DE2734163A1

DE2734163A1 - Automatische fokussiereinrichtung

Info

Publication number: DE2734163A1
Application number: DE19772734163
Authority: DE
Inventors: Takeshi Maeda; Susumu Sawano; Yoshito Tsunoda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1978-02-02
Also published as: FR2360150B1; FR2360150A1; NL7708200A; GB1590844A; DE2734163C2; US4163149A

Description

BESCHh'''¹X PUNO

Die Erf in ίΐυ Kf; bezieht sich auf eine automatische Fokuasioreinrichtung und br.trifft inüibosonaere eine derartige Einrich tung, die sich für optisch© Vidroplatten eignet.

Ein allßcmsin bei.omrtes Geh j at, auf dem eine automatische Fokussierung erforderlich .ist, bilden Abr.pjolgeräte für optische Videoplotton. Dol>cr soll die vorliegende Erfindung nachstehend am Be ir. pie 1 einer automatischen Fokussierung in einem derartigen Abspicl- oder Wiedergabegerät beschrieben v/erden. Zur Wiedergabe der auf einer optischen Videoplatte auf- gezeiclmeten Information ist es erforderlich, daß der für die Wiedergabe vorwtmdote Lufcerstrahl der Infornationsspar auf der Videoplatte genau nachgeführt und mit hoher Genauigkeit fokussiert wird.

Zu diesen Zv;eck arbeiten WiedorßabcserKtc für optische Videoplatten bisher nach einem Verfahren, bei dem getrennt von dem Lichtstrahl für die Wiedergabe der Videosignale ein ausschließlich zur Nachführung verwendeter Lichtstrahl und ein den Nachführ-Lichtstrahl erfassender Fotodetektor zur Nachführsteuerung verv/endet wird, wobei für die Erfassung des Fokussier- fehlers ein kapazitiver Detektor oder ein Extra-Lichtstrahl 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 der

Einsatz mehrer Lichtquellen teuer ist, so ist es erfoderlich, 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 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

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System zur Erfassung el«.·? Videosignals ein optisches Element an^oci ü:iv I, tUiü uie V.'irhijit,., oin-i' Linse mit oiner, tJuiri^un Richtung hat (und im folgenden einfach als "Zylinderlinse" be^oielr'·.·■> t v.'erd··;.- r.oll). r.v.-.-ch A;^w;)5!t:;ung der actisrv^itiechtJtt Y/irkung ueo Lichtstrahls vird ein Fokussiertchler inform von Änderungen in der Gestalt ftincc ro Γjektierteu Lichtstrahls sOViin in dev Intensitätsvcrteilung ermittelt. Die Folmssiersteuorung v.'ird dabei so durchßcfiihrt, daß die Inton:;itatsvei'-teiJuiiß do& reflektierten Liebtr.tra]ils konstant wird. DJe.'iöfJ Verfahren ist zv/ar insofern von Vorteil, als das Gerät einfach ist und, da das Videosignal und das Fokussierfehiorf.'if,nal rait einem einzelner» Strahl gewonnen v/erden, die Lichtquelle nur geringe Leistung aufzuweisen braucht. Bei der praktischen Λην/endung in \7iedcrgabF:geräten für optische Videoplatten hat diese:: VerfaJiren ,-Jedoch folgenden Nachteil. Bei der gemeinsamen Benützung zusammen mit der bei derartigen Geräten unerlässlichen Nachfuhr- und Zitter-Stouerung des Lichtstrahls bcv.'Pgt sich der reflektierte Lichtstrahl, und diese Bewegung ergibt eine Störung des Fokussierfehlers, so daß keine korrekte Fokussiersteuerimg vorgenommen v/erden kann. Da her ist der Rauschabr.tand des Video-Wiedergabesignals gering, und eine Bildwiedergabe hoher Qualität wird unmöglich.

Anhand der Figuren 1 bis 3, 4A und 4B sollen im folgenden ein Gerät nach dem Stand der Technik und die bei diesem Gerät problematische Störung erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Nachführsteuerung und der Fokussiersteuerung bei einem Wiedergabegerät für optische Videoplatten nach dem Stand der Technik;

Figur 2 den Aufbau eines Fotodetektors und eines Signalverteilers, wie sie in dem Gerät nach Figur 1 verwendet werden;

Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wechselwirkung zwischen der Nachfuhrsteuerung und der Fokussiersteuerung zur Veranschaulichung des erfindungsgeraäOen Prinzips; und

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Figur '!Α und 4Γ· r;chcir,ji ;,'. ohe Darstellungen zur detaillierten

Figur j resultierenden Störung des Fokucsie.r-

In Figur 1 fiind dio^onigcji Toile weggcliu.sen worden, die für die Steuern.?,^'·η χ^;»·:."i üblich nind. Ein vus, einem Lnser (beicpiiil;iv/ei::c einer,) Ii.;- !,O-Laücr) 10 eucti'ctcnder Lichtstrahl 30 durcLotitst. eine Korn'- ■.::··orlinse 11 und einen 3trah'Lentoil«x' 12. Nach Rofiel:tio>i an ciiiou! Naoivfwir^pioftcl 13 wird der Strahj durch eine Ohjclrtiv-i'ar· ."llinsG 14 an einem Punkt 31 auf eine Videoplatte 22 ala koDvcif icrondcr Fleck fokuajJiert. Die Videoplatte 22 lie/rt '^r*uf r-.ii/ü: Pl':ttriitf;ller 21 und wird von einen Motor 20 mit kou^tanter IVulu-aiil ar^t'trieben. Auf der Videoplatte 22 sind Infoririut.lori^rjpuren 23, die Bild-, Stian- oder ähnlicho Infor/ir.ti on?rn c nth al to r>, init hoher Dichte aufgezeichnet, wobei die Inforü-aticvion wit Hilfe des konvergenten Lichtflecks gelegen verden.

