(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件

第一章

光存储中的光学系统第一章

光存储中的光学系统1光存储设备中的光学元件光存储设备中的光学元件2(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件3(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件4(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件5半导体激光器用于蓝紫光存储的半导体激光器实际产品外观半导体激光器用于蓝紫光存储的半导体激光器实际产品外观6(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件7一个松下蓝光光刻机内部结构图一个松下蓝光光刻机内部结构图8(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件9增益媒介为了提供足够的粒子数反转，并能具备产生受激辐射的能级结构，即能级寿命满足特定条件谐振腔就是在满足受激辐射条件的众多波长中，选择最合适的一个，让它谐振，实现单波长输出。从模的角度就是给定特定的边界条件，让沿激光谐振方向，只有一个本征解。泵浦源产生粒子数反转的动力来源。显然，从低能级泵到最高能级，再跃迁到中间能级，产生激光，意味着很大一部分能量被浪费掉了。这符合能量守恒原则。这说明激光器是高能耗器件激光原理概要：增益媒介为了提供足够的粒子数反转，并能具备产生受激辐射的能级10LASER：LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation我们知道，电子的轨道分为若干个能阶，电子吸收能量能够从低能态跃迁到高能态，反之从高能态跃迁到低能态则放出能量。而放出的能量如果足够强，到达了光子的水平，则能产生激光。LASER：LightAmplificationbyt11(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件12是不是任何物质都能产生激光呢？看了上面一些图示后，我们大致能知道，当电子从高能级跃迁到低能级就能产生激光。但其工作是要有条件的，最根本受能级寿命的影响这是一个激光生成的三能级系统模型能量从E1E3，称为粒子数反转，是激光产生的前提；但E3-E2能级寿命要远短于E3-E2才能保证大多数电子回到E2而不是E1，进而产生新的波长光是不是任何物质都能产生激光呢？看了上面一些图示后，我们大致能13三能级，或四能级等都是理想模型，实际的能级结构要复杂的多实际上，每个能阶周围都有若干个子能阶，所以跃迁有多种可能性，如果没有干预，将产生很多个波长，而不是单波长。所有的激光器都从这个基本结构衍生出来，每部分的原理何在？三能级，或四能级等都是理想模型，实际的能级结构要复杂的多实际14(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件15激光器的基本概念谐振腔增益介质泵源模高斯光激光器的基本概念谐振腔16思考：如何获得偏振的激光输出？腔外调制腔内调制思考：如何获得偏振的激光输出？腔外调制17通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗，即输出光已经是P偏振光，如果没有类似操作，则需要外接起偏器通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗，即输出光已经是P偏振光，18高斯光对使用有何不利，如何解决？高斯光对使用有何不利，如何解决？192.激光准直2.激光准直20光存储对半导体激光器的要求由于半导体激光器发出的光束本身具有像散，且光束经过激光器的出窗时，会产生像差，因此如果要求高质量的光束和高的光能利用率，就要加入整形元件对光束整形，使之由椭圆对称变为圆对称。能否想出什么办法来把椭圆的光斑变成圆的？光存储对半导体激光器的要求由于半导体激光器发出的光束本身具有213.棱镜整形3.棱镜整形22光束棱镜整形系统放大率M当使用K9玻璃做棱镜时光束棱镜整形系统放大率M当使用K9玻璃做棱镜时23光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜反射镜物镜思考：光路如何设计，经光盘读出信号如何探测？？光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜反射镜物镜思24光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜起偏器偏振分光镜¼波片反射镜物镜柱面镜象限探测器相位光栅光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜起偏器偏振分253.偏振控制与分光思考：可以实现偏振分光的原理钠光自然光•••

方解石

加拿大树胶e•••o••eo••3.偏振控制与分光思考：可以实现偏振分光的原理钠光自然光•26yxoP

从单轴晶体切出的平行平面薄片，光轴与表面平行。光垂直入射时，主截面为o-xz·zAAoAe线偏振光垂直入射到波片上，分成o光和e光，对于负晶体：光轴方向x方向快轴，y方向慢轴o光e光不分开，但传播速度不同，通过波片后会产生位相差波片yxoP从单轴晶体切出的平行平面薄片，光轴与表面平行275.光存储伺服系统轴向定焦径向定焦角度误差矫正5.光存储伺服系统轴向定焦28物镜聚焦误差聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物镜虽能将激光束聚焦在碟片的信号面上，但鉴于碟片本身存在的不平，翘曲或偏心等轻微变形，在高速旋转中不可避免的要产生上下抖动的面振动，使物镜与碟片的间距发生改变，而产生聚焦误差，这样便无法保证其焦点始终都落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟片的信号面上，就必须有聚焦伺服机构予以保证。物镜聚焦误差聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物镜29光学聚焦伺服系统聚焦伺服系统的作用，是通过垂直移动物镜，使激光束在碟片的信号面上始终保持着良好的聚焦。需要检测几种状态？需要检测正确聚焦、聚焦过近、聚焦过远三种不同的工作状态思考：所学光电原理里，哪一个可以在三种状态具有截然不同的物理表征，进而实现三种状态的识别？光学聚焦伺服系统聚焦伺服系统的作用，是通过垂直移动物镜，使激30（I）像散法轴向伺服系统像散法就是利用像散的特性，在探测光路额外引入像散，利用光斑由竖直椭圆圆扁平椭圆的变化规律来实现对近焦、准确聚焦和离焦三种状态的判定思考：加入怎样的元件有利于引入额外像散？（I）像散法轴向伺服系统像散法就是利用像散的特性，在探测光路31(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件32注意思路：要分辨近焦、正焦和远焦三个状态，只要能找到一种物理机制与三个物理现象一一对应即可思考：探测器如何实现对三种焦斑的一一识别？注意思路：要分辨近焦、正焦和远焦三个状态，只要能找到一种物理33像散法调焦像散法调焦34电路实现：利用四象限探测器和差动放大器FES=(A+C)-(B+D)=0（焦面）

