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光存储原理与应用)第一章 节 光盘存储系统

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-28

  第一章 光存储中的光学系统 光存储设备中的光学元件 光学系统  1. 光源:半导体激光器  2. 准直镜  3. 光束整形  4. 光学伺服系统:自动调焦,使光准确定位在 记录信息的轨道上  5. 偏振光学元件:偏振分光镜、1/4波片等  6. 光电探测器  7. 聚焦透镜:将激光光斑聚焦为亚微米光斑 1. 激光光源  光存储设备通常是便携式设备,因此对光源的要求是体积小,目前的激光器品种中只有半导体激光器最适合。  光存储光源需要聚焦到亚微米后来读取信息,因此对激光器,有较高的光束质量要求,和高的光能利用率要求。 一个松下蓝光光刻机内部结构图 增益媒介 为了...

  第一章 光存储中的光学系统 光存储设备中的光学元件 光学系统  1. 光源:半导体激光器  2. 准直镜  3. 光束整形  4. 光学伺服系统:自动调焦,使光准确定位在 记录信息的轨道上  5. 偏振光学元件:偏振分光镜、1/4波片等  6. 光电探测器  7. 聚焦透镜:将激光光斑聚焦为亚微米光斑 1. 激光光源  光存储设备通常是便携式设备,因此对光源的要求是体积小,目前的激光器品种中只有半导体激光器最适合。  光存储光源需要聚焦到亚微米后来读取信息,因此对激光器,有较高的光束质量要求,和高的光能利用率要求。 一个松下蓝光光刻机内部结构图 增益媒介 为了提供足够的粒子数反转,并能具备产生受激辐射的能级结构,即能级寿命满足特定条件 谐振腔 就是在满足受激辐射条件的众多波长中,选择最合适的一个,让它谐振,实现单波长输出。从模的角度就是给定特定的边界条件,让沿激光谐振方向,只有一个本征解。 泵浦源 产生粒子数反转的动力来源。显然,从低能级泵到最高能级,再跃迁到中间能级,产生激光,意味着很大一部分能量被浪费掉了。这符合能量守恒原则。这说明激光器是高能耗器件 激光原理概要: LASER :Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 我们知道,电子的轨道分为若干个能阶,电子吸收能量能够从低能态跃迁到高能态,反之从高能态跃迁到低能态则放出能量。而放出的能量如果足够强,到达了光子的水平,则能产生激光。 是不是任何物质都能产生激光呢?  看了上面一些图示后,我们大致能知道,当电子从高能级跃迁到低能级就能产生激光。  但其工作是要有条件的,最根本受能级寿命的影响 这是一个激光生成的三能级系统模型 能量从E1E3,称为粒子数反转,是激光产生的前提; 但E3-E2能级寿命要远短于E3-E2才能保证大多数电子回到E2而不是E1,进而产生新的波长光 三能级,或四能级等都是理想模型,实际的能级结构要复杂的多 实际上,每个能阶周围都有若干个子能阶,所以跃迁有多种可能性,如果没有干预,将产生很多个波长,而不是单波长。 所有的激光器都从这个基本结构衍生出来,每部分的原理何在? 激光器的基本概念  谐振腔  增益介质  泵源  模  高斯光 思考:如何获得偏振的激光输出?  腔外调制  腔内调制 通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗,即输出光已经是P 偏振光,如果没有类似操作,则需要外接起偏器 高斯光 对使用有何不利,如何解决? 2. 激光准直 光存储对半导体激光器的要求 由于半导体激光器发出的光束本身具有像散,且光束经过激光器的出窗时,会产生像差,因此如果要求高质量的光束和高的光能利用率,就要加入整形元件对光束整形,使之由椭圆对称变为圆对称。 能否想出什么办法来把椭圆的光斑变成圆的? 3. 