专利名称：近场光学透镜与载体的接近的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于扫描记录载体的光学扫描设备的领域，特别是但不限于使用辐射的倏逝耦合来扫描记录载体。
背景技术：
利用固体浸没透镜(SIL)的近场记录和读取提供了高密度的光学记录和读取，特别是通过利用直径例如12cm的记录载体的光学记录和读取，所述记录载体例如光盘。为了实现光学辐射在记录载体的信息层上的足够小的扫描光点，辐射光束从SIL到记录载体的倏逝耦合是所希望的。倏逝耦合有效地发生在SIL和记录载体表面之间的一定距离处，所述距离小于所施加的光学波长的一部分。因此，SIL和记录载体之间的间隙尺寸通常必须在例如0.25nm至50nm的范围内。这种系统被称为近场系统，其名称得自位于SIL的出射面的倏逝波所形成的近场。示范性的光学扫描设备可以使用辐射源，该辐射源是蓝色激光器并发出波长大约为405nm的辐射光束。
在记录载体的扫描过程中，因此在信息的记录或读取的过程中，必须保持在SIL的出射面与记录载体表面之间的倏逝耦合。该倏逝耦合的效率强烈取决于在SIL和记录载体表面之间的间隙尺寸。如果该间隙尺寸增大并且足够大于例如50nm，那么耦合效率可能会显著下降，致使所读取的数据的质量下降，同时可能将误差引入到数据信号中。
在执行记录载体的扫描程序之前，光学扫描设备通常要执行启动程序。这种启动程序确保正确地设置光学扫描设备的各部件的位置，从而能够以高质量水平来执行扫描程序，例如从记录载体读取数据或将数据写到记录载体上。
启动程序可以包含将扫描设备的物镜系统从备用位置移动到扫描位置。这可以包括利用开环操作的接近程序以及利用闭环操作的引入(pull-in)程序的结合，并确保物镜系统与记录载体之间的间隙尺寸对于扫描程序来说是最优化的。当例如没有将用于扫描的记录载体安排在光学扫描设备中时，或者供给记录载体的电源断开或该电源设置为备用模式时，或者扫描设备的开口打开时，物镜系统特别是SIL处于备用位置，其中记录载体可以通过上述开口而被插入到该扫描设备中。此外，在该备用位置，可以将物镜系统进行设置以便保护该物镜系统的精密光学部件免受冲击、划痕和其他污染，例如灰尘。
近场光学系统从K.Satio等人在Jpn.J.Appl.Phys.第41卷(2002)第1898-1902页发表的“Readout Method for Read Only MemorySignal and Air Gap Control Signal in a Near Field Optical DiscSystem(用于在近场光盘系统中的只读存储器信号和空气间隙控制信号的读出方法)”中得知。该文献公开了一种近场光学扫描设备以及一种获得用于近场光盘系统的光学空气间隙控制信号的方法。该空气间隙控制信号允许控制对该间隙尺寸进行调整的伺服系统，并且可以用在引入程序中，用以通过伺服系统将物镜系统移动到用于扫描程序的最佳位置。通常，通过利用反射光和入射光的偏振态之差来获得空气间隙控制信号。当SIL接近盘表面时，即当空气间隙以倏逝耦合开始出现的尺寸为特征时，存在上述偏振态的差异。因此，空气间隙控制信号仅仅表示并仅仅可用于SIL和盘表面之间的小于50nm的距离。
但是，在备用位置处，物镜系统和记录载体之间的空气间隙可以是几微米甚至几百微米。由于该空气间隙控制信号仅仅可用于一小部分微米范围内的距离，因此在启动程序中，为了不会移动超过最佳位置并且不会与记录载体相碰撞，物镜系统和SIL必须以足够低的速度接近记录载体。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种光学扫描设备，该光学扫描设备提供可用于相当大的空气间隙的空气间隙控制信号，从而允许以快速和有效的方式执行接近程序。
本发明提供一种近场光学扫描设备，其通过精确和有效地设置物镜系统相对于记录载体的位置并利用倏逝耦合来扫描记录载体。本发明的光学扫描设备包括光学头，其具有物镜系统并且特别是具有适合于相对于记录载体表面而定位在近场位置的SIL。该设备进一步包括具有空间分辨率的检测器，用于检测经由SIL和光学头的物镜系统进入光学头的辐射。此外，该近场光学扫描设备包括图像处理模块，其用于分析检测器输出并用于生成控制信号，该控制信号表示在透镜与记录载体之间的距离，特别是SIL与记录载体之间的距离。该控制信号用作空气间隙控制信号，并且通过对近场光学扫描设备所获取的图像进行图像处理来生成该控制信号。另外，该近场光学扫描设备包括控制模块，其用于控制在透镜和记录载体表面之间的间隙的间隙尺寸。该控制模块在接近模式中是可操作的，其通过利用图像处理所生成的控制信号将透镜从远程位置移动到近场位置。
优选的是，近场光学扫描设备的光学头的物镜系统将横向辐射分布投射到检测器上，该检测器生成可由图像处理模块来处理的输出信号。通常，检测器输出表示二维或一维横向光分布，所述横向光分布代表例如物镜系统或其横截面的孔径光瞳图像(aperture pupil image)。
孔径光瞳的图像通常随在物镜系统与记录载体表面之间距离的变化而变化。有利的是，进入光学头的辐射的横向空间结构，即由记录载体反射的辐射的横向空间结构具有达到100微米或更大的间隙尺寸的可检测的改变。由于在物镜系统和记录载体表面之间的间隙减小，因此光瞳图像的横向光分布的变化变得越来越显著。
