光碟機相關產品從1980 年代上市以來憑著它大容量資訊儲存、攜帶方 便、可長久保存等優點，在多媒體資訊日益盛行的今日，扮演著相當重要 的角色。而光碟機系統發展至今，其趨勢是往更高容量和高密度的儲存資 料空間，以增加視聽解析度品質，及提升資訊多媒體應用的多元化；光碟 機伺服控制的技術在這樣浪潮下不斷的進步，正是我們要要掌握的課題。
1.1 研究背景
自從 1981 年 Philips 公司推出了播放音樂用的 CD（Compact Disc），資 訊儲存的方式便有了很大的改變，利用光學的方式來存取資料，與一般磁 性儲存方式最大的不同在於讀寫頭與記錄媒體之間並未直接接觸，所以能 避免讀寫頭與儲存媒體之間的磨耗。早期光碟機系統，如雷射影碟機
（LD）、音樂光碟機（CD-DA）、唯讀型光碟機（CD-ROM）、一次式光碟 機（CD-R）、磁光碟機（MO）、相變化光碟機（PD）以及可讀寫型光碟機
（CD-RW）等。然而，隨著電腦速度的急速提升，儲存資料不再侷限於靜 態的文字圖畫資料，動態數位化的影音資料使 CD 系列光碟片已不敷儲存 與多媒體的應用，新一代更大容量的產品DVD(Digital Versatile Disc)便油然 而生。
SONY 與 Philips 於 1994 年底首先提出雙層記憶體容量高達 7.4GB(單 層為3.7GB)的 DVD(Digital Video Disk)規格，稱為 MMCD，隨後 Toshiba 在1995 年初亦聯合其他 8 家廠家，發展稱為 SD 的 DVD 規格，可記錄容 量雙面達10GB(單面為 5GB)。兩者較原來的 CD-ROM 之容量皆高出許多。
但由於規格不統一造成兩敗俱傷，經過一年多的折衝，終於在1995 年 12 月DVD 聯盟(DVD Forum)宣佈確定 DVD-Video 與 DVD-ROM 的大部份規
格，隨後於1997 年 4 月 14 日完成 DVD-R 與 DVD-RAM 的規格標準制定。
不過好景不常，1997 下半年起，分別有 Circuit City Store 等提出 DIVX (Digital Video Express)規格與 DVD-Video Player 一較長短；在 DVD-RAM 方面則有 DVD+RW、MMVF、DVD-R/W、DVD-RAM(II)、ASMO 等各種 規格之提出；在DVD-Audio 方面亦有 SONY 與 Philips 支持的 Super Audio CD(SACD)與之抗衡；使得 DVD 的規格又變成戰國時代。多種標準競爭的 主要原因在於各廠商間對於智權權利金的彼此角力。
不只DVD 規格打的火熱， HD-DVD(High Definition-DVD)高畫質數位 多功能光碟近年來也開始發展。2002 年 1 月 Sony、Philips、Pioneer 等九家 公司(簡稱 9C)，聯合提出 Blue-ray 規格。而 Blue-ray 的推出，直接跨過唯 讀型產品，以複寫型規格發表。Toshiba 與 NEC 也在 8 月時，推出 Advanced Optical Disc(簡稱 AOD)。臺灣的前瞻儲存研發聯盟也在工研院光電所主導 下，於2002 年 11 月提出 HD-DVD 規格[1]。
種種新規格的出現，也間接說明了光儲存技術在未來儲存媒體中還是 會佔有相當大的比例。圖1-1 為光碟機系統發展的趨勢。
圖 1-1 光碟系統技術發展趨勢[2]
1.2 研究動機
CD、DVD與HD-DVD藍光碟片雖然都具有相同的外型尺寸，但單位面 積所儲存的資料卻大幅地增加，這表示光學讀取頭所產生的雷射光點需要相 對的縮小，但縮小光點的結果卻造成光碟機系統對碟片變動的容忍度急速降 低，進而影響了伺服控制的準確性。因此我們必須要透過更精細的控制方式 來控制雷射光點。
由光碟片發展的趨勢看來，到達藍光階段時，兩軌之間的軌距已經縮小 至0.3µ ~0.4m µ ，其容許的循軌伺服精度，將可能會是提升系統性能的瓶頸m 之一；從系統的觀點出發，能夠改善循軌誤差的精度可以由受控體也就是光 學讀取頭致動器的響應或是由改良控制器這兩方面來著手。我們論文的重點 將著重於控制器設計的改善，並考量實際運用上的可能，針對目前已有的光 碟機系統，利用額外加入的控制器，以變動原系統架構最小為原則，而能夠 達到循軌誤差更小更精準的目標。
也由於我們仍保有原控制系統的架構，若能將外加的控制器整合入市面 上伺服訊號處理晶片內，勢必可以讓製造廠商在調整控制器參數的時候有更 大的空間，也不會增加伺服訊號處理晶片太多的成本。期望此研究能提供光 碟機系統發展控制器設計的參考，或對光學資訊儲存系統的開發有所助益。
1.3 文獻探討
在改良光碟機循軌伺服系統效能方面的相關研究，至今已有諸多文獻呈 現。Fujitsu Lab[3]提出了利用原先的循軌制動器做粗調搭配上45度的微鏡面 微調的機制能將誤差壓抑至±10nm；文獻[4]提出以最小變異方式壓抑循軌誤 差；J.H. Moon [5]等提出以一內部學習機制來消除因為系統不確定性而產生 的循軌誤差；文獻[6]則提出了以多重取樣頻率(multi-rate sampling)的方式，
處理多重輸出入系統(MIMO)以達成尋軌及循軌的雙重目標。文獻[7]探討在
不改變原有光碟機的設計架構下，使用重複性控制的理論在光碟機高倍讀取 時消除循軌誤差量。Koji Fukiyama[8]等人則提出了擾動估測法來降低循軌誤 差；K.B.Jin[9]等以H∞控制設計微調控制器，消除碟片震動之干擾，並以 µ 合成方法配合結構化不確定性設計具有強韌性的伺服系統。文獻[10]中 Semba 和Fennema 提出了狀態空間下的控制器設計。文獻[14]提出以量化回 授理論(Quantitative Feedback Theory, QFT)的強健控制方法，在不確定性因 素的存在下改善聚焦及循軌迴路的響應。文獻[15]分析碟片反射光量不同對 聚焦與循軌訊號造成的影響。文獻[16]進一步依據碟片之反射光量對循軌誤 差訊號所造成的影響，設計一訊號預測器(signal predictor)估測聚焦與循軌誤 差訊號，以便對訊號進行即時調整。文獻[17]則以模糊理論滑動模式控制法 則為架構改善循軌系統的響應。
1.4 章節安排
本文在內容編排上分為六章， 並包含參考文獻與附錄。依序如下：
第一章是緒論，介紹光碟機的發展過程及新世代產品的特點與類別，並回顧 相關文獻，闡釋論文之研究動機與方向。
第二章介紹光碟機整體架構，包括各伺服系統原理，並著重在循軌偵測誤差 方式和循軌基本原理做介紹。最後以列表方式比較規格的發展。
第三章針對系統的模型化進行推導，包括循軌伺服系統的數學模型以及最小 平方法的相關理論。
第四章是最小變異控制理論，完整介紹最小變異控制的演算架構，並描述其 實現方式。
第五章為實驗設計與驗證，說明實驗使用的平台與外加電路間的結合方式，
並啟動最小變異控制程序，量測改善後的效果。
第六章為結論，提出未來進一步的研究方向。