（光学工程专业论文）vcd（cd）系统中光栅设计与测试技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光存储光学系统是我国信息化建设中发展迅速、前途广阔的新兴产业，本文在全面 系统地分析光盘光学元件的基础上，对光存储系统关键光学元件光盘光栅的设计、 制造工艺及检测作了深入的研究。 本文利用正弦型相位光栅的复振幅透射系数数学模型，应用衍射场的标量理论，推 导建立了相位型光盘光栅的设计计算公式，并讨论了大规模生产光盘光栅的生产工艺； 结合近年来迅速发展的c c d 技术和计算机技术，共同研制出了一台符合用户精度要求的 光栅性能测试仪。 用v c + + 语言设计开发的测试软件采用模块化结构，并且在程序中实现了c c d 采集数 据的各种滤波方式，拥有良好的用户界面，完善的菜单，功能齐全，操作简洁，该仪器 经验收合格，目前正在使用之中。 本文由六章组成： 第一章主要介绍课题的来源和意义，国内外研究过程、现状及发展方向。 第二章对光盘光学元件产业化基础进行了分析。 第三章重点介绍了光盘光栅的设计及制造工艺。 第四章重点介绍光栅性能测试仪及测试软件。 第五章给出了实验结果，并对数据进行了分析。 第六章进行了总结，并对今后的发展提出了改进意见。 关键词：v c d c dc c d光栅设计测试技术 i 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = # = = = = 一 a b s t r a c t t h eo p t i c a ls t o r a g es y s t e mi sb e c o m i n gar i s i n gi n d u s t r yw h i c hd e v e l o p sr a p i d l yw i t h b o u n d l e s sp r o s p e c t s o nt h eb a s i so fo v e r a l la n a l y s i so ft h eo p t i c a lc o m p o n e n t so fo p t i c a l p l a t e ，t h ep a p e rm a k e s at h o r o u g hs t u d yo nd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g y o f t h ec r i t i c a le l e m e n t 一- - o p t i c a lp l a t eg r a t i n gi nt h eo p t i c a ls t o r a g es y s t e m t h ep a p e rm a k e su s eo fm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et r a n s m i s s i v ec o m p l e xa m p l i t u d e c o e f f i c i e n ti ns i n u s o i d a lp h a s eg r a t i n gja p p l i e s s c a l a rt h e o r yd i f f r a c t i o n ，d e d u c e sa n ds e t su p a c a l c u l a t i n gf o r m u l af o rd e s i g n i n gp h a s eg r a t i n go fo p t i c a lp l a t e ，d i s c u s s e st h et e c h n o l o g y m a n u f a c t u r i n go p t i c a lp l a t eg r a t i n g w i t hw i d es c o p e a p p l y i n gt h el a t er a p i dd e v e l o p i n g t e c h n o l o g y o fc c da n d c o m p u t e r , t h es t u d yd e v e l o p e d a g r a t i n ge n e r g y d i s t r i b u t i o n i n s t r u m e n t ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h ed e m a n d s o ft h eu s e l a d o p t e dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d t e s t i n gs o f t w a r e i s d e s i g n e di nl a n g u a g ev c + + i t i n c l u d e s f r i e n d l yi n t e r f a c e ，f u n c t