可携式电子装置用微型光碟机读写字头的设计

微型光碟机(MD: Mini Disc)是目前最普及的音乐用录音设备，随着硬碟机与半导体录音媒体的问世，迫使微型光碟机朝向高记录容量化方向发展，目前具备支援网路通信功能，记录容量高达1G的「Hi-MD」已经商品化，微型光碟机是可携式音乐录音机与数字摄影机的关键性元件，它具备两种规格相异光碟片再生功能，接着本文要深入探讨微型光碟机的读写头(pick up head)关键技术。
集光模组
图1是集光模组构成的微型光碟机读写头内部结构，集光模组整合微型光碟机再生时必要的光学磁气信号再生、可以产生各种伺服(servo)误差信号，以及控制雷射功率上必要的元件。此外为达成读写头小型化必需限制整体高度(H)，若将传统绕射雷射(hologram laser)的7mm高度削减至3.3mm，就能够在微型光碟机收纳器(cartridge)窗口内部设置读写头相关元件，进而实现可携式微型光碟机的预期目标。
　

图1 微型光碟机的读写头结构
　

图2是微型光碟机集光器的内部结构，由图可知本集光器使用二段式偏光全像设计，它是将光碟片的反射光分割成二等份，利用绕射光的各偏光成份绕射效率差，使第一偏光全像具备旋转角度增倍功能，接着利用第二偏光全像进行偏光分离，最后利用第三偏全像产生光学磁气信号再生用偏光分离与伺服信号。

上述第三偏光全像为检测伺服误差，因此分割成三大领域，此外第一光检测器是由可以检测第二偏光全像的0次绕射光、+1次绕射光、－1次绕射光，等三个受光单元构成。第二光检测器是由可以检测伺服误差信号的12个受光单元构成。

为实现两种规格相异的光碟片再生，必需进行以下两项对策，分别是:
⑴.为获得良好的再生信号，分别赋予两种规格相异光碟片最适当的位相补正量
⑵.为支援相异轨道间距(track pitch)，採用位相移动DPP(Differential Push-Pull)技术

有关第⑴项最适当的位相补正量，如众所周知为实现高密度光学磁气记录，在超解像媒体(亦即高解析度光碟片)与磁壁移动检测媒体(亦即近场光碟片)中，补偿媒体反射光造成的偏光之间位相差，对信号再生而言非常重要，然而微型光碟机光的4层反射膜结构本身就具备单层磁性膜，因此不需作位相补正。本集光模组採用的第一偏光全像，可以在绕射光产生位相差，除此之外光学元件、光碟片也都会产生位相差，为补正这些位相差，所以在第一偏光全像与第二、第三偏光全像之间设置位相差膜片。

有关第⑵项为支援相异光碟片的轨道间距，则採用位相移动DPP技术，它是利用位相移动光栅产生三光束(beam)，藉此获得轨道伺服器误差信号，如此一来高反射MD的pit列，以及可录式MD等轨道间距相异高密度光碟片，也能够进行轨道伺服(tracking servo)，而且固定读取头外壳(housing)时，可以有效减缓三光束的旋转调整精度。
　

图2 MD的集光模组结构
　

动作原理
‧第一光检测器的光学磁气信号再生
图3是第一光检测器的磁气信号再生动作原理，如图所示光碟片的反射光线利用第一偏光全像(镜片)分离，接着依序通过位相差膜片与第二偏光全像镜片。

位相差膜片会补正包含第一偏光全像的绕射光，第二偏光全像(镜片)则进行绕射光的偏光分离。

图中的第一光检测器是由可以检测第二光偏光全像(镜片)的0次光、＋0次光、－0次光三个受光单元构成。光学磁气信号MO1利用下列计算式获得:

MO1=D0-(D1+D2)

虽然第二光检测器结构上与传统全像镜片一样，不过却分割成四个领域，它可以使光学磁气信号高品质再生。
　

图3 第一光检测器的磁气信号再生动作原理
　

图4是有关第二全像镜片的四领域分割与受光部位形状的关系，它是针对分割成四个领域的第二全像镜片各领域的光线，与落至第一光检测器受光部的相关位置说明图，图左相同的全像镜片主要用意是突显右图被分割成四个领域的差异。如左图所示同样分割的场合，1次绕射光之中倾斜入射至受光部的＋1次绕射光的长、宽受到收差影响变大，相较之下新型四分割的全像(镜片)，在＋1次绕射光可以使四个领域的光线相互重叠。

虽然－1次绕射光会变大，不过形状设计上会使它与＋1次绕射光的缩小成份取得平衡，因此可以缩减第一光检测器上的受光面积，同时极力消除信号再生时形成噪讯成份的次光束(sub beam)洩漏与迷光等等。此外，设计上第一光检测器的受光面比第二光检测器高100μm，藉此使第一光检测器尽量靠近全像镜片，同时利用收差使光束形状焦线化。
　

