DE3901574A1 - Optische abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung mit einer Objektivlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät, bei dem ein Lichtstrahl nach dem Einstrahlverfahren auf einen Aufzeichnungsträger fokussiert und vom Aufzeichnungsträger auf einen Photodetektor reflektiert wird und bei dem der Lichtstrahl mittels eines Spurregelkreises, der aus einem Grobantrieb und einem mit dem Grobantrieb mechanisch verbundenen Feinantrieb aufgebaut ist, auf den Datenspuren des Aufzeichnungsträgers geführt wird.

CD-Spieler, Videoplattenspieler, DRAW-Disc-Spieler oder magneto-optische Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräte sind beispielsweise mit derartigen optischen Abtastvorrichtungen ausgestattet.

Aufbau und Funktion einer optischen Abtastvorrichtung, eines sogenannten optical pick-ups, sind in Electronic Components & Applications, Vol. 6, No. 4, 1984 auf Seite 209-215 beschrieben.

Der von einer Laserdiode ausgesendete Lichtstrahl wird mittels Linsen auf die CD-Platte fokussiert und von dort auf einen Photodetektor reflektiert. Aus dem Ausgangssignal des Photodetektors werden die auf der CD-Platte gespeicherten Daten und der Ist-Wert für den Fokus- und für den Spurregelkreis gewonnen. In der genannten Literaturstelle wird die Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert für den Fokusregelkreis als focusing error bezeichnet, während für die Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert des Spurregelkreises der Ausdruck radial tracking error gewählt ist.

Als Stellglied für den Fokusregelkreis dient eine Spule, über deren Magnetfeld eine Objektivlinse entlang der optischen Achse bewegbar ist. Der Fokusregelkreis bewirkt nun durch Verschieben der Objektivlinse, daß der von der Laserdiode ausgesendete Lichtstrahl stets auf die CD-Platte fokussiert wird. Mittels des Spurregelkreises, der oft auch als Radialantrieb bezeichnet wird, ist die optische Abtastvorrichtung bezüglich der CD-Platte in radialer Richtung verschiebbar. Dadurch kann der Lichtstrahl auf den spiralförmigen Datenspuren der CD-Platte geführt werden.

Bei einigen Geräten ist der Radialantrieb aus einem sogenannten Grob- und einem sogenannten Feinantrieb aufgebaut. Der Grobantrieb ist beispielsweise als Spindel ausgeführt, mittels der die gesamte optische Abtastvorrichtung aus der Laserdiode, den Linsen, dem Prismenstrahlteiler und dem Photodetektor radial verschiebbar ist. Mit dem Feinantrieb ist der Lichtstrahl zusätzlich in radialer Richtung verschiebbar oder z. B. um einen vorgebbaren kleinen Winkel kippbar. Mittels des Feinantriebs kann daher der Lichtstrahl ein kleines Stück - etwa 1 mm - entlang einem Radius der CD-Platte gefahren werden.

Um eine einwandfreie Wiedergabe der Daten, seien es nun z. B. Bild und Ton bei einem Videoplattenspieler oder bloß der Ton bei einem CD-Spieler oder die Daten einer magneto-optischen Platte, zu erzielen, ist neben einer genauen Fokussierung des Lichtstrahls auf die Platte eine präzise Führung entlang den Datenspuren der Platte erforderlich.

In der Fig. 1 ist der Photodetektor PD der optischen Abtastvorrichtung eines CD-Spielers gezeigt, bei der drei Laserstrahlen L 1, L 2 und L 3 auf die CD-Platte fokussiert werden. Die Laserstrahlen L 2 und L 3 sind die Beugungsstrahlen +1. und -1. Ordnung. Eine derartige Abtastvorrichtung wird in der eingangs genannten Literaturstelle als Three-Beam-Pick-Up bezeichnet, weil sie mit drei Lichtstrahlen arbeitet.