An dem Punlri· 31, f.^f i-sm dor J..J.ohtatrphl fokus.·?iox»t ist_r erfaßt der konvergente Lichtfleck die in der Informationr.spur enthaltene Infornv-ition j.r-.foria von )indcrung(;n des Lichtreflexioivj faktors. Das reflektierte Licht kclirt über die Sammollinae 14 und den NachfUhr\^r;piegel 13 zurück, v;lrd durch den Stralilentoiler 12 von dein eintretenden Strahl getrennt und fällt durch eine Zylinderlinse 15 auf einen Lichtdetektor 16. Auf diesen Lichtdetektor 16 fällt der Lichtstrahl als Dotektor-Lichtfleck 34, Das Ausgang.si;ignal 40 des Lichtdetektors enthalt außer der aus der Videoplatte gelesenen Videoinformation ein Signal, das die Konvergenz des Lichtstrahls am Punkt 31 angibt, sowie ein Signal, das die Informations-Nachführung angibt. Das Auagangs- signal 40 wird daher mittels eines Signalverteilers 17 in ein Fokussierfehlersignal 41, ein Nachführfehlersignal 42 und die eigentliche Videoinformation 43 zerlegt. Das Fokussierfehlersignal 41 wird von einem Fokussiersteuerverstärker 24 verstärkt , und das verstärkte Signal wird einem Fokussiersteuer- motor 25 zugeführt, der die Objektiv-Sammellinse 14 aufwärts oder abwärt;; führt und 5;onit die Fokussiersteueruns des Lichtflecks am Punkt 31 bewirkt. Das Nachführfehlersignal 42 ge-

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langt übor oinen Nacbfl&rstcuc-rveretärker 26 an einen Motor Ί-l y.'o.v ν^^,Λ-ί.... ..ii!.;:,.,, ...— !...;;. .......';.· pj. ■-· _c,~ -^- 'J i>-*d !.^'./ii''!;!; ...rmit die Uachi'Uhrctem-rung tie.¹.; Lichtfleck;.; am Punkt 31. Die Vi(.'».':oin.for-:--.tic:i ^ 3 v.'i.ri fin·^ V:-vr.t!-."v!-or 20 zugeführt uiic? dient der Vi C'üo-V/i cd erlabe.

In Figur 2 ist ur.r Aufbau de« Lichtdetektor^ 16, der als KcriiötiU.k. der St-i-ucruriccn bezeichnet werden k-nn, nit dem darauf au.ftrefi c.-i.den Dstc!:tor~Licbiilock 3A :>ov/ie das Sißnalvertei'JLcis 17 d:-r£,o3tellt. Irifol/jo der in einer Richtung konvcr/"jierc»i).r]on V/irkun;< eier in V.'cp; des re.flokt.ifcrt.en Licht.·.; anßoordnctoa Zylinderlinse 15 i-rjdert sich der Lichtflock ~0'\ auf dem Lichtdetektor 16 enti>prt.:chcnd dor Ändr_;ru!>r: des Fol'.ussicrbildCiS dce. Lichtflccks am Pu»kt 51 auf der Videoplatte; Bei korrekter· Fokussierung v/irci dor Detcktor-Lichtfluclc kreis« fön-iift, v/j.€; di.urs .in Fifur 2 bei 34 roze.int ist. Diese Fokuc'xer-Ia^e dient d?.h^r als Pozußcv.xrt. Nahea^t sich die Videoplatte 22 der Objektiv-Syiame.liinsö 1'f, so wird der Lichtflock verzerrt, ν!ο r-r. in Rifur 2 bei 3A-1 nn^odcutet ist. Kntfornt sich die Videoplatte 22 von der Sammellinse W*_t so verforint sich der Lichtfleck in der in Fitfur 2 bei 3^/*~2 gozoißtcn l.'cise.

Dar Lichtdetektor 16 ist durch Trennlinien 16-1 und 16-2 in einzelne Datektorabscbnittc.· dor Bereiche D1 , Γ2, D3 und D^ geviertelt. Über den Signalverteiler 1? v/erden Signale entsprechend derjenigen Gestalt abgeleitet, die der Lichtfleck 34 jeweils annimmt. Dabei ermitteln zwei Addierer 17-1 und 17-2 die Komponenten des Lichtflecks in y- bzw. x-Richtung. Das Fokussierfehlersignal 41 wird durch einen Summierverstärker 17-3 entnommen.

Bezeichnet man das Fokussierfehlersignal mit eF und die Ausgangssignale der einzelnen Detektorabschnitte D1, D2, D3 und lh mit Dis, D2s, D3s bzw. D4s, so gilt folgende Gleichung:

eF = (D1s + D2s) - (D3s + D4s). (1)

Das Fokussierfehlersignal bestimmt sich dann als eF > 0, wenn sich die Videoplatte der Sammellinse nähert, und

eF < 0_f wenn sich die Videoplatte von der Sananellinse entfernt.

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D;:r Signriilvr-rtoiler 1?" umfaßt ferner Schaltkreise zur //blejv·'·.■.;'. Cir t .:·].":".vil.-_ .C,i."...-.. :.i_(>:julc <*;,? uijxl d^x* VideojuxCct^f~ matior». Λ3. Dal .i wird ülx r einen Addierer 1?-^ das Gesatitaicnal ι*·:·: Lif'·'.¹-.':}:?? '"■ f.-r.tnopi cn, lbs lischf ησί 42 v;_:;.-cl d;l , ' codureh ~rv.-oi.mon, üaß cIsü; Co über Hi;·) 'i'icf ·/■·.. i^.M.f.tor Ί7-Γ» (-;r:lcit.(ä: \.^rird, v;;ibrond sich die Video?.J-.JVi'::";3t Ic. ;n:;5 den (!(·.?.ο rti"iir,;':al am Au.v.f.ani-7 oinos HcohpaBi'iltirt's 17-C> ergibt.

