專利名稱：用于數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中的伺服寫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器，尤其涉及數(shù)據(jù)存儲盤上的記錄道定位信息。
數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器在計算機系統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲中是很有用的。把數(shù)據(jù)作為一系列的磁場變換存在磁記錄表面上。這些磁場變換通常由稱為磁記錄磁頭的磁傳感器置于表面上。傳感器把電能轉(zhuǎn)換為某個磁場，并根據(jù)所記錄到的信息來轉(zhuǎn)變該磁場的極性。磁場使得在其被消除后，介質(zhì)中仍然保持著磁化作用。數(shù)據(jù)作為二進制信息按照保留在介質(zhì)中的極性反向(或變換)存儲。與磁介質(zhì)一起使用的傳感器也可以作為檢測器來檢測被作為磁變換存儲的數(shù)據(jù)。傳感器感測源于被磁化介質(zhì)的磁場。被感測的磁場又被轉(zhuǎn)換為根據(jù)磁場的極性變化的一個電信號。然后再從該電信號中解碼得出數(shù)據(jù)。當傳感器把數(shù)據(jù)放在記錄介質(zhì)上時，就是說傳感器已經(jīng)寫數(shù)據(jù)到介質(zhì)。當傳感檢測先前被寫在介質(zhì)上的數(shù)據(jù)時，就是說傳感器已經(jīng)從介質(zhì)中讀出數(shù)據(jù)。一般來說，把數(shù)據(jù)存在磁介質(zhì)上或從磁介質(zhì)中檢索數(shù)據(jù)的系統(tǒng)可以用單個傳感器來讀寫數(shù)據(jù)，也可以用兩個傳感器，其中一個用來讀數(shù)據(jù)，而另一個則用來寫數(shù)據(jù)。
記錄介質(zhì)采用盤的形式，數(shù)據(jù)通常被記錄在兩個盤面上?？梢杂枚鄠€盤來增加盤驅(qū)動器的聚合存儲容量。介質(zhì)中的中心孔通常被稱為中軸插孔。由此把記錄介質(zhì)通過主軸連到電機上，由主軸轉(zhuǎn)動記錄介質(zhì)。借助盤轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的空氣運動，使頭能在記錄介質(zhì)的表面上飛行。飛行的高度必須大到足以最小化頭和盤接觸的可能性，這種接觸對于數(shù)據(jù)的完整性是很不利的，但還必須小到足以使由寫傳感器所產(chǎn)生的磁場能在記錄介質(zhì)的表面上建立磁變換，并且介質(zhì)中的磁場能被傳感器感測。
讓頭接近記錄表面，并通過由懸浮體連接到的驅(qū)動臂使之定位在所需的數(shù)據(jù)道上。驅(qū)動臂相對于介質(zhì)表面徑向地移動頭從接近中軸插孔(內(nèi)徑(ID))到接近邊緣(外徑(OD))的位置。數(shù)據(jù)通常以順序同心圓道的形式被寫到ID和OD之間的介質(zhì)表面上。道的寬度一般稍微大于寫傳感器的寬度。同心圓磁道又可以被再分成一個或多個扇區(qū)。
頭必須準確地定位在所需的數(shù)據(jù)道上以便讀或?qū)憯?shù)據(jù)。磁頭定位通常是通過驅(qū)動被連接到驅(qū)動臂上的音圈電機(VCM)的驅(qū)動裝置定位伺服控制器來實現(xiàn)的。驅(qū)動裝置定位伺服控制器利用預(yù)先記錄的頭定位信息以及道和扇區(qū)標識信息來把頭從一個道移動到另一個道，稱為尋找所需的道，并且把頭定位在所需道的中心和沿該道的適當扇區(qū)上。定位和標識信息被預(yù)先記錄在一個或多個盤表面上，包括同時在徑向和圓周方向變化的磁模式以便為驅(qū)動裝置定位伺服控制器提供指示了相對于所需道和扇區(qū)的頭的當前位置的反饋信息。
取決于盤驅(qū)動器的道定位結(jié)構(gòu)，道定位信息可以被預(yù)先記錄在多個表面盤驅(qū)動器的單個表面上，通常稱為專用表面伺服，也可以被預(yù)先記錄在每個盤表面上的多個徑向楔形中，通常稱為嵌入式扇區(qū)伺服。使用專用表面伺服的盤驅(qū)動器利用預(yù)先記錄在伺服表面上的信息來定位驅(qū)動裝置；數(shù)據(jù)頭的位置被驅(qū)動裝置以機械的方式隨動到伺服磁頭位置。使用嵌入式扇區(qū)伺服的盤驅(qū)動器利用預(yù)先記錄在由數(shù)據(jù)頭讀取的特定的數(shù)據(jù)表面上的信息定位驅(qū)動裝置。在某些盤驅(qū)動器中，采用了這兩種結(jié)構(gòu)的某種組合形式。對于具有較高道間距的盤驅(qū)動器來說，最好采用嵌入式扇區(qū)伺服結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)對于影響數(shù)據(jù)頭定位精度的機械的和熱的干擾的敏感性較低。
在用戶數(shù)據(jù)可以被存在盤驅(qū)動器中或從盤驅(qū)動器中檢索出來之前，數(shù)據(jù)頭必須被精確地定位在所需的數(shù)據(jù)道和數(shù)據(jù)扇區(qū)上。驅(qū)動裝置定位系統(tǒng)通過讀取預(yù)先寫入的定位和標識信息并用這些信息來更新驅(qū)動裝置的位置來實現(xiàn)這一功能的。定位和標識信息以準確地按徑向和圓周方向記錄的、被準確地確定大小和被分隔開的磁變換(被稱為伺服模式)的形式在盤表面上被編碼。為了達到數(shù)據(jù)讀寫操作所要求的頭定位精度，這些伺服模式必須在徑向上按某種精度被寫，使得被解碼的徑向位置能被確定在數(shù)據(jù)道寬度的某一小部分之中。
這些伺服模式在圓周方向上也必須按某種精度寫入，使得伺服模式的道到道的相對圓周定位能保持適當??；在大多數(shù)的請求伺服編碼方法中，這可能要求單個磁變換的道到道相對圓周定位被保持到圓周方向上的被記錄變換空間的某一小部分。
在把盤裝配進入盤驅(qū)動器之前，或者在利用被稱為伺服寫的處理過程把盤裝配到盤驅(qū)動器中之后，這些被精確定位的伺服模式可以被記錄在盤表面上。在任一種情況下，在伺服寫期間所要求的徑向定位精度通常是利用機械連接到驅(qū)動器的一個外部的、由激光干擾儀控制的旋轉(zhuǎn)式或線性驅(qū)動裝置來獲取的。所要求的圓周定位精度和可重復(fù)性道對道是用被定位在盤表面上的時鐘頭來獲取的。時鐘頭讀出預(yù)先被寫在盤表面上的道上的近似相等的被分隔的變換。通過利用窄頻帶的相位鎖回路來處理信號，一般都能減少時鐘頭回讀信號中的定時跳動。
一旦建立了適當?shù)臅r鐘道信息，伺服寫的處理過程就包括在連續(xù)的徑向位置上定位外部驅(qū)動臂以及在圓周方向上把適當?shù)拇抛儞Q寫在多個位置上。該處理過程對于振動非常敏感，因此，必須用一張大的、昂貴的花崗巖桌子來穩(wěn)位驅(qū)動器。由于使用了大尺寸的機電系統(tǒng)來定位驅(qū)動裝置，因此，該處理過程對環(huán)境溫度的變化也十分敏感。為了最小化這種干擾，該過程通常是在溫度被控制的房間里進行的。為了機械連接驅(qū)動裝置并把另一個時鐘頭插入驅(qū)動器，該驅(qū)動器必須保持打開(或提供所需的開口)并且在處理期間不能密封，這就需要使用干凈的室內(nèi)環(huán)境。另外，在伺服寫處理過程后進行的最后裝配工序當蓋上面板時可能會給驅(qū)動器的底板造成壓力，引起主軸和驅(qū)動裝置樞軸的傾斜并且在不同盤上的伺服模式之間造成失調(diào)。因此，鑒于所有的上述理由，伺服寫處理過程不但成本高而且容易出錯。
伺服寫技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)解決了某些上述的問題。半導(dǎo)體激光器的旋轉(zhuǎn)式編碼器被用來產(chǎn)生定位參照信息。該旋轉(zhuǎn)式編碼器通過盤驅(qū)動器外面的暴露的樞軸連接驅(qū)動臂。旋轉(zhuǎn)式編碼器和樞軸之間所用的機械連接是為了保證連接的完整性。利用被粘貼到延伸出盤驅(qū)動器的主軸的暴露部位上的模式化盤來產(chǎn)生參照時鐘。模式化盤具有亮的和暗的扇區(qū)，反射具有不同亮度的入射光。被檢測到的亮度模式用來產(chǎn)生時鐘信號。
雖然旋轉(zhuǎn)式的編碼器伺服寫系統(tǒng)能消除對干凈房間和花崗巖桌子的需求，但其本身也存在幾個缺陷。首先，半導(dǎo)體激光器的旋轉(zhuǎn)式編碼器和驅(qū)動臂之間所要求的機械連接增加了盤驅(qū)動器的成本和伺服寫處理過程的復(fù)雜性，并且限制了所能得到的精確度。其次，為了暴露主軸以產(chǎn)生參照時鐘，需要一個雙密封的軸承，這又增加了盤驅(qū)動器的成本。第三，由模式化盤所產(chǎn)生的參照時鐘用在高密度的盤驅(qū)動器中不夠精確。
因此，現(xiàn)有的技術(shù)還不能滿足非侵襲性的、不要求和驅(qū)動裝置或旋轉(zhuǎn)盤主軸的機械連接、并且為在現(xiàn)代的高密度數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中的使用提供令人滿意性能的伺服系統(tǒng)的需要。本發(fā)明正是為了滿足這種需要。
根據(jù)本發(fā)明，提供了使用位于盤驅(qū)動器外部的半導(dǎo)體激光器和附加在盤驅(qū)動器內(nèi)部的反射衍射光柵來提供準確的定位信號的伺服寫系統(tǒng)。一個激光器發(fā)射出來的光束被導(dǎo)向通過面向附加在驅(qū)動臂上的光柵的光傳導(dǎo)窗口，而第二個激光器發(fā)射的光束被導(dǎo)向通過面向附加在主軸上的光柵的光傳導(dǎo)窗口。從光柵反射回來的衍射模式被導(dǎo)入檢測光學(xué)鏡片，把模式轉(zhuǎn)換為電信號。驅(qū)動裝置位置解碼電子線路接收來自驅(qū)動裝置光學(xué)鏡片的信號，把它轉(zhuǎn)換為驅(qū)動裝置定位信號。寫時鐘檢測電子線路接收來自主軸光學(xué)鏡片的信號—時鐘信號，把它轉(zhuǎn)換為參照時鐘信號。定位和參照時鐘信號被用來確定驅(qū)動臂和磁盤組的定位。然后，電子線路接收這些信號并利用這些信號和盤面上記錄的伺服信息來協(xié)調(diào)驅(qū)動臂的定位。
本發(fā)明的伺服寫系統(tǒng)包括兩個主要的子系統(tǒng)驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)和寫時鐘子系統(tǒng)。驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)本身又包括半導(dǎo)體激光器和附加到驅(qū)動臂上的衍射光柵，以及補償光路中變化的重構(gòu)光學(xué)鏡片和測量從格柵中反射出來的衍射模式中的相位差的檢測光學(xué)系統(tǒng)。驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)還包括驅(qū)動裝置位置信號解碼電路，該電路接收被測量的相位差并把相位差轉(zhuǎn)換為表示驅(qū)動臂位置的信號。在最佳實施例中，驅(qū)動裝置位置信號解碼電路包括提供粗驅(qū)動裝置位置信號的粗解碼電路和產(chǎn)生細驅(qū)動裝置位置信號的細解碼電路。粗驅(qū)動裝置位置信號和細驅(qū)動裝置位置信號然后被拼接在一起以確定驅(qū)動臂的位置。
寫時鐘子系統(tǒng)包括第二個半導(dǎo)體激光器和附加在主軸上衍射光柵，以及補償光路變化的重構(gòu)光學(xué)鏡片和測量光柵中反射出來的衍射模式中的相位差的檢測光學(xué)系統(tǒng)。寫時鐘子系統(tǒng)還包括接收被測量相位差并把它們轉(zhuǎn)換為參照時鐘信號的寫時鐘檢測電路。在最佳實施例中，寫時鐘檢測電路包括原始時鐘檢測電路以及補償相對于旋轉(zhuǎn)的主軸中心的光柵中心誤差的時序調(diào)節(jié)電路。在替換的實施例中，如果衍射光柵互相集中，寫時鐘子系統(tǒng)可能配置位于對邊的兩個半導(dǎo)體激光/檢測光學(xué)鏡片。使用混合電路來組合這兩個參照時鐘信號，產(chǎn)生補償光柵中心誤差的參照時鐘信號。
