JP4028599B2 - フォーカス制御のための閉ループサーボ動作 - Google Patents
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Description
発明の背景
１．発明の分野
本発明は光ディスク駆動装置のための制御構成に関する。特に、本発明は改善されたサーボ制御に関し、それはフォーカス動作の閉ループモードの動作範囲をディスク上の複数の位置に拡張する。
２．関連技術の記述
情報が複数の螺旋状又は同心円状の情報トラックに記憶される光ディスク駆動装置においては、通常、関心のある情報トラック上への記録又は再生ビームのロックは、例えばチェシュコフスキー等（Cheshkovsky et al.）の米国特許No.4,332,022に記載されるサーボの如きトラッキングサーボにより維持される。トラッキングサーボは、光ディスク媒体から戻り反射光ビームの強度から生じるエラー信号Ｖpを最小化するように応答し、以下の式により与えられる：
ここで、Ａは定数；
ｘはトラック中心からのビーム変位；及び
ｐはトラックピッチである。
Terashiの米国特許No. 5,177,725は、駆動される要素の速度を検出するための速度検出器を使用して引き込み範囲を拡張するサーボ装置を開示する。
小林等（Kobayashi et al.）の米国特許No.4,853,918は、トラックセンタの周りで相互にオフセットを有するトラッキングピットからの信号をサンプル−ホールド回路に提供し、相互に比較して、トラック間の中途で不連続性を有するのこぎり波信号トラッキング信号を作る構成を提案する。
Burroughsの米国特許No.4,779,251においては、ある回路が、トラッキングサーボに制御されたオフセットを導入するために使用されるランプ波形を生成する構成が開示されている。ランプ波形は、以前のトラック間のミクロジャンプからの記憶されたトラッキングエラー情報に従って調整される。
フォーカス制御応用においては、フォーカスサーボはフォーカスエラーの“Ｓカーブ”負帰還領域において動作する。従来、正帰還領域に囲まれた負領域にサーボを位置させるためには、開ループ動作を使用する特殊シーケンスが要求される。何らかの理由によりフォーカスが喪失されれば、獲得シーケンス全体を繰り返さなければならない。これは非常に時間を浪費する。
発明の概要
本発明の第１の目的は、閉ループモードで動作するフォーカスサーボの動作範囲を拡張することにある。
本発明の別の目的は、フォーカスサーボの動作を改善し、ディスクのディフェクト、ノイズ、ショック及び振動に応答して自動的な焦点の再獲得を可能とすることにある。
本発明のこれら及び他の目的は、光ディスク駆動装置において、サーボループに供給するエラー信号を生成するための複数の出力を有する光ピックアップを提供することにより達成される。また、エラー信号は局部帰還ループに供給され、フォーカスサブシステムの場合には、その帰還ループは、読み取りビームの位置に対してプロットされたフォーカスエラー信号が正弦波形から実質的に線形のランプ波形に変形されるように光ピックアップの出力を修正するための複数の正弦関数発生器を含む。局部帰還ループは、いくつかの構成要素を共用するように設計することができるが、メイントラッキングサーボループからは独立である。
正弦関数発生器に加えて、局部帰還ループは、２つの乗算器と、差分加算アンプと、局部ループゲイン要素と、位相補償器と、位相シフト値を２つの正弦関数発生器入力の一つと加算するための加算回路と、を有する。
本発明は放射エネルギーのフォーカスされたビームを制御する装置を提供し、その装置は、フォーカスされたビームを方向付ける光学的要素と、光学的要素に対して動作し、フォーカスしたビームの焦点を所定位置の方向に変位させるためのアクチュエータと、ビームから光を受け取るディテクタとを有する。ディテクタは、ビームの焦点の所定位置からの変位に応答する。ディテクタの出力に接続された回路は、ビームの焦点の所定位置からの変位を示すエラー信号を生成する。サーボがアクチュエータ及びエラー信号に接続され、アクチュエータはサーボに応答してビームの焦点を所定位置に変位させる。
本発明によれば、局部帰還ループ回路がディテクタの出力に接続される。ループは、エラー信号に応答する第１の周期関数発生器と、エラー信号に応答する第２の周期関数発生器とを有する。第２の周期関数発生器は、第１の周期関数発生器の出力とある位相角だけ異なる出力を有する。ループは、ディテクタの第１の出力に第１の周期関数発生器の出力を乗算する第１の乗算器と、ディテクタの第２の出力に第２の周期関数発生器の出力を乗算する第２の乗算器と、を有し、第１及び第２の乗算器の出力は回路の入力として提供される。
本発明の観点によれば、周期的特性は実質的に正弦状であり、第１の周期関数発生器及び第２の周期関数発生器は正弦波発生器である。
本発明の他の観点によれば、ディテクタの第１及び第２の出力はビームの変位に対してほぼ相互に直角位相の関係を有し、ある位相角は約９０度である。その位相角は、約６０度から約１２０度の範囲内とすることができる。
本発明は放射エネルギーのビームをフォーカス制御する方法を提供し、それはビームの焦点の位置に応答する第１及び第２の検出信号を生成する工程と、所定位置からの焦点の変位を示すエラー信号を生成する工程により実行され、エラー信号は変位に対して周期的特性を有する。その方法は、エラー信号に応答する第１の周期信号を生成することによりエラー信号に応答して、変位した焦点を所定位置に回復する工程と、エラー信号に応答して第２の周期信号を生成する工程とを有し、第２の周期信号は、第１の周期信号とある位相角だけ異なる。エラー信号は、第１の検出信号に第１の周期信号を乗算して第１の積信号を作り、第２の検出信号に第２の周期信号を乗算して第２の積信号を作り、第１の積信号と第２の積信号との差を決定することにより生成される。好ましくは、第１及び第２の検出信号、並びに第１及び第２の周期信号は実質的に正弦状である。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれら及び他の目的のより良い理解のため、例として本発明の詳細な記述への参照がなされ、それは以下の図面と共に読まれるべきであり、そこで：
図１は、本発明による装置の概略図であり、
図２は、追跡される光記録媒体の面の断片図であり、
図３は、図１の装置内の信号回復サブシステムのブロック図であり、
図４は、図３に示すサブシステムの更なる詳細を示す図であり、
図５は、光媒体上のトラックに対応する信号波形の空間的プロットであり、
図６は、図１に示す装置の一部分の電気的概略図であり、
図７は、正弦関数発生器のブロック図であり、
図８及び９は、本発明の理解に有用な電気的波形であり、
図１０及び１１は、本発明の特定の実施形態を示す概略図であり、
図１２は、図１０及び１１の実施形態において使用するリングディテクタを示し、
図１３は、電気的概略図であり、
図１４は、図１３の概略図に示される関数発生器を示す詳細な電気的概略図であり、
図１５は、図１３に示す回路のタイミング回路を示す詳細な電気的概略図であり、
図１６−１８は、図１３の実施形態により生成される波形であり、
図１９は、本発明の代替的実施形態の電気的概略図であり、及び
図２０は、図１９の実施形態の動作特性と従来のフォーカス制御システムとの比較を示す。
好適な実施形態の説明
以下に集合的に“光ディスク”と呼ぶビデオディスク、光磁気ディスク、オーディオディスク、及びコンピュータデータディスクなどの情報媒体のためのディスクプレーヤの光学系１０が図１に示される。光学系１０は、光ディスク２６上に記憶された符号化信号を読み取るために使用される読み取りビーム２２を生成するために使用されるレーザ１８、第１のレンズ２８、回折格子３０、ビーム分割プリズム３４、及び１／４波長板３８を含む。光学系１０はさらに、ミラー４２、及び入口開口５８を有する対物レンズ５４を含む。光ディスク２６に到達するビームは、インダクタ５２により記号的に示される既知のビーム変位手段により半径方向に移動可能である。実際にはインダクタ５２はトラッキングサーボ９４により制御される。
光ディスク２６の拡大部が図２に示される。光ディスク２６は、情報担持面７０上に形成された複数の情報トラック６６を含む。各情報トラック６６は、光反射領域７４と光非反射領域７８の連続を有する。光反射領域７４は、例えば薄いアルミニウム層の如きほぼ平坦な十分に磨かれた面を有する。光非反射領域７８は、ほぼ光を錯乱する面であり、光反射領域７４を示す平坦面上のバンプ又は***として現れる。読み取りビーム２２は、光ディスク２６の情報担持面７０に対して１度又はそれ以上の移動を有し、そのうちの一つは双頭矢印８２により示される半径方向へのものである。
レーザ１８により生成される読み取りビーム２２は最初に第１のレンズ２８を通過し、その第１のレンズ２８は、対物レンズ５４の入口開口５８を完全に満たす大きさを有するように読み取りビーム２２を整形するために使用される。読み取りビーム２２は、第１のレンズ２８により正しく整形された後、回折格子３０を通過し、その回折格子３０は読み取りビーム２２を３つの分離ビーム（図示せず）に分割する。そのビームのうちの２つはラジアルトラッキングエラー信号を作り出すために使用され、他の一つはフォーカスエラー信号及び情報信号を作り出すために使用される。３つのビームは、光学系１０の残りの部分により同様に取り扱われる。従って、それらは集合的に読み取りビーム２２と呼ばれる。回折格子３０の出力はビーム分割プリズム３４に適用される。プリズム３４の軸は読み取りビーム２２の光路から僅かにずれており、その理由は１９８８年７月５日に発行された米国特許Re.32,709により完全に記載されており、その記載全体をここに参考文献として取り込む。
読み取りビーム２２の伝搬部分は１／４波長板３８を通じて適用され、その１／４波長板３８は読み取りビームを形成する光の偏光の４５度シフトを提供する。読み取りビーム２２は次にミラー４２に入射し、そのミラー４２は読み取りビーム２２を対物レンズ５４に向かわせる。
トラッキングサーボ９４の機能は、読み取りビーム２２の入射点を光ディスク２６の情報担持面７０上へ向け、光ディスク２６の情報担持面７０上の情報担持印を半径方向に追跡するようにすることである。これはインダクタ５２をエラー信号に応答するように駆動することにより実行され、それにより読み取りビーム２２の入射点は、図２に示す矢印８２で示されるように、光ディスク２６の面７０上の半径方向の所望の点に向けられる。
読み取りビーム２２が反射ビーム９６としてミラー４２から反射された後、読み取りビーム２２は対物レンズ５４の入口開口５８上に入射し、レンズ５４により光ディスク２６の情報担持トラック６６の一つの上にフォーカスされてスポットとなる。対物レンズ５４は、読み取りビーム２２が光ディスク２６の情報担持面７０上に入射する点において所望の大きさを有する光スポットに読み取りビーム２２を整形するために使用される。読み取りビーム２２が入口開口５８を完全に満たすことが望ましい。なぜなら、このことはディスク２６への入射点において高い光強度を生じさせるからである。
光学系１０はこうして読み取りビーム２２を光ディスク２６へ向け、読み取りビーム２２をその光ディスク２６への入射点においてスポットへと集光させる。標準再生モードでは、集光された読み取りビーム２２は、連続的に配置された、光反射領域７４及びディスク２６上に記憶された情報を示す光非反射領域７８の上に入射する。反射光は対物レンズ５４により集められ、読み取りビームの反射部分を生成する。反射ビーム９６は連続的にミラー４２、及び１／４波長板３８上に入射することにより先に説明したのと同一の経路を再びたどり、その１／４波長板３８はさらに４５度の偏光シフトを提供し、累積合計を９０度の偏光シフトとする。それから反射読み取りビーム９８はビーム分割プリズム３４に入射し、そのビーム分割プリズム３４は、反射読み取りビーム９８の一部を図３に示す信号回復サブシステム１０４の一部上に入射するように方向付ける。
図３は、信号回復サブシステム１０４の一部分の概略ブロック図を示す。信号回復サブシステム１０４はビーム９８を受け取り、複数の情報信号を生成する。それからこれらの信号は光ディスクプレーヤの様々の部分に提供される。これら情報信号は一般的に、記憶情報を示す情報信号自身と、情報信号から得られ光ディスクプレーヤの様々の部分を制御するための制御信号と、の２つのタイプに分けられる。情報信号は、光ディスク２６上に記憶された情報を示す変調信号であり、信号処理サブシステム（図示せず）に提供される。信号回復サブシステム１０４により生成される第１のタイプの制御信号は、差分フォーカスエラー信号であり、それはフォーカスサーボサブシステム（図示せず）に提供される。信号回復サブシステム１０４により生成される第２のタイプの制御信号は、差分トラッキング信号である。差分トラッキングエラー信号は、インダクタ５２を駆動して読み取りビーム２２を半径方向に移動させるためにトラッキングサーボサブシステム９４に提供される。
