本研究的目標在模擬包括光學元件影響之光碟機動態，並架構一控制器設計介面，讓使用者在為光碟機設計控制器時，除了音圈馬達讀寫頭的系統動態之外，還可以針對光學特性造成的影響而調變控制器。考量光學特性對光碟機的影響，將使控制器設計更全面性，讓工程師在設計製造碟機前，能夠預估光學特性及伺服控制的結果。
本文首先列舉四大光學理論，說明波動光學對光路模擬的重要性。再介紹光碟機光路系統、聚焦定軌光學原理與伺服控制原理。接著介紹光碟機光路系統與伺服控制系統的模擬架構，說明光路模型，解釋模擬的系統動態與控制器。最後，說明光學模擬如何與系統動態與控制器結合，解說程式傳值問題及流程設計，還有列舉模擬與實際之實驗成果，以證明此架構之可行性。

This research presents a simulation of optical Pick-up head system including effects of optical elements and builds a controller-design interface. When designing optical pick-up head controller, this interface allows users consider both system dynamics and optical characteristics, then they can modify controller to fit the situation precisely. Considering effects of optical elements will increase the comprehensiveness of controller design. For engineers, this creates the possibility of predicting optical performance and servo control results before manufacture .
We first introduce the four basic optical theory, show why wave optics is important to simulation of optical path, optical disc pick-up head system, the focusing and tracking optical principles, and servo control system. Then we explain the simulation construction of optical and servo system to show the model of optical path, system dynamic and controller. Finally, we illustrate how optical and servo control simulation are combined, explain parameter transformation and program flow. Then we show the simulation results and real responses to prove the feasibility of this platform.

摘要..............................................ii
Abstract..............................................iii
目錄..............................................iv
圖目錄..............................................vii
表目錄..............................................ix

第一章 序論..............................................1
1.1研究背景..............................................1
1.2研究動機..............................................2
1.3文獻回顧..............................................3
1.4本文架構..............................................5

第二章 光碟機光學系統與伺服控制系統介紹.................7
2.1光學原理簡介.................7
2.1.1線光學.................8
2.1.2波動光學.................8
2.1.3電磁光學.................9
2.1.4量子光學.................10
2.1.5干涉與繞射.................10
2.2 光碟機光路系統簡介 .................12
2.3 光碟機伺服系統光學原理簡介.................14
2.3.1聚焦伺服光學原理.................15
2.3.2定軌伺服光學原理.................18
2.4聚焦定軌伺服控制系統原理 .................20
2.4.1聚焦/定軌致動器.................20
2.4.2聚焦/定軌定軌伺服系統模型.................21
2.5結語.................22
第三章 實驗系統架構.................23
3.1光學軟體簡介.................23
3.2光路模型簡介.................25
3.3模擬實驗系統架構.................29
3.3.1控制器與系統動態模擬.................29
3.3.2 Diffract與Matlab間的溝通傳值機制.................30
3.3.3系統流程之迴圈運算.................32

3.4硬體實驗系統架構.................36
3.5主要實驗設備.................38
3.5.1光碟機測試平台.................38
3.5.2複雜型可程式邏輯元件.................40
3.5.3數位訊號處理器.................40
3.5.4類比數位與數位類比轉換器.................41
3.6聚焦伺服之實作.................42
3.6.1輸入模組.................42
3.6.2聚焦開關模組.................43
3.6.3 DSP介面模組.................43
3.6.4其他相關模組.................43
3.6.5控制器模組.................43
3.7 結語 .................44
第四章 模擬結果與討論.................45
4.1 線性區建表模擬結果.................45
4.2 光碟機轉移函數模擬流程與結果.................46
4.3 結語.................54
第五章 結論與未來展望.................55

5.1本文貢獻.................55
5.2未來發展之建議 56
參考文獻.................57
附錄A.................61
附錄B.................62
附錄C.................65

[1] 王菊南，CD系列光碟機標準介紹，光電資訊，第27期，pp.2-4，1994。
[2] 光資訊系統綜論，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[3] 光碟機原理介紹，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[4] Guide to Program DIFFRACR(7.7), MM Research Inc., March 2002.
[5] The MathWorks Inc. ; with tutorial by Duane Hanselman and Bruce Littlefield., The student edition of MATLAB :/the ultimate computing environment for technical education : version 4 : user's guide, Englewood Cliffs, NJ :Prentice Hall, 1995.
[6] Tom D. Milster, “A user-friendly diffraction modeling program”, Optical Data Storage Topical Meeting, pp.60-61, 1997, Tucson , Arizona.
[7] C.D. Wright, M.K. Loze, P.W. Nutter, “A matlab-based read/write model for magneto-optic recording”, ODS. Conference Digest, pp.66-67, 1991, Santa Fe, New Mexico.
[8] 徐桂香，光碟讀取頭光路之數學模型，清華大學動力機械工程學系碩士論文，2001。
[9] B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of PHOTONICS, New York :Wiley, 1991.
[10] 陳信豪，光碟機讀取頭光路系統像差對聚焦偵測之影響，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2002。
[11] 黃仁澤，碟片晃動對光碟機讀取頭光強度及聚焦控制之影響分析，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2003。
[12] 黃仕臣，碟片晃動對光碟機讀取資料之影響分析與補償，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2004。
[13] 柯凌宇，碟片三維擺動對聚焦伺服訊號之影響分析與補償，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2005。
[14] Ronald E. Gerber and M. Mansuripur, “Tilt correction in an optical disk system,” Applied Optics, Vol. 35, No. 35, pp.7000-7007, 1996.
[15] Chanda L. Bartlett, David Kay, and M. Mansuripur, “Computer simulations of effects of disk tilt andlens tilt on push–pull tracking error signal in an optical disk drive,” Applied Optics , Vol. 36, No. 32, pp.8467-8473, 1997.
[16] Chubing Peng, Wei-Hung Yeh, and M. Mansuripur, “Measurements and simulations of differential phase-tracking signals in optical disk data storage,” Applied Optics , Vol. 37, No. 20, pp. 4425-4432, July 1998.
[17] Robert S. Upton and Tom D. Milster, “Detector patterns from optical disks,” Optical Engineering, Vol. 40, No. 6, June 2001.
[18] 田仲豪，光波導與微光學元件在高密度光資訊儲存的應用，國立交通大學光電工程所博士論文，2003。
[19] 光學讀寫頭之設計與製作，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[20] 洪俊賢，光碟機伺服控制系統簡介，光電資訊，第2期，pp.27-31，1989。
[21] 李佩謙，唯讀光碟機之伺服系統，光電資訊，第27期，pp.18-21，1994。
[22] 光碟機原理介紹，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[23] 朱朝居，CD-ROM光碟機之光學頭，光電資訊，第21期，pp.16-25，1994。
[24] 吳南陽，光碟機讀寫頭驅動馬達之設計與控制，光電資訊，第2期，pp.18-26，1989。
[25] 涂智翔，模式切換控制律與光碟機聚焦與定軌控制之應用，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2005。
[26] 光碟機伺服控制系統，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[27] 光碟讀寫頭制動器規格介紹，光資訊應用系統技術概論課程資料，國立清華大學動力機械工程學系，2004。
[28] Optical Pick-Up Specifications for DVD/CD HOP 1200, Hitachi Ltd., May 2000.
[29] 張景怡，電腦輔助電路模擬:Electronics workbench MultiSIM，全華出版社，2000。