RU2429550C2 - Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head - Google Patents
Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head Download PDFInfo
- Publication number
- RU2429550C2 RU2429550C2 RU2006134822/28A RU2006134822A RU2429550C2 RU 2429550 C2 RU2429550 C2 RU 2429550C2 RU 2006134822/28 A RU2006134822/28 A RU 2006134822/28A RU 2006134822 A RU2006134822 A RU 2006134822A RU 2429550 C2 RU2429550 C2 RU 2429550C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- lens
- optical head
- disk
- diffraction
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Head (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к оптической головке, обеспечивающей запись и/или воспроизведение информации с оптических дисков или на оптические диски, в частности так называемых Blu-ray дисков (ВD), далее упоминаемых как ВD дисков.The invention relates to an optical head capable of recording and / or reproducing information from optical discs or to optical discs, in particular so-called Blu-ray discs (BD), hereinafter referred to as BD discs.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время существует несколько основных стандартов для 12-см оптических дисков. Стандарт для компакт-дисков (СD) был установлен в 1982 г., емкость записи указанных дисков составляет около 700 Мбайт, и они используются, в основном, для аудиозаписи. Стандарт для универсальных цифровых дисков (DVD дисков) был установлен в 1996 г. DVD-диск позволяет сохранять видеозапись фильмов в стандартном разрешении (720×576 точек) продолжительностью 2 часа 50 минут с MPEG-2 компрессией, при этом емкость для этих дисков была определена 4,7 Гигабайт. Для записи фильмов нового телевизионного стандарта HDTV (телевидение высокой четкости) потребовались новые стандарты записи с большим объемом памяти. Таким образом, были разработаны два конкурирующих стандарта: HD-DVD диск и Blu-ray диск (ВD). Для увеличения объема записываемой информации необходимо уменьшать диаметр дифракционно ограниченного светового пятна излучения, сфокусированного на диске, который пропорционален λ/NA, где λ - длина волны лазерного диода, и NA - числовая апертура объектива. Для реализации оптического ЗУ (запоминающего устройства) большого объема памяти с высокой плотностью записи очень важно уменьшить длину волны источника излучения и увеличить числовую апертуру (NA ) оптической считывающей головки. Следует отметить, что емкость записи для однослойного HD-DVD диска составляет 15 Гигабайт, а для Blu-ray дисков - 23,3; 25 или 27 Гигабайт. Таким образом, Blu-ray диски являются следующим поколением оптических дисков с большим объемом памяти с высокой плотностью записи информации.There are currently several basic standards for 12 cm optical discs. The standard for compact discs (CD) was established in 1982, the recording capacity of these discs is about 700 MB, and they are used mainly for audio recording. A standard for universal digital discs (DVDs) was established in 1996. A DVD-ROM allows you to save movies in standard resolution (720 × 576 pixels) for 2 hours 50 minutes with MPEG-2 compression, while the capacity for these discs was determined 4.7 gigabytes. To record the films of the new television standard HDTV (High Definition Television), new recording standards with a large amount of memory were required. Thus, two competing standards were developed: an HD-DVD disc and a Blu-ray disc (VD). To increase the amount of recorded information, it is necessary to reduce the diameter of the diffraction-limited light spot of radiation focused on the disk, which is proportional to λ / NA, where λ is the wavelength of the laser diode and NA is the numerical aperture of the lens. To implement an optical memory (storage device) of a large amount of memory with a high recording density, it is very important to reduce the wavelength of the radiation source and increase the numerical aperture (NA) of the optical read head. It should be noted that the recording capacity for a single-layer HD-DVD disc is 15 Gigabytes, and for Blu-ray discs - 23.3; 25 or 27 gigabytes. Thus, Blu-ray discs are the next generation of optical discs with a large amount of memory with a high recording density.
При записи информации на оптический диск и воспроизведении информации с оптического диска используются оптические приводы, в состав которых входит оптическое считывающее устройство (оптическая головка), которое перемещается поперек дискообразного носителя информации. When recording information on an optical disk and reproducing information from an optical disk, optical drives are used, which include an optical reader (optical head) that moves across the disk-shaped information carrier.
Однако для более ясного понимания проблем, возникающих в процессе работы оптических считывающих головок для Blu-ray дисков, следует раскрыть некоторые особенности использования дисков указанного стандарта.However, for a clearer understanding of the problems that arise during the operation of optical read heads for Blu-ray discs, some features of the use of disks of the specified standard should be disclosed.
Для надежного считывания и записи информации оптическая система оптической головки должна формировать на информационном слое диска пятно рассеяния, размеры которого определяются форматом BD, при этом волновая аберрация основного пучка не должна превышать 0,033λ, где λ - длина волны излучения диода. Учитывая, что оптическая головка формата BD обладает высокой числовой апертурой NA=0,85, аберрационная коррекция системы должна быть очень высокой. При этом для массового производства наиболее важна простота оптической системы, наименьшее количество составляющих ее отдельных элементов.For reliable reading and writing of information, the optical system of the optical head must form a scattering spot on the information layer of the disk, the dimensions of which are determined by the BD format, while the wave aberration of the main beam should not exceed 0.033λ, where λ is the wavelength of the diode radiation. Considering that the optical head of the BD format has a high numerical aperture NA = 0.85, the aberration correction of the system should be very high. Moreover, for mass production, the most important is the simplicity of the optical system, the smallest number of its individual elements.
