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Die Erfindung betrifft ein optisches Informations-,
Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem, bei dem Licht
durch eine Objektivlinse auf einen Informationsträger
zum Lesen oder Beschreiben von Informationen
fokussiert wird. Dabei soll eine Vorrichtung zur Erfassung
des Brennpunktes verwendet werden, die erfaßt, ob das
Licht korrekt auf dem Informationsträger fokussiert
ist.
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In optischen Wiedergabe- und Aufnahmesystemen können
in verschiedensten Varianten als Informationsträger
Compakt-Disks, Video-Disks und optische Speicher
Disks verwendet werden. So kann beispielsweise ein
Video-Disk-System Verwendung finden. Die
Informationswiedergabe von der Disk, die sich mit hoher
Drehzahl dreht, erfolgt dadurch, daß ein Strahl einer
Laserlichtquelle, beispielsweise eines
Halbleiterlasers, durch eine Objektivlinse auf eine
Informationsspur fokussiert wird, und daß das durch die
Informationsspur geführte oder von dieser reflektierte
modulierte Licht erfaßt wird. Ein Merkmal dieser
Informationsträger ist die extrem hohe Dichte der
gespeicherten Informationen: Die Informationsspuren
sind sehr eng nebeneinander gelegt und die Abstände
der benachbarten Informationsspuren sind sehr klein.
Um die Information richtig von solch eng beieinander
liegenden, auf eng begrenzten Raum untergebrachten
Informationsspuren, zu lesen, muß die Objektivlinse
einen genauen Brennpunkt auf der Oberfläche der
Video-Disk erreichen und einen Lichtpunkt mit kleinem
Durchmesser und hoher Bildauflösung erzeugen, der
der Information auf der Oberfläche der Disk
entspricht. Zur Erhaltung eines korrekten Brennpunktes
muß das optische Wiedergabe- und Aufnahmesystem
dieser Art die Abweichung des Brennpunktes auf der
Oberfläche der Disk erfassen, und die Korrektur der
Fokussierung erfolgt durch Bewegung der Objektivlinse
parallel zu ihrer optischen Achse, unter
Berücksichtigung des Fokussierfehlersignales eines Fotosensors.
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Die Fig. 6 zeigt ein Strahlenverlaufsbild der
wichtigsten Elemente der Vorrichtung zur
Brennpunkterfassung eines optischen Aufzeichnungs- und
Wiedergabesystems, das in der japanischen, offengelegten
Patentanmeldung 7246/1981 beschrieben wurde. Der Strahl
einer Laserlichtquelle 1 (der auf die Fläche einer
Seite linear polarisiert ist) wird mit einer
Kollimatorlinse 2 kollimetriert. Weiter ist der Zeichnung
ein Polarisationsstrahlteiler 3, ein
Viertelwellenlängenblättchen 4, eine Objektivlinse 5, ein
Erfassungsprisma 7, mit reflektierender Oberfläche 8 und
ein Fotosensor 9 mit zwei Bereichen 9A und 9B zu
entnehmen. Aus der französischen Patentanmeldung mit der
Nummer FR-A-24 98 340 ist eine ähnliche Anordnung
bekannt.
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Diese Vorrichtung arbeitet nach dem nachfolgend
beschriebenen Prinzipien. Der Strahl (der auf die
Fläche einer Seite linear polarisiert ist) wird durch
die Kollimatorlinse 2 gerichtet, durch den
Polarisationstrahlteiler 3 und das
Viertelwellenlängenblättchen 4 geführt und mit der Objektivlinse 5 auf den
Informationsträger 6, der die Informationsspuren
aufweist, gebündelt. In dieser Darstellung (Fig. 6)
verlaufen die Informationsspuren senkrecht zur Seite,
sie können aber auch parallel zum Blatt
(linksrechts- Richtung in der Zeichnung) ausgerichtet sein.
Der auf den Informationsträger 6 fokussierte Strahl
wird reflektiert und kehrt durch die Objektivlinse 5
und das Viertelwellenlängenblättchen 4 zurück zum
Polarisationsstrahlteiler 3.
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In der in dieser Zeichnung dargestellten Form wird
durch das Viertelwellenlängenblättchen 4 der
Lichteinfall auf den Polarisationsstrahlteiler 3 senkrecht
zur Ebene der Seite polarisiert, so daß er durch den
Polarisationsstrahlteiler 3 reflektiert wird (in der
Zeichnung mit einem Winkel von 90º nach links). Der
reflektierte Strahl erreicht vom
Polarisationsstrahlteiler 3 ein Erfassungsprisma 7 von dessen
reflektierender Oberfläche 8 er zu einem Fotosensor 9 gelangt
und von diesem empfangen wird.
