CN1030155A - 用辐射束扫描旋转载体辐射灵敏表面的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用辐射束(5)以恒定线速度扫描旋转载体(4)的辐射灵敏层(2)的方法和设备，用相对于载体(4)可径向移动的光学系统(6)将辐射束(5)射向载体(4)。速度脉冲发生器(10)产生频率(fs)正比于载体(4)角速度的速度脉冲(Ps)。时钟发生器(25)产生恒定频率(f_K)的时钟脉冲(P_K)。响应于每一时钟脉冲(P_K)，用第一修正值(DEC)去修正和值(Sw)。响应于每一速度脉冲(Ps)，用符号与第一修正值相反的第二修正值(INC)去修正此和值。

Description

本发明涉及用一辐射束扫描围绕旋转中心转动的一圆盘形载体的辐射灵敏表面的方法，辐射束射向载体，载体的角速度基本上反比于旋转中心与辐射束在载体上落点之间的距离，而产生了预定频率的时钟脉冲和频率正比于载体角速度的速度脉冲。

本发明进一步涉及一种用一辐射束扫描一旋转载体的辐射灵敏表面的设备，该设备包括一个使载体围绕轴旋转的驱动系统，一个用以将辐射束射向载体且相对于记录载体可径向移动的光学系统，一个将载体的角速度值控制到基本上反比于旋转中心与辐射束在载体上落点之间距离的速度控制电路，该控制电路包括一个产生时钟脉冲的时钟发生器和一个产生频率正比于载体角速度的速度脉冲发生器。

这样一种方法和设备被用来制造以恒定线速度读出的、光可读记录载体。在扫描载体上的辐射灵敏表面（例如感光性树脂）期间，按照欲记录的信息去调制辐射束。此后，被扫描的载体经光刻工序产生具有所需信息结构的记录载体，随后，可用此记录载体制成许多拷贝。

一种如开始那一段所述的方法和设备可从美国专利说明书US4，190，860中得知。

在该专利说明书所述的方法和设备中，用锁相环技术来控制载体的角速度，载体的角速度是按这样一种方式来控制的，即速度脉冲与频率正比于所需角速度的参考脉冲保持同相。这些参考脉冲是借助于具有可变除数的分频器从时钟脉冲导出的。该除数是从将辐射束射向载体的光学系统的径向位置导出的。设有上述角速度控制的扫描设备有下述缺点，即：该控制系统在工作时还需一些附加的控制系统，去使得载体的角速度达到一个数值，在该数值下参考脉冲和速度脉冲之间的频率差小到足够建立起锁相状态。此外，锁相环技术的一个不利之处是它们不适于用可编程电路，比如微计算机来实现。

已知扫描设备的另一个不利之处是，因为在导出参考脉冲的过程中只允许用整数除数，所以只能获得有限个数的不同扫描速度。特别是，当必须按照非常严格的精度来制造光记录载体时，这就成为一个缺点了。

用十分大的分频除数可以使最后指出的一个缺点得到缓和。然而，这样做的不利之处是时钟信号的频率必须非常高。这样高的频率使得实际上不可能利用可编程电路来提供具有令人满意的调节精度的角速度控制。

本发明的目的是提供一种如开始那几段所述的能缓和上述缺点的方法和设备。就方法而言，本发明的目的是这样达到的：响应于一个时钟脉冲，以一个第一修正值来修正一个和数，并响应于一个速度脉冲，又以一个符号与第一修正值相反的第二修正值去修正此和数，根据此和值将记录载体的角速度控制到一个值，对于这个值上述和值的平均值基本上是恒定的;通过修改第一和/或第二修正值，使第二和第一修正值之比保持为一个正比于所述距离的值。

就设备而言，本发明的目的是这样达到的：速度控制电路包括响应于一个时钟脉冲以一个第一修正值去修正一个和值的装置、以一个第二修正值去修正一个和值的装置、将取决于此和值的角速度控制到一个值（对于这个值，上述和值的平均值保持为恒定值）的控制装置、以及自适应（adaptation）装置，它自适应于（adapting）第一和/或第二修正值，将角速度调节到一个正比于所述距离的值。

