去除噪聲的方法和裝置以及用於數字記錄的磁頭－介質間距調製的測量的製作方法
2023-10-17 23:07:14 1
專利名稱：去除噪聲的方法和裝置以及用於數字記錄的磁頭－介質間距調製的測量的製作方法
(1)技術領域本申請要求申請號為60/459,761，申請日為2003年4月1日的臨時申請的優先權。因此通過引用而合併公開的所有內容。
本發明涉及對一表面構形特徵的描述，特別涉及在描述盤表面構形特徵中去除磁頭-介質間距調製測量中的噪聲。
(2)背景技術信息存儲和檢索的一種形式為硬碟驅動器(以下稱「盤驅動器」)。盤驅動器通常用於計算機、數據記錄裝置、獨立碟片的冗餘排列(RAIDs)、多媒體記錄器等裝置的信息存儲及檢索。一個盤驅動器包含一個或多個盤介質。
每個盤介質包含一基底，在其上deposited覆蓋材料以形成一層對於磁性敏感的表面。在形成盤介質時，基底通常採用化學—機械或機械磨光法研磨或磨光，以提供一基本平坦的表面。多層材料基本上均勻地覆蓋在基本平坦的表面上，從而為從盤介質上寫入或讀取信息提供磁學性質。
然而，諸如凹坑、空白、顆粒、凸起及刮痕等缺陷都可能出現在盤介質表面。這些缺陷會影響該盤介質的表面構形，並且需要對其進行檢測及描述。由於用於支持超高強度數字磁記錄的磁頭-介質浮動(flying)高度間距極度減少，所以盤表面構形的描述變得越來越重要。研究顯示，作為在波長範圍0.02mm至100mm內的構形定義的盤的微波紋(micro-waviness)對於磁頭-硬碟分界限有實質的貢獻，也稱作盤接觸(滑動)雪崩。一種模型被研發用來從媒體的可測性質來預測盤介質的滑動雪崩。
這種模型的一個組成部分是HMS_Wq(r.m.s.磁頭-介質間距調製)，它是由所述盤表面的微波紋的測量而計算得出的。為計算HMS_Wq，使用高解析度表面光度儀，諸如坎德拉表面光度儀、正交相移幹涉儀(QPSI)或雷射都卜勒振動計(LDV)來計算盤上一給定半徑處的圓周的表面構形。
測量信號提供給利用快速傅立葉變換(FFT)分析表面構形譜的處理器。在微波紋波長範圍求表面構形功率譜密度(PSD)和一空氣支承傳遞函數乘積的積分來確定HMS_Wq。因此，作出準確和無噪聲的表面構形測量成為HMS_Wq測量的關鍵步驟。通過觀察可知構形PSD譜的測量容易被噪聲源汙染，這些噪聲可能起源於電子或由不必要的機械振動產生。圖1示出了這些汙染譜分量的幾個例子。從圖中可以看出這些不必要的頻率分量在1kHZ到3MHz的範圍內變化。在表面構形PSD譜中存在這些噪聲源會嚴重影響HMS_Wq測量的可重複性和可靠性。問題在於不能採用傳統的過濾技術，因為噪聲位於所考慮的頻段內。
(3)發明內容需要提供從表面構形PSD譜去除噪聲的方法和裝置，以便實現準確的磁頭-介質間隔調製測量。
本發明的實施例提供了測量磁頭-介質間隔調製(HMS-Wq)的方法，滿足了以上及其他需求，該方法包括下述步驟測量盤表面構形，以及由測量到的盤表面構形產生的一累積功率譜強度(PSD)。在累積PSD分配中的不連續及階躍被識別，而後去除這些累積PSD分布中的不連續及階躍。
前面提到的需求由本發明的其它方面滿足，它提供了測量HMS-Wq的裝置，包括一實施盤的表面構形測量的測量裝置及一處理器。在本發明的實施例中，處理器被設定成在構形測量的基礎上確定表面構形功率譜強度(PSD)。另外處理器還被設定成從初始PSD譜中去除噪聲，並在去除噪聲的PSD譜上生成表面構形的振幅均方根值(r.m.s.) 該處理器還被設定用來根據 計算HMS_Wq。
