CN1971318A - 超分辨位相板 - Google Patents

Abstract

一种应用于光盘系统的超分辨位相板，一种超分辨位相板，它由各向同性的介质构成，该位相板具有同心圆环形的位相分布，其特征在于：该位相板的大小与衍射极限透镜孔径相当，所述环带的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，各环带透过率均为1，归一化半径值为r₁＝0.35、r₂＝0.55，r₃＝1。在保持中心光斑压缩0.8的同时，减小了第一旁瓣的峰值，相对主瓣的比值降为M＝0.07，可以高质量的读出超过衍射极限的信号，从而可以应用于下一代高密度、大容量的光盘系统中。

Description

超分辨位相板

技术领域

本发明属于激光光束波面整形，特别是指采用超分辨技术设计的位相板，实现压缩中心主瓣的条件下获得较大的中心主瓣光强和较小的第一旁瓣强度比。此位相板可以提高光盘的存储容量，应用于下一代光盘系统中。

背景技术

CD和DVD技术目前已经成为广泛应用的商业化产品，但对于下一代高分辨率电视来说，目前的光盘存储容量还远远不够。目前的CD使用780nm的激光，聚焦透镜数值孔径NA＝0.45，轨距为1.6μm，坑长0.8μm，容量为650MB；DVD采用波长650/630nm的激光器，NA＝0.6，轨距0.74μm，坑长0.4μm，存储容量约为4.7GB。

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)成正比，与透镜数值孔径(NA)成反比，可见，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。HD-DVD和BD(蓝光光盘)正是采用这一思路，如果采用405nm波长激光和0.8-0.9数值孔径，光盘存储容量将达到约20GB。

但在蓝光光盘之后，要想用传统方法来增加光盘容量将会变得非常困难，这是因为：一方面，由于技术原因进一步减小激光波长将会非常困难，在紫外区域，激光器的造价和寿命都是很大的问题，在目前来说很难解决；同时，当用紫外光照射时，容易引起塑料基片的老化，对实际应用十分不利。另一方面，高数值孔径非球面透镜制作比较困难，并且即使在物镜很好地校正了像差的情况下，盘片厚度的变化也将引起光程变化，随着数值孔径的增加，这一光程差迅速增大，从而使得读出信号质量下降。

为解决这一问题，提出了几种面向下一代光盘的技术思路，主要有固体浸没透镜(SIL)和Super-RENS等几种。但由于固体浸没透镜是在近场读取信号，很容易受到空气中的灰尘和微粒干扰，而日常生活中这样的灰尘是很难避免的。同样，在利用纳米口径的镀金属膜光纤进行近场记录时也存在这一问题。另外，利用固体浸没透镜方法时，光能的利用率很低。Super-RENS技术，简单地说，就是将一层金属或金属氧化物作为非线性光学薄膜插入一个普通的相变光盘的叠层结构中，这一层和相变记录层形成一个近场结构。当会聚激光光束照射在这个插入层时，会在该层中产生次波长的微小形变，通过这个形变(小孔或小泡)的光能量经近场传播在记录层中形成数十纳米的记录点，从而达到近场记录和读出的目的。但是Super-RENS光盘结构的膜层复杂，超分辨记录点的读出信号对薄膜厚度及均匀性非常敏感，并且该光盘相对于传统的只读式光盘的制作成本高，工艺繁琐。

所以，在不增加聚焦系统复杂程度的前提下，一种易于大量制造的并且可以有效压缩爱里斑，读出突破衍射极限信号的新技术，对于下一代光盘来说是十分有吸引力的。周常河等人曾经给出过用于光盘读取头中的环状结构的超分辨位相板结构，实现了中心主瓣相对于爱里斑的半径压缩比为0.8，但超分辨的结果是第一旁瓣强度太大，相对主瓣的比值为M＝0.13，因此，旁瓣对主瓣的干扰较大，这对实际光盘读取信号造成干扰[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]。

在中国发明专利申请200610018148.6“混合型超分辨光学头”中也提到了一种三环带结构的振幅/相位混合型的超分辨位相板，它的归一化半径为r₁＝0.49、r₂＝0.64，r₃＝1，三区的相位φ₁＝0，φ₂＝π，φ₃＝0，三区的透过率t₁＝0.23，t₂＝1，t₃＝1，它也可以将第一旁瓣强相对主瓣的比值为M＝0.2变为M＝0.135.与在先技术1相当.

