光学头基本原理及结构课件

光學頭原理及結構第一回:前言.q自从1982年直徑12cm的数字音频光盘CD问世以来，数字视频光盘DVD（digitalvideodisk）一直是新一代光盘的一个梦想.q光存储以其容量大、寿命长、成本低、复制速度快等显著优点已经成为现代社会信息存储的重要手段之一qDVD类产品更是新一代数字视听技术和数字化信息存储设备的典型代表和潮流。它已经广泛应用于广播、电视、数据处理、文字/图像贮存、社会文化活动和家庭娱乐等领域。1 光學頭原理及結構第一回:前 光學頭原理及結構第一回:前言.q其读写关键技术的DVD光學頭，主要功能是信号的记录和读出，是利用聚焦的激光束来完成的.q激光头是从光盘上拾取信息的执行部件。光學頭通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而读出信息.q因此,光學头能否在某些光盘上读取信息,取决于光學头的技术性和盘片的物理结果是否匹配。DVD盘片物理结构特性已经决定了DVD光學头的结构和功能.2 光學頭原理及結構第一回:前 光學頭原理及結構第二回:光學頭原器件.q光學头均由两部分组成：一部分为物镜机构，俗称光学头；另一部分是将其余各镜片、激光发射二极管和光敏接收器安装在同一个腔体内，俗称激光枪。q光学头安装在激光枪上面，通过螺钉联成一个整体，构成激光头组件。激光头由激光产生（发射）系统、激光传播系统（光路或激光枪）和光接收系统等部分构成（如图1所示）。3 光學頭原理及結構第二回:光學頭 光學頭原理及結構第二回:光學頭各原器件功能.w雷射二極體:提供讀取頭光源w光束整型器:將雷射光束由橢圓整形為接近圓形w繞射光柵:產生所需的繞射光束w準直透鏡:將雷射二極體所發出的光整平為平行光w偏光分光鏡:可將不同偏極化光分離w波長板:將線性偏極化光轉為圓偏極化光w物鏡:將雷射光聚焦在光碟片資料層上w光偵測器:將光訊號轉為電訊號4 光學頭原理及結構第二回:光學頭各 光學頭原理及結構第三回:光學頭系統結構.下 此處的系統結構示意圖是指光學部分,並沒有包括聚焦與巡跡的部分.結構示意讓各位了解光學頭內部的機制.激光二極體物鏡準直透鏡衍射光柵分光錂鏡準直聚束透鏡檢光發生器5 光學頭原理及結構第三回:光學頭 光學頭原理及結構第四回:光學頭工作原理.6-1:光學頭基本光學系統之激光對碟片工作示意.v通过利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿过0.6mm的透明塑料层，从凹(Pit)凸(Land)信息面取出信号.參考圖1.6 光學頭原理及結構第四回:光學頭 光學頭原理及結構第四回:光學頭工作原理.6-4:光學頭基本光學系統之巡軌示意.v巡軌作用:光盘的形状中心和光盘的回转中心之间的偏心补正，还有对于在轨道间距为0.74m的轨道上，精度正负0.1m控制激光束对轨道的追迹控制用误差检出机能和控制用的伺服机构内藏在光学头里頭.7 光學頭原理及結構第四回:光學頭 光學頭原理及結構第四回:光學頭工作原理.6-5:光學頭基本光學系統之讀出碟片信息原理.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。8 光學頭原理及結構第四回:光學頭 光學頭原理及結構第五回:光學頭技術發展趨勢.摘要:为了实现高密度存储，DVD盘片使用波长为650/635nm的激光且物NA应大于0.6。而CD则使用780nm的激光且数值孔径约为0.4。为了能与CD类光盘兼容，DVD播放器/驱动器中除了要有完成CD类盘片的解码电路外，其光学头也需能同时读取CD盘片.概述:根据DVD标准，DVD盘片的盘基厚度为0.6mm，而传统CD盘片的盘基厚度为1.2mm。由于DVD与CD盘盘基厚度及存储密度上存在差异，对二者的兼容读出带来了一定的问题。因此除拥有CD的解码器外，在设计DVD光学头时必须考虑到读取现有CD的能力。为了解决光学头的兼容问题，在DVD光学头设计上产生出多种方案，如两套独立读出系统、全息物镜、液晶光阑、双物镜等，接下來將對照比较.9 光學頭原理及結構第五回:光學頭技 光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.光碟儲存技術由CD發展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB約為67倍，且DVD播放機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。隨後出現可寫入型DVD碟片，規格區分為由DVDForum支持的DVDR/RW與DVDRWAlliance推動的DVDR/RW兩種，直到目前兩規格還尚未統一，但也因為DVD-Dual以及DVD-Multi等複合式碟機的推出，逐漸擺脫了彼此無法相容的問題，此外DVD錄放影機也應運而生，可記錄約133分鐘經MPEG2編碼的影視信息或可寫入型DVD光碟機儲存之高密度資料10 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.藍光規格兩大勢力相繼崛起繼DVD之後世界主流廠商均以藍光HD-DVD為光儲存的研發重點，在2002年2月19日由9家國際主流電子巨頭（9C；Matsushita、Hitachi、Pioneer、Sharp、Philips、Tohomson、Samsung、LGE）共同發表的Blu-RayDisc規格，可讀寫23GB、25GB及27GB為主，起初目的是以RewirtableDisc為切入點以配合即將普及的HD-TV，所以沒有考慮相容性的問題，因此並未提交DVDForum進行討論。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC兩家公司共同發表了AOD（AdvancedOpticalDisc）讀寫容量為20GB，所提出的規格是較易與現有的DVD產品達到相容效果，也於DVDForum提出並與各會員公司進行規格之細步討論與制定，最後順利推出HD-DVD規格。11 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.qHD-DVDHighDefinitionDVD（HD-DVD）.HD-DVD碟片初步定為唯讀型及可複寫型兩種，唯讀型單面單層為15GB、單面雙層為30GB；單面雙層可複寫型20GB、單面雙層則為40GB。