棱镜整形 光束棱镜整形系统 放大率M 当使用K9 玻璃做棱镜时 光盘 半导体激光器LD 高斯光 光 准直系统 平行光 光 整形棱镜 反射镜 物镜 思考:光路如何设计,经光盘读出信号如何探测? ? ? 光盘 半导体激光器LD 高斯光 光 准直系统 平行光 光 整形棱镜 起偏器 偏振分 光镜 波片 反射镜 物镜 柱面镜 象限探测器 相位光栅 3. 偏振控制与分光 思考:可以实现偏振分光的原理  钠光自然光 方解石 加拿大 树胶 e o e o y x o P 从单轴晶体切出的平行平面薄片,光轴与表面平行。光垂直入射时,主截面为o-xz z A A o A e 线偏振光垂直入射到波片上,分成o光和e光,对于负晶体: 光轴方向 e on n e ov v  x方向快轴,y方向慢轴 o光e光不分开,但传播速度不同,通过波片后会产生位相差 波片 5. 光存储伺服系统  轴向定焦  径向定焦  角度误差矫正 物镜聚焦误差  聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物镜虽能将激光束聚焦在碟片的信号面上,但鉴于碟片本身存在的不平,翘曲或偏心等轻微变形,在高速旋转中不可避免的要产生上下抖动的面振动,使物镜与碟片的间距发生改变,而产生聚焦误差,这样便无法保证其焦点始终都落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变,焦点时刻落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变,焦点时刻落在碟片的信号面上,就必须有聚焦伺服机构予以保证。 光学聚焦伺服系统  聚焦伺服系统的作用,是通过垂直移动物镜,使激光束在碟片的信号面上始终保持着良好的聚焦。 需要检测几种状态? 需要检测正确聚焦、聚焦过近、聚焦过远三种不同的工作状态 思考:所学光电原理里,哪一个可以在三种状态具有截然不同的物理表征,进而实现三种状态的识别? ( (I )像散法轴向伺服系统 像散法就是利用像散的特性,在探测光路额外引入像散,利用光斑由 竖直椭圆  圆 扁平椭圆 的变化规律来实现对近焦、准确聚焦和离焦三种状态的判定 思考:加入怎样的元件有利于引入额外像散? 注意思路:要分辨近焦、正焦和远焦三个状态,只要能找到一种物理机制与三个物理现象一一对应即可 思考:探测器如何实现对三种焦斑的一一识别? 像散法调焦 电路实现:利用四象限探测器和差动放大器 FES = (A+C) - - (B+D) = 0 (焦面) 0 近焦 0 远焦 (Focus Error Signal) + A B C D I 想象一下使用像散法伺服系统的光盘读取光学系统实际工作模式 思考  不用像散法定焦时,物镜本身像散非常小,即子午及弧矢光几乎重合。那么此时离焦,焦点过近或过远,光束有什么特征? 思路要点:只要能找到另外三个物理状态与近焦、正焦、远焦一一对应即可! 正确聚焦时 A B 焦点位置放置一个刀尖 思考:聚焦过近,或聚焦过远时分别会得到什么探测结果? ( (II )刀口法 这种方法是在检测透镜DL的后焦面设置一个”刀口“,并在其后放置二分立光点探测器。如图所示。当光盘位于正确聚焦位置时,刀口对反射光束没有影响,亮分立探测器上两个部分的光强分布相同。当光盘远焦时,刀口挡住一部分光,如图(b)、(c)所示,因此可以从二象限光电探测器上检测出误差信号,并可判断出正负方向。 ( (III )临界角棱镜法 如果光平行光轴入射,在棱镜内入射角恰好等于临界角c ,对照前面刀尖法的思路,思考用下图原理如何设计轴向定焦伺服,画出近焦、远焦的光路示意图,并简要指出电路检测方法 c A B ( (III )临界角棱镜法 (a)正焦 (b)近焦 (c)远焦 当光正好聚焦在光盘上时,反射光是平行的。 如果正焦时的平行光恰好以临界角入射,则两部分光都全反射,探测信号差值为零。 离焦后,反射光不再平行,而是发散或者会聚,那么比如有部分反射光小于临界角,将被折射。因此,可根据探测器两个探测元,探测后的信号做差值,来判断反射光是会聚还是发散,即判断是近焦还是远焦。 