簡(jiǎn)介
激光頭:
它由中心往外移動(dòng)在Table-of-Contents區(qū)域,通過發(fā)射激光來尋找光盤上的指定位置,感應(yīng)電阻接受到反射出的信號(hào)輸出成電子數(shù)據(jù)
url]激光頭是光驅(qū)的心臟,也是最精密的部分。它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取工作,因此在清理光驅(qū)內(nèi)部的時(shí)候要格外小心。激光頭主要包括:激光發(fā)生器(又稱激光二極管),半反光棱鏡,物鏡,透鏡以及光電二極管這幾部分。當(dāng)激光頭讀取盤片上的數(shù)據(jù)時(shí),從激光發(fā)生器發(fā)出的激光透過半反射棱鏡,匯聚在物鏡上,物鏡將激光聚焦成為極其細(xì)小的光點(diǎn)并打到光盤上。此時(shí),光盤上的反射物質(zhì)就會(huì)將照射過來的光線反射回去,透過物鏡,再照射到半反射棱鏡上。此時(shí),由于棱鏡是半反射結(jié)構(gòu),因此不會(huì)讓光束完全穿透它并回到激光發(fā)生器上,而是經(jīng)過反射,穿過透鏡,到達(dá)了光電二極管上面。由于光盤表面是以突起不平的點(diǎn)來記錄數(shù)據(jù),所以反射回來的光線就會(huì)射向不同的方向。人們將射向不同方向的信號(hào)定義為“0”或者“1”,發(fā)光二極管接受到的是那些以“0”,“1”排列的數(shù)據(jù),并最終將它們解析成為我們所需要的數(shù)據(jù)。
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讀取數(shù)據(jù)
在激光頭讀取數(shù)據(jù)的整個(gè)過程中,尋跡和聚焦直接影響到光驅(qū)的糾錯(cuò)能力以及穩(wěn)定性。尋跡就是保持 激光頭激光頭能夠始終正確地對(duì)準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)的軌道。當(dāng)激光束正好與軌道重合時(shí),尋跡誤差信號(hào)就為0,否則尋跡信號(hào)就可能為正數(shù)或者負(fù)數(shù),激光頭會(huì)根據(jù)尋跡信號(hào)對(duì)姿態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如果光驅(qū)的尋跡性能很差,在讀盤的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的現(xiàn)象,最典型的就是在讀音軌的時(shí)候出現(xiàn)的跳音現(xiàn)象。所謂聚焦,就是指激光頭能夠精確地將光束打到盤片上并受到最強(qiáng)的信號(hào)。當(dāng)激光束從盤片上反射回來時(shí)會(huì)同時(shí)打到4個(gè)光電二極管上。它們將信號(hào)疊加并最終形成聚焦信號(hào)。只有當(dāng)聚焦準(zhǔn)確時(shí),這個(gè)信號(hào)才為0,否則,它就會(huì)發(fā)出信號(hào),矯正激光頭的位置。聚焦和尋道是激光頭工作時(shí)最重要的兩項(xiàng)性能,我們所說的讀盤好的光驅(qū)都是在這兩方面性能優(yōu)秀的產(chǎn)品。目前,市面上英拓等少數(shù)高檔光驅(qū)產(chǎn)品開始使用步進(jìn)馬達(dá)技術(shù),通過螺旋螺桿傳動(dòng)齒輪,使得1/3尋址時(shí)間從原來85ms降低到75ms以內(nèi),相對(duì)于同類48速光驅(qū)產(chǎn)品82ms的尋址時(shí)間而言,性能上得到明顯改善。
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組成
激光頭是由1.對(duì)物透鏡,2.準(zhǔn)直透鏡,3. 偏光分光棱鏡,4.分光棱鏡,5.反射鏡,6.1/4波長(zhǎng)板,7.焦 激光頭點(diǎn)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(diǎn)控制伺服機(jī)構(gòu)(F-ACT),10.尋軌控制伺服機(jī)構(gòu)(T-ACT)等伺服機(jī)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。
激光頭主要包括:激光發(fā)生器(又稱激光二極管),半反光棱鏡,物鏡,透鏡以及光電二極管這幾部分。當(dāng)激光頭讀取盤片上的數(shù)據(jù)時(shí),從激光發(fā)生器發(fā)出的激光透過半反射棱鏡,匯聚在物鏡上,物鏡將激光聚焦成為極其細(xì)小的光點(diǎn)并打到光盤上。此時(shí),光盤上的反射物質(zhì)就會(huì)將照射過來的光線反射回去,透過物鏡,再照射到半反射棱鏡上。此時(shí),由于棱鏡是半反射結(jié)構(gòu),因此不會(huì)讓光束完全穿透它并回到激光發(fā)生器上,而是經(jīng)過反射,穿過透鏡,到達(dá)了光電二極管上面。由于光盤表面是以突起不平的點(diǎn)來記錄數(shù)據(jù),所以反射回來的光線就會(huì)射向不同的方向。人們將射向不同方向的信號(hào)定義為“0”或者“1”,發(fā)光二極管接受到的是那些以“0”,“1”排列的數(shù)據(jù),并最終將它們解析成為我們所需要的數(shù)據(jù)。
原理和結(jié)構(gòu)
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(digitalvideodisk)一直是新一代 激光頭光盤的一個(gè)夢(mèng)想,雖然在幾年前出現(xiàn)了VCD,但是對(duì)于光盤來講,技術(shù)上沒有改變,只是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮,畫質(zhì)也只是VHS水準(zhǔn),不過是過渡性產(chǎn)品,在國(guó)外沒有形成市場(chǎng)。
