DE3382774T2 - Gerät zum Kontrollieren des Fokuszustands eines Aufzeichnungslichtstrahls. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Überwachen des Fokussierungszustandes eines Schreiblichtstrahls, welcher auf einer Schreibfläche eines Aufzeichnungsmediums auftrifft.
• Systeme zum Überwachen des Fokussierungszustandes eines Lichtstrahls sind bekannt, die zur Wiedergabe von aufgezeichneten Videodisks durch ein Videodiskgerät verwendet werden. Dabei wird ein kollimierter Lichtstrahl zum Lesen von einer Laserlichtquelle abgegeben und durch eine Streulinse gerichtet, welche den Strahl so formt, daß er die Eingangsöffnung einer mikroskopischen Objektivlinse vollständig ausfüllt. Diese Linse wiederum konvergiert den Strahl auf einen Fokussierungspunkt auf der Oberfläche der Videodisk. Bei Drehung der Disk verursachen die Vertiefungen oder Erhöhungen entlang einer Spur auf der Disk Intensitätsmodulationen des reflektierten Strahls, welcher sich entlang eines Bereichs des Wegs des einfallenden Lichtstrahls fortpflanzt, bis er einen Polarisierungswürfel erreicht, der den reflektierten Strahl aus dem Weg des einfallenden Strahls ablenkt und ihn auf einen Photodetektor fokussiert. Da die Intensität des auf den Photodetektor fokussierten Strahls variiert, wird der auf der Videodisk aufgezeichnete Informationsgehalt in elektrische Pulse transformiert, die über eine Reihe von elektronischen Verfahren die Video- und Audioanteile eines aufgezeichneten Programms erzeugen.
• Bei dem gerade beschriebenen Aufbau wird das reflektierte Licht aus dem Weg des einfallenden Lichtstrahls in einen Bereich abgespalten, in dem der einfallende Strahl divergiert. Auf diese Weise erzeugt der in den Polarisationswürfel eintretende reflektierte Strahl, wobei der Würfel in dem divergierenden Bereich des einfallenden Strahls angeordnet ist, einen konvergierenden Lichtstrahl, der zum Photodetektor abgelenkt wird. Bei Analyse der in einem solchen System verwendeten Optik ergibt sich, daß ein durch die Streulinse erzeugter konusförmiger Strahl ein Paar von konjugierten Punkten ergibt, von denen einer auf der Oberfläche der Videodisk und der andere in dem Fokuspunkt auf dem Photodetektor ist. Folglich bildet der von dem Polarisationswürfel abgespaltene Lichtstrahl einen fokussierten Punkt auf dem Photodetektor, der zu dem fokussierten Punkt auf der Disk korrespondiert. Ist der Lichtstrahl defokussiert beim Auftreffen auf die Disk, ist natürlich die durch den Photodetektor ermittelte Signalstärke geringer. Folglich kann eine optimale Fokussierung und Signalwiederherstellung dadurch erreicht werden, daß der am Photodetektor anliegende Signalpegel überwacht wird, die Objektivlinse justiert wird und der Strahl auf der Disk fokussiert wird, bis ein maximales Signal wiederhergestellt ist. Darauffolgend wird der Abstand zwischen dem Polarisationswürfel und dem Photodetektor justiert, bis das Signal nochmals maximiert ist. Bei dem optimalen Betriebspunkt sind die konjugierten Punkte des optischen Weges sowohl auf der Oberfläche der Disk als auch auf dem Photodetektor gleichzeitig fokussiert.
• Bei einem Videodiskspieler ist die bekannteste Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer angemessenen Fokussierung, die kontinuierliche Überwachung der durch den Photodetektor ermittelten Signalstärke und ein Verstellen der Objektivlinsen entlang der Achse des Laserstrahls durch einen Servoregelkreis, bis das erhaltene Signal maximiert ist.
• Eine andere Einrichtung zur Überwachung und Aufrechterhaltung des fokussierten Zustandes bei einem Videodiskplayer besteht darin, daß der reflektierte Strahl von gleichmäßiger Divergenz mit einem kreisförmigen Profil durch eine Zylinderlinse hindurchtritt, wodurch die Divergenz entlang der Basalebene erhöht wird, während die Divergenz in der Sagittalebene unverändert bleibt. Der Strahl wird dann durch eine Passage gerichtet, die von vier in räumlicher Quadratur angeordneten Sensoren umgeben ist. Die Sensoren weisen ein Paar von vertikal ausgerichteten Sensoren und ein Paar von horizontal ausgerichteten Sensoren auf. Der Strahl beleuchtet folglich die vier Sensoren in räumlicher Quadratur, wobei die Sensoranordnung entlang des Strahls an einer solchen Stelle angeordnet ist, an der der Strahl sich von Basalfokussierung zu Sagitalfokussierung ändert, wodurch ein kreisförmiges Strahlprofil bestimmt ist und wodurch gleiche Ausgaben durch die Paare von horizontalen und vertikalen Sensoren verursacht werden. Abhängig von der Position des konjugierte Punktes auf der Diskoberfläche ändert sich dann das Strahlprofil am Detektor von einem horizontal elliptischen Profil zu einem vertikal elliptischen Profil. Durch elektronische Überwachung des Differenzsignals der horizontalen und vertikalen Sensorpaare kann ein Fokussierungsfehlersignal erzeugt werden, um die Objektivlinse an eine Position zurückzuführen, an der jeglicher Unterschied effektiv ausgeräumt ist und der Strahl wieder ein kreisförmiges Profil aufweist.
