專(zhuān)利名稱：用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，屬于光盤(pán)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及彩色數(shù)字多層光盤(pán)光學(xué)頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量要求越來(lái)越大而存取速度要求越來(lái)越快。目前在超大容量數(shù)據(jù)存取方面大多數(shù)采用光盤(pán)庫(kù)、光盤(pán)塔以及磁盤(pán)列陣等手段。而單片光盤(pán)或磁盤(pán)的數(shù)據(jù)容量相對(duì)小而存取速度相對(duì)慢。增加單片光盤(pán)存儲(chǔ)維度是提高光存儲(chǔ)容量的有效方法，例如在數(shù)字多用途盤(pán)(Digital Versatile Disc-DVD)中采用了四種多層存儲(chǔ)方式，即單面單層、單面雙層、雙面單層以及雙面雙層。在已經(jīng)商品化的DVD光學(xué)頭中，光盤(pán)信息的讀、寫(xiě)是分層進(jìn)行的，而且都采用單光束串行方式。其讀寫(xiě)原理如圖一所示，激光器1發(fā)出單波長(zhǎng)光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2成平行光束，射向偏振分光鏡3，經(jīng)1/4波片4射向物鏡5，將光束聚焦在光盤(pán)6讀寫(xiě)面上。經(jīng)讀寫(xiě)面的反射光束沿原路返回經(jīng)物鏡5、1/4波片4射向偏振分光鏡3，反射光束經(jīng)會(huì)聚透鏡7，將光束聚焦在光電探測(cè)器8上。進(jìn)行讀寫(xiě)。其缺點(diǎn)如下1、DVD光盤(pán)數(shù)據(jù)由單光束串行寫(xiě)入和串行讀出，其讀寫(xiě)速度難于提高。
2、目前由于盤(pán)片各記錄層使用不同的透反射比，記錄層只能做到兩層，故難于提高存儲(chǔ)維度。其存儲(chǔ)容量也難于提高。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，它所涉及的彩色多層光盤(pán)在盤(pán)結(jié)構(gòu)和信號(hào)存儲(chǔ)原理等方面有別于現(xiàn)有的DVD光盤(pán)。DVD光盤(pán)使用單光束串行讀寫(xiě)而設(shè)計(jì)的合光裝置可對(duì)彩色多層多階光盤(pán)進(jìn)行并行讀寫(xiě)，有效提高光盤(pán)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率和存儲(chǔ)容量。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，共有三種結(jié)構(gòu)，其中的第一種合光裝置包括激光器和合光器，合光器由準(zhǔn)直透鏡和合光棱鏡組成，合光棱鏡的頂角為銳角；激光器和準(zhǔn)直透鏡分別有多個(gè)，各激光器位于各自準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡置于激光器與合光棱鏡之間，由激光器發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后分別以不同的入射角進(jìn)入合光棱鏡的同一側(cè)，多束光從合光棱鏡的另一面射出后成同軸平行光束，多波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
另一種結(jié)構(gòu)包括激光器和括合光器，所述的合光器由準(zhǔn)直透鏡和二個(gè)等腰直角棱鏡組成；所述的激光器有四個(gè)，四個(gè)激光器光源的光軸相互垂直，并處同一平面；所述的準(zhǔn)直透鏡有四個(gè)，四個(gè)激光器分別位于四個(gè)準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上；等腰直角棱鏡有二個(gè)，尺寸不同，二個(gè)等腰直角棱鏡的相互位置為小棱鏡的一個(gè)直角面與大棱鏡的斜面相重合或隔有間隙，小棱鏡的另一個(gè)直角面與大棱鏡的頂角棱線相平行，直角棱鏡置于四個(gè)激光器中間，使其中一束光從大棱鏡的斜面垂直入射，一束光從小棱鏡的斜面入射，大棱鏡二個(gè)相互垂直的直角面位于另外二束光線的交點(diǎn)上，光束從小棱鏡的另一個(gè)直角面射出成四波長(zhǎng)同軸平行光，四波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
