TWI500989B - 包括固態浸沒透鏡和多焦透鏡之物鏡，以遠場模態和近場模態操作之光學拾波器及其操作方法 - Google Patents

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Description

包括固態浸沒透鏡和多焦透鏡之物鏡，以遠場模態和近場模態操作之光學拾波器及其操作方法
本發明係關於近場資料儲存用之物鏡，使用上述物鏡之光學拾波器，以及此光學拾波器之操作方法。
今日資訊科技已面臨日增的資料量，由於更複雜或多媒體應用之故。因而亟需有高度儲存容量之可移式資料儲存裝置，例如供高解像度電影或視訊遊樂器。遠從資訊科技萌發起，即以磁力儲存裝置受寵，而迄是光學儲存媒體，諸如CD(微型光碟)、DVD(數位多樣化光碟)或BD(藍光碟)，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的光學解像度的限制。提高光學解像度的率直方法，涉及加寬聚焦光束和開放角度，即數值孔徑NA，代價是透鏡複雜性。其他措施有窄化光學儲存媒體的可容許傾斜邊緣，或減少掃描雷射進入藍色或接近紫外線範圍之波長。在光學資料儲存系統內減少焦斑尺寸之不同措施，是使用具有高數值孔徑(NA＞1)之近場光圈。此高數值孔徑一般係借助固態浸沒透鏡(SIL)達成。雖然CD、DVD、BD等習知系統，是以光學遠場形態作業，如傳統光圈所述，惟前述新系統是以光學近場形態作業，如近場光圈所述。對習知系統而言，作業距離(即光學儲存媒體的表面與讀寫磁頭，通常指物鏡的第一光學表面間之空氣間隙)，是在100 μm之比例尺。相反地，使用近場光圈的系統，需要很小的作業距離或空氣間隙，比例尺為50 nm。記錄和/或閱讀用的光學儲存系統，使用近場光圈，載於WO 2005/104109 A1。儲存媒體表面與物鏡透鏡表面間之低作業距離，是近場科技主要挑戰之一。小作業距離需對相關光學儲存媒體(例如碟片)之斜度和垂直偏差限度，設定嚴格規格。即使碟片規格只容許垂直逸出值，比現時藍光碟小好幾倍，以20 μm取代100 μm，光學拾波器的讀寫磁頭仍然難以趨向碟片表面，閉合焦點環路，而無磁頭與碟片接觸，或磁頭碎裂。
率直的措施是從斜度和偏差通常比儲存媒體外區為小的引入區，開始讀寫作業。惟對近場光學儲存系統而言，需到達儲存媒體的外區，而在大約50 nm的上述低作業距離，無連續焦點作業。
又，JP 11-259897號揭示一種光學拾波器，能夠記錄和複製高密度和低密度光學記錄媒體二者。拾波器有低密度媒體用之第一物鏡，把準直光收斂，光屏遮掉通過第一物鏡之部份光；和光學元件，由第二物鏡和固態浸沒透鏡組成，供高密度媒體用。就低密度媒體而言，磁頭以滑器推近光屏。對高密度媒體，磁頭則接近記錄媒體。
US 2008/0198728揭示一種光碟磁碟機，包括物鏡、固態浸沒透鏡，和孔徑元件，可集光學記錄媒體反射的一部份光束，相當於物鏡和固態浸沒透鏡的有效孔徑數小於1。發生速度電路按照檢測元件測得訊號水準，把固態浸沒透鏡趨向記錄媒體的速度降低。驅動器電路按照發生速度電路的輸出，驅動物鏡和固態浸沒透鏡。如此一來，確保固態浸沒透鏡不會接觸到光學記錄媒體。
US 2008/0089208揭示一種近場光學掃描裝置，適於把透鏡從相對於光學記錄媒體的遠方位置帶到近場位置。為此使用孔徑瞳孔形象(表示固態浸沒透鏡和光學記錄媒體表面間的間隙大小)之形象處理。孔徑瞳孔形象之形象分析，得以衍生空氣間隙距離在微米範圍內的趨向程序之控制訊號。如此可得快速、有效率、準確且可靠之趨向程序。