Beim Photodetektor sind vier quadratförmige Photodioden A, B, C und D so zusammengefügt, daß sie wiederum ein Quadrat bilden. Bezüglich dieses aus den vier Photodioden A, B, C und D gebildeten Quadrates liegen sich zwei weitere rechteckige Photodioden E und F diagonal gegenüber. Der mittlere Laserstrahl L 1, der auf die vier Photodioden A, B, C und D fokussiert wird, erzeugt das Datensignal HF=AS+BS+CS+DS und das Fokusfehlersignal FE=(AS+CS)-(BS+DS). Die beiden äußeren Lichtstrahlen L 2 und L 3, von denen der vordere L 2 auf die Photodiode E, der hintere L 3 auf die Photodiode F fällt, erzeugen das Spurfehlersignal T=ES-FS. Mit AS, BS, CS, DS, ES und FS sind jeweils die Photospannungen der Dioden A, B, C, D, E und F bezeichnet.

In der Fig. 1 folgt der mittlere Laserstrahl L 1 genau der Mitte einer Spur S. Das Spurfehlersignal TE hat den Wert null;

TE = ES - FS = 0 .

In der Fig. 2 ist der Fall dargestellt, daß die Laserstrahlen L 1, L 2 und L 2 nach rechts von der Spur S verschoben sind. Das Spurfehlersignal nimmt einen negativen Wert an:

TE = ES - FS < 0 .

Das Stellglied des Spurregelkreises bewegt die optische Abtastvorrichtung nun so weit nach links, bis das Spurfehlersignal TE null wird.

Im entgegengesetzten Fall, wenn die Laserstrahlen nach links von der Spur verschoben sind, ist das Spurfehlersignal positiv: TE=ES-FS<0. Nun bewegt das Stellglied des Spurregelkreises die optische Abtastvorrichtung so weit nach rechts, bis das Spurfehlersignal TE null wird. Dieser Fall ist in Fig. 3 gezeigt.

Leider läßt sich das Dreistrahlverfahren bei einmal beschreibbaren Aufzeichnungsträgern, sogenannte Write-Once-Discs, nicht anwenden, wie anhand der Fig. 4 nun erläutert wird.

Weil die Daten mittels des mittleren Laserstrahls L 1 aufgezeichnet werden, trifft während des Aufzeichnens von Daten der vordere Laserstrahl L 2 stets auf eine bereits beschriebene Stelle, während der hintere Laserstrahl L 3 immer auf eine unbeschriebene Stelle strahlt. Mit P sind die Pits der Platte bezeichnet, deren Drehrichtung der Pfeil T angibt. Weil eine bereits beschriebene Stelle auf der Platte je nach Plattenart mehr oder weniger Licht reflektiert als eine unbeschriebene Stelle, empfängt die Photodiode E, auf die der vordere Lichtstrahl L 2 trifft, mehr oder weniger Licht als die Photodiode F, auf die der hintere Lichtstrahl L 3 trifft. Weil, obwohl der mittlere Lichtstrahl L 1 genau in der Mitte einer Datenspur S liegt, das Spurfehlersignal TE dennoch nicht null ist, regelt der Spurregelkreis nach, bis das Spurfehlersignal TE null wird. Dies ist aber gerade dann der Fall, wenn der mittlere Lichtstrahl L 1 den Rand einer Datenspur S abtastet.

Durch Addition einer Kompensationsspannung kann diese Abweichung von der Spurmitte zwar kompensiert werden, jedoch wird durch diese Maßnahme der Fangbereich des Reglers eingeschränkt. Wegen des geringeren Fangbereichs nimmt die Empfindlichkeit des Aufnahme- und Wiedergabegerätes gegenüber Erschütterungen und Stößen von außen stark zu.