反射ビーム９８を受け取るために、信号回復サブシステム１０４は、第１のトラッキングフォトディテクタ１１２、第２のトラッキングフォトディテクタ１１６、並びに内側部１２２及び外側部１２３を有する同心リングディテクタ１２０を有する。信号回復サブシステム１０４はさらに、第１のトラッキングプリアンプ１２４、第２のトラッキングプリアンプ１２８、第１のフォーカスプリアンプ１３２、第２のフォーカスプリアンプ１３６、第１の差動アンプ１４０、及び第２の差動アンプ１４４を有する。第１及び第２のトラッキングプリアンプ１２４及び１２８は、第１の差動アンプ１４０と共に、信号回復サブシステム１０４のトラッキング信号処理部１４６を構成する。
ダイオードディテクタアレイ１０８は、第１、第２、第３及び第４の出力１４８、１５２、１５６及び１６０を備える。第１の出力１４８は第１のトラッキングプリアンプ１２４の入力１６４に電気的に接続され、第２の出力１５２は第２のトラッキングプリアンプ１２８の入力１６８に電気的に接続され、第３の出力１５６は第１のフォーカスプリアンプ１３２の入力１７２に電気的に接続され、及び第４の出力１６０は第２のフォーカスプリアンプ１３６の入力１７６に電気的に接続される。第１トラッキングプリアンプ１２４は、第１の作動アンプ１４０の第１の入力１８２に電気的に接続された出力１８０を有し、第２のトラッキングプリアンプ１２８は、第１の差動アンプ１４０の第２の入力１８６に電気的に接続された出力１８４を有する。第１のフォーカスプリアンプ１３２は、第２の差動アンプ１４４の第１の入力１９０に電気的に接続された出力１８８を有し、第２のフォーカスプリアンプ１３６は第２の差動アンプ１４４の第２の入力１９４に電気的に接続された出力１９２を有する。
反射ビーム９８は３つの部分を有する：第１のトラッキングフォトディテクタ１１２に入射する第１のトラッキングビーム１９６；第２のトラッキングフォトディテクタ１１６に入射する第２のトラッキングビーム１９７；及び、同心リングディテクタ１２０に入射する中央情報ビーム１９８。第１のトラッキングフォトディテクタ１１２により生成される信号は、ダイオードディテクタアレイ１０８の第１の出力１４８を介して第１のトラッキングプリアンプ１２４に提供される。第２のトラッキングフォトディテクタ１１６により生成される信号は、ダイオードアレイ１０８の第２の出力１５２を介して第２のトラッキングプリアンプ１２８に提供される。同心リングディテクタ１２０の内側部１２２により生成される信号はダイオードアレイ１０８の第３の出力１５６を介して第１のフォーカスプリアンプ１３２へ提供され、同心リングディテクタ１２０の外側部１２３により生成される信号はダイオードアレイ１０８の第４の出力１６０を介して第２のフォーカスプリアンプ１３６へ提供される。
第１の差動アンプ１４０からの出力は差分トラッキング信号であり、それは後により詳細に説明されるトラッキングサーボ９４へ適用される。第２の差分アンプ１４４からの出力は差分フォーカスエラー信号であり、それはフォーカスサーボシステム（図示せず）へ適用される。本出願の発明は今説明した信号回復サブシステム１０４を参照して説明されるが、それは従来技術において既知の他の信号回復サブシステムと共に使用することができる。
トラッキングサーボサブシステム９４の機能は、読み取りビーム２２の入射を、それが情報トラック６６の中央に直接当たるように方向付けることである。読み取りビーム２２は一般的には、情報トラック６６を形成する印の情報担持シーケンス、すなわち、連続して配置された複数の情報担持インディシアと同一の幅である。従って、全て又はほとんどのビーム２２が情報トラック６６の連続的に配置された光反射及び光非反射領域７４及び７８に入射するように読み取りビーム２２が移動される時に最大の信号回復が達成される。トラッキングサーボ９４は、情報トラック６６からの出発すなわち逸脱が最も頻繁に情報担持面７０上の半径方向に生じるので、時々ラジアルトラッキングサーボと呼ばれる。ラジアルトラッキングサーボ９４は一般的に光ディスクプレーヤの標準再生モードで連続的に動作可能である。
トラッキングサーボサブシステム９４は図４にさらに詳細に示され、遮断スイッチ２００と、インダクタ５２を駆動するためのプッシュプルアンプ２０２とを備える。遮断スイッチ２００は信号回復サブシステム１０４からのトラッキングエラー信号を第１の入力２０４で受け取り、遮断信号を第２の入力２０６で受け取る。ループ遮断が有効でない場合、トラッキングエラー信号はその出力２０８に提供される。プッシュプルアンプ２０２はその入力２１０でトラッキングエラー信号を受け取り、インダクタ５２のためのトラッキングＡ信号を第１の出力２１２に生成し、インダクタ５２のためのトラッキングＢ信号を第２の出力２１４に生成する。トラッキングＡ信号とトラッキングＢ信号は一体として読み取りビーム２２の半径方向の変位を制御する。トラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２の入力２１０で受け取られると、２つのトラッキングエラー信号はインダクタ５２を通じる電流を制御し、そこに入射する読み取りビーム２２が半径方向に移動し、読み取りビーム２２により照明される情報トラック上の中央に位置するようにする。移動の方向及び量はトラッキングエラー信号の極性及び振幅に依存する。
ある動作モードでは、トラッキングサーボサブシステム９４は遮断され、信号回復サブシステム１０４から生成されたトラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２へ提供されないようにする。そのような動作モードの一つはサーチ動作であり、その時にはフォーカスした読み取りビーム２２を、光ディスク２６の情報担持部の一部を半径方向に横切らせることが望まれる。そのような動作モードでは、遮断信号が遮断スイッチ２００の第２入力２０６及びトラッキングサーボ９４に提供され、遮断スイッチ２００がトラッキングエラー信号がその出力２０８に提供されることを防止するようにする。また、フォーカスした読み取りビーム２２を一つのトラックから近接するトラックへジャンプさせるジャンプバック動作モードでは、トラッキングエラー信号はプッシュプルアンプ２０２へ提供されない。ジャンプバックモードでは、プッシュプルアンプ２０２は、トラッキングＡ及びＢ信号がインダクタ５２により象徴される半径方向ビーム偏向手段を不安定にする傾向があるので、トラッキングＡ及びＢ信号を提供せず、ラジアルトラッキングサーボサブシステム９４が次の近接情報トラックの正しいトラッキングを再度獲得するためのより長い時間を要求する。一般的にトラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２から除去される動作モードでは、純粋で明瞭な信号をプッシュプルアンプ２０２に与えて読み取りビーム２２を次に指定される位置に移動させるための代替パルスが生成される。
光ディスク２６の半径方向にとった断面図を図５のラインＡに示し、それは複数の情報トラック６６及び複数のトラック間領域２２４を示す。トラック間領域２２４は図２に示す光反射領域７４と同様である。２２８と２３２により示されるラインの長さは、それぞれ中央トラック２３６と隣接第１トラック２４０及び中央トラック２３６と隣接第２トラック２４４との中心間隔を示す。ライン２２８の２４８で示される点及びライン２３２の２５２で示される点は、それぞれ中央トラック２３６と隣接トラック２４０及び２４４のクロスオーバー点を示す。クロスオーバー点２４８及び２５２の各々は、中央トラック２３６と第１及び第２の隣接トラック２４０及び２４４との正確な中間である。ライン２２８上の２５６で示される点は第１の情報トラック２４０の中央を示し、ライン２３２上の２６０で示される点は第２の情報トラックの中央を示す。２６４で示される点は、中央情報トラック２３６の中央を示す。
典型的な光ディスクは、１インチ当たり約１万１千の情報トラックを含む。一つの情報トラックの中央から隣の隣接情報トラックまでの距離は１．６ミクロンの範囲内であり、特定の情報トラック内に整列される情報印は幅が約０．５ミクロンである。これは、隣接する情報トラック内に配置される印の最外領域間に約１ミクロンの空白の空きスペースを残す。
読み取りビーム２２が情報トラック６６の中央からずれた場合、第１のトラッキングフォトディテクタ１１２又は第２のトラッキングフォトディテクタ１１６の一方により受け取られる反射信号の強度が増加し、他方のトラッキングフォトディテクタにより受け取られる反射信号の強度が減少する。どちらのフォトディテクタがより強い又はより弱い信号を受け取るかは、読み取り信号２２が情報トラック６６の中央からずれる方向に依存する。第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ１１２及び１１６から提供される信号の位相差はトラッキングエラー信号を示す。トラッキングサーボサブシステム９４は第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ１１２及び１１６から信号を受け取り、それらの差を最小化するように動作し、それにより読み取りビーム２２を情報トラック６６の中央に位置するように維持する。
第１の差動アンプ１４０で生成される差分トラッキングエラー信号は、図５のラインＢに示され、光ディスク２６上の読み取りビーム２２の半径方向位置を示す。差分トラッキング信号出力は、中央情報トラック２３６の中央とクロスオーバー点２４８との中間である２６８で示される位置で第１の最大トラッキングエラーを有し、中央情報トラック２３６の中心とクロスオーバー点２５２との中間である２７２で示される点で第２の最大トラッキングエラーを有する。第１情報トラック２４０の中央とクロスオーバー点２４８との中間である２７６で示される点に第３の最大トラッキングエラーが示され、第２情報トラック２４４の中央とクロスオーバー点２５２との中間である２８０で示される点に第４のトラッキングエラーが示される。最小トラッキングエラーは、それぞれ情報トラック２４０、２３６及び２４４の中央に対応する２８４、２８８及び２９２で示される点に示される。最小トラッキングエラーはまた、それぞれクロスオーバー点２４８及び２５２に対応する２９６及び２９８で示される点に示される。
信号回復サブシステム１０４のトラッキング信号処理部３００を図６に示す。トラッキング信号処理部３００は、図３を参照して説明したダイオードアレイ１０８と同様のダイオードアレイ３１２の第１のトラッキングフォトディテクタ３０４及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０８の両方からトラッキングエラー信号を受け取る。図示はしないが、処理部３００は、デュアルフォトディテクタなどの他のタイプのフォトディテクタからトラッキングエラー信号を受け取ることができる。トラッキング信号処理部３００は、第１のプリアンプ３１６、第２のプリアンプ３２０、第１のオペアンプ３２４、第２のオペアンプ３２８、第１のアナログ乗算器３３２、第２のアナログ乗算器３３６、及び加算アンプ３４０を備える。トラッキング信号処理部３００はさらに、第３のオペアンプ３４８、帰還ループ補償回路３５２、位相シフタ３５６、並びに第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４のそれぞれを有する局部帰還ループ３４４を備える。位相シフタ３５６はオフセット電圧を提供し、そのオフセット電圧は正弦関数発生器３６０、３６４の出力間の位相シフトを生じさせる。
第１のプリアンプ３１６は入力３６８及び出力３７２を有し、第２のプリアンプ３２０は入力３７６及び出力３８０を有する。第１のオペアンプ３２４は、第１のプリアンプ３１６の出力３７２に電気的に接続された正の第１の入力３８４と、正の電圧源３９２に電気的に接続された負の第２の入力３８８と、出力３９６とを有する。第２のオペアンプ３２８は、第２のプリアンプ３２０の出力３８０に電気的に接続された第１の入力４００と、電圧源３９２に電気的に接続された負の第２の入力４０４と、出力４０８とを有する。
トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に言及すると、第３のオペアンプ３４８は入力４１２及び出力４１６を有する。帰還ループ補償回路３５２は、第３のオペアンプ３４８の出力４１６に電気的に接続された入力４２０と、出力４２４とを有する。位相シフタ３５６は、帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に電気的に接続された入力４２８と、出力４３２とを有する。第１の正弦関数発生器は、位相シフタ３５６の出力４３２に電気的に接続された入力４３６と出力４４０とを有し、第２の正弦関数発生器３６４は、帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に電気的に接続された入力４４４と、出力４４８とを有する。
第１のアナログ乗算器３３２は、第１のオペアンプ３２４の出力３９６に電気的に接続された第１の入力と、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０に電気的に接続された第２の入力４５６と、出力４６０とを有する。第２のアナログ乗算器３３６は、第２のオペアンプ３２８の出力４０８に電気的に接続された第１の入力４６４と、第２の正弦関数発生器３６４の出力４４８に電気的に接続された第２の入力４６８と、出力４７２とを有する。加算アンプ３４０は、第１のアナログ乗算器３３２の出力４６０に電気的に接続された第１の入力４７６と、第２のアナログ乗算器３３６の出力４７２に電気的に接続された第２の入力４８０と、第３のオペアンプ３４８及びトラッキングエラーサブシステム９４の両方に電気的に接続された出力４８４とを有する。
第１のプリアンプ３１６は入力３６８において第１のトラッキングフォトディテクタ３０４からのトラッキング信号出力を受け取り、第２のプリアンプ３２０は入力３７６において第２のトラッキングディテクタ３０８からのトラッキング信号出力を受け取る。両トラッキング信号は、光ディスク２６の面に沿った半径方向位置の関数としてプロットした場合に周期的信号となり、２つの信号は位相が約９０度ずれている。２つのトラッキングディテクタ３０４及び３０８から出力される各トラッキング信号出力は増幅され、それからそれぞれ第１及び第２のプリアンプ３１６及び３２０の出力３７２及び３８０に提供される。
正の入力３８４で第１のプリアンプ３１６からの増幅されたトラッキング信号を受け取ると共に負の入力３８８で正電圧を受け取る第１のオペアンプ３２４は、トラッキング信号の同相モード電圧を除去し、トラッキングエラー信号に対応する信号のより大きな割合を出力３９６へ提供する。正の入力４００で第２のプリアンプ３２０からの増幅されたトラッキング信号を受け取ると共に負の入力４０４で正電圧を受け取る第２のオペアンプ３２８は、トラッキング信号の同相モード電圧を除去し、トラッキングエラー信号に対応する信号のより大きな割合を出力４０８へ提供する。
第１の乗算器３３２は、第１のオペアンプ３２４の出力３９６から受け取られるトラッキング信号を、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０から受け取られるフィードバック信号と乗算する。結果として得られる修正トラッキング信号は乗算器３３２の出力４６０に提供される。第２の乗算器３３６は、第２のオペアンプ３２８の出力４０８から受け取ったトラッキング信号を、第２の正弦関数発生器３６４から受け取ったフィードバック信号と乗算する。結果として得られる修正トラッキング信号は乗算器３３６の出力４７２に提供される。
加算アンプ３４０は、それぞれ第１及び第２の入力４７６及び４８０で第１及び第２の乗算器３３２及び３３６からの修正トラッキング信号を受け取る。これらの修正トラッキング信号を受け取ると、加算アンプ３４０はそれらを代数的に加算し、２つの修正トラッキング信号間の位相差を示す差分トラッキングエラー信号を生成する。差分トラッキングエラー信号はアンプ３４０の出力４８４に提供される。それから、トラッキングエラー信号は、トラッキングサーボサブシステム９４（図１、４）の遮断スイッチ２００、並びにトラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に提供される。
トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４は、第３のオペアンプ又は帰還アンプ３４８の第１の入力４１２で差分トラッキングエラー信号を受け取る。帰還アンプ３４８は、所定のループゲインを使用してトラッキングエラー信号を増幅し、増幅信号を帰還ループ補償回路３５２の入力４２０に提供する。帰還ループ補償回路３５２は、増幅トラッキングエラー信号のための位相ゲイン補償を提供し、その信号を第２の正弦関数発生器３６４の入力４４４及び位相シフタ３５６の入力４２８への両方へ提供する。
位相シフタ３５６は入力４２８で受け取られるトラッキングエラー信号に所定の電圧オフセットを提供し、それにより第１の正弦関数発生器３６０の入力４３６に提供される信号は第２の正弦関数発生器３６４の入力４４４に提供される信号と所定電圧だけ異なるようになる。位相シフタ３５６により導入される電圧オフセットは、２つの正弦関数発生器３６０及び３６４の位相を９０度異なるようにする値を有するように選択される。この位相シフトの効果は、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０に提供される信号が、余弦関数発生器が位相補償ネットワーク３５２の出力４２４に提供される信号に対して動作したならば余弦関数発生器により提供されるであろうものと同一となることである。こうして、第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４により出力される信号は、位相が９０度異なる。実質的に９０度の位相差が好ましいが、本発明は約３０度の範囲内で異なる位相差においても同様に実施することができる。こうして位相角を約６０度から約１２０度の範囲内とすることができる。出力４４０、４４８の信号の位相差が大きすぎるならば、システムは信頼性の低いものとなるであろう。
第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４は、従来技術において周知の様々の方法により実施することができる。そのような実施の一つが図７に示され、それは、アナログ−デジタル変換器４８８、複数の記憶された正弦値を有するリードオンリーメモリルックアップテーブル４９０、及びデジタル−アナログ変換器４９２を備える正弦関数発生器を示す。正弦関数発生器の入力に提供される信号は、まず変換器４８８によりデジタル信号に変換され、リードオンリーメモリ４９０がこのデジタル信号を入力４９４で受け取り、対応する正弦関数値をその出力４９６に生成する。正弦関数値は変換器４９２によりアナログ信号に変換され、正弦関数発生器の出力に提供される。
トラッキング信号処理部３００と共に動作する時、信号回復サブシステム１０４（図３）はトラッキングエラー信号をトラッキングサーボサブシステム９４（図１、４）へ提供し続ける。トラッキングサーボサブシステム９４はトラッキングエラー信号を利用し、インダクタ５２を上述と同様の方法で駆動することにより読み取りビーム２２の半径方向位置を制御する。こうして、トラッキングサーボサブシステム９４は、読み取りビーム２２を情報トラック６６の中央に維持するように動作する。
トラッキングサーボサブシステム９４は、信号回復サブシステム１０４内で使用されるトラッキング信号処理部に拘わらず、提供されたトラッキングエラー信号を同様の方法で利用するが、トラッキング信号処理部３００の使用は、異なるトラッキングエラー信号がトラッキングサーボサブシステム９４に提供されることを生じさせる。トラッキング信号処理部３００が使用される時に提供されるトラッキングエラー信号は周期性を維持するが、処理部３００の使用は、トラッキングエラー信号の各周期が光ディスク２６上のより大きな範囲の位置を示すようにさせる。
図８はトラッキングエラー信号の比較を示し、それら各々は光ディスク２６の部分に渡る半径方向位置の関数である。信号５１２は従来技術のトラッキング信号処理部１４６を使用する信号回復サブシステム１０４により生成されたトラッキングエラー信号であり、信号５１６は本発明のトラッキング信号処理部３００を使用する信号回復サブシステム１０４により生成されたトラッキングエラー信号である。トラッキングエラー信号５１６はその値が零に近い領域、即ちその極値の途中で実質的に線形であるので、トラッキング信号処理部３００はトラッキングエラー信号を“線形化する”ということが言える。しかし、信号５１６は図９から分かるように周期性を維持し、図９はディスク２６のより大きな部分に渡る信号５１６の値を示す。トラッキング信号処理部１４６が使用される場合、トラッキングエラー信号５１２の各周期は光ディスク２６の一つの情報トラック６６を示す。しかし、トラッキング信号処理部３００が使用される場合、トラッキングエラー信号の各周期が任意の数の情報トラックを示すようにすることができる。
トラッキングエラー信号５１６の各周期で示される情報トラック６６の数は、帰還アンプ３４８のゲインにより決定される。多数のトラック６６を“線形化する”利点が存在する。例えば、局部帰還ループ３４４が数トラックに渡りトラッキングエラー伝達特性を線形化するように動作した後、一つのトラックより大きな振幅のノイズパルスが依然として線形化されたエラー信号の負の傾斜の動作範囲内に存在し、それはそのようなノイズパルスに対するトラッキングサーボ９４による正常な応答を許容する。しかし、信号５１６の振幅は有限であるので、各周期で示されるトラック６６の数が多いほど、各トラック６６間の電圧差は小さくなる。隣接するトラック６６間の電圧差が小さすぎるならば、トラック６６間を区別することが困難となり、トラッキングエラーが生じ得る。従って、トラッキングエラー信号５１６の各周期により示されるトラック数を選択するにあたって行われるべき、動作におけるトレードオフが存在する。
トラッキングサーボ９４はトラッキングエラー信号５１６の負帰還傾斜内で動作しなければならない。これは、もし正のトラッキングエラー信号が提供されたならば、トラッキングサーボ９４はインダクタを駆動して、トラッキングエラーが増加する方向にビームを移動させるからである。トラッキングエラーが作り続けられ、誤動作を生じさせる。また、これはトラッキングエラー信号５１２に対するトラッキングサーボ応答についても当てはまる。しかし、トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４内では、正帰還の使用はそのような問題を生じさせない。これは、トラッキング信号処理部３００が自己補正的であり、それにより、最初に正帰還信号が提供されたか否かに拘わらず、トラッキング信号処理部３００がトラッキングエラー信号５１６の負の傾斜上に常に存在するからである。
第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０４及び３０８により提供されるトラッキング信号の値は、一体として採用されると、読み取りビーム２２の光ディスク２６上の相対的半径方向位置を示す。さらに、トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に提供される信号の値は相対的半径方向帰還位置を示す。局部帰還ループ３４４の使用は、それら２つの信号間の差を最小化する。こうして、局部帰還ループ３４４の使用を通じて、トラッキング信号処理部３００はトラッキングエラー信号を、光ディスク２６上の特定の半径方向位置を示す零に向けて回復することができる。これはトラッキングサーボサブシステム９４が読み取りビーム２２を安定化することを可能とし、それにより読み取りビーム２２は所望の情報トラック６６上に入射する。
第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０４及び３０８により提供される信号は、共に周期的であり約９０度位相が異なる。それらは正弦及び余弦関数により示すことができる。
