CN100527236C - 混合型超分辨光学头 - Google Patents

Abstract

一种混合型超分辨光学头，依次包括半导体激光器、准直透镜、分束器、读写物镜、聚焦透镜和光电探测器，在准直透镜和光盘间的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板，混合型超分辨位相板是三环带结构的光瞳滤波器，该位相板与系统共轴，其特征在于：三环带结构的混合型超分辨位相板经过优化其环带归一化半径为：r₁＝0.49、r₂＝0.64、r₃＝1；三区的位相分别为φ₁＝0、φ₂＝π、φ₃＝0；三区的透过率分别为t₁＝0.23、t₂＝1和t₃＝1。它可以同时控制通过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，其有益之处在于可以得到更小的聚焦光斑旁瓣，提高信号读取质量。

Description

混合型超分辨光学头

所属技术领域

高密度光盘光学读取头，利用光学超分辨技术提高光盘存储密度。

背景技术

随着计算机多媒体技术的发展和计算机网络的普及，超高密度、超大容量、超快信息存储技术受到广泛关注。以光子为信息载体的光存储技术具有传统的存储技术所不具备的特殊优势，近年来在技术上不断取得重大突破，在市场应用方面也取得了巨大的成功。为了进一步提高光盘的存储密度，人们进行了大量的研究工作。提高存储密度的最直接方式是减小聚焦光斑的尺寸，但是受衍射效应的限制，聚焦光斑半径R与激光波长λ成正比，而与光学头物镜的数值孔径NA成反比：

$R=\frac{0.61\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

提高存储密度的传统方法便是提高物镜的数值孔径(NA)或减小激光波长。

从光存储的发展来看，目前商用化的两款光学头(CD和DVD)中：CD光学头的激光波长为780nm，NA为0.45，(轨道间距1.6μm，最短信息坑长度约0.8μm)光斑尺寸R＝1.7μm，可以读取700M的CD光盘；DVD光学头的激光波长为650nm，NA为0.6，(轨道间距0.74μm，最短信息坑长度约0.4μm)光斑尺寸R＝1.08μm，可以读取单层单面4.3G的DVD光盘。而下一代光盘产品BD将采用405nm的蓝光激光器和NA为0.85的高数值孔径物镜，光斑尺寸R＝0.47μm，容量也将达到20G左右。但是，BD昂贵的价格导致其迟迟未能进入普通的消费市场。从目前的技术可以达到的角度来看，在蓝光之后再继续采用减小波长和提高数值孔径来减小光斑从而提高存储密度的技术路线似乎已经不再可行。因为用于光学头的波长更小的紫外固体激光器尚未问世。此外，当塑料盘基受紫外光照射之后性能可能会退化，这将会严重影响到其应用。另一方面，非球面高数值孔径的物镜非常难以加工，而且，根据象差分析高数值孔径透镜的象差只能在有限空间内被校正，但光盘的抖动将会超出这一范围从而直接导致读出信号质量的退化。因此，通过其他途径来减小光斑提高分辨率便显得十分必要。

在现代光学中对分辨率的考虑始于瑞利的两点分辨判据。考虑两个独立的点源，瑞利判据指出：如果一点的亮度的中央极大值刚好与另一点的第一个极小值重合，则两点恰能分辨。但是，对于一个光学系统来说采用光瞳滤波的方式可以突破瑞利衍射极限获得更高的分辨率，这就是光学超分辨技术。

光学超分辨技术是一种利用位相调制提高系统分辨率的技术，通过采用光学超分辨技术可以获取小于衍射极限的光点。光学超分辨技术是通过在聚焦物镜前的准直光路中放置一个超分辨位相板，改变入射光的振幅或位相分布，使得经透镜聚焦后的爱里斑主斑变小。比如，数值孔径0.8的显微镜在633nm波长的氦氖激光照射下，得到的聚焦光斑的极限值是R＝0.79μm，但如果引入压缩比为0.8的位相板，便可在不改变数值孔径和波长的情况下获得R＝0.63μm的光斑。

