DE2734163C2

DE2734163C2 - Automatische Fokussiereinrichtung

Info

Publication number: DE2734163C2
Application number: DE2734163A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kokubunji Tokyo Maeda; Susumu Tachikawa Tokyo Sawano; Yoshito Stanford Calif. Tsunoda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1983-08-18
Also published as: US4163149A; FR2360150A1; NL7708200A; GB1590844A; DE2734163A1; FR2360150B1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (17) eine Kompensationseinrichtung (17-0) enthält, die aus der Differenz der Ausgangssignale des ersten Paares von Detektorabschnitten (D i. D2) ein drittes Korrektursignal und aus der Differenz der Ausgangssignale des zweiten Paares von Detekiorabschnitten (D3, D4) ein vierte«; Korrektursignal erzeugt, und durch Differenzbil dung und Potenzierung der dritten und vierten Korrektursignale ein Kompensationssignal (44) bildet, das einer Differenzbildung mit dem primären Fokussiersignal zur Bildung des eigentlichen Fokussierungssteuersignals (41') unterworfen wird

2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (17-0) eine Einrichtung (17-9, 17-10) /ur Bildung der Absolutwerte des dritten und des vierten Korrektursignals aufweist.

3. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekenn/eichnet. daß die Kompensationseinrichtung (17-0) eine nichtlincare Stufe (17-12) aufweist, die das aus dem dritten und dem vierten Korrektursignal gebildete DiTeren/signal potenziert.

4. FokusMi-reinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (17'-0) eine Einrichtung (17'-9, 17'-1O) zur Bildung der Quadrate des dritten und des vierten Korrektursignals aufweist.

5. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (17'-0) eine Einrichtung (17'-15) zur Bildung des Quadrates des aus dem dritten und dem vierten Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Fokussiereinrichtung und betrifft insbesondere eine derartige Einrichtung, die sich für optische Viäeoplatten eignet.

Ein allgemein bekanntes Gebiet, auf dem eine automatische Fokussierung erforderlich ist, bilden Abspielgeräte für optische Videoplatten. Daher soll die vorliegende Erfindung nachstehend am Beispiel einer automatischen Fokussierung in einem derartigen Abspiel- oder Wiedergabegerät beschrieben werden.

Zur Wiedergabe der auf einer optischen Videoplatte aufgezeichneten Information ist es erforderlich, daß der für die Wiedergabe verwendete Laserstrahl der in Informationsspur auf der Videoplatte genau nachgefünrt und mit hoher Genauigkeit fokussiert wird.

Zu diesem Zweck arbeiten Wiedergabegeräte für optische Videoplatten bisher nach einem Verfahren, bei dem getrennt von dem Lichtstrahl für die Wiedergabe 2i der Videosignale ein ausschließlich zur Nachführung verwendeter Lichtstrahl und ein den Nachführ-Lichtstrahl erfassender fotodetektor zur Nachführsteuerung verwendet wird, wobei für die Erfassung des Fokussierfehlers ein kapazitiver Detektor oder ein Extra-Lichtin strahl mit einem entsprechenden Lichtdetektor dienen, um die Fokussierung zu steuern. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der Aufbau des Gerätes kompliziert wird.

Soll eine einzelne Lichtquelle verwendet werden, da

π der Einsatz mehrerer Lichtquellen teuer ist. so ist es erforderlich, die drei Lichtstrahlen für die Erfassung der

Videosignale, für die Nachführung und für die Fokussierung zu bilden. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß die Leistung der einzigen'lichtquelle sehr hoch

w sein muß.

Andererseits gibt es ein Verfahren, bei dem ein Videosignal und ein Fokussierfehlersignal mit einem einzigen Lichtstrahl gewonnen werden. In diesem Fall ist in dem optischen System zur Erfassung des 4i Videosignals ein optisches Element angeordnet, das die Wirkung einer Linse mit einer einzigen Richtung hat (und im folgenden einfach als »Zylinderlinse« bezeichnet werden soll). Durch Ausnützung der astigmatischen Wirkung des Lichtstrahls wird ein Fokussierfehler in ■'» Form von Änderungen in der Gestalt eines reflektierten Lichtstrahls sowie in der Intensitätsverteilung ermittelt. Die Fokussiersteuerung wird dabei so durchgeführt, daß die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtstrahls konstant wird.

i> Dieses Verfahren ist zwar insofern von Vorteil, als das Gerät einfach ist und, da das Videosignal und das Fokussierfehlersignal mit einem einzelnen Strahl gewonnen werden, die Lichtquelle nur geringe Leistung aufzuweisen braucht. Bei der praktischen Anwendung in

au Wiedergabegeraten für optische Videoplatten hat ;, dieses Verfahren jedoch folgenden Nachteil. Bei der 'gemeinsamen Benutzung zusammen mit der bei derartigen Geräten unerläßlichen Nachführ- und Zitter-Steuerung des Lichtstrahls bewegt sich der reflektierte Lichtstrahl, und diese Bewegung ergibt eine Störung des Fokussierfehlers, so daß keine korrekte Fokussiersteuerung vorgenommen werden kann. Daher ist der Rauschabstand des Video-Wiedergabesignals

gering, und eine Bildwiedergabe hoher Qualität wird unmöglich.

