CN1632867A - 高密度存储光盘的读写系统 - Google Patents

Abstract

一种高密度存储光盘的读写系统，包括由半导体激光器、准直透镜、分束器、光盘系统的读写透镜、光盘基片、聚焦透镜和探测器构成高数值孔径光盘读写系统，其特征是在所述的读写透镜前或后增设一超分辨位相板并与所述读写透镜同轴。所述的超分辨位相板是环带结构位相板。本发明在不增加光盘系统复杂性的情况下，可以明显提高光盘的存储密度。本发明具有很高的学术价值与重要的应用前景。

Description

高密度存储光盘的读写系统

技术领域

本发明涉及高密度光盘，特别是一种高密度存储光盘的读写系统，它利用超分辨位相板提高了高密度光盘存储密度。

背景技术

光盘的存储密度可以通过增大透镜的数值孔径和采用短波长激光器来实现，然而通过降低激光波长、提高数值孔径获得存储密度的增加是有限的。目前，波长为400nm蓝光半导体激光器的制造技术并不成熟，暂时还没有360nm以下的半导体激光器；提高数值孔径使得透镜的像差增加，同时加工更加困难。所以，要获得更高容量的光盘，还要采用其他技术。

提高光盘存储密度的传统方法，是减小读写光斑的尺寸。通常聚焦光斑的尺寸受激光束衍射效应的限制，其光斑半径R与激光波长成正比，而与光学头物镜数值孔径NA成反比，

$R=\frac{0.61\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

光盘的存储密度与读写透镜的数值孔径成正比，增大透镜的数值孔径就是为了减小聚焦光斑的尺寸。

目前，CD光盘激光波长为780nm、物镜数值孔径为0.45，轨道间距为1.6m、最短信息坑长度约0.8m，容量为650MB；发展到最新的DVD光盘，激光波长减小到635/650nm、物镜数值孔径增加到0.6，轨道间距为0.74m，最短信息坑长度约0.4m，物理密度比CD光盘提高了4倍以上，实现单面单层4.7GB。下一代主流光盘将进一步沿着这一传统方式发展。目前的目标是进一步缩短激光器波长或者增大数值孔径。其波长缩短至蓝光段(400nm左右)而数值孔径加大至0.8~0.9，最终实现120mm盘的单面单层容量在20G以上。蓝光光盘采用波长为405nm的蓝紫激光器作为读写光源，透镜的数值孔径是0.85左右。

在蓝光光盘之后，传统的提高密度的方法将变得非常困难。首先波长的减小毕竟有限，这不仅是由于器件本身的研制比较困难，而且当波长达到紫外时，塑料盘基对光的传输性能可能减弱，从而给应用带来困难。另一个传统方法是增大数值孔径，但用于光存储系统中的大数值孔径的非球面透镜的制作在工艺上比较困难；同时，根据象差分析，即使在物镜很好地校正了象差的情况下，盘片厚度的变化也将引起光程变化；随着数值孔径的增加，这一光程差将迅速增大，从而使得读出信号质量下降。在传统的光学系统下，光存储的密度已经接近由物镜的数值孔径和激光波长所确定的衍射极限，所以存储密度的提高受到极大的制约。

位相板超分辨技术就是一种利用位相调制提高透镜系统分辨率的技术，见[T.R.M.Sales and G.M.Morris，“Diffractivesuperresolution elements”，J.Opt.Soc.Am.A 14，1637-1646(1997)；J.Jia、C.Zhou、X.Sun、L.Liu，“Superresolution laser beamshaping”，Appl.Opt.43，2112-2117(2004)；J.Jia、C.Zhou、L.Liu，“Superresolution technology for reduction of thefar-field diffraction spot size in the laser free-spacecommunication system”，Opt.Commun.228，271-278(2003)]。所用的位相板为一种二元环带结构位相结构型滤波器，可以对光束波前位相结构进行调制，得到所需要的聚焦光斑，通过适当的优化，可以得到小于爱里斑的聚焦光斑，从而提高透镜系统的分辨率。

