專(zhuān)利名稱(chēng)：：光學(xué)聚焦系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明廣義地涉及光學(xué)聚焦系統(tǒng)和方法，并且涉及它的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：藍(lán)光光盤(pán)具有不小于23GB的記錄密度和高達(dá)36Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。然而，仍然需要進(jìn)一步增加記錄密度，并且增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸率。相型二元光學(xué)元件的使用已被提出用于超分辨率成像和高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。美國(guó)專(zhuān)利No.5349592(HideoAndo)描述了在光盤(pán)(CD)系統(tǒng)中使用二元變跡器獲得超分辨率讀取。然而，由于在聚焦圓極化束中的很強(qiáng)縱向場(chǎng)分量，難以在藍(lán)光盤(pán)系統(tǒng)中使用該類(lèi)型的裝置獲得超分辨率焦斑。而且，圍繞焦斑的旁瓣的強(qiáng)度與CD系統(tǒng)相比將遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高。美國(guó)專(zhuān)利No.5496995描述了超分辨率掃描光學(xué)裝置，其在反射或透射模式中使用二元相光學(xué)元件，目的是在不顯著減小主瓣的強(qiáng)度的情況下最小化焦斑。歐洲專(zhuān)利No.0831471描述了在CD和數(shù)字視頻盤(pán)(DVD)系統(tǒng)的光學(xué)頭中使用雙級(jí)和多級(jí)相光學(xué)元件以最小化用于讀和寫(xiě)的焦斑。中國(guó)專(zhuān)利ZL00127615.8和期刊論文["用純相變跡器獲得高焦深"，王海鳳和干福熹，應(yīng)用光學(xué)，Vol.40,No.31,5658-5622,2001]描述了使用二元相元件獲得超分辨率并且同時(shí)獲得均勻軸向強(qiáng)度分布，其中橫向和軸向場(chǎng)分布都^^皮考慮。難以將上述文件中的技術(shù)應(yīng)用于藍(lán)光盤(pán)系統(tǒng)，原因是使用高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)，獲得很小的超分辨率效果并且焦斑的旁瓣遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高，這是強(qiáng)縱向場(chǎng)分量的結(jié)杲。減小球面像差、增加厚度變化的幅度和在高密度光學(xué)記錄中獲得更大的工作距離也是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，對(duì)于高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)，由于交叉極化效應(yīng)當(dāng)引入變跡器時(shí)的焦斑大小將總是大于沒(méi)有變跡器。所以需要提供一種設(shè)法解決至少一個(gè)上述問(wèn)題的系統(tǒng)和方法。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供了一種光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其包括光束成形器，其用于將入射激光束成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束；極化調(diào)制器，其被布置成使得徑向?qū)ΨQ(chēng)束是徑向極化束；和透鏡元件，其用于將徑向極化束聚焦在焦平面。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括變跡器元件，所述變跡器元件用于引入徑向極化束的不同帶之間的Pi相差使得來(lái)自不同帶的光在焦平面干涉。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于從徑向?qū)ΨQ(chēng)束形成環(huán)形束。所述極化調(diào)制器可以沿著所述系統(tǒng)的光路被布置在所述光學(xué)元件之前或所述光學(xué)元件之后。所述光學(xué)元件可以與所述變跡器元件形成一體。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括分束器，所述分束器用于在從焦平面的反射中從徑向極化束分離讀取束。所迷系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于聚焦讀取束的透鏡單元。