在根据本发明的方法中，记录载体的角速度被控制到一个值，对于这个值上述和值保持恒定，这意味着其频率正比于角速度的速度脉冲的频率保持等于第一、第二修正值之商再乘以时钟脉冲频率。因为记录载体的角速度正比于两个可调修正值的商，所以可以十分精确地控制速度。还有，对于所需精度来说，可保持足够低的时钟信号频率，允许借助于可编程电路来实施这种方法。

在控制角速度期间，和值在速度脉冲频率或时钟脉冲频率中较低的一个频率上变动。为了防止这种变动对角速度的不利影响，希望和值的变动频率远处于角速度控制系统的带宽之外。与产生高频时钟脉冲相比，用一般的脉冲圆盘或交流测速发电机来使记录载体每旋转一周产生具有大量速度脉冲的速度信号在技术上是困难的，所以最好是把时钟脉冲频率选择得高于相应于所需角速度的速度脉冲频率。这是获得足够高的和值变动频率的最简单方法。

如果只选用相应于速度脉冲预定相位的瞬时间处的和值去控制角速度，则能够完全消除所述和值变动的影响。

如果，像一般的情况那样，时钟脉冲频率不是速度脉冲频率的整数倍，则在相继两个速度脉冲间隔内产生的时钟脉冲的个数与在所有各个间隔内产生的时钟脉冲的个数不同，导致所选用的和值产生了低频振荡，这种振荡对角速度控制起着不利的影响。这种不利的影响可用下述方法来消除：用一个循环计数器，从较高频率的周期信号中导出时钟脉冲（每当达到最后一个计数值时产生一个时钟脉冲），从而去修正由第三修正值所选择的和值，此第三修正值等于所计时钟脉冲的个数（由瞬时的计数值来表示）与计数器计数范围之比乘以第一修正值，而记录载体的角速度被控制到一个值，对于这个值，修正了的所选和值的平均值基本上恒定。

按照这种方法，相继控制值之间的差总是相应于第二修正值与第一修正值之差，乘以时钟频率和速度信号频率之比，所以两相继控制值之间的差总是相应于记录载体所需角速度和实际角速度之间的差，结果，消除了角速度控制中的振荡。

下面对本发明的实施例及其他优点通过实例并参照图1至15作更详细的描述。

图1示出用以扫描载体辐射灵敏表面的、根据本发明的一种设备的实施例;

图2示出用于图1扫描设备中控制电路的一个实例;

图3示出在图2的控制电路中所产生的信号;

图4是作为时间函数的所需径向位置Xrg的变动实例;

图5表示所需径向位置Xrg和修正值INC与DEC的比值之间的关系;

图6示出图2控制电路的改型;

图7和图9示出图6改型控制电路中所产生的信号;

图8示出在扫描期间作为时间函数的修正值INC和DEC的所需变动实例;

图10示出控制电路的另一个实例;

图11示出图10的控制电路中所产生的信号;

图12示出控制电路的第三个实例;

图13和图14是图12的控制电路中由计算机所执行程序的流程图;

图15示出用程序计算出来的、作为时间函数的一些变量。

图1示出用辐射束5去扫描辐射灵敏材料（例如感光树脂）层2的扫描设备1，该层沉积在围绕轴3旋转的载体4，例如一块玻璃基片上。借助于光学系统6，辐射束5射向层2。借助于通过伺服系统8驱动的轴7，光学系统6能相对于记录载体4作径向移动。伺服系统8按照习惯方式控制光学系统6的径向位置Xr，以获得一个由中央处理装置12设定的所需位置值。用一包括直流电动机9的驱动系统来使载体4旋转。脉冲发生器，例如机械地连接到电动机9的脉冲圆盘或交流测速发电机10产生频率正比于电动机9和载体4的角速度W的速度脉冲Ps。速度脉冲Ps加到控制电路11，以控制载体4的角速度w到一个所需的角速度值wg，wg也能通过中央处理装置12来设定。

