專利名稱：三維多色存儲光學(xué)頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維多色存儲光學(xué)頭，屬三維數(shù)字光存儲技術(shù)領(lǐng)域。
信息數(shù)據(jù)的存儲容量要求越來越大而存取速度要求越來越快。目前在超大容量數(shù)據(jù)存取方面大多數(shù)采用光盤庫、光盤塔以及磁盤列陣等手段。而單片光盤或磁盤的數(shù)據(jù)容量相對小而存取速度相對慢。增加單片光盤存儲維度是提高光存儲容量的有效方法，例如在數(shù)字多用途盤(Digital Versatile Disc-DVD)中采用了四種多層存儲方式，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，光盤信息的讀、寫是分層進行的，而且都采用單光束串行方式。其讀寫原理如圖1所示，激光器發(fā)出單波長光束經(jīng)準直透鏡成平行光束，射向偏振分光鏡，經(jīng)1/4波片射向物鏡，將光束聚焦在光盤讀寫面上。經(jīng)讀寫面的反射光束沿原路返回經(jīng)物鏡、1/4波片射向偏振分光鏡，反射光束經(jīng)會聚透鏡，將光束聚焦在光電探測器上。進行讀寫。其缺點如下1、DVD光盤數(shù)據(jù)由單光束串行寫入和串行讀出，其讀寫速度難于提高。
2、目前由于盤片各記錄層使用不同的透反射比，記錄層只能做到兩層，故難于提高存儲維度。其存儲容量也難于提高。
需要特別指出，在圖1所示系統(tǒng)中，激光器和光電接收器都采用單個元件，因此不能實現(xiàn)多路并行讀取功能。
在三維多色存儲中，無法采用現(xiàn)有的VCD和DVD光學(xué)頭結(jié)構(gòu)，因為存在以下幾個主要問題A.圖1的光路中，由于是多種波長的合成光，那么偏振分光鏡要對這些光都起作用的話，是很困難的。目前生產(chǎn)這種分光鏡的代價很高，而且效果也很不好。
B.1/4波片存在問題。在普通光學(xué)頭中，只用一種波長的光，所以1/4波片可以只對這一種波起作用。而多波長的光通過這1/4波片時就存在問題。所以要對這些合成光都起到1/4波片的作用很難實現(xiàn)。
C.這種結(jié)構(gòu)無法對多種波長的光進行合成和分束，根本無法應(yīng)用到實際當(dāng)中去。
為了實現(xiàn)數(shù)字彩色多層多階光盤記錄信號的縱向并行讀出，就要對彩色信號的復(fù)合光束進行合光和分光處理，本申請人曾經(jīng)提出了合光和分光結(jié)構(gòu)的專利申請，其申請?zhí)枮?0103230.5，名稱為“用于數(shù)字彩色多層多階光盤信號讀出的分光裝置”以及申請?zhí)枮?0103231.3，名稱為“用于數(shù)字彩色多層多階光盤信號讀出的合光裝置”。其中的合光裝置如圖2，分光裝置如圖3。圖2的合光裝置，使用色散棱鏡，由于色散角度不能很大，所以實際應(yīng)用中放置激光器時，要么需要離開色散棱鏡較遠，或者激光器之間的距離很近，有一定的難度。圖3的分光裝置也使用色散棱鏡，同樣由于色散角度問題，探測器的放置和激光器的放置有同樣的問題。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種三維多色存儲光學(xué)頭，以實現(xiàn)三維多色存儲的刻錄和讀出，設(shè)計一種新的更為實用的三維多色存儲的光學(xué)頭，使其容易實現(xiàn)。
