专利名称：微缩型兼容性双波长光学头的制作方法
技术领域：
本发明涉及光盘机，特别是一种适用于光盘机的微缩型兼容性双波长光学头。它能用于下一代光存储技术中，还能兼容现有的DVD光盘。
背景技术：
信息时代需要有高度先进的信息存储技术。随着数码产品和高清电视时代的到来，存储容量更大的高密度数字多用途光盘(以下简称为HDDVD)及蓝光光盘(以下简称为BD)系列下一代光盘技术将成为主流。他们都基于蓝光技术，而且存储容量分别达到15G和23G。由于HDDVD采用0.65数值孔径的物镜，盘片保护层厚度为0.6mm，因而它能顺利与现有数字多用途光盘(以下简称为DVD)技术兼容，生产成本和售价更为低廉，因而具有更大的市场优势。
由于光盘的存储容量越来越大，单面单层HDDVD可存储15GB的信息，因此对读取速度的要求也大大提高。提高光学头读取速度的一个方法就是减小光学头的重量和大小，从而减小惯性，使其能快速的寻迹、聚焦。HDDVD系统为了能向下兼容DVD，常采用双激光器结构，分别发射蓝光405nm和红光650nm。图2是HDDVD光学头的常用结构，采用蓝光半导体激光器(简称LD)11，激光依次经过分束棱镜12、准直透镜13、反射镜14、物镜15等光学元件到达HDDVD光盘16，然后经光盘16反射，再经过物镜15、反射镜14、准直镜13、分束棱镜12，最终被光探测器(PDIC)17接收。由上述看出整个系统光学元件多，且各个元件之间要有一定的距离，因此整个光学头组件体积大、结构松散，从而使寻迹、聚焦伺服的时间延长。另外，光学头系统对光束质量和像差要求严格，因此各个元件还需要精确校准，才能保证不产生额外的像差，这在技术上也就增加了难度。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种微缩型兼容性光学头，该光学头应能兼容高密度数字多用途光盘和数字多用途光盘，其结构应简单而紧凑，体积较小，且组装方便，成本低廉。
本发明技术解决方案如下
一种微缩型兼容性双波长光学头，其构成是含有第一半导体激光器和第二半导体激光器，自第一半导体激光器的输出光路上依次设有分束棱镜、五角棱镜、准直镜、物镜构成主光路，光盘位于所述的物镜的焦面上，所述的第二半导体激光器发出的激光经半反半透镜，再经所述的分束棱镜反射后进入所述的主光路，由所述的光盘的信息记录层反射的光束沿原路返回，经过所述的物镜、准直镜、五角棱镜、分束棱镜、半反半透镜和柱面镜，最后被光探测器接收。
所述的第一半导体激光器发射的激光波长为405nm，所述的第二半导体激光器发射的激光波长为650nm，所述的分束棱镜对405nm的入射光完全透射，对650nm的入射光完全反射，对从光盘的返回光完全反射；所述的半反半透镜对650nm的入射光完全反射，对从光盘的返回光完全反射。
所述的五角棱镜的形状由以下参数确定两直角边长A，两侧边长B，侧边角θ＝22.5°，对位角＝45°。
所述的物镜为非球面透镜，该非球面透镜的两个表面都是非球面，其曲率半径为1.5～7mm，中心厚度为0.8～1.5mm，数值孔径为0.65。所述的物镜的两非球面的非球面系数如下非球面系数 c k α1非球面1 0.34771-3.365044 0.007077非球面2 -0.61563 -4.449736 0.008442。
本发明的两个半导体激光器，以分别实现HDDVD与DVD的兼容读取；所述的柱面镜起光束整形作用，可将半导体激光器的椭圆光斑变为圆形光斑。
所述五角棱镜的形状由以下参数确定两直角边长A，两侧边长B，侧边角θ＝22.5°，对位角＝45°。光在棱镜中来回反射两次，走了(2+)A，起到了缩短光学头尺寸的作用。
所述的准直镜的一个面为平面，另一面为非球面，但没有高阶非球面系数。其作用是使入射到物镜中的是平行光束。另外还可以补偿球差。本发明光学头系统采用现有DVD系统的聚焦和寻迹伺服方式，即像散法和差分相位法。可见本光学头能很好的实现HDDVD与DVD的兼容。
本发明在405nm下的焦点处的波相差均方根RMS值小于0.001λ，650nm下的焦点处的RMS值小于0.003λ，亦小于DVD系统的容许值0.033λ。由于650nm光路大部分地方与405nm光路是共用的，所以HDDVD系统只需改变几个部件的间距即可读取DVD光盘。对HDDVD完成优化设计后，若令发射激光波长为405nm的第一半导体激光器到半透半反镜间距与发射激光波长为650nm的第二半导体激光器到半透半反镜间距相同，则只需调整半透半反镜与分束棱镜之间的间距，即可实现对DVD系统很好的优化，得到兼容光学头。读取DVD光盘时，由聚焦伺服机构调整物镜的工作距离，即可实现HDDVD与DVD光盘的兼容读取。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围
图1为本发明光学头光路结构示意图。
图2是现有的HDDVD光学头光路结构示意图。
