光碟机

由於多媒體時代光資訊儲存應用廣泛、光碟機可謂進步神速、從早期CD、WORM、MO、PD、LD、CD-ROM， 一路發展，到1994年CD-ROM 成為電腦主要配備，可稱得上是光碟機之代作，也因此觸發DVD光碟機的積極研究，首先在1994年底由Sony／Philips 提出3.7GB的MMCD規格，過不久，在1995年春天Toshiba／Matsushita等多家公司，提出容量更高、技術上更進步的5 GB的SD規格，在1996年秋天，Sony和Toshiba兩大陣營經多次談判，終於統一規格，名為DVD，即是新一代光碟機，而其產品已於1996年底問世。 此型光碟機因具有超高容量及影像壓縮技術等多項優點，其市場非常看好，它將走入家庭，取代VHS錄放影機、雷射光碟(LD)，成為家庭觀看電影的家電產品，也將用於電腦成為主要儲存工具，會以DVD-ROM取代CD-ROM，所以DVD光碟機之整個產業發展非常看好；它將會統一光碟機之不同型態，故DVD-R、DVD-RAM、DVD-RW將會陸續被市場接受而取代3.5吋MO、PD及CD-R等。 光碟機之產量預估到2000年，整個光碟機的產品包括CD-ROM、DVD、DVD-ROM等，全球將超過一億六千萬台，參考右圖光碟機產量預估（工研院光電所整理），未來整個光碟機產量將繼續大幅成長，國內之CD-ROM光碟機從1997年起量產已佔世界量產之23%，1999年CD-ROM光碟機量產達世界產量之40%，佔世界第一。而由於DVD光碟機水漲船高的發展，光學讀取頭(Pickup head)也隨之炙手可熱。       由於CD-ROM光碟機的市場需求已到頂點，及DVD光碟機預期於今年(1999)會真正起飛，故日本各光學讀取頭(Pickup head)製造大廠，都急著在年底前增強生產能力。另外在製造方面，為了因應嚴格的銷售價格競爭，大部分的廠商接將據點擴展到中國大陸、東南亞地區，以展開全球話，其擴展產能是以日本之海外工廠為主。 根據日本電波新聞報導光學頭製造大廠的預測，去年(1998)的全球各型光學頭（含CD/ MD/ CD-ROM/ CD-R/ CD-RW/ DVD/ DVD-ROM/ DVD-RAM等光學頭）總需求為二億五千萬個，參考右圖的日本電波新聞報導光學頭全世界總需求量預估，其中大半皆是以CD為主（包括一部份的MD）的Audio Player為主之電腦光儲存之用，剩下的10%則為家庭用Game機器所用。今年(1999)預估為2億7千萬個～2億8千萬個，而2002年則預估可達3億7千萬個～4億個。     我國光碟機產業蓬勃發展，然其中主要關鍵性零組件均需仰賴進口，尤其是光學讀寫頭技術層次高，至今國內無廠商能量產。在近幾年國內廠商對CD光學讀寫頭之生產一直抱持高度興趣，並轉移日本光學頭技術，但是都還未能成功，如聚合公司之CD光學頭技術等，其中未能成功之主要原因，依據個人判斷為日本光學頭技術(Know-how)未能全部轉移，非常可惜。 工研院光電所近年積極研發DVD光學頭技術，並成功開發多型Prototype，現正進行DVD光學頭技術移轉及協助國內廠商能量產，希望在DVD光碟機產業蓬勃發展之際，DVD光學頭能量產成功並提供國內廠商使用。目前光電所技術移轉有： 鴻景科技之DVD-ROM光學頭，預計1999年底量產。 友嘉科技之DVD Player光學頭，預計2000年量產。 嘉祥科技之DVD Player光學頭，預計2000年量產。 日本各Pickup大廠之產能分析 產能、全世界（月產：萬個） 主用途及今後之展開 Maker Now Future (搭載對象) Sony 1,000 目標為搭配機器生產之1/2 (2000年時2000) Audio CD/MD Player/CD-ROM/D.機器，今年後半年積極進入DVD領域。 三協精機製作所 270 至年底合計380 CD-ROM/R/D.DVD/D，特別是今年在DVD/D方面會成長3倍，6月將投入新製品之量產。 Mitsumi 70-80 4月以後100-110 CD-ROM/D用為主體，切入CD-RW/D市場，外販比例用現行30%提升至50%(年末)。 日立 250 6月開始量產DVD用者預定年底達100 以CD-ROM/D為主體，CD-R/CD-RW亦使用。 