TWI493543B - 可在遠場模態和近場模態間變換之物鏡 - Google Patents

Description

可在遠場模態和近場模態間變換之物鏡

本發明係關於一種物鏡，可在遠場模態和近場模態之間變換，又涉及光學記錄媒體之讀寫裝置，包括具有上述物鏡之光學頭。

今日的資訊科技面臨資料量增加，由於更複雜或多媒體應用之故。因此，亟需有高儲存容量的可移式資料儲存裝置，例如供高解像度電影或視訊遊樂器之用。資訊科技開始時，磁性儲存裝置受寵，迄今以CD(微型光碟)、DVD(數位多樣碟)或BD(藍光碟)等光學儲存媒體，主宰可移式資料儲存媒體市場。

光學資料儲存一般受到讀寫系統光學解析度的限制。提高光學解析度的直率方法，涉及加寬聚焦光束和敞開角度，即數值孔徑NA，代價是透鏡的複雜性。進一步的策略是窄化光學記錄媒體的可容許傾斜邊緣，或減少掃描雷射進入藍色或近紫外線範圍之波長。在光學資料儲存系統內減小焦斑尺寸之不同策略是，使用高數值孔徑的近場光圈。此高數值孔徑一般係借助固體浸沒透鏡(SIL)達成。雖然習知系統像CD、DVD或BD是以光學遠場形態操作，以傳統光圈述之，而上述新系統是以光學近場形態操作，以近場光圈述之。就傳統系統而言，作業距離(即光學儲存媒體表面與讀寫磁頭第一光學表面間之空氣間隙)，比例尺為100 μm。反之，使用近場光圈的系統，需要很小作業距離或空氣間隙，比例尺為50 nm。使用近場光圈的記錄和/或閱讀用之光學儲存系統，載於WO 2005/104109 A1。

為提供不同儲存媒體間之相容性，需要所謂相容式磁碟機。此等磁碟機能夠讀寫屬於不同媒體世代之儲存媒體，例如藍光碟，以及近場光學儲存媒體。因此，此類相容式磁碟機之光學磁頭，需能以遠場形態，也能以近場形態作業。已知策略是在各資料儲存裝置之光學磁頭內，包含二物鏡。第一物鏡用於遠場形態，而第二物鏡用於近場形態。各物鏡為其特殊目的而設計。然而，此等光學磁頭往往又脆弱又昂貴。

另一解決方案載於JP 2000-163792。其光學磁頭包含物鏡是由透鏡和光學單位組成。光學單位具有校正板和固體浸沒透鏡。對於近場操作，透鏡和光學單位是配置在光程內。對於遠場操作，光學單位是移到光程外。

因此，本發明之目的，在於提供一種相容式磁碟機用之物鏡，可應用於近場光學形態和遠場光學形態。

本發明又一目的，在於擬議使用如此物鏡的光學記錄媒體之讀寫裝置。

上述目的是以申請專利範圍獨立項之標的達成。本發明有益之具體例，則為申請專利範圍附屬項之標的。

以此目的觀之，所設物鏡可在遠場模態和近場模態之間變換。物鏡包括透鏡、具有可變折射率的光學元件，和固體浸沒透鏡。上述諸元件設置在共同光軸上。具有可變折射率的光學元件配置在固定浸沒透鏡之凸側，有按光軸方向彼此相鄰配置之頂面和底面。該光學元件之底面呈凹形，適應固體浸沒透鏡之凸側。該光學元件頂面之曲率，小於固體浸沒透鏡凸側之曲率。該光學元件之折射率變化方式，使該光學元件和固體浸沒透鏡的折射率間之差異，在遠場模態時小，故固體浸沒透鏡和光學元件在遠場模態實質上有單一光學元件的作用，而在近場模態時該項差異大，故固體浸沒透鏡之光學效應，在近場模態很重大。

上述本發明之概念，是基於如下考量：

典型上，固體浸沒透鏡是平凸光學結構。其光學效應係由於作業距離很小，使消散波傳播到固體浸沒透鏡，加上其凸側之高曲率。因此，在固體浸沒透鏡的凸側，配置可變折射率之另一光學元件，即可改變該固體浸沒透鏡之折射。最好是該另一光學元件具有凹面，適應固體浸沒透鏡的凸形，又其相反面的曲率比固體浸沒透鏡凸側小。為使此光學元件可以變換，是由可變換折射率的材料製成。

物鏡在遠場模態和近場模態間變換之主要構想是，該光學元件和固體浸沒透鏡的折射率之間有可變差異。若折射率間的差異大，固體浸沒透鏡之光學效應顯著，在空氣中使用固體浸沒透鏡即可知。若折射率差異小，固體浸沒透鏡的光學效應大降，因為固體浸沒透鏡加光學元件多少有單一光學元件的作用。由於設置在固體浸沒透鏡相反對的光學元件表面，曲率比固體浸沒透鏡的凸側小，總體光學效應即遠比固體浸沒透鏡為低。物鏡可應用於光學遠場形態，也可用於光學近場形態。又一優點是，光學系統不用任何活動組件即可實施。因此，可提供簡單可靠之物鏡。此特點可為光學資料儲存裝置完美選擇相容式磁碟機。

