автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка оптоэлектронных устройств воспроизведения телевизионной информации с дисковых носителей

1Ш1СТЗРСТВ0 СЗГЗИ СССР Московский ордена Трудового Крадного Знамени институт связи

На правах рукописи Довгань ЛнатолиД Петрович

321.383:631.34.083.5

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЗЮТОНШХ УСТРОЙСТВ ЗОСПРОИЗВ.ЗДЭСК ТШЕВШННОа пазокот с дискояд поа-ггак':

Специальность 05.12.17 - "Радиотехнические и телевизионные

■ системы и. устройства"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

выполнена в Московском ордена Трудового Красного Вшу.-оип -.г-стцтуте связи.

Нэучп-'; руководители

.^пц-.-атыша оппоненты

■Зеду^ач организация

- доктор технических наук, профессор М.В. ГИТ ЛИЦ

- доктор технических наук, профессор H. II. 1СН1В011ШНВ

- доктор технических паук, профессор C.B. Н0ВАК03СЮЙ

- кандидат технических наук, И.В. БЗЕДИЧУК (ЕШШТР)

- Всесоюзный научно-исследовательский кинофо тонне титут.

диссертации состоится

об

1991 г.

Б ч заседании специализированного совета KII8.06.03

в jîockjbc;:'.:;.; ордена Трудового Красного Знамени институте связи я. ед^су: 105355, Москва, ГСП, Авиамоторная ул., д. 8а.

д/сс^ртациеЯ можно ознакомиться в библиотеке ШС.

разослан

& У

1991 г.

с ■•::;:-этарь сиз;;иалдзировз.;-шого , д. токи, наук, дэцоегт

В.Н. ФЕДОСЕЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Основных направления):

экономического и социального развития СССР на ближайпие годы и в перспективе предусмотрено широкое использование информационно-справочных систем большой емкости. Особое внимание уделяется развитию систем записи-воспроизведения аналоговых и цифровых сигналов на различные носители.

В последние годы в ряде передовых стран активно создаются принципиально , новые виды радиоэлектронной аппаратуры, базирующейся на применении оптических квантовых генераторов. Переход к бесконтактным системам, в которых используется сфокусированный луч лазера, является на данное время одним из перспективных направлений развития битовой видео'- и звукотехники. Лазерные устройства воспроизведения информации обеспечивают высокое качество изображения и звука в течение продолжительного времени, возможность быстрого произвольного выбора и остановки на экране любого видеокадра, удобство эксплуатация и хранения дисковых носителей записи. Оптические диски легко тиражируются, долго сохраняются, не требуют значительных плодадей при создании архивов и фондов, а стоимость их значительно ниве стоимости магнитной лента.

Одной из главных проблем при создании лазерных воспроизводящих устройств является обеспечение качественного воспроизведения информации с дисковых носителей, которое требует разработки и применения высокоточных систем автоматического регулирования и новых технических репений.

Несмотря на многообразие существующих и предложенных в патентной литературе метсдсз построения систем и узлов видеопроигрывателя (БП) практически отсутствуют

теоретические ' и экспериментальные исследования ряда вопросов построения оптоэлектронных систем. В частности, не вскрыты основные факторы, ухудшающие работу ог.тозлектронных систем, и не исследованы практические возможности построения адаптивных сйстем автоматического

регулирования. Не исследованы причины и характер отклонений контролируемых величин и не выработаны технические требования к системам видеопроигрывателя системы СЕКАМ. Не разработаны простые инженерные методики синтеза высокоточных следящих систем. Мало изучены особенности различных систем слежения за информационной дорожкой и не проведены разработки и исследования дефлекторов для бытовых ВП, а также устройств создания специальных режимов воспроизведения телевизионной информации с неноминальной скоростью. Не выработаны принципы оптимизации оптоэлектронных систем.

Для успешного создания и развития лазерных

воспроизводящих устройств решение этих вопросов стало необходимым и актуальным.

Цель и здлачи работы. Целью данной'работы является исследование и разработка методов построения оптоэлектронных систем для обеспечения высокого качества воспроизведения телевизионной (ТВ) и звуковой информации с дисковых носителей записи.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

исследовать существующие оптоэлектронные системы и изыскать пути их усовершенствования;

исследовать причины и характер отклонений контролируемых параметров при воспроизведении сигналов с видеодиска (БД) и выработать технические требования (ТТ) к системам, определяющим качество воспроизведения;

разработать и исследовать адаптивные системы и соответствующие функциональные схемы;

разработать инженерную методику синтеза линейных систем автоматического регулирования ВП, в структурную схему которых входит колебательное звено;

исследовать системы слежения за дорожкой в режиме перехода на соседнюю дорожку и создать устройства специальных режимов воспроизведения ТВ информации с неноминальной скоростью;

разработать и исследовать системы коррекции временных искажений ТВ сигнала, воспроизводимого с видеодиска;

разработать и исследовать дефлекторы для систем слежения лазерных устройств воспроизведения;

выработать принципы оптимизации оптоэлектронных систем и провести экспериментальные исследования вариантов их построения в лазерном ВП системы СЕКАМ.

