專利名稱:混合型超分辨光學頭的制作方法
所屬技術領域高密度光盤光學讀取頭,利用光學超分辨技術提高光盤存儲密度。
背景技術:
隨著計算機多媒體技術的發展和計算機網絡的普及,超高密度、超大容量、超快信息存儲技術受到廣泛關注。以光子為信息載體的光存儲技術具有傳統的存儲技術所不具備的特殊優勢,近年來在技術上不斷取得重大突破,在市場應用方面也取得了巨大的成功。為了進一步提高光盤的存儲密度,人們進行了大量的研究工作。提高存儲密度的最直接方式是減小聚焦光斑的尺寸,但是受衍射效應的限制,聚焦光斑半徑R與激光波長λ成正比,而與光學頭物鏡的數值孔徑NA成反比R=0.61λNA]]>提高存儲密度的傳統方法便是提高物鏡的數值孔徑(NA)或減小激光波長。
從光存儲的發展來看,目前商用化的兩款光學頭(CD和DVD)中CD光學頭的激光波長為780nm,NA為0.45,(軌道間距1.6μm,最短信息坑長度約0.8μm)光斑尺寸R=1.7μm,可以讀取700M的CD光盤;DVD光學頭的激光波長為650nm,NA為0.6,(軌道間距0.74μm,最短信息坑長度約0.4μm)光斑尺寸R=1.08μm,可以讀取單層單面4.3G的DVD光盤。而下一代光盤產品BD將采用405nm的藍光激光器和NA為0.85的高數值孔徑物鏡,光斑尺寸R=0.47μm,容量也將達到20G左右。但是,BD昂貴的價格導致其遲遲未能進入普通的消費市場。從目前的技術可以達到的角度來看,在藍光之后再繼續采用減小波長和提高數值孔徑來減小光斑從而提高存儲密度的技術路線似乎已經不再可行。因為用于光學頭的波長更小的紫外固體激光器尚未問世。此外,當塑料盤基受紫外光照射之后性能可能會退化,這將會嚴重影響到其應用。另一方面,非球面高數值孔徑的物鏡非常難以加工,而且,根據象差分析高數值孔徑透鏡的象差只能在有限空間內被校正,但光盤的抖動將會超出這一范圍從而直接導致讀出信號質量的退化。因此,通過其他途徑來減小光斑提高分辨率便顯得十分必要。
在現代光學中對分辨率的考慮始于瑞利的兩點分辨判據。考慮兩個獨立的點源,瑞利判據指出如果一點的亮度的中央極大值剛好與另一點的第一個極小值重合,則兩點恰能分辨。但是,對于一個光學系統來說采用光瞳濾波的方式可以突破瑞利衍射極限獲得更高的分辨率,這就是光學超分辨技術。
光學超分辨技術是一種利用位相調制提高系統分辨率的技術,通過采用光學超分辨技術可以獲取小于衍射極限的光點。光學超分辨技術是通過在聚焦物鏡前的準直光路中放置一個超分辨位相板,改變入射光的振幅或位相分布,使得經透鏡聚焦后的愛里斑主斑變小。比如,數值孔徑0.8的顯微鏡在633nm波長的氦氖激光照射下,得到的聚焦光斑的極限值是R=0.79μm,但如果引入壓縮比為0.8的位相板,便可在不改變數值孔徑和波長的情況下獲得R=0.63μm的光斑。
將光學超分辨技術運用于光學讀取頭中便可以設計出超分辨光學讀取頭,超分辨光學讀取頭可以在不增加物鏡數值孔徑或者減小波長的情況下壓縮光斑,從而讀取更高密度的光盤。這是一種完全不同于傳統方法的新的提高存儲密度的技術。目前已經有專利將超分辨技術運用到光盤讀寫系統中(專利申請號200410093317.0),但是該專利采用的是位相型超分辨位相板,并且放置在分束器后。這種結構雖然可以壓縮中心光點,但是同時會產生較大的旁瓣,使得在信號讀取過程中產生串擾,影響信號讀取質量。而且,該結構由于把位相板放置于分束器之后,使得返回光電探測器得光會被位相板衰減兩次,會極大的影響探測光光強。
針對以上的諸多問題,本發明提出了一種新的超分辨光學讀取頭結構,能夠成功的解決以上提到的各種問題,獲得更好的讀取效果。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服CN200410093317.0的不足,提供一種混合型超分辨光學頭,在不改變現有光學頭主要結構(激光波長和數值孔徑)的前提下可以讀取更高密度的光盤。
