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1、1,光學頭原理及結構,內容綱要:.第一回:前 言 第二回:光學頭原器件介紹.第三回:光學頭系統結構.第四回:光學頭工作原理.第五回:光學頭技術發展趨勢.第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,2,光學頭原理及結構,第一回:前 言.自从1982年直徑12cm的数字音频光盘CD问世 以来，数字视频光盘DVD（digital video disk）一直是新一代光盘的一个梦想.光存储以其容量大、寿命长、成本低、复制速 度快等显著优点已经成为现代社会信息存储的 重要手段之一DVD类产品更是新一代数字视听技术和数字化 信息存储设备的典型代表和潮流。它已经广泛 应用于广播、电视、数据处理、文字/图像贮 存
2、、社会文化活动和家庭娱乐等领域。,3,光學頭原理及結構,第一回:前 言.其读写关键技术的DVD光學頭，主要功能是信号的 记录和读出，是利用聚焦的激光束来完成的.激光头是从光盘上拾取信息的执行部件。光學頭 通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描 轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而 读出信息.因此,光學头能否在某些光盘上读取信息,取 决于光學头的技术性和盘片的物理结果是否匹配。DVD盘片物理结构特性已经决定了DVD光學头的结 构和功能.,4,光學頭原理及結構,第二回:光學頭原器件.光學头均由两部分组成：一部分为物镜机构，俗称光学头；另一部分是将其余各镜片、激光发射二极管和光敏接收器安
3、装在同一个腔体内，俗称激光枪。光学头安装在激光枪上面，通过螺钉联成一个整体，构成激光头组件。激光头由激光产生（发射）系统、激光传播系统（光路或激光枪）和光接收系统等部分构成（如图1所示）。,5,光學頭原理及結構,第二回:光學頭各原器件功能.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:產生所需的繞射光束準直透鏡:將雷射二極體所發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:將光訊號轉為電訊號,6,光學頭原理及結構,第三回:光學頭系統結構.,下,此處的系統結構示 意圖是
4、指光學部分,並沒有包括聚焦與 巡跡的部分.結構示意讓各位了 解光學頭內部的機 制.,激光二極體,物鏡,準直透鏡,衍射光柵,分光錂鏡,準直聚束透鏡,檢光發生器,7,光學頭原理及結構,第四回:光學頭工作原理.,6-1:光學頭基本光學系統之激光對碟片工作示意.,通过利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿过0.6mm的透明塑料层，从凹(Pit)凸(Land)信息面取出信号.參考圖1.,8,光學頭原理及結構,第四回:光學頭工作原理.,6-4:光學頭基本光學系統之巡軌示意.,巡軌作用:光盘的形状中心和光盘的回转中心之间的偏心补正，还有对于在轨道间距为0.74m的轨道上，精度正负0.1m控制激光束对轨道的追迹
5、控制用误差检出机能和控制用的伺服机构内藏在光学头里頭.,9,光學頭原理及結構,第四回:光學頭工作原理.,6-5:光學頭基本光學系統之讀出碟片信息原理.,光学头能够读出光盘上的信号的原理是:从激光二极管射出的发散P线性偏振激光通过准直透镜，成为平行光，再通过1/4波长片时，偏振方向旋转45度，变为圆偏光，这束平行的圆偏光被对物透镜聚焦到光盘的信息面，再反射回来（根据盘面的凸凹对光的反射不同），通过1/4波长片时，再一次偏振方向被旋转45度，成为S线性偏振光，在偏光分光棱镜PBS处被反射到误差检出系和信号系，反射光再一次被分为两路，误差系的一路通过凸透镜、圆柱透镜，投影到四分割的光电二极管上，根据
6、各象限光量的大小，进行运算，对聚焦和寻轨伺服机构控制，使之读出正确的信号，另一路信号系的光束由凸透镜会聚到光电二极管，把光信号变为电信号。,10,光學頭原理及結構,第五回:光學頭技術發展趨勢.,摘要:为了实现高密度存储，DVD盘片使用波长为650/635nm的激光且物NA应大于0.6。而CD则使用780nm的激光且数值孔径约为0.4。为了能与CD类光盘兼容，DVD播放器/驱动器中除了要有完成CD类盘片的解码电路外，其光学头也需能同时读取CD盘片.概述:根据DVD标准，DVD盘片的盘基厚度为0.6mm，而传统CD盘片的盘基厚度为1.2mm。由于DVD与CD盘盘基厚度及存储密度上存在差异，对二者的
7、兼容读出带来了一定的问题。因此除拥有CD的解码器外，在设计DVD光学头时必须考虑到读取现有CD的能力。为了解决光学头的兼容问题，在DVD光学头设计上产生出多种方案，如两套独立读出系统、全息物镜、液晶光阑、双物镜等，接下來將對照比较.,11,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,光碟儲存技術由CD發展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB約為67倍，且DVD播放機已進入家庭成為家庭影院的重要成員，光儲存技術的日新月異已大量散播影音娛樂到各個家庭。隨後出現可寫入型DVD碟片，規格區分為由DVD Forum支持的DVDR/RW與DVDRW Alliance推動的DVDR/R
8、W兩種，直到目前兩規格還尚未統一，但也因為DVD-Dual以及DVD-Multi等複合式碟機的推出，逐漸擺脫了彼此無法相容的問題，此外DVD錄放影機也應運而生，可記錄約133分鐘經MPEG2編碼的影視信息或可寫入型DVD光碟機儲存之高密度資料,12,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,藍光規格兩大勢力相繼崛起 繼DVD之後世界主流廠商均以藍光HD-DVD為光儲存的研發重點，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）共同發表的Blu-Ray