Длина волны, на которой излучает лазерный диод, может изменяться во времени под влиянием различных внешних факторов, например температуры. Технологический процесс изготовления лазерного диода допускает отклонение длины волны излучения диода в пределах 405±10 нм. Температурные изменения в оптической головке (расстояния между элементами, толщины элементов, показатели преломления материалов) являются медленно протекающими процессами. Для уменьшения дополнительных аберраций (сферохроматизм, продольная хроматическая аберрация), возникающих из-за описанных эффектов, можно использовать сигналы дефокусировки и посредством изменения положения объектива значительно снижать их негативное влияние на процесс считывания и записи информации.The wavelength at which the laser diode emits can change over time under the influence of various external factors, such as temperature. The manufacturing process of the laser diode allows the deviation of the wavelength of the radiation of the diode within 405 ± 10 nm. Temperature changes in the optical head (distances between elements, thicknesses of elements, refractive indices of materials) are slow-moving processes. To reduce additional aberrations (spherochromatism, longitudinal chromatic aberration) arising from the described effects, defocus signals can be used and, by changing the position of the lens, they can significantly reduce their negative effect on the reading and writing of information.
Из уровня техники известна оптическая считывающая головка (патент США № 6927923, МПК G02B 13/18, 09.08.2005) содержащая источник излучения, представляющий собой полупроводниковый лазер и формирующую оптическую систему, обеспечивающую попадание луча в заданное местоположение на диске, при этом в указанной оптической системе предусмотрено средство корректировки сферических аберраций, выполненное с возможностью перемещения. Таким образом, в указанной оптической считывающей головке устраняются только сферические аберрации.The prior art optical read head (US patent No. 6927923, IPC G02B 13/18, 08/09/2005) containing a radiation source that is a semiconductor laser and forming an optical system that ensures that the beam enters a specified location on the disk, while in the specified optical the system provides a means of correcting spherical aberrations made with the possibility of movement. Thus, in said optical read head, only spherical aberrations are eliminated.
Из уровня техники также известна комбинированная оптическая считывающая головка для записи оптических дисков форматов CD и DVD (См. патент США № 6980503B2, МПК G11B 7/00, 27.12.2005г.), содержащая устройство формирования излучения, состоящее из двух источников лазерного излучения для испускания первого лазерного пучка и второго лазерного пучка, а также светоделитель для формирования на выходе коллимированных пучков, при этом направление первого лазерного пучка совпадает с оптической осью объектива, а второй лазерный пучок смещен относительно оптической оси объектива, при этом второй источник излучения размещен таким образом, что угол падения второго лазерного луча на светоделитель больше, чем угол падения первого лазерного луча на светоделитель, что в конечном счете способствует уменьшению сферических аберраций, возникающих в процессе работы устройства.The prior art also knows a combined optical read head for recording optical discs of CD and DVD formats (See US patent No. 6980503B2, IPC G11B 7/00, 12/27/2005), comprising a radiation generating device consisting of two laser sources for emission the first laser beam and the second laser beam, as well as a beam splitter for the formation of collimated beams at the output, while the direction of the first laser beam coincides with the optical axis of the lens, and the second laser beam is offset relative to the optical th lens axis, wherein the second radiation source is arranged so that the angle of incidence of the second laser beam on beam splitter is greater than the angle of incidence of the first laser beam on the beamsplitter, which ultimately helps reduce spherical aberrations arising during operation.
Из уровня техники известна оптическая считывающая головка для чтения и записи дисков формата HD-DVD (патент США № 6987724B2, МПК G11B 7/00, 17.01.2006г.), содержащая линзу, корректирующую возникающую в считывающей головке хроматическую аберрацию вследствие изменения длины волны лазерного диода. Формат HD-DVD использует аналогичный формату BD синий лазерный диод с длиной волны 405 нм, однако объектив обладает меньшей числовой апертурой NA=0,65 (для BD NA=0,85). Оптическая считывающая головка включает в себя лазерный диод, коллиматор, формирующий параллельный пучок, призму, преобразующую пучок эллиптического сечения в пучок круглого сечения, линзу, корректирующую хроматическую аберрацию, светоделительный кубик, поляризационную пластинку, объектив, линзу-конденсор, астигматическую линзу и фотодетектор. Заявленная в данном патенте линза, корректирующая хроматическую аберрацию, представляет собой линзу, склеенную из двух одиночных линз, обладающих противоположными по знаку оптическими силами. Одновременно для исправления хроматической аберрации фокусные расстояния f и коэффициенты Аббе (ν) линз, входящих в состав данной линзы, выбираются в соответствии с выражением The prior art optical read head for reading and writing HD-DVD format discs (US patent No. 6987724B2, IPC G11B 7/00, 01/17/2006), containing a lens that corrects the chromatic aberration that occurs in the read head due to a change in the wavelength of the laser diode . The HD-DVD format uses a blue laser diode similar to the BD format with a wavelength of 405 nm, but the lens has a smaller numerical aperture NA = 0.65 (for BD NA = 0.85). An optical read head includes a laser diode, a collimator forming a parallel beam, a prism converting an elliptical beam into a round beam, a chromatic aberration correction lens, a beam splitting cube, a polarizing plate, a lens, a condenser lens, an astigmatic lens, and a photodetector. The chromatic aberration correction lens claimed in this patent is a lens bonded from two single lenses having opposite optical powers. At the same time, to correct chromatic aberration, the focal lengths f and the Abbe coefficients (ν) of the lenses that make up this lens are selected in accordance with the expression
Недостатком данного способа является введение дополнительной склеенной линзы в структуру оптической головки, что увеличивает ее стоимость. Кроме того, сферохроматическая аберрация, также возникающая при изменении длины волны излучения, в данном случае остается неисправленной.The disadvantage of this method is the introduction of an additional bonded lens into the structure of the optical head, which increases its cost. In addition, spherochromatic aberration, which also occurs when the radiation wavelength changes, in this case remains uncorrected.