本發明的技術方案是一種混合型超分辨光學頭,依次包括半導體激光器、準直透鏡、分束器、讀寫物鏡、聚焦透鏡和光電探測器,其特征在于在準直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板,該位相板與系統共軸。它可以同時控制通過光的振幅和位相分布。采用混合型超分辨位相板而不是象CN200410093317.0采用位相型超分辨位相板,其有益之處在于可以得到更小的聚焦光斑旁瓣,提高信號讀取質量。
如上所述的混合型超分辨光學頭,其特征在于所述的混合型超分辨位相板是環帶結構的光瞳濾波器,其中1、2、3不同時相等,t1、t2、t3不同時相等。采用環帶結構的光瞳濾波器,具有設計加工方便、性能優良等優點。
如上所述的混合型超分辨光學頭,其特征在于混合型超分辨位相板置于分束器前。將超分辨位相板置于分束器前而不是象CN200410093317.0置于其后,其有益之處在于1、光束在到達PD探測器時只經過位相板一次,可以有效的減小光能損失,提高PD探測到的光強;2、不會影響聚焦到PD探測器上的光點形狀。
與先前的技術相比本發明有以下優點1.與傳統的光學讀取系統相比,沒有改變原有系統的構架,容易實現集成化與實用化;整個系統的成本增加很少,現有的成熟技術可以廉價的加工所需的混合型超分辨位相板;可以根據不同波長的系統設計加工與之相對應的混合型超分辨位相板,系統的其他部分不做改變;2.與CN200410093317.0位相型的超分辨光學讀取系統相比,混合型超分辨光學讀取系統的聚焦光斑有更小的旁瓣,從而可以降低旁瓣串擾,使讀取信號質量更好;與振幅型的超分辨光學讀取系統相比,混合型超分辨光學讀取系統有更高的中心光強,易于信號的讀取和探測。
3.與其他類型的超分辨光學頭相比,本發明的超分辯位相板放置于分束器之前,光束在到達PD探測器時只經過位相板一次,可以有效的減小光能損失。
圖1為本發明實施例的結構原理圖。
其中1半導體激光器;2準直透鏡;3混合型超分辨位相板;4分束器;5讀寫物鏡;6光盤;7聚焦透鏡;8光電探測器。
圖2為圖1實施例所得到的超分辨曲線對比圖。
其中,2a為沒有超分辨位相板時光盤上聚焦光點強度橫向分布曲線,2b為有混合型超分辨位相板時光盤上聚焦光點強度橫向分布曲線。
圖3,為本發明的混合型超分辨位相板實施例的結構示意圖。
其中,3a為內環,3b為中環,3c為外環三個環帶分別對應不同的半徑r1、r2、r3(r3為歸一化半徑),位相1、2、3和光強透過率t1、t2、t3。
具體的實施方式圖1為本發明的一個具體實施例的結構原理圖。由圖1可見,本發明混合型超分辨光學讀取頭由半導體激光器1、準直透鏡2、混合型超分辨位相板3、分束器4、讀寫物鏡5、聚焦透鏡7、光點探測器8構成,光盤6放置在讀寫物鏡5的后方,其特征是在分束器4前增加一混合型超分辨位相板3并與物鏡5共軸,所述混合型超分辨位相板可以控制通過光的振幅和位相分布。
混合型超分辨位相板有多種,比如云茂金等人提出的CN200410066745.4三維超分辨復振幅超分辨濾波器;朱化鳳等提出的CN200510024482.5超分辨連續可調的光瞳濾波器;樂孜純等人提出的CN200510050521.9微衍射光學元件;此外,還可以對環帶位相型超分辨位相板(CN200410018159.2,CN2492860Y,CN1442709A,CN1293381A等)不同環帶進行吸收掩模來實現。
本實施例采用的是三環帶結構的光瞳濾波器。該混合型超分辨位相板的結構如圖3所示,它包括下列結構環帶3a、3b和3c,三個環帶分別對應不同的半徑r1、r2、r3(r3為歸一化半徑),位相1、2、3和光強透過率t1、t2、t3。其中1、2、3不同時相等,t1、t2、t3不同時相等。采用的是環帶結構的光瞳濾波器具有設計簡潔、制作方便以及性能優良等優點。