前面提到的需求由本發明的其它實施例滿足。它提供了測量盤的表面構形的裝置，包括一得到盤的表面構形測量的測量裝置及確定去除噪聲的磁頭-介質間隔調製(HMS_Wq)的裝置。
本發明的前述及其它特徵、方面及優點將通過以下結合附圖對本發明的詳細描述得以更清楚的展示。
(4)
圖1為對於盤表面構形的示例信號及示例測量值，HMS(r.m.s.)對x軸上的頻率信號的曲線圖。
圖2是圖1中根據本發明實施例計算出的積分功率密度P(k)對圖1的頻率的曲線圖。
圖3示出根據本發明實施例的去除噪聲的積分功率密度 對圖1的頻率的曲線圖。
圖4示出根據本發明實施例，從信號中去除噪聲之後的表面構形的振幅r.m.s.的曲線圖。
圖5為一可以用於本發明的QPSI檢測器的示範實施例。
圖6為構造來根據本發明的一個或多個方面接收光強度電壓信號的信息處理系統的一實施例的示例部分的框圖。
圖7為一根據本發明的實施例確定HMS_Wq的方法的示範實施例的流程圖。
(5)具體實施方式
本發明處理並解決由表面構形功率譜密度譜中噪聲源引起的同r.m.s.磁頭-介質間隔調製有關的問題。本發明一部分是通過提供測量磁頭-介質間隔調製(HMS_Wq)的方法和裝置來克服上述問題的，其中包含測量盤的表面構形並從測量到的表面構形生成一累積的功率譜密度(PSD)分布。累積PSD分布中的不連續及階躍被識別，而後被去除。採用一斜率檢測法找到該不連續和階躍的上升及結束點。從這裡計算出功率譜強度分布中的第一階躍高度。然後，以階躍高度來垂直移動累積的PSD分布的線段，從而從累積的PSD分布中去除階躍。這種做法一直持續到累積的PSD分布中所有的階躍都被去除。通過這個去除了噪聲的累積的PSD分布，去除噪聲的表面構形振幅r.m.s.就被確定了。
本發明可用多個不同的裝置來實施，它們可採用不同類型的測量裝置。例如，本發明可用於坎德拉表面光度儀、或雷射都卜勒振動計(LDV)的表面構形測量。為了說明的目的，將結合圖5-6對正交相移幹涉儀的實施例進行描述。然而，正如任何本領域的普通技術人員認識到的那樣，本發明也可以用於其它測量硬碟表面的表面構形的表面光度儀及裝置。
圖5為根據本發明的一個或多個方面的幹涉計系統50的實施例的部分示例光學布局圖。正如將被理解的，幹涉計系統50，尤其是正交相移幹涉計45，利用兩個極化處理來創造兩個獨立的幹擾信號，它們相互之間有相移。兩個相位正交的獨立信號的出現有助於相位的展開(unwrapping)。
繼續參見圖5，雷射或雷射束源20被做成提供一雷射或其它光學能量束21。雷射器20可以做成提供一線極化雷射束。例如，可以使用氦氖(He-Ne)雷射，儘管應理解本發明可以用已知的其它波長的雷射。雷射束21為一線極化雷射束。雷射束21提供給可變比率分束器49。
可變比率分束器49包含一極化分束器(PBS)25及半波板(HWP)22。特別是，半波板22做成可旋轉的。通過旋轉半波板22，可以調節基準光束26和物光束27的相對強度或振幅。半波板22用於相對於極化分束器25旋轉雷射束21的極化方向。即，調整極化方向使得極化分束器接收s-極化和p-極化的分量。先將雷射束21提供給半波板22，然後提供給極化分束器25。極化分束器25根據s-極化和p-極化分量將雷射束21分成基準光束26和物或測量光束27。本發明的一個方面是平衡基準光束26和物光束27的強度。另一種做法是，可以去除半波板22而由旋轉雷射器20來控制極化方向。
基準光束26和物光束27為極化互相垂直或正交的極化光束。這樣，基準光束26可以只包含雷射束21的s-極化分量，而物光束27可以只包含p-極化分量。特別是，基準光束26和物光束27是可互換的。
