CN1753091A - 多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法 - Google Patents

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Abstract

一种多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,涉及的调焦装置是:激光器发出并经过准直后的激光经入射透镜聚焦倾斜射入光盘表面,在光盘的信息记录面上反射后经过反射透镜聚焦成像,再经成像点处设置的富科棱镜,通过两象限光电接收器接收光斑形成离焦信号;其方法如下:1)使光盘由远离激光焦点的位置向激光焦点移动以实现粗调焦;2)激光经上述调焦装置在两象限光电接收器面上形成光斑;3)设离焦信号T为两象限光电接收器的上象限光电流与下象限光电流的差与总光电流之比;4)用T控制两透镜的位置的二维力矩器改变两透镜的位置以减小离焦量;5)重复上述2)至4)的过程,直到实现激光聚焦点在光盘信息记录面上的准确聚焦照明为止。

Description

多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法
技术领域
本发明涉及光存储技术,特别是涉及一种多层光盘在光存储读出写入时使用富科棱镜的调焦方法。
背景技术
高密度大容量数据存储是信息科学中的关键研究领域,下一代超高密度光存储器将建立在突破衍射分辨率极限的近场光学存储技术或突破光盘平面限制的三维光学体存储技术之上。其中三维光存储主要有两种方式:一是全息体存储,二是多层位存储。全息体存储因为其误码率难于控制,目前距离实用化的大容量数据存储还比较远,多层位存储是实现三维光存储唯一可能途径。
现已提出的多层光存储方法有许多种,其中主要有:双光子多层存储技术、荧光多层存储技术和波导多层存储技术,但无论它们之中的哪一种技术在实用中都会遇到对于多层光存储信息面的准确自动调焦问题。因为现在单(双)层光存储使用的垂直入射垂直反射的自动调焦方法都会遇到各层反射光信息不能区分的问题。实际上现有的垂直入射自动调焦方法如富科棱镜法等不能直接用于多层光存储。
垂直入射的富科棱镜方法是从照相机分离棱镜检测离焦的方法发展出来的,它利用棱镜组检测光束在不同离焦位置时的误差信号。富科棱镜由两个光楔组成,实际上是一个顶角接近180度(例如170度)的三棱镜。如图1A所示,正负离焦时,光束的上下两部份分别照射到棱镜的两个不同的斜面上,向不同的方向转向,从而照到连续排列的四个象限的不同象限上形成离焦信号。近焦时,如图1B所示,即光束聚焦到富科棱镜左侧,上半光束照在棱镜的下半斜面同时下半光束照在棱镜的上半斜面上。远焦时,如图1C所示,即光束聚焦到富科棱镜右侧,上半光束照在棱镜的上半斜面同时下半光束照在棱镜的下半斜面上。如图1所示,四象限中的一四象限上得到的光能比较多,是对应着近焦时的情况(如图1B的右图所示);反之,四象限中的二三象限上得到的光能比较多,是对应着远焦时的情况(如图1C的右图所示)。正焦时对应着一四象限和二三象限上光能分布均衡的状态(如图1A的右图所示)。利用一四象限和二三象限光能转化的光电流之差的大小和正负可以对于光学系统实现自动调焦。但是,对于多层光盘来讲,每一层反射光都重叠在同一个四象限探测器上而无法分清,因此无法对于每一层进行调焦。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种能方便地分离光盘各层信息,避免层间信息的相互串扰的多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法。
