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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Spurabtastungsvorrichtung
und insbesondere auf einen optischen Sensor zum Erfassen von optischer
Spurinformation auf einer Magnetdiskette.
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Ein
Diskettenlaufwerk hoher Dichte wurde entwickelt, um 120 Megabyte
Daten auf einer 3,5'' Diskette zu speichern.
Diese Diskette mit hoher Aufnahmefähigkeit benutzt eine spezielle
Diskette mit optischen Spuren, die auf einer ihrer Oberflächen aufgezeichnet
wurden, um dem magnetischen Aufnahmekopf zu erlauben, Informationen
mit kleinerem Spurabstand zu speichern. Eine optische Spur wird zwischen
jeweils zwei magnetischen Spuren aufgezeichnet, um eine genauere
Positionsinformation vorzusehen als es erreicht werden kann, wenn
magnetische Daten allein benutzt werden. Dies erlaubt es den magnetischen
Spuren enger zusammen angeordnet zu werden. Um den magnetischen
Kopf genau bezüglich
der optischen Spuren anzuordnen, wird eine optische Abtastungsvorrichtung
benutzt, um die Fehlausrichtung zwischen dem Magnetkopf und der optischen
Spur zu erfassen. Eine Abtastungsvorrichtung aus dem Stand der Technik
wurde in der Veröffentlichung
bei S.W. Farnsworth, S.D. Wilson and B. Cohen mit dem Titel „Diffracitve
Optical System for Tracking on Floptical Disk", Optical Instrument, SPIE Vol. 1690,
pp. 72-79, 1992, beschrieben.
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1 zeigt
diese Spurabtastvorrichtung aus dem Stand der Technik. Eine Halbleiterlaserquelle 11 wird
durch eine Linse 13 und einen Abdeckungsspiegel 14 auf
die Diskette 15 abgebildet. Ein beugendes optisches Element 12 wird
benutzt, um den Laserstrahl in viele Strahlen aufzuteilen. Während einige Strahlen
nach oben zu der Diskette reflektiert werden, werden andere nach
unten durch die niedrigere Hälfte
des Abdeckungsspiegels zu einem Kodierer 16 re flektiert.
Der Kodierer sieht Spurinformationen für das Diskettenlaufwerk vor
wenn eine Diskette mit geringer Dichte ohne voraufgezeichnete Spuren
in das Diskettenlaufwerk eingeführt
wird. Der Kodierer ist ein Streifen optischer Spuren entlang des
Innengehäuses
des Diskettenlaufwerks, das es erlaubt, dass die Position des magnetischen
Kopfes optisch festgestellt wird, obwohl keine optischen Spuren
auf der Diskette mit geringer Dichte selbst sind. Der optische Sensor
wird auf dem magnetischen Kopf selbst befestigt und ein Loch ist
vorgesehen durch den Arm, der den magnetischen Kopf für den optischen
Weg trägt.
Dieser spezielle optische Spursensor erlaubt es diesem Diskettenlaufwerk
hoher Dichte rückwärts kompatibel
mit Disketten niedriger Dichte zu sein. Die von der Diskette und
von dem Kodierer zurückkommenden
Strahlen werden nochmals durch den Abdeckungsspiegel 14 reflektiert
und werden von einer Linse 17 zu einem Detektor 18 aus
vielen Elementen projiziert.
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Der
Detektor hat typischerweise sechs Elemente, die in zwei Reihen angeordnet
sind. Eine erste Reihe von drei Elementen wird benutzt, um die Spurinformationen
der Diskette zu erfassen, während
die zweite Reihe benutzt wird, um den Kodierer auf dem Diskettenlaufwerksgehäuse zu erfassen.
