摘要: 為了實現高密度存儲，DVD盤片使用波長為650/635nm的激光且物鏡NA應大于0.6。而CD則使用780nm的激光且數值孔徑約為0.4。為了能與CD類光盤兼容，DVD播放器/驅動器中除了要有完成CD類盤片的解碼電路外，其光學頭也需能同時讀取CD盤片。本文分析了目前已經實用的兼容CD的DVD光學頭設計并比較了它們的優(yōu)缺點。
1. 概述
DVD(Digital Versatile Disc) 已經廣泛的進入了市場，并以其7倍于傳統(tǒng)CD的容量，成為消費者的新選擇。但由于CD類光盤的廣泛存在以及DVD和CD類光盤將在一定時期內共同存在，所以DVD的播放機和驅動器需要同時讀取CD盤片和DVD盤片。根據DVD標準，DVD盤片的盤基厚度為0.6mm，而傳統(tǒng)CD盤片的盤基厚度為1.2mm。由于DVD與CD盤盤基厚度及存儲密度上存在差異，對二者的兼容讀出帶來了一定的問題。因此除擁有CD的解碼器外，在設計DVD光學頭時必須考慮到讀取現有CD的能力。為了解決光學頭的兼容問題，在DVD光學頭設計上產生出多種方案，如兩套獨立讀出系統(tǒng)、全息物鏡、液晶光闌、雙物鏡等，本文將對這些方法進行分析和比較，
2. 數值孔徑與CD/DVD兼容的關系
為了達到單面單層4.7GB的容量，DVD盤片的道間距和坑點尺寸必須縮小。根據DVD標準，道間距是0.74mm，最小坑點大小為0.4mm。這種信息坑尺寸的減小要求分辨率更高的光學讀出系統(tǒng)。在光盤系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)的分辨率取決于讀出光斑的大小，它與物鏡的數值孔徑（NA）和讀出激光的波長（l）有關：在DVD中，使用紅光激光器（波長為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)的象差相應增加。其中，W40有[5]：，n是盤介質折射率；NA是物鏡數值孔徑；d是盤片厚度差。
由上式W40擔∟A）4·d，因此用讀DVD的光學頭（NA=0.6）去讀CD信號將會引起較大的球差，從而不能正確恢復CD中的數據。當然，NA的減小將使讀出光斑尺寸變大，但實際上這是允許的。因此，在進行兼容CD的DVD光學頭的設計時，必須考慮物鏡有效數值孔徑的影響，各方案也都考慮了這方面的因素。
3. DVD光學頭的設計方案的分析和比較為了兼容CD盤片，目前存在著多種DVD光學頭的設計方案。其中最主要的有如下四種：
3.1 雙光學頭系統(tǒng)
最簡單和最先采用的就是這種雙光學頭方式，也就是采用二個完全獨立的DVD、CD讀取激光頭，擁有二套完全獨立的物鏡。此方案的實物圖如圖1所示。此種方案的原理非常簡單，兩套光學系統(tǒng)相互獨立，在讀盤時通常是只用DVD光學頭試讀，如發(fā)現不是DVD盤片，則通過機械轉換系統(tǒng)換CD光學頭試讀。
這種方案優(yōu)勢很明顯，就是讀取信號質量最高。特別是由于其在讀CD類盤片時完全與CD播放機和驅動器相同，可真正的全兼容所有CD－R及CD－RW類盤片。當然缺點也很多：成本最高、認盤速度慢（激光頭轉換過程）、激光頭隱含機械故障，且體積龐大。SONY公司采用這種方式，目前日立的DVD機芯也采用這種系統(tǒng)。由于CD－R和CD－RW盤片的激增，采用這種方案的DVD驅動器正日益被看好。
3.2 雙物鏡系統(tǒng)
這種系統(tǒng)采用一個激光頭二組物鏡，通過轉換不同的物鏡來分別讀取DVD和CD。其內部示意圖如圖2所示，它的實物看起來與雙頭的相似，因為我們看到二組物鏡，但其內部只有一個激光器。
這一方案的特點是將DVD和CD兩個讀出物鏡（這兩個物鏡具有不同的NA，NADVD=0.6，NACD=0.38）連同雙軸力矩器固定在一中心為轉軸的支架上，在支架兩端固定一對電極，在光軸兩側固定兩對磁極極性相反的永磁材料。通過切換轉架上電磁極的極性實現兩組物鏡間的切換，圖3顯示了利用這種雙物鏡力矩器的光學頭的光路圖。文獻[6]介紹了這種力矩器的實現方法并給出了讀出信號的效果。這種方案的優(yōu)點是可以分別設計DVD和CD物鏡，因此物鏡設計、加工比較容易，而且兩個物鏡固定在一個雙軸力矩器上，使得整個光路系統(tǒng)比較簡單。
