NL8304402A - Optische aftasteenheid met een focusfout-detectiestelsel. - Google Patents

Description

ΕΗΝ 10.897 1 . ' N.V. Philips * Gloeilairpenfahrieken te Eindhoven, .

"Optische aftasteenheid met een focusfoat-detectiestelsel".

De uitvinding heeft betrekking op een optische aftasteenheid voorzien van een stralingsbron, een objectieflens en een focusfout-detectiestelsel, welke laatste stelsel bevat een samengesteld stralingsgevoelig detectiestelsel-bestaande uit twee detectoren waarvan de ene de 5 andere artsluit welke detectoren van elkaar gescheiden zijn door een ringvormig gebied en waarbij het verschil tussen de uitgangssignalen van de detectoren een focusfout representeert.

Onder een focusfout wordt verstaan de afwijking tussen het vlak van focussering van de objectieflens en het vlak dat afgetast moet 10 worden, door de door de objectieflens gevormde stralingsvlek.

In het Amerikaanse octrooischrift No. 4.152.586 is een optische aftasteenheid.. beschreven waarmee een optische registratiedrager kan worden uitgelezen. In deze registratiedrager kan bijvoorbeeld een videoprogramma zijn cpgeslagen. Cpdat de registratiedrager een voldoend 15 lange speelduur heeft moeten de informatiedetails, bijvoorbeeld in de vorm van kuiltjes in het informatievlak, erg klein, in de orde van 1 ^um., zijn. De stralingsvlek waarmee deze details uitgelezen moeten worden moet een afmeting in dezelfde orde van grootte hebben. Een dergelijke kleine stralingsvlek kan alleen gevormd worden met een objectieflens die een 20 relatief grote numerieke apertuur, bijvoorbeeld N.A. = 0,45, heeft. De scherptediepte van een dergelijke objectieflens is klein, bijvoorbeeld enige ^um's., zodat er voor gezorgd moet worden dat steeds scherp cp het informatievlak gefocuseerd wordt. Daartoe is in de weg van de door de registratiedrager gereflecteerde bundel een eerste ronde detector op de 25 optische as geplaatst en een tweede ringvormige detector rond de eerste.

De grootte van de stralingsvlek in het vlak van de detectoren, en dus de verdeling van de stralingsenergie over deze detectoren wordt bepaald door de grootte en de richting van een focussfout. Het verschilsignaal van de detectoren is een maat voor de defocussering. Dit verschilsignaal 30 wordt gebruikt cm de axiale positie van de objectieflens bij te regelen zodanig dat weer scherp cp het informatievlak gefocuseerd wordt.

In het focusfout-detectiestelsel volgens het Amerikaanse octrooischrift 4.152.586 heeft een focusfout een kleine verplaatsing van 8304402 EHN 10.827 2 t , i een relatief grote ronde stralingvlek ten opzichte van de cirkelsyirrretrische detectoren tot gevolg. De kromme die het verloop van het zo verkregen focusfouts ignaal als functie van de defocussering geeft heeft een kleine steilheid en het focusfoutsignaal heeft een kleine signaal-ruis verhouding, g Indien, zoals in de praktijk meestal het geval is, de stralingsverdeling binnen de stralingvlek niet uniform is, is het focusfout-detectiestelsel volgens het Amerikaanse octrooischrift No. 4.152.586 gevoelig voor decentrering van de stralings vlek. Een verplaatsing van het midden van de stralings vlek ten opzichte van het midden van de binnenste detector 10 heeft tot gevolg dat de stralingsverdeling over de detectoren verandert onafhankelijk van een focus fout. De genoemde verplaatsing wordt door het focusfout-detectiestelsel geïnterpreteerd als een focusfout en kan leiden tot een verkeerde focus-instelling.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een focusfout-detectie-15 stelsel te verschaffen dat een signaal genereert dat een grote steilheid en een goede signaal-ruis verhouding heeft en dat aanzienlijk minder gevoelig is voor de genoemde decentrering, waardoor minder strenge eisen gesteld behoeven te worden aan de positionering van de optische elementen in de stralingsweg van de optische aftasteenheid, welk focusfout-20 detectiestelsel bovendien de mogelijkheid biedt om de aftasteenheid aanzienlijk te vereenvoudigen. Het focusfout-detectiestelsel volgens de uitvinding vertoont daartoe als kenmerk, dat stralingsbuigende middelen aanwezig zijn voor het vormen van een ringvormige stralingsvlek op het stralingsgevoelige detectiestelsel.