являются оптоэлектронные системы разрабатываемых моделей лазерных ВП. В работе используются элементы теории автоматического регулирования и оптимального быстродействия, методы вариационного и интегрального исчисления.

1. Алгоритмы работы и варианты построения адаптивных оптоэлектронных систем автоматического регулирования (САР) для обеспечения качественного воспроизведения ТВ информации с оптических дисковых носителей записи.

2. Двухконтурная система слежения за информационной дорожкой с частичным разделением контуров по коэффициентам усиления в зависимости от частотного диапазона.

3. Способ стабилизации пространственного положения подвижного зеркала корректирующего дефлектора и методика расчета комбинированной системы слежения за дорожкой с автоматической центровкой воспроизводящего луча.

4. Инженерная методика анализа и синтеза высокоточных систем слежения в виде линейной модели (3 + п)-го порядка, позволяющая оперативно рассчитывать корректирующие устройства и Еырабатывать требования к составным звеньям Системы.

5. Способ коррекции временных искажений видеосигнала в лазерном ВП системы СЕКА'Л.

6. Способ и устройство перевода системы слежения с одной информационной дорожки на соседнюю для осуществления специальных режимов воспроизведения ТВ информации с неноминальной скоростью.

7. Устройство сканирования лазерного луча на Фиксированной частоте возбуждения и способ оптимизации конструкции пъеэокерамического дефлектора.

Научная новизна. Предложены алгоритмы определения сигнала рассогласования системы слежения за дорожкой, делающие систему адаптивной к различным факторам нестабильности. Разработан способ построения и методика расчета двухконтурной системы слежения с частичным разделением контуров по коэффициентам усиления. Предложен и исследован способ стабилизации оптимального углового положения, зеркала дефлектора и проведен расчет разработанной комбинированной системы слежения за дорожкой с автоцентровкой воспроизводящего луча, которая обеспечивает режим слежения в середине поля зрения Фокусирующего микрообъектива. Построена методика синтеза системы и расчета корректирующих звеньев по заданным величинам желаемой редукции и частоты среза системы слежения.

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы получены в рамках НИОКР, проведенных в НИИ бытовой радиоэлектронной аппаратуры (НИИ БРЭА, г.Львов), и использованы при создании лазерных записывающих и воспроизводящих устройств. Приоритет основных принципов' построения оптоэлектронных систем и отдельных узлов защищен 21 авторским свидетельством, что обеспечило первому отечественному лазерному ВП патентную чистоту по СССР и странам-членам СЭВ и устранило необходимость закупки лицензии при серийном производстве. По разработкам автора созданы три специализированных БИС оптоэлектронных систем.

Созданные, в соответствии с полученными результатами работы, устройства реализованы и внедрены в ВП системы СЕКАН "Дмфитон-501 видео" и "Ямфитон- ВП-201" (изготовители НПО "Фазотрон", г.Рязань и завод "Машприбор", г.Ярославль), в контрольно-измерительной аппаратуре, а также в экспериментальных образцах новых моделей проигрывателей на газовом и полупроводниковом лазере.

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил не менее 100 тыс. руб.

Z55

Выполненные разработки имеют большую значимость и практическую ценность. IIa отраслевом конкурсе "Лучшие работы по бытовой технике, созданные молодики изобретателями и рационализаторами отрасли'^ работа "Лазерный проигрыватель видеодисков" заняла первое место, работа "Устройство для измерения передаточных характеристик дефлекторов" - второе место (1985г.), работа "Комплекс оборудования для контроля оптических элементов видеопроигрывателя и настройки оптического тракта" заняла также второе место (1936г.); данная работа отмечена серебряными}] медалями ВДНХ (1988г.). Ка межотраслевом конкурсе по техническим средствам обучения работа "Интерактивный аудиовидеокомпъвтерный комплекс" заняла .второе место (1990г.).

Апробапия работы. Основные теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на: отраслевых научно-технических конференциях по БРЭА и научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ЛНИРТИ и НИИ БРЭД (Львов, 1978-1990гг.); II Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития радиооптики" (Тбилиси, 1985г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Видеотехника и проблемы телевизионного кинематографа" (Москва, 1985г.); III Всесоюзной научно-технической конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти" (Ереван, 1987г.); IV Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы оптической памяти" (Телави, 1990г.).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 6 научно-технических статьях, отражены в 10 опубликованных тезисах докладов научно-технических конференций, в 4 отчетах по научно-исследовательским темам и защищены 25 авторскими свидетельствами - всего 45 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, выводов, списка использованной литературы и приложения; содержит 137 стр. основного текста, G5 рисунков, 2 таблицы - всего 246 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ей_введении обосновывается актуальность темы,

сформулирована цель ; резюмирована научная новизна и практическая ценность результатов работы; определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - "ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ ' ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ СИГНАЛОВ С ВИДЕОДИСКОВ" обосновывается необходимость создания САР, предназначенных для обеспечения высоких параметров воспроизводимой с ВД телевизионной информации". Показаны основные причины возникновения и исследован спектр отклонений дорожки записи относительно сфокусированного лазерного луча, для коррекции которых необходимо создание пяти высокоточных систем.

