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激光頭是光碟機的心臟,也是最精密的部分。它主要負責數據的讀取工作,因此在清理光碟機內部的時候要格外小心。

激光頭主要包括:激光發生器(又稱激光二極體),半反光稜鏡,物鏡,透鏡以及光電二極體這幾部分。當激光頭讀取碟片上的數據時,從激光發生器發出的激光透過半反射稜鏡,匯聚在物鏡上,物鏡將激光聚焦成為極其細小的光點並打到光碟上。此時,光碟上的反射物質就會將照射過來的光線反射回去,透過物鏡,再照射到半反射稜鏡上。此時,由於稜鏡是半反射結構,因此不會讓光束完全穿透它並回到激光發生器上,而是經過反射,穿過透鏡,到達了光電二極體上面。由於光碟表面是以突起不平的點來記錄數據,所以反射回來的光線就會射向不同的方向。人們將射向不同方向的信號定義為「0」或者「1」,發光二極體接受到的是那些以「0」,「1」排列的數據,並最終將它們解析成為我們所需要的數據。

1 激光頭 -讀取數據

在激光頭讀取數據的整個過程中,尋跡和聚焦直接影響到光碟機的糾錯能力以及穩定性。尋跡就是保持激光頭能夠

激光頭激光頭
始終正確地對準記錄數據的軌道。當激光束正好與軌道重合時,尋跡誤差信號就為0,否則尋跡信號就可能為正數或者負數,激光頭會根據尋跡信號對姿態進行適當的調整。如果光碟機的尋跡性能很差,在讀盤的時候就會出現讀取數據錯誤的現象,最典型的就是在讀音軌的時候出現的跳音現象。所謂聚焦,就是指激光頭能夠精確地將光束打到碟片上並受到最強的信號。當激光束從碟片上反射回來時會同時打到4個光電二極體上。它們將信號疊加並最終形成聚焦信號。只有當聚焦準確時,這個信號才為0,否則,它就會發出信號,矯正激光頭的位置。聚焦和尋道是激光頭工作時最重要的兩項性能,我們所說的讀盤好的光碟機都是在這兩方面性能優秀的產品。目前,市面上英拓等少數高檔光碟機產品開始使用步進馬達技術,通過螺旋螺桿傳動齒輪,使得1/3定址時間從原來85ms降低到75ms以內,相對於同類48速光碟機產品82ms的定址時間而言,性能上得到明顯改善。 

2 激光頭 -原理和結構

自從1982年直徑12cm的數字音頻光碟CD問世以來,數字視頻光碟DVD(digitalvideodisk)一直是新一代光碟的

激光頭激光頭
一個夢想,雖然在幾年前出現了VCD,但是對於光碟來講,技術上沒有改變,只是對數據進行了壓縮,畫質也只是VHS水準,不過是過渡性產品,在國外沒有形成市場。

數字圖象信號具有在被編輯時畫質不劣化,容易被計算機處理等優點,所以能記錄2小時以上高畫質的數字圖象的光碟,已經讓人盼望已久。最近幾年,短波長的半導體激光器技術,薄型化光碟基板技術,對物透鏡的高數值孔徑NA化技術等的進步,使光碟的記錄密度高密度化成為可能,同時數字連續可變畫面壓縮技術也有很大的進步,使長時間高畫質的連續可變畫面收錄在一張光碟里成為可能。

在以上這些技術基礎被奠定之後,世界上的十家大企業共同制定了新世代數字視頻光碟DVD(digitalvideodisk)的標準,既在和原有CD同樣尺寸下,記錄容量為原來光碟7.5倍4.7G,並採用高畫質的MPEG2數字信號壓縮方式,使之能夠存儲135分的電影。

DVD播放機主要是由光學頭和MPEG2解碼器兩個關鍵技術組成的,其中MPEG2解碼器由於是通用標準,目前開發出晶元的廠商不下十幾家,而光學頭的技術還主要掌握在日本廠商手中。

