Optikai meghajtók Göllei Máté

Elektromágnesen sugárzás Az elektromágneses sugárzás széles spektrumából a 100 nm- től 1 mm-ig terjedő hullámhossztartományt a szakirodalom optikai sugárzás gyűjtő fogalommal jelöli.

A fény Az elektromágneses sugárzáson belül 380 nm-től 780 nm közötti rész a látható tartományú sugárzás, köznapi szóval élve a fény. A rövidebb hullámhosszúságú, 100 nm — 380 nm-es tartomány az ultraibolya (UV) ‚ a 780 nm-től 1 mm-ig terjedőt pedig infravörös (IR) sugárzásnak nevezik.

Fény, mint elektromágneses hullám A fény transzverzális elektromágneses hullám, ami azt jelenti, hogy mind az E elektromos, mind a H mágneses térerő a fény terjedése mentén térben és időben periodikusan változik. Egészen pontosan a haladás irányára (és ugyanakkor egymásra is) merőleges síkban harmonikus rezgést végeznek. Mivel a detektorok, beleértve szemünket is, az elektromos térerő változását érzékelik, a fény rezgési síkján az elektromos tér síkját értjük. 

A lézer A LASER a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezésből képzett mozaikszó, jelentése: fényerősítés a sugárzásnak gerjesztett emissziója révén. 

Lézer keletkezése A lézerdiódában lévő két párhuzamos tükör közötti teret egy lumineszcenciára képes anyaggal töltjük fel. A lumineszcencia alatt azt a jelenséget értjük, melynek során az elektromos tér változásai, vagy fény hatására egyes atomok, molekulák gerjesztődnek, s a gerjesztés hatására a részecskék fényt bocsátanak ki. Az alkalmazott optikai közegtől függően beszélünk gáz, folyadék vagy kristály lézerről. Ez a közeg határozza meg a kibocsátandó fény hullámhosszát.

Lézer keletkezése Gerjesztés hatására az anyagban kvantumszerű átalakulások kezdődnek, amelyek lényegében egy hullámfolyamat egymást követő lépései. A folyamat során a molekula vagy atom spontán emisszió folyamán gömbhullámot bocsát ki, amely ha egy másik atommal érintkezik annak is megnöveli az energiaszintjét és azon indukált emisszió jön létre. Mivel nem a teljes hullám indukál emissziót, ezért a maradék visszaverődik a tükrökről és energiát veszít, miközben folyamatosan töltik fel a „hullámteret”, tehát az atomok közti teret. Ez a folyamat interferenciákkal jár, és öngerjesztést hoz létre, miközben a hullámok eredője egyre inkább párhuzamossá válik a tükrökkel. Ha a megfelelő ponton egy féligáteresztő tükröt helyezünk el, akkor a hullám a megfelelő energiaszint elérése után ki tud lépni a közegből nagy energiasűrűségű és párhuzamos fényhullámként.

Lézer tulajdonságai A lézernek tulajdonságai: A létrejött fény időben és térben koherens, a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos. A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb. A lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel. Ezzel nagy energiasűrűség érhető el szűk sugárban, a sugár által megtett távolságtól függetlenül. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, a lézerfény teljesítménysűrűsége a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet. A lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó. A lézerek fénye egyszínű. A lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen hullámhosszú összetevőből áll.

Optikai olvasófej elvi felépítése Az olvasófejben lévő lézer által kibocsátott fény áthalad a kollimátor lencsén, ami a kilépő kis átmérőjű és széttartó fénysugarat teszi párhuzamossá. Ezután a féltükrön halad át, ami egy polarizációs prizma. Ez felel azért, hogy a lemezről visszaverődő fény ne a lézerdióda felé haladjon, hanem az érzékelő felé. Ezek melett az a feladata, hogy a fényt lineárisan polarizáltan engedje tovább, ugyanis a kollimátor lencséből egy kevert polarizációjú fény érkezik. Alapestben innen a negyedhullámos lapra érkezik, amit egy kristályból alakítanak ki. A kristálylemezbe belépő lineárisan polarizált lézer fénysugár 45 fokkal elforgatott polarizációs síkkal és körkörös polarizációval lép ki. A lemez fázisforgató hatása elősegíti az oldalirányú és a visszavert fénysugár szétválasztását a polarizációs prizmában. A fény ezután az objektív lencsére érkezik, amely azért felel, hogy a lézert folyamatosan a lemez aktuális tükrözőrétegére fókuszálja. Ez különösen komoly feladat abban az esetben, amikor a lemez hajlott és a külső sávon történik az olvasás. Ennek oka, hogy a lemez hajlása esetén a legnagyobb kihajlás legtöbbször a szélső track-en van, amit a helyes olvasás érdekében folyamatosan követni kell. Ez a folyamat lényegében azt jelenti, hogy a lencse és a lemez közti távolságot állandó értéken kell tartani. Ezután a visszaverődő fény a polarizációs prizmán irányt vált és nem a lézerdióda, hanem a szervólencse irányába halad. Ezt a prizmát PBS kockának hívják és 2 összeragasztott prizmából áll, amiknek ugyanaz  az anyaga, tehát a fény átlépéskor nem törik meg. A szervólencse fényérzékelő diódákra fókuszálja a fényt, amelyeknek az a feladata, hogy érzékelje a visszaverődő fény nagyságát és a fókuszálást is ennek segítségével végezzük. A fényérzékelő diódák jele jut a olvasási csatornába a párosított erősítőn keresztül, tehát ezen az érzékelőn keletkezik a kiolvasott érték. 