Однако при использовании фиолетового лазерного источника излучения в системах с использование Blu-ray дисков (BD) очень часто возникает так называемый «mode hop phenomen» или эффект нестабильности генерации лазерного диода, когда длина волны внезапно незначительно отклоняется на несколько нанометров от исходной величины. Этот эффект вызывает возникновение продольной хроматической аберрации или хроматического смещения фокуса, что в свою очередь вызывает крайне нежелательные ошибки в процессе записи на диск или воспроизведения информации с диска. Этот процесс носит случайный и кратковременный характер, в результате чего не может быть отслежен и устранен с помощью сигналов дефокусировки.However, when using a violet laser radiation source in systems using Blu-ray discs (BD), the so-called “mode hop phenomen” or the instability effect of generating a laser diode very often occurs when the wavelength suddenly deviates slightly by a few nanometers from the original value. This effect causes the occurrence of longitudinal chromatic aberration or chromatic shift of focus, which in turn causes extremely undesirable errors in the process of writing to a disc or reproducing information from a disc. This process is random and short-term in nature, as a result of which it cannot be tracked and eliminated using defocus signals.
Заявленная оптическая головка для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска и киноформ для использования в указанной оптической головке согласно изобретению обеспечивают повышение точности и надежности записи на диск и воспроизведения данных с диска посредством устранения сферических и хроматических аберраций.The claimed optical head for recording on an optical disc and / or reading from an optical disc and kinoforms for use in said optical head according to the invention provides improved accuracy and reliability of recording to a disc and reproducing data from a disc by eliminating spherical and chromatic aberrations.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрена оптическая головка для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска, содержащая размещенные в корпусе оптически сопряженные лазерный источник света, дифракционную решетку, выполненную с возможностью формирования дифракционных пучков лучей нулевого и ±1-ого порядка, светоделительный кубик, киноформ с положительной оптической силой, выполненный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и формирования на выходе коллимированных пучков нулевого и ±1-ого порядка, и одновременным уменьшением продольной хроматической аберрации пучков нулевого порядка, возникающей в процессе записи и/или считывания информации, поляризационную пластинку для поляризации коллимированных пучков лучей и объектив с положительной оптической силой, установленный перед оптическим диском и выполненный с возможностью перемещения, а также астигматическую линзу и фотодетектор для детектирования пучка света, отраженного от упомянутого диска.According to a first aspect of the invention, there is provided an optical head for recording onto and / or reading from an optical disk, comprising optically conjugated laser light sources housed in a housing, a diffraction grating configured to form diffraction beams of zeroth and ± 1st order beams, a beam splitter , kinoform with positive optical power, made with the possibility of movement along the optical axis and the formation at the output of collimated beams of zero and ± 1st order, simultaneous reduction of the longitudinal chromatic aberration of zero-order beams that occurs during the recording and / or reading of information, a polarizing plate for polarizing collimated beams of rays and a lens with positive optical power mounted in front of the optical disk and made with the possibility of movement, as well as an astigmatic lens and photodetector for detecting a beam of light reflected from said disk.
Кроме того, в оптической головке упомянутый диск представляет собой Blu-ray диск.In addition, in the optical head, said disc is a Blu-ray disc.
Лазерный источник света в заявленной оптической головке обеспечивает свет с длиной волны около 405 нм.The laser light source in the inventive optical head provides light with a wavelength of about 405 nm.
Кроме того, в оптической головке согласно первому аспекту изобретения киноформ представляет собой коллиматорную линзу с положительной оптической силой, содержащую первую поверхность и вторую поверхность, в которой первая поверхность является плоской поверхностью, а вторая поверхность представляет собой дифракционную поверхность.Furthermore, in the optical head according to the first aspect of the invention, the kinoform is a positive optical power collimator lens comprising a first surface and a second surface in which the first surface is a flat surface and the second surface is a diffractive surface.
В заявленной оптической головке объектив выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси и перпендикулярно указанной оси для фокусировки пучков лучей в предварительно заданной зоне диска, при этом указанное перемещение осуществляется с помощью прецизионного электрического привода, которым снабжен объектив.In the inventive optical head, the lens is arranged to move along the optical axis and perpendicular to the specified axis to focus the beam of rays in a predetermined area of the disk, while the specified movement is carried out using the precision electric drive that the lens is equipped with.
Кроме того, киноформ также снабжен прецизионным электрическим приводом. In addition, the kinoform is also equipped with a precision electric drive.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается киноформ для использования в оптической головке для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска, содержащий коллиматорную линзу, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, при этом первая поверхность является плоской поверхностью, а вторая поверхность является дифракционной поверхностью, при этом дифракционная поверхность формируется в соответствии с фазовым коэффициентом, определяемым по следующей формуле: ,According to a second aspect of the invention, there is provided kinoforms for use in an optical head for recording onto and / or reading from an optical disc, comprising a collimator lens having a first surface and a second surface, wherein the first surface is a flat surface and the second surface is a diffractive surface, while the diffraction surface is formed in accordance with the phase coefficient, determined by the following formula: ,
гдеWhere
λ - длина волны падающего на киноформ излучения;λ is the wavelength of the radiation incident on the kinoforms;
M - рабочий дифракционный порядок;M is the working diffraction order;
A1 - фазовый коэффициент;A 1 is the phase coefficient;
Ф2 - оптическая сила объектива;F 2 - the optical power of the lens;
n∂ и d - показатель преломления и толщина защитного слоя BD-диска;n ∂ and d are the refractive index and the thickness of the protective layer of the BD disk;
s1 - расстояние от излучающей поверхности диода до плоской поверхности киноформа;s 1 is the distance from the radiating surface of the diode to the flat surface of the kinoform;
s2 - расстояние от дифракционной поверхности до объектива;s 2 is the distance from the diffraction surface to the lens;
s0' - расстояние от задней поверхности объектива до заданной точки на информационном слое диска;s 0 'is the distance from the rear surface of the lens to a given point on the information layer of the disk;
Δ - расстояние, характеризующее смещение длины волны λ.Δ is the distance characterizing the shift of the wavelength λ.
