自从1982年直径12cm的数字音频光盘CD问世以来，数字视频光盘DVD(digitalvideodisk)一直是新一代光盘的一个梦想，虽然在几年前出现了VCD，但是对于光盘来讲，技术上没改变，只是对数据来进行了压缩，画质也只是VHS水准，不过是过渡性产品，在国外没形成市场。

  数字图象信号具有在被编辑时画质不劣化，容易被计算机处理等优点，所以能记录2小时之后高画质的数字图象的光盘，已经让人盼望已久。最近几年，短波长的半导体激光器技术，薄型化光盘基板技术，对物透镜的高数值孔径NA化技术等的进步，使光盘的记录密度高密度化成为可能，同时数字连续可变画面压缩技术也有很大的进步，使长时间高画质的连续可变画面收录在一张光盘里成为可能。

  在以上这些技术基础被奠定之后，世界上的十家大企业一同制定了新世代数字视频光盘DVD(digitalvideodisk)的标准，既在和原有CD同样尺寸下，记录容量为原来光盘7.5倍4.7G，并采用高画质的MPEG2数字信号压缩方式，使之能够存储135分的电影。

  DVD播放机主要是由光学头和MPEG2解码器两个关键技术组成的，其中MPEG2解码器由于是通用标准，目前开发出芯片的厂商不下十几家，而光学头的技术还主要掌握在日本厂商手中。

  光盘技术就是一束被聚焦到回折界限的最小激光束照射到盘面，由于记录着信息的盘面的凹凸对光的反射不同，就可以读出盘上的信息。

  a.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，从凹凸信息面取出信号。

  b.使用半导体激光二极管，使用数值孔径NA为0.6的对物透镜，把激光束聚焦为由波长决定的回折界限为止的最小光束。

  光盘外形的误差和不同光盘交换时带来的对物透镜的焦点位置在光盘信息记录面的位置变化，还有光盘回转时光盘面上下振动也会引起焦点位置变化，为了对焦点位置变化进行自动补正，必须把能够以精度为正负川m对焦点位置控制的误差检出机能和控制用的伺

  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0.74口m的轨道上，精度正负0.1口m控制激光束对轨道的追迹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。

  LD(laserdiode),准直透镜CL,和其他一些光学头用的光学部品的原

  光学头是由1.对物透镜，2.准直透镜，3.偏光分光棱镜，4.分光棱镜，5.反射镜，6.1/4波长板，7.焦点误差检出光学系，8.寻轨误差检出光学系等光学部品和光学系，9.焦点控制伺服机构(F-ACT),10.寻轨控制伺服机构(T-ACT)等伺服机械控制部品，还有11.半导体激光二极管，12.多分割光电二极管PD(photodiode)等光电部件构成的。

  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。

  要想把激光聚焦成由波长决定的最小光束，必须把从LD发出的球面波的波面尽量无缺陷的传到光盘的情报记录面。也就是说，从LD发光开始到光盘为止，光学头成像系各部品全体的RMS波面收差必须限制在0.07入以下，不然不能把激光光束聚焦为由干涉极限决定的最小光束。构成光头的各光学部品，光盘盘面，其中也包括对物透镜设置时的调整误差，以上这些合计的成像光学系全体的波面收差，必须限制在由WarechalCriteron(63)MC给出的允许最面收差0.07入以下。光盘已经由光盘标准规定，03)DISK=0.05入，一般对物透镜的象差。3)ADJT=0.025入，要使全体03)MC小于0.07入，对其他的光学部品的收差必须严控。从LD开始到光盘为止，光头各光学部品的最大允许波面收差各用03」LD，(63)CL，(63)PBS，(63)QWP，(63)MR,(63)OL表示，WarechalCriteron给出我们如下公式；

  下面具体DVD的数值带入来试算一下。半导体激光二极管激光射出侧有平面玻璃窗，此外由于半导体激光器自身的特点，不可克服的有非点间隔，比理想波面要差，普通(63)LD约为0.013入。棱镜，反射镜等平面光学部品非常容易的以波面收差0.01〜0.015入制造出来。但是准直透镜和对物透镜等非平面光学部品，波面收差要想抑制在0.03入之内，很难，分别定为准直透镜0.025入和对物透镜0.035入，这样根据式(2)得出全体(63)MC的波面收差为0.0694A，满足规定的要求。即使对物透镜的波面收差被抑制在0.035以下，如果准直透镜的波面收差大于0.025，那样被聚焦光束的直径就会变大，从信息面读出数据错误频度就会变高。由于以上的理由，准直透镜的波面收差必须小于0.025,但球面单透镜要想达到这个值十分艰难，一般都会采用球面玻璃组合透镜。

  从DVD光头的对物透镜射出的激光光束，需要一直跟踪光盘信息面上的轨道间距为0.74pm，最短凹坑长为0.4pm的轨迹，并正确读出凹坑信息。光强为光束中心强度1/e2的位置的光束直径被称为光束径3，激光波长入=650nm，对物透镜的数值孔径NA=0.6,

