DE102005018461A1 - Fokusregelung für optischen Abtaster - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises (12) für einen Abtaster für optische Speichermedien (6). DOLLAR A Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die Schritte: DOLLAR A - Extrahieren (20) eines durch einen Höhenschlag des optischen Speichermediums (6) hervorgerufenen Signalanteils aus einem Fokusfehlersignal (FE); DOLLAR A - Integrieren (22) des extrahierten Signalanteils und DOLLAR A - Korrigieren (23) des Arbeitspunktes mit dem integrierten Signal.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises für einen Abtaster für optische Speichermedien, einen Fokusregelkreis, der dieses Verfahren verwendet, sowie ein Gerät zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien, das ein solches Verfahren oder einen solchen Fokusregelkreis verwendet.
  • In Geräten zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien, wie z.B. CD (Compact Disk) oder DVD (Digital Versatile Disk), wird während der Fokussuche der Fokusabstand einer Objektivlinse über einer Informationsschicht des optischen Speichermediums bestimmt und nachfolgend ein Fokusregelkreis geschlossen. Der ermittelte Fokusabstand bestimmt den Arbeitspunkt, um den der Fokusregelkreis regelt. Der Fokusregelkreis hält dann während des Betriebs die Objektivlinse mit Hilfe eines Aktuators im Fokusabstand. Ein bestehender Messfehler, d.h. eine Abweichung des Arbeitspunktes vom wahren Fokusabstand, wird dabei durch den Fokusregelkreis ausgeglichen. Der Messfehler verursacht aber im Fokusregelkreis eine bleibende Regelabweichung. Der Messfehler ist im wesentlichen durch die Trägheit der Objektivlinse bestimmt. Die Objektivlinse folgt mit einem zeitlichem Verzug dem während der Fokussuche am Aktuator angelegten Spannungsprofil. Erreicht die Objektivlinse den Fokusabstand, so wird der Fokusregelkreis geschlossen und der aktuelle Spannungswert eingefroren. Der wahre, zum Fokusabstand gehörige Spannungswert wurde aber schon zuvor erreicht und ist aktuell überschritten. Die Größe der Überschreitung ist von der Dynamik der verwendeten Systems abhängig. Diese weist allerdings herstellungsbedingte Toleranzen auf und ist somit für das eingesetzte System nicht bekannt.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Fokusregelung vorzuschlagen, bei dem eine Abweichung des Arbeitspunktes vom wahren Fokusabstand korrigiert wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises für einen Abtaster für optische Speichermedien mit den Schritten:
    • – Extrahieren eines durch einen Höhenschlag des optischen Speichermediums hervorgerufenen Signalanteils aus einem Fokusfehlersignal;
    • – Integrieren des extrahierten Signalanteils; und
    • – Korrigieren des Arbeitspunktes mit dem integrierten Signal.
  • Der statische Arbeitspunkt wird mit dem hier vorgestellten Verfahren auf den Wert eingestellt, der beim Abspielen in der Mitte zwischen dem höchsten und dem niedrigsten vorkommenden Fokuspunkt liegt. Der Arbeitspunkt ist dabei die Position, die die Objektivlinse im störungsfreien Fall bei offenem Regelkreis einnimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren korrigiert die Abweichung des Arbeitspunktes vom wahren Fokusabstand und reduziert die Regelabweichung zu Null. Zur Korrektur der Abweichung wird die durch einen vorhandenen Höhenschlag verursachte Regelabweichung im Fokusfehlersignal erfasst. Auf Grund mechanischer Grenzen bzw. Toleranzen ist auch bei hochwertigen optischen Speichermedien und hochwertigen Aufnahmevorrichtungen für optische Speichermedien das Auftreten eines Höhenschlages nicht vermeidbar. Dieser kann allerdings sehr klein sein. Die Objektivlinse folgt im Fokusabstand dem Höhenschlag, der einen sinusförmigen Verlauf um den Fokusabstand hat. Dieser Verlauf findet sich im Fokusfehlersignal wieder, neben anderen Störungen und Rauschen. Das Sinussignal wird aus dem Fokusfehlersignal extrahiert und verstärkt. Bei hochwertigen optischen Speichermedien, insbesondere bei Testmedien ohne Höhenschlag, in Verbindung mit einer hochwertigen Aufnahmevorrichtung für das Speichermedium, kann das Signal klein und nichtlinear verzehrt sein. Bei normalen optischen Speichermedien kann das Signal andererseits so groß sein, dass die Signalamplitude den Maximal- bzw. Minimalwert des Rechenbereichs überschreitet und auf diese Werte begrenzt wird, da das Rechenwerk bei Überläufen limitiert. Dies hat keine Auswirkungen auf die Bestimmung des Arbeitspunktes, da im Wesentlichen die Nulldurchgänge des Sinussignals von Bedeutung sind. Das extrahierte und verstärkte Sinussignal wird integriert und als Korrektursignal für den Arbeitspunkt der Fokusregelung verwendet. Der Fokusarbeitspunkt nimmt dabei exakt den Wert der Ruheposition ein, um den sich die Objektivlinse aufgrund des Höhenschlages bewegt. Der bei der Fokussuche aufgetretene Messfehler wird somit ausgeglichen.
