Устройство для автоматической фокусировки излучения

 

Использование: автоматика, накопление информации оптическими средствами, видео- и звуковые проигрыватели. Сущность изобретения: подвижный элемент скольжения перемещается в осевом направлении в неподвижном элементе посредством привода фокусировки, функционирующего в соответствии с сигналами блока управления. На фотоприемниках фотоприемного блока формируют интерференционную картину, а фотоприемники объединены в группы и включены в противофазе. Блок управления осуществляет цифровое управление приводом фокусировки. 12 ил.

Изобретение относится к автоматике и накоплению информации оптическими средствами, в частности к технике записи-воспроизведения информации, и может быть использовано в звуковых и видеопроигрывателях и прочих средствах обеспечения оптической записи-воспроизведения информации.

Известно устройство, содержащее исполнительный орган, вспомогательный лазер, луч которого через систему зеркал под углом попадает на микрообъектив и фокусируется на металлической поверхности пленки заготовки диска, далее, отражаясь, возвращается через объектив на фотоприемник с двумя спаренными чувствительными элементами. Если чувствительная поверхность носителя информации совпадает с фокальной плоскостью микрообъектива, то световой поток направляется объективом точно на границу раздела фоточувствительных элементов. В этом случае фототоки двух светодиодов равны, а блок реверса формирует нулевое напряжение. Если же поверхность чувствительного слоя будет смещена относительно фокальной плоскости микрообъектива, световой поток будет выходить из микрообъектива под некоторым углом, зависящим от величины и знака расфокусировки. Точка фокусировки излучения на поверхности фотодиодов смещается относительно границы раздела. На выходе блока появится напряжение, знак которого однозначно связан с направлением расфокусировки. Подключение исполнительного элемента перемещения микрообъектива к выходу блока позволяет замкнуть цепь автоматического регулирования [1] Микрообъектив перемещается в такт с биениями заготовки, обеспечивая совмещение фотоканальной плоскости микрообъектива с поверхностью светочувствительного слоя диска с точностью не хуже 0,5 мкм в полосе частот биений 0-100 Гц. Для наведения на начальный репер и контроля точности фокусировки применяется микроскоп визуального контроля с увеличением 600^х.

В системах автофокусировки с вспомогательным лазером, луч которого направлен под углом к оптической оси микрообъектива, используют разные длины волн рабочего источника и вспомогательного, чтобы снизить перекрестные помехи. Это делает необходимым использовать оптические фильтры, что усложняет расчет и реализацию оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для автоматической фокусировки излучения на носителе в системе записи-воспроизведения информации, содержащее генератор, исполнительный элемент фокусировки, коммутатор и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и фильтр нижних частот, а также двухконтурный блок управления, один контур которого состоит из последовательно соединенных фотоприемного блока и дифференциального усилителя, подключенного выходом к сигнальному входу коммутатора, выход которого связан с входом исполнительного элемента фокусировки, а также последовательно соединенные суммирующий резистивный блок и согласующие усилители, через которые выход коммутатора связан с входами исполнительного элемента фокусировки, и последовательно соединенные блок синхронизации импульсов и блок оптронной развязки, при этом блок синхронизации импульсов состоит из последовательно связанных логической схемы ИЛИ и счетчика, входами блока синхронизации являются входы логической схемы ИЛИ, а выходом выход счетчика, коммутатор выполнен в виде двойного мультиплексора, с синхронизирующим входом которого соединен выход блока оптронной развязки, а с другим сигнальным входом выход фильтра нижних частот, другой контур блока управления выполнен четырехканальным, каждый из каналов которого включает в себя датчик углового положения носителя, два RS-триггера, реверсивный счетчик трех состояний, компаратор и цифровой задатчик синтезированных импульсов, выход которого связан с входом компаратора, другой вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход с входом сброса первого RS-триггера, синхронизирующие входы RS-триггеров связаны с выходом датчика углового положения носителя, выход первого RS-триггера соединен со счетным входом реверсивного счетчика, с информационными входами которого связаны выходы другого RS-триггера, выход генератора подключен к тактовым входам реверсивных счетчиков всех каналов, выходы реверсивных счетчиков всех каналов соединены с входами ЦАП, выходы датчиков углового положения носителя всех каналов подключены к входам логической схемы ИЛИ блока синхронизации импульсов, а выход датчика углового положения носителя каждого последующего канала подключен к входам сброса другого RS-триггера и реверсивного счетчика трех состояний предшествующего канала [2] Фотоприемный блок представляет собой оптическую систему, содержащую лазер, светоделительный кубик, микрообъектив, лимб, плоскость отражения которого помещена в фокальную плоскость микрообъектива, щелевую диафрагму и фотоприемник.

