摘要: 為了實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，DVD盤(pán)片使用波長(zhǎng)為650/635nm的激光且物鏡NA應(yīng)大于0.6。而CD則使用780nm的激光且數(shù)值孔徑約為0.4。為了能與CD類(lèi)光盤(pán)兼容，DVD播放器/驅(qū)動(dòng)器中除了要有完成CD類(lèi)盤(pán)片的解碼電路外，其光學(xué)頭也需能同時(shí)讀取CD盤(pán)片。本文分析了目前已經(jīng)實(shí)用的兼容CD的DVD光學(xué)頭設(shè)計(jì)并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
1. 概述
DVD(Digital Versatile Disc) 已經(jīng)廣泛的進(jìn)入了市場(chǎng)，并以其7倍于傳統(tǒng)CD的容量，成為消費(fèi)者的新選擇。但由于CD類(lèi)光盤(pán)的廣泛存在以及DVD和CD類(lèi)光盤(pán)將在一定時(shí)期內(nèi)共同存在，所以DVD的播放機(jī)和驅(qū)動(dòng)器需要同時(shí)讀取CD盤(pán)片和DVD盤(pán)片。根據(jù)DVD標(biāo)準(zhǔn)，DVD盤(pán)片的盤(pán)基厚度為0.6mm，而傳統(tǒng)CD盤(pán)片的盤(pán)基厚度為1.2mm。由于DVD與CD盤(pán)盤(pán)基厚度及存儲(chǔ)密度上存在差異，對(duì)二者的兼容讀出帶來(lái)了一定的問(wèn)題。因此除擁有CD的解碼器外，在設(shè)計(jì)DVD光學(xué)頭時(shí)必須考慮到讀取現(xiàn)有CD的能力。為了解決光學(xué)頭的兼容問(wèn)題，在DVD光學(xué)頭設(shè)計(jì)上產(chǎn)生出多種方案，如兩套獨(dú)立讀出系統(tǒng)、全息物鏡、液晶光闌、雙物鏡等，本文將對(duì)這些方法進(jìn)行分析和比較，
2. 數(shù)值孔徑與CD/DVD兼容的關(guān)系
為了達(dá)到單面單層4.7GB的容量，DVD盤(pán)片的道間距和坑點(diǎn)尺寸必須縮小。根據(jù)DVD標(biāo)準(zhǔn)，道間距是0.74mm，最小坑點(diǎn)大小為0.4mm。這種信息坑尺寸的減小要求分辨率更高的光學(xué)讀出系統(tǒng)。在光盤(pán)系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)的分辨率取決于讀出光斑的大小，它與物鏡的數(shù)值孔徑（NA）和讀出激光的波長(zhǎng)（l）有關(guān)：在DVD中，使用紅光激光器（波長(zhǎng)為635nm或650nm）和的物鏡，以便滿足讀出光斑的要求。但是，隨著NA的加大，讀出系統(tǒng)的象差相應(yīng)增加。其中，W40有[5]：，n是盤(pán)介質(zhì)折射率；NA是物鏡數(shù)值孔徑；d是盤(pán)片厚度差。
由上式W40擔(dān)∟A）4·d，因此用讀DVD的光學(xué)頭（NA=0.6）去讀CD信號(hào)將會(huì)引起較大的球差，從而不能正確恢復(fù)CD中的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，NA的減小將使讀出光斑尺寸變大，但實(shí)際上這是允許的。因此，在進(jìn)行兼容CD的DVD光學(xué)頭的設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮物鏡有效數(shù)值孔徑的影響，各方案也都考慮了這方面的因素。
3. DVD光學(xué)頭的設(shè)計(jì)方案的分析和比較為了兼容CD盤(pán)片，目前存在著多種DVD光學(xué)頭的設(shè)計(jì)方案。其中最主要的有如下四種：
3.1 雙光學(xué)頭系統(tǒng)
最簡(jiǎn)單和最先采用的就是這種雙光學(xué)頭方式，也就是采用二個(gè)完全獨(dú)立的DVD、CD讀取激光頭，擁有二套完全獨(dú)立的物鏡。此方案的實(shí)物圖如圖1所示。此種方案的原理非常簡(jiǎn)單，兩套光學(xué)系統(tǒng)相互獨(dú)立，在讀盤(pán)時(shí)通常是只用DVD光學(xué)頭試讀，如發(fā)現(xiàn)不是DVD盤(pán)片，則通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)換系統(tǒng)換CD光學(xué)頭試讀。
