OPT光路原理分析课件

編著:CG檢測維修課OPT光路原理分析1編著:CGOPT光路原理分析一.概述光學讀取頭為光碟机中用以獨取或寫入信號的關鍵零組件,其性能好坏關係到整個光碟机的品質.而獨取頭主要的光學元件有鐳射二极體,相位光柵,分光鏡,光感測器等.在目前的DVD光碟機來看,以四線懸吊式及旋轉式為主要的設計發展方向.光學獨取頭結构圖如下:2OPT光路原理分析一.概述2OPT光路原理分析光學閱讀機結构圖3OPT光路原理分析光學閱讀機結构圖3OPT光路原理分析二.各部分构成元件的功能介紹:1.半導体鐳射:既鐳射二級体(laserdiode,LD),提供奪取光碟片訊號之光源.2.相位光柵:作為循軌系統使用之分光的鏡頭.3.偏光鏡片:a.半導体鐳射的光源射入時,不反射直接透過.b.由光碟片反射回來的光則會反射到光感測器進行檢測,不會透射而干扰到半導体鐳射.4.準直透鏡:將半導体鐳射的光源更加平行送出.5.λ/4分光鏡片:a.使鐳射的光源能反射到光碟片上.b.從光碟片上反射的光亦能透過分光鏡片而能反射到光感測器上.4OPT光路原理分析二.各部分构成元件的功能介紹:4OPT光路原理分析6.物鏡:a.使鐳射的光源能在聚焦激光點變得更小.b.物鏡上鍍的膜是使半導体鐳射的光源能直接透過而其它光源則無法穿透過.7.致動器組:a.聚焦伺服控制致動器使物鏡做上,下位置移動.b.循跡伺服控制致動器使物鏡做左,右位置移動.8.圓柱透鏡:利用單一方向有折射光之特性,而垂直則無之特性,利用像散法,透由光感測器的分析,來得知物鏡和光碟片的距离.9.光感測器:即光二极体(photodiode),將光碟片所反射的光轉變成電能.並用來做聚焦和循軌狀況之分析與RF訊號的取得.5OPT光路原理分析6.物鏡:a.使鐳射的光源能在聚焦激光點變OPT光路原理分析三.光學讀取頭原理簡介第一代光學讀取頭(pickuphead)採用單顆雷射二極體及兩個物鏡來做切換；第二代光學讀取頭採用一個物鏡，兩顆雷射二極體來切換。光學系統主要功能是將由雷射二极体發出的激光照射到光碟片,并對其反射光進行處理,使得反射光正好通過光檢器.不同強度的反射光通過光檢器轉變為電流。藉由對電流的量測，可以判知所讀到資料是“1”或“0”。資料“1”對應“有微坑(pit)”，因此反射光強度較低，故電流小。資料“0”對應“無微坑”，因此反射光強度較高，故電流大.6OPT光路原理分析三.光學讀取頭原理簡介6OPT光路原理分析光碟机內的獨取頭是負責把光照射在碟片上,偵測由碟片反射回來的光,並將其光訊號轉換成電訊號輸出,進行獨取紀錄資料的動作.當鐳射光束從半導体鐳射出來后,經相位光柵到分光鏡,利用分光鏡反射導向聚焦物鏡,光束會被物鏡聚焦成微小的光點落在光碟片上,在被光碟片反射通過分光鏡經過圓柱透鏡照在光感測器上,藉由量測反射光的強弱變化,可獨取光點照射位置所儲存的資料.7OPT光路原理分析光碟机內的獨取頭是負責把光照OPT光路原理分析四.對于鐳射光學的限制光束通過凸透鏡聚焦時,因為光是電磁波,根据波動行為的繞射現象,聚焦光點的強度分佈可以用Airy函數表示.在一般光碟的系統上,有效光點的大小定義在鐳射光聚焦光點的能量在最大值二分之一處所形成的圓的大小.碟片上的鐳射光點大小會受限於物鏡的數值孔徑(NumericalAperture,NA=物鏡聚焦物鏡直徑),半導体鐳射的波長(λ),光學元件產生的像差及讀取頭瞳孔亮度等因素.8OPT光路原理分析四.對于鐳射光學的限制8OPT光路原理分析如果光學系統的像差非常的小,是達繞射极限的光學系統,則聚焦光點的直徑大小為d:

d=0.61λ/NA因此使用越短的波長則可得到越小的光點而讓資料紀錄位元長度可以更短,得以提高紀錄密度,增加光碟片的儲存容量.有效聚焦光點的大小如下圖:9OPT光路原理分析如果光學系統的像差非常的小,是OPT光路原理分析光碟片上的有效聚焦光點的大小10OPT光路原理分析光碟片上的有效聚焦光點的大小10OPT光路原理分析縮小光點的二種方法:a:縮短鐳射波長.光學讀取頭里的激光是由鐳射二級體發出,鐳射二級體是用半導體材料制造,所以在半導體制程和新摻雜材料方向有所突破,可以量產波長較短的鐳射二級體.b:提高物鏡的數值孔徑值.但是物鏡的數值孔徑不能任意的加大,因提高數值孔徑的技術相當的困難,在制作時可能會增加物鏡來提高數值孔徑值,這樣的話也就會造成物鏡變重,使光學讀取頭的致動器反應速度變差,而且也會影響到聚焦深度.11OPT光路原理分析縮小光點的二種方法:11OPT光路原理分析除了考慮光點大小之外,光學系統還須提供适當的聚焦深度(ΔZ)及碟片最大范圍的傾斜角度(θ),使碟片旋轉時光點的品質不會過渡劣化而影響到伺服控制系統的正常工作.聚焦深度與傾斜容忍度決定於物鏡的NA值及碟片的厚度(T):