В системе использован вспомогательный лазер. Луч его пространственно отделен от луча технологического лазера, а для автофокусировки используется вспомогательная проекционная система.

Недостаток этой системы состоит в ограниченности ее технологических возможностей, так как представляется затруднительным реализовать пространственную многослойную запись с автоматическим переходом от одного слоя к другому.

Цель изобретения повышение точности фокусировки и упрощение конструкции электронной части устройства.

Для достижения цели в устройстве для автоматической фокусировки излучения, содержащем подшипник на газовой смазке с подвижным и неподвижным элементами скольжения, датчик фокусировки с последовательно установленными на оптической оси лазерного источника излучения светоделителем, объективом и носителем информации с информационными дорожками, а также фотоприемным блоком, установленным с возможностью проецирования на него через светоделитель информационных дорожек носителя информации, выходы фотоприемного блока соединены с входами блока управления, выход которого подключен к приводу фокусировки, причем блок управления состоит из двух усилителей, аналого-цифрового преобразователя, генератора, коммутатора, схемы синхронизации, резистивного блока и задатчика позиции фокуса, в датчик фокусировки введены зеркало и дополнительный объектив, установленный между светоделителем и фотоприемным блоком, а в блок управления схема осреднения, выполненная в виде сумматора на операционном усилителе, генератор выполнен управляемым, фотоприемный блок, дополнительный объектив, светоделитель, зеркало и объектив установлены внутри подвижного элемента скольжения подшипника на газовой смазке, зеркало оптически связано с объективом, а также с фотоприемным блоком через светоделитель и дополнительный объектив, подвижный элемент размещен внутри неподвижного с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазерного источника излучения, привод фокусировки размещен на неподвижном элементе и магнитосвязан с подвижным элементом подшипника на газовой смазке, фотоприемники фотоприемного блока объединены в две группы, в каждой из которых фотоприемники установлены параллельно на краях проекций соответствующих информационных дорожек, группы размещены с параллельным смещением друг относительно друга и подключены в противофазе, усилители блока управления установлены параллельно и их входы подсоединены к входам блока управления, а выходы к входам сумматора, связанного выходом с входом аналого- цифрового преобразователя, первым входом схемы синхронизации и входом резистивного блока, выходы которого соединены с первым групповым входом схемы синхронизации, вход синхронизации и второй групповой вход которой подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы схемы синхронизации соединены с входами управляемого генератора, выход которого через коммутатор подключен к выходу блока управления, при этом схема синхронизации выполнена из N RS-триггеров с объединенными R-входами, выходы которых соединены с управляющими входами N мультиплексоров "2 на 1", подсоединенных выходами к соответствующим выходам схемы синхронизации, сигнальные шины мультиплексоров связаны с первыми групповыми входами схемы синхронизации, объединенные R-входы RS-триггеров с входом синхронизации, S-входы RS-триггеров с вторыми групповыми входами схемы синхронизации, а выходы задатчика позиции фокуса соединены с групповыми входами аналого-цифрового преобразователя блока управления.