松下Group 410 MD、DVD專用者擴大生產2倍 Audio CD/MD、CD-ROM、DVD Player、DVD-RAM等。 三洋 500 99年度550 專注於高附加價值之CD-R/RW、DVD用之Pickup、鞏固30% share 99年中在中國要月產400萬個。 Sharp 100 99年度1000 DVD用的99年度增加174%，MD用的增加50%。   從以上光學頭之世界市場需求可知，未來仍是以CD/DVD系列光學頭為主。 就光學頭而言，是非常相似，現在以它的光學之特性，可發現有幾項主要規格演進。 參考下圖 DVD/CD光碟規格 雷射波長：780 nm ← 650/635 nm 聚焦物鏡NA：0.45 ← 0.6 光碟片基板厚度：1.2 mm ← 0.6 mm 軌距：1.6 μm ← 0.74 μm 最小Pit長度：0.83 μm ← 0.4 μm 光碟片旋轉線速度：1.2 ← 1.4 m/s ← 4 m/s 　 DVD CD Track Pitch(μm) 0.74 1.6 Shortest Pit Length (μm) 0.4/0.43 0.83 Substrate Thickness (mm) 0.6 1.2 Layer 1/2 1 NA* 0.6 0.45 Wavelength(nm)* 650 780 Reference Velocity(m/sec)* 3.49/3.84 1.2~1.4 所以從規格上的進步，其光學系統必然要做新的系統設計，尤其DVD光學頭除了讀DVD光碟片還要考慮可以讀CD光碟片，甚至要可以讀CD-R光碟片。因此DVD光學頭之設計概念必須要有如下之特點： 可讀DVD和CD(CD-R)光碟片。 須具有雙焦點的設計。 高NA物鏡的設計。 為增加光碟片的傾斜容忍度，而採用0.6mm基板之光碟片。 使用短波長之紅光雷射二極體(650 nm/635 nm)。若要CD-R共容之DVD光學頭，則須加780 nm之雷射二極體成為雙雷射之光學頭。 降低雷射二極體之雜訊。 循軌伺服採用外差循軌法(Heterodyne Tracking)、或差分相位法(Differential plase detection)。 聚焦伺服皆採用像散法(Astigmatism)。 具有超解析之光點設計。    DVD光學頭在設計上，有下列五項參數做為光學頭品質之評估參數。 光學大小：關係到讀取訊號(RF)的眼形圓(eyepattern)和訊號跳動量(Jitter)的表現。 波面像差：關係到光學頭組裝校準之容忍度(Optical Alignment Tolerance)的鬆緊。 能量效率：關係到雷射二極體(Laser diode)光源的能量。 工作距離：關係到更換光碟片時物鏡致動器的移動範圍。 重量：物鏡致動器之設計。 聚光焦點之評估運算方面：雷射光速，經過準直鏡形成平行光速，入射到物鏡聚焦道光碟片上，其光點之大小決定於4個參數。 物鏡之NA。 光源的波長。 波面像差。 光瞳上的光能量分佈。 spot=k*λ/NA 此 k：數值是由c、d二項參數決定。       DVD光學頭之光學系統，各廠家之設計的主要差別，便是雙焦點產生之方式，以目前所了解，有下列4種： 雙物鏡切換法。 物鏡加全像設計法。 液晶開關器(LC Shutter)改變NA法。 環形斑跡(Annular Mark)加在物鏡法。    現有Mitsubishi、Toshiba、Sony公司採用雙物鏡法(NA 0.6/0.45)，是產生雙焦點最直接的，它所配合之致動器為旋轉式，所以致動器在讀DVD和CD光碟片時，要旋轉致動器，使用不同的物鏡來讀取不同的光碟片，當物鏡切換時位置之準確會影響光學品質，通常致動器之傾斜調整是以DVD物鏡為主，故CD物鏡之偏心、傾斜就無法兼顧了，所以致動器旋轉定位之精度及Lnes Holder之傾斜誤差較高，其優勢在於能量效率較好；其物鏡分別配合DVD和CD做設計，故其光點之波面像差品質會最好。參考下圖之DVD/CD之雙物鏡致動器。 　   此方法為物鏡表面加全像設計產生雙焦點，是松下(Matsushita)的設計(參考右圖HOE雙焦物鏡)，當光束經過全面像時，會有繞射現象，產生0、+1、-1等階之繞射光束，其中0階光束沿原有方向前進，聚焦於基板0.6mm之DVD光碟面上；+1階光束因繞射緣故會發散，而後聚焦於基板1.2mm之CD光碟片上；-1階之繞射光束在此沒有利用，故可用於讀兩種光碟片。