光頭工作原理課件

一、機芯結(jié)構(gòu)爆炸圖：與機芯連接的相關(guān)馬達控制線路：

1.SP-、SP+：為主軸馬達信號線。當兩線之間的電壓為0V時馬達不運轉(zhuǎn)，只有的兩線之間的電壓達到馬達規(guī)格電壓時馬達運轉(zhuǎn)正常。主軸馬達與夾碟器固定在一起，夾碟器帶動碟片順時針運轉(zhuǎn)。2.SL-、SL+、LIMIT：為進給馬達信號線（SL-、SL+）及進給限位信號線（LIMIT）。進給馬達通過連接的齒輪帶動激光頭水平移動。碟機每次開機后必須將光頭移到最里面再進行碟片檢測，當光頭移到最里面時光頭壓迫進給限位開關(guān)，將LIMIT線與地短路，CPU檢測到LIMIT為低電平時。執(zhí)行出倉到位的命令-停止進給。3.LOAD-、LOAD+、TRIN、GND、TROUT：進出倉馬達信號線（LOAD-、LOAD+）及進倉/出倉限位線（TRIN、TROUT）。當托盤倉到最外面時倉門壓迫出倉限為開關(guān)，導致TRIN線與地短路，CPU檢測到TRIN為低電平時。執(zhí)行出倉到位的命令-停止出倉。進倉動作與出倉程序相同。CD/VCD信息面的聚焦點，而透鏡中間部分的激光束聚焦在DVD的信息面上。因只有一個透鏡，因此讀取數(shù)據(jù)時不涉及到更換鏡頭，不占用時間，讀片速度快，成本較低，機械結(jié)構(gòu)也相對簡單，但此種激光頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，且讀碟過程中，因?qū)γ恳环N碟片來說只利用了透鏡表面上的部分光束，因此讀片精度較差，且給光頭帶來巨大負擔。目前這種讀取方案主要在Panasonic公司廣泛應(yīng)用。

2、單光頭雙聚焦鏡使用兩個焦距不同的鏡片，但共用一個激光發(fā)射器和接收器（即：共用一個激光頭），通過切換透鏡來獲得不同焦深以實現(xiàn)分別讀取CD/VCD和DVD的目的，其讀取信號質(zhì)量較高，但在讀碟時涉及到光頭的機械切換過程，因此占用讀碟時間，讀碟速度較慢，噪聲大，且在精密的激光頭內(nèi)部容易產(chǎn)生機械故障，成本也相對較高。啟動速度較慢、尋道時間長、光頭一物兩用損耗較大。目前，TOSHIBA、安橋公司在自己的DVD產(chǎn)品上采用了這項技術(shù)。

3、雙光頭雙聚透鏡即采取兩套完全獨立的光頭，擁有兩套不同焦距的透鏡，采用各司其職的信號拾取系統(tǒng)分別讀取CD/VCD和DVD。因此讀碟性能較好，另一大優(yōu)點就是能兼容CD-R和CD-RW。因CD-R和CD-RW的數(shù)據(jù)反射面料由氰蘭染料制成，對780nm的激光束反射能力很強，而對于645nm的短波長激光束，幾乎會全部吸收，而只有645nm激光束的單光頭DVD是無法兼容CD-R和CD-RW等可記錄的CD盤片。但因采取雙光頭，因此成本最高，且其伺服機構(gòu)在讀盤時有一個雙光頭的切換過程，占有時間，讀盤速度慢，機械系統(tǒng)復雜，容易出現(xiàn)機械切換故障。目前，Sony及日立公司均采用這種光頭技術(shù)。對于光學頭來講，它特有的技術(shù)有如下幾個：

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。

b.使用半導體激光二極管，使用數(shù)值孔徑NA為0.6的對物透鏡，把激光束聚焦為由波長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帶來的對物透鏡的焦點位置在光盤信息記錄面的位置變化，還有光盤回轉(zhuǎn)時光盤面上下振動也會引起焦點位置變化，為了對焦點位置變化進行自動補正，必須把能夠以精度為正負1μm對焦點位置控制的誤差檢出機能和控制用的伺服機構(gòu)內(nèi)藏在光學頭里。

