激光头分解图，激光头的原理与结构

很多朋友对激光头分解图，激光头的原理与结构不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

激光头的原理和结构。自1982年直径12cm的数字音频光盘CD问世以来，数字视频光盘DVD（数字视频光盘）一直是新一代光盘的梦想。虽然VCD几年前就出现了，但是对于光盘来说说实话，技术并没有改变，只是数据被压缩了。图像质量仅达到VHS水平。它只是一个过渡产品，在国外没有市场。数字图像信号的优点是编辑时图像质量不会恶化，并且易于计算机处理。因此，能够记录2小时以上高质量数字图像的光盘是人们期盼已久的。近年来，短波长半导体激光技术、薄型光盘基板技术、物镜高数值孔径NA技术的进步，使得提高光盘的记录密度成为可能，同时数字连续可变技术也成为可能。图片压缩技术也有了长足的进步，使得在CD上长时间记录高质量图像的连续可变图像成为可能。上述技术基础奠定之后，全球十大公司共同制定了新一代数字视频光盘（DVD）的标准，其尺寸与原始CD相同，记录容量是CD的7.5倍。原始CD。 4.7G，并采用高质量的MPEG2数字信号压缩方法，使其可存储135分钟的电影。 DVD播放机主要由光头和MPEG2解码器两项关键技术组成。由于MPEG2解码器是通用标准，目前开发芯片的厂商不下十几家，而光头技术主要由日本厂商控制。在手里。光盘技术是将最小的激光束聚焦到弯曲极限，照射光盘表面。由于记录信息的光盘表面的凹凸不平对光的反射不同，因此可以读取光盘上的信息。对于光学头来说，其独特的技术包括：利用聚焦到折射极限的最小激光束，穿过0.6mm透明塑料层，从凹凸信息表面提取信号。 b.使用半导体激光二极管和数值孔径NA 为0.6 的物镜将激光束聚焦成最小光束，直至达到由波长确定的折射极限。 C。由于交换不同光盘而引起的光盘形状误差和物镜在光盘信息记录面上的焦点位置的变化，以及光盘刻录时盘面的上下振动。光盘旋转也会引起焦点位置的变化。为了检测焦点位置的变化，进行自动校正，必须在光学头中内置能够以正负1m的精度控制焦点位置的误差检测功能以及用于控制的伺服机构。 d.光盘形状中心与光盘旋转中心之间的偏心校正，以及控制激光束在轨道上循迹的误差检测功能，在有轨道的轨道上精度为正负0.1m间距为0.74m，控制用伺服机构内置于光学头中。这里，对于光盘器件系统来说，能够满足上述要求的光学头的基本光学系统，物镜OL（物镜）、作为光源的半导体激光二极管LD（激光二极管）、准直透镜CL和其他一些光学头所使用的光学部件的原理和设计将被解释。 2. 光学头的基本原理2.1光头的基本光学系统及光学部件的像差光头是DVD系统最大的关键部件之一。 1.物镜、2.准直透镜、3.偏振分光棱镜、4.分光棱镜、5.反射镜、6.1/4波片、7.聚焦误差检测光学系统、8.跟踪误差检测光学系统及其他光学部件和光学系统，9.聚焦控制伺服机构（F-ACT），10.跟踪控制伺服机构（T-ACT）等伺服机械控制部件，11.半导体激光二极管，12.更多分光电二极管PD（光电二极管）和其他光电元件。

