激光头的原理与结构 |
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激光头的原理与结构 自从1982年直径12cm的数字音频光盘CD问世以来,数字视频光盘DVD(digital video disk)一直是新一代光盘的一个梦想,虽然在几年前出现了VCD,但是对于光盘来讲,技术上没有改变,只是对数据进行了压缩,画质也只是VHS水准,不过是过渡性产品,在国外没有形成市场。数字图象信号具有在被编辑时画质不劣化,容易被计算机处理等优点,所以能记录2小时以上高画质的数字图象的光盘,已经让人盼望已久。最近几年,短波长的半导体激光器技术,薄型化光盘基板技术,对物透镜的高数值孔径NA化技术等的进步,使光盘的记录密度高密度化成为可能,同时数字连续可变画面压缩技术也有很大的进步,使长时间高画质的连续可变画面收录在一张光盘里成为可能。在以上这些技术基础被奠定之后,世界上的十家大企业共同制定了新世代数字视频光盘DVD(digital video disk)的标准,既在和原有CD同样尺寸下,记录容量为原来光盘7.5倍4.7G,并采用高画质的MPEG2数字信号压缩方式,使之能够存储135分的电影。DVD播放机主要是由光学头和MPEG2解码器两个关键技术组成的,其中MPEG2解码器由于是通用标准,目前开发出芯片的厂商不下十几家,而光学头的技术还主要掌握在日本厂商手中。光盘技术就是一束被聚焦到回折界限的最小激光束照射到盘面,由于记录着信息的盘面的凹凸对光的反射不同,就可以读出盘上的信息。
2. 光学头基本原理 2.1.光学头的基本光学系和光学部品的收差光学头是DVD系统的最大关键部件之一,它的基本原理图如下 上图:光学头的原理图 光学头是由1.对物透镜,2.准直透镜,3. 偏光分光棱镜,4.分光棱镜,5.反射镜,6.1/4波长板,7.焦点误差检出光学系,8.寻轨误差检出光学系等光学部品和光学系,9.焦点控制伺服机构(F-ACT),10.寻轨控制伺服机构(T-ACT)等伺服机械控制部品,还有11.半导体激光二极管,12.多分割光电二极管PD(photo diode)等光电部件构成的。光学头能够读出光盘上的信号的原理是从激光二极管射出的发散P线性偏振激光通过准直透镜,成为平行光,再通过1/4波长片时,偏振方向旋转45度,变为圆偏光,这束平行的圆偏光被对物透镜聚焦到光盘的信息面,再反射回来(根据盘面的凸凹对光的反射不同),通过1/4波长片时,再一次偏振方向被旋转45度,成为S线性偏振光,在偏光分光棱镜PBS处被反射到误差检出系和信号系,反射光再一次被分为两路,误差系的一路通过凸透镜、圆柱透镜,投影到四分割的光电二极管上,根据各象限光量的大小,进行运算,对聚焦和寻轨伺服机构控制,使之读出正确的信号,另一路信号系的光束由凸透镜会聚到光电二极管,把光信号变为电信号。要想把激光聚焦成由波长决定的最小光束,必须把从LD发出的球面波的波面尽量无缺陷的传到光盘的情报记录面。也就是说,从LD发光开始到光盘为止,光学头成像系各部品全体的RMS波面收差必须限制在0.07λ以下,不然不能把激光光束聚焦为由干涉极限决定的最小光束。构成光头的各光学部品,光盘盘面,其中也包括对物透镜设置时的调整误差,以上这些合计的成像光学系全体的波面收差,必须限制在由Warechal Criteron(δω)MC给出的允许最大波面收差0.07λ以下。光盘已经由光盘标准规定,(δω)DISK=0.05λ,一般对物透镜的象差(δω)ADJT=0.025λ,要使全体(δω)MC小于0.07λ,对于其他的光学部品的收差必须严格控制。从LD开始到光盘为止,光头各光学部品的最大允许波面收差各用(δω)LD,(δω)CL,(δω)PBS,(δω)QWP,(δω)MR,(δω)OL表示,Warechal Criteron给出我们如下公式; (δω)MC≤λ/14(δω) 2MC=(δω)2LD+(δω)2CL+(δω)2PBS+(δω)2QWP+(δω)2MR+(δω)2OL+(δω)2DISK 下面具体DVD的数值带入来试算一下。