專利名稱：超分辨位相板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光束波面整形，特別是指采用超分辨技術(shù)設(shè)計(jì)的位相板，實(shí)現(xiàn)壓縮中心主瓣的條件下獲得較大的中心主瓣光強(qiáng)和較小的第一旁瓣強(qiáng)度比。此位相板可以提高光盤的存儲(chǔ)容量，應(yīng)用于下一代光盤系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
CD和DVD技術(shù)目前已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的商業(yè)化產(chǎn)品，但對于下一代高分辨率電視來說，目前的光盤存儲(chǔ)容量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前的CD使用780nm的激光，聚焦透鏡數(shù)值孔徑NA＝0.45，軌距為1.6μm，坑長0.8μm，容量為650MB；DVD采用波長650/630nm的激光器，NA＝0.6，軌距0.74μm，坑長0.4μm，存儲(chǔ)容量約為4.7GB。
增加光盤存儲(chǔ)密度的最直接方法就是減小光斑尺寸，光斑尺寸與聚焦激光光束的衍射效應(yīng)有關(guān)，光斑大小(S)與激光波長(λ)成正比，與透鏡數(shù)值孔徑(NA)成反比，可見，采用較大數(shù)值孔徑的透鏡或較短波長激光器可以減小光斑尺寸，從而提高光盤存儲(chǔ)容量。HD-DVD和BD(藍(lán)光光盤)正是采用這一思路，如果采用405nm波長激光和0.8-0.9數(shù)值孔徑，光盤存儲(chǔ)容量將達(dá)到約20GB。
但在藍(lán)光光盤之后，要想用傳統(tǒng)方法來增加光盤容量將會(huì)變得非常困難，這是因?yàn)橐环矫?，由于技術(shù)原因進(jìn)一步減小激光波長將會(huì)非常困難，在紫外區(qū)域，激光器的造價(jià)和壽命都是很大的問題，在目前來說很難解決；同時(shí)，當(dāng)用紫外光照射時(shí)，容易引起塑料基片的老化，對實(shí)際應(yīng)用十分不利。另一方面，高數(shù)值孔徑非球面透鏡制作比較困難，并且即使在物鏡很好地校正了像差的情況下，盤片厚度的變化也將引起光程變化，隨著數(shù)值孔徑的增加，這一光程差迅速增大，從而使得讀出信號(hào)質(zhì)量下降。
為解決這一問題，提出了幾種面向下一代光盤的技術(shù)思路，主要有固體浸沒透鏡(SIL)和Super-RENS等幾種。但由于固體浸沒透鏡是在近場讀取信號(hào)，很容易受到空氣中的灰塵和微粒干擾，而日常生活中這樣的灰塵是很難避免的。同樣，在利用納米口徑的鍍金屬膜光纖進(jìn)行近場記錄時(shí)也存在這一問題。另外，利用固體浸沒透鏡方法時(shí)，光能的利用率很低。Super-RENS技術(shù)，簡單地說，就是將一層金屬或金屬氧化物作為非線性光學(xué)薄膜插入一個(gè)普通的相變光盤的疊層結(jié)構(gòu)中，這一層和相變記錄層形成一個(gè)近場結(jié)構(gòu)。當(dāng)會(huì)聚激光光束照射在這個(gè)插入層時(shí)，會(huì)在該層中產(chǎn)生次波長的微小形變，通過這個(gè)形變(小孔或小泡)的光能量經(jīng)近場傳播在記錄層中形成數(shù)十納米的記錄點(diǎn)，從而達(dá)到近場記錄和讀出的目的。但是Super-RENS光盤結(jié)構(gòu)的膜層復(fù)雜，超分辨記錄點(diǎn)的讀出信號(hào)對薄膜厚度及均勻性非常敏感，并且該光盤相對于傳統(tǒng)的只讀式光盤的制作成本高，工藝繁瑣。
所以，在不增加聚焦系統(tǒng)復(fù)雜程度的前提下，一種易于大量制造的并且可以有效壓縮愛里斑，讀出突破衍射極限信號(hào)的新技術(shù)，對于下一代光盤來說是十分有吸引力的。周常河等人曾經(jīng)給出過用于光盤讀取頭中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的超分辨位相板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了中心主瓣相對于愛里斑的半徑壓縮比為0.8，但超分辨的結(jié)果是第一旁瓣強(qiáng)度太大，相對主瓣的比值為M＝0.13，因此，旁瓣對主瓣的干擾較大，這對實(shí)際光盤讀取信號(hào)造成干擾[見在先技術(shù)1，周常河，等人，高密度存儲(chǔ)光盤的讀寫系統(tǒng)，發(fā)明專利號(hào)200410093317.0]。