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于檢測(cè)聚焦讀取束的光檢測(cè)器。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于執(zhí)行從聚焦讀取束成像的CCD單元。所述分束器可以與所述束成形器形成一體。所述系統(tǒng)可以在由下列組成的組的一個(gè)中^f皮配置光盤(pán)系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)，共焦成像系統(tǒng)，三維成像系統(tǒng)，平版印刷系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，光學(xué)鑷子，和粒子加速系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供了一種光學(xué)聚焦的方法，所述方法包括以下步驟將入射激光束成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束；將徑向?qū)ΨQ(chēng)束極化成徑向極化束；和將徑向極化束聚焦在焦平面。僅僅通過(guò)例子，并且與附圖結(jié)合，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從以下書(shū)面描述將更好地理解和顯而易見(jiàn)本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖l是示意圖，其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例顯示了獲得高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)的超分辨率聚焦束的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以提供高分辨率和長(zhǎng)焦深。極化調(diào)制器由帶有沿不同方向的慢軸的四件半波板組成。圖2是示意圖，其根據(jù)另一實(shí)施例顯示了使用中心障礙相掩模和極化調(diào)制器獲得高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)的超分辨率聚焦束的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以提供高分辨率和長(zhǎng)焦深。圖3是示意圖，其根據(jù)另一實(shí)施例顯示了使用環(huán)形束成形器和極化調(diào)制器獲得高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)的超分辨率聚焦束的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以提供高分辨率和長(zhǎng)焦深。圖4是示意圖，其根據(jù)另一實(shí)施例顯示了使用二元相掩模和極化調(diào)制器獲得高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)的超分辨率聚焦束的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以為生物成像提供高分辨率和長(zhǎng)焦深。圖5在聚焦束的X-Z橫截面中顯示了強(qiáng)度圖像和縱向場(chǎng)分量等相線圖。圖6顯示了軸向強(qiáng)度分布。圖7顯示了徑向強(qiáng)度分布；最大旁瓣強(qiáng)度為大約16%。圖8是用于本發(fā)明的不同實(shí)施例中的備選環(huán)形束成形器。圖9顯示了流程圖，其根據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例示出了光學(xué)聚焦的方法。具體實(shí)施例方式在使用相或幅度變跡器、極化調(diào)制器和多級(jí)記錄方法的典型實(shí)施例中提出并描述了光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。在典型實(shí)施例中，焦斑大小小至0.43入，對(duì)于紅光和藍(lán)光其分別對(duì)應(yīng)于23.8GB和61.7GB的盤(pán)容量。焦斑大小在相對(duì)大的區(qū)域內(nèi)幾乎是不變的。長(zhǎng)場(chǎng)深也使跟蹤和服務(wù)系統(tǒng)更容易跟隨盤(pán)的振動(dòng)。數(shù)據(jù)傳輸率也可以通過(guò)增加轉(zhuǎn)速進(jìn)一步被增加。典型實(shí)施例也可以在激光加工、計(jì)量學(xué)和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、三維成像、光學(xué)相千斷層攝影術(shù)、平版印刷術(shù)和掃描顯微術(shù)等中得到應(yīng)用。