СПОСОБ АВТОФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИНФОРМАЦИОННОМ СЛОЕ НОСИТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G11B7/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к системам записи/считывания информации в устройствах оптической памяти с относительным эксплуатационным перемещением носителя информации (т.е. его светочувствительного информационного слоя) и оптической головки, и может быть широко использовано в информационной технике, преимущественно, в высокоскоростных устройствах цифровой звуко- и/или видеозаписи, а также оптических внешних запоминающих устройствах, требующих суперпрецизионного совмещения фокусируемого записывающего и/или считывающего светового пучка со светочувствительным слоем информационной дорожки носителя оптической памяти (информации).

Большинство применяемых в настоящее время методов слежения за информационной дорожкой носителей оптической памяти основано на перемещении фокусирующего средства, которое (т.е. перемещение) должно быть строго согласовано со случайными (непредсказуемыми) изменениями пространственного положения информационной поверхности дорожки (в процессе считывания) или светочувствительного информационного слоя (в процессе записи) носителя информации относительно фокуса светового пучка, которые (т.е. упомянутые изменения пространственного положения) могут возникать вследствие механических вибраций и/или технологической разнотолщинности светочувствительного информационного слоя носителя информации.

В подобных случаях для повышения скорости записи/считывания информации за счет снижения инерционности подвижных фокусирующих элементов необходимо уменьшать массу и, соответственно, размеры фокусирующих средств, что отрицательно (в частности, уменьшение размеров) сказывается на качестве записи/воспроизведения информации при высоких скоростях движения носителя в процессе обмена информацией. При максимально допустимых реализованных в настоящее время скоростях движения носителя информации (до 10000 оборотов в минуту в 50x MAX CD-ROM) средняя скорость обмена информацией не превышает 5 Мбайт/с.

Таким образом, способы, основанные на электронно-механическом слежении и компенсации погрешностей фокусировки световых пучков, исчерпали свои возможности в системах, применяемых для регистрации и считывания больших объемов информации при высоких относительных скоростях движения носителя и фокусируемого светового пучка. Так, например, в устройствах оптической записи/считывания информации на дисковых носителях при высоких скоростях вращения носителя уровни вибраций достигают величин порядка 4g, наблюдается перегрев и ускоренное механическое изнашивание оптико-механических узлов.

Более конкретно, вибрации могут вызвать сход сфокусированного излучения (пучка) с дорожки дискового носителя информации. Если случается сход с дорожки, то следящее сервоуправление, так же, как и фокусирующее сервоуправление, расстраивается и прерывает сигналы воспроизведения или производит неестественные искусственные сигналы воспроизведения. В обычной практике приходится бороться с вибрациями с помощью механически защищающей от сильных сотрясений системы.

Существующие в настоящий момент CD накопители включают источник излучения и некую оптическую систему, которая это излучение фокусирует на рабочую поверхность диска. В этой оптической системе предусмотрено ответвление части отраженного излучения на специальные датчики. Есть несколько различных способов, которые, например, по изменению астигматизма позволяют оценить смещение диска в продольном (т.е. вдоль оси вращения) направлении. Этот сигнал в дальнейшем измеряется, усиливается и используется для того, чтобы управлять положением оптической головки относительно поверхности диска.

Таким образом, традиционный подход, который используется при автофокусировке, основан на измерении по отраженному сигналу смещения по фокусу относительно информащионной поверхности дорожки и управлении (синхронизированном перемещении головки) с помощью систем, например механического или акустического типа. Есть некоторые следящие системы с использованием изменения длины волны излучения. Этот способ позволяет фокусировать луч непосредственно на заданную дорожку или на заданную поверхность.

В частности, известен способ фокусировки оптического излучения на информационном (светочувствительном) слое носителя информации, при котором излучение фокусируют в плоскости светочувствительного слоя носителя. В процессе эксплуатации выделяют сигнал расфокусировки излучения, по которому определяют величину и направление расфокусировки. Далее поддерживают излучение в сфокусированном состоянии в соответствии с сигналом расфокусировки посредством изменения длины волны оптического излучения, генерируемого источником.

Данный способ может быть реализован посредством устройства, в котором в качестве источника излучения используется оптический излучатель, способный в соответствии с управляющими сигналами изменять длину волны излучения, а также устройством с набором из нескольких монохроматических оптических излучателей (см. а.с. SU N 1154709, кл. G 11 B 7/08, 1982 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники способа и устройства для его осуществления следует отнести относительно узкий диапазон компенсации дефокусировки и конструктивную сложность средств компенсации дефокусировки, в частности, необходимость использования набора монохроматических излучателей.

Известно устройство автофокусировки и слежения за информационной дорожкой дискового носителя оптической записи, содержащее последовательно расположенные источник коллимированного излучения, светоделитель, фокусирующий объектив с исполнительным механизмом его перемещения, а также оптически связанные со светоделителем, последовательно расположенные призму специальной формы, линзу и многосекционный фотоприемник, содержащий матрицу фотодиодов автофокусировки и два фотодиода слежения за информационной дорожкой, причем фотоприемник установлен в фокальной плоскости линзы. Устройство также содержит дафференциальный усилитель автофокусировки, дифференциальный усилитель слежения за информационной дорожкой и блок управления исполнительным механизмом перемещения фокусирующего объектива. Причем выходы матрицы фотодиодов автофокусировки соединены со входами усилителя автофокусировки, выходы фотодиодов слежения за информационной дорожкой соединены со входами усилителя слежения за информационной дорожкой, а выходы усилителей соединены с входом блока управления исполнительным механизмом перемещения фокусирующего объектива (см. заявка Японии N 60-287354, кл. G 11 B 7/00, 1985 г.).