• Alle obenerwähnten Möglichkeiten zur Aufrechterhaltung der Fokussierung eines Lichtstrahls arbeiten in Abhängigkeit zu der Eigenschaft des reflektierten Laserstrahls, wenn dieser in Richtung Photodetektor konvergiert. Weiterhin sind die meisten der bekannten elektrooptischen Fokussierüberwachungs- und Steuersysteme, die in Abspielgeräten verwendet werden, in der langen Konjugierten der Objektivlinse angeordnet. Dies ist dadurch ermöglicht, daß ein Strahlteilerwürfel verwendet wird. Die Fokussierungsdetektoren- und Überwachungsgeräte der bekannten Art arbeiten effektiv, indem sie Änderungen in der Divergenz der langen Konjugierten der Objektivlinse analysieren, wodurch die Länge der kurzen Konjugierten der Objektivlinse unterdrückt wird, wie es sich durch die bekannten Gesetze der Optik ergibt.
• Ein anderer Faktor der Effektivität der bekannten Fokussierdetektoren- und Überwachungsgeräte besteht zum großen Teil in der Stärke des Signals, welches von der Videodisk nach Auftreffen des Laserstrahls wiederhergestellt wird. Die hochreflektierenden, metallisierten informationsenthaltenden Oberflächen der Videodisk erzeugen einen hohen Prozentsatz reflektiertes Licht, mit dem der Photodetektor und die Fokussiergeräte sicher arbeiten können.
• Da die vorliegende Erfindung das Überwachen der Fokussierungsbedingung einer Schreib- oder Muttermatrizenmaschine betrifft, gibt es mehrere Faktoren, die der Verwendung eines Polarisationswürfels an der gleichen Stelle entlang des Strahlweges wie bei dem obenbeschriebenen Diskspieler widersprechen. Zuerst verwendet das Schreibgerät eine Lichtquelle mit höherer Leistung, allgemein Argonion-Laserröhren mit einer Leistung von 100 Milliwatt, im Vergleich zu der 1 Milliwatt Leistungskapazität eines Laserstrahls eines Abspielgeräts. Demgemäß würde das Einfügen eines Polarisationswürfels und notwendigerweise einer Viertelwellenlängenplatte in dem divergierenden Bereich des Schreibstrahls, d. h., gerade vor der Objektivlinse, bestimmte optische Aberrationen und Verzerrungen hervorrufen, wie beispielsweise sphärische Aberration, die nach Durchgang eines Lichtstrahls durch jede optische Einheit zu erwarten ist, welche durch die große numerische Apertur verstärkt werden, die bei Videodiskmaskenherstellung erforderlich ist. So würde die nutzbare Betätigungszeit des Aufzeichnungslasers aufgrund der Übertragungseffektivität des Polarisationswürfels vermindert.
• Der Nachteil der sphärischen Aberration, die durch Anordnen des Strahlteilerwürfels im divergierenden Aufzeichnungsstrahlenweg eingeführt wird, ist erkannt worden und wird beim Stand der Technik dadurch ausgeräumt, daß Objektive mit unendlich langer Konjugierten statt der üblichen 160-180 mm langen Konjugierten verwendet werden. Allerdings werden bei einer solchen Anordnung mehrere Bauteile verwendet, um erstens einen breiten kollimierten Strahl zur Beleuchtung des Objektivs zu erzeugen und zweitens den abgelenkten Rückkehrstrahl zur Fokussierüberwachungseinrichtung zu konvergieren.
• Da weiterhin die Diskoberfläche, auf die der Schreibstrahl auftrifft, nicht metallisiert, sondern mit einer im wesentlichen klaren Photolackverbindung versehen ist, ist die Diskobefläche im wesentlichen durchlässig, so daß die Verwendung von jeglicher möglicherweise reflektierten Lichtenergie nicht unbedingt offensichtlich ist.
• Obwohl Kosten nicht notwendigerweise bei der Produktion einer Muttermatrizenmaschine ein großer Faktor sind, sind schließlich zusätzliche Teile mit zugehörigen Komplexitäten notwendig und zusätzliche Zeit muß beim Aufbau, der Ausrichtung und der Wartung der zusätzlichen optischen Teile aufgebracht werden.
• Aufgrund der im vorangegangen Paragraphen angegebenen Schwierigkeiten, ist es bisher beim aufzeichnen von Laserdisks üblich gewesen, die optimale Fokussierungsstellung periodisch für die verschiedenen optischen Bauteile zu bestimmen, die die Fokussierung beeinflussen, indem eine Reihe von Testdisks hergestellt wurde und jede dieser Disks oder Bereiche davon entsprechend zu einer bestimmten Kombination von Einstellungen der verschiedenen optischen Parameter, wie Leistung oder Fokussierung, wiedergegeben wurden. Nach Bestimmung einer Videodisk oder eines Bereichs davon, bei der eine hohe Qualität des Wiedergabesignals gegeben war, wurde sich auf die Aufzeichnungen, die die verschiedenen Bedingungen und Positionen der Optik zur Erzeugung eines solchen hochqualitativen Aufzeichnungsprogramms darstellten, bezogen, um die Optik anhand dieses Satzes von Bedingungen einzustellen. Auf diese Weise, auch wenn es zeitaufwendig und nicht vorhersehbar war, wurde eine akzeptable Fokussierungsbedingung erreicht. Die empirisch hergeleiteten Bedingungen, die zur Herstellung der akzeptablen Fokussierungsbedingungen notwendig waren, sind nur unter hohen Kosten aufgrund der benötigten Laborzeit zum Einstellen und zum Bestimmen der optimalen Fokussierungsbedingungen erzielbar, wobei gleichzeitig aufgrund der Standzeit der Muttermatrizenmaschine in der Videodiskproduktion eine Pause auftrat.