2g Zowel het ringvormige gebied tussen de detectoren als de ringvormige stralingsvlek zijn erg smal en reeds een kleine focusfout heeft tot gevolg dat de stralingsenergie volledig op één van de detectoren terecht kont, zodat de steilheid van het focusfoutsignaal erg groot is. Doordat zowel de stralingsvlek als de detectorenovergang ringvormig zijn, 3q blijft bij verschuiving van de stralingsvlek ten opzichte van de detectoren de nuldoorgang van het f ocusf outs ignaal qp zijn plaats, aangezienj.de veranderingen in de stralingsintensiteit in het linker- en het rechtergedeelte van de detectoren even groot en tegengesteld zijn.

Bij voorkeur vertoont de optische aftasteenheid als verder 35 kenmerk, dat de binnenste detector ringvormig is. Doordat het oppervlak van de binnenste detector nu klein is, is de responsiesnelheid van deze detector groot en is het focusfout-detectiestelsel minder gevoelig voor stoorstraling veroorzaakt door bijvoorbeeld ongewenste reflecties binnen S 3 0 4 4 0 2 EEN 10.897 3 - i * het optische aftastsysteem.

Een eerste uitvoeringsvorm van de optische aftasteenheid die een bundelscheidingselement bevat voor het scheiden van een buhdel afkomstig van het af te tasten voorwerp van de door de stralingsbron 5 uitgezonden bundel, vertoont als kenmerk, dat de stralingsbuigende middelen worden gevormd door een tussen het bundelscheidingselement en het samengestelde detectiestelsel aangebracht kegelvormig lichaam van doorzichtig materiaal.

Het kegel vormige lichaam kan een doorzichtig kegel zijn, of 10 een doorzichtig lichaam met een kegelvormige uitsparing waarbij de laatste uitvoeringsvorm wat betreft pos it ie-tolerantie de voorkeur verdient.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische aftasteenheid waarin geen bundelscheidingselement gebruikt wordt en die uitermate 15 eenvoudig van opbouw is vertoont als verder kenmerk, dat de stralingsbuigende middelen warden gevormd door een holografisch raster.

Dit raster zorgt er voor dat de door het af te tasten voorwerp gereflecteerde bundel een andere richting krijgt dan de door de stralingsbron uitgezonden bundel. Het raster kan een stralingsreflecterehde raster 20 zijn. Bij voorkeur is echter het raster doorzichtig en vormt een holografische lens en is de stralingsbron in het midden van het detectiestelsel gelegen.

In deze uitvoeringsvorm kunnen de stralingsbron, in de vorm van een halfgeleider-diodelaser, en de detectoren, in de vorm van foto-25 diodes, cp één drager gemonteerd zijn, zodat bij de assemblage van de aftasteenheid zich geen uitrichtproblemen voordoen.

Cm, bij gebruik van de aftasteenheid als inschrijf- en/of uitleeskcp, de positie van de stralingsvlek ten opzichte van een spoor in het informatievlak te kunnen detectoren, vertoont deze aftasteenheid 30 als verder kenmerk, dat de twee detectoren elk in gelijke delen verdeeld zijn, door een scheidingslijn die effectief evenwijdig aan de spoorrichting is.

Volgens een. verder kenmerk kan in een als inschrijf en/of uitleeskcp gebruikte aftasteeenheid elk der detectoren in gelijke delen 35 verdeeld zijn door een scheidingslijn die effectief dwars cp de spoorrichting is.

Dan is het mogelijk informatie uit te lezen volgens de zogenaamde differentiële uitleesmethode, waarbij de signalen van twee, in 704402 EHN 10.897 4 " ' ' ' « 'fc tangentieel verschillende helften van de objectiefpupil gelegen, detectoren van elkaar worden afgetrokken.

Met effectief evenwijdig?aan, respectievelijk dwars qp, de spoorrichting wordt bedoeld dat de projectie, via de optische elementen 5 van het systeem, van de scheidingslijn in het informatievlak evenwijdig is aan, respectievelijk dwars is op, de spoorrichting.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van een beschrijving van haar toepassing in een optische uitlees-eenheid. Daarbij zal worden verwezen naar de tekening . Daarin tonen: 10 Fig. 1 een eerste uitvoeringsvorm van de aftasteenheid,

Fig. 2 een bovenaanzicht van de detectoren met daarop geprojecteerd een ringvormige stralingsvlek,

Fig. 3 het verloop van het focusfoutsignaal als functie van de defocussering, 15 Fig. 4 een tweede uitvoeringsvorm van de aftasteenheid,

Fig. 5 een derde uitvoeringsvorm van de aftasteenheid, en Fig. 6 een detectiestelsel met twee gesplitste detectoren en het bijbehorende signaalverwerkingsschema.

