（机械电子工程专业论文）红光高清光学头act系统的建模和仿真.pdf

中文摘要 中文摘要 光学头是光存储系统的核心部件，它广泛运用于各类光存储设备中。 光学头包括光学系统、误差信号提取系统、聚焦一寻迹光学系统力矩器等 部分，是光学、精密机械、电磁学、材料力学等多学科知识的综合。力矩 器是光学头中的实际执行部件，其工作性能点接决定了系统的整体性能。 光盘系统数据读取速度的不断提高，对力矩器性能的要求也更高。 但是国内对于力矩器这一领域的研究还比较薄弱，严重制约着我国光盘 产业的发展。本文以红光高清n v d ( n e x t g e n e r a t 主o nv e r s a t i l ed i s c ) 光学头所采用的二维悬线式力矩器为研究对象，采用仿真和试验相结合 的方式，研究力矩器的物镜架结构对动态特性的影响；利用s o l i d w o r k s 建立力矩器的实体模型；系统性地建立力矩器的动力学模型；得到l w d 力矩器系统的传递函数；针对力矩器的设计要求，采用有限元分析法获 取力矩器可动部分和物镜架的模态参数，并对力矩器的动态特性和结构 特征进行了分析。 采用广义线性前馈网络( g l f f ) 对红光高清n v d 力矩器的建模方法， 应用三阶l a g u e r r e 核的广义线性前馈网络实现了对a c t 系统的建模。通 过仿真及实验的校正，得到模型与系统的逼近误差均少于3 ，能够满足 对a c t 系统建模的要求。采用基于g l f f 建模和仿真的方法对力矩器进行 分析的方法，为红光高清光学头的优化设计提供了保证。该方法可以降 低力矩器的开发成本，缩短开发时间，对其它高密度光盘存储系统中光 学头力矩器的仿真、设计验证和特性改进也提供了重要的参考价值。 关键词：n v d ；光学头；力矩器；广义线性前馈网络；建模与仿真 英文摘要 a b s t r a c t o p t i c a lp i c k u pi st h ec o r ec o m p o n e n t so fo p t i c a ls t o r a g es y s t e m i ti s w i d e l yu s e df o ra l lk i n d so fo p t i c a ls t o r a g es y s t e m i tc o n s i s t so fo p t i c a l c o l l i m a t o rs y s t e m ，o p t i c a l f o c u s i n gs y s t e m ，s e r v oe r r o rs i g n a lg e n e r a t i n g s y s t e ma n da c t u a t o r i ti sac o m p l e xs y s t e _ m ，w h i c hi n v o l v e si no p t i c s ，f i n e m a c h i n e ，e l e c t r o m a g n e t i c ，e ta 1 a c t u a t o ri s t h ee x e c u t i n gp a r to fo p t i c a l p i c k u p ，a n di t sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sd i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m w i t ht h ei m p r o v e m e n to fd a t aa c c e s sr a t e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e a c t u a t o rn e e d st ob ei m p r o v e d w h i l eo u rc o u n t r yi s i n e x p e r i e n c e di nt h i s f i e l dw h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a ls t o r a g ei n d u s t r y c h o o s i n gt h et w o d i m e n s i o n a lw i r es p r i n gt y p ea c t u a t o ra ss u b j e c ta n du s i n g ac o m b i n a t i o no fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la p p r o a c ht os t u d yh o wt h e s t r u c t u r eo ft h ea c t u a t o ri m p a c t so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i ss t u d ys e