36165

Сервосистемы проигрывателя CD. Автофокусировка

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Глубина резкости объектива d зависит от его числовой апертуры NA Numerical Aperture и от длины волны λ излучения лазера d = λ [2NA2] 1 Числовая апертура объектива определяется выражением: NA = n sinθ 2 где n показатель преломления среды в которой распространяется свет; θ угол под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью рис. Изображение точки В при наличии астигматизма передается в виде горизонтального В' или вертикального В'' отрезка...

Русский

2013-09-21

124.5 KB

11 чел.

Сервосистемы проигрывателя CD

Автофокусировка

При воспроизведении информации с компакт-диска необходимо, чтобы расстояние между фокусирующим объективом и дорожкой было равно фокусному расстоянию объектива. Максимально допустимые отклонения от этого положения в ту или иную сторону не должны превышать пределов его глубины резкости.

Глубина резкости объектива d зависит от его числовой апертуры NA (Numerical Aperture) и от длины волны λ излучения лазера

d = ± λ/[2(NA)2]        (1)

Числовая апертура объектива определяется выражением:

NA = n sinθ              (2)

где n – показатель преломления среды, в которой распространяется свет;

θ – угол, под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью (рис.1).

Показатель преломления воздушной среды n = 1, поэтому в воздухе

NA = sin θ.          (3)

Величина угла α = 2θ, под которым виден диаметр входного зрачка объектива из той же точки, называется угловой апертурой.

Кроме глубины резкости, величины λ и NA определяют еще и разрешающую способность объектива, то есть его способность различать мелкие детали изображения, а также минимальный диаметр светового пятна. При заданных λ и NA размеры различимых деталей не превышают величины b:

              (4)

где с – коэффициент, который зависит от  критерия оценки разрешающей способности и может принимать значения от 0,61 до 1,22.

Как следует из формулы (4), для увеличения разрешающей способности считывающей оптики длину волну лазерного излучения целесообразно уменьшать, а числовую апертуру объектива – увеличивать. Однако выражение (1) показывает, что при этом уменьшается глубина резкости и, следовательно, ужесточаются требования к точности фокусировки.

Как известно, длина волны излучения лазера и числовая апертура определены стандартом и составляют: λ = 0,78 мкм, NA = 0,45. Поэтому глубина резкости d оптической системы должна равняться:

d = ± λ/[2(NA)2] = 0,79 мкм/[2·0,452] = ±1,95 мкм

Однако, максимально допустимые вертикальные биения диска при воспроизведении, которые также определены стандартом, могут достигать ±0,5 мм, т.е. могут быть примерно в 250 раз большими.

Для того чтобы в таких условиях обеспечить нужную дистанцию между объективом и дорожкой, используется система автофокусировки. Суть ее работы состоит в следующем. Прежде всего определяется величина и знак ошибки фокусировки и представляется в виде соответствующего электрического сигнала. Затем этот сигнал усиливается и управляет исполнительным механизмом, который, перемещая объектив вверх или вниз вдоль оптической оси, компенсирует образовавшуюся ошибку фокусировки.

Известно несколько способов детектирования ошибки фокусировки, которые используются в проигрывателях CD и DVD.

Метод астигматизма пучка

Этот метод, как следует из его названия, основан на использовании явления астигматизма, которое состоит в том, что лучи одного и того же пучка, распространяющиеся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после прохождения оптической системы не собираются в одном месте, а имеют разные точки сходимости. Наличие астигматизма делает невозможным получение одновременной резкости вертикальных и горизонтальных линий. Изображение точки В при наличии астигматизма передается в виде горизонтального В' или вертикального В'' отрезка прямой (рис.2), которые к тому же находятся на разных расстояниях от фокусирующей линзы.

Явление астигматизма возникает при недостаточно точной сферичности линзы, но еще сильнее оно проявляется, когда объект находится под углом к ее оптической оси. При этом поверхность линзы для наклонных лучей не будет строго симметричной, что приведет к искажению изображения.

В системах автофокусировки для создания требуемой картины астигматизма отраженный от поверхности компакт-диска пучок пропускается через специально подобранную цилиндрическую линзу (рис.3). Возникающее при этом распределение света в пучке показано на рис.4. Наибольший интерес здесь представляет отрезок луча между точками А и Е (рис.4а), который и используется для детектирования ошибки фокусировки.