Основным недостатком данного известного из уровня техники устройства слежения за информационной дорожкой носителя информации является значительная инерционность системы слежения при синхронизированном (с эксплуатационными смещениями носителя) перемещении фокусирующих оптических элементов в процессе записи/считывания информации. А это влечет за собой снижение скорости записи/считывания и, как следствие, сужает область использования и эксплуатационные возможности устройства в целом.

Кроме того, недостатком этого известного устройства является сложность конструкции, обусловленная тем, что для формирования в нем сигналов ошибок фокусировки и слежения за дорожкой необходимы, как минимум, два последовательно установленных по ходу луча оптических элемента, один из которых представляет собой трудоемкую в изготовлении призму специальной формы.

Известно устройство для автофокусировки и слежения за информационной дорожкой дискового носителя оптической записи, содержащее последовательно установленные источник коллимированного оптического излучения, светоделитель и фокусирующий объектив с исполнительным механизмом даухкоординатного перемещения, а также фотоприемный блок, оптически связанный со светоделителем через фокусирующий элемент, причем выходы слежения за фокусировкой и информационной дорожкой фотоприемного блока соединены, соответственно, с усилителями автофокусировки и слежения за информационной дорожкой. Выходы последних подключены ко входам исполнительного механизма двухкоординатного перемещения фокусирующего объектива через блок управления исполнительным механизмом. Фотоприемный блок выполнен из двух фотоприемников слежения за информационной дорожкой и четырехэлементного матричного фотоприемника слежения за фокусировкой. Фокусирующий элемент выполнен в виде оптического блока и трех линзовых элементов с одинаковой оптической силой и общей задней главной фокальной плоскостью. При этом, оптический блок асимметричен относительно проходящей через его центр плоскости, перпендикулярной к проекции, касательной к информационной дорожке на главную плоскость. Первый линзовый элемент симметричен второму относительно проходящей через центр оптического блока плоскости, параллельной проекции, касательной к информационной дорожке на главную плоскость и перпендикулярной к главной плоскости. Оптические оси первого и второго линзовых элементов проходят соответственно через центры или первого и второго или второго и первого фотоприемников слежения за информационной дорожкой, а оптическая ось третьего линзового элемента проходит через центр четырехэлементного матричного фотоприемника слежения за фокусировкой (см. а.с. SU N 1791846, кл. G 11 B 7/09, 1991 г.).

Известно оптическое запоминающее устройство, содержащее поляризационный светоделитель, с первым входом которого оптически связан первый источник модулированного плоскополяризованного электромагнитного излучения, со вторым входом - второй источник модулированного плоскополяризованного электромагнитного излучения, а с выходом - подвижный носитель информации. Светоделительный элемент размещен на оптической оси излучения между выходом поляризационного светоделителя и подвижным носителем информации. Первый фотоприемный узел оптически связан со вторым выходом светоделительного элемента, второй и третий фотоприемные узлы оптически связаны, соответственно, с первым и вторым выходами второго поляризационного светоделителя. Последний оптически связан с третьим выходом светоделительного элемента. Устройство имеет также узел управления с четырьмя входами и двумя выходами. Первый и второй электрические выходы второго фотоприемного узла подключены к первому и второму входам узла управления, а к его третьему и четвертому входам подключены первый и второй электрические выходы третьего фотоприемного узла. К первому и второму выходам узла управления подключены первый и второй входы двухкоординатного позиционера первого источника модулированного плоскополяризованного электромагнитного излучения (см. а.с. SU N 1835958, кл. G 11 B 7/00, 1989 г.).

К основным недостаткам двух последних из вышеописанных устройств следует отнести необходимость механического перемещения считывающей (записывающей) головки (т.е. фокусирующих оптических средств) для компенсации дефокусировки и осуществления автотрекинга в процессе эксплуатации, что влечет за собой следующие негативные последствия.

Поскольку оптическая головка является инерционной системой, то приходится миминизировать вес и размеры входящих в нее оптических фокусирующих элементов в ущерб оптическим параметрам, поскольку высокая инерционность не позволяет обеспечить скорость записи/считывания выше определенного предела без потери качества. При скоростях 12 Мбит/с, предельно 16 Мбит/с система позволяет осуществлять запись/считывание информации с постоянной линейной скоростью. Для того чтобы плотность записи по всей дорожке была постоянная, необходимо в процессе смещения головки по радиусу соответствующим образом изменять угловую скорость вращения носителя. При этом, если информация считывается с разных участков (разнесенных по радиусу), возникает необходимость в постоянной подстройке оптической инерционной системы в достаточно короткие промежутки времени (50-100 мс). Ввиду значительной инерционности фокусирующей системы при высоких скоростях вращения носителя информации она не успевает перестраиваться за указанный промежуток времени, вследствие чего работает в разнос. Поэтому приходится осуществлять перемещение носителя с постоянной угловой скоростью, что ведет к значительному уменьшению объема информации, записанной на данном носителе.

Наиболее близкими к патентуемым объектам изобретения являются следующие способ автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации и устройство для его осуществления.

