DE2649073A1

DE2649073A1 - Fokussierungseinrichtung mit veraenderlicher vergenz und damit ausgeruesteter optischer leser

Info

Publication number: DE2649073A1
Application number: DE19762649073
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Claude Puech
Original assignee: Thomson-Brandt SA
Current assignee: Thomson-Brandt SA
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: GB1534978A; FR2330027A1; CA1059601A; US4124273A; JPS5255503A; FR2330027B1; DE2649073C2

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G.Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - BRANDT 28. Oktober 1976

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2096

Fokussierungseinrtchtung mit veränderlicher Vergenz und damit ausgerüsteter optischer Leser

Die Erfindung bezieht sich auf Fokussierungseinrichtungen mit veränderlicher Vergenz, mittels welchen ein Strahlungsenergiebündel auf die Oberfläche eines Objekts fokussiert werden kann, dessen Abstand sich gegenüber der Einrichtung um eine kleine Größe mit einer sehr großen Geschwindigkeit ändern kann. Eine solche Fokussierungseinrichtung findet Verwendung bei dem Aufbau eines optischen Lesers, der beispielsweise zum Lesen von Videoinformation bestimmt ist, die in Form von Strichen oder Vertiefungen mit veränderlicher Länge und veränderlichem

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Abstand aufgezeichnet ist, welche eine Spur auf der Oberfläche eines Informationsträgers, beispielsweise einer Platte, bilden.

Aufgrund der hohen Dichte der so aufgezeichneten Information sind die charakteristischen Elemente der Information sehr klein und es ist außerdem erforderlich, den Informationsträger mit großer Geschwindigkeit vor dem Lesekopf abzuspielen, der eine solche Fokussierungseinrichtung enthält. Die Genauigkeit dieser Fokussierung soll somit sehr groß sein, um einen Lesepunkt zu erhalten, dessen Abmessungen ausreichend klein sind, damit diese charakteristischen Elemente aufgelöst werden. Die Instabilitäten der Bewegung des Informationsträgers, insbesondere in der Achse des den Lesepunkt bildenden konvergenten Lesebündels, überschreiten aber die Grenzen dieser Genauigkeit bei weitem. Man wird somit veranlaßt, Einrichtungen zur Folgeregelung der Position des Konvergenzpunktes zu benutzen, die trotz dieser Instabilitäten eine gute Koinzidenz zu erhalten gestatten. Diese Folgeregeleinrichtungen enthalten Vorrichtungen, mittels welchen der Fokussierungspunkt des Lesebündels längs der Achse der Fokussierungseinrichtung verschoben werden kann. Bei einer bekannten Vorrichtung wird die Frontlinse der Einrichtung verschoben, beispielsweise indem sie mit einer elektrischen Wicklung versehen wird, die in ein Magnetfeld eingetaucht ist und wie eine Lautsprecherspule wirkt. Aufgrund der Trägheit der

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-ST-

beweglichen Teile hat dieses System einen Frequenzgang, der auf einige hundert Hertz begrenzt ist. Weiter ist bereits vorgeschlagen, worden, in das optische System ein Element mit veränderlicher Vergenz einzufügen, beispielsweise einen Spiegel mit steuerbarer Krümmung (französische Patentanmeldung Nr. 75.11 312) oder eine Flüssigkristallinse, deren Brechungsindex unter gewissen Bedingungen modifizierbar ist (deutsche Patentanmeldung P 26 39 556.2). Ein solcher Spiegel ist zerbrechlich und eine solche Linse ist in der Herstellung heikel.

Die Erfindung schafft eine Fokussierungseinrichtung, bei welcher als Element mit veränderlicher Vergenz zwei astigmatische Teile benutzt werden, die unter einem Winkel von 90 zueinander angeordnet sind. Diese Teile bestehen aus einem elektrooptischen Material und weisen unter der Einwirkung von an sie angelegten elektrischen Spannungen die Eigenschaften von Zylinderlinsen auf, bei welchen sich die Vergenz jeweils ändert, wenn sich die Spannungen ändern.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht als" Einschränkung zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

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- 4t -

Fig. 1 ein astigmatisches Teil,

Fig. 2 . einen Versuchsaufbau,

Fig. 8 eine Kennlinie,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines

optischen Lesers, und

Fig. 5 ein Schaltbild des Elements 46 von Fig.