Anhand der Fig. 1 bis 3, 4A und 4B sollen im folgenden eine aus der DE-OS 25 Ol 124 bekannte, dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde gelegte, automatische Fokussiereinrichtung und die bei dieser Einrichtung problematische Störung erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Nachführsteuerung und der Fokussiersteuerung bei einem Wiedergabegerät für optische Videoplatten nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 den Aufbau eines Fotodetektors und eines Signalverteilers, wie sie in dem Gerät nach Fig. 1 verwendet werden,

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wechselwirkung zwischea der Nachführsteuerung und der Fokussiersteuerung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips und

Fig.4A und 4B schematische Darstellungen zur detaillierten Erläuterung der aus der Wechselwirkung gemäß F i g. 3 resultierenden Störung des Fikussie.·- fehlersignals.

In Fig. 1 sind diejenige!» Teile weggelassen worden, die für die Steuerungen unerheblich sind. Ein aus einem Laser (beispielsweise eine'n HE-Ne-Laser) 10 austretender Lichtstrahl 30 durchsetzt eine Kondensorlinse 11 und einen Strahlenteiler !2. Nach Reflektion an einem Nachführspiegel 13 wird der Strahl durch eine Objektiv-Sammellinse 14 an einem Punkt 31 auf eine Videoplatte 22 als konvergierender Fleck fokussiert. Die Videoplatte 22 liegt auf einem Plattenteller 21 und wird von einem Motor 20 mit konstanter Drehzahl angetrieben. Auf der Videoplatte 22 sind Informationsspuren 23, die Bild-, Stimm- oder ähnliche Informationen enthalten, mit hoher Dichte aufgezeichnet, wobei die Informationen mit Hilfe des konvergenten Lichtflecks gelesen werden.

An dem Punkt 31. auf den der Lichtstrahl fokussiert ist, erfaßt de- konvergente Lichtfleck die in der Informationsspur enthaltene Information in Form von Änderungen des Lichtreflexionsfaktors. Das reflektierte Licht kehrt über die Sammellinse 14 und den Nachführspiegel 13 zurück, wird durch den Strahlenteiler 12 von dem eintretenden Strahl getrennt und fällt durch eine 7ylinderlip.se 15 auf einen Lichtdetektor 16. Auf diesen Lichtdetektor 16 fällt der Lichtstrahl als Detektor-Lichtfleck 34. Das Ausgangssignal 40 des Lichtdetektors enthält außer der aus der Videoplatte gelesenen Videoinformation ein Signal, das die Konvergenz des Lichtstrahls am Punkt 31 angibt, sowie ein Signal, das Hie Informations: Nachführung angibt. Das Ausgangssignal 40 wird daher mittels eines Signalverteilers 17 in ein Fokussierfehlersignal 41. ein Nachführfehlersignal 42 und üie eigentliche Videoinformation 43 zerlegt. Das Fokussierfehlersignal 41 wird von einem Fokussiersteuerverstarker 24 verstärkt, und das verstärkte Signal wird einem Fokussiersieuermotor 25 zugeführt, der die Objektiv-Sammellinse !4 aufwärts oder abwärts führt und somit die Fokussiersteuerung des Lichtflecks am Punkt 31 bewirkt. Das Nachführfehlersignal 42 gelangt über einen Nachführsteuerverstarker 26 an einen Motor 27 zur Verschwenkung des Nachführspiegels 13 und bewirkt somit die Nachführsteiierung des Lichtflecks am Punkt 31. Die Videoinformation 43 wird einem Verstärker 28 zugeführt und dient der Video-Wiedergabe.

In F i g. 2 ist der Aufbau des Lichtdetektors 16, der als Kernstück der Steuerungen bezeichnet werden kann, mit dem darauf auftreffenden Detektor-Lichtfleck 34 sowie des Signalverteilers 17 dargestellt, infolge der in einer Richtung konvergierenden Wirkung der im Weg des reflektierten Lichts angeordneten Zylinderlinse 15 ändert sich der Lichtfleck 34 auf dem Lichtdetektor 16 entsprechend der Änderung des Fokussierbildes des Lichtflecks am Punkt 31 auf der Videoplatte 22. Bei korrekter Fokussierung wird der Detektor-Lichtfleck

i« kreisförmig, wie dies in Fig. 2 bei 34 gezeigt isL Diese Fokussierlage dient daher als Bezugswert. Nähert sich die Videoplatte 22 der Objektiv-Sammellinse 14, so wird der Lichtfleck verzerrt, wie es in Fig. 2 bei 34-1 angedeutet ist. Entfernt sich die Videoplatte 22 von der

ι > Sammellinse 14, so verformt sich der Lichtfleck in der in F i g. 2 bei 34-2 gezeigten Weise.

Der Lichtdetektor 16 ist durch Trennlinien 16-1 und 16-2 in einzelne Detektorabschnitte der Bereiche D 1, D 2. D 3 und D 4 geviertelt. Über den Signal verteiler 17

:<> werden Signale entsprechend derjenigen Gestalt abgeleitet, die der Lichtfleck 34 jeweir;, annimmt. Dabei ermitteln zwei Addierer 17-1 und 17-2 die Komponenten des Lichtflecks in y- bzw. v-Richtung. Das Fokussierfehlersignal 41 wird durch einen Summierver-

r> stärker 17-3 entnommen.

BezeiL.inet man das Fokussierfehlersignal mit eFund die Ausgangssignale der einzelnen Detektorabschnitte Dl, D 2. £>3und £>4mit D Is. D2s. D3s bzw. D4s. so gilt folgende Gleichung:

^!" eF=f£>ls+D2s;-(O3s+D4s; (1)

Das Fokussierfehlersignal bestimmt sich dann als

eF> 0.
r> wenn sich die Videoplatte der Sammellinse nähert, und

eF < 0.

wenn sich die Videoplatte von der Sammellinse entfernt. Der Signalverteiler 17 umfaßt ferner Schaltkreise zur

4" Ableitung des Nachführfehlersignals 42 und der Videninformation 43. Dabei wird über einen Addierer 17-4 das Gesamtsignal des Lichtflecks 34 entnommen. Das Nachführfehlersignal 42 wird dabei dadurch gewonnen, daß das Gesamtsignal über ein Tiefpaßfilter

»'· 17-5 geleitet wird, während sich die Vidfoinformation aus dem Gesamtsignal am Ausgang eines Hochpaßfilters 17-6 ergibt.

