光学元件，光学头和信号重放方法 本发明涉及一种能够检测比光斑小的标记的新型光学元件，应用该光学元件的光学头和应用该光学头的信号重放方法。
在光学记录领域中，要求在高密度下记录信号。为达到这样的要求，提出了各种记录和重放方法。
例如，在用读取光束照明光学记录介质以读取信号的光学头的技术领域中，已设计出用固体浸没式透镜(下面将表示为“SIL”)或者固体浸没式反射镜(下面将表示为“SIM”)作为在高密度下记录和/或读取信号的光学元件，并且采用近场边缘光束读取比以前具有更高数值孔径(NA)的信号。
另一方面，为了测量待测物体的形状，已提出在干涉显微镜的端部设置金属针。
金属针是尖端锐利至具有大约100nm的顶点。该尖端与待测物体表面上非常薄的Cr涂层产生电磁相互作用。该相互作用的大小取决于尖点和Cr涂层之间地距离。
聚焦在尖点的光由于上述电磁作用而产生相位偏移。波动相移约等于10-8/，但是该相移可用尖点和来自远端位置光之间的相差干涉加以检测。(参照作者为F.Zenhausern，M.P.O’Boyle和H.K.Wickeramasinghe，在1994年9月2日Appl Phys.Lett.65(13)上发表的题为“Apertureless near-field OpticalMicroscope’和作者为Y.Martin，S.Rshton和H.K.Wickeramasinghe，在1997年7月7日Appl.Phys.Lett.71(1)上发表的题为“Optical Data Storage Read Out at256Gbits/sq.in.”的文章，)。
希望上述理论能够用于检测比SIL和SIM所检测的更高分辨率的信号。可是，该理论还没有在光学记录领域中实际采用。例如，为有效实现该理论，悬臂不得不总是距光盘表面一恒定的距离。在上述文献已公开的方法中，对光盘照明的激光并不是来自悬臂后面的读取光束，并且按照激光束的运动进行伺服控制，以控制尖点和光盘之间的距离为数十nm。但是，由于悬臂移动缓慢，不可能进行高速读取。
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，在光记录领域中简便地引入上述理论。
更具体地说，本发明的目的是提供一种能够检测比由光学系统聚焦光斑小的标记的光学元件，应用该光学元件的光学头和应用该光学头的信号重放方法。
上述目的可通过提供一种光学元件来实现，该光学元件具有埋入透镜表面基本上与之垂直的导电元件，并且导电元件的直径和宽度比透镜表面上光斑的直径和宽度小。
上述目的也可以通过提供一种光学头来实现，该光学头具有设置在滑动器上的光学元件，通过用读取光束照射光学记录介质来读取信号，光学元件包括埋入透镜表面基本上与之垂直的导电元件，该导电元件的直径或宽度小于透镜表面光斑的直径。
另外，上述目的可通过提供信号重放方法来实现，按照本发明该方法包括步骤为：分离来自相同光源的激光束，使其入射到光学元件上，在光学元件的焦平面上形成两个光斑，在其中一个光斑的相应位置处设置一个导电元件，其直径或宽度小于光斑的直径，并且拾取入射在导电元件上的光斑作为检测光束，同时拾取另一光斑作为参考光束，以及在从光记录介质返回光束之间的干涉效应下读取信号。
替代地，上述目的也可通过提供信号重放方法达到，按照本发明的方法包括如下步骤：用激光束照射光学元件，在由激光束产生的光斑中心位置设置导电元件，并向导电元件提供高频电流，以及通过提取与该高频同等的信号并读取记录在光记录介质中的信号来检测在光记录介质上的导电材料和导电元件之间的相互作用。
本发明的基本原理是检测由埋入光学元件中的导电元件和光学记录介质表面上的导电材料之间产生的电磁相互作用引起的光束的微小相位改变。
导电元件具有比透镜表面上光斑直径小的直径或宽度。因此，能够检测出比光斑小的标记。
另外，埋入的导电元件与光学元件结合为一体。这样，光学头不需要复杂的伺服控制结构，并且能够实现高速读取信号。
本发明的这些目的和其他的目的、特点和改进将通过下面结合附图详加描述的光学元件、光学头和信号重放方法的最佳实施例更多地显示出来。
图1是埋入金属的SIL实例的结构简图；
图2是埋入金属的SIL另一实例的结构简图；
图3是掺入精细Si的SIL实例的结构简图；
图4是埋入透明导电材料的SIL实例的结构简图；
图5是超SIL实例的结构简图；
图6是SIM实例的结构简图；