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Die reflektierende Oberfläche 8 ist so ausgerichtet,
daß wenn die Objektivlinse 5 entsprechend dem
Informationsträger 6 richtig fokussiert, der Winkel
zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem
einfallenden Strahl (in diesem Fall parallele
Strahlenbündel) gleich oder geringfügig kleiner als der
kritische Winkel ist. Wenn er genau gleich dem kritischen
Winkel ist und der gesamte vom
Polarisationsstrahlteiler 3 reflektierte Strahl genau fokussiert ist,
wird an der reflektierenden Oberfläche 8 vollständig
reflektiert. Wenn die reflektierende Oberfläche 8
fehlerhaft ist, wird ein Teil des Lichtes in Richtung
n in dieser Zeichnung gelenkt. Wenn der
Informationsträger vom Brennpunkt in Richtung a in der Zeichnung
abweicht, weist der vom Polarisationsstrahlteiler 3
reflektierte Strahl eine flach auftreffende
Komponente auf, deren maximaler schiefer Winkel durch ai1 und
ai2 angedeutet ist. Wenn der Informationsträger vom
Brennpunkt in Richtung b in der Zeichnung abweicht,
weist der vom Polarisationsstrahlteiler 3
reflektierte Strahl eine flach auftreffende Komponente auf,
deren maximaler schiefer Winkel durch bi1 und bi2
angedeutet ist. In jedem Fall, wenn Informationsträger 6
vom Brennpunkt abweicht, variiert der Strahleneinfall
kontinuierlich um den kritischen Winkel, außer für
den zentralen Strahl auf der optischen Achse (die
gestrichelte Linie in der Figur). Das
Reflexinsvermögen der reflektierenden Oberfläche 8 ist sehr stark
von leichten Wechseln des Einfallswinkels in der Nähe
des kritischen Winkels abhängig, wie dies aus der
Fig. 7 zu entnehmen ist. Wenn der Informationsträger
in den Richtungen a oder b vom Brennpunkt abweicht,
ist die Intensität des reflektierten Strahls auf
einer Seite der Ebene, die senkrecht zur Seite des
zentralen Strahles ist, geringer als auf der anderen
Seite, entsprechend der Abweichungsrichtung. Im
Gegensatz hierzu, ist die Intensität des reflektierten
Strahles auf beiden Seiten gleich, wenn keine
Abweichung des Brennpunktes auftritt. Der Fotosensor 9,
der die Verteilung des von der reflektierenden
Oberfläche 8 reflektierten Lichtes erfaßt, ist in zwei
Bereiche 9A und 9B am mittleren Strahl (optische
Achse) geteilt, wie das aus der Fig. 6 hervorgeht.
Der Fig. 7 sind die Reflexinsintensitäten Rp und Rs
des p- und s-polarisierten Lichtes, wenn der
Brechungsindex des Detektorprismas 7 gleich 1,5 ist, zu
entnehmen. Die Reflexinsintensität des
unpolarisierten Lichtes liegt zwischen diesen beiden Werten und
ist gleich (Rp + Rs)/ 2.
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Wenn der Informationsträger 6 in Richtung a des
Lichteinfalls auf der reflektierenden Oberfläche 8
(Fig. 6) verschoben ist, erstreckt sich der Teil,
der sich unterhalb des Mittelstrahles befindet in
Richtung des Strahleinfalls ai1, und insgesamt ist der
Einfall kleiner als der kritische Winkel, so daß ein
Teil, ein Strahlenbündel durchgelassener Strahlen, das
von den Strahlen n und ai1 begrenzt wird, ist. Die
Intensität des reflektierten Strahlenbündels wird
ausgehend vom Mittelstrahl bis hin zum äußeren Strahl
ar1 mit einem Wert, der den durchgelassenen Strahlen
entspricht, reduziert. Der Teil des von der
reflektierenden Oberfläche 8 reflektierten Lichtes, der
oberhalb des Mittelstrahles ist, erstreckt sich zum
Strahl ai2 und der Einfallswinkel wird größer als der
kritische Winkel, so daß nichts durchgelassen wird
und das gesamte Licht als Bündel reflektierter
Strahlen, vom Mittelstrahl bis zum äußeren reflektierten
Strahl ar2, reflektiert wird. Darum wird der Bereich
9A des Fotosensors 9 dunkel, während der Bereich 9B
erleuchtet wird. Der Bereich 9B wird nicht
beleuchtet, wenn die reflektierende Oberfläche 8 des
Detektorprismas 7 genau auf den kritischen Winkel
gerichtet ist, wird die Reflexin einfach insgesamt, wie aus
der Fig. 7 hervorgeht, beibehalten, wenn jedoch die
reflektierende Oberfläche 8 geringfügig unterhalb des
kritischen Winkels gerichtet ist, wird der Bereich 9B
erleuchtet.
