光学头基本原理及结构

1、光学头12第一回第一回: : 前前 言言. .q光学头是光盘驱动器/播放机的重要部件，主要功 能是信号记录和读出，是利用聚焦的激光束来完成的.q激光头是从光盘上拾取信息的执行部件。光学头 通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描 轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而 读出信息.q因此,光学头能否在某些光盘上读取信息,取 决于光学头的技术性和盘片的物理结果是否匹配。 DVD盘片物理结构特性已经决定了DVD光学头的结 构和功能.3第二回第二回: :光学头原器件光学头原器件. .q光学头均由两部分组成：一部分为物镜机构，俗称光学头；另一部分是将其余各镜片、激光发射二极管和光敏接收器安装在同

2、一个腔体内，俗称激光枪。q光学头安装在激光枪上面，通过螺钉联成一个整体，构成激光头组件。激光头由激光产生（发射）系统、激光传播系统（光路或激光枪）和光接收系统等部分构成。4 第二回第二回: :光学头原器件光学头原器件. .w雷射二极管: 提供读取头光源w光束整型器: 将激光束由椭圆整形为接近圆形w绕 射光 栅: 产生所需的绕射光束w准直透镜: 将雷射二极管所发出的光整平为平行光w偏光分光镜: 可将不同偏极化光分离w波 长 板: 将线性偏极化光转为圆偏极化光w物 镜: 将雷射光聚焦在光盘片数据层上w光侦测器 : 将光讯号转为电讯号 5 第第二二回回: : 光光学头原器件学头原器件. . 下 6第

3、第三三回回: : 光学头工作原理光学头工作原理. .6-1: 6-1: 光学头基本光学系统之激光对盘片工作示意光学头基本光学系统之激光对盘片工作示意. .v通过利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿过0.6mm的透明塑料层，从凹(Pit)凸(Land)信息面取出信号.参考图1.7 第第三三回回: : 光学头工作原理光学头工作原理. .光学头基本光学系统之巡轨示意光学头基本光学系统之巡轨示意. .v巡轨作用: 光盘的形状中心和光盘的回转中心之间的偏心补正，还有对于在轨道间距为0.74m的轨道上，精度正负0.1m控制激光束对轨道的追迹控制用误差检出机能和控制用的伺服机构内藏在光学头里头.8 第第三三

4、回回: : 光学头工作原理光学头工作原理. . 光学头基本光学系统之读出盘片信息原理光学头基本光学系统之读出盘片信息原理. . 光学头能够读出光盘上的信号的原理是: 从激光二极管射出的发散P线性偏振激光通过准直透镜，成为平行光，再通过1/4波长片时，偏振方向旋转45度，变为圆偏光，这束平行的圆偏光被对物透镜聚焦到光盘的信息面，再反射回来（根据盘面的凸凹对光的反射不同），通过1/4波长片时，再一次偏振方向被旋转45度，成为S线性偏振光，在偏光分光棱镜PBS处被反射到误差检出系和信号系，反射光再一次被分为两路，误差系的一路通过凸透镜、圆柱透镜，投影到四分割的光电二极管上，根据各象限光量的大小，进行

5、运算，对聚焦和寻轨伺服机构控制，使之读出正确的信号，另一路信号系的光束由凸透镜会聚到光电二极管，把光信号变为电信号。9 第第四四回回: :光学头技术发展趋势光学头技术发展趋势. .摘要摘要: : 为了实现高密度存储，DVD盘片使用波长为650/635nm的激光且物NA应大于0.6。而CD则使用780nm的激光且数值孔径约为0.4。为了能与CD类光盘兼容，DVD播放器/驱动器中除了要有完成CD类盘片的解码电路外，其光学头也需能同时读取CD盘片.概述概述: : 根据DVD标准，DVD盘片的盘基厚度为0.6mm，而传统CD盘片的盘基厚度为1.2mm。由于DVD与CD盘盘基厚度及存储密度上存在差异，对

6、二者的兼容读出带来了一定的问题。因此除拥有CD的解码器外，在设计DVD光学头时必须考虑到读取现有CD的能力。为了解决光学头的兼容问题，在DVD光学头设计上产生出多种方案，如两套独立读出系统、全息物镜、液晶光阑、双物镜等，接下来将对照比较. 10 第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. 光盘储存技术由CD发展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB约为67倍，且DVD播放器已进入家庭成为家庭影院的重要成员，光储存技术的日新月异已大量散播影音娱乐到各个家庭。随后出现可写入型DVD盘片，规格区分为由DVD Forum支持的DVDR/RW与DVDRW

7、Alliance推动的DVDR/RW两种，直到目前两规格还尚未统一，但也因为DVD-Dual以及DVD-Multi等复合式碟机的推出，逐渐摆脱了彼此无法兼容的问题，此外DVD录放机也应运而生，可记录约133分钟经MPEG2编码的影视信息或可写入型DVD光驱储存之高密度数据 11第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较光学头比较. 蓝光规格两大势力相继崛起蓝光规格两大势力相继崛起 继DVD之后世界主流厂商均以蓝光HD-DVD为光储存的研发重点，在2002年2月19日由9家国际主流电子巨头（9C；Matsushita、Hitachi、Pioneer、Sharp、Phi

