光學頭基本原理及結構

1、光學頭,1,2,,,,,第一回: 前 言.光學頭是光盤驅動器/播放機的重要部件，主要功 能是信號記錄和讀出，是利用聚焦的激光束來完成的.激光頭是從光盤上拾取信息的執(zhí)行部件。光學頭 通過讀取光束聚焦于信號面上,并正確跟蹤掃描 軌跡,同時將反射回來的光信號變成電信號,從而 讀出信息.因此,光學頭能否在某些光盤上讀取信息,取 決于光學頭的技術性和盤片的物理結果是否匹配。 DVD盤片物理結構特性已經決定了DVD

2、光學頭的結 構和功能.,3,,,,,第二回:光學頭原器件.光學頭均由兩部分組成：一部分為物鏡機構，俗稱光學頭；另一部分是將其余各鏡片、激光發(fā)射二極管和光敏接收器安裝在同一個腔體內，俗稱激光槍。光學頭安裝在激光槍上面，通過螺釘聯成一個整體，構成激光頭組件。激光頭由激光產生（發(fā)射）系統(tǒng)、激光傳播系統(tǒng)（光路或激光槍）和光接收系統(tǒng)等部分構成。,4,,,,,,第二回:光學頭原器件.雷射二極管: 提供讀取頭光源光束整型器: 將激光束

3、由橢圓整形為接近圓形繞 射光 柵: 產生所需的繞射光束準直透鏡: 將雷射二極管所發(fā)出的光整平為平行光偏光分光鏡: 可將不同偏極化光分離¼波 長 板: 將線性偏極化光轉為圓偏極化光物 鏡: 將雷射光聚焦在光盤片數據層上光偵測器 : 將光訊號轉為電訊號,5,,,,,,第二回: 光學頭原器件.,下,,6,,,,,第三回: 光學頭工作原理.,6-1: 光學頭基本光學系統(tǒng)之激光對盤片工作示意.,,,通過利用被聚焦到回

4、折界限的最小激光束，穿過0.6mm的透明塑料層，從凹(Pit)凸(Land)信息面取出信號.參考圖1.,7,,,,,,第三回: 光學頭工作原理.,光學頭基本光學系統(tǒng)之巡軌示意.,,巡軌作用: 光盤的形狀中心和光盤的回轉中心之間的偏心補正，還有對于在軌道間距為0.74μm的軌道上，精度正負0.1μm控制激光束對軌道的追跡控制用誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭里頭.,8,,,,,,第三回: 光學頭工作原理.,光學頭基本光學系統(tǒng)

5、之讀出盤片信息原理.,光學頭能夠讀出光盤上的信號的原理是: 從激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過準直透鏡，成為平行光，再通過1/4波長片時，偏振方向旋轉45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光盤的信息面，再反射回來（根據盤面的凸凹對光的反射不同），通過1/4波長片時，再一次偏振方向被旋轉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系，反射光再一次被分為兩路，誤差系的

6、一路通過凸透鏡、圓柱透鏡，投影到四分割的光電二極管上，根據各象限光量的大小，進行運算，對聚焦和尋軌伺服機構控制，使之讀出正確的信號，另一路信號系的光束由凸透鏡會聚到光電二極管，把光信號變?yōu)殡娦盘枴?9,,,,,,第四回:光學頭技術發(fā)展趨勢.,摘要: 為了實現高密度存儲，DVD盤片使用波長為650/635nm的激光且物NA應大于0.6。而CD則使用780nm的激光且數值孔徑約為0.4。為了能與CD類光盤兼容，DVD播放器

7、/驅動器中除了要有完成CD類盤片的解碼電路外，其光學頭也需能同時讀取CD盤片.概述:    根據DVD標準，DVD盤片的盤基厚度為0.6mm，而傳統(tǒng)CD盤片的盤基厚度為1.2mm。由于DVD與CD盤盤基厚度及存儲密度上存在差異，對二者的兼容讀出帶來了一定的問題。因此除擁有CD的解碼器外，在設計DVD光學頭時必須考慮到讀取現有CD的能力。為了解決光學頭的兼容問題，在DVD光學頭設計上產生出多種方案

8、，如兩套獨立讀出系統(tǒng)、全息物鏡、液晶光闌、雙物鏡等，接下來將對照比較.,10,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,光盤儲存技術由CD發(fā)展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB約為6～7倍，且DVD播放器已進入家庭成為家庭影院的重要成員，光儲存技術的日新月異已大量散播影音娛樂到各個家庭。隨后出現可寫入型DVD盤片，規(guī)格區(qū)分為由DVD Forum支持的DVD－R/RW與DVD＋RW Alliance推動的DVD＋R/

9、RW兩種，直到目前兩規(guī)格還尚未統(tǒng)一，但也因為DVD-Dual以及DVD-Multi等復合式碟機的推出，逐漸擺脫了彼此無法兼容的問題，此外DVD錄放機也應運而生，可記錄約133分鐘經MPEG2編碼的影視信息或可寫入型DVD光驅儲存之高密度數據,11,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較.,藍光規(guī)格兩大勢力相繼崛起 繼DVD之后世界主流廠商均以藍光HD-DVD為光儲存的研發(fā)重點，在2002年2月19日由9家國際主流

10、電子巨頭（9C；Matsushita、Hitachi、Pioneer、Sharp、Philips、Tohomson、Samsung、LGE）共同發(fā)表的Blu-Ray Disc規(guī)格，可擦寫23GB、25GB及27GB為主，起初目的是以Rewirtable Disc為切入點以配合即將普及的HD-TV，所以沒有考慮兼容性的問題，因此并未提交DVD Forum進行討論。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC兩家公司共同發(fā)表了AOD（Ad

