專利名稱：混合型超分辨光學(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(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展和計(jì)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(jià)格導(dǎo)致其遲遲未能進(jìn)入普通的消費(fèi)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?yàn)橛糜诠鈱W(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(diǎn)分辨判據(jù)?？紤]兩個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)源，瑞利判據(jù)指出如果一點(diǎn)的亮度的中央極大值剛好與另一點(diǎn)的第一個(gè)極小值重合，則兩點(diǎn)恰能分辨。但是，對于一個(gè)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(diǎn)。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(gè)超分辨位相板，改變?nèi)肷涔獾恼穹蛭幌喾植?，使得?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(yùn)用于光學(xué)讀取頭中便可以設(shè)計(jì)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(yùn)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(diǎn)，但是同時(shí)會產(chǎn)生較大的旁瓣，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，提供一種混合型超分辨光學(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)方案是一種混合型超分辨光學(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混合型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸。它可以同時(shí)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(zhì)量。
如上所述的混合型超分辨光學(xué)頭，其特征在于所述的混合型超分辨位相板是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器，其中1、2、3不同時(shí)相等，t1、t2、t3不同時(shí)相等。采用環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器，具有設(shè)計(jì)加工方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
如上所述的混合型超分辨光學(xué)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(dá)PD探測器時(shí)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(diǎn)形狀。
與先前的技術(shù)相比本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)集成化與實(shí)用化；整個(gè)系統(tǒng)的成本增加很少，現(xiàn)有的成熟技術(shù)可以廉價(jià)的加工所需的混合型超分辨位相板；可以根據(jù)不同波長的系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工與之相對應(yīng)的混合型超分辨位相板，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，混合型超分辨光學(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；與振幅型的超分辨光學(xué)讀取系統(tǒng)相比，混合型超分辨光學(xué)讀取系統(tǒng)有更高的中心光強(qiáng)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)光盤上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為有混合型超分辨位相板時(shí)光盤上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線。
圖3，為本發(fā)明的混合型超分辨位相板實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，3a為內(nèi)環(huán)，3b為中環(huán)，3c為外環(huán)三個(gè)環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2、r3(r3為歸一化半徑)，位相1、2、3和光強(qiáng)透過率t1、t2、t3。
具體的實(shí)施方式圖1為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。由圖1可見，本發(fā)明混合型超分辨光學(xué)讀取頭由半導(dǎo)體激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、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(diǎn)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(fù)振幅超分辨濾波器；朱化鳳等提出的CN200510024482.5超分辨連續(xù)可調(diào)的光瞳濾波器；樂孜純等人提出的CN200510050521.9微衍射光學(xué)元件；此外，還可以對環(huán)帶位相型超分辨位相板(CN200410018159.2，CN2492860Y，CN1442709A，CN1293381A等)不同環(huán)帶進(jìn)行吸收掩模來實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)施例采用的是三環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器。該混合型超分辨位相板的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括下列結(jié)構(gòu)環(huán)帶3a、3b和3c，三個(gè)環(huán)帶分別對應(yīng)不同的半徑r1、r2、r3(r3為歸一化半徑)，位相1、2、3和光強(qiáng)透過率t1、t2、t3。其中1、2、3不同時(shí)相等，t1、t2、t3不同時(shí)相等。采用的是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器具有設(shè)計(jì)簡潔、制作方便以及性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
對應(yīng)于633nm波長，一種三環(huán)結(jié)構(gòu)的混合型超分辨位相板經(jīng)過優(yōu)化其環(huán)帶歸一化半徑為r1＝0.49、r2＝0.64、r3＝1；三區(qū)的位相分別為1＝0、2＝π、3＝0；三區(qū)的透過率分別為t1＝0.23、t2＝1和t3＝1。當(dāng)聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.8時(shí)，該位相板可以將原光點(diǎn)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(jià)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沒有超分辨位相板時(shí)光盤上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為混合型超分辨位相板時(shí)光盤上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線。其中橫向光學(xué)坐標(biāo)與實(shí)際橫向坐標(biāo)r的關(guān)系為v=2πλNAr.]]>在加入混合型超分辨位相板后，系統(tǒng)的光點(diǎn)橫向尺寸明顯減小，經(jīng)計(jì)算引入超分辨后得到的光點(diǎn)大小縮小了20％。在光強(qiáng)歸一化的條件下可算得旁瓣與主瓣強(qiáng)度比為13.5％，在對位相板參數(shù)做適當(dāng)優(yōu)化后這一值可以更低。而在通常情況下位相型超分辨光學(xué)頭在壓縮比為0.8時(shí)，其旁瓣與主瓣強(qiáng)度比通常要接近20％，因此混合型超分辨光學(xué)頭可以獲得比位相型超分辨光學(xué)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(qiáng)。
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(diǎn)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(jì)算可知，當(dāng)位相板置于分束器與物鏡之間時(shí)，在PD探測器上獲得的光強(qiáng)為原始光強(qiáng)的4.8％；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(shí)PD上獲得的光強(qiáng)為原始光強(qiáng)的22％，PD上的探測光強(qiáng)提高了4.5倍。而且，當(dāng)位相板放置于準(zhǔn)直透鏡和分束器之間時(shí)不會對PD上的光點(diǎn)成像發(fā)生影響，而如果放置在分束器與物鏡之間時(shí)便會影響光點(diǎn)在PD上的成像位置。
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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)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(dāng)光束聚焦到光電探測器時(shí)只經(jīng)過位相板衰減一次，在光點(diǎn)探測器上可以探測到更高的光強(qiáng)；混合型超分辨光學(xué)頭的讀取光斑有比位相型超分辨光學(xué)頭小的旁瓣數(shù)值和比振幅型超分辨光學(xué)頭高的中心瓣光強(qiáng)，使得混合型超分辨光學(xué)頭是一種兼有位相型和振幅型超分辨光頭優(yōu)點(diǎn)的新型光學(xué)頭。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(jià)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
1.一種混合型超分辨光學(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混合型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸。
2.如權(quán)利要求1所述的混合型超分辨光學(xué)頭，其特征在于所述的混合型超分辨位相板是環(huán)帶結(jié)構(gòu)的光瞳濾波器，其中1、2、3不同時(shí)相等，t1、t2、t3不同時(shí)相等。
3.如權(quán)利要求1或2所述的混合型超分辨光學(xué)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(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混合型超分辨位相板，該位相板與系統(tǒng)共軸。它可以同時(shí)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(zhì)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(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