i o n a l l yc o m p l e t em e n u ，t h u so p e r a t i n gv e r ye a s i l y t h e i n s t r u m e n th a sb e e nc h e c k e da n da c c e p t e d ，n o wi ti sb e i n gu s e d t h e r ea x es i x c h a p t e r s i nt h i st h e s i st h ef i r s t c h a p t e r d e s c r i b e st h es o u r c ea n d s i g n i f i c a n c e ，t h es t u d yp r o c e s s ，t h es t u d yc o n d i t i o na th o m ea n da b r o a d ，t h ef o r e g r o u n do f v c d c d i n d u s t r i a l i z a t i o nf o u n d a t i o no f o p t i c a lc o m p o n e n t si nt h eo p t i c a lp l a t es y s t e mi s a n a l y z e di nt h es e c o n dc h a p t e r i nt h et h i r dc h a p t e r , d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f t h e o p t i c a lp l a t e sg r a t i n g a r em a i n l yi n t r o d u c e d t h ef o u r t h c h a p t e rm a i n l ye x p l a i n st h e i n s t r u m e n ta n di t st e s t i n gs o f t w a r et h a ti su s e dt ot e s tt h eg r a t i n gp r o p e r t y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r eg i v e na n dt h ed a t aa r ea n a l y z e di nt h ef i f t hc h a p t e r t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e s t h es y s t e ma n dp r e s e n t st h em e t h o d sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：v c d c dc c d g r a t i n gd e s i g nt e s t i n gt e c h n o l o g y h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：畸胡巾 日期：州年髟月t - i = j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：诌，9 2 严 指导教师签名： 日期：州年驴月，r 日 址 日期：i 争年华月t f f t 熙 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 前言 1 9 7 2 年荷兰p u l l i p s 公司与美国a 公司首先推出激光电视唱片，1 9 7 4 年两公司 进行技术合作，荷兰p h i l i p s 公司负责播放机研制，m c a 公司分担研制光学录像盘，随 之形成p h i l i p s m c a 型电视录像光盘系统“1 。同年，法国t h o m s o n c s f 和z e n i t h 公司共 同研制了一种透射式激光唱片，工作的主要特征仍统一于p h i l i p s m c a 方式。1 9 7 8 年 荷兰p h i l i p s 公司首先展示了一台光学数字记录装置，具有一次录随时播放功能的光盘 存储装置样机。它采用5 0 m w 半导体激光器，可用l o 兆位秒的速度实时记录信息，并 能不须任何处理把记录的信息读出。从此电视唱片信息记录技术不仅可以用来存储图象 节目、高质量音频节目，还能存储计算机码数据、文献资料与档案等，几乎包括一切表 达形式的信息”删“1 。这种信息存储技术现已概括地称为光盘技术，电视唱片只是其中的 一种应用。 1 9 7 8 年激光电视唱片推向市场，美国m a g n a n a x 公司( p h i l i p s 公司的予公司) 开 始出售v h 8 0 0 0 型播放机，成为最早的激光电视录像光盘播放机样机商品。1 9 8 1 年i 2 月，日本先锋公司开始出售l d 1 0 0 0 型电视录像光盘播放机，最早采用半导体激光器作 为激光光源，使播放机体积大为减少”3 。