從總體上講，這種方案較之雙頭系統(tǒng)降低了成本，同時保持了讀取信號的高質量，但由于要轉換聚焦鏡，所以同樣認盤速度較慢，隱含機械故障等問題。其突出問題來自于讀取CD－R和CD－RW類盤片，由于使用同一波長激光器（DVD波長），對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方案，采用特別的全息綜合透鏡，通過透鏡中間部分的激光束形成CD的聚焦點，通過透鏡邊緣部分的激光束形成DVD的聚焦點。其原理如圖4所示。從其外形上可看出它與普通CD光學頭類似，也是只有一個物鏡。
這種雙焦點光學頭的物鏡是一個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信號的光斑；沒有被全息圖衍射的那部分光束形成讀取DVD信號的光斑。
當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焦點，這部分的數值孔徑較小，NA=0.43，工作距較大，以便讀取厚度為1.2mm的CD光盤；而全孔徑時的數值孔徑為0.6，工作距較小，以便讀取保護層厚度為0.6mm的DVD光盤。兩個焦點在讀DVD和CD盤時同時存在，但由于兩焦點在軸上相距0.6mm，因此在讀取DVD光盤時焦距較長的中心部分光束發(fā)生散射，不會匯聚到探測器上，而只有位于內焦面的光斑能成像在探測器上。同樣在用此鏡頭讀取CD光盤時，只有外焦點能正確聚焦在CD的信號表面上，而內焦點的光束也將反射散射，對讀取信號影響不大，如圖所示。
光盤表面反射光束行進方向，這種方案通過全息光學器件（HOE）的衍射來改變讀出物鏡的有效數值孔徑，從而減小象差，得到滿意的讀出光斑。這種方案光路比較簡單，但對物鏡的設計及加工提出了較高的要求。
總的來說，這種方案使得光學頭，特別是物鏡結構變得復雜，同時降低了讀片精度，但降低了成本，由于沒有機械傳動，也不會產生機械故障，還提高了認盤速度。但同樣存在著對CD－R的讀取問題，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，并在技術上不斷提高（如對CD－R盤片的讀取等問題），現在依靠其低成本和認盤的快速性的優(yōu)勢，也是目前使用最廣泛的。
3.4 液晶光闌系統(tǒng)
這種系統(tǒng)是在一個激光頭內安裝二個不同的激光發(fā)生器，分別產生650nm、780nm波長的激光信號，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兩種波長的半導體激光器，物鏡NA為0.6，利用液晶光闌改變實際讀出信號時物鏡的有效數值孔徑。例如：在讀DVD信號時，液晶平板（LCP）上不加載電壓，因此偏振光通過LCP后偏振方向將旋轉90゜，全部激光束將通過PBS，物鏡的有效NA是0.6。而讀取CD信號時，LCP上加載電壓，使得入射激光的中間部分在通過LCP后仍舊旋轉90゜，而旁軸部分則不旋轉，使得這部分光線被PBS反射，而只有中間的光線才能進入物鏡，此時，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。
這是一種較新的技術，它依靠兩個激光器和一個液晶光闌實現讀取以635nm和NA=0.6讀取DVD并且以780nm和NA=0.4讀取CD。這樣實現了高的讀取質量，并提高了認盤速度。
4. 總結
DVD光學頭結構設計是一個非�；钴S的領域，除了以上幾種已經實用的結構。許多光存儲的公司和研究單位都對此進行了研究，并提出了許多方案。其中，比較有代表性的是有清華大學光盤國家工程研究中心的徐端頤教授、張意博士等提出的運用液晶器件的旋光效應實現的DVD/CD光學頭結構。此種結構巧妙的運用了旋光效應實現了NA的轉換，其精度和可靠性上均優(yōu)于現有的設計方案。此方案已申請了發(fā)明專利。其詳細內容請參看文獻[1]。
由于在光存儲中為實現更高的記錄密度，將會進一步降低波長和加大數值孔徑。如現在正在研究中的HD－DVD就是以藍光激光為記錄波長。這樣，激光頭的向下兼容的結構設計將會一直存在并不斷追求結構簡單，器件設計、加工容易和高的精度、可靠性及讀取速度。