Перечень чертежейList of drawings
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятными при изучении настоящего подробного описания с прилагаемыми чертежами.The present invention and its advantages will be better understood when studying the present detailed description with the accompanying drawings.
Фиг.1 - схематичный вид оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска, в частности Blu-ray диска согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где под позицией А показан профиль дифракционной поверхности киноформа.Figure 1 is a schematic view of an optical head for recording onto and / or reading from an optical disc, in particular a Blu-ray disc according to an embodiment of the present invention, where the profile of the diffraction surface of the kinoform is shown under A.
Фиг.2 - график волновой аберрации оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска в зависимости от длины волны излучения в случае плавного процесса изменения длины волны вследствие нагрева диода или изменения его мощности при переходе из режима чтения в режим записи (пунктирной линией показана величина предельно допустимой волновой аберрации для формата BD).Figure 2 is a graph of the wave aberration of the optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk depending on the radiation wavelength in the case of a smooth process of changing the wavelength due to heating of the diode or changing its power when switching from reading to recording mode ( the dashed line shows the maximum permissible wave aberration for the BD format).
Фиг.3 - диаграммы, иллюстрирующие кривые продольной сферической аберрации для оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска для длин волн: λ=405 нм (a), λ=395 нм (б), λ=415 нм (в).Figure 3 is a diagram illustrating longitudinal spherical aberration curves for an optical head for writing to and / or reading from an optical disk for wavelengths: λ = 405 nm (a), λ = 395 nm (b), λ = 415 nm (at).
Фиг.4 изображает упрощенный вид оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска в случае кратковременного изменения длины волны диода, где на Фиг.4а) излучение длины волны λ из точки О через киноформ 4, объектив 6 и защитный слой диска 8' попадает на информационный слой диска в точку О'. В случае кратковременного изменения длины волны положение киноформа и объектива не изменяется, что показано на Фиг.4б). При этом вследствие хроматизма точка О' смещается на величину Δ в точку О'1. Figure 4 depicts a simplified view of the optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk in the case of a short-term change in the wavelength of the diode, where in Figure 4a) the radiation of wavelength λ from point O through kinoform 4,
Фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая дифракционную эффективность киноформа в зависимости от длины волны для рабочего дифракционного порядка. Данная зависимость отражает зависимость интенсивности излучения, сконцентрированного киноформом в рабочем порядке к интенсивности излучения, пришедшего на киноформ.5 is a diagram illustrating the diffraction efficiency of a kinoform as a function of wavelength for a working diffraction order. This dependence reflects the dependence of the intensity of radiation concentrated by the kinoform in the working order to the intensity of the radiation that came to the kinoform.
Предпочтительный вариант осуществления изобретенияPreferred Embodiment
Оптическая головка для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска формата Blu-ray представлена на Фиг.1. При функционировании указанной оптической головки лазерный источник света 1, выполненный в виде лазерного диода, излучающий на длине волны λ0=405 нм, формирует расходящийся пучок лучей, который при прохождении дифракционной решетки 2 разделяется на 3 пучка (соответственно, 0-го, +1-го и -1-го порядков). На Фиг.1 изображен только ход пучка 0-го порядка дифракции, т.к. с его помощью осуществляется запись и считывание информации. Пучки +1-го и -1-го порядков дифракции являются вспомогательными, с их помощью осуществляется фокусировка основного пучка 0-го порядка на дорожке диска, а также трекинг (ведение) пятна, сформированного основным пучком на информационном диске вдоль дорожки. Соответственно, параметры вспомогательных пучков ±1-го порядка (такие как интенсивность, расходимость, качество) определяются конкретной реализацией методов трекинга и фокусировки. Далее, в рамках настоящего изобретения будет рассматриваться только основной пучок 0-го порядка, т.к. его поведение в случае дисков с BD форматом как раз и вызывает дополнительные ошибки оптической головки при записи или считывании, которые устраняются заявленной конструкцией оптической головки для записи и/или чтения на оптические диски согласно настоящему изобретению. Ошибки, вызванные пучками +1-го и -1-го порядков, устраняются посредством известных из уровня техники технических решений, раскрытых в разделе «Уровень техники» настоящего описания, и поэтому не раскрываются в рамках настоящего описания. После дифракционной решетки 2 пучок проходит через светоделительный кубик 3 и падает на первую поверхность киноформа 4, которая представляет собой плоскую поверхность. Киноформ 4 представляет собой одиночную линзу, первая (плоская) поверхность которой направлена в сторону лазерного диода 1, а вторая поверхность, на которой обеспечивается дифракционный микрорельеф (дифракционная поверхность - поз.А), - в сторону оптического диска 8. Назначение и параметры киноформа 4 будут описаны ниже. Киноформ 4 преобразует расходящийся пучок в параллельный и направляет его через поляризационную пластинку 5 на объектив 6 с положительной оптической силой, который фокусирует основной пучок на информационном слое 8'' оптического диска 8 формата Blu-ray (BD), предварительно пройдя через его защитный слой 8'. После отражения от информационного слоя 8'' лазерный пучок возвращается в оптическую систему и проходит свой путь в обратном направлении - через объектив 6, затем пластинку 5 и киноформ 4. Светоделительный кубик 3 направляет отраженный пучок на астигматическую линзу 9, проходя через которую он фокусируется на фотодетекторе 10. Киноформ 4 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси системы и снабжен приводом 11, который может представлять собой прецизионный электрический привод. Объектив 6 также оснащен приводом 7, в качестве которого может быть использован прецизионный электрический привод, который перемещает объектив 6 вдоль оптической оси и перпендикулярно ей, как показано стрелками на Фиг.1. Электрические сигналы на перемещения объектива и киноформа формируются в соответствии с сигналами трекинга и дефокусировки, которые считываются с фотодетектора. Следует также отметить, что информационный сигнал более высокочастотный, чем сигналы трекинга и дефокусировки. Это означает, что процесс считывания информации протекает намного быстрее, чем подаются сигналы на перемещение объектива.An optical head for recording onto an optical disc and / or reading from a Blu-ray optical disc is shown in FIG. When the specified optical head operates, the