通過使用位于盤驅(qū)動器外部的半導(dǎo)體激光器和檢測和計算精確的定位信息的光學(xué)鏡片和電路，本發(fā)明提供了一種伺服寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非侵襲性的、不要求對驅(qū)動裝置或旋轉(zhuǎn)磁主軸的機械連接，并且為在高密度盤驅(qū)動器中的使用提供定位的精確度。位于盤驅(qū)動器機殼內(nèi)部的唯一的系統(tǒng)部分徑向衍射光柵重量輕而且成本也不高；在制造過程中，密封盤驅(qū)動器之前先把它們附加上，在完成伺服寫之后讓其留在驅(qū)動器中。


圖1a以示意圖的形式說明本發(fā)明的伺服寫系統(tǒng)的功能塊。
圖1b圖示了根據(jù)本發(fā)明的收據(jù)記錄盤驅(qū)動器中光柵的放置情況。
圖2a以示意圖的形式說明本發(fā)明的驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)。
圖2b說明用在驅(qū)動器定位子系統(tǒng)中的線性衍射光柵。
圖2c說明用在驅(qū)動器定位子系統(tǒng)中的徑向衍射光柵。
圖3說明用于根據(jù)本發(fā)明的線性光柵的驅(qū)動裝置位置傳感器的截面視圖。
圖4說明用于本發(fā)明的徑向光柵的驅(qū)動裝置位置傳感器的截面視圖。
圖5a圖示了來自驅(qū)動裝置位置傳感器的光電檢測器的輸出模擬信號。
圖5b圖示了正交循環(huán)計數(shù)器輸入。
圖5c圖示了驅(qū)動裝置位置傳感器所用的細定位信息。
圖6以示意圖的形式說明本發(fā)明伺服寫系統(tǒng)的驅(qū)動裝置位置解碼電路。
圖7a以示意圖的形式說明本發(fā)明的參照寫時鐘子系統(tǒng)。
圖7b說明用在寫時鐘子系統(tǒng)中的徑向衍射光柵。
圖8給出了用在本發(fā)明的徑向光柵中的參照時鐘傳感器的截面視圖。
圖9以示意圖的形式說明本發(fā)明的伺服寫系統(tǒng)的寫時鐘檢測電路。
圖10以時序圖的形式說明由正交的鋸齒波發(fā)生器所產(chǎn)生的波形。
圖11以示意圖的形式說明使用兩個光學(xué)時鐘頭和一個電子混和器的寫時鐘子系統(tǒng)的替換實施例。
圖12給出了用在線性衍射光柵中的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的截面視圖。
圖13給出了用在徑向衍射光柵中的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的截面圖。
圖14說明了用在本發(fā)明的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片中的光束壓縮器的截面圖。
I.伺服寫系統(tǒng)圖1a給出的示意圖說明用在數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中根據(jù)本發(fā)明的伺服寫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器102包括機殼103、本身又包括一個或多個盤104的主軸架、主軸106和主軸電機108。盤驅(qū)動器102還包括主軸速度控制器110、讀/寫放大器144、光學(xué)透明窗口122和132(放在機殼103中并且分別位于衍射光柵120a和130之上)、以及本身又包括一個或多個磁記錄磁頭112、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臂114(進一步包括任何所需的懸浮體組件)、驅(qū)動臂樞軸116(有時也稱為“E塊”或“E板”)和音圈電機118的驅(qū)動裝置。
機殼103一般包圍精密的盤驅(qū)動器部件，使之免受污染或其他的損壞。它一般包括一個底部和一個蓋子部分，(沒有表示出來)雖然在這一技術(shù)中能找到許多等同的配置。主軸電機108通常被實際地部分安裝在底部上，因此和防樣機殼103成為一個整體。注意所有這些較小的變化都被認為由圖1a所示的實施例和上述的情況以及本發(fā)明所包括。
圖1b給出了盤驅(qū)動器102內(nèi)部的頂視圖，表示各部分(包括用在伺服寫過程中的衍射光柵)的輪廓和定位。包括上述主軸架的一個或多個盤104、上述驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動臂114、驅(qū)動臂樞軸116、音圈電機118、驅(qū)動裝置保護檔(crashstop)150和151、驅(qū)動裝置衍射光柵120a和寫時鐘衍射光柵130。應(yīng)該注意到當這些光柵被附加到驅(qū)動裝置和主軸架時，驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)和寫時鐘子系統(tǒng)都不要求對驅(qū)動裝置或主軸架的任何進一步的機械連接。只需用光學(xué)和電合的連接在驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)和驅(qū)動裝置之間、以及寫時鐘子系統(tǒng)和主軸架之間進行通訊。不同于現(xiàn)有的技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)中，光學(xué)編碼器被機械連接到主軸架和驅(qū)動裝置上。還應(yīng)該注意到當驅(qū)動器光柵被附加到驅(qū)動裝置時，同樣可以被附加到驅(qū)動裝置的任何附件上，例如小凸緣或其他的露頭。而且，為了伺服寫，任一個光柵或兩個光柵都可以被臨時附加，以后再被去掉。在某些例子中，這樣做使得能在一個比如果它們將被永久留在驅(qū)動器中的情況下更寬的選擇范圍中選擇光柵(由于尺寸、重量和成本的限制)。
再回到圖1a，伺服寫系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)、寫時鐘子系統(tǒng)、伺服寫控制器140和寫模式生成器142，各部分相互協(xié)調(diào)，在一個或多個盤表面上按特定的模式準確地寫入被定位(同時在徑向和圓周方向上)的磁變換，以便準確地編碼伺服定位信息。驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)包括光驅(qū)動裝置位置傳感器124、衍射光柵120a、光窗口122、驅(qū)動裝置位置傳感器信號解碼系統(tǒng)126、驅(qū)動裝置位置控制器128、驅(qū)動裝置VCM118和驅(qū)動臂114，這些部件準確地定位徑向地位于將被伺服寫的其對應(yīng)盤面104上方的一個或多個記錄磁頭112。寫時鐘子系統(tǒng)包括光學(xué)時鐘傳感器134、衍射光柵130、光窗口132和寫時鐘信號處理電路136，產(chǎn)生被“相位鎖”到盤表面的準確寫時鐘時序信號和盤索引時序信號。
利用堅固的機械固定(圖中沒有給出)來固定互為基準的盤驅(qū)動器102、光學(xué)驅(qū)動裝置位置傳感器124和光學(xué)時鐘傳感器134的位置。機械固定還可以消除可能會降低被記錄磁模式精度的外部的機械和熱干擾。這種固定可以利用根據(jù)已知的工程原理的各種已知的機件來構(gòu)造，因此在這里將不作更詳細的描述。然而應(yīng)該注意到不需要象在現(xiàn)有技術(shù)中那樣采用花崗石桌子來保證準確的記錄。
在操作過程中，伺服寫控制器140指導(dǎo)驅(qū)動裝置位置控制器128樞驅(qū)動裝置114和附加在一塊的記錄頭112定位在磁模式將被寫入的盤表面上所需的徑向位置上。伺服寫控制器140還指導(dǎo)寫模式生成器142、讀/寫放大器144和一個或多個磁頭把所需的磁變換模式寫在一個或多個盤表面上。被記錄磁變換的準確徑向位置由驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)所控制，該子系統(tǒng)產(chǎn)生用來準確定位記錄頭所需的驅(qū)動裝置徑向位置信號。寫時鐘子系統(tǒng)控制被記錄磁變換的準確圓周位置，該子系統(tǒng)產(chǎn)生被用來準確計時被存在模式生成器142中的數(shù)據(jù)模式所要求的時鐘和盤索引信號。
與寫時鐘子系統(tǒng)和讀/寫放大器144有關(guān)的伺服寫控制器140也順序選擇記錄磁頭以及將被伺服寫入的磁盤表面。在任何給定的盤旋轉(zhuǎn)期間，一個或多個盤表面可以被伺服寫入。這一處理過程在大批順序徑向位置上重復(fù)執(zhí)行，直到所需的磁變換集被寫到一個或多個盤面上。用這種方法就能按編碼伺服定位信息的要求記錄準確的徑向和圓周磁模式。
應(yīng)該注意到通過適當?shù)剡x擇驅(qū)動裝置光柵120a的形狀，本發(fā)明同樣能適用于使用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、線性驅(qū)動裝置或產(chǎn)生線性和徑向運動組合的驅(qū)動器(例如使用平行四邊形結(jié)構(gòu)做成片簧驅(qū)動裝置)的磁盤驅(qū)動器。
上述的伺服位置信息可以使用在這一技術(shù)中眾所周知的各種方法進行編碼。例如，道號可以用灰度代碼來編碼，而細位置伺服信息可以用正交猝發(fā)串模式編碼。整個伺服寫過程都可以在不干凈的室內(nèi)環(huán)境中的完全裝配好的密封的盤驅(qū)動器上實現(xiàn)，因為只要求對盤驅(qū)動器102的光和電的訪問。不要求對主軸電機或驅(qū)動臂的機械連接或物理訪問。另外，光驅(qū)動裝置位置傳感器、光寫時鐘傳感器和現(xiàn)代盤驅(qū)動器的緊湊結(jié)構(gòu)使得伺服寫過程對機械和熱干擾較少敏感，并且更容易消除和常規(guī)伺服寫方法相關(guān)的那些干擾。
II.驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)圖2a所示的是本發(fā)明的驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)，包括由半導(dǎo)體激光源200、激光束偏轉(zhuǎn)器206和檢測光學(xué)鏡片202和204組成的光驅(qū)動裝置位置傳感器124，以及衍射光柵120a、光窗口122、驅(qū)動器位置傳感器信號解碼系統(tǒng)126、驅(qū)動位置控制器128、驅(qū)動裝置VCM118和驅(qū)動臂114。正如下面將進一步描述的，通過修改光驅(qū)動裝置位置傳感器124的設(shè)計，該子系統(tǒng)也可以在120a上使用線性光柵或徑向光柵。
A.光位置傳感器光驅(qū)動裝置位置傳感器124使用半導(dǎo)體激光器光源200。通常，半導(dǎo)體激光展示隨時間和溫度漂移的波長，這就限制了其在傳統(tǒng)的距離—傳感干涉儀中的用途。然而，本發(fā)明的驅(qū)動裝置位置傳感器對波長漂移不敏感，因為衍射光柵位置的測量是由光柵線的間距以及+1和-1衍射激光束之間的相對相位變化所確定的。進一步比較常規(guī)的激光干涉儀位置測量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用了兩個頻率源光束來解決運動的方向，而本發(fā)明只用單個頻率激光束來確定運動的方向。