De aftasteenheid volgens Fig. 1 bestaat uit een buisvormige 20 omhulling 2 waarin qpgenomen zijn een stralingsbron 3 in de vorm van een diodelaser, een collimatorlens 4 en een objectieflens 5. Zowel de collimatorlens als de objectief lens kunnen meerdere lenselementen bevatten,, maar bestaan bij voorkeur uit een enkele lens met een asferisch oppervlak. De door de diodelaser 3 geleverde divergerende bundel b wordt 25 door de collimatorlens 4 omgezet in een evenwijdige bundel met een zodanige diameter dat de opening van de objectieflens 5 goed gevuld wordt. Deze lens vormt dan een huigingsbegrensde stralingsvlek V met een diameter van bijvoorbeeld 1 ^um. in het informatievlak 16 van een registratiedrager 15, waarvan in Fig. 1 een klein gedeelte in radiële doorsnede is getekend.

30 De informatie is in sporen 17 gerangschikt en bestaat uit een groot aantal, niet weergegeven, optisch detecteerbare informatiegehiedjes die afwisselen met tussengebiedjes. Bij voorkeur bevindt zich het informatievlak aan de bovenzijde van de registratiedrager en is dit vlak stralings-reflecterend . Bij roteren van de registratiedrager ten opzichte van de 35 aftasteenheid wordt de door het informatievlak gereflecteerd bundel gemoduleerd overeenkomstig de opgeslagen, informatie. De gemoduleerde handel moet gescheiden worden van de door de diodelaser uitgezonden handel b. Daartoe .is in de stralingsweg een bundelscheidingselement 6, bijvoor- 8304402 EHN 10.897 5

Jr * beeld een halfdoorlatende spiegel of een polarisatiedeelprisma cpgenanen, welk element de bundel b' reflecteert naar een stralingsgevoelig detectiestelsel 8.

Cm te kunnen detecteren of de bundel b scherp op het informatie-5 vlak 16 gefocuseerd is, is in de weg van de uitgesplitste bundel b' een kegelvormig lichaam van glas of een ander doorzichtig materiaal aangebracht en bestaat het detecties telsel uit twee, bij voorkeur ringvormige, detectoren 10 en 11. Het kegelvormige lichaam 7 zorgt er voor dat de straling van de bundel b' met een ronde diameter wordt 10 geconcentreerd in een ringvormige stralingsvlek, die in Fig. 2 met de gestreepte cirkels 12 is aangegeven. In deze Fig. zijn 10 en 11 de ringvormige detectoren met een scheiding 13 en is 9 een drager waarop deze detectoren zijn aangebracht.

Het kegelvormige lichaam kan bestaan uit een doorzichtige kegel.

15 of, zoals in Fig. 1 is aangegeven, uit een doorzichtig lichaam waarin een kegelvorm is afgedrukt. De laatste uitvoeringsvorm laat een grotere plaats tolerantie langs de optische as toe.

Essentieel· voor de uitvinding is dat de ringvormige overgang 13 tussen de detectoren 10 en 11 aanzienlijk smaller is dan de ring-20 vormige stralingsvlek 12. De vorm van de buitenomtrek van.de: detector 10 is van minder belang. Deze buitenomtrek kan cirkelvormig zijn maar ode de vorm van een vierkant of een andere veelhoek hébben.

Er is vocar gezorgddat indien het vlak van focussering van de objectieflens 8 samenvalt met het informatievlak 16 de stralingsvlek 25 12 een bepaalde breedte heeft en synmetrisch ten opzichte van de twee detectoren gelegen is, dat wil zeggen dat de detectoren eenzelfde hoeveelheid straling ontvangen. Verplaatst het informatievlak zich ten opzichte van de aftasteenheid naar boven, dan wordt de ringvormige stralingsvlek 12 breder en de gemiddelde straal van de ring groter en 30 ontvangt de detector 10 meer straling dan de detector 11. Verplaatst het informatievlak zich naar beneden, dan wordt de ringvormige, stralingsvlek 12 breder en de gemiddelden straal van de ring kleiner en ontvangt de detector 10 meer straling dan de detector 11. Door het uitgangssignaal van de detector 10 af te trekken van dat van de detector 11 wordt een 35 signaal verkregen dat evenredig is met de grootte en de richting van een focusfout.