<0近焦

>0远焦(FocusErrorSignal)+ABCDI电路实现：利用四象限探测器和差动放大器FES=(A+C)35想象一下使用像散法伺服系统的光盘读取光学系统实际工作模式想象一下使用像散法伺服系统的光盘读取光学系统实际工作模式36思考不用像散法定焦时，物镜本身像散非常小，即子午及弧矢光几乎重合。那么此时离焦，焦点过近或过远，光束有什么特征？思路要点：只要能找到另外三个物理状态与近焦、正焦、远焦一一对应即可！思考不用像散法定焦时，物镜本身像散非常小，即子午及弧矢光几乎37正确聚焦时AB焦点位置放置一个刀尖思考：聚焦过近，或聚焦过远时分别会得到什么探测结果？正确聚焦时AB焦点位置放置一个刀尖思考：聚焦过近，或聚焦过远38（II）刀口法这种方法是在检测透镜DL的后焦面设置一个”刀口“，并在其后放置二分立光点探测器。如图所示。当光盘位于正确聚焦位置时，刀口对反射光束没有影响，亮分立探测器上两个部分的光强分布相同。当光盘远焦时，刀口挡住一部分光，如图(b)、(c)所示，因此可以从二象限光电探测器上检测出误差信号，并可判断出正负方向。（II）刀口法这种方法是在检测透镜DL的后焦面设置一个”刀口39（III）临界角棱镜法如果光平行光轴入射，在棱镜内入射角恰好等于临界角θc

，对照前面刀尖法的思路，思考用下图原理如何设计轴向定焦伺服，画出近焦、远焦的光路示意图，并简要指出电路检测方法θcAB（III）临界角棱镜法如果光平行光轴入射，在棱镜内入射角恰好40（III）临界角棱镜法（a）正焦（b）近焦（c）远焦当光正好聚焦在光盘上时，反射光是平行的。如果正焦时的平行光恰好以临界角入射，则两部分光都全反射，探测信号差值为零。离焦后，反射光不再平行，而是发散或者会聚，那么比如有部分反射光小于临界角，将被折射。因此，可根据探测器两个探测元，探测后的信号做差值，来判断反射光是会聚还是发散，即判断是近焦还是远焦。（III）临界角棱镜法（a）正焦当光正好聚焦在光盘上时，反射41各种聚焦伺服方法商用化比例各种聚焦伺服方法商用化比例42（B）光学径向跟踪伺服器在光盘驱动器中，由于光盘的内轴孔有偏心且存在用于补偿膨胀与收缩的间隙，安装盘片时会产生对中误差，再加上轴承的间隙，就会使信道与转轴不同心，引起信道在半径方向上的位移。另外由于模压光盘各方向上的收缩率不同，也会产生变形。因此，径向跟踪伺服的主要目的是驱动光学头以最短的时间由现行轨道运动至目标轨道，并保持在信道中心，避免信道间的串扰和信号电平的降低。（B）光学径向跟踪伺服器在光盘驱动器中，由于光盘的内轴孔有偏43径向伺服思考：如何判定聚焦光束是否落在信道中央，是过左，还是过右？径向伺服思考：如何判定聚焦光束是否落在信道中央，是过左，还是44（I）三光束法正确跟踪TES=0错误跟踪TES=小于或大于零在原像散法四象限探测器基础上如何改进，融入三光束径向聚焦伺服的检测？（I）三光束法正确跟踪错误跟踪在原像散法四象限探测器基础上如45（I）三光束循迹法径向伺服：思考如何获得这样的三束光？思考，这样的三束光有什么特征？（I）三光束循迹法径向伺服：思考如何获得这样的三束光？46正弦（余弦）光栅思考：相位光栅是如何获得的？正弦（余弦）光栅思考：相位光栅是如何获得的？47思考：电路控制？如果一个系统同时使用了像散法轴向伺服和三光束法径向伺服，那么信号该如何探测？思考：电路控制？如果一个系统同时使用了像散法轴向伺服和三光束48如何将轴向和径向伺服光路整合到一起相当于三光束法与像散法的结合。半导体激光器发出的光经光栅产生0级，±1级光。0级光为主光束经光盘轨道成象在四象限探测器上，±1级光为副光束经光盘轨道两旁反射在五、六两象限（A，C）上成象。ABC1234六象限探测器探测器A、C用于寻址聚焦四象限探测器B用于色散法轴向聚焦伺服如何将轴向和径向伺服光路整合到一起相当于三光束法与像散法的结49在道上：E-F=0偏离道：E-F<0或>0FES+ABCDI+ITESFE在道上：E-F=0FES+ABCDI+ITESFE50聚焦于信号读出聚焦：(A+C)-(B+D)=FES跟踪：E-F=TESHF(RF)信号：A+B+C+D聚焦于信号读出聚焦：(A+C)-(B+D)=FES51发散思考除了三光束法，你还能想到什么办法，实现径向伺服？发散思考除了三光束法，你还能想到什么办法，实现径向伺服？52（II）推挽法思考：与三光束方法相比，该方法优缺点各是什么？（II）推挽法思考：与三光束方法相比，该方法优缺点各是什么？53径向伺服系统目前三光束法和推挽法应用最为广泛径向伺服系统目前三光束法和推挽法应用最为广泛54(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件55能够根据实际情况分析可行的定焦方法一般市面上的单反相机都具有自动定焦功能，能否设计单反机的自动定焦系统？能够根据实际情况分析可行的定焦方法一般市面上的单反相机都具有56(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件57(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件58（C）偏转误差调整轴向径向伺服系统都是假定光学头移动工作台与光盘平面严格平行/垂直的前提下进行校正补偿的。但实际系统中还有一类重要误差，就是工作台发生角度偏移。一个良好的存储系统里，必须对此作出精确预估和校正。能否有什么好的办法测量角度偏转误差并正确校正？（C）偏转误差调整轴向径向伺服系统都是假定光学头移动工作台与59角度误差校正系统角度误差校正系统60角度误差校正原理一束激光由移相分光镜分成两路，分别射向安装在浮动工作台上的两个立体棱镜。由立体棱镜反射回来的光束，重新在移相分光镜处会合并发生干涉。由光电接收器检测干涉条纹信号。当纵向工作台在前进过程中无角运动时，光电接收器检测不着干涉条纹的变化，但是只要工作台略有偏转，干涉仪两臂光程差便发生改变，光电接收器便可测出条纹的变化。经过光电转换及电信号的处理，可以驱动压电陶瓷使工作台转回原来的方位，这就达到了自动校正的目的。角度误差校正原理一束激光由移相分光镜分成两路，分别射向安装在61思考：伺服判定后如何恢复正确聚焦无论径向还是轴向伺服，位置的偏移量都是很小的，那么系统知道聚焦过近、过远、过左或过右后，如何实现正确聚焦？思考可行原理思考：伺服判定后如何恢复正确聚焦无论径向还是轴向伺服，位置的62压电效应思考：我们学过哪些物理量之间的转换效应思考：你觉得（逆）压电效应有何应用？压电效应思考：我们学过哪些物理量之间的转换效应思考：你觉得（63生活中的压电效应应用V=gFh/A

