DVD光学头的基本原理

二、DVD格式对光盘和读出系统的要求
CD光盘的容量是680MB，而单面单层的DVD 光盘的容量是4.7GB，是CD容量的6.9倍。为了实 现 这 个 数 据 容 量 ， DVD使 用 较 短 波 长 的 激 光 光 源和较大数值孔径的读出物镜，从而缩小了光斑 的 尺 寸 [W=λ/2NA， W =0.78/(2×0.45)=0.87,
表1 DVD和CD主要参数对照
DVD光盘格式比CD的物理密度大，一方面获得了 较大的存储容量，另一方面却减小了制造容差和降低 了系统的稳定性。为了读出光盘上较小的凹坑结构， 必须使用较短激光波长的光源，并且增大物镜的数值 孔径。缩短波长λ关系到激光二极管的生产技术成熟程 度，增大数值孔径则会增加对光学象差的敏感性。
DVD要求在光盘面上的激光功率为0.2mW以上， 所以要求激光二极管发出的激光功率是3~5mW。
(2)准直透镜和整形棱镜：准直透镜的作用是对激 光束的发散角进行整形，使发散光束通过透镜后可变 为平行光束，再进入物镜。设计准直透镜首先要求出 激光二极管光强度分布发散角(可以从光强度分布图取 1/e2求出发散角θ)。由NA=nsinθ计算准直透镜的数值孔 径。由物镜的直径再加因光盘的偏心和聚焦、轨道跟 踪所需要的对准直光束直径应放宽的裕量，计算准直 光束的直径。由公式2f·NA=光束直径，计算准直透 镜的焦距f。
◇钟 芹
的方法，把调制后的信息存储到由凹坑/台构成的信息 轨道的光盘上。信息的读出过程则是通过将光盘驱动 器/播放机的读出激光束聚焦在光盘的信息层上，扫 描信息轨道，所获得的反射光经过光电转换、信号处 理、解调、纠错和解压缩后，便可还原存储在光盘上 的信息。
DVD光驱/播放机使用波长为650nm的半导体激光 二极管作为读出光源，激光束通过物镜、穿过材料为 透明聚碳酸酯(Polycarbonate)的盘基，聚焦在有反射层 的信息轨道上形成读出光斑，光斑扫描信息轨道上的 凹坑。DVD光盘的凹坑宽度为0.25μm，最短的凹坑长 度为0.40μm，最长的为1.82μm，凹坑深度约0.17μm(近 似于四分之一波长)。轨道间距为0.74μm。
的反射光，其各级衍射光束在置于象平面上的四象限 光电检测器表面成像，叠加后的合成光强经光电转换 输出工作信号。四象限光电检测器输出电信号之和 (Ia+Ib+Ic+Id)用作读出信号RF。
DVD光盘的聚焦伺服采用像散法。通常是在反射 回检测器的光路中插入像散元件(如：柱透镜)，四象 限接收器的位置在柱透镜两个正交焦线之间。当聚焦 光束的焦点正好在光盘信息面上时，反射到四象限接 收器上的光斑是圆光斑，当聚焦光束的焦点向上或向 下偏离光盘信息面时，反射到四象限接收器上的光斑 由于像散的作用形成相互正交的椭圆光斑。分别取四 象限接收器对角线象限信号的和再相减，便得到聚焦 误差信号。聚焦伺服系统用聚焦误差信号，驱动光学 头上下运动，使聚焦误差趋向于零，即保持在四象限 接收器上的反射光斑是圆的，也就是达到正确聚焦状 态。聚焦误差信号IFES=(Ia+Ic) - (Ib+Id)。
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DVD光学头的基本原理
引言ห้องสมุดไป่ตู้
从1982年数字音频CD光盘问世，再到1997年数字 视频DVD光盘上市，如今光盘存储已发展成为信息化 时代的一个重要的产业。2004年全球DVD光盘驱动器 年产量达8000万台，DVD播放机年产量达1500万台， DVD光盘年产量超过20亿张。中国的光盘驱动器、播 放机生产量已经占了全球的70~80%，中国光盘复制 产量也已经达到全球复制量的20%。为了提高我国光 盘制造业从业人员的技术水平，改善生产产品质量， 《记录媒体技术》编辑部将组织一系列基础知识讲 座，全面介绍有关光驱、播放机整机、主要部件等方 面的基础知识。
为了评估检测到的RF信号质量，必须考虑数据对 时钟的抖晃。抖晃是测量被测凹坑边缘相对于时钟的 偏离，从而与误测概率相关。已知RSPC(里德所罗门 乘积码)纠错系统的能力，使用抖晃值为小于信道位 (DVD的信道位T=38.23μs)的15%，作为可靠的数据检 测的准则。通过选择适当的公差组合进行电脑模拟计 算，得到在以下公差组合情况下，尚能保证数据检测
