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 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 диска. 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 неплос-костностью 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 информации.

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 фотоприемник, 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 сканирования 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 флуктуаций 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 быть 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 ДОЭ [11].

ДА . = А„Дз */f’С1-В >•                                                                       (1> d ° m °      °

При выходной числовой апертуре А1 = 0,^5 амплитуда сканирования сфокусированного пятна выбирается приблизительно равной 0,5 мкм. Отсюда, используя (1), легко получить, что при приведенных значениях f^, 0О, Ао требуемая девиация длины волны ДА^аг 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 ДОЗ 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 ДОЗ. 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 ДОЗ и светоделитель, попадает на фотоприемник. Электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на фильтр, осуществляющий спектральное разделение информационного сигнала и сигнала сканирования, промодулированного сигналом ошибки фокусировки.

Выход

Функциональная блок-схема системы динамической автофокусировки, выполненной на основе ДОЗ: 1 - ППЛ, 2 - ДОЗ, 3 - светоделитель, ^ - фотоприемник, 5 * исполнительный двигатель перемещения считывающей головки, 6 - генератор сканирования 7 - синхронный детектор, 8 - фильтр, 9 - оптический диск

Благодаря тому, что частота генератора сканирования значительно превышает максимальную частоту в спектре информационного сигнала, фильтр практически полностью разделяет сигналы, даже будучи 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.

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 оптических дисков.