先將基準光束26提供給四分之一波長板(QWP)28然後再提供給鏡31。基準光束26進入四分之一波長板28的一無源側。基準光束26鏡31的一光學反射面上被反射以提供如圖虛線所示的經反射的基準光束30。為了清楚起見，反射後的光束和再合併前的光束均由虛線表示。
向四分之一波長板28提供經反射的基準光束30。四分之一波長板28及四分之一波長板29分別用於減少由於經反射的基準光束30及經反射的物光束31隨後的合併帶來的功率損失。基準光束26在穿過四分之一波長板28之前僅包含線極化分量，即s-極化分量。在穿過半波板28後，基準光束26的線極化分量轉換成圓極化分量。經反射的基準光束30在穿過四分之一波長板28之前僅包含圓極化分量。穿過半波板28後經反射的基準光束30的圓極化分量轉變為線極化分量，即p-極化分量，這樣具有P-極化分量的經反射的基準光束筆直穿過極化分束器25以提供合併光束33的一部分。
物光束27被提供給四分之一波長板29的一無源側然後至透鏡46。透鏡46用於減小為盤介質10的表面32成象的物光束27光點的大小。光點的大小決定為了檢查目的解析度，這樣更小的光點可以解決更小的缺陷。從透鏡46射出的經聚焦的目標光束27離開幹涉計系統50，然後被表面32反射，再次進入幹涉計系統50回到透鏡46，在那裡它被重新設置成與聚焦前大致相同的光點大小。盤10是一移動的目標，例如旋轉的目標。經反射的物光束31從透鏡46到四分之一波長板29。物光束27在穿過四分之一波長板29之前僅包含p-極化分量。穿過四分之一波長板29後，目標光束27僅包含圓極化分量。經反射的物光束31在穿過四分之一波長板29之前僅包含圓極化分量。穿過四分之一波長板29後，經反射的物光束31僅包含s-極化分量，然後當經反射的目標光束31從與開始進入極化分束器25的相對的一側進入時，它被分束器25從與基準光束26相反的方向正交轉向用來提供合併光束33的一部分。
特別地，光路長度48與光路長度47之差比雷射束相干長度短。另外，可以理解，表面32的表面缺陷引起光路長度48的位移。例如，根據參考高度，一個凹陷會同時相對於物光束27和經反射的物光束3 1延長光路長度48，而一凸起會縮短光路長度48。允許的最大位移由透鏡46的聚焦深度限制。如果表面32移動，光路長度48由表面32調製。光路長度48由平面外(out-of-plane)的，更具體地說是參考平面外的，表面32的移動調製。
經反射的基準光束30及經反射的物光束31被極化分束器25合併成合併光束33。合併光束33包含一經反射的基準光束部分和一經反射的物光束部分，這些部分各自的極化方向是正交的。即，在合併光束33中的經反射的基準光束部分和經反射的物光束部分不互相干涉。
極化分束器25提供合併光束33給非極化分束器34(NPBS)。非極化分束器34將合併光束33振幅分離成輸出光束23和輸出光束24。
輸出光束23或24中的一束被供給一四分之一波長板。在圖5所示的實施例中，輸出光束被提供給四分之一波長板35。四分之一波長板35在輸出光束23的經反射的基準光束和經反射的物光束的部分或分量之間引進相移。四分之一波長板35是可以調節的。這樣，例如四分之一波長板35可以根據需要調節以引進一目標相移，例如，在輸出光束23的經反射的基準和經反射的物光束分量之間的大約90度位移。正如以下更詳細描述的，因為使用了相互有相移的兩個波，幫助了相位的展開。這樣的相移用於提供一個如上所述的正交輸出。然而，如僅平行地看輸出，則四分之一波長板35可被省略。特別是，輸出光束23或輸出光束24中的經反射的基準和經反射的物光束分量仍舊相互正交地極化。