Kit dom obi; ι Aui'boU IDOt sjch cino Videoplatte abspielen. 3k>i gi:■■.ί!·ϊ vli.ohc.n Vj.deoplatto» koraen jjcdoch aufgrund dor T.XAcntriziV: 1 und so^tinai' Urfiaclicn IJachiührbswegmi&on von 1QO bis 2'jO _iyi:; aov.'ie iiiiOi^e Λ'οη ITeigungcn des Plattentellers» ΒίθβΐΛ·:·₍";οϊί und DickcnrohVOnlXri^cn der Videoplatte und soriatißoii G::fj?.ibe)olieiten Vortikalbcv^egunsen von 100 bin 500 um vor. Andcrorsftitfji ii;t die Infonrfation auf der Videoplatte 22 large den Inforirationiscpuren 23 genau und mit hoher Dichte in der Größenordnung von Hikroiiotern aufgezeichnet. Un von cin^r dorartircn Vj.d'iopiatto dio Vidooinforn?ation mit hoher QualItHt zu gewinnen, isüissen die Fokucsierung des Lichtstrahls am Punkt 31 und die Nachführung dos Lichtflecks bezüglich der Inf ornsationsspur mit einer Genauigkeit von 1 um oder darüber erfolgen. Außerdem müssen natürlich die Fokussiersteuerung und die Nachführsteucrung kompatibel präzise arbeiten.

Dennoch sind die FokusRierstcucrung und die NachfUhrsteuerung bisher oft einzeln und unabhängig voneinander kon struiert worden. Im praktischen Falle der gemeinsamen Anwendung beider Steuerungen sind daher Probleme befürchtet worden. Figur 3 erläutert die Probleme, die auftreten, wenn die mit dem Astigmatismus arbeitende Fokussiersteuerung nach Figur 1 gemeinsam mit der Nachfuhrsteuerung verwendet wird. Der mit ausgezogenen Linien dargestellte Weg 30-31 - 34 des Licht strahls bezeichnet dabei die Bezugsbahn, längs der der Licht strahl die Mittelpunkte der Linse und des Spiegels gemäß Figur 1 durchsetzt. Es sei nun der Fall angenommen, daß der Spiegel 13 durch die Nachführsteuerung in die Stellung 13* bewegt vird und rieh der Lichtfleck auf der Videoplatte 22

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vom Punkt 31 in den Punkt 31 ' verschiebt. In diesem Moment verliert der Lichtstrahl länjs 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 3^' an einer Stelle, die vom Mittelpunkt dos Lichtdetektors 16 abweicht. Dies beruht auf der Tatsache, daß unter Ausnutzung des Astigmatismus der Lichtdetektor 16 an einer Stelle angeordnet ist, die kein Brennpunkt ist.

In Figur 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 eF = 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 die Bereiche des verschobenen Lichtflecks 34' auf den Detektorabschnitten D1 bis D4 betrachtet.

Dazu wird zunächst eine Gerade 1 durch die Mittelpunkte der beiden Lichtflecke 34 und 34* gezogen. Sodann wird ein Kreis 36* eingezeichnet, der durch den Mittelpunkt des Lichtflecks 94 verläuft und dessen eigener Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Lichtflecks 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' mit der Geraden 1 verlaufen. Der Detektor-Lichtfleck 34' mit seiner Unterteilung durch die gestrichelten Hilfslinien 38 und 39 ist in Figur 4B nochmals gezeigt. In dieser Figur ist die

Summe aus der Fläche des schraffierten Teils des Lichtflecks

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34' auf dem Detektorabschnitt D3 und der Fläche des Lichtflecks auf dom Dfitektorabscimitt 'iA gleich dei Fläche ά^α Lichtflecks 34' auf dem Dötektorabschnitt D1. Ferner ist der geKchv/ürzte Toil des I.ichtfleckr» 5h · auf dem Detektorabschnitt D3 flächengleich mit dem geschwärzten Teil des Lichtflecks auf dem Detektorabschnitt D2.

Daraus ergibt sich das durch Gleichung (1) wiedergogebene Fokussierfßhlersignal eF entsprechend dem Rechteck 37, wobei eF < 0, so daß kein korrektes Fokkusiersignal erzeugt wird. Dies bedeutet, daß das Ergebnis der Nachführsteuerung als Störung in die Fokussicrsteuerung eingeht, v/as generell als ein Problem der Wechselwirkung bei der Steuerung mit mehreren Variablen angesehen wird.

Bei der (in Figur 3 gezeigten) Bewegung des Lichtflecks 31 infolge der Nachführsteuerung handelt es sich um eine Bewegung, die einer hauptsächlich auf der Exzentrizität der Information πspur beruhenden Bsvregung in Radia!richtung folgt. Die Bewegung des Detektor-Lichtfleck« auf dem Lichtdetektor, die auf der genannten Bewegung beruht, bildet eine Hin- und Herbewegung längs der x-Achse.