Mit dem obigen Aufbau läßt sich eine Videoplatte abspielen. Bei gewöhnlichen Videoplatten kommen

'■·■ jedoch aufgrund der Exzentrizität und sonstiger Ursachen Nachführbewegungen von 100 bis 250 μΐη sowie infolge von Neigungen des Plattentellers. Biegungen und Dickenscnwankungen der Videoplatte und sonstigen Gegebenheiten Vertikalbewegungen von

ν· 100 bis 500 um vor. Andererseits ist die Information auf der Videoplatte 22 längs den Informationsspuren 23 genau und mit hoher Dichte in der Größenordnung von Mikrometern aufgezeichnet. Um von einer derartigen Videoplatte die Videoinformation mit hoher Qualität zu

w gewinnen, müssen die Fokussierung des Lichtstrahls am Punkt 31 und die Nachführung des Lichtflecks bezüglich |der Informationsspur mit einer Genauigkeit'von I μιη .öder darüber erfolgen. Außerdem müssen natürlich die Fokussiersteuerung und die NachfUhrsteuerung kompatibel präzise arbeiten.

Dennoch sind die Fokussiersteuerung und die Nachführsteuerung bisher oft einzeln und unabhängig voneinander konstruiert worden. Im praktischen Falle

der gemeinsamen Anwendung beider Steuerungen sind daher Probleme befürchtet worden. F i g. 3 erläutert die Probleme, die auftreten, wenn die mit dem Astigmatismus arbeitende Fokussiersteuerung nach Fig. i gemeinsam mit der Nachführsteuerung verwendet wird. Der mit ausgezogenen Linien dargestellte Weg 30—31—34 des Lichtstrahls bezeichnet dabei die Bezugsbahn, längs der der Lichtstrahl die Mittelpunkte der Linse und des Spiegels gemäß F i g. 1 durchsetzt. Es ,sei nun der Fall angenommen, daß der Spiegel 13 durch die Nachführsteuerung in die Stellung 13' bewegt wird und sich der Lichtfleck auf der Videoplatte 22 vom Punkt 31 in den Punkt 3Γ verschiebt. In diesem Moment verläuft der Lichtstrahl längs der gestrichelten Bahn vom Punkt 31' durch die Linse 14. über den Spiegel 13' und den Strahlenteiler 12 zur Zylinderlinse 15. In die Zylinderlinse 15 gelangt der Lichtstrahl in der bei 32' angedeuteten Form und wird auf dem Lichtdetektor 16 zu dem Detektor- Lichtfleck 54 an einer Stelle, die vom Mittelpunkt des Lichtdetektors 16 abweicht. Dies bi-'iiht auf der Tatsache, daß unter Ausnützung des Astigmatismus der Lichtdetektor 16 an einer Stelle angeordnet ist, die kein Brennpunkt ist.

In Fig. 4A ist die Beziehung zwischen dem Lichtdetektor und dem Lichtfleck im einzelnen gezeigt. Dabei ist der Fall angenommen, daß der Lichtfleck auf die Videoplatte fokussiert ist. In diesem Fall wird der Detektor-Lichtfleck kreisförmig. Falls die Nachführsteuerung sich in ihrem Bezugszustand befindet, wird für den Detektor-Lichtfleck 34 das Fokussierfehlersignal el·'= 0. was bedeutet, daß ein korrektes Fokussierfehlersignal erzeugt wird. Ist dagegen der Lichtfleck durch die Nachführsteuerung verschoben worden, wie dies durch den Detektor-Lichtfleck 34' angedeutet ist. so wird das Fokussierfehlersignal eF selbst dann von 0 verschieden, wenn der Lichtfleck fokussiert ist. Im folgenden seien

Detektorabschnitten D 1 bis D4 betrachtet.

Dazu wird zunächst eine Gerade / durch die Mittelpunkte der beiden Lichtflecke 34 und 34' gezogen. Sodann wird ein Kreis 36' eingezeichnet, der durch den Mittelpunkt des Lichtflecks 34 verläuft und dessen eigener Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Licht flecks 34' zusammenfällt. Parallel zu den Trennlinien 16-1 und 16-2 werden Hilfslinien 38 bzw. 39 gelegt, die durch den Schnittpunkt C des Kreises 36' nvt der Geraden / verlaufen. Der Detektor-Lichtfleck 34' mit seiner Unterteilung durch die gestrichelten Hilfslinien und 39 ist in Fig.4B nochmals gezeigt. In dieser Figur ist die Summe aus der Fläche des schraffierten Teils des Lichtflecks 34' auf dem Detektorabschnitt D 3 und der Fläche des Lichtflecks auf dem Detektorabschnitt D 4 gleich der Fläche des Lichtflecks 34' auf dem Detektorabschnitt D1. Ferner ist der geschwärzte Teil des Lichtflecks 34' auf dem Detektorabschnitt D 3 flächengieich mit dem geschwärzten Teil des Lichtflecks auf dem Detektorabschnitt D 2.

