光碟機主要應用是以個人電腦及消費性產品為主，近年來在低價電腦風潮帶動下，全球光碟機市場大幅成長，在消費性產品上數位影像DVD-Video播放機的銷售更是五十年來成長最快速的家庭娛樂產品，2001年已有近三千萬台之需求，然而整體產業隨著消費者需求的增高和廠商競相投入，呈現了激烈的競爭，因此為求勝出，所有的業者皆不遺餘力在提升光碟機速度與讀碟能力上鑽研。以下就針對光碟機之核心如何讀取資料和運作原理剖析詳述。
光碟機資料讀取原理
1. 雷射光發光原理
光碟機的雷射光是經由半導體雷射所產生的，半導體雷射的材料結構是p-i-n異質結構，在適當的至程處理之後，給予一定電壓，此時在順向偏壓的作用之下，電子和電洞會互相結合而發出特定能量之光子。這些光子會在半導體內部的兩鏡面間來回震盪，最後會有具相同波長的雷射光由半導體內部透出鏡面射出。雷射光光波長取決於電子和電洞結合處的半導體材料，例如CD所使用的半導體雷射是(GaAl)As所組成的雷射二極體。
2. 讀取CD上的坑洞
光碟片製作時產生的坑洞(pit)，由於讀取時讀取頭是由下往上。此時資料坑洞在讀取時就成為了凸塊(bump)。(圖一)
碟片表面的塑膠層也扮演著資料讀取的一個重要角色。光線在空氣中的折射率是1.0，在CD上的塑膠層的折射率是1.55。鐳射光直射進入透明塑膠層時，將會被折射成更大的角度。鐳射光照射在CD表面的光束直徑大約800微米，經由塑膠層聚焦之後，照射在金屬反射層的光束直徑大約只有1.7微米。這項技術成功地減低CD表面灰塵和刮痕對於讀取資料的不良影響。(圖二)
鐳射光的波長是780納米，在透明塑膠層中傳遞的波長因為折射的關係變成了約500納米。
製造坑洞的時候必須非常的小心，坑洞的深度必須是鐳射光波長的四分之一。如此一來當照射到坑洞的鐳射光反射時時會比照射在表面多走了1/2（1/4+1/4）波長。如此便造成了一個抵銷作用，讓光線不會反射回去。(圖三)
坑洞的間距也必須非常精確。由於鐳射光聚焦的直徑是1.7微米，所以軌道的間距約等於1.7微米（1.6微米）。(圖四)
3. 鐳射光行徑軌跡
一般來說，CD播放機的讀寫頭都會利用到三道雷射光束。
當光線由鐳射二極管發射出來之後必須經過繞射柵，這個柵欄會將光線分成一個中央光束和許多側邊光束。光碟機很重要的軌跡追蹤系統會利用到中央的主光束和兩邊各一的側邊光束。
這三道光束會經過一個光束偏向分離機構，只有垂直的光線可以穿過這個系統。經過這個系統之後光線成為平行光。平行光束再經過一個1/4波長的玻璃板，便成為柱狀的平行光。光束最後會通過聚焦鏡照射到碟片上。如果光線照射到平面的部分，光線將會正常地反射回來。如果照射到凸起的部分，光線將會互相抵銷而不會有任何反射。(圖五)
反射回來的光束會再經過1/4波長的玻璃板。反射回來的光波角度正好和原始光波角度成直角，所以無法穿越偏光鏡。接著光束會被反射到另一組聚焦鏡和柱狀鏡投射到光感元件上。這個柱狀鏡是自動對焦系統中一個很重要的元件。
4. 自動對焦系統
如果接物鏡太靠近光碟片時，經由柱狀鏡投射到感光元件上的光束會變成橢圓形。(圖六)
如果接物鏡離光碟片太遠，柱狀鏡也會在感光元件上產生橢圓形的聚焦。不過長軸的方向正好和上一種情況成直角。(圖七)
因此藉由感光元件上的成像形狀，我們就可以瞭解到光束是否正確地聚焦於光碟片表面。
由(圖八)我們可以得知，如果光碟片離得太遠，DB的入光量會比較多。反之則AC的入光量會比較多。所以只要設計一個簡單的電路就可以達到自動對焦的效果。(圖九)
我們就可以藉由(A+C)-(B+D)的信號來驅動自動對焦馬達。底下是簡單的範例。(圖十)
5. 軌跡追蹤系統
當雷射光通過繞射柵之後，光線會被分割呈中央光束和許多較不明亮的側邊光束。在主要光束的兩邊會各有一道側邊光束用來做為光碟片軌跡追蹤之用。(圖十一)
我們知道，光碟片上的資料是如軌道般地排列。(圖十二)
如果光學讀寫頭位於正確的位置，那麼主要的光束將會正確地落於資料軌上。而兩邊的次要光束將會落於軌跡之間的平面上。三道光束的間隔大約是20微米。(圖十三)
在主要的光感元件兩邊會有額外的的兩個光感元件來增測這兩道光束。如果光學讀寫頭位於正確的軌跡上，那麼兩邊光感元件的入光量應該是一樣的，因為光束應該照射在資料軌間的平面上。而主要光束會因為照射位置不同（坑洞或平面）而有強度變化。(圖十四)
