CN101432810A - 近场光学记录设备以及操作近场光学记录设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种近场光学记录设备以及操作近场光学记录设备的方法，该设备被设置成与光学记录载体协作。该设备包括依照折射光学元件与要被访问的光学记录载体的数据层之间的距离来调节折射光学元件相对于光学记录载体的倾斜的装置。

Description

近场光学记录设备以及操作近场光学记录设备的方法
技术领域
本发明涉及近场光学记录设备领域。特别地，本发明涉及近场光学记录设备，其包括：
光源；
折射光学元件，其设置成将来自光源的光导向光学记录载体；
倾斜误差伺服环，其包括与折射光学元件相对于光学记录载体的倾斜有关的倾斜误差信号；
以及倾斜伺服增益设置，其应用到倾斜误差信号。
背景技术
在光学记录设备中可以在光学记录载体上记录的最大数据密度与聚焦到光学记录载体上的激光斑的尺寸成反比。光斑尺寸由两个光学参数之比决定，所述两个参数即所述设备的光源(通常为激光器)的波长以及用来将来自光源的光导向到光学记录载体上的折射光学元件(通常为物镜)的数值孔径(NA)。在常规的光学装置中，NA限制为小于1.0的值。然而，在近场光学记录中，可以通过使用例如固体浸没透镜(SIL)作为折射光学元件来使得NA大于1.0，从而允许光学记录载体上的更大的数据存储密度进一步扩展。大于1.0的NA仅在距SIL的极短距离内是可得到的，所述距离即典型地小于光的波长的十分之一的距离。结果，SIL和光学记录载体在操作期间必须彼此保持在数十纳米以内。折射光学元件与光学记录载体之间的距离(空气间隙)通过使用常规的聚焦和跟踪致动器结合非常灵敏的间隙误差信号由空气间隙控制系统精确地控制，所述间隙误差信号从被反射的光的偏振方向而导出。
在Optical Data Storage 2004，Proceedings of SPIE Vol 5380，pp 209-223，F.Zijp等中另外描述了一种近场光学记录系统，其中系统NA为1.9的设备被设置成与没有覆盖层的50GB光学记录载体(第一表面光学记录载体)协作。
有关光学头的更一般的信息可以见诸于Encyclopaedia ofOptical Engineering DOI：10.1081/E-EOE 120009664(2003)，MarcelDekker Inc.。有关跟踪致动器、伺服机构、物镜的部分以及光路的进展(advance)与本申请是特别相关的。
各种光学记录载体可以与近场记录设备一起使用。一些光学记录载体包括覆盖层以便保护存储在光学记录载体上的数据。
已知近场光学记录设备的一个问题在于，折射光学元件必须相对于光学记录载体非常精确地对准。
发明内容
本发明的目的是提供对于近场光学记录设备中的折射光学元件的倾斜控制，其能够比对于常规系统提供更好的倾斜控制，从而改善了折射光学元件相对于光学记录载体的对准。
这个目的依照本发明被实现，因为倾斜伺服增益设置响应于折射光学元件与至少一个数据层之间的距离的变化是可调节的。
在本发明的另一个实施例中，近场记录设备还包括用于倾斜伺服增益调节的装置，该装置用于响应于折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离的变化而实现倾斜伺服增益的至少一个预定值。
对于用来在光学记录设备中将光导向光学记录载体上的折射光学元件的倾斜的控制一直针对常规光学系统进行研究。然而，近场记录系统具有与由于对于近场操作所需的折射光学元件与光学记录载体之间的邻近性而引起的倾斜相关联的特殊问题。当使用SIL透镜时由于形状的原因也出现特殊问题。大多数SIL透镜是半球形的或者超半球形的。为了在这样小的工作距离下获得对于光学记录载体相对于SIL的平坦侧面的倾斜的充分大的裕度，SIL通常具有拥有小的平头(flattip)(通常直径约为40μm)的锥形形状。然而，即使当SIL的最近表面的尺寸从1毫米减小到几十微米，最大允许的倾角也仍然是非常小的(典型地为0.07°直到大约0.2°)。这与目前的光学记录设备截然不同，在目前的光学记录设备中，光学记录载体的大得多的机械倾斜是可能的(例如直到1°或者更多)。对于近场系统而言，机械倾斜裕度小得多，从而使得精确地测量并且直接校正盘倾斜是困难且昂贵的。而且，如果SIL的前表面与光轴不完全垂直(由于制造工艺的原因，情况确实会这样)，那么甚至盘相对于光轴的理想对准也可能导致系统故障。在实验的近场设备中，对准可能要求单调乏味的反复试验的对准方法。这在商业驱动器(drive)中将是不可接受的。
