光學(xué)頭光學(xué)系的設(shè)計(jì)

DVD光學(xué)頭主要包括對(duì)物透鏡驅(qū)動(dòng)系A(chǔ)CT(ACTUATOR)和光學(xué)系,對(duì)物透鏡驅(qū)動(dòng)系有兩個(gè)功能,一個(gè)是把從半導(dǎo)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(gè)是使光束在軌道上并追隨軌道(即尋軌tracking),因?yàn)榫劢故菍?duì)于光盤的面振動(dòng),以1μm以下的誤差來追隨,設(shè)計(jì)聚焦伺服驅(qū)動(dòng)線圈時(shí),必須使驅(qū)動(dòng)線圈的加速度超過光盤面振動(dòng)的加速度.尋軌驅(qū)動(dòng)線圈是以0.1μm以下的誤差對(duì)軌道進(jìn)行追隨,設(shè)計(jì)中特別要注意的是防止對(duì)高頻的機(jī)械共振.
設(shè)計(jì)一般是以光盤的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)值,要考慮到光盤的面振動(dòng),光學(xué)頭的裝配誤差,光學(xué)頭的移動(dòng)誤差,主軸電機(jī)的軸振動(dòng),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(dòng)型,彈性線材支持型等.ACT的基本特性可以看成有彈簧的進(jìn)退結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)是由線圈和電磁回路構(gòu)成.具體設(shè)計(jì)時(shí),有PMESH、PMAG等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件.
以下主要介紹DVD光學(xué)頭的光學(xué)系的設(shè)計(jì).

成像光學(xué)系
成像光學(xué)系的設(shè)計(jì)，無非是滿足聚集后的光斑點(diǎn)足夠小，以便能準(zhǔn)確讀出光盤上信息.光斑的直徑 ω=k×（λ/NA）,系數(shù)k與對(duì)物透鏡入射光強(qiáng)分布有關(guān),光強(qiáng)分布越接近均一分布,k值越小.在相同數(shù)值孔徑NA的條件下，若想得到最小聚集光斑，
a. 入射光波面收差小.
b. 入射光強(qiáng)分布均一。
對(duì)于a，應(yīng)力求使每個(gè)光學(xué)部品有最小的像差，對(duì)于b，因?yàn)閺腖D發(fā)出激光為發(fā)散光，經(jīng)準(zhǔn)直后，光強(qiáng)分布為高斯分布。如果只利用中心部的激光，可以較接近均一分布，但是對(duì)LD光能量的利用率低下，可能得不到到達(dá)盤面所要求的能量，因此要折中考慮這相矛盾的兩個(gè)要求，定出橫向?qū)ξ锿哥R利用光強(qiáng)分布百分比Rx（Rim intensity X），縱向利用光強(qiáng)分布百分比Ry（Rim intensity Y），這兩個(gè)條件是設(shè)計(jì)光學(xué)系的依據(jù)。

激光二極管LD（Laser Diode）
LD是光學(xué)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(shí)，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?yàn)闇囟茸兓ㄉ撸?huì)使其發(fā)出激光波長(zhǎng)發(fā)生漂移，在設(shè)計(jì)光頭時(shí)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(jì)PBS時(shí)要考慮線性偏光的方向性.
c.放射角及非點(diǎn)間隔
從LD半導(dǎo)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(diǎn)發(fā)出，水平發(fā)射點(diǎn)和垂直發(fā)射點(diǎn)之間的距離，稱為非點(diǎn)間隔，它使從LD發(fā)出的激光波面產(chǎn)生非點(diǎn)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(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)要以θ⊥和θ∥為依據(jù)。
d.發(fā)振方式和高頻疊加及RIN
相對(duì)噪音強(qiáng)度RIN是評(píng)價(jià)LD的一個(gè)重要指標(biāo)，
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(cè)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(qiáng)，驅(qū)動(dòng)電流不需疊加高頻，對(duì)于單模方式發(fā)光LD，反射光對(duì)光信號(hào)影響很強(qiáng)，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)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（photo diode）
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（auto power control）用。

準(zhǔn)直透鏡
準(zhǔn)直透鏡是把LD發(fā)出的發(fā)散光轉(zhuǎn)換成平行光,它由以下3個(gè)條件決定它的焦距f：
a. 對(duì)物透鏡縱向的光強(qiáng)分布Ry。
b. 對(duì)物透鏡直徑φ。
c. LD的垂直放射角θ⊥
由高斯光強(qiáng)分布公式:

可以計(jì)算出準(zhǔn)直透鏡的焦距f。再由
a.準(zhǔn)直透鏡的焦距f。
b.對(duì)物透鏡要求的光束直徑.
c.公式 光束直徑＝（對(duì)物透鏡直徑）＋（光盤偏心量）＋〔裕量〕
2f·NA=光束直徑
可以求出準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑NA.
3.1.3整形棱鏡
由于DVD使用的激光波長(zhǎng)短，所以對(duì)光波面象差要求嚴(yán)，所以盡量使用LD發(fā)光的中間部分，即波面收差較小的部分，同時(shí)還要考慮光能的利用效率。這樣就與一般的CD用光頭不同。需要整形棱鏡，它的作用是把橢圓形的平形光，變換成正圓形的平行光（如圖），

根據(jù)以下4個(gè)條件，可以求出整形棱鏡的整形倍率m及頂角:
a.對(duì)物透鏡要求的橫向光強(qiáng)分布Rx.
b.對(duì)物透鏡的直徑φ。
c. LD縱向放射角θ∥。
d. 準(zhǔn)直透鏡的焦距f。

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(duì)P線性偏光全透過，S線性偏光全反射。

對(duì)物透鏡
對(duì)物透鏡的設(shè)計(jì)，必需依賴于光盤的厚度，如果光盤的厚度與設(shè)計(jì)值不符，將會(huì)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(duì)物透鏡讀不出光盤厚1.2mm的CD光盤信號(hào)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(xué)樹脂即可，而記錄型用功率較大，一般用多組光學(xué)玻璃透鏡組合而成，對(duì)成像系的各部品的像差一定要嚴(yán)格控制.