在扫描层2之时，光学系统6借助于中央处理装置12和伺服系统8作径向移动。相应于距离Xr（在辐射束5的落点与由轴3代表的旋转中心之间的距离）的光学系统位置的所需值Xrg，由中央处理装置12按预定的时间函数（参阅图4）来控制。而且，中央处理装置12控制所需的角速度wg，使之达到一个反比于距离Xr的值，因此，线扫描速度总是保持恒定。中央处理装置12可以包括，比如，一台通常类型的计算机，在此计算机中，所述函数在等距离间隔处的瞬时函数值存储在一个检索表中。在扫描期间，从此表中读出该函数在等距离间隔处的瞬时函数值，根据读出的函数值去控制所需位置Xrg。此外，可以根据所需位置Xrg来控制所需值wg。作为时间函数的所需值wg和Xrg的设定，也可在扫描期间根据一预定的算法计算出来。

上面所述类型的扫描设备1主要用于必须以一恒定线速度读出的CLV类型的可读光盘的制造中。在扫描层2期间，按照要记录的信息来调制辐射束5。随后，用如光刻那样的工序将层2显影，在这个工序中去除层2被扫描过的部分，然后获得一具有所需信息结构的母盘，从该母盘可复制出拷贝。

图2详细地示出了速度控制电路11的一个实例。控制电路11包括第一寄存器20和第二寄存器21，它们可以通过中央处理装置12分别装入第一数字校正值DEC和第二数字校正值INC。寄存器20的输出端连接到累加器电路23的输入端22。

寄存器21的输出端连接到累加器电路23的输入端24。速度脉冲Ps也加到累加器电路23。恒定频率fk的时钟脉冲Pk也加到累加器电路23。借助于由振荡器26和分频器27组成的传统时钟发生器25来产生时钟脉冲Pk。

累加器电路23是这样一种类型的电路，即它响应于一个时钟脉冲Pk，将数字和值Sw减去加于输入端22的数字校正值DEC;并响应于一个速度脉冲Ps，将和值Sw增加加于输入端24的数字校正值INC。此和值Sw传送到数模转换器28，数模转换器28将数字和值Sw转换成相应的模拟信号，加到模拟控制器29（例如比例积分和微分（PID）控制器），用以按和值Sw去激离力电动机9，从而保持和值Sw的平均值不变。下面参照图3更详细地描述速度控制电路的工作，图3描绘出在速度脉冲Ps期间的和值Sw，Sw作为所产生时钟脉冲Pk的个数n的函数。响应于速度脉冲Ps的正沿，和值Sw增大一个INC值。响应于每一时钟脉冲Pk，和值减小一个DEC值。由此获得的和值Sw转换成加到控制器29上的一个模拟信号。包括速度控制电路11、电动机9和交流测速发电机10的控制环的带宽与时钟脉冲Pk和速度脉冲Ps的频率是彼此以这样的方式相适应的，即与速度脉冲Pk的频率相等的和值Sw变动的频率是如此之高，以致于完全落到控制环带宽之外，这保证和值Sw的变动几乎不影响角速度w。于是电动机9以这样的方式来激励，即平均值维持为恒值，它在此场合下为零。

PID控制器29是以这样一种方式来定维（to    be    dimensioned）的，那就是，如果平均和值Sw超过所述常数值，则减小电动机9的激励电流，将导致电动机9的转数、从而速度脉冲Ps的频率fs下降。因此，每单位时间内和值Sw增大的次数减少，以致平均和值Sw减小，直至它等于所述常数值。

在平均和值Sw大于常数值的场合下，电动机的激励将因此而自适应，直到平均和值再次等于常数值为止。在常数的平均和值Sw的场合下，INC值乘以速度脉冲Ps的频率fs等于DEC值乘以时钟脉冲Pk的频率fk。电动机以及记录载体9的角速度W遵循下列公式：

W＝2π（fk×DEC/INC）/N……（1），式中，N是电动机9每一转内速度脉冲Pk的个教。

因为角速度可通过调节INC和DEC值的商数加以调节，所以可能设定的数非常大，给出了很高精度的控制。

当以一恒定扫描速度扫描载体4时，可以通过中央处理装置12用调节商数INC/DEC的方法，简便和十分精确地建立起所需的角速度，即把商数INC/DEC调节到一个值，此值正比于辐射束5的落点与轴3之间的距离Xr。例如，从所需Xrg值导出欲设定的商INC/DEC的值，（参阅图5），就可以完成这一点。