图4 第二全像的四领域分割与受光部位形状的关系
　

‧第二光检测器的光学磁气信号再生与伺服器误差信号的检测
图5是第二光检测器的伺服信号误差检测，与光磁气信号再生的动作原理，如图所示来自光碟片的反射光利用第一偏光全像镜片分离，接着依序通过位相差膜片与第三偏光全像镜片。 位相差膜片会补正包含绕射光的位相差，此时为检测伺服的误差信号，被分割成三个领域的第三偏光全像镜片会进行偏光分离。

第二光检测器是由12个受光部构成，它会利用Knife-Edge技术与位相移动DPP技术，产生FES(Focus Error Signal)与RES(Radial Error Signal)，各伺服的误差信号利用下列计算式获得:

FES=D4-D5

RES=(D6-D7)-k{(D8+D10)+-(D9+D11)}

第二光检测的光学磁气信号，可以利用下列计算式获得:

MO2=D12-(D4+D5+D6+D7+D13+D14+D15)

亦即利用第三光检测器的偏光分离功能可以使信号再生。

有关光学磁气信号再生分别如下:
‧第一光检测器

它会以两个I/V转换电路(亦即0次光受光部与内部短路的±1次光受光部)计算来自三个受光部的信号
‧第二光检测器

它会以六个I/V转换电路计算来自12个受光部的信号来自光碟片的反射光会被第一偏光全像镜片当作±1次绕射光等量分割，第二光检测器拥有4个I/V转换电路，这些电路产生的噪音成份导致包含在再生信号内的噪音大幅增加，其结果造再生信号急遽恶化。
　

图5 第二光检测器的伺服器信号误差检测与光磁气信号再生的动作原理
　

信号再生评鑑
有关微型光碟机信号的再生评鑑方法，它是利用第一与第二光检测器，以及附加的I/V转换电路进行测验。为掌握位相差膜片与光学磁气信号再生信号的关系，因此利用Ellipsometer量测包含在第一偏光全像(镜片)1次绕射光的偏光成份位相差，根据量测结果显示波长780nm时位相差为60°。

图6是微型光碟机的位相膜片造成的位相补偿量与RF振幅以及Jitter的关系，根据量测结果显示微型光碟机的最适当位相补偿位置大约在70°附近，它与上述第一偏光全像的测试结果略有偏差，主要原因是光碟片与光学元件具备的位相差异造成，位相补偿量如果偏离最适值时，RF振幅与Jitter都会恶化。虽然从RF振幅可以明确洞悉最适宜的位相补偿量，不过Jitter的场合Bottom值却只是单纯的plot。实测的RF振幅变化几乎与利用RF振幅、位相偏差量两者关系计算获得的结果一致。
　

图6 位相补偿量与RF振幅以及Jitter的关系
　

图7是利用第一光检测器与第二光检测器，检测微型光碟机最短mark 3T信号的C/N再生能力(power)依存性获得的结果，根据测试结果可知兼具伺服误差信号检测，拥有复数个收光部的第二光检测器的信号品质，虽然它比第一光检测器低2dB左右，不过第二光检测器却可以获得0.6mW以上读取功率(power)与43dB左右的信号品质。 至于利用随机(random)信号再生的jitter评鑑结果，分别是0.7mW以上的读取功率与10%以下的jitter，依此证实本微型光碟机具备充分的再生能力。
　

图7 读取功率与C/N的关系
　

图8与图9分别是第一光检测器，与第二光检测器的最短mark 3T，再生时C(carrier)与噪讯N(noise)比较结果。若仔细观察carrier强度第一光检测器与第二光检测器，两者的carrier强度几乎完全相同，主要原因是入射到光检测器的光量一样所致，不过噪音强度却有差异。根据上述结果显示第一光与第二光检测器的信号，两者的再生品质差异是噪音强度，这表示四份I/V转换电路造成的电路噪音影响非常大。最后针对第二偏光全像分割成四等份的效果进行评鑑，根据测试结果显示，以1mW的读取功率再生时，它的噪音强度比相同偏光全像低0.9dB，依此证实随着第二偏光全像分割成四等份化，受光部的面积确实降低。

图10是微型光碟机的集光模组外观；图11是使用集光模组的微型光碟机读写头的实际外观。
　

图9 第一与第二光检测器的MD再生时噪音强度比较
　

图10 微型光碟机的集光模组外观
　

图10 微型光碟机的集光模组外观
　

结语
集光模组利用二段式偏光全像结构，形成光学磁气再生系统，实现全球最轻巧、薄型的集光模组。此外，本集光模组还採用位相补偿时，不需作电气性控制的双再生光学系统，以及位相移动DPP技术，它可以支援轨道间距相异的两种光碟片。一般认为微型光碟机可望应用在各种可可携式数位电子机器持续扩大应用范围。