第三種結(jié)構(gòu)包括激光器和合光器，所述的合光器由一個(gè)準(zhǔn)直透鏡、一個(gè)等腰直角棱鏡、一個(gè)內(nèi)角為45°的平行四邊形棱鏡和一個(gè)底角為45°的等腰梯形棱鏡構(gòu)成，三個(gè)棱鏡的相互位置為等腰直角棱鏡的一個(gè)直角邊和平行四邊形棱鏡的短邊相重合，斜邊和長(zhǎng)邊垂直；平行四邊形棱鏡的另一短邊和等腰梯形棱鏡的一條腰位于同一平面上，而等腰梯形棱鏡的底邊和平行四邊形棱鏡的長(zhǎng)邊相交成90°；準(zhǔn)直透鏡位于等腰梯形棱鏡另一條腰的外側(cè)，所述的激光器有四個(gè)，光軸相互平行，光軸距離相等并位于同一平面內(nèi)，中間兩束光射入位于同一平面的平行四邊形棱鏡的一短邊和等腰梯形棱鏡的一條腰上；外邊的兩束光分別射入等腰梯形棱鏡的上底和平行四邊形棱鏡的長(zhǎng)邊上，四束光線經(jīng)過(guò)各棱鏡后，從等腰梯形棱鏡的另一腰射出，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直射出為四波長(zhǎng)同軸平行光，四波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多光束表面耦合，為彩色數(shù)字多層多階光盤(pán)的縱向并行高速讀、寫(xiě)提供有效光源。應(yīng)用這種多波長(zhǎng)同軸光束并行讀寫(xiě)彩色多層光盤(pán)可以大幅度提高光盤(pán)的存儲(chǔ)容量及信號(hào)的讀、寫(xiě)速度。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為目前光盤(pán)讀寫(xiě)原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)原理示意圖。
圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的設(shè)計(jì)的用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置的又一種結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明讀寫(xiě)原理和實(shí)施例圖1-圖5中，1是激光器，2是準(zhǔn)直透鏡，3是偏振分光棱鏡，4是1/4波片，5是消色差物鏡，6是光盤(pán)，7是成像透鏡，8是探測(cè)器，9是多波長(zhǎng)分光探測(cè)器，10是彩色多層多階光盤(pán)，11是激光器，12是合光器，13是準(zhǔn)直透鏡，14是合光棱鏡，15、16是等腰直角棱鏡，17是四邊形棱鏡，18是等腰直角棱鏡，19是等腰梯形棱鏡。
如圖2所示，盤(pán)片的記錄層由彩色多層介質(zhì)膜構(gòu)成，分別由不同的波長(zhǎng)讀寫(xiě)。通過(guò)圖2說(shuō)明讀寫(xiě)原理，由N個(gè)激光器11發(fā)出的λi(i＝1，2，…n)波長(zhǎng)多光束，經(jīng)多光束表面耦合合光器12射出多波長(zhǎng)λi同軸平行光束，經(jīng)偏振分光棱鏡3、1/4波片4以及消色差物鏡5的傳遞后，聚焦到光盤(pán)10(物理尺寸與DVD兼容)的彩色多層介質(zhì)面上，彩色多層介質(zhì)厚度小于消色差物鏡5的焦深。由于光盤(pán)介質(zhì)層外側(cè)鍍?nèi)瓷鋵?，從反射層反射光?jīng)介質(zhì)層吸收后的彩色信號(hào)經(jīng)消色差物鏡5、1/4波片4、偏振分光棱鏡3反射后到達(dá)多波長(zhǎng)分光探測(cè)器9上。經(jīng)多波長(zhǎng)分光探測(cè)器9作用，各彩色信號(hào)光以不同角度成象在各自光電接受器上，由光電接受器取出光盤(pán)各層面的信號(hào)。