以下の議論のために、フォトディテクタは直角位相の２つの信号を有すると仮定する。第１のトラッキングフォトディテクタ３０４により第１のプリアンプ３１６に提供される信号はsin（x）として定義され、第２のトラッキングフォトディテクタ３０８により第２のプリアンプ３２０に提供される信号はsin（x+90）又はcos（x）として定義され、ここでｘは読み取りビーム２２の相対的半径方向位置である。第２の乗算器３３６の第２の入力４６８に提供される信号はsin（y）として定義され、第１の乗算器３３２の第２の入力４５６に提供される信号はsin（y+90）又はcos（y）として定義され、ここでｙは相対的半径方向帰還信号の値である。これらの定義から、第１の乗算器３３２の出力４６０の信号はsin（x）cos（y）であり、第２の乗算器３３６の出力４７２の信号はcos（x）sin（y）である。こうして、加算アンプ３４０の出力４８４の信号は：
ここで、ａは一定のゲイン係数である。従来技術において知られるように、零に近いx−yの値について、sin（x−y）はほぼx−yに等しい。従って、零に近いx−yの値について、トラッキングエラー信号a（sin（x−y））は実質的に線形である。ｘ及びｙの関係は、帰還アンプ３４８のゲインの適当な設定により、所定の応用について調整することができる。
具体的な形態においては、第２の正弦関数発生器３６４を余弦関数発生器で置き換えることができ、それは帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に提供される信号を受け取る。この形態における余弦関数発生器の使用は、位相シフタ３５６の使用の必要を除去する。
今、図６、１０、１１及び１２を参照すると、具体的な形態において、プリアンプ３１６、３２０への入力は光ピックアップリンクにより作られ、その光ピックアップリンクはここではプリズム５２０で示される光学的サブシステムを含む。ソースビーム５２４はレンズ５２６を通過し、ソースビームを２つのビーム５３０、５３２に分割するためのプレート５２９を有する従来型の干渉計５２８により受け取られ、それら２つのビーム５３０、５３２はそれぞれミラー５３４、５３６から反射される。プリズム５２０及び干渉計５２８の一部分は、双頭矢印５２２により示される方向に相互に相対的に移動可能である。その相対移動の結果、干渉計により作られる縞模様が変化する。反射ビームはビーム５３８として再結合し、それはレンズ５４０により平行にされる。次に、ビーム５３８は受信器／分析器５４２に到達する。ビーム５３８内で伝達される縞模様は４分割フォトディテクタ５４６により測定され、そのフォトディテクタ５４６はリングフォトディテクタとすることができ、典型的には受信器／分析器５４２の内部に配置される。フォトディテクタ５４６のアナログ出力５４８、５５０はそれからプリアンプ３１６、３２０に与えられる（図６）。
図１及び３を再度参照すると、上述の実施形態がサーボ回路のためのエラー信号を生じさせることが先に記述された；しかし、対象物の位置又は他の特性を測定することのみが望まれるある特定の応用では、信号処理部１４６により生成されるエラー信号はサーボ回路に提供される必要は無く、例えばコンピュータ、又は測定指示器などの、情報の他の使用者に接続されることができる。この場合、トラッキングサーボ９４、並びにインダクタ５２により示されるビーム偏向手段を省略することができる。
図６に示す回路の実施を図１３を参照して説明する。光ピックアップリンクのフォトディテクタから受け取られるトラッキング信号５４４、５４６は一般的に直角位相関係にあり、それぞれ差動アンプ５４８、５５０の入力に接続される。差動アンプ５４８、５５０の出力は、それらの入力信号５４８、５５０と分圧器５５２により作られるオフセット電圧との間の個々の差を示す。差動アンプ５４８、５５０の出力は、それぞれ乗算器５５４及び５５６の入力である。
関数発生器５５８は余弦関数出力５６０及び正弦関数出力５６２を作り、それらはそれぞれ乗算器５５４、５５６の第２の入力である。加算アンプ５６４は乗算器５５４、５５６の出力を受け取り、トラッキング信号５６６を生成する。トラッキング信号５６６は、そのサーボトラッキングループへの挿入のために、コネクタ５６８を通じて光ピックアップに戻るように接続される。また、トラッキング信号５６６はポテンショメータ５７０にも接続され、それは局部帰還ループのゲインを調整する。ポテンショメータ５７０からはトラッキング信号５６６が補償回路５７２へ接続され、その目的はループの安定性を維持するために位相及びゲイン補償を提供することである。関数発生器５５８は補償回路５７２から第１の入力５７４を受け取り、第２の入力は接地される。
図１４は、関数発生器５５８を詳細に示す。好ましくはＡＮ７７９ＫＮであるアナログ−デジタル変換器５８０は入力５７４、５７６（図１３）を受け取り、一般的に５８５、５９５で示される２つの構造上同一のユニットへ提供する。ユニット５８５は正弦関数を生成し、ユニット５９５は余弦関数を生成する。簡単のため、単一のユニット５８５のみを説明する。アナログ−デジタル変換器５８０の出力５８３は、消去可能なプログラマブルメモリ５８２のアドレス線５８７に接続される。この実施形態では、アナログ−デジタル変換器５８０は要求されるより高いビット分解能を有し、よって最下位ビット位置５８６は接地されている。従って、出力５８３は消去可能なプログラマブルメモリ５８２へのベクトルを提供し、対応する正弦値がデータ線５８８上へ出力される。それから、線５８８上の信号により示される正弦値はデジタル−アナログ変換器５９０内でアナログ信号に変換され、その変換器５９０はＡＤ７６７ＫＮとすることができる。デジタル−アナログ変換器５９０の４個の最下位ビット位置５９２は、それが要求されるより高い分解能を有するので接地される。アナログ出力５９３はフィルタ回路５９４に接続され、そのフィルタ回路５９４の目的はエイリアシングを除去するために信号を減衰させることにある。
ユニット５９５は、余弦関数を生成するため、消去可能なプログラマブルメモリ５８２内に異なるデータセットが記憶されることのみにおいてユニット５８５と相違する。好ましくは、アナログ−デジタル変換器５８０によりユニット５８５、５９５に零ボルトが入力される時に出力５９７、５９８は等しい大きさ、好ましくは０．７ボルトを有するようにデータがプログラムされる。
消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６のプログラムにおいて、消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６から分かるように、アナログ−デジタル変換器５８０が連続的又は線形でない２つの相補的信号を生成するという事実を補償することが必要である。従って、正しい正弦及び余弦関数の生成のためにメモリ内のデータの調整が必要である。リスト１及び２内のコンピュータプログラムリストを実行して、消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６のために適切なデータを作成することが可能である。
図１４の集積回路の機能に要求される従来のタイミング信号はタイミングブロック６００により提供され、それは図１５に更に詳細に説明される。水晶発振器６０２が２４ＭＨｚで動作し、カウンタ６０４に接続され、それは７４ＨＣ４０６０Ｊとすることができる。ブロック６００により作られるタイミング信号は、チップセレクト信号６０６、チップイネーブル信号６０８、出力イネーブル信号６１０及び変換イネーブル信号６１２を含む。
図１６−１８は図１３に示す形態の動作を示す。図１６において、複数のトラック６２０−６２５は、進路６２６に沿って移動する光ピックアップについての関心領域を形成する。光ディスクから読み取られているＲＦ再生信号が波形６２８として示され、ここで最大値はトラックとの交差を示し、最小値はトラック間領域を示す。波形６３０は外乱信号であり、それは光ヘッドをその現在のトラックから強制的にずらす。波形６３２及び６３４はそれぞれ線５６２及び５６０（図１３）上の正弦及び余弦関数発生器の出力を示す。図１７は図１６と類似しており、同一の波形には同一の参照番号が付されている。波形６３６及び６３８はアンプ５４８及び５５０の出力を示す。図１８は、強制信号６４２に応答するシステムの動作を示し、その強制信号６４２は光ピックアップを光ディスクの７個のトラックに渡って移動させる。波形６４０はＲＦ再生信号を示す。波形６４４及び６４６はアンプ５４８及び５５０の出力を示す。
さて、図１、３、６及び１９を参照すると、本発明の信号処理サブシステム１０４のフォーカス信号処理部７００が図１９に示される。フォーカス信号処理部は、その構成において図６に示すトラッキング信号処理部３００と類似しており、同一の機能を構成要素は図１９において同一の参照番号が付されている。対物レンズ５４（図１）は、フォーカス駆動装置７０２により光ディスク２６と略垂直方向に駆動される。既知のタイプのフォトディテクタ７１２が対物レンズ５４と関連付けされ、光ディスク２６の面と一致する理想的焦点面に関して対物レンズ５４の位置に応答する。フォトディテクタ７１２の出力は、第１のプリアンプ３１６及び第２のプリアンプ３２０に接続される。出力４８４はフォーカスエラーサブシステム７９４に提供され、それはフォーカス駆動装置７０２へ帰還する。フォーカス信号処理部７００の動作のその他の点はトラッキング信号処理部３００と同一であり、簡単のため繰り返さない。
図２０は、図１９の実施形態を利用するシステムの動作特性を、従来のフォーカス制御システムの動作特性と比較する。フォーカスエラー信号の大きさが、点８０５で示されるビームの焦点の所望の面からの変位に対してプロットされている。従来のサーボのフォーカスエラー信号８０４により示される正弦曲線は、寸法“Ａ”で示される利用可能な動作範囲を有する。本発明に従ってコントローラにより示されるフォーカスエラー信号８０６は、寸法“Ｂ”により示される拡張された動作範囲内で実質的に線形であり、寸法“Ｂ”は寸法“Ａ”より大きい。実際、寸法“Ｂ”は寸法“Ａ”の少なくとも２倍となろう。線８０８及び８１０は、それぞれ従来のフォーカス制御システムのフォーカス制御範囲の上限及び下限を示す。波形８０２は典型的な応用におけるフォーカスエラー信号の時間的プロットを示す。波形８０２の周遊（excursion）は線８０８及び８１０により規定される限界を超え、従来のシステムはフォーカスロックを喪失するであろう。本発明によるフォーカス制御システムの動作範囲は線８１２、８１４により規定され、波形８０２は本発明のシステムの動作範囲内において良好に維持される。
本発明をここに開示した構成を参照して説明したが、それは開示した詳細に制限されるものではなく、本発明は以下の請求の範囲の視野内にあるあらゆる修正及び変更をカバーすることを意図している。
１．発明の分野
本発明は光ディスク駆動装置のための制御構成に関する。特に、本発明は改善されたサーボ制御に関し、それはフォーカス動作の閉ループモードの動作範囲をディスク上の複数の位置に拡張する。
２．関連技術の記述
情報が複数の螺旋状又は同心円状の情報トラックに記憶される光ディスク駆動装置においては、通常、関心のある情報トラック上への記録又は再生ビームのロックは、例えばチェシュコフスキー等（Cheshkovsky et al.）の米国特許No.4,332,022に記載されるサーボの如きトラッキングサーボにより維持される。トラッキングサーボは、光ディスク媒体から戻り反射光ビームの強度から生じるエラー信号Ｖpを最小化するように応答し、以下の式により与えられる：
ｘはトラック中心からのビーム変位；及び
ｐはトラックピッチである。
Terashiの米国特許No. 5,177,725は、駆動される要素の速度を検出するための速度検出器を使用して引き込み範囲を拡張するサーボ装置を開示する。
小林等（Kobayashi et al.）の米国特許No.4,853,918は、トラックセンタの周りで相互にオフセットを有するトラッキングピットからの信号をサンプル−ホールド回路に提供し、相互に比較して、トラック間の中途で不連続性を有するのこぎり波信号トラッキング信号を作る構成を提案する。
Burroughsの米国特許No.4,779,251においては、ある回路が、トラッキングサーボに制御されたオフセットを導入するために使用されるランプ波形を生成する構成が開示されている。ランプ波形は、以前のトラック間のミクロジャンプからの記憶されたトラッキングエラー情報に従って調整される。
フォーカス制御応用においては、フォーカスサーボはフォーカスエラーの“Ｓカーブ”負帰還領域において動作する。従来、正帰還領域に囲まれた負領域にサーボを位置させるためには、開ループ動作を使用する特殊シーケンスが要求される。何らかの理由によりフォーカスが喪失されれば、獲得シーケンス全体を繰り返さなければならない。これは非常に時間を浪費する。
発明の概要
本発明の第１の目的は、閉ループモードで動作するフォーカスサーボの動作範囲を拡張することにある。
