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關(guān)閉窗口 1. 前言
自從1982年直徑12cm的數(shù)字音頻光盤CD問(wèn)世以來(lái)，數(shù)字視頻光盤DVD（digital video disk）一直是新一代光盤的一個(gè)夢(mèng)想，雖然在幾年前出現(xiàn)了VCD，但是對(duì)于光盤來(lái)講，技術(shù)上沒(méi)有改變，只是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，畫質(zhì)也只是VHS水準(zhǔn)，不過(guò)是過(guò)渡性產(chǎn)品，在國(guó)外沒(méi)有形成市場(chǎng)。
數(shù)字圖象信號(hào)具有在被編輯時(shí)畫質(zhì)不劣化，容易被計(jì)算機(jī)處理等優(yōu)點(diǎn)，所以能記錄2小時(shí)以上高畫質(zhì)的數(shù)字圖象的光盤，已經(jīng)讓人盼望已久。最近幾年，短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，薄型化光盤基板技術(shù)，對(duì)物透鏡的高數(shù)值孔徑NA化技術(shù)等的進(jìn)步，使光盤的記錄密度高密度化成為可能，同時(shí)數(shù)字連續(xù)可變畫面壓縮技術(shù)也有很大的進(jìn)步，使長(zhǎng)時(shí)間高畫質(zhì)的連續(xù)可變畫面收錄在一張光盤里成為可能。
在以上這些技術(shù)基礎(chǔ)被奠定之后，世界上的十家大企業(yè)共同制定了新世代數(shù)字視頻光盤DVD（digital video disk）的標(biāo)準(zhǔn)，既在和原有CD同樣尺寸下，記錄容量為原來(lái)光盤7.5倍4.7G，并采用高畫質(zhì)的MPEG2數(shù)字信號(hào)壓縮方式，使之能夠存儲(chǔ)135分的電影。
DVD播放機(jī)主要是由光學(xué)頭和MPEG2解碼器兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)組成的，其中MPEG2解碼器由于是通用標(biāo)準(zhǔn)，目前開(kāi)發(fā)出芯片的廠商不下十幾家，而光學(xué)頭的技術(shù)還主要掌握在日本廠商手中。
光盤技術(shù)就是一束被聚焦到回折界限的最小激光束照射到盤面，由于記錄著信息的盤面的凹凸對(duì)光的反射不同，就可以讀出盤上的信息。
對(duì)于光學(xué)頭來(lái)講，它特有的技術(shù)有如下幾個(gè)：
a. 通過(guò)利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿過(guò)0.6mm的透明塑料層，從凹凸信息面取出信號(hào)。
b. 使用半導(dǎo)體激光二極管，使用數(shù)值孔徑NA為0.6的對(duì)物透鏡，把激光束聚焦為由波長(zhǎng)決定的回折界限為止的最小光束。
c.光盤外形的誤差和不同光盤交換時(shí)帶來(lái)的對(duì)物透鏡的焦點(diǎn)位置在光盤信息記錄面的位置變化，還有光盤回轉(zhuǎn)時(shí)光盤面上下振動(dòng)也會(huì)引起焦點(diǎn)位置變化，為了對(duì)焦點(diǎn)位置變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)正，必須把能夠以精度為正負(fù)1μm對(duì)焦點(diǎn)位置控制的誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里。
d.光盤的形狀中心和光盤的回轉(zhuǎn)中心之間的偏心補(bǔ)正，還有對(duì)于在軌道間距為0.74μm的軌道上，精度正負(fù)0.1μm控制激光束對(duì)軌道的追跡控制用誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里。
在這里對(duì)于光盤裝置系統(tǒng)，能滿足以上要求的光學(xué)頭的基本光學(xué)系，對(duì)物透鏡OL(object lens)，作為光源的半導(dǎo)體激光二極管LD(laser diode),準(zhǔn)直透鏡CL,和其他一些光學(xué)頭用的光學(xué)部品的原理及設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。
2. 光學(xué)頭基本原理
2.1.光學(xué)頭的基本光學(xué)系和光學(xué)部品的收差
光學(xué)頭是DVD系統(tǒng)的最大關(guān)鍵部件之一，它的基本原理圖如下
