DE3538314C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Fokussiervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-OS 31 32 804 bekannt.

Automatische Fokussiervorrichtungen dieser Art werden für die Nachstellung des optischen Abtasters in einem Bildplattenspieler oder Digitalschallplattenspieler eingesetzt. Der bekannte Abtaster arbeitet nach dem sogenannten Astigmatismusverfahren und enthält daher im optischen Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtempfangselement eine Zylinderlinse und eine Objektivlinse, die zusammenwirkend auf dem Lichtempfangselement einen kreisförmigen Lichtfleck projizieren, wenn sich das Objektiv des Abtasters in der fokussierten Stellung befindet, welcher Lichtfleck sich je nachdem, ob der Abtaster, aus der Fokussierstellung abweichend, sich der Platte nähert oder von ihr entfernt, in unterschiedlichen Richtungen elliptisch verformt. Diese Verformungen können von dem Lichtempfangselement meßtechnisch erfaßt werden, wenn dieses in mehrere Segmente unterteilt ist.

Nachteilig ist an dieser Anordnung, daß die Fokussiervorrichtung recht voluminös ist und schwierig einzustellen ist, weil sie unter der Bedingung, daß der Lichtstrahl konvergent ist, betrieben werden muß.

Aus der genannten Druckschrift ist auch eine Fokussiervorrichtung bekannt, die nach dem Verfahren des sogenannten "kritischen Winkels" arbeitet. Bei dieser ist im optischen Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Lichtempfangselement ein Prisma angeordnet, das die vom Strahlteiler ausgehenden Lichtstrahlen auf das in zwei Lichtempfangssegmente unterteilte Lichtempfangselement richtet. Wenn in diesem System ein fokussierter Zustand erhalten ist, dann verlaufen die in das Prisma eintretenden Lichtstrahlen parallel und werden unter einem Winkel, der dicht an dem kritischen Winkel ist, reflektiert. Die den beiden Lichtempfangssegmenten zugeführten Lichtmengen sind dann einander gleich. Wenn jedoch die Platte auf das Objektiv zu bewegt wird, dann fällt der Lichtstrahl auf der einen Seite der optischen Achse unter einem Winkel auf das Prisma, der kleiner als der kritische Winkel ist. Im Falle, daß die Platte vom Objektiv wegbewegt wird, fällt der Lichtstrahl auf der anderen Seite der optischen Achse auf das Prisma unter einem Winkel, der kleiner als der kritische Winkel ist. In beiden Fällen durchläuft das Licht das Prisma, und je nach Richtung der Fehlfokussierung ist jeweils eines der Ausgangssignale der Lichtempfangssegmente größer als das des anderen Lichtempfangssegmentes.

Nachteilig an dieser automatischen Fokussiervorrichtung sind die hohen Herstellungskosten und das relativ hohe Gewicht wegen des zu dem Strahlteiler hinzutretenden Prismas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Fokussiervorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die geringes Gewicht hat, klein ist und hochgenau arbeitet und sehr schnell eingestellt werden kann und daher vergleichsweise niedrige Herstellungskosten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines optischen Systems in einer automatischen Fokussiervorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt, der die Verhältnisse zwischen den optischen Einrichtungen und einem Lichtempfangselement zeigt;

Fig. 3a-3c Schnitte, aus denen die Änderungen in der Lichtaufnahme ersichtlich sind, die hervorgerufen werden, wenn sich die Platte in Fokussierposition und außerhalb derselben befindet;

Fig. 4 ein Diagramm über die Ausgangscharakteristik des lichtempfangenden Elements;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Charakteristik eines von dem optischen Signal erzeugten Fehlersignals zeigt; und

Fig. 6a und 6b Schnittdarstellungen anderer Beispiele der optischen Einrichtung.

