DVD光学头的分类及基本原理

◇马建设
4．信道解调制/解码 信道编码/调制作用是实现信道匹配，即将经过 信源编码后的数字信号通过相应的算法转换成适合于 特定存储介质的物理表达形式，信道解调制/解码则 是其相反的过程。对于DVD模式，包括EFM-Plus解调/ RSPC纠错解码；对于CD模式，包括EFM解调/CIRC纠 错解码，通过信道解调制/解码输出符合音频和视频规 格的数据位流，进行下一阶段的信源解码。 5．信源解码 信源解码的作用是对信道解码后的MPEG-1和 MPEG-2数据流进行格式化解码和音频、视频解码，完 成音频和视频输出功能。其中解扰模块的作用是对加 密的数据进行解密，格式化解码的作用是对数据流按 照DVD或CD的逻辑要求进行预处理。 6．整机控制系统 整机控制系统的主要作用是协调系统各个模块动 作，并具有面板显示、按键控制等辅助功能。 上 述 的 各 个 模 块 除 DVD光 学 头 及 其 驱 动 装 置 之外，其他的模块均由专用集成电路完成，初期的 DVD光盘播放机整机控制板由四块专用芯片组成，即 前放芯片、伺服芯片、解码芯片和控制芯片，随着技 术的发展和降低成本的要求，目前芯片制造商已经推 出了集伺服、解码、控制功能于一体的芯片，不但使 主板布局大为简化，大大降低了生产成本，而且提高 了系统质量和可靠性。目前基于单芯片的DVD光盘播 放机已经成为市场主流产品。 DVD光学头能够实现盘片记录信息的读出、写入 及擦除等功能，是DVD系统的前端关键部件。从某种 程度上来说，读写光斑的尺寸是决定存储密度的关键 因素，因聚焦光斑尺寸受激光束衍射效应的限制，其 光斑(爱利斑)半径R可表示为：
(2) 式中，n表示盘基折射率，d表示盘片厚度差。可以看 出，随着数值孔径的增加，光程差将迅速增加从而使 读出信号的质量下降。
根据式(1)和式(2)，光盘系统的像差将随物镜数 值孔径和盘片厚度差的增大而增大，因此为了实现 DVD光学头兼容CD盘片，进行DVD光学头设计时必 须考虑物镜数值孔径和盘基厚度对系统像差的影响。
激光发生器，分别产生650nm、780nm波长的激光光 束，物镜按照NA=0.6设计，可以通过液晶光阑改变物 镜的有效数值孔径，以兼容DVD和CD，液晶光阑原理 如图7所示。
图5 采用刻环型物镜光学头光路原理图
2．全息型物镜 全息型物镜中心部分表面形成全息图，全息图由
27条同心圆沟产生，各圆沟的间距从数十到数百微 米，内疏外密呈锯齿状，称菲涅耳透镜。透镜外围部 分仍为一般透镜，是按NA=0.6设计的。读取光束通过 透镜被衍射成0次光、1次光等各次光，其中0次光通 过透镜外围部分聚焦于DVD信号层，用于DVD模式； 1次光透过菲涅耳透镜形成NA=0.45的等效口径，聚焦 于CD信号层，用于CD模式。其他各次衍射光的光量 甚小，可忽略不及。光束中入射光的60%为0次衍射 光，40%为1次衍射光，这正好适合读取DVD需要更强 的激光功率的要求。
(1)
式中λ表示激光波长，NA表示光学头物镜数值孔径。 CD光 盘 采 用 波 长 780nm的 红 外 激 光 ， 数 值 孔
径NA为0.45，道间距为1.6µm，最短信息坑长度为 0.8µm，容量为650MB。而DVD光盘，激光波长减小 至635/650nm，数值孔径增大到0.6，道间距0.74µm， 最短信息坑长度0.4µm，物理密度比CD提高了四倍以
图1为DVD光盘播放机的系统构成示意图，主要包 括信号读取系统、信道解码系统、信源解码系统、整 机控制系统四大部分。
图1 DVD播放系统组成方框图
1．DVD光学头及其驱动装置 主要包括DVD光学头、主轴电机、滑动电机、传 动系统及托盘机构等几大部分，其中光学头和主轴电 机、滑动电机等组成小机芯，小机芯和托盘机构等组 成大机芯。 2．前放系统 完成聚焦和循迹误差信号以及盘片读出高频信 号(HF)的提取、放大、滤波、均衡等功能，同时具备 DVD和CD激光器的恒定功率控制功能。 3．伺服系统 伺服系统实现光学头读/写光斑在光盘信息道的聚 焦、循迹和扫描功能。包括聚焦伺服系统、循迹伺服 系统、滑动伺服系统和主轴伺服系统；聚焦伺服系统 实现光斑的轴向定位控制，循迹伺服系统实现光斑的 近距离径向定位控制，滑动伺服系统实现光斑的长行 程径向定位控制，主轴伺服系统通过控制光盘的转速 实现光斑对光盘信道的恒线速或恒角速扫描。
