CN1687986A

CN1687986A - 双波长光学头装置

Info

Publication number: CN1687986A
Application number: CN 200510024549
Authority: CN
Inventors: 赵春梅; 阮昊
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-10-26

Abstract

一种双波长光学头装置，包括：分别由一个半导体激光器和信号探测器组成的650nm光学系统和405nm光学系统，干涉滤波器，物镜及其驱动器，其特点是在所述物镜与干涉滤波器之间插入一个波前误差校正元件，而且三者同光轴，所述的物镜和波前误差校正元件通过驱动器连接在一起，并在驱动器的驱动下同时移动，本发明适用于405nm和650nm的光盘，能读取蓝光光盘和数字通用光盘，且具有较高的光能利用率，不仅适合于光盘读取信号，还可以用于刻录信号。

Description

双波长光学头装置

技术领域

本发明涉及光存储系统光盘的光学读取装置，具体是一种适用于蓝光光盘的双波长光学头装置。

技术背景

1999年波长为405nm的蓝色半导体激光器的出现把光存储带入了短波长存储的时代，更高数值孔径物镜与短波长激光的应用，使光存储的存储容量有了数量级的跃升，传统CD光盘的容量为650MB至700MB，数字通用光盘DVD的容量为4.7GB，但是蓝光光盘容量则可达20GB以上。在这个信息传输迅速、信息流量巨大的时代，蓝光光存储受到了许多行业的重视与消费者的青睐，具有后来居上之势，CD光盘则将逐渐淡出人们的视线，但是DVD光盘目前正处于鼎盛时期，因此未来的一段时间将会与蓝光光盘共存，因此要求蓝光光盘的播放机能兼容DVD光盘。

在蓝光系统中，使用的激光波长为405nm，物镜的数值孔径为0.85，而在DVD系统中使用的激光波长为650nm，物镜的数值孔径为0.6，而且DVD光盘与蓝光光盘的透明盘基也不相同，蓝光光盘的透明盘基厚度在0.3mm以下，DVD光盘的透明盘基则有0.6mm。在光存储系统的读/写过程中，光束在会聚于光盘的记录层之前，要穿过该透明盘基，该透明盘基厚度造成的球差为[(n²-1)/8n³]·Δt(NA)⁴，其中Δt为光盘透明盘基厚度，λ为工作激光的波长，当用一个光学头读取盘基厚度不同的光盘时，就有必要校正这种由于光盘盘基厚度和物镜的数值孔径的改变而产生的球差。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述现有技术的不足，提供一种双波长光学头装置，它应适用于405nm和650nm的光盘，而且该装置能读取蓝光光盘和数字通用光盘，且具有较高的光能利用率，不仅适合于光盘读取信号，还可以用于刻录信号。

本发明的原理是：

假设在光学头系统中只存在初级的球差和波面离焦，波像差可以表示为：

W(r，)＝W₄0r⁴+W₂₀r²

式中：r为归一化的物镜半径，W₄₀为初级球差，W₂₀为波面离焦。该波像差的均方根为

W^{2} = {\tilde{W}}^{2} - {(\tilde{W})}^{2};

= {(W_{40} + W_{20})}^{2} / 12 + W_{40}^{2} / 180

由上式看出：要使像差最小，则应选取W₄₀＝-W₂₀，因此可采用离焦像差补偿球差，从而使系统的像差在合理的范围内，本发明就是采用这种原理实现读取DVD时波前误差校正的。本发明的光学头光能利用率较高，也适合于刻录光盘系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种双波长光学头装置，包括：分别由一个半导体激光器和信号探测器组成的650nm光学系统和405nm光学系统，干涉滤波器，物镜及其驱动器，其特征是在物镜与干涉滤波器之间插入一个波前误差校正元件，而且三者同光轴，所述的物镜和波前误差校正元件通过驱动器连接在一起，并在驱动器的驱动下同时移动，所述的波前误差校正元件的基底材料为玻璃，结构上由内向外分为由同心台阶组成的衍射区和外部的滤波区，所述的衍射区材料为石英材质，台阶数为5级或5级以上，相邻台阶之间的相位差为Φ＝2π(n-1)h/λ，其中n为材料的折射率，h为台阶的高度，对于405nm波长光的相位差Φ＝2π；所述的滤波区是在玻璃上镀一层滤波介质膜，该介质膜对405nm的光透过，而对650nm的光反射。

所述的衍射区的直径小于物镜的有效直径。

所述的物镜对405nm的光的数值孔径NA为0.85。

所述的衍射区的直径小于物镜的有效直径，其结构为在玻璃基底上的由内向外的同心台阶组成，为了有高的光能利用率，要求台阶至少为5阶，相邻的台阶之间的位相差为Φ＝2π(n-1)h/λ，式中：n为材料的折射率，h为相邻台阶的高度。设计要求对于405nm波长的光波Φ为2π，因此读取蓝光光盘的光通过后无衍射，而对读取DVD的650nm的光波Φ不为2π，发生衍射，其中+1级光通过物镜的会聚的焦点比0级的远，用于读取DVD光盘的信息，而0级光由于会聚点不在DVD光盘记录层上，因此不会对读取信息造成影响，且衍射区的直径小于物镜的有效直径，因此可以控制读取DVD时相应的物镜数值孔径NA为0.6，+1级光有一定的离焦，以此实现补偿DVD光盘基底厚度增加而造成的球差。外部的滤波区镀有一层对405nm的光透射而对650nm的光反射的介质膜，因此读取蓝光光盘时，波前误差校正元件是全通光的，所以物镜的数值孔径NA为0.85。