A olvasott jel értelmezése A lemezről visszaérkező fény kétféle lehet: a kibocsátott hullámmal azonos fázisú, vagy fordított fázisú; az információtartalmat a lézerfényben tehát a fázis hordozza. A lemezen az adat pit-ek, és land-ek formájában van rögzítve. Land a nyers (íratlan) lemez teljes felülete; pit pedig az azon ejtett bemélyedés. A pit mélysége optimálisan éppen egynegyed hullámhossznyi, ahol a hullámhossz 780nm (790nm). Ha a lemezre érkező lézerfény land-ról verődik vissza, akkor ahhoz képest fordított fázisban fog visszaverődni. Ha azonban a beérkező lézerfény pitre érkezik, annak eléréséig kétszer tesz meg plusz egynegyed hullámhossz mértékű utat ahhoz az esethez képest, mintha land-re érkezne. A visszaverődés csak ennek a plusz útnak a megtétele után jöhet létre, ekkor azonban már fázisa fél hullámmal (180 fokkal) el van csúszva, így a visszaverődés a beérkező hullámmal azonos fázisban fog történni. Az interferencia jelensége a féltükör felületén fejti ki hatását.

A olvasott jel értelmezése A PDIC-re azonos fázisban érkező hullámok erősítik, ellentétes fázisban érkező hullámok gyengítik, szélsőséges esetben kioltják egymást. A jel értelmezéséhez az úgynevezett döntési áramkört használják, mely eldönti, hogy a HF-jel milyen bitsorozatot jelent.

Optikai olvasófej mozgása A gyakorlatban az olvasófej egy vezetőtengelyen helyezkedik el, ahol az egyik oldalról a tengely, a másikról egy rugólemezes felfeszítés vezeti meg. Ezen a felfüggesztésen a lemez sugárirányának megfelelő elmozdulást tud végezni az eszköz, amelynek stabilitását a húzott szálból készített, nagy felületi pontosságú vezetőtengely és az ezen futó bronzperselyes megvezetés  adja meg. A pontos mozgásról léptetőmotor gondoskodik. A mozgatás vagy a vezetőtengely menetes kiképzése, vagy egy műanyag fogaskerék-fogasléc kapcsolat biztosítja.

Lézer fókuszálása Az optikának a fénysugarat mindenképp a lehető legpontosabban kell a tükröződő rétegre fókuszálnia. Mivel a lemezek nem tökéletesen egyenesek és a különböző lejátszóknak sem teljesen egyforma a összeszerelési magassága, ezért a fix fókusztávolság helyett minden egyes esetben újra meg kell keresni a tükröződő réteg pontos távolságát. Ezeket a problémákat a dinamikus fókuszbeállítás oldja meg, amelynek a lényege, hogy az olvasófej folyamatosan ellenőrzi, hogy megfelelő pozícióban van-e a fénypont a lemezen. Ez alapján a mérés alapján szabályozza egy negatív visszacsatoláson keresztül a lencse függőleges helyzetét, amely nem más mint az aktuátor pozíciója.

Lézer fókuszálása Ezeket a problémákat a dinamikus fókuszbeállítás oldja meg, amelynek a lényege, hogy az olvasófej folyamatosan ellenőrzi, hogy megfelelő pozícióban van-e a fénypont a lemezen. Ez alapján a mérés alapján szabályozza egy negatív visszacsatoláson keresztül a lencse függőleges helyzetét, amely nem más mint az aktuátor pozíciója. Erre bevált módszer az asztigmatikus eljárás, amely az alábbi módon működik: A lézerfény intenzitása, fényteljesítménye a PDIC-n lévő  A-B-C-D diódákra jut, azok között oszlik meg. Amelyik dióda fényt kap, annak feszültség mérhető a kapcsain. A diódák feszültségválasza a rájuk érkező fényintenzitással és hullámhosszal arányos.

Lézer fókuszálása

Sávkövetés Az olvasófej feladata a track-ek megtalálása, valamint a lézerfény sugarának a track-en tartása. Segédfoltos metódus: A segédfoltos követési metódus lényege, hogy két különböző ponton figyeljük, hogy a leolvasás adatsávon történik-e. Ezek a pontok úgy keletkeznek, hogy a lézerből egy optikai ráccsal leválasztunk 2 segédsugarat és ezeket a felületre bocsájtjuk, majd visszaverődnek és a két pont között feszültség indukálódik.

Sávkövetés Differential Phase Detection(DPD): A PDIC-re érkező fénysugárnál figyelik, hogy melyik szegmensbe érkezik a legnagyobb intezitású fény. Az átlósan elhelyezett PDIC miatt az értékek pontosan meghatározzák az olvasópont elhelyezkedését a track-hez képest. Az ábrán a PDIC A, B, C, D szegmense 1,2,3,4 jelöléssel szerepel.

Befejezés Mint az előző oldalakon láthattuk, a közismert és mindenki által használt optikai meghajtók, mint a CD, DVD meghajtók korántsem egyszerű működésűek. Az technológia pontos ismerete viszont mindenképp fontos egy hardware mérnök számra, mert ezek nélkül nincs pontos képe az eszközök valós képességeiről és az alkalmazási lehetőségekről, így nem tudja 100%-ban kihasználni a rendelkezésre álló erőforrásokat..

VÉGE