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Den in der Fig. 7 dargestellten Verläufen der Kurven
Rp und Rs ist zu entnehmen, daß diese am kritischen
Winkel unendliche Werte (theoretisch) erreichen, da
die Empfindlichkeit in der Nähe des Brennpunktes am
größten ist, wenn die reflektierende Oberfläche 8
genau auf den kritischen Winkel gerichtet ist. In dem
Fall in dem die reflektierende Oberfläche 8
geringfügig
unterhalb des kritischen Winkels gerichtet ist,
ist die Empfindlichkeit reduziert. Wenn die
reflektierende Oberfläche 8 über den kritischen Winkel
hinaus gerichtet ist, entsteht ein totes Band in dem
keine Wechsel der Reflexinsintensität vorkommen.
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Wenn der Informationsträger 6 in Richtung b
verschoben ist, wird die Neigung des Lichteinfalls auf die
reflektierende Oberfläche 8 genau entgegengesetzt,
wie bereits vorangestellt beschrieben, nur die
Bedingungen der beleuchteten Bereiche 9A und 9B des
Fotosensors 9 sind genau umgekehrt. In diesem Fall
sind die von der reflektierenden Oberfläche 8
reflektierten und durchgelassenen Strahlen mit br1, br2 und
bt2 bezeichnet. Bei genauer Fokussierung erreichen die
Bereiche 9A und 9B des Fotosensors 9 gleiche
Intensitäten.
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Dementsprechend kann mit der Erfassung der Differenz
zwischen den Ausgangssignalen der Bereiche 9A und 9B
der Differenzwert und die Polarität erfaßt werden.
Dadurch ist es möglich, ein Signal für den Wert und
die Richtung der Abweichung des Informationsträgers 6
vom Brennpunkt zu erhalten. Die Fokussierung kann
durch Bewegung der Objektivlinse 5 parallel zu ihrer
optischen Achse korrigiert werden.
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Der Aufbau der Vorrichtung zur Erfassung des
Brennpunktes, wie er entsprechend dem Stand der Technik
bereits vorangestellt beschrieben wurde, bringt
nachfolgend genannte Probleme und Nachteile mit sich. Um
die Vorrichtung so auszurichten, daß bei genauer
Fokussierung das Licht auf das Detektorprisma 7 mit dem
kritischen Winkel auftrifft, ist die Drehung des
Prisma in der Ebene der Seite in Fig. 6
erforderlich. Wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, ändert sich
die Reflexinscharakteristik in der Nähe des
kritischen Winkels, mit einer Diskontinuietät am
kritischen Winkel, abrupt, so daß eine sehr genaue
Justierung des Prisma erforderlich ist. Wenn der kritische
Winkel gerade leicht überschritten ist, entsteht ein
totes Band im Brennpunktfehlersignal. Wenn das Prisma
unterhalb des kritischen Winkels justiert ist, führt
der abrupte Wechsel der Reflexinscharakteristik zu
Veränderungen der Anfangscharakteristik des
Brennpunktfehlersignales in verschieden hergestellten
Einheiten.
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Bei einem Beispiel dieser Änderung kann es vorkommen,
daß die Empfindlichkeitsänderung des
Brennpunktfehlersignales in der Nähe des Zustandes mit genau
ausgerichtetem Brennpunkt, wie bereits beschrieben
wurde, ist.
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Temperatureinfluß und Alterung kann potentiell
größere Veränderungen des Brennpunktfehlersignales am
Fotosensor 9, durch Wechsel des Winkels bei dem der
Strahl das Prisma 7 erreicht, dadurch, daß kleine
Positionsabweichungen des Detektorprisma 7 oder
anderer optischer Komponenten auftreten, hervorrufen. Aus
der Reflexinscharakteristik in der Nähe des
kritischen Winkels, wie sie der Fig. 7 zu entnehmen ist,
geht hervor, daß wenn die Abweichung eine
Verringerung des Einfallswinkels bewirkt, der abrupte Wechsel
der Reflexinscharakteristik zur Änderung des
Fokussierungs- oder Brennpunktfehlersignales, wenn die
Positionsabweichung den Einfallswinkel vergrößert,
die Flachheit der Reflexinscharakteristik oberhalb
des kritischen Winkels ein totes Band im
Brennpunktfehlersignal bildet, führt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu
beseitigen und insbesondere eine genaue Möglichkeit
zur Erfassung des Zustandes der Fokussierung bei
einem optischen System zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus den in den untergeordneten Ansprüchen
enthaltenen Merkmalen.