Gemäß Fig. 1 findet die automatische Fokussiervorrichtung nach der Erfindung vorzugsweise bei einem optischen Abtaster für Bildplatten oder Digitalschallplatten Verwendung. In Fig. 1 erkennt man eine Lichtquelle 11, wie beispielsweise einen Halbleiterlaser, eine Kollimatorlinse 12 zum Parallelrichten der von der Lichtquelle 11 ausgehenden Lichtstrahlen, einen Strahlteiler 13 und ein Objektiv 14 zum Fokussieren des Lichts auf eine Platte 15. Von der Lichtquelle 11 über die Kollimatorlinse 12, den Strahlteiler 13 und das Objektiv 14 der Platte 15 zugeführtes Licht wird dort reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl wird durch den Strahlteiler 13 von dem einfallenden Lichtstrahl getrennt und reflektiert, so daß er durch eine optische Einrichtung 16 einem Lichtempfangselement 17 zugeführt wird. Das Lichtempfangselement 17 ist längs einer geraden Linie, die senkrecht zur optischen Achse des reflektierten Lichtstrahles verläuft, in zwei Teilelemente 17 a und 17 b unterteilt. Die Ausgänge der lichtempfangenden Teilelemente 17 a und 17 b sind einem Differenzverstärker 18 zugeführt, in welchem ein Differenzsignal erzeugt wird. Das so erzeugte Differenzsignal wird dazu verwendet, die Position des Objektivs 14 in Richtung der optischen Achse zu regeln.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse zwischen der optischen Einrichtung 16 und dem Lichtempfangselement 17 in größerem Detail. Die optische Einrichtung 16 enthält absorbierende Elemente 16 a, die Licht absorbieren, um einen Lichtdurchlaß zu vermeiden, und lichtdurchlassende Elemente 16 b, die Licht durchlassen, wobei die absorbierenden Elemente 16 a und die durchlassenden Elemente 16 b alternierend angeordnet sind. Es ist nicht immer notwendig, daß die absorbierenden Elemente 16 a in der Lage sind, das Licht vollständig zu absorbieren. Es ist lediglich notwendig, daß die absorbierenden Elemente 16 a Licht in einem solchen Ausmaß absorbieren oder auffangen können, daß später zu beschreibende Funktionen zufriedenstellend erfüllt werden. Die durchlassenden Elemente 16 b können aus einem transparenten oder halbtransparenten Material bestehen oder können hohl sein. Jedes absorbierende Element 16 a bildet einen vorbestimmten Winkel ϕ₀ mit der optischen Achse. Jedes durchlassende Element 16 b, das durch benachbarte absorbierende Elemente 16 a begrenzt wird, ist im Schnitt im wesentlichen parallelogrammförmig. Eine der Diagonalen dieses Parallelogramms bildet einen Winkel R₁ mit der optischen Achse des reflektierten Lichtstrahles, während die andere Diagonale einen Winkel R₂ mit derselben optischen Achse bildet. R₂ ist in umgekehrter Richtung in bezug auf R₁ gemessen.

Die Betriebsweise dieser Anordnung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Es sei angenommen, daß die Einstellung so getroffen ist, daß die Platte 15 sich in der Fokussierposition des Objektivs 14 befindet und parallele Lichtstrahlen der optischen Einrichtung 16 zugeführt werden, wie in Fig. 3(a) gezeigt ist. Wenn die Platte 15 auf das Objektiv 14 hinbewegt wird, dann fallen divergente Strahlen auf die optische Einrichtung 16, wie in Fig. 3(b) gezeigt. Wenn die Platte 15 vom Objektiv 14 aus der Fokussierstellung wegbewegt wird in Richtung auf vergrößerten Abstand, dann gelangen konvergierende Lichtstrahlen zur optischen Einrichtung 16, wie in Fig. 3(c) gezeigt.

Es sei angenommen, daß ein Lichtstrahl, der der optischen Einrichtung 16 zugeführt wird, einen Winkel ϕ mit der optischen Achse bildet. In diesem Falle ist der Ausgang Pa des linken Lichtempfangselements 17 a, das hinter der optischen Einrichtung 16 angeordnet ist (Fig. 3), wie folgt:

Mit ϕ < R₂, oder ϕ < R₁ ist
Pa = 0.

