DE3507070A1

DE3507070A1 - Fokusfehlerdetektor

Info

Publication number: DE3507070A1
Application number: DE19853507070
Authority: DE
Inventors: Fumitaka Kotaka; Takanori Tokorozawa Saitama Maeda
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1985-09-12
Also published as: GB8505169D0; GB2157524A; GB2157524B; JPS60185230A; US4695158A

Description

Fokusfehlerdetektor

Beschreibun
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fokusfehlerdetektor, und insbesondere auf einen solchen in einem optischen Informationsaufzeichnungs- und -wiedergabegerät.

Einen bekannten Fokusfehlerdetektor zeigt Fig. 1. Bei diesem sendet eine Lichtquelle 1 Licht aus, das durch eine Sammellinse oder einen Kondensor 2 verläuft. Im Lichtweg dahinter ist ein Halbspiegel 3 angeordnet. Ein Objektiv bündelt das vom Halbspiegel 3 nicht reflektierte Licht zu einem Lichtpunkt sehr kleinen Durchmessers auf einer Informationsspeicherfläche 5a eines Speichermediums 5.

Ein Teil des Lichtes wird von der Informationsspeicherfläche 5a des Speichermediums 5 reflektiert und läuft durch die Objektivlinse 4 zurück und wird von dem Halbspiegel 3 auf einen Kondensor 6 reflektiert. Eine Zylinderlinse 7 verleiht dem durch den Kondensor 6 austretenden Licht einen Astigmatismus. Zwischen zwei Fokuslinien, die durch Nicht-Punkt-Lichtflüsse erzeugt werden, die durch die Zylinderlinse 7 verlaufen, d.h. zwischen der Fokuslinie f in einer Sagittalrichtung und der Fokuslinie f in einer Meridionalrichtung existiert eine Position, wo der Lichtfluß einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein Lichtdetektor 8 ist so angeordnet, daß eine lichtempfangende Oberfläche 8a in der zuletzt genannten Position gelegen ist.

Der Lichtdetektor 8 ist eine Einrichtung, die als in Quadranten unterteilter Detektor bekannt ist, der aus vier unabhängigen Elementen 8. bis 8^ besteht, die einander dicht benachbart, aber doch voneinander getrennt sind, wie

Fig. 2 zeigt. Zwei sich senkrecht kreuzende gerade Linien bilden die Grenzen zwischen den unabhängigen Elementen. Die Lichtflüsse, die einen Astigmatismus aufweisen, fallen auf diesen Lichtdetektor 8, so daß die Fokuslinien f und

f in den Richtungen verlaufen, die in Fig. 2 eingezeichnet sind. In diesem Falle bewirkt die Fokuslinie f , daß

die Elemente 8. und 8-, die maximale Lichtmenge empfangen und die Elemente 8„ und 8j. die minimale Lichtmenge empfangen. Bezüglich der Fokuslinie f ist die Situation umgekehrt.

Die Ausgangssignale der Elemente 8. und 8^ werden mittels einer Addierstufe 9 addiert, während die Ausgangssignale der Elemente 8„ und 8j. von einer Addierstufe 10 addiert ° werden. Die Summensignale, die man mittels der Addierstufen 9 und 10 erhält, werden in einer Subtraktionsstufe 11 voneinander abgezogen. Das von der Subtraktionsstufe 11 abgegebene Differenzsignal wird als Fokusfehlersignal verwendet und eine Fokussteuerung in dem optischen System ^O nach Fig. 1 wird auf der Grundlage dieses Fokusfehlersignals durchgeführt.

Wenn die Informationsspeicherfläche 5a des Speichermediums 5 sich in Fokussierstellung des Lichtstrahls befindet, dann werden die reflektierten Lichtflüsse gleichmäßig auf der lichtempfangenden Oberfläche 8a des Lichtdetektors 8 verteilt, wie graphisch mit schraffierten Linien in Fig. 3(b) gezeigt ist. Das Fokusfehlersignal FE drückt sich daher wie folgt aus:

FE = (A₁ + A₂) - (B₁ + B₂) = 0,

worin A.. und A„ die Ausgangssignale der Elemente S₁ und 8-, und B₁ und B₂ jene der Elemente 8₂ und 8^ darstellen. 35

Wenn andererseits die Informationsspeicherfläche sich nicht in der Fokussierstellung befindet, dann hat der re-

.6.

flektierte Lichtfluß auf dem Lichtdetektor eine Verteilung, die schraffiert in den Figuren 3(a) und 3(c) dargestellt ist, so daß FE>0 bzw. FE<0 ist. Wie in Fig. H gezeigt, kann man das Fokusfehlersignal FE durch eine S-Kurb

ve darstellen. Das Vorzeichen und die Größe des Signals FE ändern sich mit der Richtung und dem Umfang der Abweichung der Distanz der Informationsspeicherfläche 5a zum Strahlfokussierpunkt. Die Richtung und der Umfang der Fehlfokussierung ergeben sich aus dem Vorzeichen und der Größe des Fokusfehlersignals FE.