Известен способ автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, согласно которому: посредством первой компоненты оптической системы формируют первичное изображение светового сигнала источника излучения, которое фокусируют в зоне зеркальной поверхности отражателя (совмещенного с задней поверхностью оптического клина) средством фокусировки этой компоненты оптической системы; при помощи средства фокусировки второй компоненты оптической системы фокусируют однократно отраженное от упомянутой зеркальной поверхности излучение на информационном (светочувствительном) слое носителя; эксплуатационное (т.е. возникающее в процессе записи-воспроизведения) изменение пространственного положения информационного слоя носителя сопровождают процессом компенсации расфокусировки (относительно этого слоя) упомянутого отраженного излучения, который (процесс компенсации) осуществляют путем перемещения зеркальной поверхности отражателя вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы, причем изменения пространственных положений упомянутых информационного слоя и зеркальной поверхности определенным образом согласуют между собой.

Известно устройство для автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, содержащее отражатель с зеркальной поверхностью (совмещенной с соответствующей поверхностью оптического клина), источник излучения (полупроводниковый лазер) и оптическую систему, которая включает светоделительный элемент, один выход которого оптически связан со средством фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью формирования сфокусированного первичного изображения источника излучения в зоне зеркальной поверхности отражателя, а второй выход упомянутого светоделительного элемента оптически связан со средством фокусировки второй компоненты упомянутой оптической системы с возможностью фокусирования отраженного от упомянутой зеркальной поверхности излучения на информационном (светочувствительном) слое носителя; при этом отражатель снабжен средством перемещения его зеркальной поверхности вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью компенсации расфокусировки (относительно информационного слоя) упомянутого отраженного излучения в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения светочувствительного информационного слоя. Кроме того, устройство содержит датчик фокусировки, оптически связанный со светоделительным элементом, а средство линейного перемещения зеркальной поверхности связано с оптическим клином, имеющим эту поверхность в виде отражающего покрытия. Вход привода перемещения упомянутого оптического клина соединен с выходом датчика фокусировки (см. а.с. SU N 1509996, кл. G 11 B 7/08, 1987 г.).

К основным недостаткам данного известного из уровня техники способа автофокусировки и устройства для его осуществления, как и в предыдущих случаях, следует отнести инерционность системы компенсации дефокусировки ввиду наличия в ней синхронизируемых (с эксплуатационными изменениями пространственного положения фоточувствительного слоя носителя) оптико-механическим методом подвижных элементов (в частности - оптического клина с зеркальной поверхностью), что влечет за собой негативные последствия, аналогичные вышеописанным.

В основу патентуемого изобретения была поставлена задача создания такого способа слежения за информационной дорожкой оптического носителя памяти (а именно - автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации), а также устройства для его реализации, посредством которых обеспечивалась бы возможность компенсации расфокусировки в процессе записи/считывания (воспроизведения) информации исключительно оптическими средствами и методами (т.е. при абсолютной неподвижности фокусирующей оптики) без использования специальных следящих систем адаптивной связи с механическими и/или электромагнитными узлами подстройки оптических средств фокусировки, и, соответственно, расширение функциональных и эксплуатационных возможностей за счет повышения качества записи/считывания информации, преимущественно, дня высокоскоростных носителей, посредством создания безинерционной, чисто оптической системы слежения за информационной дорожкой носителя информации (в данном конкретном случае - системы компенсации расфокусировки) при упрощении конструкции этой системы слежения.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "способ" достигается посредством того, что в способе автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, согласно которому: посредством первой компоненты оптической системы формируют первичное изображение светового сигнала от источника излучения, которое фокусируют в зоне зеркальной поверхности отражателя средством фокусировки этой компоненты оптической системы; при помощи средства фокусировки второй компоненты оптической системы фокусируют отраженное от упомянутой зеркальной поверхности излучение на информационном слое носителя; эксплуатационное изменение пространственного положения информационного слоя носителя сопровождают процессом компенсации расфокусировки, относительно этого слоя, упомянутого отраженного излучения, который осуществляют путем перемещения зеркальной поверхности отражателя вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы, причем изменения пространственных положений упомянутых информационного слоя и зеркальной поверхности определенным образом согласуют между собой, согласно изобретения, перед формированием и фокусировкой первичного изображения светового сигнала в зоне зеркальной поверхности отражателя информационный слой носителя ориентируют вдоль зеркальной поверхности отражателя; изменения пространственных положений информационного слоя носителя и зеркальной поверхности отражателя согласуют таким образом, что их относительное пространственное положение остается неизменным во времени, а в качестве оптической системы используют систему с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α = 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей; k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя.

Целесообразно неизменное во времени относительное пространственное положение информационного слоя носителя и зеркальной поверхности отражателя осуществлять посредством использования в качестве отражателя непосредственно носителя, на котором со стороны, противоположной информационному слою, формируют зеркальную поверхность.

Оптимально первичное изображение светового сигнала источника излучения на зеркальной поверхности отражателя и его сфокусированное на информационном слое носителя вторичное изображение формировать на прямой, совпадающей с общей главной оптической осью упомянутых средств фокусировки первой и второй компонент оптической системы.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения "устройство" достигается посредством того, что в устройстве для автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, включающем отражатель с зеркальной поверхностью, источник излучения и оптическую систему, которая, по меньшей мере, содержит светоделительный элемент, один выход которого оптически связан со средством фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью формирования сфокусированного первичного изображения источника излучения в зоне зеркальной поверхности отражателя, а второй выход этого светоделительного элемента оптически связан со средством фокусировки второй компоненты упомянутой оптической системы с возможностью фокусирования отраженного от зеркальной поверхности излучения на информационном слое носителя; при этом отражатель снабжен средством перемещения его зеркальной поверхности вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью компенсации расфокусировки упомянутого отраженного излучения относительно информационного слоя в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения последнего, согласно изобретения, зеркальная поверхность отражателя расположена вдоль информационного слоя носителя со стороны средства фокусировки первой компоненты оптической системы; средство перемещения зеркальной поверхности отражателя выполнено в виде синхронизатора перемещений, обеспечивающего неизменное во времени относительное пространственное положение упомянутых зеркальной поверхности и информационного слоя в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения последнего, а в качестве оптической системы применена система с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α = 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей, k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя.