由于进入该光学头的辐射的横向空间结构随间隙尺寸减小而变得更显著，因此以渐增的精度朝较小的距离生成控制信号。这样实现了快速、有效且高精度的接近机构，同时有效地防止了物镜系统和记录载体之间的碰撞。
此外，由于被检测辐射的横向光分布图形表示在几十微米范围内的间隙尺寸，因此通过图像处理模块而生成的控制信号相应地表示在微米范围内的间隙尺寸。因此，利用该控制信号的控制模块能够以更快速更有效的方式执行物镜系统的接近程序。
在优选实施例中，近场光学扫描设备的控制模块可操作地将透镜变速地从远程位置移动到近场位置。优选的是，初速度和改变速度的方式取决于通过图像处理模块而生成的控制信号。
根据本发明的另一个优选实施例，该控制模块进一步可操作地通过利用以最大速度开始的递减的速度分布图来移动透镜。而且在本文中，最大速度和速度分布图是响应于从图像处理模块接收控制信号来确定的，该控制信号表示在SIL和记录载体表面之间的实际间隙尺寸。如果该控制信号代表相当大的间隙尺寸，例如在10至20微米或者乃至更大的范围内，那么控制模块使物镜系统和/或SIL以最大速度朝记录载体表面移动，并且当间隙尺寸大约为例如1微米时降低该速度。
必须将速度降低时的间隙尺寸取决于所生成的控制信号的精度。通过校准程序可获得控制信号的精度信息。在接近程序过程中，可以按照不同的方式来执行速度的降低。例如，可以逐步地执行速度的降低或者以线性或非线性方式以连续的模式执行速度的降低。优选的是，可以借助于包括负变元的指数函数来描述递减的速度分布图，所述指数函数如exp(-C/t)，其中C是常数，t表示时间。
根据本发明另一个优选实施例，在透镜移动过程中可生成至少第二控制信号，其中控制模块进一步可操作地处理在移动过程中的至少第二控制信号。该至少第二控制信号代表在接近程序中控制信号的连续生成。按照这种方式，可以充分控制物镜系统和SIL的移动，同时将SIL从远程位置移动到所希望的近场位置。这允许有效地控制和调整该接近程序，并且有效地提供了用于防止SIL和记录载体之间的碰撞的控制机构。
根据本发明另一个优选实施例，图像处理模块适合于确定辐射在其横向平面中的中心部分的尺寸。中心部分的尺寸或直径与基本上比在透镜和记录载体之间有效地发生倏逝耦合时的间隙尺寸更大的间隙尺寸相对应。图像处理模块使用通过检测器检测到的横向光分布的中心部分尺寸以生成控制信号。因此，图像处理模块适合于确定被检测辐射的独特光分布图形的尺寸或直径。
这种独特的光分布图形通常与所检测到的横向光分布的二维表示的中心处的亮点或明亮圆形区域相对应。通常，进入物镜系统的辐射的横向光分布提供孔径光瞳图像，该图像具有外部亮环和具有较低强度的内部圆形区域。对于在物镜系统和记录载体之间的大空气间隙尺寸来说，内部区域包括相当均匀的低强度，并且表现为具有明亮中心光点的相当暗的圆形区域，该中心光点表示间隙尺寸。
孔径光瞳图像的外部亮环实际上是由于光线在SIL的出射面的全内反射而引起的。这些光线发生全内反射，以超过全内反射的临界角的角度传播。由于传播角很大，因此这个全反射的光表现为孔径光瞳图像的外部亮环。中心孔径光瞳图像的内部相当暗的圆形区域是由于光束通过SIL朝记录载体透射而引起。这些透射光束以低于全内反射的临界角的角度传播。由于物镜系统的光学布置，孔径光瞳图像的内部和外部圆形区域之间的边界由SIL的全内反射角来支配，即数值孔径(NA)＝1。明亮的外部环形区域的外边界由边缘光线的角度来支配，即物镜系统的数值孔径，例如NA＝1.9。
对于近场光学扫描来说，物镜系统的焦点几乎与SIL的下表面即出射面重合。通过保持入射角根据在SIL的出射面反射的光来获取孔径光瞳图像。并且，明亮的中心部分通常出现在孔径光瞳图像中。该孔径光瞳图像的通常圆形的明亮中心部分是由于记录载体反射的光而引起的。由于SIL和记录载体表面之间的间隙减小，因此该中心部分的尺寸和横向直径显著增大。有利的是，在几十微米的距离和间隙尺寸处可以清晰地检测到孔径光瞳图像的明亮中心点或明亮的中心部分。
图像处理模块适合于通过利用图像处理装置来识别孔径光瞳图像的明亮中心部分，该图像处理装置包括亮度和对比度改变装置，这两个装置允许精确且可靠地确定明亮中心部分的尺寸。确定该中心部分的尺寸可以是基于二维图像处理或者基于一维图像处理，只要一维条形检测器与孔径光瞳图像的明亮中心部分相交。因此，近场光学扫描设备的检测器能够以一维或二维检测器阵列来实现，如一维或二维电荷耦合器件(CCD)。
根据本发明的另一个优选实施例，图像处理模块进一步适合于分析辐射在其横向平面中的中心部分的空间结构。图像处理模块进一步使用该中心部分的空间结构以生成控制信号，该控制信号表示SIL或物镜系统与记录载体表面之间的间隙尺寸。由于近场光学扫描设备的物镜系统也提供朝记录载体透射的辐射，因此孔径光瞳图像的中心部分可以包括强度调制，该强度调制是由于例如在入射光和反射光之间的干涉而引起的。
特别是，孔径光瞳图像的明亮中心部分的空间结构中的干涉条纹的数量也表示间隙尺寸。按照这种方式，不仅通过确定横向直径，而且通过分析孔径光瞳图像中明亮中心部分的空间结构，可以精确地测量并且连续地监控在几微米范围内的间隙尺寸。
