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研究生: 林信宏
Hsin-Hong Lin
論文名稱: 利用微機電可變曲率反射薄膜作微小化光學讀寫頭之光學分析
Optical Design and Analysis of the Miniaturized Pickup Head by Employing a MEMS Deformable Reflective Film for High-Density Optical Storage
指導教授: 許 志 木英
Ian C. Hsu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年: 2000
畢業學年度: 88
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 光碟機系統光學讀寫頭聚焦伺服光追跡波面像差點擴展函數
外文關鍵詞: Optcial Storage, Optical Pick Up Head, Focus Servo, Ray Tracing, Wavefront Aberration, Point Spread Function
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  • 我們希望利用微機電製程技術來作光學讀寫頭的微小化,並設計一種可變曲率的反射薄膜來達到讀寫頭高頻寬伺服的功能。我們假設微機電可變曲率反射薄膜能以頂點變形來形成一完美的球面反射鏡,則鏡面曲率的快速變化將可導致系統聚焦光點位置的即時改變,形成一種高頻的聚焦伺服。
    本論文初步研究了三種光路設計:A法為以反射薄膜取代轉折平面鏡,光束為偏軸入射;B法為光路中加入平行板分光鏡使光束形成正軸入射;C法為加入立方體分光鏡使光束形成正軸入射。此三種設計分別以一階光追跡方程式推導其薄膜變形量與系統聚焦光點位置變化之關係,並利用光學模擬軟體作實際規格的聚焦光點品質分析。

    最後我們得到三種光路所產生的聚焦光點位置改變量皆可利用來作碟片基板厚度變異的聚焦伺服。而聚焦光點品質除以反射薄膜取代轉折平面鏡法(A法)較差外,在光路中加入分光鏡的設計(B法、C法),光點品質均可達到繞射極限。


    The accomplishments of this dissertation is designing and implementing a miniaturized optical pickup head that is capable for mass production by employing MEMS technology. The preliminary element designed in the pickup head system is a MEMS deformable reflective film providing a high-frequency servo in the optical storage system. The reflective film performs a perfect spherical mirror at different curvature by deforming its vertex. Hence, the different radius of curvature of the reflective mirror induces a quick change of the focal position of the optical pickup head, and serves as a focusing servo system. By controlling the deformable parameters, the servo system affords high frequency response that is capable for high speed optical storage..
    We work out three designs of optical system: (A) replacing the folder mirror by the deformable film; (B) inserting a plate beam splitter into the optical path; (C) inserting a cube beam splitter into the optical path. The three designs were simulated for pickup head of optical storage system. Utilizing the ray tracing methods based on geometric optics retrieves the variations of the focal position corresponding to the displacements of film’s vertex. Next, the optical software-ZEMAX- simulates the profiles of the focal spot of the designed optical systems, and exam the diffraction-limited property of the focal spot.

    In conclusion, the changes of focal position of the three designs are adequate for a focus servo of the variations of the disk substrate. The quality of focal spot is appropriate for the pickup head system in the design (B). and (C). However, the focal spot cannot perform the diffraction-limited quality in the design (A).

