CN1200410C - 多阶母盘刻录的控制方法及刻录用的激光器驱动装置 - Google Patents

Abstract

多阶母盘刻录的控制方法及刻录用的激光器驱动装置，属于母盘刻录中的微细工程技术领域。其特征在于，本控制方法是在传统的二阶母盘刻录控制方法的基础上，增加了多阶功率的选通控制和多阶功率的大小稳定控制，本发明还根据该控制方法设计了激光器驱动装置，它采用了一个能实现多阶功率选通和调节的驱动电路，该驱动电路含有一个由三极管电阻网络和差分运算放大器构成的功率选通调节电路和一个功率放大电路。本控制方法能够有效控制在母盘上进行的多阶刻录，本激光器驱动装置能够改变流过激光器的电流，使激光器发出不同功率的激光，从而在母盘感光层上刻录下不同灰度的信号，实现多阶刻录。

Description

多阶母盘刻录的控制方法及刻录用的激光器驱动装置

技术领域：

多阶母盘刻录的控制方法及刻录用的激光器驱动装置，属于母盘刻录中的微细工程技术领域。

背景技术：

传统的二阶光盘是通过盘片上刻录的凹坑来记录数据，且每个信息符只能记录“0”和“1”两种状态，这种光盘的容量和传输率低。清华大学徐端颐教授等提出多阶光盘存储的方法，该方法是在盘片上涂覆一层感光层，感光层对于不同强度(功率)的激光的吸收率不同，形成不同的灰度区域，在感光层上以不同功率的激光聚焦，就能够产生一系列灰度信息，形成多阶光盘。这种多阶光盘的存储容量大，传输率也很高。在现有文献中，有关于多阶母盘的制作和复制技术方面的文献，但经过检索，国内外没有检索到多阶母盘刻录的控制方法以及实现多阶功率选通和调节装置方面的文献。

发明内容：

本发明的目的在于，针对多阶母盘的刻录过程，提出了多阶母盘刻录的控制方法及刻录用的激光器驱动装置，即实现多阶功率选通和调节的装置。

本发明所提出的多阶母盘刻录的控制方法，其特征在于，它含有在计算机中执行的以下步骤：

1)给定加工信息：

刻录位置极坐标(ρ_z，θ_z)：刻录轨迹依次为(ρ₀，θ₀)，(ρ₁，θ₁)…(ρ_z，θ_z)，其中(ρ₀，θ₀)为初始位置，(ρ_z，θ_z)为终止位置；

每一刻录位置对应的功率值P_z：按刻录位置依次为P₀、P₁…P_z；

每一刻录位置应进行刻录的时间t_z，按刻录位置依次为t₀，t₁…t_z；

沿母盘上刻录轨迹的恒线速度V；

母盘上刻录轨迹的道间距a；

变量设定：

设激光干涉仪检测到的工作台的实际位置坐标为(ρ_z’，θ_z’)；

工作台的实际转速ω_z’＝(θ_z’-θ_z+1’)/T，工作台的实际平动速度V_rz’＝(ρ_z’-ρ_z+1’)/T，其中(ρ_z+1’，θ_z+1’)是激光干涉仪检测到的工作台的下一位置坐标；T是激光干涉仪的检测周期；

设工作台到达位置(ρ_z’，θ_z’)时设计的转速为ω_z＝V/ρ_z’，设计的平动速度为V_rz＝aV/(2πρ_z’)；

设功率探测器检测到的实际功率值为P_z’；

2)获取激光干涉仪检测到的工作台实际位置坐标(ρ_z’，θ_z’)后，同时进行2.1)步和2.2)步：

2.1)工作台的速度调节：

2.1.1)获取激光干涉仪检测到工作台的下一位置坐标(ρ_z+1’，θ_z+1’)，计算工作台的实际转速ω_z’，工作台的实际平动速度V_rz’；计算工作台的给定转速ω_z和给定的平动速度V_rz，将ω_z’和ω_z进行比较，将V_rz’和V_rz进行比较，并以ω_z和V_rz为准，通过调节工作台的转动电机和平动电机，使ω_z’＝ω_z，V_rz’＝V_rz，以维持沿母盘上刻录轨迹的线速度V恒定；

