光盤存儲技術(shù)與應(yīng)用2

1、1光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭2-1 概述2光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭 在各類光盤存儲系統(tǒng)中，信息的寫入/讀出是由能夠?qū)⒓す馐鴷?huì)聚成直徑為亞微米級(IIIthth時(shí)，時(shí)，P Po oII曲線的斜率很大，且曲線的斜率很大，且P Po o隨溫度而變化，因隨溫度而變化，因此，工作電流、溫度稍有起伏變化，此，工作電流、溫度稍有起伏變化，P P0 0都產(chǎn)生明顯起伏。這一方面會(huì)影響都產(chǎn)生明顯起伏。這一方面會(huì)影響伺服電路的增益特性，另一方面會(huì)造成工作電流稍增而導(dǎo)致伺服電路的增益特性，另一方面會(huì)造成工作電流稍增而導(dǎo)致P Po o激增，致使激增，致使半導(dǎo)體激光器永久

2、損壞或長期使用致使半導(dǎo)體激光器永久損壞或長期使用致使P P0 0下降。因此，人們利用半導(dǎo)體激下降。因此，人們利用半導(dǎo)體激光器的激光束從兩邊輸出的結(jié)構(gòu)特性，將其中一邊的光輸出由受光元件接光器的激光束從兩邊輸出的結(jié)構(gòu)特性，將其中一邊的光輸出由受光元件接收，檢測其收，檢測其P Po o，形成誤差信號，控制工作電流變化，使，形成誤差信號，控制工作電流變化，使P P0 0保持恒定，這種措保持恒定，這種措施稱為自動(dòng)功率控制施稱為自動(dòng)功率控制APC(AutomaticAPC(Automatic Power Control) Power Control)。22光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭

3、(四)光束輻射角 半導(dǎo)體激光器輻射出來的激光束呈如圖所示的橢圓發(fā)散狀，即激光器輸出半導(dǎo)體激光器輻射出來的激光束呈如圖所示的橢圓發(fā)散狀，即激光器輸出的全部光功率以橢圓形光錐的形式從的全部光功率以橢圓形光錐的形式從1 1mx3 mx3 m m的矩形窗口離開激光二極管輻的矩形窗口離開激光二極管輻射出來的。在發(fā)光窗口附近，光束強(qiáng)度的斷面分布圖稱近場圖。在離開稍遠(yuǎn)射出來的。在發(fā)光窗口附近，光束強(qiáng)度的斷面分布圖稱近場圖。在離開稍遠(yuǎn)( (約約10-20cm)10-20cm)的位置光束強(qiáng)度的斷面分布圖稱遠(yuǎn)場圖。近場圖表現(xiàn)了發(fā)光窗口本的位置光束強(qiáng)度的斷面分布圖稱遠(yuǎn)場圖。近場圖表現(xiàn)了發(fā)光窗口本身的形狀，遠(yuǎn)場圖則表

4、現(xiàn)了由于衍射現(xiàn)象所決定的從發(fā)光窗口發(fā)出的激光束的身的形狀，遠(yuǎn)場圖則表現(xiàn)了由于衍射現(xiàn)象所決定的從發(fā)光窗口發(fā)出的激光束的擴(kuò)散狀況。在遠(yuǎn)場圖位置上，與激光二極管擴(kuò)散狀況。在遠(yuǎn)場圖位置上，與激光二極管PNPN結(jié)接合面平行方向上擴(kuò)展角結(jié)接合面平行方向上擴(kuò)展角稱水平擴(kuò)展角稱水平擴(kuò)展角 H H，與接合面垂直方向上的擴(kuò)展角稱垂直擴(kuò)展角，與接合面垂直方向上的擴(kuò)展角稱垂直擴(kuò)展角 V V，兩者之比，兩者之比，即即 H H V V稱為橢圓率稱為橢圓率E E。 H H與與 V V的值愈小，的值愈小，E E接近于接近于1 1，即接近，即接近于圓形時(shí)的激光束，對光盤存儲系統(tǒng)而言于圓形時(shí)的激光束，對光盤存儲系統(tǒng)而言是最理想的