平面的反射衍射光柵120a可以是線性的或徑向的設(shè)計，取決于驅(qū)動裝置位置傳感器124的設(shè)計。線性衍射光柵(如圖2b所圖示的)有固定間距和深度的并行光柵線。衍射光柵120a一般為弧段的形狀，寬度足以容納來自驅(qū)動裝置位置傳感器124的照射到的激光束的直徑，而長度足以容納驅(qū)動裝置的擺動角度。光柵圍繞驅(qū)動裝置樞軸的旋轉(zhuǎn)中心一致的點230的旋轉(zhuǎn)。在圖2a中，所示的光柵被附加列驅(qū)動裝置樞軸116的磁頭一邊上的驅(qū)動臂114上，但也可以位于音圈一邊或具有相同效應(yīng)的驅(qū)動裝置上的任何其他的地方。
圖2c中所示的徑向衍射光柵具有集中在與驅(qū)動裝置樞軸116的旋轉(zhuǎn)中心一致的點230上的徑向光柵線。線性光柵的間距約為激光束波長的兩倍，而其深度約為激光束波長的1/4。同樣，在激光束照射在其表面上的徑向位置上的徑向光柵的間距約為激光束波長的兩倍，深度約為激光束波長的1/4。為了最大限度地提高光位置傳感器的性能，選擇光柵的深度和占空度來最小化零階反射的強度和最大化一價反射的強度。選擇光柵的間距來獲得一階衍射角度，該角度大到足以允許一階被衍射光束和入射的激光束分離，并且又不能太大，以免削弱分離一階被衍射光束和較高階被衍射光束的能力。
具有所需特性的準確主光柵可用許多已知的方法(包括全息照相術(shù)，照相平板印刷術(shù)、E—光束影印術(shù)、E—光束蝕刻術(shù)和用尺子劃線的工具)來產(chǎn)生。然后用許多已知的方法(包括2P干膜、環(huán)氧樹脂復(fù)制、注入制模)并使之凸出在不同的基底材料(如金屬、玻璃、塑料和聚合物)上來大量地生產(chǎn)具有所需尺寸和形狀的適當厚度、成本較低的準確復(fù)制的光柵。利用已知的方法(如淀積一塊適當厚度的金屬薄膜或者淀積一個或多個具有適當?shù)暮穸群徒殡姵Ｒ?guī)的絕緣層)使復(fù)制的光柵在所需的激光束波長上能高度反射。為了最小化由于被加上的光柵物質(zhì)所引起的對驅(qū)動裝置性能的潛在的不利影響，最好使用小的光柵并選擇低密度的基底材料、或甚至最好象圖1b中那樣直接把光柵復(fù)制在驅(qū)動裝置的表面上。
圖3是一個截面圖，說明根據(jù)本發(fā)明用在線性衍射光柵中的驅(qū)動裝置位置傳感器124的詳細設(shè)計。該設(shè)計包括半導(dǎo)體激光器200，校準透鏡304、偏振器306、偏振光束分離器308以及包括激光光束源的1/4入板309；球面透鏡320和326、偏振器322和328、包括兩個1X望遠鏡的反射鏡324和330；以及1/4入板311、非偏振50％光束分離器310、偏振器312和316，以及包括檢測光學(xué)鏡片的光檢測器314和318?？紤]半導(dǎo)體激光器200，注意到半導(dǎo)體激光器是最好的，這是由于其吸引人的成本和尺寸，但其他類型的激光器也可以被選擇。
在驅(qū)動裝置位置傳感器124的操作過程中，半導(dǎo)體激光器200發(fā)射出幾乎線性的偏振激光束，由校準透鏡304收集并加以校準。偏振器306優(yōu)先傳送被P—偏振的光束，而偏振光束分離器308把得到的激光束通過1/4入板309導(dǎo)向線性衍射光柵120b。1/4入板309把高度線性偏振過的激光束轉(zhuǎn)換為環(huán)形的被偏振激光束。結(jié)果的激光束以正常的入射角照射衍射光柵120b并且被衍射。衍射光柵120b被設(shè)計用來把大部分的光束衍射為+1和-1階光束。光柵120b位于和光柵線所面向的輸入激光束正交的平面上，使得+1和-1階衍射激光束能分別被導(dǎo)向透鏡320和326上。一階衍射角0可以從等式Sin0＝±d/λ中計算出來，其中，d為光柵的間距、λ為激光的波長。
球面透鏡320、偏振器322和反射鏡324包括對+1階衍射光束的1X望遠鏡激光束重構(gòu)光學(xué)鏡片；后面將2寸1X望遠鏡作進一步詳細的描述?？傊?1階衍射光束由球面透鏡320經(jīng)偏振器322聚焦到反射鏡324上，并且作為被重新校準的光束被反射回到光柵120b。偏振器322的功能是只允許+1階衍射光束的P—偏振部分被傳送。同樣，球面透鏡326、偏振器328和反射鏡330都包括-1階衍射光束的1X望遠鏡激光束重構(gòu)光學(xué)鏡片。-1階衍射光束由球面透鏡326徑偏振器328被聚焦到反射鏡330上，又做為重校準光束被反射回到光柵120b。偏振器328的功能是只允許-1階衍射光束的S—偏振部分被傳送。反射鏡324和330、偏振器322和328以及透鏡320和326被定位和排列，使得被返回的+1和-1階光束能在光柵120b中的被從在光柵上的源激光束置換的位置上重迭，使得這兩個光束從光柵到檢測鏡片是共線的，并因此使結(jié)果的波前光行差達到最小。
返回到光柵120b的+1階和-1階的校準光束通常被衍射到其向著1/4入板311的表面。1/4入板311、非偏振的50％光束分離器310、偏振器312和316以及光檢測器314和318都包括對結(jié)果激光束的檢測鏡片。1/4入板311分別把P—偏振+1階激光束和S—偏振-1階激光束轉(zhuǎn)換為右偏振激光束和左偏振激光束。結(jié)果激光束等價于其偏振方向由+1和-1階衍射激光束之間的相對相位差所確定的線性偏振激光束。
結(jié)果激光束的一半通過非偏振的光束分離器310、偏振器板316并照射在光檢測器318上。光檢測器318測量徑偏振器板316傳送的激光束強度。結(jié)果激光束的另一半由非偏振光束分離器310反射，經(jīng)過偏振器板312并照射在光檢測器314上。光檢測器314測量傳送過偏振器板312的激光束強度。
在同輸入激光束正交的平面中的衍射光柵120b的運動導(dǎo)致了+1階衍射激光束的相位領(lǐng)先或落后于-1階衍射激光束。相位的領(lǐng)先或落后取決于運動的方向。+1和-1階衍射激光束之間的相位差和一個波形周期內(nèi)光柵的位移成正比。
光檢測器314和318產(chǎn)生的電流信號隨著衍射光柵120b的位移而發(fā)生正弦形的變化。當參照正交于入射激光束的平面時，這兩個偏振器板312和316被排列為具有被旋轉(zhuǎn)45°的偏振方向。這導(dǎo)致了在兩個光檢測器信號之間約為90°的電相位位移，用來確定衍射光柵120b的運動方向?？杀鹊恼穹⒄坏碾娏餍盘柋唤獯a以確定光柵的位置和運動的方向。
驅(qū)動裝置位置傳感器124可以用來在平行于具有正交于光柵線的組件的表面的平面中檢測衍射光柵120b的運動。當衍射光柵120b直線移動時，正如被附加到線性驅(qū)動裝置上的情況一樣，激光束照射到透鏡320上，而326則是靜止的。然而，當衍射光柵120b運動使得掃出一條弧時，正如附加到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置上那樣，照射透鏡320和326的激光束也在其各自的表面上掃出一條弧。因此，被傳送到反射鏡324和330的激光束也在各自的表面上掃出一條弧。1X望遠鏡補償在衍射激光束的光路中所發(fā)生的變化，以維持被導(dǎo)向檢測光學(xué)鏡片的結(jié)果激光束的共線性?？梢员蝗菁{的最大弧度和驅(qū)動裝置的最大旋轉(zhuǎn)角度包括兩個1X望遠鏡的部件的直徑、照射檢測光學(xué)鏡片的結(jié)果激光束的波前特性以及光柵的尺寸來確定。實際上，結(jié)果激光束波前特性主要由透鏡320和326的設(shè)計以及源激光束的波前特性確定的。
半導(dǎo)體激光器的激光束穩(wěn)定性被認為即使對于很小部分的被反射回光腔的激光束都是敏感的。為了最小化被反射回激光器的激光束的強度，根據(jù)本發(fā)明，所有的光學(xué)元件的表面都被鍍上反反射的材料。此外，使偏振器306、偏振光束分離器308和1/4入波形板309的功能能進一步分離來自光柵表面的O階激光束反射。反反射的鍍層還能通過增強被檢測激光束的強度和最小化從各種光學(xué)元件中反射的假激光束的強度來優(yōu)化由光檢測器所產(chǎn)生的電信號的信噪比。在最佳實施例中，光學(xué)驅(qū)動裝置位置傳感器124的設(shè)計中采用了一個相當大直徑(在0.5mm到5mm之間)的校準的激光束，便于排列光學(xué)元件，以便最大化被返回到檢測光學(xué)鏡片的+1和-1階激光束的共線性，減少對元件未對準的敏感性，并且減少對光柵缺陷的敏感性。驅(qū)動裝置光頭容許光柵缺陷的能力通過能更廣泛地選擇適當?shù)膹?fù)制方法以及提高產(chǎn)量來減少光柵的成本。
圖4是一個示意圖，說明根據(jù)本發(fā)明用于徑向衍射光柵(被標識為120c)的驅(qū)動裝置位置傳感器124的設(shè)計。其設(shè)計和操作類似于上述的使用線性衍射光柵時的驅(qū)動裝置位置傳感器，不同之處在于；平面反射鏡324和330被頂部棱鏡424和430替換，而線性光柵120a則被徑向光柵120c所代替。分別照射頂棱鏡424和430的+1和-1階衍射激光束是靜止的，因為徑向格柵掃了一條弧線，只要徑向衍射光柵上的光柵線都準確地集中在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置樞軸116的旋轉(zhuǎn)中心的正上方的一點上。
關(guān)鍵在于光柵線集中的點必須和驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)軸共線，使1X望遠鏡能對光行差進行足夠的補償。同樣，由兩個1X望遠鏡確定的平面的取向必須和由射入激光束照明的徑向光柵線正交。如果驅(qū)動裝置的樞軸和徑向光柵線集中的點之間的對準誤差隨著徑向光柵的轉(zhuǎn)動而大得無法接受，可以用一個機電系統(tǒng)來保持光頭和徑向光柵線正交，由此得到所需的。
B.驅(qū)動裝置光定位傳感器信號解碼電路驅(qū)動裝置光定位傳感器信號解碼電路126(見圖1)包括信號檢測電路、解碼電路和解碼算法。圖5a給出了對驅(qū)動裝置光定位傳感器信號解碼電路的正弦波信號輸入的時間線(timeline)。時間線的縱軸為電流信號；橫軸為光柵的位置標度。當用線性光柵檢測驅(qū)動裝置的位置時，電流信號520和521由光檢測器314和318產(chǎn)生，當用徑向光柵檢測驅(qū)動裝置位置時，電流信號520和521由光檢測器414和418產(chǎn)生。當光柵移動距離等于光柵間距的1/4時，電流信號走了一個完整的周期。電流信號完全由振幅Aq和Ap，DC偏移Bq和Bp以及相位角φ描述。
由于光學(xué)元件和對準容差，兩個波形的對應(yīng)參數(shù)一般具有可兼容的量值，但不相等，并且相位角φ約為90°。此外，描述單個波形的參數(shù)在某種程度上將取決于光柵的位置，這是由于空間光柵衍射效率的不同、波前特性的不同和被返回光檢測器的+1和-1階被衍射光束的共線性的偏差。這些影響中的大部分在某種程度上都存在于實際的成本有效設(shè)計中。光驅(qū)動裝置位置傳感器和光柵被設(shè)計用來使由于光柵位置的參數(shù)變化達到最小，而使設(shè)計的成本有效性達到最大。驅(qū)動裝置位置信號解碼電路又被設(shè)計用來補償由實際的光柵和光學(xué)驅(qū)動裝置頭所產(chǎn)生的不理想的信號。
圖6的簡圖說明了驅(qū)動裝置光位置傳感器信號解碼電路。包括光電檢測器314和318，放大器602和652，求和放大器604和654，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)608和658，偏差檢測器610和660，數(shù)字除法器616和666，數(shù)字累加器618和668，隨機存取存儲器(RAM)622和672，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)620和670，正交計數(shù)器674以及處理器678。