Ein optisches Element mit zwei Schlitzen wird benutzt, um ein Interferenzmuster
vorzusehen, wobei der Abstand zwischen den Interferenzlappen dem
Abstand der optischen Spuren entspricht. Auf diese Art und Weise
können
viele Spuren auf einmal erfasst werden. Daher sollten jeder der
sechs Elemente des Detektors fünf
separate Bilder entsprechend den fünf Spuren sehen. Die Intensität des empfangenen
Signals wird niedrig sein, was einen Spurfehler anzeigt, wenn einer
oder mehrere Strahlen verloren gehen. Deshalb spaltet der optische
Sensor die Laserstrahlen in zwei auf und zwar für die Diskette und für den Kodierer
auf dem Gehäuse.
Danach wird jeder der zwei Strahlen in drei aufgespalten, um Strahlen
vorzusehen, die durch drei optische Elemente in jeder Reihe des
Detektors erfasst werden können.
Letztlich wird jeder der sechs Strahlen in fünf Strahlungskeulen aufgespalten,
um das Erfassen von jeder der fünf
optischen Spuren zu ermöglichen.
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Eine
der Eigenschaften dieses optischen Spursensors nach dem Stand der
Technik ist, dass die optische Achse von Linse 12 und die
optische Achse von Linse 17 sich in einem kleinen Winkel
bezüglich
der mechanischen Achse schneiden. Folglich sind die Laserstrahlen,
die durch das beugende optische Element 12 erzeugt werden,
nicht senkrecht zu der Oberfläche
der Diskette oder des Kodierers. Demzufolge wird sich seitliche
Lage der Strahlen auf der Diskette ändern, wenn sich die Diskette
bezüglich der
Bildebene der Linse 13 auf und ab bewegt. Da viele Strahlen
und Strahlungskeulen benutzt werden, kann schon eine kleine Veränderung
in Auf- und Ab- Bewegung
der Diskette die Genauigkeit des optischen Spurens beeinflussen.
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EP-A-0,311,859
offenbart eine Diskettenvorrichtung mit einer Kopftransportanordnung,
der optische Köpfe,
von denen jeder einen durchlässigen
optischen Detektor aufweist, der eine Lichtquelle und einen Detektor
aus vielen Elementen beinhaltet, der auf der anderen Seite der Diskette
befestigt ist, verwendet. Ein Kollimator wird zwischen der Lichtquelle und
dem Detektor verwendet und der Abstand des Detektors ist ein ganzzahliges
Vielfaches des Abstandes eines optischen Gitters auf der Diskette.
Die gewünschte
Periode des Randmusters des Detektors wird zum Teil durch die Benutzung
von Kollimatoren erreicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Positionssensor vorgesehen, um die Position eines beweglichen
Mediums in Übereinstimmung
mit Anspruch 1 festzustellen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sieht die Erfindung einen optischen Sensor vor, der aus einer fast
monochromatischen Punktquelle besteht, wie eine Leuchtdiode (LED)
oder ein vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), die auf
einem Detektor aus vielen Elementen befestigt ist. Wenn dieser Sensor
in der Nähe
eines beweglichen Objektes mit einem reflektierenden periodischem
Muster auf seiner Oberfläche
angeordnet wird, kann er ein Signal erzeugen, das benutzt werden
kann, um die Position des Objektes zu kontrollieren. Anders als
andere Sensoren, die oft Linsen benutzten, um das von der Lichtquelle
emittierte Licht auf das Objekt zu projizieren, und die das vom
Objekt reflektierte Licht sammeln und dies auf einen Fotodetektor
projizieren, erfüllt
dieser neue Sensor die Aufgabe, ohne irgendwelche optischen Komponenten
zu nutzen, das Objekt zu beleuchten und das Licht zu sammeln.
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Es
ist allgemein bekannt, dass wenn ein periodisches Muster durch eine
nahezu monochromatische Punktlichtquelle beleuchtet wird, Bilder
der periodischen Struktur in einem bestimmten Abstand von dem Objekt
gebildet werden können,
ohne die Hilfe irgendwelcher optischen Komponenten. Dieses Phänomen wird
Selbstbilderzeugung (engl.: self-imaging) genannt und wird beschrieben
in einem wissenschaftlichen Artikel von Olof Bryngdahl („Image
Formation Using Self Imaging Technique", J. Opt. Soc. Am., Vol. 63; 416-419,
1973).
