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4.7 GB DVD-RAM/RW 光學讀寫頭最新發展
 

【作者: 朱朝居】   2000年05月01日 星期一

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工研院光電所在今年3月7日舉辦4.7 GB DVD-RAM/RW光學讀寫頭成果發表會,吸引了50家廠商、150人參與,這是工研院光電所在數位多功能光碟機(DVD)之光學讀寫頭技術研發上又有新的突破,日前成功的開發出兩型容量達4.7GB可重複讀寫數位多功能光碟機(DVD-RAM/DVD-RW)之光學讀寫頭,及其承載機構(Mecha/Loader)。本次成果展示之項目包括:


  • 1.光電所4.7 GB DVD-RAM光學讀寫頭


  • 2.光電所4.7 GB DVD-RW光學讀寫頭


  • 3.光電所 4.7 GB DVD-RAM之承載機構


  • 4.光電所 4.7 GB DVD-RW之承載機構


  • 5.光電所 Portable CD-RW之承載機構



工研院光電所完成DVD光學讀取頭技術,技轉國內廠商並順利進行量產,接著便積極投入可重覆讀寫之DVD光學頭的研發,成功開發出4.7GB DVD-RAM/DVD-RW光學頭兩型,不僅突破高技術指標,也為國內DVD-RAM/DVD-RW光碟機建立了關鍵零組件技術。此兩型光學頭皆可讀或寫CD、CD-R、CD-RW和DVD-ROM等光碟片。


近年來我國光碟機產業在業者積極的投入下快速成長,參考(圖一)所示,1999年我國CD-ROM光碟機的產值達新台幣747億元,產量達4,500萬台,佔全球47﹪居世界第一。而DVD是繼CD-ROM之後相當被看好的光儲存媒體,尤其在1999年底,DVD-RAM/DVD-RW的規格相繼確定後,且DVD Video Player及DVD Title的市場成長樂觀,參考(圖二)所示,因此DVD-RAM/DVD-RW的產品具相當的市場潛力。



《圖一 國內外光碟機產量預估》
《圖一 國內外光碟機產量預估》
《圖二 工研院光電所的DVD光學頭》
《圖二 工研院光電所的DVD光學頭》

光電所在光學讀寫頭研發上已經有相當的經驗,先後發展出六種DVD-ROM光學讀取頭,並分別技轉鴻景科技及嘉祥公司進行量產後,接著便積極投入可重覆讀寫之DVD光學讀寫頭的研發,因為要同時具有可重覆讀寫的功能,因此DVD-RAM/DVD-RW光學讀寫頭是DVD光學讀寫頭中技術困難度最高、最複雜的關鍵零組件。目前全世界只有日本松下、日立、先鋒等大廠有能力製造,光電所突破高難度技術,從設計、組裝到驗證已經完全掌握相關技術,在該領域的研發方面,已居世界領先的幾個研發單位之一。


光電所克服了複雜的光路設計模擬分析,光、機、電、材的整合技術,開發完成可重複讀寫數位多功能光碟機(DVD-RAM/DVD-RW),該產品具有多項特點:容量高達4.7GB;具有2個光路(DVD/CD系列),所以不僅光學系統很複雜,機構組裝的精密度要求也很高,其光學品質的要求較高於一般唯讀型光學頭;必須要有高功率輸出,才能寫入或擦拭碟片上的記錄資料;為了能讀寫CD/CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RW等6種光碟片,所以在聚焦循軌系統上,採用全像元件的特殊設計。此外,亦開發完成適用於4.7GB DVD-RAM/DVD-RW及可攜式CD-RW之承載機構(Mecha/Loader)。


就目前國內發展DVD產業的環境面看來是相當的樂觀,國內已經具有DVD系統整合技術,業者也已經有能力生產光碟機晶片組、主軸馬達等關鍵零組件,再加上光電所開發成功DVD-RAM/DVD-RW光學讀寫頭技術,將促使可讀寫式DVD光碟機上、中、下游產業之整合,預期將使國內可讀寫式DVD光碟機的技術大幅躍進,在世界佔一席之地。


DVD光學讀取頭

DVD與CD之光學頭

從CD和DVD的碟片規格,可以發現CD和DVD在光學的特性上,有幾項主要規格演進:


  • a、雷射波長:780nm→650/635nm


  • b、聚焦物鏡NA:0.45→0.6


  • c、光碟片基板厚度:1.2mm→0.6mm


  • d、軌距:1.6um→0.74um


  • e、最小Pit長度:0.83um→0.4um


  • f、光碟片旋轉線速度:1.2-1.4m/s→4m/s



所以從規格上的進步,其光學系統必然要做新設計,尤其DVD光學頭,除了讀DVD光碟片外還要考慮可以讀取CD光碟片。因此DVD光學頭之設計概念必須要有如下的特點:


  • a、可讀DVD和CD光碟片。


  • b、須具有雙焦點的設計。


  • c、高NA物鏡的設計。


  • d、為增加光碟片傾斜容忍度,而採用0.6mm基板的光碟片。


  • e、使用短波長之紅光雷射二極體(650nm/635nm)。


  • f、降低雷射二極題的雜訊。


  • g、循軌伺服採用外差循軌法(Heterodyne Tracking)、或差分相位法(Differential Phase detection)。


  • h、聚焦伺服皆採用像散法。


  • i、具有超解析之光點設計。



DVD光學頭品質的評估參數

DVD光學頭在設計上,有下列五項參數做為光學頭品質的評估參數:


  • a、光點大小:關係到讀取訊號(RF)的眼形圖(Eyepattern)和訊號跳動量(Jitter)的表現。


  • b、波面像差:關係到光學頭組裝校準之容忍度的鬆緊。


  • c、能量效率:關係到雷射二極體(Laser Diode)光源的能量。


  • d、工作距離:關係到更換光碟片時物鏡致動器的移動範圍。


  • f、重量:物鏡致動器的設計。



工研院光電所研發的DVD光學讀取頭

在86/87兩年中光電所根據國際DVD光學讀取頭的技術發展趨勢,積極研發,這段時間共發展出不同的設計有六型DVD光學讀取頭,參考圖二所示,也因此逐漸趕上日本DVD大廠的研發時程,為國際所重視,在此光學頭技術重點:


  • a.有旋轉式及4線懸吊式的致動器


  • b.有雙物鏡及單物鏡的設計


  • c.有單光路及雙光路的設計(適合讀CD-R碟片)


  • d.有全像型及傳統型的設計


  • e.適合DVD Player及DVD-ROM光碟機上


  • f.薄型設計適合Notebook用



可以說DVD光學讀取頭的可能設計皆考慮進去,由於本研究計劃成果,確立本院(所)在國內光電及DVD光學讀取頭技術之主導地位。


DVD光學讀取頭之高難度

  • a.DVD光學頭讀取高密度的光碟(4.7G):軌距0.74um,最小坑洞0.4um


  • b.DVD光學頭高品質要求:物鏡NA=0.6及光點(FWHM)小於0.6um


  • c.DVD光學頭有複雜的光學系統,快速反應的致動器及高頻寬的光檢器,產生聚焦,循軌及讀取訊號(4.3MHz)。


  • d.DVD光學頭高精度要求,聚焦誤差<±0.23um,循軌誤差<±0.022um


  • e.DVD光學頭光軸傾斜誤差<±10 arc min



4.7 GB DVD-RAM/RW 光學讀寫頭

DVD光碟機的發展程序是由DVD Player-->DVD-ROM-->DVD Recorderable-->DVD Rewritable逐漸邁向可擦式光碟機演進,其中主要的差異是光學系統的複雜化及機構組裝的精密程度,特別是在寫入或擦拭碟片上資料時,對光學頭高功率的光學輸出與光學品質要求是遠高於一般僅讀式(ROM type)的光學頭。DVD-RAM/RW光碟片是用來作為可重複讀寫的高密度儲存媒體,其應用範圍相當廣泛,舉凡家電影音視聽、電腦周邊、可攜式數位錄影機等,因此DVD-RAM/RW將會是繼DVD-ROM後下一代熱門的資訊儲存媒體。DVD-RAM、DVD-RW與DVD-ROM的碟片規格如(表一)所示。



《表一 DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-RW及CD-R/RW之碟片規格》
《表一 DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-RW及CD-R/RW之碟片規格》

由於DVD-RAM/RW光碟片是用來作為可重複讀寫的儲存媒體,其中DVD-RAM碟片資料點記錄於Land和Groove上(圖三),和DVD-ROM光碟片的結構大不相同,另外DVD-RW碟片資料點記錄於Groove上(圖四),是和DVD-ROM光碟片的結構相同。所以DVD-RAM/RW光學讀寫頭若要能夠“讀取”DVD-ROM的光碟片且能“讀寫”DVD-RAM/RW光碟片及CD-ROM/CD-RW光碟片,就必須針對這兩種不同結構的光碟片,產生相對應的循軌訊號,亦即在一個光學頭內能夠產生DPD及Push-Pull(PP)的循軌訊號;此外,由於用在DVD-ROM的聚焦訊號是採用像散法產生,如果將像散法的聚焦訊號用在DVD-RAM/RW光碟片上將會對Push-Pull循軌訊號產生相互干擾。



