CD 循迹,聚焦.pdf

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1、 171 10-3 光盘机伺服原理光盘机伺服原理 光盘光学头要想从光盘表面获取信号，必须实现光斑与光盘轨道的循迹伺 服和聚焦伺服，还要进行主轴转速控制。 光盘光学头要想从光盘表面获取信号，必须实现光斑与光盘轨道的循迹伺 服和聚焦伺服，还要进行主轴转速控制。 一、循迹伺服原理一、循迹伺服原理 （1）三光束法检测原理）三光束法检测原理 为保证跟踪其节距仅为为保证跟踪其节距仅为 1.6m 的信号轨迹， 必须设有伺服系统。 循迹伺服 系统是 的信号轨迹， 必须设有伺服系统。 循迹伺服 系统是 VCD 机中最重要的伺服机构之一，机中最重要的伺服机构之一，其作用是通过物镜的横向移动其作用是通过物镜的横向移

2、动，使 激光束能正确地环绕碟片的信号面循迹。 ，使 激光束能正确地环绕碟片的信号面循迹。 在在 CD 与与 VCD 系统中，广泛采用三光束法取出循迹信号误差，如图系统中，广泛采用三光束法取出循迹信号误差，如图 10-7 所示。所示。 在图中，给出了主、副三光束光线照射到碟片上的变化情况。主、副三光 束均被聚焦成极细小的光点，投射到碟片信号面的相邻坑点上，各自的反射光 分别由 在图中，给出了主、副三光束光线照射到碟片上的变化情况。主、副三光 束均被聚焦成极细小的光点，投射到碟片信号面的相邻坑点上，各自的反射光 分别由 A、B、C 三个光电二级管组合的光检测器所接收，并输出与其明暗程 度相对应的电

3、压 三个光电二级管组合的光检测器所接收，并输出与其明暗程 度相对应的电压 VA、VB及及 VC。图中（。图中（b）表示主光束准确的照射到主信迹上， 此时从副光束 ）表示主光束准确的照射到主信迹上， 此时从副光束 A、C 检出的光量相等，即检出的光量相等，即 VA-VC=0，说明主光束照射正确，勿 须循迹。 ，说明主光束照射正确，勿 须循迹。 当光点偏离到坑点列的下方时，光点当光点偏离到坑点列的下方时，光点 A 因位于反射面，其反射光较明亮， 而光点 因位于反射面，其反射光较明亮， 而光点 C 因位于主信迹部分，其反射光因绕射而变得较暗，则两个光电二极管 输出的电压不等，即 因位于主信迹部分，其

4、反射光因绕射而变得较暗，则两个光电二极管 输出的电压不等，即 VAVC，如图中（，如图中（a）所示，其差）所示，其差 VAVC0。若光点偏 离到坑点列的上方，则光点 。若光点偏 离到坑点列的上方，则光点 A 因位于主信迹部分，其反射光较暗，而光点因位于主信迹部分，其反射光较暗，而光点 C 由于处于反射面，则光点由于处于反射面，则光点 C 的反射光较明亮，此时的反射光较明亮，此时 VAVC0。可见。可见 VAVC 之差是被用来作循迹伺服误差信号的。此循迹误差信号，经电子电路放大后， 传递到双轴传动系统，执行自动控制操作，便保证了光点 之差是被用来作循迹伺服误差信号的。此循迹误差信号，经电子电路放

5、大后， 传递到双轴传动系统，执行自动控制操作，便保证了光点 B 始终能循迹在主信始终能循迹在主信 172 迹上，完成导向任务，使迹上，完成导向任务，使 VAVC之差始终保持在误差范围之内。之差始终保持在误差范围之内。 （2）循迹精度）循迹精度 光盘轨迹的节距仅为光盘轨迹的节距仅为 1.67m，光斑（艾里斑）直径为（取，光斑（艾里斑）直径为（取=780nm， NA=0.45） 而光盘偏心与主轴跳动达而光盘偏心与主轴跳动达70m。 对存在循迹误差时信号读取情况考 察的表明，循迹误差最好抑制到 。 对存在循迹误差时信号读取情况考 察的表明，循迹误差最好抑制到0.1m 左右，则伺服增益为左右，则伺服增