Daraus ergibt sich das durch Gleichung (1) wiedergegebene Fokussierfehlersignal eF entsprechend dem Rechteck 37. wobei eF < 0, so daß kein korrektes Fokussiersignal erzeugt wird. Dies bedeutet, daß das Ergebnis der Nachführsteuerung als Störung in die Fokussiersteuerung eingeht, was generell als ein Problem der Wechselwirkung bei der Steuerung mit Exzentrizität der Informationsspur beruhenden Bewegung in Radialrichtung folgt. Die Bewegung des Detektor-Lichtflecks auf dem Lichtdetektor., die auf der genannten Bewegung beruht, bildet eine Hin- und ι Herbewegung längs der .v-Ächse.

Bei einem talsächlichen Wiedergabegerät für Videoplattert wird ferner in Verbindung mit eier Nachführsteuerung eine (in Fig. I Und 3 nicht gezeigte) Zitteroder Pliasenausgleichsteüerung angewandt, um

in Schwankungen in der Umfangsgeschwindigkeit der informationsspur zu kompensieren. Bei dieser Zittersteuerung wird der Lichtfleck mit Hilfe eines weiteren Galvanometerspiegels in Umfangsrichtung senkrecht zur Richtung der Nachführsteuerung oszillatorisch

H geführt. Aufgrund dieser Oszillation wird die Bewegung des Dctektorlichtflecks auf dem Lichtdetektor zu einer hin- und hergehenden Bewegung längs der.y-Achse. Bei der Bewegung des Detektor-Lichtflecks infolge der Zittersteuerung handelt es sich also um eine hin- und

2i) hergehende Bewegung, die gegenüber der hin- und hergehenden Bewegung aufgrund der Nachführsteuerung um 90" phasenverschoben ist. Die kombinierte Bewegung des Detektor-Lichtflecks bei Anwendung sowohl der Nachführ- als auch der Zittersteuerung ist also grundsätzlich eine Kreisbewegung, wobei der Mittelpunkt des Detektor-Lichtflecks auf dem Lichtdetektor 16 einen Kreis beschreibt, der in Fig.4A mit 36 bezeichnen! ist.

Im folgenden sei mit AFdie Störung bezeichnet, die

so aus der Nachführsteuerung und der Zittersteuerung trotz der Tatsache resultiert, daG der Lichtfleck am Punkt 31 oder 3V auf die Videoplatte fokussiert ist. Ferner sei angenommen, daß die Intensitätsverteilung des Detektor-Lichtflecks flach ist. Wird nun mit s die Exzentrizität des Detektor-Lichtflecks und mit Θ das Argument bzw. der Polarwinkel des Mittelpunktes des Detsktcr-Lichtflecks ^σ2^σ5π den Uhrzeigersinn von der Trennlinie 16-1 aus bezeichnet, so läßt sich die Störung AF, die durch die Fläche des Rechtecks 37 in Fi g. 4A gegeben ist, ausdrucken als

hF = /o(2ssine)(2scos0)
= 2/os²sin20;

(2)

τ sriSuicn sn

uicn sngeseuen v/ir Bei der (in Fig.3 gezeigten) Bewegung des Lichtflecks 31 infolge der Nachführsteuerung handelt es sich um eine Bewegung, die einer hauptsächlich auf der wobei Io die Intensität des Detektor-Lichtflecks angibt. Bei der praktischen Anwendung wird die Intensitätsverteilung des Lichtflecks als Gauß-Verteilung betrachtet. In diesem Fall wird Io eine Funktion von s. In demjenigen Bereich, in dem die Exzentrizität s klein ist, ist jedoch Io nur wenig von s abhängig und kann näherungsweise als Konstante gesetzt werden. Wird mit ω die Rotationsfrequenz der Videoplatte und mit t die Zeit bezeichnet, so ergibt sich

Θ = cot.

Somit wird

Da die Rotationsfrequenz einer gewöhnlichen Video-

M platte 30 Hz beträgt, ergibt sich die Grundfrequenz der Störung AF zu 60 Hz. Abgesehen davon, daß der Wert der Exzentrizität sin Abhängigkeit vom Nachführfehler und von den Eigenschaften des optischen Systems schwankt, beträgt sie Ά bis '/3 des Lichtfleckdurchmes-

" scrs bei einem Nachführfehler von beispielsweise 250 μΐη, so daß die Störung AF zu einem Signal beträchtlicher Größe wird. Bei der in F i g. 1 und 2 veranschaulichten Fokussiersteuerung nach dem Stand

der Technik wird diese Störung als Fokussierfehler betrachtet, und die Steuerung wird so durchgeführt, daß cF = 0 gemacht wird. Daher wird eine Defokussierung induziert. Beispielsweise wird bei Anwendung des Verfahrens nach dem Stand der Technik die dieser Störung zuzuschreibende Defokussierung 2 bis 5 μιη und überschreitet somit den Wert von 0,5 bis 1 μηι, welcl.ii.' die bei gewöhnlichen Wiedergabegeräten für Videoplatten erforderliche Genauigkeit der Fokussiert steuerung darstellt. Läßt man also diese Störung zu, so wird die Videoplatte mit einem Lichtstrahl' abgetastet, der periodisch außer Fokus gerät, und man erhält nur eine qualitativ schlechte Bildwiedergabe. Um Bilder mit hoher Qualität wiedergeben zu können, muß die Störung kompensiert werden, um somit die Genauigkeit Π der Fokussiersteuerung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Fokussiereinrichtung möglichst unabhängig von Störungen bzw. Wechselwirkungen zu machen, die durch Spurdezentrierungen bewirkt werden, insbesondere durch solche periodischer Art. wie sie beispielsweise durch die Exzentrizität eines rotierenden Aufzeichnungsträgers hervorgerufen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach wird die bei dem Gerät nach dem Stand der Technilk auftretende, oben erläuterte Störung des Fokussiersignals kompensiert, was zu einer Erhöhung des Raijschabstandes des von dem Aufzeichnungsträger abgetasteten Signals ergibt. so

In uer nachstehenden Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der weiteren Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 5 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer Störungs-Kompensationseinrichtung für die erfin- J> dungsgemäße Fokussiersteuerung,

F i g. 6A, 6B und 6C Diagramme für Beispiele des Verlaufs von nichtlinearen Funktionskomponenten, wie sie für die Störungs-Kompensationseinrichtung nach F ι g. 5 verwendet werden, ur d -»α

F i g. 7 und 8 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele.