t s u pa c t u a t o rs o l i dm o d e la n dd y n a m i cm o d e lw i t ht h es o l i d w o r k st oo b t a i nt h e t r a n s f e rf u n c t i o no ft h ea c t u a t o rs y s t e m a n da st ot h ea c t u a t o rd e s i g nr e q u e s t ， t h ea c t u a t o rm o v a b l ep a r ta n dt h el e n sc a r t i e rm o d a l i t yp a r a m e t e ra r eo b t a i n e d w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n di ta l s oa n a l y s e st h ea c t u a t o r sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c t h i sa r t i c l ep r o p o s e st h em e t h o d so fg e n e r a l i z e dl i n e a rf e e d f o r w a r d s n e t w o r k st on v da c t u a t o rm o d e l i n g ，u s i n gt h r e es t e p sl a g u e r r ec o r eg l f f s t r u c t u r et oc a r r yo nt h em o d e lt ot h ea c t u a t o r t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t ，i to b t a i n st h em o d e la n dt h es y s t e ma p p r o x i m a t e e r r o ri sl e s st h a n 3 ，w h i c hc a ns a t i s f yt ot h ea c t u a t o rs y s t e mm o d e lr e q u e s t i tu s e st h e m e t h o do fg l f fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni nt h eo p t i m a ld e s i g no ft h e a c t u a t o r , w h i c hg u a r a n t e ef o ro p t i c a lp i c k u pw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h i s m e t h o dr e d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o s to fa c t u a t o r , s h o r t e n st h et i m eo f 1 1 1 英文摘要 d e v e l o p m e n t ，a n dp r o v i d e s t h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rs i m u l a t i o n ， d e s i g nv e r if i c a t i o na n df e a t u r e st oi m p r o v eo f t h eo p t i c a lp i c k u pa n da c t u a t o r i no t h e rh i g hd e n s i t yc o m p a c td i s cm e m o r ys y s t e m k e yw o r d s ：n e x t g e n e r a t i o n v e r s a t i l e d i s c ；o p t i c a lp i c k u p ；a c t u a t o r ； g e n e r a l i z e dl i n e a rf e e d f o r w a r dn e t w o r k ； m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钏碉 砂7 年6 月弓日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密v ( 请在以上方框p 勺t - r t t 寸，) 学位论文作者签名：刎仞目 例q 年6 月弓日 指剥币虢例彩 耐年6 月多日 引言 引言 目前，高清数字电视的快速发展给我国光存储产业发展创造了难得 的机遇，光盘产业正处于从标清视频向高清视频发展的阶段。