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Der
Sensor der bevorzugten Ausführungsform
benutzt solch ein Selbstbilderzeugungsprinzip indem der Detektor
auf der Selbstbildebene (engl.: self-imaging plane) des Objekts
angeordnet wird, um die Bewegung des Objekts festzustellen. Um das
periodische Signal im Selbstbild (engl.: self-image) des periodischen
Objektes nachzuweisen, wird das Detektorelement mit einer Gitterstruktur,
die die gleiche oder die zweifache Periode des Objekts hat, bedeckt. Demzufolge,
wenn das Selbstbild (engl.: self-image) des periodischen Musters
sich über
solch einen Detektor bewegt, wird ein maximales Signal erzeugt, wenn
der Lichtteil des periodischen Bildes auf den offenen Bereich des
Detektors fällt
und ein minimales Signal wird erzeugt, wenn der Lichtteil des periodischen
Bildes blockiert ist durch das Gitter oben auf dem Detektor. Folglich
kann der Detektor ein periodisches Zeitsignal erzeugen, wenn sich
das Objekt über
den Sensor bewegt.
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In
der ersten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden zwei der Detektorelemente zuerst mit
Gittern bedeckt, die Perioden haben, die zweimal denen des Gitters
auf dem Objekt entsprechen. Die zwei Gitter, die den Detektor bedecken,
haben eine 90° Phasenverschiebung
bezüglich zueinander.
Die Ausgangssignale von diesen zwei Detektorelementen erzeugen die
notwendigen Quadratursignale, um die Position des Objektes bezüglich des
Sensors festzustellen. Im Falle eines periodischen Objektes, wie
die gravierte Scheibe gezeigt in 3, wird
ein zusätzliches
Detektorelement, das nicht durch irgendwelche Gitterstruktur bedeckt
ist, benutzt, um die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Scheibenmediums
festzustellen.
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In
der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden
vier Detektorelemente mit einer kammartigen Struktur benutzt, um
die Spurinformation abzutasten. Dies liefert zusätzliche Signalverbesserung
und beeinflusst die Signalentfernung.
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Für ein weiteres
Verständnis
des Wesens und des Vorteils der Erfindung, sollte Bezug genommen
werden auf die folgende Beschreibung einer spezifischen Ausführungsform,
zusammen betrachtet mit den begleitenden Zeichnungen, wobei
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1 eine
Spurabtastungsvorrichtung aus dem Stand der Technik darstellt.
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2 eine
Systemkonfiguration, wo die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
benutzt wird, darstellt.
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3 das
Wesen der Servospuren, aufgenommen auf eine Diskette, darstellt.
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4 den
Detektor, der in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung
der vorliegenden Erfindung, benutzt wird, darstellt.
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5 ein
Gitter mit dreieckiger Form, das zusammen mit der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, darstellt.
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6 ein
Gitter mit Sinusform, das zusammen mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, darstellt.
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7 den
Detektor, der benutzt wird in der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung, darstellt.
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8 einen
Detektor mit dreieckiger Form, der zusammen mit der zweiten bevorzugten
Ausführungsform
dieser vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, darstellt.
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9 einen
Detektor mit Sinusform, der zusammen mit der zweiten bevorzugten
Ausführungsform
dieser vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, darstellt.
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2 zeigt
die Anordnung des Sensors in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezüglich
zum Medium mit der periodischen Struktur. Es wird eine Vorrichtung 101 gezeigt, die
aus einer Licht emittierenden Vorrichtung 102 besteht,
die an einen Detektor 103 aus vielen Elemente befestigt
ist, der wiederum auf einen Kopf 104 mit vielen Anschlüssen befestigt
ist. Die Licht emittierende Vorrichtung kann zum Beispiel eine Licht
emittierende Diode sein (LED) mit einem runden Emissionsfenster
oder ein vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). Das divergierende
Licht 105, das von der Lichtquelle 102 emittiert
wird, fällt
auf das Medium 107. Das Medium 107 ist mit periodischen
Spuren graviert.