• Die britische Patentanmeldung GB 2 019 044 offenbart eine automatische Steuerung zur Fokussierung eines Schreibstrahls eines optischen Aufzeichnungsgeräts. Der Schreibstrahl wird von einem Laser ausgegeben und entsprechend zu einer Signalquelle moduliert. Darauffolgend tritt der Lichtstrahl nacheinander durch eine Linse 17, einen Spiegel 19 und eine Fokussierlinse 20 zum Divergieren des modulierten Lichtstrahls und zu dessen Auftreffen auf eine Schreiboberfläche einer Disk in fokussiertem Zustand hindurch. Nach Reflektion des Lichtstrahls von der Schreiboberfläche der Disk, tritt der reflektierte Strahl in umgekehrter Richtung durch die Fokussierlinse und den Spiegel hindurch und wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel abgelenkt, um auf einem Lichtdetektor aufzutreffen. Eine weitere zylindrische Linse ist zwischen dem halbdurchlässigem Spiegel und dem Lichtdetektor angeordnet.
• Der Lichtdetektor erzeugt ein Signal, das einem Aufspreizen des reflektierten Strahls als Ergebnis einer Defokussierung des Schreibstrahls entspricht. Das Signal steuert die Position der Fokussierlinse. Weiterhin offenbart diese britische Patentanmeldung eine automatische Fokussieroperation durch Kombinatin der zylindrischen (astigmatischen) Linse und eines Lichtdetektors in Verbindung mit US-Patent Nummern 4059841 und 4051527. Ein solcher astigmatischer Fokussierstrahl weist die obengenannten Einschränkungen des Stands der Technik auf. Folglich besteht der Bedarf, schnell die Fokussieroptik optimal und wiederholbar einzustellen und die Fokussierbedingung kontinuierlich zu überwachen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche.
• Die vorliegende Erfindung räumt alle Nachteile obenerwähnter bekannter Verfahren zur Herstellung einer angemessenen Fokussierung einer Muttermatrizenmaschine aus, und vermeidet die ebenfalls erwähnten Nachteile durch Einführen eines separaten Polarisationswürfels und einer Viertelwellenlängenplatte im divergierenden Schreibstrahl des Schreibers. Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung des Fokussierüberwachungssystems bei den bekannten Diskspielern erwähnt wurde, kann die Fokussierungsbedingung nur überwacht werden, wenn die Überwachungseinrichtung entweder am oder zwischen konjugierten Punkten eines optischen Systems angeordnet ist. Das heißt, wenn ein konischer optischer Strahl abgefangen wird, kann die Fokussierungsbedingung an einem der konjugierten Punkte durch Beobachten der Änderung in Form und/oder Größe des abgefangenen Bereichs des divergierenden oder konvergierenden Lichtstrahls überwacht werden. Liegt ein Lichtstrahl in einer kollimierten Form vor, d. h., kommt der Lichtstrahl von einer parallelplanaren Lichtquelle, wird bei Bewegung eines beliebigen der optischen Elemente im optischen Weg die gleiche Größe und Form des Lichtstrahls abgefangen und keine Information kann daraus abgeleitet werden. Es ist allgemein bekannt, daß ein Lichtstrahl von einer Laserquelle parallel und planar ist.
• Folglich ist nicht zu erwarten, daß eine Fokussierungsbedingung des Strahls nach Hindurchtreten durch eine Streulinse und ein Objektivlinse zweimal stromab von der Versorgungsquelle durch dessen kollimierten Strahlbereich als Informationsquelle für Fokussierung des Aufzeichnungsstrahlpunktes bestimmt werden könnte.
• Da die Schwierigkeit zum Erhalten von Fokussierinformationen des kollimierten Teils des Strahls stromaufwärts erkannt worden ist, hat sich die bisherige Technologie darin erschöpft, daß die Schwierigkeiten durch Anordnung von Relais-Linsen nach einem Ablenkstrahlteiler ausgeräumt wurden, wodurch der Strahl wieder konvergiert wurde und folglich die Merkmale der langen Objektivkonjugierten wiederhergestellt wurden.
• Die vorliegende Erfindung verwendet die Erkenntnis, daß, auch wenn für alle praktischen Zwecke ein Lichtstrahl von einer Lasereinrichtung kollimiert ist, dieser tatsächlich geringfügig divergierend ist, wenn er vom Laser austritt. Dies ergibt sich durch Brechung einer ebenen Welle mit einem Gausschen Intensitätsprofil, welche zwischen den Laserresonatoren an der Strahlentaille auftritt und durch Refraktion, wenn das Ausgangslicht durch die Dicke des Ausgangsspiegels hindurchtritt. Folglich, da der aus der Laserröhre austretende Strahl leicht divergent ist, ist das von der Videodisk reflektierte Licht, auch wenn gering in Intensität, umgekehrt (vorausgesetzt das System ist fokussiert) konvergent, wenn es in umgekehrter Richtung durch die Streulinse hindurchtritt und sich weiter in Richtung des Ausgangs des Lasergeräts und über den konjugierten Punkt bewegt, wo es ein reales Abbild der ebenen Ausgangswelle erzeugt (d. h., ein Bild der ebenen Welle an der Wellentaille innerhalb der Laserröhre). Dadurch besteht keine Notwendigkeit mehr für eine Relais-Linse. Die vorliegende Erfindung nutzt diese geringe Divergenz und Konvergenz des einfallenden und reflektierten Strahls am Ausgangsende des Modulators, um eine Überwachung der Fokussierungsbedingung des Schreibstrahls durch Überwachung des realen Bildes der ebenen Ausgangswelle am konjugierten Punkt zu erreichen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die obenerwähnten Fokussierungsüberwachungscharakteristiken ohne Hinzufügen zusätzlicher optischer Bauteile in dem Schreibstrahlweg zu erreichen.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Implementation der vorliegenden Erfindung mit dem vollständigen optischen Weg zwischen einer Laserlichtquelle und einer Videodisk;
• Fig. 2 eine Darstellung der bei einem bekannten Fokussiermechanismus für einen Videodiskspieler verwendeten Optik;
• Fig. 3 und 3a entsprechend einen halbkugelförmigen und einen konfokalen Laserhohlraumresonator zur Darstellung der prinzipiellen Betätigung einer Laserlichtquelle und zur Darstellung von möglichen Anordnungen der ebenen Wellen innerhalb der Einrichtung;
• Fig. 4 eine Darstellung des optischen Prinzips, auf dem die Erfindung zur Überwachung der Fokussierbedingung eines Laserstrahls beruht, der an einem Ausgangsende eines Lichtstrahlmodulators empfangen wird;
• Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Elektronik, die zur Verarbeitung des Ausgangs einer Photozellenmatrix zur Darstellung auf einem Videomonitor verwendet werden kann.