在先的超分辨研究都是基于低数值孔径的透镜系统，而高数值孔径透镜系统的聚焦性能与低数值孔径透镜系统有很大的不同，低数值孔径透镜下的超分辨理论分析不能再应用于高数值孔径透镜系统。高数值孔径透镜系统具有很强的去偏振效应，对于线偏振入射光，所得的聚焦光斑在沿偏振方向和垂直于偏振方向的尺寸不同，得到一个椭圆状的聚焦光斑，见[A.Boivin and E.wolf，“electromagnetic field in theneighborhood of the focus of a coherent beam”，physical review138(6B)，B1561-B1565(1965)]。对于高数值孔径透镜系统，需要采用矢量衍射理论进行分析，才能得到正确的超分辨结果。

高数值孔径下聚焦光斑尺寸远远小于低数值孔径所得到的光斑，比如数值孔径0.8的显微物镜在0.633微米波长的HeNe激光束照射下，得到的聚焦光斑理论值只有0.97微米，实际得到的光斑由于透镜系统的像差等原因，会稍大于理论值，但也远远超出了传统仪器的测量极限。传统的测量方法比如刀口仪、CCD等很难测量这么小的光斑，更难以测量其尺寸变化。扫描近场光学显微镜可以用来测量高数值孔径得到的微小聚焦光斑，见[检测光盘物镜小光斑的装置，徐文东、干福熹、林强，发明专利号00127831.2，2004.4]。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，对高数值孔径光盘读写系统进行改进，提供一种高密度存储光盘的读写系统，以提高高密度光盘存储密度。

本发明的技术解决方案如下：

一种高密度存储光盘的读写系统，包括由半导体激光器、准直透镜、分束器、光盘系统的读写透镜、光盘基片、聚焦透镜和探测器构成高数值孔径光盘读写系统，其特征是在所述的读写透镜前或后增设一超分辨位相板并与所述读写透镜同轴。所述的超分辨位相板是环带结构位相板。

与在先技术相比，本发明具有如下优点：

1、与传统的光盘系统相比，系统结构没有改变，很容易实现集成化与实用化；

2、光盘系统的成本增加很少，现有的成熟技术可以使位相板的制作成本很低；

3、对各种波长光盘存储系统均适用，可以制作出对应与不同波长半导体激光器的超分辨位相板，而对系统不做任何改变；

4、采用矢量衍射理论分析了高数值孔径透镜的超分辨效果，得到的结果比通常所用的标量衍射理论更精确。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图中：1-半导体激光器；2-准直透镜；3-分束器；4-超分辨位相板，5-光盘系统的读写透镜；6-光盘基片；7-聚焦透镜；8-探测器。

图2为采用本发明所得到高数值孔径透镜系统超分辨及透镜焦点处强度的三个电场分量强度理论结果；

图3为采用本发明所得到高数值孔径透镜系统超分辨实验结果，其中显微物镜的数值孔径为0.8。

图4为超分辨结果的曲线对比图，(a)为沿偏振方向的比较结果，(a1)、(a3)分别为理论分析的原始焦点及超分辨曲线，(a2)、(a4)分别为实验得到的原始焦点及超分辨曲线；(b)为垂直于偏振方向的比较结果，(b1)、(b3)分别为理论分析的原始焦点及超分辨曲线，(b2)、(b4)分别为实验得到的原始焦点及超分辨曲线。

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的结构原理图，由图可见，本发明高密度存储光盘的读写系统，包括由半导体激光器1、准直透镜2、分束器3、光盘系统的读写透镜5、光盘基片6、聚焦透镜7和探测器8构成高数值孔径光盘读写系统，其特征是在所述的读写透镜5前增设一超分辨位相板4并与所述读写透镜5同轴。所述的超分辨位相板4是环带结构位相板。对应于633nm波长，经过优化的超分辨位相板的位相差为0.9π，归一化环带半径为：r₀＝0.09、r₁＝0.36、r₂＝1的位相板，该位相板能得到0.8的压缩率。