；A——圆柱体截面积；

h——圆柱体高度；

g——压电电压常数生活中的压电效应应用V=gFh/A

；A——圆柱体截面积；

64钛酸铋钠及应用日本发明“发电地板”，乘客走过就能发电日本共同社报道，JR东日本公司将开始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地板”试验。本次试验的目标是实现一人通过时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并希望在不久的将来实现用“发电地板”维持自动检票机在处理IC卡时所需的电力。-----------建筑节能Bi0.5Na0.5TiO3

钙钛矿型晶体，有希望取代铅基压电材料PerovskiteStructure<001><111><110>钛酸铋钠及应用日本发明“发电地板”，日本共同社报道，JR东日65光学应用：压电陶瓷PbZrO3-PbTiO3(PZT)光学应用：压电陶瓷PbZrO3-PbTiO3(PZT)66复习：同时使用像散法和双光束法后的探测器构成在道上：E-F=0偏离道：E-F<0或>0FES+ABCDI+ITESFE复习：同时使用像散法和双光束法后的探测器构成在道上：E-67思考：得到的三根信号如何处理？循迹误差信号放大器

预放大，预处理聚焦误差放大器主轴电机驱动电路

聚焦驱动电路循迹线圈驱动电路主轴电机驱动光盘旋转聚焦驱动方向循迹驱动方向聚焦搜索聚焦传动循迹传动A+B+C+D（A+C）-（B+D）E-F循迹搜索=0?No思考：系统根据伺服信号，如何机械传动，以正确聚焦思考：得到的三根信号如何处理？循迹误差信预放大，聚焦误差68误差信号预处理：PID控制现在过去未来误差信号预处理：PID控制现在过去未来69位移传动系统精密位移：逆压电效应思考：除了压电效应是否还有别的机械传动方法，可以根据电压（电流）大小，发生相应位移？位移传动系统精密位移：逆压电效应70轴向聚焦伺服系统：

播放光盘时，驱动信号进入驱动电路驱动主轴电机带动光盘旋转

由于机械误差，光盘盘面相对于激光头会有上下偏摆光盘

聚焦线圈

激光二极管

聚焦误差

柱面透镜

光敏二极管

物镜

驱动信号

驱动电路

主轴电机

聚焦伺服

驱动碟片机通过调整聚焦镜头使激光束的聚焦点跟踪光盘盘面变化当出现误差时，迅速调整物镜，实现焦点跟踪

轴向聚焦伺服系统：播放光盘时，驱动信号进入驱动电路驱动主轴71像散法轴向聚焦伺服环路：

聚焦误差的检测原理光盘盘面

调焦透镜（物镜）

耦合透镜

柱面透镜

聚焦点

光敏二极管组件平面图隔离带误差电压与焦点的变化呈S形曲线焦点正确时，在光敏二极管组件上呈圆形，而偏离时呈椭圆形，偏离的方向不同，椭圆的长轴方向也不同像散法轴向聚焦伺服环路：聚焦误差的检测原理光盘盘面调72聚焦线圈的结构图聚焦伺服环路：

线圈磁极磁极永磁铁物镜聚焦线圈的骨架与透镜同轴固定在一起，当线圈中有电流时，线圈连同透镜一起在磁场中上下移动聚焦线圈的结构图聚焦伺服环路：线圈磁极磁极73循迹（径向）伺服系统：

