ΗΜΥ Φωτονική. ιάλεξη 13 Παράδειγµα οπτικής που χρησιµοποιείται για ευρεία κατανάλωση:ο ψηφιακός δίσκος

Transcript

1 1 ΗΜΥ Φωτονική 2 Πριν ανακαλυφθεί ο ψηφιακός δίσκος υπήρχαν οι δίσκοι από βινύλιο.. ιάλεξη 13 Παράδειγµα οπτικής που χρησιµοποιείται για ευρεία κατανάλωση:ο ψηφιακός δίσκος Ο ήχος καταγράφεται µε τη µορφή µιας αυλάκωσης τύπου σπιράλ, που ξεκινά συνήθως στην άκρη του δίσκου και πηγαίνει προς το κέντρο Η αυλάκωση διαµορφώνεται συνεχόµενα καθώς γίνεται η εγγραφή( αναλογικό σύστηµα) Για την αναπαραγωγή χρησιµοποιείτε µια βελόνα. 3 Έλεγχος βελόνας (stylus) 4

2 5 Ο ψηφιακός δίσκος (CD) εισήλθε στην αγορά στις αρχές της δεκαετίας του 1980, και σύντοµα ξεπέρασε το ρεκόρ του βινυλίου σε πωλήσεις. Όπως και στο βινύλιου, η εγγραφή γίνεται υπό την µορφή σπιραλ. Όµως.. Το CD είναι µια ψηφιακή µορφή, η οποία επιτρέπει τη διόρθωση σφαλµάτων. Τα δεδοµένα καταγράφονται χρησιµοποιώντας κοιλώµατα στην επιφάνεια του δίσκου. είναι συµπαγές (δηλαδή µικρότερο από ένα LP βινυλίου) Η συσκευή αναπαραγωγής CD δεν έχει καµία φυσική επαφή µε το δίσκο. copyright Sony 6 Η Ένατη Συµφωνία του Μπετόβεν έχει µεγαλύτερη σηµασία από την τεχνολογία Το CD κατασκευάστηκε από την Philips και την Sony. ηµιούργησαν από κοινού ένα πρότυπο που είναι γνωστό ως το «Κόκκινο Βιβλίο». Αρχικά, οι µηχανικοί της Philips στήριξαν τους υπολογισµούς τους για ένα χρόνο αναπαραγωγής µία ώρα, αλλά ήταν ο αντιπρόεδρος της Sony Norio Ohga ο οποίος επέµεινε στο ότι ο δίσκος είναι σε θέση να αποθηκεύσει την Ενάτη Συµφωνία του Μπετόβεν, που οδηγεί σε ένα χρόνο εγγραφής 74 λεπτών. 7 Ωστόσο, το πρώτο άλµπουµ CD κυκλοφόρησε ήταν µόλις 38 λεπτά ( Οι Επισκέπτες, των ABBA, 1983) 8 Ένας ηχητικός ψηφιακός δίσκος καταγράφει: δείγµατα ανά δευτερόλεπτο χρησιµοποιώντας 16 bit κβαντοποίηση, για αριστερά και δεξιά στερεοφωνικά κανάλια και διαβάζεται χρησιµοποιώντας φως από λέιζερ µε µήκος κύµατος 780 nm. Συνολική αποθήκευση = 44, = bits 784 MB copyright Polar Music Benny Anni-Frid Agnetha Björn Αν υποθέσουµε τα τραγούδια σε ένα CD διαχωρίζονται από 2 µήκη κύµατος, και κάθε αυλάκωση έχει µήκος ένα µήκος κύµατος, τότε η ακτίνα του δίσκου βρίσκεται από: π r = λ r= ( π Ακτίνα = 4.9 cm (δεν περιλαµβάνει την τρύπα στο κέντρο του δίσκου!) 9 ) 2 copyright Encyclopaedia Brittanica