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Die Erfindung, ist ein optisches Informations-,
Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem mit einer
Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtbündels, einem optischen
System zum Leiten des von der Lichtquelle gelieferten
Bündels, einer Objektivlinse zum Fokussieren des vom
optischen System auf ein Objekt geleiteten Bündels
und einer Vorrichtung zur Erfassung des Brennpunktes.
Solch eine Vorrichtung zur Erfassung des
Brennpunktes, die aus der FR-A-2498340 bekannt ist enthält
eine optische Komponente mit einer reflektierenden
Oberfläche, die im wesentlichen auf den kritischen
Winkel, zum Empfang wenigstens eines Teiles des auf
das Objekt und die fotoelektrischen Elemente, zur
Erfassung des Wechsels der Intensitätsverteilung des
durch die reflektierende Oberfläche reflektierten
oder durchgelassenen fokussierten Strahles, gerichtet
ist.
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Im Gegensatz zur FR-A- 2498340 ist bei dem
erfindungsgemäßen optischen System die reflektierende
Oberfläche mit einer mehrschichtigen Isolierschicht
beschichtet, deren Reflexionsvermögen sich mit der
Änderung des Einfallswinkels ebenfalls kontinuierlich
ändert und sich die kontinuierliche Änderung über
einen Bereich erstreckt, der den kritischen Winkel
mit einschließt.
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Da die reflektierende Oberfläche, erfindungsgemäß
eine mit einer mehrschichtigen Isolierschicht
beschichtet ist, bei der sich das Reflexionsvermögen
kontinuierlich mit dem Einfallswinkel ändert, sind
die Anforderungen an die genaue Justierung der die
reflektierende Oberfläche aufweisenden optischen
Elemente vernachlässigbar. Daher wird eine stabile
genaue Erfassung des Fokussierungsgrades, trotz der
Alterungseinflüsse und anderer wechselnder
Bedingungen, die nach der Justierung auftreten können,
aufrechterhalten.
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Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von
Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
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Dabei zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen, optischen
Informations-, Aufzeichnungs- und
Wiedergabesystems mit einer Vorrichtung zur
Erfassung des Brennpunktes;
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Fig. 2 ein Beispiel der
Reflexionscharakteristik der in Fig. 1 enthaltenen
reflektierenden Oberfläche;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines
weiteren erfindungsgemäßen, optischen
Informations-, Aufzeichnungs- und
Wiedergabesystems mit einer Vorrichtung
zur Erfassung des Brennpunktes;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines
optischen Wiedergabe- und
Aufzeichnungssystems mit einer dritten
erfindungsgemäßen Ausführung der
Vorrichtung zur Erfassung des
Brennpunktes;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung eines
optischen Wiedergabe- und
Aufzeichnungssystems mit einer vierten
Ausführung der Vorrichtung zur
Erfassung des Brennpunktes;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung eines
optischen Wiedergabe- und
Aufzeichnungssystems mit einer bekannten
Ausführung der Vorrichtung zur
Erfassung des Brennpunktes;
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Fig. 7 ein Beispiel des Reflexionsvermögens
in der Nähe des kritischen Winkels der
in Fig. 6 dargestellten
reflektierenden Oberfläche;
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Fig. 8 ein Beispiel des Reflexionsvermögens
einer mit einer mehrschichtigen
Isolierschicht versehenen reflektierenden
Oberfläche für s-polarisiertes Licht.
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In Fig. 1 stimmen die Elemente 1 bis 6 und 9 mit den
entsprechenden Elementen der in Fig. 6 dargestellten
Vorrichtung nach dem bereits beschriebenen Stand der
Technik überein. Das optische Element 10 wirkt auch
hier als Strahlenteiler. In diesem optischen Element
10 ist eine reflektierende Oberfläche 11 enthalten,
die durch einen Überzug aus einer mehrschichtigen
dielektrischen Beschichtung gebildet ist und eine
Reflexinscharakteristik aufweist, die sich
kontinuierlich mit dem Einfallswinkel des einfallenden
Strahles ändert.
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Die Fig. 2 macht die Reflexionscharakteristik der
reflektierenden Oberfläche 11 entsprechend dem
Einfallswinkel des einfallenden Strahles deutlich.