Een verplaatsing van de stralingsvlek V in het vlak van de detectoren 10 en 11 heeft vrijwel geen invloed qp het zo verkregen 8304402 —- - -----^ PHN 10.897 6 ' ‘' ·- ' focusfoutsignaal. Een dergelijke 'verplaatsing kan ontstaan zijn bij de assemblage van de aftasteenheid of kan het gevolg zijn van instabiliteiten in het optische systeem. Wanneer bijvoorbeeld de stralingsvlek 12 naar links verschoven zou zijn ten opzichte van de in Fig. 2 weergegeven 5 situatie, dan zou het linker gedeelte van de buitenste detector meer straling ontvangen en het linker gedeelte van de binnenste detector minder. Aan de rechterkant doet zich het omgekeerde voor: de buitenste detector 10 ontvangt minder straling en de binnenste detector 11 meer.

De totale hoeveelheid straling qp de detector 10 blijft constant, ondanks 10 de verplaatsing van de stralingsvlek. Hetzelfde geldt voor de detector 11. Aldus heeft de genoemde verplaatsing van de stralingsvlek 12 geen invloed op de ligging van de nuldoorgang van het focusfoutsignaal Sf.

In Fig. 3 is de grootte en het téken van dit signaal als functie van de defocussering Δζ aangegeven. Bij grotere waarden van de excentrische 15 verschuiving van de stralingsvlek zal alleen de helling van het signaal 5^ iets kleiner worden.

In de aftasteenheid volgens de uitvinding zijn ruime toleranties qp de posities van de elementen, met name van de detectoren en het kegelvormige lichaam ten opzichte van de optische as toegestaan . Boven-20 dien kan door de cirkelsymmetrische vorm van alle onderdelen ook gemakkelijker aan strengere eisen wat betreft de positie nauwkeurigheid voldaan worden.

Bij voorkeur wordt een holografische·: lens of raster gebruikt voor het amzetten van de bundel met een cirkelvormige doorsnede in een 25 bundel met een ringvormige doorsnede. Het holografische raster zorgt er tevens voor dat de gemoduleerde bundel b' een andere richting krijgt dan de door de diodelaser uitgezonder bundel b. Er is dan geen afzonderlijk bundelscheidingseleraent meer nodig zodat de aftasteenheid een zeer eenvoudige en compacte ophouw heeft, zoals Fig. 4 laat zien.

30 In deze Fig. is- het holografische raster doorzichtig en vormt dus een holografische lens die net 14 is aangegeven. De overige elementen van Fig. 4 komen overeen met die van Fig. 1 en zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid. De lenswerking; van de holografische lens berust op diffractie in plaats van op refractie. Een op de lens 35 invallende, bundel wordt gesplitst in een, onaf gebogen.., nulde orde bundel en, onder verschillende hoeken afgebogen eerste en hogere orden bundels. Er kan voor worden gezorgd dat een groot gedeelte van de straling in de eerste orde wordt af gebogen , zodat die eerste orde bundel gebruikt 8 3 0 4 4 0 2 • EHN TO.897 7 /- kan werden voor de focusfout-detectie en de informatie-uitlez ing. Van de van de reglstratiedrager afkomstige straling splitst de holografische lens bijvoorbeeld 301 uit in een ringvormige stralingsvlek cp de detectoren.

De diodelaser is in het centrum van de ringvormige detectoren 5 10 en 11 geplaatst en kan met deze detectoren cp één drager 15 gemonteerd zijn.

Behalve dat zij weinig elementen bevat vertoont de aftasteenheid volgens Fig. 4 als verder voordeel dat bij assemblage als enige instelling nodig is de onderlinge axiale posities van de coUimatorlens en de holo-10 grafische lens en de drager 15.

In plaats van een holografische lens kan ock een stralings-reflecterende holografisch raster gebruikt worden. Een aftasteenheid met een dergelijk raster is in Fig. 5 getekend. In deze aftasteenheid wordt de aftastbundel tweemaal door het raster 14' gereflecteerd. Voor 15 het overige werkt deze aftasteenheid op dezelfde manier als die volgens Fig. 4.

Van de een eerste maal door de holografische lens 14 tredende of door het holografische raster 14' gereflecteerde bundel wordt de nulde orde bundel door het objectief 5 tot de aftastvlek 5 gefocuseerd. Het 20 raster of de lens is zó ontworpen dat de eerste orde bundel en de hogere orde bundels voldoende ver van de nulde orde bundel gelegen zijn, zodat zij de uitlezing niet beïnvloeden.

De holografische lens 14 of het holografische raster 14' kunnen worden vervaardigd door een fotografische plaat te belichten met 25 gelijktijdig een convergerende bundel met ringvormige doorsnede en een referentiebundel met een ronde doorsnede. Vervolgens kan via bekende etstechnieken een reliëfpatroon, overeenkomstig het belichtingspatroon, in de plaat aangebracht worden. In het geval van een reflectieraster wordt daarna een reflecterend laagje op het reliëfpatroon aangebracht.