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(gòu)內(nèi)藏在光學頭里。

在這里對于光盤裝置系統(tǒng)，能滿足以上要求的光學頭的基本光學系統(tǒng)，對物透鏡OL(objectlens)，作為光源的半導體激光二極管LD(laserdiode),準直透鏡CL,和其他一些光學頭用的光學部品的原理及設(shè)計進行說明。2.光學頭基本原理

2.1.光學頭的基本光學系和光學部品的收差

光學頭是DVD系統(tǒng)的最大關(guān)鍵部件之一，它的基本原理圖如下：光學頭是由1.對物透鏡，2.準直透鏡，3.偏光分光棱鏡，4.分光棱鏡，5.反射鏡，6.1/4波長板，7.焦點誤差檢出光學系，8.尋軌誤差檢出光學系等光學部品和光學系，9.焦點控制伺服機構(gòu)（F-ACT）,10.尋軌控制伺服機構(gòu)(T-ACT)等伺服機械控制部品，還有11.半導體激光二極管，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(zhuǎn)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(jù)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(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，進行運算，對聚焦和尋軌伺服機構(gòu)控制，光盤已經(jīng)由光盤標準規(guī)定，(δω）DISK=0.05λ，一般對物透鏡的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全體(δω)MC小于0.07λ，對于其他的光學部品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光盤為止，光頭各光學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?/p>

(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。半導體激光二極管激光射出側(cè)有平面玻璃窗，此外由于半導體激光器自身的特點，不可克服的有非點間隔，比理想波面要差，普通(δω）LD約為0.013λ。棱鏡，反射鏡等平面光學部品比較容易的以波面收差0.01～0.015λ制造出來。但是準直透鏡和對物透鏡等非平面光學部品，波面收差要想抑制在0.03λ之內(nèi)，比較困難，分別定為準直透鏡0.025λ和對物透鏡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。即使對物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下，如果準直透鏡的波面收差大于0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會變大，從信息面讀出數(shù)據(jù)錯誤頻度就會變高。由于以上的理由，準直透鏡的波面收差必須小于0.025，但球面單透鏡要想達到這個值非常困難，一般采用球面玻璃組合透鏡。

從DVD光頭的對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，最短凹坑長為0.4μm的軌跡，并正確讀出凹坑信息。光強為光束中心強度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω，激光波長λ=650nm，對物透鏡的數(shù)值孔徑NA=0.6,

ω=k×（λ/NA）

當對物透鏡的入射光束的光強能量分布為均等分布時，系數(shù)k是0.96，光強能量分布為高斯分布時為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化，并且提高對物透鏡的NA。

還有對物透鏡的焦點深度△z正比例于λ/NA的平方，DVD焦點深度與CD相比變窄56%，焦點誤差的允許值變小。

△z～λ/NA2

光盤的傾斜引起的象差也會增加。對于焦點誤差的允許值的減少，就需要提高焦點控制精度，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。

2.2.2.LD的射出角特性和準直透鏡LD射出的激光是發(fā)散光，從發(fā)光點離開一段觀測到的光束斷面強度分布，被稱為遠視野象FFP(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的放射角和對物透鏡對光束強度的分布要求，確定準直透鏡的焦點距離。2.2.3.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，需要對驅(qū)動電流進行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強，不需要高頻疊加。2.2.4.偏光分光棱鏡和1/4波長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直透鏡，成為平行光，無反射折射的通過PBS,.再通過1/4波長片時，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波長片時，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系，使入射光和帶有信號的反射光分離。2.3誤差檢出系

非點收差法

焦點誤差檢出方式一般采用非點收差法，非點收差法就是根據(jù)光盤反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動，通過圓柱面透鏡對投影光形狀進行變化，用4分割PD差動檢出。

聚焦誤差檢出信號=（A+C）-(B+D)/(A+B+C+D)

尋軌誤差檢出信號=（A+B）-(C+D)/(A+B+C+D)

PD把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，前置放大，模擬運算，再經(jīng)過相位補償，把信號輸入驅(qū)動放大器，驅(qū)動透鏡驅(qū)動線圈，完成聚焦和尋軌控制2.4.信號系

