光学读写头的设计与仿真

1、目 录摘 要IAbstractII绪 论11 光学设计软件ZEMAX介绍22 激光头的结构及工作原理32.1激光头的基本组成32.2激光头工作原理43用于DVD光学成像系统的物镜设计53.1 建立物镜的数值孔径53.2 设置光束波长63.3 编辑镜片数据73.4 物镜的三维剖面图74 准直镜头的设计84.1 镜片数据编辑84.2 准直镜的的三维剖面图95 偏光分光棱镜PBS的设计95.1 PBS的工作原理95.2 PBS的设计106 系统光路设计117 光学头系统物镜的仿真分析127.1 物镜的波像均方差(OPD)分析127.2 物镜的波前均方差(wavefrontRMS)分析127.3 物镜

2、的点列图(spotdiagram)分析137.4 物镜的光学传递函数(MTF)分析148设计小结15结束语16参考文献17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

3、来的发展趋势。关键词：DVD激光头；基本结构；读出原理；发展趋势AbstractAlong with the development of society, with its optical storage capacity, long life and low cost, copy speed etc in modern society has become one of the important methods of information storage, DVD products is a new generation digital audio technology and dig

4、ital information storage devices and trend of representative. It has been widely used in radio and television, data processing, storage, social culture/image and home entertainment etc. The key technology and the main function is to first laser DVD recording and read, the signal is focused on using

5、laser to finish. This article mainly introduces the structure and read misbalanced DVD to DVD misbalanced technology application principle, etc, this paper focuses on development status of DVD misbalanced and its future development trends.Keywords: DVD misbalanced, The basic structure, Read principl

6、e, Development trend绪 论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。-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

7、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。1 光学设计软件ZEMAX介绍ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格

8、式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的 成像系统和非成像系统， ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX

9、的界面简单易用， 只需稍加练习， 就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。 ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。 ZEMAX有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。ZEMAX主要特色：(1)

10、分析 提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP， *.JPG等，也可存成文字文件*.txt。(2) 优化 表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。 (3) 公差分析 表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。 (4) 报表输出 多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。ZE

11、MAX应用领域：含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统等。2 激光头的结构及工作原理2.1激光头的基本组成无论是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。-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2.1所示）。图2.1激光头系统结构2.2激光头工作原理DVD-ROM技术类似于CD-ROM技术，但可提供更

12、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。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0.834，道间距为1.6，采用波长为780nm790nm的红外激光器读取数据，而DVD的最小凹坑长度仅为0.4，道间距为0.74，采用波长为635nm650nm的红外激光器读取数据（如图2.2所示）。图2.2光盘凹坑区别激光头工作时，首先半导体激光

13、二级管发射出单一波长、相位一致的激光，其波长在0.78m（或0.63m0.65m）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。-透明的聚碳酸脂的折射率为1.58，坑的光学深度为0.1738m，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

14、（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2.3所示）。物镜是光学头的关键元件，为使光斑尽量减小，物镜数值孔径都比较大，且像差也必须进行良好的校正，以得到近于衍射极限的光斑。另外物镜装在自动调焦和跟踪的执行机构上以实现自动调焦和跟踪，必须做到重量轻，结构紧凑，运动轻便。图2.3激光头原理图3用于DVD光学成像系统的物镜设计3.1 建立物镜的数值孔径1一般对会聚物镜要求如下：焦距不应超过58mm；数值孔径在0.40.7范围内2。因此设置数值孔径（默认为入瞳直径）为0.

15、6，打开System>General，设置孔径类型和孔径值，具体设置如图3.1所示。图3.1 数值孔径设置图3.2 设置光束波长根据国家标准3，DVD的盘基厚度是0.6mm，读取激光器波长为486nm，587nm，656nm因此设置物镜波长为486nm，587nm，656nm,点击System>Wavelengths，将系统主波长设置为0.587，默认的波长值单位为微米，具体设置如图3.2所示。图3.2 光束波长设置图3.3 编辑镜片数据应用光学设计软件zemax设计物镜时4，初始值的选取非常重要。据相关文献，选用光学塑料ACRYLIC作为物镜材料，选用PMMA作为盘基材料，并设定

