工研院光电所在今年3月7日举办4.7 GB DVD-RAM/RW光学读写头成果发表会,吸引了50家厂商、150人参与,这是工研院光电所在数字多功能光驱(DVD)之光学读写头技术研发上又有新的突破,日前成功的开发出两型容量达4.7GB可重复读写数字多功能光驱(DVD-RAM/DVD-RW)之光学读写头,及其承载机构(Mecha/Loader)。本次成果展示之项目包括:
- 1.光电所4.7 GB DVD-RAM光学读写头
- 2.光电所4.7 GB DVD-RW光学读写头
- 3.光电所 4.7 GB DVD-RAM之承载机构
- 4.光电所 4.7 GB DVD-RW之承载机构
- 5.光电所 Portable CD-RW之承载机构
工研院光电所完成DVD光学读取头技术,技转国内厂商并顺利进行量产,接着便积极投入可重复读写之DVD光学头的研发,成功开发出4.7GB DVD-RAM/DVD-RW光学头两型,不仅突破高技术指针,也为国内DVD-RAM/DVD-RW光驱建立了关键零组件技术。此两型光学头皆可读或写CD、CD-R、CD-RW和DVD-ROM等光盘片。
近年来我国光驱产业在业者积极的投入下快速成长,参考(图一)所示,1999年我国CD-ROM光驱的产值达新台币747亿元,产量达4,500万台,占全球47﹪居世界第一。而DVD是继CD-ROM之后相当被看好的光储存媒体,尤其在1999年底,DVD-RAM/DVD-RW的规格相继确定后,且DVD Video Player及DVD Title的市场成长乐观,参考(图二)所示,因此DVD-RAM/DVD-RW的产品具相当的市场潜力。
光电所在光学读写头研发上已经有相当的经验,先后发展出六种DVD-ROM光学读取头,并分别技转鸿景科技及嘉祥公司进行量产后,接着便积极投入可重复读写之DVD光学读写头的研发,因为要同时具有可重复读写的功能,因此DVD-RAM/DVD-RW光学读写头是DVD光学读写头中技术困难度最高、最复杂的关键零组件。目前全世界只有日本松下、日立、先锋等大厂有能力制造,光电所突破高难度技术,从设计、组装到验证已经完全掌握相关技术,在该领域的研发方面,已居世界领先的几个研发单位之一。
光电所克服了复杂的光路设计仿真分析,光、机、电、材的整合技术,开发完成可重复读写数字多功能光驱(DVD-RAM/DVD-RW),该产品具有多项特点:容量高达4.7GB;具有2个光路(DVD/CD系列),所以不仅光学系统很复杂,机构组装的精密度要求也很高,其光学质量的要求较高于一般只读型光学头;必须要有高功率输出,才能写入或擦拭盘片上的记录数据;为了能读写CD/CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RW等6种光盘片,所以在聚焦循轨系统上,采用全像组件的特殊设计。此外,亦开发完成适用于4.7GB DVD-RAM/DVD-RW及可携式CD-RW之承载机构(Mecha/Loader)。
就目前国内发展DVD产业的环境面看来是相当的乐观,国内已经具有DVD系统整合技术,业者也已经有能力生产光驱芯片组、主轴马达等关键零组件,再加上光电所开发成功DVD-RAM/DVD-RW光学读写头技术,将促使可擦写式DVD光驱上、中、下游产业之整合,预期将使国内可擦写式DVD光驱的技术大幅跃进,在世界占一席之地。
DVD光学读取头
DVD与CD之光学头
从CD和DVD的盘片规格,可以发现CD和DVD在光学的特性上,有几项主要规格演进:
- a、雷射波长:780nm→650/635nm
- b、聚焦物镜NA:0.45→0.6
- c、光盘片基板厚度:1.2mm→0.6mm
- d、轨距:1.6um→0.74um
- e、最小Pit长度:0.83um→0.4um
- f、光盘片旋转线速度:1.2-1.4m/s→4m/s
所以从规格上的进步,其光学系统必然要做新设计,尤其DVD光学头,除了读DVD光盘片外还要考虑可以读取CD光盘片。因此DVD光学头之设计概念必须要有如下的特点:
- a、可读DVD和CD光盘片。
- b、须具有双焦点的设计。
- c、高NA物镜的设计。
- d、为增加光盘片倾斜容忍度,而采用0.6mm基板的光盘片。
- e、使用短波长之红光雷射二极管(650nm/635nm)。
- f、降低雷射二极题的噪声。
- g、循轨伺服采用外差循轨法(Heterodyne Tracking)、或差分相位法(Differential Phase detection)。
- h、聚焦伺服皆采用像散法。
- i、具有超解析之光点设计。
DVD光学头质量的评估参数
DVD光学头在设计上,有下列五项参数做为光学头质量的评估参数:
- a、光点大小:关系到读取讯号(RF)的眼形图(Eyepattern)和讯号跳动量(Jitter)的表现。
- b、波面像差:关系到光学头组装校准之容忍度的松紧。
- c、能量效率:关系到雷射二极管(Laser Diode)光源的能量。
- d、工作距离:关系到更换光盘片时物镜致动器的移动范围。
- f、重量:物镜致动器的设计。
工研院光电所研发的DVD光学读取头
在86/87两年中光电所根据国际DVD光学读取头的技术发展趋势,积极研发,这段时间共发展出不同的设计有六型DVD光学读取头,参考图二所示,也因此逐渐赶上日本DVD大厂的研发时程,为国际所重视,在此光学头技术重点:
- a.有旋转式及4线悬吊式的致动器
- b.有双物镜及单物镜的设计
- c.有单光路及双光路的设计(适合读CD-R盘片)
- d.有全像型及传统型的设计
- e.适合DVD Player及DVD-ROM光驱上
- f.薄型设计适合Notebook用
可以说DVD光学读取头的可能设计皆考虑进去,由于本研究计划成果,确立本院(所)在国内光电及DVD光学读取头技术之主导地位。
DVD光学读取头之高难度
- a.DVD光学头读取高密度的光盘(4.7G):轨距0.74um,最小坑洞0.4um
- b.DVD光学头高质量要求:物镜NA=0.6及光点(FWHM)小于0.6um
- c.DVD光学头有复杂的光学系统,快速反应的致动器及高带宽的光检器,产生聚焦,循轨及读取讯号(4.3MHz)。
- d.DVD光学头高精度要求,聚焦误差
- e.DVD光学头光轴倾斜误差
4.7 GB DVD-RAM/RW 光学读写头
DVD光驱的发展程序是由DVD Player--DVD-ROM--DVD Recorderable--DVD Rewritable逐渐迈向可擦式光驱演进,其中主要的差异是光学系统的复杂化及机构组装的精密程度,特别是在写入或擦拭盘片上数据时,对光学头高功率的光学输出与光学质量要求是远高于一般仅读式(ROM type)的光学头。DVD-RAM/RW光盘片是用来作为可重复读写的高密度储存媒体,其应用范围相当广泛,举凡家电影音视听、计算机周边、可携式数字录像机等,因此DVD-RAM/RW将会是继DVD-ROM后下一代热门的信息储存媒体。DVD-RAM、DVD-RW与DVD-ROM的盘片规格如(表一)所示。
《表一 DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-RW及CD-R/RW之盘片规格》 |
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由于DVD-RAM/RW光盘片是用来作为可重复读写的储存媒体,其中DVD-RAM盘片数据点记录于Land和Groove上(图三),和DVD-ROM光盘片的结构大不相同,另外DVD-RW盘片数据点记录于Groove上(图四),是和DVD-ROM光盘片的结构相同。所以DVD-RAM/RW光学读写头若要能够“读取”DVD-ROM的光盘片且能“读写”DVD-RAM/RW光盘片及CD-ROM/CD-RW光盘片,就必须针对这两种不同结构的光盘片,产生相对应的循轨讯号,亦即在一个光学头内能够产生DPD及Push-Pull(PP)的循轨讯号;此外,由于用在DVD-ROM的聚焦讯号是采用像散法产生,如果将像散法的聚焦讯号用在DVD-RAM/RW光盘片上将会对Push-Pull循轨讯号产生相互干扰。