5、。氣體激光器發(fā)出的光束是擴(kuò)是最理想的。氣體激光器發(fā)出的光束是擴(kuò)散度很小，直徑約散度很小，直徑約1mm1mm的圓形光束。而半的圓形光束。而半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束，橢圓率導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束，橢圓率E E很大很大( (約約為為3) 3)，一般，一般 H H 10 10, , V V =30 =304040，要想，要想將它聚焦成圓形光斑，需要更復(fù)雜的光學(xué)將它聚焦成圓形光斑，需要更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)。23光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭24光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭(五)像散性 一般的增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，與一般的增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，與PNPN結(jié)接合面平行方向

6、和垂直方向上結(jié)接合面平行方向和垂直方向上的光波面的焦點(diǎn)位置，也即的光波面的焦點(diǎn)位置，也即光腰光腰，相互要偏離，相互要偏離1010 m m以上，有的達(dá)幾十以上，有的達(dá)幾十 m m，因而在軸向好象有兩個(gè)光源。而在折射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器中，兩者離開只因而在軸向好象有兩個(gè)光源。而在折射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器中，兩者離開只有幾有幾 m m，或大致與共振器的端面一致。增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光束由于光腰偏，或大致與共振器的端面一致。增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光束由于光腰偏離，會(huì)產(chǎn)生像散現(xiàn)象，使得只用一塊對稱透鏡無法對其聚焦，要有效聚焦，離，會(huì)產(chǎn)生像散現(xiàn)象，使得只用一塊對稱透鏡無法對其聚焦，要有效聚焦，光學(xué)系統(tǒng)要更為復(fù)雜。從像散性考

7、慮，折射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器在光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)要更為復(fù)雜。從像散性考慮，折射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上更有利，光盤存儲系統(tǒng)一般都采用這種結(jié)構(gòu)的激光器。的設(shè)計(jì)上更有利，光盤存儲系統(tǒng)一般都采用這種結(jié)構(gòu)的激光器。25光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭 23 光學(xué)系統(tǒng) 不同類型的光盤系統(tǒng)其光學(xué)頭的光學(xué)系統(tǒng)有不同的配置不同類型的光盤系統(tǒng)其光學(xué)頭的光學(xué)系統(tǒng)有不同的配置, ,但各類光盤存儲但各類光盤存儲系統(tǒng)光學(xué)頭的光學(xué)系統(tǒng)必須系統(tǒng)光學(xué)頭的光學(xué)系統(tǒng)必須滿足以下要求滿足以下要求：(1 (1）半導(dǎo)體激光器輸出的光束射角較大，為更有效地利用光能，要求將發(fā)散）半導(dǎo)體激光器輸出的光束射角較大，為更有

8、效地利用光能，要求將發(fā)散光束準(zhǔn)直成平行光束；光束準(zhǔn)直成平行光束；(2)(2)半導(dǎo)體激光器輸出光束的光斑呈橢圓狀，為滿足寫半導(dǎo)體激光器輸出光束的光斑呈橢圓狀，為滿足寫/ /讀要求，必須將其整讀要求，必須將其整形成圓形；形成圓形；(3)(3)必須使沿同一光路傳播的光束必須使沿同一光路傳播的光束( (射到光盤的光束與從光盤反射回來的光束射到光盤的光束與從光盤反射回來的光束) )不發(fā)生干涉不發(fā)生干涉 ；(4)(4)必須防止光盤反射回來的光束進(jìn)入激光器，而形成輸出激光的噪聲；必須防止光盤反射回來的光束進(jìn)入激光器，而形成輸出激光的噪聲；(5)(5)由于讀、寫、擦光束共用聚焦透鏡，因此要求能高效地將經(jīng)準(zhǔn)直后

