專利名稱：振幅型超分辨光學(xué)頭的制作方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域高密度光盤光學(xué)讀取頭，利用光學(xué)超分辨技術(shù)提高光盤存儲密度。
背景技術(shù)：
隨著計算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，超高密度、超大容量、超快信息存儲技術(shù)受到廣泛關(guān)注。以光子為信息載體的光存儲技術(shù)具有傳統(tǒng)的存儲技術(shù)所不具備的特殊優(yōu)勢，近年來在技術(shù)上不斷取得重大突破，在市場應(yīng)用方面也取得了巨大的成功。為了進(jìn)一步提高光盤的存儲密度，人們進(jìn)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(yīng)的限制，聚焦光斑半徑R與激光波長λ成正比，而與光學(xué)頭物鏡的數(shù)值孔徑NA成反比R=0.61λNA]]>提高存儲密度的傳統(tǒng)方法便是提高物鏡的數(shù)值孔徑(NA)或減小激光波長。
從光存儲的發(fā)展來看，目前商用化的兩款光學(xué)頭(CD和DVD)中CD光學(xué)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(xué)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(chǎn)品BD將采用405nm的藍(lán)光激光器和NA為0.85的高數(shù)值孔徑物鏡，光斑尺寸R＝0.47μm，容量也將達(dá)到20G左右。但是，BD昂貴的價格導(dǎo)致其遲遲未能進(jìn)入普通的消費市場。從目前的技術(shù)可以達(dá)到的角度來看，在藍(lán)光之后再繼續(xù)采用減小波長和提高數(shù)值孔徑來減小光斑從而提高存儲密度的技術(shù)路線似乎已經(jīng)不再可行。因為用于光學(xué)頭的波長更小的紫外固體激光器尚未問世。此外，當(dāng)塑料盤基受紫外光照射之后性能可能會退化，這將會嚴(yán)重影響到其應(yīng)用。另一方面，非球面高數(shù)值孔徑的物鏡非常難以加工，而且，根據(jù)象差分析高數(shù)值孔徑透鏡的象差只能在有限空間內(nèi)被校正，但光盤的抖動將會超出這一范圍從而直接導(dǎo)致讀出信號質(zhì)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(xiàn)代光學(xué)中對分辨率的考慮始于瑞利的兩點分辨判據(jù)?？紤]兩個獨立的點源，瑞利判據(jù)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(xué)系統(tǒng)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(xué)超分辨技術(shù)。
光學(xué)超分辨技術(shù)是一種利用位相調(diào)制提高系統(tǒng)分辨率的技術(shù)，通過采用光學(xué)超分辨技術(shù)可以獲取小于衍射極限的光點。光學(xué)超分辨技術(shù)是通過在聚焦物鏡前的準(zhǔn)直光路中放置一個超分辨位相板，改變?nèi)肷涔獾恼穹蛭幌喾植迹沟媒?jīng)透鏡聚焦后的愛里斑主斑變小。比如，數(shù)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(shù)值孔徑和波長的情況下獲得R＝0.63μm的光斑。
將光學(xué)超分辨技術(shù)運用于光學(xué)讀取頭中便可以設(shè)計出超分辨光學(xué)讀取頭，超分辨光學(xué)讀取頭可以在不增加物鏡數(shù)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(tǒng)方法的新的提高存儲密度的技術(shù)。目前已經(jīng)有專利將超分辨技術(shù)運用到光盤讀寫系統(tǒng)中(專利申請?zhí)?00410093317.0)，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(jié)構(gòu)雖然可以壓縮中心光點R，但是同時會產(chǎn)生較大的旁瓣，旁瓣的強(qiáng)度為原光強(qiáng)的7.82％，使得在信號讀取過程中產(chǎn)生串?dāng)_，影響信號讀取質(zhì)量。而且，該結(jié)構(gòu)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(qiáng)。
針對以上的諸多問題，本發(fā)明提出了一種新的超分辨光學(xué)讀取頭結(jié)構(gòu)，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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服CN200410093317.0的不足，提供一種振幅型超分辨光學(xué)頭，在不改變現(xiàn)有光學(xué)頭主要結(jié)構(gòu)(激光波長和數(shù)值孔徑)的前提下可以讀取更高密度的光盤。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種振幅型超分辨光學(xué)頭，依次包括半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是振幅型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸，它可以控制通過光的振幅分布。采用振幅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獲得極小的旁瓣，從而提高讀取信號讀取質(zhì)量。
如上所述的振幅型超分辨位相板，其特征在于所述的振幅型超分辨位相板是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的濾波器，其中t1、t2不相等。采用環(huán)帶結(jié)構(gòu)的濾波器具有設(shè)計加工方便，性能優(yōu)良等優(yōu)點。
如上所述的振幅型超分辨光學(xué)頭，其特征在于振幅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(dá)PD探測器時只經(jīng)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(qiáng)；2、不會影響聚焦到PD探測器上的光點形狀。
與先前的技術(shù)相比本發(fā)明有以下優(yōu)點1.與傳統(tǒng)的光學(xué)讀取系統(tǒng)相比，沒有改變原有系統(tǒng)的構(gòu)架，容易實現(xiàn)集成化與實用化；整個系統(tǒng)的成本增加很少，現(xiàn)有的成熟技術(shù)可以廉價的加工所需的振幅型超分辨位相板；可以根據(jù)不同波長的系統(tǒng)設(shè)計加工與之相對應(yīng)的振幅型超分辨位相板，系統(tǒng)的其他部分不做改變；2.與CN200410093317.0位相型的超分辨光學(xué)讀取系統(tǒng)相比，振幅型超分辨光學(xué)讀取系統(tǒng)的聚焦光斑有更小的旁瓣，從而可以降低旁瓣串?dāng)_，使讀取信號質(zhì)量更好；易于信號的讀取和探測。
3.與其他類型的超分辨光學(xué)頭相比，本發(fā)明的超分辯位相板放置于分束器之前，光束在到達(dá)PD探測器時只經(jīng)過位相板一次，可以有效的減小光能損失。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
其中1半導(dǎo)體激光器；2準(zhǔn)直透鏡；3振幅型超分辨位相板；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為沒有振幅型超分辨位相板時光盤上聚焦光點強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為有振幅型超分辨位相板時光盤上聚焦光點強(qiáng)度橫向分布曲線。