为了解决上述技术问题,本发明所提供的一种多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,所述多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法涉及的多层光盘的调焦装置,包括激光器、入射透镜、多层光盘、反射透镜、富科棱镜和两像限光电接收器;其光路调焦装置的基本结构是:激光器发出的并经过准直后的激光经过入射透镜聚焦倾斜射入光盘表面,所述激光在光盘的信息记录面上反射后经过反射透镜聚焦成像,再经过成像点处设置的富科棱镜,通过两像限光电接收器接收光斑形成离焦误差信号;由离焦信号大小和符号判断光盘离焦量的大小及光盘位置,从而进行调焦。调整透镜和光盘之间的距离,使得激光焦点跟随光盘盘面的端面跳动不断调整并一直聚焦在光盘信息记录面附近,让光盘的信息面始终处于透镜的焦深之中。
所述调焦方法的具体步骤如下:
1)光盘的粗调焦:用计算机控制的机械的方法使所述调焦装置中的光盘由远离激光焦点的位置向(上)激光焦点的位置移动,使激光焦点到达拟读出的多层光盘的某一层的信息记录面的附近以实现粗调焦;
2)发出激光形成光斑:由激光器发出并经过准直后的激光经过入射透镜聚焦倾斜射入多层光盘的表面,所述激光在所述指定层的信息记录面上反射后经过反射透镜成像,所述激光经过所述成像点处设置的一富科棱镜后在两象限光电探测器的面上形成调焦光信号;
3)计算出离焦信号T:设离焦信号T为两象限光电接收器的上象限光电流与下象限光电流的差与总光电流之比;当存在离焦时,离焦信号T不等于零,否则,离焦信号等于零;T<0时为近焦即入射光焦点未能到光盘表面就会聚起来的情况,T>0为远焦即入射光焦点到光盘表面以后才聚焦的情况;
4)用离焦信号T控制透镜的位移:用计算出的离焦信号T控制所述调焦装置中的两透镜的位置的二维力矩器以改变所述两透镜的位置,使得离焦量减小,从而使光电接收(探测)器面上检测到的像散信号减小;
5)重复上述步骤2)至步骤4)的过程,直到实现多层光盘照明激光聚焦光点在指定层的信息记录面上的准确聚焦照明为止。
较佳地,所述步骤2)中,所述激光与光盘主轴的入射角为45°。
利用本发明提供的多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,由于斜入射使反射像均偏离光轴,不同层的反射像偏离量的大小均不相同,只有被选择进行调焦的信息记录层的反射像才在光轴上或离光轴很近。因此可以用倾斜入射光聚焦于被选择进行调焦的信息记录层上,用置于光轴上的富科棱镜进行选取反射光,使光学系统中的光电接收器只接收到需要的信号,滤除其它所有各层的反射光,从而解决层间信息的相互串扰的问题,实现数据读出系统的自动调焦;由于采用根据上述方法构成的多层光盘调焦方法,其优点是,可以方便分离光盘各层信息,实现多层光盘存储的自动调焦。而且,由于采用了两象限光电接收器接收存在垂直光轴的分量,而不使用垂直入射富科棱镜调焦方法中的四象限光电接收器接收,使单层光存储使用的富科棱镜调焦方法能应用在采用倾斜入射时的多层光存储的调焦装置中。
附图说明
图1是现有技术中单层光盘垂直入射富科棱镜方法调焦光路的原理图;
图2是本发明实施例的多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法的原理示意图;
图3是本发明实施例中二象限接收器的几何形状图;
图4是本发明实施例中正负离焦时激光在光盘处反射情况的示意图;
图5是本发明实施例中斜入射多层光盘调焦时富科棱镜上光斑变化情况的示意图;
图6是本发明实施例中有误差时斜入射富科棱镜方法探测离焦信号的原理图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述,但本实施例并不用于限制本发明,凡是采用本发明的相似结构、方法及其相似变化,均应列入本发明的保护范围。