然而，另一方面也有可能将INC和DEC值存储在中央处理装置的存储器中（参阅图8），或者把INC和DEC作为时间的函数计算出来，而INC和DEC是与Xrg随时间作所需变化有关的两个函数。

在另一个简单因而具有吸引力的实施例中，下面三个信号（参阅图2）在扫描过程前加到控制电路上：

第一信号Vb，它指示在扫描过程开始时载体所需角速度。

第二信号Vn，它指示在扫描过程结束时载体所需角速度。

第三信号Vn，它指示在扫描过程开始和结束之间欲产生的转数。

根据信号Vb，选择INC和DEC值的适当组合，对于此组合，角速度与信号Vb指示的值相对应。借助于信号Ve，对于已经确定的DEC值确定一个INC值，用此INC值，角速度与信号Ve指示的值相一致。从已确定的INC值以及由Vn所指示的转数值，计算出一个自适应值△inc，△inc值指示在扫描过程中为了使INC值作为转数的线性函数变化，在每X转内（X是一整数，例如1或2）INC值应增大多少。在扫描过程中，DEC值保持不变。此外，借助于分频器10a，从速度脉冲Ps中导出载体4每旋转一周时的X旋转脉冲Po。此旋转脉冲加到中央处理装置12，比如，加到一程序中断输入端。中央处理装置已装入中断控制程序，此程序响应于每一个旋转脉冲Po，以自适应值△inc去自适应INC值。因为载体的角速度反比于INC值，所以获得了速度控制，此外，角速度反比于所产生的转数，并且，因而使角速度反比于扫描点在载体上的径向位置，假定（如通常那样）每一转的径向位移是常数的话。要注意的是，原则上可以类似于控制角速度那样去控制光学系统6的径向速度。

为了使和值Sw变动的影响减至最小，希望将频率fs和f_K中较低的一个频率，选择得尽可能的高。因为提高频率f_K比增大电动机9每转所产生速度脉冲数Ps的个数N来得容易，所以最好以这样方式来定维控制环，即在所需角速度Wg处时钟脉冲P_K的频率f_K高于速度脉冲Ps的频率fs。

图6示出了一个改型的控制电路11，此电路使和值Sw的变动对角速度w的影响能基本上被消除。在这种改动中包括存储器30，例如设置在累加器电路23和数模转换器28之间的一个以时钟脉冲驱动的寄存器。存储器30在与速度脉冲Ps预定的相位相对应的瞬间装入和值Sw。如果，如上面所示的例子那样，速度脉冲Ps的相对脉冲宽度（填充系数）是恒定的，则存储器30可包括一个由速度脉冲Ps的负沿所控制的寄存器。

除了和值Sw和速度脉冲Ps以外，图7还示出作为时钟脉冲P_K个数n的函数的存储器30的输出信号Sw。存储器30两次装入瞬间之间的时间间隔T₁等于速度脉冲Ps的周期T，所以Sw的变动相应于DEC值减去K与INC值的乘积，K是每一时间间隔T₁内的时钟脉冲P_K的个数。如果，如本实例中那样，比值INC/DEC是整数，则角速度w被控制到一个值，对于这个值，频率f_K与频率fs之比也是整数。

这意味着，在存储器30两次装入瞬间之间，和值S′w之差（等于DEC-K。INC）确为零，以致角速度w获得特别稳定的控制。然而，如果在一般情况下，商数INC/DEC不为整数，则对于两次相继装入瞬间之间的和值S′w之差（等于DEC-k×INC）来说，角速度w将被控制到一个非零值。还有，两次相继装入瞬间之间的时钟脉冲个数将因此而不总是相同的。这造成和值Sw以及在存储器30输出端选定的和值S′w有低频振荡。

图9示出了对于值INC/DEC＝3000/512，Sw和S′w的低频振荡。为了防止这种低频振荡对控制性能的不利影响，可以用这样的方式来选择控制环的带宽，即振荡频率落在控制频带之外。一个不呈现上述不希望有的振荡的速度控制电路11的实例示于图10，图10中对应于图2和6中所示部件具有相同的参考号。