Как уже указывалось, вышепредложенный киноформ 4, представляющий собой коллиматорную линзу на второй поверхности, имеет дифракционный рельеф, что позволяет снизить продольную хроматическую аберрацию, вызванную изменениями длины волны лазерного источника света 1.As already mentioned, the above kinoform 4, which is a collimator lens on the second surface, has a diffraction relief, which allows to reduce the longitudinal chromatic aberration caused by changes in the wavelength of the
Заявленная оптическая головка для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска обладает высокой степенью исправления аберраций за счет сочетания конструкционных параметров (радиусы поверхностей, толщины оптических элементов и воздушных промежутков между ними, показателей преломления оптических материалов).The claimed optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk has a high degree of aberration correction due to a combination of structural parameters (surface radii, thickness of optical elements and air gaps between them, refractive indices of optical materials).
Указанная оптическая головка для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска за счет изменения положения киноформа 4 и объектива 6 позволяет эффективно устранять дополнительные аберрации, возникающие при изменении длины волны лазерного источника света, например, в случае его нагревания. При переходе из режима считывания в режим записи мощность излучения увеличивается в несколько раз, что также сопровождается изменением длины волны излучения. Данные процессы являются протяженными во времени и детерминированными, соответствующие величины приводятся в технических характеристиках лазерных диодов. Поэтому возникающие в результате аберрации можно частично компенсировать с помощью сигналов дефокусировки, снимаемых с фотодетектора и подаваемых на исполнительные приводы киноформа 4 и объектива 6, которые переместят их в положение, оптимальное для уменьшения аберраций (см. Фиг.2, 3).The specified optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk by changing the position of the kinoform 4 and the
На Фиг.2 представлен график волновой аберрации оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска согласно изобретению в зависимости от длины волны излучения в случае плавного процесса изменения длины волны вследствие нагрева лазерного диода, или изменения его мощности при переходе из режима считывания в режим записи, при этом штрихпунктирной линией показана величина предельно допустимой волновой аберрации для формата BD, составляющая 0,033λ. Указанный график волной аберраций построен с соответствии со значениями таблицы 2, представленной далее, в котором наглядно проиллюстрированы конкретные значения среднеквадратического отклонения волнового фронта (или волновой аберрации) для оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска согласно настоящему изобретению, полученные в результате тестирования. Как можно видеть, указанные значения волной аберрации значительно меньше (см. кривую на Фиг.2, обозначенную сплошной линией) стандартных значений аберраций, показанных штрихпунктирной линией на Фиг.2, требуемых в соответствии со стандартом BD и составляющих 0.033λ. Figure 2 presents a graph of the wave aberration of the optical head for recording on the optical disk and / or reading from the optical disk according to the invention, depending on the radiation wavelength in the case of a smooth process of changing the wavelength due to heating of the laser diode, or changing its power when switching from the mode reading into recording mode, while the dash-dot line shows the maximum permissible wave aberration for the BD format, component 0,033λ. The indicated graph of the aberration wave is constructed in accordance with the values of Table 2 below, which clearly illustrates the specific values of the mean square deviation of the wavefront (or wave aberration) for the optical head for writing to the optical disc and / or reading from the optical disc according to the present invention, as a result of testing. As you can see, the indicated values of the aberration wave are much smaller (see the curve in Fig. 2, indicated by a solid line) of the standard aberration values shown by the dash-dot line in Fig. 2, required in accordance with the BD standard and constituting 0.033λ.
Графики продольной сферической аберрации заявленной оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска представлены на Фиг.3 для основной длины волны (405 нм) и дополнительных (395 нм и 415 нм). Данные графики, построенные с помощью оптической программы «CodeV», также свидетельствуют о высоком качестве заявленной головки. Таким образом, оптическая головка согласно изобретению позволяет эффективно производить чтение и запись данных во всем диапазоне длин волн.Graphs of the longitudinal spherical aberration of the claimed optical head for recording on an optical disc and / or reading from an optical disc are shown in FIG. 3 for the main wavelength (405 nm) and additional (395 nm and 415 nm). These graphics, constructed using the optical program "CodeV", also indicate the high quality of the declared head. Thus, the optical head according to the invention makes it possible to efficiently read and write data over the entire wavelength range.