物鏡為遠場模態時，光學元件折射率和固體浸沒透鏡折射率宜基本上一致。如上所述，固體浸沒透鏡的光學效應，大大因固體浸沒透鏡和該光學元件間之折射率差異而定。因此，若此差異接近零，在該光學元件底面即不發生折射。固體浸沒透鏡因上述措施而幾乎不見。

光學元件以具有可變折射率之液體為宜，拘限在按光軸方向由頂組件和底組件限制的凹窩內。光學元件的頂面和底面分別由面向該凹窩的頂組件和底組件表面所形成。頂、底組件宜各包括電極，其設計是要在凹窩內發生電場，以變換該液體的折射率。該液體宜用液晶。因此，光學元件的折射率可以簡單方式改變。對液晶材料施以電場，則該光學元件的折射率即快速而可靠變化。

液晶之選項是，對光學元件可用具有二種不同折射率的不溶混相之液體。二相之一以介質流體為佳。電極經分區段，一對第一電極區段係位於光學元件之中央部份，一對第二電極區段係於其周邊部份。光學元件的中央部份在此指光軸周圍或附近區域，而光學元件最好是圍繞該中央部份之周邊部份，則指配置在離光軸一段距離之部份。

在凹窩中央部份發生電場，即可將上述二相液體之介質相，拉入光學元件之該中央部份。電極宜塗佈絕緣層，防止液體發生電化反應。周邊部份宜位在光程之外。只要把介質相移動至光軸，或向外推，光學元件之折射率即告變換。

所述電極宜位在垂直於光軸的平面。更好是使用透光性材料，該電極材料以氧化銦錫為佳。由於氧化銦錫具有導電性和光學透明性，是電極的完美選擇。又，那是諸種薄膜應用上的完美選擇。因此，在技術上容易處置，例如利用濺塗澱積法為之。

光學元件頂面曲率宜至少近乎零。更好是頂組件具有平行板形式，在垂直於光軸的平面延伸。有可變折射率的光學元件之技術效應，是補正固體浸沒透鏡的光學功率，平衡固體浸沒透鏡的最容易方式是，賦予固體浸沒透鏡和光學元件幾何形總和，呈立方體形狀。

惟立方體會造成重大的球面像差。為補正此等球面像差，頂組件宜呈球面像差校正透鏡形狀，其中頂組件和液體間折射率差異，在遠場模態高於近場模態。此球面像差校正透鏡宜具有平坦表面和彎曲表面，其中彎曲表面朝向凹窩。以遠場模態作業時，液體和球面像差校正透鏡間之折射率差異高。因此，在液體和該球面像差校正透鏡間之界面，發生重大折射。如物鏡變換為近場模態時，液體大為改變其折射率。因此，液體和球面像差校正透鏡間之上述界面，僅造成通過該界面之光小小折射。結果，只有物鏡以遠場模態操作時，球面像差校正透鏡才有作用，而以近場模態操作時，球面像差校正透鏡幾乎不見。以遠場模態操作時，球面像差校正透鏡有益，但會攪亂近場模態之光圈。

球面像差校正透鏡以施密特板(Schmidt-plate)為佳。施密特板見於所謂施密特望遠鏡。在此等望遠鏡中，施密特板用來補正鏡子的球面像差效應，在此情況下，只有施密特板的原理，適應所述物鏡。

光學元件在遠場模態的折射率，以及固體浸沒透鏡的折射率，最好大約n=3。折射率n=3是固體浸沒透鏡所用材料已知之典型值。因此，光學元件以能夠達成此值為宜。又，物鏡以近場模態作業時，光學元件折射率以大約n=1為宜。折射率n=1可提供幾近在空氣中的同樣狀況。因此，固體浸沒透鏡顯示最佳效率。