Die bekannten Detektoren der obenbeschriebenen Art weisen einen Nachteil auf, der dazu führt, daß ein Fokussierser-

voantrieb sich löst, wenn ein heftiger Stoß oder derglei-15

chen auf das System ausgeübt wird. Die Steigerungsrate des Fokusfehlersignals FE wird klein, wenn der Umfang der Fehlfokussierung so groß wird, daß das reflektierte Licht die gesamte lichtempfangende Fläche 8a des Lichtdetektors 8 bedeckt. Das Ausgangssignal des Lichtdetektors wird dann unzuverlässig und unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fokusfehlerdetektor anzugeben, der in der Lage ist, Fehlfokussierungen in einem weiten Bereich festzustellen und entspre-25

chende Korrektursignale zu erzeugen, die zuverlässig und für die Auswertung brauchbar sind. Insbesondere sollte der Fokusfehlerdetektor gegen Stöße unempfindlich sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 30

Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung werden die Quadranten des Lichtdetektors in innere und äußere Segmente unterteilt, so daß ins-35

gesamt acht Signale gewonnen werden, die der Auswertung zugeführt werden.

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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen 5

Systems in einem optischen Informationsaufzeichnungs- und -Wiedergabesystem;

Fig. 2 ein Schaltbild eines konventionellen Fokusfehlerdetektors;

Fig. 3(a) bis 3(c) graphische Darstellungen der Gestalt des auf die Lichtempfangsfläche eines konventionellen Fokusfehlerdetektors fallenden Lichtflusses;

Fig. 4 den Verlauf eines Fokusfehlersignals, das mit dem Detektor nach Fig. 2 erzeugt wird, in Abhängigkeit des Abstandes des Lichtdetektors vom Fokussierpunkt;

Fig. 5 ein Schaltbild des Fokusfehlerdetektors nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 den Verlauf der von dem Detektor nach Fig. 5 25

erzeugten Signale, und

Fig. 7(P) bis 7(S) graphische Darstellungen der Gestalt des auf der Lichtempfangsfläche des Lichtdetektors nach Fig. 5 einfallenden Lichtflusses.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Lichtdetektor 50 besteht aus einer ersten Segmentgruppe, bestehend aus vier unabhängigen Segmenten 5O₁ bis 5O₁₁, die in Form von Quadranten eines Krei-

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ses angeordnet sind. Der Detektor 50 besteht weiterhin aus einer zweiten Segmentgruppe, die aus vier unabhängigen

BAD ORIGINAL

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Segmenten ^Γ>Ο_Γ bis 50g besteht, die kreisri ng form ig um die erste Segmentgruppe angeordnet sind. Der Lichtdetektor ist zwischen den zwei Fokussierlinien f und f , die von

dem einen Astigmatismus aufweisenden Lichtfluß erzeugt 5

werden, an einer Stelle angeordnet, wo unter Fokussierbedingungen dieser Lichtfluß einen kreisförmigen Querschnitt hat.

Der Durchmesser des von den Segmenten 5O₁ bis 50,. der er-^{1 4}

sten Segmentgruppe gebildeten Kreises ist größer als der Durchmesser des Lichtflusses auf den Segmenten 5O₁ bis 5O₂, in richtig fokussiertem Zustand und ist kleiner als die Längenwerte der Fokuslinien f oder f . Der Innendurchmesser der ringförmigen Segmentgruppe 50,- bis 50_fi ist gleich _> ο

oder geringfügig größer als der Durchmesser der ersten

Segmentgruppe. Der Außendurchmesser der zweiten Segmentf

gruppe ist größer als die Längen der Fokuslinien f oder

Von der ersten Segmentgruppe werden die entsprechenden Ausgangssignale A- und A- der Segmente 50. und 50.-, von einer Addierstufe 51 zueinander addiert, während die entsprechenden Ausgangssignale B₁ und Bp der Segmente 50p und 50,. von einer Addierstufe 52 zueinander addiert werden.

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Die entsprechenden Summensignale A und B aus den Addierstufen 51 und 52 werden in einer Subtrahierstufe 53 voneinander abgezogen.