Анализ систем созданного первого отечественного лазерного ВП показал, что определяющими и наиболее сложными являются системы автофокусировки и слежения за дорожкой. Точность работы двух систем в наибольшей степени влияет на отношение сигнал/шум воспроизводимого сигнала. Установлено, что необходимыми условиями обеспечения качественных показателей ТВ изображения являются осуществление автофокусировки с точностью не хуже -f-1 мкм, и слежения за центром дорожки записи с ошибкой не более +-0,1 мкм.

Особо важное значение для надежного воспроизведения информации с дорожки записи шириной 0,4 мкм имеет система автоматического слежения за дорожкой (САСД), которая должна уменьшать отклонения не менее, чем в 1000 раз. Проведен сравнительный анализ и систенатизация известных систем.

Установлено, что изменение радиуса воспроизведения из-за радиальных отклонений дорожек записи является основным фактором динамических временных искажений. Сформулированы обобщенные ТТ к САСД и системе тангенциального слежения при воспроизведении сигналов с ВД системы СЕКАМ, ПАЛ и НТСЦ.

Анализ современного состояния проблемы обеспечения высоких параметров воспроизводимой с оптических дисковых носителей ТВ информации показал многообразие существующих

для этого методов построения оптоэлектронных систем, особенно' систем слежения за дорожкой записи. Исследования вскрыли присущие им недостатки-, которые выражаются в зависимости систем от разного вида возмущающих факторов.

Определены основные направления исследований и задачи, решение которых необходимо для разработки усовершенствованных методов построения высокоточных и надежных оптоэлектронных систем лазерных воспроизводящих устройств, в частности ЕП системы СЕКАИ.

Вторая_глава - "ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ

СЛЕЖЕНИЯ ЗА ДОРОЖКОЙ ЗАПИСИ И КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ИСКАЖЕНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА" посвящена исследованию методов построения системы слежения за дорожкой и системы автофокусировки. Исслёдованы методы двух дополнительных пятен (ДЦП) и метод колеблющегося пятна (КП) с классическим и усовершенствованными способами определения сигнала рассогласования и разработаны функциональные схемы САСД. Рассмотрены электромеханические и электронные методы коррекции временных искажений видеосигнала.

2.1. С помощи« математических моделей проведено исследование метода ДДП с классическим способом определения сигнала рассогласования S радиального положения г воспроизводящего пятна относительно середины информационной дорожки. Сигнал рассогласования в этом способе записывается как разность сигналов F^r) и F2(r) двух дополнительных "следящих" Фотодиодов, т.е.

2П 2П

S(r) = F2(r) - F^(r) = 2ml0sin---з1п---г . (1)

k L

Вскрыты, основные Факторы, которые влияют на величину коэффициента радиальной модуляции п, средкЕО величину сигнала фотодиода 10 и значение составляющей sin(2TI/k), где к - определяется смещением между дополнительными пятнами и воспроизводящим пятном в радиальном направлении (Ь - паг дорожек записи). Установлено, что для сохранения оптимальных параметров системы слежения по точности и устойчивости работы величину сигнала рассогласования (1) необходимо поддерживать постоянной, а 'следовательно, параметры т.

10, к должны быть стабильны.

Предложен способ получения сигнала рассогласования с использованием сигнала F0(r) основного фотодиода, принимающего отраженный свет центрального лазерного пятна. Поскольку формирование в оптическом тракте трех лучей преднамеренно осуществляется таким образом, что интенсивность основного луча в п раз больше интенсивности 10 каждого из дополнительных лучей, то в общем случае низкочастотный (НЧ) сигнал основного фотодиода F0(r) -= nl0[l - mcos(2Hr/L)]. Сигнал рассогласования

F2(r) - Fj^d-) sin(2T3r/L)

S(r) =-------——---------------- =------------, (2)

|F2(r) + FiCr) - 2/n F0(r) | |cos(2TIr/L)|

становится независимым от параметров ш и I0.

Для создания САСД, адаптивной к нестабильности^ параметров m и 10, разработаны функциональные схемы системы слежения с аналоговым (см. рис.1) и цифровым вариантами реализации алгоритма. (2).

UM

ФД1

ФЛГ

Ш

т

Ь^Д ФДЕ

ФНЧ

t>

УМ

АЧХ

Х/У

IA!