極化器36接收經相移的輸出光束23並沿一預定方向集合其經反射的基準和經反射的物光束分量，例如與這些分量的垂直和水平極化軸成約45度，以提供集合光束38。如上所述HWP22被用於平衡光束，但如果這些光束失去平衡，則可以選擇或調整一個預定的方向或角度來增加該幹涉的對比。因此，如果經反射的物光束分量和基準光束分量失去平衡，則可以通過均衡在集合光束38中各個分量的貢獻選擇另一角度來增加該幹擾的對比。如上所述，集合光束38可能響應於由表面缺陷或其它表面不一致引起的光路長度48上的位移，或從一基於上述基準平面選擇的一標稱表麵條件，而在集合的經反射的參考光束分量和經反射的物光束分量之間有幹涉。
極化器37接收輸出光束24並沿一預定方向集合其經反射的基準光束分量和經反射的物光束分量，例如沿與這些分量的垂直和水平極化軸成約45度，以提供集合光束39。如上所述，響應於由表面缺陷或其它表面不一致，或由一標稱表麵條件所引起的光路長度48的位移，集合光束39在集合的經反射的基準光束分量和經反射的物光束分量之間有幹涉。假設表面缺陷存在並被檢測出，集合光束38和39中的經反射的基準光束分量和經反射的物光束分量發生幹擾，從而產生了移動邊緣，它代表光路長度48的調製。這些移動邊緣(它們是光強度的暫時改變)可以平行地在輸出光束38和39中觀察到。或者，這些移動邊緣可以平行地在集合光束38和39中和在相位正交中觀察到。
集合光束38和39被分別提供給光檢測器40和41。光檢測器40和41可以是光敏二極體檢測器。為了隨後由信息處理系統(IPS)42進行數位訊號處理，檢測器40和41以足以從集合光束38和39捕捉邊緣並將各自的正比於臨時光強度變化的電壓分別作為信號43和44傳遞的速度運行。
參見圖6，示出一根據本發明一個或多個方面，用來接收光強度電壓信號43和44的信息處理系統42的實施例的示例部分的框圖。信息處理系統包含處理器53、存儲器54、輸入/輸出界面55及顯示裝置56。信息處理系統42可以是一個已編程的個人計算機或一數字示波器或其它已知的用於處理形如信號43和44的信號的裝置。
以上僅表示為得到位於測試點半徑的盤圓周表面構形測量值的一種示例裝置。使用正交相移幹涉計45，特別是圖5和圖6的表面光度儀，僅僅是本發明可用的表面光度儀的一個例子。其它類型的表面光度儀，諸如坎德拉表面光度儀或雷射都卜勒振動計也可以使用而不脫離本發明範圍。
本發明用於從表面構形PSD譜中去除噪聲。F(i)是由表面構形單側定標自動功率譜的輸出的平方根得出的表面構形振幅均方根值(r.m.s)。其中，i＝1，2，3，...n並且n為功率譜中的元素編號。在頻率範圍m到k的積分功率密度P(k)可由計算下式得到P(k)=i=F(i)2---(1)]]>如使m＝1，k＝n，n-1，n-2，...1，就會生成P(k)序列或累積功率譜密度分布。圖2示出由圖1示出的譜F(i)計算得出的功率譜密度分布P(k)的曲線圖。在圖2中可以清楚地看出譜中的噪聲造成了P(k)曲線上的跳動或不連續，諸如那些由參考號80標出的噪聲。在本發明中，累積PSD函數P(k)中的不連續或階躍被識別並去除。由此從這個經修正的累積PSD函數P(k)重新構成了一個無噪聲譜。
現參見圖3，本發明的方法可識別出曲線P(k)中階躍的上升點和結束點。例如，一個斜率檢測方法可以用於找到這些上升點和結束點。一個示例上升點82和結束點84參見圖3。圖3中更多的上升點和結束點由累積PSD分布P(k)上的圓圈示出。