循迹（径向伺服）误差的检测原理激光二极管所发射的光束经光栅分裂成3束光通过物镜射向光盘用以读取光盘信息和误差信息两侧的两个光束称为辅助光束，用来检测循迹误差中间的光束用于检测声像信息和聚焦误差主光束偏离时辅助光束检测二极管的输出就不对称，两者相减得到误差循迹误差光敏管

信息读出光束

辅助光束

辅助光束

循迹（径向）伺服系统：循迹（径向伺服）误差的检测原理激光74信息纹迹循迹误差电压循迹伺服环路：

E-F（右-左）信息纹迹循迹误差电压循迹伺服环路：E-F（右-左）75循迹线圈的结构和工作原理：

循迹线圈的结构物镜

永磁铁

线圈磁极

循迹线圈的结构和工作原理：循迹线圈的结构物镜永磁铁76循迹线圈的结构和工作原理：

循迹线圈的工作原理激光束循迹线圈当线圈中有电流的时候，由于线圈磁场对镜头永磁铁的作用，物镜沿水平方向移动电流物镜移动方向焦点移动范围电流电流实物顶视图电路图循迹线圈的结构和工作原理：循迹线圈的工作原理激光束循77循迹伺服电路的构成循迹（径向）伺服电路的构成和工作原理：

物镜

激光束

由激光二极管发射出激光束二极管的输出电流经运算放大器检测出循迹误差信号并进行放大

循迹误差检测放大电路

误差信号经伺服电路处理后转换成校正信号循迹伺服电路校正信号经驱动电路进行功率放大后去驱动循迹线圈在循迹线圈的磁场作用下微调物镜，使激光束跟踪信息纹移动循迹驱动电路光盘

驱动信号

驱动电路

主轴电机激光二极管

柱面透镜

光敏二极管

聚焦线圈

循迹伺服电路的构成循迹（径向）伺服电路的构成和工作原理：78典型光盘播放机伺服系统的构成：

碟片机伺服系统方框图电机激光头光信号检测部分电流-电压信号放大电路主信号放大器伺服预放数据检出电路

伺服控制电路ALPC循迹误差聚焦误差限幅电平

聚焦线圈循迹线圈进给电机主轴电机激光二极管典型光盘播放机伺服系统的构成：碟片机伺服系统方框图电机激79主轴和进给伺服电路的构成主轴伺服和进给伺服：激光头从光盘上读取的信息经过TDA1302处理后，从9脚输出RF信号到SAA7345TDA1302915RF在SAA7345中处理后将误差信号转换成控制信号并从33、34脚输出SAA7345前置处理PLLEFM解调

时钟CLV主轴电机控制分频器3334经驱动放大器放大后去驱动主轴电机主轴电机驱动M主轴电机主轴和进给伺服电路的构成主轴伺服和进给伺服：激光头从光盘上80碟片机伺服系统方框图（飞利浦机芯）碟片机中的伺服电路：

接在激光头输出部位的伺服预放电路TDA1302，用以完成RF信号放大、聚焦误差检测、循迹误差检测、激光二极管供电等功能数据放大伺服预放TDA1302TDA1301主要完成聚焦误差和循迹误差的检测和伺服处理TDA1301聚焦和循迹伺服碟片机伺服系统方框图（飞利浦机芯）碟片机中的伺服电路：81A/DA/D

聚焦伺服

循迹伺服

进给伺服

D/A

输出

D/A

输出

D/A

输出

聚焦误差循迹误差

进给驱动

TDA1301碟片机中的伺服电路：

TDA1301内部电路方框图激光头中光敏二极管的输出信号在TDA1302中进行放大后将包含聚焦和循迹误差的信息送到TDA1301中A、B、C、D信号送到TDA1301的5、6、7、9脚ABCDE、F二极管的信号送到10、11脚EF经数字处理后分别由23、22、24脚输出聚焦、循迹和进给的控制信号A/DA/D