Es ist bekannt, daß gewisse Materialien, die einem elektrischen Feld ausgesetzt sind, einen elektrooptischen Effekt zeigen, der durch das Auftreten von zwei Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichtes gekennzeichnet ist, welche zwei Brechungsindices entsprechen, von denen der eine der ordentliche Brechungsindex η des Materials für ein senkrecht zu dem elektrischen Feld polarisiertes Licht ist, während der andere ein außerordentlicher Brechungsindex n* für ein parallel zu diesem Feld polarisiertes Licht ist. Es handelt sich dabei um den Kerr-Effekt, bei welchem der Brechungsindex n' eine quadratische Funktion des elektrischen Feldes ist.

Fig. 1 zeigt einen Würfel 11, der durch drei orthonormale Achsen x, y und ζ festgelegt ist, aus einem solchen Material. Zwei im wesentlichen lineare Elektroden 12 und 13 sind entlang von zwei Linien angeordnet worden, die in der Mitte und

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parallel zu der z-Achse in den zu der χ,ζ-Ebene parallelen Flächen liegen. Diese Elektroden sind mit einer Spannungsquelle 14 verbunden. Das so im Innern des Würfels aufgebaute elektrische Feld hat eine zylindrische Verteilung in einer zu der z-Achse parallelen Richtung und die Feldlinien in einer zu der x,y-Ebene parallelen Ebene können durch die gestrichelten Kurven 15 dargestellt werden.

Der Gradient des so durch die Feldlinien dargestellten elektrischen Feldes ist bestrebt, die Bahn eines Lichtstrahls, wie beispielsweise des Strahls 16, zu krümmen, der in den Würfel parallel zu der x-Achse eintritt und in der Richtung E? parallel zu der y-Achse polarisiert ist. Aufgrund dieser Krümmung verläßt der Strahl die zu der Eintrittsfläche entgegengesetzte Fläche, indem er mit der x-Achse einen Winkel α bildet. Diese Erscheinung ist der bekannten Erscheinung der atmosphärischen Brechung analog, die der Ursprung von Luftspiegelungen ist.

Die Verteilung der Feldlinien erinnert an die Form einer Zylinderlinse, deren Astigmatismusachse zu der x-Achse parallel und in der Mitte der zu der x,y-Ebene parallelen Flächen zentriert ist. Die Berechnung der Bahn der Strahlen ist nicht · einfach. Es ist einfacher, experimentell zu überprüfen, ob sich dieses Teil tatsächlich wie eine solche Linse verhält.

Zu diesem Zweck ist der in Fig. 2 dargestellte Versuchsaufbau geschaffen worden, der in einer Linie auf der Achse X₁X₀

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♦3 .

enthält: eine Lichtquelle 21, einen Polarisator 22, zwei elektrooptische Teile 23 und 24, ein Halbwellenplattchen 25, eine Linse 26 und eine Spannungsquelle 27.

Die Lichtquelle 21, beispielsweise ein Laser, sendet ein Bündel parallelen monochromatischen Lichtes aus, das in Fig. 2 durch die äußersten Strahlen R und R begrenzt ist.

Dieses Bündel durchquert den Polarisator 22, der das Licht in einer zu dem Vektor E parallelen Achse polarisiert. Diese Polarisation ist durch den Vektor eT. dargestellt. Man könnte auch einen Laser benutzen, der direkt das polarisierte Licht aussendet.