Eine andere von Sony auf dem Offical Memory Symposium am 18. 12. 1986 in Japan vorgestellte Lösung, die in Fig. 5 gezeigt ist, sieht vor, daß nur der mittlere Lichtstrahl L 1 auf die Mitte der Datenspur trifft, während der vordere Lichtstrahl L 2 und der hintere Lichtstrahl L 3 genau zwischen die spiralförmigen Datenspuren S fallen. Anstelle der Photodioden E und F und des Photodetektors mit den vier quadratförmigen Photodioden A, B, C und D ist für jeden Lichtstrahl L 1, L 2 und L 3 ein Photodetektor P 1, P 2 und P 3 aus je zwei rechteckförmigen Photodioden G und H vorgesehen.

Bei jedem der drei Photodetektoren P 1, P 2 und P 3 wird die Differenz der Ausgangsspannungen seiner beiden Photodioden G und H in einem Differenzverstärker gebildet. Die auf diese Weise aus den Ausgangsspannungen des vorderen Photodetektors P 2 und des hinteren Photodetektors P 3 gebildeten Differenzspannungen werden gewichtet, addiert und von der aus den Ausgangsspannungen des mittleren Photodetektors P 1 gebildeten Differenzspannung abgezogen, um das Spurfehlersignal TE zu erhalten.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, strahlt auf die beiden Photodioden G und H jedes Photodetektors die gleiche Lichtenergie, wenn der Hauptstrahl L 1 auf die Mitte der Spur strahlt und die Strahlen +1. und -1. Ordnung, die Lichtstrahlen L 2 und L 3, genau zwischen den Spuren S auf den Aufzeichnungsträger treffen. Beim Aufzeichnen von Daten empfängt der vordere Photodetektor P 2 zwar mehr Licht als der hintere Photodetektor P 3, jedoch wird dieser Unterschied durch die Gewichtung der Differenzspannungen, die aus den Ausgangssignalen des vorderen Photodetektors P 2 und des hinteren Photodetektors P 3 gebildet werden, kompensiert.

Ein erster Nachteil dieses modifizierten Dreistrahlverfahrens zeigt sich in seinem großen Aufwand. Ein zweiter Nachteil ist darin zu sehen, daß ein optisches Gitter sehr genau im Strahlengang justiert werden muß, damit die Lichtstrahlen +1. und -1. Ordnung, der vordere Lichtstrahl L 2 und der hintere Lichtstrahl L 3, genau in die Mitte zwischen zwei Spuren S fallen.

Die beim Dreistrahlverfahren zu berücksichtigenden Schwierigkeiten treten beim sogenannten Push-Pull-Verfahren, das mit nur einem Lichtstrahl arbeitet, nicht auf. Der von der Platte reflektierte Lichtstrahl enthält sowohl die Daten als auch das Spurfehlersignal für den Spurregelkreis.

Zur Erzeugung des Spurfehlersignals macht man sich die beugende Eigenschaft der Pits bzw. der vorgeprägten Spur auf der Platte zunutze. Wenn der Lichtstrahl die Mitte der Spur verläßt, wird die Lichtintensität des kreisförmigen Lichtflecks auf dem Photodetektor, der aus zwei Photodioden aufgebaut ist, asymmetrisch; je nachdem, in welcher Richtung der Lichtstrahl aus der Spur läuft - radial nach innen oder nach außen - wird die eine Hälfte des Lichtflecks heller, während die andere Hälfte dunkler wird. Aus diesem Helligkeitsunterschied, den der Photodetektor erkennt, läßt sich das Spurfehlersignal gewinnen. Damit der Lichtstrahl der abzutastenden Datenspur folgt, die infolge der Exzentrizität der Platte in radialer Richtung eine taumelnde Bewegung ausführt, bewegt der Feinantrieb die Objektivlinse in radialer Richtung, so daß sie die exzentrischen Bewegungen der Platte mitmacht. Weil durch diese Bewegung die Objektivlinse aus der optischen Achse wandert und weil der Lichtfleck den Bewegungen der Objektivlinse folgt, wandert er ebenfalls auf dem Photodetektor. Aus diesem Grund überlagert sich dem Spurfehlersignal, das durch Ausnutzen der Beugung an den Pits P bzw. der vorgeprägten Spur der Platte gewonnen wird, ein Störsignal, das eine genaue Spurnachführung nicht mehr gewährleistet. Weil jede Platte eine mehr oder weniger große Exzentrizität aufweist, wird die Objektivlinse vom Feinantrieb daher bei jeder Umdrehung bewegt, damit der Lichtstrahl auf der Spur bleibt. Das erwähnte Störsignal, das auch als Offset bezeichnet wird, tritt daher mehrmals bei jeder Plattenumdrehung mehr oder weniger stark auf.