• Das Diagramm nach Fig. 1 zeigt schematisch die Grundbauteile, die bei einem Fokussierüberwachungssystem gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Länge der Bereiche des Lichtstrahlweges nach Fig. 1 entsprechen nicht notwendigerweise den tatsächlichen Längen des wirklichen Lichtweges in einer Videodisk-Mastermaschine. Allerdings sind die in der Erfindung verwirklichten Prinzipien angemessen dargestellt und jede Abweichung von tatsächlichen Längen und Winkeln der optischen Wege in den Figuren dieser Anmeldung sind zur Vereinfachung der Beschreibung und Analyse beabsichtigt.
• Eine Lichtquelle 2 mit hoher Intensität, vorzugsweise ein Argonionenlaser, wird verwendet, um den Schreibstrahl zu erzeugen. Eine Pockelszelle 14 und ein Glanprisma 20 bilden einen Lichtstrahlmodulator 10, der den Laserstrahl mit den Videoinformationen moduliert, die ein Eingangsmodulationssignal auf Leitung 16 definieren. Wie bekannt ist, reagiert die Pockelszelle 14 auf das angelegte Videosignal durch Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls 18. Da ein linearer Polarisator nur Licht mit einer bestimmten Polarisationsebene durchläßt, ist ein Polarisator in Form des Glanprismas 20 im Schreibstrahlweg enthalten, um einen modulierten Schreibstrahl 26 bereitzustellen. Wie dargestellt ist, tritt der Lichtstrahl vom Laser 2 in einen Eingang 12 des Modulators 10 ein und tritt aus einem Ausgang 24 aus, um auf einen ersten Spiegel 28 aufzutreffen, der den Schreibstrahl 26 durch eine Viertelwellenlängenplatte 30 hindurchschickt, welche das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht konvertiert. Der zirkular polarisierte Lichtstrahl 36 wird dann durch einen zweiten Spiegel 32 zu einer Streulinse 34 abgelenkt. Es sei angemerkt, daß der die Laserquelle 2 verlassende Lichtstrahl kollimiert ist und daß die bisher beschriebenen optischen Bauteile keinen Einfluß auf die Kollimierung des Strahls haben. Das heißt, unter der Annahme, daß der Lichtstrahl vom Laser 2 im wesentlichen planar und parallel ist, beeinflussen weder die Pockelszelle 14, das Glanprisma 20, die Spiegel 28 und 30 noch die Viertelwellenlängenplatte 30 die Parallelität oder Planarität des Strahls.
• Die Streulinse 34 ändert allerdings die Planarität des Strahls und verursacht bei dem so beeinflußten Strahl, daß er einen konvergenten konischen Bereich 38, einen Taillenbereich 41 und einen divergenten konischen Bereich 39, 42 aufweist, wobei der Bereich 42 eine durch einen Spiegel 40 umgelenkte Fortsetzung des Bereichs 39 ist. Für eine optimale Auflösung ist die optische Charakteristik der Streulinse 34 und die länge des Weges so ausgewählt, daß der Schreibstrahl 42 im wesentlichen die Eintrittsöffnung der Objektivlinsenanordnung 44 ausfüllt, welche eine Objektivlinse 45 aufweist, die einen unter einem großen Winkel konvergierenden Strahlbereich 46 in Richtung zu einem Fokussierpunkt 47 auf eine Aufzeichnungsfläche 48 einer Videodisk 50 erzeugt, welche auf einer Achse 52 montiert ist.
