专利名称：固体浸没透镜和聚光透镜,光拾取装置和光记录再现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固体浸没透镜，还涉及聚光透镜，包含所述固体浸没透镜的光学拾取装置和光学记录/再现装置。
背景技术：
由CD(密度光盘)和DVD(数字多用途光盘)代表的光学或者磁体光记录介质已经广泛地用作存储音乐信息，图像信息数据以及程序。在记录信息或从这些光记录介质再现信息的系统中，物镜面对光记录介质表面，且与之有间隙，以便通过检测形成在光记录介质记录表面的不平坦或相变材料反射因数的变化读取微小的记录痕迹。在磁体光学记录系统情况下，物镜面对光记录介质，通过检测关系力/旋转角变化的磁畴结构以读取痕迹。
在这样的光记录介质中，由于近来已具有增加容量和记录密度方法的需求，因此，已讨论在光学记录介质上形成更微小的记录痕迹的技术，以便用高分辨率读取它们。
光照射在光记录介质的光斑尺寸近似由λ/NAobj给出，其中λ是照射光的波长而NAobj是将光聚集在光记录介质的聚光透镜的数值孔径，并且分辨率也与这个值成比例。数值孔径NAobj由如下给出NAobj＝nA×sinθ，其中nA是界于透镜和光记录介质之间的介质折射率，该介质为空气；而θ是邻近物镜光束的入射角。由于该介质是空气，所以NAobj不能大于1，因此分辨率具有一个极限。因此，在该光学记录/再现装置中，它的光源如半导体激光器的光波长，被减小而聚光透镜的数值孔径增大。
因此，作为获得1或更大的数值孔径的技术，一种已提出利用逐渐消失波的具有所谓近场光(一种近场光学记录再现系统)的记录/再现系统，即光从边界面指数地减弱。在该近场光学记录/再现系统中，必须最大的减少聚光透镜和光记录介质表面之间的间隙。
作为通过使近场光照射在光记录介质上的记录/再现的技术，已提出用于近场光记录/再现的方法，其中物方光学透镜和固体浸没透镜组合在一起，以便形成近场光学系统(见美国专利No.5125750A)。
如美国专利No.5125750A中所述，当光学透镜和SIL(solid immersion lens)组合在一起作为另一组合透镜用作聚光透镜时，由组合透镜组成的近光学系统的有效数值孔径NA由下列各项给出，当SIL是半球形时NA＝nSIL×sinθ(1)，当该SIL是超半球形时NA＝nSIL2×sinθ (2)，其中BSIL是该SIL材料的折射率，而θ是光束从光学透镜入射在SIL上的入射角。
从方程式(1)和(2)可知，通过增加物镜和光记录介质之间的假设介质SIL材料的折射率，可增大数值孔径。特别是，当该SIL超半球形时，同样可知如果折射率相同，有效数值孔径NA则可大大增大。
由于高光透射系数和机械加工性能，该SIL材料的要求是在晶轴方向各向同性的立方晶体。这种材料具有高折射率包括OHARA INC.制造的S-LAH79TM和高折射率陶瓷，Bi4Ge3Ol2、SrTiO3、ZrO2、HfO2和SiC也一样，这些是除高折射率玻璃之外的高折射率单晶体材料。具体地说，为获得大数值孔径，已提出超半球形的KTaO3制成的SIL(见M.Shinoda et al.，High-Density Near-Field Readout Using Solid Immersion Lens Immersion LensMade of KTaO3 Monocrystal″，Japanese Journal of Applied Physics Col.45，No.2B，2006，PP.1332～1335)。
发明内容
尽管上述的超半球形SIL具有容易获得高数值孔径的优点，但难以提高尺寸精度，尤其是在制造的过程中比较简单的加工条件下的厚度的精确度，因此在与成型的光学透镜组合的过程中，需要确定厚度误差是否在可容许的数值范围之内。因此，难以以高产率制造特别是批量生产，相应地，需要通过扩大容许尺寸误差范围，及基本上获得与超半球形SIL同样的光学特性，使更多的实际产品能够利用半球形SIL。