Im folgenden soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Aus den Ausgangssignalen DIs bis D4s der *"· 1/4-Deiiektorabschnitte DX bis D 4 des Lichtdetektors 16 wird folgende Gleichung gebildet:

g-.= \Dis-D2s\-\D3s-D4s\. (4)

Die Funktion g ist positiv, wenn in Fig.4A der ''" Mittelpunkt 35 des Detektor-Lichtflecks 34' auf dem Detektorabschnitt D I oder D 2 liegt, dagegen negativ, wenn er auf dem Detektorabschnitt D 3 oder D 4 liegt. Der Wert von g entspricht der Fläche des durch die Linien 1(6-1 und 38 begrenzten kreiszonenförmigen Teils ⁵> des Deiiektor-Lichtflecks 34' in F i g. 4A. Daher gilt der folgende Funktionsausdruck näherungsweise:

g = /φ sin 2 Θ = /φ sin 2ωί; (5)

wobei f(s) die Amplitude darstellt. Obwohl f(s) in Abhängigkeit von der Größe der Exzentrizität 5 und der Intensitätsverteilung des Lichtflecks schwankt, läßt sich sein We:rt im Bereich kleiner Exzentrizitäten folgendermaßen annähern:

' = ka -s"¹.

(6)

intensitätsverleilung des Lichtflecks ändert, wobei

m= I, wenn die Intensitätsverteilung flach ist,
th < 1, wenn die Intensitätsverteilung nach oben konvex ist (wie dies beispielsweise bei der Gäuß-Vcrteilung der Fall ist) und

m > 1, wenn die Intensitätsverteilung nach unten konvex ist.

Wird nun die Näherung der Gleichung (3) für die Störung dadurch ausgedrückt, daß f(s) in Gleichung (5) für g in die n-te Potenz gesetzt und das Ergebnis mit einem Koeffizienten k multipliziert wird, so erhält man

1,F-IiF = k {/(.?)}" sin2wr.

(7)

wobei

2/s
{ka)"

In Gleichung (6) bezeichnet ka eine Proportionalitätskonstante und m einen Index, der sich mit der

η ändert sich zwar in Abhängigkeit von m, liegt jedoch im Bereich von

I < n< 3

für fast alle praktisch vorkommenden Intensitätsverteilungen des Lichtflecks. Wird nun die Amplitude f(s) in der Gleichung (5) für g in die n-te Potenz gesetzt und das Ergebnis mit dem Koeffizienten k multipliziert, so wird die Näherungsfunktion fiF'tüv die Störung /jFerhalten.

Unter Anwendun⁰ d&s Qbi^aen Prinziⁿs wird erfindungsgemäß aus den Lichtdetektor-Ausgangssignalen ein Signal zur Kompensation für die Störung der Fokussiersteuerung abgeleitet, um die Genauigkeit der Fokussiersteuerung zu erhöhen.

Das in F i g. 5 schematisch gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht auf dem obigen Prinzip. Dieses Ausführungsbeispiel bildet eine Verbesserung des Aufbaus nach F ig. 2.In F ig. 5 bildet der Teil 17-0 in dem strichpunktierten Kasten eine Einrichtung zur Kompensation der Störung Die Einrichtung zum Abtrennen des Nachführfehlersignals 42 und der Videoinformation 43 gemäß Fig.2 sind dagegen in F i g. 5 weggelassen. Mit 17-7 und 17-8 sind Summierverstärker bezeichnet, die die Differenz der Ausgangssignale der Detektorabschnitte D 1 und D 2 in /-Richtung des Lichtdetektor 16 bzw. die Differenz der Ausgangssignale der Detektorabschnitte D3 und D4 in x-Richtung berechnen. Mit 17-9 und 17-10 sind Absolutwert-Glieder bezeichnet Das Ausgangssignal eines weiteren Summierverstärkers 17-11 bildet das Signal g der Gleichung (4). Mit 17-12 ist ein nichtlinearer Funktionsgenerator bezeichnet, der die Amplitude f(s) des Signals g in die n-te Potenz setzt und dessen Kennlinie Eingangssignal/ Ausgangssignal in Fig.6A gezeigt ist Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 17-12 wird an dem Potentiometer 17-13 mit dem Faktor k multipliziert. Auf diese Weise wird das Störungs-Kompensationssignal hF' nach Gleichung (7) erzeugt. Mit 17-3' ist ein Summierverstärker bezeichnet, der dem Summierverstärker 17-3 nach F i g. 2 entspricht jedoch zusätzlich einen subtrahierenden Eingang aufweist, an dem das

Störungs-Kompensationssignal 44 liegt. Bei dem am Ausgang des Summierverstärkers 17-3' auftretenden Signal 41' handelt es sich um das erfindungsgemäß erzeugte störungskompensierte Fokussierfehlersignal

eF'= eF-liF'.

