光盘技术01-4.doc

（5）光电二极管的特性 （）电流-电压特性：首先看一下在黑暗处给光电二极管加载电压的情况，图1.53所示的是给二极管加反向电压的情况，即给N型的一方加正电压，P型一方加负电压，这时运载电流的N性中的电子和P型中的空穴受到离开结合部的力，所以交界面的电位差越来越大，电流几乎不流动。若给二极管加正向电压，即P型部分加正电压、N型部分加负电压，则电子和空穴都受到向对方区域流动的力，减小了交界面的电位差，电流可以流动，因此根据在黑暗处给光电二极管加压所得的电压与电流关系的试验结果可以得到如图1.55中曲线所示的特性。如果受到光的照射，则曲线由向移动，进一步增强光照，则会移动到曲线，曲线是随着光的强度增加并行移动的，也就是与光强度成比例的光短路电流Ish是从正极向负极流动的，其电流值与元件的面积成正比。另外当回路开路时，以正极为正产生开路电压VOP，这个电压与元件的面积无关几乎是固定的。光电流Ish对入射光量具有良好的直线性，具有电流值达68位的直线范围，开路电压VOP与光量变化呈对数变化关系，对温度也显示了很大的变化情况。 如图1.55(a)中的曲线所示，在黑暗中给光电二极管加反向电压，会有极微弱的电流流动，这种电流称为暗电流，是在使用反向电压时产生噪音的原因。表示这种暗电流的方法有两种，一种是看在OV附近的电压电流比（并联电阻），一种是看实用电压下的电流。 （）分光灵敏度 如前所述，若光能（hv）大于光电二极管禁止带的宽度，则光被吸收，产生电子-空穴对，形成光电流。换句话说，就是如果具有比禁止带宽大的光的波长又变短了的话，就产生光电流。但是，一旦变为短波长，则光在表面就被吸收，即使产生了电子-空穴对，也几乎不能到达耗尽层就再次结合了，因此短波长越多，灵敏度越低。图1.56给出了典型的分光灵敏度的例子。 光电二极管在选择时，还须注意其对所用半导体激光的灵敏度特性，经常使用的术语是放射灵敏度（A/W），就是用光电流（A）与入射光量（W）之比表示灵敏度特性。 （）反向偏压电压 即使没有外部电源，也可使光电二极管工作，但为了提高响应速度和线性范围（上限），一般采用外加反向偏压电压的方法。 如图1.53所示，外加的反向偏压电压几乎都加在耗尽层上，因此在耗尽层中产生的电子与空穴被电场高速偏流，从而可得到对光的快速响应性。在几乎没加载电场的P型和N型部分产生的电子-空穴对中，随扩散到达耗尽层的，就成为了光电流，其余的电子和空穴在扩散过程中再次结合消失了。 如图1.57所示，在具有相同负载电阻RL的电路中，比较加载反向偏压电压和不加载时的情况，就可以清楚加载反向偏压电压提高直线性上限的原因了。若附加较小负载电阻，则即使不加载反向偏压也能扩大直线性的范围，但检出电压V=-IDRL不能很大。图1.58给出了直线性的上限的例子。 如上所示，加载反向偏压电压可以改善响应时间和扩大线性范围，但是会使暗电流增大、噪音增大，如果反向电压过大，还有可能破坏光电二极管。 PinPD不仅响应特性好，而且在加载反向偏压电压时的暗电流和耐性也很好。 （）响应速度 用光开始照射到因光照而产生的电子空穴时，形成电流流到外部电路所需的时间表示光电二极管的响应时间，响应速度通常用对间隔状的输入光而产生的电流的上升时间（tr）或下降时间（tf）规定，用输出从稳定值（稳定后的固定值）的10%变化到90%所需的时间表示。 上升时间大致可由用两端静电容量Ct与负载电阻RL规定的时间常数1和耗尽层外产生的电子-空穴的扩散时间2决定。如前所述，当给光电二极管加载反向偏压电压时，在耗尽层会增加正负对峙的空间电荷，因此可将结合面看作一个静电容，其容量称为结合电容量Cj,结合电容量与受光面积成正比，与反向偏压电压VR的2次方到3次方成反比。 两端静电容量Ct用结合电容量Cj与外壳的静电容量之和表示，当两端静电容量Ct的影响处于支配地位时，上升时间tr有如下关系（见式（1-33）。 因此为了得到较快的响应速度，只要减小结合电容量Cj外加反向偏压电压即可。在耗尽层外生成的电子与空穴的扩散时间达数Msec以上非常慢，作为光盘驱动器中使用是不希望有的。PinPD因两端静电容量小，耗尽层外产生的电子空穴对产生率低，所以高速响应性好。 （）信号分离特性 在聚焦伺服系统和跟踪伺服系统中，激光的接受需要的是将受光部分进行2分隔或象图1.59那样的4分割的受光元件，要使受光部分的晶格形状与光学系统的规格相对应。 如图1.60所示，通常只把P型进行分割，用简单的结构形成多个受光部分。在受光部分邻近且集成了的PinPD中，随光射束的入射而在N层的耗尽外产生的扩散电流不仅会使响应时间变慢，而且由于扩散电流会向任意方向扩散，所以使受光部件之间的信号分离特性变坏。若增加耗尽层的宽度，则扩散电流减少，信号分离度增高，PinPD使N层具有接近本性半导体的低浓度（高比电阻），所以当外加反向偏压电压时，其耗尽层就变得比通常的光电二极管大，所以信号分离度高。 如图1.59所示，多个P层相互接近，就可形成PNP型的三极管，在三极管的作用下，相邻的受光部分会受到电流流动的影响，为抵消这种作用需给各元件加反向偏压电压。 现在各元件的接近程度已可达到1015m的程度，这也说明了反向偏压电压的重要性，在光盘驱动器中使用分割型PinPD时，必须加载反向偏压电压。 （）噪音 光电二极管对弱光的检出界限当然是由光电二极管本身产生的噪音源（真性噪音源）决定的。光电二极管的真性噪音源有热噪音ij和发射噪音（short噪音）。热噪音是由于光电二极管中运载电流的电子空穴的热扰乱而产生的，这种现象在所有电阻的物质中均存在，满足式（1-34）的关系。 （其中 ij：噪音电流的rms值（A） T：绝对温度。 K：玻尔兹曼常数（1.38*10-38w*s*k-1） Rsh：光电二极管噪音发生源的电阻值 f：设计系统的噪音带宽。） 发射噪音is是运载电流的电子空穴每次到达电极时产生的电流波动，可用式（1-35）表示。 发射噪音is有因暗电流id引起的和因光电流iL引起的两种。因为PinPD制造时使暗电流尽可能地小，所以光照射下PinPD的本性噪音in满足式（1-36），光未照射的in满足式（1-37），使与噪音电流相等的电流产生的入射光量即噪音等价电力NEP可用式（1-38）表示。 在设计光检取器时，为了不受这里所述的噪音的影响，应使照射到光电二极管上的光量具有足够的余量。 （）温度特性 光电二极管的灵敏度和暗电流是随周围温度的变化而变化的。光吸收系数的变化是灵敏度变化的原因。暗电流的变化是由低能带的电子受热激励到高能带的概率引起的，所以也随温度按一定的比例进行变化，这个变化率温度上升510就增大2倍左右。 （6）物镜的特性 物镜（objective lens）使激光在光盘面上几乎无像差地成像，具有使光盘面上因磁道或符号所产生的散乱、衍射的光聚集起来的功能。 光检取器光学部件的成像系统有两种类型，一种是用平行光管将半导体激光器的光作为平行光射入物镜的无限规格型，另一种是不同平行光管直接使光射入物镜的有限规格型。可记录重放的光盘系统采用无限规格型，因为这种方式即使物镜移动对物镜的入射条件的变化也很少，像差变化也小。（见图1.61） （）使用波长（） 因半导体激光器的振荡光的波长随温度变化，因此会在物镜上产生色像差，不过在780nm或830nm附近对性能几乎没有影响。在物镜中，射束通过的最终面与光轴的交点到像平面的距离被称为反向焦点（back focus）的量及焦点距离等只有少量变化。 （）孔径（NA） 如图1.62所示，NA可表示为NA=nsin1 n：空气的折射率 n：盘片的折射率 在1.2.3节“激光的特点”中，已说明光点尺寸Wem与深度Z0.8m是由透镜的孔径2a，入射射束的光点尺寸2Wa和最大出射角决定的。光点尺寸与出射角的正弦成反比，深度与的正弦的平方成反比，因此Wem和Z0.8m可用NA表示如下（式（1-39），（1-40）。可见，NA是决定成像光点尺寸及深度的重要的量。 当半导体激光趋的振荡波长在780nm附近时，为了获得SN比好的信号，通常使用NA为0.470.52的透镜。 （）动作距离（WD） 透镜镜框的端面到盘片表面的距离称为动作距离（Working Distance）。 动作距离的长度长，可以防止由盘片的面振动引起的透镜与盘片的冲突，并能增加包含物镜在内的调节器的设计上的自由度，但焦点距离变大，物镜就要大，所以动作距离一般采用2mm左右。 （）焦点距离（f） 为了决定所需的射束光点尺寸和深度，必须决定孔径NA如图1.63所示，孔径NA为： NA=nsin= na/R （1-41） 在这里如果在物体侧主面将波面看作平面，则如式1-19式所述R=f成立，因此 NA= na/f （1-42） 即透镜的有效直径（孔径）2a为 2a=（2/ n）f*NA （1-43） 设计上是没有自由度的，因此焦距越大，物镜越大。一般为了确保动作距离，物镜的焦距采用4.5mm左右。 （）透过率 光检取器中使用的物镜，当使用波长在780nm或830nm附近时，玻璃的透过率最高。另外因透镜全长很短，可以忽视玻璃内由于吸收和散射引起的内部损失，所以透过率可由在透镜面的反射损失决定。 通常物镜是由多片单透镜组成的，各透镜面都施加了防止反射的塗礤层，将在使用波长附近的反射率控制在0.1%左右，由3片透镜组成的物镜的透过率可达97%98%。另外，透镜不采取防反射措施时对垂直入射光的反射率R可用式（1-44）表示。 光检取器用物镜使用的是折射率为1.8左右的高折射率玻璃。设n=1.8，则每一片未施加防反射涂层的折射面（单透镜面）的反射率为8.2%，因此对于由3片单透镜构成的物镜而言，反射面为6面，未施加防反射涂层时的透过率约为60%。另外若不施加反射涂层，物镜的反射光与从盘片反射来的反射光重叠，到光检出器时，会使光检取器的检出灵敏度降低。 为提高半导体激光器的光量利用效率和光检取器的检出灵敏度，防反射涂层是不可少的。 （）最大像高与最大画角 像高y与画角W的定义如图1.64所示，其关系用式（1-45）表示，所需的最大像高由跟踪方式决定。将物镜沿盘片平移进行跟踪时，最大像高理论上应为0，但实际上由于制作上的调整误差，还是存在像高的，如图1.65所示，由于可移动反射镜使像高变化，所以跟踪时最大像高约为0.20.3mm。 像高会增加透镜的像差，所以若使用时最大像差过大，则必须采用增加物镜中透镜的片数等方法减少像差。 （）形状、重量 为了使光检取器小型化和提高聚焦和跟踪伺服系统的性能，需要物镜体积小、重量轻，因此采用高折射率玻璃透镜减少构成物镜的透镜片数，使用轻型玻璃减少玻璃重量，用铝作将多片透镜组合到一起的镜框。另外重量是与焦点距离有关的，所以开发短焦点透镜也是很重要的。由一片透镜构成的非球面透镜最适于小型轻量化，一般物镜的外径为6mm，重量为0.1g0.3g左右。 将物镜装入光检取器时，必须保持光轴对光盘垂直，因此就给镜体装上凸缘，以凸缘的面作为组装的基准面。 （）抗环境性 用铝镜框装入玻璃透镜的结构不会随温度和湿度变化产生性能劣化问题，但若为了追求减轻重量和降低成本使用塑料镜框的话，由于塑料会随温度产生尺寸上的变化，所以在精度上存在问题。 （7）物镜的评价标准 在几何光学性的像差很小时，可用衍射控制光点尺寸，透镜的这一性质称为衍射极限性质（diffraction limited preformance）。在光检取器中的物镜，因需要减小光点尺寸，利用衍射现象检出盘片上的符号，所以要求具有衍射极限性。需要衍射极限性能的透镜的光学评价尺度有两种，其代表性的是波面像差（Ware Front Aberration或Wave Front Error,略写为WFE），另一种是OTF（Optical Transfer Function）。 （）波面像差 从一个物点发出的光以球面波的形式射入透镜，如果这个透镜无像差，则光会以聚束在理想像点的球面波的形式从透镜射出。相反，若透镜有像差，则射出光的波面就发生变形，不能成为球面波，这种波面与球面波的偏差称为波面像差。像差的大小可由波面与以理想像点为中心的球面波的偏差的多少来表示。以理想像点为中心的球面即成像完全时的波面称为参照球面（reference sphere）。如图1.66所示，波面像差的另一种定义方法是沿着光线测出参照球面与实际波面之间的距离P0P，将其与介质的折射率n相乘所得的光程长即为波面像差。 WFErms在观察光束整体的波面像差时，应使其与射出光孔面上的坐标相对应。设在射出光孔上的极坐标（r,）上的波面像差为W（r,）,则波面像差W（r,）在射出光孔面上的标准偏差称为WFErms（Root Mean Square of Ware Front Error）,可用式（1-46）表示。