进入数字时代后，荷兰p h i l i p s 公司与s o n y 公司在研究与试制了具有9 0 分贝以上的高保真信噪比的小型数字式唱片( d a d ) 基础上， 于1 9 8 2 年推出c d 制数字式音频唱片。数字化有五大特点”。1 ：( 1 ) 高保真度；( 2 ) 高 密度；( 3 ) 成本低廉；( 4 ) 多功能；( 5 ) 操作方便。这大大促进了人们对光存储技术的 研究和应用，从而使得光存储系统的光学、机械、电气性能、激光光源、光盘质量及纠 错编码技术得到了很大的发展。1 9 9 3 年v c d 机开始问世，它是集v i d e o ( 视频) 技术、 c d 技术及计算机技术于一体的音像产品，它是在c d 的基础上发展起来的第一代全部采 用数字技术的激光视盘机，能在与c d 机同祥大小的l g c m 光盘上，存储7 4 m i n 的活动图 象与立体声伴音，其图象清晰度可达2 5 0 线，声音的音质则接近于c d 机。 七十年代是光存储光学系统技术发展的初期，在这个时期基本建立了聚焦、跟踪及 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = 。= = = = ；口= = = = # = = = 2 = # = = 主轴伺服控制、光学头的批量生产、光盘刻录及盘片复制等基础技术。七十年代的研究 导致t j k 十年代l d 和c d 只读光学头的普及，八十年代磁光、相变技术的大量研究又产 生了磁光( m 0 ) 、相变( p h ) 光盘系统。”“”1 。因此，八十年代的光盘技术进展要比七 十年代更为有效，目前光盘已经走过了三十多年，随着新技术新介质新工艺的不断开拓， 光盘存储向着高密、高速、高效方向进一步发展。1 9 9 4 年1 2 月2 4 日，s o n y 和p h i l i p s 公司共同宣布了高密度多媒体光盘标准的开发。1 9 9 5 年1 月2 4 日，t o s h i b a 、h i t a c h i 、 p i o n e e r 、淝a 和时代华纳公司宣布了超密度( s o ) 数字视盘标准的开发。1 9 9 7 年1 月 t o s h i b a 、p a n i s o n i c 等公司推出了它们的数字化视盘( d v d ) 。到2 0 0 2 年，美国已有6 0 的p c 计算机载d v d r o m 驱动器。 各类视盘机的性能比较如表1 一l 所示。 表i - i 各类视盘机的性能比较 f 类型大影碟机激光唱机小影碟机数字多用途光盘机 符号 l dc dv c dd v d 英文含义 l a s e rd i s c c o m p a c td i s c v i d e oc o m d a c td is c d i g i t a l v e u s a t i l ed i s c 光盘直径c m 3 01 21 21 2 l 光盘存储容量约3 0 g b约6 5 0 m b 约6 5 0 m b 约4 7 g b 播放时问加i n约6 0约7 4约7 4约1 3 3 信号形式模拟音、视频信数字音频信数字音、视频信号 数字音、视频信号 号，数字音频信号 图象压缩标准无无m p e g l 数据压缩h p e g 一2 数据压缩 图象清晰度线约4 2 0无约2 5 0约5 0 0 兼容性可兼容c d v c d无c d v c dc d v c d d v d 光存储技术虽已成熟，但仍存在巨大潜力，在二十世纪随着光存储技术的几个相 关学科，如光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自 动控制技术的发展，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术 上都还有巨大潜力和改进余地。 2 华中科技大学硕士学位论文 = = 一= = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1 2 光盘光学元件产业化意义 从1 9 7 2 年荷兰p h i l i p s 公司推出第一台激光唱机到现在，光存储已经发展成为一 种信息记录的重要形式。据美国加洲巴巴拉弗里曼联合公司( f r e e m a n a s s o c i t e s ) 1 9 9 4 年7 月初发表的份市场研究报告，1 9 9 3 年包括c d r o m 、多功能和w o r m 型驱动器在内 全世界原有设备制造商( o e m ) 发运了8 7 0 万台光学驱动器，年收入达1 7 亿美元以上。 1 9 9 7 年是d v d 上市的第一年，圣诞节期间，美国市场的d v d 播放机供不应求，d v d v i d e o 播放机的产销量达8 0 多万台，加上d v d r o m 驱动器，估计超过1 0 0 万台。我国深圳先 科公司研制生产了国内第一台d v d 播放机和首批d v d 光盘，上海金象c d 公司利用世界 银行贷款引进d v d 光盘生产线，于1 9 9 8 年6 月投产。