CN100464370C - 扩展的聚焦控制 - Google Patents

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Abstract

用于对记录载体上的轨道进行扫描的设备具有磁头(41)，用于提供辐射束并生成至少一个传感器信号。该设备具有扫描单元，用于控制聚焦元件，以保持聚焦点位置，从而在轨道上生成被聚焦点。利用多个分段转换器(42，43，44)，将传感器信号转换成位移信号，每一转换器将某一范围的传感器信号值转换成位置信号，并且选择装置(46)用于根据估算的位移，选择位置信号之一作为位移信号。

Description

扩展的聚焦控制
技术领域
本发明涉及用于通过辐射束对记录载体上的轨道进行扫描的设备，该轨道包含代表信息的标记，该设备包含用于提供射束并生成至少一个传感器信号的磁头，该磁头包含：聚焦元件；聚焦单元，用于控制该聚焦元件以保持聚焦点(in-focus)位置，从而根据基于传感器信号的位移信号在轨道上生成被聚焦点，该位移信号表示聚焦元件相对于聚焦点位置的位移，该传感器信号对于不同范围的位移具有重叠范围的传感器信号值。
本发明还涉及用于通过辐射束对记录载体上的轨道进行扫描的方法，该轨道包含代表信息的标记，该方法包含：生成至少一个传感器信号；控制聚焦元件，以保持聚焦点位置，从而根据基于传感器信号的位移信号在轨道上生成被聚焦点，该位移信号表示聚焦元件相对于聚焦点位置的位移，该传感器信号对于不同范围的位移具有重叠范围的传感器信号值.
背景技术
用于对轨道进行扫描和对信息进行读取的设备和方法从美国专利6,314,069中得知。该设备具有用于提供聚焦在轨道上的辐射束的磁头。生成读信号，用于读取利用记录载体(类似于光盘)上轨道内的标记所代表的信息。根据来自检测器的二个检测器信号，产生聚焦元件距离聚焦点位置的位移的误差信号.假设检测器信号具有相对于该位移的周期性特征.响应于该误差信号的伺服系统控制该聚焦元件，以使射束回到该聚焦点位置。本地反馈环路与检测器信号相耦合，并且通过两个周期函数发生器，将(相移的)误差信号与两个乘法器相耦合，这些乘法器将检测器信号乘以周期函数发生器的输出。这些乘法器的输出与电路相耦合，以修正误差信号。结果，聚焦伺服环路的操作范围被扩展到在标称聚焦点位置周围的有限工作范围以外的位移范围。该已知设备的问题是需要具有周期特征的两个不同相检测器信号，并且在有限工作范围以外位移的聚焦范围扩展不是精确的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于对具有精确扩展聚焦范围的记录载体进行扫描的设备和方法.
按照本发明的第一方面，该目的利用在开头段落中所定义的设备来实现，其特征在于，该设备包含：多个分段(piecewise)转换器，每一转换器将一个范围的传感器信号值转换成位置信号；以及选择装置，用于根据估算的位移，选择位置信号之一作为位移信号。
按照本发明的第一方面，该目的利用在开头段落中所定义的方法来实现，该方法包含：将多个范围的传感器信号值转换成多个位置信号；并根据估算的位移，选择位置信号之一作为位移信号.
分段转换的效果是：相关范围内的传感器信号值利用专用转换器来转换。相关位置信号的选择基于估算的位移。这具有的优点是：聚焦伺服系统的操作更精确地扩展到在聚焦点位置周围的基本线性的范围以外，特别地包括具有重叠传感器信号值的非线性范围。
本发明还基于下述认识。在现有技术系统中，聚焦系统通常被安排用于在标称位置周围的基本上线性的工作区域.在该线性范围以外，即对于更大的位移，传感器信号降低，构成曲线的反向的并且相对长的尾部；总曲线通常称为s曲线.发明人已经认识到，尽管对于已知光盘系统，线性区域提供了足够的工作范围，但在高密度小的形状因数光学驱动器中，线性范围相对小.因此，驱动器对于震动是非常敏感的，并且线性区域以外的工作范围的扩展是有吸引力的。实际上，尾部覆盖的位移范围显著大于线性部分。假设：如美国专利6,314,069中公知的s曲线扩展中的周期特征是非常不精确的，并且不适当地将扩展限制到线性区域大小的大约两倍.