ΔZ=λ/2(NA)²

θ=λ/T(NA)³=2ΔZ/T(NA)如下圖:12OPT光路原理分析除了考慮光點大小之外,光學OPT光路原理分析讀﹑寫光點的形成13OPT光路原理分析讀﹑寫光點的形成13OPT光路原理分析CD/DVD聚焦深度的比較:CD碟的聚焦深度為1.9μm,DVD碟的聚焦深度為0.9μm.14OPT光路原理分析CD/DVD聚焦深度的比較:OPT光路原理分析光感測器方塊圖五.光頭信號獲取光學讀取頭偵測CD/DVD之聚焦誤差(FE)、循軌誤差(TE)及射頻(RF)訊號，皆用光感測器感測光的能量後，再輸出到前置放大器做運算處理。RF訊號:A+B+C+DTE訊號:E-FFE訊號:(A+C)-(B+D)15OPT光路原理分析光感測器方塊圖五.光頭信號獲取RF訊號:OPT光路原理分析CD/DVD之聚焦誤差檢測法(FEdetection)示意圖

16OPT光路原理分析CD/DVD之聚焦誤差檢測法(FEdeOPT光路原理分析像散法聚焦示意圖偵測CD/DVD之聚焦誤差訊號，是否聚焦正確，利用光經由圓柱透鏡的產生像散現象做為聚焦誤差檢測的方式.17OPT光路原理分析像散法聚焦示意圖偵測CD/OPT光路原理分析CD之循軌誤差(TE)訊號偵測方式採用三光束(3-beam)循軌法，利用三道光束中的兩道副光束達到偵測循軌誤差的目的。三光束循軌法是運用相位光柵繞射分光的特性，將物鏡之第0階與±l階共三道光束聚在光碟片上同一軌道。三光束發法18OPT光路原理分析CD之循軌誤差(TE)訊OPT光路原理分析

DVD之循軌誤差訊號偵測方式為差動相位檢測法。差動相位檢測法之循軌誤差訊號取得是直接量測四分光感測器上RF訊號緩慢變化的訊號而得。通常利用一個四分光感測器來偵測由碟片反射回來的光強度變化，循軌的相關訊號則經由其中的射頻訊號的相位中取出。差動相位檢測法19OPT光路原理分析DVD之循軌誤差訊號偵測方OPT光路原理分析

偵測CD/DVD之RF訊號(RFsignal)，由光感測器經光碟片的軌道平坦(land)和微坑(pit)時，A、B、C、D的能量會有所增減，而產生RF訊號，RF訊號即為A、B、C、D的總和。