這種方案優(yōu)勢(shì)很明顯，就是讀取信號(hào)質(zhì)量最高。特別是由于其在讀CD類(lèi)盤(pán)片時(shí)完全與CD播放機(jī)和驅(qū)動(dòng)器相同，可真正的全兼容所有CD－R及CD－RW類(lèi)盤(pán)片。當(dāng)然缺點(diǎn)也很多：成本最高、認(rèn)盤(pán)速度慢（激光頭轉(zhuǎn)換過(guò)程）、激光頭隱含機(jī)械故障，且體積龐大。SONY公司采用這種方式，目前日立的DVD機(jī)芯也采用這種系統(tǒng)。由于CD－R和CD－RW盤(pán)片的激增，采用這種方案的DVD驅(qū)動(dòng)器正日益被看好。
3.2 雙物鏡系統(tǒng)
這種系統(tǒng)采用一個(gè)激光頭二組物鏡，通過(guò)轉(zhuǎn)換不同的物鏡來(lái)分別讀取DVD和CD。其內(nèi)部示意圖如圖2所示，它的實(shí)物看起來(lái)與雙頭的相似，因?yàn)槲覀兛吹蕉M物鏡，但其內(nèi)部只有一個(gè)激光器。
這一方案的特點(diǎn)是將DVD和CD兩個(gè)讀出物鏡（這兩個(gè)物鏡具有不同的NA，NADVD=0.6，NACD=0.38）連同雙軸力矩器固定在一中心為轉(zhuǎn)軸的支架上，在支架兩端固定一對(duì)電極，在光軸兩側(cè)固定兩對(duì)磁極極性相反的永磁材料。通過(guò)切換轉(zhuǎn)架上電磁極的極性實(shí)現(xiàn)兩組物鏡間的切換，圖3顯示了利用這種雙物鏡力矩器的光學(xué)頭的光路圖。文獻(xiàn)[6]介紹了這種力矩器的實(shí)現(xiàn)方法并給出了讀出信號(hào)的效果。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以分別設(shè)計(jì)DVD和CD物鏡，因此物鏡設(shè)計(jì)、加工比較容易，而且兩個(gè)物鏡固定在一個(gè)雙軸力矩器上，使得整個(gè)光路系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。
從總體上講，這種方案較之雙頭系統(tǒng)降低了成本，同時(shí)保持了讀取信號(hào)的高質(zhì)量，但由于要轉(zhuǎn)換聚焦鏡，所以同樣認(rèn)盤(pán)速度較慢，隱含機(jī)械故障等問(wèn)題。其突出問(wèn)題來(lái)自于讀取CD－R和CD－RW類(lèi)盤(pán)片，由于使用同一波長(zhǎng)激光器（DVD波長(zhǎng)），對(duì)于感光頻帶小的染料（如酞菁）將難以感光。在此方案中這種方案是東芝最早提出并應(yīng)用的。
3.3 全息物鏡系統(tǒng)
全息透鏡系統(tǒng)是單激光頭單聚焦鏡雙聚焦點(diǎn)方案，采用特別的全息綜合透鏡，通過(guò)透鏡中間部分的激光束形成CD的聚焦點(diǎn)，通過(guò)透鏡邊緣部分的激光束形成DVD的聚焦點(diǎn)。其原理如圖4所示。從其外形上可看出它與普通CD光學(xué)頭類(lèi)似，也是只有一個(gè)物鏡。
這種雙焦點(diǎn)光學(xué)頭的物鏡是一個(gè)與全息圖集成的非球面模壓玻璃透鏡，全息圖處于激光束的中心區(qū)。如圖5，中心區(qū)的光束發(fā)生衍射，形成讀取CD信號(hào)的光斑；沒(méi)有被全息圖衍射的那部分光束形成讀取DVD信號(hào)的光斑。
當(dāng)表面的一部分光束被此全息圖案衍射，衍射光束匯聚到一個(gè)焦點(diǎn)，這部分的數(shù)值孔徑較小，NA=0.43，工作距較大，以便讀取厚度為1.2mm的CD光盤(pán)；而全孔徑時(shí)的數(shù)值孔徑為0.6，工作距較小，以便讀取保護(hù)層厚度為0.6mm的DVD光盤(pán)。兩個(gè)焦點(diǎn)在讀DVD和CD盤(pán)時(shí)同時(shí)存在，但由于兩焦點(diǎn)在軸上相距0.6mm，因此在讀取DVD光盤(pán)時(shí)焦距較長(zhǎng)的中心部分光束發(fā)生散射，不會(huì)匯聚到探測(cè)器上，而只有位于內(nèi)焦面的光斑能成像在探測(cè)器上。同樣在用此鏡頭讀取CD光盤(pán)時(shí)，只有外焦點(diǎn)能正確聚焦在CD的信號(hào)表面上，而內(nèi)焦點(diǎn)的光束也將反射散射，對(duì)讀取信號(hào)影響不大，如圖所示。
光盤(pán)表面反射光束行進(jìn)方向，這種方案通過(guò)全息光學(xué)器件（HOE）的衍射來(lái)改變讀出物鏡的有效數(shù)值孔徑，從而減小象差，得到滿意的讀出光斑。這種方案光路比較簡(jiǎn)單，但對(duì)物鏡的設(shè)計(jì)及加工提出了較高的要求。