Wird dieses Signal 41' anstelle des Fokussicrfehlersi- ; gnals 41 dem Fokussicrstcuei'verstärker 24 in Fig. I zugeführt, so läßt sich eine Fokussiersteueriing hoher Genauigkeit erzielen, die fast frei ist von Einwirkungen durch die Nachführ- und Zittersteuerungen. Wie bereits ausgeführt, bildet die zur Durchführung dieser Störungskompensation erforderliche Einrichtung den Teil 17-0 in Fig. 5 mit den sieben Bauelementen 17-7 bis 17-13. Bei dem konkreten Aufbau können die drei Summierverstärker 17-7, 17-8 und 17-11 aus ganz gewöhnlichen Verstärkern bestehen, die Absolüiwcriglieder 17-9 und 17-10 können aus einem Operationsverstärker und einem Diodenpaar bestehen und der nichtlineare Funktionsgenerator 17-12 kann aus einem Operationsverstärker mit einem nichtlinearen Widerstand oder aus einem Dioden-Funktionsgenerator bestehen. Bei allen diesen Bauelementen kann es sich also um herkömmliche nichtlineare Standardelemente von Analogrechnern handeltn.

In Fig. 6B und 6C sind weitere Kennlinien Eingangssignal/Ausgangssignal für den nichtlinearen Funktionsgenerator 17-12 veranschaulicht. Gemäß Fig. 6B wird die Funktion der /7-ten Potenz durch zwei Gerade mit unterschiedlichen Steigungen angenähert. Zwar weist diese Kennlinie eine etwas geringere Genauigkeit auf, dafür läßt sie sich aber einfacher realisieren als die Kennlinie nach Fig. 6A. Die Kennlinie nach Fig.6C weist eine tote Zone auf. Bei dieser Kennlinie ist die 'Genauigkeit in der Annäherung der η-ten Potenz am geringsten und die Realisierung am einfachsten.

Bei der tatsächlichen Fokussierungssteuerung existiert für die Objektivlinse eine gegebene Fokussierungstiefe, so daß die Störungskompensation in vielen Fällen nur bei großen Störungen erforderlich ist. Daher läßt sich die Näherung der nichtlinearen Funktion so wählen, daß sie im Bereich großer Störungen gut übereinstimmt, weshalb selbst ein einfacher nichtlinearer Funktionsgenerator eine befriedigende Störungskompensation leistet.

_t Der nichtlineare Funktionsgenerator kann unter den Kennlinien nach F i g. 6A bis 6C entsprechend den erforderlichen Spezifikationen des gesamten Wiedergabegerätes ausgewählt werden.

, Für das Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ist in der Beschreibung der Fall angenommen worden, daß der Nachführspiegel 13 sowohl die Nachführkompensation als auch die Zitterkompensation bewirkt. Falls dagegen der Nachführspiegel 13 nur die Nachführkompensation durchführt, sind zur Erzeugung des Störungs-Kompensationssignals 44 in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 nur der Summierverstärker 17-7, das Absolutwertglied 17-9, der nichtlineare Funktionsgenerator 17-12 und das Potentiometer 17-13 erforderlich. In diesem Fall lassen sich Wiedergabebilder einer praktischen Zwecken genügenden Qualität selbst dann erzielen, wenn der nichtlineare Funktionsgenerator 17-12 und das Potentiometer 17-13 weggelassen weiden und lediglich das Ausgangssignal des Absolutwert-Gliedes 17-9 als Störungs-Kompensationssignal verwendet wird.

Falls der Nachführspiegel 13 sowohl die Nachführ-

kompensation als auch die Zitterkompensation bewirkt, können ferner auch dann noch Wiedergabebilder einer für praktische Zwecke genügenden Qualität erzeugt

) werden, wenn der Funktionsgenerator 17-12 und das Potentiometer 17-13 weggelassen werden. ι. r In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ist der nichtlincare Funktionsgenerator 17-12 hinter den Summierverstärker 17-11 eingeschaltet. Ähnliche Wir-

ii> kungen lassen sich jedoch auch dann erzielen, wenn der Funktionsgenerator vor oder hinter dem Absolulwertglied 17-9 oder 17-10 eingefügt wird.

Bei einem von den Erfindern durchgeführten Versuch war bei einer Nachführamplitude von 200 μηι dem

i'i Fokussierfehlersignal in der in Fig. 2 gezeigten automatischen Fokussiereinrichlung nach dem Stand der Technik ein Störsignal überlagert, das einer Defokussierung von 5,5 μηι entsprach. Im Gegensatz dazu wurde crfindwngsgcrnaß eine Störung erzeugt, die

■?» einer leichlen Defokussierung von nur 1 μιη entsprach. Diese Defokussierung hat einen Wert, der innerhalb der Fokussierungstiefe der Objektivlinse liegt, so daß also eine automatische Fokussiersteueriing hoher Genauigkeit realisiert wurde.

2~> In der obigen Beschreibung wurde der Fall angenommen, daß das Störungs-Kompensationssignal über Absolutwertglieder erzeugt wird; die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf. Vielmehr läßt sich das Störungs-Kompensationssignal auch dadurch erzielen,

J» daß die Differenzen der Ausgangssignale aus den 1/4-Detektorabschnitten des Lichtdetektors 16 quadriert werden. Im folgenden sollen das Prinzip und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für diesen Fall erläutert werden.

i~> Dabei wird aus den Ausgangssignalen Dl5bis DAs der vier Detektorabschnitte D1 bis D4 des Lichtdetektors 16 die nachstehende Gleichung hergeleitet:

f=(D is-D2s)²-(DIs-DAs)*;

worin /"das den jeweiligen Bewegungen des I ichtflecks 34' entsprechende Signal angibt, dessen Wert positiv wird, wenn der Mittelpunkt 35 des Detektor-Lichtflecks 34' auf dem Abschnitt D 1 oder D 2 liegt, während sein Wert negativ wird, wenn der Mittelpunkt auf den Abschnitt D 3 oder D 4 trifft.
Gleichung (9) läßt sich folgendermaßen vereinfachen:

f=f\xf2;

(10)

wobei

/1 = (Dis-D2s)+(D3s-D4s); η = (Dis-D2s)-(D3s-DAs).