Mit R₂ < ϕ < ϕ₀ ist
Pa = 1 + 2 (tan ϕ - tan ϕ₀)/(tan R₁ - tan R₂).

Mit ϕ₀ < ϕ < R₁ ist
Pa = 1 - 2 (tan ϕ - tan ϕ₀)/(tan R₁ - tan R₂).

Der Grund hierfür ist folgender. Wenn jedes absorbierende Element 16 a eine Dicke von 2t hat und die absorbierenden Elemente 16 a in Intervalen d angeordnet sind (oder wenn jedes durchlässige Element eine Breite von d hat), dann ist die Menge des Lichtes, das das Lichtempfangselement 17 erreicht, abhängig von der Abdunkelung der absorbierenden Elemente 16 a auf der rechten oder linken Seite des lichtempfangenden Elements 17. Wenn der Einfallswinkel d kleiner als der Winkel R₂ oder größer als der Winkel R₁ ist, dann ist die Lichtmenge Null. Wenn der Einfallswinkel ϕ größer als der Winkel R₂ und kleiner als der Winkel ϕ₀ ist, dann ist der Lichtstrahl von den absorbierenden Elementen 16 a auf der rechten Seite des Lichtempfangselements 17 abgedunkelt. Deshalb ist die Menge Pa des vom Teilelement 17 a empfangenen Lichts:

Pa = (d + 2t tan ϕ₀ - 2t tan ϕ )/d
= 1 + 2t (tan ϕ - tan ϕ₀)/d.

Andererseits ist:
t · tan R₁ - t · tan R₂ = d
2 · (t tan R₁ - t tan ϕ₀) = d.

Daher ist:
tan R₁ - tan R₂ = d/t = 2 tan ϕ₀.

Dementsprechend ist:
Pa = 1 + 2 (tan ϕ - tan ϕ₀)/(tan R₁ - tan R₂).

In gleicher Weise ist der Ausgang Pb des rechten lichtempfangenden Teilelements 17 b wie folgt. In jedem der oben beschriebenen Ausdrücke wird nun (-ϕ₀) anstelle von ( ϕ₀) verwendet. Daher ist:

Mit ϕ < -R₁, oder ϕ < -R₂ ist
Pb = 0.

Mit -ϕ₀ < d < -R₂ ist
Pb = 1 - 2 (tan ϕ + tan ϕ₀)/(tan R₁ - tan R₂).

Mit -R₁ < ϕ < -ϕ₀ ist
Pb = 1 + 2 (tan ϕ + tan ϕ₀)/(tan R₁ - tan R₂).

Dies bedeutet, daß, wenn die Platte sich in der Fokussierstellung befindet, wie in Fig. 3(a) gezeigt, dann ist ϕ = 0 und

Pa = Pb = 1 - 2 tan ϕ₀/(tan R₁ - tan R₂).

Wenn die Platte 15 gegen das Objektiv 14 hinbewegt wird, wie in Fig. 3(b) gezeigt, dann ist ϕ < 0 und Pa < Pb mit | ϕ | < ϕ₀. Wenn die Platte 15 vom Objektiv 14 wegbewegt wird, wie in Fig. 3(c) gezeigt, ist Pa < Pb. Daher kann ein Fokusfehlersignal erhalten werden, indem man die Differenz zwischen den Ausgängen Pa und Pb mittels des Differenzverstärkers 18 erhält.

In bezug auf die oben beschriebenen Ausdrücke ist nur ein Winkel ϕ als Einfallswinkel für das Lichtempfangselement 17 aus Vereinfachungsgründen in Betracht gezogen worden. In der Praxis ist ϕ = 0 in der Mitte des Lichtbündels (nahe der optischen Achse) und der Wert | ϕ | ist größer gegen die Außenseiten zu. Dementsprechend ist die Änderung in der Lichtmenge, die durch die absorbierenden Elemente 16 a erzeugt wird, abhängig von der Position des lichtempfangenden Elements 17. Wenn die Ausgänge Pa und Pb in bezug auf das Ausmaß der Fehlfokussierung durch Simulation des oben beschriebenen Ausdrucks erhalten werden, wobei der Verlust an Lichtmenge aufgrund der Verschiebung aus der Fokussierposition in Betracht gezogen wird im Falle, in welchem ϕ₀ = 2,4 Minuten und R₁ = 8,2 Minuten sind, dann sind ihre charakteristischen Kurven im wesentlichen symmetrisch, wie in Fig. 4 gezeigt. Im Falle, daß 500 absorbierende Elemente 16 a verwendet werden, zeigt das Fokusfehlersignal einen im wesentlichen S-förmigen Kurvenverlauf, wie in Fig. 5 dargestellt.

