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DVD光学读取原理探讨
 

【作者: 李昶慶】2002年02月05日 星期二

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光碟机主要应用是以个人电脑及消费性产品为主,近年来在低价电脑风潮带动下,全球光碟机市场大幅成长,在消费性产品上数位影像DVD-Video播放机的销售更是五十年来成长最快速的家庭娱乐产品,2001年已有近三千万台之需求,然而整体产业随着消费者需求的增高和厂商竞相投入,呈现了激烈的竞争,因此为求胜出,所有的业者皆不遗余力在提升光碟机速度与读碟能力上钻研。以下就针对光碟机之核心如何读取资料和运作原理剖析详述。


光碟机资料读取原理

1. 雷射光发光原理

光碟机的雷射光是经由半导体雷射所产生的,半导体雷射的材料结构是pin异质结构,在适当的至程处理之后,给予一定电压,此时在顺向偏压的作用之下,电子和电洞会互相结合而发出特定能量之光子。这些光子会在半导体内部的两镜面间来回震荡,最后会有具相同波长的雷射光由半导体内部透出镜面射出。雷射光光波长取决于电子和电洞结合处的半导体材料,例如CD所使用的半导体雷射是(GaAl)As所组成的雷射二极体。


2. 读取CD上的坑洞

光碟片制作时产生的坑洞(pit),由于读取时读取头是由下往上。此时资料坑洞在读取时就成为了凸块(bump)。 (图一)


《图一 数据坑洞凸块》
《图一 数据坑洞凸块》

碟片表面的塑胶层也扮演着资料读取的一个重要角色。光线在空气中的折射率是1.0,在CD上的塑胶层的折射率是1.55。镭射光直射进入透明塑胶层时,将会被折射成更大的角度。镭射光照射在CD表面的光束直径大约800微米,经由塑胶层聚焦之后,照射在金属反射层的光束直径大约只有1.7微米。这项技术成功地减低CD表面灰尘和刮痕对于读取资料的不良影响。 (图二)


《图二 盘片塑料层》
《图二 盘片塑料层》

镭射光的波长是780纳米,在透明塑胶层中传递的波长因为折射的关系变成了约500纳米。


制造坑洞的时候必须非常的小心,坑洞的深度必须是镭射光波长的四分之一。如此一来当照射到坑洞的镭射光反射时时会比照射在表面多走了1/2(1/4+1/4)波长。如此便造成了一个抵销作用,让光线不会反射回去。 (图三)


《图三 坑洞深度是雷射光波长的1/4》
《图三 坑洞深度是雷射光波长的1/4》

坑洞的间距也必须非常精确。由于镭射光聚焦的直径是1.7微米,所以轨道的间距约等于1.7微米(1.6微米)。 (图四)


《图四 坑洞间距》
《图四 坑洞间距》

3. 镭射光行径轨迹

一般来说,CD播放机的读写头都会利用到三道雷射光束。


《图五 光速偏向分离机构》
《图五 光速偏向分离机构》

当光线由镭射二极管发射出来之后必须经过绕射栅,这个栅栏会将光线分成一个中央光束和许多侧边光束。光碟机很重要的轨迹追踪系统会利用到中央的主光束和两边各一的侧边光束。


这三道光束会经过一个光束偏向分离机构,只有垂直的光线可以穿过这个系统。经过这个系统之后光线成为平行光。平行光束再经过一个1/4波长的玻璃板,便成为柱状的平行光。光束最后会通过聚焦镜照射到碟片上。如果光线照射到平面的部分,光线将会正常地反射回来。如果照射到凸起的部分,光线将会互相抵销而不会有任何反射。 (图五)


反射回来的光束会再经过1/4波长的玻璃板。反射回来的光波角度正好和原始光波角度成直角,所以无法穿越偏光镜。接着光束会被反射到另一组聚焦镜和柱状镜投射到光感元件上。这个柱状镜是自动对焦系统中一个很重要的元件。


4. 自动对焦系统

如果接物镜太靠近光碟片时,经由柱状镜投射到感光元件上的光束会变成椭圆形。 (图六)


《图六 接物镜近距离光速成形》
《图六 接物镜近距离光速成形》

如果接物镜离光碟片太远,柱状镜也会在感光元件上产生椭圆形的聚焦。不过长轴的方向正好和上一种情况成直角。 (图七)


《图七 接物镜远距离光速成形》
《图七 接物镜远距离光速成形》

因此藉由感光元件上的成像形状,我们就可以了解到光束是否正确地聚焦于光碟片表面。


《图八 光盘远近与AC、DB关系》
《图八 光盘远近与AC、DB关系》

由(图八)我们可以得知,如果光碟片离得太远,DB的入光量会比较多。反之则AC的入光量会比较多。所以只要设计一个简单的电路就可以达到自动对焦的效果。 (图九)


《图九 自动对焦电路设计》
《图九 自动对焦电路设计》

我们就可以藉由(A+C)-(B+D)的信号来驱动自动对焦马达。底下是简单的范例。 (图十)


《图十 自动变焦马达驱动设计》
《图十 自动变焦马达驱动设计》

5. 轨迹追踪系统

当雷射光通过绕射栅之后,光线会被分割呈中央光束和许多较不明亮的侧边光束。在主要光束的两边会各有一道侧边光束用来做为光碟片轨迹追踪之用。 (图十一)