  • Die erzielbare Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besser als 1 μm. Beispielsweise kann für die Ansteuerung des Fokusaktuators ein 8-Bit DAC (Digital-Analog-Wandler) mit Auflösungsverbesserung (resolution enhancement) verwendet werden. Die Genauigkeit des DAC ist dabei besser als 0.5 LSB, mit der Auflösungsverbesserung wird eine 16-Bit-Auflösung erzielt. Bei einem angenommenen Verstellweg der Objektivlinse von 2,56 mm wird mit dem 8-Bit DAC eine Auflösung von 10 μm und eine absolute Genauigkeit von besser ±5 μm erzielt. Mit der Auflösungsverbesserung wird die Auflösung auf 16 Bit erweitert und es werden die folgenden Quantisierungswerte erreicht:
    • – Nennauflösungs-Schrittweite: 39,0625 nm
    • – maximale Schrittweite: 78,125 nm
  • Der Arbeitspunkt kann mit der Hilfe des Reglers auf ±1 Schrittweite genau eingestellt werden.
  • Vorteilhafterweise wird das Sinussignal mit einem Tiefpassfilter aus dem Fokusfehlersignal extrahiert. Vorzugsweise hat der Tiefpassfilter eine feste Grenzfrequenz. Es ist aber ebenso möglich, einen variablen Tiefpassfilter zu verwenden, dessen Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Speichermediums gewählt wird. Da der Höhenschlag ein Sinussignal mit niedriger Frequenz verursacht, lässt sich das Sinussignal auf diese Weise leicht von den höherfrequenten Anteilen der Fokusregelung trennen. Auch vorhandenes Rauschen wird so zumindest teilweise unterdrückt.
  • Vorzugsweise wird das extrahierte Sinussignal vor dem Integrieren in ein Rechtecksignal mit einer Amplitude ±A gewandelt. Zwar kann das aus dem Tiefpassfilter stammende Sinussignal auch direkt integriert werden, es ist aber von Störungen überlagert. Die Umformung in ein Rechtecksignal führt dazu, dass im Arbeitspunkt die positive und die negative Halbwelle gleich lang sind, was als Kriterium für die Bestimmung des Arbeitspunktes verwendet wird. Auf diese Weise ist das Verfahren unabhängig von der Form des Eingangssignals und von einem eventuell vorhandenen Offset, da zur Bestimmung des Arbeitspunktes das zeitliche Verhältnis zwischen positiver und negativer Halbwelle verwendet wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Rechtecksignal als Index für Winkelmessungen auf dem optischen Speichermedium oder zur Bestimmung der Drehzahl des optischen Speichermediums verwendet. Das gewonnene Rechtecksignal ist phasenstarr zum Höhenschlag und somit zum optischen Speichermedium. Es stellt daher einen Winkel-Referenzpunkt bereit und hat exakt die Frequenz der aktuellen Drehzahl des optischen Speichermediums.