如果光學讀寫頭沒有位於正確的軌道上，那麼兩邊光感元件的入光量將會不同。(圖十五) (圖十六)
伺服系統
DVD的伺服控制迴路可分為三種子系統：聚焦伺服、循軌伺服及主軸馬達伺服，前二者控制的對象均為承載光學頭的致動器（actuator） ，後者則控制著主軸馬達的加減速，以帶動碟片旋轉。
DVD的光學讀取頭
單一雷射光束（Single PD）
單一雷射光束之光頭只能發射出650nm波長之雷射，所以此種光學讀取頭無法讀取CD-R光碟片。CD-R光碟片的塗料只能反射波長780nm的雷射光，對於DVD讀取頭發射的波長650nm的雷射光會將其吸收掉。
雙物鏡切換法
此種方式最早是由東芝（Toshiba）提出並採用，光學讀取頭上具有兩個不同焦距的透鏡。所以當讀取DVD和CD光碟片時，讀取頭會用不同的透鏡來讀取光碟片。
雙焦點透鏡法（HOE）
此種方式是將兩種焦點結合在一片透鏡中。當雷射光通過此種透鏡時，光線會形成兩個焦點。由於雷射光束被分割成兩部分所以雷射光的效率也隨之降低。讀取頭在設計中必須特別注意到這一個部分。
液晶光圈切換法（LC Shutter）
改變數值孔徑（NA, Numerical Aperture）的這種方法首先由三洋公司（Sanyo）首先提出。當液晶偏光板打開時，物鏡的數值孔徑為0.6，此時可以正常的讀取DVD光碟片。當液晶偏光板關閉時，外圍的光束被阻擋，此時數值孔徑大小為0.35或0.38，便可以用來讀取CD的碟片。
環形斑跡（Annular Mark）物鏡法
這種DVD光學讀取頭是由三星（Samsung）發展出來的，此種方法在DVD物鏡上加上一道環形斑跡（Annular Mark），通過此環的光束將會散射掉，而不會聚焦於光碟片上。此時便可以擁有兩個不同的焦點用於讀取CD或DVD光碟片。
雙雷射光束
這種光學讀取頭可發出兩種不同波長的雷射光，所以可以正常的讀取CD-R光碟片。
雙雷射讀取頭系統
這個方式是在一個讀取頭上建立兩套讀取系統，一套用來讀取CD碟片，另一套用於讀取DVD碟片。如此兩套系統互不干擾，並且可以得到最佳的讀取信號。不過此種方式因畏懼被兩套讀取系統，所以成本較高也較容易故障。
雙雷射單光路系統
這種系統具備兩種雷射二極體，可以發射出波長650nm和780nm的雷射光，但是只用到一套光束通路系統。如此可以比雙雷射讀取頭系統減少許多成本。在機械結構上也可以省去更換物鏡的動作，可降低故障率增加使用壽命。
台灣廠商現況
工研院完成各類型DVD光學讀取頭，並順利技轉鴻景科技公司DVD-ROM光學頭，1999年年底正式量產；亦技轉嘉祥公司DVD player，及協助友嘉科技公司建立DVD研發實驗室。聯發科技DVD-ROM晶片組及DVD播放機晶片組則於2000年開始出貨。另外，威盛電子也接受工研院DVD晶片組的技術轉移。
揚智科技很早便在影音產品市場佈局，1995年以來，陸續推出MPEG-1晶片、CD-ROM晶片、MPEG-2晶片及DVD控制晶片等產品。未來計劃推出單一晶片。 揚智現在擁有DVD播放機晶片整體解決方案，包括MPEGII DVD解碼器(M3225)、RF AMP(M5707)、DVD控制器(M5705)及微處理器(M6759)等共四顆IC，因此具備產品的完整性。揚智兩年前開始在中國運籌帷幄，終於在2000年順利設立揚智電子（上海）公司，正式營運，目前除了上海，也在深圳設立了分公司，並且就在短短的一年之內，取得華南地區70％的市場。預計今年能夠在DVD player控制晶片上拿下全球三成的市場佔有率。
結語
眾所周知，台灣光碟機廠商在過去幾年已累積了相當技術與生產基礎，加上國內在關鍵零組件方面已漸能完全自主下，展望未來光碟機市場的蓬勃的需求，整體產業榮景應可期待。
＜參考資料：
http://www.ee.washington.edu/conselec/CE/kuhn/cdmulti/cdhome.htm
台灣工業技術研究光電所 http://www.oes.itri.org.tw/
(本文作者任職於揚智科技)＞
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