图7是埋入导电元件的SIL实例的结构简图；
图8是按照本发明光学头结构实例的示意图；
图9是在光学头上设置有SIM实例的侧视图；
图10是图9中光学头面对光学记录介质一侧的平面示意图；以及
图11是按照本发明SIL设置在光学头上的实例的结构简图。
参照图1到4，它们图示了光学元件的多个实施例，其中每个光学元件具有埋入在半球面镜中的导电元件。半球面镜是能够采用SIL进行近场相位检测的典型透镜。
例如图1所示的光学元件中，在半球面镜L的光轴中心埋入圆锥形金属件M作为导电元件。图2所示光学元件具有在其半球面镜L中埋入作为导电元件的金属零件M，其直径向半球面镜L的端部阶梯状逐渐减少。
图3所示是具有在半球面镜L中埋入精细类金属件S(例如Si)，直径为数百nm的光学元件的实施例。图4所示是在半球面镜L的光轴中心埋入圆锥形透明导电材料T作为导电元件的光学元件的实施例。
在上述任一光学元件中，所埋入的导电元件(金属件M，类金属件S和透明导电材料T)的端部直径比通过半球面镜L在焦平面上所聚焦光斑的直径小，并且端点导向半球面镜L焦平面F的光斑中。
应注意在SIL如上述每一光学元件中，光束垂直入射到半球面镜L上。这时，在半球面镜底部(焦平面F)上的光斑直径等于1.22×(波长/NA(数值孔径))，其中NA是nSinθ(其中n为折射率)。
在上述光学元件的结构中，导电元件(金属件M，类金属件S或透明导电材料T)应形成这样的形状使其不干扰入射到半球面镜L的光束，也就是说，不对光束产生折射或者不影响反射光束的轨迹。
这样，由于光轴的中心部分在入射透镜前被金属或者类金属件切断，因此，在透镜底部(焦平面F)上的光斑是一个极高分辨率的光斑。
透明导电材料T当其是圆锥形时也不影响光束的轨迹。
由于大约所用波长一半的几何误差不影响光束从而是允许的，因此可以埋入例如直径为数百nm的金属球。
本发明除了前述SIL之外也可采用如图5所示的超SIL和如图6所示的SIM，并且还可采用一物镜。
当上述光学元件用于读取例如在光盘中的凹坑和凹槽时，在埋入光学元件中的导电元件和涂覆在光盘表面的记录层(如Cr)之间将产生电磁相互作用。电磁相互作用的大小取决于导电元件和涂层光盘表面的Cr之间的距离。
当光束聚焦在尖端(导电元件的端部)时，由于上述电磁相互作用使聚焦光束产生光波的相移。通过用与参考光的相差干涉效应检测该相移，可以以导电元件端部直径作为分辨率来读取信号，并且可读取比聚焦光斑小的凹坑和凹槽。更具体地说，分离来自同一光源的激光束使其入射在光学元件上，从而在光学元件的焦平面上形成两个光斑，在其中一个光斑相应位置处设置直径或宽度小于光斑直径的导电元件，拾取入射在导电元件上的光斑作为检测光束，同时拾取另一光斑作为参考光束，并且在从光记录介质返回光束的干涉效应下读取信号。
所测量的相移由下述等式表示。Δφ=59(ka)3NA2n2Re[x1,x2]]]>
其中a：探针的端点直径
NA：透镜的数值孔径
x1，x2：磁化因子。
可以看出，Si的磁化因子x是14.0＋14i相移Δφ取决于其涂覆在光盘表面上Cr的x(＝-1.4＋37.4i)的乘积。
因此，对于磁化因子x的虚部较大的导电材料例如Au(x＝0.188＋5.39i)或Al(x＝2.80＋8.45i)，用作除Cr和Si外的导电元件(金属件M，类金属件S或透明导电材料T)是有利的。
如上述任一导电材料，可穿过SIL的聚焦平面F上的光斑P设置数百nm宽的导线W，如图7所示。在该实施例中，在导线W的相对端设置电极D1和D2使电流通过导线W，因此可增强电磁作用。
例如，激光射到SIL上，给导线W提供一高频电流，拾取与该高频同步的信号以检测光盘表面上的导电材料和导线W之间的相互作用，这样记录在光记录介质上的信号能够以高灵敏度读取。
应该注意通过这样布置，激光束偏转表面的方向和电流方向基本上相互垂直，或者平行，因此，可精确检测在光记录介质中记录层的偏转表面变化。
另外，由于在读取信号的同时在垂直导线W的方向移动光学元件，可达到与导线W宽度相同的读取信号分辨率。
下面将描述应用上述光学元件的光学头，和应用该光学头的信号重放方法。
参照图8，它图示了按照本发明光学头的实施例，其中滑动器和光学元件被整体地设置，并且光学元件中埋入一个导电元件。
光学头包括作为透镜使用的玻璃滑动器1，和埋入滑动器1中的金属零件2。在该光学头中，从激光二极管LD发射的激光束经光束分离器BS和聚光透镜L1射向玻璃滑动器1，并且聚焦在光学记录介质3的表面上，从而从光学记录介质3上读取信号。