  • Ein Anwendung des zum Höhenschlag phasenstarren Rechtecksignals ist beispielsweise bei tragbaren Geräten zur Wiedergabe oder zum Beschreiben optischer Speichermedien von Vorteil. Insbesondere bei solchen Geräten ist es zur Energieeinsparung wünschenswert, den Lese- oder Schreiblaser nicht kontinuierlich zu betreiben. Wenn der Leselaser eingeschaltet ist, werden Daten mit einer erhöhten Datenrate gelesen und in einem Lesespeicher zwischengespeichert. Sobald der Lesespeicher voll ist wird der Leselaser ausgeschaltet und die im Lesespeicher gespeicherten Daten werden mit der normalen Datenrate wiedergegeben. Bevor der Lesespeicher leer ist wird der Leselaser wieder eingeschaltet und es werden erneut Daten in den Lesespeicher gelesen. Analog dazu werden in einem Schreibspeicher zwischengespeicherte Daten mit einer erhöhten Datenrate auf das Speichermedium geschrieben. Bevor der Schreibspeicher leer ist wird der Schreiblaser ausgeschaltet und der Schreibspeicher mit neuen Daten gefüllt. Sobald der Schreibspeicher voll ist wird der Schreiblaser wieder eingeschaltet und die gespeicherten Daten werden auf das Speichermedium geschrieben. Bei ausgeschaltetem Lese- oder Schreiblaser ist der Fokusregelkreis geöffnet und die Objektivlinse nimmt die Position des Arbeitspunktes ein. Wenn der Lese- oder Schreiblaser wieder eingeschaltet wird, muss nun der Fokusabstand wieder ermittelt und der Fokusregelkreis geschlossen werden. Zu diesem Zweck wird vorteilhafterweise das Rechtecksignal verwendet. Die Idee dabei ist, die Position der Objektivlinse beizubehalten und zu warten, bis eine Informationsschicht des optischen Speichermediums die Fokusebene durchquert. Dies geschieht zweimal pro Umdrehung des Speichermediums, bei einer Drehzahl von 20 Umdrehungen pro Sekunde beispielsweise alle 25 msec. Zur Kontrolle des Einkoppelzeitpunktes und der Einkoppelrichtung wird eine PLL (phase-locked loop) auf das Rechtecksignal synchronisiert. Die PLL wird dabei flankengetriggert synchronisiert und hält bei fehlenden Triggersignalen die Frequenz und Phasenbeziehung freilaufend. Diese PLL liefert für einen gewissen Zeitraum, abhängig von der Stabilität der PLL und der Stabilität der Drehzahl, eine ausreichende Phaseninformation zur Bestimmung des Zeitpunktes des Einkoppelpunktes.
  • Im Vergleich zu einer aktiven Fokussuche, bei der die Objektivlinse eine Rampe durchläuft, beispielsweise mit einer Periode der Rampe von 250 msec, ist die oben beschriebene passive Methode etwa 10-fach schneller. Da sich darüber hinaus nur die Informationsschicht durch den stehenden Fokuspunkt der Objektivlinse bewegt, ist die Durchtrittsgeschwindigkeit minimal. Die Voraussetzungen zum Einkoppeln sind somit sehr gut.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fokusregelkreis vorzuschlagen, bei dem eine Abweichung des Arbeitspunktes vom wahren Fokusabstand korrigiert wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Fokusregelkreis für einen Abtaster für optische Speichermedien, umfassend:
    • – ein Filter zum Extrahieren eines durch einen Höhenschlag des optischen Speichermediums hervorgerufenen Signalanteils aus einem Fokusfehlersignal;
    • – einen Integrator zum Integrieren des extrahierten Signalanteils; und
    • – Mittel zum Korrigieren des Arbeitspunktes mit dem integrierten Signal.
  • Vorzugsweise ist das Filter ein Tiefpassfilter. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Fokusregelkreis einen Komparator zum Wandeln des extrahierten Signalanteils in ein Rechtecksignal mit einer vorgegebenen Amplitude aufweist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises oder ein erfindungsgemäßer Fokusregelkreis wird vorteilhafterweise in einem Gerät zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien verwendet.