На фиг. 1 представлено устройство в разрезе, общий вид; на фиг. 2 то же, поперечный разрез; на фиг. 3 конструкция жиклера истечения газовой смазки в теле неподвижного элемента; на фиг. 4 блок-схема блока управления; на фиг. 5 структура повторяющихся блоков в схеме синхронизации; на фиг. 6 оптическая схема устройства; на фиг. 7, 8 упрощенные кинетические построения для доказательства изменения оптической разности хода и расщепленных лучей при осевом смещении подвижного элемента скольжения; на фиг. 9 фрагмент блок-схемы, поясняющий его работу; на фиг. 10 матрица фотоприемников в фокусе микрообъектива на поверхности чувствительного слоя, формирующая интеpферограмму; на фиг. 11 диаграммы сигналов фотопреобразования; на фиг. 11А сигнал с первого ряда чувствительных элементов; на фиг. 11Б сигнал с второго ряда; на фиг. 11С сигнал на выходе сумматора; на фиг. 12 структура схемы осреднения сигнала фотопреобразования.

Устройство содержит (фиг. 1) объективы 1 и 2 проекционных систем, неподвижный 3 и подвижный 4 элементы скольжения на газовой смазке, взаимодействующие с возможностью осевого перемещения исполнительным приводом 5 (приводом фокусировки), датчик положения фокуса F рабочей компоненты луча 7, светоде- лительную поверхность 8, отражатель 9, носитель 10 информации, фотоприемный блок 11 и блок 12 управления.

В неподвижный элемент 3 вмонтированы перепускные каналы 13 подвода газовой смазки к жиклерам 14 (фиг. 2, 3), а торцовая сферическая поверхность 15 (фиг. 1) неподвижного элемента с центром сферы в точке фокуса F взаимодействует с основанием 16 посредством регулировочных винтов 17.

Расщепленные компоненты лучей обозначены (фиг. 1, 6): 18 луч, падающий под углом β к нормали поверхности носителя 10 информации и обеспечивающий изменяющуюся оптическую разность хода расщепленных лучей при торцовых биениях на Δ L поверхности носителя 10 информации; 19 луч, отраженный от поверхности носителя 10 информации, отражателя 9 и прошедший светоделитель 8 в ортогональной плоскости к лучу 7; 20 луч неизменного оптического хода, полученный в результате деления луча 7 на светоносителе 8; 20' луч с изменениями оптического хода.

Энергетические значения лучей 6, 7, 18-21 и отраженных компонентов обозначены (фиг. 6): W₂' рабочий луч 6; W входящий луч 7; W₂'' нормально отраженная компонента от поверхности носителя 10 информации; W₃' отраженная компонента от светоделителя 8; W₄' отраженная компонента от отражателя 9; W₄'' отраженная компонента со смещением Δ l на поверхности носителя информации; W₅'' отраженная компонента от отражателя 9 в ортогональной плоскости;
W₅''' компонента, прошедшая светоделитель 8;
W₁' компонента с постоянным оптическим ходом l₃, отраженная от светоделителя 8.

Блок 12 управления включает в себя генератор 21 (фиг. 4) управляемой частоты импульсов, фотоприемный блок 11, фотоприемники которого сгруппированы в группы 22. Фотоприемники в каждой из групп смещены на π-фазу световой волны источника излучения, а каждая группа запараллельных фотоприемников подключена к усилителям 23 в противофазе, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 24, схему 25 синхронизации генератора 21, подключенного к коммутатору 26 исполнительного привода 5 (привода фокусировки), задатчик 27 позиции фокуса, сумматор 28. Схема 25 синхронизации подключена первым входом к выходу сумматора 28, объединенному c входом АЦП 24, соединенного выходом с вторым (а шина) R-входом схемы 25 синхронизации, первый групповой (S₁.S_i)-вход этой схемы подключен к выходам блока 29 элементов 3И (совпадений) (фиг. 9), второй групповой вход схемы 25 подключен к выходам блока 30 резисторов дискретно изменяющего номинала.