波面像差以使用波长为单位表示，WFErms为1/14（0.07）以内时，像的中心强度可达到完全无像差时的80%以上，WFErms在0.07以下是表示透镜具有衍射极限性的基准，称之为Marechal的Criterion。光检取器的成像光学系统整体的像差必须满足WFErms为0.07左右。光学部分整体的像差WFErms可用各光学元件的像差WFErms的均方根（root mean square）表示。WFErms即使值相同，如果像差的种类不同，则对光检取器的最终性能的影响程度也不同，所以光检取器中的物镜一般要求WFErms的轴上性能为0.0250.05，但并不是绝对条件。像差的种类、轴外性能以及光学元件的精度和组装精度、光盘盘片的种类（折射率、厚度等）、跟踪方式等等均会对光检取器的最终性能产生影响，因此在设计时要充分考虑到这些因素，设计出各方面平衡的光检取器。 像差的种类 扎德尔的5种像差的大小是由透镜的结构决定的，物镜中产生的主要像差有球面像差、彗形像差和象散像差三种。球面像差是由于透镜的厚度、曲率半径及透镜镜片间隔的误差造成的，由于光轴的倾斜造成的彗形像差，将使光检取器的性能极度恶化，但当像高y为0时，不会产生彗形像差，不会产生彗形像差，像散像差在透镜表面精度不好时产生，同样在像高y为0时消失。 波面像差与光线像差的关系如图1.67所示，设在理想像点O的像高为y，以理想像点O为中心，画出通过射出光孔中心A的半径为R的参照球面，所得的P0P就是波面像差。射出光线通过射出光孔上的点PE和像面上的点P时，像面上的距离OP称为光线像差，令此时光线像差的x成分为Lx，y成分为Ly，在射出光孔上的坐标系（u,v,w）中有式（1-47）的关系成立。（）OTF 光学部件是利用光传递物体的形状、配置、色彩的部件，与电子线路一样是传递信息的部件，这一部件的性能是依据其传递原物体或信号的正确程度来加以评价的。 为简单起见以一维为例，设物体面和像面分别有各自的x,x轴、放大率为1，位于物体面厚点的亮度（振幅或强度）为1的是光源的像为h（x），则亮度为f(x)的物体的像g(x）可由式（1-48）表示。只要知道了h（x），无论物体的亮度分布f(x)是什么样的，都可以求得物体的像g(x），所以可以只用h（x）来评价光学部件的性能。将各函数进行付里叶变换，可得式（1-49），根据付里叶变换的卷积定理，可得式（1-50），即两个函数f(x), h（x）相关函数g(x）的付里叶变换G，等于各函数的付里叶变换F1和H的乘积。 H（）是电路系统中的频率滤波，用其曲线可以表示传送通路和放大器的特性，也就是众所周知的频率特性。在光学系统中也将H()看作频率滤波，因为w是相对于空间坐标的频率，因此将它称为空间频率。H（）使用时通常规格化为H（o）=1，这就是光学系统中的OTF。因为H（）是复数，所以可表示为 H()=T()expi() (1-51)其中：T()称为MTF(Modulation Transfer Function) ()称为PTF（Phase Transfer Function） 空间频率具有长度的倒数的维数，设=2freq，这种新定义的频率freq常用lp/mm(lp读作line pair)或根/mm为单位进行表示。 理想的光学系统就是将物体的结构分解为空间频率频谱后，可将所有频谱毫无衰减和变形地传送到像面，即OTF中H（）=1。但实际上存在着衍射，考虑了这种影响的无像差系统的衍射像强度，在一维的情况下，应如下计算。设点光源的衍射像的强度为h（x），则按式（1-52）可计算出h（x），因此根据式（1-49），可得这种无像差系统的OTF为式（1-53）。根据式（1-54）将式（1-53）画成图，可得图1-68，由图1-68可知H（）为0时的截止空间频率fsco为 (1-55)设在某磁道上的线速度v与fsco相乘得 (1-56)表示了每一单位时间透镜可读取的line pair数的限度，ftco也可称为截止空间频率。将光盘的代表性数字NA=0.47,=780nm,v=2.1m/s代入fsco、ftco可得 fsco=1.21*103lp/mn ftco=2.53*106lp/sec=2.53MHz因可成像的极限间距dco=1/ fsco,所以 dco=0.83m由此可知，光盘用的物镜需要达到频率为1200 lp/mm的带宽。 