典型實(shí)施例涉及第四代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、三維成像、平版印刷術(shù)和掃描顯微術(shù)、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、光學(xué)相干斷層攝影術(shù)。特別地，典型實(shí)施例可以提供一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置可以獲得更高的密度并且具有更長(zhǎng)的焦深。使用更長(zhǎng)的焦深，伺服器可以更容易地跟隨波動(dòng)，光驅(qū)可以更安靜，原因是拾取頭不必跟隨盤(pán)的更高頻率的振動(dòng)，并且在焦區(qū)內(nèi)的幾乎相等的強(qiáng)度分布可以允許對(duì)讀/寫(xiě)功率和寫(xiě)記號(hào)長(zhǎng)度進(jìn)行更好的控制。數(shù)據(jù)傳輸率也可以通過(guò)增力。轉(zhuǎn)速^皮增力口。藍(lán)光光盤(pán)使用405nm的激光波長(zhǎng)和帶有0.85的數(shù)值孔徑的物鏡。很難通過(guò)常規(guī)技術(shù)例如增加透鏡的數(shù)值孔徑或減小激光波長(zhǎng)進(jìn)一步最小化記錄光斑。CD，DVD和藍(lán)光光盤(pán)的所有驅(qū)動(dòng)在遠(yuǎn)場(chǎng)中工作，這使驅(qū)動(dòng)更容易讀取所有類(lèi)型的盤(pán)。典型實(shí)施例提供了一種方法以最小化遠(yuǎn)場(chǎng)中的聚焦光斑，并且使光學(xué)頭更容易進(jìn)行伺服。如圖1中所示，一個(gè)典型實(shí)施例包括來(lái)自激光二極管(LD)102的激光束100，所述激光二極管正由透鏡104校準(zhǔn)并且由棱鏡105成形為圓形對(duì)稱(chēng)束101。圓形激光束101由環(huán)形束成形器108變成環(huán)形束106。較低空間頻率光因此被偏移到較高空間頻率帶，這可以在由透鏡118聚焦之后減小焦點(diǎn)大小。在通過(guò)分束器IIO之后，環(huán)形束106由極化調(diào)制器112調(diào)制并且被變換成徑向極化環(huán)形束114。該徑向極化環(huán)形束114有利地用于高數(shù)值孔徑聚焦透鏡118，這可以減小該典型實(shí)施例中的交叉極化效應(yīng)。徑向極化環(huán)形束114然后通過(guò)變跡器116以調(diào)制它的相位，并且由高數(shù)值孔徑透鏡(NA二0.95)118聚焦到光盤(pán)122的平面120上。來(lái)自變跡器116的內(nèi)帶117的光與來(lái)自變跡器的外帶119的光具有Pl相差。相調(diào)制徑向極化環(huán)形束115的相應(yīng)帶在焦平面120中千涉，這進(jìn)一步減小了焦點(diǎn)大小并且使沿著光軸的光強(qiáng)度均勻。讀和寫(xiě)處理與常^L藍(lán)光光盤(pán)相同，帶有用于讀取束125的透鏡系統(tǒng)，在從盤(pán)122的反射中，由聚焦透鏡124和柱面透鏡126組成，用于減小物鏡的聚焦誤差和檢測(cè)在光檢測(cè)器128的讀出信號(hào)。在光盤(pán)122的平面120的聚焦光斑的半幅全寬為0.43人，如圖5中所示。對(duì)于藍(lán)或紅光源，分別在與現(xiàn)有系統(tǒng)組合的盤(pán)類(lèi)型"超藍(lán)"和"超紅"下在該實(shí)施例中的焦點(diǎn)大小和可獲得的容量在表l中被顯示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表l中所示的容量根據(jù)關(guān)于常規(guī)藍(lán)光光盤(pán)系統(tǒng)的表面密度被計(jì)算。盤(pán)的容量與1/(斑點(diǎn)面積)成正比。斑點(diǎn)大小和焦深通過(guò)矢量衍射理論被計(jì)算。從表1可以看出使用紅光的超紅可以獲得與常規(guī)藍(lán)光光盤(pán)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)娜萘?，而超藍(lán)可以獲得大約60GB容量。如果8級(jí)記錄方法用于典型實(shí)施例中，盤(pán)的容量將進(jìn)一步增加三倍，因此超紅為71.4GB并且超藍(lán)盤(pán)為185.1GB。最大旁瓣強(qiáng)度為大約16%，如圖7中所示，并且軸向強(qiáng)度在兩個(gè)波長(zhǎng)(z/X)內(nèi)不變。圖2顯示了從圖1的實(shí)施例改進(jìn)的實(shí)施例，其中純相型變跡器(116，圖1)用徑向極化調(diào)制器203之后的中心障礙相和幅度變跡器202替換。該類(lèi)型的變跡器202的使用可以將第二旁瓣強(qiáng)度減小到10%以下。可獲得的焦斑大小和焦深與圖1的實(shí)施例相當(dāng)。在圖2中，棱鏡束成形器(105,圖l)與分束器(llO，圖1)"融合"。"分束器和束成形器，，206的三角形部分204充當(dāng)束成形器。