Целесообразно в качестве упомянутых отражателя и синхронизатора перемещений использовать непосредственно носитель информации, при этом зеркальная поверхность должна быть сформирована на носителе со стороны, противоположной его информационному слою.

Оптимально главные оптические оси средств фокусировки первой и второй компонент оптической системы располагать на одной прямой.

Допустимо средства фокусировки первой и второй компонент оптической системы выполнять в виде телескопических микрообъективов с одинаковыми фокусными расстояниями, которые оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива первой компоненты апертурной диафрагмы и телескопического оптического блока с линейным увеличением, определяемым следующим соотношением: где β - линейное увеличение телескопического оптического блока, k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя, при этом телескопический блок установлен в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы в задней фокальной плоскости микрообъектава второй компоненты этой оптической системы.

Возможно средства фокусировки первой и второй компонент оптической системы выполнять в виде микрообъективов, произведение продольных увеличений которых, для системы с однократным отражением светового сигнала (излучения) от зеркальной поверхности, равно величине 0,5, при этом упомянутые микрообъективы оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива первой компоненты апертурной диафрагмы и дополнительного объектива, установленного в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы, с увеличением, равным единице, в задней фокальной плоскости микрообъектива второй компоненты этой оптической системы.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 дана принципиальная схема одного из возможных вариантов выполнения устройства для реализации патентуемого способа автофокусировки.

На фиг. 2 - эквивалентная оптическая схема устройства по фиг. 1 (развертка) с указанием хода лучей до и после эксплуатационного изменения пространственного положения информационного (светочувствительного) слоя.

На фиг. 3 - принципиальная схема другого возможного варианта выполнения устройства для реализации патентуемого способа автофокусировки.

На фиг. 4 - эквивалентная оптическая схема устройства по фиг. 3 (развертка) с указанием хода лучей до и после эксплуатационного изменения пространственного положения информационного (светочувствительного) слоя.

На фиг. 5 - выноска I по фиг. 3 с указанием хода лучей до и после эксплуатационного изменения пространственного положения информационного (светочувствительного) слоя.

Физический принцип патентуемого способа автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации заключается в следующем.

Перед началом эксплуатации (т.е. перед формированием и фокусировкой первичного изображения светового сигнала /пучка/ от источника 1 излучения в зоне зеркальной поверхности 2 отражателя) информационный слой 3 носителя 4 информации ориентируют вдоль зеркальной поверхности 2 отражателя. Далее, посредством первой компоненты (т.е. компоненты для трансформации первичного светового сигнала /пучка/, генерируемого источником 1 излучения) оптической системы формируют первичное изображение светового сигнала, генерируемого источником 1 излучения, которое фокусируют в зоне зеркальной поверхности 2 отражателя средством 5 фокусировки этой компоненты оптической системы. Затем, при помощи средства 6 фокусировки второй компоненты (т.е. компоненты для трансформации отраженного от упомянутой зеркальной поверхности 2 светового сигнала /пучка/) оптической системы фокусируют отраженное от зеркальной поверхности 2 излучение на светочувствительном (информационном) слое 3 носителя 4. Эксплуатационное изменение пространственного положения информационного слоя 3 носителя 4 сопровождают процессом компенсации расфокусировки (относительно этого слоя 3) упомянутого отраженного излучения, который (т.е. процесс компенсации расфокусировки) осуществляют путем перемещения зеркальной поверхности 2 отражателя вдоль главной оптической оси 7 средства 5 фокусировки первой компоненты оптической системы. В процессе записи/считывания информации изменения пространственных положений упомянутых информационного слоя 3 и зеркальной поверхности 2 согласуют между собой таким образом, что их относительное пространственное положение остается неизменным во времени (т.е. обеспечивают строгую синхронизацию упомянутых перемещений). При этом в качестве оптической системы используют систему с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α = 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей, k - количество отражений светового сигнала (пучка), генерируемого источником 1 излучения, от зеркальной поверхности 2 отражателя.

Целесообразно неизменное во времени относительное пространственное положение информационного слоя 3 носителя 4 и зеркальной поверхности 2 отражателя осуществлять посредством использования в качестве отражателя непосредственно носителя 4, на котором со стороны противоположной информационному слою 3, формируют зеркальную поверхность 2. Данное условие позволяет упростить процесс синхронизации пространственных перемещений светочувствительного информационного слоя 3 и зеркальной поверхности 2 в процессе эксплуатации носителя 4 информации.

Оптимально первичное изображение светового сигнала источника 1 излучения на зеркальной поверхности 2 отражателя и его сфокусированное на информационном слое 3 носителя 4 отображение (т.е. вторичное изображение) формировать на прямой, совпадающей с общей главной оптической осью 7 упомянутых средств 5 и 6 фокусировки первой и второй, соответственно, компонент оптической системы. Это условие обеспечивает компенсацию расфокусировки как при плоскопараллельном эксплуатационном смещении информационного светочувствительного слоя 3, так и при его угловом смещении, например, относительно оси 8 вращения, в случае использования дискового оптического носителя 4 информации.