为了解决每层反射像的分离问题,本发明的实施例采用倾斜入射的技术方案。当存在离焦量时,由于是倾斜入射,如图4所示,不论近焦(如图4B所示)还是远焦(如图4A所示),离焦不但引起物点从正焦位置(图4中虚线会聚处)发生轴向移动ds2,还会引起离轴位移ds1。物点轴向移动以及由此产生的像点移动可以通过富科棱镜得到调焦信号,同时离轴位移以及由此产生的像点离轴运动,可以使每层信号分离开。但是这两种位移的影响并没有办法可以分开,而且由于离轴位移产生的像点位移对于通过富科棱镜后光能在四象限探测器上分布的影响远大于物点轴向移动即离焦量的影响,单层光存储使用的富科棱镜调焦法在采用倾斜入射时的多层光存储情况下并不可以直接利用。
本发明的关键在于改变单层光存储使用的富科棱镜调焦时用的四象限光电接收器为两像限光电接收器(如图3所示)。利用45度入射时离轴位移与轴向移动相等的特点,尽管离轴位移会在富科棱镜顶棱所在的垂直于光轴平面产生的投影圆,但是其半径总是比经过成像物镜放大后的像点离轴位移小,如图5A所示。因此近焦时的像点在光轴上方,如图5B所示,光束全部会落在富科棱镜的上半部,在折射后照明处于光轴以下的两象限接收器的下象限,反之,远焦时的像点在光轴上方,如图5C所示,光束全部会落在富科棱镜的下半部,在折射后照明处于光轴以上的两象限接收器的上象限。因而倾斜入射时离焦量的存在,可以用富科棱镜对于离焦引起的离轴位移的敏感特性检测出来。
本发明提供的一种多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法所涉及的多层光盘的调焦装置,参见图2所示,包括激光器1、入射透镜2、多层光盘3、反射透镜4、富科棱镜5和两像限光电接收器6;其如图2所示的光路,光路调焦装置的基本结构是:激光器1发出的并经过准直后的激光经过入射透镜2聚焦倾斜射入光盘3表面,所述激光在光盘3的信息记录面上反射后经过反射透镜4聚焦成像,再经过成像点处设置的富科棱镜5,通过两像限光电接收器6接收光斑形成离焦误差信号;由离焦信号大小和符号判断光盘离焦量的大小及光盘位置,从而进行调焦。调整透镜和光盘之间的距离,使得激光焦点跟随光盘盘面的端面跳动不断调整并一直聚焦在光盘信息记录面附近,让光盘的信息面始终处于透镜的焦深之中。
本发明实施例所提供的一种多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,其具体步骤如下:
1)光盘的粗调焦:用计算机控制的机械的方法使图2中所示的光盘3由远离激光焦点的位置向(上)激光焦点的位置移动,以接近激光的焦点,实现粗调焦,使激光焦点到达拟读出的多层光盘的某一层的信息记录面的附近;
2)发出激光形成调焦光信号;按照如图2所示的光路,由激光器发出并经过准直后的激光1倾斜照向多层光盘3的表面,所述激光经过入射透镜2聚焦于光盘指定层的信息记录面的附近,所述激光在所述指定层的信息记录面上反射后经过反射透镜4成像,所述激光经过成像点处设置的富科棱镜5,在两象限光电接收(探测)器6的面上形成调焦光信号;根据入射角等于反射角的原理,一富科棱镜5与光盘3轴线的角度应等于所述激光与光盘3轴线的入射角;光电接收(探测)器面上形成调焦光信号如图5中的右图所示;如果聚焦良好,如图5A中的右图所示,在接收器上形成两个半圆光斑分在两个象限上;如果存在离焦,则形成圆光斑,如图5B或图5C中的右图所示,落在其中接收器的一个象限上;如果存在系统误差,聚焦良好时形成小圆光斑光斑落在其中接收器的一个象限上,如图6A中的右图所示;在较佳的情况下,激光与光盘主轴的入射角为45°;
3)计算出离焦信号T:根据两象限光电接收器的转换得到的电流信号计算出离焦量的大小和方向;设离焦信号T为两象限光电接收器的上象限光电流与下象限光电流的差与总光电流之比;当存在离焦时,离焦信号T不等于零,否则,离焦信号等于零;T<0时为近焦即入射光焦点未能到光盘表面就会聚起来的情况,T>0为远焦即入射光焦点到光盘表面以后才聚焦的情况;因此,根据T的符号可以进行自动调焦;而且,在较佳的情况下,入射45°时离轴位移与轴向移动相等,造成离轴位移在富科棱镜顶棱所在的垂直于光轴平面产生的投影圆半径小于经过成像物镜放大后的像点离轴位移,离焦信号T不是+1就是-1;不考虑系统误差情况下,近轴光学的模拟计算表明其调焦精度可以达到0.1微米;