Bei einem tatsächlichen Wiedergabegerät für Videoplatten wird ferner in Verbindung mit der Nachfuhrsteuerung eine (in Figur 1 und 3 nicht gezeigte) Zitter- oder Phasenausgleichsteuerung angewandt, um Schwankungen der Informationsspur in Umfangsgeschwindigkeit zu kompensieren. Bei dieser Zittersteuerung wird der Lichtfleck mit Hilfe eines weiteren Galvanometerspiegels in Umfangsrichtung senkrecht zur Richtung der Nachführsteuerung oszillatorisch geführt. Aufgrund dieser Oszillation wird die Bewegung des Detektorlichtflecks 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 hergehende Bewegung, die gegenüber der hin- und hergehenden Bewegung aufgrund der Nachfuhrsteuerung um 90° phasenverscho ben ist. Dio kombinierte Bewegung des Detektor-Lichtflecks

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bei Anwendung sowohl der Nachfuhr- als auch der Zittersteuerung ist also iji-unaoaCzxica eine Kreisbewegung, wobei der Mittelpunkt des Detektor-Lichtflecks auf dem Lichtdetektor 16 oiiu.n Kreir bcschreibt, der in Figur hA mit j56 bczeichnet ist.

Iß folgenden sei mit hF die Störung bezeichnet, die aus der Nachfülirsteuerung und der Zittersteuerung trotz der Tatsache resultiert, daß der Lichtfleck am Punkt 31 oder 31' auf die Videoplatte fokussiert ist. Ferner sei angenommen, daß die Intensitätsverteilung des Dotektor-Lichtflecks flach ist. Wird nun mit s die Exzentrizität des Detektor-Lichtflecks und mit θ das Argument bzw. der Polarv/inkcl des Mittelpunktes des Dotektor-Lichtflecks gegen den Uhrzeigersinn von der Trennlinie 16-1 aus bezeichnet, so läßt sich die Störung hF, die durch die Fläche des Rochtocks 37 in Figur AA gegeben ist, ausdrücken als

hF = Io (2 3 sin O) (2 s cos θ) ■=>

= 2 Io s² Gin 2 0; (2)

wobei Io die Intensität des Detektor-Lichtflecks angibt. Bei der praktischen Anwendung wird dio Intensitätsverteilung des Lichtflecks als Gaus3-Verteilung betrachtet. In diesem Fall wird Io eine Funktion von s. In demjenigen Bereich, in dem die Exzentrizität s klein ist, 1st 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 Zeitspanne bezeichnet, so ergibt sich

θ = _w t.
Somit wird

hF = 2 Io s² sin 2 u> t. (3)

Da die Rotationsfrequenz einer gewöhnlichen Videoplatte 30 Hz beträgt, ergibt sich die Grundfrequenz der Störung hF zu 60 Hz. Abgesehen davon, daß der Wert der Exzentrizität s in Abhängigkeit vom Nachführfehler und von den Eigenschaften des optischen System schwankt, beträgt sie 1/4 bis 1/3 des Lichtfleckdurchmessers bei einem Nachführfehler von beispielsweise 250 um, so daß die Störung hF zu einem Signal beträchtlicher

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Größe wird. Bei der in Figur 1 und 2 veranschaulichten Fokussiert teuerung nach uea> f/canü dor Technik wird dio&f; Störung als Fokusaicrfehlcr betrachtet, und die Steuerung wird so durchgeführt, daß cF - 0 gericht 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 um und überschreitet somit den Wert von 0,5 bis 1 um, welcher die bei gewöhnlichc-n Wiedergabe geräten für Videoplatten erforder» liehe Genauigkeit der Fokuseiersteuerung darstellt. Läßt man also diese Störung zu, so wird die Videoplatte mit einem Lichtstrahl abgetastet, der periodisch außer Foku3 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 der Fokussiersteuerung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, eine automatische Fokusrviereinrichtung zu schaffen, die Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Einrichtungen nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise beseitigt. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, eine automatische Fokussiereinrichtung hoher Genauigkeit vorzusehen, die außerdem vorzugsweise mit geringem Aufwand auskommt.

Die erfindungsgemäße automatische Fokussiereinrichtung nutzt dazu den Astigmatismus aus, wobei der Absolutwert einer Ausgangssignal-Differenz entsprechend der Änderung der Intensitätsverteilung eines Lichtflecks auf einem aus mehreren Lichtaufnahmeabschnitten bestehenden Lichtdetektor in Längsrichtung sowie der Absolutwert einer Ausgangssignal-Differenz entsprechend der Änderung der Identitätsverteilung in Querrichtung zur Bildung eines Kompensationssignals für ein Fokussierfehlersignal verwendet werden.

In der nachstehenden Beschreibung werden bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung anhand der weiteren Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Figur 5 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer Störungs-Kompensationseinrichtung fUr die erfindungs-706885/1025

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gemäße Fokussicrsteuerung;
Figur 6Λ, GB uiid 6C DJ.a^ic.i.uio für Koispielc dos Verlaufr. von nicht-linearen Funktionskomponenten, wie sie für die StoVungn-KorapcniiationseinrJchtung nach Figur 5 verwendet v/erden; und

Figur 7 und 8 Blockschaltbilder weiterer Ausftthrungübeispiolc. Im folgenden soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert v/erden.