9、的讀、由于讀、寫、擦光束共用聚焦透鏡，因此要求能高效地將經(jīng)準(zhǔn)直后的讀、寫、擦光束藕合到同一光路中；寫、擦光束藕合到同一光路中；(6)(6)光頭的光學(xué)系統(tǒng)是受衍射限制的，因而在結(jié)構(gòu)中應(yīng)充分校正像差，因?yàn)楣忸^的光學(xué)系統(tǒng)是受衍射限制的，因而在結(jié)構(gòu)中應(yīng)充分校正像差，因?yàn)榇嬖谙癫顣?huì)降低系統(tǒng)信噪比，所引起的跟蹤誤差會(huì)減弱讀出信號；存在像差會(huì)降低系統(tǒng)信噪比，所引起的跟蹤誤差會(huì)減弱讀出信號；(7)(7)由于光學(xué)系統(tǒng)是由聚焦、跟蹤及進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)引起由于光學(xué)系統(tǒng)是由聚焦、跟蹤及進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)引起很大的加速度，所以希望光頭盡量小巧，輕便，這就要求光學(xué)系統(tǒng)中的元很大的加速度，所以希望

10、光頭盡量小巧，輕便，這就要求光學(xué)系統(tǒng)中的元件數(shù)量件數(shù)量( (尤其是聚焦透鏡中的元件數(shù)量尤其是聚焦透鏡中的元件數(shù)量) )應(yīng)盡可能少。應(yīng)盡可能少。26光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭一、單光束式與三光束式光學(xué)系統(tǒng)目前流行的各類光盤存儲系統(tǒng)，光頭的光學(xué)系統(tǒng)有單光束和三光束2種基本形式1三光束式光學(xué)系統(tǒng) 這種光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用了可形成三這種光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用了可形成三射束的光柵，如圖所示，三光束中，主光束射束的光柵，如圖所示，三光束中，主光束用于拾取主信號，兩束輔助光束用于檢測跟用于拾取主信號，兩束輔助光束用于檢測跟蹤誤差信號，拄面透鏡則是為檢測聚焦誤差蹤誤差信號，拄面透鏡則是為

11、檢測聚焦誤差信號而設(shè)置。信號而設(shè)置。 采用這種光學(xué)系統(tǒng)可以簡化伺服電路，采用這種光學(xué)系統(tǒng)可以簡化伺服電路，得到穩(wěn)定的特性。由于需要用衍射光柵進(jìn)行得到穩(wěn)定的特性。由于需要用衍射光柵進(jìn)行分束，以便在光電探測器上得到讀數(shù)光斑及分束，以便在光電探測器上得到讀數(shù)光斑及輔助光束光班，因此，光學(xué)系統(tǒng)稍長些。其輔助光束光班，因此，光學(xué)系統(tǒng)稍長些。其缺點(diǎn)是容易受光盤上指紋、污跡的影響。缺點(diǎn)是容易受光盤上指紋、污跡的影響。27光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭28光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭29光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭2單光束式光學(xué)系統(tǒng) 圖示是單光束

12、式光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng)圖示是單光束式光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng)較三束式系統(tǒng)簡單，抗指紋、污跡干擾較三束式系統(tǒng)簡單，抗指紋、污跡干擾能力強(qiáng)。但容易受盤片傾斜及信號凹坑深度能力強(qiáng)。但容易受盤片傾斜及信號凹坑深度的影響，且伺服電路較復(fù)雜。的影響，且伺服電路較復(fù)雜。30光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭二、光學(xué)系統(tǒng)的配置(一)基本配置 不同方式的光學(xué)系統(tǒng)，所采用的聚焦、跟蹤誤差撿測方法不同會(huì)有不同不同方式的光學(xué)系統(tǒng)，所采用的聚焦、跟蹤誤差撿測方法不同會(huì)有不同的光學(xué)元件配置，但無論那種方式的光學(xué)系統(tǒng)，都包括表所示的光學(xué)元件。的光學(xué)元件配置，但無論那種方式的光學(xué)系統(tǒng)，都包括表所示的光學(xué)元件。

