Доповідь на захисті дипломного проекту Бехтір О.В.
(2000 рік)
Шановні члени державної екзаменаційної комісії та всі присутні в цій залі! Вашій увазі пропонується дипломний проект на тему: «Оптичний тракт головки запису-зчитування інформації».
У теперішній час у пристроях запису, накопичення, збереження та зчитування інформації щільність запису сягає 108 біт/см2, а в найближчий час планується досягти в пристроях військового призначення такого типу щільності запису на порядок більше. Це потребує розробки нової елементної бази, і саме тому роботи по вирішенню даної проблеми проводяться майже у всіх промислово розвинутих країнах світу. Останнім часом найбільший розвиток отримали дискові системи з цифровим оптичним записом.
У мережі Інтернет представлено більше 30 фірм, які виготовляють оптичні дискові системи. Серед них такі провідні як Optotex, Ricoh, Sony, Philips, Laser Drive тощо.
На сьогодні на ринку поширеними є такі системи, як Compact Disk та Laser Vision. У цих системах носієм виступає диск з полікарбонату. Схемні рішення є комерційною таємницею кожної фірми і, звичайно, в літературі не наведені.
У даному дипломному проекті розроблено оптичний тракт накопичувача типу WORM, що забезпечує одноразовий запис та багаторазове зчитування інформації. Нестираємість даних, що спочатку вважалась негативною особливістю, тепер розглядається як позитивна, тому що в таких галузях як фінансова та юридична діяльність, військова справа, медицина та деяких інших, стирання інформації є неприпустимою операцією. Але в пристроях спеціального, в тому числі й військового призначення неприпустиме і застосування диску з полікарбонату, оскільки при певній температурі він може розплавитись, а значить інформація знищиться. Тому в даному дипломному проекті в якості носія інформації розглядався диск зі скла К8 з нанесеним фоточутливим шаром на базі окису металів.
Будь-яка оптична дискова система складається з оптичного, механічного та електронного вузлів. За допомогою оптичного тракту здійснюється запис та зчитування інформації, виробляються сигнали автофокусу та автотрекінгу. Послідуюча обробка сигналів забезпечується електронною системою. Механічні вузли дозволяють виконувати необхідні переміщення.
У даній роботі керівником від КП «ЦКБ «Арсенал» мені було запропоновано розробити оптичний тракт головки запису-зчитування інформації, обравши прототипом головку накопичувача фірми «Ricoh». Але оскільки схемне рішення цієї системи було відоме лише частково, то при її відтворенні виникли певні труднощі, і саме тому деякі елементи та вузли було сконструйовано на основі проведених патентних досліджень та загальних рекомендацій, наведених у літературі. В результаті була отримана система, яка має низку переваг порівняно з іншими схемами як по вимогам до оптичних елементів та конструктивного вирішення, так і по схемо технічних рішеннях авто фокусування та автотрекінгу.
Розроблений тракт запису та зчитування інформації з оптичного диска (функціональна схема) структурно включає в себе напівпровідниковий лазер (1), випромінювання якого проходить крізь колімуючий мікрооб’єктив (2) і потрапляє під заданим кутом на вхідну грань призми (3), де відбувається перетворення еліптичного перерізу пучка в круглий. На вхідній грані ромб-призми (4), нанесено поляризаційне покриття, яке пропускає близько 97% Р-складової, при цьому решта складових відфільтровується. Потім випромінювання проходить крізь чверть хвильову пластинку (5) та фокусується мікрооб’єктивом (6) на поверхні диску (7), який обертається навколо осі ОО1.
При зчитуванні інформації з диску лазерний промінь потрапляє або на ленд (виступ), або на піт (заглиблення). У першому випадку промінь буде відбитий і потрапить на фотоприймач, а в другому він буде розсіяний. Зміна інтенсивності на фотоприймачеві сприймається як «1», а збереження її рівня – як «0».
Відбите від диска випромінювання ще раз проходить крізь чверть хвильову пластинку і вже має S-складову, тобто отримуємо випромінювання з площиною поляризації перпендикулярною до початкової. Таке випромінювання вже не може знову потрапити в резонатор лазера. Таким чином виключається зворотний оптичний зв’язок.
За допомогою призм (4) та (8) утворюються два канали: інформаційний і канал формування сигналів авто фокусування та автотрекінгу.
