專利名稱：光學元件,光學頭和信號重放方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠檢測比光斑小的標記的新型光學元件，應用該光學元件的光學頭和應用該光學頭的信號重放方法。
在光學記錄領域中，要求在高密度下記錄信號。為達到這樣的要求，提出了各種記錄和重放方法。
例如，在用讀取光束照明光學記錄介質以讀取信號的光學頭的技術領域中，已設計出用固體浸沒式透鏡(下面將表示為“SIL”)或者固體浸沒式反射鏡(下面將表示為“SIM”)作為在高密度下記錄和/或讀取信號的光學元件，并且采用近場邊緣光束讀取比以前具有更高數(shù)值孔徑(NA)的信號。
另一方面，為了測量待測物體的形狀，已提出在干涉顯微鏡的端部設置金屬針。
金屬針是尖端銳利至具有大約100nm的頂點。該尖端與待測物體表面上非常薄的Cr涂層產生電磁相互作用。該相互作用的大小取決于尖點和Cr涂層之間的距離。
聚焦在尖點的光由于上述電磁作用而產生相位偏移。波動相移約等于10-8/ ，但是該相移可用尖點和來自遠端位置光之間的相差干涉加以檢測。(參照作者為F.Zenhausern，M.P.O’Boyle和H.K.Wickeramasinghe，在1994年9月2日Appl Phys.Lett.65(13)上發(fā)表的題為“Apertureless near-field OpticalMicroscope’和作者為Y.Martin，S.Rshton和H.K.Wickeramasinghe，在1997年7月7日Appl.Phys.Lett.71(1)上發(fā)表的題為“Optical Data Storage Read Out at256Gbits/sq.in.”的文章，)。
希望上述理論能夠用于檢測比SIL和SIM所檢測的更高分辨率的信號?？墒?，該理論還沒有在光學記錄領域中實際采用。例如，為有效實現(xiàn)該理論，懸臂不得不總是距光盤表面一恒定的距離。在上述文獻已公開的方法中，對光盤照明的激光并不是來自懸臂后面的讀取光束，并且按照激光束的運動進行伺服控制，以控制尖點和光盤之間的距離為數(shù)十nm。但是，由于懸臂移動緩慢，不可能進行高速讀取。
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的不足，在光記錄領域中簡便地引入上述理論。
更具體地說，本發(fā)明的目的是提供一種能夠檢測比由光學系統(tǒng)聚焦光斑小的標記的光學元件，應用該光學元件的光學頭和應用該光學頭的信號重放方法。
上述目的可通過提供一種光學元件來實現(xiàn)，該光學元件具有埋入透鏡表面基本上與之垂直的導電元件，并且導電元件的直徑和寬度比透鏡表面上光斑的直徑和寬度小。
上述目的也可以通過提供一種光學頭來實現(xiàn)，該光學頭具有設置在滑動器上的光學元件，通過用讀取光束照射光學記錄介質來讀取信號，光學元件包括埋入透鏡表面基本上與之垂直的導電元件，該導電元件的直徑或寬度小于透鏡表面光斑的直徑。
另外，上述目的可通過提供信號重放方法來實現(xiàn)，按照本發(fā)明該方法包括步驟為分離來自相同光源的激光束，使其入射到光學元件上，在光學元件的焦平面上形成兩個光斑，在其中一個光斑的相應位置處設置一個導電元件，其直徑或寬度小于光斑的直徑，并且拾取入射在導電元件上的光斑作為檢測光束，同時拾取另一光斑作為參考光束，以及在從光記錄介質返回光束之間的干涉效應下讀取信號。
替代地，上述目的也可通過提供信號重放方法達到，按照本發(fā)明的方法包括如下步驟用激光束照射光學元件，在由激光束產生的光斑中心位置設置導電元件，并向導電元件提供高頻電流，以及通過提取與該高頻同等的信號并讀取記錄在光記錄介質中的信號來檢測在光記錄介質上的導電材料和導電元件之間的相互作用。
本發(fā)明的基本原理是檢測由埋入光學元件中的導電元件和光學記錄介質表面上的導電材料之間產生的電磁相互作用引起的光束的微小相位改變。
導電元件具有比透鏡表面上光斑直徑小的直徑或寬度。因此，能夠檢測出比光斑小的標記。
