已经消失的光盘技术之一：蓝光~

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1 蓝光光盘

蓝光光盘(Blu-ray Disc，也被称为 BD)系统是由Sony(索尼)公司领衔的一组公司开发的。第一份蓝光光盘技术规范于 2002年2月发布。 2003年4月在日本发布第一台蓝光光盘刻录机，2006年6月发售第一台标准蓝光播放机和光盘。

与CD和 DVD 一样，蓝光光盘媒体也有预记录、可记录和可重写等各种格式可供使用。这些规格分别被称为 BD-ROM、BD-R和BD-RE。这3种光盘类型具有相同的数据容量。所有3种类型都能存放单个数据层或两个数据层。各层是相互独立的，并且可以从光盘的同一面读取两层。

使用 405 nm 波长的激光进行读取和记录是蓝光格式设计中的一项关键改进。这一波长比 CD 或 DVD 中使用的都短,它能允许更大的数据密度。有趣的是，BD的设计者们曾经考虑过使用更短的激光波长，但在塑料基片上遇到了“晒斑”耐久性问题。并且，基片中通常使用的塑料会在波长短于 400nm 时迅速丧失透明性。

2 光盘设计

与 CD-ROM 和 DVD-ROM 光盘一样，BD-ROM 光盘使用压印在基片中的凹坑来存储二进制数据。在播放时，各个凹坑令读取激光的反射强度发生变化，这些变化每秒中出现大约980 000次，它们被解码，产生出存储的数据内容。

CD、DVD和蓝光光盘的结构有着显著的不同，特别是在数据层的位置方面。下图分别是：(A)CD光盘。(B)单层DVD 光盘。( C)双层 DVD 光盘。( D)单层蓝光光盘。(E)双层蓝光光盘。

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在为光盘读取构建模型时可以采用很多理论。最直接的方法可能就是把光盘看作一个衍射光栅。使用相位结构的光存储表面(比如只读的CD、DVD或蓝光)是一种反射性相位衍射光栅，它产生的效果与衍射光栅类似。具体地，各个凹坑引起了行射。凹坑相对于光束波长越小，光束离开凹坑时的角度越大。光束射向凹坑的面积大约等于其射向周围平台的面积。在一种简单的模型中，被光栅衍射的光束由单条零阶光束和多条一阶光束构成，如图所示。这些光束部分地相互交叠，在返回透镜的光线中的零阶和一阶光束之间产生了破坏性干涉，由这种干涉导致了对消。因此，一个凹坑实际上降低了返回透镜的光强度。由多阶反射形成的干涉图样有时被称为“棒球”图样。为了产生良好的反差，两束具有不同相位的光的功率应该是相等的。凹坑的深度不需要很高的准确度。凹坑/平台面积的相等是更为重要的。从一个平面波模型(并带有一个大型的放大系统)可得，凹坑的高度应该是光束表观波长的1/4，因此射到凹坑上的光与射到平台上的光的相位差恰好为半个波长。查尔斯·麦加(Chares Mecca)李亚军( YajunL)和埃米尔·沃尔夫(EmilWolf)提出了更复杂的球面波模型，这种模型把会聚聚焦光束所产生的影响也考虑进来(低倍放大)，得出的结论是:凹坑的深度应该是波长的一半。

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图：在只写一次的光盘系统中，数据面形成了一个相位结构，它产生的效果类似于一个反射性相位衍射光栅。衍射通过干涉在反射光束中引起对消。

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图：激光光斑以反射光的光强度调制的形式读取数据。数据面的相位结构设置了凹坑相对于平台平面的深度：这将在反射光束中产生相消干涉。

3 重点欣赏：光学拾取头的设计

蓝光光盘中数据层之上的保护层要比 CD 或 DVD 的保护层薄，激光的波长也短得多。基于这样那样的原因，不可能使用同样的光学拾取头组件读取这3类光盘。不过，通过使用多种组件，一些激光头能够读取全部3种光盘类型。激光头必须为每种格式进行不同的 NA控制，并且必须对不均匀的保护层厚度所引起的球面象差进行补偿。此外还必须要考虑慧形象差(这种象差是由波阵面曲率上的差异和透镜移动引起的)比如，必须使用不同的光电检测器。

可以使用各种不同的激光头设计。在一种设计中，整合了3种格式的激光头使用了一个单的非球面物镜和一个偏振化的全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)设备。HOE使用了一种双折射材料，它被夹在两张基片中间。这种双折射材料在某一偏振方向上与粘合材料具有相同的折射率，但在另一个垂直的偏振方向上则有一个不同的折射率。HOE不会影响405 nm(蓝光)的波阵面，但在650 nm( DVD)和 780 nm(CD)的偏振方向是垂直于 405 nm 的偏振方向的，这就导致了相位分布。这将为蓝光产生一束非衍射光束，并为DVD和CD 产生衍射光束。HOE 被设计成能控制这种相位分布，并且也能补偿由于CD和 DVD 基片在厚度上的不同而引起的球面象差。读取 CD 和 DVD 光盘所需的数值孔径也可由一个孔径滤波器控制。

下图所示为另一种可选择的记录/播放激光头原型。这种设计具有记录和播放CD、DVD 和蓝光光盘的能力。这个激光头能输出3种激光波长。红色激光二极管、红外激光二极管和蓝色激光二极管被装配在一起，并共享同一条光路，各束激光并不是同时被激励的。可变放大功能使用了一个具有不同放大倍率的扩展透镜组，对应于3种光盘格式中的每一种不同的物镜数值孔径。这改善了用于每种光盘类型的激光效率。物镜组使用了一种非球面设计和一个全息透镜，能产生用于每种激光波长的球面象差校正。

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上图：一种能记录和播放 CD、DVD 和蓝光光盘的光学激光头的示意框图。(蓝光光盘创始者，2004)。挺复杂！这就是消费品伟大之处，把高科技做到人人都用得起，实现科技平权！

4 光学规格

光盘容量由激光波长、物镜的数值孔径等技术规格所决定。具体地，光盘的容量可以通过降低激光波长和增加数值孔径来提高。蓝光使用了405nm 波长的蓝紫激光比如可以使用一束氮化铟镓(InGaN)激光。数值孔径为 0.85。更短的激光波长、更高的 NA 和数据层上很薄的保护层使得(受衍射限制的)光斑尺寸为580nm。经过高效的数据调制以后可以实现很高的数据密度。光道间距为 0.32um。采用恒定线速度(CLV)方式旋转。25 GB和 50GB 光盘上的最小印记长度(2T)为 0.149um。其他光盘容量的线性记录密度有所变化。

物镜 NA的数值更大是符合需要的，因为激光光斑的直径与NA成反比，而较小的光斑能允许更小的凹坑形成物和更低的激光输出功率。不过，更高的NA增加了光学象差的影响，降低了能够允许的容差。例如，当光盘倾斜或其他因素引起物镜的光轴偏离光盘表面的垂直方向时，物镜的会聚能力会下降。