DE2417000A1

DE2417000A1 - Elektrisch gesteuertes lichtablenksystem

Info

Publication number: DE2417000A1
Application number: DE19742417000
Authority: DE
Inventors: Claude Bricot; Roland Malissin
Original assignee: Thomson-Brandt SA
Current assignee: Thomson-Brandt SA
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-08
Publication date: 1974-10-17
Also published as: JPS5053055A; IT1007389B; FR2224828A1

Description

IHOMSOlT - BRAIiDT
173, Bd. Haussmann
PAR I S / Frankreich

Unser Zeichen: T 1559

Elektrisch gesteuertes Lichtablenksystem

Die Erfindung betrifft ein elektrisch gesteuertes System zum Ablenken von Licht und seine Anwendung bei einer ' Vorrichtung zum optischen Lesen von auf einer Spur aufgezeichneten Informationen. In bestimmten Anwendungsfällen, wie dem Verfolgen einer Aufzeichnungsspur durch einen optischen Leser, möchte man eine Lichtablenkung mit Hilfe von Fehlersignalen erreichen, deren Amplitude äußerst klein ist. Man muß folglich von einem optischen Winkelvervielfacher Gebrauch machen. Diese Vorrichtung hat im allgemeinen zwei Spiegel, die einen '

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veränderlichen Winkel bilden, was zur Folge hat, daß das Ablenksystem kompliziert und zerbrechlich wird.

Durch die Erfindung soll ein System geschaffen werden, welches gleichzeitig robust und äußerst empfindlich ist und das Ändern der Richtung eines Lichtbündels in Abhängigkeit von einer elektrischen Größe ermöglicht, damit eine Abtastung ausgeführt oder eine Signalplatte verfolgt wird.

Die Erfindung geht von einem System aus, welches mindestens zwei mit einem guten Reflexionsvermögen für Lichtwellen ausgestattete Oberflächen hat und in der Lage ist, bei dem Empfang eines elektrischen Signals eine veränderliche Stellung einzunehmen. Ein solches System ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine der Oberflächen fest mit einem bimorphen elektromechanischen Wandlerelement aus piezoelektrischer Keramik verbunden ist.

Die Erfindung und die Merkmale seiner Anwendung bei dem optischen Lesen werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines bimorphen elektromechanischen Wandlers, dessen eine Fläche eine reflektierende Schicht gemäß der Erfindung trägt,

Fig. 2 eine erläuternde Darstellung,

Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung des Systems nach der Erfindung,

die Fig.

4 und 5 Abwandlungen der Erfindung,

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Fig. 6 das Prinzip der Anwendung der Erfindung

bei einem optischen Leser zum Lesen einer Spur auf einem Substrat,

die Fig.

7 und 8 in Seitenansicht bzw. Draufsicht ein Ausführungsbeispiel des optischen Lesers, und

Fig. 9 schematisch ein praktisches Ausführungsbeispiel einer optischen Lesevorrichtung, die mit einem System nach der Erfindung ausgerüstet ist.

Ein gewöhnlich auch als piezoelektrische Bikeramik bezeichneter bimorpher elektromechanischer Wandler, wie etwa der in Fig. 1 dargestellte, besteht aus zwei piezoelektrischen Keramikschichten 1 und 2, die mit sehr starker Haftkraft auf zwei gegenüberliegende Flächen einer zentralen Metallplatte 3 mit der gleichen Oberfläche aufgeklebt sind. Die den geklebten Flächen gegenüberliegenden Flächen sind mit Metallüberzügen 11 und 21 versehen, die mit der zentralen Platte 3 die Elektroden der Bikeramik bilden. Die Keramikschichten 1 und 2 sind so ausgebildet, daß sie remanente Polarisationen A bzw. B aufweisen, die zu den Elektroden antiparallel gerichtet sind. Es ist bekannt, daß unter diesen Bedingungen das Anlegen eines elektrischen Feldes E, welches zu den Elektroden senkrecht ist, eine Zusammenziehung oder Ausdehnung (gemäß der Richtung des elektrischen Feldes E) in einer zu den Elektroden parallelen Vorzugsrichtung E erzeugt. In dem Fall von Fig. 1 sind die Auswirkungen ein und desselben elektrischen Feldes E auf jede Schicht entgegengesetzt gerichtet, wodurch die Krümmung der Vorrichtung aufgrund der zu den Längsdilatationen und -kontraktionen entgegengesetzten Beanspruchungen durch das Aufkleben der Schichten auf die Platte hervorgerufen wird.