變跡器202的中心208是黑的，這阻礙徑向極化束210變跡器202也提供兩個(gè)外帶214，216之間的Pi相差調(diào)制，這可以減小焦斑大小并且通過(guò)焦平面218附近的干涉使沿著光軸的聚焦束均勻。圖3顯示了從圖2的實(shí)施例改進(jìn)的實(shí)施例，其中變跡器(202，圖2)用環(huán)形束成形器302替換，并且徑向極化調(diào)制器303被定位在環(huán)形束成形器302之后。環(huán)形束成形器302將較低空間頻率光偏移到較高空間頻率帶。在極化調(diào)制器303調(diào)制之后，光由聚焦透鏡306聚焦。使用該設(shè)置，也可以獲得與用圖1中所述的設(shè)置獲得的焦斑大小相當(dāng)?shù)慕拱叽笮?。發(fā)現(xiàn)沿著光軸的強(qiáng)度的均勻性和超分辨率效果低于由圖1中所述的設(shè)置生成的均勻性和效果，這凈皮認(rèn)為是由于在該實(shí)施例中沒(méi)有相調(diào)制。圖4顯示了從圖1的實(shí)施例改進(jìn)的實(shí)施例，其中柱面透鏡(126,圖1)被去除并且光檢測(cè)器(128，圖l)用電荷耦合裝置(CCD)402替換。該設(shè)置例如可以用于執(zhí)行光學(xué)相關(guān)斷層攝影術(shù)或三維光學(xué)成像。在圖4中，束成形器(105，圖l)與分束器(llO，圖1)"融合"。"分束器和束成形器"406的三角形部分404充當(dāng)束成形器。變跡器408具有兩個(gè)以上帶411-415,由于相鄰帶之間具有Pi相差，通過(guò)變跡器408的不同帶411-415的來(lái)自徑向極化調(diào)制器410的光在焦區(qū)418附近千涉，這減小了焦點(diǎn)大小并且使沿著光軸的束均勻。而且，由于該設(shè)置可以獲得高分辨率和長(zhǎng)焦深，如果在另一實(shí)施例中檢測(cè)光路被去除，這樣的設(shè)置可以充當(dāng)高分辨率光學(xué)平版印刷系統(tǒng)。圖5顯示了強(qiáng)度圖像500并且在來(lái)自圖1的實(shí)施例的設(shè)置的聚焦束的x-z橫截面中示出了縱向場(chǎng)分量等相線圖。場(chǎng)分布是徑向?qū)ΨQ(chēng)的。半幅全寬為0.43人并且在80%強(qiáng)度測(cè)量的焦深為3.8X。在兩個(gè)波長(zhǎng)(z/X)內(nèi)束大小沿著光軸不變。圖6顯示了圖5的聚焦束的軸向強(qiáng)度分布。強(qiáng)度在焦平面附近在兩個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)是均勻的。圖7顯示了徑向強(qiáng)度分布。最大旁瓣強(qiáng)度為大約16%。圖8顯示了備選的環(huán)形束成形器800，其由融合在一起并且沿著光學(xué)聚焦系統(tǒng)(未顯示)的光軸806布置的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡802組成。在不同實(shí)施例中，該環(huán)形束成形器800可以用于替換圖1和圖3中的束成形器108，302。束成形器108，302和800,極化調(diào)制器112，203，303和410，和變跡器116，202和408在所述的典型設(shè)計(jì)中是徑向?qū)ΨQ(chēng)光學(xué)元件。所述典型實(shí)施例利用徑向極化光以有利地減小高數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)的交叉極化效應(yīng)。因此，可以在所述典型實(shí)施例中獲得高超分辨率效果。由典型實(shí)施例生成的束也有利地沿著光軸是均勻的，這使散焦球面像差最小化。圖9顯示了流程圖900，其才艮據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例示出了光學(xué)聚焦的方法。在步驟902，入射激光束被成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束。在步驟904,徑向?qū)ΨQ(chēng)束被極化成徑向極化束。在步驟906，徑向極化束被聚焦在焦平面。所述實(shí)施例具有許多應(yīng)用，包括應(yīng)用于光盤(pán)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、共焦成像系統(tǒng)、三維成像系統(tǒng)、平版印刷術(shù)、對(duì)準(zhǔn)、光學(xué)鑷子、粒子加速等。在一個(gè)應(yīng)用中，所述實(shí)施例可以為第四代光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供讀和寫(xiě)光學(xué)拾取。所述實(shí)施例可以獲得均勻斑點(diǎn)大小和沿著光軸的均勻強(qiáng)度分布，具有延長(zhǎng)的場(chǎng)深，因此散焦和球面像差有利地被消除，并且盤(pán)基或蓋層厚度變化的公差被改善。