Autofokus und Tracking in optischen Pickups

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1 Autofokus und Tracking in optischen Pickups Matthias Lang im Seminar elektrische und optische Sensoren am 8. Juli 2003 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 1/24

2 Übersicht Einführung in die optische Speicherung Aufbau und Parameter Toleranzen und ihre Auswirkungen Detektoren Der Autofokus Methoden Das Fehlersignal Die automatische Spurverfolgung (Tracking) Das Baseball-Muster Methoden Fazit und Ausblick Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 2/24

3 Einführung in die optische Speicherung Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 3/24

4 Motivation Imagine the following: You are traveling at half the speed of light, along a line from which you may only deviate 1 m. The line is not straight but oscillates up to 4.5 km sideways, 23 times per second. kursdr/lectures/l05dvdfocus.pdf Genauso wie zur Seite bewegt sich die Disc im selben Maße nach oben und unten. So sähe der Lesevorgang einer DVD großskaliert aus. Geschwindigkeit 3,5 ms 1 real: max. Spurabweichung 0,022 µm Asymmetrie max. Umdrehungszahl 100 µmu 1 23 s 1 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 4/24

5 Größenverhältnisse DVD NA 0,6 λ [nm] 650 Spot d = 1, 22 λ NA [µm] 1,3 Pitbreite [nm] 280 Spurabstand [µm] 0,74 ± 0,1 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 5/24

6 Schärfentiefe Schärfentiefe des Systems: δ = also etwa 1,8 µm bei der DVD. Verglichen mit einer möglichen Abweichung von 100 µm wird die Notwendigkeit einer Fokus-Korrektur klar. λ NA 2, Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 6/24

7 Aufbau Disk Kollimatorlinse polarisierender Strahlteiler Objektivlinse Laser λ/4 Strahlteiler Tracking und Datenlesen Fokus Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 7/24

8 Fotodetektoren p n + Einfallende Photonen erzeugen freie Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare), d.h. heben Elektronen aus dem Valenz- ins Leitungsband. Dazu muss von einem Photon der Energie hν die Bandlückenenergie überwunden werden. Die Empfindlichkeit der Photodiode ist wellenlängenabhängig. Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 8/24

9 Autofokusverfahren Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 9/24

10 Die Bedeckungsmethode (Obscuration Method) S 1 S 2 S 1 S 2 zu nahe im Fokus Eine Blende schneidet die Hälfte des Lichts exakt an der optischen Achse ab. Bei Defokusierung bietet sich folgendes Fehlersignal (Focus Error Signal) an: rücklaufender Strahl Blende S 1 S 2 Detektor zu fern F ES = S 1 S 2 S 1 + S 2 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 10/24

11 Das astigmatische Verfahren F ES = (S 1 + S 3 ) (S 2 + S 4 ) S 1 + S 2 + S 3 + S 4 S 1 Quadrantendetektor: S 2 S S zu fern im Fokus zu nah 3 4 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 11/24

12 Das Fokus-Fehler-Signal (FES) kursdr/lectures/l05dvdfocus.pdf Näherungsweise linearer Bereich des Signals = direkte Ansteuerung der Mechanik Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 12/24

13 Fehlersignal und Anwendung Autofokus nach dem Prinzip des Lautsprechers: bewegliche Lagerung, Steuerung mittels Magnetspulen amptech/elecdisc/lazraxis.jpg Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 13/24

14 Die automatische Spurverfolgung Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 14/24

15 Die Drei-Strahl-Methode Gitter Disk Dreifach Detektor Erzeugen von Hilfsabtastpunkten durch ein Gitter Vergleich der Intensitäten der Hilfspunkte daraus Korrektursignal Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 15/24

16 Das Baseball-Muster periodische Struktur Die Datenspuren auf der CD wirken wie ein Gitter = Beugungsmuster sin θ m = sin θ einf + m λ p d m D Linse = sin θ m sin θ Linse = mλ p NA 1. Ordnung 1. Ordnung 0. Ordnung d 1 d +1 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 16/24

17 Etwas Beugungstheorie Der komplexe Reflexionskoeffizient der periodischen Gitterfunktion kann als Fourierreihe geschrieben werden: r(x) = m r m e 2πimx/p mit der Beugungsordnung m. Für ein Rechtecksgitter ergibt sich: r 0 = α r G exp(iϕ G ) + (1 α)r L exp(iϕ L ) r m = α sinc(m α)(r L exp(iϕ L ) r G exp(iϕ G )) mit sinc(x) = sin(π x)/πx und r L exp(iϕ L ), r G exp(iϕ G ) komplexe Reflexionskoeffizienten von Land bzw. Groove Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 17/24

18 Die Push-Pull-Methode Ein geteilter Detektor misst einerseits die Überlagerung der nullten Beugungsordnung mit der minus ersten, andererseits die der nullten mit der plus ersten. S 1 S 2 Tracking-Fehler-Signal (TES): TES S 1 S 2 Einsetzen liefert: r 0 + r 1 exp ( 2πi x ) 2 p TES α sinc(α)r L r G sin(ϕ L ϕ G ) sin r 0 + r 1 exp ( 2π x ) p ( 2πi x ) 2 p Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 18/24

19 Das Tracking-Fehler-Signal TES α sinc(α)r L r G sin(ϕ L ϕ G ) sin ( 2π x ) p Track Groove Land λ/8 TES stärkstes Signal für (ϕ G ϕ L ) = π/2 = Tiefe der Grooves: λ/8 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 19/24

20 Differential Phase Detection S 2 S 1 S 3 S 4 Peng, Yeh, Mansuripur: Measurements and simulations of differential phase-tracking signals in optical disk data storage Quadrantendetektor Herkunft des DPD-Signals: Beugungseffekt bei der off-track Abtastung eines Pit Phasendifferenz der Signale S 1 + S 3 und S 2 + S 4 Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 20/24

21 Herkunft der Beugungserscheinung Phasengradient Höhenunterschied λ/4 Gradient wird durch destruktive Interferenz (Phasendifferenz λ/4) sichtbar. Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 21/24

22 Vergleich der Trackingmethoden Vergleich von Push-Pull- und DPD-Trackingsignal DPD liefert zwar ein besseres Fehlersignal, ist aber auf das Vorhandensein von Pits angewiesen (Verwendung z.b. bei DVD). PP kommt hingegen mit einer Groove-Struktur aus (wiederbeschreibbare DVD). Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 22/24

23 Ausblick: Wie geht s weiter? Schärfentiefe nimmt weiter ab kritisch Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 23/24

24 Literaturangaben Carriere/Narayan/Yeh/Chubing-Peng/Khulbe/Lifeng Li/Anderson/Choi/Mansuripur, Princpiples of Optical Disk Storage in E. Wolf, Progress in Optics 41, 2000, Elsevier Science Bouwhuis/Braat, Recording and Reading of Informations on Optical Disk in Appl. Optics and opt. Engineering, Vol IX, 1983 Peng, Yeh, Mansuripur: Measurements and simulations of differential phase-tracking signals in optical disk data storage in Appl. Optics 37, 1998 sowie die angegebenen Internet-Quellen Autofokus und Tracking in optischen Pickups p. 24/24

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