在该设备的实施例中，选择装置包含用于根据位移信号的先前值确定估算位移的估算器.效果是：聚焦元件相对于轨道的移动假定从以前的样本继续.这具有的优点是：位置信号的选择基于聚焦单元的实际物理模型.
在该设备的实施例中，至少一个分段转换器在传感器信号值的范围和位置信号之间具有基本上成比例的关系，并且至少一个分段转换器在传感器信号值的范围和位置信号之间具有基本上逆的关系.因而，位置信号提供的聚焦单元的位移值在s曲线的有限线性范围之外。这具有的优点是，逆函数提供s曲线的尾部对位置信号的简单而有效的变换.
在其他的权利要求中给出了按照本发明的设备的进一步优选的实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面从以下描述中利用示例和参照附图所述的实施例中将是显而易见的，并将结合这些实施例进行阐述，其中：
图1a示出记录载体(俯视图)，
图1b示出记录载体(截面)，
图1c示出轨道的细节，
图2示出具有聚焦扩展的扫描设备，
图3示出聚焦传感器的传感器信号，
图4示出聚焦扩展单元，
图5示出物镜的移位，
图6示出传感器信号，
图7a示出s曲线的尾部的位置信号，
图7b示出s曲线的中央部分的位置信号，
图7c示出位置信号的组合，以及
图8示出重构的位移信号.
在附图中，对应于已经描述的元件具有相同的标号。
具体实施方式
图1a示出具有轨道9和中心孔10的盘形记录载体11。轨道9是代表信息的一系列(将)被记录的位置，该轨道按照在信息层上构成大体平行轨道的螺旋图形的圈(turn)进行排列。记录载体可以是光学可读的，称为光盘，并且具有只读或可记录类型的信息层。有关只读DVD盘的细节情况可在参考文献ECMA-267：120mm DVD-只读盘-(1997)中找到.可记录盘的例子是CD-R和CD-RW以及可写版本的DVD诸如DVD+RW，和采用蓝色激光的高密度可写光盘，称为Blue-rayDisc蓝射线盘(BD).通过沿轨道提供光学可检测标记(如凹坑或相变材料中的晶态或非晶态标记)，将信息表示在信息层上。可记录类型的记录载体上的轨道9利用在空白记录载体制造期间所提供的预压纹轨道结构来表示.例如，轨道结构由预制槽14构成，这使得读/写头能够在扫描期间跟随轨道。轨道结构包含位置信息，如地址。
图1b是沿可记录类型记录载体11的线b-b截得的截面，其中透明衬底15具有记录层16和保护层17.保护层17可以包含另一衬底层，例如在DVD中，记录层位于0.6mm衬底上，而另一0.6mm的衬底粘接到其背侧。预制槽14可以实施为衬底15材料中的凹槽(indentation)或凸起(elevation)，或者与其周围不一致的材料特性.
在一种实施例中，记录载体11承载代表按照标准格式类似MPEG2数字编码的视频的信息.
图1c示出轨道摆动的一个示例。轨道9的细节12示出预制槽14的横向位置的周期性变化，也称为摆动。这些变化引起附加信号出现在辅助检测器中，例如，在扫描设备的磁头内中央点中由部分检测器生成的推挽式频道中.例如，摆动是频率调制的，而位置信息在调制中进行编码.摆动和编码其中信息的综合描述对于CD能够在美国专利4,901,300(PHN 12.398)和美国专利5,187,699(PHQ 88.002)中找到，而对于DVD+RW系统，可在美国专利6,538,982(PHN 17.323)中找到。
图2示出具有聚焦扩展的扫描设备.该设备具有用于对记录载体11上的轨道进行扫描的装置，其包括用于使记录载体11旋转的驱动单元21、磁头22、用于沿轨道的径向对磁头22进行粗定位的定位单元(未示出)和用于将辐射束聚焦在轨道上的聚焦单元，以及控制单元20。磁头22包含公知类型的光学系统，用于生成通过记录载体的信息层的轨道上聚焦到辐射点23的光学元件导引的辐射束24.辐射束24是由辐射源如激光二极管生成的。该磁头包含通过致动器由聚焦单元控制的聚焦元件34(如物镜)，用于沿所述射束的光轴移动辐射束24的聚焦点.该磁头还包含用于在轨道的中央沿径向对光点23进行细定位的跟踪致动器(未示出)。跟踪致动器可以包含线圈，用于径向移动光学元件或可以被安排用于改变反射元件的角度.为了读取，利用生成与用于生成各种扫描信号的前端单元31相耦合的检测器信号的磁头22中通常类型的检测器(例如，四像限二极管)来检测由信息层反射的辐射，其中扫描信号包括主扫描信号33以及用于跟踪与聚焦的误差信号35。误差信号35与聚焦扩展单元32相耦合，以生成位移信号37，而该位移信号37与聚焦单元25相耦合，用以控制所述聚焦致动器。误差信号35还可以与前置轨道(pre-track)解调单元相耦合，用于从利用摆动调制或预制凹坑构成的前置轨道图形中检索物理地址和其它控制信息。主扫描信号33由通常类型的读处理单元30(包括解调器、去格式化器和输出单元)进行处理，以检索信息.聚焦扩展单元32将在下文中参照图4进行描述.