根据另一个优选实施例，图像处理模块适合于监控在横向平面中的辐射的中心部分的强度，并适合于响应超出预定阈值的强度而生成控制信号。监控入射辐射的中心部分的强度也用作确定该中心部分的尺寸的一种可选择的方法。也可以基于在入射辐射的横向平面中的预定部分来监控和测量该强度。例如，可以不在孔径光瞳图像的整个内部圆形区域上检测该强度，而是仅在孔径光瞳图像中包括任意尺寸的特殊位置处检测该强度。此外，通过监控该强度，检测器的空间分辨率一般是不需要的。按照这种方式，近场光学扫描设备的检测器能够以常规的光电二极管来实现。使用这种实施例也允许降低图像处理的复杂性。因此，通过光电二极管检测到的强度可以直接用作控制信号，该控制信号必须由控制单元来处理。
优选的是，在透镜朝近场位置位移的过程中监控辐射的中心部分的强度。通常，孔径光瞳图像的中心部分的强度对于在大于10微米的范围内的间隙尺寸来说基本上保持恒定。孔径光瞳图像的中心部分的横向直径一增大，干涉条纹通常就会在中心部分中展开。只要获取了一小部分孔径光瞳图像，就可以观察到在透镜的连续位移过程中的总获取强度的振荡。这一强度调制通常伴有中心部分的总强度信号的增大，其可以有效地用于生成表示在大约50nm至5微米或者乃至更大微米范围内的间隙尺寸的控制信号。
根据本发明的另一个优选实施例，辐射在其横向平面中的中心部分基本上对应于再次进入透镜和物镜系统的辐射。这种再次进入通常是由于在通过透镜朝记录载体透射之后在记录载体表面处的反射而引起的。由于物镜系统的焦点几乎与SIL的下表面或出射面重合，因此对于大的间隙尺寸来说，通过透镜朝记录载体透射的辐射强烈地发散并且入射到记录载体表面上相当大的横向区域上。因此，由于在记录载体的平面处的反射，仅仅非常小部分的透射光再次进入该物镜系统。对于大的间隙尺寸来说，仅仅以相对于物镜系统的光轴的相当小入射角传播的辐射再次进入物镜系统并且可以表现为孔径光瞳图像的明亮中心部分。
对于较小的间隙尺寸来说，记录载体表面上的透射光的圆周减小，并且较大部分的反射光能够以较大入射角再次进入物镜系统，从而导致进入物镜系统的辐射的较大直径的明亮中心部分。
根据本发明的另一个优选实施例，如果透镜已经移动到近场位置，那么控制模块适合于转换到间隙控制模式。因此，控制模块可在接近和间隙控制模式中工作。优选的是，在间隙控制模式中，基于反射光和入射光之间的偏振态的比较来生成控制信号。由于当SIL处于相对于记录载体表面的近场距离时有效地出现所需的偏振态的变化，因此，在记录载体的扫描过程中，即当物镜系统和/或SIL处于近场位置时该控制模块在间隙控制模式中工作，这意味着该间隙小得足以提供在记录载体和物镜系统之间的光学辐射的有效倏逝耦合。
在另一方面，本发明提供一种将近场光学扫描设备的光学头的透镜从远程位置带到相对于记录载体表面的近场位置的方法。本发明的方法包括利用具有空间分辨率的检测器来检测进入光学头的辐射。该方法进一步包括通过利用图像处理模决来分析检测器输出，用于生成表示透镜和记录载体之间距离的控制信号。
该方法进一步包括通过利用该控制信号将透镜从远程位置移动到近场位置。优选地通过识别进入光学头或其物镜系统的一维或二维空间光分布的圆形明亮中心部分的尺寸和/或直径来生成该控制信号。由于明亮中心部分已经因为大的间隙距离而展开，例如，在几微米的范围内，因此该控制信号已经可用于这些相当大的间隙尺寸，其允许进行用于物镜系统及其SIL的快速、有效、精确和可靠的接近方案。
在另一个优选实施例中，该方法包括在生成控制信号之前使透镜以预定速度朝记录载体移动，并且在透镜以预定速度移动过程中通过检测器和图像处理模块来监控辐射在其横向平面中的中心部分的尺寸。该方法进一步包括通过利用辐射的中心部分的监控尺寸来生成控制信号。例如，当该中心部分的尺寸超过预定阈值时可以生成控制信号，由此表明在SIL和记录载体表面之间的间隙尺寸下降到某一预定值之下。
在另一个方面，本发明提供一种将近场光学扫描设备的光学头的透镜从远程位置带到相对于记录载体表面的近场位置的方法。该方法包括优选通过利用预定速度而将透镜从远程位置朝记录载体移动，并且在透镜的移动过程中通过利用检测器来监控进入光学头的辐射的强度。此外，生成了表示在透镜和记录载体表面之间距离的控制信号。
该控制信号是响应于检测相对于透镜移动的辐射强度的至少一个振荡而生成的。另外，通过利用控制信号将光学头的透镜或物镜系统移动到近场位置。该方法特别允许利用不具有空间分辨率的检测器，如光电二极管。在本文中，检测器仅仅必须检测入射辐射的强度。入射辐射的强度的监控可以指的是在入射辐射的横向平面中的总强度或预定光点或部分的强度。
相对于透镜移动的所监控的强度的振荡优选地由于反向传播的光线之间的干涉而展开，所述光线即通过SIL朝记录载体透射的光，以及从记录载体朝物镜系统的孔径反射的光。强度的振荡的连续最大值或最小值与所施加辐射的波长的一半的透镜移动相对应。按照这种方式，也可以通过使透镜朝记录载体移动时对这些振荡的最大值和/或最小值计数而将间隙尺寸确定在至少是辐射的λ/2倍数的范围内，精度小于λ/2。
因此，强度的振荡指的是间隙尺寸在辐射波长的一半的几倍范围内，而对于间隙尺寸在近场光学扫描设备所施加的一小部分波长的范围内有效地发生倏逝耦合。因此，通过监控孔径光瞳图像的中心明亮部分的强度，可以生成表示几微米之上的间隙尺寸的控制信号。利用这种控制信号，能够以各种不同的速度来执行将SIL从远程位置移动到近场位置的接近程序，从而允许实现在SIL和记录载体之间的有效且快速的接近。