6、益为 （3）二级循迹伺服系统）二级循迹伺服系统 循迹线圈驱动光学头作精伺服，消除高频误差；滑动进给电机驱动光循迹线圈驱动光学头作精伺服，消除高频误差；滑动进给电机驱动光 )( 1 . 222. 1m NA = )(57 1 . 0 70 lg20dB分贝= 副光点副光点 A 副光点副光点 C (a) + (b) 0 (c) _ (b) + _ (a) 副光束副光束 A 主光束光点主光束光点 B 轨迹轨迹 副光束副光束 C (c) 图图 107 三光束法寻迹原理三光束法寻迹原理 寻迹寻迹 误差误差 信号信号 173 学头小车作粗伺服，消除低频误差。循迹原理框图，如图学头小车作粗伺服，消除低频误差

7、。循迹原理框图，如图 10-8 所示。所示。 系统控制电路是控制循迹伺服系统工作的，即当碟片开始旋转，放大的循 迹误差信号送至循迹线圈时，物镜便环绕碟片的信号面作横向移动，执行循迹 功能。 系统控制电路是控制循迹伺服系统工作的，即当碟片开始旋转，放大的循 迹误差信号送至循迹线圈时，物镜便环绕碟片的信号面作横向移动，执行循迹 功能。 二、聚焦伺服原理二、聚焦伺服原理 （1） 象散法检测原理） 象散法检测原理 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 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。良好的聚焦。 聚焦伺服

8、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。 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

9、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。 偏心等偏心等 碟片碟片 直流检出直流检出 功率放大器功率放大器 光学头光学头 寻迹误差寻迹误差 信号检测信号检测 相位补偿相位补偿 驱动放大驱动放大 滑动电机滑动电机 （粗伺服）（粗伺服） 四杆机构四杆机构 （精伺服）（精伺服） 图图 10-8 循迹伺服系统框图循迹伺服系统框图 174 为检测出碟片信号面与物镜间的距离，聚焦误差信号最常用的检测方法是 像

10、散法，又称非点收差法。像散法，是在光电二极管组成的光检测器与碟片之 间的光路中，放入一圆柱形透镜，如图 为检测出碟片信号面与物镜间的距离，聚焦误差信号最常用的检测方法是 像散法，又称非点收差法。像散法，是在光电二极管组成的光检测器与碟片之 间的光路中，放入一圆柱形透镜，如图 10-9 所示。所示。 圆柱形透镜只在圆柱形透镜只在 X 方向上起作用。在此透镜作用下，当聚焦位置最佳时， 投射到作为检测器的四分割光电二极管上的光斑为圆形，各光电二极管上接收 的光量相等，即 方向上起作用。在此透镜作用下，当聚焦位置最佳时， 投射到作为检测器的四分割光电二极管上的光斑为圆形，各光电二极管上接收 的光量相等

11、，即 4 个传感器的输出进行（）（）运算处理后， 基结果为 个传感器的输出进行（）（）运算处理后， 基结果为 0，该运算结果便是聚焦误差信号，表明聚焦正确，则物镜不动。当 碟片远离物镜时，则光斑呈横向椭圆形，此时（）（） ，该运算结果便是聚焦误差信号，表明聚焦正确，则物镜不动。当 碟片远离物镜时，则光斑呈横向椭圆形，此时（）（）0， 聚焦误差信号为正，控制聚焦电机使物镜靠近碟片；当碟片靠近物镜时，则光 斑呈纵向椭圆形，此时（）（） ， 聚焦误差信号为正，控制聚焦电机使物镜靠近碟片；当碟片靠近物镜时，则光 斑呈纵向椭圆形，此时（）（）0，聚焦误差信号为负，控 制聚焦电机使物镜远离碟片。依此控制碟

12、片与物镜间的距离时刻保持一定，就 始终保证了焦点落在碟片的信号面上。 ，聚焦误差信号为负，控 制聚焦电机使物镜远离碟片。依此控制碟片与物镜间的距离时刻保持一定，就 始终保证了焦点落在碟片的信号面上。 光源光源 柱面透镜柱面透镜 Y 子午焦线子午焦线 A B X 弧矢焦线弧矢焦线 PBS 物镜物镜 光盘信号面光盘信号面 A N J F B 过近过近 正确正确 过远过远 + + + + + 聚焦误差信号聚焦误差信号 - 图图 109 像散法构成及原理图像散法构成及原理图 175 0 远焦远焦 F （2）聚焦精度）聚焦精度 激光聚焦焦深为（设激光聚焦焦深为（设=780m,NA=0.45） ：） ：