\

Рис.1. Функциональная схема адаптивной САСД с реализацией алгоритма (2): ФД - многоэлементный фотодиод с основным ФД0 и двумя дополнительными ФД^ и ФД2 Фотодиодами; АЧХ г формирователь амплитудно-частотной характеристики; УМ - усилитель мощности; ИМ - исполнительный механизм

Теоретические и экспериментальные исследования метода ДДП с использованием алгоритма (1) показали, что реализация САСД по данному методу достаточно проста в исполнении.

С другой стороны, для успешного использования этого метода необходимо предгявлять жесткие требования к стабильности положения оптических элементов, перпендикулярности хода каретки ВП относительно дорожек записи, шагу дорожек, плоскостности ВЦ и его наклону при вращении (влияние этих Факторов представляется как НЧ шум).

2.2. Проведено исследование другого метода построения САСД без использования дополнительных лазерных лучей н "следящих" фотодиодоз - метода КП. С помодъю расчетов на ЭВМ получены сигналограммы последовательного формирования сигнала рассогласования и зависимость его крутизны от амплитуды вспомогательных колебаний пятна. Получен алгоритм определения сигнала рассогласования'и показано, что его величина зависит аналогично методу ДДП от коэффициента радиальной модуляции т и средней величины сигнала фотодиода 10.

Экспериментальные исследования показали, что САСД, реализованная по методу КП,сравнительно сложна в исполнении, но точность и надежность ее работы значительно выше, чей в системе по методу ДДП.

2.3. Отмечается, что метод ДДП целесообразно применять в тех случаях, когда обеспечивается высокая точность изготовления элементов оптико-механического тракта, их устойчивость при климатических воздействиях и с течениен времени, совершенное качество ВД, а также стабильность характеристик ряда устройств, влияющих на параметры га и 10.

Для расширения области применения метода ДДП необходимо использовать усовершенствованный способ получения сигнала рассогласования в соответствии с алгоритмом (2). Однако характерный недостаток метода ДДП, связанный с наличием двух "следящих" -каналов, остается и при этом способе определения сигнала рассогласования, что предъявляет ряд дополнительных требований к устройствам ВП.

Метод КП рекомендуется применять в воспроизводящих устройствах, для которых глазным критерием оптимальности их построения являются сниженные требования к точности

изготовления оптико-механических узлов и минимальное количество оптических элементов.

2.4. Для создания возможности проигрывания видеодисков систем ПАЛ и НТСЦ в видеопроигрывателе можно применять или электромеханическую систему тангенциального слежения, или электронную систему коррекции временных искажений.

Разработано и исследовано устройство коррекции временных искажений с использованием управляемой линии задержки, которое уменьшает временные ошибки до 10 не, что позволяет на созданном отечественном ВП системы СЕКАМ воспроизводить в цветном изображении ТВ информацию с видеодисков системы ПАЛ.

В третьей главе - "РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ И АДАПТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННКХ СИСТЕМ ЛАЗЕРНЫХ ВИДЕОПРОИГРЫВАТЕЛЕЙ" рассматривается дву хконтур'ная система слежения, в которой устранены присущие методам ДДП и КП недостатки. Исследуется предложенная комбинированная САСД с автоцентровкой воспроизводящего луча. Проведен анализ системы автофокусировки с усовершенствованным- алгоритмом определения енгнала рассо!лчсования при использовании астигматического датчика. Экспериментально исследованы разработанные варианты построения оптоэлектронных САР лазерных ВП системы СЕКАМ.

3.1. Наиболее приемлемым решением проблем, возникающих при использовании одного из рассмотренных методов слежения, является синтез двухконтурной системы слежения. Сущность последней заключается в том, что в НЧ области преобладающим по усилению выполняется один контур, в котором 1 сигнал рассогласования получен по методу КП, а в более высокочастотной области - другой контур, в котором сигнал рассогласования получен по методу ДДП. Благодаря этому система слежения, с одной стороны, становится независимой от НЧ шумов, а с другой стороны, отпадает необходимость в высокой частоте колебаний пятна.

Выведены основные соотношения для синтеза двухконтурной системы слежения. Структурная схема системы показана на рис.2, где приняты следующие обозначения: Н^р), Н^р) -передаточные функции (ПФ) разомкнутого контура САСД по

методу ДДП и методу КП; G(p) и В(р) - задающее и регулирующее воздействие; N(p) - возмущающее воздействие (или шум, состояний из НЧ составляющих и присущий методу ДДП); Е(р) - ошибка слежения системы.

Рис.2. Структурная схема двухконтурной системы слежения за дорожкой и аппроксимированные АЧХ первого 1 и второго 2 контуров системы

Результаты исследований показывают целесообразность синтеза двухконтурной системы с частичным разделением контуров по коэффициентам усиления. Для получения

частичного преобладания второго контура в области низких частот (0...25 Гц) необходимо включение в него интегро-дифференцирующего звена с ПФ (Tgp + 1)/(T5P + 1), причем Т5 > Tg, а в первый контур - интегро-дифференцирующего звена с ПФ К(Т3р +'l)/(T4P + 1), причем Т3 > Т4.