我们可以用反射光束的相消干涉来简化说明光盘 的读出原理。当聚焦光斑扫描信息轨道时，光斑落在 没有信息凹坑的地方，激光完全被反射；光斑落在信 息凹坑上时，由于读出光斑直径大于凹坑宽度，凹坑 底部反射的光和凹坑边缘反射的光因为λ/2的光程差(凹 坑深度λ/4)而达到干涉极小。这样，聚焦光斑扫描由凹 坑构成的信息轨道时，反射激光的光强会被凹坑和台 (凹坑之间的部分)调制，在读出系统的象限接收器上， 由各象限光电信号之和，得到光盘的读出信号。
在考虑CD/DVD光盘兼用机时，可以选用双波长 激光二极管，这是一种将两种不同波长的激光二极管 封装在同一管座上的技术。这种激光器可以节省光学 头尺寸、组装材料及步骤，也减少了误差产生。然而 在激光二极管的选用、组装角度和光电检测器角度 要求较高，另外CD及DVD光源分离距离与检测器上 CD及DVD检测集成电路的分离距离也需要进行精确计 算。在光学设计时，力矩器上的物镜径向(水平)移动距 离必须加大，以补偿DVD发光点距离中心点的距离。
以下，我们对光学头的各组成元件做较为详细的 介绍。
⑴激光二极管(LD)：激光二极管是光学头的光 源，它的发光特性决定了光学头的结构、特性。 DVD光 学 头 用 激 光 二 极 管 的 激 光 波 长 为 635nm或 650nm，它的激光谐振阈值电流为40mA左右，工作电
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光学象差是由系统中的以下误差造成的：⑴离焦 引起的波阵面误差——正比于NA2/λ；⑵光盘翘曲引起 的慧差——正比于t·NA3/λ(t是基片厚度)；⑶由盘基 厚度误差引起的球差：正比于NA4/λ。
在 DVD光 学 系 统 中 ， 激 光 二 极 管 的 波 长 λ为 650nm，物镜的NA=0.60。DVD盘基厚度为t=0.6mm， 是CD的一半。给定λ、NA和t的值后，这些数值的误差 和跟踪误差决定了DVD光盘实际的光学象差水平。既 要达到DVD光盘较高的物理密度，又要使系统有足够 的稳定性，只能允许系统有较小的象差。
DVD光学头是DVD光驱、播放机的重要部件， 直接影响读出信号的质量，是系统的核心。本文将从 DVD光盘的读出原理出发，分析DVD光盘信号读取对 光盘复制和光学头设计的基本要求，介绍光学头的基 本结构、各组件的工作原理和要求。
一、光盘的衍射读出原理
光盘信息存储是把数据、声音、图像信息转换为 数字信号，通过信息压缩、纠错编码、信号调制，然 后用激光实现母盘刻录，最后用电铸压模和注塑复制
CD
WDVD=0.65/(2×0.6)=0.54]，提高了光学分辨率。 DVD的轨道间距从CD的1.6μm缩小为0.74μm，最小
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信道位长度从CD的0.28μm缩短为0.133μm，使DVD光 盘的面密度提高了4.54倍。另外，DVD采用比CD更 有效的信道调制(EFM+和删除子码)、纠错(RSPC)和扇 区格式(减少扇区管理开销)，使数据密度增加1.49倍。 再加上略微扩大节目区(1.02倍)，最终使DVD容量达到 CD的6.9倍。
DVD光 盘 的 寻 轨 跟 踪 伺 服 采 用 差 分 相 位 检 测 (DPD)方式，对角线上象限检测器信号两两相加得到 (Ia+Ic)和(Ib+Id)，再作相位比较：(Ia+Ic) - (Ib+Id)，导出径 向差分相位道跟踪误差信号。如果扫描光斑偏于轨道 的一侧，其中一个对角线信号的相位将稍微超前另一 个对角线信号。如果光斑偏到轨道另一侧，那么相位 情况完全相反。相位比较器的输出将生成一个锯齿状 信号。这个跟踪伺服误差信号适合于跟踪光盘上由微 小凹坑组成的轨道。DPD跟踪方式的优点是它使用高 频交流信号，直流分量对它没有影响。
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片倾斜玻璃令其在垂直及水平向具有不同聚焦能力， 进而平衡非点隔差。或在物镜或准直镜中制造柱状镜 形式，以产生垂直及水平向的不同聚焦能力，以对非 点隔差进行补偿。