In diesen Gleichungen bildet f\ ein Ausgangssignal, das zu der Fläche eines von den Linien 16-2 und 39 in Fig.4A begrenzten ersten Teils des Detektor-Lichtflecks 34' proportional ist, während mit {2 ein Ausgangssignal bezeichnet ist, das zur Fläche des von den Linien 16-1 und 38 begrenzten zweiten Teils des Lichtflecks 34' proportional ist. Wird ferner das Argument Θ, wie oben angegeben, bestimmt und der b5 Radius des Detektor-Lichtflecks 34' mit rs bezeichnet, so läßt sich die Fläche des genannten ersten Teils mit 2rs ■ 25 - sin Θ und die Fläche des zweiten Teils mit 2rs ■ 2S ■ cos Θ annähern. Somit wird Gleichung(9) zu:

/ = (2tors- 25¹SInO) (Hör.?- 2Scos0)
= 8 (IorsS)² sin 2 Θ
= %(IorsS)²s\n2(üt. (II)

Die durch Gleichung (II) gegebene Größe/ist der Störung liF nach Gleichung (3) sehr ähnlich. Daher läßt sich Gleichung (3) unter Verwendung von Gleichung (11) folgendermaßen wiedergeben: iu

Λ/⁷= 2loS² si

(12)

Der Wert von Io, der, wie oben dargelegt, die Intensitätsvprteilung des Detektor-Lichtflecks angibt, x> ändert sich mit der Intensitätsverteilung folgendermaßen:

(a) Ist die Intensitäsverteilung flach, so ist Io eine Konstante.

(b) Ist die Intensitätsverteilung nach oben konvex (wie ²^ beispielsweise bei einer Gauß-Verteilung), so ist Io eine monoton abnehmende Funktion der Exzentrizität S,d. h. Io = ω [—).

{c) Ist die Intensitätsverteilung nach unten konvex, so ist Io eine monoton zunehmende Funktion der Exzentrizität5,d.h. Io = m(xr).

In einem praktischen Arbeitsbereich, in dem die Exzentrizität S kleiner ist als der halbe Radius rs des H Detektor-Lichtflecks, kann jedoch Io für fast alle !ntcnsitätsvcrlcilüngcn des Lichtflecks praktisch als Konstante betrachtet werden. Das bedeutet, daß die Näherung k == k' gilt, wobei k' die Konstante bildet. Durch Multiplizieren der Größe /mit dem konstanten Koeffizienten k' läßt sich daher die die Störung angebende Gleichung (3) folgendermaßen annähern:

= k'f.

(13)

Dank dem oben beschriebenen Prinzip läßt sich 4ί erfindungsgemäß das Signal zur Kompensation der Störung der Fokussiersteuerung aus den Ausgangssignalen des Lichtdetektors gewinnen.

Ähnlich wie das Ausführungsbeispiel nach Fig.5 bildet auch dasjenige nach F i g. 7 eine Verbesserung des Aufbaus nach Fig.2. In Fig.7 bildet der in dem strichpunktierten Kasten enthaltene Teil 17'-0 ein weiteres Beispiel für ehe Einrichtung zur Störungskompensation. Wie in Fig.5 ist auch in Fig.7 der Schaltkreis zur Abtrennung des Nachführfedersignals 42 und der Videoinformation 43 weggelassen.

In Fig.7 sind mit 17'-7 und 17'-8 Summierverstärker bezeichnet, die die Differenz aus den Ausgangssignalen der Detektorabschnitte Dl und D 2 in y-Richtung des Lichtdetektors 16 bzw. die Differenz aus den Ausgangs-Signalen der Detektorabschnitte D 3 und D 4 in Α-Richtung berechnen. Mit 17'-9 und 17'-IO sind Multiplizierstufen bezeichnet, die die Ausgangssignale der Summierverstärker 17'-7 bzw. 17'-8 quadrieren. Ein Summierverstärker ί/'-ίί wertet die Differenz zwisehen den Ausgangssignalen der Muitiplizierstufen 17'-9 und 17'-IO aus und erzeugt das Signal /der Gleichung (9)·

Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 17'-11 wird an einem Potentiometer 17'-12 mit dem Faktor k' multipliziert, und das resultierende Signal bildet das Störungs-Kompensationssignal hF'. Bei dem Summierverstärker 17-3' handelt es sich um den gleichen wie in Fig. 5, dem das Störungs-Kompensationssignal zugeführt wird.

Das so gebildete Signal 4Γ ist das störungskompem sierte Fokussierfehlersignal eF':

eF' = eF—hF'.

(14)

Wird dieses Signal 41' anstelle des Fokussierfehlersignals 41 dem Fokussiersteuerverstärker 24 nach Fig. 1 zugeführt, so läßt sich eine sehr genaue Fokussiersteuerung erreichen, die fast frei ist von Einflüssen aus den Nachfuhr- und Zittersteuerungen.

In dem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig.8 bildet der Teil 17'-0' eine Einrichtung zur Störungskompensation. Dabei werden die Ausgangssignale der Summierverstärker 17'-7 und 17'-8 weiteren Summierverstärkern 17'-13und 17'-14 zugeführt, die die Differenz und die Summe aus den Differenz-Ausgangssignalen der Detektorabschnitte in y- und «-Richtung des Lichtdetektors 16 bilden. Aus dieser Differenz und dieser Summe wird dann von einer Multiplizierstufe 17'-15das Produkt gebildet.