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In der bereits genannten Vorrichtung zur Erfassung
des Brennpunktes gelangt der mittels des
Polarisationsstrahlteiler 3 reflektierte Strahl zum optischen
Bauelement 10, wo er von der reflektierenden
Oberfläche reflektiert und von einem Fotosensor 9 empfangen
wird. Die reflektierende Oberfläche ist so
positioniert, daß wenn die Objektivlinse 5 entsprechend dem
Informationsträger oder Objekt 6 genau fokussiert,
der Lichteinfall (in diesem Fall ein Bündel
paralleler Strahlen) mit einem Winkel von ca. 45º auf die
reflektierende Oberfläche 11 auftrifft. Unter
Berücksichtigung, daß die reflektierende Oberfläche 11
genau auf einen Winkel von 45º ausgerichtet ist, soll
nachfolgend diskutiert werden. Ist der Brennpunkt
genau ausgebildet und ausgerichtet, wird der gesamte
Strahl vom Polarisationsstrahlteiler 3 zur
reflektierenden Oberfläche parallel reflektiert, so daß alle
Strahlen mit dem gleichen Winkel von 45º auf die
reflektierende Oberfläche 11 einfallen, daher ist das
Reflexionsvermögen für alle Strahlen gleich. Wenn das
Objekt 6 vom Brennpunkt in Richtung a auf der
Zeichnung abweicht, enthält das Strahlenbündel, das vom
Polarisationsstrahlteiler 3 reflektiert wurde eine
schiefe Komponente, deren maximale Schräge auf der
reflektierenden Oberfläche 11 durch ai1 und ai2
bezeichnet sind. Wenn das Objekt 6 vom Brennpunkt in
Richtung b auf der Zeichnung abweicht, enthält das
Strahlenbündel, das auf die reflektierende Oberfläche
11 einfällt eine maximale schräge Komponente die in
der Zeichnung durch bi1 und bi2 bezeichnet wird. Wenn
dabei das Objekt vom Brennpunkt abweicht, wird der
Strahl, außer dem Mittelstrahl auf der optischen
Achse (gestrichelte Linie), zur reflektierenden
Oberfläche 11 reflektiert, und ändert sich kontinuierlich um
den Einfallswinkel, wie dies bei genauer Fokussierung
auftritt (in diesem Falle 45º). Wenn sich das
Reflexionsvermögen der reflektierenden Oberfläche 11
stetig entsprechend dem Einfallwinkel, wie der Fig. 2
zu entnehmen ist, ändert, steigt die Intensität des
von der reflektierenden Oberfläche reflektierten
Strahles auf der Fläche, die senkrecht zur Seite des
Mittelstrahles ist, an und fällt auf der anderen
Seite entsprechend der Abweichungsrichtung ab. Bei
genauer Fokussierung ist sowohl der Einfallswinkel auf
der reflektierenden Oberfläche 11, wie auch die
Intensität des reflektierten Strahles gleich. Der
Fotosensor 9 ist in zwei Bereiche 9A und 9B im Bereich
des Mittelstrahles (optische Achse), wie in der
Seitenansicht der Fig. 1 dargestellt, geteilt und
erfaßt die Verteilung der Intensität des von der
reflektierenden Oberfläche 11 reflektierten Lichtes.
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Eine genauere Beschreibung soll nun folgen. Wenn das
Objekt in Richtung a, wie dies der Fig. 1 zu
entnehmen ist, abweicht, hat das gesamte unterhalb des,
ebenfalls der Figur zu entnehmenden Mittelstrahles,
auf die reflektierende Oberfläche 11 einfallende
Licht bis hinunter zum äußersten Einfallsstrahl ai1
einen kleineren Einfallswinkel als 45º. Aus Fig. 2
geht hervor, daß das Reflexionsvermögen für diesen
Teil größer als bei genauer Fokussierung ist. Die
Intensität des reflektierten Lichtes steigt im
Strahlenbündel ausgehend vom Mittelstrahl bis zum äußeren
reflektierten Strahl ar1 an. Der Teil des Lichtes, der
oberhalb des Mittelstrahles bis zum äußersten
einfallenden Strahl ai2 auf die reflektierende Oberfläche 11
einfällt, hat einen Einfallswinkel, der größer als
45º ist. Es ist für diesen Fall der Fig. 2 zu
entnehmen, daß das Reflexionsvermögen für diesen Teil
kleiner als bei korrekter Fokussierung ist. Die
Intensität des reflektierten Lichtes sinkt für diesen
Fall im Strahlenbündel, ausgehend vom Mittelstrahl
bis zum äußeren reflektierten Strahl ar2.
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In diesem Fall ist die Intensitätsverteilung auf dem
Fotosensor 9 so, daß der Bereich 9A beleuchtet und
der Bereich 9B abgedunkelt ist.
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Wenn das Objekt in seiner Lage in Richtung b
abweicht, ist die Schrägstellung der einfallenden
Strahlen auf die reflektierende Oberfläche 11
entgegengesetzt zu dem eben beschriebenen Fall, bei dem
die Abweichung in der a Richtung auftrat. Die
Beleuchtung und Abdunkelung der Bereiche 9A und 9B des
Fotosensors 9 sind entsprechend umgekehrt. Die
einfallenden und reflektierten Strahlen sind in diesem
Fall mit bi1 bi2, br1 und br2 bezeichnet.
