作者：华南理工大学机械工程学院 黄常帅 杨永强 张翠红
56e r`=ms ME;n^y\8 摘 要：随着社会信息化的发展,光存储以其容量大、寿命长、成本低、复制速度快等显著优点已经成为现代社会信息存储的重要手段之一,而DVD类产品更是新一代数字视听技术和数字化信息存储设备的典型代表和潮流。它已经广泛应用于广播、电视、数据处理、文字/图像贮存、社会文化活动和家庭娱乐等领域。其读写关键技术的DVD激光头，主要功能是信号的记录和读出，是利用聚焦的激光束来完成的。文章主要介绍了DVD激光头的结构与读出原理、DVD激光头技术应用等几个方面,重点阐述了DVD激光头发展状况及其未来的发展趋势。
5k6mmiaKk 关键词：DVD激光头；基本结构；读出原理；发展趋势
+ Vo}F 1 引 言
: p{+G ---随着社会信息化的发展,光存储以其容量大、寿命长、成本低、复制速度快等显著优点已经成为现代社会信息存储的重要手段之一,而DVD类产品更是新一代数字视听技术和数字化信息存储设备的典型代表和潮流。它集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体，其目的是满足人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求。作为光存储系统重要组成部分的DVD激光头, 因直接影响读出和写入信号的质量，是DVD系统的核心。
j. *VJazb; ---激光头是从光盘上拾取信息的执行部件。激光头通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而读出信息。因此,激光头能否在某些光盘上读取信息,完全取决于激光头的技术性和盘片的物理结果是否匹配。DVD盘片物理结构特性已经决定了DVD激光头的结构和功能。因此，本文主要是从DVD激光头工作的基本原理出发，介绍了激光头的基本结构，以及近年来激光头制造现状及未来的发展趋势。
c9kzOQ2n QCH}-q) 2 激光头的结构及工作原理
<&&SX; ---2.1激光头的基本组成
FP0G]=ME ---无论是CD、VCD、DVD机的激光头还是LD机的激光头均由两部分组成：一部分为物镜机构，俗称光学头；另一部分是将其余各镜片、激光发射二极管和光敏接收器安装在同一个腔体内，俗称激光枪。
R+nMy=I%8 ---光学头安装在激光枪上面，通过螺钉联成一个整体，构成激光头组件。激光头由激光产生（发射）系统、激光传播系统（光路或激光枪）和光接收系统等部分构成（如图1所示）。
MZTx:EN! 
R)M_|ca 2.2激光头工作原理
)I^2k4Cg" ---DVD-ROM技术类似于CD-ROM技术，但可提供更高的存储容量。从表面上看，DVD盘与CD/VCD盘也很相似，其直径为80mm或120mm，厚度为1.2mm。但实质上，两者之间有本质的差别。按单/双面与单/双层结构的各种组合，DVD可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种物理结构。
is1' s[ ---相对于CD-ROM光碟650MB的存储容量，DVD-ROM光碟的存储容量可达到17GB。CD的最小凹坑长度为0.834μｍ，道间距为1.6μｍ，采用波长为780nm～790nm的红外激光器读取数据，而DVD的最小凹坑长度仅为0.4μｍ，道间距为0.74μｍ，采用波长为635nm～650nm的红外激光器读取数据（如图2所示）。
f;&]:2.j 
%V1Z~HC 激光头工作时，首先半导体激光二级管发射出单一波长、相位一致的激光，其波长在0.78μm（或0.63μm～0.65μm）左右，光输出功率约5mW。经过不同作用的由物镜、准直透镜、1/4波长片、分光棱镜和圆柱透镜组成的光学镜片构成的光路系统，将激光二级管发射出的激光入射到光盘上面。光盘是以沿螺旋形轨迹排列的不同长度的椭圆坑槽和间隔来表示信息（图像和声音）内容的。光盘上刻录的椭圆形坑，呈螺旋状排列。
<V7>?U l ---透明的聚碳酸脂的折射率为1.58，坑的光学深度为0.1738μm，近似于激光波长的1/4。当激光束投射到旋转光盘的无坑部分时，激光被垂直地全部反射回物镜；当投射到坑槽部位时，在坑的周围部分波面发生弯曲，根据光的干涉原理，波峰与波峰一致的两个（反射）光波互相增强，波峰与波谷一致的两个（反射）光波互相抵消。激光头通过读取光束聚焦于信号面上,并正确跟踪扫描轨迹,同时将反射回来的光信号变成电信号,从而将信息读出（如图3所示）。
"V>R9dO{"! 