Aus den Ausgangssignalen Dis bis EAs der 1/4-Detektorabschnitte D1 bis D4 des Lichtdetektors 16 wird folgende Gleichung gebildet:

g = |d1s - E?s| - |d3s - E*s|. (4)

Die Funktion g ist positiv, wenn in Figur 4A der Mittelpunkt 35 den Dotektor-Lichtflecks 34' auf dem Detektorabschnitt D1 oder D2 liegt, dagegen negativ, wenn or auf dem Detektorabschnitt D3 oder EA liegt. Der Wert von g entspricht der Fläche des durch die Linien 16-1 und 38 begrenzten kreiszonenförmigen Teils des Detektor-Lichtflocks 34' in Figur 4A. Daher gilt der folgende Funktionsausdruck näherungsweise: g = f(s) sin 2 0 = f(s) sin 2 ω t j (5)

wobei f(s) die Amplitude darstellt. Obwohl f(s) in Abhängigkeit von der Größe der Exzentrizität s und der Intensitätsverteilung des Lichtflecks schwankt, läßt sich sein Wert im Bereich kleiner Exzentrizitäten folgendermaßen annähern: f(s) = ka.s^m. (6)

In Gleichung (6) bezeichnet ka eine Proportionalitätskonstante und m einen Index, der sich mit der Intensitätsverteilung des Lichtflecks ändert, wobei

m = 1, wenn die Intensitätsverteilung flach ist, m < 1, wenn die Intensitätsverteilung nach oben konvex

ist (wie dies beispielsweise bei der Gauss-Verteilung der Fall ist), und m > 1, wenn die Intensitätsverteilung nach unten konvex

ist.

Wird nun die Näherung der Gleichung (3) für die Störung dadurch ausgedruckt, daß f(s) in Gleichung (5) für g in die

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n-tc Potent gesetzt und das Ergebnis mit einem Koeffizienten k luul'cipiü j.:.i" L vv.Li vi, fju tüKu'i' i.^ii

hF = hl" = k {f (s)}¹¹ sin 2 «, t (7)

wobei
k = —'---.-

und

ist.

η ändert sich zwar in Abliängi^koit von m, liegt jedoch im Irji-oich von

1 < η < 3

für fast alle praktisch vorko -runden Tntensitytüvertcilun£/;ii des Lichtdecke. Wird nun die Amplitude f(s) in der Gleichung (5) für g in die n-to Potenz gesetzt und das Ergebnis mit dem Koi:r.fizie;ntüii k wultiplinici't, so wii'-d dio Nuhbruugufunktiou hF¹ für die Störung hF erhalten.

Unter Anwendung des obigen Prinzips wird erfindungsgeniMß aus den Lieh tue; bek'toi -AuLigan^iiXgnalen ein Signal tür Kompensation für die Störung der Fokussiersteuerung abgeleitet, um die Genauigkeit der Fokussior;-Louurunj zu öi-hüh&n.

Das in Figur 5 schematinch gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung Deruht auf dem obigen Prinzip. Dieses Ausfühiⁱun?iS-beispiel bildet eine Verbesserung des Aufbaus nach Figur 2. In Figur 5 bildet der Teil I7-O in dem strichpunktierten Kasten eine Einrichtung zur Kompensation der Störung. Die Einrichtung zum Abtrennen des Nachführfehlcrsignals Ί2 und der Videoinformation 43 gemäß Figur 2 sind dagegen in Figur 5 woggelassen. Mit 17-7 und 17-8 sind Summierverstärker bezeichnet, die die Differenz der Ausgangssignale der Detektorabschnitte D1 und D2 in y-Richtung des J.ichtdetektors 16 bzw. die Differenz der Ausgangssignale der Detektorabschnitto D3 und Eft in x-Richtung berechnen. Mit 17-9 und 17-10 sind Absolutwert-Glieder bezeichnet. Das Ausrangssißnal eines v/eiteren Summierverstärkers 17-11 bildet Ua^ Si_Liial ^; der GlüiuLun- (A). Mit 17-12 ist ein nichtlinearer Funktionsgenerator bezeichnet, der die Amplitude f(s) des Signals £ in clic η-te Potenz setzt und dessen Kennlinie

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nal in Finur 6Λ gezeigt ist. Das A'u^üriii.^.'jx^nai u-... i-u.ii\.uioii:i^t;iiwj u i, (.·ΐ·ί> *'/'-'*<. Viru, an ό;ι;ι Potentiometer 17—13 mit dom Faktor k multipliziert. Auf diese VJoIi-.ο vii'rf cor; .'!UVut:^ " . :,-:::. :r i ,:·■,-.i-vr'..'! IF' n:.cli Clfiic^j/.r (7) eri'f.ugt. Mit 17-3¹ ißt ein Su^!j,ü:jorverGt.PHvür bezeichnet, der den Sun'iiervcirvtni-ifr 17~3 n'ch Figur 2 entspricht, Jsdoch zii.-.Litzilich einen subtrahierenden Eingar.g aufweist, an dem das Stöa Onßii~\'\o::pcnr,Vition"signal A4 liegt. E-jx dein am Ausgang des SiJiii.'iif-.rveriVLrirker;> 17--3¹ aurtretcndon Signal Λ1 · handelt es sich um dnr> nrfinrjurj/.'sreniäO erzin'^to i'törungskciapensierte Fokursaierfehlersignal eF¹:

eF' =, eF - hF¹.

Wird dieüüs Signal 'r1 ' anstelle des Fokussierrehlorsignals 41 den Fokus.niersteuerverstärkor 2h in Figur 1 zugeführt, so läßt sich ο im; Fokur-.r.if--rstouon^r■', ho>ior Genauigkeit c.rzialen, die fast frei ist von Einwirkungen durch die Nachfuhr- und Zitterstouerungen. Wie bereits au.sgoiührt, bildet die zur Durchfi'i.r'.in;; dio.',or Stor'i^.':.'.''^::; cr/^'-tj cn erfordern IcJv Eir^.irbtung den Teil 17-0 in Figur 5 mit den sieben Bauelementen 17-7 bis 17-13. Hai drn kor-krrt'.ii Aufbau können dio drei Suriiiaisrvers tSrker 17-7, 17-0 und 17-11 aus ganz gewohnlichen Verstärkern bestehen, dio Ab3olut\7f>rtg3icdor 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 nicht-linearen Y/iderstarid oder aus einem Diöden-Funktionsgenerator bestehen. Bei allen diesen Bauelementen kann es sich also um herkömmliche nicht-lineare Standardelement von Analogrechnern handeln.