光头能读取光盘上信号的原理是激光二极管发出的发散P线偏振激光经过准直透镜成为平行光，当经过1/4波片时，偏振方向旋转45度成为圆偏振光，这束平行圆偏振光经物镜聚焦到光盘的信息面上，然后反射回来（根据光从光盘上反射的不同）光盘表面的凸面和凹面），当通过1/4波片时，偏振方向再次旋转45度，成为S线偏振光，在偏振分束器PBS处反射到误差检测系统和信号系统，反射光又被分成两路，误差系统光路经过凸透镜和柱面透镜，投射到四分光电二极管上。各象限的光量进行计算，控制聚焦跟踪伺服机构使其读出正确的信号，另一信号系统的光束经凸透镜会聚到光电二极管，将光转换成光信号。信号转变成电信号。为了将激光聚焦成由波长决定的最小光束，从LD发射的球面波的波前必须尽可能完美地传输到光盘的信息记录表面。也就是说，从LD光发射到盘片开始，光头成像系统各部分的RMS波前像差必须限制在0.07以下，否则激光束无法聚焦到所确定的最小光束由干扰限制。组成光学头、光盘表面的各种光学元件，包括设置物镜时的调整误差，以上组合的成像光学系统的波前像差必须限制在Warechal Criteron给出的允许最大值（ )MC 波面差小于0.07。光盘已由光盘标准规定，()DISK=0.05，一般物镜像差()ADJT=0.025，使整体()MC小于0.07，像差其他光学部件必须严格控制。从LD到光盘，光头各光学部分的最大允许波前像差用()LD、()CL、()PBS、()QWP、()MR、()表示) OL，Warechal Criteron 为我们提供了以下公式； ()MC/14() 2MC=()2LD+()2CL+()2PBS+()2QWP+()2MR+()2OL+()2DISK 下面带入具体DVD值并做一些计算。半导体激光二极管的激光发射侧具有平面玻璃窗。另外，由于半导体激光器本身的特性，存在不可逾越的非点区间，比理想波前差。普通的()LD约为0.013。棱镜和反射镜等平面光学元件相对容易制造，波前像差为0.01-0.015。然而，对于准直透镜、物镜等非平面光学元件来说，波前像差很难抑制在0.03以内。设准直镜为0.025，物镜为0.035，则根据式（2）可得整个（）MC的波前像差为0.0694，满足要求。即使物镜的波前像差被抑制在0.035以下，如果准直透镜的波前像差大于0.025，聚焦光束的直径也会变大，从信息面读取数据错误的频率也会变大。更高。由于上述原因，准直透镜的波前像差必须小于0.025，但对于球面单透镜来说很难达到这个值，一般采用球面玻璃组合透镜。 DVD光头物镜发射的激光束需要跟踪光盘信息面上轨道间距为0.74m、最短凹坑长度为0.4m的轨道，并正确读出凹坑信息。光强度为光束中心强度的1/e2处的光束直径称为光束直径，激光波长=650nm，物镜数值孔径NA=0.6，=k( /NA)当物镜入射光束的光强和能量分布均匀时，系数k为0.96，当光强和能量分布为高斯分布时，系数k为1.34。