《圖三 DVD-RAM光碟標準格式》
《圖三 DVD-RAM光碟標準格式》

《圖四 DVD-RW光碟片標準格式》
《圖四 DVD-RW光碟片標準格式》

工研院光電所憑著多年在光學頭豐富的研發經驗,設計一多功能的4.7GB DVD-RAM/RW光學讀寫頭,除了能夠產生DPD及Push-Pull(PP)的循軌訊號,並解決聚焦訊號與循軌訊號相互干擾的問題,更能夠讀寫DVD-RAM/RW、DVD-ROM、CD-ROM及CD-R/RW等光碟片;這個設計必須設計出高能量效率滿足寫入及擦去,光束打到光碟之能量需有15 mw,其準直鏡設計之焦距要短,同時需要加上Beam Shaper做光束整型;另外,4.7G DVD-RAW光學頭要相容於CD/CD-ROM/CD-R及CD-RW,故其光學系統必須有DVD、CD兩道光路,增加很多困難度。


在DVD-RAM/RW及DVD-ROM的光路中採取傳統光路設計,但在回光的光路中產生聚焦及循軌訊號的方法,則利用一特殊設計的全像光學元件配合一特殊的光偵測器;此特殊設計的全像光學元件分成內外兩個區域,如(圖五)所示,當回光通過此全像光學元件時,被繞射成內外兩區的光束,分別用來產生聚焦與循軌訊號;此設計不但可以產生DPD及PP循軌訊號,由於聚焦與循軌訊號彼此相互分離,更可以避免聚焦訊號和循軌訊號互相干擾。由此全像光學元件模擬之聚焦訊號,採用的是刀緣法的聚焦訊號。



《圖五 內外兩區的全像光學元件及模擬之S-curve》
《圖五 內外兩區的全像光學元件及模擬之S-curve》

除了DVD的光路外,另外有一CD的光路,此CD光路是採用CD-R/RW的全像雷射模組,可降低光路的複雜度;工研院光電所研發的4.7GB DVD-RAM/RW光學讀寫頭,不但相容於CD與DVD光碟片,更可以用來讀寫DVD-RAM/RW及CD-R/RW的光碟片,研發的腳步已與世界大廠接近,甚至有些設計更優於相類似的產品。在工研院光電所可重複讀寫的4.7 GB DVD-RAM光學讀寫頭(圖六)及4.7 GB DVD-RW光學讀寫頭(圖七),可以規納出以下之技術重點:




《圖六 4.7 GB DVD-RAM光學讀寫頭及規格》
《圖六 4.7 GB DVD-RAM光學讀寫頭及規格》

《圖七 4.7 GB DVD-RW光學讀寫頭及規格》
《圖七 4.7 GB DVD-RW光學讀寫頭及規格》

1.具有2個光路2個雷射光源:DVD/CD系列光路


2.採用旋轉式致動器


3.採用單焦物鏡配合雙波長濾光片設計


4.採用短焦透鏡及光束整形器提高光效率達30%


5.利用全像元件(HOE)產生特殊之聚焦循軌方法適合讀寫各型碟片


6.光學系統很複雜及機構組裝的精密程度非常高


7.相容CD/CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、及DVD-RAM/RW等光碟片


結語

可重覆讀寫的DVD光學讀寫頭是DVD光碟機中困難度最高的關鍵零組件,工研院光電所成功開發出4.7GB DVD-RAM/DVD-RW光學頭兩型,不僅突破高技術指標,也為國內DVD-RAM/DVD-RW光碟機建立了關鍵零組件技術,在該領域的研發方面,已居於世界領先的幾個研發單位之一。另外,一般功能的DVD光學頭,這幾年來工研院光電所已先後發展出六種DVD-ROM光學頭,分別技轉台灣廠商,其中鴻景科技及嘉詳光電已於1999年底量產並於今年2000年大量生產,將有200-300萬個,使台灣在光碟機產業擺脫無頭工業的困境。


因台灣已具備非常強的DVD光碟機系統整合技術,則以後光碟機產業必定有很好的表現,台灣的光碟機佔有率必將持續提升。總而言之,光電所的DVD光學讀寫頭技術,不但推動我國光碟機產業發展,邁向新紀元,提升產值,也建立了光碟機關鍵零組件DVD光學讀寫頭的自主生產,使整個光碟機產業將繼續大幅成長,成為世界生產DVD光碟機的重鎮。(本文作者現任職工研院光電所)


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