光學(xué)頭是由1.對(duì)物透鏡，2.準(zhǔn)直透鏡，3. 偏光分光棱鏡，4.分光棱鏡，5.反射鏡，6.1/4波長(zhǎng)板，7.焦點(diǎn)誤差檢出光學(xué)系，8.尋軌誤差檢出光學(xué)系等光學(xué)部品和光學(xué)系，9.焦點(diǎn)控制伺服機(jī)構(gòu)（F-ACT）,10.尋軌控制伺服機(jī)構(gòu)(T-ACT)等伺服機(jī)械控制部品，還有11.半導(dǎo)體激光二極管，12.多分割光電二極管PD(photo diode)等光電部件構(gòu)成的。
光學(xué)頭能夠讀出光盤上的信號(hào)的原理是從激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡，成為平行光，再通過(guò)1/4波長(zhǎng)片時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對(duì)物透鏡聚焦到光盤的信息面，再反射回來(lái)（根據(jù)盤面的凸凹對(duì)光的反射不同），通過(guò)1/4波長(zhǎng)片時(shí)，再一次偏振方向被旋轉(zhuǎn)45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號(hào)系，反射光再一次被分為兩路，誤差系的一路通過(guò)凸透鏡、圓柱透鏡，投影到四分割的光電二極管上，根據(jù)各象限光量的大小，進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)聚焦和尋軌伺服機(jī)構(gòu)控制，使之讀出正確的信號(hào)，另一路信號(hào)系的光束由凸透鏡會(huì)聚到光電二極管，把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。
要想把激光聚焦成由波長(zhǎng)決定的最小光束，必須把從LD發(fā)出的球面波的波面盡量無(wú)缺陷的傳到光盤的情報(bào)記錄面。也就是說(shuō)，從LD發(fā)光開(kāi)始到光盤為止，光學(xué)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(gòu)成光頭的各光學(xué)部品，光盤盤面，其中也包括對(duì)物透鏡設(shè)置時(shí)的調(diào)整誤差，以上這些合計(jì)的成像光學(xué)系全體的波面收差，必須限制在由Warechal Criteron(δω)MC給出的允許最大波面收差0.07λ以下。光盤已經(jīng)由光盤標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，(δω）DISK=0.05λ，一般對(duì)物透鏡的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全體(δω)MC小于0.07λ，對(duì)于其他的光學(xué)部品的收差必須嚴(yán)格控制。從LD開(kāi)始到光盤為止，光頭各光學(xué)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，Warechal Criteron給出我們?nèi)缦鹿剑?/SPAN>
(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(shù)值帶入來(lái)試算一下。半導(dǎo)體激光二極管激光射出側(cè)有平面玻璃窗，此外由于半導(dǎo)體激光器自身的特點(diǎn)，不可克服的有非點(diǎn)間隔，比理想波面要差，普通(δω）LD約為0.013λ。棱鏡，反射鏡等平面光學(xué)部品比較容易的以波面收差0.01～0.015λ制造出來(lái)。但是準(zhǔn)直透鏡和對(duì)物透鏡等非平面光學(xué)部品，波面收差要想抑制在0.03λ之內(nèi)，比較困難，分別定為準(zhǔn)直透鏡0.025λ和對(duì)物透鏡0.035λ，這樣根據(jù)式（2）得出全體(δω)MC的波面收差為0.0694λ，滿足要求。即使對(duì)物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下，如果準(zhǔn)直透鏡的波面收差大于0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會(huì)變大，從信息面讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤頻度就會(huì)變高。由于以上的理由，準(zhǔn)直透鏡的波面收差必須小于0.025，但球面單透鏡要想達(dá)到這個(gè)值非常困難，一般采用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對(duì)物透鏡射出的激光光束，需要一直跟蹤光盤信息面上的軌道間距為0.74μm，最短凹坑長(zhǎng)為0.4μm的軌跡，并正確讀出凹坑信息。光強(qiáng)為光束中心強(qiáng)度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω，激光波長(zhǎng)λ=650nm，對(duì)物透鏡的數(shù)值孔徑NA=0.6,