发明内容

本发明的目的是提供一种超分辨位相板，达到对中心光斑进行压缩的同时减小第一旁瓣强度比，M＜0.13，进而应用于光盘系统，读出超过衍射极限的信号，从而提高光盘的存储容量。

本发明的技术解决方案如下：

一种超分辨位相板，它由各向同性的介质构成，该位相板具有同心圆环形的位相分布，其特征在于：该位相板的大小与衍射极限透镜孔径相当，所述环带的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，各坏带透过率均为1，归一化半径值为r₁＝0.35、r₂＝0.55，r₃＝1。

本发明的技术效果：

目前研制的超分辨位相板虽然能够实现对中心光斑的压缩，突破衍射极限，但都存在第一旁瓣能量过大的问题，第一旁瓣强度比M≥0.13不适用于光盘系统。本发明在保持中心光斑压缩0.8的同时，减小了第一旁瓣的峰值，相对主瓣的比值降为M＝0.07，这样，相对以前的超分辨位相板，使第一旁瓣强度比有了明显的减小，旁瓣对主瓣的干扰更小，因而具有提高光盘存储容量的应用前景。

附图说明

图1，是本发明超分辨位相板的结构示意图。其中，各内环带半径用r₁、r₂表示，外环半径归一化为r₃＝1，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。

图2，是采用超分辨位相板后激光束光强分布的改变示意图。其中，细黑线L1是无位相板时爱里斑的光强分布；点黑线L2是放入在先技术1中超分辨位相板后光强的分布；粗黑线L3是放入本发明的超分辨位相板后的光强分布。

图3，是对比表。

具体实施方式

本光盘超分辨位相板的制造是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的。其具体步骤如下：

(1)根据衍射透镜孔径和相应的归一化半径计算出各环的半径

(2)利用电子束直写法制作出母版

(3)通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂在以光学玻璃为基底的光刻胶上

(4)利用刻蚀技术将图案刻蚀到光学玻璃上

山衍射光学的理论可知，对于一般的光学系统，设光瞳函数为P(ρ)，其中ρ为归一化半径。根据Born理论，在单色光照明条件下，光学系统焦点附近的振幅分布为

$U(v,\mathrm{\μ})=\underset{0}{\overset{1}{\∫}}P\left(\mathrm{\ρ}\right)\exp (-\mathrm{i\μ}{\mathrm{\ρ}}^2/2)J_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}---\left(1\right)$

式中，J₀(νρ)为零阶Bessel函数，对应于接收面上的径向坐标r，ν＝kr sin(δ)；μ对应于以焦点为原点的轴上坐标z，μ＝4kz(sin(δ)/2)²。其中k＝2π/λ；sin(δ)代表光瞳的数值孔径；λ为光源的波长。

如果位相板位相分布是环形的，平行光通过位相板后的光场分布可以表示为：

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

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

对于二元情形，(2)式可以简化为：

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{2J_1\left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\η}}-[1-\exp \left(i{\mathrm{\φ}}_j\right)]{(-1)}^{N+1}\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^j\×{\mathrm{\α}}_j^2\frac{2J_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}\right)}{{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\η}}---\left(3\right)$

利用公式(3)进行数值计算，得到最优化的位相环的各个半径值，使得保证中心主瓣压缩的同时，取得较小的旁瓣强度比。

图1是本发明用于光盘的超分辨位相板的示意图。各内环带半径用r₁、r₂表示，外环半径归一化为r₃＝1。由图1可见，本发明光盘超分辨位相板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，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；各环带透过率均为1；本发明的外环半径归一化为r₃＝1，内环归一化半径值为r₁＝0.35、r₂＝0.55，得到的第一旁瓣强度比M＝0.07。相对在先技术1(r₁＝0.09、r₂＝0.36，r₃＝1，φ₁＝0，φ₂＝0.9π，φ₃＝0，M＝0.13)来说，通过对归一化半径和位相值的优化，使得旁瓣强度有了很大的减小。相对专利申请200610018148.6(r₁＝0.49、r₂＝0.64，r₃＝1，φ₁＝0，φ₂＝π，φ₃＝0，t1＝0.23，t2＝1，t3＝1，M＝0.135)来说，采用纯位相型结构(t1＝t2＝t3＝1)，避免了由于遮挡通光孔径(t1＝0.23)而引起的光强损失，通过对入射光的位相调制，使得焦面上光强重新分布，在r₁＝0.35、r₂＝0.55，r₃＝1，φ₁＝0，φ₂＝π，φ₃＝0的条件下，取得了M＝0.07＜0.13的优化结果。

应用本发明得到的衍射图样数值模拟图如图2所示。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2可见，在同样G＝0.8的情况下，与在先技术1中的超分辨位相板相比，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0.07，更接近理想情况下爱里斑第一旁瓣对主瓣的比值0.02，因此，第一旁瓣对主瓣的干扰也就降低，这对超分辨位相板的应用具有重要的实际意义。从图2中可以明显看出本发明的光盘超分辨位相板在压缩中心主瓣的同时，也有效地抑制了第一旁瓣比。具体数值如图3所示.

显然，本发明在保持中心光斑压缩的同时，使第一旁瓣强度比有了明显的抑制，因而应用于下一代光盘系统，可以有效的读出超过衍射极限的信号，这对超分辨位相板的应用，以提高光盘存储容量的具有重要意义。

Claims (1)

1、一种超分辨位相板，它由各向同性的介质构成，该位相板具有同心圆环形的位相分布，其特征在于：该位相板的大小与衍射极限透镜孔径相当，所述环带的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，各环带透过率均为1，归一化半径值为r₁＝0.35、r₂＝0.55，r₃＝1。

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