13、取目标值取目标值1m。 而光盘上下跳动达而光盘上下跳动达500m，则伺服增益：，则伺服增益： （3）聚焦伺服系统）聚焦伺服系统 为使物镜能作垂直移动，保持激光束在碟片信号面上的聚焦，聚焦线圈是 套在物镜上 为使物镜能作垂直移动，保持激光束在碟片信号面上的聚焦，聚焦线圈是 套在物镜上 的。系统控制电路控制聚焦伺服系统的工作，保证在激光接通之后，能进行及 时地聚焦伺服。聚焦伺服系统工作时，首先使物镜作垂直移动，寻找其正确的 聚焦点，之后是维持良好聚焦的工作条件，是在完成调焦并接收到 的。系统控制电路控制聚焦伺服系统的工作，保证在激光接通之后，能进行及 时地聚焦伺服。聚焦伺服系统工作时，首先使物镜作

14、垂直移动，寻找其正确的 聚焦点，之后是维持良好聚焦的工作条件，是在完成调焦并接收到 FOK 信号 之后进行的。聚焦伺服系统原理图，如图 信号 之后进行的。聚焦伺服系统原理图，如图 10-10 所示。所示。 在调焦期间， 为防止聚焦误差信号扰乱调焦工作， 第一级放大器一般是关断的。在调焦期间， 为防止聚焦误差信号扰乱调焦工作， 第一级放大器一般是关断的。 )(54 1 500 lg20dB分贝= m NA d 9 . 1 )(2 2 = 碟片上下移动碟片上下移动 光 学光 学 头头 聚焦聚焦误误差差 信号检出信号检出 相位补偿相位补偿 驱动放大器驱动放大器 图图 10-10 聚焦伺服系统原理框图

15、聚焦伺服系统原理框图 176 三、主轴伺服系统三、主轴伺服系统 主轴伺服系统又称旋转伺服系统，其作用是保证碟片在播放时，随着激光 头阅读点由内圈移向外圈时，阅读点的线速度（ 主轴伺服系统又称旋转伺服系统，其作用是保证碟片在播放时，随着激光 头阅读点由内圈移向外圈时，阅读点的线速度（CLV）基本上恒定不变，即碟 片以正确速度旋转。 ）基本上恒定不变，即碟 片以正确速度旋转。 VCD 影碟机的转速与影碟机的转速与 CD 唱机一样，碟片内圈转速约唱机一样，碟片内圈转速约 500r/min，外圈转速 约 ，外圈转速 约 200r/min，其转速有约，其转速有约 2.5 倍的变化。主轴伺服系统，将根据碟

16、片上的所获 得的数据速率，与影碟机内部的基准率进行比较，而使碟片转速稳定。 倍的变化。主轴伺服系统，将根据碟片上的所获 得的数据速率，与影碟机内部的基准率进行比较，而使碟片转速稳定。 影碟机内部的基准频率，是通过影碟机内部的基准频率，是通过 PLL（锁相环）来锁定的，在（锁相环）来锁定的，在 PLL 锁定 范围内， 锁定 范围内， CD 方式的碟片与激光头是起着异常精密的旋转检测器的作用， 即方式的碟片与激光头是起着异常精密的旋转检测器的作用， 即 PLL 的检出起着与频率测速发电机（的检出起着与频率测速发电机（FC）的相同作用。）的相同作用。 四、传动伺服系统四、传动伺服系统 传动伺服系统的

17、作用，是在物镜的操作开始达到极限时，分级移动其光学 装置。传动伺服系统又称滑动送进伺服系统或滑动触头伺服系统。 传动伺服系统的作用，是在物镜的操作开始达到极限时，分级移动其光学 装置。传动伺服系统又称滑动送进伺服系统或滑动触头伺服系统。 滑动送进伺服系统，是指用滑动方式沿碟片半径方向移动激光头，来实现 顺序读出、跳轨选曲、快进、快退等功能。由于移动方向相对轨迹走向为横向 （与轨迹方向垂直） ，又称横向移动系统。 滑动送进伺服系统，是指用滑动方式沿碟片半径方向移动激光头，来实现 顺序读出、跳轨选曲、快进、快退等功能。由于移动方向相对轨迹走向为横向 （与轨迹方向垂直） ，又称横向移动系统。 激光碟