In Figur 6B und 6C sind v/eitere Kennlinien Eingangssignal/ Ausgangssignal für den nicht-linearen Funktionsgenerator 17-12 veranschaulicht. Gömäfl Figur 6B wird die Funktion der n-ten Potenz durch zwei Gerade mit unterschiedlichen Steigungen angenähert. Zv/ar weist diese Kennlinie eine etwas geringere Genauigkeit auf, dnfür läßt sie sich aber einfacher realisieren als die Kennlinie nach Figur 6A. Die Kennlinie nach Figur 6C weist eine tote 2 on ο axif. Bei dieser Kennlinie ist die Genaiiig-

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keit in dor Annäherung dr.r n-ton Potenz im geringsten und die Realir-.ff-:u.:3 r.\- -.'-": cv·-.·; . .-,.

Bei der tatsächlichen Fukussici'iurigsstu-crung existiert für die Ob^rMjvlinre r.\rxQ f/o*,oln-rxe F()^v;.i'.-,sier\O'.vtiofe, so daß die StörunfiSkcinp'-vj'ation in vielen ΓίίΛλοη i»ur bei kVoG·.-»./; Störungen erforderlich ist. roher läßt eich die . R-iberunß dor nichtlinearen Funktion i>o wählen, daß üio im Eeyoich großer Störungen gut übere insta imnt, VRihaJb seJbf.t ein einfacher nicht-linearer Funktionsgenerator eine befriedigende Slürungskourpensation leistet.

Der nicht-lineare Funktionsgenerator kann unter den Kennlinien nach Figur 6A bis 6C entsprechend den erforderlichen Spezifikationen dec gesamten Wiedergabegerätes ausgewählt werden.

Für das Ausführungsbeirspiel nach Figur 5 ist in der Beschreibung der Fall angenoinr;ion worden, daß der Nachführspiogel 13 sowohl die Nachführkompensation als auch die Zitterkorapensation bewirkt. Falls dagegen der Nachführspiegel 13 nur die Nachführkompensation durchführt, sind zur Erzeugung des Störungs-KompensationsSignaIs 44 in dem Ausfuhrungsbeispiel nach Figur nur der Summierverstärker 17-7, das Absolutwertglied 17-9» der nicht-lineare Funktionsgenerator 17-12 und das Potentiometer I7-I3 erforderlich. In diesem Fall lassen sich Wicdcrgabebilder einer praktischen Zwecken genügenden Qualität selbst dann erzielen, wenn der nicht-lineare Funktionsgenerator 17-12 und das Potentiometer 17-13 weggelassen werden und lediglich das Ausgangssignal des Absolutwert-Gliedes 17-9 als Störungs-Kompensationssignal verwendet wird.

Falls der Nachfuhrspiegel 13 sowohl die Nachfünrkompensation als auch die Zitterkompensation bewirkt, können ferner auch dann noch YJiedergabebilder einer für praktische Zwecke genügenden Qualität erzeugt werden, wenn der Funktionsgenerator I7-I2 und das Potentiometer 17-13 weggelassen werden.

In dem AusfUhrungsbelspiel nach Figur 5 ist der nichtlineare Funktionsgenerator 17-12 hinter den Summiervorstärker 17-11 eingeschaltet. Ähnliche Wirkungen lassen sich Jedoch

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auch dann erzielen, wenn der Funktionsgenerator vor oder hinter dm Abr.ol\Ttv'f?rtf\i.i«»d 17-9 Ot¹T 17-10 ei η ^ oft 5 ^t virrt. Bei einem von den Erfindern durchgeführten Versuch war bei einer Kachführamplitude von 200 _uni dem Fokussicrfehlorsignal in der in Figur 2 gezeigten automatischen Fokussiereinrichtung nach dem Stand der Technik ein Störsignal überlagert, das einer Defokussierung von 5,5 um entsprach. Im Gegensatz dazu wurde erfindungsgemäß eine Störung erzeugt, die einer leichten Defokussierung von nur 1 um entsprach.

Diese Defokussierung hat einen Wert, der innerhalb der Fokussierungstiefe der Objektivlinse liegt, so daß also eine automatische FokuEsiersteuerung hoher Genauigkeit realisiert wurde.

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, 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.

Dabei wird aus den Ausgangssignalen Dis bis D4s der vier Detektorabschnitte D1 bis D4 des Lichtdetektors 16 die nachstehende Gleichung hergeleitet:

f = (DIs - D2s)² - (D3s - D^s)²; (9)

worin f das den Jeweiligen Bewegungen des Lichtflecks 34· entsprechende Signal angibt, dessen Wert positiv wird, wenn der Mittelpunkt 35 des Detektor-Lichtflecks 34· auf dem Abschnitt Di oder D2 liegt, während sein Wert negativ wird, wenn der Mittelpunkt auf den Abschnitt D3 oder D4 trifft. Gleichung (9) läßt sich folgendermaßen vereinfachen: f = f1 χ 12\ (10)

wobei

Π = (DIs - D2s) + (D3s - IAe )· f2 = (DIs - D2s) - (D3s - Efcs).