總的來(lái)說(shuō)，這種方案使得光學(xué)頭，特別是物鏡結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)降低了讀片精度，但降低了成本，由于沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械故障，還提高了認(rèn)盤(pán)速度。但同樣存在著對(duì)CD－R的讀取問(wèn)題，特別是采用此方案的第一代和部分第二代DVD不支持CD－R。這是松下率先采用的，并在技術(shù)上不斷提高（如對(duì)CD－R盤(pán)片的讀取等問(wèn)題），現(xiàn)在依靠其低成本和認(rèn)盤(pán)的快速性的優(yōu)勢(shì)，也是目前使用最廣泛的。
3.4 液晶光闌系統(tǒng)
這種系統(tǒng)是在一個(gè)激光頭內(nèi)安裝二個(gè)不同的激光發(fā)生器，分別產(chǎn)生650nm、780nm波長(zhǎng)的激光信號(hào)，使用一組液晶光闌物鏡分別讀取DVD、CD。
這種液晶光闌方案如圖8所示，它采用635nm和780nm兩種波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，物鏡NA為0.6，利用液晶光闌改變實(shí)際讀出信號(hào)時(shí)物鏡的有效數(shù)值孔徑。例如：在讀DVD信號(hào)時(shí)，液晶平板（LCP）上不加載電壓，因此偏振光通過(guò)LCP后偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)90゜，全部激光束將通過(guò)PBS，物鏡的有效NA是0.6。而讀取CD信號(hào)時(shí)，LCP上加載電壓，使得入射激光的中間部分在通過(guò)LCP后仍舊旋轉(zhuǎn)90゜，而旁軸部分則不旋轉(zhuǎn)，使得這部分光線被PBS反射，而只有中間的光線才能進(jìn)入物鏡，此時(shí)，選用780nm激光器，且讀出物鏡的有效NA是0.35，能夠有效的讀出CD信號(hào)。
這是一種較新的技術(shù)，它依靠?jī)蓚�(gè)激光器和一個(gè)液晶光闌實(shí)現(xiàn)讀取以635nm和NA=0.6讀取DVD并且以780nm和NA=0.4讀取CD。這樣實(shí)現(xiàn)了高的讀取質(zhì)量，并提高了認(rèn)盤(pán)速度。
4. 總結(jié)
DVD光學(xué)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域，除了以上幾種已經(jīng)實(shí)用的結(jié)構(gòu)。許多光存儲(chǔ)的公司和研究單位都對(duì)此進(jìn)行了研究，并提出了許多方案。其中，比較有代表性的是有清華大學(xué)光盤(pán)國(guó)家工程研究中心的徐端頤教授、張意博士等提出的運(yùn)用液晶器件的旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的DVD/CD光學(xué)頭結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)巧妙的運(yùn)用了旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了NA的轉(zhuǎn)換，其精度和可靠性上均優(yōu)于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案。此方案已申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。其詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參看文獻(xiàn)[1]。
由于在光存儲(chǔ)中為實(shí)現(xiàn)更高的記錄密度，將會(huì)進(jìn)一步降低波長(zhǎng)和加大數(shù)值孔徑。如現(xiàn)在正在研究中的HD－DVD就是以藍(lán)光激光為記錄波長(zhǎng)。這樣，激光頭的向下兼容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)一直存在并不斷追求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件設(shè)計(jì)、加工容易和高的精度、可靠性及讀取速度。
