光學(xué)頭基本原理

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

光學(xué)頭的原理圖

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(photo diode)等光電部件構(gòu)成的。
光學(xué)頭能夠讀出光盤(pán)上的信號(hào)的原理是從激光二極管射出的發(fā)散P線(xiàn)性偏振激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡，成為平行光，再通過(guò)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(pán)的信息面，再反射回來(lái)（根據(jù)盤(pán)面的凸凹對(duì)光的反射不同），通過(guò)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(xiàn)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(guò)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)。
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(wú)缺陷的傳到光盤(pán)的情報(bào)記錄面。也就是說(shuō)，從LD發(fā)光開(kāi)始到光盤(pán)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(pán)盤(pán)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Warechal Criteron(δω)MC給出的允許最大波面收差0.07λ以下。光盤(pán)已經(jīng)由光盤(pán)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)部品的收差必須嚴(yán)格控制。從LD開(kāi)始到光盤(pán)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，Warechal Criteron給出我們?nèi)缦鹿?/B>；

(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(lái)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(lái)。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(mǎn)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(pán)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(chēng)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(pán)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(pán)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(pán)的傾斜引起的收差，光盤(pán)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(xiàn)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(xiàn)性偏振光，DVD要求LD在光盤(pán)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(kāi)一段觀測(cè)到的光束斷面強(qiáng)度分布，被稱(chēng)為遠(yuǎn)視野象FFP(far field pattern)，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(wèn)題是從光盤(pán)反射回來(lái)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(xiàn)性偏振激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡，成為平行光，無(wú)反射折射的通過(guò)PBS,.再通過(guò)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(pán)的信息面，攜帶信息再反射回來(lái)，通過(guò)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(xiàn)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?xún)?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(lái)決定。一般使用非球面光學(xué)樹(shù)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(pán)反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動(dòng)，通過(guò)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(guò)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(xiàn)圈，完成聚焦和尋軌控制。

尋軌伺服機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成圖

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變成電信號(hào)，前置放大，成為RF信號(hào)。