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Bei genauer Fokussierung sind die vom Fotosensor 9 in
den Bereichen 9A und 9B empfangenen Werte des
einfallenden Lichtes gleich. Die mit n&sub1; und n&sub2; bezeichneten
Strahlen sind in dieser Darstellung die bei genauer
Fokussierung übertragenen Strahlen. Die mit at1, at2,
bt1 und bt2 bezeichneten Strahlen, sind Strahlen die
übertragen werden, wenn das Objekt bzw. der
Informationsträger in den Richtungen a und b verschoben ist.
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Durch die Möglichkeit der Erfassung der Differenz
zwischen den Ausgängen der Bereiche 9A und 9B und der
Bestimmung des Wertes und der Polarität dieser
Differenz ist es möglich, ein Signal, das dem Wert und
der Richtung der Abweichung des Objektes vom
Brennpunkt entspricht, zu erhalten. Der Brennpunkt kann
durch paralleles Verschieben der Objektivlinse 5
entlang der optischen Achse korrigiert werden.
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Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung ist die
Verwendung einer eine mehrschichtige Isolierschicht
aufweisenden reflektierenden Oberfläche, deren
Reflexinsvermögen sich entsprechend des Einfallswinkels
stetig ändert, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist.
Die Erfindung löst dabei die Probleme des bekannten
Systems zur Erfassung des Brennpunktes, die durch den
kritischen Winkel hervorgerufen werden. Insbesondere
ist keine große Genauigkeit bei der Justierung der
optischen Elemente, die die reflektierende Oberfläche
tragen, bei der Drehung in die Ebene des Blattes in
Fig. 1 erforderlich. Die Vorrichtung nach dem Stand
der Technik erfordert eine hohe Genauigkeit bei der
Justierung des Detektorprisma, wegen der steilen
Neigung und Unstetigkeit der Reflexionscharakteristik in
der Nähe des kritischen Winkeis, wie dies bereits
beschrieben wurde. Die Reflexionscharakteristik der
reflektierenden Oberfläche 11, die im
erfindungsgemäßen System verwendet wird, weist keine
Unbeständigkeit auf. Das Reflexionsvermögen ändert sich stetig,
entsprechend dem Einfallswinkel, wie dies aus Fig. 2
hervorgeht. Eine falsche Justierung der optischen
Bauelemente 10 ändert den Charakter des
Brennpunktfehlersignales
nicht und verursacht kein totes Band.
Kurz gesagt die Justiertoleranz kann vernachlässigt
werden.
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Aus den gleichen Gründen ist die Vorrichtung
gegenüber Temperaturänderungs- und Alterungseinfluß
resistent. Positionsveränderungen im optischen Bauteil
oder anderen optischen Elementen bewirkt es eine
Veränderung des Einfallswinkels auf das optische Element
10 und nur eine kleinere Veränderung des
Brennpunktfehlersignales. Das tote Band, das bei
Lösungen die nach dem Stand der Technik ausgebildet
sind, auftritt ist aus theoretischen Gründen
ausgeschlossen und alle Veränderungen des
Brennpunktfehlersignales sind gering. Der Grad der Fokussierung
kann auf stabile und genaue Art und Weise bestimmt
werden.
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Im weiteren soll eine kurze zusätzliche Diskussion,
des Prinzips nach dem sich das Reflexionsvermögen,
wie in der Fig. 2 erkennbar, in Abhängigkeit des
Einfallswinkels ändert, geführt werden. Zur
Vereinfachung soll angenommen werden, daß das Licht aus
einem Medium, wie Luft oder Glas auf eine Platte, die
ebenfalls ein Glaskörper ist, einfällt und zwischen
dem Medium und der Platte eine dünne einschichtige
Beschichtung vorhanden ist. Die charakterisierende
Matrix dieser dünnen Schicht ist durch Kogakan
Hakumaku (optischer dünner Film) gegeben. Kogaku Gijutsu
Serie Vol. 11, Kyoritsu Shuppan ist:
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λ n sec R . . . (p-polarisiertes Licht)
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n: Brechungsindex der Beschichtung
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d: physikalische Dicke der Schicht
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R: Einfallswinkel auf die Schicht
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λ: Wellenlänge
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Die Amplitude des Reflexionsvermögens ist:
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Die Reflexionsenergie oder die Reflexionsvermögen
ist:
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R = r ² (3)
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In den oberen Gleichungen
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no cos Ro (s-polarisiertes Licht)
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uo = (
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no sec Ro (p-polarisiertes Licht)
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ns cos Rs (s-polarisiertes Licht)
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us = (
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ns sec Rs (p-polarisiertes Licht)
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Ro: Einfallswinkel auf die Schicht
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Rs: Brechungswinkel von der Schicht zur Platte
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no: Brechungszahl an der Eintrittsseite
(Brechungszahl des Medium)
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ns: Brechungszahl an der Austrittsseite
(Brechungszahl der Platte)
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Die Gleichungen (1) bis (3) zeigen, daß die
Reflexionsintensität sich in Abhängigkeit vom
Einfallswinkel ändert.