對應于633nm波長,一種三環結構的混合型超分辨位相板經過優化其環帶歸一化半徑為r1=0.49、r2=0.64、r3=1;三區的位相分別為1=0、2=π、3=0;三區的透過率分別為t1=0.23、t2=1和t3=1。當聚焦物鏡的數值孔徑為0.8時,該位相板可以將原光點R=0.79μm壓縮80%變為R=0.63μm,相應的超分辨光學頭可以讀取容量為12.6G左右的光盤,是現有DVD容量的3倍,而價格與現有DVD幾乎相當,遠遠低于BD。
圖2為橫向超分辨曲線對比圖,2a沒有超分辨位相板時光盤上聚焦光點強度橫向分布曲線,2b為混合型超分辨位相板時光盤上聚焦光點強度橫向分布曲線。其中橫向光學坐標與實際橫向坐標r的關系為v=2πλNAr.]]>在加入混合型超分辨位相板后,系統的光點橫向尺寸明顯減小,經計算引入超分辨后得到的光點大小縮小了20%。在光強歸一化的條件下可算得旁瓣與主瓣強度比為13.5%,在對位相板參數做適當優化后這一值可以更低。而在通常情況下位相型超分辨光學頭在壓縮比為0.8時,其旁瓣與主瓣強度比通常要接近20%,因此混合型超分辨光學頭可以獲得比位相型超分辨光學頭更好的信號讀取效果。此外,由于混合型超分辨位相板自身的特性,其對光的透射率要高于振幅型位相板,所以采用混合型超分辨位相板可以獲得比振幅型位相板更高的讀取光強。
另一方面,雖然放置在準直透鏡和光盤間的光路中都有壓縮光點R的效果,但是放置在不同的位置其效果還有所不同。通過計算可知,當位相板置于分束器與物鏡之間時,在PD探測器上獲得的光強為原始光強的4.8%;而放置在本發明所建議的位置即準直透鏡與分束器之間時PD上獲得的光強為原始光強的22%,PD上的探測光強提高了4.5倍。而且,當位相板放置于準直透鏡和分束器之間時不會對PD上的光點成像發生影響,而如果放置在分束器與物鏡之間時便會影響光點在PD上的成像位置。
通過比較,本發明有以下優越性可以突破橫向衍射極限獲得小于衍射極限的光點,實現光點壓縮從而提高存儲密度;由于位相板放置在分束器之前,因此當光束聚焦到光電探測器時只經過位相板衰減一次,在光點探測器上可以探測到更高的光強;混合型超分辨光學頭的讀取光斑有比位相型超分辨光學頭小的旁瓣數值和比振幅型超分辨光學頭高的中心瓣光強,使得混合型超分辨光學頭是一種兼有位相型和振幅型超分辨光頭優點的新型光學頭。由于本發明可以在不改變現有光學頭構架的基礎上大幅提高存儲容量,其低廉的價格和優越的性能使其有非常好的應用前景。
權利要求
1.一種混合型超分辨光學頭,依次包括半導體激光器、準直透鏡、分束器、讀寫物鏡、聚焦透鏡和光電探測器,其特征在于在準直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板,該位相板與系統共軸。
2.如權利要求1所述的混合型超分辨光學頭,其特征在于所述的混合型超分辨位相板是環帶結構的光瞳濾波器,其中1、2、3不同時相等,t1、t2、t3不同時相等。
3.如權利要求1或2所述的混合型超分辨光學頭,其特征在于混合型超分辨位相板置于分束器前。
全文摘要
一種混合型超分辨光學頭,依次包括半導體激光器、準直透鏡、分束器、讀寫物鏡、聚焦透鏡和光電探測器,其特征在于在準直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板,該位相板與系統共軸。它可以同時控制通過光的振幅和位相分布。采用混合型超分辨位相板而不是象CN200410093317.0采用位相型超分辨位相板,其有益之處在于可以得到更小的聚焦光斑旁瓣,提高信號讀取質量。
文檔編號G11B7/12GK1838274SQ200610018148
公開日2006年9月27日 申請日期2006年1月12日 優先權日2006年1月12日
發明者趙曉楓, 阮昊 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所, 查黎