Получено выражение для определения преобладания второго контура над первым в области низких частот:

fcp2 f7 f4 f6 K2 - KX = 20-lg------------- . (3)

fcpl fl f3 f5

где fcpi и fcp2 " частоты среза периого и второго контуров; 15S

fl..... i-j - частоты, связанные с соответствующими

постоянными времени звеньев соотношением f = 1/2Т1Т.

Разработана и исследована двухконтурная система слежения с частичным разделением контуров и наличием дублирования. На рис.2 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) первого 1 и второго 2 контуров, где: fCpl " 6000 fср2 = 2000 Гц; f4 = f6 = 100 Гц, f3 =

= f5 = 10 Гц; = 2400 Гц; f7 = 800 Гц. Вычисленное

по формуле (3) преобладание второго контура в области частот 0...10 Гц соответствует 21 дБ, т.е. коэффициенты усиления (КУ) этого контура на порядок больше КУ первого контура, а ошибка слежения системы уменьшена в 11 раз.

Реализация и исследования САСД с частичным разделением контуров показали два основных ее достоинства: наличие дублирования двух контуров и практически отсутствие влияния НЧ шумов. Это дает возможность значительно снизить требования к точности изготовления и стабильности оптико-механических узлов ВП. .

3.2. Разработана и исследована комбинированная САСД с автоцентровкой воспроизводящего луча. Передаточная функция разомкнутого контура комбинированной САСД имеет вид

(Тк1р + 1)<Т1Р + 1)

Н(Р) = К------------------------------------ ,

(ТК2Р.+ 1)(Т2Р2 + 2qTp + 1КТ0р + 1)

где К - общий статический КУ комбинированной системы слежения; , Тк2 - постоянные времени опережения и

отставания фазокорректирующего устройства: Т0 = l/2ilf0, Tj = = l/2tlfi - постоянные времени, определяющие частоту среза i0 системы автоцентровки и частоту сопряжения f^ апериодического звена (см. рис.3); Т, q - постоянная времени и коэффициент демпфирования исполнительного механизма (КМ). На рис.3 представлены аппроксимированные АЧХ 1 системы автоцентровки и результирующая АЧХ 2 комбинированной САСД. Здесь частота fj = 0,6 Гц, а статический КУ К0 = 26 дБ. Следовательно, смещения воспроизводящего луча из-за цлинни.. НЧ возмущений уменьоаются в 20 раз.

Рис.3. Аппроксимированные АЧХ системы автоцентровки 1 и комбинированной системы слежения за дорожкой 2

3.3. Суммируя результаты исследований САСД и учитывая применение для фокусировки воспроизводящего луча астигматического датчика, можно выделить следующие основные требования к оптоэлектронным САР перспективных моделей ВП: 1) адаптивность систем к нестабильности мощности излучения лазера, изменениям коэффициентов отражения носителя записи и чувствительности фотодиодов; 2) независимость САСД от изменения ширины информационных дорожек, ухудшения Фокусировки, изменения шага дорожек, влияния НЧ шумов; 3) компенсация или уменьшение влияния смещений проекции воспроизводящего пятна по Фотодиоду на погрешность Фокусировки; 4) осуществление слежения за дорожкой в середине поля зрения микрообъектива. Рассмотренные системы разрабатывались с учетом необходимости удовлетворения указанных требований.

Для уменьшения влияния смещений проекции воспроизводящего пятна по фотодиоду была разработана и исследована система автоФокусирсвки, в которой сигнал рассогласования Бф определяется по алгоритму

5ф = (3! - Б4)/(Бг + Б4) + (Б3 - Б2)/(Б3 + Б2), (5)

и!

где Б2. Эз, Б4 - сигналы с соответствующих площадок

четырехэлементного Фотодиода.

3.4. Экспериментальные исследования оптоэлектронных систем проводились в разработанном варианте Функциональной схемы, в котором применена комбинированная САСД с автоцентровкой воспроизводящего луча, выполненная по методу ДДП с использованием алгоритма (2). Система автофокусировки по методу астигматического датчика построена в соответствии с алгоритмом (5). Совместные исследования систем в ВП показали, что ' при воспроизведении информации с ВД обеспечивается точность автофокусировки - не хуже +-1 мкм, и точность слежения за дорожкой — не хуже +-0,1 мкм. При этом разработанные САР продемонстрировали: 1) независимость от нестабильности мощности излучения лазера, коэффициентов отражения -ВД, чувствительности фотодиодов - в диапазоне до 20 дБ ; 2) адаптивность САСД к изменению ширины информационных дорожек, ухудшению точности фокусировки - в диапазоне до 6 дБ; ' 3) уменьшенное влияние смещений проекции воспроизводящего пятна по фотодиоду на точность Фокусировки - примерно на 10 дБ; 4) уменьшение влияния смещений воспроизводящего луча по полю зрения микрообъектива с ослаблением влияния внешних возмущений примерно на 26 дБ.