АЦП 24 (фиг. 4) включает в себя блок 31 пороговых элементов 31 _(1...n), блоки 32, 33 D-триггеров, блок 34 инверторов, логический элемент n И-ИЛИ 35 и блок 29 элементов 3И (совпадений).

Пороговые элементы блока 31 выполнены с возрастающими дискретно порогами срабатываний и подключены поканально к информационным входам первого блока 32 D-триггеров, а также к входам блока 34 инверторов, которые подключены к информационным входам второго блока 33 D-триггеров.

Блоки 32, 33 и блок 34 инверторов подключены поканально через соответствующие триггеры блока 33 к элементам совпадения в логическом элементе n И-ИЛИ 35, смежные пороговые элементы блока 31 соединены с двумя входами совпадения каждого элемента 3И в блоке 29 (фиг. 9), а третий вход каждого элемента 3И является информационным входом АЦП 24 (фиг. 4, 9), которые подключены к входам задатчика 27 позиции фокуса. Схема 25 синхронизации включает в себя структуры RS-триггеров 36_(1...i)(фиг. 4, 5, 9), объединенные R-входами, а выходы триггеров подключены к управляющим входам мультиплексоров 37_(1...i), выходы последних являются выходами блока 25, а их первые входы объединены у всех мультиплексоров и являются первым входом блока 25, а вторые являются групповыми входами блока 25, который подключен к групповым выходам блока 30 резисторов (фиг. 4).

Задатчик 27 позиции фокуса включает в себя буферный регистр 38, подключенный к управляющим S_i-входам мультиплексора 39 "1 на n". Луч 7 (W) монохроматического источника (фиг. 1, 6) расщепляется на светоделителе 8 на составляющие W₁' и рабочий луч 6 (W₂') в ортогональных плоскостях. Отраженная компонента W₂'' от плоскости носителя 10 информации, имеющей торцовые биения со смещениями Δ h по оптической оси объектива 1, отражается от светоделителя 8 в ортогональной плоскости и в виде компоненты W₃' отражается от отражателя 9 (W₄') с направлением падения под углом β к нормали плоскости носителя информации 10. Пройдя объектив 1 и отражаясь от плоскости носителя 10 со смещением Δ l от оптической оси объектива (ввиду наклона под углом β), компонента W₄'' отражается от отражателя 9 (W₅'') в ортогональной плоскости и в качестве компоненты W₅''' проходит светоделитель 8, соединяясь посредством объектива 2 с компонентой W₁' в его фокальной плоскости, создает интерферограмму в соответствии с оптической разностью хода лучей по плечам (l₃ + l₂) и h.

Изменения оптической разности хода лучей в связи с изменением одного из плеч вызывают смещение полос интерферограммы, что регистрируется фотоприемным блоком 11. Из построений на фиг. 7 и 8 приведем доказательства того, что изменения оптической разности хода лучей при смещении подвижного элемента по оптической оси объектива 1 на Δ h действительно имеют место.

Изменение плеча l₁ (фиг. 6) на Δ l при подвижке подвижного элемента 4 на Δ h дает:
Δ l Δ h (1)
Обозначим ход луча W₄' (фиг. 6, 7) под углом β С-отрезком, а двойной ход (с учетом луча W₄'') 2 С.

Рассмотрев соотношение приращений на фиг. 8:
Δ h Δ C ˙cosβ (2) или заменив на коэффициенты:
К cos β h К ˙Δ С, а с учетом (2) Δ h 2К ˙Δ С
С учетом (1) Δ l 2к ˙Δ С.

Из (3) Δ С Δ l/2К (3)
Условно примем: Δ l единичное приращение:
Δ l 1, тогда Δ С 1/2к (4)
Из (4) видно, что при единичном приращении Δ h 1 изменение хода одного из расщепленных лучей
Δ l 1, (5) а изменение хода другого расщепленного луча
Δ C ≠ 1 (сравним по (4)) Следовательно, оптическая разность хода лучей при подвижках подвижного элемента 4 (фиг. 1) имеет место.