3 9 10 Στην πραγµατικότητα, ένα CD έχει διάµετρο 12 cm. Το πάχος του είναι 1.2 mm, έχει µια τρύπα κέντρο που είναι 1,5 cm σε διάµετρο, και περιστρέφεται µε σταθερή γραµµική ταχύτητα (1,25 ms-1) όταν χρησιµοποιείται για εφαρµογές ήχου. Η εναλλακτική ιστορία είναι ότι η διεύθυνση της Philips ήθελε κάτι που δεν θα ήταν πολύ µεγαλύτερο από ό, τι µια κασέτα Υπάρχει µόνο ένα κοµµάτι στο δίσκου, και όλα τα δεδοµένα αποθηκεύονται σε ένα σπιράλ από περίπου 2 δισεκατοµµύρια µικρές αυλακώσεις στην επιφάνεια. Υπάρχουν περίπου περιελίξεις σε CD - όλα µέρος του ίδιου κοµµατιού, το οποίο είναι περίπου µήκους 5 χιλιοµέτρων km 11.5 cm Υπάρχει µια πυκνότητα αποθήκευσης 1 Mb/mm2 11 Ενας ψηφιακός δίσκος σε λεπτοµέρεια Τα κοµµάτια είναι τόσο κοντά που το CD παρουσιάζει περίθλαση 12

4 mm Εκτός κλίµακας ιατοµή ενός µέρους του CD Land 125 nm Pit Ετικέτα Προστατευτικό στρώµα (Acrylic) Ανακλαστική επικάλυψη (Aluminium) Υπόστρωµα (Πλαστικό) Η δέσµη λέιζερ ακολουθεί την τροχιά των αυλακώσεων, και κάθε φορά που υπάρχει µια αλλαγή στο ύψος (δηλαδή µια µετάβαση),αλλάζει η ένταση του φωτός που ανακλάται πίσω. Η ένταση πέφτει κάθε φορά που η δέσµη ακτίνων λέιζερ χτυπά σε µια αυλάκωση. Σηµείωση: Το CD διαβάζεται από "κάτω", εποµένως κάθε αυλάκωση στο υπόστρωµα στην πραγµατικότητα φαίνεται σαν ένα ύψωµα στην ακτίνα λέιζερ. Κοµµάτι από αυλακώσεις (όπως φαίνεται από πάνω) Η ανακλαστική επικάλυψη είναι 50 nm έως 100 nm σε πάχος, ενώ το προστατευτικό στρώµα είναι µεταξύ 10 µm και 30 µm πάχους. Οι αυλακώσεις είναι πιο κοντά στην πλευρά της ετικέτας, έτσι ώστε είναι πιο εύκολο να καταστραφεί το CD από το ξύσιµο στην πλευρά της ετικέτας και όχι στο κάτω µέρος! Κάθε αυλάκωση έχει εύρος 0.5 µm,και το µήκος της κυµαίνεται µεταξύ 0.83 µm και 3.56 µm. Κάθε κοµµάτι χωρίζεται από το επόµενο από 1,6 µm (αυτό ονοµάζεται το χώρος σπιράλ, spiral pitch).η ενδιάµεση περιοχή ονοµάζετε γείωση (land). Κάθε µετάβαση (µεταξύ αυλάκωσης και γείωσης) αντιπροσωπεύετε από δυαδικό «1» Παράδειγµα ενός τµήµατος του κοµµατιού, και η αντίστοιχη ακολουθία δυαδικών ψηφίων

5 17 Μέσα σε µια συσκευή αναπαραγωγής CD 18 Θα επικεντρωθούµε στην οπτική διάταξη Αν και µια συσκευή αναπαραγωγής CD είναι φθηνή, αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγµα της µηχανικής ακρίβειας, που συνδυάζει µηχανική, οπτική, οπτοηλεκτρονική, ηλεκτρονικά, έλεγχο και επεξεργασία σήµατος. Αυτή συχνά αποκαλείται η οπτική ανάγνωση (optical pickup) ή ανάγνωση λέιζερ (laser pickup). Η φράση οπτικό τραίνο (optical train) χρησιµοποιείται επίσης. Η όλη µονάδα είναι µικρή (εδώ φαίνεται δίπλα σε µια επαγγελµατική κάρτα). Photodetector Laser Βασικά στοιχεία οπτικής ανάγνωσης 19 Οπτική του CD : Περίθλαση 20