聚焦伺服循迹伺服进给伺服D/A

输出D/A

输出D/A

输出聚焦误差循迹误差

进给驱动D1

D2

D3

D4

S1S2A/DA/D聚焦循迹进给D/AD/AD/A聚焦误826.光电二极管PD6.光电二极管PD837.物镜7.物镜84物镜要求焦距数值孔径视场镜头重量物镜要求85请思考，对于光存储应用，在设计物镜时哪些像差比较重要，需仔细矫正，哪些像差不那么重要，可以不用考虑？请思考，对于光存储应用，在设计物镜时哪些像差比较重要，需仔细86物镜单色像差要求如果选修了《光学设计及CAD》课程的同学可以发现，光存储物镜，对像差的要求是相当高的，波像差小于0.007波长，是非常小的像差。对现在的应用，这是否极难实现？注意：孔径非常小物镜单色像差要求如果选修了《光学设计及CAD》课程的同学可以87会聚物镜光学设计思考：如何提高数值孔径？会聚物镜光学设计思考：如何提高数值孔径？88振幅式光学头核心元件：偏振分束镜，透过P偏振光，但对S偏振光全反射。入射光为P偏振，透过1/4波片往返两次后变成S偏振振幅式光学头核心元件：偏振分束镜，透过P偏振光，但对S偏振光89三波长DVD光学系统示意图整个光学头光学系统都可以用Zemax等软件来设计三波长DVD光学系统示意图整个光学头光学系统都可以用Zema90(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件91振幅式光学头核心元件：偏振分束镜，透过P偏振光，但对S偏振光全反射。入射光为P偏振，透过1/4波片往返两次后变成S偏振振幅式光学头核心元件：偏振分束镜，透过P偏振光，但对S偏振光92偏振式光学头思考普通光盘的工作原理，由此能否的出光存储的本质原理？能否由此猜测，磁性存储所利用的一般原理？偏振式光学头思考普通光盘的工作原理，由此能否的出光存储的本质93偏振式光学头思考：信号如何读写？偏振式光学头思考：信号如何读写？94磁光效应磁光法拉第旋光效应磁光克尔效应线偏振光入射到磁性介质上时，偏振会发生一个小角度旋转。当介质磁极相反时，偏振旋转方向相应反向，大小一样。根据这个现象结合振幅式光学头的基本原理，能否实现对磁光信号的正确读取？磁光效应磁光法拉第旋光效应线偏振光入射到磁性介质上时，偏振会95光存储光学系统设计总结了解各主要元件（物镜、整形棱镜、伺服系统）以及光学头系统的设计方法和注意事项；掌握：能大致看懂光学头的工作原理图，特别是普通的振幅式光学头。了解振幅式和偏振式光学头的区别。光存储光学系统设计总结了解各主要元件（物镜、整形棱镜、伺服系96前沿动态超级DVD却可以存储10000GB的数据，但走向市场预计需要10年，澳大利亚科学家开发出可存储2000部电影的新一代DVD，这项技术或宣告三维电视和超高清晰视觉享受时代的来临。研究结果刊登在《Nature》杂志上。大多数DVD有两层信息，互为重叠。激光器先是读取第一层信息，接着调焦读取第二层。超级DVD碟片可以通过两个多余的“维”——光的颜色和光波的方位或偏振——存储信息。这些额外的维对制造超高容量碟片而言至关重要。通过利用色彩，将个头太小肉眼都看不到的金质纳米棒嵌入碟片表面。

前沿动态超级DVD却可以存储10000GB的数据，但走向市97本节知识要点理解并熟悉振幅式光学头的构成和工作原理；掌握几种聚焦伺服系统(像散法、刀口法、临界角棱镜法)的工作原理；掌握三光束法径向伺服跟踪系统工作原理；了解光存储中半导体激光器光束整形常用的方法和基本原理。本节知识要点理解并熟悉振幅式光学头的构成和工作原理；98第一章

光存储中的光学系统第一章

光存储中的光学系统99光存储设备中的光学元件光存储设备中的光学元件100(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件101(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件102(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件103半导体激光器用于蓝紫光存储的半导体激光器实际产品外观半导体激光器用于蓝紫光存储的半导体激光器实际产品外观104(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件105一个松下蓝光光刻机内部结构图一个松下蓝光光刻机内部结构图106(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件107增益媒介为了提供足够的粒子数反转，并能具备产生受激辐射的能级结构，即能级寿命满足特定条件谐振腔就是在满足受激辐射条件的众多波长中，选择最合适的一个，让它谐振，实现单波长输出。从模的角度就是给定特定的边界条件，让沿激光谐振方向，只有一个本征解。泵浦源产生粒子数反转的动力来源。显然，从低能级泵到最高能级，再跃迁到中间能级，产生激光，意味着很大一部分能量被浪费掉了。这符合能量守恒原则。这说明激光器是高能耗器件激光原理概要：增益媒介为了提供足够的粒子数反转，并能具备产生受激辐射的能级108LASER：LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation我们知道，电子的轨道分为若干个能阶，电子吸收能量能够从低能态跃迁到高能态，反之从高能态跃迁到低能态则放出能量。而放出的能量如果足够强，到达了光子的水平，则能产生激光。LASER：LightAmplificationbyt109(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件110是不是任何物质都能产生激光呢？看了上面一些图示后，我们大致能知道，当电子从高能级跃迁到低能级就能产生激光。但其工作是要有条件的，最根本受能级寿命的影响这是一个激光生成的三能级系统模型能量从E1E3，称为粒子数反转，是激光产生的前提；但E3-E2能级寿命要远短于E3-E2才能保证大多数电子回到E2而不是E1，进而产生新的波长光是不是任何物质都能产生激光呢？看了上面一些图示后，我们大致能111三能级，或四能级等都是理想模型，实际的能级结构要复杂的多实际上，每个能阶周围都有若干个子能阶，所以跃迁有多种可能性，如果没有干预，将产生很多个波长，而不是单波长。所有的激光器都从这个基本结构衍生出来，每部分的原理何在？三能级，或四能级等都是理想模型，实际的能级结构要复杂的多实际112(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件113激光器的基本概念谐振腔增益介质泵源模高斯光激光器的基本概念谐振腔114思考：如何获得偏振的激光输出？腔外调制腔内调制思考：如何获得偏振的激光输出？腔外调制115通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗，即输出光已经是P偏振光，如果没有类似操作，则需要外接起偏器通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗，即输出光已经是P偏振光，116高斯光对使用有何不利，如何解决？高斯光对使用有何不利，如何解决？1172.激光准直2.激光准直118光存储对半导体激光器的要求由于半导体激光器发出的光束本身具有像散，且光束经过激光器的出窗时，会产生像差，因此如果要求高质量的光束和高的光能利用率，就要加入整形元件对光束整形，使之由椭圆对称变为圆对称。能否想出什么办法来把椭圆的光斑变成圆的？光存储对半导体激光器的要求由于半导体激光器发出的光束本身具有1193.棱镜整形3.棱镜整形120光束棱镜整形系统放大率M当使用K9玻璃做棱镜时光束棱镜整形系统放大率M当使用K9玻璃做棱镜时121光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜反射镜物镜思考：光路如何设计，经光盘读出信号如何探测？？光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜反射镜物镜思122光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜起偏器偏振分光镜¼波片反射镜物镜柱面镜象限探测器相位光栅光盘半导体激光器LD高斯光准直系统平行光整形棱镜起偏器偏振分1233.偏振控制与分光思考：可以实现偏振分光的原理钠光自然光•••