各种聚焦伺服方法商用化比例 ( (B )光学径向跟踪伺服器  在光盘驱动器中,由于光盘的内轴孔有偏心且存在用于补偿膨胀与收缩的间隙,安装盘片时会产生对中误差,再加上轴承的间隙,就会使信道与转轴不同心,引起信道在半径方向上的位移。另外由于模压光盘各方向上的收缩率不同,也会产生变形。因此,径向跟踪伺服的主要目的是驱动光学头以最短的时间由现行轨道运动至目标轨道,并保持在信道中心,避免信道间的串扰和信号电平的降低。 径向伺服 思考:如何判定聚焦光束是否落在信道中央,是过左,还是过右? ( (I )三光束法 正确跟踪 TES = 0 错误跟踪 TES = 小于或大于零 在原像散法四象限探测器基础上如何改进,融入三光束径向聚焦伺服的检测? ( (I )三光束循迹法径向伺服:思考  如何获得这样的三束光?  思考,这样的三束光有什么特征? 正弦(余弦)光栅 思考:相位光栅是如何获得的? 思考:电路控制?  如果一个系统同时使用了像散法轴向伺服和三光束法径向伺服,那么信号该如何探测? 如何将轴向和径向伺服光路整合到一起  相当于三光束法与像散法的结合。半导体激光器发出的光经光栅产生0 级,1 级光。0 级光为主光束经光盘轨道成象在四象限探测器上,1 级光为副光束经光盘轨道两旁反射在五、六两象限(A ,C )上成象。 A B C 1 2 3 4 六象限探测器 探测器A 、C 用于寻址聚焦 四象限探测器B 用于色散法轴向聚焦伺服 在道上:E - F = 0 偏离道:E - F 0 或 0 FES + A B C D I + I TES F E 聚焦于信号读出  聚焦:(A+C) - (B+D) = FES  跟踪:E - F = TES  HF (RF) 信号:A + B + C + D 发散思考  除了三光束法,你还能想到什么办法,实现径向伺服? ( (II )推挽法  思考:与三光束方法相比,该方法优缺点各是什么? 径向伺服系统  目前三光束法和推挽法应用最为广泛 能够根据实际情况分析可行的定焦方法  一般市面上的单反相机都具有自动定焦功能,能否设计单反机的自动定焦系统? ( (C )偏转误差调整  轴向径向伺服系统都是假定光学头移动工作台与光盘平面严格平行/垂直的前提下进行校正补偿的。但实际系统中还有一类重要误差,就是工作台发生角度偏移。一个良好的存储系统里,必须对此作出精确预估和校正。 能否有什么好的办法测量角度偏转误差并正确校正? 角度误差校正系统 角度误差校正原理  一束激光由移相分光镜分成两路,分别射向安装在浮动工作台上的两个立体棱镜。由立体棱镜反射回来的光束,重新在移相分光镜处会合并发生干涉。由光电接收器检测干涉条纹信号。当纵向工作台在前进过程中无角运动时,光电接收器检测不着干涉条纹的变化,但是只要工作台略有偏转,干涉仪两臂光程差便发生改变,光电接收器便可测出条纹的变化。经过光电转换及电信号的处理,可以驱动压电陶瓷使工作台转回原来的方位,这就达到了自动校正的目的。 思考:伺服判定后如何恢复正确聚焦  无论径向还是轴向伺服,位置的偏移量都是很小的,那么系统知道聚焦过近、过远、过左或过右后,如何实现正确聚焦?思考可行原理 压电效应 思考:我们学过哪些物理量之间的转换效应 思考:你觉得(逆)压电效应有何应用? 生活中的压电效应应用 V=gFh/A ;A圆柱体截面积; h圆柱体高度; g压电电压常数 钛酸铋钠及应用 日本发明“发电地板”, 乘客走过就能发电 日本共同社报道,JR东日本公司将开始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地板”试验。本次试验的目标是实现一人通过时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力,并希望在不久的将来实现用“发电地板”维持自动检票机在处理IC卡时所需的电力。 ----------- 建筑节能 Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 钙钛矿型晶体,有希望取代铅基压电材料 Perovskite Structure 001 111 110 光学应用:压电陶瓷PbZrO 3 -PbTiO 3 (PZT) 复习:同时使用像散法和双光束法后的探测器构成 在道上:E - F = 0 偏离道:E - F 0 或 0 FES + A B C D I + I TES F E 思考:得到的三根信号如何处理? 循迹误差信 号放大器 预放大, 预处理 聚焦误差 放大器 主轴电机 驱动电路 聚焦驱 动电路 循迹线圈 驱动电路 主轴电机驱动光盘旋转 聚焦驱 动方向 循迹驱动方向 聚焦搜索 NoImage聚焦传动 循迹传动 A+B+C+D ( (A+C )- (B+D ) E-F 循迹搜索 =0? No 思考: 系统根据伺服信号,如何机械传动,以正确聚焦 误差信号预处理:PID 控制 现在 过去 未来 位移传动系统  精密位移:逆压电效应  思考:除了压电效应是否还有别的机械传动方法,可以根据电压(电流)大小,发生相应位移? 轴向聚焦伺服系统: 播放光盘时,驱动信号进入驱动电路驱动主轴电机带动光盘旋转 由于机械误差,光盘盘面相对于激光头会有上下偏摆 光盘 聚焦线圈 激光二极管 聚焦误差 柱面透镜 光敏二极管 物镜 驱动信号 驱动电路 主轴电机 聚焦伺服 驱动 碟片机通过调整聚焦镜头使激光束的聚焦点跟踪光盘盘面变化 当出现误差时,迅速调整物镜,实现焦点跟踪 像散法轴向聚焦伺服环路: 聚焦误差的检测原理 光盘盘面 调焦透镜 (物镜) 耦合透镜 柱面透镜 聚焦点 光敏二极管组件平面图 隔离带 误差电压与焦点的变化呈S S 形曲线 焦点正确时,在光敏二极管组件上呈圆形,而偏离时呈椭圆形,偏离的方向不同,椭圆的长轴方向也不同 聚焦线圈的结构图 聚焦伺服环路: 线圈 磁极 磁极 永磁铁 物镜 聚焦线圈的骨架与透镜同轴固定在一起,当线圈中有电流时,线圈连同透镜一起在磁场中上下移动 循迹(径向)伺服系统: 循迹(径向伺服)误差的检测原理 激光二极管所发射的光束经光栅分裂成3 3 束光通过物镜射向光盘用以读取光盘信息和误差信息 两侧的两个光束称为辅助光束,用来检测循迹误差 中间的光束用于检测声像信息和聚焦误差 主光束偏离时辅助光束检测二极管的输出就不对称,两者相减得到误差 循迹误差光敏管 信息读出光束 辅助光束 辅助光束 信息纹迹 循迹误差电压 循迹伺服环路: E-F (右- 左) 循迹线圈的结构和工作原理: 循迹线圈的结构 物镜 永磁铁 线圈 磁极 循迹线圈的结构和工作原理: 循迹线圈的工作原理 激光束 循迹线圈 当线圈中有电流的时候,由于线圈磁场对镜头永磁铁的作用,物镜沿水平方向移动 电流 物镜移动方向 焦点移动范围 电流 电流 实物顶视图 电路图 循迹伺服电路的构成 循迹(径向)伺服电路的构成和工作原理: 物镜 激光束 由激光二极管发射出激光束 二极管的输出电流经运算放大器检测出循迹误差信号并进行放大 循迹误差检 测放大电路 误差信号经伺服电路处理后转换成校正信号 循迹伺 服电路 校正信号经驱动电路进行功率放大后去驱动循迹线圈 在循迹线圈的磁场作用下微调物镜,使激光束跟踪信息纹移动 循迹驱 动电路 光盘 驱动信号 驱动电路 主轴电机 激光二极管 柱面透镜 光敏二极管 聚焦线圈 典型光盘播放机伺服系统的构成: 碟片机伺服系统方框图 NoImage电机 激光头 光信号检测部分 电流- - 电压 信号放大电路 主信号放大器 伺服预放 数据检出电路 伺服控制电路 ALPC 循迹误差 聚焦 误差 限幅 电平 聚焦线圈 循迹线圈 进给 电机 主轴 电机 激光二极管 主轴和进给伺服电路的构成 主轴伺服和进给伺服 : : 激光头从光盘上读取的信息经过 TDA1302 处理后,从9 9 脚输出 RF 信号到 SAA7345 TDA1302 9 9 15 RF 在 SAA7345 中处理后将误差信号转换成控制信号并从 33 、 34 脚输出 SAA7345 前置 处理 