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Für eine mehrschichtige Beschichtung ist die
charakterisierende Matrix das Produkt der
charakteristischen Matrizen Mj der einzelnen Schichten:
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Das Reflexionsvermögen bzw. der Reflexionsgrad kann
wieder mit den Gleichungen (2) und (3) berechnet
werden.
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Es ist möglich eine mehrschichtige Beschichtung mit
einer bereits beschriebenen Reflexionscharakteristik
vorzusehen, beispielsweise eine solche, wie sie der
Fig. 2 zu entnehmen ist.
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In jüngster Zeit sind Computerprogramme zur Analyse
solcher mehrschichtigen Beschichtungen verfügbar, so
daß die analytische Berechnung wesentlich leichter,
als in der Vergangenheit bewältigt werden kann.
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Fig. 8 zeigt eine Berechnung der Abhängigkeit des
Reflexionsgrades vom Einfallswinkel für
s-polarisiertes Licht, die mit gewerblich erhältlichen Programmen
berechnet wurde. Die Parameter der Schichten sind in
der Tabelle 1 enthalten.
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Mit geeigneter Auswahl der Schichtenausbildung kann
eine Charakteristik, entsprechend der in Fig. 2
ablesbaren, oder eine bei der sich die
Reflexionsintensität stärker und in Abhängigkeit des Einfallswinkels
linear ändert, erreicht werden.
Tabelle 1 Ausbildung der Beschichtung
Schicht * Brechungszahl (Real) Brechungszahl (Bild) Dicke (nm) Glasäquivalent Luftäquivalent *Die Numerierung von 1, 2, . . . erfolgt ausgehend von der Einfallsseite
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Der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems zu entnehmen, bei der ein
Fotosensor 12, mit den Bereichen 12A und 12B, in der
Seitenansicht dargestellt ist. Der Fotosensor 12
erfaßt die Änderungen der Intensitätsverteilung des
Lichtes, das durch das optische Element 10
transmittiert wird. Im übrigen stimmt diese Ausführung mit
der überein, deren Aufbau in der Fig. 1 dargestellt
ist. In der Fig. 1 wird das von der reflektierenden
Oberfläche 11 des optischen Bauelementes 10
reflektierte Licht verwendet, das Reflexionsvermögen und
die Durchlässigkeit der reflektierenden Oberfläche 11
hängen jedoch eng zusammen, wenn keine Absorption
auftritt, beispielsweise dann, wenn
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Reflexion + Durchlässigkeit = 1 ist.
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Die Erfassung der Änderungen der
Intensitätsverteilung des durchgelassenen Lichtes bewirkt in beiden
Fällen (Fig. 1 und 3) den gleichen Effekt.
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Es ist möglich, ein Brennpunkt- bzw.
Fokussierungsfehlersignal mit der in Fig. 6 dargestellten,
bekannten Vorrichtung zu erzeugen, bei der der
Fotosensor an einer Position angeordnet ist, bei der das
durch die Oberfläche 8 gelassene Licht auf den
Fotosensor 9 fällt. In diesem Fall treten die gleichen
Probleme, wie sie bei der Verwendung des von der
Oberfläche 8 reflektierten Lichtes auf. Zusätzlich
wirken sich noch die nachfolgenden Probleme aus.
Nämlich, wenn die Oberfläche 8 so ausgerichtet ist, daß
der Einfallswinkel des Lichtes in der Nähe des
kritischen Winkels ist, ist das durch die Oberfläche 8
durchgehende Licht nahezu in der Richtung der
Oberfläche 8 gerichtet. Dabei ist der Durchmesser des
transmittierten Lichtes sehr klein und es ist
schwierig den Fotosensor 9 so auszurichten, daß das
durchgehende Licht genau auf den Fotosensor 9 fällt.
Anders ausgedrückt ist es von Vorteil die bekannte
Vorrichtung mit reflektiertem Licht anstelle des
durchgehenden Lichtes zu benutzen.
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Bei dem erfindungsgemäßen System, wie es in der Fig.
3 dargestellt ist, bringt die Verwendung des
durchgehenden Lichtes nicht dieses zusätzliche Problem mit
sich. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung (Fig. 3)
kann man nicht sagen, daß sie im Vergleich mit der
bekannten Ausführung (Fig. 1), bei der reflektiertes
Licht benutzt wird, nachteilig ist.