倾斜问题的较早解决方案(例如离焦光斑法或者多光斑法)都具有以下缺点，即在可以有效地使用SIL和盘之前需要它们之间的对准足够好。由于非常紧的机械倾斜裕度(margin)，这需要预先对准步骤。该预先对准需要在静止光学记录载体上进行，并且有必要使透镜与载体接触以便进行预先对准测量(针对预先对准的倾斜测量可以通过使用较早的发明之一或者通过仅仅最小化GES信号水平来进行)。在静止盘上进行预先对准是不利的，因为它增大了驱动器的启动时间。而且，使透镜与盘接触潜在地会导致系统的损坏和故障。
在本发明中，使用了倾斜误差伺服环。近场光学记录设备的这个子系统是一种通过检测倾斜然后使用这个作为对于折射光学元件的运动的输入来调节折射光学元件(用来将光引导到光学记录载体上)的倾斜的装置。折射光学元件的这种运动可以使用例如致动器来实现。因此，实现了倾斜的调节和补偿。常规倾斜误差伺服环包括倾斜误差信号和倾斜误差增益设置。现有技术系统上的倾斜误差增益设置在商业设备中经工厂调节(factory adjust)到该设备的最佳值，该最佳值与折射光学元件和光学记录载体之间的距离无关。在本发明中，通过用于倾斜伺服增益调节的装置来使得该增益设置可调节。通过用于倾斜伺服调节的装置使得不同的情况下的用于倾斜伺服增益的一个预定值或若干预定值可提供以及被实施。这些值依照折射光学元件与光学记录载体的数据层之间的距离来确定和实施。在不同的距离下，倾斜增益设置的不同值对于近场光学记录设备的操作是最佳的。(这以后将进行解释)。使用更加适当的增益设置值提高了倾斜调节的精度。由于本发明可以在不同的距离下实施，因此它还可以避免预先对准或者粗糙的倾斜调节步骤。
在本发明的另一个实施例中，折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括折射光学元件与光学记录载体的顶面之间的空气间隙。该空气间隙距离影响被产生用来测量所述倾斜的倾斜信号的灵敏度。折射光学元件越靠近光学记录载体，倾斜信号就越强，虽然它依照光学记录载体的波动保持与该光学记录载体的旋转频率一致的周期性。对于用于产生倾斜信号的单个光斑以及对于多光斑装置，观察到这种行为。
近场光学记录系统中的空气间隙通常使用间隙误差信号(GES)来控制。间隙伺服系统在折射光学元件与光学记录载体相距相对大的距离(例如数百纳米的距离)处被起动。在这些距离处，对于倾斜的精度要求没有当折射光学元件处于例如40nm的工作距离时严格。使用特定距离下的倾斜信号，可以进行倾斜的第一校正。在静止盘上，倾斜信号实际上是直流的，在旋转盘上，倾斜信号实际上是交流的。在间隙误差信号的控制下，可以朝光学记录载体移动折射光学元件。倾斜信号将随着距离的变化而变化，并且倾斜伺服增益的预定值可以在倾斜伺服环中由用于倾斜伺服调节的装置实现以便最优化倾斜校正性能。这种最优化的一个实例是，调节倾斜伺服增益以便倾斜伺服环的总体增益设置被调节到最佳值。可以重复和增加这些步骤，直到折射光学元件位于相距光学记录载体希望的工作距离处，在每个步骤中，倾斜调节被调整到更紧的公差。也可以使得这些步骤更加频繁地进行，直到调节过程是连续且“实时的(on the fly)”。
在本发明的另一个实施例中，折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括光学记录载体的顶面与所述至少一个数据层之间的层深度。在常规的光学设备中，设备在数据层上的聚焦是通过移动设备的物镜更靠近或者更远离光学记录载体来实现的。由于近场系统的约束，其中近场仅在光学记录载体的近邻处可提供，这种用于聚焦的机制是不可提供的。随着近场系统将焦点从多层光学记录载体上的一层移动到另一层(实际上为折射光学元件与当前考虑的数据层之间的距离的变化)，折射光学元件的出射面处光斑的尺寸发生变化。这影响了所述倾斜信号(参见下文)。倾斜伺服增益的预定值的提供补偿了变化的光斑尺寸并且使得获得倾斜补偿的一致性能。
在本发明的另一个实施例中，折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括光学记录载体的覆盖层的层深度。光学记录载体具有不同的类型。一些光学记录载体是所谓的第一表面盘，其中在光学记录载体的最上面的表面上读取或者写入数据。其他光学记录载体包括覆盖层，其是置于数据层之上以便保护数据不受损坏和玷污的透明层。这些覆盖层厚度可以改变。这导致折射光学元件与数据层之间的距离变化，所述距离变化也影响近场光学记录设备在数据层上的聚焦。如上所述的相似的光斑尺寸变化以及倾斜信号的灵敏度可以通过提供倾斜伺服增益的预定值来影响，以便允许获得倾斜补偿的一致性能。