2.1.2)继续通过激光干涉仪获取工作台的下一位置坐标，进行转速和平动速度的调节，以维持沿母盘上刻录轨迹的线速度V恒定；

2.2)刻录过程：

2.2.1)当工作台的实际位置(ρ_z’，θ_z’)与加工信息中的相应位置(ρ_z，θ_z)一致时，调出该位置对应的功率值P_z，和该位置对应的刻录时间t_z，设定激光器功率为P_z，选定激光器驱动装置所对应的功率阶次，通过所述激光器驱动装置将输出功率调节到P_z，并以该功率打开激光器；

2.2.2)获取功率探测器检测到的实际功率值P_z’，以设定功率值P_z为准，通过所述激光器驱动装置调节激光器的功率值P_z’，使P_z’＝P_z，以保持功率值P_z的稳定；

2.2.3)进行调焦，焦距调准后进行刻录，刻录时间为t_z；

2.2.4)判断该刻录位置(ρ_z’，θ_z’)是否是最终位置(ρ_z，θ_z)，若是，则刻录完毕，结束；若不是，则刻录未完毕，返回第2.2.1)步，准备进行下一次刻录。

所述的多阶母盘刻录控制方法所设计的刻录用的激光器驱动装置，含有输入端与上端工控机的信号输出端相连、输出端与激光器的信号输入端相连的驱动电路，和输入端与激光器的反馈信号输出端相连、输出端与驱动电路的反馈信号输入端相连的反馈电路，其特征在于，所述驱动电路是能够进行功率阶次选通和调节的驱动电路，它含有依次串联的功率选通调节电路和功率放大电路，所述功率选通调节电路的选通信号输入端与上端工控机的选通信号输出端相连，所述功率放大电路的输出端与所述激光器的信号输入端相连，所述功率选通调节电路的反馈信号输入端与所述反馈电路的输出端相连。

所述功率选通调节电路含有一个能实现功率选通的三极管电阻网络，和一个差分运算放大器(U1)；所述三极管电阻网络含有4个三极管(GB1～GB4)，所述三极管(GB1～GB4)的基极分别连接所述工控机的选通信号输出端，其发射极通过各自串联的电阻(R1～R4)共同连接功率放大电路的输入端，其集电极共同连接所述差分运算放大器(U1)的输出端；所述差分运算放大器(U1)的正相输入端连接稳压电源，其反向输入端连接上述反馈电路的信号输出端，其输出端连接所述三极管(GB1～GB4)的集电极。

所述功率放大电路含有一个三极管(GB5)，所述三极管(GB5)的基极与所述功率选通调节电路的信号输出端相连，其集电极连接稳压电源，其发射极连接激光器的信号输入端。

所述反馈电路含有一个同相比例运算放大器(U2)，所述同相比例运算放大器(U2)的输入端连接激光器的反馈信号输出端，其输出端连接所述功率选通调节电路的反馈信号输入端。

试验证明，利用本发明所提出的多阶母盘刻录的控制方法，能够有效控制在母盘上进行的多阶刻录。本发明提出的激光器驱动装置，能够改变流过激光器的电流，使激光器发出不同功率的激光，从而在母盘感光层上刻录下不同灰度的信号，实现多阶刻录，达到了预期的目的。

附图说明：

图1是多阶母盘刻录控制系统框图；

图2是多阶母盘刻录控制方法软件流程图；

图3是工作台转速和平动速度控制子程序流程图；

图4是刻录过程控制子程序流程图；

图5是激光器驱动装置的电路原理框图；

图6是激光器驱动装置的电路原理图。

具体实施方式：

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示是实现本控制方法所需要的控制系统框图。图中，工作台通过转动电机和平动电机来实现转动和平动，从而使刻录轨迹呈以母盘中心为原点的螺旋轨迹，激光干涉仪将工作台的位置极坐标传送到计算机，由计算机进行处理，并根据处理结果来调节工作台的转速和平动速度，以保持沿母盘上的刻录轨迹的线速度V恒定。另外，计算机将工作台的实际位置与加工信息中的位置信息进行比较，确定该位置所对应的功率阶次，并以该功率阶次打开激光器进行刻录。在刻录过程中，需要功率探测器检测实际功率值，传送给计算机，由计算机来与给定功率进行比较，并将结果通过工控机传送给激光功率器驱动装置，由激光器驱动装置来实现功率的选择和调节功率。调焦装置和光电探测器用于调准激光焦距，进行刻录。与传统的二阶母盘的刻录控制系统所不同的是本控制系统中的激光器驱动装置所实现的功能不同，它能根据计算机的命令对不同的功率阶次进行选通。因此，其相应的电路原理图也不同，在后面将结合附图介绍本发明所采用的激光器驱动装置的电路工作原理。

