CN101022021A - 采用超分辨位相板的光盘读取头 - Google Patents

Abstract

一种采用超分辨位相板的光盘读取头，包括半导体激光器、沿该半导体激光器输出光束的前进方向同光轴地依次为准直透镜、分束器、读写物镜、在所述的分束器的反射光路上依次是聚焦透镜和光电探测器，特点是在所述的分束器和读写物镜之间并紧贴读写物镜放置超分辨位相板。本发明可以得到中心主瓣压缩，第一旁瓣强度较小，最高旁瓣外移的超分辨效果，从而能够读取高密度光盘并且有效避免串扰。

Description

采用超分辨位相板的光盘读取头

技术领域

本发明涉及高密度光盘，特别是一种采用超分辨位相板的光盘读取头，用于高密度光盘的信号读取。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，人们对信息存储的要求也越来越高。现有的CD、DVD光盘的存储容量已经不能满足人们的需求，寻求更高密度的光存储技术成为必需。增加光盘存储密度的最直接方法就是减小光斑尺寸，光斑尺寸与聚焦激光光束的衍射效应有关，光斑大小(S)与激光波长(λ)和透镜数值孔径(NA)的关系如下：

$S=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

采用较大数值孔径的透镜或较短波长激光器可以减小光斑尺寸，从而提高光盘存储容量，这也正是从CD到BD(蓝光光盘)的发展思路。但在蓝光光盘之后，通过进一步减小波长、增大透镜的数值孔径来缩小光斑将非常困难，这是因为紫外激光器的造价和寿命都是目前无法解决的问题，高数值孔径非球面透镜不仅制作困难，而且只能在小范围内有效地校正像差，但盘片的抖动很容易超出这一范围，使得读出信号的质量下降。

尽管目前已经发展了其它的技术途径(主要是近场技术)，如Super-RENS等来实现高密度光存储，但由于其造价昂贵、系统复杂，对周围环境的要求高，暂时无法在用户端得到广泛的应用。

利用超分辨位相板来压缩光斑是增大光盘存储容量的另一思路，采用这种方法可以在不增加聚焦系统复杂程度的前提下，读出超过衍射极限的信号，并且压缩光斑的大小与波长无关。另外，超分辨位相板还具有易于大量制造的优点，对实际应用非常有利。但目前设计的超分辨位相板都具有第一旁瓣强度大的缺点，[见在先技术1，周常河，等人，高密度存储光盘的读写系统，发明专利号：200410093317.0]，对实际光盘读取信号造成串扰。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术1中旁瓣强度太大引起的信号串扰问题，提供一种采用超分辨位相板的光盘读取头，以避免旁瓣对信号的干扰，读出超过衍射极限的信号。

本发明的技术解决方案如下：

一种采用超分辨位相板的光盘读取头，包括半导体激光器、沿该半导体激光器输出光束的前进方向同光轴地依次为准直透镜、分束器、读写物镜、在所述的分束器的反射光路上依次是聚焦透镜和光电探测器，其特征是在所述的分束器和读写物镜之间并紧贴读写物镜放置超分辨位相板。

所述的超分辨位相板为圆环形超分辨位相板，由多个具有不同位相的圆环构成。

所述的超分辨位相板自内向外圆环的半径为α₁、α₂、α₃，相应的位相分别为0、π、0。

所述的超分辨位相板自内向外圆环的归一化半径α₁＝0.45、α₂＝0.71、α₃＝1。

所述的超分辨位相板，由各向同性的介质构成，其位相分布为：同一圆环内的位相值是相同的，相邻环带的位相值是0和π相间的。其大小与衍射极限透镜孔径相当。

所述的超分辨位相板是通过电子束直写技术和湿法刻蚀技术来制造的。其具体步骤如下：

①根据衍射透镜孔径设定超分辨位相板的外圆的实际半径，利用相应的归一化半径计算出超分辨位相板各环的半径；

②利用电子束直写法制作出母版；

③通过接触式光刻将母版图案转移到覆有铬膜和光刻胶的玻璃基片上；

④利用湿法刻蚀技术进行刻蚀。

本发明的技术效果：

1、由于采用超分辨位相板，准直后的平行光经过超分辨位相板进行位相调制后得到中心主瓣压缩，第一旁瓣强度小，最高旁瓣外移的超分辨效果，在压缩后的中心主瓣周围产生了一个环状的谷地，避免了旁瓣对信号的干扰，可读出超过衍射极限的信号。

2、本采用超分辨位相板的光盘读取头，在激光器波长保持不变的条件下，能读取的记录点比普通读取头小得多，也就是说可以用来读取更高密度的光盘。而且由于最高旁瓣外移，由旁瓣导致的信号串扰相对较小，对于实际应用非常有意义。

