c.光盤外形的誤差和不同光盤交換時帶來的對物透鏡的焦點位置在光盤信息記錄面的位置變化，還有光盤回轉時光盤面上下振動也會引起焦點位置變化，為了對焦點位置變化進行自動補正，必須把能夠以精度為正負1μm對焦點位置控制的誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭里。
d.光盤的形狀中心和光盤的回轉中心之間的偏心補正，還有對于在軌道間距為0.74μm的軌道上，精度正負0.1μm控制激光束對軌道的追跡控制用誤差檢出機能和控制用的伺服機構內藏在光學頭里。
在這里對于光盤裝置系統，能滿足以上要求的光學頭的基本光學系，對物透鏡OL(object lens)，作為光源的半導體激光二極管LD(laser diode),準直透鏡CL,和其他一些光學頭用的光學部品的原理及設計進行說明。

2. 光學頭基本原理

2.1.光學頭的基本光學系和光學部品的收差
光學頭是DVD系統的最大關鍵部件之一，它的基本原理圖如下

上圖：光學頭的原理圖

光學頭是由1.對物透鏡，2.準直透鏡，3. 偏光分光棱鏡，4.分光棱鏡，5.反射鏡，6.1/4波長板，7.焦點誤差檢出光學系，8.尋軌誤差檢出光學系等光學部品和光學系，9.焦點控制伺服機構（F-ACT）,10.尋軌控制伺服機構(T-ACT)等伺服機械控制部品，還有11.半導體激光二極管，12.多分割光電二極管PD(photo diode)等光電部件構成的。
光學頭能夠讀出光盤上的信號的原理是從激光二極管射出的發散P線性偏振激光通過準直透鏡，成為平行光，再通過1/4波長片時，偏振方向旋轉45度，變為圓偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光盤的信息面，再反射回來（根據盤面的凸凹對光的反射不同），通過1/4波長片時，再一次偏振方向被旋轉45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系，反射光再一次被分為兩路，誤差系的一路通過凸透鏡、圓柱透鏡，投影到四分割的光電二極管上，根據各象限光量的大小，進行運算，對聚焦和尋軌伺服機構控制，使之讀出正確的信號，另一路信號系的光束由凸透鏡會聚到光電二極管，把光信號變為電信號。
要想把激光聚焦成由波長決定的最小光束，必須把從LD發出的球面波的波面盡量無缺陷的傳到光盤的情報記錄面。也就是說，從LD發光開始到光盤為止，光學頭成像系各部品全體的RMS波面收差必須限制在0.07λ以下，不然不能把激光光束聚焦為由干涉極限決定的最小光束。構成光頭的各光學部品，光盤盤面，其中也包括對物透鏡設置時的調整誤差，以上這些合計的成像光學系全體的波面收差，必須限制在由Warechal Criteron(δω)MC給出的允許最大波面收差0.07λ以下。光盤已經由光盤標準規定，(δω）DISK=0.05λ，一般對物透鏡的象差(δω）ADJT=0.025λ，要使全體(δω)MC小于0.07λ，對于其他的光學部品的收差必須嚴格控制。從LD開始到光盤為止，光頭各光學部品的最大允許波面收差各用(δω）LD，(δω）CL，(δω）PBS，(δω）QWP，(δω）MR,(δω）OL表示，Warechal Criteron給出我們如下公式；

(δω)MC≤λ/14
(δω) 2MC=(δω）2LD+(δω）2CL+(δω）2PBS+(δω）2QWP
+(δω）2MR+(δω）2OL+(δω）2DISK