寫(xiě)入時(shí)控制N個(gè)激光器的各寫(xiě)入光強(qiáng)Ii，Ii大于各寫(xiě)入閾值Iwi并分階，寫(xiě)入光強(qiáng)Ii跟隨寫(xiě)入的數(shù)據(jù)變化，這樣就可實(shí)現(xiàn)彩色多層盤(pán)數(shù)據(jù)的縱向并行寫(xiě)入；讀出時(shí)，讀出光強(qiáng)IRi遠(yuǎn)小于Iwi，而IRi不隨時(shí)間變化，從接收器可取出各介質(zhì)層的信號(hào)，這樣就可實(shí)現(xiàn)彩色多層盤(pán)數(shù)據(jù)的縱向并行讀出。為了實(shí)現(xiàn)彩色多層光盤(pán)的縱向并行讀、寫(xiě)，現(xiàn)有DVD光學(xué)頭結(jié)構(gòu)不能滿足要求。本發(fā)明的目的就是通過(guò)增加盤(pán)片色彩層和多波長(zhǎng)光束耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色多層信號(hào)的并行讀、寫(xiě)。從而有效提高光盤(pán)信息讀寫(xiě)速率和存儲(chǔ)容量。按現(xiàn)有DVD編碼方式，彩色多層光盤(pán)并行讀寫(xiě)速度為現(xiàn)有DVD光盤(pán)的Nlog2M倍，而存貯容量為NDlog2M倍。其中，N為層數(shù)，M為階數(shù)，D為現(xiàn)有單面DVD光盤(pán)數(shù)據(jù)容量。
本發(fā)明是用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，按照多波長(zhǎng)光束耦合方式分為色散棱鏡耦合、直角棱鏡組耦合和多棱鏡組耦合三種。
第一種設(shè)計(jì)的合光棱鏡結(jié)構(gòu)裝置如圖3所示。
N個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列11在同一垂面內(nèi)，發(fā)射的多個(gè)光束，經(jīng)各自的準(zhǔn)直透鏡13成平行光束并以不同入射角入射到合光棱鏡14入射面141的同一位置上，合光棱鏡14的入射面141和出射面142之間夾角在10°至70°之間，經(jīng)合光棱鏡的合光作用使各個(gè)光束疊合成同軸平行光射出。射出的同軸平行光和色散棱鏡14出射面142垂直。為了達(dá)到此目的，根據(jù)光折射色散理論，要合理安排各個(gè)激光光束的入射角，并且需用微準(zhǔn)直透鏡13使每一光束變成平行光后入射到棱鏡表面。通常需要把發(fā)射不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器集成在同一個(gè)芯片上，激光器之間的距離和激光器光束發(fā)射方向應(yīng)滿足耦合要求。選擇色散系數(shù)大的棱鏡材料。棱鏡結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器集成結(jié)構(gòu)可以有不同方式。為了減少光能損失，棱鏡各通光表面要鍍多色增透膜。由于彩色多層光盤(pán)的記錄介質(zhì)不同，使用的波長(zhǎng)不同，故各波長(zhǎng)的入射角不同，入射角根據(jù)棱鏡材料、頂角和波長(zhǎng)計(jì)算。
第二種設(shè)計(jì)的四光束直角棱鏡組耦合結(jié)構(gòu)裝置如圖4所示。
此結(jié)構(gòu)由四個(gè)激光器11，四個(gè)準(zhǔn)直透鏡13，等腰直角棱鏡15、16組成。等腰直角棱鏡15的尺寸是等腰直角棱鏡16尺寸的二分之一。四個(gè)激光器11分別位于四個(gè)準(zhǔn)直透鏡13的焦點(diǎn)上，等腰直角棱鏡15、16按圖四所示光膠合而成。光束通過(guò)光膠合面無(wú)光能損失。四個(gè)激光器11經(jīng)各自的準(zhǔn)直透鏡13成四束平行光束射出。四平行光束共面且相互垂直。其中一束平行光垂直入射到直角棱鏡16的斜面161上，等腰直角棱鏡15、16其它入射面151、163、162分別位于其它三束平行光束交點(diǎn)上，如圖四所示。經(jīng)等腰直角棱鏡15、16的合光作用，從出射面152射出四波長(zhǎng)同軸平行光。該合成平行光束用于讀寫(xiě)。等腰直角棱鏡15、16的反射面要鍍單色或多色全反膜，透射面鍍?cè)鐾改?。四個(gè)準(zhǔn)直透鏡13和等腰直角棱鏡15、16可用集成光學(xué)的方法制造，或用模壓制造，以減小光學(xué)頭體積和重量。