在该实施例中，从激光二极管LD发射的激光被设在光束分离器BS和聚焦透镜L1之间的沃拉斯通棱镜4以微小角度分离。其中一束分离光束聚焦在金属件2的端点作为检测光束HK，而另一束光作为参考光束HS聚焦在离开金属件2焦点的位置上。
应该注意图8中，聚焦透镜L1和玻璃滑动器1显示成似乎互相分离，但是它们应当连成一体。
从光记录介质3返回的光束经光束分离器BS导向光检测器PD，返回光束也被沃拉斯通棱镜5分离。
当用这种结构的光学头从光记录介质3读取的信号时，检测光束HK和参考光束HS之间的相位差由干涉量度法检测出来。
金属件2端点和光记录介质表面上的记录层(导电层)之间的距离，随着由金属件2的端点相对的光记录介质3上凹坑的凸形到其相对另一凹坑的凸形的变化而变化。这样，电磁作用幅度将是变化的，所以相移将有微小的差异。
相移差异由对凹坑(信号)的快速存取干涉检测出来。
图9和10所示是设有SIM的光学头的实施例，如图所示，在该光学头中，SIM22安装在玻璃滑动器21上并且用粘合剂固定其上。
玻璃滑动器21支撑在悬置装置23上并且安装在光盘驱动器或类似的装置上。
玻璃滑动器21厚度为291μm并且能够浮起60nm。
玻璃滑动器21的一侧21a面对光记录介质。侧面21a由轨道表面24，前阶25和真空通道26组成。轧面24是凸面，前阶25从轧面24处下凹约3μm。
因此，当玻璃滑动器21浮起时，轨道表面24将最靠近光盘表面。
真空通道26有一与轨道表面24等高的中心岛部27，并且与SIM22的底部(焦平面)相对。300nm的Si导线28设在中心岛部27上。
Si导线28，检测光斑29和参考光斑30互相之间的位置关系如图所示。也即，Si导线28穿过检测光斑29设置，参考光斑30离开Si导线28。
另外，Si导线28分别具有连接在其两侧的引线31和32，使得电流可提供给Si导线28。引线31和32设在真空通道的底部，以不影响玻璃滑动器21的浮起，并且在中心岛部27的中心和轨道表面上形成用于设置Si导线28的300nm宽的凹槽。
Si导线28可以通过如下步骤形成，即例如形成玻璃滑动器21，接着通过模制形成300nm宽和500nm深的凹槽，溅射Si，以移开的方法去除凹槽之外的Si材料，然后例如压边磨光。
SIL可以类似地构造。图11表示SIL的实例，其中半球面镜41埋入透镜基底42中，并与聚焦透镜基底43成为一体。
在该光学头中，如这种结构的光学系统向透镜投射由沃拉斯通棱镜分离微小角度的平行光，在滑动器的底面上由透镜聚焦的点形成一光斑。
在滑动器的底面上，在SIM滑动器的实例中光斑的尺寸为0.6μm(NA＝1.3)。在SIL滑动器的实例中是0.7μm(NA＝1.0)
两个光斑相互离开约2μm。光盘在其透镜基底形成长度50nm的坑和脊，并且在其表面上也形成50nm厚的Cr涂层。
滑动器在光盘上被抬起40nm(以10m/s的线速度)。
当对引线提供100MHz到4GHz(f0)(比读取速率足够高)的高频弱电流时，以高频(f0)对两个分离光束之差进行同步来获取信号，从而能够在光盘上检测与50nm标记长度相应的随机图纹。
类似地，按照本发明，通过在上述基底上和相变型光盘上形成的坑和脊记录信息，可检测记录在光盘上的记录标记。在相变型光盘中，不同的记录标记相互折射率不同，是光热式形成在相变材料如GeSbTe所构成的信号记录层上的。在相变型光盘中不同的折射率意味着磁化因子x的不同，因此，按照本发明，用上述相同方式，能够检测在相变型光盘中形成的凹坑长度较小的记录标记。
类似地，通过采用高透过材料如坡莫合金(Permalloy)或铁磁性材料如铁形成导电元件，可以检测在磁光记录介质上或者磁性记录介质上的精细磁畴。
例如，宽度为200nm的坡莫合金件设置在滑动器的底部，且对坡莫合金零件提供高频电流。由于光盘上磁畴上下运动所形成的局部微磁场会使磁场分布产生微小变化。该磁场分布的变化由于光的相互作用而可以作为光束相位变化被检测出来。
如上所述，利用由近场光学系统确定的光斑和比聚焦在光盘上的光斑小的导电元件，能够检测在光盘上10nm左右的坑和脊以及在磁记录介质上的微细磁畴。
从上述描述中可看到，按照本发明，能够检测比光点更细微的标记。
另外，本发明不需要复杂的伺服控制结构，并实现高速读取。