Abhilfe schafft ein Feinantrieb, der nicht nur die relativ leichte Objektivlinse, sondern die gesamte optische Abtastvorrichtung nachführt. Weil aber die vom Feinantrieb geregelten Bewegungen schnell und genau erfolgen müssen, um den Lichtstrahl ständig auf der Spur zu halten, sollten möglichst wenig Teile bewegt werden, deren Masse außerdem möglichst gering sein sollte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine nach dem Einstrahlverfahren arbeitende optische Abtastvorrichtung, bei der vom Feinantrieb nicht die gesamte Vorrichtung, sondern nur die Objektivlinse bewegt wird, so zu gestalten, daß trotzdem eine genaue Spurführung erzielt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Objektivlinse mittels des Feinantriebs in einer Richtung bewegbar oder kippbar ist, die einen vorgebbaren Winkel α zur Normalen der Spurrichtung einschließt, und daß der vom Aufzeichnungsträger reflektierte Lichtstrahl auf einen Photodetektor aus mehreren Photodioden gelenkt wird, aus deren Ausgangssignalen durch Summen- und Differenzbildung das Spurfehlersignal TE erzeugt wird.

Es zeigt

Fig. 6 die Bewegung des Lichtstrahls auf dem Aufzeichnungsträger und dem Photodetektor beim bekannten Einstrahlverfahren,

Fig. 7 die Bewegung des Lichtstrahls auf dem Aufzeichnungsträger und dem Photodetektor bei der Erfindung,

Fig. 8 die Bewegung des Lichtstrahls auf dem Aufzeichnungsträger und dem Photodetektor bei der Astigmatismusmethode,

Fig. 9 die Intensitätsverteilung des Lichtflecks bei einem mit Pits beschriebenen Aufzeichnungsträger,

Fig. 10 die Bewegungsrichtung der Abtastvorrichtung und der Objektivlinse bei einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 die Bewegungsrichtung der Abtastvorrichtung und der Objektivlinse bei einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Anhand der Fig. 6 und 7 wird die Erfindung nun beschrieben und erläutert.

In der Fig. 6 sind drei Datenspuren S gezeigt, von denen eine bereits mit Pits P beschrieben ist, eine mittels des Lichtstrahls L gerade beschrieben wird und eine noch unbeschrieben ist. Die Drehrichtung der Platte ist durch den mit T bezeichneten Pfeil angedeutet, während der mit R bezeichnete Doppelpfeil die Bewegung des Lichtstrahls L auf der Platte in radialer Richtung anzeigt. Die Bewegungen des Lichtstrahls L werden auf dem Photodetektor, der aus zwei rechteckförmigen Photodioden E und F aufgebaut ist, abgebildet. Der Lichtfleck L bewegt sich auf dem Photodetektor ebenfalls in Richtung des Doppelpfeiles R, wenn die Objektivlinse in radialer Richtung bewegt wird.

In Fig. 7 sind die Verhältnisse bei der Erfindung dargestellt. Weil die Objektivlinse bei der Erfindung nicht nur in radialer Richtung vom Feinantrieb, sondern in einer Richtung bewegt wird, die einen Winkel α zur radialen Richtung einschließt, wandert der Lichtstrahl L auf der Platte ebenfalls unter diesem Winkel α, wenn der Feinantrieb die Objektivlinse bewegt.