图3是五角棱镜的结构示意图。
图4是用ZEMAX对405nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的横向像差分析图(Ray Fan)。
图5是用ZEMAX对405nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的焦点前后波像差分析图(RMS & Focus)。
图6是用ZEMAX对405nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的焦点前后成像光斑分析图(Spot Diagram & Focus)。
图7是用ZEMAX对405nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的点扩散函数图。
图8是用ZEMAX对650nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的点扩散函数图。
图9是用ZEMAX对650nmLD为光源的光路进行光学设计所得到的波前图(Wave front)。
具体实施例方式
先请参阅图1，图1为本发明微缩型兼容性光学头实施例的光路结构示意图。由图可见，本发明微缩型兼容性光学头的构成含有第一半导体激光器1和第二半导体激光器7，发射的波长分别为405nm和650nm，实现HDDVD与DVD的兼容读取；用半反半透镜8和分束棱镜2使两半导体激光器发出的两束光共用主光路；经过分束棱镜2后，分别是五角棱镜3，准直镜4，物镜5，该物镜5为非球面透镜，然后激光会聚于光盘6的信息记录层上。可以将光盘的信息记录层当反射膜，因而会聚光束沿原路返回，依次经过物镜5、准直镜4、五角棱镜3、分束棱镜2、半反半透镜8、柱面镜9，最后到达光探测器10，被接收并得到读取信息。其中分束棱镜2对405nm的入射光完全透射，对650nm的入射光完全反射，对从光盘6返回的光完全反射。半反半透镜8对650nm的入射光完全反射，对从光盘6的返回光完全反射。柱面镜9起光束整形的作用，可将激光的椭圆光斑变为圆形光斑。图1所示的光学头兼容具有0.6mm厚度约15G记录密度的HDDVD光盘和具有0.6mm厚度的DVD光盘，作进一步改进还能读具有1.2mm厚度的CD光盘。
具有上述结构的光学头的光学数据的实例示于表1表1
具有本发明上述结构的五角棱镜3的设计参数为A＝4mm，B＝4.5mm，θ＝22.5°，＝45°，光在棱镜中来回反射两次，走了(2+)A＝13.656mm，起到了缩短光学头尺寸的作用，如图3所示，其中3(a)是立体透视图，3(b)是主视图。
具有本发明上述结构的非球面物镜5的两个表面都是非球面，其曲率半径约为2.88mm，中心厚度为1.39mm。它采用的材料为M-BACD5N，折射率为1.586，阿贝数为61.3；采用的数值孔径为0.65，能同时满足两种波长的需要。焦距约为1.9mm，工作距离为WD＝1.186mm，外径Φ＝1.5mm。采用非球面物镜具有尺寸小、重量轻、数值孔径大的特点，另外还能有效消除球差，使像质达到衍射极限，满足读取光盘信号的要求。
所述的物镜5的非球面由以下方程和参数决定
z=cr21-1-(1-k)c2r2-α1r2-α2r4-α3r6-α4r8-α5r10-α6r12-α7r14-α8r16]]>其中c为曲率半径R的倒数；r为非球面物镜表面上任一点到Z轴的最小距离，对应X轴和Y轴上数值确定，r2＝X2+Y2。k为圆锥系数，它能确定非球面是椭球面还是双曲面。α1、α2、α3……α8是高阶非球面系数，它们确定了物镜的表面形状。本发明中物镜选用的参数示于表2表2
具有本发明上述结构的准直镜4的一个面为平面，另一面为非球面，但没有高阶非球面系数。其作用是使入射到物镜5中的光束是平行光束。另外还可以补偿球差。本光学头系统采用现有DVD系统的聚焦和寻迹伺服方式，即像散法和差分相位法。
接收由光盘6反射、且穿过分束棱镜2的入射光束的光探测器10被分成多个独立光电转换的部分，通常是4个，该探测器10的结构为大家常用，所以省略对它的说明。
图4、5、6、7分别是用光学设计软件ZEMAX在405nm波长下对本光学头的模拟结果。图4是横向像差分析图(Ray Fan)。图5是焦点前后波像差分析图(RMS & Focus)。HD DVD系统的RMS容许值在0.033λ以下，而本发明的焦点处RMS值小于0.001λ，符合系统要求。图6是焦点前后成像光斑分析图(Spot Diagram & Focus)。焦点处焦斑尺寸是越小越好，但它又受到球差和物镜孔径衍射极限的制约。图7是PSF点扩散函数图。它显示的是聚焦光束的束腰面上中心峰值强度，也即光能利用率的大小。