在中國發(fā)明專利申請200610018148.6“混合型超分辨光學(xué)頭”中也提到了一種三環(huán)帶結(jié)構(gòu)的振幅/相位混合型的超分辨位相板，它的歸一化半徑為r1＝0.49、r2＝0.64，r3＝1，三區(qū)的相位φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0，三區(qū)的透過率t1＝0.23，t2＝1，t3＝1，它也可以將第一旁瓣強(qiáng)相對主瓣的比值為M＝0.2變?yōu)镸＝0.135.與在先技術(shù)1相當(dāng).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超分辨位相板，達(dá)到對中心光斑進(jìn)行壓縮的同時(shí)減小第一旁瓣強(qiáng)度比，M＜0.13，進(jìn)而應(yīng)用于光盤系統(tǒng)，讀出超過衍射極限的信號(hào)，從而提高光盤的存儲(chǔ)容量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種超分辨位相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，該位相板具有同心圓環(huán)形的位相分布，其特征在于該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，相鄰環(huán)帶的位相值是0和π相間的，各壞帶透過率均為1，歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1。
本發(fā)明的技術(shù)效果目前研制的超分辨位相板雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對中心光斑的壓縮，突破衍射極限，但都存在第一旁瓣能量過大的問題，第一旁瓣強(qiáng)度比M≥0.13不適用于光盤系統(tǒng)。本發(fā)明在保持中心光斑壓縮0.8的同時(shí)，減小了第一旁瓣的峰值，相對主瓣的比值降為M＝0.07，這樣，相對以前的超分辨位相板，使第一旁瓣強(qiáng)度比有了明顯的減小，旁瓣對主瓣的干擾更小，因而具有提高光盤存儲(chǔ)容量的應(yīng)用前景。


圖1，是本發(fā)明超分辨位相板的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，各內(nèi)環(huán)帶半徑用r1、r2表示，外環(huán)半徑歸一化為r3＝1，同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，相鄰環(huán)帶的位相值是0和π相間的。
圖2，是采用超分辨位相板后激光束光強(qiáng)分布的改變示意圖。其中，細(xì)黑線L1是無位相板時(shí)愛里斑的光強(qiáng)分布；點(diǎn)黑線L2是放入在先技術(shù)1中超分辨位相板后光強(qiáng)的分布；粗黑線L3是放入本發(fā)明的超分辨位相板后的光強(qiáng)分布。
圖3，是對比表。
具體實(shí)施例方式
本光盤超分辨位相板的制造是利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)和平面光刻工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。其具體步驟如下(1)根據(jù)衍射透鏡孔徑和相應(yīng)的歸一化半徑計(jì)算出各環(huán)的半徑(2)利用電子束直寫法制作出母版(3)通過接觸式光刻法，母版圖案轉(zhuǎn)移到了涂在以光學(xué)玻璃為基底的光刻膠上(4)利用刻蝕技術(shù)將圖案刻蝕到光學(xué)玻璃上山衍射光學(xué)的理論可知，對于一般的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)光瞳函數(shù)為P(ρ)，其中ρ為歸一化半徑。根據(jù)Born理論，在單色光照明條件下，光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)附近的振幅分布為U(v,μ)=∫01P(ρ)exp(-iμρ2/2)J0(vρ)ρdρ---(1)]]>式中，J0(νρ)為零階Bessel函數(shù)，對應(yīng)于接收面上的徑向坐標(biāo)r，ν＝kr sin(δ)；μ對應(yīng)于以焦點(diǎn)為原點(diǎn)的軸上坐標(biāo)z，μ＝4kz(sin(δ)/2)2。其中k＝2π/λ；sin(δ)代表光瞳的數(shù)值孔徑；λ為光源的波長。
如果位相板位相分布是環(huán)形的，平行光通過位相板后的光場分布可以表示為ψ(η)=Σj=1Nexp(iφj)[αj22J1(αjη)αjη-αj-122J1(αj-1η)αj-1η]---(2)]]>其中αj為第j環(huán)帶半徑，φj為第j個(gè)環(huán)帶的位相，η為歸一化坐標(biāo)，j＝1，2...，N，N為環(huán)帶數(shù)。
對于二元情形，(2)式可以簡化為ψ(η)=2J1(η)η-[1-exp(iφj)](-1)N+1Σj=1N-1(-1)j×αj22J1(αjη)αjη---(3)]]>
利用公式(3)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到最優(yōu)化的位相環(huán)的各個(gè)半徑值，使得保證中心主瓣壓縮的同時(shí)，取得較小的旁瓣強(qiáng)度比。
