Blu-ray Disc与DVD双读写头技术

次世代高记录密度可读写型Blu-ray Disc(以下简称为BD)，使用波长为405nm半导体蓝光雷射与NA值为0.85对物镜片，外形直径与传统DVD相同的光碟片，可以记录/再生高达23~27GB的资料。此外为避免高NA值对物镜片与高密度光碟片倾斜造成BD性能劣化，BD光碟片使用0.1mm的保护层。

传统DVD使用波长为650nm半导体红光雷射与NA值为0.65的对物镜片，光碟片的保护层厚度为0.6mm。利用BD读写头记录/再生传统DVD光碟片时，受到半导体雷射波长与光碟片厚度差异的影响，产生球面收差问题使得资料的记录与再生不易进行，为解决BD与DVD读写头共用化，研究人员应用具有「球面收差」补偿效应的轮环位相元件，开发BD与DVD共用读写头。

光学设计技术
如图1所示新开发的轮环位相元件与BD用对物镜片组合使用。轮环位相元件是在平行平板单侧制作复复微型环状段差，环状段差量可以对波长为405nm的光线，产生整数倍波长的光路长度差，由于整数倍波长的光路长度差对波动光学可以忽略，所以轮环位相元件对波长为405nm的光线，具有与平行平板相同的功能。

对650nm的光线在段差产生的光路长度差大约是0.6λ，而且是偏离波长的整数倍，所以轮环位相元件对波长为650nm的光线，会产生轮环段差状「波面收差」，在650nm发生的收差形状可以透过轮环半径控制，亦即各轮环段差的半径最佳化设计，可以补正BD用对物镜片记录/再生DVD资料时产生的「球面收差」。
　

图1 环状位相元件的构造
　

图2是使用轮环位相元件时BD与DVD的「波面收差」比较结果，图中灰色线条是使用BD用对物镜片单体时的「波面收差」，黑色线条是使用轮环位相元件时的「波面收差」。

此处首先探讨BD用对物镜片的「波面收差」，由于对物镜片属于BD专用，所以镜片单体拥有良好的「波面收差」，不过一旦加入轮环位相元件，波面会发生阶梯状的光路长度差，各轮环分割的各领域波面的光路长度差，刚好在波长的整数倍的位置上而且位相完全相同，所以不会对「波面」造成不良影响。

接着观察DVD的「波面收差」，由于对物镜片单体随着波长与保护层厚度的不同产生「球面收差」，此时若加入轮环位相元件会产生与BD一样的阶梯状光路长度差，该光路长度差大约是0.6λ，而且是偏离波长的整数倍。不过若与对物镜片单体产生的「球面收差」组合时，所有领域的「波面」与BD一样，都是在波长的整数倍的位置上。
　

图2 有无环状位相元件的波面收差比较
　

图3是波面收差与实效波面收差的比较结果，如图所示研究人员为了要主观性评鑑段差状的收差，因此刻意将实际波面收差，扣除波长的整数倍后的假想性波面收差，定义成「实效波面收差」，依此探讨使用实效波面收差同时含有轮环位相元件的光学系统的收差。
　

图3 波面收差与实效波面收差的比较
　

图4是BD与DVD有无使用轮环位相元件的「波面收差」与「实效波面收差」比较结果，图中灰色线条是使用BD用对物镜片单体时的「波面收差」，黑色线条是使用轮环位相元件时的「波面收差」。由图可知在BD使用BD专用对物镜片单体时的「波面收差」，与使用轮环位相元件的「实效波面收差」完全一致；在DVD若与物镜片单体时的「波面收差」比较，使用轮环位相元件的「波面收差」可以获得有效的补正，不过在DVD补正后被轮环分割的各领域的「波面」有倾斜问题，因此残留有锯齿状的收差。
　

图4 有无环状位相元件的波面
差与实效波面收差比较
　

研究人员认为即使残留收差也可以使DVD再生，因此使用该镜片的「波面收差」进行光碟片表面形成spot形状的模拟分析，图5是spot形状模拟分析结果，由图可知在BD不论有无轮环位相元件，spot形状完全没有差异。

至于DVD使用轮环位相元件时，虽然「实效波面收差」会成为锯齿状，不过却可以获得与使用DVD专用镜片几乎相同的spot形状。根据以上测试结果显示轮环位相元件可以使BD与DVD达成互换资料再生/记录的目标。

表1是Blu-ray Disc与DVD互换镜片的设计规格，轮环位相元件使用树脂材料制作，对物镜片使用玻璃材质制成的Blu-ray Disc用对物镜片，轮环位相元件的段差数总共13段，段差与段差的间隔基于制作性等考量，最小为±0.048mm。
　

图5 spot形状模拟分析结果
　

表1 Blu-ray Disc与DVD互换镜片设计规格
　

图6是上述轮环位相元件、对物镜片等各光学元件，组装后利用干涉仪量测互换镜片后获得干涉纹，根据测试结果显示Blu-ray Disc与DVD互换镜片的收差值分别是 ，完全符合设计容许值。
　

图6 各种光学元件与交换镜片的干涉纹比较
　

接着研究人员将上述互换镜片分别装设在Blu-ray Disc与DVD的读写头(pick up head)进行再生性能测试，图7是互换镜片的再生性能测试结果，根据测试结果显示Blu-ray Disc的Bottom jitter与界限(margin)值都非常小，DVD的Bottom jitter大约是7.5%，界限则维持在预期量范围内。由以上测试结果证实轮环位相元件构成的互换镜片，可以使Blu-ray Disc与DVD拥有互换再生的功能。
　

图7 对光碟片倾斜的jitter变化特性
　

图8是专为轮环位相元件构成的Blu-ray Disc与DVD互换读写头设计的光路，为避免增加DVD光路造成读写字头大型化，405mm的光束整形捨弃传统稜镜镜片，改採全新设计镜片形式，如此一来以往利用光束扩张器(bean expander)补正的「球面收差」，可以透过准直镜片(collimator lens)的驱动获得，根据测试结果证实使用上述互换读写字头的Blu-ray Disc与DVD再生性能，几乎与传Blu-ray Disc与DVD读写字头完全相同。
　

图8 Blu-ray Disc与DVD互换读写字头的光路结构