4)用离焦信号T控制透镜的位移:用计算出的离焦信号T控制安装两透镜的二维力矩器改变两透镜的位置,使得离焦量减小,从而使光电接收(探测)器上检测到的调焦误差信号减小;
5)重复上述步骤2)至步骤4)的过程,直到实现多层光盘照明激光聚焦光点在指定层的信息记录面上的准确聚焦照明为止。
实际光学系统制造安装时总会存在一些误差,这些误差对于倾斜入射富科棱镜调焦方法的应用都会有影响。图6所示为富科棱镜在安装到光路中的时候必然会存在的一种误差,即物镜光轴与富科棱镜顶角平分线平行但是光轴不通过富科棱镜顶点的偏离量。实际的光路误差当然不止这一种,但是其他误差存在时的富科棱镜方法得到的离焦信号都可以由这种光路产生的离焦信号推广得到,比如光轴与富科棱镜顶角平分线不平行同时光轴也不通过富科棱镜顶点的误差,可以由上述误差在一个光楔作用下产生偏转得到。下面对该误差的影响进行分析。
在一般加工精度下,物镜光轴与富科棱镜顶角平分线平行但是光轴不通过富科棱镜顶点的偏离量可以达到微米量级,可以假设偏离量为e=0.005mm;参见图6A所示,没有离焦时像点光束就全部投影到棱镜的上半部;仅一个象限上会有信号(形成圆光斑),另外一个象限上信号为零,出现调焦信号不为零的现象。在倾斜入射情况下,当存在离焦量时,不仅存在光束的轴向移动,使得在富科棱镜上形成圆光斑,而且光束产生偏轴位移,再加上富科棱镜的偏心量e,都会对调焦信号造成一定的影响。如果光束偏轴位移和富科棱镜偏心量方向一致,参见图6B所示,二者影响可以互相抵消掉一部分,其总影响为二者的差值;如果二者方向相反,参见图6C所示,则二者总影响为叠加后的效果。计算表明离焦信号等于零时,反而存在一个微小的大约0.1微米离焦,因此此时光学系统的误差会带来调焦误差,但是该调焦误差仍然在光盘读出系统允许的范围内(一般允许0.5微米)。也就是说,用斜入射富科棱镜法对多层光盘调焦又存在误差时,按照离焦信号T等于零进行调焦,尽管会有一个小的偏离量,还是可以完成调焦任务的。

Claims (2)

1、一种多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,其特征在于,所述方法涉及的光路调焦装置的基本结构是:激光器发出的并经过准直后的激光经过入射透镜聚焦倾斜射入光盘表面,所述激光在光盘的信息记录面上反射后经过反射透镜聚焦成像,再经过成像点处设置的富科棱镜,通过两象限光电接收器接收光斑形成离焦信号;所述调焦方法的具体步骤如下:
1)光盘的粗调焦:用计算机控制的机械的方法使所述调焦装置中的光盘由远离激光焦点的位置向激光焦点的位置移动,以实现粗调焦;
2)发出激光形成光斑:由激光器发出并经过准直后的激光经过入射透镜聚焦倾斜射入多层光盘的表面,所述激光在所述指定层的信息记录面上反射后经过反射透镜成像,所述激光经过所述成像点处设置的一富科棱镜后在所述两象限光电探测器的面上形成调焦光信号;
3)计算出离焦信号T:设离焦信号T为所述两象限光电接收器的上象限光电流与下象限光电流的差与总光电流之比;当存在离焦时,离焦信号T不等于零,否则,离焦信号等于零;
4)用离焦信号T控制透镜的位移:用计算出的离焦信号T控制所述调焦装置中的两透镜的位置的二维力矩器改变所述两透镜的位置,使得离焦量减小;
5)重复上述步骤2)至步骤4)的过程,直到实现多层光盘照明激光聚焦光点在指定层的信息记录面上的准确聚焦照明为止。
2、据权利要求1所述的多层光盘调焦的斜入射富科棱镜方法,其特征是,所述步骤2)中,所述激光与光盘主轴的入射角为45°。
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