光學頭基本原理

2020-11-25 電子產品世界

光學頭基本原理

光學頭的基本光學系和光學部品的收差
光學頭是DVD系統的最大關鍵部件之一，它的基本原理圖如下

光學頭的原理圖

光學頭是由1.對物透鏡，2.準直透鏡，3. 偏光分光稜鏡，4.分光稜鏡，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（F-ACT）,10.尋軌控制伺服機構(T-ACT)等伺服機械控制部品，還有11.半導體雷射二極體，12.多分割光電二極體PD(photo diode)等光電部件構成的。
光學頭能夠讀出光碟上的信號的原理是從雷射二極體射出的發散P線性偏振雷射通過準直透鏡，成為平行光，再通過1/4波長片時，偏振方向旋轉45度，變為圓偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光碟的信息面，再反射回來（根據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45度，成為S線性偏振光，在偏光分光稜鏡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體上，根據各象限光量的大小，進行運算，對聚焦和尋軌伺服機構控制，使之讀出正確的信號，另一路信號系的光束由凸透鏡會聚到光電二極體，把光信號變為電信號。
要想把雷射聚焦成由波長決定的最小光束，必須把從LD發出的球面波的波面儘量無缺陷的傳到光碟的情報記錄面。也就是說，從LD發光開始到光碟為止，光學頭成像系各部品全體的RMS波面收差必須限制在0.07λ以下，不然不能把雷射光束聚焦為由幹涉極限決定的最小光束。構成光頭的各光學部品，光碟盤面，其中也包括對物透鏡設置時的調整誤差，以上這些合計的成像光學系全體的波面收差，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。光碟已經由光碟標準規定，(δω）DISK=0.05λ，一般對物透鏡的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全體(δω)MC小於0.07λ，對於其他的光學部品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光碟為止，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，Warechal Criteron給出我們如下公式；

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

下面具體DVD的數值帶入來試算一下。半導體雷射二極體雷射射出側有平面玻璃窗，此外由於半導體雷射器自身的特點，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。稜鏡，反射鏡等平面光學部品比較容易的以波面收差0.01～0.015λ製造出來。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，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於0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會變大，從信息面讀出數據錯誤頻度就會變高。由於以上的理由，準直透鏡的波面收差必須小於0.025，但球面單透鏡要想達到這個值非常困難，一般採用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對物透鏡射出的雷射光束，需要一直跟蹤光碟信息面上的軌道間距為0.74μm，最短凹坑長為0.4μm的軌跡，並正確讀出凹坑信息。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，雷射波長λ=650nm，對物透鏡的數值孔徑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，係數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，光束徑正比例於λ/NA，既要想提高光碟記錄密度，縮小光束徑，就需要使雷射短波長化，並且提高對物透鏡的NA。
還有對物透鏡的焦點深度△z正比例於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
光碟的傾斜引起的象差也會增加。對於焦點誤差的允許值的減少，就需要提高焦點控制精度，DVD為了減少光碟的傾斜引起的收差，光碟的厚度減為CD的一半0.6mm。

成像光學系

雷射二極體
一般LD發出的光為與PN結合面平行的線性偏振光，但短波長的LD中大多發出與PN結合面垂直的線性偏振光，DVD要求LD在光碟面上的能量為0.3mW左右，這就需要LD發出的雷射能量是3～5mW。

LD的射出角特性和準直透鏡
LD射出的雷射是發散光，從發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(far field pattern)，FFP垂直結合面方向寬，平行結合面方向窄，象下面圖示的一樣，是縱長的橢圓形。


LD垂直結合面的放射角和平行結合面的放射角分別是θ⊥，θ∥。根據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。

LD的噪音特性和高頻疊加
LD有單模發光和多模發光兩種雷射發振方式。單模發光的最大問題是從光碟反射回來的光進入雷射共振器，形成幹涉，成為噪音，影響SN,為了消除噪音，需要對驅動電流進行高頻疊加。而多模的LD抗幹擾能力強，不需要高頻疊加。

偏光分光稜鏡和1/4波長板的作用
雷射二極體射出的發散P線性偏振雷射通過準直透鏡，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45度，變為圓偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光碟的信息面，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45度，成為S線性偏振光，在偏光分光稜鏡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。

對物透鏡
DVD光頭要求對物透鏡一定要象差小，特性優良，能夠把光束聚焦到回折界限，也就是能夠補正各種收差，使點象的大小完全由回折界限來決定。一般使用非球面光學樹脂透鏡。

誤差檢出系
非點收差法
焦點誤差檢出方式一般採用非點收差法，非點收差法就是根據光碟反射面位置的變化，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把光信號轉變成電信號，前置放大，模擬運算，再經過相位補償，把信號輸入驅動放大器，驅動透鏡驅動線圈，完成聚焦和尋軌控制。

尋軌伺服機構的基本構成圖

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。
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