Однако, как уже указывалось выше, при работе с Blu-ray диском при длине волны около 405 нм возможно возникновение дополнительных аберраций, вызванных нестабильностью генерации лазерного диода. Данная характеристика также известна и занесена в паспорт лазерного диода, обычно для лазерных диодов, применяемых в оптических головках стандарта BD, данная величина не превышает 2 нм.However, as mentioned above, when working with a Blu-ray disc at a wavelength of about 405 nm, additional aberrations may occur due to the instability of the generation of a laser diode. This characteristic is also known and entered in the passport of the laser diode, usually for laser diodes used in optical heads of the BD standard, this value does not exceed 2 nm.
Но, в отличие от описанных выше температурных и мощностных флуктуаций длины волны, данный процесс является случайным и кратковременным. Это означает, что исполнительные приводы 7, 11 объектива 6 и киноформа 4 не успевают изменить их положение за время действия данного негативного фактора. Это приводит к появлению аберраций продольного хроматизма и сферохроматизма. Это может привести к ошибкам в процессе записи и считывания информации, так как среднеквадратическая волновая аберрация головки может превысить предельно допустимую величину 0,033λ. Таким образом, продольный хроматизм и сферохроматизм должны быть скомпенсированы в условиях неподвижности оптических элементов оптической головки. Т.к. киноформ (коллиматорная линза) и объектив в соответствии с их функциональными назначениями обладают положительными оптическими силами, то устранить возникающий хроматизм положения и сферохроматизм, вообще говоря, невозможно. Усложнив конструкцию объектива или коллиматора (см. патенты США №№6919996 и 6906992) или выполнение коллиматора из стекла, обладающего особыми свойствами (см. патент США №6590851), можно уменьшить эти аберрации. Но такие решения усложняют конструкцию и существенно увеличивают стоимость оптической головки. Кроме того, эти методы неэффективны для исправления сферохроматизма.But, unlike the temperature and power fluctuations of the wavelength described above, this process is random and short-term. This means that the actuators 7, 11 of the
В заявленной оптической головке для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска предлагается использовать в качестве коллиматора киноформ 4, имеющий первую поверхность, выполненную в виде плоской поверхности, и вторую поверхность, выполненную в виде дифракционной поверхности (см. поз.А на Фиг.1). Данный киноформ 4 выполняет одновременно коллимирующую и корректирующую функции.In the inventive optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk, it is proposed to use kinoform 4 as a collimator, having a first surface made in the form of a flat surface and a second surface made in the form of a diffraction surface (see pos. A on Figure 1). This kinoform 4 performs simultaneously collimating and corrective functions.
На Фиг.4 изображена упрощенная оптическая схема оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска согласно изобретению. Излучающая поверхность лазерного диода (т.О), расположенная на расстоянии s1 от плоской входной поверхности киноформа 4 (коллиматорной линзы), формирует сферический волновой фронт, который распространяется до киноформа. Киноформ 4 преобразует сферический волновой фронт в плоский (параллельный пучок лучей), который распространяется от дифракционной поверхности киноформа 4 до объектива 6, расположенного на расстоянии s2 от указанной поверхности. Объектив 6 фокусирует параллельный пучок лучей в точку О', расположенную на информационном 8'' слое оптического диска 8, находящегося на расстоянии s'0 от задней поверхности объектива 6 и имеющий толщину d защитного слоя 8' диска 8. Точка О' представляет собой так называемый кружок рассеивания вследствие остаточных аберраций. При этом остаточные аберрации для корректной записи и считывания информации в соответствии со спецификациями формата BD не должны превышать 0,033λ.Figure 4 shows a simplified optical diagram of an optical head for recording on an optical disc and / or reading from an optical disc according to the invention. The emitting surface of the laser diode (t.O), located at a distance s 1 from the flat input surface of the kinoform 4 (collimator lens), forms a spherical wave front that extends to the kinoform. Kinoform 4 converts a spherical wavefront into a plane (parallel beam of rays), which propagates from the diffraction surface of the kinoform 4 to the
Для определения параксиальных параметров киноформа 4 рассмотрим схему головки в двух случаях: когда длина волны излучения λ равна номинальному значению (405 нм, Фиг.4а), и при изменении ее на некоторую малую величину δλ (Фиг.4б)). В первом и втором случаях расстояния s1, s2, s'0 остаются постоянными. При изменении длины волны точка О' смещается в точку О'1 на расстояние Δ относительно исходного вследствие хроматизма. Кроме того, размеры кружка рассеивания увеличиваются из-за сферохроматической аберрации. Эти аберрации необходимо исправить или минимизировать, т.к. они могут привести к ошибкам в процессе записи или считывания информации. Для исправления этих аберраций предлагается использовать дифракционную поверхность (см. Фиг.4, поз.4), параметры которой зависят от параметров оптической головки и минимизируют вышеуказанные негативные эффекты. Для Фиг.4б) можно записать с помощью гауссовых скобок:To determine the paraxial parameters of kinoform 4, we consider the head layout in two cases: when the radiation wavelength λ is equal to the nominal value (405 nm, Fig. 4a), and when it changes to a small value δλ (Fig. 4b)). In the first and second cases, the distances s 1 , s 2 , s' 0 remain constant. When the wavelength changes, the point O 'is shifted to the point O' 1 at a distance Δ relative to the original due to chromatism. In addition, the sizes of the scattering circle increase due to spherochromatic aberration. These aberrations must be corrected or minimized, because they can lead to errors in the process of writing or reading information. To correct these aberrations, it is proposed to use a diffraction surface (see Figure 4, item 4), the parameters of which depend on the parameters of the optical head and minimize the above negative effects. For Fig.4b) can be written using Gaussian brackets:
Где Ф1, Ф2 - оптические силы соответственно киноформа 4 и объектива 6;Where f 1 , f 2 - optical power, respectively, kinoform 4 and
n∂ и d - показатель преломления и толщина защитного слоя BD-диска.n ∂ and d are the refractive index and the thickness of the protective layer of the BD disk.