16、物镜轴向中心厚度为2.4mm，物镜直径为5mm。在“lens data editor”中对镜片数据进行编辑5，然后通过zemax优化得到的具体编辑结果如图3.3所示。图3.3 镜片数据编辑图3.4 物镜的三维剖面图通过打开Analysis>Layout>3D Layout菜单可以看到物镜和盘片的三维剖面光路图，如图3.4所示。平行光束通过物镜后可以很好的会聚到光盘盘基上。图3.4 物镜的三维剖面图4 准直镜头的设计准直镜头用于将入射来的发散光束转变为平行光束，从而进行有效的会聚。4.1 镜片数据编辑设计准直镜头时的数值孔径和波长和物镜保持一致。准直镜材料为SF8，具体设置的数据如图

17、4.1所示。图4.1 准直镜片数据4.2 准直镜的的三维剖面图三维剖面图如图4.2所示。根据图示，可以看出准直镜可以实现将非平行光束转变为平行光束。图4.2 准直镜的三维剖面图5 偏光分光棱镜PBS的设计5.1 PBS的工作原理偏光分光棱镜的作用是把从LD的出射光和从光盘的反射光分离，一是以便使反射光不回到LD的激光的共振腔，使出射激光不产生噪音，二是使反射回来的带有信息的反射激光束可以有最小的损失6。5.2 PBS的设计本次设计中采用渥拉斯顿棱镜来模拟PBS的作用，其可以实现入射的光束能够不受影响的透过棱镜。镜片选用KDP，镜片数据编辑如图5.1所示。图5.1 棱镜镜片数据编辑图通过打开An

18、alysis>Layout>3D Layout菜单可以看到棱镜的三维剖面光路图。如图5.2所示。图5.2 棱镜的三维剖面图6 系统光路设计将以上设计的三个基本模块整合到一起就可以得到系统光路。其中系统激光器的波长为650nm，通光孔径设置为0.6，准直透镜材料为SF8，棱镜材料为KDP，物镜材料为ACRYLIC，光盘盘基材料为PMMA。镜片数据编辑如图6.1所示。图6.1 系统数据编辑图生成的三维系统光路剖面图如下图6.2所示。图6.2 系统光路图7 光学头系统物镜的仿真分析由于光学物镜是光学读写头的重要部件，其性能决定系统的实现效果。因此对物镜进行仿真分析，看其能否满足系统的要求

19、。7.1 物镜的波像均方差(OPD)分析在接近衍射极限的光学系统中，波像均方差是像质的敏感函数，要求光学读写头读取物镜聚焦精确、像质好、必须对球差、慧差和像散进行校正，从而使得波像均方差在一定的允许范围内，一般要求物镜的波像均方差在以下。图7.1所示为DVD物镜的波像均方差数值图。图7.1 DVD物镜的OPD图7.2 物镜的波前均方差(wavefrontRMS)分析光盘系统要求传递到光盘记录表面的光波基本为球面波，即从半导体激光器发出的球面波经过光学头系统各个元件后其全体的波前均方差在以下，其中物镜的波前均方差控制在以下。图7.2为DVD物镜的波前均方差数值图。图7.2 DVD物镜的wavef

20、rontRMS图7.3 物镜的点列图(spotdiagram)分析光盘系统通过物镜聚焦光斑读写信息，光斑大小、对称性等直接影响信息的存储密度和读写信号的质量。从点列图中可以比较直观的看出光斑的大小和戒像质量。另外在点列图中可以显示系统计算的艾里斑圆环（艾里斑直径），一般认为弥散斑的RMS半径控制在艾里斑环内则表明光学系统是处于衍射极限状态的，是理想的光学系统。图7.3为DVD物镜点列图及其强度分布图。图7.3 DVD物镜的spotdiagram图7.4 物镜的光学传递函数(MTF)分析光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线性空不变系统，因而可以用线性系统理论来研究它的性能，把输入信息分解成

21、各种空间频率分量，研究系统的空间频率传递特性即光学传递函数，它能全面反映光学系统的成像性质。FFTMTF是用快速傅立叶变化算法计算的MTF，是一种物理传递函数，即考虑光学系统的衍射效应，一般的成像光学系统都可用它来评价。光学头系统要求光线在子午和弧矢两个方向的传递函数基本一致，要求物镜的空间截止频率大于1200cyclemm，并着重考虑对中频的影响。图7.4为DVD物镜的光学传递函数图。图7.4 DVD物镜的MTF图由以上四个评价参数分析可知，所设计物镜基本符合光学设计的要求。8设计小结对于光学读写头的设计过程我以为读写头的设计很难，设计比较烦琐，有凹凸透镜的要求，各镜片尺寸的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。后来通过查资料，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，集中体现在word运用极不熟练，尤其是编辑公式时，操作不灵便，但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点经验，就会少出一些类似问题。经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于几何光学有了更深层