DE3315220C2 - Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem - Google Patents

Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem

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DE3315220C2 DE3315220A DE3315220A DE3315220C2 DE 3315220 C2 DE3315220 C2 DE 3315220C2 DE 3315220 A DE3315220 A DE 3315220A DE 3315220 A DE3315220 A DE 3315220A DE 3315220 C2 DE3315220 C2 DE 3315220C2
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Abstract

Es wird ein optisches Brennfleckfehlerdetektionssystem bechrieben, das enthält einen im Weg eines Strahlungsbündels von einer Fläche, auf der zu fokussieren ist, angeordneten Bündelteilen und ein strahlungsempfindliches Detektorsystem, das aus einer Anzahl von schmalen Streifen getrennter Detektoren besteht, wobei ein erster Trennstreifen einem ersten und ein zweiter Trennstreifen einem zweiten von zwei vom Bündeltrenner gebildeten Teilbündel zugeordnet ist. Wenn die zwei Trennstreifen einen spitzen Winkel miteinander bilden, kann dafür gesorgt werden, daß die Zentren der von den Teilbündeln in der Detektorebene gebildeten Strahlungsflecke bei guter Fokussierung auf den Trennstreifen liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer ersten, Strahlung reflektierenden Fläche und einer Fokussierungsebene eines Objektivsystems in einem optischen Abbildungssystem, insbesondere für eine Anordnung zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen, Strahlung reflektierenden Informationsstniktur oder eine Anordnung zum Schreiben von Informationen in einen Aufzeichnungsträger auf optischem Wege, welches Fokusfehlerdetektorsystem ein im Weg eines von der ersten Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes, bündelteilendes Element, und ein hinter dem bündelteilenden Element angeordnetes, strahlungsempfindliches Detektionssystem enthält das eine Anzahl durch schmale Streifen voneinander getrennter Detektoren enthält, wobei ein erster Trennstreifen einem ersten und ein zweiter Trennstreifen einem zweiten von zwei vom bündelteilenden Element gebildeten Teilbündeln zugeordnet ist wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingang .n einer Elektronikschaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignaien abgeleitet wird.
Eine derartige Anordnung wurde in der Veröffentlichung »PCM-Schallplatte für die 80er Jahre« in »Radio Mentor« 45 (1979), S. 138 ... 140, beschrieben. Diese Anordnung enthält eine Strahlenquelle in Form eines ίο Halbleiterdiodenlasers. Das von diesem Laser ausgestrahlte Lesebündel wird von einem Objektivsystem auf einer Informationsstruktur fokussiert, die auf einem runden, scheibenförmigen Aufzeichnungsträger angeordnet ist Das von der Informationsstruktur reflektierte Lesebündel durchläuft zum zweiten Male das Objektivsystem und anschließend ein zwischen der Strahlenquelle und dem Objektivsystem angeordnetes Trennungsprisma. Dieses Prisma koppelt das modulierte Lesebündel aus dem Strahlungsweg des von der Quelle ausgezo strahlten Bündels, so daß das modulierte Bündel in einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem aufgefangen werden kann, das ein elektrisches Signal entsprechend der Modulation des letztgenannten Bündels liefert
Für optische Systeme, mit denen sehr kleine Informationsdetails ausgelesen werden müssen und die mit einer großen numerischen Apertur arbeiten, ist die Schärfentiefe gering. Für diese Art von Abbildungssystemen, die beispielsweise in Mikroskopen oder in Anordnungen zum Lesen eines optischen Aufzeichnungsträgers mit sehr kleinen Einzelheiten oder in Anordnungen zum Einschreiben von Informationen in einen Aufzeichnungsträger benutzt werden, ist es wichtig, eine Abweichung zwischen der reellen und der gewünschten Fokussierungsebene detektieren zu können, um damit die Fokussierung nachregeln zu können. Dazu kann, wie in der genannten Veröffentlichung angedeutet und in der DE-OS 29 14 122, insbesondere in der Beschreibung der Fig. 1, 2a und 2b, ausführlich beschrieben ist, auf der Austrittsfläche des Trennungsprismas ein Dachkantprisma angeordnet sein. Dieses Prisma teilt das Bündel in zwei Teilbündel, die in getrennten Detektoren des strahlungsempfindlichen Detektionssystems aufgefangen werden. Dieses System besteht beispielsweise aus vier strahlungsempfindlichen Detektoren, die auf einer Linie quer zur brechenden Rippe des Dachkantprismas angeordnet sind. Durch Subtraktion der Summe der Signale der zwei inneren Detektoren von der der zwei äußeren Detektoren wird ein Signal gewonnen, das einem Fokusfehler proportional ist.