在下文中通过参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中图1示意性地示出依照本发明实施例的光学扫描设备，图2示意性地示出在用于近场光学扫描的光学头中的元件的图解，图3示出了表明间隙距离和透镜移动速度对时间的两个图，图4示意性地示出孔径光瞳图像的起源，图5示出了用于改变间隙尺寸的六个孔径光瞳图像，图6示出了在孔径光瞳图像中的模拟的干涉图，图7示出了中心孔径强度对递减的间隙距离的图，图8示出了利用图像处理来执行接近程序方法的流程图，图9示出了利用强度变化来执行接近程序的流程图。
具体实施例方式
已经提出了利用近场光学头的光学记录系统来作为一种读出12cm光盘上50Gbyte或更多的技术，该近场光学头包括非球面透镜和固体浸没透镜(SIL)。在该系统中，使SIL底面和盘之间的空气间隙恒定地保持在可检测到倏逝波的近场位置是很必要的。此外需要空气间隙伺服系统。
图1示出了具有空气间隙伺服的光学记录设备。该设备用于经由近场光学系统来光学地读取记录载体11上的数据和/或将数据光学地记录在记录载体11上。所示出的近场光学系统类似于如从K.Saito等人在Jpn.J.Appl.Phys.第41卷(2002)第1898-1902页发表的“Readout Method for Read Only Memory Signal and Air GapControl Signal in a Near Field Optical Disc System(用于在近场光盘系统中的只读存储器信号和空气间隙控制信号的读出方法)”中已知的近场光学系统。盘形记录载体11具有设置为构成信息层上基本上平行轨道的螺旋形或环形图案的轨道。可记录型记录载体上的轨道可以由制造空白记录载体过程中提供的预压印轨道结构来表示，例如预刻槽(pregroove)。轨道结构也可以由规则展开的标记来形成，这些标记周期性地致使出现伺服信号。所记录的信息通过沿轨道记录的光学可检测标记而表现在信息层上。这些标记由物理参数的变换而构成，因此具有与其周围环境不同的光学性质，例如当在诸如染料、合金或相变材料的材料中记录时获得的反射的变化，或者当在磁光材料中记录时所获得的偏振方向的变化。该记录载体可用于携带实时信息，例如视频或声频信息，或者其他信息，如计算机数据。
近场光学扫描设备进一步具有图像处理单元50，该单元与光学头22耦合。图像处理模块50适合于识别由光学头22获取的孔径光瞳图像的中心孔径区域，即位于中心的明亮部分，并且该图像处理模块适合于根据该位于中心的明亮部分的直径来生成控制信号。图像处理模块50可适合于处理由光学头22的检测器所生成的输出信号。图像处理模块50识别在所获得的孔径光瞳图像中位于中心的圆形明亮部分的尺寸和/或直径，并生成对应的控制信号，该控制信号表示该明亮部分的横向尺寸。由于在该孔径光瞳图像中的明亮部分的横向尺寸与透镜24和记录载体11之间的间隙尺寸直接相关，因此控制单元20利用该相应的控制信号从而以快速且有效的方式将光学头22和透镜24带到近场距离或近场位置23。
该设备配有用于扫描记录载体11上的轨道的装置，该装置包括用于使记录载体11旋转的驱动单元21、光学头22、用于将光学头22定位在轨道上的伺服单元25以及控制单元20。光学头22包括已知类型的光学系统，其用于生成辐射光束，引导该辐射光束通过光学元件聚焦为记录载体信息层的轨道上的辐射光点。该辐射光束由辐射源生成，辐射源例如激光二极管。该光学头包括透镜24，和透镜致动器35，该透镜致动器与伺服单元25中的空气间隙伺服控制器耦合，其用于将透镜定位在距记录载体11表面的近场距离23上。图2中示出了在光学头中的光学元件的详细实例。根据本发明，空气间隙伺服包括空气间隙控制器32，其可以包括用于移交模式的标准信号发生器34。空气间隙控制器具有接近模式，该接近模式用于通过利用图像处理模块50生成的控制信号将透镜从远程距离带到近场距离。最后，当透镜位于近场距离内时，空气间隙控制器转换到闭环模式。从开环接近模式到闭环模式的转换可以在移交模式中执行，在该过程中，标准信号发生器34生成透镜的位置参考轨迹和/或透镜的速度和加速度。下面详细地描述和示出空气间隙伺服系统和元件的实施例。
该光学头进一步包括(未示出)聚焦致动器和跟踪致动器，该聚焦致动器通过使辐射光束的焦点沿所述光束的光轴移动来聚焦该光束从而在轨道上形成辐射光点，该跟踪致动器用于使该光点沿径向精确定位在轨道的中心上。该跟踪致动器可以包括用于沿径向移动光学元件的线圈和永磁铁，或者可选择地将其设置为改变反射元件的角度。为了读取，利用光学头22中的例如四象限二极管的通常类型的检测器来检测信息层反射的辐射，用以生成检测器信号，包括主扫描信号33以及用于跟踪和聚焦的副检测器信号。前端单元31与光学头22耦合，用以基于从轨道反射的辐射接收检测器信号。由通常类型的读处理单元30来处理主扫描信号33以检索该信息，所述通常类型的读处理单元包括解调器、去格式器(deformatter)和输出单元。
控制单元20控制信息的记录和检索，并且可以将其设置为从用户或从主计算机接收命令。控制单元20经由控制线26与该设备中的其他单元相连，所述控制线例如系统总线。控制单元20包括控制电路，例如微处理器、程序存储器和接口，用以执行如下面描述的程序和功能。控制单元20还可以作为逻辑电路中的状态机来实现。
