CN101996651B - 物镜和包括该物镜的光学拾取器 - Google Patents

物镜和包括该物镜的光学拾取器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在远场模式和近场模式中操作的光学拾取器，其包括具有物镜的可移动部，其中物镜包括均被布置于共用光轴A的固体浸没透镜和变焦透镜。变焦透镜包括中心区和围绕所述中心区的周边区。周边区适于构成用于远场模式的光学系统。变焦透镜的中心区与固体浸没透镜一起适于构成用于近场模式的光学系统。固体浸没透镜和变焦透镜适于一体地移动。用于操作光学拾取器的方法包括：第一方式，其基于使用用于远场模式的光学系统进行的对焦控制使可移动部接近光存储介质的面；和后续方式，其通过将远场工作距离DF降低至更小的近场工作距离DF而接近光存储介质的面。

Description

物镜和包括该物镜的光学拾取器
技术领域
本发明涉及用于近场数据存储的物镜，并且涉及使用前述物镜的光学拾取器，并且还涉及用于操作该光学拾取器的方法。
背景技术
现在，由于更为复杂的应用或多媒体应用，信息技术被迫面对不断增加的数据量。因此，需要具有高的存储容量的可移除数据存储装置，例如，用于高解析度的电影或者视频游戏。而在信息技术的起始，磁性存储装置广受欢迎，而现在，比如CD(高密度磁盘)、DVD(多功能数字光盘)或者BD(蓝光盘)占据了可移除数据存储介质市场的主导地位。
光数据存储通常受限于读/写系统的光解析度。增加光解析度的直接法涉及到聚焦光束和开度角即数值孔径的加宽，代价是增加了透镜复杂度。其他的措施有使光记录介质的可允许摆动范围(margin)变窄或者将扫描激光的波长减小到蓝光或接近紫外光的范围中。用于减小光数据存储系统中的焦点尺寸的不同的措施是使用具有高的数值孔径(NA＞1)的近场光(optics)。该高的数值孔径通常通过固体浸没透镜(SIL)来实现。类似CD、DVD或BD的传统系统在光远场区域中操作，这称为经典光学，而前述的新系统在光学近场区域中工作，这称为近场光学。对于传统系统，光存储介质的面和读/写头的第一光面之间的工作距离即气隙(air gap)在100μm的量级上。相反，使用近场光学的系统需要非常小的50nm量级的工作距离或气隙。在WO2005/104109 A1中公开了利用近场光进行记录和/或读取的光存储系统。存储介质面和物镜面之间的低的工作距离是近场技术面对的一项主要挑战。小的工作距离要求对于用于相关的光学存储介质例如光盘的摆动极限和垂直偏移极限设置严格的规范。即使光盘规范仅允许比当前的蓝光光盘小若干倍的垂直游程值(run out value)，例如以20μm代替100μm，对于光学拾取器的读/写头接近光盘面并且以不发生头-盘接触或头-盘冲击的方式关闭合对焦回路仍是困难的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于可兼容驱动器的物镜，其能够应用于近场光区域和远场光区域。
直通接近(straight forward approach)用以从输入区(lead-in area)启动读/写操作，其中输入区中的摆动和偏移通常比存储介质的外部区域中的摆动和偏移低。但是，对于近场光学存储系统，期望到达存储介质的外部区，而不用以前述的近似50nm的低的工作距离进行连续的对焦操作。
另外，JP 11-259897公开了能够记录和复制高密度记录介质和低密度记录介质的光学拾取器。所述拾取器具有：用于低密度介质的第一物镜，该第一物镜会聚准直后的光；遮光部，其遮断通过第一物镜的光的一部分；和光学元件，其由用于高密度介质的第二物镜和固态半球透镜组成。对于低密度介质，通过滑动部使读/写头接近遮光部。对于高密度介质，使读/写头邻近记录介质。