附图说明

图1是本发明采用超分辨位相板的光盘读取头的结构原理图。

图2是本发明超分辨位相板的结构示意图

图3是采用超分辨位相板后的超分辨效果示意图。

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

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明采用超分辨位相板的光盘读取头的结构原理图。由图可见，本发明采用超分辨位相板的光盘读取头的结构，包括半导体激光器1、沿该半导体激光器1输出光束的前进方向同光轴地依次为准直透镜2、分束器3、读写物镜5、在所述的分束器3的反射光路上依次是聚焦透镜7和光电探测器8，其特征是在所述的分束器3和读写物镜5之间并紧贴读写物镜5放置超分辨位相板4。

所述的超分辨位相板4为圆环形超分辨位相板，由多个具有不同位相的圆环构成。所述的超分辨位相板4是一种在透明介质上形成的具有多个同心圆环位相分布的位相板，其结构示意图如图2。其设计思路如下：

由衍射光学的理论可知，平行光通过环形位相板后的光场分布可以表示为：

$\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\η}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left({\mathrm{i\φ}}_j\right)[{\mathrm{\α}}_j^2\frac{{2J}_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}}-{\mathrm{\α}}_{j-1}^2\frac{{2J}_1\left({\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\η}}]$

式中：α_j为第j环带半径，φ_j为第j环带的位相，η为归一化坐标，j＝1，2...，N，N为环带数。

利用上述公式进行数值计算，得到最优化的位相板的各个半径值，使得中心主瓣压缩的同时，第一旁瓣与中心主瓣的强度比得到有效抑制，最高旁瓣外移。

本发明实施例采用的超分辨位相板4自内向外圆环的半径为α₁、α₂、α₃，相应的位相分别为0、π、0。自内向外圆环的相应的归一化半径α₁＝0.45、α₂＝0.71、α₃＝1。

应用本发明得到的衍射图样数值模拟图如图3所示。图中点线是爱里斑的光强分布，点划线是放入在先技术1中超分辨位相板后的归一化光强分布，粗实线是放入本发明中光盘超分辨位相板后的归一化光强分布，从图中可以明显看出本发明采用的超分辨位相板在压缩中心主瓣的同时，还有效地抑制了第一旁瓣与中心主瓣的强度比，有明显的旁瓣外移效果。

对超分辨效果可以采用第一零点比G和旁瓣强度比M来描述。其中第一零点比G表示超分辨的程度，即有位相板时和爱里衍射时光学系统焦点横向第一光强零点对应的坐标比值；旁瓣强度比M为焦面上第一旁瓣最大强度与主瓣中心强度的比值。由图3可见，在同样G＝0.8的情况下，同比在先技术1中的超分辨位相板，光盘超分辨位相板的M值得到了很大的减小，第一旁瓣相对主瓣的强度由0.13降为0.0176，近似于爱里斑第一旁瓣对主瓣强度的比值0.0175，并且得到了旁瓣外移的效果。

通过比较，本发明具有以下优点：一方面，在对原有光盘读写头稍作改动的情况下(加入超分辨位相板)，即能够突破衍射极限，读出比原来直径小20％的记录点，如应用波长633nm的激光器，则可以读出容量为12.6GB的光盘，是普通DVD的3倍，而价格则与现有DVD差不多。另一方面，由于加入优化设计的超分辨位相板，在保持中心光斑压缩的同时，使第一旁瓣与主瓣强度比有了明显的抑制(为在先技术1中第一旁瓣与主瓣强度比的14％)，最高旁瓣外移明显。因而应用于光盘系统时，可以有效的避免信号串扰，相对于其它应用超分辨位相板的光学头设计优势明显。

Claims (4)

1、一种采用超分辨位相板的光盘读取头，包括半导体激光器(1)、沿该半导体激光器(1)输出光束的前进方向同光轴地依次为准直透镜(2)、分束器(3)、读写物镜(5)、在所述的分束器(3)的反射光路上依次是聚焦透镜(7)和光电探测器(8)，其特征是在所述的分束器(3)和读写物镜(5)之间并紧贴读写物镜(5)放置超分辨位相板(4)。

2、根据权利要求1所述的超分辨位相板的光盘读取头，其特征在于所述的超分辨位相板(4)为圆环形超分辨位相板，由多个具有不同位相的圆环构成。

3、根据权利要求2所述的超分辨位相板的光盘读取头，其特征在于所述的超分辨位相板(4)自内向外圆环的半径为α₁、α₂、α₃，相应的位相分别为0、π、0。

4、根据权利要求3所述的超分辨位相板的光盘读取头，其特征在于所述的超分辨位相板(4)自内向外圆环的归一化半径α₁＝0.45、α₂＝0.71、α₃＝1。

Images