Das so polarisierte Lichtbündel durchquert das Teil 23, das ein rechtwinkeliges Parallelflach ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten ist und dessen Elektroden zu dem Vektor E senkrecht sind. Die so erhaltene Ablenkung in einer zu dem Vektor E parallelen Ebene ist zu gering, um in Fig. 2 sicht bar zu sein, wo das Bündel immer parallel zu sein scheint.

Das Bündel durchquert dann das Halbwellenplattchen 25, das die Polarisationsebene um 90 dreht. Diese so erhaltene Polarisation ist durch den Vektor E^ dargestellt.

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Das Bündel kommt danach an dem Teil 24 an, das gleich

ο
dem Teil 23 ist, aber um 90 gegenüber diesem gedreht ist, so daß seine■ Elektroden zu dem Vektor E senkrecht sind. Die Ablenkung wird dieses Mal in einer Ebene erhalten, die zu dem Vektor E parallel und somit senkrecht zu der vot— hergehenden Ablenkungsebene ist. Sie ist dort ebenfalls viel zu gering, um in Fig. 2 sichtbar sein zu können.

Das Lichtbündel, das auf diese Weise der Wirkung der beiden Teile 23 und 24 ausgesetzt sit, wird durch die Linse 26 gebündelt, die es in einem Punkt der Achse X₁Xp konvergieren läßt.

Wenn die durch die Spannungsquelle 27 an die Teile 23 und 24 angelegte Spannung Null ist, ist die durch diese Teile hervorgerufene Ablenkung Null und der Konvergenzpunkt befindet sich an der Stelle P .

Wenn die von dieser Quelle gelieferte Spannung erhöht wird, stellt man fest, daß sich der Fokussierungspunkt entlang der Achse X^Xp verschiebt, wobei er sich der Linse 26 nähert, ohne daß der Lichtfleck eine wesentliche Verformung aufweist. Das zeigt, daß die Wirkung der Teile 23 und 24 gleich der von zwei gekreuzten Zylinderlinsen ist, wobei diese Linsen in erster Ordnung einer einzigen sphärischen Linse äquivalent sind und in diesem Fall gestatten, die Vergenz der Einrichtung einzustellen.

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In diesem Versuchsaufbau wurden folgende Zahlenwerte benutzt:

- Teile 23 und 24: PLZT-Keramikwürfel (Blei- und Lanthan-

Zirconat-Titanat) mit 9 % Lanthan und mit Abmessungen von

_ · 3
5x5x5 mm ;

- Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Teile 23 und 24: 2 cm;

- Abstand zwischen der Austrittsfläche des Teils 24 und der Linse 26: 10 cm;

- Linse 26: Öffnung f/2, Brennweite 5 mm.

Wenn eine Spannung von 4 000 V an die Teile 23 und 24 angelegt wird, verschiebt sich unter diesen Bedingungen der Fokussierungspunkt auf der Achse X₁X₂ ^{bis ZL}"r Stelle P , d.h. er wird so um eine Strecke Δχ = 90yum zurückgeschoben.

Es ist auf diese Weise gelungen, die experimentelle Kurve zu konstruieren, die die Strecke Δχ, ausgedrückt in Mikrometern, in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, ausgedrückt in Volt, angibt. Diese Kurve ist in Fig. 3 dargestellt. Man stellt fest, daß diese Kurve einen quadratischen Verlauf hat, der tatsächlich von der quadratischen Charakteristik des benutzten Kerr-Effekts herrührt. Das zeigt insbesondere, daß die Richtung der angelegten Spannung ohne Bedeutung ist.

