雷射頭:簡介,讀取數據,特有技術,基本原理,成像光學,雷射二極體,射出角特性,噪音

雷射頭是光碟機的心臟，也是最精密的部分。它主要負責數據的讀取工作，

基本介紹

中文名：雷射頭
定義：是光碟機的心臟，也是最精密的部分
詞性：名詞
分類：物理

簡介,讀取數據,特有技術,基本原理,成像光學,雷射二極體,射出角特性,噪音特性,偏光分光稜鏡,對物透鏡,誤差檢出,非點收差法,信號系,如何清洗,

簡介

雷射頭：

它由中心往外移動在Table-of-Contents區域，通過發射雷射來尋找光碟上的指定位置，感應電阻接受到反射出的信號輸出成電子數據

雷射頭是光碟機的心臟，也是最精密的部分。它主要負責數據的讀取工作，因此在清理光碟機內部的時候要格外小心。雷射頭主要包括：雷射發生器（又稱雷射二極體），半反光稜鏡，物鏡，透鏡以及光電二極體這幾部分。當雷射頭讀取碟片上的數據時，從雷射發生器發出的雷射透過半反射稜鏡，匯聚在物鏡上，物鏡將雷射聚焦成為極其細小的光點並打到光碟上。此時，光碟上的反射物質就會將照射過來的光線反射回去，透過物鏡，再照射到半反射稜鏡上。此時，由於稜鏡是半反射結構，因此不會讓光束完全穿透它並回到雷射發生器上，而是經過反射，穿過透鏡，到達了光電二極體上面。由於光碟表面是以突起不平的點來記錄數據，所以反射回來的光線就會射向不同的方向。人們將射向不同方向的信號定義為“0”或者“1”，發光二極體接受到的是那些以“0”，“1”排列的數據，並最終將它們解析成為我們所需要的數據。

讀取數據

在雷射頭讀取數據的整個過程中，尋跡和聚焦直接影響到光碟機的糾錯能力以及穩定性。尋跡就是保持雷射頭能夠始終正確地對準記錄數據的軌道。當雷射束正好與軌道重合時，尋跡誤差信號就為0，否則尋跡信號就可能為正數或者負數，雷射頭會根據尋跡信號對姿態進行適當的調整。如果光碟機的尋跡性能很差，在讀盤的時候就會出現讀取數據錯誤的現象，最典型的就是在讀音軌的時候出現的跳音現象。所謂聚焦，就是指雷射頭能夠精確地將光束打到碟片上並受到最強的信號。當雷射束從碟片上反射回來時會同時打到4個光電二極體上。它們將信號疊加並最終形成聚焦信號。只有當聚焦準確時，這個信號才為0，否則，它就會發出信號，矯正雷射頭的位置。聚焦和尋道是雷射頭工作時最重要的兩項性能，我們所說的讀盤好的光碟機都是在這兩方面性能優秀的產品。市面上英拓等少數高檔光碟機產品開始使用步進馬達技術，通過螺旋螺桿傳動齒輪，使得1/3定址時間從原來85ms降低到75ms以內，相對於同類48速光碟機產品82ms的定址時間而言，性能上得到明顯改善。

原理和結構

自從1982年直徑12cm的數字音頻光碟CD問世以來，數字視頻光碟DVD（digitalvideodisk）一直是新一代光碟的一個夢想，雖然在幾年前出現了VCD，但是對於光碟來講，技術上沒有改變，只是對數據進行了壓縮，畫質也只是VHS水準，不過是過渡性產品，在國外沒有形成市場。

數字圖象信號具有在被編輯時畫質不劣化，容易被計算機處理等優點，所以能記錄2小時以上高畫質的數字圖象的光碟，已經讓人盼望已久。最近幾年，短波長的半導體雷射器技術，薄型化光碟基板技術，對物透鏡的高數值孔徑NA化技術等的進步，使光碟的記錄密度高密度化成為可能，同時數字連續可變畫面壓縮技術也有很大的進步，使長時間高畫質的連續可變畫面收錄在一張光碟里成為可能。

在以上這些技術基礎被奠定之後，世界上的十家大企業共同制定了新世代數字視頻光碟DVD（digitalvideodisk）的標準，既在和原有CD同樣尺寸下，記錄容量為原來光碟7.5倍4.7G，並採用高畫質的MPEG2數位訊號壓縮方式，使之能夠存儲135分的電影。

DVD播放機主要是由光學頭和MPEG2解碼器兩個關鍵技術組成的，其中MPEG2解碼器由於是通用標準，開發出晶片的廠商不下十幾家，而光學頭的技術還主要掌握在日本廠商手中。