图10中所示控制电路11的分频器27包括一个循环计数器，此计数器对振荡器26产生的脉冲进行计数，并在达到最大计数值MAX后，被置零，同时产生一时钟脉冲Pk。计数器的计数值TEL加到乘法器电路40的第一输入端。存储在寄存器20内的DEC值加到乘法器电路40的另一输入端。乘法器电路40是以这样的方式来定维的，即在其输出端的结果等于TEL/MAX·×DEC。

借助于减法器电路41，从累加器电路23的输出端得到的和值Sw中，减去乘法器电路的结果RM，相减的结果S⁺w加到存储器30的输入。把S⁺w值在速度脉冲Ps的负沿所规定的装入瞬间装入存储器30。

这样从和值Sw与RM值导出、并出现在存储器30输出端的控制值SR，通过数模转换器28加到控制器29。

另一种方法，把用乘法器40完成乘法运算后所得结果加到累加器电路23，并响应于一个速度脉冲Ps用差值（INC-RM）去改变和值，也能消除低频振荡。在这种场合下，减法器电路可省去，而累加器电路23的输出信号可以直接加到存储器30。

要进一步注意，如果选择分频器的除数使之等于DEC的数值，则可省去乘法器。

作为时间t的函数，图11示出速度脉冲Ps、时钟脉冲P_K和值Sw、S⁺w以及控制值SR。从图11可明显看出，用RM值去校正和值Sw的结果是，完全消除了来自S⁺w以及因而来自控制值SR的低频振荡。

图12示出了速度控制装置11的又一个实例，此电路与中央处理装置12一起，装于一个通常类型的微机系统内。然而，要注意，也有可能将中央处理电路和速度控制电路分别引入独立的计算机系统内。微机系统包括一个借助于总线51连接到随机存取存储器（RAM）52的中央处理装置50（CPU），一个只读存储器（ROM）53、锁存型输入寄存器54的输出以及输出寄存器55的输入。计数器27的计数值TEL被传送到输入寄存器54的输入端。

输出寄存器55的输出连接到数模转换器28的输入。只读存储器53装有程序，这些程序用来使和值Sw自适应于响应速度脉冲Ps和时钟脉冲P_K，用来导出控制值SR，并且用来使所需位置Xrg和INC、DEC值自适应于与互相关连的时间函数（例如，图4和8中所示的那些函数）相一致。这些函数的函数值是预先确定的，并存储在存储器52的表格内;或者是在扫描期间，根据适当的算法将它们讨算出来的。

图13和14以图解说明的方式给出上述那些程序的实例流程图。程序INT1是一个中断程序，它响应于在中央处理装置50的第一中断输入端56上的每一速度脉冲Ps而执行。在此程序中的S11步期间，和值Sw增大一个INC值。接着，在S12步中读出计数器27的计数值TEL，而在S13步中，从MAX、DEC和TEL值导出RM值。

在S14步中，从Sw和RM值导出控制值SR，而在S15步中，通过将SR装入输出寄存器55把它传送给数模转换器28。程序INT2是一中断程序，它响应于在第二中断输入端57上的时钟脉冲P_K而执行。在此程序的S21步期间，和值Sw减小一个DEC值。在S22步中，对在最后一次自适应DEC、INC和Xrg值后程序INT2已被调用的次数TIME进行计数。因为调用程序INT2所用的频率是恒定的，所以TIME的值总是代表在最后一次自适应INC、DEC和Xrg后已经经过了的时间。

在S23步中，判断TIME是否大于或等于极限值TMAX。如果是，则再次自适应Xrg、INC和DEC值，并在S24步中把TIME的值置为零。自适应Xrg、DEC和INC是可能的，例如，可使Xrg、DEC和INC的值等于存储在存储器52的表格内那些函数的下一个函数值。

图15示出了借助于程序INT1和INT2导出的和值Sw、修正值RM和控制值SR作为时间的函数。PID控制器29控制电动机9的激励，从而保持控制值SR等于零。与SR值有着恒定差值的平均值Sw将因此也为常数，所以借助于这种控制电路，角速度也保持等于一所需值wg，而wg等于2π（f_K×INC/DEC）N。