Zwei gekreuzte Zylinderlinsen sind nur dann einer einzigen sphärischen Linse gleichsetzbar, wenn der Abstand zwischen ihnen klein gegenüber ihrer Brennweite ist. In dem voi— liegenden Fall kann man diese den beiden Zylinderlinsen und der äquivalenten sphärischen Linse gemeinsame Brennweite

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Λ.

folgendermaßen berechnen:

- der Punkt P ist der Brennpunkt der Linse 26, da er dem Fall entspricht, in welchem die angelegte Spannung Null ist;

- der Punkt P ist das durch die Linse 26 gelieferte Bild des Brennpunkts der Linse, die der aus den Teilen 23 und 24 bestehenden Einrichtung äquivalent ist;

- die herkömmliche Formel —I , = — , also — + ■ = —

ρ p' f ' ρ 4,91 5

ergibt für den Abstand ρ des Mittelpunkts der Linse 26 von diesem letztgenannten Brennpunkt einen Wert von 245 mm;

- wenn man für den Mittelpunkt der äquivalenten Linse den mittleren Punkt der beiden Teile-23 und 24 nimmt, der sich 115 mm von dem Mittelpunkt der Linse 26 befindet, ergibt sich somit für die gesuchte Brennweite 360 mm.

Der Relativwert der Entfernung der Teile 23 und 24 zu der äquivalenten Brennweite beträgt somit ungefähr 6/100. Dieser Wert ist ausreichend klein und durch Beobachten des Airy-Flecks mit einem Mikroskop konnte experimentell nachgewiesen werden, daß er sich nicht wesentlich verformt.

Wenn man jedoch die von dieser Struktur herrührenden Rest— abweichungen bestmöglich korrigieren möchte, kann man in einer ersten Zeit die Teile 23 und 24 so weit wie möglich einander nähern, da der oben genannte Abstand unkritisch ist.

In einer zweiten Zeit kann man die Kenndaten der Teile 23 und 24 derart einstellen, daß sich ihre Wirkungen in optimaler Weise konjugieren, wobei das der Linse 26 am nächsten liegen-

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de eine kürzere äquivalente Brennweite hat, damit die Defokussierung in den beiden zueinander senkrechten Ebenen die gleiche ist.

Eine erste Möglichkeit zur Erzielung dieses Ergebnisses besteht darin, die Abmessungen der Teile 23 und 24 zu modifizieren, indem sie unterschiedlich ausgebildet werden, es müssen aber zur Bestimmung dieser Abmessungen aufeinanderfolgende Näherungen vorgenommen werden und es stehen keine Justiereinrichtungen zum Kompensieren der Herstellungsstreuungen zur Verfugung.

Eine Zweite Möglichkeit besteht darin, an diese Teil untei— schiedliche Spannungen anzulegen, indem beispielsweise für jedes eine unterschiedliche Vorspannung benutzt wird. Eine solche Vorspannung verringert offenbar die Auswanderung des Fokussierungspunktes, sie gestattet aber, veränderliche Steuerspannungen zu verwenden, die kleiner sind und somit mit Halbleiter enthaltenden Steuereinrichtungen kompatibler sind. Diese beiden Möglichkeiten können im übrigen miteinander kombiniert werden.

Fig. 4 zeigt schematisch und unter Beschränkung auf die wesentlichen Elemente der Erfindung einen optischen Leser, der einen Lesekopf für eine Videoplatte 41 enthält, die um eine Achse XX in Drehung versetzt wird. Dieser Lesekopf

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enthält, in einer Reihe auf einer Achse XjX_pj die zu der Achse XoX-, parallel ist, die Elemente 21 bis 26, die den mit denselben Bezugszeichen versehenen und in Fig. 2 dargestellten gleichen, und außerdem einen halbdurchlässigen Spiegel 42, eine Linse 43, ein astigmatisches Element 44, einen Detektor 45 und eine Steuereinheit 46.

Die Elemente 21 bis 26, die wie die Elemente von Fig. 2 wirken, fokussieren ein Lichtbündel in einem Punkt P , der

trotz der Translationsbewegungen der Oberfläche der Videoplatte 41 längs ä&r Achse X₁Xp auf dieser Oberfläche gehalten werden soll.

Die reflektierende Oberfläche dieser Videoplatte wirft das Licht zu der Linse 26 zurück, die somit wieder ein leicht divergentes Lesebündel überträgt. Diese Divergenz entspricht der Konvergenz des durch die Teile 23 und 24 erzeugten einfallenden Bündels. Sie ist ebenfalls zu gering, um in Fig. 4 sichtbar sein zu können.