Проведенные исследования адаптивных оптоэлектронных САР лазерных ВП подтвердили правильность принципов оптимизации систем, что позволяет - повысить качество и надежность воспроизведения информации.

Четуяотая глава -."ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ В ВИДЕ ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЛЕКТОРОВ И СОЗДАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ".

В ней исследован' вопрос обеспечения устойчивости системы в » ,

виде линейной модели (3 + п)гГ0 порядка, в структурную схему которой входит а 'апериодических звеньев первого порядка.

Изучены особенности- построения системы тангенциального сле-* -

хеиия в ВП системы СЕКАЦ и НТСЦ. Описываются разработанные дефлекторы. Проведен анализ САСД в рехиме перевода системы с одной информационной дорожки на соседнюю для осуществлений ненсшшальной скорости воспроизведения ТВ информации.

4.1. Радиальные отклонения информационной дорожки могут достигать 200 мкм, поэтому КУ системы на основных частотах (0...50 Гц) должен, быть не менее 66 дБ. Амплитуда радиальных отклонений уменьшается с увеличением частоты (~1/12) и выше 2...3 кГц становится меньше необходимой точности слежения. Это обуславливает повышенные требования к динамическим свойствам системы: частота среза системы должна быть больше 3 кГц.

Для обеспечения устойчивости линейной системы необходимо компенсировать влияние Фазового сдвига, который вносят апериодические звенья. Найдены исходные уравнения синтеза корректирующих устройств при наличии в системе колебательного звена и п апериодических звеньев первого порядка. Приводятся расчетные графические зависимости.

4.2. Изучены особенности построения системы автоматического тангенциального слежения в БП системы СЕКАМ и НТСЦ. Приведены необходимые АЧХ разомкнутого контура системы, при которых временные искажения ТВ сигнала уменьшаются до допустимых величин. Показано, что КУ контура на частоте вращения ВД должен быть равен 50 дБ для профессионального ВП системы СЕКАМ и 66 дБ - жля ВП системы НТСЦ. Остаточные временные ошибки составляют соответственно не более +-32 не и +-5 не, что удовлетворяет ТТ.

'4.3. Одной из основных проблем при разработке оптических воспроизводящих устройств является создание дефлекторов лазерного луча двух типов: дефлектор для работы в качестве ИМ следящих систем и дефлектор для отклонения луча на фиксированной частоте с небольшой амплитудой.

Устройство отклонения лазерного луча, предназначенное для работы в САР в качестве ИМ, должно иметь ряд свойстз, не всеми из которых обладают серийно выпускаемые устройства. Осноеными пунктами разработанных ТТ к ИМ ВП язляются: а) угол отклонения луча в диапазоне 0...25 Гц не менее 4-10"2 рад; б) механический резонанс должен быть в области 25...65 Гц ; в) коэффициент демпфирования -' 0,3...О,7; 'г) дефлектор не должен иметь паразитных резонансов до частоты не менее 20 кГц; д) размер отражающей поверхности - не менее 10x14 мм.

Исследован магнитоэлектрический дефлектор - с подвижной частью, выполненной на демпфирующей подвеске из резинового материала. Дефлектор удовлетворяет ТТ и надежен в работе.

Разработано и исследовано пъезокерамическое устройство отклонения лазерного луча для СДСД, которое удовлетворяет ТТ к дефлектору для ВП на газовом лазере: а) частота отклонения луча - 40...100 кГц; б) амплитуда отклонений - не менее 2-Ю"4 рад при управляющем напряжении не более 20 В; в) размер отражающего зеркала - 4x4x2 мм. Созданный дефлектор обладает примерно в 1,7 раза большей чувствительностью, чем зарубежный аналог.

4.4. Для осуществления специальных режимов воспроизведения ТВ информации с неноминальной скоростью таких как стоп-кадр, замедленное или ускоренное воспроизведение и др., необходимо осуществлять скачкообразный переход системы слежения с одной информационной дорожки на соседнюю.

В первом приближении задача перехода сводится к переводу дефлектора за кратчайшее время на фиксированное расстояние с сохранением его начальной скорости, т.е. из фазовой точки А(х0, х0) в, точку В(х0 + L, х0) ''при ограничении U < Umax. Для решения этой задачи используется принцип максимума Понтрягина.

Экспериментальные исследования перехода системы . с дорожки на дорожку показали недостаточную его надежность при реализации оптимального управления с фиксированным временем перехода tpjg = const. Во-первых, параметры ИМ изменяются, например от температуры, и во-вторых, шаг дорожек может иметь значительные допуски. Б связи с этим а разработанной системе при переходе определяется точка П, в которой воспроизводящее пятно находится ровно посредине между двумя дорожками и, т.е. дефлектор находится на полпути (х0 + L/2) к необходимой точке В. Момент детектирования точки П используется как момент переключения управления.