Более подробно основные принципы патентуемого способа автофокусировки раскрыты ниже на примере описания работы конкретных вариантов выполнения устройств для реализации вышеназванного способа.

Устройство для автофокусировки оптического излучения на информационном слое 3 носителя 4 информации в общем случае включает отражатель с зеркальной поверхностью 2, источник 1 излучения (например, газовый или полупроводниковый лазер), блок кодирования/декодирования информации, связанный с модулятором лазерного излучения (на чертежах условно не показаны), и оптическую систему. Последняя, по меньшей мере, содержит светоделительный элемент 9, один выход которого оптически связан со средством 5 фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью формирования сфокусированного первичного изображения сигнала от источника 1 излучения в зоне зеркальной поверхности 2 отражателя, а второй выход этого светоделительного элемента 9 оптически связан со средством 6 фокусировки второй компоненты упомянутой оптической системы с возможностью фокусирования отраженного от зеркальной поверхности 2 излучения (сигнала) на информационном слое 3 носителя 4. Отражатель снабжен средством перемещения его зеркальной поверхности 2 вдоль главной оптической оси 7 средства 5 фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью компенсации расфокусировки (относительно информационного слоя 3) упомянутого отраженного излучения в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения последнего. Зеркальная поверхность 2 отражателя расположена вдоль информационного слоя 3 носителя 4 со стороны средства 5 фокусировки первой компоненты оптической системы. Средство перемещения зеркальной поверхности 2 отражателя выполнено в виде синхронизатора перемещений, обеспечивающего неизменное во времени относительное пространственное положение упомянутых зеркальной поверхности 2 и информационного слоя 3 в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения последнего. В качестве оптической системы применена система с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α = 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей, k - количество отражений светового сигнала (генерируемого источником 1 излучения) от зеркальной поверхности 2 отражателя.

Целесообразно в качестве упомянутых отражателя и синхронизатора перемещений использовать непосредственно носитель 4 информации, при этом зеркальная поверхность 2 должна быть сформирована на носителе 4 со стороны, противоположной его информационному слою 3. Это в значительной мере упрощает конструкцию устройства.

Оптимально главные оптические оси 7 средств 5 и 6 фокусировки первой и второй, соответственно, компонент оптической системы располагать на одной прямой. Это расширяет эксплуатационные возможности устройства.

Согласно одного из вариантов конструктивного выполнения патентуемого устройства (см. фиг. 1 и фиг. 2) средства 5 и 6 фокусировки первой и второй, соответственно, компонент оптической системы могут быть выполнены в виде телескопических микрообъективов с одинаковыми фокусными расстояниями, которые (т.е. упомянутые микрообъективы) оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива первой компоненты (соответствующего средству 5 фокусировки) апертурной диафрагмы 10 и телескопического оптического блока 11 с линейным увеличением, определяемым следующим соотношением: где β - линейное увеличение телескопического оптического блока 11, k - количество отражений светового сигнала (генерируемого источником 1 излучения) от зеркальной поверхности 2 отражателя.

Упомянутый телескопический блок 11 установлен в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы 10 в задней фокальной плоскости микрообъектива (соответствующего средству фокусировки 6) второй компоненты этой оптической системы (упомянутое отображение диафрагмы 10 на фиг. 1 и фиг. 2 обозначено позицией 12).

Размещение апертурной диафрагмы и ее отображения (т.е. вторичного изображения) в задних фокальных плоскостях упомянутых микрообъективов обеспечивает телецентрический ход лучей в оптической системе. При этом продольное увеличение оптической системы сохраняется постоянным в достаточно большом диапазоне эксплуатационных перемещений (т. е. изменений пространственных положений) носителя информации.

Согласно другого варианта выполнения патентуемого устройства (см. фиг. 3 и фиг. 4) средства фокусировки 5 и 6 первой и второй, соответственно, компонент оптической системы могут быть выполнены в виде микрообъективов, произведение продольных увеличений которых (в частности, для оптической системы с однократным отражением светового сигнала /пучка/, генерируемого источником 1 излучения, от зеркальной поверхности 2) близко или равно величине 0,5. При этом упомянутые микрообъективы оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива (соответствующего средству фокусировки 5) первой компоненты апертурной диафрагмы 10 и дополнительного объектива 13, установленного в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы 10 (с увеличением, равным единице) в задней фокальной плоскости микрообъектива (соответствующего средству фокусировки 6) второй компоненты этой телецентрической оптической системы (упомянутое отображение диафрагмы 10 на фиг. 3 и фиг. 4 обозначено позицией 12).

Принцип работы устройства для автофокусировки оптического излучения на информационном слое 3 носителя 4 информации рассмотрен ниже, для случая использования в качестве носителя 4 информации оптического диска в системе записи информации на светочувствительном (информационном) слое 3 оптического диска.

Как известно, современные оптические диски имеют зеркальное отражающее покрытие (соответствующее, согласно изобретения, зеркальной поверхности 2), расположенное вдоль фоточувствительного (информационного) слоя 3 вблизи последнего, которое необходимо для того, чтобы обеспечить возврат считывающего светового пучка (сигнала), генерируемого источником 1 излучения (преимущественно, лазерного).

