Onlangs redde ik een half gesloopte Philips VLP-720 Laserdisc speler van de container. Over de geschiedenis van dit video systeem, dat maar een beperkt succes heeft gekend, is online veel te vinden. De grote hoeveelheid strikt analoge en op het oog eenvoudige elektronica maakte mij nieuwsgierig naar de werking. Een goede aanleiding om daar eens in te duiken.
Dit systeem is een directe voorloper van de digitale compact disc en latere systemen, die door sommigen nu weer vervangen worden door de LP die daaraan vooraf ging. Goed genoeg en (betrekkelijk) low tech techniek heeft zo zijn charmes. Maar dit terzijde.
Enige tekeningen in dit stukje zijn overgenomen uit de Duitstalige service manual.
Signaal
Laserdisc werkt geheel analoog. Het videokanaal en twee audio kanalen worden gemoduleerd met draaggolven van respectievelijk 7,33 MHz, 683 kHz en 1066 kHz.
De gemoduleerde signalen (a), video en (b) audio worden opgeteld tot (c) en geclipt om een analoog signaal (d) met twee niveau’s te verkrijgen.
Het zo verkregen signaal wordt als een lange spiraal van putjes (‘pits’) op de schijf geschreven. De schijf is bedekt met aluminum zodat hij het licht reflecteert. Omdat er slechts twee niveau’s zijn lijkt dit mogelijk digitaal, maar dat is slechts schijn, de tijd-as is hier geheel analoog oftewel continue.
Disc
De disc is 30 cm in doorsnede. De putjes liggen net zoals bij de latere CD 1,1 mm diep in het polycarbonaat van de schijf zodat zij goed beschermd zijn. Zij zijn 100 nm diep en 400 nm breed, bij een afstand van 1,6 tot 1,8 µm tussen de sporen. De discs zijn tweezijdig.
De uitlezing van de putjes gebeurd door interferentie. De gefocusseerde lichtbundel is breder als het spoor. Als er geen putje “in beeld” is wordt simpelweg al het licht weerkaatst. Als er wel een putje is vind destructieve interferentie plaats tussen het licht dat door de bodem van het putje weerkaatst wordt en het licht dat door het gebied er naast weerkaatst wordt. De fotodiode die het licht omzet in een elektrisch signaal wordt dan donker. Om dit te doen moet de weglengte in totaal 1/2 λ verschillen. Daarom zou men misschien verwachten dat de putjes 633 nm / 4, dus ruw 160 nm diep zijn. Dat de diepte van de putjes maar 100 nm moet zijn, is omdat rekening gehouden moet worden met de brekingsindex van het polycarbonaat van de disc. Deze is 1,6 in plaats van de 1 voor lucht.
Op basis van de numerieke apertuur van het objectief, 0,40 en de golflengte van de HeNe laser, 633 nm, zitten deze afmetingen op de grens van wat met deze optica waarneembaar is, en daarmee van van wat haalbaar was. Er past dus echt niet meer informatie op de schijf.
Optica
Het overzicht van het optische systeem ziet er op het eerste gezicht intimiderend complex uit. Dit is echter een combinatie van een viertal eenvoudigere systemen die elk een deelprobleem voor hun rekening nemen.
In het echt is het met de laser aan ook prachtig, maar men kan niet zien wat er gebeurd.
Polarisatie
Er wordt gebruik gemaakt van polarisatie om een optisch systeem met een hoog rendement te maken, en om te voorkomen dat licht terug gekaatst wordt de laser in. Hier kunnen (HeNe-) lasers namelijk niet tegen, ze worden onstabiel en gaan “pruttelen”.
De werking is als volgt: De laser is zelf gepolariseerd in verticale richting. De straal valt op de “polarizing cube beamsplitter”, welke zo geplaatst is dat licht met deze polarisatie richting over 90º wordt afgebogen. Hierna wordt de lineaire polarisatie door een 1/4 λ waveplate omgezet in een circulaire polarisatie rechtsom. De reflectie van het licht tegen de schijf maakt dat de circulaire polarisatierichting omkeert. Het terugkerende licht is dus linksom in plaats van rechtsom gepolariseerd. De bundel gaat opnieuw door de waveplate, die de circulaire polarisatie linksom omzet in een lineaire, maar nu verticale polarisatie. Dit licht gaat in de beamsplitter rechtdoor, en valt op de fotodiode. Zo wordt bereikt dat de fotodiode enkel het gereflecteerde licht ziet en dat zo veel mogelijk licht uit de laser op de fotodiode kan vallen.
Dit systeem werkt op basis van de polarisatie gevoeligheid van de beamsplitter en de werking van de 1/4 λ waveplate. Deze zijn gemaakt van materialen die voor de verschillende polarisatierichtingen een verschillende lichtsnelheid en dus brekingsindex kennen. Een voorbeeld hiervan is het mineraal Dubbelspaat, een vorm van calciet.
Optica leverancier Edmund Optics heeft een uitgebreidere uitleg over dit soort onderdelen.