圖3，為本發(fā)明的振幅型超分辨位相板實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，3a為內(nèi)環(huán)，3b為外環(huán)，兩個環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過率分別為t1和t2。
具體的實施方式圖1為本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。由圖1可見，本發(fā)明振幅型超分辨光學(xué)讀取頭由半導(dǎo)體激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、振幅型超分辨位相板3、分束器4、讀寫物鏡5、聚焦透鏡7、光點探測器8構(gòu)成，光盤6放置在讀寫物鏡5的后方，其特征是在分束器4前增加一振幅型超分辨位相板3并與讀寫物鏡5共軸，所述的超分辨位相板是振幅型超分辨位相板，可以控制通過光的振幅分布。該振幅型超分辨位相板的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括下列結(jié)構(gòu)環(huán)帶3a和3b，兩個環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過率分別為t1和t2。
振幅型超分辨位相板有多種，比如云茂金等人提出的CN20410025625.X透射率連續(xù)變化的振幅型超分辨位相板；朱化鳳等提出的CN200510024482.5超分辨連續(xù)可調(diào)的光瞳濾波器；此外還有通過吸收掩模實現(xiàn)振幅變化，以及振幅連續(xù)變化的位相板。
本發(fā)明實施例采用的是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的濾波器，該振幅型超分辨位相板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，3a為內(nèi)環(huán)，3b為外環(huán)，兩個環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過率分別為t1和t2。其中t1、t2不相等。采用環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器，具有設(shè)計加工方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點。
對應(yīng)于633nm波長，一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的振幅型超分辨位相板經(jīng)過優(yōu)化其環(huán)帶歸一化半徑為r1＝0.75，r2＝1，內(nèi)環(huán)的透光率為t1＝0，外環(huán)透光率為t2＝1。該位相板可以將原光點R＝0.79μm壓縮80％變?yōu)镽＝0.63μm，相應(yīng)的超分辨光學(xué)頭可以讀取容量為12.6G左右的光盤，是現(xiàn)有DVD容量的3倍，而價格與現(xiàn)有DVD幾乎相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于BD。
圖2為橫向超分辨曲線對比圖，2a為未加超分辨位相板時光盤上聚焦光點強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為振幅型超分辨位相板時光盤上聚焦光點強(qiáng)度橫向分布曲線。其中橫向光學(xué)坐標(biāo)與實際橫向坐標(biāo)r的關(guān)系為v=2πλNAr.]]>在加入振幅型超分辨位相板后，系統(tǒng)的光點橫向尺寸明顯減小，經(jīng)計算引入超分辨后得到的光點大小縮小了20％。在光強(qiáng)歸一化的條件下可算得旁瓣強(qiáng)度為0.028，而CN200410093317.0采用位相型超分辨光學(xué)頭中的旁瓣強(qiáng)度為0.078，是振幅型旁瓣的2.8倍，因此振幅型超分辨光學(xué)頭比位相型超分辨光學(xué)頭可以更好的解決旁瓣串?dāng)_的影響，可以獲得更好的信號讀取質(zhì)量。
另一方面，雖然放置在準(zhǔn)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(dāng)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(qiáng)為原始光強(qiáng)的3.6％；而放置在本發(fā)明所建議的位置即準(zhǔn)直透鏡與分束器之間時PD上獲得的光強(qiáng)為原始光強(qiáng)的19％，PD上的探測光強(qiáng)提高了5.3倍。而且，當(dāng)位相板放置于準(zhǔn)直透鏡和分束器之間時不會對PD上的光點成像發(fā)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。
圖3，為本發(fā)明的振幅型超分辨位相板實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，3a為內(nèi)環(huán)，3b為外環(huán)，兩個環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過率分別為t1和t2。
通過比較，本發(fā)明有以下優(yōu)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(xiàn)光點壓縮從而提高存儲密度，振幅型超分辨光學(xué)頭的讀取光斑有比位相型超分辨光頭小的旁瓣數(shù)值，使讀取信號質(zhì)量更好，易于信號的讀取和探測。又由于位相板放置在分束器之前，因此當(dāng)光束聚焦到光電探測器時只經(jīng)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(qiáng)。由于本發(fā)明可以在不改變現(xiàn)有光學(xué)頭構(gòu)架的基礎(chǔ)上大幅提高存儲容量，其低廉的價格和優(yōu)越的性能使其有非常好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種振幅型超分辨光學(xué)頭，依次包括半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是振幅型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸。
2.如權(quán)利要求1所述的振幅型超分辨位相板，其特征在于所述的振幅型超分辨位相板是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的濾波器，其中t1、t2不相等。
3.如權(quán)利要求1或2所述的振幅型超分辨光學(xué)頭，其特征在于振幅型超分辨位相板置于分束器前。
全文摘要
一種振幅型超分辨光學(xué)頭，依次包括半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡和光盤間的光路中放置的超分辨位相板是振幅型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸，它可以控制通過光的振幅分布。采用振幅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獲得極小的旁瓣，從而提高讀取信號讀取質(zhì)量。
文檔編號G11B7/12GK1838273SQ20061001814
公開日2006年9月27日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者趙曉楓, 阮昊 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 查黎