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Andere Ausführungsformen der Erfindung sind möglich,
bei denen nur ein Teil des vom
Polarisationsstrahlteiler reflektierten Lichtes verwendet wird und der
reflektierte Strahl gebündelt oder gestreut wird.
Diese Ausführungen werden nachfolgend mit Hilfe der
Fig. 4 und 5 erläutert. Bei dem der Fig. 4 zu
entnehmenden
Beispiel wird ein Teil des Strahles vom
Polarisationstrahlteiler 3 in ein optisches Element
10 gerichtet, das so ausgebildet ist, daß wenn der
Brennpunkt korrekt ist, die reflektierende Oberfläche
11 Licht in einem bestimmten festen Verhältnis
reflektiert und transmittiert. Das durchgelassene und
reflektierte Licht wird von Fotosensoren 13 und 14
empfangen. Der übrige Teil der Vorrichtung (Fig. 4)
entspricht der bereits an Hand der Fig. 1
beschriebenen. Wenn das Objekt 6 in die Richtung a oder b
bewegt wird, erfolgt eine Abweichung der Lage des
Brennpunktes und es entsteht eine entsprechende
Differenz der Ausgangssignale der Fotosensoren 13 und
14, so daß ein Fokussierungsfehlersignal, aus dem
Wert und der Polarität dieser Differenz, wie beim
Beispiel nach Fig. 1, erhalten werden kann. Der
restliche Teil des Lichtes, das nicht auf das
optische Element 10 gerichtet ist, kann für andere Zwecke
benutzt werden. Bei diesem Beispiel ist es nur
erforderlich, daß die von den Fotosensoren 13 und 14
empfangenen Intensitäten, bei richtiger Fokussierung im
richtigen Verhältnis sind; es ist nicht erforderlich,
daß das vom Objekt 6 reflektierte Strahlenbündel
parallel ist, wenn der Brennpunkt richtig ist. Die
Strahlen können wie in Fig. 5 gebündelt sein oder
auseinanderlaufen.
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In all diesen verschiedenen Beispielen des
erfindungsgemäßen Systems ist die reflektierende
Oberfläche 11 eine mehrschichtige dielektrische Beschichtung
mit einer Reflexionscharakteristik, die sich stetig
in Abhängigkeit des Einfallswinkels, genau wie in
Fig. 2, verändert.
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Bei der mittels der Fig. 1 beschriebenen
Ausführungsform sind die Anforderung an die
Drehjustierung des optischen Elementes 10, mit der
reflektierenden Oberfläche 11, gering und es ist eine große
Toleranz für Positionsabweichungen, die durch
Temperaturänderungen und Alterung auftreten können,
vorhanden. Im Ergebnis dessen wird eine stabile, sichere
und genaue Erfassung der Fokussierung erreicht.
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In einem optischen System zur Wiedergabe von Video-
Disks, bei denen die Informationsspuren spiralförmig
oder konzentrische Kreise auf dem Informationsträger
sind und die den vorbeschriebenen Ausführungsformen
(z. B. wie Fig. 1) entsprechen, ist wenn der
Informationsträger bzw. das Objekt so ausgebildet ist, daß
die Informationsspuren sich parallel zur Fläche des
Blattes (die links-rechts Richtung in der Fig. 1)
erstrecken, oder anders ausgedrückt sich die Bereiche
9A und 9B in paralleler Richtung zu den Spuren
erstrecken, wirkt sich die Änderung der
Intensitätsverteilung nicht auf das Fokussierungsfehlersignal aus,
wenn der Strahl über die Spuren bewegt wird (mit
Spurfehlersignalkomponente).
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen
Beispiele begrenzt, so ist beispielsweise in Fig. 1,
der auf das optische Element 10 gerichtete Strahl
spolarisiert, es ist jedoch genauso möglich ein
Halbwellenlängenplättchen zwischen den
Polarisationsstrahlteiler 3 und das optische Element 10 zu setzen
oder die Positionsverhältnisse von
Polarisationsstrahlteiler 3 und optischem Element 10 durch Drehung
um 90º zu ändern, so daß sie senkrecht zum Blatt
sind, in diesem Fall ist das einfallende Licht
p-polarisiert.
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Das erfindungsgemäße System kann nicht nur zur
Erfassung des Brennpunktes in optischen Aufzeichnungs- und
Wiedergabesystemen für Video-Disks, sondern auch in
optischen Aufzeichnungs- und Wiedergabesystemen für
Compakt-Disks, optische Speicherscheiben und
optischen Speicherkarten sowie in anderen optischen
Systemen verwendet werden.