光盘存储技术与应用2

1、1光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头2-1 概述2光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头 在各类光盘存储系统中，信息的写入/读出是由能够将激光束会聚成直径为亚微米级(IIIthth时，时，P Po oII曲线的斜率很大，且曲线的斜率很大，且P Po o随温度而变化，因随温度而变化，因此，工作电流、温度稍有起伏变化，此，工作电流、温度稍有起伏变化，P P0 0都产生明显起伏。这一方面会影响都产生明显起伏。这一方面会影响伺服电路的增益特性，另一方面会造成工作电流稍增而导致伺服电路的增益特性，另一方面会造成工作电流稍增而导致P Po o激增，致使激增，致使半导体激光器永久

2、损坏或长期使用致使半导体激光器永久损坏或长期使用致使P P0 0下降。因此，人们利用半导体激下降。因此，人们利用半导体激光器的激光束从两边输出的结构特性，将其中一边的光输出由受光元件接光器的激光束从两边输出的结构特性，将其中一边的光输出由受光元件接收，检测其收，检测其P Po o，形成误差信号，控制工作电流变化，使，形成误差信号，控制工作电流变化，使P P0 0保持恒定，这种措保持恒定，这种措施称为自动功率控制施称为自动功率控制APC(AutomaticAPC(Automatic Power Control) Power Control)。22光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头

3、(四)光束辐射角 半导体激光器辐射出来的激光束呈如图所示的椭圆发散状，即激光器输出半导体激光器辐射出来的激光束呈如图所示的椭圆发散状，即激光器输出的全部光功率以椭圆形光锥的形式从的全部光功率以椭圆形光锥的形式从1 1mx3 mx3 m m的矩形窗口离开激光二极管辐的矩形窗口离开激光二极管辐射出来的。在发光窗口附近，光束强度的断面分布图称近场图。在离开稍远射出来的。在发光窗口附近，光束强度的断面分布图称近场图。在离开稍远( (约约10-20cm)10-20cm)的位置光束强度的断面分布图称远场图。近场图表现了发光窗口本的位置光束强度的断面分布图称远场图。近场图表现了发光窗口本身的形状，远场图则表

4、现了由于衍射现象所决定的从发光窗口发出的激光束的身的形状，远场图则表现了由于衍射现象所决定的从发光窗口发出的激光束的扩散状况。在远场图位置上，与激光二极管扩散状况。在远场图位置上，与激光二极管PNPN结接合面平行方向上扩展角结接合面平行方向上扩展角称水平扩展角称水平扩展角 H H，与接合面垂直方向上的扩展角称垂直扩展角，与接合面垂直方向上的扩展角称垂直扩展角 V V，两者之比，两者之比，即即 H H V V称为椭圆率称为椭圆率E E。 H H与与 V V的值愈小，的值愈小，E E接近于接近于1 1，即接近，即接近于圆形时的激光束，对光盘存储系统而言于圆形时的激光束，对光盘存储系统而言是最理想的

5、。气体激光器发出的光束是扩是最理想的。气体激光器发出的光束是扩散度很小，直径约散度很小，直径约1mm1mm的圆形光束。而半的圆形光束。而半导体激光器发出的光束，椭圆率导体激光器发出的光束，椭圆率E E很大很大( (约约为为3) 3)，一般，一般 H H 10 10, , V V =30 =304040，要想，要想将它聚焦成圆形光斑，需要更复杂的光学将它聚焦成圆形光斑，需要更复杂的光学系统。系统。23光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头24光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头(五)像散性 一般的增益波导结构激光器，与一般的增益波导结构激光器，与PNPN结接合面平行方向