In diesem Fokusfehlerdetektorsystem ist dafür zu sorgen, daß der Abstand zwischen den Mitten der in der Ebene der Detektoren gebildeten Strahlungsflecke gleich dem Abstand zwischen den Trennstreifen der Detektorcn ist und daß die Strahlungsflecke richtig positio niert sind in bezug auf die Detektoren, so daß bei einer guten Fokussierung des Bündels die Strahlungsflecke in bezug auf den zugeordneten Trennstreifen symmetrisch liegen. Wenn der Abstand zwischen den Mitten der (.0 Strahlungsflecken unrichtig ist und/oder wenn die Strahlungsflecke nicht richtig positioniert sind, wird ein fehlerhaftes Fokusfehlcrsignal gewonnen und ist eine korrekte Fokuseinstellung nicht mehr möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine der-
artige Anordnung der Detektoren zu schaffen, daß die
Möglichkeit geboten wid, nach dem Aufbau des Fokus-
fehlcidelektionssystcms den Abstand zwischen den
Mitten der Strahlungsflccke an den Abstand zwischen
den Trennstreifen anzugleichen und die Position der Strahlungsflecke nachzuregeln.
Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Anordiung dadurch gelöst, daß der erste Trennstreifen einen spitzen Winkel mit dem zweiien Trennstreifen bildet.
Indem bei guter Fokussierung des Bündels die zwei Teilbündel in einer oder zwei in der Ebene dsr Detektoren liegenden Richtungen bewegt werden, läßt sich das gesetzte ZieJ erreichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystem ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Trennlinien etwa 22° beträgt
Diese Wahl des Winkels bewirkt, daß auch bei beschränkten Abmessungen der Detektoren einerseits die Einstellmöglichkeit groß genug ist und zum anderen die Steilheit des Fokusfehlerdetektionssystems groß genug bleibt.
Eine Anordnung zum Lesen und/oder Schreiben von Information in einer strahlungsreflektierenden Informaticnsfläche eines Aufzeichnungsträgers, welche Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Fokusfehlerdetektionssystems versehen ist, ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionssystem vier getrennte Detektoren enthält, daß die Bündelteilung in einer Ebene erfolgt, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft und daß die Elektronikschaltung Mittel zum Ableiten eines Signals enthält, das einen Hinweis auf die Lage des in der lnformationsfläche gebildeten Strahlungsflecks in bezug auf eine Informationsspur gibt
Nachstehend werden an Hand der Zeichnung einige Beispiele der erfindungsgemäßen Anordnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung mit dem vorliegenden Fokusfehlerdetektionssystem,
F i g. 2 die einzelnen Detektoren und die elektronische Verarbeitungsschaltung,
F i g. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Detektorsystems, und
F i g. 4 eine andere Ausführungsform des Detektorsystems.
In F i g. 1 ist ein kleiner Teil eines runden scheibenförmigen Aufzeichnungsträger 1 in radialem Schnitt dargestellt. Die Strahlung reflektierende Informationsstruktur befindet sich an der Oberseite des Aufzeichnungsträgers und besteht aus einer Vielzahl nicht dargestellter Informationsgebtete, die entlang Informationsspuren 2 angeordnet sind. Die Informationsstruktur wird abgetastet von einem Lesebündel b der von einer Strahlenquelle 3, beispielsweise einem Halbleiterdiodenlaser geliefert wird. Eine Linse 4 bildet aus dem divergierenden Bündel ein paralleles Bündel mit einem derartigen Querschnitt, daß die Pupille eines Objektivsystems 5 gut ausgefüllt wird. Dieses Objektivsystem bildet dabei einen Strahlungsfleck Vmit minimalen Abmessungen auf der Informationsstruktur.