p a n i s o n i c 公司己在大连的中国华 录生产d v d v i d e o 播放机，每月产1 0 0 0 台。从2 0 0 0 年下半年开始，d v d r o m 已逐步取 代c d r o m 成为p c 机的主要配置。 可以预测，光存储光学系统是具有广大市场与高额利润的新兴产业，也是我国信息 化建设中发展迅速、前途广阔的新兴产业之一。目前我国该产业的结构还不卜分完善， 尽管从“七五”开始组织相应的科技攻关，对光存储光学系统及关键部件进行了研究， 现在仍未能投入大批量生产，其主要原因之一是我国没有研究和批量生产其所需的光学 元件( 主要依赖进口或来料组装) 的企业，因此自主开发与规模生产光存储光学系统光 学元件，有利于解决光存储光学系统关键部件国产化的首要难题，促进我国光存储光学 系统的研制。并且实施该项目将对我国光存储光学系统的国产化进程、光学加工企业注 入新的活力产生深远的影响，能够推动相关技术与产业的发展。 1 3 本文的主要研究内容及课题来源 本课题来源于国家科技部科技型中小型企业技术创新基金，项目名称“光存储光学 系统典型光学元件”。 本文结合该项目的研究。在全面系统地分析光盘光学元件的基础上，对光存储系统 关键光学元件光盘光栅的设计、制造工艺及检测作了深入的研究，推导建立了相位 型光盘光栅的设计计算公式，经过反复的调试及严格的定标，研制出了台符合用户精 度要求的光栅性能测试仪( 含测试软件) ，经用户单位湖北宜昌华中光学元件有限公司 华中科技大学硕士学位论文 鉴定，该仪器达到用户方的技术要求。 本文由六章组成，第一章主要介绍课题的来源和意义，国内外研究过程、现状及发 展方向。第二章对光盘光学元件产业化基础进行了分析。第三章重点介绍了光盘光栅的 设计及制造工艺。第四章重点介绍光栅性能测试仪及测试软件。第五章给出了实验结果。 第六章进行了总结，并对今后的发展提出了改进意见。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 光盘光学元件产业化基础分析 2 1v c d ( c d ) 系统组成与分析 v c d c d 机的关键部件为激光信号拾取系统，它是集激光、光学、伺服控制和机械技 术于一体的典型部件，主要是由光学系统和伺服系统组成，用于准确、快速地识别光盘 上刻录的信息。 光学头“”“”“”是v c d c d 机中最核心的部件，其作用是利用激光束读取光盘上的坑 点信号，并通过光电转换，将光盘上的坑点信号转变为电信号输出。在发射激光束时， 控制半导体激光器的电流，使其发光功率恒定，从而保证信息读取的可靠性。反射光通 过光敏检测装置( 有单束光敏检测器和三光束光敏检测器两种) 中的光敏二极管，将接 收到的光信号转变为电信号后送前置r f ( 读出信号) 信号处理器。为了使光学头准确地 拾取光盘上所刻录的信息，要求光学头必须具备以下条件。 ( 1 ) 一个恒定功率的激光发射器，即要求外加自动光功率控制( a p c ) 电路光电检 测装置( 光敏二极管) 。 ( 2 ) 激光束应能准确地聚焦与光盘上的信息层，即要求外加聚焦伺服执行部件( 聚 焦伺服线圈) 。 ( 3 ) 激光束的焦点应能准确地跟踪信号轨道，即要求增设循迹伺服和进给伺服执 行部件( 循迹伺服线圈和外设进给直线电机) 。 ( 4 ) 应能使入射光与反射光相分离即要求安装偏振光镜或光束隔离器等光学系 统。 光学头是一个相当精密的部件，为了产生和接收直径约为5z 聊、光强约3 m w 的激 光束，对透镜表面的加工精度及伺服部件和光敏检测器的安装工艺等方面要求都非常 高。目前，v c d 机中均使用波长为7 8 0 r i m 的半导体激光。光学头轨道伺服方式分单束光 型和三光束型两种，本课题主要讨论三光束型。 三光束型光学头的光路结构如图2 1 所示。在半导体激光器的发射端安装有一个衍 射光栅，激光束经过衍射光栅产生0 级、+ 1 级和一l 级三束光，经半透半反分光棱镜和 华中科技大学硕士学位论文 准直透镜将光束变成平行光，通过物镜机构的聚焦透镜( 物镜) 入射到光盘信息面上： 系统中偏振光分光棱镜与五2 波片构成光束隔离器，反射光束不再按原光路回到激光器 中形成谐振，产生激光噪声影响光盘读出的s n ( 信噪比) 。入射光和反射光被分离后， 通过柱面透镜单方向聚焦后由六相限光敏检测器接收并转换成r f ( 读取信号) 信号输出。 + l 级和一l 级通过柱面透镜由光敏检测器接收后产生聚焦误差信号f e 和循迹误差信号 t e ，完成对信道的准确跟踪。 图2 - 1三光束型光学头的光路结构图 偏振光分光棱镜( p b s ) 是由一对直角棱镜胶合而成，如图2 - 2 所示，其中一直角 棱镜折射斜面上镀有多层介质膜，其使p 偏振光通过1 0 0 ，而使s 偏振光反射1 0 0 ， 实际上分别达到9 7 的水平就不错了。光通过a 4 波片后，寻常光与非寻常光之间便产 生了相当于五4 波片的位相差，将线偏振光变成圆偏振光。如果光往复两次通过五4 波 片，则线偏振光的方向和入射时相差9 0 0 ，即由p 偏振光变成s 偏振光。因此对同一p b s 来说，从光盘反射回来的光束不再返回l d ，全部光能将进入接收器。 