光碟技術就是一束被聚焦到回折界限的最小雷射束照射到盤面，由於記錄著信息的盤面的凹凸對光的反射不同，就可以讀出盤上的信息。

特有技術

對於光學頭來講，它特有的技術有如下幾個：a.通過利用被聚焦到回折界限的最小雷射束，穿過0.6mm的透明塑膠層，從凹凸信息面取出信號。

b.使用半導體雷射二極體，使用數值孔徑NA為0.6的對物透鏡，把雷射束聚焦為由波長決定的回折界限為止的最小光束。

c.光碟外形的誤差和不同光碟交換時帶來的對物透鏡的焦點位置在光碟信息記錄面的位置變化，還有光碟迴轉時光碟面上下振動也會引起焦點位置變化，為了對焦點位置變化進行自動補正，必須把能夠以精度為正負1μm對焦點位置控制的誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭裡。

d.光碟的形狀中心和光碟的迴轉中心之間的偏心補正，還有對於在軌道間距為0.74μm的軌道上，精度正負0.1μm控制雷射束對軌道的追跡控制用誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭裡。

在這裡對於光碟裝置系統，能滿足以上要求的光學頭的基本光學系，對物透鏡OL(objectlens），作為光源的半導體雷射二極體LD(laserdiode），準直透鏡CL，和其他一些光學頭用的光學部品的原理及設計進行說明。

基本原理

光學頭的基本光學系和光學部品的收差

光學頭是DVD系統的最大關鍵部件之一，它的基本原理圖如下光學頭是由1.對物透鏡，2.準直透鏡，3.偏光分光稜鏡，4.分光稜鏡，5.反射鏡，6.1/4波長板，7.焦點誤差檢出光學系，8.尋軌誤差檢出光學系等光學部品和光學系，9.焦點控制伺服機構（F-ACT），10.尋軌控制伺服機構（T-ACT）等伺服機械控制部品，還有11.半導體雷射二極體，12.多分割光電二極體PD(photodiode）等光電部件構成的。

要想把雷射聚焦成由波長決定的最小光束，必須把從LD發出的球面波的波面儘量無缺陷的傳到光碟的情報記錄面。也就是說，從LD發光開始到光碟為止，光學頭成像系各部品全體的RMS波面收差必須限制在0.07λ以下，不然不能把雷射光束聚焦為由干涉極限決定的最小光束。構成光頭的各光學部品，光碟盤面，其中也包括對物透鏡設定時的調整誤差，以上這些合計的成像光學系全體的波面收差，必須限制在由WarechalCriteron（δω）MC給出的允許最大波面收差0.07λ以下。光碟已經由光碟標準規定，（δω）DISK=0.05λ，一般對物透鏡的象差（δω）ADJT=0.025λ，要使全體（δω）MC小於0.07λ，對於其他的光學部

品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光碟為止，光頭各光學部品的最大允許波面收差各用（δω）LD，（δω）CL，（δω）PBS，（δω）QWP，（δω）MR，（δω）OL表示，WarechalCriteron給出我們如下公式；

（δω）MC≤λ/14

（δω）2MC=（δω）2LD+（δω）2CL+（δω）2PBS+（δω）2QWP+（δω）2MR+（δω）2OL+（δω）2DISK

下面具體DVD的數值帶入來試算一下。半導體雷射二極體雷射射出側有平面玻璃窗，此外由於半導體雷射器自身的特點，不可克服的有非點間隔，比理想波面要差，普通（δω）LD約為0.013λ。稜鏡，反射鏡等平面光學部品比較容易的以波面收差0.01～0.015λ製造出來。但是準直透鏡和對物透鏡等非平面光學部品，波面收差要想抑制在0.03λ之內，比較困難，分別定為準直透鏡0.025λ和對物透鏡0.035λ，這樣根據式（2）得出全體（δω）MC的波面收差為0.0694λ，滿足要求。即使對物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下，如果準直透鏡的波面收差大於0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會變大，從信息面讀出數據錯誤頻度就會變高。由於以上的理由，準直透鏡的波面收差必須小於0.025，但球面單透鏡要想達到這個值非常困難，一般採用球面玻璃組合透鏡。

從DVD光頭的對物透鏡射出的雷射光束，需要一直跟蹤光碟信息面上的軌道間距為0.74μm，最短凹坑長為0.4μm的軌跡，並正確讀出凹坑信息。光強為光束中心強度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω，雷射波長λ=650nm，對物透鏡的數值孔徑NA=0.6,

ω=k×（λ/NA）

當對物透鏡的入射光束的光強能量分布為均等分布時，係數k是0.96，光強能量分布為高斯分布時為1.34。從上式可以看出，光束徑正比例於λ/NA，既要想提高光碟記錄密度，縮小光束徑，就需要使雷射短波長化，並且提高對物透鏡的NA。