Сопряженные точки О и О' представляют собой соответственно излучающую поверхность лазерного источника света 1 (лазерного диода) и точку на информационном слое оптического диска 8, в которой фокусируется пучок.The conjugate points O and O 'are respectively the radiating surface of the laser light source 1 (laser diode) and the point on the information layer of the
Раскрывая гауссовы скобки, получим выражение для оптической силы киноформа 4:Opening the Gaussian brackets, we obtain the expression for the optical power of kinoform 4:
Фазовая добавка, вносимая киноформом 4 в падающий волновой фронт, представляется в виде:The phase additive introduced by kinoform 4 into the incident wave front is represented as:
Где λ - длина волны падающего на киноформ 4 излучения;Where λ is the wavelength of the radiation incident on the kinoform 4;
M - рабочий дифракционный порядок;M is the working diffraction order;
Ai - фазовые коэффициенты;A i - phase coefficients;
r - расстояние от произвольной точки на поверхности киноформа до его оптической оси. r is the distance from an arbitrary point on the surface of the kinoform to its optical axis.
Оптическая сила киноформа записывается в виде:The optical power of the kinoform is written as:
Соответственно, можно записать для фазового коэффициента A1:Accordingly, it can be written for the phase coefficient A 1 :
Т.о., если разность фаз, вносимая киноформом 4, определяется в соответствии с формулами (1)-(5), то хроматизм положения может быть существенно снижен. Параметры дифракционной поверхности киноформа приведены в таблице 3, представленной ниже.Thus, if the phase difference introduced by kinoform 4 is determined in accordance with formulas (1) - (5), then the chromaticity of the position can be significantly reduced. The parameters of the diffraction surface of the kinoform are shown in table 3 below.
Далее представлены конкретные параметры вариантов реализации оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска, которые были получены в результате вышеизложенных расчетов (с помощью формул (1)-(5)) и экспериментальных данных, полученных в результате тестирования, которые подтверждают эффективность заявленной оптической головки в процессе записи и считывания информации на диски формата BD.The following are the specific parameters of the options for implementing an optical head for writing to an optical disk and / or reading from an optical disk, which were obtained as a result of the above calculations (using formulas (1) - (5)) and experimental data obtained as a result of testing, which confirm the effectiveness of the claimed optical head in the process of recording and reading information on BD format discs.
В таблице 1 приведены основные оптимальные конструктивные параметры заявленной оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска, полученные в результате экспериментов, проведенных авторами при функционировании оптической головки с Blu-ray диском.Table 1 shows the main optimal design parameters of the claimed optical head for recording on an optical disc and / or reading from an optical disc, obtained as a result of experiments conducted by the authors during the operation of the optical head with a Blu-ray disc.
Конструктивные параметры оптической головкиTable 1
Design parameters of the optical head
2 - дифракционная поверхность киноформа. Параметры будут приведены ниже.
* - воздушные промежутки, которые могут меняться в процессе работы оптической считывающей головки (см. таблицу 3). 1 - for flat surfaces, the radius R = ∞ (infinity).
2 - diffraction surface of the kinoform. The parameters will be given below.
* - air gaps that can change during operation of the optical read head (see table 3).
В таблице 1 номера оптических поверхностей приведены по ходу распространения излучения в соответствии с Фиг.1: поверхности 1' и 1'' представляют собой входную и выходную поверхности защитного стекла лазерного источника 1 света, которые являются плоскими; поверхности 2' и 2'' - входная и выходная поверхности дифракционной решетки 2; поверхности 3' и 3'' - входная и выходная поверхности светоделительного кубика 3; поверхности 4' и 4'' - плоская входная и дифракционная поверхности киноформа 4; поверхности 5' и 5'' - входная и выходная поверхности поляризационной пластинки 5; поверхности 6' и 6'' - входная и выходная поверхности объектива 6; поверхность 8' соответствует входной поверхности защитного слоя BD диска 8', поверхность 8'' представляет собой информационный слой 8''. Согласно формуле (5) получены следующие параметры дифракционной поверхности 4'' киноформа 4: при рабочем дифракционном порядке M=1 получен фазовый коэффициент A1=-0,026. Параметры дифракционной поверхности киноформа рассчитаны таким образом, чтобы он концентрировал падающее на него излучение в заданный порядок дифракции (в нашем случае +1-й). При изменении длины волны излучения, помимо описанных ранее эффектов, происходит перераспределение энергии излучения в другие дифракционные порядки, что соответственно уменьшает количество энергии в рабочем 1-м порядке. Зависимость интенсивности падающего на дифракционную поверхность излучения к интенсивности вышедшего излучения для различных дифракционных порядков называется дифракционной эффективностью. График дифракционной эффективности 1-го порядка заявленного киноформа 4 в заявленной оптической головке для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска в зависимости от длины волны приведен на Фиг.5.In table 1, the numbers of optical surfaces are shown along the propagation of radiation in accordance with Figure 1: surfaces 1 'and 1''are the input and output surfaces of the protective glass of the
В таблице 2 приведены остаточные аберрации (среднеквадратическое отклонение волнового фронта ((СКО) в длинах волн) и расстояния (d8, d10), определяющие положения киноформа 4, и расстояния (d12, d14), определяющие положения объектива 6 в зависимости от длины волны с шагом 2 нм в случае плавного процесса изменения длины волны (см. также Фиг. 2 и 3), полученные в результате тестирования заявленной оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска согласно изобретению.Table 2 shows the residual aberrations (standard deviation of the wavefront ((RMS) in wavelengths) and distances (d 8 , d 10 ) that determine the position of kinoform 4 and distances (d 12 , d 14 ) that determine the position of
В таблице 3 приведены величины продольного хроматизма Δf' и остаточной волновой аберрации, полученные в результате тестирования заявленной оптической головки для записи на оптический диск и/или считывания с оптического диска с киноформом 4, в случае нестабильности генерации лазерного диода 1(источника лазерного излучения), т.е. при скачкообразном случайном изменении длины волны излучения.Table 3 shows the longitudinal chromaticity Δf 'and residual wave aberration obtained by testing the inventive optical head for recording on an optical disk and / or reading from an optical disk with kinoform 4, in case of instability of the generation of laser diode 1 (laser radiation source), those. with a random random change in the radiation wavelength.