• Wie allgemein bekannt ist, wird bei einer Videodiskmastermaschine der Schreibstrahl auf einen Punkt in der Größenordnung von 0,6 Mikrometern auf einer Schicht eines Photolacks 49 fokussiert. Der Lichtstrahl, der durch das eingegebene Modulationsvideosignal frequenzmoduliert ist, wird folglich durch den modulierten Lichtstrahl auf die Oberfläche der Videodisk übertragen, wobei der Strahl den Photolack entsprechend zum modulierten Videosignal direkt belichtet, so daß bei einer späteren Entwicklung der Photolackschicht an den belichteten Stellen Vertiefungen unter Annahme eines positiven Photolacks verbleiben. Da allerdings die transparente Photolackschicht im wesentlichen in ihrer physikalischen Beschaffenheit unverändert bleibt, wird nur eine geringe Menge des auftreffenden Lichtstrahls von der Oberfläche zurück durch die Objektivlinse 45, durch die Streulinse 34, durch die Viertelwellenlängenplatte 30 und auf die prismatische Oberfläche 22 des Glanprismas 20 reflektiert. Ungefähr 1% bis 2% des auftreffenden Lichts wird von der Photolackschicht reflektiert und bei einer 100 Milliwatt-Laserquelle 2 ist ungefähr 0,5 Milliwatt Lichtenergie entlang des Weges 54 vom Glanprisma 20 durch Ausgang 25 des Modulators 10 erhältlich. Der reflektierte Strahl 54 wird durch Spiegel 56 auf einen Wandler 60 gerichtet, der über Kabel 58 Ausgangssignale abgibt. Die Verwendung und die Verarbeitung davon werden später im Detail erläutert. Allerdings ist in Fig. 1 erkennbar, daß der Ausgang des Wandlers 60 in einem oder beiden der zwei funktionellen Anordnung 66, 68 und 62, 64 verwendbar ist. Das heißt, der Ausgang des Wandlers 60 kann in einem Codierer 66 zur Darstellung auf einem Videomonitor 68 videocodiert werden, oder der Ausgang des Wandlers 60 kann in einem Fokussierservoverstärker 52 so verarbeitet werden, daß ein Objektivlinsentreiber 64 zur automatischen Aufrechterhaltung der Fokussierung des Schreibstrahls auf der Photolackschicht 49 betrieben wird.
• Mehrere Beobachtungen ergeben sich aus der obigen Beschreibung der Fig. 1. Zuerst sei angemerkt, daß die Einliniendarstellung der Strahlbereiche 8, 18, 26 und 36 darstellt, daß der Lichtstrahl entlang dieser Bereiche des Weges eine kohärente kollimierte Form aufweist und durch umgekehrte optische Analyse der von der Oberfläche der Videodisk 50 reflektierte Strahl ebenfalls in den Bereichen des Weges 36, 26, 54 in kollimierter Form vorliegt. Folglich, da der auf die Videodiskoberfläche auftreffende Lichtstrahl senkrecht zur Disk ist, wird der divergierende Strahlbereich 38 des reflektierten Strahls durch die Streulinse 34 in paralle Strahlen zurückverwandelt. Demgemäß ist der den Wandler 60 erreichende reflektierte Lichtstrahl, zumindest bei idealisierter Sichtweise, im wesentlichen planar und parallel. Wie später im Detail dargelegt werden wird, ändert die besondere Charakteristik der Lasereinrichtung die Kollimierung des austretenden Strahls, wobei das der Erfindung zugrundeliegende Konzept auf dieser geringen Abweichung vom idealisierten Lasermodell beruht.
• Es sei ebenfalls angemerkt, daß bei den bekannten Mastermaschinen der Modulator 10 nur zwei Öffnungen, eine Eingangsöffnung 12 und eine Ausgangsöffnung 24, aufweist. Die geringe Menge der zum Modulator 10 entlang des Strahlbereichs 26 zurückgekehrten Lichtenergie wurde als nicht verwendbar absorbiert oder insgesamt ignoriert. Ein wichtiger Fortschritt gemäß der Erfindung ergibt sich durch eine geringe Modifikation des bekannten Modulators, indem einfach eine zusätzliche Öffnung oder Ausgang 25 vorgesehen ist, so daß der reflektierte Strahlbereich 54 nutzbar wird, indem eine neue Technik den kollimierten reflektierten Lichtstrahlbereich 26, 54 nutzt, der bis zu diesem Zeitpunkt als ohne jeglichen funktionellen Wert angesehen wurde. Bisher wurde nämlich gedacht, daß die einfallenden reflektierten Strahlen am Modulator kollimiert sind und keine Informationen aus dem einfallenden bzw. reflektierten Strahl gewinnbar sind, da keine Änderungen in der Größe, Form oder Profil des Strahls erwartet wurden. Die vorliegende Erfindung ist speziell entworfen, um entsprechend zu den Änderungen des Strahlbereichs 54 zu operieren, wobei ihr die Entdeckung zugrunde liegt, daß solche Änderungen representativ für eine Änderung der Fokussierungsbedingungen des auf die Disk auftreffenden Strahls sind.
• In Fig. 2 ist eine Darstellung eines optischen Weges eines modernen Videodiskspielers dargestellt. Eine Laserquelle 2 gibt einen im wesentlichen kollimierten Strahl 8 aus, der durch eine Streulinse 70 zur Bildung eines divergenten, konischen Strahlbereichs 72, eines Taillenbereichs 73 und eines divergierenden konischen Strahlbereichs 74 dient. Der letztere Strahlbereich tritt durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel 76 und eine Viertelwellenlängenplatte 78 hindurch und wird schließlich durch die Objektivlinse 80 konvergiert, um auf die Oberfläche 48 einer Videodisk 50 in einem fokussierten Punkt 86 aufzutreffen. Die Oberfläche der mit einer Aufzeichnung versehenen Videodisk ist eine hochreflektierende metallisierte Oberfläche, die den Strahl in umgekehrter Richtung entlang des gleichen Weges wie der der einfallende Strahl reflektiert, bis dieser den Strahlteilerwürfel 76 erreicht, der den reflektierten Strahl in einen kontinuierlich konvergierenden konischen Bereich 88 ablenkt, welcher einen Fokussierungspunkt 90 erreicht, an dem ein Photodetektor zur Signalaufbereitung angeordnet ist. Wie vorher erläutert, können zusätzliche Bauteile um den konvergierenden Lichtstrahlbereich 88 angeordnet werden, um automatische Fokussierservosteuersignale zur Bewegung der Objektivlinse 80 entlang des optischen Weges erzeugen zu können, um den auf die informationstragende Oberfläche der Videodisk auftreffenden Strahl zu einer Fokussierungsbedingung zurückzubringen.