本発明の別の目的は、フォーカスサーボの動作を改善し、ディスクのディフェクト、ノイズ、ショック及び振動に応答して自動的な焦点の再獲得を可能とすることにある。
本発明のこれら及び他の目的は、光ディスク駆動装置において、サーボループに供給するエラー信号を生成するための複数の出力を有する光ピックアップを提供することにより達成される。また、エラー信号は局部帰還ループに供給され、フォーカスサブシステムの場合には、その帰還ループは、読み取りビームの位置に対してプロットされたフォーカスエラー信号が正弦波形から実質的に線形のランプ波形に変形されるように光ピックアップの出力を修正するための複数の正弦関数発生器を含む。局部帰還ループは、いくつかの構成要素を共用するように設計することができるが、メイントラッキングサーボループからは独立である。
正弦関数発生器に加えて、局部帰還ループは、２つの乗算器と、差分加算アンプと、局部ループゲイン要素と、位相補償器と、位相シフト値を２つの正弦関数発生器入力の一つと加算するための加算回路と、を有する。
本発明は放射エネルギーのフォーカスされたビームを制御する装置を提供し、その装置は、フォーカスされたビームを方向付ける光学的要素と、光学的要素に対して動作し、フォーカスしたビームの焦点を所定位置の方向に変位させるためのアクチュエータと、ビームから光を受け取るディテクタとを有する。ディテクタは、ビームの焦点の所定位置からの変位に応答する。ディテクタの出力に接続された回路は、ビームの焦点の所定位置からの変位を示すエラー信号を生成する。サーボがアクチュエータ及びエラー信号に接続され、アクチュエータはサーボに応答してビームの焦点を所定位置に変位させる。
本発明によれば、局部帰還ループ回路がディテクタの出力に接続される。ループは、エラー信号に応答する第１の周期関数発生器と、エラー信号に応答する第２の周期関数発生器とを有する。第２の周期関数発生器は、第１の周期関数発生器の出力とある位相角だけ異なる出力を有する。ループは、ディテクタの第１の出力に第１の周期関数発生器の出力を乗算する第１の乗算器と、ディテクタの第２の出力に第２の周期関数発生器の出力を乗算する第２の乗算器と、を有し、第１及び第２の乗算器の出力は回路の入力として提供される。
本発明の観点によれば、周期的特性は実質的に正弦状であり、第１の周期関数発生器及び第２の周期関数発生器は正弦波発生器である。
本発明の他の観点によれば、ディテクタの第１及び第２の出力はビームの変位に対してほぼ相互に直角位相の関係を有し、ある位相角は約９０度である。その位相角は、約６０度から約１２０度の範囲内とすることができる。
本発明は放射エネルギーのビームをフォーカス制御する方法を提供し、それはビームの焦点の位置に応答する第１及び第２の検出信号を生成する工程と、所定位置からの焦点の変位を示すエラー信号を生成する工程により実行され、エラー信号は変位に対して周期的特性を有する。その方法は、エラー信号に応答する第１の周期信号を生成することによりエラー信号に応答して、変位した焦点を所定位置に回復する工程と、エラー信号に応答して第２の周期信号を生成する工程とを有し、第２の周期信号は、第１の周期信号とある位相角だけ異なる。エラー信号は、第１の検出信号に第１の周期信号を乗算して第１の積信号を作り、第２の検出信号に第２の周期信号を乗算して第２の積信号を作り、第１の積信号と第２の積信号との差を決定することにより生成される。好ましくは、第１及び第２の検出信号、並びに第１及び第２の周期信号は実質的に正弦状である。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれら及び他の目的のより良い理解のため、例として本発明の詳細な記述への参照がなされ、それは以下の図面と共に読まれるべきであり、そこで：
図１は、本発明による装置の概略図であり、
図２は、追跡される光記録媒体の面の断片図であり、
図３は、図１の装置内の信号回復サブシステムのブロック図であり、
図４は、図３に示すサブシステムの更なる詳細を示す図であり、
図５は、光媒体上のトラックに対応する信号波形の空間的プロットであり、
図６は、図１に示す装置の一部分の電気的概略図であり、
図７は、正弦関数発生器のブロック図であり、
図８及び９は、本発明の理解に有用な電気的波形であり、
図１０及び１１は、本発明の特定の実施形態を示す概略図であり、
図１２は、図１０及び１１の実施形態において使用するリングディテクタを示し、
図１３は、電気的概略図であり、
図１４は、図１３の概略図に示される関数発生器を示す詳細な電気的概略図であり、
図１５は、図１３に示す回路のタイミング回路を示す詳細な電気的概略図であり、
図１６−１８は、図１３の実施形態により生成される波形であり、
図１９は、本発明の代替的実施形態の電気的概略図であり、及び
図２０は、図１９の実施形態の動作特性と従来のフォーカス制御システムとの比較を示す。
好適な実施形態の説明
以下に集合的に“光ディスク”と呼ぶビデオディスク、光磁気ディスク、オーディオディスク、及びコンピュータデータディスクなどの情報媒体のためのディスクプレーヤの光学系１０が図１に示される。光学系１０は、光ディスク２６上に記憶された符号化信号を読み取るために使用される読み取りビーム２２を生成するために使用されるレーザ１８、第１のレンズ２８、回折格子３０、ビーム分割プリズム３４、及び１／４波長板３８を含む。光学系１０はさらに、ミラー４２、及び入口開口５８を有する対物レンズ５４を含む。光ディスク２６に到達するビームは、インダクタ５２により記号的に示される既知のビーム変位手段により半径方向に移動可能である。実際にはインダクタ５２はトラッキングサーボ９４により制御される。
光ディスク２６の拡大部が図２に示される。光ディスク２６は、情報担持面７０上に形成された複数の情報トラック６６を含む。各情報トラック６６は、光反射領域７４と光非反射領域７８の連続を有する。光反射領域７４は、例えば薄いアルミニウム層の如きほぼ平坦な十分に磨かれた面を有する。光非反射領域７８は、ほぼ光を錯乱する面であり、光反射領域７４を示す平坦面上のバンプ又は***として現れる。読み取りビーム２２は、光ディスク２６の情報担持面７０に対して１度又はそれ以上の移動を有し、そのうちの一つは双頭矢印８２により示される半径方向へのものである。
レーザ１８により生成される読み取りビーム２２は最初に第１のレンズ２８を通過し、その第１のレンズ２８は、対物レンズ５４の入口開口５８を完全に満たす大きさを有するように読み取りビーム２２を整形するために使用される。読み取りビーム２２は、第１のレンズ２８により正しく整形された後、回折格子３０を通過し、その回折格子３０は読み取りビーム２２を３つの分離ビーム（図示せず）に分割する。そのビームのうちの２つはラジアルトラッキングエラー信号を作り出すために使用され、他の一つはフォーカスエラー信号及び情報信号を作り出すために使用される。３つのビームは、光学系１０の残りの部分により同様に取り扱われる。従って、それらは集合的に読み取りビーム２２と呼ばれる。回折格子３０の出力はビーム分割プリズム３４に適用される。プリズム３４の軸は読み取りビーム２２の光路から僅かにずれており、その理由は１９８８年７月５日に発行された米国特許Re.32,709により完全に記載されており、その記載全体をここに参考文献として取り込む。
読み取りビーム２２の伝搬部分は１／４波長板３８を通じて適用され、その１／４波長板３８は読み取りビームを形成する光の偏光の４５度シフトを提供する。読み取りビーム２２は次にミラー４２に入射し、そのミラー４２は読み取りビーム２２を対物レンズ５４に向かわせる。
トラッキングサーボ９４の機能は、読み取りビーム２２の入射点を光ディスク２６の情報担持面７０上へ向け、光ディスク２６の情報担持面７０上の情報担持印を半径方向に追跡するようにすることである。これはインダクタ５２をエラー信号に応答するように駆動することにより実行され、それにより読み取りビーム２２の入射点は、図２に示す矢印８２で示されるように、光ディスク２６の面７０上の半径方向の所望の点に向けられる。
読み取りビーム２２が反射ビーム９６としてミラー４２から反射された後、読み取りビーム２２は対物レンズ５４の入口開口５８上に入射し、レンズ５４により光ディスク２６の情報担持トラック６６の一つの上にフォーカスされてスポットとなる。対物レンズ５４は、読み取りビーム２２が光ディスク２６の情報担持面７０上に入射する点において所望の大きさを有する光スポットに読み取りビーム２２を整形するために使用される。読み取りビーム２２が入口開口５８を完全に満たすことが望ましい。なぜなら、このことはディスク２６への入射点において高い光強度を生じさせるからである。
光学系１０はこうして読み取りビーム２２を光ディスク２６へ向け、読み取りビーム２２をその光ディスク２６への入射点においてスポットへと集光させる。標準再生モードでは、集光された読み取りビーム２２は、連続的に配置された、光反射領域７４及びディスク２６上に記憶された情報を示す光非反射領域７８の上に入射する。反射光は対物レンズ５４により集められ、読み取りビームの反射部分を生成する。反射ビーム９６は連続的にミラー４２、及び１／４波長板３８上に入射することにより先に説明したのと同一の経路を再びたどり、その１／４波長板３８はさらに４５度の偏光シフトを提供し、累積合計を９０度の偏光シフトとする。それから反射読み取りビーム９８はビーム分割プリズム３４に入射し、そのビーム分割プリズム３４は、反射読み取りビーム９８の一部を図３に示す信号回復サブシステム１０４の一部上に入射するように方向付ける。
図３は、信号回復サブシステム１０４の一部分の概略ブロック図を示す。信号回復サブシステム１０４はビーム９８を受け取り、複数の情報信号を生成する。それからこれらの信号は光ディスクプレーヤの様々の部分に提供される。これら情報信号は一般的に、記憶情報を示す情報信号自身と、情報信号から得られ光ディスクプレーヤの様々の部分を制御するための制御信号と、の２つのタイプに分けられる。情報信号は、光ディスク２６上に記憶された情報を示す変調信号であり、信号処理サブシステム（図示せず）に提供される。信号回復サブシステム１０４により生成される第１のタイプの制御信号は、差分フォーカスエラー信号であり、それはフォーカスサーボサブシステム（図示せず）に提供される。信号回復サブシステム１０４により生成される第２のタイプの制御信号は、差分トラッキング信号である。差分トラッキングエラー信号は、インダクタ５２を駆動して読み取りビーム２２を半径方向に移動させるためにトラッキングサーボサブシステム９４に提供される。
反射ビーム９８を受け取るために、信号回復サブシステム１０４は、第１のトラッキングフォトディテクタ１１２、第２のトラッキングフォトディテクタ１１６、並びに内側部１２２及び外側部１２３を有する同心リングディテクタ１２０を有する。信号回復サブシステム１０４はさらに、第１のトラッキングプリアンプ１２４、第２のトラッキングプリアンプ１２８、第１のフォーカスプリアンプ１３２、第２のフォーカスプリアンプ１３６、第１の差動アンプ１４０、及び第２の差動アンプ１４４を有する。第１及び第２のトラッキングプリアンプ１２４及び１２８は、第１の差動アンプ１４０と共に、信号回復サブシステム１０４のトラッキング信号処理部１４６を構成する。
ダイオードディテクタアレイ１０８は、第１、第２、第３及び第４の出力１４８、１５２、１５６及び１６０を備える。第１の出力１４８は第１のトラッキングプリアンプ１２４の入力１６４に電気的に接続され、第２の出力１５２は第２のトラッキングプリアンプ１２８の入力１６８に電気的に接続され、第３の出力１５６は第１のフォーカスプリアンプ１３２の入力１７２に電気的に接続され、及び第４の出力１６０は第２のフォーカスプリアンプ１３６の入力１７６に電気的に接続される。第１トラッキングプリアンプ１２４は、第１の作動アンプ１４０の第１の入力１８２に電気的に接続された出力１８０を有し、第２のトラッキングプリアンプ１２８は、第１の差動アンプ１４０の第２の入力１８６に電気的に接続された出力１８４を有する。第１のフォーカスプリアンプ１３２は、第２の差動アンプ１４４の第１の入力１９０に電気的に接続された出力１８８を有し、第２のフォーカスプリアンプ１３６は第２の差動アンプ１４４の第２の入力１９４に電気的に接続された出力１９２を有する。