US 2008/0198728公开了一种光盘驱动器，其包括：物镜；固体浸没透镜；用于收集由光记录介质反射的光束的一部分的孔径元件，其对应于具有小于1A的速度发生电路的物镜和固体浸没透镜的有效孔径数，所述速度发生电路根据检测元件所检测到的信号水平降低固体浸没透镜接近记录介质的速度。驱动电路根据速度发生电路的输出驱动物镜和固体浸没透镜。这样，确保了固体浸没透镜不会与光记录介质接触。
US 2008/0089208公开了近场光扫描装置，其用以使透镜从相对于光记录介质表面的远场位置到近场位置。对表示固体浸没透镜和光记录介质的表面之间的间隙的尺寸的孔径光瞳(aperture pupil)图像的图像处理被用于该目的。对于孔径光瞳图像的图像分析可以得出用于接近步骤的控制信号，用于控制微米范围内的气隙距离。这允许了一种快速、有效、精确和可靠的接近步骤。
本发明的一个目标是提供允许安全快速地接近光存储介质的表面的物镜。本发明的另一目标在于提出包括该物镜的光学拾取器及用于操作该光学拾取器的方法，所述方法改进了所述接近步骤。
通过独立权利要求的主旨实现上述目标。本发明的有利的实施方式是从属权利要求的主旨。
根据本发明，提供了物镜，其包括均被布置于共用光轴的固体浸没透镜和变焦透镜。前述变焦透镜包括中心区和围绕所述中心区的周边区。所述周边区适于构成用于远场模式的光学系统。所述变焦透镜的中心区与固体浸没透镜一起适于构成用于近场模式的光学系统。固体浸没透镜和变焦透镜适于一体地移动。通过将变焦透镜的中心区和固体浸没透镜组合成光学系统，可以为物镜在中心区和周边区提供不同的光学特性。这允许使两个区的光学特性适应于不同的光记录介质。
优选地，变焦透镜的中心区和固体浸没透镜构成近场光学系统。该近场光学系统有利地具有高于一个数值孔径。更为有利的是提供以允许在光学远场中操作的方式设计的具有周边区的变焦透镜。优选地，中心区的焦距比周边的焦距短。由于固体浸没透镜通常需要用于近场光数据存储，该配置确保了不需要对物镜进行其他的修改而用于读/写近场存储介质。同时，由于读/写远场存储介质的要求不那么严格，仅使用周边区用于这样的光记录介质是足够的。
变焦透镜包括提供不同的焦距的两个不同的区。结果，可将变焦透镜用于不同的目的。变焦透镜的中心区和固体浸没透镜一起用于近场中的操作，而变焦透镜的周边区用于远场操作。当使物镜接近光存储介质的表面时，由于物镜可应用于远场和近场两者而实现了有利的两步式过程。
另外有利的是为变焦透镜设置环形孔径，所述环形孔径布置于变焦透镜的中心区和周边区之间。所述环形孔径允许忽略漫射光。
优选地，周边区的焦距适用于远场模式中的在50μm和250μm之间的工作距离，而变焦透镜的中心区的焦距适用于近场模式中的在25μm和50μm之间的工作距离。在数十μm或数百μm的范围中的工作距离允许包括前述物镜的读/写头的安全接近，而不会有读/写头冲击的高风险。
根据本发明的光学拾取器被设计用于在远场模式和近场模式中的操作。所述光学拾取器包括根据本发明的物镜。
所提到的用于物镜的类似的或兼容的优点也适用于光学拾取器。
优选地，信号光束的第一部分被引导入第一分析光束路径，所述信号光束的第二部分被引导入第二分析光束路径，其中第一分析光束路径被设置用于对焦控制。在本情况中，光学拾取器有利地包括布置于信号光束的光路的偏振分光器和非偏振分光器。信号光束由偏振分光器而耦合入第一分析光束路径，以及由非偏振分光器而耦合入第二分析光束路径。第一分析路径优选地包括像散透镜。
前述的光学拾取器能够有利地在远场模式及在近场模式中操作，而布置在第一分析光束路径中的像散透镜在远场模式中操作时有利地允许像散对焦。
根据一个有利的替换例，通过固体浸没透镜和变焦透镜的中心区的信号光束的第一部分被耦合到第一分析光束路径，并且通过变焦透镜的周边区的信号光束的第二部分被耦合到第二分析光束路径，其中第二分析光束路径被设置用于对焦控制。在本情况中，光学拾取器优选地包括被布置于信号光束的光路中的偏振分光器和非偏振分光器，其中已经通过固体浸没透镜和变焦透镜的中心区的信号光束的第一部分借助于偏振分光器而耦合入第一分析光束路径。已经通过变焦透镜的周边区的信号光束的第二部分借助于非偏振分光器而耦合入第二分析光束路径。四分之一波片被置于信号光束的第一部分的光束路径中，像散透镜被布置于第二分析光束路径。四分之一波片优选地布置于变焦透镜的表面或布置于固体浸没透镜的表面。