在操作過程中，由光檢測器314所產(chǎn)生的低電平電流信號520被放大器652放大。放大器652的輸出信號通過求和放大器654和信號690相加，然后再由ADC658進行數(shù)字化，DC偏移偏置補償信號690有一個用于補償DC偏置偏移Bq的幅度。同樣，光檢測器318產(chǎn)生的低電平電流信號521由放大器602放大。結(jié)果信號經(jīng)求和放大器604和信號692相加，然后再由ADC608數(shù)字化。DC偏移偏置補充信號692具有補償DC偏置偏移Bp的幅度。放大器604和654結(jié)合了具有能減弱高頻噪聲而讓所需的信號帶寬順利通過的截止頻率的低通濾波器。由ADC608和658采樣的信號680和682分別為去掉了DC偏置偏移的電流信號520和521的真實表示。圖5c中用圖表示出結(jié)果信號680和682，并分別用q和p標識。q信號被畫在橫軸上，而p信號則被畫在縱軸上。當衍射光柵120a被移動等于1/4光柵間距的距離時，p和q信號描出了橢圓534。在順時針方向上或逆時針方向上描出該橢圓取決于光柵移動的方向。這使得其本身使用正交上/下計數(shù)器來計數(shù)考慮轉(zhuǎn)動方向的完整橢圓轉(zhuǎn)動的次數(shù)。
通過跟蹤完整橢圓轉(zhuǎn)動次數(shù)和符號得到粗解碼位置。這個數(shù)量由粗解碼電路測量，最佳實施例中的粗解碼電路包括圖6中的正交計數(shù)器674以及放大器654和604。正交計數(shù)器674接收來自求和求和放大器654和604、采用方波信號522和523的形式的輸入信號，方波信號522和523分別和波形520和521為相位同步。圖5b以簡圖的形式給出了這些方波信號。正交計數(shù)器674用方波522和523的變換邊緣來計數(shù)完整橢圓轉(zhuǎn)動的總次數(shù)和符號。計數(shù)器的值提供了相對于任意初始位置的光柵的粗位置。放大器654和604中的低通濾波器的截止頻率被設(shè)置用來減弱高頻噪聲并通過正交計數(shù)器674所需的頻帶寬。截止頻率由所需的最大光柵速率和衍射格柵的間距所確定。對于粗解碼電路的上述最佳實施情況，應(yīng)該注意還有許多替換的實施例，包括基于軟件的方法，該方法被認為也被包含在本發(fā)明中。
通過測量p和q信號之間的相位角可確定細解碼位置。對于信號680和682具有相等的最大幅度以及它們之間相位角φ正好為90°這種特殊情況，被p和q信號描出的曲線534是一個圓。在這種特殊情況下，在t時的細解碼位置可由下式計算(t)=d2πθ(t)----------------(1)]]>其中的瞬時角度0(t)利用下式計算θ(t)=tan-1[p(t)q(t)]=tan-1[sinθ(t)cosθ(t)]-------(2)]]>對于一般的情況，即由p和q信號描出的曲線534是一個橢圓，用一個更一般的解碼算法確定角度0(t)，該算法適當?shù)乜紤]到橢圓的形狀、方位和任何殘留的DC偏移。一般地，p(t)和q(t)信號可表達如下p(t)q(t)=Bp+Apsin[θ(t)]Bq+Aqsin[θ(t)+φ]------------(3)]]>等式(3)被變換為下面的等式(4)cosθ(t)sinθ(t)=CpdpbpCq0bqP(t)q(t)1---------(4)]]>等式(4)中的參數(shù)Cp、Cq、dp、bp和bq定義如下CpdpCq0=0ApAqsinφAqCosφ----------(5)]]>bpbq=cpdpcq0-Bp-Bq-------(6)]]>在任何給定的光柵位置上，橢圓最佳參數(shù)cp、cq、dp、bp和bq定義如下。通過抖動光柵位置來捕捉橢圓上的多個數(shù)據(jù)點(pi，qi)以便描出一個或多個橢圓。然后反復(fù)把被測量到的數(shù)據(jù)點(pi，qi)應(yīng)用到等式4和下面的等式7上 微處理器678利用具有瞬時測量值p(t)和q(t)的最佳橢圓參數(shù)，根據(jù)上述的等式1、2和4對瞬時細光柵位置進行解碼。微處理器678通過對從正交計數(shù)器674得到的粗位置值和由上述的細解碼算法確定的細位置值進行切片來確定t時刻的光柵位置，以便適當?shù)卣f明接近正交計數(shù)器的開關(guān)點引起的模糊性。細解碼和正交計數(shù)器位置的切片產(chǎn)生了如下的單個位置數(shù)。計數(shù)器對P和Q信號的每個完整的周期計數(shù)進4。在P和Q信號的每個零交叉上發(fā)生變化。細位置解碼把P和Q信號的單個周期分解為2N部分。通常在6和12之間選擇N值以提供足夠的范圍和分辨率。因此，細位置由N位數(shù)表示。如果在計數(shù)器值和被解碼的細位置之間沒有時差或振幅偏移，細位置解碼最高的2位和正交計數(shù)器最低的2位是相同的。然而，如果計數(shù)器值和細位置解碼分別從P信號和Q信號中得到，正如成本有效實施所要求的那樣，則可能出現(xiàn)時差和振幅偏移。圖5c定義了象限。在第一象限中，計數(shù)器的兩個最低位和細解碼的兩個最高位都有值00。在第二象限中，這兩位的值為01，而在第三和第四象限中，其值分別為10和11。在象限的邊界，計數(shù)器和細解碼對2個重迭的位可能產(chǎn)生不同的值。根據(jù)下面的算法對計數(shù)器和細位置值切片可解決這種差異1)從計數(shù)器值中減去2；2)對所得到的位左移N—2位，其中N的定義同上述的一樣3)把細解碼位置加到步2)的結(jié)果上；4)把第3)步結(jié)果的最低的N位置設(shè)置為0；5)用解碼位置替換最低的N位。結(jié)果的光柵位置被驅(qū)動裝置位置控制器128(圖1)用來協(xié)同驅(qū)動裝置的音圈徑向地定位在其對應(yīng)盤面上的一個或多個記錄磁頭112。
再回到圖6，該圖給出了執(zhí)行上述計算的細解碼電路。在最佳實施例中，細解碼電路包括求和放大器604和654、ADLS608和658、偏差檢測器610和660、除法器616和666、隨機存取存儲器(RAM)622和672，累加器618和668、DAC 620和670、以及正交計數(shù)器674。DAC670提供了刪除DC偏差偏移Bq所需的信號690。RAM672利用先前確定的值提供作為光柵位置的函數(shù)所需信號的振幅。正交計數(shù)器674用來確定RAM672中的適當內(nèi)存地址，使得該地址中被存儲的值能被傳送給DAC670。同樣，DAC620利用被存在RAM622中的先前被確定的值提供刪除DC偏差偏移Bp所需的信號692。RAM622也由正交計數(shù)器674尋址。
通過對衍射光柵120a從一個初始的末端位置到另一個末端位置的描述，得到分別表示作為光柵位置的函數(shù)的信號690和692的振幅、被存儲在RAM672和622中的值。和驅(qū)動裝置音圈118和驅(qū)動裝置114協(xié)同工作的驅(qū)動器伺服控制器128首先在初始的末端位置上定位光柵。初始末端位置通常由現(xiàn)代磁盤驅(qū)動器中的一個保護擋所確定。對音圈118施加適當?shù)碾娏︱?qū)動，就能使光柵轉(zhuǎn)動起來。位置幅度是這樣的使得先檢測器314和318能產(chǎn)生一個或多個的正弦形電流信號周期。在微處理器678的指示下，ADC658對結(jié)果波形680采樣，采樣頻率被置到足夠高于結(jié)果波形680的頻率，保證偏差檢測器660能準確地捕捉到最大和最小的幅度。偏差檢測器對最大值和最小值求平均值，以確定電流DC偏移植B’q。結(jié)果的DC偏移值B’q的一部分經(jīng)除法器666被傳到累加器668。累加器的值被存在RAM672中并傳給DAC670。DAC產(chǎn)生信號690，該信號又減弱了信號680的DC偏移值。這一過程在微處理器678的指導(dǎo)下被重復(fù)，直到信號680的DC偏移被減弱到接近零。結(jié)果的累加值被存在RAM672中。
同樣地和上述的過程同時，微處理器678指示ADC608對結(jié)果的波形682采樣。偏差檢測器610準確地捕捉波形682的最大振幅和最小振幅。
偏差檢測器對最大值和最小值求平均值，以決定電流DC的偏移值B’p。部分結(jié)果的DC偏移值B’p被除法器616送到累加器618。電流累加器值被存在RAM622中并送到DAC620。DAC產(chǎn)生信號692，這又減弱了信號682的DC偏移值。在微處理器678的指導(dǎo)下重復(fù)這一過程，直到信號682的DC偏移也被減弱到接近零。結(jié)果的累加器值被存在RAM622中。除法器666和616的使用Q，保證正確的偏差偏移信號值690和692能分別被無誤地處理，即使存在增益誤差，這在ADC658和608以及DAC670和620中是可能存在的。
正交計數(shù)674是完全可操作的，只要來自求和放大器654和604的信號輸出中的DC偏移通過上述的過程得到補償。然后，正交計數(shù)器674把粗位置信號提供給微處理器678，并把絕對內(nèi)存地址提供給RAM672和622。在低增益伺服控制下并且只使用由正交計數(shù)器674所提供的粗位置信號，驅(qū)動裝置伺服控制器128協(xié)同驅(qū)動裝置音圈118和驅(qū)動裝置114從初始末端位置向另一個末端位置逐步地掃描衍射光柵。在移動期間，借助正交計數(shù)器674，微處理器678指示ADC658和偏差檢測器660測量信號680的瞬時偏差值B’q。信號B’q被除法器666所除并且和存在累加器668中的先前累加器值相加。DAC670用結(jié)果的累加器值來產(chǎn)生信號690，然后再由求和放大器654把它加到放大器652的輸出信號上。該累加器值也被存在RAM672中由正交計數(shù)器值所確定的存儲地址上。因此，對每個所需的光柵位置，把補償信號520中的DC偏移所需的累加器值都存在RAM672中。同樣并和上述過程同時，對每個所需的光柵位置，微處理器678、正交計數(shù)器674、ADC608、偏差檢測器610、除法器616、累加器618、DAC620和RAM622也把補償信號521中的DC偏移所需的累加器值值存在RAM622中。DC偏移的偏差值Bq和Bp被預(yù)期將隨著光柵位置的不同而在一個小范圍中逐步變化，這是由于a)預(yù)期的衍射光柵效率的小振幅和長空間頻率的變化；b)預(yù)期的隨光柵轉(zhuǎn)換的光學(xué)位置傳感器檢測效率的逐步變化；以及c)照射在光柵上的所設(shè)計的激光光束區(qū)域比任何給定光柵位置上的光缺陷的總區(qū)域大得多。DC偏移值的逐步變化可能有利于改善分別被存在RAM622和672中的偏差值Bp和Bq的信噪比，只要使圖6中的除法器666和616的除法器值N大于1。這將影響RAM622和672中運行平均值的存儲，并因此減少了對噪聲的敏感度。
關(guān)于細解碼電路的上述最佳實施，應(yīng)該注意到還有許多替換的實施例可用，這些都認為被包括在本發(fā)明中。例如，偏差消除可以用軟件而不是硬件來實現(xiàn)，而所有的解碼功能都可以用硬件實現(xiàn)。
III寫時鐘子系統(tǒng)圖7a所示的寫時鐘子系統(tǒng)包括帶有半導(dǎo)體激光光源700的光學(xué)時鐘傳感器134、激光束偏轉(zhuǎn)器706和檢測光學(xué)鏡片702和704、光柵130、光窗口132和寫時鐘信號處理電路136。平面衍射光柵130(如圖7b所示)采用圓環(huán)的形狀，具有足夠的寬度以容納激光束的直徑和相對于旋轉(zhuǎn)的主軸中心的中心容差。光柵線會聚在環(huán)的中心。在激光束照射其表面的徑向位置上的徑向光柵具有約為激光束的波長兩倍的間距以及約為激光束的波長的1/4的深度。為了最大限度地提高光寫時鐘傳感器的性能，最佳地選擇光柵的間距和深度，以便優(yōu)化和均衡被P偏振和S偏振激光束的一階衍射模式的效率，而最小化所有其他衍射階的衍射效率。最好使用小的光柵并選擇低密度的襯底，或者甚至最好把光柵直接地復(fù)制到主軸輪轂的表面上。該子系統(tǒng)產(chǎn)生精確的寫時鐘時序信號和盤索引時序信號，這些信號被“相位鎖”到盤面上。每轉(zhuǎn)一次的時鐘周期的總數(shù)由徑向光柵上的線性所確定。檢測電路被這樣設(shè)計，使得由于光柵缺陷和/或電路噪聲所造成的多余脈沖或丟失脈沖都得到補償。伺服寫放大器所產(chǎn)生的被記錄磁標記的準確圓周位置由寫時鐘系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)產(chǎn)生用于準確地對存在模式生成器142中的數(shù)據(jù)模式計時所要求的時鐘和盤索引信號。