在一种实施例中，该设备具有用于将信息记录到可重写类型的记录载体(如DVD+RW)上的记录装置。记录装置与磁头22和前端单元31合作，以生成写辐射束，并且包含用于处理输入信息的写处理装置，以生成写信号来驱动磁头22，所述写处理装置包含输入单元27、格式化器28和调制器29。为了写信息，对辐射束进行控制，以便在记录层中创建光可检测的标记.这些标记可以是任意的光可读形式，例如，采用不同于其周边环境的反射系数的区域形式，其中在材料诸如染料、合金或相变材料中记录时获得不同的反射系数，或者也可以是具有在磁光材料中记录时获得的不同于其周边环境的极化方向的区域的形式.
例如，在本领域中从CD或DVD系统中公知用于在光盘上记录以及格式化、纠错和信道编码规则的信息的写入和读取.在一种实施例中，输入单元27包含用于输入信号如模拟音频和/或视频或数字未压缩的音频/视频的压缩装置。合适的压缩装置对于视频描述在MPEG标准中，MPEG-1定义在ISO/IEC 11172中，而MPEG-2规定在ISO/IEC 13818中。输入信号可以交替地已经根据这样的标准进行编码.
控制单元20控制信息的记录和检索，并且可以被安排用来从用户或从主计算机接收命令.控制单元20通过控制线26如系统总线连接到该设备中的其它单元。控制单元20包含控制电路如微处理器、程序存储器和接口，用来执行如下所述的过程和功能.控制单元20也可以实施为逻辑电路中的状态机.
在一种实施例中，该设备具有与控制单元相耦合的校准单元36，用于在如下参照图4所描述的条件下校准聚焦伺服系统.在一种实施例中，校准功能以用于具有记录单元(如DVD+RW驱动器)的PC的计算机程序来实现.
图3示出聚焦传感器的传感器信号。以伏特为单位的传感器信号值沿垂直方向给出，而以微米为单位的聚焦单元34的位移沿水平方向给出。在光学存储器中，测量聚焦偏移的驱动传感器通常具有如图3所示的非线性特征，被称为“s-曲线”38。线性区域39在传感器信号和位移之间具有基本成比例关系，而光学驱动器中的物镜致动器的控制系统通常工作在传感器的这个线性区域中.在外部振动作用于光学驱动器的情况下，物镜34将相对于该盘开始移动。只要这个位移停留在线性区域中，控制系统将强迫物镜返回到其正确的位置。如果物镜的位移超过了线性区域的边界，那么位移不再能从传感器输出中进行重构，因此必须禁用控制系统，并且物镜的偏移变得不成比例地大。S曲线的线性区域取决于驱动器的光学拾取单元的光学布局.在一种小的形状因数驱动器中，线性区域39非常小(±2μm的数量级)，因此这个驱动器对震动非常敏感.
为了扩展聚焦伺服系统的操作范围，必须包括s曲线38的尾部。在尾部，位移和传感器信号之间的关系被反相。然而，一般s曲线不能被反相，这是因为传感器输出信号值可能对应于不同的位移.因此，该设备包含多个分段转换器.每一转换器用来把某一范围的传感器信号值转换成位置信号，假设位移在对应于转换范围的范围内。另外，设备具有用来根据估算的位移而将位置信号中的一个选择为位移信号的选择单元。估算位移是利用聚焦元件的位移的模型(例如，根据位移的先前值来确定位移速度的外推器(extrapolator))来确定的。在一种实施例中，其它信号用于该估算，例如，来自独立震动传感器的信号或基于具有弯曲或倾斜的旋转盘的周期特性的信号.在一种实施例中，估算位移基于依据反射辐射总量的独立位移信号。反射辐射总量可以例如通过将像限检测器中所有可获得的局部检测器的传感器信号相加来确定.