设盘片上最短符号（mark）的长PL为0.84m,则这张盘的符号列的空间频率f0为 f0=1/2 PL =595（lp/mm） 从上面的例子中可知，物镜的空间频率fsco约为符号列的空间频率f0的2倍，因此采用例子中给出的物镜足以满足读出盘片上的符号。 （8）在发生各种误差时，物镜的性能变化 将物镜装入光检取器时会产生加工、组装误差，因聚焦跟踪移动物镜时会发生光轴倾斜，另外形成光程的一部分的基板的厚度存在误差，盘片本身也可能发生倾斜，这些误差都会引起物镜性能的改变。（）聚焦模糊误差 从对着平行光的理想像点（射束中点）O开始沿光轴移动像点（光盘记录面），就会增加像差。设波面像差的增加量为W与像点移动量为Z，则有式（1-57），设W，W2的平均值为，则WFErms(即W的WFErms)，可由式（1-58）求得。 (1-57) ( a：透镜孔径的大小。) 图1-69表示了像点的移动量Z，即聚焦模糊量Z与WFErms的关系。应用Marechal的Criterion可得，即使存在聚焦模糊量Z也能得到足够清晰的像的临界值为 (1-58) 由此可知，能保证像的中心强度在完全无像差时的80%以上的Z即深度为 （1-59）NA越大，由式（1-58）可知，因聚焦模糊而引起的像差的劣化越大，从式（1-59）也可看出NA越大，深度越浅。（）盘片基板厚度误差 盘片表面到焦点面只隔了基板的厚度，其抗灰尘和划痕的能力比硬磁盘要强，但若盘片基板的厚度偏离了规定值，则会产生像差。用图1.70可以解析地看到这种情况。 当出射角为的光束透过厚度为d、折射率为n的盘片（平行平板）时的近轴光线焦点为O，从O产生的焦点移动L2可由式（1-60）得到，将sin进行马克劳林展开，省略高次项可得式（1-61）。在这个式子中显示了L2随出射角的变化，由此可知光通过盘片基板会产生像差，L2被称为纵像差。 将L2用光线像差（或横像差）Ly的式子表示，可得式（1-62）。设（v/a）=vn，则可得式（1-63），因为光线像差相对于光轴旋转对称，所以成为球面像差，由式（1-63）可知这种像差随透镜孔径的增大而急剧增大，而孔径减小而急剧减少。根据式（1-63），利用求球面像差时从光线像差到波面像差的变换公式（1-64），可求得只在v轴方向（Lx=0）的波面像差，考虑到旋转对称，则球面像差Ws可用式（1-65）表示。这个像差和其它（高次）的球面像差在NA为0.470.52时，变得非常小。 光盘用的物镜在设计时就考虑到，要抵消光通过基板时由式（1-65）所得的球面像差Ws，即在设计时设法使L2=0。设因盘板基板厚度误差d引起的W40为W40d，则 （1-66） 图1.71显示了实际中用计算机模拟所得的盘片厚度与WFErms的关系。由式（1-66）可知，盘片基板厚度误差d引起的球面像差Ws与NA的4次方成正比。实际上还存在着其它（高次）的球面像差的影响和球面像差Ws的修正误差，因此随着NA的增大，厚度误差的影响也会增大，对于可写入光盘来讲，盘片基板的厚度公差d必须控制在0.05mm以下。（）盘片折射率误差 由式（1-65）可知，盘片的折射率n的变化也会引起球面像差Ws的变化。设透镜已对由盘片引起的球面像差进行了修正，当折射率增加了n，所产生的球面像差可用式（1-65）进行泰勒展开后得到。设由折射率的增加n引起的W40为W40n，则可得式（1-67）。 由此可见，盘片的基板材料变化引起折射率产生变化时也会引起球面像差的变化，所以希望通过改变基板的厚度来进行修正。例如：将基板材料从Polymethyl methacrylate(PMMA)更换为Polycarbonate(PC)时，折射率由1.49变为1.57，n增加了0.08。根据式（1-66），（1-67）使W40d+ W40n =0的条件为式（1-68），设原盘片厚度为1.20mm，只要使d薄0.03mm即可修正球面像差。（）盘片倾斜误差 当盘片对物镜光轴倾斜时，聚束光束透过光盘基板（平行平板）时，会产生彗形像差和像散像差。