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Ein
typisches Medium 107 wird in 3 gezeigt.
Die Oberfläche
des Mediums wird graviert durch einen Hochleistungslaser mit runden
Spuren wie eine Spur der Markierung 302 mit periodischen Unterbrechungen 304.
In kommerziell verfügbaren Scheiben
ist die Länge
einer jeden Markierung auf einer Spur auf dem inneren Radius etwa
40 μm und
die Länge
auf einer Markierung auf dem äußeren Radius etwa
80 μm. Die
Entfernung zwischen den Markierungen entlang der radialen Richtung
ist 20,4 μm
und die Breite jeder Markierung ist etwa 2 μm.
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Mit
Bezug zurück
zu 2, mit diesen periodischen Servospuren, die auf
der Mediumoberfläche eingraviert
sind, werden die Selbstbilder (engl.: self images) der gravierten
Spuren gebildet, wenn Licht 106 durch das Medium zurückreflektiert
wird. Die Entfernung zwischen dem Laserchip und dem Medium ist so
eingestellt, sodass eines der Selbstbilder (engl.: self images)
auf der Oberfläche
des Detektors gebildet wird. Die Abstände wo die Selbstbilder (engl.:
self images) gefunden werden können
sind gegeben durch die Gleichung zøz1/(zø + z1)
= 2N·T2/WAVE (1)wo
N eine ganze Zahl ist, T ist die Periode der Servospuren, zø ist die
Entfernung zwischen dem Laser und dem Medium, z1 ist die Entfernung
zwischen dem Medium und der Oberfläche des Detektors und WAVE
ist die Wellenlänge
der Lichtquelle. In der Praxis ist die Dicke des Laserchips viel
kleiner als die Entfernung zwischen dem Laser und dem Medium. Demzufolge
kann die Gleichung (1) genährt
werden durch zø = 4N·T2/WAVE. (2)
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Zum
Beispiel wenn N = 1, T = 0,01 mm und WAVE = 0,0008 mm, zø = 0,5
mm. Die Periode des Bildes auf dem Detektor ist gleich T1 = T(zø + z1) zø = 2T. (3)
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Mit
anderen Worten wird auf der Detektorebene ein zweimal vergrößertes Bild
der Spuren gebildet.
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4 zeigt
die erste Ausführungsform
des Detektors der in solch einem Sensor benutzt wird.
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Es
wird ein einzelner aus vielen Elementen bestehender Detektor mit
verschiedenen Gitterstrukturen, die das Licht blockieren, gezeigt.
Der Detektor 400 in 4 beinhaltet
drei (3) Detektorelemente, 404, 405 und 406,
wobei jeder davon Kontaktflächen 407, 408 und 409 aufweist.
Ein Oberflächen
emittierender Laserdiodenchip oder ein LED (Licht emittierende Diode)
Chip 401 wird an den Detektor befestigt, der oben auf einer
isolierten Kontaktfläche 403 sitzt.
Licht wird emittiert von dem Fenster 402 auf den Laserchip
oder LED Chip. Die Detektorelemente 404 und 405 werden
mit Licht blockierenden Strukturen mit einer Periode 2T oder
T, wie gezeigt in 4, bedeckt. Wie es gesehen werden
kann, wird die Maske oder das Gitter 412 an der Spitze
des Detektorelements 405 um ein Viertel der Periode des
Gitters 414 auf den Detektor 404 verschoben, um
eine 90° Phasenverschiebung
zwischen dem Ausgangssignal vom Detektorelement 404 und
vom Detektorelement 405 zu erzeugen. Demzufolge, wenn sich
ein Medium mit Spuren relativ zum Sensor bewegt, kann das Signal
von den Detektorelementen 404 und 405 geschrieben
werden als S1 = Acos θ + C, (5) S2 = Asin θ + C, (6)
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S1
und S2 sind um 90° außer Phase
bezüglich
zueinander um das Quadratursignal zu erzeugen, das für die Bestimmung
der radialen Position des Mediums benötigt wird. Die radiale Position
des Mediums relativ zum Sensor ist in linearem Bezug zum Winkel θ, welcher
abgeleitet werden kann aus Tanθ =
(S2 – C)/(Sa – C). (7).