半导体激光二极管激光射出侧有平面玻璃窗,此外由于半导体激光器自身的特点,不可克服的有非点间隔,比理想波面要差,普通(δω)LD约为0.013λ。棱镜,反射镜等平面光学部品比较容易的以波面收差0.01~0.015λ制造出来。但是准直透镜和对物透镜等非平面光学部品,波面收差要想抑制在0.03λ之内,比较困难,分别定为准直透镜0.025λ和对物透镜0.035λ,这样根据式(2)得出全体(δω)MC的波面收差为0.0694λ,满足要求。即使对物透镜的波面收差被抑制在0.035以下,如果准直透镜的波面收差大于0.025,那样被聚焦光束的直径就会变大,从信息面读出数据错误频度就会变高。由于以上的理由,准直透镜的波面收差必须小于0.025,但球面单透镜要想达到这个值非常困难,一般采用球面玻璃组合透镜。从DVD光头的对物透镜射出的激光光束,需要一直跟踪光盘信息面上的轨道间距为0.74μm,最短凹坑长为0.4μm的轨迹,并正确读出凹坑信息。光强为光束中心强度1/e2的位置的光束直径被称为光束径ω,激光波长λ=650nm,对物透镜的数值孔径NA=0.6,ω=k×(λ/NA)当对物透镜的入射光束的光强能量分布为均等分布时,系数k是0.96,光强能量分布为高斯分布时为1.34。从上式可以看出,光束径正比例于λ/NA,既要想提高光盘记录密度,缩小光束径,就需要使激光短波长化,并且提高对物透镜的NA。还有对物透镜的焦点深度△z正比例于λ/NA的平方,DVD焦点深度与CD相比变窄56%,焦点误差的允许值变小。△ z~λ/NA2光盘的倾斜引起的象差也会增加。对于焦点误差的允许值的减少,就需要提高焦点控制精度,DVD为了减少光盘的倾斜引起的收差,光盘的厚度减为CD的一半0.6mm。2.2.成像光学系2.2.1.激光二极管一般LD发出的光为与PN结合面平行的线性偏振光,但短波长的LD中大多发出与PN结合面垂直的线性偏振光,DVD要求LD在光盘面上的能量为0.3mW左右,这就需要LD发出的激光能量是3~5mW。2.2.2.LD的射出角特性和准直透镜LD射出的激光是发散光,从发光点离开一段观测到的光束断面强度分布,被称为远视野象FFP(far field pattern),FFP垂直结合面方向宽,平行结合面方向窄,象下面图示的一样,是纵长的椭圆形。
寻轨伺服机构的基本构成图 2.4.信号系从PBS分离的含有信息的反射光,除一部分进入伺服机构的控制系,大部分进入信号系,由PD变成电信号,前置放大,成为RF信号。 光学头光学系的设计 DVD光学头主要包括对物透镜驱动系ACT(ACTUATOR)和光学系,对物透镜驱动系有两个功能,一个是把从半导体激光器发出的激光聚焦在光盘的信息面上,(即聚焦focusing),另一个是使光束在轨道上并追随轨道(即寻轨tracking),因为聚焦是对于光盘的面振动,以1μm以下的误差来追随,设计聚焦伺服驱动线圈时,必须使驱动线圈的加速度超过光盘面振动的加速度.寻轨驱动线圈是以0.1μm以下的误差对轨道进行追随,设计中特别要注意的是防止对高频的机械共振.设计一般是以光盘的国际标准为目标值,要考虑到光盘的面振动,光学头的装配误差,光学头的移动误差,主轴电机的轴振动,光盘的放置误差等诸多因素.具体的结构,主要有轴转动型,弹性线材支持型等.ACT的基本特性可以看成有弹簧的进退结构,驱动是由线圈和电磁回路构成.具体设计时,有PMESH、PMAG等计算机辅助设计软件.以下主要介绍DVD光学头的光学系的设计. 成像光学系成像光学系的设计,无非是满足聚集后的光斑点足够小,以便能准确读出光盘上信息.光斑的直径 ω=k×(λ/NA),系数k与对物透镜入射光强分布有关,光强分布越接近均一分布,k值越小.在相同数值孔径NA的条件下,若想得到最小聚集光斑,a. 入射光波面收差小.b. 入射光强分布均一。对于a,应力求使每个光学部品有最小的像差,对于b,因为从LD发出激光为发散光,经准直后,光强分布为高斯分布。如果只利用中心部的激光,可以较接近均一分布,但是对LD光能量的利用率低下,可能得不到到达盘面所要求的能量,因此要折中考虑这相矛盾的两个要求,定出横向对物透镜利用光强分布百分比Rx(Rim intensity X),纵向利用光强分布百分比Ry(Rim intensity Y),这两个条件是设计光学系的依据。