這也可以允許對(duì)讀/寫(xiě)激光功率和寫(xiě)記號(hào)長(zhǎng)度進(jìn)行更好的控制。數(shù)據(jù)傳輸率也可以通過(guò)增加轉(zhuǎn)速被增加。在另一應(yīng)用中，實(shí)施例可以提供穩(wěn)定的掃描成像系統(tǒng)，其中某個(gè)散焦將對(duì)圖像的掃描質(zhì)量幾乎不產(chǎn)生影響。在另一應(yīng)用中，實(shí)施例可以提供三維長(zhǎng)場(chǎng)深超分辨率成像設(shè)置，其中樣品沿著光軸^^皮幾乎均勻地顯示并且縱向場(chǎng)分量顯著。在另一應(yīng)用中，實(shí)施例可以提供平版印刷系統(tǒng)，其中強(qiáng)度不會(huì)沿著曝光深度變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解可以對(duì)如特定實(shí)施例中說(shuō)明的本發(fā)明進(jìn)行許多變化和/或修改而不脫離如廣義所述的本發(fā)明的精神或范圍。所以本Li*權(quán)利要求1.一種光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其包括光束成形器，其用于將入射激光束成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束；極化調(diào)制器，其被布置成使得徑向?qū)ΨQ(chēng)束成為徑向極化束；和透鏡元件，其用于將徑向極化束聚焦在焦平面。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括變跡器元件，所述變跡器元件用于引入徑向極化束的不同帶之間的Pi相差，使得來(lái)自不同帶的光在焦平面千涉。3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于從徑向?qū)ΨQ(chēng)束形成環(huán)形束。4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述極化調(diào)制器沿著所述系統(tǒng)的光路被布置在所述光學(xué)元件之前或所述光學(xué)元件之后。5.如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件與所述變跡器元件形成一體。6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括分束器，所述分束器用于在從焦平面的反射中從徑向極化束分離讀取束。7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用于聚焦讀取束的透鏡單元。8.如權(quán)利要求7所迷的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用于檢測(cè)聚焦讀取束的光檢測(cè)器。9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用于執(zhí)行從聚焦讀取束成像的CCD單元。10.如權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述分束器與所述束成形器形成一體。11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)在由下列組成的組的一個(gè)中被配置光盤(pán)系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)，共焦成像系統(tǒng)，三維成像系統(tǒng)，平版印刷系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，光學(xué)鑷子，和粒子加速系統(tǒng)。12.—種光學(xué)聚焦的方法，所述方法包括以下步驟將入射激光束成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束；將徑向?qū)ΨQ(chēng)束極化成徑向極化束；和將徑向極化束聚焦在焦平面。全文摘要一種光學(xué)聚焦系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括光束成形器，其用于將入射激光束成形為徑向?qū)ΨQ(chēng)束；極化調(diào)制器，其被布置成使得徑向?qū)ΨQ(chēng)束是徑向極化束；和透鏡元件，其用于將徑向極化束聚焦在焦平面。文檔編號(hào)G11B7/135GK101542618SQ200780042636公開(kāi)日2009年9月23日申請(qǐng)日期2007年9月25日優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日發(fā)明者張道昌,施路平,王海鳳,繆向水,苑高強(qiáng),陳湋璉申請(qǐng)人:新加坡科技研究局