Die Beleuchtungsverteilung längs der Y-Achse ist schematisch entlang der Achse O¹Y¹ dargestellt. Der um den Punkt 0 herum dargestellte rechteckige Fleck entspricht der Projektion eines Kegelstumpfes, in dessen Innerem die Intensität der Strahlung größer als ein vorbestimmter Bruchteil der Intensität in dem Mittelpunkt des Beugungsflecks bleibt. Die Länge 1 der Pupille bestimmt die Länge des Lesepunkts. Sie ist so gewählt, daß diese Länge der auf dem Träger aufgezeichneten räumlichen Frequenz angepaßt ist, d. h. sie ist wenigstens gleich der minimalen Länge der Beugungselemente 9.

In Fig. 3 ist lediglich die eigentliche Lesevorrichtung dar-

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gestellt. Es ist selbstverständlich erforderlich, ihr Einrichtungen hinzuzufügen, die dazu dienen, die Lesevorrichtung der zu lesenden Spur radial nachzuregeln, den Radialfehler zu korrigieren (Dezentrierungskorrektur) und den Vertikalfehler zu korrigieren, um ein vollständiges Lesesystem zum Lesen der auf Informationsträgern aufgezeichneten Information zu schaffen. Solche Vorrichtungen sind in einschlägigen Veröffentlichungen beschrieben und sind nicht Gegenstand der Erfindung.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lesevorrichtung für einen Informationsträger dargestellt, für die als Beispiel ebenfalls angenommen worden ist, daß sie zum Lesen von im Durchlicht lesbaren Informationsträgern bestimmt ist.

In Fig. 4 tragen die gleichen Teile wie in Fig. 3 gleiche Bezugszeichen. Die nicht dargestellte Strahlungsquelle liefert ein paralleles Bündel. Das Projektionsobjektiv 22 hat eine Pupille mit rechteckigem Querschnitt. Zum Anpassen des Eintrittsbündels an diese Pupille enthält die Projektionsvorrichtung eine anamorphot!sehe Einrichtung, die beispielsweise aus einer zylindrischen Zerstreuungslinse 20 und aus einer zylindrischen Sammellinse 21 besteht. Das Projektionsobjektiv 22 ist eine sphärische Linse, die auf den Informationsträger einen Beugungsfleck ähnlich dem vorstehend beschriebenen projiziert, da die Pupille rechteckig ist.

Wie zuvor, sind die Abmessungen e und 1 der Pupille so ge-

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wählt, daß der projizierte Beugungsfleck dunkle Streifen hat, die mit den Mitten der dem zu lesenden Spurabschnitt benachbarten Abschnitte zusammenfallen, wobei der zentrale Lichtpunkt eine Länge hat, die der aufgezeichneten räumlichen Frequenz angepaßt ist.

Solche Vorrichtungen sind dem Lesen von Platten angepaßt, auf denen die Informationen längs einer spiralförmigen Spur aufgezeichnet worden sind, die eine kleine Steigug hat (in der Größenordnung eines Mikrometers).

Die Informationsmenge, die gespeichert werden kann, nimmt daher beträchtlich zu. Beispielsweise entspricht eine Informationsträgerplatte, auf der die Prägung einer Spur gebildet worden ist, die eine Steigmg von lyum hat, einer Programmdauer von 48 Minuten, wohingegen eine ähnliche Platte nur 30 Minuten Programmdauer entspricht, wenn die Steigung gleich 1,6 »um ist.

Es ist außerdem möglich, dieselbe Informationsmenge wie auf Platten mit einer Steigung von l,6,um auf demselben Bereich aufzuzeichnen. Der erzielte Gewinn liegt dann in der Verringerung der Drehgeschwindigkeit der Platte, was die Verwendung von weniger schnellen und daher weniger teueren Posit ionsfolgeregeleinrichtungen gestattet.

Eine weitere Möglichkeit, Gewinn zu erzielen, bestünde darin, den gravierten Bereich zu verkleinern, indem die gleiche Menge an Informationen wie auf den herkömmlichen Informationsträgern

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AS

aufgezeichnet wird, aber auf einem Kranz der Platte mit größerem Innenradius. Der Gewinn ist dann in den größeren räumlichen Frequenzen zu sehen, die auf diese Weise aufgezeichnet werden können (es würde dann in dem Fall einer Videoplatte nicht mehr ein Bild pro Spurumlauf geben, sondern mehr als ein Bild, was das Stoppen auf dem Bild zwar verhindern würde, jedoch für die Verwendungszwecke der Videoplatte für die große Öffentlichkeit ist dieses Stoppen auf dem Bild nicht unerläßlich).

Die Erfindung ist nicht auf das beschränkt, was im einzelnen beschrieben und dargestellt worden ist. Insbesondere eignen sich analoge Lesevorrichtungen für das Lesen von im Auflicht lesbaren Informationsträgern.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE ;

y Verfahren zum optischen Lesen eines Informationsträgers, der eine Aufeinanderfolge von Beugungselementen mit konstanter Breite und mit veränderlicher Länge und veränderlichem Abstand längs einer Spur mit konstanter Steigung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Informationsträger ein Beugungsfleck projiziert wird, der einen zentralen Punkt aufweist, der auf den zu lesenden Spurabschnitt zentriert ist und in der zu der Abspielrichtung der Spur normalen Richtung durch zwei dunkle Streifen begrenzt ist, deren Beieuchtungsminima mit den Mitten der dem zu lesenden Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte zusammenfallen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beugungsfleck das Bild einer punktförmigen Strahlungsquelle ist, das durch ein kreisförmiges Objektiv erzeugt wird, welches durch eine auf die optische Achse zentrierte Pupille abgedeckt ist, die zwei zu der AbspLeir Lcht ung der Spuren parallele Ränder hat, wobei der Abstand zwischen den

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beiden Rändern in Abhängigkeit von der Steigung der Spur, von der Länge der Strahlung und von der numerischen Apertur des Objektivs festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pupille eine rechteckige Form hat und dal) der lieugunr,s- i 1 eck /.we 1 orthogonale SI. re I f enraste r aufweist, die den hellen zentralen Punkt umgeben.
4. Verfahren nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beugungsfleck das Bild einer punktförtnigen Quelle ist, das durch ein Objektiv mit rechteckiger Pupille erzeugt wird, und daß der Beugungsfleck zwei orthogonale Streifenraster enthält, die den zentralen Punkt umgeben.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der rechteckigen Pupille in der Abspielrichtung des Informationsträgers, die die Steigung des Streifenrasters in der zu der Abspielrichtung normalen Richtung bestimmt, an die höchste räumliche Frequenz der auf dem Informationsträger aufgezeichneten Beugungselemente angepaßt ist.
6. Optischer Leser zum Lesen eines Informationsträgers, der eine Aufeinanderfolge von Beugungselementen mit konstanter Breite und mit veränderlicher Länge und veränderlichem Abstand längs einer Spur mit konstanter Steigung aufwe ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Projizieren der I.psestrahlung auf den Träger, die auf diesem Träger einen

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eck bildet, der einen hellen zentralen Punkt enthält, welcher den zu lesenden Spurabschni It; beleuchte·", und zu der Abspielrichtung der Spur parallele dunkle Streifen, deren Beleuchtungsminima mit den Mitten der dem zu lesenden Spurabschnitt benachbarten Spurabschnitte zusammenfallen.

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