下面具體DVD的數值帶入來試算一下。半導體激光二極管激光射出側有平面玻璃窗，此外由于半導體激光器自身的特點，不可克服的有非點間隔，比理想波面要差，普通(δω）LD約為0.013λ。棱鏡，反射鏡等平面光學部品比較容易的以波面收差0.01～0.015λ制造出來。但是準直透鏡和對物透鏡等非平面光學部品，波面收差要想抑制在0.03λ之內，比較困難，分別定為準直透鏡0.025λ和對物透鏡0.035λ，這樣根據式（2）得出全體(δω)MC的波面收差為0.0694λ，滿足要求。即使對物透鏡的波面收差被抑制在0.035以下，如果準直透鏡的波面收差大于0.025，那樣被聚焦光束的直徑就會變大，從信息面讀出數據錯誤頻度就會變高。由于以上的理由，準直透鏡的波面收差必須小于0.025，但球面單透鏡要想達到這個值非常困難，一般采用球面玻璃組合透鏡。
從DVD光頭的對物透鏡射出的激光光束，需要一直跟蹤光盤信息面上的軌道間距為0.74μm，最短凹坑長為0.4μm的軌跡，并正確讀出凹坑信息。光強為光束中心強度1/e2的位置的光束直徑被稱為光束徑ω，激光波長λ=650nm，對物透鏡的數值孔徑NA=0.6,
ω=k×（λ/NA）
當對物透鏡的入射光束的光強能量分布為均等分布時，系數k是0.96，光強能量分布為高斯分布時為1.34。從上式可以看出，光束徑正比例于λ/NA，既要想提高光盤記錄密度，縮小光束徑，就需要使激光短波長化，并且提高對物透鏡的NA。
還有對物透鏡的焦點深度△z正比例于λ/NA的平方，DVD焦點深度與CD相比變窄56%，焦點誤差的允許值變小。
△ z～λ/NA2
光盤的傾斜引起的象差也會增加。對于焦點誤差的允許值的減少，就需要提高焦點控制精度，DVD為了減少光盤的傾斜引起的收差，光盤的厚度減為CD的一半0.6mm。
2.2.成像光學系
2.2.1.激光二極管
一般LD發出的光為與PN結合面平行的線性偏振光，但短波長的LD中大多發出與PN結合面垂直的線性偏振光，DVD要求LD在光盤面上的能量為0.3mW左右，這就需要LD發出的激光能量是3～5mW。
2.2.2.LD的射出角特性和準直透鏡
LD射出的激光是發散光，從發光點離開一段觀測到的光束斷面強度分布，被稱為遠視野象FFP(far field pattern)，FFP垂直結合面方向寬，平行結合面方向窄，象下面圖示的一樣，是縱長的橢圓形。

LD垂直結合面的放射角和平行結合面的放射角分別是θ⊥，θ∥。根據LD的放射角和對物透鏡對光束強度的分布要求，確定準直透鏡的焦點距離。
2.2.3.LD的噪音特性和高頻疊加
LD有單模發光和多模發光兩種激光發振方式。單模發光的最大問題是從光盤反射回來的光進入激光共振器，形成干涉，成為噪音，影響SN,為了消除噪音，需要對驅動電流進行高頻疊加。而多模的LD抗干擾能力強，不需要高頻疊加。
2.2.4.偏光分光棱鏡和1/4波長板的作用
激光二極管射出的發散P線性偏振激光通過準直透鏡，成為平行光，無反射折射的通過PBS,.再通過1/4波長片時，偏振方向旋轉45度，變為圓偏光，這束平行的圓偏光被對物透鏡聚焦到光盤的信息面，攜帶信息再反射回來，通過1/4波長片時，再一次偏振方向被旋轉45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號系，使入射光和帶有信號的反射光分離。
2.2.5.對物透鏡
DVD光頭要求對物透鏡一定要象差小，特性優良，能夠把光束聚焦到回折界限，也就是能夠補正各種收差，使點象的大小完全由回折界限來決定。一般使用非球面光學樹脂透鏡。
2.3誤差檢出系
非點收差法
焦點誤差檢出方式一般采用非點收差法，非點收差法就是根據光盤反射面位置的變化，反射光的聚焦位置移動，通過圓柱面透鏡對投影光形狀進行變化，用4分割PD差動檢出。

聚焦誤差檢出信號=（A+C）-(B+D)/(A+B+C+D)
尋軌誤差檢出信號=（A+B）-(C+D)/(A+B+C+D)
PD把光信號轉變成電信號，前置放大，模擬運算，再經過相位補償，把信號輸入驅動放大器，驅動透鏡驅動線圈，完成聚焦和尋軌控制。