9、 Disc規格，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進行討論。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC兩家公司共同發表了AOD（Advanced Optical Disc）讀寫容量為20GB，所提出的規格是較易與現有的DVD產品達到相容效果，也於DVD Forum提出並與各會員公司進行規格之細步討論與制定，最後順利推出HD-DVD規格。,13,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,HD-DVD High Definition DV
10、D（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的藍光及透鏡數值孔鏡值（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格，如（圖一）所示,14,光學頭原理及結構,第八回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,HD-DVD 表一:,15,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,HD-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性:因為NA值與現行DVD碟片接近且碟片結構與DVD相同，因此更容易與現行DVD光碟保持相容性
11、，且可繼續使用現有DVD光碟的生產設備，便於擴大光碟和物鏡的距離，不需要光碟卡匣等，大大的降低從現有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規格的覆蓋層容易出現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,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,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
12、，Blu-Ray Disc則是使用溝槽紀錄的方式。HD-DVD在碟片的land及溝槽間隔的設計上比較寬，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，之後即使要進一步縮小軌距也可方便地重新設計。,17,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,18,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,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、無缺陷的覆
13、蓋層為保護層組合形成的，所以當碟片有指紋、刮痕或是灰塵時對光碟的讀寫品質是有相當的影響，且縮短雷射波長及提高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致抵抗能力有限，因此需有較強的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保護，請參考（圖三）,19,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,20,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:比較現有DVD與HD-DVD及BD碟片，不同碟片對於平
14、坦度的影響，而碟片的容許傾角範圍與平坦度有相當的關係。平坦度正比於/（t NA3），比較時以現有DVD當成比較的依據，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，導致光軸與光碟記錄面的容許傾角範圍縮小2.9倍，且波長縮短又使得容許傾角範圍縮小1.6倍，又容許傾角範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,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,
15、Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,22,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,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的現象相較於HD-DVD就不是很嚴重，但在實際應用上也可加入PRML技術，以提昇資料判斷的正確性。,
16、23,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:綜合上述，光碟片的發展由CD、DVD、一直到近期發展的藍光光碟片各個波長、NA值、記錄層的位置及顯微鏡觀察的歸納結果可參考（圖四）。碟片發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錄密度。（表四）為DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的規格比較表。,24,光學頭原理及結構,第八回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲存容量:,25,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc更大
17、的儲存容量:DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc 的規格比較表。,26,光學頭原理及結構,第六回:CD|DVD|BD光學頭比較表.,Blu-Ray Disc結論:HD-DVD規格相較於BD規格最大的優勢就在於能夠相容現行的DVD，使得碟片生產廠商由DVD轉換至HD-DVD時所需的成本能夠降到最低，就生產技術上而言HD-DVD也較BD的困難度低。BD碟片的覆蓋層只有0.1mm，防刮防污能力差，需要卡匣且生產製程較困難；而HD-DVD碟片雖然記錄容量較小，但防刮防污能力好，不需卡匣，因此生產製程較容易且成本較低。DVD Forum為國際制訂DVD規格主導者，目前DVD Forum成員亦針對藍光新規格彼此展開競爭。目前DVD Forum的20家Steering Committee的成員分別支持兩種藍光光碟規格，形成HD-DVD（12家）與Blu-ray Disc（11家）分庭抗爭的局面，那一方會勝出還有待今年的持續觀察。,