圖1是本發(fā)明用于光盤的超分辨位相板的示意圖。各內(nèi)環(huán)帶半徑用r1、r2表示，外環(huán)半徑歸一化為r3＝1。由圖1可見，本發(fā)明光盤超分辨位相板是一種在透明介質(zhì)上形成的具有多個(gè)同心圓環(huán)位相分布的位相板，同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，相鄰環(huán)帶的位相值是0和π相間的；各環(huán)帶透過率均為1；本發(fā)明的外環(huán)半徑歸一化為r3＝1，內(nèi)環(huán)歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，得到的第一旁瓣強(qiáng)度比M＝0.07。相對在先技術(shù)1(r1＝0.09、r2＝0.36，r3＝1，φ1＝0，φ2＝0.9π，φ3＝0，M＝0.13)來說，通過對歸一化半徑和位相值的優(yōu)化，使得旁瓣強(qiáng)度有了很大的減小。相對專利申請200610018148.6(r1＝0.49、r2＝0.64，r3＝1，φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0，t1＝0.23，t2＝1，t3＝1，M＝0.135)來說，采用純位相型結(jié)構(gòu)(t1＝t2＝t3＝1)，避免了由于遮擋通光孔徑(t1＝0.23)而引起的光強(qiáng)損失，通過對入射光的位相調(diào)制，使得焦面上光強(qiáng)重新分布，在r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1，φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0的條件下，取得了M＝0.07＜0.13的優(yōu)化結(jié)果。
應(yīng)用本發(fā)明得到的衍射圖樣數(shù)值模擬圖如圖2所示。對超分辨效果可以采用第一零點(diǎn)比G和旁瓣強(qiáng)度比M來描述。其中第一零點(diǎn)比G表示超分辨的程度，即有位相板時(shí)和愛里衍射時(shí)光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)橫向第一光強(qiáng)零點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)比值；旁瓣強(qiáng)度比M為焦面上第一旁瓣最大強(qiáng)度與主瓣中心強(qiáng)度的比值。由圖2可見，在同樣G＝0.8的情況下，與在先技術(shù)1中的超分辨位相板相比，光盤超分辨位相板的M值得到了很大的減小，第一旁瓣相對主瓣的強(qiáng)度由0.13降為0.07，更接近理想情況下愛里斑第一旁瓣對主瓣的比值0.02，因此，第一旁瓣對主瓣的干擾也就降低，這對超分辨位相板的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。從圖2中可以明顯看出本發(fā)明的光盤超分辨位相板在壓縮中心主瓣的同時(shí)，也有效地抑制了第一旁瓣比。具體數(shù)值如圖3所示.
顯然，本發(fā)明在保持中心光斑壓縮的同時(shí)，使第一旁瓣強(qiáng)度比有了明顯的抑制，因而應(yīng)用于下一代光盤系統(tǒng)，可以有效的讀出超過衍射極限的信號(hào)，這對超分辨位相板的應(yīng)用，以提高光盤存儲(chǔ)容量的具有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種超分辨位相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，該位相板具有同心圓環(huán)形的位相分布，其特征在于該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，相鄰環(huán)帶的位相值是0和π相間的，各環(huán)帶透過率均為1，歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1。
全文摘要
一種應(yīng)用于光盤系統(tǒng)的超分辨位相板，一種超分辨位相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，該位相板具有同心圓環(huán)形的位相分布，其特征在于該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當(dāng)，所述環(huán)帶的位相分布為同一圓環(huán)內(nèi)的位相值是相同的，相鄰環(huán)帶的位相值是0和π相間的，各環(huán)帶透過率均為1，歸一化半徑值為r
文檔編號(hào)G11B7/005GK1971318SQ20061012521
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者周常河, 曹由由, 底彩慧 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 查黎