第三種設(shè)計(jì)的四光束棱鏡組耦合結(jié)構(gòu)裝置如圖5所示。
此結(jié)構(gòu)裝置由四個(gè)激光器11、平行四邊形棱鏡17、等腰直角棱鏡18、等腰梯形棱鏡19以及準(zhǔn)直透鏡13組成。等腰梯形棱鏡19底角為45°，平行四邊形棱鏡17的一個(gè)內(nèi)角為45°，各元件的位置放置如下等腰直角棱鏡18和平行四邊形棱鏡17按圖五所示光膠合而成，光束經(jīng)光膠合面無(wú)光能損失；等腰梯形棱鏡19的入射面191和平行四邊形棱鏡17的入射面171共面，面171與面173的棱線和面191與面194的棱線重合；準(zhǔn)直透鏡13位于等腰梯形棱鏡19出射面193的外側(cè)；四個(gè)激光器11分別位于準(zhǔn)直透鏡13的焦點(diǎn)上。四個(gè)激光器11發(fā)出光束的軸線共面并相互平行，其間距相等。中間的兩個(gè)激光器發(fā)出的軸線光分別垂直入射到平行四邊形棱鏡17的入射面171上和等腰梯形棱鏡19的入射面191上。各入射點(diǎn)如圖五所示。經(jīng)平行四邊形棱鏡17、直角棱鏡18和等腰梯形棱鏡19的透反作用，將四束非同軸光耦合成多波長(zhǎng)同軸光，從出射面193垂直射出，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡13射出多波長(zhǎng)同軸平行光束用于讀寫(xiě)。各棱鏡的反射面要鍍單色或多色全反膜，透射面鍍?cè)鐾改ぁ?zhǔn)直透鏡和各棱鏡可用集成光學(xué)的方法制造或用模壓制造，以減小光學(xué)頭體積和重量。
本發(fā)明實(shí)施例如圖2所示，采用4波長(zhǎng)4階雙面8層彩色多層多階光盤(pán)并行讀寫(xiě)的總體結(jié)構(gòu)。由控制器處理，其中一束光進(jìn)行尋址、尋跡、調(diào)焦并兼有讀寫(xiě)功能，其它光束進(jìn)行讀寫(xiě)。讀寫(xiě)一面，再讀寫(xiě)另一面。激光器11分別發(fā)出波長(zhǎng)為780nm、650nm、550nm、480nm的四光束。波長(zhǎng)650nm的光束作為尋址光束。各光束經(jīng)用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置耦合成同軸光束，同軸光束經(jīng)偏振分光鏡4和1/4波片5，再經(jīng)數(shù)值孔徑為0.6的消色差物鏡6聚焦在光盤(pán)10的記錄介質(zhì)層上；聚焦光束經(jīng)盤(pán)片反射層反射后沿原路返回，經(jīng)消色差物鏡6、1/4波片5和偏振分光鏡4，偏振分光鏡4將多波長(zhǎng)同軸光束反射到四光束分光探測(cè)裝置9上。按照前述原理進(jìn)行讀寫(xiě)。在本實(shí)施例中讀寫(xiě)彩色多層多階光盤(pán)的合光裝置選用上述三種光耦合結(jié)構(gòu)裝置中的任意一種。在使用第一種色散棱鏡合光裝置時(shí)，色散棱鏡材料選用重火石玻璃ZK14，頂角為30°。780nm、650nm、550nm、480nm波長(zhǎng)所形成的平行光束，分別以入射角71°9′、72°19′、74°32′26″、77°16′8″入射到合光色散棱鏡而形成多波長(zhǎng)同軸平行光束進(jìn)入系統(tǒng)。
按照目前DVD編碼格式記錄數(shù)據(jù)，4波長(zhǎng)4階單面4層多色介質(zhì)光盤(pán)并行讀寫(xiě)存儲(chǔ)容量高達(dá)35Gb以上，而4波長(zhǎng)4階雙面8層多色介質(zhì)光盤(pán)并行讀寫(xiě)存儲(chǔ)容量高達(dá)70 Gb以上。若采用新的層間編碼方式，還可減少冗余數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量還可進(jìn)一步提高。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，包括激光器，其特征在于還包括合光器，所述的合光器由準(zhǔn)直透鏡和合光棱鏡組成，合光棱鏡的頂角為銳角；激光器和準(zhǔn)直透鏡分別有多個(gè)，各激光器位于各自準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡置于激光器與合光棱鏡之間，由激光器發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后分別以不同的入射角進(jìn)入合光棱鏡的同一側(cè)，多束光從合光棱鏡的另一面射出后成同軸平行光束，多波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