% r-V2) %]gn?`O 3 常见DVD激光头分类
H;U)b{ ---由于早些年来VCD产品在市场上已广泛使用，同时DVD与VCD在规格上又存在着很大的差异，光源波长不同，所以一般DVD-ROM不能读取CD-ROM，但由于顾及到DVD的向下兼容，且只有一个激光发射器，只能发出650nm的激光。对于这个难题，目前市场上存在两种解决方案，单激光头方式和双激光头方式。而这两种的每一种又可以细分为几种，简单介绍如下。
i T;@bp a. 换双镜头：为Toshiba最早提出并应用的技术，也是目前使用最广泛的。它采用一个激光头，分别准备2个焦距不同的镜片切换，通过转换不同的聚焦镜来分别读取DVD和CD，它的外形看起来与双头的Sony相似，因为只能看到二组聚焦镜，激光头在内部看不见。读取信号质量较高，但由于要转换聚焦镜，所以成本属于中等水平，读盘速度较慢，同样隐含的机械故障率比较高。
t^xTFn b. 独立双镜头：为Sony的技术，独立的两组镜头，成本最高，技术层次较低，认盘速度慢、激光头隐含机械故障率最高，但是兼容性是最好的。
L lw&& K c. 双焦距单镜头：为Pioneer大量采用的单激光头双波长激光束系统，同一个镜头，同一组激光接收发射器，也就是利用液晶快门的技术来达到控制焦距的目的，此技术在保持松下的方案原有优势的基础上更加提高了读片性能和认盘速度。成本最低，技术层次最高，兼容性相对比较低。
lqowG!3H d. 单聚焦单镜头：为Panasonic率先采用的单激光头单聚焦镜双聚焦点方案，它采用特别的全息综合透镜，通过透镜中间部分的激光束形成CD的聚焦点，通过透镜边缘部分的激光束形成DVD的聚焦点，这种结构由于没有机械传动，也不会产生机械故障，所以提高了认盘速度，同时也降低了成本。但采用此方案的第一代和部分第二代DVD不支持CD。
eVt$7d? Jw kloR#?8A ---4 国内外DVD激光头发展现状
)J_\tv ---近年来DVD播放机作为高品质的家庭视频产品，在市场中已经取代VCD产品，而作为DVD播放机激光头的主流技术，单光头DVD播放机激光头技术已经显露头角，并且已经成为DVD激光头市场的主导产品。相对于双激光头技术，现今的单激光头不仅可以播放DVD碟片，而且还可以兼容CD/VCD，兼容能力更强，读片能力更好，技术更加精密。
21ppSN > t~e< z81p 4.1国外研究及应用现状
cFN'bftH4 ---索尼公司推出的璐明DVD机芯就是典型的单激光头系统，它采用高度精密的光路结构设计及系统控制，在光路结构的设计上采用高度精密的微米级立体圆柱镜头切割技术，实现了用单镜头动态聚焦方式读取DVD、超级VCD、CD等各种光盘，以取代双镜头，大大降低了由双镜头转换引起的故障率。因此，在索尼及国际主要知名的品牌DVD中已广泛运用。
r6;$1 K*0 ---而中国主要知名品牌的DVD中也普遍采用了单光头技术。因此，可以肯定在DVD产品的技术开发领域，单镜头DVD激光头的研制成功，是DVD激光头技术上的重大飞跃，更是当今DVD激光头技术的国际主流。
}R)=S_j ---在DVD激光头产品的多元性研究方面，韩国三星电机展示了依据蓝光光盘规格的可擦写光盘用的激光头。蓝光光盘的刻录播放速度为2倍速。DVD刻录播放速度为4倍速。
v?0r`<Mn ---此外，三星电机还计划开发支持HD DVD的激光头。计划在2004年开发出读取专用的激光头，2005年年初开发可以刻录DVD的激光头。2005年中期开发可以刻录HD DVD的激光头。
5GA\xM - ---日本NEC公司作了大量兼容激光头，以蓝紫激光作为光源的下一代光盘HD DVD激光头。该公司HD DVD及DVD的光学部分为无限远修正设计，同时仍支持现有DVD和VCD。通过加工有衍射光栅的物镜进行球面像差修正。这时，蓝紫色激光使用二次衍射光、红色激光使用一次衍射光，这样就可以提高光的利用效率。
U9&k;` ---4.2国内研究及应用现状
/erN;Oo%< ---我国是DVD影碟机和计算机DVD光盘机的生产大国，而激光头等DVD产品的核心部件及技术，目前大部分均为国外大企业垄断，国产DVD企业为此每年要向国际杜比组织缴纳巨额知识产权使用费。因此，2001年中国光盘产业推进委员会制定了我国DVD光学头标准，一些相关科研单位也相继投入大量人力物力开发拥有自主知识产权的DVD激光头技术，并且取得了显著成果。
"F3]X)} ---国内清华大学光盘国家工程中心开发成功DVD内部用的多维力矩器，同时提出了一种新的利用TN液晶盒电子切换的DVD/CD兼容光学头设计方案。此方案的主要特点是充分保证读取DVD信息的质量。这种方案结构简单，器件的设计、加工容易，并且能避免机械切换物镜带来的精度和可靠性方面的问题。这种方案还能够用于可擦写的高密度光存储系统中。
e/*$^i+S ---华中科技大学提出了采用双波长集成半导体激光器作为光源的DVD激光头方案。该方案将DVD部分和CD部分的光路合二为一，减少了元件的数目。简化了光学头的结构，降低光学头的装配成本，提高了成品率。
4\pWB90V RbGJ)K! ---5 DVD激光头发展趋势
gP-nluq ---据日本EIAJ机构的预测，在世界市场上，包括计算机用的DVD-ROM驱动器，激光视盘机将以39%左右的速度逐年增长。面对如此巨大的市场，国内外企业都在不失时机地开发DVD产品和开发DVD新市场。