Если рассматривать сечение пучка продольной вертикальной плоскостью YOZ (рис.4в), то фокус в этой плоскости соответствует точке Е. Если рассматривать сечение того же отрезка луча горизонтальной плоскостью XOZ (рис.4д), то здесь фокус соответствует точке А, после чего пучок вновь расходится.

Таким образом, если рассматривать теперь сечение пучка плоскостью, перпендикулярной направлению распространения луча, то форма светового пятна в промежутке между точками А и Е будет плавно изменяться от вертикальной черты (точка А) до горизонтальной черты (точка Е), как показано на рис.4г. Вначале она принимает форму вертикального эллипса (точка В), который, постепенно расширяясь и уменьшаясь по высоте, превращается в окружность (точка С). Затем окружность начинает вытягиваться по горизонтали и превращается в горизонтальный эллипс (точка D), а он, в свою очередь, в горизонтальную черту (точка Е).

Чтобы использовать явление астигматизма для автофокусировки, на пути луча помещают четырехплощадочный фотоприемник, расположение площадок которого подобно показанному на рис. 4б,г. Конструкция оптической системы, реализующей данный метод, представлена на рис.5.

Излучение лазерного диода фокусируется линзой объектива на поверхности компакт-диска и, отражаясь от нее, попадает на расщепитель луча. Наклонная грань расщепителя направляет отраженный пучок на фотоприемник. Между расщепителем и фотоприемником размещается цилиндрическая линза.

Расположение фотоприемника в системе выбирается таким образом, что, когда расстояние от объектива до дорожки в точности равно фокусному,  световое пятно на его поверхности имеет форму круга, причем центр этого круга должен совпасть с геометрическим центром фотоприемника. Тогда все четыре его площадки выработают одинаковые электрические сигналы (рис.4г, сечение С).

Если в режиме слежения расстояние между объективом и дорожкой изменится в ту или иную сторону, то круг на поверхности фотоприемника трансформируется в эллипс (рис.4г). Освещенность пар площадок 1-3 и 2-4 при этом изменится. Одна из пар получит света меньше и выработает меньший электрический сигнал, другая получит света больше и выработает больший электрический сигнал. Если просуммировать такие сигналы и определить разность полученных сумм, то величина и знак такой разности будут соответствовать величине и знаку ошибки фокусировки.

Разностный сигнал используют для управления исполнительным механизмом фокусировки, который и компенсирует ошибку, перемещая объектив в ту или иную сторону по вертикали.

Метод Фуко

Этот метод основан на использовании призмы, расщепляющей луч лазера на два пучка (рис.6).

Если отраженный от поверхности компакт-диска луч точно сфокусирован на ребре призмы, то, расщепляясь, он образует два одинаковых пучка. Если на пути этих пучков поместить два двухплощадочных фотоприемника, то на каждом из них образуется световое пятно в виде круга. Фотоприемники следует расположить так, чтобы граница между площадками проходила точно через середину круга (рис.6б). При этом разностный сигнал от пар 2-3 и 1-4, полученный с помощью схемы на рис.6г, будет равен нулю, что означает точную фокусировку объектива головки на дорожке. При сближении объектива и компакт-диска фокальная плоскость будет приближаться к фотоприемникам. В результате световые пятна переместятся на элементы 1 и 4 (рис.6а), а разностный сигнал станет отрицательным. Если объектив и компакт-диск удаляются друг от друга, то удаляется и фокальная плоскость от фотоприемников. В результате световые пятна смещаются на элементы 2 и 3 (рис.6в), а разностный сигнал становится положительным (рис.6г).

Полученный таким путем сигнал используется для управления исполнительным механизмом фокусировки.

Кроме вышеописанных, существуют и другие способы автофокусировки, также основанные на свойствах лазерного излучения и особом построении оптической системы.

Исполнительный механизм фокусировки конструктивно напоминает устройство электродинамического громкоговорителя, только вместо диафрагмы (диффузора) в нем под воздействием электромагнитного поля перемещается линза объектива. Один из вариантов конструкции такого механизма показан на рис.7.