国外已形 成了h d d v d 和b l u - r a y 两种蓝光高清标准。为摆脱我国光盘产业一直受 国外专利技术的制约这种被动的局面，采用与蓝光光存储完全不同的红 光技术途径，形成我国具有自主知识产权的新一代高清光盘( n v d ) 技术 体系，并充分利用我国现有的光盘产业基础，制定新一代高密度光盘国 家标准，探索出一条符合我国国情的光盘产业发展之路。 作为光存储系统中的核心部件，光学头是实现光盘信息读取的关键 部分，关系整个光存储产业的兴衰。为突破外国的专利封锁，我国的光 盘系统发展迅速，已经成为我国信息产业的重要组成部分。在光学头力 矩器的研究领域，有关力矩器技术的文献和专利大部分被国外实验室所 拥有。而涉及到光学头技术核心的研究，则由于工业产权和经济利益的 限制，从未有任何资料公开，相关的文献资料又非常缺乏。国内对光学 头技术的相关研究非常少，即使使用了成熟的光学头生产方案，产品的 性能与国外同类产品相比较，尚有一定的差距。 当n v d 读取到1 2 g 及以上容量光盘的时候，对光学头性能的要求也 更高。为对n v d 聚焦与遁迹伺服系统进行更有效的研究，需要建立a c t 的模型。因此对n v d 光学头核心部件力矩器进行更深层次的分析及研究， 本文采用基于广义线性前馈网络的新方法对力矩器进行建模与仿真研 究。将对红光高清光学头和蓝光光学头中力矩器的研究和开发起到重要 参考作用。 v i l 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 信息存储在现代社会中具有十分重要的地位。光存储以其容量大、 成本低、寿命长、复制速度快、便于保存等显著优点已经成为信息存储 的重要手段之一。光存储技术集中了近代光学、自动控制、计算机、激 光技术、材料科学、电子技术、和精密机械中的诸多新成果，因而获得 了迅速发展，并逐渐成为重要的信息存储技术。以光盘为代表的数字存 储技术不仅能够满足信息化海量信息存储的需要，而且能够存储声音、 图形、图像、文字等多媒体的信息，从而使传统的信息存储、管理、传 输和使用发生了根本性的变化，可以说光盘是现代信息社会中不可缺少 的信息载体和新技术产品【l 】【2 1 。 1 1 。1 光存储技术的发展历程 c d ( c o m p a c td i s c ) 诞生于1 9 8 2 年，从此宣告了光盘时代的到来。 在此后的十几年中后来，c d 在数据存储中的份额逐渐超越磁存储，并发 展成为新型数据存储标准，最开始是作为音乐发行的载体。直径为1 2 0 m m 的c d 光盘单面单层存储容量为6 5 0 m b ，数据传输率达到1 2 m b p s 。在1 9 8 5 年推出的c d r o m 则实现了通用的数字信息存储。 我国万燕公司1 9 9 2 年在美国国际广播电视技术震览会上推出了 v c d ( v i d e oc o m p a c td i s c ) 影碟机，v c d 是利用m p e g ( m o v i n gp i c t u r e e x p e r tg r o u p ) 解压缩技术把图像和声音经过压缩，存储在一张1 2 0 m m 的c d 光盘里。在此藤的几年内v c d 在中国的市场取得了巨大的成功。 1 9 9 5 年，d v d ( d ig i t a lv i d e od i s k ) 光盘的规格正式制定。和e d 类 似，d v d 光盘最初用于标清视频节目的发行。后来则普遍用于数字信息存 武汉工程人学硕士学位论文 储，因此改称为d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c 。直径为1 2 0 m m 的d v d r o m 光 盘单面单层存储容量为4 7 g b ，数据传输率大约为l1 m b p s 3 1 。 随着数字电视的推广和高清晰度播出时代的到来，普通单面双层容 量为4 7 g 的d v d 也无法满足高清的需求。以目前高清电视节目播出为例， 其数据传输速率超过了2 3 m b p s ，是目前d v d 数据流量的两倍多。 2 0 0 2 年蓝光联盟推出了b d ( b l u - r a yd i s c 简称b d ，蓝光光盘) 技术 标准。蓝光光盘系统与d v d 系统采用激光波长不同，d v d 为红光激光而蓝 光则采用波长为4 0 5 n m 蓝紫色激光作为光源。蓝紫激光及大数值孔径的 物镜的采用显著缩小了光盘的轨道间距和记录点长度。1 2 c m 的蓝光光盘 单层记录容量达到2 5 g b ，数据传输速率达到了3 6m b p s 。 在b d 推出的同时，h dd v d 推进联盟也推出了h dd v d ( h i g hd e n s i t y d v d ) 存储方案。h d - d v d 沿袭了d v d 的特点，可以说是d v d 技术和产品线 的延续。h dd v d 的技术非常成熟，但单面单层的容量只有1 5 g b 。 为打破国外光盘存储业大公司在在我国的垄断地位，国内也出现了 几大技术标准。