In diesen Gleichungen bildet f1 ein Ausgangssignal, das zu

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.,.,·..<,-. ^BAD ORIGINAL

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der Fläche eines von den Linien 16-2 und 39 in Figur AA begrenzten ersten Teils όζπ Projektor- -Licht:?! ^r ■r.Y.r, 3^' ]»>^lo?ortional 1st, während mit F2 ein Ausgangssignal bezeichnet ist, das zur Fläche des von den Linien 16-1 und 38 b^rron?:ten zweiten Teils des Lichtfleck^ 34· proportional i.st. Wird ferner das Argument (!,wie oben angegeben, best:! mit und der Radius des Detektor-Lichtf locks 3^' Riit rs bezeichnet, «o läßt sich die Fläche des genannten ernten Toil« mit 2r:;.2S.sinO und die Fläche des zweiten Teils mit 2rs.2S.cor;9 annähern. Somit wird Gleichung (9) zu:

f = (2 Io rs.2 S sin θ) (2 Io ro.2 S cos θ) = = 8 (Io rs S)² sin 2 θ --=

= 8 (Io rs S)² sin οι t. (11)

Die durch Gleichung (11) gegebene Größe f ist der Störung hF nach Gleichung (3) sehr ähnlich. Daher· 3äßt sich Gleichung (3) unter Verwendung von Gleichung (11) folgendermaßen wiedergeben:

hF = 2 Io S² sin 2 <w t =

Sk.fi 02)

worin

4 To rs*

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

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

(b) Ist die Intensitätsverteilung nach oben konvex (wie beispielsweise bei einer Gauss-Verteilung), so ist Io eine monoton abnehmende Funktion der Exzentrizität S, d.h.

Io = u, (JL).

(c) Ist die Intensitätsverteilung nach unten konvex, so ist Io eine monoton zunehmende Funktion der Exzentrizität S, d.h. Io = a» (xr).

In einem praktischen Arbeitsbereich, in dem die Exzentrizität S kleiner ist als der halbe Radius rs des Detektor-Lichtflecks, kann jedoch Io für fast r.lle IntensitStsverteilungen des Licht-

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flecke praktisch als Konstante betrachtet v/erden. Das bedeutet, daij die iiah^ruwg k --' i.:'' gilt, wobei k¹ die Konstante bildet. Durch Multiplizieren der Größe f mit dem konstanten Koo.-C.fisie-nte-n k¹ Ir'Ot .oich dr.hor clic clic Störung angebende Gleichung (3) folgendermaßen armähern:

hF = k» f. (13)

Dank dem oben beschriebenen Prinzip läßt sich erfindungsgemäß das Signal zur Kompensation der Störung der Fokussiersteuerung auc den Aucgiingasignalen dos Lichtdetektors gewinnen.

Ähnlich wie das AusfUhrun&sboi3picl nach Figur 5 bildet auch dasjenigo nach Figur 7 eine Verbesserung dos Aufbaus nach Figur 2. In Figur 7 bildet der in dem strichpunktierten Kasten enthaltene Teil 17'-O ein weiteres Baispiel für eine Einrichtung zur 5törunr;r;kompo:ü.^c'.at:ion. Wie .in Figur 5 ist auch in Figur 7 dor Schaltkreis zur Abtrennung des Hachführfedersignals 42 und der Videoinformation 43 v/eggelassen.

In Figur 7 sind mit 17'~7 l-nd 17'-8 Suramierverstärker bezeichnet, die die Differenz aus den Ausgangssignalen der Detektorabschnltte D1 und D2 in y-R.ichtung den Lichtdetektors 16 bzv/. die Differenz aus den Aus gangs Signalen der Detektorabschnitte D3 und D4 in x-Richtung berechnen. Mit i7^f-9 und i7^f-i0 sind Multiplizierstufen bezeichnet, die die Ausgangssignale der Sur.mierverstärker 17'-7 bzw. i7'-8 quadrieren. Ein Summierverstärker 17'-11 wertet die Differenz zv/ischen den Ausgangssignalen der Multiplizierstufen 17'-9 und 17'-1O au3 und erzeugt das Signal f der Gleichung (9).

Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 17'-11 wird an einem Potentiometer 17'-12 mit dem Faktor k¹ multipliziert, und das resultierende Signal bildet das Störungs-Kompensationssignal hF¹. Bei dem Sumniierverstarker 17-3¹ handelt es sich um den gleichen wie in Figur 5, dem das Störungs-Kompensationssignal zugeführt wird.

Das so gebildete Signal 41' ist das störungskompensierte Fokussierfehlersignal eF¹:

eF' - eF - hF¹. (14)

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Wird die acc Signal 41 · cn«telle des Fokussierfehlersignals 41

läßt sich eine sehr geno.uo Fokusniorsteuenmg erreichen, die fast frei, int von ΕχηίΊϋπί- ·:η cu^ Ocn Nachführ- und Zittor-Steuerungen.

In den weiteren Ausfuhrungc-bo* spiel der Erfindung nach Figur 8 bildet der Teil 17'-O¹ eine Einrichtung zur Störung*- kompensation. Daboi werden die Aur;ß'?.ngssigiiale der Sunrajerverstärl;er 17'-7 und 17'-8 v.eitcien Guamierverstärkorn 17'-13 und 17»-14 zugeführt, die die Differenz und die Sumsie aus den Differcnz-Ausnanßcsignalen der Dstektorabschnitte in y- und x-Richtung des Lichtdetektors 16 bilden. Aus dieser Differenz und dieser Suntmn wird dann von einer Multiplizierstufe 17 '-15 das Produkt gebildet.

Am Ausgang der Multiplizierstufe 17'-15 entsteht das Signal f, das die Gleichung (14) erfüllt. Wie bei der Ausführungsform nach Figur 7 durchläuft das Signal f ein Potentiometer 17^f-12 und einen Surnmicrverr.tärker 17-3¹, so daß ein störungskompensiertes Fokussierfehlersignal 41' gewonnen wird.