本发明采用一种纳米光纤扫描探针系统对超分辨结果进行检测，扫描探针为近场光学显微镜的光纤探针，扫描光纤的头部开口尺寸为50-80纳米，扫描系统为压电陶瓷管，其放置在三维调节架上，非常适合于微小尺寸的精密扫描成像。

本发明的主要理论依据是Richards和E.Wolf的矢量衍射理论，见[Richards and E.Wolf，“Electromagnetic diffraction inoptical systems.II.Structure of the image field in an aplanaticsystem”，Proc.R.Soc.，A 253，358-379(1959)]。带有位相调制的像空间任意一点电矢量可以表示为：

$\stackrel{\→}{e}\left(p\right)=\frac{-i2\mathrm{\π}}{k}{\∫\∫}_{\mathrm{\Ω}}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)\frac{\stackrel{\→}{a}(s_x,s_y)}{s_z}\exp \left\{\mathrm{ik}\right[\mathrm{\Φ}(s_x,s_y)+(\stackrel{\→}{s}\·\stackrel{\→}{r}\left(p\right)]\}d{s}_x{s}_y---\left(2\right)$

式中exp(iφ)即位相调制项，表示超分辨位相板对高数值孔径透镜焦点处光场分布的调制；积分区域为出瞳Ω处； 表示焦点处系统原点到点P的矢量半径； 表示像空间典型光线的波印廷矢量；k为波数；

是出瞳处未受扰动光场的强度因子；Φ(s_x，s_y)为透镜系统的像差函数，对于衍射受限系统，Φ(s_x，x_y)＝0。

采用直角坐标系，像方焦点处电矢量的三个分量可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\\ e_z\end{array}\right)=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}-\frac{\mathrm{iA}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\α}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right){\cos }^{\frac{1}{2}}\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\{\cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\φ}\}\exp \left({\mathrm{ikr}}_p\cos \mathrm{\ϵ}\right)\mathrm{d\θd\φ}\\ -\frac{\mathrm{iA}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\α}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right){\cos }^{\frac{1}{2}}\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}(1-\cos \mathrm{\θ})c\mathrm{os}\mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φexp}\left({\mathrm{ikr}}_p\cos \mathrm{\ϵ}\right)\mathrm{d\θd\φ}\\ -\frac{\mathrm{iA}}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\α}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)\mathrm{co}{s}^{\frac{1}{2}}\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φexp}\left({\mathrm{ikr}}_p\cos \mathrm{\ϵ}\right)\mathrm{d\θd\φ}\end{array}\right)\end{array}$ ---(3)

式中：常数A可以表达为：A＝^fkl0/₂＝^πfl0/_λ；α是像方孔径半角，NA＝sin(α)。焦点处的电能量密度即光强度为：

$<{\mathrm{\&omega;}}_e>=\frac{1}{8\mathrm{\&pi;}}<E^2>=\frac{1}{16\mathrm{\&pi;}}(e\&CenterDot;e^{*})---\left(4\right)$

通过公式(2-4)，就可以在理论上分析高数值孔径下通过位相板调制后的超分辨效应。

高数值孔径下的超分辨可以用焦点处直角坐标系下三个电场分量所占比例的变化来解释，图2为采用本发明所得到高数值孔径透镜系统超分辨及透镜焦点处强度的三个电场分量强度理论结果；(a)为数值孔径0.8的理想透镜在线偏振光照射下的聚焦光斑，(b)为相应的超分辨结果；(c)、(d)、(e)分别为未加位相板时得到的e_x、e_y、e_z分量强度分布；(f)、(g)、(h)分别为超分辨下e_x、e_y、e_z分量强度分布。图2中(c、d、e、f、g、h)为理论计算得到的原始焦点及超分辨下三个电场分量的强度分布。在没有位相板情况下，e_x、e_y、e_z三个分量在总电场强度中所占比例分别为：0.8282、0.0050、0.1668；在归一化半径结构0.09、0.36、1，0.9π位相板情况下，e_x、e_y、e_z三个分量在总电场强度中所占比例分别为：0.8141、0.0059、0.1800。可以看出位相板调制的结果使得焦点处三个电场分量的比例发生了变化，超分辨位相板位相调制作用，使e_x分量减少，同时e_y、e_z两个分量比例增加，而且e_z分量增加的量远大于e_y分量，可以认为在超分辨效应中e_z分量非常重要，可以通过控制其比例得到不同的超分辨效果。