借助于前述的光学拾取器，仅一部分信号光束通过四分之一波片。因此，仅信号光束的通过前述四分之一波片的部分示出了与用于读出数据的光束的偏振垂直的偏振。结果，信号光束的通过四分之一波片的部分耦合入第一分析光束路径，而信号光束的未通过四分之一波片的路径被耦合入第二分析光束路径。采用前述的光学拾取器，可以仅借助于第二分析光束路径提供工作距离控制。这适用于光学拾取器在远场模式及在近场模式中的操作。
提供了根据本发明的方法，所述方法允许光学拾取器在远场模式和在近场模式中的操作。所述光学拾取器包括根据本发明的物镜。所述方法包括使物镜接近光存储介质的表面以达到在所述物镜和光存储介质的表面之间的远场工作距离的步骤，其中所述远场工作距离至少近似地等于变焦透镜的周边区的焦距。所述第一接近由使用用于在远场模式中工作的光学系统进行的对焦控制来控制。在所述方法的其他的步骤中，由物镜接近所述光存储介质的表面以达到近场工作距离，其中所述近场工作距离比远场工作距离短。
用于操作光学拾取器的前述的方法提供了用于接近光存储介质的表面的两步式处理。由于光存储介质的表面和物镜之间的距离在第一步骤中相对较高，即在变焦透镜的周边区的焦距的范围中，则读/写头冲击的危险被显著地降低。这是因为远场工作距离比例如旋转光盘的垂直游程的典型值高。
有利地，使物镜接近近场工作距离的步骤通过使远场工作距离减小预定的值来完成。在远场操作期间，确定用于存储介质的旋转的重要参数，例如摆动或垂直游程。所述参数对于远场操作及对于近场操作是有效的。唯一的不同在于工作距离的偏差值。该偏差近似地由变焦透镜的周边区的焦距和近场工作距离之间的差给出。
更为有利的是提供用于操作光学拾取器的方法，所述方法包括如下步骤：
-将信号光束的第一部分耦合入第一分析光束路径，所述第一分析光束路径被设置用于对焦控制；和
-将所述信号光束的第二部分耦合入第二分析光束路径；
其中使光存储介质的表面接近远场工作距离的步骤通过使用第一分析光束路径的对焦控制来执行。
为该目的，拾取器有利地包括被布置于信号光束的光学路径的偏振分光器和非偏振分光器。信号光束借助于偏振分光器而耦合入包括像散透镜的第一分析光束路径，并且借助于非偏振分光器而耦合入第二分析光束路径。使光存储介质的表面接近远场工作距离的步骤通过使用布置在第一分析光束路径的像散透镜进行的像散对焦控制来完成。像散对焦控制允许对工作距离进行快速并可选的控制。
如下是更为有利的：例如通过间隙误差信号，在远场操作期间使用第一分析光束路径来控制工作距离，而在近场操作期间使用第二分析光束路径来控制工作距离。在近场模式中，第一分析光束路径有利地被用于获取数据。
替代地，用于操作光学拾取器的方法包括如下步骤：
-将通过固体浸没透镜和变焦透镜的中心区的信号光束的第一部分耦合入第一分析光束路径；和
-将通过变焦透镜的周边区的信号光束的第二部分耦合入第二分析光束路径，所述第二分析光束路径被设置用于对焦控制；
其中使光存储介质的表面接近远场工作距离的步骤通过使用第二分析光束路径的对焦控制来执行。
为该目的，拾取器有利地包括被布置于信号光束的光学路径的偏振分光器和非偏振分光器。通过固体浸没透镜和变焦透镜的中心区的信号光束的第一部分借助于偏振分光器而耦合入第一分析光束路径。通过变焦透镜的周边区的信号光束的第二分部借助于非偏振分光器而耦合入包括像散透镜瓣第二分析光束路径。使光存储介质的表面接近远场工作距离的步骤通过使用布置在第二分析光束路径的像散透镜进行的像散对焦控制来完成。有利地，第二分析光束路径被用于在远场操作期间和在近场操作期间控制工作距离，而第二分析光束路径仅被用于获取数据。
根据前述的方法，提供了工作距离控制和数据获取之间的功能性分离。这允许简化执行光学拾取器的控制。
附图说明