Das Lesebündel wird von der Informationsstruktur reflektiert und bei der Bewegung des Aufzeichnungsträgers in bezug auf das Lesebündel wird das reflektierte Bündel entsprechend der im Aufzeichnungsträger angebrachten Information zeitlich moduliert. Zum Trennen des modulierten Bündels von dem von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündel ist /wischen der Strahlenquelle und dem Objektivsystem ein Bündeltrennprisma 6 angeordnet. Dieses Prisma kann aus zwei prismatischen Teilen 7 und 8 bestehen, zwischen denen eine Bündeltrennschicht 9 angeordnet ist. Mit 10 und 11 sind die Eintrittsfläche bzw. die Austrittsfläche des Prismas 6 bezeichnet Die Schicht 9 kann ein halbdurchiässiger Spiegel sein. Zum möglichsten Verringern des Strahlungsverlustes in der Leseeinheit kann eine polarisa- tionsempfindliche Trennschicht verwendet werden. Zwischen dem Objektivsystem und dem Prisma 6 ist dabei eine Λ/4-Platte 12 aufzunehmen, worin λ die Wellenlänge des Lesebündels b ist. Dieses Prisma wird vom Lesebündel zweimal durchlaufen und dreht die Polarisa tionsfläche dieses Bündels über insgesamt 90°. Das von der Strahlungsquelle ausgesandte Bündel wird vom Prisma dabei nahezu vollständig durchgelassen, während das modulierte Bündel nahezu vollständig nach einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem 13 reis flektiert wird. Dieses System erzeugt ein Signal, das entsprechend der im Aufzeichnungsträger gespeicherten Information moduliert ist
Zum Erzeugen eines Fokusfehlersignals, das einen Hinweis auf die Größe und die Richtung einer Abwei chung zwischen der Fokussierungsebene des Objektiv systems und der Ebene der Informationsstruktur gibt, ist auf der Austrittsfläche 11 des Bündeltrennprismas 6 ein Dachkantprisma 14 angeordnet und das strahlungsempfindliche Detektionssystem 13 beispielsweise aus vier strahlungsempfindlichen Detektoren aufgebaut Diese Detektoren sind in F i g. 2, die das Prinzip der Fokusfehlerdetektion veranschaulicht mit 16,17,18 und 19 angegeben. Diese Figur zeigt eine Ansicht der Detektoren entlang der Linie ΙΙ-ΙΓ in Fig. 1. Die brechende Rippe 15 des Prismas H kann zur optischen Achse OO' in F i g. 1 der Leseeinheit parallel verlaufen. Vorzugsweise wird jedoch, wie in Fig. 1 dargestellt, das Dachkantprisma derart angeordnet, daß die brechende Rippe 15 quer zur optischen Achse OO' verläuft Dann kann nämlich aus den Detektorsignalen ein Spurnachführungsfehlersignal abgeleitet werden.
Das Dachkantprisma teilt das Bündel b in zwei Teilbündel b\ und b2, die mit den Detektoren 16 und 17 bzw. 18 und 19 zusammenarbeiten.
In Fig. 1 und 2 ist die Situation veranschaulicht bei der das Lesebündel genau auf der Fläche der Informationsstruktur fokussiert ist. Die Leseeinheit kann so eingerichtet sein, daß dabei der Fokus des reflektierten Bündels genau in der Ebene der Detektoren liegt. Bei einer guten Fokussierung fallen die Teilbündel b\ und bi symmetrisch auf ihre zugeordneten Detektoren 16 und 17 bzw. 18 und 19 ein. Beim Auftreten eines Fokusfehlers ändert sich die Energieverteilung im Teilbündel b\ bzw. bi in bezug auf die zugeordneten Detektoren, was
so auch als eine Verschiebung der von den Teilbündeln gebildeten Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug auf die Detektoren aufgefaßt werden kann. Wenn der Fokus des aus der Strahlenquelle herrührenden Bündels über der Fläche der Informationsstruktur liegen würde, wür den die Bündel b\ und bi nach innen verschoben sein und die Detektoren 16 und 19 weniger Strahlungsenergie als die Detektoren 17 und 18 empfangen. Würde der Fokus des von der Strahlenquelle ausgesandten Lesebündels unter der Fläche der Informationsstruktur liegen, würde das Umgekehrte gelten und die Detektoren 17 und 18 weniger Strahlungsenergie als die Detektoren 16 und 19 empfangen. Indem, wie in F i g. 2 dargestellt, die Signale der Detektoren 17 und 18 einem ersten Addierer 20 und die der Detektoren 16 und 19 einem zweiten Addierer 21 und die Signale dieser Addierer einem Differenzverstärker 22 zugeführt werden, wird ein Fokusfehlersignal Sf erhalten. Das Informationssignal S, kann mit einem dritten Addierer 23 erhalten werden, dessen Eingänge
10
mit den Addierern 20 und 21 verbunden sind.