二、双物镜型DVD光学头
1. 双激光器双物镜型 这 种 DVD光 学 头 采 用 两 个 完 全 独 立 的 DVD、
CD光学读取系统，机械装置可以根据盘片类型进 行DVD和CD两种模式光路系统的切换。图2为此类 DVD光学头的光路原理图。
图2 双激光器双物镜DVD光学头光路原理图
这种光学头读取信号质量较高，可以兼容DVD、 CD和CD-R等各类盘片，但由于结构较为复杂，尤其 机械转换装置比较复杂、体积较大、成本较高而且辨 识盘片的速度慢，因此作为第一代DVD光学头已经退 出了市场。 2. 单激光器双物镜型
根据不同用途，可以将DVD光学头分为只读光学 头、读/写光学头及读/写/擦光学头三类。根据光学 原理，也可以将DVD光学头分为双物镜和单物镜两大 类，其中双物镜型DVD光学头又可细分为双激光器双 物镜、单激光器双物镜等；单物镜型DVD光学头可以 细分为单激光器单波长单物镜、双激光器双波长单物 镜以及单激光器双波长单物镜等三种类型。下面将详 细介绍上述各类光学头的基本原理。
图9分别为两种校正方案。
在图8中，L 和L 为激光器的两个发光点，其中
1
2
L1为780nm，L2为650nm，介于激光器和物镜之间的
DOE(Diffractive Optical Element)为衍射透镜，z为虚拟
光源距离DOE的距离，且z与准直镜的后焦点一致，可
以推出两发光点间隔d以及发光点L1距离虚拟光源距离 a满足下式：
在这种方案中，由于780nm波长光束通过倾斜的 平板玻璃，将不可避免地产生像散，像散可以用波像 差系数表示，即：
(4) 式中：n1表示平板玻璃的折射率；t表示两个反射平面 间的距离；u表示是平板玻璃的倾斜角；M表示光学头 的光学放大倍率；NA表示物镜折合成CD部分的有效数 值孔径。
根据Strehl判据，只要设计中保证W ≤0.35λ，即可认 22
DVD信息面反射后因严重发散而无法被探测器检测 到，对读出信号不产生任何影响。物镜读CD时，穿过 B区的光线聚焦于1.2mm的CD层；穿过A区的光线因数 值孔径小，球差基本上是通过工作距离的改变而得以 补偿的；穿过C区的光线在CD信息面上也被发散，对 读出信号没有影响。以上的情况相当于A+B区为CD物 镜，A+C区为DVD物镜，就实现了“双焦点”。图5为采 用刻环型物镜的双激光器DVD光学头光路原理图。
为像点是完善的，从而可忽略像散对CD部分的影响。 图10为分别采用上述两种方案的DVD光学头的
光学系统原理图，从图中可以看出，通过光轴校正以 后，DVD和CD可以共用一套信号检出系统。采用单 激光器双波长的DVD光学头与采用双激光器光学头相
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图9 采用双反射面平行平板玻璃光轴校正原理
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DVD光学头的分类及基本原理
一、DVD光盘机的系统构成
DVD光盘机根据用途的不同可以分为DVD光盘驱 动器、DVD光盘播放机和DVD光盘录像机等。DVD光 盘驱动器用作计算机外部设备，对DVD或CD光盘进 行信息的读取/写入/擦除。光盘驱动器根据其使用的 DVD或CD光盘类型不同，分为只读、一次写及可擦写 三类光盘驱动器。DVD光盘播放机是只能回放DVDVideo、 DVD-Audio等 盘 片 格 式 的 数 字 家 电 产 品 。 DVD光盘录像机既可以是一次写的、也可以是可擦写 的，并具有播放机功能。
单激光器双物镜DVD光学头的典型光路系统如图 3所示，通过对数值孔径不同的两个物镜进行切换兼容 DVD和CD盘片。两个物镜连同双轴力矩器固定在中心 为转轴的支架上，在支架两端固定一对电极，在光轴 两侧固定两对磁极极性相反的永磁材料，通过切换转 架上电磁铁的极性实现物镜切换。这种方案的优点是 可以分别设计DVD和CD物镜，因此物镜设计、加工比 较容易；缺点是需要对物镜进行切换，力矩器结构比 较复杂，另外由于激光器采用的是DVD波长，因此对 于感光频带小的染料(如酞菁)难以感光，因此采用这种 方案的DVD光学头不能兼容具有很大市场容量的CDR和CD-R/W类盘片，目前这类DVD光学头已经基本退 出市场。