RF訊號圖20OPT光路原理分析偵測CD/DVD之RF訊號(OPT光路原理分析CD/DVD之訊號偵測比較

21OPT光路原理分析CD/DVD之訊號偵測比較21

THEENDTHANKS!22

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編著:CG檢測維修課OPT光路原理分析23編著:CGOPT光路原理分析一.概述光學讀取頭為光碟机中用以獨取或寫入信號的關鍵零組件,其性能好坏關係到整個光碟机的品質.而獨取頭主要的光學元件有鐳射二极體,相位光柵,分光鏡,光感測器等.在目前的DVD光碟機來看,以四線懸吊式及旋轉式為主要的設計發展方向.光學獨取頭結构圖如下:24OPT光路原理分析一.概述2OPT光路原理分析光學閱讀機結构圖25OPT光路原理分析光學閱讀機結构圖3OPT光路原理分析二.各部分构成元件的功能介紹:1.半導体鐳射:既鐳射二級体(laserdiode,LD),提供奪取光碟片訊號之光源.2.相位光柵:作為循軌系統使用之分光的鏡頭.3.偏光鏡片:a.半導体鐳射的光源射入時,不反射直接透過.b.由光碟片反射回來的光則會反射到光感測器進行檢測,不會透射而干扰到半導体鐳射.4.準直透鏡:將半導体鐳射的光源更加平行送出.5.λ/4分光鏡片:a.使鐳射的光源能反射到光碟片上.b.從光碟片上反射的光亦能透過分光鏡片而能反射到光感測器上.26OPT光路原理分析二.各部分构成元件的功能介紹:4OPT光路原理分析6.物鏡:a.使鐳射的光源能在聚焦激光點變得更小.b.物鏡上鍍的膜是使半導体鐳射的光源能直接透過而其它光源則無法穿透過.7.致動器組:a.聚焦伺服控制致動器使物鏡做上,下位置移動.b.循跡伺服控制致動器使物鏡做左,右位置移動.8.圓柱透鏡:利用單一方向有折射光之特性,而垂直則無之特性,利用像散法,透由光感測器的分析,來得知物鏡和光碟片的距离.9.光感測器:即光二极体(photodiode),將光碟片所反射的光轉變成電能.並用來做聚焦和循軌狀況之分析與RF訊號的取得.27OPT光路原理分析6.物鏡:a.使鐳射的光源能在聚焦激光點變OPT光路原理分析三.光學讀取頭原理簡介第一代光學讀取頭(pickuphead)採用單顆雷射二極體及兩個物鏡來做切換；第二代光學讀取頭採用一個物鏡，兩顆雷射二極體來切換。光學系統主要功能是將由雷射二极体發出的激光照射到光碟片,并對其反射光進行處理,使得反射光正好通過光檢器.不同強度的反射光通過光檢器轉變為電流。藉由對電流的量測，可以判知所讀到資料是“1”或“0”。資料“1”對應“有微坑(pit)”，因此反射光強度較低，故電流小。資料“0”對應“無微坑”，因此反射光強度較高，故電流大.28OPT光路原理分析三.光學讀取頭原理簡介6OPT光路原理分析光碟机內的獨取頭是負責把光照射在碟片上,偵測由碟片反射回來的光,並將其光訊號轉換成電訊號輸出,進行獨取紀錄資料的動作.當鐳射光束從半導体鐳射出來后,經相位光柵到分光鏡,利用分光鏡反射導向聚焦物鏡,光束會被物鏡聚焦成微小的光點落在光碟片上,在被光碟片反射通過分光鏡經過圓柱透鏡照在光感測器上,藉由量測反射光的強弱變化,可獨取光點照射位置所儲存的資料.29OPT光路原理分析光碟机內的獨取頭是負責把光照OPT光路原理分析四.對于鐳射光學的限制光束通過凸透鏡聚焦時,因為光是電磁波,根据波動行為的繞射現象,聚焦光點的強度分佈可以用Airy函數表示.在一般光碟的系統上,有效光點的大小定義在鐳射光聚焦光點的能量在最大值二分之一處所形成的圓的大小.碟片上的鐳射光點大小會受限於物鏡的數值孔徑(NumericalAperture,NA=物鏡聚焦物鏡直徑),半導体鐳射的波長(λ),光學元件產生的像差及讀取頭瞳孔亮度等因素.30OPT光路原理分析四.對于鐳射光學的限制8OPT光路原理分析如果光學系統的像差非常的小,是達繞射极限的光學系統,則聚焦光點的直徑大小為d:

d=0.61λ/NA因此使用越短的波長則可得到越小的光點而讓資料紀錄位元長度可以更短,得以提高紀錄密度,增加光碟片的儲存容量.有效聚焦光點的大小如下圖:31OPT光路原理分析如果光學系統的像差非常的小,是OPT光路原理分析光碟片上的有效聚焦光點的大小32OPT光路原理分析光碟片上的有效聚焦光點的大小10OPT光路原理分析縮小光點的二種方法:a:縮短鐳射波長.光學讀取頭里的激光是由鐳射二級體發出,鐳射二級體是用半導體材料制造,所以在半導體制程和新摻雜材料方向有所突破,可以量產波長較短的鐳射二級體.b:提高物鏡的數值孔徑值.但是物鏡的數值孔徑不能任意的加大,因提高數值孔徑的技術相當的困難,在制作時可能會增加物鏡來提高數值孔徑值,這樣的話也就會造成物鏡變重,使光學讀取頭的致動器反應速度變差,而且也會影響到聚焦深度.33OPT光路原理分析縮小光點的二種方法:11OPT光路原理分析除了考慮光點大小之外,光學系統還須提供适當的聚焦深度(ΔZ)及碟片最大范圍的傾斜角度(θ),使碟片旋轉時光點的品質不會過渡劣化而影響到伺服控制系統的正常工作.聚焦深度與傾斜容忍度決定於物鏡的NA值及碟片的厚度(T):

ΔZ=λ/2(NA)²

θ=λ/T(NA)³=2ΔZ/T(NA)如下圖:34OPT光路原理分析除了考慮光點大小之外,光學OPT光路原理分析讀﹑寫光點的形成35OPT光路原理分析讀﹑寫光點的形成13OPT光路原理分析CD/DVD聚焦深度的比較:CD碟的聚焦深度為1.9μm,DVD碟的聚焦深度為0.9μm.36OPT光路原理分析CD/DVD聚焦深度的比較:OPT光路原理分析光感測器方塊圖五.光頭信號獲取光學讀取頭偵測CD/DVD之聚焦誤差(FE)、循軌誤差(TE)及射頻(RF)訊號，皆用光感測器感測光的能量後，再輸出到前置放大器做運算處理。RF訊號:A+B+C+DTE訊號:E-FFE訊號:(A+C)-(B+D)37OPT光路原理分析光感測器方塊圖五.光頭信號獲取RF訊號:O