光学头光学系的设计

DVD光学头主要包括对物透镜驱动系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1μm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.寻轨驱动线圈是以0.1μm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.
以下主要介绍DVD光学头的光学系的设计.

成像光学系
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 ω=k×（λ/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，
a. 入射光波面收差小.
b. 入射光强分布均一。
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。

激光二极管LD（Laser Diode）
LD是光学头中的发光器件，它发出光的特性决定了光头的结构、特性。
a.基本特性
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，因为温度变化（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。
b.偏光性
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.
c.放射角及非点间隔
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θ⊥和θ∥，整形透镜和准直透镜设计要以θ⊥和θ∥为依据。
d.发振方式和高频叠加及RIN
相对噪音强度RIN是评价LD的一个重要指标，
RIN=(△P/P)2/△f(单位Hz-1)
其中△P是LD射出光的交流成分，P是直流成分，△f是测量的频带宽度。
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。
e.内藏光电二极管PD（photo diode）
LD内部为了使出射光能量保持一定，一般内藏光电二极管PD，做APC（auto power control）用。

准直透镜
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：
a. 对物透镜纵向的光强分布Ry。
b. 对物透镜直径φ。
c. LD的垂直放射角θ⊥
由高斯光强分布公式:

可以计算出准直透镜的焦距f。再由
a.准直透镜的焦距f。
b.对物透镜要求的光束直径.
c.公式 光束直径＝（对物透镜直径）＋（光盘偏心量）＋〔裕量〕
2f·NA=光束直径
可以求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，同时还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），

根据以下4个条件，可以求出整形棱镜的整形倍率m及顶角:
a.对物透镜要求的横向光强分布Rx.
b.对物透镜的直径φ。
c. LD纵向放射角θ∥。
d. 准直透镜的焦距f。

偏光分光棱镜PBS
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线性偏光全透过，S线性偏光全反射。

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。
由DVDbook规定NA＝0.6，半径一般R＝2mm
fobj=2R/2NA=3.33(mm)
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.