反射ビーム９８は３つの部分を有する：第１のトラッキングフォトディテクタ１１２に入射する第１のトラッキングビーム１９６；第２のトラッキングフォトディテクタ１１６に入射する第２のトラッキングビーム１９７；及び、同心リングディテクタ１２０に入射する中央情報ビーム１９８。第１のトラッキングフォトディテクタ１１２により生成される信号は、ダイオードディテクタアレイ１０８の第１の出力１４８を介して第１のトラッキングプリアンプ１２４に提供される。第２のトラッキングフォトディテクタ１１６により生成される信号は、ダイオードアレイ１０８の第２の出力１５２を介して第２のトラッキングプリアンプ１２８に提供される。同心リングディテクタ１２０の内側部１２２により生成される信号はダイオードアレイ１０８の第３の出力１５６を介して第１のフォーカスプリアンプ１３２へ提供され、同心リングディテクタ１２０の外側部１２３により生成される信号はダイオードアレイ１０８の第４の出力１６０を介して第２のフォーカスプリアンプ１３６へ提供される。
第１の差動アンプ１４０からの出力は差分トラッキング信号であり、それは後により詳細に説明されるトラッキングサーボ９４へ適用される。第２の差分アンプ１４４からの出力は差分フォーカスエラー信号であり、それはフォーカスサーボシステム（図示せず）へ適用される。本出願の発明は今説明した信号回復サブシステム１０４を参照して説明されるが、それは従来技術において既知の他の信号回復サブシステムと共に使用することができる。
トラッキングサーボサブシステム９４の機能は、読み取りビーム２２の入射を、それが情報トラック６６の中央に直接当たるように方向付けることである。読み取りビーム２２は一般的には、情報トラック６６を形成する印の情報担持シーケンス、すなわち、連続して配置された複数の情報担持インディシアと同一の幅である。従って、全て又はほとんどのビーム２２が情報トラック６６の連続的に配置された光反射及び光非反射領域７４及び７８に入射するように読み取りビーム２２が移動される時に最大の信号回復が達成される。トラッキングサーボ９４は、情報トラック６６からの出発すなわち逸脱が最も頻繁に情報担持面７０上の半径方向に生じるので、時々ラジアルトラッキングサーボと呼ばれる。ラジアルトラッキングサーボ９４は一般的に光ディスクプレーヤの標準再生モードで連続的に動作可能である。
トラッキングサーボサブシステム９４は図４にさらに詳細に示され、遮断スイッチ２００と、インダクタ５２を駆動するためのプッシュプルアンプ２０２とを備える。遮断スイッチ２００は信号回復サブシステム１０４からのトラッキングエラー信号を第１の入力２０４で受け取り、遮断信号を第２の入力２０６で受け取る。ループ遮断が有効でない場合、トラッキングエラー信号はその出力２０８に提供される。プッシュプルアンプ２０２はその入力２１０でトラッキングエラー信号を受け取り、インダクタ５２のためのトラッキングＡ信号を第１の出力２１２に生成し、インダクタ５２のためのトラッキングＢ信号を第２の出力２１４に生成する。トラッキングＡ信号とトラッキングＢ信号は一体として読み取りビーム２２の半径方向の変位を制御する。トラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２の入力２１０で受け取られると、２つのトラッキングエラー信号はインダクタ５２を通じる電流を制御し、そこに入射する読み取りビーム２２が半径方向に移動し、読み取りビーム２２により照明される情報トラック上の中央に位置するようにする。移動の方向及び量はトラッキングエラー信号の極性及び振幅に依存する。
ある動作モードでは、トラッキングサーボサブシステム９４は遮断され、信号回復サブシステム１０４から生成されたトラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２へ提供されないようにする。そのような動作モードの一つはサーチ動作であり、その時にはフォーカスした読み取りビーム２２を、光ディスク２６の情報担持部の一部を半径方向に横切らせることが望まれる。そのような動作モードでは、遮断信号が遮断スイッチ２００の第２入力２０６及びトラッキングサーボ９４に提供され、遮断スイッチ２００がトラッキングエラー信号がその出力２０８に提供されることを防止するようにする。また、フォーカスした読み取りビーム２２を一つのトラックから近接するトラックへジャンプさせるジャンプバック動作モードでは、トラッキングエラー信号はプッシュプルアンプ２０２へ提供されない。ジャンプバックモードでは、プッシュプルアンプ２０２は、トラッキングＡ及びＢ信号がインダクタ５２により象徴される半径方向ビーム偏向手段を不安定にする傾向があるので、トラッキングＡ及びＢ信号を提供せず、ラジアルトラッキングサーボサブシステム９４が次の近接情報トラックの正しいトラッキングを再度獲得するためのより長い時間を要求する。一般的にトラッキングエラー信号がプッシュプルアンプ２０２から除去される動作モードでは、純粋で明瞭な信号をプッシュプルアンプ２０２に与えて読み取りビーム２２を次に指定される位置に移動させるための代替パルスが生成される。
光ディスク２６の半径方向にとった断面図を図５のラインＡに示し、それは複数の情報トラック６６及び複数のトラック間領域２２４を示す。トラック間領域２２４は図２に示す光反射領域７４と同様である。２２８と２３２により示されるラインの長さは、それぞれ中央トラック２３６と隣接第１トラック２４０及び中央トラック２３６と隣接第２トラック２４４との中心間隔を示す。ライン２２８の２４８で示される点及びライン２３２の２５２で示される点は、それぞれ中央トラック２３６と隣接トラック２４０及び２４４のクロスオーバー点を示す。クロスオーバー点２４８及び２５２の各々は、中央トラック２３６と第１及び第２の隣接トラック２４０及び２４４との正確な中間である。ライン２２８上の２５６で示される点は第１の情報トラック２４０の中央を示し、ライン２３２上の２６０で示される点は第２の情報トラックの中央を示す。２６４で示される点は、中央情報トラック２３６の中央を示す。
典型的な光ディスクは、１インチ当たり約１万１千の情報トラックを含む。一つの情報トラックの中央から隣の隣接情報トラックまでの距離は１．６ミクロンの範囲内であり、特定の情報トラック内に整列される情報印は幅が約０．５ミクロンである。これは、隣接する情報トラック内に配置される印の最外領域間に約１ミクロンの空白の空きスペースを残す。
読み取りビーム２２が情報トラック６６の中央からずれた場合、第１のトラッキングフォトディテクタ１１２又は第２のトラッキングフォトディテクタ１１６の一方により受け取られる反射信号の強度が増加し、他方のトラッキングフォトディテクタにより受け取られる反射信号の強度が減少する。どちらのフォトディテクタがより強い又はより弱い信号を受け取るかは、読み取り信号２２が情報トラック６６の中央からずれる方向に依存する。第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ１１２及び１１６から提供される信号の位相差はトラッキングエラー信号を示す。トラッキングサーボサブシステム９４は第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ１１２及び１１６から信号を受け取り、それらの差を最小化するように動作し、それにより読み取りビーム２２を情報トラック６６の中央に位置するように維持する。
第１の差動アンプ１４０で生成される差分トラッキングエラー信号は、図５のラインＢに示され、光ディスク２６上の読み取りビーム２２の半径方向位置を示す。差分トラッキング信号出力は、中央情報トラック２３６の中央とクロスオーバー点２４８との中間である２６８で示される位置で第１の最大トラッキングエラーを有し、中央情報トラック２３６の中心とクロスオーバー点２５２との中間である２７２で示される点で第２の最大トラッキングエラーを有する。第１情報トラック２４０の中央とクロスオーバー点２４８との中間である２７６で示される点に第３の最大トラッキングエラーが示され、第２情報トラック２４４の中央とクロスオーバー点２５２との中間である２８０で示される点に第４のトラッキングエラーが示される。最小トラッキングエラーは、それぞれ情報トラック２４０、２３６及び２４４の中央に対応する２８４、２８８及び２９２で示される点に示される。最小トラッキングエラーはまた、それぞれクロスオーバー点２４８及び２５２に対応する２９６及び２９８で示される点に示される。
信号回復サブシステム１０４のトラッキング信号処理部３００を図６に示す。トラッキング信号処理部３００は、図３を参照して説明したダイオードアレイ１０８と同様のダイオードアレイ３１２の第１のトラッキングフォトディテクタ３０４及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０８の両方からトラッキングエラー信号を受け取る。図示はしないが、処理部３００は、デュアルフォトディテクタなどの他のタイプのフォトディテクタからトラッキングエラー信号を受け取ることができる。トラッキング信号処理部３００は、第１のプリアンプ３１６、第２のプリアンプ３２０、第１のオペアンプ３２４、第２のオペアンプ３２８、第１のアナログ乗算器３３２、第２のアナログ乗算器３３６、及び加算アンプ３４０を備える。トラッキング信号処理部３００はさらに、第３のオペアンプ３４８、帰還ループ補償回路３５２、位相シフタ３５６、並びに第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４のそれぞれを有する局部帰還ループ３４４を備える。位相シフタ３５６はオフセット電圧を提供し、そのオフセット電圧は正弦関数発生器３６０、３６４の出力間の位相シフトを生じさせる。
第１のプリアンプ３１６は入力３６８及び出力３７２を有し、第２のプリアンプ３２０は入力３７６及び出力３８０を有する。第１のオペアンプ３２４は、第１のプリアンプ３１６の出力３７２に電気的に接続された正の第１の入力３８４と、正の電圧源３９２に電気的に接続された負の第２の入力３８８と、出力３９６とを有する。第２のオペアンプ３２８は、第２のプリアンプ３２０の出力３８０に電気的に接続された第１の入力４００と、電圧源３９２に電気的に接続された負の第２の入力４０４と、出力４０８とを有する。
トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に言及すると、第３のオペアンプ３４８は入力４１２及び出力４１６を有する。帰還ループ補償回路３５２は、第３のオペアンプ３４８の出力４１６に電気的に接続された入力４２０と、出力４２４とを有する。位相シフタ３５６は、帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に電気的に接続された入力４２８と、出力４３２とを有する。第１の正弦関数発生器は、位相シフタ３５６の出力４３２に電気的に接続された入力４３６と出力４４０とを有し、第２の正弦関数発生器３６４は、帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に電気的に接続された入力４４４と、出力４４８とを有する。
第１のアナログ乗算器３３２は、第１のオペアンプ３２４の出力３９６に電気的に接続された第１の入力と、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０に電気的に接続された第２の入力４５６と、出力４６０とを有する。第２のアナログ乗算器３３６は、第２のオペアンプ３２８の出力４０８に電気的に接続された第１の入力４６４と、第２の正弦関数発生器３６４の出力４４８に電気的に接続された第２の入力４６８と、出力４７２とを有する。加算アンプ３４０は、第１のアナログ乗算器３３２の出力４６０に電気的に接続された第１の入力４７６と、第２のアナログ乗算器３３６の出力４７２に電気的に接続された第２の入力４８０と、第３のオペアンプ３４８及びトラッキングエラーサブシステム９４の両方に電気的に接続された出力４８４とを有する。
第１のプリアンプ３１６は入力３６８において第１のトラッキングフォトディテクタ３０４からのトラッキング信号出力を受け取り、第２のプリアンプ３２０は入力３７６において第２のトラッキングディテクタ３０８からのトラッキング信号出力を受け取る。両トラッキング信号は、光ディスク２６の面に沿った半径方向位置の関数としてプロットした場合に周期的信号となり、２つの信号は位相が約９０度ずれている。２つのトラッキングディテクタ３０４及び３０８から出力される各トラッキング信号出力は増幅され、それからそれぞれ第１及び第２のプリアンプ３１６及び３２０の出力３７２及び３８０に提供される。