13、31光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭1)聚焦透鏡32光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭光盤存儲系統(tǒng)中，采用的聚焦透鏡有無限倍率型和有限率型兩種形式。光盤存儲系統(tǒng)中，采用的聚焦透鏡有無限倍率型和有限率型兩種形式。 無限倍率型聚焦透鏡具有如圖無限倍率型聚焦透鏡具有如圖(a)(a)所示所示的聚焦特性。采用這種形式的聚焦透鏡使的聚焦特性。采用這種形式的聚焦透鏡使半導(dǎo)體激光器與透鏡之間的光路長短不受限半導(dǎo)體激光器與透鏡之間的光路長短不受限制，但需使用準(zhǔn)直鏡。制，但需使用準(zhǔn)直鏡。 有限倍率型聚焦透鏡具有如圖有限倍率型聚焦透鏡具有如圖(b)(b)所示所示的聚焦特性。采用這種

14、透鏡時(shí)，半導(dǎo)體激光的聚焦特性。采用這種透鏡時(shí)，半導(dǎo)體激光器器透鏡透鏡信號面三者之間的光路長短直接信號面三者之間的光路長短直接取決于透鏡的光學(xué)特性。與采用無限倍率型取決于透鏡的光學(xué)特性。與采用無限倍率型的光學(xué)系統(tǒng)相比，三者問光路要短得多，且的光學(xué)系統(tǒng)相比，三者問光路要短得多，且無需使用準(zhǔn)直鏡，因此適于小型光頭。但因無需使用準(zhǔn)直鏡，因此適于小型光頭。但因?yàn)檫@種透鏡上下移動(dòng)時(shí)，倍牢及視場角均會(huì)為這種透鏡上下移動(dòng)時(shí)，倍牢及視場角均會(huì)變化，因此其加工精度工要求比無限倍率型變化，因此其加工精度工要求比無限倍率型高得多。高得多。33光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭2）準(zhǔn)直鏡 準(zhǔn)直鏡的作用是

15、將發(fā)散的激光束準(zhǔn)直，變成平行光束。準(zhǔn)直鏡的作用是將發(fā)散的激光束準(zhǔn)直，變成平行光束。 半導(dǎo)體激光器從激活層發(fā)出的光束在垂直于激活層的平面內(nèi)發(fā)散角半導(dǎo)體激光器從激活層發(fā)出的光束在垂直于激活層的平面內(nèi)發(fā)散角6060，而在激活層平面內(nèi)發(fā)散角卻為而在激活層平面內(nèi)發(fā)散角卻為3434左右。準(zhǔn)直鏡能在左右。準(zhǔn)直鏡能在6060范圍內(nèi)將發(fā)散激光范圍內(nèi)將發(fā)散激光束準(zhǔn)直，其束準(zhǔn)直，其NANA值為值為0.40.40.50.5。顯然準(zhǔn)直后光束具有橢圓形截面。這將另外設(shè)。顯然準(zhǔn)直后光束具有橢圓形截面。這將另外設(shè)置變形擴(kuò)束鏡來把它變成圓形截面。置變形擴(kuò)束鏡來把它變成圓形截面。34光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué)

16、 頭3）光束分離元件 作用是避免射出的光束與返射的光束因共用光路而發(fā)生相互干涉并實(shí)現(xiàn)作用是避免射出的光束與返射的光束因共用光路而發(fā)生相互干涉并實(shí)現(xiàn)分離。通常有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：分離。通常有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：(1) 1/4(1) 1/4波片與分束器相結(jié)合方式波片與分束器相結(jié)合方式 利用激光的線偏振特性采用利用激光的線偏振特性采用1/41/4波片使出射光束和入射光束的偏振方波片使出射光束和入射光束的偏振方向互相垂直，避免相互干涉，并利用分束器將兩者分離。這種方式的光向互相垂直，避免相互干涉，并利用分束器將兩者分離。這種方式的光利用效率高。但由于受光盤盤片雙折射的影響利用效率高。但由于受光盤盤片雙折

17、射的影響RFRF及及FEFE、TETE信號會(huì)發(fā)生變信號會(huì)發(fā)生變動(dòng)，且動(dòng)，且1/41/4波片價(jià)格較貴。波片價(jià)格較貴。(2)(2)半透鏡方式半透鏡方式 該方式利用在會(huì)聚光束中使平行板型的半透鏡傾斜放置，使出射光束反該方式利用在會(huì)聚光束中使平行板型的半透鏡傾斜放置，使出射光束反射而入射光束透射，從而實(shí)現(xiàn)光束分離。且半透鏡因傾斜放置會(huì)產(chǎn)生像散，射而入射光束透射，從而實(shí)現(xiàn)光束分離。且半透鏡因傾斜放置會(huì)產(chǎn)生像散，還可取代柱面透鏡。還可取代柱面透鏡。35光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭(二)特殊配置1) 光柵36光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭2)圓柱透鏡 圓柱透鏡通常又