考虑到如上所述的问题，根据本发明，期望获得保持SIL光学特性、制造容易并且提高生产率的一种聚光透镜以及包括该SIL的光拾取装置和光记录/再现装置。
根据本发明一实施例，提供SIL(固体浸没透镜solid immersion lens)，包括与目标相对侧上的半球形球状部分和在半球形球状部分入射光的至少入射范围设置的抗反射涂层。
更好地，该SIL用KTaO3制成。
根据本发明实施例的聚光透镜包括SIL和与目标相对布置并沿光轴对准SIL的光学透镜，其中该SIL包括与目标相对侧上的半球形球状部分和在半球形球状部分入射光的至少入射范围设置的抗反射涂层。
而且，根据本发明一实施例的光拾取装置和光学记录/再现装置含有包括上述SIL的聚光透镜。
即，根据本发明的实施例，提供光学拾取装置包含SIL，光学透镜与目标相对布置并沿光轴对准固体浸没透镜，和光源，其中从该光源发射的光通过SIL和光学透镜组成的聚光透镜聚焦形成一光斑。其中该SIL包括与目标相对侧上的一半球形球状部分和在半球形球状部分入射光的至少入射范围设置的抗反射涂层。
根据本发明的实施例，提供光学记录/再现装置包含SIL，光学透镜与目标相对布置并沿光轴对准SIL，光源，光学拾取装置设置为光源发射的光通过SIL和光学透镜组成的聚光透镜聚焦形成光斑，和控制驱动单元设置为在聚焦方向和/或光记录介质寻轨方向驱动聚光透镜，其中该固体浸没透镜包括与目标相对侧上的一半球形球状部分和在半球形球状部分入射光的至少入射范围设置的抗反射涂层。
如上所述，由于根据本发明实施例的SIL(solid immersion lens)包括与目标相对侧上的半球形球状部分，形状准确度允许偏差如厚度误差可被增大。因而，与制造超半球状的SIL相比，通过简化制造过程，可提高产量。其次，根据本发明实施例的SIL包括在半球形球状部分入射光的至少入射范围设置的抗反射涂层，从而可抑制来自该SIL端面入射光和反射光之间在球状SIL上产生的干涉，良好地保持了光学特性，随后将说明。而且，当根据本发明实施例的SIL由KTaO3组成时，因为其高折射率，所以可容易地实现高数值孔径。
相应地，利用根据本发明实施例的SIL使具有良好光学特性的SIL能够批量生产，来提高与光学透镜组合的聚光透镜、包含SIL的光学拾取装置和光学记录/再现装置的生产率。
根据本发明实施例，提供制造相对简单的并且可避免或抑制光学特性恶化，以便良好地保持光学特性的SIL。利用根据本发明实施例的SIL提高具有良好的光学特性的聚光透镜以及包含该聚光透镜的光学拾取装置和光学记录/再现装置的产率。
图1是半球形固体浸没透镜的实例的示意性剖视图；图2是超半球形固体浸没透镜的实例的示意性剖视图；图3是显示相对固体浸没透镜厚误差变化的波前畸变变化的图表；图4是包含半球形固体浸没透镜的聚光透镜的实例的示意性透视图；图5是包含半球形固体浸没透镜的聚光透镜实例的照片；图6是包含超半球形固体浸没透镜的聚光透镜的实例的示意性透视图；图7是包含超半球形固体浸没透镜的聚光透镜实例的照片；图8是半球形固体浸没透镜比较的实例的观测照片；图9是根据本发明实施例的固体浸没透镜的球状部分的观测照片；图10是超半球形固体浸没透镜比较实例的球状部分的观测照片；图11是根据本发明实施例的固体浸没透镜的示意性剖视图；图12是显示透射系数相对抗反射涂层厚度变化的图表；图13是显示根据本发明工作实例具有光学拾取装置的光学记录/再现装置结构的示意图；图14是显示根据本发明工作实例经过光学记录/再现装置波形再现的图形；图15是显示根据本发明比较实例经过光学记录/再现装置波形再现的图形；以及图16是显示根据本发明工作实例和比较实例的光学记录/再现装置相对光记录介质容量的不稳定变化图表。
具体实施例方式
下面将说明本发明的优选实施例；然而，该发明不局限于下面的实施例。
