光碟讀取頭

光碟(compact disc, CD)與數位多功能光碟(digital versatile disc, DVD)的使用 在現代的社會中已經是非常的普及，光碟讀取頭的製作也是一項成熟的技術。在 光碟讀取頭中具有一套精密的位移感測機制來協助光碟讀取頭做對焦與尋軌的 動作，並且因著光碟讀取頭價格便宜且解析度高的特性，目前在許多的研究中選 擇應用其內建的光學式位移感測機制來當作量測工具。

Fan[16]等學者應用光碟讀取頭來做物體表面的段差掃描，藉由光碟讀取頭的 位移感測機制回傳的訊號控制物鏡保持在對焦的狀態，如此偵測物鏡所對焦的物 體表面型態的變化，在數百微米的範圍內呈現高度的線性關係，具有 200μm 的 量測範圍，解析度可達0.2μm，其成果如圖 1.2.9 所示。

圖 1.2.9 以光碟讀取頭來做物體表面的段差掃描[16]

光碟讀取頭也被應用在原子力顯微鏡中，Hung[17]將光碟讀取頭的物鏡固定 後使雷射光束聚焦於探針的背面，藉由光碟讀取頭內部的位移感測機制量測出探 針的撓曲程度進而推算出探針所偵測物體表面型態的變化，並利用光碟讀取頭質 量輕的優勢完成掃針型原子力顯微鏡。其結構如圖1.2.10 所示，此種新型的原子 力顯微鏡系統樣本為完全靜止狀態，也不會產生偽撓曲(false deflection)的現象。

Armstrong[18]等人以光碟讀取頭為基礎，發展出一套低成本的自動視準儀 (autocollimator)，將其中的聚焦物鏡移除使雷射光直接進入四象限感測器，再將 四象限感測器分成左右各成一組或上下各成一組兩種型態，利用雷射光點照射於 四 象 限 感 測 器 上 的 強 度 大 小 偵 測 出 兩 垂 直 方 向 的 角 度 變 化 ， 量 測 範 圍 為 1200μrad，解析度為±0.006μrad。

另外朱志良[19]學者等人將讀取頭內部加以改造，利用自行設計的彈簧質量 系統結合讀取頭內部的光學位移感測機制成功建構出單軸加速規，其後又對彈簧 質量系統作出改良並結合多個光碟讀取頭，建構出可以量測三個軸向的加速規 [20]，其架構如圖 1.2.11 所示。這些研究都證明了光碟讀取頭具備了一個低成本 且精準的位移感測機制。

圖 1.2.11 以光碟讀取頭外加彈簧質量系統所組成之三軸加速規[20]

1.3 本研究之目標

本研究的目標為利用光碟讀取頭為基礎建構出可操作的加速規，在結構的設 計上希望不改變光碟讀取頭內部的結構，也不另外加裝彈簧質量系統達到設計的 簡單化與降低成本，完全利用光碟讀取頭內部現有的組件來完成加速規所需要的 位移感測機制與彈簧質量系統建構。

利用光碟讀取頭的工作型態評估，預期所建構出的加速規具有量測低頻率且 在1g 以下加速度值的功能。能夠使用在量測載具正常行駛時產生的加速度，偵 測這類型的加速度變化可應用於 GPS 等定位系統的校正上。或是偵測車輛在受 到撞擊時產生的加速度以當作其他裝置的觸發訊號。另外像是利用加速規來量測 工作區的人員走動產生的樓地板振動，其產生的1~3Hz 加速度變化[20]在精密量 測時可能造成誤差產生，量測振動訊號以輔助系統校正也是加速規被廣泛應用的 一門領域[21]。

要能夠量測此類微小加速度的加速規會需要高靈敏度與精確的彈簧質量系 統與位移感測機制，市面上像是壓電感應式、電容感應式的加速規在製造上的技 術需求高，容易受到環境因素(溫度、濕度、電磁波等)干擾，其價格也是相當昂 貴。因此本研究希望能利用光碟讀取頭為基礎建構出一套具備高敏感度、高解析 度、不易受環境因素影響、適用於低頻率且價格低廉之加速規。