高数值孔径透镜超分辨效应的理论分析必须通过实验的检验，本发明采用高精度的小光斑检测装置[检测光盘物镜小光斑的装置，徐文东、干福熹、林强，发明专利号00127831.2，2004.4]检验了高数值孔径下所设计超分辨位相板的超分辨效果，得到了0.8的压缩率，相应光盘的存储密度可以提高约1.25倍。实验结果如图3所示，其中显微物镜的数值孔径为0.8。(a)为数值孔径0.8的显微物镜实际聚焦光斑，(b)为相应的超分辨结果。图中白色箭头表示偏振方向。理论和实验结果的分析对比结果如图4所示。图中(a)为沿偏振方向的比较结果，(a1)、(a3)分别为理论分析的原始焦点及超分辨曲线，(a2)、(a4)分别为实验得到的原始焦点及超分辨曲线；(b)为垂直于偏振方向的比较结果，(b1)、(b3)分别为理论分析的原始焦点及超分辨曲线，(b2)、(b4)分别为实验得到的原始焦点及超分辨曲线。

本发明采用压缩比G来评价超分辨效果，定义为超分辨所得焦点光斑第一零点与原始焦点光斑第一零点的比值。本发明适用于采用高数值孔径的光盘存储系统，如DVD及蓝光光盘等。

本发明采用位相板实现超分辨光斑压缩来提高光盘存储密度，激光器采用HeNe激光器1，其出射的激光束经10倍，数值孔径0.25的显微物镜聚焦后由10μm的针孔进行空间滤波，滤波之后的激光束由焦距550mm的透镜2准直为平行光束，平行光束照射在超分辨位相板4上，然后由数值孔径0.8的显微物镜5(NIKON，Luplan，ELWD，100x/0.8)聚焦，头部开口50-80nm的光纤探针(Vecco，1640-00)由压电陶瓷管驱动对聚焦光斑进行高精度扫描成像，扫描范围14μm×14μm。压电陶瓷管固定在精密三维调节架上，通过三维调节架的位置调节，对聚焦光斑进行精密的二维扫描；三维调节架固定在防震平台上，可以最大限度的减少外界震动对测量精度的影响；光纤探测的光信号经光纤传导进入光电倍增管；随后的电信号进入计算机系统进行后续的处理并显示在计算机屏幕上，扫描所得数据可以存入计算机进行更进一步的分析。本发明具体针对数值孔径为0.8的高数值孔径透镜进行了理论分析及实验验证，具体数据对比结果如下表所示。

理论结果		实验结果
				Gx	0.81	Gx	0.84
Gy	0.78	Gy	0.82

表中：G_x偏振方向的压缩比，G_y表示垂直于偏振方向的压缩比。

没有位相板时，得到的爱里斑理论和实验结果分别如图2(a)、图3(a)所示；加入超分辨位相板后，得到的超分辨理论和实验结果分别如图2(b)、图3(b)所示；沿偏振方向和垂直于偏振方向穿十字交叉穿过图3得光强曲线如图4(a)、(b)所示。由图4(a)、(b)可以看出，理论和实验结果符合得很好。

本发明利用超分辨位相板提高了高密度光盘存储密度，具有很高的学术价值与应用前景。

Claims (2)

1、一种高密度存储光盘的读写系统，包括由半导体激光器(1)、准直透镜(2)、分束器(3)、光盘系统的读写透镜(5)、光盘基片(6)、聚焦透镜(7)和探测器(8)构成高数值孔径光盘读写系统，其特征是在所述的读写透镜(5)前或后增设一超分辨位相板(4)并与所述读写透镜(5)同轴。

2、根据权利要求1所述的高密度存储光盘的读写系统，其特征是所述的超分辨位相板(4)是环带结构位相板。

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