1 9 9 9 年，在国家信息产业部科技司、商务部和经贸委的 共同作用下，国内影碟机骨干企业和相关研究机构组建“中国数字光盘 技术联合体”，2 0 0 1 年7 月，“联合体”推出的e v d ( e n h a n c e dv e r s a t i l e d i s c 增强型多媒体盘片系统) 。e v d 采用的是d v d 格式，可以达到双层 8 5 g 。但依然无法避免被征收技术专利费用( 4 1 。 2 0 0 4 年1 1 月武汉光博会，中国科学院干福熹院士倡议研制中国新一 代多功能光盘n v d ( n e x t g e n e r a t i o nv e r s a t i l ed i s c ) 技术标准。该标 准计划从盘片存储物理格式上进行创新，采用与蓝光高清不同的技术思 路，应用自主创新的超分辨位相板技术与s u p e r - r e n s 等技术，用红光光 源实现目前蓝光技术的主要参数指标，达到单面双层1 5 g b 的容量。 中国光盘研究机构清华大学光盘国家工程研究中心推出了可存储 h d t v 影像的播放专用光盘规格“c h d v d ”。于2 0 0 7 年9 月7 日成立的 c h - d v d 普及促进团体c h d a ( 中国高清光盘产业联盟) 并在2 0 0 8 年就开 始为上市为目标开展普及活动。 常见光盘格式及容量如下表1 - 1 所示： 第l 章绪论 表1 - 1 常见光盘格式及容量 光盘格式单层容量( g b )双层容量( g b ) c do 6 5 d v d 4 78 5 e v d 4 78 5 n v d7 5 1 5 c hd v d1 5 3 0 h dd v d1 5 3 0 b d2 5 5 0 1 1 2 我国光存储研究现状 dvd 全球年产量在1 亿台以上，而中国产量占全球的85 以上。 毫无疑问，中国是世界上dvd 的最大生产国。但不掌握关键技术，特别 是在核心技术和自主知识产权方面和国外相比还有一定的差距。d v d 大部 分的核心技术都掌握在国外几个超大型的企业手里，国内许多企业从事 只是从事来料加工和整机组装而始终处于被动地位。更为严重的是，国 外公司要向我国光盘产业各企业每生成一台整机征收知识产权费。目前， 我国光盘产业的许多企业，都曾试图以多种方式引进国外的核心技术， 包括以所谓的“市场换技术”的方法，均遭外方的拒绝。在2 0 0 1 年底我 国加入w t o 之后，由于核心技术的缺乏，创新体系的不完备，直接导致 我国光盘产业处于全面被动的局面【5 1 。 作为光盘系统基础的光学头技术关系到整个光盘产业的兴衰。为突 破外国的专利封锁，我国的光盘系统发展迅速，已经成为我国信息产业 的重要组成部分。目前，武汉市东湖高新开发区拥有光电子信息企业7 0 0 多家，拥有国内最大的光纤光缆和光电器件生产基地、最大的激光产业 基地、最大的光通信技术研发基地。“武汉一中国光谷d v d 光学头产业基 地”是我国首家拥有自主知识产权的大规模d v d 光学头的制造基地。 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 高密度光盘技术发展方向 提高存储密度和数据传输率一直是光盘存储技术的主要发展方向。 传统的方法是通过减少信息记录读取激光的波长和提高光学头物镜数值 孔径的方法缩小记录点尺寸来达到提高记录密度的目的。 d ：一a 2 ( 1 1 ) 阴 d ：p ( - 笃d ) 2 ( 1 2 ) n 式中a 为激光波长，n a ( n u m e r i c a la p e r t u r e ) 为物镜的数值孔径，口， 为相关的参数【6 】。 利用缩小激光波长和增大数值孔径只能够有限的提高记录密度，随 着波长变短和数值孔径的增大，物镜的工作距离变短，这对光盘信息层 的保护不利，而且对伺服系统也提出了更高的要求。在传统的光学系统 和二维存储模式下j 光存储的密度已经接近由物镜的数值孔径和激光波 长所确定的衍射极限。为了进一步提高存储密度，研究和开发不受衍射 极限效应限制的存储方式，如何消除缩小光斑尺寸所产生的影响是一个 重要的研究课题。目前光存储向多层和多维存储方向发展，从而可以实 现信息的大容量存储。高密度光盘技术可以从缩小记录点、复用记录点 和增加存储维度三方面发展。 1 2 1 缩小记录点 ( 1 ) 蓝光光存储 在当前流行的d v d 技术采用波长为6 5 0 n m 的红色激光和数值孔径为 o 6 的物镜。蓝光b d 采用的是波长为4 0 5 n m 的蓝紫激光器，数值孔径达 到0 8 5 的物镜，而使聚焦的光点尺寸缩到极小的程度，可以实现记录单 面单层约2 5 g b 的数据。另外，在蓝光盘片结构中采用厚度为0 1 m m 的光 学保护层，可以降低盘片抖晃所产生的偏差，使盘片能更好地读出数据 和提高记录密度1 7 。蓝光光盘的信息记录轨道间距为0 3 2 p m ，比普通d v d 4 第1 章绪论 光盘信息记录轨道几乎缩小一半；信息记录单元的最小直径是0 1 3 8 p r o ， 也远小于普通d v d 盘片的0 4 p m 。蓝光光盘的单面单层的存储容量为 2 3 3 g b 、2 5 g b 和2 7 g b ，其巾最高容量是( 2 7 g b ) 是f i 前普通d v d 单而单 层盘片容量( 4 7 ) 的6 倍左右。