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In der Praxis wird das Feld E dadurch erzeugt, daß zwischen den Elektroden 11 und 21 ein Potentialunterschied angelegt wird. Zu diesem Zweck sind die Elektroden über Schaltungsverbindungen 12 und 13 an Versorgungsklemmen 14 und 15 angeschlossen. Die Klemme ist beispielsweise an Masse und die Klemme 14 an eine positive oder negative Steuerspannung angeschlossen.

Die Bikeramik ist außerdem mit einer Schicht 110 aus einem Material mit gutem Reflexionsvermögen versehen, welches eine reflektierende Schicht bildet, die in der Lage ist, den Verformungen der Bikeramik zu folgen. In Fig. 2 ist eine Bikeramik 10 der in Fig.1 dargestellten Art gezeigt, deren eines Ende 21 in einen feststehenden Block 20 fest eingespannt ist. Im Ruhezustand, d.h. wenn keine Steuerspannung vorhanden ist, ist die Platte geradlinig, was in gestrichelter Linie durch den Abschnitt der Geraden MN dargestellt ist. Bei einem bestimmten Wert der Steuerspannung verformt sich unter der Einwirkung der auf die Schichten 1 und 2 ausgeübten, entgegengesetzt gerichteten Beanspruchungen die Mittelplatte 3 gemäß der Linie MN₁, bei welcher es sich gemäß den Gesetzen der Mechanik um einen in dem Punkt M zu dem Abschnitt MN tangentialen Kreisbogen handelt. Die mit Metallüberzügen versehenen Flächen der Schichten und 2 sowie die Schicht 110 verformen sich im wesentlichen identisch.

In Fig. 3 ist in einem schematischen Schnitt ein optischer Winkelübersetzer oder Winkelvervielfacher dargestellt, der aus einem feststehenden Spiegel 33 und einem beweglichen Spiegel besteht, bei welchem es sich um nichts anderes als um die reflektierende Fläche der Schicht der Bikeramik handelt. Wenn keine Steuerspannung vorhanden ist, ist diese Fläche plan und nimmt die Lage 31 parallel zu dem feststehenden Spiegel 33 ein. Bei einem bestimmten Wert der Spannung nimmt die Fläche eine Lage

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ein, die durch den Kreisbogen 32 im Schnitt dargestellt ist. Ein Lichtstrahl R mit fester Richtung, der in den Raum zwischen den beiden Spiegeln eindringt, erfährt eine bestimmte Anzahl von Reflexionen, beispielsweise bei I₁ und bei J₁, auf der Fläche 31 und tritt in der .Richtung R₁ aus.

Wenn der bewegliche Spiegel die Lage 32 einnimmt, werden die Reflexionspunkte auf letzterem I₂ und J₂-An diesen Punkten stellt.man eine Drehung des neuen reflektierten Strahls in bezug auf den vorherigen fest. Wenn bei I₁ und I» die Normalen auf die reflektierenden Flächen 31 und 32 einen Winkel α₁ bilden, bildet der neue reflektierte Strahl einen Winkel von 2Ci₁ mit dem vorherigen Strahl. Das gleiche gilt bei J₁ und J₃, wobei ct.. durch ct~ ersetzt ist. Das Ergebnis der Verschiebung der Fläche zwischen den Lagen 31 und 32 ist deshalb schließlich eine Ablenkung des austretenden Strahls R₃ mit Bezug auf den austretenden Strahl R₁. Für die Amplitude dieser Ablenkung gilt:

θ = 2(Ct₁ + a-)

Diese Beziehung ist mit derjenigen zu vergleichen, die man erhalten würde, wenn die Lage 32 eine Gerade wäre, die mit der Lage 31 den Winkel a« bildet:

θ = 4(X₁

Infolge der regelmäßigen Krümmung der Fläche in der Lage 32 nimmt der Winkel der Normalen längs des Umfangsbogens beständig zu und man hat:

^α2^>α1

Man stellt folglich aufgrund der Verwendung eines auf eine Fläche der piezoelektrischen Bikeramik aufgebrachten Spiegels, der der Krümmung derselben folgt, eine Ablenkungsverstärkung fest.

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Bei einer Abwandlung der. Erfindung, die schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, verwendet man zwei Bikeramiken, von welchen lediglich die reflektierenden Flächen 41 und 42 dargestellt sind. Die beiden Bikeramiken sind derart angeordnet, daß sie bei einem bestimmten Wert der Steuerspannung gleiche und entgegengesetzt gerichtete Krümmungen annehmen. Eine Überlegung analog zu der, die in bezug auf den Weg der Strahlen in dem Fall von Fig. 3 angestellt worden ist, zeigt, daß für die Ablenkung des austretenden Strahls R- mit Bezug auf den Strahl (nicht dargestellt), der austritt, wenn keine Steuerspannung vorhanden ist, gilt:

θ = 2(α- + «2 ^{+ α}3 ⁺ "4)

wobei α../ α», α., und α. die Winkel der Normalen in den Reflexionspunkten auf die gekrümmten Flächen mit den Normalen auf die Flächen in dem Ruhezustand für jede Biker amik sind. Bei dieser Abwandlung ist die Auswirkung der Winkelvervielfachung" folglich größer.

Wenn jedoch die Schicht 110 einen großen Teil der Länge der gekrümmten Fläche der Bikeramik einnimmt, was bei den Figuren 3 und 4 der Fall ist, stellt man fest, daß ein Lichtbündel von parallelen Strahlen mit einer bestimmten Breite aus der Vorrichtung austritt und dabei ein Bündel von divergenten Strahlen ergibt. Es ist folglieh ein Divergenzeffekt des optischen Systems vorhanden, wobei es sich.um einen Fehler handelt, den man, wenn erforderlich, durch ein zusätzliches optisches System korrigiert.

Wenn die Divergenz des Bündels beseitigt werden soll, verwendet man die Vorrichtung von Fig. 5. Eine Zweischichtkeramik 50 ist wie die von Fig. 2 in einen feststehenden Block 20 fest eingespannt. Sie trägt an ihrem Ende einen Spiegel 51, der ausreichend klein und ausreichend starr ist, damit er durch die Krümmung der Bikeramik nicht verformt wird. Ein feststehender Spiegel

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ist parallel zu dem Spiegel 51 in seiner Ruhelage angeordnet .

Eine solche Vorrichtung hat folgende Vorteile:

- Einfachheit und Robustheit der Vorrichtung;

- es besteht die Möglichkeit, eine kurze und folglich eine kleine mechanische Zeitkonstante aufweisende Bikeramik zu verwenden;

- gute Linearität des Lichtablenksystems, wenn man nur mit sehr kleinen Verformungen der Bikeramik arbeitet, was aufgrund des Vorhandenseins des Winkelvervielfachers möglich ist; und

- Empfindlichkeit der Vorrichtung, die eine große Ablenkung des Lichtbündels bei einer sehr kleinen Steuerspannung der Bikeramik liefern kann.