本發明之目的，在於提供一種物鏡，容許安全且快速趨向光學儲存媒體的表面。本發明又一目的，在於擬議一種光學拾波器，包括此等物鏡，以及此光學拾波器之作業方法，該方法係就趨向程序加以改進。
上述目的係由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目的。
本發明提供之物鏡，包括固態浸沒透鏡和多焦透鏡，二者設置在共同光軸上。上述多焦透鏡包括中央區和包圍中央區之周邊區。周邊區適於構成遠場模態用之光學系統。多焦透鏡之中央區連同固態浸沒透鏡，構成近場模態用之光學系統。固態浸沒透鏡和多焦透鏡適於和諧運動。把多焦透鏡的中央區和固態浸沒系統，組合於光學系統，即可提供在中央區和周邊區有不同光學性能之物鏡。如此可使二區的光學性能適應不同的光學記錄媒體。
多焦透鏡的中央區和固態浸沒透鏡，最好構成近場光學系統。此近場光學系統宜有大於一之數值孔徑。又宜提供一種多焦透鏡，其周邊區設計成可在光學遠場作業。中央區之焦距宜較周邊區之焦距為短。由於固態浸沒透鏡一般為近場光學資料儲存所需，此項配置確保物鏡不必額外修改，即可讀寫近場儲存媒體。同時，讀寫遠場儲存媒體之要件較不嚴格，對此等光學記錄媒體，只用周邊區已夠。
多焦透鏡包括二不同區，提供不同焦距。因此，可使用多焦透鏡於不同目的。多焦透鏡的中央區連同固態浸沒透鏡，用於近場作業，而多焦透鏡的周邊區用於遠場作業。當物鏡趨向光學儲存媒體表面時，宜實施二步驟過程，事實上物鏡在遠場和近場二者均可用。
又提供之多焦透鏡宜有環形孔徑，設置在多焦透鏡的中央區和周邊區之間。該環形孔徑可省略雜散光。
周邊區的焦距最好適應遠場模態在50-250 μm間之作業距離，而多焦透鏡中央區的焦距，適應近場模態在25-50 nm間之作業距離。在數十或數百μm範圍內之作業距離，得以安全趨向包括上述物鏡的讀寫磁頭，而無磁頭破裂之高度危險。
本發明光學拾波器係為遠場和近場模態操作而設計。該光學拾波器包括本發明物鏡。
對物鏡所述之類似或媲美優點，同樣適用於光學拾波器。
最好是訊號光束之第一部份導入第一分析光程，而訊號光束之第二部份導入第二分析光程，其中第一分析光程是為焦點控制而設。在此情況下，光學拾波器宜包括極化光束分離器和未極化光束分離器，係設置在訊號射束之光程內。訊號光束利用極化光束分離器，耦合於第一分析光程，並利用非極化光束分離器，耦合於第二分析光程。第一分析光程最好包括像散透鏡。
上述光學拾波器宜可以遠場模態和近場模態作業，而以遠場模態作業時，配置於第一分析光程內之像散透鏡宜容許像散焦點控制。
按照有益的變化例，透過固態浸沒透鏡和多焦透鏡中央區的訊號光束第一部份，耦合於第一分析光程，而透過多焦透鏡周邊區的訊號光束第二部份，耦合於第二分析光程，其中第二分析光程是提供給焦點控制。在此情況下，光學拾波器宜包括極化光束分裂器和非極化光束分裂器，係設置在訊號光束之光程內，其中已通過固態浸沒透鏡和多焦透鏡中央區之訊號光束第一部份，借助極化光束分離器，耦合於第一分析光程內。已通過多焦透鏡周邊區的訊號光束第二部份，利用非極化光束分離器，耦合於第二分析光程。四分之一波板設置在訊號光束第一部份的光程內，而像散透鏡則配置在第二分析光程內。四分之一波板宜配置在多焦透鏡的表面，或固態浸沒透鏡的表面。
借助上述光學拾波器，只有一部份訊號光束通過四分之一波板。因此，只有通過上述四分之一波板的該部份訊號光束，顯示其極化，是垂直於讀出資料所用光束之極化。因此，通過四分之一波板的該部份訊號光束，耦合於第一分析光程，而不通過四分之一波板的該部份訊號光束，耦合於第二分析光程。以上述光學拾波器，只能借助第二分析光程，提供作業距離控制。此舉可應用於光學拾波器以遠場模態和近場模態之作業。