该设备可配有记录和读取装置，用以记录和读取在可写或可重写类型的记录载体上的信息。记录装置与光学头22和前端单元31合作用于生成写辐射光束，并且该记录装置包括写处理装置，该写处理装置用于处理输入信息以生成驱动光学头22的写信号，该写处理装置包括输入单元27、格式器28和调制器29。为了写入信息，由调制器29来控制辐射光束的功率从而在记录层中形成可光学检测到的标记。
在一个实施例中，输入单元27包括用于输入信号的压缩装置，如模拟音频和/或视频，或数字未压缩的音频/视频。用于视频的适合压缩装置在MPEG标准中有描述，MPEG-1在ISO/IEC 11172中有定义，MPEG-2在ISO/IEC 13818中有定义。可选择的是，根据这些标准已经将输入信号进行了编码。
图2示出了用于近场光学记录的光学头中的元件的示意图。该示意图提供了读取实验所使用的近场光学播放器设置的例子。在该实验的播放器中，将常规的DVD致动器用于空气间隙控制和跟踪，其中安装了数值孔径NA＝1.9的特殊近场透镜。在图中，PBS＝偏振分束器；NBS＝非偏振分束器；λ/2＝半波片。该设置由主支路组成，该主支路包括蓝紫色激光器40和准直透镜、光束成形光学器件41、两个分束器和望远镜42，该望远镜42用于数值孔径NA＝1.9的透镜43的焦点调整。图中的左侧分支包括用于检测RF中心孔径信号的光电二极管44，该信号包含数据信息，该左侧分支平行于主光束而偏振。在同一个分支中，设置分裂检测器45来生成推挽式跟踪误差信号。此外，仅仅对于实验的设置，包括CCD照相机46以观察位于出射光瞳的辐照图案，因此获取孔径光瞳图像。利用半波片λ/2来控制PBS分离并分别朝RF检测器和推挽式检测器引导的光的量。
在图右侧的第二分支用于生成空气间隙控制的误差信号。在近场光盘系统中，需要将SIL透镜43设置在距离盘的倏逝衰减距离中。在该设置中，SIL到盘的距离通常是25nm。为了允许利用机械致动器使空气间隙控制位于这种小距离处，需要适合的误差信号。如在适合作为间隙误差信号(GES)中所述的，可以从反射光来获得该线性信号，该反射光的偏振态与聚焦在盘上的主光束的偏振态垂直。大部分的光在SIL-空气-盘界面处反射之后变为椭圆偏振当通过偏振器观察反射光时，该效应形成公知的马其他十字。通过利用偏振光学器件和单个的光电检测器47使这个马其他十字的所有光汇集在一起，获得所谓的“RF⊥pol”信号，并从该“RF⊥pol”信号生成间隙误差信号GES。
如图1中所示，CCD阵列检测器46的输出耦合到图像处理模块50。根据检测器46的输出，图像处理模块50生成所需的控制信号并为了在透镜24和记录载体11之间执行快速、有效、精确和可靠的接近而将所述控制信号提供给控制单元20。
图3示出了间隙距离和透镜移动速度对时间的两个图100、120。图100说明以100微米为单位的间隙距离108对时间110的关系曲线，时间110以任意单位给出。图100示出了三条曲线102、104和106。曲线102对应于光学头和/或其物镜系统的恒定缓慢速度的运动，所述物镜系统包括SIL。当表示控制信号的间隙尺寸仅仅可用于非常小的间隙距离时需要这种恒定且缓慢的速度，所述非常小的间隙距离在近场位置的数量级，即在例如50nm至100nm的范围内。透镜24朝记录载体11的这种恒定缓慢的接近反映了现有技术的限制，其中几微米范围内的间隙尺寸的间隙尺寸信息一般是不可用的。
曲线104、106表示更快速的接近，其中间隙距离108在相对较短时间间隔内到达纳米范围的所需值。曲线104对应于间隙距离108的指数递减，曲线106甚至对应于随时间参数的平方而呈指数递减。特别是，曲线104对应于A-B exp(-C/时间)，曲线106对应于具有时间参数的平方的类似数学表达式A’-B’exp(-C’/时间2)，A、B、C和A’、B’、C’指的是常数参数。如能够在图100中看到的，曲线104在14个任意时间单位之后达到所需的近场距离，曲线106甚至在7个任意时间单位之后达到预定的近场位置。
控制单元20适合于计算或存储这种指数递减曲线104、106，并按照由曲线104、106给出的方式来驱动伺服单元25因此驱动致动器35。通过按照图100和120提供的方式使间隙尺寸减小，以用于大间隙尺寸的大速度开始并且接着当间隙尺寸减小时降低接近的速度，能够使接近程序最优化。
按照这种方式，能够以快速和有效的方式进行SIL的接近或带入程序，同时保证在记录载体和SIL之间不发生碰撞。间隙距离一从100微米减小到例如10或20微米，就能够更高精度地确定表示间隙尺寸的控制信号，由此允许动态地适应接近程序的速度。用于非常小的间隙尺寸的基本上更缓慢的运动允许为控制单元20生成连续的控制信号。
图120示出对于间隙距离图100来说对应的速度对时间的关系曲线。三角形曲线122指的是光学头22的恒定且低的速度。曲线126对应于图100的曲线106，图120的曲线124对应于通过图100的曲线104所提供的运动。曲线124和126说明递减速度128对时间110的关系曲线。当光学头22的运动使间隙尺寸最小时将该速度提供为任意单位的负速度。图130示出三条曲线122、124和126的交点的放大图。能够清楚地看到，曲线126首先达到零速度，随后是曲线124。
所示出的瞬时距离和速度分布图仅仅是在透镜24和记录载体11之间如何执行接近程序的例子。其他可以想象的速度分布图包括阶梯状分布图或其他正弦曲线分布图或者乃至线性递减速度或距离分布图。可以提供速度或距离对时间的关系曲线作为预定函数或者在光学头22的运动过程中可以动态地修改该关系曲线。