從PBS分離的含有信息的反射光，除一部分進入伺服機構(gòu)的控制系，大部分進入信號系，由PD變成電信號，前置放大，成為RF信號。3光學頭光學系的設(shè)計

DVD光學頭主要包括對物透鏡驅(qū)動系A(chǔ)CT(ACTUATOR)和光學系,對物透鏡驅(qū)動系有兩個功能,一個是把從半導體激光器發(fā)出的激光聚焦在光盤的信息面上,(即聚焦focusing),另一個是使光束在軌道上并追隨軌道(即尋軌tracking),因為聚焦是對于光盤的面振動,以1μm以下的誤差來追隨,設(shè)計聚焦伺服驅(qū)動線圈時,必須使驅(qū)動線圈的加速度超過光盤面振動的加速度.尋軌驅(qū)動線圈是以0.1μm以下的誤差對軌道進行追隨,設(shè)計中特別要注意的是防止對高頻的機械共振.

設(shè)計一般是以光盤的國際標準為目標值,要考慮到光盤的面振動,光學頭的裝配誤差,光學頭的移動誤差,主軸電機的軸振動,光盤的放置誤差等諸多因素.具體的結(jié)構(gòu),主要有軸轉(zhuǎn)動型,彈性線材支持型等.ACT的基本特性可以看成有彈簧的進退結(jié)構(gòu),驅(qū)動是由線圈和電磁回路構(gòu)成.具體設(shè)計時,有PMESH、PMAG等計算機輔助設(shè)計軟件.3.1.1激光二極管LD（LaserDiode）

LD是光學頭中的發(fā)光器件，它發(fā)出光的特性決定了光頭的結(jié)構(gòu)、特性。

a.基本特性

只讀型DVD光頭用LD一般＝635nm或650nm，它的激光共振閾值電流一般為40mA左右，工作電流（即LD出射激光能量約3mW時，為50mA左右，各制造商極力減少其工作電流，以使其工作在較低溫度下，因為溫度變化（升高）會使其發(fā)出激光波長發(fā)生漂移，在設(shè)計光頭時應(yīng)盡量使其得到良好散熱。

b.偏光性

LD發(fā)生的激光，多為不完全的線性偏光,在設(shè)計PBS時要考慮線性偏光的方向性.

c.放射角及非點間隔

從LD半導體激光共振腔中發(fā)出的發(fā)散激光，從水平和垂直方向來看，并不是從同一點發(fā)出，水平發(fā)射點和垂直發(fā)射點之間的距離，稱為非點間隔，它使從LD發(fā)出的激光波面產(chǎn)生非點象差。

由于從LD放出激光為發(fā)散光，并且水平與垂直方向發(fā)散角不同分別為θ⊥和θ∥，整形透鏡和準直透鏡設(shè)計要以θ⊥和θ∥為依據(jù)。

d.發(fā)振方式和高頻疊加及RIN

相對噪音強度RIN是評價LD的一個重要指標，

RIN=(△P/P)2/△f(單位Hz-1)

其中△P是LD射出光的交流成分，P是直流成分，△f是測量的頻帶寬度。

多模方式的LD一般RIN較低，但抗反射光干擾能力強，驅(qū)動電流不需疊加高頻，對于單模方式發(fā)光LD，反射光對光信號影響很強，必須對驅(qū)動電流疊加高頻，一般約在500──700MHZ范圍內(nèi)。

e.內(nèi)藏光電二極管PD（photodiode）

LD內(nèi)部為了使出射光能量保持一定，一般內(nèi)藏光電二極管PD，做APC（autopowercontrol）用。

3.1.4偏光分光棱鏡PBS

偏光分光棱鏡的作用。是把從LD的出射光和從光盤的反射光分離，一是以便使反射光不回到LD的激光的共振腔，使出射激光不產(chǎn)生噪音，二是使反射回來的帶有信息的反射激光束可以有最小的損失，首先使Q面濾掉入射光A的P線性偏光以外的成份，使之成為純粹的P線性偏光，此外還必須使Q面對P線性偏光全透過，S線性偏光全反射。