首先，在说明工作实例之前，将说明关于半球形SIL和超半球形SIL形状以及这些SIL的厚度误差容许范围的论述结果。
图1和图2分别是半球形SIL2和超半球形SIL102的示意性的剖视图。图1和图2显示半球形SIL2和超半球形SIL102以一微小间距相对光记录介质1的表面，以便分别地照射入射光L1的状态。光轴方向的厚度用″t″表示。
如上所述，在半球形SIL2中与光学透镜组合的透镜的有效数值孔径NA由下面给出NA＝nSIL×sinθ (1)在超半球形SIL102中NA＝nSIL2×sinθ (2)其中nSIL是SIL材料的折射率，θ是入射光L1的入射角。
在包括超半球形SIL的聚光透镜结构中，当SIL由高折射率玻璃制成时，折射率n大约为2.0，结果当SIL与具有大约0.46数值孔径的光学透镜组合时，有效数值孔径NA可具有大约1.84的数值。当半球形SIL由同样的材料制成，即使它与用作蓝光DiscTM具有大约0.8高数值孔径的光学透镜组合，有效数值孔径NA也只有大约1.6的数值。
另一方面，当分析相对沿光轴方向SIL的厚度误差的波阵面畸变时，如图3所示，可以看出超半球形SIL的容许误差大大地小于半球形SIL的容许误差。
对于常规光学记录介质要求的波阵面畸变的范围(大约0.04λrms)，在厚度误差为0.0的情况下，超半球形SIL只有±2μm或更小的容许误差而半球形SIL具有大约+25μm到-20μm容限宽度。即，对于SIL的批量生产，厚度误差具有明显较大的容许偏差的半球形SIL是更有利的。
然后，作为一高折射率并且光学各向同性无双折射的立方晶体材料，KTaO3(以下缩写为KTO)被关注并且已论述由KTO制造的半球形SIL。对于405nm波长的光KTO的折射率n大约是2.38。因此，当由KTO制造的半球形SIL同一数值孔径大约是0.77的光学透镜组合时，在405nm波长光下可以获得大约为1.83的有效数值孔径。
实际上，通过生产的由KTO制成的半球形SIL和由高折射率玻璃制成的超半球形SIL，其对性能作出比较并论述。
首先，如图4所示，制造由KTO制成的半球形SIL2，并借助于由Al制成的支撑部分21与光学透镜3组合和固定，以形成聚光透镜。如图5照片所示，光学透镜3的孔径φ1为2.4mm并且光学透镜3的直径ΦI为3.3mm。
同样地，用OHARAINC.制造的高折射率玻璃S-LAH79TM制成超半球形SIL102，并且同样地利用由Al制成的支撑部分121与光学透镜103组合并固定以形成一聚光透镜。如图7照片所示，光学透镜103的孔径φ2为2.4mm并且光学透镜103的直径Φ2为3.9mm。在下面的表1中列出了半球形SIL和超半球形SIL的材料、SILs的直径(半球形部分)、光学透镜的数值孔径、透镜的直径和重量以及有效数值孔径NA。
*OHARA INC.制造，注册商标如上述表1所示，半球形SIL和超半球形SIL的有效数值孔径是1.84。观测到由波长405nm的光入射到半球部分的表面在其上产生的干涉条纹。图8到图10示出该观测照片。图8示出了表1所示的半球形SIL不带抗反射涂层的情形。图9出示了表1所示的半球形SIL具有抗反射涂层5的情形。如图11的示意性的剖视图所示，由SiO2单层制成的抗反射涂层5形成在入射光L1的入射范围内。该抗反射涂层5沿光轴方向具有90nm的厚度并且通过溅射形成在光轴周围±60°范围之内。图10出示表1所示超半球形SIL的情况。
如图8所示，当不设置该抗反射涂层时，可以看到在SIL的入射表面有圆的干涉条纹产生。这些干涉条纹是半球形SIL的特征，并且是由入射光和从该SIL端面反射的光干涉产生。当采用该SIL在光记录介质记录或从光记录介质再现时，抑制该干涉条纹是必要的。
因此，如图9所示，当在入射光的入射区域形成抗反射涂层时，如同在图10示出超半球形SIL一样地几乎不产生圆的干涉条纹。可见这些由入射光和从该SIL端面反射的光干涉产生的干涉条纹被抑制。