原则上，通过表明以例如几纳米范围内的精度提供了透镜24的远程位置也可以实现通过利用上述瞬时速度或距离分布图中的任一个的透镜24的运动。在这种情况下，初始间隙尺寸和远程位置精确地已知，并且一般不需要距离测量。这特别包含了用于以所需的高精度将记录载体11固定在近场光学扫描设备中的安装装置。
图4示意性地示出能够由检测器46记录的孔径光瞳图像的成因。图4示出包括至少聚焦透镜141和固体浸没透镜24的透镜系统的横截面视图。固体浸没透镜24可以定位在相对于记录载体11的近场距离23处。通过在SIL24的出射面附近的聚焦透镜141将朝向记录载体11传播的光线144聚焦。光线144以超过全内反射角θc的角度在SIL24内部传播，该全内反射角由SIL的折射率n来控制。
因此，当间隙23明显大于大约50nm时，即没有出现倏逝耦合时，光线144由于其相对于光轴140的大传播角而在SIL24的出射面处发生全内反射。在透镜24内部发生全内反射的光线144以与光线144相同入射角的光线145返回到物镜系统。由于光线144在聚焦透镜141的焦点附近发生全内反射，因此反射光线145按照与朝记录载体11传播的光线144相同的方式再次进入物镜系统。因此，大的传播角和全内反射是形成孔径光瞳图像中明亮外环的原因。该外环的宽度148优选由聚焦透镜141的孔径和所包含的光学部件的具体布置来提供。
仅仅当间隙尺寸小于大约50nm时，内反射被阻止，光线144可以传播到记录载体11。因此，在孔径光瞳图像中的亮环将消失。
以小于全内反射的临界角θc的角度传播通过SIL24的光线142的传播被透射通过SIL24。这些光线142朝记录载体11的表面传播，并且可在记录载体11的表面处发生反射。根据在记录载体11和SIL24之间的距离，光线142形成的光场可包括比焦点大得多的某一直径。在这种情况下，由记录载体11在比焦点周围大得多的表面上反射已经通过SIL朝记录载体11透射的辐射。因此，仅仅非常小部分的反射光能够以相对于光轴140的小角度再次进入物镜系统。
原则上，在焦点和记录载体11的反射面之间的距离确定反射光可以再次进入由光线142所提供的光锥的最大角度。具有比该最大角度更大角度的光线可能不适当地投射到检测器阵列上，并且可能不会再次进入物镜系统。最大入射角随着焦点和记录层11的光反射表面之间距离的减小而增大。该增大的最大角度反映了在孔径光瞳图像的中心处的明亮圆形部分的直径的增大。因此，这是在SIL和记录载体表面之间的距离的直接显示。
此外，要注意，本发明可应用于记录载体的任何轨道，不管其是否包含代表信息的槽或者其是否包括非构造的表面。由于在远场中获取孔径光瞳图像，因此可能对记录载体表面调制敏感的近场耦合几乎完全是可忽略的。但是，本发明的方法也可应用于记录载体11的无结构的表面区域。
图5示出六个孔径光瞳图像160、162、164、166、168和170的序列。具有宽度148的亮环是由于在SIL24的底面处的全内反射而引起的，并且包括直径146的内部暗区域对应于已经透射通过SIL并且因此在所示的反射图像160中不存在的光。在图像160所说明的结构的中心可以观察到亮点150。在图像160，……，170的序列中，该亮点150发展成圆形部分，对于每个连续图像来说，圆形部分的直径显著增大，直到在图像170中，它变为几乎与周围亮环152的内半径一样大。图像160，……，170对应于100微米、20微米、15微米、10微米、5微米和2微米的间隙尺寸。如根据图像162看到的，对于20微米的间隙尺寸来说，清楚的明亮中心部分已经是可检测的，以允许生成相对应的控制信号。
图像处理装置可适合于将中心区域的亮度和/或强度与周围区域相比较或与不存在的记录载体11对应的存储参考值相比较。检测器以及图像处理装置可能在二维检测和图像处理方案上实施，或者在相对应的一维检测和图像处理机制上实施。例如，检测器46能够以CCD像素的一维直线来实现。在这种情况下，必须保证孔径光瞳图像160，……，170在中心投射到检测器线性阵列上。通常，通过检测强度高于参考值的检测器像素的数量可以确定孔径光瞳图像的明亮中心部分的尺寸。这种参考值的量可以在没有记录载体11的情况下来获得。可选择的是，该参考值也可以表明明亮中心部分150的亮度，这可以作为例如周围亮环152的平均强度来获得。
而且，图像166和168包括同心的亮环和暗环的空间结构，同心的亮环和暗环是由于入射光和反射光之间的干涉而引起的。这些同心环也表示在SIL24和记录载体11之间的间隙尺寸。环的数量及其位置能够进一步被利用以便确定在SIL24和记录载体表面之间的间隙尺寸和距离。由于干涉而引起的这些附加距离指示器在10微米的距离处已经是可见的，如通过图像166而示出的。在该图像中，在明亮的圆形中心部分中的暗环是清晰可见的。
在图像168中，这些同心环不像图像166中那样清晰可见。无论如何，图像168表明了其存在。这些环的对比度通常被整个光学系统的振动以及空气波动而损坏。利用用于获取图像160，……，170的较短曝光时间一般能够使具有较好对比度的同心环可见。
图6示出了模拟的孔径光瞳图像180，其对应于图5的图像170。在模拟图像180中，干涉条纹182是清晰可见的。根据近场光学扫描设备的具体光学实施，对于几微米范围内的间隙尺寸来说，干涉条纹182通常都变得可见。在光学头22或透镜24以预定速度朝记录载体11移动以及控制信号尚不可用的应用方案中，孔径光瞳图像180中出现的干涉条纹可以用作已经达到某一预定间隙尺寸的指示器。