6、和垂直方向上结接合面平行方向和垂直方向上的光波面的焦点位置，也即的光波面的焦点位置，也即光腰光腰，相互要偏离，相互要偏离1010 m m以上，有的达几十以上，有的达几十 m m，因而在轴向好象有两个光源。而在折射波导结构的激光器中，两者离开只因而在轴向好象有两个光源。而在折射波导结构的激光器中，两者离开只有几有几 m m，或大致与共振器的端面一致。增益波导结构的激光束由于光腰偏，或大致与共振器的端面一致。增益波导结构的激光束由于光腰偏离，会产生像散现象，使得只用一块对称透镜无法对其聚焦，要有效聚焦，离，会产生像散现象，使得只用一块对称透镜无法对其聚焦，要有效聚焦，光学系统要更为复杂。从像散性考

7、虑，折射波导结构的激光器在光学系统光学系统要更为复杂。从像散性考虑，折射波导结构的激光器在光学系统的设计上更有利，光盘存储系统一般都采用这种结构的激光器。的设计上更有利，光盘存储系统一般都采用这种结构的激光器。25光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头 23 光学系统 不同类型的光盘系统其光学头的光学系统有不同的配置不同类型的光盘系统其光学头的光学系统有不同的配置, ,但各类光盘存储但各类光盘存储系统光学头的光学系统必须系统光学头的光学系统必须满足以下要求满足以下要求：(1 (1）半导体激光器输出的光束射角较大，为更有效地利用光能，要求将发散）半导体激光器输出的光束射角较大，为更有

8、效地利用光能，要求将发散光束准直成平行光束；光束准直成平行光束；(2)(2)半导体激光器输出光束的光斑呈椭圆状，为满足写半导体激光器输出光束的光斑呈椭圆状，为满足写/ /读要求，必须将其整读要求，必须将其整形成圆形；形成圆形；(3)(3)必须使沿同一光路传播的光束必须使沿同一光路传播的光束( (射到光盘的光束与从光盘反射回来的光束射到光盘的光束与从光盘反射回来的光束) )不发生干涉不发生干涉 ；(4)(4)必须防止光盘反射回来的光束进入激光器，而形成输出激光的噪声；必须防止光盘反射回来的光束进入激光器，而形成输出激光的噪声；(5)(5)由于读、写、擦光束共用聚焦透镜，因此要求能高效地将经准直后

9、的读、由于读、写、擦光束共用聚焦透镜，因此要求能高效地将经准直后的读、写、擦光束藕合到同一光路中；写、擦光束藕合到同一光路中；(6)(6)光头的光学系统是受衍射限制的，因而在结构中应充分校正像差，因为光头的光学系统是受衍射限制的，因而在结构中应充分校正像差，因为存在像差会降低系统信噪比，所引起的跟踪误差会减弱读出信号；存在像差会降低系统信噪比，所引起的跟踪误差会减弱读出信号；(7)(7)由于光学系统是由聚焦、跟踪及进给伺服系统驱动的，进给运动会引起由于光学系统是由聚焦、跟踪及进给伺服系统驱动的，进给运动会引起很大的加速度，所以希望光头尽量小巧，轻便，这就要求光学系统中的元很大的加速度，所以希望

10、光头尽量小巧，轻便，这就要求光学系统中的元件数量件数量( (尤其是聚焦透镜中的元件数量尤其是聚焦透镜中的元件数量) )应尽可能少。应尽可能少。26光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头一、单光束式与三光束式光学系统目前流行的各类光盘存储系统，光头的光学系统有单光束和三光束2种基本形式1三光束式光学系统 这种光学系统的特点是采用了可形成三这种光学系统的特点是采用了可形成三射束的光栅，如图所示，三光束中，主光束射束的光栅，如图所示，三光束中，主光束用于拾取主信号，两束辅助光束用于检测跟用于拾取主信号，两束辅助光束用于检测跟踪误差信号，拄面透镜则是为检测聚焦误差踪误差信号，拄面透镜则是为