Als Photodetektor ist ein Vierquadrantenphotodetektor aus vier Photodioden A, B, C und D vorgesehen, dessen eine Achse, die im weiteren Verlauf als y-Achse bezeichnet wird, in tangentialer Richtung verläuft. Die andere senkrecht zur y-Achse und parallel zur radialen Richtung verlaufenden Achse des Vierquadrantenphotodetektors wird im weiteren Verlauf als x-Achse bezeichnet.

Wenn nun der Feinantrieb die Objektivlinse in der angegebenen Richtung, die zur radialen Richtung den Winkel α einschließt, bewegt, damit der Lichtstrahl der Spur folgt, wandert der Lichtfleck L auf dem Vierquadrantenphotodetektor auf einer Geraden, die mit der x-Achse ebenfalls einen Winkel α einschließt.

Wie aus den Ausgangsspannungen AS, BS, CS und DS der Photodioden A, B, C und D das Spurfehlersignal TE zu erzeugen ist, wird nun erläutert.

Aus den Signalen

YS = (AS + DS) - (BS + CS)

und

XS = (AS + BS) - (CS + DS)

wird das Spurfehlersignal TE abgeleitet. Weil der Winkel α bekannt ist, gelten für die Signale XS und YS die folgenden Gleichungen:

XS = cos α · (TE + LX) ,

YS = LX · sin α.

Mit LX ist die Abweichung des Lichtflecks L in X-Richtung von der Detektormitte bezeichnet. Das Spurfehlersignal TE ergibt sich zu

TE = XS/cos α - YS/sin α
= [(AS + BS) - (CS + DS)]/cos α - [(AS + DS) - (BS + CS)]/sin α ,

TE = k · {(AS + BS) - (CS + DS) - cot α · [(AS + DS) - (BS + CS)]}.

Wenn der Vierquadrantenphotodetektor so ausgerichtet ist, daß die Trennlinie, welche die linken Photodioden A und B von den rechten Photodioden C und D trennt, die y-Achse, parallel zur Spur verläuft, so ist die Verteilung der Intensität im Lichtfleck bezüglich der y-Richtung symmetrisch, wenn die Platte entlang der Spur homogen ist, wie es z. B. bei einer Write-Once-Disc oder einer magneto-optischen Platte der Fall ist.

Bei einer CD-Platte wird die Verteilung der Intensität in y-Richtung jedoch beim Abtasten des Anfangs und des Endes eines Pits unsymmetrisch. Der zeitliche Verlauf des Signals YS ist in Fig. 9 gezeigt. Weil dieses Signal YS keinen Gleichanteil hat, kann es mittels eines Tiefpasses leicht eliminiert werden. Die Erfindung ist daher nicht nur für Write-Once-Discs, sondern auch für CD-Platten geeignet.

Bei einigen optischen Abtastvorrichtungen ist im Strahlengang ein astigmatisch wirkendes Element, z. B. eine Zylinderlinse, vorgesehen. Der vom astigmatisch wirkenden Element verursachte Astigmatismus dient bei der sogenannten Astigmatismusmethode der Fokussierung des Lichtstrahls auf den Aufzeichnungsträger.

Wenn die optische Abtastvorrichtung mit einem astigmatisch wirkenden Element ausgestattet ist, ist der Vierquadrantenphotodetektor, wie in Fig. 8 gezeigt ist, um 90° zu drehen.

Um die Bewegung der Objektivlinse in einer Richtung, die zur radialen Richtung den Winkel α einschließt, zu erzielen, sind zwei Lösungen möglich. Bei der ersten Lösung wird die optische Abtastvorrichtung vom Grobantrieb in radialer Richtung bewegt; die Objektivlinse wird dagegen vom Feinantrieb in einer Richtung, die mit der radialen Richtung den Winkel α einschließt, bewegt. Diese erste Lösung ist in Fig. 10 dargestellt.