从上式可以看出，光束直径与/NA成正比。为了提高光盘的记录密度并减小光束直径，需要缩短激光的波长并增大物镜的NA。另外，物镜的焦深z与/NA的平方成正比。 DVD的焦深比CD窄56%，聚焦误差的允许值也变小。 z ~ /NA2 光盘倾斜引起的像差也会增大。为了减小聚焦误差的允许值，需要提高聚焦控制精度。为了减少光盘倾斜引起的像差，DVD的厚度减至CD的一半，即0.6mm。 2.2.成像光学系统2.2.1。激光二极管。一般来说，LD发出的光是平行于PN接合面的线偏振光。然而，大多数短波长LD 发射垂直于PN 接合表面的线偏振光。 DVD 要求光盘上有LD。表面能量约为0.3mW，这就要求LD发射的激光能量为3~5mW。 2.2.2. LD和准直透镜的发射角特性LD发射的激光是发散光。在距发光点一定距离处观察到的光束截面的强度分布称为远场图（FFP）。 FFP是垂直组合的。面方向较宽，平行接合面方向较窄。如下图所示，它是一个垂直的椭圆形。 LD垂直接合面和平行接合面的辐射角分别为和。准直透镜的焦距根据LD的辐射角度和物镜的光束强度分布要求来确定。 2.2.3. LD噪声特性及高频叠加LD有两种激光振荡模式：单模发射和多模发射。单模发光最大的问题是光盘反射的光进入激光谐振腔，产生干扰，变成噪声，影响SN。为了消除噪声，需要对驱动电流进行高频叠加。多模LD抗干扰能力强，不需要高频叠加。 2.2.4.偏振分光棱镜和1/4波片的作用。激光二极管发射的发散P线偏振激光经过准直透镜后成为平行光。它穿过PBS，没有反射和折射。当它通过1/4波片时，偏振方向旋转45度，成为圆偏振光。该平行圆偏振光被物镜聚焦到光盘的信息表面上，携带信息并被反射回来。当穿过1/4波片时，偏振方向再次旋转45度。变成S线偏振光，在偏振分光棱镜PBS处反射到误差检测系统和信号系统，使入射光和带有信号的反射光分离。 2.2.5。物镜DVD光头要求物镜必须像差小，特性优良，能够将光束聚焦到折射极限，即能校正各种像差，使点像的大小完全由下式决定：折射极限。一般使用非球面光学树脂镜片。 2.3 误差检测系统非点像差法。聚焦误差检测方法一般采用非点像差法。非点像差法是根据光盘反射面位置的变化，反射光的焦点位置移动，通过柱面透镜进行投影。光形变化，通过4段PD进行差分检测。聚焦误差检测信号=(A+C)-(B+D)/(A+B+C+D) 跟踪误差检测信号=(A+B)-(C+D)/(A+B +C+ D) PD将光信号转换为电信号，经过前置放大、模拟运算，然后经过相位补偿将信号输入到驱动放大器，驱动镜头驱动线圈完成聚焦和跟踪控制。跟踪伺服机构的基本结构如图2.4所示。信号系统与PBS 分离。含有信息的反射光从PBS 中分离出来。除部分外，均进入伺服机构的控制系统。大部分进入信号系统，从PD转变为电信号，并被预放大成为RF。信号。

光学头光学系统的设计。 DVD光头主要包括物镜驱动系统ACT（ACTUATOR）和光学系统。物镜驱动系统有两个功能。一种是将半导体激光器发射的激光聚焦在光盘的信息表面上。（即聚焦），另一个是让光束在轨道上并跟随轨道（即跟踪），因为聚焦是跟随光盘表面振动，误差在1m以下。在设计聚焦伺服驱动线圈时，必须驱动线圈的加速度超过盘面振动的加速度。跟踪驱动线圈跟随轨道，误差小于0.1m。设计时应特别注意防止高频机械共振。其设计一般是依据光盘的国际标准。标准是目标值，必须考虑光盘表面振动、光头装配误差、光头移动误差、主轴电机轴振动、光头放置误差等因素。光盘和许多其他因素。具体结构主要有轴旋转式、弹力式、线支撑式等。ACT的基本特点可以看作是带弹簧的前进后退结构，驱动由线圈和电磁电路组成。具体设计有PMESH、PMAG等计算机辅助设计软件。下面主要介绍DVD光头的光学系统成像光学系统的设计。成像光学系统的设计无非就是满足聚集后的光斑足够小，能够准确读取光盘上的信息。光斑直径=k(/NA)，系数k与物体透镜的入射光强分布有关。光强分布越接近均匀分布，k值越小。在相同数值孔径NA下，若要获得最小的聚焦光斑，a入射光波面像差小。 b.入射光强度分布均匀。对于a，每个光学元件应该具有最小的像差。对于b来说，由于LD发出的激光是发散光，经过准直后，光强分布呈高斯分布。如果只使用中心的激光，分布可以更接近均匀分布，但LD光能的利用率较低，可能无法获得到达盘面所需的能量，因此两者是矛盾的必须折中考虑要求，物镜在水平方向上使用光强度分布百分比Rx（Rim强度X），在垂直方向上使用光强度分布百分比Ry（Rim强度Y）。这两个条件是设计光学系统的基础。激光二极管LD（Laser Diode）LD是光学头中的发光器件，它发出的光的特性决定了光学头的结构和特性。 A。基本特性只读DVD头的LD一般=635nm或650nm，其激光谐振阈值电流一般为40mA左右，工作电流（即LD发射的激光能量为3mW左右时，为50mA左右，并且各个厂家都尽量降低工作电流，使其能够在较低的温度下工作，因为温度的变化（增加）会导致激光波长漂移，所以在设计光头时应该很好地耗散。偏振LD产生的激光，大部分是不完全的线偏振光，设计PBS时，应考虑线偏振光的方向性c.辐射角度和非点间隔LD半导体激光谐振腔发出的发散激光为不是水平和垂直的，从同一点发射，水平发射点和垂直发射点之间的距离称为非光斑间隔，它造成LD发射的激光波前出现像散。由于LD发出的激光是发散光，水平和垂直方向的发散角分别为和，整形透镜和准直透镜的设计应以和为依据。 d.振荡方式与高频叠加及RIN相对噪声强度RIN是评价LD指数的重要因素，RIN=(P/P)2/f（单位Hz-1）其中P为发射光的交流分量由LD可知，P为直流分量，f为测量的频率带宽。