华中科技大学硕士学位论文 凄蝗蕃 图2 - 2 光束隔离器 2 2 典型光学元件【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 1 2 0 】 2 2 1 半导体激光器装置 半导体激光器装置中有激光二极管和激光功率检测二极管。激光具有极好的单色 性、指向性和聚焦眭。激光二极管( l d ) 两端施加一定的电压时，产生单色光经过聚焦 处理后成为直径极小的低功率红外激光，它的功率保持恒定，其大小与加在激光二极管 的电压有关，且通常可调节。在家用v c b c b 机中，光学头的输出功率一般在o 1 3 m w 屈 右，激光波长一般为7 6 0 7 8 0 n m 。 激光功率检n - - 极管的作用是把照射在其表面的光转换为相应大小的电信号，当激 光：二极管的发射功率太大或太小时，可通过激光功率自动控制电路( a p c ) 对激光二极 管进行自动调节和控制，以保证激光功率的恒定。 2 2 2 准直物镜 l d 从结构上来说相当于一个矩形波导式的谐振腔，在其两个相互垂直的截面方向 上，视场点的发散角不同。发射的光束具有以下特征：( 1 ) 发散性；( 2 ) 椭圆形性：( 3 ) 存在固有像散。因此实际使用时，要想获得发散度小、准直度高的光束，必须对光束进 行准直、整形及像散校正。 常用于半导体激光器的准直方法有：( 1 ) 透镜组准直系统；( 2 ) 自动变焦准直系统； ( 3 ) 非球面透镜准直系统：( 4 ) 变形棱镜准直系统。其中( 1 ) 和( 2 ) 的准直精度较 低，而且无法消除半导体激光器的像散，因此不适合光盘系统。 华中科技大学硕士学位论文 在光盘驱动器的设计中，经常采用的方案是：使用非球面透镜实现准直，使用变形 棱镜修正椭圆光斑为圆形光斑。变形棱镜在修正光斑形状的同时也具有一定的消除像散 的功能。用于准直的非球面透镜属一种双焦透镜，非球面双焦透镜在水平和垂直方向的 曲率半径不同，其目的是为了消除半导体激光器发射激光的像散。 准直物镜一般选用高质量的显微物镜的结构型式，采用三组四片式结构。其光学结 构如图2 3 图所示，它由一双胶合透镜与二个单透镜组成。这种特别的透镜结构具有较 大的数值孔径、较大的工作距离与光谱应用范围。 幽2 - 3 准直物镜光学结构 准直物镜属于小像差系统，即小视场大孔径透镜系统。主要校正的单色像差为：球 差、正弦差、彗差。系统的最佳校正状态，从波像差角度考虑，其各视场、各孔径结构 满足下式： 盖一旦2 0 0 - ) 1 0 0 、 旷为波像差。 2 2 3 会聚物镜 会聚物镜是光学头中的重要元件，经准直和整形的激光束被它聚焦成直径为亚米量 级衍射受限的光斑，光斑照射到光盘面上，把信息写入光盘，或从光盘面上读取信息， 或者从光盘面上把信息擦除。会聚物镜几乎接近无像差，其衍射由物镜的数值孑l 径确定， 数值孔径由下式表示： n d = s i n a ( 2 - 2 ) 式中n 折射率，口物镜孔径角2 。 8 华中科技大学硕士学位论文 光斑直径由d = 姐n a 确定，其中七为常数，若光斑为艾里斑，则沿半径方向上， 强度为中心强度的1 2 时，为o 5 2 ；强度为中心强度的e 2 时，则七为o 8 2 ；强度为 零处的k 值为1 2 2 。会聚物镜的光学性能直接影响聚焦光斑的质量，包括光斑直径大小 和能量的分布情况，从而决定了最终读出信号的质量。因此，会聚物镜有一系列特殊要 求：( 1 ) 焦距不应超过5 8 ；( 2 ) 数值孔径在0 4 o 7 范围内；( 3 ) 线视场0 0 5 0 2 5 m , v | ；( 4 ) 镜头重量不超过5 9 ；( 5 ) 镜头应比显微镜有更大工作距离，并要求具有 衍射成像质量。 2 2 4 整形光楔 半导体激光器所发射的光束是椭圆形的高斯光束，不符合光盘系统对光斑截面形状 的要求，因此需要对其进行整形和扩束。通常采用的整形光学系统有三种：拦光法、柱 面镜法及棱镜法及棱镜系统法。拦光法简单但能量损失较大；柱面镜法系统便于调整， 但工艺性不好、成本高；棱镜系统法结构简单、工艺性好、成本较低，若采用双棱镜系 统，倍率可调，基本上不引入像差。考虑到光盘系统光学头的特殊要求，一般采用单棱 镜整形。 采用单棱镜整形的原理如图2 4 所示。 图2 - 4 单棱镜整形光路 单棱镜的扩柬比为：f = f ；f ：。为了避免出射面的缩束作用，r 产1 ，即第二面为 垂直入射，所以单棱镜整形采用直角棱镜。 则有 f = f l = c o s 2 c o s , 光楔的顶角a 从几何关系显然可知爿= f 2 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= 一= = = g = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = ；一 根据几何光学可以得到： c o s n ：而c 而而 ( 2 3 ) c o s ( - 2 = i _ 而c 丽而 ( 2 4 ) 当入射角较大时，入射光的反射损失比较大，由光学头的光路传输特性可知，利用 的是p 偏振光，因此整形棱镜入射面对p 偏振光的反射损失不可忽略，必须镀制高质量 的增透膜来减少光能量损失。 