正の入力３８４で第１のプリアンプ３１６からの増幅されたトラッキング信号を受け取ると共に負の入力３８８で正電圧を受け取る第１のオペアンプ３２４は、トラッキング信号の同相モード電圧を除去し、トラッキングエラー信号に対応する信号のより大きな割合を出力３９６へ提供する。正の入力４００で第２のプリアンプ３２０からの増幅されたトラッキング信号を受け取ると共に負の入力４０４で正電圧を受け取る第２のオペアンプ３２８は、トラッキング信号の同相モード電圧を除去し、トラッキングエラー信号に対応する信号のより大きな割合を出力４０８へ提供する。
第１の乗算器３３２は、第１のオペアンプ３２４の出力３９６から受け取られるトラッキング信号を、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０から受け取られるフィードバック信号と乗算する。結果として得られる修正トラッキング信号は乗算器３３２の出力４６０に提供される。第２の乗算器３３６は、第２のオペアンプ３２８の出力４０８から受け取ったトラッキング信号を、第２の正弦関数発生器３６４から受け取ったフィードバック信号と乗算する。結果として得られる修正トラッキング信号は乗算器３３６の出力４７２に提供される。
加算アンプ３４０は、それぞれ第１及び第２の入力４７６及び４８０で第１及び第２の乗算器３３２及び３３６からの修正トラッキング信号を受け取る。これらの修正トラッキング信号を受け取ると、加算アンプ３４０はそれらを代数的に加算し、２つの修正トラッキング信号間の位相差を示す差分トラッキングエラー信号を生成する。差分トラッキングエラー信号はアンプ３４０の出力４８４に提供される。それから、トラッキングエラー信号は、トラッキングサーボサブシステム９４（図１、４）の遮断スイッチ２００、並びにトラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に提供される。
トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４は、第３のオペアンプ又は帰還アンプ３４８の第１の入力４１２で差分トラッキングエラー信号を受け取る。帰還アンプ３４８は、所定のループゲインを使用してトラッキングエラー信号を増幅し、増幅信号を帰還ループ補償回路３５２の入力４２０に提供する。帰還ループ補償回路３５２は、増幅トラッキングエラー信号のための位相ゲイン補償を提供し、その信号を第２の正弦関数発生器３６４の入力４４４及び位相シフタ３５６の入力４２８への両方へ提供する。
位相シフタ３５６は入力４２８で受け取られるトラッキングエラー信号に所定の電圧オフセットを提供し、それにより第１の正弦関数発生器３６０の入力４３６に提供される信号は第２の正弦関数発生器３６４の入力４４４に提供される信号と所定電圧だけ異なるようになる。位相シフタ３５６により導入される電圧オフセットは、２つの正弦関数発生器３６０及び３６４の位相を９０度異なるようにする値を有するように選択される。この位相シフトの効果は、第１の正弦関数発生器３６０の出力４４０に提供される信号が、余弦関数発生器が位相補償ネットワーク３５２の出力４２４に提供される信号に対して動作したならば余弦関数発生器により提供されるであろうものと同一となることである。こうして、第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４により出力される信号は、位相が９０度異なる。実質的に９０度の位相差が好ましいが、本発明は約３０度の範囲内で異なる位相差においても同様に実施することができる。こうして位相角を約６０度から約１２０度の範囲内とすることができる。出力４４０、４４８の信号の位相差が大きすぎるならば、システムは信頼性の低いものとなるであろう。
第１及び第２の正弦関数発生器３６０及び３６４は、従来技術において周知の様々の方法により実施することができる。そのような実施の一つが図７に示され、それは、アナログ−デジタル変換器４８８、複数の記憶された正弦値を有するリードオンリーメモリルックアップテーブル４９０、及びデジタル−アナログ変換器４９２を備える正弦関数発生器を示す。正弦関数発生器の入力に提供される信号は、まず変換器４８８によりデジタル信号に変換され、リードオンリーメモリ４９０がこのデジタル信号を入力４９４で受け取り、対応する正弦関数値をその出力４９６に生成する。正弦関数値は変換器４９２によりアナログ信号に変換され、正弦関数発生器の出力に提供される。
トラッキング信号処理部３００と共に動作する時、信号回復サブシステム１０４（図３）はトラッキングエラー信号をトラッキングサーボサブシステム９４（図１、４）へ提供し続ける。トラッキングサーボサブシステム９４はトラッキングエラー信号を利用し、インダクタ５２を上述と同様の方法で駆動することにより読み取りビーム２２の半径方向位置を制御する。こうして、トラッキングサーボサブシステム９４は、読み取りビーム２２を情報トラック６６の中央に維持するように動作する。
トラッキングサーボサブシステム９４は、信号回復サブシステム１０４内で使用されるトラッキング信号処理部に拘わらず、提供されたトラッキングエラー信号を同様の方法で利用するが、トラッキング信号処理部３００の使用は、異なるトラッキングエラー信号がトラッキングサーボサブシステム９４に提供されることを生じさせる。トラッキング信号処理部３００が使用される時に提供されるトラッキングエラー信号は周期性を維持するが、処理部３００の使用は、トラッキングエラー信号の各周期が光ディスク２６上のより大きな範囲の位置を示すようにさせる。
図８はトラッキングエラー信号の比較を示し、それら各々は光ディスク２６の部分に渡る半径方向位置の関数である。信号５１２は従来技術のトラッキング信号処理部１４６を使用する信号回復サブシステム１０４により生成されたトラッキングエラー信号であり、信号５１６は本発明のトラッキング信号処理部３００を使用する信号回復サブシステム１０４により生成されたトラッキングエラー信号である。トラッキングエラー信号５１６はその値が零に近い領域、即ちその極値の途中で実質的に線形であるので、トラッキング信号処理部３００はトラッキングエラー信号を“線形化する”ということが言える。しかし、信号５１６は図９から分かるように周期性を維持し、図９はディスク２６のより大きな部分に渡る信号５１６の値を示す。トラッキング信号処理部１４６が使用される場合、トラッキングエラー信号５１２の各周期は光ディスク２６の一つの情報トラック６６を示す。しかし、トラッキング信号処理部３００が使用される場合、トラッキングエラー信号の各周期が任意の数の情報トラックを示すようにすることができる。
トラッキングエラー信号５１６の各周期で示される情報トラック６６の数は、帰還アンプ３４８のゲインにより決定される。多数のトラック６６を“線形化する”利点が存在する。例えば、局部帰還ループ３４４が数トラックに渡りトラッキングエラー伝達特性を線形化するように動作した後、一つのトラックより大きな振幅のノイズパルスが依然として線形化されたエラー信号の負の傾斜の動作範囲内に存在し、それはそのようなノイズパルスに対するトラッキングサーボ９４による正常な応答を許容する。しかし、信号５１６の振幅は有限であるので、各周期で示されるトラック６６の数が多いほど、各トラック６６間の電圧差は小さくなる。隣接するトラック６６間の電圧差が小さすぎるならば、トラック６６間を区別することが困難となり、トラッキングエラーが生じ得る。従って、トラッキングエラー信号５１６の各周期により示されるトラック数を選択するにあたって行われるべき、動作におけるトレードオフが存在する。
トラッキングサーボ９４はトラッキングエラー信号５１６の負帰還傾斜内で動作しなければならない。これは、もし正のトラッキングエラー信号が提供されたならば、トラッキングサーボ９４はインダクタを駆動して、トラッキングエラーが増加する方向にビームを移動させるからである。トラッキングエラーが作り続けられ、誤動作を生じさせる。また、これはトラッキングエラー信号５１２に対するトラッキングサーボ応答についても当てはまる。しかし、トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４内では、正帰還の使用はそのような問題を生じさせない。これは、トラッキング信号処理部３００が自己補正的であり、それにより、最初に正帰還信号が提供されたか否かに拘わらず、トラッキング信号処理部３００がトラッキングエラー信号５１６の負の傾斜上に常に存在するからである。
第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０４及び３０８により提供されるトラッキング信号の値は、一体として採用されると、読み取りビーム２２の光ディスク２６上の相対的半径方向位置を示す。さらに、トラッキング信号処理部３００の局部帰還ループ３４４に提供される信号の値は相対的半径方向帰還位置を示す。局部帰還ループ３４４の使用は、それら２つの信号間の差を最小化する。こうして、局部帰還ループ３４４の使用を通じて、トラッキング信号処理部３００はトラッキングエラー信号を、光ディスク２６上の特定の半径方向位置を示す零に向けて回復することができる。これはトラッキングサーボサブシステム９４が読み取りビーム２２を安定化することを可能とし、それにより読み取りビーム２２は所望の情報トラック６６上に入射する。
第１及び第２のトラッキングフォトディテクタ３０４及び３０８により提供される信号は、共に周期的であり約９０度位相が異なる。それらは正弦及び余弦関数により示すことができる。
以下の議論のために、フォトディテクタは直角位相の２つの信号を有すると仮定する。第１のトラッキングフォトディテクタ３０４により第１のプリアンプ３１６に提供される信号はsin（x）として定義され、第２のトラッキングフォトディテクタ３０８により第２のプリアンプ３２０に提供される信号はsin（x+90）又はcos（x）として定義され、ここでｘは読み取りビーム２２の相対的半径方向位置である。第２の乗算器３３６の第２の入力４６８に提供される信号はsin（y）として定義され、第１の乗算器３３２の第２の入力４５６に提供される信号はsin（y+90）又はcos（y）として定義され、ここでｙは相対的半径方向帰還信号の値である。これらの定義から、第１の乗算器３３２の出力４６０の信号はsin（x）cos（y）であり、第２の乗算器３３６の出力４７２の信号はcos（x）sin（y）である。こうして、加算アンプ３４０の出力４８４の信号は：
具体的な形態においては、第２の正弦関数発生器３６４を余弦関数発生器で置き換えることができ、それは帰還ループ補償回路３５２の出力４２４に提供される信号を受け取る。この形態における余弦関数発生器の使用は、位相シフタ３５６の使用の必要を除去する。
今、図６、１０、１１及び１２を参照すると、具体的な形態において、プリアンプ３１６、３２０への入力は光ピックアップリンクにより作られ、その光ピックアップリンクはここではプリズム５２０で示される光学的サブシステムを含む。ソースビーム５２４はレンズ５２６を通過し、ソースビームを２つのビーム５３０、５３２に分割するためのプレート５２９を有する従来型の干渉計５２８により受け取られ、それら２つのビーム５３０、５３２はそれぞれミラー５３４、５３６から反射される。プリズム５２０及び干渉計５２８の一部分は、双頭矢印５２２により示される方向に相互に相対的に移動可能である。その相対移動の結果、干渉計により作られる縞模様が変化する。反射ビームはビーム５３８として再結合し、それはレンズ５４０により平行にされる。次に、ビーム５３８は受信器／分析器５４２に到達する。ビーム５３８内で伝達される縞模様は４分割フォトディテクタ５４６により測定され、そのフォトディテクタ５４６はリングフォトディテクタとすることができ、典型的には受信器／分析器５４２の内部に配置される。フォトディテクタ５４６のアナログ出力５４８、５５０はそれからプリアンプ３１６、３２０に与えられる（図６）。
図１及び３を再度参照すると、上述の実施形態がサーボ回路のためのエラー信号を生じさせることが先に記述された；しかし、対象物の位置又は他の特性を測定することのみが望まれるある特定の応用では、信号処理部１４６により生成されるエラー信号はサーボ回路に提供される必要は無く、例えばコンピュータ、又は測定指示器などの、情報の他の使用者に接続されることができる。この場合、トラッキングサーボ９４、並びにインダクタ５２により示されるビーム偏向手段を省略することができる。
図６に示す回路の実施を図１３を参照して説明する。光ピックアップリンクのフォトディテクタから受け取られるトラッキング信号５４４、５４６は一般的に直角位相関係にあり、それぞれ差動アンプ５４８、５５０の入力に接続される。差動アンプ５４８、５５０の出力は、それらの入力信号５４８、５５０と分圧器５５２により作られるオフセット電圧との間の個々の差を示す。差動アンプ５４８、５５０の出力は、それぞれ乗算器５５４及び５５６の入力である。