按照本發明又一面向，光學記錄媒體的讀寫裝置，包含光學磁頭，可以近場模態和遠場模態作業，含有本發明物鏡。

物鏡所述同樣或相似優點，也適用於含有本發明物鏡的光學記錄媒體讀寫裝置。

為更加瞭解本發明起見，參照附圖詳述如下。須知本發明不限於此具體例，而特定之特點亦可權宜組合和/或修飾，不違本發明在所附申請專利範圍之界定。

本發明物鏡2第一具體例，參見第1和2圖，其中第1圖描示物鏡2在遠場模態，而第2圖描示物鏡2在近場模態。物鏡2包括透鏡4、固體浸沒透鏡6，和具有可變折射率之光學元件8。上述諸單元，即光學元件8、透鏡4和固體浸沒透鏡6，係設置在如虛線所示共同光軸A上。按照第1和2圖所示具體例，光學元件8係液晶，拘限在凹窩內，以頂組件12和底組件16限制，二者在軸A方向以環圈14隔開。光學元件8形狀，以分別朝向凹窩頂組件12和底組件16的表面形狀決定。凹窩拘限的液體與該內表面間之此等界面，決定光學元件8之頂面5和底面7。由於此光學元件8係液體，其形狀不但分別完美順應頂、底組件12,16內表面之形狀，而且還能完美順應固體浸沒透鏡6的凸側9形狀。光學元件8的折射率因對液晶施加電場而變化。電極17分別配置於頂、底組件12,16內或上。借助上述電極17，可對液晶施加電場，以改變其折射率。電極17最好在垂直於光軸A對齊的平面延伸。電極17係由透光性材料製造，以氧化銦錫為佳。

以例如二光線11限制的光束10，運行通過透鏡4，從頂側進入光學元件8。光束10通過頂組件12，以折射率約n=1的材料製成為佳。隨後，光束10進到光學元件8，即充填液晶材料之凹窩。由於該液晶材料之折射率變換成n＞1，光束10在頂組件12和凹窩包括的液晶間之界面，發生繞射。

由於液晶的折射率變換成最好很接近固體浸沒透鏡6的折射率數值，光束10即通過液晶和固體浸沒透鏡6間的界面，而無繞射。固體浸沒透鏡6的折射率，以及液晶的折射率，最好在n=3範圍內。

光學元件8的底組件16，係由折射率與固體浸沒透鏡6折射率相似的材料製成。底組件16最好是由固體浸沒透鏡6同樣材料製成。因此，在固體浸沒透鏡6和底組件16間之界面，不發生繞射。離開底組件16時，光束10發生繞射，因為周圍空氣的典型折射率n=1，與底組件的折射率n=3大為不同。

總之，光束10在頂組件12和液晶材料間的界面繞射，第二次是在光束10離開底組件16時。易言之，光學元件8和固體浸沒透鏡6加上底組件16之光學效應，基本上與立方體的光學效應一致。因此，物鏡2在第1圖所示遠場模態之光學性能，由透鏡4主宰。因此，儲存媒體20和物鏡2間之作業距離18，到達約200 μm。

若光學元件8的折射率，即液晶材料的折射率，變換成大約n=1值，物鏡2即從第1圖所示遠場模態，變換成第2圖所示近場模態。此項折射率變化的光學效應，使固體浸沒透鏡6變成有效。固體浸沒透鏡即具有可媲美在空氣中使用時的效果。

由於作業距離18降到約20-50 nm值，漸消波從儲存材料20行進越過作業距離18，分別進入底組件16和固體浸沒透鏡6。第2圖所示物鏡2因而適合光學近場形態。

若物鏡2以遠場模態使用，如第1圖所示，光學元件8和固體浸沒透鏡6在光學上有如單一的單石段之作用。惟光學元件8加上固體浸沒透鏡6多少呈立方體形狀，對光束10造成球面像差效應。按照第3圖所示又一具體例，光學元件8之頂組件具有球面像差校正透鏡的形狀。僅僅舉例而言，此球面像差校正透鏡具有施密特板的形狀，原則上見於所謂施密特望遠鏡。

由第1和2圖所示具體例可知，光學元件8係液晶。為清晰起見，第3圖略去對液晶材料施以電場，變換該液晶折射率用之電極。

在遠場模態時，頂組件12和液晶材料折射率間之差異大。頂組件12的折射率宜接近n=1，而凹窩所拘限液晶材料，亦即光學元件8，其折射率是在n=3範圍。反之，光學元件8和固體浸沒透鏡6及底組件16的折射率間之差異小，因為這些元件最好是折射率n=3的材料製成。

因此，頂組件12和光學元件8(即光學元件8頂面5)間之界面，是造成繞射的唯一界面。

按照第4和5圖所示本發明又一具體例，光學元件8係由具有不同折射率的二不相溶混相之液體所構成。第4圖表示物鏡2以遠場模態作業之情形，而第5圖表示近場模態。光學元件8的折射率，即因凹窩所拘限二相液體中之一相移動進入該凹窩之中央區或周邊區而變換。

該液體之第一相為介質流體22，例如鹽水，而與第一相不相溶混的第二相，即例如聚矽氧油24。一對第一電極節段26位在光學元件8之中央部份，而一對第二電極節段28則位在光學元件8之周邊區。舉例而言，第二電極28呈設置在第一電極節段26周圍的環圈，又有光軸A做為中央軸線。對第二電極28施以電場，把介質流體22拉入光學元件8的周邊部份，如第4圖所示。因此，光學元件8的折射率是由聚矽氧油24主宰，因為光學元件8的周邊部份，是位於物鏡2的光程之外。反之，對第一電極節段26施以電場，把介質流體22拉入光學元件8之中央部份。因此，光學元件8的折射率由介質流體22的折射率主宰，如第5圖所示。藉介質流體22移動進出凹窩之中央部份，即可變換光學元件8之折射率。