Durch die oben dargelegten Mittel lassen sich Störungen kompensieren, die durch Nachfuhr- und Zittersteuerungen verursacht werden, und es wird eine Fokus si er steuerung hoher Genauigkeit ermöglicht. Die Mittel zur Realisierung der Störungskompensation werden in Figur 7 von dem Teil 17'-O_f in Figur 8 von dem Teil 17'-O¹ gebildet und sind daher im wesentlichen so unaufwendig wie in Figur 5. In dem Teil 17'-O der Figur 7 läßt sich die Störungskompensation dabei durch die drei Summierverstärker 17'-7t i7*-8 und 17'-11, die beiden Multiplizierstufen 17'-9 und 17'-10 sowie das einzelne Potentiometer 17»-12 erzielen. In dem Teil 17'-O¹ in Figur 8 genügen zur Realisierung der Störungskompensation die vier Summierverstär- ker 17^f-7, 17^f-8, 17'-13 und 17'-14, die einzelne Multiplizier stufe 17'-15 und das einzelne Potentiometer 17'-12. Die Grun- frequenz der Störung beträgt im allgemeinen 60 Hz, und es reicht aus, wenn die Fokussiersteuerung bis hinauf zu 600 Hz, d.h. bis zum 10-fachen der Grundfrequenz, arbeitet. Daher

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können die einzelnen mit den Störun/rs-Kompensationselnrichtungen 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 Eigenschaf ton der verschiedenen Teile der Vorrichtung nachzustellen, wodurch der praktische Nutzen der Einrichtung verbessert wird. FUr die einzelnen Bauelemente können Schaltungen verwendet werden, wie sie allgemein und v-uilachend als arithmetische Standardelemcnte bei Analogrechnern eingesetzt werden, so daß sich die Einrichtung zur StörungakonpcTisaticn ohne weiteres realisieren läßt.

Der Aufbau für die Schaltung zur Bildung des Signals f nach Gleichung (9) beschränkt sich nicht auf die AusfUhrungsbeiüpiele nach Figur 7 und 8; vielmehr kann auch jede andere Schaltung verv/endet werden, sofern sie das Signal f unter Ausführung von der Gleichung (9) äquivalenten Operationen erzeugt.

Die Ausführungsbeispiele beschränken sich ferner nicht auf den Fall, daß die liac hf uhr steuerung und die Zittersteuerung gleichzeitig durchgeführt v/erden; wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 gelten sie auch für den Fall, daß nur die NachfUhrsteuerung vorgenommen wird.

Wie oben dargelegt, wird erfindungsgemäß bei praktischer Anwendung einer mit dem Astigmatismus arbeitenden Fokussiersteuerung bei einem praktischen Videoplatten-Wiedergabegerät, das mit einer NachfUhrsteuerung, einer Zittersteuerung und dergleichen ausgerüstet ist, eine Einrichtung zur Störungskompensation in dem Signalverteiler für die Lichtdetektor- Ausgangssignale vorgesehen, wodurch Einflüsse aus den NachfUnrund 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.

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Leerseite

Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL E'JHÜL^L HOP' EBBINGHAU5 FINCK MARlAHlL ΓΡΙ.ATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O t ' W *i I ü J POSTADRESSE: POSIFACK 95 O1 tiO, D-ΠΟΟΟ MÖNCHEN 95 HITACHI, LTD. 28. Juli 1977 Au t oma ti nc. hg Ρο1'υ fft> i f v^?/VC i c}rfc PATENTANSPRUCHS

1. Automatische FokusGiereinrichtung, bei dor ein Lichtstrahl durch ein erstes optisches System auf einen Aufzeichnungsträger gerichtet wird und von diesoa durch ein zweites optisches System auf einen Lichtdetektor fällt, der den auftreffenden Lichtstrahl in ein elektrisches Signal umsetzt, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtdetektor (16) vier Detektorabschnitte (DL.,D4) umfaßt, daß das zweite optische System mindestens ein optisches Element (15) mit einer in einer Richtung wirkenden Linsenfunktion aufweist, daß eine Einrichtung (24, 25) zur Fokussierung des ersten optischen Systems (14) vorgesehen ist, die ein Fokussiersignal aus einem ersten Signal, das von den in Längsrichtung einander gegenüberstehenden Detektorabschnitten (Di, D2) gebildet wird, sowie aus einem zweiten Signal, das von den in Querrichtung einander gegenüberstehenden Detektorabschnitten (D5, D4) gebildet wird, entsprechend

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ORlQfNAL INSPECTHD

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der Gestalt des auf die Di;tc:ktorabsohnitte auftreffenden Lichtfleclcs (34) erzeugt, und daß die £iut oma tische Fokunsiereinrichtung eine Einrichtung (17-0) umfaßt, die ein Signal (44) zur Kompensation von Störungen des Fokiuif-iersigrjals unter Verwendung der Differenz aus Signalen erzeugt, die von in Längs- und/oder Querrichtung einander gegenüberstehenden Detolrtorabschnitten (D1 , B2; D3, Eft) abgegeben werden.

2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Komponsationfjßignals eine Einrichtung (17-9, 17-10) zur Bildung des Absolutwertes dor Signaldifferenz umfaßt.

3. Fokussiorcinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung des Kompensati ons signals eine Einrichtung (17'-9, 17 ^f-i0) zur Bildung des Quadrates der Signaldifferenz umfaßt.

4. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 2, ggekennzeichnet durch eine nicht-lineare Stufe (17-12), die den Absolutwert mit einem vorgegebenen Exponenten potenziert.

5. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Potentiometer (17-12) zur Multiplikation des Quadrats mit einem vorgegebenen Faktor.

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