Die Erfindung ist bei der Herstellung einer Vorrichtung zum optischen Lesen einer auf einem Substrat angeordneten, Information tragenden Spur anwendbar. Wenn eine Information auf einem Substrat in Form von aufeinanderfolgenden Prägungen oder Eintragungen aufgezeichnet ist, die eine schmale Spur bilden, erfordert bekanntlich die Wiedergabe der Information, daß die Spur unter einem Lesekopf vorbeigeführt wird. Wenn es sich um eine spiralförmige Spur (Fall der Platten oder rotierenden Trommeln) oder um parallele Spuren (Fall der Bänder) handelt, so muß man das Abspielen der Spur mit einer Relativquerverschiebung des Lesers und des Informationsträgers koordinieren.

In dem Fall des Lesens durch ein Lichtbündel, welches durch einen optischen Leser auf die Spur fokussiert ist, kann man sich nicht mit einer ungefähren Verschiebung des Lichtbündels über der aufgezeichneten Spur begnügen.

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Der Informationsträger führt nämlich unvermeidlich kleine Störbewegungen aus_f die insbesondere zu der Abspielrichtung senkrechte Komponenten enthalten, die insbesondere durch RestexzertrizSäten in dem Fall von rotierenden Platten oder durch Führungsfehler in dem Fall von linear abgespielten Bändern hervorgerufen werden.

Das Problem der Spurverfolgung, das sich durch das optische Lesen ergibt, wird besonders schwierig, wenn es sich um Spuren mit äußerst geringer Breite in der Größenordnung von Mikron handelt, die durch einen Zwischenraum in derselben Größenordnung getrennt sind, was bei der Aufzeichnung von Fernsehsignalen auf einen Informationsträger in Form einer "Videoplatte" der Fall ist. In diesem Fall arbeiten die gewöhnlich zum Ablenken des Lesebündels verwendeten "optischen Motoren" an den Grenzen ihrer Möglichkeiten.

Bekanntlich verwendet man zum Betätigen eines "optischen Motors" eine Fehlerspannung, die durch einen Fühler erzeugt und zweckmäßig verstärkt wird. Diese Spannung wirkt auf ein elektromechanisches Organ ein, bei welchem es sich um einen "Lautsprechermotor", der eine einfache Translationsbewegung des Lesekopfes erzeugt, oder um eine Galvanometerdrehspule handeln kann, die eine Drehung erzeugt, welche beispielsweise mit Hilfe eines Drehspiegels vor der Fokussierung auf das Lichtbündel ausgeübt wird.

Bei Verwendung des Lichtablenksystems nach der Erfindung erreicht man die Verfolgung der Spur dadurch, daß auf das Lesebündel ohne ReIatiwerSchiebung des Kopfes und des Informationsträgers eingewirkt wird. Dieses Prinzip ist in Fig. 6 dargestellt. Ein ebener Aufzeichnungsträger 6, der im Teilschnitt dargestellt ist, trägt eine Aufzeichnung, die in eine spiralförmige Spur eingetragen ist, von welcher die aufeinanderfolgenden Schnitte mit der

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Schnittebene in Form von Scharten 60, 61 und 62 stark vergrößert dargestellt sind, um die Deutlichkeit der Zeichnung zu verbessern. Ein Objektiv 64, welches Teil eines nicht dargestellten Lesekopfes ist, ist derart angeordnet, daß seine optische Achse OX die Scharte 60 schneidet. Ein Lichtbündel 63 von parallelen Strahlen ist auf dem Grund der Scharte 60 fokussiert. Durch eine nicht dargestellte Vorrichtung, bei welcher es sich um ein Ablenksystem nach der Erfindung handeln kann, kann man das Bündel 63 derart drehen, daß es die Extremlagen 631 und 632 einnimmt, deren Achsen zu den Richtungen Ox₁ bzw. Ox₂ parallel sind und den Aufzeichnungsträger in den Punkten 61 bzw. 62 schneiden. Die gebrochenen Bündel 633 und 634 sind demzufolge in diesen Punkten fokussiert. Zwischen diesen Extremlagen sind sämtliche Zwischenlagen möglich. Beispielsweise beträgt die Teilung der Spirale 2,5 Mikron und die mögliche Mittenverlagerung - 1OO Mikron.

