Optisch data opslag - Universiteit Leiden
advertisement
Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Geschiedenis http://molphys.leidenuniv.nl/~eliel/teaching/fmt/fmt.html •Inleiding •geschiedenis •optica van de cd speler •elektronica van de cd speler E.R.Eliel G.W. ‘t Hooft Optisch data opslag 3 1 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Plaat en speler Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde http://www.howstuffworks.com/cd.htm http://www.howstuffworks.com/cd.htm How HowCompact CompactDisk DiskWork Work 4 2 http://www.research.philips.com/pressmedia/background/optrec/index.html http://www.research.philips.com/pressmedia/background/optrec/index.html History Historyof ofCD-ROM CD-ROM http://www.os.philips.com/cd/cd-rom/geninfo/index.html#opti http://www.os.philips.com/cd/cd-rom/geninfo/index.html#opti General GeneralInfo InfoCD-ROM CD-ROM http://www.km.philips.com/laseroptics/ http://www.km.philips.com/laseroptics/ Philips PhilipsOptical OpticalStorage Storage Literatuur lens 4-voudige detector kwart-lambda plaat Polarizerende deelspiegel Astigmatische lens Prisma’s Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Diode laser beschermende acryle laag spiegel lens Compact disk Lichtweg van de compact disk Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Trends in video opslag 7 5 2 1985 CD-ROM 650 MB 0.1 1980 1 10 100 1990 jaar 1995 DVD RAM MD Hard disc MO CD-R DVD-ROM 4.7GB ZIP Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 3-D Lichtweg 2000 JAZ CD-RW 2005 DVD-RAM 2.6 GB DVD 20GB 2010 DVD 40GB Opslag dichtheid van diverse media Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Dichtheid (bits/µm ) 8 6 1.22λ 1.22λ = D NA ∆θmin (pedrotti & pedrotti, §16-4) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde xmin = f θ min = f ∆θ min 1.22λ = D -300 Optische resolutie Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Spot op de plaat in // richting te groot of lichtverlies door afkappen in E richting Halfgeleider laser : 0.8 x 3 µm2 Laser en prisma paar Intensiteit Æ Θ→ Hoek Æ 00 // E 300 11 9 d1 α α = cot -1(n) Θb =tan-1(n) Twee prisma’s: in één richting vergroting van de bundeldiameter met n2 prisma paar Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Optische plaat Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde d1 = n.d0 p- polarisatie d0 12 10 lens 3 2 3 4 1 4 - + - Plaat in focus V0=1+3-(2+4) Plaat te ver weg Focus fout signaal Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 2 1 + 1.2mm substraat 2 3 1 4 - 13 15 Plaat te dichtbij + Meten door substraat gecorrigeerde lens Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Meten door lucht substraat Invloed van stof Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde te veraf te dichtbij Foucault methode Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde in focus 3 2 4 B 1 C te veraf 4 3 2 1 14 16 Fout signaal: 1+4-2-3 Focus fout signaal: 1+3-2-4 te dichtbij A Focus met astigmatisme signaal = A-C + - -1ste 0de 2de 1ste Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde a(sin θ i − sin θ o ) = mλ Evenwijdige bundel -2de CD als tralie Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde C B A Spoor volgen met 3 spots -1ste 0de 19 1ste 17 2 extra detectoren 1 extra tralie µm 0 1.6 A-C A C Modulatie diepte radiële afstand [µm] A radieel fout signaal Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Volg signaal = A-B A B Interferentie tussen 0de orde en 1ste of –1ste orde Spoor volgen Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde -1.6 C 1.0 0.4µm 20µm 18 20 Staphoogte: λ/8 Fase verschil : π/2 radiële afstand [µm] radiële afstand [µm] radiële afstand [µm] Detector signaal motor veren focus slede positie lens I=0.25 I=0.5 I=1 I=0.25 21 23 ¼ van het licht maar naar de