Также известно, что при смещении зеркала (зеркальной поверхности 2) относительно объекта отражения смещается и любая точка отражения этого объекта в зеркале, причем смещается ровно на удвоенную величину (относительно некой плоскости отсчета) по сравнению с величиной смещения непосредственно зеркала (зеркальной поверхности 2) относительно упомянутой плоскости отсчета.

То есть, если сфокусировать генерируемое оптическим источником 1 излучение вблизи зеркальной (отражающей) поверхности 2 оптического диска (с одной стороны этого диска, например, посредством объектива), то при эксплуатационном изменении пространственного положения (т.е. смещении) этого диска точка фокуса объектива, отраженная в зеркале, будет смещаться строго на удвоенную величину смещения зеркальной поверхности 2 этого диска. При этом, если отображенный сигнал подвести к противоположной стороне диска и попытаться сфокусировать (например, посредством объектива) этот сигнал на светочувствительном информационном слое 3 носителя 4 информации при продольном увеличении трансформирующей упомянутый сигнал оптической системы, равном единице, то это обеспечить не удается, поскольку изображение фокуса будет смещаться в направлении смещения зеркальной поверхности 2 диска в два раза быстрее (т. е. на удвоенную величину по сравнению с величиной смещения упомянутой поверхности диска). Для того, чтобы вторичное изображение фокуса (т. е. фокус, формируемый посредством компоненты обратного хода оптической системы) смещалось с той же скоростью, что и зеркальная поверхность 2 (а соответственно, и информационный слой 3) диска (т.е. на ту же величину, что и упомянутые зеркальная поверхность 2 и/или информационный слой 3), необходимо обеспечить в компоненте обратного хода оптической системы продольное увеличение α , близкое или (в оптимальном случае) равное величине 0,5, что обеспечит уменьшение величины смещения вторичного изображения фокуса в области светочувствительного (информационного) слоя 3 носителя 4 информации в два раза. В этом случае при любой величине смещения диска вдоль оси 8 его вращения фокусировка отраженного от зеркальной поверхности 2 диска светового сигнала (пучка) будет обеспечиваться строго на светочувствительном информационном слое 3 носителя 4 информации (в частности, оптического диска).

Если в упомянутой компоненте обратного хода обеспечить многократное отражение светового сигнала (пучка) от зеркальной поверхности 2 отражателя, то для обеспечения синхронного перемещения фокуса светового сигнала (пучка) и информационного слоя 3 необходимо уменьшить коэффициент продольного увеличения оптической системы в отношении, равном количеству отражений k светового сигнала (генерируемого источником 1 излучения) от зеркальной поверхности 2.

Для конкретных промышленно применимых оптических систем (см. фиг. 1 - фиг. 5 графических материалов заявки) записи информации на оптические диски работа (т. е. способ записи информации с возможностью компенсации дефокусировки исключительно оптическим методом без использования инерционных узлов коррекции фокусировки) осуществляется следующим образом.

Световой сигнал (пучок), например, генерируемый газовым или полупроводниковым лазером модулируется электро- или акустическим модулятором (в графических материалах условно не показанным) в соответствии с сигналом блока кодирования информации (также условно не показанным в графических материалах). Плоскость поляризации лазерного излучения (пучка) ориентирована так, что оно практически без отражения проходит поляризационное покрытие светоделительного элемента 9 (светоделительного кубика). После прохождения четвертьволновой пластинки 14 излучение (ставшее циркулярно поляризованным), отразившись от зеркала 15, попадает в фокусирующий объектив (соответствующий средству фокусировки 5) первой компоненты оптической системы, посредством которого оно (т.е. излучение) фокусируется на зеркальной отражающей поверхности 2 носителя 4 (в виде оптического диска). Следует отметить, что фокусировку целесообразно осуществлять не строго на упомянутой зеркальной поверхности 2, а вблизи нее для того, чтобы царапины, пыль на зеркальной отражающей поверхности 2 не оказывали влияние на структуру и геометрию пучка. Отразившись от зеркальной поверхности 2 оптического диска, излучение в обратном порядке проходит через вышеупомянутый фокусирующий объектив, отражается зеркалом 15 и, после прохождения четвертьволновой пластинки 14, меняет поляризацию таким образом, что при прохождении через светоделительный элемент 9 поток отраженного излучения полностью отражается от его светоделительного покрытия и, в дальнейшем, отразившись от зеркал 16 и 17, попадает в фокусирующий объектив (соответствующий средству фокусировки 6) второй компоненты оптической системы, посредством которого фокусируется на светочувствительном информационном слое 3 оптического диска.

В результате проявляется вышеописанный эффект "зеркала". То есть, при смещении отражающей зеркальной поверхности 2 носителя 4 информации (совместно с этим носителем 4) на величину Δ относительно своего предыдущего положения, изображение фокуса смещается относительно этого нового положения (которое на чертежах обозначено пунктиром с позицией 2¹) зеркальной поверхности 2 на величину 2Δ. При условии использования оптической системы с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, равным 0,5 (при однократном отражении оптического излучения, генерируемого источником 1, от зеркальной поверхности 2, т. е. при k = 1), плоскость изображения также сместится на величину Δ, то есть изображение "последует" за диском и, соответственно, всегда будет фокусироваться на его информационном слое 3 (смещенное положение информационного слоя 3 на чертежах обозначено пунктиром с позицией 3¹).