    •
  • Zum besseren Verständnis soll die Erfindung nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Elemente. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Geräts zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien;
  • 2: einen erfindungsgemäßen Fokusregelkreis;
  • 3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfindung zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises; und
  • 4: einen beispielhaften Signalverlauf der im Fokusregelkreis auftretenden Signale.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Geräts zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien. Eine Laserdiode 1 emittiert einen Lichtstrahl, der von einer Kollimatorlinse 2 kollimiert wird, einen Strahlteilerwürfel 3 passiert und von einer Objektivlinse 4 auf ein optisches Speichermedium 6 fokussiert wird. Die Objektivlinse 4 wird mit Hilfe eines Aktuators 5 derart bewegt, dass der Lichtstrahl exakt auf eine Spur des optischen Speichermediums 6 ausgerichtet wird. Der vom optischen Speichermedium 5 reflektierte Lichtstrahl wird von der Objektivlinse 4 kollimiert und durch den Strahlteilerwürfel 3 in Richtung einer weiteren Objektivlinse 7 umgelenkt, die ihn auf einen Photodetektor 8 fokussiert. Der Photodetektor 8 erzeugt analoge Ausgangssignale, die von einem Verstärker 9 verstärkt und von einem Analog-Digital-Wandler 10 in digitale Ausgangssignale HF umgewandelt werden. Aus den digitalen Ausgangssignalen gewinnt eine Auswerteelektronik 11 ein digitales Datensignal. Weiterhin wird aus den Ausgangssignalen des Photodetektors 8 ein Fokusfehlersignal FE gewonnen, das einem Fokusregelkreis 12 zugeführt wird. Dieser regelt auf Grundlage des Fokusfehlersignal mit Hilfe des Aktuators 5 die Lage der Objektivlinse 4 relativ zum optischen Speichermedium 6.
  • Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fokusregelkreises 12 zeigt 2. In 3 ist das Flussdiagramm des entsprechenden Verfahrens dargestellt. Der Fokusregelkreis 12 gemäß der Erfindung umfasst zumindest einen Tiefpassfilter 13, einen Komparator 14, einen Integrator 15 und den eigentlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Regelkreis 16. Mit Hilfe des Tiefpassfilters 13 wird in einem Schritt 20 zunächst das durch den Höhenschlag verursachte Signal FEfil aus dem Fokusfehlersignal FE extrahiert und verstärkt. Das extrahierte und verstärkte Signal wird dem Komparator 14 zugeführt, der es im nächsten Schritt 21 in ein Rechtecksignal Fcomp mit einer vorgegebenen Amplitude wandelt. Das Rechtecksignal Fcomp wird mit dem Integrator 15 integriert, Schritt 22, und dem Regelkreis 16 als Korrektursignal Fact-Offset für den Fokusarbeitspunkt zugeführt, Schritt 23. Optional wird aus dem Rechtecksignal Fcomp in Schritt 24 die Drehzahl des optischen Speichermediums 6 und/oder in Schritt 25 der Drehwinkel des optischen Speichermediums 6 bestimmt.