方解石

加拿大树胶e•••o••eo••3.偏振控制与分光思考：可以实现偏振分光的原理钠光自然光•124yxoP

从单轴晶体切出的平行平面薄片，光轴与表面平行。光垂直入射时，主截面为o-xz·zAAoAe线偏振光垂直入射到波片上，分成o光和e光，对于负晶体：光轴方向x方向快轴，y方向慢轴o光e光不分开，但传播速度不同，通过波片后会产生位相差波片yxoP从单轴晶体切出的平行平面薄片，光轴与表面平行1255.光存储伺服系统轴向定焦径向定焦角度误差矫正5.光存储伺服系统轴向定焦126物镜聚焦误差聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物镜虽能将激光束聚焦在碟片的信号面上，但鉴于碟片本身存在的不平，翘曲或偏心等轻微变形，在高速旋转中不可避免的要产生上下抖动的面振动，使物镜与碟片的间距发生改变，而产生聚焦误差，这样便无法保证其焦点始终都落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟片的信号面上。为了确保物镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟片的信号面上，就必须有聚焦伺服机构予以保证。物镜聚焦误差聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物镜127光学聚焦伺服系统聚焦伺服系统的作用，是通过垂直移动物镜，使激光束在碟片的信号面上始终保持着良好的聚焦。需要检测几种状态？需要检测正确聚焦、聚焦过近、聚焦过远三种不同的工作状态思考：所学光电原理里，哪一个可以在三种状态具有截然不同的物理表征，进而实现三种状态的识别？光学聚焦伺服系统聚焦伺服系统的作用，是通过垂直移动物镜，使激128（I）像散法轴向伺服系统像散法就是利用像散的特性，在探测光路额外引入像散，利用光斑由竖直椭圆圆扁平椭圆的变化规律来实现对近焦、准确聚焦和离焦三种状态的判定思考：加入怎样的元件有利于引入额外像散？（I）像散法轴向伺服系统像散法就是利用像散的特性，在探测光路129(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件130注意思路：要分辨近焦、正焦和远焦三个状态，只要能找到一种物理机制与三个物理现象一一对应即可思考：探测器如何实现对三种焦斑的一一识别？注意思路：要分辨近焦、正焦和远焦三个状态，只要能找到一种物理131像散法调焦像散法调焦132电路实现：利用四象限探测器和差动放大器FES=(A+C)-(B+D)=0（焦面）

<0近焦

>0远焦(FocusErrorSignal)+ABCDI电路实现：利用四象限探测器和差动放大器FES=(A+C)133想象一下使用像散法伺服系统的光盘读取光学系统实际工作模式想象一下使用像散法伺服系统的光盘读取光学系统实际工作模式134思考不用像散法定焦时，物镜本身像散非常小，即子午及弧矢光几乎重合。那么此时离焦，焦点过近或过远，光束有什么特征？思路要点：只要能找到另外三个物理状态与近焦、正焦、远焦一一对应即可！思考不用像散法定焦时，物镜本身像散非常小，即子午及弧矢光几乎135正确聚焦时AB焦点位置放置一个刀尖思考：聚焦过近，或聚焦过远时分别会得到什么探测结果？正确聚焦时AB焦点位置放置一个刀尖思考：聚焦过近，或聚焦过远136（II）刀口法这种方法是在检测透镜DL的后焦面设置一个”刀口“，并在其后放置二分立光点探测器。如图所示。当光盘位于正确聚焦位置时，刀口对反射光束没有影响，亮分立探测器上两个部分的光强分布相同。当光盘远焦时，刀口挡住一部分光，如图(b)、(c)所示，因此可以从二象限光电探测器上检测出误差信号，并可判断出正负方向。（II）刀口法这种方法是在检测透镜DL的后焦面设置一个”刀口137（III）临界角棱镜法如果光平行光轴入射，在棱镜内入射角恰好等于临界角θc