總之，物鏡2之設備，宜包含在光學資料儲存裝置之光學拾波器磁頭內。達成之作業距離18在近場模態的若干奈米到遠場模態的數百微米之間。

2．．．物鏡

4．．．透鏡

5．．．光學元件頂面

6．．．固體浸沒透鏡

7．．．光學元件底面

8．．．光學元件

9．．．固體浸沒透鏡凸側

10．．．光束

11．．．光線

12．．．頂組件

14．．．環圈

16．．．底組件

17．．．電極

18．．．作業距離

20．．．儲存材料

22．．．介質流體

24．．．聚矽氧油

26．．．第一電極節段

28．．．第二電極節段

A．．．光軸

第1圖表示物鏡第一具體例呈遠場模態；

第2圖表示第1圖物鏡呈近場模態；

第3圖表示物鏡又一具體例之遠場模態；

第4圖表示物鏡又一具體例之近場模態；

第5圖表示第4圖物鏡呈遠場模態。

2．．．物鏡

4．．．透鏡

5．．．光學元件頂面

6．．．固體浸沒透鏡

7．．．光學元件底面

8．．．光學元件

9．．．固體浸沒透鏡凸側

10．．．光束

11．．．光線

12．．．頂組件

14．．．環圈

16．．．底組件

17．．．電極

18．．．作業距離

20．．．儲存材料

A．．．光軸

Claims (12)

1. 一種可在遠場模態和近場模態間變換之物鏡(2)，該物鏡(2)包括透鏡(4)、具有可變折射率的光學元件(8)，和設在共同光軸(A)上的固體浸沒透鏡(6)，其中光學元件(8)係配置在固體浸沒透鏡(6)之凸側(9)，具有在光軸(A)方向彼此相鄰之頂面和底面(5,7)，頂面(5)曲率比固體浸沒透鏡(6)的凸側(9)曲率小，其特徵為，光學元件(8)的底面(7)呈凹形，順應固體浸沒透鏡(6)的凸側(9)形狀，又其中該光學元件(8)和固體浸沒透鏡(6)的折射率差異，在遠場模態於讀取波長時小，使固體浸沒透鏡(6)和光學元件(8)在遠場模態時實質上有單一光學元件之作用，而該項差異在近場模態於讀取波長時大，故固體浸沒透鏡(6)之光學效應，在近場模態時重大，其中光學元件(8)係液晶，拘限在按光軸(A)方向由頂組件和底組件(12,16)限制之凹窩內，其中光學元件(8)之頂面和底面(5,7)，係分別朝向該凹窩的頂組件和底組件(12,16)形成，且其中液晶具有折射率，可應用電場變化者。
2. 如申請專利範圍第1項之物鏡(2)，其中在遠場模態時，光學元件(8)之折射率和固體浸沒透鏡(6)之折射率，基本上一致者。
3. 如申請專利範圍第1項之物鏡(2)，其中頂組件和底組件(12,16)各包括電極(17)，該電極(17)係設計在使凹窩內產生電場，以變換該液晶之折射率者。
4. 如申請專利範圍第3項之物鏡(2)，其中電極(17)係在垂直於光軸(A)之平面延伸者。
5. 如申請專利範圍第3項之物鏡(2)，其中電極(17)係由透光性材料製成者。
6. 如申請專利範圍第1項之物鏡(2)，其中頂面(5)的曲率至少大約零，使得頂組件(12)有平行板的形式，在垂直於光軸(A)之平面延伸者。
7. 如申請專利範圍第1項之物鏡(2)，其中頂組件(12)呈球面像差校正透鏡形狀，又其中頂組件(12)和液體(22,24)間的折射率差異，在遠場模態時高於近場模態者。
8. 如申請專利範圍第7項之物鏡(2)，其中球面像差校正透鏡有平面和曲面，其中該校正透鏡之曲面朝向凹窩者。
9. 如申請專利範圍第8項之物鏡(2)，其中球面像差校正透鏡係施密特板(Schmidt-plate)者。
10. 如申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)，其中在遠場模態時，光學元件(8)之折射率以及固體浸沒透鏡(6)之折射率，在n=3範圍者。
11. 如申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)，其中在遠場模態時，光學元件(8)之折射率大約n=1者。
12. 一種光學記錄媒體之讀寫裝置，有光學磁頭可在近場和遠場模態操作，其特徵為，該光學磁頭包括申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)者。