還有對物透鏡的焦點深度△z正比例於λ/NA的平方，DVD焦點深度與CD相比變窄56%，焦點誤差的允許值變小。

△z～λ/NA2

光碟的傾斜引起的象差也會增加。對於焦點誤差的允許值的減少，就需要提高焦點控制精度，DVD為了減少光碟的傾斜引起的收差，光碟的厚度減為CD的一半0.6mm。

成像光學

雷射二極體

一般LD發出的光為與PN結合面平行的線性偏振光，但短波長的LD中大多發出與PN結合面垂直的線性偏振光，DVD要求LD在光碟面上的能量為0.3mW左右，這就需要LD發出的雷射能量是3～5mW。

射出角特性

LD射出的雷射是發散光，從發光點離開一段觀測到的光束斷面強度分布，被稱為遠視野象FFP(farfieldpattern），FFP垂直結合面方向寬，平行結合面方向窄，象下面圖示的一樣，是縱長的橢圓形。LD垂直結合面的放射角和平行結合面的放射角分別是θ⊥，θ∥。根據LD的放射角和對物透鏡對光束強度的分布要求，確定準直透鏡的焦點距離。

噪音特性

LD有單模發光和多模發光兩種雷射發振方式。單模發光的最大問題是從光碟反射回來的光進入雷射共振器，形成干涉，成為噪音，影響SN，為了消除噪音，需要對驅動電流進行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強，不需要高頻疊加。

偏光分光稜鏡

雷射二極體射出的發散P線性偏振雷射通過準直透鏡，成為平行光，無反射折射的通過PBS,.再通過1/4波長片時，偏振方向旋轉45度，變為圓偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光碟的信息面，攜帶信息再反射回來，通過1/4波長片時，再一次偏振方向被旋轉45度，成為S線性偏振光，在偏光分光稜鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系，使入射光和帶有信號的反射光分離。

對物透鏡

DVD光頭要求對物透鏡一定要象差小，特性優良，能夠把光束聚焦到回折界限，也就是能夠補正各種收差，使點象的大小完全由回折界限來決定。一般使用非球面光學樹脂透鏡。

誤差檢出

非點收差法

焦點誤差檢出方式一般採用非點收差法，非點收差法就是根據光碟反射面位置的變化，反射光的聚焦位移動，通過圓柱面透鏡對投影光形狀進行變化，用4分割PD差動檢出。

聚焦誤差檢出信號=（A+C）-(B+D)/(A+B+C+D)

尋軌誤差檢出信號=（A+B）-(C+D)/(A+B+C+D)

PD把光信號轉變成電信號，前置放大，模擬運算，再經過相位補償，把信號輸入驅動放大器，驅動透鏡驅動線圈，完成聚焦和尋軌控制。

信號系

從PBS分離的含有信息的反射光，除一部分進入伺服機構的控制系，大部分進入信號系，由PD變成電信號，前置放大，成為RF信號。

如何清洗

超音波清洗機清洗雷射頭

短接雷射頭保護焊點,用小毛刷配合吹氣球將雷射頭表面的積塵清除乾淨,再用牙刷在自來水下將其緩衝齒條上的潤滑脂清除乾淨.然後將雷射頭放入盛滿溫開水的清洗槽中,滴入一兩滴洗滌劑.靜置10分鐘後接通清洗機電源並按下清洗開關.此時清洗槽中的水劇烈振動,雷射頭的表面及內部不斷產生氣泡,約5分鐘後清洗機自動停止.此時清冼槽中的水已渾濁.將清洗過後的雷射頭浸入潔淨自來水中,然後取出甩乾內部的污水(注意用手指按住物鏡,以免物鏡受損),重複執行"浸入-甩乾"步驟四五次後,再將清洗槽中換上潔淨自來水(不要加清洗液),再放入雷射頭進行第二次清洗.待清洗機自動停機時,再把雷射頭在潔淨的自來水中(有條件的可用純淨水或蒸餾水)進行多次漂洗.

最後一道工序是除去光頭內部水分,用電飯鍋(500W)作為乾燥鍋.方法是先將電飯鍋洗淨,擦乾內部的水分,在鍋內放一隻較重的碗,然後接通電源,按下加熱開關.待保溫開關跳起時在碗底平鋪多層乾淨的餐巾紙,然後將甩乾水分的激先頭放到餐巾紙上,再蓋上電飯鍋蓋一小時左右,雷射頭內外的水分基本上被揮發乾淨.

經上述步驟處理後的雷射頭表面光亮如新,物鏡已變得藍色透明。

雷射頭