为更好地理解本发明，现在将在现在的说明中参考附图更为详细地说明本发明。应理解，本发明并不局限于示例性实施方式，并且在不偏离如权利要求中限定的本发明的范围的前提下，可以方便地进行组合和/或修改。在附图中：
图1以纵向剖视图的形式示出了根据本发明的在远场模式中操作的物镜；
图2示出了图1中的在近场模式中操作的物镜；
图3示出了光学拾取器的包括图1和图2的物镜的第一实施方式的示意性简图；和
图4示出了光学拾取器的包括图1和图2的物镜的第二实施方式的示意性简图。
具体实施方式
在图1和图2中示出了根据本发明的物镜2的第一实施方式的纵向剖面。图1示出了工作在远场模式中的物镜2，而图2示出了在近场模式中的操作的情况。物镜2包括均被布置于共用光轴A的固体浸没透镜4和变焦透镜6。变焦透镜6包括中心区8和周边区10，其中周边区10围绕中心区8。物镜2能够工作在远场模式及工作在近场模式。为实现这一点，周边区10构成用于工作在远场模式中的光学系统。中心区8与固体浸没透镜4构成用于工作在近场模式中的光学系统。后者具有高的数值孔径，即NA＞1。环形孔径12被布置在中心区8和周边区10之间以防止出现散光。
物镜2还包括作用为变焦透镜6和底部16之间的定距元件的圆环部14。固体浸没透镜4被固定于前述的底部16，其中底部16优选地由与固体浸没透镜4的材料相同的材料制成。当然，固体浸没透镜4同样可以直接贴附到变焦透镜6。替代地，固体浸没透镜4和变焦透镜6是完全分离的光学元件。变焦透镜6的中心区8的焦距和周边区10的焦距选择成不同的焦距。限定远场工作距离DF的远场焦点18由周边区10的焦距限定。由中心区8和固体浸没透镜4构成的光学系统具有限定了近场工作距离NF的近场焦点20。远场工作距离DF在光存储介质22的面21和底部16的朝向光存储介质22的面21的面之间测量。仅经由示例，远场工作距离DF在50μm至200μm的范围中，而近场工作距离NF在25μm至50μm的范围中。远场工作距离DF至少近似地等于变焦透镜6的周边区10的焦距。仅通过示例，光存储介质22是在包括物镜2的拾取器下方旋转的光盘。
远场工作距离DF被设置成典型地比光存储介质22的垂直游程或摆动大的值，以防止在物镜2和光存储介质22的表面21之间出现在读/写头冲击或接触。在光盘的情况中，光存储介质22的垂直游程由于光盘的转动运动而是周期性的。另外，在远场模式中操作及在近场模式中操作的垂直游程是相同的。由于该情况，以两步式处理完成物镜2向光存储介质22的表面21的接近，这将在下面说明。
根据本发明，提供了包括根据本发明的物镜2的光学拾取器24的操作方法。在图3和图4中分别示出了两个示例性拾取器24。所述光学拾取器24能够在远场模式中和在近场模式中操作。另外，它们包括可移动部26，所述可移动部26至少包括四分之一波片28和根据本发明的物镜2。可移动部26至少可在垂直于光存储介质22的表面21的方向上调整。因此，可调整工作距离，即可调整远场工作距离DF及近场工作距离NF。仅经由示例，图3和图4中示出的光学拾取器24示出了远场模式。
在所述方法的第一步骤中，可移动部26接近光存储介质22的面21以达到远场工作距离DF。接着，根据所述方法的另一步骤，使可移动部26接近光存储介质22的面21以达到显著地小于远场工作距离DF的近场工作距离NF。当工作在远场模式时，确定光存储介质22的垂直游程。被确定用于追踪光存储介质26的面21的参数可应用于远场操作及近场操作。因此，当可移动部26接近光存储介质22的面21以达到近场工作距离NF时，简单地通过使远场工作距离DF减小预定的值而使可移动部26接近光存储介质22的面21。所述值根据远场工作距离DF与近场工作距离NF之间的差可知，其中远场工作距离DF近似地等于变焦透镜6的周边区10的焦距。
图3中示出的光学拾取器24包括产生激光束32的激光二极管，所述激光束32由准直器34准直。所述激光束32通过非偏振分光器36，非偏振分光器36将所述激光束32的一部分反射到用于激光功率的反馈控制的功率监测单元38。接着，激光束32在作用于物镜2对焦到光存储介质22之前通过偏振分光器40。激光束32与光存储介质22的数据层相互作用的结果是产生调制的信号光束42。