图8和9分别是用光学设计软件ZEMAX在650nm波长下对本光学头的模拟结果。图8是PSF点扩散函数图。图9是波前图。650nm下的相差分析图、波相差分析图、光斑分析图等与405nm下的基本相同。此时焦点处的RMS值低于0.003λ，小于DVD系统的容许值0.033λ。可见本光学头能很好的实现HDDVD与DVD的兼容。对于405nm光路，第一半导体激光器1与分束棱镜2的间距为4.05mm，非球面物镜5与光盘6的间距，即工作距离为1.186mm。对于650nm光路，其大部分地方与405nm光路是共用的，所以HDDVD系统只需改变几个部件的间距即可读取DVD光盘。本发明在对HDDVD系统完成优化后，只改变了物镜5到光盘6的间距(为1.19648)和650nmLD7与分束棱镜2的光学路径长度，实现了DVD系统的优化，得到了较理想的像差和波相差。若令650nm第二半导体激光器7与半透半反镜8间距为4.05mm，则半透半反镜8与分束棱镜2之间的间距为3.603758mm，所以若装配时保持两个半导体激光器在同一垂直位置，只将半反半透镜8与分束棱镜2的距离固定即可得到兼容光学头。读取DVD光盘时，由聚焦伺服机构调整非球面物镜5的工作距离，即可实现HDDVD与DVD光盘的兼容读取。虽然已结合优选实施例说明了本发明，但显然技术人员在不脱离所附的权利要求书所限定的构思和范围的前提下，能对本发明的具体细节做出各种改变。
综上所述，本发明有以下优越性在通用HDDVD光学头中加入五角棱镜，光路在棱镜内来回反射两次，以简短的尺寸实现了较长的光学路径，起到缩短光学头尺寸的作用；在HDDVD光路基础上加一650nmLD，稍微调整几个部件的间距即可实现HD DVD与DVD光盘的兼容读取，而且设计简单，结构紧凑，性能优良。因此，本发明可有效用于下一代光存储产品中，具有商业化潜力。
权利要求
1.一种微缩型兼容性双波长光学头，特征在于其构成是含有第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(7)，在第一半导体激光器(1)的输出光路上依次设有分束棱镜(2)、五角棱镜(3)、准直镜(4)、物镜(5)构成主光路，光盘(6)位于所述的物镜(5)的焦面上，所述的第二半导体激光器(7)发出的激光经半反半透镜(8)，再经所述的分束棱镜(2)反射后进入所述的主光路，所述的光盘(6)的信息记录层反射的光束沿原路返回，经过所述的物镜(5)、准直镜(4)、五角棱镜(3)、分束棱镜(2)、半反半透镜(8)和柱面镜(9)，最后被光探测器(10)接收。
2.根据权利要求1所述的微缩型兼容性双波长光学头，其特征在于所述的第一半导体激光器(1)发射的激光波长为405nm，所述的第二半导体激光器(7)发射的激光波长为650nm；所述的分束棱镜(2)对405nm的入射光完全透射，对650nm的入射光完全反射，对从光盘(6)的返回光完全反射；所述的半反半透镜(8)对650nm的入射光完全反射，对从光盘(6)的返回光完全反射。
3.根据权利要求1所述的微缩型兼容性双波长光学头，其特征在于所述的五角棱镜(3)的形状由以下参数确定两直角边长A，两侧边长B，侧边角θ＝22.5°，对位角＝45°。
4.根据权利要求1所述的微缩型兼容性双波长光学头，其特征在于所述的物镜(5)为非球面透镜，该非球面透镜的两个表面都是非球面，其曲率半径为1.5～7mm，中心厚度为0.8～1.5mm，数值孔径为0.65。
5.根据权利要求1所述的微缩型兼容性双波长光学头，其特征在于所述的准直镜(4)的一个面为平面，另一面为非球面。
6.根据权利要求1至5任一项所述的微缩型兼容性双波长光学头，其特征在于所述的物镜(5)的两非球面的非球面系数如下非球面系数 c kα1非球面1 0.34771-3.3650440.007077非球面2 -0.61563 -4.4497360.008442。
全文摘要
一种微缩型兼容性双波长光学头，其构成含有两个半导体激光器，其波长分别为405nm和650nm，用半反半透镜和分束棱镜使两束激光共用主光路；经过分束棱镜后，分别是五角棱镜，准直镜，非球面物镜，然后激光会聚于光盘的信息记录层上。被光盘反射的光束沿原路返回，依次经过所述的物镜、准直镜、五角棱镜、分束棱镜、半反半透镜和柱面镜，最后被光探测器接收。其中分束棱镜对405nm的入射光完全透射，对650nm的入射光完全反射，对从光盘的返回光完全反射。半反半透镜对650nm的入射光完全反射，对从光盘的返回光完全反射。柱面镜起光束整形的作用。本发明不仅能兼容读取HDDVD与DVD光盘，而且具有性能优良、结构简单、紧凑、便于组装、成本低廉等特点。
文档编号G11B7/135GK1953071SQ20061011800
公开日2007年4月25日 申请日期2006年11月6日 优先权日2006年11月6日
发明者周辉, 阮灵 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所