A.光寫頭傳感器圖8所示的是說明根據(jù)本發(fā)明配置用于徑向光柵以產(chǎn)生參考寫時鐘的光寫時鐘傳感器134的詳細設(shè)計的截面圖。
該測量系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激動器700、校直透鏡804、偏振器822和824、偏振光束分離器806、球面透鏡808、814和820、光檢測器826、四分之一波長板810和816、角立方形反射器812和818以及徑向光柵130。在操作過程中，由激光二極管700產(chǎn)生的激光束通過校直儀804、偏振器822和偏振光束分離器806。偏振器822和偏振光束分離器806阻止任何S偏振部分，而讓P偏振部分經(jīng)過并到達透鏡820。結(jié)果的光束實質(zhì)上被透鏡820聚焦約在5％之內(nèi)在徑向光柵130的點830上。在最佳實施例中，入射在透鏡820上的光束被從透鏡820的光軸上偏移了約1.5mm，使得從光柵反射過來的0階光束在通過透鏡820傳回之后，從入射的激光束偏移了約3mm。結(jié)果，可以容易地阻止其返回激光二極管802，因此，避免了二極管激光器對反饋回其腔的光的敏感性。另外，來自光柵的P—偏振0階被反射光束由偏振光束分離器806傳遞，而不被反射到光檢測器826，因此不會降低其性能。
+1和-1階的被衍射激光束在其各自的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的方向上從光柵中出現(xiàn)。特別是，結(jié)果的+1階被衍射激光束經(jīng)過校準它的球面透鏡808，然后通過四分之一波長板810，被角立方形反射器812反射回來，并且2再次經(jīng)過四分之一波長板810和透鏡808。透鏡808實質(zhì)上把結(jié)果光束聚焦到光柵的點830上。結(jié)果光束由光柵130衍射向透鏡820。透鏡820重新校準光束并把它導(dǎo)向偏振光束分離器806。同樣，結(jié)果的-1階被衍射激光束通過校準它的球面透鏡814，然后經(jīng)過四分之一波長板816，被角立方形反射器818反射回來，并且2再次經(jīng)過四分之一波長板816和透鏡814。透鏡814實質(zhì)上把結(jié)果光束聚焦在光柵的點830上，使之和也被其他光學(xué)鏡片組返回點830的+1階光束重迭。合成的光束被光柵130衍射向透鏡820。透鏡820重新校準光束并把它導(dǎo)向偏振光束分離器806。
光學(xué)元件的光校準這樣使得結(jié)果的被校準+1和-1階衍射光束是重合和共線的。四分之一波長板810和816的作用是使結(jié)果光束被S偏振。合成的激光束展現(xiàn)干涉條紋，當徑向光柵被轉(zhuǎn)動時改變強度。偏振光束分離器806把組合光束導(dǎo)向偏振器824，然后再到光檢測器826。偏振器824的作用是增加偏振光束分離器對P—偏振光束的消光能力，而把S—偏振光束傳送到光檢測器826。光檢測器826產(chǎn)生的電信號為時間的正弦函數(shù)，并且和徑向光柵上的衍射線同步，因此也和主軸的轉(zhuǎn)動同步。光柵轉(zhuǎn)動1線間距導(dǎo)致電信號的4個完整周期。結(jié)果信號然后被處理，以產(chǎn)生和主軸轉(zhuǎn)動同步的高精度和可重復(fù)的參考寫時鐘信號。
B.檢測電路在光檢測器826的輸出上產(chǎn)生的未經(jīng)加工的參考寫時鐘(下面稱為未加工的時鐘)的瞬時步驟率由瞬時主軸旋轉(zhuǎn)速率和被來自參考寫時鐘光頭的激光束照明的徑向光柵的平均間距所確定。徑向光柵130相對于主軸轉(zhuǎn)動軸的中心誤差調(diào)節(jié)了由激光束照明的平均徑向光柵間距以及未加工時鐘信號的瞬時頻率。調(diào)節(jié)的結(jié)果是頻率等于主軸旋轉(zhuǎn)頻率的正弦波。振幅由光柵中心誤差確定，而相位則由相對于參考寫時鐘光頭的位置的光柵中心誤差的方向所確定。頻率調(diào)節(jié)的幅度和相位對每次主軸轉(zhuǎn)動都是可重復(fù)的。例如，在10mm的光柵半徑上，由于光柵的100μm失調(diào)的1％中心誤差導(dǎo)致了未加工時鐘信號1％的頻率調(diào)節(jié)幅度。未加工時鐘頻率也可由任何可重復(fù)的和不可重復(fù)的主軸停止以及光柵線間距中的任何圓周不一致性所調(diào)節(jié)。
除了電子噪聲之外，上述影響的組合增加了對未加工時鐘信號的另外的可重復(fù)和不可重復(fù)誤差。通過對主軸和光柵的適當設(shè)計和制造，就能適當?shù)販p少這些誤差。但在大多數(shù)的實際應(yīng)用中，由于光柵的中心誤差也適當?shù)匦?，這樣做在費用考慮上并不能令人滿意。因此，本發(fā)明提供了有效地減少由于光柵中心誤差所引起的未加工時鐘的可重復(fù)調(diào)節(jié)的兩種方法。第一種方法基于這樣的電路，該電路能準確地測量未加工時鐘信號調(diào)節(jié)的可重復(fù)幅度和相位，并在電路上給予補償；第二種方法利用位于光柵的對邊但在同一光柵半徑上的兩個寫時鐘光頭來產(chǎn)生兩個未加工的時鐘信號。這兩個時鐘信號在電路上被混和以產(chǎn)生一個被補償?shù)膶憛⒖紩r鐘信號，下面簡稱為被補償時鐘信號。
圖9的示意圖的形式給出了第一個方法的未加工時鐘檢測和補償電路。未加工時鐘檢測電路包括光檢測器826、帶通和自動增益控制放大器900、方波發(fā)生器901、相位檢測器902、濾波器904、電壓控制振蕩器(VCO)906和數(shù)字除法器(DD)907。利用這些電路和測量電路來測量由于光柵中心誤差引起的頻率調(diào)節(jié)的幅度和相位。測量電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)930、邊緣檢測器926、數(shù)字計數(shù)器928、RAM地址發(fā)生器(RAM—AG)929和處理器932。未加工時鐘的補償由未加工時鐘檢測電路和正交時序調(diào)節(jié)產(chǎn)生器利用存儲在RAM934中的信息執(zhí)行。正交時序調(diào)節(jié)產(chǎn)生器包括邊緣檢測器926、數(shù)字計數(shù)器928、RAM—AG929、RAM934、處理器932、正交鋸齒波發(fā)生器(QSG)908、峰值檢測器910和920、乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器(M—DAC)912和922、比較器914和924、以及脈沖選擇器916。被補償寫時鐘信號發(fā)生器包括相位檢測器940、濾波器942、VCO944和數(shù)字除法器946。
在操作過程中，來自光檢測器826的未加工時鐘信號經(jīng)過放大器900。在把時鐘信號送到方波發(fā)生器901之前，放大器900帶通濾波器和自動增益控制該信號。帶通濾波器的頻帶寬可能相當窄，因為所需的寫參考時鐘信息由基本的頻率分量攜帶。所需的帶通濾波器頻帶寬度主要由預(yù)期的光柵中心誤差和主軸RPM變化所確定。自動增益控制補償任何圓周的光柵效率變化，否則這些變化將對方波發(fā)生器901和相位檢測器902的性能產(chǎn)生不利的影響。方波發(fā)生器901、相位檢測器902、濾波器904和VCO906協(xié)同作為典型的相位鎖回路，產(chǎn)生和光柵130上的光柵線同步的未加工時鐘信號。相位鎖回路也用來減少電路噪聲的影響并補償在放大器900的輸出信號中引起的任何丟失的或超出的零交叉。例如，光柵缺陷可能導(dǎo)致丟失或超量的零交叉(過零區(qū)間)，而這又可能導(dǎo)致索引計數(shù)器不能和磁盤主軸同步。
來自VCO906的未加工時鐘信號準確地和光柵線和主軸旋轉(zhuǎn)同步。未加工時鐘信號的時序跳躍在本質(zhì)上是很小的，這是由于來自光檢測器826的電信號的高信噪比和由未加工時鐘檢測電路所提供的噪聲和光柵缺陷消除作用。如果需要的話，可以利用已知的方法，在未加工時鐘檢測電路的內(nèi)部或外部對未加工的時鐘頻率進行除或乘。
測量未加工時鐘頻率調(diào)節(jié)的幅度和相位的過程如下。未加工時鐘信號的變換邊緣由邊緣檢測器926檢測，并由數(shù)字計數(shù)器928計數(shù)。具體來說，數(shù)字計數(shù)器928通過計數(shù)主軸每次完整地轉(zhuǎn)一圈的變換總數(shù)而產(chǎn)生一個靜態(tài)的主軸索引。每次完整的主軸轉(zhuǎn)動的變換總數(shù)由光柵的線數(shù)和在未加工時鐘檢測電路中執(zhí)行的任何頻率劃分或倍增所確定。變換邊緣也被傳送到ADC930和RAM地址發(fā)生器(RAM—AG)929上。ADC930利用變核(瞬變)邊緣來確定數(shù)據(jù)采集時序，而RAM—AG929則用它們來確定RAM934的合適的數(shù)據(jù)地址。在某個給定的主軸轉(zhuǎn)動上，到VCO906的瞬時輸入和DD907的瞬時輸出頻率由ADC930同步采樣并送到處理器932用于存儲和處理。處理器932利用從多個完整的主軸轉(zhuǎn)動中得到的數(shù)據(jù)來計算由于光柵偏心率誤差所導(dǎo)致的頻率調(diào)節(jié)的最合適的幅度和相位。利用在這一技術(shù)中眾所周知的統(tǒng)計原理來執(zhí)行這種計算過程，因此這里將不作詳細描述。選樣完整主軸轉(zhuǎn)數(shù)和在給定主軸轉(zhuǎn)動上得到的數(shù)據(jù)樣本數(shù)，以便補償任何主軸速度變化并且均衡輸出噪聲。處理器932利用最合適的幅度和相位來計算每個未加工時鐘周期為補償光柵中心誤差所需的同步時序調(diào)整。同步時序調(diào)整的適當表示被存在RAM934中，而RAM934則用RAM—AG929來尋址。存在RAM934中的值然后通過使用正交時序調(diào)整發(fā)生器來進行瞬時時序調(diào)整。
正交時序調(diào)整發(fā)生器的功能由QSG908、峰值檢測器910和920、M—DAC912和922以及比較器914和924實現(xiàn)。QSG908產(chǎn)生和來自DD907的未加工時鐘信號同步的正交鋸齒波形。圖10中的時序圖給出了未加工時鐘1000、正交鋸齒波形1010和1040，以及分別來自比較器914和924、1001和1002的輸出波形。對波形1010的順序周期的M—DAC912輸出信號由水平線1020、1021和1022圖示。當鋸齒波形的幅度分別等于M—DAC912的預(yù)置輸出1020、1021和1022時，比較器914產(chǎn)生具有順序脈沖1030、1031和1032的波形1001。同樣，對波形1040的順序周期的M—DAC922的輸出信號由水平線1050、1051和1052所圖示。當鋸齒波形的幅度分別等于M—DAC922的預(yù)置輸出1050、1051和1052時，比較器924產(chǎn)生具有順序脈沖1060、1061和1062的波形1002。在圖10所示的例子中，未加工時鐘信號具有16個單位的周期，而比較器的輸出信號具有18個單位的周期。同樣，通過適當?shù)剡x擇來自M—DAC912和922的輸出序列值，來自比較器914和924的輸出值就可以具有小于未加工時鐘信號的周期。