从图卜1 中可以看出b d 相对于c d 和d v d 在信息记录面上明显的变化。 捌卜lc d 、d v d 和b d 记录信息密度对比 ( 2 ) 超分辨近场光存储 传统光盘存储系统的储存密度受光学衍射极限的限制。如果激光波 长为 ，物镜的数值孔径为n a ，可计算出可分辨的最小记录符尺寸大约 为 4 n a 。与传统光学系统不同的是近场光在传播中由于不受衍射极限 效应的限制，在理论上可以无限制地缩小光斑的大小。 超分辨光盘技术是不足通过较少波长或增大数值孔径来减少记录点 尺寸而增加记录密度，而是基于掩膜层光学性质对入射激光强度的非线 性变化而实现的，可以读出超过衍射极限的信号呻j 。超分辨近场结构 ( s u p e r r e n s ) 技术综合了超分辨技术和近场光存储技术，它利用超分 辨掩膜产生的光场，并利用介质层巧妙地解决了高度扫描中近场飞行高 度的控制问题。 武汉工程大学硕士学位论文 黜f 激走 纤嚣 经缓 垒籀疆 兹龋您趣 亡= 孔径型近场光学探针孔径型超分辨近场结构散射型超分辨近场结构 图卜2 近场光存储原理图 超分辨近场光盘与传统光盘在结构上的不同在于：在数据记录层前 几十纳米的位置处增加了一层掩膜摸，当激光聚焦到掩膜层上时，掩膜 在焦点处产生一个小孔或散射中心，由于孔或散射中心所起的作用类似 于近场光学显微镜扫描探针在读写时的作用，因此可以实现超分辨读取。 ( 3 ) 电子俘获光储存 电子俘获光存储是通过低能量激光俘获特定斑点尺寸来获取较高的 存储密度。电子俘获光存储是利用电子俘获材料的光谱特性，通过对不 同波长的低能量激光俘获、释放光盘特定斑点处的电子来实现光信息的 写、读、擦过程，是一种高度局域化的光电子过程，理论上来说，写、 读、擦循环不受介质物理性能退化的影响。 1 2 2 复用记录点 ( 1 ) 全息光存储 全息光存储技术是用所需记录的图像对物光进行调制，被调制的物 光与参考光在存储介质内相交，在全息记录介质上的交点处相遇的两束 激光产生干涉而形成亮、暗图样，全息记录介质在经曝光和处理后，形 成与原来亮、暗图样对应的全息图。改变激光束波长或介质上激光束相 交的角度，在同一部位可记录不同的全息图。由于全息光信息不会相互 干扰，记录点无须完全分开，可进一步提高存储的密度。全息光存储因 有高存储容量和高数据读取速率而成为未来光存储的发展方向之一【9 】。 第1 章绪论 一 图13 全息光存储的系统组成 1 、激光光源；2 、s l m ；3 、光学整形元什：4 、存储材料； 5 、探测器阵列；6 、光学变抉透镜 ( 2 ) 多波长( 彩色) 存储 彩色多波长光存储采用光致变色原理，是采用多层光致变色材料作 为记录层，通过合光和分光装置实现多记录层的并行读写。由于不同的 层问距q l a d , ，可利用盘基上同一伺服道作为各层的共同地址，实现对多 个记录层的统一寻址，解决了空间三维存储中的寻址难题。对于采用多 种波长所造成的光斑尺寸较大，可以使用超分辨掩膜的方法，对长光波 所引起的衍射读写光斑进行拦截。由于光致变色材料有较宽的动态范围， 可以进行多阶存储。将光的频率维与多阶存储结合，形成与传统二进制 编码完全不同的纵向编码方法。这种编码方法可以大幅度提高信息存储 密度。清华大学光盘国家工程研究中心的多波长多阶存储系统及其读写 方法已在国内外申报了一系列的发明专利。该技术可能为高密度光存储 开辟一条新的技术路线。 1 2 3 增加存储维度 ( 1 ) 多层d v d 在存储技术上利用增加存储维度技术最成熟的可以蜕就是我们常见 的d v d 一9 、d v d - 1 8 等。d v d 可以分为单面单层、单面烈层、双面单层和双 面双层4 种物理结构。双面d v d 盘上的数据分别聚焦于半透半反记录层 武汉工程人学硕士学位论文 或全反记录层实现双层存储。与单面单层d v d 相比，双面或双层d v d 信 息存储体密度并未增加，但面密度有所提高。 表卜2 多层d v d 格式与容量对比 d v d 类型 d v d - 5d v d - 9d v d - i od v d 1 8 盘片直径m m 1 2 01 2 012 01 2 0 激光波长n m 6 5 0 6 5 06 5 06 5 0 容量g b 4 7 8 59 41 7 ( 2 ) 双光子存储 双光子存储是利用双光子存储材料的基态分子在一定波长和强度的 光作用下，同时吸收2 个光子，从而被激发到高的电子能态。当两个光 束沿不同的方向照射并聚焦到材料的同一区域，确定了一个微小的重叠 区域。在此区域中发生双光子过程后，产生分子结构的变化，并导致材 料的吸收谱、折射率、荧光发射等变化进行存储。 利用双光子存储技术可以沿着光盘的平面和光盘表面垂直方向记录 数据，不但可以提高光盘的记录层数量，还可以降低光盘中记录层距离。 1 2 4 高密度光存储发展的意义 光存储产业发展十分迅速，正在向高清高密度方向发展。光存储技 术基础研究的方向主要是如何提高存储密度、存储容量及数据传输率来 实现超高密度、超大容量、超快速的信息存储。