• Bei jeder defokussierten Bedingung des auf die Disk auftreffenden Strahls ändert sich der Durchmesser der konisch geformten Strahlbereiche an jedem räumlichen Punkt entsprechend und wie vorangehend erwähnt kann eine zylindrische Linse in Kombination mit einem Quadraturfokussierdetektor verwendet werden, um den nichtkreisförmigen Querschnitt des Strahls zu überwachen und zu korrigieren. In allen Fällen sind die ermittelten Fokussierungsänderungen ein Ergebnis der Tatsache, daß der Punkt der Ermittlung in einem Bereich des reflektierten Strahls liegt, der weder konvergierend noch divergierend ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der reflektierte Strahl in dem divergierenden Bereich des einfallenden Strahlbereichs 74 abgespalten, d. h., es ist an einer Position 43 des divergierenden Strahlbereichs 39 angeordnet, wie in dem Gesamtsystem nach Fig. 1 dargestellt. In diesem Fall ist die Entfernung von 73 bis 76 gleich der Entfernung von 76 bis 90, wenn das System fokussiert ist (Fig. 2.). Auch wenn andere optische Einrichtungen erforderlich würden, kann ebenso der Strahlteiler 76 in dem konvergierenden Bereich 72 des Strahls nach Fig. 2 angeordnet werden. Es würde nicht erwartet, daß ein Fokussierfehler ermittelt werden könnte, indem der Strahlteiler 76 in dem kollimierten Bereich des aus dem Laser 2 nach Fig. 2 austretenden Strahls 8 angeordnet werden würde.
• Fig. 3a zeigt einen Laserhohlraum. Wird der Begrenzungsröhre 3 Pumpenenergie zugeführt, strahlen die angeregten Atome. Flächen konstanter Phase sind durch Linien 5 und 7 dargestellt, um die Krümmung der stehenden Welle innerhalb des Hohlraums zu zeigen. An den Endplatten 4, 6 und 6' fallen die Flächen gleicher Phase und die Spiegeloberflächen zusammen. An der Stelle, an der der Strahl einen minimalen Querschnitt aufweist, werden die Flächen gleicher Phase planar, d. h., eine Strahlentaille oder ein Strahlknoten 5 ist gebildet. Folglich existiert ein perfekt kollimierter Strahl nur an Oberfläche 5. Das Intensitätsprofil der Oberfläche 5 ist streng in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Diffraktion bestimmt, d. h., die Flächen konstaner Phase fallen mit den Spiegelflächen zusammen und ein stabiler Hohlraum wird erhalten. Bei Durchtritt des Ausgangslichts durch das Glassubstrat des Ausgangsspiegels 4 wird der Strahl gemäß den Gesetzen der Refraktion weiter divergiert.
• Stabile Laserhohlraumresonatoren ergeben sich bei planparalellen Spiegeln, Konfokalen etc. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Laserhohlraumkonfiguration hemisphärisch (Fig. 3a). Diese weist einen flachen Reflektor 6' und einen gekrümmten Ausgangsspiegel 4 auf, dessen Krümmungsradius gleich oder größer als der Spiegelabstand ist. In diesem Fall sind die ebene Welle 5 und die Strahlentaille an der Oberfläche 6' lokalisiert. Linien gleicher Phase sind ebenfalls in Fig. 3a dargestellt.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 3 ergibt eine genaue Analyse der Konstruktion eines Argonionenlasertyps, der zur Erzeugung des Schreibstrahls verwendet wird, daß, während die Lasereinrichtung 2 von parallel-planarer Laserstruktur ist, die partiell reflektierende Endplatte 4 leicht konkav nach innen ist, auch wenn die reflektierende Endplatte 6' planar ist.
• Fig. 3a stellt die Charakteristik einer Lasereinrichtung 2 in einer Röhre 3 mit partiell reflektierender Endplatte 4 links in Fig. 3 und planarer reflektierender Endplatte 6' auf der rechten Seite von Fig. 3a dar. Tritt die Pumpstrahlung in Röhre 3 ein, geben die angeregten Atome Licht ab, das zwischen den Endplatten 4 und 6' hin und her läuft, bis es durch die partiell reflektierende Endplatte 4 austritt. Bei einem typischen Schreiblaser ist der Reflektionskoeffizient der Endplatte 6' nahe bei 100%, während der Reflektionskoeffizient der Endplatte 4 nahe bei 98% ist. Um die Effektivität der Lasereinrichtung zu verbessern und kontrollierte Reflektionen zwischen den zwei Endplatten beizubehalten, ist die Endplatte 4 leicht konkav. Dies ist in Fig. 3 zur Illustration erheblich vergrößert dargestellt. Aufgrund der bereits früher in der Beschreibung angegebenen Gründe gilt für alle praktischen Anwendungen und bei einem rein theoretischen Blickpunkt, daß der Strahl von seiner Achse mit einem Winkel von ungefähr 1 Millirad divergiert. Als Ergebnis des divergierenden Strahls 8 existiert ein theoretischer konjugierter Fokussierpunkt tatsächlich, der durch Lasereinrichtung selbst erzeugt wird, wie es sich durch Brechung und Beugung ergibt, aufgrund der endlichen Ausdehnung der ebenen Welle bei 5 und der entsprechenden Krümmung der Endplatte 4.