本發(fā)明設(shè)計的三維多色存儲光學(xué)頭，包括合光器，反光鏡，消色差物鏡和分光器。合光器由激光器，光纖和光定向耦合器組成，光纖將激光器和光定向耦合器相連。分光器由全息凹面衍射光柵和探測頭組成。光定向耦合器的出射光經(jīng)反光鏡后通過消色差物鏡聚焦到彩色光盤上，由于采用消色差物鏡，這樣聚焦焦點使得波長不同波長的束激光聚焦于同一點，由于多個記錄層全部位于物鏡焦深之內(nèi)，因此不同波長的激光可分別被各個記錄層吸收。被吸收后，經(jīng)彩色光盤的全反射層反射的光通過物鏡入射到全息凹面衍射光柵上，然后將不同波長的光聚焦到探測器頭上。探測器可以根據(jù)探測不同波長的光強變化讀出各記錄層的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的特點是(1)精巧的合光結(jié)構(gòu)。
為了能方便的和光，而又減少光頭的重量，這里采用了定向光纖耦合器。由多個激光器，發(fā)出的不同波長的光由光纖導(dǎo)入，再通過光定向耦合器將這些不同波長的光合成為一束光。由于光的波長不同以及光定向耦合器光能的損耗，會對光能有一些損耗，不過在光頭中，光路距離很短，所以這些損耗對系統(tǒng)的影響很小。而且可以根據(jù)實際情況將合光裝置和光頭分開，把定向耦合器合成的光通過光纖引入到光頭中去，這樣可以進一步減少光頭的重量。
(2)光的偏轉(zhuǎn)入射和實用的分光結(jié)構(gòu)。
考慮到采用偏振分光鏡和1/4波片存在的問題，要把入射光和反射光有效的分開，這里采用了入射光偏轉(zhuǎn)一定角度的方法。只需要偏轉(zhuǎn)很小的角度，就可以把入射光和反射光有效的分離，這樣對實際的光斑影響也很小。如圖所示，入射光偏轉(zhuǎn)角度a，通過聚焦透鏡聚焦到彩色光盤上，進行讀取。這樣入射光和反射光走的就不是同一光路，這樣就可以很方便的對反射光進行處理?？紤]到實際應(yīng)用，分光時，既要盡可能的把不同波長的光分開，而且還要讓光成像，這里采用了全息凹面光柵作為分光元件。由于全息凹面光柵可以將不同波長的光成像到不同的點。這樣不同波長的光通過全息凹面光柵可以成像到不同的點，方便探測器接收。入射光由全息凹面光柵成像到探測器上。
使用這種三維多色存儲光學(xué)頭，可對彩色多層多階光盤進行并行讀寫，有效提高光盤數(shù)據(jù)讀寫速率和存儲容量。并且很容易在實際應(yīng)用中得到推廣，做成產(chǎn)品。


圖1是已有的VCD、DVD光學(xué)頭。
圖2是已有的合光裝置。
圖3是已有的分光裝置。
圖4是本發(fā)明的三維多色存儲光學(xué)頭示意圖結(jié)構(gòu)一圖5是本發(fā)明的三維多色存儲光學(xué)頭示意圖結(jié)構(gòu)二下面就各個結(jié)構(gòu)示意圖詳細說明，圖1～圖5中1是激光器，2是準直透鏡，3是偏轉(zhuǎn)分光鏡，4是1/4波片，5是物鏡，6是光盤，7是會聚透鏡，8是探測器，11是激光器，12是準直透鏡，13是色散棱鏡，14是色散棱鏡，15是會聚透鏡，16是探測器，21～2n是激光器，30～3n是光纖，41是光定向耦合器，42是反光鏡，43是消色差物鏡物鏡，44是彩色光盤，45是凹面全息衍射光柵，51～5n是探測頭，60是合光裝置。
本發(fā)明設(shè)計的三維多色存儲光學(xué)頭，如圖4所示，包括合光器，反光鏡42，消色差物鏡43和分光器。合光器由激光器21～2n、光纖30～3n和光定向耦合器41組成，光纖將激光器和光定向耦合器相連。分光器由全息凹面衍射光柵45和探測頭51～5n組成。光定向耦合器41的出射光經(jīng)反光鏡42后通過消色差物鏡43聚焦到彩色光盤44上，由于采用消色差物鏡，這樣聚焦焦點使得波長不同波長的束激光聚焦于同一點，由于多個記錄層全部位于物鏡焦深之內(nèi)，因此不同波長的激光可分別被各個記錄層吸收。