专利名称：用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，属于光盘机的设计技术领域，特别涉及彩色数字多层光盘光学头的结构设计。
信息数据的存储容量要求越来越大而存取速度要求越来越快。目前在超大容量数据存取方面大多数采用光盘库、光盘塔以及磁盘列阵等手段。而单片光盘或磁盘的数据容量相对小而存取速度相对慢。增加单片光盘存储维度是提高光存储容量的有效方法，例如在数字多用途盘(Digital Versatile Disc-DVD)中采用了四种多层存储方式，即单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层。在已经商品化的DVD光学头中，光盘信息的读、写是分层进行的，而且都采用单光束串行方式。其读写原理如图一所示，激光器1发出单波长光束经准直透镜2成平行光束，射向偏振分光镜3，经1/4波片4射向物镜5，将光束聚焦在光盘6读写面上。经读写面的反射光束沿原路返回经物镜5、1/4波片4射向偏振分光镜3，反射光束经会聚透镜7，将光束聚焦在光电探测器8上。进行读写。其缺点如下1、DVD光盘数据由单光束串行写入和串行读出，其读写速度难于提高。
2、目前由于盘片各记录层使用不同的透反射比，记录层只能做到两层，故难于提高存储维度。其存储容量也难于提高。
本发明的目的是设计一种用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，它所涉及的彩色多层光盘在盘结构和信号存储原理等方面有别于现有的DVD光盘。DVD光盘使用单光束串行读写而设计的合光装置可对彩色多层多阶光盘进行并行读写，有效提高光盘数据读写速率和存储容量。
本发明设计的用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，共有三种结构，其中的第一种合光装置包括激光器和合光器，合光器由准直透镜和合光棱镜组成，合光棱镜的顶角为锐角；激光器和准直透镜分别有多个，各激光器位于各自准直透镜的焦点上；准直透镜置于激光器与合光棱镜之间，由激光器发出的光经准直透镜准直后分别以不同的入射角进入合光棱镜的同一侧，多束光从合光棱镜的另一面射出后成同轴平行光束，多波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
另一种结构包括激光器和括合光器，所述的合光器由准直透镜和二个等腰直角棱镜组成；所述的激光器有四个，四个激光器光源的光轴相互垂直，并处同一平面；所述的准直透镜有四个，四个激光器分别位于四个准直透镜的焦点上；等腰直角棱镜有二个，尺寸不同，二个等腰直角棱镜的相互位置为小棱镜的一个直角面与大棱镜的斜面相重合或隔有间隙，小棱镜的另一个直角面与大棱镜的顶角棱线相平行，直角棱镜置于四个激光器中间，使其中一束光从大棱镜的斜面垂直入射，一束光从小棱镜的斜面入射，大棱镜二个相互垂直的直角面位于另外二束光线的交点上，光束从小棱镜的另一个直角面射出成四波长同轴平行光，四波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
第三种结构包括激光器和合光器，所述的合光器由一个准直透镜、一个等腰直角棱镜、一个内角为45°的平行四边形棱镜和一个底角为45°的等腰梯形棱镜构成，三个棱镜的相互位置为等腰直角棱镜的一个直角边和平行四边形棱镜的短边相重合，斜边和长边垂直；平行四边形棱镜的另一短边和等腰梯形棱镜的一条腰位于同一平面上，而等腰梯形棱镜的底边和平行四边形棱镜的长边相交成90°；准直透镜位于等腰梯形棱镜另一条腰的外侧，所述的激光器有四个，光轴相互平行，光轴距离相等并位于同一平面内，中间两束光射入位于同一平面的平行四边形棱镜的一短边和等腰梯形棱镜的一条腰上；外边的两束光分别射入等腰梯形棱镜的上底和平行四边形棱镜的长边上，四束光线经过各棱镜后，从等腰梯形棱镜的另一腰射出，经准直透镜准直射出为四波长同轴平行光，四波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
本发明实现了多光束表面耦合，为彩色数字多层多阶光盘的纵向并行高速读、写提供有效光源。应用这种多波长同轴光束并行读写彩色多层光盘可以大幅度提高光盘的存储容量及信号的读、写速度。
附图简要说明
图1为目前光盘读写原理示意图。
图2为本发明的数字彩色多层多阶光盘读写原理示意图。
图3为本发明设计的用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置的一种结构示意图。
图4为本发明的设计的用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置的另一种结构示意图。
图5为本发明设计的用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置的又一种结构示意图。