2 2 5 衍射光栅 光盘衍射光栅的作用是把束激光束衍射成三束激光束，中间的光束是主光束，用 于从光盘上拾取数据，并为伺服系统提供激光束在光盘上的聚焦误差信息；在主光束两 旁的激光束为辅助光束，用于为伺服系统提供寻迹误差信息。关于衍射光栅的性能与设 计将在第三章作详细的讨论。 2 2 6 半透半反镜 该半透半反镜选取化学稳定性较好的材料，通常为k g 玻璃，透过率接近5 0 ，为 了保证装配的一致性，其入射面与透射面的平行度要求很高，要求好于0 0 0 2 。 2 2 7 偏振分光棱镜 ( 1 ) 偏振光的产生：自然光入射到介质的分界面上，产生光的反射与折射。理论 与实验证明，当入射角与折射角之和为9 0 0 时，即反射光线与折射光线相互垂直时，反 射光是振动方向与介质面平行的平面偏振光，透射光是部分偏振光，这就是布儒斯特定 律，其关系式如下 n os i n i o = 月s i n i 因 f 0 + f = 9 0 0 故 1 0 华中科技大学硕士学位论文 t a n i o = 月n o ( 2 - 5 ) 式中f o 为全偏振角。 当入射角在全偏振角附近时，反射光是部分偏振光，其主要振动方向与介质分界 面平行，同时也与光线的入射面垂直；透射光也是部分偏振光，其主要振动方向则在入 射面内。 偏振光产生的光路示意如图2 5 所示。 又。 硅 “ ”。 。x ，7 l 图2 - 5 产生偏振光的光路 ( 2 ) 偏振分光棱镜：自然光射入立方棱镜的偏振薄膜上，当其反射光束是振动方向 垂直于棱镜光轴截面的平面偏振光，透射光束是振动方向位于棱镜光轴截面的平面偏振 光时( 如图2 - 6 ) ，此棱镜称为偏振分光棱镜。 镢黼 图2 - 6 偏振分光棱镜 对于偏振分光棱镜的要求是适当的选择玻璃及膜层折射率，使光线在两膜层中的 反射与折射角度符合布儒斯特定律，从而将自然光分成上述的两束偏振光。如图2 - 7 所 示，其折射率的关系式如下 一- i l 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = 一 ”3s i n 4 5o = ”ls i n i o t a n i o = ”2 ” 行；= 2 n 。”；“ ；+ ；) l 一-嘟 卜、次i ( 2 6 ) 图2 7自然光分成两柬偏振光的光跆图 图2 8 ( a ) 表示普通分光镜使入射光的一半反射，一半透射。而由被测反射镜的 光，再经分光镜反射时，最终只有总光强的1 4 到达接收器( 如上端) ，易见损失2 5 。 利用偏振分光棱镜如图2 - 8 ( b ) 所示，偏振光入射至偏振分光棱镜，由于平行主截面的 振动全部通过，故分光镜反射损失为0 ，当它到被测反射镜并反射回分光镜时，在光路 中加一个1 4 波片，它使两次经过i 4 波片的光振动方向改变9 0 0 ，使原来在主截面的 振动变为垂直主截面的振动，恰恰成为被反射的光振动方向，光强就能l o o n n 射至光 电探测器。 4 凡k 譬l l f ，o 2 f 厶 叫黼 ( a )( b ) 图2 - 8 两种光路的反射光光强比较 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 2 8 波片 切出一片双折射单轴晶体薄片，使薄片前后两表面互相平行且晶体光轴与表面平 行。垂直入射进入晶体的光束分解为振动互相垂直的o 光和e 光。如图2 - 9 所示，由于 光束垂直进入晶片，o 光和e 光不分开但它们之间出现位相差。设晶片厚度为d ，主折 射率分别为胛。和”。光从晶片后表面出射时o 光和e 光之间有光程差： 光轴 # f 、) l 图2 - 9 光轴平行品体袭面( 光垂直入射) = d f 订。一肝，l 相应的位相差为 艿= 和旷n 一 这里五是真空中波长。波片的作用是在。光和e 光之间产生一定位相差 光或e 光位相何者超前则视 。和”。哪一个较大而定。 ( 1 ) 1 2 波片( 半波片) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 经过波片后o 使o 光和e 光产生1 2 波长的光程差的波片称为 2 波片，其厚度为 扛( m + 圭南锄一o z ， e z ( 2 ) 4 波片 使。光和e 光产生i 4 波长的光程差的波片称为 4 波片， 4 波片的厚度为 1 3 华中科技大学硕士学位论文 d ：( 2 m + 1 ) 与( m = 0 , 1 ，2 ) ( 2 - 1 0 ) 4 忆一心l 4 波片可用琼斯矩阵表示( 假设x 轴为快轴) ： q ：1 o i( 2 ) l o 一叫 一线偏振光通过x 4 波片，假定线偏振光的振动方向与光轴成4 5 。，线偏振光通过 4 波片后的偏振态可由下式得出： e = 黪e o i 一 这表示左旋圆偏振光。 按上述常规方法设计的波片，当采用波片级次较低时，为了保证位相误差加工精 度是相当高的。因此成本很高。譬如，激光波长为8 3 0 n m ，对于 4 波片的可允许的位 相误差为0 0 2 ，那么其厚度公差为d 及切向跟踪误差( 后者表现为时基误差) 。 