相对噪音强度RIN是评价LD的一个重要指标， RIN=(∆P/P)2/∆f (单位Hz-1)其中∆P是LD射出光的交流成 分，P是直流成分，∆f是测量的频带宽度。一般多模的 LD RIN较低，但抗反射光干扰能力强，驱动电流不需 叠加高频，对于单模LD，反射光对光信号影响很强， 必须对驱动电流叠加高频(约500~700MHz)。
对光盘读出原理更确切的解释将涉及读出光束被 信息凹坑衍射的光学衍射理论。为了计算聚焦光斑扫 描信息凹坑时的输出信号，必须先计算出后向衍射光 波场。这一计算需要建立合适的衍射理论。1978年， H.H.Hopkins发表了激光视盘读出系统的衍射理论， 并以此为基础建立了光盘读出系统完整的标量衍射理 论。Hopkins用一个标量函数描述光波场，以亥姆霍兹 方程为基础，假设光盘对聚焦光束中不同空间频率分 量的相位延迟是相同的，而且等于沿光轴方向传播的 平面波的相位延迟，将聚焦光束作为一个整体，计算 衍射光强变化和信息凹坑尺寸、物镜数值孔径以及工 作波长等参数的关系。具体的计算方法可以参考《光 盘存储系统设计原理》p.61-73(作者:徐端颐，2000年 1月第1版)。2003年7月，徐端颐教授在《高密度光盘 数据存储》中分析了标量衍射理论的局限性和误差，
的可靠性和系统的稳定性。 ●光盘和驱动器的径向翘曲公差0.5°； ●光盘和驱动器的切向翘曲公差0.3°； ●离焦公差0.1μm； ●盘基厚度公差30μm； ●轨道跟踪误差0.022μm。
三、光学头的基本结构和要求
光学头(PUH—Pick up head)是光盘驱动器/播放 机的重要部件，DVD光盘物理格式标准规定了光盘检 测标准装置中对光学头的要求。光学头的结构包括： 激光二极管、准直透镜、偏振分光棱镜、1/4波片、物 镜、像散元件(如柱透镜)、四象限光电检测器、直流放 大器。标准检测光学头的特性如下：激光二极管波长 (λ)：650nm±5nm；到达光盘信息面的激光偏振态为圆 偏振光；相对强度噪声小于134dB/Hz。偏振分光棱镜 的P-S强度/反射率的比值要求在100以上。物镜数值孔 径为0.6±0.01；物镜入瞳边缘光强：在光盘径向是最大 光强度的60~70%，在光盘切向是最大光强度的90%以 上；波阵面象差均方根值小于0.033λ。对光盘归一化 的光电检测器的尺寸：100µm2<S/M2<144µm2，这里S 是光学头检测器的全面积，M是从光盘到检测器附近 的共轭面的横向放大倍数。
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提出了在高密度光盘存储系统中必须用场矢量函数来 描述光波的电场和磁场，通过求解Maxwell方程得到衍 射光场并计算信号的矢量衍射理论。具体的计算方法 可以参考《高密度光盘数据存储》p19-71(作者：徐端 颐，2003年7月第1版)。
衍射理论的计算相当复杂，这里仅就读出反射光 束和光盘读出信号的关系做一说明。由于光盘信息凹 坑尺寸与读出激光波长相近，光盘上螺旋状信息轨道 可以看作是切向和径向的二维光栅。这样，读出光斑 扫描信息凹坑轨道时，反射光被凹坑衍射，产生零级 和正、负一级衍射光束，主反射光为零级光(0，0)， 径向一级光有(+1，0)和(-1，0)，切向一级光有(0， +1)和(0，-1)，在对角线上还有一级光(+1，-1)、 (+1，+1)、(-1，+1)和(-1，-1)。受信息凹坑调制
流(即LD出射激光能量约3mW时)约为50mA。工作电 流较低的激光二极管工作温度也较低。由于温度升高 会使激光二极管发生波长漂移，在设计光学头时应尽 量使其得到良好散热。激光二极管发出的激光多为不 完全的线偏振光，在设计偏振分光棱镜时要考虑线性 偏光的方向性。激光二极管发出的激光光束不是平行 圆光束，而是发散光束，水平发散角θ∥和垂直发散角 θ⊥不相等，准直透镜口径由水平发散角决定。水平发 射点和垂直发射点不是从同一点发出，两点之间的距 离，称为像散距离或非点隔差，它使从LD发出的激光 波面产生非点象差。非点隔差在读写系统中因为焦点 不同将造成较大象差，通常在激光二极管封装时加一