Метод астигматизма пучка

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. При заданных λ и NA размеры различимых деталей не превышают величины b:

λ

b = C ──(4)

NA

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

тот 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.