如何寻求技术上的重大 突破，开展新结构原理研究，使光盘系统小型化微型化，是极其重要的。 高密度光存储技术代表着信息存储的发展方向。该领域国内外的竞 争非常激烈，与国外的发展相比，国内仍有一定的差距。目前，我国对 信息产业的发展十分重视，对光存储产业技术创新上的的投入比例进一 步加大。由于高密度大容量光存储技术涉及到多学科的发展，因此需要 我国不同领域的科学家共同努力，通过提高整体的技术创新来促进光存 储产业的发展。 第l 章绪论 1 3 高清光学头a c t ( a c t u a t o r 力矩器) 系统国内外研究现状 目前韩国和日本的一些企业及研究所对高清光学头和a c t 结构上的 研究比较多，我国在力矩器这一方面的研究和韩国和同本还存在一些差 距。韩国的延世大学和精密工程学会及日本一些企业和研究所对力矩器 的研究主要是集中在力矩器的倾斜控制、新型多维力矩器和混合型力矩 器等方面的研制 】。 韩国的k 一t l e e 等人通过对a c t 的线圈驱动力和磁路特性的研究， 发现与悬线平行的磁场力能够有效抑制力矩器可动部件的谐振。并通过 有限元分析等方法设计出一种新型的磁路来减少a c t 可动部件的高阶谐 振，该磁路如图卜4 所示： 辅助磁铁 ( a ) 力；鞋路0 ) 使月# 鞋的力m 图卜4 新型磁路力矩器水恿图 韩国的k h p a r k 等人提出了一种新型的混合型力矩器】，如图卜5 所示。该力矩器结合了动磁铁型和动线圈型结构的特点。混合型力矩器 的优点为：力矩器具有较高的驱动力和较好的振动特性；提高磁路的闭 合性来抑制了聚焦和循迹线圈之间的相互干扰；减小了a c t 系统的可动 部分的整体质量，提高了a c t 系统的刚度，有效地提高了谐振频率【l ”。 盛攀 武汉i m 人学删! i ? 学仲论史 向 图15 混合型a c i 示意| 笙| h 奉的g a k u j ih a s h i m o y o 锋人设训了缩微型二维力矩器，如图卜6 所示。该力矩器具有较小的有效口径、较轻的物镜，山于整个光存储系 统的町动部分的整体j t 、j 和质量部比较小，系统的数据传输速率得剑r 大幅度地提高，同时二次兆振频率也达到了7 0 k h z 。 0 ) 辅礅型力矩器4 恿i 葺ic o ) 力矩器实钫圈 幽16 微缩型a c t 示意图 在高密度存储光盘系统巾，通常采用短波长激光源和人数值孔径物 镜米缩小激光光点的大小来提高光盘系统的存储密度，但在高速的光盘 旋转作h j 下，物镜和光桶。之间的倾斜造成的光学象差会严重影响r f 信号 的质量。为了抑制a c t 的倾斜，改善力矩器的结构，韩国的c h a n g s o oh a n 等人在传统的滑动旋转趟币1 四悬线型力矩器的基础上，提了一种双物 第1 章绪论 镜铰链杠杆式二维力矩器( 如图卜7 所示) 1 1 3 1 。当该a c t 在聚焦或遁迹方 向移动时，对应的弯曲铰链就会分别扭曲或者弯曲。双物镜铰链杠杆式 二维力矩器具有较好的抗外部干扰性，运动无摩擦。采用该结构的力矩 器系统具有较好的稳定性。 和艟c 囊镌集i 困l7 杠杆力矩器的结构不恿图 j 二述的几种力矩器结构设计代表了目前国际上的研究现状，但生产 的工艺相当复杂，而且生产成本比较高，不适合目前的实际生产状况。 上述对力矩器的研究为未米发展方向提供了十分有用的参考价值。 2 0 0 1 年中国光盘产业推进委员会制定r 我国d v d 光学头标准，一些 相关科研单位也相继投入大量人力物力开发拥有自主知识产权的d v d 激 光头技术，并且取得了显著成果。国内清华大学光盘国家工程中心开发 成功d v d 内部用的多维力矩器，同时提出了一剃，新的利用t n 液晶盒电子 切换的d v d c d 兼容光学头设计方案。这种方案结构简单，部件的设计、 加工容易，并且能避免机械切换物镜带来的精度和可靠性方面的问题。 该方案还能够用于可擦写的高密度光存储系统中。 臼前国内的些力矩器的生产厂家开始注意到知识产权在光存储产业 叶1 的重要性。但我国光存储产业普遍存在的问题是缺乏知识产权和自主 设计能力，不少企业的主要产品基本是引进成熟的光储存产品生产方案， 自主研发新产品的能力不足足我囤企、i p 必须面对的问题。在力矩器方面 幽内的研究比较有限，但些研究机构对此领域进行r 积极有益的探索。 武汉工程大学硕士学位论文 随着光盘驱动器倍速的不断提高，对力矩器的理论研究已经落后于实践 的发展。 1 4 课题的研究的背景及内容 1 4 1 课题的研究背景 在a c t 的研究领域，大部分a c t 的技术文献和专利被国外实验室或 大型企业所拥有。国内在a c t 方面的相关研究则比较少，产品的性能与 国外同类产品相比较，尚有一定的差距。基于上述的状况，我们清醒地 认识到，由于缺乏自主知识产权，缺乏技术上的主动、独立、创新和竞 争性，对力矩器的设计、改进和工艺控制等各个环节均缺乏有效的理论 指导提高力矩器系统的建模和仿真成为攸关产业发展的急迫任务，而该 领域的研究对中国光盘产业的发展有着不可替代的作用。现今国际上蓝 光存储技术己接近产业化，为使国内的光盘产业从c d 光学头和d v d 只读 光学头的水平上向红光高清及蓝光高清光学头方向发展，改变光盘产业 的现状，我国光盘产业急需开展以自主知识产权创新为核心的国产化工 作。 