    目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 X 第一章、緒論 1 1-1 背景 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究動機與目的 4 1-4 研究方向 6 第二章、原理 8 2-1 光碟機系統簡介 8 2-2 光學讀寫頭簡介 9 2-2.1 光學設計要點 9 A. 聚焦光點 9 B. CD-ROM光碟片 11 C. 波面像差 12 2-2.2 伺服誤差訊號與記錄訊號讀取 14 A. 伺服誤差訊號 14 B. 記錄訊號讀取 15 2-2.3 讀寫頭光學系統的演進 15 2-2.4 CD與DVD之比較 19 2-3 光學傳遞矩陣追跡法 22 2-3.1 球面透鏡之系統矩陣 22 2-3.2 球面反射鏡之系統矩陣 27 2-4 光點品質之評價方法 28 2-4.1 像差影響之點擴展函數 29 2-4.2 無像差影響之點擴展函數 30 2-4.3 石粹比值 31 第三章、模擬與分析 36 3-1 光追跡分析 36 3-1.1 反射薄膜取代轉折平面鏡(簡稱A法)之光追跡分析 39 3-1.2 利用平行板分光鏡改變薄膜位置使得光路形成正軸 入射(簡稱B法)之光追跡分析 44 3-1.3 利用立方體分光鏡改變薄膜位置使得光路形成正軸 入射(簡稱C法)之光追跡分析 50 3-2 光追跡之數值結果 54 3-3 光學軟體模擬之數值結果 65 3-3.1 NA=0.45,CD光學讀寫頭用之透鏡組 66 3-3.2 A法之光學軟體模擬 70 3-3.3 B法之光學軟體模擬 76 3-3.4 C法之光學軟體模擬 82 3-3.5 光學軟體模擬結果之討論 88 第四章、結論 89 參考文獻 92 附錄、不同薄膜直徑大小與頂點變形量所產生的薄膜曲率半徑 與系統聚焦位置的變化量 95 圖目錄 圖1.1 利用微機械反射薄膜作光學讀寫頭之構想示意圖 7 圖1.2 微機械反射薄膜結構圖 7 圖2.1 光碟機系統圖示 8 圖2.2 物鏡NA值示意圖 10 圖2.3 聚焦深度 10 圖2.4 CD-ROM 光碟片結構規格 11 圖2.5 繞射極限的光點(Airy pattern)能量分佈圖 12 圖2.6 出光瞳之實際波面與參考球面示意圖 13 圖2.7 光碟機RF訊號 15 圖2.8 第一階段發展之光學讀寫頭 16 圖2.9 第二階段發展之光學讀寫頭 17 圖2.10 第三階段發展之光學讀寫頭 17 圖2.11 現階段光學讀寫頭 18 圖2.12 (a) SHARP公司與(b) SONY公司光學讀寫頭 18 圖2.13 DVD光學讀寫頭之概念圖,(a)松下電器(b)三洋電機 21 圖2.14 簡單透鏡之矩陣追跡法分析圖 24 圖2.15 球面反射鏡之矩陣追跡法分析圖 27 圖2.16 出光瞳之實際波面和參考球面示意圖 30 圖2.17 光學系統之點光源成像示意圖 30 圖2.18 艾瑞圖形(Airy pattern) 的光照度分佈(I)與能量圈曲線(P) 32 圖3.1 (a)反射薄膜取代轉折平面鏡,光路形成偏軸入射; (b)光路中加入平行板分光鏡改變薄膜位置,光路形 正軸入射; (c)光路中加入立方體分光鏡改變薄膜位置,光路形 正軸入射 37 圖3.2 A法之光追跡圖,(以反射薄膜取代原先讀寫頭中 轉折平面鏡的位置) 38 圖3.3 B法之光追跡圖(利用平行板分光鏡改變薄膜位置) 46 圖3.4 光線經由傾斜的平行板分光鏡折射後之偏移軌跡圖 47 圖3.5 C法之光追跡圖(利用立方體分光鏡改變薄膜位置) 51 圖3.6 薄膜變形量與薄膜曲率變化的關係圖 ( 為4 ~ 8 ,薄膜直徑大小8 ) 55 圖3.7 以t=1與t= -1 ,NA=0.45追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 56 圖3.8 以t=1與t= -1 ,NA=0.45追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 56 圖3.9 以t=0.5與t= - 0.5 ,NA=0.45追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 56 圖3.10 以t= 0.5與t= - 0.5 ,NA=0.45追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 56 圖3.11 以t=1與t= -1 ,NA=0.6追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 57 圖3.12 以t=1與t= -1 ,NA=0.6追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 57 圖3.13 以t=0.5與t= -0.5 ,NA=0.6追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係。 57 圖3.14 以t=0.5與t= -0.5 ,NA=0.6追跡A法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 57 圖3.15 以t=1與t= -1 ,NA=0.45追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 58 圖3.16 以t=1與t= -1 ,NA=0.45追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 58 圖3.17 以t= 0.5與t= - 0.5 ,NA=0.45追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 58 圖3.18 以t= 0.5與t= - 0.5 ,NA=0.45追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 