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1. 前言
自從1982年直徑12cm的數(shù)字音頻光盤CD問世以來，數(shù)字視頻光盤DVD（digital video disk）一直是新一代光盤的一個夢想，雖然在幾年前出現(xiàn)了VCD，但是對于光盤來講，技術(shù)上沒有改變，只是對數(shù)據(jù)進行了壓縮，畫質(zhì)也只是VHS水準，不過是過渡性產(chǎn)品，在國外沒有形成市場。
數(shù)字圖象信號具有在被編輯時畫質(zhì)不劣化，容易被計算機處理等優(yōu)點，所以能記錄2小時以上高畫質(zhì)的數(shù)字圖象的光盤，已經(jīng)讓人盼望已久。最近幾年，短波長的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，薄型化光盤基板技術(shù)，對物透鏡的高數(shù)值孔徑NA化技術(shù)等的進步，使光盤的記錄密度高密度化成為可能，同時數(shù)字連續(xù)可變畫面壓縮技術(shù)也有很大的進步，使長時間高畫質(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）的標準，既在和原有CD同樣尺寸下，記錄容量為原來光盤7.5倍4.7G，并采用高畫質(zhì)的MPEG2數(shù)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(xué)頭和MPEG2解碼器兩個關(guān)鍵技術(shù)組成的，其中MPEG2解碼器由于是通用標準，目前開發(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光的反射不同，就可以讀出盤上的信息。
對于光學(xué)頭來講，它特有的技術(shù)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(dǎo)體激光二極管，使用數(shù)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.光盤外形的誤差和不同光盤交換時帶來的對物透鏡的焦點位置在光盤信息記錄面的位置變化，還有光盤回轉(zhuǎn)時光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(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)中心之間的偏心補正，還有對于在軌道間距為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(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里。
在這里對于光盤裝置系統(tǒng)，能滿足以上要求的光學(xué)頭的基本光學(xué)系，對物透鏡OL(object lens)，作為光源的半導(dǎo)體激光二極管LD(laser diode),準直透鏡CL,和其他一些光學(xué)頭用的光學(xué)部品的原理及設(shè)計進行說明。
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.對物透鏡，2.準直透鏡，3. 偏光分光棱鏡，4.分光棱鏡，5.反射鏡，6.1/4波長板，7.焦點誤差檢出光學(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.焦點控制伺服機構(gòu)（F-ACT）,10.尋軌控制伺服機構(gòu)(T-ACT)等伺服機械控制部品，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線性偏振激光通過準直透鏡，成為平行光，再通過1/4波長片時，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物透鏡聚焦到光盤的信息面，再反射回來（根據(jù)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(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管上，根據(jù)各象限光量的大小，進行運算，對聚焦和尋軌伺服機構(gòu)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管，把光信號變?yōu)殡娦盘枴?/SPAN>
要想把激光聚焦成由波長決定的最小光束，必須把從LD發(fā)出的球面波的波面盡量無缺陷的傳到光盤的情報記錄面。也就是說，從LD發(fā)光開始到光盤為止，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，其中也包括對物透鏡設(shè)置時的調(diào)整誤差，以上這些合計的成像光學(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)由光盤標準規(guī)定，(δω）DISK=0.05λ，一般對物透鏡的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全體(δω)MC小于0.07λ，對于其他的光學(xué)部品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光盤為止，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，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。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。但是準直透鏡和對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，分別定為準直透鏡0.025λ和對物透鏡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。即使對物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下，如果準直透鏡的波面收差大于0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會變大，從信息面讀出數(shù)據(jù)錯誤頻度就會變高。由于以上的理由，準直透鏡的波面收差必須小于0.025，但球面單透鏡要想達到這個值非常困難，一般采用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對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，最短凹坑長為0.4μm的軌跡，并正確讀出凹坑信息。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(shù)值孔徑NA=0.6,
ω=k×（λ/NA）
當(dāng)對物透鏡的入射光束的光強能量分布為均等分布時，系數(shù)k是0.96，光強能量分布為高斯分布時為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化，并且提高對物透鏡的NA。
還有對物透鏡的焦點深度△z正比例于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
光盤的傾斜引起的象差也會增加。對于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的射出角特性和準直透鏡
LD射出的激光是發(fā)散光，從發(fā)光點離開一段觀測到的光束斷面強度分布，被稱為遠視野象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的放射角和對物透鏡對光束強度的分布要求，確定準直透鏡的焦點距離。
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)光的最大問題是從光盤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(qū)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。
2.2.4.偏光分光棱鏡和1/4波長板的作用
激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過準直透鏡，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(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光盤的信息面，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(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系，使入射光和帶有信號的反射光分離。
2.2.5.對物透鏡
DVD光頭要求對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(xué)樹脂透鏡。
2.3誤差檢出系
非點收差法
焦點誤差檢出方式一般采用非點收差法，非點收差法就是根據(jù)光盤反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動，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(zhuǎn)變成電信號，前置放大，模擬運算，再經(jīng)過相位補償，把信號輸入驅(qū)動放大器，驅(qū)動透鏡驅(qū)動線圈，完成聚焦和尋軌控制。
2.4.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(gòu)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。
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