另外，埋入的導電元件與光學元件結合為一體。這樣，光學頭不需要復雜的伺服控制結構，并且能夠實現(xiàn)高速讀取信號。
本發(fā)明的這些目的和其他的目的、特點和改進將通過下面結合附圖詳加描述的光學元件、光學頭和信號重放方法的最佳實施例更多地顯示出來。


圖1是埋入金屬的SIL實例的結構簡圖；圖2是埋入金屬的SIL另一實例的結構簡圖；圖3是摻入精細Si的SIL實例的結構簡圖；圖4是埋入透明導電材料的SIL實例的結構簡圖；圖5是超SIL實例的結構簡圖；圖6是SIM實例的結構簡圖；圖7是埋入導電元件的SIL實例的結構簡圖；圖8是按照本發(fā)明光學頭結構實例的示意圖；圖9是在光學頭上設置有SIM實例的側視圖；圖10是圖9中光學頭面對光學記錄介質一側的平面示意圖；以及圖11是按照本發(fā)明SIL設置在光學頭上的實例的結構簡圖。
參照圖1到4，它們圖示了光學元件的多個實施例，其中每個光學元件具有埋入在半球面鏡中的導電元件。半球面鏡是能夠采用SIL進行近場相位檢測的典型透鏡。
例如圖1所示的光學元件中，在半球面鏡L的光軸中心埋入圓錐形金屬件M作為導電元件。圖2所示光學元件具有在其半球面鏡L中埋入作為導電元件的金屬零件M，其直徑向半球面鏡L的端部階梯狀逐漸減少。
圖3所示是具有在半球面鏡L中埋入精細類金屬件S(例如Si)，直徑為數(shù)百nm的光學元件的實施例。圖4所示是在半球面鏡L的光軸中心埋入圓錐形透明導電材料T作為導電元件的光學元件的實施例。
在上述任一光學元件中，所埋入的導電元件(金屬件M，類金屬件S和透明導電材料T)的端部直徑比通過半球面鏡L在焦平面上所聚焦光斑的直徑小，并且端點導向半球面鏡L焦平面F的光斑中。
應注意在SIL如上述每一光學元件中，光束垂直入射到半球面鏡L上。這時，在半球面鏡底部(焦平面F)上的光斑直徑等于1.22×(波長/NA(數(shù)值孔徑))，其中NA是nSinθ(其中n為折射率)。
在上述光學元件的結構中，導電元件(金屬件M，類金屬件S或透明導電材料T)應形成這樣的形狀使其不干擾入射到半球面鏡L的光束，也就是說，不對光束產生折射或者不影響反射光束的軌跡。
這樣，由于光軸的中心部分在入射透鏡前被金屬或者類金屬件切斷，因此，在透鏡底部(焦平面F)上的光斑是一個極高分辨率的光斑。
透明導電材料T當其是圓錐形時也不影響光束的軌跡。
由于大約所用波長一半的幾何誤差不影響光束從而是允許的，因此可以埋入例如直徑為數(shù)百nm的金屬球。
本發(fā)明除了前述SIL之外也可采用如圖5所示的超SIL和如圖6所示的SIM，并且還可采用一物鏡。
當上述光學元件用于讀取例如在光盤中的凹坑和凹槽時，在埋入光學元件中的導電元件和涂覆在光盤表面的記錄層(如Cr)之間將產生電磁相互作用。電磁相互作用的大小取決于導電元件和涂層光盤表面的Cr之間的距離。
當光束聚焦在尖端(導電元件的端部)時，由于上述電磁相互作用使聚焦光束產生光波的相移。通過用與參考光的相差干涉效應檢測該相移，可以以導電元件端部直徑作為分辨率來讀取信號，并且可讀取比聚焦光斑小的凹坑和凹槽。更具體地說，分離來自同一光源的激光束使其入射在光學元件上，從而在光學元件的焦平面上形成兩個光斑，在其中一個光斑相應位置處設置直徑或寬度小于光斑直徑的導電元件，拾取入射在導電元件上的光斑作為檢測光束，同時拾取另一光斑作為參考光束，并且在從光記錄介質返回光束的干涉效應下讀取信號。
所測量的相移由下述等式表示。Δφ=59(ka)3NA2n2Re[x1,x2]]]>其中a探針的端點直徑NA透鏡的數(shù)值孔徑x1，x2磁化因子。
可以看出，Si的磁化因子x是14.0＋14i相移Δφ取決于其涂覆在光盤表面上Cr的x(＝-1.4＋37.4i)的乘積。
因此，對于磁化因子x的虛部較大的導電材料例如Au(x＝0.188＋5.39i)或Al(x＝2.80＋8.45i)，用作除Cr和Si外的導電元件(金屬件M，類金屬件S或透明導電材料T)是有利的。
如上述任一導電材料，可穿過SIL的聚焦平面F上的光斑P設置數(shù)百nm寬的導線W，如圖7所示。在該實施例中，在導線W的相對端設置電極D1和D2使電流通過導線W，因此可增強電磁作用。