中科院上海光机所高密度光存储技术实验室、信息光学实验室、光 盘及其应用国家工程研究中心于2 0 0 6 年1 1 月在武汉举行的第五届国际 光电子博览会上首次展示容量为1 2 g b 的n v d 母盘和盘片样片，引起轰动。 同时，为了将存储容量进一步提高到1 5 g b ，科研人员还对超分辨位相板 的制作和在h 3 d 中的应用进行了探索研究，用光刻技术成功地制成了超 分辨位相板，可将光束尺寸( 直径) 缩小两成，从而能将存储密度提高5 0 以上。其核心在于突破d v d 的物理格式，研发具有自主知识产权的红光 高清光盘物理格式标准【1 4 l 。 1 4 2 课题的研究内容 本论文是以我国武汉光谷第二代红光高清n v d ( n e x t g e n e r a t i o n v e r s a t i l ed i s c ) 的设计为背景。当n v d 读取到1 5 g 及以上容量光盘时， 第1 章绪论 对光学头规格已经提出了更高的要求。为对n v d 光学头核心部件力矩器 进行更深层次的分析及研究，本文采用基于广义线性前馈网络的新方法 对力矩器进行建模与仿真研究。 论文主要研究内容有： 1 、对力矩器进行实体建模。对力矩器的结构进行分析，提取其几何 特征，设置相应的结构参数，在保证力矩器的总质量、质心位置及结构 特征的条件下，尽量较少力矩器结构上的大量圆弧及倒角，使力矩器模 型简洁。 2 、利用多物理场耦合分析软件a l g o r ，采用参数化建模方法对力矩 器进行有限元分析。从力矩器中提取数十项可以直观反映结构的参数， 对力矩器的可动部分及物镜架组件的模态及中低频及高频段特性进行分 析。并通过试验验证有限元方法分析力矩器的可行性。 3 、采用广义线性前馈网络( g e n e r a liz e dl i n e a rf e e d - f o r w a r d n e t w o r k ) 对力矩器进行建模和仿真研究。在理论的基础上，采用g l f f 逼 近方法，确立力矩器系统的实际模型，通过试验比较确定其模型，完成 对红光高清光学头a c t 系统的仿真，并进行仿真分析，为伺服系统的设 计提供适合的控制模型。 第2 章a c t 的工作原理及结构特征 第2 章a c t 的工作原理及结构特征 在光盘存储系统中，光学头是精密的光机电集成系统，由激光产生 系统、基本光路和光敏检测系统构成，主要实现两种功能：产生一定形 状和功率读、写、擦信息的激光束；通过聚焦及遁迹控制将激光束定位 在光盘信号面的信息轨迹上，精确地读取并输出存储在光盘中的数字信 息。 在光学头工作过程中，a c t 的作用在于：光学头在光盘数据读取过程 中根据聚焦和循迹的误差信号驱动物镜进行运动：a c t 的聚焦运动可以使 得物镜在垂直于光盘信息面的方向跟随光盘进行上下移动，可以保证聚 焦激光精确地落在盘片的信息记录面上；而循迹运动则是控制物镜在平 行于光盘信息面的方向上左右移动，以保证聚焦光斑精确地落在盘片的 信息轨迹上。 2 1 光学头的基本结构和分类 光学头由激光产生系统、基本光路和光敏接收系统构成【l6 1 。主要包 括激光源l d 、光栅、偏光分光镜、反射镜、光路准直透镜、四分之一波 长板、物镜以及柱面镜和光敏接收器p d i c 等。光学头的基本光路结构如 图2 1 所示。其工作原理为：激光器l d 发出激光，经光栅作用形成光束， 光束通过偏光分光镜、准直镜将光路准直后，经过物镜汇聚成直径为微 米级光点，在a c t 聚焦伺服与循迹伺服的共同作用下，使光点精确地落 在光盘信息记录面上。带有信息的反射光束从原光路返回，经偏光分光 镜反射进入柱面透镜，通过光敏接收器p d i c 检测出信号。 1 5 武汉工程大学硕士学位论文 2 1 1 光学头的分类 溯睁 a 白激光：极警 图2 - 1 光学头基本光路结构示意图 早期的光学头一般是采用分离式的激光发射器与光敏接收器的结 构。分离式结构光学元件多，光路结构比较复杂，在生产检测时调整不 方便。现在光学头采用一体化模块结构设计，利用高集成度和简单的光 路系统使光学头具有了更好的兼容性。可以说一体化设计在光学头生产 中的应用，极大地促进了光学头的小型化及微型化【1 7 】。 目前，光学头主要的发展方向是【l8 】： ( 1 ) 小型化 目前在台式p c 及笔记本中几乎都配备了光存储产品，光存储产品向 着小型化，微型化发展。光存储产品中光学头系统中的a c t 尺寸决定了光 学头的大小，它的尺寸的缩减将有利于光学头的小型化，同时对光学头 单元整体质量的降低和使光学头系统具有更广的伺服带宽。有了这些优 点，采用与小型力矩器相适应的移动存储设备或者高速数据传输系统将 会得到快速发展。 ( 2 ) 悬线式力矩器 由于弹性支撑型力矩器相比于转轴式力矩器具有更好的线性度、更 第2 章a c t 盼工作原理及结构特征 高的驱动灵敏度和低摩擦损耗等优点。目前，大部分的光学头系统中已 经采用弹性支撑型a c t 结构。在各种弹性支撑型力矩器中，悬线式力矩 器具有较好的线性度、无摩擦和较好的遁迹灵敏度及制作工艺简单，现 在已经成为光学头的主流类型。