• In Fig. 4 werden die zur Beschreibung der Erfindung wichtigen Bauteile dargestellt, wobei die Bezugszeichen denen bei Fig. 1 entsprechen. Es sei angemerkt, daß keine neuen optischen Bauteile in dem optischen Weg zwischen Laserquelle 2 und Videodisk 50 hinzugefügt wurden. Allerdings ist eine Öffnung 25 in dem Modulatorgehäuse 10 (siehe Fig. 1) erforderlich, um den Strahlbereich 24 auf den Wandler 60 auftreffen zu lassen. Unter Berücksichtigung der Beschreibung bei Fig. 3 ergibt sich, da ein theoretisch konjugierter durch die Lasereinrichtung 2 erzeugter Punkt vorhanden ist und da der den Wandler 60 erreichende Strahlbereich 54 ein Ergebnis eines von der Videodisk 50 reflektierten Strahls ist, daß jede Änderung in der Position oder Orientierung der optischen Bauteile, die die Fokussierung des Lichtstrahls auf der Oberfläche der Videodisk 50 beeinflussen, ebenfalls einen Effekt auf die Form und/oder die Größe des Wandler 60 erreichenden Strahls haben.
• Weiterhin sei auf die Tatsache hingewiesen, daß bei einem System im Fokussierzustand, aufgrund der Abwesenheit des leicht divergenten Elements 14 vom Strahlbereich 54 die Entfernung R1 von der ebenen Welle 5 zur prismatischen Oberfläche 22 am Mittelpunkt des Strahlteilers 20 länger als die Entfernung R2 des Rückkehrstrahls 54 von der prismatischen Oberfläche 22 des Strahlteilers 20 bis zum scharfen Bild 51 der ebenen Welle 5 am Wandler 60 ist. Es folgt, wenn die Entfernung R2 länger oder kürzer als diejenige ist, die einen minimalen Durchmesser eines scharfen ebenen Wellenbildes 61 ergibt, wenn das System optimal fokussiert ist, wie es durch eine Standardproduktion einer Aufzeichnung/ Entwicklung Wiedergabekalibrierungssequenz bestimmt ist, daß das Strahlprofil am Detektor 60 im Durchmesser zunimmt, aufgrund des größeren Konfusionskreises der Lichtflecken, die das ebene Wellenbild 71 der ebenen Welle 5 bilden. Diese Änderung im Profil kann erfaßt werden, um eine Defokussierung des Schreibstrahls zu bestimmen. Typischerweise ist das schärfste ebene Wellenbild 61 im Durchmesser von der Größenordnung 1 bis 2 mm.
• In Fig. 5 ist ein dreidimensionales Modell ein Wandlers 60 dargestellt. Im Gebrauch weist der Wandler 60 vorzugsweise eine Matrix von 256 · 256 Photozellen auf. Jede dieser Photozellen ist quadratförmig und weist ungefähr eine Länge von 0,001 Inch auf. Photozellenmatrizen dieser Art sind von verschiedenen Herstellern als hochintegrierte Schaltung erhältlich und das Prinzip des Abfangens eines Lichtstrahls mit einer Photozellenmatrix wird nicht als Teil dieser Erfindung betrachtet.
• In Fig. 5 ist eine bevorzugte Form der Erfindung dargestellt, wobei die Ausgangsverbindungen der Photozellenmatrix in einem Mulitplexer 65 zusammengefaßt sind, um eine kontinuierliche und sich wiederholende Impulskette zu bilden, von denen jeder eine Größe entsprechend der auf eine entsprechende Zelle der Matrix von mehr als 65.000 Zellen auftreffenden Lichtintensität aufweist. Das Eintakten der Impulse in Schiebespeicher 67 erfolgt durch einen Videoabtastgenerator 69, der die Impulskette auf Leitung 75 in synchronisierter Anordnung so erhält, um die unterschiedlichen Amplitudenpegel entsprechend zu jeder Zelle auf der zugehörigen horizontalen Abtastzeile und an der entsprechenden Stelle zur horizontalen Abtastzeile eingibt, bevor sie einem Videomonitor zugeführt werden. Dieser zeigt, durch Intensitätsmodulation des Abtaststrahls das Profils 62 des aufgefangenen Strahlbereichs 54 an, der auf den Wandler 60 auftrifft.
• Auch wenn der Konvergenzwinkel des Strahls gering ist, sind die Zellstruktur- und größe, wie oben beschrieben, ausreichend, um eine Erfassung auch einer geringen Defokussierung des Schreibstrahls zu ermöglichen. Auch wenn der Querschnitt des auf den Wandler 60 auftreffenden Strahls 54 theoretisch kreisförmig ist, ist dies in der Praxis nicht notwendig. Weiterhin wird nach Kalibrierung der Mastermaschine zur optimalen Fokussierung durch die obenbeschriebene empirische Methode, das Profil des schärfsten auf dem Videomonitor auftreffenden ebenen Wellenbildes 61 als Referenzprofil aufgezeichnet. Gegenüber diesen wird ein Vergleich zu jedem Zeitpunkt durchgeführt, zu dem die Fokussierungsbedingung der Mastermaschine optimiert werden muß. Eine durchdachte Anordnung zur Aufzeichnung des Referenzprofils besteht in der Verwendung eines Computers zur Registrierung des Wertes eines jeden Signals, das durch auf jede Zelle auftreffendes Licht erzeugt wird. Ein einfacheres und mehr praktisches und direktes Verfahren besteht darin, die Form des Referenzprofils mit einem Stift auf die Mattscheibe des Videomonitors aufzuzeichnen. Periodische Überprüfungen der Fokussierungsbedingung können sofort durchgeführt werden, indem Abweichungen der Darstellung auf dem Videomonitor zu jedem Zeitpunkt relativ zum vorher auf die Mattscheibe aufgezeichneten Referenzprofil beobachtet werden.