以下结合附图详细说明本发明读写原理和实施例图1-图5中，1是激光器，2是准直透镜，3是偏振分光棱镜，4是1/4波片，5是消色差物镜，6是光盘，7是成像透镜，8是探测器，9是多波长分光探测器，10是彩色多层多阶光盘，11是激光器，12是合光器，13是准直透镜，14是合光棱镜，15、16是等腰直角棱镜，17是四边形棱镜，18是等腰直角棱镜，19是等腰梯形棱镜。
如图2所示，盘片的记录层由彩色多层介质膜构成，分别由不同的波长读写。通过图2说明读写原理，由N个激光器11发出的λi(i＝1，2，…n)波长多光束，经多光束表面耦合合光器12射出多波长λi同轴平行光束，经偏振分光棱镜3、1/4波片4以及消色差物镜5的传递后，聚焦到光盘10(物理尺寸与DVD兼容)的彩色多层介质面上，彩色多层介质厚度小于消色差物镜5的焦深。由于光盘介质层外侧镀全反射层，从反射层反射光经介质层吸收后的彩色信号经消色差物镜5、1/4波片4、偏振分光棱镜3反射后到达多波长分光探测器9上。经多波长分光探测器9作用，各彩色信号光以不同角度成象在各自光电接受器上，由光电接受器取出光盘各层面的信号。写入时控制N个激光器的各写入光强Ii，Ii大于各写入阈值Iwi并分阶，写入光强Ii跟随写入的数据变化，这样就可实现彩色多层盘数据的纵向并行写入；读出时，读出光强IRi远小于Iwi，而IRi不随时间变化，从接收器可取出各介质层的信号，这样就可实现彩色多层盘数据的纵向并行读出。为了实现彩色多层光盘的纵向并行读、写，现有DVD光学头结构不能满足要求。本发明的目的就是通过增加盘片色彩层和多波长光束耦合来实现对彩色多层信号的并行读、写。从而有效提高光盘信息读写速率和存储容量。按现有DVD编码方式，彩色多层光盘并行读写速度为现有DVD光盘的Nlog2M倍，而存贮容量为NDlog2M倍。其中，N为层数，M为阶数，D为现有单面DVD光盘数据容量。
本发明是用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，按照多波长光束耦合方式分为色散棱镜耦合、直角棱镜组耦合和多棱镜组耦合三种。
第一种设计的合光棱镜结构装置如图3所示。
N个半导体激光器阵列11在同一垂面内，发射的多个光束，经各自的准直透镜13成平行光束并以不同入射角入射到合光棱镜14入射面141的同一位置上，合光棱镜14的入射面141和出射面142之间夹角在10°至70°之间，经合光棱镜的合光作用使各个光束叠合成同轴平行光射出。射出的同轴平行光和色散棱镜14出射面142垂直。为了达到此目的，根据光折射色散理论，要合理安排各个激光光束的入射角，并且需用微准直透镜13使每一光束变成平行光后入射到棱镜表面。通常需要把发射不同波长的半导体激光器集成在同一个芯片上，激光器之间的距离和激光器光束发射方向应满足耦合要求。选择色散系数大的棱镜材料。棱镜结构和半导体激光器集成结构可以有不同方式。为了减少光能损失，棱镜各通光表面要镀多色增透膜。由于彩色多层光盘的记录介质不同，使用的波长不同，故各波长的入射角不同，入射角根据棱镜材料、顶角和波长计算。
第二种设计的四光束直角棱镜组耦合结构装置如图4所示。
此结构由四个激光器11，四个准直透镜13，等腰直角棱镜15、16组成。等腰直角棱镜15的尺寸是等腰直角棱镜16尺寸的二分之一。四个激光器11分别位于四个准直透镜13的焦点上，等腰直角棱镜15、16按图四所示光胶合而成。光束通过光胶合面无光能损失。四个激光器11经各自的准直透镜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镜16的斜面161上，等腰直角棱镜15、16其它入射面151、163、162分别位于其它三束平行光束交点上，如图四所示。经等腰直角棱镜15、16的合光作用，从出射面152射出四波长同轴平行光。该合成平行光束用于读写。等腰直角棱镜15、16的反射面要镀单色或多色全反膜，透射面镀增透膜。四个准直透镜13和等腰直角棱镜15、16可用集成光学的方法制造，或用模压制造，以减小光学头体积和重量。
第三种设计的四光束棱镜组耦合结构装置如图5所示。
此结构装置由四个激光器11、平行四边形棱镜17、等腰直角棱镜18、等腰梯形棱镜19以及准直透镜13组成。等腰梯形棱镜19底角为45°，平行四边形棱镜17的一个内角为45°，各元件的位置放置如下等腰直角棱镜18和平行四边形棱镜17按图五所示光胶合而成，光束经光胶合面无光能损失；等腰梯形棱镜19的入射面191和平行四边形棱镜17的入射面171共面，面171与面173的棱线和面191与面194的棱线重合；准直透镜13位于等腰梯形棱镜19出射面193的外侧；四个激光器11分别位于准直透镜13的焦点上。四个激光器11发出光束的轴线共面并相互平行，其间距相等。中间的两个激光器发出的轴线光分别垂直入射到平行四边形棱镜17的入射面171上和等腰梯形棱镜19的入射面191上。各入射点如图五所示。经平行四边形棱镜17、直角棱镜18和等腰梯形棱镜19的透反作用，将四束非同轴光耦合成多波长同轴光，从出射面193垂直射出，经准直透镜13射出多波长同轴平行光束用于读写。各棱镜的反射面要镀单色或多色全反膜，透射面镀增透膜。准直透镜和各棱镜可用集成光学的方法制造或用模压制造，以减小光学头体积和重量。