Следует отметить, что это условие выполняется абсолютно точно, если расстояние между отражающей зеркальной поверхностью 2 и информационным слоем 3 остается практически неизменным (например, при толщине подложки носителя 4 информации, близкой к нулю). В противном случае (т.е. при конечной толщине подложки) технологически достаточно сложно обеспечить постоянство ее толщины на всех участках. Так, например, у компакт-дисков толщина подложки в пределах одного оборота может меняться на 10 ... 20 мкм. В связи с тем, что фокусировка светового сигнала (пучка) на информационный слой (см. фиг. 3 и фиг. 5) осуществляется через прозрачную подожку, изменение ее толщины будет вызывать дефокусировку излучения. Для устранения этого недостатка носитель 4 информации можно поместить в иммерсионную среду 18 с показателем преломления, близким к показателю преломления материала подложки (например, так, как это сделано в опубликованной заявке на изобретение N 94010467, кл. G 11 B 7/24, 1995 г.). Можно также ограничиться применением иммерсионной среды 18 только со стороны подложки (т.е. со стороны информационного слоя 3, см. фиг. 3 и фиг. 5). В этом случае, однако, коэффициент продольного увеличения оптической системы необходимо уменьшить в n раз, где n - коэффициент, равный отношению коэффициентов преломления иммерсионной среды 18 и среды, с которой граничит отражающая зеркальная поверхность 2 носителя 1 информации.

Предложенные способ автофокусировки и устройства для его промышленной реализации могут быть использованы как при записи, так и при считывании информации с любого известного из уровня техники носителя информации при наличии на нем соответствующим образом расположенного отражающего покрытия (с учетом того, что в случае считывания информации ход лучей в телецентрической оптической системе меняется на противоположный).

В предлагаемых технических решениях в качестве опорного движущегося зеркала используется непосредственно зеркальная отражающая поверхность 2 носителя 4 информации (записи), а синхронизация смещения фокуса светового пучка с движением носителя 4 осуществляется посредством дополнительной компоненты оптической системы в цепи обратной связи с регулируемым коэффициентом продольного увеличения.

Практическое осуществление патентуемого способа автофокусировки было осуществлено на экспериментальном макете установки для его реализации, в которой в качестве фокусирующего элемента использовался стандартный микрообъектив с числовой апертурой NA = 0,14. При этом была обеспечена компенсация дефокусировки при смещениях имитатора оптического диска из фокуса микрообъектива в пределах до 2 мм в поле зрения порядка 0,2 мм (на поверхности имитатора).

Применение патентуемого способа автофокусировки оптического излучения на информационном слое 3 носителя 4 информации и устройства для его осуществления снимает ограничения на размеры и массу фокусирующих оптических элементов системы записи/считывания (в силу абсолютной неподвижности этих элементов), а также на скорость движения носителя 4 информации, в силу безинерционности обратной связи (оптическая компенсация дефокусировки). Более того, при использовании патентуемых технических решений, например, совместно с подсветкой носителя 4 записи широким световым лучом и считывании информации одновременно с сотен и даже тысяч дорожек устраняется необходимость в системе автотрекинга (слежения за дорожками), точнее в механической составляющей этой системы, так как из считываемого с ПЗС камеры изображения всегда можно выделить информацию, соответствующую заданной дорожке, при условии, что последняя находится в пределах поля зрения камеры.

Еще один очень перспективный вариант промышленного использования рассматриваемых способа автофокусировки и устройств для его осуществления - это использование патентуемых технических решений в системах (носителях информации) с объемной памятью. В этом случае патентуемые способ автофокусировки и устройства для его осуществления позволяют обеспечивать запись/считывание информации на определенном слое оптического носителя, а при настройке оптической системы на этот слой фокус считывающего (или записывающего) светового пучка всегда будет находиться в заданном слое, независимо от того, какие искажения будут вносить технологические погрешности изготовления носителя информации и/или его эксплуатационные изменения пространственного положения и формы (т. е. изменения пространственного положения зеркальной поверхности и соответствующего светочувствительного информационного слоя, соответственно, в определенных допустимых пределах).

Следует также отметить, что патентуемые способ автофокусировки и устройство для его осуществления могут быть промышленно использованы как для дисковых носителей информации, так и для гибких, в том числе - оптической ленты. Возможна, в частности, реализации системы на базе ПЗС линейки или набора ПЗС линеек, полностью охватывающих носитель информации по ширине таким образом, что для эксплуатации необходимо обеспечить только одно вращательное (для дисковых носителей) или поступательное (для ленточных носителей) перемещение.

Использование патентуемых способа автофокусировки и устройства для его реализации в системах оптической записи/считывания информации позволяет достичь скорости записи/считывания информации до 100 Мбайт/с. Время доступа, при этом, будет составлять:
- в случае применения оптической ленты - от 1 до нескольких минут и ограничивается только прочностью ленты;
- в случае применения жестких или гибких оптических дисков - 5 ... 10 мс.