11、检测聚焦误差信号而设置。信号而设置。 采用这种光学系统可以简化伺服电路，采用这种光学系统可以简化伺服电路，得到稳定的特性。由于需要用衍射光栅进行得到稳定的特性。由于需要用衍射光栅进行分束，以便在光电探测器上得到读数光斑及分束，以便在光电探测器上得到读数光斑及辅助光束光班，因此，光学系统稍长些。其辅助光束光班，因此，光学系统稍长些。其缺点是容易受光盘上指纹、污迹的影响。缺点是容易受光盘上指纹、污迹的影响。27光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头28光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头29光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头2单光束式光学系统 图示是单光束

12、式光学系统。这种光学系统图示是单光束式光学系统。这种光学系统较三束式系统简单，抗指纹、污迹干扰较三束式系统简单，抗指纹、污迹干扰能力强。但容易受盘片倾斜及信号凹坑深度能力强。但容易受盘片倾斜及信号凹坑深度的影响，且伺服电路较复杂。的影响，且伺服电路较复杂。30光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头二、光学系统的配置(一)基本配置 不同方式的光学系统，所采用的聚焦、跟踪误差捡测方法不同会有不同不同方式的光学系统，所采用的聚焦、跟踪误差捡测方法不同会有不同的光学元件配置，但无论那种方式的光学系统，都包括表所示的光学元件。的光学元件配置，但无论那种方式的光学系统，都包括表所示的光学元件。

13、31光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头1)聚焦透镜32光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头光盘存储系统中，采用的聚焦透镜有无限倍率型和有限率型两种形式。光盘存储系统中，采用的聚焦透镜有无限倍率型和有限率型两种形式。 无限倍率型聚焦透镜具有如图无限倍率型聚焦透镜具有如图(a)(a)所示所示的聚焦特性。采用这种形式的聚焦透镜使的聚焦特性。采用这种形式的聚焦透镜使半导体激光器与透镜之间的光路长短不受限半导体激光器与透镜之间的光路长短不受限制，但需使用准直镜。制，但需使用准直镜。 有限倍率型聚焦透镜具有如图有限倍率型聚焦透镜具有如图(b)(b)所示所示的聚焦特性。采用这种

14、透镜时，半导体激光的聚焦特性。采用这种透镜时，半导体激光器器透镜透镜信号面三者之间的光路长短直接信号面三者之间的光路长短直接取决于透镜的光学特性。与采用无限倍率型取决于透镜的光学特性。与采用无限倍率型的光学系统相比，三者问光路要短得多，且的光学系统相比，三者问光路要短得多，且无需使用准直镜，因此适于小型光头。但因无需使用准直镜，因此适于小型光头。但因为这种透镜上下移动时，倍牢及视场角均会为这种透镜上下移动时，倍牢及视场角均会变化，因此其加工精度工要求比无限倍率型变化，因此其加工精度工要求比无限倍率型高得多。高得多。33光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头2）准直镜 准直镜的作用是

15、将发散的激光束准直，变成平行光束。准直镜的作用是将发散的激光束准直，变成平行光束。 半导体激光器从激活层发出的光束在垂直于激活层的平面内发散角半导体激光器从激活层发出的光束在垂直于激活层的平面内发散角6060，而在激活层平面内发散角却为而在激活层平面内发散角却为3434左右。准直镜能在左右。准直镜能在6060范围内将发散激光范围内将发散激光束准直，其束准直，其NANA值为值为0.40.40.50.5。显然准直后光束具有椭圆形截面。这将另外设。显然准直后光束具有椭圆形截面。这将另外设置变形扩束镜来把它变成圆形截面。置变形扩束镜来把它变成圆形截面。34光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学

16、 头3）光束分离元件 作用是避免射出的光束与返射的光束因共用光路而发生相互干涉并实现作用是避免射出的光束与返射的光束因共用光路而发生相互干涉并实现分离。通常有以下两种实现方式：分离。通常有以下两种实现方式：(1) 1/4(1) 1/4波片与分束器相结合方式波片与分束器相结合方式 利用激光的线偏振特性采用利用激光的线偏振特性采用1/41/4波片使出射光束和入射光束的偏振方波片使出射光束和入射光束的偏振方向互相垂直，避免相互干涉，并利用分束器将两者分离。这种方式的光向互相垂直，避免相互干涉，并利用分束器将两者分离。这种方式的光利用效率高。但由于受光盘盘片双折射的影响利用效率高。但由于受光盘盘片双折