，对照前面刀尖法的思路，思考用下图原理如何设计轴向定焦伺服，画出近焦、远焦的光路示意图，并简要指出电路检测方法θcAB（III）临界角棱镜法如果光平行光轴入射，在棱镜内入射角恰好138（III）临界角棱镜法（a）正焦（b）近焦（c）远焦当光正好聚焦在光盘上时，反射光是平行的。如果正焦时的平行光恰好以临界角入射，则两部分光都全反射，探测信号差值为零。离焦后，反射光不再平行，而是发散或者会聚，那么比如有部分反射光小于临界角，将被折射。因此，可根据探测器两个探测元，探测后的信号做差值，来判断反射光是会聚还是发散，即判断是近焦还是远焦。（III）临界角棱镜法（a）正焦当光正好聚焦在光盘上时，反射139各种聚焦伺服方法商用化比例各种聚焦伺服方法商用化比例140（B）光学径向跟踪伺服器在光盘驱动器中，由于光盘的内轴孔有偏心且存在用于补偿膨胀与收缩的间隙，安装盘片时会产生对中误差，再加上轴承的间隙，就会使信道与转轴不同心，引起信道在半径方向上的位移。另外由于模压光盘各方向上的收缩率不同，也会产生变形。因此，径向跟踪伺服的主要目的是驱动光学头以最短的时间由现行轨道运动至目标轨道，并保持在信道中心，避免信道间的串扰和信号电平的降低。（B）光学径向跟踪伺服器在光盘驱动器中，由于光盘的内轴孔有偏141径向伺服思考：如何判定聚焦光束是否落在信道中央，是过左，还是过右？径向伺服思考：如何判定聚焦光束是否落在信道中央，是过左，还是142（I）三光束法正确跟踪TES=0错误跟踪TES=小于或大于零在原像散法四象限探测器基础上如何改进，融入三光束径向聚焦伺服的检测？（I）三光束法正确跟踪错误跟踪在原像散法四象限探测器基础上如143（I）三光束循迹法径向伺服：思考如何获得这样的三束光？思考，这样的三束光有什么特征？（I）三光束循迹法径向伺服：思考如何获得这样的三束光？144正弦（余弦）光栅思考：相位光栅是如何获得的？正弦（余弦）光栅思考：相位光栅是如何获得的？145思考：电路控制？如果一个系统同时使用了像散法轴向伺服和三光束法径向伺服，那么信号该如何探测？思考：电路控制？如果一个系统同时使用了像散法轴向伺服和三光束146如何将轴向和径向伺服光路整合到一起相当于三光束法与像散法的结合。半导体激光器发出的光经光栅产生0级，±1级光。0级光为主光束经光盘轨道成象在四象限探测器上，±1级光为副光束经光盘轨道两旁反射在五、六两象限（A，C）上成象。ABC1234六象限探测器探测器A、C用于寻址聚焦四象限探测器B用于色散法轴向聚焦伺服如何将轴向和径向伺服光路整合到一起相当于三光束法与像散法的结147在道上：E-F=0偏离道：E-F<0或>0FES+ABCDI+ITESFE在道上：E-F=0FES+ABCDI+ITESFE148聚焦于信号读出聚焦：(A+C)-(B+D)=FES跟踪：E-F=TESHF(RF)信号：A+B+C+D聚焦于信号读出聚焦：(A+C)-(B+D)=FES149发散思考除了三光束法，你还能想到什么办法，实现径向伺服？发散思考除了三光束法，你还能想到什么办法，实现径向伺服？150（II）推挽法思考：与三光束方法相比，该方法优缺点各是什么？（II）推挽法思考：与三光束方法相比，该方法优缺点各是什么？151径向伺服系统目前三光束法和推挽法应用最为广泛径向伺服系统目前三光束法和推挽法应用最为广泛152(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件153能够根据实际情况分析可行的定焦方法一般市面上的单反相机都具有自动定焦功能，能否设计单反机的自动定焦系统？能够根据实际情况分析可行的定焦方法一般市面上的单反相机都具有154(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件155(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统课件156（C）偏转误差调整轴向径向伺服系统都是假定光学头移动工作台与光盘平面严格平行/垂直的前提下进行校正补偿的。但实际系统中还有一类重要误差，就是工作台发生角度偏移。一个良好的存储系统里，必须对此作出精确预估和校正。能否有什么好的办法测量角度偏转误差并正确校正？（C）偏转误差调整轴向径向伺服系统都是假定光学头移动工作台与157角度误差校正系统角度误差校正系统158角度误差校正原理一束激光由移相分光镜分成两路，分别射向安装在浮动工作台上的两个立体棱镜。由立体棱镜反射回来的光束，重新在移相分光镜处会合并发生干涉。由光电接收器检测干涉条纹信号。当纵向工作台在前进过程中无角运动时，光电接收器检测不着干涉条纹的变化，但是只要工作台略有偏转，干涉仪两臂光程差便发生改变，光电接收器便可测出条纹的变化。经过光电转换及电信号的处理，可以驱动压电陶瓷使工作台转回原来的方位，这就达到了自动校正的目的。角度误差校正原理一束激光由移相分光镜分成两路，分别射向安装在159思考：伺服判定后如何恢复正确聚焦无论径向还是轴向伺服，位置的偏移量都是很小的，那么系统知道聚焦过近、过远、过左或过右后，如何实现正确聚焦？思考可行原理思考：伺服判定后如何恢复正确聚焦无论径向还是轴向伺服，位置的160压电效应思考：我们学过哪些物理量之间的转换效应思考：你觉得（逆）压电效应有何应用？压电效应思考：我们学过哪些物理量之间的转换效应思考：你觉得（161生活中的压电效应应用V=gFh/A

；A——圆柱体截面积；

h——圆柱体高度；

g——压电电压常数生活中的压电效应应用V=gFh/A

；A——圆柱体截面积；

162钛酸铋钠及应用日本发明“发电地板”，乘客走过就能发电日本共同社报道，JR东日本公司将开始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地板”试验。本次试验的目标是实现一人通过时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并希望在不久的将来实现用“发电地板”维持自动检票机在处理IC卡时所需的电力。-----------建筑节能Bi0.5Na0.5TiO3