因为光盘数据道的间距较小，一般只有1 5 2 a n ，为了在径向跟踪信道，最好采 用光学方法检测聚焦和跟踪等误差，产生校正信号，使光学头始终处在正确的读写位 置。 主光柬 图3 一z 光栅的三光束 辅助光柬 华中科技大学硕士学位论文 如图3 2 所示的三光束跟踪方法。这种方法需要三束激光束，即拾取信号的读数光 束及两束检测跟踪误差用的辅助光束。辅助光束是用衍射光栅从主光束分离出来的1 级衍射光束。辅助光束射在光盘信号面上的光斑的位置在主读数光斑左右两侧约2 0 朋 的地方。 反射光束经过与主光束相同的路径照射在光探测器上( 见图2 一1 ) ，光探测器分成组 合状，分别检测主读数光束( 由a 、b 、c 、d 象限检测) 和两束辅助光束( 由e 、f 象限 检测) 的输出。因此，该光探测器为6 象限探测器，形式如图3 3 所示。 目日目 幽3 36 象限探测器 a 、b 、c 、d 象限四只光敏二极管构成光敏检测矩阵，产生聚焦误差检测信号。如图 3 - 4 ( a ) 所示，当主光束在光盘上聚焦良好时，反射回来的主光束将照在a 、b 、c 、d 四只光敏二极管的中心，形成一个圆形光斑，各只光敏二极管的输出相等；如果聚焦不 良，主光束将在四只光敏二极管上形成一个椭圆形光斑，如图3 4 ( b ) 、3 4 ( c ) 所示， 此时，各只光敏二极管的输出不平衡，于是可以检测出聚焦误差。 嚣器嚣曲日曲曲 聚焦总好 聚焦不息 ( 光盘距离过近) 聚焦不良 ( 光盘距离过远) 图3 4 聚焦状态与光斑形状的关系 若主光束恰好落在信道上时，两束辅助光束的输出是平衡的；若主光束偏离到某一 华中科技大学硕士学位论文 侧，则该- - i n 的辅助光束的输出就要增大，这样就可以检测出跟踪误差。 辅助光束是从读出信号用的激光束通过衍射光栅产生的，o 级光束用于读出信息和 聚焦检测，两条一级衍射光用于径向跟踪。三束光经扩束、准直后，由物镜聚焦在光盘 上。由光栅产生三条光束可确保光束在切向有固定的、预期的间隔，使光栅绕着光轴转 动就可使光束在径向偏离。光栅还能保证两条跟踪光束的强度相等中心光束与每一条 衍射光束的强度之比在4 ：1 到l ：1 的范围内。用这种方法，能以高灵敏度检测出0 8 , c n 内的信道跟踪误差。 3 2 2 技术要求 在光盘系统中。“。“，一般采用功率为3 m w 的半导体激光器作为光学头的光源，鉴于 光电探测器接收效应，对光栅要求光束透射率 墨塑兰l 丝墨! 些8 5 p 入射 激光束透射光栅分成o 级光和l 级光，读取信号的0 级光要求占6 0 光能，用于跟踪探 测的1 级光要求各占2 0 的光能( 也可以调整比例) 。 从光学头的体积考虑，所占空间不能太大，同时考虑到半导体激光器出射光斑要求 全部落在光栅上，因此光栅有效通光口径大于2 m m 。为了增加透射率，光栅必须镀增透 膜。透过光栅波面像差要求为 彬0 0 2 5 2 ( 五= 7 8 0 h m ) 或0 0 3 2 ( 五= 6 3 2 8 n m ) 由于光线垂直入射光栅，由( 3 6 ) 式： 0 级光：珊= 0 ，0 = 0 ： l 级光：，”= l ，s i n 0 = 五d 通过焦距为f 的物镜后，在光盘上聚焦为o 级和+ - 1 级光斑，则1 级光斑和0 绂 光斑相距为： f = f s i n o j = 以i d ( 3 - 9 ) 孝一般为2 0 ，肋，1 级光斑呈对称分布在轨道上。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 3 光盘光栅设计 一般相位型光栅的光能量损耗较小，而振幅型光栅光能量损失就要大得多，因此在 光盘系统中采用低频正弦光栅。 正弦相位型光栅的复振幅透射系数为汹“”。” ，( x ) = e x p f 鲁s i n 2 z z o x 聊f ( 享) ( 3 1 0 ) 它能按正弦规律对入射光进行相位调制，正弦相位可以通过使光栅的光学厚度( 几何厚 度或折射率) 呈正弦变化来实现。式中a 为相位调制度，胁：1 d 为光栅的空间频率， l 为光栅的长度。利用贝塞耳函数恒等式w e x p f 鲁s i n 2 ，z 】_ 艺( 要) e 。p 【，2 唧硒。 “争薹c 川百扔耖2 女 r ( g + + 1 ) = ( g 十七) !( 3 - 1 1 ) 可以使下面要进行的积分简化，式中山为g 阶第一类贝塞耳函数，女：0 , 1 、2 。 当单位振幅平面波正入射时正弦相位光栅夫琅和费衍射复振幅分布( 己忽略了常 数项和二次相位因子) 为 茁( z ) = 莎 ，( x ) 】 将( 3 8 ) 、( 3 - 一9 ) 式代入上式得 e = ( l s i n c l u ) + - ，q ( 芸) 占( 一。) 或 2 圭w 争喇一( 3 - 1 2 ) 官= 妻u ( 要) 篓蛐扎g 争 一d 署上( s i n 日一口考) ( 3 - 一1 3 ) 一 2 0 华中科技大学硕士学位论文 上式表明复振幅分布为一y l j s i n c 函数的叠加，它们分别代表各衍射级次。由于s i n c 函 数的主瓣很窄，相应的半角宽度为曰= 导，远小$ 抟g s i n c 函数之间的角距离五d ， 因此式( 3 1 3 ) 求强度时的交叉项可以忽略，相应的强度分布为 ，= ：! ：r j ：，c ! ! 