  当对物透镜的入射光束的光强能量分布为均等分布时，系数k是0.96，光强能量分布为高斯分布时为1.34。从上式能够准确的看出，光束径正比例于入/NA，既要想提高光盘记录密度，缩小光束径，就需要使激光短波长化，并且提高对物透镜的NA。

  还有对物透镜的焦点深度^z正比例于入/NA的平方，DVD焦点深度与CD相比变窄56%，焦点误差的允许值变小。

  光盘的倾斜引起的象差也会增加。对于焦点误差的允许值的减 少，就需要提高焦点控制精度，DVD为减少光盘的倾斜引起的收差， 光盘的厚度减为CD的一半0.6mm。

  一般LD发出的光为与PN结合面平行的线性偏振光，但短波长的 LD中大多发出与PN结合面垂直的线性偏振光，DVD要求LD在光盘面 上的能量为0.3mW左右，这就需要LD发出的激光能量是3〜5mW。

  LD射出的激光是发散光，从发光点离开一段观测到的光束断面 强度分布，被称为远视野象FFP(far field pattern)， FFP垂直结合 面方向宽，平行结合面方向窄，象下面图示的一样，是纵长的椭圆形。

  LD垂直结合面的放射角和平行结合面的放射角分别是0 ±，0 〃。根据LD的放射角和对物透镜对光束强度的分布要求，确定准直 透镜的焦点距离。

  LD有单模发光和多模发光两种激光发振方式。单模发光的最大 问题是从光盘反射回来的光进入激光共振器，形成干涉，成为噪音， 影响SN,为了消除噪音，需要对驱动电流进行高频叠加。而多模的LD 抗干扰能力强，不需要高频叠加。

  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，无反射折射的通过PBS,.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， 携带信息再反射回来，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，使入射光和带有信号的反射光分离。

  DVD光头要求对物透镜一定要象差小，特性优良，能够把光束聚 焦到回折界限，也就能补正各种收差，使点象的大小完全由回折

  焦点误差检出方式一般米用非点收差法，非点收差法就是根据光 盘反射面位置的变化，反射光的聚焦位置移动 影光形状进行变化，用4分割PD差动检出。

  从PBS分离的含有信息的反射光，除一部分进入伺服机构的控制 系，大部分进入信号系，由PD变成电信号，前置放大，成为RF信号。

  DVD光学头最重要的包含对物透镜驱动系ACT（ACTUATOR）和光学系， 对物透镜驱动系有两个功能，一个是把从半导体激光器发出的激光聚 焦在光盘的信息面上，（即聚焦focusing）,另一个是使光束在轨道上 并追随轨道（即寻轨tracking）,因为聚焦是对于光盘的面振动，以 川m以下的误差来追随，设计聚焦伺服驱动线圈时，必须使驱动线圈 的加速度超过光盘面振动的加速度.寻轨驱动线口 m以下 的误差对轨道进行追随，设计中特别要注意的是防止对高频的机械共 振.

  设计一般是以光盘的国际标准为目标值,要考虑到光盘的面振动, 光学头的装配误差，光学头的移动误差，主轴电机的轴振动，光盘的放 置误差等诸多因素.具体的结构，主要有轴转动型,弹性线材支持型 等.ACT的基本特性可以看成有弹簧的进退结构,驱动是由线圈和电磁 回路构成.具体设计时，有PMESH、PMAG等计算机辅助设计软件.

  成像光学系的设计，无非是满足聚集后的光斑点足够小，以便能 准确读出光盘上信息.光斑的直径3 =kX （入/NA）,系数k与对物透 镜入射光强分布有关，光强分布越接近均一分布,k值越小.在相同数 值孔径NA的条件下，若想得到最小聚集光斑，

  对于a,应力求使每个光学部品有最小的像差，对于b,因为从 LD发出激光为发散光，经准直后，光强分布为高斯分布。如果只利 用中心部的激光，可以较接近均一分布，但是对LD光能量的利用率 低下，可能得不到到达盘面所要求的能量，因此要折中考虑这相矛盾 的两个要求，定出横向对物透镜利用光强分布百分比Rx(Rim intensity X)，纵向利用光强分布百分比Ry (Rim intensity Y)， 这两个条件是设计光学系的依据。

  只读型DVD光头用LD 一般=635nm或650nm，它的激光共振阈 值电流一般为40mA左右，工作电流(即LD出射激光能量约3mW时， 为50mA左右，各制造商极力减少其工作电流，以使其工作在较低温 度下，因为气温变化(升高)会使其发出激光波长发生漂移，在设计 光头时应尽量使其得到良好散热。

  LD发生的激光，多为不完全的线性偏光在设计PBS时要考虑线 性偏光的方向性.