因此，在PSD函數P(k)中檢測出一些階躍。考慮圖2右側從右邊算起的第一個階躍，計算出第一階躍高度。該計算是基於檢測到的上升點82和結束點84的值而得出的。在計算出第一階躍高度後，為了去除這個階躍，由該階躍的結束點84到累積PSD函數P(k)最左側的端點的P(k)線段被這一階躍高度垂直下移。然後計算出第二階躍高度，而P(k)段被這一階躍高度再次垂直下移以去除這一階躍。重複這些動作直到累積PSD函數P(k)中所有的階躍都被去除。
一旦累積PSD函數P(k)中所有的階躍都被去除，函數 就產生了。圖4示出該函數 去除噪聲後的表面構形的振幅均方根值(r.m.s.)從 中去除了。按下式確定
F^(k)=P^(k)-P^(k-1)---(2)]]>圖7示出了用於產生去除噪聲後的表面構形的振幅均方根值(r.m.s.)的方法的實施例的流程圖。在步驟90中，測量出盤的表面構形以產生表面構形F(i)的振幅均方根值(r.m.s.)，諸如圖1示出的示範的曲線圖。多種不同的表面光度儀中的任何一種都可用來作該測量，諸如圖5和圖6的QPSI或其它表面光度儀，諸如坎德拉表面光度儀或雷射都卜勒振動計。
積分功率密度P(k)是根據上述公式1從振幅均方根值(r.m.s.)信號F(i)計算得到的。這在步驟92描述了。如前所述，圖2描述了一代表累積PSD函數的示例曲線P(k)。
在步驟94中，累積PSD函數P(k)中的不連續和階躍被識別。可採取斜率檢測方法來找到該累積PSD函數P(k)中的不連續或階躍的上升點及結束點。
一旦找到上升點及結束點，該不連續和階躍就被步驟94確定並識別。一個階躍的階躍高度在步驟96中計算。首先通過算法，第一階躍的高度在步驟96中計算。接著通過處理循環，計算不同階躍的高度。
在步驟98中，P(k)線段被所述階躍高度垂直向下移動以去除該階躍。被移動的P(k)線段是從該的結束點到最左邊的端點。
然後在步驟100中，確定是否有更多的階躍被步驟94識別。若回答為是，則步驟102使該循環向下一步驟移動以在下一步的步驟96中計算階躍高度。當如在步驟100確定的沒有更多的階躍被識別，則由去除噪聲後的累積PSD函數 計算得出去除噪聲後的表面構形的振幅均方根值(r.m.s.) 例如，公式2描述的是用於計算 的式子。
圖7的噪聲去除方法和以上描述的依賴於一特殊條件成立。這一條件是盤的構形由一隨機處過程產生的，因而，是一本質上無階躍或不連續的累積PSD曲線P(k)。
儘管詳細說明和描述了本發明，應清楚了解的是，它們只是說明和示例而不能當作限定。本發明的範圍僅由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種測量磁頭-介質間距調製(HMS_Wq)的方法，其特徵在於，包含以下步驟測量盤的表面構形；從測得的所述盤的表面構形生成一累積功率譜密度(PSD)；識別累積PSD分布中的不連續及階躍；和去除累積PSD分布中的不連續及階躍。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，進一步包含從所述測得的盤的表面構形生成一初始頻率譜，生成累積功率譜密度的步驟包括從該初始頻率譜計算累積PSD分布。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，計算所述累積PSD分布的階躍根據以下公式得出P(k)=i=mF(i)2]]>這裡P(k)是累積PSD分布；F(i)是初始頻譜，m＝1，和k＝n，n-1，...1.