如图1-72所示，设盘片以角度倾斜，则彗形的波面像差Wc可由式（1-69）计算得到，另外像散像差Wa由式（1-70）得到。 倾斜的盘片上产生的彗形像差和像散像差在Marechal的Criterion的WFErms的值为0.07时为W31，W22 W31=0.63, W22=0.34 (1-71)将式（1-71）的值代入式（1-69），（1-70），可求得此时的盘片倾斜角M（式（1-72）。设NA=0.47，则M =14.5盘片倾斜角小时，彗形像差占主要地位，随着倾斜的增加，像散像差也随之增加。一般情况下，若光盘上彗形像差增大，则交调失真（cross talk）增多，信号的SN比恶化，所以盘片基板的倾斜精度应控制在5mrad(=0.29)以下，即仅用WFErms不能决定倾斜精度，因此对光盘来说，可以认为在平行平板上产生的像散像差的影响不存在。式（1-69）显示彗形像差与（NA）3成正比，实际上其它种类（高次）的彗形像差的影响约占所有彗形像差1520%,图1.73给出了盘片倾斜与WFErms的关系的例子。若物镜装歪了，其结果与盘片对光轴倾斜一样也会产生彗形像差，因此在物镜安装时，必须将倾斜精度控制得非常小。（）平行光误差 当因半导体激光器、物镜等的安装误差造成向物镜射入的光线倾斜，画角不为0时，就产生像高，一旦产生像高，就会产生前面所说的像散像差或彗形像差。 图1.74给出了物镜的像高与WFErms的关系的例子，当WFErms对像高呈2次函数地增长时，像散像差就占了主要地位，而若对像高按正比例增加时，彗形像差就占主要地位。（）入射光发散、收敛误差 若在半导体激光器光轴方向上的安装误差较大，则射入物镜的入射光就会不平行，变成发散或收敛的光，这时因光线在光轴方向上的位置与平行光时理想像点的位置有偏差，所以会发生球面像差，入射光与平行光的偏差产生的像差的影响程度，随物镜的种类不同而不同。图1.75给出了一个例子，图中为表示光线与平行光的偏差，使用了成像倍率，对平行光来说因为物点为无限远，所以成像倍率为0。（）半导体激光器的影响 如前所述，半导体激光器的出射光呈椭圆状散开，在光盘系统中为了减小射束光点尺寸或为了使光束呈圆形，有时会截取从半导体激光器中发出的光束，这时虽然射束变为圆形，但射束放射角大的垂直横模式中截取量就变大（截取的系数m接近0），物物就好象在对平面波集光，会产生side rope现象。 在可写入光盘的地址区，信息标记是采用凹凸方式写入的，在从有信息的磁道中读出信息时，其相邻的磁道中如果有地址区，则有可能由于side rope 而发生交调失真（串音），因此在设计光检取器时，要使半导体激光器的垂直横模式对着盘片的接线方向，以减小side rope的影响或将射束的截取量适当调整以减小side rope的影响。 另外，因半导体激光器的振荡波长会随温度变化，所以物镜折射率的变化，由1.2.1项的（1-7）式可知焦距也会产生变化，从而产生聚焦模糊误差，还有，因半导体激光器振荡波长的移动也会引起波面像差。 由以上原因引起的聚焦误差为0.10.2m/nm。 （9）光隔离器 光隔离器用于分离射入盘片的激光和反射回来的激光，换句话说就是用于不让从光盘盘面反射回的反射光不再回到LD而100%地导入光检取器（光电二极管）。如果LD上有了因盘片反射而造成的返回光，则光盘的反射面和LD之间就会发生共振，使LD的发光量产生变动，出现信号噪音，这种信号噪音取决于LD端面与光盘信号面的光学距离。 如图1.76所示，光隔离器由偏光光束分离趋（Polarizing Beam Splitter:PBS）与1/4波长板（quarter wave plate）构成。将两个直角棱镜的一个斜面上施加偏光膜（电介质多层膜敷层），将两者粘接到一起构成的立方体就是PBS，如图1.77所示，PBS的功能就是让与入射面（包含入射光与反射光）平行的光波的电振动即电场成分通过（称为P偏光），而使与入射面垂直的电场成分（称为S偏光）发生反射。 1/4波长板使用的是象水晶一样的具有多折射的结晶，用于将直线偏光变换为圆偏光，将圆偏光变换为直线偏光，图1.78显示了其原理。 