Dieses Lesebündel durchquert wieder die aus den Elementen 24, 25 und 23 bestehende Anordnung, die von dem Punkt P

in der Richtung X^X₂ ^ein Bild im Unendlichen liefert. Das aus dem Teil 23 austretende parallele Lesebündel wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 42 auf die Linse 43 reflektiert, die es auf dem Detektor 45 nach Durchquerung des astigmatischen

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Elements 44 konvergieren läßt. Diese Anordnung liefert ein Fokussierungsfehlersignal an der Verbindung 47 entsprechend einem in der FR-OS 74.01283 beschriebenen Verfahren.

Dieses Fehlersignal wird von der Steuereinheit 46 benutzt, die an den Verbindungen 48 und 49 Spannungen zur Steuerung der Teile 23 und 24 abgibt.

Dieses System arbeitet so im Folgeregelbetrieb und ist bestrebt, die Entfernung zwischen dem Fokussierungspunkt

P und der Oberfläche der Videoplatte zu Null zu machen. 3

Es bleibt allein ein Restfehler zurück, der für den Betrieb des Servomechanismus erforderlich ist und so klein gemacht werden kann, wie man möchte, indem die Verstärkung der offenen Schleife vergrößert wird.

Diese so beschriebene Ausführungsform stellt keineswegs eine Beschränkung der Erfindung dar. Man kann nämlich jedes andere System zur Messung der Defokussierung verwenden, das in dem Strahlengang des zurückkommenden Lesebündels hinter oder vor den Teilen mit veränderlicher Vergenz angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt das Schaltbild einer besonderen Ausführungsform der Steuereinheit 46, die einen Verstärker 51, zwei Polarisationsteüe 52 und 53, zwei Transistoren 54 und 55 und vier

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Widerstände R_ bis R enthält.

3 D

Das Fehlersignal kommt an der Verbindung 47 an, die mit dem Eingang des Verstärkers 51 verbunden ist. Das so verstärkte Fehlersignal wird an die Polarisationsteile 52 und 53 angelegt. Diese Polarisationsteile sind bekannte Schaltungen und gestatten, die Transistoren so vorzuspannen, daß sie an ihren Kollektoren Spannungen haben, die im wesentlichen gleich der Hälfte der Versorgungsspannung sind, wenn die Eingangsspannung Null ist. Die so von den Teilen 52 und

53 gelieferten Spannungen gestatten, diese Transistoren derart

zu steuern, daß sich an ihren Kollektoren veränderliche Spannungen ergeben, die, angelegt an die Teile 23 und 24, den Fokussie rungs-

punkt P entlang der Achse X₁X_n so zu verschieben gestatten, 3 ι <2

daß der Punkt P auf der Oberfläche der Platte 41 gehalten 3

wird, indem versucht wird, die Fehlerspannung Null zu machen.

Die Ausgangssignale dieser Polarisationsteile werden an die Basen der Transistoren 54 und 55 angelegt, deren Emitter an Masse und deren Kollektoren über Widerstände R bzw. R an einer Hochspannung von ungefähr +500 V liegen. Man verfügt somit an diesen Kollektoren über veränderliche positive Spannungen in bezug auf Masse, die bei dem Transistor

54 an einer Elektrode des Teils 23 bzw .bei dem Transistor

55 an einer Elektrode des Teils 24 anliegen.

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Die Vorspannung dieser Teile wird erzielt, indem an die andere Elektrode jedes von ihnen negative Spannungen angelegt werden, die in bezug auf Masse negativ und sehr hoch sind, d.h. Spannungen von ungefähr -3 000 V. Die an das Teil 24 angelegte Spannung wird direkt aus der negativen Spannungsquelle erhalten, während die an das Teil 23 angelegte Spannung aus dieser Quelle über einen Spannungsteiler erhalten wird, der aus den Widerständen R und R besteht. Es ist nämlich erforderlich, eine größere Spannung an das Teil 24 anzulegen, das, da es sich näher bei der Platte befindet, eine viel stärkere Defokussierung schaffen soll,damit die Defokussierungen in den beiden senkrechten Ebenen übereinstimmen.