Оправа объектива и и каркас легкой подвижной катушки соосно закреплены в центре кольцевой пружины. Края пружины закрепляются на торце кольцевого постоянного магнита. Когда через катушку протекает ток того или иного направления, объектив вместе с катушкой перемещается вверх или вниз вдоль вертикальной оси, отслеживая колебания поверхности компакт-диска.

Слежение за дорожкой (автотрекинг). Способ трех лучей.

При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникает некоторый эксцентриситет записи. Его предельная величина, в соответствии со стандартом, не должна превышать ±70 мкм. Однако и эта цифра достаточно велика. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,6…0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой (автотрекинга) с глубиной регулировки не менее 700. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объектив (или всю оптическую головку) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентриситета.

Рассмотрим один из способов радиального слежения, наиболее широко использующийся в системах воспроизведения компакт-дисков. Этот способ называется способ трех лучей. Для его реализации, кроме основного считывающего луча, необходимы еще два дополнительных, которые формируются путем расщепления основного. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризационная призма, фазовая дифракционная решетка или оптические клинья.

Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рис.8. Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С – по обеим сторонам от него вдоль оси дорожки на расстоянии Y. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину Х. Один из них (В) смещен влево, другой (С) – на такую же величину вправо. При этом каждому из трех лучей соответствует свой фотоприемник.

а основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают ее каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей должны быть при этом одинаковы, а разность их, соответственно, должна быть равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой – меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.

Из-за своей простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях CD и DVD, хотя и является очень старым, заимствованным еще из системы лазерной видеозаписи LV (Laser Vision).

Кроме способа трех лучей, для автотрекинга используются еще дифракционный способ, основанный на явлении дифракции света, обусловленной наличием микрорельефа регистрирующего слоя оптического диска, и похожий на него фазовый способ, основанный на изменении распределения отраженного света в зависимости от взаимного положения светового пятна и пит.

α

С

В

А

Рис.3. Картина астигматизма при прохождении сходящегося пучка через цилиндрическую линзу

F – точка пересечения краевых лучей сходящегося пучка с оптической осью.

OF' – фокусное расстояние цилиндрической линзы.

Цилиндрическая линза

О

F'

F

Рис.2. Картина астигматизма при прохождении света через сферическую линзу

В

В''

В''

Рис.1. К понятиям числовой и угловой апертуры

α = 2θ – угловая апертура

NA = n sinθ – числовая апертура

Фокальная плоскость

Оптическая ось

Входной зрачок объектива

θ

D

E

Z

Y

X

O

a

1

2

4

3

  б

О

Y

A

B

C

D

E

Z

в

г

О

Х

А

В

С

D

E

Z

д

Рис.4. Распределение света в астигматичном пучке: а – общий вид сходящегося пучка; б – четырехплощадочный фотоприемник; в – сечение пучка плоскостью YOZ; г – форма светового пятна в пучке; д – сечение пучка плоскостью XOZ. 

1

4

2

3

+

+

+

+

-

+

Лазерный диод

Расщепитель луча

Фотоприемник

Цилиндрическая линза

Линза объектива

Поверхность диска

Сигнал

фокусировки

Рис.5. Схема фокусировки по методу астигматизма пучка

1   2

3   4

1   2

3   4

1   2

3   4

а) дорожка и объектив сблизились

б) дорожка в фокусе объектива

в) дорожка и объектив отдалились

+

+

+

+

+

_

2

3

1

4

0   – дорожка в фокусе объектива

+   - дорожка и объектив отдалились

-   - дорожка и объектив сблизились

Рис.6. Автофокусировка по методу Фуко

г)

