摘要: 为了实现高密度存储，DVD盘片使用波长为650/635nm的激光且物镜NA应大于0.6。而CD则使用780nm的激光且数值孔径约为0.4。为了能与CD类光盘兼容，DVD播放器/驱动器中除了要有完成CD类盘片的解码电路外，其光学头也需能同时读取CD盘片。本文分析了目前已经实用的兼容CD的DVD光学头设计并比较了它们的优缺点。
1. 概述
DVD(Digital Versatile Disc) 已经广泛的进入了市场，并以其7倍于传统CD的容量，成为消费者的新选择。但由于CD类光盘的广泛存在以及DVD和CD类光盘将在一定时期内共同存在，所以DVD的播放机和驱动器需要同时读取CD盘片和DVD盘片。根据DVD标准，DVD盘片的盘基厚度为0.6mm，而传统CD盘片的盘基厚度为1.2mm。由于DVD与CD盘盘基厚度及存储密度上存在差异，对二者的兼容读出带来了一定的问题。因此除拥有CD的解码器外，在设计DVD光学头时必须考虑到读取现有CD的能力。为了解决光学头的兼容问题，在DVD光学头设计上产生出多种方案，如两套独立读出系统、全息物镜、液晶光阑、双物镜等，本文将对这些方法进行分析和比较，
2. 数值孔径与CD/DVD兼容的关系
为了达到单面单层4.7GB的容量，DVD盘片的道间距和坑点尺寸必须缩小。根据DVD标准，道间距是0.74mm，最小坑点大小为0.4mm。这种信息坑尺寸的减小要求分辨率更高的光学读出系统。在光盘系统中，光学系统的分辨率取决于读出光斑的大小，它与物镜的数值孔径（NA）和读出激光的波长（l）有关：在DVD中，使用红光激光器（波长为635nm或650nm）和的物镜，以便满足读出光斑的要求。但是，随着NA的加大，读出系统的象差相应增加。其中，W40有[5]：，n是盘介质折射率；NA是物镜数值孔径；d是盘片厚度差。
由上式W40担∟A）4·d，因此用读DVD的光学头（NA=0.6）去读CD信号将会引起较大的球差，从而不能正确恢复CD中的数据。当然，NA的减小将使读出光斑尺寸变大，但实际上这是允许的。因此，在进行兼容CD的DVD光学头的设计时，必须考虑物镜有效数值孔径的影响，各方案也都考虑了这方面的因素。
3. DVD光学头的设计方案的分析和比较为了兼容CD盘片，目前存在着多种DVD光学头的设计方案。其中最主要的有如下四种：
3.1 双光学头系统
最简单和最先采用的就是这种双光学头方式，也就是采用二个完全独立的DVD、CD读取激光头，拥有二套完全独立的物镜。此方案的实物图如图1所示。此种方案的原理非常简单，两套光学系统相互独立，在读盘时通常是只用DVD光学头试读，如发现不是DVD盘片，则通过机械转换系统换CD光学头试读。
这种方案优势很明显，就是读取信号质量最高。特别是由于其在读CD类盘片时完全与CD播放机和驱动器相同，可真正的全兼容所有CD－R及CD－RW类盘片。当然缺点也很多：成本最高、认盘速度慢（激光头转换过程）、激光头隐含机械故障，且体积庞大。SONY公司采用这种方式，目前日立的DVD机芯也采用这种系统。由于CD－R和CD－RW盘片的激增，采用这种方案的DVD驱动器正日益被看好。
3.2 双物镜系统
这种系统采用一个激光头二组物镜，通过转换不同的物镜来分别读取DVD和CD。其内部示意图如图2所示，它的实物看起来与双头的相似，因为我们看到二组物镜，但其内部只有一个激光器。
这一方案的特点是将DVD和CD两个读出物镜（这两个物镜具有不同的NA，NADVD=0.6，NACD=0.38）连同双轴力矩器固定在一中心为转轴的支架上，在支架两端固定一对电极，在光轴两侧固定两对磁极极性相反的永磁材料。通过切换转架上电磁极的极性实现两组物镜间的切换，图3显示了利用这种双物镜力矩器的光学头的光路图。文献[6]介绍了这种力矩器的实现方法并给出了读出信号的效果。这种方案的优点是可以分别设计DVD和CD物镜，因此物镜设计、加工比较容易，而且两个物镜固定在一个双轴力矩器上，使得整个光路系统比较简单。