Інформаційний канал складається з системи формування інформаційного сигналу (9) та блоку електронної обробки інформаційного сигналу (10). Як фотоприймач використовується звичайний одноелементний фотодетектор із частотою порядку 10 МГц.
Система авто фокусування побудована на явищі повного внутрішнього відбиття. Тобто коли диск знаходиться в фокусі мікрооб’єктива, на призму потрапляє паралельний пучок променів. Усі ці промені зазнають повного внутрішнього відбиття, а значить ділянки (АС) та (ВD) квадрантного фотоприймача засвічені однаково, тобто на виході суматорів (∑1) і (∑2) сигнали однакові та сигнал автофокусу дорівню «0». Якщо ж диск знаходиться не в фокусі, на призму потрапляє збіжний або розбіжний пучок променів, лише частина якого зазнає повного внутрішнього відбиття, а тому ділянки квадрантного фотоприймача (АС) та (ВD) будуть по-різному засвічені, тобто сигнал на виході суматора (∑1) не буде дорівнювати сигналу на виході суматора (∑2).
Керуючий сигнал автотрекінгу формується в результаті інтерференції нульового та перших дифракційних порядків, в областях їхнього взаємного перекриття. Тобто, коли промінь йде послідовно вздовж однієї доріжки, то ділянки (АВ) та (СD) будуть засвічені однаково, а на виході суматорів (∑3) та (∑4) матимемо однакові сигнали. Значить сигнал автотрекінгу буде дорівнювати «0». Коли відбувається взаємне зміщення фокусуючого мікрооб’єктиву та диску, ділянки (АВ) та (СD) будуть засвічені по-різному, тобто сигнал на виході суматора (∑3) не буде дорівнювати сигналу на виході суматора (∑4).
Квадрантний фотодетектор має частоту порядку 100 Гц. Сигнали автофокусу та автотрекінгу виробляються електронною системою та надходять у блок 12, який здійснює необхідні переміщення.
Попередні розрахунки оптичної системи були здійснені за допомогою програми «Луч», розробленої в НТУУ «КПІ» на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів, під керівництвом доцента, кандидата технічних наук Чижа І.Г.
Оптична система складається з таких основних вузлів:
- колімуючий об’єктив;
- призмовий блок;
- фокусуючий мікрооб’єктив.
Як показано в енергетичному розрахунку пропускання оптичної системи від лазера до диска складає 86%, а пропускання всього інформаційного каналу – 26%.
В якості джерела випромінювання використано напівпровідниковий лазер, розроблений по ТЗ КП «ЦКБ «Арсенал», прототипом якого є лазер типу F фірми «Sharp». Цей лазер дає Р-поляризоване випромінювання і працює на довжині хвилі l=825 нм. Потужність лазера в імпульсному режимі 50 мВт, а в неперервному 30 мВт.
Розрахунок аберацій каналу запису здійснено за допомогою програми OPAL. При цьому мають місце такі допущення:
- призми представлені плоско-паралельними пластинками;
- система центрована;
- розрахунок проведено для звичайного джерела випромінювання.
Розрахунок з такими допущеннями є коректним, оскільки:
- як показали розрахунки, перетяжка знаходиться перед колімуючим мікрооб’єктивом, на виході якого маємо пучок променів з найбільшою розбіжністю 0,1560, а мікрооб’єктиви розраховані для кутів 0,460;
- призма (ПО42.020001.000) перетворює еліптичний пучок у круглий, а тому, решту призм можна вважати плоско-паралельною пластинкою певної товщини, оскільки вони виготовлені з одного скла, і здійснювати розрахунок оптичного тракту головки запису-зчитування інформації як звичайної центрованої оптичної системи.
Оцінка якості всієї оптичної системи здійснювалась з середньоквадратичним відхиленням (СКВ) хвильової аберації по полю, яке, згідно з ISO 9171, не повинне перевищувати 0,1l, тобто в даному випадку 0,0825.
Розрахована система має СКВ з врахуванням усіх аберацій 0,0737, тобто ця система забезпечує необхідну якість зображення. Діаметр кружка розсіювання визначається дифракцією і складає 0,46 мкм.
Оскільки дипломне проектування проводилось в рамках НДР «Розробка нових типів інтегральної та голограмної оптики для систем оптичного запису та зчитування надвеликих масивів інформації та лазерної апаратури», то головною метою проекту було створення конкурентоздатного мікрооб’єктива.