本发明实施例如图2所示，采用4波长4阶双面8层彩色多层多阶光盘并行读写的总体结构。由控制器处理，其中一束光进行寻址、寻迹、调焦并兼有读写功能，其它光束进行读写。读写一面，再读写另一面。激光器11分别发出波长为780nm、650nm、550nm、480nm的四光束。波长650nm的光束作为寻址光束。各光束经用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置耦合成同轴光束，同轴光束经偏振分光镜4和1/4波片5，再经数值孔径为0.6的消色差物镜6聚焦在光盘10的记录介质层上；聚焦光束经盘片反射层反射后沿原路返回，经消色差物镜6、1/4波片5和偏振分光镜4，偏振分光镜4将多波长同轴光束反射到四光束分光探测装置9上。按照前述原理进行读写。在本实施例中读写彩色多层多阶光盘的合光装置选用上述三种光耦合结构装置中的任意一种。在使用第一种色散棱镜合光装置时，色散棱镜材料选用重火石玻璃ZK14，顶角为30°。780nm、650nm、550nm、480nm波长所形成的平行光束，分别以入射角71°9′、72°19′、74°32′26″、77°16′8″入射到合光色散棱镜而形成多波长同轴平行光束进入系统。
按照目前DVD编码格式记录数据，4波长4阶单面4层多色介质光盘并行读写存储容量高达35Gb以上，而4波长4阶双面8层多色介质光盘并行读写存储容量高达70 Gb以上。若采用新的层间编码方式，还可减少冗余数据，存储容量还可进一步提高。
权利要求
1.一种用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，包括激光器，其特征在于还包括合光器，所述的合光器由准直透镜和合光棱镜组成，合光棱镜的顶角为锐角；激光器和准直透镜分别有多个，各激光器位于各自准直透镜的焦点上；准直透镜置于激光器与合光棱镜之间，由激光器发出的光经准直透镜准直后分别以不同的入射角进入合光棱镜的同一侧，多束光从合光棱镜的另一面射出后成同轴平行光束，多波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
2.一种用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，包括激光器，其特征在于还包括合光器，所述的合光器由准直透镜和二个等腰直角棱镜组成；所述的激光器有四个，四个激光器光源的光轴相互垂直，并处同一平面；所述的准直透镜有四个，四个激光器分别位于四个准直透镜的焦点上；等腰直角棱镜有二个，尺寸不同，二个等腰直角棱镜的相互位置为小棱镜的一个直角面与大棱镜的斜面相重合或隔有间隙，小棱镜的另一个直角面与大棱镜的顶角棱线相平行，直角棱镜置于四个激光器中间，使其中一束光从大棱镜的斜面垂直入射，一束光从小棱镜的斜面入射，大棱镜二个相互垂直的直角面位于另外二束光线的交点上，光束从小棱镜的另一个直角面射出成四波长同轴平行光，四波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
3.一个用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置，包括激光器，其特征在于还包括合光器，所述的合光器由一个准直透镜、一个等腰直角棱镜、一个内角为45°的平行四边形棱镜和一个底角为45°的等腰梯形棱镜构成，三个棱镜的相互位置为等腰直角棱镜的一个直角边和平行四边形棱镜的短边相重合，斜边和长边垂直；平行四边形棱镜的另一短边和等腰梯形棱镜的一条腰位于同一平面上，而等腰梯形棱镜的底边和平行四边形棱镜的长边相交成90°；准直透镜位于等腰梯形棱镜另一条腰的外侧，所述的激光器有四个，光轴相互平行，光轴距离相等并位于同一平面内，中间两束光射入位于同一平面的平行四边形棱镜的一短边和等腰梯形棱镜的一条腰上；外边的两束光分别射入等腰梯形棱镜的上底和平行四边形棱镜的长边上，四束光线经过各棱镜后，从等腰梯形棱镜的另一腰射出，经准直透镜准直射出为四波长同轴平行光，四波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。
全文摘要
本发明涉及一种用于数字彩色多层多阶光盘读写的合光装置,包括激光器和合光器,合光器由准直透镜和合光棱镜等组成,由激光器发出的光经准直透镜准直后从合光棱镜的另一面射出后成同轴平行光束,多波长同轴平行光束用于彩色多层多阶光盘的读写。本发明实现了多光束表面耦合,为彩色数字多层多阶光盘的纵向并行高速读、写提供有效光源。应用这种多波长同轴光束并行读写彩色多层光盘可以大幅度提高光盘的存储容量及信号的读、写速度。
文档编号G11B7/1372GK1266260SQ0010323
公开日2000年9月13日 申请日期2000年3月17日 优先权日2000年3月17日
发明者徐端颐, 齐国生, 巩马理, 闫平, 廖宁放 申请人:清华大学