18、片上的信迹是由内圈至外圈的连续螺纹，在利用循迹伺服跟踪一条 信迹时，激光束还必须作相应地由内至外的径向移动，以便物镜与碟片之间的 相对位置始终保持正确。径向移动的速度是极慢的，故又稳定为滑动伺服。 激光碟片上的信迹是由内圈至外圈的连续螺纹，在利用循迹伺服跟踪一条 信迹时，激光束还必须作相应地由内至外的径向移动，以便物镜与碟片之间的 相对位置始终保持正确。径向移动的速度是极慢的，故又稳定为滑动伺服。 传动伺服系统的驱动力，是利用循迹驱动电流分量，由传动电机驱动激光 头，使物镜以机械中心为原点不断地作径向移动。 传动伺服系统的驱动力，是利用循迹驱动电流分量，由传动电机驱动激光 头，使物镜以机械中心

19、为原点不断地作径向移动。 激光头的移动情况是依据放映情况而定，有常速放映的定速移动、慢镜头 的慢速移动、随机搜索的高速移动，由定速至慢速及慢速至高速等随机操作而 发生的状态突变。在这诸多的急剧变化情况下，要完成瞬时跟踪，对传动电机 的要求比较高，为此多采用非常精密的齿轮电机。 激光头的移动情况是依据放映情况而定，有常速放映的定速移动、慢镜头 的慢速移动、随机搜索的高速移动，由定速至慢速及慢速至高速等随机操作而 发生的状态突变。在这诸多的急剧变化情况下，要完成瞬时跟踪，对传动电机 的要求比较高，为此多采用非常精密的齿轮电机。 在在 VCD 影碟机中，根据不同的使用目的，传动伺服方式有多种形式。常

20、用的影碟机中，根据不同的使用目的，传动伺服方式有多种形式。常用的 177 有摇臂式、齿轮齿条或送进螺杆方式及线性电机方式等。其中，摇臂式的光学 系统必须用单光束伺服，需移动整个激光头，驱动质量大，易在低频出现二次 共振，使设计困难。齿轮齿条或送进螺杆方式，虽读出信号的速度比其它结构 慢，但成本低兼，故被广泛用于普及机中。 有摇臂式、齿轮齿条或送进螺杆方式及线性电机方式等。其中，摇臂式的光学 系统必须用单光束伺服，需移动整个激光头，驱动质量大，易在低频出现二次 共振，使设计困难。齿轮齿条或送进螺杆方式，虽读出信号的速度比其它结构 慢，但成本低兼，故被广泛用于普及机中。 齿轮齿条式送进机构，如图齿

21、轮齿条式送进机构，如图 10-11 所示。所示。 线性电机方式读取信号时，要根据欲到达的目标轨迹设定某种速度曲线， 即根据要移动的距离，使其时间与速度的曲线最佳，可用最短时间到达目标轨 迹。这样的移动应加反馈，或对移动机构加制动，都需速度检测器。线性电机 方式，则多用于如对 线性电机方式读取信号时，要根据欲到达的目标轨迹设定某种速度曲线， 即根据要移动的距离，使其时间与速度的曲线最佳，可用最短时间到达目标轨 迹。这样的移动应加反馈，或对移动机构加制动，都需速度检测器。线性电机 方式，则多用于如对 CD-ROM 等存取性能要求较高的场合。等存取性能要求较高的场合。 光盘光盘 送进电机送进电机 二

22、轴调整二轴调整 机构机构 激光头激光头 图图 1011 齿轮齿条送进机构齿轮齿条送进机构 齿轮齿条系统齿轮齿条系统 178 10-4 光盘盘面信息结构光盘盘面信息结构 一、光盘结构一、光盘结构 光盘在光盘系统中是作为信息载体。它上面的信息存贮格式是从磁盘引伸 过来的，主要有光盘轨道格式和光盘扇区格式。 光盘在光盘系统中是作为信息载体。它上面的信息存贮格式是从磁盘引伸 过来的，主要有光盘轨道格式和光盘扇区格式。 90mm 直径磁光盘信息结构如图直径磁光盘信息结构如图 10-12 所示，从径向看，从里到外分成四个区： 反射区、导入区、数据区、导出区；从元周方向看，每个轨道分成 所示，从径向看，从里

23、到外分成四个区： 反射区、导入区、数据区、导出区；从元周方向看，每个轨道分成 25 个扇区， 扇区编号为从 个扇区， 扇区编号为从 0 到到 24。 41.0 40.0 24.0 22.9 22.6 导出区导出区 数据区数据区 导入区导入区 反射区反射区 扇区扇区 图图 1012 磁光盘信息结构图磁光盘信息结构图 单位：单位：mm 179 表表 10-1 90mm 磁光盘盘面信息结构磁光盘盘面信息结构 二、光盘格式二、光盘格式 1、 轨道格式轨道格式 区区 域域 名名 半径（半径（mm） 从从 到到 轨道号轨道号 从从 到到 导入区导入区 1、反射区、反射区 2、信号获得区、信号获得区 3、内

