光學頭光學系的設計

DVD光學頭主要包括對物透鏡驅動系ACT(ACTUATOR)和光學系,對物透鏡驅動系有兩個功能,一個是把從半導體激光器發出的激光聚焦在光盤的信息面上,(即聚焦focusing),另一個是使光束在軌道上并追隨軌道(即尋軌tracking),因為聚焦是對于光盤的面振動,以1μm以下的誤差來追隨,設計聚焦伺服驅動線圈時,必須使驅動線圈的加速度超過光盤面振動的加速度.尋軌驅動線圈是以0.1μm以下的誤差對軌道進行追隨,設計中特別要注意的是防止對高頻的機械共振.
設計一般是以光盤的國際標準為目標值,要考慮到光盤的面振動,光學頭的裝配誤差,光學頭的移動誤差,主軸電機的軸振動,光盤的放置誤差等諸多因素.具體的結構,主要有軸轉動型,彈性線材支持型等.ACT的基本特性可以看成有彈簧的進退結構,驅動是由線圈和電磁回路構成.具體設計時,有PMESH、PMAG等計算機輔助設計軟件.
以下主要介紹DVD光學頭的光學系的設計.

成像光學系
成像光學系的設計，無非是滿足聚集后的光斑點足夠小，以便能準確讀出光盤上信息.光斑的直徑 ω=k×（λ/NA）,系數k與對物透鏡入射光強分布有關,光強分布越接近均一分布,k值越小.在相同數值孔徑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. 入射光強分布均一。
對于a，應力求使每個光學部品有最小的像差，對于b，因為從LD發出激光為發散光，經準直后，光強分布為高斯分布。如果只利用中心部的激光，可以較接近均一分布，但是對LD光能量的利用率低下，可能得不到到達盤面所要求的能量，因此要折中考慮這相矛盾的兩個要求，定出橫向對物透鏡利用光強分布百分比Rx（Rim intensity X），縱向利用光強分布百分比Ry（Rim intensity Y），這兩個條件是設計光學系的依據。

激光二極管LD（Laser Diode）
LD是光學頭中的發光器件，它發出光的特性決定了光頭的結構、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，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，因為溫度變化（升高）會使其發出激光波長發生漂移，在設計光頭時應盡量使其得到良好散熱。
b.偏光性
LD發生的激光，多為不完全的線性偏光,在設計PBS時要考慮線性偏光的方向性.
c.放射角及非點間隔
從LD半導體激光共振腔中發出的發散激光，從水平和垂直方向來看，并不是從同一點發出，水平發射點和垂直發射點之間的距離，稱為非點間隔，它使從LD發出的激光波面產生非點象差。
由于從LD放出激光為發散光，并且水平與垂直方向發散角不同分別為θ⊥和θ∥，整形透鏡和準直透鏡設計要以θ⊥和θ∥為依據。
d.發振方式和高頻疊加及RIN
相對噪音強度RIN是評價LD的一個重要指標，
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，驅動電流不需疊加高頻，對于單模方式發光LD，反射光對光信號影響很強，必須對驅動電流疊加高頻，一般約在500──700MHZ范圍內。
e.內藏光電二極管PD（photo diode）
LD內部為了使出射光能量保持一定，一般內藏光電二極管PD，做APC（auto power control）用。

準直透鏡
準直透鏡是把LD發出的發散光轉換成平行光,它由以下3個條件決定它的焦距f：
a. 對物透鏡縱向的光強分布Ry。
b. 對物透鏡直徑φ。
c. LD的垂直放射角θ⊥
由高斯光強分布公式:

可以計算出準直透鏡的焦距f。再由
a.準直透鏡的焦距f。
b.對物透鏡要求的光束直徑.
c.公式 光束直徑＝（對物透鏡直徑）＋（光盤偏心量）＋〔裕量〕
2f·NA=光束直徑
可以求出準直透鏡的數值孔徑NA.
3.1.3整形棱鏡
由于DVD使用的激光波長短，所以對光波面象差要求嚴，所以盡量使用LD發光的中間部分，即波面收差較小的部分，同時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），

根據以下4個條件，可以求出整形棱鏡的整形倍率m及頂角:
a.對物透鏡要求的橫向光強分布Rx.
b.對物透鏡的直徑φ。
c. LD縱向放射角θ∥。
d. 準直透鏡的焦距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P線性偏光全透過，S線性偏光全反射。

對物透鏡
對物透鏡的設計，必需依賴于光盤的厚度，如果光盤的厚度與設計值不符，將會產生球面像差，使聚集特性變壞，這也就是為什么用于光盤厚0.6mm的DVD用對物透鏡讀不出光盤厚1.2mm的CD光盤信號的理由。
由DVDbook規定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樹脂即可，而記錄型用功率較大，一般用多組光學玻璃透鏡組合而成，對成像系的各部品的像差一定要嚴格控制.

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

凸透鏡
凸透鏡焦點和圓柱面透鏡的焦點之間的距離稱為焦點間隔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是在設計焦點伺服誤差檢出系之前要確定的兩個值，是設計的依據.
β是凸透鏡焦點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，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形狀設計。
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m 、 s方向的光斑長度相同,即 b=b`,有如下關系:
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
在系統設計完成后，還必需討論系統的公差，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頭中某項要求指標所產生的影響,是否在許可范圍內.
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準是水平方向的Rim intensity變化在 ±1％以內，其中變化參數為：
1.光學玻璃屈折率的變化。
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。
首先從規格書、加工精度或調整精度中求出以上各項的變化量,再求出Rim intensity對應各項變化量的變化量,就可以根據公式
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
評價標準是非點距離在設計值的5％以內,光盤的檢出范圍也在設計值的5％以內。
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
評價標準是檢出范圍之內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。
公差可以對光學頭在物理上有一個定量的評價.
3.5光學頭的評價
光學頭的評價一般在物理上測量光斑的強度分布和大小,在電特性上測量FE、TE、Eye pattern和Jitter等..
以上主要是光學頭光路的設計，對于光路中各光學部品所附著的框體，在設計上也有一定的要求，例如平面精度，可調整性，散熱性,剛性，振動響應特性等。
光學頭根據使用的需要（例如如用于Disco man的小型光學頭，用于車載的抗惡劣環境的特殊光學頭，用于DVD－R，DVD－RAM的大功率的光學頭等），設計的側重點不同。但基本設計原理大體相同。
光學頭的組裝、調整也非常重要.在筐體設計中要考慮光學頭某些部品的可調整性,一般調整時采用用CCD攝像機監看的光學滑軸.某些時候為了測量波面相差,也要用到干涉儀.
DVD光學頭結合了半導體、激光、光學、控制、機械等幾個領域最新技術，是DVD光盤裝置中的最重要部件之一。