6 21 22 Το πλέγµα περίθλασης: Οπτική του CD : Επιβραδυντής φάσης λ/4 (quarter wave plate) Εάν γραµµικά πολωµένο φως προσπίπτει σε µια πλάκα επιβραδυντή φάσης λ/4 σε 45 ως προς τον οπτικό άξονα, τότε το φως χωρίζεται σε δύο ίσες ηλεκτρικές συνιστώσες πεδίου. Ένα από αυτά επιβραδύνεται κατά ένα τέταρτο του µήκους κύµατος από την πλάκα. Αυτό παράγει κυκλικά πολωµένο φως. Προσπίπτον κυκλικά πολωµένο φως θα µετατραπεί σε γραµµικά πολωµένο φως Οπτική του CD : ιπλοθλαστικότητα Πρίσµα Glan-Thompson Πρίσµα Nicol Μη πολωµένο φως µπαίνει στο ένα άκρο του κρυστάλλου και χωρίζεται σε δύο πολωµένες ακτίνες λόγω διπλοθλαστικότητας Πρίσµα Wallaston Μία από αυτές τις ακτίνες (η συνήθης,ordinary ή o-ray) συναντά ένα δείκτη διάθλασης n o = και στο στρώµα balsam (δείκτης διάθλασης n = 1.55) υπόκειται σε ολική εσωτερική ανάκλαση στη διεπιφάνεια, και αντανακλάται προς την πλευρά του πρίσµατος. Η άλλη ακτίνα (η έκτακτη, extraordinary ή e-ray) συναντά χαµηλότερο δείκτη διάθλασης (ne = 1.486), δεν ανακλάται στη διεπαφή, και φεύγει µέσα από το δεύτερο µισό του πρίσµατος, σαν επίπεδα πολωµένο φως.

7 25 Πιο λεπτοµερής όψη: Οπτική του CD : Πόλωση από διαχωριστή δέσµης (beam splitter) και QWP Κοντινό πλάνο της µονάδας λέιζερ. Αυτό είναι ένα κοντινό πλάνο του φακού ανάγνωσης. Παρατηρήστε ότι βρίσκεται σε ένα µικρό µοτέρ που ελέγχει τον προσανατολισµό του. Εδώ το κάλυµµα της διάταξης του φακού αφαιρείται ώστε να µπορείτε να πάρετε µια πιο προσεκτική µατιά στο µοτέρ που τον ελέγχει. PC Doctor Αυτή η εικόνα δείχνει δύο πρίσµατα: ένα κοµµάτι από γυαλί που µοιάζει ροζ (γιατί υπάρχει επικάλυψη) και κάτω από αυτό ένα πιο συνηθισµένο πρίσµα. Αυτά τα πρίσµατα λαµβάνουν το φως του λέιζερ και το περνούν στο φακό και επίσης οδηγούν το φως του λέιζερ που ανακλάται πίσω από τον δίσκο στον ανιχνευτή, τον οποίο µπορείτε να δείτε εδώ στην κορυφή-µέση της εικόνας.

8 29 30 Η συστοιχεία φωτοδιόδων Ανιχνευτής Quadrant : χρησιµοποιείται για την αυτόµατη εστίαση, καθώς και για ανίχνευση δεδοµένων ιαβάζοντας τον δίσκο µm Εξωτερικοί ανιχνευτές χρησιµοποιούνται για την παραγωγή παρακολούθησης σφάλµατος σήµατος. Ο δείκτης διάθλασης του πλαστικού υποστρώµατος είναι 1,55. Προσπίπτον φως Λέιζερ στην επιφάνεια του CD θα διαθλάται, και το αρχικό σηµείο πρόσπτωσης περίπου 800 µm (που εισέρχονται στο πλαστικό) θα εστιαστεί σε περίπου 1,7µm (στην επιφάνεια του µετάλλου). 31 Με την εστίαση του φωτός µέσα από το πλαστικό υπόστρωµα, ο αντίκτυπος από τις γρατζουνιές και τη σκόνη στην επιφάνεια ελαχιστοποιείται: 32 Η ακτίνα λέιζερ εντοπισµού βλέπει τις αυλακώσεις σαν υψηλές περιοχές που είναι περίπου το ένα τέταρτο του µήκους κύµατος του λέιζερ σε ύψος. Label side 1.2 mm µm λ 780 nm = = 125 nm 4n Hair 50 µm diameter Scratch Όταν η δέσµη λέιζερ είναι πάνω από τη γείωση, το φως ανακλάται πίσω προς τη µονάδα ανάγνωσης, και η ανιχνευόµενη ένταση είναι σχετικά µεγάλη. Αλλά όταν πηγαίνει σε µια αυλάκωση, µέρος του φωτός ανακλάται από την αυλάκωση, µέρος του από τη γείωση. Επειδή αυτά τα δύο έχουν µια διαφορά διαδροµής της τάξης του µισού µήκους κύµατος, είναι εκτός φάσης, και υπάρχει µια µείωση στην ένταση. 0.8 mm