30 Bij het uitlezen van een ingeschreven reglstratiedrager of het inschrijven van een reglstratiedrager waarin vooraf een volgspoor is aangebracht moet er voor gezorgd worden dat het centrum van de lees- of schrijf vlek steeds samenvalt met het midden van het spoor dat gelezen of geschreven wordt. Het daarvoor benodigde spoorsignaal Sr kan worden 35 verkregen door de beide detectoren 10 en 11 in twee gelijke delen te verdelen waarbij de scheidingslijn 18 evenwijdig is aan de spoorrichting t, zoals aangegeven is in Fig. 5. De signalen van de vier halve detectar-ringen A, B, C en D kunnen verwerkt worden zoals aangegeven is in het 8304402 k rf <· ΕΉΝ 10.897 8 - " · ·

N

rechtergedeelte van Fig. 6. Het electronische verwerkingscircuit bevat vijf scnmators 20, 21, 23, 24 en 25 en twee verschil versterkers 22 en 26. Indien de uitgangssignalen van de detectoren A, B, C en D voorgesteld worden door S^, Sg, Sc, en SQ, is het focusfoutsignaal: 5 Sf = (SA + Sc) - (Sg + SD ), het spoorvolgsignaal:

Sr = (SA + Sg) - ( Sc + Sg ) en het informatiesignaal: SI = SA + + SC + SD *

In plaats van door optellen van de signalen van de detectoren 10 A, B, C en D kan het informaties ignaal ook worden verkregen met behulp van de zogenaamde differentiële methoden. Daartoe kunnen de twee detectoren 9 en 10 elk in twee gelijke delen verdeeld zijn volgens de in Fig. 6 aangegeven stippellijnen 19. Indien de linker-, respectievelijk rechter-, gedeelten van de detectoren worden aangegeven met de achterin voègsels 1, respectievelijk 2, is voor het detectiestelsel volgens Fig. 6 het informatiesignaal S^.*:

Sl' = SA1 + SB1 + SC1 + SD1^ " ^SA2 + SB2 + SC2 + SD2^

De aftasteenheid volgens de uitvinding kan niet alleen toegepast worden bij het uitlezen of inschrijven van optische registratiedragers, 20 maar kan bijvoorbeeld ook deel uitmaken van een aftastende microscoop.

Het focusfcut-detectiestelsel kan bijvoorbeeld toegepast worden in een diaprojector.

25 B 30 35 8304402

Claims (7)

1. Optische aftasteenheid voorzien van een stralingshron, een objectief lens en een focusfout-detectiestelsel, welk stelsel bevat een samengesteld stralingsgevoelig detectiestelsel bestaande uit twee detectoren waarvan de ene de andere cmsluit welke detectoren van gikaa-r 5 gescheiden zijn door een ringvormig gebied en waarbij het verschil tussen de uitgangssignalen van de detectoren een focusfout representeert, met het kenmerk, dat stralingsbuigende middelen aanwezig zijn voor het vormen van een ringvormige stralingsvlek op het stralingsgevoelige detectiestelsel.

2. Optische aftasteenheid volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat de binnenste detctor ringvormig is.

3. Optische aftasteenheid volgens conclusie 1 of 2, die 'een bundel- scheidingselement bevat voor het scheiden van een bundel afkomstig van het af te tasten voorwerp van de door de stralingshron uitgezonden bundel, 15 met het kenmerk, dat de stralingsbuigende middelen worden gevormd door een tusenhet:bundélscheidingselement en het samengestelde detectie— stelsel aangebracht kegelvormig lichaam van een doorzichtig materiaal.

4/* Optische aftasteenheid volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stralingsbuigende middelen worden gevormd door een holografisch 20 raster.

5. Optische aftasteenheid volgend conclusie 4, met het kenmerk, dat het raster doorzichtig is en een holografische lens vormt en dat de stralingshron in het centrum van het detectiestelsel gelegen is.

6. Optische aftasteenheid volgens conclusie 1, 2, 3, 4 of 5 voor 25 het uitlezen en/of inschrijven van een spoorvormige informatiestructuur op een registratiedrager, met het kenmerk, dat de twee detectoren elk in gelijke delen verdeeld zijn, door een scheidingslijn die effectief evenwijdig aan de spoorrichting is.

7. Optische aftasteenheid volgens conclusie 1,2, 3, 4, of 5, voor 30 het uitlezen en/of inschrijven van een spoorvormige informatiestructuur op een registratiedrager, met het kenmerk, dat de twee detectoren elk in gelijke delen verdeeld zijn door een scheidingslijn die effectief dwars qp de spoorrichting is. 8304402 35