从总体上讲，这种方案较之双头系统降低了成本，同时保持了读取信号的高质量，但由于要转换聚焦镜，所以同样认盘速度较慢，隐含机械故障等问题。其突出问题来自于读取CD－R和CD－RW类盘片，由于使用同一波长激光器（DVD波长），对于感光频带小的染料（如酞菁）将难以感光。在此方案中这种方案是东芝最早提出并应用的。
3.3 全息物镜系统
全息透镜系统是单激光头单聚焦镜双聚焦点方案，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。其原理如图4所示。从其外形上可看出它与普通CD光学头类似，也是只有一个物镜。
这种双焦点光学头的物镜是一个与全息图集成的非球面模压玻璃透镜，全息图处于激光束的中心区。如图5，中心区的光束发生衍射，形成读取CD信号的光斑；没有被全息图衍射的那部分光束形成读取DVD信号的光斑。
当表面的一部分光束被此全息图案衍射，衍射光束汇聚到一个焦点，这部分的数值孔径较小，NA=0.43，工作距较大，以便读取厚度为1.2mm的CD光盘；而全孔径时的数值孔径为0.6，工作距较小，以便读取保护层厚度为0.6mm的DVD光盘。两个焦点在读DVD和CD盘时同时存在，但由于两焦点在轴上相距0.6mm，因此在读取DVD光盘时焦距较长的中心部分光束发生散射，不会汇聚到探测器上，而只有位于内焦面的光斑能成像在探测器上。同样在用此镜头读取CD光盘时，只有外焦点能正确聚焦在CD的信号表面上，而内焦点的光束也将反射散射，对读取信号影响不大，如图所示。
光盘表面反射光束行进方向，这种方案通过全息光学器件（HOE）的衍射来改变读出物镜的有效数值孔径，从而减小象差，得到满意的读出光斑。这种方案光路比较简单，但对物镜的设计及加工提出了较高的要求。
总的来说，这种方案使得光学头，特别是物镜结构变得复杂，同时降低了读片精度，但降低了成本，由于没有机械传动，也不会产生机械故障，还提高了认盘速度。但同样存在着对CD－R的读取问题，特别是采用此方案的第一代和部分第二代DVD不支持CD－R。这是松下率先采用的，并在技术上不断提高（如对CD－R盘片的读取等问题），现在依靠其低成本和认盘的快速性的优势，也是目前使用最广泛的。
3.4 液晶光阑系统
这种系统是在一个激光头内安装二个不同的激光发生器，分别产生650nm、780nm波长的激光信号，使用一组液晶光阑物镜分别读取DVD、CD。
这种液晶光阑方案如图8所示，它采用635nm和780nm两种波长的半导体激光器，物镜NA为0.6，利用液晶光阑改变实际读出信号时物镜的有效数值孔径。例如：在读DVD信号时，液晶平板（LCP）上不加载电压，因此偏振光通过LCP后偏振方向将旋转90゜，全部激光束将通过PBS，物镜的有效NA是0.6。而读取CD信号时，LCP上加载电压，使得入射激光的中间部分在通过LCP后仍旧旋转90゜，而旁轴部分则不旋转，使得这部分光线被PBS反射，而只有中间的光线才能进入物镜，此时，选用780nm激光器，且读出物镜的有效NA是0.35，能够有效的读出CD信号。
这是一种较新的技术，它依靠两个激光器和一个液晶光阑实现读取以635nm和NA=0.6读取DVD并且以780nm和NA=0.4读取CD。这样实现了高的读取质量，并提高了认盘速度。
4. 总结
DVD光学头结构设计是一个非常活跃的领域，除了以上几种已经实用的结构。许多光存储的公司和研究单位都对此进行了研究，并提出了许多方案。其中，比较有代表性的是有清华大学光盘国家工程研究中心的徐端颐教授、张意博士等提出的运用液晶器件的旋光效应实现的DVD/CD光学头结构。此种结构巧妙的运用了旋光效应实现了NA的转换，其精度和可靠性上均优于现有的设计方案。此方案已申请了发明专利。其详细内容请参看文献[1]。
由于在光存储中为实现更高的记录密度，将会进一步降低波长和加大数值孔径。如现在正在研究中的HD－DVD就是以蓝光激光为记录波长。这样，激光头的向下兼容的结构设计将会一直存在并不断追求结构简单，器件设计、加工容易和高的精度、可靠性及读取速度。