准直透镜准直透镜是把LD发出的发散光转换成平行光,它由以下3个条件决定它的焦距f:a. 对物透镜纵向的光强分布Ry。b. 对物透镜直径φ。c. LD的垂直放射角θ⊥由高斯光强分布公式: 可以计算出准直透镜的焦距f。再由a.准直透镜的焦距f。b.对物透镜要求的光束直径.c.公式 光束直径=(对物透镜直径)+(光盘偏心量)+〔裕量〕2f·NA=光束直径可以求出准直透镜的数值孔径NA.3.1.3整形棱镜由于DVD使用的激光波长短,所以对光波面象差要求严,所以尽量使用LD发光的中间部分,即波面收差较小的部分,同时还要考虑光能的利用效率。这样就与一般的CD用光头不同。需要整形棱镜,它的作用是把椭圆形的平形光,变换成正圆形的平行光(如图), 根据以下4个条件,可以求出整形棱镜的整形倍率m及顶角:a.对物透镜要求的横向光强分布Rx.b.对物透镜的直径φ。c. LD纵向放射角θ∥。d. 准直透镜的焦距f。 偏光分光棱镜PBS偏光分光棱镜的作用。是把从LD的出射光和从光盘的反射光分离,一是以便使反射光不回到LD的激光的共振腔,使出射激光不产生噪音,二是使反射回来的带有信息的反射激光束可以有最小的损失,首先使Q面滤掉入射光A的P线性偏光以外的成份,使之成为纯粹的P线性偏光,此外还必须使Q面对P线性偏光全透过,S线性偏光全反射。 对物透镜对物透镜的设计,必需依赖于光盘的厚度,如果光盘的厚度与设计值不符,将会产生球面像差,使聚集特性变坏,这也就是为什么用于光盘厚0.6mm的DVD用对物透镜读不出光盘厚1.2mm的CD光盘信号的理由。由DVDbook规定NA=0.6,半径一般R=2mmfobj=2R/2NA=3.33(mm)一般只读型用功率较小,使用注塑非球面光学树脂即可,而记录型用功率较大,一般用多组光学玻璃透镜组合而成,对成像系的各部品的像差一定要严格控制. 伺服系聚焦伺服(Forcs Svero)FES聚焦伺服误差信号(Forcs Error Single)的取得,有多种方式,例如非点象差法、刀刃法、双刀刃法等,这里只采用光学系比较简单,应用较广的非点象差法。自动焦距AF(auto force)光学系配置如图: 凸透镜凸透镜焦点和圆柱面透镜的焦点之间的距离称为焦点间隔D,光盘上的检出范围是△dsk,检出范围越大,敏感度越低,但伺服越不易脱轨,反之检出范围越小,敏感度越高,但伺服易脱轨,D和△dsk是在设计焦点伺服误差检出系之前要确定的两个值,是设计的依据.β是凸透镜焦点和圆柱面透镜两透镜之间的横倍率,有如下公式:2β2=D/△dskFAF=βfobj这样就可以求出凸透镜的焦距FAF。3.2.1.2.圆柱型透镜 对于入射光A,m方向的光在S方向的光距离D之前相交于光轴,这样可以求出圆柱透镜的j(power).其中凸透镜的屈光率为n1,厚为d1,圆柱透镜屈光率为n2厚为d3两透镜距离为e2, j为透镜之Power,入为波长,其它如上图所示,由以下公式可以求出圆柱透镜的曲率半径:j=1/Fe=ndan=an-1+h n-1j n-1hn= h n-1-en-1an3. 2.2.光电二极管PD(Photo Diodo)的位置及PD形状设计。PD附近的光路图及PD的位置如下图(a为入射光高,F1是AF系凸透镜的焦距,F2是圆柱面透镜焦距,x是PD的位置):
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