提供本發明方法，可讓光學拾波器以遠場和近場模態作業。該光學拾波器包括本發明物鏡。此方法包括步驟為，趨向具有物鏡之光學儲存媒體表面，達成該物鏡與光學儲存媒體表面間之遠場作業距離，其中遠場作業距離等於至少大約多焦透鏡周邊區之焦距。第一趨向是使用在遠場模態作業用之光學系統，利用焦點控制加以控制。該方法之又一步驟中，利用物鏡趨向光學儲存媒體之表面，達到近場作業距離，比遠場作業距離為短。
上述光學拾波器之作業方法，提供二步驟過程，趨向光學儲存媒體之表面。由於光學儲存媒體表面和物鏡間之距離，在第一步驟較大，即在多焦透鏡周邊區的焦距範圍，故磁頭斷裂之虞大為降低。蓋因事實上，遠場作業距離高於例如轉動光碟垂直逸出的典型數值。
物鏡趨向近場作業距離之步驟，宜藉減少遠場作業距離預定值為之。於遠場作業之際，測定儲存媒體轉動，像其斜度或垂直逸出等重大參數。該參數對遠場作業和近場作業都有效。唯一不同的是作業距離的偏差值。此偏差大致是多焦透鏡周邊區焦距與近場距離間之差異所致。
又一優點是提供光學拾波器之作業方法，包括步驟為：─把訊號光束第一部份耦合於第一分析光程，第一分析光程是為焦點控制而設；和─把訊號光束第二部份耦合於第二分析光程；其中光學儲存媒體趨向遠場作業距離之步驟，是使用第一分析光程，利用焦點控制進行。
為此目的，拾波器宜包含極化光束分離器和非極化光束分離器，係設置在訊號光束之光程內。訊號光束借助極化光束分離器，耦合於包括像散透鏡之第一分析光程，並借助非極化光束分離器，耦合於第二分析光程。光學儲存媒體趨向遠場作業距離之步驟，係使用配置於第一分析光程內之像散透鏡，藉像散焦點控制為之。像散焦點控制得以又快速又可靠控制作業距離。
又一優點是，如在遠場作業之際，使用第一分析光程來控制作業距離，而在近場作業之際，使用第二分析光程來控制作業距離，例如借用間隙誤差訊號。在近場模態中，宜使用第一分析光程來檢復資料。
另外，光學拾波器作業方法包含步驟為：─把通過固態浸沒透鏡和多焦透鏡中央區的訊號光束第一部份，耦合於第一分析光程；和─把通過多焦透鏡周邊區的訊號光束第二部份，耦合於第二分析光程，第二分析光程係為焦點控制而設；其中光學儲存媒體表面趨向遠場作業距離之步驟，係使用第二分析光程，藉焦點控制進行。
為此目的，拾波器最好包含極化光束分離器和非極化光束分離器，係設置在訊號光束之光程內。通過固態浸沒透鏡和多焦透鏡中央區的訊號光束第一部份，借助極化光束分離器，耦合於第一分析光程。通過多焦透鏡周邊區的訊號光束第二部份，則利用非極化光束分離器，耦合於包括像散透鏡之第二分析光程內。光學儲存媒體表面趨向遠場作業距離之步驟，係使用第二分析光程所包括之像散透鏡，藉像散焦點控制為之。在遠場作業之際和近場作業之際，第二分析光程宜用來控制作業距離，而第二分析光程只用於檢復資料。
按照上述方法，提供作業距離控制和資料檢復間之功能性分離。當實施光學拾波器控制時，此舉可以簡化。
為更加明瞭本發明起見，參照附圖詳述如下。須知本發明不限於具體例，而特定之特點可權宜組合和/或修飾，不違本發明在所附申請專利範圍內所界定。
第1和2圖表示本發明物鏡2第一具體例之縱向斷面圖。第1圖表示物鏡2以遠場模態作業，而第2圖表示以近場模態作業的情況。物鏡2包括固態浸沒透鏡4和多焦透鏡6，二者設置在共同光軸A上。多焦透鏡6包括中央區8和周邊區10，其中周邊區10包圍中央區8。物鏡2能夠以遠場模態以及近場模態作業。為達成此舉，周邊區10構成可供以遠場模態作業之光學系統。中央區8連同固態浸沒透鏡4構成可供以近場模態作業的光學系統。後者具有高數值孔徑，即NA＞1。環形孔徑12設置在中央區8和周邊區10之間，以防發生雜散光。