Vom Dachkantprisma 14 kann entweder die Basis, wie in F i g. 1, oder die brechende Rippe 15 an der Austrittsflache U des Bündeltrennprismas liegen. Bei dem gewählten großen Wert des Spitzenwinkels des Dachkantprismas, beispielsweise etwa 170°, hat das Prisma 14 in beiden Fällen etwa die gleiche Wirkung. Der Spitzwinkel wird möglichst groß gewählt, damit die Detektionselemente möglichst nahe beieinander liegen und als ein integrierter Detektor ausgeführt werden können.
Das Fokusfehlersignal wird durch die Lage des Zentrums des Strahlungsflecks Vi bzw. V2 in bezug auf den Trennstreifen der Detektoren 16 und 17 bzw, den Trennstreifen der Detektoren 18 und 19 bestimmt. Es ist dafür zu sorgen, daß bei einer guten Fokussierung des Bündels ti der Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke gleich dem Abstand zwischen den Trennstreifen ist. Durch die unterschiedlichen Toleranzen in den optischen Elementen des Fokusfehlerdetektionssystems können Abweichungen im Abstand zwischen den Strahlungsflecken auftreten. Würde der Abstand zwischen den Strahlungsflecken zu groß sein, würden auch bei einer guten Fokussierung des Bündels b diese Strahlungsflecke in bezug auf die Detektoren nach außen hin verschoben sein und würde ein positives Fokusfehlersignal erzeugt werden. Bei einem zu geringen Abstand zwischen den Strahlungsflecken würde ein negatives Fokusfehlersignal geliefert werden.
Für die Möglichkeit zum Anpassen des Abstands zwischen den Mitten der Detektorpaare 16,17, und 18,19 an den Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke nach dem Zusammenbau der Anordnung ist das Detektorsystem gemäß Fig.3 ausgeführt. Die Detektorpaare sind nicht mehr parallel zueinander angeordnet, sondern derart, daß der Trennstreifen A der Detektoren 16 und 17 einen spitzen Winkel α mit dem Trennstreifen I2 der Detektoren 18 und 19 einschließt In F i g. 3 sind zwei Strahlungsflecke Vt und V2 dargestellt, die einen gegenseitigen Abstand d haben, der dem AbEmpfindlichkeit für Fokusfehler dennoch groß genug bleibt.
Beim Anordnnen der brechenden Rippe 15 des Prismas 14 quer zur optischen Achse OO'. wie in F i g. 1 dargestellt, sind die Strahlungsflecke Vi und V2 in bezug aufeinander in einer Richtung verschoben, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft. In diesem Fall kann aus den Signalen der vier Detektoren 16, 17, 18 und 19 ein Spurnachführungssignal, ein Signal, das einen Hinweis auf die Position des Lescflecks V in bezug auf die Mitte einer zu lesenden Spur gibt, abgeleitet werden. Dieses Signal Sr wird, wie in F i g. 2 angegeben, durch Zuführen der Signale der Detektoren 16 und 17 an einen Summierer 24 und der Signale der Detektoren 18 und 19 an einen Summierer 25 und durch Zuführen der Signale der Summierer an einen Differenzverstärker 26 erhalten. Das Signal Sr wird also durch folgende Gleichung gegeben:
Sr = (Sib + Sn)-(S \
Wenn das Detektionssystem 13 nicht zum Erzeugen eines Spumachführungssignals Sr benutzt wird, kann dieses System auch aus nur drei Detektoren wie in F i g. 4 bestehen. Der Trennstreifen h zwischen den Detektoren 31 und 30 und der Trennstreifen I2 zwischen den Detektoren 32 und 30 bilden wieder einen spitzen Winkel miteinander. Das Fokusfehlersignal Sr wird durch folgende Gleichung gegeben:
25 Su+Si2)-S so.
Die Erfindung ist an Hand ihrer Anwendung in einem optischen Leseeinheit beschrieben, kann aber auch in einer Schreibeinheit oder in einer kombinierten Schreib/Leseeinheit verwendet werden. Die Schreibeinheit ist analog der beschriebenen Leseeinheit aufgebaut. Zum Schreiben von Informationen, beispielsweise durch das Schmelzen von Grübchen in einer Metallschicht,
stand zwischen den Trennstreifen entlang der Linie y 40 wird mehr Energie als zum Lesen benötigt und außer-
durch das Zentrum des Detektorsystems entspricht. 1st der Abstand zwischen den Strahlungsflecken Vi und V2 größer als d, sind die Teilbündel b\ und O2 derart zu verschieben, daß die Strahlungsflecke Vi und V2 nach dem ist das Schrcibbündel entsprechend der einzuschreibenden Information zeitlich zu modulieren. Als Strahlungsquelle in der Schreibeinheit kann ein Gaslaser, z. B. ein HeNe-Laser benutzt werden, wobei im Weg
rechts verschoben werden, bis die Zentren der Strah- 45 des Schreibbündels ein Modulator, z. B. ein elektroopti-
lungsflecke wieder genau auf den Trennstreifen liegen. Bei einem zu geringen Abstand zwischen den Zentren der Strahlungsflecke sind sie nach links zu verschieben.
