激光頭的原理與結(jié)構(gòu)

(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，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。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。但是準(zhǔn)直透鏡和對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(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變大，從信息面讀出數(shù)據(jù)錯誤頻度就會變高。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)到這個值非常困難，一般采用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對物透鏡射出的激光光束，需要一直跟蹤光盤信息面上的軌道間距為0.74μm，最短凹坑長為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為光束徑ω，激光波長λ=650nm，對物透鏡的數(shù)值孔徑NA=0.6,
ω=k×（λ/NA）
當(dāng)對物透鏡的入射光束的光強(qiáng)能量分布為均等分布時，系數(shù)k是0.96，光強(qiáng)能量分布為高斯分布時為1.34。從上式可以看出，光束徑正比例于λ/NA，既要想提高光盤記錄密度，縮小光束徑，就需要使激光短波長化，并且提高對物透鏡的NA。
還有對物透鏡的焦點深度△z正比例于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
光盤的傾斜引起的象差也會增加。對于焦點誤差的允許值的減少，就需要提高焦點控制精度，DVD為了減少光盤的傾斜引起的收差，光盤的厚度減為CD的一半0.6mm。
2.2.成像光學(xué)系
2.2.1.激光二極管
一般LD發(fā)出的光為與PN結(jié)合面平行的線性偏振光，但短波長的LD中大多發(fā)出與PN結(jié)合面垂直的線性偏振光，DVD要求LD在光盤面上的能量為0.3mW左右，這就需要LD發(fā)出的激光能量是3～5mW。
2.2.2.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)光點離開一段觀測到的光束斷面強(qiáng)度分布，被稱為遠(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的放射角和對物透鏡對光束強(qiáng)度的分布要求，確定準(zhǔn)直透鏡的焦點距離。
2.2.3.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)光的最大問題是從光盤反射回來的光進(jìn)入激光共振器，形成干涉，成為噪音，影響SN,為了消除噪音，需要對驅(qū)動電流進(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。
2.2.4.偏光分光棱鏡和1/4波長板的作用
激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過準(zhǔn)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(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光盤的信息面，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(zhuǎn)45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系，使入射光和帶有信號的反射光分離。
2.2.5.對物透鏡
DVD光頭要求對物透鏡一定要象差小，特性優(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，使點象的大小完全由回折界限來決定。一般使用非球面光學(xué)樹脂透鏡。
2.3誤差檢出系
非點收差法
焦點誤差檢出方式一般采用非點收差法，非點收差法就是根據(jù)光盤反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動，通過圓柱面透鏡對投影光形狀進(jìn)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(zhuǎn)變成電信號，前置放大，模擬運(yùn)算，再經(jīng)過相位補(bǔ)償，把信號輸入驅(qū)動放大器，驅(qū)動透鏡驅(qū)動線圈，完成聚焦和尋軌控制。

尋軌伺服機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成圖

2.4.信號系
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)入信號系，由PD變成電信號，前置放大，成為RF信號。

光學(xué)頭光學(xué)系的設(shè)計

a.PD的位置
PD的位置必須在聚焦時m 、 s方向的光斑長度相同,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用光，一般為30％和70％。信號用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光學(xué)頭中某項要求指標(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
整形棱鏡公差的評價標(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激光波長的變化（對屈折率有影響）。
3. 對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的變化量,再求出Rim intensity對應(yīng)各項變化量的變化量,就可以根據(jù)公式
σ=?(e12+ e22+…+en2)/(N-1)?-1/2
求出公差.en為某項變化引起Rim intensity變化的量，σ為Rim intensity的公差。
b·伺服系公差
評價標(biāo)準(zhǔn)是非點距離在設(shè)計值的5％以內(nèi),光盤的檢出范圍也在設(shè)計值的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
評價標(biāo)準(zhǔn)是檢出范圍之內(nèi)光束的移動量不超過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。
公差可以對光學(xué)頭在物理上有一個定量的評價.
3.5光學(xué)頭的評價
光學(xué)頭的評價一般在物理上測量光斑的強(qiáng)度分布和大小,在電特性上測量FE、TE、Eye pattern和Jitter等..
以上主要是光學(xué)頭光路的設(shè)計，對于光路中各光學(xué)部品所附著的框體，在設(shè)計上也有一定的要求，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)計的側(cè)重點不同。但基本設(shè)計原理大體相同。
光學(xué)頭的組裝、調(diào)整也非常重要.在筐體設(shè)計中要考慮光學(xué)頭某些部品的可調(diào)整性,一般調(diào)整時采用用CCD攝像機(jī)監(jiān)看的光學(xué)滑軸.某些時候為了測量波面相差,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)械等幾個領(lǐng)域最新技術(shù)，是DVD光盤裝置中的最重要部件之一。