图4示出聚焦扩展单元。光学传感器41生成传感器信号，该信号非线性地取决于聚焦元件(例如物镜)的位移.传感器信号被馈送到三个分段转换器42、43、44之中的每一个.这些分段转换器生成三个代表物镜位置的候选位置信号40.选择器单元46将三个候选者与一估算值进行比较，并选择最接近由估算器47提供的估算值的信号。估算器47外推来自过去的一些样本。基本上它包括移动聚焦元件的简单模型，例如在这几个样本时间期间，速度为恒定的。聚焦扩展单元的运行参照图5-8进行解释。
在一种实施例中，估算器根据多个以前样本计算下一个估算值。在时刻k，估算器的输出称为y[k]，而输入为u[k].基本外推器计算新值：
y[k]＝2*u[k-1]-u[k-2]
在数字信号处理中，利用延迟单元通过多项式z-1表示以前样本，因此u[k-n]＝z-n*u[k].估算器的函数表示为：
y＝(2z-1)/z2*u.
在一种实施例中，估算器具有基于第一与第三在前样本的计算。用于数字处理的函数表述如下：
y＝(2z2-1)/z3*u.
在一种实施例中，聚焦扩展单元包含滤波器单元45.三个候选位置信号40由滤波器45来滤波，以抑制噪声。将三个相应滤波的位置信号提供到选择单元46，用于与估算的位移进行比较。随后，将相应非滤波版本的选择位置信号作为位移信号49传送到聚焦控制器，而将经滤波的信号48用来计算新的估算.尽管经滤波的信号可以用于位移信号，但通常优选非滤波版本，这是因为滤波引起相移，这可能扰乱控制环路的稳定性。
在一种实施例中，分段转换器42、43、44包含查找表。该查找表提供用于大量传感器信号值的位置值，对于每一传感器提供不同的表用于s曲线的相关部分.例如，第一转换器42具有相应于s曲线的线性部分39的位置值范围.传感器电压是查找表的输入值，而位置(或相应的电压)是查找表的输出.查找表中的值是通过s曲线的校准测量来确定的.校准测量可以在设备的设计期间执行，或者在制造期间对于各个设备来执行.
在一种实施例中，分段转换器42、43、44包含查找表，该表在设备自身校准处理期间被填充。在该处理期间，利用线性不断增加的控制电压馈送给聚焦致动器，这导致聚焦元件的位置的比例变化。在增加期间，测量传感器电压.将测得的值细分为多个范围，每一转换器一个范围。在单个范围内，没有传感器信号值的重叠，但由于s曲线的形状，出现范围之间的重叠。可以在插入之后和/或以规则间隔在使用期间，例如在不要求用户数据访问的空闲时间期间，对于每个记录载体，执行校准处理。
图5示出物镜的位移.在水平方向给出时间作为多个样本，而在纵向以μm为单位给出位移.位移51超过s曲线的线性区域，因此得到的光学传感器的输出电压不再位于线性范围内，并因而不是传统聚焦控制器合适的输入信号.
图6表示传感器信号.传感器电压61沿纵向给出，而时间沿水平方向给出。图5中给出聚焦元件的相应位移.在中央线性部分62，大约从时间＝45个样本到时间＝55个样本，曲线在位移和传感器电压之间具有比例关系。在第一部分63中，传感器信号与位移具有逆关系，与线性部分重叠.在最后部分64中，传感器信号与位移也具有逆关系，与线性部分重叠.传感器信号被馈送到三个分段转换器，这得到图7中所示的三个信号.
图7a是s曲线尾部的位置信号。第一位置信号71由第三转换器44产生.具体说来，第一部分72表示s曲线的第一部分63的传感器电压至位移的正确变换。第二位置信号74由第二转换器43产生。具体说来，最后一部分73表示s曲线最后一部分64的传感器电压至位移的正确变换.