3.1.5對物透鏡

對物透鏡的設(shè)計，必需依賴于光盤的厚度，如果光盤的厚度與設(shè)計值不符，將會產(chǎn)生球面像差，使聚集特性變壞，這也就是為什么用于光盤厚0.6mm的DVD用對物透鏡讀不出光盤厚1.2mm的CD光盤信號的理由。

由DVDbook規(guī)定NA＝0.6，半徑一般R＝2mm

fobj=2R/2NA=3.33(mm)

一般只讀型用功率較小，使用注塑非球面光學樹脂即可，而記錄型用功率較大，一般用多組光學玻璃透鏡組合而成，對成像系的各部品的像差一定要嚴格控制.

3.2伺服系3.2.1聚焦伺服（ForcsSvero）FES聚焦伺服誤差信號（ForcsErrorSingle）的取得，有多種方式，例如非點象差法、刀刃法、雙刀刃法等，這里只采用光學系比較簡單,應(yīng)用較廣的非點象差法凸透鏡

凸透鏡焦點和圓柱面透鏡的焦點之間的距離稱為焦點間隔D，光盤上的檢出范圍是△dsk，檢出范圍越大，敏感度越低，但伺服越不易脫軌，反之檢出范圍越小，敏感度越高，但伺服易脫軌，D和△dsk是在設(shè)計焦點伺服誤差檢出系之前要確定的兩個值，是設(shè)計的依據(jù).

β是凸透鏡焦點和圓柱面透鏡兩透鏡之間的橫倍率，有如下公式：

2β2＝D/△dsk

FAF=βfobj

這樣就可以求出凸透鏡的焦距FAF。

圓柱型透鏡對于入射光A，m方向的光在S方向的光距離D之前相交于光軸，這樣可以求出圓柱透鏡的j（power）.

其中凸透鏡的屈光率為n1，厚為d1，圓柱透鏡屈光率為n2厚為d3兩透鏡距離為e2，j為透鏡之Power，入為波長，其它如上圖所示，由以下公式可以求出圓柱透鏡的曲率半徑:

j=1/F

e=nd

an=an-1＋hn-1jn-1

hn=hn-1－en-1an

3.2.2.光電二極管PD（PhotoDiodo）的位置及PD形狀設(shè)計。

PD附近的光路圖及PD的位置如下圖(a為入射光高,F1是AF系凸透鏡的焦距,F2是圓柱面透鏡焦距,x是PD的位置):

a.PD的位置

PD的位置必須在聚焦時m、s方向的光斑長度相同,即b=b`,有如下關(guān)系:

a/b=F1/(d-x)

a/b`=F2/x

可求出PD的位置.

b.PD的尺寸

普通CD用4分割PD之間間隔一般是10mm，但DVD為提高精度一般為5mm。由以上圖中的關(guān)系，可以容易的求出所需PD的大小3.3.信號取出系

從光盤面返回的帶有信息的反射光，首先在PBS處全反射，然后在分光棱鏡處分為伺服用光和信號用光，一般為30％和70％。信號用PD前的聚光透鏡，可以很容易的由以下公式求出。

j=1/F

a=an-1＋hn-1jn-1

3.4公差

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，還必需討論系統(tǒng)的公差，其中包括各部品的加工誤差和組裝誤差。其中要討論的是各加工誤差或組裝誤差對光學頭中某項要求指標所產(chǎn)生的影響,是否在許可范圍內(nèi).3.4.1.各部品的加工誤差

a·整形棱鏡的公差

整形棱鏡公差的評價標準是水平方向的Rimintensity變化在±1％以內(nèi)，其中變化參數(shù)為：

1.光學玻璃屈折率的變化。

2.LD激光波長的變化（對屈折率有影響）。

3.對整形棱鏡入射角的變化。

4.整形棱鏡頂角的變化。

5.準直透鏡焦點距離的變化。

6.LD出射光放射角的變化。

首先從規(guī)格書、加工精度或調(diào)整精度中求出以上各項的變化量,再求出Rimintensity對應(yīng)各項變化量的變化量,就可以根據(jù)公