本发明提出的多阶母盘刻录的控制方法是在传统的二阶母盘刻录控制方法的基础上，增加了多阶功率的选通控制和多阶功率的大小稳定控制。它包括图2、图3和图4所示的控制程序流程图和子流程图。

如图2所示，程序开始进行初始化，初始化主要是加工信息的输入和变量设定，初始化内容如下：

输入加工信息：

刻录位置极坐标(ρ_z，θ_z)：刻录轨迹依次为(ρ₀，θ₀)，(ρ₁，θ₁)…(ρ_z，θ_z)，其中

(ρ₀，θ₀)为初始位置，(ρ_z，θ_z)为终止位置；

每一刻录位置对应的功率值P_z(P_z对应n阶功率中的某一阶)：按刻录位置依次为P₀、P₁…P_z；

每一刻录位置应进行刻录的时间t_z，按刻录位置依次为t₀，t₁…t_z；

沿母盘上刻录轨迹的恒线速度V；

母盘上刻录轨迹的道间距a；

变量设定：

设激光干涉仪检测到的工作台的实际位置坐标为(ρ_z’，θ_z’)；

工作台的实际转速ω_z’＝(θ_z’-θ_z+1’)/T，工作台的实际平动速度V_rz’＝(ρ_z’-ρ_z+1’)/T，其中(ρ_z+1’，θ_z+1’)是激光干涉仪检测到的工作台的下一位置坐标；T是激光干涉仪的检测周期；

设工作台到达位置(ρ_z’，θ_z’)时设计的转速为ω_z＝V/ρ_z’，设计的平动速度为V_rz＝aV/(2πρ_z’)；

设功率探测器检测到的实际功率值为P_z’；

设工作台实际位置坐标的中间变量为(ρ_i’，θ_i’)。初始化后，计算机开始连续采集激光干涉仪检测到的工作台的位置坐标，计算机在监控刻录过程的同时，还需监控工作台的转速和平动速度，使沿母盘上刻录轨迹的线速度V恒定。

如图3所示的工作台转速和平动速度控制子程序流程图。由于沿母盘刻录轨迹的线速度V需要恒定，才能使激光干涉仪依照(ρ₀，θ₀)，(ρ₁，θ₁)…(ρ_z，θ_z)的顺序检测到待刻录的位置，而线速度V与工作台的设计转速和设计平动速度之间存在函数关系：ω_z＝V/ρ_z’，V_rz＝aV/(2πρ_z’)；因此通过调节工作台转速和平动速度才能使线速度V恒定。工作台转速和平动速度调节方式是：激光干涉仪获得工作台的实际位置坐标(ρ_z’，θ_z’)，和下一位置坐标(ρ_z+1’，θ_z+1’)，采集周期T由系统时钟保证其精度，则工作台实际转速用T时间内的平均速度近似为ω_z’＝(θ_z’-θ_z+1’)/T，工作台的实际平动速度也用平均速度近似为V_rz’＝(ρ_z’-ρ_z+1’)/T。将实际转速和平动速度与设计值进行比较，并进行调节，从而保证V的恒定。工作台实际转速和平动速度的计算，可以每隔N个周期(NT)计算一次，本发明选择每采集一次位置坐标计算一次，这样使计算的精度更高。

如图4所示刻录过程子程序流程图。激光干涉仪将检测到的工作台位置坐标与输入的加工信息中的位置信息进行比较，判断是否到了应该刻录的位置，若该位置是刻录位置，则调出相应的功率P_z，并通过工控机命令激光器驱动装置将激光器的功率选通到功率P_z，打开激光器，准备以该功率P_z进行刻录。这里符号ρ_i’、θ_i’是工作台位置坐标的中间变量。激光器打开后，由功率探测器检测到实际激光功率P_z’(强度)的大小，并传送给计算机，与给定功率P_z进行比较，并以P_z为准，将实际功率P_z’调节至与P_z一致，使功率值稳定。然后命令调焦装置进行调焦。焦距调准后即开始刻录，刻录时间为t_z。激光干涉仪的采集周期T小于所刻录的最小信息符时间长短的1/4，对于每个信息符位置采样4次以上，以保证能够刻录到每一信息。将母盘安装在工作台的吸盘上，用夹具保证定位，母盘的中心根据工作台吸盘的中心位置自动确定，以此就可确定母盘盘面的几何中心就是刻录位置的初始原点。