detector ¼ van het licht terug de laser in (extra ruis) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde I=0.5 Deelspiegel elektromagneten radiële positie plaat Schema actuatoren Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde motor lade open/dicht motor eiπ/2=i 450 X-Y X-as Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde •Al het licht naar de detector •Extra λ/4 plaatje + coating in deelspiegel λ/4 : 900 ~ X+iY λ/4 PBS Polariserende deelspiegel + λ/4 plaat Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde loopwerk X+Y 24 22 totale detector signaal detectie niveau 0 : < 30% 1 : > 70% langs het spoor 3 extra bits om woorden aan elkaar te plakken Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 01111010 10010000000010 xxx EFM (Eight-to-Fourteen Modulation): Van alle digitale getallen van 14 bits zijn er 267 die voldoen aan de (2,10) regel, d.w.z minimaal 3 en maximaal 11. Hiervan worden er 256 = 28 gebruikt. Als de 1-en en 0-en elkaar te vlug afwisselen kan je makkelijk interferentie tussen de verschillende symbolen krijgen. Daarom minstens 3 1-en of 0-en achter elkaar. Als er heel veel 1-en of 0-en achter elkaar komen dan kan de klok niet teruggewonnen worden. Daarom hooguit 11 1-en of 0-en achter elkaar. kodering Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde oogpatroon hoog frequent signaal 27 25 lus filter 3Tclk 5Tclk spanning naar frequentie omzetten fase detector 7Tclk 1 - i1 0 s1=0,1 + - 2R 3Tclk De tijdsduur van een hoog of laag signaal moet vergeleken worden met een signaal met een‘vaste’ periode. Deze klok wordt uit het ruwe signaal teruggewonnen. s1VR 2R V u it = iin ⋅ 2 R = s1V R i1 = iin = Vuit 26 28 Een OpAmp probeert de ingangen op dezelfde spanning te houden DAC=Digital Analog Converter Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde VR + 2R 2R iin DAC (1 bit) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde klok HF signaal klok signaal ingang signaal klok signaal VR + - 1 2R i2 0 R 1 2R i1 Vb=0 0 iin si=0,1 + - 2R TijdÆ s Vuit = ( 2 + s1 )VR 2 sV sV iin = 2 R + 1 R 2 ⋅ 2R 2R V sV i1 = iin − a = 1 R R 2R 31 29 V V −V s V −V i2 = a + a b = 2 R a ⇒ R 2R 2R 2Va s2VR ⇒ = R 2R Bemonstertijd: ∆t = 22.8µ s Bemonsterfrequentie: F = 44.1 kHz Hoogste audio frequentie: 22 kHz Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde ↑ s i g n a a l Bemonsteren Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 2R Va DAC (2 bit) 1 i2 0 1 2R i1 0 iin Vuit = ( + - 2R X −q ≤ XQ − X ≤ 0 afbreken XQ Stap grootte: q X Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Niet lineairiteit: ( x + y )Q ≠ xQ + y Q − q 2 ≤ XQ − X ≤ q 2 afronden XQ Stap grootte: q XQ Stap grootte: q X 0 ≤ XQ − X ≤ q 32 als X < 0 Modulus afbreken −q ≤ XQ − X ≤ 0 als X > 0 Kwantisering 30 sn s s + " + 21 + 10 )VR n −1 2 2 2 •Slechts 1 OpAmp en 2 soorten weerstanden •Alle weerstanden moeten hetzelfde zijn met een nauwkeurigheid van 1:2n in 0 2R R Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 1 2R N bits 2N niveaux 2-N nauwkeurigheid VR + - 2R R DAC (n-bit) Vin -2Xm -Xm XP -Xm Xm X -Xm Xm XP overloop C R2 NVin t N Vin dt = ∫ RC RC + - reset tijd Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Vuit = R digitaal getal (N) X 2Xm -Xm XP t = 1µ s C = 10 µ F R = 100k Ω Vin = 1V Vuit X 35 Vuit = N µV 33 3Xm Xm nulstelling Zaagtandvormige overloop Xm -Xm Xm van Digitaal naar Analoog (DAC) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde -3Xm -Xm Xm verzadiging comparator DAC 1/-1 filter Q kwantisatie 0/1 2∆t = fmax 1 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde Het filter, de comparator en de DAC bepalen hoeveel 1-en en 0-en De kwantisator hoeft maar 1 niveau heel nauwkeurig te weten 34 In plaats van 1 signaal met N bits geeft de uitgang M signalen van 1 bit in ADC