Am Ausgang der Multiplizierstufe 17'-15 entsteht das Signal f, das die Gleichung (14) erfüllt. Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 7 durchläuft das Signal /"ein Potentiometer 17'-12 und einen Summierverstärker 17-3', so daß ein störungskompensiertes Fokussierfehlersignal 4Γ gewonnen wird.

Durch die oben dargelegten Mittel lassen sich Störungen kompensieren, die durch Nachführ- und Zittersteuerungen verursacht werden, und es wird eine Fokussiersteuerung hoher Genauigkeit ermöglicht. Die Mittel' zur Realisierung der Störungskompensation werden in F i g. 7 von dem Teil 17'-0, in F i g. 8 von dem Teil 17'-0' gebildet und sind daher im wesentlichen so unaufwendig wie in Fig. 5. In dem Teil 17'-0 der Fig. 7 läßt sich die Störungskompensation dabei durch die drei Summierverstärker 17'-7, 17'-8 und 17'-11, die beiden Multiplizierstufen 17'-9 und 17'-IO sowie das einzelne Potentiometer 17'-12 erzielen. In dem Teil 17'-0' in Fig.8 genügen zur Realisierung der Störungskompensation die vier Summierverstärker 17'-7, 17'-8, 17'-13 und 17'-14, die einzelne Multiplizierstufe 17'-15 und das einzelne Potentiometer 17'-12. Die Grundfrequenz der Störung beträgt im allgemeinen 60 Hz, und es reicht aus, wenn die Fokussiersteuerung bis hinauf zu 600 Hz, d. h. bis zum lOfachen der Grundfrequenz, arbeitet. Daher können die einzelnen mit den Störungs-Kompensationseinrichtungen arbeitenden arithmetischen Einheiten bis zu 600 Hz flache Kennlinien bezüglich Verstärkung und Phase haben. Durch Verwendung eines variablen Potentiometers, etwa eines variablen Widerstandes, für das Potentiometer 17'-12 wird es möglich. Änderungen in den Eigenschaften der verschiedenen Teile der Vorrichtung nachzustellen, wodurch der praktische Nutzen der Einrichtung verbessert wird. Für die einzelnen Bauelemente können Schaltungen verwendet werden, wie sie allgemein und weitgehend als arithmetische Standardelefnente bei Analogrechnern eingesetzt werden, so daß sich die Einrichtung zur Störungskompensation ohne weiteres realisieren läßt

Der Aufbau für die Schaltung zur Bildung des Signals F nach Gleichung (9) beschränkt sich nicht auf die AusführunssbeisDiele nach F i s. 7 und 8: vielmehr kann

auch jede andere Schaltung verwendet werden, sofern sie das Signa! /"unter Ausführung von der Gleichung (9) äquivalenten Operationen erzeugt.

Die Ausführungsbeispiele beschränken sich ferner nicht auf den FaIL daß die Nachführsteuerung und die Zittersteuerung gleichzeitig durchgeführt werden; wie bei dem Ausführunysbeispiel nac'i F i g. 5 gelten sie auch für den Fall, daß nur die Nachführsteuerung vorgenommen wird.

Wie oben dargelegt, wird erfindungsgemäß bei praktischer Anwendung einer mit dem Astigmatismus arbeitenden Fokussiersteuerung bei einem praktischen

Videoplatten-Wiedergabegerät das mit einer Nachführsteuerung, einer Zittersteuerung und dergleichen ausgerüstet ist, eine Einrichtung zur Störungskompensation in dem Signalverteiler für die Lichtdetektor-Ausgangssignale vorgesehen, wodurch Einflüsse aus den Nachführ- und Zittersteuerungen auf die Fokussiersteuerung entfernt werden und eine automatische Fokussiersteuerung hoher Genauigkeit möglich wird. Somit läßt sich ein Wiedergabegerät für Videoplatten realisieren, das in seiner Herstellung billig ist und Wiedergabebilder ausgezeichneter Qualität liefert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: !.Automatische Fokussiereinrichtung mit

(a) einem ersten optischen System (14), das ein Strahlenbündel (30) auf die eine Informationsspur (23) enthaltende Fläche eines Aufzeichnungsträgers fokussiert,

(b) einem zweiten, astigmatischen optischen System (15), das das vom Aufzeichnungsträger mit der Information modulierte Strahlenbündel in zwei hintereinanderliegenden Brennebenen abbildet,

(c) einem zwischen den Brennebenen angeordneten Detektor (16), der durch zwei einander schneidende Linien (16-1, 16-2) in ein erstes Paar von in Richtung der Informationsspur einander gegenüberliegenden Detekiorabschrouen (Di, D2) und ein zweites Paar von quer dazu einander gegenüberliegenden Detektorabschnitten f£> 3. D 4) unterteilt ist.

(d) einer Schaltung (17). die aus der Differenz eines ersten Korrektursignals, das aus der Summe der Ausgangssignale des ersten Paares von Detektorabschniuen (Di. DT.) erzeugt wird, und eines zweiten Korrektursignals, das aus der Summe der Ausgangssignale des zweiten Paares von Detektorabschnitten (D 3, D 4) erzeugt wird, ein primäres Fokussiersignal bildet.L-d

(e) einer Einrichtung (25). ^ie das erste optische System (14) entsprechend dem primären Fokussiersignal auf Fokussier.-ng bezüglich des Aufzeichnungsträgers einsiellt.

Korrektursignal erzeugten Differenzsignals aufweist.