信号光束42沿着与激光束32相同的光路在非偏振分光器36和光存储介质22的面21之间行进。信号光束42通过可移动部26，并借助于偏振分光器40耦合入第一分析光束路径44和借助于非偏振分光器36耦合入第二分析光束路径46。
行进通过偏振分光器40的激光束32具有沿第一方向定向的线偏振(linear polarization)。激光束32的所述线偏振借助于四分之一波片28而转换成为圆偏振。所述圆偏振化的激光束32的转动方向由于所述激光束32在光存储介质22的面21上的反射而变化。被反射的激光束32称为信号光束42并且与激光束32相比具有沿相反方向的圆偏振。借助于四分之一波片28，实现了信号光束42，所述信号光束42具有的线偏振定向垂直于沿相反方向通过偏振分光器40的线偏振的激光束32的各个定向。因此，该部分的信号光束42被反射入第一分析光束路径44。所述第一分析光束路径44包括允许借助于四象限探测器(four-quadrant detector)50进行像散对焦控制的像散透镜48。
激光束32的一部分在固体浸没透镜4的朝向光存储介质22的面21的底侧上被进一步反射。当激光束32在前述的面上被反射时发生去偏振效应。因此，该反射光的偏振方向并不确切地与偏振分光器40的方向匹配。接着，其通过所述偏振分光器40。发生于固体浸没透镜4的底面的去偏振效应的量随着由于近场效应而从固体浸没透镜4穿过气隙被耦合到光存储介质22的表面的光的不断增加的量而减小。因此，可以基于与所反射的光的量相关的信号提供间隙误差控制。所述光借助于非偏振分光器36而耦合入第二分析光束路径46。
总的来讲，图3中示出的光学拾取器24允许远场模式操作及近场模式操作。而在近场模式中，通过所述分析光束路径46完成的间隙误差控制被用于控制近场工作距离NF，在远场模式中，通过第一分析光束路径44完成的像散对焦控制确保远场工作距离DF。如果光学装置24工作在近场模式中，则所执行的数据获取通过第一分析光束路径44完成。
图4中示出了光学拾取器24的另一个实施方式。与图3中示出的光学拾取器24相比，减小了四分之一波片28的尺寸。其遮盖变焦透镜6的中心区8，而在变焦透镜6的周边区10，激光束32及信号光束42旁路四分之一波片28。因此，保持了通过变焦透镜6的周边区10的激光束32的第一部分的线偏振。因此，在偏振的方向上未由于光存储介质22的面21处的反射而发生变化。结果，该部分的激光束32穿过偏振分光器40并由非偏振分光器36反射进入第二分析光束路径46。因此，如果图4中示出的光学拾取器24在远场模式中操作，则通过使用布置在第二分析光束路径46中的像散透镜48进行的像散对焦控制确保远场工作距离DF。
当在近场模式中操作时，通过变焦透镜6的中心区8的激光束32的第二部分由于其穿过四分之一波片28而改变其偏振方向。因此，其由偏振分光器40反射进入第一分析光束路径44。图4中示出的光学拾取器24允许仅借助于第二分析光束路径46来控制远场工作距离DF及近场工作距离NF。结果，提供了在第一分析光束路径44中的数据获取和在第二分析光束路径46中的距离控制之间的功能性分隔。

Claims (13)

1.一种物镜(2)，所述物镜(2)包括被布置于共用光轴(A)的固体浸没透镜(4)和变焦透镜(6)，其中所述变焦透镜(6)包括中心区(8)和围绕所述中心区(8)的周边区(10)，其特征在于：所述周边区(10)适于构成用于远场模式的光学系统，并且所述变焦透镜(6)的中心区(8)与所述固体浸没透镜(4)一起适于构成用于近场模式的光学系统，所述固体浸没透镜(4)和所述变焦透镜(6)适于一体地移动。
2.根据权利要求1所述物镜(2)，其特征在于，所述中心区(8)的焦距比所述周边区(10)的焦距短。