ω=k×（λ/NA）
當(dāng)對(duì)物透鏡的入射光束的光強(qiáng)能量分布為均等分布時(shí)，系數(shù)k是0.96，光強(qiáng)能量分布為高斯分布時(shí)為1.34。從上式可以看出，光束徑正比例于λ/NA，既要想提高光盤記錄密度，縮小光束徑，就需要使激光短波長(zhǎng)化，并且提高對(duì)物透鏡的NA。
還有對(duì)物透鏡的焦點(diǎn)深度△z正比例于λ/NA的平方，DVD焦點(diǎn)深度與CD相比變窄56%，焦點(diǎn)誤差的允許值變小。
△ z～λ/NA2
光盤的傾斜引起的象差也會(huì)增加。對(duì)于焦點(diǎn)誤差的允許值的減少，就需要提高焦點(diǎn)控制精度，DVD為了減少光盤的傾斜引起的收差，光盤的厚度減為CD的一半0.6mm。
2.2.成像光學(xué)系
2.2.1.激光二極管
一般LD發(fā)出的光為與PN結(jié)合面平行的線性偏振光，但短波長(zhǎng)的LD中大多發(fā)出與PN結(jié)合面垂直的線性偏振光，DVD要求LD在光盤面上的能量為0.3mW左右，這就需要LD發(fā)出的激光能量是3～5mW。
2.2.2.LD的射出角特性和準(zhǔn)直透鏡
LD射出的激光是發(fā)散光，從發(fā)光點(diǎn)離開(kāi)一段觀測(cè)到的光束斷面強(qiáng)度分布，被稱為遠(yuǎn)視野象FFP(far field pattern)，FFP垂直結(jié)合面方向?qū)挘叫薪Y(jié)合面方向窄，象下面圖示的一樣，是縱長(zhǎng)的橢圓形。
LD垂直結(jié)合面的放射角和平行結(jié)合面的放射角分別是θ⊥，θ∥。根據(jù)LD的放射角和對(duì)物透鏡對(duì)光束強(qiáng)度的分布要求，確定準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)距離。
2.2.3.LD的噪音特性和高頻疊加
LD有單模發(fā)光和多模發(fā)光兩種激光發(fā)振方式。單模發(fā)光的最大問(wèn)題是從光盤反射回來(lái)的光進(jìn)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(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強(qiáng)，不需要高頻疊加。
2.2.4.偏光分光棱鏡和1/4波長(zhǎng)板的作用
激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡，成為平行光，無(wú)反射折射的通過(guò)PBS,.再通過(guò)1/4波長(zhǎng)片時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對(duì)物透鏡聚焦到光盤的信息面，攜帶信息再反射回來(lái)，通過(guò)1/4波長(zhǎng)片時(shí)，再一次偏振方向被旋轉(zhuǎn)45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號(hào)系，使入射光和帶有信號(hào)的反射光分離。
2.2.5.對(duì)物透鏡
DVD光頭要求對(duì)物透鏡一定要象差小，特性優(yōu)良，能夠把光束聚焦到回折界限，也就是能夠補(bǔ)正各種收差，使點(diǎn)象的大小完全由回折界限來(lái)決定。一般使用非球面光學(xué)樹(shù)脂透鏡。
2.3誤差檢出系
非點(diǎn)收差法
焦點(diǎn)誤差檢出方式一般采用非點(diǎn)收差法，非點(diǎn)收差法就是根據(jù)光盤反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動(dòng)，通過(guò)圓柱面透鏡對(duì)投影光形狀進(jìn)行變化，用4分割PD差動(dòng)檢出。
聚焦誤差檢出信號(hào)=（A+C）-(B+D)/(A+B+C+D)
尋軌誤差檢出信號(hào)=（A+B）-(C+D)/(A+B+C+D)
PD把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，前置放大，模擬運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償，把信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)放大器，驅(qū)動(dòng)透鏡驅(qū)動(dòng)線圈，完成聚焦和尋軌控制。
2.4.信號(hào)系
從PBS分離的含有信息的反射光，除一部分進(jìn)入伺服機(jī)構(gòu)的控制系，大部分進(jìn)入信號(hào)系，由PD變成電信號(hào)，前置放大，成為RF信號(hào)。
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