二、 預備知識

在本章節中首先探討加速規內部的機械結構，以了解在設計加速規所需考量 的因素。其次介紹於本研究中所使用的光碟讀取頭的構造，以了解在建構加速規 時能運用的組件。

2.1 加速規原理

加速規的設計原理為利用彈簧質量系統受到加速度的時候，當此彈簧質量系 統受到的加速度對質量塊產生的施力與彈簧的拉伸力平衡時，質量塊與基座之間 的距離便會因為加速度的大小而有所改變。因此只要能夠偵測出此彈簧質量系統 中質量塊與基座之間距離的變化，就能夠推論出彈簧質量系統所受到的加速度 值，如圖2.1.1 所示。

圖 2.1.1 加速規原理示意圖

本研究中所使用的彈簧質量系統為雙懸臂樑型，屬於之前提到的雙邊或多邊 固定型的一種，此設計有利於導引質量塊呈線性移動並防止旋轉。位移感測機制

裝設於質量塊上以測量質量塊與基座之位移變化，此系統之運作如圖 2.1.2 所 示。加速規所受到的加速度值在實驗中以基座的正弦波振動來產生，利用對基座 位移運動方程式進行兩次微分後可得到彈簧質量系統所受到的加速度值，此加速 度值同時受到振幅與頻率的影響。基座的振動將會產生加速度帶動其上的彈簧質 量系統也產生正弦波之振動，兩振動弦波之間頻率相等且可能具有相位角差。

y(t) = y0sin(ωt) x(t) = x0sin(ωt-θ) 質量塊 m

基座 彈簧 k

圖 2.1.2 加速規運作狀態

x(t)：質量塊位移 x0：質量塊振幅 y(t)：基座位移 y0：基座振幅 θ：相位角差

為了描述上述彈簧質量系統的運動方式，在不考慮彈簧的質量下將其簡化成 如圖2.1.3 的等效彈簧阻尼系統：

圖 2.1.3 加速規結構圖之等效系統

在操作此系統前需要使用音圈馬達(voice coil motor, VCM)施力調整質量塊 至位移感測機制量測範圍中。定義VCM 施力為 Fvcm，Fvcm與重力造成質量塊與

求解方程式(2-2)後可得到 z(t)的運動方程式(2-3)

共振頻率之外另一個影響放大比的因素為彈簧質量系統的阻尼比，放大比在

質量的比例，待測物體在加裝加速規後整體質量的變化會影響到共振頻率，被帶 動的質量也變成兩者之總和，造成待測物體的運動模式產生變化。因此加速規與 待測物體之間質量的關係需要特別注意，選用相較於待測物體越輕的加速規越不 會影響待測物體原本的運作模式。

加速規在安裝的時候也有以下幾點需要注意的事項：

(1)安裝的方向性：加速規中的彈簧質量系統的感度會隨著與加速度方向之間不

同的角度而有強弱的不同，因此在裝設時待測的加速度方向應該盡量與彈簧質量 系統一致。

(2)電纜線：電纜線宜架設固定以避免拉扯力造成干擾，傳輸線的種類宜使用同 軸電纜線降低雜訊的干擾。

(3)訊號接地的方式：加速規的位移感測機制、訊號放大器與輸出訊號接收器的 接地方式宜以多點連接，因為在接地的各點之間會有電流流通造成誤差，因此接 地宜統一輸出以減少誤差，如圖2.1.5 所示。

2.2 光碟讀取頭

本研究中所使用的光碟讀取頭為TOP1100S, TopRay Technologies[22]，

外觀如圖2.2.1 所示，結構可以區分成以下幾個部份：雷射光源系統、光電感應 積體電路(opto-electric integrated circuit, OEIC)、音圈馬達(voice coil motor, VCM) 與物鏡，本節分別對於這些部份做介紹：