58 圖3.19 以t=1與t= -1 ,NA=0.6追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 59 圖3.20 以t=1與t= -1 ,NA=0.6追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 59 圖3.21 以t=0.5與t= -0.5 ,NA=0.6追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 59 圖3.22 以t=0.5與t= -0.5 ,NA=0.6追跡B法得出 薄膜變形量與光線交軸位置差異之關係 59 圖3.23 以t = 1與t= -1 ,NA=0.45追跡C法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 60 圖3.24 以t = 0.5與t= -0.5 ,NA=0.45追跡C法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 60 圖3.25 以t = 1與t= -1 ,NA=0.6追跡C法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 60 圖3.26 以t = 0.5與t= - 0.5 ,NA=0.6追跡C法得出 薄膜變形量與光線交軸位置的關係 60 圖3.27 NA=0.45透鏡組之結構圖 68 圖3.28 NA=0.45透鏡組之光點圖 68 圖3.29 NA=0.45透鏡組之PSF圖 69 圖3.30 NA=0.45透鏡組之Encircled Energy圖 69 圖3.31 A法, 之系統結構圖 71 圖3.32 A法, 之光點圖 71 圖3.33 A法, 之PSF圖 72 圖3.34 A法, 之Encircle Energy圖 72 圖3.35 A法, 之系統結構圖 74 圖3.36 A法, 之光點圖 74 圖3.37 A法, 之PSF圖 75 圖3.38 A法, 之Encircle Energy圖 75 圖3.39 B法, 之系統結構圖 77 圖3.40 B法, 之光點圖 77 圖3.41 B法, 之PSF圖 78 圖3.42 B法, 之Encircle Energy圖 78 圖3.43 B法, 之系統結構圖 80 圖3.44 B法, 之光點圖 80 圖3.45 B法, 之PSF圖 81 圖3.46 B法, 之Encircle Energy圖 81 圖3.47 C法, 之系統結構圖 83 圖3.48 C法, 之光點圖 83 圖3.49 C法, 之PSF圖 84 圖3.50 C法, 之Encircle Energy圖 84 圖3.51 C法, 之系統結構圖 86 圖3.52 C法, 之光點圖 86 圖3.53 C法, 之PSF圖 87 圖3.54 C法, 之Encircle Energy圖 87 表目錄 表2.1 讀寫頭伺服誤差訊號偵檢方法 14 表2.2 CD與DVD規格比較表 21 表2.3 艾瑞圖形(Airy pattern) 能量極大值與極小值之分佈表 32 表3.1 光學系統模擬參數規格表 54 表3.2 實際光追跡模擬結果 61 表3.3 NA=0.45 透鏡組規格 66 表3.4 NA=0.45透鏡組波面像差值 67 表3.5 A法, 之模擬結果 70 表3.6 A法, 之模擬結果 73 表3.7 B法, 之模擬結果 76 表3.8 B法, 之模擬結果 79 表3.9 C法, 之模擬結果 82 表3.10 C法, 之模擬結果 85

    [1] Wai-Hon Lee, “Holographic optical head for compact disk applications,” Optical Engineering, 28(6), 650-653 (1989).
    [2] Yuzo Ono, Yasuo Kimura, Nobuo Nishida, “Computer generated holographic optical elements for optical disk memory read write heads,” Poc. SPIE, 1052, 150-157 (1988).
    [3] Akitomo Ohba, Seijin Sugama, Ryuichi Katayama, Yutaka Urino, Yuzo Ono, “Compact magneto-optical disk head using a holographic optical element with analyzer function,” Proc. SPIE, 1316, 159-166 (1990).
    [4] Hisami Nishi, Hiroyuki Ichikawa, Minoru Toyama, Ichiro Kitano, “Gradient-inex objective lens for the compact disk system,” Applied Optics, 25(19), 3340-3344 (1986).
    [5] Kenya Goto, Kazushige Mori, Genichi Hatakoshi, Shunsuke Takahashi, “Spherical grating objective lens for Optical disk pick-ups,” Jpn. J. Appl. Phys., 26, 135-140 (1987).
    [6] Tetsuo Maeda, Shiro Ogata, Koichi Imanka, “Optical characteristics of micro Fresnel lens for high density memory,” Proc. SPIE, 1316, 210-214, (1990).