多模LD一般RIN较低，但抗反射光干扰能力强，驱动电流不需要高频叠加。对于单模LD，反射光对光信号影响很大，驱动电流必须叠加高频。一般在500700MHZ左右范围。 e.内置光电二极管PD（光电二极管） 为了保持发出的光能量恒定，一般内置光电二极管PD，用于APC（自动功率控制）。准直透镜准直透镜将LD 发出的发散光转换为平行光。其焦距f由以下三个条件决定：物镜的纵向光强度分布Ry。 b.物镜直径。 C。由高斯光强分布公式可以计算出LD的垂直辐射角：可以计算出准直透镜的焦距f。然后准直透镜的焦距f。 b.物镜所需的光束直径。 C。公式光束直径=（物镜直径）+（圆盘偏心率）+[余量]2fNA=光束直径可以计算出准直透镜的数值孔径NA。 3.1.3 整形棱镜由于DVD使用的激光波长较短，因此对光学波前像差有严格的要求。因此，尽量使用LD的中间部分出光，即波前像差较小的部分。同时，还必须考虑光能的利用效率。这与普通CD光头不同。需要整形棱镜。其作用是将椭圆形的平面光转变为完美的圆形平行光（如图所示）。根据以下四个条件，可求出整形棱镜的整形倍率m和顶角：a到物体侧面的光强分布Rx.b镜头所需的直径对应于物镜的直径。 C。 LD纵向辐射角。 d.准直透镜的焦距f。偏振分光棱镜PBS 偏振分光棱镜的作用。就是将LD发出的光和光盘反射的光分开。一是防止反射光返回LD的激光谐振腔，使发射的激光不产生噪声。另一个是防止携带信息的反射激光被反射回来。光束可以具有最小的损耗。首先，Q面必须滤除入射光A中除P线偏振以外的成分，使其成为纯P线偏振。另外，Q面对于P线偏振和S线偏振必须是完全透明的。全反射。物镜的设计必须取决于光盘的厚度。如果光盘的厚度与设计值不相符，就会产生球面像差，聚焦特性也会恶化。这就是为什么使用光盘厚度为0.6 毫米的DVD 的原因。盘片厚度为1.2mm的CD盘片信号无法被物镜读取的原因。根据DVDbook，NA=0.6，半径一般为R=2mm，fobj=2R/2NA=3.33（mm）。一般只读型耗电量较小，可采用注塑非球面光学树脂。记录式采用较高的功率，一般采用一组光学玻璃镜片组成，成像系统各部件的像差必须严格控制。获取伺服系统聚焦伺服（Forcs Svero）FES聚焦伺服误差信号（Forcs Error Single）的方法有很多种，如点像差法、刀口法、双刀口法等，这里仅介绍采用光学系统相对简单、应用广泛的像散法。自动对焦AF（自动强制）光学系统的配置如图所示：凸透镜的焦点与柱面透镜的焦点之间的距离称为焦点间隔D。光盘上的检测范围是dsk。检测范围越大，灵敏度越高。越低，舵机脱轨的可能性越小。反之，检测范围越小，灵敏度越高，但舵机容易脱轨。 D和dsk是设计聚焦伺服误差检测系统之前必须确定的两个值。它们是设计的基础。 是凸透镜焦点与柱面透镜之间的水平放大倍数。有如下公式：22=D/dskFAF=fobj。这样就可以求出凸透镜的焦距FAF。