24、圈测试区、内圈测试区 4、内圈控制区、内圈控制区 22.60 22.90 22.90 23.53 23.53 23.97 23.97 24.00 -688 -293 -292 -17 -16 -1 数数 据据 区区 24.00 40.00 0 9999 导出区导出区 1、 外圈控制区外圈控制区 2、 外圈测试区外圈测试区 3、缓冲区、缓冲区 40.00 40.02 40.02 40.46 40.46 41.00 10000 10015 10016 10291 10292 10624 1.600.1 m 预沟槽 预沟槽 一扇区长度 ODF 180 90mm 硬光盘轨道为螺旋线型，其几何结构为沟台

25、式（如图硬光盘轨道为螺旋线型，其几何结构为沟台式（如图 10-13 所 示） ，数据记录在台上。道间距为 所 示） ，数据记录在台上。道间距为 1.60m0.10m。每轨道。每轨道 25 个扇区，扇 区编号从 个扇区，扇 区编号从 0 到到 24，扇区数据容量为，扇区数据容量为 512 字节。每字节以字节。每字节以 16 个信道位表示，则 每轨道有 个信道位表示，则 每轨道有 290000 个信道位长。盘片转速为个信道位长。盘片转速为 30HZ，则位时钟频率为，则位时钟频率为 8.7MHZ. 2、 扇区格式扇区格式 盘片控制区和数据区轨道的扇区格式为：盘片控制区和数据区轨道的扇区格式为： 每个

26、扇区均包括一个预格式头， 一个编置检测 （每个扇区均包括一个预格式头， 一个编置检测 （ODF） 区， 一个间隙 （） 区， 一个间隙 （GAP） 区和一 ） 区和一 个能记录个能记录 512 个用户字节的记录区；个用户字节的记录区； 扇区总长为扇区总长为 725 字节，其中预格式头字节，其中预格式头 52 字节，字节，ODF 区长区长 1 字节，字节，GAP 长长 5 字节，记字节，记 录区长度为录区长度为 667 字节。如图所示字节。如图所示 图 1013 轨道扇区物理结构 181 - 图图 10-14 90mm 磁光盘扇区格式磁光盘扇区格式 预格式信息是以烧蚀的方式刻录在盘面上，不可更改

27、，各部分信息的含义 如表 预格式信息是以烧蚀的方式刻录在盘面上，不可更改，各部分信息的含义 如表 10-2 所示。其中，用户数据区包括所示。其中，用户数据区包括 512 个用户字节，个用户字节，4 个未定义字节，个未定义字节，4 个个 CRC 字节，字节，80 个个 ECC 字节，字节，39 个个 Resync 字节。字节。 S M V F O 1 A M I D 1 V F O 2 A M I D 2 V F O 2 A M I D 3 P A O D F G A P V F O 3 S Y N C DATAFIELD User data CRC, ECC Resync P A EUFFER

28、 5 12 1 5 8 1 5 815115123639 112 预格式头预格式头52 字节字节 记录区记录区667 字节字节 字节数 Track ID Sector CRC No. No. No. 2 1 2 字节数 182 表表 10-2 90mm 磁光盘扇区各项功能磁光盘扇区各项功能 名名 称称 功功 能能 扇区标记（扇区标记（SM） 用于扇区识别用于扇区识别 标志区（标志区（ID） 识别轨道号， 扇区号和标志场 号 识别轨道号， 扇区号和标志场 号 变频同步（变频同步（VFO1，2，3） 锁相提取时钟锁相提取时钟 地址标志（地址标志（AM） 后同步（后同步（PA） 间隙（间隙（GAP） 偏置检测（偏置检测（ODF） 同步信号（同步信号（Sync） 使使 ID 区字节同步区字节同步 用于编码闭合用于编码闭合 道跟踪偏差检出道跟踪偏差检出 数据区字节同步数据区字节同步 数据区（数据区（Data Field） 记录用户数据，记录用户数据，4 个未定义字 节， 个未定义字 节，CRC、ECC，Resync 重同步（重同步（Resync） 缓冲区（缓冲区（Buffer） 数据区数据重同步数据区数据重同步 转速、定位误差容限转速、定位误差容限