專(zhuān)利名稱(chēng)：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(pán)光學(xué)讀取頭，利用光學(xué)超分辨技術(shù)提高光盤(pán)存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。以光子為信息載體的光存儲(chǔ)技術(shù)具有傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)所不具備的特殊優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在技術(shù)上不斷取得重大突破，在市場(chǎng)應(yīng)用方面也取得了巨大的成功。為了進(jìn)一步提高光盤(pán)的存儲(chǔ)密度，人們進(jìn)行了大量的研究工作。提高存儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)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(zhǎng)。
從光存儲(chǔ)的發(fā)展來(lái)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(zhǎng)為780nm，NA為0.45，(軌道間距1.6μm，最短信息坑長(zhǎng)度約0.8μm)光斑尺寸R＝1.7μm，可以讀取700M的CD光盤(pán)；DVD光學(xué)頭的激光波長(zhǎng)為650nm，NA為0.6，(軌道間距0.74μm，最短信息坑長(zhǎng)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(pán)。而下一代光盤(pán)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(chǎng)。從目前的技術(shù)可以達(dá)到的角度來(lái)看，在藍(lán)光之后再繼續(xù)采用減小波長(zhǎng)和提高數(shù)值孔徑來(lái)減小光斑從而提高存儲(chǔ)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(zhǎng)更小的紫外固體激光器尚未問(wèn)世。此外，當(dāng)塑料盤(pán)基受紫外光照射之后性能可能會(huì)退化，這將會(huì)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(pán)的抖動(dòng)將會(huì)超出這一范圍從而直接導(dǎo)致讀出信號(hào)質(zhì)量的退化。因此，通過(guò)其他途徑來(lái)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(duì)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(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(ài)里斑主斑變小。比如，數(shù)值孔徑0.8的顯微鏡在633nm波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的情況下壓縮光斑，從而讀取更高密度的光盤(pán)。這是一種完全不同于傳統(tǒng)方法的新的提高存儲(chǔ)密度的技術(shù)。目前已經(jīng)有專(zhuān)利將超分辨技術(shù)運(yùn)用到光盤(pán)讀寫(xiě)系統(tǒng)中(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00410093317.0)，但是該專(zhuān)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)R，但是同時(shí)會(huì)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(hào)讀取過(guò)程中產(chǎn)生串?dāng)_，影響信號(hào)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(cè)器得光會(huì)被位相板衰減兩次，會(huì)極大的影響探測(cè)光光強(qiáng)。
針對(duì)以上的諸多問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(zhǎng)和數(shù)值孔徑)的前提下可以讀取更高密度的光盤(pán)。
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(xiě)物鏡、聚焦透鏡和光電探測(cè)器，其特征在于在準(zhǔn)直透鏡和光盤(pán)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(guò)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(hào)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(jì)加工方便，性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
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(cè)器時(shí)只經(jīng)過(guò)位相板一次，可以有效的減小光能損失；提高PD探測(cè)到的光強(qiáng)；2、不會(huì)影響聚焦到PD探測(cè)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(méi)有改變?cè)邢到y(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)的加工所需的振幅型超分辨位相板；可以根據(jù)不同波長(zhǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工與之相對(duì)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(hào)質(zhì)量更好；易于信號(hào)的讀取和探測(cè)。
3.與其他類(lèi)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(cè)器時(shí)只經(jīng)過(guò)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振幅型超分辨位相板；4分束器；5讀寫(xiě)物鏡；6光盤(pán)；7聚焦透鏡；8光電探測(cè)器。
圖2為圖1實(shí)施例所得到的超分辨曲線對(duì)比圖。
其中，2a為沒(méi)有振幅型超分辨位相板時(shí)光盤(pán)上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為有振幅型超分辨位相板時(shí)光盤(pán)上聚焦光點(diǎn)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(shí)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(gè)環(huán)帶分別對(duì)應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過(guò)率分別為t1和t2。
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(jiàn)，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(xiě)物鏡5、聚焦透鏡7、光點(diǎn)探測(cè)器8構(gòu)成，光盤(pán)6放置在讀寫(xiě)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(xiě)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(guò)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(gè)環(huán)帶分別對(duì)應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過(guò)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(guò)吸收掩模實(shí)現(xiàn)振幅變化，以及振幅連續(xù)變化的位相板。
本發(fā)明實(shí)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(gè)環(huán)帶分別對(duì)應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過(guò)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(jì)加工方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)應(yīng)于633nm波長(zhǎng)，一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的振幅型超分辨位相板經(jīng)過(guò)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(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(pán)，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(duì)比圖，2a為未加超分辨位相板時(shí)光盤(pán)上聚焦光點(diǎn)強(qiáng)度橫向分布曲線，2b為振幅型超分辨位相板時(shí)光盤(pán)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.]]>在加入振幅型超分辨位相板后，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(hào)讀取質(zhì)量。
另一方面，雖然放置在準(zhǔn)直透鏡和光盤(pán)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(guò)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(cè)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(shí)PD上獲得的光強(qiáng)為原始光強(qiáng)的19％，PD上的探測(cè)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(shí)不會(huì)對(duì)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(huì)影響光點(diǎn)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(shí)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(gè)環(huán)帶分別對(duì)應(yīng)不同的半徑r1、r2(r2為歸一化半徑)，光強(qiáng)透過(guò)率分別為t1和t2。
通過(guò)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(chǔ)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(hào)質(zhì)量更好，易于信號(hào)的讀取和探測(cè)。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(cè)器時(shí)只經(jīng)過(guò)位相板衰減一次，在光點(diǎn)探測(cè)器上可以探測(cè)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(chǔ)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(xiě)物鏡、聚焦透鏡和光電探測(cè)器，其特征在于在準(zhǔn)直透鏡和光盤(pán)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(xiě)物鏡、聚焦透鏡和光電探測(cè)器，其特征在于在準(zhǔn)直透鏡和光盤(pán)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(guò)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(hào)讀取質(zhì)量。
文檔編號(hào)G11B7/12GK1838273SQ20061001814
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 查黎