18、稱柱面鏡是采用像散法檢測聚焦誤差的光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵圓柱透鏡通常又稱柱面鏡是采用像散法檢測聚焦誤差的光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵配置。它是圓柱體的一部分，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。配置。它是圓柱體的一部分，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。37光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭3) 臨界角棱鏡臨界角棱鏡是采用臨界角法檢測聚焦誤差的光學(xué)系統(tǒng)的必備配置。臨界角棱鏡是采用臨界角法檢測聚焦誤差的光學(xué)系統(tǒng)的必備配置。 圖表示了相互垂直的線偏振光圖表示了相互垂直的線偏振光P P和和S S從折射率較大的介質(zhì)從折射率較大的介質(zhì)( (如如n n1 15) 5)入入射到折射率較小的介質(zhì)射到折射率較小的介質(zhì)(n=1)(n=1

19、)時(shí)，在界面，入射角和反射角間的關(guān)系以及時(shí)，在界面，入射角和反射角間的關(guān)系以及P P偏振光的反射系數(shù)偏振光的反射系數(shù)R RP P和和S S偏振光的反射系數(shù)偏振光的反射系數(shù)R Rs s之間的關(guān)系。由圖中可見，之間的關(guān)系。由圖中可見，在入射角稍稍小于臨界角在入射角稍稍小于臨界角(42(42) )的情況下，反射系數(shù)將急劇變化，在這里，的情況下，反射系數(shù)將急劇變化，在這里，反射系數(shù)反射系數(shù)R RP P和和R RS S差異很大。差異很大。38光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2. 光 學(xué) 頭 完整的透鏡系統(tǒng)是這樣完整的透鏡系統(tǒng)是這樣設(shè)計(jì)的：在光束中心處，入設(shè)計(jì)的：在光束中心處，入射光的角度為臨界角。若一

20、射光的角度為臨界角。若一束平行光入射，整個(gè)光束的束平行光入射，整個(gè)光束的入射角將為臨界角，所以所入射角將為臨界角，所以所有的光均被反射。不過，當(dāng)有的光均被反射。不過，當(dāng)會(huì)聚或發(fā)散光束入射時(shí)，只會(huì)聚或發(fā)散光束入射時(shí)，只有一部分光波反射。臨界角有一部分光波反射。臨界角棱鏡是這樣設(shè)計(jì)的：光束在棱鏡是這樣設(shè)計(jì)的：光束在棱鏡內(nèi)被反射三次，如圖。棱鏡內(nèi)被反射三次，如圖。 因?yàn)檎麄€(gè)光學(xué)系統(tǒng)被因?yàn)檎麄€(gè)光學(xué)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成只要得到設(shè)計(jì)成只要得到P P偏振光，偏振光，又因?yàn)楣馐环瓷淙?，又因?yàn)楣馐环瓷淙?，所以可以用極高的精度檢所以可以用極高的精度檢測出光盤表面的位置。測出光盤表面的位置。39光 盤 存 儲 技 術(shù) 與 應(yīng) 用2、3 光 電 探 測 器一、光電探測器件 光頭上的光探測器是一種光敏元件，其作用是將光脈沖信號變換成電脈沖光頭上的光探測器是一種光敏元件，其作用是將光脈沖信號變換成電脈沖信號。圖示是一個(gè)硅光二極管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。信號。圖示是一個(gè)硅光二極管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 當(dāng)硅光二極管的則結(jié)受到光照射時(shí)，能產(chǎn)生電動(dòng)勢效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)當(dāng)硅光二極管的則結(jié)受到光照射時(shí)，能產(chǎn)生電動(dòng)勢效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)換成電