光碟技術就是一束被聚焦到回折界限的最小激光束照射到盤面,由於記錄著信息的盤面的凹凸對光的反射不同,就可以讀出盤上的信息。

激光頭激光頭

 對於光學頭來講,它特有的技術有如下幾個:

a.通過利用被聚焦到回折界限的最小激光束,穿過0.6mm的透明塑料層,從凹凸信息面取出信號。

b.使用半導體激光二極體,使用數值孔徑NA為0.6的對物透鏡,把激光束聚焦為由波長決定的回折界限為止的最小光束。

c.光碟外形的誤差和不同光碟交換時帶來的對物透鏡的焦點位置在光碟信息記錄面的位置變化,還有光碟迴轉時光

激光頭激光頭
盤面上下振動也會引起焦點位置變化,為了對焦點位置變化進行自動補正,必須把能夠以精度為正負1μm對焦點位置控制的誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭裡。

d.光碟的形狀中心和光碟的迴轉中心之間的偏心補正,還有對於在軌道間距為0.74μm的軌道上,精度正負0.1μm控制激光束對軌道的追跡控制用誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭裡。

在這裡對於光碟裝置系統,能滿足以上要求的光學頭的基本光學系,對物透鏡OL(objectlens),作為光源的半導體激光二極體LD(laserdiode),准直透鏡CL,和其他一些光學頭用的光學部品的原理及設計進行說明。

3 激光頭 -光學頭基本原理

光學頭的基本光學系和光學部品的收差

光學頭是DVD系統的最大關鍵部件之一,它的基本原理圖如下

激光頭激光頭

光學頭是由1.對物透鏡,2.准直透鏡,3.偏光分光稜鏡,4.分光稜鏡,5.反射鏡,6.1/4波長板,7.焦點誤差檢出光學系,8.尋軌誤差檢出光學系等光學部品和光學系,9.焦點控制伺服機構(F-ACT),10.尋軌控制伺服機構(T-ACT)等伺服機械控制部品,還有11.半導體激光二極體,12.多分割光電二極體PD(photodiode)等光電部件構成的。

光學頭能夠讀出光碟上的信號的原理是從激光二極體射出的發散P線性偏振激光通過准直透鏡,成為平行光,再通過1/4波長片時,偏振方向旋轉45度,變為圓偏光,這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光碟的信息面,再反射回來(根據盤面的凸凹對光的反射不同),通過1/4波長片時,再一次偏振方向被旋轉45度,成為S線性偏振光,在偏光分光稜鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系,反射光再一次被分為兩路,誤差系的一路通過凸透鏡、圓柱透鏡,投影到四分割的光電二極體上,根據各象限光量的大小,進行運算,對聚焦和尋軌伺服機構控制,使之讀出正確的信號,另一路信號系的光束由凸透鏡會聚到光電二極體,把光信號變為電信號。

要想把激光聚焦成由波長決定的最小光束,必須把從LD發出的球面波的波面盡量無缺陷的傳到光碟的情報記錄面。也就是說,從LD發光開始到光碟為止,光學頭成像系各部品全體的RMS波面收差必須限制在0.07λ以下,不然不能把激光光束聚焦為由干涉極限決定的最小光束。構成光頭的各光學部品,光碟盤面,其中也包括對物透鏡設置時的調整誤差,以上這些合計的成像光學系全體的波面收差,必須限制在由WarechalCriteron(δω)MC給出的允許最大波面收差0.07λ以下。光碟已經由光碟標準規定,(δω)DISK=0.05λ,一般對物透鏡的象差(δω)ADJT=0.025λ,要使全體(δω)MC小於0.07λ,對於其他的光學部品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光碟為止,光頭各光學部品的最大允許波面收差各用(δω)LD,(δω)CL,(δω)PBS,(δω)QWP,(δω)MR,(δω)OL表示,WarechalCriteron給出我們如下公式;

(δω)MC≤λ/14

(δω)2MC=(δω)2LD+(δω)2CL+(δω)2PBS+(δω)2QWP+(δω)2MR+(δω)2OL+(δω)2DISK

下面具體DVD的數值帶入來試算一下。半導體激光二極體激光射出側有平面玻璃窗,此外由於半導體激光器自身的特點,不可克服的有非點間隔,比理想波面要差,普通(δω)LD約為0.013λ。稜鏡,反射鏡等平面光學部品比較容易的以波面收差0.01~0.015λ製造出來。但是准直透鏡和對物透鏡等非平面光學部品,波面收差要想抑制在0.03λ之內,比較困難,分別定為準直透鏡0.025λ和對物透鏡0.035λ,這樣根據式(2)得出全體(δω)MC的波面收差為0.0694λ,滿足要求。即使對物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下,如果准直透鏡的波面收差大於0.025,那樣被聚焦光束的直徑就會變大,從信息面讀出數據錯誤頻度就會變高。由於以上的理由,准直透鏡的波面收差必須小於0.025,但球面單透鏡要想達到這個值非常困難,一般採用球面玻璃組合透鏡。

