光學(xué)頭基本原理及結(jié)構(gòu).ppt

1,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),內(nèi)容綱要: . 第一回: 前 言 第二回: 光學(xué)頭原器件介紹. 第三回: 光學(xué)頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 第四回: 光學(xué)頭工作原理. 第五回: 光學(xué)頭技術(shù)發(fā)展趨勢. 第六回: CD |DVD |BD光學(xué)頭比較表.,2,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第一回: 前 言. 自從1982年直徑12cm的數(shù)字音頻光盤CD問世 以來，數(shù)字視頻光盤DVD（digital video disk） 一直是新一代光盤的一個夢想. 光存儲以其容量大、壽命長、成本低、復(fù)制速 度快等顯著優(yōu)點已經(jīng)成為現(xiàn)代社會信息存儲的 重要手段之一 DVD類產(chǎn)品更是新一代數(shù)字視聽技術(shù)和數(shù)字化 信息存儲設(shè)備的典型代表和潮流。它已經(jīng)廣泛 應(yīng)用于廣播、電視、數(shù)據(jù)處理、文字/圖像貯 存、社會文化活動和家庭娛樂等領(lǐng)域。,3,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第一回: 前 言. 其讀寫關(guān)鍵技術(shù)的DVD光學(xué)頭，主要功能是信號的 記錄和讀出，是利用聚焦的激光束來完成的. 激光頭是從光盤上拾取信息的執(zhí)行部件。光學(xué)頭 通過讀取光束聚焦于信號面上,并正確跟蹤掃描 軌跡,同時將反射回來的光信號變成電信號,從而 讀出信息. 因此,光學(xué)頭能否在某些光盤上讀取信息,取 決于光學(xué)頭的技術(shù)性和盤片的物理結(jié)果是否匹配。 DVD盤片物理結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)決定了DVD光學(xué)頭的結(jié) 構(gòu)和功能.,4,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第二回: 光學(xué)頭原器件. 光學(xué)頭均由兩部分組成：一部分為物鏡機(jī)構(gòu)，俗稱光學(xué)頭；另一部分是將其余各鏡片、激光發(fā)射二極管和光敏接收器安裝在同一個腔體內(nèi)，俗稱激光槍。 光學(xué)頭安裝在激光槍上面，通過螺釘聯(lián)成一個整體，構(gòu)成激光頭組件。激光頭由激光產(chǎn)生（發(fā)射）系統(tǒng)、激光傳播系統(tǒng)（光路或激光槍）和光接收系統(tǒng)等部分構(gòu)成（如圖1所示）。,5,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第二回:光學(xué)頭各原器件功能. 雷射二極體: 提供讀取頭光源 光束整型器: 將雷射光束由橢圓整形為接近圓形 繞 射光 柵: 產(chǎn)生所需的繞射光束 準(zhǔn)直透鏡: 將雷射二極體所發(fā)出的光整平為平行光 偏光分光鏡: 可將不同偏極化光分離 波 長 板: 將線性偏極化光轉(zhuǎn)為圓偏極化光 物 鏡: 將雷射光聚焦在光碟片資料層上 光偵 測器: 將光訊號轉(zhuǎn)為電訊號,6,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第三回: 光學(xué)頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu).,下,此處的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示 意圖是指光學(xué)部分, 並沒有包括聚焦與 巡跡的部分. 結(jié)構(gòu)示意讓各位了 解光學(xué)頭內(nèi)部的機(jī) 制.,激光二 極體,物鏡,準(zhǔn)直透鏡,衍射光柵,分光錂鏡,準(zhǔn)直聚束透鏡,檢光發(fā)生器,7,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第四回: 光學(xué)頭工作原理.,6-1: 光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)之激光對碟片工作示意.,通過利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿過0.6mm的透明塑料層，從凹(Pit)凸(Land)信息面取出信號.