将光学超分辨技术运用于光学读取头中便可以设计出超分辨光学读取头，超分辨光学读取头可以在不增加物镜数值孔径或者减小波长的情况下压缩光斑，从而读取更高密度的光盘。这是一种完全不同于传统方法的新的提高存储密度的技术。目前已经有专利将超分辨技术运用到光盘读写系统中(专利申请号：200410093317.0)，但是该专利采用的是位相型超分辨位相板，并且放置在分束器后。这种结构虽然可以压缩中心光点，但是同时会产生较大的旁瓣，使得在信号读取过程中产生串扰，影响信号读取质量。而且，该结构由于把位相板放置于分束器之后，使得返回光电探测器得光会被位相板衰减两次，会极大的影响探测光光强。

针对以上的诸多问题，本发明提出了一种新的超分辨光学读取头结构，能够成功的解决以上提到的各种问题，获得更好的读取效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服CN200410093317.0的不足，提供一种混合型超分辨光学头，在不改变现有光学头主要结构(激光波长和数值孔径)的前提下可以读取更高密度的光盘。

本发明的技术方案是：一种混合型超分辨光学头，依次包括半导体激光器、准直透镜、分束器、读写物镜、聚焦透镜和光电探测器，在准直透镜和光盘间的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板，混合型超分辨位相板是三环带结构的光瞳滤波器，该位相板与系统共轴，其特征在于：三环带结构的混合型超分辨位相板经过优化其环带归一化半径为：r₁＝0.49、r₂＝0.64、r₃＝1；三区的位相分别为

＝0、

＝π、

＝0；三区的透过率分别为t₁＝0.23、t₂＝1和t₃＝1。它可以同时控制通过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，其有益之处在于可以得到更小的聚焦光斑旁瓣，提高信号读取质量。采用环带结构的光瞳滤波器，具有设计加工方便、性能优良等优点。

如上所述的混合型超分辨光学头，其特征在于：混合型超分辨位相板置于分束器前。将超分辨位相板置于分束器前而不是象CN200410093317.0置于其后，其有益之处在于1、光束在到达PD探测器时只经过位相板一次，可以有效的减小光能损失，提高PD探测到的光强；2、不会影响聚焦到PD探测器上的光点形状。

与先前的技术相比本发明有以下优点：

1.与传统的光学读取系统相比，没有改变原有系统的构架，容易实现集成化与实用化；整个系统的成本增加很少，现有的成熟技术可以廉价的加工所需的混合型超分辨位相板；可以根据不同波长的系统设计加工与之相对应的混合型超分辨位相板，系统的其他部分不做改变；

2.与CN200410093317.0位相型的超分辨光学读取系统相比，混合型超分辨光学读取系统的聚焦光斑有更小的旁瓣，从而可以降低旁瓣串扰，使读取信号质量更好；与振幅型的超分辨光学读取系统相比，混合型超分辨光学读取系统有更高的中心光强，易于信号的读取和探测。

3.与其他类型的超分辨光学头相比，本发明的超分辩位相板放置于分束器之前，光束在到达PD探测器时只经过位相板一次，可以有效的减小光能损失。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理图。

其中：1半导体激光器；2准直透镜；3混合型超分辨位相板；4分束器；5读写物镜；6光盘；7聚焦透镜；8光电探测器。

图2为图1实施例所得到的超分辨曲线对比图。

其中，2a为没有超分辨位相板时光盘上聚焦光点强度横向分布曲线，2b为有混合型超分辨位相板时光盘上聚焦光点强度横向分布曲线。

图3，为本发明的混合型超分辨位相板实施例的结构示意图。

其中，3a为内环，3b为中环，3c为外环三个环带分别对应不同的半径r₁、r₂、r₃(r₃为归一化半径)，位相

和光强透过率t₁、t₂、t₃。

具体的实施方式

图1为本发明的一个具体实施例的结构原理图。由图1可见，本发明混合型超分辨光学读取头由半导体激光器1、准直透镜2、混合型超分辨位相板3、分束器4、读写物镜5、聚焦透镜7、光点探测器8构成，光盘6放置在读写物镜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并与物镜5共轴，所述混合型超分辨位相板可以控制通过光的振幅和位相分布。

