CC BY
28
Г. К. Грейсух, В.П. Лунев, С.Аь Степанов, В.ИШ Шугаев
СИСТЕМА АВТОФОКУСИРОВКИ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ОПТИЧЕСКОГО ДИСКА
Одним из перспективных направлений применения дифракционных оптических элементов (ДОЭ) является их использование в системах считывания информации с оптических дисков* Действительно, использование ДОЭ в качестве фокусирующего объектива считывающей головки позволяет существенно упростить конструкцию объектива. При этом приведенная в [1] методика расчета структуры элемента обеспечивает
I
возможность его сопряжения с выпускаемыми промышленностью как одномодовыми} так и многомодовыми полупроводниковыми лазерами (ППЛ), имеющими температурную нестабильность длины волны излучения и разброс длин волн от образца к образцу лазеров одного типа. Использование ДОЭ, как показано в [2], позволяет также упростить конструкцию и улучшить ряд характеристик системы радиального слежения, осуществляющей удержание считывающего пятна по центру информационной дорожки оптического гиска. В настоящей работе описывается система автоматической фоку - . сировки на информационную дорожку диска, основанная на использовании хроматических свойств ДОЭ.
Необходимость системы автофокусировки обусловлена тем, что при считывании информации с вращающегося диска возникают вертикальные отклонения информационной дорожки относительно считывающего пятна, вызванные торцовыми биениями и неплоскостностью диска. Система автофокусировки обычно строится по одной из двух базовых схем. В одной из них формирование сигнала ошибки фокусировки обеспечивается дискриминатором, содержащим элементы анаморфотной оптики либо диафрагмы и экраны и разрезные фотоприемники [з]. Общим недостатком этой схемы является сложность
конструкции и юстировки и, как следствие, низкая надежность считывания информа-
В основе второй схемы лежит метод динамической автофокусировки [4] . Системы, реализованные по этой схеме, отличаются простотой исполнения дискриминаторов и возможностью юстировки схемы непосредственно по выходному сигналу фотоприемника системы регулирования. Типичная схема системы динамической автофокусировки описана в [5]. В ней считывающая головка, содержащая фотоприемник9 ППЛ и фокусиру-
ющий объектив, приводится в колебательное движение вдоль оптической оси. Этим обеспечивается сканирование точки фокусировки относительно информационной дорожки в направлении, перпендикулярном плоскости диска» В результате создается модуляция отраженного от носителя записи лазерного пучка, несущая информацию об ошибке фокусировки. Амплитуда модуляции определяет величину, а фаза - знак ошибки фокусировки [3]. Сигнал ошибки формируется с помощью синхронного детектора, выход которого соединен с исполнительным двигателем перемещения головки, отрабатывающим этот сигнал.
Реализованная в таком виде система динамической автофокусировки имеет, однако, существенный недостаток, обусловленный тем, что частота механического скани-
■
рования при требуемой амплитуде не может быть достаточно высокой, поскольку увеличение частоты приводит к снижению надежности и механической прочности считывающей головки. При низкочастотном сканировании не удается отфильтровать сигнал
ошибки фокусировки на несущей, равной частоте сканирования, от помех, вызванных
»
дефектами диска, и низкочастотных флуктуации информационного сигнала! обусловленных наличием расфокусировки• Кроме того, поскольку спектр информационного сигнала, считываемого с диска, начинается практически с единиц килогерц и простирается вплоть до 900-1000 кГц, то механическое сканирование, реализуемое лишь с низкими частотами, приводит к снижению отношения сигнал-шум в информационном сигнале.
Перечисленные недостатки могут бытъ преодолены, если от механической реализации метода динамической автофокусировки перейти к такой, которая позволяла бы осуществлять сканирование с частотами, существенно превышающими максимальную частоту в спектре информационного сигнала . Это достигается, например, при осуществлении сканирования путем периодического изменения длины волны излучения ППЛ и использования диспергирующих свойств фокусирующего объектива. Изменение длины волны излучения ППЛ может быть вызвано модуляцией одного или нескольких параметров резонатора и активной среды [6-10], Ясно, что для того, чтобы модуляция длины волны излучения ППЛ не приводила к изменениям его других параметров и, прежде всего, ощутимой паразитной модуляции интенсивности излучения, девиация длины волны должна быть небольшой, а, следовательно, фокусирующий объектив должен обладать достаточно сильным хроматизмом. Таким объективом как раз и является объектив, построенный на основе Д0Э [11].
Действительно , как показано в [1], требование коррекции сферохроматизма, обусловленного тепловым уходом длины волны излучения или разбросом длин волн ППЛ, накладывает ограничение на максимально допустимое фокусное расстояние Д0Э. В частности, при средней длине волны излучения ППЛ А0 = 0,78 мкм, входной и выходной апертурах элемента, равных соответственно 0,2 и 0,^5 (поперечное увеличение (30 0,0, ДОЭ формирует дифракционно ограниченное пятно, если его фокусное рэсстояниб не превышает величину л ^
2 мм. Необходимая же девиация длины волны излучения ППЛ ДА.^/ обеспечивающая заданную амплитуду сканирования сфокусированного пятна Аэ9 , связана с его фокусным расстоянием соотношением
т
ДА. , = -В ) .