採用雷射波長為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碟規格，如（圖一）所示12 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第八回:CD|DVD|BD光學頭比較表.qHD-DVD表一:13 光學頭原理及結構第八回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.qHD-DVDDVD與HD-DVD的兼容性:因為NA值與現行DVD碟片接近且碟片結構與DVD相同，因此更容易與現行DVD光碟保持相容性，且可繼續使用現有DVD光碟的生產設備，便於擴大光碟和物鏡的距離，不需要光碟卡匣等，大大的降低從現有DVD過渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，為了控制由光碟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-RayDisc規格的0.1mm覆蓋層由於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 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.qHD-DVDDVD與HD-DVD的兼容性:HD-DVD記錄方式採用與DVD-RAM相同的land及溝槽記錄的方式提高記錄容量，Blu-RayDisc則是使用溝槽紀錄的方式。HD-DVD在碟片的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（TrackingErrorSignal），相較於一般溝槽記錄的規格比較，推挽（push-pull）方式跟軌誤差的S/N值大於10dB，之後即使要進一步縮小軌距也可方便地重新設計。15 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:16 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:BD碟片是由厚度為1.1mm的基盤與0.1mm厚度乾淨、無缺陷的覆蓋層為保護層組合形成的，所以當碟片有指紋、刮痕或是灰塵時對光碟的讀寫品質是有相當的影響，且縮短雷射波長及提高NA值，若以紅光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、hardcoating或是卡匣等等的保護，請參考（圖三）17 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:18 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:比較現有DVD與HD-DVD及BD碟片，不同碟片對於平坦度的影響，而碟片的容許傾角範圍與平坦度有相當的關係。平坦度正比於/（tNA3），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（）縮短至405nm，所以碟片容忍度約為DVD的一半。而BD因為NA值比DVD大1.42倍，導致光軸與光碟記錄面的容許傾角範圍縮小2.9倍，且波長縮短又使得容許傾角範圍縮小1.6倍，又容許傾角範圍與碟片覆蓋層厚度及NA的3次方成反比，因此基於傾角考量選取0.1mm的覆蓋層以減其厚度，以改善光碟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 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:20 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:碟片記錄容量受到NA值及雷射波長的影響，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採用limitequalizer，其架構較簡單，抑制ISI的效果有限，因為BD採用高NA且縮小最小pit的長度，所以本身ISI的現象相較於HD-DVD就不是很嚴重，但在實際應用上也可加入PRML技術，以提昇資料判斷的正確性。21 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:綜合上述，光碟片的發展由CD、DVD、一直到近期發展的藍光光碟片各個波長、NA值、記錄層的位置及顯微鏡觀察的歸納結果可參考（圖四）。碟片發展的趨勢是軌距及光點越來越小，記錄的資料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-RayDisc的規格比較表。22 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第八回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:23 光學頭原理及結構第八回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc更大的儲存容量:DVD-RW、HD-DVD及Blu-RayDisc的規格比較表。24 光學頭原理及結構第六回:CD|光學頭原理及結構第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.vBlu-RayDisc結論:HD-DVD規格相較於BD規格最大的優勢就在於能夠相容現行的DVD，使得碟片生產廠商由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碟片的覆蓋層只有0.1mm，防刮防污能力差，需要卡匣且生產製程較困難；而HD-DVD碟片雖然記錄容量較小，但防刮防污能力好，不需卡匣，因此生產製程較容易且成本較低。DVDForum為國際制訂DVD規格主導者，目前DVDForum成員亦針對藍光新規格彼此展開競爭。目前DVDForum的20家SteeringCommittee的成員分別支持兩種藍光光碟規格，形成HD-DVD（12家）與Blu-rayDisc（11家）分庭抗爭的局面，那一方會勝出還有待今年的持續觀察。25 光學頭原理及結構第六回:CD|