Tracking
De tracking gebeurd door de laserstraal direct als hij uit de laser komt met een diffractie tralie op te splitsen in een hoofdstraal en stralen van een hogere orde, waarvan enkel de twee direct naast de hoofdstraal gebruikt worden. Deze doorlopen dezelfde optica als de hoofdstraal.
De hulpstralen vallen in de detector ieder op een aparte fotodiode, E en F genoemd. Het tracking regelsysteem zorgt er voor dat beide diodes even sterk belicht worden, en dus half op het spoor vallen.
Het bij-regelen van de tracking gebeurd op twee manieren: Traag door met een motor de wagen met daarop het objectief te verplaatsen, en snel door middel van een beweegbare spiegel.
Omdat het objectief op de wagen centimeters verplaatst wordt over de schijf terwijl de rest van de optica vast gemonteerd is, is de collimator lens noodzakelijk. Deze maakt dat de lichtstralen over deze variabele afstand evenwijdig lopen en dat de afstand niet uit maakt.
Focus
Het focusmechanisme meet het uit focus zijn door middel van een cilinder lens die voor de vier in een vierkant geplaatste fotodiodes geplaatst is.
Deze lens maakt dat het objectief in plaats van een enkel focuspunt twee focus lijnen onder een hoek van 90º op enige afstand van elkaar heeft. Midden tussen deze twee lijnen is het gezochte focuspunt, hier worden de vier fotodiodes gelijk belicht. Met een verschilversterker worden de signalen uit de diodes kruiselings vergeleken en op basis van dit signaal de hoogte van het objectief bij geregeld.
Met condensatoren wordt tegelijk het HF signaal met daarin de video en audio informatie van alle vier de diodes tegelijk afgenomen. De diodes E en F in deze tekening zijn die voor de tracking.
Het objectief wordt bewogen door een voice coil, een spoel die zoals in een luidspreker beweegt in een magneetveld.
Snelheid
Het is belangrijk te realiseren dat het signaal direct van de schijf naar een kleurentelevisie gaat, zonder enige vorm van buffering. Het was in de jaren ’70 ondenkbaar om in de speler ook maar een enkel video frame elektronisch op te slaan. Kleine fouten in de draaisnelheid of een iets excentrische schijf zouden daarom direct leiden tot grote beeldfouten. Om de speler probleemloos op iedere televisie te laten werken moet de tijd binnen 10 ns juist lopen.
Deze hoge nauwkeurigheid wordt in twee stappen bereikt:
- De motor van de schijf wordt aangestuurd op basis van de beeldfrequentie, die 25 Hz moet zijn. Deze motor is voorzien van een tacho regeling.
- Net zoals bij de tracking is er een bewegende spiegel om hoogfrequente fouten in de snelheid op te kunnen vangen. Deze wordt gericht op basis van een 3,75 MHz signaal dat mee opgenomen is op de schijf.
De beide genoemde spiegels zijn als aparte modules onder het objectief gemonteerd. De vanaf deze zijde gezien eerste is voor de tracking, de tweede voor de snelheid.
De bewegende spiegels oftewel spiegelgalvanometers zijn eenvoudig opgebouwd uit een spiegel op een levend scharnier met twee magneetjes er onder gelijmd, met daaromheen een spoel.
Tot besluit
Bovenop de beschreven basis bevat de elektronica van de speler de nodige complicaties om snel op te kunnen starten, te zoeken en om voor die tijd nieuwe functies zoals stilstaand beeld vanaf daartoe geschikte discs met een “CAV” indeling te realiseren. CAV, Constant Angular Velocity, wil zeggen dat er precies 1 beeld op 1 omwenteling van de schijf is opgenomen.
Mijn belangstelling gaat echter vooral uit naar de optica en de regeltechniek. De mechanische toleranties van disc en loopwerk zijn 0,1 mm, terwijl voor een goede werking van het aftasten een nauwkeurigheid beter dan 0,1 µm noodzakelijk is. Deze factor 1000 verbetering wordt gerealiseerd met de combinatie van de optica en typische “moderne” jaren ’70 elektronica, gebaseerd op discrete transistoren en opamps in de µA741 categorie. Beslist goed doordacht ontworpen, maar ook toen niet high end. Dat is dus niet nodig, de natuurkunde en niet de elektronica zet hier de grens aan wat mogelijk is.
Het is het vermelden waard dat Elektuur in 1990 een “laser unit” beschreef, op basis van de dump HeNe laser en spiegelgalvanometers bedoeld voor dit Laserdisc loopwerk. Overigens zonder het systeem te benoemen. De maanden er na volgt nog een fraaie Lissajous aansturing voor de galvanometers.
In mijn collectie heb ik een HeNe laser, afkomstig uit de personeelswinkel van Philips. Het schijnt dat deze gerelateerd is aan deze ontwikkeling. De kathode is bij deze laser naast de resonator geplaatst in plaats van eromheen. Toen ik een klein Aartje was heb ik deze zien werken, helaas is hij lek en wil inmiddels niet meer laseren.