本发明所采用的激光器驱动装置有别于现有技术的二阶母盘刻录所使用的激光器驱动装置，二阶母盘刻录用的激光驱动装置只控制激光器的开关状态，不需要功率选择，因此，其电路较简单，一般只需一个串接在工控机和激光器之间的驱动芯片，和激光器与驱动芯片之间的反馈电路。本装置为了实现多阶功率选通和调节功能，采用了一个能实现多阶功率的选通和调节的驱动电路，本装置的电路原理框图如图5所示，驱动电路含有功率选通调节电路和功率放大电路，功率选通调节电路接收工控机发来的功率信号，根据不同的功率阶次，输出不同强度(功率)的信号给功率放大电路，功率放大电路将放大后的功率信号传送给激光器，使激光器发出不同强度(功率)的激光。由于激光器本身产生信号波动，导致功率输出不稳定，其反馈信号输出端将反馈信号输出给反馈电路，再由反对电路传送给功率选通调节电路，经过调节以保持激光器输出的功率稳定。

激光器驱动装置的电路原理图如图6所示。功率阶次的选通是通过三极管电阻网络来实现的，若刻录的功率阶次是n阶，则三极管电阻网络相应的含有n个三极管，每个三极管的发射极串联一个电阻，电阻阻值的大小决定了选通功率的大小。如本例中，功率阶次选择4阶PI，PII，PIII，PIV，则电阻网络中相应有4个三极管(GB1～GB4)，若计算机指定以功率PI进行刻录，则发送指令给工控机，由工控机来选通相应的三极管导通。

差分运放U1的同相输入端连接稳压电源，反相输入端通过反馈电路接收激光器U3的反馈信号。激光器U3由于温度等外界因素的干扰，使发射的激光功率发生变化，此时其管脚1(反馈信号输出端)流出的电流也相应变化，这两种变化是同相的，激光器发射的激光功率变大时，其管脚1流出的电流也增大，激光功率变小时，其管脚1流出的电流也减小。所以当激光功率有变化时，差分运放的反相输入端得到一个同相变化的电压信号，使输出端的电压信号反相变化，从而控制了三极管电阻网络的发射极的电流变化，最终抑制了流过激光器U3的电流大小的变化，使激光器U3发出的激光功率稳定，因此差分运放U1起到功率调节的作用。

图6中三极管GB5起到功率放大的作用，将电阻网络输出的电流放大到足以驱动激光器U3工作。图中同相比例运放U2是一个反馈电路，它将激光器U3的反馈信号输出端输出的信号放大，然后再将信号输出给差分运放U1进行差分处理。

本驱动装置中，三极管的型号均为2N1711，差分运算放大器U1和同相比例运算放大器U2的型号均为LF356N。图6中R6～R13为限流电阻，C1为稳压电容，D1、D2为接地二极管。

以刻录一个CD母盘为例，采用功率为30mW的405nm半导体激光器，通过控制其工作电流控制其功率，使用30mW、28mW、26mW、24mW的4种不同功率，定义母盘的圆心为工作原点(0，0)，刻录起始位置为(16mm，0)，刻录终止位置为(117mm，0)，沿母盘上刻录轨迹的线速度为3.48m/s，道间距0.68μm。根据刻录位置不同，得到刻录过程中工作台转速从34.6r/s变化到4.7r/s，平动速度从23.6μm/s变化到3.2μm/s。工作台沿径向的行程为200mm。刻录结束后，获得4阶母盘，母盘的容量能够从650MB增加到2GB。

Claims (5)

1、多阶母盘刻录的控制方法，其特征在于，它含有在计算机中进行的以下步骤：

1)给定加工信息：

刻录位置极坐标(ρ_z，θ_z)：刻录轨迹依次为(ρ₀，θ₀)，(ρ₁，θ₁)…(ρ_Z，θ_Z)，其中(ρ₀，θ₀)为初始位置，(ρ_Z，θ_Z)为终止位置；

每一刻录位置对应的功率值P_z：按刻录位置依次为P₀、P₁…P_Z；

每一刻录位置应进行刻录的时间t_z，按刻录位置依次为t₀，t₁…t_Z；

沿母盘上刻录轨迹的恒线速度V；

母盘上刻录轨迹的道间距a；

变量设定：

设激光干涉仪检测到的工作台的实际位置坐标为(ρ_z’，θ_z’)；

工作台的实际转速ω_z’＝(θ_z’-θ_z+1’)/T，工作台的实际平动速度V_rz’＝(ρ_z’-ρ_z+1’)/T，其中(ρ_z+1’，θ_z+1’)是激光干涉仪检测到的工作台的下一位置坐标；T是激光干涉仪的检测周期；