11、vanced Optical Disc）讀寫容量為20GB，所提出的規(guī)格是較易與現有的DVD產品達到兼容效果，也于DVD Forum提出并與各會員公司進行規(guī)格之細步討論與制定，最后順利推出HD-DVD規(guī)格。,12,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,HD-DVD High Definition DVD（HD-DVD） . HD-DVD盤片初步定為只讀型及可復寫型兩種，只讀型單面單層為15GB、單面雙層為30

12、GB；單面雙層可復寫型20GB、單面雙層則為40GB。采用雷射波長為405nm的藍光及透鏡數值孔鏡值（NA）為0.65的物鏡來記錄和播放由2張厚度為0.6mm的盤片底板粘貼而成的光盤規(guī)格。,,13,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,HD-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: 因為NA值與現行DVD盤片接近且盤片結構與DVD相同，因此更容易與現行DVD光盤保持兼容性，且可繼續(xù)使用現有DVD光盤的生產設

13、備，便于擴大光盤和物鏡的距離，不需要光盤卡匣等，大大的降低從現有DVD過渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，為了控制由光盤彎曲和扭曲造成的傾斜角，就必需要有傾斜補償伺服裝置；而Blu-Ray Disc規(guī)格的0.1mm覆蓋層由于對傾斜角的容許量較大，因此不需要傾斜補償伺服。但因為0.1mm規(guī)格的覆蓋層容易出現由厚度誤差引起的球面相差，因此就必須對物鏡加入補償裝置。,,,,14,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,H

14、D-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: HD-DVD記錄方式采用與DVD-RAM相同的land及溝槽記錄的方式提高記錄容量，Blu-Ray Disc則是使用溝槽紀錄的方式。HD-DVD在盤片的land及溝槽間隔的設計上比較寬，因此可以得到明顯的跟軌誤差訊號（Tracking Error Signal），相較于一般溝槽記錄的規(guī)格比較，推挽（push-pull）方式跟軌誤差的S/N值大于10dB，之后即使要進一步縮小軌距

15、也可方便地重新設計。,,,,15,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,,,,16,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量: BD盤片是由厚度為1.1mm的基盤與0.1mm厚度干凈、無缺陷的覆蓋層為保護層組合形成的，所以當盤片有指紋、刮痕或是灰塵時對光盤的讀寫質量是有相當的影響，且縮短雷射波長及提高NA值，若以紅

16、光DVD雷射光點面積為100％，BD光點的面積比為DVD的19％，以致缺陷（defect）可能比光點大很多導致抵抗能力有限，因此需有較強的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保護，請參考（圖三）,,,17,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,,,,,18,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:

17、 比較現有DVD與HD-DVD及BD盤片，不同盤片對于平坦度的影響，而盤片的容許傾角范圍與平坦度有相當的關系。平坦度正比于λ/（t × NA3），比較時以現有DVD當成比較的依據，HD-DVD的NA值與DVD接近，但波長（λ）縮短至405nm，所以盤片容忍度約為DVD的一半。而BD因為NA值比DVD大1.42倍，導致光軸與光盤記錄面的容許傾角范圍縮小2.9倍，且波長縮短又使得容許傾角范圍縮小1.6倍，又容許傾角范圍與盤片覆蓋

18、層厚度及NA的3次方成反比，因此基于傾角考慮選取0.1mm的覆蓋層以減其厚度，以改善光盤片與光軸入射角度偏離90度的相差問題，其容忍度也與DVD較接近，請參考（表二）。,,,,19,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,,,,,,20,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量: 盤片記錄容量受到NA值及雷

19、射波長的影響，將BD記錄容量（0.85/405）2除以DVD記錄容量（0.60/650）2可計算出BD記錄密度為DVD的5倍左右，以相同的方式計算HD-DVD約只有DVD的3倍。在RF訊號處理上BD采用limit equalizer，其架構較簡單，抑制ISI的效果有限，因為BD采用高NA且縮小最小pit的長度，所以本身ISI的現象相較于HD-DVD就不是很嚴重，但在實際應用上也可加入PRML技術，以提升數據判斷的正確性。,,,,,21,

20、,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量: 綜合上述，光盤片的發(fā)展由CD、DVD、一直到近期發(fā)展的藍光光盤片各個波長、NA值、記錄層的位置及顯微鏡觀察的歸納結果可參考（圖四）。盤片發(fā)展的趨勢是軌距及光點越來越小，記錄的數據長度也越來越小以獲得較大的紀錄密度。（表四）為DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的規(guī)格比較表。,,,,,,22,,,,,第五回:

21、CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,,,,,,,23,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc結論:　 HD-DVD規(guī)格相較于BD規(guī)格最大的優(yōu)勢就在于能夠兼容現行的DVD，使得盤片生產廠商由DVD轉換至HD-DVD時所需的成本能夠降到最低，就生產技術上而言HD-DVD也較BD的困難度低。BD盤片的覆蓋層只有0.1mm，防刮防污能力差，需要卡匣且生產

22、制程較困難；而HD-DVD盤片雖然記錄容量較小，但防刮防污能力好，不需卡匣，因此生產制程較容易且成本較低。　DVD Forum為國際制訂DVD規(guī)格主導者，目前DVD Forum成員亦針對藍光新規(guī)格彼此展開競爭。目前DVD Forum的20家Steering Committee的成員分別支持兩種藍光光盤規(guī)格，形成HD-DVD（12家）與Blu-ray Disc（11家）分庭抗爭的局面，那一方會勝出還有待今年的持續(xù)觀察。,,,,,,,,2