物鏡2又包括環圈14，有多焦透鏡6和底部16間隔離元件的作用。固態浸沒透鏡4固定於上述底部16，此最好由固態浸沒透鏡4的同樣材料製成。當然，固態浸沒透鏡4同樣可直接附設於多焦透鏡6。另外，固態浸沒透鏡4和多焦透鏡6是完全分開的光學元件。多焦透鏡6之中央區8焦距和周邊區10焦距的選擇不同。界定遠場作業距離DF的遠場焦點18，係周邊區10的焦距界定。由中央區8和固態浸沒透鏡4構成的光學系統，有近場焦點20，界定近場作業距離NF。遠場作業距離DF以及近場作業距離NF，是在光學儲存媒體22的表面21和面朝光學儲存媒體22上面表面21的底部16表面之間測量。舉例而言，遠場作業距離DF係在50-200 μm範圍，而近場作業距離NF是在25-50 nm範圍。遠場作業距離DF等於至少大約多焦透鏡6的周邊區10焦距。舉例而言，光學儲存媒體22是在包括物鏡2的拾波器下方轉動的碟片。
遠場作業距離DF設定於典型上比光學儲存媒體22的垂直逸出或傾斜為大之數值，以防磁頭破裂，或物鏡2與光學儲存媒體22的表面21之間相碰。以光碟而言，由於光碟的轉動，光學儲存媒體22會周期性垂直逸出。又，遠場作業和近場作業，垂直逸出相同。由於此項事實，物鏡2之趨向光學儲存媒體22的表面21，係按二步驟過程為之，詳後。
按照本發明，提供含有本發明物鏡2的光學拾波器24作業方法。第3和4圖分別表示拾波器24例。該光學拾波器24可以遠場模態和近場模態作業。又包括活動組件26，包括至少本發明物鏡2，和四分之一波板28。活動組件26可在垂直於光學儲存媒體22表面21之方法調節。所以，作業距離(即遠場作業距離DF和近場作業距離NF)可以調節。舉例而言，第3和4圖所示光學拾波器24，是以遠場模態表示。
在該方法的第一步驟中，活動組件26趨向光學儲存媒體22之表面21，達成遠場作業距離DF。隨後按照該方法又一步驟，利用活動組件26趨向光學儲存媒體22之表面21，達到近場作業距離NF，遠較遠場作業距離DF為小。以遠場模態作業時，測量光學儲存媒體22的垂直逸出。為追蹤光學儲存媒體22的表面21所測得參數，可應用於遠場作業以及近場作業。因此，趨向光學儲存媒體22的表面21，到達近場作業距離NF時，只要減少遠場作業距離DF預定值，即可趨向活動組件26。該值從遠場作業距離DF(大約為多焦透鏡6周邊區10之焦距)與近場作業距離NF間之差異可知。
第3圖所示光學拾波器24包括雷射二極體30，發生雷射光束32，利用準直儀34加以準直。該雷射光束32通過非極化光束分離器36，把該雷射光束32之一部份，反射到用於反饋控制雷射功率用之功率監驗單位38。隨後，在借助物鏡2把雷射光束32聚焦於光學儲存媒體22之前，通過極化光束分離器40。雷射光束32與光學儲存媒體22的資料層互動結果，即調變訊號光束42。
訊號光束42沿非極化光束分離器36和光學儲存媒體22間的雷射光束32同樣光程行進。訊號光束42通過活動組件26，借助極化光束分離器40，耦合於第一分析光程44，並借助非極化光束分離器36，耦合於第二分析光程46。
行進通過極化光束分離器40的雷射光束32，有在第一方向定向之線形極化。雷射光束32的線形極化借助四分之一波板28，轉變成環形極化。該環形極化雷射光束32的轉動方向，因該雷射光束32在光學儲存媒體22的表面21上之反射而改變。反射之雷射光束32稱為訊號光束42，在雷射光束32的相反方向有環形極化。借助四分之一波板28，達成訊號光束42具有線形極化，其定向是垂直於線形極化雷射光束32反方向通過極化光束分離器40之各定向。因此，該部份訊號光束42反射入第一分析光程44內。該第一分析光程44包括像散透鏡48，容許借助四象限檢測器50，做像散焦點控制。