钙钛矿型晶体，有希望取代铅基压电材料PerovskiteStructure<001><111><110>钛酸铋钠及应用日本发明“发电地板”，日本共同社报道，JR东日163光学应用：压电陶瓷PbZrO3-PbTiO3(PZT)光学应用：压电陶瓷PbZrO3-PbTiO3(PZT)164复习：同时使用像散法和双光束法后的探测器构成在道上：E-F=0偏离道：E-F<0或>0FES+ABCDI+ITESFE复习：同时使用像散法和双光束法后的探测器构成在道上：E-165思考：得到的三根信号如何处理？循迹误差信号放大器

预放大，预处理聚焦误差放大器主轴电机驱动电路

聚焦驱动电路循迹线圈驱动电路主轴电机驱动光盘旋转聚焦驱动方向循迹驱动方向聚焦搜索聚焦传动循迹传动A+B+C+D（A+C）-（B+D）E-F循迹搜索=0?No思考：系统根据伺服信号，如何机械传动，以正确聚焦思考：得到的三根信号如何处理？循迹误差信预放大，聚焦误差166误差信号预处理：PID控制现在过去未来误差信号预处理：PID控制现在过去未来167位移传动系统精密位移：逆压电效应思考：除了压电效应是否还有别的机械传动方法，可以根据电压（电流）大小，发生相应位移？位移传动系统精密位移：逆压电效应168轴向聚焦伺服系统：

播放光盘时，驱动信号进入驱动电路驱动主轴电机带动光盘旋转

由于机械误差，光盘盘面相对于激光头会有上下偏摆光盘

聚焦线圈

激光二极管

聚焦误差

柱面透镜

光敏二极管

物镜

驱动信号

驱动电路

主轴电机

聚焦伺服

驱动碟片机通过调整聚焦镜头使激光束的聚焦点跟踪光盘盘面变化当出现误差时，迅速调整物镜，实现焦点跟踪

轴向聚焦伺服系统：播放光盘时，驱动信号进入驱动电路驱动主轴169像散法轴向聚焦伺服环路：

聚焦误差的检测原理光盘盘面

调焦透镜（物镜）

耦合透镜

柱面透镜

聚焦点

光敏二极管组件平面图隔离带误差电压与焦点的变化呈S形曲线焦点正确时，在光敏二极管组件上呈圆形，而偏离时呈椭圆形，偏离的方向不同，椭圆的长轴方向也不同像散法轴向聚焦伺服环路：聚焦误差的检测原理光盘盘面调170聚焦线圈的结构图聚焦伺服环路：

线圈磁极磁极永磁铁物镜聚焦线圈的骨架与透镜同轴固定在一起，当线圈中有电流时，线圈连同透镜一起在磁场中上下移动聚焦线圈的结构图聚焦伺服环路：线圈磁极磁极171循迹（径向）伺服系统：

循迹（径向伺服）误差的检测原理激光二极管所发射的光束经光栅分裂成3束光通过物镜射向光盘用以读取光盘信息和误差信息两侧的两个光束称为辅助光束，用来检测循迹误差中间的光束用于检测声像信息和聚焦误差主光束偏离时辅助光束检测二极管的输出就不对称，两者相减得到误差循迹误差光敏管

信息读出光束

辅助光束

辅助光束

循迹（径向）伺服系统：循迹（径向伺服）误差的检测原理激光172信息纹迹循迹误差电压循迹伺服环路：

E-F（右-左）信息纹迹循迹误差电压循迹伺服环路：E-F（右-左）173循迹线圈的结构和工作原理：

循迹线圈的结构物镜

永磁铁

线圈磁极

循迹线圈的结构和工作原理：循迹线圈的结构物镜永磁铁174循迹线圈的结构和工作原理：

循迹线圈的工作原理激光束循迹线圈当线圈中有电流的时候，由于线圈磁场对镜头永磁铁的作用，物镜沿水平方向移动电流物镜移动方向焦点移动范围电流电流实物顶视图电路图循迹线圈的结构和工作原理：循迹线圈的工作原理激光束循175循迹伺服电路的构成循迹（径向）伺服电路的构成和工作原理：

物镜

激光束

由激光二极管发射出激光束二极管的输出电流经运算放大器检测出循迹误差信号并进行放大

循迹误差检测放大电路

误差信号经伺服电路处理后转换成校正信号循迹伺服电路校正信号经驱动电路进行功率放大后去驱动循迹线圈在循迹线圈的磁场作用下微调物镜，使激光束跟踪信息纹移动循迹驱动电路光盘

驱动信号

驱动电路

主轴电机激光二极管

柱面透镜

光敏二极管

聚焦线圈

循迹伺服电路的构成循迹（径向）伺服电路的构成和工作原理：176典型光盘播放机伺服系统的构成：

碟片机伺服系统方框图电机激光头光信号检测部分电流-电压信号放大电路主信号放大器伺服预放数据检出电路

伺服控制电路ALPC循迹误差聚焦误差限幅电平

聚焦线圈循迹线圈进给电机主轴电机激光二极管典型光盘播放机伺服系统的构成：碟片机伺服系统方框图电机激177主轴和进给伺服电路的构成主轴伺服和进给伺服：激光头从光盘上读取的信息经过TDA1302处理后，从9脚输出RF信号到SAA7345TDA1302915RF在SAA7345中处理后将误差信号转换成控制信号并从33、34脚输出SAA7345前置处理PLLEFM解调

时钟CLV主轴电机控制分频器3334经驱动放大器放大后去驱动主轴电机主轴电机驱动M主轴电机主轴和进给伺服电路的构成主轴伺服和进给伺服：激光头从光盘上178