Es ist aber auch möglich, für die optische Abtastvorrichtung und die Objektivlinse die gleiche Bewegungsrichtung vorzusehen, jedoch die Bewegungsachse parallel zur radialen Richtung zu versetzen, wie in Fig. 11 angedeutet ist.

Diese zweite Lösung hat allerdings den Nachteil, daß sich der Winkel α mit dem Abstand der Abtastvorrichtung von der Plattenmitte ändert. Dadurch ändert sich aber auch die Verstärkung des Spurfehlersignals; sie wird von der Position der Abtastvorrichtung abhängig. Außerdem verursacht die Tangentialkomponente der Bewegung der Abtastvorrichtung beim Auslesen der Daten einen Phasenjitter.

Durch die Maßnahme, zur Bewegung des Lichtflecks in x-Richtung eine Bewegung in y-Richtung zu addieren, wird die Abweichung des Lichtflecks in x-Richtung berechenbar. Hierzu wird zunächst die Abweichung in y-Richtung bestimmt, die nicht von der Intensitätsverteilung im Lichtfleck abhängt. Weil aber der Winkel α bekannt ist, läßt sich die Abweichung des Lichtflecks in x-Richtung berechnen. Die in der Formel für das Spurfehlersignal TE angegebenen Summen und Differenzen werden z. B. mittels Differenz- und Additionsverstärker gebildet. Die Gewichtung der Summen und Differenzen erfolgt mittels Verstärker. Das Datensignal und das Fokusfehlersignal für den Fokusregelkreis lassen sich auf die gleiche Weise wie beim Dreistrahlverfahren aus den Ausgangssignalen AS, BS, CS und DS des Vierquadrantenphotodetektors gewinnen.

Claims (6)

1. Optische Abtastvorrichtung mit einer Objektivlinse für ein Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät, bei dem ein Lichtstrahl (L) nach dem Einstrahlverfahren auf einen Aufzeichnungsträger fokussiert und vom Aufzeichnungsträger auf einen Photodetektor reflektiert wird und bei dem der Lichtstrahl (L) mittels eines Spurregelkreises, der aus einem Grobantrieb und einem mit dem Grobantrieb mechanisch verbundenen Feinantrieb aufgebaut ist, auf den Datenspuren (S) des Aufzeichnungsträgers geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse mittels des Feinantriebs in einer Richtung (W) bewegbar oder kippbar ist, die einen vorgebbaren Winkel α zur Normalen (R) der Spurrichtung einschließt, und daß der vom Aufzeichnungsträger reflektierte Lichtstrahl (L) auf einen Photodetektor aus mehreren Photodioden (A, B, C, D)gelenkt wird, aus deren Ausgangssignalen (AS, BS, CS, DS) durch Summen- und Differenzbildung das Spurfehlersignal TE erzeugt wird.

2. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vierquadrantenphotodetektor aus vier Photodioden (A, B, C, D) vorgesehen ist, dessen eine Achse parallel zur Spurrichtung verläuft.

3. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spurfehlersignal TE durch gewichtete Summen- und Differenzbildung der Ausgangssignale (AS, BS, CS, DS) der vier Photodioden (A, B, C, D) des Vierquadrantenphotodetektors gebildet wird.

4. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Ausgangssignalen (AS, BS, CS, DS) der vier Photodioden (A, B, C, D) des Vierquadrantenphotodetektors das Spurfehlersignal TE nach folgender Formel berechnet wird: TE = k · {(AS + BS) - (CS + DS) - f · [(AS + DS) - (BS + CS)]} ,wobei k und f Proportionalitätsfaktoren sind.

5. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktor k gleich 1/cos α und der Proportionalitätsfaktor f gleich dem cot α ist.

6. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α kleiner gleich 45° gewählt ist.