QD TBWM% ---DVD产品的研究开发国际化、生产销售国际化已经成为DVD产品的国际性特色。国际上许多跨国公司如菲利浦、索尼、松下、柯达、富士等公司都在积极开发DVD产品。在中国，许多家电企业也不甘落后，积极开发自己的DVD产品和DVD生产核心技术。并且已经取得相应成果，珠海江海电子股份有限公司研制成功我国第一个拥有自主知识产权的DVD光头，并已通过信息产业部组织的专家鉴定，并已形成批量生产。
osOVg0Gyj ---总之，在即将进入DVD时代的新世界里，DVD 产品将会在价格、性能上有较大的发展，DVD产品的市场规模和分布地区将有较大的变化。
l"{Sm6:;- ---因此，随着技术的快速发展，作为DVD核心技术的激光头正朝着集成化、小型化、传输速度高速化方向发展。集成化是指将原来的几个光学元件集成到一个光学元件上并且实现一样的功能或超过原先的功能，全息元件就是一个集成光学元件。集成化也为小型化提供了必要的条件，使激光头很小、很薄。
6
4D]Ypx W(25TbQ ---6 结论
^pS+/ZSi^ ---随着科学技术的发展，国外在DVD激光头技术方面已经形成了产业化，技术上享有垄断，在其新产品的研发，关键技术工艺的改进等方面已经形成了产、学、研系统化模式化操作。一般掌握激光头关键技术的多为欧、美、日等国家。目前国内VCD、DVD整机生产厂家使用的激光头大部分主要依靠日本和荷兰等外国公司提供，这种状况严重制约了民族产业的飞速发展。在技术上不但严重的依靠外国厂家，而且在国内市场上目前流行的DVD激光头的种类比较单调，采用的技术指标多落后于同时期。在价格上又受到技术专利壁垒的限制，因此导致国内DVD光头整体价格较高，使国内DVD激光头的市场难以形成一定的规模，与国外厂家的竞争处于劣势。近年来，尽管国内在DVD激光头一些关键技术取得了显著成果，但是，要赶上国外先进水平还任重道远。
W xk x,q? T/c<23i 参考文献
[w 0/\]o 1 Joachim Knittel, Hartmut Richter, Compact optical pickup with a two-wavelength laser diode, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 249(2002): 437-441.
2[B4f7 2 束永俊，李桂先. DVD激光头基本原理[J]. 电声技术，2000，（6）：32-37
F,GN[f- 3 KESS A，MM N K Schouhamer ,The digital versatile disc system requirement and channel coding[J] SEPTE,1996(8)：5-11
&m {kH M 4 刘宪坤. DVD和家庭影院[M]. 北京：人民邮电出版社，2001
V $|< 5 M. Hain, R. Glaockner, S. Bhattacharya, Fast switching liquid crystal lenses for a dual focus digital versatile disc pickup, Optics Communications 188(2001): 291-299
Q\Gq|e* 6 Wang Jiping, Ruan Yu, A DVD pickup based on dual-wavelength integrated laser diode, Optics & Laser Technology 34 (2002): 369-371
'JZJFE7Z 7 马建设，潘龙法，方南. DVD光学头性能参数测试与评价仪的设计研究[J]. 工业仪表与自动化装置，2002，（5）：66-68
fa& -. * 8 卓立辉. DVD激光头技术简介[J]. 电子技术与应用，2002，（3）：39-41
!mRx$
%ul 9 张意，徐端颐. DVD光学头的设计研究[J]. 激光与红外，1998，（12）：356-359 10 M.Uchiyama, T.Ebihara, K.Omi, H.Kitano, I.Hoshio, K.Mori, DVD optical pickup employing two wavelength integrated laser diode, Tech. Digest, Th-H-01, International Symposium on Optical Memory, Chitose, Japan, 2000
hH->%* 11 王继平，阮玉. 基于双波长集成半导体激光器的DVD光学头[J]. 华中科技大学学报，2002，（2）：60-63
R8-^RvG 12 潘笑梅. DVD技术及其应用[J]. 数字视频，1999，（6）：3-10
.lBgp=! 13 梁恩主，郑婉华，冯军等. 新型DVD/VCD光学头用PDIC的研制[J]. 半导体光电，2001，（5）：347-350
.6m "'m0; 14 马建设，方南，潘龙法等. 基于GPIB总线的DVD光学头动态信号测试与评价系统[J]. 计算机测量与控制，2002，10(4）：219-223
li]
6Pj, 15 伊德尔，严瑛白，陆思等.新型DVD/CD-R兼容型集成平板光盘头的研究[J]. 光电子·激光，2002，13（6）：550-553
_ 1*7Z=| 16 刘荣生. DVD产品发展的新趋势[J]. 信息记录材料，2000，（3）：52-54