比，不仅简化了结构，还降低了成本，因此目前这种 结构的DVD只读光学头已经成为DVD播放机的市场主 流产品。
图10 采用双波长集成激光器的DVD光学头光路原理图
五、采用全息激光器DVD光学头
随着半导体技术发展和对光学头集成度的要求提 高，采用集成元器件取代分立光电器件逐渐在DVD或 CD光学头研制开发中得到了应用，因此夏普(Sharp)和 松下(Matsushita)等日本公司先后研制出了集成或部分 集成半导体激光器、光电探测器(PDIC)和全息光学元 件(HOE)的混合集成元件(OEIC)，以满足市场对光学头 小型化、高速度的要求。
双波长集成半导体激光器在单个基片上集成了两 个半导体激光器芯片，波长分别为650nm和780nm，用 于读取DVD和CD盘片。因双波长激光器的两个发光点
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不重合，因此光盘反射光束也不会聚焦在同一点上，
这给信号提取造成了困难，同时增加了光路系统处理
的复杂性，要采用适当的方法对光轴进行校正，图8和
采用上述方案的DVD光学头虽然可以通过全息光 学器件(HOE)改变读物镜的有效数值孔径来减小像差，
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图7 液晶光阑示意图
四、基于双波长集成半导体激光器DVD光学头
随着双波长集成半导体激光器研制成功并逐渐得 到应用，各大公司相继开发了基于双波长集成激光器 的DVD光学头。
(3)
式中λ1和λ2分别为650nm和780nm波长。
图8 采用衍射透镜方式光轴校正原理示意图
在图9中平板玻璃与光轴成45°夹角，反射面1对 于650nm波长的光部分反射，对于780nm波长的光全 部透射，反射面2对于780nm波长的光部分反射，对于 650nm的光全部透射。选择部分反射的原因是利用平 板玻璃作为像散元件提取伺服信号，同时通过调节两 个反射面之间的间距保证两个波长的反射光轴重合， 从而保证DVD和CD光路的统一。
图3 单激光器双物镜DVD光学头光路原理图
三、单物镜型Dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱD光学头
这种类型的DVD光学头主要通过对读出物镜进行 特殊设计，以实现DVD和CD的兼容，DVD和CD兼容 物镜主要包括刻环型、全息型、液晶光闸型、折衍混 合型、环区遮掩型等。与双物镜类型DVD光学头相 比，单物镜型DVD光学头不但降低了成本，而且简化 了结构和生产调整工艺，目前已经占据了市场主流。 1．刻环型物镜
但物镜结构比较复杂，同时对物镜的设计及加工要求 较高。图6为采用全息物镜的单激光器单波长DVD光学 头光路原理图，因为只采用了650nm波长激光器，同 样存在着对CD-R及CD-R/W盘片的读取问题。
图4 刻环型物镜原理图
图6 采用全息物镜的DVD光学头光路原理图
3．液晶光阑系统 液晶光阑系统是在一个激光头内安装二个不同的
该物镜实现双焦点的原理如图4所示。物镜入射 光表面被分割成中心近轴区A、环形修正区B和外环 区C，其中A、C两个区域针对DVD优化设计，而B区 则针对CD优化设计。物镜读DVD时，穿过A、C两 区的光线聚焦于0.6mm的DVD层；穿过B区的光线被
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上，实现了单面单层4.7GB的存储容量。 蓝光技术仍旧沿着这一传统技术路线发展，进一
步缩短激光波长和增大数值孔径。继蓝光技术之后， 采用传统方法提高光存储容量将变得非常困难，一方 面由于激光器本身的研制及制造工艺比较困难，而且 当波长缩短到紫外波段时，塑料盘基对激光的传输性 能减弱，从而给光盘的制造带来较大困难。另一方 面，高数值孔径将增加非球面物镜制作工艺的复杂 度。根据像差分析，即使在物镜校正了像差的情况 下，盘片厚度的变化也将引起光程变化，这一变化可 用球差表示为：