Эти изменения вызывают сдвиг интерферограммы и анализируются в блоке 12 (фиг. 4), а возникающие рассогласования отрабатываются исполнительным приводом 5. При подвижках в режиме слежения за изменениями Δ h поверхности носителя 10 восстанавливается заданное цифровым кодом положение неизменности оптической разности хода лучей и в результате этого фокус F может следить не только за поверхностью носителя 10 информации, но и находиться на некоторой глубине от этой поверхности с сокращением постоянства глубины в динамике. Это позволяет осуществлять многослойную запись с просвечиванием поверхности и существенно увеличить плотность записи по количеству числа слоев. Точность позиционирования определяется возможностями системы регулирования.

В статическом состоянии осуществляется самоцентрирование подвижного элемента 4 на воздушной смазке. Расход воздушной смазки сравнительно мал и обеспечивается конструкцией жиклеров (фиг. 3) с отверстием истечения диаметром порядка 0,06 мм.

Подвижный элемент 4 (фиг. 1) подвешен с возможностью осевых перемещений электромагнитными силами взаимодействия с исполнительным приводом 5 (приводом фокусировки), а неподвижный элемент 3 фиксирован на основании 16 по поверхности 15 регулировочными винтами.

Фотоприемники фотоприемного блока 11 сгруппированы со смещением на π-фазу световой волны источника излучения (фиг. 4) в группы 22 (фиг. 10), запараллеленные по группам и объединенные по двум каналам через усилители 23 на входы сумматора 28, выполненного на операционном усилителе. При взаимодействии с полосами интерферограммы такая схема дает увеличение крутизны выходного сигнала сумматора при осреднении по передним и задним фронтам импульсов. Пусть на задатчике 27 (фиг. 4) позиции фокуса возбуждена i-шина за счет подачи кода на информационные S_i-входы мультиплексора 39 "1 на n". При плюс-рассогласовании сигнал W_iна выходе сумматора 28 возрастает за счет смещения полос интерферограммы. При возрастании W_i происходит последовательное срабатывание пороговых элементов (31₁.31_n).

В момент срабатывания порогового элемента, например 31_n-1осуществляется подготовка к срабатыванию D-триггера 32_n, которое происходит при срабатывании порогового элемента 31_n положительным перепадом по С-входу. На выходе инвертора 34_n формируется логический "0" (при формировании логической "1" на его входе), и это подготавливает D-триггер 33_n к срабатыванию, которое произойдет при положительном перепаде на С-входе D-триггера 33_n, то есть когда пороговый элемент 31_nвозвратится в исходное состояние "0".

До того, как это произойдет, наличие логической "1" на выходах пороговых элементов 3_1n-1 и 31_n (заштрихованы на фиг. 4) и заданное возбуждение логической "1" информационной шины а_i задатчика 27 обеспечат срабатывание элемента 3И в блоке 29 элементов совпадений, что вызывает S-срабатывание триггера 36i в схеме 25 синхронизации (фиг. 4, 5). Возникшее состояние триггера посредством мультиплексора 37i и "2 на 1" коммутирует шину с соответствующим резистором 30i, а сигнал выхода схемы синхронизации воздействует на генератор 21 управляемой частоты импульсов так, что частота следования импульсов уменьшается в зависимости от номинала подключенного на его вход резистора 30i. В результате смещения полосы сигнал W_i на выходе сумматора уменьшается и это ведет к возврату порогового элемента 31n в исходное "0" состояние.