《图十一 轨迹追踪之三道光束》
《图十一 轨迹追踪之三道光束》

我们知道,光碟片上的资料是如轨道般地排列。 (图十二)


《图十二 光盘数据排列法》
《图十二 光盘数据排列法》

如果光学读写头位于正确​​的位置,那么主要的光束将会正确地落于资料轨上。而两边的次要光束将会落于轨迹之间的平面上。三道光束的间隔大约是20微米。 (图十三)


《图十三 光学读写头位于正确位置》
《图十三 光学读写头位于正确位置》
《图十四 光学读写头位于正确轨迹之光感测》
《图十四 光学读写头位于正确轨迹之光感测》

在主要的光感元件两边会有额外的的两个光感元件来增测这两道光束。如果光学读写头位于正确​​的轨迹上,那么两边光感元件的入光量应该是一样的,因为光束应该照射在资料轨间的平面上。而主要光束会因为照射位置不同(坑洞或平面)而有强度变化。 (图十四)


《图十五 光学读写头未于正轨的结果》
《图十五 光学读写头未于正轨的结果》

如果光学读写头没有位于正确的轨道上,那么两边光感元件的入光量将会不同。 (图十五) (图十六)


《图十六 两侧光亮感测不同》
《图十六 两侧光亮感测不同》

伺服系统

DVD的伺服控制回路可分为三种子系统:聚焦伺服、循轨伺服及主轴马达伺服,前二者控制的对象均为承​​载光学头的致动器(actuator) ,后者则控制着主轴马达的加减速,以带动碟片旋转。


DVD的光学读取头

单一雷射光束(Single PD)

单一雷射光束之光头只能发射出650nm波长之雷射,所以此种光学读取头无法读取CD-R光碟片。 CD-R光碟片的涂料只能反射波长780nm的雷射光,对于DVD读取头发射的波长650nm的雷射光会将其吸收掉。


双物镜切换法

此种方式最早是由东芝(Toshiba)提出并采用,光学读取头上具有两个不同焦距的透镜。所以当读取DVD和CD光碟片时,读取头会用不同的透镜来读取光碟片。


双焦点透镜法(HOE)

此种方式是将两种焦点结合在一片透镜中。当雷射光通过此种透镜时,光线会形成两个焦点。由于雷射光束被分割成两部分所以雷射光的效率也随之降低。读取头在设计中必须特别注意​​到这一个部分。


液晶光圈切换法(LC Shutter)

改变数值孔径(NA, Numerical Aperture)的这种方法首先由三洋公司(Sanyo)首先提出。当液晶偏光板打开时,物镜的数值孔径为0.6,此时可以正常的读取DVD光碟片。当液晶偏光板关闭时,外围的光束被阻挡,此时数值孔径大小为0.35或0.38,便可以用来读取CD的碟片。


环形斑迹(Annular Mark)物镜法

这种DVD光学读取头是由三星(Samsung)发展出来的,此种方法在DVD物镜上加上一道环形斑迹(Annular Mark),通过此环的光束将会散射掉,而不会聚焦于光碟片上。此时便可以拥有两个不同的焦点用于读取CD或DVD光碟片。


双雷射光束

这种光学读取头可发出两种不同波长的雷射光,所以可以正常的读取CD-R光碟片。


双雷射读取头系统

这个方式是在一个读取头上建立两套读取系统,一套用来读取CD碟片,另一套用于读取DVD碟片。如此两套系统互不干扰,并且可以得到最佳的读取信号。不过此种方式因畏惧被两套读取系统,所以成本较高也较容易故障。


双雷射单光路系统

这种系统具备两种雷射二极体,可以发射出波长650nm和780nm的雷射光,但是只用到一套光束通路系统。如此可以比双雷射读取头系统减少许多成本。在机械结构上也可以省去更换物镜的动作,可降低故障率增加使用寿命。


台湾厂商现况

工研院完成各类型DVD光学读取头,并顺利技转鸿景科技公司DVD-ROM光学头,1999年年底正式量产;亦技转嘉祥公司DVD player,及协助友嘉科技公司建立DVD研发实验室。联发科技DVD-ROM晶片组及DVD播放机晶片组则于2000年开始出货。另外,威盛电子也接受工研院DVD晶片组的技术转移。


扬智科技很早便在影音产品市场布局,1995年以来,陆续推出MPEG-1晶片、CD-ROM晶片、MPEG-2晶片及DVD控制晶片等产品。未来计划推出单一晶片。扬智现在拥有DVD播放机晶片整体解决方案,包括MPEGII DVD解码器(M3225)、RF AMP(M5707)、DVD​​控制器(M5705)及微处理器(M6759)等共四颗IC,因此具备产品的完整性。扬智两年前开始在中国运筹帷幄,终于在2000年顺利设立扬智电子(上海)公司,正式营运,目前除了上海,也在深圳设立了分公司,并且就在短短的一年之内,取得华南地区70%的市场。预计今年能够在DVD player控制晶片上拿下全球三成的市场占有率。


结语

众所周知,台湾光碟机厂商在过去几年已累积了相当技术与生产基础,加上国内在关键零组件方面已渐能完全自主下,展望未来光碟机市场的蓬勃的需求,整体产业荣景应可期待。


<参考资料:


http://www.ee.washington.edu/conselec/CE/kuhn/cdmulti/cdhome.htm


台湾工业技术研究光电所 http://www.oes.itri.org.tw/


(本文作者任职于扬智科技)>


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