附图说明

图1为本发明双波长光学头装置示意图

图2为相位型波前误差校正元件的剖面图

图3为相位型波前误差校正元件的俯视图

图中：

1-干涉滤波器 2-波前误差校正元件 21-玻璃基底 22-衍射区 23-滤波区 3-物镜 4-驱动器 5-蓝光光盘 6-DVD光盘7-650nm光学系统 8-405nm光学系统

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3，由图可见，本发明双波长光学头装置的构成包括：分别由一个半导体激光器和信号探测器组成的650nm光学系统7和405nm光学系统8，干涉滤波器1，物镜3及其驱动器4，其特点是在所述的物镜3和干涉滤波器1之间插入一个波前误差校正元件2，而且三者同光轴。

所述的波前误差校正元件2的基底材料为玻璃21，结构上由内向外分为由同心台阶组成的衍射区22和外部的滤波区23，所述的衍射区22材料为石英材质，台阶数为5级或5级以上，相邻台阶之间的相位差为Φ＝2π(n-1)h/λ，其中n为材料的折射率，h为台阶的高度，对于405nm波长的光，Φ＝2π；所述的滤波区23为在玻璃21上镀一层滤波介质膜，该介质膜对波长为405nm的光透过，对波长为650nm的光反射。

相邻台阶的相位差为Φ＝2π(n-1)h/λ，其中n为石英材质的折射率，h为相邻台阶的厚度，对于405nm波长的激光Φ＝2π，则通过后不会发生衍射，而对650nm波长激光的相位差Φ不会为2π的整数倍，就发生衍射，滤波区23对650nm的光高反射，对405nm的光高透射。

650nm的激光用于读取DVD光盘的信息，405nm的激光用于读取蓝光光盘的信息，干涉滤波器1对650nm和405nm两种波长的光进行耦合和分解，物镜3数值孔径为0.85，用去读取蓝光光盘信息，在干涉滤波器1和物镜3之间放置波前误差校正元件2，其中650nm和405nm光学系统中包括了相应的半导体激光器和信号探测器(图中未标示)。

下面从其工作过程分析波前误差校正元件2是怎么样实现像差校正的：

从半导体激光器发出的波长为405nm的激光通过干涉滤波器1后，经过波前误差校正元件2的衍射区22和滤波区23，由于衍射区22对405nm波长的激光位相改变位2π的整数倍，所以光波相位分布无改变，则经物镜3后聚焦在蓝光光盘5的记录层上，它的数值孔径NA就是物镜的数值孔径，即0.85，然后反射光沿原光路返回被其相应的信号探测器接收；而650nm的激光从其半导体激光器发出后，经过干涉滤波器1的反射进入主光路，因为波前误差校正元件2的滤波区23对波长为650nm的光高反射，因此650nm的光只能通过其衍射区22，因此其通光口径小于物镜3的口径，其数值孔径就由衍射区22的孔径决定，设计为0.6，由于该衍射区对650nm的光的相位改变Φ不为2π，就会发生衍射效应，其中+1级的光衍射效率达87％，经物镜3聚焦后聚焦光斑比0级光斑远，用于读取DVD光盘6的信息，而+1级衍射光存在的离焦像差正好来校正读取DVD光盘时由于盘基厚度增加而造成的球差。物镜3和波前误差校正元件2在驱动器4的驱动下同时移动。

本发明的波前误差校正元件2的衍射区为由内向外的多台阶结构，为了实现一定的衍射效率，台阶要求至少5级，相邻台阶的相位差为Φ＝2π(n-1)h/λ，其中n为石英材质的折射率，h为相邻台阶的厚度，对405nm波长的激光Φ＝2π，则405nm的蓝光通过后相位分布不会发生改变，而在这种情况下650nm的光的相位改变Φ就不会为2π，通过后就会发生衍射效应，用衍射光的离焦像差补偿了由于DVD盘基厚度增加而造成的球差。

本发明适用于405nm和650nm的光盘，本发明装置能读取蓝光光盘和数字通用光盘，且具有较高的光能利用率，不仅适合于光盘读取信号，还可以用于刻录信号。

Claims

1、一种双波长光学头装置，包括：分别由一个半导体激光器和信号探测器组成的650nm光学系统(7)和405nm光学系统(8)，干涉滤波器(1)，物镜(3)及其驱动器(4)，其特征是在物镜(3)与干涉滤波器(1)之间插入一个波前误差校正元件(2)，而且三者同光轴，所述的物镜(3)和波前误差校正元件(2)通过驱动器(4)连接在一起，在驱动器(4)的驱动下同时移动，所述的波前误差校正元件(2)的基底材料为玻璃(21)，结构上由内向外分为由同心台阶组成的衍射区(22)和外部的滤波区(23)，所述的衍射区(22)材料为石英材质，台阶数为5级或5级以上，相邻台阶之间的相位差为Φ＝2π(n-1)h/λ，其中n为材料的折射率，h为台阶的高度，对于405nm波长光的相位差Φ＝2π；所述的滤波区(23)是在玻璃(21)上镀一层滤波介质膜，该介质膜对405nm的光透过，而对650nm的光反射。

2、根据权利要求1所述的双波长光学头装置，其特征在于所述的衍射区(22)的直径小于物镜(3)的有效直径。

3、根据权利要求1所述的双波长光学头装置，其特征在于所述的物镜(3)对405nm的光的数值孔径NA为0.85。