Claims (10)

1、一种用一辐射束扫描围绕旋转中心转动的一圆盘形载体的辐射灵敏层的方法，所述辐射束射向所述载体，所述载体的角速度基本上反比于轴和所述辐射束在所述载体上落点之间的距离，而产生了预定频率的时钟脉冲和频率正比于载体角速度的速度脉冲，该方法的特征在于：响应于一时钟脉冲用一个第一修正值去修正一个和值，并响应于一个速度脉冲用一个符号与所述第一修正值相反的第二修正值去修正所述和值，将取决于所述和值的所述记录载体的所述角速度控制到一个值，对于这个值所述和值的平均值基本上为恒定的值，而用自适应所述第一和/或所述第二修正值的方法将所述第二与所述第一修正值之比保持为一个正比于所述距离的值。

2、一种根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述时钟脉冲频率高于相应于所需角速度的所述速度脉冲频率。

3、一种根据权利要求2中所述的方法，其特征在于：只是在相应于所述速度脉冲预定相位处的那些瞬时，所述和值被选用来控制角速度。

4、一种根据权利要求3中所述的方法，其特征在于：用一循环计数器从一较高频率的周期信号中导出所述时钟脉冲，每当最后一个计数值到达时产生一个所述时钟脉冲，使得所选的和值由一个第三修正值来修正，所述第三修正值等于所计的时钟脉冲的个数（由瞬时的计数值来表示）与所述计数器的计数范围之比，乘以所述第一修正值，而所述记录载体的角速度被控制到一个值，对于这个值，修正了的所选的和值的平均值基本上恒定。

5、一种根据前面任一权利要求中的方法，其特征在于：用分频的方法从速度脉冲中导出频率低于所述速度脉冲频率的第二时钟脉冲，并且第二修正值的数值以一个特定的常数值自适应于响应于每一所述第二时钟脉冲。

6、一种用一辐射束扫描一转动载体的辐射灵敏表面的设备，所述设备包括：一个驱动系统，它使载体围绕一旋转中心转动;一个光学系统，它可相对于所述载体径向移动，将所述辐射束射向所述载体;一个速度控制电路，它将所述载体的角速度控制到一个值，此值基本上反比于所述旋转中心与所述辐射束在所述载体上落点之间的距离，所述控制电路包括一个产生时钟脉冲的时钟发生器以及一个产生频率正比于所述载体角速度的速度脉冲的速度脉冲发生器;所述设备的特征在于所述速度控制电路包括：响应于一个速度脉冲以一个第一修正值去修正一个和值的装置;以一个第二修正值去修正所述和值的装置;把取决于所述和值的角速度控制到一个值，对于这个值所述和值的平均值保持为恒定值的装置;以及通过使所述第一和/或所述第二修正值自适应，把角速度调节到一个正比于所述距离的值的自适应装置。

7、一种根据权利要求6中所述的设备，其特征在于：时钟信号发生器和速度脉冲发生器是以这样一种方式来定维的，即所述时钟脉冲频率高于与所需角速度相对应的速度脉冲频率。

8、一种根据权利要求7中所述的设备，其特征在于：速度控制电路包括响应于一个速度脉冲将所述和值传送到一个存储器的装置，控制装置自适应于将角频率控制到一个值，对于这个值，相继地存储在所述存储器中的平均和值基本上保持恒定。

9、一种根据权利要求8中所述的设备，其特征在于：时钟发生器包括一个产生频率高于时钟脉冲频率的脉冲的振荡器;以及一个用于对来自所述振荡器的脉冲进行计数、并当到达最大计数值时产生一后继时钟脉冲的循环计数器;速度控制电路包括：以第一修正值去乘计数值以获得第三修正值的装置，所述第三修正值等于计数值与最大计数值之比，乘以所述第一修正值;响应于一个速度脉冲，把由所述第三修正值修正了的和值传送到所述存储器的装置。

10、一种根据权利要求6至9的任一权利要求中所述的设备，其特征在于：所述设备包括：一个以分频方法从速度脉冲中导出第二时钟脉冲的分频器;以及响应于所述第二时钟脉冲，以一个特定的常数值使第二修正值自适应的装置。

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