Виходячи з вимог міжнародного стандарту ISO 9171 за допомогою програми «Расчёт радиусов оптической системы из условия минимума сферической аберрации», розробленою КП «ЦКБ «Арсенал», було синтезовано колімуючий об’єктив. Наступна оптимізація якого була здійснена програмою OPAL. Було розроблено конструкцію колімую чого об’єктива та вузла освітлювача.
У дипломному проекті також було розраховано параметри лазерного пучка після колімую чого об’єктива: еквівалентний конфокальний параметр, діаметр та положення перетяжки, розбіжність лазерного променя в площинах Ох та Оу, на основі чого було визначено взаємне розташування призми і колімуючого об’єктива, а також конструктивні параметри призового блоку.
У дипломному проекті також були розглянуті існуючі фокусуючи мікрооб’єктиви, конструктивні параметри яких взято з каталогу КП «ЦКБ «Арсенал», та розроблені їхні конструкції. На основі оптичних, технологічних та економічних показників було обрано кращий. Відповідні розрахунки оптичних характеристик були проведені також за допомогою програми OPAL.
Просвітлюючі, світлоподілюючі та поляризаційні покриття розраховані та підібрані за допомогою програми «Конструирование и расчёт интерференционных покрытий», розробленою КП «ЦКБ «Арсенал».
Новизна та практична цінність даного дипломного проекту полягає у розрахунках та конструюванні кіноформного елементу, оскільки у сучасному приладобудуванні дедалі більше застосування знаходять дифракційні лінзи. Це зумовлено тим, що звичайна сферична лінза вносить певні аберації, для компенсації яких необхідно або використовувати блок із кількох лінз, або виготовляти лінзу з асферичними поверхнями. У першому випадку ускладнюється конструкція системи та збільшуються її габарити і вага, а в другому випадку виникають певні технологічні труднощі.
Основною перевагою дифракційних лінз перед звичайними рефракційними є така їхня особливість, що простою зміною розмірів кілець можна керувати формою хвильового фронту, що створюється після проходження кіноформу. Але дифракційні лінзи також не позбавлені недоліків, і саме тому оптимальним варіантом є рефракційно-дифракційні системи.
У даному дипломному проекті розрахунок кіноформного елементу здійснювався за програмою «Расчёт рефракционно-дифракционного объектива», розроленою КП «ЦКБ «Арсенал» і його результати лягли в основу розробки конструкції, представленої на кресленні (ПО42.000000.100). Виготовлення кіноформу буде здійснюватися методом низько енергетичної електронно-променевої обробки, який розроблено в Черкаському інженерно-технологічному інституті на кафедрі високоефективних технологій.
У конструкторській частині дипломного проекту наведено габаритний та енергетичний розрахунки, а також абераційний аналіз, які показують, що розроблений оптичний тракт головки запису-зчитування інформації відповідає вимогам технічного завдання та стандарту ISO 9171. Розробка мала практичну направленість, оскільки найближчим часом планується освоїти виготовлення конкурентоздатних вітчизняних мікрооб’єктивів із врахуванням технологічних можливостей оптичного виробництва заводу «Арсенал».
У технологічній частині проведено аналіз рівня технологічності та розрахунок точності зборки обраного фокусуючого мікрооб’єктиву, розроблено схему збирального складу та технологічну схему складання; розроблений також технологічний процес виготовлення плоско-випуклої лінзи.
В економічній частині розраховано кошторис витрат на проектування та розробку конструкторської документації вузла освітлювача, а також розраховані показники якості фокусуючи мікрооб’єктивів.
У розділі «Охорона праці та навколишнього середовища» розглянуті питання пожежної безпеки та безпеки при роботі з лазером і доведено, що при виконанні відповідних інструкцій та правил, виготовлення оптичних головок запису-зчитування інформації є безпечним для здоров’я і не шкодить навколишньому середовищу.
На закінчення висловлюю подяку керівнику проекту доценту, кандидату технічних наук Міхеєнко Л.А., а також викладачам кафедри оптичних та оптично-електронних приладів та спеціалістам КП «ЦКБ «Арсенал» за консультації, які були надані в процесі виконання дипломного проекту.
Доповідь завершено. Дякую за увагу.
| 