    [7] Shogo Ura, Toshioaki suhara, Hiroshi Nishihara, Jiro Koyama, “An integrated-optic disk pickup device,” IEEE Journal of Lightwave Technology, LT-4(7), 913-918 (1986)
    [8] Toshiaki Suhara, Hiroshi Nishihara, “Integrated-optic disc pickup devices using waveguide holographic components,” Proc. SPIE, 1136, 92-99 (1989).
    [9] George N. Lawrence, Kenneth E. Moore, Patrick J. Cronkite, “Rotationally symmetric construction optics for a waveguide focusing grating,” Applied Optics, 29(15), 2315-2319 (1990).
    [10] Hiroo Ukita, Yoshitada Katagiri, Susumu Fujimori, “Supersmall flying optical head for phase change recording media,” Applied Optics, 28(20), 4360-4365 (1988).
    [11] Ryuichi Katayama, Yuichi Komatsu, Yuzo Ono, “Dual wavelength optical head for 0.6mm and 1.2 mm substrate thickness,” Jpn. J. Appl. Phys., 36, 460-466 (1997).
    [12] Naomasa Takahashi, Hiroharu Sato, Hideaki Osawa, Koichi Nagai, Hsiao Isobe, Ikuo Kasuga, “Digital video disk / Compact disk (DVD/CD)-compatible pickup head with dual lens rotating actuator,” Jpn. J. Appl. Phys., 36, 467-473 (1997).
    [13] Yoshiaki Komma, Yasuhiro Tanaka, Kenichiro Urairi, Seiji Nishino, Sadao Mizuno, “Dual focus optical head with a hologram-integrated lens,” Jpn. J. Appl. Phys., 36, 474-480 (1997).
    [14] Yoichi Tsuchiya, Seiji Kajiyama, Yasuyuki Kano, Yoshiyuki Matsumura , Syuichi Ichiura, “Digital video disc / Compact disc compatible pick-up with liquid crystal shutter,” Jpn. J. Appl. Phys., 36, 481-485 (1997).
    [15] Chul Woo Lee, Chong Sam Chung, Kun Ho Cho, Pyong Seong, Tae-Kyung Kim, Soo Yul Jung, Byoung Ho Choi, Jang Hoon Yoo, Joong Eon Seo, Dong Ho Shin, “A compact disc-compatible digital versatile disc pickup using annular mask,” Jpn. J. Appl. Phys., 36, 486-490 (1997).
    [16] P. K. C. Wang, “A method for designing electrostatic-actuator electrode pattern in micromachined deformable mirrors,” Sensors and Actuators A, 55, 211-217 (1996).
    [17] 黃戴廷, “ 創新光學讀頭致動器設計,”國立清華大學碩士論文(1999).
    [18] 朱朝居, “ CD-ROM 光碟機之光學頭,” 光電資訊, 21, 16-25 (1994)
    [19] Alan B. Marchant, Optical Recording, (Addison-Wesley , 1990), p. 102-108.
    [20] 朱朝居, “DVD光學頭之光學系統介紹,” 光學工程, 54, 25-28(1996).
    [21] 喬作文, “DVD光學讀取頭,” 工業材料, 131, 113-122 (1997).
    [22] A. Nussbaum, Optical System Design, (Prentice Hall PTR , 1998).
    [23] V. N. Mahajan, Aberration Theory Made Simple, (SPIE, 1991)
    [24] M. Born and E. Wolf, Principle of Optics, 5th ed. (Pergammon, 1975).
    [25] J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, 2nd, (McGraw-Hill, 1996).
    [26] A. Marèchal, “Etude des effects combines de la diffraction et des aberrations geometriques sur l’image d’un point lumineux,”Rev. d’Opt., 26, 257-277 (1947).
    [27] B. R. A. Nijboer, “The diffraction theory of aberration,” Ph.D. thesis (University of Groningen, Groningen, The Netherlands, 1942), p. 17.
    [28] V. N. Mahajan, “Strehl ratio for primary aberrations in terms of their
    aberration variance,” J. Opt. Soc. Am., 73, 860-861 (1983).
    [29] M. Laikin, “Lens Design,” 2nd, (Marcel Dekker, 1995),p.245.

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