3.2.1.2.柱面透镜对于入射光A，m方向的光在S方向光距D之前相交在光轴上，这样就可以得到柱面透镜的j（光焦度）。凸透镜的折射率为n1，厚度为d1，柱面透镜的折射率为n2，厚度为d3，两透镜之间的距离为e2，j为透镜的光焦度，是波长。其他的如上图所示。柱面透镜的曲率半径可由下式求得：j=1/Fe=ndan=an-1+h n-1j n-1hn=h n-1en-1an3。 2.2.光电二极管PD（Photo Diodo）的位置和PD形状设计。 PD附近的光路图以及PD的位置如下（a为入射光的高度，F1为AF系统凸透镜的焦距，F2为柱面透镜的焦距，x是PD 的位置）： PD的位置PD的位置必须在聚焦时，m和s方向的光斑长度相同，即b=b`，有如下关系：a/b=F1/(d-x)a/b`=F2/x。可以找到PD的位置。 b. PD的大小普通CD的4段PD之间的距离一般为10mm，但对于DVD，一般为5mm以提高精度。根据上图的关系，可以很容易计算出所需的PD尺寸。 3.3.信号输出是从光盘表面返回的带有信息的反射光，首先在PBS处全反射，然后在分束器处分为伺服光和信号光，一般为30%和70%。使用PD 前面的聚光透镜，可以通过以下公式轻松计算信号。 j=1/Fa=an-1h n-1j n-13.4 公差系统设计完成后，需要讨论系统的公差，包括各零件的加工误差和装配误差。要讨论的是各个加工误差或装配误差对光头中某一要求指标的影响，以及是否在允许的范围内。标准是水平方向Rim强度变化在1%以内，变化参数为： 1、光学玻璃折射率的变化。 2. LD激光波长的变化（影响折射率）。 3.整形棱镜入射角的变化。 4、整形棱镜顶角的变化。 5.准直透镜焦距的变化。 6. LD发射光的发射角的变化。首先从规格、加工精度或调节精度计算出上述各项的变化量，然后计算出每个变化量对应的Rim强度的变化量，则可以使用公式=?(e12+ e22+…+en2) /(N-1)?-1/2 计算公差。 en为某一变化引起的Rim强度变化量，为Rim强度的容差。 b.伺服系统的公差评价标准是黑点和白点之间的距离在设计值的5%以内，光盘的检测范围也在设计值的5%以内。变化值为： 1、凸透镜第一表面的曲率半径误差； 2、凸透镜第二表面的曲率半径误差； 3、柱面透镜第一面的曲率半径误差； 4、柱面透镜第二面的曲率半径误差； 5、凸透镜与柱面透镜之间的距离。 3.4.2. AF系统的装配公差评价标准是光束在检测范围内的移动不超过PD的无感带值。变化参数： 1、圆柱体（误差检测系统中的凸透镜和柱面透镜在同一个圆柱体中）偏心。 2、气缸倾斜。 3、凸透镜偏心。 4、凸透镜倾斜。 5、柱面透镜偏心。 6. 柱面透镜倾斜。公差可以对光头进行定量评价。 3.5 光头的评估光头的评估一般在物理上测量光斑的强度分布和大小，在电气特性上测量FE、TE、眼图和Jitter。以上主要是光学头光路的设计。光路中光学元件所附着的框架的设计也有一定的要求，如平面精度、可调性、散热、刚性、振动响应特性等。光学头是根据使用的需要来设计的（例如迪斯科曼用的小型光头、车载抗恶劣环境的专用光头、DVD-R、DVD-RAM等用的大功率光头等），侧面的设计侧重点不同。

但基本的设计原则大体是相同的。光学头的组装和调整也非常重要。外壳设计时必须考虑光头某些部件的可调性。一般采用CCD摄像机监控的光学滑轴进行调节。有时为了测量波前相位差，还需要使用干涉仪。 DVD光头综合了半导体、激光、光学、控制、机械等领域的最新技术，是DVD光盘设备中最重要的部件之一。

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