因此，通過程序設(shè)計RAM934中的某個適當?shù)闹敌蛄校ㄐ?001和1002的脈沖周期在未加工時鐘周期隨主軸旋轉(zhuǎn)變化時也能保持不變。
對每個未加工時鐘周期的M—DAC912的輸出值由存在RAM934中的數(shù)字值所確定，并利用峰值檢測器910的輸出使之被規(guī)范化到前一個鋸齒波形周期的峰值。同樣，對每個未加工時鐘周期的M—DAC922的輸出值也由存在RAM934中的數(shù)字值所確定，并利用峰值檢測器920的輸出規(guī)范化到前一個鋸齒波形周期的峰值上。由M—DAC912和922、峰值檢測器910和920提供的規(guī)范化保證了由未加工時鐘頻率變化所引起的鋸齒波幅度變化能逐個周期地被補償。通過在RAM地址發(fā)生器929的指導(dǎo)下同步地改變RAM934的輸出值，比較器914和924的輸出脈沖就能被定位在某個給定的鋸齒波形周期的始端和終端之間的任何位置上。因此，波形1001和1002上的脈沖位置可以連續(xù)地和可預(yù)測地在一個波形周期內(nèi)和周期到周期地移動，以補償由于光柵中心誤差引起的頻率變化。
在原理上，波形1001或1002都可以提供補償時鐘信號，如果QSG908所產(chǎn)生的鋸齒波形足夠接近理想的，即，如果QSG908的鋸齒波形有一個比所需的最小的延遲區(qū)間小得多且在整個范圍中高度線性化的從其最大值到零的瞬變時間。但是，這種要求將沒有必要地增加性能要求和用來實現(xiàn)QSG的元件的成本，并且將使其設(shè)計復(fù)雜化。根據(jù)本發(fā)明，瞬變時序要求和在整個范圍上的線性要求是通過使用正交鋸齒波發(fā)生器并利用脈沖選擇器916適當選擇來自波形1001或1002的脈沖來得到有效的緩和的。正交波形上唯一存在的關(guān)鍵要求是波形的中心部分要高度線性并且其斜率要得到很好的匹配。這些要求可以采用成本有效的方法，利用在這一技術(shù)中眾所周知的技術(shù)來實現(xiàn)。補償時鐘信號由脈沖選擇器916和包括相位檢測器940，濾波器942、VCO944和數(shù)字除法器946的相位—鎖回路產(chǎn)生。
在典型的相位鎖回路應(yīng)用中，VCO906的線性度可能不是關(guān)鍵的問題。然而，在本發(fā)明的環(huán)境中，VCO906的線性度是非常重要的，因為它被用來準確地測量未加工時鐘信號頻率調(diào)節(jié)的幅度和相位。通過把兩個或更多的具有橫跨所需操作范圍的準確已知頻率的波形又反饋到方波發(fā)生器901的方法來測量VCO的電壓對頻率傳輸特性。例如，輸入頻率可以由晶體受控時鐘產(chǎn)生。利用ADC930為每個輸入頻率多次采樣VCO906輸入端上的結(jié)果電壓。然后把被采樣的值裝到直線上，根據(jù)在該技術(shù)中已知的設(shè)計技術(shù)計算電壓對頻率的傳輸特性。
圖11所示的實現(xiàn)未加工時鐘信號檢測和補償?shù)牡诙N技術(shù)使用位于相距180°位置(在光柵中心對邊上)的兩個公開的時鐘頭。根據(jù)該技術(shù)的寫時鐘子系統(tǒng)包括光時鐘頭1100和1150、光柵130、未加工時鐘檢測電路1130和1140、以及寫時鐘混和器1160和補償寫時鐘檢測器1170。光時鐘頭1100包括半導(dǎo)體激光器1103、偏振光束分離器1102和光檢測器1104。同樣，光時鐘頭1150包括半導(dǎo)體激光器1152、偏振光束分離器1153和光檢測器1154。光時鐘頭的完整設(shè)計如上面的圖8所示。每個頭被連接到其各自的時鐘檢測電路上。時鐘檢測電路1130和1140的設(shè)計和圖9所示的設(shè)計是等價的，包括放大器900、方波發(fā)生器901、相位檢測器902、濾波器904和VCO906。時鐘檢測電路1130和1140所產(chǎn)生的兩個同步化的未加工光柵時鐘信號在混和器1160中被組合，產(chǎn)生輸出信號cos(f1)×cos(f2)＝0.5[cos(f1＋f2)＋cos(f1—f2)]被補償寫時鐘檢測器1170利用高通濾波器消除不同頻率項并處理余下的求和頻率項來產(chǎn)生合成的寫時鐘信號。由于上述組合的刪除影響，結(jié)果的合成時鐘信號并沒有展現(xiàn)由光柵的中心誤差所引起的一階頻率誤差。余下的二階項的幅度比一階項低得多，和中心誤差的平方成正比。對于1％光柵中心誤差的最壞情況，這種技術(shù)導(dǎo)致在結(jié)果的被補償寫參考時鐘頻率中最大為0.01％的誤差，這對于大部分的伺服寫應(yīng)用是足夠的。
某些應(yīng)用可能不要求完全正確的參考時鐘頻率。在許多例子中，只需小部分信息被同步寫。例如，在數(shù)據(jù)記錄磁盤上的寫扇區(qū)—伺服模式中，任何單個伺服扇區(qū)都被寫入為磁道對磁道對準的同步時鐘信號，但同步要求在兩個伺服扇區(qū)之間得到緩解。在這種情況中，保證伺服扇區(qū)之間的時間是正確的就足夠了，不必在實際上糾正參考時鐘頻率?？梢杂镁w受控的參考時鐘來標定用非補償寫參考時鐘測量的扇區(qū)長度，由此產(chǎn)生等長的扇區(qū)。標定的精度只需與主軸RPM的控制精度相當，如果需要的話，可通過對多次主軸轉(zhuǎn)動所得到的數(shù)據(jù)求平均值使其本身得到改進。
IV波前重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)被包含在上述的驅(qū)動裝置位置傳感器和參考寫時鐘發(fā)生器中的反射(偏轉(zhuǎn))衍射光柵被分別提供了線性和徑向配置衍射模式。隨著光柵繞入射光束旋轉(zhuǎn)，被反射的衍射模式的相位也相對于入射光束的相位移動。這種相位的移動(由適當?shù)墓鈾z測器測量)提供了準確地確定驅(qū)動裝置位置和參考寫時鐘信號的基礎(chǔ)。
使用來自具有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置(在現(xiàn)代磁盤驅(qū)動器中是盛行的)的線性衍射光柵的衍射模式所帶來的問題是當驅(qū)動裝置繞其樞軸旋轉(zhuǎn)時，被衍射的激光束也繞著入射激光束轉(zhuǎn)動(偏航)。該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計需要容納驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)(可能高達±20°)。另一方面，如果使用徑向的而不是線性的衍射光柵，被衍射的激光束就不轉(zhuǎn)動。然而，和徑向衍射光柵連系在一塊的問題是在入射激光束下由可變的光柵線間距所引起的衍射模式的可察覺到的波前像差。在典型的光學(xué)系統(tǒng)中，+階和-階的衍射模式被反射回到鄰近入射源激光束的光柵中的某個點上，然后垂直于光柵表面被衍射到用于相位檢測的光檢測器上。結(jié)果的激光束的組合的+階和-階衍射模式表現(xiàn)出明顯的波前像差。這將導(dǎo)致很差的衍射條紋對比度，降低了位置檢測系統(tǒng)的性能。它還導(dǎo)致檢測系統(tǒng)中光學(xué)鏡片對光柵的未對準十分敏感，因為當光柵轉(zhuǎn)動時，兩個高度變形的結(jié)果激光束必須準確地保持共線。
還沒有已知的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計能和由線性光柵旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的高偏轉(zhuǎn)角兼容。關(guān)于用徑向光柵檢測角度位置的現(xiàn)有技術(shù)或者忽視糾正衍射模式中的結(jié)果波前像差，用附加在光柵表面上的柱面透鏡把光聚焦到一個柵縫中，使像差達到最小，或者用一個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來重新校直變形的激光束。第二種設(shè)計的嚴重缺陷是顯著地增加了光柵的重量和成本，而且使用范圍很小，所有的這些使得它不能有效地用在上述的盤驅(qū)動器中。后者設(shè)計使用柱面透鏡來消除變形波前中的象散現(xiàn)象。更具體地說，對于＋階衍射激光束，該設(shè)計方案用一個楔形棱鏡來彎曲(偏移)激光束，用一對柱面透鏡來糾正像差，用一個角立方體來反射結(jié)果的激光束，用第二個楔形棱鏡來再次彎曲激光束，并且在把結(jié)果的激光束返回到衍射光柵之前，用第二對柱面透鏡來把光線轉(zhuǎn)換為共軛波前。按照要求最佳地排列兩個楔形棱鏡、兩組柱面透鏡和角立方體反射器，使之按適當?shù)慕嵌劝驯恍Ｖ钡?階衍射光束返回到光柵的所需位置上是非常困難的。為-階衍射光束排列第二組同樣的光學(xué)鏡片，使被返回光柵的結(jié)果激光束被校直并且同＋階衍射光束共線和一致，也是相當困難的。在任何情況下，即使能調(diào)整好，要使所有的光學(xué)元件在正常的處理和使用期間都能適當?shù)嘏帕泻靡彩欠浅＠щy的，因此，這種設(shè)計在實際應(yīng)用中并不受歡迎，因為需要大量的光學(xué)元件，排列這些光學(xué)元件需要復(fù)雜的機械操作過程，并且難以完成和維護合適的排列。
一種最新的現(xiàn)有技術(shù)能用來最小化由徑向光柵引起的光學(xué)波前像差用很小直徑的激光束入射在徑向光柵上。然而，對于大多數(shù)實際應(yīng)用來說，減少激光束的直徑是不可行的，因為檢測系統(tǒng)對光柵的缺陷將變得非常敏感，而在低成本、高體積的被制造的光柵中一般都存在缺陷。
本節(jié)集中在本發(fā)明的重構(gòu)光學(xué)鏡片上，這能解決上述的光學(xué)問題并允許光測量系統(tǒng)準確地測量線性或徑向衍射光柵的相對位置。這種重構(gòu)光學(xué)鏡片能補償由線性光柵引起的可變的偏轉(zhuǎn)角和由徑向光柵造成的光學(xué)波前像差。線性光柵的重構(gòu)光學(xué)設(shè)計有一個局限的角度范圍，由具體的光學(xué)元件所確定，而徑向光柵的重構(gòu)光學(xué)鏡片設(shè)計具有滿360°的角度范圍。
線性衍射光柵的重構(gòu)光學(xué)鏡片設(shè)計包括位于入射激光束的一邊的第一球面透鏡和第一平面鏡子反射器，位于入射激光束對邊的第二球面透鏡和第二平面鏡子反射器。平面鏡子反射器可以是前表面反射器或后表面反射器。第一球面透鏡和平面鏡子反射器接收來自線性衍射光柵的正(+)階衍射激光束，而第二球面透鏡和平面鏡子反射器接收負(-)階衍射激光束。它們又把各自的激光束導(dǎo)回光柵，使之被校直和一致。重構(gòu)光學(xué)鏡片被這樣排列，使得一旦出現(xiàn)來自光柵的第二個衍射，結(jié)果的激光束就和入射源激光束共線和平行(但也可以被取代)。結(jié)果激光束和入射源光束的空間分離有助于檢測過程，如上所述。該設(shè)計是這樣進行的，使得結(jié)果激光束在光柵的一個大轉(zhuǎn)動角度上保持共線?？稍试S的轉(zhuǎn)動角度主要由透鏡的光孔和平面鏡子的尺寸所決定。這種設(shè)計在實際應(yīng)用中是很受歡迎的，因為只需少量的光學(xué)元件，排列光學(xué)元件所需的機械操作過程并不十分復(fù)雜，并且便于實現(xiàn)和維護適當?shù)呐帕小?br> 用于徑向衍射光柵的重構(gòu)光學(xué)鏡片設(shè)計類似于上述的線性光柵，除了用頂棱鏡或頂鏡子(兩個反射平面互相垂直)來代替平面的鏡子。重構(gòu)光學(xué)鏡片包括位于入射激光束一邊的第一球面透鏡和第一頂反射器，以及位于入射激光束對邊上的第二球面透鏡和第二頂反射器。第一球面透鏡和頂面反射器接收來自徑向光柵的正(+)階衍射激光束，而第二球面透鏡和頂面反射器接收負(-)階衍射激光束。它們又把各自的激光束導(dǎo)回到光柵上，使之被校直并且是一致的。光學(xué)鏡片被這樣排列，使得一旦出現(xiàn)來自光柵的第二個衍射，結(jié)果激光束和入射源激光束是共線的或平行的(但也可能被替換)。結(jié)果激光束和入射源激光束的空間分離也有助于檢測過程。采用這樣的設(shè)計，使得當光柵旋轉(zhuǎn)時，結(jié)果激光束保持共線，假定光柵是繞著位于徑向光柵線會聚的點上的樞軸轉(zhuǎn)動的。這種設(shè)計完全糾正了由徑向光柵所造成的波前像差，并且在實際應(yīng)用中是很受歡迎的，因為只需少量的光學(xué)元件，排列這些光學(xué)元件所需的機械操作過程并不十分復(fù)雜，允許光柵未對準，并且便于實現(xiàn)和維護正確的排列。