在本发明的另一个实施例中，倾斜伺服增益的所述至少一个预定值存储在设备的非易失性存储部件中。倾斜伺服增益的值可以根据针对倾斜信号而测量或计算的灵敏度值来导出，所述值依赖于例如空气间隙距离或者覆盖层厚度。可以通过将这些值存储在近场光学记录设备的非易失性存储器中使得这些值可提供用作本发明的一部分。于是，可以在折射光学元件与数据层的距离处于与和倾斜伺服增益的所述值有关的点对应的点处时的适当时机(moment)获取所述值。
在本发明的另一个实施例中，自动地计算倾斜伺服增益的所述至少一个预定值。在从一个层到另一个层的焦点跳变期间，有利的是同时地/同步地调节倾斜伺服增益设置。例如，可以通过对应当前层以及下一层的设置的内插来导出这些中间设置。通过这种方式，诸如稳定性之类的倾斜伺服性能保持最佳(即相同的总体增益)。
操作近场光学记录设备的方法，包括以下步骤：
提供用于倾斜伺服增益调节的装置
确定折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离
响应于该距离使用用于倾斜伺服增益调节的装置来应用倾斜伺服增益设置
在本发明的另一个实施例中，操作光学记录设备的方法包括以下附加的步骤：
提供倾斜伺服增益的至少一个预定值
附图说明
下面将参照附图进一步阐述本发明。
图1示出了近场光学记录设备的光路的示意图。
图2示出了倾斜信号与折射光学元件和光学记录载体之间的空气间隙的相关性。
图3示出了与空气间隙尺寸有关的倾斜精度要求。
图4说明了在多层光学记录载体上的层之间改变聚焦对于在SIL出射面处的光斑尺寸的影响。
图5示出了作为光学记录载体覆盖层厚度以及折射光学元件和光学记录载体之间的空气间隙的函数的倾斜灵敏度。
图6示意性地说明了依照本发明一个实施例的操作近场光学记录设备的方法。
图7示出了结合本发明一个实施例的图1的近场光学记录设备。
具体实施方式
图1中示出了典型近场记录设备的光路的布局。来自激光器1的光沿着光束成形光学装置系统2被引导。光通过非偏振分束器3和偏振分束器4。这些分束器连同用于间隙误差信号和倾斜检测的系统5、用于RF数据和推挽信号6的系统以及前向感测检测器7、以及对入射到光学记录载体8上的光斑(未示出)允许跟踪和控制的系统一起使用。光通过过四分之一波片9并且通过用于对光学记录载体8上的光斑(未示出)进行聚焦调节10的透镜系统。聚焦调节相对于光路的方向由箭头11表示。光通过透镜系统12聚焦到光学记录载体8上。该透镜系统12包括通常为SIL(固体浸没)透镜13的折射光学元件，其是在光入射到光学记录载体8上之前由光所观察到的最后的透镜元件。
所产生和检测的倾斜信号5随着SIL透镜13与光学记录载体8之间的距离而发生变化。这个距离可以采取SIL透镜13与光学记录载体8之间的空气间隙的形式，或者它可以采取光学记录载体内的深度(例如覆盖层厚度)或者从一个数据层移动到另一个数据层的距离变化的形式。
图2的曲线图示出了随着SIL透镜13与光学记录载体8之间的空气间隙被减小而倾斜信号如何改变。倾斜响应在所述曲线图中是周期性的，光学记录载体8的旋转的一个周期由箭头21表示。在该图示中，空气间隙在70nm和30nm之间变化。在较大的空气间隙下，倾斜信号响应比在较小的空气间隙下更小。因此，将SIL透镜13带到离光学记录载体8越靠近，倾斜信号对于倾斜就越灵敏。
图2中的特定实例来源于实验。在该实验中，NA＝1.45的透镜用来读出具有3μm覆盖层的CuSi光学记录载体。这种配置在大约15μm的SIL的底部上产生离焦的光斑尺寸。由于光学记录载体的非平坦性，倾斜信号在盘上变化，并且与旋转频率(由箭头21表示)一致是周期性的。测量对于不同空气间隙的倾斜信号表明对于较小空气间隙显著增大(同时实际的倾角显然保持相同)。实验发现的灵敏度与空气间隙的关系与理论值进行比较表现出良好的一致性。对于多光斑倾斜测量而言，发现了类似的行为。
为了实现一致且精确的倾斜调节，本发明提供一种用于倾斜伺服增益调节的装置，该装置实现倾斜伺服增益的一个或多个值，从而补偿由距离变化而引起的倾斜信号的变化。