Разработано устройство создания режимов воспроизведения видеоинформации с неноминальиой скоростью, которое обеспечивает качественный переходный процесс системы и реализацию режимов от стоп-кадра до замедленного ^ускоренного воспроизведения в прямом и обратном направлениях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

На основе исследований проблем бесконтактного воспроизведения информации с оптических видеодисков (ВД) выработаны требования к оптоэлектронним системам управления, необходимые для обеспечения высоких качественных показателей телевизионного (ТВ) изображения. Установлено, что определяюяее влияние на отношение сигнал/шум воспроизводимого с ВД сигнала оказывает точность слежения за дорожкой и точность автоФоку сиров:си, а на временные искажения - точность тангенциального слежения. Разработаны и исследованы устройства и системы, обеспечивающие решение ряда проблем качественного воспроизведения информации и подтверждена достоверность теоретических проработок.

Основные результаты работы

1. Проведено исследование математических моделей датчиков сигнала рассогласования и изучены особенности дзух основных методов построения системы автоматического слежения за дорожкой (САСД): метода двух дополнительных пятен и метода колеблющегося пятна. Выявлены основные недостатки методов и предложены четыре варианта построения и соответствующие ии функциональные схемы системы слежения, при использовании которых практически устраняется зависимость ог различных Факторов нестабильности, влияющих на среднюю величину сигнала Фотодиода и коэффициент радиальной модуляции. Это позволяет снизить требования к ряду составных узлов и систем оптико-механического тракта и к ВД. На варианты построения адаптивных систем слежения получено пять авторских свидетельств.

2. Разработана двухконтурная САСД с частичным разделением контуров по коэффициентам усиления и использованием двух дефлекторов. Получены экспериментальные подтверждения ее преимуществ - практически отсутствие влияния низкочастотных шумов и наличие достаточной степени дублирования, что позволило снизить ряд жестких требований

к узлам и системам не менее, чем в 3 раза и, тем самым, повысить технологичность конструкции. Внедрение системы в первом отечественном лазерном видеопроигрывателе (ВП) существенно увеличило надежность и точность слехения за дорожкой и обеспечило .Качественное воспроизведение ТВ информации. На двухконтурную систему слехения получено два авторских свидетельства.

3. Предложен и исследован способ стабилизации пространственного положения зеркала исполнительного механизма системы слехения. На его основе разработана комбинированная САСД с автоцентровкой воспроизводящего луча, которая обеспечивает режим слежения в- середине поля зрения фокусирующего микрообъектива. Смещение воспроизводящего луча из-за влияния низкочастотных -возмущений и изменения температуры уменьшилось примерно в 20 раз. Это позволяет повысить технологичность производства дефлекторов и значительно уменьшить их отбраковку. Комбинированная система слежения обеспечивает надежную работу оптоэлектронкых систем автоматического регулирования (САР) с необходимой точностью. Ца комбинированную САСД получено авторское свидетельство.

4. Разработана и исследована система автоматической фокусировки с у совершенствовании»! алгоритмом определения сигнала рассогласования при использовании астигматического датчика. В реализованной системе влияние смещений проекции воспроизводящего пятна по четырехэлементному фотодиоду на точность фокусировки умеиьпилось более^ чем в 3 раза. Это увеличивает точность и надежность автофокусировкк, а также позволяет уменьшить требования к точности установки воспроиззодпдего фотодиода и стабильности положения элементов оптико-механического тракта ВП.

5. Еа основе исследований причин и спектра временник искажений, возникающих при воспроизведении информации с БД, сформулирована обобщенные технические требования к системе тангенциального" слехеннЕ ВП системы СЕКАМ, КАЛ и НТСЦ. Расчетами показано н экспериментально подтверждено, что кигс^иеся временные искажешга воспроизводимого сигнала для бытовых ВП допустимы. Это дает возможность обходиться без системы тангенциального слежения, что значительно

упрощает конструкцию отечественного бытового ВП по сравнению с зарубежными.

Разработано электронное устройство коррекции временных искажений видеосигнала, уменьпаюаге временные опибки до 10 не, что позволяет на созданном ВП системы СЕКАИ воспроизводить в цветном изображении ТВ информацию с ВД системы ПАЛ. • Устройство реализовано в виде приставки к ВП и значительно расширило его возможности.

6. Исследован вопрос обеспечения устойчивости системы слежения в виде линейной модели (3 + п)-го порядка, в структурную схему которой входит п апериодических звеньев первого порядка и разработана методика синтеза системы. Предложенная методика позволяет оперативно решать как задачу анализа системы по известным характеристикам ее составных звеньев, так и вырабатывать требования к разрабатываемым звеньям для синтеза системы с желаемыми параметрами. Методика опробована при создании и оптимизации САР ВП.

7. Проведен анализ системы слежения в режиме перевода системы с одной информационной дорожки на соседн»». Разработаны алгоритм перехода с дорожки на дорожку и устройство создания режимов воспроизведения видеоинформации с неноминальной скоростью, которое обеспечивает качественный и надежный переходный процесс системы и реализацию режимов от стоп-кадра до замедленного и ускоренного воспроизведения в прямом и обратном направлениях. Устройство внедрено в созданных ВП и защищено тремя авторскими свидетельствами.