3.根据权利要求1或2所述的物镜(2)，其特征在于，环形孔径(12)被布置在所述变焦透镜(6)的所述中心区(8)和所述周边区(10)之间。
4.一种用于在远场模式和近场模式中操作的光学拾取器(24)，其特征在于，所述光学拾取器(24)包括根据权利要求1或2所述的物镜(2)。
5.根据权利要求4所述的光学拾取器，其特征在于，信号光束(42)的第一部分被引导进入第一分析光束路径(44)，所述信号光束(42)的第二部分被引导进入第二分析光束路径(46)，其中所述第一分析光束路径(44)被设置为用于对焦控制。
6.根据权利要求4所述的光学拾取器(24)，其特征在于，通过所述固体浸没透镜(4)和所述变焦透镜(6)的所述中心区(8)的信号光束(42)的第一部分耦合入第一分析光束路径(44)，通过所述变焦透镜(6)的所述周边区(10)的所述信号光束(42)的第二部分耦合入第二分析光束路径(46)，其中所述第二分析光束路径(46)被设置为用于对焦控制。
7.一种用于操作光学拾取器(24)的方法，所述光学拾取器(24)包括根据权利要求1或2所述的物镜(2)，所述方法包括如下步骤：
-基于使用用于在远场模式中工作的光学系统进行的对焦控制使所述物镜(2)接近光存储介质(22)的上表面(21)以达到所述物镜(2)和所述光存储介质(22)的所述上表面(21)之间的远场工作距离(DF)，其中所述远场工作距离(DF)等于所述变焦透镜(6)的所述周边区(10)的焦距；和
-使所述物镜(2)接近所述光存储介质(22)的所述上表面(21)以达到近场工作距离(NF)，其中所述近场工作距离(NF)比所述远场工作距离(DF)短。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述物镜(2)接近所述近场工作距离(NF)的步骤通过使所述物镜(2)移动离开所述远场工作距离(DF)预定的值来实现。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的值等于所述变焦透镜(6)的所述周边区(10)的焦距与所述近场工作距离(NF)之间的差。
10.根据权利要求7至9中的一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-使信号光束(42)的第一部分耦合至第一分析光束路径(44)，所述第一分析光束路径(44)被设置为用于对焦控制；和
-将所述信号光束(42)的第二部分耦合至第二分析光束路径(46)；
其中使所述光存储介质(22)的所述上表面(21)接近所述远场工作距离(DF)的步骤通过使用所述第一分析光束路径(44)的对焦控制来实现。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在远场操作期间，所述第一分析光束路径被用于控制所述远场工作距离(DF)，而在近场操作期间，所述第二分析光束路径被用于控制所述近场工作距离(NF)，并且所述第一分析光束路径(44)被用于获取数据。
12.根据权利要求7至9中的一项所述的方法，还包括如下步骤：
-使通过所述固体浸没透镜(4)和所述变焦透镜(6)的所述中心区(8)的所述信号光束(42)的第一部分耦合入第一分析光束路径(44)；和
-使通过所述变焦透镜(6)的所述周边区(10)的所述信号光束(42)的第二部分耦合入第二分析光束路径(46)，所述第二分析光束路径(44)被设置为用于对焦控制；
其中使所述光存储介质(22)的所述上表面(21)接近所述远场工作距离(DF)的步骤通过使用所述第二分析光束路径(46)的对焦控制来实现。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述第二分析光束路径(46)被用于在远场操作期间和在近场操作期间控制所述工作距离(DF)，而所述第一分析光束路径(44)被用于获取数据。
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