光学头相关知识光学头相关知识 讲座讲座PULSTEC（北京）科技有限公司技术部做成:张玉波:张玉波 2006年8月内容n光盘相关知识n光学头原理和组件n光学头评价参数n结束语做成:张玉波:张玉波 2006年8月光盘和光学头相关知识按照盘片的物理格式分类：CD和DVD CD分类： 1. CD ROM 2. CD-R/RW DVD分为： 1. DVD-ROM 2. DVDR/RW 3. DVD-RAM做成:张玉波:张玉波 2006年8月CD和DVD盘片信息道比较 CD盘片DVD盘片光盘和光学头相关知识做成:张玉波:张玉波 2006年8月激光光头组件 激光光源： LASER DIODE 衍射光栅： GRATING 偏振棱镜： SPLITER 物镜和准直镜 OBJECT LENS PD IC 光学头原理和组件做成:张玉波:张玉波 2006年8月激光光源 Laser Diode nCD LD 波长78025nmnDVD LD 波长64515nmn温度特性 监视PD 铜套筒散热n单一波长 相干光源 没有色差DVD LDCD LDMDGND做成:张玉波:张玉波 2006年8月激光光源 Laser Dioden激光二极管的光输出功率是随温度而变化，这会影 响到伺服的增益特性，所以必须采取措施使输出功 率在温度变化时仍保持不便。通常采用APC回路。做成:张玉波:张玉波 2006年8月衍射光栅 GRATINGn衍射光栅通过衍射现象将单一的一束激光衍射 成3束。中间的光束称为主光束，两旁的光束 称为辅助光束。n主光束用于读取信号和产生误差信号。n辅助光束用于产生循迹误差信号。n线光源出来得是明暗条纹n点光源出来得是光斑做成:张玉波:张玉波 2006年8月偏振光分束器 PBSn偏振光分束器的作用是使反射回的光束在两次经过半透镜时， 激光束的偏置方向旋转90度。由发出时的垂直偏振光变为水平 偏振光。偏振光分束器还有非点收差的功能。（集成了1/4波 长片、偏振片、柱面镜功能） PBS做成:张玉波:张玉波 2006年8月/波片nM是起偏器，经它可获得垂直射向波片C的线 偏光。 做成:张玉波:张玉波 2006年8月/波片n入射角度为45度，经过波片后，线偏 振光变为圆偏振光。从光盘反射回的圆 偏振光经过波片后，变为线偏振光，但 是振动方向与入射光相差90度。做成:张玉波:张玉波 2006年8月非点收差n非点收差法，又称像散法。做成:张玉波:张玉波 2006年8月非点收差n非点收差法就是通过半透镜的非点收差特性进行的聚 焦检测。如上图，通过半透镜的光束，其反射到PD IC的光斑有如下变化：n当碟片信号面靠近激光头方向偏离焦深范围时，其截 面开始呈纵向椭圆形；当准确聚焦时其横截面呈圆形 ；当碟片信号面偏离激光头方向偏离焦深范围时，其 截面开始呈横向椭圆形。n通过计算PD上ABCD的光量，然后进行比较，即可知 道焦点的位置，然后通过伺服电路进行控制，使得焦 点在碟片上完全聚焦，达到准确读取的目的。做成:张玉波:张玉波 2006年8月物镜和准直镜n物镜英文全称Object Lens。物镜是激光头的重要光学部品。n主要作用：是将激光会聚于一点，照在光盘上，来读取光盘上存储 的各种各样的信息。 可以简单地认为物镜就是一个具有较高成像精度的光学凸透镜 。但是，物镜的表面并非是规则的球面系统，而是一个非球面透镜 。n材质：一般有树脂或光学玻璃两种。 通常物镜的表面都有一个镀膜层，在自然光下观察，会呈淡蓝或别 的颜色，其颜色与镀膜的材料有关，但并非材料本身的颜色，而是 膜的反射光的颜色。膜层的作用是防止反射，增加透光率和保护其 基体表面。膜层的范围，主要是物镜的前后两光学面，即透镜的两 个凸面。在工程上，一般对膜的强度有一定的要求，比如：用清洁 纸或棉棒和清洗剂一起擦洗，擦洗力的强度：可擦去附着的指纹。 在此擦洗条件下膜层的外观不良不会发生为OK。做成:张玉波:张玉波 2006年8月物镜和准直镜n通常，物镜的几个给定的设计参数；n波长（），（DVD；650 nm；CD：780 nm）n焦距（f），（DVD：3.05mm；CD：3.07mm）n数值孔径NA， （DVD：0.6；CD：0.45）n基准物象间距，（DVD：；CD：31.18mm）n透过率，（DVD：85%以上；CD：95%以上）n物镜的凸面的厚度。n根据以上的数据我们可以计算出，CD和DVD的读碟的理 想光斑直径的大小，因此可以从理论上计算出相同大小 的DVD和CD碟的容量之比及碟上相邻两凹槽间的最小距 离等。n根据光斑直径的计算公式；D=1.22/NA由此可计算出DVD光斑直径约为1.322m；CD约2.115m。 物镜 做成:张玉波:张玉波 2006年8月物镜和准直镜n物镜的性能 对物镜的判定主要包括：外观尺寸和性能的判 定。我们主要来讨论性能的相关知识。n其性能的主要参数主要包括：波面收差，球面收差，COMA差，非点收差。 在激光头产品中，还有一个与物 镜类似的光学部品是准直透镜， 其分析方法基本与物镜是相同的 。准直镜做成:张玉波:张玉波 2006年8月光电二极管 PD ICn光电转换器，将光信号转换为电信号。n内嵌I/V转换器n多种分割做成:张玉波:张玉波 2006年8月光电二极管 PD ICn在DVD、CD等激光产品中， PD IC是一个极其重要的光电器件。n作用：将带有DISC信息的激光信号转化为电信号的关键器件，是影响产 品的性能的关键部品之一。n光电转换的原理当光入射到光电材料上时，光电材料发射电子或者其电导率发生变 化，或者产生感生电动势，这种现象统称为光电效应。光电效应的实质 是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用引起的 。光子直接与物质中的电子相互作用，将引起物质内部的电子的能态的 改变。这种变化与光子能量的大小有关，亦即与入射光的波长有关。在光电效应中，按到其是否发射光电子可分为：内光电效应和外光 电效应。而在光探测技术中较为广泛应用的有：光电导效应、光状效应 和光电子发射效应。在激光头产品中，运用的就是光电子发射效应。