此方法的另一種方式是在現有DVD物鏡前加一全像片，為Pioneer的設計，其效果一樣可產生雙焦點，用於讀兩種光碟片，但在此型設 計因全像和物鏡有一段距離，當有光碟面傾斜時，所產生之慧差(Coma)較大，會影響讀RF訊號之品質。通常採用四階之全像設計，則需要做兩種光罩使用，其繞射效率0：+1：-1比值為38%：38%：6%，此型其優點為具有超解析之效應，故光點較小，其波面像差亦較好。若全像面做於物鏡上則重量輕，節省光學元件。其缺點在於讀CD時的光點能量最弱。     改變NA法這是三洋提出的構想，液晶偏光板(LC)和偏極板組合形成液晶開關器(LC Shutter)，當液晶偏光板ON時，入射光束之偏極方向旋轉90°，此時光束之偏極方向和偏極板方向一致，故獲全部通過，呈現之NA=0.6可用於讀DVD光碟片。當液晶偏光板off時，此時光束之偏極方向90°，故外圍光束被擋掉，呈現之NA=0.35或0.38，可用於讀CD光碟片。 另外，也有用LC和PBS配成一組當做LC Shutter。此型中Shutter之有效NA的選取會有關係到光點大小、像差和光點之邊緣亮環(Sidelobe)，基於以上光學品質考慮，故讀CD光碟片時選用NA=0.35~0.38， 此型之優點在於能量效率較好，其缺點為CD光點之波面像差較差，且讀DVD和CD時，物鏡致動器移動距離較大。加上使用LC和偏極板，故光學元件成本較高，還要有LC的驅動電路控制。 參考右圖LCD切換之光學頭。   這是南韓三星在DVD光學頭的設計，其主要想法是在DVD物鏡上之前一面，加了一環形斑跡(Annular Mark)，使得此環的光束散射掉，不會聚於碟片上。 用此方式使得DVD之光點和CD之光點可以一起改善，此型之優點是光學元件少，能量效率較高；其DVD光點只較雙物鏡法好，比其他型差，而CD之光點都較其他型差。其缺點是波面像差之品質最差，當更換光碟片時，物鏡致動器移動最大，同液晶開關法一樣。 參考右圖環形斑跡(Annular Mark)物鏡。   因為DVD光學頭發展初期，各家設計大多有自己的特色，至少有7家以上產品：Mastushita、Sankyo、Hitachi、Sony、Mitsubishi、Sanyo、Sansung等，大多採用1 Laser(650/635nm)之光學系統設計且以傳統光路為主，不能讀CD-R光碟片，其中物鏡DVD為玻璃壓製CD為塑膠射出成形，代表產品為Matsushita：HOE Lens / 4-Wire Actuator及Sankyo：Twin Lens / Rotary Actuator。 參考圖8 Sankyo之雙物鏡DVD光學頭。 為了讀CD-R光碟片，故光學頭設計皆採用2 Laser (650 nm/ 780 nm) 1 Lens (NA 0.6)之光學系統，其中物鏡採用Annular Mask設計(Konica 塑膠成形)，或單焦Lens+Color Filter(改變NA 0.6/0.45)，DVD光路設計以傳統光路為主，CD光路設計以HOE光路為主。 參考右圖Matsushita之DVD光學頭。 主要沿用第二代DVD-ROM之光學頭之設計，可能要可讀CD-RW光碟片，另外要適合高倍速DVD-ROM X8以上，及超薄小型化等。    DVD光學頭之主要元件包括：物鏡(Objective Lens)，準直鏡(Collimator Lens)、雷射二極體(Laser diode)、光檢測晶片(PDIC)、致動器(Actuator)、其他光學元件。其中物鏡、雷射二極體及光檢測晶片目前須仰賴日本進口，此三個重要元件國內也有廠商積極投入發展，而雷射二極體較有可能先用上，其部份元件國皆可提供。 今年（1999）DVD光碟機開始進入大量生產，日本各光學讀取頭（Pickup head）製造大廠都急著在年底前增強生產能力。而且為了價格競爭，大部分的廠商皆將據點擴展到中國大陸、東南亞地區。我國光碟機產業，若能上、中、下游加以整合，掌握關鍵零阻件的生產，最主要是光學頭能量產成功，則國內光碟機產業必定在世界佔一席之地。