17、射的影响RFRF及及FEFE、TETE信号会发生变信号会发生变动，且动，且1/41/4波片价格较贵。波片价格较贵。(2)(2)半透镜方式半透镜方式 该方式利用在会聚光束中使平行板型的半透镜倾斜放置，使出射光束反该方式利用在会聚光束中使平行板型的半透镜倾斜放置，使出射光束反射而入射光束透射，从而实现光束分离。且半透镜因倾斜放置会产生像散，射而入射光束透射，从而实现光束分离。且半透镜因倾斜放置会产生像散，还可取代柱面透镜。还可取代柱面透镜。35光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头(二)特殊配置1) 光栅36光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头2)圆柱透镜 圆柱透镜通常又

18、称柱面镜是采用像散法检测聚焦误差的光学系统的关键圆柱透镜通常又称柱面镜是采用像散法检测聚焦误差的光学系统的关键配置。它是圆柱体的一部分，其结构及工作原理如图所示。配置。它是圆柱体的一部分，其结构及工作原理如图所示。37光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头3) 临界角棱镜临界角棱镜是采用临界角法检测聚焦误差的光学系统的必备配置。临界角棱镜是采用临界角法检测聚焦误差的光学系统的必备配置。 图表示了相互垂直的线偏振光图表示了相互垂直的线偏振光P P和和S S从折射率较大的介质从折射率较大的介质( (如如n n1 15) 5)入入射到折射率较小的介质射到折射率较小的介质(n=1)(n=1

19、)时，在界面，入射角和反射角间的关系以及时，在界面，入射角和反射角间的关系以及P P偏振光的反射系数偏振光的反射系数R RP P和和S S偏振光的反射系数偏振光的反射系数R Rs s之间的关系。由图中可见，之间的关系。由图中可见，在入射角稍稍小于临界角在入射角稍稍小于临界角(42(42) )的情况下，反射系数将急剧变化，在这里，的情况下，反射系数将急剧变化，在这里，反射系数反射系数R RP P和和R RS S差异很大。差异很大。38光 盘 存 储 技 术 与 应 用2. 光 学 头 完整的透镜系统是这样完整的透镜系统是这样设计的：在光束中心处，入设计的：在光束中心处，入射光的角度为临界角。若一

20、射光的角度为临界角。若一束平行光入射，整个光束的束平行光入射，整个光束的入射角将为临界角，所以所入射角将为临界角，所以所有的光均被反射。不过，当有的光均被反射。不过，当会聚或发散光束入射时，只会聚或发散光束入射时，只有一部分光波反射。临界角有一部分光波反射。临界角棱镜是这样设计的：光束在棱镜是这样设计的：光束在棱镜内被反射三次，如图。棱镜内被反射三次，如图。 因为整个光学系统被因为整个光学系统被设计成只要得到设计成只要得到P P偏振光，偏振光，又因为光束被反射三次，又因为光束被反射三次，所以可以用极高的精度检所以可以用极高的精度检测出光盘表面的位置。测出光盘表面的位置。39光 盘 存 储 技 术 与 应 用2、3 光 电 探 测 器一、光电探测器件 光头上的光探测器是一种光敏元件，其作用是将光脉冲信号变换成电脉冲光头上的光探测器是一种光敏元件，其作用是将光脉冲信号变换成电脉冲信号。图示是一个硅光二极管剖面结构示意图。信号。图示是一个硅光二极管剖面结构示意图。 当硅光二极管的则结受到光照射时，能产生电动势效应，将光能直接转当硅光二极管的则结受到光照射时，能产生电动势效应，将光能直接转换成电