现在，国外几家光存储设备生产企业已 推出的蓝光系统均采用了悬线式三维力矩器，因此对于悬线式力矩器的 理论分析和建模都将是今后力矩器研究的重点。 ( 3 ) 多维力矩器 由本文在第一章中对多维力矩器研究现状的分析可知，随着对光存 储系统存储速度和存贮容量要求的不断提高，特别是目前蓝光系统和 h dd v d 系统对三维、四维力矩器的需求更是刻不容缓。目前，尽管三维 力矩器的样机已经采用在蓝光光盘系统中，但是目前生产成本高，生产 工艺复杂。 光学头发展到现在，其主要部件力矩器出现过各式各样的结构形态。 根据支撑结构不同，力矩器可以分为转轴式、铰链式和悬线式。儿利t 主 要的力矩器结构如下陶22 所示： 一 c 掸片式【d ，悬线式 图22 力矩器的主要类型 武汉工程大学硕士学位论文 2 2a c t 结构及工作原理 光学头系统的驱动部分a c t 根据聚焦和循迹误差信号，实时地驱动物 镜运动，通过聚焦及遁迹伺服控制将激光束定位在光盘信号面的信息轨 迹上，精确地读取并输出存储在光盘中的数字信息【嘲。 2 2 1a c t 基本结构 按驱动原理力矩器可分为动线圈式力矩器和动磁铁式力矩器：动线 圈式的优点是光学头可动部分具有较小的质量和比较高的灵敏度，而且 磁路相对闭合，具有高的磁路效率。动线圈式a c t 系统在光学头中获得 了广泛的应用。a c t 的支撑部分提供定位和产生回复力的作用。动线圈式 的典型结构悬线式力矩器如图2 - 3 中所示。据统计，实际生产的力矩器 数总量的8 5 以上均为悬线式力矩器。在n v d 红光高清光盘存储系统中 选用的a c t 结构为四悬线式，所以本文中选择悬线式力矩器作为研究对 象。 根据力矩器控制物镜运动的自由度，力矩器可以分为二维力矩器、 三维力矩器以及四维力矩器【2 0 1 。不同力矩器和可动的部分运动的参数如 下表2 1 所示： 表2 - 1 不同维数的力矩器 力矩器的种类力矩器的运动维数 二维力矩器聚焦、循迹 三维力矩器聚焦、循迹、径向倾斜 四维力矩器聚焦、循迹、径向倾斜、切向倾斜 三维力矩器结构如图2 - 2 所示： 第2 章a c t 的工作原理及结构特征 圈23 维悬线式力矩器结构不恿图 二维悬线式力矩器的结构如罔2 - 4 所示。a c t 由固定部分和可动部分 组成。可动部分由物镜及其支架、聚焦线圈、循迹线圈组成，同定部由 基座、轭铁、永磁铁组成。固定部分和可动部分之间的连接依靠高性能 的弹性悬线实现，悬线的性能对该型力矩器非常关键，它们的性能决定 了力矩器的工作性能。 图2 - 4 一维悬线式力矩器结构示意| 冬j 在光学头工作过程中，二维力矩器中的可动部分必须实时地驱动物 镜进行激光光点的调整运动。可动部分在悬线的支撑下进行上下平移运 动( 聚焦运动) 和左右平移运动( 循迹运动) 。 武汉工程大学硕士学位论文 2 3 力矩器的聚焦和循迹伺服系统 光盘存储的控制系统主要包括：光学头前置放大器、聚焦伺服控制 系统、遁迹伺服控制系统、激光功率控制和主轴电机控制系统。如图2 - 5 所示。a c t 中的控制系统包括：聚焦伺服控制系统；循迹伺服控制系统。 聚焦和遁迹伺服控制系统是a c t 系统设计的重尉2 。本节将对聚焦和遁 迹伺服系统做简要的介绍。 图2 5 力矩器控制系统结构框图 光学头系统中的聚焦伺服误差的检测方法有多种，如像散法、刀口 法、临界角法、光点大小法等。其中最常用的是像散法和光点大小法【2 2 1 。 ( 1 ) 、像散法 像散法是利用像散元件，通过柱面镜使激光光束产生像散，把物镜 离焦量的变化转变为不同方向光能的变化，经p d i c 检测，得到误差信号。 像散法原理如图2 - 6 所示： 第2 辛a c t 的工作原理艘结构特征 笔晒垆 “鼬垆 “晒垆 图26 象散法聚焦误差检测原理吲 ( 2 ) 、光点大小法 光点人小法( s p o ts i z ed e t e c t i o n ) 检测聚焦误差的原理是通过比 较反射光的光点尺寸米判定聚焦位置是否正确。图27 ( a ) 为光点大小法 检测聚焦误差的光路示意图，图27 ( b ) 为光点大小法榆测聚焦误差的原 理。 图2 7 光点大小法检测聚焦误差原理幽 武汝i 样人学坝j 学亿论文 在光箍机巾主要使川的循迹撰筹榆测方法卡要有三利，：摊挽法、三 光束法和筹动相位榆测法( d p d ) 2 3 o 三光束泫最。一被应用在c d 光盘机 巾。推挽法比较适合带柏预刻槽的盘片，对于无预刻槽的盘片，信号不 连续，检测精度稍低。随着光盘存储密度的提高后，d p d 方法开始被采用， 与推挽法相比，d p d 方法具有更高的检测精度和响应速度，而且d p d 法是 基于相位检测的，容易利用数字电路来实现，而且具有较好的抗干扰性。 在n v d 光盘机中a c t 的伺服系统采用差动相位检测法。d p d 方法检测道偏 差的原理如图28 所示。 薷pi)tc5参“警ac 妻墓f a 鹄鳟隘 一 n o + n 鱼l u l jj l l # 一l 且l 掣 冈铲v 一剐m ，l | m 瞬缸) 嘲材黼 丽棼，v 、槲赳州_ 廿吲 区堕卜 嘲28d p d 方法检测道偏芹原理 2 4 红光高清n v d 力矩器设计 光学头