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，識別所述階躍的步驟包括確定P(k)中階躍的上升點及結束點。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述確定上升點及結束點的步驟包含斜率檢測。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述去除階躍的步驟包含根據所述階躍的確定的上升及結束點計算階躍高度。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述去除階躍進一步包含將P(k)線段垂直移動與相鄰階躍高度相同的數量來生成一經修正的
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，進一步包含從經修正的 生成去除噪聲後的盤的表面構形的振幅均方根值
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，生成 的步驟由下式確定F^(k)=P^(k)-P^(k-1)]]>其中，k＝n，n-1，n-2，...1和P^(0)=0.]]>
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，進一步包含在從所述累積PSD分布中去除不連續和階躍後從累積PSD分布確定所述盤的表面構形的振幅均方根值。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述測量表面構形的步驟包含使用坎德拉表面光度儀、正交相移幹涉計或雷射都卜勒振動計中的至少一種。
12.一種測量磁頭-介質間距調製(HMS_Wq)的裝置，其特徵在於，包含一執行盤表面構形測量的測量裝置；和一處理器，將它做成根據構形測量確定一初始構形功率譜密度(PSD)譜；從所述初始PSD譜去除噪聲；從去除噪聲後的PSD譜生成一表面構形的振幅均方根值 和從 計算HMS_Wq。
13.如權利要求12所述的裝置，其特徵在於，把所述處理器進一步做成從盤的表面構形測量值確定一個表面構形的初始振幅均方根值F(i)。
14.如權利要求13所述的裝置，其牲特徵在於，把所述處理器進一步做成通過根據以下式子形成一積分功率密度P(k)來確定所述初始PSD譜P(k)=i=mkF(i)2]]>其中m＝1，和k＝n，n-1，n-2，...1。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，把所述處理器進一步做成用斜率檢測確定P(k)中的階躍的上升點和結束點。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，把所述處理器進一步做成根據所述階躍的上升點和結束點計算步長高度。
17.如權利要求16所述的裝置，其特徵在於，把所述處理器進一步做成將P(k)線段垂直移動與相鄰階躍高度相同的數量來從初始PSD譜中去除噪聲並由此生成一經修正的PSD譜
18.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於，把所述處理器進一步做成根據下式生成 F^(k)=P^(k)-P^(k-1)]]>其中k＝n，n-1，n-2，...1和P(0)＝0.
19.一種測量盤的表面構形的裝置，其特徵在於，包含一取得盤表面的表面構形測量值的測量裝置；和用於確定去除噪聲後的磁頭-介質間距調製(HMS_Wq)的裝置。
20.如權利要求19所述的裝置，其徵在於，所述用於確定的裝置包含一處理器，把它做成從所述表面構形測量值確定一個初始頻譜；從所述初始頻譜計算一初始積分功率譜密度分布；從所述初始積分功率譜密度分布去除噪聲以創建一經修正的功率譜密度分布；和從經修正的功率譜密度分布生成一經修正的頻譜。
全文摘要
一種用於測量磁頭－介質間距調製(HMS_Wq)的方法和裝置運用一個表面光度儀來測量盤的表面構形。累積功率譜密度(PSD)分布從測得的表面構形生成。不連續和階躍在PSD分布中被識別。不連續和階躍被去除以創建一經修正的PSD分布。於是從經修正的PSD分布生成一無噪聲譜。
文檔編號G11B5/58GK1658290SQ20041003243
公開日2005年8月24日 申請日期2004年3月31日 優先權日2003年4月1日
發明者王建民, J·L·普雷塞斯基 申請人:西加特技術有限責任公司