一部份雷射光束32又反射在朝向光學儲存媒體22表面21的固態浸沒透鏡4底側。當雷射光束32反射在上述表面時，即發生解極化效應。因此，此反射光的極化方向，並不正確配合極化光束分離器40之方向。故通過該極化光束分離器40。在固態浸沒透鏡4底面發生的解極化效應量，隨著由於近場效應，從固態浸沒透鏡4通過空氣間隙，耦合於光學儲存媒體22表面的光量增加而遞減。因此，基於與反射光量相關的訊號，提供間隙錯誤控制。該反射光借助非極化光束分離器36，耦合於第二分析光程46。
總之，第3圖所示光學拾波器24，得以遠場模態以及近場模態作業。在近場模態時，利用分析光程46所為間隙錯誤控制，是用來控制近場作業距離DF，而在遠場模態時，利用第一分析光程44所為像散焦點控制，保全遠場作業距離DF。若光學拾波器24係以近場模態作業，所為之資料檢復，係利用第一分析光程44進行。
光學拾波器24又一具體例，如第4圖所示。與第3圖所示光學拾波器相較，四分之一波板28尺寸減小。涵蓋多焦透鏡6之中央部份8，而在多焦透鏡6的周邊區10，雷射光束32和訊號光束42從旁通過四分之一波板28。因此，保持通過多焦透鏡6周邊區10之雷射光束32的第一部份線形極化。所以，不會因光學儲存媒體22表面21反射，而發生極化方向改變。因此，該部份雷射光束32通過極化光束分離器40，被非極化光束分離器36反射到第二分析光程46。是故，如果第4圖所示光學拾波器24以遠場模態作業，使用配置於第二分析光程46的像散透鏡48，藉像散焦點控制，保全遠場作業距離DF。
以近場模態作業時，通過多焦透鏡6中央區8的雷射光束32第二部份，會因事實上通過四分之一波板28，而改變極化方向。因此，利用極化光束分離器40反射到第一分析光程44。第4圖所示光學拾波器24，得以控制遠場作業距離DF和近場作業距離NF，單純借助第二分析光程46即可。因此，提供在第一分析光程44內資料檢復和第二分析光程46內距離控制之間的功能性分開。
2．．．物鏡
4．．．固態浸沒透鏡
6．．．多焦透鏡
8．．．中央區
10．．．周邊區
12．．．環形孔徑
14．．．環圈
16．．．底部
18．．．遠場焦點
20．．．近場焦點
21．．．儲存媒體表面
22．．．儲存媒體
24．．．光學拾波器
26．．．活動組件
28．．．四分之一波板
30．．．雷射二極體
32．．．雷射光束
34．．．準直儀
36．．．非極化光束分離器
38．．．功率監驗單位
40．．．極化光束分離器
42．．．訊號光束
44．．．第一分析光程
46．．．第二分析光程
48．．．像散透鏡
50．．．四象限檢測器
A．．．光軸
DF．．．遠場作業距離
NF．．．近場作業距離
第1圖表示本發明物鏡以遠場模態作業之縱向斷面圖；
第2圖表示第1圖物鏡呈近場模態；
第3圖表示包括第1和2圖物鏡的光學拾波器第一具體例簡單示意圖；
第4圖表示包括第1和2圖物鏡的光學拾波器第二具體例簡單示意圖。
2．．．物鏡
4．．．固態浸沒透鏡
6．．．多焦透鏡
8．．．中央區
10．．．周邊區
12．．．環形孔徑
14．．．環圈
16．．．底部
18．．．遠場焦點
20．．．近場焦點
A．．．光軸
DF．．．遠場作業距離

Claims (13)

  1. 一種物鏡(2)，該物鏡(2)包括固態浸沒透鏡(4)和多焦透鏡(6)，配置在共同光軸(A)上，其中多焦透鏡(6)包括中央區(8)，和包圍中央區(8)之周邊區(10)，其中，周邊區(10)適於構成遠場模態用之光學系統，而其中多焦透鏡(6)的中央區(8)連同固態浸沒透鏡(4)，適於構成近場模態用之光學系統，其特徵為，固態浸沒透鏡(4)和多焦透鏡(6)適於和諧運動者。