PLL EFM 解调 时钟 CLV 主轴 电机控制 分频器 33 34 经驱动放大器放大后去驱动主轴电机 主轴 电机 驱动 M M 主轴 电机 碟片机伺服系统方框图(飞利浦机芯) 碟片机中的伺服电路: 接在激光头输出部位的伺服预放电路 TDA1302 ,用以完成 RF 信号放大、聚焦误差检测、循迹误差检测、激光二极管供电等功能 数据放大 伺服预放 TDA1302 TDA1301 主要完成聚焦误差和循迹误差的检测和伺服处理 TDA1301 聚焦和 循迹伺服 A/D A/D 聚焦 伺服 循迹 伺服 进给 伺服 D/A 输出 D/A 输出 D/A 输出 聚焦误差 循迹误差 进给驱动 TDA1301 碟片机中的伺服电路: TDA1301 内部电路方框图 激光头中光敏二极管的输出信号在 TDA1302 中进行放大后将包含聚焦和循迹误差的信息送到 TDA1301 中 A A 、B B 、C C 、D D 信号送到 TDA1301 的5 5 、6 6 、7 7 、9 9 脚 A B C D E E 、F F 二极管的信号送到 10 、 11 脚 E F 经数字处理后分别由 23 、 22 、 24 脚输出聚焦、循迹和进给的控制信号 A/D A/D 聚焦 伺服 循迹 伺服 进给 伺服 D/A 输出 D/A 输出 D/A 输出 聚焦误差 循迹误差 进给驱动 D1 D2 D3 D4 S1 S2 6. 光电二极管PD 7. 物镜 物镜要求  焦距  数值孔径  视场  镜头重量 1.22sinDn  请思考,对于光存储应用,在设计物镜时哪些像差比较重要,需仔细矫正,哪些像差不那么重要,可以不用考虑? 物镜单色像差要求 如果选修了 《 光学设计及CAD》 》 课程的同学可以发现,光存储物镜,对像差的要求是相当高的,波像差小于0.007 波长,是非常小的像差。 对现在的应用,这是否极难实现? 注意:孔径非常小 会聚物镜光学设计 思考:如何提高数值孔径? 振幅式光学头 核心元件:偏振分束镜,透过P偏振光,但对S偏振光全反射。入射光为P偏振,透过1/4波片往返两次后变成S偏振 三波长DVD光学系统示意图 整个光学头光学系统都可以用Zemax等软件来设计 振幅式光学头 核心元件:偏振分束镜,透过P偏振光,但对S偏振光全反射。入射光为P偏振,透过1/4波片往返两次后变成S偏振 偏振式光学头 思考普通光盘的工作原理,由此能否的出光存储的本质原理? 能否由此猜测,磁性存储所利用的一般原理? 偏振式光学头 思考:信号如何读写? 磁光效应  磁光法拉第旋光效应  磁光克尔效应 线偏振光入射到磁性介质上时,偏振会发生一个小角度旋转。当介质磁极相反时,偏振旋转方向相应反向,大小一样。 根据这个现象结合振幅式光学头的基本原理,能否实现对磁光信号的正确读取? 光存储光学系统设计总结  了解各主要元件(物镜、整形棱镜、伺服系统)以及光学头系统的设计方法和注意事项;  掌握:能大致看懂光学头的工作原理图,特别是普通的振幅式光学头。了解振幅式和偏振式光学头的区别。 前沿动态 超级DVD却可以存储10000 GB的数据,但走向市场预计需要10年 ,澳大利亚科学家开发出可存储2000部电影的新一代DVD,这项技术或宣告三维电视和超高清晰视觉享受时代的来临。研究结果刊登在《Nature》杂志上。 大多数DVD有两层信息,互为重叠。激光器先是读取第一层信息,接着调焦读取第二层。超级DVD碟片可以通过两个多余的“维”光的颜色和光波的方位或偏振存储信息。这些额外的维对制造超高容量碟片而言至关重要。通过利用色彩,将个头太小肉眼都看不到的金质纳米棒嵌入碟片表面。 本节知识要点  理解并熟悉振幅式光学头的构成和工作原理;  掌握几种聚焦伺服系统(像散法、刀口法、临界角棱镜法)的工作原理;  掌握三光束法径向伺服跟踪系统工作原理;  了解光存储中半导体激光器光束整形常用的方法和基本原理。

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