Von der zweiten Segmentgruppe werden die entsprechenden

Ausgangssignale C₁ und Cp der Segmente 50,- und 50_? von einer Addierstufe 54 miteinander addiert, während die entsprechenden Ausgangssignale D₁ und Dp der Segmente 50^ und 5Oo durch eine Addierstufe 55 zueinander addiert werden. Die Summensignale C und D der Addierstufen 54 und 55 werden in einer Subtrahierstufe 56 voneinander abgezogen und das Differenzsignal wird von einem Verstärker 57 mit dem Verstärkungsfaktor ß verstärkt. Das Ausgangssignal (A-B)

BAD OSlQiNAL

der Subtrahierstufe 53 und das Ausgangssignal (ß(C-D)) des Verstärkers 57 werden in einer Addierstufe 58 zueinander addiert, die als ein arithmetischer Kreis verwendet wird,

und das so erhaltene Ausgangssignal ((A-B) + ß(C-D)) wird 5

das Fokusfehlersignal FE.

Als nächstes wird die Betriebsweise des Detektors nach der vorliegenden Erfindung erläutert.

In Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal (A-B) der Subtrahierstufe 53 einen Verlauf über einer Distanzänderung zwischen dem Fokussierpunkt und der Informationsspeicherfläche 5a (dargestellt in Fig. 1), der in Fig. 6 mit gestrichelten Linien eingezeichnet ist. Dieses Signal, das ein erstes Fokuspositionsinformationssignal ist, entspricht dem Fokusfehlersignal, das man mit der in Fig. 1 dargestellten bekannten Einrichtung erzielen kann.

Das Ausgangssignal (C-D) der Subtrahierstufe 56 ist fast Null, weil innerhalb eines Bereiches, in welchem die Fehlfokussierung klein ist und der Lichtflußquerschnitt kleiner als der Umfangskreis der Segmente 5O₁ bis 5O₁. ist, nur wenig Licht auf die Elemente 5O₁- bis 50g fällt. Das Ausgangssignal (C-D) hat jedoch einen Pegel entsprechend dem Ausmaß der Fehlfokussierung, wenn der vorgenannte Bereich überschritten wird. Es hat dann einen Verlauf, der in Fig. 6 strichpunktiert eingezeichnet ist, weil das Signal im Verstärker 57 um den Faktor ß verstärkt wird.

® Das Ausgangssignal (ß(C-D)) des Verstärkers 57 ist ein zweites Fokuspositionsinformationssignal, und, wie aus Fig. 6 hervorgeht, weist eine Pegeländerung in bezug auf den Umfang einer Fehlfokussierung auf, die sehr viel größer ist, als beim Ausgangssignal (A-B) der Subtraktionsstufe 53, wenn der obengenannte Bereich überschritten wird. Durch Addieren der entsprechenden Ausgangssignale der Subtrahierstufe 53 und des Verstärkers 57 mit Hilfe einer Ad-

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dierstufe 58 läßt sich somit ein Fokusfehlersignal FE erhalten, das in allen Bereichen eine brauchbare Größe hat.

Wie mit durchgehender Linie in Fig. 6 dargestellt ist, hat 5

dieses Fokusfehlersignal FE ein großes Verhältnis der Pegeländerung in bezug auf den Umfang der Fehlfokussierung im Bereich, in welchem die Fehlfokussierung groß ist. Das Fokusfehlersignal FE an den Versatzdistanzen P, Q, R und S in Fig. 6 entspricht den Lichtflüssen in den Figuren 7(P) bis 7(S). Der Betrieb des Fokussierservosystems innerhalb des Bereiches vom Punkt S bis zum Punkt Q wird demnach auf der Grundlage des Fokusfehlersignals ausgeführt, das im wesentlichen dem des konventionellen Fehlerdetektors vergleichbar ist. Das Ausgangssignal (A-B) der Subtrahierstu-15

fe 53 ist in diesem Falle dominant, weil das Ausgangssignal (ß(C-D)) des Verstärkers 57 im Bereich zwischen Punkt S und Punkt Q fast Null ist. Wenn die Fehlfokussierung über den Punkt Q hinausgeht, dann wird das Ausgangssignal

(ß(C-D)) des Verstärkers 57 dominant. Dieses Ausgangssig-20

nal wird dem Ausgangssignal (A-B) der Subtrahierstufe 53 hinzuaddiert, wodurch die Steigerungsrate des Fokusfehlersignals relativ groß wird.

Es sei betont, daß die obige Ausführungsform der Erfindung 25

bei einem optischen System angewendet ist, das nach dem Astigmatismusverfahren arbeitet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf optische Systeme anwendbar, die ein Messerkantenverfahren oder ein Keilprismaverfahren verwenden, und derselbe Effekt, wie jener nach der obigen Aus-

führungsform, ist erhältlich, indem man eine Detektoreinheit vorsieht, die wirksam wird, wenn der Betrag einer Fehlfokussierung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet .

Es sei weiterhin betont, daß in der obigen Ausführungsform das Fokusfehlersignal gemäß der durchgezogenen Linie nach Fig. 6 unter Verwendung eines Lichtdetektors 50 aus ersten

und zweiten Gruppen von Detektorsegmenten erhalten wurde. Es ist ebenso elektrisch möglich, dieses Fokusfehlersignal zu erhalten, indem man den vorliegenden Lichtdetektor

durch den konventionellen Detektor nach Fig. 2 ersetzt und 5

indem man einen nichtlinearen Verstärker verwendet, der beispielsweise in jenem Bereich eine größere Verstärkung hat, in welchem der Eingangssignalpegel groß ist. Auch ist der Aufbau des Lichtdetektors 50 nicht auf den mit zwei Segmentgruppen beschränkt, es ist ebenso auch eine Dreifachstruktur einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1 . Fokusfehlerdetektor zum Erzeugen eines Fokusfehlersignals einer Größe, die das Ausmaß anzeigt, um das ein 25 Linsensystem sich außerhalb einer Fokussierstellung befindet, durch Auswerten eines Lichtstrahls, der von dem Linsensystem abgegeben wird, gekennzeichnet durch:

30 erste Einrichtungen (50^-50^, 51, 52, 53) zum Ermitteln des ersten kumulativen Versatzes des Lichtstrahles von einem Fokussierpunkt für eine erste kreisförmige Fläche, die einer ersten vorbestimmten radialen Distanz von dem Fokussierpunkt entspricht und zum Erzeugen eines ersten

3g Signals (A-B), das eine Größe proportional dem ersten Versatz hat;

zweite Einrichtungen (50,--5Og, 54, 55, 56) zum Bestimmen des zweiten kumulativen Versatzes des Lichtstrahls vom Fokussierpunkt für eine zweite kreisringförmige Fläche, entsprechend einer zweiten vorbestimmten radialen Distanz von 5

dem Fokussierpunkt, die nicht kleiner ist, als die genannte erste vorbestimmte radiale Distanz, und für eine dritte vorbestimmte radiale Distanz von genanntem Fokussierpunkt, die größer als die genannte vorbestimmte radiale Distanz ist, und zum Erzeugen eines zweiten Signals (C-D) einer Amplitude, die proportional dem zweiten Versatz ist;

Einrichtungen (57) zum Verstärken des zweiten Signals (C-D), und

¹^ eine Einrichtung (58) zum arithmetischen Zusammenfassen der ersten und zweiten Signale zum Erzeugen des Fokusfehlersignals .
2. Detektor nach Anspruch 1, bei dem die erste Einrich- ^O tung einen ersten zusammengesetzten Detektor enthält, umfassend:

erste, zweite, dritte und vierte Lichtempfangssegmente (5O₁-SOjI.), die zusammen einen Kreis um den Fokuspunkt bilden und von denen jedes Segment einem anderen Quadranten des Kreises entspricht und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, das der Menge des auf dieses Segment treffenden Lichtes entspricht;

eine erste Addierstufe (51) zum Addieren der entsprechenden Ausgangssignale (A.., A_?) der ersten und zweiten Segmente (5O₁, 5O₃);

eine zweite Addierstufe (52) zum Addieren der entsprechenden Ausgangssignale (B₁, Bp) der dritten und vierten Segmente (50p, 50j|), und

eine erste Subtrahierstufe (53) zum Subtrahieren des Ausgangs (B) der zweiten Addierstufe (52) vom Ausgang (A) der ersten Addierstufe (51) zur Erzeugung des ersten Signals (A-B).
3- Detektor nach Anspruch 2, bei dem die zweite Einrichtung einen zweiten zusammengesetzten Detektor enthält, umfassend :

fünfte, sechste, siebte und achte lichtempfindliche Segmente (50^-5Og), die so angeordnet sind, daß sie einen Kreisring um den Fokuspunkt bilden und von denen jedes Segment einem unterschiedlichen Quadranten zugehört zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals, das der Menge des Lichtes entspricht, das auf das entsprechende Segment fällt;

eine dritte Addierstufe (54) zum Addieren der entsprechenden Ausgangssignale (C₁, Cp) der fünften und sechsten Segmente (50,-, 50~); *'

eine vierte Addierstufe (55) zum Addieren der entsprechenden Ausgangssignale (D₁, Dp) der siebten und achten Segmente (50g, 50g), und

eine zweite Subtrahierstufe (56) zum Subtrahieren des Ausgangs der vierten Addierstufe (55) vom Ausgang der dritten Addierstufe (54) zum Erzeugen des zweiten Signals (C-D).
4. Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum arithmetischen Zusammenfassen der ersten und zweiten Signale eine fünfte Addierstufe (58) zum Addieren der ersten und zweiten Signale enthält.