圖12所示的是說明被設(shè)計用于做為量度標準的線性光柵的光學(xué)測量系統(tǒng)的示意圖，在此稱為“線性頭”，具有—IX望遠鏡波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的特征。光頭1202包括激光光源1204和檢測器1206。反射衍射光柵1208在其上表面1210有一個線性衍射模式，而其下表面1212則附加到驅(qū)動裝置或主軸架上(如上所述)。重構(gòu)光學(xué)鏡片包括沿光軸1226設(shè)置的球面透鏡1214和平面鏡子反射器1216，以及沿光軸1228設(shè)置的球面透鏡1220和平面鏡子反射器1222。
建立重構(gòu)光學(xué)裝置的幾何形狀來產(chǎn)生-1倍望遠鏡的效應(yīng)。具體來說，球面透鏡1214和平面鏡子反射器1216沿著衍射光束路徑(被標識為光軸1226)的標稱中心線放置。球面透鏡1214位于離衍射光柵1208上的點1230和1232之間的中點距離為f的位置，沿光軸1226測量。距離f被置為等于球面透鏡1214的焦距。此外，平面鏡子反射器1216位于離球面透鏡1214為f的位置，沿光軸1226測量。類似于球面透鏡1214和平面鏡子反射器1216，球面透鏡1220和平面鏡子反射器1222被放置在離衍射光柵1208等于球面透鏡1220的一個焦距的位置上，其中心在衍射光束路徑的標稱中心線上，被標識為光軸1228。
在操作過程中，源于激光源1204的激光束照射線性衍射光柵1208，垂直入射在點1230上。結(jié)果的正(+)階和負(-)階衍射激光束出現(xiàn)在其各自的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的方向上。具體來說，結(jié)果的正(+)階衍射激光束通過球面透鏡1220，被聚焦在平面鏡子1222上，并被反射回經(jīng)過透鏡1220，透鏡1220重新校直光束并將其導(dǎo)回衍射光柵1208的點1232上。光柵又在檢測器1206的方向上衍射結(jié)果光束。上述的設(shè)計和平面鏡子1222及透鏡1220的放置保證結(jié)果光束平行(但在位置中被替換)于源激光束。與此同時，負(-)階衍射光束通過球面透鏡1214，被聚焦在平面鏡1216上，并被反射回通過透鏡1214，透鏡1214重新校直該光束并把導(dǎo)向衍射光柵1208的點1232上。光柵又在檢測器1206的方向上衍射結(jié)果光束。上述的設(shè)計以及平面鏡1216和透鏡1214的放置方式保證結(jié)果光束和正(+)階衍射光束是一致的和共線的，并且也被導(dǎo)向檢測器1206。正階和負階這兩個結(jié)果波前組合為一個完全重構(gòu)的校直的光束，出現(xiàn)在檢測器1206的方向上。
上述的設(shè)計使重構(gòu)光學(xué)鏡片對相對于光頭的線性光柵偏轉(zhuǎn)角度不敏感。這又使得在把線性衍射光柵裝在驅(qū)動裝置時，以及當在提供驅(qū)動裝置位置測量時、相對于所用的盤驅(qū)動器定位光頭時，不需要進行精確的對準。對于使用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的磁盤驅(qū)動器，該設(shè)計方案提供了利用線性光柵準確地測量旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置位置的方法。實際上，圖12所示的重構(gòu)光學(xué)鏡片可用于具有線間距的范圍并且具有高達約±20°的偏轉(zhuǎn)角度非敏感性的線性衍射光柵中。所許可的偏轉(zhuǎn)角為數(shù)值孔徑、透鏡1214和1220的“平面場”性能和遠心性(telecin-tricity)、以及鏡子1216和1222的尺寸所限制。設(shè)計的性能對被由光學(xué)元件造成的偏振狀態(tài)中的變化是敏感的，因為光檢測方法基于常規(guī)的“單頻率干涉儀”或“環(huán)形偏振干涉儀”。因此，最好選擇保持激光束的偏振狀態(tài)的光學(xué)元件。
圖13所示的是說明光學(xué)測量系統(tǒng)的示意圖，包括用于徑向衍射光柵的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片，這里稱之為“徑向頭”。該實施例把徑向光柵用作測量的計量標準。該設(shè)計類似于圖12中所示的設(shè)計，除了用頂反射器1316和1322替換平面鏡反射器1216和1222。頂反射器1316和1322包括頂邊緣，分別被標識為1318和1324。
在操作過程中，源于激光源1304的激光束照射徑向衍射光柵，垂直入射在點1330上。結(jié)果的正階(+)和負階(-)衍射激光束出現(xiàn)在其各自的波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的方向上。具體來說，結(jié)果的正階衍射激光束經(jīng)過球面透鏡1320，這將把光柵上點1330中的結(jié)果的變形波前變?yōu)楸粚?dǎo)向頂反射器1322的傅里葉變換波前。頂反射器1322顛倒光束的傳播方向并相對于其頂邊顛倒圖象。然后光束再次通過球面透鏡1320，再次對該波前進行傅里葉變換，并將其導(dǎo)向徑向衍射光柵1308上的點1332。對源于點1330的光束的兩次傅里葉變換，加上由頂反射器1322的反射和繞頂軸的翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了點1332上的光束，其波前和點1330上的波前是一致的，除了在相反的方向上傳播之外。因為離開光柵的點1330上的被衍射光束有一個其本身是關(guān)于光柵的徑向方向反對稱的波前，因此，返回點1332的光束的波前是點1330上的波前的復(fù)合共軛。與此同時，負(-)階衍射激光束通過球面透鏡1314和頂反射器1316，這同樣重新定形已變形的波前并重新將結(jié)果激光束導(dǎo)向著點1332。結(jié)果的正階和負階波前重衍射并組合為一個完全重構(gòu)的校直的光束，出現(xiàn)在光頭1302的檢測器1306的方向上。因為像差本身是關(guān)于通過光柵中心的徑向線反對稱的并且光柵線平分這兩個光束點，因此，波前重構(gòu)光學(xué)鏡片的作用是為關(guān)于橫向軸反對稱的波前提供相位共軛光學(xué)系統(tǒng)。因為返回到光柵的點1332上的光束的波前是離開光柵的點1330上的光束的波前的共軛，因此，返回檢測器1306的光束在由光柵第二次衍射后被重新校直。
正如在線性頭中的情況一樣，在光束的偏振狀態(tài)上的光學(xué)元件的作用是很重要的，因為徑向頭的光學(xué)檢測方案和線性頭的光學(xué)檢測方案是一樣的。考慮到這樣的事實將使情況進一步復(fù)雜化用于頂反射器的典型的反射鍍層并不保留偏振狀態(tài)。然而，通過對直角棱鏡的內(nèi)部反射采用一種眾所周知的270°相位鍍層，該問題就能相當直接了當?shù)乇唤鉀Q。例如，對波長為780nm的激光采用270°偏振旋轉(zhuǎn)鍍層通過把薄膜鍍層的下述系列作用到BK—7玻璃棱鏡的直角表面上來實現(xiàn)TiO2的23.45nm，MgF2的245.68nm，TiO2的16.60nm，MgF2的121.11nm。把這個鍍層放在直角棱鏡的兩個腿上，并利用棱鏡的斜邊作為頂反射器的入口表面，每次光束打中一條腿，入射光束的偏振狀態(tài)就增加270°。在光束通過這樣一個頂反射器之后，其偏振狀態(tài)便增加540°，這和由于覆蓋偏振狀態(tài)的性質(zhì)所導(dǎo)致的偏振狀態(tài)變化180°是等價的。在偏振狀態(tài)中的結(jié)果180°旋轉(zhuǎn)對于用在本發(fā)明中的信號檢測方法并不是有害的，因為它只顛倒了光束的圓形(從左到右或從右到左)。
本發(fā)明的重構(gòu)光學(xué)鏡片可以方便地被修改以適應(yīng)于對反射衍射光柵上兩個光束點的大小和分離的修改。例如，如果更加靠近，在光柵的表面上就需要比由激光器/檢測器裝置產(chǎn)生和檢測的光束更小的直徑，這就需要使用光束壓縮器。光束壓縮器沿著激光器/檢測器裝置和光柵之間的中心軸放置。該技術(shù)領(lǐng)域中給出了各種激光束壓縮器的設(shè)計方法并且能方便地應(yīng)用到本發(fā)明中。圖14給出一個例子，其中的光束壓縮器1400包括被分開的距離等于其各自焦距f1和f2之和的兩個透鏡1401和1402。點的直徑d和點的間距h由比率γ歸約，γ為透鏡1401和1402的焦距的比率。即γ |f2|/|f1|＝h2/h1＝d2/d1，其中h1，d1和h2、d2分別表示把光束壓縮器放在圖12所示的線性頭的激光器/檢測器裝置1202和光柵1208之間或圖13所示的徑向間的激光器/檢測器1302和光柵1308之間之前或之后的光束間距和光束直徑。對于任一給定的光頭設(shè)計和尺寸，使用光束壓縮器使本發(fā)明能適用于各種不同的光柵尺寸，因此也適用于各種不同尺寸的盤驅(qū)動器。
V結(jié)論除上述寫伺服模式的應(yīng)用，本發(fā)明的伺服寫系統(tǒng)還可以通過分析來自記錄磁頭112和讀/寫電路144的回讀信號，驗證被記錄在盤上的伺服信息的質(zhì)量和精度。驗證工作可以在伺服寫過程中或在該過程已完成之后進行。驅(qū)動裝置定位子系統(tǒng)也可以用來確定線性驅(qū)動裝置盤驅(qū)動器中的驅(qū)動裝置位置(或驗證質(zhì)量)，在這種情況下，光柵被選擇為采用矩形條的形狀。
甚至更一般地，本發(fā)明可以方便地應(yīng)用到那些不是用于盤驅(qū)動器的定位系統(tǒng)中的測量和控制，例如用于照相平版印刷曝光工具中的注冊系統(tǒng)、機器人臂定位系統(tǒng)、在計算機控制下操作的各種工具機器、線性或旋轉(zhuǎn)的變換平臺，或者能經(jīng)受移動的所能設(shè)想到的任何其他機械設(shè)備。
另外，雖然本發(fā)明是參考最佳實施例來具體描述的，但應(yīng)該理解為，熟悉這一技術(shù)的人在不離開本發(fā)明的范圍的情況下，就能在形式上或細節(jié)上改變其中的描述和說明。因此，應(yīng)該認為本發(fā)明包括了在下面的權(quán)利要求書所定義的范圍內(nèi)所得出的所有的修改和變化方案。
權(quán)利要求
1.測量數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中驅(qū)動裝置位置的系統(tǒng)，包括發(fā)出入射到驅(qū)動裝置上的光束的激光器；附加在驅(qū)動裝置上的反射衍射光柵，衍射入射光束；測量從光柵反射的衍射模式中的相位差的檢測光學(xué)裝置；以及驅(qū)動裝置位置信號解碼電路，連接檢測光學(xué)裝置，用于接收被測量到的相位差，并把它們轉(zhuǎn)換為表示驅(qū)動裝置位置的信號。
2.權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動裝置位置信號解碼電路進一步把接收到的相位差轉(zhuǎn)換為表示驅(qū)動裝置移動方向的信號。