Подвижная катушка

Оправа объектива

Кольцевой постоянный

магнит

Кольцевая пружина

Линза объектива

Рис.7. Вариант конструкции привода автофокусировки

Y

X

A

C

B

Рис.8. Положение сфокусированных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80997. Закономерности и особенности развития детей с психофизическими нарушениями 31.05 KB
  Вторичные возникающие опосредованно в процессе аномального социального развития. Первичный дефект может иметь характер недоразвития или повреждения. Выготского является основным объектом в психологическом изучении и коррекции аномального развития.
80998. Категории детей с нарушениями интеллектуального развития, их развитие и обучение 30.24 KB
  имбецильность умеренная выраженность интеллектуального недоразвития дети не дееспособны не обучаемы но способны к овладению простыми навыками; 3. Дети с умственной отсталостью запаздывают в психическом развитии уже с первых дней жизни. По уровню речевого развития умственно отсталые дети представляют неоднородную группу: от общего недоразвития речи до достаточно развернутой обиходной речи но с нарушениями фонетики семантики. Дети с простой неосложненной дебильностью.
80999. Категории детей с задержкой психического развития, их развитие и обучение 29.64 KB
  Причины выраженной задержки психического развития: минимальные слабовыраженные органические повреждения или функциональная недостаточность центральной нервной системы возникшие в результате воздействия патогенетических факторов во внутриутробном природовом или в раннем периоде жизни ребенка; длительные хронические соматические заболевания перенесенные в раннем детстве; длительная социальнокультурная депривация; влияние стрессовых психотравмирующих факторов. психогенный генезис связывается с неблагоприятными условиями воспитания...
81000. Категории детей с нарушениями слуха, их развитие и обучение 29.05 KB
  Среди глухих детей различают: глухих без речи ранооглохших когда поражение слуха возникает у ребенка в доречевой период или в самом начале формирования речи; глухих сохранивших в той или иной мере речь позднооглохших это дети с потерей слуха но относительно сохранной речью ввиду сравнительно позднего возникновения глухоты. Врожденная или ранняя потеря слуха приводит к отсутствию речи немота либо ее грубому недоразвитию. У глухих детей изза речевых нарушений задерживается общение обеспечивающее совместную со взрослыми...
81001. Категории детей с нарушениями зрения, их развитие и обучение 28.26 KB
  Кроме того следует отметить что в школьной практике очень часто встречаются прогрессирующие нарушения зрения: близорукость и дальнозоркость. Принимая за основу степень нарушения зрительной функции детей со стойкими дефектами зрения делят на слепых и слабовидящих. Различают разные степени потери зрения: ♦ абсолютная слепота при которой полностью отсутствуют зрительные ощущения светоощущение и цветоразличие; ♦ практическая слепота при которой сохраняется или светоощущение на уровне различения света от темноты или остаточное зрение...
81002. Категории детей с речевыми нарушениям, их развитие и обучение 30.41 KB
  Дисфония – отсутствие или расстройство фонации вследствие патологических изменений голосового аппарата. Проявляется либо в отсутствии фонации (афония), либо в нарушении силы, высоты и тембра голоса (дисфония).
81003. Категории детей с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Развитие и обучение детей с церебральным параличом 27.91 KB
  Развитие и обучение детей с церебральным параличом Отмечают различные виды патологии опорнодвигательного аппарата. Эти расстройства обнаруживаются у детей уже в первые месяцы жизни ребенка. Нарушения интеллектуального развития часто незначительны и многие из таких детей могут обучаться в массовой школе.
81004. Категории детей со сложным (комбинированным) дефектом. Особенности развития и обучения слепоглухонемых детей 29.08 KB
  Особенности развития и обучения слепоглухонемых детей К сложным нарушениям детского развития относят сочетание двух или более психофизических нарушений зрения слуха речи умственного развития и др. Разделение детей со сложными нарушениями по выраженности каждого из имеющихся дефектов позволяет определить их основные трудности и построить программу их обучения и воспитания. Возможность социальной адаптации таких детей включение их в организованное обучение во многом определяются тем в каком возрасте наступила потеря зрения и слуха.
81005. Развитие аутичных детей, особенности коррекционной работы с ними 34.07 KB
  Дети I группы 8 с аутистической отрешенностью от окружающего характеризуются наиболее тяжелыми нарушениями психического тонуса и произвольной деятельности. Эти дети мутичны. Наиболее тяжелые проявления аутизма: дети не имеют потребности в контактах не осуществляют даже самого элементарного общения с окружающими не овладевают навыками социального поведения самообслуживания. Дети II группы 62 с аутистическим отвержением окружающего характеризуются определенной возможностью активной борьбы с тревогой и многочисленными страхами за счет...