图3也与空气间隙问题有关。机械倾斜公差依赖于SIL尖端直径(tip diameter)：较大的直径要求更精确的对准。直线31和32表示了对于不同SIL尖端直径的这种效果(实线＝40μm，点线＝100μm)，其代表了用于防止机械接触所需的倾斜精度(被任意选择为小于机械公差的因子2)。虚线33为多光斑倾斜信号(15μm光斑间隔)的精度与空气间隙的关系的数例(numerical example)。这个实例根据实际间隙误差信号对于NA＝1.45、具有3μm覆盖层的可记录近场光学记录载体的空气间隙的相关性(dependence)导出：在较大的空气间隙下，GES相关性是微弱的(GES近乎恒定)，使得倾斜信号不像针对较小空气间隙的情况那样精确，在较小空气间隙下，GES表现出很强的相关性。其他的盘类型表现出类似的行为。(注意，对于非常小的空气间隙而言，GES再次变平，导致倾斜信号精度的退化。这些空气间隙比最佳读出和记录所需的更小，并且优选地对于良好的倾斜控制应当加以避免)。从该图显而易见的是，倾斜精度比对于所有相关空气间隙(30-150nm)、甚至对于100μm尖端的机械倾斜公差所需的精度更好(更小的值)。
图4a和4b示出了多层光学记录载体41和42，在光学记录载体41上具有数据层43、44、45、46，在光学记录载体42上具有数据层47和48。SIL透镜49依次置于这些光学记录载体上。为了对多层进行读出和记录，SIL 49的出射表面上的光斑尺寸大大地依赖于要读取或者写入的数据层的深度。对于覆盖厚度为3μm并且间隔层厚度为2μm的4层盘而言，SIL 49上的光斑尺寸的典型值在从大约15μm到45μm的范围内变化。这参照图4的部分a和b来讨论。
在图4a中，由L1表示的光束聚焦到数据层46上。SIL 49的出射面处相应的离焦光斑尺寸由箭头A1表示。当光斑焦点改变到数据层43并且光束如L2所示移动时，SIL 49的出射面处的离焦光斑尺寸由箭头A2表示。当读取或者写入不同的层时，空气间隙AG保持恒定，这与早期的诸如CD和DVD之类的光学记录设备形成对比，其中通过改变透镜与盘之间的距离来顾及(take care of)聚焦动作。在近场光学记录设备中，该聚焦动作通过例如受激励的准直透镜或者液晶元(cell)或者某种组合来实现。因此，在近场光学记录设备中，SIL 49的出射面处的离焦光斑尺寸随着折射光学元件与数据层之间的距离发生变化而变化。这些光斑尺寸变化造成所检测的倾斜信号的变化。借助于本发明，可以通过使用适当的倾斜伺服增益值来补偿这些变化以保证设备的一致操作。
在图4b中，观察到对于光学记录载体覆盖层厚度的变化的相似的效果。数据层47和48可以用来代表光学记录载体的第一数据层的两个可能的位置，层47比数据层48具有更深的覆盖层。光束L4和L3示出了对于这两个可能的覆盖层深度在SIL 49的出射面处的光斑的位置。与光束L4和L3相关联的光斑的相关尺寸分别为A4和A3。光斑尺寸A3小于光斑尺寸A4，因此产生在倾斜信号中的变化。借助于本发明，可以通过使用适当的倾斜伺服增益值来补偿这些变化以保证设备的一致操作。
图5示出了对于不同覆盖层厚度以及空气间隙的倾斜信号的灵敏度。对于该图中的数据而言，SIL上的相应光斑尺寸为6、12和18μm。对于较大的光斑尺寸和聚焦深度而言，倾斜灵敏度增加。如果希望例如在设备伺服环中保持总体增益恒定，那么倾斜伺服增益设置将必须相应地更小以得到一致的设备性能。
图6示意性地说明了依照本发明一个实施例的操作近场光学记录设备的方法。依照本发明的方法以提供用于倾斜伺服增益调节61的装置的步骤开始。这个装置允许在操作设备期间而不是在工厂制造和设置期间对倾斜伺服增益的进行改变。接下来，倾斜伺服增益的至少一个预定值应当是已知的(如果可提供或者希望的话，可以包括更多)，使得对于倾斜伺服增益的良好工作值对于与例如SIL和光学记录载体之间的距离对应的一种或多种情况是可提供的。这是对其中恒定地应用一个增益值的情况的改进，因为它考虑了设备操作期间的不同的灵敏度。所述值被提供62并且可以包含在例如近场光学记录设备的非易失性存储部件中。该近场记录设备能够确定折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离63。通常，距离的这种测量是使用间隙误差信号来实现的。距离的确定完成之后，可以实现适当的倾斜伺服增益设置。通过使用用于倾斜伺服增益调节的装置，倾斜伺服增益的希望的值被应用64，所述倾斜伺服增益设置与该距离对应。