In der oben beschriebenen Ausführungsform werden parallele Lichtstrahlen der optischen Einrichtung zugeführt, wenn sich die Platte in der Fokusstellung befindet. Gemäß der Erfindung kann man jedoch den Fehlerausgang entsprechend dem Winkel des einfallenden Lichts erhalten, und daher kann das technische Konzept der Erfindung auch auf den Fall angewendet werden, in welchem die der optischen Einrichtung zugeführten Lichtstrahlen nicht parallel sind, wenn sich die Platte in der Fokusstellung befindet.

Fig. 6 zeigt andere Beispiele der optischen Einrichtung 16. In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die absorbierenden Elemente 16 a und die durchlassenden Elemente 16 b gleichmäßige Dicke. In den Beispielen nach Fig. 6 sind diese Elemente 16 a und 16 b in der Dicke nicht konstant. Im Beispiel nach Fig. 6(a) ist jedes absorbierende Element 16 a gegen die Lichtquelle 11 zu in der Dicke kleiner (oder in der Dicke gegen das lichtempfangende Element 17 hin größer). In diesem Falle ändern sich die Ausgänge Pa und Pb in einer solchen Weise, daß sie unabhängig vom Einfallswinkel um den Winkel ϕ₀ konstant sind, was es möglich macht, den stabilen Fokusregelbereich wesentlich zu vergrößern. In dem Beispiel nach Fig. 6(b) ist der Abstand der absorbierenden Elemente 16 a gegen die optische Achse zu kleiner.

Claims (5)

1. Automatische Fokussiereinrichtung mit einer Lichtquelle, einem Aufzeichnungsträger, einem Objetiv zum Fokussieren des Lichtes von der Lichtquelle auf den Aufzeichnungsträger, einem Lichtempfangselement zur Aufnahme des von dem Aufzeichnungsträger reflektierten Lichts, das im Weg des von dem Aufzeichnungsträger reflektierten Lichts angeordnet ist, und einem Strahlteiler zum Trennen des reflektierten Lichts von dem auf den Aufzeichnungsträger einfallenden Licht, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg zwischen dem Strahlteiler (13) und dem Lichtempfangselement (17) eine optische Einrichtung (16) angeordnet ist, die absorbierende Elemente (16 a), die zur Absorbierung eines Teils des reflektierten Lichts eingerichtet sind, und durchlässige Elemente (16 b) aufweist, die dazu eingerichtet sind, einen Teil des reflektierten Lichtes durchzulassen, wobei die absorbierenden Elemente (16 a) einen vorbestimmten Winkel ( ϕ₀) mit der optischen Achse des reflektierten Lichts bilden.

2. Fokusiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangselement (17) in zwei lichtempfangende Teilelemente (17 a, 17 b) durch eine gerade Linie, die senkrecht zur optischen Achse des reflektierten Lichts verläuft, unterteilt ist, und daß die Position der Objektivlinse (14) entsprechend einer Differenz zwischen den Ausgängen der lichtempfangenden Teilelemente (17 a, 17 b) geregelt wird, denen das reflektierte Licht über die optische Einrichtung (16) zugeführt wird.

3. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Elemente (16 a) und durchlässigen Elemente (16 b) alternierend angeordnet sind.

4. Fokussiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes absorbierende Element (16 a) in der Dicke in Richtung auf die Lichtquelle (11) abnimmt.

5. Fokussiervorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsabstand der absorbierenden Elemente (16 a) gegen die optische Achse hin abnimmt.