Этот переход (1 _→ 0) вызывает перепад сигнала (0 _→ 1) на выходе инвертора 34_n, что обеспечивает срабатывание D-триггера 33_n, так как на его D-входе логическая "1". В результате на входах элемента совпадения логического элемента n И-ИЛИ 35 обеспечивается совпадение и этот элемент срабатывает, формируя короткий импульс и этим импульсом осуществляется R-сброс всех D-триггеров схемы АЦП 24. Кроме того, триггер 36i в блоке 25 синхронизации возвращается в исходное состояние, что вызывает передачу напрямую по смежной входной шине мультиплексора 37i сигнала W_iбольшей амплитуды на его выход. Это увеличивает частоту генератора 21 и вызывает противоположное предыдущему смещение полосы. Далее процесс повторяется, причем сила взаимодействия исполнительного привода 5 оказывается фиксированной с погрешностью, связанной с дискретом порогов срабатываний пороговых элементов и принятыми номиналами резисторов в блоке 30. Интенсивность работы исполнительного привода 5 фокусировки зависит от значений кодового сигнала, записанного в буферном регистре 38 задатчика 27 позиции фокуса, где F_i кодовый сигнал записи позиции.

В динамическом состоянии осуществляется слежение за поверхностью носителя 10 информации. Конструкция проекционных систем, принятая оптическая схема и структура блока управления реализуют возможность в широком диапазоне изменять позицию фокуса по цифровому кодовому сигналу. Кроме того, это позволяет упразднить вспомогательный лазер, упростить конструкцию путем использования вместо вспомогательного лазера расщепленного луча, входящего в систему. Появляется ряд новых качеств устройства.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее подшипник на газовой смазке с подвижным и неподвижным элементами скольжения, датчик фокусировки с последовательно установленными на оптической оси лазерного источника излучения светоделителем, объективом и носителем информации с информационными дорожками, а также фотоприемным блоком, установленным с возможностью проецирования на него через светоделитель информационных дорожек носителя информации, выходы фотоприемного блока соединены с входами блока управления, выход которого подключен к приводу фокусировки, причем блок управления состоит из двух усилителей, аналого-цифрового преобразователя, генератора, коммутатора, схемы синхронизации, резистивного блока и задатчика позиции фокуса, отличающееся тем, что, с целью повышения точности фокусировки и упрощения конструкции электронной части устройства, в датчик фокусировки введены зеркало и дополнительный объектив, установленный между светоделителем и фотоприемным блоком, а в блок управления схема осреднения, выполненная в виде сумматора на операционном усилителе, генератор выполнен управляемым, фотоприемный блок, дополнительный объектив, светоделитель, зеркало и объектив установлены внутри подвижного элемента скольжения подшипника на газовой смазке, зеркало оптически связано с объективом, а также с фотоприемным блоком через светоделитель и дополнительный объектив, подвижный элемент размещен внутри неподвижного с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазерного источника излучения, привод фокусировки размещен на неподвижном элементе и магнитосвязан с подвижным элементом подшипника на газовой смазке, фотоприемники фотоприемного блока объединены в две группы, в каждой из которых фотоприемники установлены параллельно на краях проекций соответствующих информационных дорожек, группы размещены с параллельным смещением одна относительно другой и подключены в противофазе, усилители блока управления установлены параллельно и их входы подсоединены к входам блока управления, а выходы к входам сумматора, связанного выходом с входом аналого-цифрового преобразователя, первым входом схемы синхронизации и входом резистивного блока, выходы которого соединены с первым групповым входом схемы синхронизации, вход синхронизации и второй групповой вход которого подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы схемы синхронизации соединены с входами управляемого генератора, выход которого через коммутатор подключен к выходу блока управления, при этом схема синхронизации выполнена из N RS-триггеров с объединенными R-входами, выходы которых соединены с управляющими входами N мультиплексоров "2 на 1", подсоединенных выходами к соответствующим выходам схемы синхронизации, сигнальные шины мультиплексоров связаны с первыми и первым групповым входами схемы синхронизации, объединенные R-входы RS-триггеров с входом синхронизации, S-входы RS-триггеров с вторыми групповыми входами схемы синхронизации, а выходы задатчика позиции фокуса соединены с групповыми входами аналого-цифрового преобразователя блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12