在如图9所示该抗反射涂层形成在半球形SIL的情形下，波阵面畸变为0.018λrms。在图10出示的超半球形SIL的情况下，波阵面畸变为0.022λrms。
然后，当这样的抗反射涂层形成在SIL上时，讨论对应该涂层厚度的不均匀度的光学特性变化。
如图11所示，当在箭头记号方向S通过溅射在半球形SIL上形成抗反射涂层5时，涂层厚度随与光轴c的间隔距离而变化，结果假设光学特性有变化。该情形在图12中示出。图12出示了当抗反射涂层由SiO2单层制成时透射系数相对涂层厚度的变化。分析当假设光轴c方向的涂层厚度为90nm时的情形。图12中的箭头范围“tf”示出了从光轴到从该光轴移动60°的位置的区域，并且在该区域涂层厚度逐渐减小。然而，在此涂层厚度范围内，与涂层厚度90nm的情形相比透射系数是增加的。因此，同样在通过溅射形成这样的抗反射涂层时，可知在光记录介质记录或从光记录介质再现时获得足够的透射系数。特别地，当提供由SiO2制成的抗反射涂层时，可知可获得符合要求的透射系数特性以便可靠地避免或抑制对记录/再现特性的影响。
然后，光学拾取装置和光学记录/再现装置设置为采用该半球形SIL，通过在光记录介质上照射近场光进行记录/再现，以便评价记录/再现特性。
图13是显示了根据本发明工作实例的具有光学拾取装置60的光学记录/再现装置100示意性结构的视图；该光学拾取装置60包括光源10、和准直透镜11、偏振分光器13、四分之一波片14、光束扩展器(beam expander)15和二向棱镜45，它们沿着光源10发射的光路排列。光路用例如二向棱镜45使其偏转90°，并且光学透镜3和半球形SIL 2组成的聚光透镜4沿偏转光路排列，而且由2轴或3轴传动器构成的传动器17固定。在偏振分光器13反射光路上，设置光接收单元19且透镜18位于它们之间。
在这样的结构中，从光源10发射的光经准直透镜11准直后通过偏振分光器13。然后，经过四分之一波片14后光通过光束扩展器15调节束宽。接着光经二向棱镜45反射进入安装在传动器17上的聚光透镜4，即光学透镜3和半球形SIL2，使其作为近场光照射光记录介质1上。在半球形SIL2上设有形成在入射光入射区域的抗反射涂层5。
经光记录介质1记录表面反射的光经过光学透镜3后被二向棱镜45反射。经过光束扩展器15和四分之一波片14的一部分光被偏振分光器13反射，使其作为的记录/再现信号或轨道检测信号由透镜18聚焦在光接收单元19上。
在此工作实例中，提供不同于记录/再现光波长的光，用于检测间隙，即SIL2和光记录介质1表面之间的距离。即，在此实例中，设置波长不同于光源10的光源40，并且沿光源40光发射的光路上布置准直透镜41、分束器42、偏振分光器43、四分之一波片44、二向棱镜45以及进一步由光学透镜3和SIL2组成的聚光透镜4。同样，在分束器42反射光路上，设置光接收单元21且透镜20位于它们之间。
在这样的结构中，从光源40发射的光经过准直透镜41准直使其经过分束器42、偏振分光器43和四分之一波片44进入二向棱镜45。在二向棱镜45中，该光同来自光源10的光相结合，以便作为间隙检测光和通过光学透镜3和SIL2的记录/再现光一起照射。
间隙检测光经过二向棱镜45和四分之一波片44从光记录介质1返回，以使其大多数通过偏振分光器43反射。从偏振分光器43透过的光被分束器42反射以便经过透镜20被光接受单元21检出。因此，可检出该SIL2端面和光记录介质1之间小的距离，即间隙。
在该工作实例中，利用偏振的变化检出间隙，即，当光记录介质和SIL之间的间隙是大的时，光实质上全部地被相对光记录介质的SIL端面反射，偏振在该SIL的端面变化，结果在该返回光路上来自偏振分光器43的一部分光是透过的。另一方面当该光学记录介质靠近该SIL时，结果近场光被透过并基本上被正常地反射，在偏振方面的改变是小的，结果透过该偏振分光器43的光的数量变小。该差异，即该全部反射的返回光数量的变化被利用以便检测该间隙。