9 33 Η απόσταση µεταξύ των αυλακώσεων έχει επιλεγεί προσεκτικά. Μπορούµε να δείξουµε ότι η εικόνα µιας δέσµης που περνά µέσα από ένα στρογγυλό άνοιγµα σχηµατίζει ένα χαρακτηριστικό σχέδιο που ονοµάζεται δίσκος Airy. Έτσι, η δέσµη λέιζερ (που είναι κυκλική) που χτυπά στο CD θα έχει αυτό το µοτίβο. 34 Παρά το γεγονός ότι τα µαθηµατικά είναι διαφορετικό, µπορούµε να εκτιµήσουµε το σχηµατισµό του προτύπου Airy, εξετάζοντας την απλούστερη περίπτωση της περίθλασης από µια σχισµή: Το FWHM (full-width half-maximum) του κέντρου του δίσκου Airy είναι ένα σηµείο εύρους περίπου 1.7 µm και πέφτει προσεκτικά πάνω στην γραµµή των αυλακώσεων Τα µηδενικά στο πρότυπο Airy δηµιουργούνται προσεκτικά έτσι ώστε να πέφτουν σε γειτονικές διαδροµές από αυλακώσεις. Αυτό ελαχιστοποιεί τις αλληλοπαρεµβολές από γειτονικές αυλακώσεις. 1. Λειτουργία της οπτικής ανάγνωσης (optical pickup) Ως εκ τούτου χρησιµοποιείτε διαχωρισµός των κοµµατιών κατά 1.6 µm Το φως (780 nm) εκπέµπεται από τη δίοδο λέιζερ και εισέρχεται σε ένα πλέγµα περίθλασης (diffraction grating) Το πλέγµα µετατρέπει το φως σε µια κεντρική κορυφή και σε παράπλευρους λοβούς κορυφές Η κυρίος κεντρική κορυφή και οι παράπλευρες κορυφές είναι σηµαντικές για τον µηχανισµό αναγνώρισης(tracking mechanism).

10 Οι τρεις δέσµες τώρα περνούν µέσα από ένα πολωτικό διαχωριστή δέσµης. (polarizing beam splitter.) Αυτό µεταδίδει την πόλωση που είναι µόνο παράλληλη προς την σελίδα Το φως που συνεχίζει (παράλληλη πόλωση) στη συνέχεια συγκεντρώνεται, και περνά µέσα από µία πλάκα λ/4. Αυτό µετατρέπει το φως σε κυκλική πόλωση. Το κυκλικά πολωµένο φως συγκεντρώνεται στη συνέχεια πάνω στο δίσκο Αν το φως χτυπήσει σε γείωση(land) ανακλάται πίσω στο αντικειµενικό φακό. Αν το φως χτυπήσει σε αυλάκωση (pit) δενανακλάται Το φως που ανακλάται από το CD διέρχεται µέσω της πλάκας λ/4. Αυτή τη φορά, το φως κινείται σε προς τα πίσω κατεύθυνση, µέσω της QWP, έτσι ώστε το κυκλικά πολωµένο φως θα µετατραπεί σε κάθετη (κατακόρυφη) πόλωση. Όταν η κάθετα πολωµένο φως χτυπά στο διαχωριστή δέσµης, ανακλάται Το φως στη συνέχεια περνά µέσω ενός ζεύγους φακών πριν χτυπήσει τη συστοιχία φωτοανιχνευτή (photodetector array) Αυτό το σύνολο των φακών είναι σηµαντικό για την αυτόµατη εστίαση του συστήµατος.

11 41 42 Ο µηχανισµός αυτοεστίασης Κυκλικός κοίλος φακός Κυλινδρικός φακός Ο συνδυασµός ενός συµµετρικού φακού και ενός κυλινδρικού φακού παράγει µια κυκλική δέσµη µόνο σε µία συγκεκριµένη απόσταση πέρα από το κυλινδρικό φακό. Το φως στη συνέχεια προσπίπτει επί ενός φωτοανιχνευτή (quadrant photodetector): Three beam tracking Όταν η ακτίνα λέιζερ περνά από το πλέγµα περίθλασης, διασπάται σε µια κύρια δέσµη και σε δυο παράπλευρες δέσµες. Οι τρεις δέσµες χρησιµοποιούνται για την παρακολούθηση. 20 µm Εδώ η δέσµη είναι εκτός θέσης.η δεξιά δέσµη είναι κυρίως πάνω σε γείωση έτσι το ανιχνευόµενο σήµα είναι µεγαλύτερο Εδώ η δέσµη είναι σε σωστή θέση. Κατά µέσο όρο ο αριστερός και δεξιός ανιχνευτής λαµβάνουν το ίδιο ποσό ακτινοβολίας