Der Abgleich der Leseeinheit besteht darin, daß nach dem Zusammenbau dieser Einheit und der guten Einstellung des Fokus eines Öbjektivsystems die rosiüöii der Strahlungsflecke V1 und V2 in bezug auf die Detektoren durch die Messung der Detektorsignale bestimmt werden. An Hand dieser Messung können die Positioscher oder ein r.kustooptischer Modulator, anzuordnen ist Auch kann ein Diodenlaser benutzt werden, wobei die Modulation des Schreibbündels durch Variation des elektrischen Stroms durch den Diodenlaser herbeigeführt werden kann, so daß kein getrennter Modulator erforderlich ist
Das beschriebene Fokusfehlerdetektionssystem benutzt keine besonderen Eigenschaften der optischen Informationsstruktur oder der Fläche, auf der zu fokussie-
nen der Strahlunesflecke beispielsweise durch Verschie- 55 ren ist Erforderlich und ausreichend ist nur, daß diese
bung und/oder Kipping des Prismas 6 derart nachgestellt werden, daß die Zentren der Strahlungsflecke auf den Trennstreifen l\ und h liegen.
Die Empfindlichkeit des Brennfleckfehlerdetektionssystems ist möglichst groß, wenn die Streifen /1 und I2 in ω der x-Rkhtung, also quer zur Richtung y verlaufen, in der die Strahlungsflecke V] und V2 beim Auftreten von Fokusfehlem sich bewegen. Wenn ein Winkel α in der Größenordnung von 22* gewählt wird, wird erreicht daß auch bei beschränkten Abmessungen der Detektoren die Möglichkeit der Anpassung des Abstands zwischen den Trennstreifen an den Abstand zwischen den Strahlungsflecken V1 und V2 groß genug ist während die Räche strahlungsreflektierend ist Das Fokusfehlerdetektionssystem kann daher in verschiedenen Anordnungen verwendet werden, in der äußerst genau zu fokussieren ist beispielsweise in Mikroskopen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem zum Detektieren einer Abweichung zwischen einer ersten, Strahlung reflektierenden Fläche und einer Fokussierungsebene eines Objektivsystems in einem optischen Abbildungssystem, insbesondere für eine Anordnung zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers mit einer optischen. Strahlung reflektierenden Informationsstruktur oder einer Anordnung zum Schreiben von Informationen in einen Aufzeichnungsträger auf optischem Wege, welches Fokusfehlerdetektorsystem ein im Weg eines von der ersten Fläche reflektierten Strahlungsbündels angeordnetes, bündelteilendes Element und ein hinter dem bündelteilenden Element angeordnetes, strahlungsempfindliches Detektionssyslem enthält, das eine Anzahl durch schmale Streifen voneinander getrennter Detektoren enthält, wobei ein erster Trennstreifen einem ersten und ein zweiter Trennstreifen einem zweiten von zwei vom bündelteilenden Element gebildeten Teilbündeln zugeordnet ist, wobei die Ausgänge der Detektoren mit den Eingängen einer Elektronikschaltung verbunden sind, in der ein Fokusfehlersignal aus den Detektorsignalen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Trennstreifen einen spitzen Winkel mit dem zweiten Trennstreifen bildet.
2. Optoelektronisches Fokusdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Trennstreifen etwa 22° beträgt.
3. Anordnung zum Lesen und/oder Schreiben von Informationen in einer Strahlungsreflektierenden Fläche eines Aufzeichnungsträgers, welche Anordnung mit einem Fokusfehlerdetektionssystem nach Anspruch 1 oder 2 ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Deteklionssystem vier getrennte Detektoren enthält, daß die Bündelteilung in einer Ebene erfolgt, die wirksam quer zur Spurrichtung verläuft und daß die elektronische Schaltung Mittel zum Ableiten eines Signals enthält, das einen Hinweis auf die Position des in der Informationsfläche gebildeten Strahlungsflecks in bezug auf eine Informationsspur gibt.
DE3315220A 1982-05-19 1983-04-27 Optoelektronisches Fokusfehlerdetektionssystem Expired DE3315220C2 (de)

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