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In
Gleichung (5) und Gleichung (6) nehmen wir an, dass die Signale
S1 und S2 eine identische Amplitude A und Ausrichtung C haben. In
der Praxis könnten
sie verschieden sein. Jedoch ist die allgemeine Technik, um Spurinformation
zu gewinnen, ähnlich
zu der in Gleichung (7) dargestellten. Der Detektor (406)
in 4 wird nicht durch irgendeine Maske bedeckt. Er
wird benutzt, um das Rotationssignal des Mediums, das durch die
unterbrochenen Spuren erzeugt wird, nachzuweisen.
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5 zeigt
eine andere Variation der Blockierungsstruktur für periodisches Licht, gezeigt
in 4. Diese periodischen Strukturen 510, 512,
gezeigt in 5, haben ein dreieckiges Profil.
Es ist allgemein bekannt, dass der Oberwellengehalt für eine rechtwinklige
Welle proportional ist zu 1/M, wo M der Index für die Oberschwingungen der
Wellenform ist. Andererseits ist der Oberwellengehalt einer dreieckigen
Welle proportional zu 1/M2, was für die erste Oberwelle
um 18 dB niedriger ist.
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6 zeigt
eine andere Variation der periodischen Lichtstruktur. In dieser
Ausführungsform
hat die periodische Struktur 610, 612 ein Sinusprofil
(d.h. die Höhe
der Kurve ist proportional zu sin2πx/T, wo T die Periode der Struktur
ist). Der Vorteil des Sinusprofils ist es, dass es nur die erste
Oberwelle und keine weiteren höheren
Oberwellen aufweist. Es ist das ideale Profil, um nur eine räumliche
Frequenz von den Servospuren zu extrahieren.
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Es
sei angemerkt, dass mehr als die Hälfte des lichtempfindlichen
Bereiches in den Detektorelementen 404 und 405 in
der ersten Ausführungsform, gezeigt
in 4, durch die Gitterstrukturen blockiert werden. 7 zeigt
eine andere bevorzugte Ausführungsform
des Sensors, der eine bessere Lichtsammeleffizienz aufweist als
die erste Ausführungsform. In
dieser Ausführungsform
wird anstelle einer Gittermaske an der Spitze der lichtempfindlichen
Bereiche eine kammartige Struktur für die Detektoren benutzt. In
der Ausführungsform
des Detektors, wie gezeigt in 5, enthält der Detektor nun
fünf Elemente.
Jedes Detektorelement hat eine Kammstruktur mit Periode T oder 2T.
Detektorelement 501 ist verflochten mit Detektorelement 502.
Detektorelemente 503 und 504 sind in ähnlicher
Weise verflochten. Es besteht eine Periodenverschiebung von ¼ zwischen
der Detektorgruppe 501, 502 und der Detektorgruppe 503, 504.
In dieser zweiten Ausführungsform
sind die Signale von den Detektorelementen 501, 502, 503 und 504 jeweils
gegeben durch: S1 = A cosθ + C S2
= –Acosθ + C S3 = A sinθ +
C S4 = –A
sinθ +
C.
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Demzufolge
kann die radiale Information erhalten werden aus D1
= S1 – S2
= 2A sinθ D2 = S3 – S4
= 2A cosθund Tanø =
D2/D1.
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Die
Vorteile der zweiten Ausführungsform gegenüber der
ersten Ausführungsform
sind: 1) das Differentialsignal D1 und D2 hat eine Amplitude 2A gegenüber A in
den Nichtdifferentialausgängen
in der Gleichung (5) und Gleichung (6) und 2) es gibt in D1 und
D2 keine Verzerrung. 8 und 9 zeigen zwei
andere Variationen der zweiten Ausführungsform, wo die Detektoren
entweder dreieckige Form oder Sinusform haben. Die Form des Detektors
wird gewählt,
um die Oberwellenverzerrung des Ausgangssignals zu reduzieren.