參考圖1.,8,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第四回: 光學(xué)頭工作原理.,6-4: 光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)之巡軌示意.,巡軌作用: 光盤的形狀中心和光盤的回轉(zhuǎn)中心之間的偏心補正，還有對于在軌道間距為0.74m的軌道上，精度正負(fù)0.1m控制激光束對軌道的追跡控制用誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里頭.,9,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第四回: 光學(xué)頭工作原理.,6-5: 光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)之讀出碟片信息原理.,光學(xué)頭能夠讀出光盤上的信號的原理是: 從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，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，再反射 回來（根據(jù)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(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，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 二極管上，根據(jù)各象限光量的大小，進(jìn)行運算，對聚焦和尋軌伺 服機(jī)構(gòu)控制，使之讀出正確的信號，另一路信號系的光束由凸透 鏡會聚到光電二極管，把光信號變?yōu)殡娦盘枴?10,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第五回:光學(xué)頭技術(shù)發(fā)展趨勢.,摘要: 為了實現(xiàn)高密度存儲，DVD盤片使用波長為650/635nm的激光 且物NA應(yīng)大于0.6。而CD則使用780nm的激光且數(shù)值孔徑約為0.4。為了能與CD類光盤兼容，DVD播放器/驅(qū)動器中除了要有完成CD類盤片的解碼電路外，其光學(xué)頭也需能同時讀取CD盤片. 概述: 根據(jù)DVD標(biāo)準(zhǔn)，DVD盤片的盤基厚度為0.6mm，而傳統(tǒng)CD盤片的盤基厚度為1.2mm。由于DVD與CD盤盤基厚度及存儲密度上存在差異，對二者的兼容讀出帶來了一定的問題。因此除擁有CD的解碼器外，在設(shè)計DVD光學(xué)頭時必須考慮到讀取現(xiàn)有CD的能力。為了解決光學(xué)頭的兼容問題，在DVD光學(xué)頭設(shè)計上產(chǎn)生出多種方案，如兩套獨立讀出系統(tǒng)、全息物鏡、液晶光闌、雙物鏡等，接下來將對照比較.,11,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,光碟儲存技術(shù)由CD發(fā)展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB約為67倍，且DVD播放機(jī)已進(jìn)入家庭成為家庭影院的重要成員，光儲存技術(shù)的日新月異已大量散播影音娛樂到各個家庭。隨後出現(xiàn)可寫入型DVD碟片，規(guī)格區(qū)分為由DVD Forum支持的DVDR/RW與DVDRW Alliance推動的DVDR/RW兩種，直到目前兩規(guī)格還尚未統(tǒng)一，但也因為DVD-Dual以及DVD-Multi等複合式碟機(jī)的推出，逐漸擺脫了彼此無法相容的問題，此外DVD錄放影機(jī)也應(yīng)運而生，可記錄約133分鐘經(jīng)MPEG2編碼的影視信息或可寫入型DVD光碟機(jī)儲存之高密度資料,12,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,藍(lán)光規(guī)格兩大勢力相繼崛起 繼DVD之後世界主流廠商均以藍(lán)光HD-DVD為光儲存的研發(fā)重點，在2002年2月19日由9家國際主流電子巨頭（9C；Matsushita、Hitachi、Pioneer、Sharp、Philips、Tohomson、Samsung、LGE）共同發(fā)表的Blu-Ray Disc規(guī)格，可讀寫23GB、25GB及27GB為主，起初目的是以Rewirtable Disc為切入點以配合即將普及的HD-TV，所以沒有考慮相容性的問題，因此並未提交DVD Forum進(jìn)行討論。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC兩家公司共同發(fā)表了AOD（Advanced Optical Disc）讀寫容量為20GB，所提出的規(guī)格是較易與現(xiàn)有的DVD產(chǎn)品達(dá)到相容效果，也於DVD Forum提出並與各會員公司進(jìn)行規(guī)格之細(xì)步討論與制定，最後順利推出HD-DVD規(guī)格。,13,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD High Definition DVD（HD-DVD） . HD-DVD碟片初步定為唯讀型及可複寫型兩種，唯讀型單面單層為15GB、單面雙層為30GB；單面雙層可複寫型20GB、單面雙層則為40GB。採用雷射波長為405nm的藍(lán)光及透鏡數(shù)值孔鏡值（NA）為0.65的物鏡來記錄和播放由2張厚度為0.6mm的盤片底板粘貼而成的光碟規(guī)格，如（圖一）所示,14,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第八回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD 表一:,15,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: 因為NA值與現(xiàn)行DVD碟片接近且碟片結(jié)構(gòu)與DVD相同，因此更容易與現(xiàn)行DVD光碟保持相容性，且可繼續(xù)使用現(xiàn)有DVD光碟的生產(chǎn)設(shè)備，便於擴(kuò)大光碟和物鏡的距離，不需要光碟卡匣等，大大的降低從現(xiàn)有DVD過渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，為了控制由光碟彎曲和扭曲造成的傾斜角，就必需要有傾斜補償伺服裝置；而Blu-Ray Disc規(guī)格的0.1mm覆蓋層由於對傾斜角的容許量較大，因此不需要傾斜補償伺服。