Слежение за дорожкой (автотрекинг)

При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникают некоторые отклонения записи, которые зовутся красивым словом эксцентриситет. Его (эксцентриситета) предельная величина, в соответствии со стандартом, не должна превышать ±70 мкм. Однако и эта цифра достаточно велика. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,6...0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой, называемой автотрекингом, с глубиной регулировки не менее 700. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объектив (или всю оптическую головку) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентрисита.

Способ трех лучей

Для реализации данного способа, кроме основного считывающего луча, необходимы ещё два дополнительных, которые формируются путем расщепления основного. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризационная призма, фазовая дифракционная решетка или оптические клинья. Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рис. 1.

.Рис. 1 - Положение сфокусированных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга

Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С - по обеим сторонам от него вдоль оси дорожки на расстоянии Y. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину Х. Один (В) смещен влево, другой (С) - на такую же величину вправо. Каждому из трех лучей соответствует свой фотоприемник.

Когда основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают её каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей одинаковы, а разность их, соответственно, равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой - меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.

Из-за простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях компакт-дисков, хотя и является очень старым, заимствованным ещё из системы лазерной видеозаписи LV (Laser Vision).

Дифракционный способ

При таком способе используется явление дифракции света на микрорельефе регистрирующего слоя компакт-диска.

Под дифракцией в оптике понимают любое отклонение световых лучей от прямых линий, возникающее в результате ограничения или искажения волнового фронта. Дифракционные явления присущи любому изображению, полученному с помощью оптических приборов, поскольку фронт световой волны, проходящий через оптику, всегда ограничен её размерами.

Если размеры изображаемых предметов велики в сравнении с длиной волны света, то эти явления теряются на фоне общей картины изображения. Но если размеры предметов и длина волны излучения имеют один порядок, как в случае пит на поверхности компакт-диска, то дифракционная структура изображения начинает играть определяющую роль.

а)  (Zoom)	б)  (Zoom)	в)  (Zoom)

Рис. 2 - Распределение интенсивности монохроматического излучения после прохождения щели:
а) широкая щель; б) узкая щель; в) оптическая система

На рис. 2 показано распределение интенсивности I монохроматического излучения после прохождения им щели, ширина которой α велика в сравнении с длиной волны света λ (диагр. а), и распределение интенсивности того же излучения после прохождения щели, ширина которой сравнима с длиной волны падающего света (диагр. б). В первом случае дифракция незаметна, во втором - распределение интенсивности имеет ряд максимумов и минимумов, положение которых зависит от ширины щели и длины волны излучения.

Аналогичные явления имеют место не только при прохождении через узкую щель, но и при отражении от поверхности, имеющей узкие полосы с малым коэффициентом отражения. В случае поверхности компакт-диска такими полосами являются дорожки с питами. Поскольку излучение лазера является когерентным, а глубина пит меньше четверти длины волны, то эффект "темной полосы" возникает за счет разности хода лучей, отраженных от зеркальной поверхности и от пита.

Чтобы использовать явление дифракции для автотрекинга требуется всего один луч и двухплощадочный фотоприемник. При этом очень важен тот факт, что глубина пит (~0,1 мкм) меньше четверти длины волны излучения лазера (0,78/4~0,2 мкм), так как только в этом случае при смещении считывающего пятна дифракционная картина на фотоприемнике будет несимметричной (рис. 3).

Рис. 3 - Распределение света на ФП при автотрекинге дифракционным способом

Данный способ прост, но имеет один существенный недостаток. Для его реализации необходимо перемещать не только объектив, но и всю оптическую систему целиком, иначе пятно с фотоприемника будет смещаться в ту или иную сторону.

Фазовый способ

Этот способ похож на вышеописанный, но для его осуществления достаточно перемещать только линзу объектива. Здесь разностный сигнал регулирования меньше зависит от глубины пит и может быть получен даже при глубине, равной четверти длины волны излучения лазера.

Рис. 4 - Автотрекинг по фазовому способу

Фазовый метод, так же как и дифракционный, основан на изменении распределения отраженного света в зависимости от взаимного положения светового пятна и пит. Изменение распределения регистрируется четырехплощадочным фотоприемником (рис. 4). На рис. 5 показаны различные формы распределения света на фотоприемнике при различных положениях пятна и пита.

Рис. 5 - Картины распределения света на ФП при фазовом способе автотрекинга

Разностный сигнал управления по этому методу определяется как (a+b)-(c+d), а информационный сигнал как a+b+c+d. При точном следовании считывающего пятна по центру дорожки картина на фотоприемнике будет меняться, оставаясь при этом симметричной, а разностный сигнал будет равен нулю. Если пятно сместится вправо или влево, то разностный сигнал будет иметь синусоидальную форму, сдвинутую по фазе на 90° относительно информационного сигнала. Сигнал управления получается путем детектирования этой фазы гетеродинным детектором (рис. 4).

Существуют и другие способы реализации систем радиального слежения, но на практике они практически не используются, по крайней мере в бытовой аппаратуре.