伺服系
聚焦伺服（Forcs Svero）
FES聚焦伺服誤差信號(hào)（Forcs Error Single）的取得，有多種方式，例如非點(diǎn)象差法、刀刃法、雙刀刃法等，這里只采用光學(xué)系比較簡(jiǎn)單,應(yīng)用較廣的非點(diǎn)象差法。
自動(dòng)焦距AF（auto force）光學(xué)系配置如圖:

凸透鏡
凸透鏡焦點(diǎn)和圓柱面透鏡的焦點(diǎn)之間的距離稱為焦點(diǎn)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(jì)焦點(diǎn)伺服誤差檢出系之前要確定的兩個(gè)值，是設(shè)計(jì)的依據(jù).
β是凸透鏡焦點(diǎn)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。
3.2.1.2.圓柱型透鏡

對(duì)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(zhǎng)，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＋h n-1j n-1
hn= h n-1－en-1an
3. 2.2.光電二極管PD（Photo Diodo）的位置及PD形狀設(shè)計(jì)。
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(shí)m 、 s方向的光斑長(zhǎng)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(hào)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(hào)用光，一般為30％和70％。信號(hào)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＋h n-1j n-1
3.4 公差
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)光學(xué)頭中某項(xiàng)要求指標(biāo)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是水平方向的Rim intensity變化在 ±1％以內(nèi)，其中變化參數(shù)為：
1.光學(xué)玻璃屈折率的變化。
2.LD激光波長(zhǎng)的變化（對(duì)屈折率有影響）。
3. 對(duì)整形棱鏡入射角的變化。
4. 整形棱鏡頂角的變化。
5. 準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)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(xiàng)的變化量,再求出Rim intensity對(duì)應(yīng)各項(xiàng)變化量的變化量,就可以根據(jù)公式
σ=?(e12+ e22+…+en2)/(N-1)?-1/2
求出公差.en為某項(xiàng)變化引起Rim intensity變化的量，σ為Rim intensity的公差。
b·伺服系公差
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是非點(diǎn)距離在設(shè)計(jì)值的5％以內(nèi),光盤的檢出范圍也在設(shè)計(jì)值的5％以內(nèi)。
變化值為：
1. 凸透鏡第一面的曲率半徑誤差；
2. 凸透鏡第二面的曲率半徑誤差；
3. 圓柱型透鏡第一面的曲率半徑誤差；
4. 圓柱型透鏡第二面的曲率半徑誤差；
5. 凸透鏡和圓柱型透鏡之間距離。
3.4.2.AF系組裝公差
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是檢出范圍之內(nèi)光束的移動(dòng)量不超過PD的不感帶值。
變化參量：
1. 圓筒（誤差檢出系中凸透鏡和圓柱形透鏡在同一圓筒中）偏心。
2. 圓筒傾斜。
3. 凸透鏡偏心。
4. 凸透鏡傾斜.
5. 圓柱透鏡偏心。
6. 圓柱透鏡傾斜。
公差可以對(duì)光學(xué)頭在物理上有一個(gè)定量的評(píng)價(jià).
3.5光學(xué)頭的評(píng)價(jià)
光學(xué)頭的評(píng)價(jià)一般在物理上測(cè)量光斑的強(qiáng)度分布和大小,在電特性上測(cè)量FE、TE、Eye pattern和Jitter等..
以上主要是光學(xué)頭光路的設(shè)計(jì)，對(duì)于光路中各光學(xué)部品所附著的框體，在設(shè)計(jì)上也有一定的要求，例如平面精度，可調(diào)整性，散熱性,剛性，振動(dòng)響應(yīng)特性等。
光學(xué)頭根據(jù)使用的需要（例如如用于Disco man的小型光學(xué)頭，用于車載的抗惡劣環(huán)境的特殊光學(xué)頭，用于DVD－R，DVD－RAM的大功率的光學(xué)頭等），設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同。但基本設(shè)計(jì)原理大體相同。
光學(xué)頭的組裝、調(diào)整也非常重要.在筐體設(shè)計(jì)中要考慮光學(xué)頭某些部品的可調(diào)整性,一般調(diào)整時(shí)采用用CCD攝像機(jī)監(jiān)看的光學(xué)滑軸.某些時(shí)候?yàn)榱藴y(cè)量波面相差,也要用到干涉儀.
DVD光學(xué)頭結(jié)合了半導(dǎo)體、激光、光學(xué)、控制、機(jī)械等幾個(gè)領(lǐng)域最新技術(shù)，是DVD光盤裝置中的最重要部件之一。