通过利用适合于检测孔径光瞳图像180的小面积的光电检测器可以检测和/或分析孔径光瞳图像的干涉条纹。在接近程序过程中，干涉条纹182移动，因此允许使用仅仅检测孔径光瞳图像180的小部分横向平面的光电检测器。所记录的强度可以基本上根据检测器是否检测到干涉图182的亮条纹或暗条纹而改变。这种振荡的开始可以用作接近运动连续减速的触发器。此外，通过对这些波动或振荡计数，可以获得正在进行运动的精确信息，并对其做进一步处理以便适应透镜24的速度。
图7示出说明检测器输出的强度208对递减的间隙距离206的关系曲线的图200。在间隙距离212处，随着为减小的间隙尺寸而增大的振幅而使信号开始振荡。在该实验中，距离212对应于3μm。
增大检测信号的振幅表示增大孔径光瞳图像的圆形中心部分150的总强度，振荡指的是移动的干涉条纹。在典型的实验实施中，这些波动可以因为大约10微米及其之下的间隙尺寸而展开。另外，振荡信号的连续最大值或最小值表明λ/2的移动。利用大约400nm的辐射，两个最大值或最小值之间的距离对应于200nm的移动。
为了检测强度信号的振荡212的开始，利用两个阈值202、204是很方便的。阈值202对应于为相当大的间隙距离而获得的强度信号，因此距离指的是所示曲线的左侧。阈值204可能被选择以便使其刚好位于大距离强度信号的噪声电平之上。该强度信号可以仅仅在不可忽视地生成孔径光瞳图像中的干涉条纹的情况下超过阈值204。通过为近场光学扫描设备的光学部件的给定布置执行校准程序可以有效地规定阈值202、204。
在间隙距离210处，由于在SIL和记录载体11的表面之间开始出现的倏逝耦合，强度信号显著下降。因此，间隙尺寸210对应于透镜24的近场位置，该近场位置对应于接近程序的目标位置。将透镜24带到接近该目标位置或近场位置，可以利用GES移交到闭环控制机构。
图8说明用于执行本发明的接近程序的流程图。在第一步骤300中，通过检测器来获取孔径光瞳图像并将其供给图像处理模块50。在随后的步骤302中，图像处理模块50识别所获取的孔径光瞳图像的中心亮点或位于中心的圆形部分，并确定其直径或其一般的尺寸。之后，在步骤304中，根据确定的尺寸或直径来生成控制信号。该控制信号表示在透镜24和记录载体11的表面之间的间隙尺寸。在步骤304已经生成控制信号之后，在步骤306中将该控制信号提供给控制单元20，其中对该控制信号做进一步处理，用以实现透镜24相对于记录载体11的有效且快速的接近。
在随后的步骤308中，基于接收到的控制信号，控制单元20可以选择预定的速度分布图，或者可以计算速度分布图，或者可以修改用于光学头22的运动的预定且存储的速度分布图。在通过控制单元20生成速度分布图之后，将相对应的控制信号提交给伺服单元25，其适应于在步骤310中执行光学头22的相对应运动。
根据在步骤304中生成的控制信号的精度，甚至在光学头22的移动过程中可以重复地执行整个程序。这允许连续地生成控制信号的整个集合，其又允许在接近程序的过程中改变正在进行的运动并且提供最大精度度。利用孔径光瞳图像的图像处理，可以以渐增的精度生成控制信号以减小间隙尺寸。近场光学扫描设备的这一性质有效地允许以自适应且精确的方式执行接近程序。
图9说明用于执行将透镜带到相对于记录载体11的表面的近场位置的可选择方法的另一个流程图。当没有为透镜的初始远程位置生成控制信号时优选应用该方法。有利的是，该方法仅仅利用对该孔径光瞳图像的强度进行监控，并且不需要孔径光瞳图像的空间分解的图像获取。在第一步骤400中，透镜24和/或光学头22以初速度移动，该初速度可以对应于致动器35的最大速度。在该运动过程中，在步骤402中监控孔径光瞳图像的强度。监控该强度可以指的是监控整个图像或一部分图像(例如图像的中心部分)的强度。在随后的步骤404中，将监控的强度与预定阈值相比较，所述阈值可以对应于图7的阈值202。
当在步骤402中确定的强度基本上超过由202给出的阈值时，该方法继续步骤406，并降低透镜运动的速度。否则，如果在步骤404中没有超过强度的阈值，那么该方法返回到步骤400。在这种情况下，只要强度没有超过给定阈值T1就重复应用步骤400、402、404。
作为与给定阈值T1进行比较的可选择方案，也可以通过振荡检测方案来实施步骤404。在这种情况下，在步骤404中检查监控到的强度是否发生振荡。仅仅在监控到的强度开始振荡的情况下，该方法可以继续步骤406，在该步骤中降低透镜速度。
在检测强度信号开始振荡之后以及在步骤406中降低运动速度之后，在步骤408中利用减小的间隙尺寸对振荡进行计数。可以利用这些计数以便进一步降低透镜的速度和/或通常控制SIL24相对于记录载体表面的实际位置。在随后的步骤410中，检查是否已经达到了最大计数，该最大计数对应于所希望的近场间隙尺寸。因此，最大计数可以对应于在50至150nm范围内的间隙尺寸。响应于在步骤410中检测到最大计数，在最后的步骤412中，利用空气间隙控制信号进行到闭环控制机构的移交，该控制信号可以是由于在反射光和入射光之间的偏振态的变化而得出的，因此，当SIL24和记录载体相隔近场距离时误差信号是可达到的。