图7示出了结合本发明的一个实施例的图1的近场光学记录设备。与图1关联的标记保持相同。所述设备现在具有到倾斜误差信号的倾斜伺服环71的输入信号72以及从间隙误差信号导出的距离信号。这些输入信号72来自用于间隙误差信号和倾斜检测的系统5。所述设备还包括依照本发明的用于倾斜伺服增益调节的装置73。该设备在这里被示为倾斜伺服环71的组成部分，但是可以是与倾斜伺服环结构分开的独立设备。用于倾斜伺服增益调节的装置73设置倾斜伺服增益并且该信号在倾斜伺服环71中用来提供用于对SIL 13进行倾斜补偿的输出74。
附图标记列表
1.激光器
2.波束成形光学装置
3.非偏振分束器
4.偏振分束器
5.用于间隙误差信号和倾斜检测的系统
6.用于RF数据和推挽信号的系统
7.前向感测检测器
8.光学记录载体
9.四分之一波片
10.用于聚焦调节的透镜系统
11.表示聚焦调节方向的箭头
12.透镜系统
13.SIL透镜
21.表示光学记录载体的一个旋转周期的箭头
31.表示对于SIL尖端直径为40μm的效果的直线
32.表示对于SIL尖端直径为100μm的效果的直线
33.示出关于空气间隙的倾斜信号精度的数例的曲线
41.多层光学记录载体
42.多层光学记录载体
43.数据层
44.数据层
45.数据层
46.数据层
47.数据层
48.数据层
49.SIL透镜
L1、L2、L3和L4光束
A1、A2、A3和A4表示SIL出射面处的离焦光斑尺寸的箭头
AG空气间隙
61.依照本发明的方法步骤
62.依照本发明的方法步骤
63.依照本发明的方法步骤
64.依照本发明的方法步骤
71.倾斜伺服环
72.到倾斜伺服环的输入信号
73.用于倾斜伺服增益调节的装置
74.用于倾斜补偿的输出

Claims (9)

1.一种近场光学记录设备，该设备被设置成与包括至少一个数据层的光学记录载体协作，该设备包括：
光源；
折射光学元件，其设置成将来自光源的光导向光学记录载体；
倾斜误差伺服环，其用于提供与折射光学元件相对于光学记录载体的倾斜有关的倾斜误差信号；
以及倾斜伺服增益设置，其应用到倾斜误差信号，其特征在于，
倾斜伺服增益设置是响应于折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离的变化可调节的。
2.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，该近场光学记录设备还包括用于倾斜伺服增益调节的装置，该装置用于响应于折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离的变化而实现倾斜伺服增益的至少一个预定值。
3.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，其中折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括折射光学元件与光学记录载体的顶面之间的空气间隙。
4.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，其中折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括光学记录载体的顶面与所述至少一个数据层之间的层深度。
5.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，其中折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离包括光学记录载体的覆盖层的层深度。
6.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，其中倾斜伺服增益的所述至少一个预定值存储在所述设备的非易失性存储部件中。
7.依照权利要求1所述的近场光学记录设备，其中自动地计算倾斜伺服增益的所述至少一个预定值。
8.一种操作近场光学记录设备的方法，包括以下步骤：
-提供用于倾斜伺服增益调节的装置
-确定折射光学元件与所述至少一个数据层之间的距离
-响应于该距离使用用于倾斜伺服增益调节的装置来应用倾斜伺服增益设置
9.依照权利要求8的操作光学记录设备的方法，包括以下附加的步骤：
-提供倾斜伺服增益的至少一个预定值。
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