激光頭激光頭

從DVD光頭的對物透鏡射出的激光光束,需要一直跟蹤光碟信息面上的軌道間距為0.74μm,最短凹坑長為0.4μm的軌跡,並正確讀出凹坑信息。光強為光束中心強度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω,激光波長λ=650nm,對物透鏡的數值孔徑NA=0.6,

ω=k×(λ/NA)

當對物透鏡的入射光束的光強能量分佈為均等分佈時,係數k是0.96,光強能量分佈為高斯分佈時為1.34。從上式可以看出,光束徑正比例於λ/NA,既要想提高光碟記錄密度,縮小光束徑,就需要使激光短波長化,並且提高對物透鏡的NA。

還有對物透鏡的焦點深度△z正比例於λ/NA的平方,DVD焦點深度與CD相比變窄56%,焦點誤差的允許值變小。

△z~λ/NA2

光碟的傾斜引起的象差也會增加。對於焦點誤差的允許值的減少,就需要提高焦點控制精度,DVD為了減少光碟的傾斜引起的收差,光碟的厚度減為CD的一半0.6mm。

4 激光頭 -成像光學系

激光二極體
一般LD發出的光為與PN結合面平行的線性偏振光,但短波長的LD中大多發出與PN結合面垂直的線性偏振光,DVD要求LD在光碟面上的能量為0.3mW左右,這就需要LD發出的激光能量是3~5mW。

LD的射出角特性和准直透鏡

激光頭激光頭

LD射出的激光是發散光,從發光點離開一段觀測到的光束斷面強度分佈,被稱為遠視野象FFP(farfieldpattern),FFP垂直結合面方向寬,平行結合面方向窄,象下面圖示的一樣,是縱長的橢圓形。

LD垂直結合面的放射角和平行結合面的放射角分別是θ⊥,θ∥。根據LD的放射角和對物透鏡對光束強度的分佈要求,確定準直透鏡的焦點距離。

LD的噪音特性和高頻疊加
LD有單模發光和多模發光兩種激光發振方式。單模發光的最大問題是從光碟反射回來的光進入激光共振器,形成干涉,成為噪音,影響SN,為了消除噪音,需要對驅動電流進行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強,不需要高頻疊加。

偏光分光稜鏡和1/4波長板的作用

激光頭激光頭

激光二極體射出的發散P線性偏振激光通過准直透鏡,成為平行光,無反射折射的通過PBS,.再通過1/4波長片時,偏振方向旋轉45度,變為圓偏光,這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光碟的信息面,攜帶信息再反射回來,通過1/4波長片時,再一次偏振方向被旋轉45度,成為S線性偏振光,在偏光分光稜鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系,使入射光和帶有信號的反射光分離。

對物透鏡

DVD光頭要求對物透鏡一定要象差小,特性優良,能夠把光束聚焦到回折界限,也就是能夠補正各種收差,使點象的大小完全由回折界限來決定。一般使用非球面光學樹脂透鏡。

5 激光頭 -誤差檢出系

非點收差法

激光頭激光頭

焦點誤差檢出方式一般採用非點收差法,非點收差法就是根據光碟反射面位置的變化,反射光的聚焦位置移動,通過圓柱面透鏡對投影光形狀進行變化,用4分割PD差動檢出。

聚焦誤差檢出信號=(A+C)-(B+D)/(A+B+C+D)

尋軌誤差檢出信號=(A+B)-(C+D)/(A+B+C+D)

PD把光信號轉變成電信號,前置放大,模擬運算,再經過相位補償,把信號輸入驅動放大器,驅動透鏡驅動線圈,完成聚焦和尋軌控制。

激光頭激光頭

信號系
從PBS分離的含有信息的反射光,除一部分進入伺服機構的控制系,大部分進入信號系,由PD變成電信號,前置放大,成為RF信號。

6 激光頭 -參考資料

http://wiki.keyin.cn/index.php/%E6%BF%80%E5%85%89%E5%A4%B4"

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