• Es sei angemerkt, daß das gerade beschriebene System nicht so arbeitet, daß der fokussierte Strahl auf der Oberfläche der Videodisk in einem absoluten Sinne direkt überwacht wird. Demgemäß ist eine anfängliche Kalibrierung der Mastermaschine notwendig, um die Maschine in eine optimale Fokussierungsbedingung zu bringen und dann das Referenzprofil als zukünftige Referenz aufzuzeichnen.
• Eine Kalibrierung kann empirisch durch das früher in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren vorgenommen werden, wobei eine Reihe von optischen Änderungen durchgeführt werden, während tatsächlich Programmaterial aufgezeichnet wird, und wobei bei Wiedergabe der verschiedenen aufgezeichneten Bereiche, die optimale Fokussierung dadurch gefunden wird, daß die optimale Playbackcharakteristik der Videodisk auf einem kalibrierten Abspielgerät notiert wird. Ist allerdings ein Referenzprofil erzeugt, kann die optimale Fokussierung der Mastermaschine dadurch bewirkt werden, daß der durch Wandler 60 erfaßte, überwachte Strahl periodisch in Übereinstimmung mit dem vorher aufgezeichneten Referenzprofil gebracht wird. Dies wird heutzutage in der Regel täglich durchgeführt. Schätzungsweise spart die Verwendung der passenden Profile gemäß der Erfindung ungefähr eine Stunde Ausschaltzeit pro Tag für jede Mastermaschine. Demgemäß sind die am Beginn dieser Beschreibung angegebenen Aufgaben durch die Erfindung gelöst.

Claims (7)

1. Gerät zum Überwachen des Fokusierungszustandes eines Schreiblichtstrahls, welcher auf eine Schreibfläche eines Aufzeichnungsmediums (50) auftrifft, mit:

- einem Laser (2) mit einem Fokalresonator zur Bildung eines leicht divergenten, einfallenden Schreiblichtstrahls;

- einem signalempfindlichen Lichtstrahlmodulator (10) zur Modulierung des Schreibstrahls;

- einer Einrichtung zur weiteren Zerstreuung (34) des modulierten Schreibstrahls und zum Auftreffen des modulierten Schreibstrahls im fokussierten Zustand auf der Schreibfläche (48) des Mediums (50), wobei die Einrichtung zum Zerstreuen und Auftreffen des modulierten Schreibstrahls so angeordnet ist, daß sie den Schreibstrahl nach Reflektion von der Schreibfläche (48) des Mediums (50) empfängt, wobei der reflektierte Strahl die Einrichtung in umgekehrter Richtung in leicht konvergentem Zustand verläßt;

- einer Einrichtung zum Umlenken (22), welche zwischen dem Laser und der Einrichtung zum weiteren Zerstreuen des modulierten Schreibstrahls angeordnet ist, wobei die Einrichtung (22) den leicht konvergenten, reflektierten Lichtstrahl umlenkt, um den abgelenkten reflektierten Strahl ohne Hindurchführen durch eine Linse auf einem lichtempfindlichen Wandler (60) auftreffen zu lassen, wobei der Wandler ein Ausgangssignal erzeugt, welches entsprechend zum Fokussierzustand des Schreibstrahls auf der Oberfläche (48) des Mediums (50) variiert.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zur Anzeige einer Profilcharakteristik des leicht konvergenten, reflektierten Strahls, welcher auf dem Wandler (60) auftrifft, wenn der Schreibstrahl (8) auf der Oberfläche (48) des Mediums fokussiert auftrifft, um ein Referenzprofil zu bestimmen; und

- eine Einrichtung zur Justierung der die Fokussierung des Schreibstrahls (8) auf dem Aufzeichnungsmedium (50) beeinflussenden Optik bei Feststellung, daß der auf die Oberfläche (48) des Aufzeichnungsmediums (50) auftreffende Schreibstrahl (8) defokussiert ist, bis der leicht konvergente, reflektierte Strahl (45), welcher auf dem Wandler (60) auftritt, daß Referenzprofil annimmt.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlmodulator (10) eine Pockelszelle (14) aufweist, welche den Schreibstrahl (8) von der Lichtquelle (2) empfängt, wobei stromabwärts von der Pockelszelle (14) ein Glanprisma (20) angeordnet ist; und

der Wandler (60) so angeordnet ist, daß er den leicht konvergenten, reflektierten Strahl (54) empfängt, der von der vorderen Prismenoberfläche (22) des Glanprismas (20) reflektiert ist.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtempfindliche Wandler (60) aus einer Matrix von photoelektrischen Zellen gebildet ist und eine Einrichtung zur Ausgabe eines Signals entsprechend der auf jede Zelle einfallenden Lichtmenge aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch,

eine Anzeigeeinrichtung zum Empfang des der auf jede Zelle auftreffenden Lichtmenge entsprechenden Signals und zur gleichzeitigen Darstellung von auf alle Zellen auftreffenden Lichtmengen entsprechenden Kennwerten.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung ein Videomonitor (68) mit einem Raster ist, welches an Positionen intensiviert ist und welches Helligkeitspegel aufweist, welche den entsprechenden Zellenpositionen der Matrix und den Pegeln des auf die entsprechenden Zellen auftreffenden Lichts entsprechen.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Vielzahl von Reihen und eine Vielzahl von Spalten der photoelektrischen Zellen aufweist, wobei jede dieser Zellen im wesentlichen quadratisch ist und eine Seitenlänge von ungefähr 0,0254 mm aufweist.