с! о т ° 0
(1 )
При выходной числовой апертуре А' = 0,^5 амплитуда сканирования сфокусированного пятна выбирается приблизительно равной 0,5 мкм» Отсюда, используя (1), легко получить, что при приведенных значениях , 30, А0 требуемая девиация длины волны ДА^а? 0,1 нм, Такое значение девиации может быть получено без существенной паразитной модуляции интенсивности излучения ППЛ,
-29-
Один из возможных вариантов блок-схемы системы динамической автофокусировки с ДОЭ представлен на рисунке. Система работает следующим образом. Генератор сканирования осуществляет модуляцию длины волны излучения ППЛ с частотой, существенно превышающей максимальную частоту в спектре информационного сигнала. Модулированное по длине волны лазерное излучение фокусируется ДОЭ. Причем, благодаря его хроматизму формируемое элементом изображение перетяжки пучка сканирует вдоль нормали к информационной поверхности диска. Отраженный от нее пучок, несущий как считанную с диска информацию* так и информацию об ошибке фокусировки, проходя в обратном направлении через ДОЭ и светоделитель, попадает на фотоприем-
1
ник. Электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на фильтр, осуществляющий спектральное разделение информационного сигнала и сигнала сканирования, промодулированного сигналом ошибки фокусировки.
Благодаря тому, что частота генератора сканирования значительно превышает максимальную частоту в спектре информационного сигнала, фильтр практически полностью разделяет сигналы, даже буду чи фильтром низкого порядка, а следовательно, и не вносящим сколько-нибудь ощутимые фазовые задержки. Этим обеспечивается высокое отношение сигнал-шум, высокая точность и помехозащищенность фокусировки. С высокочастотного выхода фильтра сигнал, несущий информацию об ошибке фокусировки на несущей частоте сканирования, поступает на второй вход синхронного детектора, на первый вход которого поступает опорный сигнал с генератора сканирования. Выделенный синхронным детектором сигнал ошибки фокусировки поступает на исполнительный двигатель перемещения считывающей головки, который и отрабатывает этот сигнал.
Выход
Функциональная блок-схема системы динамической автофокусировки, выполненной на основе ДОЭ: 1 - ППЛ, 2 - ДОЭ, 3 - светоделитель, ** - фотоприемник, 5 ~ исполнительный двигатель перемещения считывающей головки, 6 - генератор сканирования, 7 - синхронный детектор, 8 - фильтр,
9 - оптический диск
Таким образом, описанная в настоящей работе система совместно с результатами работ [1,2] решает круг наиболее важных вопросов, связанных с эффективным использованием дифракционных элементов в системах считывания информации с оптиче-
ских дисков.
Литература
1 , Г р е й с у х Г.И., Степанов С.А. Синтезированные дифракционные элементы для устройств считывания информации с оптических дисков // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 1987, вып. 1, с. 173-177.
2. Коронкевич В.П., Пальчикова И.Г., П о л е щ у к А.Г. Считывание информации с компакт-дисков лазерной головкой с дифракционной оптикой // Квантовая электроника, 1988, т. 15, * 10, с. 2128-213**.
3. Вологдин Э.И., Ш т у т м а и Л.М, Широкодиапазонные дискриминаторы системы автоматической фокусировки лазерных проигрывателей // Техника средств связи. Сер. ТРПА, 1979, № 2, с. 77-89.
k. Вологдин Э>И. Динамические методы автоматической фокусировки // Техника средств связи. Сер. ТРПА, 1979, № 2, с. 99-110.
5. Pat. 2131576 (A) G.B., 1 NT CL3 Gil В 7/00. Improvements in or relation to Apparatus to Focus Light an Surface // И.С. Hutley. Appl. pub I., 1984.
6. Dandridge A., 6 о L d i n g L. Current-induced Frequency Modulation in Diode Lasers П Electron. Lett., 1982, v. 11, N 7, p. 302-304.
7.Toshihiro Fujita. Variable Frequency Semiconductor Laser // Patent Abstracts of Japan E-1984, v. 8, N 142: 59-52C93CA).
8. T о s h i h i г о Fujita. Frequency Variable Semiconductor Laser // Patent Abstracts of Japan E-1984, v. 8, N 167: 59-66183CA).
9. Corzine S.W., С о I d r e n L.A. Continuous Electronic Tuna-bility with Constant Amplitude in Tree-terminaI Single-frequency Laser. In Techn. Did.: 10 IEEE Inf. Semi conduct. Laser. Conf. Tokyo,
p. 168-169.
10. Sato Т., V a s h i m a S., S h i m b a V. Frequency shift of
Ga Al As diode laser in maguetio field // Electron Lett., 1986, v. 22, N 19, p. 979-981.
11. A.c. 1432600 СССР, МКИ G11 В 7/12. Устройство для автоматической Фокусировки излучения на информационную поверхность оптического диска / В.П. Лунев, В.И. Шугаев, Г.И. Грейсух, С.А. Степанов. - Опубл. 1988. Бюл. If 39.