Изобретение относится к области записи или воспроизведения сигналов в устройствах оптической памяти. Сущность изобретения: информационный слой (ИС) носителя информации ориентируют вдоль зеркальной поверхности (ЗП) отражателя. Посредством первой компоненты оптической системы (КОС) формируют первичное изображение светового сигнала от источника излучения и фокусируют его в зоне ЗП средством фокусировки этой КОС. При помощи средства фокусировки второй КОС фокусируют отраженное от ЗП излучение на ИС носителя. Процесс компенсации расфокусировки осуществляют перемещением ЗП отражателя вдоль оптической оси средства фокусировки первой КОС. Перемещение ЗП и эксплуатационное изменение пространственного положения ИС согласуют так, что их относительное положение остается неизменным во времени. В качестве оптической системы используют систему с продольным увеличением, определяемым по формуле. Описано также устройство для реализации способа, содержащее отражатель с ЗП, источник излучения и оптическую систему со светоделительным элементом, оптически связанным с первой и второй КОС. ЗП и ИС могут быть сформированы с противоположных сторон носителя записи. Такое техническое решение обеспечивает компенсацию расфокусировки исключительно оптическими средствами и методами при неподвижности фокусирующей оптики, что позволяет избежать запаздывании в следящих системах с механически перемещаемыми исполнительными элементами и, как следствие, повысить скорость записи и воспроизведения информации. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, согласно которому посредством первой компоненты оптической системы формируют первичное изображение светового сигнала от источника излучения и фокусируют его в зоне зеркальной поверхности отражателя средством фокусировки этой компоненты оптической системы, при помощи средства фокусировки второй компоненты этой же оптической системы фокусируют отраженное от упомянутой зеркальной поверхности излучение на информационном слое носителя, эксплуатационное изменение пространственного положения информационного слоя носителя сопровождают процессом компенсации расфокусировки относительно этого слоя упомянутого отраженного излучения, который осуществляют путем перемещения зеркальной поверхности отражателя вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы, причем изменения пространственных положений упомянутых информационного слоя и зеркальной поверхности определенным образом согласуют между собой, отличающийся тем, что перед формированием и фокусировкой первичного изображения светового сигнала в зоне зеркальной поверхности отражателя информационный слой носителя ориентируют вдоль зеркальной поверхности отражателя, изменения пространственных положений информационного слоя носителя и зеркальной поверхности отражателя согласуют так, что их относительное пространственное положение остается неизменным во времени, а в качестве оптической системы используют систему с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α - 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей, k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя. 2. Способ автофокусировки по п.1, отличающийся тем, что неизменное во времени относительное пространственное положение информационного слоя носителя и зеркальной поверхности отражателя осуществляют посредством использования в качестве отражателя непосредственно носителя, на котором со стороны, противоположной информационному слою, формируют зеркальную поверхность. 3. Способ автофокусировки по п. 1, отличающийся тем, что первичное изображение светового сигнала от источника излучения на зеркальной поверхности отражателя и его сфокусированное на информационном слое носителя вторичное изображение формируют на прямой, совпадающей с общей главной оптической осью упомянутых средств фокусировки первой и второй компонент оптической системы. 4. Устройство для автофокусировки оптического излучения на информационном слое носителя информации, включающее отражатель с зеркальной поверхностью, источник излучения и оптическую систему, которая по меньшей мере содержит светоделительный элемент, один выход которого оптически связан со средством фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью формирования сфокусированного первичного изображения источника излучения в зоне зеркальной поверхности отражателя, а второй выход этого светоделительного элемента оптически связан со средством фокусировки второй компоненты упомянутой оптической системы с возможностью фокусирования отраженного от зеркальной поверхности отражателя излучения на информационном слое носителя, при этом отражатель снабжен средством перемещения его зеркальной поверхности вдоль главной оптической оси средства фокусировки первой компоненты оптической системы с возможностью компенсации расфокусировки упомянутого отраженного излучения относительно информационного слоя в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения этого слоя, отличающееся тем, что зеркальная поверхность отражателя расположена вдоль информационного слоя носителя со стороны средства фокусировки первой компоненты оптической системы, средство перемещения зеркальной поверхности отражателя выполнено в виде синхронизатора перемещений, обеспечивающего неизменное во времени относительное пространственное положение упомянутых зеркальной поверхности и информационного слоя в процессе эксплуатационного изменения пространственного положения последнего, а в качестве оптической системы применена система с телецентрическим ходом лучей и продольным увеличением, близким или равным следующей величине: α - 0,5/k, где α - продольное увеличение оптической системы с телецентрическим ходом лучей, k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя. 5. Устройство для автофокусировки по п.4, отличающееся тем, что в качестве упомянутых отражателя и синхронизатора перемещений использован непосредственно носитель информации, при этом зеркальная поверхность сформирована на носителе со стороны, противоположной его информационному слою. 6. Устройство для автофокусировки по п.4, отличающееся тем, что главные оптические оси средств фокусировки первой и второй компонент оптической системы расположены на одной прямой. 7. Устройство для автофокусировки по п.4, отличающееся тем, что средства фокусировки первой и второй компонент оптической системы выполнены в виде телескопических микрообъективов с одинаковыми фокусными расстояниями, которые оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива первой компоненты апертурной диафрагмы и телескопического оптического блока с линейным увеличением, определяемым следующим соотношением: где β - линейное увеличение оптического блока, k - количество отражений светового сигнала, генерируемого источником излучения, от зеркальной поверхности отражателя, при этом телескопический блок установлен в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы в задней фокальной плоскости микрообъектива второй компоненты этой оптической системы. 8. Устройство для автофокусировки по п.4, отличающееся тем, что средства фокусировки первой и второй компонент оптической системы выполнены в виде микрообъективов, произведение продольных увеличений которых для системы с однократным отражением излучения от зеркальной поверхности, равно величине 0,5, при этом упомянутые микрообъективы оптически сопряжены между собой посредством расположенной в задней фокальной плоскости микрообъектива первой компоненты апертурной диафрагмы и дополнительного объектива, установленного в оптической системе с возможностью отображения упомянутой диафрагмы, с увеличением, равным единице, в задней фокальной плоскости микрообъектива второй компоненты этой оптической системы.