被吸收后，經(jīng)彩色光盤的全反射層反射的光通過物鏡43入射到全息凹面衍射光柵45上，然后將不同波長的光聚焦到探測器頭上。探測器可以根據(jù)探測到的不同波長的光強變化讀出各記錄層的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的可以有兩種不同的結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)如圖4所示。由激光器發(fā)出不同波長的光，通過光纖傳輸，經(jīng)由光定向耦合器合成一束光。合成光通過一個小平面反射鏡以傾斜角a入射到聚焦透鏡，讀寫多色光盤。反射光通過聚焦透鏡再由全息凹面光柵成像到探測器上。第二中結(jié)構(gòu)如圖5所示，是把合光裝置部分和光學(xué)頭分離，合成光通過光纖30引入光學(xué)頭。這樣可以進一步減小光學(xué)頭的重量。
9.實施例本系統(tǒng)中，使用四種不同波長的激光，即780nm、650nm、550nm、480nm波長的激光器。通過光纖由光定向耦合器合光，合成光入射到小平面反射鏡以入射角為a入射到聚焦透鏡。為了將反射鏡和全息凹面光柵分開放置，指定其距離為d’＝5mm，由公式d’＝L’×tg(2a)，取L’＝30mm，可以得到a＝4.731°。使用的全息凹面光柵參數(shù)為球面曲率半徑R＝125mm，凹面光柵直徑5mm2，波段范圍400～800nm，衍射級±1，刻線密度N0＝1000l/mm。
由色散公式sinb+sini＝Nλ進行計算。其中i為光束的入射角，即入射光與全息凹面光柵法線的夾角；b為衍射光束與全息凹面光柵法線的夾角。由以上式子可以算出，當(dāng)取入射角i為15度時，對于波長分別為780nm、6500nm、550nm、480nm的光束的色散角b分別為31.412度，23.028度，16.929度，12.778度；成象平面距離入射點的距離L＝10mm。則光電探測器陣列各單元間的距離d由算式d＝L×tg(Δb)進行計算，其中Ab為兩個相鄰波長光的衍射偏轉(zhuǎn)角度之差。d的計算結(jié)果分別為1.474mm、1.069mm～0.726mm。
權(quán)利要求
1.一種三維多色存儲光學(xué)頭，其特征在于該光學(xué)頭包括合光器，反光鏡，消色差物鏡和分光器；所述的合光器由激光器，光纖和光定向耦合器組成，光纖將激光器和光定向耦合器相連；所述的分光器由全息凹面衍射光柵和探測頭組成；所述的光定向耦合器的出射光經(jīng)反光鏡后通過消色差物鏡聚焦到彩色光盤上，經(jīng)彩色光盤的全反射層反射的光通過物鏡入射到全息凹面衍射光柵上，然后將不同波長的光聚焦到探測器頭上，探測器根據(jù)探測不同波長的光強變化讀出各記錄層的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維多色存儲光學(xué)頭,該光學(xué)頭包括合光器,反光鏡,消色差物鏡和分光器。合光器由激光器,光纖和光定向耦合器組成,光纖將激光器和光定向耦合器相連。分光器由全息凹面衍射光柵和探測頭組成。出射光經(jīng)反光鏡后通過物鏡聚焦到彩色光盤上,經(jīng)反射的光通過物鏡入射到光柵上,然后將不同波長的光聚焦到探測器頭上使用本發(fā)明的光學(xué)頭,可對彩色多層多階光盤進行并行讀寫,有效提高光盤數(shù)據(jù)讀寫速率和存儲容量。
文檔編號G11B7/005GK1270388SQ00109128
公開日2000年10月18日 申請日期2000年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月9日
發(fā)明者徐端頤, 李赫雄, 馬利軍 申請人:清華大學(xué)