2.一種用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，包括激光器，其特征在于還包括合光器，所述的合光器由準(zhǔn)直透鏡和二個(gè)等腰直角棱鏡組成；所述的激光器有四個(gè)，四個(gè)激光器光源的光軸相互垂直，并處同一平面；所述的準(zhǔn)直透鏡有四個(gè)，四個(gè)激光器分別位于四個(gè)準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上；等腰直角棱鏡有二個(gè)，尺寸不同，二個(gè)等腰直角棱鏡的相互位置為小棱鏡的一個(gè)直角面與大棱鏡的斜面相重合或隔有間隙，小棱鏡的另一個(gè)直角面與大棱鏡的頂角棱線相平行，直角棱鏡置于四個(gè)激光器中間，使其中一束光從大棱鏡的斜面垂直入射，一束光從小棱鏡的斜面入射，大棱鏡二個(gè)相互垂直的直角面位于另外二束光線的交點(diǎn)上，光束從小棱鏡的另一個(gè)直角面射出成四波長(zhǎng)同軸平行光，四波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
3.一個(gè)用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置，包括激光器，其特征在于還包括合光器，所述的合光器由一個(gè)準(zhǔn)直透鏡、一個(gè)等腰直角棱鏡、一個(gè)內(nèi)角為45°的平行四邊形棱鏡和一個(gè)底角為45°的等腰梯形棱鏡構(gòu)成，三個(gè)棱鏡的相互位置為等腰直角棱鏡的一個(gè)直角邊和平行四邊形棱鏡的短邊相重合，斜邊和長(zhǎng)邊垂直；平行四邊形棱鏡的另一短邊和等腰梯形棱鏡的一條腰位于同一平面上，而等腰梯形棱鏡的底邊和平行四邊形棱鏡的長(zhǎng)邊相交成90°；準(zhǔn)直透鏡位于等腰梯形棱鏡另一條腰的外側(cè)，所述的激光器有四個(gè)，光軸相互平行，光軸距離相等并位于同一平面內(nèi)，中間兩束光射入位于同一平面的平行四邊形棱鏡的一短邊和等腰梯形棱鏡的一條腰上；外邊的兩束光分別射入等腰梯形棱鏡的上底和平行四邊形棱鏡的長(zhǎng)邊上，四束光線經(jīng)過(guò)各棱鏡后，從等腰梯形棱鏡的另一腰射出，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直射出為四波長(zhǎng)同軸平行光，四波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字彩色多層多階光盤(pán)讀寫(xiě)的合光裝置,包括激光器和合光器,合光器由準(zhǔn)直透鏡和合光棱鏡等組成,由激光器發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后從合光棱鏡的另一面射出后成同軸平行光束,多波長(zhǎng)同軸平行光束用于彩色多層多階光盤(pán)的讀寫(xiě)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多光束表面耦合,為彩色數(shù)字多層多階光盤(pán)的縱向并行高速讀、寫(xiě)提供有效光源。應(yīng)用這種多波長(zhǎng)同軸光束并行讀寫(xiě)彩色多層光盤(pán)可以大幅度提高光盤(pán)的存儲(chǔ)容量及信號(hào)的讀、寫(xiě)速度。
文檔編號(hào)G11B7/1372GK1266260SQ0010323
公開(kāi)日2000年9月13日 申請(qǐng)日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者徐端頤, 齊國(guó)生, 鞏馬理, 閆平, 廖寧放 申請(qǐng)人:清華大學(xué)