Es empfiehlt sich zu beachten, daß die relative Lage des Lesers und des Aufzeichnungsträgers im Verlauf des Lesevorganges durch eine Verschiebungsvorrichtung bestimmt ist, die von der für das Verfolgen der Spur bestimmten Regelvorrichtung getrennt ist. Diese Verschiebungsvorrichtung, die nicht im Rahmen der Erfindung liegt, bewirkt:

- entweder die Verschiebung des Lesers, wobei der Aufzeichnungsträger fest bleibt;

- oder die Verschiebung des Aufzeichnungsträgers, wobei der Leser fest bleibt,

eine Lösung, die in dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel angenommen wird.

In Fig. 7 (in Seitenansicht) und Fig. 8 (in Draufsicht) sind die wesentlichen Organe einer optischen Lesevorrichtung dargestellt, welche einen Lesekopf 70 hat, der ein

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Lichtbündel aus einer Quelle 71 empfängt, nachdem es ein Ablenksystem durchquert hat, welches aus einer piezoelektrischen Bikeramik 50 besteht, die wie die in Fig. 5 angebracht und ausgerüstet ist.

Der Fokussierungsfleck des Bündels befindet sich bei F auf einer Spur P. Es sind Fotodetektoreinrichtungen (hier nicht dargestellt) vorgesehen, die den Abstand zwischen F und P messen. Diese Einrichtungen steuern ein Regelsystem 80, welches die Steuerspannung für die Bikeramik 50 abgibt.

Außerdem verschiebt sich ein Dämpferfuß 73, der an das freie Ende der Bikeramik angeklebt ist, auf einer Schicht 721 aus einem Fluid mit hoher Viskosität, die auf die ebene Fläche eines feststehenden, beckenförmig ausgehöhlten Blockes 72 aufgebracht ist. Die durch den Dämpferfuß hervorgerufene Dämpfung der Bewegungen der Bikeramik 50 ermöglicht, daß diese bis zu ihrer Resonanzfrequenz einen flachen Frequenzgang aufweist.

In Fig. 9 ist schematisch ein praktisches Ausführungsbeispiel einer optischen Lesevorrichtung dargestellt, die mit einem System nach der Erfindung ausgestattet- ist. Dieses Beispiel bezieht sich auf den Fall einer lichtdurchlässigen Platte 6. Die Lichtquelle 71 ist beispielsweise ein Helium-Neon-Laser mit einer Leistung von 1 mW. Das Lichtbündel 710 wird durch einen Spiegel 91 reflektiert, der unter einem Winkel von 45 in bezug auf den einfallenden Strahl angeordnet und mit dem feststehenden Lesekopf 900 fest verbunden ist. Nach dem Durchqueren des Winkelvervielfachers, der die reflektierende Fläche der Bikeramik 50 (die in den Block 20 fest eingespannt ist) und den Spiegel 52 enthält, wird das Bündel durch einen Spiegel 74 reflektiert und danach durch eine Linse fokussiert. Das erhaltene Bündel 711 durchquert nun die Platte 6, wobei sich ein divergentes Bündel mit einem Öffnungs-

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winkel 600, wenn duroh die Gravur der Spur keine Beugung erfolgt, und ein gebeugtes Bündel mit einem öffnungswinkel in dem entgegengesetzten Fall ergibt. Zwei Fotodetektoren 95 und 96 sind mit Bezug auf die normale Lage des Bündels 711 (i^m Ruhezustand .der Bikeramik 50) symmetrisch angeordnet.