图7b是s曲线的中心部分的位置信号。位置信号75由第一转换器42产生。具体说来，中心部分75表示s曲线的中央部分62的传感器电压至位移的正确变换。
图7c表示位置信号的组合。位置信号的第一部分72与中心部分75相连接，并利用不同转换器提供的位置信号的最后部分73继续。在交叉点76、77处，选择器决定哪一个信号最接近估算值.因此，输入位移利用组合的信号段来重构.
图8表示重构的位移信号.位移信号80通过组合图7中所示的转换器的位置输出信号来重构。重构的位移对应于图5中所示的输入位移。
尽管本发明主要通过采用光盘的实施例来说明，但本发明还适用于其它记录载体如矩形光卡、磁-光盘或需要聚焦元件控制的其它类型的信息存储系统.需要注意的是，在本文件中，术语“包含”并不排除除所列举之外的其它元件或步骤的存在，而某一元件之前的词“某一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件，任何标号并不限制权利要求的范围，本发明可以采用硬件和软件来实现，并且若干“装置”或“单元”可以利用同一个硬件或软件项来表述。另外，本发明的范围并非仅限于这些实施例，并且本发明在于上述的每一新特征或所述特征的组合。

Claims (9)

1.一种用于通过辐射束对记录载体上的轨道进行扫描的设备，该轨道包含代表信息的标记，该设备包含:
磁头(22)，包括聚焦元件并用于提供射束和生成至少一个传感器信号；
聚焦单元(25)，用于根据基于传感器信号的位移信号控制聚焦元件(34)，以保持焦距对准位置，从而将射束聚焦在该轨道上，该焦距对准位置是在射束被聚焦在该轨道上时该聚焦元件的位置，该位移信号表示该聚焦元件相对于该焦距对准位置的位移，
该传感器信号具有对于预定义位移范围的传感器信号值范围，其中对于每个预定义位移范围的传感器信号值彼此不重叠，而对于不同的所述预定义位移范围，所述传感器信号值范围互相重叠，
其特征在于，该设备包含:
多个分段转换器(42，43，44)，每一个分段转换器将相应的所述传感器信号值范围中的传感器信号值转换成对应的位置信号；和
选择装置(46)，用于根据估算的位移，选择位置信号之一作为位移信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中选择装置(46)包含用于根据先前的位移信号值来确定估算的位移的估算器(47)。
3.如权利要求2所述的设备，其中估算器(47)计算y＝(2z2-1)/z3作为估算的位移，其中z-1表示数字信号处理中的一个延迟单元。
4.如权利要求1所述的设备，其中选择装置(46)包含滤波器单元(45)，用于根据多个位置信号提供多个滤波的位置信号。
5.如权利要求1所述的设备，其中分段转换器(42，43，44)中的一个在相应的所述传感器信号值范围中的传感器信号值和位置信号之间具有成比例的关系，并且其中一个分段转换器在相应的所述传感器信号值范围中的传感器信号值和位置信号之间具有逆的关系。
6.如权利要求1所述的设备，其中至少一个分段转换器(42，43，44)包含用于将相应的所述传感器信号值范围中的传感器信号值转换成位置信号的转换表。
7.如权利要求1所述的设备，其中至少一个分段转换器(42，43，44)包含:转换表，用于将相应的所述传感器信号值范围中的多个传感器信号值直接转换成位置信号；和插入器，用于将位于所述直接可转换的传感器信号值中间的传感器信号值转换成位置信号。
8.如权利要求1所述的设备，其中该设备包含控制单元(20)，该控制单元包括用于执行焦点校准的校准单元(36)，该校准单元(36)用于将聚焦元件控制到至少一个预定位置。
9.一种通过辐射束对记录载体上的轨道进行扫描的方法，该轨道包含代表信息的标记，该方法包含:
生成至少一个传感器信号；
根据基于传感器信号的位移信号控制聚焦元件，以保持焦距对准位置，从而将射束聚焦在该轨道上，该焦距对准位置是在射束被聚焦在该轨道上时该聚焦元件的位置，该位移信号表示该聚焦元件相对于该焦距对准位置的位移，
该传感器信号具有对于预定义位移范围的传感器信号值范围，其中对于每个预定义位移范围的传感器信号值彼此不重叠，而对于不同的所述预定义位移范围，所述传感器信号值范围互相重叠，
将各个所述传感器信号值范围中的传感器信号值分段转换成对应的位置信号；和
根据估算的位移，选择位置信号之一作为位移信号。
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