鬻，2 l 3 1 4 ) 正弦相位光栅一般情况下所有的衍射级次均出现，衍射主极大方向由 s i n 臼一q 兰：o ( 3 1 5 ) 即d s i n o = q 3 ，q = 0 ，l ，2 ，决定。 由式( 3 1 4 ) 可看出，如果忽略光栅本身材料的吸收等因素，光栅衍射第q 级主极 大的强度为，：( 要) ，这样可以通过调节相位调制度a 来控制各级主极大的强度，从而实 现能量在不同级次上的重新分配。o 级光的光强度为以( 芸) ，+ l 级和一l 级的均为j ? ( 芸) 。 由式( 3 一1 1 ) ，其中山( 要) 、以( 要) 分别为： “争静，去分 ，尚：争f 一1 卜! ( 兰) ：“ 州詈) = 苫0 卜1 ) 2 丽矗“ = “t 根据光盘光栅的性能要求，我们由上述讨论得到0 级光分别与+ l 级、一1 级光的比 厶蹦詈) 7 t ，? ( 芸) 薹( 川丽1 ( i a 尸 女= o “。“1 扣r 志t ( 3 1 6 ) 2 1 华中科技大学硕士学位论文 于是，我们可以根据式( 3 - 1 5 ) 、( 3 - 1 6 ) 编写计算程序，通过输入有关参数和光盘 光栅的能量分布量计算出其技术参数( 光栅常数d 、相位调制度a 等) 。 3 4 光栅批量生产工艺 近年来迅速发展的二元光学理论和技术，它基于光波的衍射理论，运用计算机辅助 设计，并利用超大规模集成( v l s i ) 电路制作工艺，在片基上( 或传统光学器件表面上) 刻蚀多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的衍射光学元件。 基于二元光学技术和工艺，我们可以利用所谓的多掩膜法大批量地生产光栅。首先 根据给定的入射场和所要求的衍射光场，利用标量衍射理论和傅里叶分析求出衍射屏的 透射系数，计算衍射屏表面的浮雕结构，设计一组用于光刻的具有黑白相间的掩膜版， 通过掩膜对涂有光致抗蚀剂的基片进行曝光和显影处理，使基片上曝光部分的光致抗蚀 荆得以保留。通过这一过程把掩膜图案转印到了光致抗蚀剂上，以此为母版，就可大面 积地进行复制了。然后在两维精密工作台上进行切割，切割的方法有两种：( 1 ) 金刚石 切割；( 2 ) 激光切割。 对于加工的光栅还要进行检测，第一，对其技术参数进行测试，是否符合设计要求， 我们已经研制出了“光栅能量分布测试仪”，将在本文的第四章作详细介绍；( 2 ) 对其 外形进行检测。是否符合设计要求，另有课题在研究“智能化轮廓测试仪”。 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 4 光栅性能测试技术 4 1 光栅能量分布测试仪 4 1 1光栅能量分布测试仪的方案 本课题中光栅光能量测试仪的应用对象是光栅，即对生产的光栅进行检测，判断其 是否合格。我们考虑到近些年来在光谱检测领域应用越来越广泛的c c d 技术。6 “3 ”。”。， c c d 是一种以电荷量表示光能量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、 动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长及可靠性高等一系列优点。c c d 有光电倍增管无法比拟的优势。曾经作为主要检测器沿用了数十年的光电信增管( p m t ) 虽然具有很高的灵敏度和宽的光谱响应范围，但是单个p m t 的致命缺点是不具备多通道 同时检测信号能力，因而不能一次获取所有待测信号。而面阵c c d 却能够同时采集到二 维光栅衍射分布在空间的多个信号，突破了p i t 的局限，大大提高了检测效率“。“。 将c c d 与计算机相结合，把同时获得的空间个点的光能量按灰度串行输入计算机进 行处理“”“，极大地提高了精确度，简化了操作程序，使用起来比较方便，适合工厂和 企业进行大批量检测。 4 1 2 系统的组成 整个测试系统的框图如图4 1 所示。 图4 - 1 光能量分布测试系统的框图 华中科技大学硕士学位论文 4 1 3 测试原理 光栅能量分布测试仪组合结构如图4 2 所示。 整个系统由7 8 0 n m 激光光源、被测光学系统、成象接收及数据采集及处理四个部分 组成。仪器启动工作时，将待测光栅置于定位夹持器上，然后，计算机进行测量与计算。 激光器发射的光束经过整形后变成平行光束垂直照射在待测光栅上，调整定位夹持器保 证0 级和l 级光斑完全落在c c d 的感光单元上。通过同步装置控制待测光栅的插入时 间和c c d 的快门，就可实现光栅常数及光斑能量分布检测。同时为了防止外界杂散光对 c c d 的影响，可以加装两个隔离罩，将光学系统封闭起来。图4 - 3 是实际的实验平台。 鹰直系统 图4 - 2 测试系统装置结构图 图4 - 3 实验平台 ( 1 ) 光源部分 根据光存储系统对光源的要求，我们采用l d 半导体激光器，其波长7 8 0 h m ，功率为 3 m w ，通过激光器驱动电源控制箱调节光源能量，图4 - 4 为系统光源。 华中科技大学硕士学位论文 = = = # = = = = =