例如，激光射到SIL上，給導線W提供一高頻電流，拾取與該高頻同步的信號以檢測光盤表面上的導電材料和導線W之間的相互作用，這樣記錄在光記錄介質上的信號能夠以高靈敏度讀取。
應該注意通過這樣布置，激光束偏轉表面的方向和電流方向基本上相互垂直，或者平行，因此，可精確檢測在光記錄介質中記錄層的偏轉表面變化。
另外，由于在讀取信號的同時在垂直導線W的方向移動光學元件，可達到與導線W寬度相同的讀取信號分辨率。
下面將描述應用上述光學元件的光學頭，和應用該光學頭的信號重放方法。
參照圖8，它圖示了按照本發(fā)明光學頭的實施例，其中滑動器和光學元件被整體地設置，并且光學元件中埋入一個導電元件。
光學頭包括作為透鏡使用的玻璃滑動器1，和埋入滑動器1中的金屬零件2。在該光學頭中，從激光二極管LD發(fā)射的激光束經光束分離器BS和聚光透鏡L1射向玻璃滑動器1，并且聚焦在光學記錄介質3的表面上，從而從光學記錄介質3上讀取信號。
在該實施例中，從激光二極管LD發(fā)射的激光被設在光束分離器BS和聚焦透鏡L1之間的沃拉斯通棱鏡4以微小角度分離。其中一束分離光束聚焦在金屬件2的端點作為檢測光束HK，而另一束光作為參考光束HS聚焦在離開金屬件2焦點的位置上。
應該注意圖8中，聚焦透鏡L1和玻璃滑動器1顯示成似乎互相分離，但是它們應當連成一體。
從光記錄介質3返回的光束經光束分離器BS導向光檢測器PD，返回光束也被沃拉斯通棱鏡5分離。
當用這種結構的光學頭從光記錄介質3讀取的信號時，檢測光束HK和參考光束HS之間的相位差由干涉量度法檢測出來。
金屬件2端點和光記錄介質表面上的記錄層(導電層)之間的距離，隨著由金屬件2的端點相對的光記錄介質3上凹坑的凸形到其相對另一凹坑的凸形的變化而變化。這樣，電磁作用幅度將是變化的，所以相移將有微小的差異。
相移差異由對凹坑(信號)的快速存取干涉檢測出來。
圖9和10所示是設有SIM的光學頭的實施例，如圖所示，在該光學頭中，SIM22安裝在玻璃滑動器21上并且用粘合劑固定其上。
玻璃滑動器21支撐在懸置裝置23上并且安裝在光盤驅動器或類似的裝置上。
玻璃滑動器21厚度為291μm并且能夠浮起60nm。
玻璃滑動器21的一側21a面對光記錄介質。側面21a由軌道表面24，前階25和真空通道26組成。軋面24是凸面，前階25從軋面24處下凹約3μm。
因此，當玻璃滑動器21浮起時，軌道表面24將最靠近光盤表面。
真空通道26有一與軌道表面24等高的中心島部27，并且與SIM22的底部(焦平面)相對。300nm的Si導線28設在中心島部27上。
Si導線28，檢測光斑29和參考光斑30互相之間的位置關系如圖所示。也即，Si導線28穿過檢測光斑29設置，參考光斑30離開Si導線28。
另外，Si導線28分別具有連接在其兩側的引線31和32，使得電流可提供給Si導線28。引線31和32設在真空通道的底部，以不影響玻璃滑動器21的浮起，并且在中心島部27的中心和軌道表面上形成用于設置Si導線28的300nm寬的凹槽。
Si導線28可以通過如下步驟形成，即例如形成玻璃滑動器21，接著通過模制形成300nm寬和500nm深的凹槽，濺射Si，以移開的方法去除凹槽之外的Si材料，然后例如壓邊磨光。
SIL可以類似地構造。圖11表示SIL的實例，其中半球面鏡41埋入透鏡基底42中，并與聚焦透鏡基底43成為一體。
在該光學頭中，如這種結構的光學系統(tǒng)向透鏡投射由沃拉斯通棱鏡分離微小角度的平行光，在滑動器的底面上由透鏡聚焦的點形成一光斑。
在滑動器的底面上，在SIM滑動器的實例中光斑的尺寸為0.6μm(NA＝1.3)。在SIL滑動器的實例中是0.7μm(NA＝1.0)兩個光斑相互離開約2μm。光盤在其透鏡基底形成長度50nm的坑和脊，并且在其表面上也形成50nm厚的Cr涂層。
滑動器在光盤上被抬起40nm(以10m/s的線速度)。
當對引線提供100MHz到4GHz(f0)(比讀取速率足夠高)的高頻弱電流時，以高頻(f0)對兩個分離光束之差進行同步來獲取信號，從而能夠在光盤上檢測與50nm標記長度相應的隨機圖紋。