  从LD半导体激光共振腔中发出的发散激光，从水平和垂直方向 来看，并不是从同一点发出，水平发射点和垂直发射点之间的距离， 称为非点间隔，它使从LD发出的激光波面产生非点象差。

  由于从LD放出激光为发散光，并且水平与垂直方向发散角不同 分别为0上和0 〃，整形透镜和准直透镜设计要以0上和0 〃为依 据。

  多模方式的LD 一般RIN较低，但抗反射光干扰能力强，驱动电 流不需叠加高频，对于单模方式发光LD,反射光对光信号影响很强， 必须对驱动电流叠加高频，一般约在500——700MHZ范围内。

  准直透镜是把LD发出的发散光转换成平行光，它由以下3个条件 决定它的焦距f：

  由于DVD使用的激光波长短，所以对光波面象差要求严，所以尽 量使用LD发光的中间部分，即波面收差较小的部分，并且要考虑 光能的利用效率。这样就与一般的CD用光头不同。需要整形棱镜， 它的作用是把椭圆形的平形光，变换成正圆形的平行光(如图)，

  偏光分光棱镜的作用。是把从LD的出射光和从光盘的反射光分 离，一是以便使反射光不回到LD的激光的共振腔，使出射激光不产 生噪音，二是使反射回来的带有信息的反射激光束可以有最小的损 失，首先使Q面滤掉入射光A的P线性偏光以外的成份，使之成为纯 粹的P线性偏光，此外还必须使Q面对P线对物透镜

  对物透镜的设计，必需依赖于光盘的厚度，如果光盘的厚度与设 计值不符，将会产生球面像差，使聚集特性变坏，这也就是为什么用 于光盘厚0.6mm的DVD用对物透镜读不出光盘厚1.2mm的CD光盘信 号的理由。

  一般只读型用功率较小，使用注塑非球面光学树脂即可，而记录 型用功率较大，一般用多组光学玻璃透镜组合而成，对成像系的各部 品的像差一定要严格控制.

  FES聚焦伺服误差信号(Forcs Error Single)的取得，有多种 方式，例如非点象差法、刀刃法、双刀刃法等，这里只采用光学系比 较简单，应用较广的非点象差法。

  凸透镜焦点和圆柱面透镜的焦点之间的距离称为焦点间隔D,光 盘上的检出范围是△ dsk,检出范围越大，敏感度越低，但伺服越不 易脱轨，反之检出范围越小，敏感度越高，但伺服易脱轨，D和Adsk 是在设计焦点伺服误差检出系之前要确定的两个值，是设计的依据.

  对于入射光A，m方向的光在S方向的光距离D之前相交于光轴， 这样做才能够求出圆柱透镜的j (power).

  其中凸透镜的屈光率为「1，厚为d1，圆柱透镜屈光率为n2厚为d3 两透镜距离为e2， j为透镜之Power，入为波长，其它如上图所示， 由以下公式能求出圆柱透镜的曲率半径：

  PD附近的光路图及PD的位置如下图(a为入射光高,F1是AF系 凸透镜的焦距,F2是圆柱面透镜焦距,x是PD的位置)：

  PD的位置必须在聚焦时m、s方向的光斑长度相同，即b=b, 有如下关系：

  普通CD用4分割PD之间间隔一般是10mm，但DVD为提高精度 一般为5mm。由以上图中的关系，可以容易的求出所需PD的大小。

  从光盘面返回的带有信息的反射光，首先在PBS处全反射，然后 在分光棱镜处分为伺服用光和信号用光，一般为30%和70%。信号 用PD前的聚光透镜，可以很容易的由以下公式求出。

  在系统设计完成后，还必需讨论系统的公差，这中间还包括各部品的 加工误差和组装误差。其中要讨论的是各加工误差或组装误差对光学 头中某项要求指标所产生的影响,是否在许可范围内.

  整形棱镜公差的评价标准是水平方向的Rim intensity变化在 ±1%以内，其中变化参数为：

  首先从规格书、加工精度或调整精度中求出以上各项的变化量, 再求出Rim intensity对应各项变化量的变化量，就能够准确的通过公式

  评价标准是非点距离在设计值的5 %以内，光盘的检出范围也在 设计值的5%以内。

  光学头的评价一般在物理上测量光斑的强度分布和大小，在电特 性上测量 FE、TE、Eye pattern 和 Jitter 等..

  以上主要是光学头光路的设计，对于光路中各光学部品所附着的 框体，在设计上也有一定的要求，例如平面精度，可调整性，散热性, 刚性，振动响应特性等。

  光学头依据使用的需要(例如如用于Disco man的小型光学头， 用于车载的抗恶劣环境的特殊光学头，用于DVD—R，DVD-RAM的大 功率的光学头等)，设计的侧重点不同。但基本设计原理大体相同。

  光学头的组装、调整也很重要.在筐体设计中要考虑光学头某 些部品的可调整性，一般调整时采用用CCD摄像机监看的光学滑轴. 某些时候为了测量波面相差，也要用到干涉仪.

  DVD光学头结合了半导体、激光、光学、控制、机械等几个领域 最新技术，是DVD光盘装置中的最重要部件之一。