圖 2.2.1 光碟讀取頭之外觀

雷射光源系統：TOP1100S 型可供使用的雷射光源總共有兩種，分別為供 DVD 使用的波長 655 nm 雷射光源與供 CD 使用的波長 790 nm 雷射光源，兩者 皆可供使用於位移感測機制，兩雷射光源的基本資料如表1 所示。

表 1 TOP1100S 型光碟讀取頭雷射二極體基本資料[20]

LASER DVD CD wavelength 655 nm 790 nm

typical power 0.23 W 0.25 W operating current 82 mA 88.5 mA operating voltage 2.7 V 2.5 V OBJECTIVE LENS

numerical aperture 0.6 0.47 focal length 2.33 mm 2.33 mm working distance 1.28 mm 0.91 mm

雷射光之路徑如圖 2.2.2 所示，雷射二極體產生出的雷射光束經由光柵產生 繞射後經過偏極分光鏡(polarization beam splitter)，透過雙物鏡後雷射光束聚焦在 碟片表面上，碟片反射後的雷射光束經由偏極分光鏡反射投影到光感應積體電 路，以供偵測物鏡到碟片表面的距離。

圖 2.2.2 光碟讀取頭雷射光路結構圖

光電感應積體電路(OEIC)：光電感應積體電路的基本原理是將光訊號轉換成 電壓訊號，再經由偵測電壓訊號的數值可以得到光訊號的強度。雷射光透過物鏡 聚焦於碟片表面，碟片表面反射回來的雷射光經由分光鏡的反射聚焦在光碟讀取 頭內建的光電感測器 OEIC 上，如圖 2.2.2 所示。此光電感測器總共被分成 A-F 等六個區塊，其中E 與 F 的區塊只有在使用 CD 時用來輔助尋軌，A-D 的部份則 是使用CD 或 DVD 對焦所用的區塊，因此在本研究中使用的區塊為 A-D。在使 用的時候 A-D 四個區塊會因為所受到照射之雷射光點的大小與亮度分別輸出四 組不同的電壓訊號，雷射光點因物鏡與碟片表面距離改變而投影到光電感測器上 的形狀會受到雷射光像散的特性影響[23]。雷射光經由透鏡折射後因為折射的角 度不同，在(a)到(b)的區域之間光點大小會從橢圓變化成圓形，在此定義聚焦雷 射光點為圓形的地方為焦點，過焦點後由圓形變成另一軸向橢圓如圖2.2.3 所示。

圖 2.2.3 像散現象示意圖

利用四象限的光電感測器量測雷射光點的變化，定義從 A-D 四個光電感測 器的輸出電壓訊號為SA^、SB^、SC^、SD，接下來對這四個訊號做處理，定義出聚焦誤 差訊號(focus error signal, FES) = (SA+SC) – (SB + SD)，當光碟讀取頭的物鏡與碟 片表面產生位移變化時，FES 與位移變化的關係如圖 2.2.4 所示：

圖 2.2.4 四象限光學感測與 S 曲線示意圖

圖2.2.4 中的(b)表示光碟讀取頭的物鏡所發射出的雷射光恰好聚焦在碟片的 表面，當偏離表面而有上下的位移的時候則如圖 2.2.4 的(a)(c)所示。如圖 2.2.4 下半部所示，這種以 FES 來表示物鏡與碟片表面垂直位移所建構出來的圖形被 稱之為S 曲線(S-curve)。S 曲線焦點附近的 FES 與位移呈現良好的線性關係，如 圖2.2.4 中的(d)區域所示，因此本論文中使用這段 6μm 的區域來建構位移感測

圖2.2.4 中的(b)表示光碟讀取頭的物鏡所發射出的雷射光恰好聚焦在碟片的 表面，當偏離表面而有上下的位移的時候則如圖 2.2.4 的(a)(c)所示。如圖 2.2.4 下半部所示，這種以 FES 來表示物鏡與碟片表面垂直位移所建構出來的圖形被 稱之為S 曲線(S-curve)。S 曲線焦點附近的 FES 與位移呈現良好的線性關係，如 圖2.2.4 中的(d)區域所示，因此本論文中使用這段 6μm 的區域來建構位移感測