8、lips、Tohomson、Samsung、LGE）共同发表的Blu-Ray Disc规格，可擦写23GB、25GB及27GB为主，起初目的是以Rewirtable Disc为切入点以配合即将普及的HD-TV，所以没有考虑兼容性的问题，因此并未提交DVD Forum进行讨论。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC两家公司共同发表了AOD（Advanced Optical Disc）读写容量为20GB，所提出的规格是较易与现有的DVD产品达到兼容效果，也于DVD Forum提出并与各会员公司进行规格之细步讨论与制定，最后顺利推出HD-DVD规格。 12第第五五回回: CD|DVD |BD

9、: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. qHD-DVDHD-DVD High Definition DVD（HD-DVD） . HD-DVD盘片初步定为只读型及可复写型两种，只读型单面单层为15GB、单面双层为30GB；单面双层可复写型20GB、单面双层则为40GB。采用雷射波长为405nm的蓝光及透镜数值孔镜值（NA）为0.65的物镜来记录和播放由2张厚度为0.6mm的盘片底板粘贴而成的光盘规格。 13第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. qHD-DVDHD-DVD DVD 与HD-DVD的兼容性: 因为NA值与现行DVD盘片接近

10、且盘片结构与DVD相同，因此更容易与现行DVD光盘保持兼容性，且可继续使用现有DVD光盘的生产设备，便于扩大光盘和物镜的距离，不需要光盘卡匣等，大大的降低从现有DVD过渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，为了控制由光盘弯曲和扭曲造成的倾斜角，就必需要有倾斜补偿伺服装置；而Blu-Ray Disc规格的0.1mm覆盖层由于对倾斜角的容许量较大，因此不需要倾斜补偿伺服。但因为0.1mm规格的覆盖层容易出现由厚度误差引起的球面相差，因此就必须对物镜加入补偿装置。 14 第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. qHD-DVDHD-DVD DVD 与H

11、D-DVD的兼容性: HD-DVD记录方式采用与DVD-RAM相同的land及沟槽记录的方式提高记录容量，Blu-Ray Disc则是使用沟槽纪录的方式。HD-DVD在盘片的land及沟槽间隔的设计上比较宽，因此可以得到明显的跟轨误差讯号（Tracking Error Signal），相较于一般沟槽记录的规格比较，推挽（push-pull）方式跟轨误差的S/N值大于10dB，之后即使要进一步缩小轨距也可方便地重新设计。 15 第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量:

12、: 16第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : BD盘片是由厚度为1.1mm的基盘与0.1mm厚度干净、无缺陷的覆盖层为保护层组合形成的，所以当盘片有指纹、刮痕或是灰尘时对光盘的读写质量是有相当的影响，且缩短雷射波长及提高NA值，若以红光DVD雷射光点面积为100，BD光点的面积比为DVD的19，以致缺陷（defect）可能比光点大很多导致抵抗能力有限，因此需有较强的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保护，请参考（图三） 17 第第五五回回:

13、 CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : 18第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : 比较现有DVD与HD-DVD及BD盘片，不同盘片对于平坦度的影响，而盘片的容许倾角范围与平坦度有相当的关系。平坦度正比于/（t NA3），比较时以现有DVD当成比较的依据，HD-DVD的NA值与DVD接近，但波长（）缩短至405nm，所以盘片容忍度约为DVD的一

14、半。而BD因为NA值比DVD大1.42倍，导致光轴与光盘记录面的容许倾角范围缩小2.9倍，且波长缩短又使得容许倾角范围缩小1.6倍，又容许倾角范围与盘片覆盖层厚度及NA的3次方成反比，因此基于倾角考虑选取0.1mm的覆盖层以减其厚度，以改善光盘片与光轴入射角度偏离90度的相差问题，其容忍度也与DVD较接近，请参考（表二）。 19第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : 20 第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. v

15、Blu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : 盘片记录容量受到NA值及雷射波长的影响，将BD记录容量（0.85/405）2除以DVD记录容量（0.60/650）2可计算出BD记录密度为DVD的5倍左右，以相同的方式计算HD-DVD约只有DVD的3倍。在RF讯号处理上BD采用limit equalizer，其架构较简单，抑制ISI的效果有限，因为BD采用高NA且缩小最小pit的长度，所以本身ISI的现象相较于HD-DVD就不是很严重，但在实际应用上也可加入PRML技术，以提升数据判断的正确性。 21第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD

16、光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: : 综合上述，光盘片的发展由CD、DVD、一直到近期发展的蓝光光盘片各个波长、NA值、记录层的位置及显微镜观察的归纳结果可参考（图四）。盘片发展的趋势是轨距及光点越来越小，记录的数据长度也越来越小以获得较大的纪录密度。（表四）为DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的规格比较表。 22第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc更大的储存容量更大的储存容量: :23 第第五五回回: CD|DVD |BD: CD|DVD |BD光学头比较表光学头比较表. vBlu-Ray DiscBlu-Ray Disc结论结论: : HD-DVD规格相较于BD规格最大的优势就在于能够兼容现行的DVD，使得盘片生产厂商由DVD转换至HD-DVD时所需的成本能够降到最低，就生产技术上而言HD-DV