  2. 如申請專利範圍第1項之物鏡(2)，其中中央區(8)之焦距比周邊區(10)焦距為短者。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)，其中環形孔徑(12)設置在多焦透鏡(6)的中央區(8)與周邊區(10)之間者。
  4. 一種光學拾波器(24)，可供以遠場模態和近場模態作業，其特徵為，光學拾波器(24)包括申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)者。
  5. 如申請專利範圍第4項之光學拾波器(24)，其中訊號光束(42)的第一部份引入第一分析光程(44)，而訊號光束(42)的第二部份引入第二分析光程(46)，其中第一分析光程(44)係為焦點控制而設者。
  6. 如申請專利範圍第4項之光學拾波器(24)，其中通過固體浸沒透鏡(4)和多焦透鏡(6)中央區(8)的訊號光束(42)之第一部份，耦合於第一分析光程(44)，而通過多焦透鏡(6)周邊區(10)的訊號光束(42)之第二部份，耦合於第二分析光程(46)，其中第二分析光程(46)係為焦點控制而設者。
  7. 一種光學拾波器(24)之操作方法，該光學拾波器(24)包括申請專利範圍第1或2項之物鏡(2)，此方法包括如下步驟：-使用以遠場模態作業用的光學系統，以焦點控制趨向 具有物鏡(2)之光學儲存媒體(22)之上表面(21)，到達在該物鏡(2)和光學儲存媒體(22)上表面(21)間之遠場作業距離(DF)，其中遠場作業距離(DF)等於多焦透鏡(6)周邊區(10)之焦距；-進而趨向具有物鏡(2)的光學儲存媒體(22)之上表面(21)，到達比遠場作業距離(DF)為短之近場作業距離(NF)者。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中趨向物鏡(2)至近場作業距離(NF)，係將物鏡(2)從遠場作業距離(DF)運動預定值進行者。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中預定值等於多焦透鏡(6)周邊區(10)的焦距與近場作業距離(NF)間之差異者。
  10. 如申請專利範圍第7至9項任一項之方法，又包括：-令訊號光束(42)之第一部份耦合於第一分析光程(44)，第一分析光程(44)係為焦點控制而設；-令訊號光束(42)之第二部份耦合於第二分析光程(46)；其中光學儲存媒體(22)之上表面(21)趨向到近場作業距離(DF)，係使用第一分析光程(44)，藉焦點控制進行者。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中於遠場操作之際，使用第一分析光程控制遠場作業距離(DF)，而在近場操作之際，使用第二分析光程控制近場作業距離(NF)，而使用第一分析光程(44)檢復資料者。
  12. 如申請專利範圍第7至9項任一項之方法，又包括：-令通過固態浸沒透鏡(4)和多焦透鏡(6)中央區(8)之訊號光束(42)第一部份，耦合於第一分析光程(44)；-令通過多焦透鏡(6)周邊區(10)之訊號光束 (42)第二部份，耦合於第二分析光程(46)，第二分析光程(46)係為焦點控制而設；其中光學儲存媒體(22)之上表面(21)趨向遠場作業距離(DF)，係使用第二分析光程(46)，藉焦點控制進行者。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在遠場操作和在近場操作之際，使用第二分析光程(46)控制作業距離(DF)，而使用第一分析光程(44)於檢復資料者。
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