混合型超分辨位相板有多种，比如：云茂金等人提出的CN200410066745.4三维超分辨复振幅超分辨滤波器；朱化凤等提出的CN200510024482.5超分辨连续可调的光瞳滤波器；乐孜纯等人提出的CN200510050521.9微衍射光学元件；此外，还可以对环带位相型超分辨位相板(CN200410018159.2，CN2492860Y，CN1442709A，CN1293381A等)不同环带进行吸收掩模来实现。

本实施例采用的是三环带结构的光瞳滤波器。该混合型超分辨位相板的结构如图3所示，它包括下列结构：环带3a、3b和3c，三个环带分别对应不同的半径r₁、r₂、r₃(r₃为归一化半径)，位相

和光强透过率t₁、t₂、t₃。其中

不同时相等，t₁、t₂、t₃不同时相等。采用的是环带结构的光瞳滤波器具有设计简洁、制作方便以及性能优良等优点。

对应于633nm波长，一种三环结构的混合型超分辨位相板经过优化其环带归一化半径为：r₁＝0.49、r₂＝0.64、r₃＝1；三区的位相分别为

三区的透过率分别为t₁＝0.23、t₂＝1和t₃＝1。当聚焦物镜的数值孔径为0.8时，该位相板可以将原光点R＝0.79μm压缩80％变为R＝0.63μm，相应的超分辨光学头可以读取容量为12.6G左右的光盘，是现有DVD容量的3倍，而价格与现有DVD几乎相当，远远低于BD。

图2为横向超分辨曲线对比图，2a没有超分辨位相板时光盘上聚焦光点强度横向分布曲线，2b为混合型超分辨位相板时光盘上聚焦光点强度横向分布曲线。其中横向光学坐标与实际横向坐标r的关系为： $v=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{NAr}.$ 在加入混合型超分辨位相板后，系统的光点横向尺寸明显减小，经计算引入超分辨后得到的光点大小缩小了20％。在光强归一化的条件下可算得旁瓣与主瓣强度比为13.5％，在对位相板参数做适当优化后这一值可以更低。而在通常情况下位相型超分辨光学头在压缩比为0.8时，其旁瓣与主瓣强度比通常要接近20％，因此混合型超分辨光学头可以获得比位相型超分辨光学头更好的信号读取效果。此外，由于混合型超分辨位相板自身的特性，其对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获得比振幅型位相板更高的读取光强。

另一方面，虽然放置在准直透镜和光盘间的光路中都有压缩光点R的效果，但是放置在不同的位置其效果还有所不同。通过计算可知，当位相板置于分束器与物镜之间时，在PD探测器上获得的光强为原始光强的4.8％；而放置在本发明所建议的位置即准直透镜与分束器之间时PD上获得的光强为原始光强的22％，PD上的探测光强提高了4.5倍。而且，当位相板放置于准直透镜和分束器之间时不会对PD上的光点成像发生影响，而如果放置在分束器与物镜之间时便会影响光点在PD上的成像位置。

通过比较，本发明有以下优越性：可以突破横向衍射极限获得小于衍射极限的光点，实现光点压缩从而提高存储密度；由于位相板放置在分束器之前，因此当光束聚焦到光电探测器时只经过位相板衰减一次，在光点探测器上可以探测到更高的光强；混合型超分辨光学头的读取光斑有比位相型超分辨光学头小的旁瓣数值和比振幅型超分辨光学头高的中心瓣光强，使得混合型超分辨光学头是一种兼有位相型和振幅型超分辨光头优点的新型光学头。由于本发明可以在不改变现有光学头构架的基础上大幅提高存储容量，其低廉的价格和优越的性能使其有非常好的应用前景。

Claims (2)

1、一种混合型超分辨光学头，依次包括半导体激光器、准直透镜、分束器、读写物镜、聚焦透镜和光电探测器，在准直透镜和光盘间的光路中放置的超分辨位相板是混合型超分辨位相板，混合型超分辨位相板是三环带结构的光瞳滤波器，该位相板与系统共轴，其特征在于：三环带结构的混合型超分辨位相板经过优化其环带归一化半径为：r₁＝0.49、r₂＝0.64、r₃＝1；三区的位相分别为φ₁＝0、φ₂＝π、φ₃＝0；三区的透过率分别为t₁＝0.23、t₂＝1和t₃＝1。

2、如权利要求1所述的混合型超分辨光学头，其特征在于：混合型超分辨位相板置于分束器前。

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