尋軌伺服機構的基本構成圖

2.4.信號系
從PBS分離的含有信息的反射光，除一部分進入伺服機構的控制系，大部分進入信號系，由PD變成電信號，前置放大，成為RF信號。

光學頭光學系的設計

a.PD的位置
PD的位置必須在聚焦時m 、 s方向的光斑長度相同,即 b=b`,有如下關系:
a/b=F1/(d-x)
a/b`=F2/x
可求出PD的位置.
b.PD的尺寸
普通CD用4分割PD之間間隔一般是10mm ，但DVD為提高精度一般為5mm 。由以上圖中的關系，可以容易的求出所需PD的大小。
3.3. 信號取出系
從光盤面返回的帶有信息的反射光，首先在PBS處全反射，然后在分光棱鏡處分為伺服用光和信號用光，一般為30％和70％。信號用PD前的聚光透鏡，可以很容易的由以下公式求出。
j=1/F
a=an-1＋h n-1j n-1
3.4 公差
在系統設計完成后，還必需討論系統的公差，其中包括各部品的加工誤差和組裝誤差。其中要討論的是各加工誤差或組裝誤差對光學頭中某項要求指標所產生的影響,是否在許可范圍內.
3.4.1.各部品的加工誤差
a· 整形棱鏡的公差
整形棱鏡公差的評價標準是水平方向的Rim intensity變化在 ±1％以內，其中變化參數為：
1.光學玻璃屈折率的變化。
2.LD激光波長的變化（對屈折率有影響）。
3. 對整形棱鏡入射角的變化。
4. 整形棱鏡頂角的變化。
5. 準直透鏡焦點距離的變化。
6. LD出射光放射角的變化。
首先從規格書、加工精度或調整精度中求出以上各項的變化量,再求出Rim intensity對應各項變化量的變化量,就可以根據公式
σ=?(e12+ e22+…+en2)/(N-1)?-1/2
求出公差.en為某項變化引起Rim intensity變化的量，σ為Rim intensity的公差。
b·伺服系公差
評價標準是非點距離在設計值的5％以內,光盤的檢出范圍也在設計值的5％以內。
變化值為：
1. 凸透鏡第一面的曲率半徑誤差；
2. 凸透鏡第二面的曲率半徑誤差；
3. 圓柱型透鏡第一面的曲率半徑誤差；
4. 圓柱型透鏡第二面的曲率半徑誤差；
5. 凸透鏡和圓柱型透鏡之間距離。
3.4.2.AF系組裝公差
評價標準是檢出范圍之內光束的移動量不超過PD的不感帶值。
變化參量：
1. 圓筒（誤差檢出系中凸透鏡和圓柱形透鏡在同一圓筒中）偏心。
2. 圓筒傾斜。
3. 凸透鏡偏心。
4. 凸透鏡傾斜.
5. 圓柱透鏡偏心。
6. 圓柱透鏡傾斜。
公差可以對光學頭在物理上有一個定量的評價.
3.5光學頭的評價
光學頭的評價一般在物理上測量光斑的強度分布和大小,在電特性上測量FE、TE、Eye pattern和Jitter等..
以上主要是光學頭光路的設計，對于光路中各光學部品所附著的框體，在設計上也有一定的要求，例如平面精度，可調整性，散熱性,剛性，振動響應特性等。
光學頭根據使用的需要（例如如用于Disco man的小型光學頭，用于車載的抗惡劣環境的特殊光學頭，用于DVD－R，DVD－RAM的大功率的光學頭等），設計的側重點不同。但基本設計原理大體相同。
光學頭的組裝、調整也非常重要.在筐體設計中要考慮光學頭某些部品的可調整性,一般調整時采用用CCD攝像機監看的光學滑軸.某些時候為了測量波面相差,也要用到干涉儀.
DVD光學頭結合了半導體、激光、光學、控制、機械等幾個領域最新技術，是DVD光盤裝置中的最重要部件之一。