离焦探测系统

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1、2.2.2 离焦探测系统数字高清视频节目的播放要求光盘系统具有更大的存储容量和更高的数据传输率,目前 基于蓝色半导体激光器已成功开发出两种新的记录格式，分别称为蓝光 (blu-ray) 格式(波长 入=405 nm、数值孔径NA=0.85)和高密度数字视盘(HD-DVD)格式(入=405 nm, NA=0.65)。随 着记录波长的缩短以及物镜数值孔径的提高，聚焦光束的焦深(入/NA2 )减小，光存储对于系 统的聚焦能力提出了更高的要求，其中聚焦误差信号的质量是光存储系统具备良好聚焦性能 的前提。目前，聚焦误差信号的提取可以依靠多种光学方法实现，如像散法、刀口法、临界 角棱镜法等，其质量取决于系

2、统的光学增益、聚焦和道跟踪间光学串扰及元件调整等因素。1像散法像散法是光学头中检测焦点失调的最常用方法之一，在 DVD 系统中被普遍采用。这种 方法是利用一个像散透镜(如柱面镜)和一个四象限光电二极管检测器来获取聚焦误差信号。 四象限光电二极管可以看作是四个独立的光电二极管组成，位于像散镜之后。当物镜和光盘 反射面之间的距离发生变化时，反射回来的激光通过柱面镜产生像散。如图5-3-22 所示， 像散透镜在水平和垂直方向分别有两个散焦点F1 (主焦点以内)、F2(主焦点以外)。四象限探图 2-2-6 离焦探测样片反射层远焦当样片处于物镜焦点正确位置时，在测器位于主焦点，探测器分划线与像散线成 4

3、5角。四象限光电检测器上得到的图像是一个圆形图像，四个光电二极管上输出等量的输出信号， 聚焦误差信号FE = (A+C)-(B+D) = 0,见图5-3-22(b)；如果物镜离样片过近，反射激光通过像 散透镜后，落在四象限光电二极管上的图像是一个水平方向上的椭圆形图像，聚焦误差信号 FE = (A+C)-(B+D)0，见图5-3-22(c)。将FE信号放大后通过校正网络、功放环节驱动力矩器上下 移动，使物镜远离或靠近样片，实现闭环聚焦控制。输出信号也可以采用归一化方式，即S = (A + C-(B + D)_ (A + C) + (B + D)根据离焦探测光学系统的参数, 可计算出与被测点离焦

4、量相对应的探测器输出信号变化, 得 到如图2-2-7所示的S曲线特性。从图2-2-7可以看出，对于每一组光学系统参量，在焦点附近 都有一段聚焦误差信号线性变化的区域。在线性区我们可根据聚焦误差信号的大小得知物体归化输出S图 2-2-7 探测器归一化输出特性曲线位移量的大小。光学系统的参量不同，计算出的线性区大小不同，即测量范围不同，同时系 统的灵敏度也不同。灵敏度高时测量范围较小，可取不同的参量得到合适的灵敏度和测量范 围。像散法是光学头中检测焦点失调的最常用方法之一，在DVD系统中被普遍采用。然而， 当记录密度进一步提高，如采用HD-DVD盘片时，由于系统的聚焦允许误差范围进一步缩小， 像散

5、法得到的聚焦误差受道串扰的影响加剧，使聚焦性能降低，因此像散法并不被认为是 HD-DVD系统中的最佳方案。2刀口法光盘机调焦用的刀口法是由天文望远镜球面度测试的傅科刀口法演变而来的HD-DVD驱 动器中采用的刀口法调焦的原理如图2-2-28所示。图2-2-28(a)为调焦光路原理图，从盘片反 射回来的光强信号经探测透镜汇聚到置于焦点处的二象限探测器上，刀口置于探测透镜后平 面上，将出瞳面自中心直径以下挡去一半。当盘片信息面处于焦点位置时，探测器上获得中 心对称的聚焦光斑，误差信号强度IFE= IA - IB =0，其中IA和IB分别为探测器A象限和B象限的光FE A BA B场积分强度。当其处

6、于近焦或远焦位置时，探测器上获得光强信号不再中心对称，如图 2-2-28(b)所示，Ife分别大于零和小于零。刀口整型405 nm半导体激光器探测透镜整型物镜(2=0. 65)二象限探测器图 2-2-8 HD-DV 系统中刀口法调焦原理示意图 (a) 刀口法光学原理, (b) 离焦 探测原理当离焦量d不是很大时，根据几何光学原理可以比较直观地分析二象限探测器上获得的 探测光斑随离焦量的变化情况。不失一般性，当盘片信息面处于离焦位置时，探测光斑形成 的几何光路以及光斑的几何尺寸如图2-2-29所示，其中为离焦量，6表示入射光的孔径角， D为入射光束孔径，人和/2分别为物镜和探测透镜的焦距，s为刀

7、口与光轴之间的距离，m为 反射光会聚点与探测物镜后焦面之间的距离，/为透镜之间的距离。由几何光学原理可以方 便地求得探测器上光斑尺寸尺和a的表达式2df tan 0R =2,fa =fn0_fD + 4d (l - f )tan 01图 2-2-9 离焦量与检测光斑尺寸关系刀口法也是一种常用的调焦方法,具有光路简单、灵敏度高、受串扰噪声影响小的特点 比较适合HD-DVD等高密度光盘系统中离焦量的检测。虽然刀口法对元件安装的精度要求较 高，但在数字聚焦伺服系统中，可以通过误差补偿的方法弥补定位精度不足的影响。3临界角棱镜法关于离焦探测的原理，在前面准直精度分析中已经作了部分论述，当光斑聚焦于盘片

8、信 道记录面时，反射回激光束为平行光，反之反射回激光束为发散或汇聚光束。因此，离焦探 测便成为了平行光检测，检测的方法采用临界角法，如图2-2-10 所示。临界角棱镜的顶角取光线从光学玻璃入射到空气，发生全反射的临界角度，故称作“临e泄漏光能明暗梓界角棱镜反射回光束离焦探测器图 2-2-10 临界角棱镜对离焦光束的影响界角棱镜”设光学玻璃的发射率n = 1.51，则临界角棱镜的顶角=arcsin(1)=n(1 )arcsin = 41.50(1.51 丿当平行光束入射临界角棱镜时，如图 2-2-10 实线所示，光束入射角等于临界角9 ，因 此光束全部发生全反射，到达探测器的光强均匀分布。当盘片

9、发生离焦时，反射光束不再是 平行光束。现以发散光束为例进行分析，此时，在光轴上半部分的光束以入射角小于临界角 9 的角度入射临界角棱镜，因此，光束不能发生全反射，部分光能泄露（如图 2-2-10 所示）； 而光轴下半部分的光束以入射角大于临界角9 的角度入射临界角棱镜，因此，光束发生全反 射，没有光能泄露。由此可见，发散光束经过临界角棱镜，反射到达探测器的光能分布不均匀，左半部分比 右半部分亮。当汇聚光束入射临界角棱镜时，同样有一半的光能不能发射全反射。分析方法与光束发散情况相同，结果是到达探测器的光能右半部分比左半部分大。这样，经过差分电 路的处理，便得到了离焦信号。临界角棱镜法检测离焦的优点是检测灵敏度很高，可以达到20 pA/ pm。但这种方法 对安装精度要求很高，否则将极大地降低灵敏度，甚至出现伪焦点的情况。