在图13所示的记录/再现装置100中，基于在偏振方面变化，在光接受单元21中检出的间隙检测信号Sg0被输入到控制驱动单元50。由光接受单元19检出的轨道信号St0也被输入到该控制驱动单元50。在该控制驱动单元50中，根据这些信号，产生轨道控制信号St和间隙控制信号Sg以便控制该SIL相对光记录介质1的聚焦方向(间隙方向)和输入固定该SIL和光学透镜3的传动器17中轨道方向的位置。
此外，间隙检测也包括各种各样的方法比如检测静电容量方面变化的方法。
根据本发明实施例的光学拾取装置和光学记录/再现装置不局限于图13所示的工作实例，因此明显可对各光学元件排列和配置的作各种改变。此目标光记录介质与其记录/再现方法包括只为用于再现的专用系统和为记录和再现用的记录/再现系统。当该光记录介质通过磁-光记录系统记录和/或再现信息时，具有近场光的再现系统可与该磁-光记录系统结合以便采用电磁线圈作为该光学拾取装置的一部分。
讨论表1所列的且具有抗反射SiO2涂层的该半球形SIL的实施例和一超半球形SIL的比较实例有关使用在上述配置的光学拾取装置60的光学特性。
在下面的实例中，对于再现，用于再现的专用光记录介质其材料是Si；轨道间距是226nm；凹陷深度是60nm；并且容量为50GB。该光记录介质的记录凹陷是由电子束辐照形成的。
图14和图15分别示出上述实例和比较例在光记录介质上产生的再现波形。该实例中的不稳定是3.95％以及比较例中是3.83％。它证实在该实例中具有同比较例中一样地稳定的波形。其它信号性能，即调制度、分辨程度以及不对称性在下面表2中示出。由表2，可知包括根据本发明实施例的SIL的光学拾取装置和光学记录/再现装置中，获得稳定的信号再现性能。
*OHARA INC.制造，注册商标另外，对上述工作实例和比较例中用光学记录/再现装置再现的信息，具有容量70GB到100GB的光记录介质采用相位转换控制的方法生产。结果在图16中示出。对于测量，使用光记录介质的材料是聚碳酸酯；轨道间距是160nm；并且凹陷深度是60nm。在图16中，实线″a″指示根据本发明实施例的半球形SIL的实例，实线″b″指示采用超半球形SIL的比较例。
从图16可知，根据本发明该实施例SIL的使用可抑制在50GB到100GB大容量光记录介质的不稳定性，与具有同样的数值孔径超半球形SIL达到一样的程度，结果具有良好的信号再现性能。
如上所述，根据本发明实施例的SIL，制造相对简单而其光学性能可无退化地顺利地保持。该SIL的使用提高了SIL的产量以及聚光透镜、光学拾取装置和光学记录/再现装置的生产率。
该半球形SIL和该超半球形SIL之间的性能差异在下面表3中示出。
如上面表3所示，该半球形SIL使用高折射率材料，例如KTO，使该途径能够获得相对超半球形SIL难以获得的高数值孔径。除了使用KTO，同样可使用例如金刚石的高折射率材料。
作为聚光透镜的SIL和光学透镜组合它们之间的容许距离在该半球形SIL中小于超半球形SIL；但是它在可调范围之内。
另一方面，在上述超半球形SIL中SIL自身的厚度误差范围是很窄的，况且，当其不与光学透镜组合工作时难以确定该范围是允许的。然而，在该半球形SIL中，如上面所述该厚度误差范围是大的，因此经一次制造后其不能与光学透镜组合工作使用的几率很小，这实际上提高了产量。
在该半球形SIL不产生色差但是在超半球形SIL产生，因此有必要在超半球形SIL中使用光学元件来校正色差。因此，考虑到色差问题，该半球形SIL光学特性更良好以便有利于该装置的小型化和结构的简单化。
另一方面，考虑到在半球形SIL上入射到该SIL端面的入射光和该端面的反射光之间的干涉条纹，根据本发明实施例通过设置抗反射涂层可抑制或消除干涉条纹。显然从图9、图10和图14到图16可知光学特性和记录/再现性能的恶化可被充分的抑制。