Dabei handelt es sich, beispielsweise, um Siliziumfotozellen mit einer empfindlichen Oberfläche in der Größen-

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Ordnung von ungefähr 1 mm , die in einigen Millimetern Abstand von der Platte 6 angeordnet sind. Die Fotozellen haben einen Abstand e voneinander, der weiter unten näher erläutert ist. Festgestellte Ströme werden von einer Stufe 97 aufgenommen und verstärkt, die an einem Ausgang eine elektrische Größe liefert, welche der Summe der ermittelten Ströme entspricht xind welche das von der Vorrichtung gebildete Lesesignal S darstellt. Ein Differentialverstärker 98 liefert ein Fehlersignal D, welches durch die Differenz der ermittelten Ströme gebildet ist, in Form einer elektrischen Spannung, die durch die Stufe verstärkt und der Bikeramik 50 zugeführt wird. Die Verschiebung der Platte 6 im Verlauf des Lesevorganges erfolgt mit Hilfe eines Motors 92, der ein Ritzel 93 trägt, welches mit einer mit der Platte 6 fest verbundenen Zahnstange 94 kämmt.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

1) Bei der Erzeugung des Lesesignals S empfängt der Verstärker 97 nur dann ein Eingangssignal, wenn das Lichtbündel, welches die Platte 6 durchquert hat, durch die Gravur der Spur (Fall des Öffnungswinkels 601) gebeugt ist .Dieses Ergebnis wird erzielt, wenn der Abstand e so groß gemacht wird, daß das nicht gebeugte Bündel genau den entsprechenden Zwischenraum zwischen den Fotozellen überdeckt..

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2) Bei der Erzeugung des Fehlersignals"D muß der Differentialverstärker 98 arbeiten, wenn die Spur nicht auf der Achse der Linse 90 liegt. In diesem Fall liefern die Fotodetektoren ungleiche Ströme, wenn auf sie das Bündel mit dem Öffnungswinkel 601 auftrifft. Durch, den Verstärker 98 wird eine Fehlerspannung erzeugt, die auf die Bikeramik 50 einwirkt, welche das Bündel 710 ablenkt. Die Vorrichtung wird derart geregelt, daß einer Abweichung der Spur (Scharte 60) dieselbe Abweichung des Lichtbündels 711 entspricht.

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Claims

Patentansprüche:

System, welches_f gesteuert durch ein elektrisches Signal, ein Lichtbündel in einer Ebene ablenkt, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden reflektierenden Flächen, von welchen mindestens eine in der Lage ist, gesteuert durch das elektrische Signal seine Orientierung zu ändern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens diese eine Fläche an einer Fläche eines bimorphen elektromechanischen Wandlers angebracht ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere reflektierende Fläche eine feststehende Fläche ist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere reflektierende Fläche beweglich ist und aus einem reflektierenden Material besteht, welches an einer Fläche eines weiteren bimorphen elektromechanischen Wandlers angebracht ist, an dem ebenfalls das elektrische Signal anliegt.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden reflektierenden Flächen eine nicht verformbare Fläche ist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht verformbare Fläche im wesentlichen plan ist.
6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht verformbare Fläche in bezug auf die Fläche des Wandlers, an welcher sie angebracht ist, kleine Abmessungen hat, und daß sie einem freien Ende des Wandlers benachbart ist, dessen entgegengesetztes Ende in einen feststehenden Block fest eingespannt ist.

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7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen Erzeugende haben/ die zu der Ablenkungsebene des Bündels senkrecht sind.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Wandler ist.
9. Vorrichtung zum optischen Lesen eines Informationsträgers mit Hilfe eines eine Spur beleuchtenden Leseflecks, der durch Sammeln eines von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtbündels mittels eines Objektivs gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle und dem Objektiv ein Ablenksystem nach einem der vorhergenden Ansprüche vorgesehen ist, welches das Korrigieren der Dezentrierung des Flecks in bezug auf die Spur ermöglicht, daß die elektrische Steuerung des Ablenksystems durch ein elektrisches Dezentrierungskorrektursignal erfolgt und daß das Korrektursignal durch fotoelektrische Einrichtungen geliefert wird, welche die durch den Teil der Spur, der durch den Fleck beleuchtet ist, gebeugte Lichtenergie selektiv auffangen.

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