3.權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，檢測光學(xué)裝置測量+1階衍射激光束和-1階衍射激光束之間的相位差。
4.權(quán)利要求1中描述的系統(tǒng)，其特征在于，激光器為半導(dǎo)體激光器。
5.權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，衍射光柵包括線性光柵模式。
6.權(quán)利要求5中的系統(tǒng)，其特征在于，衍射光柵位于驅(qū)動裝置上，其光柵線垂直于接近驅(qū)動裝置活動范圍中點的驅(qū)動裝置的移動方向。
7.權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動裝置為旋轉(zhuǎn)式的驅(qū)動裝置，并且衍射光柵包括徑向光柵模式。
8.權(quán)利要求6中的系統(tǒng)，其特征在于，徑向光柵線的會聚點實質(zhì)上和驅(qū)動裝置的樞軸點一致。
9.權(quán)利要求3中的系統(tǒng)，其特征在于，檢測光學(xué)裝置包括補償由光柵運動所引起的被衍射激光束的角度中變化的重構(gòu)光學(xué)裝置。
10.權(quán)利要求3中的系統(tǒng)，其特征在于，檢測光學(xué)裝置包括補償被衍射激光束中光學(xué)波前像差的重構(gòu)光學(xué)裝置。
11.權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其特征在于，解碼電路包括提供粗驅(qū)動裝置位置信號的粗解碼電路。
12.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，粗解碼電路包括一個正交計數(shù)器。
13.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，解碼電路進一步包括提供細驅(qū)動裝置位置信號的細解碼電路。
14.權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，細解碼電路包括一個微處理器。
15.權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，粗驅(qū)動裝置位置信號和細驅(qū)動裝置位置信號被組合以確定驅(qū)動裝置的位置。
16.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，解碼電路包括產(chǎn)生正交信號的裝置；測量正交信號參數(shù)的裝置；以及根據(jù)被測量到的參數(shù)和被接收到的相位差計算細驅(qū)動裝置位置信號的裝置。
17.權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其特征在于，被測量到的參數(shù)包括任何幅度、DC偏移偏差和相位差。
18.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器被機殼密封，激光器位于盤驅(qū)動器之外，并且光束通過機殼中的至少一個孔進入并退出盤驅(qū)動器。
19.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個孔被透光材料所覆蓋。
20.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，激光器被附加到數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器上。
21.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，光束被校直。
22.在具有旋轉(zhuǎn)主軸架的數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中產(chǎn)生參考時鐘信號的系統(tǒng)，包括發(fā)出入射到主軸架上的光束的激光器；附加到主軸架上、衍射入射的光束的反射衍射光柵；在自光柵反射的衍射模式中測量相位差的檢測光學(xué)裝置；以及與檢測光學(xué)裝置連接，用來接收被測量的相位差并將其轉(zhuǎn)換為參考時鐘信號的時鐘檢測電路。
23.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，時鐘檢測電路進一步把所接收的相位差轉(zhuǎn)換為表示主軸架上牽引位置的信號。
24.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，檢測光學(xué)裝置測量+1階衍射激光束和-1階衍射激光束之間的相位差。
25.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，激光器為半導(dǎo)體激光器。
26.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，衍射光柵包括徑向光柵模式。
27.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于，檢測光學(xué)裝置包括補償衍射激光束中光波前像差的重構(gòu)光學(xué)裝置。
28.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于，光束實質(zhì)上聚焦在光柵的表面上，并且檢測光學(xué)裝置包括重新校直被衍射激光束的重構(gòu)光學(xué)裝置。
29.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，檢測電路包括未加工的時鐘檢測電路和補償光柵中心誤差的時序調(diào)節(jié)電路。
30.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括第二個激光器，位于從第一個激光器的衍射光柵中心的對邊上，發(fā)射出入射列衍射光柵上的第二光束；第二檢測光學(xué)裝置，測量自光柵反射的第二衍射模式中的相位差；第二時鐘檢測電路，連接到第二檢測光學(xué)裝置上，接收第二被測量的相位差并將其轉(zhuǎn)換為第二參考時鐘信號；以及混合器電路，和第一和第二時鐘檢測電路連接，用于組合第一和第二參考時鐘信號以產(chǎn)生補償光柵中心誤差的參考時鐘信號。
31.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器被機殼封裝，激光器位于盤驅(qū)動器外部，光束通過機殼中的至少一個孔進出盤驅(qū)動器。
32.權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個孔用透光材料覆蓋。
33.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于激光器附加到數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器。
34.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，光束被校直。
35.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，光束實質(zhì)上聚焦在光柵的表面上。
36.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，反射衍射光柵采用實質(zhì)地以主軸架旋轉(zhuǎn)軸為中心的完全環(huán)狀的形狀。
37.在被密封的數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中寫伺服信息的系統(tǒng)，驅(qū)動器的外殼封裝了一個主軸架，主軸架包括數(shù)據(jù)記錄盤和用來裝到數(shù)據(jù)記錄盤中心上的主軸桿，以及和數(shù)據(jù)記錄盤上的可定位的驅(qū)動裝置連接的數(shù)據(jù)記錄頭，系統(tǒng)包括位于盤驅(qū)動器外面的第一半導(dǎo)體激光器，發(fā)出入射到驅(qū)動裝置上的光束；附加到驅(qū)動裝置上的第一反射衍射光柵，衍射來自第一半導(dǎo)體激光器的入射光束；測量從第一光柵上反射回來的衍射模式中的相位差的第一檢測光學(xué)裝置；連接第一檢測光學(xué)裝置的驅(qū)動裝置位置信號解碼電路，接收被測量的相位差并將其轉(zhuǎn)換為表示驅(qū)動裝置位置的信號；連接驅(qū)動裝置位置解碼電路和驅(qū)動裝置的伺服控制器電路，可控制地調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置的位置；以及連接數(shù)據(jù)記錄頭的伺服模式發(fā)生器，為數(shù)據(jù)記錄頭提供寫在數(shù)據(jù)記錄盤上的伺服信息。
38.權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括第二半導(dǎo)體激光器，位于盤驅(qū)動器外面，發(fā)出入射到主軸架的光束；附加在主軸架的第二反射衍射光柵，衍射來自第二半導(dǎo)體激光器的入射光束；測量自第二光柵反射的衍射模式中的相位差的第二檢測光學(xué)裝置；連接第二檢測光學(xué)裝置的時鐘檢測電路，接收被測量到的相位差并將其轉(zhuǎn)換為參考時鐘信號；以及連接伺服控制電路、伺服模式發(fā)生器和時鐘檢測電路的伺服寫控制電路，協(xié)同寫入伺服信息。
39.權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其特征在于，光束和衍射模式通過機殼上的孔進出密封的數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器，光孔用透光材料覆蓋。
40.權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二半導(dǎo)體激光器被附加到數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器上。
41.權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其特征在于，至少有一個光束被校直。
42.權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其特征在于，第二反射衍射光柵的形狀為實際地以主軸架旋轉(zhuǎn)軸為中心的完全圓環(huán)形狀。
全文摘要
用在數(shù)據(jù)記錄盤驅(qū)動器中的非入侵性伺服寫系統(tǒng)。系統(tǒng)利用半導(dǎo)體激光器測量驅(qū)動裝置位置并產(chǎn)生參考時鐘信號。內(nèi)部位置參考信號由附加到驅(qū)動臂和主軸輪轂上的反射衍射光柵提供。波前重構(gòu)光學(xué)裝置糾正光柵中的像差。光傳感器檢測光柵建立的衍射模式中的差異變化，消除對頻率飄移的敏感性。解碼電路把光傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動裝置位置的測量數(shù)據(jù)。
文檔編號G01D5/38GK1126874SQ9510504
公開日1996年7月17日 申請日期1995年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月27日
發(fā)明者約翰·S·貝斯特, 強文衛(wèi), 史蒂文·R·赫茨勒, 唐納德·E·霍恩, 李奇康, 文森特·馬爾勞 申請人:國際商業(yè)機器公司