Es ist zu erkennen, daß die Transistoren 54 und 55 nur an eine Spannung gelegt werden, die kleiner ist als die an die Teile 23 und 24 angelegte Gesamtspannung, und daß man so in den gegenwärtigen technologischen Grenzen bleibt.

Auf diese Weise können einfache, robuste und preiswerte Videoplattenleser hergestellt werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

Fokussierungseinrichtung mit veränderlicher Vergenz zur Fokussierung eines Strahlungsenergiebündels in einem Punkt eines Objekts, gekennzeichnet durch zwei elektrooptische astigmatische Teile, die die Aufgabe von Zylinderlinsen ei— füllen und an veränderlichen Spannungen liegen und deren Astigmatismusachsen senkrecht zu einander und senkrecht zu der Achse des Bündels sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Fokussierungseinrichtungen mit. fester Vergenz enthält und daß die astigmatischen Teile zum Einstellen der Vergenz der Gesamteinrichtung benutzt werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch:

- Vorrichtungen zur Polarisation des Bündels, die ein in einer Richtung (E) polarisiertes Bündel liefern;

— durch ein erstes astigmatisches Teil, das aus einem Material besteht, in welchem der Keri—Effekt auftritt, dessen Astigmatismusachse senkrecht zu der Richtung (E) ist und das das polarisierte Bündel empfängt und ein konvergentes Bündel in einer zu der Richtung (E) parallelen Ebene liefert;

- durch Vorrichtungen, die gestatten, die Polarisationsachse des konvergenten Bündels um 90 zu drehen; und

— durch ein zweites astigmatisches Teil, das aus einem Material besteht, in welchem der Kerr-Effekt auftritt, dessen

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Astigmatismusachse zu der Richtung (E) parallel ist und das das konvergente Bündel empfängt, dessen Polarisationsachse um 90 gedreht worden ist, und ein konvergentes Bündel sowohl in der zu der Richtung (E) parallelen Ebene als auch in einer zu der Richtung (E) senkrechten Ebene liefert.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorrichtungen zur Erzeugung des Bündels enthält, die die Polarisationsvorrichtungen enthalten.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes astigmatische Teil aus einem rechtwinkeligen Parallelflach aus elektrooptischem Material besteht, das auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen mit zwei linearen Mittelelektroden versehen ist, wobei die Astigmatismusachse parallel zu diesen beiden Elektroden ist und in den beiden einander gegenüberliegenden, zu den Elektroden senkrechten Flächen zentriert ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rechtwinkelige Parallelflach ein Würfel ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptisch^ Material ein Blei- und Lanthan-Zirconat—Titanat ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

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das Material 9 % Lanthan enthält.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die astigmatischen Teile derart mit unterschiedlichen Abmessungen gebildet sind, daß ihre Konvergenzen übereinstimmen.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Anordnungen, mittels welchen an die astigmatischen Teile derart unterschiedliche Spannungen angelegt werden können, daß ihre Konvergenzen übereinstimmen.
11. Optischer Leser zum Lesen von auf einem in Bewegung gesetzten Träger aufgezeichneter Information, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Fokussierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält.
12. Leser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine Anordnung enthält, die ein Fehlersignal liefert, das die Abweichung zwischen dem Fokussierungspunkt der Fokussierungseinrichtung und der Oberfläche des Trägers angibt, und eine Steueranordnung, die das Fehlersignal empfängt und die veränderlichen Spannungen liefert, mit denen die Abweichung Null gemacht wird.
13. Leser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er für das Lesen von Videoplatten ausgelegt ist.

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