但因為0.1mm規(guī)格的覆蓋層容易出現(xiàn)由厚度誤差引起的球面相差，因此就必須對物鏡加入補償裝置。,16,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: HD-DVD記錄方式採用與DVD-RAM相同的land及溝槽記錄的方式提高記錄容量，Blu-Ray Disc則是使用溝槽紀(jì)錄的方式。HD-DVD在碟片的land及溝槽間隔的設(shè)計上比較寬，因此可以得到明顯的跟軌誤差訊號（Tracking Error Signal），相較於一般溝槽記錄的規(guī)格比較，推挽（push-pull）方式跟軌誤差的S/N值大於10dB，之後即使要進(jìn)一步縮小軌距也可方便地重新設(shè)計。,17,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量:,18,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量: BD碟片是由厚度為1.1mm的基盤與0.1mm厚度乾淨(jìng)、無缺陷的覆蓋層為保護(hù)層組合形成的，所以當(dāng)?shù)兄讣y、刮痕或是灰塵時對光碟的讀寫品質(zhì)是有相當(dāng)?shù)挠绊懀铱s短雷射波長及提高NA值，若以紅光DVD雷射光點面積為100，BD光點的面積比為DVD的19，以致缺陷（defect）可能比光點大很多導(dǎo)致抵抗能力有限，因此需有較強(qiáng)的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保護(hù)，請參考（圖三）,19,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量:,20,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量: 比較現(xiàn)有DVD與HD-DVD及BD碟片，不同碟片對於平坦度的影響，而碟片的容許傾角範(fàn)圍與平坦度有相當(dāng)?shù)年P(guān)係。平坦度正比於/（t NA3），比較時以現(xiàn)有DVD當(dāng)成比較的依據(jù)，HD-DVD的NA值與DVD接近，但波長（）縮短至405nm，所以碟片容忍度約為DVD的一半。而BD因為NA值比DVD大1.42倍，導(dǎo)致光軸與光碟記錄面的容許傾角範(fàn)圍縮小2.9倍，且波長縮短又使得容許傾角範(fàn)圍縮小1.6倍，又容許傾角範(fàn)圍與碟片覆蓋層厚度及NA的3次方成反比，因此基於傾角考量選取0.1mm的覆蓋層以減其厚度，以改善光碟片與光軸入射角度偏離90度的相差問題，其容忍度也與DVD較接近，請參考（表二）。,21,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量:,22,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量: 碟片記錄容量受到NA值及雷射波長的影響，將BD記錄容量（0.85/405）2除以DVD記錄容量（0.60/650）2可計算出BD記錄密度為DVD的5倍左右，以相同的方式計算HD-DVD約只有DVD的3倍。在RF訊號處理上BD採用limit equalizer，其架構(gòu)較簡單，抑制ISI的效果有限，因為BD採用高NA且縮小最小pit的長度，所以本身ISI的現(xiàn)象相較於HD-DVD就不是很嚴(yán)重，但在實際應(yīng)用上也可加入PRML技術(shù)，以提昇資料判斷的正確性。,23,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量: 綜合上述，光碟片的發(fā)展由CD、DVD、一直到近期發(fā)展的藍(lán)光光碟片各個波長、NA值、記錄層的位置及顯微鏡觀察的歸納結(jié)果可參考（圖四）。碟片發(fā)展的趨勢是軌距及光點越來越小，記錄的資料長度也越來越小以獲得較大的紀(jì)錄密度。（表四）為DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的規(guī)格比較表。,24,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第八回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量:,25,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 更大的儲存容量: DVD-RW、HD-DVD 及Blu-Ray Disc 的規(guī)格比較表。,26,光學(xué)頭原理及結(jié)構(gòu),第六回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc 結(jié)論: HD-DVD規(guī)格相較於BD規(guī)格最大的優(yōu)勢就在於能夠相容現(xiàn)行的DVD，使得碟片生產(chǎn)廠商由DVD轉(zhuǎn)換至HD-DVD時所需的成本能夠降到最低