Следует отметить, что значения волновой аберрации, приведенные в таблицах 2 и 3, не превышают требуемые стандартом BD 0,033λ. Таким образом, заявленная оптическая головка эффективно устраняет все вышеозначенные проблемы и позволяет повысить надежность и точность записи и воспроизведения оптических дисков формата BD.It should be noted that the wave aberration values given in Tables 2 and 3 do not exceed those required by the BD standard 0.033λ. Thus, the claimed optical head effectively eliminates all of the above problems and improves the reliability and accuracy of recording and playback of optical discs in BD format.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Заявленное изобретение относится к оптической головке считывания и/или записи информации на диск и может быть использовано при работе с оптическими дисками, в частности Blu-ray дисками.The claimed invention relates to an optical head for reading and / or writing information to a disc and can be used when working with optical discs, in particular Blu-ray discs.
Claims (9)
,
где λ - длина волны падающего на киноформ излучения;
М - рабочий дифракционный порядок;
A1 - фазовый коэффициент;
Ф2 - оптическая сила объектива;
n∂ и d - показатель преломления и толщина защитного слоя оптического диска;
s1 - расстояние от излучающей поверхности лазерного источника света до плоской поверхности киноформа;
s2 - расстояние от дифракционной поверхности до объектива;
s0' - расстояние от задней поверхности объектива до заданной точки на информационном слое диска;
Δ - расстояние, на которое при изменении длины волны λ смещается точка, в которой фокусируется пучок света. 9. Kinoform for use in an optical head for recording on an optical disc and / or reading from an optical disc according to claims 1 to 8, comprising a collimator lens having a first surface and a second surface, the first surface being a flat surface and the second surface being diffraction surface, while the diffraction surface is formed in accordance with the phase coefficient determined by the following formula:
,
where λ is the wavelength of the radiation incident on the kinoforms;
M — working diffraction order;
A 1 is the phase coefficient;
F 2 - the optical power of the lens;
n ∂ and d are the refractive index and the thickness of the protective layer of the optical disk;
s 1 - the distance from the emitting surface of the laser light source to the flat surface of the kinoform;
s 2 is the distance from the diffraction surface to the lens;
s 0 'is the distance from the rear surface of the lens to a given point on the information layer of the disk;
Δ is the distance at which the point at which the light beam is focused when the wavelength λ changes.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006134822/28A RU2429550C2 (en) | 2006-10-02 | 2006-10-02 | Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006134822/28A RU2429550C2 (en) | 2006-10-02 | 2006-10-02 | Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006134822A RU2006134822A (en) | 2008-04-10 |
RU2429550C2 true RU2429550C2 (en) | 2011-09-20 |
Family
ID=44758845
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006134822/28A RU2429550C2 (en) | 2006-10-02 | 2006-10-02 | Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2429550C2 (en) |
-
2006
- 2006-10-02 RU RU2006134822/28A patent/RU2429550C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006134822A (en) | 2008-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3123969B2 (en) | Optical pickup with objective lens compatible with multiple optical disc specifications | |
EP1117096B1 (en) | Optical pickup | |
US7668066B2 (en) | Optical pickup apparatus | |
US7529039B2 (en) | Object lens device with high numerical aperture and optical pickup device adopting the same | |
JP2726029B2 (en) | Method and apparatus for forming double focus | |
JP3297505B2 (en) | Optical head device and optical information device | |
RU2429550C2 (en) | Optical head to write on optical disk and/or reading off from optical disk phase-only synthetic hologram to be used in said optical head | |
US20040218503A1 (en) | Objective optical element and optical pickup device | |
JP4397471B2 (en) | Optical head | |
JP2006147078A (en) | Object optics for optical recording medium, and optical pickup apparatus using the same | |
JP4329329B2 (en) | Optical element and optical pickup device | |
US20060118704A1 (en) | Optical pickup device and optical element | |
US8406110B2 (en) | Objective lens element | |
JP4706481B2 (en) | Optical pickup device | |
KR100551777B1 (en) | Optical recording and playback device with corrected chromatic aberration | |
JP4148287B2 (en) | Optical lens and diffraction lens, optical head device, optical information device | |
JP2006244656A (en) | Objective lens, optical pickup device, and optical disk device | |
JP4375107B2 (en) | Optical pickup device | |
JP4155297B2 (en) | Optical disc and optical disc recording / reproducing method | |
JP3982547B2 (en) | Optical lens, optical head device, information device | |
JP4788783B2 (en) | Objective optical element and optical pickup device | |
JP3982546B2 (en) | Optical lens, optical head device, information device | |
JP2006313647A (en) | Optical lens and optical head device, optical disk device | |
KR20110090648A (en) | Optical pickup | |
JP2005038598A (en) | Optical pickup |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151003 |