  • 4 gibt einen beispielhaften Signalverlauf der im Fokusregelkreis 12 beim Schließen des Fokusregelkreises 12 auftretenden Signale wieder. Es handelt sich dabei um eine Simulation eines typischen Signalverlaufs bei einem System mit sehr kleinem Höhenschlag und nichtlinearem Eingangsverlauf, was einen kritischen Fall darstellt. Aufgetragen ist jeweils die Signalamplitude in beliebigen Einheiten gegen die Zeit. Teil a) der 4 zeigt das Fokusfehlersignal FE, bei dem der Verlauf des Höhenschlages durch den Signalanteil der normalen Fokusabweichungen überdeckt wird. Teil b) der 4 zeigt das verstärkte und tiefpassgefilterte Fokusfehlersignal FEfil, welches im Wesentlichen durch den Höhenschlag verursacht wird. Die Abweichung vom Arbeitspunkt ist hier größer als die Amplitude des Höhenschlages, der Regelkreis gleicht den Offset aus. In Teil c) der 4 ist das Rechtecksignal Fcomp am Ausgang des Komparators 14 dargestellt, in Teil d) das vom Integrator 15 integrierte Rechtecksignal Fact-Offset, d.h. der integrierte Offset. Teil e) der 4 zeigt die tatsächliche Linsenbewegung. Zum ermittelten Offset wurden im Fokusregelkreis 12 der Verlauf des Höhenschlages und die hochfrequenten Korrekturbewegungen entsprechend dem Fokusfehlersignal FE hinzugefügt. Die hochfrequenten Anteile werden allerdings durch die Tiefpass-Charakteristik des Aktuators gefiltert und schlagen sich nicht in der Linsenbewegung nieder, da das Verhalten des Aktuators bedingt durch die Masse einem Tiefpass 2-ter Ordnung entspricht.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Korrektur des Arbeitspunktes eines Fokusregelkreises (12) für einen Abtaster für optische Speichermedien (6), umfassend die Schritte: – Extrahieren (20) eines durch einen Höhenschlag des optischen Speichermediums (6) hervorgerufenen Signalanteils (FEfil) aus einem Fokusfehlersignal (FE); – Integrieren (22) des extrahierten Signalanteils (FEfil); und – Korrigieren (23) des Arbeitspunktes mit dem integrierten Signal (Fact-Offset).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der durch den Höhenschlag hervorgerufene Signalanteil (FEfil) durch Tiefpassfiltern (20) aus dem Fokusfehlersignal (FE) extrahiert wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der extrahierte Signalanteil (FEfil) vor dem Integrieren (22) in ein Rechtecksignal (Fcomp) mit einer vorgegebenen Amplitude gewandelt (21) wird.
  4. Fokusregelkreis (12) für einen Abtaster für optische Speichermedien (6), umfassend: – ein Filter (13) zum Extrahieren (20) eines durch einen Höhenschlag des optischen Speichermediums (6) hervorgerufenen Signalanteils (FEfil) aus einem Fokusfehlersignal (FE); – einen Integrator (15) zum Integrieren (22) des extrahierten Signalanteils (FEfil); und – Mittel zum Korrigieren (23) des Arbeitspunktes mit dem integrierten Signal (Fact-Offset).
  5. Fokusregelkreis gemäß Anspruch 4, wobei das Filter (13) ein Tiefpassfilter ist.
  6. Fokusregelkreis gemäß Anspruch 4 oder 5, mit einem Komparator (14) zum Wandeln (21) des extrahierten Signalanteils (FEfil) in ein Rechtecksignal (Fcomp) mit einer vorgegebenen Amplitude.
  7. Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines optischen Speichermediums (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Verfahren gemäß Anspruch 3 erhaltenes Rechtecksignal (Fcomp) zur Bestimmung der Drehzahl verwendet wird (24).
  8. Verfahren zur Bestimmung des Drehwinkels eines optischen Speichermediums (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Verfahren gemäß Anspruch 3 erhaltenes Rechtecksignal (Fcomp) als Index für die Bestimmung des Drehwinkels verwendet wird (25).
  9. Verfahren zum Einkoppeln eines Fokusregelkreises (12) für ein optisches Speichermedium (6), umfassend die Schritte: – Bestimmen eines zu einem Höhenschlag des optischen Speichermediums (6) phasenstarren Rechtecksignals (Fcomp) mit dem Verfahren gemäß Anspruch 3; – Synchronisieren einer PLL mit dem Rechtecksignal (Fcomp) bei geschlossenem Fokusregelkreis (12); – Öffnen des Fokusregelkreises (12); – Bestimmen eines Einkoppelpunktes für den Fokusregelkreis (12) mit der freilaufenden PLL; und – Schließen des Fokusregelkreises (12) am Einkoppelpunkt.
  10. Gerät zum Lesen und/oder Beschreiben optischer Speichermedien, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder 7 bis 9 oder einen Fokusregelkreis gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 aufweist.
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