數(shù)字圖象信號(hào)具有在被編輯時(shí)畫質(zhì)不劣化,容易被計(jì)算機(jī)處理等優(yōu)點(diǎn),所以能記錄2小時(shí)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(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器技術(shù),薄型化光盤基板技術(shù),對(duì)物透鏡的高數(shù)值孔徑NA化技術(shù)等的進(jìn)步,使光盤的記錄密度高密度化成為可能,同時(shí)數(shù)字連續(xù)可變畫面壓縮技術(shù)也有很大的進(jìn)步,使長(zhǎng)時(shí)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(digitalvideodisk)的標(biāo)準(zhǔn),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(hào)壓縮方式,使之能夠存儲(chǔ)135分的電影。
DVD播放機(jī)主要是由光學(xué)頭和MPEG2解碼器兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)組成的,其中MPEG2解碼器由于是通用標(biāo)準(zhǔn),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(duì)光的反射不同,就可以讀出盤上的信息。
特有技術(shù)
對(duì)于光學(xué)頭來講,它特有的技術(shù)有如下幾個(gè): 激光頭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(hào)。
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(duì)物透鏡,把激光束聚焦為由波長(zhǎng)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(shí)帶來的對(duì)物透鏡的焦點(diǎn)位置在光盤信息記錄面的位置變化,還有光盤回轉(zhuǎn)時(shí)光盤面上下振動(dòng)也會(huì)引起焦點(diǎn)位置變化,為了對(duì)焦點(diǎn)位置變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)正,必須把能夠以精度為正負(fù)1μm對(duì)焦點(diǎn)位置控制的誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)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(bǔ)正,還有對(duì)于在軌道間距為0.74μm的軌道上,精度正負(fù) 激光頭0.1μm控制激光束對(duì)軌道的追跡控制用誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里。
在這里對(duì)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(duì)物透鏡OL(objectlens),作為光源的半導(dǎo)體激光二極管LD(laserdiode),準(zhǔn)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(jì)進(jìn)行說明。
光學(xué)頭基本原理
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 激光頭光學(xué)頭是由1.對(duì)物透鏡,2.準(zhǔn)直透鏡,3.偏光分光棱鏡,4.分光棱鏡,5.反射鏡,6.1/4波長(zhǎng)板,7.焦點(diǎn)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(diǎn)控制伺服機(jī)構(gòu)(F-ACT),10.尋軌控制伺服機(jī)構(gòu)(T-ACT)等伺服機(jī)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(photodiode)等光電部件構(gòu)成的。
光學(xué)頭能夠讀出光盤上的信號(hào)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(zhǔn)直透鏡,成為平行光,再通過1/4波長(zhǎng)片時(shí),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(duì)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(duì)光的反射不同),通過1/4波長(zhǎng)片時(shí),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(hào)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(jìn)行運(yùn)算,對(duì)聚焦和尋軌伺服機(jī)構(gòu)控制,使之讀出正確的信號(hào),另一路信號(hào)系的光束由凸透鏡會(huì)聚到光電二極管,把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。#p#分頁標(biāo)題#e#
要想把激光聚焦成由波長(zhǎng)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(bào)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(duì)物透鏡設(shè)置時(shí)的調(diào)整誤差,以上這些合計(jì)的成像光學(xué)系全體的波面收差,必須限制在由WarechalCriteron(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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,(δω)DISK=0.05λ,一般對(duì)物透鏡的象差(δω)ADJT=0.025λ,要使全體(δω)MC小于0.07λ,對(duì)于其他的光學(xué)部 激光頭品的收差必須嚴(yán)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,WarechalCriteron給出我們?nèi)缦鹿剑?br />