工研院光电所凭着多年在光学头丰富的研发经验,设计一多功能的4.7GB DVD-RAM/RW光学读写头,除了能够产生DPD及Push-Pull(PP)的循轨讯号,并解决聚焦讯号与循轨讯号相互干扰的问题,更能够读写DVD-RAM/RW、DVD-ROM、CD-ROM及CD-R/RW等光盘片;这个设计必须设计出高能量效率满足写入及擦去,光束打到光盘之能量需有15 mw,其准直镜设计之焦距要短,同时需要加上Beam Shaper做光束整型;另外,4.7G DVD-RAW光学头要兼容于CD/CD-ROM/CD-R及CD-RW,故其光学系统必须有DVD、CD两道光路,增加很多困难度。
在DVD-RAM/RW及DVD-ROM的光路中采取传统光路设计,但在回光的光路中产生聚焦及循轨讯号的方法,则利用一特殊设计的全像光学组件配合一特殊的光侦测器;此特殊设计的全像光学组件分成内外两个区域,如(图五)所示,当回光通过此全像光学组件时,被绕射成内外两区的光束,分别用来产生聚焦与循轨讯号;此设计不但可以产生DPD及PP循轨讯号,由于聚焦与循轨讯号彼此相互分离,更可以避免聚焦讯号和循轨讯号互相干扰。由此全像光学组件仿真之聚焦讯号,采用的是刀缘法的聚焦讯号。
《图五 内外两区的全像光学组件及仿真之S-curve》 |
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除了DVD的光路外,另外有一CD的光路,此CD光路是采用CD-R/RW的全像雷射模块,可降低光路的复杂度;工研院光电所研发的4.7GB DVD-RAM/RW光学读写头,不但兼容于CD与DVD光盘片,更可以用来读写DVD-RAM/RW及CD-R/RW的光盘片,研发的脚步已与世界大厂接近,甚至有些设计更优于相类似的产品。在工研院光电所可重复读写的4.7 GB DVD-RAM光学读写头(图六)及4.7 GB DVD-RW光学读写头(图七),可以规纳出以下之技术重点:
《图六 4.7 GB DVD-RAM光学读写头及规格》 |
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《图七 4.7 GB DVD-RW光学读写头及规格》 |
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1.具有2个光路2个雷射光源:DVD/CD系列光路
2.采用旋转式致动器
3.采用单焦物镜配合双波长滤光片设计
4.采用短焦透镜及光束整形器提高光效率达30%
5.利用全像组件(HOE)产生特殊之聚焦循轨方法适合读写各型盘片
6.光学系统很复杂及机构组装的精密程度非常高
7.兼容CD/CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、及DVD-RAM/RW等光盘片
结语
可重复读写的DVD光学读写头是DVD光驱中困难度最高的关键零组件,工研院光电所成功开发出4.7GB DVD-RAM/DVD-RW光学头两型,不仅突破高技术指针,也为国内DVD-RAM/DVD-RW光驱建立了关键零组件技术,在该领域的研发方面,已居于世界领先的几个研发单位之一。另外,一般功能的DVD光学头,这几年来工研院光电所已先后发展出六种DVD-ROM光学头,分别技转台湾厂商,其中鸿景科技及嘉详光电已于1999年底量产并于今年2000年大量生产,将有200-300万个,使台湾在光驱产业摆脱无头工业的困境。
因台湾已具备非常强的DVD光驱系统整合技术,则以后光驱产业必定有很好的表现,台湾的光驱占有率必将持续提升。总而言之,光电所的DVD光学读写头技术,不但推动我国光驱产业发展,迈向新纪元,提升产值,也建立了光驱关键零组件DVD光学读写头的自主生产,使整个光驱产业将继续大幅成长,成为世界生产DVD光驱的重镇。(本文作者现任职工研院光电所)