8. Исследован магнитоэлектрический дефлектор с подвижным зеркалом на демпфирующей подвеске из резинового материала, который удовлетворяет требованиям к исполнительному механизму системы слежения. Дефлектор показал большую надежность работы и внедрен в ВП. На магнитоэлектрический дефлектор и разработанную контрольно-измерительную аппаратуру получены три авторских свидетельства.

Разработано и исследовано пъезокерамическое устройство отклонения лазерного луча для САСД. Устройство внедрено в моделях ВП, а также в измерительном оборудовании. На устройство получено авторское свидетельство, что позволило устранить необходимость закупки лицензии, •г«"

Материалы исследований использованы при разработке первых отечественных ВП "Амфитон-501 видео" и "Амфитон ВП-201", в контрольно-измерительной аппаратуре, а также в образцах перспективных моделей проигрывателей на газовом и полупроводниковом лазере и внедрены в НИИ БРЭА. По разработкам автора созданы три специализированные БИС оптоэлектронных систем для воспроизводящих и записывающих устройств различного назначения. На ряд технических, решений получено 21 авторское свидетельство, что обеспечило ВП патентную чистоту по СССР и странам-членам СЭВ. Полученные результаты работы позволяют повысить качество и надежность воспроизведения информации, снизить требования к точности изготовления и стабильности составных узлов и систем, повысить технологичность и уменьшить затраты труда в условиях крупносерийного производства аппаратуры. Экономический эффект составил 100 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Повгань А.П. Синтез высокоточных следящих систем с колебательным звеном// Теоретическая электротехника. Льпов: 1983. - Вып.35. - С.6-14.

2. ппдгдиь A.n. Исследование следящих систем воспроизводящих устройств// Теоретическая электротехника. -Львов: 1987. - Вып.43. - С.112-122.

3. ппвгднь ft-П. Оптико-электронная система слежения за дорожкой записи ТВ сигнала// Техника кино и телевидения. -1938. - №3. - С.25-31.

4 прягань fl-П. Вопросы обеспечения качественного воспроизведения телевизионной информации с оптических видеодисков. - В кн.: III Всесоюзная НТК по вычислительной опгозлектроннке "Проблемы оптической памяти". - Ереван: 1987. Тезисы докладов. - 4.1. - С.100-101.

5 прпгпнь п-п- Исследование и выбор дефлекторов для следящих систем оптических воспроизводящих устройств.

В кн.: III Всесоюзная НТК по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти". Ереван: 1987. Тезисы докладов. - 4.2. - С.136-137.

6. Гитлип М.В.. Повгань Разработка и исследование

комбинированных и адаптивных оптоэлектронных систем видеопроигрывателя. - В кн. : "Состояние и перспективы развития БРЭА". - Львов: 1ЭЭ0. Тезисы докладов VI отраслевой НТК. - С.60.

7 . Гитлип М.В. ._Кривоше-ев М.И . ._Повгань А.П.

Результаты исследований проблем бесконтактного воспроизведения информации с оптических видеодисков. - В кн.: "Состояние и перспективы развития БРЭА". - Львов: 1990. Тезисы докладов VI отраслевой НТК. - С.61-62.

8. Кривотаеев М.И. Гитлии М.В.. Повгань А.П. Методы коррекции временных искажений ТВ сигнала в лазерном ВП. - В кн.: "Состояние и перспективы развития БРЭА". - Львов: 1990.'Тезисы докладов VI отраслевой НТК. - С.63.

9. Повгань А.П. Исследование и разработка оптоэлектронных устройств воспроизведения , телевизионной информации с дисковых носителей. - В кн.: IV Всесоюзная НТК "Проблемы оптической памяти". - Телави. - 1990. Тезисы докладов.

10. А- с. 1113847 СССР. Устройство слежения за информационной дорожкой носителя оптической записи/ А.П.Довгань. - Опубл. 1984. - Бюл. №34.

11. А- с. 1304069 СССР. Адаптивное устройство слежения за информационной дорожкой/ А.П.Довгань. - Опубл. 1987. Бюл. №14.

12. А.с. 1282203 СССР. Устройство для слежения за информационной дорожкой носителя оптической записи/ А.П.Довгань. - Опубл. 1987. - Бюл. №1.

13. А ■г- 1297107 СССР. Устройство слежения за •информационной дорожкой носителя оптической записи/ А.П.Довгань. - Опубл. 1987. - Бюл. №10.

14. А. с. 1571663 СССР. Устройство слежения за информационной дорожкой оптического носителя/ А.П.Довгань.

- Опубл. 1990. - Бюл. №22.

Шдаистло в почать 16.04.91. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,3 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 255. Бесплатно.

"тгзл оперативной печати ШС. Москва, ул. Авяшгатэрная, 3.