関数発生器５５８は余弦関数出力５６０及び正弦関数出力５６２を作り、それらはそれぞれ乗算器５５４、５５６の第２の入力である。加算アンプ５６４は乗算器５５４、５５６の出力を受け取り、トラッキング信号５６６を生成する。トラッキング信号５６６は、そのサーボトラッキングループへの挿入のために、コネクタ５６８を通じて光ピックアップに戻るように接続される。また、トラッキング信号５６６はポテンショメータ５７０にも接続され、それは局部帰還ループのゲインを調整する。ポテンショメータ５７０からはトラッキング信号５６６が補償回路５７２へ接続され、その目的はループの安定性を維持するために位相及びゲイン補償を提供することである。関数発生器５５８は補償回路５７２から第１の入力５７４を受け取り、第２の入力は接地される。
図１４は、関数発生器５５８を詳細に示す。好ましくはＡＮ７７９ＫＮであるアナログ−デジタル変換器５８０は入力５７４、５７６（図１３）を受け取り、一般的に５８５、５９５で示される２つの構造上同一のユニットへ提供する。ユニット５８５は正弦関数を生成し、ユニット５９５は余弦関数を生成する。簡単のため、単一のユニット５８５のみを説明する。アナログ−デジタル変換器５８０の出力５８３は、消去可能なプログラマブルメモリ５８２のアドレス線５８７に接続される。この実施形態では、アナログ−デジタル変換器５８０は要求されるより高いビット分解能を有し、よって最下位ビット位置５８６は接地されている。従って、出力５８３は消去可能なプログラマブルメモリ５８２へのベクトルを提供し、対応する正弦値がデータ線５８８上へ出力される。それから、線５８８上の信号により示される正弦値はデジタル−アナログ変換器５９０内でアナログ信号に変換され、その変換器５９０はＡＤ７６７ＫＮとすることができる。デジタル−アナログ変換器５９０の４個の最下位ビット位置５９２は、それが要求されるより高い分解能を有するので接地される。アナログ出力５９３はフィルタ回路５９４に接続され、そのフィルタ回路５９４の目的はエイリアシングを除去するために信号を減衰させることにある。
ユニット５９５は、余弦関数を生成するため、消去可能なプログラマブルメモリ５８２内に異なるデータセットが記憶されることのみにおいてユニット５８５と相違する。好ましくは、アナログ−デジタル変換器５８０によりユニット５８５、５９５に零ボルトが入力される時に出力５９７、５９８は等しい大きさ、好ましくは０．７ボルトを有するようにデータがプログラムされる。
消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６のプログラムにおいて、消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６から分かるように、アナログ−デジタル変換器５８０が連続的又は線形でない２つの相補的信号を生成するという事実を補償することが必要である。従って、正しい正弦及び余弦関数の生成のためにメモリ内のデータの調整が必要である。リスト１及び２内のコンピュータプログラムリストを実行して、消去可能なプログラマブルメモリ５８２、５９６のために適切なデータを作成することが可能である。
図１４の集積回路の機能に要求される従来のタイミング信号はタイミングブロック６００により提供され、それは図１５に更に詳細に説明される。水晶発振器６０２が２４ＭＨｚで動作し、カウンタ６０４に接続され、それは７４ＨＣ４０６０Ｊとすることができる。ブロック６００により作られるタイミング信号は、チップセレクト信号６０６、チップイネーブル信号６０８、出力イネーブル信号６１０及び変換イネーブル信号６１２を含む。
さて、図１、３、６及び１９を参照すると、本発明の信号処理サブシステム１０４のフォーカス信号処理部７００が図１９に示される。フォーカス信号処理部は、その構成において図６に示すトラッキング信号処理部３００と類似しており、同一の機能を構成要素は図１９において同一の参照番号が付されている。対物レンズ５４（図１）は、フォーカス駆動装置７０２により光ディスク２６と略垂直方向に駆動される。既知のタイプのフォトディテクタ７１２が対物レンズ５４と関連付けされ、光ディスク２６の面と一致する理想的焦点面に関して対物レンズ５４の位置に応答する。フォトディテクタ７１２の出力は、第１のプリアンプ３１６及び第２のプリアンプ３２０に接続される。出力４８４はフォーカスエラーサブシステム７９４に提供され、それはフォーカス駆動装置７０２へ帰還する。フォーカス信号処理部７００の動作のその他の点はトラッキング信号処理部３００と同一であり、簡単のため繰り返さない。
図２０は、図１９の実施形態を利用するシステムの動作特性を、従来のフォーカス制御システムの動作特性と比較する。フォーカスエラー信号の大きさが、点８０５で示されるビームの焦点の所望の面からの変位に対してプロットされている。従来のサーボのフォーカスエラー信号８０４により示される正弦曲線は、寸法“Ａ”で示される利用可能な動作範囲を有する。本発明に従ってコントローラにより示されるフォーカスエラー信号８０６は、寸法“Ｂ”により示される拡張された動作範囲内で実質的に線形であり、寸法“Ｂ”は寸法“Ａ”より大きい。実際、寸法“Ｂ”は寸法“Ａ”の少なくとも２倍となろう。線８０８及び８１０は、それぞれ従来のフォーカス制御システムのフォーカス制御範囲の上限及び下限を示す。波形８０２は典型的な応用におけるフォーカスエラー信号の時間的プロットを示す。波形８０２の周遊（excursion）は線８０８及び８１０により規定される限界を超え、従来のシステムはフォーカスロックを喪失するであろう。本発明によるフォーカス制御システムの動作範囲は線８１２、８１４により規定され、波形８０２は本発明のシステムの動作範囲内において良好に維持される。
本発明をここに開示した構成を参照して説明したが、それは開示した詳細に制限されるものではなく、本発明は以下の請求の範囲の視野内にあるあらゆる修正及び変更をカバーすることを意図している。
Claims (25)
- フォーカス制御装置において、
フォーカスされたビームを方向付ける光学的要素と、
前記光学的要素に対して動作し、前記フォーカスされたビームの焦点を所定位置の方向へ変位させるアクチュエータと、
前記ビームからの光を受け取ると共に、前記所定位置からの前記ビームの焦点の変位に応答する第１及び第２の出力を有するディテクタと、
前記ディテクタの前記第１及び第２の出力に接続され、前記所定位置からの前記ビームの前記焦点の変位を示すエラー信号を生成する回路と、
前記アクチュエータ及び前記エラー信号に接続されたサーボであって、前記アクチュエータは前記サーボに応答して前記所定位置上に前記ビームの前記焦点を変位させる前記サーボと、を含む装置において、
前記ディテクタの前記第１及び第２の出力に接続されたローカルフィードバックループであって、当該ループは、前記エラー信号に応答する第１の周期関数発生器と、及び前記エラー信号に応答する第２の周期関数発生器と、を備え、当該第２の周期関数発生器は、前記第１の周期関数発生器の第１出力とある位相角だけ異なる第２出力を有するループと、
前記ディテクタの前記第１の出力と、前記第１の周期関数発生器の前記第１出力とを乗算する第１の乗算器と、及び
前記ディテクタの前記第２の出力と、前記第２の周期関数発生器の前記第２出力とを乗算する第２の乗算器と、を備え、
前記第１及び第２の乗算器の出力は前記回路の入力として提供される装置。 - 前記第１及び第２の周期関数発生器の前記第１出力及び第２出力の周期特性は実質的に正弦状であり、前記第１の周期関数発生器及び前記第２の周期関数発生器は正弦波発生器である請求項１に記載の装置。
- 前記ディテクタの前記第１及び第２の出力は、前記ビームの前記変位に対してほぼ相互に直角位相の関係を有し、前記ある位相角は約９０度である請求項１に記載の装置。
- 前記ディテクタの前記第１及び第２の出力は、前記ビームの前記変位に対してほぼ相互に直角位相の関係を有する請求項１に記載の装置。
- 前記ある位相角は、約６０度から約１２０度の範囲内である請求項４に記載の装置。
- 前記ある位相角は約９０度である請求項５に記載の装置。
- 放射エネルギーのビームをフォーカス制御する方法において、
前記ビームの焦点の位置に応答して第１及び第２の検出信号を生成する工程と、
所定位置からの前記焦点の変位を示すエラー信号を生成する工程であって、前記エラー信号は前記変位に対して周期的特性を有する工程と、
前記エラー信号に応答して、前記変位した焦点を前記所定位置に回復する工程と、を含む方法において、
前記エラー信号に応答して第１の周期的信号を生成する工程と、
前記エラー信号に応答して第２の周期的信号を生成する工程であって、前記第２の周期的信号は前記第１の周期的信号とある位相角だけ異なる工程と、を有し、
前記エラー信号を生成する工程は、
前記第１の検出信号を前記第１の周期的信号と乗算し、第１の積信号を作る工程と、
前記第２の検出信号を前記第２の周期的信号と乗算し、第２の積信号を作る工程と、及び、
前記第１の積信号と前記第２の積信号との差を決定する工程と、により実行される方法。 - 前記第１及び第２の検出信号、並びに前記第１及び第２の周期的信号は実質的に正弦状である請求項７に記載の方法。
- 前記第１及び第２の検出信号は、前記ビームの前記変位に対してほぼ相互に直角位相の関係を有し、前記ある位相角は約９０度である請求項７に記載の方法。
- 前記ある位相角は、約６０度から約１２０度の範囲内である請求項７に記載の方法。
- 前記ある位相角は約９０度である請求項１０に記載の方法。
- フォーカス制御装置において、
ビームの焦点の変位に応答する複数の出力を有するディテクタと、
前記ディテクタの前記出力と通信する回路であって、前記ディテクタの前記出力に対応するエラー信号を生成するように適合された回路と、
前記エラー信号の位相ゲインを補償する補償器と、
前記補償器から前記補償されたエラー信号を受け取るように適合された第１及び第２の周期関数発生器と、
前記ディテクタからの前記複数の出力のうちの１つを、前記第１の周期関数発生器からの出力とともに受け取る第１乗算器と、
前記ディテクタからの前記複数の出力のうち他方を、前記第２の周期関数発生器からの出力とともに受け取る第２乗算器と、及び
前記第１乗算器及び第２乗算器からの出力信号を受け取る増幅器と、
を含む装置。 - 前記第１の周期関数発生器からの前記出力と前記第２の周期関数発生器からの前記出力とをある位相角だけ差動する位相シフタを更に含む請求項１２に記載の装置。
- 前記ある位相角は、約６０度から約１２０度の範囲内である請求項１３に記載の装置。
- 前記ある位相角は約９０度である請求項１３に記載の装置。
- 前記第１の周期関数発生器及び第２の周期関数発生器は正弦波発生器である請求項１２に記載の装置。
- 前記第１の周期関数発生器は、正弦波発生器であり、前記第２の周期関数発生器は、余弦波発生器である請求項１２に記載の装置。
- 前記第１の周期関数発生器は、余弦波発生器であり、前記第２の周期関数発生器は、正弦波発生器である請求項１２に記載の装置。
- 前記ディテクタの前記出力は、直角位相関係を共有する請求項１２に記載の装置。
- 前記ディテクタは、前記フォーカスされたビームから得られた反射ビームを受け取るように配置されている請求項１２に記載の装置。
- フォーカス制御方法において、
ビームの位置に応答して複数の検出信号を生成する工程と、
所定位置からの前記ビームの変位を示すエラー信号を生成する工程であって、前記エラー信号は、前記変位に関して周期特性を有する工程と、
前記エラー信号の位相ゲインを補償し、補償されたエラー信号を生成する工程と、
前記補償されたエラー信号に応答して第１及び第２の周期信号を生成する工程であって、前記第１及び第２の周期信号は、ある位相角だけ異なる工程と、
前記複数の検出信号のうちの１つと前記第１の周期信号を乗算し、第１の積信号を生じさせる工程と、
前記複数の検出信号のうちの他方と前記第２の周期信号を乗算し、第２の積信号を生じさせる工程と、及び
前記第１の積信号と前記第２の積信号との差を決定する工程と、
を含む方法。 - 前記第１及び第２の周期信号は、正弦状である請求項２１に記載の方法。
- 前記ある位相角は、約６０度から約１２０度の間である請求項２１に記載の方法。
- 前記ある位相角は約９０度である請求項２１に記載の方法。
- 焦点信号プロセッサに差の結果を提供する工程を更に含む請求項２１に記載の方法。
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