设工作台到达位置(ρ_z’，θ_z’)时给定的转速为ω_z＝V/ρ_z’，给定的平动速度为V_rz＝aV/(2πρ_z’)；

设功率探测器检测到的实际功率值为P_z’；

2)获取激光干涉仪检测到的工作台实际位置坐标(ρ_z’，θ_z’)后，同时进行2.1)步和2.2)步：

2.1)工作台的速度调节：

2.1.1)获取激光干涉仪检测到工作台的下一位置坐标(ρ_z+1’，θ_z+1’)，计算工作台的实际转速ω_z’，工作台的实际平动速度V_rz’；计算工作台的给定转速ω_z和给定的平动速度V_rz，将ω_z’和ω_z进行比较，将V_rz’和V_rz进行比较，并以ω_z和V_rz为准，通过调节工作台的转动电机和平动电机，使ω_z’＝ω_z，V_rz’＝V_rz，以维持沿母盘上刻录轨迹的线速度V恒定；

2.1.2)继续通过激光干涉仪获取工作台的下一位置坐标，进行转速和平动速度的调节，以维持沿母盘上刻录轨迹的线速度V恒定；

2.2)刻录过程：

2.2.1)当工作台的实际位置(ρ_z’，θ_z’)与加工信息中的相应位置(ρ_z，θ_z)一致时，调出该位置对应的功率值P_z，和该位置对应的刻录时间t_z，设定激光器功率为P_z，选定激光器驱动装置所对应的功率阶次，通过所述激光器驱动装置将输出功率调节到P_z，并以该功率打开激光器；

2.2.2)获取功率探测器检测到的实际功率值P_z’，以设定功率值P_z为准，通过所述激光器驱动装置调节激光器的功率值P_z’，使P_z’＝P_z，以保持功率值P_z的稳定；

2.2.3)进行调焦，焦距调准后进行刻录，刻录时间为t_z；

2.2.4)判断该刻录位置(ρ_z’，θ_z’)是否是最终位置(ρ_Z，θ_Z)，若是，则刻录完毕，结束；若不是，则刻录未完毕，返回第2.2.1)步，准备进行下一次刻录。

2、根据权利要求1所述的多阶母盘刻录控制方法所设计的刻录用的激光器驱动装置，含有输入端与上端工控机的信号输出端相连、输出端与激光器的信号输入端相连的驱动电路，和输入端与激光器的反馈信号输出端相连、输出端与驱动电路的反馈信号输入端相连的反馈电路，其特征在于，所述驱动电路是能够进行功率阶次选通和调节的驱动电路，它含有依次串联的功率选通调节电路和功率放大电路，所述功率选通调节电路的选通信号输入端与上端工控机的选通信号输出端相连，所述功率放大电路的输出端与所述激光器的信号输入端相连，所述功率选通调节电路的反馈信号输入端与所述反馈电路的输出端相连。

3、如权利要求2所述的刻录用的激光器驱动装置，其特征在于，所述功率选通调节电路含有一个能实现功率选通的三极管电阻网络，和一个差分运算放大器(U1)；所述三极管电阻网络含有4个三极管(GB1～GB4)，所述三极管(GB1～GB4)的基极分别连接所述工控机的选通信号输出端，其发射极通过各自串联的电阻(R1～R4)共同连接功率放大电路的输入端，其集电极共同连接所述差分运算放大器(U1)的输出端；所述差分运算放大器(U1)的正相输入端连接稳压电源，其反向输入端连接上述反馈电路的信号输出端，其输出端连接所述三极管(GB1～GB4)的集电极。

4、如权利要求2所述的刻录用的激光器驱动装置，其特征在于，所述功率放大电路含有一个三极管(GB5)，所述三极管(GB5)的基极与所述功率选通调节电路的信号输出端相连，其集电极连接稳压电源，其发射极连接激光器的信号输入端。

5、如权利要求2所述的刻录用的激光器驱动装置，其特征在于，所述反馈电路含有一个同相比例运算放大器(U2)，所述同相比例运算放大器(U2)的输入端连接激光器的反馈信号输出端，其输出端连接所述功率选通调节电路的反馈信号输入端。

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