根据本发明的实施例的SIL、聚光透镜、光学拾取装置和光学记录/再现装置不局限于上述工作实例描述的材料和结构，因此在本发明范围内可作各种明显修改。
本领域熟练技术人员应该理解，在从属权利要求或其等同范围内，视设计要求以及其它范围内因素而定，可以出现各种修改、组合、次组合和改变。
相关申请的交叉引用本发明包含2006年4月24向日本专利局申请的日本专利申请JP2006-119348的主题，在此其全部内容被引证并入。
权利要求
1.一种固体浸没透镜，其包括在目标相对侧上的半球形的球状部分和至少在半球形球状部分上入射光的入射范围设置的抗反射涂层。
2.根据权利要求1的固体浸没透镜，其中，该固体浸没透镜包括KTaO3。
3.根据权利要求1的固体浸没透镜，其中，该抗反射涂层包括SiO2。
4.根据权利要求1的固体浸没透镜，其中，该抗反射涂层通过溅射形成在所述球状的部分上。
5.根据权利要求1的固体浸没透镜，其中，该抗反射涂层在光轴方向具有90nm的厚度。
6.根据权利要求1的固体浸没透镜，其中，该抗反射涂层形成在光轴周围±60°的范围内。
7.一种聚光透镜，其包括固体浸没透镜；以及与目标相对布置并沿光轴对准固体浸没透镜的光学透镜，其中，该固体浸没透镜包括在目标相对侧上的半球形球状部分；以及至少在半球形球状部分的入射光的入射范围内设置的抗反射涂层。
8.根据权利要求7的聚光透镜，其中，该固体浸没透镜包括KTaO3。
9.根据权利要求7的聚光透镜，其中，设置在该固体浸没透镜上的抗反射涂层包括SiO2。
10.一种光学拾取装置，其包括固体浸没透镜；与目标相对布置并沿光轴对准固体浸没透镜的光学透镜；以及光源，其中，从该光源发射的光通过固体浸没透镜和光学透镜组成的聚光透镜聚焦形成一光斑，并且其中，该固体浸没透镜包括在目标相对侧上的半球形球状部分；以及至少在半球形球状部分入射光的入射范围内设置的抗反射涂层。
11.根据权利要求10的装置，其中，该固体浸没透镜包括KTaO3。
12.根据权利要求10的装置，其中，设置在该固体浸没透镜上的抗反射涂层包括SiO2。
13.根据权利要求10的装置，还包括构造成将来自光源发射的光准直的准直透镜；以及构造成调节准直光光束直径的光束扩展器，其中，从该光束扩展器射出的光通向该聚光透镜。
14.一种光学记录/再现装置，其包括固体浸没透镜；与目标相对布置并且沿一光轴与固体浸没透镜对准的光学透镜；光源；设置为通过固体浸没透镜和光学透镜组成的聚光透镜聚焦光源发射的光形成光斑的光学拾取装置；以及在聚焦方向和/或光记录介质寻轨方向驱动该聚光透镜的控制驱动设备，其中，该固体浸没透镜包括在目标相对侧上的半球形球状部分；以及至少在半球形球状部分入射光的入射范围内设置的抗反射涂层。
15.根据权利要求14的装置，其中，该固体浸没透镜包括KTaO3。
16.根据权利要求14的装置，其中，设置在该固体浸没透镜上的抗反射涂层包括SiO2。
17.一种光学记录/再现装置，其包括固体浸没透镜；与目标相对布置并且沿光轴与固体浸没透镜对准的光学透镜；光源；设置为通过由固体浸没透镜和光学透镜组成的聚光透镜聚焦光源发射的光而形成光斑的光学拾取装置；以及控制驱动单元，设置为在聚焦方向和/或光记录介质寻轨方向驱动该聚光透镜，其中，该固体浸没透镜包括在目标相对侧上的半球形球状部分；以及至少在半球形球状部分入射光的入射范围内设置的抗反射涂层。
全文摘要
本发明提供一种固体浸没透镜包括在目标相对侧上的半球形的球状部分；以及至少在半球形球状部分上入射光的入射范围设置的抗反射涂层。
文档编号G02B7/02GK101064137SQ20071010977
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者齐藤公博, 中沖有克 申请人:索尼株式会社