光学头基本原理

光学头基本原理

光学头的基本光学系和光学部品的收差
光学头是DVD系统的最大关键部件之一，它的基本原理图如下

光学头的原理图

光学头是由1.对物透镜，2.准直透镜，3. 偏光分光棱镜，4.分光棱镜，5.反射镜，6.1/4波长板，7.焦点误差检出光学系，8.寻轨误差检出光学系等光学部品和光学系，9.焦点控制伺服机构（F-ACT）,10.寻轨控制伺服机构(T-ACT)等伺服机械控制部品，还有11.半导体激光二极管，12.多分割光电二极管PD(photo diode)等光电部件构成的。
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。
要想把激光聚焦成由波长决定的最小光束，必须把从LD发出的球面波的波面尽量无缺陷的传到光盘的情报记录面。也就是说，从LD发光开始到光盘为止，光学头成像系各部品全体的RMS波面收差必须限制在0.07λ以下，不然不能把激光光束聚焦为由干涉极限决定的最小光束。构成光头的各光学部品，光盘盘面，其中也包括对物透镜设置时的调整误差，以上这些合计的成像光学系全体的波面收差，必须限制在由Warechal Criteron(δω)MC给出的允许最大波面收差0.07λ以下。光盘已经由光盘标准规定，(δω）DISK=0.05λ，一般对物透镜的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全体(δω)MC小于0.07λ，对于其他的光学部品的收差必须严格控制。从LD开始到光盘为止，光头各光学部品的最大允许波面收差各用(δω）LD，(δω）CL，(δω）PBS，(δω）QWP，(δω）MR,(δω）OL表示，Warechal Criteron给出我们如下公式；

(δω)MC≤λ/14
(δω) 2MC=(δω）2LD+(δω）2CL+(δω）2PBS+(δω）2QWP
+(δω）2MR+(δω）2OL+(δω）2DISK

下面具体DVD的数值带入来试算一下。半导体激光二极管激光射出侧有平面玻璃窗，此外由于半导体激光器自身的特点，不可克服的有非点间隔，比理想波面要差，普通(δω）LD约为0.013λ。棱镜，反射镜等平面光学部品比较容易的以波面收差0.01～0.015λ制造出来。但是准直透镜和对物透镜等非平面光学部品，波面收差要想抑制在0.03λ之内，比较困难，分别定为准直透镜0.025λ和对物透镜0.035λ，这样根据式（2）得出全体(δω)MC的波面收差为0.0694λ，满足要求。即使对物透镜的波面收差被抑制在0.035以下，如果准直透镜的波面收差大于0.025，那样被聚焦光束的直径就会变大，从信息面读出数据错误频度就会变高。由于以上的理由，准直透镜的波面收差必须小于0.025，但球面单透镜要想达到这个值非常困难，一般采用球面玻璃组合透镜。
从DVD光头的对物透镜射出的激光光束，需要一直跟踪光盘信息面上的轨道间距为0.74μm，最短凹坑长为0.4μm的轨迹，并正确读出凹坑信息。光强为光束中心强度1/e2的位置的光束直径被称为光束径ω，激光波长λ=650nm，对物透镜的数值孔径NA=0.6,
ω=k×（λ/NA）
当对物透镜的入射光束的光强能量分布为均等分布时，系数k是0.96，光强能量分布为高斯分布时为1.34。从上式可以看出，光束径正比例于λ/NA，既要想提高光盘记录密度，缩小光束径，就需要使激光短波长化，并且提高对物透镜的NA。
还有对物透镜的焦点深度△z正比例于λ/NA的平方，DVD焦点深度与CD相比变窄56%，焦点误差的允许值变小。
△ z～λ/NA2
光盘的倾斜引起的象差也会增加。对于焦点误差的允许值的减少，就需要提高焦点控制精度，DVD为了减少光盘的倾斜引起的收差，光盘的厚度减为CD的一半0.6mm。

成像光学系

激光二极管
一般LD发出的光为与PN结合面平行的线性偏振光，但短波长的LD中大多发出与PN结合面垂直的线性偏振光，DVD要求LD在光盘面上的能量为0.3mW左右，这就需要LD发出的激光能量是3～5mW。

LD的射出角特性和准直透镜
LD射出的激光是发散光，从发光点离开一段观测到的光束断面强度分布，被称为远视野象FFP(far field pattern)，FFP垂直结合面方向宽，平行结合面方向窄，象下面图示的一样，是纵长的椭圆形。

LD垂直结合面的放射角和平行结合面的放射角分别是θ⊥，θ∥。根据LD的放射角和对物透镜对光束强度的分布要求，确定准直透镜的焦点距离。

LD的噪音特性和高频叠加
LD有单模发光和多模发光两种激光发振方式。单模发光的最大问题是从光盘反射回来的光进入激光共振器，形成干涉，成为噪音，影响SN,为了消除噪音，需要对驱动电流进行高频叠加。而多模的LD抗干扰能力强，不需要高频叠加。

偏光分光棱镜和1/4波长板的作用
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，无反射折射的通过PBS,.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，携带信息再反射回来，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，使入射光和带有信号的反射光分离。

对物透镜
DVD光头要求对物透镜一定要象差小，特性优良，能够把光束聚焦到回折界限，也就是能够补正各种收差，使点象的大小完全由回折界限来决定。一般使用非球面光学树脂透镜。

误差检出系
非点收差法
焦点误差检出方式一般采用非点收差法，非点收差法就是根据光盘反射面位置的变化，反射光的聚焦位置移动，通过圆柱面透镜对投影光形状进行变化，用4分割PD差动检出。

聚焦误差检出信号=（A+C）-(B+D)/(A+B+C+D)
寻轨误差检出信号=（A+B）-(C+D)/(A+B+C+D)
PD把光信号转变成电信号，前置放大，模拟运算，再经过相位补偿，把信号输入驱动放大器，驱动透镜驱动线圈，完成聚焦和寻轨控制。

寻轨伺服机构的基本构成图

信号系从PBS分离的含有信息的反射光，除一部分进入伺服机构的控制系，大部分进入信号系，由PD变成电信号，前置放大，成为RF信号。