在频率为的光辐射作用下，处于真空或其他介质中的物质吸收光 子能量h后，其电子动能增加，在向表面运动的电子中有一部分电子的 能量较大，有足够的能量克服物质表面的逸出功W，穿出表层进入真 空或其他介质中。这种现象就是光电子发射效应。 做成:张玉波:张玉波 2006年8月光电二极管 PD ICn光电子发射具有以下基本规律：1. 发射的光电流与入射光的强度成正比。即 I为光电流，K为系数与光电子发射体对入射光的灵敏度 有关，为光通量。n2. 入射光辐射的频率增加时，从材料表面逸出的光电子的 最 大动能也成比例增加，而与入射光的强度无关。这是著 名的爱因斯坦定律:m是电子的质量，Vm是光电子穿出发射体表面的速度， W是逸出功。n3. 电子从吸收光子能量到逸出发射体表面的时间很短，约 10-12 S。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光电二极管 PD ICn光电探测器的几个特性参数n1. 响应率响应率是描述其灵敏度的参数量，表征其将入射光信号转换成电信 号的能力。其定义是输出均方根电压或电流与入射到光电探测器的平均 光功率的比值。n2. 量子效率量子效率定义为单位时间产生的光电子数与单位时间入射的光子数 的比。n3. 噪声等效功率光探测器输出的电信号的均方值等于光探测器本身的噪声的均方根 值时，入射到探测器上的信号光功率的均方根值就称为噪声等效功率。n4. 光谱响应光谱响应是表征器件的响应率等参数与入射光波长的函数关系的参 数。n5. 响应时间是描述其对入射光响应快慢的一个特征参数，它是指光探测器将入 射光转换成电输出的时间。通常在PD IC规格书中，对噪声有明确的规定，对其他几个参数未作 明确的要求。除以上几个参数外，还有其他的一些特性，如：其性能随 温度的变化情况，最佳偏置条件等。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光电二极管 PD ICADBCaEdbFcDVD CD -Y +X 做成:张玉波:张玉波 2006年8月对应光盘，光头主要分成CD和DVD光头 CD光学头:1. CD-ROM 2. CD-R/RW DVD光学头: 1.DVD-ROM2.DVDR/RW 3.DVD-RAM光盘和光学头相关知识做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价项目综述为了评定光学头的品质，通常只读光学头需要评 价的项目为： 1LD Power 2Im 3Iop 4S Curve Level 5S Curve Balance 6Defocus 7PD Balance-X 8PD Balance-Y 9TE Level (CD) DPD LEVEL (DVD)做成:张玉波:张玉波 2006年8月10TE Balance (CD) DPD Balance (DVD) 11E-F Phase (CD) 12RF Cross talk 13RF Level 14Jitter 15Itop 16. RF Modulation 17Tangential Skew 18Radial Skew光学头评价项目综述做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释评价参数: LD Power 光学头物镜的出射激光能量。反映读盘时的激光 光功率。 Im 光学头半导体激光器的监视PD电流，作为APC 反馈控制信号。 Iop 光学头半导体激光器的工作电流。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释S Curve LevelFE信号的幅值。此参数和非点收差有着密切 关系的参数。做成:张玉波:张玉波 2006年8月S Curve BalanceFE信号与0电平的差值 S Curve Balance=（Peak-Bottom）/（Peak+Bottom）2 100% 光学头评价参数的解释如果光斑偏离PD中心，会导致此参数值偏大。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释PD Balance-X 照射到4分割PD上的主光束的中心和PD的中心的偏差量 PD Balance-X =(A+D)-(B+C) 100%做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释PD Balance-Y 照射到4分割PD上的主光束的中心和PD的中心的偏差量 PD Balance-Y=(A+B)-(C+D)100% 做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释PD Banlance导致伺服信号异常。 通常， PD Banlance不良是由以下原因导致的 ：nPD IC偏移，导致光斑偏移。n光学部品偏移：比如LD偏移，半反射镜的 偏移，都会导致PD Banlance不良。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释TE Level 无寻轨伺服时的TE信号的幅值做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释E-F Phase E和F信号的相位差。 此参数与光栅的位置密切相关。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释RF Crosstalk在无寻轨伺服的情况,横切光盘轨道时的RF信号。此参数与光斑的径向尺寸相关。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释RF LevelRF信号的幅值。ACT倾角的变化会引起此参数的变化。做成:张玉波:张玉波 2006年8月光学头评价参数的解释Jitter抖晃特性（Jitter)是指光盘中的高频信号HF转换成二值 化后,实际脉冲宽长度与理想的长度