本发明决不限于如本发明的实施例中所描述的指定的近场光学扫描设备。本发明一般适合于在任何透镜和记录载体表面之间需要小空气间隙的其他记录载体和光学头系统，如矩形光卡、磁光盘或任何其他类型的信息存储系统，或者近场扫描显微镜系统。近场光学扫描设备的表达包括上述系统中的任一个。要注意，在本申请中，词“包括”不排除存在与所列出的元件或步骤不同的其他元件或步骤，在元件之前的词“一个”或“一”不排除存在多个这种元件，任何附图标记不限制权利要求的范围，本发明可以借助于硬件和软件来实施，几个“装置”或“单元”可以由同一项硬件或软件来代表。此外，本发明的范围不限于这些实施例，本发明在于上述每个新特征或新特征的组合。
权利要求
1.一种用于扫描记录载体(11)的近场光学扫描设备，该设备包括-具有透镜(24)的光学头(22)，该透镜适合于被定位在相对于记录载体表面的近场位置(23)，-具有空间分辨率的检测器(46)，其用于检测进入该光学头的辐射，-图像处理模块(50)，其用于分析检测器输出，并适合于生成控制信号，该控制信号表示在该透镜和记录载体之间的距离，-控制模块(20)，用于控制在该透镜和该记录载体表面之间的间隙的间隙尺寸，该控制模块在接近模式中是可操作的，用以将该透镜从远程位置移动到近场位置，该接近模式利用该控制信号。
2.根据权利要求1的设备，其中该控制模块(20)可操作地将透镜(24)变速地从远程位置移动到近场位置(23)，该速度取决于控制信号。
3.根据权利要求1的设备，其中该控制模块(20)进一步可操作地通过利用以最大速度开始且递减的速度分布图(124，126)来移动透镜(24)。
4.根据权利要求1的设备，其中在透镜(24)移动过程中可生成至少第二控制信号，并且该控制模块(20)进一步可操作地处理在移动过程中的该至少第二控制信号。
5.根据权利要求1的设备，其中该图像处理模块(50)适合于确定辐射在其横向平面内的中心部分(150)的尺寸，该图像处理模块利用该中心部分的尺寸来生成控制信号。
6.根据权利要求1的设备，其中该图像处理模块(50)适合于分析辐射在其横向平面内的中心部分(150)的空间结构(182)，该图像处理模块利用该中心部分的空间结构以生成控制信号。
7.根据权利要求1的设备，其中该图像处理模块(50)适合于监控辐射在其横向平面内的中心部分的强度，并且适合于响应超过预定阈值(204)的强度而生成控制信号。
8.根据权利要求5的设备，其中辐射在其横向平面内的中心部分(150)与记录载体(11)反射之后再次进入透镜(24)并通过该透镜朝该记录载体透射的辐射相对应。
9.根据权利要求1的设备，其中如果将该透镜移动到近场位置，那么该控制模块(20)适合于切换到间隙控制模式。
10.一种将近场光学扫描设备的光学头(22)的透镜(24)从远程位置带到相对于记录载体(11)表面的近场位置(23)的方法，该方法包括-通过利用具有空间分辨率的检测器(46)来检测进入该光学头的辐射，-利用图像处理模块(50)来分析检测器输出，用以生成控制信号，该控制信号表示在透镜和记录载体之间的距离，-通过利用该控制信号将透镜从远程位置移动到近场位置。
11.根据权利要求10的方法，进一步包括通过以最大速度开始的递减速度分布图(124，126)来移动透镜(24)，并且其中相对于该控制信号来选择或形成该速度分布图。
12.根据权利要求10的方法，进一步包括-在生成控制信号之前使透镜(24)以预定速度朝记录载体(11)移动，-在透镜以预定速度移动的过程中，通过检测器(46)和图像处理模块(50)来监控辐射在其横向平面内的中心部分(150)的尺寸，-通过利用该中心部分的尺寸来生成控制信号。
13.一种将近场光学扫描设备的光学头(22)的透镜(24)从远程位置带到相对于记录载体(11)表面的近场位置(23)的方法，该方法包括-使透镜从远程位置朝记录载体移动，-通过利用检测器(46)来监控在透镜移动过程中进入光学头的辐射的强度，-生成控制信号，该控制信号表示在透镜和记录载体表面之间的距离，响应于检测相对于透镜移动的至少一个强度振荡来生成该控制信号，-通过利用该控制信号将透镜移动到近场位置。
14.根据权利要求13的方法，其中至少一个强度振荡表明在记录载体(11)的表面和透镜(24)之间的距离，该距离充分大于在透镜和记录载体之间有效发生倏逝耦合的距离。
全文摘要
本发明提供一种近场光学扫描设备，特别是一种将近场光学扫描设备的透镜(24)从远程位置带到相对于记录载体(11)表面的近场位置(23)的方法。本发明优选地利用孔径光瞳图像的图像处理，其表示在固体浸没透镜(SIL)和记录载体表面之间的间隙尺寸。孔径光瞳图像的图像分析允许得出用于几微米范围内的空气间隙距离的接近程序的控制信号。这允许利用光学头运动的变速的快速、有效、精确和可靠的接近程序。此外，本发明允许使用在孔径光瞳图像中展开的干涉条纹的检测方案，其主要允许可选择地生成用于该接近程序的控制信号，并且允许减少对孔径光瞳图像的一部分的强度进行分析的信号分析。
文档编号G11B7/135GK101040335SQ200580034676
公开日2007年9月19日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月11日
发明者C·A·维斯楚伦 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司