類似地，按照本發(fā)明，通過在上述基底上和相變型光盤上形成的坑和脊記錄信息，可檢測記錄在光盤上的記錄標記。在相變型光盤中，不同的記錄標記相互折射率不同，是光熱式形成在相變材料如GeSbTe所構成的信號記錄層上的。在相變型光盤中不同的折射率意味著磁化因子x的不同，因此，按照本發(fā)明，用上述相同方式，能夠檢測在相變型光盤中形成的凹坑長度較小的記錄標記。
類似地，通過采用高透過材料如坡莫合金(Permalloy)或鐵磁性材料如鐵形成導電元件，可以檢測在磁光記錄介質上或者磁性記錄介質上的精細磁疇。
例如，寬度為200nm的坡莫合金件設置在滑動器的底部，且對坡莫合金零件提供高頻電流。由于光盤上磁疇上下運動所形成的局部微磁場會使磁場分布產生微小變化。該磁場分布的變化由于光的相互作用而可以作為光束相位變化被檢測出來。
如上所述，利用由近場光學系統(tǒng)確定的光斑和比聚焦在光盤上的光斑小的導電元件，能夠檢測在光盤上10nm左右的坑和脊以及在磁記錄介質上的微細磁疇。
從上述描述中可看到，按照本發(fā)明，能夠檢測比光點更細微的標記。
另外，本發(fā)明不需要復雜的伺服控制結構，并實現(xiàn)高速讀取。
權利要求
1.一種光學元件具有埋入透鏡表面基本上與之垂直的導電元件，其中導電元件的直徑或寬度小于透鏡表面上光斑的直徑。
2.如權利要求1所述的光學元件，其中導電元件埋在透鏡的光軸上且關于光軸對稱，導電元件端點的直徑比透鏡表面上的光斑的直徑小并且面對透鏡表面。
3.如權利要求1所述的光學元件，其中導電元件是線性構造并且穿過光斑埋入透鏡表面中。
4.如權利要求1所述的光學元件，其中所述透鏡是半球面鏡，超固體浸沒式透鏡或者物鏡中的一種。
5.如權利要求1所述的光學元件，其中導電元件由具有與透鏡材料不同折射率的金屬、類金屬和透明導電材料制成。
6.如權利要求1所述的光學元件，其中導電元件上設有由之提供電流的電極。
7.一種在其滑動器上設有光學元件的光學頭，通過用讀取光束照射光學記錄介質來讀取信號，其中所述光學元件具有埋入透鏡表面基本上與之垂直的導電元件，其中該導電元件的直徑或寬度小于透鏡表面光斑的直徑。
8.如權利要求7所述的光學頭，其中光學元件是半球面鏡、超SIL或者物鏡中的一種。
9.如權利要求7所述的光學頭，其中光學元件與滑動器制成一體。
10.如權利要求7所述的光學頭，其中設有檢測信號光學元件和參考光學元件，并且所述導電元件埋入在檢測信號光學元件中。
11.如權利要求7所述的光學頭，其中設有電極用于為導電元件提供電流。
12.一種信號重放方法，包括如下步驟分離來自相同光源的激光束，將其入射到光學元件上以在光學元件的焦平面上形成兩個光斑；在其中的一個光斑的相應位置處設置導電元件，其直徑或寬度比光斑的直徑??；并且拾取入射在導電元件上的光斑作為檢測光束同時拾取另一光斑作為參考光束，并且在從光記錄介質返回光束的干涉效應下讀取信號。
13.一種信號重放方法，包括如下步驟用激光照射光學元件，在由激光產生的光斑位置處設置導電元件，以及給導電元件提供高頻電流；并且通過拾取與該高頻同步的信號并讀取記錄在光記錄介質上的信號來檢測光記錄介質上的導電材料和導電元件之間的相互作用。
14.如權利要求13所述的信號重放方法，其中激光束偏轉表面的方向和電流的方向基本上相互垂直，或者基本上相互平行。
全文摘要
提供一種光學元件,在其透鏡表面內基本上與透鏡的光軸相互垂直地埋入直徑或寬度小于入射到透鏡表面光斑直徑的導電元件。光學元件用于通過用讀取光束照射光記錄介質來讀取信號的光學頭中,該光學頭的基本原理是檢測由埋入光學元件中的導電元件和光記錄介質表面上的導電材料之間的電磁相互作用引起的光束微小的相位變化。例如,利用光記錄介質返回光束間的干涉來讀取信號。替代地,對導電材料提供高頻電流并讀取與該高頻同步的信號,以檢測光記錄介質上的導電材料和導電元件之間的相互作用,從而讀取記錄在光記錄介質中的信號。
文檔編號G02B13/24GK1336651SQ0111964
公開日2002年2月20日 申請日期2001年4月14日 優(yōu)先權日2000年4月14日
發(fā)明者Watanabe Kenjiro, Tamada Nishi 申請人:索尼公司