设正常光线和异常光线通过水晶板所需时间和同等时间内在空气中通过的距离各为d0、de,则在1/4波长板上存在以下关系，见式（1-73）， (：波长) （1-73） 而在光通过折射率为n、厚度为t的介质所需的时间内，在空气中通过的距离（光程长）d为 d=nt (1-74)因此，正常光线（折射率为n0）与异常光线（折射率为ne）的相位差为波长的1/4时的结晶厚度t为 t=/4(ne-n0) (1-75)例如，光的波长为794.76nm时，水晶的正常光线的折射率n0和异常光线的折射率ne的值为n0=1.583、ne =1.547,因此可计算得到水晶的厚度为22.3m。在图1.76中的光隔离器中，射入PBS的光（电场成分）x方向部分通过了，y方向部分反射了，射到LD上的光成为直线偏光。若将此偏光方向变为x方向，则射入PBS的光100%通过，使在与前进方向z垂直的x方向具有电场成分（偏光方向）的直线偏光射入1/4波长板，则在1/4波长板的结晶光轴的x方向具有偏光面的正常光线和与其正交的y方向具有偏光面的异常光线之间的产生相位差/2（相当于/4），因此光线应从对主断面即包含结晶的光轴x和入射光线的面呈45方位角的位置射入。换句话说，若将光轴X对x轴倾斜=45配置1/4波长板，其输出即为圆偏光。光束经盘片反射再次经过1/4波长板后，就成为在y轴方向偏光的光束，所以再次射入PBS的光又被反射而向x方向前进，可用以下式子进行说明。首先设射入1/4波长板的直线偏光光束（电场）Ein，可由式（1-76）计算得到，若用将倾斜45的x-y坐标表示可得式（1-77），通过1/4波长波后，y方向部分的相位延迟/2，因此其输出Emid可由式（1-78）表示，式（1-78）表示圆偏光。经光盘面反射的光再次通过1/4波长板后，异常光线Ey的相位又延迟/2，所以其输出可由式（1-79）表示。若用x-y坐标系表示，则得式（1-80），这个公式表示在y方向具有电场偏光面的直线偏光被射入PBS，这个光径PBS反射，向x轴方向前进，不会返回 z方向。 (1-76) () (1-77) (1-78) (1-79) (1-80)以上所述是光隔离器的理想状态，但实际上，由于1/4波长板与理想状态的差距和盘片基板的多折射，一部分光将返回LD。（）由1/4波长板的原因引起的返回光 若1/4波长板光轴的位置偏离45，或因厚度误差导致正常光与异常光的相位差偏离90，以及射入1/4波长板的光不垂直等情况发生时都有光返回LD，还有由于入射光波长的改变也会产生光返回LD的情况。 在图1.76中，设入射光在x方向为直线偏光，则如前所述，对1/4波长板的射入波Ein可由式（1-81）表示。设结晶的光轴方向X与x轴倾斜角，则在x-y坐标系中可得式（1-82），通过1/4波长板后与光轴X正交的Y方向部分的光的相位延迟。设延长的相位差为，则通过1/4波长板的光Emid可由式（1-83）表示，这个光经盘片反射再次通过1/4波长板，Y成分的相位又延迟，所以经1/4波长板射出的光Eout可用式（1-84）表示。将坐标系改回x-y上，则2次通过1/4波长板的光Eout可由式（1-85）表示。 (1-81) (1-82) (1-83) (1-84) (1-85) 综上所述，我们可以看到当存在结晶光轴角度和1/4波长板的厚度误差时，对光的输出有如下影响： 结晶光轴的角度偏离45时引起返回LD的光：首先先求一下1/4波长板在其面内旋转不到=45时，从盘片反射再次通过1/4波长板的光Eout的强度。 在式（1-85）中，设正常光与异常光通过1/4波长板二相位差为90即=90，则可得式（1-86），因光的强度Iout可用各成分的振幅的平方表示，所以可得式（1-87）令对45的偏离即结晶光轴的旋转为，则=45+，可得式（1-88），因返回LD的光其偏光面是x方向，所以其强度ILD可表示为（1-89）。由式（1-89）可知，1/4波长在面内偏离会增加对LD的返回光，光轴的旋转与对LD的返回光的关系如图1.79所示。 (1-86) (1-87) (1-88) (1-89) 由1/4波长板的厚度误差引起的对LD的返回光：设1/4波长板的厚度存在误差，正常光与异常光的相位差不是90，其偏差为，则此时的光的强度Iout可由式（1-90）表示，而返回LD的光ILD可由式（1-91）表示。 (1-90) (1-91) 由光的入射角度的偏差引起的返回光入射角度偏差是指光没有垂直射入1/4波长板的情况，如1.2.2项所述，异常光线的光线速度随其前进的方向不同而变，即前进方向不同折射率也不同。设以90角射入时的正常光线与异常光线的折射率各为n0、ne，则与结晶光轴成角射入的光的异常光线的折射率ne（）可由式（1-92）表示。当然正常光线的折射率与角度无关是固定的，在入射角为时，正常光线与异常光线的相位差（）可由式（1-93）表示。根据以前所讲的d=nt的关系，可以很好地理解式（1-93）。注意式中t是以对结晶光轴呈4角方向前进的光为中心考虑的实际板厚 (1-92) (1-93) （1-94）设入射角为90时的相位角（）为ref，则可得式（1-95）。根据式（1-94），（1-95）可将式（1-93）变换为式（1-96），若入射的偏光面为x轴方向与结晶光轴X呈理想的45，则由式（1-85）可得光的强度Iout，式（1-97） (1-95) (1-96) (1-97)因此可算出返回LD的光的强度ILD，式（1-98） (1-98)由以上推论可知，返回LD的光随入射角与90的偏差的增大而增多，返回光量的大小可由式（192）(196)(198)求得，表1.1给出了计算的例子。 由于入射光的波长变动引起的返回光用式（1-95）可表示光通过1/4波长板时正常光线与异常光线的相位差，该式还表示光的波长发生变化时，相位差也发生变化。实际上LD的波长随温度会有细微的变化，返回LD的光的强度ILD可用式（1-99）求得，图1.80给出了计算的例子。 (1-99)（）因盘片基板的多折射引起的返回光 光盘基板的材料和制造方法是各种各样的，例如使用聚碳酸酯树脂材料用注入工艺制造光盘盘片时，由于留有变形，造成光学上的各向异性，从而产生多折射。 光经PBS通过1/4波长板时，会出现如式（1-78）所示的圆偏光。在图1.76中，圆偏光经盘片反射后会在Y方向产生的相位延迟，这个就是由于多折射而产生的相位延迟，将式（1-78）在x-y坐标系上表示，则光束Emid就可用式（1-100）表示。因经盘片反射后的光束Eref会在y方向产生的相位延迟，所以得式（1-101），将此式在x-y坐标系中表示，可得式（1-102），式（1-102）表示的是X方的振幅为acos(/4-/2),Y方向的振幅为asin(/4-/2)的椭圆偏光。图案1.81显示了因盘片原因造成的相位延迟与偏光状态的关系。 若光再一次透过1/4波长板，则Y方向又再产生/2的相位延迟。根据式（1-102），求出1/4波长板的输出Eout，在x-y坐标系中可表示为式（1-103）。式（1-103）表示的是直线偏光，相对于偏光面x轴的角度可用式（1-104）表示，而光的强度Iout可由式（1-105）表示，因此返回LD的光ILD可表示为式（1-106），图1.82表示了因盘片原因产生的Y方向的相位延迟与返回光量的计算结果。（）因PBS的偏光膜能量反射率不足而引起的返回光，通常由PBS的P偏光引起的能量透过率和由S偏光引起的能量反射率是随入射角和波长而变化的，不能达到完全的100%。图1.83中显示了有代表性的S偏光的偏光特性的例子，这种特性可随PBS的设计制造方法而变化。在前面所讲的由各种原因引起的返回光中，若含有P偏光（x成分），则返回光的强度ILD可由式（1-107）表示，也就是说若能量反射率不是100%，则会产生由S偏光引起的返回光，而向x方向前进的光的强度Ipd可用式（1-108）表示。综上所述，各种原因都会引起光向LD返回，而这些返回光与LD的出射光的偏光面相同，从而会在LD内引起共振，所以必须加以重视。 在本节中，为了使1/4波长板的说明简单，在式（1-99）中是就=/2的特殊情况下加以讨论的，实际上可由式（1-109）表示。也就是说，只要式（1-109）成立，均可作为1/4波长板使用。但是，若N过大，就不能高精度地实现相位差，所以一般从生产方面考虑都选择N尽可能小的器件。 （10）平行光管透镜（collimator lens） 如前所述，半导体激光器具有在半值全角上为2545，为815的椭圆FFP，平行光管透镜是将这些发散光变换为平行光的光学元件，可与无限规格的物镜组合使用，平行光管透镜一