(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(diǎn),不可克服的有非點(diǎn)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(zhǔn)直透鏡和對(duì)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(zhǔn)直透鏡0.025λ和對(duì)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(duì)物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下,如果準(zhǔn)直透鏡的波面收差大于0.025,那樣被聚焦光束的直徑就會(huì)變大,從信息面讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤頻度就會(huì)變高。由于以上的理由,準(zhǔn)直透鏡的波面收差必須小于0.025,但球面單透鏡要想達(dá)到這個(gè)值非常困難,一般采用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對(duì)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(zhǎng)為0.4μm的軌跡,并正確讀出凹坑信息。光強(qiáng)為光束中心強(qiáng)度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω,激光波長(zhǎng)λ=650nm,對(duì)物透鏡的數(shù)值孔徑NA=0.6,
ω=k×(λ/NA)
當(dāng)對(duì)物透鏡的入射光束的光強(qiáng)能量分布為均等分布時(shí),系數(shù)k是0.96,光強(qiáng)能量分布為高斯分布時(shí)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(zhǎng)化,并且提高對(duì)物透鏡的NA。
還有對(duì)物透鏡的焦點(diǎn)深度△z正比例于λ/NA的平方,DVD焦點(diǎn)深度與CD相比變窄56%,焦點(diǎn)誤差的允許值變小。
△z~λ/NA2
光盤的傾斜引起的象差也會(huì)增加。對(duì)于焦點(diǎn)誤差的允許值的減少,就需要提高焦點(diǎn)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。
成像光學(xué)系
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(zhǎng)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。
LD的射出角特性和準(zhǔn)直透鏡
LD射出的激光是發(fā)散光,從發(fā)光點(diǎn)離開一段觀測(cè)到的光束斷面強(qiáng)度分布,被稱為遠(yuǎn)視野象FFP 激光頭(farfieldpattern),F(xiàn)FP垂直結(jié)合面方向?qū)?,平行結(jié)合面方向窄,象下面圖示的一樣,是縱長(zhǎng)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(duì)物透鏡對(duì)光束強(qiáng)度的分布要求,確定準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)距離。
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(jìn)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(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強(qiáng),不需要高頻疊加。
偏光分光棱鏡和1/4波長(zhǎng)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(zhǔn)直透鏡,成為平行光,無反射折射的通過PBS,.再通過1/4波長(zhǎng)片時(shí),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(duì)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(zhǎng)片時(shí),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(hào)系,使入射光和帶有信號(hào)的反射光分離。
對(duì)物透鏡
DVD光頭要求對(duì)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(bǔ)正各種收差,使點(diǎn)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。
誤差檢出系
非點(diǎn)收差法
焦點(diǎn)誤差檢出方式一般采用非點(diǎn)收差法,非點(diǎn)收差法就是根據(jù)光盤反射面位置的變化,反射光的聚焦位移 激光頭動(dòng),通過圓柱面透鏡對(duì)投影光形狀進(jìn)行變化,用4分割PD差動(dòng)檢出。
聚焦誤差檢出信號(hào)=(A+C)-(B+D)/(A+B+C+D)
尋軌誤差檢出信號(hào)=(A+B)-(C+D)/(A+B+C+D)
PD把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),前置放大,模擬運(yùn)算,再經(jīng)過相位補(bǔ)償,把信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)放大器,驅(qū)動(dòng)透鏡驅(qū)動(dòng)線圈,完成聚焦和尋軌控制。
信號(hào)系
從PBS分離的含有信息的反射光,除一部分進(jìn)入伺服機(jī)構(gòu)的控制系,大部分進(jìn)入信號(hào)系,由PD變成電信 激光頭號(hào),前置放大,成為RF信號(hào)。
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